CN100557877C - 燃料电池系统以及燃料电池系统的异常判定方法 - Google Patents

燃料电池系统以及燃料电池系统的异常判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明的燃料电池系统(10)，是利用燃料电池(20)的发电消耗在燃料气体供给系统(31、32)的气体泄漏检测部位中存在的燃料气体，进而利用辅机类消耗燃料电池(20)产生的电力，并具备根据在气体泄漏检测部位中存在的燃料气体的压力降低量进行气体泄漏判定的判定部(50)的系统，其中，具备通过使辅机类的电力消耗增大，从而使气体泄漏检测部位中存在的燃料气体的消耗增加的控制部(50)。根据该结构，通过在仅用燃料电池(20)的电力发电和辅机类的电力消耗不能充分消耗燃料气体时，使辅机类的电力消耗增大，能够促进燃料气体的消耗，能够实现迅速的气体泄漏判定。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的异常判定方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统以及燃料电池系统的异常判定方法，特别涉及用于短时间地高精度地进行反应气体通路的异常检测判定的改良技术。
背景技术
作为燃料电池车辆的发电系统，使用的是能够将由反应气体(燃料气体、氧化气体)的氧化还原反应产生的化学能直接以电能的方式取出的燃料电池系统。在这种燃料电池系统中，在用于从氢气供给源向燃料电池供给燃料气体的燃料气体供给通路上，配设有各种截止阀(例如高压氢气罐阀、氢气供给阀、FC入口阀、FC出口阀、清除阀等)。
作为用于进行所述各种截止阀的故障诊断方法，例如在特开2000-274311号公报中，提出了一种技术，其通过使配设在车辆的燃料气体供给通路上的截止阀关闭从而在燃料气体供给通路内制造出封闭空间，在该封闭空间的相对于时间经过的压力降低率比压力降低率阈值小时判定为阀故障。
但是，截止阀下游侧的压力降低速度根据车辆的运行状态、即燃料消耗率而变动。因此，在燃料消耗率根据车辆的运行状态而降低时，截止阀下游侧的压力降低需要较多的时间，无法进行迅速的故障诊断。
鉴于这样的技术背景，在特开2003-308868号公报中，提出了一种技术，其通过在进行截止阀的故障诊断时增加车载辅机类的消耗电力，从而增大燃料消耗率，使截止阀下游侧的压力在短时间内下降。进而，公开了在仅通过车载辅机类的消耗电力无法充分消耗燃料时，使用燃烧器进行消耗的技术。
专利文献1：特开2000-274311号公报
专利文献2：特开2003-308868号公报
发明内容
但是，在燃料电池和燃烧器的燃料消耗不充分时，到燃料气体供给系统的压力降低需要很多时间，无法迅速地进行反应气体通路的异常检测。另外，在特开2003-308868号公报所记载的技术中，为了能够将由故障诊断所得到的电力储存在能量保存装置中，必须在故障诊断前预先使能量保存装置的能量保存量降低，所以无法迅速地进行故障诊断。
因此，本发明的目的在于提供一种能够解决这样的问题，用较短时间高精度地进行反应气体通路的异常检测判定的燃料电池系统。
为解决上述的问题，本发明的燃料电池系统，用燃料电池消耗在反应气体通路的异常检测部位中存在的反应气体，进而用辅机类消耗燃料电池产生的电力，并具备根据在异常检测部位中存在的反应气体的压力变化状态进行反应气体通路的异常判定的判定部(判定装置)，其特征在于：具备控制部(控制装置)，通过使辅机类的电力消耗增大，从而使异常检测部位中存在的反应气体的消耗增加。
根据该结构，通过在如果仅用燃料电池的电力发电和辅机类的电力消耗，反应气体的消耗不充分时，使辅机类的电力消耗电力增大，能够促进反应气体的消耗。由此，能够实现迅速的异常判定。
在本发明的燃料电池系统中，优选的是，作为辅机类，具备冷却燃料电池的冷却辅机，控制部根据由冷却辅机的消耗电力的增大所引起的燃料电池的温度下降的程度，来控制其它的辅机类。
在增大冷却辅机的消耗电力时，伴随着燃料电池的冷却能力的提高燃料电池的温度下降，所以通过为了抵消伴随着温度下降而产生的、妨碍电力发电的主要原因(例如由浸水(flooding)、干涸(dry up)引起的电池电压下降)而控制其他的辅机类，能够维持良好的发电状态。
在本发明的燃料电池系统中，优选的是，作为辅机类，进而具备向控制部提供氧化气体的空气压缩机，控制部在燃料电池的温度为规定值或其以上时抑制从空气压缩机向燃料电池提供的氧化气体流量的增加。
如果在燃料电池的温度为规定值或其以上时增大供给燃料电池的氧化气体流量，则膜电极接合体(MEA)会干涸，所以此时优选抑制氧化气体流量的增加。
在本发明的燃料电池系统中，优选的是，作为辅机类，进而具备能够与冷却燃料电池的制冷剂进行热交换的热交换器，控制部在燃料电池的温度为规定值或其以下时使热交换器的消耗电力增大，由此使制冷剂的温度上升。
因为除了冷却辅机的电力消耗，还能够通过热交换器的电力消耗来消耗剩余电力，所以能更迅速地消耗燃料气体。
在本发明的燃料电池系统中，优选的是，进而具备将由燃料电池产生的直流电力转换成交流电力从而向辅机类提供交流电力的逆变器，控制部使逆变器的热损失增大，从而使由燃料电池产生的电力的消耗量增大。
通过调整逆变器频率，能够有意地降低电力转换效率，增大由热损失引起的电力消耗量。
本发明的燃料电池系统的异常判定方法，是用燃料电池消耗在反应气体通路的异常检测部位中存在的反应气体，进而用辅机类消耗所述燃料电池产生的电力，根据在所述异常检测部位中存在的反应气体的压力变化状态进行所述反应气体通路的异常判定的燃料电池系统异常判定方法；其特征在于：具备通过使所述辅机类的电力消耗增大，从而使所述异常检测部位中存在的反应气体的消耗增加的工序。
在本发明的燃料电池系统的异常判定方法中，优选的是，所述燃料电池系统作为所述辅机类具备冷却所述燃料电池的冷却辅机；并基于由所述冷却辅机的消耗电力的增大所引起的所述燃料电池的温度下降的程度，来控制其它的辅机类。
在本发明的燃料电池系统的异常判定方法中，优选的是，所述燃料电池系统作为所述辅机类进而具备向所述控制部提供氧化气体的空气压缩机；并在所述燃料电池的温度为规定值或其以上时抑制从所述空气压缩机向所述燃料电池提供的氧化气体流量的增加。
在本发明的燃料电池系统的异常判定方法中，优选的是，所述燃料电池系统作为所述辅机类进而具备能够与冷却所述燃料电池的制冷剂进行热交换的热交换器；并在所述燃料电池的温度为规定值或其以下时使所述热交换器的消耗电力增大，由此使所述制冷剂的温度上升。
在本发明的燃料电池系统的异常判定方法中，优选的是，所述燃料电池系统进而具备将由所述燃料电池产生的直流电力转换成交流电力从而向所述辅机类提供交流电力的逆变器；并使所述逆变器的热损失增大，从而使由所述燃料电池产生的电力的消耗量增大。
附图说明
图1是本实施方式的燃料电池系统的结构图。
图2是系统控制的主程序。
图3是系统起动时的气体泄漏判定处理程序。
图4是通常发电控制程序。
图5是气体泄漏判定处理程序。
图6是气体泄漏判定处理程序。
图7是气体泄漏判定处理程序。
图8是气体泄漏判定处理程序。
图9是气体泄漏判定处理程序。
图10是气体泄漏判定处理程序。
图11是辅机控制程序。
图12是辅机控制程序。
图13是系统停止处理程序。
图14是异常停止处理程序。
具体实施方式
图1表示本实施方式的燃料电池系统的概略结构。在这里，展示了将燃料电池系统10用作燃料电池车辆(FCHV：Fuell Cell Hybrid Vehicle)的车载发电系统的例子，但也可以用作固定用发电系统。燃料电池(电池组)20具有将多个单格电池串联层叠而成的电池组构造，由例如固体高分子电解质型燃料电池等构成。
在燃料电池20的燃料气体供给系统(燃料气体配管系统)上，配设有燃料气体供给源30、燃料气体供给通路31以及燃料电池循环通路32。在这里，所谓燃料气体供给系统，是配设在从燃料气体供给源30向燃料电池20供给燃料的路径上的气体配管、阀门等的总称，例如包括：燃料气体供给源30，连接燃料气体供给源30与燃料电池20的燃料气体供给通路31，设置在燃料气体供给通路31上的开闭阀、调压阀等。另外，在采用使从燃料电池20排出的燃料气体循环到燃料气体供给通路31的系统结构时，燃料气体供给系统也可以进一步包括燃料电池循环通路32。燃料气体供给源30由例如高压氢气罐或氢气储藏罐等氢气储藏源、或者将改性原料改性成富氢气体的改性器等构成。燃料气体供给通路31是用于将从燃料气体供给源30放出的燃料气体导入燃料电池20的阳极的气体流路，在该气体流路上从上游到下游分别配设有氢气罐阀H201、高压调压阀H9、低压调压阀H10、氢气供给阀H200以及FC入口阀H21。被压缩成高压的燃料气体由高压调压阀H9减压成中压，进而由低压调压阀H10减压成低压(通常运行压力)。燃料电池循环通路32是用于使未反应燃料气体回流到燃料电池20的回流气体流路，在该气体流路上从上游到下游分别配设有FC出口阀H22、氢气泵63以及止回阀H52。从燃料电池20排出的低压未反应燃料气体由氢气泵63适度地加压，被导入燃料气体供给通路31。止回阀H52抑制燃料气体从燃料气体供给通路31向燃料电池循环通路32逆流。阳极排放气体流路33是用于使从燃料电池20排出的氢气排放气体排出到系统外的气体流路，在该气体流路上配设有清除阀(排气装置)H51。
上述的氢气罐阀H201、氢气供给阀H200、FC入口阀H21、FC出口阀H22、以及止回阀H52是用于向各气体流路31～33或燃料电池20供给或者截止燃料气体的关闭阀(shut valve)，例如由电磁阀构成。作为这样的电磁阀，宜于使用例如开关阀或者能够通过PWM控制线性地调节阀开度的线性阀等。
在燃料电池20的氧化气体供给系统(氧化气体配管系统)上，配设有空气压缩机(氧化气体供给源)40以及氧化气体供给通路41。在这里，所谓氧化气体供给系统是配设在从空气压缩机40向燃料电池20供给氧化气体的路径上的气体配管、阀门等的总称，例如包括：空气压缩机40，连接空气压缩机40与燃料电池20的氧化气体供给通路41，配设在氧化气体供给通路41上的辅机类(例如加湿组件62等)。空气压缩机40将经由空气滤清器61从大气获取的空气压缩，并将该压缩空气作为氧化气体供给燃料电池20的阴极。供燃料电池20的电池反应后的氧气排放气体在阴极排放气体流路42中流过，排出到系统外。氧气排放气体含有由于在燃料电池20中的电池反应而生成的水分，所以为高湿润状态。加湿组件62在流过氧化气体供给通路41的低湿润状态的氧化气体与流过阴极排放气体流路42的高湿润状态的氧化气体之间进行水分交换，将向燃料电池20供给的氧化气体适度加湿。向燃料电池20供给的氧化气体的背压由配置在阴极排放气体流路42的阴极出口附近的压力调节阀A4进行调压。阴极排放气体流路42的下游连通在稀释器64上，向稀释器64供给氧气排放气。稀释器64也与阳极排放气体流路33的下游相连通，从而构成为在通过氧气排放气将氢气排放气混合稀释之后，向系统外排气。
在燃料电池20的冷却系统(制冷剂配管系统)上，配设有冷却水通路71、循环泵C1、散热器C2、旁通阀C3以及热交换器70。循环泵C1使通过冷却水通路71而在燃料电池20内部流过的制冷剂循环。在冷却水通路71上配设有旁通散热器C2而将制冷剂导入热交换器70的旁通流路72。散热器C2通过使风扇C13旋转而使制冷剂降温。热交换器70具有加热器70a，从燃料电池20接受电力的供给从而使加热器70a加热，使制冷剂升温。从燃料电池20向热交换器70的电力的供给可由继电器R1、R2的开关来控制。在散热器C2的上游配设有散热器旁通阀C3，通过调整散热器旁通阀C3的阀开度，能够控制向散热器C2以及热交换器70流动的制冷剂的流量，调整制冷剂温度。
由燃料电池20发出的直流电力的一部分由DC/DC转换器53降压，向二次电池(蓄电装置)54充电。二次电池54是担当作为车辆制动时的回收能量储藏源、伴随着车辆的加速或减速而产生的负载变动时的能量缓冲器的任务的装置，由镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等构成。在这里作为蓄电装置例示了二次电池，但也可以是电容器等。牵引逆变器51以及辅机逆变器52将从燃料电池20和二次电池54双方或任意一方供给的直流电力转换成交流电力，然后分别向牵引电机M3和辅机电机M4供给交流电力。辅机电机M4是驱动后述的氢气循环泵63的电机M2、驱动空气压缩机40的电机M1等的总称。
控制部50基于油门传感器55检测出的油门开度、车速传感器56检测出的车速等求出系统要求电力(车辆行驶电力和辅机电力的总和)，控制燃料电池系统10，以使燃料电池20的输出电力与目标电力一致。具体地说，控制部50调整驱动空气压缩机40的电机M1的转速从而调整氧化气体供给量，同时调整驱动氢气泵63的电机M2的转速从而调整燃料气体供给量。进而，控制部50调整DC/DC转换器53从而调整燃料电池20的运行点(输出电压、输出电流)，将燃料电池20的输出电力调整为与目标电力一致。
另外，燃料气体供给系统由高压部(氢气罐阀H201～氢气供给阀H200的区间)、低压部(氢气供给阀H200～FC入口阀H21的区间)、FC部(FC入口阀H21～FC出口阀H22的区间)、循环部(FC出口阀H22～止回阀H52的区间)四个部分构成，在各部分上配设有检测燃料气体的压力的压力传感器P6、P7、P61、P5、P10、P11。更详细地说，压力传感器P6检测燃料气体供给源30的燃料气体供给压。压力传感器P7检测高压调压阀H9的出口压力(二次压力)。压力传感器P9检测低压调压阀H10的出口压力(二次压力)。压力传感器P61检测燃料气体供给通路31的低压部的压力。压力传感器P5检测电池组入口的压力。压力传感器P10检测氢气循环泵63的输入端口侧(上游侧)的压力。压力传感器P11检测氢气循环泵63的输出端口侧(下游侧)的压力。另外，在阳极出口附近的燃料电池循环通路32上配设有检测燃料气体的温度(或者电池组温度)的温度传感器T31。在燃料电池20的冷却水出口附近的冷却水通路71上配设有检测冷却水的温度(或者电池组温度)的温度传感器T2。
在本实施方式中，对反应气体通路的每个部分进行反应气体的异常检测判定。在这里，所谓反应气体通路，是燃料气体供给系统和氧化气体供给系统的总称。另外，所谓异常判定，指的是判定有无反应气体通路的气体泄漏(配置在气体通路上的阀门的开故障、来自气体通路的泄漏等)、气体通路的堵塞(阀门的闭故障、异物(生成水等)的存在)。在这里，所谓开故障，指的是阀门保持打开而无法关闭的故障状态，所谓闭故障，指的是阀门保持关闭而无法打开的故障状态。作为异常检测部位的反应气体通路，可以是燃料气体供给系统和氧化气体供给系统中的任何一方，或者也可以两者都是。更具体地说，作为异常检测部位的反应气体通路，可以是燃料气体供给通路31、燃料气体循环通路32、阳极排放气体流路33、氧化气体供给通路41或阴极排放气体流路42中的任何一方，或者这些气体流路的一部分。
例如，在进行燃料气体供给系统的异常检测判定时，优选将燃料气体供给系统分割为多个部分(高压部、低压部、FC部以及循环部)，按每个部分进行异常检测判定。各部分成为异常检测部位。控制部50作为进行后述的异常检测判定(例如气体泄漏判定(S102、S106、S109))的判定部(判定装置)而起作用，除此之外还作为控制部(控制装置)而起作用，在仅通过燃料电池20的电力发电和辅机类的电力消耗不能充分消耗燃料气体时，进行使辅机类的电力消耗增大，促进燃料气体的消耗的辅机控制(S107)。更具体地说，控制部50使由燃料电池20发出的电力优先由辅机类消耗，并使由辅机类消耗不完的剩余电力向二次电池54充电。然后，在燃料电池20的发电量超过二次电池54的可充电电力和辅机损耗(辅机类的消耗电力)的总和时，通过使辅机损耗增大而消耗剩余电力。由此，能够尽可能多地消耗燃料气体供给通路31以及燃料电池循环通路32内存在的燃料气体，使气体泄漏检测部位的压力迅速地接近目标压力。为了增大辅机损耗，例如可以如后述那样增大氢气泵63、空气压缩机40的驱动负载，或者增大冷却系统的辅机类的驱动负载，或者将辅机逆变器52的频率调整为电力转换效率恶化(热损耗增大)的频率。为了消耗剩余电力而将辅机损耗调整为什么程度与二次电池54的SOC(State Of Charge)也有关系，所以优选一边监视二次电池54的SOC一边调整辅机损耗。
图2是记述控制部50所执行的系统控制的主程序。参照该图说明系统控制的概要，然后说明各子程序。在燃料电池系统10起动后(S101；YES)，控制部50进行燃料气体供给系统的气体泄漏判定(S102)。在这里，在判定为没有气体泄漏、能够正常发电时(S103；YES)，进行通常发电控制(S104)。这样使通常运行继续，在满足预先确定的间歇运行开始条件时(S105；YES)，控制部50进行燃料气体供给系统的气体泄漏判定(S106)。所谓间歇运行，指的是如怠速时、低速行驶时或者回收制动时等那样在低负载运行时暂时停止燃料电池20的发电，利用从二次电池54供给的电力行使的运行模式。在仅通过燃料电池20的电力发电和辅机类的电力消耗燃料气体的消耗不充分时，进行用于使辅机类的电力消耗增大的辅机控制(S107)。然后，在进行系统停止时(S108；YES)，控制部50进行燃料气体供给系统的气体泄漏判定(S109)，然后进行系统停止处理(S110)。在检测出气体泄漏时(S111；YES)，进行异常停止处理(S112)。
接下来，对各子程序进行详细叙述。
图3是对系统起动时的气体泄漏判定处理程序(S102)进行叙述的流程图。在调用该程序时，控制部50打开氢气罐阀H201、氢气供给阀H200、FC入口阀H21以及FC出口阀H22，通过燃料气体供给通路31向燃料电池20供给燃料气体(S201)。接下来，控制部50判定配设在燃料气体供给系统中的所有的压力传感器P5～P6的各自的压力值是否为规定的压力值Pj1～Pj7或其以上(S202)。在所有的压力传感器P5～P6分别都达到规定的压力值Pj1～Pj7或其以上，燃料气体供给通路31以及燃料电池循环通路32的压力升压到能够进行气体泄漏判定的状态时(S202；YES)，控制部50关闭氢气罐阀H201、氢气供给阀H200、FC入口阀H21以及FC出口阀H22(S203)，密封燃料气体供给通路31以及燃料电池循环通路32。然后，在从密封状态开始经过规定时间t1后(S204)，控制部50将压力传感器P5～P6的压力值作为P5P～P6P存储(S205)。进而，在从密封状态开始经过规定时间t2后(S206)，控制部50运算所存储的压力值P5P～P6P与在经过规定时间t2时刻压力传感器P5～P6检测出的压力值的压差ΔP5～ΔP6(S207)。这里所求得的压差ΔP5～ΔP6相当于时间(t1-t2)的压力降低量。控制部50判定各个压差ΔP5～ΔP6是否为规定的压力值Pj8～Pj14或其以上(S208)。在压差ΔP5～ΔP6全都为规定的压力值Pj8～Pj14或其以下时(S208；NO)，认为没有气体泄漏，所以使系统起动结束，开始通常发电(S209)。另一方面，在压差ΔP5～ΔP6中的任何一个为规定的压力值Pj8～Pj14或其以上时(S208；YES)，控制部50判定为产生了气体泄漏(S209)。
图4是对通常运行时的发电控制程序(S104)进行叙述的流程图。在调用该程序时，控制部50打开燃料气体供给系统的各阀门(氢气罐阀H201、氢气供给阀H200、FC入口阀H21以及FC出口阀H22)(S301)。接下来，基于油门开度、车速等运算车辆要求功率(系统要求电力)(S302)，确定燃料电池20的输出电力与二次电池54的输出电力的比(S303)。控制部50参照燃料电池发电量-空气配比图(二维图)，控制电机M1的转速，以使所希望的流量的氧化气体向燃料电池20供给(S304)。进而，控制部50参照燃料电池发电量-氢气配比图，控制电机M2的转速，以使所希望的流量的燃料气体向燃料电池20供给(S305)。接下来，控制部50参照燃料电池发电量-燃料气体清除频率图进行清除阀H51的开闭控制(S306)。接下来以规定的时间间隔反复执行本发电控制程序，由此持续地执行通常运行。
图5～图10是对间歇运行时或系统停止时的气体泄漏判定处理程序(S106、S108)进行叙述的流程图。在调用该程序时，控制部50关闭氢气罐阀H201(S401)，进行高压部的清除判定(S402)。所谓清除判定，是判定是否清除燃料气体。首先，基于传感器P6检测出的压力与高压部的目标压力P6A的压差，运算为了使高压部的压力与目标压力P6A一致所必需的燃料气体消耗量(S403)。接下来，根据清除阀H51的每一次的清除量与高压部的容积的比计算出减压度ΔPQ(S404)，在高压部的压力与目标压力P6A的压差为ΔPQ+规定值(余量)或其以下时(S405；YES)，如果清除燃料气体，则高压部的压力就会低于目标压力P6A，所以禁止清除(S406)。另一方面，在高压部的压力与目标压力P6A的压差超过ΔPQ+规定值(余量)时(S405；NO)，即使清除燃料气体，高压部的压力也不会变为目标压力P6A或其以下，所以允许清除(S407)。
接下来，进行低压部的清除判定(S408)。首先，基于传感器P61检测出的压力与高压部的目标压力P61A的压差，运算为了使低压部的压力与目标压力P61A一致所必需的燃料气体消耗量(S409)。接下来，根据清除阀H51的每一次的清除量与低压部的容积的比计算出减压度ΔPQ(S410)，在低压部的压力与目标压力P61A的压差为ΔPQ+规定值(余量)或其以下时(S411；YES)，如果清除燃料气体，则低压部的压力就会低于目标压力P61A，所以禁止清除(S412)。另一方面，在低压部的压力与目标压力P61A的压差超过ΔPQ+规定值(余量)时(S411；NO)，即使清除燃料气体，低压部的压力也不会变为目标压力P61A或其以下，所以允许清除(S413)。
接下来，进行FC部的清除判定(S414)。首先，基于传感器P5检测出的压力与高压部的目标压力P5A的压差，运算为了使FC部的压力与目标压力P5A一致所必需的燃料气体消耗量(S415)。接下来，根据清除阀H51的每一次的清除量与FC部的容积的比计算出减压度ΔPQ(S416)，在FC部的压力与目标压力P5A的压差为ΔPQ+规定值(余量)或其以下时(S417；YES)，如果清除燃料气体，则FC部的压力就会低于目标压力P5A，所以禁止清除(S418)。另一方面，在FC部的压力与目标压力P5A的压差超过ΔPQ+规定值(余量)时(S417；NO)，即使清除燃料气体，FC部的压力也不会变为目标压力P5A或其以下，所以允许清除(S419)。
接下来，进行循环部的清除判定(S420)。首先，禁止发电(S421)。接下来，根据清除阀H51的每一次的清除量与循环部的容积的比计算出减压度ΔPQ(S422)，在循环部的压力与目标压力P10A的压差为ΔPQ+规定值(余量)或其以下时(S423；YES)，如果清除燃料气体，则循环部的压力就会低于目标压力P10A，所以禁止清除(S424)。另一方面，在循环部的压力与目标压力P10A的压差超过ΔPQ+规定值(余量)时(S423；NO)，即使清除燃料气体，循环部的压力也不会变为目标压力P10A或其以下，所以允许清除(S425)。
在各部分的清除判定结束后，接下来控制部50参照氢气消耗量-燃料电池发电量图，求出用于消耗S403、S409、S415中所求得的燃料气体的燃料电池20的发电量(S426)。进而，参照燃料电池发电量-空气配比图，调整电机M1的转速，以向燃料电池20供给为得到所希望的发电量所必需的氧化气体(S427)。然后，在氢气供给阀H200打开时(S428；YES)，控制部50参照燃料电池发电量-氢气配比图，调整电机M2的转速，以向燃料电池20供给为得到所希望的发电量所必需的燃料气体流量(S429)。进而，控制部50参照燃料电池发电量-燃料气体清除频率图对清除阀H51进行开闭控制(S430)。此时，在禁止清除时(S406、S412、S418、S424)，清除阀H51维持关闭状态。另一方面，在氢气供给阀H200关闭时(S428；NO)，控制部50使氢气泵63停止(S431)，参照燃料电池发电量-清除频率图对清除阀H51进行开闭控制(S432)。在开闭清除阀H51时，基于清除阀H51的进口压力(1次压力)、出口压力(2次压力)以及阀开时间运算每一次的清除量(S433)。在这里，清除阀H51的进口压力可以根据压力传感器P11检测出的压力值求得。清除阀H51的出口压力可以根据在阴极排放气体流路42中流过的氧气排放气体的流量求得。
控制部50在二次电池54的SOC为规定值(例如80％～90％)或其以上时(S434；YES)，无法将由燃料气体的消耗而发出的电力储存在二次电池54中，所以控制部50使燃料电池20的发电量减少，而且使燃料气体的清除量增加(S435)。另外，如果燃料气体的清除频率比规定频率高(S436；YES)，则向系统外排出的燃料气体浓度升高，所以为了降低排气燃料气体浓度而增加空气压缩机40的转速，增大在阴极排放气体流路42中流过的氧气排放气体的流量，降低由稀释器64稀释的排气燃料气体浓度。
这样，通过执行由电力发电引起的燃料气体的消耗和燃料气体的清除操作(S426～S437)，能够使燃料气体供给系统的各部分(气体泄漏检测部位)的压力迅速地降低。更详细地说，能够通过由电力发电引起的燃料气体的消耗和燃料气体的清除操作使高压部、低压部以及FC部的压力降低，能够通过燃料气体的清除操作使循环部的压力降低。各部分的气体泄漏的判定，例如通过将配设在燃料气体供给系统上的各阀门关闭，形成密闭空间(或大致密闭空间)，检测该密闭空间的压力降低量。
在压力传感器P6的检测压力为目标压力P6A或其以下时(S438；YES)，表示高压部的压力达到了适于气体泄漏判定的压力，所以控制部50关闭氢气供给阀门H200(S439)。由此高压部变为密封状态。接下来，判定配设在氢气供给阀门H200的下游侧的压力传感器P61的检测压力是否降到规定压力PJA1或其以下(S440)。规定压力PJA1是用于判定氢气供给阀门H200是否可靠地关闭的压力。在压力传感器P61的检测压力为规定压力PJA1或其以下时(S440；YES)，为了进行高压部的气体泄漏判定，判定从氢气供给阀门H200关闭时开始是否经过了规定时间t3(S441)。在经过了规定时间t3时(S441；YES)，将压力传感器P6的检测压力作为P6P存储(S442)。进而判定从氢气供给阀门H200关闭时开始是否经过了规定时间t4(S443)，在经过了规定时间t4时(S443；YES)，运算所存储的压力P6P与压力传感器P6的检测压力的压差(压力降低量)ΔP6(S444)。在这里，在压差ΔP6为规定的阈值压力Pj15或其以上时(S445；YES)，判定为在高压部产生了气体泄漏(S446)。作为气体泄漏的原因，可以考虑罐阀H201或氢气供给阀H22的开故障，或者调压阀H9、H10或燃料气体供给通路31的破损等。
另一方面，从氢气供给阀门H200关闭时开始没有经过规定时间t3时(S441；NO)，或者没有经过规定时间t4时(S443；NO)，或者压差ΔP6不到规定的阈值压力Pj15时(S445；NO)，控制部50允许低压部的气体泄漏判定(S447)。这是因为，虽然从氢气供给阀门H200关闭时开始没有经过规定时间t3或t4，但由于已经关闭氢气供给阀门H200，所以能够与高压部的气体泄漏判定并行地进行低压部的气体泄漏判定。
然后，在压力传感器P61的检测压力为目标压力P61A或其以下时(S448；YES)，表示低压部的压力达到了适于气体泄漏判定的压力，所以控制部50关闭FC入口阀门H21(S449)。由此低压部变为密封状态。接下来，判定配设在FC入口阀门H21的下游侧的压力传感器P5、P11的检测压力是否降到各自的规定压力PJA2、PJA3或其以下(S450)。规定压力PJA2、PJA3是用于判定FC入口阀门H21是否可靠地关闭的压力。在压力传感器P5、P11的检测压力都为规定压力PJA2、PJA3或其以下时(S450；YES)，为了进行低压部的气体泄漏判定，判定从FC入口阀门H21关闭时开始是否经过了规定时间t5(S451)。在经过了规定时间t5时(S451；YES)，将压力传感器P61的检测压力作为P61P存储(S452)。进而判定从FC入口阀门H21关闭时开始是否经过了规定时间t6(S453)，在经过了规定时间t6时(S453；YES)，运算所存储的压力P61P与压力传感器P61的检测压力的压差(压力降低量)ΔP61(S454)。在这里，在压差ΔP61为规定的阈值压力Pj16或其以上时(S455；YES)，判定为在低压部产生了气体泄漏(S456)。作为气体泄漏的原因，可以考虑氢气供给阀H22或FC入口阀H21的开故障，或者燃料气体供给通路31或燃料电池循环通路32的破损等。
另一方面，从FC入口阀门H21关闭时开始没有经过规定时间t5时(S451；NO)，或者没有经过规定时间t6时(S453；NO)，或者压差ΔP61不到规定的阈值压力Pj16时(S455；NO)，控制部50允许FC部的气体泄漏判定(S457)。这是因为，虽然从FC入口阀门H21关闭时开始没有经过规定时间t5或t6，但由于已经关闭FC入口阀门H21，所以能够与低压部的气体泄漏判定并行地进行FC部的气体泄漏判定。
然后，在压力传感器P5的检测压力为目标压力P5A或其以下时(S458；YES)，表示FC部的压力达到了适于气体泄漏判定的压力，所以控制部50关闭FC出口阀门H22(S459)。由此FC部变为密封状态。接下来，判定配设在FC出口阀门H22的下游侧的压力传感器P10的检测压力是否降到规定压力PJA4或其以下(S460)。规定压力PJA4是用于判定FC出口阀门H22是否可靠地关闭的压力。在压力传感器P10的检测压力分别为规定压力PJA4或其以下时(S460；YES)，为了进行FC部的气体泄漏判定，判定从FC出口阀门H22关闭时开始是否经过了规定时间t7(S461)。在经过了规定时间t7时(S461；YES)，将压力传感器P5的检测压力作为P5P存储(S462)。进而判定从FC出口阀门H22关闭时开始是否经过了规定时间t8(S463)，在经过了规定时间t8时(S463；YES)，运算所存储的压力P5P与压力传感器P5的检测压力的压差(压力降低量)ΔP5(S464)。在这里，在压差ΔP5为规定的阈值压力Pj17或其以上时(S465；YES)，判定为在FC部产生了气体泄漏(S466)。作为气体泄漏的原因，可以考虑FC入口阀H21或FC出口阀门H22的开故障，或者燃料气体供给通路31或燃料电池循环通路32的破损等。
另一方面，从FC出口阀门H22关闭时开始没有经过规定时间t7时(S461；NO)，或者没有经过规定时间t8时(S463；NO)，或者压差ΔP5不到规定的阈值压力Pj17时(S465；NO)，控制部50允许循环部的气体泄漏判定(S467)。这是因为，虽然从FC出口阀门H22关闭时开始没有经过规定时间t7或t8，但由于已经关闭FC出口阀门H22，所以能够与FC部的气体泄漏判定并行地进行循环部的气体泄漏判定。
然后，在压力传感器P10的检测压力为目标压力P10A或其以下时(S468；YES)，表示循环部的压力达到了适于气体泄漏判定的压力，所以控制部50禁止清除阀51的开闭(S469)。由此循环部变为密封状态。为了进行循环部的气体泄漏判定，控制部50判定从禁止清除阀51的开闭的时刻(或者关闭FC出口阀门H22时)开始是否经过了规定时间t9(S470)。在经过了规定时间t9时(S470；YES)，将压力传感器P10的检测压力作为P10P存储(S471)。进而判定从禁止清除阀51的开闭的时刻(或者关闭FC出口阀门H22时)开始是否经过了规定时间t10(S472)，在经过了规定时间t10时(S472；YES)，运算所存储的压力P10P与压力传感器P10的检测压力的压差(压力降低量)ΔP10(S473)。在这里，在压差ΔP10为规定的阈值压力Pj18或其以上时(S474；YES)，判定为在循环部产生了气体泄漏(S475)。作为气体泄漏的原因，可以考虑FC出口阀门H22或止回阀H52的开故障，或者燃料电池循环通路32的破损等。另一方面，在压差ΔP10不到规定的阈值压力Pj18时(S474；NO)，判定为在循环部没有产生气体泄漏(S476)。
图11和图12是叙述辅机控制程序(S107)的流程图。在调用该程序时，控制部50参照SOC-电池温度图，运算能够充到二次电池54中的电力W2(S501)。SOC越少，二次电池54的能够充电的电力越多，另外电池温度越低或越高，能够充电的电力越少。接下来，控制部50运算与燃料电池20的发电量PA相对应的辅机损耗W3(S502)。接下来，判定发电量PA是否超过能够充电的电力W2与辅机损耗W3的总和(S503)。在发电量PA超过能够充电的电力W2与辅机损耗W3的总和时(S503；YES)，发电量PA有剩余，所以提高氢气泵63的流量从而增大氢气泵63的驱动负载(消耗电力)，或者减小压力调节阀A4的阀开度从而增大阴极排放气体流路42的流体阻力，增大空气压缩机40的驱动负载(消耗电力)(S504)。
接下来，控制部50检测燃料电池20的温度状态，判定温度传感器T2的检测温度是否为规定温度TH1或其以上，或者温度传感器T31的检测温度是否为规定温度TH2或其以上(S505)。作为规定温度TH1、TH2，优选设定为燃料电池20有点要干涸的温度。在温度传感器T2的检测温度为规定温度TH1或其以上，或者温度传感器T31的检测温度为规定温度TH2或其以上时(S505；YES)，参照燃料电池发电量-空气配比图，调整空气压缩机40的转速，以向燃料电池20供给燃料电池20不会干涸(dryup)的程度的氧化气体流量(S506)。另一方面，在温度传感器T2的检测温度不到规定温度TH1，并且温度传感器T31的检测温度不到规定温度TH2时(S505；NO)，考虑到即使增大向燃料电池20供给的氧化气体流量，燃料电池20也不会没电，所以提高空气压缩机40的转速，增大空气压缩机40的驱动负载(消耗电力)(S507)。
接下来，控制部50增大循环泵C1的驱动力(消耗电力)从而增大制冷剂流量，或者驱动散热器·风扇C13从而增大冷却系统的辅机损耗(S508)。由此能够较多地消耗剩余电力，但另一方面，有时燃料电池20的温度会降到比通常运行温度更低。控制部50参照FC冷却水出口温度T2-辅机动力-大气温度Tout(三维图)运算燃料电池20的温度降低量ΔTC(S509)。该三维图是基于燃料电池20的制冷剂温度、冷却辅机(循环泵C1、散热器·风扇C13)的驱动负载和大气温度Tout，预先求出了燃料电池20的温度降低量的图表数据。接下来，控制部50参照FC冷却水出口温度T2-ΔTC-冷凝水量推定图，推定在燃料电池20内部生成的冷凝水量(S510)。由于可以认为燃料电池20的阳极侧几乎充满饱和水蒸气，所以能够从温度降低量ΔTC某种程度地推定冷凝水量。接下来，控制部50参照冷凝水量-氢气泵增加流量图、冷凝水量-空气压缩机增加流量图、冷凝水量-清除频率增加图，与冷凝水量相对应地增加氢气泵63和空气压缩机40的转速。冷凝水量越多，越会看到由浸渍(flooding)引起的电池电压下降，所以增大燃料气体和氧化气体的供给量。另外，为了尽可能多地排出燃料气体所包含的水分，增加清除阀H51的清除频率(S511)。
接下来，控制部50检测燃料电池20的温度状态，判定温度传感器T2的检测温度是否为规定温度TH3或其以下，或者温度传感器T31的检测温度是否为规定温度TH4或其以下(S512)。作为规定温度TH3、TH4，优选设定为燃料电池20的运行温度比通常运行温度低的温度。在温度传感器T2的检测温度为规定温度TH3或其以下，或者温度传感器T31的检测温度为规定温度TH4或其以下时(S512；YES)，为了使制冷剂温度上升，关闭旁通阀C3，关闭散热器·风扇C13，打开继电器R1、R2(S513)。由此，制冷剂旁通过散热器C2而流入热交换器70，在热交换器70被升温。通过对加热器70a通电，能够有效地消耗剩余电力。
接下来，控制部50检测辅机逆变器52的温度，判定氢气泵63的逆变器温度或空气压缩机40的逆变器温度是否为规定温度TH5或其以下(S514)。作为规定温度TH5，优选设定为辅机逆变器52的热损失变为过大的温度。在氢气泵63的逆变器温度或空气压缩机40的逆变器温度为规定温度TH5或其以下时(S514；YES)，可以考虑辅机逆变器52的热损失较少，所以使逆变器频率上升，增大热损失(S515)。另一方面，在氢气泵63的逆变器温度或空气压缩机40的逆变器温度为规定温度TH5或其以上(S514；NO)时，逆变器52的热损失较大，所以将逆变器频率维持为通常值(S516)。
图13是叙述系统停止处理程序(S110)的流程图。在调用该程序时，控制部50判定循环部的气体泄漏判定是否结束(S601)。如果循环部的气体泄漏判定结束(S601；YES)，控制部50打开FC入口阀H21以及FC出口阀门H22，将燃料气体供给通路31以及燃料电池循环通路32中残留的燃料气体导入燃料电池20(S602)。与此同时，控制部50使空气压缩机40旋转从而向燃料电池20供给氧化气体。被导入燃料电池20的燃料气体通过电力发电而消耗。进而，控制部50以适当的时间间隔打开清除阀H51，由此清除燃料气体，降低在燃料电池20中循环的燃料气体的杂质浓度。然后，判定压力传感器P5的检测压力是否降到目标压力P5AE或其以下(S603)。作为目标压力P5AE，优选为在系统停止时燃料气体不会交叉泄露(cross leak)到阴极侧的程度的压力。在压力传感器P5的检测压力降到目标压力P5AE或其以下时(S603；YES)，控制部50关闭FC入口阀H21、FC出口阀门H22以及清除阀H51，使氢气泵63和空气压缩机40停止，从而停止发电(S604)。
图14是叙述异常停止处理程序(S112)的流程图。在上述的气体泄漏判定(S102、S106、S109)中，在判定为产生气体泄漏时(S210、S446、S456、S446、S475)，调用异常停止处理程序。在调用该程序时，控制部50将配设在燃料气体供给系统中的所有的阀门，即氢气罐阀H201、氢气供给阀H200、FC入口阀H21、FC出口阀H22以及清除阀H51全部关闭，进而使氢气泵63和空气压缩机40停止，从而停止发电(S701)。
根据本实施方式，通过在仅通过燃料电池20的电力发电和辅机类的电力消耗，燃料气体的消耗不充分时，使辅机类的电力消耗增大，能够促进燃料气体的消耗。由此，能够实现迅速的气体泄漏判定。
工业上的可利用性
根据本发明，通过在仅通过燃料电池的电力发电和辅机类的电力消耗，反应气体的消耗不充分时，使辅机类的电力消耗电力增大，能够促进反应气体的消耗。由此，能够实现反应气体通路的迅速的异常检测判定。因此，本发明能够广泛应用于具有这样的要求的燃料电池系统以及燃料电池系统的异常判定方法。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，它是用燃料电池消耗在反应气体通路的异常检测部位中存在的反应气体而产生电力，进而优先用辅机消耗所述燃料电池产生的电力，且由所述辅机消耗不完的剩余电力能够充电到蓄电装置中，并具备根据在所述异常检测部位中存在的反应气体的压力变化状态进行所述反应气体通路的异常判定的判定部的燃料电池系统，其特征在于：
具备在所述燃料电池消耗所述异常检测部位内存在的反应气体而产生的电力超过所述辅机的消耗电力和所述蓄电装置的可充电电力的总和时，使所述辅机的电力消耗增大，从而使所述异常检测部位中存在的反应气体的消耗增加的控制部。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
作为所述辅机，具备冷却所述燃料电池的冷却辅机，所述控制部根据由所述冷却辅机的消耗电力的增大所引起的所述燃料电池的温度下降的程度，来控制其它的辅机。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：
作为所述辅机，进而具备向所述燃料电池提供氧化气体的空气压缩机，所述控制部在所述燃料电池的温度为规定值或其以上时抑制从所述空气压缩机向所述燃料电池提供的氧化气体流量的增加。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
作为所述辅机，进而具备能够与冷却所述燃料电池的制冷剂进行热交换的热交换器，所述控制部在所述燃料电池的温度为规定值或其以下时使所述热交换器的消耗电力增大，由此使所述制冷剂的温度上升。
5.如权利要求1、2或4所述的燃料电池系统，其特征在于：
进而具备将由所述燃料电池产生的直流电力转换成交流电力从而向所述辅机提供交流电力的逆变器，所述控制部使所述逆变器的热损失增大，从而使由所述燃料电池产生的电力的消耗量增大。
6.一种燃料电池系统的异常判定方法，该燃料电池系统的异常判定方法，用燃料电池消耗在反应气体通路的异常检测部位中存在的反应气体而产生电力，进而优先用辅机消耗所述燃料电池产生的电力，且将由所述辅机消耗不完的剩余电力向蓄电装置充电，并根据在所述异常检测部位中存在的反应气体的压力变化状态进行所述反应气体通路的异常判定，其特征在于：
具备在所述燃料电池消耗所述异常检测部位内存在的反应气体而产生的电力超过所述辅机的消耗电力和所述蓄电装置的可充电电力的总和时，使所述辅机的电力消耗增大，从而使所述异常检测部位中存在的反应气体的消耗增加的工序。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统的异常判定方法，其特征在于：
所述燃料电池系统作为所述辅机具备冷却所述燃料电池的冷却辅机；
根据由所述冷却辅机的消耗电力的增大所引起的所述燃料电池的温度下降的程度，来控制其它的辅机。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池系统的异常判定方法，其特征在于：
所述燃料电池系统作为所述辅机进而具备向所述燃料电池提供氧化气体的空气压缩机；
在所述燃料电池的温度为规定值或其以上时抑制从所述空气压缩机向所述燃料电池提供的氧化气体流量的增加。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统的异常判定方法，其特征在于：
所述燃料电池系统作为所述辅机进而具备能够与冷却所述燃料电池的制冷剂进行热交换的热交换器；
在所述燃料电池的温度为规定值或其以下时使所述热交换器的消耗电力增大，由此使所述制冷剂的温度上升。
10.如权利要求6、7或9所述的燃料电池系统的异常判定方法，其特征在于：
所述燃料电池系统进而具备将由所述燃料电池产生的直流电力转换成交流电力从而向所述辅机提供交流电力的逆变器；
使所述逆变器的热损失增大，从而使由所述燃料电池产生的电力的消耗量增大。
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