CN101904037A - 燃料电池系统及燃料电池的老化判断方法 - Google Patents

燃料电池系统及燃料电池的老化判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，能够计测鼓风间隔，并且考虑高电位回避运转的情况等例外的情况，能够正确地判断电解质的老化。计测实际的鼓风时间间隔Td，并且基于输出电流，使用关系表来对包括与高电位回避运转中的单体电池电压对应的氢消耗量的增加量的情况下的理论上的鼓风时间间隔Tc进行推测，所述关系表记录了为了维持燃料电池(100)的功能而消耗的氢消耗量和随着该氢消耗量的增加而变化的空气供给时间间隔之间的关系，基于所述计测到的实际的鼓风时间间隔Td是否比与该氢消耗量对应的鼓风理论时间间隔Tc短来判断燃料电池(100)的电解质的老化。

Description

燃料电池系统及燃料电池的老化判断方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其是涉及基于空气供给量判断燃料电池的电解质的老化的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统长时间运转时，燃料电池组的电解质老化，电解质膜破裂或耐差压特性降低，由此导致有时发生交叉泄漏。因此，以往开发了用于检测交叉泄漏的发生的系统。例如，日本特开2006-120375号公报中公示有一种燃料电池系统，在从燃料电池组排放的空气中的氢浓度在规定值以上的情况下，判断为发生了交叉泄漏，紧急停止燃料电池(专利文献1)。
另外，在轻负载时及空转时燃料电池的发电电压上升，担心促进燃料电池的老化，因此开发了抑制燃料电池的发电电压的上升，抑制燃料电池的老化的系统(以下，将防止燃料电池上升到一定以上的电压的处理称为“高电位回避处理”)。例如，在日本特开2007-109569号公报中，作为通过高电位回避处理抑制燃料电池的老化的单元，公示有一种燃料电池系统，其以单体电池电压成为预先设定的规定的上限电压以下的方式使空气压缩机工作，以间歇地向燃料电池组供给空气的方式进行控制(专利文献2)。
另外，作为系统停止时产生的交叉泄漏防止对策，例如，在日本特开2007-103023号公报中，作为对在系统停止后的放置中从阳极交叉溢出并蓄积于阴极的氢进行处理的技术，公示有一种燃料电池系统，在燃料电池起动时向关闭阀和空气调压阀之间压送封入氧化剂气体直到成为规定压力，对阴极路径内具有的氢在阴极内的催化剂上进行燃烧处理(专利文献3)。
另外，在电解质膜由于氧的吸附老化的情况下，存在抑制空气的供给并降低燃料电池的输出电压而使其在还原区域运转，从而将氧化后的催化剂层活化的技术(以下，将该处理称为“催化剂活化处理”)。作为与这种燃料电池的催化剂活化处理有关的技术，例如，在日本特开2003-115318号公报中公示有如下技术：将单体电池电压设定为0.6V以下，使大的电流流过，由此在氧中产生还原反应，使铂催化剂层活化(专利文献4)。
另外，燃料电池的单体电池中含有的水分量未能控制在适当的范围内时，单体电池过分干燥或湿润度过高都会使单体电池的老化加快。于是，在日本特开2005-32587号公报中公开如下技术：利用单体电池的水分状态与单体电池的开路电压之间的关系，在单体电池的开路电压比第一阈值电压低时，判断为单体电池为干燥状态，在单体电池的开路电压比第二阈值电压高时，判断为水分过多状态，适当地控制单体电池的水分状态(专利文献5)。
在此，尤其是由于在单体电池的电压过低的情况下单体电池的老化较大，因此设定不许低于的单体电池的最低下限电压，理想的是，单体电池电压低于该最低下限电压时，以按规定量供给空气并使电压上升的方式进行处理(以下，将该处理称为“单体电池电压下降防止处理”)。
专利文献1：日本特开2006-120375号公报(段落0053、0054等)
专利文献2：日本特开2007-109569号公报(段落0044～0045等)
专利文献3：日本特开2007-103023号公报(段落0037～0044等)
专利文献4：日本特开2003-115318号公报(段落0012～0014等)
专利文献5：日本特开2005-32587号公报(段落0040～0058等)
但是，由于在上述专利文献1记载的交叉泄漏检测方法中使用的氢浓度传感器是高价的传感器，因此优选替代应用氢浓度传感器的直接的交叉泄漏检测，而用其它的要素推测交叉泄漏的发生。
发明内容
于是，本发明是为了解决所述问题而开发的，其目的在于提供一种燃料电池系统，不用高价的传感器，能够基于空气供给量正确地检测交叉泄漏的发生，能够确切地判断电解质的老化。
在此，在所述单体电池电压下降防止处理中，单体电池中的电解质膜老化而产生交叉泄漏时，与单体电池电压下降防止处理所需要的反应气体(例如，氧化气体)的供给量相比，反应气体的消耗量有增大的倾向。因此，为了解决所述课题，认为只要将计测的反应气体的供给量与正常时的氧化气体供给量相比较地进行监视，就能够检测交叉泄漏的发生。反应气体供给量和反应气体供给处理的频度(间隔)有相关关系，因此基于反应气体供给处理的频度能够判断反应气体供给量的大小，能够推测交叉泄漏的发生。
但是，反应气体的供给量不是仅与交叉泄漏的发生量对应，也是与系统的运转状况对应变动的要素，因此基于反应气体的供给量及反应气体的供给处理的频度并不能正确地检测出交叉泄漏的发生。
于是，本发明者想到了如下的即使基于反应气体的供给量也能够正确地检测出交叉泄漏的发生的发明。
本发明提供一种燃料电池系统，基于燃料电池的间歇运转时供给到该燃料电池的反应气体量判断该燃料电池的电解质膜的老化，其特征为，考虑为了进行该间歇运转而供给的反应气体量和为了维持该燃料电池的功能而消耗的反应气体量，来判断该燃料电池的电解质膜的老化。
通过这样构成，在考虑为了进行间歇运转而需要的反应气体流量之外为了维持燃料电池的功能而消耗的反应气体量的影响的基础上，判断有无交叉泄漏，因此能够可靠地检测出交叉泄漏的发生，能够可靠地检测得知电解质的老化。
在此，所谓“间歇运转”是指在从燃料电池系统的电源开到电源关的期间中，由于各种情况，在规定的期间，间歇地使燃料电池的发电停止的运转或模式。
另外，所谓“为了维持功能”，意思是获得与系统要求对应而要求的必要的发电电力之外的目的，具体而言，包括燃料电池的耐久性及安全性、性能维持等目的。
在此，“反应气体”是包含氧化气体(空气)和燃料气体(氢气)两者的概念，氧化气体的消耗量和燃料气体的消耗量之间有相关关系，因此可以将任一个或双方作为老化判断的参数使用。
例如，为了维持所述燃料电池的功能而消耗的反应气体是为了进行所述燃料电池的高电位回避处理而消耗的氧化气体。
用于进行燃料电池的老化防止的高电位回避处理中，定期地供给氧化气体，以使燃料电池的输出电压不上升到规定的阈值以上。为了进行该高电位回避处理而供给的氧化气体是用于进行燃料电池的功能维持的气体，不是交叉泄漏的发生而消耗的气体。这一点上，根据该构成，认为在为了进行间歇运转而需要的氧化气体流量之外，为了进行高电位回避处理而增加氧化气体流量，因此能够正确地检测交叉泄漏的发生。
另外，例如在所述燃料电池系统中，为了维持所述燃料电池的功能而消耗的反应气体是结束所述电解质膜的催化剂活化处理时所供给的氧化气体。
在燃料电池的单体电池中，在使氧化的催化剂还原的催化剂活化处理中，缩减氧化气体供给量而使发电电压下降，在还原区域发生电化学反应，在催化剂活化处理后需要暂时地供给氧化气体而返回通常运转模式。在刚刚进行该催化剂活化处理之后供给的氧化气体也是用于维持燃料电池的功能的反应气体，不会因交叉泄漏的发生而被消耗。这一点上，根据该构成，将在燃料电池的功能维持处理的一形态即催化剂活化处理结束时需要的氧化气体的量排除在外而能够判断氧化气体流量，因此能够可靠地检测出电解质的老化。
在此，在所述的燃料电池系统中，也可以具备：在所述燃料电池的单体电池电压达到规定的下限电压时供给规定量的氧化气体的单元；对该氧化气体供给的实际时间间隔进行计测的单元；及老化判断单元，基于计测到的该氧化气体供给的实际时间间隔和该燃料电池的电解质膜为正常的情况下的氧化气体供给的理论时间间隔，来判断所述燃料电池的老化。
根据这样的构成，为了进行单体电池电压降低处理而周期性地供给作为反应气体的氧化气体，但是该燃料电池的电解质膜为正常的情况下的氧化气体供给的理想时间间隔应该和实际计测的实际时间间隔大致相同，在交叉泄漏发生时氧化气体的消耗量增加，氧化气体的供给时间间隔缩短，因此能够检测出交叉泄漏的发生。因此，可以使用氧化气体供给的时间间隔来代替氢浓度传感器及反应气体的流量传感器，因此能够在成本方面利用有利的手段检测电解质的老化。
另外，在所述燃料电池系统中，优选的是，所述计测氧化气体供给的实际时间间隔的单元在计测所述氧化气体供给的实际时间间隔时，将所述催化剂活化处理后即可进行的氧化气体的供给排除在外而计测所述氧化气体供给的实际时间间隔。
催化剂活化处理结束后即可进行的氧化气体的供给是随着催化剂活化处理之类的例外的处理的例外的氧化气体供给处理，因此根据该构成，在计测氧化气体供给的实际时间间隔时，将催化剂活化处理后即可进行的氧化气体的供给处理排除在外，因此能够可靠地且在成本方面有利地检测电解质的老化。
另外，在所述的燃料电池系统中，其特征为，具备关系表，该关系表记录了所述燃料电池的燃料气体消耗量和伴随该燃料气体消耗量的增加而变化的所述氧化气体供给的理论时间间隔之间的关系，还具备：基于所述燃料电池的输出电流来推测所述燃料气体消耗量的单元；及参照该关系表取得与推测出的该燃料气体消耗量对应的所述氧化气体供给的理论时间间隔的单元，所述老化判断单元基于计测出的所述氧化气体供给的实际时间间隔是否比取得的与该燃料气体消耗量对应的所述氧化气体供给的理论时间间隔短，来判断所述燃料电池的电解质的老化。
通过用于维持燃料电池的功能的措施而燃料电池的发电量上升时，燃料气体的消耗量上升，与此对应氧化气体的消耗量上升。根据这样的构成，关系表记录与正常时的燃料气体消耗量对应的氧化气体的消耗量，即记录氧化气体供给的理论时间间隔。因此，只要参照该关系表，即使在为了进行功能维持而燃料气体的消耗量增加且与此对应氧化气体供给的实际时间间隔变短的情况下，也能够取得燃料气体的消耗量增加时的氧化气体供给的理论时间间隔，通过与计测到的氧化气体供给的实际时间间隔进行比较，能够正确判断是否发生交叉泄漏。
另外，在本发明中，也可以将从为了进行所述间歇运转而供给的反应气体量中减去为了进行功能维持而消耗的反应气体量而得到的氧化气体量推测为燃料电池的电解质膜的交叉泄漏量。
本发明认为，若简单地考虑，将为了进行间歇运转而供给的反应气体量(总量)设定为Q、将为了进行功能维持而消耗的反应气体量设定为Q2、将燃料电池的电解质膜中产生的交叉泄漏量设定为Q2时，有
Figure BPA00001160942500071
的关系。因此，为了进行功能维持而消耗的反应气体量Q2在用传感器等检测单元直接的或通过用于由计算机进行的推测的运算而间接地求取的情况下，也可以通过
Figure BPA00001160942500072
的运算来推测交叉泄漏量Q2。
本发明提供一种燃料电池的老化判断方法，基于燃料电池的间歇运转时供给到该燃料电池的反应气体量来判断该燃料电池的电解质膜的老化，其特征为，具备：测定为了进行该间歇运转而供给的反应气体量的步骤；测定为了维持该燃料电池的功能而消耗的反应气体量的步骤；及基于为了进行该间歇运转而供给的反应气体量和为了维持该燃料电池的功能而消耗的反应气体量来判断该燃料电池的电解质膜的老化的步骤。
本发明提供一种燃料电池的老化判断方法，具备：在该燃料电池的单体电池电压达到规定的下限电压时供给规定量的氧化气体的步骤；计测该氧化气体供给的实际时间间隔的步骤；及基于计测到的该氧化气体供给的实际时间间隔和该燃料电池的电解质膜为正常的情况下的氧化气体供给的理论时间间隔，来判断该燃料电池老化的步骤。
根据本发明，考虑间歇运转时供给的反应气体流量和为了进行燃料电池的功能维持而消耗的反应气体流量，判断燃料电池的电解质膜的老化，因此不使用高价的传感器，基于反应气体供给量就能够可靠地检测交叉泄漏的发生，能够正确地判断电解质的老化。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1的燃料电池系统的整体构成的构成图；
图2是表示本发明实施方式1的燃料电池系统的控制部5的功能块的构成的构成图；
图3是表示鼓风间隔和单体电池电压之间的关系的图表；
图4是表示根据发电电流推测的燃料气体消耗量和空气供给理论时间间隔之间的关系特性的图表；
图5是表示判断本发明实施方式1的燃料电池系统的燃料电池组的电解质老化的处理的动作顺序的流程图；
图6是表示进行催化剂活化处理时的鼓风间隔和单体电池电压之间的关系的图表；
图7是表示判断本发明实施方式2的燃料电池系统的燃料电池组的电解质老化的处理的动作顺序的流程图；
图8是表示本发明实施方式3的FC控制部52的功能块的构成的构成图。
具体实施方式
下面，以实施方式1、实施方式2的顺序，参照附图说明用于实施本发明的适当的实施方式。以下的各实施方式是在电动汽车中搭载的混合燃料电池系统中应用本发明的例。另外，各实施方式不过是本发明的适用形态的简单的例示，不限定本发明。
(实施方式1)
图1是表示本发明第一实施方式的燃料电池系统的整体构成的构成图。
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统由向后述的燃料电池100供给燃料气体(阳极气体、氢气)的燃料气体供给系统1、向燃料电池100供给氧化气体(阴极气体、空气)的阴极气体供给系统2、电力系统4、及进行必要的控制的控制部5(控制单元)构成。也可以将燃料气体和氧化气体总称为反应气体。
燃料电池100具备层叠多个单体电池而成的堆叠结构。各单体电池的结构为由具有燃料气体流路、氧化气体流路、冷却水流路的一对隔板夹持称为MEA(Membrane Electrode Assembly：膜电极组件)的发电体。MEA的结构为由阳极及阴极二个电极夹持高分子电解质膜。阳极构成为在多孔质支承层上设置燃料极用催化剂层，阴极构成为在多孔质支承层上设置空气极用催化剂层。除此之外，作为燃料电池的形态，可以应用磷酸型、溶融碳酸盐型等燃料电池。这些电极的催化剂层例如附着铂粒子而构成。
燃料电池100发生水的电分解的逆反应，从燃料气体供给系统1向阳极(阴极)侧供给燃料气体即氢。从氧化气体供给系统2向阴极(阳极)侧供给含有氧的氧化气体即空气。在阳极侧产生式(1)的反应，在阴极侧产生式(2)的反应，使电子循环而流过电流。
H2→2H++2e-……(1)
2H++2e-+(1/2)O2→H2O……(2)
燃料气体供给系统1具备：作为氢气供给源的氢罐10、燃料气体供给通路11、燃料废气排出通路12、通过计测氢气的气体压力而检测氢气的交叉泄漏的燃料气体压力传感器13。除此之外虽未图示，但是也可以具备用于使氢气流通的氢泵、用于管理控制氢气所需要的主阀及调整阀、截止阀、止回阀、气液分离器等。
在氢罐10中充填有高压的氢气。作为氢供给源除了高压氢罐之外，可以应用使用了氢贮存合金的氢罐、基于改性气体的氢供给机构、液体氢罐、液化燃料罐等各种供给源。燃料气体供给通路11是供给高压的氢气的配管，也可以在中途具备未图示的调压阀(调节器)等。从燃料气体供给通路11供给的氢气在燃料电池100内经由歧管向各单体电池的阳极侧供给，在MEA的阳极产生电化学反应后作为燃料废气(氢废气)排放。燃料废气排出通路12是将自燃料电池100排出的燃料废气排出的路径，也可以形成循环路径。形成循环路径的构成为经由未图示的止回阀及喷射器而使燃料废气再次返回燃料气体供给通路11。
氧化气体供给系统2具备压缩机20、氧化气体供给通路21、及氧化废气排出通路22。除此之外，图1中未图示，但是也可以具备控制氧化气体即空气的湿度的加湿器、除去氧化废气(空气废气)的气液分离器、用于将氧化废气和燃料废气混合的稀释器、消音器等。
压缩机20基于控制信号CCOMP压缩自空气过滤器等取入的空气，变更空气量及空气压力，并向燃料电池100的阴极侧供给。从氧化气体供给通路21供给的空气在燃料电池100内与氢气同样经由歧管向各单体电池的阴极侧供给，在MEA的阴极产生电化学反应之后作为氧化废气排出。从燃料电池100排出的氧化废气与燃料废气被稀释后排出。
电力系统4具有蓄电池40、DC-DC转换器41、牵引变换器42、牵引电动机43、辅机变换器44、高压辅机45、蓄电池计算机46、电流传感器47、计测燃料电池的输出电压的电压传感器48、及防止逆流的二极管49等。
蓄电池40是可充放电的二次电池。作为蓄电池可以使用镍-氢电池等各种二次电池。代替二次电池也可以使用可充放电的蓄电装置例如电容器。蓄电池40通过层叠多个以一定电压发电的蓄电池单元并将它们串联连接而能够输出高电压。
蓄电池计算机46设置于蓄电池40的输出端子，可与控制部3通信。蓄电池计算机46监视蓄电池40的充电状态，维持在蓄电池不会达到过充电及过放电的适当的充电范围内，并且如果万一蓄电池成为过充电及过放电等状态则通知给控制部3。
DC-DC转换器41与基于控制信号CCONV在一次侧和二次侧间进行电压的升压/降压并使电力流通的电力变换单元相当。例如，将一次侧蓄电池40的输出电压升压到二次侧的燃料电池100的输出电压，向牵引电动机43及高压辅机45等的负载装置供给电力。相反，在二次侧将来自燃料电池100的剩余电力及上述负载装置的再生电力降压并为了向一次侧的蓄电池40充电而使之通过。
牵引变换器42将直流电流变换为三相交流电流，供给至牵引电动机43。牵引电动机43例如是三相电动机，为搭载该燃料电池系统的汽车的主动力源。
辅机变换器44是用于驱动高压辅机45的直流-交流变换单元。高压辅机45是在压缩机20、氢泵、冷却系统的电动机类等燃料电池系统的运转中所需的各种电动机类。
电流传感器47检测燃料电池100的输出电流，向控制部5输出电流检测信号Si。电压传感器48检测燃料电池100的输出电压，向控制部5输出电压检测信号Se。单体电池监视器101对于燃料电池100的一部分或全部的单体电池检测单体电池电压，作为单体电池电压检测信号Sc向控制部5输出。
控制部5由两个控制部构成，一个是进行混合动力行驶的控制的HV控制部51，另一个是进行燃料电池的动作控制的FC控制部52。各个控制部具备将CPU(中央处理装置)、RAM、ROM、接口电路等作为通用计算机的构成，通过相互通信能够进行系统整体的控制。HV控制部51依次执行存储于内置ROM等的软件程序，由此，构成为主要进行电气系统4的控制。尤其是，HV控制部51除鉴于燃料电池100的发电电力、蓄电池40的充电电力和各种电动机类的消耗电力控制这些要素间的电力流通之外，能够执行单体电池电压下降防止处理、高电位回避处理及催化剂层活化处理的一部分。另外，FC控制部52依次执行存储于内置ROM等的软件程序，由此除控制主要包括阳极气体供给系统1、阴极气体供给系统2的燃料电池系统整体之外，可执行催化剂层的活化处理的一部分。
图2是表示本发明第一实施方式的燃料电池系统的控制部5的功能块的构成的构成图。
如图2所示，控制部5如上述分为HV控制部51和FC控制部52。HV控制部51具备电力系统控制部511、高电位回避处理部513及催化剂活化处理部513的一部分。FC控制部52具备单体电池电压下降防止处理部521、本发明的老化判断部522及催化剂活化处理部513的一部分。
电力系统控制部511是控制燃料电池100、蓄电池40及各种电动机类等的电力流通整体的功能块。输入来自各种传感器的检测信号，决定燃料电池100和蓄电池40的负载分配，另外，实施供给再生电力情况下对蓄电池40的充电的控制等。
高电位回避处理部513是进行高电位回避处理的功能块。具体而言，高电位回避处理部513参照自电压传感器48供给的电压检测信号Se及/或自单体电池监视器101供给的单体电池电压检测信号Sc，判断燃料电池100的输出电压Vfc或单体电池电压Vc是否超过规定的高电位回避电压阈值，在超过高电位回避电压阈值的情况下，向DC-DC转换器41输出控制信号SCONV，使二次侧电压即燃料电池100的输出电压下降，且向压缩机20输出控制信号CCOMP，所述控制信号CCOMP用于供给补充与燃料电池的输出电压下降相对应增加的发电量的空气。
催化剂活化处理部513是实施催化剂活化处理的功能块。具体而言，催化剂活化处理部513在规定的条件例如实施间歇运转时等、低效率运转的情况下定期地或由单体电池电压Vc等能够判断正在进行电解质膜的催化剂的氧化的情况下，限制氧化气体及燃料气体的供给，将DC-DC转换器41的二次侧电压徐徐降低到催化剂活化目标电压，维持为在催化剂的还原区域进行电化学反应的状态，进行催化剂的活化(也称为再生)。在维持催化剂活化目标电压一定时间后，控制DC-DC转换器41而使二次侧电压恢复为原来的电压。这时，为了补充因催化剂活化处理而不足的氧化气体，控制压缩机20并在一时期内供给一定量的氧化气体(将以下的处理也称为“鼓风”)。
单体电池电压下降防止处理部521是进行单体电池电压下降防止处理的功能块。具体而言，单体电池电压下降防止处理部521在间歇运转时，参照来自单体电池监视器101的单体电池电压检测信号Sc，判断单体电池电压是否低于预先确定的最低下限电压。而且，在单体电池电压低于最低下限电压时，驱动压缩机20一定时间，供给一定量的氧化气体(鼓风)，使单体电池电压上升。间歇运转时，原则上停止反应气体的供给，因此鼓风后，经过一定时间氧化气体不足时单体电池电压降低，再次需要鼓风。即，单体电池电压下降防止处理部521在进行间歇运转时周期性地进行鼓风。
老化判断部522是在本发明中同时考虑间歇运转时供给的氧化气体流量和为了进行燃料电池100的功能维持而消耗的氧化气体流量，来判断燃料电池100的电解质膜的老化的功能块。老化判断部522具体而言具备关系表523、燃料气体消耗量推测单元524、空气供给理论时间间隔取得单元525、空气供给实际时间间隔计测单元526、及老化判断单元527。
关系表523是记录在该燃料电池系统中燃料气体消耗量(间歇运转时所需要的燃料气体供给量)和随着燃料气体消耗量的增加而变化的空气供给的理论上的时间间隔(以下也称为“理论时间间隔”)之间的关系的图表。存储于控制部5的存储部。例如，在燃料气体的供给量能够以摩尔数特定、空气供给时间间隔(鼓风的间隔)能够以秒数把握的情况下，关系表523规定空气供给时间间隔即秒数相对于燃料气体的摩尔数的关系(参照图4)。
燃料气体消耗量推测单元524是基于根据自电流传感器47供给的检测信号Si检测出的燃料电池100的输出电流Ifc，来推测间歇运转时的单位时间内的燃料气体消耗量的功能块。在此，燃料气体消耗量推测单元524推测的燃料气体消耗量是根据燃料电池的输出电流推测的燃料气体消耗量整体，包括为了进行间歇运转所需要的燃料气体的消耗量和执行高电位回避处理时增加的燃料气体消耗量两方面。
空气供给理论时间间隔取得单元525是参照上述关系表523，取得与由燃料气体消耗量推测单元524推测的燃料气体消耗量相对应的空气供给理论时间间隔的功能块。与燃料气体消耗量相对应取得的空气供给理论时间间隔反映用于维持高电位回避处理等燃料电池的功能的氧化气体消耗量增加量。
空气供给实际时间间隔计测单元526是对由单体电池电压下降防止处理部521的控制鼓风的间隔即空气供给的实际时间间隔(以下也称为“实际时间间隔”)进行计测的功能块。在此，空气供给实际时间间隔计测单元526构成为，从实际执行的鼓风中将催化剂活化处理结束后即刻进行的鼓风排除在外，其后和与燃料气体消耗量相对应的鼓风的时间间隔进行比较。详细而言，在实施方式2中后述。
老化判断单元527是如下所述的功能块：基于由空气供给实际时间间隔计测单元526计测的空气供给的实际供给时间间隔是否比作为与该燃料气体消耗量对应的、由空气供给时间间隔取得单元525取得的空气供给的理论时间间隔短，来判断燃料电池100的电解质的老化。
(动作说明)
下面，说明判断本实施方式的燃料电池系统的燃料电池组的电解质的老化的处理动作。
图3表示在间歇运转时由单体电池电压下降防止处理执行的鼓风间隔和单体电池开路电压之间的关系。
如图3所示，在该燃料电池系统中，为了进行单体电池电压下降防止处理，设定单体电池电压不许低于的最低下限电压Vth1。单体电池电压下降防止处理部521监视单体电池监视器101检测到的单体电池电压Vc，在单体电池电压Vc到达该最低下限电压Vth1的情况下执行规定时间的鼓风。执行鼓风时单体电池电压Vc因供给氧化气体而暂时恢复。但是，鼓风后氧化气体再次开始不足时，单体电池电压Vc开始降低，达到最低下限电压Vth1时再一次执行鼓风。该鼓风的时间间隔只要为了进行燃料电池功能维持而不多余地消耗氧化气体，则认为是与在间歇运转时所需要的氧化气体的消耗量相对应，氧化气体的消耗量根据上述式(1)～(3)的关系也与燃料气体的消耗量相对应。因此，只要能够把握燃料气体的消耗量，就能够把握氧化气体的供给量即鼓风的理论上的时间间隔(理论时间间隔)。燃料气体消耗量能够由燃料电池100的输出电流基于上述式(1)～(3)的关系运算。上述关系表523是记录根据相对于这种燃料气体的消耗量所需要的氧化气体供给量求取的鼓风的理论时间间隔Tc的图表。
图4表示记录于关系表523的从发电电流推测的燃料气体(氢)消耗量和空气供给理论时间间隔之间的关系。用实线表示仅为了间歇运转而供给氧化气体时的燃料气体消耗量和空气供给理论时间间隔之间的关系特性f1。
在本实施方式的燃料电池系统中，燃料气体消耗量推测单元524基于燃料电池100的输出电流Ifc运算燃料气体的消耗量并进行推测，空气供给时间间隔取得单元525基于运算出的燃料气体的消耗量，参照记录了如图4所示的燃料气体消耗量和鼓风的理论时间间隔之间的关系的关系表523，从特性f1取得为了进行间歇运转而仅供给必要的氧化气体时的鼓风的时间间隔。
另一方面，空气供给时间间隔计测单元526实际地计测单体电池电压下降防止处理部521的鼓风的时间间隔Td。只要燃料气体仅用于进行间歇运转，则根据燃料气体的消耗量推测的鼓风的理论时间间隔Tc和实际计测的鼓风的实际时间间隔Tc就应该一致。如果在燃料电池的电解质膜发生交叉泄漏，则单体电池电压Vc的降低速度加快，因此实际计测的鼓风的时间间隔Td变短。
于是，老化判断单元527将参照关系表523取得的理论上的鼓风的理论时间间隔Tc与实际计测的鼓风的实际时间间隔Td进行比较，判断鼓风的理论时间间隔Tc是否实质上相同。在本实施方式中，只要实际计测的鼓风的实际时间间隔Td在相对于鼓风的理论时间间隔Tc1设定的界限(例如将界限设定为m)的范围内，就判断为电解质膜的状态正常，只要自鼓风的理论时间间隔Tc超过界限m而降低就判断电解质膜发生了交叉泄漏。通常，在系统中存在某种程度运算方面或机械方面的误差，因此优选设定这种界限且只要在界限的范围内就判断为同样的时间间隔。该界限m只要鉴于系统的运算方面或机械方面的误差进行适当设定即可。
例如，在图4中，在从燃料电池的输出电流推测的燃料气体的消耗量为M的情况下，通过参照关系特性f1，判断为了仅进行间歇运转而进行鼓风的情况下的鼓风的理论时间间隔为Tc1。
目前，实际计测的鼓风的实际时间间隔为Td1的情况下，鼓风的实际时间间隔Td1存在于自鼓风的理论时间间隔Tc1界限m的范围内。因此，实际计测的鼓风的实际时间间隔Td1是正常的值，能够判断在单体电池的电解质膜未发生交叉泄漏。
与之相对，假设实际计测的鼓风的实际时间间隔为Td2的情况下，该实际计测的鼓风的实际时间间隔Td2偏离自鼓风的理论时间间隔Tc1界限m的范围而成为短周期。该情况下，能够判断为超过因间歇运转而消耗的氧化气体的供给量而失去的氧化气体存在，因此能够判断在单体电池的电解质膜发生交叉泄漏的可能性高。
另外，在实际计测的鼓风的实际时间间隔Td从理论上的鼓风的时间间隔Tc超过界限变长的情况下，可以判断为除交叉泄漏以外发生了减少氧化气体供给量的任何的其它的异常。
(进行高电位回避处理情况下的判断处理)
另外，假如除间歇运转需要的电力以外，同时应用用于维持燃料电池的功能的措施时，燃料电池的输出电流上升，燃料气体的消耗量上升。燃料气体的消耗量上升时，与此对应氧化气体的供给量上升，与此对应鼓风的时间间隔变短。图3表示这些情况。
在图3中，在未进行高电位回避处理的情况下，单体电池开路电压Vc超过高电位回避电压Vth2，这时的鼓风的时间间隔为Td1，但是进行高电位回避处理时，单体电池开路电压Vc被抑制在高电位回避电压Vth2以内，氧化气体的消耗量上升，鼓风的时间间隔比Td1短而变化为Td2。
基于图4考虑这些。例如，认为在高电位回避处理部513中进行高电位回避处理的结果是燃料电池的输出电流上升，且燃料气体的消耗量仅上升Δh的情况。该情况下，由燃料气体消耗量推测单元524基于燃料电池的输出电流推测的燃料气体的消耗量成为M+Δh。
假设这时，燃料气体的消耗量为M的情况下的鼓风的理论时间间隔以Tc1固定，则本来必须判断为正常的实际时间间隔Td2偏离界限范围，因此误判断为异常。如果根据图3进行说明，将理论上的鼓风时间间隔设定为仅进行间歇运转情况下的固定值Tc1时，实际上燃料气体的消耗量上升，与此对应氧化气体的供给量上升，尽管与此对应鼓风的时间间隔如虚线所示变短为Td2，但是比较错误的鼓风的理论时间间隔Tc1和实际时间间隔Td2。
这一点根据本实施方式，应用关系表，因此即使燃料气体的消耗量有变动，也能够正确取得与此相对变化的鼓风时间间隔。即，空气供给理论时间间隔驱动单元525将也包含高电位回避处理的消耗量的燃料气体的全部消耗量作为参照值参照关系表523，因此作为理论上的鼓风的时间间隔，能够正确取得燃料气体消耗量为M+Δh时的理论上的时间间隔Tc2。这时，在实际计测的鼓风的时间间隔为Td2的情况下，该时间间隔Td2在自从关系表取得的鼓风的实际时间间隔Tc2的界限的范围内，因此判断电解质膜为正常。
通过如上处理，即使同时使用高电位回避处理，也能够正确地判断电解质膜的交叉泄漏。另外，这种处理只要用于维持燃料电池的功能的措施是与燃料气体的消耗量增加相关且能够运算该增加量的措施，则能够不限于高电位回避处理地加以适用。
图5是表示本实施方式燃料电池系统的燃料电池组的判断电解质老化的处理的动作顺序流程图。下面，参照图5所示的流程图，说明判断本实施方式燃料电池系统的燃料电池组的电解质老化的处理的动作。该处理动作在输出老化判断指示时开始。
在步骤S1中，空气供给实际时间间隔计测单元526将计时器复位，转移到步骤S2，由单体电池电压下降防止处理部521判断是否有鼓风执行的通知。只要没有鼓风执行的通知(否)，则空气供给实际时间间隔计测单元526就为待机状态。
在步骤S2中，在通知执行鼓风的情况下(是)，空气供给实际时间间隔计测单元526在步骤S3中起动计时器，开始鼓风的实际时间间隔的计测。而且，在步骤S4中，再次判断是否有鼓风执行的通知。只要没有执行鼓风(否)，则空气供给实际时间间隔计测单元526就为待机状态。
步骤S4中，在通知执行鼓风的情况下(是)，空气供给实际时间间隔计测单元526在步骤S5中参照这时的计时器的计时时间，作为鼓风的实际时间间隔Td储存，转移到步骤S6并将计时器复位。
在步骤S7中，燃料气体消耗量推测单元524基于燃料电池的输出电流Si运算并推测燃料气体的消耗量。
在步骤S8中，空气供给理论时间间隔取得单元525参照关系表523，根据所推测的燃料气体的消耗量取得与此对应的氧化气体的供给量，即取得鼓风的理论时间间隔Tc。
在步骤S9中，老化判断单元527比较鼓风的实际时间间隔Td和理论时间间隔Tc，之后进入步骤S10。
在步骤S10中，比较的结果是鼓风的实际时间间隔Td为理论时间间隔Tc以上的情况下(是)，尤其是能够判断为在电解质膜未发生交叉泄漏。由此，转移到步骤S11。
在步骤S11中，判断老化判断指示是否继续。在老化判断指示为继续中的情况下(是)，为了再一次计测当前时点的鼓风的实际时间间隔，转移到步骤S1。在老化判断指示结束的情况下(否)，暂时结束。
另一方面，在步骤S10中，比较的结果是鼓风的实际时间间隔Td比理论时间间隔Tc短的情况下(否)，理想的是在实际时间间隔Td比在理论时间间隔Tc中将界限m估计在内的值(＝Tc-m)小的情况下，能够判断为在电解质膜发生交叉泄漏的可能性高。因此，转移到步骤S12，老化判断单元527执行电解质老化且需要维修的消息的告知处理，结束本次的处理。
如上，根据本实施方式1，在高电位回避运转中的情况下，考虑因通过使用残留的空气的发电而消耗氢，鼓风间隔缩短，判断燃料电池组的电解质产生老化，因此能够避免电解质老化的误判断。
(实施方式2)
本发明实施方式2涉及防止同时使用催化剂活化处理的情况的电解质膜老化的误判断的系统。
本实施方式2的燃料电池系统的构成和上述实施方式1的燃料电池系统的构成(图1)相同，功能块的构成也和上述实施方式1的燃料电池系统的功能块的构成(图2)相同，因此省略说明。但是，仅控制部5的老化判断部522的空气供给实际时间间隔计测单元526的鼓风的实际时间间隔计测方法不同。
如上述，存在由催化剂活化处理部513进行催化剂活化处理的情况、进行用于维持燃料电池的功能的鼓风的情况。该鼓风不是比高电位回避处理还频繁进行的处理，但是与根据燃料气体的消耗量变化的鼓风没有关系。于是，空气供给实际时间间隔计测单元526发挥将与该催化剂活化处理对应发生的鼓风从鼓风的实际时间间隔的计测中排除在外的功能。
图6是表示在检测燃料电池组的电解质的老化时参照的鼓风间隔和单体电池电压之间的关系的图表，包括高电位回避处理时的催化剂活化处理和到其结束的期间。
如图6所示，催化剂活化处理部513在例如间歇运转时等、实施低效率运转的情况下，定期或根据单体电池电压Vc等能够判断为电解质膜的催化剂的氧化正在进行的情况下，限制氧化气体及燃料气体的供给，将DC-DC转换器41的二次侧电压徐徐降低到催化剂活化目标电压，维持为在催化剂的还原区域进行电化学反应的状态，进行催化剂的活化(也称为再生)。当达到催化剂活化目标电压时，催化剂活化处理部513维持该电压一定时间后，控制DC-DC转换器41，使二次侧电压恢复为原来的电压。这时，补充因催化剂活化处理而不足的氧化气体，因此控制压缩机20而在一时期内供给一定量的氧化气体。这时的鼓风(鼓风2)和作为单体电池电压下降防止处理的一个环节进行的鼓风(鼓风1)明显不同，用催化剂活化处理暂时补充失去的氧化气体而恢复单体电池电压。
在本发明的电解质膜的老化判断处理中，计测实际鼓风的实际时间间隔。假如在该鼓风的实际时间间隔的计测中，当在该催化剂活化处理结束时执行的鼓风2进行时，错误地计测鼓风的实际时间间隔。例如，在图6中，若不进行催化剂活化处理，则鼓风1后本来应该计测的鼓风是鼓风3，必须计测实际时间间隔Tda。但是，通过介入催化剂活化处理结束时的鼓风2，作为鼓风的实际时间间隔有可能计测为Tdb(＜Tda)。所谓将鼓风的实际时间间隔计测得较短是指，尽管在电解质膜实际上未发生交叉泄漏，但是有可能误判断为发生交叉泄漏。
于是，在本实施方式2中，空气供给实际时间间隔计测单元526从催化剂活化处理部523输入显示鼓风有无的信息，且在进行了催化剂活化处理结束时的鼓风的情况下，忽视该鼓风。
图7是表示本实施方式2的燃料电池系统的燃料电池组的判断电解质老化的处理的动作顺序流程图。该处理动作在输出老化判断指示时开始。
在步骤S21中，空气供给实际时间间隔计测单元526将计时器复位，转移到步骤S22，由单体电池电压下降防止处理部521判断是否有鼓风执行的通知。只要没有鼓风执行的通知(否)，则空气供给实际时间间隔计测单元526就为待机状态。
在步骤S22中通知执行鼓风的情况下(是)，空气供给实际时间间隔计测单元526在步骤S23中起动计时器，开始鼓风的实际时间间隔的计测。而且，在步骤S24中，再次判断是否有鼓风执行的通知。只要不执行鼓风(否)，则空气供给实际时间间隔计测单元526就为待机状态。
在步骤S24中通知执行鼓风的情况下(是)，空气供给实际时间间隔计测单元526在步骤S25中由催化剂活化处理部513判断是否有催化剂活化处理结束的通知。在催化剂活化处理结束的情况下执行的鼓风必须从上述计时器的计测中排除在外。
于是，在步骤S25中，空气供给实际时间间隔计测单元526在存在催化剂活化处理结束的通知的情况下(是)，返回步骤S24。由此，忽视本次的催化剂活化处理结束时的鼓风，等待基于下一次的单体电池电压下降防止处理进行的鼓风。
另一方面，在步骤S25中，在没有催化剂活化处理结束的通知的情况下(否)，能够判断为本次的鼓风是基于单体电池电压下降防止处理进行的鼓风，因此空气供给实际时间间隔计测单元526转移到步骤S26，参照这时的计时器的计时时间作为鼓风的实际时间间隔Td进行存储。接着，转移到步骤S27，将计时器复位。
在步骤S28中，燃料气体消耗量推测单元524基于燃料电池的输出电流Si运算并推测燃料气体的消耗量，在步骤S29中，空气供给理论时间间隔取得单元525参照关系表523，从推测的燃料气体的消耗量取得与此对应的氧化气体的供给量，即取得鼓风的理论时间间隔Tc。
而且，在步骤S30中，老化判断单元527比较鼓风的实际时间间隔Td和理论时间间隔Tc，转移到步骤S31。在步骤S31中，比较的结果是鼓风的实际时间间隔Td为理论时间间隔Tc以上的情况下(是)，尤其是能够判断在电解质膜未发生交叉泄漏。由此，转移到步骤S32。
在步骤S32中，判断老化判断指示是否继续。在老化判断指示为继续中的情况下(是)，为了再一次计测当前时点的鼓风的实际时间间隔，转移到步骤S21。在老化判断指示结束的情况下(否)，暂时结束。
另一方面，步骤S31中，比较的结果为鼓风的实际时间间隔Td比理论时间间隔Tc变短的情况下(否)，能够判断在电解质膜发生交叉泄漏的可能性高。因此，转移到步骤S33，老化判断单元527执行电解质老化且需要维修的消息的告知处理，结束本次的处理。
如上，根据本实施方式2，在并行执行催化剂活化处理的情况下，在催化剂活化处理结束时为了补充空气不足而进行，但由于从用于计测实际时间间隔的鼓风中排除在外，因此能够避免电解质老化的误判断。
(实施方式3)
本发明实施方式3涉及将从为了进行间歇运转而供给的反应气体量减去为了进行功能维持而消耗的反应气体量的氧化气体量推测为燃料电池的电解质膜的交叉泄漏量的方式。
图8表示本实施方式3的燃料电池系统的功能块的构成。
如图8所示，FC控制部52具有本实施方式3的老化判断部530。老化判断部530具备功能维持用空气量推测单元531、供给空气总量推测单元532、交叉泄漏量推测单元533及老化判断单元534。对于上述实施方式1中说明的功能块(电力系统控制部511、高电位回避处理部513、催化剂活化处理部513及单体电池电压下降防止处理部521)省略图示及说明。
功能维持用空气量推测单元531是基于功能维持用空气量相对值VQ1来推测单位时间内的该燃料电池系统的功能维持所需的空气量Q1的功能块。作为燃料电池系统的功能维持所需的空气量Q1如上述，是用于得到根据系统要求求取的必要的发电电力以外的目的的空气的量，具体而言，意思是为了进行上述高单位回避处理而使用的空气量和为了进行催化剂活化处理而使用的空气量的总和。因此，功能维持用空气量相对值VQ1不限于单一数值，应该将为了进行上述功能维持而使用的空气量作为对每种功能表示的参数的总体来考虑。
例如，若设用于功能1(例如，上述高电位回避处理)的空气量的参数为Vq1、用于功能2(例如，上述催化剂活化处理)的空气量的参数为Vq2、用于功能3(任意功能)的空气量的参数为Vq3，则功能维持用空气量推测单元531基于各个参数Vq1～Vq3，推测各个功能所需的空气量q1、q2及q3。而且，将功能维持所需的量Q1设为
Q1＝q1+q2+q3(＝∑qn：n为功能数)
来求取。
供给空气总量推测单元532是基于供给空气总量相对值VQ求取当前时点的单位时间内的供给空气总量Q的功能块。作为供给空气总量相对值Q可以有各种考虑，但是例如，也可以是压缩机20的转速，也可以是空气压缩机的供给压力的检测值，只要在氧化气体供给通路21中具备流量传感器，则也可以是该传感器的检测值。供给空气总量推测单元532根据表示当前时点的短时间内供给的空气总量的任意一个参数运算供给空气总量Q。
交叉泄漏量推测单元533是基于功能维持用空气量Q1和供给空气总量Q来推测与交叉泄漏有关的空气量Q2的功能块。如上所述，在供给空气总量Q、功能维持用空气量Q1和交叉泄漏量Q2之间，在间歇运转时存在
Figure BPA00001160942500251
的关系。因此，交叉泄漏量推测单元533将从供给空气总量Q减去功能维持用空气总量Q1的值作为交叉泄漏量Q2的推测值输出。
老化判断单元534是基于所推测的交叉泄漏量Q2判断有无电解质的老化的功能块。例如，将作为电解质中产生的交叉泄漏量能够允许的阈值Qth和所推测的交叉泄漏量Q2进行比较，Q2＞Qth时判断为电解质老化，进行必要的报知处理。因此示意进行电解质膜的更换。
如上，根据本实施方式3，基于供给空气总量Q和功能维持所需的空气量Q1求取交叉泄漏量Q2，通过和阈值Qth进行比较，能够正确地把握电解质膜老化。
(其它实施方式)
在本发明的上述各实施方式的燃料电池系统中，计测取得连续两个鼓风的实际时间间隔的鼓风间的时间，但不限于此。即，也可以分别相对于多个鼓风间计测时间间隔，计算得到其平均值，用于和鼓风的理论实际时间间隔的比较。认为应用多个实际时间间隔的平均等的实际时间间隔的精度高，因此是正确的电解质膜老化判断，故而优选。
另外，在本发明的上述实施方式的燃料电池系统中，将间歇运转时的交叉泄漏判断作为对象，但是也可应用于通常发电时的交叉泄漏判断。例如，在通常发电时，若为了进行发电而消耗的空气量Q3能够推测，则在供给空气总量Q、功能维持用空气量Q1、交叉泄漏量Q2和发电用空气量Q3之间，在间歇运转时
Figure BPA00001160942500261
的关系可成立，因此通过从供给空气总量Q减去功能维持用空气量Q1和发电用空气量Q3，能够求取交叉泄漏量Q2。发电用空气量Q3例如通过检测发电电流(单位时间内的电荷量)，能够从式(2)运算。
换言之，假如未发生交叉泄漏，则在维持发电电压的状态下实际测量的反应气体总量Qd、和从各种参数推测的反应气体总量Qe应该相等。因此，两者的差分Qd(＝Qr-Qe)只要不是零(＞0)，则就能够将该差分Qd作为交叉泄漏量用于老化判断。
另外，本发明的上述各实施方式的燃料电池系统也可以适用于电动汽车之外的移动体(陆上、水上、水中、空中)，也可以适用于定置形式的系统。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，基于燃料电池的间歇运转时供给到该燃料电池的反应气体量来判断该燃料电池的电解质膜的老化，其特征在于，
考虑为了进行该间歇运转而供给的反应气体量和为了维持该燃料电池的功能而消耗的反应气体量，来判断该燃料电池的电解质膜的老化。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
为了维持所述燃料电池的功能而消耗的反应气体是为了进行所述燃料电池的高电位回避处理而消耗的氧化气体。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
为了维持所述燃料电池的功能而消耗的反应气体是结束所述电解质膜的催化剂活化处理时所供给的氧化气体。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，具备：
在所述燃料电池的单体电池电压达到规定的下限电压时供给规定量的氧化气体的单元；
对该氧化气体供给的实际时间间隔进行计测的单元；及
老化判断单元，基于计测到的该氧化气体供给的实际时间间隔和该燃料电池的电解质膜为正常的情况下的氧化气体供给的理论时间间隔，来判断所述燃料电池的老化。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
所述计测氧化气体供给的实际时间间隔的单元在计测所述氧化气体供给的实际时间间隔时，将所述催化剂活化处理后即刻进行的氧化气体的供给排除在外而计测所述氧化气体供给的实际时间间隔。
6.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
具备关系表，该关系表记录了所述燃料电池的燃料气体消耗量和伴随该燃料气体消耗量的增加而变化的所述氧化气体供给的理论时间间隔之间的关系，
还具备：
基于所述燃料电池的输出电流来推测所述燃料气体消耗量的单元；及
参照该关系表取得与推测出的该燃料气体消耗量对应的所述氧化气体供给的理论时间间隔的单元，
所述老化判断单元基于计测出的所述氧化气体供给的实际时间间隔是否比取得的与该燃料气体消耗量对应的所述氧化气体供给的理论时间间隔短，来判断所述燃料电池的电解质的老化。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
将从为了进行所述间歇运转而供给的反应气体量中减去为了进行所述功能维持而消耗的反应气体量而得到的氧化气体量推测为所述燃料电池的电解质膜的交叉泄漏量。
8.一种燃料电池的老化判断方法，基于燃料电池的间歇运转时供给到该燃料电池的反应气体量来判断该燃料电池的电解质膜的老化，其特征在于，具备：
测定为了进行该间歇运转而供给的反应气体量的步骤；
测定为了维持该燃料电池的功能而消耗的反应气体量的步骤；及
基于为了进行该间歇运转而供给的反应气体量和为了维持该燃料电池的功能而消耗的反应气体量来判断该燃料电池的电解质膜的老化的步骤。
9.一种燃料电池的老化判断方法，基于燃料电池的间歇运转时供给到该燃料电池的反应气体量来判断该燃料电池的电解质膜的老化，其中，具备：
在该燃料电池的单体电池电压达到规定的下限电压时供给规定量的氧化气体的步骤；
计测该氧化气体供给的实际时间间隔的步骤；及
基于计测到的该氧化气体供给的实际时间间隔和该燃料电池的电解质膜为正常的情况下的氧化气体供给的理论时间间隔，来判断该燃料电池老化的步骤。
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