专利名称：异常判断设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统等的异常判断设备，并且更具体地， 涉及一种用于提高判断准确度的技术。
背景技术：
由于燃料电池系统使用燃料气体，已经提供了很多装置来判断系统异常。例如，日本专利申请公开No.2004-139842中公开了一种氢泄 漏检测系统，其构成为在车辆速度低于预定值的情况下，通过氢泄漏 传感器来检测氢泄漏，并且在车辆速度等于或高于预定值的情况下， 基于燃料电池的发电电流的理论值(其依据供应到燃料电池的氢的量 来计算)和燃料电池的实际发电电流值之间的相互关系测量氢泄漏。 而且，日本专利申请公开No.2003-308866中公开了一种气体泄漏检测 设备，其构成为通过压力表检测燃料气体循环供应系统的封闭区域内 的压力，并且在压力表的检测结果指出压力以等于或高于给定参考值 的速度下降的情况下，判断已经产生了燃料气体泄漏。
所有背景技术中涉及的设备，将来自一些检测设备的测量值和比 较值相比较，并且最后根据比较结果判断氢泄漏。
发明内容
但是，自然可以预料到用于掌握(grasp)燃料电池系统状态的检测 设备本身出现故障或失灵。另外，检测设备的准确度变化并且基于一 种检测原理和检测程序的判断是不完美的，并且某种程度上有错误检 测的可能性。例如，下列情况，由于存在于传感器中的局部氢气的浓 度被检测，即使当氢气传感器本身正常时，也不能说其为整个系统正 确地指示了氢气泄漏状态。另外，在判断出气体泄漏作为管道中压力
下降的结果的情况下，在由于某些外部干扰导致传感器压力波动的情 况下会存在错误判断的可能性。
另外，作为影响系统状态的部件故障的结果，即使当检测设备正 常操作时，也存在测量到异常系统状态的可能性。例如，有燃料截止 阀的打开故障、手控阀故障以及过滤器和管道堵塞等的可能性。
因此，本发明的目的是提供一种可以准确检测系统中的异常状态 且获得准确结果的异常判断设备。
为了实现上述目的，本发明包括用于判断系统异常的多个异常判 断装置，其中在由多个异常判断装置判断出异常的情况下，系统被判 断为异常。
根据上述结构，设置多个异常判断装置，并且通过不仅一个异常 判断装置而是多个异常判断装置判断异常，才第一次判断出系统异常。 由于该原因，即使由一个异常判断装置的局部异常状态判断或有故障 的情况下，最终判断也不是基于该单独的异常做出的，因为进行至少 一个其它异常判断，所以可以消除错误判断，并且使高准确度判断成 为可能。
这里，多个异常判断装置优选具有相互不同的检测设备来检测系 统状态。在基于由检测设备检测的系统状态进行异常判断的情况下， 异常水平的系统状态有时是由于检测设备的位置或其故障或失灵而造 成的。基于该事实，依据本发明，即使当由一个检测设备判断了系统 异常时，还进行通过另外检测设备的系统状态检测，并且因此可以进 行高准确性的异常判断，而限制错误判断的可能性。这里，多个检测 设备也可以基于相同的检测原理操作。 一个例子是所有的检测设备都 是检测压力的压力传感器的情况。另外，多个检测设备优选基于相互 不同的检测原理操作。这是因为，当检测原理相同时，在检测设备位
于接近检测点的情况下，存在局部的不利影响的可能性，但是如果检 测设备的原理不同，则局部的不利影响仅作用于一侧的可能性高。这 种情况例如是一个检测设备是气体浓度传感器而其余是压力传感器的 情况。
这里，优选多个异常判断装置具有相互不同的系统异常判断方法。 这是因为在检测错误地检测到异常的一种情况下，即使系统正常操作， 也可能认为系统的任何组成元件(部件)发生故障或缺陷，但是，如 果按照本发明判断程序相互不同，在异常判断中利用不同组成元件的 可能性高，并且可以使一个组成元件对异常判断的影响最小化。
这里，本发明包括第一检测设备和第二检测设备，其中第一检测 设备可以构成为包括位于燃料电池系统外部的检测部分，且第二检测 设备可以构成为包括位于燃料电池系统的气体管道内部的检测部分。 利用这种结构，由于通过结合系统外部的异常判断和系统内部的气体 管道中的异常，如果确实发生了异常，则此时系统外部和系统内部都 检测到异常，如果只有其中一个判断为异常，则可以认为异常被错误 地判断和有其它原因。因此，检测设备的布置对局部异常状态没有影 响，并且对正确地判断异常是有利的。
本发明包括用于判断系统异常的第一异常判断装置，用于判断系 统异常的第二异常判断装置，并且第二异常判断装置至少在关于检测 设备或异常判断程序上与第一异常判断装置不同；以及判断装置，该 判断装置在由第一异常判断装置判断出存在异常的情况下，利用第二 异常判断装置执行异常判断，并且在由第二异常判断装置也判断出存 在异常的情况下，判断系统存在异常。
依据本发明，在由第一和第二异常判断装置判断出存在异常以后， 第一次判断出存在系统异常。结果，即使当存在局部异常状态判断或 任一异常判断装置发生了故障时，最终判断不是基于该单个异常做出
的，除非由另外的异常判断装置也判断存在异常，才判断存在系统异 常。因此，消除了错误判断，并且高准确性的异常判断成为可能。具 体地，第一和第二异常判断装置在检测设备或判断装置上相互不同。 一个检测设备在其自身位置上检测异常状态和故障或缺陷产生。另外， 一个判断程序检测作为故障或系统组成元件缺陷的结果的异常状态。 但是，依据本发明，由于在这种情况下必需使用另一检测设备或判断 程序，可将错误判断降低到最小且可以进行高准确性的异常判断。
例如，本发明包括以下设备作为所述第一异常判断装置a)检测 设备，它检测所述燃料电池系统外部的燃料气体浓度；和b)第一判断 设备，它在由所述检测设备检测到的所述燃料气体浓度等于或大于预 定值的情况下，判断存在异常，并且包括以下装置/设备作为所述第二 异常判断装置..C)密封装置，它用于密封所述燃料气体管道的压力； 和d)第二判断设备，它在由所述密封装置密封的所述燃料气体管道中 的所述压力的变化等于或大于预定值的情况下，判断存在异常，其中 在由所述第一判断设备判断出存在异常的情况下，所述判断装置启动 所述第二异常判断装置。
利用上面的结构，在高燃料气体浓度的情况下， 一旦第一异常判 断装置已经判断出存在异常，第二异常判断装置也被启动，在密封的 燃料气体管道中压力差大的情况下，第一次判断出存在系统异常。因
此，在非常局部的氢气聚积的情况下，即使由第一异常判断装置判断 出异常，由于在燃料气体管道中没有发生异常的压力下降，因而可防 止错误判断。另外，在确实发生了从燃料气体管道的气体泄漏且外部 燃料气体浓度发生异常的情况下，因为在燃料气体管道中也发生异常 的压力下降，可正确地进行气体泄漏的判断。
例如，本发明包括包括以下装置/设备作为所述第一异常判断装 置e)密封装置，它用于密封所述燃料气体管道的压力；f)检测设备， 它检测由所述密封装置密封的所述燃料气体管道的所述压力；和g)第
一判断设备，它在由所述密封装置密封的所述燃料气体管道中的所述 压力的变化等于或大于预定值的情况下，判断存在异常，并且包括以 下装置/设备作为所述第二异常判断装置h)发电控制装置，它用于改 变所述燃料电池系统的发电状态；和i)第二判断设备，它在当发电量 被所述发电控制装置限制时的所述燃料气体管道的所述压力等于或小 于预定值的情况下，判断存在异常，其中在由所述第一判断设备判断 出存在异常的情况下，所述判断装置启动所述第二异常判断装置。
依据上面的结构， 一旦由第一异常判断装置判断出在燃料气体管 道中压力下降存在异常，第二异常判断装置也被启动，并且监视发电 受限制状态下的压力。如果压力异常，第一次判断出存在系统异常。 因此，即使当由于燃料电池的附件的操作，燃料气体管道中正常产生 的压力波动导致通过第一异常判断装置判断出存在异常，只要通过第 二异常判断装置排除了压力波动的产生，则压力不处于异常状态并且 可以防止错误判断。在由于从燃料气体管道的气体泄漏，结果观测到 压力下降的情况下，由于这表示发电量受限制状态下压力异常下降的 状态，在这种情况下系统异常被正确地判断出。
这里，异常判断设备优选还包括用于在由第一异常判断装置判断 出存在异常之后并且在由第二异常判断装置进行异常判断之前，用于 升高燃料气体管道压力的装置。利用这种结构，在第一异常判断期间 燃料气体管道中压力相对低的情况下，压力被升高然后执行第二异常 判断并且可以更清楚地判断压力(改变)状态。
这里，在第一异常判断装置判断出存在异常之后并且在第二异常 判断装置进行异常判断之前，优选使涉及异常判断的系统组成元件再 次操作。有时由于系统组成元件的故障而产生错误判断，并且当个别 组成元件再次操作时，也就是说，经过更新操作，这些组成元件的操 作状态恢复为正常。依据这种结构，在一旦判断为异常的情况下，涉 及异常判断的组成元件被更新且因此在第二异常判断中操作恢复到正
常，并且可以防止系统存在异常的错误判断。再次操作(更新操作)
意味着，例如组成元件是阀的情况下，阀震动(shake)以打开和关闭它们。
这里，在由第二异常判断装置判断存在异常的情况下，判断装置 优选停止燃料电池系统。这是因为如果通过第二异常判断装置判断为 异常，则系统异常的可能性很高，因此适于停止系统。
图1是表示本发明异常判断设备的原理的方框图-，
图2是表示本发明异常判断方法的原理的流程图； 图3是第一实施例的燃料电池系统的系统方框图； 图4是说明第一实施例的异常判断方法的流程图； 图5是说明第二实施例的异常判断方法的流程图； 图6是第三实施例的燃料电池系统的系统方框图； 图7是第四实施例的燃料电池系统的系统方框图；和 图8是说明第四实施例的异常判断方法的流程图。
具体实施例方式
将基于附图描述本发明的优选实施例。下面的实施例起解释本发 明的作用，并且本发明可以多种变型来实施，而不限于下面的实施例。
本发明原理的描述
现在将参考图1的系统方框图和图2的流程图描述本发明的原理。
如图1所示，本发明的异常判断设备101包括多个异常判断装置 110、 120...ln0 (其中n是自然数)，并且构成为在由多个异常判断装 置判断为异常的情况下判断系统异常。
各个异常判断装置110、 120...1n0中的每一个分别包括检测设备 111、 121...lnl，并且检测要被检查的系统SYS的系统状态。各个异常 判断装置110、120...1n0构成为通过各个独立的判断程序U2、122…ln2 判断被检测的系统状态是否异常，并且输出异常判断装置的结果，也 就是系统状态是正常(OK)或异常(NG)。判断装置102构成为从多 个异常判断装置110、 120...lnO中输入判断结果，并且在由多个异常 判断装置的任一个判断出异常存在的情况下，输出系统异常(NG)，或， 否则输出正常(OK)作为最终的判断结果。
优选这些设备111、 121...1nl是不同的。各个检测设备更优选具 有不同的检测原理。例如，气体浓度的检测和气体压力的检测具有不 同的检测原理。也可以如此构成，使得所检测的物理值不同。当在多 个检测设备中采用相同检测原理时，存在这种可能，即作用在一个检 测设备上的一个主要因素的影响也作用在其它检测设备上。这是因为， 如果检测设备的检测原理不同，则如下情况的概率高，即仅作用在一 个检测设备的原理将不作用在基于其它检测原理的检测设备上。 一个 例子是一个检测设备是气体浓度传感器而其余是压力传感器的情况。
另外，虽然检测原理在多个检测设备之间可以是相同的(例如在 相同的浓度传感器的情况下)，但检测设备的位置(安装位置)也可以 不同。这是因为如果检测设备的位置不同，在某些位置的局部状态值 的异常不影响多个检测设备。
进一步，多个检测设备之间的检测原理可以相同，并且可以是具 有相同安装位置的多个检测设备。这是因为出现在一个检测设备中的 失效或故障同时在另一个检测设备中出现的可能性非常小。
另外，优选各个异常判断装置的判断装置112、 122...ln2具有不
同的判断程序。在一个判断程序中，通过利用要被检查的系统SYS的 一些组成元件(部件)来进行异常判断，或受到一些组成元件的影响, 但是被判断为异常的一个原因有时是在组成元件中出现了故障或缺 陷。如果判断装置相互不同，利用不同的组成元件进行异常判断，因 而受到不同组成元件影响的可能性提高。因此，特定组成元件在异常 判断上的影响小，并且因此特定组成元件有问题时的影响可以减少。
图2表示用于按顺序执行异常判断的情况下的流程图。
如图2所示，在实施本发明的情况下，首先由异常判断装置110 进行第一异常判断处理(Sl)。通过检测设备111读取要被检查的系统SYS的系统状态，并且根据判断程序112判断系统状态是异常或正常。
如果作为结果，判断出系统状态为正常(S2:否)，省略下面的处理， 但是，如果判断处理的结果被判断为异常(S2:是)，接下来启动第二异常判断处理。
通过不同于异常判断装置110的异常判断装置120进行第二异常 判断处理(S3)。按照第一异常判断处理，通过检测设备121读取要被 检查的系统SYS的系统状态。在检测原理和/或安装位置上，检测设备 121不同于检测设备111。然后根据判断程序122，判断如此读取的系 统状态是异常或正常。判断程序122不同于判断程序112，并且涉及通 过不同组成元件之间的合作来进行判断。如果系统判断结果为正常 (S4:否)，省略下面的处理。但是，如果判断处理的结果被判断为异 常(S4:是)，则还要启动第三或接下来的异常判断处理。
异常判断处理有可能进行到直到最大第n次异常判断处理(S5)， 根据第n次异常判断处理，要被检査的系统SYS的系统状态由异常判 断装置lnO的检测设备lnl读取，并且根据判断程序ln2，系统状态被 判断为异常或正常。如果作为结果，系统状态被判断为正常(S6:否)， 则最终判断系统状态为正常，但是，如果判断处理的结果被判断为不 同(S6:是)，则这里第一次判断出系统状态是异常的，并且相应于该 异常来采取特殊措施(S7)。
如前面提到的，在来自两个或多个或所有多个异常判断装置110、 120...1n0判断结果是异常的情况下，异常判断设备101能够确定系统 异常。异常判断装置的使用数量可以通过在要被检查的系统SYS中的 准确性和允许检查的时间之间的良好平衡来确定。实践说明，在多数 情况下，两个异常判断装置是足够的，这是因为在两个异常判断装置 均判断异常存在的情况下，才确定系统异常。
在使用两个异常判断处理的情况下，假设两个异常判断装置是第 一异常判断装置110和第二异常判断装置120。在通过第一异常装置110 判断为异常状态的情况下，判断装置102通过第二异常判断装置120 执行异常判断，并且通过第二异常判断装置120也判断为异常状态的 情况下，判断存在系统异常。
因此，依据本发明，不会仅基于任一异常判断装置异常的局部异
常状态或其失效来进行最终判断。相反，只有通过另一异常判断装置 判断了异常才确定系统异常。因此，没有错误判断的高准确度异常判
断是可能的。
在用于第一异常判断装置no和第二异常判断装置120的任一检 测设备111和121或判断程序112和122不同的情况下，例如，即使由 于检测设备的位置或其失误或故障检测到异常状态，并且即使在一个 判断程序中，作为系统组成元件中故障或缺陷的结果，检测到异常状 态，因为必需使用另一检测设备和判断程序，可以使错误判断尽可能 地最小化。下面的实施例作为基于此原理的本发明的组合的一部分的 示例。
第一实施例
本发明的第一实施例涉及一种安装在作为移动体的汽车上的燃料 电池系统200，并且涉及一种系统，该系统构成为可以使用氢气(燃料 气体、汽化燃气)，氢气由作为液体燃料的液态氢和作为气态燃料的液
态氢产生。第一实施例是异常判断设备的构成示例，具体地，进行基 于氢气的检测精度的第一异常判断处理和进行基于燃料气体管道的检 测压力的第二异常判断处理。
图1表示包括本发明的异常判断设备的燃料电池系统200的方框图。
如图1所示，燃料电池系统200包括在燃料电池100中，供应 氢气的氢气供应系统1、供应作为氧化气体的空气的空气供应系统2、 控制燃料电池系统200的控制部分3、以及电能系统4，其对燃料电池 IOO产生的电能进行充电和放电。
氢气供应系统1被构成为包括燃料充填管道10、燃料箱II至14、 箱连接管15、燃料气体管道16、气-液分离器17和循环泵18。在图1 中，在内部压力已经升高到固定值的情况下减少内部压力的安全阀、 防止氢气逆流的逆流防止阀、用于调整的手动地打开和关闭的手控阀 和过滤杂质的过滤器等没有在图中示出或标示。
燃料箱11至14包括真空双重结构，并且可以存储具有极低沸点 (约20K)的液体氢，以及拥有耐压结构，允许由液体氢(汽化燃气) 产生的氢气存储直到相当程度的高压力。各个燃料箱11至14都设置 有用于测量内部氢气温度的温度传感器tl至t4。燃料充填管道10是连 接燃料充填入口 Fl和并联的燃料箱11至14的高压管道。各个燃料箱 包括过滤器、手控阀和多个逆流防止阀，并且可以过滤供应的液体燃 料以及防止其逆流。
氢气平行地从每个箱11至14通过过滤器、截止阀Gl至G4、手 控阀和调节阀R1至R4供应到燃料气体管道15。作为有过滤器的结果， 箱内的杂质被滤去。截止阔Gl至G4构成为通过控制部分3的控制可 以打开和关闭，并且使得当阀打开时内部氢气被供应。调节阀Rl至R4构成为通过对高压的第一侧氢气降低压力到固定的第二侧压力(中
间压力)来供应氢气。压力传感器pl至p4设置在调节阔的第一侧， 并且能够测量氢气的供应压力，并且在作为主停止阀的截止阀Gl至 G 4打开的情况下测量燃料箱的内部压力。
燃料气体管道15连接到燃料气体管道16，由此整体地将来自各 个燃料箱11至14的氢气聚集在一起。然后压力传感器p10能够检测 已经被聚集到一起的燃料气体管道15内的压力。从上游起，按顺序燃 料气体管道16设置有调节阀RIO、手控阀、调节阀Rll和截止阀Ll。 在进一步减少燃料气体管道15的压力到第二侧压力后，调节阀R10输 出燃料气体管道15的中间压力。然后压力传感器10通过手控阀检测 调节阀R10的第二侧压力。然后在输出氢气前，调节阀R11使氢气降 低压力到等于可供应到燃料电池的水平。控制阀Ll可以通过控制部分 3进行控制，并且当打开时，氢气供应到燃料电池100以影响发电，并 且当关闭时，随着电能的产生，氢气对燃料电池的供应停止。燃料气 体管道16包括压力传感器pll和p12。压力传感器pll检测燃料气体 管道16中从调节阀R10到R11段的内部压力，并且压力传感器pl2检 测从调节阀Rll到燃料电池100这部分的压力。
另外，调节阔R10和R11重叠以应对密封缺陷，并且两个调节器 在第二侧都设置有安全阀，用于在管道内部的压力达到或超过预定压 力的情况下降低压力。
燃料电池100包括通过将多个称为单位电池的电能产生结构体堆 叠起来的堆叠结构。各个单位电池具有通过将称为MEA (薄膜电极组 件)的电能产生体夹在分离器对之间而获得的结构，分离器对上设置 有氢气、空气和冷却液流动路径。MEA通过将聚合物电解膜夹在两个 电极、即阳极和阴极之间而形成。阳极具有设置在多孔支持层上的阳 极催化层，并且阴极具有设置在多孔支持体上的阴极催化层。
供应到燃料电池100阳极的氢气，通过歧管供应到各个单位电池，
并且流过分离器的氢气流动路径，因此在MEA阳极产生电-化学反应。 从燃料电池100排出的氢废气供应到气-液分离器17。气-液分离器17 从氢废气中清除湿气和其它杂质，它们是由于正常操作中燃料电池100 的电化学反应而产生的，并且将废气通过截止阀L2释放到外面。循环 泵18借助氢废气的加压循环和通过将其返回到燃料气体管道16而构 成循环通道。净化截止阀L3在净化期间打开，但在正常运行状态和当 判断管道中气体泄漏时关闭。从净化截止阀L3中被净化的氢废气，通 过包括稀释设备25的排气系统来处理。
空气供应系统2包括空气清洁器21、压縮机22、加湿器23、气-液分离器24、稀释设备25和消音器26。空气清洁器21清洁空气并且 将空气供应回燃料电池系统200。为了改变空气容量和空气压力，压缩 机22根据控制部分3的控制来压縮吸入的空气。供应到燃料电池100 的阴极的空气通过歧管供应到各个单位电池，并且以与氢废气相同的 方式流动通过分离器的空气流动通道，因此在MEA的阴极产生电-化 学反应。加湿器23通过交换从燃料电池IOO排出的空气废气用于潮湿 的目的，对压縮空气增加适宜程度的湿度。供应到燃料电池100的空 气通过歧管供应到各个单位电池并且流动通过分离器的空气流动通 道，因此在MEA的阴极产生电化学反应。从燃料电池IOO排出的空气 废气具有多余的湿气，该湿气在气-液分离器24中清除。稀释设备25 构成为用空气废气混合且稀释从净化截止阀L3供应的氢废气，并且使 混合物均匀，直到确定不能产生氧化反应的浓度。消音器26构成为在 排出之前使得混合废气的声级降低。
电能系统4包括DC-DC转换器40、电池41、牵引逆变器42、牵 引电机43、辅助逆变器44和高-电压附件45等。燃料电池100由串联 连接的单位电池组成，并且在阳极A和阴极C之间产生预定的高压电 压(例如约500V)。 DC-DC转换器40执行与电池41的双向电压转换， 电池41具有不同于燃料电池IOO的输出电压的终端电压，并且能够使电池41的电能用作燃料电池100的辅助电源或用来自燃料电池100的
剩余电能来对电池41充电。DC-DC转换器40能够相应于电源控制部 分5的控制来设置终端间的电压。电池41具有堆叠的电池单元使得终 端电压为固定的高电压，并且可以通过由电池计算机(未示出)的控 制来充入剩余电能，并且供应辅助电能。牵引逆变器42将DC电流转 换为三相AC电流并且将三相AC电流供应到牵引电机43。牵引电机 43是三相电机，例如，它是安装了燃料电池200的汽车的主发动电源。 辅助逆变器44是DC到AC转换装置，用于驱动高压附件45。高压附 件45是运行燃料电池系统200所需的任何类型的电机，诸如压缩机22、 循环泵18和冷却系统电机。
控制部分3包括通用计算机结构中的RAM、 ROM和接口电路等。 除了通过顺序执行存储在内部ROM等中的软件程序控制整个燃料电 池系统200，该燃料电池系统主要包括氢气供应系统1、空气供应系统 2和电能系统4，该控制部分3允许燃料电池系统200作为本发明的异 常判断设备来运行。
氢传感器HD是检测设备，其构成为可以检测氢气的浓度并且设 置在从废气出口传输方向的下游，例如位于汽车后部。氢气传感器HD 也可设置在一些发生氢气泄漏的点。在设置另外的氢气传感器的情况 下，例如传感器设置在封装燃料电池的隔间内。氢气传感器HD的检测 信号Sd输入到控制部分3，从而检测信号可被读取并且从而获得氢气 浓度。另外，除了能够以预定分辨率检测氢气浓度，氢气传感器HD 也可以仅检测存在的氢气是否等于或高于固定浓度(是否存在这种氢 气)。
后面，将参考图4中的流程图描述第一实施例的异常判断方法。 该流程在燃料电池系统2 00的工作期间以固定间隔执行。
第一实施例的异常判断设备执行第一异常判断处理(装置和设备)(S100到S102),通过氢气传感器HD检测氢气浓度，并且在由氢气 传感器HD检测的燃料气体浓度等于或大于预定值的情况下，判断存在 异常，第二异常判断处理(装置和设备)(S105到S110)通过截止阀 Gl至G4和Ll密封燃料气体管道16的压力，在密封的燃料气体管道 中压力变化等于或大于预定值时，判断存在异常，并且判断处理(装 置和设备)(S111)在第二异常判断处理中也判断为存在异常的情况 下，进行用于系统异常的处理。
此外，程序还包括在通过第二异常判断装置进行异常判断之前， 在已经由第一异常判断(S104)判断为异常之后，升高燃料气体管道 的压力的处理。这将在下面进行具体描述。
如图4所示，继续其它控制处理直到到达异常判断处理执行时间 (S100:否)。当异常判断处理执行时间到达时(S100:是)，首先参 考来自氢气传感器HD的检测信号Sd并且检测氢气浓度(S101)。控 制部分3在参考来自氢气传感器的检测信号Sd以后，计算实际氢气浓 度的相对值。
在检测的氢气浓度D等于或小于预定阈值Dth (S12:否)的情况 下，终止第一异常判断处理，没有氢气泄漏到系统外面。在这种情况 下，可以判断没有出现系统异常。但是，在检测的氢气浓度D大于预 定阈值Dth(S102:是)的情况下，氢气浓度异常地高，直到氢传感器 HD的检测信号Sd的检查到达的高度，即只有当氢传感器HD的检测 信号Sd被检查了时，认为有异常出现的可能性。
处理然后运行到第二异常判断处理。在第二异常判断处理之前， 燃料电池系统200切换到间歇操作模式(S103)。间歇操作模式是按预 定间隔以所需的最小程度间歇地影响燃料电池100的操作。燃料电池 100在停止期间和工作期间之间切换。在停止期间，附件诸如循环泵 18处于停止状态。因而，通过切换到间歇操作模式，导致在管道内产生压力波的附件被停止，从而使更准确的异常判断成为可能。
此后，管道中的燃料气体可迫使被升高到所需水平(S104)。因此，
例如，通过固定次数的打开截止阀Gl至G4，通过将预定压力的氢气 供应到燃料气体管道15和燃料气体管道16，并且使循环泵18操作一 固定时间，燃料气体管道16的压力升高。在管道中的氢气压力低的情 况下，作为执行压力增加处理的结果，可以预期的是可以容易地发现 气体泄漏。在可检测程度的管道压力存在的情况下，该处理是可选地 并且是不必要的步骤。
处理然后运行到第二异常判断处理。
首先，要被检查的管道被密封(S105)。这里，因为在管道的各个 点设置压力传感器，可密封的点都被密封。截止阀Gl至G4和Ll关 闭并且密封部分形成在燃料箱11至14和截止阀L1之间。另外，截止 阀Ll和截止阀L3都关闭，并且由净化截止阀L3分开的从截止阀Ll 经过燃料电池100的循环路径是密封部分。
另外，通过能够检查各个密封部分(S106)压力的压力传感器检 测在紧接密封之后的tl时刻的压力Ptl。例如，在密封部分在燃料箱 11至14与截止阀Ll之间的情况下，基于压力传感器pl至p4、 p10 和pll的各个检测信号检测该部分的压力。在循环路径的密封部分的 情况下，基于压力传感器pl2的检测信号检测循环路径的压力。
另外，由于等待直到已经经过预定时间t2 (S107:否)，通过相同 的压力传感器再次检测经过时间t2后(是)的管道压力Pt2 (S108)。 存在管道的流动速率与压力变化的平方根成比例的趋势。因此，计算 检测的压力Ptl和Pt2之间的差别，从而确定从时刻tl到t2的流动速 率Q (S109)。如果氢气没有泄漏，压力变化基本为零，并且因此流动速率Q也 是零。但是，如果发生了氢气泄漏，压力根据氢气的流出而下降，因 此，计算的流动速率Q也会增加。因此，计算的流动速率Q与阈值Qth相比较，在闺值Qth处，可以认为有明显的氢气泄漏(S110)。如果， 作为比较的结果，计算的流动速率Q等于或小于预定阈值Qth (S110:
否)，则判断没有发生氢气泄漏。也就是说，因为在第一异常判断处理 时氢气存留在局部点，氢气只临时地达到高浓度，并且可以判断没有 系统异常。因此，在这种情况下，不釆用停止该系统的措施或其它措施。
但是，如果如此计算的流动速率Q大于预定阈值Qth(S110:是)，则可以推断存在一定程度的氢气泄漏。因此，当做出这种判断时，执行用于系统异常的处理(Slll)。换句话说，采用为了完全停止燃料电 池l G O操作的关闭截止阀的措施或停止氢气或空气的供应、脱离负 载等。
依据上文所述的第一实施例，在第一异常判断中判断出氢气浓度 极为异常的情况下，启动第二异常判断，并且在密封的管道中压力变 化大且推断气体泄漏的情况下，第一次判断出系统异常。因此，在非 常局部地氢气聚积的情况下，即使已经在第一异常判断中判断了异常 时，由于压力下降在管道中异常地发生，在第二异常判断中没有判断 为异常并且防止了错误判断。进一步，在实际发生了气体从管道中泄 漏和外部燃料气体浓度产生异常的情况下，因为也在燃料气体管道中 发生了异常的压力下降，气体泄漏判断被正确地做出。
进一步，依据第一实施例，第一异常判断涉及利用氢传感器HD 对氢气浓度的检测，而第二异常判断涉及利用压力传感器的压力检测。 第一和第二异常判断的检测原理也互不相同。因此，即使当某些与检测相关的组成元件故障时，最终的判断也不是错误判断。
另外，依据第一实施例，在第一异常判断时氢气压力相当低的情 况下，因为在压力升高后进行第二异常判断，可更准确地判断压力(变 化)状态。
第二实施例
本发明第二实施例具体地涉及异常判断设备的构成示例，在该异 常判断设备中，第一异常判断和第二异常判断都是基于压力进行的， 但是其判断程序不同。该实施例的系统构成与图3中示出的第一实施 例的系统方框图相同，并且因此省略该系统结构的描述。但是，在该 实施例中，不使用氢气传感器HD。
现在将参考图5的流程图描述第二实施例的异常判断方法。该流
程在燃料电池系统200的工作期间以规则间隔执行。
依据第二实施例的异常判断设备，进行第一异常判断处理(装置
和设备)(S200到S201)，通过截止阀Gl至G4和Ll至L3，密封燃 料气体管道15和16的压力，通过压力传感器pl至p4和p10至p12 检测密封的燃料气体管道的压力，并且在密封的燃料气体管道中压力 变化等于或大于预定值的情况下，判断存在异常，第二异常判断处理 (装置和设备)(S204到S206),通过诸如不同的截止阀Gl至G4和 Ll至L3和附件(18， 22)的发电控制装置，改变燃料系统200的发 电状态，并且在发电量受到限定时燃料气体管道15和16的压力等于 或小于预定值的情况下判断存在异常，并且在由第一异常判断判断存 在异常的情况下，判断处理(装置和设备)(S207)启动第二异常判断。
另外，在通过第一异常判断处理判断为异常以后和在第二异常判 断处理的异常判断之前，处理(S202到S203)使系统的适用于异常判 断的组成元件再次操作。该处理将在下面进行详细描述。
首先，为了执行第一异常判断，参考来自压力传感器pl至p4的 检测信号和获得各个燃料箱11至14的压力的相对值，并且参考来自 压力传感器p10至p12的检测信号和获得燃料气体管道15和16内部
的压力相对值(S200)。在参考来自各个压力传感器的检测信号Sd以 后，控制部分3计算实际氢气压力的相对值。对于燃料箱11至14计 算从每个燃料箱11至14检测的压力值的平均值。
在正常操作中，通过调节阀或类似物的作用，燃料气体管道15和 16保持固定的氢气压力。如果从任何燃料气体管道产生气体泄漏，氢 气压力将从正常压力下降。进一步，从燃料箱的流动速率必须是不产 生过流的程度。因此，对于燃料气体管道15和16，如此检测的氢气压 力被与阈值或经常从以前检测的压力或预置的标准压力比较，以确定 是否产生了压力变化(S201)。对于燃料箱11至14，各个燃料箱的检 测的氢气压力的平均值被比较以确定平均值是否没有超过阈值的波 动，该阈值被判断为表示过流(S202)。
在检测的氢气压力中发现波动等于或大于固定值的情况下(S201: 是)，因为推断存在氢气泄漏的可能性，处理运行到下一步骤。如果检 测的氢气压力P没有波动(S201:否)，则氢气没有从燃料气体管道中 泄漏，并且比较检测的燃料箱的内部压力与以前检测的压力或预设标 准压力(S202)。如果检测的燃料箱的内部压力没有波动到代表过流的 水平(S202:否)，也推断为燃料箱中没有出现氢气泄漏，因此第一异 常判断处理终止。判断为不存在系统异常。但是，在检测的燃料箱内 部压力中发现波动等于或大于固定值的情况下(S202:是)，就会怀疑 燃料箱11至14过流并且处理运行到第二异常判断处理。
在第二异常判断处理以前，进行更新操作(另一个操作)(S203)。 很少发生诸如当向其供应高压的截止阀没有完全关闭时的不完全操 作。不完全操作不是重要的故障并且可以通过提供重复驱动信号(打 开阀信号或关闭阀信号)而避免。更新操作临时向截止阀提供打开阀 信号或关闭阀信号，或提供清除这种临时原因的重复。这里，例如，打开阀信号提供到作为燃料箱主要停止阀的截止阀Gl至G4,或打开 阀信号提供到截止阀。
此后，进行密封处理(S204)。为了进行第二异常判断，燃料气体 管道15和16被密封。这里，作为到外部空气的通道的净化截止阀L3 关闭。另外，对于燃料电池100的电流限制起作用。因为当处理运行 到第二异常判断时，存在一定可能性的异常，不可避免的是为了更精 确地判断，如果必要的话则使操作受到限制。因此，电能系统4被控 制为没有负载且限制输出电流。
同时处理运行到间歇的操作模式(S205)。间歇操作模式是燃料电 池100的最小必需操作以预定间隔间歇起作用的模式。燃料电池100 在停止期和操作期之间交替。在停止期，诸如循环泵18的附件处于停 止状态。这样，通过切换到间歇操作模式，停止作为在管道中产生波 动的原因的附件，使得更准确的异常判断成为可能。启动间歇操作， 并且一旦预定时间过去，作为主停止阀的截止阀G1至G4被关闭。氢 气的供应停止，从而在燃料气体管道中的氢气被耗尽且形成封闭区域。
其后，处理运行到第二异常判断处理。
按照以前的处理(S200)，在来自压力传感器的检测信号的基础上，
检测燃料气体管道和燃料箱中的氢气压力(S206)。优选地，使用不同 于第一异常判断中使用的压力传感器的传感器。这是因为在由于已经
发生了故障而第一异常判断中利用的压力传感器判断存在异常的情况 下，通过切换第二异常判断中利用的传感器，可防止错误检测。另外， 此时确定压力的绝对值，而不是判断氢气的波动(变化率)。换句话说， 第二异常判断处理与第一异常判断处理的相同之处在于都检测到压 力，但是判断程序的不同之处在于第二异常判断中判断在密封的燃料 气体管道中的绝对值。在燃料气体管道内检测的氢气压力等于或大于预定阈值Pth的情 况下(S207:是)，氢气从燃料气体管道中泄漏的可能性高，并且因此
判断为异常(S209)。另一方面，在燃料气体管道内检测的氢气压力小 于阈值Pth的情况下，进一步检查燃料箱内部的压力(S208)。在检测 的燃料箱内部压力也小于阚值Pth的情况下(S208:否)，可以判断氢 气没有从燃料箱或从燃料气体管道中泄漏。因此，判断系统正常并且 解除电流限制(S204)和间歇操作(S205),也就是作为主停止阀的截 止阀Gl至G4打开并且接下来进行正常操作(S210)。但是，在检测 的燃料箱内部压力等于或小于阈值Pth的情况下(S208:是)，由于氢 气从燃料箱11至14中任一个泄漏的可能性高，判断存在异常(S209)。
在异常判断中(S209),因为燃料电池系统200的操作停止，各个 截止阀的截止状态和附件的中断被继续，并且电能系统4的连接也被 取消。另外，如果需要，发出图像、光或声音形式的警告。
依据第二实施例， 一旦由于燃料气体管道15和16以及燃料箱11 至14中的压力下降，在第一异常判断中判断存在异常，进行第二异常 判断，并且在限定发电量的状态下监视压力。如果压力不正常，第一 次判断出存在系统异常。因此，即使当作为燃料电池100的附件操作 的结果而产生压力波动，因而导致在第一异常判断中判断存在异常时， 在排除压力波动原因的状态下通过第二异常判断判断绝对压力，因此 可以避免错误判断。在作为气体从燃料气体管道中泄漏的结果而观测 到压力下降的情况下，由于这表示发电量受限制的状态下的压力异常 下降的状态，在这种情况下正确地判断系统异常。
依据第二实施例，在第一异常判断中已经判断了一个异常的情况 下，因为涉及这种异常判断的组成元件(截止阀)被更新，该组成元 件的操作在第二异常判断中恢复正常，并且可以防止存在系统异常的
错误判断。
第三实施例
本发明的第三实施例涉及一种燃料电池系统200的构成有轻微差 别的例子。
图6表示涉及第三实施例的燃料电池系统200的系统方框图。
图6中所示的燃料电池系统200与第一实施例的构成相同，除了 设置在燃料箱11至14的入口和出口系统的阀的构成不同。
从燃料充填管道10向每个燃料箱11至14流动的管道设置有逆流 防止阅、手控阀和压力传感器pl至p4。由于没有在压力传感器和燃料 箱之间设置截止阀，压力传感器pl至p4构成为总是能够检测燃料箱 的内部压力。
从各个燃料箱11至14到燃料气体管道15的管道设置有调节阀 Rl至R4、手控阀和截止阀Gl至G4。截止阀Gl至G4构成为使得其 每一个都允许通过控制部分3的打开和关闭控制，并且使得当打开时 氢气供应到燃料气体管道15中。调节阀Rl至R4构成为使得在燃料箱 中的高压氢气在压力减少到固定的第二压力(中间压力)下供应。
在本发明的异常判断方法通过上述构成实施时，可以通过与上述 实施例基本相同的程序进行。但是，即使当作为主停止阀的截止阀G1 至G4没有打开时，压力传感器pl至p4也能够检测燃料箱的内部压力。 因此，例如，对于利用压力传感器检测燃料箱内部压力的目的，图5 的流程图中的在步骤S203中打开箱的主停止阀和在步骤S205中关闭 箱的主停止阀的处理不是必需的。
如在该实施例中所示，本发明可以通过改变阀构成和管道结构等 以不同的方式实施。 第四实施例
本发明第四实施例涉及其中使用氢气压力检测和流动速率检测的 例子，其构成其中的检测设备的检测原理不同的示例。
图7表示依据第四实施例的燃料电池系统200的系统方框图。
图7中所示的燃料电池200与第一实施例的燃料电池系统(图3) 基本相同。但是，第四实施例的燃料电池系统200的不同之处在于 燃料箱11至14的出口管道包括设置在截止阀Gl至G4和调节阀Rl 至R4之间的流动速率传感器S1至S4。另外，因为氢气浓度检测不起 作用，所以不设置氢气传感器HD。
下面将参考图8中的流程图描述第四实施例的异常判断方法。该 流程在燃料电池系统200的工作期间以规则间隔执行。
第四实施例的异常判断设备在第一异常判断中检测燃料箱11至 14的内部压力波动，并且在检测到内部压力波动的情况下，通过流动 速率传感器Sl至S4进行氢气流动速率检测，并且在流动速率中存在 波动的情况下判断为系统异常。
首先，参考来自压力传感器pl至p4的检测信号且获取各个燃料 箱11至14的压力相对值。已经参考了来自流动速率传感器Sl至S4 的检测信号并且从各个燃料箱11至14供应到燃料气体管道15的氢气 流动速率的参考值已经获取(S300)。对于压力，然后计算从每个燃料 箱11至14检测的压力值的平均值。也计算对每个燃料箱11至14检测 的流动速率值的平均值，作为流动速率。
在正常操作中，作为调节阀等作用的结果，燃料箱11至14的氢 气内部压力和从燃料箱11至14的氢气流动速率保持基本固定。如果 调节阀出现缺陷或燃料箱有问题，与正常压力相比将有压力波动。另
外，从燃料箱的流动速率必需是不产生过流的程度。因此，进行是否 没有超过阈值波动的检查(S301)，在阈值处，检测的各个燃料箱的氢 气压力的平均值被判断为过流。也就是，检测的燃料箱内部压力的平 均值与以前的检测值或预设标准值进行比较。结果，如果没有波动达 到如此检测的燃料箱内部压力导致过流的程度(S301:否)，则氢气没 有从燃料箱泄漏并且第一异常判断处理终止。在这种情况下，判断不
存在系统异常。
但是，在检测的燃料箱内部压力中观测到固定数量或更多的波动 的情况下(S201:是)，怀疑燃料箱11至14中出现了过流。因此，处 理运行到第二异常判断。作为第二异常判断处理，此时判断氢气的流 动速率。在如此检测的氢气流动速率的平均值在预定阈值波动或在预 定阈值以上的情况下，检查与以前的流动速率相比波动是否在固定值
或在该固定值以上(S302)。压力变化和流动速率改变服从严格的相互
关系。假设在管道中基本相同位置上测量的压力产生改变，那么也应 该在流动速率中存在变化。进一步，假设流动速率中存在变化，也将 产生压力波动。因此， 一旦在第一异常判断中已检测到压力波动并且 估计存在异常，然后立即进行在流动速率中是否没有波动的检查。
在氢气流动速率的平均值中没有产生波动的情况下(S302;否)，
压力中波动的出现与流动速率严格相关，这使得会估计存在压力传感 器故障。因此，不会判断为系统异常。
但是，在氢气流动速率的平均值中也存在波动的情况下(S302: 是)，可以认为从燃料气体管道15或16或燃料箱11至14的气体泄漏 或个别阀有故障是产生该波动的原因。这是因为这是影响燃料系统200 操作的缺陷并且判断存在系统异常(S303)。另外，因为燃料电池系统 200的操作停止，各个截止阀的关闭和附件的停止被继续，并且也取消 电能系统4的连接。另外，如果需要，发出图像、光或声音形式的警
依据上述第四实施例，如果在第一异常判断中从燃料箱11至14 的压力波动中判断存在异常，相应地进行第二异常判断，并且当观测 到流动速率波动并且流动速率不正常时，第一次判断出系统异常。即 使当存在任何检测设备的故障时，通过利用不同传感器和不同方法检 测复杂相关连接的系统的状态，可以防止错误判断。
特别依据第四实施例，因为在相同系统操作状态(在该实施例中 是氢气流动的状态)中使用不同的检测原理检测，进行两个物理量的 判断以后进行是否存在系统异常的最终判断，不需要增加用于检査的 程序或不需要临时切换到用于检查的中间操作。
修改例
本发明不限于上述实施例，并且可以通过进行多种修改来实施。
例如，尽管在实施例中示例了氢气浓度和压力的组合、压力波动 和压力绝对值的组合、压力波动和流动速率的组合，本发明不限于这 些组合。多个检测设备和判断方法能以多种方式组合。
本发明的异常判断设备(方法)不仅是诸如其中安装了燃料电池 系统200的汽车、轮船或飞行器的运动体。本发明也可以应用将燃料
电池系统200安装到诸如建筑物或房屋的封闭区域。
工业适用性
依据本发明，因为当通过一个异常判断装置判断了异常时，直到 由另外的异常判断装置进行了异常判断，才判断有系统异常，即使当 存在局部异常状态或一个异常装置失效时，最终判断也不基于该单独 的异常而做出，并且通过其它的异常判断进行确认工作，因此可能进 行没有错误判断的高准确性判断。
因此，本发明可以广泛地应用到有这种需求的异常判断设备。
权利要求
1.一种燃料电池系统的异常判断设备，包括用于判断所述系统的异常的多个异常判断装置，其中，在由多个异常判断装置判断出存在异常的情况下，判断系统异常存在。
2. 如权利要求l所述的燃料电池系统的异常判断设备，其中所述 多个异常判断装置具有相互不同的检测系统状态的检测设备。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统的异常判断设备，其中 所述多个异常判断装置具有相互不同的用于判断系统异常的程序。
4. 如权利要求2所述的燃料电池系统的异常判断设备，还包括第 一检测设备和第二检测设备，其中所述第一检测设备包括位于所述燃 料电池系统外部的检测部分，且所述第二检测设备包括位于所述燃料 电池系统的气体管道内部的检测部分。
5. —种燃料电池系统的异常判断设备，包括用于判断所述系统的异常的第一异常判断装置；用于判断所述系统的异常的第二异常判断装置，该第二异常判断 装置至少在关于检测设备或异常判断程序上不同于所述第一异常判断 装置；和判断装置，所述判断装置在由所述第一异常判断装置判断出存在 异常的情况下，使用所述第二异常判断装置执行异常判断，并且所述 判断装置在由所述第二异常判断装置也判断出存在异常的情况下，判 断系统异常存在。
6. 如权利要求5所述的燃料电池系统的异常判断设备，包括以下 设备作为所述第一异常判断装置a)检测设备，它检测所述燃料电池系统外部的燃料气体浓度；禾口b)第一判断设备，它在由所述检测设备检测到的所述燃料气 体浓度等于或大于预定值的情况下，判断存在异常，并且包括以下装置/设备作为所述第二异常判断装置C)密封装置，它用于密封所述燃料气体管道的压力；和d) 第二判断设备，它在由所述密封装置密封的所述燃料气体 管道中的所述压力的变化等于或大于预定值的情况下，判断存在异常，其中在由所述第一判断设备判断出存在异常的情况下，所述 判断装置启动所述第二异常判断装置。
7. 如权利要求5所述的燃料电池系统的异常判断设备，包括以下 装置/设备作为所述第一异常判断装置e) 密封装置，它用于密封所述燃料气体管道的压力；f) 检测设备，它检测由所述密封装置密封的所述燃料气体管 道的所述压力；和g) 第一判断设备，它在由所述密封装置密封的所述燃料气体 管道中的所述压力的变化等于或大于预定值的情况下，判断存在异常，并且包括以下装置/设备作为所述第二异常判断装置h) 发电控制装置，它用于改变所述燃料电池系统的发电状态；和i) 第二判断设备，它在当发电量被所述发电控制装置限制时 的所述燃料气体管道的所述压力等于或小于预定值的情况下，判断存 在异常，其中在由所述第一判断设备判断出存在异常的情况下，所述 判断装置启动所述第二异常判断装置。
8. 如权利要求6或7所述的燃料电池系统的异常判断设备，还包 括用于在由所述第一异常判断装置判断出存在异常之后且在由所述第 二异常判断装置进行所述异常判断之前，升高所述燃料气体管道的所述压力的装置。
9. 如权利要求6或7所述的燃料电池系统的异常判断设备，其中 在由所述第一异常判断装置判断出存在异常之后且在由所述第二异常 判断装置进行所述异常判断之前，使涉及所述异常判断的所述系统的 组成元件再次运行。
10. 如权利要求6至9中任一项所述的燃料电池系统的异常判断 设备，其中在由所述第二异常判断装置判断出存在异常的情况下，所 述判断装置停止所述燃料电池系统。
全文摘要
提供一种异常判断设备，能够以高准确度检测系统的异常状态并且可获得准确的结果。异常判断设备包括用于判断系统异常的多个异常判断装置，并且在多个异常判断装置判断存在异常的情况下，判断装置判断存在系统异常。因此，即使由一个异常判断装置判断发生局部异常状态或出现故障，最终判断不是基于该单独异常做出的，并且至少进行一个其它异常判断，因此可以消除错误判断并且可能进行高准确度地异常判断。
文档编号H01M8/04GK101194388SQ20068002010
公开日2008年6月4日 申请日期2006年6月6日 优先权日2005年6月6日
发明者弓田修, 木崎干士 申请人:丰田自动车株式会社