燃料电池系统及其控制方法

专利名称：燃料电池系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及提供有燃料电池的燃料电池系统以及该系统的控制方法。
背景技术：
ー种已知的燃料电池具有其中电解质膜夹在ー个电极(B卩，阴极)的催化剂层和另ー电极(即，阳极)的催化剂层之间的结构，并且该结构随后夹在一个电极的气体扩散层和另ー电极的气体扩散层之间。如果燃料电池在低于冰点的温度条件下停止，则燃料电池中(gp，在气体扩散层中，以及在催化剂层和气体扩散层之间)剰余的水可能冻结。如果燃料电池随后被激活而剰余的水冻结，则可能阻碍向电解质膜供应反应气体。因此，日本专利申请公布No. 2008-140734(JP-A-140734)提出了ー种燃料电池系统，其根据燃料电池的温度清除剰余的水。并且，利用该清除剰余的水的结构，有可能由于去除了太多的水汽而导致燃料电池的性能可能下降。因此，日本专利申请公布No. 2007-35516 (JP-A-2007-35516)提出了ー种燃料电池系统，其基于燃料电池的电压值估计电解质膜的干燥状态，并在电解质膜处于干燥时通过抑制输出电流来防止燃料电池的电压降至OV或以下。如果当阴极侧剩余的水冻结时燃料电池被激活，则可能阻碍将阴极侧的反应气体(诸如空气)供应给电解质膜。因此，在阴极侧，发生氢离子(下文中也称为质子)的还原反应而不是在正常发电时发生的水形成反应。当由于该还原反应而导致质子的消耗增长，质子经由电解质膜从阳极侧行进到阴极侧。此时，随着质子的移动大量的水行进到阴极侧。在此，因为气体扩散层中的水以及催化剂层和气体扩散层之间中的水冻结，已经随着质子的移动而行进到阴极侧的水(即电渗水)没有通过气体扩散层向外排放，而是聚积在催化剂层中并冻结。通常，催化剂层具有很多孔并且电渗水聚积在这些孔中。流动的电渗水的量逐渐增加，并且当其达到超过阴极侧催化剂层中的孔的总体积的量时，电渗水聚积在电解质膜和阴极侧催化剂层之间并冻结。因此，阴极侧的催化剂层与电解质膜分离，损害燃料电池。然而，在过去，对于这种问题完全没有足够的创新。例如，在诸如上述结构的清除剰余的水的结构中，如果清除不充分并且还有剰余的水残留，则可能出现上述问题。并且，对于基于燃料电池的电压值估计干燥状态并且在电解质膜处于干燥时抑制输出电流的结构，电解质膜的干燥状态仅是估计的，因此不能准确地检测存在剰余的水。因此，不仅可能发生上述的问题，而且输出可能受到不必要的限制。

发明内容
本发明防止由于燃料电池中的水冻结而导致的催化剂层与电解质膜相分离。本发明的第一方面涉及ー种燃料电池系统，包括燃料电池，所述燃料电池具有 电解质膜、以及阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层，所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层具有多个细孔并且被布置为与所述电解质膜相接触；阴极流入水量确定部，所述阴极流入水量确定部用于确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量；细孔体积获取部，所述细孔体积获取部用于获取细孔总体积，所述细孔总体积是指在所述阴极侧催化剂层中的所述多个细孔的体积；操作条件确定部，所述操作条件确定部用于基于所确定的阴极流入水量和所获取的细孔总体积来确定所述燃料电池的操作条件，以使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内，其中，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值以及该电流流经所述燃料电池的时间段的上限值；以及电流调节部，所述电流调节部用于调节所述电流值和所述电流值的电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。确定燃料电池的操作条件(B卩，流经燃料电池的电流的电流值和该电流流经燃料电池所用时间段的上限值)以使得阴极流入水量在等于或小于阴极侧催化剂层中多个细孔的体积的范围内，并且调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。因此，可以使得阴极流入水量等于或小于细孔总体积。因而，可以抑制大于细孔体积的水量流进阴极侧催化剂层。因此，可以防止由于聚积的水的冻结而导致的阴极催化剂层与电解质膜分离。包括氢气的气体可以作为阳极侧反应气体供应给燃料电池；并且阴极流入水量确定部可以包括电渗水量确定部和反向扩散水量确定部，所述电渗水量确定部用于确定电渗水量，所述电渗水量是指在所述燃料电池启动之后流进所述阴极侧催化剂层的水的量，其中，该水随着从所述电解质膜的阳极侧向阴极侧的氢离子的移动而从所述阳极侧穿过所述电解质膜移动到所述阴极侧，所述反向扩散水量确定部用于确定反向扩散水量，所述反向扩散水量是指在所述燃料电池启动之后从所述阴极侧催化剂层流出的水的量，其中，该水根据所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层之间的水浓度差而从所述阴极侧穿过所述电解质膜移动到所述阳极侧。并且，阴极流入水量确定部可以通过从电渗水量减去反向扩散水量来确定阴极流入水量。根据这种结构，作为确定阴极流入水量的水量，电渗水量和反向扩散水量两者被确定，并且使用这些水量确定阴极流入水量。因此，可以准确地获取阴极流入水量。电渗水量确定部可以使用表达式I确定电渗水量，Qe=i/F*i3*t (表达式 I)在表达式I中，Qe表示电渗水量，i表示电流密度，F表示法拉第常量，β表示电渗系数，而t表示激活之后的时间段。根据这种结构，可以通过获取电流密度和电渗系数并将这些值插入到该表达式中来确定电渗水量。因此，可以在短时间内准确地确定电渗水量。阴极侧催化剂层可以具有包括磺酸基的离聚物；并且反向扩散水量确定部可以通过使用表达式2获取阴极侧催化剂层的水浓度和阳极催化剂层的水浓度来获取阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层之间的水浓度差异，并且使用表达式3确定反向扩散水量，Cw= ε * P * λ/EW (表达式 2)在表达式2中，Cw表示水浓度，ε表示离聚物的体积分数，P表示离聚物密度，入表示膜含水量，并且EW表示酸基密度，Qi=D* Δ C/Δ mt*t (表达式 3)在表达式3中，Qi表不反向扩散水量，D表不自扩散系数，AC表不水浓度差异，、Amt表示电解质膜的厚度，并且t表示激活之后的时间段。根据这种结构，可以通过将所获取的參数的值插入到表达式中来确定反向扩散水量，因此可以在短时间内准确地确定反向扩散水量。顺便提及，离聚物体积分数(ε )表示每个催化剂层——即阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层——的每单位体积的离聚物的体积;离聚物密度(P )表示每个催化剂层——即阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层——的每単位体积离聚物的重量；膜含水量(λ )表示能够由每个催化剂层——即阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层——中离聚物的ー个磺酸基保留的水分子的数量；酸基密度(EW)表示具有每个催化剂层——即阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层——的离聚物的磺酸基的侧链的离聚物中的密度；自扩散系数(D)表示电解质膜的水的自扩散系数；并且电介质膜的厚度(Amt)表示电解质膜沿电解质膜接触阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层的方向上的厚度(即长度)上述燃料电池系统还可以包括存储部，其存储作为阴极侧催化剂层的膜含水量(λ )的预设值和作为阳极侧催化剂层的膜含水量(λ )的预设值。根据这种结构，可以通过存储部在短时间内获取阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层两者的膜含水量(λ )。并且，能够减少用于确定反向扩散水量的处理负载。上述燃料电池还可以包括电流值測量部，其测量电流值；以及时间测量部，其测量在所述燃料电池激活之后经过的时间段。并且，电流调节部可以在所测量的经过时间段达到与所测量的电流值相对应的操作条件上限值之前减小电流值。根据这种结构，可以在达到上限值之前减小电流值，因此可以在达到上限值之前減少电渗水量。因而，可以防止阴极流入水量超过细孔的体积，并且可以扩展上限值直到阴极流入水量达到细孔的体积。操作条件可以是阴极流入水量等于或小于O的操作条件。根据这种结构，电流值和电流流动的时间段被调节为使得阴极流入水量等于或小于0，即，使得电渗水量变得等于或小于反向扩散水量。因而，可以可靠地防止阴极流入水量变得大于细孔体积。上述燃料电池系统还可以包括温度获取部，其获取燃料电池的温度。并且，电流调节部可以调节电流值和电流流动的时间段，使得在所获取的温度低于0° C时实现所确定的操作条件。根据这种结构，仅当流进阴极的水(即阴极流入水)由于燃料电池的温度低于0° C且剩余的水冻结而无法从阴极侧催化剂层排放时，可以调节电流值和电流流动的时间段以使得实现确定的条件。因而，当燃料电池的温度等于或高于0° C时，不必执行这种调节，因此可以改进燃料电池的发电性能。以上描述的燃料电池系统还可以包括阻塞状态检测部，其检测燃料电池是否处于燃料电池不能发电的阻塞状态。并且，当检测到燃料电池处于阻塞状态时，电流调节部可以调节电流值和电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。根据这种结构，仅当很可能燃料电池处于由于剰余水的冻结而导致反应气体没有被供应给阴极侧催化剂层的阻塞状态时，可以调节电流值和电流流动的时间段以使得实现确定的条件。因而，如果燃料电池没有处于阻塞状态，则可以省略这种调节，因此可以改进燃料电池的发电性能。
燃料电池系统还可以包括电压测量部，其測量燃料电池中的电压。并且，阻塞状态检测部在所测量的电压低于OV时可以检测到燃料电池处于阻塞状态。根据这种结构，可以可靠地检测到燃料电池的阻塞状态。上述燃料电池系统还可以包括电压值比较部，其比较第一电压值与第二电压值，所述第一电压值是由多个燃料电池组成的第一燃料电池组的电压值，所述第二电压值是由与第一燃料电池组具有相同数目的燃料电池组成的第二燃料电池组的电压值。并且，阻塞状态检测部在第一电压值比第二电压值低时可以检测到第一燃料电池组的燃料电池之一处于阻塞状态。根据这种结构，可以在短时间内检测燃料电池是否处于阻塞状态而不必确定是否燃料电池的每ー个都处于阻塞状态。本发明的第二方面涉及ー种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包 括燃料电池，其具有电解质膜、以及具有多个细孔并且被布置为接触所述电解质膜的阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层。该控制方法包括确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量；获取细孔总体积，该细孔总体积是阴极侧催化剂层中的多个细孔的体积；基于所确定的阴极流入水量和所获取的细孔总体积来确定所述燃料电池的操作条件，以使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内，其中，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值以及该电流流经所述燃料电池的时间段的上限值；以及调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。利用该控制方法，确定用于使阴极流入水量在等于或小于阴极侧催化剂层中多个细孔的体积的、燃料电池的操作条件(即流经燃料电池的电流的电流值和该电流流经燃料电池的时间段的上限值)，并且调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，使得实现所确定的操作条件。因此，可以使得阴极流入水量等于或小于细孔总体积。因而，可以抑制大于细孔体积的水量流进阴极侧催化剂层。因此，可以防止由于聚积的水的冻结而导致的阴极催化剂层与电解质膜分离。本发明的第三方面涉及ー种燃料电池系统，其包括燃料电池，其具有电解质膜、以及具有多个细孔并且被布置为接触所述电解质膜的阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层；阴极流入水量确定部，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量；操作条件确定部，其基于所确定的阴极流入水量和作为所述阴极侧催化剂层中的多个细孔的体积的细孔总体积来确定燃料电池的操作条件，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值和该电流流经燃料电池的时间段的上限值，以用于使阴极流入水量在等于或小于细孔总体积的范围内；以及电流调节部，其调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。本发明的第四方面涉及ー种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括燃料电池，其具有电解质膜、以及具有多个细孔并且被布置为接触所述电解质膜的阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层。该控制方法包括确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量；基于所确定的阴极流入水量和作为阴极侧催化剂层中的多个细孔的体积的细孔总体积，确定燃料电池的操作条件，所述操作条件包括流经燃料电池的电流的电流值和该电流流经燃料电池的时间段的上限值，以用于使所述阴极流入水量在等于或小于细孔总体积的范围内；以及调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。


根据以下参考附图的示例性实施例的描述，本发明前述和进一步的目的、特征和优点将变得明显，在附图中相同的标号用来表示相同的元件，并且其中图I是根据本发明第一示例实施例的燃料电池系统的一般结构的示图；图2是图I中示出的燃料电池的细节结构的截面视图；图3是示出存储在图I中的膜含水量表存储部中的膜含水量表的框架格式的视图；图4是示出存储在图I中的扩散系数表存储部中的扩散系数的框架格式的视图；图5是示出存储在图I中的电渗系数存储部中电渗系数表的框架格式的视图；图6是示出在燃料电池系统中执行的启动例程的流程图；
图7是示出第一示例实施例的阴极流入水量计算例程的流程图；图8是正在执行启动例程时的一个时间限制示例的视图；图9是示出根据本发明的第二示例实施例的启动例程的流程图；图10是第二示例实施例中的操作点中的变化的图表；图11是根据本发明的第三示例实施例的燃料电池系统的一般结构的示图；图12是不出根据第三不例实施例的启动例程的流程图；图13是示出第三示例实施例中的阴极流入水量计算例程的流程图；图14是示出存储在图11中所示的阴极流入水量表存储部中的阴极流入水量表的框架格式的视图；图15是在第三示例实施例中的步骤S315中获取膜含水量差异的方法的视图；图16是第五修改的示例中的时间限制的第一示例的视图；以及图17是第五修改的示例中的时间限制的第二示例的视图。
具体实施例方式A.第一示例实施例Al.系统结构图I是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的一般结构的示图。在该示例实施例中，燃料电池系统100被安装在电动车辆中作为用于供应驱动力的系统。燃料电池系统100包括燃料电池堆110、氢气罐40、电磁阀41、循环泵42、燃料气体供应线路93、燃料气体排放线路94、空气压缩器50、氧化剂气体供应线路91、氧化剂气体排放线路92、电流测量部71、阻抗测量部72、电压测量部73、温度测量部74和控制单元20。燃料电池堆110包括多个堆叠的燃料电池10、两个端子板111和两个端板112。该两个端子板111都是整个燃料电池堆110的电极，其中一个端子板111是阳极而另一个是阴极，这两个电极被布置为夹住堆叠的燃料电池10。两个端子板111电连接到充当负载的驱动电动机62。两个端板112被布置为夹住两个端子板111。两个端板112通过未示出的张力板连接在一起，以使得在堆叠方向通过预定的压力来牢固地保持住燃料电池10。
图2是图I中示出的燃料电池10之一的详细结构的截面视图。如图2的上部中所示，燃料电池10包括电解质膜12、阴极侧催化剂层13c、阴极侧气体扩散层14c、阴极侧分离器15c、阳极侧催化剂层13a、阳极侧气扩散层14a、阳极侧分离器15a。顺便提及，图2的下部示出图2的上部中的区域X的放大视图。该放大视图将以后描述。电解质膜12是包含磺酸基的氟树脂离子交换膜。可以使用Flemion (注册商标)或Aciplex (注册商标)等。顺便提及，电解质膜12不限于包括磺酸基。也就是说，还可以使用包括诸如磷酸盐基或羧基的另一离子交换基的膜。阴极侧催化剂层13c被布置为邻近电解质膜12。使用其中催化剂承载在导电颗粒上的构件，以及作为质子导体的离聚物来形成阴极侧催化剂层13c。例如，钼或者钼的合金以及诸如钌或铁的金属可以用作催化剂。例如，诸如炭黑或碳纤维等的碳颗粒可以用作导电颗粒。包含磺酸基的氟树脂可以用作离聚物。离聚物与承载催化剂的导电颗粒结合在一起。阴极侧催化剂层13c具有未示出的多个细孔。这些细孔是形成在承载催化剂的导电颗粒的二次颗粒(多个一次颗粒组合在一起的簇状颗粒)之间的空间。阴极侧气体扩散层14c由多孔构件形成以用于扩散作为反应气体的空气，并且排出由电化学反应等产生的水。更具体地，阴极侧气体扩散层14c例如由诸如碳纸或碳交叉(carbon cross)的多孔体,或者诸如金属网或者泡沫金属的金属多孔体来形成。阴极侧分离器15c可以由例如致密碳的气密导电构件形成，在该致密碳中，碳被压缩以便是气密的，或者是压形金属片。阴极侧分离器15c具有凹凸形状，并且通过阴极侧分离器15c接触阴极侧气体扩散层14c，氧化剂气体流动路径17c形成在阴极侧分离器15c和阴极侧气体扩散层14c之间。这些氧化剂气体流动路径17c将从空气压缩器50供应的气体导引至阴极侧气体扩散层14c，并且排放从阴极侧气体扩散层14c排放到燃料电池之外的气体(即过量的空气和水蒸气)。阳极侧的结构类似于阴极侧的结构。也就是说，阳极侧催化剂层13a具有与阴极侧催化剂层13c相同的结构，阳极侧气体扩散层14a具有与阴极侧气体扩散层14c相同的结构，并且阳极侧分离器15a与阴极侧分离器15c具有相同的结构。顺便提及，形成在阳极侧分离器15a和阳极侧气体扩散层14a之间的燃料气体流动路径17a将由氢气罐40和循环泵42供应的氢气导引至阳极侧气体扩散层14a，并且排放从阳极侧气体扩散层14a排放到燃料气体排放线路94的气体(过量的氢气)。当燃料电池系统100在低温环境中停止时，燃料电池10中剩余的水可能冻结，形成冰，如图2所示。在图2的示例中，冰层19形成在阴极侧气体扩散层14c中并在阴极侧气体扩散层14c和阴极侧催化剂层13c之间的界线附近。冰趋于形成在阴极侧，因为利用电化学反应来产生水。图I中示出的氢气罐40存储高压氢气气体。该氢气气体经由燃料气体供应线路93供应给燃料电池堆110。电磁阀41被布置在燃料气体供应线路93中并且调整供应给燃料电池堆110的氢气气体的量。循环泵42被布置在燃料气体排放线路94中，并且循环通过燃料气体排放线路94从燃料电池堆110向燃料气体供应线路93排放的氢气气体。空气压缩器50经由氧化剂气体供应线路91向燃料电池堆110供应压缩空气(即氧化剂气体)。已从燃料电池堆110排放的空气经由氧化剂气体排放线路92被释放到大气中。电流测量部71被布置在燃料电池堆110和电动机62之间，并且测量流经燃料电池系统100的电流。阻抗测量部72连接到每个燃料电池10并且测量组成每个燃料电池10的一部分的电解质膜的电阻值(即膜电阻值)，将在后文描述。例如交流(AC)阻抗方法可以用作测量电阻的方法。电压测量部73连接到每个燃料电池10并且测量每个燃料电池10的电压。温度测量部74被布置在氧化剂气体排放线路92中并且测量排出的氧化剂气体(即空气)的温度。顺便提及，在燃料电池系统100中，废气的温度用作燃料电池堆110内的温度。 控制单元20连接到电磁阀41，循环泵42和空气压缩器50，并且控制这些元件的每一个。并且，控制单元20连接到电流测量部71、阻抗测量部72、电压测量部73和温度测量部74，并且获取在这些测量部分71至74的每一个处所获取的测量值。并且，控制单元20连接到加速器位置传感器32并检测加速器踏板30的下压量。控制单元20包括CPU (中央处理器)210和存储器220。用于控制燃料电池系统100的控制程序(未示出)存储在存储器220中。通过执行这些控制程序，CPU 210用作阴极流入水量确定部分211、操作条件确定部212、电流调节部213、阻塞的燃料电池检测部214、时间测量部215和发电控制部216。阴极流入水量确定部211在将在后文描述的启动例程中确定流进阴极侧催化剂层13c的水量。操作条件确定部212在将在后文描述的启动例程中确定操作条件(B卩，流经燃料电池系统100的电流的电流值和该电流流动的时间)。电流调节部213基于加速器踏板30的下压量等来确定应流经燃料电池系统100 (B卩，燃料电池堆110)的电流的电流值(即，要求的电流值)。阻塞的燃料电池检测部214从多个燃料电池10中检测处于由于剩余水的冻结而导致不能生成电力的状态(下文中该状态将被简称为“阻塞状态”)的燃料电池。时间测量部215具有计时器(未示出)，并且测量燃料电池系统100启动之后经过的时间段。发电控制部216控制燃料电池堆110中生成的电力的量以实现所确定的要求的电流值。更具体地，发电控制部216通过控制所供应的反应气体(S卩，氢气气体和空气)的量，这通过控制电磁阀41和空气压缩器50来实现，以控制在燃料电池堆110中生成的电力的量。存储器220包括膜含水量表存储部221、扩散系数表存储部222、电渗系数表存储部223和常量存储部224。膜含水量表事先存储在膜含水量表存储部221中。类似地，扩散系数表事先存储在扩散系数表存储部222中，电渗系数表存储事先存储在电渗系数表存储部223中，并且预定的常量事先存储在常量存储部224中。图3是示出存储在图I中的膜含水量表存储部221中的膜含水量表的框架格式的视图。在图3中，水平轴表示膜电阻值而垂直轴表示膜含水量(λ)。膜含水量表是将膜含水量与燃料电池10的膜电阻关联的表。在此示例实施例中，对应于燃料电池堆110的不同温度的多个表作为膜含水量表事先存储在膜含水量表存储部221中。图3示出对应于两个温度Tl和Τ2 (ΤΚΤ2)的两个表LI和L2的代表性示例。膜电阻值指代形成每个燃料电池10的一部分的电解质膜12的电阻值。膜含水量指代能够通过离聚物中的一个磺酸基保留的水分子的平均数目。典型地，膜含水量在电解质膜12干燥时较小，而在电解质膜12潮湿时较大。如图3中所示，在每一个膜含水量表中，较小的膜含水量被设置以用于较大的膜电阻值。并且，在对应于高温的表L2中，比对应于低温的表LI中值的更大的值被设置为对应于相同膜电阻值的膜含水量(λ )。顺便提及，在图3中，表LI和L2有代表性地示出为曲线(设置有连续值)，但是它们还可以被设置为离散值。可以通过事先测试来设置膜电阻值和膜含水量之间的对应关系，或者该对应关系基于膜电阻值和膜含水量之间众所周知的关系表达式来设置。例如，2007 年的 The Electrochemical Society (JES)期刊，卷 154B341中描述的关系表达式可以用作该众所周知的关系表达式。图4是示出存储在图I的扩散系数表存储部222中的扩散系数表的框架格式的视图。在图4中，水平轴表示膜含水量(λ )而垂直轴表示电解质膜12中的水的自扩散系数(D)0扩散系数表是将膜含水量(λ)与电解质膜12中的水的自扩散系数(D)关联的表。在该示例实施例中，对应于燃料电池堆110的不同温度的多个表作为扩散系数表事先存储在扩散系数表存储部222中。图4示出对应于两个温度Tll和Τ12 (Τ11〈Τ12)的两个表Lll和L12的代表性示例。顺便提及，自扩散系数(D)表示在媒介(S卩，电解质膜12)中的介质(即水)的扩散性的容易程度。随着自扩散系数(D)增加，水更易于在电解质膜12中扩散。顺便提及，在图4中，表LI I和L12有代表性地示出为曲线(设置有连续值)，但是它们还可以被设置为离散值。可以通过事先测试或者基于众所周知的测试结果来设置膜含水量(入)和自扩散系数(D)之间的对应关系。例如，2008年的ECS学报(ECST)，卷16，341页中描述的测试结果可以用作该众所周知的测试结果。图5是示出存储在图I中示出的电渗系数存储部223中的电渗系数表的框架格式的视图。在图5中，水平轴表不膜含水量(λ )而垂直轴表不电渗系数。电渗系数表L20是将膜含水量(λ )与电渗系数(β )关联的表。电渗系数表示水随着离子(即质子)的移动穿过离子交换膜(即，电解质膜12)的容易程度。电渗系数表L20示出随着电渗系数(β )增大更多的水移动。因而，随着膜含水量(λ)增加更多的水移动，如图5所示。顺便提及，在图5中，电渗系数表L20有代表性地示出为曲线(设置有连续值)，但是它还可以被设置为离散值。可以通过事先测试或者基于众所周知的测试结果来设置膜含水量(λ )和电渗系数(β)之间的对应关系。例如，2006年的The Electrochemical Society (JES)期刊，卷153A1443中描述的测试结果可以用作该测试结果。如图2的下部所示，当燃料电池系统100被激活而冰层19形成在阴极侧气体扩散层14c中以及阴极侧催化剂层13c和阴极侧气体扩散层14c之间的边界部分时，阻止向电解质膜12供应空气。因此，在阴极侧发生表达式5中示出的质子还原反应，而不是表达式4中示出的水形成反应。02+4H++4e-— 2H20 (表达式 4)2H++2e_ — H2(表达式 5)当质子的消耗由于该还原反应而增长时，质子在电解质膜12中从阳极向阴极移动。在这时，质子与电解质膜12中的水一起移动到阴极侧。随着质子的该移动而从阳极侧向阴极侧移动的水将被称为电渗水Wl。
当阴极侧由于电渗水Wl而变得潮湿时，阴极侧水局部压力和阳极侧水局部压力之间出现差异，使得水因为该水局部压力差而从阴极侧向阳极侧移动。顺便提及，由于该水局部压力差而导致从阴极侧向阳极侧移动的水将被称为反向扩散水W2。从电解质膜12流进阴极侧催化剂层13c的水量(下文称为“阴极流入水量”)能够通过上述电渗水Wl的量和反向扩散水W2的量来确定。更具体地，阴极流入水量是通过从电渗水Wl的量中减去反向扩散水W2的量而获取的量。通过具有上述结构并且执行之后将描述的启动例程，燃料电池系统100能够防止电解质膜12与阴极侧催化剂层13c相分离，即使燃料电池系统100在每个燃料电池10的阴极侧(即在阴极侧气体扩散层14c中，和在阴极侧气体扩散层14c和阴极侧催化剂层13c之间的边界部分)剩余的水冻结时被启动。操作条件确定部212可以被视为本发明的细孔体积获取部、操作条件确定部、电渗水量确定部和反向扩散水量确定部。并且，存储器20可以被视为本发明的存储部，并且阻抗测量部72可以被视为本发明的阻塞状态检测部。A2.启动例程图6是示出燃料电池系统100中执行的启动例程的流程图。当电动车辆的点火装直(未不出)开启时，在燃料电池系统100中开始启动例程。图I中示出的操作条件确定部212从温度测量部74获取燃料电池堆110的温度(T)(步骤S105)，并且确定该温度(T)是否低于0° C (步骤S110)。如果燃料电池堆110的温度(T)等于或者高于0° C，则启动例程结束并且执行正常的操作，即根据所要求的电流值在燃料电池堆110中生成电力。如果在上述步骤SllO中温度(T)低于0° C，电压测量部73测量每个燃料电池10的电压并通知给操作条件确定部212 (步骤S115)。操作条件确定部212确定任一燃料电池10中的电压是否是低于O的值(步骤S120)。如果有任一燃料电池10中的电压是值低于0，则认为燃料电池10处于阻塞的状态(即处于因为剩余的水冻结导致不能供应氧化剂气体(即空气)所以不能正常生成电力的状态)。因此，在步骤S120中，通过确定是否有任一燃料电池10中的电压低于OV来确定是否有任一燃料电池10处于阻塞的状态。如果没有燃料电池10处于阻塞的状态(即，如果所有燃料电池10中的电压等于或大于0)，则该处理返回至上述步骤S105。另一方面，如果在以上步骤S120中确定存在其中电压低于O (即处于阻塞状态)的燃料电池10，则阻抗测量部72测量其中电压低于O的燃料电池10的一个中的膜电阻(步骤S125)。例如，当在步骤S115中按预定的顺序测量燃料电池10的电压时，其中电压被测量为低于O的第一燃料电池10可以被用作测量其中的膜电阻的一个燃料电池O。并且，对于预定的顺序，例如，测量可以从位于中心的燃料电池10开始或者从最后的燃料电池10开始。当测量燃料电池10的膜电阻时，针对在步骤S125测量其中膜电阻的燃料电池10执行阴极流入水量(Qc)计算例程，并且计算阴极流入水量(步骤S130)。图7是示出第一示例实施例中的阴极流入水量计算例程的流程图。阴极流入水量确定部211基于由电流测量部71测量的电流值来计算电流密度(步骤S205)。可以通过测量的电流值除以电解质膜12的层压表面(即堆叠表面)的面积来计算电流密度。顺便提及，电解质膜12在堆叠方向的面积值可以事先存储在常量存储部224中。
阴极流入水量确定部分211参考膜含水量表并基于在步骤S105中测量的燃料电池堆110的温度(T)以及在步骤S125中测量的膜电阻值来获取膜含水量(λ )(步骤S210)。如图3所示，所参考的表基于燃料电池堆110的温度(T)而设置，并且膜含水量(λ )可以基于该设置的表中的膜电阻值来获取。阴极流入水量确定部分211参考电渗系数表并基于在步骤S210中获取膜含水量(入)来获取电渗系数(β)(步骤S215)。如图5所示，可以根据电渗系数表L20基于膜含水量(λ )来获取电渗系数(β )。阴极流入水量确定部分211随后使用在步骤S205中获取的电流密度(i )和在步骤S215中获取的电渗系数(β )根据表达式6获取电渗水的量(Qe)(步骤S220)。在表达式6中，“F”表示法拉第常量。该常量可以事先存储在常量存储部224中。顺便提及，在表达式6中，“t”是指示在阴极流入水(S卩，流进阴极的水)由于剩余水的冻结而开始聚积在阴极侧催化剂层13中之后经过的时间段的变量(下文中，该时间段将简称为“激活后时间”)。因而，根据表达式6，电渗数量(Qe)可以作为激活后时间“t”的函数来获取。如表达式6中 所示，电渗水量(Qe)与激活后时间“t”成比例。这是因为在燃料电池堆110启动之后水继续随着质子的移动而移动。
Qe=i/F*i3*t (表达式 6)顺便提及，当燃料电池系统100在低于冰点的温度环境中被激活时，很可能剩余的水已经冻结，因此，在激活的同时，流进阴极的水由于剩余的水冻结可能开始聚积在阴极侧催化剂层13c中。因而，在该示例实施例中，激活后时间“t”表示燃料电池系统100被激活之后所经过的时间。阴极流入水量确定部211参考扩散系数表并基于在步骤S105中测量的燃料电池堆Iio的温度(T)以及在步骤S210中获取的膜含水量(λ )来获取电解质膜12中的自扩散系数(D)(步骤S225)。如图4所示，待参考的表基于燃料电池堆110的温度(T)而设置，并且可以基于该设置的表中的膜含水量(λ )来获取自扩散系数(D)。阴极流入水量确定部211基于在步骤S210中获取的膜含水量(λ )使用以下表达式7获取阴极侧催化剂层13c的水浓度(Cw)和阳极侧催化剂层13a的水浓度(Cw)，并且随后通过从阴极侧的水浓度减去阳极侧的水浓度来获取水浓度差(AC)。Cw= ε * P * λ/EW (表达式 7 )在表达式7中，“ ε ”是表示每个电极的催化剂层的每单位体积的离聚物体积(离聚物的容积率)的常量，并且“ P ”是表示每个电极的催化剂层的每单位体积的离聚物重量(即离聚物密度)的常量。并且，表达式7中的“EW”是常量，其表示具有离聚物的磺酸基的侧链的密度(即酸基密度)。这些常量“ ε ”、“P ”和“EW”可以事先存储在常量存储部224中。顺便提及，必须为阴极侧催化剂层13c和阳极侧催化剂层13a两者获取膜含水量(λ )，但是在该示例实施例中，在步骤S210中获取的电解质膜12的膜含水量用作阴极侧催化剂层13c和阳极侧催化剂层13a的膜含水量。阴极流入水量确定部211，基于在步骤S225中获取的自扩散系数(D)和在步骤S230中获取的水浓度差(Λ C)，使用以下的表达式8获取反向扩散水W2的量(即，反向扩散水量Qi)(步骤S235)。在表达式8中，“Amt”是表示电解质膜12在堆叠方向的厚度的常量。该常量“Amt”可以事先存储在常量存储部224中。顺便提及，在表达式8中，“t”是表示激活后时间的变量。因而，反向扩散水量(Qi)，类似于电渗水量(Qe)，可以作为激活后时间“t”的函数来获取。如表达式8中所示，反向扩散水量(Qi)与时间“t”成比例。这是因为基于燃料电池堆110激活之后的电极之间的水浓度差(S卩，水蒸气局部压力)，水持续地流动。Qi=D* Δ C/Δ mt*t (表达式 8)阴极流入水量确定部211通过从在步骤S220中计算的电渗水量(Qe)减去在步骤S235中计算的反向扩散水量(Qi)来获取阴极流入水量(Qc)(步骤S240)。电渗水量(Qe)和反向扩散水量(Qi)两者都是激活后时间“t”的函数，因此在步骤S240中阴极流入水量(Qc)可以作为激活后时间“t”的函数来获取。返回至图6，在执行步骤S130之后，操作条件确定部212获取阴极侧催化剂层13c中的细孔的总体积(Vc)(步骤S135)。细孔的总体积可以通过测试提前获取并存储在常量存储部224中。例如，压汞技术可以用作通过其测量细孔的总体积的方法。如果电渗水量(Qe)大于反向扩散水量(Qi)，则流进阴极侧催化剂层13c中的细孔的水的总量(即，阴极流入水量Qc)在燃料电池堆110激活后随着时间增加。使用以下表达式9，操作条件确定部212随后获取直到在步骤S130中获取的阴极流入水量(Qc)达到阴极侧催化剂层13c中的细孔的总量(Vc)的时间(下文中称为“时限”)tL (步骤 S140)。(i/F* β - ε * P * λ/EW) t=Vc (表达式 9)一旦获取时限tL，时间测量部215就测量激活后时间tn (步骤S145)。阴极流入水量确定部211随后确定激活后时间tn是否已经达到时限tL (步骤S150)。如果激活后时间tn还没达到时限tL (B卩，tn〈tL)，则处理返回至步骤S105。另一方面，如果激活后时间tn已经达到时限tL (B卩，tn彡tL)，则电流调节部213减少流经燃料电池堆110的电流的电流值(步骤S155)。更具体地，无论加速器踏板30的下压量为何，电流调节部213都从由电流测量部71测量的电流值中将所需电流值减少预定量。例如，该减少的量可以是固定的量(诸如1A)或者固定的百分比(诸如20%)。图8是执行启动例程时的时限tL的一个示例的视图。在图8中，水平轴表示表示电流密度(i)而垂直轴表示激活后时间(t)。如图8中所示，时限tL根据电流密度(i)改变。更具体地，时限tL的值随着电流密度增加而变得更小。这是因为电渗水量(Qe)随着电流密度增加而增加，因此阴极流入水量(Qc)在较短的时间内达到细孔总体积(Vc)。在图8中，时限tL以下的区域Al指示阴极流入水量小于细孔总体积的状态，而时限tL以上的区域A2指示阴极流入水量大于细孔总体积的状态。在时限tL以上的区域A2中，阴极流入水量大于细孔总体积，这些细孔不能保持(即保留)所有的阴极流入水，并且因此，阴极流入水在电解质膜12和阴极侧催化剂层13c之间溅出。区域Al具有无论激活后时间有多长都不会达到时限tL的区域A3。该区域A3指示因为电渗水量(Qe)小于反向扩散水量(Qi)而使得水不会积聚在阴极侧催化剂层13c的状态。在图8的区域A3中，电流密度为CO或更小。顺便提及，这时的电流值将称为阈值电流值Ith。区域A3的状态是其中水将不聚积在阴极侧催化剂层13c中的一个状态，但是燃料电池堆110的电流值是等于或低于相对低的阈值电流值Ith的电流，并且燃料电池堆110的发电性能低。因此，例如，即使加速器被下压，电动车辆也将加速慢。现在，将参考图8描述上述启动例程时的详细操作。例如，当操作点是其中作为执行步骤S105至S145的结果激活后时间tn为tl (〈tL)的操作点Pl,而电流密度为cl (电流值II)时，在步骤S 150中确定还没达到时限tL，因此步骤S105至S145再次被执行。在、此情况下，电流值11不改变。随后，在执行步骤S105至S145之后，执行步骤S155，并且当达到其中激活后时间tn为t2 (=tL)的操作点P2时，电流值从Il改变为12 (电流密度c2)。在此情况下，如图8所示，在电流值12处的时限tL为比t2更长的t3，并且操作点P2在区域Al内。时限tL以这样的方式从t2增加到t3的原因是因为由于电流值减少导致的电渗水量减少而使反向扩散水量相对增加，并且因此，水从阴极侧催化剂层13c中的细孔排放到阳极侧。根据图8中示出的示例明显的是，在此示例实施例中，当在步骤S155中减小电流值时，电流值在其中减小后的电流值超过阈值电流值Ith的范围内减小。更具体地，通过测试等事先获取阈值电流 值Ith，并且电流值减少了预定量或预定百分比以便超过该阈值电流值Ith。这样做是为了最小化由于电流值下降至等于或小于阈值电流值Ith的极低值而导致的燃料电池堆110的发电性能极度下降。如上所述，燃料电池系统100确定阴极流入水量是否超过阴极侧催化剂层13c的细孔总体积。如果阴极流入水量等于或大于细孔总体积，则通过减少流经燃料电池堆110的电流，水从阴极侧催化剂层13C排放到阳极侧。因此，可以防止从阴极侧催化剂层13c溢出的水总是处于阴极侧催化剂层13c和电解质膜12之间。因此，可以防止由于积聚在电解质膜12和阴极侧催化剂层13c之间的水冻结而导致阴极侧催化剂层13c与电解质膜12相分离。此外，当燃料电池堆110的温度等于或大于0° C并且没有燃料电池10由于剩余的水冻结而处于阻塞状态时，执行正常的操作。因而，不必执行步骤S115到S155，因此可以降低控制单元20上的处理负载。类似地，确定是否任一燃料电池10处于阻塞，并且如果不存在阻塞的燃料电池10，则不执行步骤S130至S155，因此可以降低控制单元20上的处理负载。并且，获取阴极流入水量和反向扩散水量，并基于这些水量获取阴极流入水量，因此能够比利用估计阴极流入水量的结构更准确地获取阴极流入水量。因而，可以准确地执行阴极流入水量的控制使得水将不会积聚在阴极侧催化剂层13c和电解质膜12之间。并且，电流值(S卩，所需的电流值)减小以使得减小后的电流值将超过阈值电流值Ith。因此，能够抑制燃料电池堆110的发电性能的极度下降。B.第二示例实施例图9是示出根据本发明第二实例实施例的启动例程的流程图。根据第二示例实施例的燃料电池系统100与根据第一不例实施例的燃料电池系统100的不同在于,在启动例程中，增加了步骤S 152，并且执行步骤S155a而不是步骤S155。根据第二示例实施例的燃料电池系统100的其他结构与根据第一示例实施例的燃料电池系统100的结构相同。当激活后时间tn作为图9中的步骤S150的结果达到时限tL卿tn ^ tL)时，操作条件确定部212计算阈值电流值(Ith)(步骤S152)。阈值电流值(Ith)与图8中示出的阈值电流值相同。通过根据以下指示电渗水量(Qe)与反向扩散水量(Qi)相等的表达式10获取电流密度(i)，并随后将电解质膜12的层压表面(即堆叠表面)的面积乘以所获取的电流密度(i )，来计算阈值电流值(I th )。i/F* β *t=D* Δ C/Δ mt*t (表达式 10)在计算阈值电流值(Ith)之后，操作条件确定部212将电流值减少到等于或小于阈值电流值(Ith)(步骤S155a)。图10是第二示例实施例中的操作点的变化的图表。图10中的水平轴和垂直轴与图8中的一样。在该第二示例实施例中，当操作点为操作点P2时，激活后时间tn等于或大于时限tL (B卩，tn ^ tL)，因此执行步骤S152并且获取阈值电流值Ith。随后电流值减少到15 (〈Ith)并且操作点移位至区域A3中的操作点P3a。如上所述，区域A3指示无论激活后时间长度为何阴极流入水量都不会超过细孔总体积的状态(即，区域)。因而，可以防止阴极流入水量从细孔中溢出并随后积聚在阴极侧催化剂层13c和电解质膜12之间。具有上述结构的根据第二示例实施例的燃料电池系统100与根据第一示例实施例的燃料电池系统100具有相同的效果。此外，仅执行步骤S155a —次，因此不需要重复用于获取减小后的电流值的处理。因此，能够降低控制单元20上的处理负载。
C.第三示例实施例图11是根据本发明第三示例实施例的燃料电池系统IOOa的一般结构的示图。图12是示出根据本发明第三示例实施例的启动例程的流程图。图13是示出第三示例实施例中阴极流入水量计算例程的流程图。根据第三示例实施例的燃料电池系统IOOa与根据第一示例实施例的燃料电池系统100的不同之处在于，存储器220a包括阴极流入水量表存储部225，在启动例程中增加了步骤S127，以及在阴极流入水量计算例程中基于阴极流入水量表获取阴极流入水量。其他结构与第一示例实施例中的相同。图14是示出存储在图11中示出的阴极流入水量存储部225的阴极流入水量表的框架格式的视图。在图14中，水平轴表示膜含水量差(Λ λ )而垂直轴表示阴极流入水量(Qc)。膜含水量差指代就在启动例程开始之后的膜含水量和在启动例程开始之后任意时间的膜含水量之间的差异。阴极流入水量表是将膜含水量的差异(λ )与阴极流入水量(Qc)相关联的表。在图14中，阴极流入水量表L30有代表性地示出为曲线(设置有连续值)，但是它还可以被设置为离散值。典型地，膜含水量(λ )随着电解质膜12变得更潮湿而增加。因而，膜含水量(入)随着通过激活燃料电池系统IOOa电解质膜12从干变湿而增加。这时，阴极流入水量(即，总水量)也随着电解质膜12从干变湿而增加。因而，阴极流入水量也随着膜含水量的差异的增加而增加，如图14所示。顺便提及，膜含水量差和阴极流入水量之间的对应关系可以通过测试事先获取，形成阴极流入水量表，并存储在阴极流入水量存储部225中。如图12所示，在步骤125中测量燃料电池10的膜电阻之后，操作条件确定部212参考膜含水量表并基于所获取的膜电阻值获取初始状态的膜含水量(λ 0)，并且随后将获取的膜含水量(λ O)存储在存储器220a中(步骤S127)。顺便提及，步骤S127仅在启动例程开始之后立即执行一次，并且在其后被省略。如图13所示，阴极流入水量确定部211再次为燃料电池10测量在步骤S125中已被测量的膜电阻值，并将膜电阻值(Rl)存储在存储器220a中(步骤S305)。阴极流入水量确定部211随后参考膜含水量表并基于在步骤S 125中获取的初始状态的膜电阻值(RO)获取与膜电阻值相对应的膜含水量(λ O),以及基于在步骤S305中获取的膜电阻值(Rl)获取与膜电阻值相对应的膜含水量(λ 1)(步骤S310)。阴极流入水量确定部211随后获取在步骤S310中获取的两个膜含水量(λ0和λ I)之间的差异(Λ λ )。图15是在第三示例实施例的步骤S315中获取膜含水量(Λ λ )的方法的视图。在图15中，水平轴、垂直轴和表LI和L2与图3中的一样。如图15所示，通过参考表LI获取作为膜含水量的膜含水量λ 0，其对应于步骤S125中获取的初始值的膜含水量(R0)。随后由于燃料电池系统IOOa的激活而导致电解质膜12的湿度增加，并因此膜电阻值减少，当这时在步骤S305中测量膜电阻值Rl时，比膜含水量λ0值更大的膜含水量λ I被获取作为与膜电阻值Rl相对应的膜含水量。因此，在步骤S315，通过从膜含水量λ I减去膜含水量λ O来获取膜含水量差Λ λ I。一旦获取了膜含水量差(Λ λ )，阴极流入水量确定部211参考阴极流入水量表并基于在步骤S315中获取的膜含水量差(Λ λ )来获取阴极流入水量(Qc)(步骤S320)。如图14中所示，当获取了膜含水量差Λ λ I时，可以基于该膜含水量差Λ λ I通过参考表L30获取阴极流入水量Ql。具有上述结构的根据第三示例实施例的燃料电池系统IOOa与根据第一示例实施例的燃料电池系统100具有相同的效果。另外，基于根据膜电阻值中的变化获取的膜含水量差，通过参考阴极流入水量表，获取阴极流入水量(Qc)。因此，不必再执行获取阴极流入水量的计算，这使得能够降低控制单元20上的处理负载。D.修改的示例本发明不限于上述示例实施例。也即，本发明还可以在不脱离其范围的情况下以各种方式以修改的或改进的模式来实施。例如，以下修改也是可能的。Dl.第一修改的示例为了获取阴极流入水量，在第一和第二实施例中，电渗水量(Qe)和反向扩散水量(Qi)都被计算，并且基于这些计算阴极流入水量。并且，在第三示例实施例中，根据膜电阻值中的变化来获取膜含水量差，并且基于该膜含水量差通过参考阴极流入水量表来获取阴极流入水量。然而，本发明不限于这些示例。例如，阴极流入水量还可以基于电解质膜12的尺寸的变化来获取。电解质膜12的体积(即，尺寸)随着水从电解质膜12移动到阴极侧催化剂层13c而减少。因而，可以通过测试事先获取电解质膜12的尺寸和阴极流入水量之间的对应关系，并作为表存储在存储器220或220a中。随后，可以测量电解质膜12的尺寸，并且可以通过参考该表基于所获取的尺寸来获取阴极流入水量。例如，可以使用应变仪来测量每个燃料电池10的尺寸变化，并且可以基于所获取的尺寸变化来获取电解质膜12的尺寸。并且，例如，可以基于在阴极侧催化剂层13c中产生的氢气量来获取阴极流入水量。如以上表达式5中所示，阴极侧催化剂层13c中产生的氢气量随着质子移动而增加。并且，电渗水量(Qe)也随着更多质子移动而增加。因而，阴极流入水量随着阴极侧催化剂层13c中产生的氢气的量增加而增加。因而，可以通过测试事先获取产生的氢气量和阴极流入水量之间的对应关系并作为表存储在存储器220或220a中。随后，可以测量产生的氢气量，并且可以基于产生的氢气量通过参考该表来获取阴极流入水量。或者，检测氢气量的传感器还可以提供在氧化剂气体排放线路92中，并且氢气量可以使用该传感器来测量。D2.第二修改的示例 在上述示例实施例中，使用电压测量部73来测量每个燃料电池10的电压值以便确定是否有燃料电池10处于阻塞状态。然而，本发明不限于此，更具体地，例如，可以使用以下结构。代替电压测量部73，可以提供能够测量多个相邻燃料电池10 (下文中称为“燃料电池组”)的电压的电压测量部，燃料电池堆110可以分成多个燃料电池组，每个组由相同数目的燃料电池组成，并且可以测量每个燃料电池组的电压。随后一个燃料电池组的电压与另一燃料电池组的电压进行比较，并且如果燃料电池组的电压低于预定的量，则可以确定燃料电池组包括处于阻塞状态的燃料电池10。利用这样的结构，不必针对每个燃料电池10确定是否燃料电池10的状态是阻塞状态，因此可以在短时间段内确定是否有燃料电池10处于阻塞状态。D3.第三修改的示 例在上述示例实施例中，通过在启动例程中确定每个燃料电池10的电压是否为低于OV的值来确定是否任一燃料电池10处于阻塞状态。但是可替换地，还可以使用适当的电压值而不是0V。例如，还可以确定如果燃料电池10的电压低于O. 5V，则燃料电池10处于阻塞状态。并且，还可以省略启动例程中的步骤S115和S120 (即，获取电压值的步骤和根据电压值确定是否有燃料电池处于阻塞状态的步骤)。更具体地，在如果燃料电池堆110的温度低于0° C则存在燃料电池10处于阻塞状态的假设下，可以省略测量每个燃料电池10的电压的步骤(步骤S115)和确定是否有燃料电池10处于阻塞状态的步骤(步骤S120)。这种结构使得能够简化启动例程，从而降低控制单元20上的处理负载。另外，能够省略电压测量部73，因此还可以降低燃料电池系统100的制造成本。D4.第四修改的实施例在第一和第二修改的示例中，基于测量的膜电阻值，通过参考膜含水量表获取膜含水量(λ )。但是，替代的，可以将常量事先设置为膜含水量并将其存储在存储器220中，并且可以通过从存储器220读取该常量获取膜含水量(λ )。例如，可以将值“8”设置为参考扩散系数表和电渗系数表时使用的膜含水量(λ )，并可以将其设置为表达式7 (用于获取两个电极水浓度的表达式)中使用的膜含水量，值“2”可以被设置为阳极侧膜含水量而值“14”可以被设置为阴极侧膜含水量。利用这种结构，当获取阴极侧催化剂层13c和阳极侧催化剂层13a两者的浓度时，可以将考虑了每个电极特性(S卩，阳极侧是干的而阴极侧是湿的)的接近实际测量值的值而不是电解质膜12的膜含水量(λ )用作膜含水量。因而，能够更准确地获取水浓度。另外，可以降低控制单元20上的处理负载并且可以省略阻抗测量部72，因此还可以降低燃料电池系统100的制造成本。顺便提及，设置为常量的膜含水量不限于以上给出的值。也即，可以设置任何适当的值。然而，阳极侧是干的而阴极侧是湿的，因此可以优选地设置每个电极的膜含水量以使得阳极侧膜含水量在小于阴极侧膜含水量的范围内。D5.第五修改的实施例在第一和第二示例实施例中事先设置为常量的值可以是变量而不是常量。例如，细孔总体积(Vc)也可以是变量。构成阴极催化剂层13c的碳颗粒可能由于氧化而随着时间降解。更具体地，碳颗粒(即二次颗粒)可能受产生的水的腐蚀并结合在一起，并且因此，碳颗粒之间的空间(即，细孔)可能消失。因而，可以事先设置根据安装燃料电池系统100后已经过的时间而不同的值(即，随着经过时间增加而更小的值)，在步骤S135中可以获取经过的时间，并且根据获取的经过时间的细孔总体积可以被获取作为细孔总体积。图16是第五修改的示例中的时限的第一示例的视图。图16中的水平坐标和垂直坐标与图8中的一样。如上所述，细孔总体积由于阴极侧催化剂层13c的碳颗粒的氧化而逐渐减少，因此相同电流密度处的 时限tL将逐渐变得更短。并且，例如，电解质膜12的厚度Amt可以是变量。形成电解质膜12的离聚物的主链被过氧化氢逐渐地消减。并且，紧固燃料电池10的压缩力恒定地应用到电解质膜12。电解质膜12的厚度由于这些化学和机械操作而随着操作时段变得越长逐渐变得越薄。因而，可以事先设置根据安装燃料电池系统100后已经过的时间而不同的值(B卩，随着经过时间增加而更小的值)，在步骤S235中可以获取经过的时间，并且根据获取的经过时间的厚度Atm[SI] [S2]可以被获取作为电解质膜12的厚度Amt。图17是第五修改的示例中时限tL的第二示例的视图。图17中的水平轴和垂直轴与图8中的相同。电解质膜12的厚度Amt随着使用时段增加而逐渐减少(即，变得更薄)，因此反向扩散水量Qi逐渐增加，这根据以上表达式8是明显的。因而，阴极流入水量Qc逐渐减少，而相同电流密度处的时间tL逐渐增加，如图17所示。D6.第六修改的示例在第一和第二示例实施例中，根据温度来设置多个扩散系数表，如图4所示。然而，除了温度，还可以根据燃料电池系统100被安装后经过的时间来设置多个扩散系数表。随着操作时段变得越长，越多的杂质可能变得与电解质膜12相混合。因此，电解质膜12的自扩散系数(D)逐渐减少。因而，可以事先设置根据安装燃料电池系统100后经过的时间而不同的扩散系数表，在步骤S225中可以获取经过的时间，并且可以参考根据获取的经过时间通过扩散系数表获取自扩散系数(D)。在这样的情况下，自扩散系数(D)逐渐减少，因此反向扩散水量Qi逐渐增加，这根据以上表达式8是明显的。因而，阴极流入水量Qc逐渐增加，而相同电流密度处的时限tL逐渐变得更短，恰如上述图16。D7.第七修改的示例在上述示例实施例中，在步骤S145中获取的激活后时间是燃料电池系统100激活后经过的时间段。然而，替代的，激活后时间可以是在步骤S120中确定燃料电池10之一中的电压低于O之后经过的时间段。利用这种结构，如果存在燃料电池系统100被激活之后阻塞的燃料电池10，则可以获取出现阻塞之后已经过的精确时间段，因此能够准确地获取阴极流入水量。D8.第八修改的示例在上述示例实施例中，确定燃料电池堆110的温度是否低于0° C，并且如果燃料电池堆110的温度低于0° C，则执行步骤S115和其后的步骤。然而，代替的是，无论燃料电池堆110的温度如何都可以执行步骤S115和其后的步骤。在此情况下，可以省略获取燃料电池堆110的温度(S卩，步骤S105)和作出确定(S卩，步骤S110)的步骤。即使燃料电池堆110的温度等于或高于0° C，在接近0° C的低温环境中，已经冻结的剩余的水可能仍旧冻结而不是融化。因而，无论燃料电池堆110的温度如何，都可以通过根据是否存在阻塞的燃料电池10执行步骤S130和其后的步骤，来在存在阻塞的燃料电池10时可靠地执行步骤S130和其后的步骤。因此，可以可靠地抑制阴极侧催化剂层Ic与电解质膜12相分离。顺便提及，利用此结构，启动例程可以结束，并且例如可以在激活燃料电池系统100或IOOa后经过的预定时间段之后执行正常的操作。D9.第九修改的示例在上述示例实施例中，在激活后时间tn达到时限tL之后减少电流值。然而，替代的，可以在激活后时间tn达到时限tL之前减少电流值。例如，可以在激活后时间tn例如达到偏离于时限tL预定时间段的时间时减少电流值。利用这种结构，可以缩短确定激活后时间tn已经达到时限tL的时间点和电渗水量实际减少的时间点之间的时差，因此可以可靠地抑制阴极流入水量超过细孔总体积。
D10.第十修改的示例在上述示例实施例中，燃料电池系统100和IOOa被安装在电动车辆中使用。然而，代替的是，燃料电池系统100和IOOa还可以应用到多种可移动的物体，诸如混合动力车、船舶或机器人。并且，燃料电池系统100和IOOa可以被应用为固定电源和便携式电源，而不是被安装在移动的物体中。Dll.第H^一修改的示例在上述示例实施例中，当激活后时间tn超过时限tL时，电流值减少(步骤S155和S155a)。然而，代替的是，电流值可以增加。例如，该结构可以为使得电流值增加以使得电流值增加之后的操作点至少在图8中的区域Al中。这种结构使得可以抑制阴极流入水量超过细孔总体积，以及使得能够改进燃料电池堆110的发电部。D12.第十二修改的示例在上述示例实施例中，通过软件实现的一些结构可以用硬件替换。并且，各种功能部还可以分成甚至更小的功能部来实现。例如，阴极流入水量确定部211还可以被配置为包括确定电渗水量的电渗水量确定部，以及确定反向扩散水量的反向扩散水量确定部。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括 燃料电池，所述燃料电池具有电解质膜、以及阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层，所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层具有多个细孔并且被布置为与所述电解质膜相接触； 阴极流入水量确定部，所述阴极流入水量确定部用于确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量； 细孔体积获取部，所述细孔体积获取部用于获取细孔总体积，所述细孔总体积是指在所述阴极侧催化剂层中的所述多个细孔的体积； 操作条件确定部，所述操作条件确定部用于基于所确定的阴极流入水量和所获取的细 孔总体积来确定所述燃料电池的操作条件，以使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内，其中，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值以及该电流流经所述燃料电池的时间段的上限值；以及 电流调节部，所述电流调节部用于调节所述电流值和所述电流值的电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其中， 将包括氢的气体作为阳极侧反应气体供应给所述燃料电池； 所述阴极流入水量确定部包括 电渗水量确定部，所述电渗水量确定部用于确定电渗水量，所述电渗水量是指在所述燃料电池启动之后流进所述阴极侧催化剂层的水的量，其中，该水随着从所述电解质膜的阳极侧向阴极侧的氢离子的移动而从所述阳极侧穿过所述电解质膜移动到所述阴极侧；以及 反向扩散水量确定部，所述反向扩散水量确定部用于确定反向扩散水量，所述反向扩散水量是指在所述燃料电池启动之后从所述阴极侧催化剂层流出的水的量，其中，该水根据所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层之间的水浓度差而从所述阴极侧穿过所述电解质膜移动到所述阳极侧；并且， 所述阴极流入水量确定部通过从所述电渗水量中减去所述反向扩散水量来确定所述阴极流入水量。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 所述电渗水量确定部使用表达式I确定所述电渗水量， Qe=i/F*0*t (表达式 I) 其中Qe表示电渗水量，i表示电流密度，F表示法拉第常量，0表示电渗系数,而t表示启动之后的时间段。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 所述阴极侧催化剂层具有包括磺酸基的离聚物；并且 所述反向扩散水量确定部通过使用表达式2获取所述阴极侧催化剂层的水浓度和所述阳极催化剂层的水浓度来获取所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层之间的水浓度差，并且使用表达式3确定所述反向扩散水量，Cw= e * p * 入 /Eff (表达式 2 )其中Cw表示水浓度，e表示离聚物的体积分数，P表示离聚物密度，\表示膜含水量，并且EW表示酸基密度， Qi=D* A C/Amt*t (表达式 3) 其中Qi表不反向扩散水量，D表不自扩散系数，A C表不水浓度差，Amt表不电解质膜的厚度，并且t表示启动之后的时 间段。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，还包括 存储部，所述存储部用于存储作为所述阴极侧催化剂层的膜含水量(X )的预设值和作为所述阳极侧催化剂层的膜含水量(X )的预设值。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的燃料电池系统，还包括 电流值测量部，所述电流值测量部用于测量所述电流值；以及 时间测量部，所述时间测量部用于测量在所述燃料电池启动之后经过的时间段， 其中，所述电流调节部在所测量的经过的时间段达到与所测量的电流值相对应的所述操作条件的所述上限值之前减少所述电流值。
7.根据权利要求I至5中任一项所述的燃料电池系统，其中， 所述操作条件是其中所述阴极流入水量等于或小于零的操作条件。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的燃料电池系统，还包括 温度获取部，所述温度获取部用于获取所述燃料电池的温度， 其中，在所获取的温度低于0° C时，所述电流调节部调节所述电流值和所述电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的燃料电池系统，还包括 阻塞状态检测部，所述阻塞状态检测部用于检测所述燃料电池是否处于所述燃料电池不能发电的阻塞状态， 其中，当检测到所述燃料电池处于所述阻塞状态时，所述电流调节部调节所述电流值以及所述电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，还包括 电压测量部，所述电压测量部用于测量所述燃料电池中的电压， 其中所述阻塞状态检测部在所测量的电压低于OV时检测到所述燃料电池处于阻塞状态。
11.根据权利要求9所述的燃料电池系统，还包括电压值比较部，所述电压值比较部用于将第一电压值与第二电压值进行比较，所述第一电压值是由多个所述燃料电池所组成的第一燃料电池组的电压值，所述第二电压值是由与所述第一燃料电池组具有相同数目的所述燃料电池所组成的第二燃料电池组的电压值，其中，所述阻塞状态检测部在所述第一电压值比所述第二电压值低时检测到所述第一燃料电池组中的燃料电池之一处于所述阻塞状态。
12.一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，所述燃料电池具有电解质膜、以及阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层，所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层具有多个细孔并且被布置为与所述电解质膜相接触， 所述控制方法包括 确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是指在所述燃料电池启动之后随着所述燃料电池的发电而产生的、经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层的水的量； 获取细孔总体积，所述细孔总体积是指在所述阴极侧催化剂层中的所述多个细孔的体积； 基于所确定的阴极流入水量和所获取的细孔总体积来确定所述燃料电池的操作条件，以使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内，其中，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值以及该电流流经所述燃料电池的时间段的上限值；以及 调节所述电流值和所述电流值的电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
13.—种燃料电池系统,包括 燃料电池，所述燃料电池具有电解质膜以及阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层，所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层具有多个细孔并且被布置为与所述电解质膜接触； 阴极流入水量确定部，所述阴极流入水量确定部确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是随着所述燃料电池的发电而产生的水的量，所述水在所述燃料电池启动之后经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层； 操作条件确定部，所述操作条件确定部基于所确定的阴极流入水量和作为所述阴极侧催化剂层中的所述多个细孔的体积的细孔总体积来确定所述燃料电池的操作条件，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值和所述电流流经所述燃料电池的时间段的上限值，以用于使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内；以及 电流调节部，所述电流调节部调节所述电流值和所述电流值的电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中将包括氢气的气体作为阳极侧反应气体供应给所述燃料电池；所述阴极流入水量确定部包括电渗水量确定部和反向扩散水量确定部，所述电渗水量确定部确定电渗水量，所述电渗水量是随着氢离子从所述电解质膜的阳极侧向阴极侧的移动而从所述阳极侧穿过所述电解质膜移动到所述阴极侧移动的、在所述燃料电池启动之后流进所述阴极侧催化剂层的水的量，所述反向扩散水量确定部确定反向扩散水量，所述反向扩散水量是根据所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层之间的水浓度差从所述阴极侧穿过所述电解质膜移动到所述阳极侧的、在所述燃料电池启动之后从所述阴极侧催化剂层流出的水的量；并且所述阴极流入水量确定部通过从所述电渗水量减去所述反向扩散水量来确定所述阴极流入水量。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述电渗水量确定部使用表达式I确定所述电渗水量， Qe=i/F*0*t (表达式 I) 其中Qe表示电渗水量，i表示电流密度，F表示法拉第常量，0表示电渗系数,而t表示启动之后的时间段。
16.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述阴极侧催化剂层具有包括磺酸基的离聚物；并且所述反向扩散水量确定部通过使用表达式2获取阴极侧催化剂层的水浓度和阳极催化剂层的水浓度来获取所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层之间的水浓度差，并且使用表达式3确定所述反向扩散水量，Cw= e * p * A /Eff (表达式 2)其中Cw表示水浓度，e表示离聚物的体积分数，P表示离聚物密度，\表示膜含水量，并且EW表示酸基密度， Qi=D* A C/Amt*t (表达式 3) 其中Qi表不反向扩散水量，D表不自扩散系数，A C表不水浓度差，Amt表不电解质膜的厚度，并且t表示启动之后的时间段。
17.根据权利要求16所述的燃料电池，还包括 存储部，所述存储部存储作为所述阴极侧催化剂层的膜含水量(X )的预设值和作为所述阳极侧催化剂层的膜含水量(X )的预设值。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的燃料电池，还包括 电流值测量部，所述电流值测量部测量所述电流值；以及 时间测量部，所述时间测量部测量在所述燃料电池启动之后经过的时间段， 其中所述电流调节部在所测量的经过时间段达到与所测量的电流值相对应的所述操作条件的所述上限值之前减少所述电流值。
19.根据权利要求13至17中任一项所述的燃料电池系统，其中所述操作条件是其中所述阴极流入水量等于或小于O的操作条件。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的燃料电池系统，还包括 温度获取部，所述温度获取部获取所述燃料电池的温度， 其中所述电流调节部调节所述电流值和所述电流流过的时间段，以使得在所获取的温度低于0° C时实现所确定的操作条件。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的燃料电池系统，还包括 阻塞状态检测部，所述阻塞状态检测部检测所述燃料电池是否处于所述燃料电池不能发电的阻塞状态， 其中，当检测到所述燃料电池处于所述阻塞状态时，所述电流调节部调节所述电流值和所述电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
22.根据权利要求21所述的燃料电池系统，还包括 电压测量部，所述电压测量部测量所述燃料电池中的电压， 其中所述阻塞状态检测部在所测量的电压低于OV时检测到所述燃料电池处于阻塞状态。
23.根据权利要求21所述的燃料电池系统，还包括 电压值比较部，所述电压值比较部比较第一电压值与第二电压值，所述第一电压值是由多个燃料电池组成的第一燃料电池组的电压值，所述第二电压值是由与所述第一燃料电池组具有相同数目的燃料电池组成的第二燃料电池组的电压值， 其中所述阻塞状态检测部在所述第一电压值比所述第二电压值低时检测到所述第一燃料电池组的燃料电池之一处于所述阻塞状态。
24.根据权利要求13至23中任一项所述的燃料电池系统，还包括 细孔体积获取部，所述细孔体积获取部获取所述细孔总体积。
25.一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，所述燃料电池具有电解质膜以及阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层，所述阴极侧催化剂层和所述阳极侧催化剂层具有多个细孔并且被布置为与所述电解质膜接触，所述控制方法包括确定阴极流入水量，所述阴极流入水量是随着所述燃料电池的发电而产生的水的量，所述水在所述燃料电池启动之后经由所述电解质膜流进所述阴极侧催化剂层； 基于所确定的阴极流入水量和作为所述阴极侧催化剂层中的所述多个细孔的体积的细孔总体积，确定所述燃料电池的操作条件，所述操作条件包括流经所述燃料电池的电流的电流值和所述电流流经所述燃料电池的时间段的上限值，以用于使所述阴极流入水量在等于或小于所述细孔总体积的范围内；以及 调节所述电流值和所述电流值的电流流过的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
26.根据权利要求25所述的控制方法，还包括 获取所述细孔总体积。
全文摘要
一种燃料电池系统，包括燃料电池；阴极流入水量确定部，其确定激活燃料电池之后的阴极流入水量；获取部，其获取阴极侧催化剂层的细孔总体积；操作条件确定部，其基于所确定的阴极流入水量和所获取的细孔总体积来确述燃料电池的操作条件，所述操作条件包括流经燃料电池的电流的电流值和该电流流动的时间段的上限值，以用于使阴极流入水量在等于或小于细孔总体积的范围内；以及调节部，其调节电流值和该电流值的电流流动的时间段，以使得实现所确定的操作条件。
文档编号H01M8/10GK102640341SQ201080053805
公开日2012年8月15日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年11月26日
发明者丸尾刚, 久米井秀之, 内山智晓, 加藤学, 川原周也 申请人:丰田自动车株式会社