CN101689657B - 用于阳极侧中杂质的浓度分布估算装置，以及利用该装置的燃料电池系统 - Google Patents

用于阳极侧中杂质的浓度分布估算装置，以及利用该装置的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

由气体通道中的气体压力、阻抗和燃料电池温度计算杂质的标准渗透量，即标准浓度下每单位面积的杂质的渗透量。基于杂质浓度分布的之前计算的值，计算阳极侧气体通道中每个位置处的杂质渗透指数。然后，基于标准渗透量和渗透指数，计算阳极侧气体通道中各位置处的杂质渗透量。基于总渗透量，计算在阳极侧气体通道中累积的杂质量。此外，基于阳极侧气体通道中的气体压力和电流值，计算阳极侧气体通道中杂质存在比率的分布。

Description

用于阳极侧中杂质的浓度分布估算装置,以及利用该装置的燃料电池系统
发明背景
1.技术领域
本发明涉及估算燃料电池阳极侧气体通道中杂质的浓度分布的装置，所述燃料电池通过对阳极供给燃料气体并对阴极供给空气发电。
2.相关技术说明
例如日本专利申请公开No.2005-353569(JP-A-2005-353569)、日本专利申请公开No.2005-327597(JP-A-2005-327597)、日本专利申请公开No.2003-317752(JP-A-2003-317752)、日本专利申请公开No.2005-353303(JP-A-2005-353303)、日本专利申请公开No.9-312167(JP-A-9-312167)等中所提出的，已知燃料电池系统(在下文中称为阳极闭端型系统)，该燃料电池在燃料气体保持在燃料电池阳极侧气体通道内的条件下运行。在阳极闭端型系统中，随着运行时间的流逝，杂质例如氮气(N2)、水分等累积在燃料电池的阳极侧气体通道中。如果该杂质覆盖膜电极组合件(MEA)的表面，妨碍电极催化剂上的产生电流的反应，导致电压降低。此外，产生的反常电势可以使膜电极组合件(MEA)劣化。因此，在相关领域的阳极闭端型系统中，在适当时间点打开排气阀，使得将在阳极侧气体通道中累积的杂质从阳极的下游末端部分排出到燃料电池系统外部。
在相关领域的阳极闭端型系统中，当打开排气阀时，排出阳极侧气体通道中的燃料气体和杂质。因此，频繁打开排气阀导致燃料经济性降低，因此不优选。此外，如果当在阳极侧气体通道下游末端部分充分累积杂质时打开排气阀，则可以相对限制浪费排放的燃料气体的量。因此，以改善燃料经济性的观点来看，优选尽可能地限制打开排气阀的频率。
另一方面，以保持燃料电池性能的观点来看，不优选在阳极侧气体通道下游末端部分中的杂质浓度累积。这是因为杂质浓度累积导致输出电压降低和如上所述使得膜电极组合件劣化。也就是说，对于相关领域的阳极闭端型系统，要求同时实现两个相矛盾的任务，即防止由于杂质累积导致的燃料电池性能的降低，和通过限制燃料气体排放的量改善燃料经济性。
然而，在相关领域阳极闭端型系统中不易实现上述要求。为了满足该要求，必须根据燃料电池通道的下游末端部分中杂质累积的情况打开排气阀。然而，还没有建立精确估算累积情况的方法。此外，此处需要的估算累积情况不仅是估算杂质累积的量。为了在防止浪费地排放燃料气体的同时可靠地排放杂质，必须估算阳极侧气体通道中杂质存在的位置和存在杂质的量，即估算阳极侧气体通道中杂质的浓度分布。
发明内容
考虑到上述任务完成本发明，并提供能够精确估算阳极侧气体通道中杂质浓度分布的估算装置，和通过利用该估算装置能够同时防止由于阳极侧气体通道中杂质累积导致的燃料电池性能的降低和限制排放到燃料电池系统外的燃料气体的量的燃料电池系统。
根据本发明的一个方面，提供了用于燃料电池的浓度分布估算装置，该燃料电池具有在电解质膜相反侧上的阳极和阴极并通过对阳极供给燃料气体和对阴极供给空气发电。该装置估算燃料电池阳极侧气体通道中杂质的浓度分布。该估算装置包括：杂质量估算装置，该杂质量估算装置通过估算计算阳极侧气体通道中存在的杂质的量；杂质分布估算装置，该杂质分布估算装置通过估算计算阳极侧气体通道中杂质存在比率的分布；和浓度分布计算装置，该浓度分布计算装置基于由杂质量估算装置估算的杂质的量和由杂质分布估算装置估算的杂质存在比率的分布计算阳极侧气体通道中杂质的浓度分布。
根据上述估算装置，因为通过估算计算阳极侧气体通道中存在的杂质的量和其存在比率的分布，所以基于估算结果可以精确地估算阳极侧气体通道中杂质的浓度分布。
在上述估算装置中，还优选杂质分布估算装置包括：测量阳极侧气体通道中气体压力的压力测量装置；测量与阳极侧气体通道中燃料气体的流量分布相关的物理量的流量相关量测量装置；存在比率计算装置，该存在比率计算装置基于来自压力测量装置的测量值和来自流量相关量测量装置的测量值计算阳极侧气体通道中每个位置处的杂质存在比率。
根据上述估算装置，因为测量了阳极侧气体通道中的气体压力和与阳极侧气体通道中燃料气体流量分布相关的物理量，所以可以基于这些测量值精确计算阳极侧气体通道中各位置处的杂质存在比率。即能够通过估算高度精确地计算阳极侧气体通道中杂质存在比率的分布。
在估算装置中，还优选流量相关量测量装置测量燃料电池的电流值。
根据如上所述的估算装置，因为测量了燃料电池的电流值，所以可以容易并精确地估算阳极侧气体通道中燃料气体的流量分布。
此外，在估算装置中，还优选杂质量估算装置包括：渗透量相关量测量装置，该渗透量相关量测量装置测量与从阴极侧渗透穿过电解质膜到阳极侧的杂质的每单位面积渗透量相关的物理量；标准渗透量计算装置，该标准渗透量计算装置计算标准渗透量，该标准渗透量是基于来自渗透量相关量测量装置的测量值的在标准浓度下的每单位面积的渗透量；渗透指数计算装置，该渗透指数计算装置基于由浓度分布计算装置计算的杂质浓度分布计算阳极侧气体通道中每个位置处的杂质渗透指数；渗透量计算装置，该渗透量计算装置基于由标准渗透量计算装置计算的标准渗透量和由渗透指数计算装置计算的渗透指数计算阳极侧气体通道中每个位置处的杂质的渗透量；和全部渗透量计算装置，该全部渗透量计算装置基于由渗透量计算装置计算的阳极侧气体通道中每个位置处的渗透量计算渗透穿过电解质膜的杂质的全部渗透量。
根据上述估算装置，当杂质渗透穿过电解质膜的渗透容易度计算为渗透指数时，基于该计算的渗透指数计算阳极侧气体通道中各位置处杂质的渗透量。因此，能够通过估算高精度地计算在阳极侧气体通道中存在的杂质的量。此外，因为基于阳极侧气体通道中杂质的浓度分布计算渗透指数，所以杂质浓度对杂质渗透容易度的影响可以精确反映在渗透量的计算中。因此，在由于杂质从阴极侧穿过电解质膜而引起的阳极侧气体通道中杂质的浓度分布每时每刻变化的情况下，可以精确地估算浓度分布的每时每刻的变化。
此外，在估算装置中，也优选渗透量相关量测量装置测量燃料电池的阻抗。
根据上述估算装置，因为测量燃料电池的阻抗，所以可以容易并精确地估算从阴极侧渗透穿过电解质膜到阳极侧的杂质的每单位面积的渗透量。
此外，在估算装置中，也优选渗透量相关量测量装置测量燃料电池的温度。
根据上述估算装置，因为测量了燃料电池的温度，所以可以容易并精确地估算从阴极侧渗透穿过电解质膜到阳极侧的杂质的每单位面积的渗透量。
此外，还优选渗透量相关量测量装置测量阳极侧气体通道中的气体压力和阴极侧气体通道中的气体压力。
根据上述估算装置，因为测量了阳极侧气体通道中的气体压力和阴极侧气体通道中的气体压力，所以可以容易并精确地估算从阴极侧渗透穿过电解质膜到阳极侧的杂质的每单位面积的渗透量。
此外，在估算装置中，还优选杂质量估算装置包括：获得关于燃料气体纯度的信息的信息获得装置；测量与流入阳极侧气体通道的燃料气体流的量相关的物理量的流量相关量测量装置；和流入量计算装置，该流入量计算装置基于由信息获得装置获得的关于燃料气体纯度的信息和来自流量相关量测量装置的测量值，计算与燃料气体一起流入阳极侧气体通道的杂质的量。
根据上述估算装置，因为获得关于燃料气体纯度的信息并测量了与流入阳极侧气体通道的燃料气体流的量相关的物理量，所以可以基于获得的信息和测量的值计算与燃料气体一起流入阳极侧气体通道的杂质的量。根据该结构，甚至在燃料气体初始包含杂质的情况下，可以通过估算高度精确地计算阳极侧气体通道中存在的杂质的量。
此外，在估算装置中，还优选基本关闭阳极侧气体通道的下游末端部分。
根据上述估算装置，在阳极侧气体通道的下游末端部分基本关闭的燃料电池中，可以精确地估算阳极侧气体通道中累积的杂质的浓度分布。在这种燃料电池中，阳极侧气体通道中杂质的浓度分布每时每刻变化，并且取决于燃料电池的运行状态杂质的浓度分布极大地变化。如果可以精确地估算这种燃料电池中杂质的浓度分布，就能够精确地确定阳极侧气体通道下游末端部分的打开以将气体排放至燃料电池系统外部的时间点，并且还精确地确定排放的量。
此外，在估算装置中，与阳极侧气体通道中消耗的燃料气体的量相比，非常少量的气体从阳极侧气体通道的下游末端部分排放到燃料电池系统外。
根据上述估算装置，在与阳极侧气体通道中消耗的燃料气体的量相比，非常少量的气体从阳极侧气体通道下游末端部分排放到燃料电池系统外的燃料电池中，使得能够精确地估算阳极侧气体通道中累积的杂质的浓度分布。在这种燃料电池中，在阳极下游末端部分中累积的杂质可以以少量逐渐排放到燃料电池系统外。因此，如果可以精确地估算燃料电池中杂质的浓度分布，就可以根据杂质浓度分布改变从阳极侧气体通道下游末端部分排放到燃料电池系统外的气体的量。因此，有可能同时防止由不充分排放而引起的燃料电池性能降低和过量排放导致的燃料气体的浪费。
根据本发明的另一个方面，提供了燃料电池系统，该燃料电池系统包括：具有在电解质膜的相反侧上的阳极和阴极的燃料电池，该燃料电池通过对阳极供给燃料气体和对阴极供给空气发电；排放装置，该排放装置将经过阳极侧的气体通道的气体排放到燃料电池系统外；杂质量估算装置，该杂质量估算装置通过计算估算阳极侧气体通道中存在的杂质的量；杂质分布估算装置，该杂质分布估算装置通过计算估算阳极侧气体通道中杂质存在比率的分布；浓度分布计算装置，该浓度分布计算装置基于由杂质量估算装置估算的杂质的量和由杂质分布估算装置估算的杂质存在比率的分布，计算阳极侧气体通道中杂质的浓度分布；和控制装置，该控制装置基于由浓度分布计算装置计算的杂质的浓度分布控制排放装置的操作。
根据上述燃料电池系统，因为通过估算计算阳极侧气体通道中存在的杂质的量和杂质存在比率的分布，所以可以基于所估算计算的结果精确地估算阳极侧气体通道中杂质的浓度分布。那么，因为基于估算的杂质浓度分布控制排放装置的操作，所以燃料电池系统可以防止排放不足引起的杂质累积达到导致燃料电池性能降低的水平、和由过量排放引起的燃料气体的浪费的排放。
在燃料电池系统中，还优选用排放装置终止阳极侧气体通道的下游侧。
根据上述燃料电池系统，燃料电池可以如下地运行：通过关闭排放装置将燃料气体保持在阳极侧气体通道内，通过打开排放装置可以将阳极侧气体通道中累积的杂质气体排放到燃料电池系统的外部。
在燃料电池系统中，还优选控制装置控制排放装置的运行，使得与在阳极侧气体通道中消耗的燃料气体的量相比，非常少量的气体排放到燃料电池系统外，并且根据杂质浓度分布改变排放的量。
根据该燃料电池系统，由于与阳极侧气体通道中消耗的燃料气体的量相比非常少量的气体排放到燃料电池系统外，所以可以将在阳极下游末端部分中累积的杂质以少量逐渐排放到燃料电池系统外。此外，因为根据杂质的浓度分布改变排放的量，所以能够防止由排放不足引起的燃料电池性能降低，并且还防止由排放过量引起的燃料气体的浪费。
附图说明
结合附图时，通过阅读下列本发明优选实施方案的详细描述，会更好地理解本发明的特征、优点、和技术意义及工业意义，其中：
图1是显示本发明第一实施方案的燃料电池系统的结构的示意图；
图2是显示第一实施方案中单电池的内部结构和单电池中出现的现象的示意图；
图3是显示第一实施方案中阳极侧气体通道中氮气(N2)的浓度分布的图；
图4是显示第一实施方案中阳极侧气体通道中气体流量分布的图；
图5的流程图显示第一实施方案中进行的氮气浓度分布估算计算的程序；和
图6的流程图显示本发明第二实施方案中进行的氮气浓度分布估算计算的程序。
具体实施方式
在下列说明书和附图中，将参考示例性实施方案更详细地描述本发明。参考图1至5，以下将描述本发明的第一实施方案。
图1是显示应用本发明的燃料电池系统的结构的示意图。该燃料电池系统通过燃料电池2发电，并将该电力供给至载荷例如电动机等。通常，以通过堆叠多个单电池得到的燃料电池堆的形式使用燃料电池2。尽管附图中没有显示，但是单电池具有膜电极组合件插入一对电流收集板中的结构。通过使固体聚合物电解质膜与整体化至其两个相反表面的催化剂形成为整体形成膜电极组合件，并进一步将气体扩散层整体化至其两个表面的每一个。每个电流收集板还起隔离两个相邻膜电极组合件的隔离器(隔板)的作用。构建每个单电池，以在阳极上供给氢作为燃料气体，在阴极上供给空气，从而发电。
用于将氢从氢罐4供给到燃料电池2的氢供给管6连接到燃料电池2。氢供给管6的中间部分设置有从上游侧依以下次序布置的氢压力调节阀8和氢进气阀10。用调压阀8使氢减压，因此氢在供给到燃料电池2之前调节至所需压力。供给到燃料电池2的氢经由形成于燃料电池2中的供给歧管(未展示)分配给每个单电池的阳极。
第一实施方案的燃料电池系统包括用于从燃料电池2引出阳极气体的排气管12。排气管12经由形成于燃料电池2中的排气歧管(没有显示)连接到每个单电池的阳极侧气体通道的下游侧末端部分。在排气歧管中收集阳极侧气体通道中的气体(阳极气体)，并排入排气管12。排气管12的远端通到大气或连接到稀释器。
排气管12设置有能够控制打开度(duty-controlled)的电磁型排气阀14作为改变排气管12的连通状态的排放装置。排气阀14优选是注射器型，其具有优异的流动量可控性。可以通过排气阀14的打开度控制从阳极侧气体通道排放到燃料电池系统外的阳极气体排放的量。在第一实施方案的燃料电池系统中，控制排气阀14的打开度，使得与在阳极侧气体通道中消耗的氢的量相比，非常小的阳极气体流的量排放到燃料电池系统外(连续的小量排放)。
此外，用于供给空气的空气供给管30连接到燃料电池2。在空气供给管30上布置空气泵32。由于空气泵32的作用，空气被送入空气供给管30，并供给到燃料电池2。供给到燃料电池2的空气经由在燃料电池2中形成的供给歧管分配给每个单电池的阴极。在燃料电池2中形成的排气歧管中收集经过每个单电池的阴极的空气，并排入排气管34中。
通过控制装置20控制排气阀14的操作。各种传感器连接到控制装置20，所述传感器包括压力传感器22、温度传感器24、电流计26、阻抗计28和压力传感器36。压力传感器22连接至氢供给管6到燃料电池2的入口，以测量阳极侧气体通道中的气体压力。压力传感器36连接至空气供给管30到燃料电池2的入口，以测量阴极侧气体通道中的气体压力。温度传感器24连接至燃料电池2，以测量燃料电池2的温度。电流计26连接至燃料电池2，以测量燃料电池2的电流值。阻抗计28连接至燃料电池2，以测量燃料电池2的阻抗。
图2的示意图显示构成燃料电池2的单电池的内部结构，以及在单电池中出现的现象。在图2中，显示了特别涉及本发明特征的部分，并从图示中省略了不是本发明特征的部分例如集流器、歧管等。在下文中，将参考图2和图1进行说明。
如图2中所示，在单电池中沿膜电极组合件40的两侧面形成气体通道42、44。膜电极组合件40的阳极侧的气体通道42供给有氢。膜电极组合件40的阴极侧上的气体通道44供给有空气。顺便提及，对气体通道42、44的形状或结构没有特殊的限制。例如，气体通道42、44可以是在集流器(隔离器)表面上形成的凹槽。或者，气体通道42、44可以由在多孔体层中连续延伸的孔形成，所述多孔体层由导电材料制成并设置在膜电极组合件40和集流器之间。
供给到阴极侧气体通道44的空气除用于发电的氧(O2)之外还包含氮气(N2)。氮气是惰性气体，不用于发电，而是从阴极侧气体通道44直接排放到燃料电池系统外。然而，如图2中由箭头示意显示的，一部分氮气渗透穿过膜电极组合件40并进入阳极侧气体通道42。作为使得氮气移动至阳极侧气体通道42侧的驱动力的是阴极侧气体通道44和阳极侧气体通道42之间的氮气分压的差。如图2中由箭头示意显示的，穿过膜电极组合件40的氮气(N2)由阳极侧气体通道42中的氢(H2)流携带到阳极侧气体通道42中的下游。
当然，氮气在阳极侧也不用于发电。因此，在关闭排气阀14并关闭阳极侧气体通道42下游末端的情况下，如图2中示意显示的，氮气逐渐累积在阳极侧气体通道42的下游末端部分。如果氮气覆盖膜电极组合件40的表面，则妨碍催化剂上的产生电流的反应，使得由于反常的电势而导致电压降低或膜电极组合件40的劣化。顺便提及，空气包含氮以外的不用于发电的杂质例如水蒸气、二氧化碳等。然而，与氮气相比，空气中这些物质的浓度非常小，此处仅关注将氮气作为杂质。然而，这不表示从本发明杂质中排除除了氮气之外的物质。
在这方面，在第一实施方案的燃料电池系统中，通过排气阀14的打开度控制，可以将阳极侧气体通道42中的氮气与氢一起排放到燃料电池系统外。然而，取决于打开度的设定，排放可能变得过量，使得浪费地排放氢，或排放可能变得不足，因此氮气可能累积至使得燃料电池性能降低的水平。因此，在第一实施方案的燃料电池系统中，为了使得从阳极侧气体通道42到燃料电池系统外的排放量变为适当的量，在考虑阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布的同时，控制排气阀14的打开度。
图3是显示在关闭排气阀14运行燃料电池2的情况下，阳极侧气体通道42中氮气浓度分布的实例。因为关闭排气阀14，所以氮气累积在阳极侧气体通道42中。在图3中，线A表示在累积的氮气的量小的情况下的氮气的浓度分布，线B表示在氮气的累积量大的情况下的氮气的浓度分布。如果实际的氮气浓度分布是线A所示的分布，则氢充分传送到阳极侧气体通道42的下游末端部分，因此当打开排气阀14时打开度可以是小的。另一方面，如果实际氮气浓度分布是线B所示的分布，需要将排气阀14的打开度设定为大的以快速排放下游末端部分中累积的氮气。
第一实施方案的燃料电池系统基于氮气的浓度分布而不仅基于累积的氮气的量控制排气阀14的打开度的原因是：累积的氮气不总是集中在阳极侧气体通道42的下游末端部分。例如，可能存在氮气基本上均匀分布在阳极侧气体通道42中的情况，如图3中的线C所示。在由线C所示的浓度分布的情况下，尽管大量的氮气累积在阳极侧气体通道42中，但是氢充分传送到阳极侧气体通道42的下游末端部分。在这种情况下，如果排气阀14的打开度设定为大的，则会浪费地排放氢。
由阳极侧气体通道42中累积的氮气的量和阳极侧气体通道42中氮气的存在比率分布确定阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布。氮气的累积量与氮气存在比率分布的乘积相当于氮气的浓度分布。在图3中，线A所示的浓度分布和线B所示的浓度分布在氮气的存在比率分布上是相同的，但是氮气的累积量不同。另一方面，线A所示的浓度分布和线C所示的浓度分布在氮气的累积量上是相同的，但是氮气的存在比率的分布不同。实际上，即不能直接测量氮气的累积量也不能直接测量氮气的存在比率的分布。然而，如果精确地估算它们，就能够精确地估算阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布。在下文中，将描述通过估算计算阳极侧气体通道42中氮气存在比率的分布的方法，和通过估算计算阳极侧气体通道42中氮气的累积量的方法。
在第一实施方案的燃料电池系统中，通过用下列方法，通过估算计算阳极侧气体通道42中氮气存在比率的分布。首先，通过阳极侧气体通道42中的氮气的流动确定阳极侧气体通道42中氮气存在比率的分布。具体地，在氮气以下游方向流动的区域中，下游的氮气存在比率一定高于上游的。因而，阳极侧气体通道42中氮气的流动很大地受阳极侧气体通道42中氢流量分布的影响。在氢具有大流量的区域中，穿过膜电极组合件40的氢被携带到阳极侧气体通道42的下游。另一方面，在氢具有较小流量的区域中，氮气也向上游扩散，因此限制了氮气向下游流动。
图4是显示阳极侧气体通道42中氢的流量分布的实例的图。在图4中，线α和线β显示在基本关闭阳极侧气体通道42下游末端部分的情况下的氢的流量分布。在排气阀14完全关闭或控制排气阀14的打开度使得与阳极侧气体通道42中消耗的氢的量相比非常少的阳极气体流的量排放到燃料电池系统外的情况下，流量分布变为由线α或线β所示的。另一方面，线γ表示在阳极侧气体通道42下游末端部分打开的情况下的氢的流量分布。例如，在通过阳极侧气体通道42的氢返回到阳极侧气体通道42的循环型系统的情况下，氢流量分布如线γ所示。
阳极侧气体通道42中氮气流动还受阳极侧气体通道42中气体压力的影响。具体地，氮气的扩散率取决于阳极侧气体通道42中的气体压力。穿过膜电极组合件40的氮气在阳极侧气体通道42中扩散。氮气的扩散率和氢的流量之间的相对关系确定氮气如何在阳极侧气体通道42中流动。
根据上述讨论，为了估算阳极侧气体通道42中氮气存在比率的分布，测量阳极侧气体通道42中氢的流量分布和阳极侧气体通道42中的气体压力是足够的。此处请注意在第一实施方案的燃料电池系统中，不直接测量阳极侧气体通道42中氢的流量分布，而是测量燃料电池2的输出电流值作为与氢的流量分布相关的物理量。阳极侧气体通道42中的氢的流量分布明确地由流入阳极侧气体通道42的氢的流量确定。而，流入阳极侧气体通道42的氢的流量明确地由燃料电池2的输出电流确定。如果测量电流值和阳极气体压力，则可以基于这些测量值计算阳极侧气体通道42中不同位置上的氮气存在比率。
然后，将描述通过估算计算阳极侧气体通道42中氮气累积的量的方法。首先，阳极侧气体通道42中大部分的氮气是穿过膜电极组合件40的，使得氮气的累积量可以表示为氮气渗透量的积分值。因此，如果可以计算每单位时间氮气的渗透量，就能够通过计算得到氮气的累积量。
通过膜电极组合件40的水含量、燃料电池2的温度和阴极侧气体通道44与阳极侧气体通道42之间的氮气分压的差确定氮气的渗透量(每单位时间的氮气的渗透量)。通过阳极侧气体通道42中的气体压力和氮气浓度确定阳极侧气体通道42中的氮气分压。阳极侧气体通道42中的氮气浓度分布如上所述。因此，氮气在阳极侧气体通道42中的分压不均匀，使得氮气的渗透量根据阳极侧气体通道42中的位置而改变。因此，第一实施方案中，可以利用下列等式(1)计算整个阳极侧气体通道42中每单位时间的氮气渗透量(全部渗透量)：
全部渗透量＝∑Ci×标准渗透量…(1)
等式(1)中，标准渗透量表示预定的标准氮气浓度下每单位面积的渗透量。如果氮气浓度是恒定的，则由膜电极组合件40的水含量、燃料电池2的温度、阳极侧气体通道42中的气体压力和阴极侧气体通道44中的气体压力确定氮气的渗透量。因此，标准渗透量可以表示为与水含量、燃料电池温度和上述气体压力相关的物理量的函数。
此外，在等式(1)中，Ci表示氮气的渗透指数。在该第一实施方案中，阳极侧气体通道42的内部被分成单位面积的网状格子，对于每个网状格子独立设定渗透指数Ci。渗透指数Ci代表网状格子中氮气渗透的容易程度或容易性，标准渗透量乘以渗透指数Ci得到的值是该网状格子中的氮气渗透量。通过对每个网状格子(Ci×标准渗透量)中的渗透量进行积分得到的值变为整个阳极侧气体通道42中氮气的总渗透量。因为通过网状格子中的氮气浓度确定网状格子中氮气渗透的容易性，所以渗透指数Ci可以表示为氮气浓度的函数。如果确定阳极侧气体通道42中的氮气浓度分布，就可以基于氮气浓度分布确定阳极侧气体通道42中不同位置处的渗透指数Ci。
根据上述讨论，为了估算阳极侧气体通道42中氮气的累积量，测量与膜电极组合件40的水含量、燃料电池温度和气体通道42、44中的气体压力相关的物理量是足够的。与膜电极组合件40的水含量相关的物理量可以是燃料电池2的阻抗。如果测量阻抗、燃料电池温度和所述气体压力，就可以基于这些测量值计算标准渗透量。对于用于计算阳极侧气体通道42中每个位置处渗透指数Ci的氮气的浓度分布，使用之前计算的值是足够的。或者，假设氮气的浓度分布和氮气存在比率的分布是类似的，就可以由阳极气体压力和电流值计算渗透指数Ci。
在第一实施方案的燃料电池系统中，通过控制装置20计算阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布。控制装置20基于计算的氮气浓度分布控制排气阀14的打开度。在下文中，将参考图5的流程图，描述通过控制装置20进行的用于计算的氮气浓度分布估算的具体程序。
在图5所示的程序中，首先在步骤S2中，测量燃料电池2的温度(FC温度)，气体通道42、44中的气体压力，和电阻。在步骤S4中，通过利用预先准备的标准渗透量映射计算氮气的标准渗透量。在标准渗透量映射中，规定了标准渗透量、FC温度、气体压力和阻抗之间的关系。
随后在步骤S6中，通过利用预先准备的渗透指数映射计算阳极侧气体通道42中不同位置处的渗透指数。在渗透指数映射中，规定了渗透指数和氮气浓度之间的关系。通过将在程序中预先计算的氮气浓度分布值应用至渗透指数映射，可以获得在不同位置处的渗透指数。
随后在步骤S8中，由步骤S6中计算的渗透指数和步骤S4中计算的标准渗透量，计算阳极侧气体通道42中不同位置处的氮气渗透量。然后，在步骤S10中，通过对不同位置处的渗透量进行积分，计算整个阳极侧气体通道42中氮气的总渗透量。在步骤S12中，用步骤S10中计算的总渗透量更新氮气的累积量。
随后在步骤S14中测量阳极侧气体通道42中的气体压力和燃料电池2的电流值。在步骤S16中，通过利用预先准备的氮气分布映射计算氮气存在比率的分布。在氮气分布映射中，规定了在不同位置的氮气存在比率、阳极侧气体通道42、阳极气体压力和电流值之间的关系。
随后在步骤S18中，由步骤S12中更新的氮气累积量和步骤S16中计算的氮气存在比率的分布，计算阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布。基于步骤S18中计算的氮气浓度分布，控制装置20确定排气阀14的打开度。
根据上述程序估算的氮气浓度分布计算，计算氮气渗透穿过膜电极组合件40的容易性作为渗透指数，并基于计算的渗透指数计算阳极侧气体通道42中每个位置的氮气渗透量。因此，可以高精度地通过估算计算阳极侧气体通道42中存在的氮气的量。此外，因为基于阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布(先前值)计算渗透指数，所以氮气浓度对氮气渗透容易度的影响可以精确地反映在渗透量的计算中。此外，因为测量了阳极侧气体通道42中的气体压力和燃料电池2的电流值，所以可以基于这些测量值精确地计算阳极侧气体通道42中每个位置处的氮气存在比率。因为通过估算精确地计算的氮气的渗透量和氮气存在比率的分布用作计算氮气浓度分布的基础，所以在由于氮气通过膜电极组合件40导致的阳极侧气体通道42中氮气浓度分布每时每刻改变的情况下，可以精确地估算浓度分布的变化。
第一实施方案的燃料电池系统是能够通过控制排气阀14的打开度，以小量逐渐将阳极侧气体通道42下游末端部分中累积的氮气排放到燃料电池系统外的系统。在燃料电池系统中，如果精确地估算氮气的浓度分布并基于该估算的分布确定排气阀14的打开度，就可以根据氮气的浓度分布改变从阳极侧气体通道42的下游末端部分排放到燃料电池系统外的气体的量，因此可以防止排放不足所引起的燃料电池性能降低和过量排放所引起的氢浪费。
在下文中将参考图6描述本发明的第二实施方案。
通过使控制装置20实施图6流程图中所示的程序而不是图5流程图中所示的程序，以图1中所示的结构实现第二实施方案的燃料电池系统。图6中所示的程序是在第二实施方案中通过控制装置20实施的通过估算计算氮气浓度分布的程序。在图6中所示的程序中，对与图5中所示程序中过程的内容相同的过程赋于相同的步骤编号。在下列说明中，将主要描述第二实施方案的过程特征，并将省略与第一实施方案的过程相同的过程的说明。
根据第二实施方案的估算的氮气浓度分布计算具有的一个特征是，除了穿过膜电极组合件40的氮气之外，还考虑了氢罐4中燃料气体包含的氮气。氢罐4中的氮气是在制备作为燃料气体的氢气时出现的污染物。除氮气之外，氢罐4n中的燃料气体有时还包含二氧化碳污染物。此外，在一些情况下，从安全的观点看混入了臭味物质。尽管二氧化碳和臭味物质是不用于发电的杂质，但是此处仅关注氮气作为杂质。然而，这不表示从本发明杂质中排除除了氮气之外的物质。
在图6所示的程序中，在估算的氮气浓度分布计算中考虑燃料电池中包含的氮气的过程是步骤S20和S22的过程。在步骤S20中，测量供给到燃料电池2的燃料气体流的量和燃料气体纯度。尽管可以用流量计直接测量燃料气体流的量，但是作为替代可以测量燃料电池2的输出电流值。由燃料电池2的输出电流明确地确定燃料气体流的量，即阳极侧气体通道42中消耗的氢的量。通过氢浓度传感器(没有显示)可以测量燃料气体的纯度。
在步骤S22中，由步骤S20中测量的燃料气体流的量和其纯度计算与氢一起流入阳极侧气体通道42中的氮气的量。然后，在步骤S12中，利用步骤S10中计算的氮气总渗透量和步骤S22中计算的氮气流入的量，更新氮气的累积量。通过考虑燃料气体中初始包含的氮气计算阳极侧气体通道42中氮气的累积量，能够更精确地估算阳极侧气体通道42中氮气的浓度分布。
其它实施方案等：虽然已经描述了本发明的一些实施方案，但是本发明不局限于上述实施方案，而是可以在不脱离本发明要旨的情况下可以进行多种改变。例如，还可以以下列改变进行本发明。
以上结合氮气作为穿过膜电极组合件40的杂质的例子描述了第一实施方案。然而，在通过估算计算除了氮气之外的杂质即水蒸汽、二氧化碳等的浓度分布的情况下，也可以使用结合第一实施方案描述的用于杂质浓度分布的估算计算方法。以上结合将氮气作为燃料气体中初始包含的杂质的例子描述了第二实施方案。然而，在通过估算计算除了氮气之外的杂质例如二氧化碳、臭味物质等的浓度分布的情况下，也可以使用结合第二实施方案描述的用于杂质浓度分布的估算计算方法。
尽管在第二实施方案中测量了燃料气体的纯度，但是可以通过通信从系统外获得有关燃料气体纯度的信息。例如，在在氢站用氢补充氢罐4的情况下，当氢罐4连接到氢站时，从氢站发送有关燃料气体纯度的信息到控制装置20是足够的。此外，在补充燃料气体时在氢罐4中剩余有燃料气体的情况下，从剩余燃料气体纯度和补充的燃料气体纯度以及剩余量和补充量计算剩余燃料气体和补充燃料气体混合之后的纯度是足够的。
尽管在根据上述实施方案的每个燃料电池系统中，通过控制排气阀14的打开度将阳极侧气体通道42中的气体以少量连续排放到系统外，但是本发明还适用于完全关闭排气阀14运行的所谓的阳极闭端型系统。如果在该燃料电池系统中精确地估算氮气的浓度分布并基于估算的氮气浓度分布确定排气阀14的打开时间点和打开持续时间，就能够如上述连续小量排放系统中一样防止排放不足引起的燃料电池性能降低以及过量排放引起的氢的浪费。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池(2)的浓度分布估算装置，所述燃料电池(2)具有在电解质膜的相反侧面上的阳极和阴极并通过对所述阳极供给燃料气体和对所述阴极供给空气发电，所述浓度分布估算装置估算所述燃料电池(2)中阳极侧的气体通道(42)中的杂质的浓度分布，其特征在于包括：
杂质量估算装置，该杂质量估算装置通过估算计算所述阳极侧气体通道(42)中存在的杂质的量；
杂质分布估算装置，该杂质分布估算装置通过估算计算阳极侧气体通道(42)中所述杂质存在比率的分布；和
浓度分布计算装置，该浓度分布计算装置基于由所述杂质量估算装置估算的所述杂质的量和由所述杂质分布估算装置估算的所述杂质存在比率的分布计算所述阳极侧气体通道(42)中所述杂质的浓度分布，
其中所述杂质分布估算装置包括：测量所述阳极侧气体通道(42)中的气体压力的压力测量装置；流量相关量测量装置，该流量相关量测量装置测量与所述阳极侧气体通道(42)中所述燃料气体的流量分布相关的物理量；存在比率计算装置，该存在比率计算装置基于来自所述压力测量装置的测量值和来自所述流量相关量测量装置的测量值计算在所述阳极侧气体通道(42)中每个位置处的所述杂质的存在比率。
2.权利要求1所述的浓度分布估算装置，其特征在于
所述流量相关量测量装置测量所述燃料电池(2)的电流值。
3.权利要求1所述的浓度分布估算装置，其特征在于
所述杂质量估算装置包括：
渗透量相关量测量装置，该渗透量相关量测量装置测量与从阴极侧渗透穿过所述电解质膜到阳极侧的所述杂质的每单位面积的渗透量相关的物理量；
标准渗透量计算装置，该标准渗透量计算装置计算标准渗透量，所述标准渗透量是基于来自所述渗透量相关量测量装置的测量值的在标准浓度下每单位面积的渗透量；
渗透指数计算装置，该渗透指数计算装置基于由所述浓度分布计算装置计算的所述杂质的浓度分布计算所述阳极侧气体通道(42)中每个位置处的所述杂质的渗透指数；
渗透量计算装置，该渗透量计算装置基于由所述标准渗透量计算装置计算的所述标准渗透量和由所述渗透指数计算装置计算的所述渗透指数计算所述阳极侧气体通道(42)中每个位置处的所述杂质的渗透量；和
总渗透量计算装置，该总渗透量计算装置基于由所述渗透量计算装置计算的所述阳极侧气体通道(42)中每个位置处的所述渗透量计算渗透穿过所述电解质膜的所述杂质的总渗透量。
4.权利要求3所述的浓度分布估算装置，其特征在于还包括：
所述渗透量相关量测量装置测量所述燃料电池(2)的阻抗。
5.权利要求3所述的浓度分布估算装置，其特征在于
所述渗透量相关量测量装置测量所述燃料电池(2)的温度。
6.权利要求3所述的浓度分布估算装置，其特征在于
所述渗透量相关量测量装置测量所述阳极侧气体通道(42)中的气体压力和所述阴极侧气体通道(44)中的气体压力。
7.权利要求1所述的浓度分布估算装置，其特征在于
所述杂质量估算装置包括：
信息获得装置，该信息获得装置获得有关所述燃料气体纯度的信息；
流量相关量测量装置，该流量相关量测量装置测量与流动于所述阳极侧气体通道(42)中的所述燃料气体流的量相关的物理量；和
流入量计算装置，该流入量计算装置基于由所述信息获得装置获得的有关所述燃料气体纯度的所述信息和来自所述流量相关量测量装置的测量值计算与所述燃料气体一起流入所述阳极侧气体通道(42)的所述杂质的量。
8.权利要求1所述的浓度分布估算装置，其特征在于
基本关闭所述阳极侧气体通道(42)的下游末端部分。
9.权利要求1所述的浓度分布估算装置，其特征在于
与在所述阳极侧气体通道(42)中消耗的所述燃料气体的量相比，非常少量的气体从所述阳极侧气体通道(42)的下游末端部分排放到包括所述燃料电池的燃料电池系统外。
10.一种燃料电池系统，其特征在于包括：
燃料电池(2)，该燃料电池(2)具有在电解质膜的相反侧面上的阳极和阴极并通过对所述阳极供给燃料气体和对所述阴极供给空气发电；
排放装置(14)，该排放装置(14)将经过阳极侧的气体通道(42)的气体排放到所述燃料电池系统外；
杂质量估算装置，该杂质量估算装置通过估算计算所述阳极侧气体通道(42)中存在的杂质的量；
杂质分布估算装置，该杂质分布估算装置通过估算计算所述阳极侧气体通道(42)中所述杂质存在比率的分布；
浓度分布计算装置，该浓度分布计算装置基于由所述杂质量估算装置估算的所述杂质的量和由所述杂质分布估算装置估算的所述杂质存在比率的分布计算所述阳极侧气体通道(42)中所述杂质的所述浓度分布；
控制装置，该控制装置基于由所述浓度分布计算装置计算的所述杂质的浓度分布控制排放装置(14)的操作，
其中所述杂质分布估算装置包括：测量所述阳极侧气体通道(42)中的气体压力的压力测量装置；流量相关量测量装置，该流量相关量测量装置测量与所述阳极侧气体通道(42)中所述燃料气体的流量分布相关的物理量；存在比率计算装置，该存在比率计算装置基于来自所述压力测量装置的测量值和来自所述流量相关量测量装置的测量值计算在所述阳极侧气体通道(42)中每个位置处的所述杂质的存在比率。
11.权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于
所述阳极侧气体通道(42)的下游侧终止于所述排放装置(14)。
12.权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于
所述控制装置控制所述排放装置(14)的操作，使得与所述阳极侧气体通道(42)中消耗的所述燃料气体的量相比，非常少量的气体排放到所述燃料电池系统外，并且根据所述杂质的所述浓度分布改变排放的量。
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