DE102014107848B4 - Deterioration detection device for vehicle fuel cell unit - Google Patents

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Abstract

Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit, die eine Qualitätsminderung in einer in ein Fahrzeug eingebauten Brennstoffzelleneinheit (20) detektiert, wobei die Vorrichtung umfasst:ein Sollwerteinstellmittel zum Einstellen eines durch Erhöhen eines Ist-Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelleneinheit (20) in einem Stufenmuster um einen vorgegebenen Betrag erhaltenen Sollwerts;ein Übergangsantwort-Messmittel zum Ausführen einer Ausgangsstromsteuerung der Brennstoffzelleneinheit (20) in der Weise, dass der Ausgangsstromwert der Brennstoffzelleneinheit (20) dem Sollwert folgt, und zum Messen einer Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit (20) unter der Ausgangsstromsteuerung;ein Übergangsantwort-Zerlegungsmittel zum Zerlegen der Übergangsantwort in der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit (20) in eine erste Komponente, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, und in eine zweite Komponente, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert;ein Zeitkonstanten-Berechnungsmittel zum Berechnen einer ersten Zeitkonstante der ersten Komponente und einer zweiten Zeitkonstante der zweiten Komponente;ein Differenzberechnungsmittel zum Berechnen einer ersten Differenz, die eine Differenz zwischen einer ersten Referenzzeitkonstante und der ersten Zeitkonstante ist, und zum Berechnen einer zweiten Differenz, die eine Differenz zwischen einer zweiten Referenzzeitkonstante und der zweiten Zeitkonstante ist, wobei die erste Referenzzeitkonstante eine Zeitkonstante der ersten Komponente in der Brennstoffzelleneinheit (20) in einem Normalzustand ist, wobei die zweite Referenzzeitkonstante eine Zeitkonstante der zweiten Komponente in der Brennstoffzelleneinheit (20) in dem Normalzustand ist; undein Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel zum Bestimmen, dass eine Qualitätsminderung auftritt, die Änderungen eines reaktionsfähigen Zustands eines Katalysators der Brennstoffzelleneinheit (20) und des Widerstands innerhalb einer Zelle zugeordnet ist, und zum Bestimmen des Grads der Qualitätsminderung, falls die erste Differenz größer oder gleich einem vorgeschriebenen Wert der ersten Komponente ist, und zum Bestimmen, dass eine Qualitätsminderung auftritt, die einer Änderung eines Zuführungszustands von Wasserstoff und von Sauerstoff in der Brennstoffzelleneinheit (20) zugeordnet ist, und zum Bestimmen des Grads der Qualitätsminderung, falls die zweite Differenz größer oder gleich einem vorgeschriebenen Wert der zweiten Komponente ist,wobei, falls der auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt:eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit (20) von der Qualitätsminderung unter Bedingungen ausgeführt wird, die die Entfernung von Feuchtigkeit in der Zelle aus der Brennstoffzelleneinheit (20) zulassen, falls die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit (20) höher als ein vorgeschriebener Temperaturwert ist, undeine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit (20) von der Qualitätsminderung unter einer Bedingung ausgeführt wird, die das Schmelzen von Eis in der Zelle der Brennstoffzelleneinheit (20) zulässt, falls die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit (20) kleiner oder gleich dem vorgeschriebenen Temperaturwert ist;wobei die Dauer einer Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit (20) für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmt wird, falls das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmt, dass die Qualität der Brennstoffzelleneinheit (20) vermindert ist, undwobei die Dauer einer Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit (20) für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmt wird, falls das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmt, dass die Qualität der Brennstoffzelleneinheit (20) vermindert ist.Deterioration detection apparatus for a vehicular fuel cell unit that detects deterioration in a vehicle-mounted fuel cell unit (20), the apparatus comprising:target value setting means for setting a by increasing an actual output current value of the fuel cell unit (20) in a step pattern by a predetermined amount obtained target value;transient response measuring means for performing an output current control of the fuel cell unit (20) such that the output current value of the fuel cell unit (20) follows the target value, and measuring a transient response of the output voltage of the fuel cell unit (20) under the output current control;a transient response - decomposition means for decomposing the transient response in the output voltage of the fuel cell unit (20) into a first component representing a relatively fast response and a second component representing a relatively fast response slow response;a time constant calculating means for calculating a first time constant of the first component and a second time constant of the second component;a difference calculating means for calculating a first difference, which is a difference between a first reference time constant and the first time constant, and for calculating a second difference which is a difference between a second reference time constant and the second time constant, the first reference time constant being a time constant of the first component in the fuel cell unit (20) in a normal state, the second reference time constant being a time constant of the second component in the fuel cell unit (20 ) is in the normal state; anda deterioration determining means for determining that deterioration associated with changes in a reactive state of a catalyst of the fuel cell unit (20) and the resistance within a cell is occurring, and for determining the degree of deterioration if the first difference is greater than or equal to a prescribed one is value of the first component, and for determining that deterioration associated with a change in a supply state of hydrogen and oxygen in the fuel cell unit (20) is occurring, and for determining the degree of deterioration if the second difference is greater than or equal to one prescribed value of the second component, wherein if the degree of deterioration determined based on the second difference is above a predetermined range: an operation for recovering the fuel cell unit (20) from the deterioration under conditions are performed that allow the removal of in-cell moisture from the fuel cell unit (20) if the temperature of the fuel cell unit (20) is higher than a prescribed temperature value, and an operation for recovering the fuel cell unit (20) from deterioration is performed under a condition which allows ice in the cell of the fuel cell unit (20) to melt if the temperature of the fuel cell unit (20) is equal to or lower than the prescribed temperature value;wherein the duration of a recovery operation of the fuel cell unit (20) for recovery from deterioration is determined based on the first difference if the deterioration determining means determines based on the first difference that the quality of the fuel cell unit (20) is deteriorated, and wherein the duration of a recovery operation of the fuel cell unit (20) for the replay recovery from the deterioration is determined based on the second difference if the deterioration determining means determines based on the second difference that the quality of the fuel cell unit (20) is reduced.

Description

[Technisches Gebiet][Technical Field]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine in ein Fahrzeug eingebaute Brennstoffzelleneinheit.The present invention relates to a deterioration detection device for a vehicle-mounted fuel cell unit.

[Technologischer Hintergrund][Technological Background]

In den letzten Jahren ist auf dem Gebiet der Fahrzeuge wie etwa der Zweiradfahrzeuge und der Vierradfahrzeuge ein Fahrzeug bekanntgeworden, das z. B. mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelleneinheit) ausgestattet ist, die angesichts der globalen Umwelt Polymermembranen als ihre Leistungsquelle enthält. In einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle sind mehrere Zellen, von denen jede eine Grundeinheitskomponente ist, gestapelt und in Reihe geschaltet, um einen Stapel zu bilden. In jeder Zelle sind eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Katode (Luftelektrode) mit einer Polymermembran (Protonenaustauschmembran) dazwischen miteinander verbunden, wobei auf den Außenseiten aus Rußpapier hergestellte Tragkollektoren angeordnet sind. Darüber hinaus sind auf den Außenseiten Separatoren mit Strömungswegen angeordnet, durch die Kühlwasser strömt. Die Anode und die Katode sind jeweils aus einem Elektrolyten und aus einem Katalysator, in dem feine Platinpartikel auf einem Kohlenstoffträger getragen sind, gebildet. Wenn Wasserstoff zu der Anode eingeleitet wird, wird er ionisiert, wobei die Wasserstoffionen durch die Protonenaustauschmembran zu der Katode laufen. Gleichzeitig laufen die in der Ionisation emittierten Elektronen nicht durch die Protonenaustauschmembran, sondern durch eine leitende Leitung nach außen und erzeugen dadurch einen Strom. Sauerstoff, der zu der Katode eingeleitet wird, reagiert mit den Wasserstoffionen, die durch die Polymermembran hereinkommen, und mit den Elektronen, die durch die äußere leitende Leitung hereinkommen, und bildet dabei Wasser und wird daraufhin abgelassen.In recent years, in the field of vehicles such as two-wheeled vehicles and four-wheeled vehicles, a vehicle has been known. B. is equipped with a polymer electrolyte fuel cell (polymer electrolyte membrane fuel cell unit) containing polymer membranes as its power source in view of the global environment. In a polymer electrolyte fuel cell, a plurality of cells, each of which is a basic unit component, are stacked and connected in series to form a stack. In each cell, an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) are connected to each other with a polymer membrane (proton exchange membrane) therebetween, with supporting collectors made of carbon black paper being placed on the outsides. In addition, separators with flow paths through which cooling water flows are arranged on the outer sides. The anode and the cathode are each formed of an electrolyte and a catalyst in which platinum fine particles are carried on a carbon carrier. When hydrogen is introduced to the anode, it becomes ionized, with the hydrogen ions passing through the proton exchange membrane to the cathode. At the same time, the electrons emitted in the ionization do not run through the proton exchange membrane, but through a conductive line to the outside, thereby generating a current. Oxygen introduced to the cathode reacts with the hydrogen ions coming in through the polymer membrane and with the electrons coming in through the outer conductive line to form water and is then vented.

Wenn ein Fahrzeug, das mit einer solchen Brennstoffzelle ausgestattet ist, tatsächlich verwendet wird, ändern sich während der Fahrt die Last und die Umgebung sowie während der Lagerung die Umgebung auf verschiedene Weise. Im Ergebnis tritt in der Brennstoffzelleneinheit eine vorübergehende oder dauerhafte Leistungsverringerung (Qualitätsminderung) wie etwa eine Oxidation der Oberfläche des Platinkatalysators, dessen Auflösung, Trocknen und Durchlochung der Protonaustauschmembranen, übermäßige Feuchtigkeit und Eis in den Zellen, Oxidation der Oberflächen der Separatoren und dergleichen auf. Unter diesen Qualitätsminderungsarten sind die Oxidation der Oberfläche des Platinkatalysators, das Trocknen der Protonenaustauschmembran und die übermäßige Feuchtigkeit und Eis in den Zellen eine vorübergehende Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit. Wenn eine solche Qualitätsminderung auftritt, ist es notwendig, die Brennstoffzelleneinheit unter Bedingungen zu betreiben, die ermöglichen, dass sie von der Qualitätsminderung wiederhergestellt wird (im Folgenden Wiederherstellungsoperation), um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit wiederzuerlangen. Genauer ist es notwendig: den Grad der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit zu detektieren; auf der Grundlage des Detektionsergebnisses die Notwendigkeit einer Wiederherstellungsoperation zu bestimmen; ferner die Ursache der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit zu identifizieren; und auf der Grundlage der Ursache der Qualitätsminderung eine für die Wiederherstellung aus dem Zustand verminderter Qualität geeignete Wiederherstellungsoperationsbedingung zu wählen.When a vehicle equipped with such a fuel cell is actually used, the load and environment during running and the environment during storage change in various ways. As a result, in the fuel cell unit, temporary or permanent performance reduction (deterioration) such as oxidation of the surface of the platinum catalyst, its dissolution, drying and puncture of the proton exchange membranes, excessive moisture and ice in the cells, oxidation of the surfaces of the separators, and the like occurs. Among these types of deterioration, oxidation of the surface of the platinum catalyst, drying of the proton exchange membrane, and excessive moisture and ice in the cells are temporary deterioration of the fuel cell unit. When such deterioration occurs, it is necessary to operate the fuel cell unit under conditions that allow it to be recovered from the deterioration (hereinafter, recovery operation) in order to recover the performance of the fuel cell unit. More specifically, it is necessary to: detect the degree of deterioration of the fuel cell unit; determine the need for a recovery operation based on the detection result; further to identify the cause of the deterioration of the fuel cell unit; and select a recovery operation condition suitable for recovery from the degraded state based on the cause of the quality degradation.

Als eine Technik zur Bestimmung einer Qualitätsminderung in einer Brennstoffzelleneinheit schlägt z. B. das Patentdokument 1 ein System vor, das die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit auf ein im Voraus festgelegtes Abfallmuster steuert und auf der Grundlage einer Menge an Elektrizität, die durch Integrieren der Messwerte des Ausgangsstroms der Brennstoffzelleneinheit während dieser Steuerung ermittelt wird, eine Qualitätsminderung der Brennstoffeinheit bestimmt. Nach einem Luftblasprozess an den Katoden führt dieses System den Ausgangsstrom-Messprozess aus, um eine Qualitätsminderung in dem Träger, der den Katalysator trägt, zu bestimmen, und führt es danach denselben Messprozess erneut aus, um eine Änderung des Katalysators zu bestimmen. Außerdem schlägt das Patentdokument 2 ein Brennstoffzellensystem vor, das die Brennstoffzelleneinheit zu einem geeigneten Zeitpunkt entlädt, um zu verhindern, dass sich die Qualität der Protonenaustauschmembranen vermindert, indem die Ladungsmenge in der Spannung der Brennstoffzelleneinheit detektiert wird, nachdem ihre Leistungserzeugung angehalten worden ist.As a technique for determining deterioration in a fuel cell unit, e.g. For example, Patent Document 1 proposes a system that controls the output voltage of the fuel cell unit to a predetermined drop pattern and determines deterioration of the fuel unit based on an amount of electricity obtained by integrating the measured values of the output current of the fuel cell unit during this control . After an air blowing process on the cathodes, this system performs the output current measurement process to determine deterioration in the carrier that supports the catalyst, and then performs the same measurement process again to determine a change in the catalyst. In addition, Patent Document 2 proposes a fuel cell system that discharges the fuel cell unit at an appropriate timing to prevent the proton exchange membranes from degrading by detecting the charge amount in the voltage of the fuel cell unit after its power generation is stopped.

Dokument DE 10 2004 005 530 A1 offenbart ein Betriebszustandsbestimmungsgerät und - verfahren zur Bestimmung des Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie.document DE 10 2004 005 530 A1 discloses an operating state determination apparatus and method for determining the operating state of a fuel cell battery.

Dokument US 2009 / 0 061 263 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Detektionseinheit, eine interne Widerstandsschätzeinheit, eine Strömungsratenmesseinheit, eine Druckmesseinheit, eine Bestimmungseinheit, eine Einstelleinheit, eine Ausgangsstrommesseinheit, Ausgangsspannungseinheit, und eine Berechnungseinheit.document U.S. 2009/0 061 263 A1 discloses a fuel cell system including a detection unit, an internal resistance estimation unit, a flow rate measurement unit, a pressure measurement unit, a determination unit, an adjustment unit, an output current measurement unit, an output voltage unit, and a calculation unit.

Dokument US 2013 / 0 059 215 A1 offenbart eine Technik zum Unterdrücken einer Leistungsqualitätsminderung und einer Degradation einer Brennstoffzelle aufgrund von negativer Spannung.document U.S. 2013/0 059 215 A1 discloses a technique for suppressing performance degradation and degradation of a fuel cell due to negative voltage.

[Stand der Technik][State of the art]

[Patentdokumente][patent documents]

  • [Patentdokument 1] Japanische offengelegte Patentanmeldung JP 2012- 89 448 A [Patent Document 1] Japanese Laid-Open Patent Application JP 2012- 89 448 A
  • [Patentdokument 2] Japanische offengelegte Patentanmeldung JP 2012- 28 221 A [Patent Document 2] Japanese Laid-Open Patent Application JP 2012-28 221 A
  • [Patentdokument 3] DE 10 2004 005 530 A1 [Patent Document 3] DE 10 2004 005 530 A1
  • [Patentdokument 4] US 2009 / 0 061 263 A1 [Patent Document 4] U.S. 2009/0 061 263 A1
  • [Patentdokument 5] US 2013/0 059 215 A1 [Patent Document 5] US 2013/0059215 A1

[Zusammenfassung der Erfindung][Summary of the Invention]

[Durch die Erfindung zu lösende Probleme][Problems to be Solved by the Invention]

Obwohl das System aus Patentdokument 1 eine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit, die dem Katalysator und seinem Träger zuzuschreiben ist, detektieren kann, kann das System allerdings keine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit detektieren, die anderen Faktoren wie etwa übermäßiger Feuchtigkeit in den Zellen und einer Verminderung des Zufuhrzustands des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zuzuschreiben ist. Somit ist es unmöglich, eine geeignete Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit zu wählen, falls die Ursache der Qualitätsminderung eine andere als der Katalysator und sein Träger ist. Andererseits kann das System aus Patentdokument 2 nicht den Grad der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit detektieren und die tatsächliche Ursache der Qualitätsminderung unter verschiedenen Ursachen der Qualitätsminderung identifizieren. Somit ist es wie in dem System des Patentdokuments 1 unmöglich, die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit geeignet auszuführen.Although the system of Patent Document 1 can detect deterioration in the fuel cell unit attributable to the catalyst and its carrier, the system cannot detect deterioration in the fuel cell unit, the other factors such as excessive humidity in the cells and a reduction in the supply state of the hydrogen and the oxygen. Thus, it is impossible to select an appropriate condition for the recovery operation of the fuel cell unit if the cause of deterioration is other than the catalyst and its carrier. On the other hand, the system of Patent Document 2 cannot detect the degree of deterioration of the fuel cell unit and identify the actual cause of deterioration among various causes of deterioration. Thus, as in the system of Patent Document 1, it is impossible to properly perform the recovery operation of the fuel cell unit.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht, wobei es eine Aufgabe von ihr ist, die Ursache einer im Ergebnis der tatsächlichen Verwendung eines mit der Brennstoffzelleneinheit ausgestatteten Fahrzeugs auftretenden Qualitätsminderung genau zu bestimmen, so dass die Bedingung für eine Wiederherstellungsoperation für die Qualitätsminderung geeignet gewählt wird.The present invention has been made in view of the above circumstances, an object of which is to accurately determine the cause of deterioration occurring as a result of actual use of a vehicle equipped with the fuel cell unit, so that the condition for a recovery operation for the deterioration is suitably selected will.

[Mittel zur Lösung der Probleme][Means for solving the problems]

Die vorliegende Erfindung ist im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung.The present invention is defined in independent claim 1. The dependent claims define embodiments of the invention.

Zur Lösung der Probleme in den herkömmlichen Techniken schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Detektion einer Qualitätsminderung in einer in ein Fahrzeug eingebauten Brennstoffzelleneinheit, wobei die Vorrichtung umfasst:

  • ein Sollwerteinstellmittel zum Einstellen eines durch Erhöhen eines Ist-Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelleneinheit in einem Stufenmuster um einen vorgegebenen Betrag erhaltenen Sollwerts;
  • ein Übergangsantwort-Messmittel zum Ausführen einer Ausgangsstromsteuerung der Brennstoffzelleneinheit in der Weise, dass der Ausgangsstromwert der Brennstoffzelleneinheit dem Sollwert folgt, und zum Messen einer Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit unter der Ausgangsstromsteuerung;
  • ein Übergangsantwort-Zerlegungsmittel zum Zerlegen der Übergangsantwort in der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit in eine erste Komponente, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, und in eine zweite Komponente, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert; ein Zeitkonstanten-Berechnungsmittel zum Berechnen einer ersten Zeitkonstante der ersten Komponente und einer zweiten Zeitkonstante der zweiten Komponente;
  • ein Differenzberechnungsmittel zum Berechnen einer ersten Differenz, die eine Differenz zwischen einer ersten Referenzzeitkonstante und der ersten Zeitkonstante ist, und zum Berechnen einer zweiten Differenz, die eine Differenz zwischen einer zweiten Referenzzeitkonstante und der zweiten Zeitkonstante ist, wobei die erste Referenzzeitkonstante eine Zeitkonstante der ersten Komponente in der Brennstoffzelleneinheit in einem Normalzustand ist, wobei die zweite Referenzzeitkonstante eine Zeitkonstante der zweiten Komponente in der Brennstoffzelleneinheit in dem Normalzustand ist; und
  • ein Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel zum Bestimmen, dass eine Qualitätsminderung auftritt, die Änderungen eines reaktionsfähigen Zustands eines Katalysators der Brennstoffzelleneinheit und des Widerstands innerhalb einer Zelle zugeordnet ist, und zum Bestimmen des Grads der Qualitätsminderung, falls die erste Differenz größer als ein vorgeschriebener Wert der ersten Komponente ist, und zum Bestimmen, dass eine Qualitätsminderung auftritt, die einer Änderung eines Zuführungszustands von Wasserstoff und von Sauerstoff in der Brennstoffzelleneinheit zugeordnet ist, und zum Bestimmen des Grads der Qualitätsminderung, falls die zweite Differenz größer als ein vorgeschriebener Wert der zweiten Komponente ist.
In order to solve the problems in the conventional techniques, the present invention provides an apparatus for detecting deterioration in a fuel cell unit mounted on a vehicle, the apparatus comprising:
  • a target value setting means for setting a target value obtained by increasing an actual output current value of the fuel cell unit in a step pattern by a predetermined amount;
  • transient response measuring means for performing output current control of the fuel cell unit such that the output current value of the fuel cell unit follows the target value and measuring a transient response of the output voltage of the fuel cell unit under the output current control;
  • transient response decomposition means for decomposing the transient response in the output voltage of the fuel cell unit into a first component representing a relatively fast response and a second component representing a relatively slow response; a time constant calculation means for calculating a first time constant of the first component and a second time constant of the second component;
  • a difference calculation means for calculating a first difference which is a difference between a first reference time constant and the first time constant and for calculating a second difference which is a difference between a second reference time constant and the second time constant, the first reference time constant being a time constant of the first component in the fuel cell unit is in a normal state, wherein the second reference time constant is a time constant of the second component in the fuel cell unit in the normal state; and
  • deterioration determining means for determining that deterioration associated with changes in a reactive state of a catalyst of the fuel cell unit and resistance within a cell is occurring, and for determining the degree of deterioration if the first difference is greater than a prescribed value of the first component is, and for determining that a deterioration associated with a change in a supply state of hydrogen and oxygen in the fuel cell unit occurs, and to determining the degree of degradation if the second difference is greater than a prescribed value of the second component.

Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung derart sein, dass:

  • falls der auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt: ein erster Stromwert und ein erster Spannungswert der Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Gebiet, in dem die Stromdichte verhältnismäßig niedrig ist, gemessen werden und ein zweiter Stromwert und ein zweiter Spannungswert der Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Gebiet, in dem die Stromdichte höher als in dem ersten Gebiet ist, gemessen werden;
  • eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit von der Qualitätsminderung unter Bedingungen ausgeführt wird, die eine Reduktionsreaktion einer Katalysatoroberfläche der Zelle der Brennstoffzelleneinheit fördern, falls eine Differenz zwischen einem Spannungswert der durch den ersten Stromwert angesteuerten Brennstoffzelleneinheit in dem Normalzustand und dem ersten Spannungswert größer als ein erster vorgeschriebener Spannungswert bei dem ersten Stromwert ist; und
  • eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit von der Qualitätsminderung unter Verwendung einer Bedingung ausgeführt wird, die eine Befeuchtung einer Polymermembran der Zelle der Brennstoffzelleneinheit zulässt, falls die Differenz zwischen dem Spannungswert der durch den ersten Stromwert angesteuerten Brennstoffzelleneinheit in dem Normalzustand und dem ersten Spannungswert kleiner oder gleich dem ersten vorgeschriebenen Spannungswert bei dem ersten Stromwert ist und eine Differenz zwischen einem Spannungswert der durch den zweiten Stromwert angesteuerten Brennstoffzelleneinheit in dem Normalzustand und dem zweiten Spannungswert größer als ein zweiter vorgeschriebener Spannungswert bei dem zweiten Stromwert ist.
In addition, the present invention may be such that:
  • if the degree of deterioration determined based on the first difference is above a predetermined range: measuring a first current value and a first voltage value of the fuel cell unit in a first area where the current density is relatively low, and a second current value and a second voltage value of the fuel cell unit are measured in a second area in which the current density is higher than in the first area;
  • an operation for recovering the fuel cell unit from deterioration is performed under conditions promoting a reduction reaction of a catalyst surface of the cell of the fuel cell unit if a difference between a voltage value of the fuel cell unit driven by the first current value in the normal state and the first voltage value is larger than a first prescribed one voltage value at the first current value; and
  • an operation for recovering the fuel cell unit from deterioration is performed using a condition that allows humidification of a polymer membrane of the cell of the fuel cell unit if the difference between the voltage value of the fuel cell unit driven by the first current value in the normal state and the first voltage value is less than or equal to the first prescribed voltage value at the first current value and a difference between a voltage value of the fuel cell unit driven by the second current value in the normal state and the second voltage value is larger than a second prescribed voltage value at the second current value.

Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung derart sein, dass,
falls der auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt:

  • eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit von der Qualitätsminderung unter Bedingungen ausgeführt wird, die die Entfernung von Feuchtigkeit in der Zelle aus der Brennstoffzelleneinheit zulassen, falls die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit höher als ein vorgeschriebener Temperaturwert ist, und
  • eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit von der Qualitätsminderung unter Bedingungen ausgeführt wird, die das Schmelzen gefrorener Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelleneinheit zulassen, falls die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit niedriger als der vorgeschriebene Temperaturwert ist.
Furthermore, the present invention may be such that,
if the level of degradation determined based on the second difference is above a specified range:
  • an operation for recovering the fuel cell unit from deterioration is performed under conditions that allow removal of in-cell moisture from the fuel cell unit if the temperature of the fuel cell unit is higher than a prescribed temperature value, and
  • an operation for recovering the fuel cell unit from deterioration is performed under conditions that allow melting of frozen moisture in the cell of the fuel cell unit if the temperature of the fuel cell unit is lower than the prescribed temperature value.

Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung derart sein, dass die Dauer einer Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmt wird, falls das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmt, dass die Qualität der Brennstoffzelleneinheit vermindert ist, und dass die Dauer einer Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmt wird, falls das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmt, dass die Qualität der Brennstoffzelleneinheit vermindert ist.Moreover, the present invention may be such that the duration of a recovery operation of the fuel cell unit for recovery from the deterioration is determined based on the first difference if the deterioration determination means determines based on the first difference that the fuel cell unit is deteriorating and that the duration of a recovery operation of the fuel cell unit for recovery from the deterioration is determined based on the second difference if the deterioration determination means determines based on the second difference that the fuel cell unit is degraded.

Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung derart sein, dass, falls eine Wiederherstellungsoperation für die Wiederherstellung von der durch das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel bestimmten Qualitätsminderung ausgeführt wird, die Brennstoffzelleneinheit aber nicht von der Qualitätsminderung wiederhergestellt wird, und falls eine Verringerung eines Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelleneinheit nach der Wiederherstellungsoperation von dem Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelleneinheit in den Normalzustand kleiner als ein vorgegebenes zulässiges Niveau ist:

  • ein neuer Sollwert für den Ausgangsstromwert der Brennstoffzelleneinheit eingestellt wird;
  • eine Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit unter einer solchen Steuerung, dass ihr Ausgangsstromwert dem neuen Sollwert folgt, gemessen wird;
  • die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit in die erste Komponente und in die zweite Komponente zerlegt wird;
  • eine dritte Zeitkonstante der ersten Komponente und eine vierte Zeitkonstante der zweiten Komponente berechnet werden und die erste Referenzzeitkonstante durch die dritte Zeitkonstante ersetzt wird und die zweite Referenzzeitkonstante durch die vierte Zeitkonstante ersetzt wird.
In addition, the present invention may be such that if a recovery operation for recovery from the deterioration determined by the deterioration determination means is performed, but the fuel cell unit is not recovered from the deterioration, and if a decrease in an output voltage value of the fuel cell unit after the recovery operation from the output voltage value of the fuel cell unit to the normal state is less than a predetermined allowable level:
  • a new target value for the output current value of the fuel cell unit is set;
  • a transient response of the output voltage of the fuel cell unit is measured under control such that its output current value follows the new target value;
  • the transient response of the output voltage of the fuel cell unit is decomposed into the first component and the second component;
  • a third time constant of the first component and a fourth time constant of the second component are calculated and the first reference time constant is replaced by the third time constant and the second reference time constant is replaced by the fourth time constant.

[Vorteilhafte Effekte der Erfindung][Advantageous Effects of the Invention]

Wie oben beschrieben wurde, führt die Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung Folgendes aus: Einstellen eines Sollwerts, der durch Erhöhen des Ist-Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelleneinheit erhalten wird, in einem Stufenmuster um einen vorgegebenen Betrag; Messen der Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit unter einer Steuerung, bei der der Ausgangsstromwert dem Sollwert folgt; und Bestimmen der Ursache und des Grads der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit auf der Grundlage der ersten Komponente in der Übergangsantwort, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, und der zweiten Komponente in der Übergangsantwort, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert. Auf diese Weise kann die Notwendigkeit einer Wiederherstellungsoperation für die Brennstoffzelleneinheit bestimmt werden. Darüber hinaus kann eine Wiederherstellungsoperation dadurch ausgeführt werden, dass eine geeignete Bedingung für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung gewählt wird, falls in der Brennstoffzelleneinheit eine Qualitätsminderung auftritt.As described above, the deterioration detection apparatus for a vehicle fuel cell unit according to the present invention: sets a target value obtained by increasing the actual output current value of the fuel cell unit in a step pattern by a predetermined amount; measuring the transient response of the output voltage of the fuel cell unit under a control where the output current value follows the target value; and determining the cause and degree of degradation of the fuel cell assembly based on the first component in the transient response representing a relatively fast response and the second component in the transient response representing a relatively slow response. In this way, the need for a recovery operation for the fuel cell unit can be determined. Furthermore, a recovery operation can be performed by selecting an appropriate condition for recovery from deterioration if deterioration occurs in the fuel cell unit.

Falls der auf der Grundlage der ersten Komponente in der oben beschriebenen Übergangsantwort, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt, werden die Stromwerte und die Spannungswerte der Brennstoffzelleneinheit in mehreren verschiedenen Stromdichtegebieten gemessen. Auf diese Weise kann die Ursache der Qualitätsminderung auf der Grundlage dieser Stromwerte und Spannungswerte spezifischer bestimmt werden. Dementsprechend kann auf der Grundlage der ersten Komponente, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, eine besser geeignete Bedingung für die Wiederherstellung von der bestimmten Qualitätsminderung gewählt werden, wenn eine Wiederherstellungsoperation ausgeführt werden soll.If the degree of deterioration determined based on the first component in the transient response described above, which represents a relatively fast response, is above a predetermined range, the current values and the voltage values of the fuel cell unit are measured in several different current density regions. In this way, the cause of the deterioration can be determined more specifically based on these current values and voltage values. Accordingly, based on the first component representing a relatively fast response, a more appropriate condition for recovery from the determined degradation can be chosen when a recovery operation is to be performed.

Falls der auf der Grundlage der zweiten Komponente in der obenerwähnten Übergangsantwort, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert, bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt, wird die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit gemessen. Auf diese Weise kann die Ursache der Qualitätsminderung auf der Grundlage der gemessenen Temperatur spezifischer bestimmt werden. Dementsprechend kann auf der Grundlage der zweiten Komponente, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert, eine besser geeignete Bedingung gewählt werden, wenn eine Wiederherstellungsoperation von der bestimmten Qualitätsminderung ausgeführt werden soll.If the degree of deterioration determined based on the second component in the aforementioned transient response, which represents a relatively slow response, is above a predetermined range, the temperature of the fuel cell assembly is measured. In this way, the cause of the deterioration can be determined more specifically based on the measured temperature. Accordingly, based on the second component representing a relatively slow response, a more appropriate condition can be chosen when a recovery operation is to be performed from the determined degradation.

Falls auf der Grundlage der ersten Komponente in der Übergangsantwort, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, bestimmt wird, dass eine Qualitätsminderung auftritt, wird die Dauer der Wiederherstellungsoperation auf der Grundlage der ersten Differenz zwischen der obenerwähnten ersten Zeitkonstante und der ersten Referenzzeitkonstante berechnet. Falls auf der Grundlage der zweiten Komponente in der Übergangsantwort, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert, bestimmt wird, dass eine Qualitätsminderung auftritt, wird die Dauer der Wiederherstellungsoperation auf der Grundlage der zweiten Differenz zwischen der obenerwähnten zweiten Zeitkonstante und der zweiten Referenzzeitkonstante berechnet. Auf diese Weise kann die Dauer der Wiederherstellungsoperation in Übereinstimmung mit der Ursache der Qualitätsminderung optimiert werden. Dementsprechend ist es möglich, die Wirkung der Wiederherstellungsoperation auf die Fahrt des Fahrzeugs wie etwa eine Verringerung der Ausgabe der Brennstoffzelleneinheit zu verringern.If it is determined that degradation is occurring based on the first component in the transient response representing a relatively fast response, the duration of the recovery operation is calculated based on the first difference between the aforementioned first time constant and the first reference time constant. If it is determined that degradation is occurring based on the second component in the transient response representing a relatively slow response, the duration of the recovery operation is calculated based on the second difference between the aforementioned second time constant and the second reference time constant. In this way, the duration of the recovery operation can be optimized in accordance with the cause of the degradation. Accordingly, it is possible to reduce the effect of the recovery operation on the running of the vehicle, such as a decrease in the output of the fuel cell unit.

Falls eine Wiederherstellungsoperation für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung ausgeführt wird, die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung aber nicht erzielt, und eine Verringerung des Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelleneinheit nach der Wiederherstellungsoperation von dem Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelleneinheit in dem Normalzustand niedriger als ein vorgegebener zulässiger Pegel ist, ist es weiterhin möglich, mit der Verwendung der Brennstoffzelleneinheit fortzufahren, obwohl sich ihre Leistungsfähigkeit verringert hat. In diesem Fall kann die Bestimmung des Auftretens einer vorübergehenden Qualitätsminderung fortgesetzt werden und kann eine geeignete Wiederherstellungsoperation ausgeführt werden, indem der Prozess des Ersetzens der obenerwähnten Referenzspannungswerte ausgeführt wird.If a recovery operation for recovery from deterioration is performed but recovery from deterioration is not achieved, and a decrease in the output voltage value of the fuel cell unit after the recovery operation from the output voltage value of the fuel cell unit in the normal state is lower than a predetermined allowable level, it is still possible to continue using the fuel cell unit even though its performance has decreased. In this case, the determination of the occurrence of a temporary deterioration can be continued and an appropriate recovery operation can be performed by performing the process of replacing the reference voltage values mentioned above.

Figurenlistecharacter list

  • 1 ist ein Blockschaltplan einer Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 12 is a block diagram of a deterioration detection device for a vehicle fuel cell unit in accordance with an embodiment of the present invention.
  • 2 ist ein Konfigurationsdiagramm eines ersten DC/DC-Wandlers der Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 14 is a configuration diagram of a first DC/DC converter of the deterioration detection device for a vehicle fuel cell unit in accordance with the embodiment of the present invention.
  • 3 ist ein Satz von Graphen, die Übergangscharakteristiken der Brennstoffzelleneinheit zeigen. 3 Fig. 12 is a set of graphs showing transient characteristics of the fuel cell unit.
  • 4 ist ein Ablaufplan, der die Prozedur eines in der Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung ausgeführten Qualitätsminderungs-Detektionsprozesses zeigt. 4 Fig. 12 is a flowchart showing the procedure of a deterioration detection process executed in the deterioration detection apparatus.
  • 5 ist ein Graph, der eine Verlustcharakteristik der Brennstoffzelleneinheit zeigt. 5 FIG. 14 is a graph showing a loss characteristic of the fuel cell unit.
  • 6 ist ein Graph, der Charakteristiken der Brennstoffzelleneinheit, wenn eine Aktivierungspolarisation erhöht wird, zeigt. 6 14 is a graph showing characteristics of the fuel cell unit when activation polarization is increased.
  • 7 ist ein Graph, der die Charakteristiken der Brennstoffzelleneinheit, wenn ein Polarisationswiderstand erhöht wird, zeigt. 7 14 is a graph showing the characteristics of the fuel cell unit when a polarization resistance is increased.
  • 8 ist ein Ablaufplan, der die Prozedur eines Prozesses zum Wählen der Bedingung für eine Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit in einem Zustand verminderter Qualität zeigt. 8th 14 is a flowchart showing the procedure of a process for selecting the condition for a recovery operation of the fuel cell unit in a degraded state.
  • 9 ist ein Ablaufplan, der die Prozedur eines Prozesses zum Wählen der Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit in einem Zustand verminderter Qualität zeigt. 9 14 is a flowchart showing the procedure of a process for selecting the condition for the recovery operation of the fuel cell unit in a degraded state.
  • 10 ist ein Ablaufplan, der die Prozedur eines Prozesses zeigt, der nach der Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit mit verminderter Qualität ausgeführt wird. 10 14 is a flowchart showing the procedure of a process performed after the degraded fuel cell unit recovery operation.
  • 11 ist ein Zeitablaufplan, der die in einer Änderung des Qualitätsminderungs-Detektionsprozesses gemessene Signalform der Spannung der Brennstoffzelleneinheit zeigt. 11 14 is a timing chart showing the measured voltage waveform of the fuel cell unit in a change of the deterioration detection process.
  • 12 ist ein Zeitablaufplan, der die in der Änderung des Qualitätsminderungs-Detektionsprozesses gemessene Signalform der Spannung der Brennstoffzelleneinheit zeigt. 12 14 is a timing chart showing the measured voltage waveform of the fuel cell unit in the change of the deterioration detection process.

[Ausführungsarten der Erfindung][Modes for Carrying Out the Invention]

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer dargestellten Ausführungsform ausführlich beschrieben. 1 ist ein Blockschaltplan einer Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform. Eine Datenverarbeitungsvorrichtung 10 ist ein Systemcontroller, der zum Steuern der gesamten Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung konfiguriert ist. Mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 sind eine Brennstoffzelleneinheit (FC) 20, ein erster DC/DC-Wandler 30, ein Wechselrichter 40, ein zweiter DC/DC-Wandler 60 und eine Batterie 70 verbunden. Mit dem Wechselrichter 40 ist ein Motor 50 verbunden und mit dem zweiten DC/DC-Wandler 60 ist die Batterie 70 verbunden. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 10 empfängt von einem Temperatursensor 21 der Brennstoffzelleneinheit 20 gemessene Temperaturdaten der Brennstoffzelleneinheit 20 und verschiedene Arten von Daten, die von einem Spannungssensor 31 und von einem Stromsensor 32 des ersten DC/DC-Wandlers 30 gemessen werden. In der DatenverarbeitungsVorrichtung 10 wird auf der Grundlage dieser verschiedenen Arten von Daten eine Arithmetikverarbeitung ausgeführt, um Steuersignale zu erzeugen. Die Brennstoffzelleneinheit 20, der erste DC/DC-Wandler 30, der Wechselrichter 40, der zweite DC/DC-Wandler 60 und die Batterie 70 sind jeweils mit einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) ausgestattet, durch die Steuersignale mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 ausgetauscht werden.The present invention is described in detail below using an illustrated embodiment. 1 14 is a block diagram of a deterioration detection device for a vehicle fuel cell unit in accordance with this embodiment. A data processing device 10 is a system controller configured to control the entire deterioration detection device. A fuel cell unit (FC) 20, a first DC/DC converter 30, an inverter 40, a second DC/DC converter 60 and a battery 70 are connected to the data processing device 10 . A motor 50 is connected to the inverter 40 and the battery 70 is connected to the second DC/DC converter 60 . The data processing device 10 receives temperature data of the fuel cell unit 20 measured by a temperature sensor 21 of the fuel cell unit 20 and various kinds of data measured by a voltage sensor 31 and a current sensor 32 of the first DC/DC converter 30 . In the data processing device 10, arithmetic processing is performed based on these various kinds of data to generate control signals. The fuel cell unit 20, the first DC/DC converter 30, the inverter 40, the second DC/DC converter 60 and the battery 70 are each equipped with a control circuit (not shown) through which control signals are exchanged with the data processing device 10.

2 ist ein Diagramm, das die Konfiguration des ersten DC/DC-Wandlers 30 in 1 zeigt. Der erste DC/DC-Wandler 30 ist ein Auf-Abwärts-Wandler und enthält außer dem obenerwähnten Spannungssensor 31 und Stromsensor 32 eine Induktivität 33 und Schalter SW1, SW2, SW3 und SW4. 2 is a diagram showing the configuration of the first DC/DC converter 30 in 1 indicates. The first DC/DC converter 30 is a buck-boost converter and includes, in addition to the voltage sensor 31 and current sensor 32 mentioned above, an inductor 33 and switches SW1, SW2, SW3 and SW4.

Die Schalter SW1 bis SW4 sind Schaltelemente, wobei z. B. Leistungs-MOSFETs verwendet sind. Falls in dem ersten DC/DC-Wandler 30 eine Spannungserhöhungsoperation ausgeführt wird, ist der Schalter SW1 eingeschaltet, ist der Schalter SW2 ausgeschaltet und werden die Schalter SW3 und SW4 mit einem Tastgrad, der der Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung entspricht, geschaltet. Darüber hinaus sind, falls in dem ersten DC/DC-Wandler 30 eine Spannungsverringerungsoperation ausgeführt wird, der erste Schalter SW4 eingeschaltet, der zweite Schalter SW3 ausgeschaltet und werden die Schalter SW1 und SW2 mit einem Tastgrad, der der Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung entspricht, geschaltet. Das Schalten der Schalter SW1 bis SW4 wird auf der Grundlage der Ergebnisse der Detektion durch den Spannungssensor 31 und durch den Stromsensor 32 in der Weise gesteuert, dass die Spannung und der Strom ihren vorgegebenen Sollwerten folgen.The switches SW1 to SW4 are switching elements, e.g. B. power MOSFETs are used. If a boosting operation is performed in the first DC/DC converter 30, the switch SW1 is on, the switch SW2 is off, and the switches SW3 and SW4 are switched with a duty corresponding to the difference between the input and output voltages. In addition, if a voltage drop operation is performed in the first DC/DC converter 30, the first switch SW4 is on, the second switch SW3 is off, and the switches SW1 and SW2 are switched with a duty corresponding to the difference of the input and output voltages , switched. The switching of the switches SW1 to SW4 is controlled based on the results of detection by the voltage sensor 31 and by the current sensor 32 so that the voltage and the current follow their predetermined target values.

Die Prozedur eines Prozesses zum Steuern der Wiederherstellung der Brennstoffzelleneinheit 20, die in der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeführt wird, ist wie folgt. Anfangs wird ein Qualitätsminderungs-Detektionsprozess für die Brennstoffzelleneinheit 20 ausgeführt und auf der Grundlage des Detektionsergebnisses bestimmt, ob eine Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 ausgeführt werden soll. Falls bestimmt wird, dass eine Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 notwendig ist, wird auf der Grundlage des Zustands der Qualitätsminderung die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation gewählt. Daraufhin wird unter Verwendung der gewählten Bedingung die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 ausgeführt. Nach der Wiederherstellungsoperation wird geprüft, ob die Ausgabe der Brennstoffzelleneinheit 20 wiedergewonnen wurde. Falls die Ausgabe noch nicht wiedergewonnen wurde, wird eine später zu beschreibende Wiederherstellungsprozess-Nachbearbeitung ausgeführt. Diese Prozesse werden ausgeführt, während veranlasst wird, dass die Brennstoffzelleneinheit 20 Leistung erzeugt. Somit wird während der Prozesse Leistung von der Brennstoffzelleneinheit 20 ausgegeben. Wie oben erwähnt wurde, wird der Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit 20 über den ersten DC/DC-Wandler 30 und den Wechselrichter 40 an den Motor 50 ausgegeben, wodurch der Motor 50 angesteuert wird, oder über den ersten DC/DC-Wandler 30 und über den zweiten DC/DC-Wandler 60 an die Batterie 70 ausgegeben, wodurch die Batterie 70 geladen wird. Die Motoransteuerung und die Batterieladung werden in Übereinstimmung mit dem Fahrzustand des Fahrzeugs und mit dem Ladezustand der Batterie 70 ausgeführt.The procedure of a process for controlling the regeneration of the fuel cell unit 20 executed in the data processing device 10 is as follows. Initially, a deterioration detection process is performed for the fuel cell unit 20, and based on the detection result, it is determined whether a recovery operation of the fuel cell unit 20 should be performed. If it is determined that a recovery operation of the fuel cell unit 20 is necessary, the condition for the recovery operation is selected based on the state of deterioration. Then, using the selected condition, the recovery operation of the fuel cell unit 20 running. After the recovery operation, it is checked whether the output of the fuel cell unit 20 has been recovered. If the output has not yet been recovered, a recovery process post-processing to be described later is performed. These processes are performed while causing the fuel cell unit 20 to generate power. Thus, power is output from the fuel cell unit 20 during the processes. As mentioned above, the output current of the fuel cell unit 20 is output to the motor 50 via the first DC/DC converter 30 and the inverter 40, thereby driving the motor 50, or via the first DC/DC converter 30 and via the second DC/DC converter 60 is output to the battery 70, whereby the battery 70 is charged. Motor driving and battery charging are performed in accordance with the running state of the vehicle and the state of charge of the battery 70 .

[Detektion einer Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit][Detection of deterioration of fuel cell unit]

In dieser Ausführungsform werden der Grad und die Ursache einer Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 durch Konzentration auf Übergangscharakteristiken der Brennstoffzelleneinheit 20 bestimmt. 3 zeigt eine Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20, wenn der Sollwert des Ausgangsstroms der Brennstoffzelleneinheit 20 in Stufenform erhöht wird. Wenn der Sollwert der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 zu einem Zeitpunkt t1 in Stufenform erhöht wird, fällt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 zu dem Zeitpunkt t1 auf näherungsweise 50 % und fällt sie daraufhin, wie durch eine durchgezogene Linie L20 gezeigt ist, allmählich. Die durch die durchgezogene Linie L20 gezeigte Übergangsantwort der Ausgangsspannung kann unter Verwendung einer verhältnismäßig schnell ansprechenden Komponente (die Strichlinie L21) und einer verhältnismäßig langsam ansprechenden Komponente (die Strichlinie L22) genähert werden. Die schnell ansprechende Komponente zeigt eine Verringerung um näherungsweise 50 % zum Zeitpunkt t1, wobei der Spannungswert danach konstant bleibt. Die langsam ansprechende Komponente nimmt zum Zeitpunkt t1 nicht abrupt ab, sondern nimmt im Zeitverlauf allmählich ab.In this embodiment, the degree and cause of deterioration of the fuel cell unit 20 are determined by focusing on transient characteristics of the fuel cell unit 20 . 3 FIG. 12 shows a transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 when the target value of the output current of the fuel cell unit 20 is increased in step form. When the target value of the output voltage of the fuel cell unit 20 is stepped up at time t1, the output voltage of the fuel cell unit 20 falls to approximately 50% at time t1 and then gradually falls as shown by a solid line L20. The output voltage transient response shown by solid line L20 can be approximated using a relatively fast-response component (dashed line L21) and a relatively slow-response component (dashed line L22). The fast responding component shows a reduction of approximately 50% at time t1, with the voltage level remaining constant thereafter. The slow-response component does not abruptly decrease at time t1 but gradually decreases with the lapse of time.

Die schnell ansprechende Komponente ist mit der Reaktion des Platinkatalysators in den Zellen der Brennstoffzelleneinheit 20 und mit dem Innenwiderstand der Zellen verknüpft. Genauer wird die schnell ansprechende Komponente z. B. verzögert, falls in der Brennstoffzelleneinheit 20 eine Qualitätsminderung auftritt, die einer Oxidation der Platinkatalysatoroberflächen der Zellen zuzuschreiben ist, in der Brennstoffzelleneinheit 20 eine Qualitätsminderung auftritt, die einem Trocknen der Polymermembranen zuzuschreiben ist, oder in der Brennstoffzelleneinheit 20 eine Leistungsminderung auftritt, die sich aus einer Verminderung des Zufuhrzustands von Wasserstoff und Sauerstoff wegen übermäßiger Feuchtigkeit innerhalb der Zellen ergibt. Darüber hinaus ist die langsam ansprechende Komponente mit der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelleneinheit 20 verknüpft. Genauer ist die langsam ansprechende Komponente weiter verzögert, falls eine Qualitätsminderung auftritt, die einer Änderung des Zufuhrzustands des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelleneinheit 20 (z. B. bis hinab auf einen Pegel von 80 % oder weniger des Normalzustands) zugeordnet ist.The fast-acting component is related to the reaction of the platinum catalyst in the cells of the fuel cell assembly 20 and to the internal resistance of the cells. More specifically, the fast-response component z. B. delayed if degradation occurs in the fuel cell unit 20 attributable to oxidation of the platinum catalyst surfaces of the cells, degradation occurs in the fuel cell unit 20 attributable to drying of the polymer membranes, or degradation occurs in the fuel cell unit 20 that is results from a decrease in the supply state of hydrogen and oxygen due to excessive humidity inside the cells. In addition, the slow-response component is related to the supply of hydrogen and oxygen in the fuel cell unit 20 . More specifically, the slow-response component is further delayed if degradation associated with changing the supply status of the hydrogen and oxygen in the fuel cell unit 20 (e.g., down to a level of 80% or less of normal) occurs.

Da sich die Zeitkonstanten der schnell ansprechenden Komponente und der langsam ansprechenden Komponente stark unterscheiden, können sie einzeln detektiert werden.Since the time constants of the fast-response component and the slow-response component are very different, they can be detected individually.

In dieser Ausführungsform wird die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 auf eine Stufenzunahme ihres Ausgangsstromwerts gemessen und in die obenerwähnte schnell ansprechende Komponente und langsam ansprechende Komponente zerlegt und werden ihre Zeitkonstanten berechnet, um den Grad und die Ursache der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 zu bestimmen. Wie in Formel (1) gezeigt ist, wird die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 unter Verwendung der Summe von Stufenantworten von Verzögerungs-Systemübertragungsfunktionen erster Ordnung genähert.
[Formel 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 )

Figure DE102014107848B4_0001
wobei t die Zeit ist, V0 der Anfangsspannungswert ist, V der Übergangsantwortspannungswert ist, V1 der Spannungswert der schnell ansprechenden Komponente ist, V2 der Spannungswert der langsam ansprechenden Komponente ist, V1∞ der Endspannungswert der schnell ansprechenden Komponente ist, V2∞ der Endspannungswert der langsam ansprechenden Komponente ist, T1 die Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente ist und T2 die Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente ist.In this embodiment, the transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 to a step increase in its output current value is measured and broken down into the above-mentioned fast-response component and slow-response component, and their time constants are calculated to determine the degree and cause of the deterioration of the fuel cell unit 20. As shown in formula (1), the transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 is approximated using the sum of step responses of first-order lag system transfer functions.
[Formula 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 )
Figure DE102014107848B4_0001
where t is time, V 0 is the initial voltage value, V is the transient response voltage value, V 1 is the voltage value of the fast-response component, V 2 is the voltage value of the slow-response component, V 1∞ is the final voltage value of the fast-response component, V 2 ∞ is the final voltage value of the slow-response component, T 1 is the time constant of the fast-response component, and T 2 is the time constant of the slow-response component.

Wie in Formel (2) und (3) gezeigt ist, werden die Zeitkonstante T1 des Spannungswerts V1 der schnell ansprechenden Komponente und die Zeitkonstante T2 des Spannungswerts V2 der langsam ansprechenden Komponente jeweils mit den Zeitkonstanten im Normalzustand (in dem die Qualität der Brennstoffzelleneinheit 20 noch nicht vermindert ist) verglichen.
[Formel 2] Δ T 1 = T 1 T 1 s t d

Figure DE102014107848B4_0002
wobei ΔT1 die Differenz zwischen der Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der Zeitkonstante der detektierten schnell ansprechenden Komponente ist und T1std die Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente in dem Normalzustand ist.
[Formel 3] Δ T 2 = T 2 T 2 s t d
Figure DE102014107848B4_0003
wobei ΔT2 die Differenz zwischen der Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der Zeitkonstante der detektierten langsam ansprechenden Komponente ist und T2std die Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente in dem Normalzustand ist.As shown in formulas (2) and (3), the time constant T 1 of the voltage value V 1 of the fast-response component and the time constant T 2 of the voltage value V 2 of the slow-response component increase with time, respectively constants in the normal state (in which the quality of the fuel cell unit 20 is not yet degraded).
[Formula 2] Δ T 1 = T 1 T 1 s t i.e
Figure DE102014107848B4_0002
where ΔT 1 is the difference between the time constant of the fast responding component in the normal state and the time constant of the detected fast responding component, and T 1std is the time constant of the fast responding component in the normal state.
[Formula 3] Δ T 2 = T 2 T 2 s t i.e
Figure DE102014107848B4_0003
where ΔT 2 is the difference between the time constant of the slow-response component in the normal state and the time constant of the detected slow-response component, and T 2std is the time constant of the slow-response component in the normal state.

In dieser Ausführungsform wird der Grad der Qualitätsminderung, der Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Katalysators in der Brennstoffzelleneinheit 20 und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist, auf der Grundlage von ΔT1 bestimmt, und wird der Grad der Qualitätsminderung, der einer Änderung des Zufuhrzustands von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeordnet ist, auf der Grundlage von ΔT2 bestimmt.In this embodiment, the degree of deterioration associated with changes in the reactive state of the catalyst in the fuel cell unit 20 and the internal resistance of the cells is determined based on ΔT 1 and the degree of deterioration associated with a change in the supply state of hydrogen and oxygen in the fuel cell unit 20 is determined based on ΔT 2 .

4 ist ein Ablaufplan, der die in der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 ausgeführte Prozedur für den Qualitätsminderungs-Detektionsprozess für die Brennstoffzelleneinheit 20 zeigt. In Schritt S10 wird das Schalten des ersten DC/DC-Wandlers 30 in der Weise gesteuert, dass der Stromwert der Stromausgabe von der Brennstoffzelleneinheit 20 und die Eingabe in den ersten DC/DC-Wandler 30 in einem Stufenmuster erhöht werden. Der in dem Stufenmuster erhöhte Stromwert (Sollwert) wird in die Datenverarbeitungsvorrichtung 10 eingegeben. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 10 gibt in der Weise ein Steuersignal an die Brennstoffzelleneinheit 20 aus, dass der Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit 20 dem Sollwert folgt. Daraufhin wird in Schritt S11 die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20, deren Ausgangsstrom auf den Sollwert gesteuert wird, durch den Spannungssensor 31 des ersten DC/DC-Wandlers 30 gemessen. Die durch den Spannungssensor 31 gemessene Signalform der Übergangsantwort wird in Form eines Zeitreihendatenfelds in der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 aufgezeichnet. 4 14 is a flowchart showing the procedure for the deterioration detection process for the fuel cell unit 20 executed in the data processing apparatus 10. FIG. In step S10, the switching of the first DC/DC converter 30 is controlled such that the current value of the power output from the fuel cell unit 20 and the input to the first DC/DC converter 30 are increased in a step pattern. The current value (target value) increased in the step pattern is input to the data processing device 10 . The data processing device 10 outputs a control signal to the fuel cell unit 20 in such a way that the output current of the fuel cell unit 20 follows the target value. Then, the transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 whose output current is controlled to the target value is measured by the voltage sensor 31 of the first DC/DC converter 30 in step S11. The transient response waveform measured by the voltage sensor 31 is recorded in the data processing apparatus 10 in the form of a time-series array.

In Schritt S12 wird die Übergangsantwortsignalform unter Verwendung der Summe von Stufenantworten von Verzögerungs-Systemübertragungsfunktionen erster Ordnung, die in der obenerwähnten Formel (1) gezeigt sind, genähert. In Schritt S13 werden die Zeitkonstante T1 des Spannungswerts V1 der schnell ansprechenden Komponente und die Zeitkonstante T2 des Spannungswerts V2 der langsam ansprechenden Komponente berechnet. Daraufhin geht der Prozess zu Schritt S14 über, in dem die Differenz ΔT1 zwischen der Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der in Schritt S13 berechneten Zeitkonstante T1 der schnell ansprechenden Komponente berechnet wird und die Differenz ΔT2 zwischen der Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der Zeitkonstante T2 der in Schritt S13 berechneten langsam ansprechenden Komponente berechnet wird.In step S12, the transient response waveform is approximated using the sum of step responses of first-order lag system transfer functions shown in the above-mentioned formula (1). In step S13, the time constant T 1 of the voltage value V 1 of the fast-response component and the time constant T 2 of the voltage value V 2 of the slow-response component are calculated. Then, the process proceeds to step S14, in which the difference ΔT 1 between the time constant of the fast-response component in the normal state and the time constant T 1 of the fast-response component calculated in step S13 is calculated, and the difference ΔT 2 between the time constant of the slow responsive component in the normal state and the time constant T 2 of the slow responsive component calculated in step S13.

In Schritt S15 wird die Differenz ΔT1 mit einem im Voraus bestimmten vorgeschriebenen Wert verglichen. Falls ΔT1 größer oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S16 über. In Schritt S16 wird anhand der Tatsache, dass sich die Zeitkonstante T1 der schnell ansprechenden Komponente von der in dem Normalzustand um einen Betrag größer oder gleich dem vorgeschriebenen Wert geändert hat, bestimmt, dass in der Brennstoffzelle 20 eine Qualitätsminderung auftritt, die Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators der Zellen und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist. Darüber hinaus wird der Grad der Qualitätsminderung in Übereinstimmung mit dem Wert von ΔT1 bestimmt. Genauer wird bestimmt, dass der Grad der Qualitätsminderung, der Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist, größer ist, während der Wert von ΔT1 größer wird. Daraufhin geht der Prozess zu Schritt S17 über. Falls ΔT1 kleiner als der vorgeschriebene Wert ist, wird die Operation in Schritt S16 übersprungen und geht der Prozess zu Schritt S17 über.In step S15, the difference ΔT 1 is compared with a prescribed value determined in advance. If ΔT 1 is greater than or equal to the prescribed value, the process goes to step S16. In step S16, based on the fact that the time constant T 1 of the fast-response component has changed from that in the normal state by an amount greater than or equal to the prescribed value, it is determined that deterioration in the fuel cell 20 occurs, the changes in the responsive State of the platinum catalyst of the cells and the internal resistance of the cells is assigned. In addition, the degree of deterioration is determined in accordance with the value of ΔT 1 . More specifically, it is determined that the degree of deterioration associated with changes in the reactive state of the platinum catalyst and the internal resistance of the cells is larger as the value of ΔT 1 becomes larger. Then the process goes to step S17. If ΔT 1 is smaller than the prescribed value, the operation in step S16 is skipped and the process goes to step S17.

In Schritt S17 wird die Differenz ΔT2 mit einem im Voraus bestimmten vorgeschriebenen Wert verglichen. Falls ΔT2 größer oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S18 über. In Schritt S18 wird anhand der Tatsache, dass sich die Zeitkonstante T2 der langsam ansprechenden Komponente von der in dem Normalzustand um einen Betrag, der größer oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist, geändert hat, bestimmt, dass in der Brennstoffzelleneinheit 20 eine Qualitätsminderung auftritt, die einer Änderung des Zufuhrzustands von Wasserstoff und Sauerstoff zugeordnet ist. Darüber hinaus wird der Grad dieser Qualitätsminderung in Übereinstimmung mit dem Wert von ΔT2 bestimmt. Genauer wird bestimmt, dass der Grad der Qualitätsminderung, der einer Änderung des Zufuhrzustands von Wasserstoff und Sauerstoff zugeordnet ist, größer ist, während der Wert ΔT2 größer wird. Nach dem obigen Schritt endet die Detektion der Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20. Falls ΔT2 kleiner als der vorgeschriebene Wert ist, wird die Operation in Schritt S18 übersprungen und endet die Detektion der Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20.In step S17, the difference ΔT 2 is compared with a prescribed value determined in advance. If ΔT 2 is greater than or equal to the prescribed value, the process goes to step S18. In step S18, it is determined that deterioration is occurring in the fuel cell unit 20 based on the fact that the time constant T 2 of the slow-response component has changed from that in the normal state by an amount greater than or equal to the prescribed value. associated with a change in the supply state of hydrogen and oxygen. In addition, the degree of this deterioration is determined in accordance with the value of ΔT 2 . More precisely, it is determined that the degree of deterioration associated with a change in the supply state of hydrogen and oxygen is larger as the value ΔT 2 becomes larger. After the above step, the detection of deterioration in the fuel cell unit 20 ends. If ΔT 2 is smaller than the prescribed value, the operation in step S18 is skipped and the detection of deterioration in the fuel cell unit 20 ends.

[Auswahl der Bedingung für die Wiederherstellungsoperation][Selection of the condition for the recovery operation]

In dieser Ausführungsform wird die Bedingung für eine Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 auf der Grundlage der Ursache und des Grads der Qualitätsminderung, die in den oben beschriebenen Schritten S16 und S18 in 4 bestimmt worden sind, gewählt. Es wird angenommen, dass auf der Grundlage der Differenz ΔT1 zwischen den Zeitkonstanten der schnell ansprechenden Komponente bestimmt worden ist, dass der Grad der Qualitätsminderung, der Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators in der Brennstoffzelleneinheit 20 und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist, groß ist. In diesem Fall wird die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 unter einer Bedingung, die die Reduktionsreaktion der Katalysatoroberflächen fördert, oder unter einer Bedingung, die eine Befeuchtung der Polymermembranen zulässt, ausgeführt.In this embodiment, the condition for a recovery operation of the fuel cell unit 20 is determined based on the cause and the degree of deterioration determined in the above-described steps S16 and S18 in FIG 4 have been determined. It is believed that based on the difference ΔT 1 between the time constants of the fast-response component, it has been determined that the degree of deterioration associated with changes in the reactive state of the platinum catalyst in the fuel cell unit 20 and the internal resistance of the cells is large . In this case, the recovery operation of the fuel cell unit 20 is performed under a condition that promotes the reduction reaction of the catalyst surfaces or under a condition that allows the polymer membranes to be humidified.

Die Verluste der Brennstoffzelleneinheit 20 enthalten: die Aktivierungspolarisation (Vact), die der Aktivierungsenergie der Elektrodenreaktion zuzuschreiben ist; den Polarisationswiderstand (VOhm), der den elektrischen Widerständen der Elektrolyte und der Elektroden zuzuschreiben ist, und die Diffusionspolarisation (Vtrans), die einer mit der Dichte des Reaktanten an den Elektrodenoberflächen verknüpften Erscheinung zuzuschreiben ist. 5 ist ein Graph, der die Charakteristiken dieser Verluste zeigt. Die Qualitätsminderung des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators in der Brennstoffzelleneinheit 20 erhöht die Aktivierungspolarisation Vact und die Qualitätsminderung des Innenwiderstands der Zellen der Brennstoffzelleneinheit 20 erhöht den Polarisationswiderstand VOhm. Somit kann bestimmt werden, dass es eine Qualitätsminderung des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators in der Brennstoffzelleneinheit 20 gibt, falls es in einem in 5 durch A11 angegebenen Gebiet, in dem die Stromdichte niedrig ist, eine Verringerung der Ausgangsspannung gibt. Darüber hinaus kann bestimmt werden, dass es eine Qualitätsminderung des Innenwiderstands der Zellen gibt, falls es in einem in 5 durch A12 angegebenen Gebiet, in dem die Stromdichte einen mittleren Wert aufweist, eine Verringerung der Ausgangsspannung gibt.The losses of the fuel cell unit 20 include: the activation polarization (V act ) attributable to the activation energy of the electrode reaction; polarization resistance (V ohm ) attributable to the electrical resistances of the electrolytes and electrodes; and diffusion polarization (V trans ) attributable to a phenomenon related to the density of the reactant at the electrode surfaces. 5 Figure 12 is a graph showing the characteristics of these losses. The degradation of the reactive state of the platinum catalyst in the fuel cell assembly 20 increases the activation polarization Vact, and the degradation of the internal resistance of the cells of the fuel cell assembly 20 increases the polarization resistance V ohms . Thus, it can be determined that there is deterioration in the reactive state of the platinum catalyst in the fuel cell unit 20 if there is an in 5 area indicated by A11 where the current density is low, there is a decrease in the output voltage. In addition, it can be determined that there is deterioration in the internal resistance of the cells if it occurs in an in 5 area indicated by A12, in which the current density has an intermediate value, there is a decrease in the output voltage.

Somit werden zunächst die Spannung V1 und der Strom I1 der Brennstoffzelleneinheit 20 in dem Gebiet A11 niedriger Stromdichte gemessen und wird die Spannung V1 mit der Spannung V1std der Brennstoffzelleneinheit 20 mit demselben Strom I1, aber in dem Normalzustand, verglichen. Daraufhin werden die Spannung V2 und der Strom I2 der Brennstoffzelleneinheit 20 in dem Gebiet A12 mittlerer Stromdichte gemessen und wird die Spannung V2 mit der Spannung V2std der Brennstoffzelleneinheit 20 mit demselben Strom I2, aber in dem Normalzustand, verglichen. Falls die Differenz gegenüber der Spannung V1std in dem Normalzustand in dem Gebiet A11 mit niedriger Stromdichte wie in 6 gezeigt bereits groß ist, hat sich die Aktivierungspolarisation erhöht. Somit wird bestimmt, dass es ein Problem in dem reaktionsfähigen Zustand des Platinkatalysators gibt. Dementsprechend wird zum Wiederherstellen des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 20 die Bedingung gewählt, die die Reduktionsreaktion der Katalysatoroberflächen fördert. Falls andererseits wie in 7 gezeigt die Differenz gegenüber der Spannung V1std in dem Normalzustand in dem Gebiet A11 niedriger Stromdichte klein ist und die Differenz gegenüber der Spannung V2std in dem Normalzustand in dem Gebiet A12 mit mittlerer Stromdichte groß ist, hat sich der Polarisationswiderstand erhöht. Somit wird bestimmt, dass es ein Problem mit dem Innenwiderstand der Zellen gibt. Dementsprechend wird die Bedingung, die eine Befeuchtung der Polymermembranen zulässt, für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt. Außerdem wird die Dauer der Wiederherstellungsoperation auf der Grundlage von ΔT1 bestimmt, da der Grad der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 auf der Grundlage der Differenz ΔT1 zwischen den Zeitkonstanten der schnell ansprechenden Komponente bestimmt wird.Thus, first, the voltage V 1 and the current I 1 of the fuel cell unit 20 are measured in the low current density area A11, and the voltage V 1 is compared with the voltage V 1std of the fuel cell unit 20 with the same current I 1 but in the normal state. Then, the voltage V 2 and the current I 2 of the fuel cell unit 20 are measured in the medium current density area A12, and the voltage V 2 is compared with the voltage V 2std of the fuel cell unit 20 with the same current I 2 but in the normal state. If the difference from the voltage V 1std in the normal state in the low current density region A11 as in FIG 6 shown is already large, the activation polarization has increased. Thus, it is determined that there is a problem in the reactive state of the platinum catalyst. Accordingly, in order to restore the operation of the fuel cell unit 20, the condition that promotes the reduction reaction of the catalyst surfaces is selected. If, on the other hand, as in 7 As shown, the difference from the voltage V 1std in the normal state is small in the low current density region A11 and the difference from the voltage V 2std in the normal state is large in the medium current density region A12, the polarization resistance has increased. Thus, it is determined that there is a problem with the internal resistance of the cells. Accordingly, the condition that allows the polymer membranes to be humidified is selected for the recovery operation of the fuel cell unit 20 . In addition, since the degree of deterioration of the fuel cell unit 20 is determined based on the difference ΔT 1 between the time constants of the fast-response component, the duration of the recovery operation is determined based on ΔT 1 .

Es wird angenommen, dass auf der Grundlage der Differenz ΔT2 zwischen den Zeitkonstanten der langsam ansprechenden Komponente bestimmt wird, dass der einer Änderung des Zufuhrzustands des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeordnete Grad der Qualitätsminderung groß ist. In diesem Fall wird die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 unter einer Bedingung, die das Entfernen von Feuchtigkeit in den Zellen zulässt, oder unter einer Bedingung, die das Schmelzen geschmolzener Feuchtigkeit in den Zellen zulässt, ausgeführt. Welche dieser Bedingungen gewählt wird, wird auf der Grundlage der durch den Temperatursensor 21 der Brennstoffzelleneinheit 20 detektierten Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 20 bestimmt.It is assumed that based on the difference ΔT 2 between the time constants of the slow-response component, it is determined that the degree of deterioration associated with a change in the supply state of the hydrogen and the oxygen in the fuel cell unit 20 is large. In this case, the recovery operation of the fuel cell unit 20 is performed under a condition allowing removal of moisture in the cells or under a condition allowing melted moisture in the cells to melt. Which of these conditions is selected is determined based on the temperature of the fuel cell unit 20 detected by the temperature sensor 21 of the fuel cell unit 20 .

8 zeigt die Prozedur eines Prozesses zum Wählen der Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20, falls in den Schritten S15 und S16 in 4 bestimmt wird, dass in der Brennstoffzelleneinheit 20 die Qualitätsminderung auftritt, die Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist. In Schritt S20 werden die Spannung V1 und der Strom I1 der Brennstoffzelleneinheit 20 in einem Gebiet niedriger Stromdichte durch den Spannungssensor 31 bzw. durch den Stromsensor 32 des ersten DC/DC-Wandlers 30 gemessen. Daraufhin wird in Schritt S21 die Differenz zwischen der Spannung V1std in einer Einstellung, in der der Strom I1 in dem Normalzustand ausgegeben wird, und der Spannung V1 berechnet. In Schritt S22 werden durch den Spannungssensor 31 bzw. durch den Stromsensor 32 des ersten DC/DC-Wandlers 30 die Spannung V2 und der Strom I2 in einem Gebiet mittlerer Stromdichte gemessen. Daraufhin wird in Schritt S23 die Differenz zwischen der Spannung V2std in einer Einstellung, in der der Strom I2 in dem Normalzustand ausgegeben wird, und der Spannung V2 berechnet. 8th 12 shows the procedure of a process for selecting the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20 if in steps S15 and S16 in FIG 4 it is determined that the fuel cell assembly 20 is experiencing the deterioration associated with changes in the reactive state of the platinum catalyst and the internal resistance of the cells. In step S20, the voltage V 1 and the current I 1 of the fuel cell unit 20 in an area of low current density are measured by the voltage sensor 31 and the current sensor 32 of the first DC/DC converter 30, respectively. Then, in step S21, the difference between the voltage V 1std in a setting where the current I 1 is output in the normal state and the voltage V 1 is calculated. In step S22, the voltage V 2 and the current I 2 are measured by the voltage sensor 31 and by the current sensor 32 of the first DC/DC converter 30 in an area of medium current density. Then, in step S23, the difference between the voltage V 2std in a setting where the current I 2 is output in the normal state and the voltage V 2 is calculated.

In Schritt S24 wird bestimmt, ob die Differenz zwischen der obenerwähnten Spannung V1std und der Spannung V1 größer als ein im Voraus bestimmter vorgeschriebener Wert ist. Falls die Differenz zwischen der Spannung V1std und der Spannung V1 größer als der vorgeschriebene Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S25 über. In Schritt S25 wird die Bedingung, die die Reduktionsreaktion der Katalysatoroberflächen der Zellen fördert, als die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt. Andererseits geht der Prozess zu Schritt S26 über, falls die Differenz zwischen der Spannung V1std und der Spannung V1 kleiner oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist.In step S24, it is determined whether the difference between the above-mentioned voltage V 1std and the voltage V 1 is larger than a prescribed value determined in advance. If the difference between the voltage V 1std and the voltage V 1 is larger than the prescribed value, the process goes to step S25. In step S25, the condition that promotes the reduction reaction of the catalyst surfaces of the cells is selected as the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20. On the other hand, if the difference between the voltage V 1std and the voltage V 1 is less than or equal to the prescribed value, the process proceeds to step S26.

In Schritt S26 wird bestimmt, ob die Differenz zwischen der obenerwähnten Spannung V2std und der Spannung V2 größer als ein im Voraus bestimmter vorgeschriebener Wert ist. Falls die Differenz zwischen der Spannung V2std und der Spannung V2 größer als der vorgeschriebene Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S27 über. In Schritt S27 wird die Bedingung, die eine Befeuchtung der Polymermembranen der Zellen zulässt, als die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt.In step S26, it is determined whether the difference between the above-mentioned voltage V 2std and the voltage V 2 is larger than a prescribed value determined in advance. If the difference between the voltage V 2std and the voltage V 2 is larger than the prescribed value, the process goes to step S27. In step S27, the condition that allows the polymer membranes of the cells to be humidified is selected as the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20. FIG.

Wenn in Schritt S25 oder S27 die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt wird, geht der Prozess zu Schritt S28 über. In Schritt S28 wird auf der Grundlage der obenerwähnten Differenz ΔT1 zwischen den in Schritt S14 in 4 berechneten Zeitkonstanten die Betriebsdauer der Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 bestimmt. Je größer die Differenz ΔT1 ist, desto länger wird die Betriebsdauer eingestellt.If the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20 is selected in step S25 or S27, the process proceeds to step S28. In step S28, based on the above-mentioned difference ΔT 1 between the values in step S14 in 4 calculated time constants, the operating time of the recovery operation of the fuel cell unit 20 is determined. The greater the difference ΔT 1 , the longer the operating time is set.

Falls die Differenz zwischen der Spannung V1std und der Spannung V1 kleiner oder gleich ihrem vorgeschriebenen Wert ist (Nein in Schritt S24) und falls außerdem die Differenz zwischen der Spannung V2std und der Spannung V2 kleiner oder gleich ihrem vorgeschriebenen Wert ist (Nein in Schritt S26), wird bestimmt, dass in der Brennstoffzelleneinheit 20 keine Qualitätsminderung, die eine Wiederherstellung erfordert, aufgetreten ist. Somit wird der Prozess zur Bestimmung der Bedingung für die und der Dauer der Wiederherstellungsoperation nicht ausgeführt.If the difference between the voltage V 1std and the voltage V 1 is less than or equal to its prescribed value (No in step S24) and also if the difference between the voltage V 2std and the voltage V 2 is less than or equal to its prescribed value (No in step S26), it is determined that no deterioration requiring restoration has occurred in the fuel cell unit 20 . Thus, the process of determining the condition and duration of the recovery operation is not performed.

9 zeigt die Prozedur eines Prozesses zum Wählen der Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20, falls in den Schritten S17 und S18 in 4 bestimmt wird, dass in der Brennstoffzelleneinheit 20 die einer Änderung des Zufuhrzustands von Wasserstoff und Sauerstoff zugeordnete Qualitätsminderung auftritt. In Schritt S30 wird die Temperatur TFC der Brennstoffzelleneinheit 20 durch den Temperatursensor 21 gemessen. Daraufhin wird in Schritt S31 die Temperatur TFC mit einem im Voraus eingestellten vorgeschriebenen Wert verglichen. Falls die Temperatur TFC höher als der vorgeschriebene Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S32 über. In Schritt S32 wird die Bedingung, die die Entfernung von Feuchtigkeit in den Zellen zulässt, als die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt. Falls die Temperatur TFC kleiner oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S33 über. In Schritt S33 wird die Bedingung, die das Schmelzen gefrorener Feuchtigkeit in den Zellen zulässt, als die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt. Wenn in Schritt S32 oder S33 die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt wird, geht der Prozess zu Schritt S34 über. In Schritt S34 wird auf der Grundlage der obenerwähnten in Schritt S14 in 4 berechneten Differenz ΔT2 zwischen den Zeitkonstanten die Betriebsdauer der Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 bestimmt. Je größer die Differenz ΔT2 ist, desto länger wird die Betriebsdauer eingestellt. 9 12 shows the procedure of a process for selecting the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20 if in steps S17 and S18 in FIG 4 it is determined that the deterioration associated with a change in the supply state of hydrogen and oxygen occurs in the fuel cell unit 20 . The temperature T FC of the fuel cell unit 20 is measured by the temperature sensor 21 in step S30. Then, in step S31, the temperature T FC is compared with a prescribed value set in advance. If the temperature T FC is higher than the prescribed value, the process goes to step S32. In step S32, the condition that allows the removal of moisture in the cells is selected as the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20. If the temperature T FC is less than or equal to the prescribed value, the process goes to step S33. In step S33, the condition that allows the frozen moisture in the cells to melt is selected as the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20. FIG. If the condition for the recovery operation of the fuel cell unit 20 is selected in step S32 or S33, the process proceeds to step S34. In step S34, based on the above-mentioned in step S14 in 4 calculated difference ΔT 2 between the time constants determines the service life of the recovery operation of the fuel cell unit 20. The greater the difference .DELTA.T 2 , the longer the service life is set.

Die Bedingung für die und die Dauer der Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 werden wie oben beschrieben auf der Grundlage der Ergebnisse der Bestimmung des Grads und der Ursache der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 gewählt. Auf diese Weise kann die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 20 maximiert werden.The condition and duration of the recovery operation of the fuel cell unit 20 are selected based on the results of the determination of the degree and cause of the deterioration of the fuel cell unit 20 as described above. In this way, the performance of the fuel cell unit 20 can be maximized.

Wiederherstellungsoperation und nachfolgender Prozess]recovery operation and subsequent process]

10 ist ein Ablaufplan, der die Prozeduren der Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 und eines nachfolgenden Prozesses zeigt. In Schritt S40 wird die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 ausgeführt. Die Wiederherstellungsoperation wird auf der Grundlage der Bedingung und der Dauer, die durch den anhand des Ablaufplans in 8 oder 9 beschriebenen obigen Prozesses bestimmt worden sind, ausgeführt. Darüber hinaus wird bei der ersten Ausführung des Schritts S40 für eine Variable, die die Anzahl der Ausführung der Wiederherstellungsoperation angibt, „0“ eingestellt. Wenn die Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 abgeschlossen ist, wird die Variable, die die Anzahl der Ausführung der Wiederherstellungsoperation angibt, um „1“ inkrementiert und geht der Prozess zu Schritt S41 über. In einem Prozess in und nach dem Schritt S41 wird geprüft, ob die Ist-Ausgabe der Brennstoffzelleneinheit 20 wiedergewonnen worden ist. 10 12 is a flowchart showing the procedures of the recovery operation of the fuel cell unit 20 and a subsequent process. In step S40, the recovery operation of the fuel cell unit 20 is performed. The restore operation will be performed based on the condition and duration determined by the using the schedule in 8th or 9 described above process are performed. In addition, when step S40 is executed for the first time, “0” is set for a variable indicative of the number of times the recovery operation is executed. When the recovery operation of the fuel cell unit 20 is completed, the variable indicating the number of execution times of the recovery operation is incremented by “1”, and the process proceeds to step S41. In a process in and after step S41, it is checked whether the actual output of the fuel cell unit 20 has been retrieved.

In Schritt S41 werden durch den Spannungssensor 31 bzw. durch den Stromsensor 32 die Spannung V3 und der Strom I3 der Brennstoffzelleneinheit 20 nach der Wiederherstellungsoperation gemessen. Daraufhin wird die Spannung V3 in Schritt S42 mit der Spannung Vstd verglichen. Die Referenzspannung Vstd ist ein Spannungswert, der für die Brennstoffzelleneinheit 20 in dem Normalzustand erforderlich ist, um den Strom I3 auszugeben. Falls die Differenz zwischen der Referenzspannung Vstd und der Spannung V3 nach der Wiederherstellungsoperation kleiner oder gleich einem im Voraus eingestellten vorgeschriebenen Wert ist, wird bestimmt, dass die Brennstoffzelleneinheit 20 von der vorübergehenden Qualitätsminderung wiederhergestellt worden ist. Somit wird die Wiederherstellungsprozess-Nachbearbeitung nicht ausgeführt.In step S41, the voltage V 3 and the current I 3 of the fuel cell unit 20 after the recovery operation are measured by the voltage sensor 31 and the current sensor 32, respectively. The voltage V 3 is then compared with the voltage V std in step S42. The reference voltage V std is a voltage value required for the fuel cell unit 20 in the normal state to output the current I 3 . If the difference between the reference voltage V std and the voltage V 3 after the recovery operation is less than or equal to a prescribed value set in advance, it is determined that the fuel cell unit 20 has recovered from the temporary deterioration. Thus, the recovery process post-processing is not executed.

Andererseits wird bestimmt, dass die Brennstoffzelleneinheit 20 von der Qualitätsminderung nicht wiederhergestellt worden ist, und geht der Prozess zu Schritt S44 über, falls die Differenz zwischen der Referenzspannung Vstd und der Spannung V3 nach der Wiederherstellungsoperation größer als der vorgeschriebene Wert ist. In Schritt S44 wird der Wert der Variablen, die die Anzahl der Ausführung der Wiederherstellungsoperation angibt, geprüft, um zu bestimmen, ob die Anzahl der Ausführung der Wiederherstellungsoperation größer als ein im Voraus eingestellter vorgeschriebener Wert ist. Falls die Anzahl der Ausführung der Wiederherstellungsoperation kleiner oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist, kehrt der Prozess zu Schritt S40 zurück, in dem die Wiederherstellungsoperation erneut ausgeführt worden ist.On the other hand, if the difference between the reference voltage V std and the voltage V 3 after the recovery operation is larger than the prescribed value, it is determined that the fuel cell unit 20 has not recovered from the deterioration, and the process proceeds to step S44. In step S44, the value of the variable indicative of the number of execution times of the recovery operation is checked to determine whether the number of execution times of the recovery operation is greater than a prescribed value set in advance. If the number of execution times of the recovery operation is less than or equal to the prescribed value, the process returns to step S40 where the recovery operation has been executed again.

Falls die Anzahl der Ausführungen der Wiederherstellungsoperation andererseits größer als der vorgeschriebene Wert ist, geht der Prozess zu Schritt S45 über. Die Situation, in der die Anzahl der Ausführung der Wiederherstellungsoperation größer als der vorgeschriebene Wert ist, repräsentiert einen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit 20 in dem Normalzustand, selbst nachdem eine gegebene Anzahl von Wiederherstellungsoperationen ausgeführt worden sind, keine Ausgangsspannung in der Nähe der Referenzspannung Vstd ausgibt. Genauer ist die Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 nicht vorübergehend, sondern dauerhaft. Mit anderen Worten, die Grundleistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 20 kann im Vergleich zu dem Anfangszustand als verringert angesehen werden. Selbst wenn sich die Grundleistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 20 verringert hat, kann sie dennoch weiterverwendet werden, falls der Grad der Verringerung klein ist. Somit wird zunächst in Schritt S45 bestimmt, ob die Differenz zwischen der Referenzspannung Vstd und der Spannung V3 nach der Wiederherstellungsoperation innerhalb eines zulässigen Niveaus liegt, d. h., ob die dauerhafte Verringerung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 innerhalb eines zulässigen Niveaus liegt.On the other hand, if the number of times of execution of the recovery operation is larger than the prescribed value, the process proceeds to step S45. The situation where the number of times of execution of the recovery operation is greater than the prescribed value represents a state where the fuel cell unit 20 in the normal state, even after a given number of recovery operations have been executed, has no output voltage close to the reference voltage V hrs . More specifically, the deterioration of the fuel cell unit 20 is not temporary but permanent. In other words, the basic performance of the fuel cell unit 20 can be considered reduced compared to the initial state. Even if the basic performance of the fuel cell unit 20 has decreased, it can still be used if the degree of the decrease is small. Thus, first in step S45, it is determined whether the difference between the reference voltage V std and the voltage V 3 after the recovery operation is within an allowable level, that is, whether the permanent decrease in the output voltage of the fuel cell unit 20 is within an allowable level.

Falls in der Brennstoffzelleneinheit 20 eine dauerhafte Verringerung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, die Differenz zwischen der Referenzspannung Vstd und der Spannung V3 nach der Wiederherstellungsoperation aber kleiner als das zulässige Niveau ist, geht der Prozess zu Schritt S46 über. In einem Zustand, in dem es eine dauerhafte Qualitätsminderung gibt, die Differenz zwischen der Referenzspannung Vstd und der Spannung V3 nach der Wiederherstellungsoperation aber kleiner als das zulässige Niveau ist, ist die Verringerung der Grundleistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 20 nicht fatal und kann ihre Verwendung fortgesetzt werden. Falls die Verwendung der Brennstoffzelleneinheit 20 fortgesetzt werden soll, ist es notwendig, das Auftreten der vorübergehenden Qualitätsminderung während der Verwendung zu detektieren und eine geeignete Wiederherstellungsoperation auszuführen. Somit wird in den Schritten S46 bis S50 ein Prozess des Ersetzens der Werte der Zeitkonstante T1std der schnell ansprechenden Komponente und der Zeitkonstante T2std der langsam ansprechenden Komponente in Übereinstimmung mit der Ist-Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 20 ausgeführt.If a permanent reduction in output voltage has occurred in the fuel cell unit 20, but the difference between the reference voltage V std and the voltage V 3 after the recovery operation is smaller than the allowable level, the process proceeds to step S46. In a state where there is permanent deterioration, but the difference between the reference voltage V std and the voltage V 3 after the recovery operation is smaller than the allowable level, the reduction in the basic performance of the fuel cell unit 20 is not fatal and its use can continue will. If the use of the fuel cell unit 20 is to be continued, it is necessary to detect the occurrence of the temporary deterioration during use and perform an appropriate recovery operation. Thus, in steps S46 to S50, a process of substituting the values of the time constant T 1std of the fast-response component and the time constant T 2std of the slow-response component in accordance with the actual performance of the fuel cell unit 20 is performed.

Die neuen Werte der Zeitkonstanten T1std und T2std werden auf ähnliche Weise wie in den Operationen in den Schritten S10 bis S13 in dem Qualitätsminderungs-Detektionsprozess für die Brennstoffzelleneinheit in 4 berechnet. In Schritt S46 wird das Schalten des ersten DC/DC-Wandlers 30 in der Weise gesteuert, dass der Sollwert des Ausgangsstroms der Brennstoffzelleneinheit 20 in einem Stufenmuster von dem in Schritt S10 bestimmten Sollwert weiter geändert wird, wobei das Ergebnis als ein neuer Sollwert in die Datenverarbeitungsvorrichtung 10 eingegeben wird. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 10 gibt in der Weise ein Steuersignal an die Brennstoffzelleneinheit 20 aus, dass der Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit 20 dem neuen Sollwert folgt. In Schritt S47 wird die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20, deren Ausgangsstrom auf dem neuen Sollwert gesteuert wird, durch den Spannungssensor 31 des ersten DC/DC-Wandlers 30 gemessen und in Form eines Zeitreihendatenfelds in der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 aufgezeichnet. Daraufhin wird in Schritt S48 die Signalform der Übergangsantwort unter Verwendung der Summe von Stufenantworten von Verzögerungs-Systemübertragungsfunktionen erster Ordnung, die in der obenerwähnten Formel (1) gezeigt sind, genähert. In Schritt S49 werden die Zeitkonstante T1 des Spannungswerts V1 der schnell ansprechenden Komponente und die Zeitkonstante T2 des Spannungswerts V2 der langsam ansprechenden Komponente berechnet. Daraufhin wird in Schritt S50 die Zeitkonstante T1std in dem Normalzustand durch die in Schritt S49 berechnete Zeitkonstante T1 des Spannungswerts V1 der schnell ansprechenden Komponente ersetzt und die Zeitkonstante T2std in dem Normalzustand durch die in Schritt S49 berechnete Zeitkonstante T2 des Spannungswerts V2 der langsam ansprechenden Komponente ersetzt.The new values of the time constants T 1std and T 2std are set in a manner similar to the operations in steps S10 to S13 in the deterioration detection process for the fuel cell unit in FIG 4 calculated. In step S46, the switching of the first DC/DC converter 30 in is controlled such that the target value of the output current of the fuel cell unit 20 is further changed in a step pattern from the target value determined in step S10, with the result being input to the data processing device 10 as a new target value. The data processing device 10 outputs a control signal to the fuel cell unit 20 in such a way that the output current of the fuel cell unit 20 follows the new target value. In step S47, the transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 whose output current is controlled at the new target value is measured by the voltage sensor 31 of the first DC/DC converter 30 and recorded in the data processing device 10 in the form of a time-series array. Then, in step S48, the transient response waveform is approximated using the sum of step responses of first-order lag system transfer functions shown in the above-mentioned formula (1). In step S49, the time constant T 1 of the voltage value V 1 of the fast-response component and the time constant T 2 of the voltage value V 2 of the slow-response component are calculated. Then, in step S50, the time constant T 1std in the normal state is replaced by the time constant T 1 of the voltage value V 1 of the fast-response component calculated in step S49, and the time constant T 2std in the normal state is replaced by the time constant T 2 of the voltage value V calculated in step S49 2 of the slow-response component replaced.

Anschließend wird auf der Grundlage der somit ersetzten Zeitkonstanten T1std und T2std die Wahl der Bedingung für die wie anhand von 8 und 9 beschriebene Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit 20 ausgeführt.Subsequently, on the basis of the time constants T 1std and T 2std thus replaced, the choice of the condition for the as shown in FIG 8th and 9 described recovery operation of the fuel cell unit 20 is performed.

Andererseits wird bestimmt, dass die Verringerung der Grundleistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 20 fatal ist, falls in Schritt S45 bestimmt wird, dass die Differenz zwischen der Referenzspannung Vstd und der Spannung V3 nach der Wiederherstellungsoperation größer oder gleich dem zulässigen Niveau ist und dass die dauerhafte Verringerung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 nicht innerhalb des zulässigen Niveaus liegt. In diesem Fall geht der Prozess zu Schritt S51 über, in dem der Betreiber benachrichtigt wird, dass die Brennstoffzelleneinheit 20 das Ende der Lebensdauer erreicht hat, so dass der Betreiber aufgefordert wird, die Brennstoffzelleneinheit 20 zu ersetzen.On the other hand, if it is determined in step S45 that the difference between the reference voltage V std and the voltage V 3 after the recovery operation is greater than or equal to the allowable level and that the permanent reduction of the output voltage of the fuel cell unit 20 is not within the allowable level. In this case, the process proceeds to step S51, where the operator is notified that the fuel cell unit 20 has reached the end of its life, so that the operator is prompted to replace the fuel cell unit 20.

Wie oben beschrieben wurde, wird in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein durch Erhöhen des Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelleneinheit 20 in einem Stufenmuster um einen vorgegebenen Betrag erhaltener Stromwert als der Sollwert bestimmt und die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 darauf, dass sie in der Weise angesteuert wird, dass der Ausgangsstrom dem Sollwert folgt, in eine verhältnismäßig schnell ansprechende Komponente und in eine verhältnismäßig langsam ansprechende Komponente zerlegt. Daraufhin werden auf der Grundlage jeder Komponente das Auftreten und der Grad der Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 bestimmt. Auf diese Weise ist es möglich, durch Prüfen, von welcher Komponente das Auftreten der Qualitätsminderung detektiert wird, die Art der Ursache der Qualitätsminderung zu bestimmen. Im Ergebnis kann unter einer Bedingung, die für die Ursache der Qualitätsminderung geeignet ist, mit anderen Worten, in einer Weise, dass die Ursache der Qualitätsminderung beseitigt wird, eine Wiederherstellungsoperation ausgeführt werden.As described above, according to the embodiment of the present invention, a current value obtained by increasing the output current value of the fuel cell unit 20 in a step pattern by a predetermined amount is determined as the target value, and the transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 to being in the manner is controlled so that the output current follows the target value, broken down into a component that responds relatively quickly and into a component that responds relatively slowly. Then, based on each component, occurrence and degree of deterioration of the fuel cell unit 20 are determined. In this way, by examining from which component the occurrence of the deterioration is detected, it is possible to determine the nature of the cause of the deterioration. As a result, under a condition suitable for the cause of the deterioration, in other words, in a manner that the cause of the deterioration is eliminated, a recovery operation can be performed.

Falls eine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20 auf der Grundlage der schnell ansprechenden Komponente detektiert wird, werden darüber hinaus der Spannungswert und der Stromwert der Brennstoffzelleneinheit 20 sowohl in einem Gebiet niedriger Stromdichte als auch in einem Gebiet mittlerer Stromdichte gemessen und wird ein Vergleich mit dem Spannungswert der Brennstoffzelleneinheit 20 in dem Normalbetriebszustand mit ihrem auf denselben Wert eingestellten Stromwert vorgenommen. Auf diese Weise kann die Ursache dieser Qualitätsminderung spezifischer bestimmt werden, falls eine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20 auf der Grundlage der schnell ansprechenden Komponente detektiert wird. Darüber hinaus kann auf der Grundlage der Differenz zwischen den Spannungswerten bestimmt werden, ob als die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation die Bedingung, die die Reduktionsreaktion der Katalysatoroberflächen der Zellen fördert, verwendet werden soll oder die Bedingung, die eine Befeuchtung der Polymermembranen der Zellen zulässt, verwendet werden soll. Auf diese Weise kann die Wiederherstellungsoperation unter einer besser geeigneten Bedingung ausgeführt werden, falls auf der Grundlage der schnell ansprechenden Komponente eine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20 detektiert wird. Dementsprechend kann die Brennstoffzelleneinheit 20 zuverlässiger wiederhergestellt werden.In addition, if degradation is detected in the fuel cell unit 20 based on the fast-response component, the voltage value and current value of the fuel cell unit 20 are measured in both a low current density area and a medium current density area, and comparison with the voltage value of the Fuel cell unit 20 is made in the normal operating state with its current value set to the same value. In this way, if deterioration is detected in the fuel cell unit 20 based on the fast-response component, the cause of this deterioration can be determined more specifically. In addition, based on the difference between the voltage values, it can be determined whether to use the condition that promotes the reduction reaction of the catalyst surfaces of the cells or the condition that allows the polymer membranes of the cells to be humidified as the condition for the recovery operation shall be. In this way, the recovery operation can be performed under a more appropriate condition if deterioration is detected in the fuel cell unit 20 based on the quick-response component. Accordingly, the fuel cell unit 20 can be restored more reliably.

Darüber hinaus wird die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 20 durch den Temperatursensor 21 gemessen, falls auf der Grundlage der langsam ansprechenden Komponente eine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20 detektiert wird. Auf der Grundlage des Ergebnisses der Messung durch den Temperatursensor 21 kann die Ursache der auf der Grundlage der langsam ansprechenden Komponente detektierten Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 spezifischer bestimmt werden. Darüber hinaus kann auf der Grundlage des Ergebnisses der Messung durch den Temperatursensor 21 bestimmt werden, ob die Bedingung, die die Entfernung von Feuchtigkeit in den Zellen der Brennstoffzelleneinheit 20 zulässt, oder die Bedingung, die das Schmelzen von Eis in den Zellen zulässt, als die Bedingung für die Wiederherstellungsoperation verwendet werden soll. Auf diese Weise kann die Wiederherstellungsoperation unter Verwendung einer besser geeigneten Bedingung ausgeführt werden, falls auf der Grundlage der langsam ansprechenden Komponente eine Qualitätsminderung in der Brennstoffzelleneinheit 20 detektiert wird. Dementsprechend kann die Brennstoffzelleneinheit 20 zuverlässiger wiederhergestellt werden.In addition, the temperature of the fuel cell unit 20 is measured by the temperature sensor 21 if deterioration is detected in the fuel cell unit 20 based on the slow-response component. Based on the result of the measurement by the temperature sensor 21, the cause of the slow responsive component detected degradation of the fuel cell unit 20 can be determined more specifically. Moreover, based on the result of the measurement by the temperature sensor 21, it can be determined whether the condition allowing the removal of moisture in the cells of the fuel cell unit 20 or the condition allowing the melting of ice in the cells as the condition to be used for the restore operation. In this way, if deterioration is detected in the fuel cell unit 20 based on the slow-response component, the recovery operation can be performed using a more appropriate condition. Accordingly, the fuel cell unit 20 can be restored more reliably.

[Abwandlungen][variations]

In der Ausführungsform wird die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 gemessen und in eine schnell ansprechende Komponente und in eine langsam ansprechende Komponente zerlegt und werden ihre Zeitkonstanten berechnet, um den Grad und die Ursache einer Qualitätsminderung der Brennstoffzelleneinheit 20 zu bestimmen. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt. Es wird nun eine Beschreibung einer Änderung gegeben, in der die Zeitkonstanten der schnell ansprechenden Komponente und der langsam ansprechenden Komponente durch eine Schaltsteuerung des ersten DC/DC-Wandlers 30 berechnet werden.In the embodiment, the transient response of the output voltage of the fuel cell unit 20 is measured and decomposed into a fast-response component and a slow-response component, and their time constants are calculated to determine the degree and cause of deterioration of the fuel cell unit 20 . However, the present invention is not limited to this case. A description will now be given of a change in which the time constants of the fast-response component and the slow-response component are calculated by switching control of the first DC/DC converter 30 .

In dieser Änderung wird die Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente durch Befolgen der im Folgenden gegebenen Struktur berechnet. Zunächst sind die Schalter SW1 bis SW4 des ersten DC/DC-Wandlers 30 alle ausgeschaltet (Anfangszustand). Daraufhin werden die Schalter SW1 und SW3 eingeschaltet und werden die Schalter SW2 und SW4 ausgeschaltet und wartet der Prozess, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 auf einen vorgegebenen Wert Vlower gefallen ist (erste Spannungsverringerungsoperation). Nachdem durch den Spannungssensor 31 bestätigt worden ist, dass die Ausgangsspannung den vorgegebenen Wert Vlower erreicht hat, werden die Schalter SW1 und SW3 ausgeschaltet und werden die Schalter SW2 und SW4 eingeschaltet und wartet der Prozess, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 auf einen vorgegebenen Wert Vupper gestiegen ist (Spannungserhöhungsoperation). Wenn durch den Spannungssensor 31 bestätigt wird, dass die Ausgangsspannung auf Vupper gestiegen ist, werden SW1 und SW3 eingeschaltet und werden SW2 und SW4 wieder ausgeschaltet und wartet der Prozess, bis die Ausgangsspannung auf den vorgegebenen Wert Vlower gefallen ist (zweite Spannungsverringerungsoperation). Daraufhin werden SW1 bis SW4 ausgeschaltet, wenn durch den Spannungssensor 31 bestätigt wird, dass die Ausgangsspannung den Wert Vlower erreicht ist.In this amendment, the time constant of the fast-response component is calculated by following the structure given below. First, the switches SW1 to SW4 of the first DC/DC converter 30 are all turned off (initial state). Then, the switches SW1 and SW3 are turned on and the switches SW2 and SW4 are turned off, and the process waits until the output voltage of the fuel cell unit 20 falls to a predetermined value Vlower (first voltage lowering operation). After confirming by the voltage sensor 31 that the output voltage has reached the predetermined value V lower , the switches SW1 and SW3 are turned off and the switches SW2 and SW4 are turned on and the process waits until the output voltage of the fuel cell unit 20 reaches a predetermined value V upper has increased (voltage boost operation). When it is confirmed by the voltage sensor 31 that the output voltage has risen to V upper , SW1 and SW3 are turned on and SW2 and SW4 are turned off again, and the process waits until the output voltage falls to the predetermined value V lower (second voltage lowering operation). Then, when it is confirmed by the voltage sensor 31 that the output voltage has reached V lower , SW1 to SW4 are turned off.

Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 von dem obenerwähnten Anfangszustand, bis alle Schalter SW1 bis SW4 wieder ausgeschaltet sind, wird durch den Spannungssensor 31 gemessen und das Ergebnis dieser Messung wird in der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 aufgezeichnet. Das Ergebnis der Messung wird in Form eines Zeitreihendatenfelds aufgezeichnet. 11 zeigt ein Beispiel des Ergebnisses der Messung durch den Spannungssensor 31. Bei t11 beginnt die erste Spannungsverringerungsoperation, bei bei t12 erreicht die Ausgangsspannung Vlower und beginnt die Spannungserhöhungsoperation, bei t13 erreicht die Ausgangsspannung Vupper und beginnt die zweite Spannungsverringerungsoperation und bei t14 erreicht die Ausgangsspannung Vlower. In der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 werden eine Zeitdauer T1a von t12 bis t13 und eine Zeitdauer T1b von t13 bis t14 berechnet. Daraufhin wird auf der Grundlage der Zeitdauer T1a und der Zeitdauer T1b die Zeitkonstante T1 der Spannung V1 der schnell ansprechenden Komponente in der Übergangsantwort berechnet. Die Berechnung der Zeitkonstante T1 erfolgt z. B. unter Verwendung eines Verfahrens, in dem die Korrelation zwischen dem Durchschnittswert der Zeitdauer T1a und der Zeitdauer T1b und der tatsächlichen Zeitkonstante mit einer Karte oder einer Funktion oder unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens definiert wird.The output voltage of the fuel cell unit 20 from the above-mentioned initial state until all the switches SW1 to SW4 are turned off again is measured by the voltage sensor 31 and the result of this measurement is recorded in the data processing device 10. The result of the measurement is recorded in the form of a time series data array. 11 shows an example of the result of the measurement by the voltage sensor 31. At t11, the first voltage reduction operation starts, at t12 the output voltage reaches V lower and starts the voltage increase operation, at t13 the output voltage reaches V upper and starts the second voltage reduction operation, and at t14 the output voltage reaches V lower . In the data processing device 10, a time period T 1a from t12 to t13 and a time period T 1b from t13 to t14 are calculated. Then, based on the time period T 1a and the time period T 1b , the time constant T 1 of the voltage V 1 of the fast-response component in the transient response is calculated. The time constant T 1 is calculated e.g. B. using a method in which the correlation between the average value of the period T 1a and the period T 1b and the actual time constant is defined with a map or a function or using a similar method.

Wenn durch die obige Prozedur die Zeitkonstante T1 der Spannung V1 der schnell ansprechenden Komponente bestimmt worden ist, werden ähnliche Operationen wie in und nach Schritt S14 in 4 ausgeführt. Es wird die Differenz ΔT1 zwischen der Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der Zeitkonstante T1 berechnet und bestimmt, ob die Differenz ΔT1 größer oder gleich dem vorgeschriebenen Wert ist. Falls sie größer als der vorgeschriebene Wert ist, wird bestimmt, dass diese Qualitätsminderung Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist.When the time constant T 1 of the fast-response component voltage V 1 has been determined through the above procedure, operations similar to those in and after step S14 in FIG 4 executed. The difference ΔT 1 between the time constant of the fast-response component in the normal state and the time constant T 1 is calculated, and it is determined whether the difference ΔT 1 is greater than or equal to the prescribed value. If larger than the prescribed value, it is determined that this deterioration is associated with changes in the reactive state of the platinum catalyst and the internal resistance of the cells.

Die Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente wird durch Befolgen der im Folgenden gegebenen Prozedur berechnet. Jeder Schalter des ersten DC/DC-Wandlers 30 wird auf einen Anfangszustand geschaltet. Der Anfangszustand des ersten DC/DC-Wandlers 30 für eine Spannungsverringerungsoperation bezieht sich auf einen Zustand, in dem der Schalter SW1 eingeschaltet ist, der Schalter SW2 ausgeschaltet ist und die Schalter SW3 und SW4 mit einem vorgegebenen Tastgrad (einem Verhältnis zwischen einer Zeitdauer, in der der Schalter SW3 eingeschaltet ist und der Schalter SW4 ausgeschaltet ist, und einer Zeitdauer, in der der Schalter SW3 ausgeschaltet ist und der Schalter SW4 eingeschaltet ist) geschaltet werden. Der Anfangszustand des ersten DC/DC-Wandlers 30 für die Spannungserhöhungsoperation bezieht sich auf einen Zustand, in dem der Schalter SW4 eingeschaltet ist, der Schalter SW3 ausgeschaltet ist und die Schalter SW1 und SW2 mit einem vorgeschriebenen Tastgrad (einem Verhältnis zwischen einer Zeitdauer, in der der Schalter SW1 eingeschaltet ist und der Schalter SW2 ausgeschaltet ist, und einer Zeitdauer, in der der Schalter SW1 ausgeschaltet ist und der Schalter SW2 eingeschaltet ist) geschaltet werden. In dieser Änderung wird die Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente durch Steuern der Spannungsverringerungsoperationen, d. h. durch Steuern des Tastgrads der Schalter SW3 und SW4, berechnet.The time constant of the slow-response component is calculated by following the procedure given below. Each switch of the first DC/DC converter 30 is switched to an initial state. The initial state of the first DC/DC converter 30 for a voltage drop operation refers to a state where the switch SW1 is on, the switch SW2 is off, and the switches SW3 and SW4 are switched with a predetermined duty cycle (a ratio between a time period in which the switch SW3 is on and the switch SW4 is off and a time period in which the switch SW3 is off and the switch SW4 is on). The initial state of the first DC/DC converter 30 for the boosting operation refers to a state in which the switch SW4 is turned on, the switch SW3 is turned off, and the switches SW1 and SW2 are at a prescribed duty cycle (a ratio between a length of time in the switch SW1 is on and the switch SW2 is off, and a period in which the switch SW1 is off and the switch SW2 is on). In this modification, the time constant of the slow-response component is calculated by controlling the voltage reducing operations, that is, by controlling the duty of the switches SW3 and SW4.

Zunächst wird der Tastgrad der Schalter SW3 und SW4 größer als der Anfangszustand für Spannungsverringerungsoperationen, d. h. auf den vorgeschriebenen Wert, eingestellt und wird eine Spannungsverringerungsoperation (eine erste Spannungsverringerungsoperation) ausgeführt, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 auf den vorgegebenen Wert Vlower gefallen ist. Wenn durch den Spannungssensor 31 bestätigt wird, dass die Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers 30 den vorgegebenen Wert Vlower erreicht hat, wird der Tastgrad der Schalter SW3 und SW4 auf den vorgeschriebenen Wert zurückgestellt, so dass die Ausgangsspannung von Vlower steigt (Spannungserhöhungsoperation). Wenn durch den Spannungssensor 31 bestätigt wird, dass die Ausgangsspannung den vorgegebenen Wert Vupper erreicht hat, wird der Tastgrad der Schalter SW3 und SW4 wieder höher als der vorgeschriebene Wert eingestellt und eine Spannungsverringerungsoperation (zweite Spannungsverringerungsoperation) ausgeführt, bis die Ausgangsspannung auf den vorgegebenen Wert Vlower gefallen ist. Wenn durch den Spannungssensor 31 bestätigt wird, dass die Ausgangsspannung den vorgegebenen Wert Vlower erreicht hat, wird der Tastgrad der Schalter SW3 und SW4 auf den vorgeschriebenen Wert zurückgesetzt. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 von dem Anfang der ersten Spannungsverringerungsoperation bis zum Ende der zweiten Spannungsverringerungsoperation wird durch den Spannungssensor 31 des ersten DC/DC-Wandlers 30 gemessen. Das Ergebnis dieser Messung wird in Form eines Zeitreihendatenfelds aufgezeichnet. 12 zeigt ein Beispiel des Ergebnisses der Messung durch den Spannungssensor 31.First, the duty of the switches SW3 and SW4 is set larger than the initial state for voltage lowering operations, ie, to the prescribed value, and a voltage lowering operation (a first voltage lowering operation) is performed until the output voltage of the fuel cell unit 20 falls to the predetermined value V lower . When it is confirmed by the voltage sensor 31 that the output voltage of the first DC/DC converter 30 has reached the predetermined value V lower , the duty of the switches SW3 and SW4 is returned to the predetermined value so that the output voltage increases from V lower ( voltage step-up operation). When it is confirmed by the voltage sensor 31 that the output voltage has reached the predetermined value V upper , the duty of the switches SW3 and SW4 is again set higher than the prescribed value and a voltage lowering operation (second voltage lowering operation) is performed until the output voltage reaches the predetermined value V lower has fallen. When it is confirmed by the voltage sensor 31 that the output voltage has reached the predetermined value V lower , the duty of the switches SW3 and SW4 is reset to the prescribed value. The output voltage of the fuel cell unit 20 from the start of the first voltage drop operation to the end of the second voltage drop operation is measured by the voltage sensor 31 of the first DC/DC converter 30 . The result of this measurement is recorded in the form of a time series data array. 12 shows an example of the result of the measurement by the strain sensor 31.

Die erste Spannungsverringerungsoperation beginnt bei t21, bei t22 erreicht die Ausgangsspannung Vlower und beginnt die Spannungserhöhungsoperation, bei t23 erreicht die Ausgangsspannung Vupper und beginnt die zweite Spannungsverringerungsoperation und bei t24 erreicht die Ausgangsspannung Vlower. In der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 werden eine Zeitdauer T2a von t22 bis t23 und eine Zeitdauer T2b von t23 bis t24 berechnet. Daraufhin wird auf der Grundlage der Zeitdauer T2a und der Zeitdauer T2b die Zeitkonstante T2 der Spannung V2 der langsam ansprechenden Komponente in der Übergangsantwort berechnet. Die Berechnung der Zeitkonstante T2 erfolgt z. B. unter Verwendung eines Verfahrens, in dem die Korrelation zwischen dem Mittelwert der Zeitdauer T2a und der Zeitdauer T2b und der tatsächlichen Zeitkonstante mit einer Abbildung oder einer Funktion oder unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens definiert wird.The first voltage lowering operation begins at t21, at t22 the output voltage reaches V lower and begins the voltage boosting operation, at t23 the output voltage reaches V upper and begins the second voltage lowering operation, and at t24 the output voltage reaches V lower . In the data processing device 10, a time period T 2a from t22 to t23 and a time period T 2b from t23 to t24 are calculated. Then, based on the time period T 2a and the time period T 2b , the time constant T 2 of the voltage V 2 of the slow-response component in the transient response is calculated. The time constant T 2 is calculated e.g. B. using a method in which the correlation between the average of the period T 2a and the period T 2b and the actual time constant is defined with a map or a function or using a similar method.

Obwohl das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 in dieser Ausführungsform durch Steuern des Tastgrads der Schalter SW3 und SW4 gesteuert werden, wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt ist. Das Erhöhen und Verringern der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 20 kann durch Einschalten des Schalters SW4, Ausschalten des Schalters SW3 und Steuern des Tastgrads der Schalter SW1 und SW2 gesteuert werden.Although the increase and decrease in the output voltage of the fuel cell unit 20 is controlled by controlling the duty of the switches SW3 and SW4 in this embodiment, it is noted that the present invention is not limited to this case. The increase and decrease in the output voltage of the fuel cell unit 20 can be controlled by turning on the switch SW4, turning off the switch SW3, and controlling the duty of the switches SW1 and SW2.

Obwohl oben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diskutiert worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und können auf der Grundlage der technischen Idee der vorliegenden Erfindung verschiedene Änderungen und Veränderungen vorgenommen werden.Although embodiments of the present invention have been discussed above, the present invention is not limited to the above embodiments and various changes and modifications can be made based on the technical idea of the present invention.

Zusammengefasst kann eine Ausführungsform wie folgt beschrieben werden: Ein Sollwert des Ausgangsstroms einer Brennstoffzelleneinheit wird in einem Stufenmuster geändert. Es wird eine Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit, die so angesteuert wird, dass der Ausgangsstrom diesem Sollwert folgt, gemessen und die Übergangsantwort wird in eine schnell ansprechende Komponente und eine langsam ansprechende Komponente zerlegt. Es werden eine Zeitkonstante T1 der schnell ansprechenden Komponente und eine Zeitkonstante T2 der langsam ansprechenden Komponente berechnet. Es wird eine Differenz ΔT1 zwischen der Zeitkonstante der schnell ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der Zeitkonstante T1 berechnet und es wird eine Differenz ΔT2 zwischen der Zeitkonstante der langsam ansprechenden Komponente in dem Normalzustand und der Zeitkonstante T2 berechnet. Auf der Grundlage der Differenz ΔT1 wird eine Qualitätsminderung bestimmt, die Änderungen des reaktionsfähigen Zustands des Platinkatalysators der Brennstoffzelleneinheit und des Innenwiderstands der Zellen zugeordnet ist, und auf der Grundlage der Differenz ΔT2 wird eine Qualitätsminderung bestimmt, die einer Änderung des Zuführungszustands des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelleneinheit zugeordnet ist.In summary, an embodiment can be described as follows: A target value of the output current of a fuel cell unit is changed in a step pattern. A transient response of the output voltage of the fuel cell unit driven so that the output current follows this target value is measured, and the transient response is separated into a fast-response component and a slow-response component. A time constant T 1 of the fast-response component and a time constant T 2 of the slow-response component are calculated. A difference ΔT 1 between the time constant of the fast responding component in the normal state and the time constant T 1 is calculated, and a difference ΔT 2 between the time constant of the slow responding component in the normal state and the time constant T 2 is calculated. Based on the difference ΔT 1 , a quali Deterioration associated with changes in the reactive state of the platinum catalyst of the fuel cell unit and the internal resistance of the cells is determined, and based on the difference ΔT 2 , a deterioration associated with a change in the supply state of the hydrogen and the oxygen in the fuel cell unit is determined.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Datenverarbeitungsvorrichtungdata processing device
2020
Brennstoffzelleneinheitfuel cell unit
2121
Temperatursensortemperature sensor
3030
erster DC/DC-Wandlerfirst DC/DC converter
3131
Spannungssensorvoltage sensor
3232
Stromsensorcurrent sensor
4040
Wechselrichterinverter
5050
Motorengine
6060
zweiter DC/DC-Wandlersecond DC/DC converter
7070
Batteriebattery

Claims (3)

Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit, die eine Qualitätsminderung in einer in ein Fahrzeug eingebauten Brennstoffzelleneinheit (20) detektiert, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Sollwerteinstellmittel zum Einstellen eines durch Erhöhen eines Ist-Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelleneinheit (20) in einem Stufenmuster um einen vorgegebenen Betrag erhaltenen Sollwerts; ein Übergangsantwort-Messmittel zum Ausführen einer Ausgangsstromsteuerung der Brennstoffzelleneinheit (20) in der Weise, dass der Ausgangsstromwert der Brennstoffzelleneinheit (20) dem Sollwert folgt, und zum Messen einer Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit (20) unter der Ausgangsstromsteuerung; ein Übergangsantwort-Zerlegungsmittel zum Zerlegen der Übergangsantwort in der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit (20) in eine erste Komponente, die eine verhältnismäßig schnelle Antwort repräsentiert, und in eine zweite Komponente, die eine verhältnismäßig langsame Antwort repräsentiert; ein Zeitkonstanten-Berechnungsmittel zum Berechnen einer ersten Zeitkonstante der ersten Komponente und einer zweiten Zeitkonstante der zweiten Komponente; ein Differenzberechnungsmittel zum Berechnen einer ersten Differenz, die eine Differenz zwischen einer ersten Referenzzeitkonstante und der ersten Zeitkonstante ist, und zum Berechnen einer zweiten Differenz, die eine Differenz zwischen einer zweiten Referenzzeitkonstante und der zweiten Zeitkonstante ist, wobei die erste Referenzzeitkonstante eine Zeitkonstante der ersten Komponente in der Brennstoffzelleneinheit (20) in einem Normalzustand ist, wobei die zweite Referenzzeitkonstante eine Zeitkonstante der zweiten Komponente in der Brennstoffzelleneinheit (20) in dem Normalzustand ist; und ein Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel zum Bestimmen, dass eine Qualitätsminderung auftritt, die Änderungen eines reaktionsfähigen Zustands eines Katalysators der Brennstoffzelleneinheit (20) und des Widerstands innerhalb einer Zelle zugeordnet ist, und zum Bestimmen des Grads der Qualitätsminderung, falls die erste Differenz größer oder gleich einem vorgeschriebenen Wert der ersten Komponente ist, und zum Bestimmen, dass eine Qualitätsminderung auftritt, die einer Änderung eines Zuführungszustands von Wasserstoff und von Sauerstoff in der Brennstoffzelleneinheit (20) zugeordnet ist, und zum Bestimmen des Grads der Qualitätsminderung, falls die zweite Differenz größer oder gleich einem vorgeschriebenen Wert der zweiten Komponente ist, wobei, falls der auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt: eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit (20) von der Qualitätsminderung unter Bedingungen ausgeführt wird, die die Entfernung von Feuchtigkeit in der Zelle aus der Brennstoffzelleneinheit (20) zulassen, falls die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit (20) höher als ein vorgeschriebener Temperaturwert ist, und eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit (20) von der Qualitätsminderung unter einer Bedingung ausgeführt wird, die das Schmelzen von Eis in der Zelle der Brennstoffzelleneinheit (20) zulässt, falls die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit (20) kleiner oder gleich dem vorgeschriebenen Temperaturwert ist; wobei die Dauer einer Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit (20) für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmt wird, falls das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmt, dass die Qualität der Brennstoffzelleneinheit (20) vermindert ist, und wobei die Dauer einer Wiederherstellungsoperation der Brennstoffzelleneinheit (20) für die Wiederherstellung von der Qualitätsminderung auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmt wird, falls das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel auf der Grundlage der zweiten Differenz bestimmt, dass die Qualität der Brennstoffzelleneinheit (20) vermindert ist.Deterioration detection apparatus for a vehicle fuel cell unit which detects deterioration in an on-vehicle fuel cell unit (20), the apparatus comprising: a target value setting means for setting a target value obtained by increasing an actual output current value of the fuel cell unit (20) in a step pattern by a predetermined amount; a transient response measuring means for performing an output current control of the fuel cell unit (20) such that the output current value of the fuel cell unit (20) follows the target value and measuring a transient response of the output voltage of the fuel cell unit (20) under the output current control; a transient response decomposition means for decomposing the transient response in the output voltage of the fuel cell unit (20) into a first component representing a relatively fast response and a second component representing a relatively slow response; a time constant calculation means for calculating a first time constant of the first component and a second time constant of the second component; a difference calculation means for calculating a first difference which is a difference between a first reference time constant and the first time constant and for calculating a second difference which is a difference between a second reference time constant and the second time constant, the first reference time constant being a time constant of the first component in the fuel cell unit (20) is in a normal state, wherein the second reference time constant is a time constant of the second component in the fuel cell unit (20) in the normal state; and deterioration determining means for determining that deterioration associated with changes in a reactive state of a catalyst of the fuel cell unit (20) and the resistance within a cell is occurring, and for determining the degree of deterioration if the first difference is greater than or equal to a prescribed one is value of the first component, and for determining that deterioration associated with a change in a supply state of hydrogen and oxygen in the fuel cell unit (20) is occurring, and for determining the degree of deterioration if the second difference is greater than or equal to one prescribed value of the second component, wherein if the level of degradation determined based on the second difference is above a predetermined range: an operation for recovering the fuel cell unit (20) from deterioration is carried out under conditions that allow the removal of moisture in the cell from the fuel cell unit (20) if the temperature of the fuel cell unit (20) is higher than a prescribed temperature value, and an operation for recovering the fuel cell unit (20) from deterioration is performed under a condition that allows melting of ice in the cell of the fuel cell unit (20) if the temperature of the fuel cell unit (20) is equal to or lower than the prescribed temperature value; wherein the duration of a recovery operation of the fuel cell unit (20) for recovery from the deterioration is determined based on the first difference if the deterioration determination means determines based on the first difference that the quality of the fuel cell unit (20) is degraded, and wherein the duration of a recovery operation of the fuel cell unit (20) for recovering from the deterioration is determined based on the second difference if the deterioration determination means determines based on the second difference that the fuel cell unit (20) is degraded. Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, wobei falls der auf der Grundlage der ersten Differenz bestimmte Grad der Qualitätsminderung über einem vorgegebenen Bereich liegt: ein erster Stromwert und ein erster Spannungswert der Brennstoffzelleneinheit (20) in einem ersten Gebiet, in dem die Stromdichte verhältnismäßig niedrig ist, gemessen werden, und ein zweiter Stromwert und ein zweiter Spannungswert der Brennstoffzelleneinheit (20) in einem zweiten Gebiet, in dem die Stromdichte höher als in dem ersten Gebiet ist, gemessen werden; eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit (20) von der Qualitätsminderung unter Bedingungen ausgeführt wird, die eine Reduktionsreaktion einer Katalysatoroberfläche der Zelle der Brennstoffzelleneinheit (20) fördern, falls eine Differenz zwischen einem Spannungswert der durch den ersten Stromwert angesteuerten Brennstoffzelleneinheit (20) in dem Normalzustand und dem ersten Spannungswert größer als ein erster vorgeschriebener Spannungswert bei dem ersten Stromwert ist; und eine Operation zum Wiederherstellen der Brennstoffzelleneinheit (20) von der Qualitätsminderung unter Verwendung einer Bedingung ausgeführt wird, die eine Befeuchtung einer Polymermembran der Zelle der Brennstoffzelleneinheit (20) zulässt, falls die Differenz zwischen dem Spannungswert der durch den ersten Stromwert angesteuerten Brennstoffzelleneinheit (20) in dem Normalzustand und dem ersten Spannungswert kleiner oder gleich dem ersten vorgeschriebenen Spannungswert bei dem ersten Stromwert ist und eine Differenz zwischen einem Spannungswert der durch den zweiten Stromwert angesteuerten Brennstoffzelleneinheit (20) in dem Normalzustand und dem zweiten Spannungswert größer als ein zweiter vorgeschriebener Spannungswert bei dem zweiten Stromwert ist.Deterioration detection device for a vehicle fuel cell unit claim 1 , wherein if the degree of deterioration determined based on the first difference is above a predetermined range: a first current value and a first voltage value of the fuel cell unit (20) are measured in a first area where the current density is relatively low, and a second current value and a second voltage value of the fuel cell unit (20) are measured in a second area in which the current density is higher than in the first area; an operation for recovering the fuel cell unit (20) from deterioration is performed under conditions promoting a reduction reaction of a catalyst surface of the cell of the fuel cell unit (20) if a difference between a voltage value of the fuel cell unit (20) driven by the first current value in the normal state and the first voltage value is greater than a first prescribed voltage value at the first current value; and an operation for recovering the fuel cell unit (20) from the deterioration is performed using a condition that allows humidification of a polymer membrane of the cell of the fuel cell unit (20) if the difference between the voltage value of the fuel cell unit (20) driven by the first current value in the normal state and the first voltage value is less than or equal to the first prescribed voltage value at the first current value and a difference between a voltage value of the fuel cell unit (20) driven by the second current value in the normal state and the second voltage value is greater than a second prescribed voltage value at the second current value is. Qualitätsminderungs-Detektionsvorrichtung für eine Fahrzeugbrennstoffzelle in Übereinstimmung mit einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei falls eine Wiederherstellungsoperation für die Wiederherstellung von der durch das Qualitätsminderungs-Bestimmungsmittel bestimmten Qualitätsminderung ausgeführt wird, die Brennstoffzelleneinheit (20) aber nicht von der Qualitätsminderung wiederhergestellt wird, und eine Verringerung eines Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelleneinheit (20) nach der Wiederherstellungsoperation von dem Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelleneinheit (20) in den Normalzustand kleiner als ein vorgegebenes zulässiges Niveau ist: ein neuer Sollwert für den Ausgangsstromwert der Brennstoffzelleneinheit (20) eingestellt wird; eine Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit (20) unter einer solchen Steuerung, dass ihr Ausgangsstromwert dem neuen Sollwert folgt, gemessen wird; die Übergangsantwort der Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit (20) in die erste Komponente und in die zweite Komponente zerlegt wird; eine dritte Zeitkonstante der ersten Komponente und eine vierte Zeitkonstante der zweiten Komponente berechnet werden; und die erste Referenzzeitkonstante durch die dritte Zeitkonstante ersetzt wird und die zweite Referenzzeitkonstante durch die vierte Zeitkonstante ersetzt wird.Deterioration detection apparatus for a vehicle fuel cell in accordance with any one of the preceding claims, wherein if a recovery operation for recovery from the deterioration determined by the deterioration determining means is performed but the fuel cell unit (20) is not recovered from the deterioration, and a decrease in an output voltage value of the fuel cell unit (20) after the recovery operation from the output voltage value of the fuel cell unit ( 20) to the normal state is less than a predetermined allowable level: a new target value for the output current value of the fuel cell unit (20) is set; a transient response of the output voltage of the fuel cell unit (20) is measured under control such that its output current value follows the new target value; the transient response of the output voltage of the fuel cell unit (20) is decomposed into the first component and the second component; calculating a third time constant of the first component and a fourth time constant of the second component; and replacing the first reference time constant with the third time constant and replacing the second reference time constant with the fourth time constant.
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