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CN111146481A - 燃料电池系统 - Google Patents

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CN111146481A CN201911016924.XA CN201911016924A CN111146481A CN 111146481 A CN111146481 A CN 111146481A CN 201911016924 A CN201911016924 A CN 201911016924A CN 111146481 A CN111146481 A CN 111146481A
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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，具备：燃料电池；电压检测部；电流检测部；交流信号供给部；相位差运算部，构成为根据检测交流电压与检测交流电流来运算检测交流电流相对于检测交流电压的相位差；以及推断部，构成为使用表示燃料电池的单电池面内的发电分布的发电分布特征量与相位差之间的预先决定的关系，根据相位差推断发电分布特征量。发电分布特征量包括表示单电池面内的局部电流密度的最大值与最小值的差量的值。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池具有由电解质膜和夹着电解质膜的两个电极催化剂层构成的膜电极接合体，在膜电极接合体的面状的发电区域进行发电。在本说明书中，将这样的发电区域称为“单电池面”。在单电池面内的发电分布存在过度的偏倚的状态下无法高效地进行发电。因此，一直以来，研究测量单电池面内的发电分布的技术。
在日本特开2006-318784公开一种具备测量燃料电池的单电池面内的电流密度分布的测量装置的燃料电池系统。在该燃料电池系统中，设置了用于测量单电池面内的电流密度分布的专用的电流密度传感器，使用该电流密度传感器测量电流密度分布。
然而，在现有技术中，为了知晓单电池面内的发电分布需要设置专用的电流密度传感器，因而燃料电池的构造变复杂，成为高成本化的原因。因此，期望不设置流密度传感器就能够推断单电池面内的发电分布的技术。
此外，为了使燃料电池高效地发电，优选适当地控制燃料电池的湿润度。以往，推断燃料电池的水分量，并根据推断出的水分量进行湿润度的控制，该处理、控制复杂。因此，期望能够以比以往简单的处理适当地控制燃料电池的湿润度的技术。
发明内容
本发明能够实现为以下的方式。
根据本发明的一个方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池；电压检测部，构成为检测上述燃料电池的输出电压；电流检测部，构成为检测上述燃料电池的输出电流；交流信号供给部，构成为向上述燃料电池的两端的电极供给交流信号；相位差运算部，构成为根据由上述电压检测部检测出的检测交流电压与由上述电流检测部检测出的检测交流电流来运算上述检测交流电流相对于上述检测交流电压的相位差；以及推断部，构成为使用表示上述燃料电池的单电池面内的发电分布的发电分布特征量与上述相位差之间的预先决定的关系，根据上述相位差推断上述发电分布特征量。上述发电分布特征量包括表示上述单电池面内的局部电流密度的最大值与最小值的差量的值。
本申请的发明人发现：在表示燃料电池的单电池面内的发电分布的发电分布特征量与检测交流电流相对于检测交流电压的相位差之间存在相关性，特别是在单电池面内的局部电流密度的最大值跟最小值的差量与相位差之间存在规定的关系。根据上述燃料电池系统，使用该关系根据相位差推断发电分布特征量，因而不设置电流密度传感器就能够推断燃料电池的单电池面内的发电分布。
在上述燃料电池系统的基础上，也可以是，上述单电池面具有为在上述单电池面内流动的阴极气体所用的从述单电池面的入口至出口为止的面内阴极气体流路，在将上述面内阴极气体流路区分成上述入口侧的上游部分与上述出口侧的下游部分时，上述发电分布特征量表示上述单电池面内的上述发电分布为第一发电分布与第二发电分布中的哪一个，其中，上述第一发电分布中，上述局部电流密度的最大值存在于上述上游部分并且上述局部电流密度的最小值存在于上述下游部分，上述第二发电分布中，上述局部电流密度的最大值存在于上述下游部分并且上述局部电流密度的最小值存在于上述上游部分。
根据该燃料电池系统，根据相位差推断的发电分布特征量表示为第一发电分布与第二发电分布中的哪一个，因而不设置电流密度传感器就能够推断燃料电池的单电池面内的发电分布。
在上述燃料电池系统的基础上，也可以是，上述发电分布特征量通过上述发电分布特征量的正负的符号来对上述单电池面内的上述发电分布为上述第一发电分布与上述第二发电分布中的哪一个进行区别。
根据该燃料电池系统，通过发电分布特征量的正负的符号对符合第一发电分布与第二发电分布中的哪一个进行区别，因而能够容易地根据发电分布特征量推断发电分布。
上述燃料电池系统可以还具备：运转条件控制部，构成为在根据上述相位差推断的上述发电分布特征量超出预先决定的允许范围的情况下，变更上述燃料电池系统的运转条件以使上述发电分布特征量收进上述允许范围内。
根据该燃料电池系统，在表示单电池面内的局部电流密度的最大值与最小值的差量的发电分布特征量成为允许范围外的情况下，能够以适当的运转条件将燃料电池系统控制为收进允许范围内。在上述燃料电池系统的基础上，也可以是，上述推断部根据上述相位差来对上述燃料电池的湿润状态处于上述燃料电池的湿润度比预先决定的湿润度范围低的第一状态、上述燃料电池的湿润度处于上述湿润度范围内的第二状态、以及上述燃料电池的湿润度比上述湿润度范围高的第三状态中的哪一状态进行推断。
根据该燃料电池系统，能够根据相位差对处于与燃料电池的湿润度相关的3个状态中的哪一个进行推断，因而据此能够执行适当的控制。
上述燃料电池系统可以还具备：运转条件控制部，构成为在推断成上述燃料电池处于上述第一状态或者上述第三状态的情况下，变更上述燃料电池系统的运转条件以便上述燃料电池成为上述第二状态。
根据该燃料电池系统，在燃料电池处于湿润度低的第一状态或湿润度高的第三状态的情况下，能够适当地控制燃料电池系统以便燃料电池成为第二状态。
根据本发明的其他方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池；电压检测部，构成为检测上述燃料电池的输出电压；电流检测部，构成为检测上述燃料电池的输出电流；交流信号供给部，构成为向上述燃料电池的两端的电极供给交流信号；相位差运算部，构成为根据由上述电压检测部检测出的检测交流电压和由上述电流检测部检测出的检测交流电流来运算上述检测交流电流相对于上述检测交流电压的相位差；以及运转条件控制部，构成为根据上述相位差变更上述燃料电池系统的运转条件来控制上述燃料电池的湿润状态。在上述相位差为大于第一值的第二值的情况下，上述运转条件控制部使上述燃料电池系统的运转条件成为使上述燃料电池的湿润度比上述相位差为上述第一值的情况下的上述燃料电池的湿润度降低的运转条件。
根据上述燃料电池系统，根据相位差控制燃料电池的湿润状态，因而能够以比以往简单的处理适当地控制燃料电池的湿润度。
此外，本发明能够以各种方式实现，例如，除了燃料电池系统之外，还能够以燃料电池系统的控制装置、控制方法等方式实现。
以下，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明，在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素。
附图说明
图1是表示一个实施方式的燃料电池系统的结构的说明图。
图2是表示与单电池面内的发电分布的推断相关的装置结构的说明图。
图3是表示检测交流电流与检测交流电压的关系的时间图。
图4是表示单电池面内的第一发电分布的例子的图表。
图5是表示单电池面内的第二发电分布的例子的图表。
图6是表示电流与电压之间的相位差跟发电分布特征量的关系的图表。
图7是表示相位差的测量与运转模式的切换的流程的流程图。
具体实施方式
图1是表示一个实施方式中的燃料电池系统100的结构的说明图。燃料电池系统100例如搭载于车辆110。燃料电池系统100根据来自驾驶员的请求输出成为车辆110的动力源的电力。
燃料电池系统100具备燃料电池堆10、控制装置20、阴极气体供给部30、阳极气体供给部50、DC/DC转换器80、以及电力控制单元(以下，称为“PCU”)81、负载82以及二次电池83。控制装置20构成为具备CPU、存储器以及接口的1个以上的ECU。控制装置20通过执行存储于存储器的计算机程序来执行燃料电池系统100的控制。但是，也可以由硬件电路实现控制装置20的功能的一部分或者全部。
燃料电池堆10具有层叠了单电池11的堆构造。图示省略，但各单电池11具备：膜电极接合体，具有电解质膜和配置于电解质膜的两面的阳极电极催化剂层以及阴极电极催化剂层；和1组隔板，夹持膜电极接合体。电解质膜例如是具有质子传导性的固体高分子膜。单电池11接受作为反应气体的阳极气体与阴极气体的供给进行发电。在本实施方式中，作为阳极气体使用氢气，作为阴极气体使用空气。但是，也可以使用其他种类的阳极气体、阴极气体。
阴极气体供给部30具备阴极气体配管31、大气压传感器37、空气流量计32、压缩机33、第一开闭阀34、分流阀36、阴极废气配管41以及第一调节器42。
大气压传感器37设置于阴极气体配管31，测定阴极气体配管31的入口压力。空气流量计32设置于阴极气体配管31，测定获取到的空气的流量。压缩机33经由阴极气体配管31与燃料电池堆10连接。压缩机33通过控制装置20的控制来压缩从外部取入的阴极气体，并向燃料电池堆10供给。
第一开闭阀34设置于压缩机33与燃料电池堆10之间，通过控制装置20的控制进行开闭。分流阀36设置于压缩机33与阴极废气配管41之间，通过控制装置20的控制来分配空气向燃料电池堆10与阴极废气配管41的流量。
阴极废气配管41将从燃料电池堆10排出的阴极废气向燃料电池系统100的外部排出。第一调节器42是调整燃料电池堆10的阴极气体出口的压力的背压调整阀。
阳极气体供给部50具备阳极气体配管51、阳极气体罐52、第二开闭阀53、第二调节器54、喷射器55、压力传感器56、阳极废气配管61、气液分离装置62、排出阀63、循环配管64以及阳极气体泵65。
阳极气体配管51是用于向燃料电池堆10供给阳极气体的供给流路。阳极气体罐52经由阳极气体配管51与燃料电池堆10的阳极气体入口歧管连接，将阳极气体供给至燃料电池堆10。第二开闭阀53、第二调节器54、喷射器55从上游侧起依次设置于阳极气体配管51。第二开闭阀53通过控制装置20的控制进行开闭。第二调节器54对喷射器55的上游侧的阳极气体的压力进行调整。压力传感器56设置于比阳极气体配管51的喷射器55靠下游侧的位置。压力传感器56测定喷射器55下游的压力值。
喷射器55是根据由控制装置20设定的驱动周期、开阀时间电磁地驱动的开闭阀，对向燃料电池堆10供给的阳极气体供给量进行调整。在本实施方式中，喷射器55在阳极气体配管51设置有多个。控制装置20对喷射器55的驱动周期、开阀时间进行控制以便压力传感器56的测定值不低于目标压力值，对向燃料电池堆10的阳极气体供给量进行控制。目标压力值根据对燃料电池堆10的请求电力决定。
阳极废气配管61连接燃料电池堆10的阳极废气出口与阴极废气配管41。阳极废气配管61是用于从燃料电池堆10排出阳极废气的排出流路。阳极废气包括在发电反应中未使用的阳极气体、氮气等。
气液分离装置62设置于阳极废气配管61。气液分离装置62从自燃料电池堆10排出的阳极废气分离作为杂质的水并储存。
排出阀63是设置于阳极废气配管61的开闭阀。排出阀63设置于气液分离装置62的铅垂下方。排出阀63通过控制装置20的控制进行开闭。若排出阀63打开，则从排出阀63排出气液分离装置62内的水，然后排出阳极废气。从排出阀63排出的水以及阳极废气通过与阳极废气配管61连接的阴极废气配管41被向外部排出。
循环配管64将比阳极气体配管51的喷射器55靠下游侧的配管部分与气液分离装置62之间连接。在循环配管64设置有阳极气体泵65。阳极气体泵65通过控制装置20的控制而被驱动，将由气液分离装置62分离出水后的阳极废气向阳极气体配管51送出。在该燃料电池系统100中，使包括阳极气体在内的阳极废气循环，再次供给至燃料电池堆10，由此使阳极气体的利用效率提高。
DC/DC转换器80对从燃料电池堆10输出的电压进行升压，供给至PCU81。PCU81内置有换流器，经由换流器向用于驱动车轮的牵引马达等负载82供给电力。另外，PCU81基于控制装置20的指令控制燃料电池堆10的输出电流。
二次电池83经由PCU81和DC/DC转换器80与燃料电池堆10连接，对由燃料电池堆10发电出的电力进行蓄电。另外，二次电池83与燃料电池堆10一同作为燃料电池系统100中的电力的供给源发挥功能。二次电池83的电力供给至负载82、压缩机33、阳极气体泵65、各种阀。作为二次电池83，能够使用锂离子电池、镍氢电池等。
控制装置20根据请求电力控制燃料电池系统100的各部，控制燃料电池堆10、二次电池83的输出。请求电力包括搭载有燃料电池系统100的车辆110的驾驶员等的外发电请求和用于相对于燃料电池系统100的辅机类供给电力的内发电请求。
图2是表示与单电池面内的发电分布的推断相关的装置结构的说明图。这里，描绘了单电池11的单电池面11s。在燃料电池堆10形成有贯通多个单电池11的多个歧管。多个歧管具有阳极气体供给歧管12in、阳极气体排出歧管12out、阴极气体供给歧管14in以及阴极气体排出歧管14out。由阳极气体供给部50供给的阳极气体AG被从阳极气体供给歧管12in向各单电池11分配，并被从阳极气体排出歧管12out排出。由阴极气体供给部30供给的阴极气体CG从阴极气体供给歧管14in向各单电池11分配，并被从阴极气体排出歧管14out排出。其他歧管是用于制冷剂的供给与排出的歧管。
在各单电池11形成有在单电池面11s内流动的面内阳极气体流路AP与面内阴极气体流路CP。在该例子中，面内阳极气体流路AP具有在水平方向上直进的多个直进部分和设置于邻接的直进部分之间的弯曲部，整体具有蜿蜒上升的形状。另一方面，面内阴极气体流路CP呈从单电池面11s的上端朝向下端下降的直线状的形状。因此，单电池面11s内的阳极气体AG与阴极气体CG的流动构成为相互正交的正交流。但是，面内阴极气体流路CP、面内阳极气体流路AP可以构成为具有除此以外的形状，例如可以构成为成为相向流。在图2的正交流的情况下，另外，在相向流的情况下，均为面内阴极气体流路CP的入口存在于面内阳极气体流路AP的出口附近，面内阴极气体流路CP的出口存在于面内阳极气体流路AP的入口附近。此外，面内阴极气体流路CP的入口为单电池面11s的入口，面内阴极气体流路CP的出口为单电池面11s的出口。
在燃料电池堆10连接有检测燃料电池堆10的输出电压的电压检测部310和检测燃料电池堆10的输出电流的电流检测部320。另外，在燃料电池堆10的两端的电极连接有供给交流信号的交流信号供给部330。该交流信号是用于按照交流阻抗法进行燃料电池堆10的阻抗测定的输入信号。作为交流信号，能够使用交流电流与交流电压中的任一者，但在本实施方式中，使用交流电流。
由电压检测部310检测出的检测交流电压Vd与由电流检测部320检测出的检测交流电流Id供给至相位差运算部210。该相位差运算部210具有对检测交流电流Id相对于检测交流电压Vd的相位差Δθ进行运算的功能。该运算例如能够通过高速傅立叶变换处理执行。相位差Δθ从相位差运算部210供给至推断部220。推断部220具有根据相位差Δθ推断表示燃料电池堆10的单电池面11s内的发电分布的发电分布特征量的功能。稍后对该推断功能进行叙述。
在图2的例子中，电压检测部310测定了燃料电池堆10整体的电压，但也可以取而代之，对构成燃料电池堆10的一部分的一个以上的单电池11的电压进行测定。在本说明书中，“燃料电池”这一术语被以包括燃料电池堆10整体和构成其一部分的一个以上的单电池11两方的宽泛的含义使用。
图2的系统还具有运转条件控制部230。该运转条件控制部230根据由相位差运算部210运算出的相位差Δθ控制燃料电池系统100的运转条件。稍后对该控制的具体例进行叙述。相位差运算部210、推断部220以及运转条件控制部230可以构成为包括在图1所示的控制装置20内。
图3是表示检测交流电流Id与检测交流电压Vd的关系的时间图。这里，描绘了通过交流信号供给部330相对于燃料电池堆10的输出电流亦即直流电流成分Iconst重叠交流电流成分ΔI并检测出检测交流电流Id与检测交流电压Vd的样子。交流电流成分ΔI是具有频率f以及角频率ω(＝2πf)的正弦波。作为通过交流信号供给部330重叠的交流信号的波形，还能够使用正弦波以外的波形，例如还能够使用三角波、矩形波、脉冲波等。
像广为人知的那样，在交流阻抗法中使用的频率区域分为阻抗的实部跟质子移动电阻与气体反应电阻的和相等的低频率区域和阻抗的实部与质子移动电阻相等的高频率区域。在本实施方式中，优选交流信号的频率f为低频率区域的值。具体而言，优选使频率f为1Hz以上150Hz以下的值，更优选不足1Hz以上100Hz的值，最优选为20Hz以上80Hz以下的值。此外，在本实施方式中，与通常的交流阻抗法不同，仅使用一个特定的频率，只要相对于该特定的频率求出检测交流电流Id相对于检测交流电压Vd的相位差Δθ就足矣。
检测交流电流Id相对于检测交流电压Vd的相位差Δθ由相位差运算部210运算。像广为人知的那样，燃料电池的等价电路由电阻成分与容量成分构成，因而通常像图3那样，获得检测交流电流Id的相位相对于检测交流电压Vd提前的相位关系。在本说明书中，用负值表达检测交流电流Id的相相对于检测交流电压Vd提前时的相位差Δθ，相反，用正值表达检测交流电流Id的相位相对于检测交流电压Vd延迟时的相位差Δθ。
本申请的发明人发现在相位差Δθ与单电池面11s内的发电分布之间存在以下的图4～图6中说明的相关性。
图4是表示单电池面11s内的第一发电分布PD1的例子的图表。图4的横轴是从面内阴极气体流路CP的入口至出口为止的位置，纵轴是局部电流密度。面内阴极气体流路CP能够区分成面内阴极气体流路CP的入口侧的上游部分IP与出口侧的下游部分OP。
在图4中，作为第一发电分布PD1，例示了两个分布PD1a、PD1b。一方的第一发电分布PD1a是局部电流密度在面内阴极气体流路CP的入口成为最大值Imax、朝向出口大致单调地减少并在出口成为最小值Imin的分布。另一方的第一发电分布PD1b是局部电流密度是在比面内阴极气体流路CP的入口稍靠下游侧的位置成为最大值Imax、从此朝向出口大致单调地减少并在出口成为最小值Imin的分布。上述第一发电分布PD1a、PD1b的共通之处在于，均为局部电流密度的最大值Imax存在于上游部分IP且其最小值Imin存在下游部分OP的分布。根据本申请的发明人的实验发现：在单电池11干燥的情况下，成为这样的第一发电分布PD1的可能性较高。其理由被推断为：若单电池11干燥，则电解质膜的质子移动度降低，因而面内阳极气体流路AP的入口(这如在图2中说明过的那样位于面内阴极气体流路CP的出口附近)中的局部电流密度降低。此时，局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量处于单电池11的干燥度越上升就越增大的趋势。
在本实施方式中，作为表示第一发电分布PD1的发电分布特征量，使用从下游部分OP中的局部电流密度的极值Iop亦即最小值Imin减去上游部分IP中的局部电流密度的极值Iip亦即最大值Imax所得的值I*。因此，相对于第一发电分布PD1的发电分布特征量I*成为负的值。该发电分布特征量I*表示单电池面11s内的局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量。如上所述，局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量处于单电池11的干燥度越上升就越增大的趋势，因而单电池11的干燥度越上升，发电分布特征量I*的绝对值也越增大。
图5是表示单电池面11s内的第二发电分布PD2a、PD2b的例子的图表。一方的第二发电分布PD2a是局部电流密度在面内阴极气体流路CP的入口成为最小值Imin、朝向出口大致单调地增加并在出口成为最大值Imax的分布。另一方的第二发电分布PD2b是局部电流密度在面内阴极气体流路CP的入口成为最小值Imin、朝向出口大致单调地增加并在比出口稍靠上游侧的位置成为最大值Imax的分布。上述第二发电分布PD2a、PD2b的共通之处在于，均为局部电流密度的最大值Imax存在于下游部分OP并且其最小值Imin存在于上游部分IP的分布。根据本申请的发明人的实验发现：在单电池11过度湿润的情况下，成为这样的第二发电分布PD2的可能性较高。其理由被推断为：在单电池11过度湿润的情况下，在面内阴极气体流路CP的入口附近产生堵水的可能性较高，在面内阴极气体流路CP的入口附近无法充分供给阴极气体而导致局部电流密度降低。
作为表示第二发电分布PD2的发电分布特征量，使用从下游部分OP中的局部电流密度的极值Iop亦即最大值Imax减去上游部分IP中的局部电流密度的极值Iip亦即最小值Imin所得的值I*。因此，相对于第二发电分布PD2的发电分布特征量I*成为正的值。该发电分布特征量I*也表示单电池面11s内的局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量。
如上所述，在图4所示的第一发电分布PD1中，发电分布特征量I*成为负的值，在图5所示的第二发电分布PD2中，发电分布特征量I*成为正的值。反过来说，在发电分布特征量I*为负的情况下，能够推断为单电池面11s内的发电分布为第一发电分布PD1，在发电分布特征量I*为正的情况下，能够推断为单电池面11s内的发电分布为第二发电分布PD2。
图6是表示检测交流电流Id相对于检测交流电压Vd的相位差Δθ与发电分布特征量I*的关系RL的图表。图6的曲线点是由本申请的发明人使用电流密度传感器进行的实验结果。能够理解到相位差Δθ与发电分布特征量I*之间存在大致直线的关系RL。在发电分布特征量I*为负的情况下，能够推断为单电池面11s内的发电分布为在图4中说明过的第一发电分布PD1，另一方面，在发电分布特征量I*为正的情况下，能够推断为单电池面11s内的发电分布为在图5中说明过的第二发电分布PD2。另外，像在图4中说明过的那样，单电池11的干燥度越上升，相对于第一发电分布PD1a的发电分布特征量I*的绝对值越增大。
作为燃料电池的湿润状态，存在过度干燥的第一状态H1、适当湿润的第二状态H2、过度湿润的第三状态H3这3个状态。第二状态H2是处于预先决定的湿润度范围的状态。第一状态H1是湿润度比第二状态H2的湿润度范围低的状态，第三状态H3是湿润度比第二状态H2的湿润度范围高的状态。在图6所示的例子中，发电分布特征量I*小于下限值ILOW的范围相当于燃料电池过度干燥的第一状态H1。另外，发电分布特征量I*为下限值ILOW至上限值IHIGH的范围相当于燃料电池适当湿润的第二状态H2，发电分布特征量I*超过上限值IHIGH的范围相当于燃料电池过度湿润的第三状态H3。此时，发电分布特征量I*的适当的范围为下限值ILOW至上限值IHIGH的范围。
相位差Δθ与发电分布特征量I*之间存在预先决定的关系RL，因而能够根据相位差Δθ的值来推断燃料电池的湿润状态为H1、H2、H3中的哪一个。即，在相位差Δθ处于适当的范围RR内的情况下，能够推断为燃料电池处于适当湿润的第二状态H2。另外，在相位差Δθ小于适当的范围RR的下限值ΔθLOW的情况下，能够推断为燃料电池处于过度干燥的第一状态H1，在相位差Δθ大于适当的范围RR的上限值ΔθHIGH的情况下，能够推断为燃料电池处于过度湿润的第三状态H3。相位差Δθ、发电分布特征量I*的适当的范围取决于单电池11的构造等，因而针对每种燃料电池堆10实验地或者经验地预先设定。此外，将相位差Δθ、发电分布特征量I*的适当的范围亦称为“允许范围”。
图7是表示相位差Δθ的测量与运转模式的切换的流程的流程图。该流程在燃料电池系统100起动并开始通常运转之后由控制装置20定期地重复执行。在图7的处理的开始时，燃料电池系统100在通常运转模式下运转。通常运转模式是并非在步骤S160中执行的降低燃料电池的湿润度的第一运转模式或在步骤S170中执行的提高燃料电池的湿润度的第二运转模式的运转模式。
在步骤S110中，执行交流阻抗测量来运算检测交流电流Id相对于检测交流电压Vd的相位差Δθ。具体而言，通过图2所示的交流信号供给部330将交流信号施加于燃料电池的两端的电极，相位差运算部210根据据此由电压检测部310检测出的检测交流电压Vd和由电流检测部320检测出的检测交流电流Id来运算相位差Δθ。该相位差Δθ供给至推断部220。
在步骤S120中，推断部220对相位差Δθ是否处于图6所示的适当的范围RR内进行判定。该范围RR是下限值ΔθLOW至上限值ΔθHIGH的范围。在相位差Δθ处于适当的范围RR内的情况下，能够推断为燃料电池处于适当湿润的第二状态H2，因而在步骤S130中维持通常运转模式，结束图7的处理。另一方面，在相位差Δθ不处于适当的范围RR内的情况下，在步骤S140中，对相位差Δθ是否大于适当的范围RR的上限值ΔθHIGH进行判断。
在相位差Δθ大于适当的范围RR的上限值ΔθHIGH的情况下，能够推断为燃料电池处于过度湿润的第三状态H3，因而从步骤S140进入步骤S150。在步骤S150中，运转条件控制部230按照降低燃料电池的湿润度的第一运转模式运转燃料电池系统100。在第一运转模式中，能够利用以下的动作的一个以上。(C－1a)通过使压缩机33的转速增加来增加阴极气体向燃料电池的供给流量，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量增加。(C－1b)通过变更第一调节器42的设定值来使燃料电池内的阴极气体压力降低，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量增加。(C－1c)在阴极气体供给部30设置有加湿器的情况下，使加湿器的加湿量减少。在利用上述动作的第一运转模式中，压缩机33的转速、第一调节器42的设定值、以及加湿器的加湿量中的一个以上相当于由运转条件控制部230控制的控制量即燃料电池系统100的运转条件。
针对阳极气体也同样，可以利用以下的动作的一个以上来降低燃料电池的湿润度。(A－1a)通过使阳极气体泵65的转速增加来使阳极气体向燃料电池的供给流量增加，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量增加。(A－1b)通过暂时使喷射器55的阳极气体的供给量减少来使燃料电池内的阳极气体压力降低，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量增加。(A－1c)在阳极气体供给部50设置有加湿器的情况下，使加湿器的加湿量减少。
另一方面，在步骤S140中，在相位差Δθ大于适当的范围RR的上限值ΔθHIGH的情况下，相位差Δθ小于适当的范围RR的下限值ΔθLOW。此时，能够推断为燃料电池处于过度干燥的第一状态H1，因而从步骤S140进入步骤S160。在步骤S160中，运转条件控制部230按照提高燃料电池的湿润度的第二运转模式运转燃料电池系统100。在第二运转模式中，能够利用以下的动作的一个以上。(C－2a)利用通过使压缩机33的转速减少来使阴极气体向燃料电池的供给流量减少，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量减少。(C－2b)通过变更第一调节器42的设定值来使燃料电池的阴极气体压力上升，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量减少。(C－2c)在阴极气体供给部30设置有加湿器的情况下，使加湿器的加湿量增加。
针对阳极气体也同样，可以利用以下的动作的一个以上来提高燃料电池的湿润度。(A－2a)通过使阳极气体泵65的转速减少来使阳极气体向燃料电池的供给流量减少，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量减少。(A－2b)通过暂时使喷射器55的阳极气体的供给量增加来使燃料电池内的阳极气体压力上升，由此使从燃料电池的内部向外部排出的水分量减少。(A－2c)在阳极气体供给部50设置有加湿器的情况下，使加湿器的加湿量增加。
在步骤S150或者步骤S160之后，再次执行上述的步骤S110以后的处理。在从步骤S150或者步骤S160返回步骤S110之后，在相位差Δθ返回适当的范围RR内的情况下，进入步骤S130，运转条件控制部230切换为通常运转模式并结束图7的处理。
在推断为燃料电池未处于适当的湿润状态、即处于第一状态H1或者第三状态H3的情况下，上述的图7的处理是变更燃料电池系统100的运转条件以便燃料电池成为处于适当的湿润状态的第二状态H2的处理。若执行这样的处理，则能够根据相位角Δθ将燃料电池系统100适当地控制为燃料电池成为适当湿润的第二状态H2。
另外，还能够认为图7的处理是在根据相位差Δθ推断的发电分布特征量I*超出预先决定的允许范围的情况下，变更燃料电池系统100的运转条件以使发电分布特征量I*收进该允许范围内的处理。若执行这样的处理，则在表示单电池面11s内的局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量的发电分布特征量I*超出允许范围的情况下，能够以适当的运转条件将燃料电池系统100控制为收进该允许范围内。
此外，在图6以及图7中，根据相位差Δθ将燃料电池的湿润状态区分区成3个状态H1～H3，但也可以将燃料电池的湿润状态区分成2个，或者也可以区分成4个以上。在上述任一情况下，运转条件控制部230均能够根据相位差Δθ变更燃料电池系统100的运转条件来执行燃料电池的湿润状态的控制。此时，优选运转条件控制部230进行成为使燃料电池的湿润度在相位差Δθ较大的情况下比在相位差Δθ较小的情况下降低的运转条件的控制。还能够认为该控制是成为使燃料电池的湿润度在相位差Δθ为大于第一值的第二值的情况下比在相位差Δθ为第一值的情况下降低的运转条件的控制。该控制例如相当于图7的步骤S150的控制。根据该控制，能够根据相位差Δθ适当地控制燃料电池的湿润状态。
另外，优选运转条件控制部230进行成为使燃料电池的湿润度在相位差Δθ较小的情况下比在相位差Δθ较大的情况下上升的运转条件的控制。还能够认为该控制是使燃料电池的湿润度在相位差Δθ为小于第一值的第三值的情况下比在相位差Δθ为第一值的情况下上升的运转条件的控制。该控制例如相当于图7的步骤S160的控制。根据该控制，也能够根据相位差Δθ适当地控制燃料电池的湿润状态。
像以上那样，在本实施方式中，利用表示单电池面11s内的局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量的发电分布特征量I*与相位差Δθ之间存在规定的关系RL。根据本实施方式的燃料电池系统100，使用该关系RL根据相位差Δθ推断发电分布特征量I*，因而不设置电流密度传感器就能够推断燃料电池的单电池面11s内的发电分布。
此外，在上述实施方式中，作为发电分布特征量I*，使用从下游部分OP中的局部电流密度的极值Iop减去上游部分IP中的局部电流密度的极值Iip所得的值，但还能够使用除此以外的发电分布特征量I*。但是，优选发电分布特征量I*包括表示单电池面11s内的局部电流密度的最大值Imax与最小值Imin的差量的值。在这种情况下，作为发电分布特征量I*，也可以使用不区别单电池面11s内的发电分布符合两种发电分布PD1、PD2中的哪一个的值。
另外，上述实施方式中，发电分布特征量I*通过发电分布特征量I*的正负的符号来对符合两种发电分布PD1、PD2中的哪一个进行区别，但也可以通过除此以外的方法来区别两种发电分布PD1、PD2。例如也可以不使用正负的符号而使用与表示最大值Imax与最小值Imin的差量的值不同的独立的1位来区别第一发电分布PD1与第二发电分布PD2。但是，若通过发电分布特征量I*的正负的符号来区别发电分布，则存在能够根据发电分布特征量I*容易地推断发电分布的优点。
本发明并不局限于上述的实施方式、实施例、变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或全部，或者，为了实现上述的效果的一部分或者全部，与发明的概要栏中记载的各方式中的技术特征对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要该技术特征未被说明为本说明书中必需的技术特征，就能够适当地删除。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池；
电压检测部，构成为检测所述燃料电池的输出电压；
电流检测部，构成为检测所述燃料电池的输出电流；
交流信号供给部，构成为向所述燃料电池的两端的电极供给交流信号；
相位差运算部，构成为根据由所述电压检测部检测出的检测交流电压与由所述电流检测部检测出的检测交流电流来运算所述检测交流电流相对于所述检测交流电压的相位差；以及
推断部，构成为使用表示所述燃料电池的单电池面内的发电分布的发电分布特征量与所述相位差之间的预先决定的关系，根据所述相位差推断所述发电分布特征量，
其中，所述发电分布特征量包括表示所述单电池面内的局部电流密度的最大值与最小值的差量的值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述单电池面具有为在所述单电池面内流动的阴极气体所用的从所述单电池面的入口至出口为止的面内阴极气体流路，
在将所述面内阴极气体流路区分成所述入口侧的上游部分与所述出口侧的下游部分时，所述发电分布特征量表示所述单电池面内的所述发电分布为第一发电分布与第二发电分布中的哪一个，其中，所述第一发电分布中，所述局部电流密度的最大值存在于所述上游部分并且所述局部电流密度的最小值存在于所述下游部分，所述第二发电分布中，所述局部电流密度的最大值存在于所述下游部分并且所述局部电流密度的最小值存在于所述上游部分。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述发电分布特征量通过所述发电分布特征量的正负的符号来对所述单电池面内的所述发电分布为所述第一发电分布与所述第二发电分布中的哪一个进行区别。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
运转条件控制部，构成为在根据所述相位差推断的所述发电分布特征量超出预先决定的允许范围的情况下，变更所述燃料电池系统的运转条件以使所述发电分布特征量收进所述允许范围内。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述推断部根据所述相位差来对所述燃料电池的湿润状态处于所述燃料电池的湿润度比预先决定的湿润度范围低的第一状态、所述燃料电池的湿润度处于所述湿润度范围内的第二状态、以及所述燃料电池的湿润度比所述湿润度范围高的第三状态中的哪一状态进行推断。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
运转条件控制部，构成为在推断成所述燃料电池处于所述第一状态或者所述第三状态的情况下，变更所述燃料电池系统的运转条件以使所述燃料电池成为所述第二状态。
7.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池；
电压检测部，构成为检测所述燃料电池的输出电压；
电流检测部，构成为检测所述燃料电池的输出电流；
交流信号供给部，构成为向所述燃料电池的两端的电极供给交流信号；
相位差运算部，构成为根据由所述电压检测部检测出的检测交流电压和由所述电流检测部检测出的检测交流电流来运算所述检测交流电流相对于所述检测交流电压的相位差；以及
运转条件控制部，构成为根据所述相位差变更所述燃料电池系统的运转条件来控制所述燃料电池的湿润状态，
其中，在所述相位差为大于第一值的第二值的情况下，所述运转条件控制部使所述燃料电池系统的运转条件成为使所述燃料电池的湿润度比所述相位差为所述第一值的情况下的所述燃料电池的湿润度降低的运转条件。
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