燃料電池
【課題】燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂けることを抑制する。
【解決手段】電解質膜を有する燃料電池であって、前記電解質膜の温度を取得する温度取得部と、前記電解質膜の湿度を取得する湿度取得部と、前記電解質膜の温度と湿度とのうちの少なくとも一方を用いて前記電解質膜のクリープ変形量を算出するクリープ変形量算出部と、前記クリープ変形量の累積値を算出する累積値算出部と、前記累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発する警告報知部と、を備える。
【解決手段】電解質膜を有する燃料電池であって、前記電解質膜の温度を取得する温度取得部と、前記電解質膜の湿度を取得する湿度取得部と、前記電解質膜の温度と湿度とのうちの少なくとも一方を用いて前記電解質膜のクリープ変形量を算出するクリープ変形量算出部と、前記クリープ変形量の累積値を算出する累積値算出部と、前記累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発する警告報知部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂けることを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜の面内方向への変位量に基づいて乾燥状態を検出する技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００７／０５２５００Ａ１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池を長期間使用すると、電解質膜に引っ張り方向の応力が加わり、クリープ変形して電解質膜が裂ける場合がある。電解質膜が裂けると反応ガスが電解質膜を透過する。しかし、この電解質膜の裂けを事前に検知し、あるいは抑制することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂けることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
電解質膜を有する燃料電池であって、前記電解質膜の温度を取得する温度取得部と、前記電解質膜の湿度を取得する湿度取得部と、前記電解質膜の温度と湿度とのうちの少なくとも一方を用いて前記電解質膜のクリープ変形量を算出するクリープ変形量算出部と、前記クリープ変形量の累積値を算出する累積値算出部と、前記累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発する警告報知部と、を備える燃料電池。
この適用例によれば、燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂ける前に警報を発することができるので、電解質膜が裂けることを抑制することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記クリープ変形量算出部は、前記温度と前記湿度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための算出手段を備える、燃料電池。
この適用例によれば、前記温度と前記湿度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための算出手段を備えるので、クリープ変形量の算出の精度を向上させることが出来る。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池において、前記クリープ変形量算出部は前記算出手段として、前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出するための第１の算出手段と、前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための第２の算出手段と、を有しており、前記クリープ変形量算出部は、前記第１の算出手段を用いて前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出し、前記第２の算出手段を用いて前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出し、前記単位時間当たりのクリープ変形量を時間積分することにより前記クリープ変形量を算出する、燃料電池。
この適用例によれば、第１の算出手段により引張応力を算出し、第２の算出手段により単位時間当たりのクリープ変形量を算出し、単位時間当たりのクリープ変形量を時間積分するので、クリープ変形量の算出の精度を向上させることが出来る。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、クリープ変形速度が予め定められた速度以上となる判定温度を予め求めておき、前記累積値算出部は、前記電解質膜の温度が前記判定温度以上の場合に前記クリープ変形量を累積する、燃料電池。
この適用例によれば、温度が低いときは、クリープ変形の応力に与える影響が少ないので、温度が高く、クリープ変形量が大きいときのみクリープ変形量を累積すればよい。
【００１１】
［適用例５］
適用例１から適用例４のうちのいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記電解質膜の外縁部に、前記クリープ変形を緩和するための変形層を有する、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜の応力を変形層で和らげることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例５に記載の燃料電池において、前記電解質膜は表面に触媒層を有しており、前記変形層の厚さは、前記触媒層の厚さよりも厚く形成されている、燃料電池。
この適用例によれば、変形層の厚さが触媒層の厚さよりも厚く形成されているので、変形層が裂けにくい。
【００１３】
［適用例７］
適用例６に記載の燃料電池において、前記変形層は、前記電解質膜と同じ電解質成分を有する、燃料電池。
この適用例によれば、変形層の方が厚くかつ変形層と電解質膜とが同じ電解質成分でできているので、電解質膜よりも変形層の方が変形しやすく、電解質膜に応力が掛かりにくくすることができる。
【００１４】
［適用例８］
適用例５に記載の燃料電池において、前記変形層は、保護フィルムを備える、燃料電池。
この適用例によれば、変形層は保護フィルムを備えているため、変形層が伸びた場合であっても、変形層は破れ難く、反応ガスを透過させ難くできる。
【００１５】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池の制御方法、燃料電池用膜電極接合体等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施例にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池セルの構成を模式的に示す説明図である。
【図３】電解質膜の温度と電解質膜に加える応力と電解質膜のクリープ変形速度との関係を示すグラフの一例である。
【図４】電解質膜の湿度（含水率）と引張応力の関係を示す説明図である。
【図５】電解質膜の電気伝導度と湿度の関係を示す説明図である。
【図６】電解質膜の比抵抗と湿度の関係を示す説明図である。
【図７】燃料電池の運転時の動作フローチャートである。
【図８】電解質膜の温度とクリープ変形速度の関係を示す説明図である。
【図９】本実施例の変形例の動作フローチャートである。
【図１０】別の変形例の動作フローチャートである。
【図１１】第３の実施例の膜電極接合体を示す説明図である。
【図１２】図１０の膜電極接合体にガス拡散層が配置された状態を示す説明図である。
【図１３】燃料電池セルの高温時に変形層が電解質膜の平面方向に伸びた状態を示す説明図である。
【図１４】第４の実施例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料タンク２００と、エアポンプ３００と、制御部４００と、警報報知器４２０と、を備える。燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電力を発生させる装置である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０（「発電ユニット１１０」とも呼ぶ。）と、エンドプレート１９０と、を備える。複数の燃料電池セル１１０は、積層して配置されており、エンドプレート１９０は、積層された燃料電池セル１１０の積層方向の両端に配置されている。各燃料電池セル１１０は、燃料電池セル１１０内の電解質膜（図示せず）の温度を測定するための温度計５１０と、電解質膜の湿度を測定するための湿度計５２０と、を備える。
【００１８】
燃料タンク２００は、燃料電池１００に供給される燃料ガスを貯蔵している。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いている。燃料タンク２００と燃料電池１００とは、燃料ガス供給管２１０により接続されている。燃料ガス供給管２１０には、燃料ガスの湿度を測定するための湿度計５３０が配置されている。燃料電池１００の下流側には、燃料排ガスを大気に放出するための燃料ガス排気管２２０が配置されている。燃料ガス供給管２１０には、燃料電池１００に供給する燃料ガスの圧力を調整するための調圧弁や、燃料電池１００の発電停止中に燃料電池１００への燃料ガスの供給を停止するための主止弁が配置されていてもよい。また、燃料ガス排気管２２０には、燃料ガス排気弁が設けられていてもよい。
【００１９】
エアポンプ３００は、燃料電池１００の供給するための空気を圧縮する。すなわち、本実施例では、酸化ガスとして、空気（空気中の酸素）を用いている。エアポンプ３００と、燃料電池１００とは、酸化ガス供給管３１０により接続されている。酸化ガス供給管３１０には、酸化ガスの湿度を測定するための湿度計５４０が配置されている。燃料電池１００の下流側には、酸化排ガスを大気に放出するための酸化ガス排気管３２０が配置されている。なお、酸化ガス供給管３１０には、燃料電池１００の発電停止中に、燃料電池１００とエアポンプ３００との間の空気の移動を制限するための酸化ガス主止弁や、エアポンプ３００による圧縮により高温となった酸化ガスを冷却するためのインタークーラーが設けられていてもよい。酸化ガス排気管３２０には、酸化ガス排気弁が設けられていてもよい。
【００２０】
制御部４００は、クリープ変形量算出部４０１と、クリープ変形量累積部４０２と、記憶部４１０を備えている。記憶部４１０は、電解質膜の温度と湿度との少なくとも一方から電解質膜のクリープ変形量を算出するための算出手段を格納する。制御部４００は、燃料電池１００の発電動作を制御するとともに、電解質膜の温度と湿度を取得する。また、制御部４００は、電解質膜のクリープ変形量の累積値から電解質膜の裂けを、電解質膜が裂ける前に予測する。クリープ変形量算出部４０１は、温度計５１０、湿度計５２０から燃料電池セル１１０内の電解質膜（図示せず）の温度と湿度とを取得し、記憶部４１０の算術手段を用いて、電解質膜の温度と湿度との少なくとも一方から電解質膜のクリープ変形量を算出する。クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量を累積する。なお、制御部４００は、燃料ガス供給管２１０に配置された湿度計５３０及び酸化ガス供給管３１０に配置された湿度計５４０から得られた反応ガスの湿度から、電解質膜の湿度を算出してもよい。
【００２１】
警報報知器４２０は、制御部４００に接続されている。制御部４００が、電解質膜の裂けを事前に検知した場合には、制御部４００からの指示を受けて、利用者に警報を発する。
【００２２】
図２は、燃料電池セルの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池セル１１０は、膜電極接合体１２０と、カソードガス拡散層１３２と、アノードガス拡散層１３３と、カソードセパレータプレート１４２と、アノードセパレータプレート１４３と、ガスケット１６０と、を備える。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、カソード触媒層１２２と、アノード触媒層１２３と、を備える。
【００２３】
電解質膜１２１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード触媒層１２２とアノード触媒層１２３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。カソード触媒層１２２は電解質膜１２１の一方の面に形成され、アノード触媒層１２３は、電解質膜１２１の他方の面に形成されている。
【００２４】
カソードガス拡散層１３２は、カソード触媒層１２２に接するように配置されている。アノードガス拡散層１３３は、アノード触媒層１２３に接するように配置されている。カソードガス拡散層１３２、アノードガス拡散層１３３は、燃料ガスや酸化ガスを通過させるとともに、これらのガスを拡散させてそれぞれカソード触媒層１２２とアノード触媒層１２３に供給するための部材であり、例えば、チタン製などの金属あるいは導電性樹脂で形成された多孔体を用いることができる。また、カソードガス拡散層１３２、アノードガス拡散層１３３として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いてもよい。
【００２５】
カソードセパレータプレート１４２は、金属製の平板形状の部材であり、カソードガス拡散層１３２と接するように配置されている。カソードセパレータプレート１４２は、カソードガス拡散層１３２と接する面に、溝１４４を有しており、溝１４４は、酸化ガス流路１５２を形成している。アノードセパレータプレート１４３は、金属製の平板形状の部材であり、アノードガス拡散層１３３と接するように配置されている。アノードセパレータプレート１４３は、アノードガス拡散層１３３と接する面に、溝１４５を有しており、溝１４５は、燃料ガス流路１５３を形成している。
【００２６】
温度計５１０は、電解質膜１２１の内部に配置され、電解質膜１２１の温度を測定する。温度計５１０として、熱電対温度計を用いることが出来る。熱電対温度計では、電圧や電流が測定されるので、制御部４００は、これらの電圧や電流から温度を算出する。なお、熱電対温度計の他、や、白金抵抗温度計を用いてもよい。湿度計５２０は、電解質膜１２１の内部に配置され、電解質膜１２１の湿度を測定する。湿度計５２０は、電解質膜１２１の電導度あるいは抵抗を測定し、制御部４００は、電導度あるいは抵抗値と、電解質膜１２１の温度と、を用いて電解質膜１２１の湿度を算出する。なお、制御部４００は、電圧、電流から電解質膜の温度を求める際に、あるいは、電導度と、電解質膜１２１の温度や電解質膜１２１の湿度を求める際に、演算による算出手段の他、マップを用いてもよい。これらのマップは、記憶部４１０（図１）に格納される。したがって、請求項２、３に記載の算出手段には、演算による算出手段の他、マップも含まれる。
【００２７】
図３は、電解質膜の温度と、電解質膜に加える応力と、電解質膜のクリープ変形速度との関係を示すグラフの一例である。横軸は引張応力［ＭＰａ］であり、縦軸はクリープ変形速度［１／ｍｉｎ］である。ここで、分子の［１］は、１００％（＝１）を意味する。例えば、電解質膜を１００℃で引張応力５［Ｍｐａ］で引っ張ったとき、電解質膜は、３［１／ｍｉｎ］（＝３００［％／ｍｉｎ］）の速度でクリープ変形する。ここで、クリープ変形について説明する。部材に応力を加えると部材は変形する。大きな応力を加えると、それだけ大きく変形し、ある程度の応力（いわゆる弾性限）を超えると、あとから応力を除いてもそのまま変形が残る塑性変形が生じる。逆に、応力が小さければ、変形が起こりにくい。しかしながら、ある温度では、塑性変形が生じないような小さな応力しかかかっていなくても、温度が上昇すると、時間をかけてゆっくりと着実に変形が進行するようになる。この時間の経過と共に徐々に進行する塑性変形を、クリープ変形と呼ぶ。
【００２８】
図３に示すグラフは、以下のようにして作成することができる。燃料電池１００あるいは燃料電池セル１１０に取り付けられていない電解質膜１２１を準備する。所定の湿度（図３の例では、１５％）所定の温度（例えば３０℃）において電解質膜１２１に引張応力を印加し、電解質膜１２１のクリープ変形速度を測定する。次に、電解質膜１２１の湿度あるいは、温度を変えて（例えば、６０℃、８０℃、１００℃）同様に、クリープ変形速度を測定する。そして、応力とクリープ変形速度の関係を、湿度毎、温度毎にマップ化する。一般に、温度が高いほどクリープ変形速度は大きくなる。
【００２９】
図４は、電解質膜の湿度（含水率）と引張応力の関係を示す説明図である。一般に、電解質膜１２１は、乾燥すると縮むため、電解質膜１２１に引張応力がかかる。電解質膜１２１の温度を６０℃として、湿度１００％（含水率１００％）の時の応力を０［Ｍｐａ］とし、電解質膜１２１の水分を蒸発させて徐々に乾燥し、電解質膜１２１に掛かる応力を測定する。次に湿度と応力との関係をマップ化する。なお、図４では、電解質膜１２１の温度が６０℃のときのデータのみ示しているが、図３のときと同様に他の温度（例えば、３０℃、８０℃、１００℃）についても同様のマップを作成してもよい。図３、図４に示すマップは、制御部４００の記憶部４１０（図１）に格納され、制御部４００は、燃料電池の温度、湿度から図３、図４に示すマップを用いて、電解質膜１２１のクリープ変形速度を算出する。
【００３０】
図５は、電解質膜の電気伝導度と湿度の関係を示す説明図である。一般に、電解質膜１２１の湿度と電気伝導度の間には、一定の関係があり、電解質膜１２１の湿度が大きいと電解質膜１２１の電気伝導度が大きく、電解質膜１２１の湿度が小さいと電気伝導度も小さい。したがって、電解質膜１２１の電気伝導度を測定することにより、電解質膜１２１の湿度を算出することができる。
【００３１】
図６は、電解質膜の比抵抗と湿度の関係を示す説明図である。電気伝導度の逆数が比抵抗であるため、電気伝導度の代わりに比抵抗を測定してもよい。電解質膜１２１の湿度が大きいと電解質膜１２１の比抵抗が小さく、電解質膜１２１の湿度が小さいと比抵抗が大きい。
【００３２】
図７は、燃料電池の運転時の動作フローチャートである。ステップＳ７００では燃料電池１００（燃料電池セル１１０）を始動する。制御部４００（図１）は、燃料タンク２００から燃料電池１００に対して燃料ガスを供給させるとともに、エアポンプ３００から燃料電池１００に対して酸化ガス（空気）を供給させることにより、燃料電池１００に対し発電を実行させる。
【００３３】
ステップＳ７１０では、制御部４００は、温度計５１０を用いて、電解質膜１２１の温度を取得する。燃料電池１００が発電を実行すると、電気化学反応による反応熱で燃料電池セル１１０（電解質膜１２１）の温度が上昇する。ステップＳ７２０では、制御部は、湿度計５２０を用いて、電解質膜１２１の湿度を取得する。電解質膜１２１の温度が上昇すると、電解質膜１２１から水分が蒸発する。一方、電気化学反応により、水が生成する。
【００３４】
ステップＳ７３０では、制御部４００のクリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１に働く引張応力を算出する。具体的には、クリープ変形量算出部４０１は、ステップＳ７１０で取得した電解質膜１２１の温度と、ステップＳ７２０で取得した電解質膜１２１の湿度と、記憶部４１０に格納された図４に示すマップと、を用いて、電解質膜１２１に掛かる引張応力を算出する。
【００３５】
ステップＳ７４０では、クリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１のクリープ変形量を算出する。具体的には、クリープ変形量算出部４０１は、ステップＳ７１０で取得した電解質膜１２１の温度と、ステップＳ７３０で算出した引張応力と、記憶部４１０に格納された図３に示すマップと、を用いて、電解質膜１２１のクリープ変形速度を算出し、次いで、クリープ変形速度を積分することによりクリープ変形量を算出する。ここで、一般に電解質膜１２１は、定常状態で使用されている場合には、クリープ変形速度が小さく、クリープ変形量が大きくなる前に応力（乾燥を起因とする引張応力）が緩和し、これ以上クリープ変形し難くなる。
【００３６】
ステップＳ７５０では、制御部４００のクリープ変形量累積部４０２は、電解質膜１２１の算出したクリープ変形量の累積値を記憶部４１０に格納する。具体的には、クリープ変形量累積部４０２は、今回の燃料電池１００の始動（ステップＳ７００）前に記憶部４１０に格納されていたクリープ変形量の累積値に、ステップＳ７４０で算出したクリープ変形量を加え、新たなクリープ変形量の累積値として、記憶部４１０に格納する。
【００３７】
ステップＳ７６０では、制御部４００は、クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値を超えているか、否か、を判断する。クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値を超えている場合には、制御部４００は、処理をステップＳ７７０に移行し、警報報知器４２０を用いて、ユーザー（例えば運転手）にアラームで知らせる。クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値を超えていない場合には、制御部４００は、警報を報知しない。ステップＳ７８０では、制御部４００は、ユーザーの指示により、燃料電池１００の運転を停止する。
【００３８】
なお、クリープ変形量算出部４０１は、ステップＳ７４０において、電解質膜１２１のクリープ変形量を算出しているが、電解質膜１２１が高温の場合、１回のクリープ変形量だけで判定値を越える場合がありえる。しかし、かかる場合であっても、クリープ変形量累積部４０２、制御部４００は、それぞれステップＳ７５０、Ｓ７６０の処理を実行すればよい。
【００３９】
以上本実施例によれば、クリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１の温度、湿度を用いて、電解質膜１２１のクリープ変形速度を算出し、クリープ変形速度を積分することによりクリープ変形量を算出する。クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量の累積値を算出する。制御部４００は、この累積値が予め定められた判定値を越えたか否かによりユーザーにアラーム（警報）を発するか否かを判断する。そのため、制御部４００は、電解質膜１２１が裂ける前に、ユーザーに警報を発することができるので、電解質膜１２１が裂けることを抑制することが可能となる。
【００４０】
なお、上記説明では、電解質膜１２１の温度と湿度の両方を用いてクリープ変形量を算出しているが、いずれか一方のみを用いてクリープ変形量を算出してもよい。かかる場合、例えば、平均湿度や平均温度を用いたマップを作成してもよい。なお、電解質膜１２１の温度と湿度の両方を用いた方がより正確に警報を発することが可能である。
【００４１】
上記説明では、クリープ変形量を算出する算出手段としてマップを用いているが、演算による算出手段を用いてもよい。
【００４２】
［第２の実施例］
図８は、電解質膜の温度とクリープ変形速度の関係を示す説明図である。第１の実施例で説明したように、クリープ変形速度は、電解質膜１２１の温度が高いほど大きい。ところで、電解質膜１２１では、応力が加わった場合、数分間で応力緩和が発生する。応力によりクリープ変形が生じても、応力緩和が起こると、電解質膜１２１には、ほとんど応力が掛からなくなる。このため、破断変形量が３００％程度の電解質膜の場合、例えば、クリープ変形速度が１％／ｍｉｎ以下の場合、電解質膜１２１に対するクリープ変形の影響が小さいと判断できる。したがって、クリープ変形速度が予め定められた閾値以下の場合には、クリープ変形量を累積しなくてもよい。
【００４３】
図８において、電解質膜Ａのクリープ変形速度が１％／ｍｉｎとなる温度は８２℃である。したがって、電解質膜１２１として電解質膜Ａを用いた場合、クリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１の温度が８２℃未満の場合には、クリープ変形量を算出せず、クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量の累積を行わなくてもよい。一方、電解質膜Ｂのクリープ変形速度は、どの温度領域でも１％／ｍｉｎ以上である。したがって、電解質膜１２１として電解質膜Ｂを用いた場合、電解質膜１２１の温度が低温である場合以外は、クリープ変形量算出部４０１は、クリープ変形量を算出し、クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量の累積を行う。なお、クリープ変形速度の判定値、温度は、使用する電解質膜により異なるので、予め実験により求めておくことが好ましい。
【００４４】
［変形例］
図９は、本実施例の変形例の動作フローチャートである。上記実施例では、制御部４００は、湿度計５２０を用いて電解質膜１２１の湿度を取得している。ここで、燃料電池では、燃料電池セル１１０の運転状態から、電解質膜１２１の湿度を算出することが可能である。例えば、制御部４００は、燃料電池セル１１０の発電量から、電気化学反応により電解質膜１２１に生じる生成水量を算出することができる。また、制御部４００は、電解質膜１２１の温度及び反応ガスの流量を用いて、電解質膜１２１から持ち去られる生成水の量を算出することができる。したがって、制御部４００は、電解質膜１２１に生じる生成水量と、電解質膜１２１から持ち去られる生成水量と、を用いて、電解質膜１２１の湿度を算出することができる。
【００４５】
図９に示すフローチャートは、ステップＳ９２０を除き、図７に示すフローチャートの動作と同じであるので、ステップＳ９２０についてのみ説明する。ステップＳ９２０では、制御部４００は、燃料電池セル１１０の運転状態から、電解質膜１２１の湿度を算出する。
【００４６】
アノード触媒層１２３では、式（１）に示すアノード反応が起こり、カソード触媒層１２２では、式（２）に示すカソード反応が起こる。そして、この反応により、１モルの水素が反応すると、２Ｆ（１９３００Ｃ）の電荷が流れ、１モルの水が生成する。したがって、燃料電池１００の発電により流れた電流量から、生成した水の量を算出することが出来る。
アノード反応： Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （１）
カソード反応： （１／２）Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２０ （２）
【００４７】
また、電解質膜１２１の表面から蒸発する水の量は、電解質膜１２１の温度と、電解質膜表面の反応ガスの流量に依存する。したがって、電解質膜１２１の温度及び電解質膜表面の反応ガスの流量と、電解質膜１２１の表面から蒸発する水の量との関係を予め実験により求めておき、マップとして記憶部４１０に格納しておく。制御部４００は、このマップを用い、電解質膜１２１の温度と電解質膜表面の反応ガスの流量とから、電解質膜１２１の表面から蒸発する水の量を算出する。制御部４００は、電気化学反応により生成した水の量と、電解質膜１２１から蒸発する水の量と、の差分から、電解質膜１２１の湿度を算出する。
【００４８】
以上、本変形例によれば、燃料電池セル１１０の運転状態から、電解質膜１２１の湿度を算出する。そして、電解質膜１２１の温度と湿度とから、電解質膜１２１のクリープ変形速度、クリープ変形量及びクリープ変形量の累積値を求めて、ユーザーに対し警告を発することができる。
【００４９】
図１０は、別の変形例の動作フローチャートである。この変形例では、制御部４００は、誤動作により反応ガスの流量が大きくなってしまったときに、アノード極とカソード極のガスの圧力差から電解質膜１２１に発生する応力を算出する。燃料電池１００に流れる反応ガスの流速Ｖと差圧ΔＰとの間には、差圧ΔＰは流速の２乗に比例するという関係がある。ここで、流速Ｖは、燃料電池セル１１０に供給される反応ガスの流量と、カソードガス拡散層１３２、アノードガス拡散層１３３のガス流路の大きさにより定まる。
【００５０】
図１０に示すフローチャートは、ステップＳ１０２０、ステップＳ１０３０を除き、図７に示すフローチャートの動作と同じであるので、ステップＳ１０２０、Ｓ１０３０についてのみ説明する。ステップＳ１０２０では、制御部４００は、燃料電池セル１１０への反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の流量を取得する。例えば、制御部４００は、燃料ガス供給管２１０及び酸化ガス供給管３１０に配置された流量計より反応ガスの流量を取得することができる。ステップＳ１０３０では、制御部４００は、カソード、アノードそれぞれについて、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれの流量とそれぞれのガス流路の大きさとを用いて、燃料ガス及び酸化ガスの流速を算出する。そして、燃料ガス及び酸化ガスの流速からそれぞれの差圧を算出し、電解質膜１２１のカソード側の圧力と、電解質膜１２１のアノード側の圧力を算出する。そして、制御部４００は、電解質膜１２１のカソード側の圧力と、電解質膜１２１のアノード側の圧力とから電解質膜１２１に掛かる応力を算出する。
【００５１】
以上、本変形例によれば、誤動作により反応ガスの流量が大きくなってしまったときであっても、アノード極とカソード極のガスの圧力差から電解質膜１２１に発生する応力を算出し、電解質膜１２１の温度と応力とから、電解質膜１２１のクリープ変形速度、クリープ変形量及びクリープ変形量の累積値を求めて、ユーザーに対し警告を発することができる。
【００５２】
［第３の実施例］
図１１は、第３の実施例の膜電極接合体を示す説明図である。第１、第２の実施例では、電解質膜１２１がクリープ変形し、クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値以上となった場合に警告を発する構成であるが、第３の実施例では、電解質膜１２１のクリープ変形が生じても電解質膜に掛かる応力を抑える構成を採用する。
【００５３】
第３の実施例の膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１の外縁部両面にそれぞれ額縁状の変形層１２４、１２５を備える。変形層１２４、１２５は、電解質膜１２１と同じ電解質成分を有している。変形層１２４は、カソード触媒層１２２よりも厚く形成され、変形層１２５は、アノード触媒層１２３よりも厚く形成されている。
【００５４】
図１２は、図１０の膜電極接合体にガス拡散層が配置された状態を示す説明図である。カソードガス拡散層１３２は、カソード触媒層１２２及び変形層１２４の外側（図面上側）に配置され、アノードガス拡散層１３３は、アノード触媒層１２３及び変形層１２５の外側（図面下側）に配置されている。燃料電池セル１１０には、電解質膜１２１の法線方向に燃料電池セルを締結する締結力が掛かっている。ここで、変形層１２４はカソード触媒層１２２よりも厚く形成され、変形層１２５はアノード触媒層１２３よりも厚く形成されているので、変形層１２４、１２５には、カソード触媒層１２２、アノード触媒層１２３に対するよりも高い面圧が掛かる。
【００５５】
図１３は、燃料電池セルの高温時に、変形層が電解質膜の平面方向に伸びた状態を示す説明図である。燃料電池１００の発電時に、燃料電池セル１１０に高温履歴（例えば９０℃）が加わった場合、高い面圧が掛かっている変形層１２４、１２５が電解質膜１２１の平面方向に伸びる。ここで、高温環境により電解質膜１２１が乾燥し、収縮してクリープ変形しようとしても、変形層１２４、１２５が伸びるため、電解質膜１２１の引張応力を和らげる。その結果、電解質膜１２１に応力を発生させにくくすることができる。なお、電解質膜１２１の応力は、面内の外縁部に発生しやすいので、変形層１２４、１２５は、電解質膜１２１の外縁部に配置されることが好ましい。なお、変形層１２４、１２５は、カソード触媒層１２２やアノード触媒層１２３よりも厚く形成されているので、変形層１２４、１２５が伸びても、裂け難い。
【００５６】
以上、本実施例によれば、変形層１２４、１２５を備えることにより、高温履歴及び面圧が掛かったときに変形層１２４、１２５を平面方向に伸びるように変形させ、電解質膜１２１にかかる応力を和らげることができる。
【００５７】
［第４の実施例］
図１４は、第４の実施例を示す説明図である。第４の実施例の膜電極接合体１２０は、第３の実施例と比較すると、変形層１２４、１２５は薄く形成されており、変形層１２４、１２５の外側（図面の上下方向）にそれぞれ保護フィルム１２６、１２７を備えている点が異なる。保護フィルムとして、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン製の保護フィルムを採用することができる。なお、耐熱性を考慮した場合、ポリプロピレンを用いる方が好ましい。この実施例では、変形層１２４、１２５は薄くても、保護フィルム１２６、１２７を備えているため、変形層１２４、１２５が伸びた場合であっても、変形層１２４、１２５は破れ難く、反応ガスを透過させ難くできる。
【００５８】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５９】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル（発電ユニット）
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２２…カソード触媒層
１２３…アノード触媒層
１２４…変形層
１２５…変形層
１２６…保護フィルム
１３２…カソードガス拡散層
１３３…アノードガス拡散層
１４２…カソードセパレータプレート
１４３…アノードセパレータプレート
１４４…溝
１４５…溝
１５２…酸化ガス流路
１５３…燃料ガス流路
１６０…ガスケット
１９０…エンドプレート
２００…燃料タンク
２１０…燃料ガス供給管
２２０…燃料ガス排気管
３００…エアポンプ
３１０…酸化ガス供給管
３２０…酸化ガス排気管
４００…制御部
４０１…クリープ変形量算出部
４０２…クリープ変形量累積部
４１０…記憶部
４２０…警報報知器
５１０…温度計
５２０…湿度計
５３０…湿度計
５４０…湿度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂けることを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜の面内方向への変位量に基づいて乾燥状態を検出する技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００７／０５２５００Ａ１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池を長期間使用すると、電解質膜に引っ張り方向の応力が加わり、クリープ変形して電解質膜が裂ける場合がある。電解質膜が裂けると反応ガスが電解質膜を透過する。しかし、この電解質膜の裂けを事前に検知し、あるいは抑制することは困難であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂けることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
電解質膜を有する燃料電池であって、前記電解質膜の温度を取得する温度取得部と、前記電解質膜の湿度を取得する湿度取得部と、前記電解質膜の温度と湿度とのうちの少なくとも一方を用いて前記電解質膜のクリープ変形量を算出するクリープ変形量算出部と、前記クリープ変形量の累積値を算出する累積値算出部と、前記累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発する警告報知部と、を備える燃料電池。
この適用例によれば、燃料電池の電解質膜が乾燥することによって裂ける前に警報を発することができるので、電解質膜が裂けることを抑制することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記クリープ変形量算出部は、前記温度と前記湿度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための算出手段を備える、燃料電池。
この適用例によれば、前記温度と前記湿度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための算出手段を備えるので、クリープ変形量の算出の精度を向上させることが出来る。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池において、前記クリープ変形量算出部は前記算出手段として、前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出するための第１の算出手段と、前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための第２の算出手段と、を有しており、前記クリープ変形量算出部は、前記第１の算出手段を用いて前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出し、前記第２の算出手段を用いて前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出し、前記単位時間当たりのクリープ変形量を時間積分することにより前記クリープ変形量を算出する、燃料電池。
この適用例によれば、第１の算出手段により引張応力を算出し、第２の算出手段により単位時間当たりのクリープ変形量を算出し、単位時間当たりのクリープ変形量を時間積分するので、クリープ変形量の算出の精度を向上させることが出来る。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、クリープ変形速度が予め定められた速度以上となる判定温度を予め求めておき、前記累積値算出部は、前記電解質膜の温度が前記判定温度以上の場合に前記クリープ変形量を累積する、燃料電池。
この適用例によれば、温度が低いときは、クリープ変形の応力に与える影響が少ないので、温度が高く、クリープ変形量が大きいときのみクリープ変形量を累積すればよい。
【００１１】
［適用例５］
適用例１から適用例４のうちのいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記電解質膜の外縁部に、前記クリープ変形を緩和するための変形層を有する、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜の応力を変形層で和らげることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例５に記載の燃料電池において、前記電解質膜は表面に触媒層を有しており、前記変形層の厚さは、前記触媒層の厚さよりも厚く形成されている、燃料電池。
この適用例によれば、変形層の厚さが触媒層の厚さよりも厚く形成されているので、変形層が裂けにくい。
【００１３】
［適用例７］
適用例６に記載の燃料電池において、前記変形層は、前記電解質膜と同じ電解質成分を有する、燃料電池。
この適用例によれば、変形層の方が厚くかつ変形層と電解質膜とが同じ電解質成分でできているので、電解質膜よりも変形層の方が変形しやすく、電解質膜に応力が掛かりにくくすることができる。
【００１４】
［適用例８］
適用例５に記載の燃料電池において、前記変形層は、保護フィルムを備える、燃料電池。
この適用例によれば、変形層は保護フィルムを備えているため、変形層が伸びた場合であっても、変形層は破れ難く、反応ガスを透過させ難くできる。
【００１５】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池の制御方法、燃料電池用膜電極接合体等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施例にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池セルの構成を模式的に示す説明図である。
【図３】電解質膜の温度と電解質膜に加える応力と電解質膜のクリープ変形速度との関係を示すグラフの一例である。
【図４】電解質膜の湿度（含水率）と引張応力の関係を示す説明図である。
【図５】電解質膜の電気伝導度と湿度の関係を示す説明図である。
【図６】電解質膜の比抵抗と湿度の関係を示す説明図である。
【図７】燃料電池の運転時の動作フローチャートである。
【図８】電解質膜の温度とクリープ変形速度の関係を示す説明図である。
【図９】本実施例の変形例の動作フローチャートである。
【図１０】別の変形例の動作フローチャートである。
【図１１】第３の実施例の膜電極接合体を示す説明図である。
【図１２】図１０の膜電極接合体にガス拡散層が配置された状態を示す説明図である。
【図１３】燃料電池セルの高温時に変形層が電解質膜の平面方向に伸びた状態を示す説明図である。
【図１４】第４の実施例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施例］
図１は、第１の実施例にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料タンク２００と、エアポンプ３００と、制御部４００と、警報報知器４２０と、を備える。燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電力を発生させる装置である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０（「発電ユニット１１０」とも呼ぶ。）と、エンドプレート１９０と、を備える。複数の燃料電池セル１１０は、積層して配置されており、エンドプレート１９０は、積層された燃料電池セル１１０の積層方向の両端に配置されている。各燃料電池セル１１０は、燃料電池セル１１０内の電解質膜（図示せず）の温度を測定するための温度計５１０と、電解質膜の湿度を測定するための湿度計５２０と、を備える。
【００１８】
燃料タンク２００は、燃料電池１００に供給される燃料ガスを貯蔵している。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いている。燃料タンク２００と燃料電池１００とは、燃料ガス供給管２１０により接続されている。燃料ガス供給管２１０には、燃料ガスの湿度を測定するための湿度計５３０が配置されている。燃料電池１００の下流側には、燃料排ガスを大気に放出するための燃料ガス排気管２２０が配置されている。燃料ガス供給管２１０には、燃料電池１００に供給する燃料ガスの圧力を調整するための調圧弁や、燃料電池１００の発電停止中に燃料電池１００への燃料ガスの供給を停止するための主止弁が配置されていてもよい。また、燃料ガス排気管２２０には、燃料ガス排気弁が設けられていてもよい。
【００１９】
エアポンプ３００は、燃料電池１００の供給するための空気を圧縮する。すなわち、本実施例では、酸化ガスとして、空気（空気中の酸素）を用いている。エアポンプ３００と、燃料電池１００とは、酸化ガス供給管３１０により接続されている。酸化ガス供給管３１０には、酸化ガスの湿度を測定するための湿度計５４０が配置されている。燃料電池１００の下流側には、酸化排ガスを大気に放出するための酸化ガス排気管３２０が配置されている。なお、酸化ガス供給管３１０には、燃料電池１００の発電停止中に、燃料電池１００とエアポンプ３００との間の空気の移動を制限するための酸化ガス主止弁や、エアポンプ３００による圧縮により高温となった酸化ガスを冷却するためのインタークーラーが設けられていてもよい。酸化ガス排気管３２０には、酸化ガス排気弁が設けられていてもよい。
【００２０】
制御部４００は、クリープ変形量算出部４０１と、クリープ変形量累積部４０２と、記憶部４１０を備えている。記憶部４１０は、電解質膜の温度と湿度との少なくとも一方から電解質膜のクリープ変形量を算出するための算出手段を格納する。制御部４００は、燃料電池１００の発電動作を制御するとともに、電解質膜の温度と湿度を取得する。また、制御部４００は、電解質膜のクリープ変形量の累積値から電解質膜の裂けを、電解質膜が裂ける前に予測する。クリープ変形量算出部４０１は、温度計５１０、湿度計５２０から燃料電池セル１１０内の電解質膜（図示せず）の温度と湿度とを取得し、記憶部４１０の算術手段を用いて、電解質膜の温度と湿度との少なくとも一方から電解質膜のクリープ変形量を算出する。クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量を累積する。なお、制御部４００は、燃料ガス供給管２１０に配置された湿度計５３０及び酸化ガス供給管３１０に配置された湿度計５４０から得られた反応ガスの湿度から、電解質膜の湿度を算出してもよい。
【００２１】
警報報知器４２０は、制御部４００に接続されている。制御部４００が、電解質膜の裂けを事前に検知した場合には、制御部４００からの指示を受けて、利用者に警報を発する。
【００２２】
図２は、燃料電池セルの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池セル１１０は、膜電極接合体１２０と、カソードガス拡散層１３２と、アノードガス拡散層１３３と、カソードセパレータプレート１４２と、アノードセパレータプレート１４３と、ガスケット１６０と、を備える。膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１と、カソード触媒層１２２と、アノード触媒層１２３と、を備える。
【００２３】
電解質膜１２１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード触媒層１２２とアノード触媒層１２３は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。カソード触媒層１２２は電解質膜１２１の一方の面に形成され、アノード触媒層１２３は、電解質膜１２１の他方の面に形成されている。
【００２４】
カソードガス拡散層１３２は、カソード触媒層１２２に接するように配置されている。アノードガス拡散層１３３は、アノード触媒層１２３に接するように配置されている。カソードガス拡散層１３２、アノードガス拡散層１３３は、燃料ガスや酸化ガスを通過させるとともに、これらのガスを拡散させてそれぞれカソード触媒層１２２とアノード触媒層１２３に供給するための部材であり、例えば、チタン製などの金属あるいは導電性樹脂で形成された多孔体を用いることができる。また、カソードガス拡散層１３２、アノードガス拡散層１３３として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いてもよい。
【００２５】
カソードセパレータプレート１４２は、金属製の平板形状の部材であり、カソードガス拡散層１３２と接するように配置されている。カソードセパレータプレート１４２は、カソードガス拡散層１３２と接する面に、溝１４４を有しており、溝１４４は、酸化ガス流路１５２を形成している。アノードセパレータプレート１４３は、金属製の平板形状の部材であり、アノードガス拡散層１３３と接するように配置されている。アノードセパレータプレート１４３は、アノードガス拡散層１３３と接する面に、溝１４５を有しており、溝１４５は、燃料ガス流路１５３を形成している。
【００２６】
温度計５１０は、電解質膜１２１の内部に配置され、電解質膜１２１の温度を測定する。温度計５１０として、熱電対温度計を用いることが出来る。熱電対温度計では、電圧や電流が測定されるので、制御部４００は、これらの電圧や電流から温度を算出する。なお、熱電対温度計の他、や、白金抵抗温度計を用いてもよい。湿度計５２０は、電解質膜１２１の内部に配置され、電解質膜１２１の湿度を測定する。湿度計５２０は、電解質膜１２１の電導度あるいは抵抗を測定し、制御部４００は、電導度あるいは抵抗値と、電解質膜１２１の温度と、を用いて電解質膜１２１の湿度を算出する。なお、制御部４００は、電圧、電流から電解質膜の温度を求める際に、あるいは、電導度と、電解質膜１２１の温度や電解質膜１２１の湿度を求める際に、演算による算出手段の他、マップを用いてもよい。これらのマップは、記憶部４１０（図１）に格納される。したがって、請求項２、３に記載の算出手段には、演算による算出手段の他、マップも含まれる。
【００２７】
図３は、電解質膜の温度と、電解質膜に加える応力と、電解質膜のクリープ変形速度との関係を示すグラフの一例である。横軸は引張応力［ＭＰａ］であり、縦軸はクリープ変形速度［１／ｍｉｎ］である。ここで、分子の［１］は、１００％（＝１）を意味する。例えば、電解質膜を１００℃で引張応力５［Ｍｐａ］で引っ張ったとき、電解質膜は、３［１／ｍｉｎ］（＝３００［％／ｍｉｎ］）の速度でクリープ変形する。ここで、クリープ変形について説明する。部材に応力を加えると部材は変形する。大きな応力を加えると、それだけ大きく変形し、ある程度の応力（いわゆる弾性限）を超えると、あとから応力を除いてもそのまま変形が残る塑性変形が生じる。逆に、応力が小さければ、変形が起こりにくい。しかしながら、ある温度では、塑性変形が生じないような小さな応力しかかかっていなくても、温度が上昇すると、時間をかけてゆっくりと着実に変形が進行するようになる。この時間の経過と共に徐々に進行する塑性変形を、クリープ変形と呼ぶ。
【００２８】
図３に示すグラフは、以下のようにして作成することができる。燃料電池１００あるいは燃料電池セル１１０に取り付けられていない電解質膜１２１を準備する。所定の湿度（図３の例では、１５％）所定の温度（例えば３０℃）において電解質膜１２１に引張応力を印加し、電解質膜１２１のクリープ変形速度を測定する。次に、電解質膜１２１の湿度あるいは、温度を変えて（例えば、６０℃、８０℃、１００℃）同様に、クリープ変形速度を測定する。そして、応力とクリープ変形速度の関係を、湿度毎、温度毎にマップ化する。一般に、温度が高いほどクリープ変形速度は大きくなる。
【００２９】
図４は、電解質膜の湿度（含水率）と引張応力の関係を示す説明図である。一般に、電解質膜１２１は、乾燥すると縮むため、電解質膜１２１に引張応力がかかる。電解質膜１２１の温度を６０℃として、湿度１００％（含水率１００％）の時の応力を０［Ｍｐａ］とし、電解質膜１２１の水分を蒸発させて徐々に乾燥し、電解質膜１２１に掛かる応力を測定する。次に湿度と応力との関係をマップ化する。なお、図４では、電解質膜１２１の温度が６０℃のときのデータのみ示しているが、図３のときと同様に他の温度（例えば、３０℃、８０℃、１００℃）についても同様のマップを作成してもよい。図３、図４に示すマップは、制御部４００の記憶部４１０（図１）に格納され、制御部４００は、燃料電池の温度、湿度から図３、図４に示すマップを用いて、電解質膜１２１のクリープ変形速度を算出する。
【００３０】
図５は、電解質膜の電気伝導度と湿度の関係を示す説明図である。一般に、電解質膜１２１の湿度と電気伝導度の間には、一定の関係があり、電解質膜１２１の湿度が大きいと電解質膜１２１の電気伝導度が大きく、電解質膜１２１の湿度が小さいと電気伝導度も小さい。したがって、電解質膜１２１の電気伝導度を測定することにより、電解質膜１２１の湿度を算出することができる。
【００３１】
図６は、電解質膜の比抵抗と湿度の関係を示す説明図である。電気伝導度の逆数が比抵抗であるため、電気伝導度の代わりに比抵抗を測定してもよい。電解質膜１２１の湿度が大きいと電解質膜１２１の比抵抗が小さく、電解質膜１２１の湿度が小さいと比抵抗が大きい。
【００３２】
図７は、燃料電池の運転時の動作フローチャートである。ステップＳ７００では燃料電池１００（燃料電池セル１１０）を始動する。制御部４００（図１）は、燃料タンク２００から燃料電池１００に対して燃料ガスを供給させるとともに、エアポンプ３００から燃料電池１００に対して酸化ガス（空気）を供給させることにより、燃料電池１００に対し発電を実行させる。
【００３３】
ステップＳ７１０では、制御部４００は、温度計５１０を用いて、電解質膜１２１の温度を取得する。燃料電池１００が発電を実行すると、電気化学反応による反応熱で燃料電池セル１１０（電解質膜１２１）の温度が上昇する。ステップＳ７２０では、制御部は、湿度計５２０を用いて、電解質膜１２１の湿度を取得する。電解質膜１２１の温度が上昇すると、電解質膜１２１から水分が蒸発する。一方、電気化学反応により、水が生成する。
【００３４】
ステップＳ７３０では、制御部４００のクリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１に働く引張応力を算出する。具体的には、クリープ変形量算出部４０１は、ステップＳ７１０で取得した電解質膜１２１の温度と、ステップＳ７２０で取得した電解質膜１２１の湿度と、記憶部４１０に格納された図４に示すマップと、を用いて、電解質膜１２１に掛かる引張応力を算出する。
【００３５】
ステップＳ７４０では、クリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１のクリープ変形量を算出する。具体的には、クリープ変形量算出部４０１は、ステップＳ７１０で取得した電解質膜１２１の温度と、ステップＳ７３０で算出した引張応力と、記憶部４１０に格納された図３に示すマップと、を用いて、電解質膜１２１のクリープ変形速度を算出し、次いで、クリープ変形速度を積分することによりクリープ変形量を算出する。ここで、一般に電解質膜１２１は、定常状態で使用されている場合には、クリープ変形速度が小さく、クリープ変形量が大きくなる前に応力（乾燥を起因とする引張応力）が緩和し、これ以上クリープ変形し難くなる。
【００３６】
ステップＳ７５０では、制御部４００のクリープ変形量累積部４０２は、電解質膜１２１の算出したクリープ変形量の累積値を記憶部４１０に格納する。具体的には、クリープ変形量累積部４０２は、今回の燃料電池１００の始動（ステップＳ７００）前に記憶部４１０に格納されていたクリープ変形量の累積値に、ステップＳ７４０で算出したクリープ変形量を加え、新たなクリープ変形量の累積値として、記憶部４１０に格納する。
【００３７】
ステップＳ７６０では、制御部４００は、クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値を超えているか、否か、を判断する。クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値を超えている場合には、制御部４００は、処理をステップＳ７７０に移行し、警報報知器４２０を用いて、ユーザー（例えば運転手）にアラームで知らせる。クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値を超えていない場合には、制御部４００は、警報を報知しない。ステップＳ７８０では、制御部４００は、ユーザーの指示により、燃料電池１００の運転を停止する。
【００３８】
なお、クリープ変形量算出部４０１は、ステップＳ７４０において、電解質膜１２１のクリープ変形量を算出しているが、電解質膜１２１が高温の場合、１回のクリープ変形量だけで判定値を越える場合がありえる。しかし、かかる場合であっても、クリープ変形量累積部４０２、制御部４００は、それぞれステップＳ７５０、Ｓ７６０の処理を実行すればよい。
【００３９】
以上本実施例によれば、クリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１の温度、湿度を用いて、電解質膜１２１のクリープ変形速度を算出し、クリープ変形速度を積分することによりクリープ変形量を算出する。クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量の累積値を算出する。制御部４００は、この累積値が予め定められた判定値を越えたか否かによりユーザーにアラーム（警報）を発するか否かを判断する。そのため、制御部４００は、電解質膜１２１が裂ける前に、ユーザーに警報を発することができるので、電解質膜１２１が裂けることを抑制することが可能となる。
【００４０】
なお、上記説明では、電解質膜１２１の温度と湿度の両方を用いてクリープ変形量を算出しているが、いずれか一方のみを用いてクリープ変形量を算出してもよい。かかる場合、例えば、平均湿度や平均温度を用いたマップを作成してもよい。なお、電解質膜１２１の温度と湿度の両方を用いた方がより正確に警報を発することが可能である。
【００４１】
上記説明では、クリープ変形量を算出する算出手段としてマップを用いているが、演算による算出手段を用いてもよい。
【００４２】
［第２の実施例］
図８は、電解質膜の温度とクリープ変形速度の関係を示す説明図である。第１の実施例で説明したように、クリープ変形速度は、電解質膜１２１の温度が高いほど大きい。ところで、電解質膜１２１では、応力が加わった場合、数分間で応力緩和が発生する。応力によりクリープ変形が生じても、応力緩和が起こると、電解質膜１２１には、ほとんど応力が掛からなくなる。このため、破断変形量が３００％程度の電解質膜の場合、例えば、クリープ変形速度が１％／ｍｉｎ以下の場合、電解質膜１２１に対するクリープ変形の影響が小さいと判断できる。したがって、クリープ変形速度が予め定められた閾値以下の場合には、クリープ変形量を累積しなくてもよい。
【００４３】
図８において、電解質膜Ａのクリープ変形速度が１％／ｍｉｎとなる温度は８２℃である。したがって、電解質膜１２１として電解質膜Ａを用いた場合、クリープ変形量算出部４０１は、電解質膜１２１の温度が８２℃未満の場合には、クリープ変形量を算出せず、クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量の累積を行わなくてもよい。一方、電解質膜Ｂのクリープ変形速度は、どの温度領域でも１％／ｍｉｎ以上である。したがって、電解質膜１２１として電解質膜Ｂを用いた場合、電解質膜１２１の温度が低温である場合以外は、クリープ変形量算出部４０１は、クリープ変形量を算出し、クリープ変形量累積部４０２は、クリープ変形量の累積を行う。なお、クリープ変形速度の判定値、温度は、使用する電解質膜により異なるので、予め実験により求めておくことが好ましい。
【００４４】
［変形例］
図９は、本実施例の変形例の動作フローチャートである。上記実施例では、制御部４００は、湿度計５２０を用いて電解質膜１２１の湿度を取得している。ここで、燃料電池では、燃料電池セル１１０の運転状態から、電解質膜１２１の湿度を算出することが可能である。例えば、制御部４００は、燃料電池セル１１０の発電量から、電気化学反応により電解質膜１２１に生じる生成水量を算出することができる。また、制御部４００は、電解質膜１２１の温度及び反応ガスの流量を用いて、電解質膜１２１から持ち去られる生成水の量を算出することができる。したがって、制御部４００は、電解質膜１２１に生じる生成水量と、電解質膜１２１から持ち去られる生成水量と、を用いて、電解質膜１２１の湿度を算出することができる。
【００４５】
図９に示すフローチャートは、ステップＳ９２０を除き、図７に示すフローチャートの動作と同じであるので、ステップＳ９２０についてのみ説明する。ステップＳ９２０では、制御部４００は、燃料電池セル１１０の運転状態から、電解質膜１２１の湿度を算出する。
【００４６】
アノード触媒層１２３では、式（１）に示すアノード反応が起こり、カソード触媒層１２２では、式（２）に示すカソード反応が起こる。そして、この反応により、１モルの水素が反応すると、２Ｆ（１９３００Ｃ）の電荷が流れ、１モルの水が生成する。したがって、燃料電池１００の発電により流れた電流量から、生成した水の量を算出することが出来る。
アノード反応： Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− （１）
カソード反応： （１／２）Ｏ２ ＋ ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２０ （２）
【００４７】
また、電解質膜１２１の表面から蒸発する水の量は、電解質膜１２１の温度と、電解質膜表面の反応ガスの流量に依存する。したがって、電解質膜１２１の温度及び電解質膜表面の反応ガスの流量と、電解質膜１２１の表面から蒸発する水の量との関係を予め実験により求めておき、マップとして記憶部４１０に格納しておく。制御部４００は、このマップを用い、電解質膜１２１の温度と電解質膜表面の反応ガスの流量とから、電解質膜１２１の表面から蒸発する水の量を算出する。制御部４００は、電気化学反応により生成した水の量と、電解質膜１２１から蒸発する水の量と、の差分から、電解質膜１２１の湿度を算出する。
【００４８】
以上、本変形例によれば、燃料電池セル１１０の運転状態から、電解質膜１２１の湿度を算出する。そして、電解質膜１２１の温度と湿度とから、電解質膜１２１のクリープ変形速度、クリープ変形量及びクリープ変形量の累積値を求めて、ユーザーに対し警告を発することができる。
【００４９】
図１０は、別の変形例の動作フローチャートである。この変形例では、制御部４００は、誤動作により反応ガスの流量が大きくなってしまったときに、アノード極とカソード極のガスの圧力差から電解質膜１２１に発生する応力を算出する。燃料電池１００に流れる反応ガスの流速Ｖと差圧ΔＰとの間には、差圧ΔＰは流速の２乗に比例するという関係がある。ここで、流速Ｖは、燃料電池セル１１０に供給される反応ガスの流量と、カソードガス拡散層１３２、アノードガス拡散層１３３のガス流路の大きさにより定まる。
【００５０】
図１０に示すフローチャートは、ステップＳ１０２０、ステップＳ１０３０を除き、図７に示すフローチャートの動作と同じであるので、ステップＳ１０２０、Ｓ１０３０についてのみ説明する。ステップＳ１０２０では、制御部４００は、燃料電池セル１１０への反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の流量を取得する。例えば、制御部４００は、燃料ガス供給管２１０及び酸化ガス供給管３１０に配置された流量計より反応ガスの流量を取得することができる。ステップＳ１０３０では、制御部４００は、カソード、アノードそれぞれについて、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれの流量とそれぞれのガス流路の大きさとを用いて、燃料ガス及び酸化ガスの流速を算出する。そして、燃料ガス及び酸化ガスの流速からそれぞれの差圧を算出し、電解質膜１２１のカソード側の圧力と、電解質膜１２１のアノード側の圧力を算出する。そして、制御部４００は、電解質膜１２１のカソード側の圧力と、電解質膜１２１のアノード側の圧力とから電解質膜１２１に掛かる応力を算出する。
【００５１】
以上、本変形例によれば、誤動作により反応ガスの流量が大きくなってしまったときであっても、アノード極とカソード極のガスの圧力差から電解質膜１２１に発生する応力を算出し、電解質膜１２１の温度と応力とから、電解質膜１２１のクリープ変形速度、クリープ変形量及びクリープ変形量の累積値を求めて、ユーザーに対し警告を発することができる。
【００５２】
［第３の実施例］
図１１は、第３の実施例の膜電極接合体を示す説明図である。第１、第２の実施例では、電解質膜１２１がクリープ変形し、クリープ変形量の累積値が予め定められた判定値以上となった場合に警告を発する構成であるが、第３の実施例では、電解質膜１２１のクリープ変形が生じても電解質膜に掛かる応力を抑える構成を採用する。
【００５３】
第３の実施例の膜電極接合体１２０は、電解質膜１２１の外縁部両面にそれぞれ額縁状の変形層１２４、１２５を備える。変形層１２４、１２５は、電解質膜１２１と同じ電解質成分を有している。変形層１２４は、カソード触媒層１２２よりも厚く形成され、変形層１２５は、アノード触媒層１２３よりも厚く形成されている。
【００５４】
図１２は、図１０の膜電極接合体にガス拡散層が配置された状態を示す説明図である。カソードガス拡散層１３２は、カソード触媒層１２２及び変形層１２４の外側（図面上側）に配置され、アノードガス拡散層１３３は、アノード触媒層１２３及び変形層１２５の外側（図面下側）に配置されている。燃料電池セル１１０には、電解質膜１２１の法線方向に燃料電池セルを締結する締結力が掛かっている。ここで、変形層１２４はカソード触媒層１２２よりも厚く形成され、変形層１２５はアノード触媒層１２３よりも厚く形成されているので、変形層１２４、１２５には、カソード触媒層１２２、アノード触媒層１２３に対するよりも高い面圧が掛かる。
【００５５】
図１３は、燃料電池セルの高温時に、変形層が電解質膜の平面方向に伸びた状態を示す説明図である。燃料電池１００の発電時に、燃料電池セル１１０に高温履歴（例えば９０℃）が加わった場合、高い面圧が掛かっている変形層１２４、１２５が電解質膜１２１の平面方向に伸びる。ここで、高温環境により電解質膜１２１が乾燥し、収縮してクリープ変形しようとしても、変形層１２４、１２５が伸びるため、電解質膜１２１の引張応力を和らげる。その結果、電解質膜１２１に応力を発生させにくくすることができる。なお、電解質膜１２１の応力は、面内の外縁部に発生しやすいので、変形層１２４、１２５は、電解質膜１２１の外縁部に配置されることが好ましい。なお、変形層１２４、１２５は、カソード触媒層１２２やアノード触媒層１２３よりも厚く形成されているので、変形層１２４、１２５が伸びても、裂け難い。
【００５６】
以上、本実施例によれば、変形層１２４、１２５を備えることにより、高温履歴及び面圧が掛かったときに変形層１２４、１２５を平面方向に伸びるように変形させ、電解質膜１２１にかかる応力を和らげることができる。
【００５７】
［第４の実施例］
図１４は、第４の実施例を示す説明図である。第４の実施例の膜電極接合体１２０は、第３の実施例と比較すると、変形層１２４、１２５は薄く形成されており、変形層１２４、１２５の外側（図面の上下方向）にそれぞれ保護フィルム１２６、１２７を備えている点が異なる。保護フィルムとして、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン製の保護フィルムを採用することができる。なお、耐熱性を考慮した場合、ポリプロピレンを用いる方が好ましい。この実施例では、変形層１２４、１２５は薄くても、保護フィルム１２６、１２７を備えているため、変形層１２４、１２５が伸びた場合であっても、変形層１２４、１２５は破れ難く、反応ガスを透過させ難くできる。
【００５８】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５９】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル（発電ユニット）
１２０…膜電極接合体
１２１…電解質膜
１２２…カソード触媒層
１２３…アノード触媒層
１２４…変形層
１２５…変形層
１２６…保護フィルム
１３２…カソードガス拡散層
１３３…アノードガス拡散層
１４２…カソードセパレータプレート
１４３…アノードセパレータプレート
１４４…溝
１４５…溝
１５２…酸化ガス流路
１５３…燃料ガス流路
１６０…ガスケット
１９０…エンドプレート
２００…燃料タンク
２１０…燃料ガス供給管
２２０…燃料ガス排気管
３００…エアポンプ
３１０…酸化ガス供給管
３２０…酸化ガス排気管
４００…制御部
４０１…クリープ変形量算出部
４０２…クリープ変形量累積部
４１０…記憶部
４２０…警報報知器
５１０…温度計
５２０…湿度計
５３０…湿度計
５４０…湿度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を有する燃料電池であって、
前記電解質膜の温度を取得する温度取得部と、
前記電解質膜の湿度を取得する湿度取得部と、
前記電解質膜の温度と湿度とのうちの少なくとも一方を用いて前記電解質膜のクリープ変形量を算出するクリープ変形量算出部と、
前記クリープ変形量の累積値を算出する累積値算出部と、
前記累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発する警告報知部と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記クリープ変形量算出部は、前記温度と前記湿度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための算出手段を備える、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記クリープ変形量算出部は前記算出手段として、
前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出するための第１の算出手段と、
前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための第２の算出手段と、を有しており、
前記クリープ変形量算出部は、
前記第１の算出手段を用いて前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出し、
前記第２の算出手段を用いて前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出し、
前記単位時間当たりのクリープ変形量を時間積分することにより前記クリープ変形量を算出する、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
クリープ変形速度が予め定められた速度以上となる判定温度を予め求めておき、
前記累積値算出部は、前記電解質膜の温度が前記判定温度以上の場合に前記クリープ変形量を累積する、燃料電池。
【請求項１】
電解質膜を有する燃料電池であって、
前記電解質膜の温度を取得する温度取得部と、
前記電解質膜の湿度を取得する湿度取得部と、
前記電解質膜の温度と湿度とのうちの少なくとも一方を用いて前記電解質膜のクリープ変形量を算出するクリープ変形量算出部と、
前記クリープ変形量の累積値を算出する累積値算出部と、
前記累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発する警告報知部と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記クリープ変形量算出部は、前記温度と前記湿度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための算出手段を備える、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記クリープ変形量算出部は前記算出手段として、
前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出するための第１の算出手段と、
前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出するための第２の算出手段と、を有しており、
前記クリープ変形量算出部は、
前記第１の算出手段を用いて前記温度と前記湿度とから前記電解質膜に掛かる引張応力を算出し、
前記第２の算出手段を用いて前記引張応力と前記温度とから単位時間当たりのクリープ変形量を算出し、
前記単位時間当たりのクリープ変形量を時間積分することにより前記クリープ変形量を算出する、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのうちのいずれか一項に記載の燃料電池において、
クリープ変形速度が予め定められた速度以上となる判定温度を予め求めておき、
前記累積値算出部は、前記電解質膜の温度が前記判定温度以上の場合に前記クリープ変形量を累積する、燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−８４２６４（Ｐ２０１２−８４２６４Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２７４２８（Ｐ２０１０−２２７４２８）
【出願日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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