JP5692396B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の電解質膜の湿潤状態の制御に関する。

湿潤状態で良好なプロトン伝導性を発揮する固体高分子型の電解質膜を備える燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、電解質膜の含水状態を予測し、電解質膜の加湿・乾燥を行うことにより、ドライアップやフラッディングを抑制し、燃料電池の発電性能の向上を図っている。

特開２００９−２４５８２６号公報 特開２０１０−２５７８８２号公報

しかしながら、従来の技術では、電解質膜の発電性能に基づいて電解質膜の加湿制御を行っており、電解質膜の含水状態に応じて電解質膜に作用する応力については何ら考慮されていなかった。そのため、従来の加湿制御では、電解質膜の含水状態が湿潤状態から乾燥状態へと変化する過程において、電解質膜に引張応力が作用し、電解質膜が裂けたり、薄肉化したりするなど、電解質膜の耐久性が低下するおそれがあった。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜の膨張および収縮による変形に起因する電解質膜の耐久性の劣化の抑制を目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明は、燃料電池システムであって、固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池と、前記燃料電池を制御する制御部と、前記電解質膜の湿度に関する情報を取得する取得手段と、を備え、前記制御部は、前記電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下の状態を所定時間継続すると、前記電解質膜の膨張または収縮に伴う前記電解質膜の平面方向の面積の変化率である寸法変化率が、前記電解質膜の乾燥によって前記電解質膜に作用する引張応力により前記電解質膜が損傷するときの寸法変化率より大きい所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御し、前記第１の閾値は、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜＋９．０％のときの前記電解質膜の湿度の範囲によって規定されており、前記所定時間は、前記電解質膜の寸法変化率が０％となってから前記電解質膜に引張歪みが生じるまでの時間である、燃料電池システムの形態で実現可能である。その他、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池と、前記燃料電池を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記電解質膜の膨張または収縮に伴う平面方向の寸法変化率が所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御する、燃料電池システム。

適用例１の燃料電池システムによれば、固体高分子型の電解質膜の膨張および収縮に伴う平面方向の寸法変化率が所定値以上となるように、電解質膜の湿潤状態が制御される。湿潤状態の制御には、例えば、電解質膜の含水率を増加させる加湿処理、電解質膜の含水率を低減させる乾燥処理が含まれる。従って、乾燥による引張応力に起因した電解質膜の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜の耐久性を向上できる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記所定値は０％であることを特徴とする、
燃料電池システム。

適用例２の燃料電池システムによれば、電解質膜の寸法変化率が０％以上となるように、電解質膜の湿潤状態の制御が行われる。従って、電解質膜の過度の乾燥により、電解質膜へ引張応力が作用することを抑制できる。よって、電解質膜の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜の耐久性を向上できる。

［適用例３］
適用例１または適用例２の燃料電池システムであって、前記所定値は−１．５％であることを特徴とする、燃料電池システム。

適用例３の燃料電池システムによれば、電解質膜に作用する引張応力を、降伏応力の１／５とすることができる。樹脂は、引張応力が降伏応力の１／５程度であれば材料の損傷は発生し難いため、電解質膜の耐久性を向上できる。

［適用例４］
適用例２または適用例３の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記寸法変化率が、前記所定値以上かつ＋９．０％以下となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御する、燃料電池システム。

適用例４の燃料電池システムによれば、寸法変化率が所定値以上かつ９．０％以下のときに、湿潤状態の制御が行われる。従って、不要な制御を省略でき、燃料電池システムの発電効率を向上できる。

［適用例５］
適用例１の燃料電池システムであって、前記所定値は、前記電解質膜の前記寸法変化率が０％を含む所定の範囲内の寸法変化率によって規定されている、燃料電池システム。

適用例５の燃料電池システムによれば、電解質膜の寸法変化率が０％を含む所定の範囲内のときに、電解質膜の湿潤状態の制御が行われる。従って、電解質膜の過度の乾燥により、電解質膜へ引張応力が作用することを抑制できる。よって、電解質膜の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜の耐久性を向上できる。

［適用例６］
適用例１ないし適用例５いずれかの燃料電池システムであって、更に、前記電解質膜の湿度に関する情報を取得する取得手段を備え、前記制御部は、前記湿度が第１の閾値以下の場合に、前記電解質膜の湿潤状態の制御を行い、前記第１の閾値は、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜＋９．０％のときの前記電解質膜の湿度の範囲によって規定されている、燃料電池システム。

適用例６の燃料電池システムによれば、電解質膜の湿度が第１の閾値以下の場合に、電解質膜が加湿され、第１の閾値は、電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜＋９．０％の範囲内のときの電解質膜の湿度範囲によって規定されている。電解質膜の湿度と電解質膜の寸法変化率には相関関係があり、湿度が第１の閾値よりも低下すると、乾燥により電解質膜が変形して損傷するおそれがある。従って、引張応力が作用する前に、もしくは、電解質膜が損傷し難い引張応力が作用している状態で電解質膜の湿潤状態を制御できるので、電解質膜の損傷を抑制できる。

［適用例７］
適用例６記載の燃料電池システムであって、前記第１の閾値は、温度に応じて異なり、前記燃料電池システムは、更に、前記電解質膜の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御部は、更に、前記燃料電池の温度に基づいて、前記第１の閾値を変更する、燃料電池システム。

適用例７の燃料電池システムによれば、電解質膜の温度に応じて第１の閾値が変更される。従って、電解質膜の温度に応じた、適切な第１の閾値に基づいて電解質膜の湿潤状態の制御処理を行うことができ、電解質膜の耐久性を向上できるとともに、不要な湿潤状態の制御処理を行うことによる燃料電池の発電性能、燃費の低下を抑制できる。

［適用例８］
適用例６または適用例７の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下の状態を所定時間継続すると、前記電解質膜の湿潤状態の制御を行う、燃料電池システム。

適用例８の燃料電池システムによれば、電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下の状態が所定時間継続した場合に電解質膜の湿潤状態の制御が行われる。電解質膜の有する粘弾性特性により、電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下となってから電解質膜に引張応力が作用するまでに一定の時間を有する。従って、電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下の状態となってから、電解質膜の湿潤状態の制御処理を開始するまでに所定時間を有することができる。よって、所定時間以内の場合は、電解質膜の湿潤状態の制御は行われないので、所定時間分の湿潤状態の制御処理を省くことができる。この結果、湿潤状態の制御処理に伴う燃料電池の発電効率低下やエネルギー損失を抑制でき、燃料電池の燃費を向上できる。

［適用例９］
適用例８の燃料電池システムであって、前記所定時間は、前記電解質膜の単位時間あたりの湿度変化、および、前記湿度変化の後における前記電解質膜の湿度、の少なくとも一方に基づいて規定される、燃料電池システム。

適用例９の燃料電池システムによれば、電解質膜の単位時間あたりの湿度変化、および、湿度変化の後における電解質膜の湿度、の少なくとも一方に基づいて所定時間が規定される。電解質膜の単位時間あたりの湿度変化が小さい場合、または、湿度変化の後における電解質膜の湿度が比較的高い場合には、電解質膜の湿度が第１の閾値以下となってから引張応力による電解質膜の引張歪みが生じるまでの時間が長くなる。従って、電解質膜の湿度が第１の閾値以下の状態となってから加湿制御を開始するまでの所定時間を、柔軟に設定できる。よって、加湿制御に伴う燃料電池の発電効率低下やエネルギー損失を抑制でき、燃料電池の燃費を向上できる。

［適用例１０］
適用例１の燃料電池システムであって、更に、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記制御部は、前記電圧が第２の閾値以上の場合に、前記電解質膜の湿潤状態の制御を行い、前記第２の閾値は、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜＋９．０％のときの前記燃料電池の電圧である、燃料電池システム

燃料電池の電圧と燃料電池のセルの抵抗値は相関しており、セルの抵抗値と電解質膜の湿度は相関している。従って、燃料電池の電圧と電解質膜の湿度は、セルの抵抗値を介して相関関係にある。適用例１０の燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧が、電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜＋９．０％の状態のときの燃料電池の電圧である第２の閾値以上の場合に、電解質膜の湿潤状態の制御が行われる。従って、電圧に基づいて、簡易に、電解質膜の乾燥に起因して生じる引張応力が、電解質膜へ作用することを抑制できる。

［適用例１１］
適用例１０の燃料電池システムであって、前記第２の閾値は温度に応じて異なり、
前記燃料電池システムは、更に、前記電解質膜の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御部は、更に、前記燃料電池の温度に基づいて、前記第２の閾値を変更する、
燃料電池システム。

適用例１１の燃料電池システムによれば、電解質膜の温度に応じて第２の閾値が変更される。従って、電解質膜の温度に応じた、適切な第２の閾値に基づいて電解質膜の加湿処理を行うことができ、電解質膜の耐久性を向上できる。

［適用例１２］
適用例１ないし適用例１１いずれかの燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の発電性能に関するパラメータを制御することにより、前記電解質膜の湿潤状態を制御する、燃料電池システム。

適用例１２の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電性能に関するパラメータを制御することにより、電解質膜の湿潤状態の制御が行われる。従って、電解質膜の湿潤状態を制御するための構成を追加することなく、迅速かつ簡易に、湿潤状態の制御を行うことができる。

［適用例１３］
固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池システムにおける前記電解質膜の湿潤状態を制御する制御方法であって、前記電解質膜の膨張および収縮に伴う平面方向の寸法変化率を取得し、前記電解質膜の前記寸法変化率が所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御する、制御方法。

適用例１３の加湿制御方法によれば、電解質膜の寸法変化率が所定値以上となるように、電解質膜の湿潤状態が制御される。従って、電解質膜の乾燥により、引張応力が電解質膜に作用することを抑制できる。よって、電解質膜の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜の耐久性を向上できる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。

第１実施例におけるセル１１０の概略構成を例示する説明図。 電解質膜の含水状態の変化に伴う寸法変化について説明する模式図。 第１実施例における電解質膜１１２の湿度と寸法変化率との相関関係を示す寸法変化グラフ６００。 第１実施例における燃料電池システムの概略構成。 第１実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャート。 第２実施例における燃料電池システム２０の概略構成。 電解質膜の温度に応じた湿度と寸法変化率の相関関係について説明する寸法変化グラフ７００，７１０。 第２実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャート。 第２実施例における湿度閾値マップ７３０について説明する説明図。 第３実施例における燃料電池システム３０の概略構成図。 第３実施例におけるスタック電圧値とセル抵抗値について説明する電圧―抵抗グラフ８００。 第３実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャート。 第４実施例における電解質膜１１２の粘弾性特性に基づいた電解質膜１１２へ作用する応力・歪みについて説明する説明図。 電解質膜の力学特性を表すモデル。 第４実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャート。 第５実施例における電解質膜１１２の湿度変化に要する時間Ｔｓと、湿度が湿度閾値以下となってから引張応力が作用し始めるまでの時間Ｔｔの関係を示すマップ９５０。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．セル構成：
図１は、第１実施例におけるセル１１０の概略構成を例示する説明図である。図１（ａ）は、セル１１０の断面模式図であり、図１（ｂ）は、電解質膜がセパレータにより固定されている状態を説明する説明図である。セル１１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）１２０と、膜電極極接合体１２０を両端から狭持するセパレータ１１８を備える。以降、膜電極接合体１２０をＭＥＡ１２０と表す。ＭＥＡ１２０は電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の側に配置されたアノード側触媒層（アノード側触媒電極層）１１４と、電解質膜２１０の他方の側に配置されたカソード側触媒層（カソード側触媒電極層）１１６と、を含んでいる。以下の説明では、アノード側触媒層１１４およびカソード側触媒層１１６を、まとめて「触媒電極層」または「触媒層」とも呼ぶ。

電解質膜１１２は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された固体高分子型の電解質膜（例えばナフィオン(登録商標)膜：ＮＲＥ２１２）であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜１１２としては、ナフィオンに限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜が用いられるとしてもよい。また、電解質膜１１２として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられるとしてもよいし、ＰＴＦＥ、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜が用いられるとしてもよい。電解質膜１１２は、含水状態の変化に伴う膨潤、収縮に伴い、寸法が変化する特性を有する。本明細書では、電解質膜１１２の寸法とは、電解質膜１１２の平面方向の寸法、換言すれば、電解質膜１１２の面積を表しており、寸法変化とは、面積の変化を示す。

図２は、含水状態の変化に伴う電解質膜１１２の寸法変化について説明する模式図である。図２（ａ）は、電解質膜１１２が製造時（製品出荷時）の状態である初期状態を示し、図２（ｂ）は、加湿され膨潤した湿潤状態の電解質膜１１２ａを示し、図２（ｃ）は、膨潤状態から乾燥した後の乾燥状態の電解質膜１１２ｂを示す。図２（ｂ）および図２（ｃ）において破線で示す電解質膜１１２は、図２（ａ）に示す初期状態の電解質膜１１２の面積を示す。電解質膜１１２は、図２（ａ）に示す初期状態から加湿されると、図２（ｂ）に矢印で示すように面積が増大し、電解質膜１１２ａとなる。膨潤して面積寸法が増大した電解質膜１１２ａの状態から乾燥すると、図２（ｃ）に矢印で示すように収縮し、図２（ａ）の電解質膜１１２よりも、面積が収縮して電解質膜１１２ｂとなる。電解質膜１１２の含水量（湿度）と寸法変化との相関関係については、後に詳述する。

図１に戻り説明を続ける。触媒層１１４、１１６は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒を担持する導電性担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。なお、導電性担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。また、白金合金としては、例えば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を用いることができる。また、アイオノマーとしては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂材料（例えばナフィオン）や、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質等を用いることができる。

セパレータ１１８は、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。セパレータ１１８のアノード側触媒層１１４と接する側の面には燃料ガス流路が形成されており、カソード側触媒層１１６と接する側の面には酸化剤ガス流路が形成されている。

図１（ｂ）は、電解質膜１１２がセパレータ１１８により固定されている状態を概略的に示す。図１（ｂ）において、斜線で示す部分は、一対のセパレータ１１８と、電解質膜１１２との、外縁の接触部分を示す。図１（ａ）では、説明の便宜上、電解質膜１１２は、セパレータ１１８の面積と同程度の面積であるように記載されているが、実際は、図１（ｂ）に示すように、電解質膜１１２はセパレータ１１８よりも若干小さい面積を有しており、一対のセパレータ１１８は、電解質膜１１２の外縁を挟み込むように配置されている。このように電解質膜１１２とセパレータ１１８が配置されることにより、電解質膜１１２は、セパレータ１１８により固定され、平面方向に寸法拘束される。

セル１１０は、また、アノード側触媒層１１４の電解質膜１１２と接する側とは反対側に配置されたアノード側拡散層と、カソード側触媒層１１６の電解質膜１１２と接する側とは反対側に配置されたカソード側拡散層と、を含んでいてもよい。カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、電極反応に用いられる反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）をＭＥＡ１２０の面方向に沿って拡散させる層であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーにより形成され、ＰＴＦＥ樹脂により撥水処理が施されていてもよい。

Ａ２．電解質膜の寸法変化率：
図３は、第１実施例における電解質膜１１２の湿度と寸法変化率との相関関係を示す寸法変化グラフ６００である。寸法変化グラフ６００は、所定温度（第１実施例では８０℃）で、電解質膜１１２に対して加湿処理と乾燥処理を繰り返し施し施し、湿潤状態から乾燥状態へ、または、乾燥状態から湿潤状態への状態遷移が繰り返された際の電解質膜１１２の寸法変化率（面積変化率）を測定した結果を表す。寸法変化グラフ６００において、縦軸は電解質膜１１２の寸法変化率（単位は％）を表し、横軸は電解質膜１１２の湿度（単位は％ＲＨ）を表す。寸法変化曲線６１０は、初期の状態遷移時における電解質膜１１２の寸法変化傾向を示し、寸法変化曲線６２０は、２回目以降の状態遷移時における電解質膜１１２の寸法変化傾向を示す。寸法変化率とは、第１実施例では、電解質膜１１２のある状態の面積を基準（寸法変化率が０％）として、電解質膜１１２の面積が膨張および収縮した場合における、基準の面積に対する面積変化の割合を示している。面積が膨張（拡大）すると寸法変化率は０％より上昇し、面積が収縮（縮小）すると寸法変化率は０％より低下する。なお、第１実施例では、式１を用いて、電解質膜１１２の弾塑性に基づいて、電解質膜１１２に作用する引張応力を算出した。

寸法変化グラフ６００において、電解質膜１１２の寸法変化が０％の状態とは、電解質膜１１２の製造時（製品出荷時）の状態であり、図２（ａ）に示す初期状態に当たる。なお、電解質膜１１２は、湿度が０％の状態で所定の形状・寸法（図２（ａ））となるように製造されるため、電解質膜１１２には、製造過程において電解質膜１１２に作用した応力の残留応力が存在している。残留応力により、電解質膜１１２の分子鎖は、不均衡な状態で固定されている。寸法変化率を測定する実験において、１回目の加湿時に、電解質膜１１２を液水に浸して電解質膜１１２の含水量が飽和するまで加湿しているので、この時点で電解質膜１１２の分子鎖はゆるみ、残留応力は緩和される。従って、残留応力の緩和後、加湿されている状態から乾燥される場合の電解質膜１１２の寸法変化傾向は、寸法変化曲線６２０により表される。ただし、電解質膜１１２が燃料電池に搭載されている場合には、燃料電池の発電による生成水の吸収と、乾燥とを繰り返しながら徐々に残留応力が緩和されるので、この場合には、初期の複数回の状態変遷時における寸法変化は、寸法変化曲線６１０によって表される。寸法変化曲線６１０により表される寸法変化傾向によれば、初期の状態変遷時には、寸法変化率が０％未満となることはないため、電解質膜１１２に対して引張応力は作用しない。

寸法変化曲線６１０に示すように、電解質膜１１２は、初期状態（図２（ａ））から加湿されると、湿度が上昇して、図２（ｂ）に示すように平面方向に面積が増大し、寸法変化率が０％から上昇する。電解質膜１１２は、湿度１２０％ＲＨのときに含水量が飽和状態となり、このときの電解質膜１１２の寸法変化率は、＋１５．８％である。すなわち、電解質膜１１２の面積は、初期状態（図２（ａ））から、１５．８％、膨張・拡大している。

電解質膜１１２は、加湿され膨張した図２（ｂ）の状態から乾燥されると、寸法変化曲線６２０に示すように、収縮して面積が収縮し、電解質膜１１２の寸法変化率は徐々に低下する。電解質膜１１２は、含水量が飽和状態となった際に分子鎖が緩んでいるため、乾燥されると、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）に示す初期状態より更に収縮し、寸法変化率が０％未満（負の状態）となる。過度に乾燥され、湿度が０％となると、電解質膜１１２の寸法変化率は−３．６％となる。すなわち、電解質膜１１２の面積は、初期状態（図２（ａ））から、３．６％、収縮している。

第１実施例のセル１１０において、電解質膜１１２は、寸法変化率が０％の状態で、セパレータ１１８によって端部が固定されているので、寸法変化率が０％未満となって収縮しようとすると、電解質膜１１２には、引張応力（乾燥応力）が作用する。この引張応力により、電解質膜１１２に形態変化（裂け、薄肉化等）が生じる。すなわち、過度に乾燥されると、電解質膜１１２には、乾燥による収縮に起因して引張応力が作用する。電解質膜１１２の許容限度を超える引張応力が電解質膜１１２に対して働くと、電解質膜１１２には、裂けや薄肉化が生じ、電解質膜１１２の耐久性低下を招くおそれがある。第１実施例では、電解質膜１１２に対して、過度の乾燥による、電解質膜１１２の許容限度を超える引張応力が作用することを抑制するために、電解質膜１１２の許容限度を超える引張応力が作用する前に、電解質膜１１２を加湿する制御を行う。本明細書において、電解質膜１１２が許容できる引張応力とは、引張応力が作用していても、電解質膜１１２に、裂けや薄肉化などの損傷が生じ難い状態を意味する。第１実施例では、電解質膜１１２は、寸法変化率が変化率範囲Ｓ１（−１．５％〜９％）内、または、電解質膜１１２の湿度が、湿度範囲Ｓ２（２０％ＲＨ〜１００％ＲＨ）内であれば、引張応力による損傷は生じ難い。変化率範囲Ｓ１、および、湿度範囲Ｓ２の範囲規定については、後に詳述する。変化率範囲Ｓ１は、請求の範囲における「所定の範囲」にあたる。

Ａ３．燃料電池システム概略構成：
図４は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成である。第１実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、制御部１５０と、抵抗測定部１３０とを備える。

燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池であり、複数のセル１１０（図１において説明）、ターミナル１２４，エンドプレート１２５を備える。燃料電池スタック１００は、積層された複数のセル１１０を、積層方向の両端から挟持するように、ターミナル１２４，エンドプレート１２５が配置されている。

抵抗測定部１３０は、ターミナル１２４に接続されており、燃料電池スタック１００の抵抗を測定する。抵抗測定部１３０は、両ターミナル１２４間を流れる交流電流を検出することにより、燃料電池スタック１００の交流インピーダンスを測定する。なお、抵抗測定部１３０は、燃料電池スタック１００を構成する各々のセル１１０のうちのいずれかに接続してもよい。いずれかに接続する場合には、例えば、予め各セル１１０のうち、同一条件下で最も抵抗値が高いセル１１０に接続することが好ましい。抵抗値が高くなるほど、発電効率は低減して、発電による生成水が少なくなるため、抵抗値の高いセルは抵抗値の低いセルに比して乾燥しやすいと考えられるからである。抵抗測定部１３０は、請求の範囲の「取得手段」にあたる。なお、電解質膜１１２の湿度が検出可能であれば、抵抗測定部１３０に関わらず種々の方法を用いてよい。

制御部１５０は、外部からの要求や測定値に応じて燃料電池スタック２００の動作状態を制御している。制御部１５０は、動作状態の制御の一つとして、燃料電池スタック２００内に配置されている電解質膜１１２の湿度と、湿度に基づき算出される寸法変化率に基づいて、電解質膜１１２の湿潤状態を制御する湿潤状態制御処理を行う。具体的には、電解質膜１１２の寸法変化率が所定値以上となるように、燃料電池スタック１００の発電性能に関するパラメータを制御して電解質膜１１２の湿潤状態を制御する。発電性能に関するパラメータは、例えば、セルの電流値や温度、反応ガス流量、背圧などを用いることができる。湿潤状態制御処理については、後に詳述する。

第１実施例では、各セル１１０に対して、燃料電池スタック１００の積層方向に締結荷重が作用しているため、各セル１１０内に配置されている電解質膜１１２には、摩擦による拘束力が働いており、論理的には、図２（ａ）に示す初期状態より収縮することはない。しかしながら、セル面内の面圧分布やセルを構成する部材の厚みの分布により、締結荷重による拘束力が十分に働かない部分が存在する。このような部分では、電解質膜１１２は、含水状態に応じた寸法変化が生じやすい状態となり、既述のように、電解質膜１１２の耐久性が低下するおそれがある。そのため、制御部１５０により、電解質膜１１２が許容できない引張応力が電解質膜１１２に作用する前に、電解質膜１１２を加湿して乾燥による収縮を低減し、電解質膜１１２の耐久性低下を抑制する。

Ａ４．湿潤状態制御処理：
図５は、第１実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャートである。湿潤状態制御処理は、制御部１５０により実行される処理であり、燃料電池システムが稼働されてから所定間隔で継続的に実行される。

制御部１５０は、抵抗測定部１３０により測定されたセル抵抗値を取得し（ステップＳ１０）、セル抵抗値に基づいて、電解質膜１１２の湿度Ｐを算出する（ステップＳ１１）。なお、ここで算出される湿度Ｐは予測値である。

制御部１５０は、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下であるかを判断し（ステップＳ１２）、湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下の場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、電解質膜１１２の寸法変化率が所定値以下であると判断し、電解質膜１１２の湿度を高くする処理を行う（ステップＳ１３）。所定値は、電解質膜１１２が、乾燥による応力により損傷し難い寸法変化率であり、実施例では、０％である。湿度閾値は、請求の範囲の「第１の閾値」に当たる。

電解質膜１１２の寸法変化率が０％未満となると、電解質膜１１２に対して引張応力が作用し始めるので、電解質膜１１２に対して引張応力が作用する前、もしくは、電解質膜１１２が許容できる応力が作用しているときの湿度を湿度閾値Ａとすることにより、電解質膜１１２に対して、引張応力が作用する前に電解質膜１１２を加湿できる。第１実施例では、湿度閾値Ａは、電解質膜１１２の寸法変化率が０％の時の湿度である４３％ＲＨである。なお、湿度閾値Ａは、電解質膜１１２の寸法変化率が０％となる際の電解質膜１１２の湿度を含む、湿度範囲Ｓ２内の湿度によって規定されていることが望ましい。湿度範囲Ｓ２は、セル１１０の発電による生成水を利用した加湿処理を行う場合、発電処理により湿度が上昇するまでに発生する歪みに対応した寸法変化率の範囲のときの湿度範囲であり、第１実施例では、電解質膜１１２の寸法変化率が変化率範囲Ｓ１（−１．５％〜＋９．０％）のときの電解質膜１１２の湿度の範囲である。この範囲について説明する。

セル１１０の発電による生成水を利用した加湿処理（湿潤状態制御処理）を行う場合、発電処理により湿度が上昇するまでに発生する歪みに対応した変化率範囲Ｓ１（寸法変化率の範囲）の上限値、下限値は、例えば、次のように算出される。上限値から説明する。すなわち、湿度変化を寸法変化に換算して、単位時間あたりの電解質膜１１２の寸法変化率ａ（％／ｓｅｃ）を算出し、この単位時間あたりの寸法変化率ａに、加湿処理のための発電開始から湿度が上昇するまでの時間ｂを乗算（ａ×ｂ）する。電解質膜１１２の寸法変化は、電解質膜１１２の温度が高いほど増大する傾向にあり、電解質膜１１２の温度が比較的高い温度、例えば、８０°のとき、単位時間あたりの電解質膜１１２の寸法変化率ａは、０．２２５％／ｓｅｃである。このとき、セル１１０における加湿処理のための発電開始から湿度上昇の効果が発揮されるまでの時間は、実験的に、４０ｓｅｃである。従って、所定の範囲の上限値は、下記の通り、９．０％となる。なお、時間ｂ＝４０ｓｅｃは、加湿処理のための発電開始から湿度上昇の効果が発揮されるまでの時間として、比較的長い時間である。
ａ×ｂ＝０．２２５％／ｓｅｃ × ４０ｓｅｃ ＝ ９．０％

次に、所定の範囲の下限値について説明する。一般的に、樹脂の場合、引張応力が降伏応力の１／５以下であれば、材料の損傷は生じ難い。従って、実施例では、降伏応力の１／５の引張応力が電解質膜１１２に作用するときの電解質膜１１２の寸法変化率を、変化率範囲Ｓ１の下限値とする。

第１実施例で用いている電解質膜１１２の降伏応力（σｙ）は、６ＭＰａであるから、その１／５の引張応力（σ）は１．２ＭＰａである。また、第１実施例で用いている電解質膜１１２のヤング率（Ｅ）は、温度が８０℃、湿度が１５％ＲＨの状態において、引張試験機にて測定した結果、８０ＭＰａである。従って、電解質膜１１２の歪み（ε）は、
ε＝σ／Ｅ＝１．２ＭＰａ／８０ＭＰａ＝０．０１５ となる。ここで、電解質膜１１２の寸法変化率は、歪み（ε）を百分率で表し、応力の種類によって正負の記号（圧縮応力の場合には正の記号である＋、引張応力の場合には負の記号である−）を付加することにより表される。従って、引張応力が１．２ＭＰａのときの寸法変化率、すなわち、変化率範囲Ｓ１の下限値は、−１．５％となる。

また、電解質膜１１２の湿度を高くする処理としては、セル１１０の電流値を上昇させることにより、燃料電池の発電による生成水を増加させ、電解質膜１１２の含水率を増加させる方法がある。この場合、例えば、電流値を、０．５Ａ／ｃｍ²まで上昇させることにより、簡易な制御で電解質膜１１２の湿度を高くできる。また、例えば、セル１１０の温度を下げてもよい。具体的には、例えば、燃料電池システム１０のバッテリーのエネルギーで冷却装置を通してセル温度を低下させる方法が挙げられる。セル温度の低下により、水蒸気が凝縮して、電解質膜１１２の湿度を高くすることができる。また、ガスストイキを上げることにより、電解質膜１１２の湿度を高くしてもよい。こうすることにより、加湿されたガスを効率的に電解質膜に供給できる。また、カソードの背圧を上げることにより、電解質膜１１２の湿度を高くしてもよい。カソードの背圧を上げることにより、カソードの水蒸気が凝縮しやすくなり、電解質膜１１２の湿度を上げることができる。

制御部１５０は、湿度Ｐが湿度閾値Ａより高い場合には（ステップＳ１２：ＮＯ）、処理を終了する。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０によれば、固体高分子型の電解質膜１１２の膨張および収縮に伴う平面方向の寸法変化率が所定値以上となるように、電解質膜１１２の湿潤状態が制御される。従って、乾燥による引張応力に起因した電解質膜１１２の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜１１２の耐久性を向上できる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、電解質膜の寸法変化率が０％以上となるように、電解質膜１１２の湿度が、電解質膜１１２の寸法変化率が０％のときの湿度（湿度閾値Ａ）以下となると、電解質膜１１２の湿潤状態の制御として電解質膜１１２の湿度を高める制御が行われる。従って、電解質膜１１２の過度の乾燥により、電解質膜１１２へ引張応力が作用することを抑制できる。よって、電解質膜１１２の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜の耐久性を向上できる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、電解質膜１１２の寸法変化率が０％を含む変化率範囲Ｓ１内の変化率の場合に、電解質膜１１２が加湿される。従って、電解質膜１１２の過度の乾燥により、電解質膜１１２へ引張応力が作用することを抑制できる。よって、電解質膜１１２の裂け、薄肉化を抑制でき、電解質膜１１２の耐久性を向上できる。

また、第１実施例の燃料電池システム１０によれば、湿度閾値Ａは、電解質膜１１２の寸法変化率が変化率範囲Ｓ１（−１．５％〜＋９．０％）のときの電解質膜の湿度範囲Ｓ２内の湿度によって規定されている。電解質膜１１２の湿度と電解質膜１１２の寸法変化率には相関関係があり、湿度が湿度閾値Ａよりも低下すると、乾燥により電解質膜１１２が変形して損傷するおそれがある。従って、引張応力が作用する前に、もしくは、電解質膜１１２が損傷し難い引張応力が作用している状態で電解質膜１１２の湿潤状態を制御できるので、電解質膜１１２の損傷を抑制できる。

Ｂ．第２実施例：
湿度と寸法変化率との相関関係は温度によって異なる。第２実施例では、燃料電池の温度に応じて、湿度閾値を変更する。

Ｂ１．燃料電池システム概略構成：
図６は、第２実施例における燃料電池システム２０の概略構成である。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２００と、制御部２５０と、抵抗測定部２３０と、温度センサ２４０を備える。制御部２５０は、外部からの要求に応じて燃料電池スタック２００の発電を制御する。制御部２５０は、燃料電池スタック２００の動作制御の一つとして、燃料電池スタック２００内に設置されている電解質膜の湿潤状態を制御する湿潤状態制御処理を行う。第２実施例において、燃料電池スタック２００および抵抗測定部２３０は、第１実施例の燃料電池スタック１００と抵抗測定部１３０と同一の機能、構成を備える。なお、燃料電池スタック２００には、第１実施例と同一の電解質膜が設置されているので、第２実施例では、電解質膜を、第１実施例と同一符号により、電解質膜１１２と表す。

温度センサ２４０は、燃料電池スタック２００に接続されており、燃料電池スタック２００の温度を測定する。なお、温度センサ２４０は、例えば、燃料電池スタック２００のいずれかのセルに接続されていてもよいし、ターミナル（図示なし）に接続されていてもよい。以降、本明細書では、燃料電池スタック２００の温度は、電解質膜１１２の温度と同一であるとし、燃料電池スタック２００の温度を電解質膜１１２の温度とも表す。温度センサ２４０は、請求の範囲における「温度検出手段」にあたる。

制御部２５０は、温度センサ２４０から燃料電池の温度を取得すると、温度に応じた電解質膜１１２の寸法変化率に基づいて、湿度閾値Ａを変更する。第２実施例では、制御部２５０は、電解質膜１１２の温度に応じて異なる、電解質膜１１２の寸法変化率が０％のときの湿度を、湿度閾値Ａに設定する。

また、制御部２５０は、抵抗測定部２３０により測定された燃料電池スタック２００の抵抗値に基づいて電解質膜１１２の湿度を算出し、算出された湿度と、変更された湿度閾値Ａに基づいて、電解質膜１１２の湿潤状態を制御する。

Ｂ２．温度と寸法変化率：
図７は、電解質膜の温度に応じた、湿度と寸法変化率の相関関係について説明する寸法変化グラフ７００，７１０である。図７（ａ）に示す寸法変化グラフ７００および図７（ｂ）に示す寸法変化グラフ７１０の縦軸、横軸は、寸法変化グラフ６００と同様である。寸法変化グラフ７００は、電解質膜１１２の温度が６５℃の場合の寸法変化率を表し、寸法変化グラフ７１０は、電解質膜１１２の温度が５０℃の場合の寸法変化率を表す。電解質膜１１２に対して加湿処理と乾燥処理を繰り返し施し、電解質膜１１２が、湿潤状態と乾燥状態とを繰り返す状態遷移の過程における電解質膜の寸法変化率を表している。寸法変化曲線７０２，７１２は、初回の状態遷移時における電解質膜１１２の寸法変化傾向を示し、寸法変化曲線７０４、７１４は、２回目以降の状態遷移時における電解質膜１１２の寸法変化傾向を示す。

寸法変化曲線７０４に示すように、電解質膜１１２の温度が６５℃の場合、電解質膜１１２の湿度が３０％ＲＨ以下となると、寸法変化率が０％以下となり、電解質膜１１２に引張応力が作用する。また、寸法変化曲線７１４に示すように、電解質膜１１２の温度が５０℃の場合、湿度が１３％ＲＨ以下となると寸法変化率が０％以下となり、電解質膜１１２に引張応力が作用する。

以上の通り、電解質膜１１２の温度によって、湿潤状態から乾燥状態へ状態遷移する際に、電解質膜１１２の寸法変化率が０％となる湿度が異なる。制御部２５０は、例えば、電解質膜１１２の温度が６５℃のときは、湿度閾値Ａを３０％ＲＨに変更し、電解質膜１１２の温度が５０℃のときは、湿度閾値Ａを１３％ＲＨに変更する。

Ｂ３．湿潤状態制御処理：
図８は、第２実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャートである。湿潤状態制御処理は制御部２５０により実行される。

制御部２５０は、温度センサ２４０から燃料電池スタック２００の温度を取得し（ステップＳ２０）、温度に応じて、湿度閾値Ａを変更する（ステップＳ２１）。具体的には、制御部２５０は、予め、電解質膜１１２の温度に応じた湿度閾値マップを有しており、湿度閾値マップを参照して、適宜、電解質膜１１２の温度に応じた湿度閾値を特定し、湿度閾値Ａを、特定された湿度閾値に変更する。

図９は、第２実施例における湿度閾値マップ７３０について説明する説明図である。湿度閾値マップ７３０において、縦軸は湿度閾値（単位は％ＲＨ）を表し、横軸は電解質膜１１２の温度（単位は℃）を表す。湿度閾値マップ７３０は、予め、電解質膜１１２の温度、湿度および寸法変化率に基づいて規定されており、それぞれの温度において、電解質膜１１２の寸法変化率が０％のときの湿度を示している。湿度閾値マップ７３０が示すように、電解質膜１１２の温度上昇に応じて、電解質膜１１２の湿度閾値は徐々に上昇する。例えば、湿度閾値マップ７３０では、温度がＴ１（５０℃）のときの湿度閾値はＡ１（１３％ＲＨ）、温度がＴ２のときの湿度閾値はＡ２（３０％ＲＨ）、温度が８０℃のときの湿度閾値はＡ３（４３％ＲＨ）である。湿度閾値マップ７３０は、予め、制御部２５０内に格納されている。

制御部２５０は、抵抗測定部２３０により測定されたセル抵抗値を取得し（ステップＳ２２）、セル抵抗値に基づいて、電解質膜１１２の湿度Ｐを算出する（ステップＳ２３）。

制御部２５０は、電解質膜１１２の湿度Ｐが変更された湿度閾値Ａ以下であるかを判断し（ステップＳ２４）、湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下の場合には（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、電解質膜の寸法変化率が所定値以下であると判断し、電解質膜１１２の湿度を高くする処理を行う（ステップＳ２５）。

制御部２５０は、湿度Ｐが湿度閾値Ａより高い場合には（ステップＳ２４：ＮＯ）、処理を終了する。

以上説明した第２実施例の燃料電池システムによれば、電解質膜１１２の温度に応じて湿度閾値が変更される。従って、電解質膜１１２の温度に応じた、適切な湿度閾値に基づいて電解質膜１１２の加湿処理を行うことができ、電解質膜１１２の耐久性を向上できる。

Ｃ．第３実施例：
電解質膜１１２の湿度とセル抵抗値とは相関関係があり、セル抵抗値と燃料電池スタックのスタック電圧は、相関関係を有する。すなわち、セル抵抗値を介して電解質膜１１２の湿度とスタック電圧は相関している。第３実施例では、燃料電池スタックのスタック電圧に応じて、電解質膜を加湿する制御を行う。

Ｃ１．燃料電池システム概略構成：
図１０は、第３実施例における燃料電池システム３０の概略構成図である。燃料電池システム３０は、燃料電池スタック３００と、制御部３５０と、電圧測定部３４０を備える。制御部３５０は、外部からの要求に応じて燃料電池スタック３００の動作を制御する。制御部３５０は、燃料電池スタック３００の動作制御の一つとして、電解質膜１１２の湿潤状態を制御する。第３実施例において、燃料電池スタック３００は第１実施例の燃料電池スタック１００と同一の機能、構成を備える。なお、燃料電池スタック３００には、第１実施例と同一の電解質膜が設置されているので、第３実施例では、電解質膜を、第１実施例と同一符号を用いて、電解質膜１１２と表す。

燃料電池スタック３００は、複数のセル３１０を有する。第３実施例では、セル３１０ａは、燃料電池スタック３００を構成する複数のセル３１０の中で、同一のスタック電圧に対して、最も抵抗値が高くなるセルである。換言すれば、セル３１０ａは、燃料電池スタック３００を構成する複数のセル３１０の中で、最も乾燥しやすいセルである。

電圧測定部３４０は、燃料電池スタック３００に接続されており、燃料電池スタック３００のスタック電圧を測定する。電圧測定部３４０は、いずれかのセル、または１以上の複数のセルに設けられていてもよい。電圧測定部３４０は、請求の範囲における「電圧検出手段」にあたる。スタック電圧は、セルの電圧と略同一である。

制御部３５０は、電圧測定部３４０からスタック電圧を取得すると、取得されたスタック電圧と、予め設定されている電圧閾値に基づいて、電解質膜１１２の湿潤状態を制御する処理を行う。第３実施例における電圧閾値について、図１１を参照して説明する。電圧閾値は、請求の範囲における第２の閾値にあたる。

Ｃ２．電圧閾値：
図１１は、第３実施例におけるスタック電圧値とセル抵抗値について説明する電圧―抵抗グラフ８００である。電圧―抵抗グラフ８００において、縦軸はセルの抵抗値（単位Ω）を表し、横軸はスタック電圧値（単位Ｖ）を表す。電圧抵抗線８１０は、燃料電池スタック３００を構成するセル３１０のうち、スタック電圧値と、最も乾燥しやすいセル３１０ａのセル抵抗値の関係を示す。電圧抵抗線８２０は、セル３１０ｂのスタック電圧値とセル抵抗値の関係を示し、電圧抵抗線８３０は、セル３１０ｃのスタック電圧値とセル抵抗値の関係を示す。

セル抵抗値は、既述の通り、電解質膜１１２の湿度と相関しており、セル抵抗値の上昇に応じて、燃料電池の発電効率は低下して発電による生成水が減少し、電解質膜１１２の湿度は低下する。電圧―抵抗グラフ８００において、セルの抵抗値Ｒ１は、燃料電池スタック３００の温度が８０℃である場合に、電解質膜１１２の湿度が４３％ＲＨとなるときの抵抗値、換言すれば、電解質膜１１２の寸法変化率が０％のときの抵抗値を表す。セル３１０ａの抵抗値がＲ１以上となると、電解質膜１１２の湿度は４３％ＲＨ以下となり、電解質膜１１２に引張応力が作用する。従って、第３実施例では、セルの抵抗値がＲ１となる際のスタック電圧値Ｖ１が、電圧閾値Ｖに設定される。なお、セルの抵抗値Ｒ１が抵抗値Ｒ１となる際の、他のセル３１０ｂ，３１０ｃのセル抵抗値に基づいて電圧閾値Ｖをスタック電圧値Ｖ２，Ｖ３とすると、セル３１０ａの電解質膜１１２が過度に乾燥し、引張応力により損傷するおそれがある。

Ｂ３．湿潤状態制御処理：
図１２は、第３実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャートである。湿潤状態制御処理は制御部３５０により実行される。

制御部３５０は、電圧測定部３４０から燃料電池スタック３００のスタック電圧値を取得し（ステップＳ３０）、燃料電池スタック１００の電圧値が電圧閾値Ｖ以上であるかを判断する（ステップＳ３１）。制御部３５０は、取得された電圧値が電圧閾値Ｖ以上の場合には（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、電解質膜１１２の寸法変化率が所定値以下であると判断し、電解質膜１１２の湿度を高くする処理を行う（ステップＳ３２）。

制御部３５０は、取得された電圧値が電圧閾値Ｖ未満の場合には（ステップＳ３１：ＮＯ）、処理を終了する。

以上説明した第３実施例の燃料電池システム３０によれば、スタック電圧値が、燃料電池の電圧が、電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜＋９．０％（第３実施例では、０％）のときの燃料電池の電圧値である電圧閾値Ｖ以上の場合に、電解質膜１１２が加湿される。従って、スタック電圧値に基づいて、簡易に、電解質膜１１２の乾燥に起因して生じる、引張応力が電解質膜１１２に作用することを抑制できる。

Ｄ．第４実施例：
第１実施例〜第３実施例では、電解質膜１１２の弾塑性に基づいて、電解質膜１１２の湿潤状態の制御（加湿制御）を行うタイミングを決定している。しかしながら、電解質膜１１２へ作用する応力、電解質膜１１２に生じる歪みは、電解質膜１１２の弾塑性に基づいて計算される場合と、電解質膜１１２の粘弾性特性に基づいて計算される場合とで異なる。第４実施例では、電解質膜１１２の粘弾性特性に基づいて、加湿制御を行うタイミングを決定する。なお、第４実施例において、第２実施例の燃料電池システム２０と同様の構成を備えるので、第２実施例における符号を用いて説明する。ただし、第４実施例では、制御部２５０により実行される湿潤状態制御処理が異なる。湿潤状態制御処理については後述する。

Ｄ１．電解質膜に作用する応力・歪み：
図１３は、第４実施例における電解質膜１１２の粘弾性特性に基づいた電解質膜１１２へ作用する応力・歪みについて説明する説明図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、燃料電池の温度が８０℃の状態で、電解質膜１１２の湿度を１１０％ＲＨから１０％ＲＨまで、約３０秒間で変化させた場合の、電解質膜１１２の湿度変化に対する応力・歪みの計算結果を示す。図１３（ａ）の湿度変化グラフ９００は、時間経過に対する電解質膜１１２の湿度変化を示し、図１３（ｂ）の応力・歪みグラフ９１０は、時間経過に対する電解質膜１１２の応力・非弾性歪みの変化を示す。図１３（ａ）において、縦軸は湿度（単位は％ＲＨ）、横軸は経過時間（単位はｓｅｃ）を表す。図１３（ｂ）において、縦軸の左側は、電解質膜１１２に作用する応力（単位はＭＰａ）を表し、縦軸の右側は、電解質膜１１２に作用する非弾性歪みを示し、横軸は、経過時間（単位はｓｅｃ）を表す。

なお、第５実施例において、図１４に示す電解質膜１１２の力学モデル、および、下記の式２〜式５を用いて、電解質膜１１２に作用する応力、応力による非弾性歪みを算出した。図１４は、電解質膜の力学特性を表すモデルである。

第１実施例において説明したように、電解質膜１１２の弾塑性に基づいて、電解質膜１１２に作用する引張応力による電解質膜１１２の歪みを算出すると、図１３（ａ）に示すように、電解質膜の湿度が４３％ＲＨになると、電解質膜１１２に対して引張応力が作用し、引張歪みが発生する。一方、図１３（ｂ）の応力グラフ９１２に示すように、電解質膜１１２の湿度が４３％ＲＨになる時間Ｔ２では、電解質膜１１２には、約２ＭＰａの引張応力が作用しているが、非弾性歪みグラフ９１４に示すように、時間Ｔ２では、非弾性歪みは約−０．０４であり、電解質膜１１２には圧縮歪みが残存している。この理由は次の通りである。

電解質膜１１２は、湿潤状態となると膨張し、電解質膜１１２の平面方向に圧縮応力が作用して、圧縮歪みが生じる。電解質膜１１２は、湿潤状態から乾燥状態へ徐々に遷移する過程で、圧縮応力が低減され、引張応力に変化する。この応力変化に一定の時間を要する。電解質膜１１２に生じる歪みも同様に、圧縮歪みから引張歪みへ徐々に変化していくが、応力変化よりも更に時間を要する。このため、図１３（ｂ）に示すように、時間Ｔ２より約２０秒経過後の時間Ｔ３において、非弾性歪みは、０以上となって圧縮歪みから引張歪みへ変化し、電解質膜１１２の形状に変化が生じる。従って、実際に、電解質膜１１２の寸法変化率が０％となってから電解質膜１１２に引張歪みが生じるまでに、所定時間（第４実施例では約２０秒）の時間遅れがある。

第４実施例では、この時間遅れ分だけ、加湿処理を開始する時間を遅れさせることにより、加湿処理による燃料電池の燃費や発電性能の低下を抑制する。なお、所定時間経過してから加湿処理が開始されるまでの応答遅れを考慮し、所定時間は、実際の遅れ時間（グラフ９００では２０秒）よりも若干短い時間（例えば、１５秒）とすることが好ましい。

Ｄ２．湿潤状態制御処理：
図１５は、第４実施例における湿潤状態制御処理について説明するフローチャートである。湿潤状態制御処理は、制御部２５０により実行される。

制御部２５０は、温度センサ２４０から燃料電池スタック２００のセル温度を取得し（ステップＳ４０）、温度に応じて、湿度閾値Ａを変更する（ステップＳ４１）。ステップＳ４０〜ステップＳ４１は、第２実施例のステップＳ２０〜ステップＳ２１と同一である。

制御部２５０は、燃料電池スタック２００のセル１１０のセル抵抗値を取得し（ステップＳ４２）、電解質膜１１２の湿度Ｐを算出する（ステップＳ４３）。制御部２５０は、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下であるか判断する（ステップＳ４４）。制御部２５０は、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下の場合には（ステップＳ４４：ＹＥＳ）、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下の状態が、所定時間Ｘ秒以上継続しているかを判断する（ステップＳ４５）。制御部２５０は、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａよりも低い状態が、所定時間Ｘ秒以上継続している場合には（ステップＳ４５：ＹＥＳ）、電解質膜１１２の湿度を高くする処理を行う（ステップＳ４６）。

制御部２５０は、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａより高い場合（ステップＳ４４：ＮＯ）、および、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下の状態が、所定時間Ｘ秒以内に解除された場合、すなわち、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａ以下となってから、所定時間Ｘ秒以内に電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値Ａより高くなった場合（ステップＳ４５：ＮＯ）、処理を終了する。

以上説明した第４実施例の燃料電池システムによれば、電解質膜１１２の湿度が湿度閾値Ａ以下の状態が所定時間Ｘ以上継続した場合に電解質膜１１２の加湿が行われる。従って、湿度が湿度閾値Ａ以下となってから湿度を高める処理を開始するまでに所定時間の遅れを持たせることができ、湿度を高める処理に伴う燃料電池の発電効率低下やエネルギー損失を抑制でき、燃料電池の燃費を向上できる。

Ｅ．第５実施例：
既述の通り、電解質膜１１２の過度の乾燥に起因した、電解質膜１１２への引張応力の作用を抑制するために、電解質膜１１２の加湿制御を行っている。しかしながら、上述の各実施例では、燃料電池の電流値を上昇させることにより、燃料電池の発電による生成水を増加させて電解質膜１１２を加湿しているため、次のような問題が生じる。

すなわち、燃料電池が低負荷（高電位）の状態からの発電となり、反応ガス（水素含有ガス）を浪費し、燃料電池の燃費が低下するおそれがある。また、燃料電池は電位変動することになるため、触媒として使用されている白金の劣化を進行させ、燃料電池の発電性能の低下を招くおそれがある。更に、電解質膜１１２が乾燥状態もしくは乾燥状態に近似した状態からの発電となるので、電解質膜１１２が乾燥した状態で反応ガスを更に流入させることになり、電解質膜１１２に機械的な引張応力が作用して、電解質膜１１２の裂けを招くおそれがある。

以上説明した問題があるため、燃料電池の燃費や発電性能の観点から、湿潤状態の制御処理（加湿制御）を実行する回数は可能な限り、遅く、また、少ない方が好ましい。よって、第５実施例では、第４実施例の湿潤状態制御処理において、ステップＳ４５における所定時間Ｘを、電解質膜１１２の単位時間あたりの湿度変化量、および変化後の電解質膜１１２の湿度に基づいて調整する。

Ｅ１．湿度と引張応力の相関マップ：
図１６は、第５実施例における電解質膜１１２の湿度変化に要する時間Ｔｓと、湿度が湿度閾値以下となってから引張応力が作用し始めるまでの時間Ｔｔの関係を示すマップ９５０である。マップ９５０において、縦軸は、電解質膜１１２の湿度Ｐが湿度閾値以下となってから引張応力が作用し始めるまでの時間（遅れ時間）Ｔｔ（単位ｓｅｃ）を示し、横軸は、湿度変化に要した時間（所要時間）Ｔｓ（単位ｓｅｃ）を示す。グラフ９５２は、電解質膜１１２の湿度が１１０％ＲＨから３０％ＲＨまで変化した場合の遅れ時間Ｔｔを示し、グラフ９５４は、電解質膜１１２の湿度が１１０％ＲＨから２５％ＲＨまで変化した場合の遅れ時間Ｔｔを示し、グラフ９５６は、電解質膜１１２の湿度が１１０％ＲＨから２０％ＲＨまで変化した場合の遅れ時間Ｔｔを示し、グラフ９５８は、電解質膜１１２の湿度が１１０％ＲＨから１０％ＲＨまで変化した場合の遅れ時間Ｔｔを示す。

マップ９５０に示すように、湿潤状態から乾燥状態への変化に同一時間かかる場合、乾燥状態へ変化した後の湿度（以降、変化後湿度と呼ぶ）が高いほど、電解質膜１１２に引張応力が作用し始めるまでの遅れ時間Ｔｔが長くなる。例えば、湿潤状態から乾燥状態への変化に６０秒間かかる場合、グラフ９５２（変化後湿度が３０％ＲＨ）では、遅れ時間Ｔｔが約８０秒であり、グラフ９５４（変化後湿度が２５％ＲＨ）、グラフ９５６（変化後湿度が２０％ＲＨ）、グラフ９５８（変化後湿度が１０％ＲＨ）の順に、遅れ時間Ｔｔは短くなる。すなわち、電解質膜１１２は、変化後湿度が低いほど、湿度が湿度閾値以下となってから電解質膜１１２に引張応力が作用するまでの時間が長くなる。

また、単位時間あたりの湿度変化量が小さいほど（所要時間Ｔｓが長いほど）、湿度が湿度閾値以下となってから電解質膜１１２に引張応力が作用するまでの時間が長くなる。例えば、グラフ９５８では、湿度変化に要した所要時間Ｔｓ＝３０秒の場合、引張応力が作用するまでの遅れ時間Ｔｔ＝１７秒であり、所要時間Ｔｓ＝６０秒の場合、遅れ時間Ｔｔ＝２２秒であり、所要時間Ｔｓ＝１２０秒の場合、遅れ時間Ｔｔ＝３３秒である。

電解質膜１１２の変化後湿度は、予め、電解質膜１１２の種類など種々の条件に応じて規定されているので、湿潤状態制御処理では、変化後湿度と、湿潤状態から乾燥状態への変化に要する時間とに基づいて、適宜、マップ９５０を参照しつつ、所定時間Ｘを調整する。なお、燃料電池の動作温度によっても湿潤状態から乾燥状態への変化に要する時間は変化するため、変化後湿度と、湿潤状態から乾燥状態への変化に要する時間と、更に、燃料電池の動作温度に基づいて、所定時間Ｘを調整してもよい。

以上説明した第５実施例の燃料電池システムによれば、電解質膜の単位時間あたりの湿度変化、および湿度変化の後における電解質膜の湿度、の少なくとも一方に基づいて所定時間Ｘが規定される。従って、電解質膜の湿度が第１の閾値以下の状態となってから加湿制御を開始するまでの所定時間を、柔軟に設定できる。よって、加湿制御に伴う燃料電池の発電効率低下やエネルギー損失を抑制でき、燃料電池の燃費を向上できる。

Ｆ．変形例：
Ｆ１．変形例１：
第２実施例では、温度センサ２４０はエンドプレートに設けられているが、温度センサ２４０は、燃料電池スタック２００を構成する各々のセルのいずれかに設けてもよいし、セルの各々に設けてもよい。複数のセルに温度センサ２４０を設けた場合には、各温度センサ２４０の測定値のうち、最も高い測定温度を利用してもよいし、温度の平均値を利用してもよい。複数の温度センサを用いることにより、温度の測定精度を向上できる。

Ｆ２．変形例２：
湿度閾値の設定は、電解質膜１１２の製造時の条件などに加えて、経年劣化や設置環境などを考慮し、動的に変更してもよい。こうすれば、より適切な湿度閾値Ａによって湿潤状態制御処理を行うことができ、電解質膜１１２の耐久性向上だけでなく、燃料電池の燃費や発電性能の低下を抑制できる。

Ｆ３．変形例３：
第３実施例では、予め決定されたセルの抵抗値を利用して湿度を予測しているが、例えば、複数のセルに抵抗測定部１３０を設置し、取得された複数の抵抗値のうち、最も高い抵抗値に基づいて湿度を算出してもよい。抵抗値の上昇に伴い電解質膜１１２は乾燥状態が進行するため、変形例３によれば、最も乾燥していると考えられる電解質膜１１２の湿度を算出できる。よって、燃料電池スタック３００に配置されている全ての電解質膜１１２の過度の乾燥を抑制でき、電解質膜１１２の耐久性低下を抑制できる。

Ｆ４．変形例４：
上述した種々の実施例では、あるセル１１０に配置されている電解質膜１１２に基づいて、燃料電池スタック内の全ての電解質膜の加湿制御を行っているが、例えば、各セル１１０に配置されている電解質膜１１２のそれぞれに対して、個別に湿潤状態制御処理を行ってもよい。こうすれば、加湿が必要な電解質膜に対して加湿を行うとともに、不必要な加湿処理を回避できる。よって、燃料電池の発電性能や燃費低下を抑制できる。

Ｆ５．変形例５：
第３実施例では、セル電圧値のみに基づいて湿潤状態制御処理を行っているが、例えば、電解質膜の温度により、電圧閾値を変更する処理を付加してもよい。電解質膜は、燃料電池の電圧と抵抗値とに相関があるとともに、抵抗値により算出される湿度と、電解質膜１１２の温度とに相関がある。従って、電解質膜の温度に応じて電圧閾値を変更することにより、電解質膜の温度に応じた、適切な電圧閾値に基づいて電解質膜の加湿処理を行うことができ、電解質膜の耐久性を向上できる。

Ｆ６．変形例６：
第１実施例では、電解質膜１１２の加湿を行うために、種々の態様で燃料電池の動作を制御しているが、例えば、加湿器を用いて、燃料電池に供給される反応ガスを加湿し、反応ガスを介して電解質膜１１２の含水率を増加させることにより、電解質膜１１２の湿度を高くしてもよい。

Ｆ７．変形例７：
第１実施例では、変化率範囲Ｓ１の上限として、燃料電池スタックの温度が８０℃の場合を例示しているが、例えば、電解質膜１１２の温度を考慮して上限を設定してもよい。電解質膜１１２の温度が比較的低い温度、例えば、５５°のとき、単位時間あたりの電解質膜１１２の寸法変化率ａは、０．０３８２％／ｓｅｃである。セル１１０における加湿処理のための発電開始から湿度上昇の効果が発揮されるまでの時間ｂ＝４０ｓｅｃとした場合、変化率範囲Ｓ１の上限値は、下記の通り、１．５％として規定される。
ａ×ｂ＝０．０３８２％／ｓｅｃ × ４０ｓｅｃ ＝ １．５％

Ｆ８．変形例８：
第１実施例では、寸法変化率が０％であるときの湿度を湿度閾値Ａとしているが、例えば、制御部１５０は、材料（電解質膜）の損傷が生じ難い引張応力が作用しているときの寸法変化率以上となるように、電解質膜の湿潤状態の制御を行ってもよい。材料（電解質膜）の損傷が生じ難い引張応力が作用しているときの寸法変化率は、第１実施例で説明したように、−１．５％以上かつ０％未満の範囲内である。こうすれば、制御部１５０は、電解質膜１１２に引張応力が作用し始めてから湿潤状態の制御を開始するまでに所定の時間を有することができ、電解質膜１１２の損傷を抑制しつつ、燃料電池システムの発電性能の低下を抑制できる。

Ｆ９．変形例９：
電解質膜１１２の湿潤状態の制御には、電解質膜１１２の湿度を下げる制御も含まれる。電解質膜１１２の湿度を下げる制御としては、例えば、セル１１０の電流値を下降させることにより、燃料電池スタック１００の発電による生成水を減少させ、電解質膜１１２の含水率を低下させる方法がある。また、例えば、セル１１０の温度を上げてもよい。セル温度の上昇により、生成水が加熱され、電解質膜１１２の湿度を低くすることができる。また、ガスストイキを下げることにより、電解質膜１１２の湿度を低くしてもよい。また、カソードの背圧を下げることにより、電解質膜１１２の湿度を低くしてもよい。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。

１０、２０、３０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…セル
１１２…電解質膜
１１４…アノード
１１６…カソード
１１８…セパレータ
１２０…ターミナル
１２５…エンドプレート
１３０…抵抗測定部
１５０…制御部
２００…燃料電池スタック
２３０…抵抗測定部
２４０…温度センサ
２５０…制御部
３００…燃料電池スタック
３１０、３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ…セル
３４０…電圧測定部
３５０…制御部
６００…寸法変化グラフ
７００…寸法変化グラフ
７１０…寸法変化グラフ
７３０…湿度閾値マップ
８００…電圧―抵抗グラフ
９５０…マップ

Claims (11)

1. 燃料電池システムであって、
   固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池と、
   前記燃料電池を制御する制御部と、
   前記電解質膜の湿度に関する情報を取得する取得手段と、
   を備え、
   前記電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下の状態を所定時間継続すると、前記制御部は、前記電解質膜の膨張または収縮に伴う前記電解質膜の平面方向の面積の変化率である寸法変化率が、前記電解質膜の乾燥によって前記電解質膜に作用する引張応力により前記電解質膜が損傷するときの寸法変化率より大きい所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御し、
   前記第１の閾値は、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜０％のときの前記電解質膜の湿度の範囲によって規定されており、
   前記所定時間は、予め定められている、前記電解質膜の寸法変化率が０％となってから前記電解質膜の寸法変化率が０％未満となるまでの時間である、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記所定値は０％であることを特徴とする、
   燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記所定値は−１．５％であることを特徴とする、
   燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記寸法変化率が、前記所定値以上かつ＋９．０％以下となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記所定値は、前記電解質膜の前記寸法変化率が０％を含む所定の範囲内の寸法変化率によって規定されている、
   燃料電池システム。
6. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記第１の閾値は、温度に応じて異なり、
   前記燃料電池システムは、更に、
   前記電解質膜の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御部は、更に、前記燃料電池の温度に基づいて、前記第１の閾値を変更する、
   燃料電池システム。
7. 請求項１記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記電解質膜の湿度変化に要する時間と、前記湿度が前記第１の閾値以下となってから前記電解質膜に引張応力が作用し始めるまでの時間と、の関係を示すマップを備えており、
   前記所定時間は、前記電解質膜の単位時間あたりの湿度変化、および、前記湿度変化の後における前記電解質膜の湿度、の少なくとも一方と、前記マップと、に基づいて規定される、
   燃料電池システム。
8. 燃料電池システムであって、
   固体高分子型の電解質膜を有する燃料電池と、
   前記燃料電池を制御する制御部と、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電解質膜の温度を検出する温度検出手段と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電圧が第２の閾値以上の場合に、前記電解質膜の膨張または収縮に伴う前記電解質膜の平面方向の面積の変化率である寸法変化率が、前記電解質膜の乾燥によって前記電解質膜に作用する引張応力により前記電解質膜が損傷するときの寸法変化率より大きい所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御し、
   前記第２の閾値は、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜０％のときの前記燃料電池の電圧であり、
   前記制御部は、更に、前記電解質膜の温度に基づいて、前記第２の閾値を変更する、
   燃料電池システム。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池の発電性能に関するパラメータを制御することにより、前記電解質膜の湿潤状態の制御を行う、
   燃料電池システム。
10. 電解質膜を有する燃料電池システムにおける前記電解質膜の湿潤状態を制御する制御方法であって、
    前記電解質膜の膨張および収縮に伴う前記電解質膜の平面方向の面積の変化率である寸法変化率を取得し、
    前記電解質膜の湿度に関する情報を取得し、
    前記電解質膜の湿度が前記第１の閾値以下の状態を所定時間継続すると、前記寸法変化率が、前記電解質膜の乾燥によって前記電解質膜に作用する引張応力により前記電解質膜が損傷するときの寸法変化率より大きい所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御し、
    前記第１の閾値は、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜０％のときの前記電解質膜の湿度の範囲によって規定されており、
    前記所定時間は、予め定められている、前記電解質膜の寸法変化率が０％となってから前記電解質膜の寸法変化率が０％未満になるまでの時間である、
    制御方法。
11. 電解質膜を有する燃料電池システムにおける前記電解質膜の湿潤状態を制御する制御方法であって、
    前記電解質膜の膨張および収縮に伴う前記電解質膜の平面方向の面積の変化率である寸法変化率を取得し、
    前記燃料電池の電圧を検出し、
    前記電解質膜の温度を検出し、
    前記電解質膜の温度に基づいて、前記電解質膜の寸法変化率が−１．５％〜０％のときの前記燃料電池の電圧である第２の閾値を変更し、
    前記電圧が第２の閾値以上の場合に、前記寸法変化率が、前記電解質膜の乾燥によって前記電解質膜に作用する引張応力により前記電解質膜が損傷するときの寸法変化率より大きい所定値以上となるように、前記電解質膜の湿潤状態を制御する、
    制御方法。

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