JP2009199889A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温時の電解質膜の収縮や膜・電極接合体内における氷晶成長が抑制され、低温耐久性に優れた燃料電池を実現可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】一対の電極及び該電極間に配置された電解質膜を備える燃料電池単セル、該燃料電池単セルの温度を検知する温度検知手段、並びに、前記燃料電池セルの積層面に面圧を印加する締結荷重を作用させる締結手段、を備える燃料電池システムであって、前記温度検知手段により検知された前記燃料電池単セルの温度が、所定温度以下の範囲である場合に、前記締結荷重を高めるように前記締結手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする燃料電池単セル（以下、単に単セルということがある）を複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。

図２は、一般的な固体高分子電解質型燃料電池における単セルの一形態例を示す断面図である。単セル２は、燃料電池用固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ということがある）１１の一面側に燃料極（アノード）１２、及び他面側に酸化剤極（カソード）１３が設けられた膜・電極接合体１６を有している。燃料極１２及び酸化剤極１３は電解質膜１１側から順に触媒層１４（１４ａ、１４ｂ）、ガス拡散層１５（１５ａ、１５ｂ）が積層した構成となっている。膜・電極接合体１６は、二つのセパレータ１７ａ、１７ｂで狭持され、単セル２が構成される。各セパレータ１７ａ、１７ｂの片面には、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極１２、酸化剤極１３の外面とで燃料ガス流路１８ａ、酸化剤ガス流路１８ｂが画成されている。所望の出力を得るため、通常、燃料電池には、単セルを複数積層したセルスタックが搭載される。

単セルを構成する各層間の接触抵抗や、複数の単セルを積層したセルスタックにおける単セル間の接触抵抗の増大を抑制するため、単セルの積層面に所定の面圧を印加する締結荷重を作用させることが一般的に行われている。

一方、自動車等に搭載された燃料電池において、単セル内の温度は燃料電池の作動温度（６０〜９０℃程度）から外気温まで変動するため、単セルを構成する電解質膜は、その温度に応じて面内方向に伸縮し、特に、低温環境下では収縮する。しかしながら、単セル内において、電解質膜はその面方向の形状が維持されるように拘束されているため、電解質膜にはその収縮に伴い応力（張力）が発生し、該張力により電解質膜の機械劣化が生じる。このような低温環境下に晒されるたびに電解質膜は収縮し、機械劣化が進行するため、単セルの高温・低温サイクルにより電解質膜の性能が低下していく。また、電解質膜の収縮に伴い発生した応力が、触媒層にも作用することによって、触媒層の構造が破壊される。

また、氷点下においては、膜・電極接合体内に含まれる水分が凍結してしまうおそれがある。膜・電極接合体内で氷の結晶（氷晶）が生成すると、膜・電極接合体を構成する電解質膜、触媒層、ガス拡散層の内部構造や界面構造の損傷、劣化を招きやすい。
そこで、膜・電極接合体内における氷晶生成を抑制するため、様々な技術が提案されている（特許文献１〜６など）。例えば、特許文献１には、アノードガス及びカソードガスを導入して発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに、静磁場を付与する静磁場発生手段と、前記燃料電池スタックに、電磁波を付与する電磁波発生手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の凍結防止装置が記載されている。

特開２００７−１０９５１３号公報 特開２００６−１４７４５２号公報 特開２００７−１１５４９２号公報 特開２００６−１１４４５７号公報 特開２００７−２９４３４０号公報 特開２００２−７５４０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術において、膜・電極接合体における水分の凍結を防止するのに充分な静磁場を与えるには、バッテリー容量が大きくなるため、燃料電池の大型化や発電効率の低下といった問題がある。また、長時間静磁場を付与することは不可能であり、長時間にわたって水分凍結防止効果を維持することができない。さらに、特許文献１〜６において、低温環境下における電解質膜の収縮については充分考慮されておらず、電解質膜の収縮による電解質膜の機械劣化や触媒層の破壊が生じてしまう。
以上のように、氷点下での膜・電極接合体における氷晶成長に起因する膜・電極接合体の劣化や破損の抑制と共に、低温環境下における電解質膜の収縮に伴う機械劣化や触媒層破壊の抑制が可能な技術は、従来見出されていない。

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、低温時の電解質膜の収縮や膜・電極接合体内における氷晶成長が抑制され、低温耐久性に優れた燃料電池を実現可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、一対の電極及び該電極間に配置された電解質膜を備える燃料電池単セル、該燃料電池単セルの温度を検知する温度検知手段、並びに、前記燃料電池セルの積層面に面圧を印加する締結荷重を作用させる締結手段、を備える燃料電池システムであって、前記温度検知手段により検知された前記燃料電池単セルの温度が、所定温度以下の範囲である場合に、前記締結荷重を高めるように前記締結手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池単セル内の電解質膜は、締結荷重の増加により、低温時の面方向の収縮が抑制される。ゆえに、電解質膜の機械劣化を抑えると共に、電解質膜の収縮に伴い触媒層に作用する応力を抑制し、触媒層の破損を抑えることができる。また、締結荷重を高めることにより、膜・電極接合体内の水分が凍結し氷晶成長する際に、氷晶により触媒層の多孔質構造が押し広げられ、破損するのを防止することができる。
電解質膜の収縮や氷晶成長は、燃料電池の発電停止時に生じやすい現象であることから、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の発電停止時に作動させることが好ましい。

前記所定温度以下の範囲としては、前記電解質膜の面方向において収縮が大きいと判断される温度範囲、具体的には、前記電解質膜のガラス転移温度以下の範囲が挙げられる。さらに、具体的には、前記電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲として、１０℃以下の範囲が挙げられる。
前記締結荷重の制御基準は特に限定されず、例えば、前記燃料電池単セルの温度に応じて制御したり、或いは、前記電解質膜の膜抵抗値を測定する膜抵抗測定手段を備え、前記電解質膜の膜抵抗値に応じて制御することができる。

また、前記所定温度以下の範囲としては、前記電解質膜及び／又は前記電極内において氷晶成長が進行すると判断される温度範囲、具体的には、０℃以下であるの範囲が挙げられる。氷晶成長による電極の破損を防止するシステムにおいて、具体的な締結荷重の制御形態としては、例えば、前記燃料電池単セルの温度が所定温度以下になると、前記締結荷重を一定値高くする形態が挙げられる。

本発明の燃料電池システムによれば、低温環境下において、電解質膜の収縮に伴う電解質膜の機械劣化や触媒層の破壊、さらには、膜・電極接合体における氷晶成長に起因する触媒層の破壊等の膜・電極接合体の破損や劣化を抑制することが可能である。

本発明の燃料電池システムは、一対の電極及び該電極間に配置された電解質膜を備える燃料電池単セル、該燃料電池単セルの温度を検知する温度検知手段、並びに、前記燃料電池セルの積層面に面圧を印加する締結荷重を作用させる締結手段、を備える燃料電池システムであって、前記温度検知手段により検知された前記燃料電池単セルの温度が、所定温度以下の範囲である場合に、前記締結荷重を高めるように前記締結手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

燃料電池単セルには、接触抵抗増加抑制の観点から、その積層面に面圧を印加する締結荷重（基本荷重）が作用される。ここで、燃料電池単セルの積層面とは、燃料電池単セルを構成する電解質膜、電極、セパレータ等が積層される面であり、電解質膜の面方向と一致する。積層面に締結荷重が作用している電解質膜は、低温環境下に晒されると、該電解質膜を構成する高分子の分子鎖が剛直となり、その面方向に収縮しようとする力が生じる。しかしながら、電解質膜は締結荷重によりその面方向における形状が拘束されているため、電解質膜内に応力（張力）が生じる。このような電解質膜の面方向において発生する張力は、電解質膜の機械劣化の大きな原因の１つである。また、電解質膜の面方向において発生した張力が、その表面に形成された触媒層にも作用し、触媒層の多孔質構造を破壊してしまう。触媒層の多孔質構造の破壊は、触媒層におけるガス拡散性や排水性を低下させる原因の１つとなる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池単セル温度が、所定温度以下の範囲である低温条件下において、締結荷重を基本荷重から増加させることで、低温条件下、電解質膜内に生じる張力を低下させ、電解質膜の機械劣化及び触媒層の破壊の抑制を可能とするものである。さらには、締結荷重の増加により、膜・電極接合体内の水分が凍結し、氷晶成長する際に、氷晶を破壊することができる。そのため、氷晶により触媒層の多孔質構造が押し広げられ、生じる応力により触媒層が破壊するのを抑制することができる。また、電解質膜やガス拡散層内において生じる氷晶成長により応力が発生し、電解質膜やガス拡散層の劣化、内部構造の破壊等が進行するのを抑制することもできる。さらには、電解質膜と触媒層の界面、触媒層とガス拡散層の界面において、氷晶成長が進行する場合、該界面の剥離が生じる場合があるが、本発明によれば、氷晶の成長を抑制することができるため、氷晶成長による層間剥離を防止することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の燃料電池システムについて説明する。
まず、図１を用いて、燃料電池システムの構成について説明する。
図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池１、燃料電池単セル（以下、単に単セルということがある）２を複数積層したセルスタック３に対して締結荷重を作用させる電動アクチュエータ４、単セル２の温度を測定する温度計（図示せず）、各種装置の動作を制御する制御装置１０を備えて構成されている。
燃料電池１は、複数の単セル２を複数積層したセルスタック３を備えており、セルスタック３の両端に位置する単セル２ａ、２ｂの外側に導電プレート５ａ、５ｂ、出力端子付きのターミナルプレート６ａ、６ｂ、絶縁プレート７ａ、７ｂ及びエンドプレート８ａ、８ｂがこの順に配置されている。セルスタック３の両端のエンドプレート８ａ、８ｂは、ロッド９でその間隔が調節可能となっている。

単セル２は、図２に示すように、燃料電池用固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ということがある）１１の一面側に燃料極（アノード）１２、及び他面側に酸化剤極（カソード）１３が設けられた膜・電極接合体１６を有している。燃料極１２は電解質膜１１側から順に燃料極側触媒層１４ａ、燃料極側ガス拡散層１５ａが積層した構成となっている。同様に、酸化剤極１３も電解質膜１１側から順に酸化剤極側触媒層１４ｂ、酸化剤極側ガス拡散層１５ｂが積層した構成となっている。
膜・電極接合体１６は、二つのセパレータ１７ａ、１７ｂで狭持され、単セル２が構成される。各セパレータ１７ａ、１７ｂの片面には、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路を形成する溝が設けられており、これらの溝と燃料極１２、酸化剤極１３の外面とで燃料ガス流路１８ａ、酸化剤ガス流路１８ｂが画成されている。

導電プレート５は、カーボンや金属等を基材として形成された導電性を有する板状体であり、図１に示すように、セルスタック３の両端に位置する単セル２ａ、２ｂと、ターミナルプレート６ａ、６ｂとの間に設けられている。燃料電池１の各単セル２で発生した電気は、導電プレート５を介してターミナルプレート６に集電される。ターミナルプレート６は、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属の板状体であり、集電機能を有するものである。
絶縁プレート７は、ポリカーボネート等の樹脂材料の板状体であり、ターミナルプレート６とエンドプレート８とを絶縁する機能を有する。エンドプレート８は、ターミナルプレート６同様、各種金属の板状体である。

電動アクチュエータ４は、図１に示すように、エンドプレート８ａに取り付けられ、制御装置１０の制御の下で駆動され、エンドプレート８ａをエンドプレート８ｂに対して移動させ、エンドプレート８ａとエンドプレート８ｂ間の間隔を調節することにより、セルスタック３に対して、単セルの積層面に面圧を印加する締結荷重を作用させる。すなわち、電動アクチュエータ４は、本発明における締結手段の一実施形態例である。
また、温度計は、単セル２の温度を検知する温度検知手段であり、検知された温度は、制御装置１０に伝送され、電動アクチュエータ４の制御に使用される。

制御装置１０は、燃料電池システム１００の各種機器の動作を統合制御するものであり、燃料電池１の発電停止命令を受けた際、燃料電池１の単セル２の温度を検知するよう温度計を作動させ、該温度計により検知された温度に応じて、セルスタック３に対する締結荷重を初期値（基本荷重）のまま維持又は初期値から高めるように、電動アクチュエータ４を制御する。
具体的には、単セルの温度が所定温度より高い範囲であると検知された際には、セルスタック３に対して作動させる締結荷重を初期値に維持し、単セルの温度が所定温度以下の範囲であると検知された際には、セルスタック３に対して作動させる締結荷重を高める。さらに、単セルの温度が所定温度より高い範囲であると検知された際の締結荷重を、温度計により検知される単セルの温度に応じて、又は、後述する膜抵抗値測定手段により測定された電解質膜の膜抵抗値に応じて制御する。そして、単セル２の温度が所定温度より高い範囲まで上昇したと検知された際には、再び、締結荷重を初期値まで低下させるように、電動アクチュエータ４を制御する。すなわち、制御装置１０は、本発明における制御手段の一実施形態である。

尚、ここでは、制御手段である制御装置は、燃料電池の発電停止命令を受けてから単セルの温度を検知する温度検知手段を作動させ、締結荷重の制御を行う旨の説明をしたが、燃料電池の発電中において制御手段による締結荷重の制御を行ってもよい。但し、本発明における電解質膜の収縮及び膜・電極接合体内での氷晶成長は、燃料電池の発電が停止した後の低温環境下において生じやすい現象であることから、燃料電池の発電停止後に作動させることで、発電中の燃料電池のシステム簡略化、消費エネルギーの削減が可能である。
また、図１の実施形態は、複数の単セルを積層したセルスタックに対して、締結荷重を作用させる燃料電池システムであるが、単セルのみに対して締結荷重を作用させる燃料電池システムに本発明を適用することも可能である。

また、締結手段は単セル又はセルスタックに締結荷重を作用させることができるものであれば、電動アクチュエータに限定されず、例えば油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータを締結手段として採用することができる。具体的には、油圧ユニットに圧力油を供給するコンプレッサと、コンプレッサを制御し、油圧ユニットの油圧量を調整可能な制御部とを有するものや、エンドプレートに固着された正逆回転可能なモータとモータの回転軸に形成された雄ねじと、雄ねじに螺合し且つ加圧板に固定された雌ねじとを備え、モータの正逆回転により雄ねじが正逆回転し、雄ねじに螺合する雌ねじがモータに接近したり、離隔したりすることにより、雌ねじが固定された加圧板がセル積層部へ印加する面圧を減少させたり、増加させたりすることが可能なものが挙げられる。或いは、シリンダ等の直動アクチュエータを用いてもよい。締結荷重の管理は、例えば、セルスタックの締め付け圧を感知する歪みゲージを用いて行うことができる。

次に、図３〜図５を用いて、本発明の燃料電池システムの制御手段が実行する締結荷重制御について説明する。
図３及び図４は、燃料電池の発電停止後、所定温度以下の低温条件下において燃料電池単セル内の電解質膜が収縮することを抑制するために制御装置によって実行される処理のフローチャートであって、電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲において制御手段による締結荷重の制御が行われるものである。図３は、単セルの温度に応じて締結荷重を制御する温度参照型の処理を説明するためのフローチャートであり、図４は、電解質膜の膜抵抗値に応じて締結荷重を制御する膜抵抗値参照型の処理を説明するためのフローチャートである。

まず、図３の温度参照型の処理について説明する。
制御装置は、燃料電池の発電停止命令を受けると、燃料電池セルの締結荷重を制御する処理を開始する。まず、制御装置は、燃料電池単セルの温度Ｔを計測する［ステップ１（Ｓ１）］。そして、この温度Ｔが１０℃以下であるかを判断する［ステップ２（Ｓ２）］。かかる判断の結果、温度Ｔが１０℃を超える場合［ステップ２：Ｎｏ］には、電解質膜の収縮が小さく、セルの締結荷重を大きくする必要がないため、上記ステップ１に処理を戻し、引き続き、燃料電池単セルの温度Ｔの計測を継続して行う。

一方、上記ステップ２における判断の結果、単セルの温度Ｔが１０℃以下であれば［ステップ２：Ｙｅｓ］、制御装置は、単セルに締結荷重を作用させる電動アクチュエータを作動させ、単セルの締結荷重を増加させる［ステップ３（Ｓ３）］。このとき、締結荷重は、下記式により、ステップ２で計測された単セル温度Ｔに応じて、その値が決定される。

本実施形態は、単セルの温度に応じて、締結荷重を制御するものである。単セルを構成する電解質膜は、温度によって伸縮し、低温環境下では電解質膜が収縮する。その面方向の形状が拘束された単セルにおいては、電解質膜の伸縮によってその面方向に張力が発生する。ある電解質膜（ガラス転移温度２７℃）の面方向に生じる張力と温度の関係を図６に示す。温度低下に従い、電解質膜の面方向の張力は大きくなり、ガラス転移温度以下の範囲、特に１０℃以下の範囲で、張力の増加割合が増すことが図６からわかる。
本実施形態は、このような電解質膜の張力と温度の関係に基づき、単セル温度Ｔを計測することで、電解質膜の面方向に発生している張力を間接的に求め、電解質膜内に発生している張力が小さくなるような締結荷重をセルに作用させる。単セル温度Ｔに応じて締結荷重を増加させることによって、単セル温度が１０℃以下であっても、単セル内の高分子電解質膜に生じる張力を抑制することができる。また、上記式に従い、単セル温度Ｔに応じた締結荷重を付加することによって、過度に大きな締結荷重をかけることなく、単セル温度Ｔにおいて生じる電解質膜内の張力を低減させるのに充分な締結荷重を作用させることができる。

基本荷重（初期値）は、適宜決定すればよく、通常は、６００〜９００Ｎでよく、好ましくは７００〜８００Ｎである。尚、締結荷重は、過度な荷重の負荷により、膜・電極接合体が破損しないよう、上限を１２００Ｎ、特に１０００Ｎとすることが好ましい。

上記ステップ３によるセル締結荷重の制御後も、燃料電池単セルの温度Ｔの測定は引き続き行い、温度Ｔが１０℃以下と判断された場合［ステップ４（Ｓ４）：Ｎｏ］には、引き続き、単セル温度Ｔに応じたセルスタックの締結荷重の制御処理を行う［ステップ３］。このように、上記式に従い、単セル温度Ｔに応じて、線形的に締結荷重を変化させることで、電解質膜に生じている張力を、効果的に低減させることができる。
一方、ステップ４において温度Ｔが１０℃を超えると判断された場合［ステップ４：Ｙｅｓ］には、アクチュエータによるセル締結荷重の増加処理を解消し、セル締結荷重を基本荷重（初期値）に戻す。

以上のように、燃料電池単セルの温度Ｔが設定温度（１０℃）以下の間は、基本荷重よりも大きな締結荷重が燃料電池単セルに付与され続けることにより、電解質膜の収縮が抑制されることとなる。そして、外気温の上昇等により燃料電池単セルの温度Ｔが設定温度（１０℃）より高くなれば、もはや、電解質膜の収縮は小さいので、セル締結荷重を基本荷重に戻す。このように電解質膜の収縮のおそれがある低温時のみシステムを駆動し、それ以外は休止させることで、動作に必要なエネルギーの節約が図られる。

尚、セル温度に応じた締結荷重の制御は、上記式に従って締結荷重を設定する本実施形態に限定されるものではない。また、本実施形態では、一般的に、電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲である１０℃以下にて、締結手段による締結荷重の増加が行われるが、この電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲は、通常、電解質膜のガラス転移温度以下の範囲であり、単セルを構成する電解質膜に応じて適宜設定することができる。
図３に示す処理を行う本実施形態においては、単セル温度に応じてセルの締結荷重が制御されるため、過大な締結荷重がセルに作用することを防止することができ、触媒層やガス拡散層を必要以上に圧縮し、その多孔質構造の変化（例えば、空効率低下等）を防ぐことができる。また、氷点下のような温度範囲においては、締結荷重の増加によって、電解質膜の収縮の抑制の他、氷晶成長による膜・電極接合体の構成部材の破損や劣化、各層間の接合状態悪化等の抑制も期待できる。

次に、図４の膜抵抗値参照型の処理を説明する。
制御装置は、燃料電池の発電停止命令を受けると、燃料電池セルの締結荷重を制御する処理を開始する。まず、制御装置は、燃料電池単セルの温度Ｔを計測する［ステップ１１（Ｓ１１）］。そして、この温度Ｔが１０℃以下であるかを判断する［ステップ１２（Ｓ１２）］。かかる判断の結果、温度Ｔが１０℃を超える場合［ステップ１２：Ｎｏ］には、電解質膜の収縮が小さく、セルの締結荷重を大きくする必要がないため、上記ステップ１１に処理を戻し、引き続き、燃料電池単セルの温度Ｔの計測を継続して行う。

一方、上記ステップ１２における判断の結果、温度Ｔが１０℃以下であれば［ステップ１２：Ｙｅｓ］、制御装置は、単セルに締結荷重を作用させる電動アクチュエータを作動させ、単セルの締結荷重を基本荷重から所定値（１０Ｎ）増加させる［ステップ１３（Ｓ１３）］。そして、（基本荷重＋１０Ｎ）の締結荷重を作用させた状態の電解質膜の膜抵抗値Ｒ０を測定する［ステップ１４（Ｓ１４）］。

さらに、引き続き、電解質膜の膜抵抗値Ｒの計測を行い［ステップ１５（Ｓ１５）］、この膜抵抗値Ｒがステップ１４で計測した膜抵抗値Ｒ０に対して、０．９８倍以上であるかどうか（Ｒ≧０．９８×Ｒ０かどうか）、判断する［ステップ１６（Ｓ１６）］。

上記ステップ１６における判断の結果、膜抵抗値Ｒが０．９８Ｒ０以上である場合［ステップ１６：Ｙｅｓ］には、ステップ１９に処理を移行し、再び、単セル温度Ｔの計測を行い、温度Ｔが１０℃より高いかどうかを判断する［ステップ１９（Ｓ１９）］。ステップ１９において、温度Ｔが１０℃以下であると判断された場合［ステップ１９：Ｎｏ］には、上記ステップ１５に処理を戻し、引き続き、膜抵抗値Ｒの計測やセル締結荷重の制御処理を行う。一方、上記ステップ１９において、セル温度Ｔが１０℃を超えると判断された場合［ステップ１９：Ｙｅｓ］、アクチュエータによるセル締結荷重の増加処理を解消し、セル締結荷重を基本荷重（初期値）に戻す。

本実施形態は、電解質膜の膜抵抗値に応じて、締結荷重を制御するものである。単セルを構成する電解質膜の抵抗値は、電解質膜の膜厚が薄くなるほど小さくなる。また、低温条件下、単セルを構成する電解質膜が収縮しようとし、その面方向に張力が発生すると、電解質膜の膜厚が薄くなる。すなわち、電解質膜の面方向に生じる張力と膜抵抗値は反比例の関係にあり、電解質膜の面方向に生じている張力が大きいと膜抵抗値は小さくなる。本実施形態は、このような電解質膜の張力と膜抵抗値の関係を利用するものであり、膜抵抗値を計測することで、電解質膜の面方向に発生している張力を間接的に求め、膜抵抗値が小さくならない、つまり、電解質膜内に発生している張力が小さくなるような締結荷重をセルに作用させる。

具体的には、上記ステップ１６において、膜抵抗値ＲがＲ０の０．９８倍より小さいということは、膜抵抗値Ｒを計測した時点の温度では、ステップ１３における締結荷重の増加が不十分なために、電解質膜内に生じる張力を抑制することができず、電解質膜の薄膜化が生じていることを意味する。すなわち、さらに締結荷重を増大させ、電解質膜の張力を抑制する必要がある。
ゆえに、ステップ１６において、ＲがＲ０の０．９８倍よりも小さいと判断された場合［ステップ１６：Ｎｏ］には、まず、セルの締結荷重が１２００Ｎ以下であるかを判断［ステップ１７（Ｓ１７）］し、かかる判断の結果、セルの締結荷重が１２００Ｎ以下である場合［ステップ１７：Ｙｅｓ］には、再度、締結荷重を増加させるよう、ステップ１８に処理を移行し、さらに、単セルの締結荷重を所定値（１０Ｎ）増加させる［ステップ１８（Ｓ１８）］。そして、処理をステップ１５に戻し、再度、電解質膜の膜抵抗値を測定し、この膜抵抗値Ｒがステップ１４で計測した膜抵抗値Ｒ０に対して、０．９８倍以上であるかどうか（Ｒ≧０．９８×Ｒ０かどうか）、判断［ステップ１６（Ｓ１６）］し、以後の処理を継続して行う。
一方、上記ステップ１７における判断の結果、セルの締結荷重が１２００Ｎを超える場合［ステップ１７：Ｎｏ］には、過度な荷重の負荷により、膜・電極接合体が破損するおそれがあるため、締結荷重の増加を停止し、上記ステップ１９に処理を移行する。

以上のように、図４に示す締結荷重の制御は、図３の制御同様、燃料電池単セルの温度Ｔが設定温度（１０℃）以下の間は、基本荷重よりも大きな締結荷重が燃料電池単セルに付与され続けることにより、電解質膜の収縮が抑制されることとなる。そして、外気温の上昇等により燃料電池単セルの温度Ｔが設定温度（１０℃）より高くなれば、もはや、電解質膜の収縮は小さいので、セル締結荷重を基本荷重に戻す。このように電解質膜の収縮のおそれがある低温時のみシステムを駆動し、それ以外は休止させることで、動作に必要なエネルギーの節約が図られる。

尚、本実施形態においては、セルの締結荷重の上限値を１２００Ｎと設定したが、より確実に膜・電極接合体の破損を防止するためには、締結荷重の上限値は１０００Ｎとすることが好ましい。また、基本荷重（初期値）は適宜設定すればよく、通常、６００〜９００Ｎでよく、好ましくは７００〜８００Ｎである。また、本実施形態においては、ステップ１３及びステップ１８におけるセル締結荷重の増加値を１０Ｎとしたが、セル締結荷重の増加値は、適宜設定することができる。
電解質膜の膜抵抗値を測定する膜抵抗測定手段としては、特に限定されず、例えば、電流遮断法やステップ法を採用した装置、交流インピーダンス法等を使用することができる。

本実施形態では、一般的に、電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲である、１０℃以下にて、締結手段による締結荷重の増加が行われるが、図３の処理同様、この電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲は、通常、電解質膜のガラス転移温度以下の範囲であり、単セルを構成する電解質膜に応じて適宜設定することができる。
図４に示す処理を行う本実施形態においては、膜抵抗値に応じてセルの締結荷重が制御されるため、過大な締結荷重がセルに作用することを防止することができ、触媒層やガス拡散層を必要以上に圧縮し、その多孔質構造の変化（例えば、空効率低下等）を防ぐことができる。また、氷点下のような温度範囲においては、締結荷重の増加によって、電解質膜の収縮の抑制の他、氷晶成長による膜・電極接合体の構成部材の破損や劣化、各層間の接合状態悪化等の抑制も期待できる。

図５は、燃料電池の発電停止後、所定温度以下の低温条件下において燃料電池単セル内で氷晶成長が進行することにより、膜・電極接合体が損傷するのを抑制するために、制御装置によって実行される処理のフローチャートである。

図５において、制御装置は、燃料電池の発電停止命令を受けると、燃料電池セルの締結荷重を制御する処理を開始する。まず、制御装置は、燃料電池単セルの温度Ｔを計測する［ステップ２１（Ｓ２１）］。そして、この温度Ｔが０℃以下であるかを判断する［ステップ２２（Ｓ２２）］。かかる判断の結果、温度Ｔが０℃を超える場合［ステップ２２：Ｎｏ］には、単セル内の水分が凍結しにくく、セルの締結荷重を大きくする必要がないため、上記ステップ２１に処理を戻し、引き続き、燃料電池単セルの温度Ｔの計測を継続して行う。

一方、上記ステップ２２における判断の結果、温度Ｔが０℃以下であれば［ステップ２２：Ｙｅｓ］、制御装置は、単セルに締結荷重を作用させる電動アクチュエータを作動させ、単セルの締結荷重を所定値（２００Ｎ）増加させる［ステップ２３（Ｓ２３）］。
次に、再び、単セルの温度Ｔを計測し、この温度Ｔが０℃を超えるかを判断する［ステップ２４（Ｓ２４）］。ステップ２４においてセル温度Ｔが０℃以下であると判断された場合［ステップ２４：Ｎｏ］には、再び、処理をステップ２４に戻し、セル温度Ｔが０℃を超えるまで、締結荷重を所定値（２００Ｎ）増加させたまま単セルの温度Ｔの計測を継続して行う。一方、ステップ２４において、セル温度Ｔが０℃を超えると判断された場合［ステップ２４：Ｙｅｓ］、アクチュエータによるセル締結荷重の増加処理を解消し、セル締結荷重を基本荷重（初期値）に戻す。

以上のように、燃料電池単セルの温度Ｔが設定温度（０℃）以下の間は、基本荷重よりも大きな締結荷重が燃料電池単セルに付与され続けることにより、膜・電極接合体において氷晶成長が進行した際に、電解質膜、触媒層、ガス拡散層に生じる応力が抑制されることとなる。そして、外気温の上昇等により燃料電池単セルの温度Ｔが設定温度（０℃）より高くなれば、もはや、膜・電極接合体内における氷晶成長は起こらないので、セル締結荷重を基本荷重に戻す。このように氷晶成長のおそれがある低温時のみシステムを駆動し、それ以外は休止させることで、動作に必要なエネルギーの節約が図られる。

本実施形態においては、膜・電極接合体において、氷晶の成長が進行すると判断される温度範囲である、０℃以下にて、締結手段による締結荷重の増加が行われるが、この氷晶の成長が進行すると判断される温度範囲は、適宜設定することができる。また、本実施形態においては、所定温度（０℃）以下において、セル締結荷重を基本荷重から一定値（２００Ｎ）高めるが、セル締結荷重の増加量は２００Ｎに限定されず適宜設定してよい。
さらに、セルの締結荷重の上限値は、１２００Ｎ、特に１０００Ｎとすることが好ましい。また、基本荷重（初期値）は適宜設定すればよく、通常、６００〜９００Ｎでよく、好ましくは７００〜８００Ｎである。
尚、図３及び図４のような、電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲において行われる締結荷重の制御と、図５のような、氷晶成長が進行すると判断される温度範囲において行われる締結荷重の制御は、組み合わせることもできる。具体的には、氷晶成長が進行しない０℃より高い温度範囲においては、図３及び図４のような締結荷重の制御を行い、０℃以下の温度範囲においては、図５のような締結荷重の制御を行うようにしてもよい。

（実施例１）
電極面積１３ｃｍ²、セパレータ流路がサーペンタインカウンターフローの単セルについて、初期状態（未使用状態）での発電性能、並びに、以下の冷熱サイクル処理後（２０サイクル後及び４０サイクル後）の発電性能を評価した。尚、発電性能の評価は以下の条件下行った。
結果を表１に示す。

＜冷熱サイクル処理＞
まず、セル内に、セル温度８０℃にて、加湿窒素（アノード及びカソード共に加湿露点８０℃）を、１０分間掃気した。その後、セルに対して、恒温槽内で、高温[８０℃（１時間静置）]と低温[−２０℃（１時間静置）]の冷熱サイクルを繰り返した（２０サイクル又は４０サイクル）。尚、冷熱サイクルにおいて、セル温度が０℃より高い場合には、セルの締結荷重を８００Ｎとし、セル温度が０℃以下の場合、セルの締結荷重を１２００Ｎとした。

＜発電条件＞
・締結荷重：８００Ｎ
・背圧（ゲージ圧）：アノード １００ｋＰａ
カソード １００ｋＰａ
・反応ガス：アノード Ｈ₂（流量０．２７２Ｌ／ｍｉｎ、加湿露点４５℃）
カソード 空気（流量０．８６６Ｌ／ｍｉｎ、加湿露点５５℃）

（比較例１）
実施例１において、冷熱サイクル処理における締結荷重を一定（８００Ｎ）にすること以外は、同様にして、単セルの初期状態及び冷熱サイクル処理後（２０サイクル、４０サイクル）の発電性能の評価を行った。結果を表１に示す。

表１からわかるように、冷熱サイクルにおいて、締結荷重を一定とし、０℃以下の低温条件下においても締結荷重を高めなかった比較例１は、冷熱サイクルによって、その発電性能が低下した。これに対して、冷熱サイクルにおいて、０℃以下の低温条件下においては、締結荷重を高めた実施例１のセルは、冷熱サイクルを２０サイクル繰り返した後も、さらには、４０サイクル繰り返した後も、初期状態の性能をほぼ維持した。

燃料電池システムの構成例を示す模式図である。 図１における単セルの構成例を示す断面模式図である。 本発明の燃料電池システムの制御手段が実行する締結荷重制御処理のフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの制御手段が実行する締結荷重制御処理のフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの制御手段が実行する締結荷重制御処理のフローチャートである。 面方向の形状が拘束された電解質膜において面方向に生じる張力の温度依存性を示すグラフである。

符号の説明

１…燃料電池
２…燃料電池単セル
３…セルスタック
４…電動アクチュエータ
５…導電プレート
６…ターミナルプレート
７…絶縁プレート
８…エンドプレート
９…ロッド
１０…制御装置
１１…電解質膜
１２…燃料極（アノード）
１３…酸化剤極（カソード）
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｂ…カソード側触媒層
１５ａ…アノード側ガス拡散層
１５ｂ…カソード側ガス拡散層
１６…膜・電極接合体
１７ａ…アノード側セパレータ
１７ｂ…カソード側セパレータ
１８ａ…アノード側ガス流路
１８ｂ…カソード側ガス流路
１００…燃料電池システム

Claims (10)

1. 一対の電極及び該電極間に配置された電解質膜を備える燃料電池単セル、該燃料電池単セルの温度を検知する温度検知手段、並びに、前記燃料電池セルの積層面に面圧を印加する締結荷重を作用させる締結手段、を備える燃料電池システムであって、
   前記温度検知手段により検知された前記燃料電池単セルの温度が、所定温度以下の範囲である場合に、前記締結荷重を高めるように前記締結手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 燃料電池の発電停止時に作動する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定温度以下の範囲は、前記電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲が、前記電解質膜のガラス転移温度以下の範囲である、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記電解質膜の面方向における収縮が大きいと判断される温度範囲が、１０℃以下である、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記締結荷重を、前記燃料電池単セルの温度に応じて制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記電解質膜の膜抵抗値を測定する膜抵抗測定手段を備え、前記締結荷重を、前記電解質膜の膜抵抗値に応じて制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記所定温度以下の範囲は、前記電解質膜及び／又は前記電極内において氷晶成長が進行すると判断される温度範囲である、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記電解質膜及び／又は前記電極内において氷晶成長が進行すると判断される温度範囲が、０℃以下である、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池単セルの温度が所定温度以下になると、前記締結荷重を一定値高くする、請求項８又は９に記載の燃料電池システム。

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