CN102893436A - 可计算液态水体积的燃料电池系统 - Google Patents

可计算液态水体积的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统，其包括：燃料电池，其通过反应气体之间的反应生成电力；电量计算单元，其从电压下降期间所生成的电流计算燃料电池的电压下降期间所生成的电量；反应气体物质量计算单元，其基于电压下降期间所生成的电量来计算燃料电池中的至少一种反应气体的物质量；气体体积计算单元，其基于至少一种反应气体的物质量来计算燃料电池中的气体体积；以及液态水体积计算单元，其从燃料电池中的液体流动通道体积减去气体体积来计算燃料电池中的液态水体积。

Description

可计算液态水体积的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于检测燃料电池中的液态水体积的燃料电池系统的技术。
背景技术
燃料电池例如被形成为使得通过使由阳性电极和阴性电极夹住电解质薄膜的两个表面并且进一步由一对隔板夹住所形成的薄膜电极组件来形成单个电池，并且然后多个单个电池彼此上下堆叠在一起。包含氢气的燃料气体被引入到燃料电池的阳极电极，而诸如空气（氧气）的氧化剂气体被引入到燃料电池的阴极电极以通过在氢气和氧气之间的电化学反应来生成电力进而由此产生水。
顺便提及，在燃料电池的操作期间，所产生的水主要在阴极电极中产生，并且每个阴极电极中的含水量经由插入在阴极电极和阳极电极之间的电解质薄膜而移动到阳极电极。因此，在诸如寒冷气候地区或冬季的低温环境下使用时，液态水在燃料电池的发电停止时留在燃料电池中，并且在发电停止同时留下残留的液态水时，水可能冻结而损坏电解质薄膜等。因此，净化气体被引入到阳极电极和阴极电极以在燃料电池的发电停止时执行净化处理。
在根据现有技术的燃料电池系统中，在停止发电时以预先确定的恒定设置量执行净化处理，因此有时净化被执行达不必要的长时间段。例如，这可能使得电解质薄膜降级而降低发电性能。
在发电停止之后执行净化，并且有必要使用电存储设备中所存储的能量，因此当如以上所描述的在不必要的长时间段内执行净化处理时，电存储设备中的额外电力被消耗，并且因此，例如，所需电力可能在燃料电池的后续启动时耗尽。
因此，期望对燃料电池中的液态水的量进行估计并且然后基于所估计的液态水的量来执行对于燃料电池的净化处理，因此在现有技术中还提出了一种用于对燃料电池中液态水的量进行估计的技术。例如，日本专利申请公开No.2007-35389（JP-A-2007-35389）描述了一种基于所生成的电流的累加值来对燃料电池中液态水的量进行估计的技术。
此外，例如，日本专利申请公开No.2006-338921（JP-A-2006-338921）描述了一种用于基于燃料电池中的电压差来对燃料电池中液态水的量进行估计的技术。
此外，例如，日本专利申请公开No.2006-278168（JP-A-2006-278921）描述了一种用于基于燃料电池中的湿度和压力损失来对燃料电池中液态水的量进行估计的技术、以及一种用于基于所产生水的量、燃料电池温度、外部空气温度、燃料电池负载和操作历史来对燃料电池中的液态水的量进行估计的技术。
此外，例如，日本专利申请公开No.2005-108673（JP-A-2005-108673）描述了一种用于通过对燃料电池的电压进行静态处理来估计浸水程度的技术。
此外，例如，日本专利申请公开No.7-235324（JP-A-7-235324）描述了一种用于基于燃料电池的阻抗来估计浸水程度的技术。
然而，在根据以上现有技术的方法中，燃料电池的电压、湿度、压力损失等的敏感性差，并且无法使用操作历史来对多个误差进行校正等，因此难以准确估计燃料电池中液态水的量。
发明内容
本发明提供了一种能够准确估计燃料电池中的液态水的量的燃料电池系统。
本发明的一个方面提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池，该燃料电池通过反应气体之间的反应来生成电力；电量计算单元，该电量计算单元从电压下降期间所生成的电流来计算燃料电池的电压下降期间所生成的电量；反应气体物质量计算单元，该反应气体物质量计算单元基于在电压下降期间所生成的电量来计算燃料电池中的至少一种反应气体的物质量；气体体积计算单元，该气体体积计算单元基于至少一种反应气体的物质量来计算燃料电池中的气体体积；以及液态水体积计算单元，该液态水体积计算单元从燃料电池中的液体流动通道体积减去气体体积来计算燃料电池中的液态水体积。
在以上方面中，所述气体体积计算单元可以将至少一种反应气体的物质量、饱和水蒸气的量、燃料电池的温度和燃料电池中的压力代入气体的状态方程式来计算气体体积。
在以上方面中，当液态水体积小于或等于零时，所述液态水体积计算单元可以将至少一种反应气体的物质量、燃料电池中的液体流动通道体积、燃料电池的温度以及燃料电池中的压力代入气体的状态方程式来计算燃料电池中的湿度。
在以上方面中，在电压下降期间所生成的电量可以包括在至少一种反应气体被消耗时所生成的电量以及在构成燃料电池的催化剂层的催化剂上所形成的氧化物膜还原时所生成的电量，并且所述电量计算单元可以在燃料电池中的液态水体积为零时计算至少一种反应气体被消耗时所生成的电量，并且可以从电压下降期间所生成的电量中减去所计算的至少一种反应气体被消耗时所生成的电量来计算催化剂上所形成的氧化物膜还原时所生成的电量。
根据本发明的方面，能够对燃料电池中液态水的量进行准确估计。
附图说明
以下将参考附图来对本发明的特征、优点以及技术和工业重要性进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素，并且其中：
图1是示出根据实施例的燃料电池系统的配置示例的示意图；
图2A是示出在电压下降期间的电压和所度过的时间之间的关联性的示图；
图2B是示出在电压下降期间所生成的电流和所度过的时间之间的关联性的示图；
图3是示出根据实施例的燃料电池系统的操作示例的流程图；以及
图4是示出计算催化剂上所形成的氧化物膜还原时所生成的电量的方法示例的流程图。
具体实施方式
随后，将对本发明的实施例进行描述。
图1是示出根据本实施例的燃料电池系统的配置示例的示意图。如图1所示，燃料电池系统1包括燃料电池10（堆栈），其中堆叠有多个单个电池。每个单个电池包括薄膜电极组件（MEA）和一对隔板。MEA被形成为使得由阳极电极和阴极电极夹住电解质薄膜的两个表面。该对隔板夹住所述MEA。该对隔板中的一个在面对MEA的阴极电极的表面上具有燃料气体流动通道凹槽。包含氢气气体的燃料气体流过所述燃料气体流动通道凹槽。每个单个电池的燃料气体流动通道凹槽经由歧管等与其它单个电池的燃料气体流动通道凹槽流体连通。此外，该对隔板中的另一个在面向MEA的阳极电极的表面上具有氧化剂气体流动通道凹槽。诸如空气的氧化剂气体流过氧化剂气体流动通道凹槽。每个单个电池的氧化剂气体流动通道凹槽经由歧管等与其它单个电池的氧化剂气体流动通道凹槽流体连通。
每个电解质薄膜由例如固态聚合物等制成，并且被形成为薄膜形状，该固态聚合物具有作为离子交换基的磺酸基。阳极电极和阴极电极均具有催化剂层和扩散层，它们以所述催化剂层和扩散层在侧边与电解质薄膜相邻的顺序进行排列。每个催化剂层通过将支持诸如铂或铂基合金的催化剂的碳与电解质等进行混合而形成，并且被置于扩散层或电解质薄膜上。每个扩散层例如为诸如碳纸或碳布的传导渗透材料，其经过诸如防水处理的表面处理。
如图1所示，燃料电池10的阳极入口（未示出）经由燃料气体供应通道12连接到燃料气体罐14。因此，经由燃料气体供应通道12将包含氢气的燃料气体从阳极入口提供到燃料电池10中。然后，燃料气体通过隔板的燃料气体流动通道凹槽和扩散层，并且被提供到阳极电极的催化剂层，并且然后用于燃料电池10的发电。另一方面。燃料气体排放通道16连接到燃料电池10的阳极出口（未示出）。因此，用于发电的燃料气体（阳极排放气体）通过燃料气体流动通道凹槽并且被排放到燃料气体排放通道。
此外，如图1所示，燃料电池10的阴极入口（未示出）经由氧化剂气体供应通道18连接到空气压缩机20。因此，经由氧化剂气体供应通道18将诸如空气的氧化剂气体从阴极入口提供到燃料电池10中。然后，氧化剂气体通过隔板的氧化剂气体流动通道凹槽和扩散层，并且被提供到阴极电极的催化剂层，并且然后用于燃料电池10的发电。另一方面，氧化剂气体排放通道22连接到燃料电池10的阴极出口（未示出）。因此，用于发电的氧化剂气体（阴极排放气体）通过所述氧化剂气体流动通道凹槽并且被排放到氧化剂气体排放通道22。
例如，燃料电池系统1具有将燃料气体供应通道12连接到氧化剂气体供应通道18以对燃料电池10中的液态水进行净化的连通通道24。当执行净化处理时，空气压缩机20进行操作，并且打开分别在连通通道24、燃料气体排放通道16和氧化剂气体排放通道22中提供的阀门26、28和30。这样，通过燃料气体供应通道12和氧化剂气体供应通道18将净化气体（空气）提供到燃料电池10，以使得能够对燃料电池10中的液态水进行净化。类似地，打开分别在连通通道24和燃料气体排放通道16中提供的阀门26和28，并且关闭在氧化剂气体排放通道22中提供的阀门30。这样，将净化气体仅提供到燃料电池10的阳极电极以使得能够对阳极电极中的液态水进行净化。此外，关闭在连通通道24中提供的阀门26，并且打开在氧化剂气体排放通道22中提供的阀门30。这样，将净化气体经仅提供到燃料电池10的阴极电极，以使得能够对阴极电极中的液态水进行净化。注意，这些阀门26、28和30的打开关闭由控制单元40来执行。此外，以上描述了使用连通通道24的净化方法；然而，其可以被配置为不使用连通通道24。当不使用连通通道24时，可以仅在对阴极电极进行净化时向阴极电极提供空气作为净化气体。此外，当不使用连通通道24并且仅对阳极电极进行净化时，可以对阳极电极提供氢气作为净化气体。
电压传感器32、电流传感器34、温度传感器36和内部压力传感器38被安装在燃料电池10中。电压传感器32检测燃料电池10的电压。电流传感器34检测通过燃料电池10的电流。温度传感器36检测燃料电池10的温度。内部压力传感器38检测燃料电池10中的压力（阳极电极中的压力和阴极电极中的压力中的至少一个）。此外，传感器电连接到控制单元40，并且传感器所检测到的数据被传送到控制单元40。
控制单元40对燃料电池系统1电子地进行控制，并且由中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、各种接口、电子电路等形成。
控制单元40包括电量计算单元、反应气体物质量计算单元、气体体积计算单元和液态水体积计算单元。
控制单元40从电压下降期间所生成的电流计算燃料电池10的电压下降期间所生成的电量（用作电量计算单元）。当燃料电池10的电压下降时，控制单元40可以在预定时间段中保持燃料电池10以预定电压进行发电。此后，控制单元40对连接到燃料电池10的转换器（未示出）和反向器（燃料电池10）进行控制以使得燃料电池10的电压下降。此时，在计算阴极电极中的含水量时，空气压缩机20可以停止以停止对阴极电极的氧化剂气体（空气）的提供同时保持对阳极电极的燃料气体的提供。此外，在计算阳极电极中的含水量时，可以停止对阳极电极的燃料气体的提供，同时保持对阴极电极的氧化剂气体（空气）的提供。这样，能够提高计算燃料电池中的液态水的量的准确度。
图2A是示出电压下降期间的电压和所度过的时间之间的关联性的示图。图2B是示出电压下降期间所生成的电流和所度过的时间之间的关联性的示图。控制单元40基于在电压下降期间电压传感器32和电流传感器34所传送的数据来对图2B所示的电压下降期间所生成的电流进行累加，以计算电压下降期间所生成的电量。计算燃料电池10的电压下降期间所生成电量的方法不必局限于累加电流的方法。例如，可以从图2B所示的电流的峰值来估计电压下降期间所生成的电量，或者可以从电流峰值开始的预定时间段之后的电流来估计电压下降期间所生成的电量。这样，能够计算短时间段中的电压下降期间所生成的电量。
控制单元40基于电压下降期间所生成的电量来计算燃料电池10中的至少一种反应气体的物质量（包括仅阳极电极中氢气的物质量或者仅阴极电极中氧气的物质量）（用作反应气体物质量计算单元）。如图2A和2B所示的电压下降期间生成电流的主要因素如下：
阴极电极中的氧气进行反应时（4H++O2+4e-→2H2O）和阳极电极中的氢气进行反应时所生成的电流（2H2→4H++4e-）（此后简称为（1））
在催化剂上形成的氧化物膜还原时生成的电流（例如，PtO+2H++2e-→Pt+H2O或者PtOH+H++e-→Pt+H2O）（此后简称为（2））
出现在燃料电池10中发生的电气双层电容放电时所生成的电流（此后简称为（3））
因此，电压下降期间所生成的电量主要是由于以上（1）至（3）所生成的电量之和。随后，由于（2）和（3）所生成的电量在燃料电池10没有退化时是恒定的，因此它们可以被设置为预定值。因此，通过从所计算的电压下降期间所生成的电量中减去该预定值，计算由于（1）所生成的电量并且然后基于以上反应公式而被转换为氧气的物质量和氢气的物质量。注意，对于阴极而言，当最初处于阴极电极中的氧气被消耗时，空气以该体积从外界流入阴极，并且然后空气中21%的氧气被消耗，此后这些被重复。因此，所计算的氧气的物质量是电压下降期间所消耗的氧气的物质量，所以氧气的物质量可以除以预定常数（1.27≈1+0.21+0.212+0.213+…），以被校正为在电压下降时最初处于燃料电池10中的氧的物质量。
此外，因为由于（2）和（3）所生成的电量是恒定的，所以可以预先在控制单元40中存储表示电压下降时所生成电量和由于（1）所生成的电量之间的关联性的映射，并且然后可以针对所计算的电压下降期间生成的电量来考虑该映射以计算由于（1）所生成的电量。
控制单元40基于至少一种反应气体的物质量来计算燃料电池10中的气体体积（仅包括阳极电极中的气体体积或者仅包括阴极电极中的气体体积）（用作气体体积计算单元）。具体地，使用气体的状态方程式（在计算氧气的物质量时使用以下方程式（a）或者在计算氢气的物质量时使用以下方程式（b）），计算燃料电池10中的气体体积。
PcVc=(nN2+nO2+nH2O)R×T    (a)
PaVa=(nH2+nH2O)R×T    (a)
这里，Pc是阴极电极中的压力，Pa是阳极电极中的压力，Vc是阴极电极中的气体体积，Va是阳极电极中的气体体积，n是物质量，R是气体常量，并且T是燃料电池10的温度。
控制单元40将电压下降期间从内部压力传感器38所传送的压力数据(Pc,Pa)、所计算的氧气的物质量（nO2）或所计算的氢气的物质量（nH2）、通过将氧气的物质量乘以空气中氮气的百分比（0.71）所获得的氮气的物质量（nN2）、从温度传感器36传送的温度数据（T）以及该温度的饱和水蒸气的量（nH2O）代入以上方程式，以计算燃料电池10中的气体体积（其可以仅仅是阴极电极中的气体体积或者仅仅是阳极电极中的气体体积）。使用表示在温度和饱和水蒸气的量之间的关联性的映射来计算饱和水蒸气的量（nH2O）。
在本实施例中，为了准确计算燃料电池10中的气体体积，可以使用如上所述的气体的状态方程式。此外，可以以这样一种方式来进行计算燃料电池10中的气体体积，即，表示至少一种反应气体的物质量和燃料电池10中的气体体积之间的关联性的映射，并且随后针对至少一种反应气体的所计算物质量来考虑该映射。当使用以上表示至少一种反应气体的物质量和燃料电池10中的气体体积之间的关联性的映射时，以下方法可以考虑气体体积对于燃料电池10中的温度和压力的依赖性。例如，可以准备表示至少一种反应气体的物质量和处于一些燃料电池温度下的燃料电池10中的气体体积之间的关联性的映射。替代地，可以准备表示至少一种反应气体的物质量和处于燃料电池10中的一些压力下的燃料电池10中的气体体积之间的关联性的映射。
控制单元40从燃料电池10中的液流通道体积减去燃料电池10中所计算的气体体积来计算燃料电池10中的液态水体积（包括仅阳极电极中的液态水体积或者仅阴极电极中的液态水体积）（用作液态水体积计算单元）。这里，燃料电池10中的液体流动通道体积是预先确定的值，并且是例如在燃料电池10的隔板中形成的气体流动通道的体积、在燃料电池10的扩散层的气孔的体积等。当计算阳极电极中的液态水体积时，例如，从隔板的燃料气体流动通道的体积以及阳极电极一侧的扩散层的气孔体积减去阳极电极中的气体体积。此外，当计算阴极电极中的液态水体积时，例如，从隔板的氧化剂气体流动通道的体积和阴极电极一侧的扩散层的气孔体积减去阴极电极中的气体体积。
因此，能够准确地计算燃料电池10中的液态水的量。然后，能够基于燃料电池10中液态水的量来确定净化处理的持续时间、净化处理时所提供的净化气体（空气）的流速等，或者能够基于液态水的量来计算燃料电池10中的压力损失。此外，如以上所描述的，本实施例能够在任何必要时计算燃料电池10中液态水的量。注意，当燃料电池10停止以便于提高计算液态水的量的准确度时，可以在燃料电池10上没有施加负载的状态下，诸如在燃料电池10的间歇操作期间以及车辆空闲期间，计算燃料电池10中液态水的量。
偶尔地，例如，当燃料电池10的温度或周围温度高时，燃料电池10中所产生的水可能并不作为液态水而存在（可能以气体状态存在）。那么，在本实施例中，在用于计算燃料电池10中的气体体积的气体的状态方程式中，以饱和水蒸气的量来计算nH2O。也就是说，当燃料电池10中没有液态水时，在不考虑空气中的水蒸气并不饱和的事实的情况下以饱和水蒸气的量计算nH2O，从而当通过从燃料电池10中的液体流动通道体积中减去燃料电池10中所计算的气体体积来计算燃料电池10中的液态水体积时，所得到的值可能小于或等于零。
在本实施例中，正常地，当所计算的燃料电池10中液态水的体积小于或等于零时，控制单元40确定燃料电池10中没有液态水以结束液态水的计算；然而，可以通过以下方法来计算燃料电池10中的湿度。这样，可以在不安装湿度传感器的情况下计算燃料电池10中的湿度。
当所计算的燃料电池10中的液态水体积小于或等于零时，液态水体积为零，因此燃料电池10中预先确定的液体流动通道体积可以被视作气体体积。也就是说，控制单元40将燃料电池10中预先确定的液体流动通道体积(Vc,Va)、电压下降期间从内部压力传感器38传送的压力数据（Pc,Pa）、所计算的氧气的物质量（nO2）或所计算的氢气的物质量（nH2）、通过将空气中氮气的百分比（0.71）乘以氧气的物质量所获得的氮气的物质量（nN2）以及从温度传感器36所传送的温度数据（T）代入以上方程式（a）或（b）中来计算燃料电池中水蒸气的量。然后，所计算的水蒸气的量除以处于温度传感器36所检测温度时的饱和水蒸气的量来使得能够计算燃料电池10中的湿度。
图3是示出根据本实施例的燃料电池系统的操作示例的流程图。这里，计算阴极电极中液态水的量。如图3所示，在步骤S 10，控制单元40执行控制以使得保持燃料电池10在预定时间段内以预定电压进行发电。在步骤S12，控制单元40停止空气压缩机20同时提供燃料气体由此使得燃料电池10的电压下降。在步骤S14，分别由电压传感器32、电流传感器34、温度传感器36和内部压力传感器38来检测在电压下降期间燃料电池10的电压、电流、温度和内部压力。在步骤S16，控制单元40将电压下降期间所生成的电流进行累加，以基于从电压传感器32和电流传感器34所传送的数据来计算电压下降期间所生成的电量。在步骤S18，控制单元40从电压下降期间所生成的电量减去预定值（在催化剂上形成的氧化物膜还原时所生成的电量以及电气双层电容放电时所生成的电量）来计算氧气气体被消耗时的电量。随后，氧气气体被消耗时所生成的电量被转换为氧气的物质量，并且所得到的值进一步除以预定值（1.27），以计算电压下降期间阴极电极中的氧气的物质量。在步骤S20，控制单元40将内部压力传感器38传送的压力数据（Pc）、所计算的氧气的物质量（nO2）、氮气的物质量（nN2）、从温度传感器36传送的温度数据（T）以及处于使用表示在温度和水蒸气量之间的关联性的映射所计算的温度的饱和水蒸气的量（nH2O）代入以上的方程式（a）来计算阴极电极中的气体体积。在步骤S22，控制单元40从阴极电极中的预定液体流动通道体积（隔板的液体流动通道体积以及阴极电极一侧的扩散层的气孔体积）中减去所计算的阴极电极中的气体体积来计算阴极电极中的液态水体积。
随后，当所计算的阴极电极中的液态水体积超过零时，控制单元40前进到步骤S24，并且然后确定所计算的液态水体积为在阴极电极中存在的液态水体积。注意，可应用的是，阴极电极中液态水的量和燃料电池10中液态水的量之间的关联性作为整体通过映射来预先定义，并且随后针对所计算的阴极电极中的液态水的量来考虑该映射以作为整体对燃料电池10中的液态水体积进行估计。
另一方面，当所计算的阴极电极中的液态水的量低于或等于零时，控制单元40前进到步骤S26，并且将预先确定的阴极电极中的液体流动通道体积（Vc）、从内部压力传感器38传送的压力数据（Pc）、所计算的氧气的物质量（nO2）、氮气的物质量（nN2）以及从温度传感器36传送的温度数据（T）代入以上方程式（a）来计算阴极电极中水蒸气的量，并且随后从所计算的水蒸气的量来计算阴极电极中的湿度。注意，可应用的是，在阴极电极中的湿度和燃料电池10中的湿度之间的关联性可以作为整体被预先定义为映射，并且随后针对阴极电极中所计算的湿度考虑该映射来作为整体估计燃料电池中的湿度。
此外，当计算阳极电极中的液态水的量时，控制单元40执行控制以保持燃料电池10在预定时间段中以预定电压进行发电，并且随后停止从燃料气体罐14供应燃料电池同时支持由空气压缩机20提供氧气气体，以由此使得燃料电池10的电压下降。随后，燃料电池系统1如以上情形进行操作，以使得能够计算阳极电极中的液态水体积或湿度。此外，如以上的情形，能够作为整体从阳极电极中的液态水的量或湿度估计燃料电池10中的液态水的量或湿度。
在本实施例中，当计算阴极电极中氧气的物质量时，当在催化剂上形成的氧化物膜还原时所生成的电量被设置为预定值；然而，当使用燃料电池10达长时间段时，催化剂退化并且因此，在催化剂上形成的氧化物膜还原时所生成的电量发生变化，因此可以对该预定值进行校正。
电压下降期间所生成的电量为（1）阴极电极中的氧气反应时所生成的电量，（2）在催化剂上形成的氧化物膜还原时所生成的电量，和（3）电气双层电容放电时所生成的电量。那么，当（3）的电量被设置为预定值，并且此外计算（1）的电量时，从电压下降期间所生成的电量中减去（1）和（3）的电量以使得能够计算（2）的电量。
因此，为了计算（1）的电量，有必要将阴极电极中的液态水设置为零。当阴极电极中的液态水为零时，阴极电极中的气体体积可以用阴极电极中的液体流动通道体积来替代，因此控制单元40能够如下计算（1）的电量。控制单元40将阴极电极中的预定液体流动通道体积（Vc）、从内部压力传感器38传送的压力数据（Pc）、从温度传感器36传送的温度数据（T）以及使用表示温度和水蒸气量之间的映射所计算的饱和水蒸气的量（nH2O）代入以上方程式（a）来计算阴极电极中氧的物质量。这里，在阴极电极中，当阴极电极中最初的氧气被消耗时，空气以该体积从外部流入，并且空气的21%的氧气被消耗，此后这些被重复，因此所计算的氧气的物质量乘以预定常数（1.27≈1+0.21+2.212+0.213+…）来计算阴极电极中所消耗氧的物质量。随后，基于阴极电极中氧的反应公式（4H++O2+4e-→2H2O），所计算的消耗的氧气的物质量被转换为氧气气体被消耗时所生成的电量（（1）的电量）。然后，控制单元40从电压下降期间所生成的电量中减去（1）和（3）的电量来计算（2）的电量。这样，可以对（2）的预定电量进行校正。注意，这也可以对阳极电极一侧类似地进行计算。此外，在本实施例中，（3）的电量被设置为预定值；然而，电气双层电容在结束时进行放电，因此在表示在电压下降期间所生成的电流与所度过的时间的关联性的图2B的图形中，例如，可以计算电流已经减小之后的平缓区域（11秒至12秒）中的累加电流值作为（3）的电量。
图4是示出计算在催化剂上形成的氧化物膜还原时所生成的电量的方法示例的流程图。如图4所示，在步骤S30中，控制单元40使用温度传感器36来检测燃料电池10的温度，并且还使用电压传感器32和电流传感器34来检测燃料电池10的电压和电流，并且然后基于该电压和电流来估计内部电阻。注意，估计或检测内部电阻的方法并不是具体限定的；可以采用根据现有技术的估计或检测内部电阻的方法或者估计或检测内部电阻的一般方法。当所检测的温度低于或等于预定值并且内部电阻低于或等于预定值时，控制单元40前进到步骤S32；而当不满足以上条件时，控制单元40取消后续操作。当燃料电池10的温度高或者内部电阻高时，阴极电极中的水蒸气无法被视为饱和水蒸气，并且存在计算电量的准确性变差的问题，因此可以设置以上的温度条件和内部电阻条件。
在步骤S32，控制单元40在预定时间段中以预定流速对空气压缩机20进行操作以排出阴极电极中的所有液态水。在步骤S34，控制单元40执行控制以保持燃料电池10在预定时间段内以预定电压进行发电。在步骤S36，控制单元40停止空气压缩机20，同时提供燃料气体以由此使得燃料电池10的电压下降。在步骤S38，分别由电压传感器32、电流传感器34、温度传感器36和内部压力传感器38检测电压下降期间燃料电池10的电压、电流、温度和内部压力。在步骤S40中，控制单元40对电压下降期间所生成的电流进行累加，以基于从电压传感器32和电流传感器34传送的数据来计算电压下降期间所生成的电量。在步骤S42，控制单元40将阴极电极中预定的液体流动通道体积（Vc）、从内部压力传感器38所传送的压力数据（Pc）、从温度传感器36所传送的温度数据（T）以及使用表示温度和水蒸气量之间的映射所计算的饱和水蒸气的量（nH2O）代入以上方程式（a）来计算阴极电极中氧气的物质量。随后，所计算的氧气的物质量乘以预定值（1.27）来计算阴极电极中所消耗氧气的物质量，并且基于阴极电极中氧气的反应公式（4H++O2+4e-→2H2O），所计算的所消耗氧气的物质量被转换为消耗氧气时所生成的电量。在步骤S44，控制单元从电压下降期间所生成的电量中减去氧气消耗时所生成的电量和预定值（电气双层电容进行放电时所生成的电量）来计算在催化剂上形成的氧化物膜还原时所生成的电量。以上计算方法并不局限于阴极电极一侧；并且可以类似地应用于阳极电极一侧。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，所述燃料电池通过在反应气体之间的反应来生成电力；
电量计算单元，所述电量计算单元从在电压下降期间所生成的电流来计算在所述燃料电池的所述电压下降期间所生成的电量；
反应气体物质量计算单元，所述反应气体物质量计算单元基于在所述电压下降期间所生成的电量，来计算所述燃料电池中的至少任何一种所述反应气体的物质量；
气体体积计算单元，所述气体体积计算单元基于至少任何一种所述反应气体的物质量，来计算所述燃料电池中的气体体积；以及
液态水体积计算单元，所述液态水体积计算单元从所述燃料电池中的液体流动通道体积中减去所述气体体积，来计算所述燃料电池中的液态水体积。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述气体体积计算单元基于至少任何一种所述反应气体的物质量、饱和水蒸气量、燃料电池的温度和燃料电池中的压力，来计算所述气体体积。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述气体体积计算单元将至少一种所述反应气体的物质量、饱和水蒸气量、所述燃料电池的温度和所述燃料电池中的压力代入气体的状态方程式，来计算所述气体体积。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，
当所述液态水体积小于或等于零时，所述液态水体积计算单元基于至少一种所述反应气体的物质量、所述燃料电池中的所述液体流动通道体积、所述燃料电池的温度以及所述燃料电池中的压力，来计算所述燃料电池中的湿度。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，
当所述液态水体积小于或等于零时，所述液态水体积计算单元将至少一种所述反应气体的物质量、所述燃料电池中的液体流动通道体积、所述燃料电池的温度以及所述燃料电池中的压力代入气体的状态方程式，来计算所述燃料电池中的湿度。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述电压下降期间所生成的电量包括：消耗至少一种所述反应气体所生成的电量，以及当在构成所述燃料电池的催化剂层的催化剂上所形成的氧化膜被还原时所生成的电量，并且
所述电量计算单元对于在所述燃料电池中的所述液态水体积为零时的消耗至少一种所述反应气体所生成的电量进行计算，并且从在所述电压下降期间所生成的电量中减去所计算的消耗至少一种所述反应气体所生成的电量，来计算当在所述催化剂上所形成的所述氧化膜被还原时所生成的电量。
7.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具有通过在反应气体之间的反应来生成电力的燃料电池，所述控制方法包括：
从在电压下降期间所生成的电流来计算在所述燃料电池的所述电压下降期间所生成的电量；
基于所计算的电量，来计算在所述燃料电池中的至少一种所述反应气体的物质量；
基于至少一种所述反应气体的物质量，来计算所述燃料电池中的气体体积；以及
通过从所述燃料电池中的液体流动通道体积中减去所述气体体积，来计算所述燃料电池中的液态水体积。
8.根据权利要求7所述的控制方法，进一步包括：
当所计算的所述燃料电池中的液态水体积小于或等于零时，通过使所计算的液态水体积除以饱和水蒸气量来得出所述燃料电池中的湿度。
9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其中，
当计算在所述电压下降期间所生成的电量时，停止至少一种所述反应气体的供应。
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