專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及燃料電池的老化判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，尤其是涉及基于空氣供給量判斷燃料電池的電解 質(zhì)的老化的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃料電池組的電解質(zhì)老化，電解質(zhì)膜破裂或耐差壓 特性降低，由此導(dǎo)致有時發(fā)生交叉泄漏。因此，以往開發(fā)了用于檢測交叉泄漏的發(fā)生的系 統(tǒng)。例如，日本特開2006-120375號公報中公示有一種燃料電池系統(tǒng)，在從燃料電池組排 放的空氣中的氫濃度在規(guī)定值以上的情況下，判斷為發(fā)生了交叉泄漏，緊急停止燃料電池 (專利文獻(xiàn)1)。另外，在輕負(fù)載時及空轉(zhuǎn)時燃料電池的發(fā)電電壓上升，擔(dān)心促進(jìn)燃料電池的老 化，因此開發(fā)了抑制燃料電池的發(fā)電電壓的上升，抑制燃料電池的老化的系統(tǒng)(以下，將 防止燃料電池上升到一定以上的電壓的處理稱為“高電位回避處理”)。例如，在日本特開 2007-109569號公報中，作為通過高電位回避處理抑制燃料電池的老化的單元，公示有一種 燃料電池系統(tǒng)，其以單體電池電壓成為預(yù)先設(shè)定的規(guī)定的上限電壓以下的方式使空氣壓縮 機(jī)工作，以間歇地向燃料電池組供給空氣的方式進(jìn)行控制(專利文獻(xiàn)2)。另外，作為系統(tǒng)停止時產(chǎn)生的交叉泄漏防止對策，例如，在日本特開2007-103023 號公報中，作為對在系統(tǒng)停止后的放置中從陽極交叉溢出并蓄積于陰極的氫進(jìn)行處理的技 術(shù)，公示有一種燃料電池系統(tǒng)，在燃料電池起動時向關(guān)閉閥和空氣調(diào)壓閥之間壓送封入氧 化劑氣體直到成為規(guī)定壓力，對陰極路徑內(nèi)具有的氫在陰極內(nèi)的催化劑上進(jìn)行燃燒處理 (專利文獻(xiàn)3)。另外，在電解質(zhì)膜由于氧的吸附老化的情況下，存在抑制空氣的供給并降低燃料 電池的輸出電壓而使其在還原區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將氧化后的催化劑層活化的技術(shù)(以下，將 該處理稱為“催化劑活化處理”)。作為與這種燃料電池的催化劑活化處理有關(guān)的技術(shù)，例 如，在日本特開2003-115318號公報中公示有如下技術(shù)將單體電池電壓設(shè)定為0. 6V以下， 使大的電流流過，由此在氧中產(chǎn)生還原反應(yīng)，使鉬催化劑層活化(專利文獻(xiàn)4)。另外，燃料電池的單體電池中含有的水分量未能控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時，單體電 池過分干燥或濕潤度過高都會使單體電池的老化加快。于是，在日本特開2005-32587號公 報中公開如下技術(shù)利用單體電池的水分狀態(tài)與單體電池的開路電壓之間的關(guān)系，在單體 電池的開路電壓比第一閾值電壓低時，判斷為單體電池為干燥狀態(tài)，在單體電池的開路電 壓比第二閾值電壓高時，判斷為水分過多狀態(tài)，適當(dāng)?shù)乜刂茊误w電池的水分狀態(tài)(專利文 獻(xiàn)5) ο在此，尤其是由于在單體電池的電壓過低的情況下單體電池的老化較大，因此設(shè) 定不許低于的單體電池的最低下限電壓，理想的是，單體電池電壓低于該最低下限電壓時， 以按規(guī)定量供給空氣并使電壓上升的方式進(jìn)行處理(以下，將該處理稱為“單體電池電壓 下降防止處理”)。
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專利文獻(xiàn)1 日本特開2006-120375號公報(段落0053,0054等)專利文獻(xiàn)2 日本特開2007-109569號公報(段落0044 0045等)專利文獻(xiàn)3 日本特開2007-103023號公報(段落0037 0044等)專利文獻(xiàn)4 日本特開2003-115318號公報(段落0012 0014等)專利文獻(xiàn)5 日本特開2005-32587號公報(段落0040 0058等)但是，由于在上述專利文獻(xiàn)1記載的交叉泄漏檢測方法中使用的氫濃度傳感器是 高價的傳感器，因此優(yōu)選替代應(yīng)用氫濃度傳感器的直接的交叉泄漏檢測，而用其它的要素 推測交叉泄漏的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明是為了解決所述問題而開發(fā)的，其目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)， 不用高價的傳感器，能夠基于空氣供給量正確地檢測交叉泄漏的發(fā)生，能夠確切地判斷電 解質(zhì)的老化。在此，在所述單體電池電壓下降防止處理中，單體電池中的電解質(zhì)膜老化而產(chǎn)生 交叉泄漏時，與單體電池電壓下降防止處理所需要的反應(yīng)氣體(例如，氧化氣體)的供給 量相比，反應(yīng)氣體的消耗量有增大的傾向。因此，為了解決所述課題，認(rèn)為只要將計測的反 應(yīng)氣體的供給量與正常時的氧化氣體供給量相比較地進(jìn)行監(jiān)視，就能夠檢測交叉泄漏的發(fā) 生。反應(yīng)氣體供給量和反應(yīng)氣體供給處理的頻度(間隔)有相關(guān)關(guān)系，因此基于反應(yīng)氣體 供給處理的頻度能夠判斷反應(yīng)氣體供給量的大小，能夠推測交叉泄漏的發(fā)生。但是，反應(yīng)氣體的供給量不是僅與交叉泄漏的發(fā)生量對應(yīng)，也是與系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀 況對應(yīng)變動的要素，因此基于反應(yīng)氣體的供給量及反應(yīng)氣體的供給處理的頻度并不能正確 地檢測出交叉泄漏的發(fā)生。于是，本發(fā)明者想到了如下的即使基于反應(yīng)氣體的供給量也能夠正確地檢測出交 叉泄漏的發(fā)生的發(fā)明。本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，基于燃料電池的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給到該燃料電池的 反應(yīng)氣體量判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化，其特征為，考慮為了進(jìn)行該間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供 給的反應(yīng)氣體量和為了維持該燃料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體量，來判斷該燃料電池的 電解質(zhì)膜的老化。通過這樣構(gòu)成，在考慮為了進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而需要的反應(yīng)氣體流量之外為了維持燃 料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體量的影響的基礎(chǔ)上，判斷有無交叉泄漏，因此能夠可靠地 檢測出交叉泄漏的發(fā)生，能夠可靠地檢測得知電解質(zhì)的老化。在此，所謂“間歇運(yùn)轉(zhuǎn)”是指在從燃料電池系統(tǒng)的電源開到電源關(guān)的期間中，由于 各種情況，在規(guī)定的期間，間歇地使燃料電池的發(fā)電停止的運(yùn)轉(zhuǎn)或模式。另外，所謂“為了維持功能”，意思是獲得與系統(tǒng)要求對應(yīng)而要求的必要的發(fā)電電 力之外的目的，具體而言，包括燃料電池的耐久性及安全性、性能維持等目的。在此，“反應(yīng)氣體”是包含氧化氣體(空氣)和燃料氣體(氫氣)兩者的概念，氧化 氣體的消耗量和燃料氣體的消耗量之間有相關(guān)關(guān)系，因此可以將任一個或雙方作為老化判 斷的參數(shù)使用。例如，為了維持所述燃料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體是為了進(jìn)行所述燃料電池
5的高電位回避處理而消耗的氧化氣體。用于進(jìn)行燃料電池的老化防止的高電位回避處理中，定期地供給氧化氣體，以使 燃料電池的輸出電壓不上升到規(guī)定的閾值以上。為了進(jìn)行該高電位回避處理而供給的氧化 氣體是用于進(jìn)行燃料電池的功能維持的氣體，不是交叉泄漏的發(fā)生而消耗的氣體。這一點(diǎn) 上，根據(jù)該構(gòu)成，認(rèn)為在為了進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而需要的氧化氣體流量之外，為了進(jìn)行高電位回 避處理而增加氧化氣體流量，因此能夠正確地檢測交叉泄漏的發(fā)生。另外，例如在所述燃料電池系統(tǒng)中，為了維持所述燃料電池的功能而消耗的反應(yīng) 氣體是結(jié)束所述電解質(zhì)膜的催化劑活化處理時所供給的氧化氣體。在燃料電池的單體電池中，在使氧化的催化劑還原的催化劑活化處理中，縮減氧 化氣體供給量而使發(fā)電電壓下降，在還原區(qū)域發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在催化劑活化處理后需要 暫時地供給氧化氣體而返回通常運(yùn)轉(zhuǎn)模式。在剛剛進(jìn)行該催化劑活化處理之后供給的氧化 氣體也是用于維持燃料電池的功能的反應(yīng)氣體，不會因交叉泄漏的發(fā)生而被消耗。這一點(diǎn) 上，根據(jù)該構(gòu)成，將在燃料電池的功能維持處理的一形態(tài)即催化劑活化處理結(jié)束時需要的 氧化氣體的量排除在外而能夠判斷氧化氣體流量，因此能夠可靠地檢測出電解質(zhì)的老化。在此，在所述的燃料電池系統(tǒng)中，也可以具備在所述燃料電池的單體電池電壓達(dá) 到規(guī)定的下限電壓時供給規(guī)定量的氧化氣體的單元；對該氧化氣體供給的實際時間間隔進(jìn) 行計測的單元；及老化判斷單元，基于計測到的該氧化氣體供給的實際時間間隔和該燃料 電池的電解質(zhì)膜為正常的情況下的氧化氣體供給的理論時間間隔，來判斷所述燃料電池的 老化。根據(jù)這樣的構(gòu)成，為了進(jìn)行單體電池電壓降低處理而周期性地供給作為反應(yīng)氣體 的氧化氣體，但是該燃料電池的電解質(zhì)膜為正常的情況下的氧化氣體供給的理想時間間隔 應(yīng)該和實際計測的實際時間間隔大致相同，在交叉泄漏發(fā)生時氧化氣體的消耗量增加，氧 化氣體的供給時間間隔縮短，因此能夠檢測出交叉泄漏的發(fā)生。因此，可以使用氧化氣體供 給的時間間隔來代替氫濃度傳感器及反應(yīng)氣體的流量傳感器，因此能夠在成本方面利用有 利的手段檢測電解質(zhì)的老化。另外，在所述燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選的是，所述計測氧化氣體供給的實際時間間隔 的單元在計測所述氧化氣體供給的實際時間間隔時，將所述催化劑活化處理后即可進(jìn)行的 氧化氣體的供給排除在外而計測所述氧化氣體供給的實際時間間隔。催化劑活化處理結(jié)束后即可進(jìn)行的氧化氣體的供給是隨著催化劑活化處理之類 的例外的處理的例外的氧化氣體供給處理，因此根據(jù)該構(gòu)成，在計測氧化氣體供給的實際 時間間隔時，將催化劑活化處理后即可進(jìn)行的氧化氣體的供給處理排除在外，因此能夠可 靠地且在成本方面有利地檢測電解質(zhì)的老化。另外，在所述的燃料電池系統(tǒng)中，其特征為，具備關(guān)系表，該關(guān)系表記錄了所述燃 料電池的燃料氣體消耗量和伴隨該燃料氣體消耗量的增加而變化的所述氧化氣體供給的 理論時間間隔之間的關(guān)系，還具備基于所述燃料電池的輸出電流來推測所述燃料氣體消 耗量的單元；及參照該關(guān)系表取得與推測出的該燃料氣體消耗量對應(yīng)的所述氧化氣體供給 的理論時間間隔的單元，所述老化判斷單元基于計測出的所述氧化氣體供給的實際時間間 隔是否比取得的與該燃料氣體消耗量對應(yīng)的所述氧化氣體供給的理論時間間隔短，來判斷 所述燃料電池的電解質(zhì)的老化。
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通過用于維持燃料電池的功能的措施而燃料電池的發(fā)電量上升時，燃料氣體的消 耗量上升，與此對應(yīng)氧化氣體的消耗量上升。根據(jù)這樣的構(gòu)成，關(guān)系表記錄與正常時的燃料 氣體消耗量對應(yīng)的氧化氣體的消耗量，即記錄氧化氣體供給的理論時間間隔。因此，只要參 照該關(guān)系表，即使在為了進(jìn)行功能維持而燃料氣體的消耗量增加且與此對應(yīng)氧化氣體供給 的實際時間間隔變短的情況下，也能夠取得燃料氣體的消耗量增加時的氧化氣體供給的理 論時間間隔，通過與計測到的氧化氣體供給的實際時間間隔進(jìn)行比較，能夠正確判斷是否 發(fā)生交叉泄漏。另外，在本發(fā)明中，也可以將從為了進(jìn)行所述間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量中減 去為了進(jìn)行功能維持而消耗的反應(yīng)氣體量而得到的氧化氣體量推測為燃料電池的電解質(zhì) 膜的交叉泄漏量。本發(fā)明認(rèn)為，若簡單地考慮，將為了進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量(總量)設(shè) 定為Q、將為了進(jìn)行功能維持而消耗的反應(yīng)氣體量設(shè)定為Q2、將燃料電池的電解質(zhì)膜中產(chǎn) 生的交叉泄漏量設(shè)定為Q2時，有Q —Q1+Q2的關(guān)系。因此，為了進(jìn)行功能維持而消耗的反 應(yīng)氣體量Q2在用傳感器等檢測單元直接的或通過用于由計算機(jī)進(jìn)行的推測的運(yùn)算而間接 地求取的情況下，也可以通過Q2 N Q-Ql的運(yùn)算來推測交叉泄漏量Q2。本發(fā)明提供一種燃料電池的老化判斷方法，基于燃料電池的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給到該 燃料電池的反應(yīng)氣體量來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化，其特征為，具備測定為了進(jìn) 行該間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量的步驟；測定為了維持該燃料電池的功能而消耗的反應(yīng) 氣體量的步驟；及基于為了進(jìn)行該間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量和為了維持該燃料電池的 功能而消耗的反應(yīng)氣體量來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化的步驟。本發(fā)明提供一種燃料電池的老化判斷方法，具備在該燃料電池的單體電池電壓 達(dá)到規(guī)定的下限電壓時供給規(guī)定量的氧化氣體的步驟；計測該氧化氣體供給的實際時間間 隔的步驟；及基于計測到的該氧化氣體供給的實際時間間隔和該燃料電池的電解質(zhì)膜為正 常的情況下的氧化氣體供給的理論時間間隔，來判斷該燃料電池老化的步驟。根據(jù)本發(fā)明，考慮間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給的反應(yīng)氣體流量和為了進(jìn)行燃料電池的功能維 持而消耗的反應(yīng)氣體流量，判斷燃料電池的電解質(zhì)膜的老化，因此不使用高價的傳感器，基 于反應(yīng)氣體供給量就能夠可靠地檢測交叉泄漏的發(fā)生，能夠正確地判斷電解質(zhì)的老化。


圖1是表示本發(fā)明實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)成的構(gòu)成圖；圖2是表示本發(fā)明實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的控制部5的功能塊的構(gòu)成的構(gòu)成 圖；圖3是表示鼓風(fēng)間隔和單體電池電壓之間的關(guān)系的圖表；圖4是表示根據(jù)發(fā)電電流推測的燃料氣體消耗量和空氣供給理論時間間隔之間 的關(guān)系特性的圖表；圖5是表示判斷本發(fā)明實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的電解質(zhì)老化的 處理的動作順序的流程圖；圖6是表示進(jìn)行催化劑活化處理時的鼓風(fēng)間隔和單體電池電壓之間的關(guān)系的圖 表；
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圖7是表示判斷本發(fā)明實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的電解質(zhì)老化的 處理的動作順序的流程圖；圖8是表示本發(fā)明實施方式3的FC控制部52的功能塊的構(gòu)成的構(gòu)成圖。
具體實施例方式下面，以實施方式1、實施方式2的順序，參照

用于實施本發(fā)明的適當(dāng)?shù)?實施方式。以下的各實施方式是在電動汽車中搭載的混合燃料電池系統(tǒng)中應(yīng)用本發(fā)明的 例。另外，各實施方式不過是本發(fā)明的適用形態(tài)的簡單的例示，不限定本發(fā)明。(實施方式1)圖1是表示本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的整體構(gòu)成的構(gòu)成圖。如圖1所示，本實施方式的燃料電池系統(tǒng)由向后述的燃料電池100供給燃料氣體 (陽極氣體、氫氣)的燃料氣體供給系統(tǒng)1、向燃料電池100供給氧化氣體(陰極氣體、空 氣)的陰極氣體供給系統(tǒng)2、電力系統(tǒng)4、及進(jìn)行必要的控制的控制部5 (控制單元)構(gòu)成。 也可以將燃料氣體和氧化氣體總稱為反應(yīng)氣體。燃料電池100具備層疊多個單體電池而成的堆疊結(jié)構(gòu)。各單體電池的結(jié)構(gòu)為 由具有燃料氣體流路、氧化氣體流路、冷卻水流路的一對隔板夾持稱為MEA(Membrane Electrode Assembly 膜電極組件)的發(fā)電體。MEA的結(jié)構(gòu)為由陽極及陰極二個電極夾持 高分子電解質(zhì)膜。陽極構(gòu)成為在多孔質(zhì)支承層上設(shè)置燃料極用催化劑層，陰極構(gòu)成為在多 孔質(zhì)支承層上設(shè)置空氣極用催化劑層。除此之外，作為燃料電池的形態(tài)，可以應(yīng)用磷酸型、 溶融碳酸鹽型等燃料電池。這些電極的催化劑層例如附著鉬粒子而構(gòu)成。燃料電池100發(fā)生水的電分解的逆反應(yīng)，從燃料氣體供給系統(tǒng)1向陽極(陰極) 側(cè)供給燃料氣體即氫。從氧化氣體供給系統(tǒng)2向陰極(陽極)側(cè)供給含有氧的氧化氣體即 空氣。在陽極側(cè)產(chǎn)生式(1)的反應(yīng)，在陰極側(cè)產(chǎn)生式(2)的反應(yīng)，使電子循環(huán)而流過電流。H2 — 2H++2e"......(1)2H++2e>(l/2) O2 — H2O......(2)燃料氣體供給系統(tǒng)1具備作為氫氣供給源的氫罐10、燃料氣體供給通路11、燃料 廢氣排出通路12、通過計測氫氣的氣體壓力而檢測氫氣的交叉泄漏的燃料氣體壓力傳感器 13。除此之外雖未圖示，但是也可以具備用于使氫氣流通的氫泵、用于管理控制氫氣所需要 的主閥及調(diào)整閥、截止閥、止回閥、氣液分離器等。在氫罐10中充填有高壓的氫氣。作為氫供給源除了高壓氫罐之外，可以應(yīng)用使用 了氫貯存合金的氫罐、基于改性氣體的氫供給機(jī)構(gòu)、液體氫罐、液化燃料罐等各種供給源。 燃料氣體供給通路11是供給高壓的氫氣的配管，也可以在中途具備未圖示的調(diào)壓閥(調(diào)節(jié) 器)等。從燃料氣體供給通路11供給的氫氣在燃料電池100內(nèi)經(jīng)由歧管向各單體電池的陽 極側(cè)供給，在MEA的陽極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)后作為燃料廢氣(氫廢氣)排放。燃料廢氣排出 通路12是將自燃料電池100排出的燃料廢氣排出的路徑，也可以形成循環(huán)路徑。形成循環(huán) 路徑的構(gòu)成為經(jīng)由未圖示的止回閥及噴射器而使燃料廢氣再次返回燃料氣體供給通路11。氧化氣體供給系統(tǒng)2具備壓縮機(jī)20、氧化氣體供給通路21、及氧化廢氣排出通路 22。除此之外，圖1中未圖示，但是也可以具備控制氧化氣體即空氣的濕度的加濕器、除去 氧化廢氣(空氣廢氣)的氣液分離器、用于將氧化廢氣和燃料廢氣混合的稀釋器、消音器
8寸。壓縮機(jī)20基于控制信號CCOMP壓縮自空氣過濾器等取入的空氣，變更空氣量及空 氣壓力，并向燃料電池100的陰極側(cè)供給。從氧化氣體供給通路21供給的空氣在燃料電池 100內(nèi)與氫氣同樣經(jīng)由歧管向各單體電池的陰極側(cè)供給，在MEA的陰極產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)之 后作為氧化廢氣排出。從燃料電池100排出的氧化廢氣與燃料廢氣被稀釋后排出。電力系統(tǒng)4具有蓄電池40、DC_DC轉(zhuǎn)換器41、牽引變換器42、牽引電動機(jī)43、輔機(jī) 變換器44、高壓輔機(jī)45、蓄電池計算機(jī)46、電流傳感器47、計測燃料電池的輸出電壓的電壓 傳感器48、及防止逆流的二極管49等。蓄電池40是可充放電的二次電池。作為蓄電池可以使用鎳-氫電池等各種二次 電池。代替二次電池也可以使用可充放電的蓄電裝置例如電容器。蓄電池40通過層疊多 個以一定電壓發(fā)電的蓄電池單元并將它們串聯(lián)連接而能夠輸出高電壓。蓄電池計算機(jī)46設(shè)置于蓄電池40的輸出端子，可與控制部3通信。蓄電池計算 機(jī)46監(jiān)視蓄電池40的充電狀態(tài)，維持在蓄電池不會達(dá)到過充電及過放電的適當(dāng)?shù)某潆姺?圍內(nèi)，并且如果萬一蓄電池成為過充電及過放電等狀態(tài)則通知給控制部3。DC-DC轉(zhuǎn)換器41與基于控制信號CCONV在一次側(cè)和二次側(cè)間進(jìn)行電壓的升壓/降 壓并使電力流通的電力變換單元相當(dāng)。例如，將一次側(cè)蓄電池40的輸出電壓升壓到二次側(cè) 的燃料電池100的輸出電壓，向牽引電動機(jī)43及高壓輔機(jī)45等的負(fù)載裝置供給電力。相 反，在二次側(cè)將來自燃料電池100的剩余電力及上述負(fù)載裝置的再生電力降壓并為了向一 次側(cè)的蓄電池40充電而使之通過。牽引變換器42將直流電流變換為三相交流電流，供給至牽引電動機(jī)43。牽引電動 機(jī)43例如是三相電動機(jī)，為搭載該燃料電池系統(tǒng)的汽車的主動力源。輔機(jī)變換器44是用于驅(qū)動高壓輔機(jī)45的直流-交流變換單元。高壓輔機(jī)45是 在壓縮機(jī)20、氫泵、冷卻系統(tǒng)的電動機(jī)類等燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中所需的各種電動機(jī)類。電流傳感器47檢測燃料電池100的輸出電流，向控制部5輸出電流檢測信號Si。 電壓傳感器48檢測燃料電池100的輸出電壓，向控制部5輸出電壓檢測信號Se。單體電池 監(jiān)視器101對于燃料電池100的一部分或全部的單體電池檢測單體電池電壓，作為單體電 池電壓檢測信號Sc向控制部5輸出。控制部5由兩個控制部構(gòu)成，一個是進(jìn)行混合動力行駛的控制的HV控制部51，另 一個是進(jìn)行燃料電池的動作控制的FC控制部52。各個控制部具備將CPU (中央處理裝置)、 RAM、ROM、接口電路等作為通用計算機(jī)的構(gòu)成，通過相互通信能夠進(jìn)行系統(tǒng)整體的控制。HV 控制部51依次執(zhí)行存儲于內(nèi)置ROM等的軟件程序，由此，構(gòu)成為主要進(jìn)行電氣系統(tǒng)4的控 制。尤其是，HV控制部51除鑒于燃料電池100的發(fā)電電力、蓄電池40的充電電力和各種 電動機(jī)類的消耗電力控制這些要素間的電力流通之外，能夠執(zhí)行單體電池電壓下降防止處 理、高電位回避處理及催化劑層活化處理的一部分。另外，F(xiàn)C控制部52依次執(zhí)行存儲于內(nèi) 置ROM等的軟件程序，由此除控制主要包括陽極氣體供給系統(tǒng)1、陰極氣體供給系統(tǒng)2的燃 料電池系統(tǒng)整體之外，可執(zhí)行催化劑層的活化處理的一部分。圖2是表示本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制部5的功能塊的構(gòu)成的構(gòu) 成圖。如圖2所示，控制部5如上述分為HV控制部51和FC控制部52。HV控制部51具
9備電力系統(tǒng)控制部511、高電位回避處理部513及催化劑活化處理部513的一部分。FC控 制部52具備單體電池電壓下降防止處理部521、本發(fā)明的老化判斷部522及催化劑活化處 理部513的一部分。電力系統(tǒng)控制部511是控制燃料電池100、蓄電池40及各種電動機(jī)類等的電力流 通整體的功能塊。輸入來自各種傳感器的檢測信號，決定燃料電池100和蓄電池40的負(fù)載 分配，另外，實施供給再生電力情況下對蓄電池40的充電的控制等。高電位回避處理部513是進(jìn)行高電位回避處理的功能塊。具體而言，高電位回避 處理部513參照自電壓傳感器48供給的電壓檢測信號Se及/或自單體電池監(jiān)視器101供 給的單體電池電壓檢測信號Sc，判斷燃料電池100的輸出電壓Vfc或單體電池電壓Vc是否 超過規(guī)定的高電位回避電壓閾值，在超過高電位回避電壓閾值的情況下，向DC-DC轉(zhuǎn)換器 41輸出控制信號SC0NV，使二次側(cè)電壓即燃料電池100的輸出電壓下降，且向壓縮機(jī)20輸 出控制信號CC0MP，所述控制信號CCOMP用于供給補(bǔ)充與燃料電池的輸出電壓下降相對應(yīng) 增加的發(fā)電量的空氣。催化劑活化處理部513是實施催化劑活化處理的功能塊。具體而言，催化劑活化 處理部513在規(guī)定的條件例如實施間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時等、低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下定期地或由單體電 池電壓Vc等能夠判斷正在進(jìn)行電解質(zhì)膜的催化劑的氧化的情況下，限制氧化氣體及燃料 氣體的供給，將DC-DC轉(zhuǎn)換器41的二次側(cè)電壓徐徐降低到催化劑活化目標(biāo)電壓，維持為在 催化劑的還原區(qū)域進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)，進(jìn)行催化劑的活化(也稱為再生)。在維持催化 劑活化目標(biāo)電壓一定時間后，控制DC-DC轉(zhuǎn)換器41而使二次側(cè)電壓恢復(fù)為原來的電壓。這 時，為了補(bǔ)充因催化劑活化處理而不足的氧化氣體，控制壓縮機(jī)20并在一時期內(nèi)供給一定 量的氧化氣體(將以下的處理也稱為“鼓風(fēng)”)。單體電池電壓下降防止處理部521是進(jìn)行單體電池電壓下降防止處理的功能塊。 具體而言，單體電池電壓下降防止處理部521在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時，參照來自單體電池監(jiān)視器101 的單體電池電壓檢測信號Sc，判斷單體電池電壓是否低于預(yù)先確定的最低下限電壓。而 且，在單體電池電壓低于最低下限電壓時，驅(qū)動壓縮機(jī)20—定時間，供給一定量的氧化氣 體(鼓風(fēng))，使單體電池電壓上升。間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時，原則上停止反應(yīng)氣體的供給，因此鼓風(fēng)后， 經(jīng)過一定時間氧化氣體不足時單體電池電壓降低，再次需要鼓風(fēng)。即，單體電池電壓下降防 止處理部521在進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時周期性地進(jìn)行鼓風(fēng)。老化判斷部522是在本發(fā)明中同時考慮間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給的氧化氣體流量和為了 進(jìn)行燃料電池100的功能維持而消耗的氧化氣體流量，來判斷燃料電池100的電解質(zhì)膜的 老化的功能塊。老化判斷部522具體而言具備關(guān)系表523、燃料氣體消耗量推測單元524、 空氣供給理論時間間隔取得單元525、空氣供給實際時間間隔計測單元526、及老化判斷單 元 527。關(guān)系表523是記錄在該燃料電池系統(tǒng)中燃料氣體消耗量(間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時所需要的燃 料氣體供給量)和隨著燃料氣體消耗量的增加而變化的空氣供給的理論上的時間間隔(以 下也稱為“理論時間間隔”)之間的關(guān)系的圖表。存儲于控制部5的存儲部。例如，在燃料 氣體的供給量能夠以摩爾數(shù)特定、空氣供給時間間隔(鼓風(fēng)的間隔)能夠以秒數(shù)把握的情 況下，關(guān)系表523規(guī)定空氣供給時間間隔即秒數(shù)相對于燃料氣體的摩爾數(shù)的關(guān)系(參照圖 4)。
10
燃料氣體消耗量推測單元524是基于根據(jù)自電流傳感器47供給的檢測信號Si檢 測出的燃料電池100的輸出電流Ifc，來推測間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時的單位時間內(nèi)的燃料氣體消耗量 的功能塊。在此，燃料氣體消耗量推測單元524推測的燃料氣體消耗量是根據(jù)燃料電池的 輸出電流推測的燃料氣體消耗量整體，包括為了進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的燃料氣體的消耗量 和執(zhí)行高電位回避處理時增加的燃料氣體消耗量兩方面?？諝夤┙o理論時間間隔取得單元525是參照上述關(guān)系表523，取得與由燃料氣體 消耗量推測單元524推測的燃料氣體消耗量相對應(yīng)的空氣供給理論時間間隔的功能塊。與 燃料氣體消耗量相對應(yīng)取得的空氣供給理論時間間隔反映用于維持高電位回避處理等燃 料電池的功能的氧化氣體消耗量增加量。空氣供給實際時間間隔計測單元526是對由單體電池電壓下降防止處理部521的 控制鼓風(fēng)的間隔即空氣供給的實際時間間隔(以下也稱為“實際時間間隔”)進(jìn)行計測的功 能塊。在此，空氣供給實際時間間隔計測單元526構(gòu)成為，從實際執(zhí)行的鼓風(fēng)中將催化劑活 化處理結(jié)束后即刻進(jìn)行的鼓風(fēng)排除在外，其后和與燃料氣體消耗量相對應(yīng)的鼓風(fēng)的時間間 隔進(jìn)行比較。詳細(xì)而言，在實施方式2中后述。老化判斷單元527是如下所述的功能塊基于由空氣供給實際時間間隔計測單元 526計測的空氣供給的實際供給時間間隔是否比作為與該燃料氣體消耗量對應(yīng)的、由空氣 供給時間間隔取得單元525取得的空氣供給的理論時間間隔短，來判斷燃料電池100的電 解質(zhì)的老化。(動作說明)下面，說明判斷本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的電解質(zhì)的老化的處理動作。圖3表示在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時由單體電池電壓下降防止處理執(zhí)行的鼓風(fēng)間隔和單體電 池開路電壓之間的關(guān)系。如圖3所示，在該燃料電池系統(tǒng)中，為了進(jìn)行單體電池電壓下降防止處理，設(shè)定單 體電池電壓不許低于的最低下限電壓Vthl。單體電池電壓下降防止處理部521監(jiān)視單體電 池監(jiān)視器101檢測到的單體電池電壓Vc，在單體電池電壓Vc到達(dá)該最低下限電壓Vthl的 情況下執(zhí)行規(guī)定時間的鼓風(fēng)。執(zhí)行鼓風(fēng)時單體電池電壓Vc因供給氧化氣體而暫時恢復(fù)。但 是，鼓風(fēng)后氧化氣體再次開始不足時，單體電池電壓Vc開始降低，達(dá)到最低下限電壓Vthl 時再一次執(zhí)行鼓風(fēng)。該鼓風(fēng)的時間間隔只要為了進(jìn)行燃料電池功能維持而不多余地消耗氧 化氣體，則認(rèn)為是與在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時所需要的氧化氣體的消耗量相對應(yīng)，氧化氣體的消耗量 根據(jù)上述式(1) (3)的關(guān)系也與燃料氣體的消耗量相對應(yīng)。因此，只要能夠把握燃料氣 體的消耗量，就能夠把握氧化氣體的供給量即鼓風(fēng)的理論上的時間間隔(理論時間間隔)。 燃料氣體消耗量能夠由燃料電池100的輸出電流基于上述式(1) (3)的關(guān)系運(yùn)算。上述 關(guān)系表523是記錄根據(jù)相對于這種燃料氣體的消耗量所需要的氧化氣體供給量求取的鼓 風(fēng)的理論時間間隔Tc的圖表。圖4表示記錄于關(guān)系表523的從發(fā)電電流推測的燃料氣體(氫)消耗量和空氣供 給理論時間間隔之間的關(guān)系。用實線表示僅為了間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給氧化氣體時的燃料氣體消 耗量和空氣供給理論時間間隔之間的關(guān)系特性Π。在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，燃料氣體消耗量推測單元524基于燃料電池
11100的輸出電流Ifc運(yùn)算燃料氣體的消耗量并進(jìn)行推測，空氣供給時間間隔取得單元525基 于運(yùn)算出的燃料氣體的消耗量，參照記錄了如圖4所示的燃料氣體消耗量和鼓風(fēng)的理論時 間間隔之間的關(guān)系的關(guān)系表523，從特性fl取得為了進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而僅供給必要的氧化氣 體時的鼓風(fēng)的時間間隔。另一方面，空氣供給時間間隔計測單元526實際地計測單體電池電壓下降防止處 理部521的鼓風(fēng)的時間間隔Td。只要燃料氣體僅用于進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，則根據(jù)燃料氣體的消 耗量推測的鼓風(fēng)的理論時間間隔Tc和實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間隔Tc就應(yīng)該一致。如 果在燃料電池的電解質(zhì)膜發(fā)生交叉泄漏，則單體電池電壓Vc的降低速度加快，因此實際計 測的鼓風(fēng)的時間間隔Td變短。于是，老化判斷單元527將參照關(guān)系表523取得的理論上的鼓風(fēng)的理論時間間隔 Tc與實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間隔Td進(jìn)行比較，判斷鼓風(fēng)的理論時間間隔Tc是否實質(zhì) 上相同。在本實施方式中，只要實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間隔Td在相對于鼓風(fēng)的理論時 間間隔Tcl設(shè)定的界限(例如將界限設(shè)定為m)的范圍內(nèi)，就判斷為電解質(zhì)膜的狀態(tài)正常， 只要自鼓風(fēng)的理論時間間隔Tc超過界限m而降低就判斷電解質(zhì)膜發(fā)生了交叉泄漏。通常， 在系統(tǒng)中存在某種程度運(yùn)算方面或機(jī)械方面的誤差，因此優(yōu)選設(shè)定這種界限且只要在界限 的范圍內(nèi)就判斷為同樣的時間間隔。該界限m只要鑒于系統(tǒng)的運(yùn)算方面或機(jī)械方面的誤差 進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定即可。例如，在圖4中，在從燃料電池的輸出電流推測的燃料氣體的消耗量為M的情況 下，通過參照關(guān)系特性Π，判斷為了僅進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行鼓風(fēng)的情況下的鼓風(fēng)的理論時 間間隔為Tel。目前，實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間隔為Tdl的情況下，鼓風(fēng)的實際時間間隔Tdl 存在于自鼓風(fēng)的理論時間間隔Tcl界限m的范圍內(nèi)。因此，實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間 隔Tdl是正常的值，能夠判斷在單體電池的電解質(zhì)膜未發(fā)生交叉泄漏。與之相對，假設(shè)實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間隔為Td2的情況下，該實際計測的 鼓風(fēng)的實際時間間隔Td2偏離自鼓風(fēng)的理論時間間隔Tcl界限m的范圍而成為短周期。該 情況下，能夠判斷為超過因間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而消耗的氧化氣體的供給量而失去的氧化氣體存在， 因此能夠判斷在單體電池的電解質(zhì)膜發(fā)生交叉泄漏的可能性高。另外，在實際計測的鼓風(fēng)的實際時間間隔Td從理論上的鼓風(fēng)的時間間隔Tc超過 界限變長的情況下，可以判斷為除交叉泄漏以外發(fā)生了減少氧化氣體供給量的任何的其它 的異常。(進(jìn)行高電位回避處理情況下的判斷處理)另外，假如除間歇運(yùn)轉(zhuǎn)需要的電力以外，同時應(yīng)用用于維持燃料電池的功能的措 施時，燃料電池的輸出電流上升，燃料氣體的消耗量上升。燃料氣體的消耗量上升時，與此 對應(yīng)氧化氣體的供給量上升，與此對應(yīng)鼓風(fēng)的時間間隔變短。圖3表示這些情況。在圖3中，在未進(jìn)行高電位回避處理的情況下，單體電池開路電壓Vc超過高電位 回避電壓Vth2，這時的鼓風(fēng)的時間間隔為Tdl，但是進(jìn)行高電位回避處理時，單體電池開路 電壓Vc被抑制在高電位回避電壓Vth2以內(nèi)，氧化氣體的消耗量上升，鼓風(fēng)的時間間隔比 Tdl短而變化為Td2。基于圖4考慮這些。例如，認(rèn)為在高電位回避處理部513中進(jìn)行高電位回避處理
12的結(jié)果是燃料電池的輸出電流上升，且燃料氣體的消耗量僅上升Ah的情況。該情況下， 由燃料氣體消耗量推測單元524基于燃料電池的輸出電流推測的燃料氣體的消耗量成為 M+Ah0假設(shè)這時，燃料氣體的消耗量為M的情況下的鼓風(fēng)的理論時間間隔以Tel固定，則 本來必須判斷為正常的實際時間間隔Td2偏離界限范圍，因此誤判斷為異常。如果根據(jù)圖 3進(jìn)行說明，將理論上的鼓風(fēng)時間間隔設(shè)定為僅進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的固定值Tel時，實際 上燃料氣體的消耗量上升，與此對應(yīng)氧化氣體的供給量上升，盡管與此對應(yīng)鼓風(fēng)的時間間 隔如虛線所示變短為Td2，但是比較錯誤的鼓風(fēng)的理論時間間隔Tel和實際時間間隔Td2。這一點(diǎn)根據(jù)本實施方式，應(yīng)用關(guān)系表，因此即使燃料氣體的消耗量有變動，也能夠 正確取得與此相對變化的鼓風(fēng)時間間隔。即，空氣供給理論時間間隔驅(qū)動單元525將也包 含高電位回避處理的消耗量的燃料氣體的全部消耗量作為參照值參照關(guān)系表523，因此作 為理論上的鼓風(fēng)的時間間隔，能夠正確取得燃料氣體消耗量為M+Ah時的理論上的時間間 隔Tc2。這時，在實際計測的鼓風(fēng)的時間間隔為Td2的情況下，該時間間隔Td2在自從關(guān)系 表取得的鼓風(fēng)的實際時間間隔Tc2的界限的范圍內(nèi)，因此判斷電解質(zhì)膜為正常。通過如上處理，即使同時使用高電位回避處理，也能夠正確地判斷電解質(zhì)膜的交 叉泄漏。另外，這種處理只要用于維持燃料電池的功能的措施是與燃料氣體的消耗量增加 相關(guān)且能夠運(yùn)算該增加量的措施，則能夠不限于高電位回避處理地加以適用。圖5是表示本實施方式燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的判斷電解質(zhì)老化的處理的 動作順序流程圖。下面，參照圖5所示的流程圖，說明判斷本實施方式燃料電池系統(tǒng)的燃料 電池組的電解質(zhì)老化的處理的動作。該處理動作在輸出老化判斷指示時開始。在步驟S1中，空氣供給實際時間間隔計測單元526將計時器復(fù)位，轉(zhuǎn)移到步驟S2， 由單體電池電壓下降防止處理部521判斷是否有鼓風(fēng)執(zhí)行的通知。只要沒有鼓風(fēng)執(zhí)行的通 知(否)，則空氣供給實際時間間隔計測單元526就為待機(jī)狀態(tài)。在步驟S2中，在通知執(zhí)行鼓風(fēng)的情況下(是)，空氣供給實際時間間隔計測單元 526在步驟S3中起動計時器，開始鼓風(fēng)的實際時間間隔的計測。而且，在步驟S4中，再次判 斷是否有鼓風(fēng)執(zhí)行的通知。只要沒有執(zhí)行鼓風(fēng)(否)，則空氣供給實際時間間隔計測單元 526就為待機(jī)狀態(tài)。步驟S4中，在通知執(zhí)行鼓風(fēng)的情況下(是)，空氣供給實際時間間隔計測單元526 在步驟S5中參照這時的計時器的計時時間，作為鼓風(fēng)的實際時間間隔Td儲存，轉(zhuǎn)移到步驟 S6并將計時器復(fù)位。在步驟S7中，燃料氣體消耗量推測單元524基于燃料電池的輸出電流Si運(yùn)算并 推測燃料氣體的消耗量。在步驟S8中，空氣供給理論時間間隔取得單元525參照關(guān)系表523，根據(jù)所推測的 燃料氣體的消耗量取得與此對應(yīng)的氧化氣體的供給量，即取得鼓風(fēng)的理論時間間隔Tc。在步驟S9中，老化判斷單元527比較鼓風(fēng)的實際時間間隔Td和理論時間間隔Tc， 之后進(jìn)入步驟S10。在步驟S10中，比較的結(jié)果是鼓風(fēng)的實際時間間隔Td為理論時間間隔Tc以上的 情況下(是)，尤其是能夠判斷為在電解質(zhì)膜未發(fā)生交叉泄漏。由此，轉(zhuǎn)移到步驟S11。在步驟S11中，判斷老化判斷指示是否繼續(xù)。在老化判斷指示為繼續(xù)中的情況下
13(是)，為了再一次計測當(dāng)前時點(diǎn)的鼓風(fēng)的實際時間間隔，轉(zhuǎn)移到步驟S1。在老化判斷指示 結(jié)束的情況下(否)，暫時結(jié)束。另一方面，在步驟S10中，比較的結(jié)果是鼓風(fēng)的實際時間間隔Td比理論時間間隔 Tc短的情況下(否)，理想的是在實際時間間隔Td比在理論時間間隔Tc中將界限m估計 在內(nèi)的值( = Tc-m)小的情況下，能夠判斷為在電解質(zhì)膜發(fā)生交叉泄漏的可能性高。因此， 轉(zhuǎn)移到步驟S12，老化判斷單元527執(zhí)行電解質(zhì)老化且需要維修的消息的告知處理，結(jié)束本 次的處理。如上，根據(jù)本實施方式1，在高電位回避運(yùn)轉(zhuǎn)中的情況下，考慮因通過使用殘留的 空氣的發(fā)電而消耗氫，鼓風(fēng)間隔縮短，判斷燃料電池組的電解質(zhì)產(chǎn)生老化，因此能夠避免電 解質(zhì)老化的誤判斷。(實施方式2)本發(fā)明實施方式2涉及防止同時使用催化劑活化處理的情況的電解質(zhì)膜老化的 誤判斷的系統(tǒng)。本實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成和上述實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成 (圖1)相同，功能塊的構(gòu)成也和上述實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的功能塊的構(gòu)成(圖2)相 同，因此省略說明。但是，僅控制部5的老化判斷部522的空氣供給實際時間間隔計測單元 526的鼓風(fēng)的實際時間間隔計測方法不同。如上述，存在由催化劑活化處理部513進(jìn)行催化劑活化處理的情況、進(jìn)行用于維 持燃料電池的功能的鼓風(fēng)的情況。該鼓風(fēng)不是比高電位回避處理還頻繁進(jìn)行的處理，但是 與根據(jù)燃料氣體的消耗量變化的鼓風(fēng)沒有關(guān)系。于是，空氣供給實際時間間隔計測單元526 發(fā)揮將與該催化劑活化處理對應(yīng)發(fā)生的鼓風(fēng)從鼓風(fēng)的實際時間間隔的計測中排除在外的 功能。圖6是表示在檢測燃料電池組的電解質(zhì)的老化時參照的鼓風(fēng)間隔和單體電池電 壓之間的關(guān)系的圖表，包括高電位回避處理時的催化劑活化處理和到其結(jié)束的期間。如圖6所示，催化劑活化處理部513在例如間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時等、實施低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的情 況下，定期或根據(jù)單體電池電壓Vc等能夠判斷為電解質(zhì)膜的催化劑的氧化正在進(jìn)行的情 況下，限制氧化氣體及燃料氣體的供給，將DC-DC轉(zhuǎn)換器41的二次側(cè)電壓徐徐降低到催化 劑活化目標(biāo)電壓，維持為在催化劑的還原區(qū)域進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)，進(jìn)行催化劑的活化 (也稱為再生)。當(dāng)達(dá)到催化劑活化目標(biāo)電壓時，催化劑活化處理部513維持該電壓一定時 間后，控制DC-DC轉(zhuǎn)換器41，使二次側(cè)電壓恢復(fù)為原來的電壓。這時，補(bǔ)充因催化劑活化處 理而不足的氧化氣體，因此控制壓縮機(jī)20而在一時期內(nèi)供給一定量的氧化氣體。這時的鼓 風(fēng)(鼓風(fēng)2)和作為單體電池電壓下降防止處理的一個環(huán)節(jié)進(jìn)行的鼓風(fēng)(鼓風(fēng)1)明顯不同， 用催化劑活化處理暫時補(bǔ)充失去的氧化氣體而恢復(fù)單體電池電壓。在本發(fā)明的電解質(zhì)膜的老化判斷處理中，計測實際鼓風(fēng)的實際時間間隔。假如在 該鼓風(fēng)的實際時間間隔的計測中，當(dāng)在該催化劑活化處理結(jié)束時執(zhí)行的鼓風(fēng)2進(jìn)行時，錯 誤地計測鼓風(fēng)的實際時間間隔。例如，在圖6中，若不進(jìn)行催化劑活化處理，則鼓風(fēng)1后本 來應(yīng)該計測的鼓風(fēng)是鼓風(fēng)3，必須計測實際時間間隔Tda。但是，通過介入催化劑活化處理 結(jié)束時的鼓風(fēng)2，作為鼓風(fēng)的實際時間間隔有可能計測為Tdb( < Tda)。所謂將鼓風(fēng)的實際 時間間隔計測得較短是指，盡管在電解質(zhì)膜實際上未發(fā)生交叉泄漏，但是有可能誤判斷為
14發(fā)生交叉泄漏。于是，在本實施方式2中，空氣供給實際時間間隔計測單元526從催化劑活化處理 部523輸入顯示鼓風(fēng)有無的信息，且在進(jìn)行了催化劑活化處理結(jié)束時的鼓風(fēng)的情況下，忽 視該鼓風(fēng)。圖7是表示本實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的判斷電解質(zhì)老化的處理 的動作順序流程圖。該處理動作在輸出老化判斷指示時開始。在步驟S21中，空氣供給實際時間間隔計測單元526將計時器復(fù)位，轉(zhuǎn)移到步驟 S22，由單體電池電壓下降防止處理部521判斷是否有鼓風(fēng)執(zhí)行的通知。只要沒有鼓風(fēng)執(zhí)行 的通知(否)，則空氣供給實際時間間隔計測單元526就為待機(jī)狀態(tài)。在步驟S22中通知執(zhí)行鼓風(fēng)的情況下(是)，空氣供給實際時間間隔計測單元526 在步驟S23中起動計時器，開始鼓風(fēng)的實際時間間隔的計測。而且，在步驟S24中，再次判 斷是否有鼓風(fēng)執(zhí)行的通知。只要不執(zhí)行鼓風(fēng)(否)，則空氣供給實際時間間隔計測單元526 就為待機(jī)狀態(tài)。在步驟S24中通知執(zhí)行鼓風(fēng)的情況下(是)，空氣供給實際時間間隔計測單元526 在步驟S25中由催化劑活化處理部513判斷是否有催化劑活化處理結(jié)束的通知。在催化劑 活化處理結(jié)束的情況下執(zhí)行的鼓風(fēng)必須從上述計時器的計測中排除在外。于是，在步驟S25中，空氣供給實際時間間隔計測單元526在存在催化劑活化處理 結(jié)束的通知的情況下(是)，返回步驟S24。由此，忽視本次的催化劑活化處理結(jié)束時的鼓 風(fēng)，等待基于下一次的單體電池電壓下降防止處理進(jìn)行的鼓風(fēng)。另一方面，在步驟S25中，在沒有催化劑活化處理結(jié)束的通知的情況下(否)，能夠 判斷為本次的鼓風(fēng)是基于單體電池電壓下降防止處理進(jìn)行的鼓風(fēng)，因此空氣供給實際時間 間隔計測單元526轉(zhuǎn)移到步驟S26，參照這時的計時器的計時時間作為鼓風(fēng)的實際時間間 隔Td進(jìn)行存儲。接著，轉(zhuǎn)移到步驟S27，將計時器復(fù)位。在步驟S28中，燃料氣體消耗量推測單元524基于燃料電池的輸出電流Si運(yùn)算并 推測燃料氣體的消耗量，在步驟S29中，空氣供給理論時間間隔取得單元525參照關(guān)系表 523，從推測的燃料氣體的消耗量取得與此對應(yīng)的氧化氣體的供給量，即取得鼓風(fēng)的理論時 間間隔Tc。而且，在步驟S30中，老化判斷單元527比較鼓風(fēng)的實際時間間隔Td和理論時間 間隔Tc，轉(zhuǎn)移到步驟S31。在步驟S31中，比較的結(jié)果是鼓風(fēng)的實際時間間隔Td為理論時 間間隔Tc以上的情況下(是)，尤其是能夠判斷在電解質(zhì)膜未發(fā)生交叉泄漏。由此，轉(zhuǎn)移到 步驟S32。在步驟S32中，判斷老化判斷指示是否繼續(xù)。在老化判斷指示為繼續(xù)中的情況下 (是)，為了再一次計測當(dāng)前時點(diǎn)的鼓風(fēng)的實際時間間隔，轉(zhuǎn)移到步驟S21。在老化判斷指示 結(jié)束的情況下(否)，暫時結(jié)束。另一方面，步驟S31中，比較的結(jié)果為鼓風(fēng)的實際時間間隔Td比理論時間間隔Tc 變短的情況下(否)，能夠判斷在電解質(zhì)膜發(fā)生交叉泄漏的可能性高。因此，轉(zhuǎn)移到步驟 S33，老化判斷單元527執(zhí)行電解質(zhì)老化且需要維修的消息的告知處理，結(jié)束本次的處理。如上，根據(jù)本實施方式2，在并行執(zhí)行催化劑活化處理的情況下，在催化劑活化處 理結(jié)束時為了補(bǔ)充空氣不足而進(jìn)行，但由于從用于計測實際時間間隔的鼓風(fēng)中排除在外，
15因此能夠避免電解質(zhì)老化的誤判斷。(實施方式3)本發(fā)明實施方式3涉及將從為了進(jìn)行間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量減去為了進(jìn) 行功能維持而消耗的反應(yīng)氣體量的氧化氣體量推測為燃料電池的電解質(zhì)膜的交叉泄漏量 的方式。圖8表示本實施方式3的燃料電池系統(tǒng)的功能塊的構(gòu)成。如圖8所示，F(xiàn)C控制部52具有本實施方式3的老化判斷部530。老化判斷部530 具備功能維持用空氣量推測單元531、供給空氣總量推測單元532、交叉泄漏量推測單元 533及老化判斷單元534。對于上述實施方式1中說明的功能塊(電力系統(tǒng)控制部511、高 電位回避處理部513、催化劑活化處理部513及單體電池電壓下降防止處理部521)省略圖 示及說明。功能維持用空氣量推測單元531是基于功能維持用空氣量相對值VQ1來推測單位 時間內(nèi)的該燃料電池系統(tǒng)的功能維持所需的空氣量Q1的功能塊。作為燃料電池系統(tǒng)的功 能維持所需的空氣量Q1如上述，是用于得到根據(jù)系統(tǒng)要求求取的必要的發(fā)電電力以外的 目的的空氣的量，具體而言，意思是為了進(jìn)行上述高單位回避處理而使用的空氣量和為了 進(jìn)行催化劑活化處理而使用的空氣量的總和。因此，功能維持用空氣量相對值VQ1不限于 單一數(shù)值，應(yīng)該將為了進(jìn)行上述功能維持而使用的空氣量作為對每種功能表示的參數(shù)的總 體來考慮。例如，若設(shè)用于功能1(例如，上述高電位回避處理)的空氣量的參數(shù)為Vql、用于 功能2 (例如，上述催化劑活化處理)的空氣量的參數(shù)為Vq2、用于功能3 (任意功能)的空 氣量的參數(shù)為Vq3，則功能維持用空氣量推測單元531基于各個參數(shù)Vql Vq3，推測各個 功能所需的空氣量ql、q2及q3。而且，將功能維持所需的量Q1設(shè)為Ql = ql+q2+q3( =E qn :n 為功能數(shù))來求取。供給空氣總量推測單元532是基于供給空氣總量相對值VQ求取當(dāng)前時點(diǎn)的單位 時間內(nèi)的供給空氣總量Q的功能塊。作為供給空氣總量相對值Q可以有各種考慮，但是例 如，也可以是壓縮機(jī)20的轉(zhuǎn)速，也可以是空氣壓縮機(jī)的供給壓力的檢測值，只要在氧化氣 體供給通路21中具備流量傳感器，則也可以是該傳感器的檢測值。供給空氣總量推測單元 532根據(jù)表示當(dāng)前時點(diǎn)的短時間內(nèi)供給的空氣總量的任意一個參數(shù)運(yùn)算供給空氣總量Q。交叉泄漏量推測單元533是基于功能維持用空氣量Q1和供給空氣總量Q來推測 與交叉泄漏有關(guān)的空氣量Q2的功能塊。如上所述，在供給空氣總量Q、功能維持用空氣量 Q1和交叉泄漏量Q2之間，在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時存在Q — Q1+Q2的關(guān)系。因此，交叉泄漏量推測單 元533將從供給空氣總量Q減去功能維持用空氣總量Q1的值作為交叉泄漏量Q2的推測值 輸出。老化判斷單元534是基于所推測的交叉泄漏量Q2判斷有無電解質(zhì)的老化的功能 塊。例如，將作為電解質(zhì)中產(chǎn)生的交叉泄漏量能夠允許的閾值Qth和所推測的交叉泄漏量 Q2進(jìn)行比較，Q2 > Qth時判斷為電解質(zhì)老化，進(jìn)行必要的報知處理。因此示意進(jìn)行電解質(zhì) 膜的更換。如上，根據(jù)本實施方式3，基于供給空氣總量Q和功能維持所需的空氣量Q1求取交
16叉泄漏量Q2，通過和閾值Qth進(jìn)行比較，能夠正確地把握電解質(zhì)膜老化。(其它實施方式)在本發(fā)明的上述各實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，計測取得連續(xù)兩個鼓風(fēng)的實際時 間間隔的鼓風(fēng)間的時間，但不限于此。S卩，也可以分別相對于多個鼓風(fēng)間計測時間間隔，計 算得到其平均值，用于和鼓風(fēng)的理論實際時間間隔的比較。認(rèn)為應(yīng)用多個實際時間間隔的 平均等的實際時間間隔的精度高，因此是正確的電解質(zhì)膜老化判斷，故而優(yōu)選。另外，在本發(fā)明的上述實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，將間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時的交叉泄漏判 斷作為對象，但是也可應(yīng)用于通常發(fā)電時的交叉泄漏判斷。例如，在通常發(fā)電時，若為了進(jìn) 行發(fā)電而消耗的空氣量Q3能夠推測，則在供給空氣總量Q、功能維持用空氣量Q1、交叉泄漏 量Q2和發(fā)電用空氣量Q3之間，在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時Q —Q1+Q2+Q3的關(guān)系可成立，因此通過從 供給空氣總量Q減去功能維持用空氣量Q1和發(fā)電用空氣量Q3，能夠求取交叉泄漏量Q2。發(fā) 電用空氣量Q3例如通過檢測發(fā)電電流(單位時間內(nèi)的電荷量)，能夠從式(2)運(yùn)算。換言之，假如未發(fā)生交叉泄漏，則在維持發(fā)電電壓的狀態(tài)下實際測量的反應(yīng)氣體 總量Qd、和從各種參數(shù)推測的反應(yīng)氣體總量Qe應(yīng)該相等。因此，兩者的差分Qd( = Qr-Qe) 只要不是零(> 0)，則就能夠?qū)⒃摬罘諵d作為交叉泄漏量用于老化判斷。另外，本發(fā)明的上述各實施方式的燃料電池系統(tǒng)也可以適用于電動汽車之外的移 動體(陸上、水上、水中、空中)，也可以適用于定置形式的系統(tǒng)。
1權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，基于燃料電池的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給到該燃料電池的反應(yīng)氣體量來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化，其特征在于，考慮為了進(jìn)行該間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量和為了維持該燃料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體量，來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，為了維持所述燃料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體是為了進(jìn)行所述燃料電池的高電位 回避處理而消耗的氧化氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，為了維持所述燃料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體是結(jié)束所述電解質(zhì)膜的催化劑活化 處理時所供給的氧化氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具備在所述燃料電池的單體電池電壓達(dá)到規(guī)定的下限電壓時供給規(guī)定量的氧化氣體的單元；對該氧化氣體供給的實際時間間隔進(jìn)行計測的單元；及老化判斷單元，基于計測到的該氧化氣體供給的實際時間間隔和該燃料電池的電解質(zhì) 膜為正常的情況下的氧化氣體供給的理論時間間隔，來判斷所述燃料電池的老化。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述計測氧化氣體供給的實際時間間隔的單元在計測所述氧化氣體供給的實際時間 間隔時，將所述催化劑活化處理后即刻進(jìn)行的氧化氣體的供給排除在外而計測所述氧化氣 體供給的實際時間間隔。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具備關(guān)系表，該關(guān)系表記錄了所述燃料電池的燃料氣體消耗量和伴隨該燃料氣體消耗 量的增加而變化的所述氧化氣體供給的理論時間間隔之間的關(guān)系，還具備基于所述燃料電池的輸出電流來推測所述燃料氣體消耗量的單元；及參照該關(guān)系表取得與推測出的該燃料氣體消耗量對應(yīng)的所述氧化氣體供給的理論時 間間隔的單元，所述老化判斷單元基于計測出的所述氧化氣體供給的實際時間間隔是否比取得的與 該燃料氣體消耗量對應(yīng)的所述氧化氣體供給的理論時間間隔短，來判斷所述燃料電池的電 解質(zhì)的老化。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，將從為了進(jìn)行所述間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量中減去為了進(jìn)行所述功能維持而消 耗的反應(yīng)氣體量而得到的氧化氣體量推測為所述燃料電池的電解質(zhì)膜的交叉泄漏量。
8.一種燃料電池的老化判斷方法，基于燃料電池的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給到該燃料電池的反 應(yīng)氣體量來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化，其特征在于，具備測定為了進(jìn)行該間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量的步驟；測定為了維持該燃料電池的功能而消耗的反應(yīng)氣體量的步驟；及基于為了進(jìn)行該間歇運(yùn)轉(zhuǎn)而供給的反應(yīng)氣體量和為了維持該燃料電池的功能而消耗 的反應(yīng)氣體量來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化的步驟。
9. 一種燃料電池的老化判斷方法，基于燃料電池的間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時供給到該燃料電池的反 應(yīng)氣體量來判斷該燃料電池的電解質(zhì)膜的老化，其中，具備在該燃料電池的單體電池電壓達(dá)到規(guī)定的下限電壓時供給規(guī)定量的氧化氣體的步驟；計測該氧化氣體供給的實際時間間隔的步驟；及基于計測到的該氧化氣體供給的實際時間間隔和該燃料電池的電解質(zhì)膜為正常的情 況下的氧化氣體供給的理論時間間隔，來判斷該燃料電池老化的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，能夠計測鼓風(fēng)間隔，并且考慮高電位回避運(yùn)轉(zhuǎn)的情況等例外的情況，能夠正確地判斷電解質(zhì)的老化。計測實際的鼓風(fēng)時間間隔Td，并且基于輸出電流，使用關(guān)系表來對包括與高電位回避運(yùn)轉(zhuǎn)中的單體電池電壓對應(yīng)的氫消耗量的增加量的情況下的理論上的鼓風(fēng)時間間隔Tc進(jìn)行推測，所述關(guān)系表記錄了為了維持燃料電池(100)的功能而消耗的氫消耗量和隨著該氫消耗量的增加而變化的空氣供給時間間隔之間的關(guān)系，基于所述計測到的實際的鼓風(fēng)時間間隔Td是否比與該氫消耗量對應(yīng)的鼓風(fēng)理論時間間隔Tc短來判斷燃料電池(100)的電解質(zhì)的老化。
文檔編號H01M8/04GK101904037SQ20088012146
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者吉田道雄, 馬屋原健司 申請人:豐田自動車株式會社