專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括固態(tài)高分子電解質型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及在無加濕條件下運行的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)在高溫運行時也可避免燃料電池內部的干燥狀態(tài)從而可穩(wěn)定地發(fā)電。
背景技術：
燃料電池通過向彼此電連接的兩個電極供應燃料和氧化劑以弓I起燃料的電化學氧化，來將化學能直接轉化成電能。與火力發(fā)電不同，燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，顯示出了很高的能量轉換效率。燃料電池通常層疊多個單電池構成，單電池將用ー對電極夾持電解質膜的膜-電極接合體作為基本結構。其中，使用固態(tài)高分子電解質膜作為電解質膜的固態(tài)高分子電解質型燃料電池由于具有容易小型化、低溫工作等優(yōu)點而作為便攜電源、移動電源備受關注。在固態(tài)高分子電解質型燃料電池中，當將氫作為燃料時，在陽極電極進行式(A)的反應。H2 — 2H.+2e-…(A)在所述式(A)中產(chǎn)生的電子經(jīng)由外部回路在外部負荷中工作之后到達至陰極電極(氧化劑電極)。并且，在所述式(A)中產(chǎn)生的質子以與水結合的狀態(tài)在固態(tài)高分子電解質內通過電滲透從陽極電極側向陰極電極側移動。此外，當將氧作為氧化劑時，在陰極電極進行式⑶的反應。2H++(l/2)02+2e-— H2O …(B)在陰極電極產(chǎn)生的水經(jīng)由氣體流路等被排出到外部。如此，燃料電池是沒有水以外的排出物的清潔的發(fā)電裝置。在固態(tài)高分子電解質型燃料電池中，根據(jù)電解質膜和電極內的水分量，其發(fā)電性能受很大影響。即，如果作為排出物的水分過多，則在燃料電池內凝聚的水會堵塞電極內的空隙甚至氣體流路，阻礙反應氣體(燃料氣體和氧化劑氣體)的供應，從而用于發(fā)電的反應氣體不能充分遍布到電極，產(chǎn)生濃度過電壓増大、燃料電池的輸出和發(fā)電效率降低的問題。另ー方面，如果燃料電池內的水分不足，從而電解質膜和電極干燥，則電解質膜和電極內的質子(H+)的傳導性降低，其結果是，產(chǎn)生電阻過電壓増大、燃料電池的輸出和發(fā)電效率降低的問題。此外，在固態(tài)高分子電解質型燃料電池中，會在電解質膜的平面方向(即，電極的平面方向)上發(fā)生水的不均勻分布，即水不均勻地分布在電解質膜的平面方向上。其結果是，在電解質膜的平面方向上產(chǎn)生發(fā)電量的不均勻分布，導致水的分布進ー步不均勻，進而導致燃料電池的輸出和發(fā)電效率下降。如上所述，在固態(tài)高分子電解質型燃料電池中，為了實現(xiàn)高輸出和高發(fā)電效率，恰當?shù)乃止芾硎欠浅Ｖ匾?。為了避免水分不足、尤其所謂的枯竭(dry-up)，雖然也提出了供應經(jīng)加濕的反應氣體的建議，但在此情況下，更容易產(chǎn)生上面所述的由于水分過多而引起的問題。此外，由于搭載加濕器，例如會導致產(chǎn)生燃料電池規(guī)模變大和系統(tǒng)變復雜等的問題。因此，人們嘗試在不對反應氣體進行加濕的無加濕條件下，適當管理燃料電池的含水狀態(tài)來獲得穩(wěn)定的發(fā)電性能。例如，在專利文獻I中公開了ー種在無加濕條件和/或高溫條件下運行的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于燃料電池的電阻值、電壓、氧化劑氣體的壓カ損失中的一者來判定氧化劑氣體流路入ロ附近的干燥狀態(tài)，并基于該判定來控制燃料氣體的流量或燃料氣體的壓力，由此防止燃料電池的平面內水分分布的產(chǎn)生。此外，作為管理燃料電池內的含水狀態(tài)的技術，例如在專利文獻2中公開了ー種燃料電池系統(tǒng)，包括電流傳感器，測定燃料電池的輸出電流值；電壓傳感器，測定燃料電池的輸出電壓；以及存儲部，存儲所述輸出電壓值與所述輸出電流值的關系，所述關系成為 燃料電池的運行狀態(tài)為最佳運行狀態(tài)時的基準；所述燃料電池系統(tǒng)從所述存儲部中讀出與由所述電流傳感器測定的測定電流值對應的最佳電壓值，并在讀出的所述最佳電壓值與由所述電壓傳感器測定的測定電壓值之差大于預先設定的閾值時，判定為燃料電池的水分狀態(tài)為干燥狀態(tài)。此外，在專利文獻3中公開了ー種燃料電池系統(tǒng)，其包括在燃料電池的多個測量位置測量電壓的測量裝置，并且基于從測得的電壓中在不同測量位置測得的電壓之差估計的所述多個測量位置之間的含水量之差來估計燃料電池的水分的不均勻分布。此外，在專利文獻4中公開了ー種燃料電池系統(tǒng)，其從燃料電池的電壓的時序變化，基于與負荷的過度增加對應的電壓的下降幅度來判定是否具備用于進行燃料電池的含水狀態(tài)判定的執(zhí)行條件，并在判定為具有該執(zhí)行條件時，基于所述電壓的下降幅度和電阻的時序變化來判定燃料電池的含水狀態(tài)。在先技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專利文獻特開2009-259758號公報專利文獻2 :日本專利文獻特開2010-114039號公報專利文獻3 :日本專利文獻特開2009-193817號公報專利文獻4 :日本專利文獻特開2009-117066號公報

發(fā)明內容
發(fā)明要解決的問題但是，在以往的燃料電池中的水分管理技術中，無法充分避免燃料電池內干燥狀態(tài)的發(fā)生。例如，專利文獻I所述的技術雖能夠抑制在無加濕條件和高溫條件下容易發(fā)生的氧化劑氣體流路的入口附近處的枯竭，但由于進行基于檢測到的燃料電池的電壓、電阻或壓カ損失來控制燃料氣體的流量或壓カ的反饋控制，因此燃料電池內部可能暫時變成干燥狀態(tài)。一旦電解質膜或電極變成干燥狀態(tài)(枯竭)，就存在以下問題需花費時間變回最佳的含水狀態(tài)，即需花費時間來恢復發(fā)電性能，并且加速變成干燥狀態(tài)的電解質膜或電極的材料劣化。從而，應避免燃料電池內發(fā)生枯竭，就算是暫時的枯竭也不行。本發(fā)明就是鑒于上述實際問題而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種避免發(fā)生燃料電池內的枯竭、尤其避免發(fā)生氧化劑氣體流路入口附近的枯竭的燃料電池系統(tǒng)。用于解決問題的手段本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)在無加濕條件下運行，并且包括燃料電池，所述燃料電池具有高分子電解質膜，其被夾在陽極電極和陰極電極之間；燃料氣體流路，其面向所述陽極電極配置，用于對所述陽極電極供應至少含有燃料成分的燃料氣體；以及氧化劑氣體流路，其面向所述陰極電極配置，用于對所述陰極電極供應至少含有氧化劑成分的氧化劑氣體；
所述燃料電池系統(tǒng)的特征在干，所述燃料氣體流路中的所述燃料氣體的流動方向和所述氧化劑氣體流路中的所述氧化劑氣體的流動方向彼此相對，所述燃料電池系統(tǒng)包括濕潤狀態(tài)控制裝置，所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向比作為目標的目標濕潤狀態(tài)低的低濕潤狀態(tài)側變化后，再從所述低濕潤狀態(tài)向所述目標濕潤狀態(tài)變化。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，可避免氧化劑氣體流路入口變成枯竭狀態(tài)，并可恰當?shù)乜刂迫剂想姵氐碾娊赓|膜的面方向上的水分含量，以使在該面方向上進行均勻的發(fā)電。所述濕潤狀態(tài)控制裝置能夠在為了使所述濕潤狀態(tài)向所述低濕潤狀態(tài)側變化而使所述燃料氣體的流量和/或壓カ變化了預定量之后，為了進一歩使所述濕潤狀態(tài)向所述低濕潤狀態(tài)側變化，基于由所述預定量的變化引起的預定的參數(shù)的變化量來使所述燃料氣體的流量和/或壓カ變化預定量。所述濕潤狀態(tài)控制裝置能夠使所述燃料氣體的流量先向比作為目標的目標燃料氣體流量高的高燃料氣體流量側增加后，再從所述高燃料氣體流量下降到所述目標燃料氣體流量。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，所述目標燃料氣體流量也可以是根據(jù)所述燃料電池的電壓與所述燃料電池的預定溫度下的所述燃料氣體的流量和/或壓カ之間的相關關系而預先獲得的。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以包括電壓測定裝置，所述電壓測定裝置測定所述燃料電池的電壓，并且如果由所述電壓測定裝置判定出所述燃料電池的電壓已達到目標電壓，則所述濕潤狀態(tài)控制裝置結束下述處理控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述濕潤狀態(tài)從所述低濕潤狀態(tài)變化到所述目標濕潤狀態(tài)。此外，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以包括電壓測定裝置，所述電壓測定裝置測定所述燃料電池的電壓，并且所述濕潤狀態(tài)控制裝置具有計算部，所述計算部基于由所述電壓測定裝置測定的燃料電池的電壓，來計算所述燃料電池的電壓的變化量相對于通過所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制的所述燃料氣體的流量或壓カ的變化量的比例，所述濕潤狀態(tài)控制裝置重復進行使所述濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)向所述低濕潤狀態(tài)側變化的對所述燃料氣體的流量和/或壓カ的控制，直到所述比例進入預定范圍內。所述濕潤狀態(tài)控制裝置能夠控制所述燃料氣體的流量和/或壓カ，以使所述燃料氣體流路的出口處的水蒸氣量先向比作為目標的目標燃料氣體出ロ水蒸氣量多的多燃料氣體出ロ水蒸氣量側變化后，再從所述多燃料氣體出ロ水蒸氣量下降到所述目標燃料氣體出口水蒸氣量。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，所述目標燃料氣體出口水蒸氣量也可以是預先根據(jù)所述燃料電池的電壓與所述燃料電池的預定溫度下的所述燃料氣體的流量和/或壓カ之間的相關關系而預先獲得的。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以包括水蒸氣量測定裝置，所述水蒸氣量測定裝置測定所述燃料氣體流路出ロ處的水蒸氣量，并且如果由所述水蒸氣量測定裝置判定出所述燃料氣體流路出口處的水蒸氣量已從所述多燃料氣體出口水蒸氣量變化到所述目標燃料氣體出口水蒸氣量，則所述濕潤狀態(tài)控制裝置結束控制所述燃料氣體的流量和/或壓カ的處理。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，所述濕潤狀態(tài)控制裝置在所述燃料電池的溫度達到700C以上時開始所述燃料氣體的流量和/或壓カ的控制。根據(jù)本發(fā)明，即使在70°C以上這樣的容易發(fā)生枯竭的溫度條件下，也可將燃料電池的濕潤狀態(tài)保持最佳。發(fā)明效果通過本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)在實現(xiàn)高電壓的同時可靠地防止了枯竭的發(fā)生，從而即使在高溫條件下運行也顯示出穩(wěn)定的發(fā)電性能。


圖I是示出燃料氣體平均流路與燃料電池的電壓及燃料電池電阻之間的關系的曲線圖；圖2是示出燃料氣體出ロ水蒸氣量與燃料氣體平均流路之間的關系的曲線圖；圖3是示出本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施方式例100的圖；圖4是示出本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中的單電池的結構例的截面圖；圖5是示出燃料電池系統(tǒng)100中的濕潤狀態(tài)控制裝置的控制流程例的圖；圖6是用于說明圖5所示控制流程中的Ic1以及k2的設定方法的圖；圖7是示出示出本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施方式例101的圖；圖8是示出燃料電池系統(tǒng)101中的濕潤狀態(tài)控制裝置的控制流程例的圖。
具體實施例方式本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是ー種燃料電池系統(tǒng)，其在無加濕條件下運行，并且所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，所述燃料電池具有高分子電解質膜，其被夾在陽極電極和陰極電極之間；燃料氣體流路，其面向所述陽極電極配置，用于對所述陽極電極供應至少含有燃料成分的燃料氣體；以及氧化劑氣體流路，其面向所述陰極電極配置，用于對所述陰極電極供應至少含有、氧化劑成分的氧化劑氣體；所述燃料電池系統(tǒng)的特征在干，所述燃料氣體流路中的所述燃料氣體的流動方向和所述氧化劑氣體流路中的所述氧化劑氣體的流動方向彼此相對，所述燃料電池系統(tǒng)包括濕潤狀態(tài)控制裝置，所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向比作為目標的目標濕潤狀態(tài)低的低濕潤狀態(tài)側變化后，再從所述低濕潤狀態(tài)向所述目標濕潤狀態(tài)變化。對于燃料氣體流路中的燃料氣體和所述氧化劑氣體流路中的氧化劑氣體的流動方向彼此相対的所謂逆流式的燃料電池，本發(fā)明人對進行無加濕條件運行并使燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量(以下有時稱為燃料氣體平均流量)變化了時的燃料電池的電壓和電阻值進行測定，并且測定流經(jīng)燃料氣體流路的出ロ的燃料氣體中包含的水蒸氣量(以下有時稱為燃料氣體出ロ水蒸氣量)，得到了圖I和圖2所示的結果。圖I是示出燃料·氣體平均流量與燃料電池的電壓以及電流之間的關系的圖，圖2是示出燃料氣體平均流量與燃料氣體平均流量之間的關系的圖，圖I和圖2中的狀態(tài)I 3相對應，在狀態(tài)I 3中，觀察到了以下所述的燃料氣體出口水蒸氣量與燃料電池電壓以及電阻值之間的關系。即，當從燃料氣體流路出ロ排出的水蒸氣量非常少時，燃料電池的電壓變低(狀態(tài)I)。如此，燃料氣體出口水蒸氣量非常少的狀態(tài)是在燃料電池的電解質膜的面方向(即，是指電極的面方向，并且是與電解質膜與電極的層疊方向垂直的方向)上氧化劑氣體流路入口附近的區(qū)域(即，燃料氣體流路出口附近的區(qū)域)處于干燥的狀態(tài)，在該區(qū)域不進行發(fā)電，發(fā)電集中在氧化劑氣體流路出口附近的區(qū)域(即，燃料氣體流路入口附近的區(qū)域)進行。此時，認為陽極電極側的水蒸氣為了補充陰極電極側的干燥而向干燥狀態(tài)的陰極電極側移動，因此燃料氣體出ロ水蒸氣變少。此外，在氧化劑氣體流路入口附近的區(qū)域，電阻過電壓由于干燥變大，另一方面，在氧化劑氣體流路出口附近的區(qū)域，濃度過電壓由于氧化劑成分的濃度下降而變大，因此燃料電池的電壓變低。另ー方面，當從燃料氣體流路出ロ排出少許水蒸氣時，燃料電池的電壓變高(狀態(tài)2)。如此有少許水蒸氣排出的狀態(tài)是在燃料電池的上述面方向上含水狀態(tài)均勻且良好的狀態(tài)，在面內進行均勻的發(fā)電，濃度過電壓下降，進而氧化劑氣體流路出口附近的區(qū)域處的電阻過電壓也下降，因此可得到高電壓。此外，當從燃料氣體流路出口排出的水蒸氣量很多時，燃料電池的電壓變低(狀態(tài)3)。在如此燃料氣體出ロ水蒸氣量很多的狀態(tài)下，燃料電池的上述面方向上的氧化劑氣體流路入口附近區(qū)域處于足夠濕潤的狀態(tài)，并且氧化劑成分的濃度被充分保證，因此發(fā)電集中進行。另ー方面，在燃料氣體流路入口附近的區(qū)域(即，氧化劑氣體流路出口附近的區(qū)域)，由于水分通過燃料氣體帶被到燃料氣體流路出ロ側而變得干燥并且氧化劑成分濃度也低，因此電阻過電壓和濃度過電壓雙方均増大，在面內得不到均勻的發(fā)電分布，燃料電池的電壓變低。
0032本發(fā)明人基于上述結果，發(fā)現(xiàn)了如下情況在逆流式燃料電池在無加濕條件下運行的情況下，當在預定溫度條件下為了獲得峰值電壓而對燃料氣體的流量和/或壓カ進行驅動控制時，通過如下控制燃料氣體和/或壓力，可得到事先防止了枯竭、尤其氧化劑氣體流路的入口區(qū)域處的枯竭、并顯示出為穩(wěn)定且高的輸出的燃料電池系統(tǒng)。S卩，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)控制燃料電池的流量和/或壓力，以使燃料氣體流路的入ロ區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向比作為目標的目標濕潤狀態(tài)低的低濕潤狀態(tài)側變化后，再從所述低濕潤狀態(tài)向所述目標濕潤狀態(tài)變化。在本發(fā)明中，燃料氣體流路的入ロ區(qū)域的目標濕潤狀態(tài)是在預定的溫度條件下可得到峰值電壓時的燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)，為了得 到峰值電壓，以該目標濕潤狀態(tài)為目標來控制燃料氣體的流量和/或壓力。這里，目標濕潤狀態(tài)即存在僅指可得到峰值電壓的某一點濕潤狀態(tài)的情況，也存在指可得到峰值電壓的具有寬度的范圍的情況。例如，在圖I中，能夠設定狀態(tài)2作為目標濕潤狀態(tài)。當朝著可得到峰值電壓的目標濕潤狀態(tài)進行驅動控制吋，作為濕潤狀態(tài)變化的路徑，例如在圖I中有從狀態(tài)I向狀態(tài)2變化的路徑、以及從狀態(tài)3向狀態(tài)2變化的路徑。如上所述，狀態(tài)I是氧化劑氣體流路的入ロ區(qū)域處于干燥或者容易干燥的狀態(tài)。當逆流式燃料電池進行無加濕運行吋，氧化劑氣體流路的入ロ區(qū)域一旦變成枯竭狀態(tài)，那么想要再次恢復到顯示出良好的發(fā)電性能的濕潤狀態(tài)將需要時間，或者不會恢復到顯示出良好的發(fā)電性能的濕潤狀態(tài)。這是因為氧化劑氣體流路的入口區(qū)域處的水蒸氣的供應通過陰極電極反應中所生成的水分難以獲得加濕效果。此外，氧化劑氣體流路的入口區(qū)域隔著電解質膜而與燃料氣體流路的出ロ區(qū)域相対。在燃料氣體從燃料氣體流路的上游側向下游側流動的期間，由于從電解質膜和陽極電極被供應至燃料氣體的水蒸氣量少，因此燃料氣體流路的出口區(qū)域，從燃料氣體被供應至電解質膜和陽極電極的水蒸氣供應量少。從而，即便改變燃料氣體的壓カ和/或流量，曾變干燥的氧化劑氣體流路的入口區(qū)域也難以恢復到濕潤狀態(tài)，其結果是，發(fā)電性能也長時間難以恢復。另ー方面，狀態(tài)3是燃料氣體流路的入口區(qū)域處于干燥或者容易干燥的狀態(tài)。在逆流式燃料電池中，燃料氣體流路的入ロ區(qū)域隔著電解質膜而與氧化劑氣體流路的出ロ區(qū)域相対。氧化劑氣體被陰極電極反應的生成水加濕，因此氧化劑氣體流路的出口區(qū)域處的水蒸氣量很多。因此，通過改變燃料氣體的流量和/或壓カ，燃料氣體流路的入ロ區(qū)域的干燥狀態(tài)與氧化劑氣體流路的入口區(qū)域的干燥相比可快速得到改善或消除，發(fā)電性能的恢復也快。因此，在本發(fā)明中，將燃料氣體流路入ロ區(qū)域的濕潤狀態(tài)作為基準并且不是在從狀態(tài)I向狀態(tài)2變化的路徑而是在從狀態(tài)3向狀態(tài)2變化的路徑中朝著目標濕潤狀態(tài)對燃料電池內的濕潤狀態(tài)進行驅動控制。由此，能夠防止氧化劑氣體流路的入ロ區(qū)域變干燥，能夠使發(fā)電性能穩(wěn)定。而且，由于抑制了電解質膜的干燥，因此電解質膜的脹縮比變小，能夠抑制由脹縮引起的電解質膜和電極等的劣化。從而，能夠還能夠提高燃料電池的發(fā)電耐久性。以下，參考附圖對本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)進行說明。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的用途不特別限定，例如可用作對作為移動體的車輛、船舶等的驅動裝置供應電カ的供電源及其他各種裝置的供電源。 此外，在本發(fā)明中，燃料氣體是指含燃料成分、并且流經(jīng)燃料電池內的燃料氣體流路的氣體，也可以含有燃料成分以外的成分(例如，水蒸氣或氮氣等)。此外，氧化劑氣體是指含氧化劑成分、并且流經(jīng)燃料電池內的氧化劑氣體流路的氣體，也可以含有氧化劑成分以外的成分(例如，水蒸氣或氮氣等)。有時將燃料氣體和氧化劑氣體統(tǒng)稱為反應氣體。圖3示出了燃料電池系統(tǒng)100，該燃料電池系統(tǒng)100是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施方式例。燃料電池系統(tǒng)100至少包括燃料電池1，該燃料電池I接受反應氣體的供應來進行發(fā)電；燃料氣體配管系統(tǒng)2 ;氧化劑氣體配管系統(tǒng)(沒有圖示)、以及控制部3，該控制部3對系統(tǒng)進行總控制。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有氧化劑氣體配管系統(tǒng)，該氧化劑氣體配管系統(tǒng)向燃料電池供應氧化劑氣體，并從燃料氣體排出含有沒有反應的氧化劑成分、水蒸氣等的氣體 (排出氧化劑氣體)。但是，在本發(fā)明中，只要是流經(jīng)燃料氣體流路中的燃料氣體的方向和流經(jīng)氧化劑氣體流路的氧化劑氣體的方向彼此相対的所謂逆流式的燃料電池即可，氧化劑氣體的供應、排出的具體方式不特別進行限定，因此在圖中省略對氧化劑氣體配管系統(tǒng)的說明。燃料電池I由固態(tài)高分子電解質型燃料電池構成，通常具有層疊多個單電池的電池組構造，并且接受氧化劑氣體和燃料氣體的供應來產(chǎn)生電力。氧化劑氣體和燃料氣體向燃料電池I的供應以及氧化劑氣體和燃料氣體從燃料電池I的排出分別通過氧化劑氣體配管系統(tǒng)和燃料氣體配管系統(tǒng)2進行。以下，將含氧的空氣作為氧化劑氣體的例子，將含氫氣的氣體作為燃料氣體的例子來進行說明。圖4是示出構成燃料電池I的單電池12的概要截面圖。每個單電池12將膜-電極接合體16作為基本構造，膜-電極接合體16通過由陰極電極(空氣極)14和陰極電極(燃料極)15夾持高分子電解質膜13而構成。陰極電極
14具有從高分子電解質膜13側依次層疊陰極催化劑層21和氣體擴散層22而成的構造，陰極電極15具有從高分子電解質膜13側依次層疊陽極催化劑層23和氣體擴散層24而成的構造。一對間隔板17、18從膜-電極接合體16的兩側夾著陰極電極14和陰極電極15。在陰極側的間隔板17中設置有形成用于向陰極電極14供應氧化劑氣體的氧化劑氣體流路的溝槽，由該溝槽和陰極電極14界定了氧化劑氣體流路19。在陽極側的間隔板18中設置有形成用于向陰極電極15供應燃料氣體的燃料氣體流路的溝槽，由該溝槽和15界定了燃料氣體流路20。氧化劑氣體流路19和燃料氣體流路20被配置成使得流經(jīng)氧化劑氣體流路19的氧化劑氣體的流動方向與流經(jīng)燃料氣體流路20的燃料氣體的流動方向彼此相對(所謂的逆流式構造)。在圖4中，氧化劑氣體流路19和燃料氣體流路20中的“圓圈中帶點”的符號表示氣體的流動方向是從紙面的那側朝向這ー側的方向，“圓圈中帶叉”的符號表示氣體的流動方向是從紙面的這ー側朝向那側的方向。此外，圖4中沒有詳細示出，但氧化劑氣體流路19的入ロ附近區(qū)域和燃料氣體流路20的出口附近區(qū)域夾著電解質膜13而配置，并且氧化劑氣體流路19的出口附近區(qū)域和燃料氣體流路20的入ロ附近區(qū)域夾著電解質膜13而配置。在圖4中，氣體流路被繪制成曲折流路(蜿蜒式流路)，但氣體流路的形態(tài)不特別進行限定，可以取任意形態(tài)，只要具有逆流式構造即可。構成燃料電池的各部件不特別進行限定，也可以是用一般材料形成的一般構造即可。燃料電池I中設置有測量燃料電池I的溫度T的溫度傳感器(溫度測定裝置)9。溫度傳感器9既可以是直接測定燃料電池I內的溫度的傳感器，也可以是測定在燃料電池內流動的熱交換介質的溫度的傳感器。此外，燃料電池I中設置有檢測各個單電池或整個電池組的電壓V的電壓傳感器10。燃料氣體配管系統(tǒng)2包括氫罐4、燃料氣體供應路徑5、以及燃料氣體循環(huán)路徑6。氫罐4是儲存有高壓的氫氣(燃料成分)的氫氣供應源，是燃料供應裝置。作為燃料供應 裝置，取代氫罐4，也可以采用例如從烴類燃料生成富氫重整氣體的重整器、以及具有貯氫合金的罐，該罐中將在重整器中生成的重整氣體壓縮成高壓狀態(tài)來儲存。燃料氣體供應路徑5是用于從作為燃料供應裝置的氫罐4向燃料電池I供應作為燃料成分的氫氣的流路，其包括主流路5A和混合路徑5B。主流路5A位于連結燃料氣體供應路徑5和燃料氣體循環(huán)路徑6的連結部7的上游。在主流路5A中可以設置作為氫罐4的主閥而起作用的截止閥(沒有圖示)、對氫氣進行減壓的調節(jié)器等。從氫罐4供應的氫氣的流量(燃料成分氣體的流量)Qb基于對燃料電池要求的輸出來控制，以確保要求輸出?；旌下窂?B位于連結部7的下游側，將來自氫罐4的氫氣和來自燃料氣體循環(huán)路徑6的排出燃料氣體的混合氣體導向燃料電池I的燃料氣體流路入口。燃料氣體循環(huán)路徑6使得從燃料電池I的燃料氣體流路出ロ排出的排出燃料氣體再循環(huán)至燃料氣體供應路徑5。在燃料氣體循環(huán)路徑6中設置有用于使排出燃料氣體再循環(huán)至燃料氣體供應路徑5的再循環(huán)泵8。燃料電池為發(fā)電而消耗氫的結果，排出燃料氣體的流量和壓カ低于被供應給燃料電池的燃料氣體的流量和壓力，因此通過再循環(huán)泵適當控制排出燃料氣體的流量和壓カ后壓送至連結部7。由連接燃料氣體循環(huán)路徑6、燃料氣體供應路徑5以及燃料電池I內的燃料氣體流路而成的系統(tǒng)構成向燃料電池循環(huán)供應燃料氣體的循環(huán)系統(tǒng)。從燃料電池I排出的排出燃料氣體中含有通過燃料電池的發(fā)電反應而生成的生成水、從燃料電池的陰極電極經(jīng)電解質膜向陽極電極透過、即滲漏的氮氣、未消耗的氫氣等。在燃料氣體循環(huán)路徑6上的再循環(huán)泵8的上游側也可以設置氣液分離器(沒有圖示)。氣液分離器分離包含在排出燃料氣體中的水和未消耗的氫氣等氣體。此外，在燃料氣體循環(huán)路徑6上的再循環(huán)泵8的上游側也可以設置排出燃料氣體壓力調節(jié)閥(沒有圖示)，該燃料氣體壓カ調節(jié)閥將排出燃料氣體的一部分排出至燃料電池外部來調節(jié)再循環(huán)的排出燃料氣體的壓力。從有效利用氫氣(燃料成分)的觀點來說，燃料氣體配管系統(tǒng)最好具有由燃料氣體循環(huán)路徑、再循環(huán)泵等構成的循環(huán)系統(tǒng)，但燃料氣體配管系統(tǒng)也可以不具有循環(huán)系統(tǒng)，或者也可以具有閉端構造。氧化劑氣體配管系統(tǒng)具有向燃料電池I供應氧化劑氣體的氧化劑氣體供應路徑、排出來自燃料電池I的排出氧化劑氣體的氧化劑氣體排出路徑、以及壓縮機。壓縮機被設置在氧化劑氣體供應路徑上，通過壓縮機獲取的大氣中的空氣在氧化劑氣體供應路徑中被壓送，并被供應到燃料電池I中。從燃料電池I排出的排出氧化劑氣體流經(jīng)氧化劑氣體排出路徑并被排出到外部。燃料電池系統(tǒng)的運行由控制部3進行控制?？刂撇?被構成為在內部具有CPU、RAM、ROM等的微型計算機，CPU安裝存儲在RAM、ROM等中的各種程序和映射圖等，并基于對燃料電池要求的輸出(輸出電流密度、即與燃料電池連接的負荷大小)、和與燃料電池連接的溫度傳感器、氣體壓カ傳感器、氣體流量傳感器、電壓傳感器、露點計等各種傳感器的測定結果等，來執(zhí)行各種閥、各種泵、燃料氣體配管系統(tǒng)、氧化劑氣體配管系統(tǒng)、熱交換介質循環(huán)系統(tǒng)等的各種處理和控制。燃料電池系統(tǒng)100具有下述的主要特征，即控制部3包括濕潤狀態(tài)控制裝置，該濕潤狀態(tài)控制裝置控制燃料氣體的流量和/或壓力，以使燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向比作為目標的目標濕潤狀態(tài)低的低濕潤狀態(tài)側變化后，再從所述低濕潤狀態(tài)向所述目標濕潤狀態(tài)變化。
在本發(fā)明中，燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)是燃料電池內的燃料氣體流路的入ロ附近區(qū)域的濕潤狀態(tài)(含水狀態(tài))，具體是指燃料氣體流路的入ロ附近的陽極電扱、電解質膜以及隔著該電解質膜而與該入口附近的陽極電極相對的陰極電極的濕潤狀態(tài)。燃料電池內的該濕潤狀態(tài)根據(jù)諸如燃料電池的溫度、燃料氣體的流量和壓力、以及氧化劑氣體的流量和壓カ等燃料電池運行的諸條件而改變，并可通過這些諸條件來進行控制。在本發(fā)明中，通過燃料氣體的流量和/或壓カ來控制燃料電池內的濕潤狀態(tài)，因為容易控制并且控制響應快。其中，濕潤狀態(tài)控制裝置優(yōu)選通過燃料氣體的流量來控制燃料電池內的濕潤狀態(tài)，因為控制響應特別快。具體地，通過使燃料氣體的流量先向比作為目標的目標燃料氣體流量高的高燃料氣體流量側增加后，再從所述高燃料氣體流量下降到所述目標燃料氣體流量，能夠使燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)經(jīng)上述那樣的路徑變化到目標濕潤狀態(tài)。這里，目標燃料氣體流量是實現(xiàn)燃料氣體流路的目標濕潤狀態(tài)的燃料氣體的流量。目標燃料氣體流量也可以由燃料電池的電壓與燃料電池的預定溫度下的燃料氣體的流量和/或壓カ之間的相關關系預先獲取?；蛘?，也可以基于在燃料電池運行時實際的燃料電池電壓與燃料電池的預定溫度下的燃料氣體的流量和/或壓カ之間的相關關系來設定，也可以存儲該相關關系并將其設定為下一次及其以后控制的目標值。此外，目標燃料氣體流量與目標濕潤狀態(tài)ー樣，即存在僅指能夠實現(xiàn)目標濕潤狀態(tài)(可得到峰值電壓)的某一點流量的情況，也存在指能夠實現(xiàn)目標濕潤狀態(tài)(可得到峰值電壓)的具有寬度的范圍的情況。隨著燃料氣體流量被控制，燃料氣體的壓カ也發(fā)生變動，因此通過控制所述燃料氣體的流量和壓カ雙方，還能夠期待更高效地接近以燃料電池內的濕潤狀態(tài)為目標的狀態(tài)。燃料電池I在控制燃料氣體的壓カ的情況下根據(jù)需要也可以設置壓カ傳感器，該壓カ傳感器測量流經(jīng)燃料氣體流路的燃料氣體的壓カ。壓カ傳感器的具體設置位置不受限定，只要能夠掌握期望位置處的燃料電池流路內的燃料氣體的壓カ即可。例如，能夠使用設置在燃料氣體流路的入口處并測定該入口處的燃料氣體的壓カ的入口壓カ傳感器和設置在燃料氣體流路的出ロ處并測定該出ロ處的燃料氣體的壓カ的出ロ壓カ傳感器，并將由這些壓カ傳感器檢測到的燃料氣體入口壓カPin和燃料氣體出ロ壓カPout的平均值當作燃料氣體壓力來進行檢測和控制。此外，不限于燃料氣體流路的入口和出口，也可以在燃料氣體流路的多個位置設置壓カ傳感器，并檢測、控制各個位置處的燃料氣體的壓力，也可以計算平均值并平均值。此外，燃料電池內的壓カ傳感器也可以是ー個。此外，也可以通過設置在燃料氣體流路外的壓カ傳感器來估計燃料氣體的壓力。例如，能夠通過控制燃料氣體流路的入口處的燃料氣體的壓カ和/或燃料氣體流路的出口處的燃料氣體的壓カ來實現(xiàn)燃料氣體壓カ的控制。具體地，能夠通過設置在燃料氣體流路出口的下游側的背壓閥、用于從氫罐向燃料電池供應氫的調節(jié)器來控制燃料氣體的壓力，在燃料氣體配管系統(tǒng)為循環(huán)系統(tǒng)的情況下，能夠通過用于從氫罐向配管系統(tǒng)供應氫的噴射器、設置在配管系統(tǒng)中的循環(huán)用泵等來控制燃料氣體的壓力。圖5示出了燃料電池系統(tǒng)100中的濕潤狀態(tài)控制裝置的具體控制流程例。圖5所示的控制流程控制排出燃料氣體的循環(huán)量來控制燃料氣體的流量，并由此控制燃料電池內的濕潤狀態(tài)。在圖5的控制流程中，排出燃料氣體的循環(huán)量的控制判斷以燃料電池電壓的變化相對于排出燃料氣體循環(huán)量變化的比例0^、k2)為基準來進行。Ic1Gc1 > 0)和k2(k2 < 0)可以任意設定，例如，能夠預先基于圖6所示那樣的排出燃料氣體的循環(huán)量Qa與電壓V的相關關系來設定。在圖6中，表示循環(huán)量Qa和電壓V的相關關系的曲線與斜率為Ic1的切線的接觸點成為上述狀態(tài)I和上述狀態(tài)2 (目標濕潤狀態(tài))的邊界。此外，上述曲線與斜率為k2的切線的接觸點成為上述狀態(tài)2 (目標濕潤狀態(tài))和上述狀態(tài)3 (低濕潤狀態(tài))的邊界。首先，當燃料電池I工作時，控制部3的濕潤狀態(tài)控制裝置利用溫度傳感器9來檢測燃料電池I的溫度T，并判定溫度T是70°C以下還是大于70°C。當溫度T為70°C以下時，濕潤狀態(tài)控制裝置不改變排出燃料氣體的循環(huán)量Qa，而 維持當前時間點的排出燃料氣體的循環(huán)量9%。另ー方面，當溫度T大于70°C時，濕潤狀態(tài)控制裝置將排出燃料氣體的循環(huán)量Qa從當前時間點的排出燃料氣體的循環(huán)量Qatl增加A Qa,設為Qatl+ A Qa。A Qa能夠任意設定，為了防止燃料電池內的過度干燥狀態(tài)，例如優(yōu)選在Qatl的5% 20%的范圍內進行設定。接著，濕潤狀態(tài)控制裝置利用電壓傳感器10監(jiān)視燃料電池的電壓V，并計算燃料電池電壓V的變化量相對于排出燃料氣體循環(huán)量的増加量AQa的比例(dV/dQa)。接著，判定算出的dV/dQa是否大于0，即判定通過A Qa的増加，電壓V是否上升了(dV/dQa > 0)，或者通過A Qa的增加，電壓V是否下降或沒有變化(dV/dQa ^ 0)。當dV/dQa大于0時，進而判定dV/dQa是否大于Ic1,即判定燃料電池內的濕潤狀態(tài)是狀態(tài)I還是狀態(tài)2。當dV/dQa大于Ic1時，將排出燃料氣體循環(huán)量Qa增加至Qatl的兩倍量，并再次返回到計算dV/dQa的步驟。另ー方面，當dV/dQa為ん以下時，將排出燃料氣體循環(huán)量的増加量△ Qa増加至前一次的兩倍量，并再次返回到計算dV/dQa的步驟。當dV/dQa為0以下時，進而判定dV/dQa是否小于k2，即判定燃料電池內的濕潤狀態(tài)是狀態(tài)3還是狀態(tài)2。當dV/dQa大于等于、時，將排出燃料氣體循環(huán)量的増加量AQa減少至上一次的燃料電池燃料電池1/2倍，并再次返回到計算dV/dQa的步驟。另ー方面，當dV/dQa小于k2時，持續(xù)降低排出燃料氣體循環(huán)量Qa，直到通過電壓傳感器10檢測到峰值電壓為止，然后通過濕潤狀態(tài)控制裝置結束處理。dV/dQa被判定為小于k2時的排出燃料氣體循環(huán)量也可以存儲起來，并反映到下一次及其以后的濕潤狀態(tài)控制中。在圖5的控制流程中，濕潤狀態(tài)控制裝置以燃料電池溫度達到70°C以上為契機開始進行控制。這是因為在70°C這樣的該溫運行條件下燃料電池內部容易干燥、氧化劑氣體流路的入口區(qū)域容易發(fā)生枯竭的緣故。成為濕潤狀態(tài)控制裝置開始進行控制的契機的溫度不特別限定，優(yōu)選在燃料電池溫度達到70°C以上時開始該控制，特別優(yōu)選在達到80°C以上時開始該控制。本發(fā)明的濕潤狀態(tài)控制裝置所進行的控制的開始不限定于以燃料電池溫度的變化為契機，也可以將由要求輸出的改變引起的電池燃料的氣體運行條件(反應氣體的壓力、流量等)的改變作為契機開始控制。此外，也可以將由燃料電池的劣化引起的性能變化作為契機開始控制。通過燃料電池的性能發(fā)生變化，用于將燃料電池內的濕潤狀態(tài)設為可得到峰值電壓的諸條件也有可能發(fā)生變化。因此，當燃料電池的性能發(fā)生了變化或者可預測發(fā)生了變化時，通過使?jié)駶?狀態(tài)控制裝置工作，能夠進行于燃料電池的劣化相匹配的運行條件的優(yōu)化。在將性能變化作為契機開始控制的情況下，例如能夠將燃料電池的運行時間、安裝燃料電池的車輛的行駛距離或行駛時間作為性能變化的指標，自動或依據(jù)燃料電池用戶的要求來使?jié)駶櫊顟B(tài)控制裝置工作。此外，在上述圖5所示的控制流程中，當通過電壓傳感器判定出燃料電池的電壓已達到作為目標的目標電壓(峰值電壓)吋，結束控制燃料氣體的流量以使燃料氣體流路入ロ的濕潤狀態(tài)從所述低濕潤狀態(tài)變化至所述目標濕潤狀態(tài)的處理，但在本發(fā)明中，使?jié)駶櫊顟B(tài)控制裝置的控制處理結束的契機不特別限定。例如，也可以使得所述控制處理以檢測到的燃料氣體流路出口水蒸氣量等為契機來結束。此外，在上述圖5所示的控制流程中，濕潤狀態(tài)控制裝置將燃料氣體的流量(排出燃料氣體循環(huán)量)改變預定量(△ Qa)，以使燃料氣體流路的入ロ區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向低濕潤狀態(tài)變化，進而基于由該流量的改變引起的預定參數(shù)(燃料電池電壓)的變化量，來將燃料氣體的流量(排出燃料氣體循環(huán)量)改變預定量，以使?jié)駶櫊顟B(tài)進ー步向濕潤狀態(tài)側變化，但通過將隨著如此為了控制燃料電池內的濕潤狀態(tài)而改變的控制參數(shù)(燃料氣體的流量和/或壓力)的變化量而變化的預定參數(shù)的變化量為基準，根據(jù)需要分階段地改變該控制參數(shù)，能夠更精密地控制燃料電池內的濕潤狀態(tài)，并且能夠高效地向可得到峰值電壓的燃料電池運行條件進行驅動控制。這里，作為控制參數(shù)的控制基準的預定參數(shù)除如圖5所示的燃料電池電壓之外，例如還可舉出燃料氣體流路出ロ水蒸氣量
坐寸o具體地，在上述圖5所示的控制流程中，濕潤狀態(tài)控制裝置具有計算部，該計算部基于由電壓傳感器測定的燃料電池電壓來計算燃料電池電壓的變化量相對于通過濕潤狀態(tài)控制裝置控制的燃料氣體流量(排出燃料氣體循環(huán)量)的變化量的比例(dV/dQa)，并且濕潤狀態(tài)控制裝置重復進行使得從當前的濕潤狀態(tài)向上述低濕潤狀態(tài)側變化的對燃料氣體的流量的控制，直到該比例進入預定范圍內，如此，通過將燃料電池電壓的變化量相對于這些控制參數(shù)(燃料氣體流量和/或燃料氣體壓力)的變化量的比例作為基準來進行通過濕潤狀態(tài)控制裝置控制的燃料氣體流量和/或燃料氣體流量的控制，能夠高效地使燃料電池電壓接近峰值電壓(目標電壓)。此外，如上所述，在使燃料排出氣體循環(huán)的循環(huán)系統(tǒng)的情況下，對于從作為燃料供應源的氫罐4供應的燃料成分氣體的流量Qb，不進行水蒸氣量控制裝置的控制，而是通過對通過再循環(huán)泵8再循環(huán)的燃料排出氣體的再循環(huán)流量Qa進行控制，那姑姑在充分確保要求輸出的技術上提高作為燃料成分的氫的使用效率，能夠有效控制燃料電池中的水分分布。濕潤狀態(tài)控制裝置所進行的燃料氣體流量的控制方式不特別限定，只要能夠確保對燃料電池要求的輸出即可，例如在確保要求輸出的基礎上，也可以進行僅基于來自燃料供應源的氫氣供應量Qb的控制，或者基于Qa和Qb雙方的控制。此外，也可以采用控制燃料氣體流量的氣體裝置。燃料氣體的流量例如能夠基于燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量(燃料氣體平均流量)Qave來控制。這里，燃料氣體平均流量Qave是流經(jīng)燃料氣體流路的燃料氣體 的平均流量，其計算方法不特別限定，例如在如燃料電池系統(tǒng)100那樣燃料氣體配管系統(tǒng)為循環(huán)系統(tǒng)的情況下，能夠通過下式(I)來計算。Qave = Qa+Qb/2…式(I)Qave :燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量Qa :通過再循環(huán)泵再循環(huán)的排出燃料氣體的流量Qb :從燃料供應裝置供應的燃料成分氣體的流量在上式(I)中，基于根據(jù)要求輸出而從燃料供應裝置供應的燃料成分氣體的流量Qb在燃料氣體流路的總流路長1/2的位置處被消耗一半的假定，來計算燃料氣體的平均流星 Qave0此外，燃料氣體平均流量Qave也可以通過下式(2)來計算。Qave = nRT/P…式(2)Qave :燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量n :燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的摩爾數(shù)R :氣體常數(shù)T :燃料電池溫度P :燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的壓カ在上式(2)中，采用燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的流量作為燃料氣體平均流量Qave，并且由燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的摩爾數(shù)和壓力基于氣體的狀態(tài)方程式來計算燃料氣體的平均流量Qave。在式(2)中，燃料氣體的摩爾數(shù)是燃料氣體流路的總流路長1/2的位置處的燃料氣體中包含的所有成分(除氫氣之外，還有氮氣、水蒸氣等)的摩爾數(shù)，具體是從燃料氣體流路入口處的燃料氣體的總摩爾數(shù)減去到達至燃料氣體流路的總流路長1/2的位置時被消耗的燃料成分的摩爾數(shù)而得的摩爾數(shù)。到達至燃料氣體流路的總流路長1/2的位置時被消耗的燃料成分的摩爾數(shù)是燃料電池的要求輸出所需要的燃料成分量的一半。此外，燃料氣體流路入口處的燃料氣體的總摩爾數(shù)根據(jù)通過循環(huán)泵返回到燃料氣體流路入口的燃料氣體流量與從氫罐追加補充的氫氣量的總流量的溫度和壓カ來求出。此外，在式(2)中，燃料氣體的壓カ既可以實際檢測燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的壓力，也可以測定燃料氣體流路的全長的多個位置處的燃料氣體的壓カ并計算平均值?；蛘撸部梢约俣ㄔ谌剂蠚怏w流路的全長中發(fā)生的壓カ損失的一半是燃料氣體流路的全長1/2的位置處發(fā)生的來進行計算，假定了這種壓力損失的上述燃料氣體壓力能夠通過下式(3)來計算。P= (Pin+Pout)/2…式(3)Pin :燃料氣體流路入口處的燃料氣體的壓カPout :燃料氣體流路出ロ處的燃料氣體的壓カ在燃料氣體配管系統(tǒng)具有循環(huán)系統(tǒng)的情況下，作為式(2)的變形例，能夠通過下式(4)來計算燃料氣體的平均流量Qave。
Qave = n，RT/P…式(4)Qave :燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量n’ 在假定供應至燃料氣體流路的所述燃料氣體中從燃料氣體供應裝置被供應至燃料氣體流路的所述燃料成分的1/2被消耗的情況下計算的燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的摩爾數(shù)位置處的燃料氣體的摩爾數(shù)R :氣體常數(shù)T :燃料電池溫度P :通過上式(3)計算的燃料氣體流路的全長1/2的位置處的燃料氣體的壓カ燃料氣體平均流量Qave也可以采用實際測定燃料氣體流路內的多個位置處的燃料氣體流量并取平均而得的值、或者在燃料氣體流路的全長1/2的位置處實際測定的燃料氣體的流量值，而不是基于上述那樣的假定來進行計算。從簡單構建燃料電池系統(tǒng)的觀點來說，優(yōu)選使用上式(I)、(2)或(4)計算燃料氣體平均流量。上述說明的燃料電池系統(tǒng)100包括對燃料電池的電壓進行檢測、監(jiān)視的電壓傳感器，濕潤狀態(tài)控制裝置采用了基于電壓傳感器檢測到的燃料電池電壓來控制燃料氣體的流量和/或壓カ的反饋控制，但也可以采用前饋控制。接著，使用圖7和圖再循環(huán)泵8對燃料電池系統(tǒng)101進行說明，燃料電池系統(tǒng)101是本發(fā)明的其他實施方式例。如圖I和圖2所示，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了燃料氣體出ロ水蒸氣量與燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量(以下有時稱為燃料氣體平均流量)之間具有高的相關關系。即，獲得了如下知識如圖2所示，當燃料氣體流路中的燃料氣體的平均流量低時，燃料氣體出ロ水蒸氣量少，成為燃料電池的電壓低的狀態(tài)(上述狀態(tài)I)，當該狀態(tài)I提高了燃料氣體平均流量時，燃料氣體出口水蒸氣量達到少許量，成為可得到高的燃料電池電壓的狀態(tài)(上述狀態(tài)2)，當該狀態(tài)2進ー步提高了燃料氣體平均流量時，燃料氣體出ロ水蒸氣量變多，成為燃料電池的電壓低的狀態(tài)(上述狀態(tài)3)。而且，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了 由于如圖2所示，燃料氣體出口水蒸氣量與燃料氣體平均流量不管燃料氣體流路中燃料氣體的壓カ如何都顯示出固定的相關關系，因此通過將燃料氣體出ロ水蒸氣量作為判斷基準來控制燃料電池的濕潤狀態(tài)，能夠確保穩(wěn)定的輸出。燃料電池系統(tǒng)101就是基于上述知識而完成的，在燃料電池系統(tǒng)101中，濕潤狀態(tài)控制裝置控制燃料氣體的流量，以使燃料氣體流路的出ロ處的水蒸氣量先向比作為目標的目標燃料氣體出ロ水蒸氣量多的多燃料氣體出ロ水蒸氣量側變化后，再從所述多燃料氣體出ロ水蒸氣量下降到目標燃料氣體出ロ水蒸氣量。如圖7所示，燃料電池系統(tǒng)101沒有配置電壓傳感器10，而另一方面在燃料電池I中配置有測量燃料氣體流路的出ロ處的燃料氣體中的水蒸氣量S的露點計(水蒸氣量測定裝置)11，并且除由控制部3的濕潤狀態(tài)控制裝置進行的具體濕潤狀態(tài)控制不同之外，具有與圖5所示的燃料電池系統(tǒng)101相同的構成。露點計11也可以設置在燃料氣體配管系統(tǒng)2上，只要能夠檢測燃料氣體 出ロ水蒸氣量S即可。以下，對于燃料電池系統(tǒng)101，以與燃料電池系統(tǒng)100不同之處為中心進行說明。在燃料電池系統(tǒng)101中，濕潤狀態(tài)控制裝置控制燃料氣體的流量，以使通過露點計11檢測、監(jiān)視的燃料氣體出口水蒸氣量S先向多燃料氣體出口水蒸氣量側變化后，再從所述多燃料氣體出ロ水蒸氣量下降到目標燃料氣體出ロ水蒸氣量St。這里，燃料氣體出ロ水蒸氣量是燃料氣體流路的入ロ的濕潤狀態(tài)為目標濕潤狀態(tài)時的燃料氣體出口水蒸氣量。目標燃料氣體出口水蒸氣量也可以根據(jù)燃料電池的電壓與燃料電池的預定溫度下的燃料氣體的流量和/或壓カ之間的相關關系而預先獲得。或者，也可以基于在燃料電池運行時實際的燃料電池電壓與燃料電池的預定溫度下的燃料氣體的流量和/或壓カ之間的相關關系來設定，也可以存儲該相關關系并將其設定為下一次及其以后控制的目標值。此外，目標燃料氣體出ロ水蒸氣量與目標濕潤狀態(tài)一祥，即存在僅指可實現(xiàn)目標濕潤狀態(tài)(可得到峰值電壓)的某一點水蒸氣量的情況，也存在指可實現(xiàn)目標濕潤狀態(tài)(可得到峰值電壓)的具有寬度的范圍的情況。圖8示出了燃料電池系統(tǒng)101中的濕潤狀態(tài)控制裝置所進行的控制流程的ー個示例。在圖8中，濕潤狀態(tài)控制裝置基于由露點計11測定的燃料氣體出口水蒸氣量S來控制燃料氣體的流量。相對于通過電壓傳感器進行的燃料電池電壓的檢測和監(jiān)視的燃料電池系統(tǒng)100，燃料電池系統(tǒng)101能夠省去電壓傳感器、電阻傳感器等電池監(jiān)視器，因此可更加簡化燃料電池系統(tǒng)中的控制，并且還可削減燃料電池的費用。在圖8中，當燃料電池I工作時，控制部3的濕潤狀態(tài)控制裝置通過溫度傳感器9來檢測燃料電池I的溫度T，并判定溫度T是70°C以下還是大于70°C。當溫度T為70°C以下吋，不改變排出燃料氣體的循環(huán)量Qa，而維持當前時間點的排出燃料氣體的循環(huán)量Qac^另ー方面，當溫度T大于70°C時，將排出燃料氣體的循環(huán)量Qa從當前時間點的排出燃料氣體的循環(huán)量Qatl增加AQa?！?Qa能夠任意設定,為了防止燃料電池內的過度干燥狀態(tài)，例如優(yōu)選在Qatl的5 % 20 %的范圍內進行設定。接著，濕潤狀態(tài)控制裝置利用露點計11測定燃料氣體出ロ水蒸氣量S，并判定該燃料氣體出ロ水蒸氣量S是否大于目標燃料氣體出ロ水蒸氣量St。當燃料氣體出ロ水蒸氣量S小于等于目標燃料氣體出ロ水蒸氣量St時，返回到增加排出燃料氣體循環(huán)量的步驟。另ー方面，當燃料氣體出ロ水蒸氣量S大于目標燃料氣體出ロ水蒸氣量St吋，減少排出燃料氣體循環(huán)量Qa。減少排出燃料氣體循環(huán)量Qa的減少持續(xù)進行至通過露點計11測定的燃料氣體出ロ水蒸氣量S變?yōu)槟繕巳剂蠚怏w出ロ水蒸氣量St以下為止。當燃料氣體出ロ水蒸氣量S變?yōu)槟繕巳剂蠚怏w出ロ水蒸氣量St以下時，結束濕潤狀態(tài)控制裝置所進行的控制。在上述流程中，燃料氣體出ロ水蒸氣量S變得比目標燃料氣體出ロ水蒸氣量St多的排出燃料氣體循環(huán)量、和/或燃料氣體出ロ水蒸氣量S變?yōu)槟繕巳剂蠚怏w出ロ水蒸氣量St以下的排出燃料氣體循環(huán)量也可以存儲起來，并反映到下一次及其以后的濕潤狀態(tài)控制中。在圖8所示的流程中，是通過控制燃料氣體的流量Q(具體為排出燃料氣體流量Qa)來控制燃料氣體出ロ水蒸氣量的，但與燃料電池系統(tǒng)100 —祥，用于使燃料氣體出ロ水蒸氣量S接近目標燃料氣體出口水蒸氣量St的控制參數(shù)不限于燃料氣體的流量，也可以是燃料氣體的壓力，也可以控制燃料氣體的流量和壓カ雙方。如上所述，由于燃料氣體平均流量與燃料氣體出ロ水蒸氣量具有高的相關關系，因此能夠通過控制燃料氣體平均流量來間接控制燃料氣體出口水蒸氣量。因此，濕潤狀態(tài)控制裝置也可以由燃料氣體平均流量與燃料氣體出口水蒸氣量的相關關系預先獲取使燃料氣體出口水蒸氣量達到期望的值或范圍的燃料氣體平均流量，并 基于該平均流量來控制燃料氣體的流量和/或壓力，以使燃料氣體出ロ水蒸氣量從多燃料氣體出ロ水蒸氣量下降至目標燃料氣體出ロ水蒸氣量。如此，當基于預先獲取的燃料氣體出ロ水蒸氣量與燃料氣體平均流量的相關關系來控制燃料氣體的流量和/或壓カ吋，即使沒有諸如露點計這樣的水蒸氣量測定裝置，也將燃料氣體出ロ水蒸氣量控制為期望的值或范圍，因此可進一步簡化燃料電池系統(tǒng)，并降低成本。符號說明I…燃料電池2…燃料氣體配管系統(tǒng)3…控制部4…氫罐(燃料供應裝置)5…燃料氣體供應路徑5A…主流路5B…混合路徑6…燃料氣體循環(huán)路徑7…連結部8…再循環(huán)泵9…溫度傳感器(溫度測定裝置)10…電壓傳感器11…露點計(水蒸氣量測定裝置)12…單電池13…高分子電解質膜14…陰極電極15…陰極電極16…膜-電極接合體17…間隔板
18…間隔板19…氧化劑氣體流路20…燃料氣體流路21…陰極催化劑層22…氣體擴散層23…陽極催化劑層
24…氣體擴散層100…燃料電池系統(tǒng)101…燃料電池系統(tǒng)。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)在無加濕條件下運行，并且所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，所述燃料電池具有 高分子電解質膜，其被夾在陽極電極和陰極電極之間； 燃料氣體流路，其面向所述陽極電極配置，用于對所述陽極電極供應至少含有燃料成分的燃料氣體；以及 氧化劑氣體流路，其面向所述陰極電極配置，用于對所述陰極電極供應至少含有氧化劑成分的氧化劑氣體； 所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于， 所述燃料氣體流路中的所述燃料氣體的流動方向和所述氧化劑氣體流路中的所述氧化劑氣體的流動方向彼此相對， 所述燃料電池系統(tǒng)包括濕潤狀態(tài)控制裝置，所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向比作為目標的目標濕潤狀態(tài)低的低濕潤狀態(tài)側變化后，再從所述低濕潤狀態(tài)向所述目標濕潤狀態(tài)變化。
2.如權利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述濕潤狀態(tài)控制裝置在為了使所述濕潤狀態(tài)向所述低濕潤狀態(tài)側變化而使所述燃料氣體的流量和/或壓力變化了預定量之后，為了進一步使所述濕潤狀態(tài)向所述低濕潤狀態(tài)側變化，基于由所述預定量的變化引起的預定的參數(shù)的變化量來使所述燃料氣體的流量和/或壓力變化預定量。
3.如權利要求I或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述濕潤狀態(tài)控制裝置使所述燃料氣體的流量先向比作為目標的目標燃料氣體流量高的高燃料氣體流量側增加后，再從所述高燃料氣體流量下降到所述目標燃料氣體流量。
4.如權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述目標燃料氣體流量是根據(jù)所述燃料電池的電壓與所述燃料電池的預定溫度下的所述燃料氣體的流量和/或壓力之間的相關關系而預先獲得的。
5.如權利要求I至4中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述燃料電池系統(tǒng)包括電壓測定裝置，所述電壓測定裝置測定所述燃料電池的電壓， 如果由所述電壓測定裝置判定出所述燃料電池的電壓已達到目標電壓，則所述濕潤狀態(tài)控制裝置結束下述處理控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述濕潤狀態(tài)從所述低濕潤狀態(tài)變化到所述目標濕潤狀態(tài)。
6.如權利要求I至5中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述燃料電池系統(tǒng)包括電壓測定裝置，所述電壓測定裝置測定所述燃料電池的電壓， 所述濕潤狀態(tài)控制裝置具有計算部，所述計算部基于由所述電壓測定裝置測定的燃料電池的電壓，來計算所述燃料電池的電壓的變化量相對于通過所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制的所述燃料氣體的流量或壓力的變化量的比例， 所述濕潤狀態(tài)控制裝置重復進行使所述濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)向所述低濕潤狀態(tài)側變化的對所述燃料氣體的流量和/或壓力的控制，直到所述比例進入預定范圍內。
7.如權利要求I或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述燃料氣體流路的出口處的水蒸氣量先向比作為目標的目標燃料氣體出口水蒸氣量多的多燃料氣體出口水蒸氣量側變化后，再從所述多燃料氣體出口水蒸氣量下降到所述目標燃料氣體出口水蒸氣量。
8.如權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述目標燃料氣體出口水蒸氣量是預先根據(jù)所述燃料電池的電壓與所述燃料電池的預定溫度下的所述燃料氣體的流量和/或壓力之間的相關關系而預先獲得的。
9.如權利要求7或8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述燃料電池系統(tǒng)包括水蒸氣量測定裝置，所述水蒸氣量測定裝置測定所述燃料氣體流路出口處的水蒸氣量， 如果由所述水蒸氣量測定裝置判定出所述燃料氣體流路出口處的水蒸氣量已從所述多燃料氣體出口水蒸氣量變化到所述目標燃料氣體出口水蒸氣量，則所述濕潤狀態(tài)控制裝置結束控制所述燃料氣體的流量和/或壓力的處理。
10.如權利要求I至9中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 當所述燃料電池的溫度達到70°C以上時，所述濕潤狀態(tài)控制裝置開始所述燃料氣體的流量和/或壓力的控制。
全文摘要
提供一種能夠管理成可避免燃料電池內的枯竭狀態(tài)的最佳狀態(tài)的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)在無加濕條件下運行，并且包括燃料電池，所述燃料電池具有高分子電解質膜，其被夾在陽極電極和陰極電極之間；燃料氣體流路，其面向所述陽極電極配置，用于對所述陽極電極供應至少含有燃料成分的燃料氣體；以及氧化劑氣體流路，其面向所述陰極電極配置，用于對所述陰極電極供應至少含有氧化劑成分的氧化劑氣體；所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，所述燃料氣體流路中的所述燃料氣體的流動方向和所述氧化劑氣體流路中的所述氧化劑氣體的流動方向彼此相對，所述燃料電池系統(tǒng)包括濕潤狀態(tài)控制裝置，所述濕潤狀態(tài)控制裝置控制所述燃料氣體的流量和/或壓力，以使所述燃料氣體流路的入口區(qū)域的濕潤狀態(tài)從當前的濕潤狀態(tài)先向比作為目標的目標濕潤狀態(tài)低的低濕潤狀態(tài)側變化后，再從所述低濕潤狀態(tài)向所述目標濕潤狀態(tài)變化。
文檔編號H01M8/04GK102754264SQ20118000223
公開日2012年10月24日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權日2011年1月28日
發(fā)明者荒木康, 難波良一 申請人:豐田自動車株式會社