JP2008282644A - 燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化判定 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化状態を判定するための新たな技術を提供する。さらに、複数の膜電極接合体が積層された燃料電池スタックにおいても、各膜電極接合体の劣化状態を個別に判定可能とする。
【解決手段】燃料電池システム100は、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体12mを複数積層した燃料電池スタック10と、X線照射装置20と、X線検出装置30と、制御装置40とを備える。各膜電極接合体12mには、X線遮蔽材料からなるマークM1_n,M2_nがそれぞれ設けられている。そして、制御装置40は、X線照射装置20によって照射され、各膜電極接合体12mを透過したX線を、X線検出装置30によって検出し、膜電極接合体12mの初期状態からのマークM1_nとマークM2_nとの距離の変化に基づいて、各膜電極接合体12mの収縮量を算出し、各膜電極接合体12mの劣化状態を判定する。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池システム100は、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体12mを複数積層した燃料電池スタック10と、X線照射装置20と、X線検出装置30と、制御装置40とを備える。各膜電極接合体12mには、X線遮蔽材料からなるマークM1_n,M2_nがそれぞれ設けられている。そして、制御装置40は、X線照射装置20によって照射され、各膜電極接合体12mを透過したX線を、X線検出装置30によって検出し、膜電極接合体12mの初期状態からのマークM1_nとマークM2_nとの距離の変化に基づいて、各膜電極接合体12mの収縮量を算出し、各膜電極接合体12mの劣化状態を判定する。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する技術に関するものである。
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極(アノード、および、カソード)を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。このような燃料電池では、膜電極接合体が劣化すると、いわゆるクロスリークが発生し、発電性能の低下を招く。
そこで、従来、膜電極接合体の劣化を判定する種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、膜電極接合体が備える高分子電解質膜の分解反応により生成される化学種(例えば、フッ化物イオン)の量や、この化学種の量に対応する電気伝導度を計測し、その計測結果に基づいて、燃料電池の寿命を予測する技術が記載されている。また、下記特許文献2には、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される排出ガス中のイオン濃度を検出し、その検出結果に基づいて、燃料電池の劣化状態(電解質膜の劣化によるクロスリーク)を検出する技術が記載されている。
ところで、燃料電池には、複数の膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層したスタック構造を有する燃料電池スタックがある。
しかし、上記特許文献1,2に記載された技術では、燃料電池スタックが備える複数の膜電極接合体の劣化を個別に判定することができなかった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化を判定するための新たな技術を提供することを目的とする。さらに、複数の膜電極接合体が積層された燃料電池スタックにおいても、各膜電極接合体の劣化を個別に判定可能な技術を提供することを目的とする。
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。
[適用例1]燃料電池システムであって、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池と、前記膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出する検出部と、前記検出部によって検出された検出結果に基づいて、前記膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定部と、を備えることを要旨とする。
燃料電池の作動時、すなわち、発電時には、水素と酸素との電気化学反応によって、水が生成されるとともに、過酸化水素も生成される。この過酸化水素からは、ヒドロキシラジカルが容易に生成される。このヒドロキシラジカルは、反応性が高く、電解質膜に用いられる固体高分子の分子鎖を切断、分解する作用を有している。そして、固体高分子の分子鎖が切断、分解されると、電解質膜が劣化して収縮する。さらに、電解質膜が収縮すると、これに伴って、この電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体も収縮する。
本適用例の燃料電池システムは、上述した検出部、および、劣化判定部を備えるので、膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出し、この検出結果、すなわち、膜電極接合体の収縮量に基づいて、膜電極接合体、あるいは、膜電極接合体が有する電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。
なお、膜電極接合体の膨張、収縮は、温度変化によっても生じる。したがって、適用例1の燃料電池システムに、さらに、温度センサを備えるようにし、膜電極接合体の温度や、燃料電池の温度や、環境温度等に基づいて、上記劣化の判定基準を補正するようにすることが好ましい。また、膜電極接合体の膨張、収縮は、膜電極接合体に含まれる水分量の変動によっても生じる。したがって、上記劣化の判定は、例えば、燃料電池システムの起動時等、膜電極接合体に含まれる水分量が安定した状態のときに行うことが好ましい。
[適用例2]適用例1の燃料電池システムにおいて、膜電極接合体の収縮量を検出する態様としては、種々の態様を適用可能である。例えば、適用例1の燃料電池システムにおいて、前記膜電極接合体の面内には、放射線遮蔽材料からなるマークが設置されており、前記検出部は、前記膜電極接合体の表面に対してほぼ垂直な方向から、前記膜電極接合体に放射線を照射する放射線照射装置と、前記放射線照射装置によって照射され、前記膜電極接合体を透過した放射線に基づいて、前記マークの位置を表す値を検出する位置検出装置と、前記膜電極接合体の初期状態における前記マークの位置を表す初期値と、前記位置検出装置によって検出された検出値とに基づいて、前記膜電極接合体における前記マークの移動量を、前記パラメータとして算出する演算部と、を備えるようにしてもよい。こうすることによって、膜電極接合体に設置されたマークの移動量に基づいて、膜電極接合体の収縮量を容易に検出することができる。なお、膜電極接合体に設置されるマークの数は、1つであってもよいし、複数であってもよい。
[適用例3]適用例2の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、前記マークは、前記複数の膜電極接合体ごとに、それぞれ異なる位置に設置されており、前記初期値は、前記複数の膜電極接合体にそれぞれ設けられた前記マークごとに設定されているようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタックが備える複数の膜電極接合体の初期状態からの劣化を個別に判定することができる。
[適用例4]また、適用例1の燃料電池システムにおいて、前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、前記検出部は、前記フレーム部材に設けられ、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージと、前記膜電極接合体の初期状態における前記フレーム部材の歪み量の初期値と、前記歪みゲージによって検出された検出値とに基づいて、前記フレーム部材の歪み量の変化量を、前記パラメータとして算出する演算部と、を備えるようにしてもよい。
膜電極接合体が燃料電池に適用される場合、一般に、膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成される。そして、膜電極接合体が収縮すると、フレーム部材が歪む。したがって、本適用例によって、フレーム部材の歪み量、すなわち、フレーム部材に備えられた歪みゲージの出力に基づいて、膜電極接合体の収縮量を間接的に推定することができる。なお、フレーム部材に備えられる歪みゲージの数は、1つであってもよいし、複数であってもよい。また、フレーム部材としては、例えば、樹脂製のフレーム部材を用いることが可能であり、膜電極接合体の周囲に、例えば、射出成形によって、一体的に形成することができる。フレーム部材として、樹脂製のフレーム部材を用いる場合、例えば、インサート成形によって、フレーム部材内に、歪みゲージを埋め込むことができる。
[適用例5]適用例4の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、前記歪ゲージは、前記複数の膜電極接合体の周囲にそれぞれ形成された前記フレーム部材に、それぞれ備えられており、前記初期値は、前記複数のフレーム部材にそれぞれ設けられた前記歪みゲージごとに設定されているようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタックが備える複数の膜電極接合体の初期状態からの劣化を個別に判定することができる。
[適用例6]適用例1ないし適用例5のいずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、前記劣化判定部による判定結果が、前記燃料電池の使用を停止すべき結果である場合に、前記燃料電池の使用を停止すべき旨を警報する警報処理部を備えるようにしてもよい。ここで、「燃料電池の使用を停止すべき結果」とは、検出部によって検出されたパラメータ値が、発電に適した所定の範囲から外れた値であり、膜電極接合体の劣化が著しく、発電を継続するのに不適な状態であることを示す結果を意味している。本適用例によって、燃料電池システムのユーザに、膜電極接合体を交換すべきことを報知することができる。
[適用例7]本発明は、燃料電池の発明として構成することもできる。すなわち、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜電極接合体は、放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備えることを要旨とする。こうすることによって、先述した適用例2,3の燃料電池システムに適用可能な燃料電池を構成することができる。
[適用例8]また、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、前記フレーム部材は、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージを備えることを要旨とする。こうすることによって、先述した適用例4,5の燃料電池システムに適用可能な燃料電池を構成することができる。
[適用例9]本発明は、膜電極接合体の発明として構成することもできる。すなわち、燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体であって、放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備えることを要旨とする。こうすることによって、先述した適用例2,3の燃料電池システム、あるいは、適用例7の燃料電池に適用可能な膜電極接合体を構成することができる。
本発明は、上述の燃料電池システム、燃料電池、膜電極接合体としての構成の他、膜電極接合体の劣化判定方法や、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやCD−ROM、DVD−ROM、光磁気ディスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、X線照射装置20と、X線検出装置30と、制御装置40とを備えている。これらは、後述するように、燃料電池スタック10が備える複数の膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を判定するために用いられる。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、X線照射装置20と、X線検出装置30と、制御装置40とを備えている。これらは、後述するように、燃料電池スタック10が備える複数の膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を判定するために用いられる。
本実施例における燃料電池スタック10は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セル12を複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セル12は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、ガス拡散電極(アノード、および、カソード)を接合した膜電極接合体12mを備えている。本実施例の燃料電池スタック10は、電解質膜として、固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池である。そして、図中に示したように、各膜電極接合体12mには、X線遮蔽材料からなる2つのマークM1_n,M2_nが、各膜電極接合体12mごとに、それぞれ異なる位置に設けられている。X線遮蔽材料としては、例えば、タングステンや、鉛などが挙げられる。なお、これらのマークに付された符号において、「n」は、燃料電池スタック10が備えるn番目の膜電極接合体12mであることを表している。
燃料電池システム100において、X線照射装置20は、燃料電池スタック10のスタック構造の積層方向、すなわち、膜電極接合体12mの表面に対してほぼ垂直な方向から、膜電極接合体12mにX線を照射可能な位置に配置されている。また、X線検出装置30は、X線照射装置20によって照射され、膜電極接合体12mを透過したX線を検出可能な位置に配置されている。そして、図示は省略しているが、これらの周囲には、外部へのX線の漏洩を防止するためのケースが設けられている。
なお、図示、および、詳細な説明は省略するが、燃料電池スタック10の内には、各アノードに燃料ガスとしての水素を供給するための燃料ガス流路や、各カソードに酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を供給するための酸化剤ガス流路や、各単セルを冷却する冷却水を流すための冷却水流路が形成されている。そして、燃料電池スタック10の各アノードには、図示しない水素供給系によって、燃料ガスとして水素が供給される。また、燃料電池スタック10の各カソードには、図示しない空気供給系によって、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。また、図示しない冷却水循環系によって、冷却水が循環される。
燃料電池システム100の運転は、制御装置40によって制御される。制御装置40は、内部にCPU、RAM、ROMなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、先述したように、本実施例の燃料電池システム100は、燃料電池スタック10が備える各膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を判定することが可能であり、本明細書では、燃料電池システム100の種々の運転制御のうち、膜電極接合体12mの劣化を判定する処理(劣化判定処理)について説明する。
本実施例の燃料電池システム100において、膜電極接合体12mの劣化の判定は、以下の原理によって行われる。燃料電池システム100の作動時、すなわち、燃料電池スタック10による発電時には、水素と酸素との電気化学反応によって、水が生成されるとともに、過酸化水素も生成される。この過酸化水素からは、ヒドロキシラジカルが容易に生成される。このヒドロキシラジカルは、反応性が高く、膜電極接合体12mが備える電解質膜に用いられる固体高分子の分子鎖を切断、分解する作用を有している。そして、固体高分子の分子鎖が切断、分解されると、電解質膜が劣化して収縮する。さらに、電解質膜が収縮すると、これに伴って、この電解質膜の両面にガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体12mも収縮する。したがって、膜電極接合体12mの収縮量に基づいて、膜電極接合体12m、あるいは、膜電極接合体12mが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。
そこで、膜電極接合体12mの劣化を判定するために、制御装置40は、マーク位置特定部42と、収縮量演算部44と、劣化判定部46と、記憶部48と、警報処理部49とを備えている。これらの各機能ブロックは、ROMに記憶されている所定のコンピュータプログラムや、データを、RAMにロードすることによって、ソフトウェア的に構築されており、それぞれ後述する機能を有している。これらの機能ブロックの少なくとも一部を、ハードウェア的に構成してもよい。なお、図中に示したように、記憶部48には、各膜電極接合体12mに設けられたマークM1_1〜M1_n,M2_1〜M2_nの位置の初期値が、各膜電極接合体12mと対応付けて記憶されている。本実施例では、これらマークM1_1〜M1_n,M2_1〜M2_nの位置を表す値として、座標値を用いるものとした。また、記憶部48には、後述する劣化判定処理において、劣化の判定基準となる閾値Qsthも記憶されている。
A2.膜電極接合体の劣化判定処理:
図2は、第1実施例の膜電極接合体12mの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。本実施例では、この処理は、燃料電池システム100の起動時に、制御装置40のCPUが実行する処理である。本実施例では、先に説明したように、膜電極接合体12mの収縮量に基づいて、膜電極接合体12mの劣化判定を行うものであり、燃料電池システム100の起動時には、膜電極接合体12mに含まれる水分量が比較的安定していて、膜電極接合体12mに含まれる水分量の変動による膨張、収縮が少ないからである。
図2は、第1実施例の膜電極接合体12mの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。本実施例では、この処理は、燃料電池システム100の起動時に、制御装置40のCPUが実行する処理である。本実施例では、先に説明したように、膜電極接合体12mの収縮量に基づいて、膜電極接合体12mの劣化判定を行うものであり、燃料電池システム100の起動時には、膜電極接合体12mに含まれる水分量が比較的安定していて、膜電極接合体12mに含まれる水分量の変動による膨張、収縮が少ないからである。
まず、CPUは、X線照射装置20によって、燃料電池スタック10が備える各膜電極接合体12mにX線を照射する(ステップS100)。そして、CPUは、X線検出装置30によって、X線照射装置20によって照射され、各膜電極接合体12mを透過したX線を検出する(ステップS110)。
次に、CPUは、マーク位置特定部42によって、X線検出装置30によって検出された検出結果に基づいて、各膜電極接合体12mに設けられたマークM1_1〜M1_n,M2_1〜M2_nの位置をそれぞれ特定する(ステップS120)。
次に、CPUは、収縮量演算部44によって、記憶部48に記憶されているマークM1_1〜M1_n,M2_1〜M2_nの位置の初期値と、マーク位置特定部42によって特定されたマークM1_1〜M1_n,M2_1〜M2_nの位置とに基づいて、各膜電極接合体12mの収縮量Qsを、それぞれ算出する(ステップS130)。本実施例では、膜電極接合体12mの収縮量Qsとして、収縮率を用いるものとした。収縮量Qsは、例えば、{(マークM1_n、および、マークM1_nの初期値から求められる両者間の距離)−(マークM1_n、および、マークM1_nの検出値から求められる両者間の距離)}/(マークM1_n、および、マークM1_nの初期値から求められる両者間の距離)によって算出される。
次に、CPUは、各膜電極接合体12mについて、収縮量Qsが閾値Qsth以上であるか否かをそれぞれ判定する(ステップS140)。この閾値Qsthは、膜電極接合体12mの劣化(収縮)が著しく、発電を継続するのに不適な状態であることを判断可能な値が設定されている。そして、収縮量Qsが閾値Qsth未満である場合には(ステップS140:NO)、CPUは、劣化判定処理を終了する。一方、収縮量Qsが閾値Qsth以上である膜電極接合体12mが存在した場合には(ステップS140:YES)、CPUは、その膜電極接合体12mを特定するとともに、警報処理部49によって、警報処理を行う。この警報処理としては、例えば、図示しない警告ランプを点灯させたり、警告音を鳴らしたりする処理が挙げられる。そして、CPUは、劣化判定処理を終了する。
以上説明した第1実施例の燃料電池システム100によれば、膜電極接合体12mの収縮量Qsに基づいて、膜電極接合体12m、あるいは、膜電極接合体12mが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。また、燃料電池スタック10が備える複数の膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を、個別に判定することができる。
B.第2実施例:
B1.燃料電池システムの構成:
図3は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム100Aの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム100Aは、燃料電池スタック10Aと、制御装置40Aとを備えている。そして、本実施例の燃料電池システム100Aも、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同様に、膜電極接合体12mの収縮量に基づいて、燃料電池スタック10が備える複数の膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を判定することが可能である。
B1.燃料電池システムの構成:
図3は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム100Aの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム100Aは、燃料電池スタック10Aと、制御装置40Aとを備えている。そして、本実施例の燃料電池システム100Aも、先に説明した第1実施例の燃料電池システム100と同様に、膜電極接合体12mの収縮量に基づいて、燃料電池スタック10が備える複数の膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を判定することが可能である。
本実施例における燃料電池スタック10Aは、第1実施例の燃料電池スタック10と同様に、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セル12Aを複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セル12Aは、膜電極接合体12mを備えている。ただし、図中に示したように、各膜電極接合体12mの周囲には、矩形形状を有する樹脂製のフレーム部材12fが、例えば、射出成形によって、それぞれ一体的に形成されており、各フレーム部材12fの内部には、各フレーム部材12fの歪み量を検出するための2つの歪みゲージ12gh_n,12gv_nが、例えば、インサート成形によって、それぞれ埋め込まれている。歪みゲージ12gh_nは、フレーム部材12fの縦方向の歪み量を検出するためのものであり、歪みゲージ12gv_nは、フレーム部材12fの横方向の歪み量を検出するためのものである。なお、これらの歪みゲージに付された符号において、「n」は、燃料電池スタック10が備えるn番目のフレーム部材12fであることを表している。各フレーム部材12fに埋め込まれた歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_nの出力は、制御装置40Aに送られる。また、本実施例の燃料電池システム100Aでは、歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_nは、制御装置40Aと配線接続されているものとしたが、燃料電池スタック10A、および、制御装置40Aに、それぞれ無線通信装置を備えるようにし、互いに無線通信するようにしてもよい。燃料電池スタック10Aと制御装置40Aとが、互いに無線通信するようにすれば、多数の配線の煩わしさを解消することができる。
燃料電池システム100Aの運転は、制御装置40Aによって制御される。制御装置40Aは、第1実施例における制御装置40と同様に、内部にCPU、RAM、ROMなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、先述したように、本実施例の燃料電池システム100Aは、燃料電池スタック10Aが備える各膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を判定することが可能であり、本実施例においても、燃料電池システム100Aの種々の運転制御のうち、膜電極接合体12mの劣化を判定する処理(劣化判定処理)について説明する。
本実施例の燃料電池システム100Aにおいて、膜電極接合体12mの劣化の判定は、以下の原理によって行われる。先に説明したように、燃料電池システム100Aの作動時、すなわち、燃料電池スタック10による発電時には、電解質膜が劣化して収縮し、さらに、膜電極接合体12mも収縮する。そして、膜電極接合体12mが収縮すると、これに伴って、膜電極接合体12mに一体的に形成されたフレーム部材12fが歪む。したがって、フレーム部材12fの歪み量に基づいて、膜電極接合体12mの収縮量を間接的に推定し、膜電極接合体12m、あるいは、膜電極接合体12mが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。
そこで、膜電極接合体12mの劣化状態を判定するために、制御装置40Aは、歪み量演算部45と、劣化判定部46Aと、記憶部48Aと、警報処理部49とを備えている。これらの各機能ブロックは、ROMに記憶されている所定のコンピュータプログラムや、データを、RAMにロードすることによって、ソフトウェア的に構築されており、それぞれ後述する機能を有している。これらの機能ブロックの少なくとも一部を、ハードウェア的に構成してもよい。なお、図中に示したように、記憶部48Aには、各フレーム部材12fに埋め込まれた歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_nの出力値の初期値が、各歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_n、すなわち、各フレーム部材12f、および、膜電極接合体12mと対応付けて記憶されている。また、記憶部48Aには、後述する劣化判定処理において、劣化状態の判定基準となる閾値Dthも記憶されている。
B2.膜電極接合体の劣化判定処理:
図4は、第2実施例の膜電極接合体12mの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。本実施例では、この処理は、燃料電池システム100Aの起動時に、制御装置40AのCPUが実行する処理である。本実施例では、先に説明したように、フレーム部材12fの歪み量に基づいて、膜電極接合体12mの収縮量を間接的に推定し、膜電極接合体12mの劣化判定を行うものであり、燃料電池システム100Aの起動時には、膜電極接合体12mに含まれる水分量が比較的安定していて、膜電極接合体12mに含まれる水分量の変動による膨張、収縮が少ないからである。
図4は、第2実施例の膜電極接合体12mの劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。本実施例では、この処理は、燃料電池システム100Aの起動時に、制御装置40AのCPUが実行する処理である。本実施例では、先に説明したように、フレーム部材12fの歪み量に基づいて、膜電極接合体12mの収縮量を間接的に推定し、膜電極接合体12mの劣化判定を行うものであり、燃料電池システム100Aの起動時には、膜電極接合体12mに含まれる水分量が比較的安定していて、膜電極接合体12mに含まれる水分量の変動による膨張、収縮が少ないからである。
まず、CPUは、燃料電池スタック10Aから、各歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_nの出力を取得し(ステップS200)、歪み量演算部45によって、記憶部48Aに記憶されている歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_nの出力値の初期値と、ステップS200で取得した歪みゲージ12gh_1〜12gh_n,12gv_1〜12gv_nの出力値とに基づいて、各フレーム部材12fの縦方向、および、横方向の歪み量の増加量Dを算出する(ステップS210)。フレーム部材12fの歪み量の増加量Dと膜電極接合体12mの収縮量との関係は、予め、実験的、あるいは、解析的に知得可能であるから、フレーム部材12fの歪み量の増加量Dに基づいて、膜電極接合体12mの収縮量を推定することができる。
次に、CPUは、各フレーム部材12fの歪み量の増加量Dが閾値Dth以上であるか否かをそれぞれ判定する(ステップS220)。この閾値Dthは、フレーム部材12fの歪み量が大きく、すなわち、膜電極接合体12mの劣化(収縮)が著しく、発電を継続するのに不適な状態であることを判断可能な値が設定されている。そして、歪み量の増加量Dが閾値Dth未満である場合には(ステップS220:NO)、CPUは、劣化判定処理を終了する。一方、歪み量の増加量Dが閾値Dth以上であるフレーム部材12fが存在する場合には(ステップS220:YES)、CPUは、そのフレーム部材12fを特定するとともに、警報処理部49によって、警報処理を行う。この警報処理としては、例えば、図示しない警告ランプを点灯させたり、警告音を鳴らしたりする処理が挙げられる。そして、CPUは、劣化判定処理を終了する。
以上説明した第2実施例の燃料電池システム100Aによれば、フレーム部材12fの歪み量(歪み量の増加量D)に基づいて、膜電極接合体12m、あるいは、膜電極接合体12mが備える電解質膜の初期状態からの劣化を判定することができる。また、燃料電池スタック10が備える複数の膜電極接合体12mの初期状態からの劣化を、個別に判定することができる。
C.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
C1.変形例1:
上記第1実施例では、各膜電極接合体12mには、X線遮蔽材料からなるマークが、2つずつ設けられているものとしたが、本発明は、これに限られない。各膜電極接合体12mに設けられるマークの数は、任意に設定可能であり、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。各膜電極接合体12mに設けられるマークの数を3つ以上とすれば、膜電極接合体12mの劣化の判定を、さらに、詳細に行うことができる。また、各膜電極接合体12mに設けられるマークが1つである場合には、マークの初期位置からの移動量に基づいて、膜電極接合体12mの劣化判定処理を行うようにすればよい。
上記第1実施例では、各膜電極接合体12mには、X線遮蔽材料からなるマークが、2つずつ設けられているものとしたが、本発明は、これに限られない。各膜電極接合体12mに設けられるマークの数は、任意に設定可能であり、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。各膜電極接合体12mに設けられるマークの数を3つ以上とすれば、膜電極接合体12mの劣化の判定を、さらに、詳細に行うことができる。また、各膜電極接合体12mに設けられるマークが1つである場合には、マークの初期位置からの移動量に基づいて、膜電極接合体12mの劣化判定処理を行うようにすればよい。
C2.変形例2:
上記第1実施例では、X線照射装置20、および、X線検出装置30を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。X線照射装置20の代わりに、他の放射線を照射可能な放射線照射装置を用いるとともに、X線検出装置30の代わりに、上記放射線を検出可能な放射線検出装置を用いるようにしてもよい。そして、この場合、膜電極接合体12mに設けられるマークを上記放射線を遮蔽可能な材料からなるものとすればよい。
上記第1実施例では、X線照射装置20、および、X線検出装置30を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。X線照射装置20の代わりに、他の放射線を照射可能な放射線照射装置を用いるとともに、X線検出装置30の代わりに、上記放射線を検出可能な放射線検出装置を用いるようにしてもよい。そして、この場合、膜電極接合体12mに設けられるマークを上記放射線を遮蔽可能な材料からなるものとすればよい。
C3.変形例3:
上記第2実施例では、各フレーム部材12fには、それぞれ2つの歪みゲージが埋め込まれているものとしたが、本発明は、これに限られない。各フレーム部材12fに埋め込まれる歪みゲージの数は、任意に設定可能であり、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。ただし、フレーム部材12fに複数の歪みゲージを備えるようにすることによって、膜電極接合体12mの収縮量を、より精度良く推定することができる。また、上記第2実施例では、劣化判定処理において、フレーム部材12fに備えられた2つの歪みゲージに対して、1つの閾値Dthを用いるものとしたが、2つの歪みゲージにそれぞれ対応する2つの閾値を設定するようにしてもよい。
上記第2実施例では、各フレーム部材12fには、それぞれ2つの歪みゲージが埋め込まれているものとしたが、本発明は、これに限られない。各フレーム部材12fに埋め込まれる歪みゲージの数は、任意に設定可能であり、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。ただし、フレーム部材12fに複数の歪みゲージを備えるようにすることによって、膜電極接合体12mの収縮量を、より精度良く推定することができる。また、上記第2実施例では、劣化判定処理において、フレーム部材12fに備えられた2つの歪みゲージに対して、1つの閾値Dthを用いるものとしたが、2つの歪みゲージにそれぞれ対応する2つの閾値を設定するようにしてもよい。
C4.変形例4:
上記第1実施例、および、第2実施例では、制御装置40,40Aは、警報処理部49を備えるものとしたが、これを省略してもよい。
上記第1実施例、および、第2実施例では、制御装置40,40Aは、警報処理部49を備えるものとしたが、これを省略してもよい。
C5.変形例5:
上記第1実施例、および、第2実施例では、劣化判定処理において、それぞれ固定の閾値Qsth、閾値Dthを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体12mは、温度変化によって、膨張、収縮するので、燃料電池システム100,100Aに、さらに、温度センサを備えるようにし、膜電極接合体12mの温度や、燃料電池スタック10の温度や、環境温度等に基づいて、上記劣化状態の判定基準となる閾値Qsth、閾値Dthを補正するようにしてもよい。
上記第1実施例、および、第2実施例では、劣化判定処理において、それぞれ固定の閾値Qsth、閾値Dthを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体12mは、温度変化によって、膨張、収縮するので、燃料電池システム100,100Aに、さらに、温度センサを備えるようにし、膜電極接合体12mの温度や、燃料電池スタック10の温度や、環境温度等に基づいて、上記劣化状態の判定基準となる閾値Qsth、閾値Dthを補正するようにしてもよい。
C6.変形例6:
上記第1実施例、および、第2実施例では、劣化判定処理を、燃料電池システム100,100Aの起動時に行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池システム100,100Aの運転中に、劣化判定処理を行うものとしてもよい。ただし、この場合には、膜電極接合体12mに含まれる水分量の変化によって、膜電極接合体12mが膨張、収縮するので、膜電極接合体12mに含まれる水分量を検出、あるいは、推定し、膜電極接合体12mに含まれる水分量に基づいて、上記劣化状態の判定基準となる閾値Qsth、閾値Dthを補正するようにすることが好ましい。
上記第1実施例、および、第2実施例では、劣化判定処理を、燃料電池システム100,100Aの起動時に行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池システム100,100Aの運転中に、劣化判定処理を行うものとしてもよい。ただし、この場合には、膜電極接合体12mに含まれる水分量の変化によって、膜電極接合体12mが膨張、収縮するので、膜電極接合体12mに含まれる水分量を検出、あるいは、推定し、膜電極接合体12mに含まれる水分量に基づいて、上記劣化状態の判定基準となる閾値Qsth、閾値Dthを補正するようにすることが好ましい。
C7.変形例7:
上記第1実施例、および、第2実施例では、劣化判定部46,46Aは、それぞれ閾値Qsth、閾値Dthに基づいて、複数の膜電極接合体12mのうちのいずれかが使用不能であるか否かを判定するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、膜電極接合体12mの収縮量Qsと、膜電極接合体12mの劣化状態との関係を、予め実験的、あるいは、解析的に知得しておき、これに基づいて、膜電極接合体12mの交換時期を推定し、さらに、報知するようにしてもよい。
上記第1実施例、および、第2実施例では、劣化判定部46,46Aは、それぞれ閾値Qsth、閾値Dthに基づいて、複数の膜電極接合体12mのうちのいずれかが使用不能であるか否かを判定するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、膜電極接合体12mの収縮量Qsと、膜電極接合体12mの劣化状態との関係を、予め実験的、あるいは、解析的に知得しておき、これに基づいて、膜電極接合体12mの交換時期を推定し、さらに、報知するようにしてもよい。
100,100A…燃料電池システム
10,10A…燃料電池スタック
12,12A…単セル
12m…膜電極接合体
12f…フレーム部材
12gh_1〜12gh_n,12gv1〜12gv_n…歪みゲージ
20…X線照射装置
30…X線検出装置
40,40A…制御装置
42…マーク位置特定部
44…収縮量演算部
45…歪み量演算部
46,46A…劣化判定部
48,48A…記憶部
49…警報処理部
M1_1〜M1_n,M2_1〜M2_n…マーク
10,10A…燃料電池スタック
12,12A…単セル
12m…膜電極接合体
12f…フレーム部材
12gh_1〜12gh_n,12gv1〜12gv_n…歪みゲージ
20…X線照射装置
30…X線検出装置
40,40A…制御装置
42…マーク位置特定部
44…収縮量演算部
45…歪み量演算部
46,46A…劣化判定部
48,48A…記憶部
49…警報処理部
M1_1〜M1_n,M2_1〜M2_n…マーク
Claims (10)
- 燃料電池システムであって、
固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池と、
前記膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出する検出部と、
前記検出部によって検出された検出結果に基づいて、前記膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定部と、
を備える燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記膜電極接合体の面内には、放射線遮蔽材料からなるマークが設けられており、
前記検出部は、
前記膜電極接合体の表面に対してほぼ垂直な方向から、前記膜電極接合体に放射線を照射する放射線照射装置と、
前記放射線照射装置によって照射され、前記膜電極接合体を透過した放射線に基づいて、前記マークの位置を表す値を検出する位置検出装置と、
前記膜電極接合体の初期状態における前記マークの位置を表す初期値と、前記位置検出装置によって検出された検出値とに基づいて、前記膜電極接合体における前記マークの移動量を、前記パラメータとして算出する演算部と、
を備える燃料電池システム。 - 請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、
前記マークは、前記複数の膜電極接合体ごとに、それぞれ異なる位置に設けられており、
前記初期値は、前記複数の膜電極接合体にそれぞれ設けられた前記マークごとに設定されている、燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、
前記検出部は、
前記フレーム部材に設けられ、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージと、
前記膜電極接合体の初期状態における前記フレーム部材の歪み量の初期値と、前記歪みゲージによって検出された検出値とに基づいて、前記フレーム部材の歪み量の変化量を、前記パラメータとして算出する演算部と、
を備える燃料電池システム。 - 請求項4記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックであり、
前記歪ゲージは、前記複数の膜電極接合体の周囲にそれぞれ形成された前記フレーム部材に、それぞれ設けられており、
前記初期値は、前記複数のフレーム部材にそれぞれ設けられた前記歪みゲージごとに設定されている、燃料電池システム。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記劣化判定部による判定結果が、前記燃料電池の使用を停止すべき結果である場合に、前記燃料電池の使用を停止すべき旨を警報する警報処理部を備える燃料電池システム。 - 固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備える、燃料電池。 - 固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体の周囲には、フレーム部材が一体的に形成されており、
前記フレーム部材は、該フレーム部材の歪み量を検出する歪みゲージを備える、燃料電池。 - 燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体であって、
放射線遮蔽材料からなるマークを面内に備える膜電極接合体。 - 燃料電池に用いられ、固体高分子からなる電解質膜を有する膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定方法であって、
前記膜電極接合体の収縮量に関連する所定のパラメータを検出する検出工程と、
前記検出工程によって検出された検出結果に基づいて、前記膜電極接合体の初期状態からの劣化を判定する劣化判定工程と、
を備える劣化判定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007125120A JP2008282644A (ja) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | 燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化判定 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007125120A JP2008282644A (ja) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | 燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化判定 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008282644A true JP2008282644A (ja) | 2008-11-20 |
Family
ID=40143289
Family Applications (1)
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JP2007125120A Pending JP2008282644A (ja) | 2007-05-10 | 2007-05-10 | 燃料電池に用いられる膜電極接合体の劣化判定 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008282644A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102486464A (zh) * | 2010-12-02 | 2012-06-06 | 现代自动车株式会社 | 检测燃料电池堆部件中的针孔的系统 |
US9170216B2 (en) | 2009-11-26 | 2015-10-27 | Hyundai Motor Company | Pinhole detection system of fuel cell |
CN107112578A (zh) * | 2015-01-13 | 2017-08-29 | 艾利电力能源有限公司 | 电极层叠体中的电极板的位置偏移检测方法以及其装置 |
-
2007
- 2007-05-10 JP JP2007125120A patent/JP2008282644A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9170216B2 (en) | 2009-11-26 | 2015-10-27 | Hyundai Motor Company | Pinhole detection system of fuel cell |
CN102486464A (zh) * | 2010-12-02 | 2012-06-06 | 现代自动车株式会社 | 检测燃料电池堆部件中的针孔的系统 |
CN102486464B (zh) * | 2010-12-02 | 2016-08-03 | 现代自动车株式会社 | 检测燃料电池堆部件中的针孔的系统 |
CN107112578A (zh) * | 2015-01-13 | 2017-08-29 | 艾利电力能源有限公司 | 电极层叠体中的电极板的位置偏移检测方法以及其装置 |
CN107112578B (zh) * | 2015-01-13 | 2019-07-05 | 艾利电力能源有限公司 | 电极层叠体中的电极板的位置偏移检测方法以及其装置 |
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