JP2011124132A

JP2011124132A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2011124132A
Application number: JP2009281643A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Uchiyama; 智暁内山; Shinji Shiromori; 慎司城森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-23

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique that detects permanent distortions occurring in an electrolyte membrane, in a fuel cell system. SOLUTION: The fuel cell system 10 includes a fuel cell 100 with a fuel battery cell 110 which uses the electrolyte membrane; a membrane humidity temperature adjustment unit that adjusts the humidity of the electrolyte membrane; a surface-pressure measuring unit that measures the surface pressure of the electrolyte membrane, the surface-pressure varying according to deformation of the electrolyte membrane; and membrane condition determining unit 630 that measures the surface pressure of the electrolyte membrane via the surface pressure measuring unit and determines the deformed state of the electrolyte membrane based on a measured result of the surface pressure of the electrolyte membrane after operating the membrane humidity adjustment unit so that the humidity of the electrolyte membrane becomes lower than the range permitted during normal power generation, when the surface pressure is measured. COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池セルの構成要素の一つである電解質膜に発生する変形（「膜シワ」と呼ばれる）を検知する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for detecting deformation (referred to as “membrane wrinkles”) that occurs in an electrolyte membrane that is one of the constituent elements of a fuel cell used in a fuel cell.

燃料電池は、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての酸素との電気化学反応によって発電することが可能である。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ触媒電極を接合した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）に、さらに、それぞれガス拡散層およびガス流路部を配置し、セパレータにより挟持した燃料電池セルにより構成される。なお、ガス流路部は、セパレータの一部として構成される場合もある。 The fuel cell can generate power by an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel gas and oxygen as an oxidizing gas. In this fuel cell, a membrane electrode assembly (MEA) in which catalyst electrodes are joined to both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity, respectively, and a gas diffusion layer and a gas flow path section are arranged respectively. The fuel cell is sandwiched between separators. In addition, a gas flow path part may be comprised as a part of separator.

このような燃料電池では、その動作状態に応じて水の生成量が変化して、電解質膜の状態が膨潤状態や乾燥状態に変化し、電解質膜が膨潤状態になると電解質膜が膨張し、乾燥状態になると収縮する。しかしながら、この燃料電池の動作状態において、この膨潤状態と乾燥状態を繰り返していくうちに、電解質膜の状態が元の状態に戻らずに変形したまま（「膜シワ」と呼ぶ）の状態が発生し、その変形の度合（膜シワの量）も増加していく。このような膜シワが発生し増大すると、燃料ガスである水素がイオン化せずにそのまま電解質膜を透過してしまう現象、いわゆるクロスリークの量が発生し増大して、発電性能が劣化してしまうことになる。 In such a fuel cell, the amount of water generated changes according to its operating state, the state of the electrolyte membrane changes to a swollen state or a dry state, and when the electrolyte membrane becomes a swollen state, the electrolyte membrane expands and is dried. It shrinks when it reaches a state. However, in this operating state of the fuel cell, as the swelling state and the drying state are repeated, the state of the electrolyte membrane remains deformed (referred to as “membrane wrinkle”) without returning to the original state. However, the degree of deformation (the amount of membrane wrinkles) also increases. When such membrane wrinkles are generated and increased, hydrogen as a fuel gas does not ionize and passes through the electrolyte membrane as it is, that is, a so-called cross leak amount is generated and increased, resulting in deterioration of power generation performance. It will be.

ここで、先行技術文献１には、電解質膜の収縮量を検出する膜電極接合体の劣化判定装置の発明が開示されている。しかしながら、この膜の収縮量には、湿潤状態から乾燥状態に変化したときに消失する量（以下、「一時歪」とも呼ぶ）も含まれることになり、湿潤状態から乾燥状態に変化しても消失しない量（以下、「永久歪」とも呼ぶ）を検出できず、これに起因するクロスリーク量を検出することはできない、という問題がある。 Here, Prior Art Document 1 discloses an invention of a deterioration determination device for a membrane / electrode assembly that detects a contraction amount of an electrolyte membrane. However, the amount of shrinkage of the film includes an amount that disappears when the wet state changes to the dry state (hereinafter also referred to as “temporary strain”). There is a problem that an amount that does not disappear (hereinafter also referred to as “permanent strain”) cannot be detected, and a cross leak amount due to this cannot be detected.

特開２００８−２８２６４４号公報JP 2008-282644 A 特開２００９−０４８９４９号公報JP 2009-048949 A 国際公開第２００７／０５２５００号パンフレットInternational Publication No. 2007/052500 Pamphlet

そこで、本発明は、電解質膜に発生した永久歪を検出する技術を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for detecting permanent distortion generated in 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］
燃料電池システムであって、
電解質膜を用いた燃料電池セルを有する燃料電池と、
前記電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、
前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、
前記面圧の測定の際に、前記電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように前記膜湿度調整部を動作させた後で、前記面圧測定部を介して前記電解質膜の面圧を測定し、前記電解質膜の面圧の測定結果に基づいて前記電解質膜の変形の状態を判定する膜状態判定部と、を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記燃料電池システムによれば、電解質膜の変形の状態として、電解質膜に発生した永久歪を検出することができる。 [Application Example 1]
A fuel cell system,
A fuel cell having a fuel cell using an electrolyte membrane;
A membrane humidity adjusting unit for adjusting the humidity of the electrolyte membrane;
A surface pressure measurement unit that measures the surface pressure of the electrolyte membrane that changes according to deformation of the electrolyte membrane;
In the measurement of the surface pressure, after operating the membrane humidity adjustment unit so that the humidity of the electrolyte membrane is lower than the allowable range during normal power generation operation, the surface pressure measurement unit A fuel cell system comprising: a membrane state determination unit that measures a surface pressure of the electrolyte membrane via the surface and determines a state of deformation of the electrolyte membrane based on a measurement result of the surface pressure of the electrolyte membrane. .
According to the fuel cell system, permanent deformation generated in the electrolyte membrane can be detected as the state of deformation of the electrolyte membrane.

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルは、
前記電解質膜を挟んで形成された２つの触媒電極と、
前記２つの触媒電極の面上に形成された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層の面上に形成された２つのガス流路部と、を備えており、
前記面圧測定部は、いずれか一方のガス拡散層とガス流路部との間において、前記ガス拡散層側と前記ガス流路部側のどちらか一方側に設けられている複数の面圧センサーにより構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、前記電解質膜の面圧を容易に測定することができる。 [Application Example 2]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The fuel battery cell is
Two catalyst electrodes formed across the electrolyte membrane;
Two gas diffusion layers formed on the surfaces of the two catalyst electrodes;
Two gas flow paths formed on the surfaces of the two gas diffusion layers,
The surface pressure measurement unit includes a plurality of surface pressures provided on either the gas diffusion layer side or the gas flow channel side between the gas diffusion layer and the gas flow channel. A fuel cell system comprising a sensor.
According to the above configuration, the surface pressure of the electrolyte membrane can be easily measured.

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記膜状態判定部は、あらかじめ設定されている変形検知圧力閾値を越えた指示値を示す前記面圧センサーの個数が、前記電解質膜の変形量が過度に変形した状態にあると推定される個数としてあらかじめ設定されている変形検知数閾値を超えているか否かにより、前記電解質膜の状態を判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、圧力閾値を超えた面圧センサーの個数から、電解質膜の状態として、膜の永久歪の度合いを検出することができる。 [Application Example 3]
A fuel cell system according to Application Example 2,
The number of the surface pressure sensors that indicate an indicated value that exceeds a preset deformation detection pressure threshold is the number that is estimated that the amount of deformation of the electrolyte membrane is in an excessively deformed state. A state of the electrolyte membrane is determined based on whether or not a predetermined deformation detection number threshold is exceeded.
According to the above configuration, the degree of permanent deformation of the membrane can be detected as the state of the electrolyte membrane from the number of surface pressure sensors exceeding the pressure threshold.

［適用例４］
適用例２または適用例３記載の燃料電池システムであって、
前記面圧センサーを含む燃料電池セルは、複数の燃料電池セルの積層端部にある燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池システム。
積層端部にある燃料電池セルは、通常の発電時において電解質膜の含水量が多くなりやすく、乾湿の変化度合いが大きくなって、永久歪が発生しやすいと考えられる。従って、上記構成では、電解質膜の永久歪の発生の可能性の高い燃料電池セルに面圧センサーを備える構成であるので、電解質膜に発生した永久歪の検出の確度を高めることができる。 [Application Example 4]
A fuel cell system according to application example 2 or application example 3,
The fuel cell system, wherein the fuel cell including the surface pressure sensor is a fuel cell at a stacked end of a plurality of fuel cells.
It is considered that the fuel cell at the end of the stack tends to increase the moisture content of the electrolyte membrane during normal power generation, increase the degree of change in dry and wet conditions, and easily cause permanent distortion. Accordingly, in the above configuration, since the fuel cell having a high possibility of permanent deformation of the electrolyte membrane is provided with the surface pressure sensor, the accuracy of detection of the permanent strain generated in the electrolyte membrane can be increased.

［適用例５］
適用例３または適用例４記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜で発生する反応ガスのクロスリーク量を測定するクロスリーク測定部、を備え、
前記膜状態判定部は、前記クロスリーク量を測定する場合において、前記面圧センサーの個数が前記基準閾値を超えた際には、前記クロスリーク測定部に対して、前記クロスリーク量の測定頻度を増加して測定させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
上記構成によれば、電解質膜の状態として、永久歪の増大に応じてクロスリーク量の測定頻度を増加させることができ、逆に不要なクロスリーク量の測定頻度を減らすことができるので、ユーザービリティを向上させることができる。 [Application Example 5]
A fuel cell system according to Application Example 3 or Application Example 4,
A cross-leak measuring unit for measuring a cross-leak amount of the reaction gas generated in the electrolyte membrane,
In the case where the film state determination unit measures the cross leak amount, when the number of the surface pressure sensors exceeds the reference threshold, the cross leak measurement unit measures the frequency of the cross leak amount. A fuel cell system characterized by increasing the measurement.
According to the above configuration, as the state of the electrolyte membrane, it is possible to increase the frequency of measurement of the cross leak amount according to the increase in permanent strain, and conversely, the frequency of measurement of the unnecessary cross leak amount can be reduced. Can be improved.

［適用例６］
電解質膜を用いた燃料電池セルを有する燃料電池と、前記電解質膜の湿度を調整する膜湿度調整部と、前記電解質膜の変形に応じて変化する前記電解質膜の面圧を測定する面圧測定部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記電解質膜の変形の状態を判定する判定方法であって、
前記面圧の測定の際に、前記電解質膜の湿度が通常の発電動作時に許容される範囲よりも低い湿度となるように前記膜湿度調整部を動作させた後で、前記面圧測定部を介して前記電解質膜の面圧を測定し、前記電解質膜の面圧の測定結果に基づいて前記電解質膜の変形の状態を判定する
ことを特徴とする判定方法。
上記方法によれば、燃料電池システムにおいて、電解質膜の変形の状態として、電解質膜に発生した永久歪を検出することができる。 [Application Example 6]
A fuel cell having a fuel cell using an electrolyte membrane, a membrane humidity adjusting unit for adjusting the humidity of the electrolyte membrane, and a surface pressure measurement for measuring a surface pressure of the electrolyte membrane that changes according to deformation of the electrolyte membrane A determination method for determining a state of deformation of the electrolyte membrane in a fuel cell system comprising:
In the measurement of the surface pressure, after operating the membrane humidity adjustment unit so that the humidity of the electrolyte membrane is lower than the allowable range during normal power generation operation, the surface pressure measurement unit And determining a deformation state of the electrolyte membrane based on a measurement result of the surface pressure of the electrolyte membrane.
According to the above method, in the fuel cell system, permanent deformation generated in the electrolyte membrane can be detected as the state of deformation of the electrolyte membrane.

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、燃料電池システムや燃料電池システムにおいて、電解質膜の変形の状態を判定する判定方法などの種々の形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms. For example, in the fuel cell system and the fuel cell system, the present invention can be realized in various forms such as a determination method for determining the state of deformation of the electrolyte membrane. Is possible.

第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the fuel cell system as 1st Example. 燃料電池セル１１０Ａの構成について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about the structure of 110 A of fuel battery cells. 電解質膜１１１の非弾性的な変形(膜シワ)とガスリークの増加量との関係について調べた実験結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental result investigated about the relationship between the inelastic deformation | transformation (membrane wrinkle) of the electrolyte membrane 111, and the increase amount of a gas leak. 膜状態判定部６３０が実行する膜状態判定の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the film | membrane state determination which the film | membrane state determination part 630 performs. 第２実施例としての燃料電池シスエムの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the fuel cell system as 2nd Example. 膜状態判定部６３０Ｂが実行する膜状態判定の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the film | membrane state determination which the film | membrane state determination part 630B performs.

Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、アノードガス（燃料ガス）給排系２００と、カソードガス（酸化ガス）給排系３００と、冷却装置４００と、電力出力系５００と、システム制御部６００と、を備えている。 A. First embodiment:
A1. System configuration:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as a first embodiment. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 100, an anode gas (fuel gas) supply / discharge system 200, a cathode gas (oxidation gas) supply / discharge system 300, a cooling device 400, a power output system 500, and a system control unit. 600.

燃料電池１００は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。この燃料電池１００としては、固体高分子電解質膜等の種々の電解質膜を用いた燃料電池セルで構成される燃料電池が対象となる。なお、本例では、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池を適用するものとする。また、燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０を積層したスタック構造を有するものとする。なお、燃料電池１００の各燃料電池セル１１０には、それぞれセル電圧モニター１２０が取り付けられている。各セル電圧モニター１２０は、それぞれの燃料電池セル１１０の電位を検出する。セル電圧モニター１２０は、通常、燃料電池セル１１０の隣接する燃料電池セルとの間に設けられるセパレータに取り付けられる（不図示）。各セル電圧モニター１２０の出力は、システム制御部６００のモニター制御部６２０に接続される。また、スタックの積層端部（図の例では、アノードガスおよびカソードガスの入力側）の燃料電池セル１１０（以下、特に「燃料電池セル１１０Ａ」とも呼ぶ）には、複数の面圧センサー１１７が設けられており、各面圧センサー１１７の出力は、システム制御部６００のモニター制御部６２０に接続される。 The fuel cell 100 generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas (hydrogen) as an anode gas supplied to the anode and an oxidizing gas (oxygen contained in the air) as a cathode gas supplied to the cathode. The fuel cell 100 is a fuel cell composed of fuel cells using various electrolyte membranes such as a solid polymer electrolyte membrane. In this example, a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane is applied. The fuel cell 100 has a stack structure in which a plurality of fuel cells 110 are stacked. A cell voltage monitor 120 is attached to each fuel cell 110 of the fuel cell 100. Each cell voltage monitor 120 detects the potential of each fuel cell 110. The cell voltage monitor 120 is usually attached to a separator (not shown) provided between the fuel cells 110 adjacent to the fuel cells. The output of each cell voltage monitor 120 is connected to the monitor control unit 620 of the system control unit 600. In addition, a plurality of surface pressure sensors 117 are provided at the fuel cell 110 (hereinafter also referred to as “fuel cell 110 A” in particular) at the stack end of the stack (in the illustrated example, the anode gas and cathode gas input sides). The output of each surface pressure sensor 117 is connected to the monitor control unit 620 of the system control unit 600.

図２は、燃料電池セル１１０Ａの構成について示す説明図である。基本的に、燃料電池セル１１０は、膜電極接合体１１３をセパレータ１１６で挟持した構成を有している。ＭＥＡ１１３は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１と、電解質膜１１１のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」とも呼ぶ）１１２ａと、電解質膜１１１のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」とも呼ぶ）１１２ｃとで構成される。ＭＥＡ１１３とセパレータ１１６との間には、アノード側およびカソード側に、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）１１４ａ，１１４ｃとガス流路部１１５ａ，１１５ｃが設けられている。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel battery cell 110A. Basically, the fuel cell 110 has a configuration in which the membrane electrode assembly 113 is sandwiched between separators 116. The MEA 113 includes an electrolyte membrane 111 made of an ion exchange membrane, a catalyst electrode (also referred to as “anode side catalyst electrode”) 112a formed on the anode side surface of the electrolyte membrane 111, and a cathode side surface of the electrolyte membrane 111. And the catalyst electrode (also referred to as “cathode side catalyst electrode”) 112c. Between the MEA 113 and the separator 116, gas diffusion layers (GDL) 114a and 114c and gas flow paths 115a and 115c are provided on the anode side and the cathode side, respectively.

ここで、燃料電池セル１１０の積層端部に設けられた燃料電池セル１１０Ａは、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、発電領域中のカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）１１４ｃとガス流路部１１５ｃとの間で、面の上下方向に沿って複数の面圧センサー１１７が埋め込まれている。図２（Ａ）の例では、上下方向に１００ｍｍの長さを有する発電領域に対応するガス拡散層１１４ｃの左右中心領域でガス流路部１１５ｃ側に面する領域に、１０ｍｍ角の面圧センサー１１７が上下方向に沿って１０個敷き詰めて埋め込み配置されている場合を示している。一方、図２（Ｂ）の例では、上下方向に１００ｍｍの長さを有する発電領域に対応するガス流路部１１５ｃの左右中心領域でガス拡散層１１４ｃ側に面する領域に、１０ｍｍ角の面圧センサー１１７が上下方向に沿って１０個敷き詰めて埋め込み配置されている場合を示している。 Here, as shown in FIGS. 2A and 2B, the fuel battery cell 110 A provided at the stacked end of the fuel battery cell 110 has a gas diffusion layer (GDL) 114 c on the cathode side in the power generation region. A plurality of surface pressure sensors 117 are embedded along the vertical direction of the surface between the gas flow path portion 115c. In the example of FIG. 2A, a 10 mm square surface pressure sensor is provided in a region facing the gas flow path 115c in the left and right central region of the gas diffusion layer 114c corresponding to the power generation region having a length of 100 mm in the vertical direction. A case is shown in which ten 117 are embedded and embedded in the vertical direction. On the other hand, in the example of FIG. 2B, a 10 mm square surface is formed in a region facing the gas diffusion layer 114c in the left and right central region of the gas flow path portion 115c corresponding to the power generation region having a length of 100 mm in the vertical direction. A case is shown in which ten pressure sensors 117 are laid and embedded in the vertical direction.

面圧センサー１１７としては、例えば、静電容量の電気特性を利用して圧力を測定する静電容量方式のものが利用可能である。この方式の面圧センサーを用いた場合、例えば、図２のように配置して一定の加圧力、例えば、１ＭＰａで全体を締結固定した場合には、電解質膜１１１に変形がなく平らな場合には、各面圧センサー１１７には１ＭＰａの面圧が加わる。このとき、電解質膜１１１が変形して積層方向に変形したとすると、アノードとカソードの電極間のギャップが変化し、その結果として生じる電極間の静電容量が変化するため、面圧センサー１１７は、この静電容量の変化を圧力の変化に換算して、圧力変化を測定することができる。従って、図２のように、面圧センサー１１７を複数個上下方向に沿って配置することにより、電解質膜１１１の膜変形を面圧の変化（上昇）として捉えることができ、電解質膜１１１の面内の上下方向に沿った圧力分布をモニタリングすることができる。 As the surface pressure sensor 117, for example, a capacitance type sensor that measures pressure using the electric characteristics of capacitance can be used. When the surface pressure sensor of this method is used, for example, when the whole is fastened and fixed with a constant pressure, for example, 1 MPa, as shown in FIG. 2, the electrolyte membrane 111 is flat without deformation. Each surface pressure sensor 117 is applied with a surface pressure of 1 MPa. At this time, if the electrolyte membrane 111 is deformed and deformed in the stacking direction, the gap between the anode and cathode electrodes changes, and the resulting capacitance between the electrodes changes. The change in capacitance can be converted into a change in pressure to measure the change in pressure. Therefore, as shown in FIG. 2, by arranging a plurality of surface pressure sensors 117 along the vertical direction, the deformation of the electrolyte membrane 111 can be regarded as a change (increase) in surface pressure. The pressure distribution along the vertical direction can be monitored.

なお、電解質膜の変形を面圧センサーで検知するためには、できる限り電解質膜に近い位置に面圧センサーが配置されるほうが好ましいが、膜変形を阻害するほど近い位置に配置することは好ましくない。このことから、上記したように、面圧センサーを配置する位置は、ガス拡散層とガス流路部との間が好ましく、いずれの部材中に埋め込んでも良い。本例では、図２（Ａ）のようにガス拡散層１１４ｃに埋め込むものとする。 In order to detect the deformation of the electrolyte membrane with the surface pressure sensor, it is preferable to arrange the surface pressure sensor as close to the electrolyte membrane as possible, but it is not preferable to place it close enough to inhibit the membrane deformation. . For this reason, as described above, the position where the surface pressure sensor is disposed is preferably between the gas diffusion layer and the gas flow path portion, and may be embedded in any member. In this example, it is assumed that the gas diffusion layer 114c is embedded as shown in FIG.

また、電解質膜の変形をできる限り詳細に知るためには、ガス入出口、流路形状等により、電解質膜の含水量に面内分布が生じるので、電解質膜全体に対応するように面圧センサーを敷き詰めて配置することが望ましい。しかしながら、面圧センサーの配置スペースや配線のスペースを考慮すると、面圧センサーの数はできる限り少ないほうが望ましい。そこで、面圧センサーの配置は、可能な限り上下方向（縦方向）か左右方向（横方向）に広く配置するのが好ましい。本例では、図２に示すように、発電領域の左右中心領域に上下方向に１０ｍｍ角の面圧センサー１１７を敷き詰め配置するものとしている。ただし、斜め方向に配置したり、上下方向と横方向とを組み合わせたり、斜め方向を組み合わせてクロス方向に配置するようにしてもよい。 In addition, in order to know the deformation of the electrolyte membrane in as much detail as possible, the in-plane distribution of the water content of the electrolyte membrane occurs depending on the gas inlet / outlet, flow path shape, etc., so the surface pressure sensor is compatible with the entire electrolyte membrane It is desirable to lay down and arrange. However, considering the arrangement space of the surface pressure sensors and the space of the wiring, it is desirable that the number of surface pressure sensors is as small as possible. Therefore, it is preferable to arrange the surface pressure sensors as widely as possible in the vertical direction (vertical direction) or the horizontal direction (horizontal direction). In this example, as shown in FIG. 2, a surface pressure sensor 117 of 10 mm square is vertically arranged in the left and right center region of the power generation region. However, they may be arranged in an oblique direction, a combination of the up and down direction and the horizontal direction, or a combination of the oblique directions and arranged in the cross direction.

また、積層した複数の燃料電池セルのいずれに面圧センサーが配置されていても良いが、電解質膜の変形が起こり易い位置の燃料電池セルに配置するのが好ましい。すなわち、電解質膜の含水量が多くなる燃料電池セルに配置するのが好ましく、図２に示した本例のように、積層端部の燃料電池セルに配置するのが好ましい。 In addition, the surface pressure sensor may be disposed in any of the stacked fuel cells, but is preferably disposed in a fuel cell at a position where the electrolyte membrane is likely to be deformed. That is, it is preferable to arrange in the fuel cell in which the water content of the electrolyte membrane increases, and it is preferable to arrange in the fuel cell at the end of the stack as in this example shown in FIG.

また、本実施例では、カソード側に面圧センサーを配置する例を示しているが、アノード側に面圧センサーを配置しても良い。ただし、電解質膜の変形が起こり易い位置に置くのが好ましく、図２に示した本例のように、カソード側に配置する方が好ましい。 In this embodiment, an example is shown in which a surface pressure sensor is disposed on the cathode side, but a surface pressure sensor may be disposed on the anode side. However, it is preferable to place it at a position where the electrolyte membrane is likely to be deformed, and it is preferable to place it on the cathode side as in this example shown in FIG.

アノードガス給排系２００（図１）は、水素供給源２１０と、流量調整部２２０と、加湿調整部２３０、背圧調整バルブ２４０と、気液分離部２５０と、切換部２６０とを備える。このアノードガス給排系２００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のアノード（以下、「燃料電池１００のアノード」と略す）に、水素供給源２１０から、配管２７０ａ、流量調整部２２０、配管２７０ｂ、加湿調整部２３０、および、配管２７０ｃを介して、燃料ガスである水素をアノードガスとして供給する。この際、水素供給源２１０は、水素をシステム制御部６００からの指示に従った圧力で流量調整部２２０へ向けて送り出す。また、流量調整部２２０は、システム制御部６００からの指示に従った流量でアノードガス（水素）を燃料電池１００のアノードへ供給する。なお、水素供給源２１０としては、例えば、高圧水素が貯蔵された水素タンクと圧力調整弁を用いて構成することができる。 The anode gas supply / discharge system 200 (FIG. 1) includes a hydrogen supply source 210, a flow rate adjustment unit 220, a humidification adjustment unit 230, a back pressure adjustment valve 240, a gas-liquid separation unit 250, and a switching unit 260. This anode gas supply / discharge system 200 is connected to an anode of each fuel cell 110 constituting the fuel cell 100 (hereinafter abbreviated as “anode of the fuel cell 100”) from a hydrogen supply source 210, a pipe 270a, and a flow rate adjustment unit 220. Hydrogen, which is a fuel gas, is supplied as an anode gas through the pipe 270b, the humidification adjusting unit 230, and the pipe 270c. At this time, the hydrogen supply source 210 sends out hydrogen toward the flow rate adjustment unit 220 at a pressure according to an instruction from the system control unit 600. In addition, the flow rate adjusting unit 220 supplies anode gas (hydrogen) to the anode of the fuel cell 100 at a flow rate according to an instruction from the system control unit 600. The hydrogen supply source 210 can be configured using, for example, a hydrogen tank storing high-pressure hydrogen and a pressure regulating valve.

また、アノードガス給排系２００は、燃料電池１００のアノードから排出されたアノードオフガスを、配管２７０ｄ、背圧調整バルブ２４０、配管２７０ｅ、気液分離部２５０、配管２７０ｆ、切換部２６０、および、配管２７０ｇを介して、後述するカソードオフガスとともに、後述する排気口３６０から排出する。この際、背圧調整バルブ２４０は、システム制御部６００の動作制御部６１０からの指示に従って、バルブの開閉量を調整することにより、燃料電池１００のアノードを流れるアノードガス（水素）の圧力を調整する。また、アノードガス給排系２００は、アノードオフガスを、切換部２６０および配管２７０ｈを介して配管２７０ａに戻し、再びアノードガスとして循環させる。なお、アノードオフガスは、電気化学反応に供された後のアノードガス、すなわち、燃料ガス（水素）である。この際、気液分離部２５０は、アノードオフガスとともに排出される水分を分離する。アノードオフガスを排気口３６０から排出するか循環させるかは、システム制御部６００のステップＳ６１０からの指示に従って切換部２６０によって制御される。なお、配管２７０ｃには、圧力計２８０が接続されており、燃料電池１００のアノードに供給されるアノードガスの圧力Ｐａを計測することができ、その出力は、システム制御部６００のモニター制御部６２０に接続される。 In addition, the anode gas supply / discharge system 200 converts the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell 100 into a pipe 270d, a back pressure adjustment valve 240, a pipe 270e, a gas-liquid separation unit 250, a pipe 270f, a switching unit 260, and It discharges | emits from the exhaust port 360 mentioned later with the cathode off gas mentioned later through the piping 270g. At this time, the back pressure adjustment valve 240 adjusts the pressure of the anode gas (hydrogen) flowing through the anode of the fuel cell 100 by adjusting the opening / closing amount of the valve according to an instruction from the operation control unit 610 of the system control unit 600. To do. Further, the anode gas supply / discharge system 200 returns the anode off-gas to the pipe 270a via the switching unit 260 and the pipe 270h and circulates it again as the anode gas. The anode off gas is an anode gas after being subjected to an electrochemical reaction, that is, a fuel gas (hydrogen). At this time, the gas-liquid separation unit 250 separates moisture discharged together with the anode off gas. Whether the anode off gas is discharged from the exhaust port 360 or circulated is controlled by the switching unit 260 in accordance with an instruction from step S610 of the system control unit 600. A pressure gauge 280 is connected to the pipe 270c, and the pressure Pa of the anode gas supplied to the anode of the fuel cell 100 can be measured. The output is the monitor control unit 620 of the system control unit 600. Connected to.

カソードガス給排系３００は、吸気口３１０と、コンプレッサ３２０と、流量調整部３３０と、加湿調整部３４０と、背圧調整バルブ３５０と、排気口３６０とを備える。このカソードガス給排系３００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のカソード（以下、「燃料電池１００のカソード」と略す）に、吸気口３１０、配管３７０ａ、コンプレッサ３２０、配管３７０ｂ、流量調整部３３０、配管３７０ｃ、加湿調整部３４０、および、配管３７０ｄを介して、酸化ガスである酸素を含む空気をカソードガスとして供給する。この際、コンプレッサ３２０は、吸気口３１０から取り込む空気をシステム制御部６００の動作制御部６１０からの指示に従った圧力で流量調整部３３０へ向けて送り出す。また、流量調整部３３０は、動作制御部からの指示に従った流量でカソードガスを燃料電池１００のカソードへ供給する。 The cathode gas supply / discharge system 300 includes an intake port 310, a compressor 320, a flow rate adjustment unit 330, a humidification adjustment unit 340, a back pressure adjustment valve 350, and an exhaust port 360. The cathode gas supply / discharge system 300 is connected to the cathode of each fuel cell 110 constituting the fuel cell 100 (hereinafter, abbreviated as “cathode of the fuel cell 100”), an intake port 310, a pipe 370a, a compressor 320, a pipe 370b, Air containing oxygen, which is an oxidizing gas, is supplied as a cathode gas through the flow rate adjustment unit 330, the pipe 370c, the humidification adjustment unit 340, and the pipe 370d. At this time, the compressor 320 sends out the air taken in from the intake port 310 toward the flow rate adjustment unit 330 at a pressure according to an instruction from the operation control unit 610 of the system control unit 600. Further, the flow rate adjusting unit 330 supplies the cathode gas to the cathode of the fuel cell 100 at a flow rate according to an instruction from the operation control unit.

また、カソードガス給排系３００は、燃料電池１００のカソードから排出されたカソードオフガスを、配管３７０ｅ、背圧調整バルブ３５０、および、配管３７０ｆを介して排気口３６０から排出する。なお、配管３７０ｄには、圧力計３８０が接続されており、燃料電池１００のカソードへ供給されるカソードガスの圧力Ｐｃを計測することができ、その出力は、システム制御部６００のモニター制御部に接続される。 Further, the cathode gas supply / discharge system 300 discharges the cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell 100 from the exhaust port 360 via the pipe 370e, the back pressure adjustment valve 350, and the pipe 370f. A pressure gauge 380 is connected to the pipe 370d, and the pressure Pc of the cathode gas supplied to the cathode of the fuel cell 100 can be measured, and the output is sent to the monitor control unit of the system control unit 600. Connected.

冷却装置４００は、２つの配管４１０ａ，４１０ｂを介して燃料電池１００に接続されており、配管４１０ａを介して、冷却媒体を供給し、配管４１０ｂを介して、冷却に供された後の冷却媒体を受け取ることにより、冷却媒体を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。 The cooling device 400 is connected to the fuel cell 100 through two pipes 410a and 410b, supplies a cooling medium through the pipe 410a, and is supplied to the cooling through the pipe 410b. , The cooling medium is circulated and the fuel cell 100 is cooled. Water, air, or the like can be used as the cooling medium.

電力出力系５００は、電力出力制御部５１０と、駆動用出力回路や、補機用出力回路と、蓄電用出力回路等の図示しない回路によって動作する負荷５２０を備える。電力出力制御部５１０は、システム制御部６００の動作制御部６１０からの指示に従って、負荷５２０に対して、燃料電池１００から出力される電力を制御する。なお、負荷５２０としては、駆動用出力回路によって制御されるモーターや、補機用出力回路によって制御される燃料電池システム１０を動作させるために必要な電力、例えば、電力出力系５００やシステム制御部６００の電源、コンプレッサ、切替部、冷却装置等の種々の装置、蓄電用出力回路によって制御される蓄電池など、種々の燃料電池の電力を利用する全てのものが考えられる。 The power output system 500 includes a power output control unit 510, a drive output circuit, an auxiliary output circuit, and a load 520 that is operated by a circuit (not shown) such as a storage output circuit. The power output control unit 510 controls the power output from the fuel cell 100 to the load 520 in accordance with an instruction from the operation control unit 610 of the system control unit 600. The load 520 includes a motor controlled by the drive output circuit and power necessary for operating the fuel cell system 10 controlled by the auxiliary output circuit, for example, the power output system 500 or the system control unit. All devices using the power of various fuel cells, such as 600 power sources, compressors, switching units, various devices such as cooling devices, and storage batteries controlled by a power storage output circuit, can be considered.

システム制御部６００は、動作制御部６１０と、モニター制御部６２０と、膜状態判定部６３０と、記憶部６４０と、を備え、燃料電池システム１０の動作を制御する。動作制御部６１０は、実際に燃料電池システムの各構成要素に指示を与えて、その動作を実際に制御する機能ブロックである。モニター制御部６２０は、各構成要素からの出力を受け取り、対応する機能ブロックに受け渡す機能ブロックである。膜状態判定部６３０は、後述するように燃料電池セル１１０に含まれる電解質膜の変形の状態を判定する機能ブロックである。記憶部６４０は、６２０モニター制御部６２０が受け取った各種出力を記憶する機能ブロックであり、不揮発性のメモリが用いられる。アラーム通知部６５０は、後述するように、膜状態判定部６３０の判定結果に基づいてアラームを発生することにより、ユーザーに膜の交換時期を通知する。 The system control unit 600 includes an operation control unit 610, a monitor control unit 620, a membrane state determination unit 630, and a storage unit 640, and controls the operation of the fuel cell system 10. The operation control unit 610 is a functional block that actually gives an instruction to each component of the fuel cell system and actually controls its operation. The monitor control unit 620 is a functional block that receives an output from each component and passes it to a corresponding functional block. The membrane state determination unit 630 is a functional block that determines the deformation state of the electrolyte membrane included in the fuel cell 110 as will be described later. The storage unit 640 is a functional block that stores various outputs received by the 620 monitor control unit 620, and uses a non-volatile memory. As will be described later, the alarm notification unit 650 generates an alarm based on the determination result of the film state determination unit 630 to notify the user of the replacement time of the film.

Ａ２．膜状態判定：
まず、本例において、永久歪（膜シワ）とガスリークとの関係について試験した結果について説明する。図３は、電解質膜１１１の永久歪(膜シワ)とガスリークの増加量との関係について調べた実験結果を示す説明図である。図３は、図２（Ａ）に示した燃料電池セル１１０Ａと同様の構造を有する複数種類のモジュールを用意して、以下に示す条件にて、クロスリーク量と電解質膜の永久歪（膜シワ）との関係、また、そのときの面圧センサー１１７の状態を解析したものである。
［試験条件］
１）各モジュールについて、それぞれ乾湿サイクルを８００回行なった後の膜の永久歪（膜シワ）の数をカウントする。
２）面圧センサー１１７が配置されている上下方向１００ｍｍ左右方向１０ｍｍの中での膜シワの数をカウントする。
３）面圧センサー１１７の圧力の指示値（実際には静電容量であり、圧力はその換算値）は初期値１ＭＰａとなるようにモジュールを締結し、圧力指示値が２ＭＰａを超えた場合を面圧値上昇とする。すなわち、本例では、変形検知圧力閾値（「シワ検知閾値」とも呼ぶ）Ｐｔｈを２ＭＰａとする。 A2. Membrane status determination:
First, in this example, the result of testing the relationship between permanent set (film wrinkles) and gas leak will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the experimental results of examining the relationship between the permanent strain (film wrinkles) of the electrolyte membrane 111 and the amount of increase in gas leak. FIG. 3 shows the preparation of a plurality of types of modules having the same structure as the fuel cell 110A shown in FIG. 2A. Under the conditions shown below, the amount of cross leak and permanent deformation of the membrane (membrane wrinkle) ) And the state of the surface pressure sensor 117 at that time.
[Test conditions]
1) For each module, the number of permanent set (film wrinkles) of the film after performing 800 wet and dry cycles is counted.
2) Count the number of film wrinkles in the vertical direction 100 mm where the surface pressure sensor 117 is arranged and the horizontal direction 10 mm.
3) The module is fastened so that the indicated value of the pressure of the surface pressure sensor 117 (actually, it is a capacitance, and the pressure is the converted value) becomes the initial value of 1 MPa, and the pressure indicated value exceeds 2 MPa. Increase the contact pressure value. That is, in this example, the deformation detection pressure threshold (also referred to as “wrinkle detection threshold”) Pth is set to 2 MPa.

上記条件で複数のモジュールの膜シの数とガスリークの増加量との関係を調べた結果、図４の結果を得た。図４に示すように、膜シワの数が１０個程度を境に膜シワの数の増加に応じてガスリーク量が増加していくことがわかった。すなわち、膜シワの数が多い電解質膜ではガスリーク量が多くなる結果が得られた。これは、膜シワの部分では膜圧が薄くなってガスリークしやすくなるためであり、膜シワの数が増加することで、ガスリーク量が増加するからと考えられる。そして、膜シワの数が３０個以上では、ガスリーク量が急激に多くなる結果が得られた。膜シワの数がさらに増大すると、膜厚が薄くなるだけでなく、乾燥した状態での膜の引張応力が大きくなるために電解質膜が裂けやすくなる。このため、電解質膜が裂けた部分では発生するガスリークが急激に増加するものと考えられる。 As a result of investigating the relationship between the number of membranes of a plurality of modules and the amount of increase in gas leak under the above conditions, the result of FIG. As shown in FIG. 4, it has been found that the amount of gas leak increases as the number of film wrinkles increases with the number of film wrinkles reaching about 10. That is, in the electrolyte membrane having a large number of membrane wrinkles, a result that the amount of gas leak increases was obtained. This is because the film pressure is reduced at the film wrinkle portion and gas leak is likely to occur, and the gas leak amount is increased by increasing the number of film wrinkles. When the number of film wrinkles was 30 or more, the result that the amount of gas leak increased rapidly was obtained. As the number of film wrinkles further increases, not only the film thickness becomes thin, but also the tensile stress of the film in the dry state increases, so that the electrolyte membrane easily breaks. For this reason, it is thought that the gas leak which generate | occur | produces rapidly increases in the part to which the electrolyte membrane was torn.

また、膜シワの数と、面圧センサー１１７の圧力指示値が変形検知圧力閾値Ｐｔｈ＝２ＭＰａを超える、すなわち、面圧上昇となる面圧センサー１１７との関係を調べてみると、膜シワの数が１０個程度の場合には、面圧上昇する面圧センサー１１７の数は１０個のうち５〜６個であった。また、膜シワの数が３０個以上の場合には、面圧上昇する面圧センサー１１７の数は全て、すなわち、１０個であった。以上の結果から、膜シワによるクロスリーク発生してクロスリーク量が増大していく境界として、面圧上昇する面圧センサー１１７の数（変形検知数閾値）Ｎｔｈを本例では８個とすればよいことがわかった。すなわち、１０個の面圧センサー１１７のうち面圧上昇した（２ＭＰａ以上となった）数がＮｔｈ＝８を越えた場合に、クロスリークリークが発生して増加し、発電性能が劣化することが予想される。 Further, when the relationship between the number of membrane wrinkles and the pressure indication value of the surface pressure sensor 117 exceeds the deformation detection pressure threshold value Pth = 2 MPa, that is, the surface pressure sensor 117 that causes an increase in surface pressure, When the number was about 10, the number of the surface pressure sensors 117 that increased the surface pressure was 5 to 6 out of 10. When the number of film wrinkles was 30 or more, the number of surface pressure sensors 117 that increased the surface pressure was 10, that is, ten. From the above results, if the number of surface pressure sensors 117 that increase the surface pressure (deformation detection number threshold) Nth is 8 in this example as a boundary where the amount of cross leak due to film wrinkles occurs and the amount of cross leak increases, I found it good. That is, when the number of the surface pressure sensors 117 that have increased the surface pressure (becomes 2 MPa or more) exceeds Nth = 8, cross leak leakage occurs and the power generation performance deteriorates. is expected.

なお、上記の試験結果は本実施例に対応した結果であって、これに限定されるものではなく、膜の種類、締結条件、面圧センサーの数や配置条件、動作環境等に応じて、変形検知圧力閾値Ｐｔｈおよび変形検知数閾値Ｎｔｈは変化するものである。 In addition, the above test results are the results corresponding to the present embodiment, not limited to this, depending on the type of membrane, fastening conditions, the number and arrangement conditions of the surface pressure sensor, the operating environment, etc. The deformation detection pressure threshold value Pth and the deformation detection number threshold value Nth change.

以上説明した試験結果を基に、本例の燃料電池システム１０では、システム制御部６００の膜状態判定部６３０が、以下で説明する電解質膜の膜状態判定を実行する。図４は、膜状態判定部６３０が実行する膜状態判定の手順を示すフローチャートである。 Based on the test results described above, in the fuel cell system 10 of the present example, the membrane state determination unit 630 of the system control unit 600 performs the membrane state determination of the electrolyte membrane described below. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of film state determination performed by the film state determination unit 630.

まず、膜状態判定部６３０は、例えば、燃料電池の起動時等、発電動作を開始する前に実行するようにすれば、通常の発電動作に与える影響を低減することができる。この膜状態判定は、モニター制御部６２０から受け取られるデータを基に、動作制御部６１０を介して、燃料電池システム１０の各構成要素の動作を制御することにより、実行される。まず、暖気運転制御を実行する（ステップＳ１１０）。このとき、動作制御部６１０を介して、流量調整部２２０，３３０、コンプレッサ３２０、加湿調整部２３０，３４０、背圧調整バルブ２４０，３５０、気液分離部２５０の動作を制御することにより、燃料電池１００内に反応ガスとしてドライガスを送気し、ＭＥＡ１１３が乾燥状態となるように、膜湿度制御を実行する（ステップＳ１２０）。この乾燥状態は、通常の発電における電解質膜１１１の含水量の許容範囲よりも少なくなる状態とする。より具体的には、含水量に応じて変化する一時的収縮の影響を無視できる程度に低湿度な状態とするのが好ましい。本例では、膜湿度が３０％ＲＨ以下となるように制御することとする。なお、通常、電解質膜の直接の湿度を求めることは困難である。そこで、通常は、予め、燃料電池に供給する反応ガスの加湿温度、流量、圧力、温度等の動作条件と膜湿度との関係を実験的に求めておくことにより、これらの条件を、膜湿度が上記３０％ＲＨ以下となる動作条件で動作させることにより、設定することが可能である。 First, if the membrane state determination unit 630 is executed before starting the power generation operation, for example, when the fuel cell is started, the influence on the normal power generation operation can be reduced. This film state determination is executed by controlling the operation of each component of the fuel cell system 10 via the operation control unit 610 based on the data received from the monitor control unit 620. First, warm-up operation control is executed (step S110). At this time, by controlling the operations of the flow rate adjustment units 220 and 330, the compressor 320, the humidification adjustment units 230 and 340, the back pressure adjustment valves 240 and 350, and the gas-liquid separation unit 250 via the operation control unit 610, the fuel A dry gas is supplied as a reaction gas into the battery 100, and film humidity control is executed so that the MEA 113 is in a dry state (step S120). This dry state is a state in which the moisture content of the electrolyte membrane 111 in normal power generation is less than the allowable range. More specifically, it is preferable that the humidity is low enough to ignore the influence of temporary shrinkage that changes according to the water content. In this example, the film humidity is controlled to be 30% RH or less. Usually, it is difficult to determine the direct humidity of the electrolyte membrane. Therefore, normally, the relationship between the operating conditions such as the humidification temperature, flow rate, pressure, temperature, etc. of the reaction gas supplied to the fuel cell and the film humidity is experimentally determined in advance, so that these conditions are determined. Can be set by operating under the operating condition of 30% RH or less.

次に、面圧測定制御を実行し、モニター制御部６２０で受け取られる各面圧センサー１１７の指示値を取得し、各面圧センサー１１７の圧力を測定する（ステップＳ１３０）。そして、膜判定状態を実行する。具体的には、まず、面圧がシワ検知閾値（本発明の「変形検知圧力閾値」に相当する）Ｐｔｈを越えた値を示す面圧センサー１１７の数Ｋをカウントし（ステップＳ１４０）、カウント数Ｋがシワ検知数閾値（本発明の「変形検知数閾値」に相当する）Ｎｔｈよりも多いか少ないか判断する（ステップＳ１５０）。このとき、カウント数Ｋ＞Ｎｔｈの場合には、アラーム通知部６５０によりアラームを発生させて、永久歪（膜シワ）が増加してクロスリーク量が増加し、発電性能が劣化することが予想される時期であることをユーザーに通知する。そして、膜状態判定動作を終了する。一方、カウント数Ｋ≦Ｎｔの場合には、永久歪（膜シワ）はまだ少なく、発電性能に問題はないと判断し、膜状態判定動作を終了する。なお、本例では、図３の試験結果に基づき、Ｐｔｈ＝２ＭＰａ、Ｎｔｈ＝８個として膜状態判定動作を実行する。 Next, the surface pressure measurement control is executed, the indication value of each surface pressure sensor 117 received by the monitor control unit 620 is acquired, and the pressure of each surface pressure sensor 117 is measured (step S130). Then, the film determination state is executed. Specifically, first, the number K of surface pressure sensors 117 showing a value where the surface pressure exceeds the wrinkle detection threshold (corresponding to the “deformation detection pressure threshold” of the present invention) Pth is counted (step S140). It is determined whether the number K is larger or smaller than the wrinkle detection number threshold (corresponding to the “deformation detection number threshold” of the present invention) Nth (step S150). At this time, if the count number K> Nth, an alarm is generated by the alarm notification unit 650, and permanent distortion (film wrinkles) increases, cross leak amount increases, and power generation performance is expected to deteriorate. Notify the user that it is time. Then, the film state determination operation ends. On the other hand, when the count number K ≦ Nt, it is determined that permanent distortion (film wrinkle) is still small and there is no problem in the power generation performance, and the film state determination operation is terminated. In this example, based on the test result of FIG. 3, the film state determination operation is executed with Pth = 2 MPa and Nth = 8.

以上説明したように、本例では、燃料電池セル１１０の電解質膜１１１の面に沿って設けられている面圧センサー１１７が変形検知圧力閾値Ｐｔｈを越えた数を測定し、この数に応じて、クロスリーク量が増大し、発電性能が劣化する時期を予期することが可能である。これにより、クロスリークを測定しなくても、燃料電池１００の交換時期をユーザーに認識させることが可能である。 As described above, in this example, the number of surface pressure sensors 117 provided along the surface of the electrolyte membrane 111 of the fuel battery cell 110 exceeds the deformation detection pressure threshold value Pth is measured, and according to this number It is possible to expect a time when the amount of cross leak increases and power generation performance deteriorates. Thereby, it is possible to make the user recognize the replacement time of the fuel cell 100 without measuring the cross leak.

また、本実施例では、電解質膜の状態を乾燥状態として、電解質膜の吸水による一時的膨潤を抑制した状態で、永久歪のみの増加を検知することができる。 Further, in this example, it is possible to detect an increase in only permanent strain in a state where the electrolyte membrane is in a dry state and temporary swelling due to water absorption of the electrolyte membrane is suppressed.

また、本実施例では、面圧測定により電解質膜の永久歪（膜シワ）を検知するので、暖気運転制御および乾燥状態制御の後は、燃料電池に反応ガスを流して、発電を行なう必要が無く、燃料の無駄を低減することができる、という効果もある。 Further, in this embodiment, permanent deformation (membrane wrinkles) of the electrolyte membrane is detected by measuring the surface pressure. Therefore, after the warm-up operation control and the dry state control, it is necessary to flow the reaction gas to the fuel cell to generate power. There is also an effect that waste of fuel can be reduced.

Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図５は、第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム２０は、システム制御部６００の膜状態判定部６３０Ｂの動作が異なる点、これに応じてアラーム通知部６５０を省略し、システム制御部６００内にクロスリーク測定部６６０を備えている点が、第１実施例の燃料電池システム１０と異なっている。また、クロスリーク測定部６６０によってクロスリークの測定を実行するために、コンプレッサ３２０と流量調整部３３０との間の配管３７０ｂの中間に切換部３２５が設けられ、配管３７０ｂ２を介して窒素供給源３１５が切換部３２５に接続されている点が異なっている。そこで、本実施例では、上記相違点についてのみ説明を加えることとする。 B. Second embodiment:
B1. System configuration:
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system as a second embodiment. In this fuel cell system 20, the operation of the membrane state determination unit 630B of the system control unit 600 is different, and accordingly, the alarm notification unit 650 is omitted, and the system control unit 600 includes a cross leak measurement unit 660. This is different from the fuel cell system 10 of the first embodiment. In addition, in order to perform cross leak measurement by the cross leak measurement unit 660, a switching unit 325 is provided in the middle of the pipe 370b between the compressor 320 and the flow rate adjustment unit 330, and the nitrogen supply source 315 is provided via the pipe 370b2. Is connected to the switching unit 325. Therefore, in this embodiment, only the differences will be described.

窒素供給源３１５としては、例えば、高圧窒素が貯蔵された窒素タンクと圧力調整弁を用いて構成することができる。そして、後述するように、クロスリーク測定部６６０によってクロスリークを測定する際には、流量調整部３３０に対して、窒素供給源３１５に接続される配管３７０ｂ２が接続されるように、動作制御部６１０からの指示に従って切換部３２５が切り換えられ、燃料電池１００のカソードガスとして不活性ガスである窒素が供給される。 The nitrogen supply source 315 can be configured using, for example, a nitrogen tank in which high-pressure nitrogen is stored and a pressure adjustment valve. As will be described later, when the cross leak measurement unit 660 measures the cross leak, the operation control unit is connected to the flow rate adjustment unit 330 so that the pipe 370b2 connected to the nitrogen supply source 315 is connected. Switching unit 325 is switched in accordance with an instruction from 610, and nitrogen, which is an inert gas, is supplied as the cathode gas of fuel cell 100.

Ｂ２．膜状態判定：
図６は、膜状態判定部６３０Ｂが実行する膜状態膜状態判定の手順を示すフローチャートである。図４に示した第１実施例における膜状態判定の手順と同様に、暖気運転制御（ステップＳ１１０）、膜湿度制御（ステップＳ１２０を実行後、面圧測定制御を実行し、モニター制御部６２０で受け取られる各面圧センサー１１７の指示値を取得し、各面圧センサー１１７の圧力を測定する（ステップＳ１３０）。そして、膜判定状態を実行し、面圧がシワ検知閾値Ｐｔｈを越えた値を示す面圧センサー１１７の数Ｋをカウントし（ステップＳ１４０）、カウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈよりも多いか少ないか判断する（ステップＳ１５０）。このとき、カウント数Ｋ＞Ｎｔｈの場合には、永久歪（膜シワ）が増加してクロスリーク量が増加し、発電性能が劣化することが予想される時期であると判断できるので、クロスリーク測定部６６０が実行するクロスリークの測定頻度の設定を増加させる(ステップＳ１６０Ｂ)。そして、膜状態判定動作を終了する。一方、カウント数Ｋ≦Ｎｔの場合には、永久歪（膜シワ）はまだ少なく、発電性能に問題はないと判断し、そのまま膜状態判定動作を終了する。なお、本例においても、図３の試験結果に基づき、Ｐｔｈ＝２ＭＰａ、Ｎｔｈ＝８個として膜状態判定動作を実行する。 B2. Membrane status determination:
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure of film state film state determination executed by the film state determination unit 630B. Similar to the procedure for determining the film state in the first embodiment shown in FIG. 4, the warm-up operation control (step S110) and the film humidity control (after executing step S120, the surface pressure measurement control is executed, and the monitor control unit 620 The received indication value of each surface pressure sensor 117 is acquired, and the pressure of each surface pressure sensor 117 is measured (step S130), and the film determination state is executed, and the value where the surface pressure exceeds the wrinkle detection threshold Pth is obtained. The number K of the surface pressure sensors 117 shown is counted (step S140), and it is determined whether the count number K is larger or smaller than the wrinkle detection number threshold Nth (step S150). Since it can be determined that the permanent strain (film wrinkles) increases and the amount of cross leak increases, and the power generation performance is expected to deteriorate, the cross leak measuring unit 66 Is increased (step S160B), and the film state determination operation is terminated, whereas when the count number K ≦ Nt, the permanent distortion (film wrinkle) is still small, It is determined that there is no problem in the power generation performance, and the film state determination operation is terminated as it is.In this example, the film state determination operation is executed with Pth = 2 MPa and Nth = 8 based on the test result of FIG. .

クロスリーク測定部６６０によるクロスリーク測定は、燃料電池セル１１０のセル電位の変化を測定することにより簡単に測定することができる。なお、セル電位を測定することによりクロスリーク量を測定する方法は、本願の出願人によって特許公報第４２２２０１９号に開示されているので、ここではその説明を省略する。 The cross leak measurement by the cross leak measurement unit 660 can be easily measured by measuring the change in the cell potential of the fuel cell 110. A method for measuring the amount of cross leak by measuring the cell potential is disclosed in Japanese Patent No. 4222019 by the applicant of the present application, and the description thereof is omitted here.

本実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池セル１１０の電解質膜１１１の面に沿って設けられている面圧センサー１１７が変形検知圧力閾値Ｐｔｈを越えた数を測定し、この数に応じて、クロスリーク量が増大し、発電性能が劣化する時期を予期することが可能である。 Also in this embodiment, as in the first embodiment, the number of surface pressure sensors 117 provided along the surface of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 110 exceeds the deformation detection pressure threshold value Pth. Depending on the number, it is possible to expect a time when the amount of cross leak increases and the power generation performance deteriorates.

さらにまた、本実施例では、面圧測定により電解質膜の永久歪（膜シワ）を検知するので、暖気運転制御および乾燥状態制御の後は、燃料電池に反応ガスを流して、発電を行なう必要が無く、燃料の無駄を低減することができる、という効果もある。 Furthermore, in this embodiment, since permanent deformation (membrane wrinkles) of the electrolyte membrane is detected by measuring the surface pressure, it is necessary to generate power by supplying a reaction gas to the fuel cell after the warm-up operation control and the dry state control. There is also an effect that waste of fuel can be reduced.

また、本実施例では、特に、シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合に、クロスリーク量の測定頻度を増加させることにより、クロスリーク量の増加の状況をより詳細に測定することができるので、発電性能の劣化により燃料電池１００を交換すべき時期をより精度よく判断することが可能となる。 Further, in the present embodiment, in particular, when the count number K of the surface pressure sensor 117 exceeding the wrinkle detection threshold Pth exceeds the wrinkle detection number threshold Nth, the cross leak amount is increased, thereby increasing the cross leak amount. Since the increase in the amount can be measured in more detail, it is possible to more accurately determine when to replace the fuel cell 100 due to the deterioration of the power generation performance.

また、逆に、カウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを超えるまでの間におけるクロスリークの測定の必要性は低いと言える。そこで、カウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを超えるまでの間における無駄なクロスリークの測定頻度を低減させることができ、ユーザーの利便性を向上させることができる。 On the other hand, it can be said that the necessity of measuring the cross leak until the count number K exceeds the wrinkle detection number threshold value Nth is low. Therefore, it is possible to reduce the frequency of useless cross leak measurement until the count number K exceeds the wrinkle detection number threshold value Nth, and it is possible to improve user convenience.

なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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る。 In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in each of the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.

例えば、上記実施例では、燃料電池１００を構成する複数の燃料電池セル１１０のうち、積層端部に設けられた燃料電池セル１１０Ａにのみ面圧センサーを備える構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、複数の燃料電池セルのうち、例えば、積層両端と積層中心の３箇所に設けるようにしてもよく、全ての燃料電池セルに設けるようにしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the surface pressure sensor is provided only in the fuel cell 110 A provided at the stacked end portion among the plurality of fuel cells 110 configuring the fuel cell 100 is described as an example. It is not limited, For example, you may make it provide in three places of lamination | stacking both ends and lamination | stacking center among several fuel battery cells, and you may make it provide in all the fuel battery cells.

また、上記第１実施例は、シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合に、ユーザーにアラームを通知する場合を例に説明した。さらにまた、第２実施例では、シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合に、クロスリークの測定頻度を増加させる場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。シワ検知閾値Ｐｔｈを超えた面圧センサー１１７のカウント数Ｋがシワ検知数閾値Ｎｔｈを越えた場合には、電解質膜の永久歪が増加して、クロスリーク量が増大することが予期される時期であることが少なくとも検出できることが重要であり、これを検知すれば、上記実施例以外にもいろいろな制御のトリガーとすることが可能である。 In the first embodiment, the case where the user is notified of an alarm when the count number K of the surface pressure sensor 117 exceeding the wrinkle detection threshold value Pth exceeds the wrinkle detection number threshold value Nth has been described as an example. Furthermore, in the second embodiment, the case where the cross leak measurement frequency is increased when the count number K of the surface pressure sensor 117 exceeding the wrinkle detection threshold value Pth exceeds the wrinkle detection number threshold value Nth has been described as an example. . However, the present invention is not limited to this. When the count number K of the surface pressure sensor 117 that exceeds the wrinkle detection threshold value Pth exceeds the wrinkle detection number threshold value Nth, the permanent distortion of the electrolyte membrane increases and the amount of cross leak is expected to increase. It is important that at least that it can be detected, and if this is detected, various control triggers other than the above-described embodiment can be used.

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル
１１０Ａ…燃料電池セル
１１１…電解質膜
１１４ａ…ガス拡散層
１１４ｃ…ガス拡散層
１１５ａ…ガス流路部
１１５ｃ…ガス流路部
１１６…セパレータ
１１７…面圧センサー
１２０…セル電圧モニター
１７０…面圧センサー
２００…アノードガス給排系
２１０…水素供給源
２２０…流量調整部
２３０…加湿調整部
２４０…背圧調整バルブ
２５０…気液分離部
２６０…切換部
２７０ａ…配管
２７０ｂ…配管
２７０ｃ…配管
２７０ｄ…配管
２７０ｅ…配管
２７０ｆ…配管
２７０ｇ…配管
２７０ｈ…配管
２８０…圧力計
３００…カソードガス給排系
３１０…吸気口
３１５…窒素供給源
３２０…コンプレッサ
３２５…切換部
３３０…流量調整部
３４０…加湿調整部
３５０…背圧調整バルブ
３６０…排気口
３７０ａ…配管
３７０ｂ…配管
３７０ｃ…配管
３７０ｄ…配管
３７０ｅ…配管
３７０ｆ…配管
３７０ｂ２…配管
３８０…圧力計
４００…冷却装置
４１０ａ…配管
４１０ｂ…配管
５００…電力出力系
５１０…電力出力制御部
５２０…負荷
６００…システム制御部
６１０…動作制御部
６２０…モニター制御部
６３０…膜状態判定部
６３０Ｂ…膜状態判定部
６４０…記憶部
６５０…アラーム通知部
６６０…クロスリーク測定部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell system 100 ... Fuel cell 110 ... Fuel cell 110A ... Fuel cell 111 ... Electrolyte membrane 114a ... Gas diffusion layer 114c ... Gas diffusion layer 115a ... Gas channel part 115c ... Gas channel part DESCRIPTION OF SYMBOLS 116 ... Separator 117 ... Surface pressure sensor 120 ... Cell voltage monitor 170 ... Surface pressure sensor 200 ... Anode gas supply / discharge system 210 ... Hydrogen supply source 220 ... Flow rate adjustment part 230 ... Humidification adjustment part 240 ... Back pressure adjustment valve 250 ... Gas-liquid Separator 260 ... Switching unit 270a ... Pipe 270b ... Pipe 270c ... Pipe 270d ... Pipe 270e ... Pipe 270f ... Pipe 270g ... Pipe 280 ... Pressure gauge 300 ... Cathode gas supply / discharge system 310 ... Intake port 315 ... Nitrogen supply source 320 ... Compressor 325 ... Switching unit 330 ... Flow Adjustment unit 340 ... Humidification adjustment unit 350 ... Back pressure adjustment valve 360 ... Exhaust port 370a ... Pipe 370b ... Pipe 370c ... Pipe 370d ... Pipe 370e ... Pipe 370f ... Pipe 370b2 ... Pipe 380 ... Pressure gauge 400 ... Cooling device 410a ... Pipe 410b ... Piping 500 ... Power output system 510 ... Power output control unit 520 ... Load 600 ... System control unit 610 ... Operation control unit 620 ... Monitor control unit 630 ... Membrane state determination unit 630B ... Membrane state determination unit 640 ... Storage unit 650 ... Alarm Notification unit 660 ... Cross leak measurement unit

Claims

A fuel cell system,
A fuel cell having a fuel cell using an electrolyte membrane;
A membrane humidity adjusting unit for adjusting the humidity of the electrolyte membrane;
A surface pressure measurement unit that measures the surface pressure of the electrolyte membrane that changes according to deformation of the electrolyte membrane;
In the measurement of the surface pressure, after operating the membrane humidity adjustment unit so that the humidity of the electrolyte membrane is lower than the allowable range during normal power generation operation, the surface pressure measurement unit A fuel cell system comprising: a membrane state determination unit that measures a surface pressure of the electrolyte membrane via the surface and determines a state of deformation of the electrolyte membrane based on a measurement result of the surface pressure of the electrolyte membrane. .

The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel battery cell is
Two catalyst electrodes formed across the electrolyte membrane;
Two gas diffusion layers formed on the surfaces of the two catalyst electrodes;
Two gas flow paths formed on the surfaces of the two gas diffusion layers,
The surface pressure measurement unit includes a plurality of surface pressures provided on either the gas diffusion layer side or the gas flow channel side between the gas diffusion layer and the gas flow channel. A fuel cell system comprising a sensor.

The fuel cell system according to claim 2, wherein
The membrane state determination unit presets the number of the surface pressure sensors that indicate an indication value that exceeds a preset deformation detection pressure threshold as the number that is estimated that the electrolyte membrane is in an excessively deformed state. A fuel cell system, wherein the state of the electrolyte membrane is determined based on whether or not a deformation detection threshold value is exceeded.

A fuel cell system according to claim 2 or claim 3, wherein
The fuel cell system, wherein the fuel cell including the surface pressure sensor is a fuel cell at a stacked end of a plurality of fuel cells.

The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein
A cross-leak measuring unit for measuring a cross-leak amount of the reaction gas generated in the electrolyte membrane,
In the measurement of the cross leak amount, when the number of the surface pressure sensors exceeds the reference threshold, the film state determination unit determines the frequency of the cross leak measurement performed by the cross leak measurement unit. A fuel cell system characterized by being increased in measurement.

A fuel cell having a fuel cell using an electrolyte membrane, a membrane humidity adjusting unit for adjusting the humidity of the electrolyte membrane, and a surface pressure measurement for measuring a surface pressure of the electrolyte membrane that changes according to deformation of the electrolyte membrane A determination method for determining a state of deformation of the electrolyte membrane in a fuel cell system comprising:
In the measurement of the surface pressure, after operating the membrane humidity adjustment unit so that the humidity of the electrolyte membrane is lower than the allowable range during normal power generation operation, the surface pressure measurement unit And determining a deformation state of the electrolyte membrane based on a measurement result of the surface pressure of the electrolyte membrane.