漏氣檢測裝置及其方法
2023-05-18 00:45:51
專利名稱：漏氣檢測裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統，特別涉及從氫罐主閥漏氣的檢測技術。
背景技術：
在以往的燃料電池系統中，開發了檢測作為燃料氣體的氫氣的洩漏的技術。例如，在日本專利文獻特開2002-151126號公報中，一方面檢測氫罐的壓力以檢測氫氣的使用量，另一方面根據過去的行駛經歷推測目前的氫氣使用量，並根據檢測的氫氣使用量和推測的氫氣使用量來檢測氣體洩漏。
另外，在日本專利文獻特開2003-308868號公報中公開有下述發明在關閉截止閥之後，根據來自壓力傳感器的壓力信息和經過的時間來計算壓力下降率，當壓力下降率比規定的閾值小時，判斷截止閥為故障狀態。
發明內容
但是，壓力傳感器有可測量的壓力範圍，通常，可在高壓力範圍中使用的壓力傳感器能夠測量的壓力範圍大，但其測量精度低。相反，可在較低的壓力範圍中使用的壓力傳感器能夠測量的壓力範圍窄，但其測量精度相對較高。
因此，當在沒有考慮具有上述特性的壓力檢測單元的狀況的情況下進行壓力檢測時，無法進行高精度的漏氣判斷。上述的現有技術沒有考慮這一點。
因此，本發明的目的在於提供一種漏氣檢測裝置，其能夠根據燃料氣體供應通路的壓力狀況來高精度地檢測氫供給源主閥的漏氣。
為了解決上述課題，本發明提供一種在燃料氣體供給源中備有主閥的燃料電池系統的漏氣檢測裝置，其包括截止閥，設置在主閥下遊的燃料氣體供給通路上；壓力監視裝置，監視主閥和截止閥之間的燃料氣體供給通路的壓力；減壓處理裝置，對燃料氣體供給通路內進行減壓處理；以及判斷裝置，對關閉主閥和截止閥之後在主閥和截止閥之間形成的燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視，並根據該封閉空間的壓力變化來判斷主閥的動作狀態。其中，在減壓處理中，燃料氣體供給通路被減壓至壓力監視裝置可進行壓力監視的壓力範圍以內。
另外，本發明包括燃料氣體供給源；主閥，截止來自燃料氣體供給源的燃料氣體；截止閥，設置在主閥下遊的燃料氣體供給通路上；壓力監視單元，監視主閥和截止閥之間的燃料氣體供給通路的壓力；減壓處理單元，對燃料氣體供給通路內進行減壓處理；以及判斷單元，對關閉主閥和截止閥之後在主閥和截止閥之間形成的燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視，並根據該封閉空間的壓力變化來判斷主閥的動作狀態。其中，在減壓處理中，燃料氣體供給通路內的壓力被減壓至壓力監視裝置可進行壓力監視的壓力範圍以內。
本發明還提供一種在燃料氣體供給源中備有主閥的燃料電池系統的漏氣檢測方法，其包括下述步驟在對燃料氣體供給通路的下遊一側進行減壓處理的同時，對主閥進行關閉處理；在對下遊一側進行減壓處理的同時，對設在燃料氣體供給通路上的截止閥進行關閉處理；對主閥和截止閥關閉之後在主閥和截止閥之間形成的燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視；以及根據封閉空間的壓力變化來判斷主閥的動作狀態。其中，在使截止閥截止的步驟中，當封閉空間的壓力被減壓至檢測封閉空間的壓力的壓力傳感器可進行壓力檢測的壓力範圍以內時，使截止閥截止。
根據本發明，由於對被關閉的主閥的下遊一側進行減壓處理，因此在主閥的上遊一側和下遊一側之間會產生壓差。如果主閥存在缺陷，例如產生了閥開閉異常或密封不完全等缺陷的話，則氫氣會在該壓差的作用下從主閥洩漏出來。由於該被減壓的主閥的下遊一側因關閉了截止閥而形成為封閉空間，因此，如果有燃料氣體從主閥洩漏出來的話，該封閉空間的壓力會產生變化。可通過監視該壓力變化來監視主閥的密封狀態。
特別地，根據本發明，在減壓處理中，由於燃料氣體供給通路內的壓力被減壓至壓力監視裝置或壓力傳感器可進行壓力監視的壓力範圍以內，因此，可以識別適於壓力檢測的壓力條件，然後根據壓力檢測單元的特性來設定環境。特別是如果壓力監視裝置或壓力傳感器可測量的壓力範圍是較低的壓力範圍時，可進行高精度的壓力檢測，從而可正確地檢測出主閥和截止閥這樣的微量的氣體洩漏。
當關閉主閥和截止閥時，優選在下遊一側進行減壓處理，可先進行減壓處理和主閥及截止閥的關閉處理中的一個，也可同時進行。
「主閥」也稱為設置在氫供給源(高壓罐等)的燃料氣體出入口部或其附近的氣體供給通路上的(罐)開關閥或截止閥。
在這裡，對「燃料氣體供給源」沒有限定，可以列舉出高壓氫罐、使用了貯氫合金的氫罐、基於改質氣體的氫供給機構、液體氫罐、以及液化燃料罐等各種燃料氣體供給源。
「減壓處理」是指所有能夠減小供給通路的燃料氣體壓力的處理，例如，使燃料電池工作並消耗燃料氣體的處理；若具有放氣閥，則包括打開放氣閥以減小壓力的處理；若具有安全閥，則包括打開該安全閥的處理等。
「壓力監視裝置」包括壓力傳感器之類的壓力檢測單元，但其概念中也包括根據來自壓力檢測單元的信息來監視壓力變化的發展的控制裝置。
另外，在燃料氣體供給通路中設有多個壓力範圍不同的壓力監視裝置，也可根據被減壓後的燃料氣體供給通路的壓力的大小來選擇某一個壓力監視裝置以用於進行壓力監視。當對應高壓用、低壓用等壓力範圍來設置壓力監視裝置時，由於對應減壓後的氣體供給通路內的壓力來選擇可在該壓力下高精度地進行檢測的壓力監視裝置，因此能夠提高漏氣判斷精度。
在本發明中，例如當封閉空間的壓力變化的上升量大於等於規定量時，可判斷為主閥異常。這是由於如果燃料氣體從高壓的燃料氣體供給源經由主閥而洩漏出來的話，封閉空間的壓力會上升。
另外，例如當封閉空間的壓力變化的下降量大於等於規定量時，判斷為從燃料氣體供給通路漏氣。例如可判斷為因氣體管線中的開孔等龜裂而產生了漏氣。這是由於當主閥完全關閉時，如果供給通路中有氣體洩漏，則該供給通路的壓力會下降。另外還由於，即使有若干氣體從主閥洩漏，但如果在形成該封閉空間的供給通路中產生的漏氣量超出了來自主閥的氣體的流入量，則其壓力也會下降。
在本發明中還具有回收罐，回收在燃料氣體供給通路中流通的燃料氣體；以及驅動單元，當進行減壓處理時，將燃料氣體回收到回收罐中。根據上述結構，可通過驅動單元將殘留在供給通路中的燃料氣體回收到回收罐中並儲存起來，當開始下一次動作時，可將儲存在該回收罐中的燃料氣體供應給燃料電池。
在這裡，所謂「驅動單元」是指強制回收燃料氣體的構件，包括泵、壓縮機、渦輪等。
另外，優選在該截止閥下遊的減壓處理的持續過程中關閉截止閥和主閥。截止閥和主閥例如構成為導引式電磁閥(pilot solenoid operatedvalve)，這種結構的閥在減小下遊一側的壓力的同時進行截止處理，從而能夠進行可靠的密封。
圖1是本第一實施方式的燃料電池系統的框圖；圖2是說明本第一實施方式的燃料電池系統的控制方法的流程圖(之一)；圖3是說明本第一實施方式的燃料電池系統的控制方法的流程圖(之二)；圖4是本第一實施方式中啟動時的動作流程圖；圖5是本第二實施方式的燃料電池系統的框圖；圖6是說明本第二實施方式的燃料電池系統的控制方法的流程圖；圖7是本第二實施方式中啟動時的動作流程圖；圖8是本發明的功能框圖。
具體實施例方式
下面參照附圖來說明用於實施本發明的優選實施方式。下面的實施方式僅是本發明的一種方式，本發明的適用範圍不限定於此。
(第一實施方式)在第一實施方式中，將本發明的漏氣檢測裝置應用於電動汽車等移動體上裝載的燃料電池系統。圖1示出了本燃料電池系統的系統整體圖。
如圖1所示，該燃料電池系統包括用於向燃料電池組10供應作為燃料氣體的氫氣的系統；用於供應作為氧氣源的空氣的系統；以及用於冷卻燃料電池組10的系統。
燃料電池組10具有將多個電池(cell)層積在一起的疊層結構，該電池由具有氫氣、空氣、冷卻水的流路的隔板(separator)、以及被一對隔板夾持的MEA(Membrane Electrode Assembly，膜電極組)構成。MEA具有在燃料極和空氣極這兩個電極之間夾持高分子電解質膜的結構。在燃料極中，在多孔支撐層上設置燃料極用觸媒層；在空氣極中，在多孔支撐層上設置空氣極用觸媒層。由於燃料電池是引起水的電解的逆反應的電池，因此，向作為陰極的燃料極一側供應作為燃料氣體的氫氣，向作為陽極的空氣極一側供應包含氧的氣體(空氣)，並在燃料極一側發生式(1)所示的反應，在空氣極一側發生式(2)所示的反應，從而使電子循環並產生電流。
…(1)…(2)用於向燃料電池組10供應作為燃料氣體的氫氣的系統包括相當於本發明的氫氣供給源的氫罐11、主閥(截止閥)SV1、調壓閥RG、燃料電池入口截止閥SV2，經過燃料電池組10後，還包括燃料電池出口截止閥SV3、氣液分離器12以及氣液分離器用截止閥SV4、氫泵13、循環截止閥SV6、回收罐15、以及循環截止閥SV7。除了通過從主閥SV1到燃料電池組10的氫氣供給通路來供應氫氣外，還可通過與該供給通路部分重合的、經由調壓閥RG、截止閥SV2、SV3、氣液分離器12、氫泵13、截止閥SV6、回收罐15、以及順路截止閥SV7循環的循環路徑R來供給氫氣。
在氫罐11中充有高壓氫氣。作為氫罐，除了高壓氫罐以外，使用了貯氫合金的氫罐、基於改質氣體(reformed gas)的氫供給機構、液體氫罐、液化燃料罐等也可適用。在氫罐11的供給口設有本發明的主閥SV1。主閥SV1由控制部20的控制信號來控制開閉，從而選擇是向供給通路供給氫氣還是截止。調壓閥RG的調節量由空氣極一側的壓縮機22的運行狀態來決定。即，通過基於控制部20的壓縮機22的驅動、以及對截止閥SV8、SV9的操作來調節循環路徑R的壓力。例如，通過打開截止閥SV8而使供應給調壓閥RG的空氣壓力上升，從而使提供給循環路徑R的供給壓力上升，通過打開截止閥SV9而使供應給調節閥RG的空氣壓力下降，從而使提供給循環路徑R的供給壓力下降。
當在燃料電池停止發電等情況下進行本發明的氣體洩漏時，根據控制部20的控制信號而使燃料電池入口截止閥SV2關閉。當主閥SV1和截止閥SV2關閉時，由作為本發明的壓力監視裝置的一部分的壓力傳感器p1或壓力傳感器p2來檢測在主閥SV1與截止閥SV2之間形成的封閉空間的壓力變化。當燃料電池停止發電時，燃料電池出口截止閥SV3也關閉。
氣液分離器12在通常運行時從氫排氣中除去由於燃料電池組10的電化學反應而產生的水分和其他雜質，並通過截止閥SV4釋放到外部。氫泵13根據控制部20的控制信號而強制性地使氫排氣在氫氣的循環路徑R中循環。特別地，氫泵13按照當停止發電時也強制性地排出氫氣並使之儲存在回收罐15中的方式來進行動作。放氣截止閥SV5連接在循環路徑R上，除了在放氣時開放外，在停止發電時也開放，從而使循環路徑R中的壓力下降。從放氣截止閥SV5排出的氫排氣被提供給稀釋器14，並由空氣排氣來稀釋。燃料電池組10、回收罐15、以及放氣截止閥SV5等中的一個以上的協作動作相當於使截止閥或主閥下遊的壓力下降的減壓處理手段。
回收罐15具有可儲存滯留在循環路徑R中的氫的容積，當停止發電時，在氫泵13的驅動下將滯留在循環路徑R中的氫氣集中儲存起來。截止閥SV6在通常運行時是開放的，但在發電停止程序中，在氫氣被儲存在回收罐15中之後，截止閥SV6根據控制部20的控制信號而被截止。另外，在開始動作時，在回收罐15中的氫氣被消耗之前也關閉該截止閥SV6。壓力傳感器p3能夠檢測關閉截止閥SV6之後的回收罐15的壓力。循環截止閥SV7在停止發電時被截止，但當開始動作時，在將儲存在回收罐15中的氫氣供應給燃料電池組10的情況下以及通常運行時是開放的。
向燃料電池組10供應空氣的系統具有空氣濾清器21、壓縮機22、以及加溼器23。空氣濾清器21對外部氣體進行淨化並將其引入到燃料電池系統中。壓縮機22根據控制部20的控制信號對引入的空氣進行壓縮，由此來改變供應給燃料電池組10的空氣量或空氣壓力。加溼器23在被壓縮的空氣和空氣排氣之間進行水分的交換，從而增加適當的溼度。被壓縮機22壓縮的空氣的一部分被供應用於控制燃料系統的調壓閥，截止閥SV8-SV9之間的區間的空氣壓力被施加在調壓閥RG的隔膜上。從燃料電池組10排出的空氣排氣被供應給稀釋器14，以用於對氫排氣進行稀釋。
燃料電池組10的冷卻系統具有散熱器31、風扇32、以及冷卻泵33。冷卻水被循環供應到燃料電池組10的內部。
控制部20為ECU(Electric Control Unit，電子控制單元)等公知的計算機系統，圖中未示出的CPU(中央處理器)順次執行存儲在圖中未示出的ROM等中的實施本發明的軟體程序，由此可以使該系統作為本發明的漏氣檢測裝置而動作。即，控制部20按照後面說明的順序(圖2～圖4)來關閉主閥SV1、對主閥SV1下遊的燃料氣體供給通路內進行減壓處理、關閉設在燃料氣體供給通路的下遊的燃料電池入口截止閥SV2以在主閥和該截止閥之間形成封閉空間、監視封閉空間的壓力變化、根據該封閉空間的壓力變化來判斷主閥SV1是否已經關閉。
另外，對上述各個截止閥的結構沒有限定，例如為使用了導引式螺線管(pilot type solenoid)的截止閥。這是由於當實施本發明時，可通過這種類型的閥來提高緊固力。即，當氫罐為高壓罐時，閥自身的緊固力也會提高，因此開閥力會變大。為了在開閥時減小消耗的電能，優選使用本實施方式所示的導引式螺線管。在該類型的閥中，當關閉時，停止向螺線管供電，並以根據剩餘磁通和彈簧力的平衡而確定的速度來關閉閥。此時，閥體的密封強度依賴於彈簧的偏置力，但如果閥下遊的壓力小的話，與該閥前後的壓差相當的力會有力地施加在閥體上，從而提高了密封的可靠性。在這一方面，在本實施方式中，當關閉截止閥(主閥)時，在開始了下遊一側的減壓處理之後再提供閉閥的控制信號。因此，在確保高密封性方面優選如本實施方式那樣在對截止閥的下遊進行減壓的同時閉閥。
下面參照圖2～圖4的流程圖來說明本第一實施方式中的動作。在接通電源期間，以適當的時間間隔重複執行該流程圖。
圖8示出的是在本發明中實現的功能框圖。圖8中的各個功能是根據上述流程圖並通過控制部20的控制來實現的。即，本發明包括截止來自燃料氣體供給源1(相當於氫泵11)的燃料氣體的主閥2(相當於SV1)、設在主閥2的下遊的燃料氣體供給通路3中的截止閥4(相當於SV2或SV3)、在主閥2和截止閥4之間監視燃料氣體供給通路3的壓力的壓力監視單元5(相當於壓力傳感器p1、p2和控制部20)、對燃料氣體供給通路3內進行減壓處理的減壓處理單元6(相當於燃料電池組10、回收罐15、以及放氣截止閥SV5等)、以及判斷單元8(相當於控制部20)，其對關閉主閥2和截止閥4之後在主閥2和截止閥4之間形成的燃料氣體供給通路3的封閉空間7的壓力變化進行監視，並根據封閉空間7的壓力變化來判斷主閥2的動作狀態。在減壓處理中，將燃料氣體供給通路3中的壓力減壓至壓力監視裝置5可進行壓力監視的壓力範圍以內。
下面，具體地說明基於本第一實施方式的結構的操作。
在通常運行時(燃料電池發電時)，在該燃料電池系統中，開放主閥SV1以將氫氣供應給氫氣供給通路，並通過開閉截止閥SV8和SV9來調節施加給調壓閥RG的隔膜的空氣壓力，從而將循環路徑R內的氫氣的壓力控制為預期的燃料氣體壓力。開放燃料電池入口截止閥SV2和出口截止閥SV3、以及截止閥SV6和SV7，使氫氣在循環路徑R內循環並將其供應給燃料電池組10的燃料極。另外，適當地驅動壓縮機22，將被加溼器23加溼的空氣施加給燃料電池組10的空氣極，空氣排氣被排出到稀釋器14。經由以適當的定時(timing)開閉的放氣截止閥SV5來向稀釋器14供應含有水分等的氫排氣，並在被空氣排氣稀釋後排出。
通常在燃料電池系統停止運行時進行本發明的漏氣判斷。但即使是在運行中，在能夠暫時停止發電的狀態下也可以進行本發明的漏氣判斷。
如圖2所示，在進行漏氣判斷的定時之前(S1否)執行其它的發電處理。當變為進行漏氣判斷的定時後(S1是)，控制部20或者保持此前持續的發電狀態、或者進一步提高或減少發電量，從而維持燃料電池組10的燃料系統的氫氣消耗(S2)。這是由於在氫氣供給通路中殘留有一定量的氫氣，而優選的是消耗掉這些氫氣。通過繼續消耗燃料電池組10中的氫氣，開始進行燃料氣體供給通路的減壓處理。
接著，控制部20關閉高壓氫罐11的主閥SV1(S3)。由此停止來自作為燃料氣體供給源的高壓氫罐的氫氣供給，並停止發電。此時，由於已經在繼續消耗氫氣的狀態下關閉了主閥SV1，因此，在主閥是導引式電磁閥(solenoid valve)等情況下，其密封性更加可靠。在本實施方式中，按照下述順序來檢測此時主閥SV1是否已經完全關閉。
首先，將殘留在循環路徑R中的氫氣集中到回收罐15中。為此，控制部首先關閉循環截止閥SV7(S4)，並增加氫泵13的轉數(S6)，從而將殘留在循環路徑R中的氫氣送入回收罐15內。同時，開放放氣截止閥SV5(S5)，使循環路徑R中的壓力下降。由於通過開放放氣截止閥SV5來進行放氣，因此需要降低被排出的氫氣的濃度。因此，控制部20增加壓縮機22的轉數(S8)，從而增加用於在稀釋器14中對被放出的氫排氣進行稀釋的空氣量。通過向回收罐15中回收氫氣以及/或者由放氣控制閥SV5放出氫氣，循環路徑R被進一步減壓。
控制部20監視位於回收罐15之前的壓力傳感器p3的壓力(S9)，並判斷回收罐15內的壓力是否達到了規定壓力Pc1。在這裡，壓力Pc1是預計回收罐15完全能夠承受氫氣充氣的容器保護壓力，是由回收罐15的耐壓所決定的。例如，可以設定為耐壓的1.5倍。當回收罐15的壓力低於該壓力Pc1時(S9否)，判斷是回收罐15足以承受的壓力，然後轉入下一次判斷。萬一回收罐15的壓力達到了該耐壓Pc1以上(S9是)，則控制部20立即停止氫泵13的驅動(S10)以避免出現故障狀態，並關閉回收罐入口的截止閥SV6以防止從回收罐15逆流(S11)。通常認為不會到達回收罐15的耐壓。
通過上述處理，對主閥SV1的下遊一側的燃料氣體路徑進行了減壓處理。在減壓處理之後，通過本發明的壓力監視裝置、即壓力傳感器p1、p2、以及根據它們的檢測信號來進行判斷的控制部20來檢測壓力變動。
如圖3所示，控制部20根據緊接在主閥SV1下面的壓力傳感器p1的檢測信號來判斷路徑內壓力是否在規定壓力Pc2以下(S20)。在這裡，該規定壓力Pc2被設定為以下壓力使發生在主閥SV1的上遊和下遊之間的壓差足以用於進行本實施方式的漏氣判斷。當壓力傳感器p1檢測的路徑內壓力大於該壓力Pc2時(S20否)，判斷應繼續進行減壓處理，然後轉到下一次判斷。
如上所述，通過基於燃料電池組10的氫氣的消耗處理、基於放氣處理的減壓、以及向回收罐15回收氫氣的回收處理來實現主閥SV1下遊的減壓處理。雖然可通過其中的任一處理來進行減壓，但通過將多個組合在一起使用可以更快地進行減壓。
當路徑內壓力下降到壓力Pc2以下時(S20是)，轉移至本發明的漏氣判斷。控制部20關閉主閥SV1的下遊一側的截止閥，測量路徑內壓力的時間變化。即，關閉燃料電池入口截止閥SV2(S21)，停止氫泵13的驅動(S22)，關閉放氣截止閥SV5(S23)，關閉燃料電池出口截止閥SV3(S24)。
當關閉燃料電池入口截止閥SV2時，若其下遊的減壓處理繼續進行，可使截止閥SV2的密封更加完全。即，當截止閥SV2是導引式電磁閥時，通過在減小下遊一側的壓力的同時進行截止處理，可確保結構上的密封。
然後，等待經過固定的時間t1(S25否)，當經過了時間t1之後(S25是)，再次檢查由壓力傳感器p1所測量的路徑內壓力是否發生了變動(S26)。之所以在這裡等待時間t1，是由於除了要考慮輸出控制信號之後到截止動作實際結束之前的截止閥的響應延遲之外，還需要等到關閉截止閥之後循環路徑R內的壓力變動變得穩定。
作為下一個步驟，根據通過減壓處理而達到的壓力值來切換用於測量壓力變動的壓力傳感器。通常，分別確定壓力傳感器的可測量壓力範圍。若是被調節為可測量相對較高的壓力範圍的壓力傳感器的話，則可測量該高壓範圍中的壓力，若是被調節為可測量相對較低的壓力範圍的壓力傳感器的話，則可測量該低壓範圍中的壓力。通常，應對高壓的壓力傳感器的測量精度低，應對低壓的壓力傳感器的測量精度高。這是由於應對低壓的壓力傳感器的可測量的壓力範圍小，從而可識別較小的壓力變化。
例如，在本實施方式中，測量較高壓力的壓力傳感器p1可測量高壓，但精度較低，而測量較低的調壓閥RG的下遊一側的壓力的壓力傳感器p2的可測量的壓力範圍小，但精度較高。雖然由於用精度高的壓力傳感器p2進行測量可檢測到微小的壓力變動而優選之，但有時無法對氫氣供給通路進行預期的減壓。例如，主閥SV1的密封不完全，即使輸出關閉主閥的控制信號，也會由於主閥的關閉不充分而有較多的氫氣洩漏出來，此時，不管是否進行減壓處理，氫氣供給通路的壓力都不會充分下降。在這種情況下，即使精度多少會有些降低，也不得不使用高壓用的壓力傳感器p1。
為了進行該判斷，控制部20用壓力傳感器p1來判斷氫氣供給通路的壓力是否在規定壓力Pc3以下(S26)。在這裡，該壓力Pc3是用於識別是使用低壓用的壓力傳感器p2好、還是使用高壓用的壓力傳感器p1好的閾值。例如，設定為小於低壓用的壓力傳感器p2可識別的最大壓力。
當應該使用低壓用的壓力傳感器p2時(S26是)，控制部20監視固定的時間內基於壓力傳感器p2的檢測信號的壓力變動(S30)。例如，存儲壓力傳感器p2在某一時間檢測的壓力，之後等待固定的時間，並再次存儲壓力傳感器p2檢測的壓力。然後求兩個壓力的差，從而求出變化量。或者也可以測量三次以上並計算平均值，從而求得更可靠的壓力變動。其結果是，當壓力上升且其變化量大於等於規定的壓力差Pc4時(S31是)，由於壓力上升，所以可充分推測出主閥SV1的關閉異常，因此進行主閥密封SV1異常應對處理(S32)。可根據燃料電池系統的結構的不同而考慮各種處理方式，例如可考慮下述處理使燃料電池停止工作；或在該電動汽車的內室中使警示燈亮燈以向用戶警告需要進行維修。另外，將壓力差Pc4設定為可充分識別低壓時因從主閥SV1洩漏氣體而導致的壓力上升的閾值。
另外，當壓力下降且其變化量大於等於規定的壓力差Pc6時(S31否，S33是)，由於本來不應該下降的壓力下降了，因此可能是在路徑的某處發生了洩漏。因此進行氫洩漏應對處理(S34)。該處理除了包括使燃料電池停止工作、或使警告用戶需要進行維修的警示燈亮燈之外，還可考慮為了將氣體洩漏控制在最小限度而降低之後的氫氣供給通路或循環路徑R的壓力上限等措施。另外，在修理完成之前，禁止燃料電池系統工作。並且，將規定的壓力差Pc6設定為能夠識別以下壓力下降量的閾值足以在低壓下推測出氫洩漏。
另一方面，當判斷應該使用高壓用的壓力傳感器p1時(S26否)，控制部20同樣監視固定時間內由壓力傳感器p1檢測的壓力變動(S40)。監視方法與上述壓力傳感器p2相同。其結果是，當壓力上升且其變化量大於等於規定的壓力差Pc5時(S41是)，由於壓力上升，所以可以充分推測出主閥SV1的關閉異常，因此進行主閥密封SV1異常應對處(S42)。該處理與步驟S32相同。另外，壓力差Pc5被設定為可充分識別高壓時因從主閥SV1漏氣而導致的壓力上升的閾值。
另外，當壓力下降且其變化量大於等於規定的壓力差Pc7時(S41否，S43是)，由於本來不應該下降的壓力下降了，因此可能是在路徑的某處產生了缺陷。因此進行氫洩漏應對處理(S44)。該處理與步驟S34相同。另外，將規定的壓力差Pc7設定為能夠識別以下壓力下降量的閾值足以在高壓下推測出氫洩漏。
當不符合上述任一情況時(S33否，S43否)，認為不存在主閥SV1閉閥異常或氫氣供給通路的氣體洩漏而結束處理。
如上所述，雖然本實施方式的漏氣判斷結束了，但當下次電動汽車(燃料電池系統)啟動時，必須優先使用收存在回收罐15中的氫氣。因此，通過圖4所示的處理來使用氫氣。首先，當指示啟動後(S50是)，控制部20開放在此之前關閉的循環截止閥SV7、回收罐截止閥SV6、燃料電池入口截止閥SV2、以及燃料電池出口截止閥SV3(S52)。通過以上處理，將所收存的氫氣從回收罐15的出口供應給氫氣供給通路，並用該氫氣開始發電。
只要回收罐15中殘留有氫氣(S52否)，氫泵13的出口壓力(回收罐的壓力)p3就不會下降。因此，當該氫泵出口壓力p3大於規定的壓力Pc9時(S52否)，使用回收罐15內的氫氣來進行發電，當氫泵的出口壓力p3小於等於Pc9之後(S52是)，才提供開放高壓罐11的主閥SV1的控制信號(S53)。同時還輸出驅動氫泵13的控制信號。並且，判斷回收罐15的壓力的閾值Pc5被設定為可識別在回收罐15內仍殘留有氫氣還是已被全部消耗掉。
根據上述的本第一實施方式，由於可適當地判斷主閥的漏氣，因此，即使氫罐11的壓力升高，也可以進行應對。
另外，根據本第一實施方式，由於當停止運行時將路徑內的氫氣送入回收罐15中，所以即使由於氫罐11的壓力升高而在氫氣供給通路或循環路徑R中滯留有大量的氫氣，也能夠使停止運行時的循環路徑R內保持為氫氣極少的安全狀態。
特別地，根據本實施方式，由於根據減壓處理後的氫氣供給通路內的壓力來選擇監視壓力變動的壓力傳感器，因此，可根據當時的壓力來選擇精度較高的壓力傳感器，從而能夠高精度且正確地檢測從主閥SV1的氫氣洩漏。
另外，由於在進行減壓處理的同時關閉截止閥SV2、SV3、SV6以及SV7，因此，當例如使用導引式電磁閥或具有與之類似的結構的閥來作為上述截止閥時，可以提高密封效果。這是由於能夠通過在減小尾流一側的壓力的同時進行截止處理來提高上述閥的密封性能。
另外，如果密封的主閥SV1的下遊的壓力變化量在規定值以上的話，判斷為主閥不良；如果在規定值以下的話，判斷為氫氣供給通路的缺陷，因此可根據壓力變化的方式來檢測多種氣體洩漏方式。
另外，由於能夠在開始動作時首先從回收罐15供給氫氣，因此非常經濟。
(第二實施方式)
本發明的第二實施方式涉及將上述第一實施方式中的回收罐設置在主閥SV1上的結構。圖5示出的是本第二實施方式的燃料電池系統的系統整體圖。
如圖5所示，本第一實施方式的該燃料電池系統雖然具有與第一實施方式的系統大致相同的結構，但回收罐15被設置在主閥SV1的附近。
即，在主閥SV1的下遊連接有向回收罐15供應氫氣的氫氣供給通路，並設有由氫泵16、截止閥SV10、壓力傳感器p4、回收罐15以及截止閥SV11組成的循環通路。另外，在循環路徑R中設有止回閥RV來代替回收罐15和循環截止閥SV7。循環路徑R通向氫氣供給通路的接合點在調壓閥RG的下遊。除此之外的結構與圖1的第一實施方式相同。
下面，參照圖6～圖8的流程圖來說明本第二實施方式中的動作。在接通電源期間，以適當的時間間隔重複執行該流程圖。
通常運行時(燃料電池發電時)的處理如前所述。首先，如圖6所示，在進行漏氣判斷的定時之前(S61否)執行其它的發電處理。當變為進行漏氣判斷的定時後(S61是)，與第一實施方式相同，控制部20繼續維持燃料系統的氫氣消耗(S62)，同時關閉高壓氫罐11的主閥SV1(S63)。
在本實施方式中，循環路徑R中的氫氣通過燃料電池組10以及放氣控制閥SV5的放氣而被減壓。控制部20關閉截止閥SV6以關閉循環路徑R(S64)，開放放氣截止閥SV5(S65)，並增加壓縮機22的轉數(S68)。
另一方面，為了將滯留在調壓閥RG的上遊的氫氣供給通路中的氫氣回收到回收罐15中，控制部20驅動氫泵16，並開放截止閥SV10(S66)。接著，與第一實施方式相同，控制部20監視位於回收泵15之前的壓力傳感器p4的壓力(S69)，並判斷回收罐15內的壓力是否達到了規定壓力Pc1。當回收罐15的壓力低於該壓力Pc1時(S69否)，判斷是回收罐15足以承受的壓力，然後轉入下一次判斷。萬一回收罐15的壓力達到了該承受壓力Pc1以上(S9是)，則立即停止氫泵16的驅動(S70)，並關閉回收罐入口的截止閥SV10以防止從回收罐15逆流(S71)。
通過上述處理，對主閥SV1的下遊一側的燃料氣體路徑進行減壓處理。在減壓處理之後，與第一實施方式基本同樣地對壓力變動進行測量(參照圖3)。即，控制部20繼續該減壓處理，同時使用於阻隔與漏氣判斷相關的封閉空間的截止閥截止，並監視該封閉空間內的壓力變化。
當下次電動汽車(燃料電池系統)啟動時，通過圖7所示的處理來優先使用收存在回收罐15中的氫氣。首先，當指示啟動後(S100是)，控制部20開放在此之前關閉的回收罐15前後的截止閥SV10和SV11，同時開放循環路徑R的截止閥SV6、燃料電池入口截止閥SV2、以及燃料電池出口截止閥SV3(S101)。通過以上處理，將所收存的氫氣從回收罐15的出口供應給氫氣供給通路，由調壓閥RG進行調壓，然後供應給燃料電池組10開始發電。
只要回收罐15中殘留有氫氣(S102否)，氫泵16的出口壓力(回收罐的壓力)p4就不會下降。因此，當該氫泵出口壓力p4大於規定的壓力Pc9時(S102否)，使用回收罐15內的氫氣來進行發電，當氫泵的出口壓力p4小於等於Pc9之後(S102是)，才提供開放高壓罐11的主閥SV1的控制信號(S103)。同時還輸出驅動循環路徑R的氫泵13的控制信號。
根據上述的本第二實施方式，即使將回收罐設置在循環路徑R以外的主閥附近來實施本發明，也能夠取得與第一實施方式相同的各種效果。
(其它實施方式)本發明可在進行各種變更後使用，而不限定於上述各種實施方式。例如，可對設置回收罐的位置進行各種設計變更，而不限定於上述各個實施方式。當然，本發明的漏氣判斷處理也可以適用於沒有設置回收罐的系統。
另外，循環路徑R不是必須的結構，因此，本發明也可適用於不使燃料氣體循環的形式的燃料電池系統。
並且，在上述實施方式中檢測了主閥SV1有無漏氣，同樣也可以判斷下遊的截止閥SV2、SV3、SV6的打開或密封的可靠性。即，在下遊的截止閥SV2、SV3、SV6的下遊分別設置壓力傳感器，在該截止閥及其下遊一側的一個截止閥之間的路徑中形成封閉空間，並通過壓力傳感器等來檢測該封閉空間的壓力變動，由此，可檢測出由上遊一側的截止閥的開閥異常、密封異常等所造成的氣體洩漏。如果該封閉空間的壓力變動有壓力上升的趨勢，則可以推測上遊一側的截止閥出現了異常，如果有壓力下降的趨勢，則可以推測在該路徑區間中出現了氣體洩漏。
(工業實用性)根據上述本發明，由於對閉合的主閥的下遊一側進行減壓處理、形成封閉空間、並監視其壓力變化，因此能夠可靠地檢測出主閥的關閉狀態。特別是由於能夠控制減壓處理以獲得可高精度地進行壓力監視的壓力範圍，因此能夠高精度地檢測氣體洩漏。
因此，本發明一般可適用於需要檢測氣體洩漏的燃料電池系統。該燃料電池系統既可以裝載在像車輛這樣的陸地移動體、像船舶這樣的水上移動體、像潛水艇這樣的水下移動體、以及像航空器這樣的空中移動體上來使用，也可以被設置為像發電廠這樣的不動產來使用。
權利要求
1.一種燃料電池系統的漏氣檢測裝置，在所述燃料電池系統的燃料氣體供給源中備有主閥，所述燃料電池系統的漏氣檢測裝置的特徵在於，包括截止閥，設置在該主閥下遊的燃料氣體供給通路上；壓力監視裝置，監視該主閥和該截止閥之間的該燃料氣體供給通路的壓力；減壓處理裝置，對該燃料氣體供給通路內部進行減壓處理；以及判斷裝置，對關閉該主閥和該截止閥之後在該主閥和該截止閥之間形成的該燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視，並根據該封閉空間的壓力變化來判斷該主閥的工作狀態；其中，在該減壓處理中，該燃料氣體供給通路被減壓至該壓力監視裝置可進行壓力監視的壓力範圍以內。
2.如權利要求1所述的漏氣檢測裝置，其中，在所述燃料氣體供給通路中設有多個壓力範圍不同的所述壓力監視裝置，根據被減壓後的所述燃料氣體供給通路的壓力來選擇某一個所述壓力監視裝置以用於進行壓力監視。
3.如權利要求1所述的漏氣檢測裝置，其中，當所述封閉空間的壓力變化的上升量等於或大於規定量時，判斷為所述主閥異常。
4.如權利要求1所述的漏氣檢測裝置，其中，當所述封閉空間的壓力變化的下降量等於或大於規定量時，判斷為從所述燃料氣體供給通路漏氣。
5.如權利要求1所述的漏氣檢測裝置，還包括回收罐，回收在所述燃料氣體供給通路中流通的所述燃料氣體；以及驅動單元，當進行所述減壓處理時，將所述燃料氣體回收到所述回收罐中。
6.如權利要求1所述的漏氣檢測裝置，其中，在下遊的減壓過程中關閉所述截止閥和所述主閥。
7.一種漏氣檢測裝置，其特徵在於，包括燃料氣體供給源；主閥，截止來自該燃料氣體供給源的燃料氣體；截止閥，設置在該主閥下遊的燃料氣體供給通路上；壓力監視單元，監視該主閥和該截止閥之間的該燃料氣體供給通路的壓力；減壓處理單元，對該燃料氣體供給通路內部進行減壓處理；以及判斷單元，對關閉該主閥和該截止閥之後在該主閥和該截止閥之間形成的該燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視，並根據該封閉空間的壓力變化來判斷該主閥的工作狀態；其中，在該減壓處理中，該燃料氣體供給通路內部的壓力被減壓至該壓力監視裝置可進行壓力監視的壓力範圍以內。
8.一種燃料電池系統的漏氣檢測方法，在所述燃料電池系統的燃料氣體供給源中備有主閥，所述燃料電池的漏氣檢測方法包括下述步驟在對燃料氣體供給通路的下遊側進行減壓處理的同時，對該主閥進行關閉處理的步驟；在對下遊側進行減壓處理的同時，對設置在該燃料氣體供給通路上的截止閥進行關閉處理的步驟；對該主閥和該截止閥關閉之後在該主閥和該截止閥之間形成的該燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視的步驟；以及根據該封閉空間的壓力變化來判斷該主閥的工作狀態的步驟；其中，在使該截止閥截止的步驟中，當該封閉空間的壓力被減壓至檢測該封閉空間的壓力的壓力傳感器可進行壓力檢測的壓力範圍以內時，使該截止閥截止。
9.如權利要求8所述的漏氣檢測方法，其中，當在所述燃料氣體供給通路中設有多個壓力範圍不同的壓力傳感器時，在監視所述壓力變化的步驟中，根據所述封閉空間的壓力來選擇該壓力傳感器中某一個以用於進行壓力檢測。
全文摘要
一種在燃料氣體供給源(11)中設有主閥(SV1)的燃料電池系統的漏氣檢測裝置，包括截止閥(SV2)，設置在主閥(SV1)下遊的燃料氣體供給通路上；壓力監視裝置(p1、p2、20)，監視主閥和截止閥之間的燃料氣體供給通路的壓力；減壓處理裝置(10、15、SV5)，對燃料氣體供給通路內進行減壓處理；以及判斷裝置(20)，對關閉主閥和截止閥之後在主閥和截止閥之間形成的該燃料氣體供給通路的封閉空間的壓力變化進行監視，並根據該封閉空間的壓力變化來判斷主閥的動作狀態。其中，在減壓處理中，燃料氣體供給通路被減壓至壓力監視裝置可進行壓力監視的壓力範圍以內。
文檔編號H01M8/10GK1930719SQ20058000806
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月16日 優先權日2004年3月17日
發明者吉田尚弘 申請人:豐田自動車株式會社