CN103797628B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明抑制起因于由电解质膜的膨胀以及收缩所致的变形的电解质膜的耐久性的劣化。控制部（150）基于单元电池电阻值算出电解质膜（112）的湿度（P）（步骤S11），判断电解质膜（112）的湿度（P）是否低于湿度阈值（A）（步骤S12）。控制部150在湿度（P）低于湿度阈值（A）的情况下判断为电解质膜（112）的尺寸变化率为规定值以下，并进行提高电解质膜（112）的湿度的处理（步骤S13）。规定值是电解质膜（112）难以由于由干燥所致的应力而损伤的尺寸变化率。这样，在电解质膜（112）被过度地干燥之前能够加湿电解质膜（112），能够抑制由于电解质膜（112）的干燥而对电解质膜（112）作用拉伸应力。因此，能够抑制电解质膜（112）的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜（112）的耐久性。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池的电解质膜的湿润状态的控制。

背景技术

已知一种燃料电池系统，其具备在湿润状态下发挥良好的质子传导性的固体高分子型的电解质膜。在这样的燃料电池系统中，通过预测电解质膜的含水状态，进行电解质膜的加湿和干燥，来抑制干涸（drying up）、溢流（flooding），谋求燃料电池的发电性能的提高。

在先技术文献

专利文献1:日本特开2009-245826号公报

专利文献2:日本特开2010-257882号公报

发明内容

然而，在现有技术中，基于电解质膜的发电性能进行电解质膜的加湿控制，对与电解质膜的含水状态相应地作用于电解质膜的应力无任何考虑。因此，在以往的加湿控制中，在电解质膜的含水状态从湿润状态向干燥状态变化的过程中，拉伸应力作用于电解质膜，电解质膜发生破裂或者薄壁化等，有可能电解质膜的耐久性下降。

本发明是鉴于上述课题而完成，其目的在于抑制起因于由电解质膜的膨胀以及收缩所致的变形的电解质膜的耐久性的劣化。

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为以下方式或应用例来实现。

［应用例1］

一种燃料电池系统，其具备：具有固体高分子型的电解质膜的燃料电池；和控制所述燃料电池的控制部。所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得与所述电解质膜的膨胀或收缩相伴的平面方向的尺寸变化率达到规定值以上。

根据应用例1的燃料电池系统，控制电解质膜的湿润状态，使得与固体高分子型的电解质膜的膨胀以及收缩相伴的平面方向的尺寸变化率达到规定值以上。在湿润状态的控制中包括例如使电解质膜的含水率增加的加湿处理、和使电解质膜的含水率减少的干燥处理。因此，能够抑制起因于由干燥所致的拉伸应力的电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。

［应用例2］

在应用例1所述的燃料电池系统中，其特征在于，所述规定值为0%。

根据应用例2的燃料电池系统，进行电解质膜的湿润状态的控制，使得电解质膜的尺寸变化率达到0%以上。因此，能够抑制由于电解质膜的过度干燥而导致拉伸应力向电解质膜作用。因而，能够抑制电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。

［应用例3］

在应用例1或应用例2的燃料电池系统中，其特征在于，所述规定值为-1.5%。

根据应用例3的燃料电池系统，能够使作用于电解质膜的拉伸应力为屈服应力的1/5。树脂只要是拉伸应力为屈服应力的1/5左右，就很难发生材料的损伤，因此能够提高电解质膜的耐久性。

［应用例4］

在应用例2或应用例3的燃料电池系统中，所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述尺寸变化率变为所述规定值以上且+9.0%以下。

根据应用例4的燃料电池系统，在尺寸变化率变为规定值以上且9.0%以下时，进行湿润状态的控制。因此，能够省略不需要的控制，能够提高燃料电池系统的发电效率。

［应用例5］

在应用例1的燃料电池系统中，所述规定值根据所述电解质膜的规定范围内的尺寸变化率来规定，所述规定范围是包括所述尺寸变化率为0%的范围。

根据应用例5的燃料电池系统，在电解质膜的尺寸变化率为包括0%在内的规定范围内时，进行电解质膜的湿润状态的控制。因此，能够抑制由于电解质膜的过度干燥而导致拉伸应力向电解质膜作用。因而，能够抑制电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。

［应用例6］

在应用例1至应用例5中的任一项的燃料电池系统中，还具备取得单元，所述取得单元取得与所述电解质膜的湿度相关的信息，所述控制部，在所述湿度为第1阈值以下的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制，所述第1阈值根据所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5%～+9.0%时的所述电解质膜的湿度的范围来规定。

根据应用例6的燃料电池系统，在电解质膜的湿度为第1阈值以下的情况下加湿电解质膜，第1阈值根据电解质膜的尺寸变化率为-1.5%～+9.0%的范围内时的电解质膜的湿度范围来规定。电解质膜的湿度与电解质膜的尺寸变化率具有相关关系，当湿度低于第1阈值时，有可能由于干燥导致电解质膜发生变形从而损伤。因此，在拉伸应力作用之前，或者在电解质膜很难损伤的拉伸应力作用着的状态下，能够控制电解质膜的湿润状态，因而能够抑制电解质膜的损伤。

［应用例7］

在应用例6所述的燃料电池系统中，所述第1阈值根据温度而不同，所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度，所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第1阈值。

根据应用例7的燃料电池系统，第1阈值根据电解质膜的温度而变更。因此，能够基于与电解质膜的温度相应的适当的第1阈值来进行电解质膜的湿润状态的控制处理，能够提高电解质膜的耐久性，并且能够抑制由进 行不需要的湿润状态的控制处理所导致的燃料电池的发电性能、燃料经济性的降低。

［应用例8］

在应用例6或应用例7的燃料电池系统中，当继续了规定时间的所述电解质膜的湿度为所述第1阈值以下的状态时，所述控制部进行所述电解质膜的湿润状态的控制。

根据应用例8的燃料电池系统，在电解质膜的湿度为所述第1阈值以下的状态继续了规定时间的情况下，进行电解质膜的湿润状态的控制。由于电解质膜具有的粘弹性特性，电解质膜的湿度变为所述第1阈值以下后直到拉伸应力作用于电解质膜为止具有一定的时间。因此，变为电解质膜的湿度为所述第1阈值以下的状态后直到开始电解质膜的湿润状态的控制处理为止能够具有规定时间。因而，在规定时间以内的情况下，不进行电解质膜的湿润状态的控制，因此能够省略规定时间量的湿润状态的控制处理。其结果，能够抑制与湿润状态的控制处理相伴的燃料电池的发电效率下降和能量损失，能够提高燃料电池的燃料经济性。

［应用例9］

在应用例8的燃料电池系统中，所述规定时间基于所述电解质膜的每单位时间的湿度变化和所述湿度变化之后的所述电解质膜的湿度中的至少一方来规定。

根据应用例9的燃料电池系统，基于电解质膜的每单位时间的湿度变化和湿度变化之后的电解质膜的湿度中的至少一方来规定规定时间。在电解质膜的每单位时间的湿度变化小的情况下，或者在湿度变化之后的电解质膜的湿度比较高的情况下，电解质膜的湿度变为第1阈值以下后直到发生由拉伸应力导致电解质膜产生拉伸应变为止的时间变长。因此，能够灵活地设定变成电解质膜的湿度为第1阈值以下的状态后直到开始加湿控制为止的规定时间。因而，能够抑制与加湿控制相伴的燃料电池的发电效率降低和能量损失，能够提高燃料电池的燃料经济性。

［应用例10］

在应用例1的燃料电池系统中，还具备电压检测单元，所述电压检测单元检测所述燃料电池的电压，所述控制部在所述电压为第2阈值以上的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制，所述第2阈值是所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5%～+9.0%时的所述燃料电池的电压。

燃料电池的电压与燃料电池的单元电池的电阻值相关，单元电池的电阻值与电解质膜的湿度相关。因此，燃料电池的电压与电解质膜的湿度通过单元电池的电阻值而存在相关关系。根据应用例10的燃料电池系统，在燃料电池的电压为作为电解质膜的尺寸变化率为-1.5%～+9.0%的状态时的燃料电池的电压的第2阈值以上的情况下，进行电解质膜的湿润状态的控制。因此，能够基于电压简易地抑制起因于电解质膜的干燥而产生的拉伸应力向电解质膜作用。

［应用例11］

在应用例10的燃料电池系统中，所述第2阈值根据温度而不同，所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度，所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第2阈值。

根据应用例11的燃料电池系统，第2阈值根据电解质膜的温度而变更。因此，能够基于与电解质膜的温度相应的适当的第2阈值来进行电解质膜的加湿处理，能够提高电解质膜的耐久性。

［应用例12］

在应用例1至应用例11中的任一项的燃料电池系统中，所述控制部通过控制与所述燃料电池的发电性能相关的参数来控制所述电解质膜的湿润状态。

根据应用例12的燃料电池系统，通过控制与燃料电池的发电性能相关的参数来进行电解质膜的湿润状态的控制。因此，不追加用于控制电解质膜的湿润状态的结构，就能够迅速且简易地进行湿润状态的控制。

［应用例13］

一种控制方法，是控制具有固体高分子型电解质膜的燃料电池系统中的所述电解质膜的湿润状态的控制方法，取得与所述电解质膜的膨胀以及 收缩相伴的平面方向的尺寸变化率；控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述电解质膜的所述尺寸变化率达到规定值以上。

根据应用例13的加湿控制方法，控制电解质膜的湿润状态，使得电解质膜的尺寸变化率达到规定值以上。因此，能够抑制由于电解质膜的干燥而导致拉伸应力作用于电解质膜。因而，能够抑制电解质膜的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。

在本发明中，上述的各种方式能够适当地组合或者省略一部分地应用。

附图说明

图1是例示第1实施例中的单元电池110的概略构成的说明图。

图2是对与电解质膜的含水状态的变化相伴的尺寸变化进行说明的模式图。

图3是表示第1实施例中的电解质膜112的湿度与尺寸变化率的相关关系的尺寸变化图600。

图4是第1实施例中的燃料电池系统的概略构成的图。

图5是对第1实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。

图6是第2实施例中的燃料电池系统20的概略构成的图。

图7是对与电解质膜的温度相应的湿度与尺寸变化率的相关关系进行说明的尺寸变化图700、710。

图8是对第2实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。

图9是对第2实施例中的湿度阈值映射730进行说明的说明图。

图10是第3实施例中的燃料电池系统30的概略构成图。

图11是对第3实施例中的堆电压值和单元电池电阻值进行说明的电压-电阻图800。

图12是对第3实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。

图13是对第4实施例中的基于电解质膜112的粘弹性特性的向电解质膜112作用的应力·应变进行说明的说明图。

图14是表示电解质膜的力学特性的模型。

图15是对第4实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。

图16是表示第5实施例中的电解质膜112的湿度变化所需的时间Ts与湿度变为湿度阈值以下后直到拉伸应力开始作用为止的时间Tt的关系的映射950。

具体实施方式

A.第1实施例：

A1.单元电池构成：

图1是例示第1实施例中的单元电池110的概略构成的说明图。图1（a）是单元电池110的截面模式图，图1（b）是说明电解质膜被隔板固定着的状态的说明图。单元电池110具备膜电极接合体（Membrane Electrode Assembly：MEA）120和从两端夹持膜电极接合体120的隔板118。以下将膜电极接合体120表示为MEA120。MEA120包含：电解质膜112、配置在电解质膜112的一侧的阳极侧催化剂层（阳极侧催化剂电极层）114、配置在电解质膜210的另一侧的阴极侧催化剂层（阴极侧催化剂电极层）116。在以下的说明中，将阳极侧催化剂层114和阴极侧催化剂层116汇总地称作“催化剂电极层”或“催化剂层”。

电解质膜112是由作为固体高分子材料的氟系磺酸聚合物形成的固体高分子型的电解质膜（例如ナフィオン（注册商标）膜：NRE212），在湿润状态下具有良好的质子传导性。再者，作为电解质膜112，不限于ナフィオン，也可以使用例如アシプレックス（注册商标）、フレミオン（注册商标）等的其他氟系磺酸膜。另外，作为电解质膜112，既可以使用氟系膦酸膜、氟系羧酸膜、氟代烃系接枝膜、烃系接枝膜、芳香族膜等，也可以使用包含PTFE、聚酰亚胺等增强材料的强化了机械特性的复合高分子膜。电解质膜112具有：伴随着与含水状态的变化相伴的膨胀、收缩，尺寸发生变化的特性。在本说明书中，所谓电解质膜112的尺寸是指电解质膜112的平面方向的尺寸，换句话说，表示电解质膜112的面积，所谓尺寸变化表示面积的变化。

图2是对与含水状态的变化相伴的电解质膜112的尺寸变化进行说明的模式图。图2(a)表示电解质膜112制造时(产品出厂时)的状态即初期状态，图2(b)表示被加湿且膨胀了的湿润状态的电解质膜112a，图2(c)表示从膨胀状态干燥后的干燥状态的电解质膜112b。在图2(b)和图2(c)中，用虚线表示的电解质膜112，示出图2(a)所示的初期状态的电解质膜112的面积。电解质膜112当从图2(a)所示的初期状态被加湿时，如图2(b)中用箭头所示出的那样面积增大，成为电解质膜112a。当从膨胀、面积尺寸增大了的电解质膜112a的状态进行干燥时，如图2(c)中用箭头所示那样收缩，与图2(a)的电解质膜112相比，面积收缩而成为电解质膜112b。对于电解质膜112的含水量(湿度)与尺寸变化的相关关系，在后面详细叙述。

返回到图1继续说明。催化剂层114、116是提供促进电极反应的催化剂的层，由包含担载催化剂的导电性载体和作为电介质的离聚物的材料形成。再者，作为导电性载体，例如除了炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等的碳材料之外，还能够使用碳化硅等所代表的碳化合物等。另外，作为催化剂，例如可使用铂、铂合金、钯、铑、金、银、锇、铱等。另外，作为铂合金，例如可使用铂与铝、铬、锰、铁、钴、镍、镓、锆、钼、钌、铑、钯、钒、钨、铼、锇、铱、钛以及铅中的至少一种的合金。另外，作为离聚物，例如可使用全氟磺酸树脂材料(例如ナフィオン)、磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化聚砜、磺化聚硫化物、磺化聚亚苯基等的磺化塑料系电解质、磺烷基化聚醚醚酮、磺烷基化聚醚砜、磺烷基化聚醚醚砜、磺烷基化聚砜、磺烷基化聚硫化物、磺烷基化聚亚苯基等的磺烷基化塑料系电解质等。

隔板118由不透过气体的致密质且具有导电性的材料例如压缩成型了的致密质碳、金属、导电性树脂形成。在隔板118的与阳极侧催化剂层114接触的一侧的面上形成有燃料气体通路，在与阴极侧催化剂层116接触的一侧的面上形成有氧化剂气体通路。

图1(b)概略地表示电解质膜112被隔板118固定着的状态。在图1（b）中，用斜线表示的部分表示一对隔板118与电解质膜112的外缘的接触部分。在图1（a）中，为便于说明，电解质膜112被记载成与隔板118的面积相同的程度的面积，但实际上如图1（b）所示，电解质膜112具有比隔板118小一些的面积，一对隔板118被配置使得夹着电解质膜112的外缘。通过这样地配置电解质膜112和隔板118，电解质膜112被隔板118固定，在平面方向上被尺寸拘束。

另外，单元电池110还可以包含：配置在阳极侧催化剂层114的与电解质膜112接触的一侧相反的一侧的阳极侧扩散层、和配置在阴极侧催化剂层116的与电解质膜112接触的一侧相反的一侧的阴极侧扩散层。阴极侧扩散层和阳极侧扩散层是使被用于电极反应的反应气体（氧化剂气体和燃料气体）沿着MEA120的面方向扩散的层，由例如碳布、碳纸形成，也可以利用PTFE树脂实施了憎水处理。

A2.电解质膜的尺寸变化率：

图3是表示第1实施例中的电解质膜112的湿度与尺寸变化率的相关关系的尺寸变化图600。尺寸变化图600表示在规定温度（在第1实施例中为80℃）下对电解质膜112反复实施加湿处理和干燥处理，并测定了反复进行从湿润状态向干燥状态、或从干燥状态向湿润状态的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化率（面积变化率）的结果。在尺寸变化图600中，纵轴表示电解质膜112的尺寸变化率（单位为%），横轴表示电解质膜112的湿度（单位为%RH）。尺寸变化曲线610示出初期的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化倾向，尺寸变化曲线620示出第二次及以后的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化倾向。所谓尺寸变化率，在第1实施例中，表示将电解质膜112的某个状态的面积作为基准（尺寸变化率为0%），电解质膜112的面积膨胀以及收缩了的情况下的、面积变化相对于基准的面积的比例。当面积膨胀（扩大）时，尺寸变化率从0%上升，当面积收缩（缩小）时，尺寸变化率从0%下降。再者，在第1实施例中，使用式1，基于电解质膜112的弹塑性来算出作用于电解质膜112的拉伸应力。

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=(1+{\mathrm{RH}}^2\×0.00002325\×\frac{(T-30)}{30})\\ \×(0.00001422\×{\mathrm{RH}}^3-0.00189737\×{\mathrm{RH}}^2+0.13414\×\mathrm{RH})\end{array}$

在尺寸变化图600中，所谓电解质膜112的尺寸变化为0%的状态，是电解质膜112制造时（产品出厂时）的状态，相当于图2（a）所示的初期状态。再者，由于电解质膜112在湿度为0%的状态下被制造使得成为规定的形状、尺寸（图2（a）），因此在电解质膜112中存在着在制造过程中作用于电解质膜112的应力的残余应力。由于残余应力，电解质膜112的分子链以不均衡的状态被固定。在测定尺寸变化率的实验中，在第一次加湿时，将电解质膜112浸泡在液态水中，加湿到电解质膜112的含水量饱和，因此在该时刻电解质膜112的分子链松弛，残余应力被缓和。因此，残余应力缓和后，从被加湿着的状态干燥的情况下的电解质膜112的尺寸变化倾向通过尺寸变化曲线620表示。但是，在电解质膜112被搭载在燃料电池中的情况下，一边反复进行由燃料电池的发电产生的生成水的吸收和干燥，一边逐渐地缓和残余应力，因此在这种情况下，初期的多次的状态转移时的尺寸变化，通过尺寸变化曲线610表示。根据通过尺寸变化曲线610所表示的尺寸变化倾向，在初期的状态转移时，尺寸变化率不会小于0%，所以不对电解质膜112作用拉伸应力。

如尺寸变化曲线610所示，电解质膜112当从初期状态（图2（a））被加湿时，湿度上升，如图2（b）所示在平面方向上面积增大，尺寸变化率从0%上升。电解质膜112在湿度为120%RH时含水量变成饱和状态，此时的电解质膜112的尺寸变化率是+15.8%。即，电解质膜112的面积从初期状态（图2（a））膨胀、扩大了15.8%。

电解质膜112当从被加湿而膨胀了的图2（b）的状态干燥时，如尺寸变化曲线620所示那样收缩，面积收缩，电解质膜112的尺寸变化率逐渐下降。电解质膜112在含水量变成饱和状态时分子链松弛，因此当被干燥 时，如图2（c）所示，从图2（a）所示的初期状态进一步收缩，尺寸变化率变得小于0%（负的状态）。当过度地被干燥，湿度变为0%时，电解质膜112的尺寸变化率变为-3.6%。即，电解质膜112的面积从初期状态（图2（a））收缩了3.6%。

在第1实施例的单元电池110中，电解质膜112在尺寸变化率为0%的状态下被隔板118固定了端部，因此当尺寸变化率变得小于0%而要进行收缩时，拉伸应力（干燥应力）作用于电解质膜112。由于该拉伸应力，电解质膜112产生形态变化（破裂、薄壁化等）。即，当过度地被干燥时，在电解质膜112中，起因于由干燥所致的收缩，拉伸应力进行作用。当超过电解质膜112的容许限度的拉伸应力对电解质膜112进行作用时，有可能电解质膜112产生破裂或薄壁化，导致电解质膜112的耐久性降低。在第1实施例中，为了抑制由过度的干燥所致的超过电解质膜112的容许限度的拉伸应力对电解质膜112进行作用，在超过电解质膜112的容许限度的拉伸应力进行作用之前，进行将电解质膜112加湿的控制。在本说明书中，所谓电解质膜112能够容许的拉伸应力，意指即使拉伸应力作用，电解质膜112也难以产生破裂、薄壁化等的损伤的状态。在第1实施例中，如果电解质膜112的尺寸变化率为变化率范围S1（-1.5%～9%）内或电解质膜112的湿度为湿度范围S2（20%RH～100%RH）内，则难以产生由拉伸应力导致的损伤。对于，变化率范围S1以及湿度范围S2的范围规定，在后面详细叙述。变化率范围S1相当于权利要求书中的“规定的范围”。

A3.燃料电池系统概略构成：

图4是第1实施例中的燃料电池系统的概略构成。第1实施例的燃料电池系统10具备燃料电池堆100、控制部150、和电阻测定部130。

燃料电池堆100是固体高分子型的燃料电池，具备多个单元电池110（在图1中说明）、端子（terminal）124、端板（end plate）125。燃料电池堆100，以从层叠方向的两端夹持层叠的多个单元电池110的方式配置有端子124和端板125。

电阻测定部130，与端子124连接，测定燃料电池堆100的电阻。电 阻测定部130，通过检测流过两个端子124间的交流电流来测定燃料电池堆100的交流阻抗。再者，电阻测定部130也可以连接在构成燃料电池堆100的各个单元电池110中的任一个上。在连接于任一个上的情况下，优选例如预先连接在各单元电池110之中的在同一条件下电阻值最高的单元电池110上。其原因可以认为是，电阻值越高，发电效率越降低，由发电所致的生成水越少，因此电阻值高的单元电池，与电阻值低的单元电池相比容易干燥。电阻测定部130相当于权利要求书中的“取得单元”。再者，如果能够检测电解质膜112的湿度，则可以与电阻测定部130无关地使用各种方法。

控制部150根据来自外部的要求、测定值来控制燃料电池堆200的工作状态。作为工作状态的控制之一，控制部150基于配置在燃料电池堆200内的电解质膜112的湿度、和基于湿度算出的尺寸变化率，进行控制电解质膜112的湿润状态的湿润状态控制处理。具体来说，控制与燃料电池堆100的发电性能相关的参数来控制电解质膜112的湿润状态，使得电解质膜112的尺寸变化率达到规定值以上。与发电性能相关的参数，例如可使用单元电池的电流值、温度、反应气体流量、背压等。对于湿润状态控制处理，在后面详细叙述。

在第1实施例中，对各单元电池110，在燃料电池堆100的层叠方向上作用着紧固载荷，因此在配置于各单元电池110内的电解质膜112上作用着由摩擦产生的拘束力，在理论上不会从图2（a）所示的初期状态收缩。但是，根据单元电池面内的面压力分布、构成单元电池的构件的厚度的分布，存在由紧固载荷导致的拘束力未充分地进行作用的部分。在这样的部分中，电解质膜112变成容易发生与含水状态相应的尺寸变化的状态，如已述那样，有可能电解质膜112的耐久性下降。因此，在电解质膜112不能容许的拉伸应力作用于电解质膜112之前，通过控制部150加湿电解质膜112来减少由干燥引起的收缩，抑制电解质膜112的耐久性下降。

A4.湿润状态控制处理：

图5是对第1实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。湿润 状态控制处理是由控制部150执行的处理，从燃料电池系统开始运行后以规定间隔继续地执行。

控制部150取得通过电阻测定部130测定到的单元电池电阻值（步骤S10），基于单元电池电阻值来算出电解质膜112的湿度P（步骤S11）。再者，在此算出的湿度P是预测值。

控制部150判断电解质膜112的湿度P是否为湿度阈值A以下（步骤S12），在湿度P为湿度阈值A以下的情况下（步骤S12：是），判断为电解质膜112的尺寸变化率为规定值以下，进行提高电解质膜112的湿度的处理（步骤S13）。规定值是电解质膜112难以由于由干燥所致的应力而损伤的尺寸变化率，在实施例中为0%。湿度阈值相当于权利要求书中的“第1阈值”。

当电解质膜112的尺寸变化率小于0%时，拉伸应力对电解质膜112开始作用，因此，通过将在拉伸应力对电解质膜112进行作用之前，或者作用着电解质膜112能够容许的应力时的湿度作为湿度阈值A，在拉伸应力对电解质膜112进行作用之前能够加湿电解质膜112。在第1实施例中，湿度阈值A是作为电解质膜112的尺寸变化率为0%时的湿度的43%RH。再者，优选湿度阈值A根据湿度范围S2内的湿度来规定，所述湿度范围S2包括电解质膜112的尺寸变化率成为0%时的电解质膜112的湿度。湿度范围S2，在进行利用了由单元电池110的发电而产生的生成水的加湿处理的情况下，为与在由于发电处理而湿度上升之前所发生的应变对应的尺寸变化率的范围时的湿度范围，在第1实施例中，是电解质膜112的尺寸变化率为变化率范围S1（-1.5%～+9.0%）时的电解质膜112的湿度的范围。对该范围进行说明。

在进行利用了由单元电池110的发电而产生的生成水的加湿处理（湿润状态控制处理）的情况下，与在由于发电处理而湿度上升之前所发生的应变对应的变化率范围S1（尺寸变化率的范围）的上限值、下限值，例如如以下那样算出。从上限值进行说明。即，将湿度变化换算成尺寸变化来算出每单位时间的电解质膜112的尺寸变化率a（%/sec），将该每单位时 间的尺寸变化率a乘以从用于加湿处理的发电开始起到湿度上升为止的时间b（a×b）。电解质膜112的尺寸变化，存在电解质膜112的温度越高就越增大的倾向，在电解质膜112的温度为较高的温度例如80°时，每单位时间的电解质膜112的尺寸变化率a是0.225%/sec。此时，从用于单元电池110中的加湿处理的发电开始起到发挥湿度上升的效果为止的时间，经实验为40sec。因此，规定的范围的上限值按照以下所述那样变为9.0%。再者，时间b＝40sec作为从用于加湿处理的发电开始起到发挥湿度上升的效果为止的时间，为较长的时间。

a×b＝0.225%/sec×40sec＝9.0%

接着，对规定的范围的下限值进行说明。一般地，在树脂的情况下，如果拉伸应力为屈服应力的1/5以下，则难以发生材料的损伤。因此，在实施例中，将屈服应力的1/5的拉伸应力作用于电解质膜112时的电解质膜112的尺寸变化率设为变化率范围S1的下限值。

在第1实施例中使用的电解质膜112的屈服应力（σy）为6MPa，因此该屈服应力的1/5的拉伸应力（σ）为1.2MPa。另外，在第1实施例中使用的电解质膜112的弹性模量（E），在温度为80℃、湿度为15%RH的状态下用拉伸试验机测定出的结果是80MPa。因此，电解质膜112的应变（ε）为

ε＝σ/E＝1.2MPa/80MPa＝0.015。在此，电解质膜112的尺寸变化率，通过用百分率表示应变（ε），并根据应力的种类附加正负符号（在压缩应力的情况下为正的符号即+，在拉伸应力的情况下为负的符号即-）来表示。因此，拉伸应力为1.2MPa时的尺寸变化率、即变化率范围S1的下限值变为-1.5%。

另外，作为提高电解质膜112的湿度的处理，有下述方法：通过使单元电池110的电流值上升而使由燃料电池的发电所产生的生成水增加，使电解质膜112的含水率增加。在这种情况下，例如通过使电流值上升到0.5A/cm²，能够采用简易的控制来提高电解质膜112的湿度。另外，例如也可以降低单元电池110的温度。具体来说，例如可列举出使用燃料电池 系统10的电池的能量通过冷却装置而使单元电池温度下降的方法。通过单元电池温度的下降，水蒸气凝结，能够提高电解质膜112的湿度。另外，也可以通过提高气体理论配比来提高电解质膜112的湿度。通过这样做，能够高效地向电解质膜供给被加湿了的气体。另外，也可以通过提高阴极的背压来提高电解质膜112的湿度。通过提高阴极的背压，阴极的水蒸气变得容易凝结，能够提高电解质膜112的湿度。

控制部150在湿度P比湿度阈值A高的情况下（步骤S12：否）结束处理。

根据以上说明的第1实施例的燃料电池系统10，控制电解质膜112的湿润状态，使得与固体高分子型的电解质膜112的膨胀和收缩相伴的平面方向的尺寸变化率达到规定值以上。因此，能够抑制起因于由干燥所致的拉伸应力的电解质膜112的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜112的耐久性。

另外，根据第1实施例的燃料电池系统10，当电解质膜112的湿度变为电解质膜112的尺寸变化率为0%时的湿度（湿度阈值A）以下时，作为电解质膜112的湿润状态的控制，进行提高电解质膜112的湿度的控制，使得电解质膜的尺寸变化率成为0%以上。因此，能够抑制由于电解质膜112的过度干燥而向电解质膜112作用拉伸应力。因而，能够抑制电解质膜112的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜的耐久性。

另外，根据第1实施例的燃料电池系统10，在电解质膜112的尺寸变化率为包含0%在内的变化率范围S1内的变化率的情况下，加湿电解质膜112。因此，能够抑制由于电解质膜112的过度干燥而向电解质膜112作用拉伸应力。因而，能够抑制电解质膜112的破裂、薄壁化，能够提高电解质膜112的耐久性。

另外，根据第1实施例的燃料电池系统10，湿度阈值A根据电解质膜112的尺寸变化率为变化率范围S1（-1.5%～+9.0%）时的电解质膜的湿度范围S2内的湿度来规定。电解质膜112的湿度与电解质膜112的尺寸变化率存在相关关系，当湿度比湿度阈值A低时，有可能由于干燥而导致电解 质膜112变形从而发生损伤。因此，能够在拉伸应力作用之前、或者电解质膜112难以损伤的拉伸应力作用着的状态下控制电解质膜112的湿润状态，因此能够抑制电解质膜112的损伤。

B.第2实施例：

湿度与尺寸变化率的相关关系根据温度而不同。在第2实施例中，根据燃料电池的温度来变更湿度阈值。

B1.燃料电池系统概略构成：

图6是第2实施例中的燃料电池系统20的概略构成。燃料电池系统20具备燃料电池堆200、控制部250、电阻测定部230、和温度传感器240。控制部250根据来自外部的要求来控制燃料电池堆200的发电。作为燃料电池堆200的工作控制之一，控制部250进行控制设置在燃料电池堆200内的电解质膜的湿润状态的湿润状态控制处理。在第2实施例中，燃料电池堆200以及电阻测定部230具备与第1实施例的燃料电池堆100、电阻测定部130相同的功能、构成。再者，在燃料电池堆200中设置有与第1实施例相同的电解质膜，因此，在第2实施例中，利用与第1实施例相同的标记将电解质膜表示为电解质膜112。

温度传感器240连接在燃料电池堆200上，测定燃料电池堆200的温度。再者，温度传感器240例如既可以连接在燃料电池堆200中的任一个单元电池上，也可以连接在端子（未图示）上。以下，在本说明书中，燃料电池堆200的温度设为与电解质膜112的温度相同，将燃料电池堆200的温度也表示为电解质膜112的温度。温度传感器240相当于权利要求书中的“温度检测单元”。

当从温度传感器240取得燃料电池的温度时，控制部250基于与温度相应的电解质膜112的尺寸变化率来变更湿度阈值A。在第2实施例中，控制部250将根据电解质膜112的温度而不同的电解质膜112的尺寸变化率为0%时的湿度设定为湿度阈值A。

另外，控制部250基于通过电阻测定部230所测定到的燃料电池堆200的电阻值来算出电解质膜112的湿度，基于所算出的湿度和所变更了的湿 度阈值A来控制电解质膜112的湿润状态。

B2.温度和尺寸变化率：

图7是对与电解质膜的温度相应的湿度和尺寸变化率的相关关系进行说明的尺寸变化图700、710。图7（a）所示的尺寸变化图700和图7（b）所示的尺寸变化图710的纵轴、横轴与尺寸变化图600相同。尺寸变化图700表示电解质膜112的温度为65℃的情况下的尺寸变化率，尺寸变化图710表示电解质膜112的温度为50℃的情况下的尺寸变化率。示出了对电解质膜112反复实施加湿处理和干燥处理、电解质膜112重复湿润状态和干燥状态的状态转移的过程中的电解质膜的尺寸变化率。尺寸变化曲线702、712表示初次的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化倾向，尺寸变化曲线704、714表示第2次及以后的状态转移时的电解质膜112的尺寸变化倾向。

如尺寸变化曲线704所示，在电解质膜112的温度为65℃的情况下，当电解质膜112的湿度变为30%RH以下时，尺寸变化率变为0%以下，在电解质膜112上作用拉伸应力。另外，如尺寸变化曲线714所示，在电解质膜112的温度为50℃的情况下，当湿度变为13%RH以下时，尺寸变化率变为0%以下，在电解质膜112上作用拉伸应力。

如以上这样，根据电解质膜112的温度，从湿润状态向干燥状态进行状态转移时，电解质膜112的尺寸变化率变为0%的湿度不同。控制部250例如在电解质膜112的温度为65℃时将湿度阈值A变更为30%RH，在电解质膜112的温度为50℃时将湿度阈值A变更为13%RH。

B3.湿润状态控制处理：

图8是对第2实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。湿润状态控制处理通过控制部250来执行。

控制部250从温度传感器240取得燃料电池堆200的温度（步骤S20），根据温度来变更湿度阈值A（步骤S21）。具体来说，控制部250预先具有与电解质膜112的温度相应的湿度阈值映射，参照湿度阈值映射，适当 地特定与电解质膜112的温度相应的湿度阈值，将湿度阈值A变更为所特定的湿度阈值。

图9是对第2实施例中的湿度阈值映射730进行说明的说明图。在湿度阈值映射730中，纵轴表示湿度阈值（单位为%RH），横轴表示电解质膜112的温度（单位为℃）。湿度阈值映射730预先基于电解质膜112的温度、湿度以及尺寸变化率来被规定，示出了在各个温度下电解质膜112的尺寸变化率为0%时的湿度。如湿度阈值映射730示出的那样，相应于电解质膜112的温度上升，电解质膜112的湿度阈值逐渐地上升。例如，在湿度阈值映射730中，温度为T1（50℃）时的湿度阈值是A1（13%RH），温度为T2时的湿度阈值是A2（30%RH），温度为80℃时的湿度阈值是A3（43%RH）。湿度阈值映射730预先被存储在控制部250内。

控制部250取得通过电阻测定部230测定到的单元电池电阻值（步骤S22），基于单元电池电阻值来算出电解质膜112的湿度P（步骤S23）。

控制部250判断电解质膜112的湿度P是否为所变更了的湿度阈值A以下（步骤S24），在湿度P为湿度阈值A以下的情况下（步骤S24：是），判断为电解质膜的尺寸变化率为规定值以下，进行提高电解质膜112的湿度的处理（步骤S25）。

控制部250在湿度P比湿度阈值A高的情况下（步骤S24：否），结束处理。

根据以上说明的第2实施例的燃料电池系统，湿度阈值根据电解质膜112的温度而变更。因此，能够基于与电解质膜112的温度相应的适当的湿度阈值进行电解质膜112的加湿处理，能够提高电解质膜112的耐久性。

C.第3实施例：

电解质膜112的湿度和单元电池电阻值存在相关关系，单元电池电阻值和燃料电池堆的堆电压具有相关关系。即，通过单元电池电阻值，电解质膜112的湿度和堆电压相关。在第3实施例中，根据燃料电池堆的堆电压进行加湿电解质膜的控制。

C1.燃料电池系统概略构成：

图10是第3实施例中的燃料电池系统30的概略构成图。燃料电池系统30具备燃料电池堆300、控制部350、和电压测定部340。控制部350根据来自外部的要求来控制燃料电池堆300的工作。作为燃料电池堆300的工作控制之一，控制部350控制电解质膜112的湿润状态。在第3实施例中，燃料电池堆300具备与第1实施例的燃料电池堆100相同的功能、构成。再者，在燃料电池堆300中设置有与第1实施例相同的电解质膜，因此在第3实施例中，采用与第1实施例相同的标记将电解质膜表示为电解质膜112。

燃料电池堆300具有多个单元电池310。在第3实施例中，单元电池310a是在构成燃料电池堆300的多个单元电池310之中的、相对于相同的堆电压电阻值最高的单元电池。换句话说，单元电池310a是构成燃料电池堆300的多个单元电池310之中的最容易干燥的单元电池。

电压测定部340连接在燃料电池堆300上，测定燃料电池堆300的堆电压。电压测定部340也可以设置在任一个单元电池、或1个以上的多个单元电池上。电压测定部340相当于权利要求书中的“电压检测单元”。堆电压与单元电池的电压大致相同。

控制部350当从电压测定部340取得堆电压时，基于所取得的堆电压和预先设定的电压阈值来进行控制电解质膜112的湿润状态的处理。关于第3实施例中的电压阈值，参照图11来进行说明。电压阈值相当于权利要求书中的第2阈值。

C2.电压阈值：

图11是对第3实施例中的堆电压值和单元电池电阻值进行说明的电压-电阻图800。在电压-电阻图800中，纵轴表示单元电池的电阻值（单位为Ω），横轴表示堆电压值（单位为V）。电压电阻线810表示构成燃料电池堆300的单元电池310之中堆电压值与最容易干燥的单元电池310a的单元电池电阻值的关系。电压电阻线820表示单元电池310b的堆电压值与单元电池电阻值的关系，电压电阻线830表示单元电池310c的堆电压值与单元电池电阻值的关系。

单元电池电阻值如已述那样与电解质膜112的湿度相关，相应于单元电池电阻值的上升，燃料电池的发电效率下降，由发电产生的生成水减少，电解质膜112的湿度降低。在电压-电阻图800中，在燃料电池堆300的温度为80℃的情况下，单元电池的电阻值R1表示电解质膜112的湿度变为43%RH时的电阻值，换句话说，表示电解质膜112的尺寸变化率为0%时的电阻值。当单元电池310a的电阻值变为R1以上时，电解质膜112的湿度变为43%RH以下，在电解质膜112上作用拉伸应力。因此，在第3实施例中，单元电池的电阻值变为R1时的堆电压值V1被设定为电压阈值V。再者，当基于单元电池的电阻值R1变为电阻值R1时的其他单元电池310b、310c的单元电池电阻值而将电压阈值V设为堆电压值V2、V3时，单元电池310a的电解质膜112过度干燥，有可能由于拉伸应力而损伤。

B3.湿润状态控制处理：

图12是对第3实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。湿润状态控制处理通过控制部350来执行。

控制部350从电压测定部340取得燃料电池堆300的堆电压值（步骤S30），判断燃料电池堆100的电压值是否为电压阈值V以上（步骤S31）。控制部350在所取得的电压值为电压阈值V以上的情况下（步骤S31：是），判断为电解质膜112的尺寸变化率为规定值以下，并进行提高电解质膜112的湿度的处理（步骤S32）。

控制部350在所取得的电压值小于电压阈值V的情况下（步骤S31：否），结束处理。

根据以上说明的第3实施例的燃料电池系统30，在堆电压值为电压阈值V以上的情况下，加湿电解质膜112，所述电压阈值V，是在燃料电池的电压方面，在电解质膜的尺寸变化率为-1.5%～+9.0%（在第3实施例中为0%）时的燃料电池的电压值。因此，能够基于堆电压值来简易地抑制：起因于电解质膜112的干燥而产生的拉伸应力作用于电解质膜112。

D.第4实施例：

在第1实施例～第3实施例中，基于电解质膜112的弹塑性，确定了 进行电解质膜112的湿润状态的控制（加湿控制）的时机。但是，向电解质膜112作用的应力、电解质膜112中产生的应变，在基于电解质膜112的弹塑性计算的情况下和基于电解质膜112的粘弹性特性计算的情况下是不同的。在第4实施例中，基于电解质膜112的粘弹性特性来确定进行加湿控制的时机。再者，在第4实施例中，具备与第2实施例的燃料电池系统20同样的构成，因此使用第2实施例中的标记进行说明。但是，在第4实施例中，通过控制部250执行的湿润状态控制处理不同。对于湿润状态控制处理，在后面叙述。

D1.作用于电解质膜的应力·应变：

图13是对基于第4实施例中的电解质膜112的粘弹性特性的向电解质膜112作用的应力·应变进行说明的说明图。图13（a）和图13（b）表示在燃料电池的温度为80℃的状态下用约30秒钟使电解质膜112的湿度从110%RH变化到10%RH的情况下的、相对于电解质膜112的湿度变化的应力·应变的计算结果。图13（a）的湿度变化图900表示相对于时间经过的电解质膜112的湿度变化，图13（b）的应力·应变图910，表示相对于时间经过的电解质膜112的应力·非弹性应变的变化。在图13（a）中，纵轴表示湿度（单位为%RH），横轴表示经过时间（单位为sec）。在图13（b）中，纵轴的左侧表示作用于电解质膜112的应力（单位是MPa），纵轴的右侧表示作用于电解质膜112的非弹性应变，横轴表示经过时间（单位是sec）。

再者，在第5实施例中，使用图14所示的电解质膜112的力学模型以及下述的式2～式5，算出作用于电解质膜112的应力、由应力所致的非弹性应变。图14是表示电解质膜的力学特性的模型。

σ＝σ_p+σ_v…(式2)

σ_p＝K_pε

ifσ_p≤σ_y…(式3)

${\mathrm{\σ}}_p=K_p\mathrm{\ϵ}+H^{\′}(\mathrm{\ϵ}-\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{K_p})$

ifσ_p≥σ_y …(式4)

${\mathrm{\σ}}_v=A^{\frac{-1}{n}}\·{\mathrm{\ϵ}}^{\frac{1}{n}}$ (Norton-Hoff速度定律）…（式5)

如第1实施例中说明的那样，当基于电解质膜112的弹塑性来算出由作用于电解质膜112的拉伸应力所致的电解质膜112的应变时，如图13（a）所示，当电解质膜的湿度变为43%RH时，对电解质膜112作用拉伸应力，产生拉伸应变。另一方面，如图13（b）的应力图912所示，在电解质膜112的湿度变为43%RH的时间T2下，在电解质膜112上作用着约2MPa的拉伸应力，而如非弹性应变图914所示，在时间T2下非弹性应变约为-0.04，在电解质膜112上残存着压缩应变。其原因如下。

电解质膜112当变为湿润状态时进行膨胀，在电解质膜112的平面方向上作用压缩应力，产生压缩应变。电解质膜112在从湿润状态向干燥状态逐渐地转移的过程中，压缩应力降低，变化成拉伸应力。该应力变化需要一定的时间。电解质膜112中产生的应变也同样地从压缩应变向拉伸应变逐渐地变化下去，但与应力变化相比更需要时间。因此，如图13（b）所示，在从时间T2经过约20秒后的时间T3下，非弹性应变变为0以上，从压缩应变向拉伸应变变化，电解质膜112的形状产生变化。因此，实际上电解质膜112的尺寸变化率变为0%后直到电解质膜112中产生拉伸应变为止有规定时间（在第4实施例中为约20秒）的时间延迟。

在第4实施例中，通过使开始加湿处理的时间延迟该时间延迟量，来抑制由加湿处理所致的燃料电池的燃料经济性和发电性能的下降。再者，考虑到经过规定时间后直到开始加湿处理为止的响应延迟，优选：规定时 间设为比实际的延迟时间（在图900中为20秒）短一些的时间（例如15秒）。

D2.湿润状态控制处理：

图15是对第4实施例中的湿润状态控制处理进行说明的流程图。湿润状态控制处理通过控制部250来执行。

控制部250，从温度传感器240取得燃料电池堆200的单元电池温度（步骤S40），根据温度来变更湿度阈值A（步骤S41）。步骤S40～步骤S41与第2实施例的步骤S20～步骤S21相同。

控制部250取得燃料电池堆200的单元电池110的单元电池电阻值（步骤S42），算出电解质膜112的湿度P（步骤S43）。控制部250判断电解质膜112的湿度P是否为湿度阈值A以下（步骤S44）。控制部250在电解质膜112的湿度P为湿度阈值A以下的情况下（步骤S44：是），判断电解质膜112的湿度P为湿度阈值A以下的状态是否继续了规定时间X秒以上（步骤S45）。控制部250在电解质膜112的湿度P比湿度阈值A低的状态继续了规定时间X秒以上的情况下（步骤S45：是），进行提高电解质膜112的湿度的处理（步骤S46）。

控制部250，在电解质膜112的湿度P比湿度阈值A高的情况下（步骤S44：否）、以及电解质膜112的湿度P为湿度阈值A以下的状态在规定时间X秒以内被解除了的情况下、即电解质膜112的湿度P变为湿度阈值A以下之后在规定时间X秒以内电解质膜112的湿度P变得比湿度阈值A高的情况下（步骤S45：否），结束处理。

根据以上说明的第4实施例的燃料电池系统，在电解质膜112的湿度为湿度阈值A以下的状态继续了规定时间X以上的情况下进行电解质膜112的加湿。因此，湿度变为湿度阈值A以下后直到开始提高湿度的处理为止能具有规定时间的延迟，能够抑制与提高湿度的处理相伴的燃料电池的发电效率下降和能量损失，能够提高燃料电池的燃料经济性。

E.第5实施例：

如已述这样，为了抑制起因于电解质膜112的过度干燥的、拉伸应力 向电解质膜112的作用，进行了电解质膜112的加湿控制。但是，在上述的各实施例中，通过使燃料电池的电流值上升，从而使由燃料电池的发电产生的生成水增加来加湿电解质膜112，因此产生如下那样的问题。

即，燃料电池变为从低负荷（高电位）的状态的发电，有可能浪费反应气体（含氢气体），燃料电池的燃料经济性降低。另外，由于燃料电池发生电位变动，所以有可能使作为催化剂使用的铂的劣化进行，招致燃料电池的发电性能下降。进而，由于电解质膜112成为从干燥状态或与干燥状态近似的状态的发电，所以在电解质膜112干燥了的状态下会使反应气体进一步流入，在电解质膜112上作用机械性的拉伸应力，有可能招致电解质膜112的破裂。

由于存在以上说明的问题，所以从燃料电池的燃料经济性和发电性能的观点来看，执行湿润状态的控制处理（加湿控制）的次数尽可能迟缓、且较少为好。因此，在第5实施例中，在第4实施例的湿润状态控制处理中基于电解质膜112的每单位时间的湿度变化量以及变化后的电解质膜112的湿度来调整步骤S45中的规定时间X。

E1.湿度与拉伸应力的相关映射：

图16是表示第5实施例中的电解质膜112的湿度变化所需的时间Ts与湿度变为湿度阈值以下后直到拉伸应力开始作用为止的时间Tt的关系的映射950。在映射950中，纵轴表示电解质膜112的湿度P变为湿度阈值以下后直到拉伸应力开始作用的时间（延迟时间）Tt（单位sec），横轴表示湿度变化所需的时间（所需时间）Ts（单位sec）。图952示出电解质膜112的湿度从110%RH变化到30%RH的情况下的延迟时间Tt，图954示出电解质膜112的湿度从110%RH变化到25%RH的情况下的延迟时间Tt，图956示出电解质膜112的湿度从110%RH变化到20%RH的情况下的延迟时间Tt，图958示出电解质膜112的湿度从110%RH变化到10%RH的情况下的延迟时间Tt。

如映射950所示那样，在从湿润状态向干燥状态的变化需要相同时间的情况下，向干燥状态变化后的湿度（以下称作变化后湿度）越高，则直到拉伸应力开始作用于电解质膜112为止的延迟时间Tt越长。例如，在从湿润状态向干燥状态的变化需要60秒钟的情况下，在图952(变化后湿度为30％RH)中，延迟时间Tt为约80秒，并按图954(变化后湿度为25％RH)、图956(变化后湿度为20％RH)、图958(变化后湿度为10％RH)的顺序，延迟时间Tt变短。即，对于电解质膜112，变化后湿度越低，则湿度变为湿度阈值以下后直到拉伸应力作用于电解质膜112为止的时间变短。

另外，每单位时间的湿度变化量越小(所需时间Ts越长)，则湿度变为湿度阈值以下后直到拉伸应力作用于电解质膜112为止的时间越长。例如，在图958中，在湿度变化所需的所需时间Ts＝30秒的情况下，直到拉伸应力作用为止的延迟时间Tt＝17秒，在所需时间Ts＝60秒的情况下，延迟时间Tt＝22秒，在所需时间Ts＝120秒的情况下，延迟时间Tt＝33秒。

电解质膜112的变化后湿度，预先根据电解质膜112的种类等各种条件来规定，因此在湿润状态控制处理中，基于变化后湿度、和从湿润状态向干燥状态变化所需的时间，一边适当地参照映射950，一边调整规定时间X。再者，从湿润状态向干燥状态变化所需的时间也根据燃料电池的工作温度而变化，因此基于变化后湿度和从湿润状态向干燥状态的变化所需的时间、进而还有燃料电池的工作温度，来调整规定时间X。

根据以上说明的第5实施例的燃料电池系统，基于电解质膜的每单位时间的湿度变化、和湿度变化后的电解质膜的湿度中的至少一方来规定规定时间X。因此，能够灵活地设定变成电解质膜的湿度为第1阈值以下的状态后直到开始加湿控制为止的规定时间。因而，能够抑制与加湿控制相伴的燃料电池的发电效率下降和能量损失，能够提高燃料电池的燃料经济性。

F.变形例：

F1.变形例1：

在第2实施例中，温度传感器240被设置在端板上，但温度传感器240既可以设置在构成燃料电池堆200的各个单元电池中的任一个上，也可以设置在各个单元电池上。在多个单元电池上设置了温度传感器240的情况下，既可以利用各温度传感器240的测定值之中的最高的测定温度，也可以利用温度的平均值。通过使用多个温度传感器，能够提高温度的测定精度。

F2.变形例2：

湿度阈值的设定，也可以除了考虑电解质膜112制造时的条件等之外，还考虑经年劣化、设置环境等来动态地变更。这样，就能够根据更适当的湿度阈值A来进行湿润状态控制处理，不仅是电解质膜112的耐久性提高，而且能够抑制燃料电池的燃料经济性和发电性能的下降。

F3.变形例3：

在第3实施例中，利用预先确定的单元电池的电阻值来预测湿度，但也可以例如在多个单元电池中设置电阻测定部130，基于所取得的多个电阻值之中最高的电阻值来算出湿度。与电阻值的上升相伴地，电解质膜112的干燥状态进展，因此，根据变形例3，能够算出被认为最干燥的电解质膜112的湿度。因此，能够抑制配置在燃料电池堆300中的全部的电解质膜112的过度干燥，能够抑制电解质膜112的耐久性下降。

F4.变形例4：

在上述的各种实施例中，基于配置在某个单元电池110中的电解质膜112进行了燃料电池堆内的全部的电解质膜的加湿控制，但例如也可以对配置在各单元电池110中的各个电解质膜112，个别地进行湿润状态控制处理。这样，对需要加湿的电解质膜进行加湿，并且能够避免不需要的加湿处理。因此，能够抑制燃料电池的发电性能和燃料经济性降低。

F5.变形例5：

在第3实施例中，仅基于单元电池电压值进行了湿润状态控制处理，但例如也可以附加根据电解质膜的温度来变更电压阈值的处理。对于电解质膜而言，燃料电池的电压与电阻值存在相关，并且通过电阻值算出的湿 度和电解质膜112的温度存在相关。因此，通过根据电解质膜的温度来变更电压阈值，能够基于与电解质膜的温度相应的适当的电压阈值来进行电解质膜的加湿处理，能够提高电解质膜的耐久性。

F6.变形例6：

在第1实施例中，为了进行电解质膜112的加湿，以各种方式控制了燃料电池的工作，但例如也可以使用加湿器对向燃料电池供给的反应气体进行加湿，通过反应气体使电解质膜112的含水率增加，由此提高电解质膜112的湿度。

F7.变形例7：

在第1实施例中，作为变化率范围S1的上限，例示了燃料电池堆的温度为80℃的情况，但例如，也可以考虑电解质膜112的温度来设定上限。电解质膜112的温度为较低温度例如55°时，每单位时间的电解质膜112的尺寸变化率a是0.0382%/sec。在从用于单元电池110中的加湿处理的发电开始起到发挥湿度上升的效果为止的时间b＝40sec的情况下，变化率范围S1的上限值如下述那样被规定为1.5%。

a×b＝0.0382%/sec×40sec＝1.5%

F8.变形例8：

在第1实施例中，将尺寸变化率为0%时的湿度设为湿度阈值A，但例如控制部150也可以进行电解质膜的湿润状态的控制，使得达到作用着难以产生材料（电解质膜）的损伤的拉伸应力时的尺寸变化率以上。作用着难以产生材料（电解质膜）的损伤的拉伸应力时的尺寸变化率，如在第1实施例中说明的那样为-1.5%以上且小于0%的范围内。这样，控制部150，在拉伸应力开始作用于电解质膜112后直到开始湿润状态的控制为止能够具有规定的时间，能够一面抑制电解质膜112的损伤一面抑制燃料电池系统的发电性能的下降。

F9.变形例9：

电解质膜112的湿润状态的控制，还包括降低电解质膜112的湿度的控制。作为降低电解质膜112的湿度的控制，例如有下述方法：通过使单 元电池110的电流值下降，使由燃料电池堆100的发电所致的生成水减少，使电解质膜112的含水率下降。另外，例如也可以提高单元电池110的温度。通过单元电池温度的上升，来加热生成水，能够降低电解质膜112的湿度。另外，也可以通过降低气体理论配比来降低电解质膜112的湿度。另外，也可以通过降低阴极的背压来降低电解质膜112的湿度。

以上对本发明的各种实施例进行了说明，但本发明不限于这些实施例，在不脱离其主旨的范围内能够采取各种的构成。

附图标记说明

10、20、30…燃料电池系统

100…燃料电池堆

110…单元电池

112…电解质膜

114…阳极

116…阴极

118…隔板

120…端子

125…端板

130…电阻测定部

150…控制部

200…燃料电池堆

230…电阻测定部

240…温度传感器

250…控制部

300…燃料电池堆

310、310a、310b、310c…单元电池

340…电压测定部

350…控制部

600…尺寸变化图

700…尺寸变化图

710…尺寸变化图

730…湿度阈值映射

800…电压-电阻图

950…映射

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，其具备：

具有固体高分子型的电解质膜的燃料电池；

控制所述燃料电池的控制部；和

取得单元，所述取得单元取得与所述电解质膜的湿度相关的信息，

所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得相对于初期状态中的所述电解质膜的平面方向的面积的与膨胀或收缩相伴的所述电解质膜的平面方向的面积变化率即尺寸变化率达到规定值以上，所述规定值比由于所述电解质膜的干燥而作用于所述电解质膜的拉伸应力导致所述电解质膜损伤时的尺寸变化率大，

当继续了规定时间的所述电解质膜的湿度为第1阈值以下的状态时，所述控制部进行所述电解质膜的湿润状态的控制，

所述第1阈值根据所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5％～+9.0％时的所述电解质膜的湿度的范围来规定，

所述规定时间是所述电解质膜的尺寸变化率变为0％后直到在所述电解质膜中产生拉伸应变的时间。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述规定值为0％。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述规定值为-1.5％。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述尺寸变化率变为所述规定值以上且+9.0％以下。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述规定值根据所述电解质膜的规定范围内的尺寸变化率来规定，所述规定范围是包括所述尺寸变化率为0％的范围。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，

所述第1阈值根据温度而不同，

所述燃料电池系统还具备温度检测单元，所述温度检测单元检测所述电解质膜的温度，

所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第1阈值。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，

还具备表示所述电解质膜的湿度变化所需要的时间、与所述湿度变为所述第1阈值以下后直到拉伸应力开始作用于所述电解质膜的时间的关系的映射图，

所述规定时间基于所述电解质膜的每单位时间的湿度变化和在所述湿度变化之后的所述电解质膜的湿度中的至少一方和所述映射图来规定。

8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述控制部通过控制与所述燃料电池的发电性能相关的参数来进行所述电解质膜的湿润状态的控制。

9.一种燃料电池系统，其具备：

具有固体高分子型的电解质膜的燃料电池；

控制所述燃料电池的控制部；

检测所述燃料电池的电压的电压检测单元；和

检测所述电解质膜的温度的温度检测单元，

所述控制部控制所述电解质膜的湿润状态，使得相对于初期状态中的所述电解质膜的平面方向的面积的与膨胀或收缩相伴的所述电解质膜的平面方向的面积变化率即尺寸变化率达到规定值以上，所述规定值比由于所述电解质膜的干燥而作用于所述电解质膜的拉伸应力导致所述电解质膜损伤时的尺寸变化率大，

所述控制部在所述电压为第2阈值以上的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制，

所述第2阈值是所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5％～+9.0％时的所述燃料电池的电压，

所述第2阈值根据温度而不同，

所述控制部还基于所述燃料电池的温度来变更所述第2阈值。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，所述控制部通过控制与所述燃料电池的发电性能相关的参数来进行所述电解质膜的湿润状态的控制。

11.一种控制方法，是控制具有电解质膜的燃料电池系统中的所述电解质膜的湿润状态的控制方法，

取得相对于初期状态中的所述电解质膜的平面方向的面积的与膨胀以及收缩相伴的所述电解质膜的平面方向的面积变化率即尺寸变化率，

取得与所述电解质膜的湿度相关的信息，

控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述尺寸变化率达到规定值以上，所述规定值比由于所述电解质膜的干燥而作用于所述电解质膜的拉伸应力导致所述电解质膜损伤时的尺寸变化率大，

当继续了规定时间的所述电解质膜的湿度为第1阈值以下的状态时，进行所述电解质膜的湿润状态的所述控制，

所述第1阈值根据所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5％～+9.0％时的所述电解质膜的湿度的范围来规定，

所述规定时间是所述电解质膜的尺寸变化率变为0％后直到在所述电解质膜中产生拉伸应变的时间。

12.一种控制方法，是控制具有电解质膜的燃料电池系统中的所述电解质膜的湿润状态的控制方法，

取得相对于初期状态中的所述电解质膜的平面方向的面积的与膨胀以及收缩相伴的所述电解质膜的平面方向的面积变化率即尺寸变化率，

检测所述燃料电池的电压，

检测所述电解质膜的温度，

控制所述电解质膜的湿润状态，使得所述尺寸变化率达到规定值以上，所述规定值比由于所述电解质膜的干燥而作用于所述电解质膜的拉伸应力导致所述电解质膜损伤时的尺寸变化率大，

在所述电压为第2阈值以上的情况下进行所述电解质膜的湿润状态的控制，

所述第2阈值是所述电解质膜的尺寸变化率为-1.5％～+9.0％时的所述燃料电池的电压，

所述第2阈值根据温度而不同，

所述方法还基于所述燃料电池的温度来变更所述第2阈值。