JP2015018701A - Deterioration detecting device for vehicle fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両に搭載される燃料電池の劣化検出装置に関する。 The present invention relates to a deterioration detector for a fuel cell mounted on a vehicle.
近年、自動二輪車、自動四輪車等の車両の分野では、地球環境に配慮して、動力源として例えば高分子膜を有する固体高分子型燃料電池を搭載した車両が知られている。固体高分子型燃料電池は、基本単位であるセルを複数枚積層して直列接続したスタックを構成している。セルは、高分子膜(プロトン交換膜)を間にしてアノード極(燃料極)とカソード極(空気極)が貼り合され、その外側にカーボンペーパから成る支持集電体が配置される。さらに、その外側に冷却水を流す管路を有するセパレータが配置されている。アノード極及びカソード極は白金微粒子をカーボン担体上に担持した触媒と電解質から構成される。アノード極に水素が導入されると、水素はイオン化してプロトン交換膜を通してカソード極へ移動し,同時にイオン化した時放出される電子は,プロトン交換膜を通らずに導線を伝って外部へ抜け出し電流となる。カソード極に導入される酸素は、高分子膜を通して入ってくる水素イオンと外部の導線を通って入ってくる電子と反応して水となり、排出される。 2. Description of the Related Art In recent years, in the field of vehicles such as motorcycles and automobiles, vehicles equipped with a polymer electrolyte fuel cell having a polymer film as a power source are known in consideration of the global environment. A polymer electrolyte fuel cell has a stack in which a plurality of cells as basic units are stacked and connected in series. In the cell, an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (air electrode) are bonded with a polymer membrane (proton exchange membrane) in between, and a support current collector made of carbon paper is disposed outside the cell. Furthermore, the separator which has the pipe line which flows cooling water on the outer side is arrange | positioned. The anode and cathode are composed of a catalyst having platinum fine particles supported on a carbon support and an electrolyte. When hydrogen is introduced into the anode electrode, the hydrogen ionizes and moves to the cathode electrode through the proton exchange membrane. At the same time, the electrons released when the ionization passes through the conducting wire without passing through the proton exchange membrane and escapes to the outside. It becomes. Oxygen introduced into the cathode electrode reacts with hydrogen ions that enter through the polymer film and electrons that enter through the external conducting wire to become water and is discharged.
このような燃料電池を搭載した車両の実際の使用状況においては、走行時の負荷や周辺環境、保管時の周辺環境が様々に変化する。そのため、燃料電池には、白金触媒の表面の酸化、溶出、プロトン交換膜の乾燥、穴あき、セル内部の水分過多や水分凍結、セパレータ表面の酸化等、一時的あるいは恒久的な性能低下(劣化)が生じる。これらの劣化のうち、白金触媒の表面の酸化、プロトン交換膜の乾燥、セル内部の水分過多、水分凍結は燃料電池の一時的な劣化である。このような一時的な劣化が生じた場合、燃料電池を劣化から回復させるための条件下で運転させ(以下、回復運転という)、燃料電池の性能の回復を図ることが必要である。すなわち、燃料電池の劣化度合いを検出し、その検出結果に基づいて回復運転の必要性を判断し、さらには、燃料電池の劣化原因を特定し、その劣化状態からの回復に適した回復運転の条件を劣化原因に基づいて選択しなければならない。 In an actual use situation of a vehicle equipped with such a fuel cell, the load during driving, the surrounding environment, and the surrounding environment during storage vary in various ways. For this reason, fuel cells have temporary or permanent performance degradation (deterioration) such as oxidation and elution of platinum catalyst surface, drying of proton exchange membrane, perforation, excessive moisture inside the cell, freezing of water, oxidation of separator surface, etc. ) Occurs. Among these deteriorations, oxidation of the surface of the platinum catalyst, drying of the proton exchange membrane, excessive moisture inside the cell, and water freezing are temporary deteriorations of the fuel cell. When such temporary deterioration occurs, it is necessary to operate the fuel cell under conditions for recovering from the deterioration (hereinafter referred to as recovery operation) to restore the performance of the fuel cell. That is, the degree of deterioration of the fuel cell is detected, the necessity of recovery operation is determined based on the detection result, the cause of deterioration of the fuel cell is identified, and recovery operation suitable for recovery from the deteriorated state is performed. Conditions must be selected based on the cause of degradation.
燃料電池の劣化を判定する技術として、例えば、特許文献1では、燃料電池の出力電圧を予め定められた降下パターンに制御し、この制御中における燃料電池の出力電流の測定値を積算して求めた電気量から燃料電池の劣化を判定するシステムが提案されている。このシステムにおいては、出力電流の測定処理をカソード極にたいするエアブロー処理後に行って触媒を担持する担体の劣化を判定し、その後、再度同じ測定処理を行って触媒の変化を判定している。また、特許文献2では、発電を停止させた後に燃料電池の電圧変化量を検出することにより、適切なタイミングで燃料電池の放電を行い、プロトン交換膜の劣化を防止する燃料電池システムが提案されている。
As a technique for determining deterioration of the fuel cell, for example, in
しかしながら、特許文献1のシステムは触媒と担体に原因がある燃料電池の劣化を検出することはできるが、他の要因、例えばセル内部の水分過多、水素及び酸素の供給状態の悪化による燃料電池の劣化は検出できない。従って、劣化の原因が触媒と担体以外にある場合、燃料電池の回復運転の適切な条件を選択することができない。また、特許文献2のシステムでは、燃料電池の劣化度合いを検出し、様々な劣化原因の中から実際に劣化を生じさせている原因を特定することはできない。従って、特許文献1のシステムと同様、燃料電池の回復運転を適切に行うことはできない。
However, although the system of
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を搭載した車両の実際の使用状況において燃料電池の劣化が発生した場合、劣化の回復運転の条件が適切に選択されるよう、その劣化原因を正確に判定することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to appropriately set the conditions for the recovery operation of the deterioration when the deterioration of the fuel cell occurs in the actual use situation of the vehicle equipped with the fuel cell. It is to accurately determine the cause of the deterioration so that it can be selected.
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、車両に搭載される燃料電池の劣化を検出する装置であって、前記燃料電池の現在の出力電流値を所定量だけステップ状に増加させた目標値に設定する目標値設定手段と、前記燃料電池の出力電流値が前記目標値に追従するよう前記燃料電池の出力電流を制御し、その際の前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を測定する過渡応答測定手段と、前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を、応答が相対的に速い第1の成分と応答が相対的に遅い第2の成分とに分解する過渡応答分解手段と、前記第1の成分の第1の時定数と前記第2の成分の第2の時定数とを算出する時定数算出手段と、前記燃料電池の正常時の前記第1の成分の時定数である第1の基準時定数と前記第1の時定数との差分である第1の差分を算出し、前記燃料電池の正常時の前記第2の成分の時定数である第2の基準時定数と前記第2の時定数との差分である第2の差分を算出する差分算出手段と、 前記第1の差分が第1の成分規定値を超えていたら、前記燃料電池の触媒の反応状態及びセル内部のインピーダンスが変化する劣化が発生していると判定すると共に、その劣化の度合いを判定し、前記第2の差分が第2の成分規定値を超えていたら、前記燃料電池における水素及び酸素の供給状態が変化する劣化が発生していると判定すると共に、その劣化の度合いを判定する劣化判定手段とを備える。 In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention is an apparatus for detecting deterioration of a fuel cell mounted on a vehicle, and increases the current output current value of the fuel cell in a stepped manner by a predetermined amount. Target value setting means for setting the target value to be set, and the output current of the fuel cell is controlled so that the output current value of the fuel cell follows the target value, and the transient response of the output voltage of the fuel cell at that time A transient response measuring means for measuring the output voltage, and a transient response decomposing means for decomposing a transient response of the output voltage of the fuel cell into a first component having a relatively fast response and a second component having a relatively 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, and a time constant of the first component when the fuel cell is normal. The difference between a first reference time constant and the first time constant. A first difference is calculated, and a second difference that is a difference between a second reference time constant that is a time constant of the second component when the fuel cell is normal and the second time constant is calculated. When the difference calculation means and the first difference exceed the first component specified value, it is determined that the deterioration of the reaction state of the catalyst of the fuel cell and the impedance inside the cell has occurred, and Determining the degree of deterioration, and if the second difference exceeds the second specified component value, it is determined that deterioration has occurred that changes the supply state of hydrogen and oxygen in the fuel cell, and the deterioration Deterioration determining means for determining the degree of the above.
また、本発明において、前記第1の差分に基づいて判定された劣化の度合いが所定の範囲を超えている場合、前記燃料電池において電流密度が相対的に小さい第1の領域における第1の電流値と第1の電圧値を測定し、前記燃料電池において電流密度が前記第1の領域より大きい第2の領域における第2の電流値と第2の電圧値を測定し、前記燃料電池の正常時に前記第1の電流値で駆動した場合の電圧値と前記第1の電圧値との差分が第1の電流規定値を超えている場合、前記燃料電池のセルの触媒表面の還元反応を促進させる条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行い、前記燃料電池の正常時に前記第1の電流値で駆動した場合の電圧値と前記第1の電圧値との差分が前記第1の電流規定値を超えず、かつ、前記燃料電池の正常時に前記第2の電流値で駆動した場合の電圧値と前記第2の電圧値との差分が第2の電流規定値を超えている場合、前記燃料電池のセルの高分子膜を加湿させる条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行うよう、構成することができる。 Further, in the present invention, when the degree of deterioration determined based on the first difference exceeds a predetermined range, the first current in the first region where the current density is relatively small in the fuel cell. And a first voltage value is measured, and a second current value and a second voltage value in a second region where the current density in the fuel cell is greater than the first region are measured, and the normality of the fuel cell is measured. Sometimes, when the difference between the voltage value when driven with the first current value and the first voltage value exceeds a first current regulation value, the reduction reaction on the catalyst surface of the cell of the fuel cell is promoted. The difference between the first voltage value and the voltage value when the fuel cell is driven with the first current value when the fuel cell is operating normally is determined as the difference between the first voltage value and the first voltage value. And the fuel cell does not exceed the specified current value. When the difference between the voltage value when the second current value is always driven and the second voltage value exceeds the second specified current value, the polymer membrane of the fuel cell is humidified. It can be configured to perform an operation for recovering the deterioration of the fuel cell under conditions.
また、本発明において、前記第2の差分に基づいて判定された劣化の度合いが所定の範囲を超えている場合、前記燃料電池の温度が温度規定値より高い場合、前記燃料電池のセル内部の水分を除去させる条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行い、前記燃料電池の温度が前記温度規定値より低い場合、前記燃料電池のセル内部の凍結した水分を融解する条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行うよう、構成することができる。 Further, in the present invention, when the degree of deterioration determined based on the second difference exceeds a predetermined range, when the temperature of the fuel cell is higher than a specified temperature value, inside the cell of the fuel cell An operation for recovering the deterioration of the fuel cell under conditions for removing moisture is performed, and when the temperature of the fuel cell is lower than the temperature specified value, the condition is such that the frozen moisture inside the fuel cell is melted. It can be configured to perform an operation for recovering the deterioration of the fuel cell.
また、本発明において、前記劣化検出手段により前記第1の差分に基づいて前記燃料電池の劣化が判定されたら、劣化を回復させるための前記燃料電池の回復運転の時間を前記第1の差分に基づいて決定し、前記劣化検出手段により前記第2の差分に基づいて前記燃料電池の劣化が検出されたら、劣化を回復させるための前記燃料電池の回復運転の時間を前記第2の差分に基づいて決定するよう、構成することができる。 Further, in the present invention, when the deterioration detection means determines the deterioration of the fuel cell based on the first difference, the recovery operation time of the fuel cell for recovering the deterioration is set to the first difference. If the deterioration of the fuel cell is detected based on the second difference by the deterioration detection means, the recovery operation time of the fuel cell for recovering the deterioration is based on the second difference. Can be configured.
また、本発明において、前記劣化判定手段により判定された劣化を回復するための回復運転を実行したにもかかわらず前記燃料電池の劣化が回復しない場合において、正常時の前記燃料電池の出力電圧値に対する回復運転後の前記燃料電池の出力電圧値の低下が、所定の許容レベルより小さい場合、前記燃料電池の出力電流値の新たな目標値を設定し、出力電流値が前記新たな目標値に追従するよう前記燃料電池を制御した際の前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を測定し、前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を、前記第1の成分と前記第2の成分とに分解し、前記第1の成分の第3の時定数と前記第2の成分の第4の時定数とを算出し、前記第1の基準時定数を前記第3の時定数に置き換え、前記第2の基準時定数を前記第4の時定数に置き換えるよう、構成することができる。 Further, in the present invention, when the deterioration of the fuel cell is not recovered despite executing the recovery operation for recovering the deterioration determined by the deterioration determining means, the output voltage value of the fuel cell at normal time When the decrease in the output voltage value of the fuel cell after the recovery operation is smaller than a predetermined allowable level, a new target value of the output current value of the fuel cell is set, and the output current value becomes the new target value. A transient response of the output voltage of the fuel cell when the fuel cell is controlled to follow is measured, and the transient response of the output voltage of the fuel cell 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, replacing the first reference time constant with the third time constant, Place the reference time constant in the fourth time constant Replace As can be configured.
上述のように、本発明に係る車両用燃料電池の劣化検出装置は、燃料電池の現在の出力電流値を所定量だけステップ状に増加させた目標値を設定し、出力電流値がこの目標値に追従するよう燃料電池を制御した際の燃料電池の出力電圧の過渡応答を測定し、この過渡応答に含まれる応答が相対的に速い第1の成分と応答が相対的に遅い第2の成分とに基づいて、燃料電池の劣化の原因とその度合いを判定している。従って、燃料電池の回復運転の必要性を判断することができると共に、燃料電池に劣化が発生している場合、劣化回復のための適切な条件を選択して回復運転を行うことができる。 As described above, the vehicle fuel cell deterioration detection device according to the present invention sets a target value obtained by increasing the current output current value of the fuel cell in a stepped manner by a predetermined amount, and the output current value is the target value. The transient response of the output voltage of the fuel cell when the fuel cell is controlled to follow the first is measured, and the first component having a relatively fast response and the second component having a relatively slow response included in the transient response are measured. Based on the above, the cause and the degree of deterioration of the fuel cell are determined. Therefore, the necessity of the recovery operation of the fuel cell can be determined, and when the fuel cell has deteriorated, the recovery operation can be performed by selecting appropriate conditions for recovery from the deterioration.
上述の過渡応答に含まれる相対的に応答の速い第1の成分に基づいて判定された劣化の度合いが所定の範囲を超えている場合、燃料電池において電流密度が異なる複数の領域の電流値と電圧値をそれぞれ測定することにより、これらの電流値及び電圧値に基づいて劣化の原因をより詳細に判定することができる。従って、相対的に応答の速い第1の成分に基づいて判定された劣化を回復するための回復運転を行う際、より適切な条件を選択することができる。 When the degree of degradation determined based on the first component having a relatively fast response included in the transient response described above exceeds a predetermined range, current values of a plurality of regions having different current densities in the fuel cell By measuring each voltage value, the cause of deterioration can be determined in more detail based on these current value and voltage value. Therefore, more appropriate conditions can be selected when performing the recovery operation for recovering the deterioration determined based on the first component having a relatively fast response.
上述の過渡応答に含まれる相対的に応答の遅い第2の成分に基づいて判定された劣化の度合いが所定の範囲を超えている場合、燃料電池の温度を測定することにより、この測定温度に基づいて劣化の原因をより詳細に判定することができる。従って、相対的に応答の遅い第2の成分に基づいて判定された劣化を回復するための回復運転を行う際、より適切な条件を選択することができる。 When the degree of deterioration determined based on the second component having a relatively slow response included in the transient response described above exceeds a predetermined range, the temperature of the fuel cell is measured to obtain the measured temperature. Based on this, the cause of deterioration can be determined in more detail. Therefore, more appropriate conditions can be selected when performing the recovery operation for recovering the deterioration determined based on the second component having a relatively slow response.
過渡応答に含まれる相対的に応答の速い第1の成分に基づいて劣化の発生が判定された場合は、上述の第1の時定数と第1の基準時定数との差分である第1の差分に基づいて回復運転の時間を算出し、過渡応答に含まれる相対的に応答の遅い第2の成分に基づいて劣化の発生が判定された場合は、上述の第2の時定数と第2の基準時定数との差分である第2の差分に基づいて回復運転の時間を算出することにより、劣化の原因に応じて回復運転の時間を最適化することができる。従って、回復運転による燃料電池の出力の低下等の車両の走行に及ぼす影響を抑制することができる。 When the occurrence of deterioration is determined based on the first component having a relatively fast response included in the transient response, the first time constant that is the difference between the first time constant and the first reference time constant described above is used. When the recovery operation time is calculated based on the difference and the occurrence of deterioration is determined based on the second component that is relatively slow in response included in the transient response, the second time constant and the second time constant described above are used. By calculating the recovery operation time based on the second difference that is the difference from the reference time constant, the recovery operation time can be optimized according to the cause of deterioration. Therefore, it is possible to suppress the influence on the traveling of the vehicle such as a decrease in the output of the fuel cell due to the recovery operation.
劣化を回復するための回復運転を実行したにもかかわらず劣化が回復しない場合において、正常時の燃料電池の出力電圧値に対する回復運転後の燃料電池の出力電圧値の低下が所定の許容レベルより小さい場合、燃料電池の性能は低下しているが、使用を継続することはできる。この場合、上述の基準電圧値の置き換え処理を行うことにより、一時的な劣化の発生を引き続き判定することができ、適切な回復運転を行うことができる。 In the case where the deterioration does not recover despite the execution of the recovery operation for recovering the deterioration, the decrease in the output voltage value of the fuel cell after the recovery operation with respect to the normal output voltage value of the fuel cell is lower than a predetermined allowable level. If it is small, the performance of the fuel cell is degraded, but it can continue to be used. In this case, by performing the above-described replacement process of the reference voltage value, it is possible to continue to determine the occurrence of temporary deterioration and perform an appropriate recovery operation.
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る車両用燃料電池の劣化検出装置のブロック図である。データ処理装置10は、劣化検出装置全体を制御するシステムコントローラである。データ処理装置10には、燃料電池(FC)20、第1のDC−DCコンバータ30、インバータ40、第2のDC−DCコンバータ60、バッテリ70が接続されている。インバータ40にはモータ50が接続され、第2のDC−DCコンバータにはバッテリ70が接続されている。燃料電池20の温度センサ21により測定される燃料電池20の温度データ、第1のDC−DCコンバータ30の電圧センサ31、電流センサ32により測定される各種データは、データ処理装置10に入力される。データ処理装置10ではこれらの各種データに基づいて演算処理が行われ、制御信号が生成される。燃料電池20、第1のDC−DCコンバータ30、インバータ40、第2のDC−DCコンバータ60、バッテリ70にはそれぞれ制御回路(図示せず)が搭載されており、データ処理装置10との間で、それぞれ制御信号の送受信が行われる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on illustrated embodiments. FIG. 1 is a block diagram of a vehicle fuel cell deterioration detection apparatus according to the present embodiment. The
図2は、図1の第1のDC−DCコンバータ30の構成を示す図である。第1のDC−DCコンバータは昇降圧型コンバータであり、上述の電圧センサ31及び電流センサ32の他に、インダクタンス33、スイッチSW1、SW2、SW3、及びSW4を備える。スイッチSW1〜SW4はスイッチング素子であり、例えばパワーMOSFETが使用される。第1のDC−DCコンバータ30において昇圧動作が行われる場合、スイッチSW1はONにスイッチされ、スイッチSW2はOFFにスイッチされ、スイッチSW3及びSW4は入出力間の電圧差に応じたデューティ比でスイッチングされる。また、第1のDC−DCコンバータ30において降圧動作が行われる場合、スイッチSW4がONにスイッチされ、スイッチSW3がOFFにスイッチされ、スイッチSW1及びSW2は入出力間の電圧差に応じたデューティ比でスイッチングされる。電圧センサ31及び電流センサ32の検知結果に基づいて、電圧及び電流が所定の目標値に追従するよう、スイッチSW1〜SW4のスイッチングが制御される。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the first DC-
データ処理装置10で実行される燃料電池20の回復制御の処理手順は次の通りである。まず、燃料電池20の劣化検出処理が行われ、この検出結果に基づいて燃料電池20の回復運転を実行するべきか否かが判定される。燃料電池20の回復運転が必要であると判断されたら、劣化の状態に応じて回復運転の条件が選択され、次いで、選択された条件で燃料電池20の回復運転が実行される。そして、回復運転後に、燃料電池20の出力が回復したか否かの確認が行われ、回復していない場合は、後述する回復運転後の処理が実行される。これらの処理は燃料電池20を発電しながら実行されるため、処理中、燃料電池20からは電力が出力されている。上述のように、燃料電池20の出力電流は、第1のDC−DCコンバータ30及びインバータ40を介してモータ50に出力されてモータ50が駆動され、あるいは第1のDC−DCコンバータ30及び第2のDC−DCコンバータ60を介してバッテリ70に出力されてバッテリ70が充電される。車両の走行状態やバッテリ70の充電状態に応じて、モータ駆動、バッテリ充電が行われる。
The processing procedure of the recovery control of the
[燃料電池の劣化検出]
本実施形態においては、燃料電池20の過渡特性に着目して燃料電池20の劣化の度合い及びその原因を判定する。図3は、燃料電池の出力電流の目標値をステップ状に増加させたときの出力電圧の過渡応答を示している。時刻t1において燃料電池20の出力電流の目標値をステップ状に増加すると、燃料電池20の出力電圧は、実線L20に示すように時刻t1で約50%の降下を示したのち、緩やかに下降していく。実線L20で示す出力電圧の過渡応答性は、相対的に応答の速い成分(破線L21)と相対的に応答の遅い成分(破線L22)の和で近似できる。応答の速い成分は、時刻t1で約50%の下降を示した後、電圧値が維持される。応答の遅い成分は、時刻t1で急激な降下をすることはなく、時間の経過と共に緩やかな降下を示している。
[Fuel cell deterioration detection]
In the present embodiment, the degree of deterioration of the
応答の速い成分は、燃料電池20のセルの白金触媒の反応やセルの内部インピーダンスに関係している。すなわち、燃料電池20において、セルの白金触媒表面酸化に起因する劣化や高分子膜の乾燥に起因する劣化が生じた場合や、セル内部の水分過多により水素や酸素の供給状態が悪化して性能劣化が生じた場合等の時に、応答の速い成分に遅れが発生する。また、応答の遅い成分は、燃料電池20における水素及び酸素の供給に関係している。すなわち、燃料電池20における水素及び酸素の供給状態が変化する劣化(例えば、正常時の80%以下のレベル)が生じた場合、応答の遅い成分に更なる遅れが発生する。応答の速い成分と応答の遅い成分の時定数には大きな違いがあるため、個別に検出することができる。
The fast response component is related to the reaction of the platinum catalyst in the cell of the
本実施形態では、燃料電池20の出力電流値をステップ状に上げた場合の出力電圧の過渡応答を測定し、上述の応答の速い成分と遅い成分に分解し、それぞれの時定数を算出することにより、燃料電池20の劣化の度合い及びその原因を判定する。燃料電池20の出力電圧の過渡応答は式(1)で示すように1次遅れ系伝達関数のステップ応答の和で近似する。
応答の速い成分の電圧値V1の時定数T1と、応答の遅い成分V2の電圧値の時定数T2を、式(2)、(3)に示すように正常状態(燃料電池20に劣化が発生していない状態)における時定数と比較する。
本実施形態では、ΔT1 に基づいて燃料電池20における触媒の反応状態やセルの内部インピーダンスが変化する劣化度合いが判断され、ΔT2に基づいて燃料電池20における水素及び酸素の供給状態が変化する劣化度合いが判断される。
In the present embodiment, the deterioration degree of the internal impedance of the reaction conditions and the cell of the catalyst in the
図4は、データ処理装置10で実行される燃料電池20の劣化検出処理の手順を示すフローチャートである。ステップS10において、燃料電池20から出力され第1のDC−DCコンバータ30に入力された電流の電流値がステップ状に上昇するよう、第1のDC−DCコンバータ30のスイッチング制御が行われる。ステップ状に上昇した電流値(目標値)は、データ処理装置10に入力される。データ処理装置10は、燃料電池20の出力電流が目標値に追従するよう、燃料電池20に制御信号を出力する。次いでステップS11において、出力電流が目標値となるよう制御された燃料電池20の出力電圧の過渡応答が第1のDC−DCコンバータ30の電圧センサ31により測定され、電圧センサ31により測定された過渡応答波形は、データ処理装置10に時系列のデータ配列として記録される。
FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the deterioration detection process of the
ステップS12において、過渡応答波形は、上述の式(1)に示す1次遅れ系伝達関数のステップ応答の和で近似され、ステップS13で、応答の速い成分V1の時定数T1と、応答の遅い成分V2の時定数T2が算出される。次いでステップS14へ進み、応答の速い成分の正常状態における時定数と、ステップS13で算出された応答の速い成分の時定数T1との差分ΔT1が算出され、応答の遅い成分の正常状態における時定数と、ステップS13で算出された応答の遅い成分の時定数T2との差分ΔT2が算出される。 In step S12, the transient response waveform is approximated by the sum of the step response of the primary delay transfer function shown in equation (1) described above, at step S13, the constant T 1 time of the fast component V 1 response, response The time constant T 2 of the slow component V 2 is calculated. Then proceeds to step S14, the difference [Delta] T 1 of the time constant, the constant T 1 time of the fast component of the response calculated in step S13 is calculated in the normal state of the rapid component of the response, in a normal state of slow response component of A difference ΔT 2 between the time constant and the time constant T 2 of the slow response component calculated in step S13 is calculated.
スッテプS15では差分ΔT1が予め定められた規定値と比較され、ΔT1が規定値以上の場合、ステップS16へ進む。ステップS16では、応答の速い成分の時定数T1が正常時に比べ規定値以上に変化していることに基づき、燃料電池20においてセルの白金触媒の反応状態やセルの内部インピーダンスが変化する劣化が発生していると判断される。また、ΔT1の値に応じて、この劣化の度合いが判断される。すなわち、ΔT1の値が大きいほど、白金触媒の反応状態やセルの内部インピーダンスが変化する劣化の度合いが大きいと判断される。次いで、ステップS17へ進む。ΔT1が規定値より低い場合、ステップS16の処理はスキップされ、ステップS17へ進む。
In step S15, the difference ΔT 1 is compared with a predetermined value, and if ΔT 1 is equal to or larger than the predetermined value, the process proceeds to step S16. In step S16, based on the constants T 1 time of the fast component of the response is changing the specified value or more compared to normal, the internal impedance of the reaction conditions and the cell of the cells of the platinum catalyst in the
ステップS17では差分ΔT2が予め定められた規定値と比較され、ΔT2が規定値以上の場合、ステップS18へ進む。ステップS18では、応答の遅い成分の時定数T2が正常時に比べ規定値以上に変化していることに基づき、燃料電池20において水素及び酸素の供給状態が変化する劣化が発生していると判断される。また、ΔT2の値に応じて、この劣化の度合いが判断される。すなわち、ΔT2の値が大きいほど、水素及び酸素の供給状態が変化する劣化の度合いが大きいと判断される。以上で、燃料電池20の劣化検出は終了する。ΔT2が規定値より低い場合、ステップS18の処理はスキップされ、燃料電池20の劣化検出は終了する。
Step S17 In difference [Delta] T 2 is compared with a predetermined specified value, if [Delta] T 2 is equal to or greater than the prescribed value, the process proceeds to step S18. At step S18, it determines that based on the fact that the constant T 2 time a slow response component of has changed more than the specified value compared with the normal supply conditions of the hydrogen and oxygen are changed in the
[回復運転条件の選択]
本実施形態においては、上述の図4のステップS16及びS18で判断された劣化の原因及びその度合いに基づいて、燃料電池20の回復運転の条件が選択される。応答の速い成分の時定数の差分ΔT1に基づいて、燃料電池20の白金触媒の反応状態やセルの内部インピーダンスが変化する劣化の度合いが大きいと判断された場合、触媒表面の還元反応を促す条件、あるいは高分子膜を加湿させる条件で、燃料電池20の回復運転を行う。
[Selection of recovery operation conditions]
In the present embodiment, the conditions for the recovery operation of the
燃料電池20の損失には、電極反応の活性化エネルギーに起因する活性化分極(Vact)、電解質や電極の電気抵抗に起因する抵抗分極(Vohm)、電極表面における反応物の濃度現象に起因する拡散分極(Vtrans)がある。図5は、これらの損失の特性を示すグラフである。燃料電池20における白金触媒の反応状態の劣化は、活性化分極Vactの増大を招き、燃料電池20のセルの内部インピーダンス劣化は、抵抗分極Vohmの増大を招く。従って、図5中、A11で示す電流密度が小さい領域から出力電圧の低下が見られる場合は、燃料電池20の白金触媒の反応状態の劣化が生じていると判断できる。また、図5中、A12で示す電流密度が中程度の領域で出力電圧の低下が見られる場合は、セルの内部インピーダンスの劣化が生じていると判断できる。
The loss of the
そこで、まず電流密度が小さい領域A112、燃料電池20の電圧V1と電流I1を測定し、燃料電池20の正常時に同じ電流I1とした時の電圧V1stdと比較する。次いで、電流密度が中程度の領域A12で、同様に、燃料電池20の電圧V2と電流I2を測定し、燃料電池20の正常時に同じ電流I2とした時の電圧V2stdと比較する。図6に示すように、電流密度が小さい領域A21から既に正常時の電圧V1stdとの差が大きい場合は、活性化分極は増大している。従って、白金触媒の反応状態に問題が生じていると判断され、燃料電池20の回復運転において、触媒表面の還元反応を促す条件が選択される。一方、図7に示すように、電流密度が小さい領域A11では正常時の電圧V1stdとの差が小さく、電流密度が中程度の領域A12で正常時の電圧V2stdとの差が大きい場合は、抵抗分極が増大している。従って、セルの内部インピーダンスに問題が生じていると判断され、燃料電池20の回復運転において、高分子膜を加湿させる条件が選択される。また、燃料電池20の劣化の度合いを応答の速い成分の時定数の差分ΔT1に基づいて判断しているため、回復運転の時間はΔT1に基づいて決定される。
Therefore, first, the voltage V 1 and the current I 1 of the region A 112 where the current density is low and the
応答の遅い成分の時定数の差分ΔT2に基づいて、燃料電池20の水素及び酸素の供給状態が変化する劣化度合いが大きいと判断された場合、セル内部の水分を除去させる条件、あるいはセル内部の凍結した水分を融解させる条件で、燃料電池20の回復運転は行われる。これらの条件のどちらを選択するかは、燃料電池20の温度センサ21により検出される燃料電池20の温度に基づいて決定される。
Based on the time constant difference ΔT 2 of the slow-response component, when it is determined that the degree of deterioration in which the supply state of hydrogen and oxygen of the
図4のステップS15、S16において燃料電池20に白金触媒の反応状態やセルの内部インピーダンスが変化する劣化が生じていると判断された場合の、燃料電池20の回復運転の条件を選択する処理手順が図8に示される。ステップS20において、電流密度が小さい領域での燃料電池20の電圧V1と電流I1が、それぞれ第1のDC−DCコンバータ30の電圧センサ31と電流センサ32により測定される。次いで、ステップS21において、正常時に電流I1が出力される場合の電圧V1stdと電圧V1の差分が算出される。ステップS22では、電流密度が中程度の領域での電圧V2と電流I2が、それぞれ第1のDC−DCコンバータ30の電圧センサ31と電流センサ32により測定される。次いで、ステップS23において、正常時に電流I2が出力される場合の電圧V2stdと電圧V2の差分が算出される。
Processing procedure for selecting conditions for the recovery operation of the
ステップS24では、上述の電圧V1stdと電圧V1の差分が、予め定められた規定値より大きいか否かが判定される。電圧V1stdと電圧V1の差分が規定値より大きい場合は、ステップS25へ進む。ステップS25では、燃料電池20の回復運転の条件として、セルの触媒表面の還元反応を促す条件が選択される。一方、電圧V1stdと電圧V1の差分が規定値以下の場合は、ステップS26へ進む。
In step S24, it is determined whether or not the difference between the voltage V 1std and the voltage V 1 is greater than a predetermined value. If the difference between the voltage V 1std and the voltage V 1 is greater than the specified value, the process proceeds to step S25. In step S25, a condition for promoting a reduction reaction on the catalyst surface of the cell is selected as a condition for the recovery operation of the
ステップS26では、上述の電圧V2stdと電圧V2の差分が、予め定められた規定値より大きいか否かが判定される。電圧V2stdと電圧V2の差分が規定値より大きい場合、ステップS27へ進む。ステップS27では、燃料電池20の回復運転の条件として、セルの高分子膜を加湿する条件が選択される。
In step S26, it is determined whether or not the difference between the voltage V 2std and the voltage V 2 is greater than a predetermined value. When the difference between the voltage V 2std and the voltage V 2 is larger than the specified value, the process proceeds to step S27. In step S27, a condition for humidifying the polymer membrane of the cell is selected as a condition for the recovery operation of the
ステップS25若しくはS27で燃料電池20の回復運転の条件が選択された後、ステップS28へ進む。ステップS28では、燃料電池20の回復運転の運転時間が、図4のステップS14で算出された上述の時定数の差分ΔT1に基づいて決定される。差分ΔT1が大きいほど運転時間は長く設定される。
After the conditions for the recovery operation of the
電圧V1stdと電圧V1の差分が規定値以下で(ステップS24でNO)、かつ電圧V2stdと電圧V2の差分が規定値以下の場合(ステップS26でNO)、燃料電池20に回復すべき劣化は生じていないと判断される。従って、回復運転の条件および時間を決定する処理は行われない。
When the difference between the voltage V 1std and the voltage V 1 is equal to or less than the specified value (NO in step S24) and the difference between the voltage V 2std and the voltage V 2 is equal to or less than the specified value (NO in step S26), the
図4のステップS17、S18において燃料電池20に水素及び酸素の供給状態が変化する劣化があると判断された場合の、燃料電池20の回復運転の条件を選択する処理手順が図9に示される。ステップS30において燃料電池20の温度TFCが温度センサ21により測定され、次いで、ステップS31において、温度TFCが予め設定された規定値と比較される。温度TFCが規定値より高い場合、ステップS32へ進む。ステップS32では、燃料電池20の回復運転の条件として、セル内部の水分を除去させる条件が選択される。温度TFCが規定値以下の場合、ステップS33へ進む。ステップS33では、燃料電池20の回復運転の条件として、セル内部の凍結した水分を融解させる条件が選択される。ステップS32若しくはステップS33で燃料電池20の回復運転の条件が選択されたらステップS34へ進む。ステップS34では、燃料電池20の回復運転の運転時間が、図4のステップS14で算出された上述の時定数の差分ΔT2に基づいて決定される。差分ΔT2が大きいほど運転時間は長く設定される。
FIG. 9 shows a processing procedure for selecting the conditions for the recovery operation of the
以上のようにして、燃料電池20の劣化の度合い及び原因の判定結果に基づいて、燃料電池20の回復運転の条件及び時間が選択される。これにより、燃料電池20の性能を最大限に引き出すことができる。
As described above, the recovery operation condition and time of the
[回復運転とその後の処理]
図10は、燃料電池20の回復運転とその後の処理の手順を示すフローチャートである。ステップS40で、燃料電池20の回復運転が実行される。回復運転は、図8若しくは図9のフローチャートを用いて説明した上述の処理により決定された条件及び時間に基づいて実行される。また、最初にステップS40が実行されるとき、回復運転の回数を示す変数が「0」に設定される。燃料電池20の回復運転が終了したら、回復運転の回数を示す変数が「1」インクリメントされ、ステップS41へ進む。ステップS41以降の処理において、燃料電池20の電流出力が回復したか否かの確認が行われる。
[Recovery operation and subsequent processing]
FIG. 10 is a flowchart showing the procedure of the recovery operation of the
ステップS41では、回復運転後の燃料電池20の電圧V3及び電流I3が、それぞれ電圧センサ31、電流センサ32により測定される。次いで、ステップS42において、電圧V3が基準電圧Vstdと比較される。基準電圧Vstdは、燃料電池20の正常時に電流I3を出力させる場合の電圧値である。基準電圧Vstdと回復運転後の電圧V3との差分が予め設定された規定値以下の場合、燃料電池20は一時的な劣化から回復したと判断されるため、回復運転後の処理は実行されない。
In step S41, the voltage V 3 and the current I 3 of the
一方、基準電圧Vstdと回復運転後の電圧V3との差分が規定値より大きい場合、燃料電池20は劣化から回復していないと判断されるため、ステップS44へ進む。ステップS44では、回復運転の回数を示す変数の値がチェックされ、回復運転の回数が予め設定された規定値を超えているか否かが判定される。回復運転の回数が規定値以下の場合、ステップS40へ戻り、回復運転が再度実行される。
Meanwhile, since the difference between the reference voltage V std a voltage V 3 after recovery operation is larger than the prescribed value, the
一方、回復運転の回数が規定値を超えている場合、ステップS45へ進む。回復運転の回数が規定値を超えている場合とは、回復運転を所定回数実行したにもかかわらず、正常時の基準電圧Vstdに近い出力電圧が燃料電池20から得られていない状態である。すなわち、燃料電池20の劣化は一時的なものではなく、恒久的なものである。換言すると、燃料電池20の基本性能自体が従前より低くなったと捉えることができる。燃料電池20の基本性能が低下しても、低下の度合いが小さければ使用を継続することは可能である。そこで、まずステップS45において、基準電圧Vstdと回復運転後の電圧V3との差分が許容レベルであるか、すなわち燃料電池20の恒久的な出力電圧の低下が許容できるレベルであるか、判定される。
On the other hand, when the frequency | count of recovery driving | running exceeds the regulation value, it progresses to step S45. The case where the number of recovery operations exceeds the specified value is a state in which an output voltage close to the reference voltage V std at normal time is not obtained from the
燃料電池20に恒久的な出力電圧の低下が発生しているが、基準電圧Vstdと回復運転後の電圧V3との差分が許容レベルより小さい場合は、ステップS46に進む。恒久的な劣化が生じていても基準電圧Vstdと回復運転後の電圧V3との差分が許容レベルより小さい状態であれば、燃料電池20の基本性能の低下は致命的なものではなく、使用を継続することは可能である。燃料電池20の使用を継続するのであれば、使用中の一時的な劣化の発生を検出し、適切な回復運転を実行しなければならない。そこで、ステップS46〜S50において、現時点の燃料電池20の性能に合わせて、応答の速い成分の時定数T1std及び応答の遅い成分の時定数T2stdの値を置き換える処理が行われる。
Although reduction in permanent output voltage to the
時定数T1std及びT2stdの新たな値の算出は、図4の燃料電池の劣化検出処理におけるステップS10〜S13の処理と同様に行われる。ステップS46において、第1のDC−DCコンバータ30がスイッチング制御され、燃料電池20の出力電流の目標値をステップS10で定めた目標値からさらにステップ状に変化させ、新たな目標値としてデータ処理装置10に入力される。データ処理装置10は、燃料電池20の出力電流が新たな目標値に追従するよう、燃料電池20に制御信号を出力する。ステップS47では、出力電流が新たな目標値となるよう制御された燃料電池20の出力電圧の過渡応答が第1のDC−DCコンバータ30の電圧センサ31により測定され、データ処理装置10に時系列のデータ配列として記録される。次いで、ステップS48で、過渡応答波形は、上述の式(1)に示す1次遅れ系伝達関数のステップ応答の和で近似され、ステップS49で、応答の速い成分V1の時定数T1と、応答の遅い成分V2の時定数T2の時定数が算出される。そして、ステップS50において、正常時の時定数T1stdがステップS49で算出された応答の速い成分V1の時定数T1に置き換えられ、正常時の時定数T2stdがステップS49で算出された応答の遅い成分V2の時定数T2に置き換えられる。以降、図8及び図9を用いて説明した燃料電池20の回復運転の条件選択は、置き換えられた時定数T1std及びT2stdに基づいて行われる。
Calculation of new values of the time constants T 1std and T 2std is performed in the same manner as the processing of steps S10 to S13 in the deterioration detection processing of the fuel cell in FIG. In step S46, the first DC-
一方、ステップS45において、基準電圧Vstdと回復運転後の電圧V3との差分が許容レベル以上であり、燃料電池20の恒久的な出力電圧の低下が許容できないレベルである判定された場合、燃料電池20の基本性能の低下は致命的であると判断される。この場合は、ステップS51へ進み、燃料電池20の交換を促すべく燃料電池20が寿命である旨が運転者に報知される。
On the other hand, in step S45, when the difference between the reference voltage V std a voltage V 3 after recovery operation is the allowable level or higher, decrease in the permanent output voltage of the
以上のように、本発明に係る実施形態によれば、燃料電池20の出力電流値をステップ状に所定量上げた電流値を目標値と定め、出力電流がこの目標値に追従するよう駆動した場合の燃料電池20の出力電圧の過渡応答を相対的に応答の速い成分と遅い成分に分解している。そして、それぞれの成分に基づいて、燃料電池20の劣化の発生、及びその度合いを判定している。従って、いずれの成分から劣化の発生が検出されたかにより、劣化の原因の種別も判定できる。その結果、劣化の原因に応じた適切な条件で、換言すると劣化の原因を取り除くように回復運転を実行することができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, the current value obtained by stepping up the output current value of the
さらに、応答の速い成分に基づいて燃料電池20の劣化が検出された場合は、電流密度の小さい領域および中程度の領域でそれぞれ燃料電池20の電圧値と電流値を測定し、燃料電池20の正常動作時に同じ電流値に設定した場合の電圧値と比較している。従って、応答の速い成分に基づいて燃料電池20の劣化が検出された場合に、その劣化原因をより詳細に判定することができる。そして、この電圧値の差分に基づいて、回復運転の条件を、セルの触媒表面の還元反応を促す条件とするか、セルの高分子膜を加湿させる条件とするか、決定できる。従って、応答の速い成分に基づいて燃料電池20の劣化が検出された場合に、より適切な条件で回復運転を実行することができ、より確実に燃料電池20を回復させることができる。
Further, when the deterioration of the
また、応答の遅い成分に基づいて燃料電池20の劣化が検出された場合は、燃料電池20の温度を温度センサ21で測定している。温度センサ21の測定結果に基づいて、応答の遅い成分に基づいて検出された燃料電池20の劣化原因をより詳細に判定することができる。そして、温度センサ21の測定結果に基づいて、回復運転の条件を、燃料電池20のセル内部の水分を除去させる条件とするか、セル内部の凍結した水分を融解させる条件とするか、決定できる。従って、応答の遅い成分に基づいて燃料電池20の劣化が検出された場合に、より適切な条件で回復運転を実行することができ、より確実に燃料電池20を回復させることができる。
When the deterioration of the
[変形例]
本実施形態では、燃料電池20の劣化の度合い及びその原因を判定するために、燃料電池20の出力電圧の過渡応答を測定し、応答の速い成分と遅い成分に分解し、それぞれの時定数を算出しているが、これに限るものではない。ここで、第1のDC−DCコンバータ30のスイッチング制御により、応答の速い成分の時定数と遅い成分の時定数を算出する変形例について説明する。
[Modification]
In the present embodiment, in order to determine the degree of deterioration of the
変形例において、応答の速い成分の時定数の算出は以下の手順で行われる。まず、第1のDC−DCコンバータ30のスイッチSW1〜SW4をすべてOFFにする(初期状態)。次に、スイッチSW1及びSW3をONにし、スイッチSW2及びSW4をOFFにし、燃料電池20の出力電圧が所定の値Vlowerに下降するまで待機する(1回目の降圧動作)。電圧センサ31により出力電圧が所定の値Vlowerに到達したことが確認されたら、次いで、スイッチSW1及びSW3をOFFにし、スイッチSW2及びSW4をONにし、燃料電池20の出力電圧が所定の値Vupperに上昇するまで待機する(昇圧動作)。電圧センサ31により出力電圧がVupperまで上昇したことが確認できたら、再度SW1及びSW3をONにし、SW2及びSW4をOFFにし、出力電圧が値Vlowerに下降するまで待機する(2回目の降圧動作)。そして、電圧センサ31により出力電圧が値Vlowerに到達したことが確認されたら、SW1〜SW4をOFFにする。
In the modified example, calculation of the time constant of the component with quick response is performed in the following procedure. First, all the switches SW1 to SW4 of the first DC-
上述の初期状態からすべてのスイッチSW1〜SW4が再びOFFとなるまでの間、燃料電池20の出力電圧を電圧センサ31により測定し、その測定結果をデータ処理装置10に記録する。この測定結果は、時系列のデータ配列として記録される。図11に電圧センサ31による測定結果の一例を示す。t11で1回目の降圧動作が開始され、t12で出力電圧がVlowerに達して、昇圧動作が開始され、t13で出力電圧がVupper達して、2回目の降圧動作が開始され、t14で出力電圧がVlowerに達している。データ処理装置10において、t12〜t13までの時間T1aと、t13〜t14までの時間T1bが算出される。そして、時間T1aと時間T1bに基づいて、過渡応答のうち応答の速い成分V1の時定数T1が算出される。時定数T1の算出は、例えば、時間T1aと時間T1bの平均値と実際の時定数との相関をマップや関数で定義する方法等により行う。
The output voltage of the
以上の手順で応答の速い成分V1の時定数T1が定まったら、図4のステップS14以降の処理と同様、応答の速い成分の正常状態における時定数と時定数T1との差分ΔT1が算出され、差分ΔT1が規定値以上であるか否か判定され、規定値以上であれば白金触媒の反応状態やセルの内部インピーダンスが変化する劣化が生じていると判断される。 When definite constants T 1 time steps fast component V 1 response in the above, similar to the step S14 and subsequent steps in FIG. 4, the difference [Delta] T 1 and the time constant T 1 and the time constant in a normal state of the rapid component of the response Is calculated, and it is determined whether or not the difference ΔT 1 is equal to or greater than a specified value. If the difference ΔT 1 is equal to or greater than the specified value, it is determined that the reaction state of the platinum catalyst and the internal impedance of the cell have changed.
応答の遅い成分の時定数の算出は以下の手順で行われる。第1のDC−DCコンバータ30の各スイッチが初期状態にされる。第1のDC−DCコンバータ30の降圧動作の初期状態とは、スイッチSW1がON、スイッチSW2がOFF、スイッチSW3及びSW4が規定のデューティ比(スイッチSW3がONかつスイッチSW4がOFFである期間と、スイッチSW3がOFFかつスイッチSW4がONである期間の割合)でスイッチングされる状態である。第1のDC−DCコンバータ30の昇圧動作の初期状態とは、スイッチSW4がON、スイッチSW3がOFF、スイッチSW1及びSW2が規定のデューティ比(スイッチSW1がONかつスイッチSW2がOFFである期間と、スイッチSW1がOFFかつスイッチSW2がONである期間の割合)でスイッチングされた状態である。この変形例では、降圧動作を制御することにより、すなわちスイッチSW3及びSW4のデューティ比を制御することにより、応答の遅い成分の時定数が算出される。
Calculation of the time constant of the slow response component is performed in the following procedure. Each switch of the first DC-
最初に、スイッチSW3及びSW4のデューティ比を降圧動作の初期状態、すなわち規定値より高く設定し、燃料電池20の出力電圧が所定の値Vlowerに下降するまで降圧動作(1回目の降圧動作)を行う。第1のDC−DCコンバータ30の出力電圧が所定の値Vlowerに到達したことが電圧センサ31により確認されたら、スイッチSW3及びSW4のデューティ比を規定値に戻す。これにより出力電圧はVlowerから上昇する(昇圧動作)。出力電圧が所定の値Vupperに到達したことが電圧センサ31により確認されたら、再びスイッチSW3及びSW4のデューティ比を規定値より高く設定し、出力電圧が所定の値Vlowerに下降するまで降圧動作(2回目の降圧動作)を行う。出力電圧が所定の値Vupperに到達したことが電圧センサ31により確認されたら、スイッチSW3及びSW4のデューティ比を規定値に戻す。1回目の降圧動作の開始から2回目の降圧動作の終了まで、燃料電池20の出力電圧は第1のDC−DCコンバータ30の電圧センサ31により測定される。この測定結果は、時系列のデータ配列として記録される。図12に電圧センサ31による測定結果の一例を示す。
First, the duty ratio of the switches SW3 and SW4 is set to the initial state of the step-down operation, that is, higher than the specified value, and the step-down operation is performed until the output voltage of the
t21で1回目の降圧動作が開始され、t22で出力電圧がVlowerに達して、昇圧動作が開始され、t23で出力電圧がVupper達して、2回目の降圧動作が開始され、t24で出力電圧がVlowerに達している。データ処理装置10において、t22〜t23までの時間T2aと、t23〜t24までの時間T2bが算出される。そして、時間T2aと時間T2bに基づいて、過渡応答のうち応答の遅い成分V2の時定数T2が算出される。時定数T2の算出は、例えば、時間T2aと時間T2bの平均値と実際の時定数との相関をマップや関数で定義する方法等により行う。
The first step-down operation is started at t21, the output voltage reaches V lower at t22, the step-up operation is started, the output voltage reaches V upper at t23, the second step-down operation is started, and the output is performed at t24. The voltage has reached V lower . In the
尚、この変形例ではスイッチSW3及びSW4のデューティ比を制御することにより、燃料電池20の出力電圧の昇降圧を制御しているがこれに限るものではない。スイッチSW4をON、スイッチSW3をOFFにし、スイッチSW1及びSW2のデューティ比を制御することにより燃料電池20の出力電圧の昇降圧を制御してもよい。
In this modification, the step-up / step-down voltage of the output voltage of the
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。 While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
10 データ処理装置
20 燃料電池
21 温度センサ
30 第1のDC−DCコンバータ
31 電圧センサ
32 電流センサ
40 インバータ
50 モータ
60 第2のDC−DCコンバータ
70 バッテリ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池の現在の出力電流値を所定量だけステップ状に増加させた目標値に設定する目標値設定手段と、
前記燃料電池の出力電流値が前記目標値に追従するよう前記燃料電池の出力電流を制御し、その際の前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を測定する過渡応答測定手段と、
前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を、応答が相対的に速い第1の成分と応答が相対的に遅い第2の成分とに分解する過渡応答分解手段と、
前記第1の成分の第1の時定数と前記第2の成分の第2の時定数とを算出する時定数算出手段と、
前記燃料電池の正常時の前記第1の成分の時定数である第1の基準時定数と前記第1の時定数との差分である第1の差分を算出し、前記燃料電池の正常時の前記第2の成分の時定数である第2の基準時定数と前記第2の時定数との差分である第2の差分を算出する差分算出手段と、
前記第1の差分が第1の成分規定値を超えていたら、前記燃料電池の触媒の反応状態及びセル内部のインピーダンスが変化する劣化が発生していると判定すると共に、その劣化の度合いを判定し、前記第2の差分が第2の成分規定値を超えていたら、前記燃料電池における水素及び酸素の供給状態が変化する劣化が発生していると判定すると共に、その劣化の度合いを判定する劣化判定手段と
を備える車両用燃料電池の劣化検出装置。 An apparatus for detecting deterioration of a fuel cell mounted on a vehicle,
Target value setting means for setting the current output current value of the fuel cell to a target value increased stepwise by a predetermined amount;
Transient response measuring means for controlling the output current of the fuel cell so that the output current value of the fuel cell follows the target value, and measuring the transient response of the output voltage of the fuel cell at that time;
Transient response decomposition means for decomposing a transient response of the output voltage of the fuel cell into a first component having a relatively fast response and a second component having a relatively slow response;
Time constant calculating means for calculating a first time constant of the first component and a second time constant of the second component;
Calculating a first difference that is a difference between a first reference time constant that is a time constant of the first component when the fuel cell is normal and the first time constant; Difference calculating means for calculating a second difference that is a difference between a second reference time constant that is a time constant of the second component and the second time constant;
If the first difference exceeds the first component specified value, it is determined that the deterioration of the reaction state of the catalyst of the fuel cell and the impedance inside the cell has occurred, and the degree of the deterioration is determined. If the second difference exceeds the second component specified value, it is determined that deterioration in which the supply state of hydrogen and oxygen in the fuel cell has changed and the degree of deterioration is determined. A vehicle fuel cell degradation detection device comprising degradation determination means.
前記燃料電池において電流密度が相対的に小さい第1の領域における第1の電流値と第1の電圧値を測定し、
前記燃料電池において電流密度が前記第1の領域より大きい第2の領域における第2の電流値と第2の電圧値を測定し、
前記燃料電池の正常時に前記第1の電流値で駆動した場合の電圧値と前記第1の電圧値との差分が第1の電流規定値を超えている場合、前記燃料電池のセルの触媒表面の還元反応を促進させる条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行い、
前記燃料電池の正常時に前記第1の電流値で駆動した場合の電圧値と前記第1の電圧値との差分が前記第1の電流規定値を超えず、かつ、前記燃料電池の正常時に前記第2の電流値で駆動した場合の電圧値と前記第2の電圧値との差分が第2の電流規定値を超えている場合、前記燃料電池のセルの高分子膜を加湿させる条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行う、請求項1に記載の車両用燃料電池の劣化検出装置。 When the degree of deterioration determined based on the first difference exceeds a predetermined range,
Measuring a first current value and a first voltage value in a first region having a relatively low current density in the fuel cell;
Measuring a second current value and a second voltage value in a second region having a current density greater than the first region in the fuel cell;
When the difference between the voltage value when the fuel cell is driven with the first current value and the first voltage value exceeds the first current regulation value, the catalyst surface of the cell of the fuel cell Performing an operation for recovering the deterioration of the fuel cell under conditions that promote the reduction reaction of
The difference between the voltage value and the first voltage value when driven with the first current value when the fuel cell is normal does not exceed the first current regulation value, and when the fuel cell is normal When the difference between the voltage value when driven at the second current value and the second voltage value exceeds the second specified current value, the condition is such that the polymer membrane of the fuel cell is humidified. The vehicle fuel cell deterioration detection device according to claim 1, wherein an operation for recovering the deterioration of the fuel cell is performed.
前記燃料電池の温度が温度規定値より高い場合、前記燃料電池のセル内部の水分を除去させる条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行い、
前記燃料電池の温度が前記温度規定値より低い場合、前記燃料電池のセル内部の凍結した水分を融解する条件で前記燃料電池の劣化を回復するための運転を行う、請求項1に記載の車両用燃料電池の劣化検出装置。 When the degree of deterioration determined based on the second difference exceeds a predetermined range,
When the temperature of the fuel cell is higher than a temperature regulation value, an operation for recovering the deterioration of the fuel cell under the condition of removing moisture inside the cell of the fuel cell,
2. The vehicle according to claim 1, wherein when the temperature of the fuel cell is lower than the temperature regulation value, an operation for recovering the deterioration of the fuel cell is performed under a condition of melting frozen water inside the cell of the fuel cell. Fuel cell deterioration detection device.
前記劣化検出手段により前記第2の差分に基づいて前記燃料電池の劣化が検出されたら、劣化を回復させるための前記燃料電池の回復運転の時間を前記第2の差分に基づいて決定する、請求項1に記載の車両用燃料電池の劣化検出装置。 When the deterioration detection means determines the deterioration of the fuel cell based on the first difference, the fuel cell recovery operation time for recovering the deterioration is determined based on the first difference,
When the deterioration of the fuel cell is detected based on the second difference by the deterioration detecting means, a recovery operation time of the fuel cell for recovering the deterioration is determined based on the second difference. Item 2. The fuel cell deterioration detection device according to Item 1.
前記燃料電池の出力電流値の新たな目標値を設定し、
出力電流値が前記新たな目標値に追従するよう前記燃料電池を制御した際の前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を測定し、
前記燃料電池の出力電圧の過渡応答を、前記第1の成分と前記第2の成分とに分解し、
前記第1の成分の第3の時定数と前記第2の成分の第4の時定数とを算出し、
前記第1の基準時定数を前記第3の時定数に置き換え、前記第2の基準時定数を前記第4の時定数に置き換える、請求項1に記載の車両用燃料電池の劣化検出装置。 In the case where the deterioration of the fuel cell does not recover despite the execution of the recovery operation for recovering the deterioration determined by the deterioration determination means, the recovery operation after the recovery operation with respect to the output voltage value of the fuel cell at normal time If the drop in the output voltage value of the fuel cell is smaller than the predetermined allowable level,
Set a new target value of the output current value of the fuel cell,
Measure the transient response of the output voltage of the fuel cell when the fuel cell is controlled so that the output current value follows the new target value,
Decomposing the transient response of the output voltage of the fuel cell 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;
The vehicle fuel cell deterioration detection device according to claim 1, wherein the first reference time constant is replaced with the third time constant, and the second reference time constant is replaced with the fourth time constant.
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