专利名称：燃料电池系统和燃料电池状态检测方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池状态检测方法。
背景技术：
通常，燃料电池利用氢气和氧气作为燃料来产生电能。由于燃料电池有益于环境并且呈现出高能量效率，燃料电池已被广泛地研发作为未来的能源供应系统。特别地，由于固体聚合物燃料电池工作的温度低于各种其他燃料电池工作的温度，固体聚合物燃料电池具有良好的起动性。因此，已经进行了很多研究以使固体聚合物燃料电池在各个领域中实用化。固体聚合物燃料电池具有膜电极组件(MEA)被保持在隔离板之间的结构。在MEA 中，阳极被设置在电解质膜的一侧，所述电解质膜由质子传导性固体聚合物电解质形成，并且阴极被设置在电解质膜的另一侧。燃料电池的状态根据例如工作条件而变化。因此，例如公开号为2006-179338的日本专利申请(JP-A-2006-179338)说明了一种用于监测在通过堆叠多个燃料电池而形成的燃料电池堆中作为电池组的检测电压的每个电池组电压是否有下降的技术。然而，通过JP-A-2006-179338中说明的技术，很难将正常工作的电池与故障电池彼此区分开。

发明内容
本发明提供一种燃料电池系统和一种燃料电池状态检测方法，通过所述燃料电池系统和燃料电池状态检测方法易于检测出已经发生故障或者将要发生故障的电池。本发明的第一方案涉及一种燃料电池系统，其包括燃料电池堆，其通过堆叠多个电池组而形成，每个电池组包括至少一个电池；电压检测单元，其检测各个所述电池组的电池组电压；以及判定单元，其判定从所述多个电池组中选出的判定目标电池组的所述电池组电压是否等于或低于阈值电压，所述阈值电压是基于由所述多个电池组中的至少两个电池组构成的总体中的所述电池组的所述电池组电压的平均值和标准偏差而获得的。在根据本发明的第一方案的燃料电池系统中，判定在构成所述总体且被包括在燃料电池堆中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布中所述判定目标电池组是否具有偏心(eccentric)电池组电压。在这种情况下，可以容易地检测出已经发生故障或者将要发生故障的电池组。根据本发明的第一方案的燃料电池系统可以包括控制燃料电池系统的控制单元。 如果所述判定单元判定出所述判定目标电池组的所述电池组电压等于或低于所述阈值电压，则所述控制单元可以判定出在所述判定目标电池组中已经发生故障或者将要发生故障。所述判定目标电池组可以具有等于或低于所述多个电池组的所述电池组电压的平均值的电池组电压。在这种情况下，可以检测出在构成所述总体且被包括在燃料电池堆中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布中具有偏心低电池组电压的电池组。因此， 可以容易地检测出已经发生故障或者将要发生故障的电池组。所述判定目标电池组可以在所述多个电池组中具有最低电池组电压。所述总体不需要包括所述判定目标电池组。在这种情况下，可以提高总体的可靠性。阈值电压可以是以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。在这种情况下，可以检测出在总体中的电池组的电池组电压的正态分布中具有偏心低电池组电压的电池组。所述判定单元可以从所述总体中排除具有等于或低于预定电池组电压的电池组电压的所述电池组。在这种情况下，可以提高总体的可靠性。所述判定单元可以从所述总体中排除具有如下电池组电压的所述电池组所述电池组电压等于或低于以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。在这种情况下，可以提高总体的可靠性。本发明的第二方案涉及一种用于检测通过堆叠多个电池组而形成的燃料电池的状态的方法，每个电池组包括至少一个电池。根据所述方法，检测各个所述电池组的电池组电压，以及判定从所述多个电池组中选出的判定目标电池组的所述电池组电压是否等于或低于阈值电压，所述阈值电压是基于由所述多个电池组中的至少两个电池组构成的总体中的所述电池组的所述电池组电压的平均值和标准偏差而获得的。根据上述方法，判定在所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布中所述判定目标电池组是否具有偏心电池组电压。在这种情况下，可以容易地检测出已经发生故障或者将要发生故障的电池组。所述判定目标电池组可以具有等于或低于所述多个电池组的所述电池组电压的平均值的电池组电压。在这种情况下，可以检测出在所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布中具有偏心低电池组电压的电池组。因此，可以容易地检测出已经发生故障或者将要发生故障的电池组。所述判定目标电池组在所述多个电池组中可以具有最低电池组电压。所述总体不需要包括所述判定目标电池组。在这种情况下，可以提高总体的可靠性。所述阈值电压可以是以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。在这种情况下，可以检测出在所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布中具有偏心低电池组电压的电池组。可以从所述总体中排除具有等于或低于预定电池组电压的电池组电压的所述电池组。在这种情况下，可以提高总体的可靠性。可以从所述总体中排除具有如下电池组电压的所述电池组所述电池组电压等于或低于以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。在这种情况下，可以提高总体的可靠性。根据本发明的上述方案，可以容易地检测出已经发生故障或者将要发生故障的电池。


通过下面参考附图对示例性实施例的说明，本发明的前述和进一步的目的、特征和优点将变得明显，其中相同的附图标记用于表示相同的元件，并且其中图IA和图IB为图示根据本发明的实施例的燃料电池系统的图；图2为图示由电压检测单元所获得的检测结果的示例的曲线图；图3为图示电池组电压的正态分布曲线的曲线图；图4为用于判定在判定目标电池组中是否已经发生故障的流程图的示例；图5为图示每个电池的电池电压被检测时的标准偏差与电池组电压除以电池组中的电池的数量时的标准偏差之间的关系的曲线图；图6A和图6B为图示电池组电压的正态分布曲线的曲线图；图7A和图7B为图示电池组电压相对于电流密度变化的变化率发生变化的变化点的曲线图；以及图8为示出构成统计总体的电池组被改变时执行的例程的流程图的示例。
具体实施例方式下面将说明本发明的示例性实施例。图IA和图IB为图示根据本发明的实施例的燃料电池系统100的图。图IA为示意性地示出燃料电池系统100的总体构造的图。图IB为示意性地示出电池11的截面图， 后面将对电池11进行详细说明。如图IA所示，燃料电池系统100包括燃料电池堆10、燃料气体供给装置20、氧化剂气体供给装置30、电压检测单元41、电流检测单元42、处理单元 50等。燃料电池堆10包括由至少一个电池11形成的至少一个电池组。如图IB所示， 电池11具有膜电极组件(MEA) 110被保持在隔离板120与隔离板130之间的结构。在MEA 110中，阳极催化剂层112和气体扩散层113被设置在电解质膜111与隔离板120之间，并且阴极催化剂层114和气体扩散层115被设置在电解质膜111与隔离板130之间。电解质膜111由例如全氟磺酸盐聚合物的质子传导性聚合物电解质形成。阳极催化剂层112由例如质子传导性电解质或者承载催化剂的导电材料形成。阳极催化剂层112中的催化剂为促进氢气的质子化的催化剂。阳极催化剂层112包含例如载钼碳或者全氟磺酸盐聚合物。气体扩散层113由例如碳纸或者碳布的透气性导电材料形成。阴极催化剂层114由例如质子传导性电解质或者承载催化剂的导电材料形成。阴极催化剂层114中的催化剂为促进质子和氧气之间的反应的催化剂。阴极催化剂层114包含例如载钼碳或者全氟磺酸盐聚合物。气体扩散层115由例如碳纸或者碳布的透气性导电材料形成。隔离板120和隔离板130由导电材料制成，例如不锈钢制的。燃料气体流经的燃料气体通道121形成在隔离板120的面向MEA 110的表面中。氧化剂气体流经的氧化剂气体通道131形成在隔离板130的面向MEA 110的表面中。燃料气体通道121和氧化剂气体通道131分别为例如形成在隔离板120和隔离板130的表面中的凹部。燃料气体供给装置20通过燃料电池堆10的燃料气体入口向燃料气体通道121供
6给含有氢气的燃料气体。燃料气体供给装置20为例如氢气罐或烃水蒸汽转化装置。氧化剂气体供给单元30通过燃料电池堆10的氧化剂气体入口向氧化剂气体通道131供给含有氧气的氧化剂气体。例如，氧化剂气体供给装置30为空气泵。电压检测单元41检测各个电池组的电池组电压并且向控制单元51提供检测结果，控制单元51将在后面进行详细说明。电流检测单元42检测由燃料电池堆10产生的电流并且向控制单元51提供检测结果。发电电流密度通过将由电流检测单元42检测出的电流除以电池11的发电区域的面积而获得。因此，电流检测单元42还可以被用作发电电流密度检测单元。处理单元50包括控制单元51和判定单元52。处理单元50由CPU(中央处理单元)、R0M(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)等构成。当处理单元50的CPU执行预定程序时，控制单元51和判定单元52得以实现。控制单元51控制燃料电池系统100的各个部分。判定单元52基于由电压检测单元41和电流检测单元42所获得的检测结果来判定燃料电池堆10的状态。接下来，将参考图IA和图IB说明在正常发电期间燃料电池系统100的操作。控制单元51控制燃料气体供给装置20，以使燃料气体被供给到燃料气体通道121。燃料气体透过气体扩散层113并且到达阳极催化剂层112。燃料气体中含有的氢气被阳极催化剂层 112中的催化剂分解成质子和电子。质子透过电解质膜111并且到达阴极催化剂层114。控制单元51控制氧化剂气体供给单元30，以使氧化剂气体被供给到氧化剂气体通道131。氧化剂气体透过气体扩散层115并且到达阴极催化剂层114。在阴极催化剂层 114中，催化剂引起质子和氧气之间的反应。因此，产生电力并且生成水。生成的水通过氧化剂气体通道131排出。图2为图示由电压检测单元41所获得的检测结果的示例的曲线图。在图2中，横坐标轴表示电池组，并且纵坐标轴表示电池组电压。不特别限定构成一个电池组的电池的数量。在本实施例中，包括在一个电池组中的电池的数量约为10个。如图2所示，电池组 Gl至GN的电池组电压VeI至VeN有一定变化。所述变化是由于例如电池中的反应气体的扩散的变化而发生的。在已经耗尽反应气体或者正在耗尽反应气体的电池组中，电池组电压很可能下降。因此，判定单元52判定判定目标电池组的电池组电压是否等于或低于阈值电压，所述阈值电压是基于构成总体的预定数量的多个电池组的电池组电压的平均值和标准偏差而获得的。如果判定出所述判定目标电池组的电池组电压等于或低于阈值电压，则判定单元 52判定出在判定目标电池组中已经发生故障或者将要发生故障。如果进行了这样的判定， 则可以立即采取措施。下面将对具体示例进行说明。首先，判定单元52从包括在燃料电池堆10中的多个电池组中选出两个以上电池组以构成统计总体。所述统计总体可以由燃料电池堆10中的电池组中的任意两个以上电池组构成。优选地，由于执行了便于检测出电池组电压正在下降的电池组的处理，构成统计总体的电池组具有尽可能高的电池组电压。因此，统计总体可以由除了具有最低电池组电压的电池组之外的多个电池组构成。可选地，统计总体可以由具有等于或高于平均电池组电压的电池组电压的电池组构成。 进一步可选地，统计总体可以由从具有最高电池组电压的电池组起按电池组电压的降序选出的预定数量的电池组构成。在本实施例中，统计总体由燃料电池堆10中除了具有最低电池组电压的电池组之外的电池组构成。判定目标电池组可以为燃料电池堆10中的任一电池组。优选地，由于执行了便于检测出电池组电压正在下降的电池组的处理，具有低电池组电压的电池组被用作判定目标电池组。例如，优选地，判定目标电池组为具有等于或低于构成燃料电池堆10的电池组的平均电池组电压的电池组电压的电池组。在本实施例中，具有最低电池组电压的电池组被用作判定目标电池组。接下来，判定单元52计算统计总体中的电池组的电池组电压的平均值X和标准偏差σ。判定单元52基于平均值X和标准偏差ο来获得如图3所示的正态分布曲线。判定单元52将阈值电压Vd设定为基于相对平均值X的预定范围(例如，标准偏差σ的几倍大)设定的分布范围的下限。接下来，如果判定目标电池组的电池组电压等于或低于阈值电压Vd,则判定单元52判定出在判定目标电池组中已经发生故障或者将要发生故障。以平均值X为中心的分布范围与不良品概率之间的关系示于表1中。在本实施例中，在正态分布中从平均值X中减去3 ο所获得的值被用作阈值电压Vd。表 权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，其通过堆叠多个电池组而形成，每个电池组包括至少一个电池；电压检测单元，其检测各个所述电池组的电池组电压；以及判定单元，其判定从所述多个电池组中选出的判定目标电池组的所述电池组电压是否等于或低于阈值电压，所述阈值电压是基于由所述多个电池组中的至少两个电池组构成的总体中的所述电池组的所述电池组电压的平均值和标准偏差而获得的。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括控制单元，其控制所述燃料电池系统，其中如果所述判定单元判定出所述判定目标电池组的所述电池组电压等于或低于所述阈值电压，则所述控制单元判定出在所述判定目标电池组中已经发生故障或者将要发生故障。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述判定目标电池组具有等于或低于所述多个电池组的所述电池组电压的平均值的电池组电压。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述判定目标电池组在所述多个电池组中具有最低电池组电压。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述总体不包括所述判定目标电池组。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述总体由从具有最高电池组电压的电池组起按所述电池组电压的降序选出的预定数量的电池组构成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述阈值电压是以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述判定单元从所述总体中排除具有等于或低于预定电池组电压的电池组电压的所述电池组。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述判定单元从所述总体中排除具有如下电池组电压的所述电池组所述电池组电压等于或低于以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述判定单元从所述总体中排除出现变化点的所述电池组，在所述变化点处，所述电池组电压相对于发电电流密度变化的变化率发生变化。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述判定单元从所述总体中排除出现变化点的所述电池组，在所述变化点处，所述电池组电压对基准电压的偏差率相对于发电电流密度变化的变化率发生变化。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述判定单元基于阴极废气或者阳极废气中的成分浓度从所述总体中排除特定电池组。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其中，当所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布的偏斜度的绝对值小于预定值时，所述判定单元增加构成所述总体的电池组的数量。
14.一种用于检测通过堆叠多个电池组而形成的燃料电池的状态的方法，每个电池组包括至少一个电池，所述方法包括检测各个所述电池组的电池组电压；以及判定从所述多个电池组中选出的判定目标电池组的所述电池组电压是否等于或低于阈值电压，所述阈值电压是基于由所述多个电池组中的至少两个电池组构成的总体中的所述电池组的所述电池组电压的平均值和标准偏差而获得的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述判定目标电池组具有等于或低于所述多个电池组的所述电池组电压的平均值的电池组电压。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述判定目标电池组在所述多个电池组中具有最低电池组电压。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述总体不包括所述判定目标电池组。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，所述阈值电压是以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，从所述总体中排除具有等于或低于预定电池组电压的电池组电压的所述电池组。
20.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，从所述总体中排除具有如下电池组电压的所述电池组所述电池组电压等于或低于以所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的所述平均值为中心的预定范围的下限，所述预定范围基于所述总体中的所述电池组的所述电池组电压的正态分布来确定。
全文摘要
一种燃料电池系统(100)，包括燃料电池堆(10)，其通过堆叠多个电池组而形成，每个电池组包括至少一个电池(11)；电压检测单元(41)，其检测各个所述电池组的电池组电压；以及判定单元(52)，其判定从所述多个电池组中选出的判定目标电池组的所述电池组电压是否等于或低于阈值电压，所述阈值电压是基于由从所述多个电池组中选出的至少两个电池组构成的总体中的所述电池组的所述电池组电压的平均值和标准偏差而获得的。
文档编号G01R31/36GK102171879SQ200980139364
公开日2011年8月31日 申请日期2009年10月27日 优先权日2008年10月28日
发明者荒木康 申请人:丰田自动车株式会社