燃料电池系统和燃料电池状态检测方法

专利名称：燃料电池系统和燃料电池状态检测方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统和用于检测燃料电池的状态的方法。
背景技术：
燃料电池为通常利用氢气和氧气作为燃料获得电能的装置。由于从环境方面考虑 这些燃料电池占优势并且能够实现高能量效率，因此在广泛范围的领域中进行燃料电池的 开发，以用作未来的能量供应系统。特别地，由于在各种类型的燃料电池中聚合物电解质燃 料电池以比较低的温度工作，因此具有良好的启动性能。因此，正在积极地进行对这些燃料 电池的研究，以应用于众多领域中。在聚合物电解质燃料电池中，膜电极组件(MEA)介于隔离板(s印arator)之间。在 MEA中，阳极被设置在由具有质子传导性的固体聚合物电解质构成的电解质膜的一侧，并且 阴极被设置在电解质膜的另一侧。燃料电池的状态根据工作条件等变化。因此，已经开发出用于监测对由多个叠层 燃料电池组成的燃料电池堆中的每个电池组测量的电池电压的下降的技术(例如，参见公 开号为 2006-179338 的日本专利申请(JP-A-2006-179338))。然而，仅通过监测电压的下降很难精确地检测电池的状态。另外，尽管也能够对电 池组监测电池电压的下降，但是很难精确地检测包括在电池组中的电池的状态。另一方面， 为每个电池设置检测电池电压的装置会导致增加成本。

发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统和燃料电池状态检测方法，使得能够在抑 制成本增加的同时精确地检测燃料电池的状态在本发明的第一方案中，本发明涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统设置 有电压检测装置，其用于检测包括一个以上电池的电池组的电池电压；电流密度检测装 置，其用于检测电池组的发电电流密度；以及判定装置，其用于基于电压检测装置和电流密 度检测装置的检测结果来判定电池电压相对于发电电流密度的变化的拐点的存在或不存 在。在这一燃料电池系统中，能够对目标电池组检测拐点。因此，能够以高精度检测燃料电 池的状态。另外，由于即使多个电池包括在电池组中也能够检测拐点，所以不必为每个电池 设置电压检测装置。因此，能够降低成本。此外，作为发明人分析的结果，发现在电压降恒 定的状态下，浓差电池的电动势是基于阳极与阴极之间的氢气浓度差，该氢气浓度差由氢 气从阳极泄露到阴极或者由于阴极处缺氧而弓I起。判定装置还可以基于在规定条件下电池组的电池电压的一次回归电压与由电压 检测装置所检测到的电压之间的差来判定拐点的存在或不存在。判定装置还可以利用电池 组的电池电压与包括一个以上电池的标准电池组的标准电压之间的关系来判定电池组中 的拐点的存在或不存在。判定装置还可以在电池组的电池电压相对于电流密度的斜率已经 变得比标准电池组的标准电压相对于电流密度的斜率大规定量的情况下判定拐点为存在。
判定装置还可以以在相同电流密度下电池组的电池电压与标准电池组的标准电 压之间的背离率来判定拐点的存在或不存在。在这种情况下，能够以更大的精度判定拐点 的存在或不存在。判定装置还可以在背离率相对于电流密度的斜率为负的情况下判定拐点为存在。 判定装置还可以在背离率相对于电流密度的线性回归线的截距等于或大于规定值的情况 下判定拐点为存在。标准电池组可以具有比燃料电池堆中的平均发电性能高的发电性能。标准电池组 还可以具有比燃料电池堆中的平均发电耐久性高的发电耐久性。在这些情况下，能够以较 大的精度来检测拐点。在本发明的第二方案中，本发明涉及一种用于检测燃料电池的状态的方法，其具 有电压检测步骤，其中检测包括一个以上电池的电池组的电池电压；电流密度检测步骤， 其中检测电池组的发电电流密度；以及判定步骤，其中基于电压检测步骤和电流密度检测 步骤中的检测结果来判定电池电压相对于发电电流密度的变化的拐点的存在或不存在。在 用于检测燃料电池的状态的这一方法中，能够对目标电池组检测拐点。因此，能够以高精度 检测燃料电池的状态。另外，由于即使在电池组中包括多个电池也能够检测拐点，所以不必 为每个电池设置电压检测装置。因此，能够降低成本。在判定步骤中，还可以基于在规定条件下电池组的电池电压的一次回归电压与在 电压检测步骤中所检测到的电压之间的差来判定拐点的存在或不存在。在判定步骤中，还 可以利用电池组的电池电压与包括一个以上电池的标准电池组的标准电压之间的关系来 判定电池组中的拐点的存在或不存在。在判定步骤中，还可以在电池组的电池电压相对于 电流密度的斜率已经变得比标准电池组的标准电压相对于电流密度的斜率大规定量的情 况下判定拐点为存在。在判定步骤中，还可以以在相同电流密度下电池组的电池电压与标准电池组的标 准电压之间的背离率来判定拐点的存在或不存在。在此情况下，能够以较大的精度来判定 拐点的存在或不存在。在判定步骤中，还可以在背离率相对于电流密度的斜率为负的情况下判定拐点为 存在。在判定步骤中，还可以在背离率相对于电流密度的线性回归线的截距等于或大于规 定值的情况下判定拐点为存在。标准电池组可以具有比燃料电池堆中的平均发电性能高的发电性能。标准电池组 还可以具有比燃料电池堆中的平均发电耐久性高的发电耐久性。在这些情况下，能够以较 大的精度来检测拐点。本发明的第三方案涉及一种燃料电池系统，其包括电压检测装置，其用于检测包 括一个以上电池的电池组的电池电压；电流密度检测装置，其用于检测电池组的发电电流 密度；以及判定部，其基于电压检测装置和电流密度检测装置的检测结果来判定电池电压 相对于发电电流密度的变化的拐点的存在或不存在。根据本发明，能够以高精度来检测燃料电池的状态。


参考附图，在本发明的示例实施例的下面的详细说明中说明本发明的特征、优点以及技术和工业重要性，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中图IA和图IB为说明本发明的第一实施例的燃料电池系统的图；图2为说明电池中的发电反应的示意图；图3为说明电池中的氧气耗尽反应的示意图；图4为说明电池中的氢气耗尽反应的示意图；图5为示出电流密度与电池电压之间的关系的曲线图；图6A和图6B为说明利用标准电压检测拐点的曲线图；图7为示出用于计算标准电压的流程图的示例的图；图8为示出图7中的步骤Sl的判定程序的示例的图；图9为示出用于检测拐点的流程图的示例的图；图10为说明利用电流密度与标准电池组的标准电压之间的关系检测拐点的曲线 图；图11为示出用于检测拐点的流程图的示例的图；图12为示出在各个电池组中包括10个电池的情况的曲线图；图13为示出电流密度与背离率之间的关系的曲线图；图14A和图14B为示出用于检测拐点的流程图的示例的图；图15为示出用于检测拐点的流程图的示例的图；图16为说明背离率的一次回归(primary regression)的图；以及图17为示出用于检测拐点的流程图的示例的图。
具体实施例方式[第一实施例]图1为说明本发明的第一实施例的燃料电池系统100的图。图IA为示出燃料电 池系统100的总体构造的示意图。图IB为随后要说明的电池11的示意性剖面图。如图IA 所示，燃料电池系统100设有燃料电池堆10、燃料气体供给装置20、氧化剂气体供给装置 30、电压检测装置41、电流检测装置42和处理单元50。燃料电池堆10具有如下结构一个或多个电池组层叠，并且在各个电池组中一个 或多个电池11层叠。如图IB所示，电池11具有如下结构膜电极组件110介于隔离板120 与隔离板130之间。在膜电极组件110中，阳极催化剂层112和气体扩散层113在隔离板 120 —侧以此顺序结合到电解质膜111上，而阴极催化剂层114和气体扩散层115在隔离板 130 一侧以此顺序结合到电解质膜111上。电解质膜111由例如具有质子传导性的全氟磺 酸聚合物的固体聚合物电解质构成。阳极催化剂层112由载有催化剂的导电材料和质子传导电解质构成。阳极催化剂 层112中的催化剂为用于促进氢气的质子化的催化剂。例如，阳极催化剂层112包含载钼 碳或全氟磺酸聚合物。气体扩散层113由例如碳纸(carbon paper)或碳布的具有透气性 的导电材料构成。阴极催化剂层114由载有催化剂的导电材料和质子传导电解质构成。阴极催化剂 层114为用于促进质子与氢气之间的反应的催化剂。例如，阴极催化剂层114包含载钼碳 或全氟磺酸聚合物。气体扩散层115由例如碳纸或碳布的具有透气性的导电材料构成。
隔离板120和隔离板130由例如不锈钢的导电材料构成。允许燃料气体流动的燃 料气体流路121被设置在膜电极组件110 —侧的隔离板120中。允许氧化剂气体流动的氧 化剂气体流路131被设置在膜电极组件110 —侧的隔离板130中。例如，燃料气体流路121 和氧化剂气体流路131由形成在隔离板的表面中的凹槽构成。燃料气体供给装置20为通过燃料电池堆10的燃料气体入口将含有氢气的燃料气 体供给到燃料气体流路121的装置。燃料气体供给装置20由例如氢气气缸或重整器构成。 氧化剂气体供给装置30为通过燃料电池堆10的氧化剂气体入口将含有氧气的氧化剂气体 供给到氧化剂气体流路131的装置。氧化剂气体供给装置30由例如气泵构成。电压检测装置41检测各个电池组的电池电压并且将检测结果输出到随后将要说 明的控制装置51中。电流检测装置42检测燃料电池堆10的发电电流并且将检测结果输 出到控制装置51中。通过使电流检测装置42的检测结果除以各个电池11的发电区域的 表面积来获得发电电流密度。因此，电流检测装置42还用作发电电流密度检测装置。处理单元50包括控制装置51和判定装置52。处理单元50由中央处理单元(CPU)、 只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等构成。处理单元50的CPU执行规定的程序以 实现控制装置51和判定装置52。控制装置51控制燃料电池系统100的各个部件。判定装 置52基于电压检测装置41和电流检测装置42的检测结果来判定燃料电池堆10的状态。下面参考图1A、图IB和图2对在常规发电过程中燃料电池系统100的动作进行说 明。图2为说明电池11中的发电反应的示意图。首先，控制装置51控制燃料气体供给装 置20以使燃料气体被供给到燃料气体流路121中。该燃料气体通过渗透气体扩散层113 到达阳极催化剂层112。通过阳极催化剂层112的催化剂，包含在燃料气体中的氢气分解成 质子和电子。然后，质子由于被电解质膜111传导而到达阴极催化剂层114。另外，控制装置51控制氧化剂气体供给装置30，以使氧化剂气体被供给到氧化剂 气体流路131中。该氧化剂气体通过渗透气体扩散层115到达阴极催化剂层114。在催化 剂的作用下，质子和氧气在阴极催化剂层114中反应。结果，产生电力并且形成水。形成的 水通过氧化剂气体流路131排出。如果氧气在阴极侧被耗尽，则阴极催化剂层114中的水的形成反应被抑制。在此 情况下，如图3所示，氢气在阳极催化剂层112中被质子化，在阴极催化剂层114中两个质 子结合以形成氢气。因此，形成氢气浓差电池。在此情况下，与图2中的情况相比，电池电 压波动。如果氢气在阳极侧被耗尽，则氢气的质子化被抑制。在此情况下，如图4所示，在 阳极催化剂层112中发生水等物质的电解反应。在此情况下，与图2中的情况相比，电池电 压波动。能够通过检测电池电压中的这些波动来检测归因于氧气耗尽或氢气耗尽的电池异
堂
巾ο在本实施例中，根据在电池电压相对于发电电流密度的增大或减小的变化中是否 出现拐点来检测归因于氧气耗尽或氢气耗尽的电池异常。图5为示出电流密度与电池电压 之间的关系的曲线图。在图5中，电流密度被绘制在水平轴上，并且电池电压被绘制在垂直 轴上。如图5所示，在正常电池中，电池电压倾向于相对于电流密度的增大线性地降低。反 之，在已经出现例如氢气耗尽的问题的电池中，电池电压相对于电流密度增大而降低的量 较大，并且然后一旦电流密度超过规定的电流密度，电池电压降低的量变得较小。
电池电压相对于电流密度的斜率以此方式变化的点为拐点。如果检测到拐点，可 以判定在电池组的任一电池中发生例如氧气耗尽或氢气耗尽的问题。下面提供了检测拐点 的详细说明。图6A和图6B为说明利用标准电压检测拐点的曲线图。在图6A和图6B中，电流 密度被绘制在水平轴上，而各个电池组中每个电池的电压被绘制在垂直轴上。在图6A中， 基于标准电压Vstd与测量到的电压V之间的差来检测拐点。标准电压Vstd指的是在各个电池组中的电池电压不波动的前提下所获得的标准电 压。例如，标准电压Vstd为通过一次回归计算出的值。可以在例如当启动燃料电池堆10时 电流密度上升的过程中计算出该值，或者可以提前测量该值。然而，在电流密度的上限和下 限附近，电池电压可能不会相对于电流密度线性地变化。因此，可以在电池11能够输出的 电流密度的范围的上端和下端中的每一个除去规定量(例如，各约为5%)的同时通过一次 回归计算出该值。结果，能够提高一次回归的精度。下面提供了对计算标准电压Vstd的示例的说明。首先，在等于或小于规定值的电流 密度范围内确定电流密度的偏差的平方和(Σ (Ii-IaJ2)。这里，Ii表示电流密度，而Iare 表示上述电流密度范围内的平均电流密度。接下来，确定电流密度与平均电流密度的差和 每个电池的电压与每个电池的平均电压的差的乘积的和(Σ (Ii-Iave) (Vi-VaJ)0这里，Vi 表示每个电池的电压，而Vare表示上述电流密度范围内的平均电压。接下来，利用下面的公 式(1)来确定回归系数b，并且利用下面的公式(2)来确定回归方程截距a。结果，如下面 的公式(3)所示计算标准电压Vstd。b = ( Σ (Ii-Iave) (ν「ν_))/( Σ (I「Iave)2)(1)a = Vave-bXIave(2)Vstd = a+b XI(3)如图6A所示，在超过拐点的高电流密度的一侧，目标电池组的每个电池的测量电 压V-标准电压Vstd > 0。因此，测量电压V-标准电压Vstd的差变为正的点能够被检测作为 拐点。可以设定偏移量以避免测量误差、不期望的环境变化等。例如，如图6B所示，测量电 压V-标准电压Vstd > 0并且测量电压V-标准电压Vstd > C(此处，C为规定的偏移值)的 点能够被检测作为拐点。下面提供了对检测拐点的流程的说明。图7为示出用于计算标准电压Vstd的流程 图的示例的图。控制装置51以规定周期执行图7中的流程图。如图7所示，控制装置51 首先判定数据是否能被使用(步骤Si)。在此情况下，随后要说明的图8所示的流程图能够 用作判断标准。在步骤Sl中没有判定出数据能被使用的情况下，控制装置51结束流程图的执行。 在步骤Sl中已判定出数据能被使用的情况下，控制装置51从电压检测装置41获取各个电 池组的发电电压，同时还从电流检测装置42获取发电电流(步骤S2)。接下来，控制装置 51将发电电流数据和发电电压数据更新为在步骤S2中获取的值(步骤S3)。接下来，控制装置51利用更新的数据对各个电池组进行回归分析(单回归)(步 骤S4)。接下来，控制装置51计算截距a和回归系数b (步骤S5)。接下来，控制装置51将 截距a和回归系数b更新为在步骤S5中计算出的值(步骤S6)。随后，控制装置51结束流 程图的执行。通过执行该流程图能够为各个电池组计算出标准电压Vstd。
图8为示出图7中的步骤Sl的判定程序的示例的图。作为执行图7中的步骤Sl 的结果，执行图8中的流程图。首先，控制装置51判定异常避免措施是否正在进行(步骤
511)。异常避免措施指的是用于避免燃料电池堆10中的异常的特定措施。在步骤Sll中 判定出异常避免措施正在进行的情况下，控制装置51判定出数据不能被使用(步骤S12)。 随后，控制装置51结束流程图的执行。在步骤Sll中没有判定出错误避免措施正在进行的情况下，控制装置51判定流过 燃料电池堆10的冷却水的温度是否在指定范围内(步骤S13)。在步骤S13中没有判定出 冷却水的温度在指定范围内的情况下，控制装置51判定出数据不能被使用(步骤SU)。随 后，控制装置51结束流程图的执行。在步骤S13中已判定出冷却水的温度在指定范围内的情况下，控制装置51判定电 池电压或发电电流的加速度或减速度是否过大(在指定范围内)(步骤S14)。在步骤S14中 已判定出加速度或减速度过大的情况下，控制装置51判定出数据不能被使用(步骤S12)。 随后，控制装置51结束流程图的执行。在步骤S14中没有判定出加速度或减速度过大的情况下，控制装置51判定反应气 体(燃料电池堆中)的压力是否等于或大于指定值(步骤S15)。在步骤S15中没有判定 出反应气体的压力等于或大于指定值的情况下，控制装置51判定出数据不能被使用(步骤
512)。在步骤S15中已判定出反应气体的压力等于或大于指定压力的情况下，控制装置51 判定出数据能被使用(步骤S16)。换句话说，控制装置51判定出应当避免燃料电池堆10 中的异常。随后，控制装置51结束流程图的执行。当在图8中的流程图中判定出数据能被使用时，执行图9中的流程图。图9为示 出用于检测拐点的流程图的示例的图。判定装置52以规定周期执行图9中的流程图。更 具体地，在例如在规定量的时间已经过后电流密度以规定量变化的情况下执行图9中的流 程图。如图9所示，判定装置52首先在相同电流密度的条件下对目标电池组判定测量电压 V-标准电压Vstd > 0是否成立(步骤S21)。如果在步骤S21中没有判定出测量电压V-标 准电压Vstd大于0，则判定装置52结束流程图的执行。在步骤S21中已判定出测量电压V-标准电压Vstd大于0的情况下，判定装置52判 定测量电压V-标准电压Vstd >偏移值C是否成立(步骤S23)。在步骤S23中没有判定出 测量电压V-标准电压Vstd大于偏移值C的情况下，判定装置52结束流程图的执行。在步 骤S23中已判定出测量电压V-标准电压Vstd大于偏移值C的情况下，判定装置52判定出 在目标电池组中存在异常。随后，判定装置52结束流程图的执行。根据图9中的流程图，能够为目标电池组检测拐点。因此，能够精确地判定在目标 电池组的任一电池中是否已出现异常。在此情况下，能够通过切换工作条件等来抑制燃料 电池堆10的发电性能的下降。另外，还能够通过更换目标电池组的部件来抑制燃料电池堆 10的发电性能的下降。而且，由于即使在电池组中包括多个电池时也能够检测拐点，所以不 必为每个电池设置电压检测装置。结果，能够降低成本。此外，尽管在上述实施例中在测量电压V-标准电压Vstd > 0或者测量电压V-标 准电压Vstd > 0并且测量电压V-标准电压Vstd > C的情况下检测到电池组的拐点，但拐点 检测不限于此。例如，还可以在测量电压V与标准电压Vstd的方差(variance)等于或大于 规定值的情况下为电池组检测拐点为存在。
[第一变型例]此外，还可以利用标准电池组的电池电压作为标准电压并且利用 与这一标准电压的关系来检测拐点。图10为说明利用与标准电压的关系来检测拐点的曲 线图。在图10中，电流密度被绘制在水平轴上，并且各个电池组中的每个电池的电压被绘 制在垂直轴上。具有相对高的发电性能的电池组的电池电压优选地用作标准电压。例如，具有最 大电池电压的电池组的值可以用作标准电压，或者具有等于或大于各个电池组中的平均电 池电压的电池电压的电池组的值可以用作标准电压。另外，比其他电池组具有较少数量的 电池的电池组(例如，具有最少数量电池的电池组)的值可以用作标准电压。而且，具有高 耐久性的电池组的值可以用作标准电压。这里，具有高耐久性的电池组指的是抗劣化的电 池组。例如，设有含高结晶形碳的催化剂层的电池组、或者设有载有具有大颗粒直径的钼的 催化剂层的电池组能够用作具有高耐久性的电池组。另外，还可以使用已提前测量的电池 组的电池电压。此外，还可以使用在电池11能够输出的电流密度的范围的上端和下端中的 每一个除去规定量(例如，各约为5% )得到的电压值作为标准电压。在这一变型例中，作 为示例，显示最高电池电压的电池组的电池电压Vmax用作标准电压。另外，显示最低电池电 压Vmin的电池组用作目标电池组。如图10所示，在电流密度增大时，用作标准电压的电压Vmax线性地下降。另外，显 示反应气体在正常范围内波动的电池组指示接近于标准电压的电压。与其相比，在已经耗 尽反应气体的电池组中，与标准电压相比电池电压下降并且出现拐点。在这一变型例中，利用标准电压相对于电流密度的斜率来检测拐点。当电流密度 低于拐点处的电流密度时，dVmin/dI-dVmax/dI < 0。相反地，在超过拐点的高电流密度一侧， dVmin/dI-dVmax/dI > 0。因此，能够通过判定dVmin/dI-dVmax/dI是否从正值变成负值来判定 拐点的存在或不存在。在考虑测量误差等时，在dVmin/dI_dVmax/dI >E(偏移值)的情况下， 可以判定拐点为存在。图11为示出用于检测拐点的流程图的示例的图。判定装置52以规定周期执行图 11中的流程图。更具体地，例如在规定量的时间已经过的情况下或者在电流密度已以规定 量变化的情况下，执行图11中的流程图。如图11所示，判定装置52判定在相同电流密度 的条件下Vmax-Vmin > D是否成立(步骤S31)。通过以此方式为Vmax与Vmin之间的差设置规 定阈值，能够精确地检测出存在拐点的电池组。在步骤S31中没有判定出Vmax-Vmin大于D的 情况下，判定装置52结束流程图的执行。在步骤S31中已判定出Vmax-Vmin大于D的情况下，判定装置52判定dVmin/dI_dVmax/ dl >偏移值E是否成立(步骤S3》。通过以此方式设置偏移值，能够避免由测量误差等引 起的错误判定。在步骤S32中没有判定出dVmin/dI-dVmax/dI大于偏移值E的情况下，判定 装置52结束流程图的执行。在步骤S32中已判定出dVmin/dI-dVmax/dI大于偏移值E的情况 下，判定装置52判定出在目标电池组中已发生异常(步骤S3； )。随后，判定装置52结束流 程图的执行。根据图11中的流程图，能够为目标电池组检测拐点。因此，能够以高精度判定在 目标电池组的任一电池中是否已经发生异常。而且，由于即使在电池组中包括多个电池也 能够检测拐点，所以不必为每个电池设置电压检测装置。结果，能够降低成本。[第二变型例]这里，在各个电池组中包括的电池11的数量越大，检测拐点越难。图12表示在各个电池组中包括10个电池11的示例。在图12中，电流密度被绘制在水平 轴上，并且通过使各个电池组的电池电压除以各个电池组中包括的电池的数量所获得的值 被绘制在垂直轴上。如图12所示，标准电池组的标准电压与已出现问题的电池组的电池电 压之间的差变小。因此，很难检测出拐点。因此，在这一变型例中，利用目标电池组的发电电压与标准电压的背离率来检测 拐点。这里，可以如下面的公式(4)所示来定义背离率。此外，在下面的公式中，在相 同电流密度的条件下使用电压值。背离率=(标准电压-目标电池组的发电电压)/标准电压X 100% (4)图13为示出电流密度与背离率之间的关系的曲线图。在图13中，电流密度被绘 制在水平轴上，并且背离率被绘制在垂直轴上。如图13所示，在反应气体在正常范围内波 动的情况下，背离率随着电流密度的增大而增大。与其相比较，在反应气体已经耗尽的电池 组中，背离率随着电流密度的增大而增大，然后起始于规定值处开始下降。检测该值作为拐 点ο图14A、图14B和图15为示出用于检测拐点的流程图的示例的图。判定装置52以 规定周期执行图14A、图14B和图15中的流程图。更具体地，在例如规定量的时间已经过 的情况下或者在电流密度以规定量变化的情况下，执行图14A、图14B和图15中的流程图。 如图14A所示，判定装置52以与图9中的步骤S21相同的方式判定在相同电流密度的条件 下测量电压V-标准电压Vstd > 0是否成立(步骤S41)。在步骤S41中没有判定出测量电 压V-标准电压Vstd大于0的情况下，判定装置52结束流程图的执行。在步骤S41中已判定出测量电压V-标准电压Vstd大于0的情况下，判定装置52判 定背离率(d(Vmax-V)/dl)相对于电流密度的增大是否具有负斜率(步骤S42)。在步骤S42 中没有判定出背离率具有负斜率的情况下，判定装置52结束流程图的执行。在步骤S42中 已判定出背离率具有负斜率的情况下，判定装置52判定出在目标电池组的任一电池11中 已发生异常(步骤S4!3)。随后，判定装置52结束流程图的执行。另外，如图14B所示，判定装置52还可以以与图11中的步骤S31而不是图14A中 的步骤S41相同的方式来判定Vmax-V > D是否成立(步骤S51)。另外，如图15所示，判定装置52可以执行步骤S62，而不是图14A中的步骤S42。 在步骤S62中，判定装置52判定在目标电池组的低电流密度区域中背离率相对于电流密度 的斜率l\。w与在目标电池组的高电流密度区域中背离率相对于电流密度的斜率I3lligh的乘积 是否为负。在此情况下，在出现拐点的情况下，斜率或斜率I3mgh中的任一个为正值，并 且另一个为负值。因此，在出现拐点的情况下，1\。1^131^<0。此外，必要时能够重新设定 上述低电流密度区域和高电流密度区域。根据图14A、图14B和图15中的流程图，能够利用目标电池组的背离率来检测拐 点。因此，能够以高精度判定在目标电池组中是否已经发生异常。而且，由于即使在电池组 中包括多个电池也能够检测拐点，所以不必为每个电池设置电压检测装置。结果，能够降低 成本。[第三变型例]还可以基于目标电池组的背离率的一次回归线的截距来判定拐点 的存在或不存在。如图13中所说明，当拐点存在时，背离率相对于电流密度的斜率从正变 成负。因此，当拐点存在时，如图16所示背离率的一次回归线的截距变大。然后，在这一截
12距等于或大于规定值的情况下，能够判定拐点为存在。图17为示出用于检测拐点的流程图的示例的图。判定装置52以规定周期执行图 17中的流程图。更具体地，在例如规定量的时间已经过或者电流密度以规定量变化的情况 下执行图17中的流程图。如图17所示，判定装置52首先以与图9中的步骤S21相同的方 式来判定测量电压V-标准电压Vstd > 0是否成立(步骤S71)。在步骤S71中没有判定出 测量电压V-标准电压Vstd大于0的情况下，判定装置52结束流程图的执行。在步骤S71中已判定出测量电压V-标准电压Vstd大于0的情况下，判定装置52判 定目标电池组的背离率的一次回归方程的截距^lin是否等于或大于阈值E (步骤S72)。在 步骤S72中没有判定出截距^lin等于或大于阈值E的情况下，判定装置52结束流程图的执 行。在步骤S72中已判定出截距^lin等于或大于阈值E的情况下，判定装置52判定出在目 标电池组的任一电池11中已经发生异常(步骤S7!3)。随后，判定装置52结束流程图的执 行。根据图17中的流程图，能够利用目标电池组的背离率来检测拐点。因此，能够以 高精度检测目标电池组中是否已经发生异常。而且，由于即使在电池组中包括多个电池也 能够检测拐点，所以不必为每个电池设置电压检测装置。结果，能够降低成本。在上述实施例和变型例中，燃料电池堆包括至少一个电池组，所述电池组包括多 个电池。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括电压检测装置，其用于检测包括一个以上电池的电池组的电池电压；电流密度检测装置，其用于检测所述电池组的发电电流密度；以及判定装置，其用于基于所述电压检测装置和所述电流密度检测装置的检测结果来判定 所述电池电压相对于所述发电电流密度的变化的拐点的存在或不存在。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述判定装置基于在规定条件下所述电池组的所述电池电压的一次回归电压与由所 述电压检测装置所检测到的所述电压之间的差来判定所述拐点的存在或不存在。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中当由所述电压检测装置所检测到的所述电压已经变得大于所述电池组的所述电池电 压的所述一次回归电压时，所述拐点被判定为存在。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中在所述电池组的所述电池电压的所述一次回归电压与由所述电压检测装置所检测到 的所述电压之间的差等于或大于规定值的情况下，所述拐点被判定为存在。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述判定装置利用所述电池组的所述电池电压与包括一个以上电池的标准电池组的 标准电压之间的关系来判定所述电池组中的所述拐点的存在或不存在。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中在所述电池组的所述电池电压相对于所述电流密度的斜率已经变得比所述标准电池 组的所述标准电压相对于所述电流密度的斜率大规定量的情况下，所述判定装置判定所述 拐点存在。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述判定装置以在相同电流密度下所述电池组的所述电池电压与所述标准电池组的 所述标准电压之间的背离率来判定所述拐点的存在或不存在。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中在所述背离率相对于所述电流密度的斜率已经变为负的情况下，所述判定装置判定所 述拐点存在。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中在所述背离率相对于所述电流密度的回归线的截距等于或大于规定值的情况下，所述 判定装置判定所述拐点存在。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的燃料电池系统，其中所述标准电池组具有比燃料电池堆中的平均发电性能高的发电性能。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述标准电池组为在所述燃料电池的所述电池组中具有最高电压的电池组。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述标准电池组为在所述燃料电池的所述电池组中具有最少数量电池的电池组。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的燃料电池系统，其中所述标准电池组具有比燃料电池堆中的平均发电耐久性高的发电耐久性。
14.根据权利要求3至13中任一项所述的燃料电池系统，其中与所述标准电池组相比较的电池组为在燃料电池堆中具有最低电压的电池组。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃料电池系统，其中所述判定装置判定当满足规定条件时要避免燃料电池中的异常，并且判定所述拐点的 存在或不存在。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述规定条件包括以下条件中的至少一个流过所述燃料电池的冷却剂的温度是否在 规定范围内、所述电池电压或发电电流的加速度或减速度是否在规定范围内以及所述燃料 电池内的反应气体压力是否小于规定值。
17.一种用于检测燃料电池的状态的方法，包括电压检测步骤，其中检测包括一个以上电池的电池组的电池电压；电流密度检测步骤，其中检测所述电池组的发电电流密度；以及判定步骤，其中基于在所述电压检测步骤和所述电流密度检测步骤中的检测结果来判 定所述电池电压相对于所述发电电流密度的变化的拐点的存在或不存在。
18.根据权利要求17所述的状态检测方法，其中在所述判定步骤中，基于在规定条件下所述电池组的所述电池电压的一次回归电压与 在所述电压检测步骤中所检测到的所述电压之间的差来判定所述拐点的存在或不存在。
19.根据权利要求17所述的状态检测方法，其中在所述判定步骤中，利用所述电池组的所述电池电压与包括一个以上电池的标准电池 组的标准电压之间的关系来判定所述电池组中的所述拐点的存在或不存在。
20.根据权利要求19所述的状态检测方法，其中在所述判定步骤中，在所述电池组的所述电池电压相对于所述电流密度的斜率已经变 得比所述标准电池组的所述标准电压相对于所述电流密度的斜率大规定量的情况下，所述 拐点被判定为存在。
21.根据权利要求19所述的状态检测方法，其中在所述判定步骤中，以在相同电流密度下所述电池组的所述电池电压与所述标准电池 组的所述标准电压之间的背离率来判定所述拐点的存在或不存在。
22.根据权利要求21所述的状态检测方法，其中在所述判定步骤中，在所述背离率相对于所述电流密度的斜率已经变为负的情况下， 所述拐点被判定为存在。
23.根据权利要求21所述的状态检测方法，其中在所述判定步骤中，在所述背离率相对于所述电流密度的回归线的截距等于或大于规 定值的情况下，所述拐点被判定为存在。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的状态检测方法，其中所述标准电池组具有比燃料电池堆中的平均发电性能高的发电性能。
25.根据权利要求19至23中任一项所述的状态检测方法，其中所述标准电池组具有比 燃料电池堆中的平均发电耐久性高的发电耐久性。
26.一种燃料电池系统，包括电压检测装置，其用于检测包括一个以上电池的电池组的电池电压；电流密度检测装置，其用于检测所述电池组的发电电流密度；以及判定部，其用于基于所述电压检测装置和所述电流密度检测装置的检测结果来判定所 述电池电压相对于所述发电电流密度的变化的拐点的存在或不存在。
全文摘要
一种燃料电池系统(100)，设置有电压检测装置(41)，其用于检测包括一个以上电池(11)的电池组的电池电压；电流密度检测装置(42)，其用于检测电池组的发电电流密度；以及判定部(52)，其用于基于电压检测装置和电流密度检测装置的检测结果来判定电池电压相对于发电电流密度的变化的拐点的存在或不存在。
文档编号H01M8/04GK102124597SQ200980132419
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年8月20日
发明者荒木康 申请人:丰田自动车株式会社