JP2009016101A - 電解質膜劣化判定方法および電解質膜劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池に用いられる種々の電解質膜について、電解質膜の劣化を判定しうる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】
電解質膜劣化判定装置１００は、第１のガスを燃料電池１０の第１の電極に供給して、燃料電池１０から排出された第１のガスを排出する第１のガス給排系と、第１のガスの水蒸気濃度よりも高くなるように加湿されている第２のガスを燃料電池１０の第２の電極に供給して、燃料電池１０から排出された第２のガスを大気へ排出する第２のガス給排系と、電解質膜の劣化を判定する判定部７０と、を備える。判定部７０は、燃料電池１０に供給される第１のガスの含水量と、燃料電池１０から排出される第１のガスの含水量との差に基づいて、第２の電極から第１の電極に移動する移動水量を算出し、算出された移動水量に基づいて、電解質膜の劣化を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を構成する電解質膜の劣化を判定する電解質膜劣化判定方法に関するものである。

電解質膜の両面に電極を配置して成る膜電極接合体（以下、ＭＥＡともいう。）を有する燃料電池では、燃料電池の発電を継続すると、電解質膜中の成分（例えば、フッ素）が溶出すること等により、電解質膜が劣化する。電解質膜が劣化して、電解質膜に孔が開くと、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての酸素が、電解質膜に生じた孔を通って直接反応する場合がある。そうすると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの、電気化学反応に用いられる量が、相対的に減少するため、燃料電池の発電効率が低下する。また、上記したように水素と酸素が直接反応すると、発熱量が大きいため、電解質膜が加速度的に劣化するおそれがある。そこで、電解質膜の劣化度合いを把握して、燃料電池の耐用年数を予測したり、燃料電池の異常を早期に発見したいという要望があった。

そこで、従来は、燃料電池の発電中に、ＭＥＡから溶出した成分（例えば、フッ素）の量に基づいて、劣化を判定する劣化判定装置が提案されている。この劣化判定装置は、ＭＥＡから溶出した成分によって腐食される物質（例えば、アルミニウム）と、その腐食される物質（以下、腐食物質ともいう）の腐食度合いを観察できる観察窓と、を備える。劣化判定装置を燃料電池の排気経路中に配置して、燃料電池を発電させた場合に、ＭＥＡから電解質膜中の成分が溶出されると、その溶出成分は、排気ガスと共に排気経路中を流通する。そしてその溶出物質によって腐食物質が腐食される。劣化判定装置の観察窓から腐食物質の腐食度合いを観察し、腐食度合いが大きければ、溶出成分の量が多いとして、ＭＥＡの劣化度合いが大きいと判定する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１７４８２２号公報

しかしながら、このような装置では、例えば、炭化水素系の電解質膜を用いる場合には、炭化水素が溶け出しても、金属が腐食しないため、ＭＥＡの劣化を判定することができない。すなわち、電解質膜の種類によって、ＭＥＡの劣化を判定することができるものとできないものがある。

そこで、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、燃料電池に用いられる種々の電解質膜について、電解質膜の劣化を判定しうる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。

［適用例１］ 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極と、を備える燃料電池の、前記電解質膜の劣化を判定する電解質膜劣化判定方法であって、
（ａ）前記第２の電極の含有する水蒸気の濃度を、前記第１の電極の含有する水蒸気の濃度よりも高くする工程と、
（ｂ）前記第２の電極から前記第１の電極へ、前記電解質膜を介して移動する移動水の移動水量を求める工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）において求められた前記移動水量に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
を、備えることを特徴とする電解質膜劣化判定方法。

燃料電池が発電をすると、電解質膜を構成する物質の分子鎖が切れたり、構成物質が溶け出したりすることにより、電解質膜は劣化する。このように電解質膜が劣化すると、電解質膜の容積が減少するため、膜厚が薄くなる。

電解質膜の両面に電極が配置されている場合に、その電極間に水蒸気濃度の差があると、水蒸気濃度の高い方の電極から、水蒸気濃度の低い方の電極へ、電解質膜を介して水が移動する（この水を、「移動水」という。）。両電極間の水蒸気濃度の濃度勾配が大きいと、この移動水の量（以下、「移動水量」ともいう。）は、後述するフィックの第１法則（式１）により大きくなる。

例えば、電極間の水蒸気濃度の差が一定の場合、電解質膜の膜厚が薄いと、水蒸気濃度の濃度勾配が大きくなるため、膜厚が厚いものに比べて、移動水量が多くなる。なお、本明細書中において、移動水量とは、単位時間当たりに単位断面積を通過する水の量をいう。すなわち、所定の時間発電をした燃料電池において、燃料電池の製造時よりも移動水量が多いと、燃料電池の製造時よりも電解質膜が薄くなっている、つまり、電解質膜が劣化しているといえる。したがって、本発明の電解質膜の劣化判定方法によれば、移動水量に基づいて、容易に電解質膜の劣化を判定することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の電解質膜の劣化判定方法であって、
前記工程（ｂ）は、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方の電極に供給される水の量と、該電極から排出される水の量の差に基づいて、前記移動水量を求めることを特徴とする電解質膜劣化判定方法。

第１の電極に供給される水の量と、第１の電極から排出される水の量との差に基づいて、移動水量を求める場合、例えば、後述するように、第１のガス入口、出口それぞれの露点、第１のガスの入口流量、第１のガス出口の圧力より、容易に求めることができる。したがって、本発明の電解質膜の劣化判定方法によれば、移動水量に基づいて、容易に電解質膜の劣化を判定することができる。

［適用例３］ 適用例１または２に記載の電解質膜劣化判定方法であって、
前記工程（ｃ）は、
（ｃ１）前記工程（ｂ）において算出された前記移動水量に基づいて、前記電解質膜の膜厚を求める工程と、
（ｃ２）前記工程（ｃ１）において求められた前記膜厚に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
を、含むことを特徴とする電解質膜劣化判定方法。

例えば、予め、移動水量と、電解質膜の膜厚との関係を調べたデータベースを用意しておけば、工程（ｂ）によって求められた移動水量に基づいて、データベースを参照して、電解質膜の膜厚を求めることができる。さらに、膜厚と反応ガスのクロスリーク量との関係を予め調べおけば、膜厚に基づいて、クロスリーク量を予測することができる。クロスリーク量が多いということは、電解質膜が劣化しているということになる。したがって、本適用例によれば、電解質膜の膜厚に基づいて、電解質膜の劣化度合いを評価することができる。

［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれか一つに記載の電解質膜劣化判定方法において、
前記工程（ａ）は、
（ａ１）前記第１の電極に、所定の水蒸気濃度の第１のガスを供給する工程と、
（ａ２）前記第２の電極に、前記第１のガスよりも水蒸気濃度の高い第２のガスを供給する工程と、
を、含むことを特徴とする電解質膜劣化判定方法。

ガスの水蒸気濃度は、例えば、乾燥ガスを、バブラー式加湿装置(以下、「バブラー」という。)等の加湿器を通すことによって、管理することができる。バブラーは、温度管理された水の中に乾燥ガスを通すことによって、加湿ガスを作り出す装置である。バブラーによって作られた加湿ガスは、露点温度がバブラーの水温と等しくなる。バブラーの水温を管理することによって、容易に、所望の水蒸気濃度のガスを作ることができるため、このようにすると、容易に、第１のガスと第２のガスの水蒸気濃度の差を設けることができる。

この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電解質膜劣化判定装置等の形態で実現することができる。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の好適な一実施例としての電解質膜劣化判定装置１００を模式的に示す説明図である。本実施例では、例えば、車両に搭載された燃料電池１０を、定期点検時に車両から外して、外した燃料電池１０をそのまま電解質膜劣化判定装置１００に取り付けて、燃料電池１０の電解質膜の劣化を判定する場合を例に挙げて、説明する。燃料電池１０は、固体高分子電解質膜の両面に第１の電極と第２の電極とを、それぞれ配置して成る膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を成す。

Ａ１．電解質膜の膜厚と移動水量との関係：
本実施例の劣化判定装置１００は、第２の電極から第１の電極へ移動する移動水の量に基づいて、電解質膜の膜厚を求め、求めた膜厚に基づいて、電解質膜の劣化を判定している。このような劣化判定装置１００における電解質膜の劣化判定方法の説明に先立って、電解質膜の膜厚と移動水量との関係について、以下に説明する。

図２は、電解質膜の膜厚と移動水量との関係を調べた結果を示す説明図である。ここでは、燃料電池の温度８０℃、第２のガスの露点８０℃、第１のガスの露点４５℃、両極のガス圧０．１ＭＰａとして、下記のフィックの第１法則（式１）を用いて、移動水量を求めた。

Ｊ：拡散束（単位時間当たりに単位断面積を通り拡散する物質の流れ）[ｍｏｌ／ｃｍ²／ｓｅｃ]
Ｄ：拡散係数[ｃｍ²／ｓｅｃ]
Ｃ：濃度[ｍｏｌ／ｃｍ³]
ｘ：位置[ｃｍ]

拡散係数は、温度依存性のある係数なので、燃料電池の温度８０℃における拡散係数Ｄ＝０．０１４を（式１）に代入する。濃度Ｃは、露点温度Ｔでの飽和水蒸気圧Ｐｓ[ＭＰａ]と、ガス圧Ｐ（＝０．１[ＭＰａ]）から、以下の（式２）により求めることができる。

露点温度Ｔでの飽和水蒸気圧をＰｓは、Ｗａｇｎｅｒの式（式３．１）、（式３．２）により求めることができる。

Ｐｓ＝Ｐａ／１０００ ・・・（式３．１）
ｌｎ（Ｐａ／Ｐｃ）＝（Ａτ＋Ｂτ^1.5＋Ｃτ³＋Ｄτ⁶）／（Ｔ／Ｔｃ） ・・・（式３．２）

Ａ＝−７．７６４５１
Ｂ＝１．４５８３８
Ｃ＝−２．７７５８
Ｄ＝−１．２３３０３
Ｔｃ＝６４７．３［Ｋ］
Ｐｃ＝２２１２０［ｋＰａ］
τ＝１−Ｔ／Ｔｃ

（式３．１）、（式３．２）により、露点８０℃における飽和水蒸気圧Ｐｓを求め、（式２）に代入すると、第２のガスの水蒸気濃度Ｃを求めることができる。同様に、露点４５℃における飽和水蒸気圧を求めて、（式２）に代入すると、第１のガスの水蒸気濃度Ｃを求めることができる。そして、第１のガスと第２のガスの水蒸気濃度の差がｄＣとなる。

ｄｘは、電解質膜の膜厚[ｃｍ]である。したがって、上記したＤ、ｄＣ、ｄｘを、（式１）に代入することによりＪ（すなわち、移動水量）を求めることができる。このようにして、電解質膜の膜厚を、１０μｍから１００μｍまで、１０μｍ間隔で変化させて、計算する。その計算結果を図２に示している。図２に示すように、電解質膜の膜厚が薄い程、移動水量が多いことが分かる。

Ａ２．膜厚維持率とクロスリーク量との関係：
また、本実施例の電解質膜劣化判定装置１００は、電解質膜の膜厚に基づいて、電解質膜の劣化を判定している。そこで、燃料電池の耐久試験を行った後の、膜厚維持率とクロスリーク量との関係について、以下に説明する。

図３（ａ）は、耐久時間とクロスリーク量との関係を調べた結果を示す説明図である。本明細書において、クロスリーク量とは、一方の電極から、電解質膜を透過して他方の電極に移動する水素分子の量をいう。

耐久試験には、固体高分子電解質膜の両面にアノードとカソードがそれぞれ配置された膜電極接合体を１対のセパレータで挟持して成る、一つの固体高分子型燃料電池（以下、単に、燃料電池という）を用いる。燃料電池を所定の負荷に接続して、流速２［ｌ／ｍｉｎ］で、アノードガスとしての水素およびカソードガスとしての空気を所定の時間、流し続けて発電させて、耐久試験を行なう。なお、燃料電池の温度は、ヒータによって約８０℃に保たれている。

クロスリーク量は、以下の方法で測定する。図４は、クロスリーク量の測定方法を概念的に示す説明図である。図４に示すように、耐久試験後の燃料電池２００（セパレータは図示を省略している）の電極２０４に水素、電極２０６に窒素を供給すると共に、両電極間に外部電圧を印加する。水素分子は電極２０４に供給されると、電解質膜の表面に吸着された後、電解質膜中に拡散され、電解質膜の反対側の表面から離脱して、電極２０６に移動する。電極２０６に到達した水素分子は、外部電圧によって、プロトンと電子に分解される。そのプロトンは、電解質膜を伝導して電極２０４に移動する。電極２０４では、プロトンと電子によって、水素分子が生成される。すなわち、実質的に水素が電極２０４に戻ったことになる。このとき、外部回路に流れる電流（電子）を測定することで、水素の移動量、すなわち、クロスリーク量を求めることができる。図３（ａ）に示すように、耐久時間が長くなると、クロスリーク量が増加する。

図３（ｂ）は、耐久試験後の膜厚維持率とクロスリーク量との関係を調べた結果を示す説明図である。グラフ中の各プロット点は、耐久時間の異なる、耐久試験後のデータを示している。膜厚維持率が１００％のプロット点は、耐久時間０時間、すなわち、耐久試験を行なっていない状態の電解質膜を用いた結果を示しており、図中に矢印で示すように、紙面左にいくほど、プロット点は、耐久試験の耐久時間が長いものを表している。

電解質膜の膜厚は、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）によって、電解質膜の断面を測定することによって求めている。膜厚維持率として、耐久試験前の電解質膜の膜厚に対する、耐久試験後の電解質膜の膜厚の比を表している。

図３（ｂ）に示すように、膜厚維持率が低下すると、クロスリーク量が増加する。図３（ａ）、（ｂ）から、燃料電池を長時間連続運転することにより、電解質膜が劣化して、膜厚が薄くなると、クロスリーク量が増えることがわかる。

すなわち、電解質膜の膜厚が分かれば、電解質膜の劣化度合いを判定することができる。固体高分子型燃料電池は、１つでは、発電量が小さいため、複数の燃料電池を積層して成る燃料電池スタックとして用いられることが多い。そのような場合、燃料電池スタックを分解しなければ、電解質膜の膜厚をＳＥＭを用いて計測することができない。例えば、使用されている燃料電池の電解質膜の劣化を判定する場合に、燃料電池スタックを分解して電解質膜の膜厚を測定すると、その後、元の状態に戻すことができないため、再び燃料電池を使用することができなくなってしまう。そのため、電解質膜の膜厚をＳＥＭを用いて測定する方法以外の方法で求める必要がある。そこで、本実施例の電解質膜劣化判定装置１００は、上記した移動水量と電解質膜の膜厚の関係に着目して、移動水量から電解質膜の膜厚を求めて、さらに、求められた電解質膜の膜厚に基づいて、電解質膜の劣化度合いを判定している。

Ａ３．電解質膜劣化判定装置の構成：
図１に示すように、電解質膜劣化判定装置１００は、第１のガスを燃料電池１０に供給して、燃料電池１０から排出された第１のガスを排出する第１のガス給排系と、第２のガスを燃料電池１０に供給して、燃料電池１０から排出された第２のガスを大気へ排出する第２のガス給排系と、後述する各種センサからの信号に基づいて、電解質膜の劣化を判定する判定部７０と、を備える。

第１のガス給排系は、窒素ボンベ３８と、第１のガス供給路３０と、ガス流量計３２と、加湿器３４と、露点計３６と、第１のガス排出路４０と、露点計４２と、圧力計４４と、背圧弁４６と、から主に構成される。

第１のガス供給路３０は、一端が窒素ボンベ３８に接続され、他端が燃料電池１０の第１のガス入口（図示しない）に接続されている。第１のガス供給路３０には、ガス流量計３２と、加湿器３４と、露点計３６とが設けられている。

窒素ボンベ３８から、乾燥した窒素が第１のガス供給路３０に放出され、その後、加湿器３４によって露点４５℃に加湿されて、第１のガスとして燃料電池１０の第１の電極に供給される。本実施例において、加湿器３４としては、バブラー式加湿装置(以下、「バブラー」という。)を用いている。バブラーは、温度管理された水の中に乾燥ガスを通すことによって、所定の湿度の加湿ガスを作り出す装置である。加湿器３４を通して加湿された窒素の流量は、ガス流量計３２によって計測され、第１のガス入口の露点が、露点計３６によって計測される。

第１のガス排出路４０は、一端が燃料電池１０の第１のガス出口（図示しない）に接続されている。燃料電池１０から排出された第１のガスは、第１のガス排出路４０を通って、大気中に放出される。第１のガス排出路４０には、露点計４２と、圧力計４４と、背圧弁４６とが設けられている。窒素ボンベ３８が備える減圧弁（図示しない）と、背圧弁４６とによって、第１のガスの流量が調節されている。第１のガス出口の露点が露点計４２によって計測され、第１のガス圧が圧力計４４によって計測される。

第２のガス給排系は、窒素ボンベ５８と、第２のガス供給路５０と、加湿器５２と、第２のガス排出路６０と、背圧弁６６と、から主に構成されている。

第２のガス供給路５０は、一端が窒素ボンベ５８に接続され、他端が燃料電池１０の第２のガス入口（図示しない）に接続されている。

第２のガス供給路５０には、加湿器５２が設けられている。乾燥した窒素が第２のガス供給路５０に放出され、その後、加湿器５２によって露点８０℃に加湿されて、第２のガスとして燃料電池１０の第２の電極に供給される。加湿器５２としては、第１の電極側と同様に、バブラーを用いている。

第２のガス排出路６０は、一端が燃料電池１０の第２のガス出口（図示しない）に接続されている。燃料電池１０から排出された第２のガスは、第２のガス排出路６０を通って、大気中に放出される。第２のガス排出路６０には、背圧弁６６が設けられている。窒素ボンベ５８が備える減圧弁（図示しない）と、背圧弁６６とによって、第２のガスの流量が調節されている。

判定部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された劣化判定プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ７２と、ＣＰＵ７２で各種演算処理を実行するのに必要な劣化判定プログラム、移動水量と膜厚に関するデータベースや、その他、ＣＰＵ７２で各種演算処理をするのに必要な各種データが格納されるメモリ８０と、各種の信号を入出力する入出力ポート８４等を備える。この判定部７０は、電解質膜劣化判定装置１００に設けた各種センサ（例えば、ガス流量計３２、露点計３６等）の計測信号などを取得する。ＣＰＵ７２が、メモリ８０に予め格納された劣化判定プログラムを実行することにより、移動水量算出部７４、膜厚算出部７６、劣化判定部７８として機能する。なお、移動水量算出部７４が、請求項における給水量算出部、排水量算出部、および移動水量算出部に相当する。

また、電解質膜劣化判定装置１００は、燃料電池１０を所定の温度に保つためのヒータ２０を備えている。本実施例において、ヒータ２０の温度は、燃料電池１０を８０℃に保つように設定されている。また、電解質膜劣化判定装置１００は、第１のガス供給路３０、第１のガス排出路４０、第２のガス供給路５０、および第２のガス排出路６０を所定の温度に保つためのヒータ（図示しない）を備える。第１のガス供給路３０、第１のガス排出路４０に配置されるヒータは、加湿器３４の水温（すなわち、第１のガスの露点）よりも高い温度に設定され、第２のガス供給路５０、第２のガス排出路６０に配置されるヒータは、加湿器５２の水温（すなわち、第２のガスの露点）よりも高い温度に設定される。これにより、各供給路および排出路内で、結露するのを防止することができる。

Ａ４．電解質膜の劣化判定方法：
図５は、電解質膜劣化判定装置１００において行なわれる電解質膜の劣化判定方法の流れを示すフローチャートである。

図１に示すように、劣化判定装置１００に燃料電池１０を取り付ける。上記したように、燃料電池１０は、ヒータ２０によって、温度８０℃に保たれている。燃料電池１０の第１の電極に、露点４５℃の第１のガスを供給すると共に、第２の電極に、露点８０℃の第２のガスを供給する（図５：ステップＳ１００）。このようにすることによって、燃料電池１０の第１の電極と第２の電極には、水蒸気濃度の差が設けられる。なお、第１のガスおよび第２のガスは、上記したように、それぞれ、加湿器３４、５２で湿度が調節されている。

そして、ガス流量計３２によって、第１のガスの流量ｑが計測され、露点計３６によって、第１のガス入口の露点Ｔｉが計測される。また、露点計４２によって、第１のガス出口の露点Ｔｏが計測され、圧力計４４によって、第１のガスのガス圧Ｐが計測される（ステップＳ１２０）。

移動水量算出部７４は、上記した各種センサからの計測信号に基づいて、第２の電極から第１の電極へ移動する移動水の移動水量ｘを算出する。具体的には、以下の計算式に基づいて、算出している。

まず、第１のガス入口水分量ａ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を以下の（式４）に基づいて求める。

ａ＝（Ｐｉ／（Ｐ−Ｐｉ））×ｑ ・・・（式４）
Ｐｉ：第１のガス入口の水蒸気圧［Ｐａ］
Ｐ：第１のガスのガス圧［Ｐａ］
ｑ：第１のガス入口流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］

（式４）における、第１のガスのガス圧Ｐには、圧力計４４によって計測された第１のガス圧Ｐが代入され、第１のガス入口流量ｑには、ガス流量計３２によって計測された第１のガス入口流量ｑが代入される。そして、第１のガス入口の水蒸気圧Ｐｉは、以下の（式５）に基づいて露点Ｔｉ［ｋ］から求められる。上記したように、第１のガス入口の露点Ｔｉは露点計３６によって計測される。

ｌｎ（ｅｗ）＝−６０９６．９３８５×Ｔ^-1＋２１．２４０９６４２−２．７１１１９３×１０^-2×Ｔ＋１．６７３９５２×１０^-5×Ｔ²＋２．４３３５０２×ｌｎ（Ｔ） ・・・（式５）
ｅｗ：露点Ｔにおける水蒸気圧［Ｐａ］

（式５）のＴに、露点計３６によって計測された露点Ｔｉを代入すると、第１のガス入口の水蒸気圧Ｐｉが求められる。求められた第１のガス入口の水蒸気圧Ｐｉを、(式４)における第１のガス入口の水蒸気圧Ｐｉに代入すると、第１のガス入口水分量ａが求められる。

続いて、第１のガス出口水分量ｂ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を以下の（式６）に基づいて求める。

ｂ＝（Ｐｏ／（Ｐ−Ｐｏ））×ｑ ・・・（式６）
Ｐｏ：第１のガス出口の水蒸気圧［Ｐａ］
Ｐ：第１のガスのガス圧［Ｐａ］
ｑ：第１のガス入口流量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］

（式６）における、第１のガスのガス圧Ｐ、第１のガス入口流量ｑには、第１のガス入口水分量ａを求める場合と同様に、計測値が代入される。そして、第１のガス出口の水蒸気圧Ｐｏは、上記した（式５）のＴに、露点計４２によって計測された露点Ｔｏを代入することによって求められる。

上記のように求められた第１のガス入口水分量ａ、第１のガス出口水分量ｂを、以下の（式７）に代入し、予め定められた電極断面積Ｓを代入することによって、移動水量ｘが求められる。

ｘ＝（ｂ−ａ）／Ｓ ・・・（式７）
ｘ：移動水量［ｍｏｌ／ｍ²／ｓｅｃ］
Ｓ：電極面積［ｍ²］

続いて、膜厚算出部７６は、移動水量算出部７４によって算出された移動水量ｘに基づいて、データベース８２を参照して、電解質膜の膜厚を求める。データベース８２には、例えば、図２に示すような、燃料電池の電解質膜の膜厚と移動水量との関係が記載されている。

そして、劣化判定部７８は、膜厚算出部７６によって算出された膜厚に基づいて、予め、定められた劣化判定基準値とその膜厚を比較して、劣化度合いを判定する。具体的には、予め、図３（ｂ）に示すような膜厚維持率とクロスリーク量との関係を調べておき、クロスリーク量に応じて、劣化の判定基準を定めておく。

例えば、図３（ｂ）では、膜厚維持率が７０％を境に、急激にクロスリーク量が増えている。したがって、膜厚維持率が７０％以上であれば、劣化なし（または、劣化していても問題ないレベル）、膜厚維持率が７０％未満であれば、劣化していると判定する。膜厚、および判定結果は、入出力ポート８４を介して、モニタに表示される。例えば、劣化ありと判定された場合には、燃料電池の反応ガスが直接反応することにより、燃料電池の故障に繋がるおそれがあるため、モニタに警告を表示するようにしてもよい。

なお、膜厚維持率とクロスリーク量との関係は、電解質膜の種類によって異なるため、電解質膜毎に、その関係を調べて、劣化の判定基準を定めておく必要がある。

以上説明したように、本実施例の電解質膜劣化判定装置１００によれば、第１の電極および第２の電極間の水蒸気濃度の差により、両電極間を電解質膜を介して移動する移動水の量に基づいて、電解質膜の膜厚を推定し、電解質膜の膜厚に基づいて、電解質膜の劣化を判定している。例えば、フッ素系の電解質膜であっても、炭化水素系の電解質膜であっても、電解質膜が劣化すると、電解質膜の膜厚が薄くなるため、色々な種類の電解質膜の劣化を判定することができる。

また、燃料電池に用いられる電解質膜の膜厚は、例えば、ＳＥＭを用いて測定するができるが、その場合には、燃料電池を分解して、電解質膜を取り出さなければならない。電解質膜劣化判定装置１００では、移動水量に基づいて電解質膜の膜厚を予測しているため、燃料電池を分解することなく、そのままの状態で、容易に電解質膜の劣化を判定することができる。
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記した実施例において、移動水量に基づいて電解質膜の膜厚を求めて、求められた電解質膜の膜厚に基づいて、電解質膜の劣化を判定しているが、移動水量から、直接劣化を判定するようにしてもよい。例えば、予め、移動水量と、クロスリーク量との関係を調べておいて、上記と同様に、クロスリーク量から劣化度合いの判定基準となる移動水量を定める。そして、劣化判定部７８において、移動水量に基づいて、劣化を判定するようにプログラムすれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。また、このようにすると、移動水量から膜厚を求める処理が必要なくなるため、判定するのにかかる時間を短縮することができる。

（２）上記した実施例では、第２の電極の水蒸気濃度を第１の電極の水蒸気濃度よりも高くなるようにして、第２の電極から第１の電極への移動水の移動水量を求めているが、逆に、第１の電極の水蒸気濃度を第２の電極の水蒸気濃度よりも高くなるようにして、第１の電極から第２の電極への移動水の移動水量を求めてもよい。移動水量は、両電極間の水蒸気の濃度勾配に応じて変わるものであるため、いずれの電極の水蒸気濃度が高いかは、問題とはならない。よって、このようにしても、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。

（３）上記した実施例において、車両に搭載された燃料電池１０を、定期点検時に車両から取り外して、電解質膜の劣化を判定する場合を例に挙げて説明したが、その他の場合に電解質膜の劣化を判定してもよい。例えば、車両に劣化判定装置１００を搭載し、車両に搭載された燃料電池の運転停止時のパージの際に、電解質膜の劣化を判定するようにしてもよい。この場合、一旦、電極に乾燥したパージガス（例えば、窒素）を供給して、電極を乾燥させた後、パージガスの湿度を管理して、第２の電極の水蒸気濃度が第１の電極の水蒸気濃度よりも、所定の割合だけ、高くなるように調整する。そして、上記した実施例と同様に、移動水量に基づいて、電解質膜の劣化を判定する。電解質膜の劣化の判定が終わったら、再度、乾燥したパージガスを供給して、電極内の水分を燃料電池外へ、掃出する。このようにすると、頻繁に、電解質膜の劣化を判定することになるため、電解質膜の劣化を早期に発見して、燃料電池の異常を未然に防ぐことができるようになる。

（４）上記した実施例では、第１のガス、第２のガスとして、共に、窒素を用いているが、その他のガスを用いてもよい。例えば、アルゴン、酸素、水素等を用いることができる。また、一方に窒素、他方に酸素、というように、異なるガスを供給しても良い。このようにしても、第１のガスと第２のガスとに湿度差を設けておけば、上記した実施例と同様に、電解質膜の劣化を判定することができる。

（５）上記した実施例では、両極に湿度の異なるガスを供給することによって、両極間の水蒸気濃度に差を設けているが、その他の方法で、両極間の水蒸気濃度に差を設けてもよい。例えば、第２の電極に、上記した窒素の代わりに、水を供給するようにしてもよい。このようにしても、両極間に水蒸気濃度の差を設けることができ、上記した実施例と同様に、電解質膜の劣化を判定することができる。

本発明の好適な一実施例としての電解質膜劣化判定装置１００を模式的に示す説明図である。 電解質膜の膜厚と移動水量との関係を調べた結果を示す説明図である。 耐久時間とクロスリーク量との関係、耐久試験後の膜厚維持率とクロスリーク量との関係を調べた結果を示す説明図である。 クロスリーク量の測定方法を概念的に示す説明図である。 電解質膜劣化判定装置１００において行なわれる電解質膜の劣化判定方法の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…ヒータ
３０…第１のガス供給路
３２…ガス流量計
３４…加湿器
３６…露点計
３８…窒素ボンベ
４０…第１のガス排出路
４２…露点計
４４…圧力計
４６…背圧弁
５０…第２のガス供給路
５２…加湿器
５８…窒素ボンベ
６０…第２のガス排出路
６６…背圧弁
７０…判定部
７２…ＣＰＵ
７４…移動水量算出部
７６…膜厚算出部
７８…劣化判定部
８０…メモリ
８２…データベース
８４…入出力ポート
１００…電解質膜劣化判定装置
２００…燃料電池
２０４、２０６…電極

Claims (5)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極と、を備える燃料電池の、前記電解質膜の劣化を判定する電解質膜劣化判定方法であって、
   （ａ）前記第２の電極の含有する水蒸気の濃度を、前記第１の電極の含有する水蒸気の濃度よりも高くする工程と、
   （ｂ）前記第２の電極から前記第１の電極へ、前記電解質膜を介して移動する移動水の移動水量を求める工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）において求められた前記移動水量に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
   を、備えることを特徴とする電解質膜劣化判定方法。
2. 請求項１に記載の電解質膜の劣化判定方法であって、
   前記工程（ｂ）は、
   前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方の電極に供給される水の量と、該電極から排出される水の量の差に基づいて、前記移動水量を求めることを特徴とする電解質膜劣化判定方法。
3. 請求項１または２に記載の電解質膜劣化判定方法であって、
   前記工程（ｃ）は、
   （ｃ１）前記工程（ｂ）において算出された前記移動水量に基づいて、前記電解質膜の膜厚を求める工程と、
   （ｃ２）前記工程（ｃ１）において求められた前記膜厚に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する工程と、
   を、含むことを特徴とする電解質膜劣化判定方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の電解質膜劣化判定方法において、
   前記工程（ａ）は、
   （ａ１）前記第１の電極に、所定の水蒸気濃度の第１のガスを供給する工程と、
   （ａ２）前記第２の電極に、前記第１のガスよりも水蒸気濃度の高い第２のガスを供給する工程と、
   を、含むことを特徴とする電解質膜劣化判定方法。
5. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極と、を備える燃料電池の、前記電解質膜の劣化を判定する電解質膜劣化判定装置であって、
   前記第１の電極に、所定の水蒸気濃度の第１のガスを供給する第１のガス供給部と、
   前記第２の電極に、前記第１のガスよりも水蒸気濃度の高い第２のガスを供給する第２のガス供給部と、
   前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方の電極に供給される水の量である給水量を求める給水量算出部と、
   前記給水量算出部によって給水量を求めた前記電極から排出される水の量である排水量を求める排水量算出部と、
   前記第１の電極から前記第２の電極へ、前記電解質膜を介して移動する移動水の移動水量を、前記給水量と前記排水量との差に基づいて、算出する移動水量算出部と、
   前記移動水量算出部によって算出された前記移動水量に基づいて、前記電解質膜の劣化を判定する判定部と、
   を、備えることを特徴とする電解質膜劣化判定装置。

Images