CN104282925A - 车辆用燃料电池的劣化检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供车辆用燃料电池的劣化检测装置。在搭载于车辆的燃料电池发生了劣化时，详细地判定劣化原因，从而能以适当的条件进行劣化的恢复运转。使燃料电池的输出电流的目标值以阶跃状变化。测量以跟踪该目标值的方式驱动的燃料电池的输出电压的过渡响应，将过渡响应分解为响应较快的成分和响应较慢的成分。算出响应较快的成分的时间常数T1、响应较慢的成分的时间常数T2。算出正常时的响应较快的成分的时间常数和时间常数T1的差值ΔT1，算出正常时的响应较慢的成分的时间常数和时间常数T2的差值ΔT2。根据差值ΔT1判定燃料电池的铂催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗变化的劣化，根据差值ΔT2判定燃料电池的氢和氧的供给状态变化的劣化。

Description

车辆用燃料电池的劣化检测装置
技术领域
本发明涉及一种搭载在车辆上的燃料电池的劣化检测装置。
背景技术
近年来，自动两轮车、自动四轮车等车辆的领域中，考虑到地球环境，公知有一种作为动力源搭载有例如具有高分子膜的固体高分子型燃料电池的车辆。固体高分子型燃料电池构成将作为基本单位的多枚单电池(cell)层叠串联连接而成的电池堆。单电池是将高分子膜(质子交换膜)置于中间地粘贴阳极(燃料极)和阴极(空气极)，在其外侧配置有由碳纸构成的支承集电体。并且，在其外侧配置有具有供冷却水流动的管路的隔板。阳极和阴极由电解质和将铂微粒附着在碳载体上而成的催化器构成。向阳极导入氢时，氢离子化而穿过质子交换膜向阴极移动，同时在离子化时放出的电子不穿过质子交换膜而是顺着导线向外部流出，成为电流。导入到阴极的氧与穿过高分子膜进入的氢离子和通过外部的导线进来的电子进行反应而成为水，被排出。
在搭载有该燃料电池的车辆的实际使用状况下，行驶时的负荷和周边环境、保管时的周边环境发生各种各样的变化。因此，燃料电池发生铂催化器的表面氧化、溶出、质子交换膜干燥、开孔、单电池内部的水分过多和水分冻结、隔板表面氧化等、暂时性或者永久性的性能降低(劣化)。这些劣化中的、铂催化器的表面氧化、质子交换膜干燥、单电池内部的水分过多、水分冻结是燃料电池的暂时性劣化。在发生了该暂时性的劣化的情况下，需要使燃料电池以用于使其从劣化恢复的条件运转(以下称作恢复运转)，谋求燃料电池的性能恢复。即，必须检测燃料电池的劣化程度，根据该检测结果判断恢复运转的必要性，进而确定燃料电池的劣化原因，根据劣化原因选择适合从该劣化状态恢复的恢复运转的条件。
作为判定燃料电池劣化的技术，例如在专利文献1中提出了一种这样的系统：将燃料电池的输出电压控制为预先决定好的下降模式，根据积算该控制过程中燃料电池的输出电流的测量值而求出的电量判定燃料电池的劣化。在该系统中，在对阴极进行送风处理之后进行输出电流的测量处理，判定承载催化器的载体的劣化，之后再次进行相同的测量处理，判定催化器的变化。此外，在专利文献2中提出了一种这样的燃料电池系统；通过在使发电停止之后检测燃料电池的电压变化量，在适当的时机使燃料电池进行放电，防止质子交换膜的劣化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012－089448号公报
专利文献2：日本特开2012－028221号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，专利文献1的系统虽然能够检测由催化器和载体引起的燃料电池的劣化，但无法检测由其他原因、例如单电池内部的水分过多、氢和氧的供给状态恶化引起的燃料电池的劣化。因而，在劣化的原因在于催化器和载体之外的情况下，无法选择燃料电池的恢复运转的适当条件。此外，在专利文献2的系统中，无法检测燃料电池的劣化程度，无法从各种各样的劣化原因中确定实际上发生劣化的原因。因而，与专利文献1的系统同样，无法适当地进行燃料电池的恢复运转。
本发明即是鉴于这样的实际状况而完成的，其目的在于，在搭载有燃料电池的车辆的实际使用状況中燃料电池发生了劣化的情况下，正确地判定其劣化原因，从而能够适当地选择劣化的恢复运转的条件。
用于解决问题的方案
为了解决上述以往技术所具有的课题，本发明是一种检测搭载在车辆上的燃料电池的劣化的装置，其中，该装置包括：目标值设定部，其用于设定目标值，该目标值是通过将上述燃料电池的当前输出电流值增加预定的阶跃量而得到的；过渡响应测量部，其用于控制上述燃料电池的输出电流，使得上述燃料电池的输出电流值跟踪上述目标值，对此时的上述燃料电池的输出电压的过渡响应进行测量；过渡响应分解部，其用于将上述燃料电池的输出电压的过渡响应分解为响应速度较高的第1成分和响应速度较低的第2成分；时间常数计算部，其用于计算出上述第1成分的第1时间常数和上述第2成分的第2时间常数；差值计算部，其用于计算第1差值和第2差值；上述第1差值为第1基准时间常数和上述第1时间常数的差值，上述第2差值为第2基准时间常数和上述第2时间常数的差值；上述第1基准时间常数为上述燃料电池正常时的上述第1成分的时间常数，上述第2基准时间常数为上述燃料电池正常时的上述第2成分的时间常数；以及劣化判定部，当上述第1差值超过第1成分的规定值时，在判定上述燃料电池的催化器的反应状态和单电池内部的阻抗的变化引起劣化发生的同时对其劣化程度进行判定；当上述第2差值超过第2成分的规定值时，在判定上述燃料电池的氢和氧的供给状态的变化引起劣化发生的同时，对其劣化程度进行判定。
此外，本发明能够构成为，在根据上述第1差值判定的劣化程度超出预定范围的情况下，测量上述燃料电池中的电流密度较小的第1区域中的第1电流值和第1电压值，测量上述燃料电池中的电流密度大于上述第1区域的第2区域中的第2电流值和第2电压值，在上述燃料电池为正常时的由上述第1电流值驱动时的电压值和上述第1电压值的差值超过第1电流规定值的情况下，按照可促进上述燃料电池的单电池的催化器表面的还原反应的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复，在上述燃料电池为正常时的由上述第1电流值驱动时的电压值和上述第1电压值的差值未超过上述第1电流规定值并且在上述燃料电池为正常时的由上述第2电流值驱动时的电压值和上述第2电压值的差值超过第2电流规定值的情况下，按照上述燃料电池的单电池的高分子膜加湿的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复。
此外，本发明能够构成为，在根据上述第2差值判定的劣化程度超出预定范围的情况下，在上述燃料电池的温度高于温度规定值时，按照使上述燃料电池的单电池内部的水分除去的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复，在上述燃料电池的温度低于上述温度规定值的情况下，按照使上述燃料电池的单电池内部的冻结的水分融解的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复。
此外，本发明能够构成为，上述劣化检测部在根据上述第1差值判定上述燃料电池已经劣化时，根据上述第1差值决定可使劣化恢复的上述燃料电池的恢复运转时间，上述劣化检测部在根据上述第2差值检测出上述燃料电池已经劣化时，根据上述第2差值决定可使劣化恢复的上述燃料电池的恢复运转时间。
此外，本发明能够构成为，即使执行了使上述劣化判定部判定出的劣化恢复的恢复运转，也不能使上述燃料电池的劣化恢复的情况下，相对于正常时的上述燃料电池的输出电压值，恢复运转后的上述燃料电池的输出电压值的降低小于预定的容许水平的情况下，设定上述燃料电池的输出电流值的新的目标值，控制上述燃料电池，使得输出电流值跟踪上述新的目标值，测量此时上述燃料电池的输出电压的过渡响应，将上述燃料电池的输出电压的过渡响应分解为上述第1成分和上述第2成分，计算出上述第1成分的第3时间常数和上述第2成分的第4时间常数，将上述第1基准时间常数置换为上述第3时间常数，将上述第2基准时间常数置换为上述第4时间常数。
发明的效果
像上述那样，在本发明的车辆用燃料电池的劣化检测装置中，设定目标值，目标值是将燃料电池的当前输出电流值增加预定的阶跃量而得到的，对控制燃料电池使得输出电流值跟踪该目标值时的燃料电池的输出电压的过渡响应进行测量，根据该过渡响应所包含的响应速度较高的第1成分和响应速度较低的第2成分判定燃料电池的劣化的原因及其程度。因而，能够判断燃料电池的恢复运转的必要性，并且在燃料电池发生了劣化的情况下，能够选择用于劣化恢复的适当的条件而进行恢复运转。
在根据上述过渡响应所包含的响应速度较高的第1成分判定的劣化程度超出预定范围的情况下，通过分别测量燃料电池中的电流密度不同的多个区域的电流值和电压值，能够根据这些电流值和电压值更详细地判定劣化的原因。因而，在进行用于使根据响应速度较高的第1成分判定出的劣化恢复的恢复运转时，能够选择更适当的条件。
在根据上述过渡响应所包含的响应速度较低的第2成分判定出的劣化程度超出预定范围的情况下，通过测量燃料电池的温度，能够根据该测量温度更详细地判定劣化的原因。因而，在进行用于使根据响应速度较低的第2成分判定出的劣化恢复的恢复运转时，能够选择更适当的条件。
在根据过渡响应所包含的响应速度较高的第1成分判定出发生了劣化的情况下，根据作为上述第1时间常数和第1基准时间常数的差值的第1差值计算出恢复运转的时间，在根据过渡响应所包含的响应速度较低的第2成分判定出发生了劣化的情况下，根据作为上述第2时间常数和第2基准时间常数的差值的第2差值计算出恢复运转的时间，从而能够与劣化的原因相应地使恢复运转的时间最佳化。因而，能够抑制因恢复运转而导致燃料电池的输出降低等对车辆的行驶产生的影响。
即使执行了使劣化恢复的恢复运转，也不能使劣化恢复的情况下，相对于正常时的燃料电池的输出电压值，恢复运转后的燃料电池的输出电压值的降低小于预定的容许水平的情况下，燃料电池的性能虽降低，但能够继续使用。在这种情况下，通过进行置换上述基准电压值的处理，能够继续判定暂时性劣化的发生，能够进行适当的恢复运转。
附图说明
图1是本发明的实施方式的车辆用燃料电池的劣化检测装置的框图。
图2是本发明的实施方式的车辆用燃料电池的劣化检测装置的第1DC－DC转换器的结构图。
图3是表示燃料电池的过渡特性的图表。
图4是表示通过劣化检测装置执行的劣化检测处理过程的流程图。
图5是表示燃料电池的损失特性的图表。
图6是表示燃料电池的活化极化增大后的特性的图表。
图7是表示燃料电池的电阻极化增大后的特性的图表。
图8是表示选择劣化了的燃料电池的恢复运转条件的处理过程的流程图。
图9是表示选择劣化了的燃料电池的恢复运转条件的处理过程的流程图。
图10是表示在劣化了的燃料电池的恢复运转之后进行的处理过程的流程图。
图11是表示在劣化检测处理的变形例中测量的燃料电池的电压波形的时序图。
图12是表示在劣化检测处理的变形例中测量的燃料电池的电压波形的时序图。
具体实施方式
下面，根据图示的实施方式详细说明本发明。图1是本实施方式的车辆用燃料电池的劣化检测装置的框图。数据处理装置10是用于控制劣化检测装置整体的系统控制器。在数据处理装置10上连接有燃料电池(FC)20、第1DC－DC转换器30、逆变器40、第2DC－DC转换器60、电池70。在逆变器40上连接有马达50，在第2DC－DC转换器上连接有电池70。由燃料电池20的温度传感器21测量的燃料电池20的温度数据、由第1DC－DC转换器30的电压传感器31、电流传感器32测量的各种数据输入到数据处理装置10。在数据处理装置10中基于这些各种数据进行运算处理，生成控制信号。在燃料电池20、第1DC－DC转换器30、逆变器40、第2DC－DC转换器60、电池70上分别搭载有控制电路(未图示)，在其与数据处理装置10之间分别收发控制信号。
图2是表示图1的第1DC－DC转换器30的结构的图。第1DC－DC转换器是升降压型转换器，其除了上述电压传感器31和电流传感器32之外还包括电感33、开关SW1、SW2、SW3、SW4。
开关SW1～SW4是开关元件，例如使用功率MOSFET。在第1DC－DC转换器30中进行升压工作的情况下，开关SW1转换为开启，开关SW2转换为关闭，开关SW3和开关SW4以与输入输出之间的电压差相应的占空比转换。此外，在第1DC－DC转换器30中进行降压工作的情况下，开关SW4转换为开启，开关SW3转换为关闭，开关SW1和开关SW2以与输入输出之间的电压差相应的占空比转换。根据电压传感器31和电流传感器32的检测结果控制开关SW1～SW4的转换，使得电压和电流跟踪预定的目标值。
在数据处理装置10中执行的燃料电池20的恢复控制的处理过程如下。首先，对燃料电池20进行劣化检测处理，根据该检测结果判定是否执行燃料电池20的恢复运转。若判断为需要燃料电池20的恢复运转，则根据劣化的状态相应地选择恢复运转的条件，接着，以选择的条件执行燃料电池20的恢复运转。然后，在恢复运转之后，确认燃料电池20的输出是否已恢复，在未恢复的情况下，执行后述的恢复运转之后的处理。由于在使燃料电池20发电的同时执行这些处理，因此，在处理过程中从燃料电池20输出有电力。像上述那样，燃料电池20的输出电流经由第1DC－DC转换器30和逆变器40被输出到马达50而驱动马达50，或者经由第1DC－DC转换器30和第2DC－DC转换器60被输出到电池70而将电池70充电。根据车辆的行驶状态、电池70的充电状态相应地进行马达驱动、电池充电。
燃料电池的劣化检测
在本实施方式中，着眼于燃料电池20的过渡特性来判定燃料电池20的劣化程度及其原因。图3表示使燃料电池的输出电流的目标值以阶跃状增加时的输出电压的过渡响应。在时刻t1使燃料电池20的输出电流的目标值以阶跃状增加时，燃料电池20的输出电压如实线L20所示在时刻t1显示下降约50％之后，缓慢地下降。实线L20所示的输出电压的过渡响应性能够以响应速度较高的成分(虚线L21)和响应速度较低的成分(虚线L22)之和来近似。响应较快的成分在时刻t1显示下降约50％之后维持电压值。响应较慢的成分在时刻t1不会急剧地下降，在时间经过的同时显示缓慢的下降。
响应较快的成分与燃料电池20的单电池的铂催化器的反应、单电池的内部阻抗相关。即，在燃料电池20中，在发生了由单电池的铂催化器表面氧化引起的劣化、由高分子膜干燥引起的劣化的情况，由单电池内部的水分过多导致氢和氧的供给状态恶化而发生了性能劣化的情况等时，响应较快的成分产生滞后。此外，响应较慢的成分与燃料电池20的氢和氧的供给相关。即，在发生了燃料电池20的氢和氧的供给状态变化的劣化(例如正常时的80％以下的水平)的情况下，响应较慢的成分进一步产生滞后。
由于响应较快的成分和响应较慢的成分的时间常数存在很大的差异，因此能够各自检测。
在本实施方式中，通过测量以阶跃状增大了燃料电池20的输出电流值的情况下的输出电压的过渡响应，分解成上述响应较快的成分和响应较慢的成分，计算出各自的时间常数，从而判定燃料电池20的劣化程度及其原因。燃料电池20的输出电压的过渡响应如式(1)所示以1阶滞后系统传递函数的阶跃响应之和来近似。
数1
V 0 + V = V 0 + V 1 + V 2 = V 0 + ( V 1 ∞ - V 0 ) ( 1 - e - T 1 / t ) + ( V 2 ∞ - V 0 ) ( 1 - e - T 2 / t ) - - - ( 1 )
在此，t是时间，V0是电压初始值，V是过渡响应电压值，V1是响应较快的成分的电压值，V2是响应较慢的成分的电压值，V1∞是响应较快的成分的电压最终值，V2∞是响应较慢的成分的电压最终值，T1是响应较快的成分的时间常数，T2是响应较慢的成分的时间常数。
将响应较快的成分的电压值V1的时间常数T1和响应较慢的成分V2的电压值的时间常数T2如式(2)、(3)所示与正常状态(燃料电池20未发生劣化的状态)下的时间常数相比较。
数2
ΔT1＝T1-T1std   (2)
在此，ΔT1是响应较快的成分的正常状态下的时间常数和检测出的响应较快的成分的时间常数的差值，T1std是响应较快的成分的正常状态下的时间常数。
数3
ΔT2＝T2-T2std   (3)
在此，ΔT2是响应较慢的成分的正常状态下的时间常数和检测出的响应较慢的成分的时间常数的差值，T2std是响应较慢的成分的正常状态下的时间常数。
在本实施方式中，根据ΔT1判断燃料电池20的催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗变化的劣化程度，基于ΔT2判断燃料电池20的氢和氧的供给状态变化的劣化程度。
图4是表示在数据处理装置10中执行的燃料电池20的劣化检测处理的过程的流程图。在步骤S10中，控制第1DC－DC转换器30的开关，使得从燃料电池20输出且输入到第1DC－DC转换器30中的电流的电流值以阶跃状上升。以阶跃状上升的电流值(目标值)输入到数据处理装置10。数据处理装置10向燃料电池20输出控制信号，使得燃料电池20的输出电流跟踪目标值。接着，在步骤S11中，通过第1DC－DC转换器30的电压传感器31测量将输出电流控制为目标值的燃料电池20的输出电压的过渡响应，由电压传感器31测量的过渡响应波形作为时间序列的数据排列记录在数据处理装置10中。
在步骤S12中，过渡响应波形以上述式(1)所示的1阶滞后系统传递函数的阶跃响应之和来近似，在步骤S13中计算出响应较快的成分V1的时间常数T1和响应较慢的成分V2的时间常数T2。接着进入到步骤S14，计算出响应较快的成分的正常状态下的时间常数和在步骤S13中计算出的响应较快的成分的时间常数T1的差值ΔT1，计算出响应较慢的成分的正常状态下的时间常数和在步骤S13中计算出的响应较慢的成分的时间常数T2的差值ΔT2。
在步骤S15中，将差值ΔT1与预先决定好的规定值相比较，在ΔT1为规定值以上的情况下，进入到步骤S16。在步骤S16中，根据响应较快的成分的时间常数T1与正常时相比的变化在规定值以上的状况，判断为在燃料电池20中发生了单电池的铂催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗的变化的劣化。此外，根据ΔT1的值相应地判断该劣化的程度。即，ΔT1的值越大，则判断为铂催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗变化的劣化程度越大。接着，进入到步骤S17。在ΔT1低于规定值的情况下，跳过步骤S16的处理，进入到步骤S17。
在步骤S17中，将差值ΔT2与预先决定好的规定值相比较，在ΔT2为规定值以上的情况下，进入到步骤S18。在步骤S18中，根据响应较慢的成分的时间常数T2与正常时相比的变化在规定值以上的状况，判断为在燃料电池20中发生了氢和氧的供给状态变化的劣化。此外，根据ΔT2的值相应地判断该劣化的程度。即，ΔT2的值越大，则判断为氢和氧的供给状态变化的劣化程度越大。以上，燃料电池20的劣化检测结束。在ΔT2低于规定值的情况下，跳过步骤S18的处理，燃料电池20的劣化检测结束。
恢复运转条件的选择
在本实施方式中，根据在上述图4的步骤S16和步骤S18中判断的劣化的原因及其程度选择燃料电池20的恢复运转的条件。在根据响应较快的成分的时间常数的差值ΔT1判断为燃料电池20的铂催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗变化的劣化程度较大的情况下，以促进催化器表面的还原反应的条件、或者使高分子膜加湿的条件进行燃料电池20的恢复运转。
燃料电池20的损失中存在：由电极反应的活化能量引起的活化极化(Vact)，由电解质的电阻、电极的电阻引起的电阻极化(Vohm)，由电极表面的反应物的浓度现象引起的扩散极化(Vtrans)。图5是表示这些损失的特性的图表。燃料电池20的铂催化器的反应状态的劣化导致活化极化Vact的增大，燃料电池20的单电池的内部阻抗劣化导致电阻极化Vohm的增大。因而，在从图5中用A11表示的电流密度较小的区域中发现输出电压降低的情况下，能够判断为发生了燃料电池20的铂催化器的反应状态的劣化。此外，在图5中用A12表示的电流密度为中等程度的区域中发现输出电压降低的情况下，能够判断为发生了单电池的内部阻抗的劣化。
因此，首先在电流密度较小的区域A11中测量燃料电池20的电压V1和电流I1，将电压V1与燃料电池20正常时达到相同的电流I1时的电压V1std相比较。其次，在电流密度为中等程度的区域A12中同样测量燃料电池20的电压V2和电流I2，将电压V2与燃料电池20正常时设定成相同的电流I2时的电压V2std相比较。如图6所示，在从电流密度较小的区域A11开始已经与正常时的电压V1std之差较大的情况下，活化极化增大。因而，判断为铂催化器的反应状态产生了问题，在燃料电池20的恢复运转过程中选择促进催化器表面的还原反应的条件。另一方面，如图7所示，在电流密度较小的区域A11中与正常时的电压V1std之差较小，在电流密度为中等程度的区域A12中与正常时的电压V2std之差较大的情况下，电阻极化增大。因而，判断为单电池的内部阻抗产生了问题，在燃料电池20的恢复运转过程中选择使高分子膜加湿的条件。此外，由于根据响应较快的成分的时间常数的差值ΔT1判断燃料电池20的劣化程度，因此，能够根据ΔT1决定恢复运转的时间。
在根据响应较慢的成分的时间常数的差值ΔT2判断为燃料电池20的氢和氧的供给状态变化的劣化程度较大的情况下，以除去单电池内部的水分的条件、或者使单电池内部的冻结的水分融解的条件，进行燃料电池20的恢复运转。根据由燃料电池20的温度传感器21检测出的燃料电池20的温度决定选择这些条件中的哪一个。
图8表示在图4的步骤S15、S16中判断为燃料电池20发生了铂催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗变化的劣化的情况下的、选择燃料电池20的恢复运转条件的处理过程。在步骤S20中，通过第1DC－DC转换器30的电压传感器31测量电流密度较小的区域中的燃料电池20的电压V1，通过电流传感器32测量电流密度较小的区域中的燃料电池20的电流I1。接着，在步骤S21中，计算出在正常时输出电流I1的情况下的电压V1std和电压V1的差值。在步骤S22中，通过第1DC－DC转换器30的电压传感器31测量电流密度为中等程度的区域中的电压V2，通过电流传感器32测量电流密度为中等程度的区域中的电流I2。接着，在步骤S23中，计算出在正常时输出电流I2的情况下的电压V2std和电压V2的差值。
在步骤S24中，判定上述电压V1std和电压V1的差值是否大于预先决定好的规定值。在电压V1std和电压V1的差值大于规定值的情况下，进入到步骤S25。在步骤S25中，作为燃料电池20的恢复运转的条件，选择促进单电池的催化器表面的还原反应的条件。另一方面，在电压V1std和电压V1的差值为规定值以下的情况下，进入到步骤S26。
在步骤S26中，判定上述电压V2std和电压V2的差值是否大于预先决定好的规定值。在电压V2std和电压V2的差值大于规定值的情况下，进入到步骤S27。在步骤S27中，作为燃料电池20的恢复运转的条件，选择使单电池的高分子膜加湿的条件。
在步骤S25或者步骤S27中选择了燃料电池20的恢复运转的条件之后，进入到步骤S28。在步骤S28中，根据在图4的步骤S14中计算出的上述时间常数的差值ΔT1决定燃料电池20的恢复运转的运转时间。差值ΔT1越大，运转时间被设定得越长。
在电压V1std和电压V1的差值为规定值以下(在步骤S24中是NO)、且电压V2std和电压V2的差值为规定值以下的情况(在步骤S26中是NO)下，判断为燃料电池20未发生应恢复的劣化。因而，不进行决定恢复运转的条件和时间的处理。
图9表示在图4的步骤S17、S18中判断为在燃料电池20中存在氢和氧的供给状态变化的劣化的情况下的、选择燃料电池20的恢复运转条件的处理过程。在步骤S30中，通过温度传感器21测量燃料电池20的温度TFC，接着，在步骤S31中，将温度TFC与预先设定好的规定值相比较。在温度TFC高于规定值的情况下，进入到步骤S32。在步骤S32中，作为燃料电池20的恢复运转的条件，选择除去单电池内部的水分的条件。在温度TFC为规定值以下的情况下，进入到步骤S33。在步骤S33中，作为燃料电池20的恢复运转的条件，选择使单电池内部的冻结的水分融解的条件。在步骤S32或者步骤S33中选择了燃料电池20的恢复运转条件之后，进入到步骤S34。在步骤S34中，根据在图4的步骤S14中计算出的上述时间常数的差值ΔT2决定燃料电池20的恢复运转的运转时间。差值ΔT2越大，运转时间被设定得越长。
如以上这样，根据燃料电池20的劣化的程度和原因的判定结果选择燃料电池20的恢复运转的条件和时间。由此，能够将燃料电池20的性能发挥到最大限度。
恢复运转和之后的处理
图10是表示燃料电池20的恢复运转和之后的处理过程的流程图。在步骤S40中，执行燃料电池20的恢复运转。根据通过使用图8或者图9的流程图说明的上述处理决定的条件和时间执行恢复运转。此外，最初执行步骤S40时，表示恢复运转的次数的变量被设定为“0”。在燃料电池20的恢复运转结束之后，表示恢复运转的次数的变量递增“1”，进入到步骤S41。在步骤S41以后的处理过程中，确认燃料电池20的电流输出是否恢复。
在步骤S41中，通过电压传感器31测量恢复运转后的燃料电池20的电压V3，通过电流传感器32测量恢复运转后的燃料电池20的电流I3。接着，在步骤S42中，将电压V3和基准电压Vstd相比较。基准电压Vstd是燃料电池20正常时输出电流I3的情况下的电压值。在基准电压Vstd和恢复运转后的电压V3的差值为预先设定好的规定值以下的情况下，判断为燃料电池20已经从暂时性的劣化恢复，因此，不执行恢复运转后的处理。
另一方面，在基准电压Vstd和恢复运转后的电压V3的差值大于规定值的情况下，判断为燃料电池20未从劣化恢复，因此，进入到步骤S44。在步骤S44中，检查表示恢复运转的次数的变量的值，判定恢复运转的次数是否大于预先设定好的规定值。在恢复运转的次数为规定值以下的情况下，返回到步骤S40，再次执行恢复运转。
另一方面，在恢复运转的次数大于规定值的情况下，进入到步骤S45。恢复运转的次数大于规定值的情况是指尽管将恢复运转执行了预定次数，都无法从燃料电池20获得接近正常时的基准电压Vstd的输出电压的状态。即，燃料电池20的劣化并不是暂时性的，而是永久性的。换言之，能够领会燃料电池20的基本性能自身与以前相比变低。即使燃料电池20的基本性能降低，只要降低的程度较小，就也能够继续使用。因此，首先在步骤S45中，判定基准电压Vstd和恢复运转后的电压V3的差值是否是容许水平，即燃料电池20的永久性的输出电压降低是否为可容许的水平。
在虽然燃料电池20发生了永久性的输出电压降低，但基准电压Vstd和恢复运转后的电压V3的差值小于容许水平的情况下，进入到步骤S46。只要是即使发生了永久性的劣化，基准电压Vstd和恢复运转后的电压V3的差值也小于容许水平的状态，燃料电池20的基本性能的降低就不是致命的，能够继续使用。如果继续使用燃料电池20，则必须检测使用过程中暂时性的劣化的发生，执行适当的恢复运转。因此，在步骤S46～S50中，进行与当前燃料电池20的性能相匹配地置换响应较快的成分的时间常数T1std和响应较慢的成分的时间常数T2std的值的处理。
与图4的燃料电池的劣化检测处理中的步骤S10～S13的处理同样地计算出时间常数T1std和T2std的新的值。在步骤S46中，控制第1DC－DC转换器30的开关，使燃料电池20的输出电流的目标值从在步骤S10中决定的目标值进一步以阶跃状变化，将其作为新的目标值输入到数据处理装置10。数据处理装置10向燃料电池20输出控制信号，使得燃料电池20的输出电流跟踪新的目标值。在步骤S47中，通过第1DC－DC转换器30的电压传感器31测量将输出电流控制为新的目标值的燃料电池20的输出电压的过渡响应，将其作为时间序列的数据排列记录在数据处理装置10中。接着，在步骤S48中，过渡响应波形以上述式(1)所示的1阶滞后系统传递函数的阶跃响应之和来近似，在步骤S49中，计算出响应较快的成分V1的时间常数T1和响应较慢的成分V2的时间常数T2的时间常数。然后，在步骤S50中，将正常时的时间常数T1std置换为在步骤S49中计算出的响应较快的成分V1的时间常数T1，将正常时的时间常数T2std置换为在步骤S49中计算出的响应较慢的成分V2的时间常数T2。
之后，根据置换后的时间常数T1std和时间常数T2std选择使用图8和图9说明的燃料电池20的恢复运转的条件。
另一方面，在步骤S45中，在基准电压Vstd和恢复运转后的电压V3的差值为容许水平以上，判定为燃料电池20的永久性的输出电压降低为是无法容许的水平的情况下，判断为燃料电池20的基本性能降低是致命的。在这种情况下，进入到步骤S51，为了催促更换燃料电池20，向运转人员告知燃料电池20达到寿命的内容。
像以上那样，采用本发明的实施方式，将使燃料电池20的输出电流值增加预定的阶跃量而得到的电流值定为目标值，将为了使输出电流跟踪该目标值而驱动的情况下的燃料电池20的输出电压的过渡响应分解为响应速度较高的成分和响应速度较低的成分。而且，根据各个成分，判定燃料电池20的劣化的发生及其程度。因而，能够通过从任意成分检测出发生劣化，判定劣化原因的类别。其结果，能够以与劣化原因相应的适当的条件执行恢复运转，换言之能够执行恢复运转以消除劣化的原因。
并且，在根据响应较快的成分检测出燃料电池20的劣化的情况下，在电流密度较小的区域和电流密度为中等程度的区域中分别测量燃料电池20的电压值和电流值，将电压值与燃料电池20正常工作时设定成相同的电流值的情况下的电压值相比较。因而，在根据响应较快的成分检测出燃料电池20的劣化的情况下，能够更详细地判定其劣化原因。而且，根据该电压值的差值能够决定将恢复运转的条件设为促进单电池的催化器表面的还原反应的条件、还是设为使单电池的高分子膜加湿的条件。因而，在根据响应较快的成分检测出燃料电池20的劣化的情况下，能够以更适当的条件执行恢复运转，能够更可靠地使燃料电池20恢复。
此外，在根据响应较慢的成分检测出燃料电池20的劣化的情况下，通过温度传感器21测量燃料电池20的温度。根据温度传感器21的测量结果，能够更详细地判定根据响应较慢的成分检测出的燃料电池20的劣化原因。而且，根据温度传感器21的测量结果能够决定将恢复运转的条件设为除去燃料电池20的单电池内部的水分的条件、还是设为使单电池内部的冻结的水分融解的条件。因而，在根据响应较慢的成分检测出燃料电池20的劣化的情况下，能够以更适当的条件执行恢复运转，能够更可靠地使燃料电池20恢复。
变形例
在本实施方式中，为了判定燃料电池20的劣化的程度及其原因，测量燃料电池20的输出电压的过渡响应，将其分解为响应较快的成分和响应较慢的成分，计算出各自的时间常数，但并不限定于此。在此，对通过控制第1DC－DC转换器30的开关计算出响应较快的成分的时间常数和响应较慢的成分的时间常数的变形例进行说明。
在变形例中，在以下的过程中计算出响应较快的成分的时间常数。首先，将第1DC－DC转换器30的开关SW1～SW4全部关闭(初始状态)。接着，将开关SW1和开关SW3开启，将开关SW2和开关SW4关闭，待机至燃料电池20的输出电压下降到预定的值Vlower为止(第1次降压工作)。若通过电压传感器31确认了输出电压达到了预定的值Vlower，则接着将开关SW1和开关SW3关闭，将开关SW2和开关SW4开启，待机至燃料电池20的输出电压上升到预定的值Vupper为止(升压工作)。若通过电压传感器31确认了输出电压上升到Vupper，则再次将SW1和SW3开启，将SW2和SW4关闭，待机至输出电压下降到值Vlower为止(第2次降压工作)。然后，若通过电压传感器31确认了输出电压达到了值Vlower，则将SW1～SW4关闭。
在从上述初始状态到所有开关SW1～SW4再次关闭为止的期间里，通过电压传感器31测量燃料电池20的输出电压，将其测量结果记录在数据处理装置10中。该测量结果作为时间序列的数据排列来记录。图11表示电压传感器31的测量结果的一例子。在t11时第1次降压工作开始，在t12时输出电压达到Vlower，升压工作开始，在t13时输出电压达到Vupper，第2次降压工作开始，在t14时输出电压达到Vlower。在数据处理装置10中，计算出t12～t13的时间T1a和t13～t14的时间T1b。然后，根据时间T1a和时间T1b计算出过渡响应中的响应较快的成分V1的时间常数T1。通过例如以映射、函数定义时间T1a和时间T1b的平均值与实际的时间常数的相互关系的方法等计算出时间常数T1。
在以上的过程中决定了响应较快的成分V1的时间常数T1之后，与图4的步骤S14以后的处理同样计算出响应较快的成分的正常状态下的时间常数和时间常数T1的差值ΔT1，判定差值ΔT1是否为规定值以上，若为规定值以上，则判断为发生了铂催化器的反应状态的劣化、单电池的内部阻抗变化的劣化。
在以下的过程中计算出响应较慢的成分的时间常数。将第1DC－DC转换器30的各开关设为初始状态。第1DC－DC转换器30的降压工作的初始状态是指开关SW1为开启、开关SW2为关闭、开关SW3和开关SW4以规定的占空比(开关SW3为开启且开关SW4为关闭的期间与开关SW3为关闭且开关SW4为开启的期间的比例)转换的状态。第1DC－DC转换器30的升压工作的初始状态是指开关SW4为开启、开关SW3为关闭、开关SW1和开关SW2以规定的占空比(开关SW1为开启且开关SW2为关闭的期间与开关SW1为关闭且开关SW2为开启的期间的比例)转换的状态。在该变形例中，通过控制降压工作，即通过控制开关SW3和开关SW4的占空比，计算出响应较慢的成分的时间常数。
最初，将开关SW3和开关SW4的占空比设定得高于降压工作的初始状态、即高于规定值，进行降压工作(第1次降压工作)直到燃料电池20的输出电压下降到预定的值Vlower为止。若通过电压传感器31确认了第1DC－DC转换器30的输出电压达到了预定的值Vlower，则使开关SW3和开关SW4的占空比返回到规定值。由此，输出电压从Vlower上升(升压工作)。若通过电压传感器31确认了输出电压达到了预定的值Vupper，则再次将开关SW3和开关SW4的占空比设定得高于规定值，进行降压工作(第2次降压工作)直到输出电压下降到预定的值Vlower为止。若通过电压传感器31确认了输出电压达到了预定的值Vupper，则使开关SW3和开关SW4的占空比返回到规定值。从第1次降压工作开始到第2次降压工作结束为止，通过第1DC－DC转换器30的电压传感器31测量燃料电池20的输出电压。该测量结果作为时间序列的数据排列来记录。图12表示电压传感器31的测量结果的一例子。
在t21时第1次降压工作开始，在t22时输出电压达到Vlower，升压工作开始，在t23时输出电压达到Vupper，第2次降压工作开始，在t24时输出电压达到Vlower。在数据处理装置10中，计算出t22～t23的时间T2a和t23～t24的时间T2b。然后，根据时间T2a和时间T2b计算出过渡响应中的响应较慢的成分V2的时间常数T2。通过例如以映射、函数定义时间T2a和时间T2b的平均值与实际的时间常数的相关的方法等计算出时间常数T2。
另外，在该变形例中，通过控制开关SW3和开关SW4的占空比来控制燃料电池20的输出电压的升降压，但并不限定于此。也可以将开关SW4设为开启，将开关SW3设为关闭，通过控制开关SW1和开关SW2的占空比来控制燃料电池20的输出电压的升降压。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并不限定于已述的实施方式，能够根据本发明的技术思想进行各种变形和变更。
附图标记说明
10、数据处理装置；20、燃料电池；21、温度传感器；30、第1DC－DC转换器；31、电压传感器；32、电流传感器；40、逆变器；50、马达；60、第2DC－DC转换器；70、电池。

Claims (5)

1.一种车辆用燃料电池的劣化检测装置，其用于检测搭载在车辆上的燃料电池的劣化，其中，
该装置包括：
目标值设定部，其用于设定目标值，该目标值是通过将上述燃料电池的当前输出电流值增加预定的阶跃量而得到的；
过渡响应测量部，其用于控制上述燃料电池的输出电流，使得上述燃料电池的输出电流值跟踪上述目标值，对此时的上述燃料电池的输出电压的过渡响应进行测量；
过渡响应分解部，其用于将上述燃料电池的输出电压的过渡响应分解为响应速度较高的第1成分和响应速度较低的第2成分；
时间常数计算部，其用于计算出上述第1成分的第1时间常数和上述第2成分的第2时间常数；
差值计算部，其用于计算第1差值和第2差值；上述第1差值为第1基准时间常数和上述第1时间常数的差值，上述第2差值为第2基准时间常数和上述第2时间常数的差值；上述第1基准时间常数为上述燃料电池正常时的上述第1成分的时间常数，上述第2基准时间常数为上述燃料电池正常时的上述第2成分的时间常数；以及
劣化判定部，当上述第1差值超过第1成分的规定值时，在判定上述燃料电池的催化器的反应状态和单电池内部的阻抗的变化引起劣化发生的同时对其劣化程度进行判定；当上述第2差值超过第2成分的规定值时，在判定上述燃料电池的氢和氧的供给状态的变化引起劣化发生的同时，对其劣化程度进行判定。
2.根据权利要求1所述的车辆用燃料电池的劣化检测装置，其中，
在根据上述第1差值判定的劣化程度超出预定范围的情况下，
测量上述燃料电池中的电流密度较小的第1区域中的第1电流值和第1电压值，
测量上述燃料电池中的电流密度大于上述第1区域的第2区域中的第2电流值和第2电压值，
在上述燃料电池为正常时的由上述第1电流值驱动时的电压值和上述第1电压值的差值超过第1电流规定值的情况下，按照可促进上述燃料电池的单电池的催化器表面的还原反应的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复，
在上述燃料电池为正常时的由上述第1电流值驱动时的电压值和上述第1电压值的差值未超过上述第1电流规定值并且在上述燃料电池为正常时的由上述第2电流值驱动时的电压值和上述第2电压值的差值超过第2电流规定值的情况下，按照上述燃料电池的单电池的高分子膜加湿的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复。
3.根据权利要求1所述的车辆用燃料电池的劣化检测装置，其中，
在根据上述第2差值判定的劣化程度超出预定范围的情况下，
在上述燃料电池的温度高于温度规定值时，按照使上述燃料电池的单电池内部的水分除去的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复，
在上述燃料电池的温度低于上述温度规定值的情况下，按照使上述燃料电池的单电池内部的冻结的水分融解的条件进行运转使上述燃料电池的劣化恢复。
4.根据权利要求1所述的车辆用燃料电池的劣化检测装置，其中，
上述劣化检测部在根据上述第1差值判定上述燃料电池已经劣化时，根据上述第1差值决定可使劣化恢复的上述燃料电池的恢复运转时间，
上述劣化检测部在根据上述第2差值检测出上述燃料电池已经劣化时，根据上述第2差值决定可使劣化恢复的上述燃料电池的恢复运转时间。
5.根据权利要求1所述的车辆用燃料电池的劣化检测装置，其中，
即使执行了使上述劣化判定部判定出的劣化恢复的恢复运转，也不能使上述燃料电池的劣化恢复的情况下，相对于正常时的上述燃料电池的输出电压值，恢复运转后的上述燃料电池的输出电压值的降低小于预定的容许水平的情况下，
设定上述燃料电池的输出电流值的新的目标值，
控制上述燃料电池，使得输出电流值跟踪上述新的目标值，测量此时上述燃料电池的输出电压的过渡响应，
将上述燃料电池的输出电压的过渡响应分解为上述第1成分和上述第2成分，
计算出上述第1成分的第3时间常数和上述第2成分的第4时间常数，
将上述第1基准时间常数置换为上述第3时间常数，将上述第2基准时间常数置换为上述第4时间常数。
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