CN100466352C - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的燃料电池系统具备：具有燃料气体流路(1D)和氧化剂气体流路(1E)的燃料电池(1)、燃料气体供给装置(2)、氧化剂气体供给装置(3)、燃料气体排出流路(8)、氧化剂气体排出流路(9)、对燃料气体流路(1D)和氧化剂气体流路(1E)中的任一个提供给检查气体的检查气体供给装置(2)、检测检查气体的流量的流量检测装置(5)、第1流路切断装置(4)、以及控制装置(10)，控制装置(10)控制流路切断装置(4)而切断流路，控制检查气体供给装置(2)将检查气体提供给燃料电池(1)，取得流量检测装置(5)的检测值或检测值变换得到的数值信息构成的气密值。
Description
技术领域
本发明涉及便携式电源、电动汽车用电源、热电联供系统等使用的燃料电池系统。特别是涉及使用具有高分子电解质膜的燃料电池的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池通过使含氢的燃料气体与空气等含氧的氧化剂气体发生电化学反应，以此同时产生电力和热量。作为燃料电池的一种有高分子电解质型燃料电池，其结构如下所述。
在有选择地输送氢离子的高分子电解质膜的两个面上，形成以承载白金系金属催化剂的碳粉为主成分的催化剂反应层。在该催化剂反应层的外表面上，用同时形成具有能够透过燃料气体的透气性以及电子导电性的，例如碳素纸(carbonpaper)和碳素布形成扩散层。该扩散层与催化剂反应层合在一起形成薄膜电极接合体。
该薄膜电极接合体为了集电，由玻璃状碳和金属等导电性材料构成的隔离层夹着。在该隔离层上还形成能够使上述燃料气体和氧化剂气体曝露于膜电极接合体的结构的气体流路、或调节膜电极接合体的温度的、也就是形成能够回收伴随发电产生的热量的结构的，冷却用流通流路。又，通常在膜电极接合体与隔离层之间配置防止所提供的燃料气体或氧化剂气体向外部的泄漏和两种气体的混合用的气体密封材料和衬垫。
以被这样的隔离层夹着的膜电极接合体为基本单位，将其迭层与高分子电解质型燃料电池的电或热的设计输出相应的数目，形成高分子电解质型燃料电池。
燃料电池系统形成在该高分子电解质型燃料电池(以下简称PEFC)上连接提供燃料气体和氧化剂气体的燃料气体供给装置和氧化剂气体供给装置，而且根据需要设置回收发生的热量的排热回收装置和进行调整以便能够使用PEFC产生的电的电力变换装置，而且设置控制这些装置的控制装置的结构。
燃料气体供给装置具备将天然气、丙烷气体、汽油等碳化氢燃料重整，生成富氢气体、所谓生成燃料气体的氢生成装置，生成的燃料气体被提供给PEFC。氧化剂气体供给装置由例如鼓风机、电扇种类的送风机构成，将空气作为氧化剂气体提供给PEFC。又，有时候在燃料气体供给装置和氧化剂气体供给装置上设置调整提供给PEFC的燃料气体或氧化剂气体的含水量用的加湿器。排热回收装置形成具备例如将流过上述冷却用流体流路的冷却用的流体具有的热量回收于水中得到温水的热交换器、以及贮存该温水的热水箱的结构。电力变换装置形成具备将PEFC发电得到的直流电变换为交流电的逆变器、变压器的结构。
如上所述，在PEFC内部，使燃料气体、或氧化剂气体流过由衬垫、高分子电解质膜、以及隔离层上形成的气体流路区隔的路径中。但是，由于区隔这些气体的路径的构成部件的劣化，例如由于例如高分子电解质膜的气体透过量的增大和衬垫的硬化等原因，这些路径的气密性下降，发生燃料气体或氧化剂气体向外部泄漏、以及两种气体混合的情况。燃料气体向大气中泄漏和燃料气体与氧化剂气体的混合有诱发异常燃烧和爆炸的危险。另一方面，即使是尚未达到异常燃烧和爆炸的情况下，一旦由于向外部泄漏，对所述催化剂反应层的燃料气体或氧化剂气体供应不足，也就是对于膜电极接合体曝露不够充分时，电极反应的分极电阻增大，引起PEFC的输出下降。
因此，为了防止PEFC的损伤或防止燃料电池的性能下降，需要能够检测出燃料气体或氧化剂气体流过的路径的气密性的燃料电池系统或检测方法。通常的压力容器类中，通常进行在容器内部密封加压气体，检测压力下降所需要的时间或在规定的时间的压力下降的泄漏率检查。但是，燃料电池系统由于是随时运行的电池系统，PEFC的燃料气体或氧化剂气体流过的路径的气密性检测必须迅速进行而且不影响PEFC的运行动作，在燃料电池系统中加压密封气体，观察其压力下降的经过的检测方法实际上不合适。另一方面，检测燃料电池的气密性的燃料电池系统或燃料电池的气密性的检测方法已经公开几种，主要的燃料电池系统或检测方法如下所述。
例如专利文献1公开的燃料电池系统，根据燃料电池的输出电流计算出消耗的燃料气体量，根据该量再计算出燃料气体的钢瓶内的燃料气体压力，通过将该计算出的压力值与实际由压力传感器检测出的压力值加以比较，判断燃料气体的泄漏情况。
又，专利文献2公开的燃料电池的诊断方法，对燃料电池的燃料极以及氧化剂极分别提供含氢气体以及含氧气体，检测随着含氧气体的供给量的减少燃料电池发生的电压的急剧变化，从含氧气体与发生的电压的对应关系计算出燃料电池的氢泄漏量。
又公开了如下所述的燃料电池系统，即与燃料电池的劣化判断相关，通过用各种方法检测出燃料电池的状态判断燃料电池的劣化状态，将其结果反馈给燃料电池的控制机构以抑制劣化的发展，以此谋求燃料电池与燃料电池系统的高耐用性和长寿命化的燃料电池系统。
例如在专利文献3中，公开了从PEFC分析燃料气体加湿水等水分中的杂质离子，判断PEFC的运行状态水分在性能下降区域，在判定为处于性能下降区域的情况下，通过停止PEFC的运行或限制运行条件，使PEFC的运行状态避开性能下降区域的PEFC的运行方法。
在专利文献4中公开了使燃料电池以几种基本运行模式运行，根据其基本运行模式的发电时间和输出电压变化率的关系预测燃料电池的寿命的方法。
专利文献1:日本特开平11-224681号公报
专利文献2:日本特开平9-27336号公报
专利文献3:日本特开2004-127548号公报
专利文献4:日本特开平11-97049号公报
发明内容
但是，在燃料电池中，提供给燃料电池的气体中包含的水蒸汽在氧化剂气体或燃料气体的路径内凝集为水，该凝集的水滞留于氧化剂气体或燃料气体的路径中，阻碍气体的通过导致燃料电池的输出下降。因此在燃料电池进行启动动作时、进行停止动作时或进行运行动作时，通常对燃料电池内的残留气体和水分进行净化处理。这种净化处理的方法有例如将干燥的燃料气体提供给燃料电池内，将凝集的水推向燃料电池外使其流出的方法。因此在专利文献1公开的燃料电池系统中，在对燃料电池的残留气体和水分进行净化的净化处理中使用燃料气体的情况下，伴随该净化处理消耗的燃料气体被算入泄漏量，燃料电池的泄漏检测精度下降。
又，专利文献2公开的燃料电池的诊断方法中，一边慢慢减少对阴极的含氧气体供应量一边测定燃料电池发生的电压，但是随着上述供给量的变化而发生的燃料电池发生电压变化小，因此检测精度有改善的余地。而且燃料电池的输出电的变动与电极性能的劣化等各种因素有关，因此以发生的电压为依据推定燃料气体的泄漏的方法中，其精度有改善的余地。
又，在PEFC中，高分子电解质膜分解时生成氟化物离子。而且氟化物离子因为是强酸性具有腐蚀金属的性质。因此专利文献3公开的PEFC的运行方法中，可以根据生成的水、加湿水这些水分中检测出金属离子等离子的情况判断PEFC的劣化。但是，PEFC的燃料气体或氧化剂气体流过的路径的气密性的下降也因高分子电解质膜的破损而发生。在这样的高分子电解质膜破损的情况下，不容易生成金属离子或氟化物离子，因此根据金属离子或氟化物离子的检测判断PEFC劣化的方法不适合PEFC的气密性的检测，正确地说，不适合燃料气体或氧化剂气体流过的路径的气密性的检测。
又，燃料电池的电极催化剂、例如白金，其催化性能受燃料电池的负荷的变动、燃料电池内的气体成份、或燃料电池内的气体成份的分压、还有停止时的温度·湿度条件这些环境条件对催化剂能力有影响。也就是说，燃料电池的电极面积因燃料电池的履历而变化，所以实际上只根据燃料电池的运行模式是难于高精度预测燃料电池的寿命的。因此存在着根据燃料电池的基本运行模式或多种基本运行模式的组合预测近似的燃料电池的寿命有改善的余地的问题。
这样一来，为了迅速检测燃料电池的燃料气体或氧化剂气体流过的路径的气密性，已有的技术精度不够，有改善的余地。又，对于燃料电池的劣化的判断，取得燃料电池的基本运行模式的数据需要时间和工夫，装备金属离子或氟化物离子的检测装置这样的特殊装置需要增加成本。
本发明是为解决上述存在问题而作出的，其目的在于提供能够利用简单的结构迅速而且高精度地检测出作为燃料电池的劣化信息的气密性的燃料电池系统。
为解决上述课题，第1本发明的燃料电池系统具备:具有分别与形成于高分子电解质膜两侧的阳极和阴极接触地形成的燃料气体流路和氧化剂气体流路的燃料电池、将燃料气体提供给所述燃料气体流路的燃料气体供给装置、将氧化剂气体提供给所述氧化剂气体流路的氧化剂气体供给装置、从所述燃料气体流路排出的剩余的燃料气体流通的燃料气体排出流路、从所述氧化剂气体流路排出的剩余的氧化剂气体流通的氧化剂气体排出流路、对所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路中的任一个提供给检查气体的检查气体供给装置、检测所述检查气体的流量的流量检测装置、切断得到所述检查气体供应的所述燃料气体排出流路和所述氧化剂气体排出流路中的任一个的第1流路切断装置、在没有得到所述检查气体供给的所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路中的任一个中，具有分别切断其出口侧连接的气体流路和入口侧连接的气体流路的第2流路切断装置和第3流路切断装置、以及控制装置；
所述控制装置控制第1～第3流路切断装置分别切断各流路，控制所述检查气体供给装置将所述检查气体提供给所述燃料电池取得所述流量检测装置的第1气密值，控制第1流路切断装置切断流路，控制所述第2和第3流路切断装置使至少任一个不将流路切断，控制所述检查气体供给装置将所述检查气体提供给所述燃料电池取得所述流量检测装置的第2气密值，而且取得所述第2气密值与所述第1气密值的差分值。形成这样的结构时，燃料电池系统能够取得从燃料气体流路向氧化剂气体流路的泄漏量，因此能够利用简便的结构和动作迅速而且高精度地检测出燃料电池的气密性、特别是高分子电解质膜的损伤程度。
第2本发明的燃料电池系统，所述检查气体供给装置是所述燃料气体供给装置和所述氧化剂气体供给装置中的任一种。形成这样的结构时，能够省略检查气体供给装置，因此能够利用更简便的结构和动作迅速而且高精度地检测出燃料电池的气密性。
第3本发明的燃料电池系统，所述检查气体是在所述燃料电池内不引起化学反应的化学成份组成的气体。形成这样的结构时，能够防止检查气体引起的催化剂能力的下降这样的燃料电池内的损伤。
又，为了更可靠地得到上述本发明的效果，第4本发明的燃料电池系统，所述检查气体是燃料气体、氧化剂气体、不活泼气体、二氧化碳、以及甲烷混合气体构成的一组中选出的至少一种气体。
第5本发明的燃料电池系统，所述控制装置具备向外部输出所述气密值的输出部。形成这样的结构时，燃料电池系统的使用者能够迅速而且高精度地取得燃料电池的气密性的状况，因此能够在事前防止燃料电池系统的损伤和性能下降。
第6本发明的燃料电池系统，所述控制装置具备预先存储评价所述气密值的评价用气密值的存储部；所述控制装置通过将所述气密值与所述评价用气密值加以对比，对所述燃料电池的气密性进行评价。形成这样的结构时，燃料电池系统可以以评价用气密值作为判断基准，因此能够恰当地评价燃料电池的气密性状态。
第7本发明的燃料电池系统，所述控制装置具备将所述评价过的气密值输出到外部的输出部。形成这样的结构时，燃料电池系统的使用者能够取得燃料电池的气密性的评价，因此更加容易进行燃料电池系统的损伤和性能下降的对策判断。
第8本发明的燃料电池系统，所述控制装置根据所述评价过的气密值调节所述燃料电池的运行条件。形成这样的结构时，燃料电池系统以评价用气密值作为判断基准，因此能够大约自动地谋求延长燃料电池的寿命。
第9本发明的燃料电池系统，所述控制装置在每规定的检测时间间隔取得所述气密值，与所述燃料电池的运行时间对应地在所述存储部存储所述气密值，所述控制装置利用统计学近似方法取得对于所述运行时间的所述气密值的推移线，根据所述推移线与所述评价用气密值的对比预测所述燃料电池的气密性的下降。形成这样的结构时，燃料电池系统能够利用更简便的结构和动作迅速而且高精度地检测出燃料电池的气密性，同时能够预测燃料电池系统的寿命。
第10本发明的燃料电池系统，所述控制装置根据所述推移线的轨迹改变所述检测时间间隔。形成这样的结构时，能够省略不必要的取得检测气密值的动作而不影响检测气密值的推移线的取得，因此能够合理地进行燃料电池系统的动作。
第11本发明的燃料电池系统，在所述控制装置的存储部存储的评价用气密值中，包含所述燃料电池的使用极限时的极限气密值；所述控制装置对所述推移线进行外插，取得到达所述极限气密值为止的所述燃料电池的预测的余留运行时间。采用这样的结构时，燃料电池系统能够根据具体的数值信息预测燃料电池系统的寿命。
第12本发明的燃料电池系统，所述控制装置具备将所述预测的余留运行时间输出到外部的输出部。采用这样的结构时，燃料电池系统的使用者能够将燃料电池的剩余寿命的评价作为具体的数值信息取得，因此能够预先制定燃料电池系统的损伤和性能下降的对策、选择燃料电池的合适的运行模式、或制定燃料电池的运行计划。
第13本发明的燃料电池系统，所述控制装置根据所述预测的余留运行时间调节所述燃料电池的运行条件。采用使用的结构时，燃料电池系统能够大致自动地谋求延长燃料电池的寿命，因此能够减轻燃料电池系统的使用者的运行管理负担。
第14本发明的燃料电池系统，所述控制装置在所述燃料电池的启动动作或/和停止动作中取得所述检测值或所述气密值。采用这样的结构时，燃料电池系统能够大致自动地检测出PEFC1的气密值。
本发明的上述目的、其他目的、特征、以及优点从参照附图对下述理想的实施形态进行的说明中能够清楚了解到。
本发明的燃料电池系统具备能够利用简便的结构迅速而且高精度地检测出燃料电池的气密性的效果。
附图说明
图1是表示本发明实施形态1的燃料电池系统的示意图。
图2是示意性表示检测的气密值相对于PEFC的运行时间关系的推移线的曲线图。图2(a)表示检测气密值以一定的步调变化的情况下的曲线图，图2(b)表示检测气密值慢慢稳定地变化的情况下的曲线图，图2(c)表示检测气密值的变化慢慢扩大的情况下的曲线图，
图3是表示本发明实施形态2的燃料电池系统的示意图。
图4是表示本发明实施形态3的燃料电池系统的示意图。
图5是表示本发明实施形态4的燃料电池系统的示意图。
图6是表示本发明实施形态5的燃料电池系统的示意图。
图7是表示本发明实施形态6的燃料电池系统的示意图。
符号说明
1 高分子电解质型燃料电池(PEFC)
1A 膜电极接合体
1B 阳极隔离层
1C 阴极隔离层
1D 燃料气体流路
1E 氧化剂气体流路
2 燃料气体供给装置
3 氧化剂气体供给装置
4 流路切断装置(第1流路切断装置)
5 流量检测装置
6 燃料气体供给流路
6A 燃料气体供给装置侧的部分
6B PEFC1侧的部分
7 氧化剂气体供给流路
8 燃料气体排出流路
9 氧化剂气体排出流路
10 控制装置
10A 控制部
10B 存储部
10C 输入部
10D 输出部
20 检查气体供给装置
21 切换装置
22 检查气体流路
31 第2流路切断装置
32 第3流路切断装置
100、101 燃料电池系统
T 运行时间
Q 气密值
Δt 检测时间间隔
ΔT0 预测的余留运行时间
Q0 极限气密值
Q100 初始气密值
具体实施方式
下面参照附图对本发明的燃料电池系统以及运行方法的理想的实施形态进行详细说明。还有，在下述说明中，对相同或相当的部分标以相同的符号并省略重复说明。
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的燃料电池系统的示意图。
首先对本实施形态的燃料电池系统100的结构进行说明。
燃料电池系统100具有燃料气体供给装置2和氧化剂气体供给装置3，在燃料气体供给装置2上连接燃料气体供给流路6，氧化剂气体供给装置3上连接氧化剂气体供给流路7。
燃料气体供给流路6连接于高分子电解质型燃料电池(以下称为PEFC)1，从燃料气体供给装置2对PEFC1提供燃料气体。而氧化剂气体供给流路7连接于PEFC1，从氧化剂气体供给装置3向PEFC1提供氧化剂气体。
在该燃料气体供给流路6上配设流量检测装置5。流量检测装置5利用例如流量计构成，对通过作为检测对象的流路、在这里是通过燃料气体供给流路6的流体的的流量进行检测。
又在PEFC1内膜电极接合体1A由一对隔离层、正确地说由阳极隔离层1B和阴极隔离层1C夹着，由膜电极接合体1A与阳极隔离层1B的表面上形成的槽部区隔，形成燃料气体流路1D。同样由膜电极接合体1A与阴极隔离层1C的表面上形成的槽部区隔，形成氧化剂气体流路1E。借助于此，在PEFC1内，燃料气体流路1D与氧化剂气体流路1E由具有高分子电解质膜而构成的膜电极接合体1A分离开。
而且在燃料气体流路1D的一端上连接燃料气体供给流路6，将燃料气体提供给燃料气体流路1D。又在氧化剂气体流路1E的一端上连接氧化剂气体供给流路7，将氧化剂气体提供给氧化剂气体流路1E。被提供给该燃料气体流路1D和氧化剂气体流路1E的燃料气体和氧化剂气体在阳极和阴极发生化学反应发生电力和热量。
燃烧气体流路1D的另一端上，连接燃料气体排出流路8，在阳极上没有发生化学反应的剩余的燃料气体从燃料气体流路1D的另一端被排出到燃料气体排出流路8。又在氧化剂气体流路1E的另一端上连接氧化剂气体排出流路9，在阴极上没有发生化学反应的剩余的氧化剂气体从氧化剂气体流路1E的另一端被排出到氧化剂气体排出流路9。
在该燃料气体排出流路8上配设流路切断装置4。流路切断装置4形成能够切断作为切断对象的流路、在这里是燃料气体排出流路8内的流体的流通的结构。在这里，形成具有电动阀，阀体能够堵塞流路的结构。
又，燃料电池系统100具备控制装置10。控制装置10具备:具有例如微电脑这样的控制构件形成的控制部10A、具有例如存储器这样的存储构件构成的存储部10B、具有例如键盘、触摸面板这样的输入装置构成的输入部10C、以及具有例如监控器装置这样的输出装置构成的输出部10D。而且控制装置10对燃料电池系统100的动作进行控制。特别是控制装置10形成能够控制流路切断装置4和原料气体供给装置14，取得流量检测装置5的输出值的结构。
又，存储部10B中存储着评价PEFC1的气密性的评价用气密值。例如存储着PEFC1的供给开始的初期的初期气密值Q100、PEFC1的功能障碍发现的时间、也就是使用极限时的PEFC1的极限气密值Q0、以及作为初期气密值Q100与极限气密值Q0的中间值的中间气密值Q80、Q60、Q40、Q20预先从输入部10D输入存储。
还有，气密值Q是电流信号值、电压信号值那样的流量检测装置5的检测值、或根据该检测值换算的流量值那样的数值信息。该气密值Q作为表示PEFC1的劣化程度的劣化信息使用。
在这里，控制装置意味着不是单独的控制装置，而是包含多个控制装置协同动作进行控制的控制装置群。因此，控制装置10不必由单独的控制装置构成，也可以采用多个控制装置分散配置，这些控制装置也可以形成能够协同动作对燃料电池系统100的动作进行控制的结构。例如，输出部10D也可以形成利用信息终端进行发送，在可移动设备上显示的结构。
下面对作为本发明的特征的燃料电池系统100的气密值检测动作进行说明。该气密值检测动作利用控制装置10控制进行。
首先，控制装置10在氧化剂气体供给装置3处于停止状态时，对流路切断装置4进行控制，切断燃料气体排出流路8，控制燃料气体供给装置2，以一定的压力提供燃料气体。例如在PEFC1的启动动作或停止动作、或在启动动作和停止动作两个动作中，控制装置10能够实施燃料电池系统100的气密值检测动作。借助于此，能够大致自动地检测PEFC1的气密性。
在这里，在PEFC1中发生气体泄漏的情况下，燃料气体供给装置2继续对PEFC1提供燃料气体。于是，流量检测装置5对该燃料气体的流量进行检测。然后，控制装置10根据流量检测装置5的检测值取得以流量检测装置5的检测值为依据的气密值、即检测气密值Q。在燃料气体没有泄漏的情况下，燃料气体的流量由于燃料气体排出流路8被切断而大致为0，因此燃料气体有无泄漏、即气密性的大小在短时间内就能够评价。而且对于PEFC1的燃料气体的泄漏量，流量检测装置5的精度(流量检测能力)足够高，因此能够高精度地检测出气体的泄漏。
因此，燃料电池系统100能够利用流量检测装置5、流路切断装置4、以及燃料气体供给装置2的简单的结构和动作，迅速而且高精度地检测出PEFC1的气密性。
又，控制装置10将检测气密值Q显示于输出部10D。借助于此，燃料电池系统100的使用者能够迅速而且高精度地识别PEFC1的气密性状态、也就是劣化状态，因此能够在事前防止燃料电池系统100的损伤和性能下降。
而且，控制装置10在控制部10A将检测气密值Q与存储部10B存储的评价用气密值Q100～Q0对比，评价并显示PEFC1的气密性的状态。具体地说，取得检测气密值Q最接近的评价用气密值Q100～Q0以及与该评价用气密值Q100～Q0的差异量，将这些量显示于输出部10D。通过这样评价，燃料电池系统100可以以评价用气密值Q100～Q0作为判断基准，因此能够合适地评价燃料电池的气密性的状态。又，通过显示该评价结果，燃料电池系统100的使用者能够取得PEFC1的气密性的评价，因此更加容易对燃料电池系统100的损伤和性能下降采取对策。
还有，控制装置10根据检测气密值Q与评价用气密值Q100～Q0的对比评价调节燃料电池系统100的运行条件。例如检测气密值Q以初始气密值Q100作为起点，每当依序到达中间气密值Q80、Q60、Q40、Q20时，控制装置10对氧化剂气体供给装置3和燃料气体供给装置2进行控制，以降低燃料电池系统100的运行动作中的，PEFC1的出入口之间的氧化剂气体与燃料气体的供给压力的压力损失的上限限制，抑制压力损失进行运行。借助于此，燃料电池系统100以评价用气密值Q100～Q0作为阈值、也就是判断基准，可以谋求大致自动地延长PEFC1的寿命。
下面对利用作为劣化信息的气密值Q的燃料电池系统100的寿命预测动作进行说明。
首先，控制装置10的控制部10A利用内置的时钟控制燃料电池系统100，每规定的检测时间间隔Δt实施气密值检测动作。规定的检测时间间隔△t是以PEFC1的运行时间为基准的时间间隔。而且控制装置10与实施气密值检测动作的时刻为止的PEFC1的运行时间T对应地在存储部10B存储、积累检测气密值Q。还有，在预定实施气密值检测动作时燃料电池1正在运行的情况下，控制装置10在最近的燃料电池1的停止动作中实施气密值检测动作。
然后，控制部10A根据积累的检测气密值Q，利用统计学近似方法取得检测气密值Q相对于运行时间T的推移曲线。例如利用称为最小二乘法的统计处理方法可以取得这种推移线。然后，控制部10A预测检测气密值Q的今后变化。例如通过对该推移线进行外插可以进行预测。
在这里，图2是示意性表示检测的气密值相对于PEFC的运行时间的关系的推移线的曲线图，图2(a)表示检测气密值以一定的比例变化的情况下的曲线图，图2(b)表示检测的气密值慢慢稳定地变化的情况下的曲线图，图2(c)表示检测的气密值的变化慢慢扩大的情况下的曲线图。
如图2(a)～图2(c)所示，控制部10A将该推移线与极限气密值Q0对比，计算出PEFC1达到极限气密值Q0为止的预测余留运行时间ΔT0。
借助于此，燃料电池系统100可以利用流量检测装置5、流路切断装置4、以及燃料气体供给装置2的简便结构和动作迅速而且高精度地进行检测出PEFC1的气密性，同时能够进行燃料电池系统100的寿命预测。
又，控制装置10将预测余留运行时间ΔT0显示于输出部10D。借助于此，燃料电池系统100的使用者能够将PEFC1的余留寿命作为具体数值信息取得，因此能够将燃料电池系统100的损伤和性能下降的对策的准备、PEFC1的合适的运行模式选择、或PEFC1的运行计划立案。
而且，控制装置10的控制部10A根据预测余留运行时间ΔT0调节PEFC1的运行条件。例如选择延长寿命的运行模式，对氧化剂气体供给装置3、燃料气体供给装置2、以及PEFC1的电力输出进行控制。例如在延长寿命运行模式中，控制部10A对氧化剂气体供给装置3和燃料气体供给装置2进行控制，以使得PEFC1的出入口之间的氧化剂气体的压力损失与燃料气体的压力损失均等，或抑制氧化剂气体和燃料气体的供给压力，抑制PEFC1的出入口之间的这些压力损失。借助于此，燃料电池系统100谋求大致自动地延长PEFC1的寿命，因此能够减轻燃料电池系统100的使用者的运行管理负担。
还有，控制装置10的控制部10A根据检测气密值Q相对于运行时间T的推移线的轨迹改变检测时间间隔Δt。例如，如图2(a)所示，检测气密值Q在一定的基础上变化的情况下，Δt保持一定。但是，如图2(b)所示，检测气密值Q慢慢稳定地变化的情况下，Δt慢慢变大。又如图2(c)所示，检测气密值Q的变化慢慢变大的情况下，Δt慢慢变小。这样，能够省去不必要的气密值检测动作，而不影响检测气密值Q的推移线的取得，因此能够使得燃料电池系统100的动作合理化。
实施形态2
图3是表示本发明实施形态2的燃料电池系统的示意图。在图3中，对与图1相同或相当的部分标以相同的符号并且省略其说明。
本实施形态的燃料电池系统101的结构，除了流量检测装置5不是配设于燃料气体供给流路6，而是配设于氧化剂气体供给流路7，流路切断装置9不是配设于燃料气体排出流路8，而是配设于氧化剂气体排出流路9这些点以外，与实施形态1的燃料电池系统100的结构相同。
又，本实施形态的燃料电池系统101的气密值检测动作，除了控制装置10不是控制燃料气体供给装置2，而是控制氧化剂气体供给装置3这一点以外，与实施形态1的燃料电池系统100的气密值检测动作相同。
也就是说，在燃料气体供给装置2处于停止状态时，控制流路切断装置4切断氧化剂气体排出流路9，控制氧化剂气体供给装置3以一定的压力提供燃料气体。然后，控制装置10根据流量检测装置5的检测值取得检测气密值Q。
然后，控制装置10根据检测气密值Q，与实施形态1一样控制燃料电池系统101进行气密值检测动作和寿命预测动作。
借助于此，在燃料电池系统101中，可以利用氧化剂气体而不是燃料气体检测PEFC1的气密性，因此能够消除在实施气密值检测动作时燃料气体的异常燃烧引起燃料电池系统101受损伤的可能性。
实施形态3
图4是表示本发明实施形态3的燃料电池系统的示意图。在图4中，对与图1相同或相当的部分标以相同的符号并且省略其说明。
本实施形态的燃料电池系统102的结构，除了配设检查气体供给装置20、由检查气体供给装置20提供检查气体的检查气体流路22、以及在PEFC1的入口近旁的燃料气体供给路径6上配设的，切换气体供给源的切换装置21，而且流量检测装置5不是配设于燃料气体流路6而是配设于检查气体流路22上这些点外，与实施形态1的燃料电池系统100的结构相同。
在这里，检查气体供给装置20由容纳加压的检查气体的钢瓶和安装于钢瓶口上的压力调节阀构成。在这里，检查气体采用不与膜电极接合体1A发生化学反应的化学成份组成即可。例如，检查气体可以是燃料气体、氧化剂气体、不活泼气体、二氧化碳、以及甲烷混合气体这一组气体中选择出的至少一种气体。所谓甲烷混合气体是以天然气为基础的气体，是以甲烷为主要成份，混合有乙烷、丙烷、丁烷的气体。例如在日本的气体供给设施中使用的“13A气体”。所谓不活泼气体是以氮、氩、氦等化学性稳定成分的气体，借助于此，可以防止检查气体导致催化剂能力的下降这样的燃料电池内电池损伤发生。
切换装置21在这里采用三通阀构成。或者也可以采用多个电动阀构成。总之，只要形成能够将检查气体流路22与燃料气体供给流路6的燃料气体供给装置一侧的部分6A切换连接于燃料气体供给流路6的PEFC1一侧的部分6B的结构即可。
本实施形态的燃料电池系统102的气密值检测动作，除了控制装置10不是控制燃料气体供给装置2，而是控制切换装置21以及检查气体供给装置20这一点以外，与实施形态1的燃料电池系统100的气密值检测动作相同。
也就是说，在氧化剂气体供给装置3处于停止状态时，控制流路切断装置4切断燃料气体排出流路8，控制切换装置21进行切换，以切断燃料气体供给装置2与PEFC1的连接，同时将检查气体流路22连接于PEFC1。然后，控制检查气体供给装置20以一定的压力对PEFC1提供检查气体。然后，控制装置10根据流量检测装置5的检测值取得检测气密值Q。
然后，控制装置10根据检测气密值Q，与实施形态1一样控制燃料电池系统102进行气密值检测动作和寿命预测动作。
借助于此，在燃料电池系统102中，不需要提供检查气体用的特别动力源就能够检测PEFC1气密性，因此使燃料气体供给装置2和氧化剂气体供给装置3保持其停止状态不变，以简便的结构和动作就能够迅速而且高精度地检测出PEFC1的气密性。
实施形态4
图5是表示本发明实施形态4的燃料电池系统的示意图。在图5中，对与图4相同或相当的部分标以相同的符号并且省略其说明。
本实施形态的燃料电池系统103的结构，除了配设检查气体供给装置20、由检查气体供给装置20提供检查气体的检查气体流路22、以及在PEFC1的入口近旁的氧化剂气体供给路径7上配设的切换装置21，而且流量检测装置5不是配设于氧化剂气体流路7而是配设于检查气体流路22上这些点外，与实施形态2的燃料电池系统101以及实施形态3的燃料电池系统102的结构相同。
又，本实施形态的燃料电池系统103的气密值检测动作，除了控制装置10不是控制氧化剂气体供给装置3，而是控制切换装置21以及检查气体供给装置20这一点以外，与实施形态2的燃料电池系统101的气密值检测动作相同。
也就是说，在燃料气体供给装置2处于停止状态时，控制流路切断装置4切断氧化剂气体排出流路9，控制切换装置21进行切换，以切断氧化剂气体供给装置3与PEFC1的连接，同时将检查气体流路22连接于PEFC1。然后，控制检查气体供给装置20以一定的压力对PEFC1提供检查气体。然后，控制装置10根据流量检测装置5的检测值取得检测气密值Q。
然后，控制装置10根据检测气密值Q，与实施形态1一样控制燃料电池系统103进行气密值检测动作和寿命预测动作。
借助于此，燃料电池系统103与实施形态3的燃料电池系统102一样，不需要提供检查气体用的特别动力源就能够检测PEFC1的气密性，因此使燃料气体供给装置2和氧化剂气体供给装置3保持其停止状态不变，以简便的结构和动作就能够迅速而且高精度地检测出PEFC1的气密性。
实施形态5
图6是表示本发明实施形态5的燃料电池系统的示意图。在图6中，对与图1相同或相当的部分标以相同的符号并且省略其说明。
本实施形态的燃料电池系统110的结构，在配设于燃料气体流路8的流路切断装置(第1流路切断装置)4外，还配设有在氧化剂气体排出流路9上配设的第2流路切断装置31以及在氧化剂气体流路7上配设的第3流路切断装置32，此外与实施形态1的燃料电池系统100的结构相同。
下面对本实施形态的燃料电池系统110的气密值检测动作进行说明。
控制装置10在氧化剂气体供给装置3处于停止状态时，取得两种气密值、即第1检测气密值Qa和第2检测气密值Qb。具体地说，控制装置10控制第1流路切断装置4切断燃料气体排出流路8，控制第2流路切断装置31切断氧化剂气体排出流路9，控制第3流路切断装置32切断氧化剂气体供给流路7。然后，控制装置10控制燃料气体供给装置2，以一定的压力提供燃料气体。在PEFC1中发生气体泄漏时，燃料气体供给装置2继续对PEFC1提供燃料气体。另一方面，控制装置10根据流量检测装置5的检测值取得第1检测气密值Qa。
又，控制装置10控制第1流路切断装置4切断燃料气体排出流路8，控制第2流路切断装置31或第3流路切断装置32中的至少任意一个，打开氧化剂气体供给流路7或氧化剂气体排出流路9中的至少任意一个。然后，控制装置10控制燃料气体供给装置2，以一定的压力提供燃料气体，同时根据流量检测装置5的检测值取得第2检测气密值Qb。
还有，第1检测气密值Qa与第2检测气密值Qb哪一个先取得都可以。也就是说，也可以在取得第2检测气密值Qb之后取得第1检测气密值Qa。
然后，控制装置10计算出第1检测气密值Qa与第2检测气密值Qb的差分、即差分气密值(差分值)Qc，也就是计算Qc＝Qb-Qa。
在这里，第1检测气密值Qa是对应于从PEFC1泄漏到外部的泄漏量的数值，差分气密值Qc对应于从燃料气体流路1D泄漏到氧化剂气体流路1E的泄漏量、也就是交叉泄漏量的数值。该交叉泄漏量主要是相应于膜电极接合体1A的高分子电解质膜的损伤程度变动的，因此差分气密值Qc的变动高精度地反映出高分子电解质膜的损伤程度。因此燃料电池系统110能够高精度地检测出高分子电解质膜的损伤程度。
而且，控制装置10根据差分气密值Qc，与实施形态1一样控制燃料电池系统110，实施气密值检测动作和寿命预测动作。
借助于此，燃料电池系统110以简便的结构和动作就能够迅速而且高精度地检测出PEFC1的气密性，特别是高分子电解质膜的损伤程度。
实施例1
采用具有一个在高分子电解质膜上具有直径为3mm左右的孔的膜电极接合体1A构成的PEFC1，在燃料气体排出流路8、氧化剂气体排出流路9以及氧化剂气体供给流路7切断之后以2kPa的供给压力提供燃料气体。这时的差分气密值Qc为18ml/min.。而且，在连接于一般的电气负载时PEFC1的输出电压为0.6V。
另一方面，采用具有一个在高分子电解质膜上没有燃料气体通过的孔的膜电极接合体1A构成的PEFC1，在燃料气体排出流路8、氧化剂气体排出流路9以及氧化剂气体供给流路7切断之后以2kPa的供给压力提供燃料气体。这时的差分气密值Qc为0ml/min.。而且，在连接于一般的电气负载时PEFC1的输出电压为0.8V。又，采用52个这种膜电极接合体1A迭层构成的PEFC1，在燃料气体排出流路8、氧化剂气体排出流路9以及氧化剂气体供给流路7切断之后以2kPa的供给压力提供燃料气体。这时的差分气密值Qc为0ml/min.。
根据以上所述，可知利用本发明能够以高精度检测出高分子电解质膜的损伤程度。也就是说，输出电压的电压下降约为0.2V。但是通常在PEFC1中，膜电极接合体1A由50个左右迭层构成，因此PEFC1的输出电压为几十伏特。因此0.2V的输出电压下降是微小的电压下降，而且也可以推测是高分子电解质膜损伤以外的各种原因。根据差分气密值Qc检测出高分子电解质膜的损伤的检测方法与根据输出电压变化进行检测的方法相比精度更高。
又可知利用本发明能够迅速检测出高分子电解质膜的损伤程度。也就是在燃料气体排出流路8、氧化剂气体排出流路9以及氧化剂气体供给流路7切断之后，直到差分气密值Qc取得，需要的时间为约3分钟。
实施形态6
图7是表示本发明实施形态6的燃料电池系统的示意图。在图7中，对与图6相同或相当的部分标以相同的符号并且省略其说明。
本实施形态的燃料电池系统111的结构，除了流量检测装置5不是配设在燃料气体流路6上而是配设在氧化剂气体供给流路7上，第3流路切断装置32不是配设于氧化剂气体供给流路7上，而是配设于燃料气体供给流路6上以外，与实施形态5的燃料电池系统110的结构相同。
其次，本实施形态的燃料电池系统111的气密值检测动作，除了控制装置10不是控制燃料气体供给装置2，而是控制氧化剂其他供给装置3外，与实施形态5的燃料电池系统110的气密值检测动作相同。
也就是说，在燃料气体供给装置2处于停止状态时，取得两种气密值、即第1检测气密值Qa和第2检测气密值Qb。具体地说，控制装置10控制第1流路切断装置4切断氧化剂气体排出流路9，控制第2流路切断装置31切断燃料气体排出流路8，控制第3流路切断装置32，切断燃料气体供给流路6。然后，控制装置10控制氧化剂气体供给装置3，以一定的压力提供氧化剂气体。与燃料电池系统110一样取得第1检测气密值Qa。
又，控制装置10控制第1流路切断装置4切断氧化剂气体排出流路9，控制第2流路切断装置31或第3流路切断装置32中的至少任意一个，打开燃料气体供给流路6或燃料气体排出流路8中的至少任意一个。然后，控制装置10控制氧化剂气体供给装置3，以一定的压力提供氧化剂气体，同时根据流量检测装置5的检测值取得第2检测气密值Qb。
然后，控制装置10计算出第1检测气密值Qa与第2检测气密值Qb的差分、即差分气密值Qc，也就是计算Qc＝Qb-Qa。
而且，控制装置10根据差分气密值Qc，与实施形态1一样控制燃料电池系统111，实施气密值检测动作和寿命预测动作。
借助于此，燃料电池系统111与燃料电池系统110一样，以简便的结构和动作就能够迅速而且高精度地检测出PEFC1的气密性，特别是高分子电解质膜的损伤程度。而且能够消除气密值检测动作时的燃料气体的异常燃烧引起燃料电池系统101损伤的可能性。
以上对本发明的合适的实施形态进行了说明，但是本发明不限于上述实施形态。本行业的普通技术人员能够从上述说明得出本发明的多种改良和其他实施形态。从而，上述说明只应该解释为例示，是以将设施本发明的最佳实施形态对本行业的普通技术人员示教为目的而提供的。在能够得到本发明的效果的范围内，其结构和/或功能的细节可以变更。例如将实施形态3或实施形态4的检查气体供给装置20、切换装置5、以及检查气体流路22使用于实施形态5或实施形态6构成燃料电池系统，也能够得到本发明的效果。
工业应用性
本发明作为能够利用简便的结构迅速而且高精度地检测燃料电池的气密性的燃料电池系统是有用的。
Claims (14)
1.一种燃料电池系统，其特征在于，
具备
具有分别与形成于高分子电解质膜两侧的阳极和阴极接触地形成的燃料气体流路和氧化剂气体流路的燃料电池、
将燃料气体提供给所述燃料气体流路的燃料气体供给装置、
将氧化剂气体提供给所述氧化剂气体流路的氧化剂气体供给装置、
从所述燃料气体流路排出的剩余的燃料气体流通的燃料气体排出流路、
从所述氧化剂气体流路排出的剩余的氧化剂气体流通的氧化剂气体排出流路、
对所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路中的任一个提供给检查气体的检查气体供给装置、
检测所述检查气体的流量的流量检测装置、
切断得到所述检查气体供应的所述燃料气体排出流路和所述氧化剂气体排出流路中的任一个的第1流路切断装置、
在没有得到所述检查气体供给的所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路中的任一个中，具有分别切断其出口侧连接的气体流路和入口侧连接的气体流路的第2流路切断装置和第3流路切断装置，以及
控制装置，
所述控制装置控制第1～第3流路切断装置分别切断各流路，控制所述检查气体供给装置将所述检查气体提供给所述燃料电池，取得所述流量检测装置的第1气密值；所述控制装置还控制第1流路切断装置切断流路，控制所述第2和第3流路切断装置使至少任一个不将流路切断，控制所述检查气体供给装置将所述检查气体提供给所述燃料电池，取得所述流量检测装置的第2气密值，而且取得所述第2气密值与所述第1气密值的差分值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述检查气体供给装置是所述燃料气体供给装置和所述氧化剂气体供给装置中的任一种。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述检查气体是在所述燃料电池内不引起化学反应的化学成份组成的气体。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述检查气体是燃料气体、氧化剂气体、不活泼气体、二氧化碳、以及甲烷混合气体构成的一组中选出的至少一种气体。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置具备向外部输出所述气密值的输出部。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置具备预先存储评价所述气密值的评价用气密值的存储部，
所述控制装置通过将所述气密值与所述评价用气密值加以对比，对所述燃料电池的气密性进行评价。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置具备将所述评价过的气密值输出到外部的输出部。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置根据所述评价过的气密值调节所述燃料电池的运行条件。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置在每规定的检测时间间隔取得所述气密值，与所述燃料电池的运行时间对应地在所述存储部存储所述气密值，
所述控制装置利用统计学近似方法取得对于所述运行时间的所述气密值的推移线，根据所述推移线与所述评价用气密值的对比预测所述燃料电池的气密性的下降。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置根据所述推移线的轨迹改变所述检测时间间隔。
11.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述控制装置的存储部存储的评价用气密值中，包含所述燃料电池的使用极限时的极限气密值，
所述控制装置对所述推移线进行外插，取得到达所述极限气密值为止的所述燃料电池的预测的余留运行时间。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置具备将所述预测的余留运行时间输出到外部的输出部。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置根据所述预测的余留运行时间调节所述燃料电池的运行条件。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制装置在所述燃料电池的启动动作或/和停止动作中取得所述检测值或所述气密值。
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