專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和燃料電池狀態(tài)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和用于檢測燃料電池的狀態(tài)的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池為通常利用氫氣和氧氣作為燃料獲得電能的裝置。由于從環(huán)境方面考慮 這些燃料電池占優(yōu)勢并且能夠?qū)崿F(xiàn)高能量效率，因此在廣泛范圍的領(lǐng)域中進行燃料電池的 開發(fā)，以用作未來的能量供應(yīng)系統(tǒng)。特別地，由于在各種類型的燃料電池中聚合物電解質(zhì)燃 料電池以比較低的溫度工作，因此具有良好的啟動性能。因此，正在積極地進行對這些燃料 電池的研究，以應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中。在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，膜電極組件(MEA)介于隔離板(s印arator)之間。在 MEA中，陽極被設(shè)置在由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體聚合物電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜的一側(cè)，并且 陰極被設(shè)置在電解質(zhì)膜的另一側(cè)。燃料電池的狀態(tài)根據(jù)工作條件等變化。因此，已經(jīng)開發(fā)出用于監(jiān)測對由多個疊層 燃料電池組成的燃料電池堆中的每個電池組測量的電池電壓的下降的技術(shù)(例如，參見公 開號為 2006-179338 的日本專利申請(JP-A-2006-179338))。然而，僅通過監(jiān)測電壓的下降很難精確地檢測電池的狀態(tài)。另外，盡管也能夠?qū)﹄?池組監(jiān)測電池電壓的下降，但是很難精確地檢測包括在電池組中的電池的狀態(tài)。另一方面， 為每個電池設(shè)置檢測電池電壓的裝置會導(dǎo)致增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)和燃料電池狀態(tài)檢測方法，使得能夠在抑 制成本增加的同時精確地檢測燃料電池的狀態(tài)在本發(fā)明的第一方案中，本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)設(shè)置 有電壓檢測裝置，其用于檢測包括一個以上電池的電池組的電池電壓；電流密度檢測裝 置，其用于檢測電池組的發(fā)電電流密度；以及判定裝置，其用于基于電壓檢測裝置和電流密 度檢測裝置的檢測結(jié)果來判定電池電壓相對于發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存 在。在這一燃料電池系統(tǒng)中，能夠?qū)δ繕?biāo)電池組檢測拐點。因此，能夠以高精度檢測燃料電 池的狀態(tài)。另外，由于即使多個電池包括在電池組中也能夠檢測拐點，所以不必為每個電池 設(shè)置電壓檢測裝置。因此，能夠降低成本。此外，作為發(fā)明人分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在電壓降恒 定的狀態(tài)下，濃差電池的電動勢是基于陽極與陰極之間的氫氣濃度差，該氫氣濃度差由氫 氣從陽極泄露到陰極或者由于陰極處缺氧而弓I起。判定裝置還可以基于在規(guī)定條件下電池組的電池電壓的一次回歸電壓與由電壓 檢測裝置所檢測到的電壓之間的差來判定拐點的存在或不存在。判定裝置還可以利用電池 組的電池電壓與包括一個以上電池的標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系來判定電池組中 的拐點的存在或不存在。判定裝置還可以在電池組的電池電壓相對于電流密度的斜率已經(jīng) 變得比標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電壓相對于電流密度的斜率大規(guī)定量的情況下判定拐點為存在。
判定裝置還可以以在相同電流密度下電池組的電池電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電 壓之間的背離率來判定拐點的存在或不存在。在這種情況下，能夠以更大的精度判定拐點 的存在或不存在。判定裝置還可以在背離率相對于電流密度的斜率為負的情況下判定拐點為存在。 判定裝置還可以在背離率相對于電流密度的線性回歸線的截距等于或大于規(guī)定值的情況 下判定拐點為存在。標(biāo)準(zhǔn)電池組可以具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電性能高的發(fā)電性能。標(biāo)準(zhǔn)電池組 還可以具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電耐久性高的發(fā)電耐久性。在這些情況下，能夠以較 大的精度來檢測拐點。在本發(fā)明的第二方案中，本發(fā)明涉及一種用于檢測燃料電池的狀態(tài)的方法，其具 有電壓檢測步驟，其中檢測包括一個以上電池的電池組的電池電壓；電流密度檢測步驟， 其中檢測電池組的發(fā)電電流密度；以及判定步驟，其中基于電壓檢測步驟和電流密度檢測 步驟中的檢測結(jié)果來判定電池電壓相對于發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存在。在 用于檢測燃料電池的狀態(tài)的這一方法中，能夠?qū)δ繕?biāo)電池組檢測拐點。因此，能夠以高精度 檢測燃料電池的狀態(tài)。另外，由于即使在電池組中包括多個電池也能夠檢測拐點，所以不必 為每個電池設(shè)置電壓檢測裝置。因此，能夠降低成本。在判定步驟中，還可以基于在規(guī)定條件下電池組的電池電壓的一次回歸電壓與在 電壓檢測步驟中所檢測到的電壓之間的差來判定拐點的存在或不存在。在判定步驟中，還 可以利用電池組的電池電壓與包括一個以上電池的標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系來 判定電池組中的拐點的存在或不存在。在判定步驟中，還可以在電池組的電池電壓相對于 電流密度的斜率已經(jīng)變得比標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電壓相對于電流密度的斜率大規(guī)定量的情 況下判定拐點為存在。在判定步驟中，還可以以在相同電流密度下電池組的電池電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo) 準(zhǔn)電壓之間的背離率來判定拐點的存在或不存在。在此情況下，能夠以較大的精度來判定 拐點的存在或不存在。在判定步驟中，還可以在背離率相對于電流密度的斜率為負的情況下判定拐點為 存在。在判定步驟中，還可以在背離率相對于電流密度的線性回歸線的截距等于或大于規(guī) 定值的情況下判定拐點為存在。標(biāo)準(zhǔn)電池組可以具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電性能高的發(fā)電性能。標(biāo)準(zhǔn)電池組 還可以具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電耐久性高的發(fā)電耐久性。在這些情況下，能夠以較 大的精度來檢測拐點。本發(fā)明的第三方案涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其包括電壓檢測裝置，其用于檢測包 括一個以上電池的電池組的電池電壓；電流密度檢測裝置，其用于檢測電池組的發(fā)電電流 密度；以及判定部，其基于電壓檢測裝置和電流密度檢測裝置的檢測結(jié)果來判定電池電壓 相對于發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存在。根據(jù)本發(fā)明，能夠以高精度來檢測燃料電池的狀態(tài)。


參考附圖，在本發(fā)明的示例實施例的下面的詳細說明中說明本發(fā)明的特征、優(yōu)點以及技術(shù)和工業(yè)重要性，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且其中圖IA和圖IB為說明本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的圖；圖2為說明電池中的發(fā)電反應(yīng)的示意圖；圖3為說明電池中的氧氣耗盡反應(yīng)的示意圖；圖4為說明電池中的氫氣耗盡反應(yīng)的示意圖；圖5為示出電流密度與電池電壓之間的關(guān)系的曲線圖；圖6A和圖6B為說明利用標(biāo)準(zhǔn)電壓檢測拐點的曲線圖；圖7為示出用于計算標(biāo)準(zhǔn)電壓的流程圖的示例的圖；圖8為示出圖7中的步驟Sl的判定程序的示例的圖；圖9為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖；圖10為說明利用電流密度與標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系檢測拐點的曲線 圖；圖11為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖；圖12為示出在各個電池組中包括10個電池的情況的曲線圖；圖13為示出電流密度與背離率之間的關(guān)系的曲線圖；圖14A和圖14B為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖；圖15為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖；圖16為說明背離率的一次回歸(primary regression)的圖；以及圖17為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖。
具體實施例方式[第一實施例]圖1為說明本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100的圖。圖IA為示出燃料電 池系統(tǒng)100的總體構(gòu)造的示意圖。圖IB為隨后要說明的電池11的示意性剖面圖。如圖IA 所示，燃料電池系統(tǒng)100設(shè)有燃料電池堆10、燃料氣體供給裝置20、氧化劑氣體供給裝置 30、電壓檢測裝置41、電流檢測裝置42和處理單元50。燃料電池堆10具有如下結(jié)構(gòu)一個或多個電池組層疊，并且在各個電池組中一個 或多個電池11層疊。如圖IB所示，電池11具有如下結(jié)構(gòu)膜電極組件110介于隔離板120 與隔離板130之間。在膜電極組件110中，陽極催化劑層112和氣體擴散層113在隔離板 120 —側(cè)以此順序結(jié)合到電解質(zhì)膜111上，而陰極催化劑層114和氣體擴散層115在隔離板 130 一側(cè)以此順序結(jié)合到電解質(zhì)膜111上。電解質(zhì)膜111由例如具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的全氟磺 酸聚合物的固體聚合物電解質(zhì)構(gòu)成。陽極催化劑層112由載有催化劑的導(dǎo)電材料和質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)構(gòu)成。陽極催化劑 層112中的催化劑為用于促進氫氣的質(zhì)子化的催化劑。例如，陽極催化劑層112包含載鉬 碳或全氟磺酸聚合物。氣體擴散層113由例如碳紙(carbon paper)或碳布的具有透氣性 的導(dǎo)電材料構(gòu)成。陰極催化劑層114由載有催化劑的導(dǎo)電材料和質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)構(gòu)成。陰極催化劑 層114為用于促進質(zhì)子與氫氣之間的反應(yīng)的催化劑。例如，陰極催化劑層114包含載鉬碳 或全氟磺酸聚合物。氣體擴散層115由例如碳紙或碳布的具有透氣性的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
隔離板120和隔離板130由例如不銹鋼的導(dǎo)電材料構(gòu)成。允許燃料氣體流動的燃 料氣體流路121被設(shè)置在膜電極組件110 —側(cè)的隔離板120中。允許氧化劑氣體流動的氧 化劑氣體流路131被設(shè)置在膜電極組件110 —側(cè)的隔離板130中。例如，燃料氣體流路121 和氧化劑氣體流路131由形成在隔離板的表面中的凹槽構(gòu)成。燃料氣體供給裝置20為通過燃料電池堆10的燃料氣體入口將含有氫氣的燃料氣 體供給到燃料氣體流路121的裝置。燃料氣體供給裝置20由例如氫氣氣缸或重整器構(gòu)成。 氧化劑氣體供給裝置30為通過燃料電池堆10的氧化劑氣體入口將含有氧氣的氧化劑氣體 供給到氧化劑氣體流路131的裝置。氧化劑氣體供給裝置30由例如氣泵構(gòu)成。電壓檢測裝置41檢測各個電池組的電池電壓并且將檢測結(jié)果輸出到隨后將要說 明的控制裝置51中。電流檢測裝置42檢測燃料電池堆10的發(fā)電電流并且將檢測結(jié)果輸 出到控制裝置51中。通過使電流檢測裝置42的檢測結(jié)果除以各個電池11的發(fā)電區(qū)域的 表面積來獲得發(fā)電電流密度。因此，電流檢測裝置42還用作發(fā)電電流密度檢測裝置。處理單元50包括控制裝置51和判定裝置52。處理單元50由中央處理單元(CPU)、 只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)等構(gòu)成。處理單元50的CPU執(zhí)行規(guī)定的程序以 實現(xiàn)控制裝置51和判定裝置52?？刂蒲b置51控制燃料電池系統(tǒng)100的各個部件。判定裝 置52基于電壓檢測裝置41和電流檢測裝置42的檢測結(jié)果來判定燃料電池堆10的狀態(tài)。下面參考圖1A、圖IB和圖2對在常規(guī)發(fā)電過程中燃料電池系統(tǒng)100的動作進行說 明。圖2為說明電池11中的發(fā)電反應(yīng)的示意圖。首先，控制裝置51控制燃料氣體供給裝 置20以使燃料氣體被供給到燃料氣體流路121中。該燃料氣體通過滲透氣體擴散層113 到達陽極催化劑層112。通過陽極催化劑層112的催化劑，包含在燃料氣體中的氫氣分解成 質(zhì)子和電子。然后，質(zhì)子由于被電解質(zhì)膜111傳導(dǎo)而到達陰極催化劑層114。另外，控制裝置51控制氧化劑氣體供給裝置30，以使氧化劑氣體被供給到氧化劑 氣體流路131中。該氧化劑氣體通過滲透氣體擴散層115到達陰極催化劑層114。在催化 劑的作用下，質(zhì)子和氧氣在陰極催化劑層114中反應(yīng)。結(jié)果，產(chǎn)生電力并且形成水。形成的 水通過氧化劑氣體流路131排出。如果氧氣在陰極側(cè)被耗盡，則陰極催化劑層114中的水的形成反應(yīng)被抑制。在此 情況下，如圖3所示，氫氣在陽極催化劑層112中被質(zhì)子化，在陰極催化劑層114中兩個質(zhì) 子結(jié)合以形成氫氣。因此，形成氫氣濃差電池。在此情況下，與圖2中的情況相比，電池電 壓波動。如果氫氣在陽極側(cè)被耗盡，則氫氣的質(zhì)子化被抑制。在此情況下，如圖4所示，在 陽極催化劑層112中發(fā)生水等物質(zhì)的電解反應(yīng)。在此情況下，與圖2中的情況相比，電池電 壓波動。能夠通過檢測電池電壓中的這些波動來檢測歸因于氧氣耗盡或氫氣耗盡的電池異
堂
巾ο在本實施例中，根據(jù)在電池電壓相對于發(fā)電電流密度的增大或減小的變化中是否 出現(xiàn)拐點來檢測歸因于氧氣耗盡或氫氣耗盡的電池異常。圖5為示出電流密度與電池電壓 之間的關(guān)系的曲線圖。在圖5中，電流密度被繪制在水平軸上，并且電池電壓被繪制在垂直 軸上。如圖5所示，在正常電池中，電池電壓傾向于相對于電流密度的增大線性地降低。反 之，在已經(jīng)出現(xiàn)例如氫氣耗盡的問題的電池中，電池電壓相對于電流密度增大而降低的量 較大，并且然后一旦電流密度超過規(guī)定的電流密度，電池電壓降低的量變得較小。
電池電壓相對于電流密度的斜率以此方式變化的點為拐點。如果檢測到拐點，可 以判定在電池組的任一電池中發(fā)生例如氧氣耗盡或氫氣耗盡的問題。下面提供了檢測拐點 的詳細說明。圖6A和圖6B為說明利用標(biāo)準(zhǔn)電壓檢測拐點的曲線圖。在圖6A和圖6B中，電流 密度被繪制在水平軸上，而各個電池組中每個電池的電壓被繪制在垂直軸上。在圖6A中， 基于標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd與測量到的電壓V之間的差來檢測拐點。標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd指的是在各個電池組中的電池電壓不波動的前提下所獲得的標(biāo)準(zhǔn)電 壓。例如，標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd為通過一次回歸計算出的值。可以在例如當(dāng)啟動燃料電池堆10時 電流密度上升的過程中計算出該值，或者可以提前測量該值。然而，在電流密度的上限和下 限附近，電池電壓可能不會相對于電流密度線性地變化。因此，可以在電池11能夠輸出的 電流密度的范圍的上端和下端中的每一個除去規(guī)定量(例如，各約為5%)的同時通過一次 回歸計算出該值。結(jié)果，能夠提高一次回歸的精度。下面提供了對計算標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd的示例的說明。首先，在等于或小于規(guī)定值的電流 密度范圍內(nèi)確定電流密度的偏差的平方和(Σ (Ii-IaJ2)。這里，Ii表示電流密度，而Iare 表示上述電流密度范圍內(nèi)的平均電流密度。接下來，確定電流密度與平均電流密度的差和 每個電池的電壓與每個電池的平均電壓的差的乘積的和(Σ (Ii-Iave) (Vi-VaJ)0這里，Vi 表示每個電池的電壓，而Vare表示上述電流密度范圍內(nèi)的平均電壓。接下來，利用下面的公 式(1)來確定回歸系數(shù)b，并且利用下面的公式(2)來確定回歸方程截距a。結(jié)果，如下面 的公式(3)所示計算標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd。b = ( Σ (Ii-Iave) (ν「ν_))/( Σ (I「Iave)2)(1)a = Vave-bXIave(2)Vstd = a+b XI(3)如圖6A所示，在超過拐點的高電流密度的一側(cè)，目標(biāo)電池組的每個電池的測量電 壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > 0。因此，測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd的差變?yōu)檎狞c能夠被檢測作為 拐點?？梢栽O(shè)定偏移量以避免測量誤差、不期望的環(huán)境變化等。例如，如圖6B所示，測量電 壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > 0并且測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > C(此處，C為規(guī)定的偏移值)的 點能夠被檢測作為拐點。下面提供了對檢測拐點的流程的說明。圖7為示出用于計算標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd的流程 圖的示例的圖?？刂蒲b置51以規(guī)定周期執(zhí)行圖7中的流程圖。如圖7所示，控制裝置51 首先判定數(shù)據(jù)是否能被使用(步驟Si)。在此情況下，隨后要說明的圖8所示的流程圖能夠 用作判斷標(biāo)準(zhǔn)。在步驟Sl中沒有判定出數(shù)據(jù)能被使用的情況下，控制裝置51結(jié)束流程圖的執(zhí)行。 在步驟Sl中已判定出數(shù)據(jù)能被使用的情況下，控制裝置51從電壓檢測裝置41獲取各個電 池組的發(fā)電電壓，同時還從電流檢測裝置42獲取發(fā)電電流(步驟S2)。接下來，控制裝置 51將發(fā)電電流數(shù)據(jù)和發(fā)電電壓數(shù)據(jù)更新為在步驟S2中獲取的值(步驟S3)。接下來，控制裝置51利用更新的數(shù)據(jù)對各個電池組進行回歸分析(單回歸)(步 驟S4)。接下來，控制裝置51計算截距a和回歸系數(shù)b (步驟S5)。接下來，控制裝置51將 截距a和回歸系數(shù)b更新為在步驟S5中計算出的值(步驟S6)。隨后，控制裝置51結(jié)束流 程圖的執(zhí)行。通過執(zhí)行該流程圖能夠為各個電池組計算出標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd。
圖8為示出圖7中的步驟Sl的判定程序的示例的圖。作為執(zhí)行圖7中的步驟Sl 的結(jié)果，執(zhí)行圖8中的流程圖。首先，控制裝置51判定異常避免措施是否正在進行(步驟
511)。異常避免措施指的是用于避免燃料電池堆10中的異常的特定措施。在步驟Sll中 判定出異常避免措施正在進行的情況下，控制裝置51判定出數(shù)據(jù)不能被使用(步驟S12)。 隨后，控制裝置51結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟Sll中沒有判定出錯誤避免措施正在進行的情況下，控制裝置51判定流過 燃料電池堆10的冷卻水的溫度是否在指定范圍內(nèi)(步驟S13)。在步驟S13中沒有判定出 冷卻水的溫度在指定范圍內(nèi)的情況下，控制裝置51判定出數(shù)據(jù)不能被使用(步驟SU)。隨 后，控制裝置51結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S13中已判定出冷卻水的溫度在指定范圍內(nèi)的情況下，控制裝置51判定電 池電壓或發(fā)電電流的加速度或減速度是否過大(在指定范圍內(nèi))(步驟S14)。在步驟S14中 已判定出加速度或減速度過大的情況下，控制裝置51判定出數(shù)據(jù)不能被使用(步驟S12)。 隨后，控制裝置51結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S14中沒有判定出加速度或減速度過大的情況下，控制裝置51判定反應(yīng)氣 體(燃料電池堆中)的壓力是否等于或大于指定值(步驟S15)。在步驟S15中沒有判定 出反應(yīng)氣體的壓力等于或大于指定值的情況下，控制裝置51判定出數(shù)據(jù)不能被使用(步驟
512)。在步驟S15中已判定出反應(yīng)氣體的壓力等于或大于指定壓力的情況下，控制裝置51 判定出數(shù)據(jù)能被使用(步驟S16)。換句話說，控制裝置51判定出應(yīng)當(dāng)避免燃料電池堆10 中的異常。隨后，控制裝置51結(jié)束流程圖的執(zhí)行。當(dāng)在圖8中的流程圖中判定出數(shù)據(jù)能被使用時，執(zhí)行圖9中的流程圖。圖9為示 出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖。判定裝置52以規(guī)定周期執(zhí)行圖9中的流程圖。更 具體地，在例如在規(guī)定量的時間已經(jīng)過后電流密度以規(guī)定量變化的情況下執(zhí)行圖9中的流 程圖。如圖9所示，判定裝置52首先在相同電流密度的條件下對目標(biāo)電池組判定測量電壓 V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > 0是否成立(步驟S21)。如果在步驟S21中沒有判定出測量電壓V-標(biāo) 準(zhǔn)電壓Vstd大于0，則判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S21中已判定出測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于0的情況下，判定裝置52判 定測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd >偏移值C是否成立(步驟S23)。在步驟S23中沒有判定出 測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于偏移值C的情況下，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步 驟S23中已判定出測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于偏移值C的情況下，判定裝置52判定出 在目標(biāo)電池組中存在異常。隨后，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。根據(jù)圖9中的流程圖，能夠為目標(biāo)電池組檢測拐點。因此，能夠精確地判定在目標(biāo) 電池組的任一電池中是否已出現(xiàn)異常。在此情況下，能夠通過切換工作條件等來抑制燃料 電池堆10的發(fā)電性能的下降。另外，還能夠通過更換目標(biāo)電池組的部件來抑制燃料電池堆 10的發(fā)電性能的下降。而且，由于即使在電池組中包括多個電池時也能夠檢測拐點，所以不 必為每個電池設(shè)置電壓檢測裝置。結(jié)果，能夠降低成本。此外，盡管在上述實施例中在測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > 0或者測量電壓V-標(biāo) 準(zhǔn)電壓Vstd > 0并且測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > C的情況下檢測到電池組的拐點，但拐點 檢測不限于此。例如，還可以在測量電壓V與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd的方差(variance)等于或大于 規(guī)定值的情況下為電池組檢測拐點為存在。
[第一變型例]此外，還可以利用標(biāo)準(zhǔn)電池組的電池電壓作為標(biāo)準(zhǔn)電壓并且利用 與這一標(biāo)準(zhǔn)電壓的關(guān)系來檢測拐點。圖10為說明利用與標(biāo)準(zhǔn)電壓的關(guān)系來檢測拐點的曲 線圖。在圖10中，電流密度被繪制在水平軸上，并且各個電池組中的每個電池的電壓被繪 制在垂直軸上。具有相對高的發(fā)電性能的電池組的電池電壓優(yōu)選地用作標(biāo)準(zhǔn)電壓。例如，具有最 大電池電壓的電池組的值可以用作標(biāo)準(zhǔn)電壓，或者具有等于或大于各個電池組中的平均電 池電壓的電池電壓的電池組的值可以用作標(biāo)準(zhǔn)電壓。另外，比其他電池組具有較少數(shù)量的 電池的電池組(例如，具有最少數(shù)量電池的電池組)的值可以用作標(biāo)準(zhǔn)電壓。而且，具有高 耐久性的電池組的值可以用作標(biāo)準(zhǔn)電壓。這里，具有高耐久性的電池組指的是抗劣化的電 池組。例如，設(shè)有含高結(jié)晶形碳的催化劑層的電池組、或者設(shè)有載有具有大顆粒直徑的鉬的 催化劑層的電池組能夠用作具有高耐久性的電池組。另外，還可以使用已提前測量的電池 組的電池電壓。此外，還可以使用在電池11能夠輸出的電流密度的范圍的上端和下端中的 每一個除去規(guī)定量(例如，各約為5% )得到的電壓值作為標(biāo)準(zhǔn)電壓。在這一變型例中，作 為示例，顯示最高電池電壓的電池組的電池電壓Vmax用作標(biāo)準(zhǔn)電壓。另外，顯示最低電池電 壓Vmin的電池組用作目標(biāo)電池組。如圖10所示，在電流密度增大時，用作標(biāo)準(zhǔn)電壓的電壓Vmax線性地下降。另外，顯 示反應(yīng)氣體在正常范圍內(nèi)波動的電池組指示接近于標(biāo)準(zhǔn)電壓的電壓。與其相比，在已經(jīng)耗 盡反應(yīng)氣體的電池組中，與標(biāo)準(zhǔn)電壓相比電池電壓下降并且出現(xiàn)拐點。在這一變型例中，利用標(biāo)準(zhǔn)電壓相對于電流密度的斜率來檢測拐點。當(dāng)電流密度 低于拐點處的電流密度時，dVmin/dI-dVmax/dI < 0。相反地，在超過拐點的高電流密度一側(cè)， dVmin/dI-dVmax/dI > 0。因此，能夠通過判定dVmin/dI-dVmax/dI是否從正值變成負值來判定 拐點的存在或不存在。在考慮測量誤差等時，在dVmin/dI_dVmax/dI >E(偏移值)的情況下， 可以判定拐點為存在。圖11為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖。判定裝置52以規(guī)定周期執(zhí)行圖 11中的流程圖。更具體地，例如在規(guī)定量的時間已經(jīng)過的情況下或者在電流密度已以規(guī)定 量變化的情況下，執(zhí)行圖11中的流程圖。如圖11所示，判定裝置52判定在相同電流密度 的條件下Vmax-Vmin > D是否成立(步驟S31)。通過以此方式為Vmax與Vmin之間的差設(shè)置規(guī) 定閾值，能夠精確地檢測出存在拐點的電池組。在步驟S31中沒有判定出Vmax-Vmin大于D的 情況下，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S31中已判定出Vmax-Vmin大于D的情況下，判定裝置52判定dVmin/dI_dVmax/ dl >偏移值E是否成立(步驟S3》。通過以此方式設(shè)置偏移值，能夠避免由測量誤差等引 起的錯誤判定。在步驟S32中沒有判定出dVmin/dI-dVmax/dI大于偏移值E的情況下，判定 裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S32中已判定出dVmin/dI-dVmax/dI大于偏移值E的情況 下，判定裝置52判定出在目標(biāo)電池組中已發(fā)生異常(步驟S3； )。隨后，判定裝置52結(jié)束流 程圖的執(zhí)行。根據(jù)圖11中的流程圖，能夠為目標(biāo)電池組檢測拐點。因此，能夠以高精度判定在 目標(biāo)電池組的任一電池中是否已經(jīng)發(fā)生異常。而且，由于即使在電池組中包括多個電池也 能夠檢測拐點，所以不必為每個電池設(shè)置電壓檢測裝置。結(jié)果，能夠降低成本。[第二變型例]這里，在各個電池組中包括的電池11的數(shù)量越大，檢測拐點越難。圖12表示在各個電池組中包括10個電池11的示例。在圖12中，電流密度被繪制在水平 軸上，并且通過使各個電池組的電池電壓除以各個電池組中包括的電池的數(shù)量所獲得的值 被繪制在垂直軸上。如圖12所示，標(biāo)準(zhǔn)電池組的標(biāo)準(zhǔn)電壓與已出現(xiàn)問題的電池組的電池電 壓之間的差變小。因此，很難檢測出拐點。因此，在這一變型例中，利用目標(biāo)電池組的發(fā)電電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓的背離率來檢測 拐點。這里，可以如下面的公式(4)所示來定義背離率。此外，在下面的公式中，在相 同電流密度的條件下使用電壓值。背離率=(標(biāo)準(zhǔn)電壓-目標(biāo)電池組的發(fā)電電壓)/標(biāo)準(zhǔn)電壓X 100% (4)圖13為示出電流密度與背離率之間的關(guān)系的曲線圖。在圖13中，電流密度被繪 制在水平軸上，并且背離率被繪制在垂直軸上。如圖13所示，在反應(yīng)氣體在正常范圍內(nèi)波 動的情況下，背離率隨著電流密度的增大而增大。與其相比較，在反應(yīng)氣體已經(jīng)耗盡的電池 組中，背離率隨著電流密度的增大而增大，然后起始于規(guī)定值處開始下降。檢測該值作為拐 點ο圖14A、圖14B和圖15為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖。判定裝置52以 規(guī)定周期執(zhí)行圖14A、圖14B和圖15中的流程圖。更具體地，在例如規(guī)定量的時間已經(jīng)過 的情況下或者在電流密度以規(guī)定量變化的情況下，執(zhí)行圖14A、圖14B和圖15中的流程圖。 如圖14A所示，判定裝置52以與圖9中的步驟S21相同的方式判定在相同電流密度的條件 下測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > 0是否成立(步驟S41)。在步驟S41中沒有判定出測量電 壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于0的情況下，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S41中已判定出測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于0的情況下，判定裝置52判 定背離率(d(Vmax-V)/dl)相對于電流密度的增大是否具有負斜率(步驟S42)。在步驟S42 中沒有判定出背離率具有負斜率的情況下，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S42中 已判定出背離率具有負斜率的情況下，判定裝置52判定出在目標(biāo)電池組的任一電池11中 已發(fā)生異常(步驟S4!3)。隨后，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。另外，如圖14B所示，判定裝置52還可以以與圖11中的步驟S31而不是圖14A中 的步驟S41相同的方式來判定Vmax-V > D是否成立(步驟S51)。另外，如圖15所示，判定裝置52可以執(zhí)行步驟S62，而不是圖14A中的步驟S42。 在步驟S62中，判定裝置52判定在目標(biāo)電池組的低電流密度區(qū)域中背離率相對于電流密度 的斜率l\。w與在目標(biāo)電池組的高電流密度區(qū)域中背離率相對于電流密度的斜率I3lligh的乘積 是否為負。在此情況下，在出現(xiàn)拐點的情況下，斜率或斜率I3mgh中的任一個為正值，并 且另一個為負值。因此，在出現(xiàn)拐點的情況下，1\。1^131^<0。此外，必要時能夠重新設(shè)定 上述低電流密度區(qū)域和高電流密度區(qū)域。根據(jù)圖14A、圖14B和圖15中的流程圖，能夠利用目標(biāo)電池組的背離率來檢測拐 點。因此，能夠以高精度判定在目標(biāo)電池組中是否已經(jīng)發(fā)生異常。而且，由于即使在電池組 中包括多個電池也能夠檢測拐點，所以不必為每個電池設(shè)置電壓檢測裝置。結(jié)果，能夠降低 成本。[第三變型例]還可以基于目標(biāo)電池組的背離率的一次回歸線的截距來判定拐點 的存在或不存在。如圖13中所說明，當(dāng)拐點存在時，背離率相對于電流密度的斜率從正變 成負。因此，當(dāng)拐點存在時，如圖16所示背離率的一次回歸線的截距變大。然后，在這一截
12距等于或大于規(guī)定值的情況下，能夠判定拐點為存在。圖17為示出用于檢測拐點的流程圖的示例的圖。判定裝置52以規(guī)定周期執(zhí)行圖 17中的流程圖。更具體地，在例如規(guī)定量的時間已經(jīng)過或者電流密度以規(guī)定量變化的情況 下執(zhí)行圖17中的流程圖。如圖17所示，判定裝置52首先以與圖9中的步驟S21相同的方 式來判定測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd > 0是否成立(步驟S71)。在步驟S71中沒有判定出 測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于0的情況下，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí)行。在步驟S71中已判定出測量電壓V-標(biāo)準(zhǔn)電壓Vstd大于0的情況下，判定裝置52判 定目標(biāo)電池組的背離率的一次回歸方程的截距^lin是否等于或大于閾值E (步驟S72)。在 步驟S72中沒有判定出截距^lin等于或大于閾值E的情況下，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí) 行。在步驟S72中已判定出截距^lin等于或大于閾值E的情況下，判定裝置52判定出在目 標(biāo)電池組的任一電池11中已經(jīng)發(fā)生異常(步驟S7!3)。隨后，判定裝置52結(jié)束流程圖的執(zhí) 行。根據(jù)圖17中的流程圖，能夠利用目標(biāo)電池組的背離率來檢測拐點。因此，能夠以 高精度檢測目標(biāo)電池組中是否已經(jīng)發(fā)生異常。而且，由于即使在電池組中包括多個電池也 能夠檢測拐點，所以不必為每個電池設(shè)置電壓檢測裝置。結(jié)果，能夠降低成本。在上述實施例和變型例中，燃料電池堆包括至少一個電池組，所述電池組包括多 個電池。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括電壓檢測裝置，其用于檢測包括一個以上電池的電池組的電池電壓；電流密度檢測裝置，其用于檢測所述電池組的發(fā)電電流密度；以及判定裝置，其用于基于所述電壓檢測裝置和所述電流密度檢測裝置的檢測結(jié)果來判定 所述電池電壓相對于所述發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述判定裝置基于在規(guī)定條件下所述電池組的所述電池電壓的一次回歸電壓與由所 述電壓檢測裝置所檢測到的所述電壓之間的差來判定所述拐點的存在或不存在。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)由所述電壓檢測裝置所檢測到的所述電壓已經(jīng)變得大于所述電池組的所述電池電 壓的所述一次回歸電壓時，所述拐點被判定為存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述電池組的所述電池電壓的所述一次回歸電壓與由所述電壓檢測裝置所檢測到 的所述電壓之間的差等于或大于規(guī)定值的情況下，所述拐點被判定為存在。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述判定裝置利用所述電池組的所述電池電壓與包括一個以上電池的標(biāo)準(zhǔn)電池組的 標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系來判定所述電池組中的所述拐點的存在或不存在。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述電池組的所述電池電壓相對于所述電流密度的斜率已經(jīng)變得比所述標(biāo)準(zhǔn)電池 組的所述標(biāo)準(zhǔn)電壓相對于所述電流密度的斜率大規(guī)定量的情況下，所述判定裝置判定所述 拐點存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述判定裝置以在相同電流密度下所述電池組的所述電池電壓與所述標(biāo)準(zhǔn)電池組的 所述標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的背離率來判定所述拐點的存在或不存在。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述背離率相對于所述電流密度的斜率已經(jīng)變?yōu)樨摰那闆r下，所述判定裝置判定所 述拐點存在。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述背離率相對于所述電流密度的回歸線的截距等于或大于規(guī)定值的情況下，所述 判定裝置判定所述拐點存在。
10.根據(jù)權(quán)利要求3至9中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述標(biāo)準(zhǔn)電池組具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電性能高的發(fā)電性能。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述標(biāo)準(zhǔn)電池組為在所述燃料電池的所述電池組中具有最高電壓的電池組。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述標(biāo)準(zhǔn)電池組為在所述燃料電池的所述電池組中具有最少數(shù)量電池的電池組。
13.根據(jù)權(quán)利要求3至12中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述標(biāo)準(zhǔn)電池組具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電耐久性高的發(fā)電耐久性。
14.根據(jù)權(quán)利要求3至13中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中與所述標(biāo)準(zhǔn)電池組相比較的電池組為在燃料電池堆中具有最低電壓的電池組。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述判定裝置判定當(dāng)滿足規(guī)定條件時要避免燃料電池中的異常，并且判定所述拐點的 存在或不存在。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述規(guī)定條件包括以下條件中的至少一個流過所述燃料電池的冷卻劑的溫度是否在 規(guī)定范圍內(nèi)、所述電池電壓或發(fā)電電流的加速度或減速度是否在規(guī)定范圍內(nèi)以及所述燃料 電池內(nèi)的反應(yīng)氣體壓力是否小于規(guī)定值。
17.一種用于檢測燃料電池的狀態(tài)的方法，包括電壓檢測步驟，其中檢測包括一個以上電池的電池組的電池電壓；電流密度檢測步驟，其中檢測所述電池組的發(fā)電電流密度；以及判定步驟，其中基于在所述電壓檢測步驟和所述電流密度檢測步驟中的檢測結(jié)果來判 定所述電池電壓相對于所述發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存在。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的狀態(tài)檢測方法，其中在所述判定步驟中，基于在規(guī)定條件下所述電池組的所述電池電壓的一次回歸電壓與 在所述電壓檢測步驟中所檢測到的所述電壓之間的差來判定所述拐點的存在或不存在。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的狀態(tài)檢測方法，其中在所述判定步驟中，利用所述電池組的所述電池電壓與包括一個以上電池的標(biāo)準(zhǔn)電池 組的標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系來判定所述電池組中的所述拐點的存在或不存在。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的狀態(tài)檢測方法，其中在所述判定步驟中，在所述電池組的所述電池電壓相對于所述電流密度的斜率已經(jīng)變 得比所述標(biāo)準(zhǔn)電池組的所述標(biāo)準(zhǔn)電壓相對于所述電流密度的斜率大規(guī)定量的情況下，所述 拐點被判定為存在。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的狀態(tài)檢測方法，其中在所述判定步驟中，以在相同電流密度下所述電池組的所述電池電壓與所述標(biāo)準(zhǔn)電池 組的所述標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的背離率來判定所述拐點的存在或不存在。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的狀態(tài)檢測方法，其中在所述判定步驟中，在所述背離率相對于所述電流密度的斜率已經(jīng)變?yōu)樨摰那闆r下， 所述拐點被判定為存在。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的狀態(tài)檢測方法，其中在所述判定步驟中，在所述背離率相對于所述電流密度的回歸線的截距等于或大于規(guī) 定值的情況下，所述拐點被判定為存在。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項所述的狀態(tài)檢測方法，其中所述標(biāo)準(zhǔn)電池組具有比燃料電池堆中的平均發(fā)電性能高的發(fā)電性能。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項所述的狀態(tài)檢測方法，其中所述標(biāo)準(zhǔn)電池組具有比 燃料電池堆中的平均發(fā)電耐久性高的發(fā)電耐久性。
26.一種燃料電池系統(tǒng)，包括電壓檢測裝置，其用于檢測包括一個以上電池的電池組的電池電壓；電流密度檢測裝置，其用于檢測所述電池組的發(fā)電電流密度；以及判定部，其用于基于所述電壓檢測裝置和所述電流密度檢測裝置的檢測結(jié)果來判定所 述電池電壓相對于所述發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存在。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)(100)，設(shè)置有電壓檢測裝置(41)，其用于檢測包括一個以上電池(11)的電池組的電池電壓；電流密度檢測裝置(42)，其用于檢測電池組的發(fā)電電流密度；以及判定部(52)，其用于基于電壓檢測裝置和電流密度檢測裝置的檢測結(jié)果來判定電池電壓相對于發(fā)電電流密度的變化的拐點的存在或不存在。
文檔編號H01M8/04GK102124597SQ200980132419
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月20日
發(fā)明者荒木康 申請人:豐田自動車株式會社