CN101331638A - 燃料电池系统、配备有燃料电池系统的移动体、和用于燃料电池系统的异常判断方法 - Google Patents

燃料电池系统、配备有燃料电池系统的移动体、和用于燃料电池系统的异常判断方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统(1)，包括：燃料电池(10)；氢气管路系统(3)，用于供应氢气至燃料电池(10)；喷射器(35)，其调节氢气管路系统(3)在它的上游侧的气体状态，并将所述气体供应至氢气管路系统的下游侧；以及控制器件(4)，其以预定的驱动周期控制喷射器(35)的驱动。此控制器件(4)基于喷射器(35)的目标喷射量和检测到的氢气管路系统(3)内的压力，判断氢气管路系统(3)内的异常是否存在。

Description

燃料电池系统、配备有燃料电池系统的移动体、和用于燃料电池系统的异常判断方法
技术领域
本发明涉及一种将喷射器合并到其供气系统内的燃料电池系统，涉及一种配备这样的燃料电池系统的移动体，并且涉及一种用于这样的燃料电池系统的异常判断方法。
背景技术
当今，正在提出并且应用包括燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池通过接收反应气体(燃料气体和氧化气体)的供给而进行发电。在这样的燃料电池系统中，包括燃料供给流路，所述燃料供给流路将燃料气体从燃料供给源例如氢罐或类似物提供至燃料电池内。
并且，通常，当由燃料供给源(例如，压力为70MPa的高压气体罐)提供的燃料气体的压力特别高时，在燃料供给流路内设置有压力调节阀(调节器)，其将此供给压力降低至恒定值(例如，参见公开的日本专利申请No.JP-A-2004-342386)。
然而，利用在日本专利申请公开No.JP-A-2004-342386中描述的压力调节阀，利用此结构，因为燃料气体的供应压力是恒定的，所以难以根据驱动情况快速地改变燃料气体的供应压力(换句话说，响应较慢)。此外，不能执行非常精确的压力调节，比如使目标压力变化经过多个阶段。
此外，对于为高供应压力的燃料供给源设置的燃料供给流路，检测此燃料供给系统内的任何异常是十分重要的，并且，作为检测这类异常的方法，具有通过压降等实现的压力调节器故障检测方法。然而，对于此检测方法，需要关闭压力调节阀，以封闭系统并稳定系统压力。由此，在燃料电池发电时难以进行异常检测，或者，这样的异常检测可能花费较长的时间，这是不希望的。
为此，对于系统来说，存在这样的需求：根据燃料电池的运行状态以适当的方式改变燃料气体的供应压力，此外，利用此方案，可以对气体供应系统快速地进行异常检测，即使燃料电池发电时也是如此。
发明内容
本发明的目的是提供一种这样的技术，即，利用所述技术，可以根据燃料电池的运行状态以恰当的方式改变反应气体的供应压力，此外，利用所述技术，能够以简单的方式对气体供应系统进行异常检测，即使燃料电池发电时也是如此。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池；喷射器，其设置在气体供应系统内，用于提供反应气体至燃料电池，并且，其调节位于此气体供应系统的上游侧的反应气体的状态并将已调节的反应气体提供至其下游侧；以及用于根据燃料电池的运行状态控制喷射器的控制装置。此燃料电池系统包括判断装置，用于基于喷射器的目标操作量以及气体供应系统内检测到的物理量，判断气体供应系统内异常是否存在。
根据本发明的第一方面，可以根据燃料电池的运行状态(燃料电池的发电量(其电功率、电流和电压)、燃料电池的温度、燃料电池系统的异常状态、燃料电池主体的异常状态等)，设置喷射器的运行状态(喷射器的阀的开启量(其气体通道区域)、喷射器的阀的开启时间(气体的喷射时间)等)。因此，可以根据燃料电池的运行状态以适当的方式改变燃料气体的供应压力，并且，可以提高其响应性能。
此外，判断装置基于喷射器的目标操作量(例如目标开启量，目标阀门开启时间期间、目标压力、目标流量、目标喷射量、或目标喷射时间期间)和检测到的气体供应系统的物理量(例如检测到的压力、检测到的温度、检测到的流量、或这些参数的变化量)，判断气体供应系统内异常是否存在。由此，可以快速地检测气体供应系统内的异常，即使燃料电池发电时也是如此。
在此燃料电池系统中，还可以包括用于检测气体供应系统内的压力的压力检测装置。此外，对于判断装置来说，基于喷射器的目标喷射量和检测到的气体供应系统内的压力判断气体供应系统内异常是否存在也是可接受的。
需要理解的是，反应气体的状态是指流量、压力、温度、摩尔浓度、和/或反应气体的类似参数，并且特别地，其包括其流量和其压力中的至少一个。
当采用此结构时，判断装置实际上是基于来自压力检测装置的检测结果测量喷射器的下游侧的压力。通过这样做，可以基于此气压变化的实际测量值和喷射器的目标喷射量，精确地判断气体供应系统内异常是否存在。
此外，在此燃料电池系统内，控制装置可以配备有修正功能，即基于已从喷射器的目标喷射量中获得的估计压力和在气体供应系统中检测到的压力之间的差修正喷射器的目标喷射量。
当采用此结构时，可以对气体供应系统执行更精确的异常检测，而与喷射器或压力检测装置或类似物之间的个体差异无关，或者是与它们由于时间推移而导致的变化无关。
此外，在此燃料电池系统内，气体供应系统可以是氢气供应系统，其供给氢至燃料电池。
当采用此结构时，在燃料电池发电期间，可以于短时间内检测出氢气供应系统内由于管路气体泄漏、阀故障、喷射器故障或类似情形所导致的异常，并且可以快速地处理此异常，因此，维持燃料电池的符合要求的发电状态。
此外，在此燃料电池系统内，基于在喷射器的下游侧检测的压力的实际测量值是否处于喷射器提供的反应气体的正常压力范围内，判断装置可以判断喷射器的异常是否存在。
当采用此结构时，在燃料电池发电期间，可以于短时间内检测出喷射器的操作故障，例如阀开启异常(开启故障)、阀关闭异常(关闭故障)或类似情形，并且可以快速地处理此异常，因此，维持燃料电池的符合要求的发电状态。
此外，在此燃料电池系统内，基于气体供应系统内的气体消耗量和喷射器的实际喷射量之间的差，判断装置可以判断气体供应系统的异常是否存在。
此外，气体消耗量可以包括至喷射器的喷射命令量的误差、由燃料电池产生的电流的检测中的误差以及燃料电池的交差泄漏的增加量中的至少一个；并且，判断装置可以基于气体消耗量和喷射器的反应气体的实际喷射量判断气体泄漏是否存在。
根据此结构，可以根据燃料电池的运行状态(燃料电池的发电量(电功率、电流和电压)，燃料电池的温度，燃料电池系统的异常状态，燃料电池主体的异常状态等)，设置喷射器的运行状态(喷射器的阀的开启量(其气体通道区域)，喷射器的阀的开启时间期间(气体的喷射时间期间)，以及类似参数)。因此，可以根据燃料电池的运行状态以适当的方式改变燃料气体的供应压力，以致其变得可以提高响应性能。
此外，判断装置可以利用气体供应系统的气体消耗量(例如，由于燃料电池发电而导致的气体消耗量)和喷射器的喷射量之间的差，判断气体供应系统内异常是否存在。由此，可以对气体供应系统进行快速的异常检测，即使在燃料电池发电期间也是如此。例如，尽管气体供应系统的气体消耗量是由燃料电池发电而产生的燃料气体的消耗量，但是，气体供应系统的气体消耗量还可能包括：在燃料电池内燃料气体从阳极至阴极的交差泄漏；在排出燃料废气至外面的期间散发的燃料气体量，所述燃料废气被从燃料电池排出；等等。
在此燃料电池系统内，判断装置可以判断氢气供应系统内的异常。
当采用此结构时，在燃料电池发电期间，可以于短时间内检测出氢气供应系统内由于管路气体泄漏、阀故障、喷射器故障或类似情形所导致的异常，并且可以快速地处理此异常，同时维持燃料电池的符合要求的发电状态。
本发明的第二方面涉及一种移动体。此移动体包括这样的燃料电池系统。
根据此类结构，对于内部安装有燃料电池系统的移动体，在燃料电池发电期间，能够快速地对气体供应系统进行异常检测，其中所述燃料电池系统对于燃料气体的供应压力根据燃料电池运行状态的变化的响应很快。
本发明的第三方面涉及一种驱动喷射器的异常判断方法，所述喷射器设置在气体供应系统内用于提供反应气体至燃料电池，并且，其根据燃料电池的运行状态，调节位于此气体供应系统的上游侧的反应气体的状态并将已调节的反应气体提供至其下游侧。此方法包括计算喷射器的目标操作量的步骤、检测气体供应系统内的物理量的步骤以及基于目标操作量和物理量判断气体供应系统内异常是否存在的步骤。
根据本发明，其能够快速地对气体供应系统进行异常检测，即使在燃料电池发电期间也是如此。
附图说明
通过参照附图从对优选实施例的下列描述，本发明的上述和/或其他目的、特点和优点将变得更加显而易见，附图中类似的标记用于表示类似的部件，并且其中：
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构简图；
图2是用于描述图1中所示的控制器件的布置的控制方框图；
图3是用于描述通过图1中所示的控制器件实现的异常检测处理的流程图；
图4a所示的图表示出了目标喷射量Q，图4b所示的图表示出了喷射量的累加值V，图4c所示的图表示出了压力增量ΔP，且图4d所示的图表示出了估计压力P的范围Ps；
图5a所示的图表示出了在开启故障期间次级侧压力的实际测量值Pr，图5b所示的图表示出了在关闭故障期间次级侧压力的实际测量值Pr，且图5c所示的图表示出了在正常工作期间次级侧压力的实际测量值Pr；
图6是用于描述通过图1中所示的控制器件的气体泄漏检测的方法的图表；
图7是用于描述在此气体泄漏检测中使用的阈值的设定的图表；以及
图8是用于描述气体泄漏检测方法的另一个实例的图表。
具体实施方式
下面，将参照附图描述本发明的第一实施例。在此实施例中，假定所述描述涉及一个这样的实例，其中，本发明应用于燃料电池车辆(移动体)的车载发电系统。
首先，参照图1描述根据本发明的此实施例的此燃料电池系统1的结构。
如图1所示，此燃料电池系统1包括燃料电池10，其接收反应气体(氧化气体和燃料气体)的供应并产生电能。此外，此燃料电池系统1包括：氧化气体管路系统2，其将空气作为氧化气体提供至燃料电池10；氢气管路系统3，其将氢气作为燃料气体提供至燃料电池10；以及控制器件4(控制装置或判断装置)，其在总体上执行系统的集成控制。
此燃料电池10具有堆叠结构，所需量的单体电池堆叠在一起，其中，所述单体电池接收反应气体的供应。通过燃料电池10产生的电能提供至PCU(动力控制单元)11。此PCU11包括设置在燃料电池10和牵引电机12之间的逆变器和DC-DC变换器及类似物。此外，电流传感器安装至燃料电池10，用于检测正在产生的电流。
氧化气体管路系统2包括：空气供给流路21，在氧化气体(空气)通过增湿器20增湿后，其将氧化气体(空气)提供至燃料电池10；空气排气流路22，其将已从燃料电池10排出的氧化废气引导至增湿器20；以及排气流路23，用于将氧化废气从增湿器21引导至外面。在空气供给流路21中，设置有压缩机24，其吸入大气中的氧化气体，并且对其进行压缩并将压缩后的气体送至增湿器20。
氢气管路系统3包括：氢罐30，其组成燃料供给源并且存储高压氢气；氢供应流路31，其充当燃料供给流路，用于将氢气从氢罐30提供至燃料电池10；以及循环流路32，用于将已经从燃料电池10排出的氢废气回馈至氢供应流路31。在本发明的此第一实施例中，此氢气管路系统3是气体供应系统。
需要理解的是，作为燃料供给源，除了采用氢罐30，还可以采用重整装置和高压气体罐，所述重整装置利用碳氢化合物类燃料产生富氢的重整气体，所述高压气体罐以高压状态存储由此重整装置产生的重整气体。此外，采用包含储氢合金的容器作为燃料供给源也是可接受的。
在氢供应流路31内，设置有截止阀33，其要么阻断来自氢罐30的氢气供应，要么允许来自氢罐30的氢气供应；调节器34，其调节此氢气的压力；以及喷射器35。此外，在喷射器35的上游侧处，设置有初级侧压力传感器41和温度传感器42，其检测氢供应流路31内氢气的压力和温度。
此外，在氢供应流路31和循环流路32的会合点的上游侧，以及在喷射器35的下游侧，设置有次级侧压力传感器43，其检测氢供应流路31内氢气的压力。
调节器34是将此上游侧压力(初级压力)调节至预先设定的次级压力的装置。在此实施例中，采用减小初级压力的机械减压阀作为调节器34。至于这些机械减压阀的结构，可以采用传统的结构，该结构具有一个被形成为具有通过隔板彼此分隔开的背压室和压力调节室的主体。此外，压力调节室内的初级压力可以通过背压室内的背压减小至预定压力，从而形成次级压力。
如图1所示，在此实施例中，通过在喷射器35的上游侧布置两个调节器34，能够有效地减小喷射器35的上游侧的压力。为此，提高了喷射器35(即它的阀体、主体、流路、驱动装置等)的机械结构的设计自由度。
此外，可以减小喷射器35的上游侧的压力。为此，可以防止在喷射器35的阀体移动时出现任何困难，由于喷射器35的上游侧的压力与其下游侧的压力之间的压差的增加可能导致所述移动困难。因此，除了可以拓宽喷射器35的下游侧上的压力的压力调节范围，还可以抑制喷射器35的响应性能的降低。
喷射器35是电磁驱动型的开启/关闭阀。在此喷射器里35内，阀体由电磁驱动力直接驱动并且在预定的驱动周期其与阀座分离。为此，可以调节气体状态，比如气体流量和气体压力等。喷射器35除了包括具有喷射孔的阀座，其中所述喷射孔喷射气体燃料比如氢气或类似物，它还包括喷嘴体和阀体，所述喷嘴体引导此气体燃料从而将其提供至此喷射孔；所述阀体被包围及支承以致其可以在喷嘴体的轴线方向(气流方向)可以移动，并且，其开启及关闭喷射孔。
在此实施例中，喷射器35的阀体由螺线管并通过脉冲形式的激励电流驱动，所述螺线管是电磁驱动器件，所述激励电流被提供至此螺线管，从而实现阀的开启和关闭，所述阀体被设置成能以两个阶段、或多个阶段、或连续地(无级地)、或线性地改变喷射孔的开口区域。通过利用从控制器件4输出的控制信号控制喷射器35的气体喷射时间和气体喷射时刻，可以高精度地控制氢气的流量和压力。
喷射器35是这样一种装置，其中，阀(阀体和阀座)通过电磁驱动力被直接地驱动以开启及关闭。因为可以将阀的驱动周期控制至高响应区域，所以此阀具有高响应性能。
为了提供其下游所需要的气体流量，喷射器35改变阀体的开启区域(开启量)和开启时段中的至少一个参数，所述阀体设置在此喷射器35的气体流路内。通过这样做，调节了气体流量(或氢摩尔浓度)，所述气体流量被提供至其下游侧(燃料电池10侧)。
需要理解的是，除了通过喷射器35的阀体的开启和关闭调节气体流量，提供至喷射器35的下游的气压还被减小成低于喷射器35的上游的气压。为此，喷射器35还可以被认为是压力调节阀(减压阀或调节器)。
此外，在此实施例中，喷射器35还可以被认为是可变压力调节阀，其可以根据气体需求改变喷射器35的上游的气压的压力调节的量(压力减小量)，以致与所需的压力相应，处于预定压力范围内。
需要理解的是，在此实施例中，如图1所示，喷射器35被定位成比氢供应流路31和循环流路32的结合点A1更位于上游侧。此外，如图1中的虚线所示，如果采用多个氢罐30作为燃料供给源，那么喷射器35应当被定位成比由各氢罐30提供的氢气流过的位置(氢气汇合点A2)更靠向下游侧。
循环流路32通过气-液分离器36和排气排出阀37连接至排气流路38。此气-液分离器36是一种用于从氢废气中回收水分的装置。并且，通过根据来自控制器件4的命令的操作，排气排出阀37将已经通过气-液分离器36回收的水分和在循环流路32内的包括杂质的氢废气排出到外部。
此外，在循环流路32内，设置有氢泵39，其在循环流路32内压缩氢废气并且将其朝向氢供应流路31侧排出。需要理解的是，通过排气排出阀37和排气流路38排出的氢废气通过稀释器40稀释，并且流入排气流路23内的氧化废气中。
控制器件4检测设置在车辆上的加速动作装置(加速踏板或类似物)的动作量；接收控制信息，比如需求的加速值(例如，负载装置比如牵引电机12或类似物需求的电量)以及类似参数；并且控制系统内各种器件的运行。
需要理解的是，负载装置不仅仅只是牵引电机12；它是总称为用电装置的任何装置的通称，包括运行燃料电池10所需的辅助装置(例如压缩机24、氢泵39、冷却泵的电机等类似物)，用于车辆行驶中发生作用的各种装置(例如变速装置、车轮控制器件、转向装置、悬挂装置或类似物)的执行器，照明装置，以及音频设备或类似物。
控制器件4包括未在图中示出的计算机系统。此计算机系统包括CPU、ROM、RAM、硬盘驱动器、输入输出接口、显示器以及类似物。此外，各种型式的计算机操作通过各种型式的计算机程序实现，所述计算机程序记录在ROM中，通过CPU读取并执行。
具体来说，如图2所示，基于燃料电池10的运行状态(即基于燃料电池10产生的电流，通过电流传感器13检测)，控制器件4计算(燃料消耗量计算功能：B1)燃料电池10当前消耗的氢气量(以下表述为″氢消耗量″)。在此实施例中，通过使用特定的计算公式，在控制器件4的各计算周期中计算此氢消耗量，所述计算公式确定了燃料电池10的电流和氢消耗量之间的关系。
此外，基于燃料电池10的运行状态(即基于燃料电池10产生的电流，通过电流传感器13检测)，控制器件4计算(目标压力值计算功能：B2)喷射器35的下游位置处氢气的目标压力值(燃料电池10的目标气体供应压力)。在此实施例中，通过使用特定映射，在控制器件4的各计算周期中计算并更新次级侧压力传感器43所处位置处的此目标压力值(压力调节位置，其是压力调节所需的位置)，所述映射确定燃料电池10的电流和目标压力值之间的关系。
此外，控制器件4基于如上所述计算出的目标压力值与通过次级侧压力传感器43检测到的喷射器35的下游位置(压力调节位置)的检测压力值之间的偏差，计算反馈修正流量(反馈修正流量计算功能：B3)。此反馈修正流量是被增加至氢消耗量的氢气流量(压差减小修正流量)，以便减少目标压力值和检测压力值之间的偏差。在此实施例中，通过使用目标跟踪式控制规则，如PI(比例积分)控制等，在控制器件4的各计算周期计算并更新此反馈修正流量。
此外，控制器件4计算前馈修正流量(前馈修正流量计算功能：B4)，其对应于前次计算出的目标压力值和此时计算出的目标压力值之间的偏差。此前馈修正流量是由目标压力值的波动引起的氢气流量的波动量(修正流量与压差相对应)。在此实施例中，通过使用特定计算公式，在控制器件4的各计算周期计算并更新此前馈修正流量，该公式确定目标压力值的偏差和前馈修正流量之间的关系。
此外，基于喷射器35的上游的气体状态(即，基于通过初级侧压力传感器41检测到的氢气的压力和通过温度传感器42检测到的氢气的温度)，控制器件4计算喷射器35的上游的静态流量(静态流量计算功能：B5)。在此实施例中，通过使用确定喷射器35的上游侧的压力和温度与静态流量之间的关系的特定计算公式，在控制器件4的各计算周期计算并更新此静态流量。
此外，基于喷射器35的上游的气体状态(即，氢气的压力和温度)和施加的电压，控制器件4计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射时段计算功能：B6)。此处的无效喷射时间意味着从喷射器35接收来自控制器件4的控制信号时起直到实际喷射开始所需要的时段。在此实施例中，通过使用确定喷射器35的上游侧上的氢气的压力与温度以及施加电压与无效喷射时间之间的关系的映射，在控制器件4的各计算周期计算并更新此无效喷射时间。
此外，通过将氢消耗量、反馈修正流量和前馈修正流量相加，控制器件4计算喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能：B7)。并且，除了通过用喷射器35的驱动周期乘以一个将喷射器35的喷射流量除以静态流量后得到的值来计算基本喷射时间以外，控制器件4还通过将此基本喷射时间和无效喷射时间相加来计算喷射器35的总喷射时间(总喷射时段计算功能：B8)。此处，驱动周期是阶跃型的波形(开/关波形)的周期，其表示喷射器的35的喷射孔的开启和关闭状态。在此实施例中，此驱动周期由控制器件4设置成一恒定值。
此外，控制器件4输出控制信号，用于实现喷射器35的总喷射时间，所述总喷射时间已根据上述程序计算出。通过这样做，喷射器35的气体喷射时间和气体喷射时刻得到控制，因此调节提供至燃料电池10的氢气的流量和压力。
在上述燃料电池系统1的正常工作期间，来自氢罐30的氢气通过氢供应流路31提供到燃料电池10的燃料电极。此外，已经进行了湿度调节的空气通过空气供给流路21提供至燃料电池10的氧化剂电极。通过这些氢气和空气的供应进行发电。此时，通过控制器件4计算从燃料电池10输出的电能(需求的电能)，并且，提供至燃料电池10的氢气和空气被设置成与发电量相对应的量。在此实施例中，在此类正常操作期间提供至燃料电池10的氢气的压力被高精度地控制。
此处，在上述燃料电池系统1中，在提供氢气至燃料电池10期间，控制器件4执行异常检测处理，以检测氢气管路系统3内异常的存在与否(即确定是否存在异常)。现在将参照图3描述用于此实施例中的喷射器35的故障检测处理。
首先(在步骤S01中)，控制器件4估计次级侧的正常压力范围，所述次级侧位于喷射器35的下游侧。在此正常压力范围的估计内，首先得到喷射器35的目标喷射器喷射量Q[NL/min][sic]。具体说来，通过将基本喷射时间和无效喷射时间相加而得到的总喷射时间，是前述各计算周期的累加。此外，基于此总喷射时间，得到每单位时间(此处为一分钟)的喷射器喷射量(目标喷射量)Q[NL/min]。
需要理解的是，此喷射器喷射量Q根据初级侧的压力和温度波动，所述初级侧为喷射器35的上游侧。为此，当获得喷射器喷射量Q时，控制器件4将初级侧的压力和温度的因子增加至喷射器喷射量Q，其中所述初级侧是喷射器35的上游侧，所述压力和温度通过初级侧压力传感器41和温度传感器42检测。
此外，如图4a所示，控制器件4设置已得到的喷射器喷射量Q的上限值和下限值，包括如虚线所示的误差。此外，如图4b所示，通过累加此上限值和下限值已经设定的喷射器喷射量Q，控制器件4计算喷射器喷射量累加值V[NL]，其包括如虚线所示的上限和下限。
接下来，除了具有上限和下限的喷射器喷射量累加值V以外，如图4c所示，控制器件4获得压力增量ΔP，其具有如虚线所示的上限和下限。使用次级侧的管路的体积和温度等类似参数，此压力增量ΔP通过转换公式估计得到，所述转换公式已预先获得，所述次级侧是喷射器35的下游侧，包括氢供应流路31、燃料电池10的内部以及循环流路32。
此外，在增压前，控制器件4使具有上限和下限的压力增量ΔP与次级侧压力P相适应。通过这样做，如图4d所示，其估计具有上限和下限的正常压力(估计压力)P的范围Ps，如虚线所示。
已经以上述方式估计正常压力P的范围Ps后，基于来自次级侧压力传感器43的数据，控制器件4判断(在图3中的步骤S02中)次级侧压力的实际测量值Pr是否大于正常压力P的范围Ps。
如图5a所示，作为此判断的结果，如果已经判定次级侧压力的实际测量值Pr大于正常压力P的范围Ps，那么控制器件4判定存在开启操作故障(开启故障)，其中喷射器35的阀保持开启。此外，例如，误差信号输出，从而将此效果的通知以警报形式发出(在图3中的步骤S03中)。
此外，如果上述判断的结果是已经判定次级侧压力的实际测量值Pr不大于正常压力P的范围Ps，那么控制器件4判断(在图3中的步骤S04中)次级侧压力的实际测量值Pr是否小于正常压力P的范围Ps。
此外，如图5b所示，如果上述判断的结果是已经判定次级侧压力的实际测量值Pr小于正常压力P的范围Ps，那么控制器件4判定存在关闭侧操作故障(关闭故障)，其中喷射器35的阀保持关闭。此外，例如，误差信号输出，从而将此效果的通知以警报形式发出(在图3中的步骤S05中)。
此外，如图5c所示，如果已经判定次级侧压力的实际测量值Pr不小于正常压力P的范围Ps，那么因为上述判断的结果(在步骤S02和S04)，所以控制器件4由于次级侧压力的实际测量值Pr处于正常压力P的范围Ps之内的事实而判定喷射器35处于其正常状态，并且上述判断终止并且此喷射器故障判断处理结束。
利用根据如上所述的此实施例的燃料电池系统1，可以根据燃料电池10的运行状态(即根据发电期间的它的电流)，设定燃料喷射器35的运行状态(即其喷射时间)。因此，可以根据燃料电池10的运行状态以适当的方式改变氢气的供应压力，且可以提高响应性能。此外，因为喷射器35是用作氢气的流量调节阀，同时还是可变压力调节阀，因此，可以进行高精度的压力调节(即至燃料电池10的氢气的供应压力的调节)。
换句话说，因为喷射器35接收来自控制器件4的控制信号，并且能够根据燃料电池10的运行状态调节氢气的喷射时间和喷射时刻，因此，与现有技术的机械式可变压力调节阀相比，可以更快速、更精确地进行压力调节。此外，因为与现有技术的机械可变压力调节阀相比，喷射器35结构紧凑、重量轻，并且价格更低，因此，可以在总体上减小系统的尺寸和成本。
此外，利用根据如上所述的实施例的燃料电池系统1，利用由作为喷射器35的目标喷射量的喷射器喷射量Q推断出的估计正常压力P的范围Ps，以及氢气管路系统3内的实际测量压力P，当氢气管路系统3内出现异常时，控制器件4判定喷射器35的异常(故障)的存在。为此，可以快速地对位于氢气管路系统3中的喷射器35进行故障检测，即使在燃料电池10发电期间也是如此。
换句话说，如果采用这样的喷射器35，那么，与采用根据现有技术的机械式调节器作为设置在氢气管路系统3内的减压(压力调节)装置的情况相比，可以确定如上所述的喷射器35的喷射量(或喷射时间)。为此，当判断异常存在与否时，不需要像利用根据现有技术的压力下降法或类似方法的情况一样等到直到氢气管路系统3内的气压稳定，从而在氢气管路系统3内气压稳定所需花费的时间期间内，可以在更短的时间内诊断出是否存在异常。
特别地，当燃料电池10在发电时，控制器件4可以在短时间期间内检测到由于氢气管路系统3的喷射器35的操作故障引起的异常，比如开启故障、关闭故障或类似情况。为此，可以快速地处理此异常，并且维持燃料电池10的符合要求的发电状态。
此外，次级侧压力传感器43设置在氢气管路系统3内，位于喷射器35的下游侧。为此，通过实际测量喷射器35的下游侧的压力，以及基于来自此次级侧压力传感器43的检测结果，利用此压力的实际测量值以及喷射器35的目标喷射量，能够以更精确的方式判断氢气管路系统3内的异常是否存在(在此实施例中，是喷射器35的异常)。
在通过如上所述的燃料电池系统1的控制器件4实现的异常检测处理中，还可以提供一个修正功能，其基于从喷射器35的目标喷射量中得到的估计压力与在氢气管路系统3内的检测压力之间的偏差，修正(设置)喷射器35的目标喷射量。
如果提供有此类修正功能，那么，还能够以更高的精度对氢气管路系统3进行异常检测，而与喷射器35或次级侧压力传感器43或类似物之间的个体差异无关，并且与它们随时间推移的变化无关。
接下来，描述上述燃料电池系统1内，特别是氢气管路系统3内的气体泄漏的检测(判断)的情况。
从喷射器35初级侧至次级侧的氢气的喷射量Q是由燃料电池10消耗的氢气的流量，并且，如图6所示，在正常工作时，此气体消耗量可以由燃料电池10的电流消耗量Qd和交差泄漏量Qc确定，其中所述交差泄漏量Qc通过具有电解膜的MEA(膜电极组件)渗漏至氧化剂电极侧。
相反地，如图6所示，当氢气管路系统3的次级侧中发生异常，比如气体泄漏或类似情况时，仅仅通过气体泄漏量Qm增加喷射器喷射量Q，其中，所述氢气管路系统3的次级侧是喷射器35的下游侧。因此，控制器件4监测此喷射器喷射量Q，并且，如果喷射器喷射量Q小于或等于预定阈值Qs，那么判定氢气管路系统3内不存在气体泄漏异常。
另一方面，如果喷射器喷射量Q大于预定阈值Qs，那么判断氢气管路系统3中存在气体泄漏异常。例如，如果这样，可以输出误差信号，并且关于此影响的通知可以通过警报发出。通过这样做，当气体泄漏已经发生时，该泄漏量大于或等于一个通过从阈值Qs的最大流量减去正常工作时的最小喷射量所获得的流量，可以毫无疑问地检测出任何异常。
喷射器喷射量Q或多或少地随着喷射器35的喷射命令量误差(目标喷射量)上下波动；随着电流传感器13的误差上下波动；随着伴随着MEA的退化而发生的交差泄漏的增加而上下波动。因此，当设定喷射器喷射量Q的阈值Qs以判断气体泄漏是否存在时，如图7所示，考虑喷射器35的喷射命令量误差Qg，以及电流传感器13的检测误差Qdg和伴随着MEA的退化而发生的交差泄漏的增加量Qcg。
这样，利用根据如上所述实施例的燃料电池系统1，因为利用喷射器35的目标喷射量和氢气管路系统3的气体消耗量之间的差来判断氢气管路系统3内气体泄漏异常的存在，所以，控制器件4能快速地对氢气管路系统进行异常检测处理，同时进行增压处理，即使在燃料电池10发电期间也是如此，并且，相应地，可以缩短气体泄漏检测所需要的时间期间。
为此，在燃料电池发电期间，可以于短时间内检测出氢气管路系统3内由于气体泄漏所导致的异常，并且可以快速地处理此异常，并维持燃料电池10的符合要求的发电状态。
接下来，描述用于检测燃料系统1的氢气管路系统3内气体泄漏的另一种方法的实例。
此处，首先如图8所示，利用通过喷射器35从初级侧至次级侧的氢气喷射量Q，得到次级侧的预期压力增量值Pm。接着，比较次级侧上的实际测量的压力增量值Pr和预期压力增量值Pm，其中，当氢气实际上通过喷射器35喷射至氢气管路系统3的次级侧时，利用次级侧压力传感器43得到所述次级侧上的实际测量的压力增量值Pr，所述预期压力增量值Pm已经预先得到。
并且，如果此实际测量压力增量值Pr以小于或等于预定值的值低于预期压力增量值Pm，那么，判定在氢气管路系统3内存在气体泄漏。此外，除了此判断，例如，可以输出误差信号，并且关于此结果的通知可以通过警报发出。此外，在燃料电池系统1的正常运行期间，当不存在气体泄漏时，喷射器喷射量的值总可以得到并被修正，可以计算此喷射量的偏差，此偏差的范围可以作为判定范围，并且，可以基于此判定范围检测气体泄漏是否存在。
在此情况下，如果喷射器喷射量低于已经获得的判定范围，那么控制器件4判定气体泄漏存在于氢气管路系统内。此外，例如，可以输出误差信号，并且关于此结果的通知可以通过警报发出。通过这样做，可以快速地、更精确地对氢气管路系统3进行异常检测，同时执行增压处理，即使在燃料电池10发电期间也是如此，并且，因此可以缩短气体泄漏检测所需的时间期间。
此外，在燃料电池系统1以预定的间隔间歇工作期间，总可以计算并修正MEA内的交差泄漏量，根据此交差泄漏计算压降量，并基于此压降量检测气体泄漏的存在。在此情况下，如果压降超过由于交差泄漏导致的压降量，那么，控制器件4判定在氢气管路系统3内气体泄漏的存在。此外，例如，可以输出误差信号，并且关于此结果的通知可以通过警报发出。
同样，在如上所述的情形下，可以快速地、更精确地对氢气管路系统3进行异常检测，同时执行增压处理，即使在燃料电池10发电期间也是如此，并且，因此可以缩短气体泄漏检测所需的时间期间。
在上述气体泄漏检测处理中，可以通过增加喷射器35的次级侧的压力从而提高气体泄漏检测的敏感度，还可以设置成进行更精确的气体泄漏检测。
需要理解的是，不管是在开始运行时的氢气管路系统3增压期间，还是在正常运行时执行的间歇工作期间的氢气管路系统3增压期间，执行如上所述的实施例中的异常检测是确定无疑的。此外，其不限于氢气管路系统3，例如，它还可以应用于氧化气体管路系统2。
此处所称的间歇工作是指一种这样的工况，其中，在低负载运行期间，例如，在怠速工况或低速行驶或再生制动或类似情形期间，燃料电池10暂时停止发电，由蓄电装置比如电池或电容器或类似物提供电能至负载(车辆的电动机和各种型式的辅机以及类似物)。
尽管在上述实施例中，示出了这样的实例，其中，次级侧压力传感器43设置在氢气管路系统3的氢供应流路31内的喷射器35下游的位置(压力调节位置：需要进行压力调节的位置)处，但是，可以接受的是，例如，将次级侧压力传感器定位成临近燃料电池10的氢气入口(在氢供应流路31上)，或临近燃料电池10的氢气出口(在循环流路32上)，或临近氢泵39的氢气出口(在循环流路32上)。此外，将其定位成位于喷射器35的上游侧的方案也是可以接受的。
在如上所述的实施例中，示出的实例是基于喷射器35的目标喷射量和氢气管路系统3内的检测到的压力的异常检测，但是，下面的方案也是可以接受的：采用目标阀门开度、目标阀门开启时间、目标压力、目标流量或目标喷射时间代替目标喷射量作为喷射器35的目标操作量；或者，进一步，下面的方案也是可以接受的：采用检测到的温度、检测到的流量或这些量的变化量代替检测到的压力作为检测到的氢气管路系统3的物理量。
尽管在如上所述的实施例中，示出的是这样的实例，其中，燃料电池系统安装至燃料电池车辆，但是，还可以将此燃料电池系统安装至除燃料电池车辆以外的其他各种移动体(比如机器人、船舶、飞行器或类似物)。此外，将此燃料电池系统应用于固定使用的发电系统也是可以接受的，所述固定使用的发电系统用作在建筑物(住房或商业房屋或类似物)内发电的设备。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，包括：燃料电池；喷射器，所述喷射器设置在用于将反应气体供应至所述燃料电池的气体供应系统内，并且所述喷射器调节位于所述气体供应系统的上游侧处的所述反应气体的状态，并将已调节的反应气体供应至所述气体供应系统的下游侧；以及控制装置，所述控制装置用于根据所述燃料电池的运行状态控制所述喷射器，所述燃料电池系统包括：
判断装置，所述判断装置用于基于所述喷射器的目标操作量和所述气体供应系统内检测到的物理量，判断气体供应系统中是否存在异常。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
压力检测装置，所述压力检测装置用于检测所述气体供应系统内的压力，其中
所述判断装置基于所述喷射器的目标喷射量和检测到的所述气体供应系统内的压力，判断所述气体供应系统中是否存在异常。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中
所述控制装置基于从所述目标喷射量获得的估计压力和检测到的所述气体供应系统内的压力之间的差，修正所述目标喷射量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中
所述气体供应系统是氢气供应系统，所述氢气供应系统将氢供应至所述燃料电池。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中
通过判断在所述喷射器的下游侧处检测到的压力的实际测量值是否处于所述喷射器的所述反应气体的正常压力范围内，所述判断装置判断所述喷射器是否存在异常。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中
所述判断装置基于所述气体供应系统中的气体消耗量和所述喷射器的实际喷射量之间的差，判断所述气体供应系统是否存在异常。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中
所述气体消耗量包括给所述喷射器的喷射命令量中的误差、对所述燃料电池产生的电流的检测中的误差、以及所述燃料电池的交叉泄漏的增加量中的至少一个；并且
所述判断装置基于所述气体消耗量和所述喷射器的所述反应气体的实际喷射量，判断是否存在气体泄漏。
8.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中
所述判断装置判断所述氢气供应系统中是否存在异常。
9.一种移动体，包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统。
10.一种用于燃料电池的异常判断方法，所述燃料电池驱动喷射器，所述喷射器设置在用于将反应气体供应至所述燃料电池的气体供应系统内，并且所述喷射器根据所述燃料电池的运行状态，调节位于所述气体供应系统的上游侧处的所述反应气体的状态，并将已调节的反应气体供应至所述气体供应系统的下游侧，所述方法包括：
计算所述喷射器的目标操作量；
检测所述气体供应系统内的物理量；以及
基于所述目标操作量和所述物理量，判断所述气体供应系统中是否存在异常。
11.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
喷射器，所述喷射器设置在用于将反应气体供应至所述燃料电池的气体供应系统内，并且所述喷射器调节位于所述气体供应系统的上游侧处的所述反应气体的状态，并将已调节的反应气体供应至所述气体供应系统的下游侧；
物理量检测器件，所述物理量检测器件检测所述气体供应系统内的物理量；
控制器件，所述控制器件根据所述燃料电池的运行状态控制所述喷射器；以及
判断器件，所述判断器件基于所述喷射器的目标操作量和检测到的物理量，判断所述气体供应系统中是否存在异常。
12.一种用于燃料电池的异常判断方法，包括：
计算喷射器的目标操作量，所述喷射器调节反应气体的状态，并将已调节的反应气体供应至所述燃料电池；
检测用于供应所述反应气体的气体供应系统内的物理量；以及
基于计算出的目标操作量和检测到的物理量，判断所述气体供应系统中是否存在异常。
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