CN102986070A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供可将燃料电池内的含水状态管理为可达到高输出并避免枯竭的发生的最佳状态的燃料电池系统。第一、第二燃料电池系统在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应至少包含燃料成分的燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应至少包含氧化剂成分的氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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，第一燃料电池系统的特征包括水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量，所述水蒸气量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述水蒸气量之间的关系而预先设定的，第二燃料电池系统的特征在于包括平均流量控制单元，该平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量，所述平均流量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述平均流量之间的关系而预先设定的。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具备固态高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统，尤其涉及使燃料电池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来可稳定地进行发电。
背景技术
燃料电池通过向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换成电能。不同于火力发电，燃料电池不受卡诺循环的限制，因此显示出高的能量转换效率。燃料电池通常通过堆叠多个单电池(cell)来构成，单电池以使用一对电极夹持电解质膜而成的膜-电极接合体作为基本构造。其中，将固态高分子电解质膜用作电解质膜的固态高分子电解质型燃料电池具有容易小型化、在低温度下工作等优点，因此尤其作为便携用、移动体用电源而备受关注。
固态高分子电解质型燃料电池中，当将氢座燃料时，在阳极电极(燃料极)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电路在外部负荷中做功之后，到达阴极电极(氧化剂极)。并且，在所述式(A)中产生的质子以水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，在阴极电极中进行式(B)的反应。
2H++(1/2)O2+2e-→H2O  …    (B)
在阴极电极中产生的水经由气体流路等向外部排出。如此，燃料电池没有水以外的排出物，是清洁的发电装置。
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剩，则在燃料电池内部中冷凝的水堵塞电极内的空隙甚至气体流路，从而阻碍反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的供应，用于发电的反应气体无法充分遍及整个电极，因此存在浓度过电压增大、燃料电池的输出和发电效率下降的问题。另一方面，如果燃料电池内的水分不足，电解质膜和电极干燥，电解质膜和电极内的质子(H+)的传导性就会下降，其结果产生电阻过电压增大、燃料电池的输出以及发电效率下降的问题。
此外，在固态高分子电解质型燃料电池中，在电解质膜的平面方向(即，电极的平面方向)上会产生水的不均匀分布，即水在电解质膜的平面方向上不均匀地分布。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，进一步导致水的不均匀、进而导致燃料电池的输出以及发电效率下降。
如上所述，在固态高分子电解质型燃料电池中，为了实现高输出以及高发电效率，合适的水分管理是非常重要的。为了避免水分不足、特别是为了避免所谓的枯竭，还提出了供应经加湿的反应气体的方案，但在此情况下，更容易产生由水分过剩引起的如上所述的问题。并且，搭载加湿器，会导致燃料电池的规模变大，系统变得复杂等。
因此，进行了在不对反应气体进行加湿的无加湿条件下恰当的管理燃料电池的含水状态并获得稳定的发电性能的尝试。
例如，专利文献1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、或氧化剂气体的压力损失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，由此防止产生燃料电池的面内水分量分布。
此外，作为对燃料电池内的含水状态进行管理的技术，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，该电流传感器测定燃料电池的输出电流值；电压传感器，该电压传感器测定燃料电池的输出电压值；以及存储部，该存储部存储作为燃料电池的运行状态为最佳运行状态时的基准的所述输出电压值与所述输出电流值的关系，其中，从所述存储部中读出与所述电流传感器所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所述电压传感器所测定的测定电压值之差大于预先确定的阈值时，判定为燃料电池的水分状态为干燥状态。
此外，专利文献3公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括在燃料电池的多个测量位置进行电压测量的测量单元，并且基于所述多个测量位置间的含水量之差来估计燃料电池的水分的不均匀状况，所述多个测量位置间的含水量之差是基于所测电压中的在不同的测量位置测得的电压之差估计的。
此外，专利文献4公开了一种燃料电池系统，其从燃料电池的电压的时间序列变迁并具有与过渡时期的负荷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，并在判定为具备该执行条件时，基于所述电压的下降幅度和电阻的时间序列变迁来判定燃料电池的含水状态。
现有技术文献
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
然而，在现有的燃料电池的水分管理技术中，无法充分避免燃料电池内的干燥状态的发生。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时容易发生的氧化剂气体流路的入口附近的枯竭，但由于是基于测出的燃料电池的电压、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会暂时变为干燥状态。电解质膜或电极一旦变成干燥状态(枯竭)，就会存在以下问题：到变成最佳的含水状态需要时间，即发电性能的恢复需要时间，并且一经处于干燥状态的电解质膜和电极的材料被加速劣化。从而，即使是暂时的，也应避免燃料电池内部发生枯竭。而且，燃料电池的电阻与电压并非一定对应的。即，并不是在电阻值最低时可得到峰值电压。从而，即使如专利文献1所述那样基于燃料电池的电阻值来控制燃料气体的流量或压力，也充分有可能得不到峰值电压。
而且，在专利文献1等中，用于测定电压和电阻的电池监控仪是必不可少的，会导致燃料电池系统的高成本、复杂。
本发明就是鉴于上述事实而作出的，本发明的目的在于提供可将燃料电池内的含水状态管理为可达到高输出并避免枯竭的发生的最佳状态的燃料电池系统。
用于解决问题的手段
本发明的第一燃料电池系统的特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；
燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应至少包含燃料成分的燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及
氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应至少包含氧化剂成分的氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，
其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量，所述水蒸气量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述水蒸气量之间的关系而预先设定的。
根据第一燃料电池系统，可恰当地控制燃料电池的电解质膜的平面方向上的水分量，使得在该面方向上进行均匀的发电，而且，由于是基于所述水蒸气量的目标值来控制所述水蒸气量的前馈控制，因此能够事前防止燃料电池内部产生干燥状态。
在第一燃料电池系统中，所述水蒸气量控制单元例如能够基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者。
在第一燃料电池系统中，所述水蒸气量控制单元例如能够基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量和/或所述燃料气体的压力。
在第一燃料电池系统中，所述水蒸气量控制单元例如能够基于映射图来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者，所述映射图是基于所述水蒸气量的目标值与所述燃料电池中的、所述温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者之间的相关关系而获取的。
当如此基于映射图来控制所述水蒸气量时，不需要用于水蒸气控制的测定单元等附加单元，因此可简化系统，减少成本。
或者，在第一燃料电池系统包括测定所述水蒸气量的水蒸气量测定单元的情况下，所述水蒸气量控制单元能够控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者，以使所述水蒸气量测定单元所测定的所述水蒸气量接近所述水蒸气量的目标值。
在第一燃料电池系统包括：
燃料气体供应路径，该燃料气体供应路径从燃料供应单元向所述燃料气体流路供应所述燃料成分气体；
燃料气体循环路径，该燃料气体循环路径将来自所述燃料电池的排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径；以及
再循环泵，该再循环泵被配置在所述燃料气体循环路径中，将所述排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径的情况下，
所述水蒸气量控制单元能够通过所述再循环泵被再循环的所述排出燃料气体的流量，由此控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量。
在第一燃料电池系统中，所述水蒸气量控制单元例如能够基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力和/或所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
本发明的第二燃料电池系统的特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；
燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及
氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，
其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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平均流量控制单元，该平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量，所述平均流量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述平均流量之间的关系而预先设定的。
本申请的发明人发现了所述平均流量与所述水蒸气量具有相关关系，并且通过控制所述平均流量能够与控制所述水蒸气量的场合同样地恰当地控制燃料电池内的水分量。即，根据第二燃料电池系统，可恰当地控制燃料电池的电解质膜的平面方向上的水分量，使得在该面方向上进行均匀的发电，而且，由于是基于所述水蒸气量的目标值来控制所述水蒸气量的前馈控制，因此能够事前防止燃料电池内部产生干燥状态。
在第二燃料电池系统中，所述平均流量控制单元能够基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者。
在第二燃料电池系统中，所述平均流量控制单元例如能够基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量和/或所述燃料气体的压力。
在第二燃料电池系统中，所述平均流量控制单元能够基于映射图来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者，所述映射图是基于所述平均流量的目标值与所述燃料电池中的、所述温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者之间的相关关系而获取的。
在第二燃料电池系统包括：
燃料气体供应路径，该燃料气体供应路径从燃料供应单元向所述燃料气体流路供应所述燃料成分气体；
燃料气体循环路径，该燃料气体循环路径将来自所述燃料电池的排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径；以及
再循环泵，该再循环泵被配置在所述燃料气体循环路径中，将所述排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径的情况下，
所述平均流量控制单元能够通过所述再循环泵被再循环的所述排出燃料气体的流量，由此控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量。
此时，所述平均流量例如能够通过下述式(1)计算：
Qave＝Qa+Qb/2  …    式(1)
Qave：所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量；
Qa：通过所述再循环泵被再循环的所述排出燃料气体的流量；
Qb：从所述燃料供应单元供应的所述燃料成分气体的流量。
或者，在第二燃料电池系统中，所述平均流量例如能够通过下述式(2)计算：
Qave＝nRT/P  …    (2)
Qave：所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量；
n：所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的摩尔数；
R：气体常数；
T：燃料电池温度；
P：所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的压力。
此时，在所述式(2)中，
所述n也能够通过假定消耗了向所述燃料气体流路供应的所述燃料气体中包含的燃料成分中的针对所述燃料电池的发电量所需的最低限度的燃料成分量的1/2来计算，
所述P也能够通过下述式(3)计算：
P＝(Pin+Pout)/2  …    (3)
Pin：所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力；
Pout：所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
或者，在第二燃料电池系统包括：
燃料气体供应路径，该燃料气体供应路径从燃料供应单元向所述燃料气体流路供应所述燃料成分气体；
燃料气体循环路径，该燃料气体循环路径将来自所述燃料电池的排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径；以及
再循环泵，该再循环泵被配置在所述燃料气体循环路径中，将所述排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径的情况下，
所述平均流量也能够通过下述式(4)计算：
Qave＝n’RT/P…(4)
Qave：所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量；
n’：所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的摩尔数，该摩尔数是通过假定消耗了供应给所述燃料气体流路的所述燃料气体中的从所述燃料供应单元向所述燃料气体流路供应的所述燃料成分的1/2而算出的；
R：气体常数；
T：燃料电池温度；
P：通过下述式(3)算出的所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的压力；
P＝(Pin+Pout)/2  …    (3)
Pin：所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力；
Pout：所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
在第二燃料电池系统中，所述平均流量控制单元能够基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力和/或所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
在本发明的第一以及第二燃料电池系统中，即使所述燃料电池的温度为80℃以上，也能够防止发生干燥状态，提供稳定发电量。
根据本发明提供的燃料电池系统在实现高电压的同时，事前防止枯竭的发生，从而即使在高温条件下的运行中也显示出稳定的发电性能。此外，本发明也可以采用不需要用于测定电压和电阻的电池监控仪的系统结构，可简化燃料电池系统，降低成本。
附图说明
图1是示出燃料电池的温度与可得到峰值电压的燃料气体出口水蒸气量之间的关系的曲线图；
图2是示出燃料气体平均流量与燃料电池电压以及燃料电池电阻之间的关系的曲线图；
图3是示出燃料气体出口水蒸气量与燃料气体平均流量之间的关系的曲线图；
图4是示出第一燃料电池系统的实施方式例100的图；
图5是示出第一燃料电池系统中的单电池的构造例的截面图；
图6是示出第一燃料电池系统的实施方式例101的图；
图7是示出第二燃料电池系统的实施方式例200的图；
图8是示出第二燃料电池系统中使用的映射图的例的效果图。
具体实施方式
本发明的第一燃料电池系统的特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；
燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应至少包含燃料成分的燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及
氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应至少包含氧化剂成分的氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，
其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量，所述水蒸气量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述水蒸气量之间的关系而预先设定的。
此外，本发明的第二燃料电池系统的特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；
燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及
氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，
其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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平均流量控制单元，该平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量，所述平均流量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述平均流量之间的关系而预先设定的。
本申请的发明人经过潜心研究，获得了如下知识：在燃料气体流路中的燃料气体的流动方向与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(counter-flow)式的燃料电池中，在无加湿条件运行时，能够根据估计燃料气体流路出口处的水蒸气量(燃料气体出口水蒸气量)来估计燃料电池内的含水状态，通过掌握示出峰值电压时的燃料气体出口水蒸气量可实现燃料电池内的恰当的水分管理，可获得高电压。
此外，当研究了示出峰值电压时的燃料气体水蒸气量与燃料电池的温度之间的关系时，发现了在燃料气体水蒸气量为如图1所示的少许量时可得到峰值电压。由图1可知，在燃料电池温度为70℃以上、尤其80℃以上的条件下，当从燃料气体出口排出的水蒸气量为约0.02～约0.067摩尔/min(分钟)的少许量时，可得到峰值电压。
而且，在对如图2所示那样改变燃料气体平均流量时的燃料电池的电压与电阻值进行测定的同时，测定了燃料气体出口水蒸气量，结果，在图2的状态1～3下，观察到如下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(以下，有时称为燃料气体出口水蒸气量)非常少时，燃料电池的电压降低(状态1)。
如此称为燃料气体出口水蒸气量非常少的状态的是：在燃料电池的电解质膜的平面方向(即，是指电极的平面方向，并且是相对于电解质膜与电极的堆叠方向垂直的方向)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)干燥的状态，在该区域不进行发电，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)集中进行发电。此时，阳极电极侧的水蒸气为了补救阴极电极侧的干燥，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量变少。此外，在氧化剂气体流路入口附近的区域，由于干燥，电阻过电压变大，另一方面，在氧化剂气体流路出口附近的区域，由于氧化剂成分的浓度下降，浓度过电压变大，因此燃料电池的电压下降。
另一方面，当从燃料气体流路出口排出少量水蒸气时，燃料电池的电压变高(状态2)。
如此称为少量水蒸气被排出的状态的是：在燃料电池的上述面方向上，含水状态均匀且良好的状态，由于在面内进行均匀的发电，因此浓度过电压降低，进而氧化剂气体流路出口附近的区域的电阻过电压也降低，因此可得到高的电压。
此外，当从燃料气体流路出口排出的水蒸气量多时，燃料电池的电压降低(状态3)。
在如此燃料气体出口水蒸气量多的状态下，燃料电池的上述平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被带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。
此外，在燃料电池的平面方向上，浓度过电压的增减与电阻过电压的增减并不一一对应，因此如图2所示，显示出电阻的底部值的运行条件与显示出峰值电压的运行条件不一致。即，即使通过检测电阻的底部值来控制燃料电池的运行条件，也并非一定达到可得到峰值电压的运行条件，因此发电效率有可能降低。此外，在基于检测到的电压和电阻来控制燃料电池的运行条件的情况下，由于控制的延迟，充分有可能在燃料电池内部内出现暂时变为枯竭状态的区域。暂时变为枯竭状态的区域，其发电性能需要时间才能恢复，或者也存在发电性能无法恢复的情况。
本申请的发明人基于上述知识发现了：通过从燃料电池的电压与燃料气体出口水蒸气量的关系，预先获取可得到高电压的燃料气体出口水蒸气量，并将该水蒸气量作为目标值来控制燃料气体流路的出口处的水蒸气量，能够恰当地控制燃料电池的电解质膜的平面方向上的水分量，使得在该平面方向上进行均匀的发电。而且，本申请的发明人还发现了：通过如此适当地管理水分量的结果，可得到稳定且高的输出，并且可事前防止枯竭的发生，进而能够抑制发电效率的下降，由此完成了本发明的第一燃料电池系统。
此外，本申请的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)之间存在高的相关关系。即，如图2所示，得到了如下知识：当燃料气体流路中的燃料气体的平均流量低时，变成燃料气体出口水蒸气量少、燃料电池的电压低的状态(上述状态1)，当燃料气体平均流量比该状态1提高时，变为燃料气体出口水蒸气量为少许量、可得到高的燃料电池的电压的状态(上述状态2)，当燃料气体平均流量比该状态2进一步提高时，变为燃料气体出口水蒸气量多、燃料电池的电压低的状态(上述状态3)。
而且，本申请的发明人发现了：如图3所示，燃料气体出口水蒸气量与燃料气体平均流量和燃料气体流路中的燃料气体的压力无关地显示出固定的相关关系，因此通过控制燃料气体平均流量，能够间接控制燃料气体出口水蒸气量。
基于上述知识，本申请的发明人发现了：通过从燃料电池的电压与燃料气体平均流量的关系，预先获得可得到高电压的燃料气体平均流量，并将该平均流量作为目标值来控制燃料气体流路中的燃料气体平均流量，能够恰当地控制燃料电池的电解质膜的平面方向的水分量，使得在该平面方向上进行均匀的发电，从而可得到稳定且高的输出，并且可事前防止枯竭的发生，进而能够抑制发电效率的下降，由此完成了本发明的第二燃料电池系统。
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电力供应源，此外还可用作其他各种装置的电力供应源。
此外，在本发明中，燃料气体是含有燃料成分的气体，是指在燃料电池内的燃料气体流路内流动的气体，还可以含有燃料成分以外的成分(例如，水蒸气、氮气等)。此外，氧化剂气体是含有氧化剂成分的气体，是指在燃料电池内的氧化剂气体流路内流动的气体，还可以含有氧化剂成分以外的成分(例如，水蒸气、氮气等)。有时将燃料气体和氧化剂气体合称为反应气体。
图4示出了燃料电池系统100，该燃料电池系统100是本发明的第一燃料电池系统的实施方式例。
燃料电池系统100至少包括：接受反应气体的供应而发电的燃料电池1、燃料气体配管系统2、氧化剂气体配管系统(没有图示)、以及对系统进行综合控制的控制部3。本发明的燃料电池系统具有向燃料电池供应氧化剂气体并从燃料电池排出含有未反应的氧化剂成分、水蒸气等的气体(排出氧化剂气体)的氧化剂气体配管系统，但在本发明中，氧化剂气体的供应、排出的具体方式不特别限定，只要是在燃料气体流路内流动的燃料气体的方向与在氧化剂气体流路内流动感的氧化剂气体的方向彼此相对的所谓逆流式即可，因此对于氧化剂气体配管系统，在图中省略说明。
燃料电池1由固态高分子电解质型燃料电池构成，通常具有堆叠了许多单电池的堆叠构造，并接受氧化剂气体和燃料气体的供应而产生电能。向燃料电池1的氧化剂气体和燃料气体的供应以及从燃料电池1的氧化剂气体和燃料气体的排出分别由氧化剂气体配管系统以及燃料气体配管系统2进行。以下，将含氧的空气为作为氧化剂气体的例子，并且将氢气的气体作为燃料气体的例子进行说明。
图5是构成燃料电池1的单电池12的概要截面图。
各单电池12以使用阴极电极(空气极)14和阳极电极(燃料极)15加持固态高分子电解质膜13而成的膜-电极接合体16作为基本构造。阴极电极14具有从电解质膜13侧起依次层叠了阴极催化剂层21和气体扩散层22的构造，阳极电极15具有从电解质膜13侧起依次层叠了阳极催化剂层23和气体扩散层24构造。
膜-电极接合体16通过一对隔膜17、18从两侧夹入阴极电极14以及阳极电极15。阴极侧的隔膜17设置有形成用于向阴极电极14供应氧化剂的气体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。阳极侧的隔膜18设置有形成用于向阳极电极15供应燃料气体的燃料气体流路的沟槽，由该槽和阳极电极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，使得在氧化剂气体流路19内流动的氧化剂气体的流动方向与在燃料气体流路20内流动的燃料气体的流动方向彼此相对(所谓逆流构造)。在图5中，氧化剂气体流路19以及燃料气体流路20中的“圈加点”的记号表示气体的流动方向为从纸面的另一侧向这一侧的方向，“圈加叉号”的记号表示气体的流动方向为从纸面的这一侧向另一侧的方向。而且，附图中虽没有具体示出，但氧化剂气体流路19的入口附近区域与燃料气体流路20的出口附近区域隔着电解质膜1而配置，并且氧化剂气体流路19的出口附近区域与燃料气体流路20的入口附近区域隔着电解质膜1而配置。在图5中，气体流路被绘成蜿蜒(serpentine)型流路，但气体流路的方式不特别限定，只要具有逆流构造，就可以是任意的方式。
构成燃料电池的各部件不特别限定，也可以具有用一般材料形成的一般构造。
燃料电池1设置有测量燃料电池1的温度T的温度传感器(温度测定单元)9。温度传感器9既可以是直接测定燃料电池内的温度的传感器，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配置有测量在燃料气体流路内流动的燃料气体的压力的压力传感器10。压力传感器的具体的设置位置没有限定，只要能够掌握期望位置处的燃料气体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以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以测定该出口处的燃料气体的压力的出口压力传感器，并将这些压力传感器所测得的燃料气体入口压力Pin和燃料气体出口压力Pout的平均值作为燃料气体压力进行检测、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具有压力传感器，对各个位置处的燃料气体的压力进行检测、控制，并计算平均值，控制平均值。此外，燃料电池内的压力传感器也可以为一个。而且，也可以通过设置在燃料气体流路外的压力传感器估计燃料气体的压力。
此外，燃料电池1设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(水蒸气量测定单元)25。露点计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。
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是储存有高压氢气(燃料成分)的氢气供应源，是燃料供应单元。作为燃料供应单元，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单元的氢罐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中也可以设置作为氢罐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。通过燃料电池的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侧透过、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)等，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按照存储在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。
本发明的燃料电池系统100具有以下主要特点：控制部3包括水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于燃料气体出口水蒸气量的目标值来控制燃料气体出口水蒸气量，该目标值是从燃料电池1的电压与燃料气体出口水蒸气量的关系而预先设定的。
在本发明中，燃料气体流路的出口处的水蒸气量(燃料气体出口水蒸气量)是流经燃料气体流路的出口的燃料气体中所含的水蒸气量。
具体来说，当燃料电池1工作时，控制部3的水蒸气量控制单元通过温度传感器9检测燃料电池1的温度T。
此外，控制部3通过压力传感器10检测燃料气体流路中的燃料气体的压力P。
此外，控制部3通过露点计11检测燃料气体流路出口处的燃料气体的水蒸气量S。
然后，控制部3基于测得的温度T和压力P来控制燃料气体的流量Q，以使测得的燃料气体出口水蒸气量S接近目标值St。目标值St是基于燃料气体出口水蒸气量S与燃料电池的电压之间的相关关系而预先获取的。燃料气体的流量Q是在燃料气体流路内流动的燃料气体的流量。
具体来说，燃料电池中的燃料气体流量Q例如能够通过控制利用再循环泵8被再循环的燃料排出气体的流量Qa来控制。在如燃料电池系统100那样使得燃料排出气体循环的循环系统的情况下，从作为燃料供应源的氢泵4供应的燃料成分气体的流量Qb不是利用水蒸气量控制单元进行控制，而是通过对利用再循环泵8被再循环的燃料排出气体的流量Qa进行控制，能够在充分保证要求输出的前提下提高作为燃料成分的氢的利用效率，从而能够有效地控制燃料电池的水分布。
由水蒸气量控制单元进行的燃料气体流量Q的控制不限定于基于上述Qa的控制，只要能够保证对燃料电池要求的输出则不特别限定，例如也可以在保证要求输出的前提下进行仅基于Qb的控制，或者进行基于Qa和Qb二者的控制。而且，也可以使用控制燃料气体流量的其他手段。
在本实施方式中，能够基于预先获取的燃料气体出口水蒸气量与燃料电池的电压之间的关系来计算该燃料气体水蒸气量的目标值，并控制燃料气体的流量、压力、或燃料电池温度，以实现该水蒸气量。即，能够对燃料电池内的含水状态、进而燃料电池的电压进行前馈控制。与实际检测燃料电池的电压来判定燃料电池内的含水状态并进行反馈控制的场合相比，通过进行如上的前馈控制，能够实现事前防止枯竭的产生并实现高电压的燃料电池运行控制。而且，在本发明中，也能够省略电压传感器、电阻传感器，因此可进一步简化燃料电池系统中的控制，并且还可减少燃料电池的费用。
由水蒸气量控制单元执行的水蒸气量控制处理在燃料电池运行当中，既可以定期执行，也可以仅在燃料电池温度为预定温度以上的条件下执行。例如，也可以仅在特别容易发生枯竭的高温条件下，例如在80℃以上的温度条件下，执行由水蒸气控制单元执行的水蒸气控制处理。因为特别容易发生枯竭，因此优选至少在70℃以上、进而在80℃以上的温度条件下，执行水蒸气控制处理。
此外，预先获取的燃料气体水蒸气量的目标值既可以通过可得到电压峰值的水蒸气量的1点规定，也可以通过包含可得到电压峰值的水蒸气量并具有预定宽度的水蒸气量的范围来规定。
在燃料电池系统100的具体的水蒸气量控制处理中，通过控制燃料气体的流量Q(具体为排出燃料气体流量Qa)来控制了燃料气体出口水蒸气量，但用于使燃料气体出口水蒸气量S接近水蒸气量的目标值St的控制参数不限于燃料气体的流量Q。例如能够选择燃料气体的流量、燃料气体的压力、以及燃料电池温度中的至少一者。在这些燃料气体流量、燃料气体压力以及燃料电池温度中，从控制容易、并且水蒸气量和平均流量的控制响应快的角度来说，特别优选控制燃料气体流量以及燃料气体压力中的至少一者。具体来说，能够仅控制燃料气体的流量Q，仅控制燃料气体的压力P，或者控制燃料气体的流量Q和燃料气体的压力P二者。随着燃料气体流量的控制，燃料气体的压力也发生变动，因此通过控制这些燃料气体的流量以及压力二者，可期待更高效地接近水蒸气量的目标值。
例如，燃料气体压力的控制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。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。
接下来，使用图6来说明燃料电池系统101，该燃料电池系统101是本发明的第一燃料电池系统的实施方式例。
图6所示的燃料电池系统101不具备露点计11，并且，除由控制部3的水蒸气量控制单元执行的具体的水蒸气量控制处理不同之外，与上述燃料电池系统100具有相同的结构。
以下，对燃料电池系统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，水蒸气量控制单元基于映射图来控制燃料电池中的燃料气体的流量、燃料气体的压力、以及燃料电池的温度中的至少一者，该映射图是基于燃料气体出口水蒸气量的目标值与燃料电池1中的燃料气体的流量、燃料气体的压力以及温度中的至少一者之间的相关关系而获取的，该目标值是从燃料电池1的电压与燃料气体流路的出口处的水蒸气量之间的关系而预先设定的。
上面说明的燃料电池系统100用露点计实际检测燃料气体出口水蒸气量，并基于测得的燃料气体出口水蒸气量来控制燃料气体的流量等，相对于此，燃料电池系统101还获取用于实现预先获取的燃料气体出口水蒸气量的目标值的、燃料气体的流量、燃料气体压力以及燃料电池温度中的至少一者。然后，基于这些获取的燃料气体流量、压力以及燃料电池温度来控制燃料气体的流量、温度以及燃料电池温度中的至少一者，由此控制燃料出口水蒸气量使其达到所设定的目标值。即，燃料电池系统101与燃料电池系统100相比，由于不具有露点计这样的燃料气体出口水蒸气量测定单元，因而可简化系统。
具体来说，当燃料电池1工作时，控制部3的水蒸气量控制单元通过温度传感器9检测燃料电池1的温度T。
此外，控制部3通过压力传感器10检测燃料气体流路中的燃料气体的压力P。
然后，控制部3基于检测到的温度T和压力P来控制燃料气体的流量Q，以使燃料气体出口水蒸气量S接近预先获取的目标值St。目标值St是基于燃料气体出口水蒸气量S与燃料电池的电压的相关关系而预先获取的。此外，关于燃料气体的流量Q，使用映射图计算目标值Qt，并与该目标值相对应地控制该流量Q，该映射图是基于燃料气体出口水蒸气量的目标值St与温度T、燃料气体压力P、以及燃料气体流量Q之间的相关关系而获取的。
具体来说，燃料电池中的燃料气体流量Q与上述燃料电池系统100同样地，能够通过控制利用再循环泵8被再循环的燃料排出气体的流量Qa来控制。如此，从作为燃料供应源的氢泵4供应的燃料成分气体的流量Qb不是利用水蒸气量控制单元进行控制，而是通过对利用再循环泵8被再循环的燃料排出气体的流量Qa进行控制，来在充分保证要求输出的前提下提高作为燃料成分的氢的利用效率，从而能够有效地控制燃料电池的水分布。此外，由水蒸气量控制单元进行的燃料气体流量Q的控制不限定于基于上述Qa的控制，只要能够保证对燃料电池要求的输出则不特别限定，例如也可以在保证要求输出的前提下进行仅基于Qb的控制，或者进行基于Qa和Qb二者的控制。而且，也可以使用控制燃料气体流量的其他手段。
为了以更高精度控制水蒸气量，上述映射图优选基于燃料气体出口水蒸气量的目标值与燃料电池中的燃料气体的流量、燃料气体的压力以及温度中的至少二者之间的相关关系来获取，特别优选基于燃料气体出口水蒸气量的目标值与燃料气体的流量、燃料气体的压力以及温度全部之间的相关关系来获取。
此外，基于上述燃料气体水蒸气量的目标值St与温度T、燃料气体压力P、以及燃料气体流量Q中的至少一者之间的相关关系而获取的映射图也可以是表示燃料气体水蒸气量的目标值St与温度T、燃料气体压力P、以及燃料气体流量Q中的至少一者之间的相关关系的形式。
接下来，对本发明的第二燃料电池系统进行说明。对于本发明的第二燃料电池系统，以与上述本发明的第一燃料电池系统不同之处为中心进行说明。
图7示出了燃料电池系统200，该燃料电池系统200是本发明的第二燃料电池系统的实施方式例。
燃料电池系统200包括测定燃料气体流路的入口处的燃料气体的压力Pin的入口压力传感器(燃料气体入口压力测定单元)25以及测定燃料气体流路的出口处的燃料气体的压力Pout的出口压力传感器(燃料气体出口压力测定单元)26，以作为测定燃料电池的燃料气体的压力的燃料气体压力测定单元，并且，控制部3包括平均流量控制单元，该平均流量控制单元基于从燃料电池1的电压与燃料气体平均流量的关系预先设定的燃料气体平均流量的目标值来控制燃料气体平均流量，除这些点之外，燃料电池系统200与上述燃料电池系统101具有相同的结构。
与燃料电池系统101同样地，压力传感器具体的设置位置没有限定，只要能够掌握期望位置处的燃料气体流路内的燃料气体的压力即可，如上所述也可以使用入口压力传感器和出口压力传感器。
在燃料电池系统200中，平均流量控制单元基于映射图来控制燃料电池中的燃料气体的流量Q、燃料气体的压力P、以及燃料电池温度中的至少一者，该映射图是基于燃料气体平均流量的目标值Qavet与燃料电池1中的燃料气体的流量Q、燃料气体的压力P以及温度T中的至少一者之间的相关关系而获取的，目标值Qavet是从燃料电池的电压与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之间的关系而预先设定的。
燃料电池系统200还预先获取用于实现预先获取的燃料气体平均流量的目标值的、燃料气体的流量、燃料气体压力以及燃料电池温度中的至少一者。然后，基于这些获取的燃料气体流量、压力以及燃料电池温度来控制燃料气体的流量、温度以及燃料电池的温度中的至少一者，由此控制燃料气体平均流量使其达到所设定的目标值。
具体来说，在燃料电池系统200中，当燃料电池1工作时，控制部3的平均流量控制单元通过温度传感器9检测燃料电池1的温度T。
此外，控制部3基于压力传感器25、26测得的燃料气体流路入口处的燃料气体的压力Pin以及燃料气体流路出口中的燃料气体的压力Pout，来计算燃料气体流路中的平均压力Pave[Pave＝(Pin+Pout)/2]。
然后，控制部3基于测得的温度T和算出的平均压力Pave来控制燃料气体的流量Q，以使燃料气体平均流量Qave接近预先获取的目标值Qavet。目标值Qavet是基于燃料气体平均流量Qave与燃料电池的电压之间的相关关系而预先获取的。此外，关于燃料气体的平均流量Qave，使用映射图计算目标值Qavet，并与该目标值相对应地控制该平均流量Qave，该映射图是基于燃料气体平均流量的目标值Qavet与温度T、燃料气体压力P、以及燃料气体流量Q之间的相关关系而获取的。
具体来说，燃料电池中的燃料气体流量Q与上述燃料电池系统100同样地，能够通过控制利用再循环泵8被再循环的燃料排出气体的流量Qa来控制。如此，从作为燃料供应源的氢泵4供应的燃料成分气体流量Qb不使利用水蒸气量控制单元进行控制，而是通过对利用再循环泵8被再循环的燃料排出气体的流量Qa进行控制，来在充分保证要求输出的前提下提高作为燃料成分的氢的利用效率，调整燃料气体的平均流量，从而能够有效地控制燃料电池的水分布。此外，由平均流量控制单元进行的燃料气体流量Q的控制不限定于基于上述Qa的控制，只要能够保证对燃料电池要求的输出则不特别限定，例如也可以在保证要求输出的前提下进行仅基于Qb的控制、或者进行基于Qa和Qb二者的控制。而且，也可以使用控制燃料气体流量的其他手段。
为了以更高精度控制燃料气体的平均流量，上述映射图优选基于燃料气体平均流量的目标值与燃料电池中的燃料气体的流量、燃料气体的压力以及温度中的至少二者之间的相关关系来获取，特别优选基于燃料气体平均流量的目标值与燃料气体的流量、燃料气体的压力以及温度全部之间的相关关系来获取。
此外，基于上述燃料气体平均流量的目标值Qavet与温度T、燃料气体压力P、以及燃料气体流量Q中的至少一者之间的相关关系而获取的映射图也可以是表示燃料气体平均流量的目标值Qavet与温度T、燃料气体压力P、以及燃料气体流量Q中的至少一者之间的相关关系的形式。
在本发明的第二燃料电池系统中，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是在燃料气体流路内流动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200那样燃料气体配管系统为循环系统的情况下，能够通过下述式(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：由再循环泵进行再循环的排出燃料气体的流量；
Qb：从燃料供应单元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的1/2位置处被消耗一半的假定，来计算燃料气体的平均流量Qave。
这里，图8示出了在基于通过上述式(1)算出的燃料气体的平均流量Qave的平均流量控制处理中使用的上述映射图的例子。
在图8所示的映射图中，表示了测得的温度T与平均压力Pave[Pave＝(Pin+Pout)/2]、燃料气体平均流量的目标值Qavet之间的相关关系。从而，例如依照测得的温度T下的表示平均压力Pave与平均流量Qavet之间的相关关系的映射图，算出测得的平均压力Pave下的目标平均流量Qavet。然后能够控制排出燃料气体流量Qa，以使通过式(1)计算的Qave达到通过映射图算出的Qavet。
此外，在本发明的第二燃料电池系统中，燃料气体平均流量Qave也能够通过下述式(2)来计算。
Qave＝nRT/P  …    (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的1/2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的1/2位置处的燃料气体的压力。
在上述式(2)中，将燃料气体流路的总流路长的1/2位置处的燃料气体的流量用作燃料气体平均流量Qave，并从燃料气体流路的总流路长的1/2位置处的燃料气体的摩尔数以及压力，基于气体的状态方程式来计算燃料气体的平均流量Qave。
这里，在式(2)中，燃料气体的摩尔数是燃料气体流路的总流路长的1/2位置处的燃料气体中所含的所有成分(除氢气之外，氮气、水蒸气等)的摩尔数，具体来说，是从燃料气体流路入口的燃料气体的总摩尔数中减去到达至燃料气体流路的总流路长的1/2位置所消耗的燃料成分的摩尔数之后的摩尔数。到达至燃料气体流路的总流路长的1/2位置所消耗的燃料成分的摩尔数是燃料电池的要求输出所必需的燃料成分量的一半。此外，燃料气体流路入口的燃料气体的总摩尔数能够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和从氢罐追加补充的氢量的合计流量的温度和压力来求出。
此外，在式(2)中，作为燃料气体的压力，既可以实际检测燃料气体流路的全长的1/2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的1/2位置处发生了在燃料气体流路的全长中发生的压力损失的1/2来进行计算，假定了这样的压力损失的上述燃料气体压力能够通过以下式(3)来计算。
P＝(Pin+Pout)/2  …    (3)
Pin：燃料气体流路的入口处的燃料气体的压力；
Pout：燃料气体流路的出口处的燃料气体的压力。
在如上述燃料电池系统200那样燃料气体配管系统具有循环系统的情况下，能够通过作为式(2)的变形例的下述式(4)来计算燃料气体的平均流量Qave。
Qave＝n’RT/P  …    (4)
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的1/2位置处的燃料气体的摩尔数，该摩尔数通过假定消耗了供应给燃料气体流路的所述燃料气体中的从燃料气体供应单元向燃料气体流路供应的所述燃料成分的1/2来计算；
R：气体常数；
T：燃料电池温度；
P：通过上述式(3)计算的燃料气体流路的全长的1/2位置处的燃料气体的压力。
在第二燃料电池系统中，燃料气体平均流量Qave也可以不是基于如上述的假定来计算，而是使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它们的平均而得的值，或者在燃料气体流路的全长的1/2位置处实际测定的燃料气体的流量值。从能够简单构建燃料电池系统的观点来说，优选使用上述式(1)、(2)或(4)来计算燃料气体平均流量。
此外，在第二燃料电池系统中，由平均流量控制单元执行的燃料气体平均流量控制处理在燃料电池运行当中，既可以定期执行，也可以仅在燃料电池温度为预定温度以上的条件下执行。例如，也可以仅在特别容易发生枯竭的高温条件下，例如在80℃以上的温度条件下，执行由平均流量控制单元执行的燃料气体平均流量控制处理。因为特别容易发生枯竭，因此优选至少在70℃以上、进而在80℃以上的温度条件下，执行平均流量控制处理。
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(燃料供应单元)
5   燃料气体供应路径
5A  主流路
5B  混合路
6   燃料气体循环路径
7   连结部
8   再循环泵
9   温度传感器(温度测定单元)
10  压力传感器
11  露点计
12  单电池
13  电解质膜
14  阴极电极
15  阳极电极
16  膜-电极接合体
17  隔膜
18  隔膜
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
25  压力传感器(燃料气体入口压力测定单元)
26  压力传感器(燃料气体出口压力测定单元)
100 燃料电池系统
101 燃料电池系统
200 燃料电池系统

Claims (18)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极和阴极电极之间；
燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应至少包含燃料成分的燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及
氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应至少包含氧化剂成分的氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，
其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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水蒸气量控制单元，该水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的出口处的水蒸气量，所述水蒸气量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述水蒸气量之间的关系而预先设定的。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量和/或所述燃料气体的压力。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述水蒸气量控制单元基于映射图来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者，所述映射图是基于所述水蒸气量的目标值与所述燃料电池中的、所述温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者之间的相关关系而获取的。
5.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述水蒸气量控制单元控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者，以使所述水蒸气量测定单元所测定的所述水蒸气量接近所述水蒸气量的目标值。
6.如权利要求2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：
燃料气体供应路径，该燃料气体供应路径从燃料供应单元向所述燃料气体流路供应所述燃料成分气体；
燃料气体循环路径，该燃料气体循环路径将来自所述燃料电池的排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径；以及
再循环泵，该再循环泵被配置在所述燃料气体循环路径中，将所述排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径，
其中，所述水蒸气量控制单元控制通过所述再循环泵被再循环的所述排出燃料气体的流量，由此控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量。
7.如权利要求2至6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述水蒸气量控制单元基于所述水蒸气量的目标值来控制所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力和/或所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，在无加湿条件下运行，并包括燃料电池，所述燃料电池具有：
高分子电解质膜，该高分子电解质膜被夹在阳极电极以及阴极电极之间；
燃料气体流路，该燃料气体流路为了对所述阳极电极供应燃料气体而面向所述阳极电极而配置；以及
氧化剂气体流路，该氧化剂气体流路为了对所述阴极电极供应氧化剂气体而面向所述阴极电极而配置，
其中，所述燃料气体流路中的所述燃料气体的流动方向与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平均流量控制单元，该平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量，所述平均流量的目标值是基于所述燃料电池的电压与所述平均流量之间的关系而预先设定的。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者。
10.如权利要求8或9所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量和/或所述燃料气体的压力。
11.如权利要求8至10中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量控制单元基于映射图来控制所述燃料电池中的、温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者，所述映射图是基于所述平均流量的目标值与所述燃料电池中的、所述温度、所述燃料气体的流量、以及所述燃料气体的压力中的至少一者之间的相关关系而获取的。
12.如权利要求9至11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：
燃料气体供应路径，该燃料气体供应路径从燃料供应单元向所述燃料气体流路供应所述燃料成分气体；
燃料气体循环路径，该燃料气体循环路径将来自所述燃料电池的排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径；以及
再循环泵，该再循环泵被配置在所述燃料气体循环路径中，将所述排出燃料气体再循环到所述燃料气体供应路径，
其中，所述平均流量控制单元控制通过所述再循环泵被再循环的所述排出燃料气体的流量，由此控制所述燃料电池中的所述燃料气体的流量。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量通过下述式(1)计算：
Qave＝Qa+Qb/2…式(1)
Qave：所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量；
Qa：通过所述再循环泵被再循环的所述排出燃料气体的流量；
Qb：从所述燃料供应单元供应的所述燃料成分气体的流量。
14.如权利要求9至12中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量通过下述式(2)计算：
Qave＝nRT/P  …(2)
Qave：所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量；
n：所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的摩尔数；
R：气体常数；
T：燃料电池温度；
P：所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的压力。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中，
在所述式(2)中，
所述n通过假定消耗了向所述燃料气体流路供应的所述燃料气体中包含的燃料成分中的针对所述燃料电池的发电量所需的最低限度的燃料成分量的1/2来计算，
所述P通过下述式(3)计算：
P＝(Pin +Pout)/2  …    (3)
Pin：所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力；
Pout：所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
16.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量通过下述式(4)计算：
Qave＝n’RT/P…  (4)
Qave：所述燃料气体流路中的所述燃料气体的平均流量；
n’：所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的摩尔数，该摩尔数通过假定消耗了供应给所述燃料气体流路的所述燃料气体中的从所述燃料供应单元向所述燃料气体流路供应的所述燃料成分的1/2来计算；
R：气体常数；
T：燃料电池温度；
P：通过下述式(3)算出的所述燃料气体流路的全长的1/2位置处的所述燃料气体的压力；
P＝(Pin+Pout)/2…  (3)
Pin：所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力；
Pout：所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
17.如权利要求9至16中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述平均流量控制单元基于所述平均流量的目标值来控制所述燃料气体流路的入口处的所述燃料气体的压力和/或所述燃料气体流路的出口处的所述燃料气体的压力。
18.如权利要求1至17中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池的温度为80℃以上。
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