JP2014038705A - 燃料電池スタックおよび燃料電池システム、燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モニターセルが通常セルよりも早期にドライアップを検知し、かつ、通常セルよりも機械的耐久性を高めたものとして、耐久性の高い燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】複数のセルを積層した燃料電池スタックである。複数のセルは、少なくとも一つのモニターセルと、モニターセルよりも高い発電特性を有する通常セルと、を含む。モニターセルの電解質膜は、通常セルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果に基づいて求められる通常セルの電解質膜の寿命予測値よりも、モニターセルの電解質膜の疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果に基づいて求められるモニターセルの電解質膜の寿命予測値のほうが大きくなるように選択される。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池スタックに関する。

特許文献１には、設定範囲内に圧力損失が収まる標準セルよりも圧力損失が大きい第１検出セル、および、標準セルよりも圧力損失が小さい第２検出セルのセル電圧の検出結果に基づいて、燃料電池の発電状態を把握し、燃料電池の運転を適切に制御する燃料電池システムが記載されている。また、特許文献２には、燃料電池スタックの複数の燃料電池の少なくとも一つを、残余の複数の燃料電池とは異なったセンサー電池とし、センサー電池が他の電池よりも先に望ましくない燃料電池作動状態を検出して制御する燃料電池電力発生装置が記載されている。なお、センサー電池は、望ましくない燃料電池作動状態に対して他の電池よりも敏感に反応するように、いわゆる、発電に関与する性能が低い状態となるように構成されている。例えば、ドライアップしやすくなるように構成されている。特許文献３には、燃料電池の複数のセルのうち最もアノード圧損（圧力損失）の大きいセル（「低性能セル」とも呼ぶ）の発電状況を監視して、各セルにおいて燃料ガス不足が生じないように制御する燃料電池システムが記載されている。なお、以下の説明では、特許文献１の圧力損失が大きい検出セルや、特許文献２のセンサー電池、特許文献３のアノード圧損の大きいセルを、「モニターセル」とも呼び、特許文献１の標準セルや、特許文献２の他の電池、特許文献３のモニターセル以外の他のセルを、「通常セル」とも呼ぶ。

特開２００７−０４８６０９号公報 特表２００２−５２０７７８号公報 特開２００９−１７０２２９号公報

しかしながら、モニターセルとしての、特許文献１の圧力損失が大きい検出セルや、特許文献２のセンサー電池、特許文献３のアノード圧損の大きいセルは、発電動作中において、ドライアップに応じて通常セルに比べて、セル電圧が負電圧になりやすい。このため、これらのモニターセルは、通常セルとしての、特許文献１の標準セルや、特許文献２の他の電池、特許文献３のモニターセル以外の他のセルに比べて電解質膜の機械的劣化が早期に発生しやすく、燃料ガスや酸化ガスのクロスリークが発生し易い、という問題がある。本来、モニターセルは、通常セルの動作を適切に制御することを目的とするものであるのに対して、通常セルよりも早期に劣化してしまうと、燃料電池スタックの寿命がモニターセルの寿命で制限されることになり、燃料電池スタックの耐久性の点で課題があった。そのため、モニターセルには、通常セルよりも早期にドライアップを検知することが可能であり、かつ、通常セルよりも機械的耐久性が高いことが望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、複数のセルを積層した燃料電池スタックが提供される。前記複数のセルは、少なくとも一つのモニターセルと、前記モニターセルよりも高い発電特性を有する通常セルと、を含む。前記モニターセルの電解質膜は、前記通常セルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果に基づいて求められる前記通常セルの電解質膜の寿命予測値よりも、前記モニターセルの電解質膜の疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果に基づいて求められる前記モニターセルの電解質膜の寿命予測値のほうが大きくなるように選択される。この形態の燃料電池スタックによれば、従来技術で説明したように、モニターセルの寿命を通常セルの寿命よりも長くすることができ、モニターセルが通常セルよりも早期に劣化してしまうことを抑制することが可能である。これにより、燃料電池スタックの寿命を、モニターセルの寿命に制限されず通常セルの寿命に対応させることができ、燃料電池スタックの耐久性を向上させることが可能である。

（２）上記形態の燃料電池スタックにおいて、前記通常セルの電解質膜の寿命予測値として、前記通常セルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果によって表される前記通常セルの電解質膜に生じる応力とその応力の発生許容回数との関係から、想定される発電動作環境における乾湿変化に応じて発生しうる応力に対応する発生許容回数を求め；前記モニターセルの電解質膜の寿命予測値として、前記モニターセルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果によって表される前記モニターセルの電解質膜に生じる応力とその応力の発生許容回数との関係から、想定される発電動作環境における乾湿変化に応じて発生しうる応力に対応する発生許容回数を求めることが好ましい。このようにすれば、通常セルの電解質膜の寿命予測値およびモニターセルの電解質膜の寿命予測値を容易に求めることができる。

（３）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、上記の燃料電池スタックと；前記モニターセルのセル電圧を監視し、監視結果に応じて前記燃料電池スタックの動作を制御する制御部と；を備える。この燃料電池システムによれば、モニターセルの寿命が通常セルの寿命よりも長く耐久性が向上した燃料電池スタックを用いているので、モニターセルの寿命に制限されることなく通常セルの寿命に応じた燃料電池スタックの寿命に到達するまで、燃料電池スタックを動作させることが可能である。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法や燃料電池システムの製造方法、電解質膜の選択方法等の種々の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。 燃料電池スタックを構成するセルの積層方向の概略断面図である。 モニターセルの電解質膜の選択の手順を示すフローチャートである。 電解質膜の疲労線図の取得の手順を示すフローチャートである。 図４の手順による電解質膜の疲労線図の取得方法を説明するための説明図である。 電解質膜の寿命計算の手順を示すフローチャートである。 電解質膜の力学特性を表すモデルである。 求めた応力に対応する寿命予測値について示す説明図である。 通常セル用電解質膜および各モニターセル用電解質膜のサンプルについての疲労線図および実際の検証結果を示すグラフである。 通常セル用電解質膜および各モニターセル用電解質膜のサンプルについての検証条件および検証結果をまとめた表である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０とを備える。さらに、燃料電池システム１００は、セル電圧検出部７０を備える。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。

図２は、燃料電池スタックを構成するセルの積層方向の概略断面図である。セル１１は、電解質膜１３の両面にアノード１４およびカソード１５が形成された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly, MEA）１２と、膜電極接合体１２を両側から狭持するセパレータ１６，１７と、で構成される。

電解質膜１３は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子により形成される。アノード１４及びカソード１５は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた触媒電極およびガス拡散層により構成された電極であり、本実施例においては、触媒電極には、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜１３を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。ガス拡散層は、電気化学反応に供されるガスの流路となると共に、集電を行なう部位であり、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。なお、ガス拡散層は、省略可能である。

セパレータ１６，１７は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。セパレータ１６，１７は、それぞれの両面に所定の凹凸形状を有している。この凹凸形状によって、セパレータ１６とアノード１４との間には、水素を含有するアノードガスが流れるアノードガス流路１６ａが形成される。同様に、セパレータ１７とカソード１５との間には、酸素を含有するカソードガスが流れるカソードガス流路１７ａが形成される。

図１に戻って、複数のセル１１は、少なくとも１つのモニターセルとモニターセルを除く他の通常セルとに区分される。モニターセルは、通常セルよりも低い発電特性、具体的には、ＩＶ特性として、同じ電流密度Ｉにおける出力電圧Ｖが通常セルよりも低くなる特性の電解質膜で構成されている。すなわち、通常セルはモニターセルよりも高い発電特性の電解質膜で構成され、モニターセルは通常セルよりも低い発電特性の電解質膜で構成されている。なお、このモニターセルの電解質膜と通常セルの電解質膜との関係については、さらに、後述する。

また、モニターセルの電解質膜は、後述するように、通常セルの電解質膜の寿命予測値よりも大きい寿命予測値の電解質膜が選択される。なお、以下では、モニターセル及び通常セルについて特に区別する場合には、モニターセル及びその構成要素には添え字「ｍ」を付すこととし、通常セル及びその構成要素には添え字「ｔ」を付すこととする。具体的には、モニターセルは１１ｍで通常セルは１１ｔと付記される。また、図２に示すように、モニターセルの膜電極接合体は１２ｍで通常セルの膜電極接合体は１２ｔ、モニターセルの電解質膜は１３ｍで通常セルの電解質膜は１３ｔと付記される。なお、図１の例では、燃料電池スタック１０の中央に１つのモニターセル１１ｍが配置された例を示している。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、運転制御部２１としての機能と、監視部２２としての機能と、を備える。運転制御部２１は、以下に説明する各系３０，４０，５０，６０を制御して、システムに対する出力要求に応じた電力を燃料電池スタック１０に発電させる。監視部２２は、燃料電池スタック１０の運転中に、燃料電池スタック１０の複数のセル１１のうちのモニターセル１１ｍのセル電圧を検出し、この値に応じて、運転制御部２１による発電動作を制御する。なお、監視部２２によって実行される運転制御部２１による発電動作の制御については、さらに後述する。

カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアーコンプレッサー３２と、エアーフローメーター３３と、開閉弁３４とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０のカソード側の入口に接続された配管である。エアーコンプレッサー３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。

エアーフローメーター３３は、エアーコンプレッサー３２の上流側において、エアーコンプレッサー３２が取り込む外気の量を計測し、運転制御部２１に送信する。運転制御部２１は、この計測値に基づいて、エアーコンプレッサー３２を駆動することにより、燃料電池スタック１０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアーコンプレッサー３２と燃料電池スタック１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアーコンプレッサー３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池スタック１０のカソード側の出口に接続された配管である。カソード排ガスは、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

調圧弁４３は、運転制御部２１によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池スタック１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を運転制御部２１に送信する。

アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池スタック１０に供給する。

開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、運転制御部２１からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が運転制御部２１によって制御されている。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、運転制御部２１に送信する。運転制御部２１は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される水素量を制御する。

アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、開閉弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードの出口接続された配管である。発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスは、アノード排ガス配管６１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

開閉弁６６は、アノード排ガス配管６１に設けられており、運転制御部２１からの指令に応じて開閉する。アノードガス排出系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池スタック１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池スタック１０のアノード側の背圧）を計測し、運転制御部２１に送信する。

セル電圧検出部７０は、燃料電池スタック１０の複数のセル１１のうちのモニターセル１１ｍに接続されている。モニターセル１１ｍは、特に運転温度が高くなり、ドライアップしやすい傾向にある中央位置に配置されている。ただし、これに限定されるものではなく、モニターセル１１ｍは積層方向のうちいずれの位置に配置されていてもよい。ただし、ドライアップしやすい位置に配置するほうが好ましい。セル電圧検出部７０は、モニターセル１１ｍのセル電圧を検出し、監視部２２に送信する。

運転温度検出部７２は、燃料電池スタック１０の運転温度を検出して運転制御部２１および監視部２２に送信する。なお、運転温度検出部７２は、燃料電池スタック１０の運転温度を、燃料電池スタック１０に循環供給される冷媒（詳細な説明は省略）の温度に基づいて検出するものとしても良いし、燃料電池スタック１０の排ガスの温度に基づいて検出するものとしても良い。

燃料電池システム１００は、図示や詳細な説明は省略するが、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。二次電池は、燃料電池スタック１０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池スタック１０の補助電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や、燃料電池スタック１０の出力電圧の制御に用いられる。

Ａ−２．監視部のモニターセルの監視による運転制御：
上述したように、モニターセル１１ｍは、その発電特性が通常セル１１ｔの発電特性よりも低く設定された電解質膜で構成されている。このため、燃料電池スタック１０の運転中において、各セル１１の電解質膜１３の乾燥によるドライアップが進行しても、通常セル１１ｔのセル電圧の電圧低下よりもモニターセル１１ｍのセル電圧の電圧低下のほうが先行して発生する。そこで、監視部２２はモニターセル１１ｍのセル電圧の変化を監視し、これに応じて燃料電池スタック１０の出力を制限することにより、ドライアップの進行を抑制するように、運転制御部２１の動作を制御する。これにより、通常セル１１ｔの電解質膜１３ｔにドライアップが進行することによってセル電圧が負電圧となり、通常セル１１ｔの電解質膜１３ｍの劣化を招いてしまうことを抑制する。

Ａ−３．モニターセル用電解質膜の選択：
図３は、モニターセルの電解質膜の選択の手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００では、あらかじめ選択した通常セルの電解質膜（「通常セル用電解質膜」とも呼ぶ）に対応するモニターセルの電解質膜（「モニターセル用電解質膜」とも呼ぶ）の候補を選択する。選択の条件としては、以下の２つがあげられる。
（条件１）通常セルの発電特性よりもモニターセルの発電特性のほうが低くなるような電解質膜であること。
（条件２）通常セル用電解質膜よりも機械的耐久性が高く、その特徴として、クロスリーク耐久性が高い電解質膜であること。

（条件１）については、同じ電極を用いた通常セルおよびモニターセルの試験体についてＩＶ特性を測定した場合に、通常セルのＩＶ特性よりも低いＩＶ特性となる、すなわち、同じ電流密度Ｉに対して発生する電圧Ｖが通常セルのＩＶ特性よりも低くなる特性を有するような電解質膜を選択すればよい。なお、この関係は、燃料電池スタックの想定される運転条件の範囲内、例えば、想定される温度範囲、想定される湿度範囲、想定される出力電流範囲内において、常に保たれていることが好ましい。ただし、これに限定されるものではない。例えば、ある出力電流値以上の場合において乾燥が進む場合には、対応する電流密度以上において通常セルよりもモニターセルのＩＶ特性が低くなっていればよい。すなわち、乾燥して電解質膜のプロトン伝導性が低下する傾向となる運転条件において、モニターセルのセル電圧が通常セルのセル電圧に先んじて低くなるように、通常セルよりもモニターセルのＩＶ特性が低くなっていてもよい。また、ある所定の電流密度Ｉにおける電圧Ｖが通常セルよりもモニターセルのほうが低くなっているようにしてもよい。簡易的には、電解質膜のイオン導電率、膜厚等の、イオン伝導性に影響を与えるパラメータの値を比較して選択することができる。

（条件２）については、機械的耐久性が高い電解質膜の定性的な特徴としては、電解質の膜厚が厚い、補強層が厚い、補強層の空孔率が低い、引張試験によるＳ−Ｓ線図の面積から得られる破断エネルギーが大きい、等がある。しかしながら、これらは、耐久性を比較するための定量的な指標ではない。

そこで、モニターセル用電解質膜の候補の選択は、例えば、次のように行われる。すなわち、（条件１）を満たす電解質膜を前提とし、それを満たす電解質膜の中から、上記定性的な特徴に基づいて通常セル用電解質膜に比べて機械的耐久性が高いと推定されるものを、モニターセル用電解質膜の候補として選択する。そして、モニターセル用電解質膜の候補について、以下で説明するように、機械的耐久性としてクロスリーク耐久性の評価を定量的に実行し、この評価結果に基づいて電解質膜の選択を行う。

すなわち、まず、ステップＳ２００において、通常セル用電解質膜及びモニターセル用電解質膜の候補のそれぞれについて、以下で説明するように、疲労線図を取得する。図４は、電解質膜の疲労線図の取得の手順を示すフローチャートである。図５は図４の手順による電解質膜の疲労線図の取得方法を説明するための説明図である。

通常セル用電解質膜及びモニターセル用電解質膜の候補について、それぞれ、以下に説明する「乾湿サイクル試験」（ステップＳ２１０）および「疲労試験」ステップＳ２２０）を行い、それぞれの試験において、電解質膜に生じる応力ごとの発生許容回数を計測する。そして、通常セル用電解質膜及びモニターセル用電解質膜の候補について、それぞれ、乾湿サイクル試験の計測結果及び疲労試験の計測結果から、電解質膜に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を示すグラフを、電解質膜の疲労線図として取得する（ステップＳ２３０）。

「乾湿サイクル試験」では、試験の対象となる電解質膜を用いた試験用の膜電極接合体において、電解質膜が基準湿潤度となる基準の湿潤状態と、所定の乾燥状態とを所定の周期で繰り返し発生させる。そして、試験用の膜電極接合体において、アノード側の水素がカソード側へとリークする量が、電解質膜の劣化の許容限界と判断する量として設定した所定量に到達するまでに、基準の湿潤状態から乾燥状態へと移行した回数を、発生許容回数として計測する。なお、膜電極接合体に生じる応力は、乾燥状態のときの電解質膜のひずみ量εに基づいて求める。ひずみ量εは、例えば、基準となる湿潤度のときの、平面方向のうちの所定の方向における電解質膜の長さＬｓ（基準長Ｌｓ）に対する、当該方向における電解質膜の長さの変化量Ｌｅの百分率で表される。図５の上段には、乾湿サイクル試験による計測結果を表すグラフの一例が示されている。

「疲労試験」では、試験の対象となる電解質膜に所定の周期で、平面方向に一定の応力を繰り返し付与する。そして、電解質膜のひずみ量εが所定の基準値になるまでの応力の付与回数を、応力の大きさを変えて計測し、その付与回数を、その応力の発生許容回数とした。図５の中段には、疲労試験による計測結果を表すグラフの一例を示してある。なお、疲労試験におけるひずみ量εの基準値は、応力に対する発生許容回数の計測結果が、乾湿サイクル試験における計測結果と同程度となるように設定する。

疲労線図は、乾湿サイクル試験の計測結果と、疲労試験の計測結果とを統合することにより、図５の下段に示すように、電解質膜に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を示すグラフとして取得される。このように、２種類の試験の計測結果を組み合わせれば、十分な計測データを得ることができ、より適切な、セルの電解質膜に発生する応力と、その応力の発生許容回数との関係を取得することができる。

次に、図３のステップＳ３００では、以下で説明するように、通常セル用電解質膜及びモニターセル用電解質膜の候補について、それぞれ、電解質膜の寿命を計算する。図６は、電解質膜の寿命計算の手順を示すフローチャートである。まず、通常セル用電解質膜およびモニターセル用電解質膜の候補について、以下で説明するように、乾燥時の湿度から乾燥時の電解質膜に働く応力を計算し（ステップＳ３１０）、先に取得した疲労線図（図３のステップＳ２００）から、求めた応力に対応する許容回数を寿命予測値として取得する（ステップＳ３２０）。

ここで、電解質膜に働く応力の計算のためには、電解質膜の弾塑性と粘弾性の並列モデルが用いられる。図７は、電解質膜の力学特性を表すモデルである。電解質膜に働く応力σは下式（１）に示すように、弾塑性に係る応力σｐと粘弾性に係る応力σｖの和で表される。そして、弾塑性に係る応力σｐは、引張試験における降伏応力σｙ以下である場合にはひずみ量εをパラメータとして下式（２）で表され、降伏応力σｙより大きい場合にはひずみ量εをパラメータとして下式（３）で表される。粘弾性に係る応力σｖは、ひずみ量εをパラメータとして下式（４）で表される。ただし、下式（４）は、算出を容易にするために、変形の時間に対する応答性に対応する粘弾性のモデルを、Ｎｏｔｒｔｏｎ−Ｈｏｆｆ速度則を用いて表したものである。

なお、定数Ｋｐ，Ｈ’，σｙ，Ａ，ｎは、想定される湿度および温度環境において、異なる速度での引張試験を行って得られるＳ−Ｓ線図の降伏点、降伏点前の傾き、降伏点後の傾き等から求められる。

そして、あらかじめ求めておいた湿度変化に対応する電解質膜の寸法変化から、応力を計算しようとする乾燥時の湿度に対応するひずみ量εを求め、求めたひずみ量εを上式（１）〜（４）に代入することにより、想定される乾燥時の湿度において、電解質膜に働く応力を計算することができる。

図８は、求めた応力に対応する寿命予測値について示す説明図である。上記のようにして求めた応力に対する許容回数を、先に取得した疲労線図（図３のステップＳ２００および図４，５参照）から、寿命予測値として求めることができる。図８には、通常セル用電解質膜について、求められた応力σｔｃに対応する寿命予測値として許容回数Ｎｔｃが取得され、モニターセル用電解質膜の候補について、求められた応力σｍｃに対応する寿命予測値として許容回数Ｎｍｃが取得される例が示されている。

次に、図３のステップＳ４００では、モニターセル用電解質膜の候補の寿命予測値が通常セル用電解質膜の寿命予測値よりも大きいか否かを判断する。このとき、モニターセル用電解質膜の候補の寿命予測値が通常セル用電解質膜の寿命予測値よりも大きい場合には、通常セル用電解質膜に比べてモニターセル用電解質膜の候補のほうが、クロスリーク耐久性が高いと判断される。このため、ステップＳ５００では、このモニターセル用電解質膜の候補を、モニターセル用電解質膜として決定する。これに対して、モニターセル用電解質膜の候補の寿命予測値が通常セル用電解質膜の寿命予測値以下の場合には、モニターセル用電解質膜の候補の寿命予測値が通常セル用電解質膜の寿命予測値よりも大きくなり、通常セル用電解質膜に比べてモニターセル用電解質膜の候補のほうが、クロスリーク耐久性が高いと判断されるまで、モニターセル用電解質膜の候補の選択（ステップＳ１００）、疲労線図の取得（ステップＳ２００）、寿命計算（ステップＳ３００）、および、判断（ステップＳ４００）を繰り返す。

以上のように、通常セル用電解質膜よりも耐久性の高いモニターセル用電解質膜を選択し、通常セル用電解質膜及び選択したモニターセル用電解質膜を用いて通常セル及びモニターセルを作製し、燃料電池スタックを作製することにより、燃料電池スタックの運転中において、モニターセルの電解質膜が通常セルの電解質膜よりも早期に劣化してしまうことを抑制することが可能であると考えられる。また、これにより、燃料電池スタックの寿命をモニターセルの寿命に制限されず通常セルの寿命に対応させることができ、燃料電池スタックの耐久性を向上させることが可能であると考えられる。

以上説明したモニターセル用電解質膜の選択について、１種類の通常セル用電解質膜に対して、サンプル１〜サンプル４をモニターセル用電解質膜のサンプルとして用いて確認を行った。図９は、通常セル用電解質膜および各モニターセル用電解質膜のサンプルについての疲労線図および実際の検証結果を示すグラフである。また、図１０は、通常セル用電解質膜および各モニターセル用電解質膜のサンプルについての検証条件および検証結果をまとめた表である。

［通常セル用電解質膜］
通常セル用電解質膜として膜厚１０μｍのある電解質膜を使用した。この電解質膜を用いた通常セルにおいて、燃料電池スタックの運転中における乾湿変化として１２０％ＲＨ〜１５％ＲＨの乾湿サイクルを想定する。このとき、乾燥時（１５％ＲＨ時）の応力は、上記した応力計算によってσ＝１１ＭＰａとなることが想定される。そして、この乾湿サイクル試験を実行した結果、４１００回でクロスリークが発生することを確認した。なお、想定応力に対応する許容回数の結果は、図９に示した対応する疲労線図から求められる許容回数とほぼ一致していることがわかる。

［サンプル１］
モニターセル用電解質膜として、通常セル用電解質膜と膜厚は同じ１０μｍであるが、発電特性の悪い電解質膜を選択した。この電解質膜を用いたモニターセルにおいて、燃料電池スタックの運転中における乾湿変化として、通常セルよりも乾燥側の条件が厳しい１２０％ＲＨ〜５％ＲＨの乾湿サイクルを想定する。このとき、乾燥時（５％ＲＨ時）の応力は、上記した応力計算によってσ＝７ＭＰａとなることが想定される。そして、この乾湿サイクル試験を実行した結果、６９００回でクロスリークが発生することを確認し、このモニター用電解質膜では、通常セルの寿命よりもモニターセルの寿命が長くなっていることを確認した。なお、想定応力に対応する許容回数の結果は、図９に示した対応する疲労線図から求められる許容回数とほぼ一致していることがわかる。

［サンプル２］
モニターセル用電解質膜として、通常セル用電解質膜と同じ電解質膜を選択した。この電解質膜を用いたモニターセルも、燃料電池スタックの運転中における乾湿変化として、通常セルよりも乾燥側の条件が厳しい１２０％ＲＨ〜５％ＲＨの乾湿サイクルを想定する。このとき、乾燥時（５％ＲＨ時）の応力は、上記した応力計算によってσ＝１３ＭＰａとなることが想定される。そして、この乾湿サイクル試験を実行した結果、１０５０回でクロスリークが発生することを確認し、このモニターセル用電解質膜では、通常セルの寿命よりもモニターセルの寿命が短くなっていることを確認した。モニターセル用電解質膜として通常セル用電解質膜と同じ電解質膜を用いると、乾燥しやすいほうが応力が高くなり、耐久性が低くなると考えられる。なお、想定応力に対応する許容回数の結果は、図９に示した対応する疲労線図から求められる許容回数とほぼ一致していることがわかる。

［サンプル３］
モニターセル用電解質膜として、通常セル用電解質膜と同じ電解質膜を２枚重ね合わせてプレスした電解質膜を選択した。この電解質膜を用いたモニターセルも、燃料電池スタックの運転中における乾湿変化として、通常セルよりも乾燥側の条件が厳しい１２０％ＲＨ〜５％ＲＨの乾湿サイクルを想定する。このとき、乾燥時（５％ＲＨ時）の応力は、上記した応力計算によってσ＝１３ＭＰａとなることが想定される。そして、この乾湿サイクル試験を実行した結果、１９００回でクロスリークが発生することを確認し、このモニター用電解質膜では、通常セルの寿命よりもモニターセルの寿命が短くなっていることを確認した。モニターセル用電解質膜として通常セル用電解質膜と同じ電解質膜を２枚重ねた場合には、膜厚が大きくなるので、同じ応力に対する耐久性は高くなる傾向にあるが、乾燥しやすいほうが応力が高くなるため、想定される応力では結果として、耐久性が低くなると考えられる。なお、想定応力に対応する許容回数の結果は、図９に示した対応する疲労線図から求められる許容回数とほぼ一致していることがわかる。

［サンプル４］
モニターセル用電解質膜として、膜厚が２０μｍで、発電特性の悪い電解質膜を選択した。この電解質膜を用いたモニターセルも、燃料電池スタックの運転中における乾湿変化として、通常セルよりも乾燥側の条件が厳しい１２０％ＲＨ〜５％ＲＨの乾湿サイクルを想定する。このとき、乾燥時（５％ＲＨ時）の応力は、上記した応力計算によってσ＝１７ＭＰａとなることが想定される。そして、この乾湿サイクル試験を実行した結果、２５００回でクロスリークが発生することを確認し、このモニター用電解質膜では、通常セルの寿命よりもモニターセルの寿命が短くなっていることを確認した。この場合、膜厚が大きいので、耐久性は高くなる傾向にあるが、乾燥し場合の応力が高いため、想定される応力では耐久性が低くなると考えられる。なお、想定応力に対応する許容回数の結果は、図９に示した対応する疲労線図から求められる許容回数とほぼ一致していることがわかる。

以上のことから、想定される応力に対応する許容回数を疲労線図から寿命予測値として求めることにより、通常セル用電解質膜の寿命よりも長い寿命の電解質膜をモニターセル用電解質膜として容易に選択することができることがわかる。

Ｂ．変形例：

（１）上記実施形態では、電解質膜に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を、２種類の試験（乾湿サイクル試験および疲労試験）における計測結果を組み合わせて取得していた。しかし、電解質膜に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を、乾湿サイクル試験の計測結果のみに基づいて取得するものとしても良いし、疲労試験の計測結果のみに基づいて取得するものとしても良い。

（２）上記実施形態では、燃料電池スタックの積層された複数のセル１１のうち、中央に配置された１つのセルをモニターセル１１ｍとしている。これに対して、モニターセル１１ｍは中央に限定されるものではなく、いずれの位置に配置されていてもよい。また、配置されていなくてもよい。また、１つの第１実施例では、膜電極接合体に生じた応力と、その応力に対する発生許容回数との関係を、２種類の試験（乾湿サイクル試験および疲労試験）における計測結果を組み合わせて取得していた。しかし、膜電極接合体に生じた応力と、その応力に対する発生許容回数との関係は、乾湿サイクル試験の計測結果のみに基づいて取得するものとしても良いし、疲労試験の計測結果のみに基づいて取得するものとしても良い。

（３）上記実施形態では、燃料電池システムは車両に搭載されていたが、燃料電池システムは車両に搭載されていなくとも良く、車両以外の移動体（例えば、列車や船舶等）に搭載されるものとしても良い。また、なお、上記実施形態の燃料電池システムは、移動体以外の施設や建造物に固定的に設置されるものとしても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック
１１…セル
１１ｍ…モニターセル
１１ｔ…通常セル
１２…膜電極接合体
１２ｍ…膜電極接合体
１２ｔ…膜電極接合体
１３…電解質膜
１３ｍ…電解質膜
１３ｔ…電解質膜
１４…アノード
１５…カソード
１６…セパレータ
１６ａ…アノードガス流路
１７…セパレータ
１７ａ…カソードガス流路
２０…制御部
２１…運転制御部
２２…監視部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアーコンプレッサー
３３…エアーフローメーター
３４…開閉弁
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５２側…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレーター
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
６７…圧力計測部
７０…セル電圧検出部
７２…運転温度検出部
１００…燃料電池システム

Claims (4)

1. 複数のセルを積層した燃料電池スタックであって、
   前記複数のセルは、少なくとも一つのモニターセルと、前記モニターセルよりも高い発電特性を有する通常セルと、を含み、
   前記モニターセルの電解質膜は、前記通常セルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果に基づいて求められる前記通常セルの電解質膜の寿命予測値よりも、前記モニターセルの電解質膜の疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果に基づいて求められる前記モニターセルの電解質膜の寿命予測値のほうが大きくなるように選択される
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記通常セルの電解質膜の寿命予測値として、前記通常セルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果によって表される前記通常セルの電解質膜に生じる応力とその応力の発生許容回数との関係から、想定される発電動作環境における乾湿変化に応じて発生しうる応力に対応する発生許容回数を求め、
   前記モニターセルの電解質膜の寿命予測値として、前記モニターセルの電解質膜についての疲労試験結果または乾湿サイクル試験結果によって表される前記モニターセルの電解質膜に生じる応力とその応力の発生許容回数との関係から、想定される発電動作環境における乾湿変化に応じて発生しうる応力に対応する発生許容回数を求める
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 燃料電池システムであって、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックと、
   前記モニターセルのセル電圧を監視し、監視結果に応じて前記燃料電池スタックの動作を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 複数のセルを積層した燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記複数のセルは、少なくとも一つのモニターセルと、前記モニターセルよりも高い発電特性を有する通常セルと、を含み、
   前記モニターセルの電解質膜として、前記通常セルの電解質膜に生じる応力とその応力の発生許容回数との関係に基づいて求められる前記通常セルの電解質膜の寿命予測値よりも、前記モニターセルの電解質膜に生じる応力とその応力の発生許容回数の関係に基づいて求められる前記モニターセルの電解質膜の寿命予測値のほうが大きくなる電解質膜を選択する
   ことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。

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