專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
燃料電池系統(tǒng)技術(shù)區(qū)域本發(fā)明涉及例如使用了固體高分子型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及能夠檢測固體高分子型燃料電池中的交叉泄漏的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以往，作為能夠檢測電解質(zhì)膜的交叉泄漏的燃料電池系統(tǒng)，存在專利文獻(xiàn)I所記載的結(jié)構(gòu)。專利文獻(xiàn)I所記載的燃料電池系統(tǒng)使運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的負(fù)極(anode)氣體的壓力高于正極(cathode)氣體的壓力，基于此時(shí)的活化過電壓(Activation Overpotential)區(qū)域的電壓降來檢測交叉泄漏。這種交叉泄漏的檢測的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在燃料電池運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行診斷。專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-45466號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述專利文獻(xiàn)I所記載的燃料電池系統(tǒng)中，使從負(fù)極交叉泄漏到正極的氫與正極中的氧發(fā)生反應(yīng)來檢測交叉泄漏。因此，存在以下情況:當(dāng)正極的催化劑劣化時(shí)，難以使交叉泄漏來的氫與正極中的氧發(fā)生反應(yīng)，從而不能正確地檢測交叉泄漏。本發(fā)明是鑒于這種現(xiàn)有技術(shù)所具有的問題而完成的。而且，其目的在于提供一種不依賴于電極的催化劑活性而即使在催化劑劣化的情況下也能夠可靠地診斷交叉泄漏的燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明的第一方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具有:燃料電池堆，其是層疊多個(gè)燃料電池單體(unit cell)而得到的,該燃料電池單體通過向負(fù)極供給氫氣、向正極供給空氣來進(jìn)行發(fā)電；電壓施加裝置，其在正極中存在的氧降低之后對燃料電池堆施加電壓；以及交叉泄漏診斷裝置，其基于由電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極的氫氣是否交叉泄漏到正極。本發(fā)明的第二方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具有:燃料電池堆，其是層疊多個(gè)燃料電池單體而得到的，該燃料電池單體通過向負(fù)極供給氫氣、向正極供給空氣來進(jìn)行發(fā)電；電壓施加裝置，其在判斷為燃料電池單體的電壓變?yōu)橐?guī)定的基準(zhǔn)值以下之后，對燃料電池堆施加電壓；以及交叉泄漏診斷裝置，其基于由電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極的氫氣是否交叉泄漏到正極。本發(fā)明的第三方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的診斷方法的特征在于，包括以下步驟:準(zhǔn)備層疊了多個(gè)燃料電池單體而得到的燃料電池堆，該燃料電池單體通過向負(fù)極供給氫氣、向正極供給空氣來進(jìn)行發(fā)電；在正極中存在的氧降低之后對燃料電池堆施加電壓；以及在電壓施加步驟之后，基于對燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極的氫氣是否交叉泄漏到正極。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的概要圖。圖2是上述燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆的截面圖。圖3是表示上述燃料電池系統(tǒng)中診斷交叉泄漏時(shí)的時(shí)序的流程圖。圖4的(A) (D)是與上述流程圖的步驟對應(yīng)的時(shí)間圖。圖5是表示對由多個(gè)燃料電池單體構(gòu)成的燃料電池堆施加作為目標(biāo)的堆電壓時(shí)的各燃料電池單體的電壓的圖表。
具體實(shí)施例方式下面，使用附圖來詳細(xì)地說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。此外，有時(shí)為了便于說明而放大了附圖的尺寸比例，與實(shí)際的比例不同。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)I具備燃料電池堆10作為主要的硬件結(jié)構(gòu)。并且，作為氫系統(tǒng)部件，具備氫罐20、減壓閥21、流量控制器22、三通閥23、24以及壓力傳感器25。另外，作為空氣系統(tǒng)部件，具備空氣過濾器100和壓縮機(jī)30。除此以外，還具備馬達(dá)等負(fù)載40、電池50、功率管理器60、電壓計(jì)70、再循環(huán)壓縮機(jī)80、氫消耗裝置90等以及控制單元C。燃料電池堆10是層疊多個(gè)燃料電池單體11而成的。如圖2所示，燃料電池單體11具備固體高分子電解質(zhì)膜12，并且在固體高分子電解質(zhì)膜12的一個(gè)面上層疊正極13，在另一個(gè)面上層疊負(fù)極14。另外，隔開所需間隔地在正極13上配置隔板15，在負(fù)極14上配置隔板16。此外，以下將固體高分子電解質(zhì)膜也僅稱為“電解質(zhì)膜”，將燃料電池單體也僅稱為“單體”。固體高分子電解質(zhì)膜12例如是由全氟磺酸聚合物(Perfluorosulfonic acidpolymer)(例如Nafion (注冊商標(biāo)))等固體聚合物離子交換膜等構(gòu)成的。另外，在正極13與隔板15之間形成有正極氣體流路17。并且，在負(fù)極14和隔板16之間形成有負(fù)極氣體流路18。此外，在本實(shí)施方式中，作為“負(fù)極氣體”，以“氫氣”為例，作為“正極氣體”，以“空氣”為例來進(jìn)行說明，但是并不限定于此。另外，燃料電池堆10的兩端如圖1所示那樣被負(fù)極側(cè)集電板19a和正極側(cè)集電板19b夾持。而且,從負(fù)極側(cè)集電板19a和正極側(cè)集電板19b向負(fù)載40供給電力。在燃料電池單體11中，在負(fù)極14中通過催化劑反應(yīng)而產(chǎn)生的質(zhì)子在電解質(zhì)膜12中移動而到達(dá)正極13，在該正極13中與正極氣體中的氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行發(fā)電。而且，如圖2所示，在本實(shí)施方式中，各燃料電池單體11的隔板15、16上連接有多個(gè)用于檢測各單體11的輸出電壓的燃料電池電壓傳感器VI。而且，這些燃料電池電壓傳感器Vl分別連接在控制單元C的輸入側(cè)。此外，在圖1中未對燃料電池電壓傳感器Vl進(jìn)行圖示。在本實(shí)施方式中，示出了對每個(gè)燃料電池單體11都安裝了燃料電池電壓傳感器Vl以提高檢測精度的例子。但是，也可以構(gòu)成為例如對相鄰的每兩個(gè)燃料電池單體11、11安裝一個(gè)燃料電池電壓傳感器Vl的結(jié)構(gòu)。另外，還可以構(gòu)成為對相鄰的每三個(gè)燃料電池單體11安裝一個(gè)燃料電池電壓傳感器Vl的結(jié)構(gòu)。此外，為了易于說明，在圖2中示出了對每個(gè)單體11安裝的三個(gè)燃料電池電壓傳感器VI。此外，在本實(shí)施方式中，將對各燃料電池單體11分別連接燃料電池電壓傳感器Vl的方式、對每兩個(gè)以上的燃料電池單體11連接一個(gè)燃料電池電壓傳感器Vl的方式稱為“組連接”。另外，將進(jìn)行“組連接”的一個(gè)或者兩個(gè)以上的燃料電池單體11稱為“燃料電池組”。氫罐20儲存用于向燃料電池堆10供給所需量的高壓氫氣。而且，如圖1所示，在該氫罐20與燃料電池堆10的氣體接入部(未圖示)之間連接有氣體供給管20a。在氣體供給管20a上從上游側(cè)向下游側(cè)依次配置有用于對在該氣體供給管20a內(nèi)部流通的氫氣進(jìn)行減壓的減壓閥21、用于增減氫氣的流量的流量控制器22、三通閥23以及壓力傳感器25。而且，減壓閥21和流量控制器22與控制單元C的輸出側(cè)相連接而被其驅(qū)動。另外，壓力傳感器25與控制單元C的輸入側(cè)相連接。氫消耗裝置90經(jīng)由氣體排出管20b與燃料電池堆10的氣體排出部(未圖示)相連接。該氫消耗裝置90具備消耗氫氣的催化劑等。向氫消耗裝置90供給從燃料電池堆10的正極13排出的排出氣體，通過利用該排出氣體將氫氣氧化來將不包含氫氣的氣體從本系統(tǒng)I排出到系統(tǒng)外。在氣體排出管20b上配置有三通閥24，在三通閥24與氣體供給管20a的三通閥23之間配置有用于使排出氣體返回、循環(huán)的氣體循環(huán)管20c。此外，三通閥23、24與控制單元C的輸出側(cè)相連接，被其驅(qū)動以切換流路。在氣體循環(huán)管20c上配置有再循環(huán)壓縮機(jī)80，該再循環(huán)壓縮機(jī)80用于將被排出到氣體排出管20b的排出氣體加壓輸送至氣體供給管20a。再循環(huán)壓縮機(jī)80與控制單元C的輸出側(cè)相連接而被其控制。即，通過再循環(huán)壓縮機(jī)80使燃料電池堆10中未被使用的氫氣經(jīng)由三通閥24、氣體循環(huán)管20c、三通閥23、氣體供給管20a返回至燃料電池堆10，進(jìn)行循環(huán)。此外，有時(shí)在從燃料電池堆10排出的氫氣中會混入較多從正極13側(cè)透過電解質(zhì)膜12的空氣中的氮?dú)?。在這種情況下，通過三通閥24使從燃料電池堆10排出的氫氣從氣體排出管20b輸送至氫消耗裝置90?？諝膺^濾器100用于去除大氣中的雜質(zhì)。而且，在空氣過濾器100與燃料電池堆10的空氣接入部(未圖示)之間連接有正極氣體供給管100a。在正極氣體供給管IOOa上配置有壓縮機(jī)30，該壓縮機(jī)30用于將通過空氣過濾器100取入的空氣加壓輸送至燃料電池堆10。而且，壓縮機(jī)30與控制單元C的輸出側(cè)相連接而被其控制。另外，燃料電池堆10的空氣排出部(未圖示)經(jīng)由正極氣體排出管IOOb與氫消耗裝置90相連接。另外，燃料電池堆10經(jīng)由負(fù)極側(cè)集電板19a和正極側(cè)集電板19b連接有布線41、42，并且在布線41、42上連接有負(fù)載40、電池50、功率管理器60以及電壓計(jì)70。電池50是能夠蓄積通過燃料電池堆10發(fā)電而得到的電力的一部分(剩余電力)的二次電池。而且，電池50與用于升降電池50的電壓的功率管理器60相連接。另外，功率管理器60經(jīng)由接通/斷開開關(guān)61與布線41、42連接或從布線41、42斷開。并且，負(fù)載40也通過接通/斷開開關(guān)43與布線41、42連接或從布線41、42斷開。另外，在布線42上配置有用于防止電流的反向流動的反向流動防止二極管45，并且在反向流動防止二極管45上并聯(lián)連接有接通/斷開開關(guān)46。由此，形成也能夠使電流反向流動的結(jié)構(gòu)。這些接通/斷開開關(guān)43、46、61與控制單元C的輸出側(cè)相連接，能夠在連接和斷開之間適當(dāng)?shù)厍袚Q。電壓計(jì)70連接于布線41、42之間，用于對由電池50施加的電壓或者燃料電池堆10所產(chǎn)生的發(fā)電電壓進(jìn)行檢測。此外，電壓計(jì)70也與控制單元C的輸入側(cè)相連接?？刂茊卧狢具有由CPU (Central Processing Unit:中央處理器)和接口電路等構(gòu)成的控制器以及由硬件和半導(dǎo)體存儲器等構(gòu)成的存儲部(都未圖示)。而且，通過執(zhí)行該存儲部中存儲的本系統(tǒng)所使用的程序，來發(fā)揮下述(I) (12)的各功能。(I)增減向燃料電池堆10供給的負(fù)極氣體的供給壓力。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“氫氣壓力增減裝置Cl”。在本實(shí)施方式中，通過減壓閥21來增減負(fù)極氣體的供給壓力。具體地說，基于利用壓力傳感器25檢測出的壓力，以高于大氣壓的壓力來加壓輸送負(fù)極氣體。(2)增減向燃料電池堆10供給的正極氣體的供給壓力。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“空氣壓力增減裝置C2”。在本實(shí)施方式中，通過壓縮機(jī)30來增減正極氣體的供給壓力。(3)僅停止供給到燃料電池單體11的負(fù)極14和正極13的負(fù)極氣體和正極氣體中的正極氣體的供給。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“空氣供給停止裝置C3”。能夠通過使燃料電池單體11的負(fù)極14和正極13分別同時(shí)流通負(fù)極氣體和正極氣體，來在燃料電池單體11中進(jìn)行發(fā)電。而且,在本實(shí)施方式中,通過使壓縮機(jī)30停止來停止正極氣體的供給。(4)通過燃料電池電壓傳感器Vl來檢測組連接的燃料電池單體11中的一個(gè)或者二個(gè)以上燃料電池單體11的電壓。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“燃料電池組電壓檢測裝置C4”。在本實(shí)施方式中，如上所述，通過對每個(gè)燃料電池單體11配置的燃料電池電壓傳感器Vl來檢測各燃料電池單體11的電壓。(5)在停止正極氣體的供給之后，判斷各燃料電池組的電壓是否變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“第二燃料電池電壓判斷裝置C5”。在本實(shí)施方式中，由連接在燃料電池電壓傳感器Vl上的控制單元C來判斷各燃料電池組的電壓是否變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下。此外，本實(shí)施方式中的“第二基準(zhǔn)值”是指以下的值:當(dāng)在燃料電池堆10與負(fù)載40相連接的狀態(tài)下變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下時(shí)，認(rèn)為正極中幾乎未殘留氧。(6)在判斷為各燃料電池組的電壓變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下時(shí)，將負(fù)載40從燃料電池堆10切斷。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“負(fù)載切斷裝置C6”。在本實(shí)施方式中，通過將接通/斷開開關(guān)43斷開，來將負(fù)載40從燃料電池堆10切斷。(7)判斷各燃料電池組的電壓是否變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下的功能。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“第三燃料電池電壓判斷裝置C7”。在本實(shí)施方式中，由連接在燃料電池電壓傳感器Vl上的控制單元C來判斷各燃料電池組的電壓是否變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下。此外，本實(shí)施方式中所示的“第三基準(zhǔn)值”是指以下的值:當(dāng)在將負(fù)載40從燃料電池堆10切斷的狀態(tài)下變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下時(shí)，認(rèn)為正極處于氮環(huán)境。此外，第三基準(zhǔn)值是比第二基準(zhǔn)值高的值。
(8)在判斷為各燃料電池組的電壓變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下時(shí)，將電池50與燃料電池堆10相連接。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“電池連接裝置CS”。具體地說，通過將接通/斷開開關(guān)46,61接通，來使電池50與燃料電池堆10相連接。(9)在正極13存在的氧降低之后對燃料電池堆10施加電壓。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“電壓施加裝置C9”。具體地說，在判斷為各燃料電池組的電壓變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下時(shí)，將堆電壓施加到燃料電池堆10。另外，通過功率管理器60來使堆電壓隨時(shí)間增加以變?yōu)橐?guī)定的電壓值?？紤]燃料電池組的電壓值的采樣間隔來設(shè)定此時(shí)的電壓梯度。(10)判斷是否所有的燃料電池組的電壓都處于第四基準(zhǔn)值以下。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“第四燃料電池電壓判斷裝置C10”。在本實(shí)施方式中，由連接在燃料電池電壓傳感器Vl上的控制單元C來判斷各燃料電池組的電壓是否變?yōu)榈谒幕鶞?zhǔn)值以下。本實(shí)施方式的“第四基準(zhǔn)值”是指以下的值:當(dāng)在將負(fù)載40從燃料電池堆10切斷并將堆電壓施加到燃料電池堆10的狀態(tài)下處于第四基準(zhǔn)值以下時(shí)，認(rèn)為正極中未殘留氧。(11)在判斷為所有的燃料電池組的電壓都處于第四基準(zhǔn)值以下時(shí)，判斷堆電壓是否變?yōu)橐?guī)定的堆電壓值以上。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“堆電壓判斷裝置C11”?！耙?guī)定的堆電壓值”是與所有的燃料電池組的電壓相當(dāng)?shù)闹怠?12)基于利用電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極的氫氣是否交叉泄漏到正極。將發(fā)揮該功能的裝置稱為“交叉泄漏診斷裝置C12”。在本實(shí)施方式中，基于檢測出的各燃料電池單體11的電壓，由連接在燃料電池電壓傳感器Vl上的控制單元C來診斷各燃料電池單體11的交叉泄漏。具體地說，當(dāng)有燃料電池電壓傳感器Vl測量出的燃料電池單體的電壓低于第一基準(zhǔn)值時(shí)，診斷為該單體的負(fù)極的氫氣交叉泄漏到了正極。此外，“第一基準(zhǔn)值”是指與電解質(zhì)膜上開了孔的情況對應(yīng)的燃料電池單體的電壓的閾值。而且，當(dāng)檢測出的燃料電池單體的電壓低于該閾值時(shí)，診斷為燃料電池單體發(fā)生了交叉泄漏。參照圖3和圖4來說明包括以上的結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)I的動作。圖3是表示本系統(tǒng)I的診斷交叉泄漏時(shí)的時(shí)序的流程圖。而且，圖4的(A) (D)是分別與流程圖的步驟對應(yīng)的時(shí)間圖。具體地說，圖4的(A)表示化學(xué)計(jì)量比(Stoichiometric Ratio)與時(shí)間之間的關(guān)系，圖4的⑶表示燃料電池堆的電流密度與時(shí)間之間的關(guān)系，圖4的(C)表示堆電壓與時(shí)間之間的關(guān)系，圖4的(D)表示燃料電池單體的電壓與時(shí)間之間的關(guān)系。此外，在燃料電池系統(tǒng)I運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，接通/斷開開關(guān)43為接通，接通/斷開開關(guān)46、61均為斷開。即，處于由燃料電池堆10對負(fù)載40進(jìn)行驅(qū)動、未與電池50電連接的狀態(tài)。此時(shí)，壓縮機(jī)30和再循環(huán)壓縮機(jī)80均處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。而且，處于在氫氣和空氣均為150kPa的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。當(dāng)控制單元C檢測到燃料電池系統(tǒng)I的停止信號時(shí)，轉(zhuǎn)移至交叉泄漏診斷處理。[步驟SI]停止壓縮機(jī)30，進(jìn)入步驟S2。當(dāng)負(fù)載40與燃料電池堆10相連接時(shí)，利用燃料電池單體來進(jìn)行發(fā)電從而取出電流，由燃料電池電壓傳感器Vl來檢測燃料電池單體中的發(fā)電電壓。但是，當(dāng)如圖4的(A)的標(biāo)記a那樣壓縮機(jī)30停止而停止空氣的供給時(shí)，如圖4的(C)和⑶所示，由于正極的氧消耗而發(fā)電電壓降低，燃料電池單體的電壓變小。[步驟S2]判斷由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的電壓是否為第二基準(zhǔn)值(例如0.2V)以下，當(dāng)判斷為該電壓為第二基準(zhǔn)值以下時(shí)進(jìn)入步驟S3，否則重復(fù)步驟S2。具體地說，在如圖4的(D)的標(biāo)記e所示那樣由于空氣的供給停止而單體的電壓下降、從而判斷為由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的電壓為第二基準(zhǔn)值0.2V以下的情況下，進(jìn)入步驟S3。但是，在超過
0.2V的情況下重復(fù)步驟S2。在本實(shí)施方式中，利用多個(gè)燃料電池單體的電壓中的最大值來進(jìn)行判斷。但是，并不限定于此，可以利用由多個(gè)燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的燃料電池單體的電壓中的最小電壓或者平均值來進(jìn)行判斷。[步驟S3]在由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的燃料電池單體的電壓的最大值低于第二基準(zhǔn)值的情況下，將接通/斷開開關(guān)43斷開，來將負(fù)載40與燃料電池堆10分離。在這種情況下，如圖4的⑶的標(biāo)記b所示，燃料電池堆10的電流密度下降到OAcm-2。此外，通過在將負(fù)載40與燃料電池堆10分離之前取出電流，正極的氧幾乎都被消耗。但是，實(shí)際上略微殘留一些氧，因此當(dāng)將負(fù)載40與燃料電池堆10分離時(shí)，由于負(fù)極與正極之間的電位差，如圖4的(C)和⑶所示，燃料電池單體的電壓暫時(shí)上升。之后，當(dāng)殘留于正極的氧與從負(fù)極透過電解質(zhì)膜12的氫發(fā)生反應(yīng)而消耗正極的氧時(shí)，燃料電池單體的電壓逐漸變小。[步驟S4]在負(fù)載40被分離的狀態(tài)下，判斷通過燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的燃料電池單體的電壓是否低于第三基準(zhǔn)值(例如0.6V)。具體地說，如圖4的(D)的標(biāo)記f所示，暫時(shí)上升的燃料電池單體的電壓下降，判斷其結(jié)果是否低于作為第三基準(zhǔn)值0.6V。在該步驟中，也與上述步驟S2同樣地能夠使用由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的多個(gè)燃料電池單體的電壓中的最大值、最小值、平均值等。但是，在本實(shí)施方式中，為了更加可靠地使氧被消耗，設(shè)在由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的電壓的最大值低于第三基準(zhǔn)值時(shí)進(jìn)入步驟S5。[步驟S5]將接通/斷開開關(guān)46、61接通，進(jìn)入步驟S6。[步驟S6]通過功率管理器60對燃料電池堆10逐漸施加電壓(參照圖4的(C)的標(biāo)記c)。逐漸施加電壓的理由在于，防止誤對一個(gè)燃料電池單體施加大電壓。[步驟S7]判斷是否通過燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的所有電壓均處于第四基準(zhǔn)值(例如1.0V)以下，在判斷為由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的所有電壓都為第四基準(zhǔn)值以下的情況下，進(jìn)入步驟S8。但是，在判斷為由燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的所有電壓超過了第四基準(zhǔn)值的情況下，進(jìn)入步驟S11，結(jié)束交叉泄漏的診斷處理。具體地說，判斷是否如圖4的(D)的標(biāo)記g所示那樣、由燃料電池單體的燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的所有電壓均為第四基準(zhǔn)值1.0V以下。在超過第四基準(zhǔn)值的燃料電池單體11存在的情況下，表示在該燃料電池單體11的正極處殘留有氧。這是由于，當(dāng)持續(xù)施加堆電壓時(shí)，正極的催化劑層發(fā)生腐蝕反應(yīng)，例如作為構(gòu)成催化劑的導(dǎo)電性載體的碳發(fā)生氧化。[步驟S8]判斷燃料電池堆10的電壓是否達(dá)到目標(biāo)的堆電壓，若判斷為電壓達(dá)到目標(biāo)的堆電壓則進(jìn)入步驟S9，否則返回至步驟S6，進(jìn)一步使施加電壓上升。S卩，如圖4的(C)的標(biāo)記d所示，在步驟S6至步驟S8中對施加于燃料電池堆10的施加電壓賦予梯度。此外，在此施加的目標(biāo)的堆電壓是指使堆電壓除以燃料電池單體的數(shù)量后得到的平均的燃料電池單體的電壓，為0.2V以上的值。這是由于，為了進(jìn)行交叉泄漏的診斷，必須產(chǎn)生后述的式(I)所示的氧化劑極的氫氧化反應(yīng)，為此雖然根據(jù)條件不同而不同，但是一般必須使每個(gè)燃料電池單體平均為0.2V以上。在本實(shí)施例中，施加使每個(gè)燃料電池單體平均為0.5V的電壓。[步驟S9]在施加作為目標(biāo)的堆電壓之后，進(jìn)行交叉泄漏的診斷。此時(shí)，在判斷為如圖4的(D)的標(biāo)記h所示那樣通過燃料電池電壓傳感器Vl檢測出的燃料電池單體的電壓為第一基準(zhǔn)值以下的情況下，能夠診斷為在檢測出該電壓的燃料電池單體中存在交叉泄漏的可能性。即，能夠診斷為存在電解質(zhì)膜發(fā)生損傷、負(fù)極氣體(燃料氣體)向正極(氧化劑極)泄漏的可能性。此外，能夠?qū)⒃摰谝换鶞?zhǔn)值例如設(shè)為0.3V。[步驟S10]結(jié)束交叉泄漏的診斷。圖5是表示對層疊多個(gè)燃料電池單體而成的燃料電池堆施加作為目標(biāo)的堆電壓時(shí)的各燃料電池單體的電壓的圖表。具體地說，首先，對一百塊燃料電池單體11的每一個(gè)附加編號之后將其層疊，來制作燃料電池堆10。之后，利用燃料電池電壓傳感器Vl來測量對該燃料電池堆10施加50V的堆電壓時(shí)的各燃料電池單體的電壓。圖5中示出了此時(shí)的各燃料電池單體的電壓。從圖5來看明確可知，確定出了一個(gè)0.3V以下的燃料電池單體11，能夠判斷為該燃料電池單體11發(fā)生了交叉泄漏。此外，也能夠事先將使燃料電池單體的電壓與交叉泄漏量相對應(yīng)的查找表存儲在控制單元C的存儲部中，通過參照該查找表來基于燃料電池單體的電壓計(jì)算出交叉泄漏量。在此，對以下的機(jī)理進(jìn)行說明:在上述步驟S9中，當(dāng)各燃料電池單體11的電壓低時(shí)，發(fā)生交叉泄漏。在步驟SI至步驟S4中進(jìn)行的是:消耗存在于正極(氧化劑極)的氧來使其降低，來形成氮環(huán)境。然后，在正極確實(shí)為氮的情況下，燃料電池電壓傳感器Vl為第三基準(zhǔn)值以下，因此能夠在該狀態(tài)下從電池50對燃料電池堆10施加電壓。此時(shí)，在所層疊的所有燃料電池單體11中，如式(I)所示，透過電解質(zhì)膜12的氫發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化劑極:H2— 2H++2e、..(I)上述反應(yīng)在所層疊的所有燃料電池單體11中發(fā)生，另外，由于相層疊，因此在所有燃料電池單體11中電流值和反應(yīng)速度是相同的。但是，當(dāng)發(fā)生交叉泄漏時(shí)，由于正極處氫增加而在較小的過電壓下發(fā)生反應(yīng)，因此作為結(jié)果是發(fā)生交叉泄漏的燃料電池單體11的電壓變小。根據(jù)上述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)，能夠得到以下效果。(I)能夠不依賴于催化劑活性而即使在催化劑劣化的情況下也可靠地診斷交叉泄漏。(2)在從供給負(fù)極氣體和正極氣體來取出電流的發(fā)電狀態(tài)起停止系統(tǒng)之前，首先停止正極氣體的供給，進(jìn)行電流的取出。因此，能夠迅速且充分地消耗正極側(cè)中殘留的氧。(3)而且，在停止正極氣體的供給之后，若燃料電池組的電壓低于第二基準(zhǔn)值則停止電流的取出。即，如果構(gòu)成燃料電池堆的燃料電池單體的電壓未變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下，則表示有可能在正極側(cè)殘留有較多氧。而且，在此時(shí)對燃料電池單體施加電壓的情況下，存在引起碳劣化的可能性。因此，在本實(shí)施方式中，在低于第二基準(zhǔn)值的情況下停止電流的取出，因此能夠防止碳劣化的產(chǎn)生。(4)而且，如果某個(gè)燃料電池組的電壓變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下，則由電池來施加規(guī)定的堆電壓。在此，在不取出電流的狀態(tài)下變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下時(shí)，正極為氮環(huán)境。在該狀態(tài)下，通過施加規(guī)定的堆電壓，發(fā)生交叉泄漏的燃料電池單體的電壓下降，未發(fā)生交叉泄漏的燃料電池單體的電壓升高。通過這樣，無需使各燃料電池單體劣化就能夠檢測交叉泄漏(5)在施加規(guī)定的堆電壓時(shí)檢測到燃料電池組中有電壓超出第四基準(zhǔn)值的燃料電池組的情況下，表示正極處殘留有氧，其結(jié)果，存在正極發(fā)生腐蝕、催化劑發(fā)生溶解的可能性。在這種情況下，通過中止電壓施加，能夠防止正極的腐蝕、催化劑的溶解。(6)在施加規(guī)定的堆電壓時(shí)，由于賦予規(guī)定的電壓梯度，施加電壓后的各燃料電池單體的電壓變化變慢，從而能夠判斷燃料電池單體的電壓是否超過了規(guī)定的電壓。除此之夕卜，由于使充電電流流向雙電層，因此即使正極處殘留有氧，也緩解了流向雙電層的電流量的劣化。(7)通過增減向燃料電池單元供給的負(fù)極氣體的供給壓力的氫氣壓力增減裝置，以高于大氣壓的壓力來加壓輸送負(fù)極氣體，由此能夠使負(fù)極氣體的壓力高于大氣壓。因此，交叉泄漏量增加，從而能夠大幅度縮短檢測交叉泄漏所需的時(shí)間。(8)通過計(jì)算各燃料電池單體中的交叉泄漏量，能夠判斷電解質(zhì)膜的劣化程度。因此，能夠在例如在電解質(zhì)膜上生成孔之前更換燃料電池單體，或者以不再增加交叉泄漏量的方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，能夠進(jìn)行如下變形。即，在上述實(shí)施方式中，以對各燃料電池單體分別連接燃料電池電壓傳感器為例進(jìn)行了說明。但是，對多個(gè)燃料電池單體中的配置在易于產(chǎn)生交叉泄漏的層疊范圍處的燃料電池單體的每個(gè)燃料電池單體連接燃料電池電壓傳感器。而且，對配置在其它層疊范圍處的燃料電池單體的每兩個(gè)以上的燃料電池單體連接燃料電池電壓傳感器。在這種情況下，能夠保持交叉泄漏量的計(jì)算精度，并且實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的成本削減。另外，在上述實(shí)施方式中，通過消耗存在于正極的氧來使存在于正極的氧降低。但是，也可以不消耗而是注入例如氮?dú)獾榷栊詺怏w來降低氧。在此引用日本特愿2010-238240號(申請日:2010年10月25日)和日本特愿2011-190503號(申請日:2011年9月I日)的全部內(nèi)容。以上，按實(shí)施例說明了本發(fā)明的內(nèi)容，但是本發(fā)明并不限定于這些記載，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，能夠進(jìn)行各種變形和改良是顯而易見的。產(chǎn)業(yè)h的可利用件根據(jù)本發(fā)明，能夠不依賴于催化劑活性而即使在催化劑劣化的情況下也可靠地診斷交叉泄漏。附圖標(biāo)記說明1:燃料電池系統(tǒng)；10:燃料電池堆；11:燃料電池單體；13:正極；14:負(fù)極；40:負(fù)載；c:控制單元；C1:氫氣壓力增減裝置(氫氣壓力增減部件)；C2:空氣壓力增減裝置(空氣壓力增減部件)；C3:空氣供給停止裝置(空氣供給停止部件)；C4:燃料電池組電壓檢測裝置(燃料電池組電壓檢測部件)；C5:第二燃料電池電壓判斷裝置(第二燃料電池電壓判斷部件)；C6:負(fù)載切斷裝置(負(fù)載切斷部件)；C7:第三燃料電池電壓判斷裝置(第三燃料電池電壓判斷部件)；C8:電池連接裝置(電池連接部件)；C9:電壓施加裝置(電壓施加部件)；C10:第四燃料電池電壓判斷裝置(第四燃料電池電壓判斷部件)；C11:堆電壓判斷裝置(堆電壓判斷部件)；C12:交叉泄漏診斷裝置(交叉泄漏診斷部件)；V1:燃料電池電壓傳感器。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備: 燃料電池堆，其是層疊多個(gè)燃料電池單體而得到的，該燃料電池單體通過向負(fù)極供給氫氣、向正極供給空氣來進(jìn)行發(fā)電； 電壓施加裝置，其在上述正極中存在的氧降低之后對上述燃料電池堆施加電壓；以及 交叉泄漏診斷裝置，其基于由上述電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極的氫氣是否交叉泄漏到正極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 在對上述燃料電池堆施加了電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓為第一基準(zhǔn)值以下的情況下，上述交叉泄漏診斷裝置診斷為燃料電池單體中發(fā)生了交叉泄漏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具備: 空氣供給停止裝置，其根據(jù)上述燃料電池堆的發(fā)電狀態(tài)來停止向燃料電池單體的正極供給空氣；以及 第二燃料電池電壓判斷裝置，其在由上述空氣供給停止裝置停止空氣的供給之后，判斷燃料電池單體的電壓是否變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下， 其中，在上述第二燃料電池電壓判斷裝置判斷為燃料電池單體的電壓變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下時(shí)，上述電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具備: 負(fù)載切斷裝置，其在由上述第二燃料電池電壓判斷裝置判斷為燃料電池單體的電壓變?yōu)榈诙鶞?zhǔn)值以下時(shí)，將負(fù)載從燃料電池堆切斷；以及 第三燃料電池電壓判斷裝置，其在由上述負(fù)載切斷裝置將負(fù)載從燃料電池堆切斷之后，判斷燃料電池單體的電壓是否變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下， 其中，在上述第三燃料電池電壓判斷裝置判斷為燃料電池單體的電壓變?yōu)榈谌鶞?zhǔn)值以下時(shí)，上述電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 還具備第四燃料電池電壓判斷裝置，該第四燃料電池電壓判斷裝置判斷在由上述電壓施加裝置對燃料電池堆施加了電壓時(shí)是否所有的燃料電池單體的電壓都處于第四基準(zhǔn)值以下， 在上述第四燃料電池電壓判斷裝置判斷為不是所有的燃料電池單體的電壓都處于第四基準(zhǔn)值以下時(shí)，上述電壓施加裝置中止對燃料電池堆施加電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述電壓施加裝置使施加于燃料電池堆的電壓隨時(shí)間增加，以達(dá)到規(guī)定的電壓值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 還具備氫氣壓力增減裝置，該氫氣壓力增減裝置增減向燃料電池單體的負(fù)極供給的氫氣的供給壓力， 上述氫氣壓力增減裝置以高于大氣壓的壓力來加壓輸送氫氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 還具備堆電壓判斷裝置，該堆電壓判斷裝置判斷在由上述電壓施加裝置對燃料電池堆施加了電壓時(shí)燃料電池堆的電壓是否變?yōu)橐?guī)定值以上， 在上述堆電壓判斷裝置判斷為燃料電池堆的電壓變?yōu)橐?guī)定值以上時(shí)，上述交叉泄漏診斷裝置診斷各燃料電池單體中的交叉泄漏。
9.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有: 燃料電池堆，其是層疊多個(gè)燃料電池單體而得到的，該燃料電池單體通過向負(fù)極供給氫氣、向正極供給空氣來進(jìn)行發(fā)電； 電壓施加裝置，其在判斷為上述燃料電池單體的電壓變?yōu)橐?guī)定的基準(zhǔn)值以下之后對燃料電池堆施加電壓；以及 交叉泄漏診斷裝置，其基于由上述電壓施加裝置對燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極的氫氣是否交叉泄漏到正極。
10.一種燃料電池系統(tǒng)的診斷方法，其特征在于，包括以下步驟: 準(zhǔn)備層疊了多個(gè)燃料電池單體而得到的燃料電池堆，該燃料電池單體通過向負(fù)極供給氫氣、向正極供給空氣來進(jìn)行發(fā)電； 在上述正極中存在的氧降低之后對上述燃料電池堆施加電壓；以及在上述電壓施加步驟之后，基于對上述燃料電池堆施加電壓時(shí)的燃料電池單體的電壓，來診斷各燃料電池單體中負(fù)極 的氫氣是否交叉泄漏到正極。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)(1)具有燃料電池堆(10)，該燃料電池堆(10)是層疊多個(gè)燃料電池單體(11)而得到的，該燃料電池單體(11)通過向負(fù)極(14)供給氫氣、向正極(13)供給空氣來進(jìn)行發(fā)電。另外，具有電壓施加裝置(C9)，該電壓施加裝置(C9)在正極(13)存在的氧降低之后對燃料電池堆(10)施加電壓。還具有交叉泄漏診斷裝置(C12)，該交叉泄漏診斷裝置(C12)基于利用電壓施加裝置(C9)對燃料電池堆(10)施加電壓時(shí)的燃料電池單體(11)的電壓，來診斷各燃料電池單體(11)中負(fù)極(14)的氫氣是否交叉泄漏到正極(13)。
文檔編號H01M8/10GK103155254SQ20118004901
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者高市哲, 牧野真一 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社