CN115149052B - 燃料电池堆劣化确定方法和具备燃料电池堆的燃料电池车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆劣化确定方法和具备燃料电池堆的燃料电池车。在燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流均处于既定范围的情况下，测量燃料电池堆的输出电压，并将所测量出的输出电压与基准值进行比较，来确定燃料电池堆的劣化程度。

Description

燃料电池堆劣化确定方法和具备燃料电池堆的燃料电池车
技术领域
本发明涉及燃料电池堆劣化确定方法，所述燃料电池堆是将通过燃料气体与含氧气体的电化学反应来进行发电的多个发电单电池层叠而形成的。此外，本发明涉及具备燃料电池堆的燃料电池车。
背景技术
例如，固体聚合物电解质燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括电解质膜、在电解质膜的一面设置的阳极、在电解质膜的另一面设置的阴极。电解质膜是聚合物离子交换膜。膜电极组件被夹持在一对隔板之间来形成发电单电池(电池单体)。通常，将既定个数的发电单电池层叠来形成例如安装于燃料电池车(燃料电池电动汽车等)的车载燃料电池堆。
在燃料电池堆中，燃料电池堆使用的催化剂劣化、催化剂的表面积的减小、电解质膜的膜厚度的减小会导致发电性能(输出性能)劣化。已知可以根据燃料电池堆的电流-电压特性(所谓的I-V特性)的变化来确定这种劣化。
日本特开2006-351252号公报(以下称为专利文献1)公开了一种涉及用于确定固体聚合物电解质燃料电池劣化的确定方法的技术。
在该技术中，基于与被供给燃料气体的阳极流路的远端相邻的多个发电单电池的输出电压降低，来确定固体聚合物电解质燃料电池的劣化(专利文献1的第[0022段]、第[0024]段、图4和图5)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-351252号公报
发明内容
然而，在以上专利文献1公开的用于确定固体聚合物电解质燃料电池劣化的方法中，不能说总是准确地检测燃料电池堆整体的劣化状态。
本发明考虑到上述问题，并且本发明的目的在于，提供燃料电池堆劣化确定方法和具备该燃料电池堆的燃料电池车，能够高可靠性准确地确定固体聚合物电解质燃料电池堆的劣化状态。
根据本发明的一方面，提供一种燃料电池堆劣化确定方法。燃料电池堆是包括层叠的多个发电单电池的固体聚合物电解质燃料电池堆，所述发电单电池通过燃料气体与含氧气体的电化学反应来进行发电。所述方法包括如下的步骤：进行比较来确定供给至燃料电池堆的含氧气体的压力、供给至燃料电池堆的含氧气体的流量及燃料电池堆的温度、燃料电池堆的阻抗、燃料电池堆的输出电流是否处于既定范围；在供给至燃料电池堆的含氧气体的压力和流量及燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流均处于既定范围的情况下，测量燃料电池堆的输出电压；以及将输出电压的测量值与基准值进行比较，来确定燃料电池堆的劣化程度。
根据本发明的另一方面，提供一种具备燃料电池堆的燃料电池车。该燃料电池堆是包括层叠的多个发电单电池的固体聚合物电解质燃料电池堆，所述发电单电池通过燃料气体与含氧气体的电化学反应进行发电。燃料电池车包括：测量仪器，其用于测量供给至燃料电池堆的含氧气体的压力、供给至燃料电池堆的含氧气体的流量、燃料电池堆的温度、燃料电池堆的阻抗、燃料电池堆的输出电流及燃料电池堆的输出电压；比较器，其用于进行比较来确定测量仪器测量出的供给至燃料电池堆的含氧气体的压力和流量及燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流是否处于既定范围；以及确定器，其用于在供给至燃料电池堆的含氧气体的压力和流量及燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流均处于既定范围的情况下，将测量仪器测量出的燃料电池堆的输出电压的测量值与基准值进行比较，来确定燃料电池堆的劣化程度。
在本发明中，在燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流均处于既定范围的情况下将所测量出的燃料电池堆的输出电压与基准值进行比较，来确定燃料电池堆的劣化。因此，能够以高可靠性高度准确地确定固体聚合物电解质燃料电池堆的劣化状态。
根据以下结合附图进行的记述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点会更加明显，在附图中，通过说明性示例示出本发明的优选实施例。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的燃料电池车的示意性结构图，该燃料电池车进行根据该实施例的燃料电池堆劣化确定方法。
图2是示出用于说明劣化确定情形的控制装置的功能框图。
图3是用于说明劣化确定情形的时间图。
图4是用于详细说明劣化确定方法的流程图。
图5是用于详细说明图4的流程图中的步骤S5的流程图。
图6是根据实施例的用于说明测量安装于燃料电池车的燃料电池堆的输出电压的测量时间(测量定时)的时间图。
图7是示出用于说明I-V特性随时间的变化(劣化)的特性曲线的曲线图。
具体实施方式
以下将参考附图来记述根据本发明的燃料电池堆劣化确定方法的优选实施例以及具备该燃料电池堆的燃料电池车。
[配置]
图1是示出根据本发明实施例的燃料电池车的示意性结构图，该燃料电池车进行实施例涉及的燃料电池堆劣化确定方法。
例如，如图1所示，实施例涉及的燃料电池车10是燃料电池电动汽车。燃料电池车10包括燃料电池系统12、储能器(储电装置)(电池)14、电流控制器16、电机(车辆驱动电动机)18、高压氢罐20和控制装置30。储能器14的示例包括二次电池和电容器。
控制装置30包括ECU(电子控制单元)。通过由处理器(CPU)执行存储器(存储装置)32中记录的程序，控制装置30作为各种控制单元(控制部件)等发挥功能，例如比较器34和确定器36。存储器32的示例包括易失性存储器、电池供电的易失性存储器、非易失性存储器和可重写非易失性存储器。
控制装置30经由控制线(未图示)来从各个组成部分(各个构成要素)获取数据，并且控制燃料电池系统12的各个部分由此对燃料电池车10整体(各个构成要素)进行控制(包括对电流控制器16进行控制)。
燃料电池系统12包括燃料电池堆(燃料电池)22、含氧气体系装置24、燃料气体系装置26和冷却剂供给系装置28。
含氧气体系装置24向燃料电池堆22供给含氧气体，并且燃料气体系装置26向燃料电池堆22供给燃料气体。冷却剂供给系装置28向燃料电池堆22供给冷却剂。
含氧气体系装置24包括空气泵(AP)40和加湿器(HUM)42。燃料气体系装置26包括喷射器(INJ)44、引射器46和气液分离器48。
燃料电池堆22由层叠的多个发电单电池50形成。例如，各个发电单电池50包括膜电极组件(MEA)以及夹持膜电极组件(MEA)的一对隔板(未图示)。膜电极组件包括固体聚合物电解质膜52以及在固体聚合物电解质膜52的两侧设置的阳极54和阴极56。固体聚合物电解质膜52例如是含水的全氟磺酸的薄膜。可以使用氟系电解质作为固体聚合物电解质膜52。也可以是，取而代之，使用HC(烃)类电解质作为固体聚合物电解质膜52。
所述一对隔板中，面对阳极54的一方隔板具有作为氢气(燃料气体)的通路的阳极流路58，面对阴极56的另一方隔板具有作为空气(含氧气体)的通路的阴极流路60。
燃料电池堆22具有经由阳极流路58向阳极54供给燃料气体(例如，氢气)的燃料气体供给通路62a以及燃料气体排出通路62b。
此外，燃料电池堆22具有经由阴极流路60向阴极56供给含氧气体(例如，空气)的含氧气体供给通路64a以及含氧气体排出通路64b。
此外，燃料电池堆22具有冷却剂供给通路66a和冷却剂排出通路66b，作为将冷却剂引至各个发电单电池50的通路。
燃料气体被供给至阳极54，因催化剂的电极反应而由氢分子产生氢离子，并且氢离子透过固体聚合物电解质膜52，移动到阴极56。
另一方面，由氢分子释放出的电子从负电极端子70经过电流控制器16，并进而经过例如储能器14、电机18、空气泵40和控制装置30等载荷，并且经由电流控制器16和正电极端子72，移动到阴极56。
在正电极端子72与电流控制器16之间的布线设置有测量仪器(电流传感器)78，该测量仪器78用于测量从燃料电池堆22沿着与电子流动方向相反的方向流动的输出电流Io[A]。
在阴极56处，因催化剂的作用而产生的氢离子和电子与所供给的含氧气体中的氧发生反应，从而产生水。
用于测量燃料电池堆22的阻抗Zs[mmΩ]的测量仪器(阻抗传感器)74和用于测量燃料电池堆22的输出电压Vo[V]的测量仪器(电压传感器)76连接于正电极端子72与负电极端子70之间。
应当注意，由于阻抗Zs与固体聚合物电解质膜52的湿度相关，因此阻抗Zs与燃料电池堆22的系统相对湿度(内部相对湿度)相关。
用于对电机18的电机电流(动力运行电流和再生电流)Im进行测量的测量仪器(电流传感器)82设置于电机18与电流控制器16之间的布线。
储能器14设置有用于测量电池电流Ib的测量仪器(电流传感器)80，其中电池电流Ib是储能器14的充电和放电电流。
用于对空气泵40等的辅助装置电流Iaug进行测量的测量仪器(电流传感器)81设置于储能器14与例如空气泵40等辅助装置之间的布线。
在如上所述布线的燃料电池车10中，消耗燃料电池堆22的电能(发电电能)和储能器14的电能(储存电能)，对作为主装置的电机18提供电能并对例如空气泵40、空调(未图示)等辅助装置提供用于载荷的电能(载荷电能)。
空气泵40由空气泵40内的电机驱动的机械增压器等形成。空气泵40具有吸入大气(空气)来将大气(空气)增压并供给至加湿器42的功能。
加湿器42包括通道(第一通道)84以及通道(第二通道)88并且具有对从空气泵40供给的含氧气体进行加湿的功能，通道(第一通道)84是含氧气体(干燥空气)的通路，通道(第二通道)88是从燃料电池堆22的阴极流路60经由燃料电池堆22的含氧气体排出通路64b及管通道86流通的湿润排气(含氧排气、阴极排气)的通路。
也就是说，通过加湿器42中的多孔质膜，加湿器42将阴极排气中包含的水分转移给供给气体(含氧气体)。
此时的湿度设定为如下加湿量：将固体聚合物电解质膜52加湿以使燃料电池堆22(各个发电单电池50)产生优异的发电性能的加湿量。
作为具有旁通阀90的管通道的旁路通道92设置于加湿器42的通道84的两端之间，允许干燥空气绕过加湿器42而从空气泵40到达燃料电池堆22。
空气泵40的入口侧经由管通道94、用于测量含氧气体的质量流量Mf(g/min)的测量仪器{空气流量传感器(AFS)(质量流量传感器、流量传感器)}96、隔离阀98(可选)及管通道100，来与大气连通。
空气泵40的出口侧经由管通道102被连接于加湿器42的第一通道84的一端。第一通道84的另一端连接于作为管通道的供给通道104的一端。供给通道104的另一端经由含氧气体供给通路64a被连接于燃料电池堆22中的阴极流路60。
含氧气体的供给通道104设置有测量仪器(含氧气体供给压力传感器)106以及测量仪器(加湿传感器)107，测量仪器(含氧气体供给压力传感器)106检测流过供给通道104的含氧气体的压力作为含氧气体入口压力Pog[kPa]，测量仪器(加湿传感器)107检测流过供给通道104的含氧气体的湿度作为阴极入口湿度RH[％]。
在加湿器42的第二通道88的排出侧，管通道110设置有出口停止阀112，并且稀释器116经由背压控制阀114被连接于出口停止阀112的下游侧。
与燃料电池堆22的含氧气体排出通路64b连接的管通道86设置有用于检测含氧气体出口压力Po的测量仪器(含氧气体出口压力传感器)118。
氢罐20包括电磁隔离阀119，氢罐20是用于收容高压状态下的高纯度氢的容器。
从氢罐20排出的燃料气体流过管通道120、喷射器44、管通道122、引射器46和管通道124，经由燃料气体供给通路62a被供给至燃料电池堆22的阳极流路58的入口。
管通道124设置有用于检测燃料气体入口压力Ph[kPa]的测量仪器(燃料气体入口压力传感器)125。用于控制燃料气体入口压力Ph的控制装置30以PWM(脉宽调制)方式驱动喷射器44。
在冷却剂供给系装置28中，在被控制装置30控制的冷却剂泵150的操作下，例如纯水、乙二醇或油等冷却剂从冷却剂循环通道152被供给至燃料电池堆22的冷却剂供给通路66a。
阳极流路58的出口经由燃料气体排出通路62b和管通道126被连接于气液分离器48的入口。作为含氢气体的燃料排气(阳极排气)从阳极流路58被供给至气液分离器48。
与燃料电池堆22的燃料气体排出通路62b连接的管通道126设置有用于检测阳极排气的温度作为阳极出口温度To[℃或K]的测量仪器(阳极出口温度传感器)130。
气液分离器48将阳极排气分离为气体成分与液体成分(液态水)。阳极排气的气体成分从气液分离器48的气体排出端口128排出，并经由管通道131朝向引射器46移动，并在吹扫阀132的打开操作下经由管通道134和管通道136朝向稀释器116移动。
燃料气体从在引射器46上游设置的喷射器44经由管通道122被供给至引射器46。因此，在阳极排气的气体成分被引射器46抽吸而成为与燃料气体混合的状态下，阳极排气的气体成分流过管通道124，并经由燃料气体供给通路62a被供给至燃料电池堆22的阳极流路58。
当吹扫阀132打开时，从气液分离器48的液体排出端口138流过管通道140、排水阀142和管通道144的阳极排气的液体成分与所排出的阳极排气混合，然后流过管通道136，并经由稀释器116等被排出到燃料电池车10的外部。
在被供给至冷却剂供给通路66a的冷却剂使各个发电单电池50冷却之后，冷却剂从冷却剂排出通路66b排出。从冷却剂排出通路66b排出的冷却剂流过冷却剂循环通道154，并被散热器156冷却。此外，在冷却剂泵150的操作下，冷却剂通过循环被供给至燃料电池堆22。
冷却剂循环通道154在与冷却剂排出通路66b相邻的位置处具有用于测量冷却剂的温度(冷却剂出口温度)Tw的测量仪器(温度传感器)158。
燃料电池车10设置有电源开关(电源SW)160，该电源开关160是接通和断开开关。在启动燃料电池车10的操作并开始用燃料电池堆22进行发电时，操作电源开关160，并且停止发电并将燃料电池车10设为闲置(切断)状态(停止状态)时，操作电源开关160。
此外，燃料电池车10设置有加速踏板开度传感器162，该加速踏板开度传感器162是用于检测加速踏板的控制量作为加速踏板开度Ao的测量仪器。
此外，燃料电池车10设置有大气压传感器164，该大气压传感器164是用于检测大气压Pa的测量仪器。
电源开关160、加速踏板开度传感器162和大气压传感器164以与其它传感器等相同的方式被连接于控制装置30。
[操作的简要说明]
接着，将参考图2中的功能框图和图3中的时间图来记述安装于燃料电池车10的基本具有上述结构的燃料电池堆22的劣化确定方法。
图2示出用于说明劣化确定情形的控制装置30的功能框图。图3示出用于说明劣化确定情形的时间图。
图3的上部示出在满足既定条件时由电压传感器76测量出的燃料电池堆22的输出电压Vo的累计数(输出电压的累计测量次数)。
图3的中部示出在累计数达到阈值(既定次数)N时设置(即，“0”→“1”)的累计标志(长期数据累计标志)。
图3的下部示出在设置累计标志时由控制装置30的确定器36计算出的劣化率的示例。
设置图3的中部所示的累计标志的间隔例如会因燃料电池车10的行驶距离、行驶环境等而变化，该间隔设置为约一个月。当计算了劣化率时，累计标志被复位(即，“1”→“0”)。
在电源开关160为接通状态的燃料电池堆22的发电期间，控制装置30以如在后详细记述的既定方式进行劣化确定(劣化率的更新)。
也就是说，如图2所示，控制装置30在行驶期间以既定时间为间隔(其远远短于设定累计标志的间隔)获取输出电流(电流值)Io、输出电压(电压值)Vo、质量流量(空气质量流量)Mf、冷却剂出口温度Tw、阻抗(电阻值)Zs、燃料电池堆22的阳极出口温度To以及大气压Pa，来作为由包括电流传感器78、电压传感器76、质量流量传感器96、温度传感器158和大气压传感器164在内的相应测量仪器测量出的测量值，并将测量值记录于存储器32。
在测量值记录于存储器32之后，控制装置30的比较器34确定除了输出电压Vo之外的各个测量值是否处于既定范围，并且在各个测量值处于既定范围的情况下，测量出输出电压Vo并以非易失性方式将其记录于存储器32。
此外，当输出电压Vo以非易失性地记录于存储器32的次数达到既定次数N时(参见图3的上部)，控制装置30的确定器36针对既定次数N来计算输出电压Vo的平均值，并获取输出电压Vmean作为平均值。上述既定次数N设定为输出电压Vo的平均值(平均输出电压Vmean)达到期望可靠性的数据的次数。
然后，基于平均输出电压Vmean，由控制装置30的确定器36计算表示燃料电池堆22随时间的变化的劣化率r。
通过下式(1)计算劣化率r。
r[％]＝{1-(Vmean/Vint)}×100…(1)
其中Vmean表示平均输出电压，并且Vint表示后述的初始输出电压(图7)。
也就是说，如图3的下部所示，按时间顺序以非易失性地记录于存储器32的劣化率r[％]表示当前平均输出电压Vom相对于燃料电池堆22的初始输出电压Vint而言的降低量(劣化程度)。
应当注意，初始输出电压Vint是由测量仪器(电压传感器)76例如在从制造工厂运输时测量的，并且作为基准值以非易失性地记录于存储器32。
[操作的详细记述]
接着，基于图4所示的流程图来记述实施例涉及的燃料电池堆22的劣化确定方法以及具备燃料电池堆22的燃料电池车(车辆)10的详细操作。除非另有说明，否则流程图涉及的处理(控制程序)均由控制装置30(的CPU)执行。在以下记述中，为了简洁而在说明流程图的处理时不提及控制装置30，或者根据需要提及控制装置30。
在步骤S1中，控制装置30检测燃料电池车10的电源开关160是否从断开状态切换为接通状态。
当控制装置30检测到电源开关160切换为接通状态时(步骤S1：是)，在步骤S2中，开始燃料电池车10的发电操作(发电开始)以及借助控制加速踏板的行驶。
在这种情况下，氢罐20的隔离阀119打开，并且燃料气体从氢罐20经由管通道120、喷射器44、管通道122、引射器46、管通道124和燃料气体供给通路62a，被供给至燃料电池堆22的阳极流路58。
同时，空气泵40的操作开始，并且由空气泵40从大气吸入的含氧气体经由管通道100、打开的隔离阀98、质量流量传感器96、管通道94、空气泵40、加湿器42的通道84、供给通道104和含氧气体供给通路64a，被供给至燃料电池堆22的阴极流路60。
结果是，燃料气体与含氧气体(两种反应气体)因阳极54的阳极催化剂和阴极56的阴极催化剂处的电化学反应(发电反应)而被消耗，来进行发电。
在这种情况下，基于加速踏板的操作，根据来自加速踏板开度传感器162的加速踏板开度Ao，经由电流控制器16来驱动电机18，由此燃料电池车10根据加速踏板开度Ao而行驶。由电流控制器16将燃料电池堆22的冗余发电电能和电机18的再生电能存储于储能器14。
在含氧气体供给至阴极56之后，氧在阴极56处被部分消耗。也就是说，因燃料电池堆22的反应而产生的包含水(水分)的阴极排气从含氧气体排出通路64b排出。所排出的阴极排气流过管通道86，然后经由加湿器42的通道88来将从空气泵40经由加湿器42的通道84被供给至燃料电池堆22的含氧气体加湿。
此外，阴极排气在流过加湿器42的通道88之后，经由管通道110、打开的出口停止阀112和背压控制阀114，并经由稀释器116被排出到外部。
而且，在阳极54处未被消耗的部分燃料气体(未消耗部分)作为燃料电池堆22的阳极排气从燃料气体排出通路62b排出到管通道126，并被供给至气液分离器48。
阳极排气被气液分离器48分离成作为气体成分的排气与作为液体成分的排出流体(液态水)。此时，当排水阀142为关闭状态时，排出流体被保留在排水阀142的上游侧。
在这种情况下，燃料气体从喷射器44被喷射向引射器46的上游侧。因此，在管通道131中产生负压。因此，被气液分离器48分离出的排气经由管通道131被吸入引射器46，并与被供给至管通道122的燃料气体混合。因此，混合气体被排出到引射器46的下游侧的管通道124。
也就是说，在发电反应中未被消耗的未消耗部分作为阳极排气从阳极54排出，从阳极排气中去除液态水，并且被去除了水的阳极排气作为排气被排出。排气与新供给至管通道122的燃料气体混合。然后，混合气体再次被供给至阳极54。
应当注意，当发电期间气液分离器48存储了多于既定量的流体时，打开排水阀142来实现既定液位。
在如上所述的步骤S2中的发电操作(行驶)期间，在步骤S3中，为了可靠地获取既定时间(例如，约10[秒])的相对短且合适的测量时间段(测量时间)tm，无论加速踏板的操作如何，控制装置30均将燃料电池堆22的输出电流Io维持为不超过最大值一半的在几[％]至50[％]的范围的恒定输出电流Iconst。
在这种情况下，控制装置30以如下的方式进行控制：通过作为储能器14的充电和放电电流的电池电流Ib的增大和减小来补偿根据加速踏板开度Ao而变化的电机电流Im的增大和减小，从而将燃料电池堆22的输出电流Io的值维持为既定的恒定输出电流Iconst。
更具体地，如下式(2)所示，燃料电池车10所需的载荷电流(所需载荷电流)IL被电池电流Ib和燃料电池堆22的输出电流Io补偿。所需载荷电流IL是通过将辅助装置电流Iaug与电机电流Im相加而获取的值。
Ib+Io＝IL＝Im+Iaug…(2)
其中Ib表示电池电流，Io表示输出电流，Im表示电机电流，并且Iaug表示辅助装置电流。电机电流Im的符号“+”表示动力运行电流，并且电机电流Im的符号“-”表示再生电流。电池电流Ib的符号“+”表示放电电流，并且电池电流Ib的符号“-”表示充电电流。
由于式(2)可以变换为Io＝IL-Ib，因此可以理解，为了将输出电流Io维持为恒定的输出电流Iconst(Io＝Iconst)，电池电流Ib会与载荷电流IL的增大和减小(变化量)ΔIL对应地增大和减小(变化量)ΔIb。也就是说，通过用电池电流Ib的增大和减小来补偿所需载荷电流IL的不足和过剩，能够将燃料电池堆22的输出电流Io维持为恒定输出电流Iconst。
控制装置30一边将燃料电池堆22的输出电流Io维持为恒定输出电流Iconst，一边在步骤S4中借助测量仪器(质量流量传感器96、压力传感器106、温度传感器158、阻抗传感器74和大气压传感器164)测量除了电压传感器76测量的燃料电池堆22的输出电压Vo之外的测量值(质量流量Mf、含氧气体入口压力Pog、水温(冷却剂出口温度)Tw、阻抗Zs和大气压Pa)，并将测量值暂时存储于存储器32(参见图2)。
然后，在步骤S5中，比较器34确定在步骤S4中测量到的各个测量值(Mf、Pog、Tw、To、Zs和Pa)是否处于既定范围(阈值范围)。图5是示出步骤S5的详情的流程图。
具体地，在步骤S5a、S5b、S5c、S5d和S5e中，比较器34进行比较来确定质量流量Mf是否处于阈值A与阈值B之间(A<Mf<B)，含氧气体入口压力Pog是否处于阈值C与阈值D之间(C<Pog<D)，水温(冷却剂出口温度)Tw是否处于阈值E与阈值F之间(E<Tw<F)，或者阳极出口温度To是否处于阈值G与阈值H之间(G<To<H)，阻抗Zs是否处于阈值I与阈值J之间(I<Zs<J)，以及大气压Pa是否处于阈值K与阈值L之间(K<Pa<L)。
如果步骤S5a至S5e中的任一确定结果为“否”(即，在步骤S5a至S5e中的至少一个结果为“否”的情况下)，则认为步骤S5的确定结果为“否”(步骤S5：否)，并且例程返回到步骤S1。应当注意，同样在步骤S3中的确定结构为“否”的情况下，例程返回到步骤S1。当例程返回到步骤S1时，确定电源开关160是否继续为接通状态。如果电源开关160继续为接通状态，则例程进入步骤S2。如果电源开关160为断开状态，则处理结束。在这种情况下，在步骤S2中，燃料电池堆22继续发电，并且认为燃料电池车10处于行驶状态(行驶使能状态)，并且例程进入步骤S3及后续步骤的处理。
在步骤S5a至S5e中的所有确定结果为“是”的情况下(步骤S5a至S5e：是)，确定由测量仪器(质量流量传感器96、压力传感器106、温度传感器158、阻抗传感器74和大气压传感器164)获取的测量条件是与初始输出电压Vint(参见图7)的测量条件相同的条件(既定条件)，并且步骤S5(图4和图5)中的确定结果被认定为“是”(步骤S5：是)，例程进入步骤S6(图4)。
在步骤S6中，在测量时间tm期间由电压传感器76测量燃料电池堆22的输出电压Vo(Io＝Iconst)，并将其作为具有高可靠性的测量值以非易失性地记录于存储器32。同样也可以是，为了增加可靠性，在该测量时间tm内，使用在多个测量中获取的平均值作为输出电压Vo。
图6是作为用于说明步骤S4和S6中的测量时间(测量定时)tm的示例的时间图。
图6中的特性例如在时间点t2处以从上到下的顺序分别示出在燃料电池堆22发电期间的输出电压Vo、输出电流Io、冷却剂出口温度Tw、阻抗Zs、质量流量Mf、燃料气体入口压力Ph和含氧气体入口压力Pog。
在图6的示例中，在时间点t1处，操作加速踏板来开始行驶，并且在时间点t2与时间点t3之间的测量时间tm期间，将输出电流Io维持为恒定输出电流Iconst，并且测量燃料电池堆22的发电操作期间的输出电压Vo，将其以非易失性地记录于存储器32(步骤S6)。
然后，在图4的流程图的步骤S7中，确定作为具有高可靠性的测量值以非易失性地记录于存储器32的输出电压Vo的测量次数(测量输出电压的累计数)是否达到阈值(既定次数)N(参见图3)。
在测量次数小于阈值(既定次数)N的情况下，重复步骤S1(是)→步骤S2→步骤S3(是)→步骤S4→步骤S5(是)→步骤S6→步骤S7(否)的例程，直到测量次数达到阈值(既定次数)N为止，并且燃料电池车10重复闲置(停止){步骤S1(否)→步骤S1(接通)}和行驶{步骤S1(继续接通)、步骤S2(继续发电)}。
在测量次数达到阈值(既定次数)N(步骤S7：是)并且设定了长期数据阈值标志(参见图3)的情况下，在步骤S8中，确定器36确定(计算)在既定时间段内测量了既定次数N的输出电压Vo(当Io＝Iconst时)的平均值(平均输出电压Vmean)。
此外，在步骤S9中，确定器36进行劣化确定，并且控制装置30完成处理。在步骤S9中，确定器36计算用上式(1)表述的劣化率r。
例如，如此确定的燃料电池堆22的劣化率r以累计次数N为间隔而逐步增加(如图3的下部示出的特性所示)，并且实际上随时间逐渐增加。
如图7所示，在燃料电池堆22的I-V特性中，与初始I-V特性相比，燃料电池堆22的平均输出电压Vmean例如在恒定输出电流Iconst处会因随时间的变化(劣化)而逐渐减小。
[第一变形]
在上述实施例中，使用水温(冷却剂出口温度)Tw作为燃料电池堆22的系统温度(内部温度)。但是，本发明不限于此。也可以使用由作为测量仪器的阳极出口温度传感器130测量到的、作为从燃料电池堆22排出的燃料排气的阳极排气的温度(阳极出口温度)To。
[第二变形]
此外，在输出电流Io维持为恒定输出电流Iconst的状态下(步骤S3：是)，当由测量仪器(质量流量传感器96、压力传感器106、温度传感器158、阻抗传感器74和大气压传感器164)测量到的测量值(质量流量Mf、含氧气体入口压力Pog、水温(冷却剂出口温度)Tw、阳极出口温度To、阻抗Zs、大气空气压力Pa)均处于既定范围时(步骤S5：是)，测量输出电压Vo(步骤S6)。也可以是，代替以单一恒定输出电流Iconst来测量输出电压Vo，而改变(增大和减小)恒定输出电流Iconst并在多个恒定输出电流Iconst处对输出值Vo进行多次测量，由此能够更准确地确定I-V特性的劣化状态。
应当注意，当大气压Pa处于既定范围之外(例如，处于95kPa至104.3kPa的范围之外)时，由于固体聚合物电解质膜52容易变干的事实，燃料电池堆22的内电阻增加。结果是，输出电压Vo减小，并且测量值的可靠性(准确性)降低。
[第三变形]
在上述实施例中，由安装于燃料电池车10的大气压传感器164来测量并获取大气压Pa。但是，本发明不限于此。例如，控制装置30例如使用导航设备(未图示)的GPS单元等卫星定位设备来识别(检测)用户自身车辆位置(地图上的三维位置，包括海拔高度)。
然后，基于所检测到的用户自身车辆位置的海拔高度和通过通信单元(未图示)获取到的天气信息中的0m大气压(零米海拔高度处的大气压)(的值)，能够计算用户自身车辆位置的海拔高度处的大气(空气)压Pa。在这种情况下，控制装置30、GPS单元和通信单元用作大气压获取器。
[第四变形]
在上述实施例中，基于平均输出电压Vmean来确定劣化。但是，本发明不限于此。将在步骤S6中测量到的输出电压Vo(测量值)与根据初始I-V特性获取的作为基准值的输出电压Vo进行比较，能够有稳定准确性地进行劣化确定。
[第五变形]
在上述实施例中，为了确定劣化，在步骤S7(图4)中，每当测量次数达到既定次数N时，进行对燃料电池堆22的输出电压Vo的测量值的平均值(平均输出电压Vmean)的计算。但是，本发明不限于此。也可以是，以既定时间段(例如，约一个月)为间隔，进行对燃料电池堆22的输出电压Vo的测量值的平均值的计算。
[应用]
燃料电池堆22的劣化状态(例如，图3的下部中的劣化率[％])可以显示于燃料电池车10的仪表板的显示面板来呈现给用户，也可以经由通信部件(未图示)反馈给经销商、制造商和分销商等。
[根据实施例理解本发明]
以下记述根据上述实施例和变形理解的本发明。应当注意，为了简洁的目的，尽管用上述实施例中所使用的附图标记来标记构成要素，但是构成要素不限于用附图标记来标记的那些构成要素。
本发明提供一种燃料电池堆劣化确定方法。燃料电池堆22是包括层叠的多个发电单电池50的固体聚合物电解质燃料电池堆22，所述发电单电池50通过燃料气体与含氧气体的电化学反应来进行发电。所述燃料电池堆劣化确定方法包括如下步骤：进行比较来确定供给至燃料电池堆22的含氧气体的压力Pog、供给至燃料电池堆22的含氧气体的流量Mf、燃料电池堆22的温度Tw、燃料电池堆22的阻抗Zs以及燃料电池堆22的输出电流Io是否处于既定范围(步骤S5)；在供给至燃料电池堆22的含氧气体的压力和流量及燃料电池堆22的温度、阻抗和输出电流均处于既定范围的情况下，测量燃料电池堆22的输出电压Vo(步骤S6)；以及将输出电压的测量值Vo与基准值进行比较，来确定燃料电池堆22的劣化程度。
在本发明中，在燃料电池堆22的温度、阻抗和输出电流均处于既定范围的情况下测量燃料电池堆22的输出电压，并且将测量出的燃料电池堆22的输出电压与基准值进行比较，来确定燃料电池堆22的劣化程度。因此，在相同的测量条件(预定条件)下进行测量，并且可以准确地确定劣化程度。
此外，在这种情况下，获取大气压，并且在所获取到的大气压处于既定范围的情况下，测量燃料电池堆22的输出电压。以这种方式，可以提高确定劣化程度的准确性。
应当注意，可以将通过进行多次测量而获取的值的平均值用作测量值。以这种方式，能够以高可靠性确定劣化程度。
此外，燃料电池堆22安装于燃料电池车10，在燃料电池堆22进行发电时该燃料电池车10行驶。燃料电池车10包括储能器14。在以相对于燃料电池车10的所需载荷电流IL而使燃料电池堆22的输出电流Io维持恒定(Io＝Iconst)的方式控制储能器14的充电和放电电流Ib的状态下，测量燃料电池堆22的输出电压Vo。以这种方式，能够准确地确定安装于燃料电池车10的燃料电池堆22的劣化。
本发明还提供一种具有燃料电池堆的燃料电池车，该燃料电池堆是包括层叠的多个发电单电池50的固体聚合物电解质燃料电池堆22，所述发电单电池通过燃料气体与含氧气体的电化学反应进行发电。在所述燃料电池车10中，包括：测量仪器，其用于测量供给至燃料电池堆22的含氧气体的压力Pog、供给至燃料电池堆22的含氧气体的流量Mf、燃料电池堆22的温度To(或Tw)、燃料电池堆22的阻抗Zs、燃料电池堆22的输出电流Io以及燃料电池堆22的输出电压Vo；比较器34，其用于进行比较来确定测量仪器测量出的供给至燃料电池堆22的含氧气体的压力Pog和流量Mf及燃料电池堆22的温度To(或Tw)、阻抗Zs和输出电流Io是否处于既定范围；以及确定器36，其用于在测量仪器测量出的供给至燃料电池堆22的含氧气体的压力Pog和流量Mf及燃料电池堆22的温度To(或Tw)、阻抗Zs和输出电流Io均处于既定范围的情况下，将测量仪器测量出的燃料电池堆22的输出电压Vo的测量值与基准值Vint进行比较，来确定燃料电池堆22的劣化程度。
在本发明中，在安装于燃料电池车10的燃料电池堆22的温度To(或Tw)、阻抗Zs和输出电流Io均处于既定范围的情况下将测量出的燃料电池堆22的输出电压Vo与基准值Vint进行比较，来确定燃料电池堆22的劣化程度。因此，在相同的测量条件(预定条件)下进行测量，能够准确地确定劣化程度。
此外，在这种情况下，提供用于获取大气压Pa的大气压获取器，在所获取到的大气压Pa处于既定范围(K<Pa<1)的情况下，获取燃料电池堆22的输出电压Vo的测量值。以这种方式，能够更准确地确定劣化程度。
此外，燃料电池车10包括用于以相对于燃料电池车10的所需载荷电流IL而使燃料电池堆22的输出电流Io维持恒定(Io＝Iconst)的方式控制储能器14的充电和放电电流Ib的电流控制器16，在储能器14的充电和放电电流Ib被控制的状态下测量燃料电池堆22的输出电压Vo。以这种方式，能够更准确地确定安装于燃料电池车10的燃料电池堆22的劣化。
应当注意，本发明不限于上述实施例。当然，可以基于本说明书的记述而采用各种结构。

Claims (8)

1.一种燃料电池堆劣化确定方法，所述燃料电池堆是包括层叠的多个发电单电池的固体聚合物电解质燃料电池堆，所述发电单电池通过燃料气体与含氧气体的电化学反应来进行发电，在所述燃料电池堆劣化确定方法中，包括如下工序：
进行比较来确定供给至所述燃料电池堆的含氧气体的压力、供给至所述燃料电池堆的含氧气体的流量、所述燃料电池堆的温度、所述燃料电池堆的阻抗及所述燃料电池堆的输出电流是否处于既定范围；
在供给至所述燃料电池堆的含氧气体的压力和流量及所述燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流均处于所述既定范围的情况下，测量所述燃料电池堆的输出电压；以及
将所述输出电压的测量值与基准值进行比较，来确定所述燃料电池堆的劣化程度，
在确定所述燃料电池堆的劣化程度的上述工序中，
将所述燃料电池堆的输出电流控制成不超过最大值一半的恒定输出电流，
由所述燃料电池堆的所述恒定输出电流和储能器的输出电流来补偿载荷的所需载荷电流。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆劣化确定方法，其特征在于，还包括：
获取大气压；以及
在所获取到的大气压处于既定范围的情况下，测量所述燃料电池堆的输出电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆劣化确定方法，其特征在于，
所述测量值是通过进行多次测量而获取到的值的平均值。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆劣化确定方法，其特征在于，
所述燃料电池堆安装于燃料电池车，在所述燃料电池堆进行发电时所述燃料电池车行驶，
所述燃料电池车包括所述载荷和所述储能器，
在以相对于所述燃料电池车的所述所需载荷电流而使所述燃料电池堆的输出电流维持恒定的方式控制所述储能器的充电和放电电流的状态下，测量所述燃料电池堆的输出电压。
5.一种具备燃料电池堆、载荷和储能器的燃料电池车，所述燃料电池堆是包括层叠的多个发电单电池的固体聚合物电解质燃料电池堆，所述发电单电池通过燃料气体与含氧气体的电化学反应进行发电，在所述燃料电池车中，包括：
测量仪器，其用于测量供给至所述燃料电池堆的含氧气体的压力、供给至所述燃料电池堆的含氧气体的流量、所述燃料电池堆的温度、所述燃料电池堆的阻抗、所述燃料电池堆的输出电流及所述燃料电池堆的输出电压；
比较器，其用于进行比较来确定所述测量仪器测量出的供给至所述燃料电池堆的含氧气体的压力和流量及所述燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流是否处于既定范围；
确定器，其用于在供给至所述燃料电池堆的含氧气体的压力和流量及所述燃料电池堆的温度、阻抗和输出电流均处于所述既定范围的情况下，将所述测量仪器测量出的所述燃料电池堆的输出电压的测量值与基准值进行比较，来确定所述燃料电池堆的劣化程度；以及
电流控制器，其相对于所述燃料电池车的所需载荷电流，来控制所述燃料电池堆的输出电流和所述储能器的充电和放电电流，
所述电流控制器在对所述燃料电池堆的劣化进行确定时，将所述燃料电池堆的输出电流控制成不超过最大值一半的恒定输出电流，并且由所述燃料电池堆的所述恒定输出电流和所述储能器的输出电流来补偿所述燃料电池车的所述所需载荷电流。
6.根据权利要求5所述的燃料电池车，其特征在于，
还包括大气压获取器，所述大气压获取器获取大气压，
在所获取到的大气压处于既定范围的情况下，获取所述燃料电池堆的输出电压的测量值。
7.根据权利要求5所述的燃料电池车，其特征在于，
包括所述电流控制器，所述电流控制器以相对于所述燃料电池车的所述所需载荷电流而使所述燃料电池堆的输出电流维持恒定的方式控制所述储能器的充电和放电电流，
在所述储能器的充电和放电电流被控制的状态下，测量所述燃料电池堆的输出电压。
8.根据权利要求6所述的燃料电池车，其特征在于，
包括所述电流控制器，所述电流控制器以相对于所述燃料电池车的所述所需载荷电流而使所述燃料电池堆的输出电流维持恒定的方式控制所述储能器的充电和放电电流，
在所述储能器的充电和放电电流被控制的状态下，测量所述燃料电池堆的输出电压。
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