JP5504932B2 - Method for predicting mechanical deterioration of solid polymer electrolyte membrane used in fuel cell, and deterioration prediction apparatus - Google Patents

Method for predicting mechanical deterioration of solid polymer electrolyte membrane used in fuel cell, and deterioration prediction apparatus Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の膨潤・収縮による機械的劣化を予測する技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for predicting mechanical deterioration due to swelling / shrinkage of a solid polymer electrolyte membrane used in a fuel cell.

燃料ガスと酸化剤ガス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、電解質膜として固体高分子膜(固体高分子電解質膜)を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、従来、燃料電池について、固体高分子電解質膜の寿命を予測する種々の技術が提案されている。   A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. This fuel cell includes a solid polymer fuel cell using a solid polymer membrane (solid polymer electrolyte membrane) as an electrolyte membrane. Conventionally, various techniques for predicting the lifetime of a solid polymer electrolyte membrane have been proposed for fuel cells.

例えば、下記特許文献1には、開回路放置試験とクロスオーバー量測定とを交互に繰り返す工程と、クロスオーバー量が所定値に達するまでに、燃料電池から排出されたフッ素の積算量を求める工程と、発電試験において排出されるフッ素の排出速度を求める工程と、フッ素の積算量と排出速度とに基づいて、高分子膜の寿命を算出する工程と、を含むことを特徴とする高分子膜の寿命予測試験方法が記載されている。この方法によれば、固体高分子電解質膜の化学的劣化による寿命を予測することができる。   For example, Patent Document 1 listed below includes a step of alternately repeating an open circuit standing test and a crossover amount measurement, and a step of obtaining an integrated amount of fluorine discharged from the fuel cell until the crossover amount reaches a predetermined value. And a step of calculating a discharge rate of fluorine discharged in the power generation test, and a step of calculating the lifetime of the polymer membrane based on the accumulated amount and discharge rate of fluorine. The life prediction test method is described. According to this method, the lifetime due to chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane can be predicted.

特開2007−311027号公報JP 2007-311027 A 特開2009−26567号公報JP 2009-26567 A

しかし、上記特許文献1に記載された技術では、高分子膜の寿命予測に際し、固体高分子電解質膜の機械的劣化については考慮されていなかった。   However, in the technique described in Patent Document 1, mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane is not taken into account when the lifetime of the polymer membrane is predicted.

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固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する技術を提供することを目的とする。なお、本明細書において、「燃料電池」という文言は、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた「固体高分子型燃料電池」を意味するものとする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a technique for predicting mechanical deterioration of a solid polymer electrolyte membrane used in a fuel cell. In this specification, the term “fuel cell” means a “solid polymer fuel cell” using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane.

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。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する方法であって、
前記固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線に基づいて、前記固体高分子電解質膜が塑性変形して破断に至るまでの破断エネルギを算出する破断エネルギ算出工程と、
前記固体高分子電解質膜が膨潤・収縮したときに、該膨潤・収縮の1サイクルについて、前記固体高分子電解質膜の塑性変形によって吸収される塑性吸収エネルギを算出する塑性吸収エネルギ算出工程と、
前記破断エネルギ、および、前記塑性吸収エネルギに基づいて、前記固体高分子電解質膜が破断するまでの前記膨潤・収縮のサイクル数を算出するサイクル数算出工程と、
を備える方法。
[Application Example 1]
A method for predicting mechanical deterioration of a solid polymer electrolyte membrane used in a fuel cell,
Based on the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane, a rupture energy calculation step for calculating the rupture energy until the solid polymer electrolyte membrane is plastically deformed to break,
When the solid polymer electrolyte membrane swells / shrinks, for one cycle of the swelling / shrinkage, a plastic absorption energy calculation step of calculating plastic absorbed energy absorbed by plastic deformation of the solid polymer electrolyte membrane;
A cycle number calculating step of calculating the number of cycles of swelling / shrinking until the solid polymer electrolyte membrane breaks based on the breaking energy and the plastic absorption energy;
A method comprising:

周知の通り、固体高分子電解質膜は、その材料に固有の弾性係数を有しており、固体高分子電解質膜に加えられる応力が弾性限界以下であって、歪み量が弾性領域内である場合には(弾性歪み)、その応力を取り除くことによって、固体高分子電解質膜は、弾性変形によって元の形状に収縮する。しかし、固体高分子電解質膜に加えられる応力が弾性限界を超えて、歪み量が塑性領域に達すると、固体高分子電解質膜は、塑性変形し(塑性歪み)、その応力が取り除かれて収縮しても、弾性歪みのみが回復され、塑性歪みは永久歪みとして固体高分子電解質膜に残留する。つまり、塑性変形によって、固体高分子電解質膜には、塑性吸収エネルギが吸収されて蓄積される。さらに、固体高分子電解質膜に加えられる応力が破断応力に達して、すなわち、固体高分子電解質膜に加えられる歪みが破断歪みに達して、固体高分子電解質膜に蓄積された塑性吸収エネルギの総和が破断エネルギに達すると、固体高分子電解質膜は破断する。   As is well known, the solid polymer electrolyte membrane has an intrinsic elastic coefficient, and the stress applied to the solid polymer electrolyte membrane is below the elastic limit and the amount of strain is in the elastic region. In the case of (elastic strain), by removing the stress, the solid polymer electrolyte membrane contracts to its original shape by elastic deformation. However, when the stress applied to the polymer electrolyte membrane exceeds the elastic limit and the amount of strain reaches the plastic region, the polymer electrolyte membrane plastically deforms (plastic strain), and the stress is removed and contracts. However, only the elastic strain is recovered, and the plastic strain remains as a permanent strain in the solid polymer electrolyte membrane. That is, plastic absorption energy is absorbed and accumulated in the solid polymer electrolyte membrane by plastic deformation. Further, the stress applied to the solid polymer electrolyte membrane reaches the breaking stress, that is, the strain applied to the solid polymer electrolyte membrane reaches the breaking strain, and the total of the plastic absorbed energy accumulated in the solid polymer electrolyte membrane. When rupture energy is reached, the solid polymer electrolyte membrane breaks.

ところで、燃料電池では、発電、すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって水(生成水)が生成される。このため、燃料電池に備えられる固体高分子電解質膜は、燃料電池の起動および停止の繰り返しによって、膨潤・収縮を繰り返す。このとき、固体高分子電解質膜の膨潤量(歪み量)は、弾性限界を超えて塑性領域に達し、塑性変形する。そして、固体高分子電解質膜には、塑性吸収エネルギが蓄積される。なお、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の膨潤時、すなわち、燃料電池による発電時には、その歪み量は、常に塑性領域に達する。   By the way, in the fuel cell, water (generated water) is generated by power generation, that is, an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas. For this reason, the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell repeatedly swells and contracts by repeatedly starting and stopping the fuel cell. At this time, the swelling amount (strain amount) of the solid polymer electrolyte membrane exceeds the elastic limit, reaches the plastic region, and undergoes plastic deformation. Then, plastic absorption energy is accumulated in the solid polymer electrolyte membrane. When the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell swells, that is, when power is generated by the fuel cell, the amount of distortion always reaches the plastic region.

適用例1の方法では、固体高分子電解質膜の上記破断エネルギ、および、上記塑性吸収エネルギに基づいて、換言すれば、上記破断エネルギを上記塑性吸収エネルギによって除することによって、固体高分子電解質膜が破断するまでの上記サイクル数を概算的に算出する。そして、この算出されたサイクル数と、実際の膨潤・収縮のサイクル数とを比較することによって、燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測することができる。なお、適用例1の方法では、固体高分子電解質膜の膨潤・収縮の各サイクルについての塑性吸収エネルギは、それぞれ、ほぼ等しいものとしている。   In the method of Application Example 1, based on the breaking energy of the solid polymer electrolyte membrane and the plastic absorption energy, in other words, by dividing the breaking energy by the plastic absorption energy, the solid polymer electrolyte membrane is obtained. The number of cycles until the rupture breaks is roughly calculated. The mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane used in the fuel cell can be predicted by comparing the calculated number of cycles with the actual number of swelling / shrinking cycles. In the method of Application Example 1, the plastic absorption energy for each cycle of swelling / shrinking of the solid polymer electrolyte membrane is substantially equal.

[適用例2]
適用例1記載の方法であって、
前記応力−歪み曲線は、加湿環境下における前記固体高分子電解質膜について測定された応力−歪み曲線であり、
前記塑性吸収エネルギ算出工程は、
乾燥環境下における前記固体高分子電解質膜の平面方向の収縮量εdを取得する工程と、
前記加湿環境下における前記固体高分子電解質膜の平面方向の膨潤量εwを取得する工程と、
前記加湿環境下における前記応力−歪み曲線を参照して、降伏点における前記固体高分子電解質膜の歪み量εbを取得する工程と、
前記加湿環境下における前記応力−歪み曲線を参照して、前記固体高分子電解質膜の降伏応力Sbを取得する工程と、
下記式によって、前記塑性吸収エネルギEを算出する工程と、
を含む方法。
E≒(εw−εd−εb)×Sb
[Application Example 2]
A method described in Application Example 1,
The stress-strain curve is a stress-strain curve measured for the solid polymer electrolyte membrane in a humidified environment,
The plastic absorption energy calculation step includes:
Obtaining a shrinkage amount εd in the planar direction of the solid polymer electrolyte membrane in a dry environment;
Obtaining a swelling amount εw in the planar direction of the solid polymer electrolyte membrane in the humidified environment;
Obtaining a strain amount εb of the solid polymer electrolyte membrane at a yield point with reference to the stress-strain curve in the humidified environment;
Obtaining a yield stress Sb of the solid polymer electrolyte membrane with reference to the stress-strain curve in the humidified environment;
Calculating the plastic absorption energy E by the following equation:
Including methods.
E≈ (εw−εd−εb) × Sb

適用例2の方法によって、燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の機械的劣化を、比較的簡易に近似的に予測することができる。なお、本適用例において、「乾燥環境下」および「加湿環境下」における温度や湿度は、任意に設定可能である。これらの値を燃料電池の使用環境に適合させることによって、燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の機械的劣化を、より精度良く予測することができる。   By the method of Application Example 2, mechanical degradation of the solid polymer electrolyte membrane used in the fuel cell can be estimated relatively easily and approximately. In this application example, the temperature and humidity in the “dry environment” and the “humidified environment” can be arbitrarily set. By adapting these values to the environment in which the fuel cell is used, mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane used in the fuel cell can be predicted with higher accuracy.

[適用例3]
適用例1または2記載の方法であって、
前記固体高分子電解質膜は、前記固体高分子電解質膜の表面に対して圧力が加えられた状態で使用される固体高分子電解質膜であり、
前記サイクル数算出工程は、前記固体高分子電解質膜の表面に対して前記圧力が加えられた状態における前記固体高分子電解質膜の含水量に基づいて定められた補正係数を用いて、前記塑性吸収エネルギまたは前記サイクル数を補正する工程を含む、
方法。
[Application Example 3]
A method according to application example 1 or 2,
The solid polymer electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane used in a state where pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane,
The cycle number calculating step uses the correction coefficient determined based on the water content of the solid polymer electrolyte membrane in a state where the pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the plastic absorption Correcting energy or the number of cycles,
Method.

燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ、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、集電板によって挟持することによって構成される。つまり、燃料電池において、固体高分子電解質膜は、その表面に対して圧力が加えられた状態で使用される。このため、実際に燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の膨潤量は、固体高分子電解質膜の表面に対して圧力が加えられていない場合よりも小さい。したがって、適用例3の方法によって、実際に燃料電池に用いられている状態における固体高分子電解質膜の機械的劣化を、比較的精度良く予測することができる。なお、上記補正係数は、実験的、あるいは、解析的に求めることができる。   A fuel cell is generally configured by sandwiching a membrane electrode assembly formed by joining an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively, with a current collector plate. That is, in the fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane is used in a state where pressure is applied to the surface thereof. For this reason, the swelling amount of the solid polymer electrolyte membrane actually provided in the fuel cell is smaller than when no pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, according to the method of Application Example 3, mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane in a state where it is actually used in a fuel cell can be predicted with relatively high accuracy. The correction coefficient can be obtained experimentally or analytically.

[適用例4]
燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の劣化を予測する劣化予測装置であって、
前記燃料電池の起動および停止の繰り返しによって、前記固体高分子電解質膜が膨潤・収縮したときの、前記固体高分子電解質膜が破断するまでの前記膨潤・収縮のサイクル数を記憶する記憶部と、
前記燃料電池の起動回数をカウントする起動回数カウント部と、
前記サイクル数、および、前記起動回数に基づいて、前記固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する劣化予測部と、
を備える劣化予測装置。
[Application Example 4]
A deterioration prediction device for predicting deterioration of a solid polymer electrolyte membrane provided in a fuel cell,
A storage unit for storing the number of cycles of swelling / shrinking until the solid polymer electrolyte membrane breaks when the solid polymer electrolyte membrane swells / shrinks by repeated starting and stopping of the fuel cell;
An activation count section for counting the number of activations of the fuel cell;
A deterioration prediction unit that predicts mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on the number of cycles and the number of activations;
A deterioration prediction apparatus comprising:

適用例4の劣化予測装置において、上記記憶部には、例えば、上述した適用例3の方法によって求められた上記サイクル数が記憶される。適用例4の劣化予測装置では、上記サイクル数、および、上記起動回数に基づいて、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測することができる。例えば、上記起動回数と上記サイクル数との差を算出したり、上記起動回数と上記サイクル数の商を算出したりすることによって、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜が破断するまでの残寿命や、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度を、予測、推定することができる。   In the deterioration prediction apparatus of the application example 4, for example, the number of cycles obtained by the method of the application example 3 described above is stored in the storage unit. In the deterioration prediction apparatus of Application Example 4, mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell can be predicted based on the number of cycles and the number of activations. For example, by calculating the difference between the number of activations and the number of cycles, or by calculating the quotient of the number of activations and the number of cycles, the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell is broken until it breaks. The remaining life and the degree of mechanical degradation of the solid polymer electrolyte membrane can be predicted and estimated.

[適用例5]
適用例4記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記劣化予測部による予測結果に基づいて、前記固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、前記固体高分子電解質膜が破断するまでの残寿命の少なくとも一方を表示する表示部を備える、
劣化予測装置。
[Application Example 5]
In the deterioration prediction device according to application example 4,
Based on the prediction result by the deterioration prediction unit, the display unit displays the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and at least one of the remaining life until the solid polymer electrolyte membrane breaks.
Deterioration prediction device.

適用例5の劣化予測装置では、燃料電池のユーザが上記表示部を見ることによって、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、破断するまでの残寿命の少なくとも一方を視認することができる。なお、上記表示部の表示態様は、アナログ表示であってもよいし、ディジタル表示であってもよい。   In the deterioration prediction device of Application Example 5, when the fuel cell user views the display unit, at least the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell and the remaining life until breakage are provided. One can be visually recognized. The display form of the display unit may be analog display or digital display.

[適用例6]
適用例4または5記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測するために用いられるパラメータ値を取得するパラメータ値取得部を備え、
前記劣化予測部は、さらに、前記取得されたパラメータ値に基づいて、前記固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測する、
劣化予測装置。
[Application Example 6]
The deterioration prediction apparatus according to Application Example 4 or 5, further comprising:
A parameter value acquisition unit for acquiring a parameter value used for predicting chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane;
The deterioration prediction unit further predicts chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on the acquired parameter value.
Deterioration prediction device.

適用例6の劣化予測装置によって、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測とともに、固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測することができる。さらに、上記パラメータ値取得部が取得するパラメータ値を適宜選択することによって、固体高分子膜を備える膜電極接合体の化学的劣化を予測するようにすることも可能である。なお、上記パラメータ値としては、種々のパラメータ値を適用することが可能である。このパラメータ値としては、例えば、燃料電池のアノードやカソードから排出される排出ガスに含まれる所定のガスやイオンの濃度や、燃料電池におけるアノードとカソードとの間の電圧(いわゆるセル電圧)等が挙げられる。   With the deterioration prediction apparatus of Application Example 6, it is possible to predict the chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane as well as the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell. Furthermore, it is possible to predict chemical deterioration of a membrane electrode assembly including a solid polymer membrane by appropriately selecting parameter values acquired by the parameter value acquisition unit. Various parameter values can be applied as the parameter value. Examples of the parameter value include the concentration of a predetermined gas or ion contained in the exhaust gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell, the voltage between the anode and the cathode in the fuel cell (so-called cell voltage), and the like. Can be mentioned.

[適用例7]
適用例6記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記劣化予測部による予測結果に基づいて、前記固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度、および、前記固体高分子電解質膜の残寿命の少なくとも一方を表示する表示部を備える、
劣化予測装置。
[Application Example 7]
In the deterioration prediction device according to application example 6,
Based on the prediction result by the deterioration prediction unit, the display unit displays at least one of the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the remaining life of the solid polymer electrolyte membrane,
Deterioration prediction device.

適用例7の劣化予測装置では、燃料電池のユーザが上記表示部を見ることによって、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度、および、固体高分子電解質膜の残寿命の少なくとも一方を視認することができる。   In the deterioration prediction device of Application Example 7, the user of the fuel cell looks at the display unit so that the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell and the remaining lifetime of the solid polymer electrolyte membrane At least one of them can be visually recognized.

[適用例8]
適用例4ないし7のいずれかに記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記劣化予測部による予測結果が、前記固体高分子電解質膜を交換すべき予測結果である場合に、前記固体高分子電解質膜の交換を促す警告を行う警告部を備える、
劣化予測装置。
[Application Example 8]
The deterioration prediction apparatus according to any one of Application Examples 4 to 7, further comprising:
When the prediction result by the deterioration prediction unit is a prediction result to replace the solid polymer electrolyte membrane, a warning unit that issues a warning prompting replacement of the solid polymer electrolyte membrane,
Deterioration prediction device.

適用例8の劣化予測装置によって、燃料電池のユーザに対して、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の交換を促すようにすることができる。なお、上記警告部としては、例えば、警告ランプや警告ブザーを用いることができる。   With the deterioration prediction device of Application Example 8, it is possible to prompt the user of the fuel cell to replace the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell. For example, a warning lamp or a warning buzzer can be used as the warning unit.

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の劣化予測装置としての構成の他、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。   The present invention does not necessarily have all the various features described above, and may be configured by omitting some of them or combining them appropriately. Further, the present invention is not limited to the above-described configuration as the deterioration prediction device, and various aspects such as a computer program that realizes this, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave. Can be realized. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.

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、上述の劣化予測装置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。   When the present invention is configured as a computer program or a recording medium on which the program is recorded, the entire program for controlling the operation of the above-described degradation prediction apparatus may be configured, or only a part that performs the function of the present invention. It is good also as what comprises. The recording medium includes a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a magneto-optical disk, an IC card, a ROM cartridge, a punch card, a printed matter on which a code such as a barcode is printed, a computer internal storage device (RAM or Various types of computer-readable media such as a memory such as a ROM and an external storage device can be used.

本発明の一実施例としての劣化予測装置100の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the degradation prediction apparatus 100 as one Example of this invention. 劣化予測装置100の動作処理の流れを示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a flow of operation processing of the degradation prediction apparatus 100. 本実施例の固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測方法の概要を示すための説明図である。It is explanatory drawing for showing the outline | summary of the prediction method of the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane of a present Example. 本実施例における許容サイクル数の算出の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of calculation of the allowable cycle number in a present Example. 固体高分子電解質膜の各種状況下における寸法をそれぞれ模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the dimension in the various conditions of a solid polymer electrolyte membrane, respectively. 変形例の一例としての固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane as an example of a modification.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.劣化予測装置の構成:
B.劣化予測装置の動作処理:
C.固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測方法:
D.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Configuration of deterioration prediction device:
B. Deterioration prediction device operation processing:
C. Prediction method for mechanical degradation of solid polymer electrolyte membrane:
D. Variations:

A.劣化予測装置の構成:
図1は、本発明の一実施例としての劣化予測装置100の概略構成を示す説明図である。この劣化予測装置100は、燃料電池(固体高分子型燃料電池)を備える燃料電池システム(図示省略)に並設される。燃料電池では、発電、すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって水(生成水)が生成される。このため、燃料電池に備えられる固体高分子電解質膜は、燃料電池の起動および停止の繰り返しによって、膨潤・収縮を繰り返す。また、燃料電池に備えられる固体高分子電解質膜には、経時的に、化学的劣化が生じる。そこで、劣化予測装置100は、後述するように、例えば、燃料電池が備える固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測したり、固体高分子電解質膜や膜電極接合体の化学的劣化を予測したりする。なお、これらの劣化予測方法については、後から詳述する。
A. Configuration of deterioration prediction device:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a deterioration prediction apparatus 100 as an embodiment of the present invention. The deterioration prediction apparatus 100 is provided in parallel with a fuel cell system (not shown) including a fuel cell (solid polymer fuel cell). In a fuel cell, water (product water) is generated by power generation, that is, an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. For this reason, the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell repeatedly swells and contracts by repeatedly starting and stopping the fuel cell. In addition, the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell undergoes chemical degradation over time. Therefore, as will be described later, the deterioration prediction apparatus 100 predicts, for example, mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane included in the fuel cell, or predicts chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane or the membrane electrode assembly. Or Note that these deterioration prediction methods will be described in detail later.

図示するように、劣化予測装置100は、起動回数カウント部10と、パラメータ値取得部20と、記憶部30と、劣化予測部40と、表示部50と、警告部60と、を備える。   As shown in the figure, the deterioration prediction device 100 includes an activation number counting unit 10, a parameter value acquisition unit 20, a storage unit 30, a deterioration prediction unit 40, a display unit 50, and a warning unit 60.

起動回数カウント部10は、図示しない燃料電池の起動ごとに、燃料電池の起動回数をカウントする。なお、起動回数カウント部10には、図示しないリセット操作部(例えば、リセットボタン)が設けられている。そして、このリセット操作部は、燃料電池に備えられた膜電極接合体、すなわち、固体高分子電解質膜が交換されたとき、あるいは、燃料電池が交換されたときに、累算された燃料電池の起動回数を0(ゼロ)にリセットすべく、ユーザによって操作される。そして、起動回数カウント部10は、上記リセット操作部が操作されたときに、燃料電池の起動回数を、0(ゼロ)にリセットする。   The activation number counting unit 10 counts the number of activations of the fuel cell every time a fuel cell (not shown) is activated. Note that the activation count unit 10 is provided with a reset operation unit (for example, a reset button) (not shown). Then, the reset operation part is provided when the membrane electrode assembly provided in the fuel cell, that is, when the solid polymer electrolyte membrane is replaced, or when the fuel cell is replaced, the accumulated fuel cell. It is operated by the user to reset the number of activations to 0 (zero). Then, the activation number counting unit 10 resets the number of activations of the fuel cell to 0 (zero) when the reset operation unit is operated.

パラメータ値取得部20は、燃料電池システムから、固体高分子電解質膜や膜電極接合体の化学的劣化を予測するために用いられる各種パラメータ値を取得する。このパラメータ値としては、例えば、燃料電池のアノードやカソードから排出される排出ガスに含まれる所定のガスやイオンの濃度や、燃料電池におけるアノードとカソードとの間の電圧(いわゆるセル電圧)等が挙げられる。   The parameter value acquisition unit 20 acquires various parameter values used for predicting chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane or the membrane electrode assembly from the fuel cell system. Examples of the parameter value include the concentration of a predetermined gas or ion contained in the exhaust gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell, the voltage between the anode and the cathode in the fuel cell (so-called cell voltage), and the like. Can be mentioned.

記憶部30は、固体高分子電解質膜の機械的劣化や、固体高分子電解質膜や膜電極接合体の化学的劣化を予測するために用いられる各種データを記憶する。記憶部30は、例えば、固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測するために用いられるデータの1つとして、燃料電池の起動および停止の繰り返しによって、固体高分子電解質膜が膨潤・収縮したときに、固体高分子電解質膜が破断するまでに許容される膨潤・収縮のサイクル数である許容サイクル数を記憶する。この許容サイクル数は、後述する方法によって、予め算出されている。   The storage unit 30 stores various data used for predicting mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the membrane electrode assembly. For example, when the solid polymer electrolyte membrane swells or contracts due to repeated start and stop of the fuel cell as one of data used to predict the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, the storage unit 30 In addition, an allowable cycle number that is a cycle number of swelling / shrinkage allowed until the solid polymer electrolyte membrane is broken is stored. This allowable cycle number is calculated in advance by a method described later.

劣化予測部40は、記憶部30を参照して、後述するように、上述した許容サイクル数、および、起動回数カウント部10によってカウントされた燃料電池の起動回数に基づいて、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する。また、劣化予測部40は、パラメータ値取得部20によって取得された各種パラメータ値に基づいて、固体高分子電解質膜や膜電極接合体の化学的劣化を予測する。劣化予測部40は、例えば、先述した燃料電池のアノードやカソードから排出された定ガスの濃度に基づいて、化学的劣化による固体高分子電解質膜のピンホールの有無を判断したり、燃料電池のアノードやカソードから排出された所定のイオン(例えば、固体高分子電解質膜がいわゆるフッ素系の固体高分子電解質膜である場合には、フッ素イオン)の濃度に基づいて、固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測したり、セル電圧に基づいて、膜電極接合体における電極(触媒層)の劣化を予測することができる。   As will be described later, the deterioration predicting unit 40 is provided in the fuel cell on the basis of the above-described allowable cycle number and the fuel cell activation count counted by the activation frequency counting unit 10 with reference to the storage unit 30. Predict mechanical degradation of solid polymer electrolyte membranes. Further, the deterioration predicting unit 40 predicts chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane or the membrane electrode assembly based on various parameter values acquired by the parameter value acquiring unit 20. For example, the deterioration prediction unit 40 determines the presence or absence of pinholes in the solid polymer electrolyte membrane due to chemical deterioration based on the concentration of the constant gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell described above, The chemistry of the solid polymer electrolyte membrane is determined based on the concentration of predetermined ions discharged from the anode or cathode (for example, if the solid polymer electrolyte membrane is a so-called fluorine-based solid polymer electrolyte membrane). The deterioration of the electrode (catalyst layer) in the membrane electrode assembly can be predicted based on the cell voltage.

表示部50は、劣化予測部40による予測結果に基づいて、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度を表示する。燃料電池のユーザは、この表示部50を見ることによって、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度や、化学的劣化の程度を視認することができる。なお、表示部50の表示態様は、アナログ表示であってもよいし、ディジタル表示であってもよい。   The display unit 50 displays the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on the prediction result by the deterioration prediction unit 40. The user of the fuel cell can visually recognize the degree of mechanical deterioration and the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane by looking at the display unit 50. The display form of the display unit 50 may be analog display or digital display.

警告部60は、劣化予測部40による予測結果が、固体高分子電解質膜を交換すべき予測結果である場合に、固体高分子電解質膜の交換を促す警告を行う。警告部60としては、例えば、警告ランプや警告ブザーを用いることができる。この警告部60によって、燃料電池のユーザに対して、固体高分子電解質膜の交換を促すようにすることができる。   The warning unit 60 issues a warning that prompts replacement of the solid polymer electrolyte membrane when the prediction result by the deterioration prediction unit 40 is a prediction result for replacing the solid polymer electrolyte membrane. As the warning unit 60, for example, a warning lamp or a warning buzzer can be used. This warning unit 60 can prompt the user of the fuel cell to replace the solid polymer electrolyte membrane.

B.劣化予測装置の動作処理:
図2は、劣化予測装置100の動作処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池が起動されるごとに実行される処理である。
B. Deterioration prediction device operation processing:
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of operation processing of the degradation prediction apparatus 100. This process is executed every time the fuel cell is started.

劣化予測装置100は、燃料電池が起動されると、起動回数カウント部10によって、燃料電池の起動回数をカウントする(ステップS100)。そして、劣化予測装置100は、劣化予測部40によって、記憶部30を参照し、燃料電池の起動回数が許容サイクル数よりも大きいか否かを判断する(ステップS110)。燃料電池の起動回数が許容サイクル数よりも大きい場合には(ステップS110:YES)、劣化予測装置100は、警告部60によって、ユーザに対して、固体高分子電解質膜を交換すべき警告を行う(ステップS150)。例えば、警告ランプを点灯あるいは点滅させたり、警告ブザーを鳴らしたりする。燃料電池の起動回数が許容サイクル数よりも大きい場合には、固体高分子電解質膜に、継続使用に不適な程度の機械的劣化が生じていると考えられるからである。   When the fuel cell is activated, the degradation predicting apparatus 100 counts the number of activations of the fuel cell by the activation number counting unit 10 (step S100). Then, the deterioration prediction device 100 refers to the storage unit 30 by the deterioration prediction unit 40 and determines whether or not the number of activations of the fuel cell is larger than the allowable number of cycles (step S110). When the number of start-ups of the fuel cell is larger than the allowable number of cycles (step S110: YES), the deterioration prediction device 100 gives a warning to the user to replace the solid polymer electrolyte membrane by the warning unit 60. (Step S150). For example, a warning lamp is turned on or blinked, or a warning buzzer is sounded. This is because when the number of start-ups of the fuel cell is larger than the allowable number of cycles, it is considered that the solid polymer electrolyte membrane has undergone mechanical deterioration that is inappropriate for continued use.

一方、ステップS110において、燃料電池の起動回数が許容回数以下である場合には(ステップS110:NO)、劣化予測装置100は、パラメータ値取得部20によって、固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測するために用いられる各種パラメータ値を取得する(ステップS120)。そして、劣化予測装置100は、劣化予測部40によって、記憶部30を参照し、取得した各種パラメータ値に基づいて、固体高分子電解質膜に、継続使用に不適な程度の化学的劣化が生じているか否かを判断する(ステップS130)。上記パラメータ値としては、先に説明したように、例えば、燃料電池のアノードやカソードから排出される排出ガスに含まれる所定のガスやイオンの濃度や、燃料電池におけるアノードとカソードとの間の電圧(いわゆるセル電圧)等が挙げられる。   On the other hand, when the number of activations of the fuel cell is equal to or less than the allowable number in step S110 (step S110: NO), the degradation predicting apparatus 100 causes the parameter value acquisition unit 20 to chemically degrade the solid polymer electrolyte membrane. Various parameter values used for prediction are acquired (step S120). Then, the deterioration prediction device 100 refers to the storage unit 30 by the deterioration prediction unit 40, and based on the acquired various parameter values, the solid polymer electrolyte membrane is chemically deteriorated to an extent unsuitable for continuous use. It is determined whether or not there is (step S130). As described above, the parameter value may be, for example, the concentration of a predetermined gas or ion contained in the exhaust gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell, or the voltage between the anode and cathode in the fuel cell. (So-called cell voltage).

ステップS130において、劣化予測部40は、先に説明したように、例えば、燃料電池のアノードやカソードから排出された定ガスの濃度に基づいて、化学的劣化による固体高分子電解質膜のピンホールの有無を判断したり、燃料電池のアノードやカソードから排出された所定のイオン(例えば、固体高分子電解質膜がいわゆるフッ素系の固体高分子電解質膜である場合には、フッ素イオン)の濃度に基づいて、固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測したり、セル電圧に基づいて、膜電極接合体における電極(触媒層)の劣化を予測することができる。   In step S130, as described above, the deterioration predicting unit 40, for example, determines the pinholes of the solid polymer electrolyte membrane due to chemical deterioration based on the concentration of constant gas discharged from the anode or cathode of the fuel cell. Based on the concentration of predetermined ions discharged from the anode or cathode of the fuel cell (for example, fluorine ions when the solid polymer electrolyte membrane is a so-called fluorine-based solid polymer electrolyte membrane) Thus, chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane can be predicted, or degradation of the electrode (catalyst layer) in the membrane electrode assembly can be predicted based on the cell voltage.

固体高分子電解質膜に、継続使用に不適な程度の化学的劣化が生じていると判断された場合には(ステップS130:YES)、劣化予測装置100は、警告部60によって、ユーザに対して、固体高分子電解質膜を交換すべき警告を行う(ステップS150)。なお、ステップS150において、固体高分子電解質膜の機械的劣化に基づく警告方法と、化学的劣化に基づく警告方法とは、同一方法としてもよいし、別方法段としてもよい。   If it is determined that the solid polymer electrolyte membrane has undergone chemical degradation that is unsuitable for continued use (step S130: YES), the degradation prediction device 100 causes the warning unit 60 to notify the user. Then, a warning to replace the solid polymer electrolyte membrane is issued (step S150). In step S150, the warning method based on the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the warning method based on the chemical deterioration may be the same method or different method steps.

ステップS130において、固体高分子電解質膜に、継続使用に不適な程度の化学的劣化が生じていない場合には(ステップS130:NO)、劣化予測装置100は、表示部50に、固体高分子電解質膜の予測残寿命を表示する(ステップS140)。   In step S130, when the solid polymer electrolyte membrane has not undergone chemical degradation that is unsuitable for continued use (step S130: NO), the degradation predicting apparatus 100 displays the solid polymer electrolyte on the display unit 50. The predicted remaining life of the film is displayed (step S140).

本実施例では、表示部50には、ステップS110に基づく固体高分子電解質膜の機械的劣化についての予測残寿命と、ステップS130に基づく固体高分子電解質膜の化学的劣化についての予測残寿命とが別個に表示されるものとした。ステップS110に基づく固体高分子電解質膜の機械的劣化についての予測残寿命は、例えば、燃料電池の起動回数と後述する許容サイクル数との差を算出したり、燃料電池の起動回数と許容サイクル数の商を算出したりすることによって算出される。また、ステップS130に基づく固体高分子電解質膜の化学的劣化についての予測残寿命は、固体高分子電解質膜に化学的劣化が生じていない場合のパラメータ値と、固体高分子電解質膜に化学的劣化が生じている場合のパラメータ値との比較によって算出される。   In the present embodiment, the display unit 50 includes a predicted remaining life about the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on step S110 and a predicted remaining life about the chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on step S130. Were to be displayed separately. The predicted remaining life for the mechanical degradation of the solid polymer electrolyte membrane based on step S110 is, for example, calculating the difference between the number of times the fuel cell is started and the allowable number of cycles described later, or the number of times the fuel cell is started and the allowable number of cycles. Or the quotient of. In addition, the predicted remaining life for the chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane based on step S130 is the parameter value when no chemical degradation occurs in the solid polymer electrolyte membrane, and the chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane. It is calculated by comparison with the parameter value in the case where this occurs.

その後、劣化予測装置100は、燃料電池の運転が停止されたか否かを判断する(ステップS160)。燃料電池の運転が停止された場合には(ステップS160:YES)、劣化予測装置100は、動作を終了する。一方、燃料電池の運転が停止されていない場合には(ステップS160:NO)、劣化予測装置100は、処理をステップS120に戻す。   Thereafter, the deterioration prediction device 100 determines whether or not the operation of the fuel cell has been stopped (step S160). When the operation of the fuel cell is stopped (step S160: YES), the deterioration prediction device 100 ends the operation. On the other hand, when the operation of the fuel cell is not stopped (step S160: NO), the deterioration predicting apparatus 100 returns the process to step S120.

C.固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測方法:
図3は、先に説明した劣化予測装置100における劣化予測部40が行う、本実施例の固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測方法の概要を示すための説明図である。固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線(S−Sカーブ)を示した。なお、図示した応力−歪み曲線では、理解を容易にするため、塑性領域において、固体高分子電解質膜の歪み量が増大しても応力は一定であるものとした。
C. Prediction method for mechanical degradation of solid polymer electrolyte membrane:
FIG. 3 is an explanatory diagram for illustrating an outline of a prediction method for mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane of the present embodiment, which is performed by the deterioration prediction unit 40 in the deterioration prediction apparatus 100 described above. The stress-strain curve (SS curve) of the solid polymer electrolyte membrane was shown. In the illustrated stress-strain curve, the stress is assumed to be constant in the plastic region even when the amount of strain of the solid polymer electrolyte membrane increases in order to facilitate understanding.

図3(a)に示したように、膨潤によって、固体高分子電解質膜が弾性限界を超えてさらに歪み、塑性領域において、固体高分子電解質膜の歪み量が破断歪みに達すると、固体高分子電解質膜は破断する。図3(a)において、応力−歪み曲線で囲まれた領域、すなわち、ハッチングを付して示した領域の面積が、固体高分子電解質膜が塑性変形して破断に至るまでの破断エネルギとなる。   As shown in FIG. 3A, when the solid polymer electrolyte membrane is further distorted beyond the elastic limit due to swelling, and the amount of strain of the solid polymer electrolyte membrane reaches a rupture strain in the plastic region, as shown in FIG. The electrolyte membrane breaks. In FIG. 3A, the area surrounded by the stress-strain curve, that is, the area indicated by hatching is the rupture energy until the solid polymer electrolyte membrane is plastically deformed to break. .

周知の通り、固体高分子電解質膜は、その材料に固有の弾性係数を有しており、固体高分子電解質膜に加えられる応力が弾性限界以下であって、歪み量が弾性領域内である場合には(弾性歪み)、その応力を取り除くことによって、固体高分子電解質膜は、弾性変形によって元の形状に収縮する。例えば、図3(b)において、弾性領域における点Oから点Aまでの固体高分子電解質膜の弾性歪みは、固体高分子電解質膜に加えられる応力を取り除くことによって、点Oに戻る。   As is well known, the solid polymer electrolyte membrane has an intrinsic elastic coefficient, and the stress applied to the solid polymer electrolyte membrane is below the elastic limit and the amount of strain is in the elastic region. In the case of (elastic strain), by removing the stress, the solid polymer electrolyte membrane contracts to its original shape by elastic deformation. For example, in FIG. 3B, the elastic strain of the solid polymer electrolyte membrane from point O to point A in the elastic region returns to point O by removing the stress applied to the solid polymer electrolyte membrane.

しかし、固体高分子電解質膜に加えられる応力が弾性限界を超えて、歪み量が塑性領域に達すると、固体高分子電解質膜は、塑性変形し(塑性歪み)、その応力が取り除かれて収縮しても、弾性歪みのみが回復され、塑性歪みは永久歪みとして固体高分子電解質膜に残留する。例えば、図3(b)において、膨潤によって、点O→点A→点Bのように塑性変形した固体高分子電解質膜は、応力が取り除かれて収縮しても、点Cにしか戻らない。つまり、塑性変形によって、固体高分子電解質膜には、塑性吸収エネルギが吸収されて蓄積される。なお、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の膨潤時、すなわち、燃料電池による発電時には、その歪み量は、常に塑性領域に達する。   However, when the stress applied to the polymer electrolyte membrane exceeds the elastic limit and the amount of strain reaches the plastic region, the polymer electrolyte membrane plastically deforms (plastic strain), and the stress is removed and contracts. However, only the elastic strain is recovered, and the plastic strain remains as a permanent strain in the solid polymer electrolyte membrane. For example, in FIG. 3B, the solid polymer electrolyte membrane plastically deformed by swelling as point O → point A → point B in FIG. 3B returns only to point C even if the stress is removed and contracted. That is, plastic absorption energy is absorbed and accumulated in the solid polymer electrolyte membrane by plastic deformation. When the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell swells, that is, when power is generated by the fuel cell, the amount of distortion always reaches the plastic region.

図3(b)に示した例では、図中に矢印とともに示したように、固体高分子電解質膜が膨潤し、その後、収縮した場合(点O→点A→点B→点C)、その軌跡において、線分OAと線分BCとは平行となり、ハッチングを付して示した平行四辺形OABCの面積が、固体高分子電解質膜の膨潤・収縮の1サイクルについての塑性吸収エネルギとして、固体高分子電解質膜に蓄積される。そして、固体高分子電解質膜が、膨潤・収縮を複数サイクル繰り返し、固体高分子電解質膜に蓄積された塑性吸収エネルギの総和が破断エネルギに達すると、固体高分子電解質膜は破断する。   In the example shown in FIG. 3B, when the solid polymer electrolyte membrane swells and then contracts (point O → point A → point B → point C), as shown with an arrow in the figure, In the locus, the line segment OA and the line segment BC are parallel to each other, and the area of the parallelogram OABC indicated by hatching is expressed as a plastic absorption energy for one cycle of swelling / shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane. Accumulated in the polymer electrolyte membrane. When the solid polymer electrolyte membrane repeats swelling / shrinking for a plurality of cycles and the total of the plastic absorption energy accumulated in the solid polymer electrolyte membrane reaches the breaking energy, the solid polymer electrolyte membrane breaks.

そこで、本実施例では、図3(a)に示した固体高分子電解質膜の破断エネルギを、図3(b)に示した固体高分子電解質膜の膨潤・収縮の1サイクルについての塑性吸収エネルギで除することによって、固体高分子電解質膜が破断するまでの膨潤・収縮のサイクル数を概算的に算出する。なお、本実施例では、固体高分子電解質膜の膨潤・収縮の各サイクルについての塑性吸収エネルギは、それぞれ、ほぼ等しいものとしている。   Therefore, in this example, the breaking energy of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. 3A is used as the plastic absorption energy for one cycle of swelling / shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. The number of cycles of swelling / shrinking until the solid polymer electrolyte membrane breaks is roughly calculated. In the present embodiment, the plastic absorption energy for each cycle of swelling / shrinking of the solid polymer electrolyte membrane is approximately equal.

そして、この算出されたサイクル数に、後述する補正係数Wを乗ずることによって、許容サイクル数を算出する。なお、許容サイクル数は、先に説明したように、固体高分子電解質膜が実際に燃料電池に備えられ、燃料電池の起動および停止の繰り返しによって、固体高分子電解質膜が膨潤・収縮したときに、固体高分子電解質膜が破断するまでに許容される膨潤・収縮のサイクル数である。このため、補正係数Wは、固体高分子電解質膜が実際に燃料電池に備えられている状態を考慮して設定されている。この補正係数Wについては、後述する。   Then, the allowable number of cycles is calculated by multiplying the calculated number of cycles by a correction coefficient W described later. As described above, the allowable number of cycles is determined when the solid polymer electrolyte membrane is actually provided in the fuel cell, and the solid polymer electrolyte membrane swells / shrinks due to repeated starting and stopping of the fuel cell. The number of cycles of swelling / shrinking allowed before the solid polymer electrolyte membrane breaks. For this reason, the correction coefficient W is set in consideration of the state in which the solid polymer electrolyte membrane is actually provided in the fuel cell. The correction coefficient W will be described later.

図4は、本実施例における許容サイクル数の算出の流れを示すフローチャートである。また、図5は、固体高分子電解質膜の各種状況下における寸法をそれぞれ模式的に示す説明図である。なお、図5に模式的に示した各寸法は、それぞれ、固体高分子電解質膜の平面方向の寸法を表している。   FIG. 4 is a flowchart showing a flow of calculation of the allowable cycle number in the present embodiment. FIG. 5 is an explanatory view schematically showing dimensions of the solid polymer electrolyte membrane under various conditions. In addition, each dimension typically shown in FIG. 5 represents the dimension of the plane direction of a solid polymer electrolyte membrane, respectively.

図5(a)に、室温(例えば、25(℃))、常湿(例えば、相対湿度:50(%))の環境下で切り出された固体高分子電解質膜の寸法を示した。なお、常湿とは、日本工業規格によれば、相対湿度が45〜85(%)の範囲を言う。   FIG. 5A shows the dimensions of the solid polymer electrolyte membrane cut out in an environment of room temperature (for example, 25 (° C.)) and normal humidity (for example, relative humidity: 50 (%)). In addition, according to Japanese Industrial Standard, normal humidity means the range whose relative humidity is 45-85 (%).

また、図5(b)に、収縮時(乾燥時)の固体高分子電解質膜の寸法を示した。なお、図5(b)では、図5(a)に示した固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを形成することによって膜電極接合体を作製し、この膜電極接合体の両面に、それぞれ、ガス拡散層を熱圧着して、固体高分子電解質膜が収縮した状態であって、固体高分子電解質膜の伸縮が拘束された状態の固体高分子電解質膜の寸法を示した。この乾燥環境下における固体高分子電解質膜の収縮量を収縮量εdとする。この収縮量εdの値は、例えば、固体高分子電解質膜が切り出された環境条件や、上述したガス拡散層の熱圧着の条件に応じて変化する。   FIG. 5B shows the dimensions of the solid polymer electrolyte membrane when contracted (dried). In FIG. 5 (b), a membrane / electrode assembly is produced by forming an anode and a cathode on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. 5 (a), respectively. The dimensions of the solid polymer electrolyte membrane in which the solid polymer electrolyte membrane is contracted and the expansion and contraction of the solid polymer electrolyte membrane are constrained by thermocompression bonding of the gas diffusion layers on both sides of the body, respectively. Indicated. The amount of shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane in this dry environment is defined as the amount of shrinkage εd. The value of the amount of contraction εd varies depending on, for example, the environmental conditions from which the solid polymer electrolyte membrane is cut out and the conditions for thermocompression bonding of the gas diffusion layer described above.

また、図5(c)に、膨潤時の固体高分子電解質膜の寸法を示した。なお、図5(c)では、図5(a)に示した固体高分子膜の伸縮が拘束されていない状態で、燃料電池の運転環境下、すなわち、加湿環境下(湿潤環境下)において膨潤したときの固体高分子電解質膜の寸法を示している。   FIG. 5C shows the dimensions of the solid polymer electrolyte membrane during swelling. In FIG. 5 (c), the solid polymer membrane shown in FIG. 5 (a) is not restrained from expanding and contracting under the operating environment of the fuel cell, that is, in a humid environment (humid environment). The dimensions of the solid polymer electrolyte membrane are shown.

また、図5(d)に、膨潤時の固体高分子電解質膜の寸法を示した。なお、図5(d)では、固体高分子電解質膜の伸縮が拘束された状態(図5(b)参照)で、燃料電池の運転環境下、すなわち、加湿環境下(湿潤環境下)におかれたときの固体高分子電解質膜の寸法を示している。図5(b)と図5(d)との比較からも分かるように、伸縮が拘束された固体高分子電解質膜の膨潤時の寸法(図5(d))は、収縮時(乾燥時)の固体高分子電解質膜の寸法(図5(b))とほぼ等しい。この伸縮が拘束された固体高分子電解質膜が、加湿環境下において、伸縮が拘束されていなければ膨潤していたはずの仮想的な膨潤量を、加湿環境下における膨潤量εwとする。   FIG. 5D shows the dimensions of the solid polymer electrolyte membrane during swelling. In FIG. 5 (d), the expansion and contraction of the solid polymer electrolyte membrane is constrained (see FIG. 5 (b)), and in the operating environment of the fuel cell, that is, in the humidified environment (humid environment). The dimensions of the solid polymer electrolyte membrane are shown. As can be seen from a comparison between FIG. 5 (b) and FIG. 5 (d), the dimensions (FIG. 5 (d)) of the solid polymer electrolyte membrane with its expansion and contraction restricted are as shown in FIG. 5 (d). The size of the solid polymer electrolyte membrane (FIG. 5B) is almost equal. The virtual swelling amount that should have been swollen if the expansion and contraction of the solid polymer electrolyte membrane in which the expansion and contraction is constrained is not constrained is defined as the swelling amount εw in the humidification environment.

本実施例における許容サイクル数の算出では、図4に示したように、まず、図5(b)に示した乾燥環境下における収縮量εdを取得する(ステップS200)。そして、図5(d)に示した加湿環境下における膨潤量εwを取得する(ステップS210)。また、上記加湿環境下における応力−歪み曲線を取得する(ステップS220)。これらは、予め、実験的に取得する。なお、ステップS200〜220の順序は、任意に変更可能である。   In the calculation of the allowable number of cycles in the present embodiment, as shown in FIG. 4, first, the shrinkage amount εd in the dry environment shown in FIG. 5B is acquired (step S200). And the swelling amount (epsilon) w in the humidification environment shown in FIG.5 (d) is acquired (step S210). Moreover, the stress-strain curve in the said humidified environment is acquired (step S220). These are acquired experimentally in advance. Note that the order of steps S200 to S220 can be arbitrarily changed.

次に、上記加湿環境下における応力−歪み曲線を参照して、降伏点における固体高分子電解質膜の歪み量である降伏歪みεb、および、降伏点における固体高分子電解質膜の応力である降伏応力Sbを取得する(ステップS230)。例えば、図3(b)に示した応力−歪み曲線では、点Aが降伏点であり、点Aにおける歪み量が降伏歪みεb、点Aにおける応力が降伏応力Sbである。そして、上記加湿環境下における応力−歪み曲線に基づいて、固体高分子電解質膜の破断エネルギ(図3(a)参照)を算出する(ステップS240)。なお、ステップS230と、ステップS240との順序は、入れ替えてもよい。   Next, referring to the stress-strain curve in the humidified environment, the yield strain εb, which is the amount of strain of the solid polymer electrolyte membrane at the yield point, and the yield stress, which is the stress of the solid polymer electrolyte membrane at the yield point Sb is acquired (step S230). For example, in the stress-strain curve shown in FIG. 3B, the point A is the yield point, the strain amount at the point A is the yield strain εb, and the stress at the point A is the yield stress Sb. Then, based on the stress-strain curve in the humidified environment, the breaking energy (see FIG. 3A) of the solid polymer electrolyte membrane is calculated (step S240). Note that the order of step S230 and step S240 may be interchanged.

次に、燃料電池の起動および停止による固体高分子電解質膜の膨潤・収縮の1サイクルについての塑性吸収エネルギEを算出する(ステップS250)。本実施例では、この塑性吸収エネルギEは、下記式(1)によって算出するものとした。
E≒(εw−εd−εb)×Sb ・・・(1)
Next, the plastic absorption energy E for one cycle of swelling / shrinking of the solid polymer electrolyte membrane by starting and stopping of the fuel cell is calculated (step S250). In this embodiment, the plastic absorption energy E is calculated by the following formula (1).
E≈ (εw−εd−εb) × Sb (1)

例えば、図3(b)において、点Bにおける歪み量が上記式(1)におけるεwに相当し、点A(降伏点)における歪み量が上記式(1)におけるεbに相当し、点Oにおける歪み量が上記式(1)における(−εd)に相当し、点A(降伏点)における応力が上記式(1)におけるSbに相当する。すなわち、上記式(1)における(εw−εd−εb)は、図3(b)に描かれた平行四辺形OABCの底辺の長さに相当する。また、上記式(1)におけるSbは、図3(b)に描かれた平行四辺形OABCの高さに相当する。そして、上記式(1)において算出される塑性吸収エネルギEは、図3(b)に描かれた平行四辺形OABCの面積に相当する。   For example, in FIG. 3B, the strain amount at point B corresponds to εw in the above equation (1), the strain amount at point A (yield point) corresponds to εb in the above equation (1), and at point O The amount of strain corresponds to (−εd) in the above equation (1), and the stress at point A (yield point) corresponds to Sb in the above equation (1). That is, (εw−εd−εb) in the above equation (1) corresponds to the length of the base of the parallelogram OABC depicted in FIG. Further, Sb in the above equation (1) corresponds to the height of the parallelogram OABC depicted in FIG. The plastic absorption energy E calculated in the above equation (1) corresponds to the area of the parallelogram OABC depicted in FIG.

図4におけるステップS250の後、固体高分子電解質膜が破断に至るサイクル数を算出する(ステップS260)。このサイクル数は、先に説明したように、ステップS240において算出された固体高分子電解質膜の破断エネルギを、ステップS250において算出された塑性吸収エネルギEによって除することによって算出される。そして、この算出されたサイクル数に、補正係数Wを乗ずることによって、許容サイクルを算出する(ステップS270)。なお、補正係数Wは1よりも大きい値となる。上述したように、補正係数Wを用いて許容サイクル数を算出するのは、以下の理由による。   After step S250 in FIG. 4, the number of cycles until the solid polymer electrolyte membrane breaks is calculated (step S260). As described above, the number of cycles is calculated by dividing the rupture energy of the solid polymer electrolyte membrane calculated in step S240 by the plastic absorption energy E calculated in step S250. Then, the allowable cycle is calculated by multiplying the calculated cycle number by the correction coefficient W (step S270). The correction coefficient W is a value larger than 1. As described above, the allowable number of cycles is calculated using the correction coefficient W for the following reason.

すなわち、固体高分子電解質膜が実際に燃料電池に備えられる場合には、固体高分子電解質膜を備える膜電極接合体が、集電板によって挟持され、固体高分子電解質膜の表面に対して圧力が加えられる。このため、実際に燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜では、その表面に加えられた圧力の影響によって、加湿環境下における膨潤量εwが、固体高分子電解質膜の表面に圧力が加えられていない場合よりも小さくなる。これは、固体高分子電解質膜の表面に対して圧力が加えられている場合には、加湿環境下における固体高分子電解質膜の含水量が、固体高分子電解質膜の表面に圧力が加えられていない場合よりも少なくなるからである。そして、ステップS260において算出されたサイクル数は、固体高分子電解質膜の表面に圧力が加えられていない場合の値であり、実際に燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜が破断するまでの膨潤・収縮のサイクル数(許容サイクル数)は、ステップS260において算出されたサイクル数より大きな値となるからである。   That is, when the solid polymer electrolyte membrane is actually provided in the fuel cell, the membrane electrode assembly including the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched by the current collector plate, and pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane. Is added. For this reason, in the solid polymer electrolyte membrane actually provided in the fuel cell, the swelling amount εw in the humidified environment is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane due to the effect of the pressure applied to the surface. It will be smaller than if not. This is because when the pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane, the moisture content of the solid polymer electrolyte membrane in a humidified environment is such that the pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane. This is because it is less than in the case of no. The number of cycles calculated in step S260 is a value when no pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and until the solid polymer electrolyte membrane actually provided in the fuel cell is broken. This is because the swelling / shrinking cycle number (allowable cycle number) is larger than the cycle number calculated in step S260.

なお、上記補正係数Wは、固体高分子電解質膜の表面に対して圧力が加えられた状態における固体高分子電解質膜の含水量に基づいて定められ、含水量の逆数により展開される級数で表すことができる。具体的には、補正係数Wは、近似的に、下記式(2)によって求められる。   The correction coefficient W is determined based on the water content of the solid polymer electrolyte membrane in a state where pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane, and is expressed by a series developed by the reciprocal of the water content. be able to. Specifically, the correction coefficient W is approximately obtained by the following equation (2).

Figure 0005504932
Figure 0005504932

ここで、aは、j次の展開関数である。以上の流れによって、許容サイクルは算出される。 Here, a j is a j-th order expansion function. The allowable cycle is calculated by the above flow.

なお、劣化予測装置100における記憶部30に記憶される許容サイクル、すなわち、図2に示した劣化予測装置100の動作処理のステップS110において参照される許容サイクルは、上記式(2)によって算出された許容サイクル数に、所定の安全率(係数)が乗じられている。この安全率は、例えば、固体高分子電解質膜や燃料電池の製造誤差やバラつきを考慮して、固体高分子電解質膜に、継続使用に不適な程度の機械的劣化が生じる前に、確実に、ユーザに対して、固体高分子電解質膜を交換すべき警告を行うことができるように設定されている。   The allowable cycle stored in the storage unit 30 in the deterioration prediction apparatus 100, that is, the allowable cycle referred to in step S110 of the operation process of the deterioration prediction apparatus 100 shown in FIG. 2 is calculated by the above equation (2). The allowable number of cycles is multiplied by a predetermined safety factor (coefficient). This safety factor is, for example, in consideration of manufacturing errors and variations in solid polymer electrolyte membranes and fuel cells, before the solid polymer electrolyte membrane is mechanically deteriorated unsuitably for continued use. It is set so that a warning for replacing the solid polymer electrolyte membrane can be given to the user.

以上説明した本実施例の劣化予測装置100によれば、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜が破断するまでの残寿命や、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度を、予測、推定することができる。また、本実施例の固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測方法によれば、燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測することができる。   According to the deterioration prediction apparatus 100 of the present embodiment described above, the remaining life until the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell breaks and the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane are predicted, Can be estimated. Moreover, according to the prediction method of the mechanical degradation of the solid polymer electrolyte membrane of a present Example, the mechanical degradation of the solid polymer electrolyte membrane used for a fuel cell can be estimated.

また、本実施例の劣化予測装置100では、燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測とともに、固体高分子電解質膜や、固体高分子膜を備える膜電極接合体の化学的劣化を予測することも可能である。   Moreover, in the deterioration prediction apparatus 100 of the present embodiment, the chemistry of the solid polymer electrolyte membrane and the membrane electrode assembly including the solid polymer membrane is predicted along with the prediction of the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane provided in the fuel cell. It is also possible to predict mechanical degradation.

D.変形例:
以上、本発明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。
D. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
上記実施例では、図3に示した固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線は、塑性領域において、固体高分子電解質膜の歪み量が増大しても応力は一定であるものとしたが、本発明は、これに限られない。
D1. Modification 1:
In the above embodiment, the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. 3 is assumed to be constant in the plastic region even if the amount of strain of the solid polymer electrolyte membrane increases. The invention is not limited to this.

図6は、変形例の一例としての固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線を示す説明図である。図6に示した固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線では、図3に示した固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線とは異なり、塑性領域においても、固体高分子電解質膜の歪み量の増大に伴い、応力も増大している。このような応力−歪み曲線を有する固体高分子電解質膜については、固体高分子電解質膜の機械的劣化の予測において、塑性吸収エネルギの算出に際して、例えば、降伏点における歪み量と破断点における歪み量との相加平均、および、降伏点における応力と破断点における応力との相加平均をそれぞれ求め、これらの値を用いて、塑性吸収エネルギの算出を行うようにすればよい。また、応力−歪み曲線が塑性領域において湾曲している場合には、塑性吸収エネルギの算出方法を、適宜、変更するようにすればよい。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing a stress-strain curve of a solid polymer electrolyte membrane as an example of a modification. In the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. 6, unlike the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. 3, the strain amount of the solid polymer electrolyte membrane also in the plastic region. The stress increases with the increase. For the solid polymer electrolyte membrane having such a stress-strain curve, for example, when calculating the plastic absorption energy in the prediction of the mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, for example, the strain amount at the yield point and the strain amount at the break point And the arithmetic mean of the stress at the yield point and the stress at the fracture point, respectively, and the plastic absorption energy may be calculated using these values. In addition, when the stress-strain curve is curved in the plastic region, the method for calculating the plastic absorption energy may be appropriately changed.

また、上記実施例では、上記式(1)によって、塑性吸収エネルギEを近似的に算出するものとしたが、本発明は、これに限られない。他の方法や演算式によって、塑性吸収エネルギEの算出を行うようにしてもよい。   Moreover, in the said Example, although the plastic absorption energy E shall be calculated approximately by said Formula (1), this invention is not limited to this. The plastic absorption energy E may be calculated by other methods or arithmetic expressions.

D2.変形例2:
上記実施例では、劣化予測装置100における表示部50は、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度を表示するものとしたが、本発明は、これに限られない。表示部50は、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度を表示する代わりに、あるいは、固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度を表示することに加えて、固体高分子電解質膜の残寿命を表示するようにしてもよい。
D2. Modification 2:
In the above embodiment, the display unit 50 in the deterioration prediction device 100 displays the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane. Is not limited to this. The display unit 50 displays the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, or alternatively, the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, In addition to displaying the degree of chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane, the remaining lifetime of the solid polymer electrolyte membrane may be displayed.

D3.変形例3:
上記実施例では、劣化予測装置100は、パラメータ値取得部20を備え、劣化予測部40は、燃料電池が備える固体高分子電解質膜の化学的劣化の予測を行うものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
D3. Modification 3:
In the above embodiment, the deterioration prediction device 100 includes the parameter value acquisition unit 20, and the deterioration prediction unit 40 predicts chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane included in the fuel cell, but this is omitted. You may make it do.

D4.変形例4:
上記実施例では、劣化予測装置100は、警告部60を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。劣化予測装置100において、警告部60を省略するようにしてもよい。
D4. Modification 4:
In the said Example, although the degradation prediction apparatus 100 shall be provided with the warning part 60, this invention is not limited to this. In the deterioration prediction apparatus 100, the warning unit 60 may be omitted.

D5.変形例5:
上記実施例では、劣化予測装置100は、表示部50を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。劣化予測装置100において、表示部50を省略するようにしてもよい。
D5. Modification 5:
In the said Example, although the degradation prediction apparatus 100 shall be provided with the display part 50, this invention is not limited to this. In the deterioration prediction apparatus 100, the display unit 50 may be omitted.

D6.変形例6:
上記実施例では、図2に示した劣化予測装置100の動作処理のステップS110において、起動回数が許容サイクル数よりも大きい場合に、ステップS150に進むものとしたが、本発明は、これに限られない。これと並行して、ステップS120にも進むものとしてもよい。
D6. Modification 6:
In the above embodiment, in step S110 of the operation process of the degradation predicting apparatus 100 shown in FIG. 2, when the number of activations is larger than the allowable number of cycles, the process proceeds to step S150. However, the present invention is not limited to this. I can't. In parallel with this, the process may proceed to step S120.

D7.変形例7:
上記実施例では、図4に示した許容サイクル数の算出に際し、ステップS270において、ステップS260において算出されたサイクル数に補正係数Wを乗ずることによって、許容サイクル数を算出するものとしたが、本発明は、これに限られない。ステップS250において塑性吸収エネルギを算出する際に、固体高分子電解質膜の膨潤量について、固体高分子電解質膜の表面に対して圧力が加えられた状態を考慮して求められた補正係数を用いて、塑性吸収エネルギを補正するようにしてもよい。この場合には、ステップS270において算出される許容サイクル数と同等のサイクル数が、ステップS260において算出されることになる。
D7. Modification 7:
In the above embodiment, when calculating the allowable cycle number shown in FIG. 4, the allowable cycle number is calculated by multiplying the cycle number calculated in step S260 by the correction coefficient W in step S270. The invention is not limited to this. When calculating the plastic absorption energy in step S250, the amount of swelling of the solid polymer electrolyte membrane is calculated using a correction coefficient obtained in consideration of the state in which pressure is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane. The plastic absorption energy may be corrected. In this case, the number of cycles equivalent to the allowable number of cycles calculated in step S270 is calculated in step S260.

D8.変形例8:
上記実施例では、図4に示した許容サイクル数の算出に際し、ステップS270において、上記式(2)によって求められる補正係数Wを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。許容サイクル数の算出に、他の補正係数を用いるものとしてもよい。また、燃料電池に備えられていない固体高分子電解質膜、すなわち、その表面に対して圧力が加えられていない状態の固体高分子電解質膜の機械的劣化を評価する場合(例えば、固体高分子電解質膜の機械的劣化についての加速試験を行う場合)には、上記実施例における補正係数Wを省略するようにしてもよい。
D8. Modification 8:
In the above embodiment, when calculating the allowable number of cycles shown in FIG. 4, the correction coefficient W obtained by the above equation (2) is used in step S270. However, the present invention is not limited to this. Other correction coefficients may be used for calculating the allowable number of cycles. When evaluating the mechanical deterioration of a solid polymer electrolyte membrane that is not provided in a fuel cell, that is, a solid polymer electrolyte membrane in which no pressure is applied to the surface thereof (for example, a solid polymer electrolyte) In the case of performing an acceleration test on the mechanical deterioration of the film), the correction coefficient W in the above embodiment may be omitted.

100…劣化予測装置
10…起動回数カウント部
20…パラメータ値取得部
30…記憶部
40…劣化予測部
50…表示部
60…警告部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Deterioration prediction apparatus 10 ... Start count count part 20 ... Parameter value acquisition part 30 ... Memory | storage part 40 ... Deterioration prediction part 50 ... Display part 60 ... Warning part

Claims (7)

燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する方法であって、
前記固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線に基づいて、前記固体高分子電解質膜が塑性変形して破断に至るまでの破断エネルギを算出する破断エネルギ算出工程と、
前記固体高分子電解質膜が膨潤・収縮したときに、該膨潤・収縮の1サイクルについて、前記固体高分子電解質膜の塑性変形によって吸収される塑性吸収エネルギを算出する塑性吸収エネルギ算出工程と、
前記破断エネルギ、および、前記塑性吸収エネルギに基づいて、前記固体高分子電解質膜が破断するまでの前記膨潤・収縮のサイクル数を算出するサイクル数算出工程と、
を備える方法。
A method for predicting mechanical deterioration of a solid polymer electrolyte membrane used in a fuel cell,
Based on the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane, a rupture energy calculation step for calculating the rupture energy until the solid polymer electrolyte membrane is plastically deformed to break,
When the solid polymer electrolyte membrane swells / shrinks, for one cycle of the swelling / shrinkage, a plastic absorption energy calculation step of calculating plastic absorbed energy absorbed by plastic deformation of the solid polymer electrolyte membrane;
A cycle number calculating step of calculating the number of cycles of swelling / shrinking until the solid polymer electrolyte membrane breaks based on the breaking energy and the plastic absorption energy;
A method comprising:
請求項1記載の方法であって、
前記応力−歪み曲線は、加湿環境下における前記固体高分子電解質膜について測定された応力−歪み曲線であり、
前記塑性吸収エネルギ算出工程は、
乾燥環境下における前記固体高分子電解質膜の平面方向の収縮量εdを取得する工程と、
前記加湿環境下における前記固体高分子電解質膜の平面方向の膨潤量εwを取得する工程と、
前記加湿環境下における前記応力−歪み曲線を参照して、降伏点における前記固体高分子電解質膜の歪み量εbを取得する工程と、
前記加湿環境下における前記応力−歪み曲線を参照して、前記固体高分子電解質膜の降伏応力Sbを取得する工程と、
下記式によって、前記塑性吸収エネルギEを算出する工程と、
を含む方法。
E≒(εw−εd−εb)×Sb
The method of claim 1, comprising:
The stress-strain curve is a stress-strain curve measured for the solid polymer electrolyte membrane in a humidified environment,
The plastic absorption energy calculation step includes:
Obtaining a shrinkage amount εd in the planar direction of the solid polymer electrolyte membrane in a dry environment;
Obtaining a swelling amount εw in the planar direction of the solid polymer electrolyte membrane in the humidified environment;
Obtaining a strain amount εb of the solid polymer electrolyte membrane at a yield point with reference to the stress-strain curve in the humidified environment;
Obtaining a yield stress Sb of the solid polymer electrolyte membrane with reference to the stress-strain curve in the humidified environment;
Calculating the plastic absorption energy E by the following equation:
Including methods.
E≈ (εw−εd−εb) × Sb
燃料電池に備えられた固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する劣化予測装置であって、
前記固体高分子電解質膜の応力−歪み曲線に基づいて導出された、前記固体高分子電解質膜が塑性変形して破断に至るまでの破断エネルギと、前記固体高分子電解質膜が膨潤・収縮する1サイクルの間に、前記固体高分子電解質膜の塑性変形によって吸収される塑性吸収エネルギと、に基づいて算出された、前記固体高分子電解質膜が破断するまでの前記膨潤・収縮のサイクル数を記憶する記憶部と、
前記燃料電池の起動回数をカウントする起動回数カウント部と、
前記サイクル数、および、前記起動回数に基づいて、前記固体高分子電解質膜の機械的劣化を予測する劣化予測部と、
を備える劣化予測装置。
A deterioration prediction device for predicting mechanical deterioration of a solid polymer electrolyte membrane provided in a fuel cell,
The rupture energy until the solid polymer electrolyte membrane is plastically deformed and ruptured, derived from the stress-strain curve of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane swells / shrinks 1 Stores the number of cycles of swelling / shrinking until the solid polymer electrolyte membrane breaks , calculated based on the plastic absorption energy absorbed by plastic deformation of the solid polymer electrolyte membrane during the cycle A storage unit to
An activation count section for counting the number of activations of the fuel cell;
A deterioration prediction unit that predicts mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on the number of cycles and the number of activations;
A deterioration prediction apparatus comprising:
請求項記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記劣化予測部による予測結果に基づいて、前記固体高分子電解質膜の機械的劣化の程度、および、前記固体高分子電解質膜が破断するまでの残寿命の少なくとも一方を表示する表示部を備える、
劣化予測装置。
The deterioration prediction apparatus according to claim 3 , further comprising:
Based on the prediction result by the deterioration prediction unit, the display unit displays the degree of mechanical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and at least one of the remaining life until the solid polymer electrolyte membrane breaks.
Deterioration prediction device.
請求項または記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測するために用いられるパラメータ値を取得するパラメータ値取得部を備え、
前記劣化予測部は、さらに、前記取得されたパラメータ値に基づいて、前記固体高分子電解質膜の化学的劣化を予測する、
劣化予測装置。
The deterioration prediction apparatus according to claim 3 or 4 , further comprising:
A parameter value acquisition unit for acquiring a parameter value used for predicting chemical degradation of the solid polymer electrolyte membrane;
The deterioration prediction unit further predicts chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane based on the acquired parameter value.
Deterioration prediction device.
請求項記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記劣化予測部による予測結果に基づいて、前記固体高分子電解質膜の化学的劣化の程度、および、前記固体高分子電解質膜の残寿命の少なくとも一方を表示する表示部を備える、
劣化予測装置。
The deterioration prediction apparatus according to claim 5 , further comprising:
Based on the prediction result by the deterioration prediction unit, the display unit displays at least one of the degree of chemical deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and the remaining life of the solid polymer electrolyte membrane,
Deterioration prediction device.
請求項ないしのいずれかに記載の劣化予測装置であって、さらに、
前記劣化予測部による予測結果が、前記固体高分子電解質膜を交換すべき予測結果である場合に、前記固体高分子電解質膜の交換を促す警告を行う警告部を備える、
劣化予測装置。
The degradation prediction apparatus according to any one of claims 3 to 6 , further comprising:
When the prediction result by the deterioration prediction unit is a prediction result to replace the solid polymer electrolyte membrane, a warning unit that issues a warning prompting replacement of the solid polymer electrolyte membrane,
Deterioration prediction device.
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