燃料电池系统及燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方法

专利名称：燃料电池系统及燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方 法。更具体地说，本发明涉及检测并判断燃料电池系统的燃料气体泄 漏的技术的改进。
背景技术：
在燃料电池系统中，准确地检测燃料气体泄漏并判断其内容(以 下，仅表示为"判断")非常重要。为了满足这种要求，提出了这样一种技术(例如，参见日本专利特开平8-329965号公报)，其中由设置 在包含燃料电池的燃料气体循环供给系统(以下，称作"燃料气体系 统")中的截止阀等形成多个封闭空间，检测上述各个封闭空间的压 力变化(例如压力下降速度)或各截止阀等的前后压差，由此判断燃 料气体泄漏。发明内容但是，上述燃料气体泄漏判断技术在燃料电池系统再起动时存在 不充分的情况。即，在使燃料电池系统暂时停止并放置后起动的情况 下，由交叉泄漏引起燃料极侧的氮浓度暂时比通常时高，产生燃料气 体的泄露量变少的现象，结果会过少地评价气体泄漏量。因此，本发明的目的在于提供一种即使在燃料电池再起动时、也 能和通常运转时一样地进行高精度的气体泄漏判断的燃料电池系统及 燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方法。本发明人对现有技术的内容进行了研究。对于基于封闭空间内的 压力变化判断燃料气体泄漏的情况，当产生上述的过少评价时，会造 成燃料气体泄漏判断的精度不够。当对此进一步研究时，由于再起动 时燃料电池的气体压力暂时变高(包含暂时变高的状态)，如果比较 起动时检测出的燃料气体泄漏量与起动后、充分进行净化后氢浓度变 高的状态下检测出的燃料气体泄漏量，则后者的燃料气体泄漏量多， 可以认为这与起动时的过少评价有关。当本发明人进一步详细研究时，认为有以下问题。即，当因交叉 泄漏引起流入燃料极侧的氮的量变多，成为该燃料极侧的封闭空间内 的压力升高的状态时，即使例如由于配管内产生的孔而引起异常的气 体泄漏，也会由于压力变化少而形成过少评价。从以上的问题来看， 认为必需一种在以再起动时的特有现象为前提的同时用于高精度地进 行燃料气体泄漏的判断的技术。因此，本发明人着眼于包含在燃料电 池的该封闭空间内的氮气，进一步反复进行研究，结果得到了与解决 课题有关的发现。本发明就是基于这种发现得到的，本发明提供了一种燃料电池系 统的燃料气体泄漏判断方法，其检测在燃料电池的燃料极侧形成的封 闭空间内的压力变化，根据该压力变化的检测结果并参照规定的气体 泄漏判断值进行上述封闭空间内的燃料气体泄漏的判断，其中，对应 于上述燃料极的氮的浓度改变燃料气体泄漏的判断标准，并进行上述 燃料气体泄漏的判断。也就是说，根据本发明的燃料气体泄漏判断方法，参考燃料极的 氮的浓度，并与其对应地进行所需的修正。S卩，对应于燃料极的氮的 浓度改变燃料气体泄漏的判断标准来提高燃料气体泄漏判断的精度。 这是考虑到燃料电池再起动时燃料极的氮的浓度暂时变高的情况，因 而对应于该氮浓度对气体泄漏判断值进行所需的修正。即，对应于燃 料极的氮的浓度改变燃料气体泄漏的判断标准。这种情况下，优选的是，对应于上述氮的浓度改变上述气体泄漏 判断值，由此改变上述燃料气体泄漏的判断标准。即使在燃料电池再 起动时因交叉泄漏现象引起燃料极侧的氮浓度暂时升高，也能通过利 用如本发明那样改变后的气体泄漏判断值来避免过少评价气体泄漏量 的情况，从而可以应对燃料极的氮浓度暂时升高的情况。可以根据透过燃料电池的电解质膜向空气极侧泄漏的燃料气体的 透过量、和燃料电池从停止到再起动的放置时间中的至少任意一方来 推测燃料极的氮的浓度。或者，可以根据停止运转时的燃料电池组的温度、燃料电池再起 动时的燃料极的压力、和燃料电池从停止到再起动的放置时间来推测 燃料极的氮的浓度。另外，本发明提供了一种燃料电池系统，其具有接受燃料气体 的供给并进行发电的燃料电池；将燃料气体供给该燃料电池或从该燃 料电池排出的燃料气体系统；设置在该燃料气体系统中的调压阀；检 测在上述燃料气体系统中形成的封闭空间内的压力的压力传感器；和 判断在上述燃料气体系统中形成的封闭空间内的气体泄漏的气体泄漏 判断部。上述气体泄漏判断部，根据上述压力传感器检测出的上述封 闭空间内的压力的变化并参照气体泄漏来判断值判断气体泄漏，并且， 对应于上述燃料极的氮的浓度改变上述气体泄漏的判断标准，并进行 上述燃料气体泄漏的判断。和上述的燃料气体泄漏判断方法相同，在该燃料电池系统中参考 到燃料极的氮浓度，并与其对应地改变气体泄漏的判断标准，以实现 燃料气体泄漏判断精度的提高。这是考虑到燃料电池再起动时燃料极的氮浓度暂时变高的情况，因而与该氮浓度对应地对气体泄漏判断值 进行所需的修正。即，改变气体泄漏的判断标准。即使在燃料电池再 起动时因交叉泄漏现象引起燃料极侧的氮浓度暂时升高，也能通过利 用如本发明那样改变判断标准后的气体泄漏判断值来避免过少评价气 体泄漏量的情况。燃料电池系统中的这种气体泄漏判断，考虑到燃料电池再起动时 燃料极的氮浓度暂时变高的情况，因而对应于该氮浓度改变气体泄漏 的判断标准，优选的是，气体泄漏判断部通过改变气体泄漏判断值而 改变燃料气体泄漏的判断标准。而且，如上所述地进行气体泄漏判断的燃料电池系统具有检测燃 料电池组的温度的燃料电池组温度检测机构、检测燃料极的压力的燃 料极压力检测机构、和计测放置时间的放置时间计测机构，优选的是， 根据停止运转时的燃料电池组的温度、燃料电池再起动时的燃料极的 压力、和燃料电池从停止到再起动的放置时间来推测燃料极的氮的浓 度。


图l为表示本发明的一实施例的燃料电池系统的框图。图2为表示停止运转时的燃料电池组温度为65。C的情况下、阳极压力及阳极氮浓度相对于放置时间的推移变化的图。图3为表示本实施例的阳极氮浓度的推测流程的图。 图4为表示本实施例的燃料气体泄漏的判断流程的图。 图5为对应于氮浓度改变燃料气体泄漏的判断标准的映射的一个 例子。图6为本发明的气体泄漏判断用的功能框图。
具体实施方式
下面，基于附图所示的实施方式的一个例子详细地说明本发明的 结构。图1 图6表示本发明的一实施例。本发明的燃料电池系统10构成 下述系统，即，具有接受燃料气体的供给并进行发电的燃料电池(下
面，称作"燃料电池组"，在图中以标号20表示)；将燃料气体供给该燃料电池组20或从该燃料电池组20排出的燃料气体系统3;设置在该燃料气体系统3中的调压阀；检测在燃料气体系统3中形成的封闭空间 内的压力的压力传感器；及判断在燃料气体系统3中形成的封闭空间的气体泄漏的气体泄漏判断部(参照图I)。另外，本实施例的该燃料电池系统10检测在燃料电池的燃料极侧形成的封闭空间内的压力变化，根据该压力变化的检测结果并参照规定的气体泄漏判断值进行封闭空 间内的燃料气体泄漏的判断。下面首先对燃料电池系统10的整体进行简要说明，然后依次对用于推测燃料极的氮浓度(在本说明书中将其称作"燃料极氮浓度") 的结构、用于判断封闭空间内的燃料气体泄漏的结构进行说明。(整体结构)首先，对本实施例的燃料电池系统io进行简要说明。另外，在下面有时将燃料电池表示为"FC"。图l表示根据本实施例的燃料电池系 统10的大致结构。这里，虽然示出将燃料电池系统10用作燃料电池车 辆(FCHV:燃料电池混合动力车)的车载发电系统的例子，但是，当 然也能用作搭载在各种移动体(例如船舶或飞机等)、机器人等这样 可自己行走的物体上的发电系统等。燃料电池单元组(下面，称作"燃 料电池组"或仅称作"电池组")20具有以串联式叠置多个单电池而 成的层叠结构，例如，由固体高分子电解质型燃料电池等构成。而且，本实施例的燃料电池系统10具有与燃料电池组20相连的燃 料气体循环供给系统(在本说明书中，将其称作"燃料气体系统")3 及氧化气体供给系统4。其中，燃料气体系统3将燃料气体供给燃料电 池组20或从其排出，例如在本实施例的情况下，包含燃料气体供给源 30、燃料气体供给通路31、燃料电池组20、燃料气体循环通路32及阳 极废气流路33 (参照图l)。
燃料气体供给源30，例如由高压氢罐或储氢罐等储氢源构成。燃料气体供给通路31为用于将自燃料气体供给源30放出的燃料气体导入 燃料电池组20的阳极(燃料极)的气体流路，在该气体流路上从上游 到下游依次配置罐阀H201、高压调节阀H9、低压调节阀HIO、氢供给 阀H200、及FC入口阀H21。被压缩成高压的燃料气体由高压调节阀H9 减压到中压，并进一步由低压调节阀H10减压到低压(通常运转压力)。燃料气体循环通路32为用于使未反应的燃料气体回流到燃料电池 组20的返回气体流路，在该气体流路上从上游到下游依次配置FC出口 阀H22、氢泵63及止回阀H52。从燃料电池组20排出的低压的未反应燃 料气体由氢泵63适当地加压后被导入燃料气体供给通路31。止回阀H52 抑制燃料气体从燃料气体供给通路31向燃料气体循环通路32的逆流。 而且，在该燃料气体循环通路32的中途分叉的阳极废气流路33为用于 将燃料电池组20排出的废氢气排到系统外部的气体流路，在该气体流 路上设置净化阀H51。另外，上述罐阀H201、氢供给阀H200、 FC入口阀H21、 FC出口阀 H22及排气阀H51为用于向各气体流路31 33或燃料电池组20供给燃料 气体或截断供给的断流阀。这些断流阀例如由电磁阀构成。作为这种 电磁阀，适合的是例如开关阀、或者能以PWM控制方式线性地调节阀 开度的线性阀等。燃料电池组20的氧化气体供给系统4包含空气压縮机(氧化气体供 给源)40、氧化气体供给通路41及阴极废气流路42 (参见图l)。另外， 空气压縮机40压縮经空气滤清器61从外界空气中吸入的空气，并将该 压縮空气作为氧化气体供给燃料电池组20的阴极(氧极)。供燃料电 池组20的电池反应后的废氧气流经阴极废气流路42后排到系统外部。 该废氧气由于包含由燃料电池组20中的电池反应生成的水分而成为高 湿润状态。加湿模块62在流经氧化气体供给通路41的低湿润状态的氧 化气体与流经阴极废气流路42的高湿润状态的废氧气之间进行水分交 换，适当地加湿供给燃料电池组20的氧化气体。供给燃料电池组20的 氧化气体的背压由设置在阴极废气流路42的阴极出口附近的压力调节 阀A4进行调整。而且，阴极废气流路42在其下游与稀释器64连通。另 外，阳极废气流路33在其下游与该稀释器64连通，废氢气由废氧气混 合稀释后被排到系统外部。燃料电池组20发电产生的直流电的一部分由DC/DC变流器53降压 后充电给电池(二次电池)54。牵引逆变器51及辅助逆变器52将由燃 料电池组20和电池54两者或其一供给的直流电变换为交流电，并将交 流电分别供给牵引马达M3和辅机马达M4。顺便说一下，辅机马达M4 为用于驱动后述的氢循环泵63的马达M2、驱动空气压縮机40的马达M1 等的统称，因此既有用作马达M1的情况，也有用作马达M2的情况。控制部50根据加速传感器55检测出的加速器开度、车速传感器56 检测出的车速等求出系统需求电能(车辆行走电能和辅机电能的总 和)，以燃料电池组20和目标电能一致的方式控制系统。具体地说， 控制部50调整用于驱动空气压縮机40的马达M1的转速、以调整氧化气 体供给量，同时调整用于驱动氢泵63的马达M2、以调整燃料气体供给 量。而且，控制部50控制DC/DC变流器53、以调整燃料电池组20的运 转点(输出电压、输出电流)，以便将燃料电池组20的输出电力调整 得与目标电力一致。在高压部(例如，罐阀H201 氢供给阀H200之间)、低压部(例 如，氢供给阀H200 FC入口阀H21) 、 FC部(例如，电池组入口阀H21 FC出口阀H22)、循环部(例如，FC出口阀H22 止回阔H52)的各部 分中设置用于检测燃料气体的压力的压力传感器P6、 P7、 P9、 P61、 P5、 PIO、 P11及用于检测燃料气体的温度的温度传感器T6、 T7、 T9、 T61、 T5、 TIO。如果对各压力传感器的作用进行详细说明，则压力传感器P6 用于检测燃料气体供给源30的燃料气体供给压力。压力传感器P7用于 检测高压调节阀H9的二次压力。压力传感器P9用于检测低压调节阀
H10的二次压力。压力传感器P61用于检测燃料气体供给通路31的低压部的压力。压力传感器P10用于检测氢循环泵63的入口侧(上游侧)的 压力。压力传感器P11用于检测氢循环泵63的出口侧(下游侧)的压力。另外，在该燃料电池系统10中设置用于检测阳极(燃料极)的压 力的燃料极压力检测机构。例如，在本实施例的情况下，作为用于检 测在燃料气体系统3中形成的封闭空间内的压力的传感器而设置的压 力计(下面，称作"压力传感器")P5被用作该燃料极压力检测机构。 为了检测上述FC部(电池组入口阀H21 FC出口阀H22)的压力，本实 施例的该压力传感器P5设置在例如电池组入口，更具体地说，设置在 燃料电池组20和FC入口阀H21之间(参见图l)。根据该压力传感器P5， 能检测并掌握该封闭空间(本实施例的情况中为上述FC部)内的压力 的变化。而且，压力传感器P5与ECU13相连，将与检测出的压力值有 关的数据传送到该ECU13 (参见图l)。(推测氮浓度的结构) 首先，对本发明的推测实际氮浓度所必需的结构进行说明。图6为根据本发明的气体泄漏判断用的功能框图。本发明的燃料电池系统具有接受燃料气体的供给并进行发电的燃 料电池100;将燃料气体供给该燃料电池100或从其排出的燃料气体系 统101;设置在该燃料气体系统101中的调压阀102;检测在上述燃料气 体系统101中形成的封闭空间104内的压力的压力传感器103;及判断在 上述燃料气体系统101中形成的封闭空间104的气体泄漏的气体泄漏判 断部105。特别是，气体泄漏判断部105根据压力传感器103检测出的上 述封闭空间104内的压力变化并参照气体泄漏判断值106来判断气体泄 漏。也就是说，对应于燃料极的氮的浓度改变上述气体泄漏的判断标 准，并进行上述燃料气体泄漏的判断。这是考虑到燃料电池再起动时 燃料极的氮的浓度暂时变高的情况，因而与该氮浓度对应地对气体泄 漏判断值进行所需的修正。所谓修正是指改变气体泄漏的判断标准。这里，优选的是，气体泄漏判断部105通过改变气体泄漏判断值106 来改变燃料气体泄漏的判断标准。即，如图6所示，气体泄漏判断部105 可通过适当地选择多个气体泄漏判断值106来改变燃料气体泄漏的判 断标准。另外，在本发明的燃料电池系统中，优选具有检测燃料电池组的 温度的燃料电池组温度检测机构108、检测燃料极的压力的燃料极压力 检测机构109、和计测放置时间的放置时间计测机构IIO。这种情况下， 气体泄漏判断部105，根据停止运转时的燃料电池组的温度、燃料电池 再起动时的燃料极的压力、和燃料电池从停止到再起动的放置时间来 推测燃料极的氮的浓度。接着，在本实施例的燃料电池系统中，对应上述本发明的功能框 图说明用于推测燃料电池组20的燃料极的氮浓度的结构。如图1所示，在本实施例的燃料电池系统10中，推测燃料电池组20 的阳极氮浓度(以燃料电池组20中透过电解质膜、从阴极到达阳极的 氮为首的氮在该阳极处的浓度)，作为实现上述推测功能的一个例子， 具有检测燃料电池的电池组温度的燃料电池组温度检测机构ll (图6的 标号10S)、检测阳极(燃料极)的压力的燃料极压力检测机构P5 (图 6的标号109)、计测放置时间的放置时间计测机构12(图6的标号110)、 和ECU13 (图6的标号105)。下面，对用于推测阳极氮浓度的详细结 构及利用该结构进行的阳极氮浓度推测方法进行说明。燃料电池组温度检测机构ll为用于检测燃料电池的电池组温度即 燃料电池组20 (图6的标号100)的温度的机构，该机构由用于测定温
度的部分和传送与该测定后的温度相关的信息的部分构成。例如，本 实施例的燃料电池组温度检测机构ll被设置成检测出燃料电池组20 的温度，并将与检测出的温度相关的数据传送给ECU13 (参照图l)。放置时间计测机构12为用于计测燃料电池组20的放置时间、即从燃料电池停止运转到再起动的时间的机构，例如，由计时器(包含计算机的内部时钟)构成。本实施例的放置时间计测机构12与ECU13相 连(参照图l)，接收来自ECU13的指令信号后开始计测放置时间，进 而接收来自ECU13的指令信号后结束计测。另外，本实施例的放置时 间计测机构12能够计测从对停止状态的燃料电池组20接通点火开关而 变成点火开关接通的状态到该燃料电池组20起动的时间(点火开关接 通持续时间)。ECU13为由电子控制装置(电子控制单元)构成的控制机构。本 实施例的ECU13和上述的燃料电池组温度检测机构11、放置时间计测 机构12、压力燃料极压力检测机构P5分别相连，以获取电池组温度、 放置时间及与燃料极压力(阳极压力)相关的数据，并根据这些数据 推测阳极氮浓度(包含透过电解质膜、从阴极到达阳极的氮等在内的 氮在该阳极处的浓度)。另外，虽然在图l中没有特别详细地表示，但 是该ECU13还和控制部50相连，必要时与推测出的阳极氮浓度对应地 限制燃料电池组20的输出。另外，在本实施例中，备有表示放置时间和运转停止期间的阳极 压力之间关系的映射，根据该映射推测阳极氮浓度。具体地说，备有 表示图2所示的实验数据、即在停止运转时的电池组温度为规定温度例 如65。C的情况下阳极压力及阳极氮浓度相对于放置时间的推移变化的 映射，根据该映射推测阳极氮浓度。顺便说一下，图中的*标记表示阳 极氮浓度(cnc—N2，单位为％) ， X标记表示阳极压力(prs—fci，单位 为kPaA)。如图2所示，产生如下的变化，艮卩， 一旦燃料电池停止运转， 则以X标记表示的阳极压力的值(prs—fci)就急剧降低，在经过时间T1
的时刻达到最低值即负压的峰值(在图2的实验数据的情况下，大约80多kPaA)之后慢慢增加(另外，这里所说的负压是以大气压为基准的)。 另一方面，看到这种变化，即，以*标记表示的阳极氮浓度(cnc一N2)在中途之前持续增加，之后平滑地收敛。这里，例如以某一压力P (参照图2)为基准，如图2中清楚地所示， 对于与该压力P相当的放置时间，存在T0、 T2这两种时间(即，相互不 同的两种放置时间)。这时，如果以比阳极压力达到负压峰值的时间 Tl靠前的时间(图2中的T0)处的阳极氮浓度(cnc一N2)作为推测值， 则由于该值处于增加过程中且仍然较小阶段的值，所以会产生误差， 不能进行适当的控制。这时，作为抑制这种误差产生的手段之一，可 采取这样一种手段，即，以比阳极压力达到最低值(负压峰值)的时 间T1靠后的时间(在本实施例的情况下，为经过时间T2)处的阳极氮 浓度(cnc一N2)作为推测值。但是，在本实施例中，采取与此不同的 手段。即，在还计测了放置时间后的本实施例的情况下，当参照由实 验数据构成的映射(图2)时，由于容易判断由放置时间计测机构12计 测的放置时间是在时间T1 (达到负压峰值的时间)以前还是以后，所 以通过进行这种判断来求出阳极氮浓度的推测值。在这种情况下，由 于并没有在T1以前的状态，即阳极氮浓度充分增加前的阶段的、可以 说是低氮浓度的状态时求取推测值，所以不会产生误差。(动作的说明)接着，在下面参照图对本实施例的阳极氮浓度推测的流程进行说 明(参照图3)。首先，本实施例中的阳极氮浓度的推测流程通过点火开关断开而 使燃料电池停止运转(IG_OFF)来开始(步骤l)。 一旦燃料电池停止 运转，则由燃料电池组温度检测机构ll检测出停止时的燃料电池组的 温度(thm—fcjgoff)，并将该温度存储到ECU13中(步骤2)。另夕卜， 开始计测放置时间(t一leave)。而且， 一旦接通点火开关(步骤4所示
的IGJ)N的状态)，就开始计测IG—0N计测时间(t一igon)、即从点火 开关接通到燃料电池组20起动的时间(步骤5)。接着，当停止后的燃料电池再起动时(步骤6所示的ST—ON)，检 测氢加压前的阳极压力(prsH2—fc—b)(步骤7)。如果那样，则算出 总放置时间TR、即上述"放置时间(tjeave)"与"IG一ON持续时间 (t一igon)"的总时间(TR二t—leave+ t_igon)(步骤8)。如果那样，则根据如上所述算出的结果判断该总放置时间TR比放 置时间T1长还是短，换言之，判断燃料电池组20的再起动时间在阳极 压力达到负压峰值以前还是达到峰值以后。总之，在这里判断总放置 时间TR与放置时间T1的大小(步骤9)，如果放置时间T1比总放置时 间TR大(TR<T1)，则判断出再起动的情况发生在阳极压力达到负压 峰值之前，前进到步骤IO。在该步骤10中，参照表示氢加压前的阳极 氮浓度的映射，算出氢加压前的阳极氮浓度(cncN2—tmp)(步骤IO)。另外，虽然这里参照的映射可以是例如由上述实验数据本身构成 的映射(参照图2)，但是优选预先分成适用于第一氮状态(例如，低 氮浓度状态)的情况的第一映射和适用于比其浓度高的第二氮状态的 情况的第二映射。例如，在本实施例中分成作为表示低氮浓度状态 的第一映射的氢加压前阳极氮浓度映射A (在图2的时间t:0 t (=T1) 期间变化的曲线)、和作为表示比其浓度高的高氮浓度状态的第二映 射的氢加压前阳极氮浓度映射B(在图2的时间t二Tl以后变化的曲线)。 因此，对于如上所述TIKT1的情况，由于燃料电池组20在达到负压峰值 前再起动，所以参照表示低氮浓度状态的映射A计算阳极氮浓度(步骤 10)。这样，算出氢加压前的阳极氮浓度(cncN2—tmp)后，就前进到 步骤12。另一方面，如果在步骤9中判断总放置时间TR与放置时间T1的大 小的结果与上述情况相反，即放置时间T1比总放置时间TR小(TR〉T1)，
则判断出是在阳极压力达到负压峰值之后再起动的，前进到步骤ll。 在步骤11中，虽然在计算氢加压前的阳极氮浓度(cncN2—tmp)这点上 和上述的步骤10相同，但是，在该步骤11中不是参照映射A、而是参照 映射B (参见图2)。算出氢加压前的阳极氮浓度(cncN2—tmp)后，前 进到步骤12。接着，在步骤12中，检测氢加压后的阳极压力(prsH2—fc—a)(步 骤12)。然后，计算出氢加压后的阳极氮浓度(cncN2)(步骤13)。 如图3所示，该氢加压后的阳极氮浓度(cncN2)为cncN2 = cncN2—tmp*prsH2—fc—b/prsH2—fc—a，艮口，求出氢加压前的阳极氮浓度(cncN2一tmp)和氢加压后的阳极 压力(prsH2—fc_b)相乘，再与氢加压后的阳极压力(prsH2—fc—a)相除之后得到的值。由此结束一系列的处理(步骤14)。而且，在如上所述地推测阳极氮浓度的情况下，优选的是，在放 置时间的计测过程中、将放置时间计测机构计测的计测时间清零的情 况下，采用使阳极氮浓度成为最大值的方法。如果在由放置时间计测 机构12进行的时间计测过程中、由于某种原因(作为一例，取下辅机 电池的情况)而使此前的计测时间复位并被清零，则由放置时间计测 机构12得到的放置时间会比本来的值短，结果所推测出的值比本应该 推测出的阳极氮浓度的真实值低，有可能由氢缺乏造成发电不良。对 此，如果在这种情况下将阳极氮浓度虚设为最大值，则至少可以避免 如上所述的因氢缺乏造成发电不良的情况。虽然这种情况中的虚设值 可以是各种值，但是在本实施例中，将其设为阳极氮浓度的值大致收 敛为最大值的值即约为将近80%的值。而且，即使在燃料电池组20的放 置状态下放置时间计测机构12被复位，例如也能由上述ECU13进行检 测或判断。另外，优选的是，具有存储燃料电池停止运转时的阳极氮浓度的
机构，而且采用停止运转时的该阳极氮浓度和下次起动时(再起动时) 的阳极氮浓度(推测值)中的较大值。例如，在阳极氮浓度高的状态下使燃料电池暂时停止运转，则之 后马上再起动燃料电池时，虽然阳极氮浓度不会特别低，但推测值仍 然会比真实值低，从而和上述的情况相同，有可能因氢缺乏造成发电 不良。对此，如果预先存储停止运转时的阳极氮浓度，将该存储值与推 测值进行比较并选择、采用较高值，则至少可以避免如上所述的因氢 缺乏造成的发电不良的情况。在本实施例中，由ECU13存储停止运转 时的阳极氮浓度，并在必要时将该存储值和推测值进行比较。(泄漏判断动作)接着，对本实施例的燃料电池系统10的、用于判断封闭空间内的燃料气体泄漏的结构进行说明。根据本发明的燃料电池系统io进行上述封闭空间(在本实施例的情况下是指由电池组入口阀H21和FC出口阀H22这两个调压阀在燃料 极侧形成的封闭空间)内的燃料气体泄漏的判断，其检测出该封闭空 间的压力变化，并根据该压力变化、参照规定的气体泄漏判断值判断 燃料气体泄漏。这里，在本实施例中，必要时与燃料极的氮浓度对应 地进行所需的修正，即，改变燃料气体泄漏的判断标准，并据此判断 燃料气体泄漏。也就是说，由于在燃料电池系统10再起动时、燃料气 体系统3的封闭空间内的氮气浓度暂时变高，所以基于这种现象，与该 氮浓度对应地改变气体泄漏判断标准。例如，在本实施例的燃料电池系统10中，设置用于改变气体泄漏 判断标准的气体泄漏判断部。该气体泄漏判断部为根据压力传感器(燃 料极压力检测机构)检测出的封闭空间内的压力变化并参照气体泄漏 判断值来判断气体泄漏的机构。在本实施例中，由压力传感器P5检测 出燃料极侧的封闭空间内的压力变化，根据该检测结果在该气体泄漏 判断部中判断气体泄漏。另外，气体泄漏判断部根据压力检测结果改 变气体泄漏判断标准。作为这样改变标准的具体例子，能举出直接采 用对应压力检测结果设定的气体泄漏判断值全体、使用将压力检测结 果代入表示标准变化内容的数学式中而计算得出的数值等。虽然对上述气体泄漏判断部具体由什么样的装置构成未作特别限 定，但是例如在本实施例的燃料电池系统10中，如上所述，与燃料电池组温度检测机构1K放置时间计测机构12及压力传感器P5相连的 ECU13可以用作上述气体泄漏判断部。接着，参照一个例子对由上述结构判断封闭空间内的燃料气体泄 漏的情况的流程进行说明(参照图4、图5)。例如本实施例的情况下， 作为供气体泄漏判断时参照的气体泄漏判断值，备有图5所示的映射。 对于作为气体泄漏判断值的一个示例的该映射(MAPI)，例如氮浓度 N ( % )为0、 20、 40、 60、 80%时的燃料气体泄漏量(判断值)C (L/min) 分别为30、 25、 20、 15、 10，可以说预先设定了气体泄漏的基准值(参 照图5)。也就是说，与从前不管氮浓度如何均使用同一气体泄漏判断 值(例如30 (L/min))的情况相比，在本实施例中参考封闭空间中的 氮浓度，使用伴随氮浓度的增加而相应减小气体泄漏判断值的映射。 另外，对于氮浓度为除此以外的其他值的情况，可以进行适当的插补， 例如在该映射(MAPI)中，在氮浓度N (%)为70的情况下气体泄漏 判断值为12.5 (L/min)，在90的情况下判断值为7.5 (L/min)。在进行燃料气体泄漏判断时，首先在燃料电池系统io起动时等(图 4的步骤21)推测在燃料极侧形成的封闭空间内的氮浓度(步骤22)。 当推测氮浓度时，在本实施例中，根据停止运转时的燃料电池组20的 温度、燃料电池再起动时的阳极的压力、燃料电池从停止到再起动的 放置时间，有效运用上述流程图(参照图3)及氢加压前的阳极氮浓度 推测。当如上所述地推测出封闭空间内的氮浓度后，参照上述映射(图5 的MAP1)，计算出与该氮浓度的推测值N (%)对应的泄漏检测的判 断值C (L/min)(步骤23)。例如，若氮浓度(推测值)N为20 (%)， 则燃料气体泄漏判断值C为25 (L/min);若氮浓度(推测值)N为40 (%)，则燃料气体泄漏判断值C为20 (L/min)(参照图5)。这样计 算得到的气体泄漏判断值C为对应于封闭空间内的氮浓度(推测值)改 变判断标准而得到的判断值或基准值。若得到该标准变化后的气体泄漏判断值C (步骤23)，则测定基于 压力变化的燃料气体泄漏。即，在本实施例的情况下，由压力传感器 P5检测出由两个调压阀(FC入口阀H21、 FC出口阀H22)形成的封闭空 间的压力(被封闭在配管内的部分的封闭压力)的变化，根据该检测 结果测定燃料气体泄漏量Q (步骤24)。之后，比较该燃料气体泄漏量 Q和上述燃料气体泄漏判断值C。如果比较的结果为燃料气体泄漏量Q〈 燃料气体泄漏判断值C，则能判断出燃料气体泄漏处于正常状态(没有 产生会导致问题的程度的气体泄漏的状态)。这时，由于参照了参考 氮浓度设定的燃料气体泄漏判断值(更具体地说，随着氮浓度增加而 减少地发生变化的判断值)进行判断，所以不会在氮浓度暂时升高的 状态下过少评价燃料气体泄漏。另一方面，如果比较燃料气体泄漏量Q和燃料气体泄漏判断值C的 结果为燃料气体泄漏量Q〉燃料气体泄漏判断值C (步骤25)，则由于燃 料气体泄漏量Q比用作基准的判断值C多，所以可判断出产生了能够导 致问题的程度的燃料气体泄漏。这种情况下判断为异常并实施适应该 异常状态的处理(步骤26)。实施这种处理后，检查并判断是否还产 生了其他气体泄漏，并确认用于起动、运转燃料电池的规定项目(步 骤27);如果没有问题，则继续运转(步骤28)。这些步骤不是本申 请特有的步骤(参照图4)。 根据以上说明的本实施例的燃料电池系统IO，即使燃料电池再起 动时因交叉泄漏现象引起燃料极侧的氮浓度暂时比通常时高，也能利 用如上所述地修正后的气体泄漏判断值(即，被设定为不同标准的燃 料气体泄漏判断标准)来避免过少评价气体泄漏量的情况。这样，即 使在燃料极的氮浓度暂时升高的状况下，也可以进行高精度的气体泄 漏判断。另外，虽然上述实施例为本发明的一个优选实施例，但是不限于 此，可以在不脱离本发明的要旨的范围下进行各种变形。例如，虽然在本实施例中，对着眼于燃料电池组20的燃料极的氮 浓度、对应燃料极侧的封闭空间中所包含的氮气量修正气体泄漏判断 值(即，使燃料气体泄漏的判断标准改变)的形式进行了说明，但是 本发明的实施方式不限于这种形式。可以举出其它例子，例如，如果 可以检测出燃料极侧的氢浓度或氢分压，则也可以根据它们的检测结 果求出氮浓度或氮气量。关键的是，若能依据因交叉泄漏引起燃料极 侧的氮浓度(或氮气量)暂时变高这种现象高精度地检测或推测该氮 浓度，并将该结果反应到燃料气体泄漏判断用的基准值(映射)，则 能以更高的精度进行气体泄漏判断。而且，虽然在本实施例中对应阳极压力(燃料电池组20的燃料极 的压力)进行燃料气体泄漏的判断，但是也可以根据除此以外的其他 因素进行气体泄漏的判断，例如可以根据阳极压力的变化率(作为一 例，伴随压力增加而产生的斜度变化或伴随压力减少而产生的斜度变化)判断。即，在图2的映射所示的停止时的压力变化特性中，在t二Tl 以前显示出压力斜度减小的趋势，另一方面，在t二Tl以后显示出压力斜 度增加的趋势，由此可以在压力斜度从减小向增加变换的时刻切换映 射，判断气体泄漏。
工业实用性在本发明的燃料气体泄漏判断方法中，反映为以下形式着眼于 因交叉泄漏引起燃料极侧的氮浓度暂时变高这种现象，在高精度地检 测或推测该氮浓度的基础上，改变将该结果用在燃料气体泄漏判断中 的判断标准。这样，在燃料电池再起动时，可以进行和通常运转时相 同程度的、高精度的气体泄漏判断。在本发明的燃料气体泄漏判断方法中，通过参考燃料电池再起动 时燃料极的氮的浓度暂时变高的情况，与该氮浓度对应地改变气体泄 漏判断值，可以高精度地进行气体泄漏判断。根据本发明的燃料气体泄漏判断方法，可以根据燃料气体的透过 量及燃料电池的放置时间中的任一方或两者来推测燃料极的氮浓度， 并据此高精度地进行气体泄漏判断。实际上，由于氢的透过速度和氮 的透过速度不同，所以根据氢气向空气极的透过量难以推测氮浓度， 但是根据本发明，由于如上所述地推测氮浓度，所以能进行气体泄漏 判断。另外，根据本发明的燃料气体泄漏测定方法，可以根据停止运转 时的燃料电池组的温度、燃料电池再起动时的燃料极的压力、和燃料 电池从停止到再起动的放置时间来高精度地推测燃料极的氮浓度，并 据此高精度地进行气体泄漏判断。同样地，在本发明记载的燃料电池系统中，反映为以下形式着 眼于因交叉泄漏引起燃料极侧的氮浓度暂时变高这种现象，在高精度 地检测或推测该氮浓度的基础上，改变将该结果用在燃料气体泄漏判 断中的判断标准。这样，在燃料电池再起动时，可以进行和通常运转 时相同程度的、高精度的气体泄漏判断。在本发明的燃料电池系统中，通过参考燃料电池再起动时燃料极的氮的浓度暂时变高的情况，与该氮浓度对应地改变气体泄漏判断值， 可以高精度地进行气体泄漏判断。而且，根据本发明的燃料电池系统，能根据停止运转时的燃料电 池组的温度、燃料电池再起动时的燃料极的压力、和燃料电池从停止 到再起动的放置时间来高精度地推测燃料极的氮浓度，并根据该推测 结果高精度地进行气体泄漏判断。
权利要求
1.一种燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方法，检测在燃料电池的燃料极侧形成的封闭空间内的压力变化，根据该压力变化的检测结果并参照规定的气体泄漏判断值进行所述封闭空间内的燃料气体泄漏的判断，其特征在于对应于所述燃料极的氮的浓度改变燃料气体泄漏的判断标准，并进行所述燃料气体泄漏的判断。
2. 如权利要求l所述的燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方法， 其特征在于对应于所述氮的浓度改变所述气体泄漏判断值，从而改变所述燃 料气体泄漏的判断标准。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方 法，其特征在于根据透过燃料电池的电解质膜向空气极侧泄漏的所述燃料气体的 透过量和所述燃料电池从停止到再起动的放置时间中的至少任意一方 来推测所述燃料极的氮的浓度。
4. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统的燃料气体泄漏判断方 法，其特征在于根据停止运转时的燃料电池组的温度、燃料电池再起动时的所述 燃料极的压力、和所述燃料电池从停止到再起动的放置时间来推测所 述燃料极的氮的浓度。
5. —种燃料电池系统，具有接受燃料气体的供给而发电的燃料电 池；将燃料气体供给该燃料电池或从该燃料电池排出的燃料气体系统； 设置在该燃料气体系统中的调压阀；检测在所述燃料气体系统中形成 的封闭空间内的压力的压力传感器；和判断在所述燃料气体系统中形 成的封闭空间内的气体泄漏的气体泄漏判断部，其特征在于所述气体泄漏判断部，根据由所述压力传感器检测出的所述封闭 空间内的压力变化并参照气体泄漏判断值来判断气体泄漏，并且，对 应于所述燃料极的氮的浓度改变所述气体泄漏的判断标准，并进行所 述燃料气体泄漏的判断。
6. 如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于-所述气体泄漏判断部，对应于所述氮的浓度改变所述气体泄漏判断值，从而改变所述燃料气体泄漏的判断标准。
7. 如权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于 具有检测燃料电池组的温度的燃料电池组温度检测机构、检测所述燃料极的压力的燃料极压力检测机构、和计测所述放置时间的放置 时间计测机构，根据停止运转时的燃料电池组的温度、燃料电池再起动时的所述 燃料极的压力、和所述燃料电池从停止到再起动的放置时间来推测所 述燃料极的氮的浓度。
全文摘要
本发明即使在燃料电池再起动时，也可以和通常运转时同样地进行高精度的气体泄漏判断。判断在燃料气体系统(3)中形成的封闭空间内的气体泄漏的气体泄漏判断部(例如ECU(13))根据压力传感器(P5)检测出的该封闭空间内的压力变化并参照气体泄漏判断值判断气体泄漏，而且，对应于燃料极的氮的浓度改变燃料气体泄漏的判断标准。这是考虑到燃料电池组(20)再起动时燃料极的氮的浓度会暂时变高，因而对应于该氮浓度改变气体泄漏判断标准；这时，优选对应于氮的浓度改变气体泄漏判断值。
文档编号H01M8/10GK101133509SQ20068000706
公开日2008年2月27日 申请日期2006年7月28日 优先权日2005年8月9日
发明者木崎干士 申请人:丰田自动车株式会社