CN103098279B - 燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统（100），其包括：燃料电池堆（10）；燃料气体供应/排出单元；氧化剂气体供应/排出单元；和控制单元（70）。控制单元（70）确定在燃料电池堆（10）中是否存在由于水分布导致在膜电极组件平面之内的局部发电集中的现象。当确定存在该现象时，控制单元（70）控制燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个。

Description

燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池系统的控制方法。
背景技术
通过在燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应生成电力的燃料电池作为能源引起了关注。燃料电池包括聚合物电解质燃料电池，其使用聚合物电解质膜作为电解质膜。聚合物电解质燃料电池一般使用膜电极组件，在膜电极组件中阳极和阴极分别被结合到电解质膜的两个表面。因而，在聚合物电解质燃料电池中，为了获得期望的发电性能，必需使电解质膜保持在适当的潮湿状态以因此适当地维持电解质膜的质子导电性。
在这种聚合物电解质燃料电池中，在发电期间，出现在膜电极组件的电解质膜平面之内不均匀的含水量分布（潮湿状态的不均匀的分布），并且该不均匀的含水量分布可能引起不均匀的发电分布。因而，当出现在电解质膜平面之内含水量局部不足时，在另一个不存在含水量不足的区域中每单位面积的发电量可能超过容许值。在下文中，在膜电极组件中，每单位面积的发电量局部地超过容许值的事实被称为“发电局部集中”或“局部发电集中”。因而，发电集中导致膜电极组件的局部劣化。另外，例如，在用于使氧化剂气体沿着阴极表面流动的氧化剂气体流动通道中，可能出现在发电期间产生的并且保持为液态的残余水的不均匀分布所引起的不均匀的发电分布。于是，当在氧化剂气体流动通道中存在残余水量局部过多时，因为供应至阴极的一部分区域的氧化剂气体变得不足，所以在氧化剂气体没有供应不足的另一个区域发电局部集中，由此导致膜电极组件的局部劣化。这也适用于用于使燃料气体沿着阳极表面流动的燃料气体流动通道。即，由于在膜电极组件的平面之内的水分布（上述的含水量分布和残余水分布）造成的局部发电集中导致膜电极组件的局部劣化。另外，在膜电极组件的平面之内不均匀的温度分布也引起不均匀的发电分布，因此导致膜电极组件的局部劣化。于是，膜电极组件的局部劣化导致燃料电池整体很早的劣化。
因此，已经提出了用于使膜电极组件的平面之内发电分布一致的各种技术。例如，日本专利申请公开No.2007-317553（JP-A-2007-317553）描述了一种用于燃料电池系统的技术，其中在电池（燃料电池）的发电平面之内沿着氧化剂气体流动的方向在至少两个位置提供了温度测量装置和电池电压测量装置，基于由温度测量装置测量的温度差和由电池电压测量装置测量的电压差估计发电平面之内的不均匀的发电分布，然后供应至燃料电池的冷却剂或氧化剂气体的量随着不均匀的发电分布的增加而增加。那么，JP-A-2007-317553描述了，利用上述的技术，能够降低由于显著的不均匀发电分布所产生的发电平面之内局部电流集中导致的温度增加的影响。
然而，在JP-A-2007-317553中描述的技术中，没有考虑如上所述的由于水分布所造成的膜电极组件平面之内局部发电集中。另外，在JP-A-2007-317553中描述的技术中，温度测量装置和电池电压检测装置被提供在电池发电平面之内，所以存在以下问题，燃料电池的配置复杂或者温度测量装置和电池电压检测装置干扰了在发电平面之内流动的气体。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统和一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统和用于燃料电池系统的控制方法抑制了在聚合物电解质燃料电池中由于水分布而造成的在膜电极组件的平面之内局部发电集中而导致的膜电极组件的局部劣化。
本发明被考虑为解决了至少部分的上述问题，并且可以被实现为以下描述的实施例。
本发明的一个方面提供了燃料电池系统，包括：燃料电池，该燃料电池具有膜电极组件、燃料气体流动通道以及氧化剂气体流动通道，在该膜电极组件中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面，燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着阳极的表面流动，氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着阴极的表面流动；燃料气体供应/排出单元，该燃料气体供应/排出单元经由燃料气体流动通道将燃料气体供应到阳极并且排出从阳极排放的阳极废气；以及氧化剂气体供应/排出单元，该氧化剂气体供应/排出单元经由氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到阴极并且排出从阴极排放的阴极废气。该燃料电池系统包括：发电集中确定单元，该发电集中确定单元被配置为确定在燃料电池中是否存在由于水分布而导致在膜电极组件的平面之内产生的局部发电集中的现象，水分布包括在电解质膜的平面之内的含水量分布、在燃料气体流动通道中的残余水分布和在氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及控制单元，该控制单元被配置为，当发电集中确定单元确定存在该现象时，对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以便消除该现象。
利用如此配置的燃料电池系统，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件的平面之内局部发电集中而导致的膜电极组件的局部劣化。
另外，在该燃料电池系统中，该燃料电池可以包括：框架构件，该框架构件被设置在膜电极组件的外围部；第一温度传感器，该第一温度传感器被设置在框架构件的第一部位并且用于检测该第一部位的温度；以及第二温度传感器，该第二温度传感器被设置在框架构件的器温度高于第一部位的第二部位，并且用于检测该第二部位的温度，发电集中确定单元被配置为确定在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差是否大于预定阀值，以及，当在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差大于预定阀值时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以使得在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差变成小于或等于预定阀值。
膜电极组件通过在发电期间燃料气体和氧化剂气体之间的电化学反应而生成热，并且将生成的热转移至框架构件。因而，当不存在由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中时，在膜电极组件的平面之内不均匀的温度分布相对小。因此，框架构件中的不均匀的温度分布也相对小。另一方面，当存在由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中时，生成的热局部地增加，所以在膜电极组件的平面之内出现相对大的不均匀的温度分布。因此，在框架构件中也存在相对大的不均匀的温度分布。
利用如此配置的燃料电池系统，当在框架构件中第二部位的温度和第一部位的温度之间的差大于预定阀值时，可以确定在膜电极组件的平面之内存在发电集中。因而，能够通过简单的计算来确定是否存在发电集中（是否存在发电集中导致的现象）。因而，能够消除发电集中。另外，当阀值被设定为相对小的值时，能够避免发电集中。
另外，利用如此配置的燃料电池系统，第一温度传感器和第二温度传感器没被设置在膜电极组件的平面之内而是设置至框架构件，所以，与第一温度传感器和第二温度传感器被设置在膜电极组件的平面之内的情形比较，能够防止燃料电池的复杂配置，并且能够避免干扰膜电极组件表面上的气体流。
另外，在该燃料电池系统中，控制单元可以被进一步配置为基于预定阀值与第二部位的温度和第一部位的温度之间的差之间的差，来确定至少用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的氧化剂气体供应/排出单元的控制值。
该控制值可以是各种参数，诸如供应至阴极的氧化剂气体的流量、阴极废气的背压、供应至阳极的燃料气体的流量和这些控制持续的持续时间。
如上所述，当存在由于在膜电极组件的平面之内的水分布而造成的局部发电集中时，生成的热局部地增加，所以在膜电极组件的平面之内存在相对大的不均匀的温度分布。因此，在框架构件中存在相对大的不均匀的温度分布。进一步，随着发电集中的程度增加，膜电极组件的平面之内不均匀的温度分布增加。
利用如此配置的燃料电池系统，随着在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差相对于预定阀值增加，可以估计在膜电极组件的平面之内由于含水量分布造成的局部发电集中的程度更大。因而，控制单元基于发电集中的程度，即，预定阀值与第二部位的温度和第一部位的温度之间的差之间的差，来确定至少用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的氧化剂气体供应/排出单元的控制值，以便消除含水量的局部不足。因而，与控制值没有基于发电集中的程度来设定而是被设定为预定值时的情况相比，能够更有效地和快速地消除发电集中。结果，在控制中需要的能量被抑制，并且能够抑制燃料电池系统中能量效率的降低。
另外，在燃料电池系统中，第一部位可以是位于在将氧化剂气体引入到阴极中时与氧化剂气体所被引入的部位相邻近的部位，并且第二部位可以是位于在将阴极废气从阴极排出时与阴极废气所被排出的部位相邻近的部位。
这里，“位于在将氧化剂气体引入到阴极中时与氧化剂气体所被引入的部位相邻近的部位”可以是，例如，在氧化剂气体的流动方向上在上游侧四分之一范围之内的部位。另外，“位于在将阴极废气从阴极排出时与阴极废气所被排出的部位相邻近的部位”可以是，例如，在氧化剂气体的流动方向上在上游侧四分之一范围之内的部位。
在膜电极组件的平面之内，随着一个部位接近在将氧化剂气体引入到阴极中时氧化剂气体所被引入的部位，不足的含水量倾向于容易出现在电解质膜的平面之内；而随着一个部位接近在将阴极废气从阴极排出时阴极废气所被排出的部位，不足的含水量倾向于难以出现在电解质膜的平面之内。因此，在膜电极组件的平面之内，随着一个部位接近在将氧化剂气体引入到阴极中时氧化剂气体所被引入的部位，在发电期间生成的热降低并且温度倾向于降低；而随着一个部位接近在将阴极废气从阴极排出时阴极废气所被排出的部位，在发电期间生成的热增加并且温度倾向于增加。
利用如此配置的燃料电池系统，第一部位是位于与在膜电极组件的平面之内温度容易降低的部位相邻近的部位，并且第二部位是位于与在膜电极组件的平面之内温度容易增加的部位相邻近的部位，所以在第一部位和该第二部位之间的温差相对大。因而，能够降低在确定时第一温度传感器和第二温度传感器的检测误差的不利影响。
注意，例如如此配置的燃料电池系统，发电集中确定单元基于在第二部位的温度和第一部位的温度之间的差进行确定；替代地，例如，发电集中确定单元可以基于在第二部位的温度和第一部位的温度之间的比率进行确定。同样通过这样做，能够获得与上述燃料电池系统相同的有利效果。
另外，在燃料电池系统中，发电集中确定单元可以被配置为基于燃料电池的操作条件来估计在电解质膜的平面之内的预定部分的含水量，并且然后确定该含水量是否小于为燃料电池的每一个操作条件所定义的阀值，以及，当含水量小于阀值时，控制单元可以被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元进行控制，使得含水量变成大于或等于阀值。
这里，“燃料电池的操作条件”可以是各种参数，诸如从该燃料电池输出的电流值、供应至阳极的燃料气体的流量、供应至阳极的燃料气体的压力、供应至阴极的氧化剂气体的流量、阴极废气的背压、供应至燃料电池的冷却剂的温度和从燃料电池排出的冷却剂的温度。这也适用于以下描述的其他的应用示例。
利用如此配置的燃料电池系统，含水量被估计，并且，当含水量小于为燃料电池的每一个操作条件所定义的阀值时，可以确定在膜电极组件的平面之内的电解质膜的平面之内存在由于含水量分布而造成的局部发电集中。因而，能够消除发电集中。另外，当阀值被设定为相对大的值时，能够避免发电集中。
注意，可以使用具有燃料电池的操作条件中的上述各种参数作为变量的函数或映射，来估计在电解质膜平面之内的预定部分的含水量。
另外，在燃料电池系统中，控制单元可以被配置为基于阀值和含水量之间的差，来确定用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元的控制值。
该控制值可以是各种参数，诸如供应至阴极的氧化剂气体的流量、阴极废气的背压、供应至阳极的燃料气体的流量和这些控制持续的持续时间。
利用如此配置的燃料电池系统，随着含水量相对于为燃料电池的每一个操作条件所定义的阀值降低时，由于电解质膜的平面之内的含水量分布而造成的局部发电集中的程度被估计为更大。因而，控制单元基于发电集中的程度，即，阀值与含水量之间的差，来确定用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元的控制值，以便消除含水量的局部不足。因而，与控制值没有基于发电集中的程度来设定而是被设定为预定值时的情况相比，能够更有效地和快速地消除发电集中。结果，在控制中需要的能量被抑制，并且能够抑制燃料电池系统中能量效率的降低。
另外，在燃料电池系统中，预定部分是下述部分，即，在燃料电池的操作期间在电解质膜的平面之内该部分的含水量容易降低。
在燃料电池的操作期间，在电解质膜的平面之内含水量容易降低的部分，响应于燃料电池的操作条件，电解质膜的含水量容易改变。发电集中确定单元估计在电解质膜的该平面之内含水量容易降低的部分的含水量，所以能够进行高灵敏度的确定。
另外，在燃料电池系统中，发电集中确定单元可以被配置为基于燃料电池的操作条件来估计在阴极中氧化剂气体的流动方向上穿过电解质膜在阳极和阴极之间转移的水的转移量的分布，并且可以被配置为确定在从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离是否短于预定阀值，以及，当从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离短于预定阀值时，控制单元可以被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元进行控制，使得从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离变成长于或等于预定阀值。
发明人重复地进行模拟，用于估计在上述燃料电池的各种操作条件下在阴极中氧化剂气体的流动方向上穿过电解质膜在阳极和阴极之间转移的水的转移量的分布，以及进行对于发电集中的实验。结果，发明人已经发现，随着从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离缩短，发电集中出现；而随着从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离增长，发电集中未出现。注意，可以使用具有在燃料电池的操作条件下的上述各种参数作为变量的函数或映射，来估计穿过电解质膜在阳极和阴极之间转移的水的转移量的分布，如在上述燃料电池系统中估计含水量的情形那样。
利用如此配置的燃料电池系统，当从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离短于预定阀值时，可以确定在膜电极组件平面之内的电解质膜的平面之内存在由于含水量分布而造成的局部发电集中。因而，能够消除发电集中。另外，当阀值被设定为相对大的值时，能够避免发电集中。
另外，在该燃料电池系统中，控制单元可以被配置为基于在预定阀值与从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离之间的差，来确定用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元的控制值。
利用如此配置的燃料电池系统，当从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离相对于预定阀值缩短时，估计在膜电极组件平面之内的电解质膜的平面之内由于含水量分布而造成的局部发电集中的程度更大。因而，控制单元基于发电集中的程度，即，在预定阀值与从其排出阴极废气的部分和水的转移量为零的部分之间的距离之间的差，来确定用于燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元的控制值，以便消除含水量的局部不足。因而，与控制值没有基于发电集中的程度来设定而是被设定为预定值时的情况相比，能够更有效地和快速地消除发电集中。结果，在控制中需要的能量被抑制，并且能够抑制燃料电池系统中能量效率的降低。
另外，在该燃料电池系统中，发电集中确定单元可以被配置为基于燃料电池的操作条件来估计在阴极中该氧化剂气体的流动方向上穿过电解质膜在阳极和阴极之间转移的水的转移量的分布、被配置为获得表示水的转移量的分布的函数，并且被配置为确定该函数是否具有拐点，以及，当该函数具有拐点时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元之中的至少氧化剂气体供应/排出单元进行控制，以便消除拐点。
发明人重复地进行模拟，用于估计在上述燃料电池的各种操作条件下在阴极中氧化剂气体的流动方向上穿过电解质膜在阳极和阴极之间转移的水的转移量的分布，以及进行对于发电集中的实验。结果，发明人已经发现，当表示水的转移量的分布的函数具有拐点时存在发电集中；反之当表示水的转移量的分布的函数不具有拐点时不存在发电集中。注意，可以使用具有在燃料电池的操作条件下的上述各种参数作为变量的函数或映射，来估计穿过电解质膜在阳极和阴极之间转移的水的转移量的分布。
利用如此配置的燃料电池系统，当表示水的转移量的分布的函数具有拐点时，可以确定在膜电极组件的平面之内的电解质膜的平面之内存在由于含水量分布而造成的局部发电集中。因而，能够消除发电集中。
另外，在该燃料电池系统中，发电集中确定单元可以被配置为基于燃料电池的操作条件来获得膜电极组件的该平面之内的峰值电流，并且被配置为确定该峰值电流是否大于为燃料电池的每一个操作条件定义的阀值，并且，当峰值电流大于阀值时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，使得峰值电流变成小于或等于阀值。
利用如此配置的燃料电池系统，当在膜电极组件的平面之内的峰值电流大于阀值时，可以确定在膜电极组件的平面之内存在由于水分布而造成的局部发电集中。因而，能够消除发电集中。另外，当阀值被设定为相对小的值时，能够避免发电集中。
注意，例如，可以使用具有在燃料电池的操作条件中的上述各种参数作为变量的函数或映射，来估计在膜电极组件平面之内的峰值电流。
另外，在该燃料电池系统中，发电集中确定单元可以被配置为基于燃料电池的操作条件来获得膜电极组件的该平面之内的电流密度分布的标准差，并且可以被配置为确定该标准差是否大于预定阀值，以及，当标准差大于预定阀值时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，使得标准差变成小于或等于预定阀值。
利用如此配置的燃料电池系统，当在膜电极组件的平面之内的电流密度分布的标准差大于预定阀值时，可以确定在膜电极组件的平面之内存在由于水分布而造成的局部发电集中。因而，能够消除发电集中。另外，当阀值被设定为相对小的值时，能够避免发电集中。
注意，可以使用具有在燃料电池的操作条件中的上述各种参数作为变量的函数或映射，来估计在膜电极组件平面之内的电流密度。
当存在由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中时，有效的发电面积缩小，所以燃料电池的输出功率通常降低至期望的输出功率之下。因而，每一个上述的燃料电池系统可以进一步包括输出功率检测单元，其被配置为检测燃料电池的输出功率以使得发电集中确定单元考虑到燃料电池的输出功率的降低来进行确定。另外，当存在由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中时，燃料电池的阻抗相对于期望值增长或在短时间内急剧地改变。因而，每一个上述的燃料电池系统可以进一步包括阻抗检测单元，其被配置为检测燃料电池的阻抗以使得发电集中确定单元考虑到燃料电池的阻抗来进行确定。
另外，在该燃料电池系统中，发电集中确定单元可以被进一步配置为基于燃料电池的操作条件来估计水分布，并且被配置为基于所估计的水分布来确定发电集中的起因是电解质膜中的含水量局部不足、在燃料气体流动通道中的残余水量局部过多还是在氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多，以及，控制单元可以被配置为基于所确定的发电集中的起因，来对燃料气体供应/排出单元和氧化剂气体供应/排出单元中的至少一个进行控制。
利用如此配置的燃料电池系统，发电集中确定单元基于上述燃料电池的操作条件确定由于在膜电极组件的平面之内水分布而造成的局部发电集中的起因，所以控制单元能够适当地对氧化剂气体供应/排出单元和燃料气体供应/排出单元中的至少一个进行控制，以便基于所确定的发电集中的起因消除发电集中。
注意，可以使用具有在燃料电池的操作条件下的上述各种参数作为变量的函数或映射，来估计含水量，该含水量包括在电解质膜的平面之内的含水量分布、在燃料气体流动通道中的残余水分布和在氧化剂气体流动通道中的残余水分布。
另外，在该燃料电池系统中，当发电集中的起因被确定是电解质膜中的含水量局部不足时，控制单元可以被配置为对氧化剂气体供应/排出单元进行控制，以便降低被供应至阴极的氧化剂气体的流量。
利用如此配置的燃料电池系统，来自电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除由于在电解质膜中含水量局部不足而造成的局部发电集中。
另外，在燃料电池系统中，当发电集中的起因被确定是电解质膜中的含水量局部不足时，控制单元可以被配置为对氧化剂气体供应/排出单元进行控制，以便增加阴极废气的背压。
利用如此配置的燃料电池系统，来自电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除由于在电解质膜中含水量局部不足而造成的局部发电集中。
另外，在该燃料电池系统中，当发电集中的起因被确定是电解质膜中的含水量局部不足时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元进行控制，以便增加被供应至阳极的燃料气体的流量。
利用如此配置的燃料电池系统，增加在膜电极组件中的发电量以增加产生的水量，由此使得能够消除由于在电解质膜中含水量局部不足而造成的局部发电集中。
另外，在该燃料电池系统中，当发电集中的起因被确定是在燃料气体流动通道中的残余水量局部过多时，控制单元被配置为对燃料气体供应/排出单元进行控制，以便增加被供应至阳极的燃料气体的流量。
利用如此配置的燃料电池系统，在燃料气体流动通道中局部残余的液态水被排放到燃料电池之外，由此使得能够消除由于在燃料气体流动通道中的残余水量局部过多而造成的局部发电集中。
另外，在燃料电池系统中，当发电集中的起因被确定是在氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多时，控制单元可以被配置为对氧化剂气体供应/排出单元进行控制，以便增加被供应至阴极的氧化剂气体的流量。
利用如此配置的燃料电池系统，在燃料气体流动通道中局部残余的液态水被排放到燃料电池之外，由此使得能够消除由于在燃料气体流动通道中的残余水量局部过多而造成的局部发电集中。
进一步，在该燃料电池系统中，当发电集中的起因被确定是在氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多时，控制单元可以被配置为对氧化剂气体供应/排出单元进行控制，以便降低阴极废气的背压。
同样利用如此配置的燃料电池系统，在氧化剂气体流动通道中局部残余的液态水被排放到燃料电池之外，由此使得能够消除由于在氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多而造成的局部发电集中。
本发明的方面不需要包括所有上述各种特征，而是可以被配置为省略部分特征或适当地组合一些特征。另外，除了上述燃料电池系统的配置之外，本发明的方面还可以被配置为用于燃料电池系统的控制方法的发明的一个方面。另外，本发明的方面可以被实现成各种形式，诸如实现那些特征的计算机程序、记录了程序的记录介质和包括该程序并且被实现成载波的数据信号。注意，在每一个方面，可以应用上述各种附加要素。
当本发明的方面被实现为计算机程序、记录了计算机程序的记录介质等时，它可以被实现为控制燃料电池系统的操作的全部程序或可以被实现为完成本发明功能的程序的仅仅一部分。另外，记录介质可以是各种计算机可读的介质，诸如软盘、CD-ROM、DVD-ROM、磁光盘、IC卡、ROM卡带、穿孔卡、印刷了诸如条形码的代码的印刷品、计算机的内存储设备（存储器，诸如RAM和ROM）和外存储设备。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、和技术和工业重要性，在附图中相同的标号代表相同的元件，并且其中：
图1是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的示意配置的图；
图2A和图2B是示出了膜电极组件中出现的发电集中的示例的图，该膜电极组件是根据第一实施例的燃料电池堆的部件；
图3是示出了框架构件的图，该框架构件被设置在膜电极组件的外围部分；
图4是示出了在框架构件处提供的两个温度传感器分别检测的温度之间的差和图3中阴影标示的膜电极组件的区域中电流密度之间的对应关系的图；
图5是流程图，其示出了在根据第一实施例的燃料电池系统100中执行的发电集中抑制控制过程的流程；
图6是显示了在第一实施例中执行的干燥抑制控制中确定阴极废气的背压的方法的图；
图7是流程图，其示出了在根据第二实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程；
图8是示出了在根据第二实施例的燃料电池堆的各种操作条件下电解质膜的含水量和发电量之间对应关系的图；
图9是示出了在第二实施例中执行的干燥抑制控制中确定阴极废气的背压的方法的图；
图10是流程图，其显示了在根据第三实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程；
图11A和图11B是示出了根据第三实施例，在膜电极组件的平面之内的阳极-阴极水转移量分布和局部发电集中之间的对应关系的图；
图12是示出了在第三实施例中执行的干燥抑制控制中确定阴极废气的背压的方法的图；
图13是流程图，其示出了在根据第四实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程；
图14A和图14B是示出了根据第四实施例，在膜电极组件的平面之内的阳极-阴极水转移量分布和局部发电集中之间的对应关系的图；
图15是流程图，其示出了在根据第五实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程；
图16是示出了在根据第五实施例的燃料电池堆的各种操作条件下阴极废气的背压和峰值电流之间的对应关系的图；
图17是流程图，其示出了在根据第六实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程；以及
图18是示出了在根据第六实施例的燃料电池堆的各种操作条件下阳极废气的背压和电流密度分布的标准差之间的对应关系的图。
具体实施方式
在下文中，将参考特定的实施例描述本发明的实施例。将描述第一实施例。图1是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统100的示意配置的图。在燃料电池系统100中，燃料电池（FC）堆10具有多个堆叠的电池，其通过氢气（燃料气体）和氧气（氧化剂气体）之间的电化学反应来生成电力。每一个电池包括膜电极组件、燃料气体流动通道、氧化剂气体流动通道和冷却剂流动通道（未示出）。形成膜电极组件使得阳极和阴极被结合到具有质子导电性的电解质膜的两个表面。燃料气体流动通道用于使氢气沿着阳极表面流动。氧化剂气体流动通道用于使空气沿着阴极表面流动。冷却剂流动通道用于使冷却剂流动。在第一实施例中，聚合物电解质膜，诸如Nafion（商标，离子交换膜），被用作电解质膜。
从存储高压氢气的氢气罐20经由氢气供应线24将用作燃料气体的氢气供应到燃料电池堆10的阳极。代替氢气罐20，例如，可以使用氢气产生设备，该氢气产生设备通过使用乙醇、碳氢化合物、醛等作为原料进行重整反应产生氢气。
存储在氢气罐20中的高压氢气由切断阀21、调节阀22、喷射器23等来调整压力和供应量，并且被供应到燃料电池堆10的阳极。切断阀21被设置在氢气罐20的出口。注意，压力传感器24P被布置在氢气供应线24中，并且用于检测氢气供应线24中的压力。
然后，来自阳极的排出气体（在下文中，表示为阳极废气）被排出到阳极废气排出线25。被排出到阳极废气排出线25并且包括在发电中未消耗的氢气的阳极废气可以经由循环线26被再循环到氢气供应线24。注意，作为通过燃料电池堆10中的发电消耗氢气的结果，阳极废气的压力相对低。因此，氢气循环泵27被布置在循环线26中，并且用于当阳极废气被再循环时使阳极废气增压。流量传感器27F被提供用于氢气循环泵27，并且用于检测阳极废气的循环流量。线28从阳极废气排出线25分支，并且泄放阀29被布置在线28中。当泄放阀29关闭的时候，包括发电中未消耗的氢气的阳极废气经由循环线26被再循环到燃料电池堆10。通过这样做，可以有效地利用氢气。
在阳极废气的再循环期间，在发电中氢气被消耗，而除氢气以外的杂质，诸如从阴极经由电解质膜渗透至阳极的氮气，残余并且未被消耗，所以阳极废气中杂质浓度逐渐增加。此时，当泄放阀29打开时，阳极废气经由线28和40与阴极废气（以后描述）一起被排出燃料电池系统100之外。通过这样做，可以降低阳极废气中杂质的浓度。
氢气罐20、切断阀21、调节阀22、喷射器23、氢气供应线24、压力传感器24P、阳极废气排出线25、循环线26、氢气循环泵27、流量传感器27F、线28、泄放阀29和线40组成了燃料气体供应/排出单元的一个示例。
用作包含氧气的氧化剂气体的压缩空气被供应到燃料电池堆10的阴极。空气被从空气清洁器30中获取、通过空气压缩机31压缩、经由线32引入增湿设备33、通过增湿设备33增湿，然后从空气供应线34供应到燃料电池堆10的阴极。流量传感器31F被提供用于空气压缩机31，并且用于检测供应的空气的流量。
来自阴极的排出气体（在下文中，表示为阴极废气）流出到线35。压力传感器35P和压力调节阀36被布置在线35中。压力传感器35P被用于检测阴极废气的背压。压力调节阀36被用于调节阴极废气的背压。从燃料电池系统100流出到线35的高湿度阴极废气被引入到用于增湿空气的增湿设备33，然后经由线37和线40被排出燃料电池系统100之外。
空气清洁器30、空气压缩机31、流量传感器31F、线32、增湿设备33、空气供应线34、线35、压力传感器35P、压力调节阀36、线37和线40组成氧化剂气体供应/排出单元的一个示例。
燃料电池堆10通过上述电化学反应生成热。因此，为了保持燃料电池堆10的温度处于适于发电的温度，冷却剂也被供应到燃料电池堆10。由水泵51泵送的冷却剂流动通过冷却剂线52并且由散热器50冷却。冷却的冷却剂被供应到燃料电池堆10。如图所示，用于不经过散热器50循环冷却剂的旁路线53被连接到线52，并且另外，回转阀54被布置在线52和旁路线53之间的连接部位中的一个。通过切换回转阀54，冷却剂可以经由线52和旁路线53被循环而不经过散热器50。注意，如图所示，在冷却剂的流动方向上在散热器50的上游部分，温度传感器55被布置在线52中，并且用于检测从燃料电池堆10排放的冷却剂的温度。另外，在冷却剂流动方向上在水泵51的下游部分，温度传感器56被布置在线52中，并且用于检测被供应到燃料电池堆10的冷却剂的温度。
另外，电池监测器60被连接到燃料电池堆10。电池监测器60检测在燃料电池堆10中的每一个电池的电压、电流、阻抗等等。
燃料电池系统100的操作由控制单元70控制。控制单元70由微型计算机形成，微型计算机在内部包括CPU、RAM、ROM等，并且根据存储在ROM中的程序控制系统的操作。除了上述程序之外，ROM还存储用于控制燃料电池系统100的各种映射、阀值等等。具体地，例如控制单元70基于燃料电池堆10需要的输出功率、各种传感器的输出等等，控制系统的操作，包括发电集中抑制控制过程（以后描述），诸如各种阀、氢气循环泵27、水泵51和空气压缩机31的驱动。控制单元70组成发电集中确定单元的一个示例和控制单元的一个示例。
在根据第一实施例的燃料电池系统100中，如上所述，燃料电池堆10包括使用聚合物电解质膜作为电解质膜的膜电极组件，所以为了获得期望的发电性能，必需使电解质膜保持在适当的潮湿状态以适当地维持每一个电解质膜的质子导电性。然而，在发电期间，可能出现每一个电解质膜平面之内不均匀的含水量分布（潮湿状态的不均匀的分布），并且该不均匀的含水量分布可能引起不均匀的发电分布。然后，当存在任何一个电解质膜平面之内含水量局部不足时，在不存在含水量不足的另一个区域中出现局部发电集中，由此导致膜电极组件中对应的一个的局部劣化。
图2A和图2B是示出了在膜电极组件中出现发电集中的示例的图。图2A示出了根据第一实施例的燃料电池堆10中膜电极组件12的形状、在膜电极组件12表面上氢气和空气的流动方向、电池中冷却剂的流动方向等等。另外，图2B示出了在膜电极组件12中氢气和空气的流动方向上的发电分布和发电集中的状态。
如图2A所示，在第一实施例中，膜电极组件12具有矩形的形状。因而，燃料气体流动通道和氧化剂气体流动通道被设置在膜电极组件12的表面上，使得氢气和空气沿着膜电极组件12的短边以相反的方向流动。在上述膜电极组件12中，一部分电解质膜因为该部分接近空气流动方向的上游侧而较容易干燥；而一部分电解质膜因为该部分电解质膜接近下游侧而较难干燥。换句话说，在膜电极组件12的平面之内，一部分电解质膜的含水量因为该部分接近空气流向的上游侧而降低，并且一部分电解质膜的含水量因为该部分接近下游侧而增加。另外，在第一实施例中，电池中冷却剂的流动方向被设定为沿着膜电极组件12的长边方向。因而，一部分电解质膜因为该部分接近冷却剂流动方向的上游侧而较难干燥，并且一部分电解质膜因为该部分接近冷却剂流动方向的下游侧而较容易干燥。即，一部分电解质膜的含水量因为该部分接近冷却剂流动方向的上游侧而增加，并且一部分电解质膜的含水量因为该部分接近冷却剂流动方向的下游侧而降低。
因而，如图2B所示，在膜电极组件12中，因为在电解质平面之内的含水量分布，发电量随着一部分电解质膜接近空气流动方向的上游侧而降低，并且发电量随着一部分电解质膜接近下游侧而增加。进一步，当燃料电池堆10需要的输出功率增加时，即，当需要的输出功率从需要的输出功率相对低的低负载状态（“O”）改变成需要的输出功率相对高的高负载状态时，在膜电极组件12平面之内电解质膜含水量相对少的、在空气流动方向的上游侧，发电量的增加相对少；而在电解质膜含水量相对大的、在空气流动方向的下游侧，发电量的增加相对大。即，在膜电极组件12的平面之内，在电解质膜平面之内由于含水量分布出现局部发电集中。
虽然未在附图中示出或详细描述，但是在膜电极组件12表面上设置的燃料气体流动通道或氧化剂气体流动通道中，例如，可能出现因为在发电期间产生的水保持为液态而形成的不均匀的残余水分布，并且残余水分布也可能引起不均匀的发电分布。因而，当出现在燃料气体流动通道或氧化剂气体流动通道中残余水量局部过多时，供应至阳极的一部分区域的氢气变得不足或供应至阴极的一部分区域的空气变得不足，所以在供应的氢气并非不足或供应的空气并非不足的另一个区域中发电局部集中，由此导致膜电极组件12的局部劣化。即，由于在膜电极组件的平面之内的水分布（上述含水量分布和残余水分布）而造成的局部发电集中导致膜电极组件的局部劣化。
因而，在根据第一实施例的燃料电池系统100中，并行于响应于燃料电池堆10所需要的输出功率的正常操作控制，控制单元70的CPU执行用于抑制由于上述水分布而造成的局部发电集中的发电集中抑制控制过程。
在下文中，将参考图3至图6描述在燃料电池系统100中执行的发电集中抑制控制过程。
图3是示出了框架构件14的图，该框架构件被设置在膜电极组件12的外围部分。注意，在图3中未示出在框架构件14中形成的通孔，该通孔用于使氢气、阳极废气、阴极废气和冷却剂在电池堆方向上在燃料电池堆10中流动。
如图所示，在框架构件14中，温度传感器14a被设置在冷却剂的出口侧与从其将空气引入膜电极组件12的阴极的部位相邻近的部位，并且用于检测该部位的温度T1。另外，在框架构件14中，温度传感器14b被设置在冷却剂的出口侧与从膜电极组件12的阴极排出的阴极废气从其排出的部位相邻近的部位，并且用于检测该部位的温度T2。在发电期间，在膜电极组件12的平面之内，因为生成的热，所以在空气流动方向的下游区域的温度高于在上游区域的温度。因而，由膜电极组件12生成的热转移至框架构件14。因而，由温度传感器14b检测的温度T2高于由温度传感器14a检测的温度T1。
框架构件14中设置温度传感器14a的部位也被称为第一部位。另外，框架构件14中设置温度传感器14b的部位也被称为第二部位。另外，温度传感器14a也被称为第一温度传感器。另外，温度传感器14b也被称为第二温度传感器。
图4是示出了在由为框架构件14设置的两个温度传感器14b和14a分别检测的温度T2和温度Tl之间的差（T2-T1）和由图3阴影指示的膜电极组件12的区域R中电流密度之间的对应关系的图。注意，膜电极组件12的区域R是其中在膜电极组件12的平面之内电解质膜的含水量最容易降低的区域（见图2A）。在图4中，对于上述的对应关系，实际测量的结果由圆圈指示并且通过模拟计算的结果由实线指示。
从图4已经发现，随着温差T2-T1增加，膜电极组件12的区域R中的电流密度降低。虽然图中未示出，但已经发现，随着温差T2-T1增加，膜电极组件12的区域R以外的区域中的电流密度增加。因而，在第一实施例中，基于上述发现，当温差T2-T1高于阀值Tth时，确定在膜电极组件12平面之内的电解质膜的平面之内存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，其中在阀值Tth，膜电极组件12的区域R中的电流密度是阀值Jth。另外，随着温差T2-T1相对于阀值Tth增加，在膜电极组件12的平面之内发电集中的程度被确定为更大。
图5是流程图，其示出了在根据第一实施例的燃料电池系统100中执行的发电集中抑制控制过程的流程。当发电集中抑制控制过程开始时，CPU最初执行水分布估计过程（步骤S100）。水分布估计过程用于估计膜电极组件12的电解质膜的平面之内的含水量分布、燃料气体流动通道中的残余水分布和氧化剂气体流动通道中的残余水分布。
这里，将描述根据第一实施例的水分布估计过程的概述。注意，在国际申请No.PCT/JP2008/73782中描述了以下描述的水分布估计过程的细节。
最初，CPU加载燃料电池堆10的操作条件，具体地是由电池监测器60检测的电流值、由温度传感器56检测的冷却剂的温度（在下文中，也称为冷却剂入口温度）、由温度传感器55检测的冷却剂的温度（在下文中，也称为冷却剂出口温度）、由流量传感器31F检测的被供应的空气的流量（在下文中，也称为空气流量）、由流量传感器27F检测的考虑到阳极废气循环流量的被供应的氢气的流量（在下文中，也称为氢气流量）、由压力传感器35P检测的阴极废气的背压（在下文中，也称为空气背压）和由压力传感器24P检测的氢气供应线24中的压力（在下文中，也称为氢气压力）（第一步骤）。
随后，CPU从冷却剂入口温度和冷却剂出口温度分别计算阴极入口露点和阳极入口露点（第二步骤）。注意，可以使用露点湿度计作为替代莱检测阴极入口露点和阳极入口露点。
之后，CPU获得水转移率VH2O,CA→AN，其是在膜电极组件12的平面之内经由电解质膜从阴极转移至阳极的水的转移率（第三步骤）。使用以下数学表达式（1）计算水转移率VH2O,CA→AN。
VH2O,CA→AN=DH2O×（PH2O,CA-PH2O,AN） （1）
这里，PH2O,CA是在膜电极组件12的阴极处的水蒸气分压，并且使用阴极入口露点来计算。另外，PH2O,AN是在膜电极组件12的阳极处的水蒸气分压，并且使用阳极入口露点来计算。另外，DH2O是膜电极组件12的电解质膜中的水扩散系数。
然后，CPU使用函数或映射，从水转移率、阴极入口露点、阳极入口露点、冷却剂出口温度、空气背压、氢气压力、空气流量、氢气流量和电流值，来计算在膜电极组件12的每一个划分的面内区域处的电流密度（第四步骤）。另外，CPU使用函数或映射，从阴极入口露点、阳极入口露点、冷却剂出口温度、空气背压、氢气压力、空气流量、氢气流量和水转移率，来计算膜电极组件12的平面之内的电流分布和相对湿度分布（第四步骤）。
随后，对于膜电极组件12的阳极和阴极中的每一个，CPU使用以下数学表达式（2）和（3），从上述相对湿度分布来计算过饱和程度σ1（相对湿度超过100%的程度）和不饱和程度σ2（相对湿度低于100%的程度），然后计算作为水蒸气变成水的速率的液态水产生速率Vvap→ liq，和作为水变成水蒸气的速率的液态水蒸发速率Vliq→vap（第五步骤）。这是因为，考虑在燃料气体流动通道和氧化剂气体流动通道中水相（气态相、液态相）的改变，计算在燃料气体流动通道和氧化剂气体流动通道中的每一个中的液态水产生速率Vvap→liq和液态水蒸发速率Vliq→ vap。
Vvap→liq=k1×σ1 （2）
Vliq→vap=k2×σ2 （3）
这里，系数k1和k2是基于温度和斥水性的因子，并且被从反应气体流动通道的物理特性中导出。预先通过实验将系数k1和k2进行映射。
之后，CPU对于膜电极组件12的阳极和阴极中的每一个使用以下数学表达式（4）来计算在燃料气体流动通道和氧化剂气体流动通道中的水转移率V_liq（第六步骤）。通过在燃料气体流动通道和氧化剂气体流动通道中气体的流动，水被从膜电极组件12的平面内部吹出和排出，所以考虑到上述事实在燃料气体流动通道和氧化剂气体流动通道中的每一个中计算水转移率V_liq。
V_liq=k3×V_gas （4）
这里，水转移率V_liq是被气体吹出的水的转移率。另外，V_gas是在燃料气体流动通道或在氧化剂气体流动通道中的水蒸气流量，并且从与状态量，诸如被供应的气体的流量以及水蒸气分压，有关联的映射来计算。系数k3是基于温度和斥水性的因子，并且被从燃料气体流动通道或氧化剂气体流动通道的物理特性中导出。预先通过实验映射k3。
通过上述的第四步骤至第六步骤，可以估计在燃料气体流动通道中的残余水分布和在氧化剂气体流动通道中的残余水分布。另外，从上述的第四步骤，可以估计膜电极组件12的电解质膜的平面之内的含水量分布。
在水分布估计过程（步骤S100）之后，CPU确定水分布的状态（步骤S110）。即，CPU确定燃料气体流动通道中的残余水是否超过某一程度使得出现局部发电集中（在燃料气体流动通道中的过量的残余水），在氧化剂气体流动通道中的残余水是否超过某一程度使得出现局部发电集中（在氧化剂气体流动通道中的残余水量过多），膜电极组件12的电解质膜的平面之内的含水量是否局部不足（电解质膜的含水量不足）。注意，例如，对于燃料气体流动通道中残余水量过多的确定参考和对于氧化剂气体流动通道中残余水量过多的确定参考是根据经验定义的。
然后，在步骤S110中，当CPU确定水分布的状态不是在燃料气体流动通道中的残余水量过多、在氧化剂气体流动通道中的残余水量过多或在电解质膜中的含水量局部不足时，CPU认为不存在由于膜电极组件12的平面之内的水分布而造成的局部发电集中，并且使过程返回步骤S100。
另外，在步骤S110中，当CPU确定水分布的状态是燃料气体流动通道中的残余水量过多时，CPU执行燃料气体流动通道排水控制（步骤S120）。在第一实施例中，在燃料气体流动通道排水控制中，增加氢气循环泵27的转速持续预定的时段。通过这样做，在燃料气体流动通道中局部剩余的液态水被排放到燃料电池堆10之外，由此使得能够消除由于在燃料气体流动通道中残余水量局部过多而造成的局部发电集中。注意，在步骤S120之后，CPU使过程返回步骤S100。
另外，在步骤S110中，当CPU确定水分布的状态是氧化剂气体流动通道中的残余水量过多时，CPU执行氧化剂气体流动通道排水控制（步骤S130）。在第一实施例中，在氧化剂气体流动通道排水控制中，持续预定的时段，空气压缩机31的转速被增加，并且压力调节阀36的打开程度被增加以减小阴极废气的背压。通过这样做，在氧化剂气体流动通道中局部剩余的液态水被排放到燃料电池堆10之外，由此使得能够消除由于在氧化剂气体流动通道中残余水量局部过多而造成的局部发电集中。注意，在步骤S130之后，CPU使过程返回步骤S100。
另外，在步骤S110中，当CPU确定水分布的状态是电解质膜中的含水量不足时，CPU获取由温度传感器14a检测的温度Tl和由温度传感器14b检测的温度T2，并且从ROM加载阀值Tth（步骤S140）以计算（T2-Tl）-Tth（步骤S150）。然后，CPU确定（T2-Tl）-Tth是否大于0（步骤S160）。当（T2-Tl）-Tth小于或等于0（步骤S160中的“否”）时，CPU认为在膜电极组件12的电解质膜的平面之内不存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且使过程返回步骤S100。另一方面，当（T2-Tl）-Tth大于0（步骤S160中的“是”）时，CPU认为在膜电极组件12的电解质膜的平面之内存在上述局部发电集中，并且执行干燥抑制控制（步骤S170）。在第一实施例中，在干燥抑制控制中，在预定时段期间，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，来自膜电极组件12的电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除在电解质膜中由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，在干燥抑制控制中，空气压缩机31的转速可以被减小以降低被供应至燃料电池堆10的空气的流量，或者氢气循环泵27的转速可以被增加以增加被供应至燃料电池堆10的氢气的流量。注意，在步骤S170之后，CPU使过程返回步骤S100。
图6是示出了在干燥抑制控制中确定阴极废气背压的方法的图。如上文参考图4所述，随着温差T2-T1相对于阀值Tth增加，由于电解质膜的平面之内含水量分布而造成的局部发电集中的程度可以被确定为更大。然后，在第一实施例中，如图6所示，随着温差T2-T1相对于阀值Tth增加，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，能够有效地并且迅速地消除发电集中。结果，在控制中需要的能量被抑制，并且能够抑制燃料电池系统100中能量效率的降低。
利用如此描述的根据第一实施例的燃料电池系统100，在燃料电池堆10（聚合物电解质燃料电池）中，能够抑制在膜电极组件12的平面之内的由于水分布而造成的局部发电集中所引起的每一个膜电极组件12的局部劣化。
另外，在根据第一实施例的燃料电池系统100中，如图3所示，温度传感器14a和14b没被设置在膜电极组件12的平面之内而是在框架构件14上，所以，和温度传感器14a和14b被设置在膜电极组件12的平面之内相比，能够防止燃料电池堆10的复杂配置，并且能够避免干扰膜电极组件12表面上的气体流动。
另外，温度传感器14a被设置在与从其将空气引入到膜电极组件12的阴极中的部位相邻近的部位，也就是在框架构件14中温度容易降低的部位，并且温度传感器14b被设置在与从其将阴极废气从膜电极组件12的阴极中排出的部位相邻近的部位，也就是在框架构件14中在温度容易升高的部位，所以在由温度传感器14a检测的温度和在由温度传感器14b检测的温度之间的差相对地大。因而能够降低在进行确定时温度传感器14a和14b的检测误差的不利影响。
接下来，将描述第二实施例。根据第二实施例的燃料电池系统的配置与根据第一实施例的燃料电池系统100的配置相同，除了温度传感器14a和14b没被设置用于图3所示的框架构件14。然后，在根据第二实施例的燃料电池系统中，发电集中抑制控制过程和第一实施例中的发电集中抑制控制过程不同。在下文中，将描在述根据第二实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程。
图7是流程图，其示出了在根据第二实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程。并行于响应于燃料电池堆10需要的输出功率的正常操作控制，此过程由控制单元70的CPU执行。
当发电集中抑制控制过程开始时，CPU最初加载燃料电池堆10的操作条件，并且执行含水量估计过程（步骤S200）。含水量估计过程用于估计在膜电极组件12的预定部位的电解质膜的含水量。在第二实施例中，对图3示出膜电极组件12的区域R中的含水量进行估计。在此，所述区域R即指在电解质膜的平面之内含水量最容易降低的区域。注意，含水量估计过程是在根据上述第一实施例的发电集中抑制控制过程中的水分布估计过程的一部分，所以这里省略了含水量估计过程的详细描述。
这里，将描述在膜电极组件12的电解质膜的含水量和在膜电极组件12的平面之内的局部发电集中之间的对应关系。
图8是示出了在燃料电池堆10的各种操作条件下电解质膜的含水量和发电量之间对应关系的图。图8示出了在其中改变了燃料电池堆10的操作温度的操作条件1至4下，电解质膜的含水量和发电量之间的对应关系。
如图所示，在每一个操作条件下，存在其中发电量随着电解质膜的含水量的增加而增加的含水量的范围，以及其中发电量随着电解质膜的含水量的增加而降低的含水量的范围。然后，发明人发现，在发电量随着电解质膜的含水量的增加而增加的含水量的范围中，膜电极组件12的平面之内没出现在电解质膜的平面之内由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且在发电量随着电解质膜的含水量的增加而降低的含水量的范围中，在膜电极组件12的平面之内出现发电集中。另外，发明人发现，在其中发电量随着电解质膜的含水量的增加而降低的含水量的范围中，当电解质膜的含水量降低时发电集中的程度增加。然后，在第二实施例中，如图中交替的长短划线所示，对于燃料电池堆10的每一个操作条件，用于电解质膜的含水量C的阀值Cth被定义为其中发电量随着电解质膜的含水量的增加而增加的含水量的范围和其中发电量随着电解质膜的含水量的增加而降低的含水量的范围之间的边界，并且在如以下描述的发电集中抑制控制过程中使用。例如，对于操作条件1（“O”），Cthl被定义为阀值Cth，并且，对于操作条件4（“◇”），大于Cthl的Cth4被定义为阀值Cth。映射每一个阀值Cth。
返回参考图7，在含水量估计过程（步骤S200）之后，CPU从ROM加载对应于燃料电池堆10的操作条件的阀值Cth（步骤S210），然后确定含水量C是否小于阀值Cth（步骤S220）。然后，当含水量C大于或等于阀值Cth（步骤S220中的“否”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内的电解质膜的平面之内不存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且使过程返回步骤S200。另一方面，当含水量C小于阀值Cth（步骤S220中的“是”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内存在局部发电集中，并且执行干燥抑制控制（步骤S230）。在第二实施例中，在干燥抑制控制中，持续预定的时段，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，来自膜电极组件12的电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除在电解质膜中由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，在干燥抑制控制中，空气压缩机31的转速可以被减小以降低被供应至燃料电池堆10的空气流量，或者氢气循环泵27的转速可以被增加以增加被供应至燃料电池堆10的氢气的流量。注意，在步骤S230之后，CPU使过程返回步骤S200。
图9是示出了在干燥抑制控制中确定阴极废气背压的方法的图。如上文参考图8所述，在其中发电量随着电解质膜的含水量的增加而降低的含水量的范围中，当电解质膜含水量降低时发电集中的程度可以被确定为更大。然后，在第二实施例中，在燃料电池堆10的每一个操作条件下，当电解质膜的含水量C相对于阀值Cth降低时，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。例如，如图9所示，在操作条件1的情形下，当电解质膜的含水量C相对于阀值Cthl降低时，压力调节阀36的打开程度被减小；在操作条件4的情形下，当电解质膜的含水量C相对于阀值Cth4降低时，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，能够有效地并且迅速地消除发电集中。结果，在控制中需要的能量被抑制，并且能够抑制燃料电池系统中能量效率的降低。
同样利用如此描述的根据第二实施例的燃料电池系统，在燃料电池堆10（聚合物电解质燃料电池）中，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件12的平面之内的局部发电集中所引起的每一个膜电极组件12的局部劣化。
另外，在第二实施例中，在含水量估计过程（图7，步骤S200）中，估计了在电解质膜的平面之内含水量容易降低的部分的含水量，所以能够高灵敏性地确定是否存在发电集中。这是因为，在电解质膜的平面之内含水量容易降低的部分，电解质膜的含水量容易响应于燃料电池堆10的操作条件而改变。
接下来，将描述第三实施例。根据第三实施例的燃料电池系统的配置与根据第二实施例的燃料电池系统的配置相同。然而，在根据第三实施例的燃料电池系统中，发电集中抑制控制过程和第二实施例中的发电集中抑制控制过程不同。在下文中，将描述在根据第三实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程。
图10是流程图，其示出了在根据第三实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程。并行于响应于燃料电池堆10需要的输出功率的正常操作控制，此过程由控制单元70的CPU执行。
当发电集中抑制控制过程开始时，CPU最初加载燃料电池堆10的操作条件，并且执行阳极-阴极水转移量分布估计过程（步骤S300）。阳极-阴极水转移量分布估计过程用于估计在膜电极组件12的平面之内穿过电解质膜在阴极和阳极之间转移的含水量（阳极-阴极水转移量）的分布。在本实施例中，沿着氢气的流动方向和空气的流动方向估计阳极-阴极水转移量的二维分布（见图3）。注意，阳极-阴极水转移量分布估计过程可以如在根据上述第一实施例的发电集中抑制控制过程中的水分布估计过程的情形来执行，并且这里省略了阳极-阴极水转移量分布估计过程的详细描述。
这里，将描述在膜电极组件12的平面之内的阳极-阴极水转移量分布和局部发电集中之间的对应关系。
图11A和图11B是示出了在膜电极组件12的平面之内阳极-阴极水转移量分布和局部发电集中之间的对应关系的图。图11A示出了当阴极废气的背压改变时在膜电极组件12的平面之内从阳极转移至阴极的含水量的分布（阳极-阴极水转移量分布）。另外，图11B示出了当阴极废气的背压改变时电流密度的分布。注意，在图11A和图11B中，阴极废气的背压按以下顺序增加，“O”、“Δ”、“◇”和“*”（阴极废气的背压：）。
从图11A中已经发现，当阴极废气的增加时，阳极-阴极水转移量为0的位置从阴极废气的出口侧（氢气进，空气出）接近空气的入口侧（空气进，氢气出），即，指示在从其排出阴极废气的部分和阳极-阴极水转移量为0的部分之间距离的坐标值Pos增加。另外，也从图11B中已经发现，当阴极废气的背压增加时，在阴极废气的出口侧的电流密度降低，在空气的入口侧的电流密度增加，并且电流密度分布是均匀化的。然后，从图11A和图11B中发明人已经发现，当指示在从其排出阴极废气的部分和阳极-阴极水转移量为0的部分之间距离的坐标值Pos降低时，在膜电极组件12的平面之内出现发电集中；而当坐标值Pos增加时，在膜电极组件12的平面之内没出现发电集中。因而，在第三实施例中，基于上述发现，为坐标值Pos定义阀值Posth，并且，当坐标值Pos小于阀值Posth时，确定在该膜电极组件12平面之内的电解质膜的平面之内存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，当坐标值Pos相对于阀值Posth减小时，在膜电极组件12的平面之内发电集中的程度被确定为更大。
返回参考图10，在阳极-阴极水转移量分布估计过程（步骤S300）之后，CPU从ROM加载阀值Posth（步骤S310），然后确定坐标值Pos是否小于阀值Posth（步骤S320）。然后，当坐标值Pos大于或等于阀值Posth（步骤S320中的“否”）时，CPU认为在膜电极组件12的电解质膜的平面之内不存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且使过程返回步骤S300。另一方面，当坐标值Pos小于阀值Posth（步骤S320中的“是”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且执行干燥抑制控制（步骤S330）。在第三实施例中，在干燥抑制控制中，持续预定时段，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，来自膜电极组件12的电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除在电解质膜中由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，在干燥抑制控制中，空气压缩机31的转速可以被减小以降低被供应至燃料电池堆10的空气流量，或者氢气循环泵27的转速可以被增加以增加被供应至燃料电池堆10的氢气的流量。注意，在步骤S330之后，CPU使过程返回步骤S300。
图12是示出了在干燥抑制控制中确定阴极废气背压的方法的图。如上文参考图11A和图11B所述，当指示在从其排出阴极废气的部分和阳极-阴极水转移量为0的部分之间距离的坐标值Pos相对于阀值Posth降低时，在膜电极组件12的平面之内发电集中的程度可以被确定为更大。然后，在第三实施例中，如图12所示，当坐标值Pos相对于阀值Posth降低时，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，能够有效地并且迅速地消除发电集中。结果，在控制中需要的能量被抑制，并且能够抑制燃料电池系统中能量效率的降低。
同样利用如此描述的根据第三实施例的燃料电池系统，在燃料电池堆10（聚合物电解质燃料电池）中，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件12的平面之内的局部发电集中所引起的每一个膜电极组件12的局部劣化。
接下来，将描述第四实施例。根据第四实施例的燃料电池系统的配置与根据第二实施例的燃料电池系统的配置相同。然而，在根据第四实施例的燃料电池系统中，发电集中抑制控制过程和第二实施例中的发电集中抑制控制过程不同。在下文中，将描述在根据第四实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程。
图13是流程图，其示出了在根据第四实施例的燃料电池系统中执行发电集中抑制控制过程的流程。并行于响应于燃料电池堆10需要的输出功率的正常操作控制，此过程由控制单元70的CPU执行。
当发电集中抑制控制过程开始时，CPU最初加载燃料电池堆10的操作条件，并且执行阳极-阴极水转移量分布估计过程（步骤S400）。此阳极-阴极水转移量分布估计过程与根据第三实施例的发电集中抑制控制过程中的阳极-阴极水转移量分布估计过程相同。
这里，将描述在膜电极组件12的平面之内的阳极-阴极水转移量的分布和局部发电集中之间的对应关系。
图14A和图14B是示出了在膜电极组件12的平面之内的阳极-阴极水转移量分布和局部发电集中之间的对应关系的图。图14A示出了当阴极废气的背压改变时在膜电极组件12的平面之内从阳极转移至阴极的含水量的分布（阳极-阴极水转移量分布）。另外，图14B示出了当阴极废气的背压改变时电流密度的分布。注意，在图14A和图14B中，在分布中由“*”标示的阴极废气的背压高于由“O”标示的阴极废气的背压。
从图14A中已经发现，当阴极废气的背压相对低时，表示阳极-阴极水转移量分布的函数具有拐点；反之，当阴极废气的背压相对高时，表示阳极-阴极水转移量分布的函数不具有拐点。另外，也从图14B（图11B）中已经发现，当阴极废气的背压增加时，在阴极废气的出口侧的电流密度降低，在空气的入口侧的电流密度增加，并且电流密度分布是均匀化的。然后，从图14A和图14B中发明人已经发现，当表示阳极-阴极水转移量分布的函数具有拐点时，在膜电极组件12的平面之内出现发电集中；反之，当表示阳极-阴极水转移量分布的函数不具有拐点时，在膜电极组件12的平面之内没出现发电集中。然后，在第四实施例中，基于上述发现，当表示阳极-阴极水转移量分布的函数具有拐点时，确定在膜电极组件12的平面之内的电解质膜的平面之内存在由于局部含水量不足而造成的局部发电集中。
返回参考图13，在阳极-阴极水转移量分布估计过程（步骤S400）之后，CPU获得表示阳极-阴极水转移量分布的函数，使该函数经历二阶微分（步骤S410），然后确定表示阳极-阴极水转移量分布的该函数是否具有拐点（步骤S420）。当表示阳极-阴极水转移量分布的函数不具有拐点时（S420步骤中的“否”），CPU认为在膜电极组件12的平面之内的电解质膜的平面之内不存在由于局部含水量不足而造成的局部发电集中，并且将过程返回步骤S400。另一方面，当表示阳极-阴极水转移量分布的函数具有拐点（步骤S420中的“是”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内存在上述发电集中，并且执行干燥抑制控制（步骤S430）。在第四实施例中，在干燥抑制控制中，持续预定时段，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极废气的背压。通过这样做，来自膜电极组件12的电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除在电解质膜中由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，在干燥抑制控制中，空气压缩机31的转速可以被减小以降低被供应至燃料电池堆10的空气流量，或者氢气循环泵27的转速可以被增加以增加被供应至燃料电池堆10的氢气的流量。注意，在步骤S430之后，CPU使过程返回步骤S400。
同样利用如此描述的根据第四实施例的燃料电池系统，在燃料电池堆10（聚合物电解质燃料电池）中，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件12的平面之内的局部发电集中所引起的每一个膜电极组件12的局部劣化。
接下来，将描述第五实施例。根据第五实施例的燃料电池系统的配置与根据第二实施例的燃料电池系统的配置相同。然而，在根据第五实施例的燃料电池系统中，发电集中抑制控制过程与第二实施例中的发电集中抑制控制过程不同。在下文中，将描述在根据第五实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程。
图15是流程图，其示出了在根据第五实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程的流程。并行于响应于燃料电池堆10需要的输出功率的正常操作控制，此过程由控制单元70的CPU执行。
当发电集中抑制控制过程开始时，CPU最初加载燃料电池堆10的操作条件，并且获得在膜电极组件12的平面之内的峰值电流Ip（步骤S500）。例如，可以使用具有在燃料电池堆10的操作条件中的各种参数作为变量的函数或映射，来估计在膜电极组件12的平面之内的峰值电流Ip。
随后，CPU从ROM加载用于峰值电流Ip的阀值Ipth（步骤S510），然后确定在步骤S500中获得的峰值电流Ip是否大于阀值Ipth（步骤S520）。当峰值电流Ip小于或等于阀值Ipth（步骤S520中的“否”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内的电解质膜的平面之内不存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且使过程返回步骤S500。另一方面，当峰值电流Ip大于阀值Ipth（步骤S520中的“是”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内存在发电集中，并且执行干燥抑制控制（步骤S530）。在第五实施例中，在干燥抑制控制中，考虑到在阴极废气的背压和峰值电流Ip之间的对应关系（见图16），持续预定时段压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极气体的背压，使得峰值电流Ip小于或等于阀值Ipth。通过这样做，来自膜电极组件12的电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除在电解质膜中由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，在干燥抑制控制中，空气压缩机31的转速可以被减小以降低被供应至燃料电池堆10的空气流量，或者氢气循环泵27的转速可以被增加以增加被供应至燃料电池堆10的氢气的流量。注意，在步骤S530之后，CPU使过程返回步骤S500。
图16是示出了在燃料电池堆10的各种操作条件下阴极废气的背压和峰值电流Ip之间对应关系的图。例如，如图中所示，取决于燃料电池堆10的操作条件，即使当用于阴极废气的背压的控制值被设定为大于控制值a的控制值b，而同时控制值是控制值a并且峰值电流Ip大于阀值Ipth时，峰值电流Ip可能增加以促使发电集中。然后，在这种情形下，通过参照示出的剖面（映射），阴极废气的背压被立即改变到控制值c，在该控制值c处峰值电流Ip小于阀值Ipth。通过这样做，能够有效地并且迅速地消除发电集中。
同样利用如此描述的根据第五实施例的燃料电池系统，在燃料电池堆10（聚合物电解质燃料电池）中，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件12的平面之内的局部发电集中所引起的每一个膜电极组件12的局部劣化。
接下来，将描述第六实施例。根据第六实施例的燃料电池系统的配置与根据第二实施例的燃料电池系统的配置相同。然而，在根据第六实施例的燃料电池系统中，发电集中抑制控制过程和第二实施例中的发电集中抑制控制过程不同。在下文中，将描述在根据第六实施例的燃料电池系统中执行的发电集中抑制控制过程。
图17是流程图，其示出了在根据第六实施例的燃料电池系统中执行发电集中抑制控制过程的流程。并行于响应于燃料电池堆10需要的输出功率的正常操作控制，此过程由控制单元70的CPU执行。
当发电集中抑制控制过程开始时，CPU最初加载燃料电池堆10的操作条件，并且获得在膜电极组件12的平面之内的电流密度分布（步骤S600）。例如，可以使用具有在燃料电池堆10的操作条件中的各种参数作为变量的函数或映射，来估计在膜电极组件12的平面之内的电流密度分布。
随后，CPU获得在步骤S600中获得的电流密度分布的标准差Vi（步骤S610）。然后，CPU从ROM加载用于标准差Vi的阀值Vith（步骤S620），然后确定标准差Vi是否大于阀值Vith（步骤S630）。当标准差Vi小于或等于阀值Vith（步骤S630中的“否”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内的电解质膜的平面之内不存在由于含水量局部不足而造成的局部发电集中，并且使过程返回步骤S600。另一方面，当标准差Vi大于阀值Vith（步骤S630中的“是”）时，CPU认为在膜电极组件12的平面之内存在发电集中，并且执行干燥抑制控制（步骤S640）。在第六实施例中，在干燥抑制控制中，考虑到在阴极废气的背压和标准差Vi之间的对应关系（见图18），持续预定的时段，压力调节阀36的打开程度被减小以增加阴极气体的背压。通过这样做，来自膜电极组件12的电解质膜的水的蒸发被抑制，由此使得能够消除在电解质膜中由于含水量局部不足而造成的局部发电集中。另外，在干燥抑制控制中，空气压缩机31的转速可以被减小以降低被供应至燃料电池堆10的空气流量，或者氢气循环泵27的转速可以被增加以增加被供应至燃料电池堆10的氢气的流量。注意，在步骤S630之后，CPU使过程返回步骤S600。
图18是示出了在燃料电池堆10的各种操作条件下阳极废气的背压和电流密度分布的标准差Vi之间对应关系的图。例如，在图中“Δ”所示的燃料电池堆10的操作条件下，当阴极废气的背压的控制值是控制值d并且电流密度分布的标准差Vi大于阀值Vith时，通过参照示出的剖面（映射）阴极废气的背压被立即改变为控制值e，在控制值e处电流密度分布的标准差Vi小于阀值Vith。通过这样做，能够有效地并且迅速地消除发电集中。
同样利用如此描述的根据第六实施例的燃料电池系统，在燃料电池堆10（聚合物电解质燃料电池）中，能够抑制由于水分布而造成的在膜电极组件12的平面之内的局部发电集中所引起的每一个膜电极组件12的局部劣化。
以上描述了若干本发明的实施例；然而，本发明的方面不限于那些实施例。在不偏离本发明的范围的情况下，本发明的方面可能被实现成各种形式。例如，以下替代实施例是可应用的。
将描述第一替代实施例。在第一实施例中，对于框架构件14，温度传感器14a和14b被分别地设置在冷却剂的出口侧处与从其将空气引入到膜电极组件12的阴极的部位相邻近的部位，和在冷却剂的出口侧处与从其将阴极废气排出膜电极组件12的阴极的部位相邻近的部位；然而，本发明的方面不限于此配置。仅需要温度传感器14a和14b被设置在温度Tl和T2与膜电极组件12的局部发电集中之间对应关系是预先已知的部位。
将描述第二替代实施例。在第一实施例中，基于在温度T2和温度T1之间的差进行关于发电集中的确定；然而，本发明的方面不限于此配置。例如，可以基于在温度T2和温度T1之间的比率确定关于发电集中的确定。
将描述第三替代实施例。在根据第一实施例的发电集中抑制控制过程中，燃料气体流动通道排水控制、氧化剂气体流动通道排水控制和干燥抑制控制被单独执行；然而，本发明的方面不限于此配置。例如，当从图5的步骤S110中的确定结果中已经检测到在燃料气体流动通道中残余水量过多并且在氧化剂气体流动通道中残余水量过多时，燃料气体流动通道排水控制和氧化剂气体流动通道排水控制可以被互相并行地执行。
将描述第四替代实施例。在根据第一实施例的发电集中抑制控制过程中步骤S100至步骤S130的过程可以被应用于根据第二至第六实施例的发电集中抑制控制过程。
将描述第五替代实施例。在根据第一实施例的发电集中抑制控制过程中，步骤S100至步骤S130的过程可以被省略。
将描述第六替代实施例。在第一至第三实施例中，在发电集中抑制控制过程的干燥抑制控制中，阴极废气的背压响应于在膜电极组件12的平面之内局部发电集中的程度而线性地改变；然而，本发明的方面不限于此配置。例如，可以响应于发电集中的程度以逐步的方式改变阴极废气的背压。
将描述第七替代实施例。在第一至第三实施例中，在发电集中抑制控制过程中，执行干燥抑制控制持续预定时段；然而，本发明的方面不限于此配置。在干燥抑制控制被执行而阴极废气的背压的增加量保持不变的时段（持续时间）可以响应于膜电极组件12平面之内局部发电集中的程度而改变。例如，当膜电极组件12的平面之内局部发电集中的程度增加时干燥抑制控制的持续时间可以被延长。
将描述第八替代实施例。在根据第五和第六实施例的发电集中抑制控制过程中，当在干燥抑制控制之后发电集中没被消除时，可以进一步执行在第一实施例中描述的燃料气体流动通道排水控制或氧化剂气体流动通道排水控制。
将描述第九替代实施例。在根据第一至第六实施例的发电集中抑制控制过程中，为了确定在膜电极组件12的平面之内是否存在局部发电集中可以考虑燃料电池堆10的输出功率。这是因为，当在膜电极组件12的平面之内存在发电集中时，有效的发电面积缩小，并且因此燃料电池堆10的输出功率通常降低至预期的输出功率之下。
另外，在根据第一至第六实施例的发电集中抑制控制过程中，为了确定在膜电极组件12的平面之内是否存在局部发电集中，可以考虑燃料电池堆10的阻抗。这是因为，当在膜电极组件12的平面之内存在发电集中时，燃料电池堆10的阻抗增加至期望值之上或在短时间急剧地改变。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池具有膜电极组件(12)，在所述膜电极组件(12)中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面，
燃料气体流动通道，所述燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着所述阳极的表面流动；
氧化剂气体流动通道，所述氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着所述阴极的表面流动；
燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)，所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)经由所述燃料气体流动通道将燃料气体供应到所述阳极并且排出从所述阳极排放的阳极废气；以及
氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)，所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)经由所述氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到所述阴极并且排出从所述阴极排放的阴极废气，
所述燃料电池系统的特征在于进一步包括：
框架构件(14)，所述框架构件(14)被设置在所述膜电极组件(12)的外围部；
第一温度传感器(14a)，所述第一温度传感器(14a)被设置在所述框架构件(14)的第一部位并且用于检测所述第一部位的温度；以及
第二温度传感器(14b)，所述第二温度传感器(14b)被设置在所述框架构件(14)的其温度高于所述第一部位的第二部位，并且用于检测所述第二部位的温度；
发电集中确定单元，所述发电集中确定单元被配置为确定在所述燃料电池中是否存在由于水分布而导致在所述膜电极组件(12)的平面之内产生其中每单位面积的发电量局部地超过容许值的局部发电集中的现象，所述水分布包括在所述电解质膜的平面之内的含水量分布、在所述燃料气体流动通道中的残余水分布和在所述氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及，
控制单元，所述控制单元被配置为：当所述发电集中确定单元确定存在所述现象时，所述控制单元对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)中的至少一个进行控制，以便消除所述现象，
其中，
所述发电集中确定单元被配置为确定在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的差是否大于预定阀值，以及
当在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差大于所述预定阀值时，所述控制单元被配置为对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)中的至少一个进行控制，以使得在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差变为小于或等于所述预定阀值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述控制单元被进一步配置为基于在所述预定阀值与在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差之间的差，来确定至少用于所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)之中的所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)的控制值。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述第一部位是位于在将所述氧化剂气体引入到所述阴极中时与所述氧化剂气体所被引入的部位相邻近的部位，并且所述第二部位是位于在将所述阴极废气从所述阴极排出时与所述阴极废气所被排出的部位相邻近的部位。
4.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池，所述燃料电池具有膜电极组件(12)，在所述膜电极组件(12)中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面，
燃料气体流动通道，所述燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着所述阳极的表面流动；
氧化剂气体流动通道，所述氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着所述阴极的表面流动；
燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)，所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)经由所述燃料气体流动通道将燃料气体供应到所述阳极并且排出从所述阳极排放的阳极废气；以及
氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)，所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)经由所述氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到所述阴极并且排出从所述阴极排放的阴极废气，
所述燃料电池系统进一步包括：
发电集中确定单元，所述发电集中确定单元被配置为确定在所述燃料电池中是否存在由于水分布而导致在所述膜电极组件(12)的平面之内产生其中每单位面积的发电量局部地超过容许值的局部发电集中的现象，所述水分布包括在所述电解质膜的平面之内的含水量分布、在所述燃料气体流动通道中的残余水分布和在所述氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及
控制单元，所述控制单元被配置为：当所述发电集中确定单元确定存在所述现象时，所述控制单元对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)中的至少一个进行控制，以便消除所述现象，
所述发电集中确定单元被进一步配置为基于所述燃料电池的操作条件来估计所述水分布，并且被配置为基于所估计的水分布来确定所述发电集中的起因是在所述电解质膜中的含水量局部不足、在所述燃料气体流动通道中的残余水量局部过多还是在所述氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多，以及
所述控制单元被配置为基于所确定的所述发电集中的起因，来对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)中的至少一个进行控制，
所述燃料电池系统的特征在于，
当所述发电集中的起因被确定是在所述电解质膜中的含水量局部不足时，所述控制单元被配置为对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)进行控制，以便增加被供应至所述阳极的所述燃料气体的流量。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于：
当所述发电集中的起因被确定是在所述电解质膜中的含水量局部不足时，所述控制单元被配置为对所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)进行控制，以便降低被供应至所述阴极的所述氧化剂气体的流量。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于：
当所述发电集中的起因被确定是在所述电解质膜中的含水量局部不足时，所述控制单元被配置为对所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)进行控制，以便增加所述阴极废气的背压。
7.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于：
当所述发电集中的起因被确定是在所述燃料气体流动通道中的残余水量局部过多时，所述控制单元被配置为对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)进行控制，以便增加被供应至所述阳极的所述燃料气体的流量。
8.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于：
当所述发电集中的起因被确定是在所述氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多时，所述控制单元被配置为对所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)进行控制，以便增加被供应至所述阴极的所述氧化剂气体的流量。
9.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于：
当所述发电集中的起因被确定是在所述氧化剂气体流动通道中的残余水量局部过多时，所述控制单元被配置为对所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)进行控制，以便降所述阴极废气的背压。
10.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，所述燃料电池具有膜电极组件(12)，在所述膜电极组件(12)中阳极和阴极被分别结合到由固体聚合物形成的电解质膜的两个表面；
燃料气体流动通道，所述燃料气体流动通道用于使燃料气体沿着所述阳极的表面流动；
氧化剂气体流动通道，所述氧化剂气体流动通道用于使氧化剂气体沿着所述阴极的表面流动；
燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)，所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)经由所述燃料气体流动通道将燃料气体供应到所述阳极并且排出从所述阳极排放的阳极废气；
氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)，所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)经由所述氧化剂气体流动通道将氧化剂气体供应到所述阴极并且排出从所述阴极排放的阴极废气；
框架构件(14)，所述框架构件(14)被设置在所述膜电极组件(12)的外围部；
第一温度传感器(14a)，所述第一温度传感器(14a)被设置在所述框架构件(14)的第一部位并且用于检测所述第一部位的温度；以及
第二温度传感器(14b)，所述第二温度传感器(14b)被设置在所述框架构件(14)的其温度高于所述第一部位的第二部位，并且用于检测所述第二部位的温度，
所述控制方法的特征在于包括：
确定在所述燃料电池中是否存在由于水分布而导致在所述膜电极组件(12)的平面之内产生其中每单位面积的发电量局部地超过容许值的局部发电集中的现象，所述水分布包括在所述电解质膜的平面之内的含水量分布、在所述燃料气体流动通道中的残余水分布和在所述氧化剂气体流动通道中的残余水分布；以及，
当确定存在所述现象时，对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)中的至少一个进行控制，以便消除所述现象，
其中，
确定在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的差是否大于预定阀值，以及
当在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差大于所述预定阀值时，对所述燃料气体供应/排出单元(20，21，22，23，24，24P，25，26，27，27F，28，29，40)和所述氧化剂气体供应/排出单元(30，31，31F，32，33，34，35，35P，36，37，40)中的至少一个进行控制，以使得在所述第二部位的温度和所述第一部位的温度之间的所述差变为小于或等于所述预定阀值。
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