专利名称：燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法
技术领域：
本发明涉及利用了固体高分子型燃料电池的水蒸气量以及氮气量的推定的燃料电池系统以及燃料电池系统的运转方法。
背景技术：
如以往所周知的那样，为了以固体高分子型燃料电池高效地进行发电，优选为，将电解质膜设为适度的湿润状态，以防止在燃料电池内存在过度的水分。作为对燃料电池的电池面内的水分量进行控制的技术，例如已知有专利文献1所述的技术。该专利文献1公开了以下内容对反应气体(以空气为代表的氧化气体及以氢气为代表的燃料气体的总称)的压力、湿度、温度、流量以及根据流路形状所确定的压损特性中的至少一个要素进行调整，对作为电池面内的液滴或是水蒸气的水分量的分布进行控制。另外，作为其他现有技术文献有专利文献2 5。专利文献1 日本特开2004-335444号公报专利文献2 日本特开2005-222854号公报专利文献3 日本特开2009-004151号公报专利文献4 日本特开2008-041505号公报专利文献5 日本特开2005-339845号公报
发明内容
然而，实际的燃料电池层压有多个单电池，水分量沿着该层压方向有所不同，另夕卜，水分量在电池面内的反应气体流路的流路方向也有所不同。在该点上，对于专利文献1， 并没有进行考虑了单电池的层压方向的水分量或反应气体流路的流路方向的水分量的控制，难以高精度地控制燃料电池内的水分量的分布。近年来，为了改善燃耗而进行燃料电池的间歇运转的燃料电池系统正在增多。在该间歇运转时，使向阳极电极以及阴极电极供给反应气体的辅机类停止运转。但是，在间歇运转的运转停止时，有时会因在停止前残留的空气与氢气进行反应等，在燃料电池内残留下成为不纯物的过度的水蒸气及氮气。此时，在接下来开始运转时， 受到水蒸气及氮气的影响，反应气体的供给变得不足或是电池电压降低，存在燃耗恶化的可能性。本发明是鉴于上述情况而提出，其目的在于，在间歇运转时，防止在燃料电池内残留过度的水蒸气及氮气。用于达成上述目的的本发明的燃料电池系统具备燃料电池，该燃料电池包括层压多个但电池而成的电池层压体，该单电池具有阳极电极、阴极电极、位于阳极电极与阴极电极之间的电解质膜以及反应气体流路，其中，该燃料电池系统具有推定部以及运转控制部， 该推定部推定电解质膜内及反应气体流路内的至少一方的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量，该运转控制部在间歇运转的运转停止时，对由上述推定部推定的每个上述规定位置的上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方和考虑上述单电池的层压方向以及上述反应气体流路的流路方向而设定的每个上述规定位置的阈值进行比较，当在至少一个位置处上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方超过上述阈值时，向上述反应气体流路供给包括氢气的气体，从上述燃料电池内排出水蒸气以及氮气。另外，“多个规定位置”也包括规定位置相连续的情况。根据本发明，当电解质膜内及反应气体流路内的任意位置的水蒸气量或氮气量超过了对应各个上述位置而设定的阈值时，使气体在反应气体流路中流动，因此，当间歇运转的运转停止时，能够切实地防止在燃料电池内残留过度的水蒸气及氮气。由此，在接下来的运转开始时，可抑制因水蒸气及氮气造成的反应气体的供给不足或者电池电压的降低等， 能够改善燃耗。另外，阈值是考虑了单电池的层压方向和反应气体流路的流路方向的参数， 因而，使气体流动的频率、时序最佳化，其结果为，能够有效地减少水蒸气及氮气，能够抑制气体的多余供给。也可以设成为，上述反应气体流路与循环流路连通，该循环流路对从上述燃料电池排出的气体进行处理并供给至上述燃料电池，上述运转控制部在超过上述阈值时进行上述循环流路的气体循环。此时，能够适当地从燃料电池排出水蒸气及氮气。也可以设成为，在上述循环流路经由开闭阀连接有与该燃料电池系统的外部相通的排出流路，上述运转控制部在气体循环时将上述开闭阀打开，通过上述排出流路进行水蒸气、氮气的排出。此时，能够有效地排出水蒸气及氮气。也可以设成为，上述推定部中，作为上述水蒸气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的水移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的残留水量分布以及上述电解质膜的含水量分布，作为上述氮气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间的氮气移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的氮气量分布。此时，由于考虑了电极间的水移动，所以，能够确保含水量以及残留水量、即水蒸气量的高的推定精度。另外，由于考虑了电极间的氮气移动，所以，能够确保氮气量的高的推定精度。此外，由于利用该高的推定精度的结果使气体流动，所以，能够使其时序、频率最佳化，由此，能够适当地排出水蒸气及氮气。根据另外观点的本发明的燃料电池系统的运转方法，该燃料电池系统具备燃料电池，该燃料电池包括层压多个电电池而成的电池层压体，该单电池具有阳极电极、阴极电极、位于阳极电极与阴极电极之间的电解质膜以及反应气体流路，其中，该燃料电池系统的运转方法具有以下工序推定电解质膜内及反应气体流路内的至少一方的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量；以及，在间歇运转的运转停止时，对由上述推定部推定的每个上述规定位置的上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方和考虑上述单电池的层压方向以及上述反应气体流路的流路方向而设定的每个上述规定位置的阈值进行比较，当在至少一个位置处上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方超过上述阈值时，向上述反应气体流路供给包括氢气的气体，从上述燃料电池内排出水蒸气以及氮气。根据本发明，当燃料电池的电解质膜内及反应气体流路内的任意位置的水蒸气量或氮气量超过了对应各个上述位置而设定的阈值时，使气体在反应气体流路中流动，因此， 在间歇运转的运转停止时，能够切实地防止在燃料电池内残留过度的水蒸气及氮气。由此， 在接下来的运转开始时，可抑制因水蒸气或氮气造成的反应气体的供给不足或者电池电压的降低等，能够改善燃耗。另外，阈值是考虑了单电池的层压方向和反应气体流路的流路方向的参数，因而，将气体流动的频率、时序最佳化，其结果为，能够有效地减少水蒸气及氮气，能够抑制气体的多余的供给。也可以设成为，当超过上述阈值时，对从上述燃料电池的反应气体流路排出的气体进行处理并供给至上述燃料电池的反应气体流路的气体循环。由此，能够适当地从燃料电池排出水蒸气及氮气。也可以设成为，在气体循环时，通过与进行该气体循环的循环流路连接的排出流路进行水蒸气、氮气的排出。由此，能够有效地排出水蒸气及氮气。也可以设成为，上述水蒸气量以及氮气量的推定工序中，作为上述水蒸气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的水移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的残留水量分布以及上述电解质膜的含水量分布，作为上述氮气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的氮气移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的氮气量分布。此时，由于考虑了电极间的水移动，所以，能够确保含水量以及残留水量、即水蒸气量的高的推定精度。另夕卜，由于考虑了电极间的氮气移动，所以，能够确保氮气量的高的推定精度。此外，由于利用该高的推定精度的结果使气体流动，所以，能够使其时序、频率最佳化，由此，能够适当地排出水蒸气及氮气。
图1是实施方式涉及的燃料电池的立体2是表示实施方式涉及的燃料电池的内部的一部分的侧视图。图3是实施方式涉及的单电池的剖视图。图4是实施方式涉及的隔板的俯视图。图5A是表示实施方式的第一变形例涉及的隔板的流路形状的概略俯视图。图5B是表示实施方式的第二变形例涉及的隔板的流路形状的概略俯视图。图5C是表示实施方式的第三变形例涉及的隔板的流路形状的概略俯视图。图6是实施方式涉及的燃料电池系统的结构图。图7是实施方式涉及的控制装置的功能方框图。图8是表示实施方式涉及的电池面内的水蒸气分布的推定方法的流程图。图9是表示实施方式涉及的关于电池层压体的、反应气体的供给以及排出与电池流道的关系的图。图10是表示实施方式涉及的电解质膜的相对湿度与的关系的特性映射图。图11是表示实施方式涉及的相对于电池面内位置的电流密度的图。图12是表示实施方式涉及的电池面内的反应气体流路以及电解质膜的相对湿度分布的图。图13是表示实施方式涉及的电池面内的残留水量分布的图。图14是表示实施方式涉及的电池入口温度的计算方法的流程图。图15A是表示实施方式涉及的关于电池组入口温度所受到的散热影响的、单电池的位置以及制冷剂流量的关系的图。
图15B是表示实施方式涉及的关于电池组入口温度所受到的散热影响的、单电池的位置以及外气温度的关系的图。图16是表示实施方式涉及的每个单电池的空气流量以及空气背压的计算方法的流程图。图17是表示实施方式涉及的对应于残留水量的单电池的P-Q特性的映射图。图18A是表示实施方式涉及的电池入口压力分布的图。图18B是表示实施方式涉及的电池流入流量分布的图。图18C是表示实施方式涉及的电池出口压力分布的图。图19是表示实施方式涉及的电池出口温度的计算方法的流程图。图20是表示实施方式涉及的关于电池组出口温度所受到的散热影响的、单电池的位置以及制冷剂流量的关系的图。图21是表示实施方式涉及的电池面内的氮气分布的推定方法的流程图。图22是表示实施方式涉及的电解质膜的相对湿度与Dn2的关系的特性映射图。图23是表示实施方式涉及的相对于电池面内位置的电流密度的图。图M是表示实施方式涉及的电池面内的残留氮气量分布的图。图25是实施方式的控制例的流程图。图沈是表示在间歇运转的运转停止时相对于水蒸气量的阈值进行气体循环的时序的时序图。图27是表示在间歇运转的运转停止时相对于氮气量的阈值进行气体循环的时序的时序图。图观是示意性表示实施方式涉及的电池层压体中的反应气体的流动的图。图四是表示电池的层压方向以及反应气体流路方向与阈值的关系的图。图30是表示进行气体循环时的氢泵的控制例的图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。首先，对本实施方式涉及的包括燃料电池的燃料电池系统的概要进行说明，接着，对燃料电池的水蒸气量以及氮气量的推定以及利用该推定的控制例进行说明。以下，有时，作为燃料气体以氢气为例进行说明， 作为氧化气体以空气为例进行说明，将燃料气体以及氧化气体总称为反应气体。A.燃料电池的概要如图1以及图2所示，叠层结构的燃料电池1具有层压多个固体高分子电解质型的单电池2而成的电池层压体3。在位于电池层压体3的两端的单电池2(以下称为“端部电池加”)的外侧，分别配置集电板fe、5b、绝缘板6a、6b以及端板7a、7b。张力板8、8架设在端板7a、7b之间并由螺栓9固定，在端板7b与绝缘板6b之间设有弹性模块10。氢气、空气以及制冷剂从与端板7a的供给口 lla、12a以及13a连接的供给管14 被供给到电池层压体3内的歧管15a。然后，氢气、空气以及制冷剂在单电池2的平面方向流动，到达电池层压体3内的歧管15b，从与端板7a的排出口 lib、12b以及1 连接的排出管16被排出到燃料电池1外。另外，供给管14、歧管15a、15b以及排出管16与氢气、空气以及制冷剂各流体对应地设置，在图2中标以相同附图标记并省略说明。
如图3所示，单电池2具备MEA20以及一对隔板22A、22B。MEA20 (膜一电极组件) 包括由离子交换膜构成的电解质膜23和夹持电解质膜23的阳极电极MA及阴极电极MB。 隔板22A的氢流路25A面对电极24A，隔板22B的空气流路25B面对电极MB。另外，隔板 22A、22B的制冷剂流路^A、26B在邻接的单电池2、2之间连通。图4是隔板22A的俯视图。隔板22A具有分别在氢流路25A的外侧贯通形成的氢入口 27a、空气入口 ^a、制冷剂入口 ^a、氢出口 27b、空气出口 ^b以及制冷剂出口 ^b。 入口 27aJ8a以及29a构成与各个流体对应的歧管15a的一部分，同样，出口 27b 以及 29b构成与各个流体对应的歧管15b的一部分。在隔板22A中，氢气从入口 27a被导入至氢流路25A，被排出至出口 27b。在该点上，制冷剂的流动也同样。另外，虽未详述，但对于与隔板22A同样构成的隔板22B，空气也是在其平面方向流动。这样一来，氢气及空气被供给至单电池2内的电极24A、24B，由此， 在MEA20内产生电化学反应，获得电动势。另外，通过该电化学反应，在电极24B侧生成水并放热。并且，通过制冷剂的流动，各单电池2的热量被降低。另外，在电极24B侧，还由空气生成氮气。图5A 图5C是表示能够适用本实施方式的隔板的其他流路形状的概略俯视图。 如图5A所示，也可以将流路25A、25BJ6A、26B的流路形状形成为在中途具有折回部的蛇纹流路形状，来替代图4所示的直线槽流路(凹凸的重复在一个方向上延伸)的样式。另外， 如图5B所示，也可以将流路25A、25BJ6A、26B形成为波状，或是如图5C所示地形成为没有凹凸的平板状。进而，对于反应气体的流动方式，也可以采用氢气和空气朝相反方向流动的逆流类型来替代由图1以及图4所理解那样的顺流类型(氢气及空气朝同一方向流动)。 另外，隔板22A、22B的朝向为纵向、横向均可。也就是说，后述的燃料电池1的水分量的推定并不限定于燃料电池1的硬件构成。B.燃料电池系统的概要如图6所示，燃料电池系统100具备空气配管系统300、氢配管系统400、制冷剂配管系统500以及控制装置600。燃料电池系统100除了能够搭载于车辆、船舶、飞行器、机器人等各种移动体之外，还能够应用于固定型电源。此处，以搭载于汽车的燃料电池系统100 为例进行说明。空气配管系统300用于对燃料电池1供给、排出空气，具有加湿装置30、供给流路 31、排出流路32以及压缩机33。由压缩机33导入大气中的空气(低湿润状态的空气)并压送到加湿装置30，利用加湿装置30在高湿润状态的氧化废气之间进行水分交换。其结果为，被适度加湿了的空气从供给流路31被供给至燃料电池1。在排出流路32中，设置对燃料电池1的空气背压进行调整的背压阀34。另外，在背压阀34的附近，设置对空气背压进行检测的压力传感器P1。在压缩机33中，设置对向燃料电池1供给的空气供给流量进行检测的流量传感器Fl。氢配管系统400用于对燃料电池1供给、排出氢气，具有氢供给源40、供给流路 41、循环流路42以及切断阀43等。来自氢供给源40的氢气在由调节器44进行了减压之后，通过喷射器45对流量以及压力进行高精度的调整。然后，氢气在合流点A与由循环流路42上的氢泵46压送的废氢气合流，并被供给至燃料电池1。在循环流路42中，以分支状连接有带有作为开闭阀的排气排水阀48的排出流路47，通过将排气排水阀48开阀，将废氢气排出到排出流路32。在合流点A的下游侧，设置对向燃料电池1供给的氢气的供给压力进行检测的压力传感器P2。另外，在氢泵46上设有流量传感器F2。另外，作为其他实施方式，也可以将燃料废气导入到氢稀释器等中，还可以在循环流路42中设置气液分离器。制冷剂配管系统500用于对燃料电池1循环供给制冷剂(例如冷却水)，具有冷却泵50、制冷剂流路51、散热器52、旁通流路53以及切换阀M。冷却泵50将制冷剂流路51 内的制冷剂向燃料电池1内压送。制冷剂流路51具有位于燃料电池1的制冷剂入口侧的温度传感器Tl和位于燃料电池1的制冷剂出口侧的温度传感器T2。散热器52对从燃料电池1排出的制冷剂进行冷却。切换阀M例如由旋转阀构成，根据需要在散热器52和旁通流路53之间切换制冷剂的流通。控制装置600构成为在内部具备CPU、ROM、RAM的微型计算机。在控制装置600 中，输入对在各配管系统300、400、500中流动的流体的压力、温度、流量等进行检测的传感器(P1、P2、F1、F2、T1、T2)的检测信息。另夕卜，在控制装置600中，除了对燃料电池1所发电的电流值进行检测的电流传感器61的检测信息以外，还输入外气温度传感器62、车速传感器63、油门开度传感器等的检测信息。控制装置600根据这些检测信息等，对系统100内的各种设备(压缩机33、切断阀43、喷射器45、氢泵46、排气排水阀48、冷却泵50、切换阀讨等)进行控制，对燃料电池系统100的运转进行统一控制。另外，控制装置600读取各种检测信息，利用存储在ROM中的各种映射图，推定燃料电池1的水蒸气量及氮气量，基于该推定利用循环流路42进行气体循环。如图7所示，控制装置600作为用于推定燃料电池1的水蒸气量及氮气量并实现基于这些量的控制的功能块，具备存储部65、检测部66、推定部67以及运转控制部68。存储部65存储有用于实现燃料电池1的水蒸气量及氮气量的推定以及控制的各种程序、各种映射图。另外，映射图是通过实验或者模拟预先获得的。检测部66读取各种传感器(P1、 P2、F1、F2、T1、T2、61 63)等的检测信息。运转控制部68根据推定部67的推定结果对各种设备发送控制指令，并对运转进行控制，使得燃料电池1成为所希望的运转状态(例如水蒸气状态、氮气状态、温度状态等)。此时，运转控制部68根据需要执行将阳极侧和阴极侧相区分的控制。基于由检测部66取得的信息等，推定部67参照存储部65中的各种映射图等来推定燃料电池1的电解质膜23内以及反应气体流路内的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量。具体而言，作为水蒸气量的推定，推定部67考虑经由电解质膜23在电极24A、24B之间进行的水移动来推定单电池2的电池面内的残留水量分布以及含水量分布。另外，同样地， 作为氮气量的推定，推定部67考虑经由电解质膜23在电极24A、24B之间进行的氮气移动来推定单电池2的电池面内的残留氮气量分布以及含氮气量分布。进而，推定部67也推定各单电池2的层压方向(以下称为电池层压方向)的残留水量分布、含水量分布以及氮气量分布。此处，所说的“电池面内”是指单电池2的平面方向(是指与图4的纸面平行的方向，是指与电池层压方向正交的方向)上的单电池2的内部。所说的“残留水量”是指存在于单电池2的反应气体流路内的水蒸气量。所说的反应气体流路是将氢流路25A以及空气流路25B总称起来的概念。所说的“含水量”是指单电池2的电解质膜23中所含的水蒸气量。另外，所说的“氮气量”是指存在于单电池2的反应气体流路内的氮气量。
C.燃料电池的水蒸气量的推定方法在本实施方式的水蒸气量的推定方法中，将残留水量和含水量区分开来进行推定，此时，区分阳极侧和阴极侧地推定残留水量分布。另外，关于残留水量和含水量，不仅推定电池面内的分布，也推定电池层压方向的分布。以下，首先，对电池面内的水蒸气分布 (残留水量分布以及含水量分布)的推定方法进行说明。接着，对在推定时如何考虑电池层压方向的温度偏差/配流偏差进行说明，提及电池层压方向的水蒸气分布的推定方法。1.电池面内的水蒸气分布的推定方法如图8所示，首先，读取电流值I、电池入口温度Tin, ρ电池出口温度Tqut, i、空气流量GU, i、氢流量QH2, i、空气背压Paini以及氢压PH2, i、(步骤Si)。此处，电流值I是由电流传感器61检测到的。电池入口温度Tin,i等中的下标添加字的“i”是表示电池层压体3中的单电池2的位置的电池流道。具体而言，当将图9所示的电池层压体3设为模型时，距反应气体的供给口(相当于图1的供给口 lla、12a)以及排出口(相当于图1的排出口 llb、12b)最近的端部电池加的电池流道“i”为1。当层压了 200块单位电池2时，另一个端部电池加的电池流道“i”为200。电池入口温度Tin,i以及电池出口温度TquU分别是单电池2 (电池流道i)的制冷剂入口 29a以及制冷剂出口 29b处的制冷剂温度。空气流量Ahi以及氢流量G^i分别是流入到单电池I的空气入口 ^a以及氢入口 27a的空气以及氢气的供给流量。空气背压 Paira以及氢压PH2,i分别是单电池I的空气出口 28b以及氢入口 27a处的空气以及氢气的压力。当燃料电池只具有一个单电池2、或不考虑电池层压方向的温度偏差/配流偏差时， 如下所述。Tin, i 温度传感器Tl获得的检测值
Tqut, i 温度传感器T2获得的检测值Qair, i 流量传感器Fl获得的检测值QH2, i 根据流量传感器F2获得的检测值求出的氢供给流量Pair, i 压力传感器Pl获得的检测值PH2, i 压力传感器P2获得的检测值另一方面，当燃料电池1具有多个单电池2时，根据电池层压方向的位置，散热量及压损等有所不同，所以在单电池2之间存在散热量偏差和反应气体及制冷剂的配流偏差。因此，优选为，使用考虑了该方面的电池入口温度Timi等。关于该考虑方法在后叙述。另外，作为电池入口温度Timi等使用的各检测值也能够使用根据上述传感器以外的传感器或计算方法获得的值。换言之，温度传感器、流量传感器以及压力传感器也可以设置在图6所示以外的位置上，其数量以及位置可进行适当的设计变更。例如，也可将氢流量传感器设置在燃料电池1的氢供给口 Ila附近，将其检测值用作氢流量Qh2Y另外，电池入口温度Tina以及电池出口温度Ttma也可以通过在端部电池加或端板7a、7b上安装温度传感器来进行推定。这样一来，通过测定燃料电池组本身的温度来替代制冷剂的温度，能够实现更高精度的水蒸气分布的推定。在图8所示的步骤S2中，根据电池入口温度Tin,i计算各单电池2i的阴极入口露点Td,。A以及阳极入口露点Td,M。在本实施方式中，由于在燃料电池系统1中使用有加湿器 30，所以，作为阴极入口露点Td, CA以及阳极入口露点Td, M，可分别使用电池入口温度Tin, it)艮口，当空气入口 ^a以及氢入口 27a临近制冷剂入口 ^a时，能够如下那样表示，能够考虑露点的层压偏差。TdcA = TdM = Tini另外，在步骤S2中，也可以根据电池出口温度Tt^i计算各单电池&的阴极入口露点Td,。A以及阳极入口露点Td,M。另外，根据其他实施方式，也可以使用露点计。例如，当燃料电池系统1中没有使用加湿器、或没有利用电池入口温度Tina时，也可以在燃料电池1 的电池组入口(阳极侧供给口 Ila以及阴极侧供给口 12a)分别设置露点计，将其检测值设定为阴极入口露点Td,CA以及阳极入口露点Td,AN。这样一来，能够实现更高精度的推定。另外，在未在空气配管系统300中搭载加湿器30的无加湿空气系统中，也能够将阴极入口露点Td,CA设为o°c进行计算。或者，也可以根据外气温度以及外部湿度传感器，作为阴极入口露点Td,。A=外气温度X外部温度进行计算。也就是说，本推定方法也可以应用于无加湿系统。在图8所示的步骤S3中，求出电极24A、24B之间的水移动速度VH2aQ^M。水移动速度νΗ2。,α—ΑΝ由下式计算。Vh20, CA-AN — DH2C)X (PH20，CA_Ph20，AN)此处，Ph20jca是单电池2i的电极MB侧的水蒸气分压，由阴极入口露点计算。 另外，PH2。,AN是单电池A的电极24A侧的水蒸气分压，由阳极入口露点Td,AN计算。Dh2q是电解质膜23中的水扩散系数。也可以使用恒定值，但由于根据湿度而有所变化，因此优选为，考虑该方面。当考虑湿度求取D·时，例如，预先制作图10所示那样的表示电解质膜23的相对湿度与的关系的特性映射图，可利用该特性映射图来使用与电解质膜23的相对湿度对应的D·的值。具体而言，可以使用在燃料电池系统1的前次运转中的关闭时推定出的电解质膜23的相对湿度α、在燃料电池系统1的放置(停止)中推定出的电解质膜23的相对湿度α、或者在燃料电池系统1中在此次推定紧前推定出的电解质膜23的相对湿度α， 能够根据映射图来确定用于此次推定的的值(β )。在图8所示的步骤S4中，根据水移动速度VH2Q,eA —ΑΝ、露点Td,eA、露点！^^温度丁^， i、空气背压i、氢压PH2, i、空气流量Ah i、氢流量QH2, i以及电流值I，利用映射图来计算电流密度ix(其中，χ是任意自然数)。电流密度ix是电池面内的任意面积的电流密度，例如若将χ = 4时的各面积设为S1 S4，则I = i1Xs1+i2Xs2+i3Xs3+i4Xs40将计算电流密度ix的分布的结果的一个示例表示为图11。另外，在步骤S4中，计算电池面内的电流分布以及相对湿度分布。表示该电流分布以及相对湿度分布的函数I以及RH如下所示。另外，预先将函数I以及RH的相对于各个参数(Td,CA、Td,AN、Tqut, i、Pair,”ΡΗ2,”(^, ”0Η2, PVimo^mix)的灵敏度制成映射图。另外， 也可以根据这些参数来计算电池面内的过电压分布。I — f (Td，ck、Td，M、Tout, i、Pair, i、Pn2, i、Qair, i、i、^H20, CA — AN、 χ)RH — f (Td，ck、Td，M、Tout, i、Pair, i、Pn2, i、Qair, i、i、^H20, CA — AN、 χ)图12是表示由步骤S4计算的电池面内的相对湿度分布(反应气体流路以及电解质膜的相对湿度分布)的一个示例的图。在图12中，为了与电池面内位置关联地示出氢气及空气的流动，在本实施方式中以逆流的流路形态为例。如图12所示，在AN流路(氢流路25A)中从氢入口 27a到氢出口 27b相对湿度超过100%而处于过饱和状态，另一方面，在CA 流路(空气流路25B)中在空气出口 28b侧相对湿度低于100%。另外，在电解质膜23中， 其中央部(单电池2的中心部)成为过饱和状态。在图8所示的步骤S5中，对于阳极侧以及阴极侧，分别根据图12所示的相对湿度分布的结果计算过饱和度0l(相对湿度超过100%的量)以及未饱和度O2(相对湿度低于100%的量)，通过下式计算液态水生成速度Vvap —_以及液态水蒸发速度Vli(1 — vap。这是鉴于在反应气体流路中的水的相(气相、液相)变化的情况，分别来计算氢流路25A以及空气流路25B中的Vvap —以及VlitlKVvap^liq = ^X O1Vliq^vap = k2X σ2此处，系数kp k2是根据温度及疏水性确定的因子，取决于反应气体流路的物理性能。系数1^1 通过实验被预先制成映射图。在图8所示的步骤S6中，对于阳极侧以及阴极侧，分别通过下式计算反应气体流路中的水移动速度V_liq。通过反应气体流路中的反应气体的流动使得液态水被吹走而从电池面内排出，因此，考虑该情况，分别对氢流路25A以及空气流路25B的水移动速度V_liq 进行计算。V_liq = k3XV_gas此处，所说的水移动速度V_liq是指被反应气体吹走的液态水的移动速度。另外， 所说的V_gas是指反应气体流路中的水蒸气流量，使用根据与反应气体的供给流量及水蒸气分压等状态量相关的映射图计算得到的量。系数k3是根据温度及疏水性确定的因子，取决于反应气体流路的物理性能。系数k3通过实验被预先制成映射图。图13是表示经由步骤S4 S6计算出的电池面内的残留水量分布的一个示例的图。该残留水量分布通过在由步骤S4计算出的反应气体流路的相对湿度分布(图1 中考虑反应气体流路中的液态水的变化(即，由上述步骤S5以及S6计算出的Vvap —liq、Vliq^vap 以及V_liq)而求出。如图13可理解的那样，在氢流路25A中氢出口 27b侧比氢入口 27a 侧的残留水量多，在空气流路25B中随着朝向空气出口 28b侧，残留水量逐渐减少。另外， 虽未图示，但电池面内的含水量分布可根据由步骤S4计算出的电解质膜23的相对湿度分布(图1 求出，与该相对湿度分布近似。根据以上说明的顺序，能够计算某一计算时间内的单电池&的残留水量以及含水量的变化量(水收支)，可求出氢流路25A的残留水量分布、空气流路25B的残留水量分布以及电解质膜23的含水量分布。能够通过电池面内具有灵敏度的网孔(例如图13所示的 5个网孔)的粗糙度来计算水收支，能够高精度地推定在电池内的哪个位置有多少的残留水量以及含水量(水蒸气量)。2.推定水蒸气分布时的电池层压方向的温度偏差/配流偏差的考虑为了求出有关各单电池A的Ira, i、Tqut, ρ Pair, ρ PH2, ρ Qair, i以及QH2, i，进行如下步马聚ο(1)关于电池入口温度Tmi的计算如图14所示，首先，读取电池组入口温度Tin、制冷剂流量Q·、外气温度T ,ι以及车速V^J (步骤S11)。此处，Tin是由温度传感器Tl获得的检测值。Q皿是供给至燃料电池1的制冷剂流量，能够根据冷却泵50的转速及其他检测值进行推定。或者，也可以在制冷剂流路51设置流量传感器，从而使用由流量传感器获得的检测值。！^吣是由外气温度传感器62获得的检测值，是由车速传感器63获得的检测值。一般来讲，在电池层压体3中，随着远离反应气体的供给口 14，也就是说随着电池流道「i」变大，散热量变大。另外，散热的影响根据制冷剂流量、外气温度以及车速而有所变化。例如，如图15A所示，制冷剂流量Q皿越多似>%)，则电池组入口温度Tin越不受散热的影响。也就是说，电池入口温度TIN,i与电池组入口温度Tin相比不降低。另外，如图 15B所示，T外气越高(I^R1 > T外气^，则电池组入口温度Tin越不受散热的影响。因此，考虑由这样的散热引起的制冷剂温度的降低，将电池入口温度TIN, i作为以下函数进行计算(步骤S12)。TINji = f(Q
llc、TIN、T 外气、ν车速)由此，能够根据上述的0皿、1 、1^1以及车速的各值来求出与电池流道i对应的电池入口温度TIN, i。 (2)关于空气流量i以及空气背压Pair, i的计算如图16所示，首先，读取空气流量Air、空气背压Pair、电池组入口温度TIN、电池组出口温度Iott以及电流值I (步骤S21)。此处，空气流量Ah、空气背压以及电池组出口温度Tott分别是由流量传感器F1、压力传感器Pl以及温度传感器T2获得的检测值。另夕卜，在步骤S21中，将流入歧管15a的空气的气体密度作为电池组入口温度Tin以及空气流量Ak的函数进行计算。在接下来的步骤S22中，基于单电池&中的残留水量来确定该单电池I的P-Q特性(表示空气背压与空气流量的关系的特性)。例如，预先取得如图17所示的、表示与多个残留水量(x>y)对应的P-Q特性(压力-流量特性)的映射图来确定出与根据图8所示的流程计算出的紧前的残留水量(单电池2i的阴极侧残留水量的总量)对应的P-Q特性。接着，作为空气流量Ak、空气背压Pm、电池组出口温度TOT、上述计算出的气体密度以及各单电池I的P-Q特性的函数，根据映射图来计算电池入口压力分布、电池流入流量分布以及电池出口压力分布(步骤S2!3)。若表示电池入口压力分布、电池流入流量分布以及电池出口压力分布的一个示例，则如图18A C所示那样。此处，图18B所示的电池流入流量以及图18C所示的电池出口压力相当于与电池流道i对应的空气流量Qaini以及空气背压i，因此，能够求出空气流量i以及空气背压i (步骤S24)。另外，虽未详述，但对于单电池&的氢流量QH2,i以及氢压PH2,i，也能够通过与空气流量Ah i以及空气背压Pain i的计算同样的方法进行计算。在该情况下，图18A所示的电池入口压力与氢压PH2,i相当，图18B所示的电池流入流量与氢流量QH2,i相当，因而，能够求出氢流量QH2, i以及氢压PH2, i。(3)关于电池出口温度Τ·」的计算如图19所示，首先，作为温度传感器T2的检测值，读取电池组出口温度Iott (步骤 S31)。另外，与上述的电池组入口温度Tin的情况同样地读取制冷剂流量0皿、外气温度T外 1以及车进而，读取电池电压Vi以及电流值I，并根据每个单电池&的I-V特性来推定各单电池I的放热量(^1U。此处，电池电压Vi能够使用由图示省略的电池监控器检测出的各单电池I的电压值。其中，也可以不使用电池监控器等传感器，而是通过对各单电池&提供ι-ν映射图(依存发电量、空气流量、氢流量、空气背压、氢压)来推定电池电压\。另外，放热量(^1U起因于由TAS引起的放热和由过电压引起的热损失。与上述的电池组入口温度Tin同样，根据电池层压体3中的单电池&的位置，电池组出口温度Iott受到散热的影响。例如，如图20所示，制冷剂流量越多< Qllc2)， 则电池组出口温度Tot越不受散热的影响。因此，除了放热量Qrella之外，还考虑制冷剂流量Qm,i以及散热，将电池出口温度 Tout, i作为以下函数进行计算(步骤S32)。Tout ± = f (Qcell，i、QLLc，i、Τουτ、T外气、V 车速)由此，能够根据这些参数所示的各检测值或者推定值来求出与电池流道i对应的电池出口温度Tqut^另外，Qllc, i是被供给至各单电池2的制冷剂流量，其考虑了将燃料电池1作为电池组而视作一点时的上述制冷剂流量Qm的配流偏差。具体而言，通过对应若干制冷剂流量Qm的各个制冷剂流量分别预先制成表示制冷剂流量Qm和电池流道i之间的关系的映射图，可使用该映射图来计算与电池流道i对应的Q^y根据以上说明的(1) (3)的顺序，在图8所示的流程(步骤S1、S2以及S4)中， 可以使用对于各单电池I的状态量考虑了电池层压方向的温度分布(散热量的偏差等)以及压损分布(氧化气体、燃料气体以及制冷剂的配流偏差等)的值。由此，与将燃料电池1 作为电池组而视作一点的情况相比，能够高精度地对所有单电池2推定(也就是说电池层压方向上的)残留水量分布以及含水量分布(水蒸气分布)。D.燃料电池的氮气量的推定方法本实施方式的氮气量的推定方法使用与上述水蒸气量的推定方法同样的方法进行。此时，区分阳极侧和阴极侧地推定氮气量分布。另外，不仅是电池面内的分布，还推定电池层压方向上的分布。以下，首先，对电池面内的氮气分布的推定方法进行说明。接着， 对在推定时如何考虑电池层压方向的温度偏差/配流偏差进行说明，提及电池层压方向上的氮气分布的推定方法。1.电池面内的氮气分布的推定方法如图21所示，首先，读取电流值I、电池入口温度Tin, i、电池出口温度Tqut, i、空气流量Qair, 氧流量Qq2, i、氮流量Qffi^i、氧氮=21 79)、氢流量QH2, i、氮流量QN2,AN,i、空气背压Pair, i以及氢压PH2, i (步骤S41)。氧流量Qq2,i、氮流量Qn2^分别是流入单电池&的空气入口的氧气以及氮气的供给流量。氮流量QN2, an, i是流入单电池I的氢入口 27a的氮气的流量。当燃料电池只有一个单电池2、或没有考虑电池层压方向的温度偏差/配流偏差时，各值如下所示。Tin,,温度传感器Tl获得的检测值Tqut, i 温度传感器T2获得的检测值Qaini 流量传感器Fl获得的检测值QH2, i 根据流量传感器F2获得的检测值求出的氢供给流量Paini 压力传感器Pl获得的检测值PH2, i 压力传感器P2获得的检测值
氧流量Qffi, ”氮流量QN2, ca, i根据由流量传感器Fl获得的检测值即Ai,, i通过空气的氧和氮的比率来求出。流入阳极侧的气体的气体流量Qan,i是氢流量QH2,i、氮流量QffiIi、水蒸气流量Qim i的总和，根据来自喷射器45的氢气流量QH2. inj和由氢泵46产生的泵气体流量Qpump的总和 (氢气流量QH2. inj+泵气体流量Qpump)求出。氢气流量^.而通过一般的函数f(P、Flag)求出。P是喷射器45的上游压力，Flag 是喷射器的打开信号。泵气体流量Qpump通过一般的函数f(rpm、ΔΡ、Τ)求出。通过预先评价将ΔΡ与泵的电流值之间的关系制成映射图。另外，rpm是泵的转速，T是泵内的温度。另外，氢气流量 (^.而通过一般的函数f(P、Flag)求出。P是喷射器45的上游压力，Flag是喷射器的打开信号。泵气体流量Qpump由氢气、氮气和水蒸气的流量构成。泵气体流量Qpump中的氢气与氮气的比例通过泵消耗动力求出，水蒸气流量根据由上述推定的水蒸气分布所确定的氢出口 27b的水分量求出。由此，求出泵气体流量Qpump中的氢气流量QH2.PUMP、氮气流量QN2.pump和水蒸气流量QH2aOTP。因此，求取气体流量Qan, i =氢气流量ζ Η2. INJ+氢气流量ζ Η2.ΡωΡ+氮气流量
QN2. PUMP+水蒸气流量QH20. PUMP，S流量QH2,i成为S气流量QH2. INJ+ S气流量QH2. PUMP，氮流量QN2,AN, i成为氮气流量Qn2. PUMP O当燃料电池1具有多个单电池2时，在电池层压方向上，在单电池2之间存在散热量偏差和反应气体及制冷剂的配流偏差，因而，优选为，使用考虑了该方面的电池入口温度 Timi等。关于该考虑方法在后叙述。在图21所示的步骤S42中，与上述步骤S2同样地根据电池入口温度Timi来计算各单电池ι的阴极入口露点以及阳极入口露点Td,M。在本实施方式中，由于在燃料电池系统1中使用了加湿器30，所以，作为阴极入口露点Td,CA以及阳极入口露点Td,AN，能够分别使用电池入口温度Tin,i。S卩，当空气入口 ^a以及氢入口 27a接近制冷剂入口 29a时，能够进行如下表示，可考虑露点的层压偏差。TdcA = TdM = Tini在图21所示的步骤S43中，求出电极24A、24B之间的氮气移动速度VN2,eA —AN。氮气移动速度Vn2,CA^AN通过下式进行计算。VN2, ca^an 一 Dn2X (PN2,ca~PN2,AN)此处，PN2,CA是单电池2i的电极MB侧的氮气分压，通过阴极入口露点计算得到。另外，PN2, an是单电池A的电极24A侧的氮气分压，通过阳极入口露点Td, AN计算得到。 Dn2是电解质膜23中的氮扩散系数。Dn2也可以使用恒定值，但由于根据湿度而有所变化，因此优选为，考虑该方面。当考虑湿度来求取Dn2时，例如，预先制作如图22所示的表示电解质膜23的相对湿度与Dn2的关系的特性映射图，可利用该特性映射图来使用与电解质膜23的相对湿度对应的Dn2的值。具体而言，可使用在燃料电池系统1的前次运转中的关闭时推定出的电解质膜23的相对湿度α、在燃料电池系统1的放置(停止)中推定出的电解质膜23的相对湿度α、或者在燃料电池系统1中在此次推定紧前推定出的电解质膜23的相对湿度a，能够根据映射图来确定此次推定所使用的Dn2的值(β )。在图21所示的步骤S44中，根据氮气移动速度Vn2i0wan、露点、露点Td,AN、温度
15Tout, i、空气背压Pair, i、氢压PH2, i、氢流量QH2, i、氮流量QN2, AN, i以及电流值I，利用映射图来计算电流密度ix(其中，χ为任意自然数)。电流密度“是电池面内的任意面积的电流密度， 例如若将χ = 4时的各面积设为S1 s4，则成为I = i1Xs1+i2Xs2+i3Xs3+i4Xs40将计算出电流密度ix的分布的结果的一个示例表示为图23。 另外，在步骤S44中，计算电池面内的电流分布以及相对湿度分布。表示该电流分布以及相对湿度分布的函数I以及RH如以下那样地表示。另外，函数I以及RH的相对于
各个参数(Td ，CA、TcJ, ΑΝ、Τ〇υτ，i、Pair, i、PH2, i、i、AN, i、 VN2,cA^AN>ix)的灵敏度预先被制成映射图。另外，也可以通过这些参数来计算电池面内的过电压分布。 I — f (Td，CA、Td，AN、Tout, i、Pair, i、Ph2, i、Qh2, i、Qn2, AN, i、^H20, CA — AN、CA — AN、 χ)
RH — f (Td CA、 Td，AN、 Tout, i、Pair, i、Ph2, i、Qh2, i、 Qn2, AN, i、^H20, CA — AN、 CA — AN、 χ)在步骤S44中，根据计算出的反应气体流路的规定位置的相对湿度并利用图22的映射图来求取Dn2，根据Dn2并利用上式来求取VN2,。A —Μ，利用该νΝ2,。Α — ΑΝ等并根据函数RH另外求取其他位置的相对湿度。反复进行上述求取，例如对图M所示的五个网孔的每一个都求取VN2, ι an，将该速度VN2, CA^AN换算成氮气量，最终计算出电池面内的氮气量分布。通过以上说明的顺序，能够计算处于某一计算时间的单电池&的氮气量的变化量 (氮气收支)，求取氢流路25A的氮气量分布、空气流路25B的氮气量分布。能够通过电池面内的具有灵敏度的网孔(例如图对所示的五个网孔)的粗糙度来计算氮气收支，能够高精度地推定在电池内的哪个位置存在多少氮气量。考虑了电池层压方向的温度偏差/配流偏差的关于各单电池&的TIN,^Tott,i、Pair, >ΡΗ2, >0θ2, >0Ν2,ΟΑ, >0Η2, 以及0Ν2,ΑΝ, 能够与上述的水蒸气分布的推定同样地求出。各电池
的Q02, i、QN2, ca, i能够根据上述那样地计算出的各单电池A的Ai,, i并通过氧气和氮气的比率求出。由此，在图21所示的流程(步骤S41、S42以及S44)中，对于各单电池&的状态量可以使用考虑了电池层压方向的温度分布(散热量的偏差等)以及压损分布(氧化气体、 燃料气体以及制冷剂的配流偏差等)的值。其结果为，与将燃料电池1作为电池组而视作一点时相比，能够高精度地对所有单电池2推定(也就是说电池层压方向上的)氮气量分布。E.利用了推定结果的控制例接着，对利用了根据上述推定方法的推定结果的控制例进行说明。作为本控制例，利用根据上述推定方法获得的高精度的推定结果，在间歇运转的运转停止时，对由推定部67推定的电解质膜23内或反应气体流路内的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量与对每个上述规定位置设定的阈值进行比较，当至少在一个位置上水蒸气量以及氮气量中的至少一方超过了规定的阈值时，进行循环流路42的气体循环，进行降低燃料电池1内的水蒸气及氮气的处理。每个规定位置的阈值通过考虑单电池2的层压方向以及反应气体流路的流路方向而进行设定。另外，当至少在一个位置上水蒸气量以及氮气量的双方都超过规定的阈值时，也可以进行循环流路42的气体循环。与该处理关联的控制由接收了来自推定部67的信号的运转控制部68执行。图25是本控制例的流程图。图26、图27是表示在间歇运转的运转停止时进行气体循环的时序的时序图。
首先，使用上述的推定方法，推定燃料电池1的电解质膜23内及反应气体流路内的多个规定位置处的水蒸气量以及氮气量、也就是说残留水量、含水量、氮气量的分布。该水蒸气量和氮气量的推定持续地或是断续地、定期地进行。接着，判断是否为间歇运转的运转停止中，当为间歇运转的运转停止中时，对上述电解质膜23内及反应气体流路内的各规定位置的水蒸气量和氮气量与其位置上的阈值进行比较。接着，判断在任意一个位置上水蒸气量或者氮气量是否超过阈值，也就是说，在燃料电池1内水蒸气量或者氮气量是否滞留了规定量以上。另外，当不是间歇运转的运转停止中时，再次推定水蒸气量和氮气量。水蒸气量和氮气量的阈值使用的是考虑了图观所示的单电池2的层压方向以及反应气体流路的流路方向的值。具体而言，例如循环气体由于层压方向的近前侧容易流动，而里侧难以流动，因而，如图四所示那样地在近前侧和里侧设定不同的阈值，与近前侧相比里侧的阈值变低。另外，如图观所示那样，反应气体流路(氢流路25A)的出口侧与入口侧相比， 到达排出的距离近，水蒸气及氮气容易排出，因而，如图四所示那样，反应气体流路的出口侧比入口侧的阈值要高。由此，能够适当且切实地将水蒸气及氮气从容易滞留的部分排出。当判断出在电解质膜23内及反应气体流路内的任意一个位置处水蒸气量或者氮气量超过了与该位置对应的阈值时，按照图26以及图27所示的时序，起动氢泵46，进行循环流路42的气体循环。由此，将燃料电池1内的多余的水蒸气及氮气从燃料电池1排出， 此时，循环流路42的排气排水阀48打开，多余的水蒸气及氮气从排出流路47排出。然后， 再次推定水蒸气量和氮气量，当间歇运转的运转停止中、水蒸气量以及氮气量成为阈值以下时，气体循环停止。然后，反复进行水蒸气量和氮气量的推定，将其结果与阈值进行比较， 当超过阈值时进行气体循环。根据以上的实施方式，当燃料电池1的电解质膜23内及反应气体流路内的任意位置的水蒸气量或氮气量超过了对应各个上述位置而设定的阈值时，对氢流路25A供给气体，因而，在间歇运转的运转停止时，能够切实地防止在燃料电池1内残留过度的水蒸气及氮气。由此，在接下来开始运转而进行发电时，可抑制反应气体的供给不足或电池电压降低，能够改善燃耗。另外，由于阈值考虑了单电池2的层压方向和反应气体流路的流路方向，所以，使得使气体流动的频率、时序最佳化，其结果为，能够有效地减少水蒸气及氮气， 能够抑制气体的多余供给。在上述实施方式中，氢流路25A与对从燃料电池1排出的排气体进行处理并供给到燃料电池1的循环流路42相连通，当水蒸气量或氮气量超过阈值时，运转控制部68进行循环流路42的气体循环。由此，能够适当地从燃料电池1排出水蒸气及氮气。在循环流路42上，经由排气排出阀48连接有与燃料电池系统100的外部连通的排出流路47，当气体循环时，运转控制部68将排气排出阀48打开，通过排出流路47将水蒸气、氮气排出。其结果为，能够有效地将水蒸气及氮气排出。作为水蒸气量的推定，推定部67考虑经由电解质膜23在阳极电极24A与阴极电极24B之间进行的水移动来推定各单电池2的电池面内的氢流路25A以及空气流路25B的残留水量分布以及电解质膜23的含水量分布，作为氮气量的推定，考虑经由电解质膜23在阳极电极24A与阴极电极24B之间进行的氮气移动来推定各单电池2的电池面内的氢流路 25A以及空气流路25B的氮气量分布。由此，由于考虑了电极间的水移动，所以，能够确保水蒸气量的高推定精度。另外，由于考虑了电极间的氮气移动，所以，能够确保氮气量的高推定精度。此外，由于利用该高推定精度的结果使气体流动，所以，能够使其时序、频率最佳化，由此能够有效地将水蒸气及氮气排出。另外，对于水蒸气及氮气的排出控制，例如不仅是氢泵46的接通/断开控制，还可以根据水蒸气及氮气残留的位置及残留量对控制量和控制时间进行变更。对于图30的曲线图，在纵轴表示氢泵46的控制量(即转速)，在横轴表示氢泵46的控制时间(即旋转时间)。图30的曲线L1 L3是与水蒸气及氮气的量、电池层压方向及反应气体流路方向的位置对应的、用于气体循环的氢泵46的控制线。例如当水蒸气及氮气的量比较多时使用控制线L3,当水蒸气及氮气的量比较少时使用控制线Lp另外，在水蒸气及氮气的存在位置为接近电池层压方向的里侧或者电池面内的气体入口(27ad8a)的位置时，使用控制线L3。相反，为了使水蒸气及氮气的存在位置为排出性高的部位，使用控制线L1。通过由这样的方法驱动氢泵46，能够提高气体循环运转的效率，能够将燃耗损失抑制为最小限度。另外，在其他例子中，也可以设成仅能改变氢泵46的控制量以及控制时间中的一方。以上，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的示例。对于本领域技术人员而言，在权利要求书所记载的发明构思的范围内可想到各种变更例或是修正例是显而易见的，关于这些变更例或修正例，应理解为当然也属于本发明的技术范围。例如在以上实施方式中，在上述的阳极侧进行气体循环，但也可以使气体在阴极侧流动并将多余的水蒸气及氮气排出。此时，例如可以使压缩机33动作，经由供给流路31 向燃料电池1的空气流路25B供给空气，并从排出流路32排出。由此，也能够降低燃料电池1内的水蒸气及氮气。另外，也可以使气体在阳极侧和阴极侧这两侧流动。另外，在上述实施方式中，通过气体循环向燃料电池供给气体，但也不一定必须进行循环，即使未进行循环时也能适用本发明。附图标记1 燃料电池2:单电池2a:主电池2b:端部电池23:电解质膜24A:阳极电极MB:阴极电极25A 氢流路(燃料气体流路)25B 空气流路(氧化气体流路)67:推定部68:运转控制部100:燃料电池系统300:空气配管系统400:氢配管系统500:制冷剂配管系统600:控制装置
权利要求
1.一种燃料电池系统，其包括层压多个单电池而成的电池层压体，上述单电池具有阳极电极、阴极电极、位于阳极电极与阴极电极之间的电解质膜以及反应气体流路，上述燃料电池系统的特征在于，上述燃料电池系统具有推定部以及运转控制部，上述推定部推定电解质膜内及反应气体流路内的至少一方的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量，上述运转控制部，在间歇运转的运转停止时，对由上述推定部推定的每个上述规定位置的上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方和考虑上述单电池的层压方向以及上述反应气体流路的流路方向而设定的每个上述规定位置的阈值进行比较，当在至少一个位置处上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方超过上述阈值时，向上述反应气体流路供给包括氢气的气体，从上述燃料电池内排出水蒸气以及氮气。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，上述反应气体流路与循环流路连通，该循环流路对从上述燃料电池排出的气体进行处理并供给至上述燃料电池，上述运转控制部在超过上述阈值时进行上述循环流路的气体循环。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述循环流路上经由开闭阀连接有与该燃料电池系统的外部相通的排出流路，上述运转控制部在气体循环时将上述开闭阀打开，通过上述排出流路进行水蒸气、氮气的排出。
4.如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，上述推定部，作为上述水蒸气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的水移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的残水量分布以及上述电解质膜的含水量分布，作为上述氮气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的氮气移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的氮气量分布。
5.一种燃料电池系统的运转方法，该燃料电池系统包括层压多个单电池而成的电池层压体，该单电池具有阳极电极、阴极电极、位于阳极电极与阴极电极之间的电解质膜以及反应气体流路，上述燃料电池系统的运转方法的特征在于，上述燃料电池系统的运转方法具有以下工序推定电解质膜内及反应气体流路内的至少一方的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量；以及在间歇运转的运转停止时，对由上述推定部推定的每个上述规定位置的上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方和考虑上述单电池的层压方向以及上述反应气体流路的流路方向而设定的每个上述规定位置的阈值进行比较，当在至少一个位置处上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方超过上述阈值时，向上述反应气体流路供给包括氢气的气体，从上述燃料电池内排出水蒸气以及氮气。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，当超过上述阈值时进行如下的气体循环对从上述燃料电池的反应气体流路排出的气体进行处理并供给至上述燃料电池的反应气体流路。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，在气体循环时，通过与进行该气体循环的循环流路连接的排出流路进行水蒸气、氮气的排出。
8.如权利要求5 7中任一项所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，上述水蒸气量以及氮气量的推定工序中，作为上述水蒸气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的水移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的残水量分布以及上述电解质膜的含水量分布，作为上述氮气量的推定，考虑经由上述电解质膜在上述阳极电极与上述阴极电极之间进行的氮气移动来推定各单电池的电池面内的上述反应气体流路的氮气量分布。
全文摘要
本发明用于防止在间歇运转时燃料电池内残留过度的水蒸气及氮气。燃料电池系统具备燃料电池，该燃料电池包括层压多个单电池而成的电池层压体，该单电池具有阳极电极、阴极电极、位于阳极电极与阴极电极之间的电解质膜以及反应气体流路。燃料电池系统具有推定部以及运转控制部，该推定部推定电解质膜内及反应气体流路内的至少一方的多个规定位置的水蒸气量以及氮气量，该运转控制部在间歇运转的运转停止时，对由上述推定部推定的每个上述规定位置的上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方和考虑上述单电池的层压方向以及上述反应气体流路的流路方向而设定的每个上述规定位置的阈值进行比较，当在至少一个位置处上述水蒸气量以及氮气量中的至少一方超过上述阈值时，向上述反应气体流路供给包括氢气的气体，从上述燃料电池内排出水蒸气以及氮气。
文档编号H01M8/10GK102484262SQ201080037659
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年8月26日
发明者松末真明 申请人:丰田自动车株式会社