專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的氫排放閥的異常的異常檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
在通過(guò)向串聯(lián)地層疊多個(gè)電池構(gòu)成的燃料電池層疊體提供燃料氣體和氧化氣體來(lái)生成電力的燃料電池系統(tǒng)中，具有一種已知的結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)使從陽(yáng)極氣體通路排放的廢氫氣/氫排氣(陽(yáng)極廢氣)流回陽(yáng)極而將未反應(yīng)的氫氣重新用于電解反應(yīng)。用于排放部分廢氫氣的氫排放閥設(shè)置在廢氫氣循環(huán)通道內(nèi)。通過(guò)在廢氫氣內(nèi)包含的氫以外的成分的濃度變高時(shí)定期打開(kāi)氫排放閥，可適當(dāng)?shù)乇３忠峁┙o陽(yáng)極的氫的濃度。但是，如果在氫排放閥內(nèi)發(fā)生異常并且閥的打開(kāi)/關(guān)閉操作不能正確執(zhí)行，則電池操作中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，日本專利公開(kāi)公報(bào)No.2003-92125公開(kāi)了一種技術(shù)，該技術(shù)用于檢測(cè)對(duì)氫排放閥的氫排放命令，并根據(jù)燃料電池層疊體的燃料供給部的目標(biāo)壓力和實(shí)際檢測(cè)值來(lái)判定氫排放閥是否已發(fā)生故障。
但是，根據(jù)此公報(bào)中公開(kāi)的技術(shù)，只有當(dāng)燃料電池正常工作時(shí)才能對(duì)氫排放閥內(nèi)是否發(fā)生故障進(jìn)行判定。因此，當(dāng)燃料電池處于過(guò)渡狀態(tài)例如當(dāng)突然壓下加速器踏板時(shí)，不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓收吓卸ā?br> 因此，本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，并提供一種不管燃料電池的工作狀態(tài)如何都可檢測(cè)氫排放閥內(nèi)的異常的異常檢測(cè)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置包括用于使從燃料電池排出的廢氫氣流回燃料電池的陽(yáng)極的廢氫氣循環(huán)通道；用于從廢氫氣循環(huán)通道排出在該廢氫氣循環(huán)通道內(nèi)循環(huán)的廢氫氣的一部分的排放通道；設(shè)置在排放通道內(nèi)的氫排放閥；用于判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常的異常判定裝置；以及用于檢測(cè)廢氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置，該氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置設(shè)置在排放通道中的氫排放閥下游的位置。異常判定裝置根據(jù)廢氫氣的氣體狀態(tài)量來(lái)判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常是根據(jù)廢氫氣的氣體狀態(tài)量來(lái)判定的，該氣體狀態(tài)量通過(guò)設(shè)置在氫排放閥下游的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)。因此，不管燃料電池的工作狀態(tài)如何都可判定是否已發(fā)生異常。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，除了上述結(jié)構(gòu)之外，還可設(shè)置用于使從排放通道排出的廢氫氣與外部氣體混合的混合室，并且可將氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置配置成檢測(cè)在混合室內(nèi)與外部氣體混合的廢氫氣的氣體狀態(tài)量。通過(guò)檢測(cè)氫氣與外部氣體混合之前和之后氣體狀態(tài)量的變化，可提高檢測(cè)氣體狀態(tài)量的精確度。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，外部氣體可以是要提供給燃料電池的陰極的氧化氣體的一部分。從而可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，氫排放閥可以是電磁閥，并且異常判定裝置可根據(jù)由氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)于電磁閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)的輸入變化而檢測(cè)的氣體狀態(tài)量，來(lái)判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。通過(guò)檢測(cè)氣體狀態(tài)量，可檢測(cè)氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉中的異常，該氣體狀態(tài)量是由氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)于氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)的輸入變化而檢測(cè)的。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，異常判定裝置可根據(jù)由氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)于電磁閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)的輸入變化而檢測(cè)的氣體狀態(tài)量隨時(shí)間的變化，來(lái)判定電磁閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。通過(guò)檢測(cè)氣體狀態(tài)量隨時(shí)間的變化，可檢測(cè)氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉中的異常，該氣體狀態(tài)量隨時(shí)間的變化是由氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)于氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)的輸入變化而檢測(cè)的。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，氣體狀態(tài)量可以是與廢氫氣的氫濃度、流速、壓力、每種成分的比例、溫度和介電常數(shù)之一相關(guān)的物理量。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，用于檢測(cè)廢氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置還可設(shè)置在排放通道中的氫排放閥上游的位置，并且異常判定裝置可配置成根據(jù)設(shè)置在氫排放閥的上游側(cè)和下游側(cè)的每一側(cè)的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)到的氣體狀態(tài)量來(lái)檢測(cè)氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉中的異常。通過(guò)根據(jù)設(shè)置在氫排放閥上游的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)的氣體狀態(tài)量和設(shè)置在氫排放閥下游的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)的氣體狀態(tài)量來(lái)判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常，可提高判定是否已發(fā)生異常的精確度。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，還可設(shè)置用于將廢氫氣分離成氣體和液體的氣液分離裝置，并且氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置可檢測(cè)已被氣液分離裝置分離成氣體和液體的廢氫氣的氣體狀態(tài)量。通過(guò)將廢氫氣分離成氣體和液體，可防止氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置進(jìn)行錯(cuò)誤的檢測(cè)。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，可在排放通道中的氫排放閥下游的位置設(shè)置檢測(cè)廢氫氣的壓力的壓力傳感器。通過(guò)檢測(cè)廢氫氣的壓力，可判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，可在排放通道中的氫排放閥下游的位置設(shè)置檢測(cè)廢氫氣的溫度的溫度傳感器。通過(guò)檢測(cè)廢氫氣的溫度，可判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，可在混合室內(nèi)設(shè)置彼此相對(duì)的成對(duì)電極。通過(guò)檢測(cè)廢氫氣的介電常數(shù)，可判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，可在混合室內(nèi)設(shè)置連接到電壓源的熱電阻絲。通過(guò)使熱電阻絲利用焦耳熱發(fā)熱來(lái)檢測(cè)廢氫氣的導(dǎo)熱率并測(cè)量電阻值，可判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置中，可設(shè)置用于當(dāng)異常判定裝置檢測(cè)到氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉中的異常時(shí)處理故障的裝置。由此可提高燃料電池系統(tǒng)的安全性。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)廢氫氣的氣體狀態(tài)量判定氫排放閥內(nèi)是否已發(fā)生異常，該氣體狀態(tài)量是由設(shè)置在氫排放閥下游的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)的。因此，不管燃料電池的工作狀態(tài)如何，都可判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。


圖1是示意性地示出根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2為多個(gè)圖表，其中一個(gè)示出提供給氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，而另一個(gè)示出氫濃度的變化，這些圖表相互對(duì)應(yīng)；圖3是主要示出第二實(shí)施例中氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的框圖；圖4是主要示出第三實(shí)施例中氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的框圖；圖5是主要示出第四實(shí)施例中氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的框圖；圖6是主要示出第五實(shí)施例中氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的框圖；以及圖7是主要示出第六實(shí)施例中氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
首先說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖1是示意性地示出根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)的框圖。燃料電池系統(tǒng)10是要安裝在燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛內(nèi)的發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池(電池層疊體)20，通過(guò)向該燃料電池提供反應(yīng)氣體(燃料氣體，氧化氣體)來(lái)生成電力。燃料電池20包括膜電極組件(MEA)24，該膜電極組件通過(guò)利用絲網(wǎng)印刷等方法在高分子電解質(zhì)膜21的一側(cè)上形成陽(yáng)極22并在高分子電解質(zhì)膜21的另一側(cè)上形成陰極23而構(gòu)成。高分子電解質(zhì)膜21由氟碳樹(shù)脂等形成的質(zhì)子傳導(dǎo)離子交換膜構(gòu)成。膜電極組件(MEA)24被肋狀隔板(未示出)夾在中間。在其中一個(gè)隔板和陽(yáng)極22之間形成槽狀的陽(yáng)極氣體通路25，并且在另一個(gè)隔板和陰極23之間形成槽狀的陰極氣體通路26。這里，示意性地示出由膜電極組件24、陽(yáng)極氣體通路25和陰極氣體通路26構(gòu)成的電池的結(jié)構(gòu)以便于說(shuō)明。但是，實(shí)際上，具有這樣一種層疊體結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)電池串聯(lián)地層疊并且肋狀隔板插置在相鄰電池之間。
在燃料電池系統(tǒng)10的燃料氣體供給系統(tǒng)中，形成有用于向陽(yáng)極氣體通路25提供燃料氣體的燃料氣體通道31和用于使從陽(yáng)極氣體通路25排出的廢氫氣流回燃料氣體通道31的廢氫氣循環(huán)通道32。在燃料氣體通道31內(nèi)，設(shè)置有控制來(lái)自氫供給裝置71的燃料氣體的供給/供給停止的截流閥A1，和調(diào)節(jié)燃料氣體的壓力的調(diào)節(jié)器A2。在廢氫氣通道32內(nèi)，設(shè)置有氫泵P1，該氫泵用于向因通過(guò)陽(yáng)極氣體通路25而壓力降低的廢氫氣加壓以使廢氫氣流回燃料氣體通道31。另外，一排放通道33與廢氫氣循環(huán)通道32連通，該排放通道用于在廢氫氣內(nèi)包含的氫以外的成分的濃度變高時(shí)將部分廢氫氣排放到系統(tǒng)外部。在排放通道33內(nèi)設(shè)置有氫排放閥A3以便調(diào)節(jié)要被排放的廢氫氣的量。優(yōu)選使用電磁閥作為氫排放閥A3。但是，也可使用線性閥或開(kāi)關(guān)閥。排放通道33的下端與混合室50連通，并且流過(guò)排放通道33的廢氫氣被引到混合室50。被引到混合室50的廢氫氣通過(guò)排放通道51被引到廢氧氣通道42，并在利用消聲器52降低其噪聲之后被排放到系統(tǒng)外部。
同時(shí)，在燃料電池系統(tǒng)10的氧化氣體供給系統(tǒng)中，形成有用于向陰極氣體通路26提供氧化氣體的氧化氣體通道41和用于排放從陰極氣體通路26排出的廢氧氣(陰極廢氣)的廢氧氣通道42。在氧化氣體通道41內(nèi)，設(shè)置有用于過(guò)濾從車輛外部引入的空氣中包含的灰塵的空氣過(guò)濾器72；由電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)73；用于適當(dāng)?shù)丶訚裼煽諝鈮嚎s機(jī)73加壓的空氣的加濕器74；和調(diào)節(jié)要提供給陰極氣體通路26的氧化氣體的量的控制閥A4。在廢氧氣通道42內(nèi)，設(shè)置有用于調(diào)節(jié)壓力的控制閥A5和加濕器74。在加濕器74內(nèi)，在已被由于燃料電池20的電解反應(yīng)而生成的水高度加濕的廢氧氣和從車輛外部吸入的濕度較低的氧化氣體之間交換水。流過(guò)廢氧氣通道42的廢氧氣在利用消聲器52降低其噪聲之后被排放到系統(tǒng)外部。
氫傳感器S1設(shè)置在混合室50內(nèi)以作為用于檢測(cè)廢氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置。氫傳感器S1優(yōu)選地設(shè)置在氫排放閥A3的下游的位置。在氫排放閥A3的上游側(cè)流動(dòng)的廢氫氣的氣體狀態(tài)量——例如氫濃度、流速、壓力、每種成分的比例、溫度——根據(jù)燃料電池20的工作狀態(tài)而不斷地變化。特別地，當(dāng)系統(tǒng)由于突然下壓加速器踏板導(dǎo)致的負(fù)載波動(dòng)等情況而進(jìn)入過(guò)渡狀態(tài)時(shí)，廢氫氣的氣體狀態(tài)量大大改變。因此，當(dāng)氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置例如氫傳感器S1設(shè)置在氫排放閥A3的上游并且檢測(cè)氣體狀態(tài)量時(shí)，難以在過(guò)渡狀態(tài)下準(zhǔn)確地檢測(cè)氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉的異常。但是，當(dāng)氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置設(shè)置在氫排放閥A3的下游時(shí)，不管系統(tǒng)的工作狀態(tài)如何都可以判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉中是否發(fā)生異常。
混合室50是用于通過(guò)將在氫排放閥A3的下游側(cè)流動(dòng)的氫氣與外部氣體混合來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體室。在本實(shí)施例中，通過(guò)在混合室50內(nèi)設(shè)置氫傳感器S1并檢測(cè)混合室50內(nèi)的氫濃度的變化來(lái)判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。利用其中僅將廢氫氣引入混合室50的結(jié)構(gòu)，不能檢測(cè)由于從氫排放閥A3的氣體泄漏等情況而導(dǎo)致的氫濃度的變化。但是，通過(guò)將外部氣體引到混合室50并使外部氣體與廢氫氣混合，可以利用當(dāng)廢氫氣與外部氣體混合時(shí)和當(dāng)廢氫氣沒(méi)有與外部氣體混合時(shí)的兩種情況之間的氫濃度的差異來(lái)準(zhǔn)確地檢測(cè)氫濃度的變化。要與廢氫氣混合的外部氣體的種類沒(méi)有被特別限定，只要該氣體在氫濃度變化的檢測(cè)中不會(huì)引起問(wèn)題即可。例如，使用流過(guò)燃料電池20的氧化氣體供給系統(tǒng)的加壓空氣可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，形成有從氧化氣體通道41分叉并且與混合室50連通的氣體供給通道43，并且，從空氣壓縮機(jī)73輸出的預(yù)定流量的加壓空氣被引入混合室50。圖1示出氣體供給通道43從氧化氣體通道41分叉并且連通到混合室50的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，氣體供給通道43可從廢氧氣通道42分叉并可連通到混合室50。對(duì)于要被引入混合室50的外部氣體，優(yōu)選使用濕度盡可能低的干燥空氣以便在氫濃度的檢測(cè)中不會(huì)引起問(wèn)題。特別地，優(yōu)選使用流過(guò)氧化氣體通道41的沒(méi)有被加濕器74加濕的加壓空氣。
PCU(電力控制單元)80是包括換流器和直流/直流變換器的電力控制裝置。燃料電池20生成的電力被PCU 80轉(zhuǎn)換成交流電(三相電流)，并提供給電機(jī)(三相同步電機(jī))82以用于車輛行駛。燃料電池20生成的電力的余量通過(guò)PCU 80降頻變換成電壓較低的電力并提供給二次電池81。二次電池81在再生制動(dòng)時(shí)用作再生能量貯存器，并且在由于車輛加速或減速而導(dǎo)致負(fù)載波動(dòng)時(shí)用作能量緩沖器。優(yōu)選地使用鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰二次電池等作為二次電池81。
一控制部90輸入來(lái)自氫傳感器S1的傳感器信號(hào)輸出并檢測(cè)廢氫氣的氫濃度，以及根據(jù)燃料電池系統(tǒng)10的工作狀態(tài)控制截流閥A1、調(diào)節(jié)器A2、氫排放閥A3、控制閥A4、控制閥A5、氫泵P1、電機(jī)M1、和PCU 80。當(dāng)排放廢氫氣時(shí)，控制部90通過(guò)向氫排放閥A3輸出打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)(打開(kāi)/關(guān)閉命令)來(lái)執(zhí)行氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉控制，并且還用作根據(jù)氫傳感器S1的傳感器信號(hào)輸出判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常的異常判定裝置。
圖2示出當(dāng)將打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)輸入氫排放閥A3時(shí)氫傳感器S1檢測(cè)到的氫濃度的變化。這里，通過(guò)將打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)輸入氫排放閥A3并檢查在輸入打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)之前和之后混合室50內(nèi)的氫濃度的變化來(lái)判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。優(yōu)選地，通過(guò)輸入具有各種波形圖案的信號(hào)作為打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)來(lái)檢測(cè)氫濃度的變化。例如，如圖2(a)所示，分別輸入用于在從時(shí)刻t1到t2的期間內(nèi)和從時(shí)刻t3到t4的期間內(nèi)打開(kāi)閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)C1和C2。然后，如圖2(b)所示，檢測(cè)到的氫傳感器S1的響應(yīng)波形分別為在時(shí)刻t1和時(shí)刻t3開(kāi)始上升的響應(yīng)波形R1和R2。在這種情況下，當(dāng)響應(yīng)波形R1和R2分別在從時(shí)刻t1和時(shí)刻t3開(kāi)始的預(yù)定時(shí)間TA內(nèi)變得等于或高于閾值濃度A時(shí)，則判定氫排放閥A3處于“打開(kāi)狀態(tài)(正常操作)”。當(dāng)響應(yīng)波形R1和R2等于或高于閾值濃度B而低于閾值濃度A時(shí)，則判定氫排放閥A3處于“半打開(kāi)狀態(tài)(半打開(kāi)故障)”。當(dāng)響應(yīng)波形R1和R2等于或低于閾值濃度B時(shí)，則判定氫排放閥A3處于“關(guān)閉狀態(tài)(關(guān)閉故障)”。另外，當(dāng)響應(yīng)波形R1和R2分別在從時(shí)刻t2和t4開(kāi)始的預(yù)定時(shí)間TB內(nèi)變得等于或低于閾值濃度B時(shí)，則判定氫排放閥A3處于“關(guān)閉狀態(tài)(正常操作)”。當(dāng)響應(yīng)波形R1和R2等于或高于閾值濃度B而低于閾值濃度A時(shí)，則判定氫排放閥A3處于“半打開(kāi)狀態(tài)(半打開(kāi)故障)”。當(dāng)響應(yīng)波形R1和R2等于或高于閾值濃度A時(shí)，則判定氫排放閥A3處于“打開(kāi)狀態(tài)(打開(kāi)故障)”。例如，當(dāng)使用開(kāi)關(guān)閥作為氫排放閥A3時(shí)，可判定氫排放閥A3處于“完全打開(kāi)狀態(tài)”、“半打開(kāi)狀態(tài)”和“完全關(guān)閉狀態(tài)”中的哪個(gè)狀態(tài)。
閾值濃度A是用于判定是否已發(fā)生“打開(kāi)故障”的濃度。閾值濃度B是用于判定是否已發(fā)生“關(guān)閉故障”的濃度。濃度A高于濃度B?！按蜷_(kāi)故障”表示氫排放閥A3保持打開(kāi)而不能關(guān)閉的故障狀態(tài)?！瓣P(guān)閉故障”表示氫排放閥A3保持關(guān)閉而不能打開(kāi)的故障狀態(tài)。
不管使用開(kāi)關(guān)閥和線性閥中的哪一種閥作為氫排放閥A3，都可有效地使用打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)C1和C2。但是，當(dāng)氫排放閥A3是線性閥時(shí)，如圖2(a)所示，可以使用用于設(shè)定中間的閥開(kāi)度的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)C3、其上升/下降沿以恒定的斜率適度地下傾的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)C4等。對(duì)于在判定氫排放閥A3是否已發(fā)生故障時(shí)輸入該閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，優(yōu)選地通過(guò)以預(yù)定的間隔依次地或隨機(jī)地輸入具有不同波形圖案的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)(例如，打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)C1、C3和C4)而不是連續(xù)地輸入具有不變的波形圖案的信號(hào)(例如，僅打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)C1和C2)以便在輸入信號(hào)中提供變化。從而可更準(zhǔn)確地判定是否已發(fā)生故障。例如，當(dāng)使用線性閥作為氫排放閥A3時(shí)，還可根據(jù)當(dāng)輸入氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)從用于實(shí)現(xiàn)30％開(kāi)度的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)切換到用于實(shí)現(xiàn)80％開(kāi)度的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)時(shí)在氫排放閥A3下游的位置的氣體狀態(tài)量(濃度、流速、壓力、每種成分的比例、溫度、介電常數(shù)等)以及氣體狀態(tài)量隨時(shí)間的變化來(lái)判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。在這種情況下，可以檢測(cè)氫排放閥A3發(fā)生異常時(shí)的打開(kāi)程度。由此可提高判定是否已發(fā)生異常的精確度。
當(dāng)檢測(cè)到氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉異常時(shí)，控制部90執(zhí)行下列各種操作以便處理故障；控制部90(1)通過(guò)關(guān)閉作為燃料氣體供給源的截流閥A1來(lái)防止氫泄漏到系統(tǒng)外部，以便抑制燃料效率降低，(2)抑制由燃料電池20發(fā)電，(3)控制PCU 80以便使用存儲(chǔ)在二次電池81內(nèi)的電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)82，以及(4)使用顯示器或聲音警報(bào)告知駕駛員氫排放閥A3內(nèi)已發(fā)生故障。如上所示，控制部90還用作處理故障的裝置。
根據(jù)本實(shí)施例，基于設(shè)置在氫排放閥A3下游的氫傳感器S1輸出的信號(hào)來(lái)判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。因此，不僅可在燃料電池20停止工作時(shí)而且還可在燃料電池20在過(guò)渡狀態(tài)下工作時(shí)判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。另外，將廢氫氣和外部氣體引入混合室50。因此，可根據(jù)廢氫氣與外部氣體混合時(shí)和廢氫氣不與外部氣體混合時(shí)的氫濃度之間的差異來(lái)準(zhǔn)確地檢測(cè)氫濃度的變化。另外，通過(guò)使用氫傳感器S1，可以檢測(cè)由于異物侵入而導(dǎo)致的微小泄露，而壓力傳感器難以檢測(cè)這種泄漏。
應(yīng)指出，在本實(shí)施例內(nèi)，氫濃度作為氫氣的氣體狀態(tài)量被檢測(cè)。但是，本發(fā)明并不局限于此。可以使用作為廢氫氣的氣體狀態(tài)量的廢氫氣的物理量，例如流速、壓力、每種成分的比例、溫度、介電常數(shù)等。
下面將說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖3是示出根據(jù)第二實(shí)施例的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。在該實(shí)施例內(nèi)，在排放通道33中的氫排放閥A3下游的位置設(shè)置有檢測(cè)廢氫氣的壓力的壓力傳感器S2。在數(shù)據(jù)圖90a內(nèi)，將在氫排放閥A3內(nèi)沒(méi)有發(fā)生氣體泄漏時(shí)檢測(cè)到的壓力P作為基準(zhǔn)壓力，并記錄相對(duì)于基準(zhǔn)壓力的壓力增量所對(duì)應(yīng)的氣體泄漏量。控制部(異常判定裝置)90向氫排放閥A3提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，檢測(cè)在提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)之前和之后的壓力變化，并參考數(shù)據(jù)圖90a判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
下面將說(shuō)明本發(fā)明的第三實(shí)施例。圖3是示出根據(jù)第三實(shí)施例的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。在該實(shí)施例內(nèi)，在排放通道33中的氫排放閥A3上游的位置設(shè)置有檢測(cè)廢氫氣的溫度的溫度傳感器S3，并且在排放通道33中的氫排放閥A3下游的位置設(shè)置有溫度傳感器S4。當(dāng)溫度傳感器S3檢測(cè)的溫度由TX表示，并且溫度傳感器S4檢測(cè)的溫度由TY表示時(shí)，在氫排放閥A3打開(kāi)的狀態(tài)下TX等于TY(TX＝TY)。另一方面，在氫排放閥S3關(guān)閉的狀態(tài)下TX高于TY(TX＞TY)，這是因?yàn)閺U氫氣的溫度由于電解反應(yīng)產(chǎn)生的熱而升高。通過(guò)檢測(cè)溫度TX和溫度TY之間的差異，可以檢測(cè)從氫排放閥A3的氣體泄漏。在數(shù)據(jù)圖90b內(nèi)記錄對(duì)應(yīng)于溫度差(TX-TY)的氣體泄漏量。隨著溫度差(TX-TY)變小，氣體泄漏量變大。另一方面，隨著溫度差(TX-TY)變大，氣體泄漏量變小。
控制部(異常判定裝置)90向氫排放閥A3提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，根據(jù)從溫度傳感器S3和S4輸出的信號(hào)得到溫度差(TX-TY)，并參考數(shù)據(jù)圖90b判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。當(dāng)為溫度差(TX-TY)設(shè)定了預(yù)定閾值時(shí)，可根據(jù)溫度差(TX-TY)判定氫排放閥A3處于“完全打開(kāi)狀態(tài)”、“半打開(kāi)狀態(tài)”和“完全關(guān)閉狀態(tài)”中的哪個(gè)狀態(tài)。通過(guò)不僅在氫排放閥A3的下游側(cè)而且在上游側(cè)設(shè)置氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置，可以準(zhǔn)確地判定氫排放閥A3處于“完全打開(kāi)狀態(tài)”、“半打開(kāi)狀態(tài)”和“完全關(guān)閉狀態(tài)”中的哪個(gè)狀態(tài)。應(yīng)指出，不一定必須設(shè)置溫度傳感器S3，可以省略溫度傳感器S3，并且可以僅使用溫度傳感器S4來(lái)判定氫排放閥A3內(nèi)是否已發(fā)生異常。
下面將說(shuō)明本發(fā)明的第四實(shí)施例。圖5是示出根據(jù)第四實(shí)施例的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。在該實(shí)施例中，在混合室50內(nèi)設(shè)置有彼此相對(duì)的成對(duì)電極S5和S6。氣體的介電常數(shù)在僅將外部氣體引入混合室50的狀態(tài)和廢氫氣與外部氣體混合的狀態(tài)之間改變。因此，通過(guò)讀取設(shè)置在電極S5和S6之間的電容器的電容的變化，可判定氫排放閥A3是否已發(fā)生異常?？刂撇?異常判定裝置)90向氫排放閥A3提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，檢測(cè)在提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)之前和之后電容器的電容的變化，并判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
下面將說(shuō)明本發(fā)明的第五實(shí)施例。圖6是示出根據(jù)第五實(shí)施例的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。在該實(shí)施例中，在混合室50內(nèi)設(shè)置有連接到電壓源V的熱電阻絲RX，并且利用焦耳熱使熱電阻絲RX發(fā)熱。在廢氫氣與外部氣體混合的狀態(tài)下，與僅將外部氣體引入混合室50的情況相比，熱電阻絲RX的導(dǎo)熱率較高。相應(yīng)地，熱電阻絲RX的電阻值R減小。當(dāng)氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉發(fā)生故障并且廢氫氣泄漏時(shí)，熱電阻絲RX的電阻值R減小。因此，通過(guò)檢測(cè)電阻值R，可以判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生故障?？赏ㄟ^(guò)用電壓源V輸出的電壓除以由電流傳感器S7讀取的電流值得到電阻值R。在數(shù)據(jù)圖90c中記錄對(duì)應(yīng)于熱電阻RX的電阻值R的氣體泄漏量。控制部(異常判定裝置)90向氫排放閥A3提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)，得到在提供打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)之前和之后電阻值R的變化量，并參考數(shù)據(jù)圖90c判定氫排放閥A3的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
下面將說(shuō)明本發(fā)明的第六實(shí)施例。圖7是示出根據(jù)第六實(shí)施例的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。在該實(shí)施例中，在排放通道33中的位于氫排放閥A3的下游和氫傳感器S1的上游的位置設(shè)置有氣液分離器60，該氣液分離器60將廢氫氣內(nèi)包含的水分離成氣體和液體。如果水滴等附著在氫傳感器S1上，則氫濃度的檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。但是，通過(guò)預(yù)先將廢氫氣分離成氣體和液體，可以準(zhǔn)確地測(cè)量氫濃度?？墒褂猛ㄟ^(guò)高速旋動(dòng)廢氫氣并沿離心方向排出水而將水分離成氣體和液體的旋風(fēng)分離器、利用空氣冷卻或水冷卻的熱交換氣液分離器等作為氣液分離器60。
除了氣液分離器60之外，例如可在氫傳感器S1上游的位置設(shè)置可透過(guò)氣體的蓋子61作為氣液分離裝置。此外，氫傳感器S1可由袋狀的可透過(guò)氣體的蓋子62覆蓋。優(yōu)選地，可透過(guò)氣體的蓋子61和62由可透過(guò)氫的材料制成。但是，可透過(guò)氣體的蓋子61和62可由僅能夠除去水的可透過(guò)氣體的材料制成。例如，可適當(dāng)?shù)厥褂肎ore-TexTM作為這種材料。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，包括用于使從燃料電池排出的廢氫氣流回燃料電池的陽(yáng)極的廢氫氣循環(huán)通道；用于從該廢氫氣循環(huán)通道排出在該廢氫氣循環(huán)通道內(nèi)循環(huán)的廢氫氣的一部分的排放通道；設(shè)置在該排放通道內(nèi)的氫排放閥；以及用于判定該氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常的異常判定裝置，其特征在于還包括用于檢測(cè)廢氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置，該氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置設(shè)置在排放通道內(nèi)的氫排放閥下游的位置，其中異常判定裝置根據(jù)廢氫氣的氣體狀態(tài)量來(lái)判定該氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括用于使從排放通道排出的廢氫氣與外部氣體混合的混合室，其中所述氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)在該混合室內(nèi)與外部氣體混合的廢氫氣的氣體狀態(tài)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于，所述外部氣體是要供給燃料電池的陰極的氧化氣體的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于，所述氫排放閥是電磁閥，并且所述異常判定裝置根據(jù)由氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)于電磁閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)的輸入變化而檢測(cè)的氣體狀態(tài)量，來(lái)判定氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于，所述異常判定裝置根據(jù)由氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)于電磁閥的打開(kāi)/關(guān)閉控制信號(hào)的輸入變化而檢測(cè)的氣體狀態(tài)量隨時(shí)間的變化，來(lái)判定電磁閥的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于，所述氣體狀態(tài)量是與廢氫氣的氫濃度、流速、壓力、每種成分的比例、溫度和介電常數(shù)之一相關(guān)的物理量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括用于檢測(cè)廢氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置，該氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置設(shè)置在排放通道內(nèi)的氫排放閥上游的位置，其中異常判定裝置根據(jù)由設(shè)置在氫排放閥的上游側(cè)和下游側(cè)中的每一側(cè)的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)的氣體狀態(tài)量來(lái)檢測(cè)氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉的異常。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括用于將廢氫氣分離成氣體和液體的氣液分離裝置，其中氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置檢測(cè)已被氣液分離裝置分離成氣體和液體的廢氫氣的氣體狀態(tài)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括壓力傳感器，該壓力傳感器設(shè)置在排放通道內(nèi)的氫排放閥下游的位置，并且檢測(cè)廢氫氣的壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括溫度傳感器，該溫度傳感器設(shè)置在排放通道內(nèi)的氫排放閥下游的位置，并檢測(cè)廢氫氣的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括成對(duì)電極，該成對(duì)電極設(shè)置在混合室內(nèi)并彼此相對(duì)以便檢測(cè)廢氫氣的介電常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括熱電阻絲，該熱電阻絲設(shè)置在混合室內(nèi)并檢測(cè)廢氫氣的導(dǎo)熱率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置，其特征在于還包括用于在異常判定裝置檢測(cè)到氫排放閥的打開(kāi)/關(guān)閉的異常時(shí)處理故障的裝置。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的異常檢測(cè)裝置包括用于使從燃料電池(20)排出的廢氫氣流回陽(yáng)極(22)的廢氫氣循環(huán)通道(32)；用于從廢氫氣循環(huán)通道(32)排出在廢氫氣循環(huán)通道(32)內(nèi)循環(huán)的廢氫氣的一部分的排放通道(33)；設(shè)置在排放通道(33)內(nèi)的氫排放閥(A3)；用于判定氫排放閥(A3)的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常的異常判定裝置(90)；以及用于檢測(cè)廢氫氣的氣體狀態(tài)量的氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置(S1)，該氣體狀態(tài)量檢測(cè)裝置(S1)設(shè)置在排放通道(33)中的氫排放閥(A3)下游的位置。異常判定裝置(90)根據(jù)廢氫氣的氣體狀態(tài)量來(lái)判定氫排放閥(A3)的打開(kāi)/關(guān)閉是否已發(fā)生異常。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1871733SQ200480031339
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者藤田信雄 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社