CN101529633B - 燃料电池系统和用于调节聚合物电解质膜内含水量的方法 - Google Patents
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Abstract
包括具有聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池(22)的燃料电池系统(10)设置有确定聚合物电解质膜中的含水量是否是低的确定部，和阳极气体压力调节部，当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部将所述燃料电池的阳极侧的气体压力设定为比在所述含水量不低时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力的设定值低。
Description
技术领域
本发明涉及设置有聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池系统、和用于调节所述燃料电池的聚合物电解质膜内水含量的方法。
背景技术
当聚合物电解质膜燃料电池中电解质膜的含水量降低时，电解质膜的质子电导率也降低，并且由于质子电导率降低，膜电阻增加。结果，输出电压降低，由此降低电池性能。为了最小化这类问题，例如日本专利申请公开2002-175821(JP-A-2002-175821)提出一种进行控制以进一步增加阴极侧的气体压力的结构，作为在电解质膜的含水量低时的对策。
在燃料电池中，因为电化学反应而在阴极产生水，因此从燃料电池向外部排放的几乎所有含水量都作为水蒸汽与阴极废气一起排放。如果阴极侧的气体压力如上所述增加，则水倾向于以液态水而非水蒸汽的形式存在于阴极侧流路中，因此能够抑制作为水蒸汽与阴极废气一起排放的量。此外，当增加阴极侧的气体压力时，在阴极侧的气体流路的出口部分处设置用于调节阴极侧的气体压力的背压阀。当在关闭方向控制该背压阀以使阀的打开量减小时，物理上抑制了从燃料电池排放的水蒸汽的量，这减小了电解质膜变干的机率。而且，相对于阳极侧增加阴极侧的气体压力促进电解质膜中的水从产生水的阴极侧向阳极侧的运动，从而最终增加电解质膜中的含水量。
然而，通常通过利用泵等供给压缩空气将气体供给到阴极侧。因此，增加阴极侧的气体压力导致泵等的功率消耗变大，也就是说，导致更大的来自辅助装置的损失。因此，来自辅助装置的损失以该方式增加时，包括燃料电池的整个系统的能量效率降低。
发明内容
因此，发明用于抑制因电解质膜中的含水量减少而引起的燃料电池性能降低，并且不导致否则会因来自辅助装置的损失增加而引起的能量效率降低。
本发明的第一方面涉及设置有具有聚合物电解质膜的燃料电池的燃料电池系统。该燃料电池系统包括确定聚合物电解质膜中的含水量是否低的确定部，和阳极气体压力调节部，当确定含所述水量是低的时，所述阳极气体压力调节部将所述燃料电池阳极侧的气体压力设定为比在所述含水量不低时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力设定值低。
根据如上构建的燃料电池系统，当确定电解质膜中的所述含水量是低的时，降低阳极压力，使得所述电解质膜因阳极侧和阴极侧之间的压差而补充来自所述阴极的水分。结果，所述电解质膜的电阻值降低，因此可以抑制由所述电解质膜中的低含水量而引起的输出电压降低。因此，可以抑制燃料电池的性能降低，即使所述电解质膜中的含水量降低也是如此。而且，可以降低阳极压力而不增加能量消耗，因此可以在不降低能量效率的条件下抑制因所述电解质膜中的含水量低而引起的电池性能降低。
当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部可以将所述阳极侧的气体压力设定为低于所述稳定运行期间的所述设定值，但是在能够产生根据所述燃料电池的负荷需求的电力的范围内。
根据这种结构，在可以产生根据负荷需求的电力的同时可以抑制电池性能降低，即使电解质膜中的含水量降低也是如此。
此外，燃料电池系统还可以包括将氢气供给到所述燃料电池的阳极的氢气供给通道；和将从所述燃料电池的阳极排放的气体引导至所述氢气供给通道的阳极废气通道。此外，所述氢气供给通道的一部分和所述阳极废气通道可以形成使氢在所述燃料电池内的部分之间再循环的再循环流路，并且所述阳极气体压力调节部可以将所述再循环流路内的压力设定为所述阳极侧的气体压力。
根据这种结构，在使用氢气作为燃料气体的燃料电池系统中，可以在有效利用氢气的同时抑制所述电解质膜中含水量低时电池性能的降低。
这种燃料电池系统还可以包括设置在所述氢气供给通道中所述再循环流路上游的喷射器，所述喷射器具有排放口和阀，氢气通过所述排放口排放到所述再循环流路侧，所述阀选择性打开和关闭所述排放口。此外，所述阳极气体压力调节部可以通过利用所述阀调节所述排放口的打开/关闭状态设定所述阳极侧的气体压力。
根据这种结构，通过利用所述阀调节所述排放口的打开/关闭状态可以将阳极侧的气体压力容易地调节至期望的压力。
本发明还可以通过除上述那些方式以外的各种方式实现。例如，本发明可以通过例如用于控制所述聚合物电解质燃料电池的聚合物电解质膜的含水量的方法的方式实现。
附图说明
参考附图，从以下示例性实施方案的描述中，本发明的前述和其它目的、特征和优点会变得明显，在附图中，相同的附图标记用于代表相同的要素/元件，其中：
图1是显示燃料电池系统的一般结构的框图；
图2是显示阳极压力和喷射器操作之间的关系的图；
图3是显示研究阳极压力和电池电阻之间的关系之后获得的结果的图；
图4是示出低的膜含水量程序的流程图；
图5是显示输出电流与输出电压特性(输出特性)的一个实例的图；和
图6是显示减压阀的一般结构的框形式的截面视图。
具体实施方式
接下来，将按以下顺序描述本发明的示例实施方案。A.设备的整体结构；B.阳极压力和膜电阻之间的关系；C.低的膜含水量控制；和D.修改的实施例。
A.设备的整体结构
图1是显示作为本发明一个示例实施方案的燃料电池系统10的一般结构的框图。燃料电池系统10包括作为发电的主体的燃料电池22、储存待供给到燃料电池22的氢的氢罐23、和用于向燃料电池22供给压缩空气的空气压缩机24。燃料电池22是具有多个单电池堆叠在一起的堆叠结构的聚合物电解质膜燃料电池。
氢罐23是例如储存高压氢的氢气瓶。作为替代方案，可以使用吸氢合金罐，该吸氢合金罐通过将氢吸附在设置于罐内部的吸氢合金中储存氢。将储存在氢罐23中的氢气释放到连接至氢罐23的氢供给通道60中，此后通过压力调节阀61将氢气调节至预定压力(即，压力降低)，然后作为燃料气体经过喷射器62供给到构成燃料电池22的每个单电池的阳极。顺便提及，压力调节阀61在图1中显示为单阀。然而，可以设置根据需要的多个压力调节阀，使得从氢罐23以降低的压力供给的氢气的压力降低至期望的压力并供给到喷射器62。
喷射器62是设置有排放口和打开与关闭所述排放口的阀例如电磁阀的装置。当阀打开时，喷射器62根据施加在喷射器62之前和之后的压差由排放口喷射氢气。因此，可以根据设置在喷射器62中的阀打开的持续时间调节供给到阳极侧的氢气的量。更具体地，可以通过调节喷射器62以恒定周期接收的驱动信号的脉冲宽度，即通过调节阀打开和关闭时的占空系数调节所喷射的氢气的量，即供给到阳极的氢气的量。
将从燃料电池22阳极排放的阳极废气导入阳极废气通道63并且在设置喷射器62的位置下游的位置处再次流入氢供给通道60中。以该方式，使阳极废气的中任意残余氢在由氢供给通道60的一部分、阳极废气通道63和燃料电池22内的流路形成的流路(在下文中，所形成的流路将称为“再循环流路”)中再循环，并且再次提供用于电化学反应。此时，将与电化学反应消耗的量相当的量的氢从氢罐23经喷射器62加入到再循环流路中。也就是说，根据所消耗的氢的量(即根据所产生的电量或负荷需求)调节喷射器62的占空系数。此外，基于再循环流路内的气体压力(在下文中称为“阳极压力”)反馈控制喷射器62的占空系数。阳极压力保持在预定的基本恒定的值。在该示例实施方案中，检测阳极压力的阳极压力传感器50设置在形成再循环流路的一部分的氢供给通道60中。此外，氢泵65设置在阳极废气通道63中以使阳极废气在再循环流路中再循环。
图2是显示阳极压力和喷射器62操作之间的关系的图。例如，通过改变打开和关闭阀的驱动信号的恒定频率f下的脉冲宽度控制喷射器62的阀的打开和关闭。如图2所示，阳极压力在阀处于打开排放口的位置时增加，在阀处于关闭排放口的位置时因再循环流路中的氢被发电消耗而降低。因此，打开和关闭阀使阳极压力在图2所示的Δp的压差范围内脉动。阳极压力在通过控制喷射器62的占空系数而每次轻微地脉动的同时整体上可以保持在期望的压力下。
当燃料电池22稳定运行时，将该示例实施方案的燃料电池系统10的阳极压力设定为即使燃料电池22上的负荷需求波动使得消耗最大量的氢时也可以确保可以供给足量氢的值，并且考虑到与阴极侧的气体压力的平衡。此处，当燃料电池22稳定运行时，燃料电池22的温度足够高，电解质膜中的含水量足够，并且可以通过燃料电池22产生负荷需求所必需的电力而没有任何问题。
而且，在阳极废气通道63中设置气液分离器27。随着电化学反应的进行，在阴极处产生水。该水的一部分经过燃料电池22的电解质膜移动到阳极侧并且在燃料气体中蒸发。气液分离器27是冷凝阳极废气中的水蒸汽并由此将它从阳极废气中除去的设备。
阀27a设置在气液分离器27中。通过打开该阀27a，将气液分离器27中的冷凝水经过连接至阀27a的废气排放通道64排放到外部。顺便提及，当阀27a打开时，流过阳极废气通道63的一些阳极废气还排放到外部。以该方式，在预定时刻打开阀27a导致再循环的一些含氢气体排放到外部，由此抑制了含氢气体中杂质浓度(即穿过电解质膜移动至阳极侧的作为氧化性气体的空气中的氮等的浓度)的增加。
此处，废气排放通道64连接至稀释罐26，稀释罐26是具有大于废气排放通道64的横截面积的容器。设置稀释罐26以在阳极废气排放到外部之前用阴极废气稀释阳极废气中的氢。
空气压缩机24压缩经过空气滤清器28从外部吸入的空气，并且将该压缩空气作为氧化性气体经过氧化性气体供给通道67供给到燃料电池22的阴极。从阴极排放的阴极废气通过阴极废气通道68引导以排放至外部。此处，氧化性气体供给通道67和阴极废气通道68均穿过加湿模块25。在加湿模块中，氧化性气体供给通道67和阴极废气通道68通过水蒸汽可透过的膜隔开，并且利用含水蒸汽的阴极废气对供给到阴极的压缩空气加湿。此外，阴极废气通道68在将阴极废气导至外部之前穿过上述的稀释罐26。在稀释罐26中，阴极废气与通过废气排放通道64流入的阳极废气混合，将其稀释，然后排放到外部。
燃料电池22的内部还设置有制冷剂流路(未图示)，制冷剂在该制冷剂流路中循环。燃料电池22的内部温度能够通过使制冷剂在燃料电池22中形成的制冷剂流路和散热器(未显示)之间循环而保持在预定的温度范围内。此处，在制冷剂流路从燃料电池22中出来的部分附近设置检测制冷剂出口处的制冷剂温度(在下文中称为制冷剂出口温度)的温度传感器52。该温度传感器作为用于检测燃料电池22内部温度的温度传感器。顺便提及，替代地可以设置除了检测制冷剂出口温度的传感器以外的传感器以检测燃料电池的内部温度，例如直接检测燃料电池22的温度的热电偶。此外，在燃料电池系统10中设置用于检测燃料电池22的输出电压的电压传感器54。
此外，燃料电池系统10包括控制燃料电池系统10的每个部分的运行的控制部70。该控制部70构建为以微型计算机为中心的理论电路。更具体地，控制部70包括例如根据预设控制程序执行预定计算等的CPU 74、预先储存CPU 74进行各种计算和处理所必须的控制程序和控制数据等的ROM 75、暂时写入CPU 74进行各种计算和处理所必须的各种数据的RAM 76、和输入与输出各种信号的输入/输出端口78。该控制部70获得例如来自设置在燃料电池系统10中的各种传感器(例如阳极压力传感器50、温度传感器52、和电压传感器54)的检测信号、和涉及与燃料电池22相关的负荷需求的信息等。控制部70还将驱动信号输出到与燃料电池22的发电相关的各个部分，例如设置在燃料电池系统10中的喷射器62、空气压缩机24、氢泵65、和阀27a等。
B.阳极压力和膜电阻之间的关系
当聚合物电解质膜中的含水量是低的时，该示例实施方案的燃料电池系统10进行控制，将阳极压力设定为与在稳定运行期间设定的值不同的值，以抑制因低含水量而引起的电池性能降低。在描述该示例实施方案的燃料电池系统10中的这种控制之前，下文将描述燃料电池的内阻(即电池电阻)和阳极压力之间的关系。
图3是显示研究阳极压力、电池电阻和电池电压之间的关系之后获得的结果的图。此处，使用单电池作为燃料电池，不循环作为燃料气体的氢气。此外，在单电池连接至恒定负荷即在输出电流值保持为恒定值的同时，逐渐改变供给到阳极侧的氢气的压力(即阳极压力)，并测量电池电阻和电池电压。此外，使用空气作为供给到阴极的氧化性气体。流过单电池中的氧化性气体流路的空气的压力，即阴极压力是恒定的。此外，在单电池中设置作为制冷剂的加压水流过其中的制冷剂流路，并且通过调节制冷剂出口温度使单电池内部的温度基本保持恒定。此外，用于使燃料气体和氧化性气体加湿的条件是当阳极压力设定为与阴极压力平衡的压力时电解质膜的含水量是低的。
此处，燃料电池的内阻包括由燃料电池的构成元件之间的接触电阻和燃料电池的每个构成元件的固有电阻所引起的电阻。尽管难以检测这两种电阻中的这些分立电阻，但是其值响应于含水量变化的电解质膜的电阻(即，膜电阻)可以根据燃料电池发电时燃料电池的发电条件大幅变化。当电解质膜的含水量降低且电解质膜的质子电导率下降时，该膜电阻的值增加。因此，在图3所示的结果中，检测由电解质膜中含水量的减小引起的膜电阻增加，作为燃料电池22内阻的增加。
根据交流(AC)阻抗法获得作为燃料电池内阻的电池电阻。也就是说，将相对高频(例如10kHz)的小的恒定AC电流施加至单电池。利用滤波器(电容器)从输出电压中分离出AC电流引起的AC分量，获得为AC分量的电压值的AC阻抗作为电池电阻。
如图3所示，随着阳极压力降低，单电池中的电池电阻降低，电池压力升高。
这种通过降低阳极压力引起的电池电阻降低认为是因为阳极压力和阴极压力之间的压差增加引起的，该压差增加是由阳极压力减小使得其远低于阴极压力而引起的。也就是说，阳极压力和阴极压力之间的压差增加促进了电解质膜中的水从产生水的阴极侧向阳极侧的转移，其最终增加了电解质膜中的含水量。认为这减小了膜电阻。
如上所述，从图3所示的结果，我们知道当电解质膜中的含水量低时，降低阳极压力可以降低电池电阻并增加电池电压。特别地，当利用氢气作为燃料气体操作燃料电池时，考虑到与对其供给氧浓度相对低的空气的阴极侧的气体压力的平衡设定阳极压力。因此，与获得所期望的电力所必须的值相比，阳极压力过量很多。在足以产生根据负荷需求的电力的范围内降低阳极压力使得能够降低电池电阻和增加电池电压，同时以该方式获得以过量阳极压力操作燃料电池时所期望的电力。利用该知识，在电解质膜中的含水量低时可以通过进行控制以降低阳极压力来保持该示例实施方案的燃料电池系统10中的电池性能。
C.低的膜含水量控制
图4是示出低的膜含水量程序即膜中的含水量低时执行的程序的流程图，该程序在设置于燃料电池系统10中的控制部70的CPU 74中执行。在通过燃料电池22发电时该程序以预定间隔重复执行。
在程序开始时，CPU 74首先确定燃料电池22是否满足预定的低温条件(步骤S100)。可以基于气体流动是否可以被因燃料电池的内部温度降低引起的燃料电池中产生的液态水阻碍(所谓的水淹)，确定步骤S100中燃料电池22是否满足预定的低温条件。在该示例实施方案中，当利用通过温度传感器52检测的温度作为燃料电池22的内部温度且内部温度为80℃或更低时，确定燃料电池22满足预定的低温条件。
如果在步骤S100中确定未满足该预定的低温条件，则CPU 74基于燃料电池22的输出电压确定电解质膜中的含水量是否是低的(步骤S110)。更具体地，获得由电压传感器54检测的燃料电池22的输出电压值，并且还获得由电流传感器(未显示)检测的燃料电池22的输出电流值。通常，在稳定运行的燃料电池中，主要根据输出电流值确定输出电压值。输出电流值和输出电压值之间存在一致的关系。图5是显示这种输出电流-输出电压特性(输出特性)的一个实例的图。该示例实施方案中的控制部70存储有燃料电池22稳定运行时的输出特性。在步骤S110中，CPU 74基于所获得的输出电流(IA)和存储的输出特性获得参考电压值(VA)，该参考电压值(VA)是稳定运行期间输出电压值的参考值。然后将从电压传感器54获得的输出电压值的检测值与该获得的参考电压值进行比较。当实际检测的值比参考电压值低预定的百分比或更多时，确定电解质膜中的含水量是低的。
此处，步骤S100是进行以防止尽管在电解质膜中的含水量不可能低的情况下也将电解质膜中的含水量在步骤S110中确定为低的步骤。在该示例实施方案的步骤S110中，基于燃料电池22的输出电压确定电解质膜中的含水量是否是低的。这利用了电解质膜的含水量低时电解质膜的电阻值增加且燃料电池的输出电压降低的性质。然而，不仅在电解质膜中的含水量低时可以看到输出电压的降低，而且在出现水淹时也可看到。因此，在该示例实施方案中，在步骤S110之前在步骤S100中排除燃料电池22满足可发生水淹的低温条件的情形，以防止在输出电压低时尽管实际上发生水淹的事实也确定电解质膜中的含水量为低的。以该方式，当执行步骤S100和S110时，控制部70的CPU 74作为确定电解质膜中的含水量是否低的低含水量确定部。
如果在步骤S110中确定电解质膜中的含水量是低的，则CPU 74进行控制以降低阳极压力的设定值(步骤S120)，此后程序的该循环结束。如上所述，当燃料电池22稳定运行时，将阳极压力设定为可以确保可供给足量的氢的恒定值，即使燃料电池22上的负荷需求波动到使得消耗最大量的氢也是如此，并且考虑到与阴极侧的气体压力的平衡。在步骤S120中，CPU 74进行控制以将阳极压力设定为足以用于产生根据负荷需求的电力并且低于其在稳定运行期间设定的值(即，设定值)的值。更具体地，通过从控制部70向喷射器62输出驱动信号调节喷射器62的占空系数以使来自阳极压力传感器50的检测值变成比在稳定运行期间的值低的预定值，进行将阳极压力设定得甚至更低的控制。当以该方式执行步骤S120时，CPU74作为将阳极压力设定为比稳定运行期间的阳极压力低的阳极气体压力调节部。
顺便提及，当在步骤S100中确定燃料电池22满足预定的低温条件时，燃料电池中的气体流路中的饱和蒸气压力低并且抑制了水分从电解质膜蒸发到燃料气体和氧化性气体。由此，认为此时电解质膜极不可能具有低的含水量。因此，过程进行到步骤S130，其中CPU 74根据燃料电池22稳定运行时执行的控制(即，稳定运行控制)控制阳极压力，此后程序的该循环结束。同样，在步骤S110中确定电解质膜中的含水量不低时，过程也进行到步骤S130，其中CPU 74进行稳定运行控制，此后程序的该循环结束。以该方式，通过重复执行图4所示的膜含水量低的程序，在膜含水量低时进行控制以降低阳极压力，并且在降低阳极压力的控制开始之后当膜的含水量恢复时再次重新开始正常控制。
根据如上所述构建的燃料电池系统10，当电解质膜中的含水量低时，阳极压力降低，这降低了电解质膜的电阻值，由此能够抑制由电解质膜中的含水量低而引起的输出电压降低。因此，即使电解质膜中的含水量是低的，仍然可以在维持足够的输出电压的同时保持产生期望的电力，由此抑制燃料电池22的性能降低。而且，可以在不增加能量消耗的情况下降低阳极压力，因此可以在不降低能量效率的情况下抑制由电解质膜中的含水量低而引起的电池性能下降。
具体地，该示例实施方案的燃料电池系统10为设置有再循环流路的结构，该再循环流路作为阳极侧的气体流路，并且使高压氢气循环以通过再循环流路平衡氧化性气体的气体压力。因此，可以容易地在足以根据负荷需求发电的范围内降低阳极压力。
此外，在该示例实施方案中，当阀打开和关闭喷射器62的排放口时，通过占空系数调节阳极压力。因此，可以通过控制阀打开和关闭的简单操作将阳极压力容易地控制到所期望的值。顺便提及，为了调节阳极压力，可以根据除了改变阀打开的持续时间和阀关闭的持续时间(与调节占空系数时的情形一样)以外的方法，通过阀调节排放口的打开/关闭状态。例如，还可以通过调节阀的打开量调节阳极压力。
此外，当在步骤S110中基于输出电压值确定含水量是否低时，优选在参考输出电压值中提供滞后。也就是说，根据情况在步骤S110中进行不同的确定。在第一情形中，当正进行稳定运行控制时确定含水量是否变低。在第二情形中，在进行阳极减压控制的同时确定含水量是否恢复，即不再低。此时，优选在第一情形中使用的参考电压值低于在第二情形中使用的参考电压值，使得可以防止颤动，并且可以提高与阳极压力相关的控制的转换操作稳定性。
此外，代替将阳极压力的设定值改变至低于稳定运行期间设定的阳极压力的单值，可以以不同的方式构建阳极减压控制。也就是说，如果即使在步骤S120中进行阳极减压控制输出电压值也未充分恢复，则可以在下次执行膜含水量低的程序时在步骤S120中将阳极压力的设定值改变至甚至更低的值。如图2所示，电压恢复效果可以随阳极压力的甚至进一步降低而提高。此时，可以在不抑制与负荷需求相关的输出功率的情况下抑制电池性能下降，只要设定为甚至更低的阳极压力值在即使负荷需求波动也可以获得期望电力的范围内即可。
D.修改实施例
本发明不限于所示的实施方案的细节，而是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以实现为各种变化方案、修改方案或改进方案。例如，以下的修改实施例也是可能的。
D1.第一修改实施例
在前述示例性实施方案中，基于在图4中的步骤S100中排除可能出现水淹的情形之后燃料电池22的输出电压值，在图4中的步骤S110中进行关于电解质膜中含水量的确定。然而，作为替代方案，还可以在不同的基础上进行确定。
例如，代替步骤S100和S110，可以基于燃料电池22的内部温度进行电解质膜中的含水量是否低的确定。在步骤S100中，当燃料电池22的内部温度为80℃或更低时确定燃料电池22处于预定的低温状态，从而可以排除水淹。相反，当燃料电池22的内部温度是可以想到的电解质膜中的含水量会因升高的饱和蒸汽压而变低的温度例如90℃或更高时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。利用这种结构，利用检测反映燃料电池22的内部温度的诸如制冷剂温度的温度的简单方法，可以容易地确定电解质膜中的含水量是否是低的。
D2.第二修改实施例
作为替代方案，代替步骤S100和S110，可以基于电解质膜的膜电阻确定电解质膜中的含水量是否是低的。如上文所述，当膜含水量降低时，电解质膜的膜电阻增加。因此，当膜电阻增加到预定值或更高时，可以确定含水量是低的。然而，确定膜电阻本身是困难的。在燃料电池22的内阻中，膜电阻基于发电条件而大幅变化。因此，可以通过获得燃料电池22的内阻进行确定。燃料电池22的内部阻力可以通过例如上述AC阻抗法获得。当AC阻抗的值等于或大于预定参考值时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。根据这种结构，可以基于膜电阻精确地确定电解质膜中的含水量是否是低的。
D3.第三修改实施例
还可以基于供给至阴极的氧化性气体的压降(即，阴极压降)确定电解质膜中的含水量是否是低的。也就是说，在氧化性气体供给通道67和阴极废气通道68中均设置检测氧化性气体的压力的压力传感器，从而获得阴极压降，即两个检测值之差。当所获得的阴极压降小于预定值时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。这是因为当电解质膜中的含水量是低的时，在氧化性气体流路中没有太多的液态水，因此氧化性气体流未被液态水过多阻碍，因此压降降低。
更具体地，还可以在燃料电池系统10的氧化性气体供给通道67中设置气体流量计。此外，通过在改变供给到燃料电池的气体湿度的同时预先测量根据氧化性气体流量的阴极压降，可以对每一氧化性气体流量预先设定用作确定膜含水量是否低的参考的阴极压降，并且阴极压降可以作为映射存储在控制部70中。通过利用气体流量计检测氧化性气体的流量和参考映射，可以获得氧化性气体流量的阴极压降的参考值，然后可以将该获得的压降的参考值与由来自压力传感器的检测值获得的阴极压力降进行比较。当检测的阴极压力降等于或低于由气体流量计获得的压降的参考值时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。顺便提及，不仅可以通过提供气体流量计直接检测氧化性气体的气体流量，而且还可以利用估计值进行估算。可以基于例如作为氧化性气体吸入空气压缩机24中的空气的压力和温度、以及空气压缩机24的速度估算氧化性气体的流量。根据这种结构，可以在不必直接检测膜电阻的条件下根据简单的方法确定电解质膜中的含水量是否是低的。
D4.第四修改实施例
同样，还可以基于供给到阳极的燃料气体的压降(即，阳极压降)确定电解质膜中的含水量是否是低的。也就是说，在氢供给通道60和阳极废气通道68中均设置检测燃料气体压力的压力传感器，从而获得阳极压降，即两个检测值之差。当获得的阳极压降低于预定值时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。此处，阳极压降变成不仅受燃料气体流动通道中的液态水的量影响并且还依赖于发电所消耗的氢量的值。可以基于通过设置用于检测燃料电池22的输出电流的安培计检测的输出电流的积分值计算发电所消耗的氢的量。在燃料电池系统10的控制部70中，通过在改变供给到燃料电池的气体湿度的同时预先测量根据输出电流的积分值(即，消耗的氢的量)的阳极压降，可以预先设定用作确定膜含水量是否低的参考的阳极压降，并且可以作为映射预先存储阳极压降。基于利用安培计检测的输出电流的积分值和映射获得阳极压降的参考值。然后将该压降的参考值与来自压力传感器的阳极压降的检测值进行比较。当所检测的阳极压降等于或低于参考值时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。在这种情形中，也可以在不必直接检测膜电阻的条件下通过简单的方法确定电解质膜中的含水量是否是低的。
D5.第五修改实施例
作为替代方案，可以通过计算供给到燃料电池22的氧化性气体中的水分的量、在燃料电池中因发电而产生的水的量和废气中的水蒸汽的量(即排放的体积)并计算燃料电池22中的水平衡，确定电解质膜中的含水量是否是低的。
利用阴极废气在上述加湿模块25中对氧化性气体加湿。加湿模块25的加湿效率是根据待加湿的氧化性气体的压力和温度或用于加湿的阴极废气的压力和湿度设定的值。因此，可以根据诸如待加湿的氧化性气体的压力和温度或用于加湿的阴极废气的压力和湿度等参数，预先获得氧化性气体的加湿量，并作为映射存储在控制部70中。因此，通过利用传感器检测参数和参考映射可以获得氧化性气体的加湿量。
可以根据发电量理论上计算因发电而产生的水的量。因此，可以在燃料电池系统10中设置检测来自燃料电池22的输出电流的安培计，可以基于来自该安培计的检测值计算所产生的水的量。
可以在阴极废气通道68中设置气体流量传感器、气体温度传感器和气体压力传感器，并且可以通过检测阴极废气的流量、温度和压力计算阴极废气中的水蒸汽的量。在该情况下，计算阴极废气中的蒸气压力作为饱和蒸气压。顺便提及，当电解质膜中的含水量改变时从气液分离器27的阀27a排放的水分的量并不变化很多，因此当计算排放的体积时将其忽略。然而，作为替代方案，可以在考虑该水分的量的情况下计算排放的体积。
以该方式，当计算氧化性气体加湿量、所产生的水的量和排放的体积时，当下式(1)为真时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。
(排放体积)＞(加湿量+所产生的水量)×C (1)
顺便提及，常数C是代表与燃料电池是否可以与膜含水量下降多少无关地发电相关的燃料电池性能，并且可以对每个燃料电池设定。该常数C可以设定为大于1的值。根据式(1)，当常数C大于1时，燃料电池中的水分的量逐渐减小，因此，电解质膜中的含水量持续降低。然而，实际上，因为在计算排放的体积时将阴极废气中的蒸气压计算为饱和蒸气压，所以这不会发生。当燃料电池的温度稍低时，阴极废气中的蒸气压会达到饱和蒸气压。然而，当燃料电池的温度高得足以使得电解质膜中的含水量会下降时，阴极废气的蒸气压不会达到饱和蒸气压。因此，实际排放得体积会小于上述计算的排放的体积，因此将式(1)中的常数C设定为大于1。根据这种结构，利用来自安培计(通常设置用于控制燃料电池系统的传感器)或用于阴极废气的流量传感器、温度传感器和压力传感器等的检测值，可以容易地确定电解质膜中的含水量是否是低的，而不必直接检测膜电阻。
D6.第六修改实施例
还可以基于废气(阴极废气或阳极废气)的湿度确定电解质膜中的含水量是否是低的。例如，当使用阴极废气的湿度时，可以在阴极废气通道68中设置气体露点计和气体温度传感器，从而可以获得阴极废气的湿度。当燃料电池的温度相对低时，废气的水蒸气压达到饱和蒸气压。然而，当燃料电池的温度上升到使电解质膜中的含水量可能变低时，废气中的湿度下降到低于对应于饱和蒸气压的湿度。因此，预先设定用作用于确定含水量是否低的参考的废气湿度。当基于检测值获得的废气湿度下降到低于用作参考的废气湿度时，可以确定电解质膜中的含水量是低的。在这种情况下，也可以在不必直接检测膜电阻的条件下利用简单的方法确定电解质膜中的含水量是否是低的。
D7.第七修改实施例
在示例性实施方案中，使用喷射器62来补充再循环流路中的氢气。然而，作为替代方案，可以使用不同的结构。例如，可以设置减压阀代替喷射器62，并且可以进行控制以通过利用这种减压阀调节供给到燃料电池22的燃料气体的压力来降低阳极压力。
图6是显示作为用于代替喷射器62的减压阀的一个实例的减压阀162的一般结构的框形式的截面视图。减压阀162包括外壳80、隔膜(diaphragm)85、提升阀86、和弹簧91与92。在外壳80中形成由氢罐23侧供给的氢气经过其流入的第一侧入口88、氢气通过其排放到再循环流路侧的第二侧出口89、和朝环境空气打开的背压口90。隔膜85将外壳80的内部分割成图中的上部空间和下部空间。上部空间构成经过背压口90朝环境空气打开的压力调节室83。下部空间通过外壳80的分割板84进一步分割成两个空间，一个是第一侧气体室81，另一个是第二侧气体室82。
分割板84中形成有提供第一侧气体室81和第二侧气体室82之间的连通的调节孔87。该调节孔87的打开量通过连接至隔膜85的提升阀86调节。从第一侧入口88流入第一侧气体室81的高压氢气穿过调节孔87(其降低氢气的压力)，进入第二侧气体室82，由此经第二侧出口89供给到再循环流路。
弹簧91布置在第一侧气体室81中，并且沿减小调节孔87的打开量的方向推动提升阀86。此外，弹簧92布置在压力调节室83中，沿增加调节孔87的打开量的方向推动隔膜85。此外，在第二侧气体室82中的减压氢气的压力在减小调节孔87的打开量的方向施加力至隔膜85，而压力调节室83内的环境空气的压力沿增加调节孔87的打开量的方向施加力至隔膜85。调节孔87的打开度和氢气压力的降低度由减压氢气的力和环境空气的力的平衡决定。当第二侧的气体压力通过增加第一侧的气体压力而增加时，由第二侧的气体压力施加至隔膜的力增加。结果，用于减小调节阀87的打开量的力增加，其增加氢气压力的降低度。相反，当第二侧的气体压力通过降低第一侧的气体压力而降低时，由第二侧的气体压力施加至隔膜的力减小。结果，用于减小调节阀87的打开量的力减小，由此降低氢气压力的降低度。以该方式，降低的第二侧的氢气压力可以基本上保持恒定，即使第一侧的氢气压力波动也是如此。
当使用这种减压阀162时，燃料电池系统的结构可以为使得减压器可以连接到朝压力调节室83打开的背压口90，并且可以切断背压口90和环境空气之间的连通。然后，当进行图4中所示步骤S120中的阳极减压控制时，可以切断压力调节室83和环境空气之间的连通，并且利用减压器将压力调节室83中压力降低至低于大气压力。结果，用于减小调节孔87的打开量的力可以增加，其增加氢气压力的降低度，由此能够降低阳极压力。
D8.第8修改实施例
在该示例性实施方案中，使用储存在氢罐23中的氢气作为含氢的燃料气体。然而，作为替代方案，可以使用不同的结构。例如，可以使用利用诸如蒸汽重整反应的重整反应由醇或烃燃料等获得的富氢重整气体作为燃料气体。在该情况下，也可以通过确保输出电压获得相同的效果，这是通过在电解质膜中的含水量是低的时进行控制以降低阳极压力来抑制电解质膜电阻增加而实现的。
Claims (5)
1.一种燃料电池系统，包括：
具有聚合物电解质膜的聚合物电解质燃料电池(22)；和
阳极气体压力调节部，
其特征在于包括：
确定部，所述确定部用于通过将由电压传感器所检测的燃料电池的输出电压值与参考电压值进行比较来确定所述聚合物电解质膜中的含水量是否是低的，所述参考电压值是基于所检测的所述燃料电池的输出电流和所述燃料电池稳定运行期间的输出电流-输出电压特性而获得的，其中当所检测的输出电压值比所述参考电压值低预定的百分比或更多时确定所述含水量是低的，
其中当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部将所述燃料电池的阳极侧的气体压力设定为比在所述含水量未被确定为低时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力的设定值低。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中当确定所述含水量是低的时，所述阳极气体压力调节部将所述阳极侧的气体压力设定为低于所述稳定运行期间的所述设定值、但是在能够产生根据所述燃料电池的负荷需求的电力的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，还包括：
将氢气供给到所述燃料电池的阳极的氢气供给通道(60)；和
将从所述燃料电池的所述阳极排放的气体引导至所述氢气供给通道的阳极废气通道(63)，
其中所述氢气供给通道的一部分和所述阳极废气通道形成使氢在所述燃料电池内的部分之间再循环的再循环流路，所述阳极气体压力调节部将所述再循环流路内的压力设定为所述阳极侧的气体压力。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，还包括：
设置在所述氢气供给通道中的所述再循环流路上游的喷射器(62)，所述喷射器(62)具有排放口和阀，氢气通过所述排放口排放到所述再循环流路侧，所述阀选择性打开和关闭所述排放口，
其中所述阳极气体压力调节部通过利用所述阀调节所述排放口的打开/关闭状态设定所述阳极侧的气体压力。
5.一种用于调节聚合物电解质燃料电池的聚合物电解质膜内的含水量的方法，包括：
通过将由电压传感器所检测的所述燃料电池的输出电压值与参考电压值进行比较来确定所述聚合物电解质膜内的含水量是否是低的，所述参考电压值是基于所检测的所述燃料电池的输出电流和所述燃料电池稳定运行期间的输出电流-输出电压特性而获得的，其中当所检测的输出电压值比所述参考电压值低预定的百分比或更多时确定所述含水量是低的；和
当确定所述含水量是低的时，将所述燃料电池的阳极侧的气体压力设定为比在所述含水量不为低的时的稳定运行期间所述阳极侧的气体压力的设定值低。
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