CN102754264A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够管理成可避免燃料电池内的枯竭状态的最佳状态的燃料电池系统。燃料电池系统在无加湿条件下运行，并且包括燃料电池，所述燃料电池具有：高分子电解质膜，其被夹在阳极电极和阴极电极之间；燃料气体流路，其面向所述阳极电极配置，用于对所述阳极电极供应至少含有燃料成分的燃料气体；以及氧化剂气体流路，其面向所述阴极电极配置，用于对所述阴极电极供应至少含有氧化剂成分的氧化剂气体；所述燃料电池系统的特征在于，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向和所述氧化剂气体流路中的所述氧化剂气体的流动方向彼此相对，所述燃料电池系统包括湿润状态控制装置，所述湿润状态控制装置控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向比作为目标的目标湿润状态低的低湿润状态侧变化后，再从所述低湿润状态向所述目标湿润状态变化。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及包括固态高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统，尤其涉及在无加湿条件下运行的燃料电池系统，该燃料电池系统在高温运行时也可避免燃料电池内部的干燥状态从而可稳定地发电。 
背景技术
燃料电池通过向彼此电连接的两个电极供应燃料和氧化剂以引起燃料的电化学氧化，来将化学能直接转化成电能。与火力发电不同，燃料电池不受卡诺循环的限制，显示出了很高的能量转换效率。燃料电池通常层叠多个单电池构成，单电池将用一对电极夹持电解质膜的膜-电极接合体作为基本结构。其中，使用固态高分子电解质膜作为电解质膜的固态高分子电解质型燃料电池由于具有容易小型化、低温工作等优点而作为便携电源、移动电源备受关注。 
在固态高分子电解质型燃料电池中，当将氢作为燃料时，在阳极电极进行式(A)的反应。 
H2→2H++2e-  …(A) 
在所述式(A)中产生的电子经由外部回路在外部负荷中工作之后到达至阴极电极(氧化剂电极)。并且，在所述式(A)中产生的质子以与水结合的状态在固态高分子电解质内通过电渗透从阳极电极侧向阴极电极侧移动。 
此外，当将氧作为氧化剂时，在阴极电极进行式(B)的反应。 
2H++(1/2)O2+2e-→H2O    …(B) 
在阴极电极产生的水经由气体流路等被排出到外部。如此，燃料电池是没有水以外的排出物的清洁的发电装置。 
在固态高分子电解质型燃料电池中，根据电解质膜和电极内的水分 量，其发电性能受很大影响。即，如果作为排出物的水分过多，则在燃料电池内凝聚的水会堵塞电极内的空隙甚至气体流路，阻碍反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的供应，从而用于发电的反应气体不能充分遍布到电极，产生浓度过电压增大、燃料电池的输出和发电效率降低的问题。另一方面，如果燃料电池内的水分不足，从而电解质膜和电极干燥，则电解质膜和电极内的质子(H+)的传导性降低，其结果是，产生电阻过电压增大、燃料电池的输出和发电效率降低的问题。 
此外，在固态高分子电解质型燃料电池中，会在电解质膜的平面方向(即，电极的平面方向)上发生水的不均匀分布，即水不均匀地分布在电解质膜的平面方向上。其结果是，在电解质膜的平面方向上产生发电量的不均匀分布，导致水的分布进一步不均匀，进而导致燃料电池的输出和发电效率下降。 
如上所述，在固态高分子电解质型燃料电池中，为了实现高输出和高发电效率，恰当的水分管理是非常重要的。为了避免水分不足、尤其所谓的枯竭(dry-up)，虽然也提出了供应经加湿的反应气体的建议，但在此情况下，更容易产生上面所述的由于水分过多而引起的问题。此外，由于搭载加湿器，例如会导致产生燃料电池规模变大和系统变复杂等的问题。 
因此，人们尝试在不对反应气体进行加湿的无加湿条件下，适当管理燃料电池的含水状态来获得稳定的发电性能。 
例如，在专利文献1中公开了一种在无加湿条件和/或高温条件下运行的燃料电池系统，该系统基于燃料电池的电阻值、电压、氧化剂气体的压力损失中的一者来判定氧化剂气体流路入口附近的干燥状态，并基于该判定来控制燃料气体的流量或燃料气体的压力，由此防止燃料电池的平面内水分分布的产生。 
此外，作为管理燃料电池内的含水状态的技术，例如在专利文献2中公开了一种燃料电池系统，包括：电流传感器，测定燃料电池的输出电流值；电压传感器，测定燃料电池的输出电压；以及存储部，存储所述输出电压值与所述输出电流值的关系，所述关系成为燃料电池的运行状态为最佳运行状态时的基准；所述燃料电池系统从所述存储部中读出与由所述电 流传感器测定的测定电流值对应的最佳电压值，并在读出的所述最佳电压值与由所述电压传感器测定的测定电压值之差大于预先设定的阈值时，判定为燃料电池的水分状态为干燥状态。 
此外，在专利文献3中公开了一种燃料电池系统，其包括在燃料电池的多个测量位置测量电压的测量装置，并且基于从测得的电压中在不同测量位置测得的电压之差估计的所述多个测量位置之间的含水量之差来估计燃料电池的水分的不均匀分布。 
此外，在专利文献4中公开了一种燃料电池系统，其从燃料电池的电压的时序变化，基于与负荷的过度增加对应的电压的下降幅度来判定是否具备用于进行燃料电池的含水状态判定的执行条件，并在判定为具有该执行条件时，基于所述电压的下降幅度和电阻的时序变化来判定燃料电池的含水状态。 
在先技术文献 
专利文献 
专利文献1：日本专利文献特开2009-259758号公报 
专利文献2：日本专利文献特开2010-114039号公报 
专利文献3：日本专利文献特开2009-193817号公报 
专利文献4：日本专利文献特开2009-117066号公报 
发明内容
发明要解决的问题 
但是，在以往的燃料电池中的水分管理技术中，无法充分避免燃料电池内干燥状态的发生。例如，专利文献1所述的技术虽能够抑制在无加湿条件和高温条件下容易发生的氧化剂气体流路的入口附近处的枯竭，但由于进行基于检测到的燃料电池的电压、电阻或压力损失来控制燃料气体的流量或压力的反馈控制，因此燃料电池内部可能暂时变成干燥状态。一旦电解质膜或电极变成干燥状态(枯竭)，就存在以下问题：需花费时间变回最佳的含水状态，即需花费时间来恢复发电性能，并且加速变成干燥状态的电解质膜或电极的材料劣化。从而，应避免燃料电池内发生枯竭，就 算是暂时的枯竭也不行。 
本发明就是鉴于上述实际问题而完成的，本发明的目的在于提供一种避免发生燃料电池内的枯竭、尤其避免发生氧化剂气体流路入口附近的枯竭的燃料电池系统。 
用于解决问题的手段 
本发明的燃料电池系统在无加湿条件下运行，并且包括燃料电池，所述燃料电池具有： 
高分子电解质膜，其被夹在阳极电极和阴极电极之间； 
燃料气体流路，其面向所述阳极电极配置，用于对所述阳极电极供应至少含有燃料成分的燃料气体；以及 
氧化剂气体流路，其面向所述阴极电极配置，用于对所述阴极电极供应至少含有氧化剂成分的氧化剂气体； 
所述燃料电池系统的特征在于， 
所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向和所述氧化剂气体流路中的所述氧化剂气体的流动方向彼此相对， 
所述燃料电池系统包括湿润状态控制装置，所述湿润状态控制装置控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向比作为目标的目标湿润状态低的低湿润状态侧变化后，再从所述低湿润状态向所述目标湿润状态变化。 
根据本发明的燃料电池系统，可避免氧化剂气体流路入口变成枯竭状态，并可恰当地控制燃料电池的电解质膜的面方向上的水分含量，以使在该面方向上进行均匀的发电。 
所述湿润状态控制装置能够在为了使所述湿润状态向所述低湿润状态侧变化而使所述燃料气体的流量和/或压力变化了预定量之后，为了进一步使所述湿润状态向所述低湿润状态侧变化，基于由所述预定量的变化引起的预定的参数的变化量来使所述燃料气体的流量和/或压力变化预定量。 
所述湿润状态控制装置能够使所述燃料气体的流量先向比作为目标的目标燃料气体流量高的高燃料气体流量侧增加后，再从所述高燃料气体流量下降到所述目标燃料气体流量。 
在本发明的燃料电池系统中，所述目标燃料气体流量也可以是根据所述燃料电池的电压与所述燃料电池的预定温度下的所述燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系而预先获得的。 
本发明的燃料电池系统可以包括电压测定装置，所述电压测定装置测定所述燃料电池的电压，并且 
如果由所述电压测定装置判定出所述燃料电池的电压已达到目标电压，则所述湿润状态控制装置结束下述处理：控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述湿润状态从所述低湿润状态变化到所述目标湿润状态。 
此外，本发明的燃料电池系统可以包括电压测定装置，所述电压测定装置测定所述燃料电池的电压，并且 
所述湿润状态控制装置具有计算部，所述计算部基于由所述电压测定装置测定的燃料电池的电压，来计算所述燃料电池的电压的变化量相对于通过所述湿润状态控制装置控制的所述燃料气体的流量或压力的变化量的比例，所述湿润状态控制装置重复进行使所述湿润状态从当前的湿润状态向所述低湿润状态侧变化的对所述燃料气体的流量和/或压力的控制，直到所述比例进入预定范围内。 
所述湿润状态控制装置能够控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量先向比作为目标的目标燃料气体出口水蒸气量多的多燃料气体出口水蒸气量侧变化后，再从所述多燃料气体出口水蒸气量下降到所述目标燃料气体出口水蒸气量。 
在本发明的燃料电池系统中，所述目标燃料气体出口水蒸气量也可以是预先根据所述燃料电池的电压与所述燃料电池的预定温度下的所述燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系而预先获得的。 
本发明的燃料电池系统可以包括水蒸气量测定装置，所述水蒸气量测定装置测定所述燃料气体流路出口处的水蒸气量，并且 
如果由所述水蒸气量测定装置判定出所述燃料气体流路出口处的水蒸气量已从所述多燃料气体出口水蒸气量变化到所述目标燃料气体出口水蒸气量，则所述湿润状态控制装置结束控制所述燃料气体的流量和/或压力的处理。 
在本发明的燃料电池系统中，所述湿润状态控制装置在所述燃料电池的温度达到70℃以上时开始所述燃料气体的流量和/或压力的控制。根据本发明，即使在70℃以上这样的容易发生枯竭的温度条件下，也可将燃料电池的湿润状态保持最佳。 
发明效果 
通过本发明提供的燃料电池系统在实现高电压的同时可靠地防止了枯竭的发生，从而即使在高温条件下运行也显示出稳定的发电性能。 
附图说明
图1是示出燃料气体平均流路与燃料电池的电压及燃料电池电阻之间的关系的曲线图； 
图2是示出燃料气体出口水蒸气量与燃料气体平均流路之间的关系的曲线图； 
图3是示出本发明的燃料电池系统的实施方式例100的图； 
图4是示出本发明的燃料电池系统中的单电池的结构例的截面图； 
图5是示出燃料电池系统100中的湿润状态控制装置的控制流程例的图； 
图6是用于说明图5所示控制流程中的k1以及k2的设定方法的图； 
图7是示出示出本发明的燃料电池系统的实施方式例101的图； 
图8是示出燃料电池系统101中的湿润状态控制装置的控制流程例的图。 
具体实施方式
本发明的燃料电池系统是一种燃料电池系统，其在无加湿条件下运行，并且所述燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池具有： 
高分子电解质膜，其被夹在阳极电极和阴极电极之间； 
燃料气体流路，其面向所述阳极电极配置，用于对所述阳极电极供应至少含有燃料成分的燃料气体；以及 
氧化剂气体流路，其面向所述阴极电极配置，用于对所述阴极电极供 应至少含有氧化剂成分的氧化剂气体； 
所述燃料电池系统的特征在于， 
所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向和所述氧化剂气体流路中的所述氧化剂气体的流动方向彼此相对， 
所述燃料电池系统包括湿润状态控制装置，所述湿润状态控制装置控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向比作为目标的目标湿润状态低的低湿润状态侧变化后，再从所述低湿润状态向所述目标湿润状态变化。 
对于燃料气体流路中的燃料气体和所述氧化剂气体流路中的氧化剂气体的流动方向彼此相对的所谓逆流式的燃料电池，本发明人对进行无加湿条件运行并使燃料气体流路中的燃料气体的平均流量(以下有时称为燃料气体平均流量)变化了时的燃料电池的电压和电阻值进行测定，并且测定流经燃料气体流路的出口的燃料气体中包含的水蒸气量(以下有时称为燃料气体出口水蒸气量)，得到了图1和图2所示的结果。图1是示出燃料气体平均流量与燃料电池的电压以及电流之间的关系的图，图2是示出燃料气体平均流量与燃料气体平均流量之间的关系的图，图1和图2中的状态1～3相对应，在状态1～3中，观察到了以下所述的燃料气体出口水蒸气量与燃料电池电压以及电阻值之间的关系。 
即，当从燃料气体流路出口排出的水蒸气量非常少时，燃料电池的电压变低(状态1)。 
如此，燃料气体出口水蒸气量非常少的状态是在燃料电池的电解质膜的面方向(即，是指电极的面方向，并且是与电解质膜与电极的层叠方向垂直的方向)上氧化剂气体流路入口附近的区域(即，燃料气体流路出口附近的区域)处于干燥的状态，在该区域不进行发电，发电集中在氧化剂气体流路出口附近的区域(即，燃料气体流路入口附近的区域)进行。此时，认为阳极电极侧的水蒸气为了补充阴极电极侧的干燥而向干燥状态的阴极电极侧移动，因此燃料气体出口水蒸气变少。此外，在氧化剂气体流路入口附近的区域，电阻过电压由于干燥变大，另一方面，在氧化剂气体流路出口附近的区域，浓度过电压由于氧化剂成分的浓度下降而变大，因 此燃料电池的电压变低。 
另一方面，当从燃料气体流路出口排出少许水蒸气时，燃料电池的电压变高(状态2)。 
如此有少许水蒸气排出的状态是在燃料电池的上述面方向上含水状态均匀且良好的状态，在面内进行均匀的发电，浓度过电压下降，进而氧化剂气体流路出口附近的区域处的电阻过电压也下降，因此可得到高电压。 
此外，当从燃料气体流路出口排出的水蒸气量很多时，燃料电池的电压变低(状态3)。 
在如此燃料气体出口水蒸气量很多的状态下，燃料电池的上述面方向上的氧化剂气体流路入口附近区域处于足够湿润的状态，并且氧化剂成分的浓度被充分保证，因此发电集中进行。另一方面，在燃料气体流路入口附近的区域(即，氧化剂气体流路出口附近的区域)，由于水分通过燃料气体带被到燃料气体流路出口侧而变得干燥并且氧化剂成分浓度也低，因此电阻过电压和浓度过电压双方均增大，在面内得不到均匀的发电分布，燃料电池的电压变低。 
0032 
本发明人基于上述结果，发现了如下情况：在逆流式燃料电池在无加湿条件下运行的情况下，当在预定温度条件下为了获得峰值电压而对燃料气体的流量和/或压力进行驱动控制时，通过如下控制燃料气体和/或压力，可得到事先防止了枯竭、尤其氧化剂气体流路的入口区域处的枯竭、并显示出为稳定且高的输出的燃料电池系统。 
即，本发明的燃料电池系统控制燃料电池的流量和/或压力，以使燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向比作为目标的目标湿润状态低的低湿润状态侧变化后，再从所述低湿润状态向所述目标湿润状态变化。 
在本发明中，燃料气体流路的入口区域的目标湿润状态是在预定的温度条件下可得到峰值电压时的燃料气体流路的入口区域的湿润状态，为了得到峰值电压，以该目标湿润状态为目标来控制燃料气体的流量和/或压力。这里，目标湿润状态即存在仅指可得到峰值电压的某一点湿润状态的 情况，也存在指可得到峰值电压的具有宽度的范围的情况。例如，在图1中，能够设定状态2作为目标湿润状态。 
当朝着可得到峰值电压的目标湿润状态进行驱动控制时，作为湿润状态变化的路径，例如在图1中有从状态1向状态2变化的路径、以及从状态3向状态2变化的路径。 
如上所述，状态1是氧化剂气体流路的入口区域处于干燥或者容易干燥的状态。当逆流式燃料电池进行无加湿运行时，氧化剂气体流路的入口区域一旦变成枯竭状态，那么想要再次恢复到显示出良好的发电性能的湿润状态将需要时间，或者不会恢复到显示出良好的发电性能的湿润状态。这是因为氧化剂气体流路的入口区域处的水蒸气的供应通过阴极电极反应中所生成的水分难以获得加湿效果。此外，氧化剂气体流路的入口区域隔着电解质膜而与燃料气体流路的出口区域相对。在燃料气体从燃料气体流路的上游侧向下游侧流动的期间，由于从电解质膜和阳极电极被供应至燃料气体的水蒸气量少，因此燃料气体流路的出口区域，从燃料气体被供应至电解质膜和阳极电极的水蒸气供应量少。从而，即便改变燃料气体的压力和/或流量，曾变干燥的氧化剂气体流路的入口区域也难以恢复到湿润状态，其结果是，发电性能也长时间难以恢复。 
另一方面，状态3是燃料气体流路的入口区域处于干燥或者容易干燥的状态。在逆流式燃料电池中，燃料气体流路的入口区域隔着电解质膜而与氧化剂气体流路的出口区域相对。氧化剂气体被阴极电极反应的生成水加湿，因此氧化剂气体流路的出口区域处的水蒸气量很多。因此，通过改变燃料气体的流量和/或压力，燃料气体流路的入口区域的干燥状态与氧化剂气体流路的入口区域的干燥相比可快速得到改善或消除，发电性能的恢复也快。 
因此，在本发明中，将燃料气体流路入口区域的湿润状态作为基准并且不是在从状态1向状态2变化的路径而是在从状态3向状态2变化的路径中朝着目标湿润状态对燃料电池内的湿润状态进行驱动控制。由此，能够防止氧化剂气体流路的入口区域变干燥，能够使发电性能稳定。而且，由于抑制了电解质膜的干燥，因此电解质膜的胀缩比变小，能够抑制由胀 缩引起的电解质膜和电极等的劣化。从而，能够还能够提高燃料电池的发电耐久性。 
以下，参考附图对本发明的燃料电池系统进行说明。 
本发明的燃料电池系统的用途不特别限定，例如可用作对作为移动体的车辆、船舶等的驱动装置供应电力的供电源及其他各种装置的供电源。 
此外，在本发明中，燃料气体是指含燃料成分、并且流经燃料电池内的燃料气体流路的气体，也可以含有燃料成分以外的成分(例如，水蒸气或氮气等)。此外，氧化剂气体是指含氧化剂成分、并且流经燃料电池内的氧化剂气体流路的气体，也可以含有氧化剂成分以外的成分(例如，水蒸气或氮气等)。有时将燃料气体和氧化剂气体统称为反应气体。 
图3示出了燃料电池系统100，该燃料电池系统100是本发明的燃料电池系统的实施方式例。 
燃料电池系统100至少包括：燃料电池1，该燃料电池1接受反应气体的供应来进行发电；燃料气体配管系统2；氧化剂气体配管系统(没有图示)、以及控制部3，该控制部3对系统进行总控制。 
本发明的燃料电池系统具有氧化剂气体配管系统，该氧化剂气体配管系统向燃料电池供应氧化剂气体，并从燃料气体排出含有没有反应的氧化剂成分、水蒸气等的气体(排出氧化剂气体)。但是，在本发明中，只要是流经燃料气体流路中的燃料气体的方向和流经氧化剂气体流路的氧化剂气体的方向彼此相对的所谓逆流式的燃料电池即可，氧化剂气体的供应、排出的具体方式不特别进行限定，因此在图中省略对氧化剂气体配管系统的说明。 
燃料电池1由固态高分子电解质型燃料电池构成，通常具有层叠多个单电池的电池组构造，并且接受氧化剂气体和燃料气体的供应来产生电力。氧化剂气体和燃料气体向燃料电池1的供应以及氧化剂气体和燃料气体从燃料电池1的排出分别通过氧化剂气体配管系统和燃料气体配管系统2进行。以下，将含氧的空气作为氧化剂气体的例子，将含氢气的气体作为燃料气体的例子来进行说明。 
图4是示出构成燃料电池1的单电池12的概要截面图。 
每个单电池12将膜-电极接合体16作为基本构造，膜-电极接合体16通过由阴极电极(空气极)14和阴极电极(燃料极)15夹持高分子电解质膜13而构成。阴极电极14具有从高分子电解质膜13侧依次层叠阴极催化剂层21和气体扩散层22而成的构造，阴极电极15具有从高分子电解质膜13侧依次层叠阳极催化剂层23和气体扩散层24而成的构造。 
一对间隔板17、18从膜-电极接合体16的两侧夹着阴极电极14和阴极电极15。在阴极侧的间隔板17中设置有形成用于向阴极电极14供应氧化剂气体的氧化剂气体流路的沟槽，由该沟槽和阴极电极14界定了氧化剂气体流路19。在阳极侧的间隔板18中设置有形成用于向阴极电极15供应燃料气体的燃料气体流路的沟槽，由该沟槽和15界定了燃料气体流路20。 
氧化剂气体流路19和燃料气体流路20被配置成使得流经氧化剂气体流路19的氧化剂气体的流动方向与流经燃料气体流路20的燃料气体的流动方向彼此相对(所谓的逆流式构造)。在图4中，氧化剂气体流路19和燃料气体流路20中的“圆圈中带点”的符号表示气体的流动方向是从纸面的那侧朝向这一侧的方向，“圆圈中带叉”的符号表示气体的流动方向是从纸面的这一侧朝向那侧的方向。此外，图4中没有详细示出，但氧化剂气体流路19的入口附近区域和燃料气体流路20的出口附近区域夹着电解质膜13而配置，并且氧化剂气体流路19的出口附近区域和燃料气体流路20的入口附近区域夹着电解质膜13而配置。在图4中，气体流路被绘制成曲折流路(蜿蜒式流路)，但气体流路的形态不特别进行限定，可以取任意形态，只要具有逆流式构造即可。 
构成燃料电池的各部件不特别进行限定，也可以是用一般材料形成的一般构造即可。 
燃料电池1中设置有测量燃料电池1的温度T的温度传感器(温度测定装置)9。温度传感器9既可以是直接测定燃料电池1内的温度的传感器，也可以是测定在燃料电池内流动的热交换介质的温度的传感器。 
此外，燃料电池1中设置有检测各个单电池或整个电池组的电压V的电压传感器10。 
燃料气体配管系统2包括氢罐4、燃料气体供应路径5、以及燃料气体循环路径6。氢罐4是储存有高压的氢气(燃料成分)的氢气供应源，是燃料供应装置。作为燃料供应装置，取代氢罐4，也可以采用例如从烃类燃料生成富氢重整气体的重整器、以及具有贮氢合金的罐，该罐中将在重整器中生成的重整气体压缩成高压状态来储存。 
燃料气体供应路径5是用于从作为燃料供应装置的氢罐4向燃料电池1供应作为燃料成分的氢气的流路，其包括主流路5A和混合路径5B。主流路5A位于连结燃料气体供应路径5和燃料气体循环路径6的连结部7的上游。在主流路5A中可以设置作为氢罐4的主阀而起作用的截止阀(没有图示)、对氢气进行减压的调节器等。从氢罐4供应的氢气的流量(燃料成分气体的流量)Qb基于对燃料电池要求的输出来控制，以确保要求输出。混合路径5B位于连结部7的下游侧，将来自氢罐4的氢气和来自燃料气体循环路径6的排出燃料气体的混合气体导向燃料电池1的燃料气体流路入口。 
燃料气体循环路径6使得从燃料电池1的燃料气体流路出口排出的排出燃料气体再循环至燃料气体供应路径5。在燃料气体循环路径6中设置有用于使排出燃料气体再循环至燃料气体供应路径5的再循环泵8。燃料电池为发电而消耗氢的结果，排出燃料气体的流量和压力低于被供应给燃料电池的燃料气体的流量和压力，因此通过再循环泵适当控制排出燃料气体的流量和压力后压送至连结部7。由连接燃料气体循环路径6、燃料气体供应路径5以及燃料电池1内的燃料气体流路而成的系统构成向燃料电池循环供应燃料气体的循环系统。 
从燃料电池1排出的排出燃料气体中含有通过燃料电池的发电反应而生成的生成水、从燃料电池的阴极电极经电解质膜向阳极电极透过、即渗漏的氮气、未消耗的氢气等。在燃料气体循环路径6上的再循环泵8的上游侧也可以设置气液分离器(没有图示)。气液分离器分离包含在排出燃料气体中的水和未消耗的氢气等气体。此外，在燃料气体循环路径6上的再循环泵8的上游侧也可以设置排出燃料气体压力调节阀(没有图示)，该燃料气体压力调节阀将排出燃料气体的一部分排出至燃料电池外部来调 节再循环的排出燃料气体的压力。 
从有效利用氢气(燃料成分)的观点来说，燃料气体配管系统最好具有由燃料气体循环路径、再循环泵等构成的循环系统，但燃料气体配管系统也可以不具有循环系统，或者也可以具有闭端构造。 
氧化剂气体配管系统具有：向燃料电池1供应氧化剂气体的氧化剂气体供应路径、排出来自燃料电池1的排出氧化剂气体的氧化剂气体排出路径、以及压缩机。压缩机被设置在氧化剂气体供应路径上，通过压缩机获取的大气中的空气在氧化剂气体供应路径中被压送，并被供应到燃料电池1中。从燃料电池1排出的排出氧化剂气体流经氧化剂气体排出路径并被排出到外部。 
燃料电池系统的运行由控制部3进行控制。控制部3被构成为在内部具有CPU、RAM、ROM等的微型计算机，CPU安装存储在RAM、ROM等中的各种程序和映射图等，并基于对燃料电池要求的输出(输出电流密度、即与燃料电池连接的负荷大小)、和与燃料电池连接的温度传感器、气体压力传感器、气体流量传感器、电压传感器、露点计等各种传感器的测定结果等，来执行各种阀、各种泵、燃料气体配管系统、氧化剂气体配管系统、热交换介质循环系统等的各种处理和控制。 
燃料电池系统100具有下述的主要特征，即：控制部3包括湿润状态控制装置，该湿润状态控制装置控制燃料气体的流量和/或压力，以使燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向比作为目标的目标湿润状态低的低湿润状态侧变化后，再从所述低湿润状态向所述目标湿润状态变化。 
在本发明中，燃料气体流路的入口区域的湿润状态是燃料电池内的燃料气体流路的入口附近区域的湿润状态(含水状态)，具体是指燃料气体流路的入口附近的阳极电极、电解质膜以及隔着该电解质膜而与该入口附近的阳极电极相对的阴极电极的湿润状态。燃料电池内的该湿润状态根据诸如燃料电池的温度、燃料气体的流量和压力、以及氧化剂气体的流量和压力等燃料电池运行的诸条件而改变，并可通过这些诸条件来进行控制。 
在本发明中，通过燃料气体的流量和/或压力来控制燃料电池内的湿润 状态，因为容易控制并且控制响应快。其中，湿润状态控制装置优选通过燃料气体的流量来控制燃料电池内的湿润状态，因为控制响应特别快。 
具体地，通过使燃料气体的流量先向比作为目标的目标燃料气体流量高的高燃料气体流量侧增加后，再从所述高燃料气体流量下降到所述目标燃料气体流量，能够使燃料气体流路的入口区域的湿润状态经上述那样的路径变化到目标湿润状态。 
这里，目标燃料气体流量是实现燃料气体流路的目标湿润状态的燃料气体的流量。目标燃料气体流量也可以由燃料电池的电压与燃料电池的预定温度下的燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系预先获取。或者，也可以基于在燃料电池运行时实际的燃料电池电压与燃料电池的预定温度下的燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系来设定，也可以存储该相关关系并将其设定为下一次及其以后控制的目标值。此外，目标燃料气体流量与目标湿润状态一样，即存在仅指能够实现目标湿润状态(可得到峰值电压)的某一点流量的情况，也存在指能够实现目标湿润状态(可得到峰值电压)的具有宽度的范围的情况。 
随着燃料气体流量被控制，燃料气体的压力也发生变动，因此通过控制所述燃料气体的流量和压力双方，还能够期待更高效地接近以燃料电池内的湿润状态为目标的状态。 
燃料电池1在控制燃料气体的压力的情况下根据需要也可以设置压力传感器，该压力传感器测量流经燃料气体流路的燃料气体的压力。压力传感器的具体设置位置不受限定，只要能够掌握期望位置处的燃料电池流路内的燃料气体的压力即可。例如，能够使用设置在燃料气体流路的入口处并测定该入口处的燃料气体的压力的入口压力传感器和设置在燃料气体流路的出口处并测定该出口处的燃料气体的压力的出口压力传感器，并将由这些压力传感器检测到的燃料气体入口压力Pin和燃料气体出口压力Pout的平均值当作燃料气体压力来进行检测和控制。此外，不限于燃料气体流路的入口和出口，也可以在燃料气体流路的多个位置设置压力传感器，并检测、控制各个位置处的燃料气体的压力，也可以计算平均值并平均值。此外，燃料电池内的压力传感器也可以是一个。此外，也可以通过设置在 燃料气体流路外的压力传感器来估计燃料气体的压力。 
例如，能够通过控制燃料气体流路的入口处的燃料气体的压力和/或燃料气体流路的出口处的燃料气体的压力来实现燃料气体压力的控制。具体地，能够通过设置在燃料气体流路出口的下游侧的背压阀、用于从氢罐向燃料电池供应氢的调节器来控制燃料气体的压力，在燃料气体配管系统为循环系统的情况下，能够通过用于从氢罐向配管系统供应氢的喷射器、设置在配管系统中的循环用泵等来控制燃料气体的压力。 
图5示出了燃料电池系统100中的湿润状态控制装置的具体控制流程例。图5所示的控制流程控制排出燃料气体的循环量来控制燃料气体的流量，并由此控制燃料电池内的湿润状态。 
在图5的控制流程中，排出燃料气体的循环量的控制判断以燃料电池电压的变化相对于排出燃料气体循环量变化的比例(k1、k2)为基准来进行。k1(k1＞0)和k2(k2＜0)可以任意设定，例如，能够预先基于图6所示那样的排出燃料气体的循环量Qa与电压V的相关关系来设定。在图6中，表示循环量Qa和电压V的相关关系的曲线与斜率为k1的切线的接触点成为上述状态1和上述状态2(目标湿润状态)的边界。此外，上述曲线与斜率为k2的切线的接触点成为上述状态2(目标湿润状态)和上述状态3(低湿润状态)的边界。 
首先，当燃料电池1工作时，控制部3的湿润状态控制装置利用温度传感器9来检测燃料电池1的温度T，并判定温度T是70℃以下还是大于70℃。 
当温度T为70℃以下时，湿润状态控制装置不改变排出燃料气体的循环量Qa，而维持当前时间点的排出燃料气体的循环量Qa0。 
另一方面，当温度T大于70℃时，湿润状态控制装置将排出燃料气体的循环量Qa从当前时间点的排出燃料气体的循环量Qa0增加ΔQa，设为Qa0+ΔQa。ΔQa能够任意设定，为了防止燃料电池内的过度干燥状态，例如优选在Qa0的5％～20％的范围内进行设定。 
接着，湿润状态控制装置利用电压传感器10监视燃料电池的电压V，并计算燃料电池电压V的变化量相对于排出燃料气体循环量的增加量 ΔQa的比例(dV/dQa)。 
接着，判定算出的dV/dQa是否大于0，即判定通过ΔQa的增加，电压V是否上升了(dV/dQa＞0)，或者通过ΔQa的增加，电压V是否下降或没有变化(dV/dQa≤0)。 
当dV/dQa大于0时，进而判定dV/dQa是否大于k1，即判定燃料电池内的湿润状态是状态1还是状态2。当dV/dQa大于k1时，将排出燃料气体循环量Qa增加至Qa0的两倍量，并再次返回到计算dV/dQa的步骤。另一方面，当dV/dQa为k1以下时，将排出燃料气体循环量的增加量ΔQa增加至前一次的两倍量，并再次返回到计算dV/dQa的步骤。 
当dV/dQa为0以下时，进而判定dV/dQa是否小于k2，即判定燃料电池内的湿润状态是状态3还是状态2。当dV/dQa大于等于k2时，将排出燃料气体循环量的增加量ΔQa减少至上一次的燃料电池燃料电池1/2倍，并再次返回到计算dV/dQa的步骤。另一方面，当dV/dQa小于k2时，持续降低排出燃料气体循环量Qa，直到通过电压传感器10检测到峰值电压为止，然后通过湿润状态控制装置结束处理。dV/dQa被判定为小于k2时的排出燃料气体循环量也可以存储起来，并反映到下一次及其以后的湿润状态控制中。 
在图5的控制流程中，湿润状态控制装置以燃料电池温度达到70℃以上为契机开始进行控制。这是因为在70℃这样的该温运行条件下燃料电池内部容易干燥、氧化剂气体流路的入口区域容易发生枯竭的缘故。成为湿润状态控制装置开始进行控制的契机的温度不特别限定，优选在燃料电池温度达到70℃以上时开始该控制，特别优选在达到80℃以上时开始该控制。 
本发明的湿润状态控制装置所进行的控制的开始不限定于以燃料电池温度的变化为契机，也可以将由要求输出的改变引起的电池燃料的气体运行条件(反应气体的压力、流量等)的改变作为契机开始控制。 
此外，也可以将由燃料电池的劣化引起的性能变化作为契机开始控制。通过燃料电池的性能发生变化，用于将燃料电池内的湿润状态设为可得到峰值电压的诸条件也有可能发生变化。因此，当燃料电池的性能发生 了变化或者可预测发生了变化时，通过使湿润状态控制装置工作，能够进行于燃料电池的劣化相匹配的运行条件的优化。在将性能变化作为契机开始控制的情况下，例如能够将燃料电池的运行时间、安装燃料电池的车辆的行驶距离或行驶时间作为性能变化的指标，自动或依据燃料电池用户的要求来使湿润状态控制装置工作。 
此外，在上述图5所示的控制流程中，当通过电压传感器判定出燃料电池的电压已达到作为目标的目标电压(峰值电压)时，结束控制燃料气体的流量以使燃料气体流路入口的湿润状态从所述低湿润状态变化至所述目标湿润状态的处理，但在本发明中，使湿润状态控制装置的控制处理结束的契机不特别限定。例如，也可以使得所述控制处理以检测到的燃料气体流路出口水蒸气量等为契机来结束。 
此外，在上述图5所示的控制流程中，湿润状态控制装置将燃料气体的流量(排出燃料气体循环量)改变预定量(ΔQa)，以使燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向低湿润状态变化，进而基于由该流量的改变引起的预定参数(燃料电池电压)的变化量，来将燃料气体的流量(排出燃料气体循环量)改变预定量，以使湿润状态进一步向湿润状态侧变化，但通过将随着如此为了控制燃料电池内的湿润状态而改变的控制参数(燃料气体的流量和/或压力)的变化量而变化的预定参数的变化量为基准，根据需要分阶段地改变该控制参数，能够更精密地控制燃料电池内的湿润状态，并且能够高效地向可得到峰值电压的燃料电池运行条件进行驱动控制。这里，作为控制参数的控制基准的预定参数除如图5所示的燃料电池电压之外，例如还可举出燃料气体流路出口水蒸气量等。 
具体地，在上述图5所示的控制流程中，湿润状态控制装置具有计算部，该计算部基于由电压传感器测定的燃料电池电压来计算燃料电池电压的变化量相对于通过湿润状态控制装置控制的燃料气体流量(排出燃料气体循环量)的变化量的比例(dV/dQa)，并且湿润状态控制装置重复进行使得从当前的湿润状态向上述低湿润状态侧变化的对燃料气体的流量的控制，直到该比例进入预定范围内，如此，通过将燃料电池电压的变化量相对于这些控制参数(燃料气体流量和/或燃料气体压力)的变化量的比例作 为基准来进行通过湿润状态控制装置控制的燃料气体流量和/或燃料气体流量的控制，能够高效地使燃料电池电压接近峰值电压(目标电压)。 
此外，如上所述，在使燃料排出气体循环的循环系统的情况下，对于从作为燃料供应源的氢罐4供应的燃料成分气体的流量Qb，不进行水蒸气量控制装置的控制，而是通过对通过再循环泵8再循环的燃料排出气体的再循环流量Qa进行控制，那姑姑在充分确保要求输出的技术上提高作为燃料成分的氢的使用效率，能够有效控制燃料电池中的水分分布。 
湿润状态控制装置所进行的燃料气体流量的控制方式不特别限定，只要能够确保对燃料电池要求的输出即可，例如在确保要求输出的基础上，也可以进行仅基于来自燃料供应源的氢气供应量Qb的控制，或者基于Qa和Qb双方的控制。此外，也可以采用控制燃料气体流量的气体装置。 
燃料气体的流量例如能够基于燃料气体流路中的燃料气体的平均流量(燃料气体平均流量)Qave来控制。这里，燃料气体平均流量Qave是流经燃料气体流路的燃料气体的平均流量，其计算方法不特别限定，例如在如燃料电池系统100那样燃料气体配管系统为循环系统的情况下，能够通过下式(1)来计算。 
Qave＝Qa+Qb/2…式(1) 
Qave：燃料气体流路中的燃料气体的平均流量 
Qa：通过再循环泵再循环的排出燃料气体的流量 
Qb：从燃料供应装置供应的燃料成分气体的流量 
在上式(1)中，基于根据要求输出而从燃料供应装置供应的燃料成分气体的流量Qb在燃料气体流路的总流路长1/2的位置处被消耗一半的假定，来计算燃料气体的平均流量Qave。 
此外，燃料气体平均流量Qave也可以通过下式(2)来计算。 
Qave＝nRT/P…式(2) 
Qave：燃料气体流路中的燃料气体的平均流量 
n：燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的摩尔数 
R：气体常数 
T：燃料电池温度 
P：燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的压力 
在上式(2)中，采用燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的流量作为燃料气体平均流量Qave，并且由燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的摩尔数和压力基于气体的状态方程式来计算燃料气体的平均流量Qave。 
在式(2)中，燃料气体的摩尔数是燃料气体流路的总流路长1/2的位置处的燃料气体中包含的所有成分(除氢气之外，还有氮气、水蒸气等)的摩尔数，具体是从燃料气体流路入口处的燃料气体的总摩尔数减去到达至燃料气体流路的总流路长1/2的位置时被消耗的燃料成分的摩尔数而得的摩尔数。到达至燃料气体流路的总流路长1/2的位置时被消耗的燃料成分的摩尔数是燃料电池的要求输出所需要的燃料成分量的一半。此外，燃料气体流路入口处的燃料气体的总摩尔数根据通过循环泵返回到燃料气体流路入口的燃料气体流量与从氢罐追加补充的氢气量的总流量的温度和压力来求出。 
此外，在式(2)中，燃料气体的压力既可以实际检测燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的压力，也可以测定燃料气体流路的全长的多个位置处的燃料气体的压力并计算平均值。或者，也可以假定在燃料气体流路的全长中发生的压力损失的一半是燃料气体流路的全长1/2的位置处发生的来进行计算，假定了这种压力损失的上述燃料气体压力能够通过下式(3)来计算。 
P＝(Pin+Pout)/2…式(3) 
Pin：燃料气体流路入口处的燃料气体的压力 
Pout：燃料气体流路出口处的燃料气体的压力 
在燃料气体配管系统具有循环系统的情况下，作为式(2)的变形例，能够通过下式(4)来计算燃料气体的平均流量Qave。 
Qave＝n’RT/P…式(4) 
Qave：燃料气体流路中的燃料气体的平均流量 
n’：在假定供应至燃料气体流路的所述燃料气体中从燃料气体供应装置被供应至燃料气体流路的所述燃料成分的1/2被消耗的情况下计算 的燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的摩尔数 
位置处的燃料气体的摩尔数 
R：气体常数 
T：燃料电池温度 
P：通过上式(3)计算的燃料气体流路的全长1/2的位置处的燃料气体的压力 
燃料气体平均流量Qave也可以采用实际测定燃料气体流路内的多个位置处的燃料气体流量并取平均而得的值、或者在燃料气体流路的全长1/2的位置处实际测定的燃料气体的流量值，而不是基于上述那样的假定来进行计算。从简单构建燃料电池系统的观点来说，优选使用上式(1)、(2)或(4)计算燃料气体平均流量。 
上述说明的燃料电池系统100包括对燃料电池的电压进行检测、监视的电压传感器，湿润状态控制装置采用了基于电压传感器检测到的燃料电池电压来控制燃料气体的流量和/或压力的反馈控制，但也可以采用前馈控制。 
接着，使用图7和图再循环泵8对燃料电池系统101进行说明，燃料电池系统101是本发明的其他实施方式例。 
如图1和图2所示，本发明人发现了燃料气体出口水蒸气量与燃料气体流路中的燃料气体的平均流量(以下有时称为燃料气体平均流量)之间具有高的相关关系。即，获得了如下知识：如图2所示，当燃料气体流路中的燃料气体的平均流量低时，燃料气体出口水蒸气量少，成为燃料电池的电压低的状态(上述状态1)，当该状态1提高了燃料气体平均流量时，燃料气体出口水蒸气量达到少许量，成为可得到高的燃料电池电压的状态(上述状态2)，当该状态2进一步提高了燃料气体平均流量时，燃料气体出口水蒸气量变多，成为燃料电池的电压低的状态(上述状态3)。而且，本发明人发现了：由于如图2所示，燃料气体出口水蒸气量与燃料气体平均流量不管燃料气体流路中燃料气体的压力如何都显示出固定的相关关系，因此通过将燃料气体出口水蒸气量作为判断基准来控制燃料电池的湿润状态，能够确保稳定的输出。 
燃料电池系统101就是基于上述知识而完成的，在燃料电池系统101中，湿润状态控制装置控制燃料气体的流量，以使燃料气体流路的出口处的水蒸气量先向比作为目标的目标燃料气体出口水蒸气量多的多燃料气体出口水蒸气量侧变化后，再从所述多燃料气体出口水蒸气量下降到目标燃料气体出口水蒸气量。 
如图7所示，燃料电池系统101没有配置电压传感器10，而另一方面在燃料电池1中配置有测量燃料气体流路的出口处的燃料气体中的水蒸气量S的露点计(水蒸气量测定装置)11，并且除由控制部3的湿润状态控制装置进行的具体湿润状态控制不同之外，具有与图5所示的燃料电池系统101相同的构成。露点计11也可以设置在燃料气体配管系统2上，只要能够检测燃料气体出口水蒸气量S即可。 
以下，对于燃料电池系统101，以与燃料电池系统100不同之处为中心进行说明。 
在燃料电池系统101中，湿润状态控制装置控制燃料气体的流量，以使通过露点计11检测、监视的燃料气体出口水蒸气量S先向多燃料气体出口水蒸气量侧变化后，再从所述多燃料气体出口水蒸气量下降到目标燃料气体出口水蒸气量St。 
这里，燃料气体出口水蒸气量是燃料气体流路的入口的湿润状态为目标湿润状态时的燃料气体出口水蒸气量。目标燃料气体出口水蒸气量也可以根据燃料电池的电压与燃料电池的预定温度下的燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系而预先获得。或者，也可以基于在燃料电池运行时实际的燃料电池电压与燃料电池的预定温度下的燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系来设定，也可以存储该相关关系并将其设定为下一次及其以后控制的目标值。此外，目标燃料气体出口水蒸气量与目标湿润状态一样，即存在仅指可实现目标湿润状态(可得到峰值电压)的某一点水蒸气量的情况，也存在指可实现目标湿润状态(可得到峰值电压)的具有宽度的范围的情况。 
图8示出了燃料电池系统101中的湿润状态控制装置所进行的控制流程的一个示例。在图8中，湿润状态控制装置基于由露点计11测定的燃 料气体出口水蒸气量S来控制燃料气体的流量。相对于通过电压传感器进行的燃料电池电压的检测和监视的燃料电池系统100，燃料电池系统101能够省去电压传感器、电阻传感器等电池监视器，因此可更加简化燃料电池系统中的控制，并且还可削减燃料电池的费用。 
在图8中，当燃料电池1工作时，控制部3的湿润状态控制装置通过温度传感器9来检测燃料电池1的温度T，并判定温度T是70℃以下还是大于70℃。 
当温度T为70℃以下时，不改变排出燃料气体的循环量Qa，而维持当前时间点的排出燃料气体的循环量Qa0。 
另一方面，当温度T大于70℃时，将排出燃料气体的循环量Qa从当前时间点的排出燃料气体的循环量Qa0增加ΔQa。ΔQa能够任意设定，为了防止燃料电池内的过度干燥状态，例如优选在Qa0的5％～20％的范围内进行设定。 
接着，湿润状态控制装置利用露点计11测定燃料气体出口水蒸气量S，并判定该燃料气体出口水蒸气量S是否大于目标燃料气体出口水蒸气量St。 
当燃料气体出口水蒸气量S小于等于目标燃料气体出口水蒸气量St时，返回到增加排出燃料气体循环量的步骤。 
另一方面，当燃料气体出口水蒸气量S大于目标燃料气体出口水蒸气量St时，减少排出燃料气体循环量Qa。减少排出燃料气体循环量Qa的减少持续进行至通过露点计11测定的燃料气体出口水蒸气量S变为目标燃料气体出口水蒸气量St以下为止。 
当燃料气体出口水蒸气量S变为目标燃料气体出口水蒸气量St以下时，结束湿润状态控制装置所进行的控制。 
在上述流程中，燃料气体出口水蒸气量S变得比目标燃料气体出口水蒸气量St多的排出燃料气体循环量、和/或燃料气体出口水蒸气量S变为目标燃料气体出口水蒸气量St以下的排出燃料气体循环量也可以存储起来，并反映到下一次及其以后的湿润状态控制中。 
在图8所示的流程中，是通过控制燃料气体的流量Q(具体为排出燃 料气体流量Qa)来控制燃料气体出口水蒸气量的，但与燃料电池系统100一样，用于使燃料气体出口水蒸气量S接近目标燃料气体出口水蒸气量St的控制参数不限于燃料气体的流量，也可以是燃料气体的压力，也可以控制燃料气体的流量和压力双方。 
如上所述，由于燃料气体平均流量与燃料气体出口水蒸气量具有高的相关关系，因此能够通过控制燃料气体平均流量来间接控制燃料气体出口水蒸气量。 
因此，湿润状态控制装置也可以由燃料气体平均流量与燃料气体出口水蒸气量的相关关系预先获取使燃料气体出口水蒸气量达到期望的值或范围的燃料气体平均流量，并基于该平均流量来控制燃料气体的流量和/或压力，以使燃料气体出口水蒸气量从多燃料气体出口水蒸气量下降至目标燃料气体出口水蒸气量。 
如此，当基于预先获取的燃料气体出口水蒸气量与燃料气体平均流量的相关关系来控制燃料气体的流量和/或压力时，即使没有诸如露点计这样的水蒸气量测定装置，也将燃料气体出口水蒸气量控制为期望的值或范围，因此可进一步简化燃料电池系统，并降低成本。 
符号说明 
1…燃料电池 
2…燃料气体配管系统 
3…控制部 
4…氢罐(燃料供应装置) 
5…燃料气体供应路径 
5A…主流路 
5B…混合路径 
6…燃料气体循环路径 
7…连结部 
8…再循环泵 
9…温度传感器(温度测定装置) 
10…电压传感器 
11…露点计(水蒸气量测定装置) 
12…单电池 
13…高分子电解质膜 
14…阴极电极 
15…阴极电极 
16…膜-电极接合体 
17…间隔板 
18…间隔板 
19…氧化剂气体流路 
20…燃料气体流路 
21…阴极催化剂层 
22…气体扩散层 
23…阳极催化剂层 
24…气体扩散层 
100…燃料电池系统 
101…燃料电池系统 。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统在无加湿条件下运行，并且所述燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，其被夹在阳极电极和阴极电极之间；
燃料气体流路，其面向所述阳极电极配置，用于对所述阳极电极供应至少含有燃料成分的燃料气体；以及
氧化剂气体流路，其面向所述阴极电极配置，用于对所述阴极电极供应至少含有氧化剂成分的氧化剂气体；
所述燃料电池系统的特征在于，
所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向和所述氧化剂气体流路中的所述氧化剂气体的流动方向彼此相对，
所述燃料电池系统包括湿润状态控制装置，所述湿润状态控制装置控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述燃料气体流路的入口区域的湿润状态从当前的湿润状态先向比作为目标的目标湿润状态低的低湿润状态侧变化后，再从所述低湿润状态向所述目标湿润状态变化。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述湿润状态控制装置在为了使所述湿润状态向所述低湿润状态侧变化而使所述燃料气体的流量和/或压力变化了预定量之后，为了进一步使所述湿润状态向所述低湿润状态侧变化，基于由所述预定量的变化引起的预定的参数的变化量来使所述燃料气体的流量和/或压力变化预定量。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述湿润状态控制装置使所述燃料气体的流量先向比作为目标的目标燃料气体流量高的高燃料气体流量侧增加后，再从所述高燃料气体流量下降到所述目标燃料气体流量。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
所述目标燃料气体流量是根据所述燃料电池的电压与所述燃料电池的预定温度下的所述燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系而预先获得的。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统包括电压测定装置，所述电压测定装置测定所述燃料电池的电压，
如果由所述电压测定装置判定出所述燃料电池的电压已达到目标电压，则所述湿润状态控制装置结束下述处理：控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述湿润状态从所述低湿润状态变化到所述目标湿润状态。
6.如权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统包括电压测定装置，所述电压测定装置测定所述燃料电池的电压，
所述湿润状态控制装置具有计算部，所述计算部基于由所述电压测定装置测定的燃料电池的电压，来计算所述燃料电池的电压的变化量相对于通过所述湿润状态控制装置控制的所述燃料气体的流量或压力的变化量的比例，
所述湿润状态控制装置重复进行使所述湿润状态从当前的湿润状态向所述低湿润状态侧变化的对所述燃料气体的流量和/或压力的控制，直到所述比例进入预定范围内。
7.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述湿润状态控制装置控制所述燃料气体的流量和/或压力，以使所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量先向比作为目标的目标燃料气体出口水蒸气量多的多燃料气体出口水蒸气量侧变化后，再从所述多燃料气体出口水蒸气量下降到所述目标燃料气体出口水蒸气量。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，
所述目标燃料气体出口水蒸气量是预先根据所述燃料电池的电压与所述燃料电池的预定温度下的所述燃料气体的流量和/或压力之间的相关关系而预先获得的。
9.如权利要求7或8所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统包括水蒸气量测定装置，所述水蒸气量测定装置测定所述燃料气体流路出口处的水蒸气量，
如果由所述水蒸气量测定装置判定出所述燃料气体流路出口处的水蒸气量已从所述多燃料气体出口水蒸气量变化到所述目标燃料气体出口水蒸气量，则所述湿润状态控制装置结束控制所述燃料气体的流量和/或压力的处理。
10.如权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，
当所述燃料电池的温度达到70℃以上时，所述湿润状态控制装置开始所述燃料气体的流量和/或压力的控制。
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