JP5765672B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell including a membrane-electrode assembly in which electrodes having a catalyst layer are disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane.

燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムである。燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アセンブリを有する。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有する。   A fuel cell stack is a power generation system that directly converts energy released during an oxidation reaction into electric energy by oxidizing fuel by an electrochemical process. The fuel cell stack has a membrane-electrode assembly in which both side surfaces of a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions are sandwiched by a pair of electrodes made of a porous material. Each of the pair of electrodes is mainly composed of a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst, and is formed on the surface of the catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas having both air permeability and electronic conductivity. And a diffusion layer.

この種の燃料電池システムでは、システム要求電力に基づいて設定されたセル電圧が所定電圧以上となって触媒層中の白金が所定値以上の高電位に曝されると、白金が溶出(イオン化)して触媒性能の低下を招くことがあり、また、セル電圧が酸化電圧になる運転領域で運転を継続すると、触媒層の白金触媒表面に酸化皮膜が形成されて触媒性能の低下を招くことがある。   In this type of fuel cell system, platinum is eluted (ionized) when the cell voltage set based on the system power requirement becomes a predetermined voltage or higher and the platinum in the catalyst layer is exposed to a high potential higher than the predetermined value. The catalyst performance may be reduced, and if the operation is continued in the operation region where the cell voltage becomes the oxidation voltage, an oxide film may be formed on the platinum catalyst surface of the catalyst layer, leading to a decrease in the catalyst performance. is there.

特許文献1には、白金触媒表面に形成される酸化皮膜を白金の溶出を抑制する保護膜として利用する技術が開示されている。具体的には、システム要求電力に基づいて設定されたセル電圧の目標値が、白金が溶出し始める所定の皮膜溶出開始電圧以上である場合には、セル電圧を所定の酸化皮膜形成電圧に所定時間保持して白金触媒表面に酸化皮膜を形成させ、しかる後にセル電圧を目標値に設定するというものである。   Patent Document 1 discloses a technique that uses an oxide film formed on the surface of a platinum catalyst as a protective film that suppresses elution of platinum. Specifically, when the target value of the cell voltage set based on the system power requirement is equal to or higher than a predetermined film elution start voltage at which platinum starts to elute, the cell voltage is set to a predetermined oxide film formation voltage. The time is maintained to form an oxide film on the platinum catalyst surface, and then the cell voltage is set to a target value.

特開2010−067434号公報JP 2010-067434 A

特許文献1におけるセル電圧を所定の酸化皮膜形成電圧に所定時間保持して白金触媒表面に酸化皮膜を形成させる際の「所定時間」は、蓄電装置の充電可能量に基づいて決定される。しかしながら、蓄電装置の充電可能容量が小さい場合、言い換えれば、蓄電装置の残容量(SOC)が大きい場合には、当該蓄電装置への過充電抑制の観点から、燃料電池の要求電力に対する発電余剰電力を当該蓄電装置に充電させることができなくなる。   The “predetermined time” when the cell voltage in Patent Document 1 is maintained at a predetermined oxide film forming voltage for a predetermined time to form an oxide film on the platinum catalyst surface is determined based on the chargeable amount of the power storage device. However, when the chargeable capacity of the power storage device is small, in other words, when the remaining capacity (SOC) of the power storage device is large, the surplus power generated relative to the required power of the fuel cell from the viewpoint of suppressing overcharge of the power storage device Cannot be charged in the power storage device.

かかる場合には、燃料電池の発電電圧を上昇させる必要が生じ、その結果、白金の溶出を許容せざるを得なくなる。更にその後の燃料電池の運転状態が、燃料電池の発電電圧があまり下がらない状態になると、小さな粒径の白金の溶出が進行する一方で、大きな粒径への白金の析出が進行してしまうので、白金触媒全体の表面積が小さくなって触媒性能の低下を招く。   In such a case, it is necessary to increase the power generation voltage of the fuel cell, and as a result, platinum must be allowed to elute. Further, when the fuel cell operating state thereafter becomes a state where the power generation voltage of the fuel cell does not drop so much, elution of platinum with a small particle size proceeds, while precipitation of platinum with a large particle size proceeds. As a result, the surface area of the entire platinum catalyst is reduced, leading to a decrease in catalyst performance.

そこで、本発明は、触媒の溶出と析出の両方を制御することで、蓄電装置の残容量に関らず触媒性能の低下を抑制することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to propose a fuel cell system capable of suppressing a decrease in catalyst performance regardless of the remaining capacity of a power storage device by controlling both elution and precipitation of the catalyst.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、
負荷に対して前記燃料電池と並列接続されて前記負荷への放電及び前記燃料電池からの充電が可能な蓄電装置と、
前記燃料電池に要求される要求出力に基づいて当該燃料電池の出力電圧を設定すると共に、設定する前記出力電圧と前記要求出力とに基づいて前記蓄電装置への充放電を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記要求出力に対応する要求電圧が所定の制御開始電圧以上である場合において、前記要求電圧の変化が上昇勾配にあるときは、前記出力電圧を前記要求電圧よりも低い電圧に設定して前記蓄電装置にその残容量が第1所定値を超えるまで充電させ、前記要求電圧の変化が上昇勾配から下降勾配になったときは、前記出力電圧をそのまま保持して前記蓄電装置にその残容量が第2所定値未満になるまで放電させ、且つ、当該放電終了後に前記出力電圧を前記制御開始電圧よりも低い電圧に設定するものである。
In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell comprising a membrane-electrode assembly in which electrodes having a catalyst layer are disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane;
A power storage device connected in parallel to the fuel cell with respect to a load and capable of discharging to the load and charging from the fuel cell;
A control device that sets an output voltage of the fuel cell based on a required output required for the fuel cell, and controls charging / discharging of the power storage device based on the output voltage to be set and the required output; With
When the required voltage corresponding to the required output is equal to or higher than a predetermined control start voltage and the change in the required voltage is on an ascending slope, the control device reduces the output voltage to a voltage lower than the required voltage. Setting and charging the power storage device until the remaining capacity exceeds a first predetermined value, and when the change in the required voltage changes from an ascending gradient to a descending gradient, the output voltage is maintained as it is Discharging until the remaining capacity becomes less than a second predetermined value, and setting the output voltage to a voltage lower than the control start voltage after the end of the discharge.

この構成では、例えば前記制御開始電圧を触媒層の触媒溶出開始電圧に設定しておけば、燃料電池に対する要求電圧の変化が上昇勾配にあるときは、触媒溶出(特に、粒径の小さな触媒の溶出)を抑制することができ、且つ、その間に蓄電装置に充電することが可能となる。   In this configuration, for example, if the control start voltage is set to the catalyst elution start voltage of the catalyst layer, when the change in the required voltage for the fuel cell is on an ascending slope, catalyst elution (particularly for a catalyst having a small particle diameter). Elution) can be suppressed, and the power storage device can be charged in the meantime.

そして、燃料電池に対する要求電圧の変化が上昇勾配から下降勾配になったときは、前記上昇勾配時に蓄電装置に充電しておいた電力を放電させながら、燃料電池の出力電圧を触媒溶出開始電圧よりも下げることで、前記上昇勾配時に溶出してしまった触媒を粒径の小さな触媒に多く析出させることが可能となる。   Then, when the change in the required voltage for the fuel cell changes from the ascending gradient to the descending gradient, the output voltage of the fuel cell is set to the catalyst elution start voltage while discharging the power charged in the power storage device during the ascending gradient. By lowering the value, it is possible to deposit a large amount of the catalyst eluted during the upward gradient on the catalyst having a small particle diameter.

上記構成において、前記制御装置は、前記要求出力に対応する要求電圧が前記所定の制御開始電圧以上である場合に実施する前記蓄電装置の充放電を充電量と放電量とが同一になるように制御するように構成されていてもよい。   In the above configuration, the control device performs charge / discharge of the power storage device that is performed when a required voltage corresponding to the required output is equal to or higher than the predetermined control start voltage so that a charge amount and a discharge amount are the same. It may be configured to control.

この構成によれば、触媒の溶出抑制及び析出促進のために実施している出力電圧制御時のトータルの電力収支をゼロにすることができるので、燃料電池システム全体の出力が安定する。   According to this configuration, the total power balance at the time of output voltage control performed for suppressing elution of the catalyst and promoting deposition can be made zero, so that the output of the entire fuel cell system is stabilized.

上記構成において、前記制御装置は、前記蓄電装置にその残容量が第2所定値になるまで放電させている間、前記出力電圧を一定電圧に保持するように構成されていてもよい。   In the above configuration, the control device may be configured to hold the output voltage at a constant voltage while discharging the power storage device until the remaining capacity reaches a second predetermined value.

この構成によれば、要求電圧が下降勾配にあれば、設定する出力電圧と要求電圧との乖離幅が時間経過と共に大きくなり、蓄電装置の放電量が増える。これにより、蓄電装置の放電時間が短縮されるので、触媒の析出を促進させるための電圧制御をより迅速に開始することが可能となる。   According to this configuration, if the required voltage is in a descending gradient, the deviation width between the set output voltage and the required voltage increases with time, and the amount of discharge of the power storage device increases. Thereby, since the discharge time of the power storage device is shortened, voltage control for promoting the deposition of the catalyst can be started more quickly.

上記構成において、前記制御装置は、前記触媒層の性能低下量が第3所定値以下になった場合に、前記所定の制御開始電圧を上げるように構成されていてもよい。   The said structure WHEREIN: The said control apparatus may be comprised so that the said predetermined | prescribed control start voltage may be raised, when the performance fall amount of the said catalyst layer becomes below 3rd predetermined value.

触媒性能の低下速度は、触媒性能が低下するに従い低下する。そのような場合には、触媒の溶出抑制及び析出促進のための出力電圧制御の実施頻度を減らしてもよいことになる。上記構成によれば、かかる出力電圧制御の無駄な実施を減らすことが可能となる。   The rate of decrease in catalyst performance decreases as the catalyst performance decreases. In such a case, the frequency of the output voltage control for suppressing the elution of the catalyst and promoting the precipitation may be reduced. According to the above configuration, it is possible to reduce unnecessary implementation of the output voltage control.

本発明によれば、蓄電装置の残容量に関らず触媒性能の低下を抑制することのできる燃料電池システムの提供が可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in catalyst performance regardless of the remaining capacity of the power storage device.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the cell which comprises a fuel cell stack. 燃料電池システムの一運転制御例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of 1 operation control of a fuel cell system. 燃料電池システムの一運転制御例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the example of 1 operation control of a fuel cell system. 図4の一部を拡大したタイミングチャートである。It is the timing chart which expanded a part of FIG. 燃料電池スタックの出力電圧が一定値に保持された場合の出力電流(電流密度)と酸化皮膜率との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between an output electric current (current density) and an oxide film rate when the output voltage of a fuel cell stack is kept at a constant value.

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システム10のシステム構成を示している。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system configuration of a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention.

燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給するための酸化ガス供給系30と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給するための燃料ガス供給系40と、電力の充放電を制御するための電力系50と、システム全体を統括制御するコントローラ(制御装置)60とを備えている。   The fuel cell system 10 functions as an in-vehicle power supply system mounted on a fuel cell vehicle. The fuel cell stack 20 generates electric power by receiving supply of reaction gas (fuel gas, oxidant gas), and air as oxidant gas. Gas supply system 30 for supplying the fuel cell stack 20 with hydrogen, fuel gas supply system 40 for supplying hydrogen gas as the fuel gas to the fuel cell stack 20, and power for controlling charge and discharge of power A system 50 and a controller (control device) 60 for overall control of the entire system are provided.

燃料電池スタック20は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック20では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池スタック20全体としては(3)式の起電反応が生じる。
2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
The fuel cell stack 20 is a solid polymer electrolyte cell stack formed by stacking a large number of cells in series. In the fuel cell stack 20, the oxidation reaction of the formula (1) occurs at the anode electrode, and the reduction reaction of the equation (2) occurs at the cathode electrode. In the fuel cell stack 20 as a whole, the electromotive reaction of the formula (3) occurs.
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

図2は、燃料電池スタック20を構成するセル21の分解斜視図である。
セル21は、高分子電解質膜22と、アノード極23と、カソード極24と、セパレータ26,27とから構成されている。アノード極23及びカソード極24は、高分子電解質膜22を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the cells 21 constituting the fuel cell stack 20.
The cell 21 includes a polymer electrolyte membrane 22, an anode electrode 23, a cathode electrode 24, and separators 26 and 27. The anode electrode 23 and the cathode electrode 24 are diffusion electrodes having a sandwich structure with the polymer electrolyte membrane 22 sandwiched from both sides.

ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ26,27は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極23及びカソード極24との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ26には、断面凹状のリブ26aが形成されている。   Separators 26 and 27 made of a gas-impermeable conductive member form fuel gas and oxidizing gas flow paths between the anode electrode 23 and the cathode electrode 24 while sandwiching the sandwich structure from both sides. . The separator 26 is formed with a rib 26a having a concave cross section.

リブ26aにアノード極23が当接することで、リブ26aの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ27には、断面凹状のリブ27aが形成されている。リブ27aにカソード極24が当接することで、リブ27aの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。   When the anode electrode 23 comes into contact with the rib 26a, the opening of the rib 26a is closed and a fuel gas flow path is formed. The separator 27 is formed with a rib 27a having a concave cross section. When the cathode electrode 24 comes into contact with the rib 27a, the opening of the rib 27a is closed and an oxidizing gas flow path is formed.

アノード極23は、白金系の金属触媒(Pt,Pt−Fe,Pt−Cr,Pt−Ni,Pt−Ruなど)を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜22に接する触媒層23aと、触媒層23aの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層23bとを有する。同様に、カソード極24は、触媒層24aとガス拡散層24bとを有する。   The anode electrode 23 is mainly composed of a carbon powder supporting a platinum-based metal catalyst (Pt, Pt—Fe, Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Ru, etc.), and a catalyst layer 23 a in contact with the polymer electrolyte membrane 22. And a gas diffusion layer 23b formed on the surface of the catalyst layer 23a and having both air permeability and electronic conductivity. Similarly, the cathode electrode 24 has a catalyst layer 24a and a gas diffusion layer 24b.

より詳細には、触媒層23a,24aは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜22上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層23b、24bは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。   More specifically, the catalyst layers 23a and 24a are made by dispersing carbon powder carrying platinum or an alloy made of platinum and another metal in an appropriate organic solvent, adding an appropriate amount of an electrolyte solution to form a paste, and forming a polymer electrolyte. Screen-printed on the film 22. The gas diffusion layers 23b and 24b are formed of carbon cloth, carbon paper, or carbon felt woven with carbon fiber yarns.

高分子電解質膜22は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。高分子電解質膜22、アノード極23、及びカソード極24によって膜−電極アセンブリ25が形成される。   The polymer electrolyte membrane 22 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluororesin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. A membrane-electrode assembly 25 is formed by the polymer electrolyte membrane 22, the anode electrode 23, and the cathode electrode 24.

図1に戻り、燃料電池スタック20には、燃料電池スタック20の出力電圧(FC電圧)を検出するための電圧センサ71、出力電流(FC電流)を検出するための電流センサ72が取り付けられている。   Returning to FIG. 1, a voltage sensor 71 for detecting the output voltage (FC voltage) of the fuel cell stack 20 and a current sensor 72 for detecting the output current (FC current) are attached to the fuel cell stack 20. Yes.

酸化ガス供給系30は、燃料電池スタック20のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路33と、燃料電池スタック20から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路34とを有している。酸化ガス通路33には、フィルタ31を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ32と、エアコンプレッサ32により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器35と、燃料電池スタック20への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁A1とが設けられている。   The oxidizing gas supply system 30 has an oxidizing gas passage 33 through which oxidizing gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20 flows and an oxidizing off gas passage 34 through which oxidizing off gas discharged from the fuel cell stack 20 flows. . In the oxidizing gas passage 33, an air compressor 32 that takes in the oxidizing gas from the atmosphere via the filter 31, a humidifier 35 for humidifying the oxidizing gas pressurized by the air compressor 32, and the fuel cell stack 20 are connected. A shutoff valve A1 for shutting off the oxidizing gas supply is provided.

酸化オフガス通路34には、燃料電池スタック20からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁A2と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁A3と、酸化ガス(ドライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との間で水分交換するための加湿器35とが設けられている。   In the oxidizing off gas passage 34, a shutoff valve A2 for shutting off the oxidizing off gas discharge from the fuel cell stack 20, a back pressure adjusting valve A3 for adjusting the oxidizing gas supply pressure, oxidizing gas (dry gas) and oxidizing A humidifier 35 is provided for exchanging moisture with off-gas (wet gas).

燃料ガス供給系40は、燃料ガス供給源41と、燃料ガス供給源41から燃料電池スタック20のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路43と、燃料電池スタック20から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路43に帰還させるための循環通路44と、循環通路44内の燃料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循環ポンプ45と、循環通路44に分岐接続される排気排水通路46とを有している。   The fuel gas supply system 40 includes a fuel gas supply source 41, a fuel gas passage 43 through which fuel gas supplied from the fuel gas supply source 41 to the anode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and fuel discharged from the fuel cell stack 20. A circulation passage 44 for returning off-gas to the fuel gas passage 43, a circulation pump 45 for pressure-feeding the fuel off-gas in the circulation passage 44 to the fuel gas passage 43, and an exhaust / drain passage 46 branched and connected to the circulation passage 44 Have.

燃料ガス供給源41は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa乃至70MPa)の水素ガスを貯留する。遮断弁H1を開くと、燃料ガス供給源41から燃料ガス通路43に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータH2やインジェクタ42により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池スタック20に供給される。   The fuel gas supply source 41 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores high-pressure (for example, 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas. When the shut-off valve H1 is opened, the fuel gas flows out from the fuel gas supply source 41 into the fuel gas passage 43. The fuel gas is decompressed to about 200 kPa, for example, by the regulator H2 and the injector 42, and supplied to the fuel cell stack 20.

循環通路44には、燃料電池スタック20からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁H4と、循環通路44から分岐する排気排水通路46とが接続されている。排気排水通路46には、排気排水弁H5が配設されている。排気排水弁H5は、コントローラ60からの指令によって作動することにより、循環通路44内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。   The circulation passage 44 is connected to a shutoff valve H4 for shutting off the fuel off-gas discharge from the fuel cell stack 20 and an exhaust drainage passage 46 branched from the circulation passage 44. An exhaust / drain valve H5 is disposed in the exhaust / drain passage 46. The exhaust / drain valve H <b> 5 is operated according to a command from the controller 60, thereby discharging the fuel off-gas containing impurities in the circulation passage 44 and moisture to the outside.

排気排水弁H5を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路34を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器(図示せず)によって希釈される。循環ポンプ45は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック20に循環供給する。   The fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve H5 is mixed with the oxidizing off-gas flowing through the oxidizing off-gas passage 34 and diluted by a diluter (not shown). The circulation pump 45 circulates and supplies the fuel off gas in the circulation system to the fuel cell stack 20 by driving the motor.

電力系50は、DC/DCコンバータ51、バッテリ(蓄電装置)52、トラクションインバータ53、トラクションモータ54、及び補機類55を備えている。DC/DCコンバータ51は、バッテリ52から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ53に出力する機能と、燃料電池スタック20が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ54が回収した回生電力を降圧してバッテリ52に充電する機能とを有する。   The power system 50 includes a DC / DC converter 51, a battery (power storage device) 52, a traction inverter 53, a traction motor 54, and auxiliary machinery 55. The DC / DC converter 51 boosts the DC voltage supplied from the battery 52 and outputs it to the traction inverter 53, and the DC power generated by the fuel cell stack 20, or the regenerative power collected by the traction motor 54 by regenerative braking. And a function of charging the battery 52 by stepping down the voltage.

バッテリ52は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ52としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ52には、その残容量(蓄電量)であるSOC(State of charge)を検出するためのSOCセンサが取り付けられている。   The battery 52 functions as a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer during load fluctuations associated with acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. As the battery 52, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is suitable. The battery 52 is attached with an SOC sensor for detecting an SOC (State of charge) which is the remaining capacity (charged amount).

トラクションインバータ53は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータであり、コントローラ60からの制御指令に従って、燃料電池スタック20又はバッテリ52から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ54の回転トルクを制御する。トラクションモータ54は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。   The traction inverter 53 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and converts a DC voltage output from the fuel cell stack 20 or the battery 52 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the controller 60. The rotational torque of the traction motor 54 is controlled. The traction motor 54 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a power source of the fuel cell vehicle.

補機類55は、燃料電池システム10内の各部に配置されている各モータ(例えば、ポンプ類などの動力源)や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。   Auxiliary machines 55 are motors (for example, power sources such as pumps) arranged in each part in the fuel cell system 10, inverters for driving these motors, and various on-vehicle auxiliary machines. (For example, an air compressor, an injector, a cooling water circulation pump, a radiator, etc.) is a general term.

コントローラ60は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム10の各部を制御する。例えば、コントローラ60は、イグニッションスイッチから出力される起動信号IGを受信すると、燃料電池システム10の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ACCや、車速センサから出力される車速信号VCなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。   The controller 60 is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system 10. For example, when the controller 60 receives the start signal IG output from the ignition switch, the controller 60 starts the operation of the fuel cell system 10, and the accelerator opening signal ACC output from the accelerator sensor or the vehicle speed signal output from the vehicle speed sensor. The required power of the entire system is obtained based on VC or the like. The required power of the entire system is the total value of the vehicle running power and the auxiliary machine power.

補機電力には、車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。   Auxiliary power includes power consumed by in-vehicle accessories (humidifiers, air compressors, hydrogen pumps, cooling water circulation pumps, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmissions, wheel control devices, steering devices, and Power consumed by a suspension device or the like, and power consumed by a device (such as an air conditioner, a lighting fixture, or audio) disposed in the passenger space.

コントローラ60は、燃料電池スタック20とバッテリ52とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック20の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系30及び燃料ガス供給系40を制御するとともに、DC/DCコンバータ51を制御して、燃料電池スタック20の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を制御する。   The controller 60 determines the distribution of the output power of each of the fuel cell stack 20 and the battery 52, and the oxidizing gas supply system 30 and the fuel gas supply system 40 so that the power generation amount of the fuel cell stack 20 matches the target power. And the DC / DC converter 51 to adjust the output voltage of the fuel cell stack 20, thereby controlling the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20.

<燃料電池システムの運転制御例>
次に、燃料電池システム10の負荷運転中における一制御例について、図3のフローチャート、並びに図4及び図5のタイムチャートを参照しながら説明する。
<Operation control example of fuel cell system>
Next, an example of control during load operation of the fuel cell system 10 will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and the time charts of FIGS. 4 and 5.

なお、図4及びその一部を拡大した図である図5において、実線は、燃料電池スタック20に対する要求出力どおりの電圧制御を実施した場合の運転例を示しており、一点鎖線は、燃料電池スタック20に対する要求出力に対し、本発明に係る電圧制御を実施した場合の運転例を示している。   Note that in FIG. 4 and FIG. 5 that is an enlarged view of FIG. 4, a solid line indicates an operation example when voltage control according to the required output for the fuel cell stack 20 is performed, and a one-dot chain line indicates a fuel cell. The operation example at the time of performing voltage control concerning the present invention to the demand output to stack 20 is shown.

また、負荷運転とは、アクセル開度や車速などを基に燃料電池スタック20の発電指令値を算出して運転制御し、車両走行に要する電力やシステム運用上必要な電力を燃料電池スタック20による発電電力のみによって又は燃料電池スタック20による発電電力とバッテリ52からの放電電力とによって賄う運転のことをいい、発電効率の高い高負荷領域(発電要求が所定値以上となる運転領域)で実施される。   In addition, the load operation refers to the operation control by calculating the power generation command value of the fuel cell stack 20 based on the accelerator opening, the vehicle speed, etc., and the fuel cell stack 20 supplies the power required for vehicle travel and the power required for system operation. This is an operation that is covered only by the generated power or by the power generated by the fuel cell stack 20 and the discharged power from the battery 52. The

上記負荷運転中、コントローラ60は、所定の制御周期で燃料電池スタック20に対する発電指令値に対応する要求電圧Vが、ある一定の電圧域に入っているか否かの判定を行なう(図3のステップS1)。この電圧域は、下限閾電圧(所定の制御開始電圧、触媒溶出開始電圧)V1と上限閾電圧V2とで画定される白金溶出電圧域である。   During the load operation, the controller 60 determines whether or not the required voltage V corresponding to the power generation command value for the fuel cell stack 20 is in a certain voltage range at a predetermined control cycle (step of FIG. 3). S1). This voltage range is a platinum elution voltage range defined by a lower limit threshold voltage (predetermined control start voltage, catalyst elution start voltage) V1 and an upper limit threshold voltage V2.

ステップS1の判定結果が「No」の場合、つまり、燃料電池スタック20に対する要求電圧Vが下限閾電圧V1未満或いは上限閾電圧V2を超えている場合(図4における時間T3〜T4の区間)には、コントローラ60は、燃料電池スタック20に対する要求出力の変化(増減)に対し、要求どおりの電圧勾配となるように出力電圧を制御する通常負荷運転を継続する(ステップS27)。つまり、燃料電池スタック20に対する電圧指令値は要求電圧と同じ電圧となる。   When the determination result of step S1 is “No”, that is, when the required voltage V for the fuel cell stack 20 is less than the lower threshold voltage V1 or exceeds the upper threshold voltage V2 (interval of time T3 to T4 in FIG. 4). The controller 60 continues the normal load operation for controlling the output voltage so as to obtain the required voltage gradient with respect to the change (increase / decrease) in the required output to the fuel cell stack 20 (step S27). That is, the voltage command value for the fuel cell stack 20 is the same voltage as the required voltage.

これに対し、ステップS1の判定結果が「Yes」の場合、つまり、燃料電池スタック20に対する要求電圧Vが下限閾電圧V1以上、上限閾電圧V2以下の範囲にある場合(図4における時間T1〜T2、時間T2〜T3、及び時間T4〜T5の区間)、さらに言い換えれば、触媒層24aの白金が溶出する電圧域にある場合は、コントローラ60は、燃料電池スタック20に対する要求出力の変化(増減)から算出される要求電圧の電圧勾配が「0」を超えているか否かの判定を行なう(ステップS3)。   On the other hand, when the determination result in step S1 is “Yes”, that is, when the required voltage V for the fuel cell stack 20 is in the range of the lower limit threshold voltage V1 to the upper limit threshold voltage V2 (time T1 to time T1 in FIG. 4). T2, time T2 to T3, and time T4 to T5), in other words, in the voltage range where platinum of the catalyst layer 24a elutes, the controller 60 changes (increases or decreases) the required output to the fuel cell stack 20. It is determined whether or not the voltage gradient of the required voltage calculated from (1) exceeds “0” (step S3).

ステップS3の判定結果が「Yes」の場合、つまり、燃料電池スタック20に対する要求電圧の電圧勾配がプラス(上昇勾配)、さらに言い換えれば、要求電圧が増加傾向にある場合(例えば、図5における時間t1〜t2の区間)には、コントローラ60は、電圧勾配に所定の係数α(ただし、α<1)を乗じたものを新たな電圧勾配に設定する(ステップS11)。   When the determination result of step S3 is “Yes”, that is, the voltage gradient of the required voltage with respect to the fuel cell stack 20 is positive (rising gradient), in other words, when the required voltage is increasing (for example, the time in FIG. 5) In the period from t1 to t2, the controller 60 sets a new voltage gradient obtained by multiplying the voltage gradient by a predetermined coefficient α (where α <1) (step S11).

これにより、DC/DCコンバータ51への指令電圧が要求出力から算出される要求電圧よりも低い電圧(図5の時間t1〜t2の区間における一点鎖線参照)に設定されることになり、触媒層24aの白金溶出が抑制される。そして、このときの要求出力に対する発電余剰電力は、バッテリ52に充電されることになる。   As a result, the command voltage to the DC / DC converter 51 is set to a voltage lower than the required voltage calculated from the required output (refer to the alternate long and short dash line in the period of time t1 to t2 in FIG. 5), and the catalyst layer The platinum elution of 24a is suppressed. Then, the generated surplus power with respect to the required output at this time is charged in the battery 52.

その後、コントローラ60は、バッテリ52の残容量SOCが所定の閾値γ(第1所定値)を超えているか否かを判定する(ステップS13)。
ステップS13の判定結果が「No」の場合、つまり、バッテリ52の残容量SOCが不足している場合、より具体的には、現残容量SOCでは、後述するステップS25の処理時に、要求出力に対する発電不足分をバッテリ52からの放電量で賄えない場合には、コントローラ60は、バッテリ52への充電を継続する(ステップS3)。
Thereafter, the controller 60 determines whether or not the remaining capacity SOC of the battery 52 exceeds a predetermined threshold γ (first predetermined value) (step S13).
If the determination result of step S13 is “No”, that is, if the remaining capacity SOC of the battery 52 is insufficient, more specifically, the current remaining capacity SOC is determined for the requested output during the process of step S25 described later. If the power generation shortage cannot be covered by the amount of discharge from the battery 52, the controller 60 continues to charge the battery 52 (step S3).

ステップS13の判定結果が「Yes」の場合、つまり、バッテリ52の残容量SOCが充分にある場合、より具体的には、現残容量SOCによって後述するステップS25の処理時に、要求出力に対する発電不足分をバッテリ52からの放電量で賄える場合には、コントローラ60は、DC/DCコンバータ51への指令電圧を所定時間だけ要求出力から算出される要求電圧よりも低い電圧に設定する(ステップS25)。   When the determination result of step S13 is “Yes”, that is, when the remaining capacity SOC of the battery 52 is sufficient, more specifically, the power generation is insufficient with respect to the required output during the process of step S25 described later with the current remaining capacity SOC. In the case where the amount can be covered by the amount of discharge from the battery 52, the controller 60 sets the command voltage to the DC / DC converter 51 to a voltage lower than the required voltage calculated from the required output for a predetermined time (step S25). .

このとき、DC/DCコンバータ51への指令電圧を要求出力から算出される要求電圧よりも大幅に低い電圧に設定することにより、触媒層24aの白金析出を促進することができる。なお、このときの要求出力に対する不足電力は、バッテリ52からの放電によって賄われることになる。   At this time, platinum deposition of the catalyst layer 24a can be promoted by setting the command voltage to the DC / DC converter 51 to a voltage that is significantly lower than the required voltage calculated from the required output. Note that the power shortage with respect to the required output at this time is covered by the discharge from the battery 52.

そして、コントローラ60は、ステップS25の電圧制御開始から所定時間経過後に、DC/DCコンバータ51への指令電圧を通常負荷運転通りの電圧に戻す(ステップS27)。   Then, the controller 60 returns the command voltage to the DC / DC converter 51 to the voltage as in the normal load operation after a predetermined time has elapsed from the start of voltage control in step S25 (step S27).

一方、ステップS3の判定結果が「No」の場合、つまり、燃料電池スタック20に対する要求電圧の電圧勾配がゼロ(ゼロ勾配)又はマイナス(下降勾配)の場合、さらに言い換えれば、要求電圧が一定又は減少傾向に転じた場合には、コントローラ60は、DC/DCコンバータ51への指令電圧をそのときの指令電圧に固定して所定時間保持する(図4のステップS21、図5の時間t2〜t3の区間における一点鎖線)。   On the other hand, when the determination result of step S3 is “No”, that is, when the voltage gradient of the required voltage for the fuel cell stack 20 is zero (zero gradient) or minus (downgradient), in other words, the required voltage is constant or In the case of a decreasing trend, the controller 60 fixes the command voltage to the DC / DC converter 51 to the command voltage at that time and holds it for a predetermined time (step S21 in FIG. 4, times t2 to t3 in FIG. 5). Dash-dot line in the section of).

これにより、燃料電池スタック20の出力電圧は、一定のホールド電圧V3となるように制御される。かかる制御は、例えば図4及び図5においては、電圧勾配がプラスからマイナスに転じた場合に実施されるので、燃料電池スタック20の出力電圧は要求電圧よりも高い電圧に設定されることになる。   Thereby, the output voltage of the fuel cell stack 20 is controlled to be a constant hold voltage V3. For example, in FIG. 4 and FIG. 5, such control is performed when the voltage gradient changes from positive to negative. Therefore, the output voltage of the fuel cell stack 20 is set to a voltage higher than the required voltage. .

その後、コントローラ60は、バッテリ52の残容量SOCが所定の閾値β(第2所定値)未満であるか否かを判定する(ステップS23)。
ステップS23の判定結果が「No」の場合、つまり、バッテリ52の残容量SOCが閾値β以上である場合、コントローラ60は、ステップS3に処理を戻す。
Thereafter, the controller 60 determines whether or not the remaining capacity SOC of the battery 52 is less than a predetermined threshold β (second predetermined value) (step S23).
If the determination result in step S23 is “No”, that is, if the remaining capacity SOC of the battery 52 is equal to or greater than the threshold value β, the controller 60 returns the process to step S3.

ステップS3,S21,S23のルーチンが繰り返される間、ステップS21で設定されたホールド電圧V3での電圧制御の開始当初は、要求出力に対応する要求電圧がホールド電圧V3を上回っているため、要求出力に対する余剰電力がバッテリ52に充電されるが、要求出力が徐々に低下して要求電圧がホールド電圧V3を下回ると、要求出力に対する発電不足分がバッテリ52から放電で賄われるので、バッテリ52の残容量SOCが徐々に低下する。   While the routines of steps S3, S21, and S23 are repeated, since the required voltage corresponding to the required output exceeds the hold voltage V3 at the beginning of voltage control at the hold voltage V3 set in step S21, the required output However, if the required output is gradually reduced and the required voltage falls below the hold voltage V3, the battery 52 is charged with a power generation shortage with respect to the required output. The capacity SOC gradually decreases.

そして、バッテリ52の放電が進み、残容量SOCが閾値β未満になると、つまり、ステップS23の判定結果が「Yes」になると、コントローラ60は、DC/DCコンバータ51への指令電圧を所定の時間だけ要求出力から算出される要求電圧よりも低い電圧に設定する(図4のステップS25、図5の時間t3〜t5の区間における一点鎖線)。   When the discharge of the battery 52 proceeds and the remaining capacity SOC becomes less than the threshold value β, that is, when the determination result in step S23 becomes “Yes”, the controller 60 changes the command voltage to the DC / DC converter 51 for a predetermined time. Only the required voltage calculated from the required output is set to a voltage lower than the required voltage (step S25 in FIG. 4, dash-dot line in the period from time t3 to t5 in FIG. 5).

このとき、DC/DCコンバータ51への指令電圧を要求出力から算出される要求電圧よりも大幅に低い電圧に設定することになり、触媒層24aの白金析出を促進させることができる。なお、このときの要求出力に対する不足電力は、バッテリ52からの放電によって賄われることになる。   At this time, the command voltage to the DC / DC converter 51 is set to a voltage significantly lower than the required voltage calculated from the required output, and the platinum deposition of the catalyst layer 24a can be promoted. Note that the power shortage with respect to the required output at this time is covered by the discharge from the battery 52.

そして、コントローラ60は、ステップS25の電圧制御開始から所定時間経過後に、ステップS27に処理を進め、DC/DCコンバータ51への指令電圧を通常負荷運転通りの電圧に戻す(図5の時間t5〜t6の区間における一点鎖線)。   Then, after a predetermined time has elapsed from the start of the voltage control in step S25, the controller 60 proceeds to step S27, and returns the command voltage to the DC / DC converter 51 to the voltage as in the normal load operation (time t5 in FIG. 5). dash-dot line in the section of t6).

以上説明したように、本実施形態では、燃料電池スタック20に対する要求電圧が白金溶出電圧域内において増加している場合は、燃料電池スタック20の出力電圧を当該要求電圧よりも低い電圧に制御(以下、かかる制御を説明の便宜上、「溶出抑制制御」という場合がある。)することで、触媒層24aにおける白金、特に粒径の小さな白金の溶出を抑制している。   As described above, in the present embodiment, when the required voltage for the fuel cell stack 20 increases in the platinum elution voltage range, the output voltage of the fuel cell stack 20 is controlled to a voltage lower than the required voltage (hereinafter referred to as “the required voltage”). Such control is sometimes referred to as “elution suppression control” for convenience of explanation.) By this, elution of platinum in the catalyst layer 24a, particularly platinum having a small particle diameter, is suppressed.

また、一旦溶出してしまった白金を析出させるにあたって、より粒径の小さな白金への析出を促進するには、燃料電池スタック20の出力電圧を白金溶出電圧域外となるまで要求電圧よりも大幅に下げる制御(以下、かかる制御を説明の便宜上、「析出促進制御」という場合がある。)が必要であるところ、そこまで出力電圧を下げるには、バッテリ52の残容量が所定以上確保されていることが必要である。   Further, in order to precipitate platinum once eluted, in order to promote the precipitation to platinum having a smaller particle size, the output voltage of the fuel cell stack 20 is significantly higher than the required voltage until it is outside the platinum elution voltage range. When a lowering control (hereinafter, this control is sometimes referred to as “deposition promotion control” for convenience of explanation) is required, the remaining capacity of the battery 52 is secured to a predetermined level or more to lower the output voltage to that level. It is necessary.

この点、本実施形態では、溶出抑制制御時に、燃料電池スタック20の発電余剰電力をバッテリ52へ充電しておくことが可能であるから、バッテリ52の残容量不足が原因で析出促進制御の実施が阻害されてしまうという不都合は生じない。   In this respect, in the present embodiment, during the elution suppression control, it is possible to charge the power generation surplus power of the fuel cell stack 20 to the battery 52. Therefore, the deposition promotion control is performed due to the shortage of the remaining capacity of the battery 52. There is no inconvenience that is disturbed.

とりわけ、溶出抑制制御時におけるバッテリ52への充電量と、析出促進制御時におけるバッテリ52からの放電量をバランスさせ、トータルの電力収支をゼロ又はゼロ付近に制御した場合には、燃料電池システム10ひいては燃料電池車両としての出力安定性も向上する。   In particular, when the amount of charge to the battery 52 at the time of elution suppression control is balanced with the amount of discharge from the battery 52 at the time of deposition promotion control, and the total power balance is controlled to zero or near zero, the fuel cell system 10 As a result, output stability as a fuel cell vehicle is also improved.

以上のとおり、本実施形態によれば、触媒層24aにおける白金の溶出と析出の両方を制御しつつ、バッテリ52の充放電量をバランスさせてトータルの電力収支をゼロ又はゼロ付近に調整することができるので、バッテリ52の残容量に関らず、触媒性能の低下を抑制することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, while controlling both elution and deposition of platinum in the catalyst layer 24a, the charge / discharge amount of the battery 52 is balanced and the total power balance is adjusted to zero or near zero. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the catalyst performance regardless of the remaining capacity of the battery 52.

<変形例>
触媒性能については、性能低下量(性能低下の度合い)が進むに従い性能低下速度が遅くなり、最終的には性能低下の進行が止まる。そこで、このような現象を踏まえて、上記溶出抑制制御及び上記析出促進制御に以下に例示するような制御を追加してもよい。
<Modification>
As for the catalyst performance, as the performance degradation amount (degree of performance degradation) progresses, the performance degradation speed slows down, and eventually the performance degradation stops. Therefore, based on such a phenomenon, the control exemplified below may be added to the elution suppression control and the precipitation promotion control.

すなわち、コントローラ60は、触媒の性能低下量をモニタリングし、性能低下量が第1閾値(第3所定値)を超えたときは、図4のステップS1における下限閾電圧V1を上げる又は/及び上限閾電圧V2を下げることにより、上記溶出抑制制御及び上記析出促進制御の実施頻度を減らし、性能低下量が第2閾値(第2閾値>第1閾値)を超えたときは、上記溶出抑制制御及び上記析出促進制御を実施しないようにしてよい。   That is, the controller 60 monitors the performance degradation amount of the catalyst. When the performance degradation amount exceeds the first threshold value (third predetermined value), the controller 60 increases the lower threshold voltage V1 in step S1 of FIG. By reducing the threshold voltage V2, the execution frequency of the elution suppression control and the precipitation promotion control is reduced, and when the performance degradation amount exceeds the second threshold (second threshold> first threshold), the elution suppression control and The precipitation promotion control may not be performed.

なお、触媒性能の低下は、例えば、以下のようにして推定することが可能である。
(1)燃料電池スタック20を定電圧運転させている時の出力電流の時間変化に基づいて推定する。この場合、定電圧運転時に一定値に設定される電圧毎に、出力電流の時間変化(傾き)と性能低下量との関係を示すマップを例えばコントローラ60内に用意しておく。
Note that the decrease in catalyst performance can be estimated, for example, as follows.
(1) Estimate based on the time change of the output current when the fuel cell stack 20 is operated at a constant voltage. In this case, for example, a map showing the relationship between the time change (gradient) of the output current and the amount of performance degradation is prepared in the controller 60 for each voltage set to a constant value during constant voltage operation.

(2)燃料電池スタック20の出力電圧が所定の境界電圧を上下に跨いだ回数(サイクル数)をコントローラ60で計時しておき、その回数に基づいて性能低下量を推定する。 (2) The controller 60 measures the number of times (the number of cycles) that the output voltage of the fuel cell stack 20 has crossed a predetermined boundary voltage in the vertical direction, and the amount of performance degradation is estimated based on the number of times.

(3)例えば図6に示すような実験結果に、Butler-Vollmer式に酸化皮膜率の概念を追加した理論式(数1参照)をフィッティングさせた式と、燃料電池20の出力電流(電流密度)とから性能低下量を推定する。

Figure 0005765672
(3) For example, an experimental result as shown in FIG. 6 and a formula obtained by fitting a theoretical formula (see Formula 1) obtained by adding the concept of the oxide film ratio to the Butler-Vollmer formula, and an output current (current density) of the fuel cell 20 ) To estimate the amount of performance degradation.
Figure 0005765672

上述の各実施形態では、燃料電池システム10を車載電源システムとして利用する形態を例示したが、燃料電池システム10の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム10を燃料電池車両以外の移動体(ロボット、船舶、航空機等)の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム10を住宅やビル等の発電設備(定置用発電システム)として用いてもよい。   In each of the above-described embodiments, the form in which the fuel cell system 10 is used as an in-vehicle power supply system has been illustrated. However, the form of use of the fuel cell system 10 is not limited to this example. For example, the fuel cell system 10 may be mounted as a power source of a mobile body (robot, ship, aircraft, etc.) other than the fuel cell vehicle. Further, the fuel cell system 10 according to the present embodiment may be used as a power generation facility (stationary power generation system) such as a house or a building.

11 燃料電池システム
12 燃料電池
20 燃料電池スタック(燃料電池)
24a 触媒層
25 膜−電極アセンブリ
51 DC/DCコンバータ
52 バッテリ(蓄電装置)
60 コントローラ(制御装置)
11 Fuel Cell System 12 Fuel Cell 20 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
24a catalyst layer 25 membrane-electrode assembly 51 DC / DC converter 52 battery (power storage device)
60 controller (control device)

Claims (4)

触媒層を有する電極が高分子電解質膜の両面に配置されてなる膜−電極アセンブリを含む燃料電池と、
負荷に対して前記燃料電池と並列接続されて前記負荷への放電及び前記燃料電池からの充電が可能な蓄電装置と、
前記燃料電池に要求される要求出力に基づいて当該燃料電池の出力電圧を設定すると共に、設定する前記出力電圧と前記要求出力とに基づいて前記蓄電装置への充放電を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記要求出力に対応する要求電圧が所定の制御開始電圧以上である場合において、前記要求電圧の変化が上昇勾配にあるときは、前記出力電圧を前記要求電圧よりも低い電圧に設定して前記蓄電装置にその残容量が第1所定値を超えるまで充電させ、前記要求電圧の変化が上昇勾配から下降勾配になったときは、前記出力電圧をそのまま保持して前記蓄電装置にその残容量が第2所定値未満になるまで放電させ、且つ、当該放電終了後に前記出力電圧を前記制御開始電圧よりも低い電圧に設定し、
前記制御開始電圧が前記触媒層の触媒溶出開始電圧に設定されている、燃料電池システム。
A fuel cell comprising a membrane-electrode assembly in which electrodes having a catalyst layer are disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane;
A power storage device connected in parallel to the fuel cell with respect to a load and capable of discharging to the load and charging from the fuel cell;
A control device that sets an output voltage of the fuel cell based on a required output required for the fuel cell, and controls charging / discharging of the power storage device based on the output voltage to be set and the required output; With
When the required voltage corresponding to the required output is equal to or higher than a predetermined control start voltage and the change in the required voltage is on an ascending slope, the control device reduces the output voltage to a voltage lower than the required voltage. Setting and charging the power storage device until the remaining capacity exceeds a first predetermined value, and when the change in the required voltage changes from an ascending gradient to a descending gradient, the output voltage is maintained as it is Discharging until the remaining capacity becomes less than a second predetermined value, and setting the output voltage to a voltage lower than the control start voltage after the end of the discharge ;
The fuel cell system , wherein the control start voltage is set to a catalyst elution start voltage of the catalyst layer .
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記要求出力に対応する要求電圧が前記所定の制御開始電圧以上である場合に実施する前記蓄電装置の充放電を充電量と放電量とが同一になるように制御する、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The control device controls charge / discharge of the power storage device, which is performed when a required voltage corresponding to the required output is equal to or higher than the predetermined control start voltage, so that a charge amount and a discharge amount are the same. Battery system.
請求項1又は2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記蓄電装置にその残容量が第2所定値になるまで放電させている間、前記出力電圧を一定電圧に保持する、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The control device maintains the output voltage at a constant voltage while discharging the power storage device until the remaining capacity reaches a second predetermined value.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記触媒層の性能低下量が第3所定値以下になった場合に、前記制御開始電圧を前記触媒溶出開始電圧よりも大きくする、燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The said control apparatus is a fuel cell system which makes the said control start voltage larger than the said catalyst elution start voltage , when the performance fall amount of the said catalyst layer becomes below 3rd predetermined value.
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