CN107123821B - 压力传感器的异常检测方法及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供压力传感器的异常检测方法及燃料电池系统。压力传感器的异常检测方法是具备在将燃料电池和燃料供给源连接的燃料供给流路上设置的上游侧的第一压力传感器及下游侧的第二压力传感器、减压阀、第一切断阀以及第二切断阀的燃料电池系统的第一压力传感器、第二压力传感器的异常检测方法。使减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下，关闭第二切断阀并比较第一压力传感器及第二压力传感器的检测压力值。

Description

压力传感器的异常检测方法及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及压力传感器的异常检测方法及燃料电池系统。
背景技术
具备接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给来进行发电的燃料电池的燃料电池系统已被提出，并已实用化。燃料电池是通过利用电化学工序使燃料氧化，来将伴随氧化反应而放出的能量直接变换为电能的发电系统。
当前，提出了如下技术：在将燃料电池系统的燃料供给源和燃料电池连接的燃料供给流路设置压力传感器和控制阀(喷射器、调整器)，基于压力传感器的检测值对控制阀进行开闭控制，从而调整向燃料电池供给的燃料供给量。另外，近年来，提出了各种检测在燃料供给量的调整中使用的压力传感器的异常的技术。例如，提出了如下技术：通过对基于氢消耗量而算出的压力差和实际由压力传感器检测到的压力差进行比较，来进行压力传感器的故障判定(例如，参照日本特开2008-234970)。
但是，即使采用日本特开2008-234970号公报所记载的技术，也有可能无法检测压力传感器的偏移故障(压力传感器的检测值向正侧或负侧移动特定的值)。为了检测这样的偏移故障，虽然也可以考虑在相同的压力空间设置多个压力传感器并对两者的检测值进行比较，但在这样设置比较用的传感器时，系统的制造成本会增大。
本发明提供一种不设置比较用的传感器就能检测压力传感器的偏移故障的方法。
本发明的一技术方案的方法是检测燃料电池系统的压力传感器的异常的方法，所述燃料电池系统具备：燃料供给流路，将燃料电池和燃料供给源连接；第一压力传感器，设置于燃料供给流路；第二压力传感器，设置于燃料供给流路的比第一压力传感器靠下游侧处；减压阀，设置于燃料供给流路的第一压力传感器与第二压力传感器之间，使上游侧的压力下降至规定的调压下限值；第一切断阀，设置于燃料供给流路的燃料供给源与第一压力传感器之间；以及第二切断阀，设置于燃料供给流路的第二压力传感器与燃料电池之间，所述方法包括如下步骤：关闭第一切断阀而切断从燃料供给源向第一压力传感器的燃料的供给；在切断从燃料供给源向第一压力传感器的燃料的供给之后，接着打开第二切断阀而将燃料供给流路内的燃料向燃料电池供给，来使减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下；以及在使减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下之后，接着关闭第二切断阀并比较第一压力传感器及第二压力传感器的检测压力值，来判断第一压力传感器或第二压力传感器是否异常。
另外，本发明的一技术方案的燃料电池系统具备：燃料供给流路，将燃料电池和燃料供给源连接；第一压力传感器，设置于燃料供给流路；第二压力传感器，设置于燃料供给流路的比第一压力传感器靠下游侧处；减压阀，设置于燃料供给流路的第一压力传感器与第二压力传感器之间，使上游侧的压力下降至规定的调压下限值；第一切断阀，设置于燃料供给流路的燃料供给源与第一压力传感器之间；第二切断阀，设置于燃料供给流路的第二压力传感器与燃料电池之间；以及控制判断部，控制切断阀，并且判断压力传感器是否异常，控制判断部关闭第一切断阀而切断了从燃料供给源向第一压力传感器的燃料的供给之后，通过打开第二切断阀而将燃料供给流路内的燃料向燃料电池供给，来使减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下，然后，通过关闭第二切断阀并比较第一压力传感器及第二压力传感器的检测压力值，来判断第一压力传感器或第二压力传感器是否异常。
若采用上述结构及方法，则通过在操作第一切断阀及第二切断阀而使减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至规定的调压下限值以下的状态下(使减压阀的上游侧及下游侧的压力变得相等的状态下)比较第一压力传感器及第二压力传感器的检测压力值，能够检测压力传感器的偏移故障。因而，无需设置用于检测第一压力传感器(或第二压力传感器)的偏移故障的比较用的传感器，能够实现结构的简单化(非冗长化)，所以能够抑制系统的制造成本的增大。
在本发明的一技术方案的方法中，可以是，燃料电池系统的控制判断部实施如下步骤：切断从燃料供给源向第一压力传感器的燃料的供给；使减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下；以及判断第一压力传感器或第二压力传感器是否异常。
在本发明的一技术方案的方法中，可以是，使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下是指使减压阀的上游侧及下游侧的压力相等的状态。
在本发明的一技术方案的方法中，可以是，在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器的检测压力值之差超过规定的阈值的情况下，判断为所述第一压力传感器或所述第二压力传感器异常。
在本发明的一技术方案的方法中，可以是，比较所述第一压力传感器及所述第二压力传感器的检测压力值的波形，在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器的波形之差超过规定的基准的情况下，判断为所述第一压力传感器或所述第二压力传感器异常。
在本发明的一技术方案的方法中，可以是，基于根据燃料电池的发电量推定出的氢消耗量，来判断所述第一压力传感器是否异常。
若采用上述方法，则能够利用燃料电池系统的控制判断部自动地检测压力传感器的偏移故障。
根据本发明的一技术方案，能够提供不设置比较用的传感器就能检测压力传感器的偏移故障的方法。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的典型的实施例的特征、优点以及在技术和工业上的重要性，在这些附图中，相同的标号表示相同的要素。
图1是示出本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的概略的说明图。
图2是用于对本发明的实施方式的燃料电池系统的压力传感器的异常检测方法进行说明的流程图。
具体实施方式
以下，一边参照各图一边对本发明的实施方式进行说明。此外，只要没有特别的说明，附图的上下左右等的位置关系就基于附图所示的位置关系。另外，附图的尺寸比率并不限定于图示的比率。进而，以下的实施方式是用于说明本发明的例示，并不旨在将本发明仅限定于该实施方式。另外，只要不脱离本发明的主旨，就能对本发明进行各种各样的变形。
首先，使用图1对本实施方式的燃料电池系统10的结构进行说明。燃料电池系统10作为搭载于例如作为移动体的燃料电池车辆的车载电源系统而发挥功能，具备接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池20、用于将作为氧化气体的空气向燃料电池20供给的氧化气体供给系统30、用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池20供给的燃料气体供给系统40、用于控制电力的充放电的电力系统50、以及对系统整体进行总括控制的控制器60。
燃料电池20是将多个单电池串联层叠而成的固体高分子电解质型单电池组。在燃料电池20中，在阳极电极产生(1)式的氧化反应，在阴极电极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池20整体而产生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
构成燃料电池20的单电池由高分子电解质膜、阳极电极、阴极电极以及分隔件构成。阳极电极及阴极电极从两侧夹着高分子电解质膜而形成三明治构造。分隔件由气体不透过的导电性部材构成，从两侧夹着阳极电极及阴极电极，并在分隔件与阳极电极及阴极电极之间分别形成燃料气体及氧化气体的流路。
阳极电极及阴极电极分别具有催化剂层和气体扩散层。催化剂层具有担载作为催化剂发挥功能的例如铂系的贵金属粒子的催化剂担载碳和高分子电解质。作为贵金属粒子的铂系的材料，例如可以使用金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ru等)。作为催化剂担载碳，例如可以使用炭黑。作为高分子电解质，可以使用质子传导性的离子交换树脂等。气体扩散层形成于催化剂层的表面，兼具通气性和电子导电性，由利用由碳纤维构成的丝织成的碳布、碳纸或碳毡形成。
高分子电解质膜是由固体高分子材料、例如氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的电传导性。由高分子电解质膜、阳极电极及阴极电极形成膜-电极组件。
如图1所示，在燃料电池20安装有用于检测燃料电池20的输出电压(FC电压)的电压传感器71和用于检测输出电流(FC电流)的电流传感器72。由电压传感器71及电流传感器72检测到的FC电压及FC电流用于计算后述的燃料电池20的发电量(FC发电量)。
氧化气体供给系统30具有供向燃料电池20的阴极电极供给的氧化气体流动的氧化气体流路33和供从燃料电池20排出的氧化废气流动的氧化废气流路34。在氧化气体流路33设置有经由过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压缩机32和用于切断氧化气体向燃料电池20的供给的切断阀A1。在氧化废气流路34设置有用于切断氧化废气从燃料电池20的排出的切断阀A2和用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀A3。
燃料气体供给系统40具有：燃料供给源41；燃料供给流路43，将燃料供给源41和燃料电池20连接，用于使从燃料供给源41向燃料电池20的阳极电极供给的燃料气体流动；循环流路44，用于使从燃料电池20排出的燃料废气回流到燃料供给流路43；循环泵45，将循环流路44内的燃料废气向燃料供给流路43压送；以及排气排水流路46，以分支的形式连接于循环流路44。
燃料供给源41例如由高压氢罐、氢吸藏合金等构成，储存高压(例如35～70MPa)的氢气。在燃料供给源41的供给口设置有主止阀H1，当打开主止阀H1时，燃料气体从燃料供给源41流出到燃料供给流路43。主止阀H1作为本发明中的第一切断阀发挥功能。
在燃料供给流路43中设置有用于检测从燃料供给源41供给的燃料的压力的高压传感器73、配置在比高压传感器73靠下游侧处的中压传感器74、配置在高压传感器73与中压传感器74之间的减压阀H2、以及配置在中压传感器74与燃料电池20之间的喷射器42。高压传感器73及中压传感器74分别作为本发明中的第一压力传感器及第二压力传感器发挥功能，喷射器42作为本发明中的第二切断阀发挥功能。
减压阀H2具有构成为在上游侧的压力与下游侧的压力之差超过了规定的阈值时通过弹性部材的作用力而打开从而使气体流动的机械式调压机构，使上游侧的压力下降至规定的调压下限值(例如1.1MPa)。本实施方式的减压阀H2构成为，当其下游侧的压力成为规定的调压下限值以下时，该减压阀H2成为常开状态而使其上游侧的压力与其下游侧的压力成为相同。
通过打开主止阀H1而供给的高压(例如2～4MPa)的燃料气体由减压阀H2例如减压至1.1～1.6MPa左右，进一步由喷射器42例如减压至200～300kPa左右，然后向燃料电池20供给。
排气排水流路46以分支的行驶与循环流路44连接，在排气排水流路46配设有排气排水阀H3。排气排水阀H3通过来自控制器60的指令而工作，将循环流路44内的包含杂质的燃料废气和水分向外部排出。
经由排气排水阀H3排出的燃料废气与在氧化废气流路34中流动的氧化废气混合，由未图示的稀释器稀释。循环泵45通过电动机驱动而将循环系内的燃料废气向燃料电池20循环供给。
电力系统50具有DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引电动机54以及辅机类55。DC/DC转换器51具有将从蓄电池52供给的直流电压升压并向牵引变换器53输出的功能和将燃料电池20发出的直流电力或牵引电动机54通过再生制动而回收的再生电力降压并向蓄电池52充入的功能。
蓄电池52作为剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负荷变动时的能量缓冲器等发挥功能。作为蓄电池52，例如优选镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。
牵引变换器53是例如以脉宽调制方式驱动的PWM变换器，按照来自控制器60的控制指令将从燃料电池20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是配置于燃料电池系统10内的各部分的各电动机、用于驱动这些电动机的变换器类、以及各种车载辅机类(例如，空气压缩机32、喷射器42、循环泵45、散热器、冷却水循环泵等)的总称。
控制器60是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，控制燃料电池系统10的各部分。例如，控制器60在接收到从点火开关输出的起动信号IG时，使燃料电池系统10的运转开始，基于从加速器传感器输出的加速器开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等求出系统整体的要求电力。系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的合计值。
辅机电力包含由车载辅机类(空气压缩机32、循环泵45、冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、操舵装置、悬架装置等)消耗的电力、由配设于乘员空间内的装置(空调装置、照明器具、收音机等)消耗的电力等。
控制器60决定燃料电池20和蓄电池52各自的输出电力的分配，以使燃料电池20的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40，并且控制DC/DC转换器51来调整燃料电池20的输出电压，从而控制燃料电池20的运转动作点(输出电压、输出电流)。
在燃料电池系统10运转时，在燃料电池20中，如上述的(1)式所示，在阳极电极生成的氢离子透过电解质膜而向阴极电极移动，移动到阴极电极的氢离子如上述的(2)式所示那样与供给到阴极电极的氧化气体中的氧发生电化学反应，产生氧的还原反应而生成水。
另外，控制器60以控制主止阀H1及喷射器42并且判断高压传感器73或中压传感器74是否异常的方式发挥功能。具体而言，控制器60在关闭主止阀H1而切断了从燃料供给源41向高压传感器73的燃料的供给之后，打开喷射器42而将燃料供给流路43内的燃料向燃料电池20供给，从而使减压阀H2的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下。然后，控制器60通过关闭喷射器42并比较高压传感器73及中压传感器74的检测压力值，来判断高压传感器73或中压传感器74是否异常。即，控制器60作为本发明中的控制判断部发挥功能。
另外，控制器60也以基于根据燃料电池20的发电量推定出的氢消耗量来判断高压传感器73是否异常的方式发挥功能。具体而言，控制器60基于高压传感器73的检测值算出燃料的余量(基准燃料量)，并且算出从该检测值减去规定压力值(例如3MPa)而得到的压力值下的燃料的余量(判定开始用燃料量)。另外，控制器60通过从基准燃料量减去判定开始用燃料量来算出与规定压力值相当的燃料量(规定压力相当燃料量)，并且基于FC发电量算出推定燃料消耗量(累积值)，在推定燃料消耗量超过规定压力相当燃料量的时刻以如下的要领来实施高压传感器73的异常判定。
即，控制器60算出从基准燃料量减去推定燃料消耗量而得到的值(A)、向当前的高压传感器73的检测值加上规定压力值(例如1MPa)而得到的压力值下的燃料的余量(B)、以及从当前的高压传感器73的检测值减去规定压力值(例如1MPa)而得到的压力值下的燃料的余量(C)，在B为A以上且C为A以下的情况下，判断为高压传感器73正常。另一方面，在B超过A的情况下或C低于A的情况下，控制器60判断为高压传感器73异常。
接着，使用图2的流程图，对本实施方式的燃料电池系统10的压力传感器的异常检测方法进行说明。在本实施方式的异常检测方法中，可以说通过有意地制造出气体欠乏状态，来使高压传感器73和中压传感器74存在于相同的压力空间，通过对两者的检测值进行比较，来检测高压传感器73(或中压传感器74)的偏移故障。
首先，燃料电池系统10的控制器60关闭主止阀H1而切断从燃料供给源41向高压传感器73的燃料的供给(燃料切断工序：S1)。接着，控制器60打开喷射器42而将燃料供给流路43内的燃料向燃料电池20供给，从而使减压阀H2的上游侧及下游侧的压力下降至调压下限值以下(压力下降工序：S2)。
然后，控制器60关闭喷射器42并比较高压传感器73及中压传感器74的检测压力值，从而判断是否在高压传感器73或中压传感器74产生了偏移故障(异常判断工序：S3)。在异常判断工序S3中，控制器60例如可以在高压传感器73与中压传感器74的检测压力值之差超过规定的阈值的情况下，判断为在高压传感器73或中压传感器74产生了偏移故障。另外，控制器60也可以比较高压传感器73及中压传感器74的检测压力值的时间履历(波形)，在两波形之差超过规定的基准的情况下，判断为在高压传感器73或中压传感器74产生了偏移故障。
在以上说明的实施方式的燃料电池系统10中，通过在操作主止阀H1及喷射器42而使减压阀H2的上游侧及下游侧的压力下降至规定的调压下限值以下的状态下(使减压阀H2的上游侧及下游侧的压力变得相等的状态下)比较主止阀H1及喷射器42的检测压力值，能够检测高压传感器73或中压传感器74的偏移故障。因此，无需设置用于检测高压传感器73(或中压传感器74)的偏移故障的比较用的传感器，能够实现结构的简单化(非冗长化)，所以能够抑制系统的制造成本的增大。
此外，在本实施方式中，虽然示出了由燃料电池系统10的控制器60(控制判断部)实施各工序(燃料切断工序S1、压力下降工序S2及异常判断工序S3)来检测压力传感器的偏移故障的例子，但也可以是作业者实施这些工序来检测压力传感器的偏移故障。另外，在本实施方式中，虽然示出了采用喷射器42(喷射阀)作为第二切断阀的例子，但也可以采用与喷射器42不同的电磁控制阀作为第二切断阀。
另外，在本实施方式中，虽然例示了“燃料电池车辆”作为移动体，但也可以将本发明的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、航空器等)。
另外，也能够将本发明的原理(在具有高压传感器的高压空间与具有低压传感器的低压空间之间设置机械式减压阀，切断气体向高压空间的供给并且从低压空间放出气体，从而有意地制造出气体欠乏状态而使高压传感器和低压传感器存在于相同的压力空间，通过比较两者的检测值来检测高压传感器或低压传感器的偏移故障)应用于与燃料电池系统不同的系统(例如CNG车辆、输气管道等)。
本发明不限定于以上的实施方式，只要具备本发明的特征，则本领域技术人员对该实施方式适当施加设计变更后的实施方式也包含于本发明的范围。即，所述实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、大小等不限定于例示的内容，能够适当进行变更。另外，所述实施方式所具备的各要素能够在技术上可行的范围内尽量组合，将它们组合而成的实施方式只要包含本发明的特征，就也包含于本发明的范围。

Claims (8)

1.一种检测压力传感器的异常的方法，是检测燃料电池系统的压力传感器的异常的方法，所述燃料电池系统具备：
燃料供给流路，将燃料电池和燃料供给源连接；
第一压力传感器，设置于所述燃料供给流路；
第二压力传感器，设置于所述燃料供给流路的比所述第一压力传感器靠下游侧处；
减压阀，设置于所述燃料供给流路的所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间，使上游侧的压力下降至规定的调压下限值；
第一切断阀，设置于所述燃料供给流路的所述燃料供给源与所述第一压力传感器之间；以及
第二切断阀，设置于所述燃料供给流路的所述第二压力传感器与所述燃料电池之间，
其特征在于，包括如下步骤：
关闭所述第一切断阀而切断从所述燃料供给源向所述第一压力传感器的燃料的供给；
在切断从所述燃料供给源向所述第一压力传感器的燃料的供给之后，接着打开所述第二切断阀而将所述燃料供给流路内的燃料向所述燃料电池供给，来使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下；以及
在使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下之后，接着关闭所述第二切断阀并比较所述第一压力传感器及所述第二压力传感器的检测压力值，来判断所述第一压力传感器或所述第二压力传感器是否异常，
使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下是指使减压阀的上游侧及下游侧的压力相等的状态。
2.根据权利要求1所述的检测压力传感器的异常的方法，其特征在于，
所述燃料电池系统的控制判断部实施如下步骤：
切断从所述燃料供给源向所述第一压力传感器的燃料的供给；
使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下；以及
判断所述第一压力传感器或所述第二压力传感器是否异常。
3.根据权利要求1或2所述的检测压力传感器的异常的方法，其特征在于，
在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器的检测压力值之差超过规定的阈值的情况下，判断为所述第一压力传感器或所述第二压力传感器异常。
4.根据权利要求1或2所述的检测压力传感器的异常的方法，其特征在于，
比较所述第一压力传感器及所述第二压力传感器的检测压力值的波形，在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器的波形之差超过规定的基准的情况下，判断为所述第一压力传感器或所述第二压力传感器异常。
5.根据权利要求1或2所述的检测压力传感器的异常的方法，其特征在于，
基于根据燃料电池的发电量推定出的氢消耗量，来判断所述第一压力传感器是否异常。
6.根据权利要求3所述的检测压力传感器的异常的方法，其特征在于，
基于根据燃料电池的发电量推定出的氢消耗量，来判断所述第一压力传感器是否异常。
7.根据权利要求4所述的检测压力传感器的异常的方法，其特征在于，
基于根据燃料电池的发电量推定出的氢消耗量，来判断所述第一压力传感器是否异常。
8.一种燃料电池系统，具备：
燃料供给流路，将燃料电池和燃料供给源连接；
第一压力传感器，设置于所述燃料供给流路；
第二压力传感器，设置于所述燃料供给流路的比所述第一压力传感器靠下游侧处；
减压阀，设置于所述燃料供给流路的所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间，使上游侧的压力下降至规定的调压下限值；
第一切断阀，设置于所述燃料供给流路的所述燃料供给源与所述第一压力传感器之间；
第二切断阀，设置于所述燃料供给流路的所述第二压力传感器与所述燃料电池之间；以及
控制判断部，控制所述第一切断阀和所述第二切断阀，并且判断所述第一压力传感器和所述第二压力传感器是否异常，
其中，关闭所述第一切断阀而切断从所述燃料供给源向所述第一压力传感器的燃料的供给之后，通过打开所述第二切断阀而将所述燃料供给流路内的燃料向所述燃料电池供给，来使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下，
然后，通过关闭所述第二切断阀并比较所述第一压力传感器及所述第二压力传感器的检测压力值，所述控制判断部判断所述第一压力传感器或所述第二压力传感器是否异常，
使所述减压阀的上游侧及下游侧的压力下降至所述调压下限值以下是指使减压阀的上游侧及下游侧的压力相等的状态。
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