JP5790547B2

JP5790547B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法、膜電極接合体の疲労の検出方法

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Publication number: JP5790547B2
Application number: JP2012054257A
Authority: JP
Inventors: 智暁内山; 佐藤　博道; 博道佐藤; 和峰木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP2013187178A

Description

この発明は、燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）は、通常、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備える。電解質膜は、燃料電池の運転中には、その運転状態（運転温度や発電量など）に応じた膨潤と収縮とを繰り返す。電解質膜の膨潤と収縮とが繰り返されると、膜電極接合体では、電解質膜や電極における亀裂や微小穴の発生等の不可逆的な劣化が生じてしまうことが知られている（下記特許文献１等）。

こうした膜電極接合体における不可逆的な劣化の蓄積は、燃料電池の発電性能の著しい低下などの不具合を引き起こす可能性がある。そのため、燃料電池システムでは、システム障害の発生を回避するために、そうした膜電極接合体における不可逆的な劣化の蓄積に起因する不具合の発生を予防できる技術が要求されている。

特開２０１１−１５９５５９号公報特開２００８−１０８６１２号公報特開２００９−０４８８１６号公報

本発明は、膜電極接合体の不可逆的劣化に起因する燃料電池システムの不具合の発生を予防する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明の第１形態は、燃料電池システムであって、膜電極接合体を有する燃料電池と、前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を管理する疲労管理部と、を備え、前記疲労管理部は、前記燃料電池の運転中にわたって前記膜電極接合体に生じる応力を表す応力情報を取得し、前記応力情報に基づいて、前記燃料電池の運転中に前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて取得される疲労度の総和である蓄積疲労度を取得し、前記蓄積疲労度に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を管理する、燃料電池システムとして提供される。本発明の第２形態は、膜電極接合体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記燃料電池の運転中にわたって前記膜電極接合体に生じる応力を繰り返し検出する工程と、（ｂ）前記応力を検出するごとに、前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労を表す疲労度を取得する工程と、（ｃ）前記疲労度の総和に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を報知する工程と、を備える、制御方法として提供される。本発明の第３形態は、燃料電池に用いられる膜電極接合体に蓄積されている疲労を検出する方法であって、（ａ）前記燃料電池の運転中にわたって前記膜電極接合体に生じる応力を繰り返し検出する工程と、（ｂ）前記応力を検出するごとに、前記応力の大きさごとに予め設定された前記大きさの応力の発生を許容する発生許容回数に対する、前記大きさの応力の発生を検出した回数である応力発生回数の割合として取得される、前記応力の大きさごとの疲労度を積算していく工程と、を備える、方法として提供される。

［適用例１］
燃料電池システムであって、膜電極接合体を有する燃料電池と、前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を管理する疲労管理部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態に応じて変動する、膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、膜電極接合体に蓄積される疲労に基づいて、膜電極接合体の使用限界を管理するため、膜電極接合体の不可逆的劣化の蓄積に起因する燃料電池システムの不具合の発生を、より適切に予防することが可能である。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記疲労管理部は、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労を表す値として、前記応力の大きさごとに予め設定された前記大きさの応力の発生を許容する発生許容回数に対する、前記大きさの応力の発生を検出した回数である応力発生回数として取得される、前記応力の大きさごとの値を積算した値である蓄積疲労度を取得する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、膜電極接合体における応力の発生履歴に応じて、膜電極接合体に蓄積される疲労を蓄積疲労度として、適切に検出することができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記疲労管理部は、発電中の前記膜電極接合体に生じる応力を検出する応力検出部と、前記応力検出部が応力を検出するごとに、前記蓄積疲労度を更新する疲労度更新部と、前記蓄積疲労度に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を報知する報知部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転中に、膜電極接合体に生じる応力を適宜検出して、その応力に基づいて蓄積疲労度を更新する。従って、膜電極接合体の疲労度を、より適切に検出することができる。また、蓄積疲労度に基づいて、膜電極接合体の使用限界をユーザーに適切に報知できるため、燃料電池システムの不具合の発生を適切に予防することが可能である。

［適用例４］
適用例１から３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記疲労管理部は、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労が所定のレベルに到達したときに、前記燃料電池の運転条件を制限する運転制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、膜電極接合体に所定のレベルの疲労が蓄積した場合に、膜電極接合体に対する負荷が緩和されるように、燃料電池の運転が制限される。従って、膜電極接合体の疲労の蓄積に起因する燃料電池システムの不具合の発生を適切に予防することが可能である。

［適用例５］
適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、予め規定された運転パターンでの運転を実行し、前記疲労管理部は、前記運転パターンで運転したときの、前記膜電極接合体に生じる前記応力の発生パターンに基づいて予め設定された前記蓄積疲労度の限界値を記憶しており、前記疲労管理部は、前記蓄積疲労度が、前記限界値に到達したときに、前記膜電極接合体の使用限界を報知する報知部を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、規定の運転パターンでの運転を実行している場合に、膜電極接合体に生じる応力変動に基づいた膜電極接合体の使用限界を適切に設定しておくことができる。従って、膜電極接合体の疲労の蓄積に起因する燃料電池システムの不具合の発生を適切に予防することが可能である。

［適用例６］
膜電極接合体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記膜電極接合体に生じる応力を検出する工程と、
（ｂ）前記応力を検出するごとに、前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労を表す値を更新する工程と、
（ｃ）前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労を表す値に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を報知する工程と、
を備える、制御方法。
この制御方法であれば、膜電極接合体の使用限界が適切に報知されるため、膜電極接合体の不可逆的な劣化に起因する燃料電池システムの不具合の発生を予防できる。

［適用例７］
燃料電池に用いられる膜電極接合体に蓄積されている疲労を検出する方法であって、
（ａ）前記膜電極接合体に生じる応力を検出する工程と、
（ｂ）前記応力の大きさごとに予め設定された前記大きさの応力の発生を許容する発生許容回数に対する、前記大きさの応力の発生を検出した回数である応力発生回数として取得される、前記応力の大きさごとの値を積算する工程と、
を備える、方法。
この方法であれば、膜電極接合体の疲労状態を適切に検出することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。また、本発明は、燃料電池の備える電解質膜の疲労度を検出する方法およびその方法を実行する装置、その方法を利用した燃料電池システムの制御方法および制御装置、それらの方法または装置等の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。膜電極接合体における不可逆的な劣化の発生メカニズムを説明するための模式図。発電体疲労管理処理の処理手順を示す説明図。電解質膜の湿潤度の取得工程を説明するための説明図。電解質膜のひずみ量εの取得工程を説明するための説明図。膜電極接合体に生じている応力の取得工程を説明するための説明図。膜電極接合体に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を説明するための説明図。膜電極接合体に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を表すグラフの取得方法を説明するための説明図。第２実施例の発電体疲労管理処理の処理手順を示す説明図。第３実施例の発電体疲労管理処理の処理手順を示す説明図。第４実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。第４実施例の燃料電池車両の走行ルートの一例を示す模式図。規定ルートの走行によって膜電極接合体に生じる応力の発生パターンを説明するための説明図。第４実施例の発電体疲労管理処理の処理手順を示す説明図。第５実施例の燃料電池車両の走行ルートの例を示す模式図。第５実施例の発電体疲労管理処理の処理手順を示す説明図。第６実施例の発電体疲労管理処理の処理手順を示す説明図。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０とを備える。さらに、燃料電池システム１００は、膜抵抗検出部７０と、運転温度検出部７２と、発電体疲労報知部７４と、を備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。膜電極接合体については後述する。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、運転制御部２１としての機能と、発電体疲労管理部２２としての機能と、を備える。運転制御部２１は、以下に説明する各系３０，４０，５０，６０を制御して、システムに対する出力要求に応じた電力を燃料電池１０に発電させる。

発電体疲労管理部２２は、燃料電池１０の運転中に、定期的に燃料電池１０が備える膜電極接合体に生じている応力を検出し、その応力の発生によって、膜電極接合体に不可逆的に蓄積されていく劣化の度合いを管理する。膜電極接合体の劣化の発生メカニズムや、発電体疲労管理部２２が実行する処理（以下、「発電体疲労管理処理」と呼ぶ）の内容については後述する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

膜抵抗検出部７０は、燃料電池１０の単セル１１の中でも、特に運転温度が高くなる傾向にある単セル１１ｍに接続されている。具体的に、単セル１１ｍは、単セル１１の中でも、燃料電池１０の積層方向における中央近傍に配置されたものであるとしても良い。膜抵抗検出部７０は、単セル１１ｍの電解質膜の電気的抵抗（以下、単に「膜抵抗」とも呼ぶ）を検出し、発電体疲労管理部２２に送信する。

なお、膜抵抗検出部７０は、単セル１１ｍの出力電流と出力電圧とに基づいて膜抵抗を取得するものとしても良い。また、膜抵抗検出部７０は、単セル１１ｍのカソード側の入口に近い部位など、最も乾燥しやすい部位における局所的な膜抵抗を検出するものとしても良い。

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

発電体疲労報知部７４は、表示部を備え、発電体疲労管理部２２の指令に応じて、燃料電池１０の膜電極接合体の疲労状態やメンテナンス時期に関する警告等の情報を、燃料電池車両の運転者に報知する。なお、発電体疲労報知部７４は、表示以外の手段（例えば、音声）によって、そうした警告を報知するものとしても良い。

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

図２は、燃料電池１０の備える膜電極接合体５における不可逆的な劣化の発生メカニズムを説明するための模式図である。図２（Ａ）は、燃料電池１０が備える膜電極接合体５の構成を示す概略図である。膜電極接合体５は、電解質膜１の両面に電極２，３が配置された構成を有している。

電解質膜１は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂の薄膜によって構成することができる。電極２，３は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子と、電解質膜１を構成するのと同種又は類似のアイオノマーと、を分散させた、いわゆる触媒インクの塗布膜として形成される。なお、触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。

図２（Ｂ）は、電解質膜１の湿潤状態に応じた寸法変化を説明するための模式図である。図２（Ｂ）には、基準となる湿潤度のときの電解質膜１を中段に示し、基準となる湿潤度よりも乾燥した状態の電解質膜１をその上段に、基準となる湿潤度よりも膨潤した状態の電解質膜１をその下段に、模式的に図示してある。

電解質膜１は、通常、その含水状態を表す湿潤度に応じて膨潤し、その表面に沿った方向（以下、「平面方向」とも呼ぶ）における寸法が変化する。具体的には、その湿潤度が高いほど、その平面方向における寸法は増大し、その湿潤度が低いほど、その平面方向における寸法は減少する。

本明細書では、基準となる湿潤度のときの、平面方向のうちの所定の方向における電解質膜１の長さＬｓ（基準長Ｌｓ）に対する、当該方向における電解質膜１の長さの変化量Ｌｅの百分率を、電解質膜の「ひずみ量ε」と呼ぶ（式（１））。
ε＝Ｌｅ／Ｌｓ×１００…（１）

なお、電解質膜１のひずみ量εを規定するための基準となる湿潤度は、工場出荷時における湿潤度であるものとしても良い。また、ひずみ量εを規定する所定の方向は、例えば、電解質膜１の表面が長方形形状を有している場合には、その長辺に沿った方向であるものとしても良い。

燃料電池１０の運転中には、電解質膜１の湿潤度は運転状態（例えば、燃料電池１０の運転温度や、発電量、反応ガスの流量等）に応じて変動する。しかし、電解質膜１は、燃料電池１０の各単セル１１において、その外周端がシール部材（図示せず）などによって固定的に保持された状態であるため、その湿潤度に応じた変形（特に、収縮する方向への変形）が抑制される。なお、本実施例では、電解質膜１は、各単セル１１において、基準長Ｌｓで保持されているものとする（図２（Ａ））。

そのため、燃料電池１０の運転中には、湿潤度が基準となる湿潤度よりも低下したときに、ひずみ量εの収縮変形が抑制された分だけの応力が電解質膜１に生じる。また、膜電極接合体５の電極２，３は、湿潤度に応じた変形の度合いが電解質膜１と異なるため、電解質膜１の湿潤状態に応じた変形が繰り返されたときに、電解質膜１から繰り返し応力を付与されることになる。

発電中の燃料電池１０において膜電極接合体５に発生するこれらの応力は、膜電極接合体５に、不可逆な劣化を生じさせる原因となる。具体的には、電解質膜１の内部に繰り返し生じる応力変動は、電解質膜１の構造に粗密分布を生じさせたり、電解質膜１の微小穴の径の増大を生じさせ、電解質膜１の透気性を増加させてしまう。また、電極２，３に生じる応力の変動は、電極２，３に亀裂を生じさせる原因となる。電極２，３の亀裂は、さらに、その亀裂を起点とした電解質膜１の応力集中を発生させ、電解質膜１にも亀裂を発生させてしまう原因となる。

このように、発電中の膜電極接合体５に発生する応力の変動は、膜電極接合体５の透気度が増大する方向に膜電極接合体５が構造的に変化させる不可逆的な劣化を生じさせる。そのため、膜電極接合体５における不可逆的な劣化の蓄積（以下、「膜電極接合体５の疲労」とも呼ぶ）は、膜電極接合体５において、反応ガスが供給された側とは反対側の電極へと漏洩してしまう、いわゆるクロスリークの発生を促進させる原因となる。

膜電極接合体５におけるクロスリークの発生が増大すると、燃料電池１０の発電性能が著しく低下してしまい、燃料電池システム１００のシステム障害の発生原因となる。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、以下に説明する発電体疲労管理処理によって、適格に膜電極接合体５に蓄積されている疲労の度合いを検出し、膜電極接合体５の使用限界（寿命）を適切に管理することにより、その可用性を確保する。

図３は、発電体疲労管理部２２が実行する発電体疲労管理処理の処理手順を示すフローチャートである。発電体疲労管理部２２は、この発電体疲労管理処理を、燃料電池システム１００の運転中に所定の周期で実行する。

発電体疲労管理処理では、発電体疲労管理部２２は、膜電極接合体に発生している応力を検出し、その応力の発生によって膜電極接合体に不可逆的に蓄積されていく劣化の度合いを表す値（以下、「蓄積疲労度」と呼ぶ）を取得する。そして、その蓄積疲労度が所定のレベル（値）に到達したときに、燃料電池車両の運転者（ユーザー）に警告を報知する。

ステップＳ１０〜Ｓ５０では、発電体疲労管理部２２は、膜電極接合体の現在の膜抵抗に基づいて、膜電極接合体に生じている応力を検出する。具体的には、以下の通りである。ステップＳ１０では、発電体疲労管理部２２は、膜抵抗検出部７０から単セル１１ｍにおける膜抵抗の計測値Ｒｃを取得する。

なお、発電体疲労管理部２２は、膜抵抗の計測値Ｒｃが所定の閾値よりも低く、電解質膜が収縮変形を生じない程度に湿潤状態であることを示している場合には、膜電極接合体には応力が発生していないものとして、今回の疲労管理処理を終了する（ステップＳ２０）。一方、膜抵抗の計測値Ｒｃが所定の閾値以上であり、電解質膜が収縮変形を生じる程度に乾燥状態であることを示している場合には、発電体疲労管理部２２は、ステップＳ３０において、取得した膜抵抗の計測値Ｒｃに基づいて、現在の電解質膜の湿潤度を取得する。

図４は、ステップＳ３０における電解質膜の湿潤度の取得工程を説明するための説明図である。図４には、予め準備された膜抵抗と電解質膜の湿潤度との関係を表したグラフの一例を示してある。通常、膜抵抗は、電解質膜の湿潤度が高いほど、下に凸の曲線カーブを描くように低下する。本実施例の燃料電池システム１００では、発電体疲労管理部２２が、そうした膜抵抗と電解質膜の湿潤度との関係を表したマップを予め記憶しており、そのマップを用いて、膜抵抗の計測値Ｒｃに対する電解質膜の湿潤度Ｗｃを取得する。

なお、発電体疲労管理部２２は、燃料電池１０の運転温度ごとの、膜抵抗と電解質膜の湿潤度との関係を表したマップを有しており、運転温度検出部７２から取得する燃料電池１０の運転温度Ｔに基づいて、使用するマップを適宜選択するものとしても良い。ステップＳ４０（図３）では、発電体疲労管理部２２は、電解質膜の湿潤度Ｗｃに基づいて、電解質膜のひずみ量εを取得する。

図５は、ステップＳ４０における電解質膜のひずみ量εの取得工程を説明するための説明図である。図５には、予め準備された電解質膜の湿潤度と、その湿潤度において電解質膜に生じるひずみ量εとの関係を表したグラフの一例を示してある。図５のグラフでは、基準となる所定の湿潤度である基準湿潤度Ｗｓのときのひずみ量εを０として表してある。なお、電解質膜の湿潤度が基準湿潤度Ｗｓより小さいときが、電解質膜が収縮する方向に変形する場合である。

通常、電解質膜のひずみ量εは、電解質膜の湿潤度が高いほど、下に凸の曲線カーブを描くように増大する。本実施例の燃料電池システム１００では、発電体疲労管理部２２が、そうした電解質膜の湿潤度と電解質膜のひずみ量εとの関係を表したマップを予め記憶しており、そのマップを用いて、現在の電解質膜の湿潤度Ｗｃに対するひずみ量εｃを取得する。ステップＳ５０（図３）では、発電体疲労管理部２２は、取得した電解質膜のひずみ量εｃに基づいて、膜電極接合体に生じている応力δｃを取得する。

図６は、ステップＳ５０における膜電極接合体に生じている応力の取得工程を説明するための説明図である。図６には、予め準備された電解質膜のひずみ量εと、そのひずみ量εでの収縮変形が抑制されることによって電解質膜に生じている応力との関係を表したグラフの一例を示してある。通常、ひずみ量εが大きいほど、電解質膜に生じる応力は、上に凸の曲線カーブを描くように大きくなる。

本実施例の燃料電池システム１００では、発電体疲労管理部２２が、そうした電解質膜のひずみ量と電解質膜の応力との関係を表したマップを予め記憶している。発電体疲労管理部２２は、そのマップを用いて、電解質膜のひずみ量εｃに対する電解質膜の応力δｃを、膜電極接合体に生じている応力として取得する。

ステップＳ６０〜Ｓ７０では、発電体疲労管理部２２は、いわゆる累積疲労損傷則の考え方に基づいて蓄積疲労度を取得する。具体的には、以下のように、蓄積疲労度を取得する。
（ｉ）膜電極接合体に発生する所定の大きさの応力ごとに、その大きさの応力の発生に膜電極接合体が耐えることができる許容回数（発生許容回数）を求め、膜電極接合体に発生する応力に対する発生許容回数の関係を予め規定しておく。
（ｉｉ）応力の発生を検出するごとに、検出された応力の発生許容回数に対する、その応力と同じ大きさの応力が発生した回数（検出された回数）を、その大きさの応力に対する疲労度とし、各応力に対する疲労度を積算した値（各応力ごとの疲労度の総和）を蓄積疲労度とする。

即ち、蓄積疲労度Ｄは、以下の数式（２）として表すことができる。
Ｄ＝ｎ₁／Ｎ₁＋ｎ₂／Ｎ₂＋…ｎ_i-1／Ｎ_i-1＋ｎ_i／Ｎ_i＝Σｎ_i／Ｎ_i…（２）
ここで、ｎ_iは、膜電極接合体に応力δ_iが発生した回数であり、Ｎ_iは、膜電極接合体における応力δ_iの発生許容回数である（ｉは任意の自然数）。

図７は、膜電極接合体に生じる応力と、その応力の発生許容回数との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、膜電極接合体に生じる応力と、その応力の発生許容回数との間の関係は、発生許容回数を対数表示したときに、膜電極接合体に生じる応力が大きいほど、その発生許容回数が線形的に小さくなる関係として規定できることを見出した。なお、本発明の発明者は、このグラフを、以下のような方法により取得した。

図８は、図７のグラフの取得方法を説明するための説明図である。本発明の発明者は、以下に説明する「膜電極接合体の乾湿サイクル試験」と「膜電極接合体の疲労試験」と、を行い、それぞれの試験において、膜電極接合体の応力ごとの発生許容回数を計測した。

「膜電極接合体の乾湿サイクル試験」では、単セルにおいて、電解質膜が基準湿潤度となる基準の湿潤状態と、所定の乾燥状態とを所定の周期で繰り返し発生させた。そして、膜電極接合体において、アノード側の水素がカソード側へとリークする量が所定量に到達するまでに、基準の湿潤状態から乾燥状態へと移行した回数を、発生許容回数として計測した。なお、膜電極接合体に生じる応力は、乾燥状態のときの電解質膜のひずみ量εに基づいて求めた。図８の上段には、その計測結果を表すグラフの一例を示してある。

「膜電極接合体の疲労試験」では、膜電極接合体に所定の周期で、平面方向に一定の応力を繰り返し付与した。そして、電解質膜のひずみ量εが所定の基準値になるまでの応力の付与回数を、応力の大きさを変えて計測し、その付与回数を、その応力の発生許容回数とした。図８の中段には、その計測結果を表すグラフの一例を示してある。なお、膜電極接合体の疲労試験におけるひずみ量εの基準値は、応力に対する発生許容回数の計測結果が、膜電極接合体の乾湿サイクル試験における計測結果と同程度となるように設定した。

本発明の発明者は、膜電極接合体の乾湿サイクル試験の計測結果と、膜電極接合体の疲労試験の計測結果とを統合することにより、図７のグラフに表された関係を取得した（図８の下段）。このように、２種類の試験の計測結果を組み合わせることにより、十分な計測データを得ることができ、より適切な、膜電極接合体に発生する応力と、その応力の発生許容回数との関係を取得することができる。

本実施例の燃料電池システム１００では、発電体疲労管理部２２が、図７のグラフに表された、膜電極接合体に生じる応力と、その発生許容回数との関係を表したマップを予め記憶している。発電体疲労管理処理（図３）のステップＳ６０では、そのマップを用いて、ステップＳ５０で取得した膜電極接合体に生じている応力δｃに対する発生許容回数Ｎｃを取得する。

ステップＳ６５では、発電体疲労管理部２２は、前回処理において取得され、不揮発的記憶領域に格納された、蓄積疲労度の前回値Ｄｐを読み込み、取得する。ステップＳ７０では、発電体疲労管理部２２は、ステップＳ６５で取得しておいた前回値Ｄｐに、１／Ｎｃを加算して蓄積疲労度Ｄとする（Ｄ＝Ｄｐ＋１／Ｎｃ）。

結果として、蓄積疲労度Ｄは、膜電極接合体における応力δ_iの発生許容回数Ｎ_iに対する膜電極接合体に応力δ_iが発生した回数ｎ_iの現時点での総和となる（Ｄ＝Σｎ_i／Ｎ_i）。このように、発電体疲労管理部２２は、膜電極接合体に生じている応力を検出するごとに、その応力の大きさに応じて、蓄積疲労度Ｄを増加させる。発電体疲労管理部２２は、更新された蓄積疲労度Ｄを、燃料電池システム１００の再起動後にも読み込みが可能なように、不揮発性記憶領域に格納しておく。

ステップＳ８０では、発電体疲労管理部２２は、蓄積疲労度Ｄが所定の閾値（例えば１）に到達しているか否かを判定する。蓄積疲労度Ｄが所定の閾値に到達していない場合には、膜電極接合体に蓄積された疲労のレベルが低く、膜電極接合体の疲労の蓄積に起因する不具合の発生の可能性が低いものとして、燃料電池システム１００の通常の運転を継続させる。

一方、発電体疲労管理部２２は、蓄積疲労度Ｄが所定の閾値に到達してしまった場合には、ステップＳ９０において、燃料電池車両の運転者に対する警告処理を実行する。具体的には、発電体疲労管理部２２は、発電体疲労報知部７４を介して、燃料電池車両の運転者に、膜電極接合体のメンテナンスや交換を推奨するメッセージを表示する。発電体疲労管理部２２は、膜電極接合体の具体的なメンテナンス時期を、これまでの蓄積疲労度Ｄの増大速度に基づいて算出し、報知するものとしても良い。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の発電中に、定期的に膜電極接合体に生じている応力を検出し、検出した応力の大きさに応じて、膜電極接合体の使用限界の目安となる蓄積疲労度Ｄを更新していく。これによって、燃料電池１０の膜電極接合体に蓄積している不可逆的な劣化を適切に検知して管理することができ、膜電極接合体の不具合に起因する燃料電池システム１００のシステム障害の発生を回避することができる。

B．第２実施例：
図９は、本発明の第２実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電体疲労管理処理の処理手順を示すフローチャートである。図９は、ステップＳ８０，Ｓ９０に換えてステップＳ８１が設けられている点以外は図３とほぼ同じである。図９では、ステップＳ８１を示すブロック内に、蓄積疲労度Ｄを示すグラフの表示例を図示してある。なお、第２実施例における燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１）。

第２実施例の燃料電池システムでは、発電体疲労管理部２２は、発電体疲労報知部７４の備える表示部に、現在の蓄積疲労度Ｄの値を棒グラフＧにより表示する。具体的には、発電体疲労管理部２２は、発電体疲労管理処理のステップＳ７０において、蓄積疲労度Ｄを更新した後、ステップＳ８１において、更新された蓄積疲労度Ｄの値に応じて、発電体疲労報知部７４の表示部に表示された棒グラフＧを更新する。

なお、発電体疲労報知部７４の表示部に表示された棒グラフＧには、膜電極接合体の使用限界の目安となる蓄積疲労度Ｄの所定の限界値を目盛り表示してあることが望ましい。これによって、燃料電池車両の運転者は、燃料電池システム１００の運転中に逐次更新されるグラフ表示によって、膜電極接合体の使用限界までの目安を視覚的に知ることができる。

以上のように、第２実施例の燃料電池システムであっても、燃料電池１０の膜電極接合体に蓄積されている疲労の度合いを適切に検知して管理することができ、膜電極接合体の不具合に起因するシステム障害の発生を回避することができる。

C．第３実施例：
図１０は本発明の第３実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電体疲労管理処理の処理手順を示すフローチャートである。図１０はステップＳ９５が追加されている点以外は、図３とほぼ同じである。なお、第３実施例における燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１）。

第３実施例の燃料電池システムでは、発電体疲労管理部２２は、蓄積疲労度Ｄが所定の閾値以上になった場合には、ステップＳ８０において警告表示をした後に、ステップＳ９０において運転制御部２１に対して、燃料電池１０の制限運転を指令する。ここで、「燃料電池１０の制限運転」とは、疲労が蓄積した膜電極接合体を保護するために、燃料電池１０の運転条件を制限し、膜電極接合体に対する負荷を緩和させた状態で、燃料電池１０の発電を継続する運転制御を意味する。

燃料電池１０の制限運転としては、例えば、以下の（１）〜（３）のような運転制御がある。
（ｉ）燃料電池１０に対する反応ガスの供給流量を制限する運転制御：
この運転制御では、燃料電池１０に対する反応ガスの供給流量を、通常の運転制御のときよりも低下させるものとしても良いし、ある所定の流量以上での反応ガスの供給を制限するものとしても良い。
このように、反応ガスの供給流量を制限することにより、反応ガスの圧力によって、膜電極接合体が受けるダメージを緩和させることができる。また、燃料電池１０の出力増加が制限され、燃料電池１０の高温化が抑制されるため、電解質膜が乾燥して過度に収縮することにより、膜電極接合体に著しく大きな応力が発生してしまうことが抑制される。

（ｉｉ）燃料電池１０におけるカソードとアノードの差圧を制限する運転制御：
この運転制御では、燃料電池１０におけるアノード側とカソード側での差圧が、通常の運転制御のときよりも低減されるように、エアコンプレッサ３２の回転数や、調圧弁４３やレギュレータ５４の開度を調整する。これによって、アノード側とカソード側との間の差圧によって膜電極接合体に生じる歪みを低減し、膜電極接合体に発生する応力を低減させることができる。

（ｉｉｉ）燃料電池１０の出力電流を制限する運転制御：
この運転制御では、燃料電池１０が、所定の値以上の電流を、所定の時間以上出力しないように時間的に制限するものとしても良いし、燃料電池１０が所定の電流値以上の電流を出力しないように、電流値の上限値を設けるものとしても良い。この運転制御を実行することにより、燃料電池１０の高温化が抑制され、電解質膜の乾燥に伴って膜電極接合体に著しく大きな応力が発生してしまうことが抑制される。

なお、上記の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の制限運転は、いずれか１つが実行されるものとしても良いし、それぞれが任意に組み合わされて実行されるものとしても良い。また、制限運転としては、膜電極接合体を保護するために、通常の運転制御のときよりも、何らかの制限が加えられた、他の運転制御が実行されるものとしても良い。さらに、この燃料電池１０の制限運転が実行されている場合には、発電体疲労報知部７４によって、燃料電池１０の出力が制限されている旨のメッセージが、燃料電池車両の運転者に対して報知されるものとしても良い。

以上のように、第３実施例の燃料電池システムであれば、蓄積疲労度Ｄが所定の閾値に到達した場合には、膜電極接合体を保護するための制限運転が実行される。従って、燃料電池システムにおいて、膜電極接合体に蓄積された疲労に起因するシステム障害の発生がさらに抑制される。

D．第４実施例：
図１１は、本発明の第４実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図である。図１１は、膜抵抗検出部７０が省略されている点と、走行情報取得部７５が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。走行情報取得部７５は、燃料電池車両の走行距離を計測し、制御部２０に出力する。

図１２は、第４実施例の燃料電池車両の走行ルートの一例を示す模式図である。図１２には、道路地図ＭＰをノードＮとリンクＬとで模式的に図示してあり、その道路地図ＭＰ上に、起点Ｓからの燃料電池車両の走行ルートが矢印Ｒで図示してある。第４実施例の燃料電池車両は、図示されたような特定のルートを定期的に運行する車両であり、例えば、路線バスであるものとしても良い。

図１３は、第４実施例の燃料電池車両の規定ルートの走行により、膜電極接合体に生じる応力の発生パターンを説明するための説明図である。図１３の上段には、燃料電池車両が規定の走行ルートを走行したときの、燃料電池車両の起点Ｓからの走行距離に対する膜抵抗の値を示すグラフの一例を図示してある。図１３の下段には、上段のグラフに基づいて得られる、燃料電池車両の走行距離と膜電極接合体に生じる応力との関係を示すグラフの一例を図示してある。なお、図１３の２つのグラフでは、起点Ｓにおける走行距離を０とし、燃料電池車両が規定の走行ルートを一巡したときの走行距離をＭとして示してある。

燃料電池車両に、所定の走行速度で規定の走行ルートを走行させることにより、図１３の上段のグラフのような、膜電極接合体の膜抵抗についての、規定の走行ルートにおける走行距離に応じた変化パターンを得ることができる。そして、図４〜図６で説明したような、膜抵抗と膜電極接合体に生じる応力との間の関係に基づいて、図１３の下段のグラフのような、規定の走行ルートにおける走行距離に応じた、膜電極接合体に生じる応力の発生パターンを取得することが可能である。通常、膜抵抗の増大・低下にともなって、膜電極接合体に生じる応力も増大・低下する。

この応力の発生パターンを用いれば、その規定の走行ルートにおける走行距離ごとの蓄積疲労度Ｄを予め算出することが可能である。また、蓄積疲労度Ｄが、膜電極接合体の使用限界の目安となる所定の閾値に到達するまでの規定の走行ルート上での走行距離の累積（以下、「使用限界距離」とも呼ぶ）を算出することも可能である。第４実施例の燃料電池システム１００Ａでは、以下に説明する疲労管理処理において、膜電極接合体の疲労が限界まで蓄積されたか否かを、膜電極接合体における応力の発生パターンに基づいて設定された使用限界距離を用いて判定する。

図１４は、第４実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて発電体疲労管理部２２が実行する発電体疲労管理処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、発電体疲労管理部２２は、走行情報取得部７５から燃料電池車両の走行距離を取得する。ステップＳ１１０では、その走行距離が使用限界距離以上であるか否かを判定する。

走行距離が使用限界より小さい場合には、発電体疲労管理部２２は、運転制御部２１に通常の運転制御を継続させる。走行距離が使用限界以上となった場合には、発電体疲労管理部２２は、ステップＳ１２０において、膜電極接合体のメンテナンス時期に関する所定の警告処理を実行する。なお、この第４実施例の疲労管理処理においても、ステップＳ１２０の警告処理の後に、第３実施例で説明した燃料電池１０の制限運転が実行されるものとしても良い。

以上のように、第４実施例の燃料電池システム１００Ａを搭載する燃料電池車両であれば、規定の膜電極接合体における応力の発生パターンに基づいて設定された使用限界によって、膜電極接合体のメンテナンス時期を適切に管理することができる。

E．第５実施例：
図１５は、本発明の第５実施例としての燃料電池システムを搭載する燃料電池車両の走行ルートの例を説明するための模式図である。図１５には、燃料電池車両の規定の走行ルートとして、３種類の走行ルートの例を、図１２と同様な模式図により示してある。以下では、便宜上、各走行ルートを、紙面上側から、「走行ルートＡ」、「走行ルートＢ」、「走行ルートＣ」と呼ぶ。なお、第５実施例の燃料電池システムの構成は、以下に説明する点以外は、第４実施例の燃料電池システム１００Ａの構成と同様である（図１１）。

第５実施例の発電体疲労管理部２２は、各走行ルートＡ〜Ｃごとに取得した、図１３で説明したのと同様な膜電極接合体における応力の発生パターンに基づいて、予め設定された各走行ルートＡ〜Ｃごとの使用限界距離を記憶している。以下では、その各走行ルートＡ〜Ｃの使用限界距離をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚとして説明する。

第５実施例の走行情報取得部７５は、現在の燃料電池車両の走行ルートの種類を特定できる機能を有している。具体的には、走行情報取得部７５は、ＧＰＳ機能を有しており、燃料電池車両の走行履歴から走行ルートの種類を特定するものとしても良い。あるいは、走行情報取得部７５は、運転者から、走行ルートの種類を特定するための入力を受け付けることができるものとしても良い。

走行情報取得部７５は、各走行ルートＡ〜Ｃごとの累積走行距離を計測して、制御部２０に出力する。以下では、各走行ルートＡ〜Ｃごとの累積走行距離をそれぞれｘ，ｙ，ｚとする。

図１６は、第５実施例の燃料電池システムにおいて発電体疲労管理部２２が実行する発電体疲労管理処理の処理手順を示すフローチャートである。図１６は、ステップＳ１０５が追加されている点と、ステップＳ１１０に換えてステップＳ１１１が設けられている点以外は、図１４とほぼ同じである。

ステップＳ１００では、発電体疲労管理部２２は、走行情報取得部７５から、各走行ルートＡ〜Ｃごとの累積走行距離ｘ，ｙ，ｚを取得する。ステップＳ１０５では、その累積走行距離ｘ，ｙ，ｚと、予め設定されている使用限界距離Ｘ，Ｙ，Ｚとを用いて、膜電極接合体の疲労度Ｗを以下の式（３）によって算出する。
Ｗ＝ｘ／Ｘ＋ｙ／Ｙ＋ｚ／Ｚ …（３）

ステップＳ１１１では、算出した疲労度Ｗが、膜電極接合体の使用限界の目安となる所定の値（例えば１）以上であるか否かを判定する。疲労度Ｗが、所定の値より小さい場合には、発電体疲労管理部２２は、運転制御部２１に通常の運転制御を継続させる。疲労度Ｗが、所定の値以上となった場合には、発電体疲労管理部２２は、ステップＳ１２０において、膜電極接合体のメンテナンス時期に関する所定の警告処理を実行する。

以上のように、第５実施例の燃料電池システムを搭載する燃料電池車両であれば、複数種類の走行ルートを走行する場合であっても、各走行ルートにおける膜電極接合体の応力の発生パターンに基づいて設定された使用限界に基づいて、膜電極接合体のメンテナンス時期を適切に管理することができる。

F．第６実施例：
図１７は、本発明の第６実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電体疲労管理処理の処理手順を示すフローチャートである。図１７は、ステップＳ１０〜ステップＳ４０に換えて、ステップＳ１１が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。なお、第６実施例の燃料電池システムの構成は、第４実施例の燃料電池システム１００Ａの構成と同様であり、第４実施例の燃料電池車両と同様な、規定の走行ルートを走行する燃料電池車両に搭載される。

第６実施例の発電体疲労管理部２２は、図１３で説明したような燃料電池車両が規定の走行ルートを走行したときの、起点Ｓからの走行距離に応じた膜電極接合体の応力の発生パターンを表したマップを予め記憶している。ここで、規定の走行ルート上における、起点Ｓからの燃料電池車両の走行距離は、規定の走行ルート上における現在の燃料電池車両の走行位置を示している。従って、上記マップは、走行位置に応じた膜電極接合体の応力の発生パターンを表したマップであると言える。

なお、膜電極接合体に生じる応力の発生パターンは、燃料電池車両の運転速度や、走行時の環境温度などの諸条件に影響を受けて変化する。従って、発電体疲労管理部２２は、膜電極接合体の応力の発生パターンを表したマップを、例えば、燃料電池車両の平均速度ごとや、燃料電池車両の平均運転温度ごと、走行時の環境温度ごとに取得しておくことが好ましい。

発電体疲労管理部２２は、ステップＳ２１では、走行情報取得部７５から、燃料電池車両の現在の走行距離を取得し、その走行距離に基づいて、走行ルート上における現在の燃料電池車両の走行位置を取得する。なお、走行情報取得部７５にＧＰＳ機能を搭載しておき、燃料電池車両の走行位置を検出するものとしても良い。

ステップＳ５０では、予め記憶されている燃料電池車両の走行位置と膜電極接合体に生じている応力との間の関係を表したマップに基づいて、取得した走行位置に対する膜電極接合体に生じている応力δｃを取得する。ステップＳ６０では、発電体疲労管理部２２は、ステップＳ５０で取得した応力δｃに対する発生許容回数Ｎｃを取得する。ステップＳ６５，Ｓ７０では、その発生許容回数Ｎｃを用いて、第１実施例で説明したように蓄積疲労度Ｄを更新する。

以上のように、第６実施例の燃料電池システムを搭載する燃料電池車両であれば、その走行パターンに応じた、膜電極接合体における応力の発生パターンに基づいて、蓄積疲労度Ｄを算出することができる。なお、燃料電池車両の規定の走行パターンが複数種類ある場合には、それぞれの走行ルートについての、走行位置に対する膜電極接合体の応力発生パターンを表すマップを用いて応力を求め、その応力に基づき、蓄積疲労度Ｄを更新することも可能である。

G．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

G1．変形例１：
上記第１実施例では、膜電極接合体に生じた応力と、その応力に対する発生許容回数との関係を、２種類の試験（乾湿サイクル試験および疲労試験）における計測結果を組み合わせて取得していた。しかし、膜電極接合体に生じた応力と、その応力に対する発生許容回数との関係は、乾湿サイクル試験の計測結果のみに基づいて取得するものとしても良いし、疲労試験の計測結果のみに基づいて取得するものとしても良い。

G2．変形例２：
上記第１〜第３実施例では、膜抵抗検出部７０は、燃料電池１０の単セル１１の中でも特に、運転温度が高くなる傾向にある単セル１１ｍについて膜抵抗を検出していた。しかし、膜抵抗検出部７０は、他の単セル１１について膜抵抗を検出するものとしても良いし、燃料電池１０の全ての単セル１１について膜抵抗を検出するものとしても良い。また、複数の単セル１１で構成されたグループごとに膜抵抗を検出するものとしても良い。さらに、上記実施例では、膜抵抗検出部７０は、単セル１１ｍの出力電流と出力電圧とに基づいて膜抵抗を検出していたが、膜抵抗検出部７０は、例えば、交流インピーダンス法によって膜抵抗を検出するものとしても良い。

G3．変形例３：
上記第１〜第３実施例では、発電体疲労管理部２２は、膜抵抗の計測値Ｗｃから電解質膜の湿潤度Ｗｃを取得し、電解質膜の湿潤度Ｗｃから電解質膜のひずみ量εｃを取得し、電解質膜のひずみ量εｃから膜電極接合体に生じている応力δｃを取得していた。しかし、発電体疲労管理部２２は、予め準備されたマップ等を用いて、膜抵抗の計測値Ｒｃから直接的に、膜電極接合体に生じている応力δｃを取得するものとしても良い。また、応力δｃを取得することなく、膜抵抗の計測値Ｒｃから直接的に応力δｃに対する発生許容回数Ｎｃを取得するものとしても良い。さらに、発電体疲労管理部２２は、歪みゲージなどを用いて、膜電極接合体に生じている応力を直接的に検出するものとしても良い。

G4．変形例４：
上記第１〜第３実施例では、発電体疲労管理部２２は、燃料電池１０の運転中に、膜電極接合体に発生している応力を検出して蓄積疲労度Ｄを更新していた。しかし、発電体疲労管理部２２は、燃料電池１０の運転中以外のタイミングにおいても、膜電極接合体に発生している応力を検出して蓄積疲労度Ｄを更新するものとしても良い。例えば、発電体疲労管理部２２は、燃料電池１０の運転終了後に電解質膜が収縮した場合に生じる応力を検出して蓄積疲労度Ｄを更新するものとしても良い。

G5．変形例５：
上記実施例では、電解質膜の湿潤度Ｗｃや、電解質膜のひずみ量εｃ、膜電極接合体に生じている応力δｃを取得するのに、予め準備されたマップを用いていた。しかし、発電体疲労管理部２２はそうしたマップに換えて、そうしたマップに相当する関数や、数式等を用いてそれらの値を取得するものとして良い。

G6．変形例６：
上記実施例では、発電体疲労管理部２２は、蓄積疲労度Ｄを、応力の大きさごとに予め設定された、その大きさの応力の発生を許容する発生許容回数に対する、その大きさの応力の発生を検出した回数である応力発生回数として取得される、応力の大きさごとの値を積算した値として取得していた（上記数式（２））。しかし、発電体疲労管理部２２は、他の方法により、膜電極接合体に蓄積される疲労を表す値を取得するものとしても良い。膜電極接合体に蓄積される疲労を表す値は、膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、累積されていく値として取得されていれば良い。

G7．変形例７：
上記実施例では、燃料電池システムは車両に搭載されていたが、燃料電池システムは車両に搭載されていなくとも良く、車両以外の移動体（例えば、列車や船舶等）に搭載されるものとしても良い。なお、第１〜第３実施例の燃料電池システム１００は、移動体以外の施設や建造物に固定的に設置されるものとしても良い。

G8．変形例８：
上記第４〜第６実施例の燃料電池システムは車両に搭載されており、規定の走行ルートを走行する際の特定の運転パターンに基づいた、膜電極接合体の応力の発生パターンを利用して、膜電極接合体の疲労の度合いを管理していた。しかし、上記第４〜第６実施例の燃料電池システムは、所定の運転パターンでの燃料電池の運転制御が可能な、車両以外の移動体や、移動体以外の施設や建造物に適用されるものとしても良い。この場合には、その所定の運転パターンに基づいた、膜電極接合体の応力の発生パターンを利用して、膜電極接合体の疲労の度合いを管理することができる。

１…電解質膜
２，３…電極
５…膜電極接合体
１０…燃料電池
１１，１１ｍ…単セル
２０…制御部
２１…運転制御部
２２…発電体疲労管理部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
６７…圧力計測部
７０…膜抵抗検出部
７２…運転温度検出部
７４…発電体疲労報知部
７５…走行情報取得部
１００，１００Ａ…燃料電池システム
Ｇ…棒グラフ
Ｌ…リンク
ＭＰ…道路地図
Ｎ…ノード
Ｒ…矢印
Ｓ…起点

Claims

燃料電池システムであって、
膜電極接合体を有する燃料電池と、
前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を管理する疲労管理部と、
を備え、
前記疲労管理部は、前記燃料電池の運転中にわたって前記膜電極接合体に生じる応力を表す応力情報を取得し、前記応力情報に基づいて、前記燃料電池の運転中に前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて取得される疲労度の総和である蓄積疲労度を取得し、前記蓄積疲労度に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を管理する、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記疲労管理部は、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労を表す値として、前記応力の大きさごとに予め設定された前記大きさの応力の発生を許容する発生許容回数に対する、前記大きさの応力の発生を検出した回数である応力発生回数として取得される、前記応力の大きさごとの値を積算した値を前記蓄積疲労度として取得する、燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記発生許容回数をＮ _ｉ（ｉは１以上の自然数）とし、
前記応力発生回数をｎ _ｉとし、
前記蓄積疲労度をＤとしたときに、
Ｄ＝ｎ _１／Ｎ _１＋ｎ _２／Ｎ _２＋…＋ｎ _ｉ−１／Ｎ _ｉ−１＋ｎ _ｉ／Ｎ _ｉ
である、燃料電池システム。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記疲労管理部は、
発電中の前記膜電極接合体に生じる応力を検出する応力検出部と、
前記応力検出部が応力を検出するごとに、前記蓄積疲労度を更新する疲労度更新部と、
前記蓄積疲労度に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を報知する報知部と、
を備える、燃料電池システム。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記疲労管理部は、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労が所定のレベルに到達したときに、前記燃料電池の運転条件を制限する運転制限処理を実行する、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、予め規定された運転パターンでの運転を実行し、
前記疲労管理部は、前記運転パターンで運転したときの、前記膜電極接合体に生じる前記応力の発生パターンを表す前記応力情報に基づいて予め設定された前記蓄積疲労度の限界値を記憶しており、
前記疲労管理部は、前記蓄積疲労度が、前記限界値に到達したときに、前記膜電極接合体の使用限界を報知する報知部を備える、燃料電池システム。
膜電極接合体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転中にわたって前記膜電極接合体に生じる応力を繰り返し検出する工程と、
（ｂ）前記応力を検出するごとに、前記膜電極接合体に生じる応力の大きさに応じて、前記膜電極接合体に蓄積されていく疲労を表す疲労度を取得する工程と、
（ｃ）前記疲労度の総和である蓄積疲労度に基づいて、前記膜電極接合体の使用限界を報知する工程と、
を備える、制御方法。
燃料電池に用いられる膜電極接合体に蓄積されている疲労を検出する方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転中にわたって前記膜電極接合体に生じる応力を繰り返し検出する工程と、
（ｂ）前記応力を検出するごとに、前記応力の大きさごとに予め設定された前記大きさの応力の発生を許容する発生許容回数に対する、前記大きさの応力の発生を検出した回数である応力発生回数の割合として取得される、前記応力の大きさごとの疲労度を積算して蓄積疲労度を取得する工程と、
を備える、方法。