CN101669243B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，包括：燃料电池，包括多组膜电极接合体和形成向膜电极接合体所供给的反应气体的流路的流路形成部件；以及处理执行部，执行用于使各流路形成部件中所保持的水的量增大的处理，以降低各流路形成部件中所保持的水的量的偏差。由此来降低流路形成部件中所保持的水的量的偏差。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
燃料电池通常含有多个膜电极接合体。在各膜电极接合体一侧设有形成氧化气体的流路的流路形成部件。在各膜电极接合体中，伴随着发电生成水。所生成的水的一部分被保持在各流路形成部件中。
并且，作为这种燃料电池，公知特开2006-221853号公报中记载的燃料电池。
然而，保持在各流路形成部件中的水的量是不同的。保持在各流路形成部件中的水的量的偏差较大时，各膜电极接合体的发电性能的偏差变大，燃料电池的输出电压降低，或者燃料电池无法继续发电。
以往，通过使氧化气体的流量增大来降低保持在各流路形成部件中的水的量的偏差。但是，现在迫切期望能够降低保持在各流路形成部件中的水的量的偏差的其他方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，利用其他方法降低保持在各流路形成部件中的水的量的偏差。
本发明为了解决上述问题中的至少一部分问题而作出，可以通过以下方式或应用例来实现。
[应用例1]
一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池，包括多组膜电极接合体和形成向上述膜电极接合体供给的反应气体的流路的流路形成部件；以及
处理执行部，执行用于使上述各流路形成部件中所保持的水的量增大的处理，以使上述各流路形成部件中所保持的水的量的偏差降低。
在该系统中，通过执行上述的处理，能够使各流路形成部件中所保持的水的量增大，其结果是可以降低各流路形成部件中所保持的水的量的偏差。
[应用例2]
根据应用例1所述的燃料电池系统，上述处理执行部在上述燃料电池的负载降低的情况下执行上述处理。
在燃料电池的负载降低的情况下，各流路形成部件中所保持的水的量的偏差容易变大。但是，若如上所述，则能够高效率地降低各流路形成部件中所保持的水的量的偏差。
[应用例3]
根据应用例1所述的燃料电池系统，
上述处理执行部定期地执行上述处理。
这样一来，能够容易地降低各流路形成部件中所保持的水的量的偏差。
[应用例4]
根据应用例1至3中任一项所述的燃料电池系统，
上述处理执行部具有向上述燃料电池供给反应气体的供给部，
上述处理包括使由上述供给部供给到上述燃料电池的反应气体的流量降低的处理。
这样一来，能够降低向由各流路形成部件形成的反应气体的流路供给的流量，其结果是能够使各流路形成部件中所保持的水的量增大。
[应用例5]
根据应用例1至3中任一项所述的燃料电池系统，
上述处理执行部具有设置在从上述燃料电池排出的反应气体通过的通路上的阀，
上述处理包括使上述阀的开度降低的处理。
这样一来，能够使由各流路形成部件形成的反应气体的流路的压力增大，其结果是能够使各流路形成部件中所保持的水的量增大。
[其他应用例]
根据应用例1至3中任一项所述的燃料电池系统，
上述处理执行部具有对供给到上述燃料电池的反应气体进行加湿的加湿部，
上述处理包括上述加湿部使反应气体的加湿量增大的处理。
[其他应用例]
根据应用例1至3中任一项所述的燃料电池系统，
上述处理执行部具有用于冷却上述燃料电池的冷却部，
上述处理包括上述冷却部使上述燃料电池内部的温度降低的处理。
[其他应用例]
根据应用例1所述的燃料电池系统，
上述处理执行部具有检测与上述各流路形成部件中所保持的水的量的偏差相关的物理量的检测部，
上述处理执行部基于上述检测结果执行上述处理。
该发明可以在各种方式下实现，例如可以在如下各种方式下实现：燃料电池系统、搭载有该燃料电池系统的移动体、该燃料电池系统的控制方法、用于实现这些方法或装置的功能的计算机程序、记录有该计算机程序的记录介质、及包括该计算机程序并在载波内具体化的数据信号等。
附图说明
图1是示意性地表示燃料电池系统的结构的说明图。
图2是示意性地表示燃料电池100的内部构造的说明图。
图3是表示多孔质体130c内部所保持的水的分布的说明图。
图4是表示用于使各多孔质体的含水量的偏差降低的一系列的处理的流程图。
图5是表示燃料电池的负载和燃料电池内部的温度之间的关系的说明图。
图6是示意性地表示空气过剩系数与压力损失之间的关系的说明图。
图7是表示第一实施例中的步骤S114(图4)的具体处理的流程图。
图8是表示步骤S202(图7)的处理的前后的空气过剩系数的分布的说明图。
图9是表示空气过剩系数与单体电池电压之间的关系的说明图。
图10是表示第二实施例中的步骤S114(图4)的具体处理的流程图。
具体实施方式
A.第一实施例
A-1.燃料电池系统的结构：
接着，基于实施例说明本发明的实施方式。图1是示意性地表示燃料电池系统的结构的说明图。另外，该燃料电池系统搭载在车辆上。
如图所示，燃料电池系统具有：燃料电池100；用于向燃料电池供给氢气(燃料气体)的燃料气体供给部200；用于向燃料电池供给包含氧气的氧化气体(空气)的氧化气体供给部300；以及控制燃料电池系统整体的动作的控制电路600。
在燃料电池100上连接有燃料气体通过的燃料气体通路201以及使用完毕的燃料废气通过的燃料废气通路202。另外，在燃料电池100上连接有氧化气体通过的氧化气体通路301以及使用完毕的氧化废气通过的氧化废气通路302。并且，燃料废气通路202与氧化废气通路302在下游侧与汇合废气通路401连接。
燃料气体供给部200具有氢气罐220、减压阀236以及流量控制阀238。氢气罐220以比较高的压力储藏氢气(燃料气体)。减压阀236将从氢气罐220排出的燃料气体减压到规定的压力。流量控制阀238调整燃料气体的流量，供给到燃料电池100。
燃料气体供给部200进而具有气液分离器240、循环泵250以及截止阀260。气液分离器240与截止阀260设在燃料废气通路202上。循环泵250设在连接燃料废气通路202和燃料气体通路201的循环通路203上。另外，循环通路203的上游侧的端部在气液分离器240和截止阀260之间与燃料废气通路202连接，下游侧端部在流量控制阀238的下游侧与燃料气体通路201连接。
气液分离器240除去燃料废气中包含的过剩的水蒸气。由气液分离器240除去的水经由排出阀242排出到燃料废气通路202。
循环泵250具有使氢气浓度较低的燃料废气作为燃料气体返回到燃料气体通路201内的功能。因此，燃料气体在环状通路内循环。通过这样使燃料气体循环，能够增大单位时间内供给到燃料电池的氢气流量(mol/sec)，其结果是能够提高燃料电池的反应效率。但是，随着燃料电池中的电化学反应的进行，环状通路内的燃料气体中所包含的氢气量(mol)减少。另外，燃料气体中的氢气浓度(体积百分率)逐渐降低。因此，在本实施例中，将流量控制阀238和截止阀260间歇地设定为开状态，将氢气浓度较高的燃料气体供给到燃料电池，并从燃料电池排出氢气浓度较低的燃料废气。使用完毕的燃料废气经由燃料废气通路202和汇合废气通路401排出到大气中。
氧化气体供给部300具有压缩机310、加湿量调整阀320、压力调整阀340以及加湿器350。压缩机310和加湿量调整阀320设在氧化气体通路301上。压力调整阀340和加湿器350设在氧化废气通路302上。
压缩机310将包含氧气的氧化气体(空气)向燃料电池100供给。加湿量调整阀320与加湿器350并列设置。加湿量调整阀320的开度较小的情况下，由于经由加湿器350的氧化气体的量较大，因而供给到燃料电池100的氧化气体的加湿量变大。另一方面，加湿量调整阀320的开度较小的情况下，由于经由加湿器350的氧化气体的量较小，因而供给到燃料电池100的氧化气体的加湿量变小。
压力调整阀340具有调整燃料电池100的背压(氧化废气的排出口的压力)的功能。加湿器350利用氧化废气中含有的水及水蒸气对氧化气体进行加湿。另外，作为加湿器350，例如可以使用中空纤维膜式加湿器。氧化废气经由氧化废气通路302和汇合废气通路401排出到大气中。
另外，在燃料电池系统中设有用于冷却燃料电池100的冷却部500。冷却部500具有使冷却液的温度降低的热交换器510和使冷却液循环的循环泵520。冷却部500通过向燃料电池100供给冷却液来降低燃料电池100内部的温度。
图2是示意性地表示燃料电池100的内部构造的说明图。燃料电池100是较小型、发电效率较高的固体高分子型燃料电池，利用从燃料气体供给部200供给的氢气(燃料气体)和从氧化气体供给部300供给的氧化气体(空气)中的氧气进行发电。
燃料电池100包括交替层积的多个发电单元110和多个隔板120。
发电单元110包括电解质膜112，在电解质膜112的第一面侧按顺序依次设有第一电极催化剂层(阳极)114a和第一气体扩散层116a，在电解质膜112的第二面侧按顺序依次设有第二电极催化剂层(阴极)114c和第二气体扩散层116c。
在发电单元110的两侧配置有隔板120。并且，在发电单元110和第一隔板120之间配置有与第一气体扩散层116a接触的第一多孔质体130a，在发电单元110和第二隔板120之间配置有与第二气体扩散层116c接触的第二多孔质体130c。
在由第一多孔质体130a形成的第一流路中，从燃料气体供给部200所供给的燃料气体流通，在由第二多孔质体130c形成的第二流路中，从氧化气体供给部300所供给的氧化气体流通。并且，燃料气体和氧化气体在发电单元110中用于电化学反应。
另外，作为电解质膜112，可以使用由氟类树脂等固体高分子材料形成的膜。作为电极催化剂层114a、114c，可以使用在碳粒子上担载铂等的催化剂的层。气体扩散层116a、116c由复写纸等具有透气性及导电性的材料形成。多孔质体130a、130c是具有透气性及导电性的部件，例如利用不锈钢或钛等金属形成。作为金属多孔质体，例如可以使用发泡金属烧结体、对球状或纤维状的微小金属片进行烧结而成的烧结体。
另外，在本实施例中，隔板120由3片板构成。在配置于中间的板上设有从冷却部500供给的冷却液流通的冷却液流路128。隔板120的各板例如由不锈钢、钛、钛合金等具有导电性的金属制的板材形成。
A-2.由多孔质体进行的水的保持
在本实施例中，在气体扩散层116a、116c上实施了防水处理。并且，为了增大导电率，在多孔质体130a、130c上实施了镀金。通过实施镀金，能够提高多孔质体130a、130c的亲水性。并且，为了增大导电率，在隔板120上实施了镀金。通过实施镀金，能够提高隔板120的亲水性。
随着各发电单元110的电化学反应的进行，在各发电单元110中生成水。具体来说，在各发电单元110的阴极侧的电极催化剂层114c中生成了水(生成水)。所生成的水经由气体扩散层116c流入到多孔质体130c内部。在本实施例中，由于在气体扩散层116c上实施了防水处理，因此水会迅速地移动到多孔质体130c内部。并且，水的一部分保持在多孔质体130c内部。
图3是表示多孔质体130c内部所保持的水的分布的说明图。图3(A)表示所保持的水的量较少的情况下的水的分布，图3(B)表示所保持的水的量较多的情况下的水的分布。
如图3(A)、(B)所示，以偏向多孔质体130c的隔板120侧的面附近的状态保持流入到多孔质体130c的水的一部分。这是由于配置在多孔质体130c一侧的隔板120比配置在多孔质体130c另一侧的气体扩散层116c的亲水性高。
多孔质体130c内部的水能够以液体的状态从多孔质体130c排出，并且能够以气体的状态从多孔质体130c排出。具体来说，在流过多孔质体130c的氧化气体的流量较大的情况下，水主要根据氧化气体的流速以液体的状态从多孔质体130c被除去。另一方面，在流过多孔质体130c的氧化气体的流量较小的情况下，水主要根据蒸气压以气体的状态从多孔质体130c被除去。
但是，由多孔质体130c形成的流路即使在多孔质体130c中保持最多的水的情况下也不是完全闭塞的。例如，多孔质体130c的多个孔中，水仅保持在最大约80％的孔中。因此，即使在多孔质体130c中保持最多的水的情况下，氧化气体也经由气体扩散层116c供给到电极催化剂层114c。
另外，在本实施例中，对多孔质体130c实施了镀金，对隔板120实施了镀金，但假如即使没有在多孔质体130c及隔板120上实施了镀金的情况下，水也分布在多孔质体130c的隔板120侧的面附近。即，可以省略对于多孔质体130c及隔板120的电镀。
另外，假如对隔板120实施了防水处理的情况下，水被保持在多孔质体130c的内部，即保持在多孔质体130c的隔板120侧的面和气体扩散层116c侧的面的中间部分。
在燃料电池100中包含多个多孔质体130c。流过各多孔质体130c的氧化气体的流量优选相同。并且，保持在各多孔质体130c中的水的量优选相同。但是实际上如下述说明所述，流过各多孔质体130c的氧化气体的流量及保持在各多孔质体130c中的水的量(含水量)是不同的。
在燃料电池100内部设有分配通路(被称为歧管)，用于向多个发电单元110，更具体地说，向多个多孔质体130c分配氧化气体。但是从各多孔质体130c观察时的分配通路的构造不同。并且，各多孔质体130c的构造也不同。因此，假如在各多孔质体130c中未保持水的情况下，流过各多孔质体130c的氧化气体的流量也不同。因此，随着各发电单元110中的电化学反应的进行，保持在各多孔质体130c中的水的量(含水量)也不同。并且，各多孔质体130c的含水量不同时，流过各多孔质体130c的氧化气体的流量的差异更大。
各多孔质体130c的含水量的偏差，换言之各多孔质体130c的氧化气体的流量的偏差使燃料电池100的输出特性恶化。具体来说，在一部分多孔质体130c的含水量过度变大的情况下，燃料电池100的输出电压降低，或者燃料电池100无法继续发电。
因此，优选各多孔质体130c的含水量的偏差、换言之各多孔质体130c的氧化气体的流量的偏差较小。以往，通过使氧化气体的流量过度增大而将各多孔质体130c中保持的水以液体的状态排出，从而使各多孔质体130c中保持的水的量降低，其结果是各多孔质体130c的含水量的偏差减少。但在本实施例中，通过其他方法来降低各多孔质体130c的含水量的偏差。
A-3.含水量的偏差的降低处理：
图4是表示用于降低各多孔质体的含水量的偏差的一系列的处理的流程图。在步骤S112中，控制电路600判断是否满足规定的条件。在本实施例中，在燃料电池100的负载从高负载向低负载变更时，更具体来说，燃料电池100的负载降低规定量以上时，就满足了规定的条件。
另外，可以基于燃料电池100所要求的输出电力的变化来判断燃料电池100的负载的变化。燃料电池100的负载，换言之燃料电池100所要求的输出电力例如根据车辆的用户踏下加速踏板的踏入量而变化。
图5是表示燃料电池的负载和燃料电池内部的温度之间的关系的说明图。如图所示，在燃料电池的负载较高的时刻ta，燃料电池的温度较高。另一方面，在燃料电池的负载较低的时刻tc，燃料电池的温度较低。燃料电池的负载降低时，燃料电池的温度降低。但是，如图所示，温度的降低迟于负载的降低。因此，在燃料电池的负载刚降低后的时刻tb，变成燃料电池的负载较低且燃料电池的温度较高的状态。在该状态下，如下文所述，各多孔质体130c的含水量的偏差逐渐变大。因此，在本实施例中，在步骤S112(图4)中，判断燃料电池100的负载是否从高负载向低负载变更。
图6是示意性地表示空气过剩系数与压力损失的关系的说明图。在图中，横轴表示与供给到发电单元110的氧化气体(空气)的量相关的空气过剩系数(air stoichiometric ratio)。纵轴表示发电单元110(更具体来说，多孔质体130c)的压力损失(kPa)。即，图6表示供给到一个发电单元110的氧化气体的空气过剩系数变更时该发电单元110的压力损失的变化。
在此，“空气过剩系数”表示供给到发电单元的氧化气体(空气)的量与在发电单元中应当用于发电的氧化气体(空气)的量的比。在供给到发电单元的氧化气体中的氧气全部用于发电的情况下，空气过剩系数为1.0。在使燃料电池系统动作时，空气过剩系数通常设定为比1.0大的值(例如大约1.5)。
曲线Ca是图5的时刻ta时的状态，即燃料电池的负载较高且燃料电池的温度较高(大约80℃)的状态下的图表。曲线Cc是图5的时刻tc时的状态，即燃料电池的负载较低且燃料电池的温度较低(大约60℃)的状态下的图表。曲线Cb是图5的时刻tb时的状态，即燃料电池的负载较低且燃料电池的温度较高(大约80℃)的状态下的图表。另外，曲线Cb、Cc是基于实验结果的图表，曲线Ca是基于预测的图表。
从曲线Ca、Cc可以看出，在燃料电池的负载维持在大致恒定的期间，多孔质体130c的压力损失根据空气过剩系数大致线性地变化。另外，两个曲线Ca、Cc是负载互不相同的情况的图表，特定的空气过剩系数的曲线Ca的氧化气体的流量比该特定的空气过剩系数的曲线Cc的氧化气体的流量大。因此，曲线Ca的压力损失也比曲线Cc的压力损失大。
另一方面，如曲线Cb所示，在燃料电池的负载刚从高负载向低负载变更后的期间，多孔质体130c的压力损失不会根据空气过剩系数单调地变化。具体来说，在空气过剩系数较大的区域(图中右侧的区域)以及空气过剩系数比较小的区域(图中左侧的区域)，压力损失根据空气过剩系数大致线性地变化，但在空气过剩系数大约1.5附近存在拐点。另外，2个曲线Cb、Cc是燃料电池的负载相同时的图表，特定的空气过剩系数的曲线Cb的氧化气体的流量与该特定的空气过剩系数的曲线Cc的氧化气体的流量相同。
如果关注曲线Cb、Cc，则在较小的第一空气过剩系数R1，2个曲线Cb、Cc的压力损失为大致相等的值，但在较大的第二空气过剩系数R2，曲线Cb的压力损失比曲线Cc的压力损失小。另外，曲线Cb的压力损失在第一空气过剩系数R1和第二空气过剩系数R2是大致相等的值。
在曲线Cc中，在图6所示的空气过剩系数的范围(大约1.1～大约2.0)中，可以认为多孔质体130c内部为饱和蒸气压。并且，在曲线Cb中，在图6所示的较小的空气过剩系数的范围(大约1.1～大约1.5)中，可以认为多孔质体130c内部为饱和蒸气压，但在图6所示的较大的空气过剩系数的范围(大约1.5～大约2.4)中，可以认为多孔质体130c内部没有形成饱和蒸气。可以认为因此产生上述现象。
具体来说，在2个曲线Cb、Cc中，燃料电池的负载都较低，但燃料电池内部的温度不同。具体来说，在曲线Cc中，燃料电池内部的温度较低，在曲线Cb中，燃料电池内部的温度较高。因此，在曲线Cc的图6所示的空气过剩系数的范围内，多孔质体130c内部的蒸气饱和，与温度(大约60℃)对应的较少量的水蒸气被排出。同样地，在曲线Cb的图6所示的较小的空气过剩系数的范围内，多孔质体130c内部的蒸气饱和，与温度(大约80℃)对应的较多量的水蒸气被排出。另一方面，在曲线Cb的图6所示的较大的空气过剩系数的范围内，氧化气体的流速较大，因此多孔质体130c内部的蒸气不饱和。因此，保持在多孔质体130c中的水迅速汽化并被排出。因此，在图6所示的较大的空气过剩系数的范围内，曲线Cb的含水量比曲线Cc的含水量小。其结果是，在图6所示的较大的空气过剩系数的范围内，曲线Cb的压力损失比曲线Cc的压力损失小。并且，第二空气过剩系数R2的曲线Cb的含水量比第一空气过剩系数R1的曲线Cb的含水量小。其结果是，虽然氧化气体的流量不同，但是曲线Cb的压力损失在第一空气过剩系数R1和第二空气过剩系数R2是大致相等的值。
另外，可以认为，在图6中，曲线Cc不包括拐点，在更高的空气过剩系数(例如大约2.5以上)包括拐点。
在图6中表示供给到一个多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数变更的情况下的压力损失，但在多个多孔质体130c的含水量不同的情况下，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数及各多孔质体130c的压力损失也不同。
在多个多孔质体130c的含水量不同时，几乎不向含水量较大的一部分多孔质体供给氧化气体，而向含水量较小的其他一部分多孔质体供给较多的氧化气体。此时，水难以从含水量较大的一部分多孔质体排出，易于从含水量较小的其他一部分多孔质体排出。即，各多孔质体130c的含水量的偏差逐渐变大。
因此，在本实施例中，在图4的步骤S114中，控制电路600执行用于降低各多孔质体130c的含水量的偏差的降低处理。在本实施例中，通过增大各多孔质体130c的含水量，降低各多孔质体130c的含水量的偏差。
图7是表示第一实施例中的步骤S114(图4)的具体的处理的流程图。在步骤S202中，控制电路600控制压缩机310而降低氧化气体的流量。具体来说，控制电路600降低压缩机310的转速。
在步骤S204中，控制电路600控制压力调整阀而增大燃料电池100的氧化废气的排出口的压力(背压)。具体来说，控制电路600降低压力调整阀340的开度。此时，各多孔质体130c内部的压力增大。
图8是表示步骤S202(图7)的处理前后的空气过剩系数的分布的说明图。在图中，横轴表示供给到多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数，纵轴是表示以对应的空气过剩系数供给氧化气体的多孔质体130c的个数(频率)。另外，在图8中为了参考还示出了图6的曲线Cb、Cc。
曲线D1表示步骤S202处理前的空气过剩系数的分布。如图所示，在步骤S202的处理前，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数的偏差，换言之各多孔质体130c的含水量的偏差较大。另外，在本实施例中，假定空气过剩系数的偏差(即含水量的偏差)遵从正规分布。
曲线D2表示步骤S202处理后的空气过剩系数的分布。在步骤S202中，氧化气体的流量降低时，供给到各多孔质体130c的氧化气体的流量及空气过剩系数降低。其结果是，如曲线D2所示，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数的偏差，换言之各多孔质体130c的含水量的偏差变小。
具体来说，由于供给到燃料电池100的氧化气体的流量降低，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数的平均值变小。并且，由于供给到各多孔质体130c的氧化气体的流速降低，因而一部分多孔质体130c的内部的蒸气压从不饱和状态向饱和状态变化。即，各多孔质体130c内部变为饱和蒸气压。其结果是，各多孔质体130c的含水量变大。但是，如上所述，由多孔质体130c形成的流路不会完全闭塞。因此，如曲线D2所示，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数的偏差，换言之各多孔质体130c的含水量的偏差变小。
然而，在步骤S202中，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数降低时，燃料电池100的输出电压降低。
图9是表示空气过剩系数与单体电池电压之间的关系的说明图。另外，在图9中，示出了表示步骤S202处理前的空气过剩系数的偏差(图8的曲线D1)的范围W1。并且，在图9中，示出了表示步骤S202处理后的空气过剩系数的偏差(图8的曲线D2)的范围W2。另外，单体电池电压表示发电单元110的2个电极催化剂层114a、114c之间的电压。
如图所示，空气过剩系数越小、换言之含水量越大，由于浓度过电压引起单体电池电压越小。
通过执行步骤S202的处理，空气过剩系数的平均值及空气过剩系数的偏差变小时，燃料电池100的多个发电单元110的平均单体电池电压也变小。因此，在本实施例中，如步骤S204所说明的那样，使背压增大。通过使背压增大，如图9所示，可以使多个发电单元110的平均单体电池电压增大，其结果是能够缓和燃料电池100的输出电压的降低。
如上述说明所述，在本实施例中，在步骤S202中使氧化气体的流量降低，从而能够使保持在各多孔质体130c中的水的量增大，其结果是可以降低保持在各多孔质体130c中的水的量的偏差。
另外，在本实施例中，执行步骤S204的处理，但也可以省略步骤S204的处理。在省略步骤S204的处理的情况下，也可以降低各多孔质体130c的含水量的偏差。在执行步骤S204的处理的情况下，随着背压的增大，由压缩机310消耗的能量增大。因此，在省略了步骤S204的情况下，还具有能够使伴随着步骤S204的处理的执行的、基于压缩机310的能量消耗降低的优点。
并且，在本实施例中，步骤S204的处理在步骤S202的处理之后执行，但也可以同时执行。
如以上说明可知，本实施例中的电解质膜112、第一电极催化剂层114a以及第二电极催化剂层114c相当于本发明的膜电极接合体。并且，本实施例中的第二多孔质体130c相当于本发明的流路形成部件。进而，本实施例中的压缩机310相当于本发明的供给部，压缩机310和控制电路600相当于本发明的处理执行部。
另外，在本实施例中，控制电路600控制压缩机，从而使供给到燃料电池100的氧化气体的流量降低，但在压缩机和燃料电池之间设有流量控制阀的情况下，控制电路也可以通过降低流量控制阀的开度来降低氧化气体的流量。在这种情况下，压缩机和流量控制阀相当于本发明的供给部。
B 第二实施例
在第二实施例中也利用图1所示的燃料电池系统。第二实施例的处理与第一实施例的处理同样，但变更了步骤S114(图4)的具体处理。
图10是表示第二实施例的步骤S114(图4)的具体处理的流程图，与图7对应。在步骤S302中，控制电路600控制压力调整阀340，使燃料电池100的氧化废气的排出口的压力(背压)增大。具体来说，控制电路600降低压力调整阀340的开度。
执行步骤S302的处理时，各多孔质体130c内部的压力增大。因此，各多孔质体130c内部的水蒸气凝结并液化，各多孔质体130c的含水量增大。其结果是，供给到各多孔质体130c的氧化气体的空气过剩系数，换言之各多孔质体130c的含水量的偏差降低。
但是，在执行步骤S302的处理的情况下，压缩机310的转速维持恒定时，由压缩机310消耗的能量增大。
因此，在本实施例中，执行步骤S304的处理。在步骤S304中，控制电路600控制压缩机310来降低氧化气体的流量。具体来说，控制电路600降低压缩机310的转速。由此，能够缓和由压缩机310消耗的能量的增大。
如以上说明所述，在本实施例中，在步骤S302中增大背压，由此能够使保持在各多孔质体130c中的水的量增大，其结果是能够降低保持在各多孔质体130c中的水的量的偏差。
另外，在本实施例中，执行了步骤S304的处理，但步骤S304的处理可以省略。在省略了步骤S304的处理的情况下，也能够降低各多孔质体130c的含水量的偏差。
另外，在本实施例中，步骤S304的处理在步骤S302的处理之后执行，但也可以同时执行。
如以上说明所述，本实施例的压力调整阀340相当于本发明中的阀，压力调整阀340和控制电路600相当于本发明的处理执行部。
另外，本发明不限于上述实施例或实施方式，在不脱离其主旨的范围内可以在各种方式中实施，例如可以进行如下所示的变形。
(1)在第一实施例中，在步骤S202(图7)中降低氧化气体的流量，从而降低各多孔质体130c的含水量的偏差。并且，在第二实施例中，在步骤S302(图10)中增大背压，从而降低各多孔质体130c的含水量的偏差。但是，作为步骤S114(图4)的处理，还可以应用其他各种方法。
例如，在燃料电池系统具有可调整氧化气体的湿度的湿度调整部的情况下，控制电路也可以控制该湿度调整部来增大氧化气体的加湿量。具体来说，在图1所示的燃料电池系统中，控制电路600降低加湿量调整阀320的开度，从而使氧化气体的加湿量增大即可。在这种情况下，供给到各多孔质体130c的氧化气体中的水蒸气液化，各多孔质体130c的含水量增大。其结果是，能够降低各多孔质体130c的含水量的偏差。
另外，在燃料电池系统具有可调整燃料电池内部的温度的温度调整部的情况下，控制电路也可以控制该温度调整部来降低燃料电池内部的温度。例如，在图1所示燃料电池系统中，进而设置冷却热交换器510的冷却器。通过该冷却器间接地冷却供给到燃料电池的冷却液即可。在这种情况下，能够使图6的曲线Cb靠近曲线Cc。具体来说，在图6所示的比较大的空气过剩系数的范围(大约1.5～大约2.4)中，多孔质体130c内部变为饱和蒸气压，各多孔质体130c的含水量增大。其结果是，能够降低各多孔质体130c的含水量的偏差。
一般来说，执行使各流路形成部件中保持的水的量增大的处理，以使各流路形成部件中保持的水的量的偏差降低即可。
(2)在上述实施例中，在步骤S112中燃料电池的负载降低规定量以上的情况下，执行步骤S114(图4)的处理，但也可以在燃料电池的负载降低的情况下，无论负载的降低量都执行步骤S114的处理。这样一来，如果在燃料电池的负载降低的情况下执行步骤S114的处理，则可以高效率地降低保持在各流路形成部件中的水的量的偏差。
(3)在上述实施例中，如在步骤S112中所进行的说明，在燃料电池的负载降低的情况下执行步骤S114(图4)的处理，但也可以不在该情况下执行，而在其他时刻执行。
例如，可以定期地，换言之每经过了规定时间地执行步骤S114的处理。这样一来，能够容易地降低保持在各流路形成部件中的水的量的偏差。
或者，也可以根据与多孔质体130c的含水量相关的物理量的测量结果来执行步骤S114的处理。具体来说，也可以在根据该物理量的测量结果得到的表示各多孔质体130c的含水量的偏差的评价值比规定值大的情况下，执行步骤S114的处理。这样一来，能够可靠地降低保持在各流路形成部件中的水的量的偏差。
另外，作为上述物理量，例如可以利用在多孔质体130c的出口附近所测量的压力或流量。并且，作为表示上述偏差的评价值，例如可以利用标准偏差、方差。或者，作为表示偏差的评价值，可以利用多个测量值中的最大值与最小值的差分。
在测量物理量的情况下，优选选择所有多孔质体中的一部分的多个多孔质体作为测量对象。并且，在多个多孔质体的含水量的分布状态具有一定的倾向的情况下，优选根据该倾向选择测量对象的一部分的多个多孔质体。例如，在具有配置在燃料电池的端部侧的多孔质体的含水量比配置在燃料电池的中央部的多孔质体的含水量大的倾向的情况下，优选至少选择配置在端部侧的多孔质体和配置在中央部的多孔质体作为测量对象。
(4)在上述实施例中，多孔质体由金属形成，但也可以由其他材料(例如碳)形成。
并且，在上述实施例中，利用多孔质体作为流路形成部件，但也可以取代多孔质体而利用冲压金属或金属网等。
另外，可以省略配置在发电单元和隔板之间的多孔质体。例如，在气体扩散层的厚度较大的情况下，也可以将该气体扩散层用作流路形成部件。并且，在隔板上形成有多个槽的情况下，也可以将该隔板用作流路形成部件。
即，流路形成部件形成反应气体的流路，是可以保持水的部件即可。并且，作为流路形成部件，优选利用反应气体的流路不会被水完全闭塞的部件。
(5)在上述实施例中，注重于保持在阴极侧的多孔质体130c中的水的量的偏差，说明了本发明。但是，在阴极生成的水经由电解质膜112而向阳极侧移动。因此，本发明也可以应用于降低保持在阳极侧的多孔质体130c中的水的量的偏差的情况。
(6)在上述实施例中，利用的是固体高分子型燃料电池，也可以利用其他类型的燃料电池。

Claims (1)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池，包括多组膜电极接合体和形成向上述膜电极接合体供给的反应气体的流路的流路形成部件；以及
处理执行部，执行用于使上述各流路形成部件中所保持的水的量增大的处理，以使上述各流路形成部件中所保持的水的量的偏差降低，
上述处理执行部包括：
供给部，向上述燃料电池供给反应气体；以及
阀，设置在从上述燃料电池排出的反应气体所经过的通路上，
并且，上述处理包括使由上述供给部供给上述燃料电池的反应气体的流量降低的处理和降低上述阀的开度以使上述通路的背压增大的处理，
上述燃料电池的负载下降规定量以上时，进行上述处理执行部所进行的处理。
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Termination date: 20140425