燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术：

已知在燃料气体和氧化剂气体以逆流方式流动的燃料电池中，氧化剂气体流路的入口附近(换句话说，燃料气体流路的出口的附近)趋于干燥。如例如日本专利申请公开第2010-538415号中所公开的，已知了一种方法，该方法在氧化剂气体流路的入口附近干燥时增大燃料气体流量并且/或者减小燃料气体压力，以减少氧化剂气体流路的入口附近的干燥。此外，已知当在燃料电池的温度高时发电时，燃料气体流路的入口附近由于因增大的输出功率所致的燃料气体流量的增大而趋于干燥。例如，如例如国际公开第2014/017028号中所公开的，已知在产生具有1.4a/cm²或更大的电流密度的电力时，使氧化剂气体的化学计量比低于通常条件下的化学计量比并且/或者使燃料气体的化学计量比低于通常条件下的化学计量比，以减少燃料气体流路的入口附近的干燥。

技术实现要素：

实施例的一个方面中的目的是提供一种提高发电性能的燃料电池系统。

上述目的通过一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统包括：燃料电池，该燃料电池包括燃料气体流过的燃料气体流路以及氧化剂气体流过的氧化剂气体流路，燃料气体流路的入口被定位成相比靠近氧化剂气体流路的入口更靠近氧化剂气体流路的出口，燃料气体流路的出口被定位成相比靠近氧化剂气体流路的出口更靠近氧化剂气体流路的入口；氧化剂气体供应单元，该氧化剂气体供应单元将氧化剂气体供应到燃料电池；以及供应量控制器，该供应量控制器被配置成控制氧化剂气体供应单元，以控制到燃料电池的氧化剂气体的供应量，其中供应量控制器被配置成控制氧化剂气体供应单元，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比，高温高输出功率状态是燃料电池的温度高于预定温度并且燃料电池的发电量大于预定发电量的状态，高温低输出功率状态是燃料电池的温度高于预定温度并且燃料电池的发电量等于或小于预定发电量的状态。

在上述构造中，可以设置燃料气体供应单元，该燃料气体供应单元将燃料气体供应到燃料电池，并且供应量控制器可以被配置成控制燃料气体供应单元，以控制到燃料电池的燃料气体的供应量，并且供应量控制器可以被配置成控制燃料气体供应单元，使得高温高输出功率状态中的燃料气体的化学计量比小于高温低输出功率状态中的燃料气体的化学计量比。

在上述构造中，供应量控制器可以被配置成控制氧化剂气体供应单元，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比以及燃料电池的温度等于或低于预定温度时的氧化剂气体的化学计量比。

在上述构造中，供应量控制器可以被配置成控制氧化剂气体供应单元，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比以及燃料电池的温度等于或低于预定温度时的氧化剂气体的化学计量比，并且供应量控制器可以被配置成控制燃料气体供应单元，使得高温高输出功率状态中的燃料气体的化学计量比是在高温低输出功率状态中的燃料气体的化学计量比与燃料电池的温度等于或低于预定温度时的燃料气体的化学计量比之间的值。

在上述构造中，预定温度可以是70℃或更高。

在上述构造中，在燃料电池的电流密度大于1.0a/cm²或更大的预定电流密度时燃料电池的发电量可以被认为大于预定发电量。

在上述构造中，在燃料电池的电压小于0.75v或更小的预定电压时燃料电池的发电量可以被认为大于预定发电量。

附图说明

图1是示出了根据第一实施例的燃料电池系统的结构的示意图；

图2a是单元电池的截面图，并且图2b是从阳极隔膜侧观察的单元电池的平面图；

图3a和图3b是用于描述当在燃料电池的温度高时发电时出现的问题的图；

图4是干燥减少的过程的流程图；

图5示出了燃料电池的温度与单电池电压之间的关系；

图6a示出了在燃料电池的温度高并且输出功率高时的第一实施例与第一比较例之间的单电池电压的比较结果，并且图6b示出了在燃料电池的温度高并且输出功率高时的第一实施例与第一比较例之间的电流密度分布的比较结果；

图7示出了在燃料电池的温度高时的燃料电池的电流-电压特性(i-v特性)的测量结果；

图8a示出了在燃料电池的温度高并且输出功率高时的第一实施例、第二实施例、第一比较例、第一参考例和第二参考例之间的单电池电压的比较结果，并且图8b示出了在燃料电池的温度高并且输出功率高时的第二实施例、第一比较例、第一参考例和第二参考例之间的电流密度分布的比较结果；并且

图9a是从阳极隔膜侧观察的根据第一变型的单元电池的平面图，并且图9b是从阳极隔膜侧观察的根据第二变型的单元电池的平面图。

具体实施方式

当燃料电池的温度高并且燃料电池的发电量大时，在减少燃料电池的干燥以及提高发电性能方面仍有改进的空间。

下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例。

第一实施例

图1是示出了根据第一实施例的燃料电池系统的结构的示意图。燃料电池系统被安装在例如燃料电池车辆上，并且根据来自驾驶员的请求而输出用作驱动力的电力。如图1中所示，燃料电池系统100包括燃料电池10、氧化剂气体管路系统30、燃料气体管路系统40、冷却剂管路系统60、电力系统70和控制单元80。氧化剂气体管路系统30将被称为阴极气体的氧化剂气体(例如空气)供应到燃料电池10，并排放出未在燃料电池10中消耗的氧化剂排气。燃料气体管路系统40将被称为阳极气体的燃料气体(例如氢气)供应到燃料电池10，并排放出未在燃料电池10中消耗的燃料排气。冷却剂管路系统60使冷却燃料电池10的冷却剂循环通过燃料电池10。电力系统70对系统的电力进行充电和放电。控制单元80总体控制整个系统。电流传感器1和电压传感器2被安装到燃料电池10。电流传感器1连接到燃料电池10的直流(dc)线路，测量从燃料电池10输出的电流值，并将所测量的电流值传输到控制单元80。电压传感器2连接在燃料电池10的单元电池之间，测量燃料电池10上的电压，并将所测量的电压传输到控制单元80。

燃料电池10是被供应氧化剂气体和燃料气体以发电的聚合物电解质燃料电池。燃料电池10具有堆叠结构，该堆叠结构具有堆叠的多个单元电池。图2a是单元电池的截面图，并且图2b是从阳极隔膜侧观察的单元电池的平面图。如图2a中所示，单元电池11包括膜电极气体扩散层组件(下文中称为mega)16以及将mega16夹在中间的阳极隔膜17a和阴极隔膜17c。mega16包括阳极气体扩散层15a和阴极气体扩散层15c以及膜电极组件(下文中称为mea)14。

mea14包括电解质膜12、位于电解质膜12的第一表面上的阳极催化层13a以及位于电解质膜12的第二表面上的阴极催化层13c。电解质膜12是由例如具有磺酸基的氟类树脂材料或具有磺酸基的烃类树脂材料形成的固体聚合物膜，并且在潮湿条件下具有良好的质子传导性。阳极催化层13a和阴极催化层13c含有碳粒子(炭黑等)和离聚物，所述碳粒子负载加快电化学反应速率的催化剂(如铂或铂-钴合金)，所述离聚物是具有磺酸基的固体聚合物并且在潮湿条件下具有良好的质子传导性。

阳极气体扩散层15a和阴极气体扩散层15c由具有气体渗透性和电子传导性的构件形成，例如由诸如碳纤维或石墨纤维等的多孔纤维构件形成。

阳极隔膜17a和阴极隔膜17c由具有气体阻隔性和电子传导性的构件形成。例如，阳极隔膜17a和阴极隔膜17c由金属构件或碳构件形成，所述金属构件由不锈钢、铝或钛制成，并且具有由通过压制成型而弯曲来形成的不均匀形状，所述碳构件由通过压缩碳而形成的致密碳制成，以便具有气体阻隔性。

如图2b中所示，阳极隔膜17a具有大致长方形的形状，并且具有形成在其周边部分中的被供应燃料气体的阳极入口a1、排放燃料气体的阳极出口a2、被供应氧化剂气体的阴极入口c1、排放氧化剂气体的阴极出口c2、被供应冷却剂的冷却剂入口w1和排放冷却剂的冷却剂出口w2。虽然省略了图示，但如阳极隔膜17a一样，阴极隔膜17c也具有大致长方形的形状，并具有形成在其中的阳极入口a1、阳极出口a2、阴极入口c1、阴极出口c2、冷却剂入口w1和冷却剂出口w2。多个单元电池11的阳极入口a1限定燃料气体供应歧管，单元电池11的阳极出口a2限定燃料气体排出歧管，单元电池11的阴极入口c1限定氧化剂气体供应歧管，并且单元电池11的阴极出口c2限定氧化剂气体排出歧管。单元电池11的冷却剂入口w1限定冷却剂供应歧管，并且单元电池11的冷却剂出口w2限定冷却剂排出歧管。

阳极入口a1和冷却剂出口w2被形成为在阳极隔膜17a和阴极隔膜17c中的每一个的短边中的第一边处在短方向上彼此邻近。冷却剂入口w1和阳极出口a2被形成为在阳极隔膜17a和阴极隔膜17c中的每一个的短边中的第二边处在短方向上彼此邻近。两个阴极入口c1被形成为在阳极隔膜17a和阴极隔膜17c中的每一个的长边中的第一边处在长方向上彼此邻近。两个阴极出口c2被形成为在阳极隔膜17a和阴极隔膜17c中的每一个的长边中的第二边处在长方向上彼此邻近。

燃料气体流过的燃料气体流路18被形成在阳极隔膜17a的中央。燃料气体流路18是所谓的蛇形流路，并且将燃料空气从阳极入口a1引导到阳极出口a2。燃料气体流路18大致平行于阳极隔膜17a的长边地从阳极入口a1朝向冷却剂入口w1大致线性地延伸，在冷却剂入口w1的附近弯曲，并且大致平行于阳极隔膜17a的长边地从冷却剂入口w1朝向冷却剂出口w2大致线性地延伸。燃料气体流路18在冷却剂出口w2的附近弯曲，并且大致平行于阳极隔膜17a的长边地从冷却剂出口w2朝向阳极出口a2大致线性地延伸。由实线箭头指示燃料气体流动的方向。冷却剂入口w1和冷却剂出口w2的位置不受特别限制。例如，可以按与图2b中所示的方式相反的方式来布置冷却剂入口w1和冷却剂出口w2，并且冷却剂流动的方向可以与图2b中的方向相反。

将氧化剂气体从阴极入口c1引导到阴极出口c2的氧化剂气体流路19被形成在阴极隔膜17c中。在图2b中，由短划线指示氧化剂气体流路19。氧化剂气体流路19沿着阴极隔膜17c的短边方向大致线性地延伸。由短划线箭头指示氧化剂气体流动的方向。

阳极入口a1被定位成相比靠近阴极入口c1更靠近阴极出口c2，并且阳极出口a2被定位成相比靠近阴极出口c2更靠近阴极入口c1。因此，燃料气体流路18的入口20被定位成相比靠近氧化剂气体流路19的入口22更靠近氧化剂气体流路19的出口23，并且燃料气体流路18的出口21被定位成相比靠近氧化剂气体流路19的出口23更靠近氧化剂气体流路19的入口22。也就是说，穿过燃料气体流路18的燃料气体和穿过氧化剂气体流路19的氧化剂气体大致以大致逆流的方式流动。

如图1中所示，氧化剂气体管路系统30包括氧化剂气体供应管道31、空气压缩机32、空气流量计33、开/关阀34、加湿模块35、氧化剂气体排出管道36、调节阀37和压力传感器3。可以不必设置加湿模块35。氧化剂气体供应管道31是联接到燃料电池10的阴极的入口的管道。空气压缩机32通过氧化剂气体供应管道31而联接到燃料电池10，吸入外部空气，并将压缩空气作为阴极气体供应到燃料电池10。空气压缩机32是将氧化剂气体供应到燃料电池10的氧化剂气体供应单元的示例。空气流量计33被安装得比空气压缩机32在更上游，测量引入到空气压缩机32的空气的体积，并将所测量的体积传输到控制单元80。控制单元80基于空气流量计33的测量值来控制空气压缩机32的驱动，以控制到燃料电池10的空气供应量。

开/关阀34位于空气压缩机32与燃料电池10之间，并且根据氧化剂气体供应管道31中的空气的流动来打开和关闭。例如，开/关阀34平时处于关闭状态，并在具有预定压力的空气从空气压缩机32流过氧化剂气体供应管道31时打开。加湿模块35对从空气压缩机32输送的高压空气进行加湿。加湿模块35也联接到氧化剂气体排出管道36，并且使用阴极排气的水分来加湿高压空气。

氧化剂气体排出管道36是联接到燃料电池10的阴极的出口的管道，并且将阴极排气排放到燃料电池系统100的外部。调节阀37调整氧化剂气体排出管道36中的阴极排气的压力(燃料电池10的阴极侧处的背压)。压力传感器3被安装得比调节阀37更上游，测量阴极排气的压力，并将所测量的压力传输到控制单元80。控制单元80基于压力传感器3的测量值而调整调节阀37的开度。

燃料气体管路系统40包括燃料气体供应管道41、氢罐42、开/关阀43、调节器44、氢供应单元45、压力传感器4、燃料气体排出管道46、气液分离器47、燃料气体循环管道48、循环泵49、阳极排水管道50和排水阀51。氢罐42通过燃料气体供应管道41而联接到燃料电池10的阳极的入口。开/关阀43、调节器44、氢供应单元45和压力传感器4以此次序从上游侧(氢罐42侧)起被布置在燃料气体供应管道41中。

开/关阀43根据来自控制单元80的指令而打开和关闭，并且控制氢气的从氢罐42到燃料气体供应管道41的比氢供应单元45更上游的部分中的流动。调节器44是用于调整在比氢供应单元45更上游的部分中的氢气的压力的减压阀，并且其开度由控制单元80控制。氢供应单元45由例如电磁开/关阀的喷射器构成，并且将氢气作为阳极气体从氢罐42供应到燃料电池10。氢供应单元45是将燃料气体供应到燃料电池10的燃料气体供应单元的示例。压力传感器4测量在燃料气体供应管道41的比氢供应单元45更下游的部分中的氢气的压力，并将所测量的压力传输到控制单元80。控制单元80基于压力传感器4的测量值通过控制氢供应单元45来控制要供应到燃料电池10的氢气量。

燃料气体排出管道46是使燃料电池10的阳极的出口与气液分离器47连接的管道，并且将含有发电反应中未使用的未反应气体(氢气、氮气等)的阳极排气引导到气液分离器47。气液分离器47联接到燃料气体循环管道48和阳极排水管道50。气液分离器47分离阳极排气中所含有的气体成分和水分，将气体成分引导到燃料气体循环管道48，并将水分引导到阳极排水管道50。燃料气体循环管道48在位于比氢供应单元45更下游的位置处联接到燃料气体供应管道41。循环泵49被设置在燃料气体循环管道48中。由循环泵49将在气液分离器47中分离出的气体成分中所含有的氢气输送到燃料气体供应管道41。如上所述，燃料电池系统100使阳极排气中所含有的氢气循环，以将氢气再次供应到燃料电池10，从而提高氢气的使用效率。

阳极排水管道50是用于将在气液分离器47中分离出的水排放到燃料电池系统100的外部的管道。排水阀51被设置在阳极排水管道50中，并且根据来自控制单元80的指令而打开和关闭。在燃料电池系统100的操作期间，控制单元80平时关闭排水阀51，并在预定排放时间或在阳极排气中的惰性气体的排放时间打开排水阀51。

冷却剂管路系统60包括冷却剂管道61、散热器62、三通阀63、循环泵64以及温度传感器6和7。冷却剂管道61是用于使用于冷却燃料电池10的冷却剂循环的管道，并且由上游管道61a、下游管道61b和旁路管道61c所构成。上游管道61a使位于燃料电池10中的冷却剂排出歧管的出口与散热器62的入口连接。下游管道61b使位于燃料电池10中的冷却剂供应歧管的入口与散热器62的出口连接。旁路管道61c的第一端通过三通阀63而联接到上游管道61a，并且旁路管道61c的第二端联接到下游管道61b。控制单元80通过控制三通阀63的打开/关闭来调整流动到旁路管道61c中的冷却剂的量，从而控制流动到散热器62中的冷却剂的量。

散热器62位于冷却剂管道61中，并且在流过冷却剂管道61的冷却剂与外部空气之间进行热交换，以冷却冷却剂。在下游管道61b中，循环泵64被定位成比旁路管道61c所连接到的部分更下游(被定位成比该部分更靠近燃料电池10)，并且基于来自控制单元80的指令而驱动。温度传感器6和7分别位于上游管道61a和下游管道61b中，测量冷却剂的温度，并将测量值传输到控制单元80。控制单元80基于例如温度传感器6的测量值来检测燃料电池10的温度。可替代地，控制单元80基于例如温度传感器6和7之间的测量值差值来检测燃料电池10内的温度差。控制单元80基于所检测的燃料电池10的温度或所检测的温度差来控制循环泵64的转速，以调整燃料电池10的温度。

电力系统70包括高压dc/dc转换器71、电池72、牵引逆变器73、辅机逆变器74、牵引电机m3和辅机电机m4。高压dc/dc转换器71能够调整来自电池72的dc电压，并将调整过的dc电压输出到牵引逆变器73，并且能够调整来自燃料电池10的dc电压或来自牵引电机m3的电压(该电压已由牵引逆变器73转换成dc电压)，并将调整过的电压输出到电池72。高压dc/dc转换器71控制燃料电池10的输出电压。

电池72是能够被充电和放电的二次电池，并且能够充入剩余电力并供应辅助电力。燃料电池10中所产生的dc电力的一部分由高压dc/dc转换器71升压/降压，并且电池72被充电。检测荷电状态的soc传感器8被安装在电池72中。

牵引逆变器73和辅机逆变器74将从燃料电池10或电池72输出的dc电力转换成三相交流(ac)电力，并将三相ac电力供应到牵引电机m3和辅机电机m4。牵引电机m3驱动车轮90。检测牵引电机m3的转速的转速检测传感器9被安装在牵引电机m3中。辅机电机m4是用于驱动辅机的电机。

控制单元80包括微计算机，该微计算机包括中央处理单元(cpu)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)等。控制单元80基于每一个输入的传感器信号以集成方式来控制燃料电池系统100的每一个单元，以控制燃料电池系统100的操作。例如，控制单元80基于从加速器踏板传感器92(该加速器踏板传感器92检测加速器踏板91的枢转)、soc传感器8和转速检测传感器9传输的传感器信号来计算燃料电池10的要求输出值。rom存储用于燃料电池系统100的操作程序以及各种地图和用于燃料电池系统100的控制的各种阈值。控制单元80基于例如传感器信号来控制阀、循环泵、空气压缩机等，并且控制燃料电池系统100的操作，包括控制下文所述的用于减少燃料电池10的干燥的过程。控制单元80在干燥减少的过程中充当供应量控制器。

此处，将描述当在燃料气体和氧化剂气体以逆流方式流动的燃料电池10的温度高时发电时出现的问题。图3a和图3b是用于描述当在燃料电池的温度高时发电时出现的问题的图。图3a示出了在燃料电池10的温度高并且输出功率低(发电量低)时的燃料电池10的从燃料气体流路18的入口20到燃料气体流路18的出口21的湿度分布和所产生的电流密度分布。图3b示出了在燃料电池10的温度高并且输出功率高(发电量高)时的燃料电池10的从燃料气体流路18的入口20到燃料气体流路18的出口21的湿度分布和所产生的电流密度分布。在图3a和图3b中，湿度分布由实线指示，并且所产生的电流密度分布由点划线指示。

如图3a中所示，当燃料电池10的温度高并且输出功率低时，燃料气体流路18的出口21附近的湿度低，从而导致燃料气体流路18的出口21附近的发电性能低。燃料气体流路18的出口21附近的湿度低的原因如下。由于在输出功率低时，通过发电而产生的水分的量低并且干燥的氧化剂气体流动到氧化剂气体流路19中，所以氧化剂气体流路19的入口22附近趋于干燥。作为结果，燃料气体流路18的出口21附近趋于干燥。

如图3b中所示，当燃料电池10的温度高并且输出功率高时，燃料气体流路18的入口20附近的湿度低，从而导致燃料气体流路18的入口20附近的发电性能低。燃料气体流路18的入口20附近的湿度低的原因如下。由于大量的干燥的燃料气体被供应到燃料气体流路18，所以燃料气体流路18的入口20附近趋于干燥。此外，当使阳极排气循环以将其再次供应到燃料电池10时，被加湿的燃料气体也流动到燃料气体流路18中。然而，由于燃料电池10的温度高，所以相对湿度变低，并且作为结果，燃料气体流路18的入口20附近趋于干燥。

接下来，将描述用于在燃料电池10的温度高时减少干燥以及用于提高发电性能的控制。图4是示出了干燥减少的过程的流程图。在燃料电池10的发电期间重复图4中的每一个步骤处的确定和控制。如图4中所示，当启动燃料电池系统100时，控制单元80执行使燃料电池10基于驾驶员对燃料电池车辆的驱动请求来发电的通常操作(步骤s10)。通常操作的意思是处于燃料电池10的温度不高的状态的操作。控制单元80初步存储指示燃料电池10的发电特性的信息，诸如电流-电压特性(i-v特性)和电流-功率特性(i-p特性)。控制单元80基于i-v特性和i-p特性来操作燃料电池10。在通常操作中，作为供应到燃料电池10的燃料气体和氧化剂气体的化学计量比，例如，燃料气体的化学计量比被设定为1.25，并且氧化剂气体的化学计量比被设定为1.5。此处，化学计量比是反应气体的实际供应量与燃料电池的发电量理论上所需的反应气体的量(反应气体的理论消耗量)的比。

接下来，在通常操作的执行期间，控制单元80每预定时间(例如每100msec)确定燃料电池10是否处于高温状态中，即燃料电池10的温度是否高于初步存储的预定温度(步骤s12)。可以基于例如温度传感器6来获得燃料电池10的温度。预定温度是例如70℃。因此，控制单元80确定例如燃料电池10的温度是否高于70℃。预定时间不受特别限制，并且可以是10msec或1sec。

此处，将描述预定温度是70℃的原因。图5示出了燃料电池的温度与单电池电压之间的关系。图5中的横轴表示由温度传感器6测量的燃料电池10的温度。图5中的纵轴表示电流密度是3.2a/cm²时的单电池电压。如图5中所示，当燃料电池10的温度超过70℃时，发生电解质膜12的干燥，并且发电性能下降。由于根据图4中的流程图而执行的干燥减少的过程旨在减少高温下的干燥，所以基于图5中的结果将预定温度设定为70℃。当燃料电池10的温度是70℃或更高时，发生电解质膜12的干燥，并且发电性能下降。因此，预定温度优选是70℃或更高，可以是80℃或更高，或者可以是90℃或更高。

当确定了燃料电池10的温度等于或低于预定温度(步骤s12：否)时，控制单元80继续通常操作(步骤s10)。另一方面，当确定了燃料电池10的温度高于预定温度(步骤s12：是)时，控制单元80确定燃料电池10的发电量是否大于预定发电量(步骤s14)。例如，控制单元80确定燃料电池10的电流密度是否大于1.0a/cm²。可以基于例如由电流传感器1所测量的电流值来获得燃料电池10的电流密度。稍后将描述预定发电量的详情。

当确定了燃料电池10的发电量等于或小于预定发电量(步骤s14：否)时，控制单元80将燃料气体和氧化剂气体的分别的化学计量比设定成用于低输出功率的化学计量比(步骤s16)。例如，燃料气体的化学计量比被设定为1.66，并且氧化剂气体的化学计量比被设定为1.3。下文中，可以将燃料电池10的温度高于预定温度并且发电量等于或小于预定发电量的状态称为高温低输出功率状态。另一方面，当确定了燃料电池10的发电量大于预定发电量(步骤s14：是)时，控制单元80将燃料气体和氧化剂气体的相应化学计量比设定成用于高输出功率的化学计量比(步骤s16)。例如，燃料气体的化学计量比被设定为1.66(其等于低输出功率的化学计量比)，并且氧化剂气体的化学计量比被设定为1.65(其高于低输出功率的化学计量比)。下文中，可以将燃料电池10的温度高于预定温度并且发电量大于预定发电量的状态称为高温高输出功率状态。控制单元80可以通过控制氢供应单元45来控制燃料气体的供应量从而控制燃料气体的化学计量比，并且可以通过控制空气压缩机32来控制氧化剂气体的供应量从而控制氧化剂气体的化学计量比。

然后，控制单元80确定燃料电池10的温度是否继续高于预定温度(步骤s20)。当燃料电池10的温度继续高于预定温度(步骤s20：是)时，该过程返回到步骤s14。当燃料电池10的温度变得等于或低于预定温度(步骤s20：否)时，该过程返回到步骤s10。

如上所述，在第一实施例中，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，使氧化剂气体的化学计量比大于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的氧化剂气体的化学计量比。此处，将即使在燃料电池10处于高温高输出功率状态时也将氧化剂气体的化学计量比控制成等于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比的情况定义为第一比较例。也就是说，在第一比较例中，燃料气体的化学计量比和氧化剂气体的化学计量比均在高温高输出功率状态与高温低输出功率状态之间相同。表1列出第一实施例和第一比较例中的燃料气体的化学计量比和氧化剂气体的化学计量比的示例。

表1

图6a示出了高温高输出功率状态中的第一实施例与第一比较例之间的单电池电压的比较结果，并且图6b示出了高温高输出功率状态中的第一实施例与第一比较例之间的电流密度分布的比较结果。图6a和图6b示出了如下情况时的测量结果：该情况为燃料电池10的温度是100℃，燃料电池10的阳极入口附近的压力和燃料电池10的阴极入口附近的压力被固定为相应的预定压力，要被供应到燃料气体流路18的燃料气体的露点温度是45℃，并且未加湿的氧化剂气体被供应到氧化剂气体流路19。图6a的纵轴表示电流密度是3.2a/cm²时的单电池电压。

如图6a中所示，与第一比较例相比，在第一实施例中提高了高温高输出功率状态中的发电性能。如图6b中所示，与第一比较例相比，在第一实施例中改善了高温高输出功率状态中的电流密度分布。如图3b中所述，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，燃料气体流路18的入口20附近的湿度低，并且因此，燃料气体流路18的入口20附近的发电性能低。在第一实施例中，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，使氧化剂气体的化学计量比大于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的氧化剂气体的化学计量比。因此，能够提高氧化剂气体流路19中的面向燃料气体流路18的入口20的氧气分压，通过发电而产生的水分的量增加，从而能够增加燃料气体流路18的入口20附近的从阴极移动到阳极的水分的量。因此，认为减少了燃料气体流路18的入口20附近的干燥，如图6b中所示，改善了燃料气体流路18的入口20附近的电流密度，并且作为结果，如图6a中所示，提高了发电性能。

如上所述，在第一实施例中，控制单元80控制空气压缩机32，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比(例如1.65)大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比(例如1.3)。如图6a和图6b中所述，该控制减少了燃料气体流路18的入口20附近的电解质膜12的干燥，并且作为结果，提高了发电性能。当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，如国际公开第2014/017028号中所述，可以使燃料气体的化学计量比小于通常条件下的燃料气体的化学计量比，以提高发电性能。然而，当使燃料气体的化学计量比过小时，在燃料电池10的一部分中可能会发生燃料气体的供应的短缺，并且燃料电池的催化剂可能会劣化。相比之下，当如同第一实施例地增大氧化剂气体的化学计量比时，能够在不必担心催化剂的劣化的情况下提高发电性能。

此外，在第一实施例中，控制单元80控制空气压缩机32，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比(例如1.65)大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比(例如1.3)和燃料电池10的温度等于或低于预定温度时的氧化剂气体的化学计量比(例如，1.5)。如图6a和图6b中所述，该控制提高了发电性能。

第二实施例

将描述在燃料电池10的温度高时的燃料电池10的电流-电压特性(i-v特性)。图7示出了在燃料电池10的温度高时的电流-电压特性(i-v特性)的测量结果。图7中的横轴表示电流密度(a/cm²)，并且纵轴表示单电池电压(v)。图7示出了两种情况的iv特性的测量结果，供应到燃料气体流路18的燃料气体的化学计量比和供应到氧化剂气体流路19的氧化剂气体的化学计量比在这两种情况之间不同。燃料气体的化学计量比是1.4并且氧化剂气体的化学计量比是1.65的情况由图7中的实线指示为条件1。燃料气体的化学计量比是1.66并且氧化剂气体的化学计量比是1.3的情况由图7中的点划线指示为条件2。在以下条件下测量图7的iv特性。也就是说，通过将燃料电池10的温度设定成100℃并将燃料电池10的阳极入口附近的压力和燃料电池10的阴极入口附近的压力固定成相应的预定压力来进行评估。将具有45℃的露点温度的燃料气体供应到燃料气体流路18，并且将未加湿的氧化剂气体供应到氧化剂气体流路19。

如图7中所示，在电流密度是1.0a/cm²以上且1.5a/cm²以下的中间输出功率区域中，单电池电压在条件1与条件2之间大致相同。另一方面，在电流密度小于1.0a/cm²的低输出功率区域中，条件2下的单电池电压高于条件1下的单电池电压。在电流密度大于1.5a/cm²的高输出功率区域中，条件1下的单电池电压高于条件2下的单电池电压。

认为在输出功率低时通过增大燃料气体的化学计量比并减小氧化剂气体的化学计量比来提高发电性能的原因如下。也就是说，当燃料电池10处于高温低输出功率状态时，如图3a中所示，燃料气体流路18的出口21附近的湿度低，并且作为结果，燃料气体流路18的出口21附近的发电性能低。在此情况下，通过增大燃料气体的化学计量比，增加了由燃料气体传送到燃料气体流路18的出口21的水分的量，并且减少了燃料气体流路18的出口21附近的干燥。此外，通过减小氧化剂气体的化学计量比，抑制了干燥空气的过度供应，并且减少了燃料气体流路18的出口21附近的干燥。这被认为是提高发电性能的原因。

另一方面，认为在输出功率高时通过减小燃料气体的化学计量比并增大氧化剂气体的化学计量比来提高发电性能的原因如下。也就是说，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，如图3b中所示，燃料气体流路18的入口20附近的湿度低，并且作为结果，燃料气体流路18的入口20附近的发电性能低。在此情况下，通过减小燃料气体的化学计量比，抑制了具有低湿度的燃料气体的过度供应，并且减少了燃料气体流路18的入口20附近的干燥。此外，由于通过增大氧化剂气体的化学计量比来提高氧化剂气体流路19中的面向燃料气体流路18的入口20的氧气分压，所以增加了通过发电而产生的水分的量，增加了燃料气体流路18的入口20附近的从阴极移动到阳极的水分的量，从而减少了燃料气体流路18的入口20附近的干燥。这被认为是提高发电性能的原因。虽然图7示出了燃料电池10的温度是100℃时的实验结果，但如图5中所述，当燃料电池10的温度超过70℃时，电解质膜12趋于干燥，并且发电性能下降。因此，可以说，当燃料电池10的温度超过70℃时，获得了与图7中相同的结果。

基于这些事实，将描述减少燃料电池10的干燥并提高发电性能的第二实施例。根据第二实施例的燃料电池系统的结构与第一实施例相同，因此省略对该结构的描述。此外，除图4中的步骤18之外，第二实施例中的干燥减少的过程与第一实施例相同，因此将描述步骤s18。在第二实施例中，在图4中的步骤s18处，作为用于高输出功率的化学计量比，控制单元80将燃料气体的化学计量比设定成小于用于低输出功率的化学计量比(例如1.66)的化学计量比(例如1.4)，并且将氧化剂气体的化学计量比设定成大于用于低输出功率的化学计量比(例如1.3)的化学计量比(例如1.65)。

如上所述，在第二实施例中，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，使燃料气体的化学计量比小于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的燃料气体的化学计量比，并且使氧化剂气体的化学计量比大于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的氧化剂气体的化学计量比。此处，将即使在燃料电池10处于高温高输出功率状态时也使燃料气体的化学计量比和氧化剂气体的化学计量比等于高温低输出功率状态中的化学计量比的示例定义为第一比较例。此外，将在燃料电池10处于高温高输出功率状态时使燃料气体的化学计量比小于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的燃料气体的化学计量比以及使氧化剂气体的化学计量比等于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的氧化剂气体的化学计量比的示例定义为第一参考例和第二参考例。表2列出了第一实施例、第二实施例、第一比较例、第一参考例和第二参考例中的燃料气体的化学计量比和氧化剂气体的化学计量比的示例。

表2

图8a示出了高温高输出功率状态中的第一实施例、第二实施例、第一比较例、第一参考例和第二参考例之间的单电池电压的比较结果，并且图8b示出了高温高输出功率状态中的第二实施例、第一比较例、第一参考例和第二参考例之间的电流密度分布的比较结果。图8a和图8b示出了如下情况时的测量结果：该情况为燃料电池10的温度是100℃，燃料电池10的阳极入口附近的压力和燃料电池10的阴极入口附近的压力被固定为相应的预定压力，要被供应到燃料气体流路18的燃料气体的露点温度是45℃，并且未加湿的氧化剂气体被供应到氧化剂气体流路19。图8a的纵轴表示电流密度是3.2a/cm²时的单电池电压。

如图8a中所示，与第一比较例、第一参考例和第二参考例相比，第二实施例大大提高了发电性能。在第二实施例中，获得了等于或大于第一实施例(其仅增大氧化剂气体的化学计量比，而不改变燃料气体的化学计量比)中的单电池电压的增加量与第一参考例或第二参考例(其仅减小燃料气体的化学计量比，而不改变氧化剂气体的化学计量比)中的单电池电压的增加量的总和的单电池电压的增加量。如图8b中所示，在第二实施例中，与第一比较例、第一参考例和第二参考例相比，改善了从燃料气体流路18的入口20到燃料气体流路18的出口21的电流密度分布。在图8b中，电流密度分布在第一比较例、第一参考例和第二参考例之间大致相同，因此为了清楚起见，由单一的虚线来指示该电流密度分布。如图7中所述，在高温高输出功率状态中，通过减小燃料气体的化学计量比来抑制具有低湿度的燃料气体的过度供应，并且通过增大氧化剂气体的化学计量比来增加燃料气体流路18的入口20附近的从阴极移动到阳极的水分的量。因此，减少了燃料气体流路18的入口20附近的干燥。认为在第二实施例中，由于在高温高输出功率状态中减小燃料气体的化学计量比并增大氧化剂气体的化学计量比，所以减少了燃料气体流路18的入口20附近的干燥，如图8b中所示，改善了燃料气体流路18的入口20附近的电流密度，并且如图8a中所示，提高了发电性能。

如上所述，在第二实施例中，控制单元80控制空气压缩机32，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比，并且控制氢供应单元45，使得高温高输出功率状态中的燃料气体的化学计量比小于高温低输出功率状态中的燃料气体的化学计量比。该控制减少了燃料气体流路18的入口20附近的电解质膜12的干燥，从而如图8a和图8b中所述，改善了电流密度。作为结果，提高了发电性能。如同在第二实施例中，通过增大高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比并减小高温高输出功率状态中的燃料气体的化学计量比，从而如图8a中所示，获得了等于或大于如同在第一实施例中地仅增大氧化剂气体的化学计量比时的发电性能的提高量与如同在第一参考例或第二参考例中地仅减小燃料气体的化学计量比时的发电性能的提高量的总和的对发电性能的大大提高。

此外，在第二实施例中，控制单元80控制空气压缩机32，使得高温高输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比(例如1.65)大于高温低输出功率状态中的氧化剂气体的化学计量比(例如1.3)以及燃料电池10的温度等于或低于预定温度时的氧化剂气体的化学计量比(例如1.5)。此外，控制单元80控制氢供应单元45，使得高温高输出功率状态中的燃料气体的化学计量比是在高温低输出功率状态中的燃料气体的化学计量比(例如1.66)与燃料电池10的温度等于或低于预定温度时的燃料气体的化学计量比(例如1.25)之间的值。如图8a和图8b中所示，这些控制大大提高了发电性能。

第一实施例和第二实施例将燃料电池10的电流密度大于1.0a/cm²的情况描述为燃料电池10的发电量大于预定发电量的情况的示例，但并不旨在提出任何限制。如图7中所示，当电流密度是1.0a/cm²或更大时，在增大氧化剂气体的化学计量比并减小燃料气体的化学计量比的条件1下的发电性能等于或大于在条件2下的发电性能。因此，可以将燃料电池10的电流密度大于1.0a/cm²或更大的预定电流密度的情况认为是燃料电池10的发电量大于预定发电量的情况。此外，如图7中所示，由于在电流密度等于或大于1.0a/cm²时，在条件1下的发电性能等于或大于在条件2下的发电性能，所以预定电流密度可以是1.1a/cm²，可以是1.5a/cm²或者可以是2.0a/cm²。

在第一实施例和第二实施例中，可以通过使用燃料电池10的输出电流、电压或功率代替燃料电池10的电流密度来做出对燃料电池10的发电量是否大于预定发电量的确定。例如，如图7中所示，当燃料电池10的电压是0.75v或更小时，在增大氧化剂气体的化学计量比并减小燃料气体的化学计量比的条件1下的发电性能等于或大于在条件2下的发电性能。因此，可以将燃料电池10的电压小于0.75v或更小的预定电压的情况认为是燃料电池10的发电量大于预定发电量的情况。此外，如图7中所示，当电压是0.75v或更小时，在条件1下的发电性能等于或大于在条件2下的发电性能。因此，预定电压可以是0.70v，可以是0.65v或者可以是0.60v。

在第一实施例和第二实施例中，可以通过使用燃料电池10的电流密度、输出电流、电压、功率中的至少两者来做出对燃料电池10的发电量是大于预定发电量还是等于或小于预定发电量的确定。即使在电流传感器1和电压传感器2中的一个出现故障时，这种配置也防止错误地做出对燃料电池10的发电量是大于预定发电量还是等于或小于预定发电量的确定。

图9a是从阳极隔膜侧观察的根据第一变型的单元电池的平面图，并且图9b是从阳极隔膜侧观察的根据第二变型的单元电池的平面图。如图9a中所示，在第一变型的单元电池中，阳极入口a1a、阴极出口c2a和冷却剂入口w1a在短方向上被并排形成在具有大致长方形的形状的阳极隔膜17aa的短边中的第一边处。冷却剂出口w2a、阴极入口c1a和阳极出口a2a在短方向上被并排形成在阳极隔膜17aa的短边中的第二边处。虽然省略了图示，但如阳极隔膜17aa一样，第一变型的单元电池的阴极隔膜也具有大致长方形的形状，并且具有形成在该阴极隔膜中的阳极入口a1a、阳极出口a2a、阴极入口c1a、阴极出口c2a、冷却剂入口w1a和冷却剂出口w2a。冷却剂入口w1a和冷却剂出口w2a的位置不受特别限制。例如，可以按与图9a中的方式相反的方式来布置冷却剂入口w1a和冷却剂出口w2a，并且冷却剂流动的方向可以与图9a中的方向相反。

阳极入口a1a与阴极出口c2a相邻，并且阳极出口a2a与阴极入口c1a相邻。也就是说，阳极入口a1a被定位成相比靠近阴极入口c1a更靠近阴极出口c2a，并且阳极出口a2a被定位成相比靠近阴极出口c2a更靠近阴极入口c1a。氧化剂气体流路19a被形成在根据第一变型的单元电池的阴极隔膜中，该氧化剂气体流路19a将氧化剂气体从阴极入口c1a引导到阴极出口c2a。如燃料气体流路18a一样，氧化剂气体流路19a是蛇形流路。燃料气体流路18a的入口20被定位成相比靠近氧化剂气体流路19a的入口22更靠近氧化剂气体流路19a的出口23，并且燃料气体流路18的出口21被定位成相比靠近氧化剂气体流路19a的出口23更靠近氧化剂气体流路19a的入口22。在图9a中，燃料气体流动的方向由实线箭头指示，并且氧化剂气体流动的方向由短划线箭头指示。如上所述，在第一变型的单元电池中，燃料气体和氧化剂气体也以大致逆流的方式流动。

如图9b中所示，在第二变型的单元电池中，阳极入口a1b、冷却剂入口w1b和阴极出口c2b在短方向上被并排形成在具有大致长方形的形状的阳极隔膜17ab的短边中的第一边处。阴极入口c1b、冷却剂出口w2b和阳极出口a2b在短方向上被并排形成在阳极隔膜17ab的短边中的第二边处。虽然省略了图示，但如阳极隔膜17ab一样，第二变型的单元电池的阴极隔膜也具有大致长方形的形状，并且具有形成在该阴极隔膜中的阳极入口a1b、阳极出口a2b、阴极入口c1b、阴极出口c2b、冷却剂入口w1b和冷却剂出口w2b。

阳极入口a1b通过冷却剂入口w1b而与阴极出口c2b相邻，并且阳极出口a2b通过冷却剂出口w2b而与阴极入口c1b相邻。也就是说，阳极入口a1b被定位成相比靠近阴极入口c1b更靠近阴极出口c2b，并且阳极出口a2b被定位成相比靠近阴极出口c2b更靠近阴极入口c1b。冷却剂入口w1b和冷却剂出口w2b的位置不受特别限制。例如，按与图9b中的方式相反的方式来布置冷却剂入口w1b和冷却剂出口w2b，并且冷却剂流动的方向可以与图9b中的方向相反。

燃料气体流路18b将燃料气体从阳极入口a1b引导到阳极出口a2b，并且以如下次序从上游侧起具有分配部24b、平行部24b和收集部24c。分配部24a延伸以便从阳极入口a1b加宽到平行部24b。平行部24b大致平行于阳极隔膜17ab的长方向地延伸。收集部24c延伸以便从平行部24b缩窄到阳极出口a2b。氧化剂气体流路19b被形成在根据第二变型的单元电池的阴极隔膜中，该氧化剂气体流路19b将氧化剂气体从阴极入口c1b引导到阴极出口c2b。如燃料气体流路18b一样，氧化剂气体流路19b具有分配部25b、平行部25b和收集部25c，其中分配部25a延伸以便从阴极入口c1b加宽到中央部，平行部25b在中央部中大致平行于长方向地延伸，并且收集部25c延伸以便从中央部缩窄到阴极出口c2b。

燃料气体流路18b的入口20被定位成相比靠近氧化剂气体流路19b的入口22更靠近氧化剂气体流路19b的出口23，并且燃料气体流路18的出口21被定位成相比靠近氧化剂气体流路19b的出口23更靠近氧化剂气体流路19b的入口22。在图9b中，燃料气体流动的方向由实线箭头指示，并且氧化剂气体流动的方向由短划线箭头指示。如上所述，在第二变型的单元电池中，燃料气体和氧化剂气体也以大致逆流的方式流动。

在第一变型和第二变型中，如图2b中所示的情况一样，燃料气体流路的入口被定位成相比靠近氧化剂气体流路的入口更靠近氧化剂气体流路的出口，并且燃料气体流路的出口被定位成相比靠近氧化剂气体流路的出口更靠近氧化剂气体流路的入口，并且燃料气体和氧化剂气体以大致逆流的方式流动。因此，即使在第一变型和第二变型的结构中，如同在第一实施例中，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，通过控制空气压缩机32使得氧化剂气体的化学计量比高于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的氧化剂气体的化学计量比，从而提高发电性能。此外，即使在第一变型和第二变型的结构中，如同在第二实施例中，当燃料电池10处于高温高输出功率状态时，通过控制空气压缩机32使得氧化剂气体的化学计量比高于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的氧化剂气体的化学计量比并控制氢供应单元45使得燃料气体的化学计量比低于燃料电池10处于高温低输出功率状态时的燃料气体的化学计量比，从而提高发电性能。

第一实施例和第二实施例描述了控制单元80基于电流传感器1和/或电压传感器2来获得作为燃料电池10的发电量的燃料电池10实际产生的电力的量的情况，但并不旨在提出任何限制。例如，控制单元80可以基于根据加速器踏板传感器92而计算出的燃料电池10的要求输出值来获得该发电量以作为燃料电池10的发电量。

虽然已详细描述了本发明的一些实施例，但本发明不受限于具体实施例，而是可以在本发明的所要求保护的范围内变化或修改本发明。