CN105186018A - 燃料电池系统及燃料电池的操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统及操作方法，所述燃料电池系统在没有湿气的条件或高温的条件中的至少一个条件下操作，其特征在于，燃料电池具有：燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径，其布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动；判定装置，其判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量；和燃料气体控制装置，如果在该判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量。

Description

燃料电池系统及燃料电池的操作方法
本申请是名称为“燃料电池系统及燃料电池的操作方法”、国际申请日为2009年3月26日、国际申请号为PCT/IB2009/005332、国家申请号为200980100116.X的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种防止水不均匀地分布在单电池的表面上的燃料电池系统以及燃料电池的操作方法。
背景技术
燃料电池通过将燃料和氧化剂供给到两个电连接在一起的电极并且电化学地氧化燃料而直接将化学能转化成电能。与热发电不同，燃料电池在转化能量方面效率高，这是因为燃料电池不受卡诺循环限制。燃料电池通常由多个单电池的堆形成，每个所述单电池都基本由膜电极组件(MEA)构成，在所述膜电极组件中电解质膜夹在一对电极之间。在燃料电池之中，把聚合物电解质膜作为电解质膜的聚合物电解质燃料电池在作为便携式的电源和用于可移动的物体的电源方面尤其有吸引力，这是因为聚合物电解质燃料电池可以容易地制造得较小并且可以在低温下操作。
在聚合物电解质燃料电池中，当氢用作燃料时，在阳极(即，燃料电极)处发生以下表达式(1)中的反应。
H2→2H++2e-(1)
作为以上表达式(1)的结果而释放的电子穿过外电路，在所述外电路处这些电子在外载荷处做功，并且继而到达阴极(即，氧化剂极)。这里，由表达式(1)产生的质子在来自电渗的水合状态中从阳极运动通过聚合物电解质膜而到达阴极。
而且，当氧用作氧化剂时，在阴极处发生表达式(2)中的反应。
2H++(1/2)O2+2e-→H2O(2)
在阴极处产生的水主要穿过气体扩散层，在此之后水从燃料电池排出。这样，燃料电池是只排放水的清洁电源。
如果有过多的待排出的水(在本说明书中，术语“水”用于广泛的意义，并且从而也包括湿气和类似物)，则已经在燃料电池中冷凝的水会阻塞催化剂层或气体扩散层中的空隙，并且在极端情况下，甚至阻塞气体流动路径，并从而阻碍气体的供给，阻止用于发电的足够量的气体到达催化剂层，这将导致燃料电池的输出降低。而且，如果在燃料电池中没有足够的水，则将增大内电阻，同样导致燃料电池的输出和发电效率降低。为解决该问题，先前已经开发了以下说明的各种技术。
日本专利申请公开No.2002-352827(JP-A-2002-352827)说明了涉及一种燃料电池系统的技术，所述燃料电池系统包括：ⅰ)水量判定装置，其用于判定燃料电池中的水量过多还是不足；以及ⅱ)气体供给量控制装置，其用于基于来自水量判定装置关于燃料电池中的水量过多还是不足的判定结果，控制供给到燃料电池的氧和/或氢的气体供给量。
日本专利申请公开No.2006-210004(JP-A-2006-210004)说明了涉及一种燃料电池系统的技术，所述燃料电池系统包括：ⅰ)空气量调节装置，其用于调节在氧化剂气体流动路径中流动的空气量；ⅱ)判定装置，其用于判定电解质膜是否变干；以及ⅲ)控制装置，其用于当判定电解质膜变干时，控制在氧化剂气体流动路径中流动的空气的压力，以便使所述空气的压力高于正常操作期间中的空气的压力。
PCT申请No.6-504403(JP-A-6-504403)的公开的日文译文说明了如下的技术：其用于通过调节燃料气体中的水蒸气分压而去除阴极中的水，从而使水或水蒸气从阴极通过电解质膜运动到阳极。
日本专利No.3736475说明了如下的技术：其用于通过使氧化剂气体中的水絮凝和恢复而促进水量经由电解质膜而供给至燃料气体流动路径入口部分。这通过如下方式实现：设置燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径，以便使燃料气体和氧化剂气体在燃料电池中彼此相反地流动；并且还设置冷却剂路径，以用于冷却氧化剂气体流动路径出口部分。
日本专利申请公开No.2001-6698(JP-A-2001-6698)说明了如下的技术：其用于通过减小氧化剂气体流动路径中的干燥速率而抑制水蒸气发散到氧化剂气体中。这通过如下布置而实现：当燃料电池操作时，使氧化剂气体流动路径入口处的温度低于氧化剂气体流动路径出口处的温度，并且使氧化剂气体流动路径入口处的扩散层的气体扩散低于氧化剂气体流动路径出口处的气体扩散。
在供给有未加湿的燃料气体和氧化剂气体的燃料电池操作时，即，在未加湿的操作期间，水趋向于不均匀地分布在燃料电池的单电池的表面上。即，在氧化剂气体流动路径入口附近的区域趋向于变干，而在氧化剂气体流动路径出口附近的区域趋向于变湿。因此，必要的是尽力使单电池的表面上的水量均匀。当膜电极组件的温度较高时，即，70℃或者更高时，也是这样。在JP-A-2002-352827和JP-A-2006-210004中说明的技术二者都包括用于解决该问题的装置，即，这两种技术都判定整个燃料电池的水量过多还是不足，并且基于该判定而调节气体。然而，这两种技术都没有考虑到水在单电池的表面上的不均匀分布。因此，当在单电池的表面上有太多的或太少的水时，这两种技术都被认为是无效的。尤其，在JP-A-2006-210004中说明的控制装置中，用于通过增大空气压力来解决该问题的装置被认为由于增大了空气压缩机输出而具有减小燃料效率的缺点。在JP-A-6-504403中说明的技术、在日本专利No.3736475中说明的技术以及在JP-A-2001-6698中说明的技术都具有用于解决该问题的装置，其包括使主要在氧化剂气体流动路径的出口附近聚集的水穿过电解质膜到达燃料气体流动路径。尤其，在日本专利No.3736475中说明的技术以及在JP-A-2001-6698中说明的技术都具有用于解决该问题的装置，其包括使水从氧化剂气体流动路径出口附近→燃料气体流动路径入口附近→燃料气体流动路径出口附近→氧化剂气体流动路径入口附近循环，这是因为氧化剂气体流动路径和燃料气体流动路径是相反的。然而，甚至借助在JP-A-6-504403中说明的技术、在日本专利No.3736475中说明的技术以及在JP-A-2001-6698中说明的技术，都没有考虑用于判定水量是否过多或不足的判定装置，以及用于基于由所述判定装置做出的判定而调节气体的控制装置。而且，在JP-A-6-504403中说明的技术想要防止在氧化剂气体流动路径中的水淹(flooding)，但没有想要防止在氧化剂气体流动路径入口附近的区域变干。
发明内容
鉴于上述问题，本发明从而提供一种防止水不均匀地分布在单电池的表面上的燃料电池系统以及燃料电池的操作方法。
因此，本发明的第一方面涉及一种设有燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池具有堆，所述堆具有单电池，所述单电池包括膜电极组件，在所述膜电极组件中聚合物电解质膜夹在一对电极之间，并且所述膜电极组件将燃料气体和氧化剂气体供给到燃料电池，并且在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下操作。燃料电池在膜电极组件的一侧上具有燃料气体流动路径，并且在膜电极组件的另一侧上具有氧化剂气体流动路径，并且燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。燃料电池系统包括：判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量的判定装置；和燃料气体控制装置，如果通过所述判定装置判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
借助具有这种结构的燃料电池系统，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述氧化剂气体流动路径入口在现有技术中趋向于变干，所述氧化剂气体流动路径出口在现有技术中趋向于变湿。结果，能够当在不潮湿的条件下和/或高温的条件下时，防止水不均匀地分布在单电池的表面上。而且，本发明的燃料电池系统具有判定装置，所以能够准确地确定在氧化剂气体流动路径入口附近水量的不足。
燃料电池系统还可以包括：判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量的判定装置；和以下装置中的至少一个：ⅰ)燃料气体控制装置，如果在所述判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则所述燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力而促进在氧化剂气体流动路径出口附近的水经由燃料气体流动路径输送到氧化剂气体流动路径入口附近，从而增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量；或ⅱ)氧化剂气体控制装置，如果在所述判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则所述氧化剂气体控制装置通过减小氧化剂气体流量和/或增大氧化剂气体压力而减少由氧化剂气体从电池带出的水量和增加可以从氧化剂气体流动路径出口侧输送到燃料气体流动路径入口侧的水量。
借助具有这种结构的燃料电池系统，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述在氧化剂气体流动路径入口附近在现有技术中趋向于变干，所述在氧化剂气体流动路径出口附近在现有技术中趋向于变湿。结果，能够当在不潮湿的条件下和/或高温的条件下时防止水不均匀地分布在单电池的表面上。而且，根据本发明，通过减小由氧化剂气体带走且排放到本发明的燃料电池系统的外部的水量，水可以聚集在氧化剂气体流动路径出口附近。此外，本发明的燃料电池系统具有判定装置，所以能够准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足或过多。
而且，在上述的燃料电池系统中，判定装置可以是判定装置A，所述判定装置A测量整个燃料电池的电阻值，并且当该电阻值超过在多个温度中的每个温度下的单电池和/或堆的预先测量的电阻的最小值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
具有这种结构的燃料电池系统能够使用测量整个燃料电池的电阻值的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足。
而且，在上述的燃料电池系统中，判定装置可以是判定装置B，所述判定装置B测量整个燃料电池的电阻值和电压，并且当电阻值小于在多个温度中的每个温度下的预先测量的电阻的最小值(湿的状态)的105％，并且电压小于在多个温度中的每个温度下的单电池和/或堆的预先测量的电压的最大值的95％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
具有这种结构的燃料电池系统能够使用测量整个燃料电池的电压的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量过多。
而且，在上述的燃料电池系统中，判定装置可以是判定装置C，所述判定装置C测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当压降小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
具有这种结构的燃料电池系统能够使用测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足。
而且，在上述的燃料电池系统中，判定装置可以是判定装置D，所述判定装置D测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当压降超过流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
具有这种结构的燃料电池系统能够使用测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量过多。
而且，在上述的燃料电池系统中，在燃料气体流动路径出口附近可以设置有燃料气体压力调节阀，并且燃料气体控制装置可以是通过调节该燃料气体压力调节阀而减小燃料气体压力的燃料气体压力控制装置。
具有这种结构的燃料电池系统能够通过调节燃料气体压力调节阀的简单操作而减小燃料气体压力。
而且，在上述的燃料电池系统中，燃料气体压力控制装置可以调节燃料气体压力调节阀，以将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
由于通过将燃料气体压力保持在适当的范围内而维持燃料气体中足够的水量，具有这种结构的燃料电池系统能够增加可以通过电解质膜输送到氧化剂气体流动路径的水量。
而且，在上述的燃料电池系统中，还可以设置有氧化剂气体供给装置，并且氧化剂气体控制装置可以是通过调节氧化剂气体供给装置而减小氧化剂气体流量的氧化剂气体流量控制装置。
具有这种结构的燃料电池系统能够通过调节氧化剂气体供给装置的简单操作而减小氧化剂气体流量。
而且，在上述的燃料电池系统中，氧化剂气体流量控制装置可以调节氧化剂气体供给装置，以将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内。
由于通过将氧化剂气体的化学计量比减小到适当的范围内而减少由氧化剂气体从燃料电池带出的水量，具有这种结构的燃料电池系统能够减少可以通过电解质膜输送到氧化剂气体流动路径的水量。
而且，上述的燃料电池系统还可以包括将燃料气体供给到燃料电池的燃料气体供给装置，并且燃料气体控制装置可以是通过调节燃料气体供给装置而增大燃料气体流量的燃料气体流量控制装置。
具有这种结构的燃料电池系统能够通过调节燃料气体供给装置的简单操作而增大燃料气体流量。
而且，在上述的燃料电池系统中，燃料气体流量控制装置可以调节燃料气体供给装置，以将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内。
由于通过将燃料气体的化学计量比增大到适当的范围内而维持燃料气体中的足够的水量并且没有使聚合物电解质膜变干，具有这种结构的燃料电池系统能够增加可以通过电解质膜输送到氧化剂气体流动路径的水量。
而且，上述的燃料电池系统还可以包括氧化剂气体压力调节阀，其布置在氧化剂气体流动路径出口附近并且调节氧化剂气体的压力，并且氧化剂气体控制装置可以是通过调节氧化剂气体压力调节阀而增大氧化剂气体压力的氧化剂气体压力控制装置。
具有这种结构的燃料电池系统能够通过调节氧化剂气体压力调节阀的简单操作而增大氧化剂气体压力。
而且，在上述的燃料电池系统中，氧化剂气体压力控制装置可以调节氧化剂气体压力调节阀，以将氧化剂气体压力增加到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
由于通过将氧化剂气体压力保持在适当的范围内而减少由氧化剂气体从燃料电池带出的水量，具有这种结构的燃料电池系统能够减少可以通过电解质膜输送到氧化剂气体流动路径的水量。
而且，上述的燃料电池系统还可以包括：燃料气体控制装置；氧化剂气体控制装置；判定装置A和/或判定装置C；判定装置B和/或判定装置D；水输送促进控制起动装置A，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制起动装置A操作燃料气体控制装置一次或多次；水输送促进控制停止装置A，在水输送促进控制起动装置A操作燃料气体控制装置之后，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制停止装置A停止燃料气体控制装置；水输送抑制控制起动装置A，在水输送促进控制停止装置A停止燃料气体控制装置之后，所述水输送抑制控制起动装置A操作氧化剂气体控制装置一次或多次；水输送抑制控制停止装置A，在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述水输送抑制控制停止装置A停止氧化剂气体控制装置的所有元件；以及不足水量最终判定装置A。在水输送抑制控制停止装置A停止氧化剂气体控制装置的所有元件之后，如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则不足水量最终判定装置A使水输送促进控制起动装置A再次操作燃料气体控制装置，并且如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则不足水量最终判定装置A继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池系统，当判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时，在使用水输送促进控制起动装置A促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近之后，通过使用水输送抑制控制起动装置A增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，借助本发明的燃料电池系统，能够基于来自不足水量最终判定装置A的结果，通过再次重复一系列步骤，防止整个氧化剂气体流动路径中的水不均匀地分布。
而且，根据上述的燃料电池系统可以包括：燃料气体控制装置；氧化剂气体控制装置；判定装置A和/或判定装置C；判定装置B和/或判定装置D；水输送抑制控制起动装置B，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足之后，所述水输送抑制控制起动装置B操作氧化剂气体控制装置一次或多次；水输送抑制控制停止装置B，在水输送抑制控制起动装置B操作氧化剂气体控制装置之后，在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述水输送抑制控制停止装置B停止氧化剂气体控制装置；水输送促进控制起动装置B，在水输送抑制控制停止装置B停止氧化剂气体控制装置之后，所述水输送促进控制起动装置B操作燃料气体控制装置一次或多次；水输送促进控制停止装置B，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制停止装置B停止燃料气体控制装置的所有元件；以及不足水量最终判定装置B。在水输送促进控制停止装置B停止燃料气体控制装置的所有元件之后，如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述不足水量最终判定装置B使水输送抑制控制起动装置B再次操作氧化剂气体控制装置，并且如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则所述不足水量最终判定装置B继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池系统，当判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时，通过使用水输送抑制控制起动装置B而抑制水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且在氧化剂气体流动路径出口附近已经聚集有足够量的水之后，使用水输送促进控制起动装置B促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，借助本发明的燃料电池系统，能够基于来自不足水量最终判定装置B的结果，通过再次重复一系列步骤，防止整个氧化剂气体流动路径中的水不均匀地分布。
而且，上述的燃料电池系统可以包括：燃料气体控制装置；氧化剂气体控制装置；判定装置A和/或判定装置C；判定装置B和/或判定装置D；稍过多的水输送促进控制起动装置，其操作燃料气体控制装置一次或多次；稍过多的水输送促进控制停止装置，在稍过多的水输送促进控制起动装置操作燃料气体控制装置之后，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述稍过多的水输送促进控制停止装置停止燃料气体控制装置；水输送抑制控制起动装置C，在稍过多的水输送促进控制停止装置停止燃料气体控制装置之后，所述水输送抑制控制起动装置C操作氧化剂气体控制装置；水输送抑制控制停止装置C，在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述水输送抑制控制停止装置C停止氧化剂气体控制装置的所有元件；水输送促进控制起动装置C，在水输送抑制控制停止装置C停止氧化剂气体控制装置的所有元件之后，所述水输送促进控制起动装置C操作燃料气体控制装置；以及水输送促进控制停止装置C。在水输送促进控制起动装置C操作燃料气体控制装置之后，如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则水输送促进控制停止装置C使水输送抑制控制起动装置C再次操作氧化剂气体控制装置，并且如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是不足，则所述水输送促进控制停止装置C停止燃料气体控制装置并且继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池系统，通过首先使用稍过多的水输送促进控制起动装置使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量适当地不足，然后使用水输送抑制控制起动装置C而抑制水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且在氧化剂气体流动路径出口附近已经聚集有足够量的水之后，使用水输送促进控制起动装置C促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，当本发明的燃料电池系统包括具有一旦已经变湿就不能维持其原始性能的催化剂层(例如，这种催化剂层：其中催化剂层中的微小的小孔通过有意地氧化催化剂而被阻塞)的燃料电池时，本发明的燃料电池系统是尤其有效的，这是因为该燃料电池系统不会让催化剂层变湿。
而且，上述的燃料电池系统可以包括：燃料气体控制装置；氧化剂气体控制装置；判定装置A和/或判定装置C；判定装置B和/或判定装置D；稍过多的水输送抑制控制起动装置，其操作氧化剂气体控制装置一次或多次；稍过多的水输送抑制控制停止装置，在稍过多的水输送抑制控制起动装置操作氧化剂气体控制装置之后，在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述稍过多的水输送抑制控制停止装置停止氧化剂气体控制装置；水输送促进控制起动装置D，在稍过多的水输送抑制控制停止装置停止氧化剂气体控制装置之后，所述水输送促进控制起动装置D操作燃料气体控制装置；水输送促进控制停止装置D，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制停止装置D停止燃料气体控制装置的所有元件；水输送抑制控制起动装置D，在水输送促进控制停止装置D停止燃料气体控制装置的所有元件之后，所述水输送抑制控制起动装置D操作氧化剂气体控制装置；以及水输送抑制控制停止装置D。在水输送抑制控制起动装置D操作氧化剂气体控制装置之后，如果通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则水输送抑制控制停止装置D使水输送促进控制起动装置D再次操作燃料气体控制装置，并且如果通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是过多，则水输送抑制控制停止装置D停止氧化剂气体控制装置并且继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池系统，通过首先使用稍过多的水输送抑制控制起动装置使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量适当地过多，然后使用水输送促进控制起动装置D而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且然后使用水输送抑制控制起动装置D增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，当本发明的燃料电池系统包括具有一旦已经变干就不能维持其原始性能的电解质膜(例如，过碳氟磺酸盐电解质膜)的燃料电池时，本发明的燃料电池系统是尤其有效的，这是因为该燃料电池系统不会让电解质膜变干。
本发明的另一个方面涉及一种燃料电池的操作方法，所述燃料电池具有堆，所述堆具有单电池，所述单电池包括膜电极组件，在所述膜电极组件中聚合物电解质膜夹在一对电极之间，在膜电极组件的一侧上设置有氧化剂气体流动路径，并在膜电极组件的另一侧上设置有燃料气体流动路径，燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。所述燃料电池的操作方法包括：在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足；并且如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
借助具有这种结构的燃料电池的操作方法，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述氧化剂气体流动路径入口附近在现有技术中趋向于变干，所述氧化剂气体流动路径出口附近在现有技术中趋向于变湿。结果，可以实现当在不潮湿的条件下和/或高温的条件下时防止水不均匀地分布在单电池的表面上的操作。
上述的燃料电池的操作方法还可以包括：判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否过多；如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力而促进在氧化剂气体流动路径出口附近的水经由燃料气体流动路径输送到氧化剂气体流动路径入口附近，从而增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量；在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否过多；判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否不足；以及，如果判定在氧化剂气体流动路径入口和/或氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则通过减小氧化剂气体流量和/或增大氧化剂气体压力而减少由氧化剂气体从所述电池带出的水量和增加能够从所述氧化剂气体流动路径出口侧输送到所述燃料气体流动路径入口侧的水量。
借助具有这种结构的燃料电池的操作方法，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述氧化剂气体流动路径入口附近在现有技术中趋向于变干，所述氧化剂气体流动路径出口附近在现有技术中趋向于变湿。结果，可以实现当在不潮湿的条件下和/或高温的条件下时防止水不均匀地分布在单电池的表面上的操作。而且，借助本发明的燃料电池系统，通过抑制由氧化剂气体带走的且排放到燃料电池的外部的水量，水可以聚集在氧化剂气体流动路径出口附近。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：测量整个燃料电池的电阻值；并且当电阻值超过在多个温度中的每个温度下的单电池和/或堆的预先测量的电阻的最小值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
具有这种结构的燃料电池的操作方法能够使用测量整个燃料电池的电阻值的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：测量整个燃料电池的电压；并且当电压小于在多个温度中的每个温度下的单电池和/或堆的预先测量的电压的最大值的95％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
具有这种结构的燃料电池的操作方法能够使用测量整个燃料电池的电压的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量过多。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降；并且当压降小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
具有这种结构的燃料电池的操作方法能够使用测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降；并且当压降超过流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
具有这种结构的燃料电池的操作方法能够使用测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降的简单的方法来准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量过多。
而且，在上述的燃料电池的操作方法中，燃料气体压力可以减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
由于通过将燃料气体压力减小到适当的范围内而维持燃料气体中的足够的水量，具有这种结构的燃料电池的操作方法能够增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。
而且，在上述的燃料电池的操作方法中，氧化剂气体的化学计量比可以降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内。
由于通过将氧化剂气体的化学计量比减小到适当的范围内而减少由氧化剂气体从燃料电池带出的水量，具有这种结构的燃料电池的操作方法能够减少在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。
而且，在上述的燃料电池的操作方法中，燃料气体的化学计量比可以增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内。
具有这种结构的燃料电池的操作方法能够通过将燃料气体的化学计量比增大到适当的范围内，在没有使聚合物电解质膜变干的情况下，增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。
而且，在上述的燃料电池的操作方法中，氧化剂气体压力可以增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
由于通过将氧化剂气体压力增大到适当的范围内而减少由氧化剂气体从燃料电池带出的水量，具有这种结构的燃料电池的操作方法能够减少在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制燃料气体；然后，一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制氧化剂气体；然后，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则再次开始控制燃料气体，并且如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池的操作方法，当判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时，在通过控制燃料气体而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近之后，通过控制氧化剂气体而增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，借助本发明的燃料电池的操作方法，能够通过做出关于在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足的最终判定，并且如果水量不足，则通过再次重复一系列步骤，防止整个氧化剂气体流动路径中的水不均匀地分布。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制氧化剂气体；然后，一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制燃料气体；然后，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则再次开始控制氧化剂气体，并且如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池的操作方法，当判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时，通过控制氧化剂气体而抑制水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且在氧化剂气体流动路径出口附近已经聚集有足够量的水之后，通过控制燃料气体而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，借助本发明的燃料电池的操作方法，能够通过做出关于在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足的最终判定，并且如果水量不足，则通过再次重复一系列步骤，防止整个氧化剂气体流动路径中的水不均匀地分布。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制燃料气体；然后，一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制氧化剂气体；然后，将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；并且然后，如果判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则再次开始控制氧化剂气体，并且如果判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是不足，则停止控制燃料气体并且继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池的操作方法，通过首先通过控制燃料气体使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量适当地不足，然后通过控制氧化剂气体而抑制水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且在氧化剂气体流动路径出口附近已经聚集有足够量的水之后，通过控制燃料气体而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，当操作具有一旦已经变湿就不能维持其原始性能的催化剂层(例如，这种催化剂层：其中催化剂层中的微小的小孔通过有意地氧化催化剂而被阻塞)的燃料电池时，本发明的燃料电池的操作方法是尤其有效的，这是因为该燃料电池不会让催化剂层变湿。
而且，上述的燃料电池的操作方法还可以包括：一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制氧化剂气体；然后，一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制燃料气体；然后，将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；并且然后，如果判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则再次开始控制燃料气体，并且如果判定水量不是过多，则停止控制氧化剂气体并且继续操作燃料电池。
借助具有这种结构的燃料电池的操作方法，通过首先通过控制氧化剂气体使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量适当地过多，然后通过控制燃料气体而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且然后通过控制氧化剂气体而增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，当操作具有一旦已经变干就不能维持其原始性能的电解质膜(例如，过碳氟磺酸盐电解质膜)的燃料电池时，本发明的燃料电池的操作方法是尤其有效的，这是因为该燃料电池不会让电解质膜变干。
根据本发明，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述氧化剂气体流动路径入口附近在现有技术中趋向于变干，所述氧化剂气体流动路径出口附近在现有技术中趋向于变湿。结果，能够当在不潮湿的条件下和/或高温的条件下时防止水不均匀地分布在单电池的表面上。而且，本发明的燃料电池系统具有判定装置，所以能够准确地确定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足。
附图说明
将在以下参照附图的本发明的示例性实施例的详细描述中说明本发明的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是示出在本发明的燃料电池系统中的单电池的框架形式的剖视图，所述框架形式已经沿着堆叠方向切开；
图2是示出在本发明的燃料电池系统的单电池中的水循环的框架形式的剖视图；
图3是示出优选的燃料电池系统的典型示例的框架形式的视图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图4是示出优选的燃料电池系统的典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图5是示出优选的燃料电池系统的第二典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图6是示出优选的燃料电池系统的第三典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图7是示出优选的燃料电池系统的第四典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图8是示出优选的燃料电池系统的第五典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图9是示出优选的燃料电池系统的第六典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图10是示出优选的燃料电池系统的第七典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图11是示出优选的燃料电池系统的第八典型示例的程序的流程图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法；
图12是示出电池电压随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表；
图13是示出电池电阻随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表；
图14是示出在阳极出口处的露点湿度随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表；
图15是示出在阴极出口处的露点湿度随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表；
图16是示出氢气压降随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表；以及
图17是示出空气压力随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表。
具体实施方式
本发明的燃料电池的操作方法是一种用于操作燃料电池的方法，所述燃料电池具有堆，所述堆包括单电池，所述单电池设有：ⅰ)膜电极组件，在所述膜电极组件中固体聚合物电解质膜夹在一对电极之间，ⅱ)设置在膜电极组件的一侧上的氧化剂气体流动路径，和ⅲ)设置在膜电极组件的另一侧上的燃料气体流动路径。燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。如果在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
用于执行这种燃料电池的操作方法的本发明的优选的燃料电池系统是一种包括燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池具有堆，所述堆具有单电池，所述单电池具有膜电极组件，在所述膜电极组件中固体聚合物电解质膜夹在一对电极之间。燃料气体和氧化剂气体被供给到燃料电池。燃料电池系统在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下操作。燃料电池在膜电极组件的一侧上具有燃料气体流动路径，并且在膜电极组件的另一侧上具有氧化剂气体流动路径。燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。另外，燃料电池系统设有：判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量的判定装置；和燃料气体控制装置，如果在该判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
本发明的燃料电池的操作方法是一种用于操作燃料电池的方法，所述燃料电池具有堆，所述堆包括单电池，所述单电池设有：ⅰ)膜电极组件，在所述膜电极组件中固体聚合物电解质膜夹在一对电极之间，ⅱ)设置在膜电极组件的一侧上的氧化剂气体流动路径，和ⅲ)设置在膜电极组件的另一侧上的燃料气体流动路径。燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。如果在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力而促进在氧化剂气体流动路径出口附近的水经由燃料气体流动路径输送到氧化剂气体流动路径入口附近，从而优选地增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和优选地减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。而且，如果在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下，判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则通过减小氧化剂气体流量和/或增大氧化剂气体压力而优选地减少由氧化剂气体从电池带出的水量和优选地增加可以从氧化剂气体流动路径出口侧输送到燃料气体流动路径入口侧的水量。
用于执行这种燃料电池的操作方法的本发明的优选的燃料电池系统是一种包括燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池具有堆，所述堆具有单电池，所述单电池具有膜电极组件，在所述膜电极组件中固体聚合物电解质膜夹在一对电极之间。燃料气体和氧化剂气体被供给到燃料电池。燃料电池系统在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下操作。燃料电池在膜电极组件的一侧上具有燃料气体流动路径，并且在膜电极组件的另一侧上具有氧化剂气体流动路径。燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。另外，燃料电池系统设有：判定装置；以及燃料气体控制装置或氧化剂气体控制装置中的至少一个。判定装置判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。如果在该判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力而促进在氧化剂气体流动路径出口附近的水经由燃料气体流动路径输送到氧化剂气体流动路径入口附近，从而增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。如果在该判定装置中判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则氧化剂气体控制装置通过减小氧化剂气体流量和/或增大氧化剂气体压力而减少由氧化剂气体从电池带出的水量和增加可以从氧化剂气体流动路径出口侧输送到燃料气体流动路径入口侧的水量。
这里，固体聚合物电解质膜是一种用在燃料电池中的固体聚合物电解质膜。其示例包括：氟聚合物电解质膜，其包括诸如由NAFION(商品名称)表示的过碳氟磺酸盐的氟聚合物电解质；以及碳氢化合物聚合物电解质膜，其包括碳氢化合物聚合物电解质，在所述碳氢化合物聚合物电解质中诸如磺酸基、羧酸基或磷酸基的质子酸基(即，质子传导基)被引入到碳氢化合物聚合物中，该碳氢化合物聚合物例如是工程塑料或通用塑料，所述工程塑料例如是聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚、聚乙基苯、或聚对苯撑乙烯(polyparaphenylene)。
每个电极都具有催化剂层和气体扩散层。催化剂层可以使用含有催化剂、传导材料和聚合物电解质的催化剂墨水(catalystink)形成。催化剂通常是承载在传导颗粒上的催化成分。催化成分尤其不受限制，只要其相对于在燃料电极处的燃料的氧化反应或在氧化剂电极处的氧化剂的还原反应具有催化性质即可。可以使用通常用在聚合物电解质燃料电池中的催化成分。例如，可以使用铂或铂合金和诸如钌、铁、镍、锰、钴或铜的金属。
用作催化剂载体的传导颗粒可以是如同碳纤维或诸如碳黑的碳颗粒的导电的碳材料，或者诸如金属颗粒或金属纤维的金属材料。传导材料也用于给催化剂层提供传导性。
催化剂墨水通过将催化剂和诸如上述的那些的聚合物电解质溶解或分散在溶剂中而获得。聚合物电解质是一种用在燃料电池中的聚合物电解质。具体的示例包括：氟聚合物电解质；和诸如用在上述的固体聚合物电解质膜中的那些的碳氢化合物聚合物电解质。可以适当地选择催化剂墨水的溶剂。例如，可以使用诸如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲亚砜(DMSO)，或者诸如甲醇、乙醇或丙醇的醇的有机溶剂，或者这些有机溶剂的混合物，或者这些有机溶剂和水的混合物。催化剂墨水必要时还可以包括除催化剂和电解质以外的其它成分，例如粘合剂或水脱落树脂。
可以适当地选择用于施加和干燥催化剂墨水的方法。例如，施加方法的示例包括：喷雾、丝网印刷、刮刀方法、凹版印刷以及口模式涂布等。而且，干燥方法的示例包括：减压干燥、加热干燥以及在减小的压力下加热干燥。用于减压干燥和加热干燥的特定条件不受限制并且可以适当地设定。所施加的催化剂墨水的量依据用于电极催化剂的催化剂金属的催化剂性能和催化剂墨水的成分而不同，但是每单位面积的催化成分的量约为0.01mg/cm2至2.0mg/cm2是足够的。而且，催化剂层的厚度尤其不受限制，而约为1μm至50μm是足够的。
催化剂层的形成方法不受特定限制。例如，催化剂层可以通过将催化剂墨水施加到气体扩散层片材的表面上并使其干燥而形成在气体扩散层片材的表面上。或者，催化剂层可以通过将催化剂墨水施加到电解质膜的表面上并使其干燥而形成在电解质膜的表面上。或者，催化剂层可以通过如下步骤而形成在电解质膜或气体扩散片材的表面上：首先通过将催化剂墨水施加到转移衬底的表面上并使其干燥，然后通过热压缩结合或类似的方法将该转移片材与电解质膜或气体扩散片材结合，并且然后剥离转移片材的衬底膜。
形成气体扩散层的气体扩散层片材具有使气体能够有效地供给到催化剂层的气体扩散性和传导性，并且具有要求的形成气体扩散层的材料强度。例如，气体扩散层片材可以由传导多孔体形成，所述传导多孔体例如为：碳多孔体，例如为碳纸、交叉形状碳纤维(carboncross)、或碳毡；或金属多孔体或金属网格，其由诸如钛、铝、铜、镍、镍铬合金、铜合金、银、铝合金、锌合金、铅合金、铌、钽、铁、不锈钢、金、或铂的金属形成。传导多孔体的厚度优选地约为50μm至500μm。
气体扩散层可以由如上所述的单层的传导多孔体形成，但是水脱落层也可以设置在面对催化剂层的侧上。水脱落层通常具有多孔结构，并且包括诸如聚四氟乙烯(PTFE)的水脱落树脂和类似物以及诸如碳颗粒和碳纤维的传导颗粒。水脱落层不总是必需的，但是水脱落层的有利之处在于，当水脱落层充分地保持催化剂层和电解质膜中的水量时，水脱落层除了提高气体扩散层的疏水性之外，还可以提高催化剂层与气体扩散层之间的电接触。
制造的膜电极组件继而通过隔离物夹持以形成单电池。隔离物具有传导性质和气体密封的性质，并且能够起收集器和气体密封件的功能。例如，可以使用：碳隔离物，其具有高碳纤维含量且由具有树脂的合成物形成；或者金属隔离物，其使用金属材料。金属隔离物的示例包括：由高度耐腐蚀的金属材料制成的金属隔离物；和其表面已经用碳或高度耐腐蚀的金属材料或类似物涂覆以增大耐腐蚀性的金属隔离物。在隔离物中形成有用于供给燃料气体和氧化剂气体的流动路径。
用在典型的燃料电池的阳电极中的气体，更具体地为，氢气，可以用作本发明的燃料电池系统或燃料电池的操作方法中的燃料气体。用在典型的燃料电池的阴电极中的气体，更具体地为，氧气，可以用作本发明的燃料电池系统或燃料电池的操作方法中的氧化剂气体。
图1是示出上述的单电池的示例的框架形式的剖视图，所述框架形式已经沿着堆叠方向切开。如附图中所示，本发明的燃料电池系统中的燃料电池的单电池100具有膜电极组件8，在所述膜电极组件8中聚合物电解质膜1夹在阴电极6与阳电极7之间。单电池100还具有一对间隔物9和10，所述一对间隔物9和10从电极的外部夹持膜电极组件8。在阴电极6侧上在间隔物与电极的边界处确保有氧化剂气体流动路径11，并且在阳电极7侧上在间隔物与电极的边界处确保有燃料气体流动路径12。阴电极由堆叠在一起的阴极催化剂层2和气体扩散层4形成。阳电极7由堆叠在一起的阳极催化剂层3和气体扩散层5形成。另外，氧化剂气体流动路径11和燃料气体流动路径12布置成使得燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动。这里，在图1中的流动路径11和12中中心具有点的圆的符号表示，气体沿着与其上绘制有附图的纸垂直的方向流动，并且朝向看向附图的人的方向。中心具有X的圆的符号表示，气体沿着与其上绘制有附图的纸垂直的方向流动，并且远离看向附图的人的方向。另外，虽然没有具体地示出，但是在氧化剂气体流动路径11的入口附近的区域是在电解质膜1的与在燃料气体流动路径12的出口附近的区域相对的一侧上，并且在氧化剂气体流动路径11的出口附近的区域是在电解质膜1的与在燃料气体流动路径12的入口附近的区域相对的一侧上。附带提及，在图1中，气体流动路径都绘制为S形状的流动路径，但是气体流动路径不是任何特定的形状。即，它们可以是任何形状，只要燃料气体和氧化剂气体沿着相反的方向流动即可。
用于判定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量的方法的示例可以是，测量整个燃料电池的电阻值，并且当该电阻值等于或大于在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电阻的最小值时，判定单电池或堆的内侧是干的。对于用于判定水量的位置在氧化剂气体流动路径入口附近的理由是，因为是在安装在车辆中的燃料电池中，例如，典型地，空气用作氧化剂气体，并且氢气用作燃料气体，并且在给定的化学计量比下的气体流量是空气多于氢气，使得能够假定单电池或堆将首先在氧化剂气体流动路径入口处开始变干。对于用于判定水量的位置在氧化剂气体流动路径出口附近的理由是，因为认为在操作燃料气体控制装置(例如，后面将说明的燃料气体控制装置)之后，在氧化剂气体流动路径出口附近的水量会临时不足。
判定装置可以构造成测量整个燃料电池的电阻值，并且当电阻值超过在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电阻的最小值的105％时，判定ⅰ)在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足，和/或ⅱ)在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否不足(这种判定装置以下将称为判定装置A)。这是因为，通过测量整个燃料电池的电阻值的简单的方法，可以准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足。附带提及，更加优选地，当整个燃料电池的电阻值超过在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电阻的最小值的110％时，判定水量不足，并且甚至更加优选地，当整个燃料电池的电阻值超过在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电阻的最小值的120％时，判定水量不足。
而且，用于判定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量的方法的一个示例是，测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当压降等于或小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降时，判定单电池或堆的内侧是干的。
判定装置可以构造成测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当压降小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的105％时，判定ⅰ)在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足，和/或ⅱ)在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否不足(这种判定装置以下将称为判定装置C)。这是因为，通过测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降的简单的方法，可以准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足。附带提及，更加优选地，当流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的100％时，判定水量不足，并且甚至更加优选地，当流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的95％时，判定水量不足。
而且，用于测量在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量的方法的一个示例是，测量整个燃料电池的电压，并且当电压等于或小于在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电压的最大值时，判定在单电池中或在堆中有过多的水。
判定装置可以构造成测量整个燃料电池的电压，并且当电压小于在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电压的最大值的95％时，判定ⅰ)在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否过多，和/或ⅱ)在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否过多(这种判定装置以下将称为判定装置B)。这是因为，通过测量整个燃料电池的电压的简单的方法，可以准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量过多。附带提及，更加优选地，当整个燃料电池的电压小于在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电压的最小值的90％时，判定水量过多，并且甚至更加优选地，当整个燃料电池的电压小于在多个温度中的每个温度下的单电池或堆中的至少一个的预先测量的电压的最小值的85％时，判定水量过多。
而且，用于测量在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量的方法的一个示例是测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当压降等于或大于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降时，判定在单电池中或在堆中有过多的水。
判定装置可以构造成测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当压降超过流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的105％时，判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否过多和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否过多(这种判定装置以下将称为判定装置D)。这是因为，通过测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降的简单的方法，可以准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量过多。附带提及，更加优选地，当流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降超过流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的110％时，判定水量过多，并且甚至更加优选地，当流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降超过流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的120％时，判定水量过多。
如果通过上述的判定装置或另一种方法判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则本发明的燃料电池系统或燃料电池的操作方法通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在氧化剂气体流动路径入口附近的水量和减少在氧化剂气体流动路径出口附近的水量。而且，如果通过上述的判定装置或另一种方法判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则本发明的燃料电池系统或燃料电池的操作方法通过减小氧化剂气体流量和/或增大氧化剂气体压力来减少由氧化剂气体从电池带出的水量和增加可以从氧化剂气体流动路径出口侧输送到燃料气体流动路径入口侧的水量。
附带提及，在流过气体流动路径的气体中的水蒸气的量、未加湿的气体流量、水蒸气的分压以及包括水蒸气的气体的总压力之间建立起诸如以下的表达式(3)所示的关系，该关系为燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径所共用。
Q H 2 O = Q d r y × P H 2 O P t o t a l - P H 2 O - - - ( 3 )
(其中，QH2O表示气体中的水蒸气的量，Qdry表示未加湿的气体的流量，PH2O表示水蒸气的分压，并且Ptotal表示包括水蒸气的气体的总压力。)
从表达式(3)可知，QH2O与Qdry成比例，所以明显的是，待供给的未加湿的气体的流量Qdry需要保持在某一流量处或保持在某一流量以上，以便使气体中的水蒸气的量QH2O保持在某一个量处或保持在某一个量以上。然而，如通过随着供给的燃料气体的量的变化的发电性能和在阴极出口处的露点湿度所指示的那样(后面将说明)，如果燃料气体的流量增大得太多，则聚合物电解质膜将在氧化剂气体流动路径入口附近变干，这将导致发电效率降低。即，实际上为了维持较好的发电效率，未加湿的气体的流量Qdry必须增大到适当的范围内。而且从表达式(3)可知，明显的是，在包括水蒸气的气体的总压力Ptotal与水蒸气的分压PH2O之间的差(即，Ptotal－PH2O)，即，待供给的未加湿的气体的分压，与气体中的水蒸气的量QH2O成反比。因此，随着未加湿的气体的分压被抑制，QH2O可以增大。然而，如果未加湿的气体的分压被抑制得太多，则将从氧化剂气体流动路径入口附近带走太多的水，导致在氧化剂气体流动路径入口附近的聚合物电解质膜变得太干。因此，实际上为了维持较好的发电效率，未加湿的气体的分压(即，Ptotal－PH2O)必须减小到适当的范围内。因此，为了获得本发明的效果，对于未加湿的气体的流量Qdry有上限值，并且对于未加湿的气体的分压(即，Ptotal－PH2O)有下限值。结果，实际上仅通过执行“持续增大Qdry”或“持续减小分压(Ptotal－PH2O)”的简单操作，QH2O不能维持在某一个量处或某一个量以上。然而，通过将这两个值调节到某些范围内，可以维持较好的发电效率。
关于水蒸气的量的操作也可以应用于氧化剂气体控制。从表达式(3)可知，QH2O与Qdry成比例，所以明显的是，待供给的未加湿的气体的流量Qdry需要保持在某一流量处或保持在某一流量以下，以便使气体中的水蒸气的量QH2O保持在某一个量处或保持在某一个量以下。然而，如果氧化剂气体的流量减少得太多，则由氧化剂气体从燃料电池带出的水将减少。结果，在氧化剂气体流动路径出口附近将发生所谓的水淹，这将导致发电效率降低。即，实际上为了维持较好的发电效率，未加湿的气体的流量Qdry必须减小到适当的范围内。而且，从表达式(3)可知，明显的是，在包括水蒸气的气体的总压力Ptotal与水蒸气的分压PH2O之间的差异(即，Ptotal－PH2O)，即，待供给的未加湿的气体的分压，与气体中的水蒸气的量QH2O成反比。因此，随着未加湿的气体的分压增大，QH2O可以被抑制。然而，如果未加湿的气体的分压被抑制得太多，则将从氧化剂气体流动路径入口附近带走不足够的水，也导致在氧化剂气体流动路径出口附近发生水淹。因此，实际上为了维持较好的发电效率，未加湿的气体的分压(即，Ptotal－PH2O)必须被增大到适当的范围内。因此，为了获得本发明的效果，对于未加湿的气体的流量Qdry有下限值，并且对于未加湿的气体的分压(即，Ptotal－PH2O)有上限值。结果，实际上仅通过执行“持续减小Qdry”或“持续增大分压(Ptotal－PH2O)”的简单操作，不能维持较好的发电效率。然而，通过将这两个值调节到在某些范围内，可以维持较好的发电效率。
图2是示出在本发明的燃料电池系统的单电池中的水循环的框架形式的剖视图。为了说明，在没有区分气体扩散层和催化剂层的情况下示出了阴电极和阳电极。附带提及，中心具有点的圆的符号和中心具有X的圆的符号表示流过流动路径的气体的流动方向，正如图1中所示。而且，氧化剂气体从氧化剂气体流动路径入口11a引出并且流向氧化剂气体流动路径出口11b，而燃料气体从燃料气体流动路径入口12a引出并且流向燃料气体流动路径出口12b。现在，在氧化剂气体流动路径出口11b附近的区域由于由在以上表达式(2)中所示的反应所产生的水而变湿。该水通过聚合物电解质膜1被带到燃料气体流动路径入口12a附近，如箭头21所示。此时，更多的被带到燃料气体流动路径入口12a附近的水可以通过调节如上所述的未加湿的燃料气体的流量Qdry和/或未加湿的燃料气体的分压(Ptotal－PH2O)而被带到燃料气体流动路径出口12b附近。该水通过聚合物电解质膜1被带到氧化剂气体流动路径入口11a附近，如箭头22所示，由此能够调节在氧化剂气体流动路径入口11a附近的趋向于变干的水量和在氧化剂气体流动路径出口11b附近的趋向于变湿的水量。结果，可以实现一种在没有湿气的同时水没有不均匀地分布在表面上的单电池。
此外，当在氧化剂气体流动路径出口11b附近的水量变干时，能够减少由氧化剂气体从燃料电池带出的水量，从而通过调节如上所述的未加湿的氧化剂气体的流量Qdry和/或未加湿的氧化剂气体的分压(Ptotal－PH2O)而使水可以聚集在氧化剂气体流动路径出口11b附近。
为了维持较好的发电效率，燃料气体的化学计量比优选地增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内。这是因为，如果化学计量比超过10，则聚合物电解质膜在燃料气体流动路径入口处变干，这导致发电效率降低，并且如果化学计量比小于1.0，则不能供给在特定的输出下操作所必需的最小的气体量，而且，在燃料气体中不能保持足够的水量，因此限制了能够通过电解质膜被带到氧化剂气体流动路径的水量。尤其，在本发明的燃料电池系统的情况下，燃料气体流量优选地通过调节燃料气体供给装置(这种控制装置以下将称为“燃料气体流量控制装置”)而增大。这是因为燃料气体流量可以通过调节燃料气体供给装置的简单操作而增大。在该情况下的燃料气体供给装置的示例包括燃料气体罐和燃料气体泵。附带提及，化学计量比更优选地增大到大于等于1.0且小于等于5.0的范围内，并且最优选地增大到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内。
为了维持较好的发电效率，燃料气体压力优选地减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。这是因为，如果压力超过0.3MPa，则在燃料气体中不能保持足够的水量，并且结果，限制了可以通过电解质膜被带到氧化剂气体流动路径的水量。而且，如果压力小于大气压力，则不能足够地供给发电所必需的燃料。尤其，借助本发明的燃料电池系统，燃料气体压力优选地通过调节设置在燃料气体流动路径出口附近的燃料气体压力调节阀(这种控制装置以下将称为“燃料气体压力控制装置”)而减小。这是因为燃料气体压力可以通过调节燃料气体压力调节阀的简单操作而减小。燃料气体压力更优选地减小到大于等于大气压力且小于等于0.2MPa的范围内，并且最优选地减小到大于等于大气压力且小于等于0.1MPa的范围内。
附带提及，也可以通过调节如上所述的燃料气体供给装置调节燃料气体压力。然而，仅使用燃料气体供给装置难以同时增大燃料气体流量和减小燃料气体压力。因此，与在燃料气体流动路径出口附近的燃料气体压力调节阀结合地调节在燃料气体流动路径入口处的燃料气体供给装置，从而可以增大燃料气体流量并且可以减小燃料气体压力。
为了维持较好的发电效率，氧化剂气体的化学计量比优选地减小到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内。这是因为，如果化学计量比超过3.0，则在氧化剂气体流动路径中不能保持足够的水量，并且结果，限制了可以通过电解质膜被带到燃料气体流动路径的水量，并且如果化学计量比小于1.0，则不能供给在特定的输出下操作所必需的最小的气体量，而且，不能避免在氧化剂气体流动路径中的水淹。尤其，借助本发明的燃料电池系统，氧化剂气体流量优选地通过调节氧化剂气体供给装置(这种控制装置以下将称为“氧化剂气体流量控制装置”)而减小。这是因为氧化剂气体流量可以通过调节氧化剂气体供给装置的简单操作而减小。在该情况下的氧化剂气体供给装置的示例包括氧化剂气体罐和氧化剂气体泵。附带提及，化学计量比更优选地减小到大于等于1.0且小于等于2.5的范围内，并且最优选地减小到大于等于1.2且小于等于2.0的范围内。
为了维持较好的发电效率，氧化剂气体压力优选地增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。这是因为，如果压力超过0.3MPa，则不能避免在氧化剂气体流动路径中的水淹。而且，如果压力小于大气压力，则在氧化剂气体流动路径中不能保持足够的水量，并且结果，限制了可以通过电解质膜被带到燃料气体流动路径的水量。尤其，借助本发明的燃料电池系统，氧化剂气体压力优选地通过调节设置在氧化剂气体流动路径出口附近的氧化剂气体压力调节阀(这种控制装置以下将称为“氧化剂气体压力控制装置”)而增大。这是因为氧化剂气体压力可以通过调节氧化剂气体压力调节阀的简单操作而增大。氧化剂气体压力更优选地增大到大于等于0.12MPa且小于等于0.25MPa的范围内，并且最优选地增大到大于等于0.14MPa且小于等于0.2MPa的范围内。
附带提及，也可以通过调节如上所述的氧化剂气体供给装置调节氧化剂气体压力。然而，仅使用氧化剂气体供给装置难以同时减小氧化剂气体流量和增大氧化剂气体压力。因此，与在氧化剂气体流动路径出口附近的氧化剂气体压力调节阀的调节结合地调节在氧化剂气体流动路径入口处的氧化剂气体供给装置，从而可以减小氧化剂气体流量并且可以增大氧化剂气体压力。
图3是示出优选的燃料电池系统的典型示例的框架形式的视图，该燃料电池系统用于执行本发明的燃料电池的操作方法。附带提及，此处说明的燃料电池使用氢气作为燃料气体，并且使用空气作为氧化剂气体。如附图中所示，燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得氢气(即，燃料气体)和空气(即，氧化剂气体)沿着相反的方向流动。而且，通过氢气罐31和氢气泵33调节燃料气体流量(即，燃料气体流量控制)，所述氢气泵33是一种类型的燃料气体供给装置。附带提及，附图中的氢气泵33设计成重复使用在燃料电池堆200中还没有被消耗的氢气。另外，通过氢气压力调节阀34调节氢气压力(即，燃料气体压力控制)。更具体地，这种类型的系统的结构能够使燃料气体流量增大并且能够使燃料气体压力减小。此外，通过空气压缩机(ACP)44调节氧化剂气体流量，所述空气压缩机(ACP)是一种类型的氧化剂气体供给装置。而且，通过空气压力调节阀43调节空气压力。更具体地，这种类型的系统的结构能够使氧化剂气体流量减小并且能够使氧化剂气体压力增大。
而且，如图3中所示，在燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径中设置有气体流量测量装置(即，在氢气侧上具有氢气罐31且在空气侧上具有流量计45的调节器32)和气体压力测量装置(即，氢气侧压力计35和空气侧压力表42)。
此外，虽然图3中没有示出，但是在氧化剂气体流动路径和燃料气体流动路径中设置有堆压降测量装置。更具体地，堆压降测量装置是设置在氧化剂气体流动路径和燃料气体流动路径二者的入口处和出口处的压力传感器。压降如下计算：ΔP(压降)＝P(入口压力)－P(出口压力)。
而且，如图3中所示，在具有散热器36的冷却系统中设置有冷却剂温度测量装置38，以便通过提前推定出冷却剂温度而确定燃料电池的状态，更具体地，燃料电池是干的还是湿的。附带提及，优选地将在大于等于70℃且小于等于120℃的范围内的给定温度指定为预设值，并且把超过该设定值的值认作为燃料电池中的异常(例如，不均匀的水分布)的指示。
此外，如图3中所示，包括电压表40和电流表39的电气系统还包括功率控制单元(PCU)41，以用于控制负荷以及用于控制在多个温度中的每个温度下的单电池100和/或堆200的预先测量的电压和电阻。
而且，如图3中所示，虽然燃料气体流动路径也可以是诸如其中持续地排放少量的燃料气体的终端系统的非调节系统，但是燃料气体流动路径假定具有由氢气泵33和氢气压力调节阀34所产生的调节功能。
图4是示出优选的燃料电池系统的典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S1)。在操作期间，采用一种判定水量的方式，即，测量整个燃料电池的电阻值(S2)。这里，接下来将执行的步骤依据电阻值R是否大于在多个温度中的每个温度下的单电池和/或堆的预先测量的电阻的最小值的105％的值(以下称为设定值R1)而不同(即，判定装置A)。如果电阻值R等于或小于R1，则继续进行在高负荷下的持续操作(S1)。另一方面，如果电阻值R大于设定值R1，则判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，并且燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S3)。附带提及，虽然这两个控制装置还可以同时地操作(S3)，但是通常当在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时燃料气体控制装置操作，并且当在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足时氧化剂气体控制装置操作。燃料气体控制装置和氧化剂气体控制装置还可以调节化学计量比和/或调节压力，但是最优选地它们同时调节化学计量比和调节压力。在燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S3)之后，测量整个燃料电池的电阻值(S4)。如果电阻值R大于设定值R1，则燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置再次操作(S3)。另一方面，如果电阻值R等于或小于设定值R1，则继续进行在高负荷下的持续操作(S5)。
图5是示出优选的燃料电池系统的第二典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S11)。在操作期间，采用一种判定水量的方式，即，每10秒至10分钟测量整个燃料电池的电压(S12)。这里，接下来将执行的步骤依据电压E是否小于在多个温度中的每个温度下的单电池和/或堆的预先测量的电压的最大值的95％的值(以下称为设定值E1)而不同(即，判定装置B)。如果电压E等于或大于E1，则继续进行在高负荷下的持续操作(S11)。另一方面，如果电压E小于设定值E1，则判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，并且燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S13)。附带提及，虽然这两个控制装置还可以同时地操作(S13)，但是通常当在氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多时氧化剂气体控制装置操作，并且当在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多时燃料气体控制装置操作。燃料气体控制装置和氧化剂气体控制装置还可以调节化学计量比和/或调节压力，但是最优选地它们同时调节化学计量比和调节压力。在燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S13)之后，测量整个燃料电池的电压(S14)。如果电压E小于设定值E1，则燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置再次操作(S13)。另一方面，如果电压E等于或大于设定值E1，则继续进行在高负荷下的持续操作(S15)。
图6是示出优选的燃料电池系统的第三典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S21)。在操作期间，采用一种判定水量的方式，即，每10秒至10分钟测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降(S22)。这里，接下来将执行的步骤依据压降ΔP是否小于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的105％的值(以下称为设定值ΔP1)而不同(即，判定装置C)。如果压降ΔP等于或大于ΔP1，则继续进行在高负荷下的持续操作(S21)。另一方面，如果压降ΔP小于设定值ΔP1，则判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，并且燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S23)。附带提及，虽然这两个控制装置还可以同时地操作(S23)，但是通常当在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时燃料气体控制装置操作，并且当在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足时氧化剂气体控制装置操作。燃料气体控制装置和氧化剂气体控制装置还可以调节化学计量比和/或调节压力，但是最优选地它们同时调节化学计量比和调节压力。在燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S23)之后，测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降(S24)。如果压降ΔP小于设定值ΔP1，则燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置再次操作(S23)。另一方面，如果压降ΔP等于或大于设定值ΔP1，则继续进行在高负荷下的持续操作(S25)。
图7是示出优选的燃料电池系统的第四典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S31)。在操作期间，采用一种判定水量的方式，即，每10秒至10分钟测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降(S32)。这里，接下来将执行的步骤依据压降ΔP是否大于流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的105％的值(以下称为设定值ΔP2；附带提及，ΔP2和上述的ΔP1无关)而不同(即，判定装置D)。如果压降ΔP等于或小于ΔP2，则继续进行在高负荷下的持续操作(S31)。另一方面，如果压降ΔP大于设定值ΔP2，则判定在氧化剂气体流动路径入口附近和/或在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，并且燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S33)。附带提及，虽然这两个控制装置还可以同时地操作(S33)，但是通常当在氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多时氧化剂气体控制装置操作，并且当在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多时燃料气体控制装置操作。燃料气体控制装置和氧化剂气体控制装置还可以调节化学计量比和/或调节压力，但是最优选地它们同时调节化学计量比和调节压力。在燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置操作(S33)之后，测量流过氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降(S34)。如果压降ΔP大于设定值ΔP2，则燃料气体控制装置和/或氧化剂气体控制装置再次操作(S33)。另一方面，如果压降ΔP等于或小于设定值ΔP2，则继续进行在高负荷下的持续操作(S35)。
本发明的燃料电池系统的一种模式包括：ⅰ)燃料气体控制装置；ⅱ)氧化剂气体控制装置；ⅲ)判定装置A和/或判定装置C；ⅳ)判定装置B和/或判定装置D；ⅴ)水输送促进控制起动装置A；ⅵ)水输送促进控制停止装置A；ⅶ)水输送抑制控制起动装置A；ⅷ)水输送抑制控制停止装置A；和ⅸ)不足水量最终判定装置A。在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足之后，水输送促进控制起动装置A操作燃料气体控制装置一次或多次。在水输送促进控制起动装置A操作燃料气体控制装置之后，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，水输送促进控制停止装置A停止燃料气体控制装置。在水输送促进控制停止装置A停止燃料气体控制装置之后，水输送抑制控制起动装置A操作氧化剂气体控制装置一次或多次。在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，水输送抑制控制停止装置A停止氧化剂气体控制装置的所有元件。在水输送抑制控制停止装置A停止氧化剂气体控制装置的所有元件之后，如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则不足水量最终判定装置A使水输送促进控制起动装置A再次操作燃料气体控制装置，并且如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则不足水量最终判定装置A继续操作燃料电池。
图8是示出优选的燃料电池系统的第五典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S41)。在操作期间，通过上述的冷却剂温度测量装置每10秒至10分钟测量冷却剂温度T(S42)。此时，如果测量的冷却剂温度T等于或小于设定值T1，则操作继续(S41)。另一方面，如果冷却剂温度T大于设定值T1，则判定装置A操作(即，测量电阻)(S43)。此时，如果电阻值R等于或小于设定值R1，则判定在氧化剂气体流动路径入口附近保持有适当的水量，因此在高负荷下的操作继续(S41)。附带提及，操作程序直到目前为止本质上都与图4中所示的典型示例的第一部分相同。该示例与图4中所示的典型示例之间的不同之处在于，如果电阻值R大于设定值R1，则在氧化剂气体流动路径入口附近的水量如下所述地增大。
如果电阻值R大于设定值R1，则判定装置A(S43)判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，并且燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置(通过水输送促进控制起动装置A(S44))操作。该起动装置A(S44)操作燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置C(即，压降测量)(S45)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足为止，此时基于所述判定(通过水输送促进控制停止装置A)停止操作。接下来，氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置(通过水输送抑制控制起动装置A(S46))操作。该起动装置A(S46)操作氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置D(即，压降测量)(S47)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多为止，此时基于所述判定(通过水输送抑制控制停止装置A)停止操作。最后，通过判定装置A(即，电阻测量)判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足。如果水量不足，则水输送促进控制起动装置A(S44)再次操作燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置。另一方面，如果水量不是不足，则燃料电池的操作继续进行(S49)。
借助具有这种结构的燃料电池系统，当判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时，在使用水输送促进控制起动装置A促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近之后，通过使用水输送抑制控制起动装置A增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，借助本发明的燃料电池系统，能够基于来自不足水量最终判定装置A的结果，通过再次重复一系列步骤，防止整个氧化剂气体流动路径中的水不均匀地分布。
从相同的观点来看，可以如下构造本发明的燃料电池的操作方法的模式。即，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止燃料气体控制。接下来，一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止氧化剂气体控制。如果此后判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则再次开始燃料气体控制。另一方面，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则继续燃料电池的操作。
本发明的燃料电池系统的另一种模式包括：ⅰ)燃料气体控制装置；ⅱ)氧化剂气体控制装置；ⅲ)判定装置A和/或判定装置C；ⅳ)判定装置B和/或判定装置D；ⅴ)水输送抑制控制起动装置B；ⅵ)水输送抑制控制停止装置B；ⅶ)水输送促进控制起动装置B；ⅷ)水输送促进控制停止装置B；和ⅸ)不足水量最终判定装置B。在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足之后，水输送抑制控制起动装置B操作氧化剂气体控制装置一次或多次。在水输送抑制控制起动装置B操作氧化剂气体控制装置之后，在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，水输送抑制控制停止装置B停止氧化剂气体控制装置。在水输送抑制控制停止装置B停止氧化剂气体控制装置之后，水输送促进控制起动装置B操作燃料气体控制装置一次或多次。在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，水输送促进控制停止装置B停止燃料气体控制装置的所有元件。在水输送促进控制停止装置B停止燃料气体控制装置的所有元件之后，如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则不足水量最终判定装置B使水输送抑制控制起动装置B再次操作氧化剂气体控制装置，并且如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则不足水量最终判定装置B继续操作燃料电池。
图9是示出优选的燃料电池系统的第六典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S51)。从该状态开始直到测量冷却剂温度T并且判定装置A操作为止，与上述的第五典型示例(图8)相同。
如果电阻值R大于设定值R1，则判定装置A(S53)判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，并且氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置(通过水输送抑制控制起动装置B)操作(S54)。该起动装置B操作氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置D(即，压降测量)(S55)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多为止，此时基于所述判定(通过水输送抑制控制停止装置B)停止操作。接下来，燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置(通过水输送促进控制起动装置B)(S56)操作。该起动装置B(S56)操作燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置C(即，压降测量)(S57)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足为止，此时基于所述判定(通过水输送促进控制停止装置B)停止操作。最后，通过判定装置A(即，电阻测量)判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足。如果水量不足，则水输送抑制控制起动装置B(S54)再次操作氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置。另一方面，如果水量不是不足，则燃料电池的操作继续进行(S59)。
借助具有这种结构的燃料电池系统，当判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足时，通过使用水输送抑制控制起动装置B而抑制水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且在氧化剂气体流动路径出口附近已经聚集有足够量的水之后，使用水输送促进控制起动装置B而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，借助本发明的燃料电池系统，能够基于来自不足水量最终判定装置B的结果，通过再次重复一系列步骤，防止整个氧化剂气体流动路径中的水不均匀地分布。
从相同的观点来看，可以如下构造本发明的燃料电池的操作方法的模式。即，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止氧化剂气体控制。接下来，一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止燃料气体控制。如果此后判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则再次开始氧化剂气体控制。另一方面，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则继续燃料电池的操作。
本发明的燃料电池系统的又一种模式包括：ⅰ)燃料气体控制装置；ⅱ)氧化剂气体控制装置；ⅲ)判定装置A和/或判定装置C；ⅳ)判定装置B和/或判定装置D；ⅴ)稍过多的水输送促进控制起动装置；ⅵ)稍过多的水输送促进控制停止装置；ⅶ)水输送抑制控制起动装置C；ⅷ)水输送抑制控制停止装置C；ⅸ)水输送促进控制起动装置C；和ⅹ)水输送促进控制停止装置C。稍过多的水输送促进控制起动装置操作燃料气体控制装置一次或多次。在稍过多的水输送促进控制起动装置操作燃料气体控制装置之后，在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，稍过多的水输送促进控制停止装置停止燃料气体控制装置。在稍过多的水输送促进控制停止装置停止燃料气体控制装置之后，水输送抑制控制起动装置C操作氧化剂气体控制装置。在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，水输送抑制控制停止装置C停止氧化剂气体控制装置的所有元件。在水输送抑制控制停止装置C停止氧化剂气体控制装置的所有元件之后，水输送促进控制起动装置C操作燃料气体控制装置。在水输送促进控制起动装置C操作燃料气体控制装置之后，如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则水输送促进控制停止装置C使水输送抑制控制起动装置C再次操作氧化剂气体控制装置，并且如果通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是不足，则水输送促进控制停止装置C停止燃料气体控制装置并且继续操作燃料电池。
图10是示出优选的燃料电池系统的第七典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S61)。在操作期间，通过上述的冷却剂温度测量装置每10秒至10分钟测量冷却剂温度T(S62)。此时，如果测量的冷却剂温度T等于或小于设定值T1，则操作继续进行(S61)。另一方面，如果冷却剂温度T大于设定值T1，则燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置(通过稍过多的水输送促进控制起动装置)(S63)操作。该起动装置(S63)操作燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置A(即，电阻测量)(S64)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足为止，此时基于所述判定(通过稍过多的水输送促进控制停止装置)停止操作。即，在燃料电池中的某种异常已经通过冷却剂温度测量装置(S62)较早地确定之后，在没有判定氧化剂气体流动路径中的异常的位置的情况下，操作步骤直到目前为止，临时地通过促进仅稍过多的水量从氧化剂气体流动路径出口附近通过燃料气体流动路径输送到氧化剂气体流动路径入口附近，而使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
在稍过多的水输送促进控制停止装置停止燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置之后，氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置(通过水输送抑制控制起动装置C)(S65)操作。该起动装置C操作氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置B(即，电压测量)(S66)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多为止，此时基于所述判定(通过水输送抑制控制停止装置C)停止操作。接下来，燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置(通过水输送促进控制起动装置C)(S67)操作。最后，通过判定装置A(即，电阻测量)(S68)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否不足。如果水量不足，则水输送抑制控制起动装置C(S65)再次操作氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置。另一方面，如果水量不是不足，则燃料电池的操作继续进行(S69)。
借助具有这种结构的燃料电池系统，通过首先使用稍过多的水输送促进控制起动装置使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量适当地不足，然后使用水输送抑制控制起动装置C而抑制水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且在氧化剂气体流动路径出口附近已经聚集有足够量的水之后，使用水输送促进控制起动装置C促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送至氧化剂气体流动路径入口附近，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，当本发明的燃料电池系统包括具有一旦已经变湿就不能维持其原始性能的催化剂层(例如，这种催化剂层：其中催化剂层中的微小的小孔通过有意地氧化催化剂而被阻塞)的燃料电池时，本发明的燃料电池系统是尤其有效的，这是因为该燃料电池系统不会让催化剂层变湿。
从相同的观点来看，可以如下构造本发明的燃料电池的操作方法的另一种模式。即，一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止燃料气体控制。然后，一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止氧化剂气体控制。然后，将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。如果此后判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则再次开始氧化剂气体控制。另一方面，如果判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是不足，则停止燃料气体控制并且继续操作燃料电池。
本发明的燃料电池系统的再一种模式包括：ⅰ)燃料气体控制装置；ⅱ)氧化剂气体控制装置；ⅲ)判定装置A和/或判定装置C；ⅳ)判定装置B和/或判定装置D；ⅴ)稍过多的水输送抑制控制起动装置；ⅵ)稍过多的水输送抑制控制停止装置；ⅶ)水输送促进控制起动装置D；ⅷ)水输送促进控制停止装置D；ⅸ)水输送抑制控制起动装置D；和ⅹ)水输送抑制控制停止装置D。稍过多的水输送抑制控制起动装置操作氧化剂气体控制装置一次或多次。在稍过多的水输送抑制控制起动装置操作氧化剂气体控制装置之后，在通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，稍过多的水输送抑制控制停止装置停止氧化剂气体控制装置。在稍过多的水输送抑制控制停止装置停止氧化剂气体控制装置之后，水输送促进控制起动装置D操作燃料气体控制装置。在通过判定装置A和/或C判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，水输送促进控制停止装置D停止燃料气体控制装置的所有元件。在水输送促进控制停止装置D停止燃料气体控制装置的所有元件之后，水输送抑制控制起动装置D操作氧化剂气体控制装置。在水输送抑制控制起动装置D操作氧化剂气体控制装置之后，如果通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则水输送抑制控制停止装置D使水输送促进控制起动装置D再次操作燃料气体控制装置，并且如果通过判定装置B和/或D判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是过多，则水输送抑制控制停止装置D停止氧化剂气体控制装置并且继续操作燃料电池。
图11是示出优选的燃料电池系统的第八典型示例的程序的流程图，以用于执行本发明的燃料电池的操作方法。现在，将假定其中燃料电池系统是在高负荷下持续地操作的情况(S71)。在操作期间，通过上述的冷却剂温度测量装置每10秒至10分钟测量冷却剂温度T(S72)。此时，如果测量的冷却剂温度T等于或小于设定值T1，则操作继续进行(S71)。另一方面，如果冷却剂温度T大于设定值T1，则氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置(通过稍过多的水输送抑制控制起动装置)(S73)操作。该起动装置(S73)操作氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置B(即，电压测量)(S74)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多为止，此时基于所述判定(通过稍过多的水输送抑制控制停止装置)停止操作。即，在燃料电池中的某种异常已经通过冷却剂温度测量装置(S72)较早地确定之后，在没有判定氧化剂气体流动路径中的异常的位置的情况下，操作步骤直到目前为止，临时地通过抑制仅稍过多的水量从氧化剂气体流动路径出口附近通过燃料气体流动路径输送到氧化剂气体流动路径入口附近，而使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
在稍过多的水输送抑制控制停止装置停止氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置之后，燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置(通过水输送促进控制起动装置D)(S75)操作。该起动装置D操作燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置一次或多次，直到通过判定装置A(即，电阻测量)(S76)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足为止，此时基于所述判定(通过水输送促进控制停止装置D)停止操作。接下来，氧化剂气体流量控制装置和/或氧化剂气体压力控制装置(通过水输送抑制控制起动装置D)(S77)操作。最后，通过判定装置B(即，电压测量)(S78)判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否过多。如果水量过多，则水输送促进控制起动装置D(S75)再次操作燃料气体流量控制装置和/或燃料气体压力控制装置。另一方面，如果水量不是过多，则燃料电池的操作继续进行(S79)。
借助具有这种结构的燃料电池系统，通过首先使用稍过多的水输送抑制控制起动装置使在氧化剂气体流动路径出口附近的水量适当地过多，然后使用水输送促进控制起动装置D而促进水从氧化剂气体流动路径出口附近输送到氧化剂气体流动路径入口附近，并且然后使用水输送抑制控制起动装置D增加在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，可以在氧化剂气体流动路径入口和出口附近维持既不太多也不太少的适当的水量。而且，当本发明的燃料电池系统包括具有一旦已经变干就不能维持其原始性能的电解质膜(例如，过碳氟磺酸盐电解质膜)的燃料电池时，本发明的燃料电池系统是尤其有效的，这是因为该燃料电池系统不会让电解质膜变干。
从相同的观点来看，可以如下构造本发明的燃料电池的操作方法的模式。即，一次或多次将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止氧化剂气体控制。接下来，一次或多次将燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。然后，在判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止燃料气体控制。接下来，将氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。如果此后判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则再次开始燃料气体控制。另一方面，如果判定在氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是过多，则停止氧化剂气体控制并且继续燃料电池的操作。
借助本发明的燃料电池的操作方法以及优选地用于执行该操作方法的燃料电池系统，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述氧化剂气体流动路径入口附近在现有技术中趋向于变干，所述氧化剂气体流动路径出口附近在现有技术中趋向于变湿。结果，能够当在未加湿的条件下和/或高温的条件下时防止水不均匀地分布在单电池的表面上。而且，本发明的燃料电池系统具有判定装置，所以能够准确地确定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足。
借助本发明的燃料电池的优选的操作方法以及优选地用于执行该操作方法的燃料电池系统，在氧化剂气体流动路径出口附近的水已经通过聚合物电解质膜输送到燃料气体流动路径入口附近之后，通过将燃料气体中的较多的水量输送到燃料气体流动路径出口附近，较多的水量可以从燃料气体流动路径出口附近通过聚合物电解质膜而输送到氧化剂气体流动路径入口附近。因此，能够调节在氧化剂气体流动路径入口附近的水量以及在氧化剂气体流动路径出口附近的水量，所述在氧化剂气体流动路径入口附近的水量在现有技术中趋向于变干，所述氧化剂气体流动路径出口附近在现有技术中趋向于变湿。结果，能够当在未加湿的条件下和/或高温的条件下时防止水不均匀地分布在单电池的表面上。而且，根据本发明，通过抑制由氧化剂气体带走的且排放到本发明的燃料电池系统的外部的水量，水可以聚集在氧化剂气体流动路径出口附近。此外，本发明的燃料电池系统具有判定装置，所以能够准确地确定在氧化剂气体流动路径入口和出口附近的水量不足或过多。
接下来，将说明示例。以下将解释随着供给的燃料气体量的变化的发电性能、露点湿度和压降的测量。对于具有上述的膜电极组件的单电池，测量电池电压E(V)、电池电阻R(mΩ×cm2)、阳极出口露点湿度(％)、阴极出口露点湿度(％)、氢气压降(kPa)和空气压降(kPa)相对于用作燃料气体的氢气的化学计量比的变化的变化，在所述单电池中燃料气体流动路径和氧化剂气体流动路径布置成使得燃料气体(即，氢气)和氧化剂气体(即，空气)沿着相反的方向流动。特定的测试条件如下。
电流密度：1.0A/cm2
冷却剂出口温度：80℃
氢气流量：逐渐地增大到1.2至6.0的化学计量比，并且被测量
空气流量：分别在1.3、1.5和1.6的化学计量比处测量
气体压力：对于氢气和空气二者都是200kPa×Abs
气体流动路径入口湿度：在氢气流动路径或空气流动路径中没有湿气。
图12是示出电池电压随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表，并且图13是示出电池电阻随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表。当空气化学计量比是1.3时，图表中的白色小圈指示数据。当空气化学计量比是1.5时，图表中的白色方框指示数据，并且当空气化学计量比是1.6时，图表中的白色三角形指示数据。如图12中所示，在所有的化学计量比处，即，在1.3、1.5和1.6的化学计量比处，当氢气的化学计量比约为2.5时，电池电压具有局部最大值。而且，如图13中所示，在1.5和1.6的空气化学计量比处，当氢气的化学计量比约为2.5时，电池电阻具有局部最小值。
图14是示出在阳极出口处的露点湿度随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表，并且图15是示出在阴极出口处的露点湿度随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表。图表中的白色小圈、白色方框和白色三角形正如图12和13中一样地指示数据。从燃料气体流动路径出口排放的阳极排放水中的一些通过穿过电解质膜而输送到电解质膜的相对侧上的氧化剂气体流动路径入口。因此，通过检查阳极出口露点湿度，能够知道在氧化剂气体流动路径入口处的水量。而且，通过检查阴极出口露点湿度，能够知道在氧化剂气体流动路径出口处的水量。如图14中所示，在1.5和1.6的空气化学计量比处，当氢气的化学计量比约为2.5时，阳极出口露点湿度具有局部最大值。附带提及，当空气化学计量比是1.3(即，白色小圈)时，甚至当氢气化学计量比增大时，在阳极出口露点湿度保持饱和的同时维持较高的湿度。而且，如图15中所示，在每个空气化学计量比处，即，在1.3、1.5和1.6的空气化学计量比处，当氢气的化学计量比约为2.5时，在基本单调地降低的阴极出口露点湿度的图表上有拐点。
图16是示出氢气压降随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表。附带提及，此时空气化学计量比是1.5。从该图表可知，明显的是，氢气压降与氢气的化学计量比成比例地增大。
图17是示出空气压降随着氢气的化学计量比的变化而变化的图表。附带提及，此时空气化学计量比是1.6。从该图表可知，明显的是，在约为2.5的氢气化学计量比处空气压降剧烈地降低，在所述约为2.5的氢气化学计量比处电压和电阻值是最高的，如上所述。
现在将检验供给的燃料气体量在发电性能方面以及水不均匀地分布在单电池的表面上的方面的效果。从上述的发电性能测量可知，明显的是，当氢气的化学计量比在大于等于1.5且小于等于3.0的范围内时，获得最好的发电性能，这是因为当化学计量比约为2.5时获得电池电压的局部最大值，并且也当化学计量比约为2.5时获得电池电阻的局部最小值。而且，从上述的露点湿度测量可知，明显的是，当氢气的化学计量比在大于等于1.0且小于等于4.0的范围内时，获得在从燃料气体流动路径通过电解质膜到氧化剂气体流动路径的水量中的最好的增大效率，这是因为当化学计量比约为2.5时在阳极出口露点湿度的图表上获得局部最大值，并且也当化学计量比约为2.5时在阴极出口露点湿度的图表上有拐点。此外，从上述的压降测量可知，明显的是，在约为2.5的氢气化学计量比处空气压降剧烈地降低，也在所述约为2.5的氢气化学计量比处电压和电阻值是最高的，如上所述。因此，可以相对于供给的燃料气体量在发电性能方面、在气体压降方面以及在水不均匀地分布在单电池的表面上的方面的效果而考虑以下内容。
当氢气的化学计量比小于1.0时，由氢气带走的水量减少，中断了图2中所示的水的循环。结果，水变得不均匀地分布在单电池的表面上，导致发电性能降低。此外，不均匀分布的水导致氧化剂气体流动路径的局部阻塞，增大了空气压降。而且，如果氢气的化学计量比超过4.0，则由氢气带走的水量增加得多于所必需的，使得在燃料气体流动路径入口处的电解质膜变干。结果，从氧化剂气体流动路径出口通过电解质膜到燃料气体流动路径入口的水量减少，导致发电性能降低。此外，水量中的减少导致氧化剂气体流动路径变干，从而使空气压降降低。
因而，在示例性实施例中，通过测量随着供给的燃料气体的量的变化的发电性能、露点湿度和压降，明显的是，当作为一种类型的燃料气体的氢气的化学计量比是在1.0至4.0的范围内时，在氧化剂气体流动路径入口附近的水量可以增加，在没有使电解质膜变干的情况下，使发电性能的下降能够被抑制。

Claims (34)

1.一种设有燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池具有堆，所述堆具有单电池，所述单电池包括膜电极组件，在所述膜电极组件中，聚合物电解质膜夹在一对电极之间，并且所述膜电极组件将燃料气体和氧化剂气体供给到所述燃料电池，并且在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)所述膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下操作，其特征在于，
所述燃料电池在所述膜电极组件的一侧上具有燃料气体流动路径，并且在所述膜电极组件的另一侧上具有氧化剂气体流动路径；并且
所述燃料气体流动路径和所述氧化剂气体流动路径布置成使得所述燃料气体和所述氧化剂气体在所述膜电极组件上相对于彼此沿着相反的方向流动，所述燃料气体流动路径包括燃料气体流动路径入口和燃料气体流动路径出口，并且，所述氧化剂气体流动路径包括氧化剂气体流动路径入口和氧化剂气体流动路径出口；
所述燃料电池系统构成为防止水在电池表面上的不均匀分布，并且包括：
判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量的判定装置；和
燃料气体控制装置，如果通过所述判定装置判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述燃料气体控制装置通过增大燃料气体流量和/或减小燃料气体压力来增加在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述判定装置判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量，并且
如果所述判定装置判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则所述燃料气体控制装置增加所述燃料气体流量和/或减小所述燃料气体压力，以便增加在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述判定装置判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量，并且
所述燃料电池系统包括氧化剂气体控制装置，如果所述判定装置判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则所述氧化剂气体控制装置减小所述氧化剂气体流量和/或增大所述氧化剂气体压力，以便减少由所述氧化剂气体从所述电池带出的水量和增加能够从所述氧化剂气体流动路径出口侧输送到所述燃料气体流动路径入口侧的水量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述判定装置是判定装置A，所述判定装置A测量整个所述燃料电池的电阻值，并且当所述电阻值超过在多个温度中的每个温度下的所述单电池和/或所述堆的预先测量的电阻的最小值的105％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述判定装置是判定装置B，所述判定装置B测量整个所述燃料电池的电阻值和电压，并且当所述电阻值小于所述预先测量的电阻的所述最小值的105％并且所述电压小于在多个温度中的每个温度下的所述单电池和/或所述堆的预先测量的电压的最大值的95％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述判定装置是判定装置C，所述判定装置C测量流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当所述压降小于流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的105％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述判定装置是判定装置D，所述判定装置D测量流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降，并且当所述压降超过流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的105％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料气体流动路径出口附近设置有燃料气体压力调节阀，并且所述燃料气体控制装置是通过调节所述燃料气体压力调节阀而减小所述燃料气体压力的燃料气体压力控制装置。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料气体压力控制装置调节所述燃料气体压力调节阀，以将所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
10.根据权利要4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还设置有氧化剂气体供给装置，并且所述氧化剂气体控制装置是通过调节所述氧化剂气体供给装置而减小所述氧化剂气体流量的氧化剂气体流量控制装置。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氧化剂气体流量控制装置调节所述氧化剂气体供给装置，以将所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：
燃料气体供给装置，其将燃料气体供给到所述燃料电池，
其中，所述燃料气体控制装置是通过调节所述燃料气体供给装置而增大所述燃料气体流量的燃料气体流量控制装置。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料气体流量控制装置调节所述燃料气体供给装置，以将所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：
氧化剂气体压力调节阀，其布置在所述氧化剂气体流动路径出口附近，并且调节所述氧化剂气体的压力，
其中，所述氧化剂气体控制装置是通过调节所述氧化剂气体压力调节阀而增大所述氧化剂气体压力的氧化剂气体压力控制装置。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氧化剂气体压力控制装置调节所述氧化剂气体压力调节阀，以将所述氧化剂气体压力增加到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
16.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
所述燃料气体控制装置；
所述氧化剂气体控制装置；
根据权利要求3所述的判定装置A和/或根据权利要求5所述的判定装置C；
根据权利要求4所述的判定装置B和/或根据权利要求6所述的判定装置D；
水输送促进控制起动装置A，在通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制起动装置A操作所述燃料气体控制装置一次或多次；
水输送促进控制停止装置A，在所述水输送促进控制起动装置A操作所述燃料气体控制装置之后，在通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制停止装置A停止所述燃料气体控制装置；
水输送抑制控制起动装置A，在所述水输送促进控制停止装置A停止所述燃料气体控制装置之后，所述水输送抑制控制起动装置A操作所述氧化剂气体控制装置一次或多次；
水输送抑制控制停止装置A，在通过所述判定装置B和/或D判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述水输送抑制控制停止装置A停止所述氧化剂气体控制装置的所有元件；以及
不足水量最终判定装置A，在所述水输送抑制控制停止装置A停止所述氧化剂气体控制装置的所有元件之后，如果通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述不足水量最终判定装置A使所述水输送促进控制起动装置A再次操作所述燃料气体控制装置，并且如果通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则所述不足水量最终判定装置A继续操作所述燃料电池。
17.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
所述燃料气体控制装置；
所述氧化剂气体控制装置；
根据权利要求3所述的判定装置A和/或根据权利要求5所述的判定装置C；
根据权利要求4所述的判定装置B和/或根据权利要求6所述的判定装置D；
水输送抑制控制起动装置B，在通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足之后，所述水输送抑制控制起动装置B操作所述氧化剂气体控制装置一次或多次；
水输送抑制控制停止装置B，在所述水输送抑制控制起动装置B操作所述氧化剂气体控制装置之后，在通过所述判定装置B和/或D判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述水输送抑制控制停止装置B停止所述氧化剂气体控制装置；
水输送促进控制起动装置B，在所述水输送抑制控制停止装置B停止所述氧化剂气体控制装置之后，所述水输送促进控制起动装置B操作所述燃料气体控制装置一次或多次；
水输送促进控制停止装置B，在通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制停止装置B停止所述燃料气体控制装置的所有元件；以及
不足水量最终判定装置B，在所述水输送促进控制停止装置B停止所述燃料气体控制装置的所有元件之后，如果通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则所述不足水量最终判定装置B使所述水输送抑制控制起动装置B再次操作所述氧化剂气体控制装置，并且如果通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则所述不足水量最终判定装置B继续操作所述燃料电池。
18.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
所述燃料气体控制装置；
所述氧化剂气体控制装置；
根据权利要求3所述的判定装置A和/或根据权利要求5所述的判定装置C；
根据权利要求4所述的判定装置B和/或根据权利要求6所述的判定装置D；
稍过多的水输送促进控制起动装置，其操作所述燃料气体控制装置一次或多次；
稍过多的水输送促进控制停止装置，在所述稍过多的水输送促进控制起动装置操作所述燃料气体控制装置之后，在通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述稍过多的水输送促进控制停止装置停止所述燃料气体控制装置；
水输送抑制控制起动装置C，在所述稍过多的水输送促进控制停止装置停止所述燃料气体控制装置之后，所述水输送抑制控制起动装置C操作所述氧化剂气体控制装置；
水输送抑制控制停止装置C，在通过所述判定装置B和/或D判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述水输送抑制控制停止装置C停止所述氧化剂气体控制装置的所有元件；
水输送促进控制起动装置C，在所述水输送抑制控制停止装置C停止所述氧化剂气体控制装置的所有元件之后，所述水输送促进控制起动装置C操作所述燃料气体控制装置；以及
水输送促进控制停止装置C，在所述水输送促进控制起动装置C操作所述燃料气体控制装置之后，如果通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则所述水输送促进控制停止装置C使所述水输送抑制控制起动装置C再次操作所述氧化剂气体控制装置，并且如果通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是不足，则所述水输送促进控制停止装置C停止所述燃料气体控制装置并继续操作所述燃料电池。
19.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
所述燃料气体控制装置；
所述氧化剂气体控制装置；
根据权利要求3所述的判定装置A和/或根据权利要求5所述的判定装置C；
根据权利要求4所述的判定装置B和/或根据权利要求6所述的判定装置D；
稍过多的水输送抑制控制起动装置，其操作所述氧化剂气体控制装置一次或多次；
稍过多的水输送抑制控制停止装置，在所述稍过多的水输送抑制控制起动装置操作所述氧化剂气体控制装置之后，在通过所述判定装置B和/或D判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，所述稍过多的水输送抑制控制停止装置停止所述氧化剂气体控制装置；
水输送促进控制起动装置D，在所述稍过多的水输送抑制控制停止装置停止所述氧化剂气体控制装置之后，所述水输送促进控制起动装置D操作所述燃料气体控制装置；
水输送促进控制停止装置D，在通过所述判定装置A和/或C判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，所述水输送促进控制停止装置D停止所述燃料气体控制装置的所有元件；
水输送抑制控制起动装置D，在所述水输送促进控制停止装置D停止所述燃料气体控制装置的所有元件之后，所述水输送抑制控制起动装置D操作所述氧化剂气体控制装置；
水输送抑制控制停止装置D，在所述水输送抑制控制起动装置D操作所述氧化剂气体控制装置之后，如果通过所述判定装置B和/或D判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则所述水输送抑制控制停止装置D使所述水输送促进控制起动装置D再次操作所述燃料气体控制装置，并且如果通过所述判定装置B和/或D判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是过多，则所述水输送抑制控制停止装置D停止所述氧化剂气体控制装置并继续操作所述燃料电池。
20.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料气体是不潮湿的燃料气体。
21.一种燃料电池的操作方法，所述燃料电池具有堆，所述堆具有单电池，所述单电池包括膜电极组件，在所述膜电极组件中聚合物电解质膜夹在一对电极之间，并且在所述膜电极组件的一侧上设置有氧化剂气体流动路径，并在所述膜电极组件的另一侧上设置有燃料气体流动路径，所述燃料气体流动路径和所述氧化剂气体流动路径布置成使得所述燃料气体和所述氧化剂气体在所述膜电极组件上相对于彼此沿着相反的方向流动，所述燃料气体流动路径包括燃料气体流动路径入口和燃料气体流动路径出口，并且，所述氧化剂气体流动路径包括氧化剂气体流动路径入口和氧化剂气体流动路径出口，其特征在于，所述燃料电池的操作方法包括：
在ⅰ)没有湿气的条件、或ⅱ)所述膜电极组件的温度是至少70℃的条件中的至少一个条件下，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量是否不足；以及
为了防止水在电池表面上的不均匀分布，如果判定在氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则通过增大所述燃料气体流量和/或减小所述燃料气体压力来增加在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量。
22.根据权利要求21所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量是否不足；以及
如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则通过减小所述氧化剂气体流量和/或增大所述氧化剂气体压力而减少由所述氧化剂气体从所述电池带出的水量和增加能够从所述氧化剂气体流动路径出口侧输送到所述燃料气体流动路径入口侧的水量。
23.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
测量整个所述燃料电池的电阻值；并且
当所述电阻值超过在多个温度中的每个温度下的所述单电池和/或所述堆的预先测量的电阻的最小值的105％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
24.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
测量整个所述燃料电池的电压；并且
当所述电压小于在多个温度中的每个温度下的所述单电池和/或所述堆的预先测量的电压的最大值的95％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
25.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
测量流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降；并且
当所述压降小于流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最小值的105％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足。
26.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
测量流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的压降；并且
当所述压降超过流过所述氧化剂气体流动路径的氧化剂气体的预先测量的压降的最大值的105％时，判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量过多和/或在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多。
27.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
28.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内。
29.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内。
30.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内。
31.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则一次或多次将所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制所述燃料气体；
然后，一次或多次将所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将所述氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制所述氧化剂气体；
然后，如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则再次开始控制所述燃料气体，并且如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则继续操作所述燃料电池。
32.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则一次或多次将所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将所述氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制所述氧化剂气体；
然后，一次或多次将所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制所述燃料气体；
然后，如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不足，则再次开始控制所述氧化剂气体，并且如果判定在所述氧化剂气体流动路径入口附近的水量不是不足，则继续操作所述燃料电池。
33.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
一次或多次将所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制所述燃料气体；
然后，一次或多次将所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将所述氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制所述氧化剂气体；
然后，将所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；并且
然后，如果判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足，则再次开始控制所述氧化剂气体，并且如果判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不是不足，则停止控制所述燃料气体并继续操作所述燃料电池。
34.根据权利要求21或22所述的燃料电池的操作方法，其特征在于，所述燃料电池的操作方法还包括：
一次或多次将所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将所述氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多之后，停止控制所述氧化剂气体；
然后，一次或多次将所述燃料气体的化学计量比增大到大于等于1.0且小于等于10的范围内，和/或将所述燃料气体压力减小到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；
然后，在判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量不足之后，停止控制所述燃料气体；
然后，将所述氧化剂气体的化学计量比降低到大于等于1.0且小于等于3.0的范围内，和/或将所述氧化剂气体压力增大到大于等于大气压力且小于等于0.3MPa的范围内；并且
然后，如果判定在所述氧化剂气体流动路径出口附近的水量过多，则再次开始控制所述燃料气体，并且如果判定所述水量不是过多，则停止控制所述氧化剂气体并继续操作所述燃料电池。
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