[发明专利]性能退化分析器和性能退化分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测燃料电池的性能退化的技术。

背景技术

一种已知的检测在燃料电池内发生的异常的方法利用了燃料电池的交流阻抗，例如在日本专利特开No 2002-367650中描述的那样。

此现有技术的方法预先在正常发电状态下在特定的频率下测量聚合物电解质燃料电池或燃料电池堆的交流阻抗，且将测量到的交流阻抗设定为参考阻抗值。该方法然后测量燃料电池或燃料电池堆在发电期间在特定频率下的交流阻抗且将测量到的交流阻抗与参考阻抗值比较。当测量到的交流阻抗和参考阻抗值之间的差异超过预先确定的可允许极限时，确定在燃料电池或燃料电池堆内发生了一些异常。燃料电池的扩散电阻(浓度极化)规定为在5Hz的频率下测量的交流阻抗的虚部。燃料电池的反应电阻规定为在40Hz的频率下测量的交流阻抗的虚部。燃料电池的欧姆电阻规定为在5Hz的频率下测量的交流阻抗的实部。

燃料电池的交流阻抗不仅由于燃料电池内的性能退化而变化，而且也甚至在正常状态下随燃料电池的运行状态的变化而变化。在燃料电池作为车辆的能源的应用中，燃料电池的运行状态(例如温度和电力输出)显著地随车辆的驱动状态变化而变化。这导致了交流阻抗的显著的变化。

可能难以识别如下现象的原因：在测量的交流阻抗和参考阻抗值之间的较大差异超过在由于燃料电池或燃料电池堆中发生的一些异常(性能退化)引起的交流阻抗的变化和由于燃料电池的运行状态的变化引起的交流阻抗的变化之间的预先设定的可允许极限。

例如，燃料电池中的反应电阻可能由于催化活性的退化以及由于催化活性基于温度降低的临时下降而增加。现有技术方法不能分辨出性能退化(异常)与简单的临时性能下降。类似的困难在扩散电阻和欧姆电阻中也发生。

在说明书中，术语“性能退化”意味着永久的和重大的性能下降，而术语“临时性能下降”仅意味着带有在一些条件下恢复性能的潜在性的临时性能下降。

发明内容

因此将存在对使得能在燃料电池内与燃料电池的运行状态的变化无关地容易检测性能退化的技术的需求。

为实现以上和其他相关需求的至少一部分，本发明的一个方面涉及检测燃料电池内性能退化的性能退化分析器。性能退化分析器包括：交流阻抗计，所述交流阻抗计构造为测量所述燃料电池对至少特定频率的交流阻抗；运行状态传感器，所述运行状态传感器构造为检测所述燃料电池的运行状态；和检测器，所述检测器构造为将对应于检测到的运行状态的退化参考值与从测量到的交流阻抗导出的值进行比较，且基于比较结果检测所述燃料电池内的性能退化。

在根据本发明的一个方面中的性能退化分析器中，即使在燃料电池的运行状态的变化的情况中，检测器也将对应于由运行状态传感器检测到的运行状态的退化参考值与从测量到的交流阻抗导出的值进行比较，且基于比较结果检测燃料电池内的性能退化。

根据本发明的此方面的性能退化分析器使用了对应于变化的运行状态的合适的退化参考值，该退化参考值将与从测量到的交流阻抗导出的值相比较。本发明的性能退化分析器因此使得能与燃料电池的运行状态的变化无关地容易检测燃料电池内的性能退化。此布置明显地区分了性能退化与由燃料电池的运行状态的变化所导致的简单的临时性能下降，因此保证了早期检测燃料电池内的性能退化。

在根据本发明的以上方面的性能退化分析器的一个优选应用中，所述特定频率是适合于测量所述燃料电池内的欧姆电阻的频率。运行状态传感器至少检测所述燃料电池内包括的电解质膜的湿润状态来作为所述燃料电池的运行状态。从测量到的所述交流阻抗导出的所述值是所述燃料电池的欧姆电阻值。

欧姆电阻的值一般地由于燃料电池内的分离器和电解质膜的退化而增加。此布置的性能退化分析器因此使得基于欧姆电阻容易地检测性能退化，以识别燃料电池内的分离器和电解质膜内的退化的发生。

在本发明的性能退化分析器中，优选的是退化参考值设定为在电解质膜的较干燥的状态下较高。

欧姆电阻值在电解质膜的较干燥的状态下增加。因此为精确地检测燃料电池内的性能退化，要求较大的退化参考值。

在根据本发明的以上的方面的性能退化分析器的一个优选实施例中，所述特定频率是适合于测量所述燃料电池内的欧姆电阻的频率。运行状态传感器检测所述燃料电池的内部温度和供给到所述燃料电池的气体的增湿量中的至少一个来作为所述燃料电池的运行状态。从测量到的所述交流阻抗导出的所述值是所述燃料电池的欧姆电阻值。