專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以往，已知一種具備燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池通過對燃料極供給燃料氣體(例如氫氣)并對氧化劑極供給氧化劑氣體(例如空氣)，使這些氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行發(fā)電。在這種燃料電池系統(tǒng)中，空氣中含有的氮氣透到燃料極側(cè)，因而在燃料極側(cè)出現(xiàn)氮氣濃度較高的位置即氫氣濃度較低的位置。該氣體的不均勻化是導(dǎo)致燃料電池的部件劣化的主要原因。因此，在專利文獻(xiàn)1中，公開了一種通過使燃料極和氧化劑極的氣體壓力發(fā)生變動來清理燃料電池的水和蓄積的不反應(yīng)氣體的方法。專利文獻(xiàn)1 日本特表2007-517369號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，根據(jù)專利文獻(xiàn)1所公開的方法，為了清理液體以及不反應(yīng)氣體，要求較大幅度的壓力變動，因此會有較大的壓力作用于構(gòu)成燃料電池的電解質(zhì)膜等，從而有可能使燃料電池的耐久性降低。本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的。本發(fā)明的目的在于抑制燃料電池的耐久性的降低，同時抑制反應(yīng)氣體不均勻化。本發(fā)明的目的還在于抑制燃料電池、燃料氣體供給系統(tǒng)部件中產(chǎn)生的壓力，從而抑制燃料電池系統(tǒng)的劣化。用于解決問題的方案本發(fā)明的方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池，其通過使供給至氧化劑極的氧化劑氣體與供給至燃料極的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；燃料氣體供給裝置，其對上述燃料極供給上述燃料氣體；以及控制裝置，其通過控制上述燃料氣體供給裝置來向上述燃料極供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動， 該控制裝置基于以第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。并且，本發(fā)明的方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的控制方法包括以下內(nèi)容通過使供給至氧化劑極的氧化劑氣體與供給至燃料極的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；對上述燃料極供給上述燃料氣體；以及通過控制上述燃料氣體的上述供給來向上述燃料極供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動，基于以第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。并且，本發(fā)明的方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池，其通過使供給至氧化劑極的氧化劑氣體與供給至燃料極的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；燃料氣體供給單元，其對上述燃料極供給上述燃料氣體；以及控制單元，其通過控制上述燃料氣體供給單元來向上述燃料極供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動，該控制單元基于以第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，基于以第一壓力幅度進(jìn)行壓力變動的第一壓力變動模式使燃料極處的燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動，由此能夠攪拌燃料極側(cè)氣體。由此，實現(xiàn)燃料極側(cè)氣體的均勻化。并且，根據(jù)本發(fā)明，使執(zhí)行一次控制模式的期間內(nèi)的燃料氣體供給量增加，因此能夠抑制每單位時間內(nèi)壓力增減的執(zhí)行次數(shù)的增加。由此，能夠緩和施加于燃料電池和燃料氣體供給系統(tǒng)部件的負(fù)擔(dān)，從而能夠抑制燃料電池系統(tǒng)的劣化。


圖1的(a)是示意性地表示第一實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖。 圖1的(b)是示意性地表示第一實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)的框圖。圖2的(a)是表示燃料電池單體內(nèi)的燃料極側(cè)氫氣的狀態(tài)的說明圖，示出了燃料極側(cè)氣體流路中的氫氣流線。圖2的(b)示出了燃料極側(cè)氣體流路中的氫氣濃度分布。圖 2的(c)示出了燃料極側(cè)反應(yīng)面上的氫氣濃度分布。圖3的(a)是示意性地表示燃料電池單體的說明圖，假設(shè)了八個電流測量點。圖 3的(b)示出了各個測量點上的電流分布的時序變化。圖4是示意性地表示燃料電池單體的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖5是表示氧化劑極和燃料極的氮氣分壓差與漏氮量的關(guān)系的說明圖。圖6是對應(yīng)于周圍溫度來表示周圍濕度與漏氮量的關(guān)系的說明圖。圖7的(a)是示意性地表示氫氣與不反應(yīng)氣體的攪拌狀態(tài)的說明圖。圖7的(b) 表示停止氫氣供給(閉閥操作)的定時。圖8的(a)是表示液體排出狀態(tài)的說明圖。圖8的(b)表示停止氫氣供給(閉閥操作)的定時。圖8的(c)表示停止氫氣供給(閉閥操作)的定時的其它例。圖8的(d) 表示停止氫氣供給(閉閥操作)的定時的另一例。圖9是表示發(fā)電面內(nèi)的電流分布的說明圖。圖10是表示第二實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的處理過程的流程圖。圖11是表示第一控制方法的控制模式的說明圖。圖12是表示第二控制方法的控制模式的說明圖。圖13是表示第三控制方法的控制模式的說明圖。圖14是表示燃料極處的壓力增減的變化的說明圖。圖15是第一保持時間Tpl的說明圖。圖16是第二保持時間Tp2的說明圖。圖17是第一保持時間Tpl/第二保持時間Τρ2和負(fù)荷的說明圖。
圖18是第一保持時間Tpl/第二保持時間Tp2和負(fù)荷的說明圖。圖19是負(fù)荷電流和上限壓力Pl/下限壓力Ρ2的說明圖。圖20的(a)是示意性地表示燃料電池堆疊體中的燃料極側(cè)容積Rs和容積部的容積Rt的說明圖。圖20的(b)表示流入了燃料系統(tǒng)的容積的1/4左右的新的氫氣。圖21是上限壓力Pl和下限壓力P2的說明圖。圖22是壓力下降速度的說明圖。
具體實施例方式(第一實施方式)圖1的(a)是示意性地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的框圖。燃料電池系統(tǒng)100例如被裝載在作為移動物體的車輛上，該車輛利用從燃料電池系統(tǒng)100供給的電力來進(jìn)行驅(qū)動。燃料電池系統(tǒng)100具備層疊多個燃料電池單體而構(gòu)成的燃料電池堆疊體1作為主體。構(gòu)成燃料電池堆疊體1的各燃料電池單體是以一對隔板夾持燃料電池結(jié)構(gòu)體而構(gòu)成的，其中，該燃料電池結(jié)構(gòu)體以如下的方式形成燃料極67(參照后述的圖4)和氧化劑極 34(參照后述的圖4)隔著固體高分子電解質(zhì)膜相對置。在燃料電池堆疊體1中，對應(yīng)于燃料氣體和氧化劑氣體分別構(gòu)成有一對沿燃料電池單體的層疊方向延伸的內(nèi)部流路。在與燃料氣體對應(yīng)的一對內(nèi)部流路(Manifold 歧管) 中作為第一內(nèi)部流路的供給用內(nèi)部流路中，通過各燃料電池單體的燃料極67側(cè)氣體流路 (單體流路)將燃料氣體分別供給至燃料極67側(cè)反應(yīng)面，而從各燃料電池單體的燃料極67 側(cè)氣體流路中分別排出的氣體(以下稱為“燃料極排氣”)流入作為第二內(nèi)部流路的排出用內(nèi)部流路。同樣地，在與氧化劑氣體對應(yīng)的一對內(nèi)部流路中作為第一內(nèi)部流路的供給用內(nèi)部流路中，通過各燃料電池單體的氧化劑極34側(cè)氣體流路(單體流路)將氧化劑氣體分別供給至氧化劑極34側(cè)反應(yīng)面，而從各燃料電池單體的氧化劑極34側(cè)氣體流路中分別排出的氣體(以下稱為“氧化劑極排氣”)流入作為第二內(nèi)部流路的排出用內(nèi)部流路。本第一實施方式的燃料電池堆疊體1采用了燃料氣體以及氧化劑氣體相向流動的所謂的逆流式 (Counter Flow Type)。燃料電池堆疊體1使在每個燃料電池單體中被分別供給至燃料極67和氧化劑極 34的燃料氣體和氧化劑氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生發(fā)電電力。在本第一實施方式中，說明將氫氣用作燃料氣體、將空氣用作氧化劑氣體的情況。 此外，在本說明書中，“燃料電池單體”、“燃料極”或“氧化劑極”這樣的詞語并不是只用于指明單一的燃料電池單體或者其燃料極或氧化劑極，也用于對燃料電池堆疊體1的各燃料電池單體、或者它們的燃料極或氧化劑極進(jìn)行總稱。燃料電池系統(tǒng)100還具有用于對燃料電池堆疊體1供給氫氣的氫氣系統(tǒng)以及用于對燃料電池堆疊體1供給空氣的空氣系統(tǒng)。在氫氣系統(tǒng)中，作為燃料氣體的氫氣被貯存在燃料罐10 (例如高壓氫氣瓶)中，從該燃料罐10經(jīng)由氫氣供給流路(燃料極入口流路)Ll被供給至燃料電池堆疊體1。具體地說，氫氣供給流路Ll的第一端部與燃料罐10相連接，并且其第二端部與燃料電池堆疊體1 的燃料氣體供給用內(nèi)部流路的入口側(cè)相連接。在該氫氣供給流路Ll中，在燃料罐10的下游設(shè)置有氣罐閥(在圖1中未示出)，當(dāng)該氣罐閥變?yōu)殚_放狀態(tài)時，來自燃料罐10的高壓氫氣通過設(shè)置于燃料罐10的下游的減壓閥(在圖1中未示出)以機(jī)械方式減少到規(guī)定壓力。減壓后的氫氣通過設(shè)置于減壓閥下游的氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11進(jìn)一步減壓，之后被供給至燃料電池堆疊體1。能夠通過控制氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度來調(diào)整被供給至燃料電池堆疊體1的氫氣壓力即燃料極67中的氫氣壓力。在本第一實施方式中，由燃料罐10、氫氣供給流路L 1以及設(shè)置在該氫氣供給流路Ll上的氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11構(gòu)成向燃料電池堆疊體1 的燃料極67供給氫氣的氫氣供給裝置HS (燃料氣體供給裝置HS)。在本第一實施方式中，燃料電池堆疊體1構(gòu)成采用所謂封閉式的燃料電池系統(tǒng) 100，即，燃料電池堆疊體1中的燃料氣體排出用內(nèi)部流路的出口側(cè)基本上是閉塞的，對燃料極排氣從燃料電池堆疊體1的排出進(jìn)行限制。但是，這并不是指嚴(yán)格意義上的閉塞，為了從燃料極67排出氮氣等惰性氣體、液體等雜質(zhì)，設(shè)置有能夠例外地開放燃料氣體排出用內(nèi)部流路的出口側(cè)的排出系統(tǒng)。具體地說，燃料氣體排出用內(nèi)部流路的出口側(cè)連接有燃料極排氣流路(排出流路)L2。燃料極排氣流路L2的第二端部與后述的氧化劑極排氣流路L6 相連接。燃料極排氣流路L2中設(shè)置有容積部(容積裝置)12，該容積部12具備規(guī)定容積 Rs(后述的圖20)作為空間，其中，該規(guī)定容積Rs例如是與構(gòu)成燃料電池堆疊體1的所有燃料電池單體所需的燃料極67側(cè)容積相同程度或者其80%左右的容積Rs。該容積部12作為暫時儲存從燃料極7側(cè)流入的燃料極排氣中所包含的雜質(zhì)的緩沖器而發(fā)揮功能。在圖1 中，容積部12的鉛垂方向的下部連接有排水流路L3，該排水流路L3的第一端部是開放的， 該排水流路L3中設(shè)置有排水閥13。流入到容積部12的燃料極排氣中所包含的雜質(zhì)(主要為液體)在容積部12的下部積存。所積存的雜質(zhì)能夠通過控制排水閥13的開閉狀態(tài)而排出。另外，在燃料極排氣流路L2中，在容積部12的下游側(cè)設(shè)置有凈化閥(阻斷裝置)14。 流入到容積部12的燃料極排氣，具體地說，是含有雜質(zhì)(主要是氮氣等惰性氣體)和未反應(yīng)氫氣的氣體，其能夠通過控制凈化閥14的開閉狀態(tài)而排出。燃料極排氣流路(排出流路)L2和容積部(容積裝置)12、凈化閥(阻斷裝置)14 形成限制裝置70。另一方面，對空氣系統(tǒng)的作為氧化劑氣體的空氣進(jìn)行敘述。例如，當(dāng)大氣被壓縮機(jī) 20取入時對大氣進(jìn)行加壓，經(jīng)由空氣供給流路L5將空氣供給至燃料電池堆疊體1?？諝夤┙o流路L5的第一端部與壓縮機(jī)20相連接，并且其第二端部與燃料電池堆疊體1中的氧化劑氣體供給用內(nèi)部流路的入口側(cè)相連接。另外，在空氣供給流路L 5中設(shè)置有用于將向燃料電池堆疊體1供給的空氣加濕的加濕裝置21。燃料電池堆疊體1中的氧化劑氣體排出用內(nèi)部流路的出口側(cè)連接有氧化劑極排氣流路L6。由此，來自燃料電池堆疊體1中的氧化劑極34的氧化劑極排氣經(jīng)由氧化劑極排氣流路L6排出到外部。在該氧化劑極排氣流路L6中設(shè)置有上述加濕裝置21，來對發(fā)電所生成的水分進(jìn)行除濕(該除濕水分被用于對供給空氣進(jìn)行加濕)。另外，在氧化劑極排氣流路L6中，在加濕裝置21的下游側(cè)設(shè)置有空氣壓力調(diào)節(jié)閥22。被供給至燃料電池堆疊體1 的空氣壓力即氧化劑極34中的空氣壓力能夠通過控制空氣壓力調(diào)節(jié)閥22的開度來進(jìn)行調(diào)整。在本第一實施方式中，由壓縮機(jī)20、空氣供給流路L5以及設(shè)置于氧化劑極排氣流路L6 上的空氣壓力調(diào)節(jié)閥22來構(gòu)成向燃料電池堆疊體1的氧化劑極34供給空氣的氧化劑氣體供給裝置OS。另外，對從燃料電池堆疊體1取出的輸出(例如電流)進(jìn)行控制的輸出取出裝置 30與燃料電池堆疊體1相連接。燃料電池堆疊體1所發(fā)出的電力通過輸出取出裝置30被提供至例如車輛驅(qū)動用的電動馬達(dá)(在圖1中未示出)、二次電池、需要燃料電池堆疊體1 的發(fā)電動作的各種輔機(jī)中。另外，在輸出取出裝置30中，所發(fā)出的電力也被提供至二次電池(在圖1中未示出)。該二次電池用于在燃料電池系統(tǒng)100啟動時或過度響應(yīng)時等補(bǔ)充從燃料電池堆疊體1供給的電力的不足?？刂撇?控制裝置)40具備將整個燃料電池系統(tǒng)100統(tǒng)一進(jìn)行控制的功能，通過按照控制程序進(jìn)行動作來控制燃料電池系統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。作為控制部40，能夠使用以 CPU、ROM、RAM、I/O接口為主體構(gòu)成的微計算機(jī)。該控制部40按照保存在ROM中的控制程序進(jìn)行各種運算，將該運算結(jié)果作為控制信號輸出到各種驅(qū)動器(在圖1中未示出)中。由此，控制部40對氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11、排水閥13、凈化閥14、壓縮機(jī)20、空氣壓力調(diào)節(jié)閥22、 輸出取出裝置30這樣的各種要素進(jìn)行控制，從而進(jìn)行燃料電池堆疊體1的發(fā)電動作。為了檢測燃料電池系統(tǒng)100的狀態(tài)，來自各種傳感器等的傳感器信號被輸入到控制部40中。在本第一實施方式中，作為上述的各種傳感器，列舉出氫氣壓力傳感器41、空氣壓力傳感器42、堆疊體溫度傳感器43。氫氣壓力傳感器41檢測被供給至燃料電池堆疊體1的氫氣壓力?？諝鈮毫鞲衅?2檢測被供給至燃料電池堆疊體1的空氣的壓力。堆疊體溫度傳感器43檢測燃料電池堆疊體1的溫度。在本第一實施方式中，控制部40以下面的方式控制燃料電池系統(tǒng)100。首先，控制部40對燃料電池堆疊體1供給空氣和氫氣，由此進(jìn)行燃料電池堆疊體1的發(fā)電。供給至燃料電池堆疊體1的空氣和氫氣各自的壓力(運轉(zhuǎn)壓力)被預(yù)先設(shè)定為與運轉(zhuǎn)負(fù)荷無關(guān)的固定基準(zhǔn)值或與運轉(zhuǎn)負(fù)荷相應(yīng)的可變值。于是，控制部40通過以規(guī)定的運轉(zhuǎn)壓力供給空氣和氫氣來進(jìn)行燃料電池堆疊體1的發(fā)電。在此，作為本第一實施方式的特征之一，控制部40 在向燃料電池堆疊體1的燃料極67供給氫氣時，基于以第一壓力幅度(壓力差)進(jìn)行壓力變動的第一壓力變動模式和以大于第一壓力幅度的第二壓力幅度(壓力差)進(jìn)行壓力變動的第二壓力變動模式，使燃料電池堆疊體1的燃料極67處的氫氣壓力周期性地發(fā)生變動。 具體地說，控制部40反復(fù)進(jìn)行以下的基本控制模式在多次執(zhí)行第一壓力變動模式之后， 執(zhí)行第二壓力變動模式。在進(jìn)行壓力變動的情況下，控制部40停止對燃料電池堆疊體1的氫氣供給，并且以燃料電池堆疊體1的燃料極67處的氫氣壓力降低規(guī)定壓力幅度(第一壓力幅度或第二壓力幅度)為條件，重新開始對燃料電池堆疊體1的氫氣供給，從而將燃料電池堆疊體1的燃料極67處的氫氣壓力恢復(fù)至運轉(zhuǎn)壓力。能夠通過氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開閉操作來進(jìn)行對燃料電池堆疊體1的氫氣供給的停止和重新開始。通過參照氫氣壓力傳感器41的檢測值，能夠監(jiān)視氫氣壓力降低，而該氫氣壓力降低與壓力幅度是相當(dāng)?shù)?。而圖1的(b)是示意性地表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100 的其它結(jié)構(gòu)的框圖。在此，構(gòu)成為廢棄排水閥13而僅設(shè)有凈化閥14。通過形成這種結(jié)構(gòu)， 能夠通過控制凈化閥14的開閉狀態(tài)來排出含有燃料極排氣所包含的雜質(zhì)(主要是氮氣等惰性氣體和液體)以及未反應(yīng)氫氣的氣體。下面，對采用這種結(jié)構(gòu)和控制方法的燃料電池系統(tǒng)100及其概念進(jìn)行說明。在基于提高燃燒消耗率和降低使燃料電池堆疊體進(jìn)行動作的各種輔機(jī)等的動力等觀點、以低化學(xué)計量比(或者“低反應(yīng)氣體供給過量率”)、低流量進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)100 的運轉(zhuǎn)的情況下，燃料電池堆疊體1的各燃料電池單體內(nèi)的氣體流路(單體流路)中流動的反應(yīng)氣體(氫氣或空氣)的流速變低。因此，發(fā)電反應(yīng)中不需要的雜質(zhì)例如液體、不反應(yīng)氣體(主要是氮氣)容易在流路中進(jìn)行累積，這有可能會妨礙發(fā)電所需的反應(yīng)氣體的流通。 在這種情況下，燃料電池堆疊體1的輸出降低，進(jìn)而可能導(dǎo)致不能發(fā)電，甚至引起反應(yīng)所需的催化劑的劣化。例如，考慮了以下的狀態(tài)對燃料電池堆疊體1的氧化劑極34供給空氣，并對燃料極排氣從燃料電池堆疊體1的排出進(jìn)行限制，從而穩(wěn)定地供給燃料極67所消耗的量的氫氣，由此燃料電池堆疊體1進(jìn)行發(fā)電。在各燃料電池單體中，空氣中的氮氣經(jīng)由構(gòu)成燃料電池單體的固體高分子電解質(zhì)膜，從氧化劑極34側(cè)氣體流路滲漏到燃料極67側(cè)氣體流路中。 另一方面，與發(fā)電反應(yīng)的氫氣的消耗量同等量的氫氣通過對流流入到燃料極67側(cè)氣體流路中。然而，燃料氣體排出用內(nèi)部流路的出口側(cè)是閉塞的，因此滲漏過來的氮氣被氫氣的對流推到氣體流路的下游側(cè)(出口側(cè))。燃料極67的氮氣不但不能被發(fā)電反應(yīng)消耗，反而會由于來自氧化劑極；34側(cè)的滲漏而不斷增加，直到氧化劑極34側(cè)分壓與燃料極67側(cè)分壓變得相等。圖2的(a) 圖2的(c)是表示燃料電池單體內(nèi)的燃料極67側(cè)氫氣的狀態(tài)的說明圖。圖2的(a)表示燃料極67側(cè)氣體流路中的氫氣流線。在此，橫軸表示氣體流路的距離(氣體流路方向)，橫軸的左側(cè)與氣體流路的入口側(cè)相對應(yīng)，橫軸的右側(cè)與氣體流路的出口側(cè)相對應(yīng)。而縱軸表示氣體流路的高度，縱軸的下側(cè)與反應(yīng)面相對應(yīng)。另外，圖2的(b) 表示燃料極67側(cè)氣體流路中的氫氣濃度分布。與圖2的(a)同樣地，橫軸表示氣體流路的距離(氣體流路方向)，縱軸表示氣體流路的高度。在圖2的(b)中，區(qū)域al表示氫氣濃度為93% 100%的范圍，區(qū)域a2表示氫氣濃度為83% 93%的范圍，區(qū)域a3表示氫氣濃度為73% 83%的范圍。另外，區(qū)域a4表示氫氣濃度為63% 73%的范圍，區(qū)域a5表示氫氣濃度為53 % 63 %的范圍，區(qū)域a6表示氫氣濃度為43 % 53 %的范圍，區(qū)域a7表示氫氣濃度為33% 43%的范圍。并且，圖2的(c)表示燃料極67側(cè)反應(yīng)面上的氫氣濃度分布。在此，橫軸表示氣體流路的距離，橫軸的左側(cè)與氣體流路的入口側(cè)相對應(yīng)，橫軸的右側(cè)與氣體流路的出口側(cè)相對應(yīng)。而縱軸表示氫氣濃度。如上所述，由于所滲漏的氮氣的流入以及所流入的氫氣，在燃料極67中會形成氮氣濃度較高的位置即氫氣濃度較低的位置。具體地說，在燃料電池單體中，存在越靠近氣體流路的下游(出口側(cè))氫氣濃度越低的趨勢。另外，如果基于該狀態(tài)繼續(xù)發(fā)電，則氫氣濃度低的位置的濃度會進(jìn)一步變低。圖3是示意性地表示燃料電池單體的說明圖。如圖3的(a)所示，沿反應(yīng)氣體的流向，在燃料電池單體的發(fā)電面內(nèi)分別假設(shè)有#1 #8這八個電流測量點。圖3的(b)表示各測量點#1 #8中的電流分布的時序變化。具體地說，如虛線箭頭所示，各測量點#1 #8中的電流分布的變化從點劃線變化為虛線、然后變化為實線。即，在發(fā)電初始階段，由于氣體流路中的氫氣濃度是大致均勻的，因此如點劃線所示那樣，各測量點#1 #8處的電流值大致相對應(yīng)。然而，通過繼續(xù)進(jìn)行發(fā)電，氣體流路的出口側(cè)處的氫氣濃度降低，因此如虛線或?qū)嵕€所示那樣，氣體流路的出口側(cè)處的電流值降低，并且在氣體流路的入口側(cè)引起電流集中。在這種狀態(tài)下，難以繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定的發(fā)電，最終可能會陷入無法發(fā)電的狀態(tài)。另外，這種局部電流降低是難以檢測到的，從而也會導(dǎo)致未意識到電流正在降低而繼續(xù)從燃料電池堆疊體取出輸出。圖4是示意性地表示燃料電池單體的結(jié)構(gòu)的截面圖。構(gòu)成燃料電池單體的燃料電池結(jié)構(gòu)體150是通過以一對電極(反應(yīng)極)即燃料極67和氧化劑極34夾持固體高分子電解質(zhì)膜2而構(gòu)成的。固體高分子電解質(zhì)膜2例如由氟樹脂系離子交換膜這樣的離子傳導(dǎo)性高分子膜構(gòu)成，通過飽和含水而作為離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)發(fā)揮功能。氧化劑極34由承載鉬等催化劑的鉬系的催化劑層3和由碳纖維等多孔體構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層4構(gòu)成。燃料極67由承載鉬等催化劑的鉬系的催化劑層6和由碳纖維等多孔體構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層7構(gòu)成。另外， 在從兩側(cè)夾持燃料電池結(jié)構(gòu)體150的隔板(在圖4中未示出)中，分別形成有用于對各反應(yīng)極供給反應(yīng)氣體(氫氣或空氣)的氣體流路5、8。在繼續(xù)發(fā)電的情況下，由于氧氣也與氮氣同時從氧化劑極34側(cè)滲漏到燃料極67 側(cè)，因此氧氣向燃料極67側(cè)移動。另外，氧化劑極34側(cè)存在由于發(fā)電反應(yīng)而生成的水。并且，氣體擴(kuò)散層4、隔板(未圖示)等構(gòu)成燃料電池單體內(nèi)的氣體流路的部件和支承催化劑的部件主要是由碳構(gòu)成的。因此，在缺乏氫氣的區(qū)域(圖4中為區(qū)域B)中，以下的反應(yīng)加速。[式1]燃料極67 側(cè)A+4H++4e- — 2H20氧化劑極；34側(cè)C+2H20 — C02+4H++4e"參照式1，燃料電池單體的結(jié)構(gòu)物中的碳與氧化劑極34側(cè)生成的水進(jìn)行反應(yīng)，從而在氧化劑極34側(cè)生成二氧化碳。這意味著會侵蝕燃料電池單體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)物。形成氣體流路的要素、承載引起反應(yīng)的催化劑的結(jié)構(gòu)體、構(gòu)成氣體擴(kuò)散層4的結(jié)構(gòu)體、以及構(gòu)成隔板的結(jié)構(gòu)體所包含的碳變化為二氧化碳，從而導(dǎo)致燃料電池單體的劣化。另外，在燃料極67側(cè)中也存在以下的情況發(fā)電反應(yīng)生成水由于逆擴(kuò)散現(xiàn)象而從氧化劑極34側(cè)移動到固體高分子電解質(zhì)膜2，或者，加濕后供給的氫氣中的冷凝水殘留在氣體流路內(nèi)。在液體以水滴狀存在于氣體流路中的情況下，不會引起特別大的問題。然而， 在液體膜狀地展開從而覆蓋氣體擴(kuò)散層7的氣體流路面的情況下，會由于液體而阻礙對反應(yīng)面的氫氣供給，從而產(chǎn)生氫氣濃度低的位置。由此，與上述氧化劑極34側(cè)的情況同樣地， 有可能導(dǎo)致燃料電池的劣化。氣體流路中的液體所導(dǎo)致的不便是眾所周知的，要實施用于排出該液體的方法。 然而，即使沒有液體也會產(chǎn)生燃料電池單體的劣化。即，燃料電池單體(催化劑)的劣化現(xiàn)象是由于燃料極67的氫氣缺乏所引起的，重要的是要抑制該缺乏位置(例如以體積濃度來說約5%以下的位置)的產(chǎn)生。在此，燃料極67側(cè)氣體中的氫氣濃度變低的原因是氧化劑極34側(cè)氣體中所含有的氮氣透到燃料極67側(cè)。因此，需要事先適當(dāng)?shù)卣莆盏獨馔高^量。因此，首先，通過試驗、模擬來調(diào)查與各物理量(氮氣分壓、溫度、濕度)相對的每單位時間的氮氣透過量(透過固體高分子膜的漏氮量)，其結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5是表示氧化劑極34和燃料極67的氮氣分壓差與漏氮量的關(guān)系的說明圖。圖 6是對應(yīng)于周圍溫度來表示周圍濕度與漏氮量的關(guān)系的說明圖，如虛線箭頭所示，隨著周圍溫度Templ、Temp2、Temp3、Temp4的增加，周圍濕度與漏氮量的關(guān)系相對來說值變大。如圖 5所示，氮氣分壓差越大，從氧化劑極34側(cè)透到燃料極67側(cè)的氮氣量(漏氮量)越大，另外如圖6所示，燃料極67中的濕度越高、溫度越高，該漏氮量越大。如上所述，在燃料電池單體中，透到燃料極67的氮氣隨著所供給的氫氣的流動被推到下游側(cè)(出口側(cè))，從而殘留下來。因此，在本第一實施方式中，引起強(qiáng)制對流來對氫氣和氮氣進(jìn)行攪拌，由此抑制這種氫氣濃度局部降低的缺乏位置的產(chǎn)生。圖7是示意性地表示氫氣與不反應(yīng)氣體(主要是氮氣)的攪拌狀態(tài)的說明圖。作為利用強(qiáng)制對流來進(jìn)行攪拌的方法，例如使燃料電池堆疊體1的燃料極67側(cè)氫氣壓力低于氫氣供給壓力，從而在燃料電池堆疊體1的內(nèi)外制作出規(guī)定壓力差。然后，通過瞬間釋放該固定壓力差，可以確保氫氣瞬間以較大的供給量(流速)流入燃料電池堆疊體1內(nèi)。由此， 如圖7的(a)所示，能夠進(jìn)行氫氣與氮氣的攪拌。雖然會依賴于燃料電池單體內(nèi)的氣體流路的大小，但是產(chǎn)生亂流時該攪拌效果會變大。另外，即使存在層流，在氫氣系統(tǒng)中，也可以將氮氣推到設(shè)置于燃料電池堆疊體1的下游的容積部12內(nèi)，因此燃料電池單體內(nèi)被置換成氫氣。另外，整個氣體流路中壓力下降，因此在燃料極67的壓力變得與供給壓力相同之前， 氫氣遍布整個氣體流路。為了得到固定壓力差，也能夠以瞬間產(chǎn)生大壓力的方式對正在發(fā)電的燃料電池堆疊體1供給氫氣。然而，為了更簡單地得到壓力差，如圖7的(b)所示，在保持燃料電池堆疊體1繼續(xù)發(fā)電的狀態(tài)下，在定時Tl利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11停止氫氣供給(閉閥操作)。然后，設(shè)置保持時間直到變?yōu)橐?guī)定壓力差(壓力幅度)ΔΡ1，來確保壓力差。如果得到了規(guī)定壓力差ΔΡ1(定時T2)，則利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11供給氫氣(開閥操作)。由此，瞬間產(chǎn)生較大的供給量(流速)，從而能夠進(jìn)行攪拌。另外，當(dāng)以周期C重復(fù)這種壓力變動模式(第一壓力變動模式)時，在定時T3進(jìn)行閉閥操作，在定時T4進(jìn)行開閥操作。由此，以脈沖方式供給氫氣。該壓力差ΔΡ1例如為5 Sltfa左右。能夠在考慮到燃料電池堆疊體1的特性以及氣體的攪拌特性等的基礎(chǔ)上，通過試驗、模擬來設(shè)定壓力差ΔΡ1的最佳值。氣體攪拌所需的壓力差ΔΡ1被設(shè)定為小于后述的液體排出所需的壓力差的值。雖然通過上述的氣體攪拌能夠抑制氫氣的缺乏位置的產(chǎn)生，但是在長時間持續(xù)發(fā)電的情況下，生成水、冷凝水進(jìn)行累積，有時會阻塞燃料電池單體內(nèi)的燃料極67側(cè)氣體流路。因此，在本第一實施方式中，通過使氫氣流入燃料極67，來將阻塞氣體流路的液體排出到燃料電池單體外。圖8是表示液體排出狀態(tài)的說明圖。作為利用供給氫氣來進(jìn)行液體排出的方法， 例如使燃料電池堆疊體1的燃料極67側(cè)氫氣壓力低于氫氣供給壓力，從而在燃料電池堆疊體1的內(nèi)外制作出規(guī)定壓力差。然后，通過瞬間釋放該固定壓力差，可以確保燃料氣體瞬間以較大的供給量(流速)流入燃料電池堆疊體1內(nèi)。由此，如圖8的(a)所示，能夠?qū)⒁后w從氣體流路排出。要求液體排出所需的壓力差大于上述氣體攪拌所需的壓力差。另一方面，液體排出所要求的頻率低于氣體攪拌所要求的頻率。因此，如圖8的(b)所示，在多次執(zhí)行氣體攪拌所要求的壓力變動模式之后，在定時Tm利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11停止氫氣供給(閉閥操作)。然后，設(shè)置保持時間直到變?yōu)橐?guī)定壓力差(壓力幅度)ΔΡ2，來確保壓力差。如果得到了規(guī)定壓力差ΔΡ2(定時Tn)，則利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11供給氫氣(開閥操作)。由此， 瞬間產(chǎn)生較大的流速，從而能夠進(jìn)行液體排出。其中，這種壓力變動模式(第二壓力變動模式)與氣體攪拌所要求的第一壓力變動模式相同，都是周期性地進(jìn)行反復(fù)。然而，與氣體攪拌所要求的第一壓力變動模式相比，液體排出所要求的第二壓力變動模式的執(zhí)行頻率較低。該壓力差ΔΡ2例如為20 左右。能夠在考慮到燃料電池堆疊體1的特性以及液體排出特性等的基礎(chǔ)上，通過試驗、模擬來設(shè)定壓力差ΔΡ2的最佳值。液體排出所需的壓力差Δ P2被設(shè)定為大于上述的氣體攪拌所需的壓力差Δ Pl的值。另外，如圖8的(C)所示，在多次執(zhí)行氣體攪拌所要求的壓力變動模式之后，在定時Tm利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11停止氫氣的供給(閉閥操作)。然后，設(shè)置保持時間直到變?yōu)橐?guī)定壓力差(壓力幅度)ΔΡ1，來確保壓力差。如果得到了規(guī)定壓力差ΔΡ1(定時Τη)，則將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度設(shè)為比定時Tm時的開度大來進(jìn)行供給氫氣的操作(開閥操作)。 由此，以比Tm時的壓力更高的壓力來供給氣體，以達(dá)到規(guī)定的壓力差(壓力幅度)ΔΡ2(定時To)。接著在定時Tp利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11進(jìn)行停止氫氣的供給的操作(閉閥操作)。 然后，設(shè)置保持時間直到變?yōu)橐?guī)定的壓力差(壓力幅度)ΔΡ2，來確保壓力差。如果得到了規(guī)定壓力差ΔΡ2(定時Tq)，則利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11進(jìn)行供給氫氣的操作(開閥操作)。 此時，優(yōu)選以與定時Tm相同的開度來供給氫氣。這樣，在定時Tr恢復(fù)到與定時Tm相同的壓力，在定時Tr以后實施與定時Tm以前相同的壓力變動模式。在進(jìn)行這種操作的情況下也會瞬間產(chǎn)生較大的流速，從而能夠進(jìn)行液體排出。并且，如圖8的(d)所示，在多次執(zhí)行氣體攪拌所要求的壓力變動模式之后，在定時Tm利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11停止氫氣的供給(閉閥操作)。然后，設(shè)置保持時間直到變?yōu)楸纫?guī)定的壓力差(壓力幅度)ΔΡ1更大的壓力差。如果得到了比壓力差ΔΡ1更大的壓力差(定時Tn)，則將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度設(shè)為比定時Tm時的開度大來進(jìn)行供給氫氣的操作(開閥操作)。由此，以比Tm時的壓力更高的壓力供給氣體，以達(dá)到規(guī)定的壓力差(壓力幅度)ΔΡ2(定時To)。接著在定時Tp利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11進(jìn)行停止氫氣的供給的操作(閉閥操作)。然后，設(shè)置保持時間直到變?yōu)橐?guī)定的壓力差(壓力幅度)ΔΡ3，來確保壓力差。此外，優(yōu)選將確保該壓力差ΔΡ3時的壓力下限值設(shè)為確保壓力差ΔΡ1時的壓力下限值。接著，如果得到了壓力差ΔΡ3(定時Tq)，則利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11進(jìn)行供給氫氣的操作(開閥操作)。此時，優(yōu)選以與定時Tm相同的開度來供給氫氣。這樣，在定時Tr恢復(fù)到與定時Tm相同的壓力，在定時Tr以后實施與定時Tm以前相同的壓力變動模式。在進(jìn)行這種操作的情況下也會瞬間產(chǎn)生較大的流速，從而能夠進(jìn)行液體排出。這樣在本第一實施方式中，控制部40通過控制燃料氣體供給裝置HS(10、11、Li) 來向燃料電池堆疊體1的燃料極67供給氫氣，并且基于以第一壓力幅度ΔΡ1進(jìn)行壓力變動的第一壓力變動模式和以第二壓力幅度ΔΡ2進(jìn)行壓力變動的第二壓力變動模式，使燃料電池堆疊體1的燃料極67處的氫氣壓力周期性地發(fā)生變動。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，除了第二壓力變動模式以外還具有壓力幅度較小的第一壓力變動模式，由此不對燃料電池堆疊體1的各燃料電池單體施加較大壓力就能夠?qū)θ剂蠘O67側(cè)氣體進(jìn)行攪拌。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料極67側(cè)氣體的均勻化。因此，能夠抑制由氫氣濃度部分降低所引起的燃料電池堆疊體1的劣化。另外，通過也具備第二壓力變動模式，能夠排出以第一壓力變動模式無法排出的液體等。由此，能夠抑制由液體引起的燃料電池堆疊體1的劣化。另外，本第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)100采用了對從燃料電池堆疊體1的燃料極67側(cè)排出的燃料極排氣進(jìn)行限制的封閉系的系統(tǒng)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，燃料極67側(cè)氣體流路中容易由于雜質(zhì)而產(chǎn)生氫氣濃度的降低，但是通過實施上述控制，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料極67側(cè)氣體的均勻化。另外，在本第一實施方式中，控制部40在多次執(zhí)行第一壓力變動模式之后，執(zhí)行第二壓力變動模式。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，減少了對燃料電池堆疊體1的各燃料電池單體施加較大壓力的頻率，同時在燃料極67側(cè)能夠兼顧氣體攪拌和液體排出。另外，進(jìn)行氣體攪拌的第一壓力變動模式的執(zhí)行頻率較高，因此即使在持續(xù)進(jìn)行發(fā)電的情況下也能夠有效地進(jìn)行氣體攪拌。由此，如圖9所示，即使在持續(xù)進(jìn)行發(fā)電的情況下，發(fā)電面內(nèi)的電流值也大致對應(yīng)，能夠抑制氣體流路的出口側(cè)處的電流值降低以及氣體流路的入口側(cè)處的電流集中。另外，在本第一實施方式中，控制部40在通過以規(guī)定運轉(zhuǎn)壓力供給氫氣來進(jìn)行燃料電池堆疊體1的發(fā)電的狀態(tài)下，停止對于燃料電池堆疊體1的氫氣供給，并且以燃料極 67的氫氣壓力降低到規(guī)定壓力幅度(ΔΡ1、ΔΡ2)為條件，重新開始?xì)錃夤┙o，由此使燃料極67處的氫氣壓力發(fā)生變動。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠利用氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11簡單地進(jìn)行壓力變動，因此能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的控制系統(tǒng)。另外，本第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)100具備燃料極排氣流路L2、容積部12、以及凈化閥14。在這種情況下，容積部12作為貯存來自燃料極67側(cè)的燃料極排氣即氮氣和液體的空間(容積Rs:后述的圖20)而發(fā)揮功能。由此，雖然實質(zhì)上構(gòu)建了封閉系的系統(tǒng)， 但是通過根據(jù)需要開放凈化閥14，也能夠?qū)⑾鄬ι仙牡獨獾入s質(zhì)排出到外部。即，在氮氣分壓差消失之前都會產(chǎn)生氮氣滲漏，但是在想要在燃料極67側(cè)保持規(guī)定以上的氫氣濃度的情況下，能夠?qū)⑴c滲漏量相當(dāng)?shù)牧髁颗懦龅酵獠?。此外，此時的流量十分小，因此很少會對燃料極67內(nèi)的氣體攪拌所需的壓力變動產(chǎn)生影響，另外，利用氧化劑極34排氣進(jìn)行的稀釋也能夠簡單地進(jìn)行。不過，也可以在氮氣分壓變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)時也提高燃料極67側(cè)的整體壓力以能夠進(jìn)行發(fā)電，這種情況下就可以采用單純的封閉系系統(tǒng)了。此外，在停止氫氣供給時，燃料極67的氫氣壓力下降的速度是由燃料電池堆疊體 1內(nèi)的流路容積所決定的。在基于燃料電池系統(tǒng)100控制上的要求等而不期望急劇的壓力下降的情況下，能夠通過在燃料電池堆疊體1中改變氫氣供給流路Li、或者燃料極排氣流路L2的容積部12的容量來控制壓力變化時間。(第二實施方式)下面，說明本發(fā)明的第二實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100。第二實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100與第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)100的不同點在于，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)狀態(tài)來將因壓力變動模式的壓力變動而供給至燃料電池堆疊體1的燃料極67的氫氣量設(shè)定為可變。此外，燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)與第一實施方式相同，因此省略重復(fù)的說明，下面以不同點為中心進(jìn)行說明。圖10是表示本發(fā)明的第二實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100的控制方法，具體地說是向燃料極67供給氫氣的方法的處理過程的流程圖。由控制部40執(zhí)行該流程圖所示的處理。首先，在步驟I(Sl)中，控制部40檢測燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。在該步驟1 中要檢測的運轉(zhuǎn)狀態(tài)是指燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)負(fù)荷、燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)溫度、 燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)壓力(氧化劑極34的運轉(zhuǎn)壓力)。能夠通過考慮基于車輛車速、 加速部開度而確定的車輛側(cè)要求電力、輔機(jī)等的要求電力等來計算出燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)負(fù)荷。另外，能夠由堆疊體溫度傳感器43來檢測燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)溫度。燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)壓力則被預(yù)先設(shè)定為與上述運轉(zhuǎn)負(fù)荷無關(guān)的固定基準(zhǔn)值或與運轉(zhuǎn)負(fù)荷相應(yīng)的可變值。因而通過參照這一點，能夠檢測出燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)壓力。在步驟2 (S2)中，控制部40判斷本次檢測出的運轉(zhuǎn)狀態(tài)與預(yù)先檢測出的運轉(zhuǎn)狀態(tài)相比是否發(fā)生改變。在該判斷為肯定判定的情況下，即在運轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生了改變的情況下，進(jìn)入步驟3(S;3)。另一方面，在步驟2中為否定判定的情況下，即在運轉(zhuǎn)狀態(tài)未發(fā)生改變的情況下，跳過步驟3的處理，進(jìn)入步驟4 (S4)的處理。在步驟3中，控制部40根據(jù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)設(shè)定壓力變動模式。如第一實施方式所示， 控制部40在多次執(zhí)行氣體攪拌所需的第一壓力變動模式之后，執(zhí)行液體排出所需的第二壓力變動模式，并將其作為一組動作來反復(fù)進(jìn)行，由此進(jìn)行氫氣供給。但是，在伴隨壓力變動的供給狀態(tài)下，因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量以脈沖方式進(jìn)行變化，因此會對固體高分子電解質(zhì)膜2重復(fù)施加負(fù)載，該負(fù)載作為負(fù)擔(dān)而進(jìn)行作用。因此，在來自氧化劑極 34的滲漏較少的情形下，優(yōu)選減少因這種壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量，來降低對固體高分子電解質(zhì)膜2的負(fù)載。另一方面，在滲漏較多的情形下，優(yōu)選積極地進(jìn)行壓力變動，使因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量以脈沖方式進(jìn)行變化，來進(jìn)行氣體攪拌和液體排出。一般來說，燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)負(fù)荷越小，燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)溫度越低，或者，燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)壓力(具體地說是氧化劑極34的運轉(zhuǎn)壓力)越低，則滲漏的氮氣量越少。因此，在對應(yīng)于上述任一種情況而運轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生改變的情況下，減小因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量。相反，燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)負(fù)荷越大，燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)溫度越高，或者，燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)壓力(具體地說是氧化劑極34 的運轉(zhuǎn)壓力)越高，則滲漏的氮氣量越多。因此，在對應(yīng)于上述任一種情況而運轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生改變的情況下，增大因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量。在將因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量設(shè)定為較小的情況下，如下那樣對基本控制模式進(jìn)行修正。作為第一控制方法，如圖11所示，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的閉閥時間T設(shè)定為比基本控制模式的閉閥時間長。換言之，以將壓力變動的執(zhí)行周期設(shè)定為較大的方式對基本控制模式進(jìn)行修正。作為第二控制方法，如圖12所示，將壓力控制模式的壓力差(壓力幅度)ΔΡ11、 ΔP12設(shè)定為小于基本控制模式下的壓力控制模式的壓力差(壓力幅度)ΔΡ1、ΔΡ2。作為第三控制方法，如圖13所示，將液體排出所需的第二壓力變動模式相對于氣體攪拌所需的第一壓力變動模式的執(zhí)行頻率設(shè)定為低于基本控制模式的執(zhí)行頻率。與此相對地，在將因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量設(shè)定為較大的情況下， 只要將第一至第三控制方法分別按逆向控制即可?？刂撇?0根據(jù)改變后的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，基于第一至第三控制方法中的任一個或它們的組合來修正基本控制模式。然后，控制部40將該修正后的控制模式設(shè)定為當(dāng)前的控制模式。在步驟4中，控制部40基于當(dāng)前設(shè)定的控制模式來進(jìn)行氫氣供給。在步驟5(S5)中，控制部40判斷是否結(jié)束燃料電池系統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)。具體地說，控制部40判斷是否從點火開關(guān)輸入了關(guān)閉信號。在該步驟5中為肯定判定的情況下，即在燃料電池統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)結(jié)束的情況下，結(jié)束本控制。另一方面，在步驟5中為否定判定的情況下，即燃料電池系統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)未結(jié)束的情況下，返回到步驟1的處理。這樣，在本第二實施方式中，在燃料電池系統(tǒng)100中，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)狀態(tài)將因壓力變動而供給至燃料極67的氫氣量設(shè)定為較小。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行燃料極67的氣體攪拌和液體排出的同時，也能夠降低對燃料電池堆疊體1的各燃料電池單體重復(fù)施加負(fù)載。(第三實施方式)下面，說明本發(fā)明的第三實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100。此外，燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)與第一至第二實施方式相同，因此省略重復(fù)的說明，下面以不同點為中心進(jìn)行說明?？刂撇?0以下面的方式控制燃料電池系統(tǒng)100?？刂撇?0對燃料電池堆疊體1 供給空氣和氫氣，由此利用燃料電池堆疊體1進(jìn)行發(fā)電。在這種情況下，控制部40以使供給至燃料電池堆疊體1的空氣/氫氣各自的壓力為規(guī)定運轉(zhuǎn)壓力的方式來供給空氣和氫氣。該運轉(zhuǎn)壓力例如被設(shè)定為與燃料電池堆疊體1的發(fā)電電力無關(guān)的固定基準(zhǔn)值或者與燃料電池堆疊體1的發(fā)電電力相應(yīng)的可變值。在本第三實施方式中，控制部40按照規(guī)定運轉(zhuǎn)壓力對向氧化劑極34的空氣供給進(jìn)行壓力控制。與此相對，控制部40按照如下的控制模式來對燃料極67的氫氣供給進(jìn)行氫氣的供給和停止的控制在上限壓力Pl與下限壓力P2之間的范圍內(nèi)進(jìn)行壓力的增加和減少。然后，控制部40通過反復(fù)進(jìn)行遵循控制模式的動作，來如圖14所示那樣使燃料電池堆疊體1的燃料極67處的氫氣壓力周期性地發(fā)生變動，同時向燃料極67供給氫氣。具體地說，控制部40以燃料極67的氫氣壓力已達(dá)到上限壓力Pl且在燃料極67 內(nèi)確保了用于進(jìn)行發(fā)電的充足的氫氣濃度為前提，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11控制為最小開度， 停止對燃料電池堆疊體1的氫氣供給。當(dāng)控制部40繼續(xù)通過輸出取出裝置30從燃料電池堆疊體1取出與對燃料電池系統(tǒng)100所要求的要求負(fù)荷相對應(yīng)的負(fù)荷電流時，由于發(fā)電反應(yīng)消耗氫氣，因此燃料極67的氫氣壓力降低。接著，控制部40以燃料極67的氫氣壓力降低到下限壓力P2為條件，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11控制為最大開度，重新開始對燃料電池堆疊體1的氫氣供給。由此，燃料極67處的氫氣壓力增加。然后，以氫氣壓力達(dá)到(恢復(fù))上限壓力Pl為條件，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥 11控制為最小開度，由此控制部40再次停止氫氣供給。通過將這樣的一系列處理作為一周期控制模式來反復(fù)進(jìn)行，控制部40在使氫氣壓力周期性地發(fā)生變動的同時向燃料電池堆疊體1的燃料極67供給氫氣。在此，例如以規(guī)定運轉(zhuǎn)壓力為基礎(chǔ)來分別設(shè)定上限壓力Pl和下限壓力P2。通過參照氫氣壓力傳感器41的檢測值，能夠監(jiān)視燃料電池堆疊體1的燃料極67的氫氣壓力。另外，在進(jìn)行壓力增加的情況下，期望使氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的上游側(cè)的氫氣壓力足夠高，來極力加快壓力增加速度。比如將從下限壓力P2達(dá)到上限壓力Pl的壓力增加期間設(shè)定為 0. 1 0. 5秒左右。另一方面，從上限壓力Pl達(dá)到下限壓力P2的時間為1秒 10秒左右， 而上述時間依賴于上限壓力P1、下限壓力P2以及從燃料電池堆疊體1取出的電流值即氫氣消耗速度。
在這種伴隨著周期性壓力增減的氫氣供給控制中，本第三實施方式的特征之一在于，能夠在控制模式中設(shè)定將燃料極67的壓力保持為上限壓力Pl的第一保持時間Tpl和將燃料極67的壓力保持為下限壓力P2的第二保持時間Tp2?？刂撇?0能夠在零到規(guī)定值之間的范圍內(nèi)任意地設(shè)定上述第一保持時間Tpl和第二保持時間Τρ2。如圖15所示，第一保持時間Tpl是在執(zhí)行將燃料極67的壓力從上限壓力Pl降低到下限壓力Ρ2的第一過程之前，將燃料極67的壓力保持在上限壓力Pl的時間。具體地說，控制部40以將燃料極67的壓力降低到下限壓力Ρ2為條件，通過將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11 的開度Ot控制為最大開度01來重新開始對燃料電池堆疊體1的氫氣供給，從而使燃料極 67的壓力增加。控制部 40以燃料極67的壓力已達(dá)到上限壓力Pl為條件，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度Ot從最大開度01減少到規(guī)定開度，來將燃料極67的壓力保持為上限壓力 Pl。然后，控制部40以從燃料極67的壓力達(dá)到上限壓力Pl的定時起經(jīng)過了第一保持時間 Tpl為條件，通過將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度Ot控制為最小開度02來停止對燃料電池堆疊體1的氫氣供給。與此相對地，如圖16所示，第二保持時間Τρ2是在執(zhí)行將燃料極67的氫氣壓力從下限壓力Ρ2增加到上限壓力Pl的第二過程之前，將燃料極67的壓力保持在下限壓力Ρ2 的時間。具體地說，控制部40以燃料極67的壓力已達(dá)到上限壓力Pl為條件，通過將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度Ot控制為最小開度02來停止對燃料電池堆疊體1的氫氣供給。控制部40以燃料極67的氫氣壓力降低到下限壓力Ρ2為條件，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度 Ot從最小開度02增加到規(guī)定開度，來將燃料極67的壓力保持為下限壓力Ρ2。然后，控制部40以從燃料極67的壓力達(dá)到下限壓力Ρ2的定時起經(jīng)過了第二保持時間Τρ2為條件，通過將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11的開度Ot控制為最大開度01來重新開始對燃料電池堆疊體1的氫氣供給，從而使燃料極67的壓力增加。圖17是表示負(fù)荷與第一保持時間Tpl/第二保持時間Τρ2各自的對應(yīng)關(guān)系的說明圖。例如，作為燃料電池系統(tǒng)100的運轉(zhuǎn)情形，在低負(fù)荷(例如，相對于額定負(fù)荷電流取出1/3左右以下的負(fù)荷電流的狀態(tài))的情況下，第一保持時間Tpl和第二保持時間Τρ2被分別設(shè)定為零。然后，在中負(fù)荷(例如，相對于額定負(fù)荷電流取出大于1/3左右且小于2/3 左右之間的范圍的負(fù)荷電流的狀態(tài))的情況下，第一保持時間Tpl被設(shè)定為零，第二保持時間Τρ2被設(shè)定為以零為起始點，負(fù)荷越高該第二保持時間Τρ2的值越增加。另外，在高負(fù)荷 (例如，相對于額定負(fù)荷電流取出2/3左右以上的負(fù)荷電流的狀態(tài))的情況下，第一保持時間Tpl被設(shè)定為以零為起始點，負(fù)荷越高，該第一保持時間Tpl的值越增加，而第二保持時間Τρ2被設(shè)定為固定值。這樣，控制部40能夠根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)來確定第一保持時間Tpl、第二保持時間Tp2。換言之，能夠根據(jù)負(fù)荷來選擇將燃料極67的壓力保持在上限壓力Pl還是保持在下限壓力Ρ2。這樣，在本第三實施方式中，如圖17所示，與要求負(fù)荷較低的情況(負(fù)荷電流較小的情況)相比，控制部40在要求負(fù)荷較高的情況下(負(fù)荷電流較大的情況下)使執(zhí)行一次控制模式的期間內(nèi)的氫氣供給量增加。在高負(fù)荷這樣的運轉(zhuǎn)情形下，有氫氣消耗量較多的傾向。因此，為了維持氫氣供給，有可能使與一次控制模式對應(yīng)的壓力增減的執(zhí)行次數(shù)增加。然而，根據(jù)本第三實施方式，由于使執(zhí)行一次控制模式的期間內(nèi)的氫氣供給量增加，因此能夠抑制每單位時間內(nèi)壓力增減的執(zhí)行次數(shù)的增加。由此，能夠緩和施加于燃料電池堆疊體1、氫氣系統(tǒng)部件的負(fù)擔(dān)，因此能夠抑制燃料電池系統(tǒng)100的劣化。另外，在本第三實施方式中，如圖16那樣，能夠在控制模式中設(shè)定在執(zhí)行第一過程之前將燃料極67的壓力保持在上限壓力Pl的第一保持時間Tpl、在執(zhí)行第二過程之前將燃料極67的壓力保持在下限壓力P2的第二保持時間Tp2。然后，要求負(fù)荷越高，控制部 40將第一保持時間Tpl或第二保持時間Τρ2設(shè)定得越長。當(dāng)要求負(fù)荷變高時，氫氣消耗量增加，因此第一過程中的壓力下降速度加快，但是根據(jù)本第三實施方式，要求負(fù)荷越大，將第一保持時間Tpl、第二保持時間Tp2設(shè)定得越長。由此，能夠?qū)⑷剂蠘O67的壓力達(dá)到上限壓力Pl的定時到將燃料極67的壓力從下限壓力Ρ2恢復(fù)到上限壓力Pl的定時之間的期間設(shè)定得較長。即，通過將第一保持時間Tpl、第二保持時間Τρ2設(shè)定得較長，來延長執(zhí)行一次控制模式的期間，因此能夠抑制每單位時間內(nèi)壓力增減的執(zhí)行次數(shù)的增加。由此，能夠緩和施加于燃料電池堆疊體1、氫氣系統(tǒng)部件的負(fù)擔(dān)，因此能夠抑制燃料電池系統(tǒng)100的劣化。特別是，較為理想的是，要求負(fù)荷越高，控制部40將第一保持時間Tpl設(shè)定得越長。當(dāng)要求負(fù)荷增大時，有可能難以確保燃料極67處的氫氣分壓。因此，通過將上限壓力 Pl的第一保持時間Tpl設(shè)定得較長，起到即使在要求負(fù)荷較高的狀態(tài)下也會容易地確保氫氣分壓的效果。另外，在本第三實施方式中，在要求負(fù)荷為低負(fù)荷到中負(fù)荷的區(qū)域內(nèi)，要求負(fù)荷越高，將第二保持時間Τρ2設(shè)定得越長(圖17下)。在低負(fù)荷到中負(fù)荷，存在液體容易在燃料極67內(nèi)積存的傾向。通過將下限壓力Ρ2的第二保持時間Τρ2設(shè)定得較長，能夠提高液體排出處理的執(zhí)行精確度。并且，對于控制部40，較為理想的是，在要求負(fù)荷為中負(fù)荷到高負(fù)荷的區(qū)域內(nèi)，要求負(fù)荷越高，將第一保持時間Tpl設(shè)定得越長(圖17上)。當(dāng)要求負(fù)荷增大時，有可能難以確保燃料極67處的氫氣分壓。因此，通過將上限壓力Pl的第一保持時間 Tpl設(shè)定得較長，起到即使在要求負(fù)荷較高的狀態(tài)下也會容易地確保氫氣分壓的效果。此外，如圖18所示，也可以在起動燃料電池系統(tǒng)100之后立即進(jìn)行如下的操作來確保氫氣分壓在燃料極67內(nèi)的氮氣等的雜質(zhì)濃度較高的情形下將保持上限壓力Pl的第一保持時間Tpl設(shè)定得較長。此時，從停止燃料電池系統(tǒng)100起到將其起動為止的時間越長，燃料極67內(nèi)的惰性氣體濃度越高。因此，也可以通過測量燃料電池系統(tǒng)100的停止時間或測量起動燃料電池系統(tǒng)100時的燃料極67內(nèi)的氮氣濃度，來將保持上限壓力Pl的第一保持時間Tpl設(shè)為可變。并且，在采用在低負(fù)荷時等暫時停止燃料電池堆疊體1的發(fā)電、以二次電池的電力來行駛的怠速停止方式的燃料電池系統(tǒng)100中，也存在處于從怠速停止恢復(fù)之后燃料極 67內(nèi)的氮氣濃度較高的狀況。因此，也可以在這種情形下也將第一保持時間Tpl設(shè)定得較長。(第四實施方式)下面，說明本發(fā)明的第四實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100。此外，燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)與第一至第三實施方式相同，因此省略重復(fù)的說明，在本第四實施方式中，對上限壓力Pl和下限壓力Ρ2的設(shè)定方法進(jìn)行說明。(第一設(shè)定方法)在第一設(shè)定方法中，能夠根據(jù)負(fù)荷電流來設(shè)定上限壓力Pl和下限壓力Ρ2?？刂撇?0根據(jù)車輛速度、驅(qū)動器的加速操作量、還有關(guān)于二次電池的信息來確定燃料電池堆疊體1的目標(biāo)發(fā)電電力以作為燃料電池系統(tǒng)100所要求的要求負(fù)荷?？刂撇?0根據(jù)目標(biāo)發(fā)電電力來計算要從燃料電池堆疊體1取出的電流值即負(fù)荷電流。圖19是表示負(fù)荷電流Ct與上限壓力Pl和下限壓力P2之間的對應(yīng)關(guān)系的說明圖。 能夠通過考慮燃料電池堆疊體1、氫氣系統(tǒng)以及空氣系統(tǒng)等燃料電池系統(tǒng)100的特性，經(jīng)過試驗、模擬來定義用于供給從燃料電池堆疊體1取出負(fù)荷電流Ct所需的反應(yīng)氣體的運轉(zhuǎn)壓力ha。圖19的Cr表示額定負(fù)荷電流Cr (后述的圖20的(b)也同樣)。在向氧化劑極34供給空氣的情況下，該運轉(zhuǎn)壓力Psa被設(shè)定為目標(biāo)運轉(zhuǎn)壓力。與此相對地，在向燃料極67供給氫氣的情況下，以運轉(zhuǎn)壓力Psa為基礎(chǔ)，分別設(shè)定上限壓力Pl和下限壓力P2。在此，將上限壓力Pl和下限壓力P2設(shè)定為以下的關(guān)系負(fù)荷電流Ct越大，上限壓力Pl與下限壓力P2之間的壓力差即供給氣體時的壓力變動幅度越大。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在要求負(fù)荷較高時，能夠相對地使執(zhí)行一次控制模式的期間內(nèi)的氫氣供給量增加。由此，能夠抑制每單位時間內(nèi)壓力增減的執(zhí)行次數(shù)的增加。由此，能夠抑制燃料電池系統(tǒng)100的劣化。(第二設(shè)定方法)作為第二設(shè)定方法，也可以考慮燃料電池堆疊體1的發(fā)電穩(wěn)定性來設(shè)定上限壓力 Pl和下限壓力P2。在低負(fù)荷的情況下，即在負(fù)荷電流較小的情況下，例如設(shè)定為50kPa左右以使得上限壓力Pl與下限壓力P2的壓力差相對變小。在這種情況下，各燃料電池單體中的平均氫氣濃度為40%左右。與此相對地，在高負(fù)荷的情況下，即在負(fù)荷電流較大的情況下，增大氣體壓力會使發(fā)電效率提高，因此將氧化劑極34側(cè)和燃料極67側(cè)的供給壓力整體升高。另外，上限壓力Pl與下限壓力P2的壓力差被設(shè)定為lOOltfa左右。在這種情況下， 各燃料電池單體中的平均氫氣濃度為75%左右，以此進(jìn)行燃料電池堆疊體1的運轉(zhuǎn)。在進(jìn)行周期性壓力增減的本第四實施方式中，燃料電池堆疊體1的內(nèi)部(燃料極 67)的氣體環(huán)境如下在下限壓力P2的定時處于氫氣濃度較低的狀態(tài)，在上限壓力Pl的定時處于氫氣濃度較高的狀態(tài)。即，通過將壓力從下限壓力P2增加到上限壓力P1，高氫氣濃度氣體被導(dǎo)入燃料極67，由此低氫氣濃度氣體被從燃料電池堆疊體1推到容積部12內(nèi)。另外，利用高氫氣濃度氣體對燃料極67內(nèi)的氣體進(jìn)行攪拌。圖20的(a)、圖20的(b)是示意性地表示燃料電池堆疊體1中的燃料極67側(cè)容積Rs和容積部12的容積Rt的說明圖。例如，在將上限壓力Pl設(shè)為200kPa (絕對壓力)、 將下限壓力P2設(shè)為150kPa(絕對壓力)的情況下，上限壓力Pl與下限壓力P2的壓力比 P1/P2大致為1. 33。在這種情況下，如圖20的(a)所示，通過將壓力從下限壓力P2增加到上限壓力P1，燃料系統(tǒng)(=氫氣系統(tǒng))的容積(具體地說是燃料電池堆疊體1的容積和容積部12的容積)中的1/4左右，即燃料電池堆疊體1的一半的地點流入新的氫氣(下面， 將該狀態(tài)表現(xiàn)為氫氣交換率0. 5 (參照圖20的(b)))。由于低負(fù)荷的情況下氫氣消耗速度較慢，因此大致以這個程度的氫氣交換率就能夠進(jìn)行燃料電池堆疊體1的發(fā)電。在該情形下，例如，時間平均后的燃料極排氣中的氫氣濃度約為40%。與此相對，在高負(fù)荷的情況下，期望以新的氫氣對整個燃料電池堆疊體1的燃料極67內(nèi)進(jìn)行置換的程度的壓力比Pl/P2(例如2以上)即氫氣交換率為1左右。雖然想要將排出的氫氣濃度抑制為較低，但是由于氫氣消耗速度較快，因此為了穩(wěn)定地進(jìn)行發(fā)電，需要規(guī)定以上的氫氣濃度(例如需要約75%以上)。在這種情形下，為了調(diào)整氫氣濃度，利用凈化閥14開放燃料極排氣流路L2。由此， 以對采取周期性壓力增減方式的氫氣供給不產(chǎn)生妨礙的程度的微小流量連續(xù)地或間歇地從凈化閥14進(jìn)行排出。由凈化閥14排出的氣體為微小流量，因此可利用正極側(cè)排氣對其進(jìn)行稀釋而安全地排出到系統(tǒng)外。凈化閥14的開放是為了從燃料極67排出雜質(zhì)(氮氣、 水蒸氣)而進(jìn)行的，但是燃料極67處也混有氫氣。因此，較為理想的是抑制氫氣排出，有效地排出雜質(zhì)。因此，在本第四實施方式中，在氫氣供給中，對應(yīng)于將氫氣壓力從下限壓力P2增加到上限壓力Pl的過程(第二過程)來將凈化閥14控制為開放狀態(tài)，來開放凈化閥14 (凈化處理)。具體地說，控制部40對燃料電池堆疊體1的燃料極67的壓力進(jìn)行監(jiān)視，對應(yīng)于監(jiān)視到的壓力達(dá)到下限壓力P2的定時來將凈化閥14控制為開放狀態(tài)，另外，對應(yīng)于監(jiān)視到的壓力達(dá)到上限壓力Pl的定時來將凈化閥14控制為封閉狀態(tài)(基本控制模式)。由此， 低氫氣濃度氣體被從燃料電池堆疊體1推到容積部12內(nèi)，并且，在高濃度氫氣到達(dá)凈化閥 14之前，低氫氣濃度氣體從容積部12經(jīng)由凈化閥14排出。由此，能夠高效地排出大量的雜質(zhì)。但是，凈化閥14的開閉控制并不限定于該基本控制模式。只要控制為凈化閥14 為開放狀態(tài)的期間至少包括將壓力從下限壓力P2增加到上限壓力Pl的過程(第二過程)， 凈化閥14的開閉控制就足夠了。因此，將凈化閥14控制為封閉狀態(tài)的定時也能夠修正為比氫氣壓力達(dá)到上限壓力Pl的定時(以下稱為“基準(zhǔn)封閉定時”)延遲的定時。例如，在考慮到擴(kuò)散速度的情況下，如果是短時間范圍則能夠?qū)⒏邼舛葰錃馀c低濃度氫氣的邊界辨別為一個固定面。于是，通過試驗、模擬來預(yù)測出在供給氫氣時邊界面(所謂的氫氣前面)在燃料電池堆疊體1和容積部12中用多長時間到達(dá)哪個位置。然后，在該邊界面到達(dá)凈化閥 14之前，能夠使將凈化閥14控制為封閉狀態(tài)的定時比基準(zhǔn)封閉定時延遲。另外，不需要在每次執(zhí)行控制模式時，具體來說，在每個壓力增加過程(第二過程)都完全對應(yīng)地進(jìn)行凈化處理。例如，只要以燃料極67處的氫氣濃度變?yōu)橐?guī)定判斷閾值以下為條件，對應(yīng)于之后的壓力增加過程來開放凈化閥14即可。另外，考慮到了液體也是阻礙發(fā)電反應(yīng)的主要原因，因此能夠?qū)⒁后w也一并排出。 但是，與惰性氣體的存在相比，達(dá)到液體會造成影響所需的時間較長，因此優(yōu)選在多次周期性壓力增減后執(zhí)行一次該液體排出處理、或者每隔固定時間執(zhí)行一次該液體排出處理，而不是在每次周期性壓力增減時執(zhí)行該液體排出處理。液體只要從燃料電池堆疊體1去除即可，因此考慮將液體從燃料電池堆疊體1排出到容積部12。在這種情況下，需要提高流速， 因此優(yōu)選將上限壓力Pl與下限壓力P2之間的壓力差設(shè)為lOOltfa左右。另外，對于上限壓力Pl和下限壓力P2，除了之前敘述的根據(jù)要求負(fù)荷將它們設(shè)為可變的方法以外，也能夠進(jìn)行添加以下的附加方法的設(shè)定。首先，作為第一附加方法，也可以根據(jù)燃料電池單體中的氧化劑極34與燃料極67 之間的允許極間壓力差來設(shè)定上限壓力Pl和下限壓力P2。另外，作為第二附加方法，也可以對上限壓力Pl和下限壓力P2進(jìn)行限制，以在為了排出累積在燃料極67內(nèi)的惰性氣體而進(jìn)行凈化處理的燃料電池系統(tǒng)100中確保為了可靠地進(jìn)行凈化所需的最低壓力。
并且，作為第三附加方法，在燃料極67內(nèi)的氮氣濃度(雜質(zhì)濃度)較高時將上限壓力Pl設(shè)定為較大的值，在預(yù)測到燃料極67內(nèi)的液體滯留量或液體生成量較多的狀態(tài)下將下限壓力P2設(shè)定為較小的值。由此，在判斷為實際上積存有液體時確保較大的壓力差， 因此能夠可靠地排出液體。另外，作為第四附加方法，在估計為燃料電池堆疊體1的液體滯留量較多的情形下，如圖21所示，對上限壓力Pl和下限壓力P2進(jìn)行設(shè)定使得上限壓力Pl與下限壓力P2 之間的壓力比(P1/P2)暫時為較大的值(Plw/P2w)。排出燃料極67內(nèi)的液體所需的壓力幅度ΔΡ2( = Plw-P2w)例如為IOOkPa以上，用于排出燃料極67內(nèi)的惰性氣體的壓力幅度 ΔΡ1( = Ρ1-Ρ2)例如為以上。這樣，兩者的壓力幅度不同，因此可基于液體排出的觀點來如上述那樣設(shè)定上限壓力Pl和下限壓力P2。在此，在如第三、第四附加方法那樣提高上限壓力Pl即設(shè)定為Plw的情況下，在低負(fù)荷區(qū)域，氫氣消耗速度較小，因此壓力從上限壓力Pl降低到下限壓力P2的速度變慢。在這種情況下，在達(dá)到下限壓力P2之前需要時間，因此可能暫時無法執(zhí)行將壓力從下限壓力 P2增加到上限壓力Pl的第二過程。因此，如圖22所示，在低負(fù)荷時將上限壓力Pl設(shè)定為較高的值(例如壓力Plw)的情況下，控制部40也可以暫時增加從燃料電池堆疊體1取出的電流，來加快壓力下降速度。 比如，在不增加電流的情況下，從上限壓力Plw降低到下限壓力P2所需的時間為時間Tm2， 與此相對，通過增加電流，從上限壓力Plw降低到下限壓力P2所需的時間為比時間Tm2短的時間Tm3( = Tml)。由此，能夠抑制對用于惰性氣體排出的壓力增減控制、用于下次液體排出的壓力增減控制的干涉。此外，在燃料電池堆疊體1的電壓降低的情形下等暫時增加從燃料電池堆疊體1 取出的電流有可能導(dǎo)致發(fā)電狀態(tài)不穩(wěn)定、或者蓄積所取出的電流的二次電池的充電電平較高，在上述情況下，也能夠以其它方法代替增加取出電流的方法來加快壓力下降速度。作為加快壓力下降速度的其它方法，例如如下使從凈化閥14排出的燃料極排氣的流量增加。另外，也可以通過擴(kuò)大燃料極67的容積來加快壓力下降速度。作為擴(kuò)大燃料極67的容積的方法，舉出了降低燃料極67中的液體控制水平，排出燃料極67內(nèi)的液體。此外，作為估計燃料極67內(nèi)的液體滯留量的方法，考慮根據(jù)液體生成量與負(fù)荷電流大致呈比例這個特性，基于負(fù)荷電流的累計來進(jìn)行估計。另外，也可以基于之前進(jìn)行的液體排出的定時起經(jīng)過的時間來估計上述液體滯留量。另外，還可以測量燃料電池單體的電壓，根據(jù)電壓異常降低的情況來估計出液體滯留量較多。另外，還可以在估計液體滯留量時基于冷卻燃料電池堆疊體1的冷卻水的溫度對該液體滯留量進(jìn)行校正。這是由于，即使是相同的負(fù)荷電流，冷卻水溫度越低液體滯留越多。同樣地，也能夠基于壓力脈沖次數(shù)、正極的空氣量來對液體滯留量進(jìn)行校正。(第五實施方式)下面，說明本發(fā)明的第五實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100。在第三實施方式中，敘述了在燃料電池堆疊體1中進(jìn)行與負(fù)荷電流相對應(yīng)的發(fā)電的通常運轉(zhuǎn)時處理，而在本第五實施方式中，分別說明燃料電池系統(tǒng)100起動時/停止時的處理。此外，燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)與第一至第四實施方式相同，因此省略重復(fù)的說明，下面以不同點為中心進(jìn)行說明。
(起動處理)首先，說明燃料電池系統(tǒng)100的起動處理。在停止燃料電池系統(tǒng)100之后不立即起動燃料電池堆疊體1而暫時將其放置的情況下，在燃料極67內(nèi)充滿了低氫氣濃度氣體。當(dāng)在這種狀況下起動燃料電池系統(tǒng)100時，為了將該低氫氣濃度氣體從燃料電池堆疊體1的燃料極67排出，從燃料罐10以規(guī)定起動時上限壓力瞬間供給高氫氣濃度氣體，來升高燃料極67處的氣體壓力。此時，凈化閥14也被控制為開放狀態(tài)。由此，能夠加快低氫氣濃度氣體與高氫氣濃度氣體的邊界面即氫氣前面的通過速度，并且將氫氣前面從燃料極67推出。接著，在氫氣前面到達(dá)凈化閥14的定時之前，將氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11和凈化閥14 控制為封閉狀態(tài)，進(jìn)行發(fā)電，使得氫氣被消耗，由此降低燃料極67中的氫氣壓力。然后，如果氫氣壓力達(dá)到規(guī)定起動時下限壓力，則將氫氣壓力再次升高到規(guī)定起動時上限壓力。然后，反復(fù)進(jìn)行這種壓力增減，直到燃料電池堆疊體1的燃料極67的濃度變?yōu)橐?guī)定平均氫氣濃度。此外，在實際的車輛中，有可能在執(zhí)行這種起動處理的期間就已開動了，但是在這種情況下，只要利用所裝載的二次電池的輸出即可。(停止處理)接著，說明燃料電池系統(tǒng)100的停止處理。假設(shè)一個低溫環(huán)境作為燃料電池系統(tǒng) 100停止后的起動情形。在這種情況下，如果在燃料電池系統(tǒng)100停止時在燃料電池堆疊體 1、氫氣壓力調(diào)節(jié)閥11、排水閥13、凈化閥14等中存在液體，則有可能由于凍結(jié)等原因而使燃料電池系統(tǒng)100陷入無法起動的情況。因此，需要在燃料電池系統(tǒng)100停止時進(jìn)行用于去除該液體的處理。首先，在對氧化劑極34供給空氣的同時以低負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行發(fā)電。在燃料極67側(cè)與第三實施方式同樣地按照控制模式反復(fù)進(jìn)行壓力增減。在這種情況下，例如將上限壓力Pl設(shè)為200kPa (絕對壓力)，將下限壓力P2設(shè)為101. 3kPa，來預(yù)先設(shè)定足以從燃料極67排出液體的值。另外，對于該反復(fù)次數(shù)，通過試驗、模擬來預(yù)先獲取能夠充分排出液體的次數(shù)，基于該次數(shù)進(jìn)行。由此結(jié)束發(fā)電。接著，將排水閥13控制為開放狀態(tài)來排出從燃料電池堆疊體1向容積部12排出的液體。然后，使用之前產(chǎn)生的電力使加熱器等加熱裝置在上述排水后進(jìn)行動作，對凈化閥 14和排水閥13進(jìn)行加熱來烘干排出的液體。這樣，根據(jù)本第五實施方式，在燃料電池系統(tǒng)100中，通過停止處理來實現(xiàn)起動時的起動性能，并且即使在起動時的處理中也能夠較之氫氣優(yōu)先排出雜質(zhì)。日本專利申請2008-298191(申請日2008年11月21日)和日本專利申請 2008-302465(申請日2008年11月27日)的全部內(nèi)容被引用至此，保護(hù)本申請免于誤譯、 漏記的影響。以上，利用實施方式說明了本發(fā)明的內(nèi)容，但是本發(fā)明并不限定于這些記載，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然明白能夠進(jìn)行各種變形和改良。產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，通過基于以第一壓力幅度進(jìn)行壓力變動的第一壓力變動模式來使燃料極處的燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動，能夠?qū)θ剂蠘O側(cè)氣體進(jìn)行攪拌。由此，實現(xiàn)燃料極側(cè)氣體的均勻化。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有燃料電池，其通過使供給至氧化劑極的氧化劑氣體與供給至燃料極的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；燃料氣體供給裝置，其對上述燃料極供給上述燃料氣體；以及控制裝置，其通過控制上述燃料氣體供給裝置來對上述燃料極供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動，該控制裝置基于以第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，來使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置基于以上述第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的上述第一壓力變動模式和以大于上述第一壓力幅度的第二壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第二壓力變動模式，來使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有限制裝置，該限制裝置對從上述燃料極排出的排出氣體進(jìn)行限制，上述限制裝置具有排出流路，其從上述燃料極排出上述排出氣體；容積裝置，其設(shè)置于上述排出流路中，具備規(guī)定容積的空間；以及阻斷裝置，其設(shè)置在上述排出流路中的上述容積裝置的下游側(cè)，阻斷上述排出流路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在多次執(zhí)行上述第一壓力變動模式之后，執(zhí)行上述第二壓力變動模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在通過以規(guī)定運轉(zhuǎn)壓力從上述燃料氣體供給裝置供給上述燃料氣體來進(jìn)行上述燃料電池的發(fā)電的狀態(tài)下，停止對上述燃料電池供給上述燃料氣體，并且以上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力已降低規(guī)定壓力幅度為條件，重新開始對上述燃料電池供給上述燃料氣體，由此使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力發(fā)生變動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置對因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量進(jìn)行設(shè)定，使得上述燃料電池的運轉(zhuǎn)負(fù)荷越小，該供給量越小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置對因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量進(jìn)行設(shè)定，使得上述燃料電池的運轉(zhuǎn)溫度越低，該供給量越小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有氧化劑氣體供給裝置，該氧化劑氣體供給裝置對上述氧化劑極供給上述氧化劑氣體，上述控制裝置對因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量進(jìn)行設(shè)定，使得上述氧化劑極處的氧化劑氣體的運轉(zhuǎn)壓力越小，該供給量越小。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，將壓力變動的執(zhí)行周期設(shè)定得較大。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，將壓力變動的執(zhí)行周期設(shè)定得較大。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，將壓力變動的執(zhí)行周期設(shè)定得較大。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，將壓力幅度設(shè)定得較小。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，將壓力幅度設(shè)定得較小。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，將壓力幅度設(shè)定得較小。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，減少上述第二壓力變動模式相對于上述第一壓力變動模式的執(zhí)行頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，減少上述第二壓力變動模式相對于上述第一壓力變動模式的執(zhí)行頻率。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置在將因上述壓力變動而供給至上述燃料極的上述燃料氣體的供給量設(shè)定得較小的情況下，減少上述第二壓力變動模式相對于上述第一壓力變動模式的執(zhí)行頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有輸出取出裝置，該輸出取出裝置從上述燃料電池取出輸出， 上述控制裝置通過控制上述輸出取出裝置來從上述燃料電池取出與對上述燃料電池系統(tǒng)所要求的要求負(fù)荷相對應(yīng)的輸出，并且以如下的方式供給上述燃料氣體通過基于規(guī)定控制模式對由上述燃料氣體供給裝置進(jìn)行的燃料氣體的供給和停止進(jìn)行控制來使上述燃料極處的壓力周期性地發(fā)生變動，上述規(guī)定控制模式包括將上述燃料極處的壓力從上限壓力降低至下限壓力的第一過程、以及將上述燃料極處的壓力從上述下限壓力恢復(fù)至上述上限壓力的第二過程，在上述要求負(fù)荷較高的情況下，與上述要求負(fù)荷較低的情況相比，上述控制裝置使執(zhí)行一次上述規(guī)定控制模式的期間內(nèi)的上述燃料氣體的供給量增加。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，能夠在上述規(guī)定控制模式中設(shè)定在執(zhí)行上述第一過程之前將上述燃料極處的壓力保持為上述上限壓力的第一保持時間、或在執(zhí)行上述第二過程之前將上述燃料極處的壓力保持為上述下限壓力的第二保持時間，上述要求負(fù)荷越高，上述控制裝置將上述第一保持時間或上述第二保持時間設(shè)定得越長。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，能夠在上述規(guī)定控制模式中設(shè)定在執(zhí)行上述第一過程之前將上述燃料極處的壓力保持為上述上限壓力的第一保持時間，上述要求負(fù)荷越高，上述控制裝置將上述第一保持時間設(shè)定得越長。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述要求負(fù)荷為低負(fù)荷到中負(fù)荷的區(qū)域中，上述要求負(fù)荷越高，上述控制裝置將上述第二保持時間設(shè)定得越長。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述要求負(fù)荷為中負(fù)荷到高負(fù)荷的區(qū)域中，上述要求負(fù)荷越高，上述控制裝置將上述第一保持時間設(shè)定得越長。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，能夠在上述規(guī)定控制模式中設(shè)定在執(zhí)行上述第一過程之前將上述燃料極處的壓力保持為上述上限壓力的第一保持時間，上述燃料極處的雜質(zhì)濃度越高，上述控制裝置將上述第一保持時間設(shè)定得越長。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述控制裝置對上述上限壓力和上述下限壓力進(jìn)行設(shè)定，使得上述要求負(fù)荷越高，上述上限壓力與上述下限壓力之間的壓力差越大。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述燃料極處的雜質(zhì)濃度越高，上述控制裝置將上述上限壓力設(shè)定為越大的值。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在上述要求負(fù)荷較低的情況下，上述控制裝置將上述第一過程中的壓力下降速度設(shè)定得較大。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述燃料極處的液體量越多，上述控制裝置將上述下限壓力設(shè)定為越小的值。
28.一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟通過使供給至氧化劑極的氧化劑氣體與供給至燃料極的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；對上述燃料極供給上述燃料氣體；以及通過控制上述燃料氣體的上述供給來向上述燃料極供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動，基于以第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。
29.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有燃料電池，其通過使供給至氧化劑極的氧化劑氣體與供給至燃料極的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；燃料氣體供給單元，其對上述燃料極供給上述燃料氣體；以及控制單元，其通過控制上述燃料氣體供給單元來向上述燃料極供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動，該控制單元基于以第一壓力幅度進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，使上述燃料極處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)(100)的特征在于，具有燃料電池(1)，其通過使供給至氧化劑極(34)的氧化劑氣體與供給至燃料極(67)的燃料氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電力；燃料氣體供給裝置HS，其對上述燃料極(67)供給上述燃料氣體；以及控制裝置(40)，其控制上述燃料氣體供給裝置HS對上述燃料極(67)供給上述燃料氣體，并且在上述燃料極(67)側(cè)的出口被封閉時進(jìn)行壓力變動，該控制裝置(40)基于以第一壓力幅度ΔP1進(jìn)行上述壓力變動的第一壓力變動模式，使上述燃料極(67)處的上述燃料氣體的壓力周期性地發(fā)生變動。
文檔編號H01M8/10GK102224627SQ20098014652
公開日2011年10月19日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者中山謙, 后藤健一, 富田要介, 市川靖, 池添圭吾, 熊田光德 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社