JP2011192458A - Fuel cell system, movable body, and control method of fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system, movable body, and control method of fuel cell system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain accuracy of power generation control based on current-voltage characteristics, even if formation of an oxide coating is progressed in catalyst of an electrode accompanying power generation. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes a catalyst oxide coating film derivation unit which derives a catalyst oxide coating film rate by integrating a catalyst oxide generation rate as a difference between a generation reaction speed and a reduction reaction speed by time, a current-voltage characteristics derivation unit deriving current-voltage characteristics on the basis of the catalyst oxide coating film rate, a load demand acquisition unit, an operation point setter for setting an operation point in a fuel cell consisting of an output current and an output voltage for generating power corresponding to the load demand on the basis of the current-voltage characteristics, and a control unit for making the fuel cell generate power at the set operation point. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム、移動体、および燃料電池システムの制御方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system, a moving body, and a control method for the fuel cell system.

燃料電池の発電量は、燃料電池の運転温度や燃料電池に供給するガス流量等によって変動し得るが、適当な運転温度条件下において充分量のガスを供給するときには、出力電流と出力電圧とは一定の関係を示す。そのため、燃料電池において発電制御を行なう際には、一般に、予め求められた出力電流と出力電圧との関係に基づいて、負荷要求に基づいた所望の電力が得られるように、燃料電池の運転ポイント(出力電流と出力電圧の組み合わせ)が設定される。   The amount of power generated by the fuel cell may vary depending on the operating temperature of the fuel cell, the gas flow rate supplied to the fuel cell, etc., but when a sufficient amount of gas is supplied under appropriate operating temperature conditions, the output current and output voltage are Shows a certain relationship. Therefore, when performing power generation control in a fuel cell, generally, the operating point of the fuel cell is such that a desired power based on the load request is obtained based on the relationship between the output current and the output voltage obtained in advance. (Combination of output current and output voltage) is set.

特開2008−192468号公報JP 2008-192468 A 特開2006−147404号公報JP 2006-147404 A 特開2007−103115号公報JP 2007-103115 A 特開2008−226593号公報JP 2008-226593 A 特開2000−357526号公報JP 2000-357526 A

しかしながら、燃料電池が発電を継続すると、燃料電池の電極が備える触媒、例えば白金において、酸化被膜が形成されることが知られている(例えば、特許文献1参照)。このように電極の白金において酸化被膜が形成されると、白金表面における電気化学反応の進行が抑制されるため、燃料電池における出力電流と出力電圧の関係(電流−電圧特性)が変化する。そのため、用いる燃料電池の電流−電圧特性を予め求めて、この電流−電圧特性に基づいて発電制御を行なっても、電極の白金における酸化被膜の形成に伴って電流−電圧特性が変化すると、発電制御の動作の精度が次第に低下することになる。   However, it is known that when the fuel cell continues to generate electricity, an oxide film is formed in the catalyst provided in the electrode of the fuel cell, for example, platinum (see, for example, Patent Document 1). Thus, when an oxide film is formed in platinum of an electrode, since the progress of the electrochemical reaction on the platinum surface is suppressed, the relationship between the output current and the output voltage (current-voltage characteristics) in the fuel cell changes. Therefore, even if the current-voltage characteristic of the fuel cell to be used is obtained in advance and the power generation control is performed based on this current-voltage characteristic, if the current-voltage characteristic changes as the oxide film is formed on the platinum electrode, The accuracy of the control operation gradually decreases.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、発電に伴って電極の触媒において酸化被膜の形成が進行しても、電流−電圧特性に基づく発電制御の精度を維持することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and maintains the accuracy of power generation control based on the current-voltage characteristics even when the formation of an oxide film in the electrode catalyst proceeds with power generation. The purpose is to do.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソードが備える触媒の表面における酸化被膜が形成された領域の割合である触媒酸化被膜率を、触媒の酸化物が生成される反応速度である生成反応速度と、触媒の酸化物が還元される反応速度である還元反応速度と、の差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する触媒酸化被膜率導出部と、
前記触媒酸化被膜率導出部が導出した前記触媒酸化被膜率に基づいて、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係である電流−電圧特性を導出する電流−電圧特性導出部と、
前記燃料電池に対する負荷要求を取得する負荷要求取得部と、
前記電流−電圧特性導出部が導出した前記電流−電圧特性に基づいて、前記負荷要求取得部が取得した負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る前記燃料電池における運転ポイントを設定する運転ポイント設定部と、
前記運転ポイント設定部が設定した前記運転ポイントにおいて前記燃料電池を発電させる制御部と
を備える燃料電池システム。
[Application Example 1]
A fuel cell system comprising a fuel cell,
The catalyst oxide film rate, which is the ratio of the area where the oxide film is formed on the surface of the catalyst provided in the cathode of the fuel cell, the reaction rate at which the catalyst oxide is generated, and the catalyst oxide A catalytic oxide film rate deriving unit for deriving by integrating the catalyst oxide production rate as a difference between the reduction reaction rate, which is the reaction rate to be reduced, with time;
A current-voltage characteristic deriving unit for deriving a current-voltage characteristic that is a relationship between the output current and the output voltage of the fuel cell based on the catalytic oxide film rate derived by the catalytic oxide film rate deriving unit;
A load request acquisition unit for acquiring a load request for the fuel cell;
In the fuel cell comprising the output current and the output voltage for generating electric power corresponding to the load request acquired by the load request acquisition unit based on the current-voltage characteristic derived by the current-voltage characteristic deriving unit An operation point setting section for setting operation points;
A fuel cell system comprising: a control unit that generates power at the operation point set by the operation point setting unit.

適用例1に記載の燃料電池システムによれば、触媒酸化被膜率を導出して、得られた触媒酸化被膜率に基づいて現在の電流−電圧特性を導出し、燃料電池の運転ポイントを設定している。したがって、より実際の状態に近い電流−電圧特性を用いて燃料電池の運転ポイントを設定でき、燃料電池から所望の電力を出力させる動作の精度を向上させることができる。ここで、触媒酸化被膜率は、燃料電池の発電に伴って常に変動するものであるが、触媒酸化物生成速度を時間で積分して触媒酸化被膜率を導出することにより、触媒酸化被膜率導出の精度を高めることができる。   According to the fuel cell system described in Application Example 1, the catalytic oxide film rate is derived, the current current-voltage characteristics are derived based on the obtained catalytic oxide film rate, and the operating point of the fuel cell is set. ing. Therefore, the operation point of the fuel cell can be set using the current-voltage characteristics closer to the actual state, and the accuracy of the operation for outputting the desired power from the fuel cell can be improved. Here, the catalytic oxide film rate always varies with the power generation of the fuel cell. However, the catalytic oxide film rate is derived by integrating the catalyst oxide generation rate with time to derive the catalytic oxide film rate. Can improve the accuracy.

[適用例2]
適用例1記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の出力電圧を取得する電圧取得部と、前記燃料電池の出力電流を取得する電流取得部と、前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、前記燃料電池のインピーダンスを導出するインピーダンス導出部と、を備え、前記触媒酸化被膜率導出部は、前記電圧取得部、電流取得部、および温度取得部が取得した前記燃料電池の電圧、電流、および温度と、前記インピーダンス導出部が導出した前記燃料電池のインピーダンスとを取得して、取得した電圧、電流、温度、およびインピーダンスに基づいて、前記生成反応速度および前記還元反応速度を導出する燃料電池システム。適用例2に記載の燃料電池システムによれば、電圧、電流、温度、およびインピーダンスに基づいて生成反応速度および還元反応速度を導出して、触媒酸化物生成速度を求めることにより、触媒酸化被膜率を精度良く導出することができる。
[Application Example 2]
The fuel cell system according to Application Example 1, further including a voltage acquisition unit that acquires an output voltage of the fuel cell, a current acquisition unit that acquires an output current of the fuel cell, and a temperature of the fuel cell. A temperature acquisition unit; and an impedance deriving unit for deriving an impedance of the fuel cell, wherein the catalytic oxide film rate deriving unit is configured to obtain the voltage acquisition unit, the current acquisition unit, and the temperature acquisition unit of the fuel cell. Obtaining the voltage, current, and temperature and the impedance of the fuel cell derived by the impedance deriving unit, and based on the obtained voltage, current, temperature, and impedance, the production reaction rate and the reduction reaction rate are calculated. Derived fuel cell system. According to the fuel cell system described in Application Example 2, the rate of catalytic oxide film is determined by deriving the production reaction rate and the reduction reaction rate based on the voltage, current, temperature, and impedance, and determining the production rate of the catalyst oxide. Can be derived with high accuracy.

[適用例3]
適用例2記載の燃料電池システムであって、前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値であって、該複数の値の内の一部は電流を変数として有する値を、理論起電力から減じた値として、前記燃料電池の出力電圧を表わすことにより、前記電流−電圧特性を導出し、前記複数の値の内、前記電流を変数として有する値以外の値の一つは、前記触媒酸化被膜率を変数として有して、前記触媒の酸化被膜に起因する電圧低下の程度を近似する値である燃料電池システム。適用例3に記載の燃料電池システムによれば、精度良く導出した触媒酸化被膜率を用いて触媒の酸化被膜に起因する電圧低下の程度を近似して、電流−電圧特性を導出することにより、電流−電圧特性の推定の精度を高めることができる。
[Application Example 3]
The fuel cell system according to Application Example 2, wherein the current-voltage characteristic deriving unit has a plurality of values corresponding to factors that cause the output voltage of the fuel cell to decrease with respect to the theoretical electromotive force, The current-voltage characteristic is derived by expressing the output voltage of the fuel cell by expressing a value having a current as a variable as a value obtained by subtracting the value from the theoretical electromotive force as a value among the plurality of values. One of the values other than the value having the current as a variable has the catalyst oxide film ratio as a variable and is a value approximating the degree of voltage drop caused by the oxide film of the catalyst. According to the fuel cell system described in Application Example 3, the current-voltage characteristics are derived by approximating the degree of voltage drop due to the oxide film of the catalyst using the accurately obtained catalyst oxide film rate, The accuracy of estimation of current-voltage characteristics can be improved.

[適用例4]
適用例3記載の燃料電池システムであって、前記電流−電圧特性導出部は、理論起電力から、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値を減じた値が、前記燃料電池の出力電圧であるとする式であって、前記要因に対応する値を表わす各項は各々係数を有する式において、前記触媒酸化被膜率と、前記電圧取得部が取得した出力電圧と、前記電流取得部が取得した出力電流と、に基づいて、前記式を成り立たせる値として各々の前記係数を定めることによって、前記電流−電圧特性を導出する燃料電池システム。適用例4に記載の燃料電池システムによれば、触媒酸化被膜率と電圧と電流とに基づいて、上記式を成り立たせる値としての各々の係数を求めるというフィッティングを行なうことにより、電流−電圧特性を精度良く導出することができる。
[Application Example 4]
The fuel cell system according to Application Example 3, wherein the current-voltage characteristic deriving unit subtracts a plurality of values corresponding to factors that cause the output voltage of the fuel cell to be lower than the theoretical electromotive force from the theoretical electromotive force. Is an expression that the value is the output voltage of the fuel cell, and each term representing the value corresponding to the factor has a coefficient, and is obtained by the catalytic oxide film rate and the voltage acquisition unit. A fuel cell system that derives the current-voltage characteristics by determining each coefficient as a value that satisfies the equation based on the output voltage obtained and the output current obtained by the current obtaining unit. According to the fuel cell system described in Application Example 4, the current-voltage characteristics are obtained by performing the fitting to obtain each coefficient as a value that satisfies the above formula based on the catalytic oxide film ratio, the voltage, and the current. Can be derived with high accuracy.

[適用例5]
適用例3または4記載の燃料電池システムであって、前記電流を変数として有する値の一つは、活性化過電圧に対応する値であって、電流の対数項として表わされる値である燃料電池システム。適用例5記載の燃料電池システムによれば、活性化過電圧を電流の対数項として表わすことにより、電流−電圧特性の導出の精度を高めることができる。
[Application Example 5]
5. The fuel cell system according to Application Example 3 or 4, wherein one of the values having the current as a variable is a value corresponding to an activation overvoltage and a value expressed as a logarithm term of the current. . According to the fuel cell system described in Application Example 5, by expressing the activation overvoltage as a logarithmic term of the current, it is possible to improve the accuracy of deriving the current-voltage characteristics.

[適用例6]
適用例2ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池が発電を停止したときに、発電停止時における前記燃料電池のインピーダンスを記憶するインピーダンス記憶部を備え、前記電圧取得部および前記温度取得部は、それぞれ、前記燃料電池が発電を停止した後も、前記燃料電池の電圧が0となるまでは、前記燃料電池の電圧あるいは温度の取得を継続し、前記触媒酸化被膜率導出部は、前記燃料電池が発電を停止した後、前記燃料電池の電圧が0となるまで、前記インピーダンス記憶部が記憶したインピーダンスと、前記電圧取得部が取得した電圧と、前記温度取得部が取得した温度とに基づいて、前記触媒酸化被膜率の導出を繰り返し行ない、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池が発電を停止した後に前記燃料電池の電圧が0となったときの、前記触媒酸化被膜率を記憶する触媒酸化被膜率記憶部を備え、前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池が再び発電を開始する時には、前記触媒酸化被膜率記憶部が記憶した前記触媒酸化被膜率を用いて、前記電流−電圧特性を導出する燃料電池システム。適用例6に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池が発電した後においても触媒酸化被膜率を導出するため、燃料電池の発電を再び開始する際には、実際の値により近い値を触媒酸化被膜率として用いることができる。そのため、燃料電池システムの稼働中に燃料電池の発電が一旦停止し、あるいは、燃料電池システムを停止した後に、燃料電池の発電を再び開始するときに、電流−電圧特性の導出の精度を高めることができる。
[Application Example 6]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 2 to 5, further comprising an impedance storage unit that stores an impedance of the fuel cell when power generation is stopped when the fuel cell stops power generation. And the temperature acquisition unit continue to acquire the voltage or temperature of the fuel cell until the voltage of the fuel cell becomes 0, even after the fuel cell stops generating power, and the catalytic oxide film The rate deriving unit includes the impedance stored in the impedance storage unit, the voltage acquired by the voltage acquisition unit, and the temperature acquisition unit until the voltage of the fuel cell becomes 0 after the fuel cell stops power generation. The catalyst oxide film rate is repeatedly derived based on the temperature acquired by the fuel cell system, and the fuel cell system further stops the power generation by the fuel cell. A catalyst oxide film rate storage unit for storing the catalyst oxide film rate when the voltage of the fuel cell becomes 0 after the current, and the current-voltage characteristic deriving unit starts the power generation again by the fuel cell. Sometimes, the fuel cell system derives the current-voltage characteristics using the catalyst oxide film ratio stored in the catalyst oxide film ratio storage unit. According to the fuel cell system described in the application example 6, in order to derive the catalytic oxide film rate even after the fuel cell generates power, when starting the power generation of the fuel cell again, a value closer to the actual value is set as the catalyst. It can be used as an oxide film rate. Therefore, when the power generation of the fuel cell is temporarily stopped during the operation of the fuel cell system, or when the power generation of the fuel cell is restarted after the fuel cell system is stopped, the accuracy of deriving the current-voltage characteristic is improved. Can do.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載する移動体や、燃料電池システムの制御方法、あるいは、燃料電池の電流−電圧特性の学習方法などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, a mobile body equipped with a fuel cell system, a control method for the fuel cell system, or a method for learning a current-voltage characteristic of the fuel cell. Can be realized.

電気自動車10の概略構成を表わすブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an electric vehicle 10. 燃料電池システム20の構成の概略を表わす説明図である。2 is an explanatory diagram illustrating an outline of a configuration of a fuel cell system 20. FIG. 出力制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing an output control processing routine. 燃料電池60における運転ポイント決定の動作の説明図である。6 is an explanatory diagram of an operation point determination operation in the fuel cell 60. FIG. 電流−電圧特性に対する白金酸化被膜の影響を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the influence of the platinum oxide film with respect to an electric current-voltage characteristic. IV特性推定処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing an IV characteristic estimation processing routine.

A.装置の全体構成:
図1は、本発明の実施例としての燃料電池システム20を搭載する電気自動車10の概略構成を表わすブロック図である。電気自動車10は、電力を消費する負荷として、駆動モータ32と高圧補機40と低圧補機46とを備えている。そして、これらの負荷に電力を供給する電源として、電源システム15を備えている。電源システム15と負荷との間には、配線50が設けられており、この配線50を介して、電源システム15と負荷との間で電力がやり取りされる。
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an electric vehicle 10 equipped with a fuel cell system 20 as an embodiment of the present invention. The electric vehicle 10 includes a drive motor 32, a high-voltage auxiliary machine 40, and a low-voltage auxiliary machine 46 as loads that consume electric power. A power supply system 15 is provided as a power supply for supplying power to these loads. A wiring 50 is provided between the power supply system 15 and the load, and power is exchanged between the power supply system 15 and the load via the wiring 50.

電源システム15は、燃料電池システム20と、2次電池26とを備えている。燃料電池システム20は、発電の本体である燃料電池60と、制御部48を備えている。本実施例では、制御部48は、燃料電池システム20の制御を行なうための燃料電池システム20の構成要素として機能するだけでなく、2次電池26を含む電源システム15全体の制御や、電気自動車10の各部の制御を行なう。燃料電池システム20は、さらに、燃料電池60の出力電圧を測定するための電圧センサ52と、燃料電池60の出力電流を検出するための電流センサ53と、燃料電池60のインピーダンスを検出するための交流インピーダンス測定部54と、を備えている。交流インピーダンス測定部54は、燃料電池60の両極端子に交流の電圧をその周波数を掃引しつつ入力する際に、両極端子間を流れる交流の電流を検出することにより、正負両極端子間の交流インピーダンスを測定する周知の装置である。2次電池26は、DC/DCコンバータ28を介して配線50に接続されており、DC/DCコンバータ28と、燃料電池60とは、配線50に対して並列に接続されている。   The power supply system 15 includes a fuel cell system 20 and a secondary battery 26. The fuel cell system 20 includes a fuel cell 60 that is a main body of power generation, and a control unit 48. In the present embodiment, the control unit 48 not only functions as a component of the fuel cell system 20 for controlling the fuel cell system 20, but also controls the entire power supply system 15 including the secondary battery 26, and an electric vehicle. 10 parts are controlled. The fuel cell system 20 further includes a voltage sensor 52 for measuring the output voltage of the fuel cell 60, a current sensor 53 for detecting the output current of the fuel cell 60, and an impedance for detecting the impedance of the fuel cell 60. AC impedance measurement unit 54. The AC impedance measurement unit 54 detects the AC current flowing between the bipolar terminals when the AC voltage is input to the bipolar terminals of the fuel cell 60 while sweeping the frequency thereof, whereby the AC impedance between the positive and negative bipolar terminals is detected. It is a well-known device for measuring. The secondary battery 26 is connected to the wiring 50 via the DC / DC converter 28, and the DC / DC converter 28 and the fuel cell 60 are connected in parallel to the wiring 50.

図2は、燃料電池システム20の構成であって、燃料電池60に対するガスの供給および排出に関わる構成の概略を表わす説明図である。まず、図2に基づいて、燃料電池システム20について説明する。燃料電池システム20は、燃料電池60と、燃料ガス供給部61と、ブロワ64とを備えている。燃料電池60としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池60として固体高分子形燃料電池を用いている。燃料電池60は、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施例では、単セルは、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)と、ガス拡散層と、ガスセパレータと、を備えている。ここで、MEAは、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された電極であるアノードおよびカソードと、によって構成される。このMEAは、ガス拡散層によって挟持されており、MEAおよびガス拡散層から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータによって挟持されている。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the outline of the configuration of the fuel cell system 20 and related to the supply and discharge of gas to the fuel cell 60. First, the fuel cell system 20 will be described with reference to FIG. The fuel cell system 20 includes a fuel cell 60, a fuel gas supply unit 61, and a blower 64. Although various types of fuel cells 60 can be applied, in this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 60. The fuel cell 60 has a stack configuration in which a plurality of single cells are stacked. In this embodiment, the single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly), a gas diffusion layer, and a gas separator. Here, the MEA includes an electrolyte membrane and an anode and a cathode that are electrodes formed on each surface of the electrolyte membrane. The MEA is sandwiched between gas diffusion layers, and the sandwich structure composed of MEA and gas diffusion layers is sandwiched between gas separators from both sides.

MEAを構成する電解質膜は、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示す。カソードおよびアノードは、電解質膜上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属(例えば白金)を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。カソードおよびアノードを形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粒子を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを混合して触媒ペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。   The electrolyte membrane constituting the MEA is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. The cathode and the anode are layers formed on the electrolyte membrane, and include carbon particles supporting a catalytic metal (for example, platinum) that progresses an electrochemical reaction, and a polymer electrolyte having proton conductivity. In order to form the cathode and the anode, for example, carbon particles supporting a catalyst metal such as platinum are prepared, and the catalyst supporting carbon is mixed with an electrolyte similar to the electrolyte constituting the electrolyte membrane to form a catalyst paste. The prepared catalyst paste may be applied on the electrolyte membrane.

ガス拡散層は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。ガスセパレータは、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。ガスセパレータは、MEAのアノードとの間に、水素を含有する燃料ガスの流路(セル内燃料ガス流路)を形成し、MEAのカソードとの間に、酸素を含有する酸化ガスの流路(セル内酸化ガス流路)を形成する。ガスセパレータの表面には、上記したセル内ガス流路を形成するための凹凸を形成しても良く、あるいは、ガスセパレータとガス拡散層との間に、セル内ガス流路を形成するための多孔質体を配置しても良い。   The gas diffusion layer is formed of a member having gas permeability and electronic conductivity, and may be formed of, for example, a metal member such as foam metal or metal mesh, or a carbon member such as carbon cloth or carbon paper. it can. The gas separator is formed of a gas-impermeable conductive member, for example, a carbon-made member such as dense carbon that has been made gas-impermeable by compressing carbon, or a metal member such as press-formed stainless steel. The gas separator forms a flow path of fuel gas containing hydrogen (intra-cell fuel gas flow path) between the anode of the MEA and the flow path of oxidizing gas containing oxygen between the cathode of the MEA. (In-cell oxidizing gas flow path) is formed. The surface of the gas separator may have irregularities for forming the above-described gas flow path in the cell, or for forming the gas flow path in the cell between the gas separator and the gas diffusion layer. A porous body may be disposed.

燃料電池60の内部には、さらに、セル間冷媒流路が形成されている。このような冷媒流路は、例えば、積層されたすべての単セル間、具体的には、異なる単セルを構成する隣接し合うガスセパレータ間に形成することができる。あるいは、単セルを所定数積層する毎に、ガスセパレータ間にセル間冷媒流路を形成しても良い。   An inter-cell refrigerant flow path is further formed inside the fuel cell 60. Such a refrigerant flow path can be formed, for example, between all the stacked single cells, specifically, between adjacent gas separators constituting different single cells. Alternatively, an inter-cell refrigerant flow path may be formed between gas separators every time a predetermined number of single cells are stacked.

さらに、燃料電池60には、燃料電池60を、その積層方向に貫通する複数の流路が形成されている。具体的には、各セル内燃料ガス流路へと燃料ガスを分配するための燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出された排出燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドが形成されている。また、各セル内酸化ガス流路へと酸化ガスを分配するための酸化ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路から排出された排出酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドが形成されている。さらに、各セル間冷媒流路へと冷媒を分配するための冷媒供給マニホールドと、各セル間冷媒流路から排出された冷媒が集合する冷媒排出マニホールドが形成されている。   Further, the fuel cell 60 is formed with a plurality of flow paths that penetrate the fuel cell 60 in the stacking direction. Specifically, a fuel gas supply manifold for distributing fuel gas to each in-cell fuel gas flow path, and a fuel gas discharge manifold for collecting exhaust fuel gas discharged from each in-cell fuel gas flow path are formed. Has been. In addition, an oxidizing gas supply manifold for distributing the oxidizing gas to the in-cell oxidizing gas flow paths and an oxidizing gas discharge manifold for collecting the exhaust oxidizing gases discharged from the in-cell oxidizing gas flow paths are formed. . Furthermore, a refrigerant supply manifold for distributing the refrigerant to the inter-cell refrigerant flow paths and a refrigerant discharge manifold for collecting the refrigerant discharged from the inter-cell refrigerant flow paths are formed.

上述した燃料電池60では、アノード側に燃料ガスが供給され、カソード側に酸化ガスが供給されると、以下の式(1)〜式(3)に示す電気化学反応が進行する。式(1)は、アノードで進行する反応を示し、式(2)はカソードで進行する反応を示し、燃料電池60全体では、式(3)に示す反応が進行する。   In the fuel cell 60 described above, when the fuel gas is supplied to the anode side and the oxidizing gas is supplied to the cathode side, the electrochemical reactions shown in the following formulas (1) to (3) proceed. Formula (1) indicates a reaction that proceeds at the anode, Formula (2) indicates a reaction that proceeds at the cathode, and in the fuel cell 60 as a whole, the reaction expressed by Formula (3) proceeds.

2 → 2H+ + 2e- …(1)
(1/2)O2 +2H+ + 2e- → H2O …(2)
2 + (1/2)O2 → H2O …(3)
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)

また、燃料電池60には、燃料電池60の内部温度を測定するための温度センサ67が設けられている。温度センサ67は、例えば、既述した冷媒流路の出口部(冷媒排出マニホールドの端部)に設けられた冷媒温度センサとすることができる。あるいは、温度センサ67は、燃料電池60の内部温度を直接測定するセンサ、例えば熱電対によって構成しても良い。   Further, the fuel cell 60 is provided with a temperature sensor 67 for measuring the internal temperature of the fuel cell 60. The temperature sensor 67 can be, for example, a refrigerant temperature sensor provided at the outlet portion of the refrigerant passage described above (an end portion of the refrigerant discharge manifold). Alternatively, the temperature sensor 67 may be configured by a sensor that directly measures the internal temperature of the fuel cell 60, for example, a thermocouple.

燃料ガス供給部61は、燃料ガスとしての水素含有ガスを燃料電池60に供給するための装置であって、内部に水素を貯蔵している。例えば、燃料ガス供給部61は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすれば良い。貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路62を介して燃料電池60のアノードに供給され、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス路63に導かれて再び水素ガス供給路62に流入する。このように、アノードオフガス中の残余の水素ガスは、流路内を循環して再度電気化学反応に供される。また、アノードオフガス路63には、気液分離器21が設けられると共に、気液分離器21によって分離された水を外部に排出する流路には、開閉弁22が設けられている。開閉弁22を所定のタイミングで開弁することにより、流路内を循環する燃料ガス中の水素以外の不純物(水蒸気や窒素など)を流路外に排出することができ、燃料電池60に供給される水素ガス中の不純物濃度の上昇を抑制することができる。また、アノードオフガス路63には、水素ガス供給路62とアノードオフガス路63によって構成される循環流路内で燃料ガスを循環させる駆動力を生じる水素ポンプ69が設けられている。   The fuel gas supply unit 61 is a device for supplying a hydrogen-containing gas as a fuel gas to the fuel cell 60, and stores hydrogen therein. For example, the fuel gas supply unit 61 may include a hydrogen cylinder or a hydrogen tank having a hydrogen storage alloy inside. The stored hydrogen gas is supplied to the anode of the fuel cell 60 through the hydrogen gas supply path 62, and the anode offgas discharged from the anode is guided to the anode offgas path 63 and flows into the hydrogen gas supply path 62 again. . In this way, the remaining hydrogen gas in the anode off-gas circulates in the flow path and is used again for the electrochemical reaction. The anode off gas passage 63 is provided with a gas-liquid separator 21, and an opening / closing valve 22 is provided in a flow path for discharging water separated by the gas-liquid separator 21 to the outside. By opening the on-off valve 22 at a predetermined timing, impurities (such as water vapor and nitrogen) other than hydrogen in the fuel gas circulating in the flow path can be discharged out of the flow path and supplied to the fuel cell 60. An increase in impurity concentration in the generated hydrogen gas can be suppressed. Further, the anode off gas passage 63 is provided with a hydrogen pump 69 that generates a driving force for circulating the fuel gas in a circulation passage constituted by the hydrogen gas supply passage 62 and the anode off gas passage 63.

ブロワ64は、酸化ガスとしての加圧空気を、酸化ガス供給路65を介して燃料電池60のカソード側に供給するための装置である。燃料電池60のカソード側から排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路66に導かれて外部に排出される。なお、水素ガス供給路62や酸化ガス供給路65において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器をさらに設けることとしても良い。   The blower 64 is a device for supplying pressurized air as an oxidizing gas to the cathode side of the fuel cell 60 via the oxidizing gas supply path 65. The cathode exhaust gas discharged from the cathode side of the fuel cell 60 is guided to the cathode exhaust gas channel 66 and discharged to the outside. In the hydrogen gas supply path 62 and the oxidizing gas supply path 65, a humidifier that humidifies hydrogen gas or air may be further provided.

図1に戻り、2次電池26は、鉛蓄電池や、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2次電池など種々の2次電池によって構成することができる。また、図1に示すように、2次電池26には、2次電池26の残存容量(SOC)を検出するための残存容量モニタ27が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ27は、2次電池26における充電・放電の電流値と時間とを積算するSOCメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ27は、SOCメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。2次電池26は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって2次電池26の残存容量を検出することができる。   Returning to FIG. 1, the secondary battery 26 can be composed of various secondary batteries such as a lead storage battery, a nickel-cadmium storage battery, a nickel-hydrogen storage battery, and a lithium secondary battery. Further, as shown in FIG. 1, the secondary battery 26 is provided with a remaining capacity monitor 27 for detecting the remaining capacity (SOC) of the secondary battery 26. In the present embodiment, the remaining capacity monitor 27 is configured as an SOC meter that integrates the charging / discharging current value and time in the secondary battery 26. Alternatively, the remaining capacity monitor 27 may be configured by a voltage sensor instead of the SOC meter. Since the secondary battery 26 has the property that the voltage value decreases as the remaining capacity thereof decreases, the remaining capacity of the secondary battery 26 can be detected by measuring the voltage.

2次電池26の残存容量が所定値以下になると、2次電池26は、燃料電池60によって充電される。また、電気自動車10の制動時(車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき)には、駆動モータ32を発電機として用いて車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換することによって、得られた電気エネルギで2次電池26を充電することができる。   When the remaining capacity of the secondary battery 26 falls below a predetermined value, the secondary battery 26 is charged by the fuel cell 60. Further, when the electric vehicle 10 is braked (when the driver depresses the brake when the vehicle is running), the kinetic energy of the axle is converted into electric energy by using the drive motor 32 as a generator. The secondary battery 26 can be charged with the obtained electric energy.

DC/DCコンバータ28は、出力側の目標電圧値を設定することによって、配線50における電圧を調節し、これによって燃料電池60からの出力電圧を調節して燃料電池60の出力電力を制御する。また、DC/DCコンバータ28は、2次電池26と配線50との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、2次電池26において充放電を行なう必要のないときには、2次電池26と配線50との接続を切断する。   The DC / DC converter 28 adjusts the voltage in the wiring 50 by setting a target voltage value on the output side, thereby adjusting the output voltage from the fuel cell 60 and controlling the output power of the fuel cell 60. The DC / DC converter 28 also serves as a switch for controlling the connection state between the secondary battery 26 and the wiring 50, and when the secondary battery 26 does not need to be charged / discharged, The connection with the wiring 50 is disconnected.

電源システム15から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ32は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ32は、駆動インバータ30を介して電源システム15から電力の供給を受ける。駆動インバータ30は、上記駆動モータ32の各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ32の出力軸36は、減速ギヤ34を介して車両駆動軸38に接続している。減速ギヤ34は、駆動モータ32が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸38に伝える。   The drive motor 32, which is one of the loads that receive power from the power supply system 15, is a synchronous motor and includes a three-phase coil for forming a rotating magnetic field. The drive motor 32 is supplied with power from the power supply system 15 via the drive inverter 30. The drive inverter 30 is a transistor inverter provided with a transistor as a switching element corresponding to each phase of the drive motor 32. An output shaft 36 of the drive motor 32 is connected to a vehicle drive shaft 38 via a reduction gear 34. The reduction gear 34 transmits the power output from the drive motor 32 to the vehicle drive shaft 38 after adjusting the rotational speed.

高圧補機40は、電源システム15から供給される電力を、300V程度の電圧のまま利用する装置である。図1では、高圧補機40は、電源システム15から電力を供給される負荷として電源システム15の外側に示されているが、高圧補機40の中には燃料電池システム20を構成する燃料電池補機も含まれている。高圧補機40に含まれる燃料電池補機としては、具体的にはブロワ64や水素ポンプ69が挙げられる(図2参照)。さらに、燃料電池60を冷却するために燃料電池60内部に冷却水を循環させるための冷却ポンプ(図示せず)も、燃料電池補機に含まれる。あるいは、上記冷却水を冷却するためにラジエータを用いる場合には、ラジエータが備えるラジエータファンも燃料電池補機に含まれる。燃料電池システム20に含まれない高圧補機40としては、例えば電気自動車10が備える空調設備(エアコン)等の車両補機を挙げることができる。   The high-voltage auxiliary machine 40 is a device that uses the power supplied from the power supply system 15 with a voltage of about 300V. In FIG. 1, the high-voltage auxiliary machine 40 is shown outside the power supply system 15 as a load supplied with power from the power supply system 15, but the high-voltage auxiliary machine 40 includes a fuel cell that constitutes the fuel cell system 20. Auxiliary equipment is also included. Specific examples of the fuel cell auxiliary device included in the high-pressure auxiliary device 40 include a blower 64 and a hydrogen pump 69 (see FIG. 2). Further, a cooling pump (not shown) for circulating cooling water inside the fuel cell 60 in order to cool the fuel cell 60 is also included in the fuel cell auxiliary machine. Or when using a radiator in order to cool the said cooling water, the radiator fan with which a radiator is provided is also contained in a fuel cell auxiliary machine. Examples of the high-pressure auxiliary machine 40 not included in the fuel cell system 20 include vehicle auxiliary machines such as air-conditioning equipment (air conditioner) provided in the electric vehicle 10.

低圧補機46は、駆動モータ32や高圧補機とは異なり駆動電圧が低い負荷であり、配線50に接続された降圧DC/DCコンバータ44によって電圧を12V程度に下げた電力が供給される。図1では、低圧補機46は、電源システム15から電力を供給される負荷として電源システム15の外側に示されているが、低圧補機46の中には燃料電池システム20を構成する燃料電池補機も含まれている。低圧補機46に含まれる燃料電池補機としては、具体的には、燃料電池60に燃料ガスや酸化ガスや冷却水を給排する流路に設けた流量調節バルブや、開閉弁22(図2参照)等が挙げられる。配線50の電圧が変動するときには、電圧センサ52の検出信号に基づいて降圧DC/DCコンバータ44が駆動され、低圧補機46に電力供給する際の電圧が略一定に保たれる。   The low-voltage auxiliary machine 46 is a load having a low drive voltage unlike the drive motor 32 and the high-voltage auxiliary machine, and is supplied with electric power whose voltage is reduced to about 12 V by the step-down DC / DC converter 44 connected to the wiring 50. In FIG. 1, the low-pressure auxiliary machine 46 is shown outside the power supply system 15 as a load supplied with power from the power supply system 15, but the low-pressure auxiliary machine 46 includes a fuel cell constituting the fuel cell system 20. Auxiliary equipment is also included. Specifically, the fuel cell auxiliary machine included in the low pressure auxiliary machine 46 includes a flow rate adjusting valve provided in a flow path for supplying and discharging fuel gas, oxidizing gas, and cooling water to the fuel cell 60, and the on-off valve 22 (see FIG. 2). When the voltage of the wiring 50 fluctuates, the step-down DC / DC converter 44 is driven based on the detection signal of the voltage sensor 52, and the voltage when supplying power to the low-voltage auxiliary machine 46 is kept substantially constant.

また、既述した制御部48は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPUと、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROMと、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAMと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部48は、既述したように、燃料電池システム20の制御を行なうための燃料電池システム20の構成要素として機能するだけでなく、2次電池26を含む電源システム15全体の制御や、電気自動車10の各部の制御を行なう。具体的には、制御部48は、既述した電圧センサ52や残存容量モニタ27や温度センサ67が出力する信号を取得する。さらに、制御部48は、アクセル開度や車速等の車両の運転に関する情報を取得する(図示せず)。また、制御部48は、電源システム15の各部や車両における動作に関わる各部に駆動信号を出力する。具体的には、DC/DCコンバータ28,駆動インバータ30,高圧補機40,降圧DC/DCコンバータ44、および、燃料電池システム20の各部(燃料ガス供給部61,ブロワ64,水素ポンプ69,開閉弁22)等に駆動信号を出力する。なお、上記した機能を果たす制御部48は、単一の制御部として構成される必要はない。例えば、燃料電池システム20の動作に係る制御部や、電気自動車10の駆動に係る制御部や、駆動に関わらない車両補機の制御を行なう制御部など、複数の制御部によって制御部48を構成し、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしても良い。   In addition, the control unit 48 described above is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, and various arithmetic processes performed by the CPU. A ROM in which control programs and control data necessary for data storage are stored in advance, a RAM in which various data necessary for various calculation processes by the CPU are temporarily read and written, and an input / output device for inputting and outputting various signals. An output port is provided. As described above, the control unit 48 not only functions as a component of the fuel cell system 20 for controlling the fuel cell system 20, but also controls the entire power supply system 15 including the secondary battery 26, Each part of the electric vehicle 10 is controlled. Specifically, the control unit 48 acquires signals output from the voltage sensor 52, the remaining capacity monitor 27, and the temperature sensor 67 described above. Furthermore, the control part 48 acquires the information regarding driving | operation of vehicles, such as an accelerator opening degree and a vehicle speed (not shown). The control unit 48 outputs a drive signal to each unit of the power supply system 15 and each unit related to the operation in the vehicle. Specifically, the DC / DC converter 28, the drive inverter 30, the high voltage auxiliary machine 40, the step-down DC / DC converter 44, and each part of the fuel cell system 20 (fuel gas supply unit 61, blower 64, hydrogen pump 69, opening and closing A drive signal is output to the valve 22) and the like. Note that the control unit 48 that performs the above-described function does not need to be configured as a single control unit. For example, the control unit 48 is configured by a plurality of control units such as a control unit related to the operation of the fuel cell system 20, a control unit related to driving of the electric vehicle 10, and a control unit that controls vehicle auxiliary equipment not related to driving. However, necessary information may be exchanged between the plurality of control units.

B.運転ポイント決定の概略:
図3は、電気自動車10において所定の起動スイッチが操作されて、電源システム15を用いた運転が行なわれている間、制御部48のCPUにおいて所定の間隔で繰り返し実行される出力制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
B. Outline of operation point determination:
FIG. 3 shows an output control processing routine repeatedly executed at predetermined intervals by the CPU of the control unit 48 while a predetermined start switch is operated in the electric vehicle 10 and operation using the power supply system 15 is performed. It is a flowchart showing.

本ルーチンが実行されると、制御部48のCPUは、制動時であるか否かを判断する(ステップS100)。制動時ではないと判断すると、制御部48のCPUは、電気自動車10に設けた各種のセンサから検出信号を取得する(ステップS110)。このステップS100においては、車両の駆動に関する負荷要求(以下、単に負荷要求とも呼ぶ)に係る検出信号の他に、車両補機に関する負荷要求に係る信号(例えば、車両補機が現在消費している電力量に係る信号、あるいは、車両補機の動作を変更するために使用者によって入力された指示に係る信号)も取得している。車両の駆動に関する負荷要求に係る検出信号としては、具体的には、例えば、アクセル開度センサおよび車速センサが出力する検出信号を挙げることができる。   When this routine is executed, the CPU of the controller 48 determines whether or not it is during braking (step S100). When determining that it is not during braking, the CPU of the control unit 48 acquires detection signals from various sensors provided in the electric vehicle 10 (step S110). In step S100, in addition to a detection signal related to a load request related to driving of the vehicle (hereinafter also simply referred to as a load request), a signal related to a load request related to the vehicle auxiliary equipment (for example, the vehicle auxiliary equipment is currently consuming). A signal related to the amount of electric power or a signal related to an instruction input by the user to change the operation of the vehicle auxiliary machine is also acquired. Specific examples of the detection signal related to the load request relating to the driving of the vehicle include detection signals output from an accelerator opening sensor and a vehicle speed sensor.

その後、制御部48のCPUは、ステップS110で取得した負荷要求に係る検出信号に基づいて、駆動モータ32に供給すべき電力(以下、駆動モータ所要電力と呼ぶ)を算出する(ステップS120)。具体的には、アクセル開度(アクセル加速度)に基づいて駆動モータ32における要求駆動トルクを導出する。そして、導出した要求駆動トルクと、車速から導かれる駆動モータ32の回転数とを積算することによって、駆動モータ所要電力を求めることができる。   Thereafter, the CPU of the control unit 48 calculates power to be supplied to the drive motor 32 (hereinafter referred to as drive motor required power) based on the detection signal related to the load request acquired in step S110 (step S120). Specifically, the required drive torque in the drive motor 32 is derived based on the accelerator opening (accelerator acceleration). Then, by integrating the derived required drive torque and the rotation speed of the drive motor 32 derived from the vehicle speed, the drive motor power requirement can be obtained.

駆動モータ所要電力を算出すると、制御部48は、次に、電源システム15が出力すべき電力である電源システム目標電力を算出する(ステップS130)。電源システム目標電力とは、駆動モータ所要電力に、さらに、燃料電池補機を除く他の負荷(例えば車両補機)における要求電力を加えたものであり、電源システム15が出力すべき電力の総量である。本実施例の制御部48は、上記したステップS110ないしステップS130において、燃料電池に対する負荷要求を取得する負荷要求取得部として機能する。   After calculating the drive motor power requirement, the control unit 48 next calculates the power system target power that is the power that the power system 15 should output (step S130). The power system target power is obtained by adding the required power in the load (for example, vehicle auxiliary machine) other than the fuel cell auxiliary machine to the required power of the driving motor, and the total amount of power to be output by the power supply system 15 It is. The controller 48 of this embodiment functions as a load request acquisition unit that acquires a load request for the fuel cell in the above-described steps S110 to S130.

電源システム目標電力を算出すると、次に制御部48のCPUは、この電源システム目標電力の値に基づいて、燃料電池60の運転ポイントを決定する(ステップS140)。すなわち、本実施例では、電源システム目標電力を燃料電池システム20のみから出力するものとして制御を行なっており、ステップS140では、電源システム目標電力を燃料電池システム20から出力するための、燃料電池60の運転ポイント(出力電流および出力電圧)を決定する。このとき、制御部48は、燃料電池60の電流−電圧特性に基づいて、負荷要求に対応する電力を発電するための燃料電池の運転ポイントを設定する運転ポイント設定部として機能する。そして制御部48は、燃料電池60における運転ポイントが、ステップS140で決定したポイントとなるように、電源システム15の各部に駆動信号を出力して(ステップS150)、本ルーチンを終了する。   After calculating the power supply system target power, the CPU of the control unit 48 next determines the operating point of the fuel cell 60 based on the value of the power supply system target power (step S140). That is, in this embodiment, the control is performed on the assumption that the power system target power is output only from the fuel cell system 20, and in step S140, the fuel cell 60 for outputting the power system target power from the fuel cell system 20 is used. Determine the operating point (output current and output voltage). At this time, the control unit 48 functions as an operation point setting unit that sets an operation point of the fuel cell for generating electric power corresponding to the load request based on the current-voltage characteristic of the fuel cell 60. Then, the control unit 48 outputs a drive signal to each part of the power supply system 15 so that the operation point in the fuel cell 60 becomes the point determined in step S140 (step S150), and ends this routine.

図4は、ステップS140における燃料電池60の運転ポイント決定の動作を概念的に説明するための説明図である。図4では、燃料電池60における出力電流と出力電力の関係、および、出力電流と出力電圧の関係を示している。以下の説明では、燃料電池60において出力電流と出力電圧とが図4に示すような一定の関係を示す性質を、電流−電圧特性(I−V特性)と呼ぶ。図4に示すように、燃料電池60では、出力すべき電力PFCが定まれば、そのときの出力電流の大きさIFCが定まる。また、燃料電池60の電流−電圧特性より、出力電流IFCが定まれば、そのときの出力電圧VFCが定まる。ステップS140では、制御部48のCPUは、ステップS130で決定した電源システム目標電力を燃料電池システム20から出力可能となる燃料電池60の運転ポイントとして、燃料電池60の出力電流および出力電圧を定めている。そして、ステップS150では、制御部48のCPUは、ステップS140で定めた出力電圧が出力側の目標電圧となるように、DC/DCコンバータ28に駆動信号を出力する。 FIG. 4 is an explanatory diagram for conceptually explaining the operation of determining the operating point of the fuel cell 60 in step S140. FIG. 4 shows the relationship between the output current and the output power in the fuel cell 60 and the relationship between the output current and the output voltage. In the following description, the property that the output current and the output voltage have a certain relationship as shown in FIG. 4 in the fuel cell 60 is referred to as a current-voltage characteristic (IV characteristic). As shown in FIG. 4, the fuel cell 60, if Sadamare power P FC to be output, the magnitude I FC of the output current at that time is determined. Further, if the output current I FC is determined from the current-voltage characteristics of the fuel cell 60, the output voltage V FC at that time is determined. In step S140, the CPU of the control unit 48 determines the output current and output voltage of the fuel cell 60 as the operating point of the fuel cell 60 that can output the power system target power determined in step S130 from the fuel cell system 20. Yes. In step S150, the CPU of the control unit 48 outputs a drive signal to the DC / DC converter 28 so that the output voltage determined in step S140 becomes the output-side target voltage.

なお、燃料電池60が発電を行なう際には、既述した燃料電池補機が電力を消費する。燃料電池システム20が出力する電力とは、燃料電池60の発電量から、上記燃料電池補機における消費電力を減算した電力である。燃料電池補機における消費電力は、燃料電池60の発電量に応じて定まるため、ステップS140では、燃料電池補機における消費電力を考慮して、電源システム目標電力に基づいて、燃料電池60の出力電力および運転ポイントが定められる。また、ステップS150においては、制御部48のCPUは、燃料電池60が発電すべき電力に応じた量のガスが燃料電池60に供給されるように、ブロワ64,水素ポンプ69,燃料ガス供給部61等に駆動信号を出力する。このように、配線50の電圧(燃料電池60の出力電圧)が上記出力電圧VFCとなるようにDC/DCコンバータ28を駆動すると共に、充分量のガスを燃料電池60に供給することで、燃料電池システム20からはステップS130で決定した電力が出力されるようになる。 In addition, when the fuel cell 60 generates power, the fuel cell auxiliary machine described above consumes electric power. The electric power output by the fuel cell system 20 is electric power obtained by subtracting the electric power consumed by the fuel cell auxiliary machine from the power generation amount of the fuel cell 60. Since the power consumption in the fuel cell auxiliary machine is determined according to the power generation amount of the fuel cell 60, in step S140, the output of the fuel cell 60 is output based on the power system target power in consideration of the power consumption in the fuel cell auxiliary machine. Power and operating points are defined. In step S150, the CPU of the control unit 48 causes the blower 64, the hydrogen pump 69, and the fuel gas supply unit to supply the fuel cell 60 with an amount of gas corresponding to the power to be generated by the fuel cell 60. A drive signal is output to 61 etc. Thus, by driving the DC / DC converter 28 so that the voltage of the wiring 50 (the output voltage of the fuel cell 60) becomes the output voltage V FC, and supplying a sufficient amount of gas to the fuel cell 60, The fuel cell system 20 outputs the power determined in step S130.

図4に示したように、燃料電池60は一定の電流−電圧特性を示すが、この電流−電圧特性は、種々の要因によって変動する。例えば、電流−電圧特性は、温度に応じて変動するものであり、制御部48は、温度ごとの電流−電圧特性を記憶すると共に、温度センサ67の検出信号に応じて適宜、検出した温度に応じた電流−電圧特性を選択して制御を行なう。このような制御を行なう際に、例えば温度検出の動作の誤差が大きくなったときには、制御に用いる電流−電圧特性において、実際の電流−電圧特性との間にずれが生じる。また、後述するように、燃料電池60における電極触媒で進行する酸化反応によっても、用いる電流−電圧特性に誤差が生じ得る。このように、制御に用いる電流−電圧特性に誤差が生じたときには、DC/DCコンバータ28によって燃料電池60の出力電圧をVFCに制御しても、燃料電池60からの出力電力が、所望の電源システム目標電力にならなくなる。このように、燃料電池60からの出力電力と電源システム目標電力との間に誤差が生じた場合には、生じた誤差分は、燃料電池60と並列に接続された2次電池26が吸収する。すなわち、燃料電池60の発電量が不足する場合には、不足分を2次電池26が出力し、燃料電池60の発電量が過剰である場合には、過剰分によって2次電池26が充電される。 As shown in FIG. 4, the fuel cell 60 exhibits a constant current-voltage characteristic, but this current-voltage characteristic varies depending on various factors. For example, the current-voltage characteristic varies depending on the temperature, and the control unit 48 stores the current-voltage characteristic for each temperature and appropriately detects the temperature according to the detection signal of the temperature sensor 67. Control is performed by selecting the corresponding current-voltage characteristics. When such a control is performed, for example, when an error in the temperature detection operation increases, the current-voltage characteristic used for the control is deviated from the actual current-voltage characteristic. Further, as will be described later, an error may occur in the current-voltage characteristics used by the oxidation reaction that proceeds with the electrode catalyst in the fuel cell 60. As described above, when an error occurs in the current-voltage characteristics used for the control, even if the output voltage of the fuel cell 60 is controlled to V FC by the DC / DC converter 28, the output power from the fuel cell 60 is desired. The power system target power will not be reached. Thus, when an error occurs between the output power from the fuel cell 60 and the power supply system target power, the generated error is absorbed by the secondary battery 26 connected in parallel with the fuel cell 60. . That is, when the power generation amount of the fuel cell 60 is insufficient, the secondary battery 26 outputs the shortage amount. When the power generation amount of the fuel cell 60 is excessive, the secondary battery 26 is charged by the excess amount. The

なお、ステップS100において制動時であると判断されるときには、制御部48は、回生運転モードを選択して(ステップS160)、本ルーチンを終了する。ここで、回生運転モードとは、駆動モータ32を発電機として用いることによって、車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換し、これによって2次電池26を充電する運転モードである。回生運転モードでは、駆動モータ32側から駆動インバータ30を介して配線50に対して電力が供給され、この電力はさらにDC/DCコンバータ28を介して2次電池26に供給されて2次電池26の充電が行なわれる。   When it is determined in step S100 that the vehicle is braking, the control unit 48 selects the regenerative operation mode (step S160) and ends this routine. Here, the regenerative operation mode is an operation mode in which the kinetic energy of the axle is converted into electric energy by using the drive motor 32 as a generator, thereby charging the secondary battery 26. In the regenerative operation mode, power is supplied from the drive motor 32 side to the wiring 50 via the drive inverter 30, and this power is further supplied to the secondary battery 26 via the DC / DC converter 28. Is charged.

既述した実施例では、ステップS130で算出した電源システム目標電力を全て燃料電池システム20から出力することとして、燃料電池60の運転ポイントの設定を行なっているが、異なる構成としても良い。例えば、電源システム目標電力の一部を、2次電池26から出力することとして、燃料電池60の運転ポイントを設定しても良い。   In the above-described embodiment, the operating point of the fuel cell 60 is set so that all the power supply system target power calculated in step S130 is output from the fuel cell system 20, but a different configuration may be used. For example, the operation point of the fuel cell 60 may be set by outputting a part of the power system target power from the secondary battery 26.

また、残存容量モニタ27が検出した2次電池26の残存容量が、基準値を下回るときは、燃料電池60によって2次電池26を充電する制御を行なっても良い。この場合には、ステップS130において、2次電池26を充電するための電力をさらに加算して、電源システム目標電力を設定すればよい。   Further, when the remaining capacity of the secondary battery 26 detected by the remaining capacity monitor 27 is lower than the reference value, control for charging the secondary battery 26 by the fuel cell 60 may be performed. In this case, in step S130, the power for charging the secondary battery 26 may be further added to set the power supply system target power.

C.変化するVI特性の推定の動作:
既述したように、電源システム15からの出力を制御するための燃料電池60の運転ポイントの設定は、燃料電池60の電流−電圧特性に基づいて行なうが、この電流−電圧特性は、種々の要因によって変動する。本実施例の燃料電池システム20では、現在の電流−電圧特性を常に推定し、推定した電流−電圧特性に基づいて燃料電池60の運転ポイントを設定している。特に、本実施例では、燃料電池60のカソードが備える触媒である白金の表面積に対して酸化被膜が形成されている面積の割合(白金酸化被膜率θ)を経時的に繰り返し推定し、推定した白金酸化被膜率θに基づいて電流−電圧特性を導出する(学習する)ことを特徴としている。
C. Behavior for estimating changing VI characteristics:
As described above, the setting of the operating point of the fuel cell 60 for controlling the output from the power supply system 15 is performed based on the current-voltage characteristics of the fuel cell 60. It varies depending on factors. In the fuel cell system 20 of the present embodiment, the current current-voltage characteristic is always estimated, and the operating point of the fuel cell 60 is set based on the estimated current-voltage characteristic. In particular, in this embodiment, the ratio of the area where the oxide film is formed (platinum oxide film ratio θ) to the surface area of platinum, which is the catalyst included in the cathode of the fuel cell 60, was repeatedly estimated over time and estimated. It is characterized in that current-voltage characteristics are derived (learned) based on the platinum oxide film ratio θ.

燃料電池が発電する際には、カソードが備える白金(Pt)において、白金表面に酸化被膜が形成される反応と、酸化被膜が還元される反応とが進行する。酸化被膜の形成反応が酸化被膜の還元反応よりも速く進行する場合には、白金表面において酸化被膜が増加し、酸化被膜の還元反応が酸化被膜の形成反応よりも速く進行する場合には、白金表面において酸化被膜が減少する。これらの酸化被膜の形成反応と還元反応とのそれぞれが進行する速度に影響する要因としては、主として、燃料電池の出力電圧と、出力電流と、温度と、インピーダンスとを挙げることができる。以下に、式(4)として、カソードが備える白金において進行する酸化還元反応の代表的な一例を示す。   When the fuel cell generates electric power, a reaction in which an oxide film is formed on the platinum surface and a reaction in which the oxide film is reduced progress in platinum (Pt) included in the cathode. When the oxide film formation reaction proceeds faster than the oxide film reduction reaction, the oxide film increases on the platinum surface, and when the oxide film reduction reaction proceeds faster than the oxide film formation reaction, the platinum film The oxide film is reduced on the surface. Factors affecting the rate at which each of these oxide film formation reaction and reduction reaction proceeds mainly include the output voltage, output current, temperature, and impedance of the fuel cell. Below, as a formula (4), a typical example of the oxidation-reduction reaction which advances in platinum with which a cathode is provided is shown.

Figure 2011192458
Figure 2011192458

図5は、燃料電池の電流−電圧特性に対する白金酸化被膜の影響を説明するための概念図である。図5では、燃料電池の温度を一定に保ち、充分量の燃料ガスおよび酸化ガスを燃料電池に供給しつつ、燃料電池からの出力電流を0から所定値の間で変動させたときの、出力電流と出力電圧との関係を示す。図5に示すように、電流と電圧の組み合わせから成る燃料電池の運転ポイントは、燃料電池からの出力電流を0から所定値まで徐々に増加させ、その後、出力電流を再び0へと徐々に減少させたときの、電流−電圧曲線に囲まれた範囲に収まる。すなわち、燃料電池の出力電流と出力電圧の組み合わせである運転ポイントは、ヒステリシスを示す。このような燃料電池の運転ポイントにおけるヒステリシスは、過去の発電の履歴によって現在のカソード触媒における白金酸化被膜率θが定まるという性質に起因する。具体的には、現在の白金酸化被膜の生成速度(還元速度)は、現在の運転ポイントによって定まるが、現在の白金酸化被膜率θは、今までの白金酸化被膜の生成速度(還元速度)の積算値であるため、白金酸化被膜率θはヒステリシスを示すことになる。本実施例では、燃料電池の出力電圧と、出力電流と、温度と、インピーダンスとに基づいて、経時的に現在の白金酸化還元反応の速度を求め、求めた白金酸化還元反応速度を時間で積分することにより、現在の白金酸化被膜率θを求めている。   FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the influence of the platinum oxide film on the current-voltage characteristics of the fuel cell. In FIG. 5, the output when the output current from the fuel cell is varied between 0 and a predetermined value while supplying a sufficient amount of fuel gas and oxidizing gas to the fuel cell while keeping the temperature of the fuel cell constant. The relationship between current and output voltage is shown. As shown in FIG. 5, the operating point of the fuel cell comprising a combination of current and voltage is to gradually increase the output current from the fuel cell from 0 to a predetermined value, and then gradually decrease the output current to 0 again. It falls within the range surrounded by the current-voltage curve. That is, the operating point that is a combination of the output current and output voltage of the fuel cell exhibits hysteresis. Such hysteresis at the operating point of the fuel cell is due to the property that the platinum oxide film ratio θ in the current cathode catalyst is determined by the past power generation history. Specifically, the current platinum oxide film production rate (reduction rate) is determined by the current operating point, but the current platinum oxide film rate θ is the current platinum oxide film production rate (reduction rate). Since it is an integrated value, the platinum oxide film ratio θ shows hysteresis. In this example, the current platinum oxidation-reduction reaction rate is obtained over time based on the output voltage, output current, temperature, and impedance of the fuel cell, and the obtained platinum oxidation-reduction reaction rate is integrated over time. Thus, the current platinum oxide film ratio θ is obtained.

図6は、電気自動車10で電源システム15を用いた運転が行なわれている間、制御部48のCPUにおいて所定の間隔で繰り返し実行されるIV特性推定処理ルーチンを表わすフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart illustrating an IV characteristic estimation processing routine that is repeatedly executed at predetermined intervals by the CPU of the control unit 48 while the electric vehicle 10 is being operated using the power supply system 15.

本ルーチンが実行されると、制御部48のCPUは、燃料電池60の出力電流、出力電圧、温度、およびインピーダンスを取得する(ステップS200)。ここで、出力電流、出力電圧、温度およびインピーダンスは、それぞれ、電流センサ53、電圧センサ52、温度センサ67、および交流インピーダンス測定部54の検出信号として取得する。その後、制御部48のCPUは、ステップS200で取得した燃料電池60の出力電流、出力電圧、温度、およびインピーダンスに基づいて、燃料電池60のカソードが備える白金における白金酸化被膜率θを求める(ステップS210)。   When this routine is executed, the CPU of the control unit 48 acquires the output current, output voltage, temperature, and impedance of the fuel cell 60 (step S200). Here, the output current, the output voltage, the temperature, and the impedance are acquired as detection signals of the current sensor 53, the voltage sensor 52, the temperature sensor 67, and the AC impedance measurement unit 54, respectively. Thereafter, the CPU of the control unit 48 obtains a platinum oxide film ratio θ in platinum included in the cathode of the fuel cell 60 based on the output current, output voltage, temperature, and impedance of the fuel cell 60 acquired in Step S200 (Step S200). S210).

ここで、カソードが備える白金において、白金単位面積当たりで単位時間に進行する白金酸化還元反応の速度r[mol/s/cm2]は、以下の式(5)で表わすことができる。また、また、上記した白金酸化還元反応の速度rと、白金酸化被膜率θとの関係は、以下の式(6)で表わすことができる。 Here, in the platinum provided in the cathode, the rate r [mol / s / cm 2 ] of the platinum oxidation-reduction reaction that proceeds per unit time per platinum unit area can be expressed by the following formula (5). Further, the relationship between the platinum oxidation-reduction reaction rate r and the platinum oxide film ratio θ can be expressed by the following equation (6).

Figure 2011192458
Figure 2011192458

式(5)において、kは、換算係数を表わす。αa、αcは、それぞれ、式(4)における右向き(酸化)あるいは左向き(還元)の反応における電荷の移動係数を表わす。nは、式(4)に示す反応における反応電子数を表わす。Fは、ファラデー定数を表わし、Rは、気体定数を表わす。U2は、式(4)に示す白金の酸化還元反応における平衡電位を表わす。これらの値は、予め制御部48内に記憶されている。また、式(6)において、Γmaxは、単位白金表面積当たりの、反応に使われる白金モル数(反応に寄与し得る白金総量のモル数)を表わす。Γmaxは、本実施例では、予め実験的に求められた値が、制御部48内に記憶されている。CH+は、プロトン濃度、具体的には、カソードが備える高分子電解質中におけるプロトン濃度を表わす。また、Tは温度を表わし、Vは出力電圧を表わし、RΩはインピーダンスを表わし、Iは出力電流を表わす。 In Expression (5), k represents a conversion coefficient. αa and αc represent charge transfer coefficients in the rightward (oxidation) or leftward (reduction) reaction in Formula (4), respectively. n represents the number of reaction electrons in the reaction shown in Formula (4). F represents a Faraday constant, and R represents a gas constant. U 2 represents an equilibrium potential in the oxidation-reduction reaction of platinum represented by the formula (4). These values are stored in the control unit 48 in advance. In Formula (6), Γ max represents the number of moles of platinum used for the reaction per unit platinum surface area (the number of moles of the total amount of platinum that can contribute to the reaction). In this embodiment, Γ max is stored in the control unit 48 as a value obtained experimentally in advance. C H + represents the proton concentration, specifically, the proton concentration in the polymer electrolyte provided in the cathode. Also, T is represents the temperature, V is representative of the output voltage, R Omega represents the impedance, I is representative of the output current.

式(5)は、電位と電流密度との関係を表わす周知のバトラー−ボルマーの式に基づくものである。式(5)において、右辺第1項は、式(4)において右向きに進行する白金の酸化反応の反応速度を表わし、右辺第2項は、式(4)において左向きに進行する酸化白金の還元反応の反応速度を示す。バトラー−ボルマーの式では、酸化反応あるいは還元反応の速度を電流密度によって表わしているため、式(5)では、電流密度を用いて表わした反応速度を[mol/s/cm2]を単位とする反応速度に換算するために、換算係数kを用いている。また、白金の酸化還元反応においては、式(4)における右向きの酸化反応の起こりやすさ、および、式(4)における左向きの還元反応の起こりやすさは、カソードが備える白金における白金酸化被膜率θの影響を受ける。具体的には、白金酸化被膜率θが高いほど、式(4)における左向きの還元反応の反応速度が大きくなり、白金酸化被膜率θが低いほど、式(4)における右向きの酸化反応の反応速度が大きくなる。そのため、式(5)では、各々の反応速度において白金酸化被膜率θの影響を反映するために、白金の酸化反応の反応速度を表わす右辺第1項に(1−θ)を係数として付しており、酸化白金の還元反応を表わす右辺第2項にθを係数として付している。また、白金の酸化還元反応は、カソードにおけるプロトン濃度の影響を受ける。具体的には、カソードにおけるプロトン濃度が高いほど、式(4)における左向きの還元反応の反応速度が大きくなる。そのため、式(5)では、酸化白金の還元反応を表わす右辺第2項に、プロトン濃度CH+を係数として付している。 Equation (5) is based on the well-known Butler-Volmer equation representing the relationship between potential and current density. In equation (5), the first term on the right side represents the reaction rate of the oxidation reaction of platinum that proceeds to the right in equation (4), and the second term on the right side represents the reduction of platinum oxide that proceeds to the left in equation (4). The reaction rate of the reaction is shown. In the Butler-Volmer equation, the rate of the oxidation reaction or the reduction reaction is represented by the current density. Therefore, in the equation (5), the reaction rate represented by the current density is expressed in [mol / s / cm 2 ] as a unit. The conversion factor k is used to convert the reaction rate into the reaction rate. In addition, in the oxidation-reduction reaction of platinum, the ease of the rightward oxidation reaction in formula (4) and the ease of the leftward reduction reaction in formula (4) depend on the platinum oxide film ratio in platinum provided in the cathode. Influenced by θ. Specifically, the reaction rate of the leftward reduction reaction in the equation (4) increases as the platinum oxide film rate θ increases, and the reaction of the rightward oxidation reaction in the equation (4) decreases as the platinum oxide film rate θ decreases. Increases speed. Therefore, in equation (5), in order to reflect the influence of the platinum oxide film rate θ at each reaction rate, (1-θ) is added as a coefficient to the first term on the right side representing the reaction rate of the platinum oxidation reaction. In the second term on the right side representing the reduction reaction of platinum oxide, θ is given as a coefficient. The oxidation-reduction reaction of platinum is affected by the proton concentration at the cathode. Specifically, the higher the proton concentration at the cathode, the greater the reaction rate of the leftward reduction reaction in equation (4). Therefore, in the formula (5), the proton concentration C H + is added as a coefficient to the second term on the right side representing the reduction reaction of platinum oxide.

式(6)は、白金酸化被膜率θの変化速度が、白金酸化還元反応の速度rを、単位白金表面積当たりの反応に寄与し得る白金総量のモル数Γmaxで除した値であることを表わしている。すなわち、式(6)の右辺の値を時間軸上で積分することにより、白金酸化被膜率θが求められることを表わしている。より具体的には、白金酸化被膜率θを繰り返し導出する際には、前回導出した白金酸化被膜率θに対して、現在の白金酸化還元反応速度r(現在の白金酸化被膜の生成量あるいは減少量)を加算することによって、現在の白金酸化被膜率θが求められることを表わしている。 Formula (6) shows that the rate of change of the platinum oxide film ratio θ is a value obtained by dividing the rate r of the platinum redox reaction by the number of moles Γ max of the total amount of platinum that can contribute to the reaction per unit platinum surface area. It represents. That is, it represents that the platinum oxide film ratio θ is obtained by integrating the value on the right side of the equation (6) on the time axis. More specifically, when the platinum oxide film rate θ is repeatedly derived, the current platinum oxidation-reduction reaction rate r (the current amount or decrease of the platinum oxide film produced) is reduced with respect to the previously derived platinum oxide film rate θ. This indicates that the current platinum oxide film ratio θ can be obtained by adding (quantity).

ステップS210においては、上記した式(5)および式(6)に基づいて、白金酸化被膜率θが導出される。具体的には、式(5)のI、V、T、RΩに、それぞれ、ステップS200で取得した燃料電池60の出力電流、出力電圧、温度、およびインピーダンスを代入し、式(5)および式(6)を満たす値として、白金酸化被膜率θを算出する。なお、式(5)において、プロトン濃度CH+の値は、供給あるいは排出されるガス中の水蒸気濃度および発電量に基づく電解質中の水の移動量等を求めた上で逐次算出することとしても良いが、本実施例では、実測したデータに基づいてフィッティングを行なって導出し、予め制御部48内に記憶しておいた定数を用いている。 In step S210, the platinum oxide film ratio θ is derived based on the above formulas (5) and (6). Specifically, I of equation (5), V, to T, R Omega, respectively, by substituting the output current of the obtained fuel cell 60, output voltage, temperature, and the impedance in step S200, equation (5) and The platinum oxide film ratio θ is calculated as a value satisfying the formula (6). In equation (5), the value of proton concentration C H + may be calculated sequentially after obtaining the water transfer amount in the electrolyte based on the water vapor concentration in the gas supplied or exhausted and the amount of power generation. In this embodiment, however, constants that are derived by fitting based on actually measured data and stored in the control unit 48 in advance are used.

白金酸化被膜率θを算出すると、制御部48のCPUは、白金酸化被膜率θと出力電流Iおよび出力電圧Vに基づいて、現在のI−V特性の推定を行ない(ステップS220)、本ルーチンを終了する。ステップS220において導出するI−V特性を表わす式を、式(7)として以下に示す。   When the platinum oxide film ratio θ is calculated, the CPU of the control unit 48 estimates the current IV characteristics based on the platinum oxide film ratio θ, the output current I, and the output voltage V (step S220). Exit. An equation representing the IV characteristic derived in step S220 is shown as equation (7) below.

Figure 2011192458
Figure 2011192458

式(7)の右辺第1項であるU1は、式(3)で表わした電気化学反応における理論起電力を表わす。式(7)の右辺第2項である「RΩ・I」は、抵抗過電圧を表わす。式(7)の右辺第3項である「a・ln(1−θ)」は、白金酸化被膜率θに起因して電圧が低下する程度を近似して表わす項である。式(7)の右辺第5項である「c・ln(I)」は、活性化過電圧を表わす。式(7)の右辺第4項である「b・I」および右辺第6項である「d」、すなわち、1次式として表わされている部分は、上記した過電圧および白金酸化被膜に起因する電圧低下分とは異なる要因に起因する電圧低下分を表わしている。例えば、燃料電池60においては、発電を継続していると、白金を担持しているカーボンが次第に酸化されることによる不可逆的な電極の劣化が進行するが、本実施例での式(7)では、このようなカーボン酸化に起因する電圧低下分は、上記1次式部分によって表わしている。 U 1 which is the first term on the right side of Equation (7) represents the theoretical electromotive force in the electrochemical reaction represented by Equation (3). “R Ω · I”, which is the second term on the right side of Equation (7), represents a resistance overvoltage. “A · ln (1-θ)”, which is the third term on the right side of Equation (7), is a term that approximates the degree to which the voltage decreases due to the platinum oxide film ratio θ. “C · ln (I)”, which is the fifth term on the right side of Equation (7), represents an activation overvoltage. “B · I” that is the fourth term on the right side of Equation (7) and “d” that is the sixth term on the right side, that is, the portion expressed as the primary equation is caused by the overvoltage and the platinum oxide film described above. This represents a voltage drop caused by a different factor from the voltage drop. For example, in the fuel cell 60, if the power generation is continued, the irreversible deterioration of the electrode due to the gradual oxidation of carbon carrying platinum proceeds, but the equation (7) in this embodiment Then, the voltage drop due to such carbon oxidation is represented by the above-mentioned primary expression portion.

このように、式(7)では、出力電圧Vを、理論起電力から、種々の要因に起因する電圧低下分を減算した値として表わしている。式(7)の右辺では、変数として出力電流Iを有しており、本実施例では、式(7)によって、燃料電池60の電流−電圧特性を表わしている。a,b,c,d,は、上記のような考え方に基づいて出力電圧Vを表わすことを可能にするための、パラメータである。   Thus, in Expression (7), the output voltage V is represented as a value obtained by subtracting the voltage drop due to various factors from the theoretical electromotive force. The right side of Expression (7) has an output current I as a variable. In this embodiment, the current-voltage characteristic of the fuel cell 60 is expressed by Expression (7). a, b, c, d are parameters for enabling the output voltage V to be expressed based on the above-described concept.

ステップS220では、ステップS210で導出した白金酸化被膜率θと、ステップS200で取得した出力電流Iおよび出力電圧Vを式(7)に代入することにより、現在の電流−電圧特性を表わすためのパラメータa,b,c,dを求めている。このステップS220におけるパラメータa,b,c,dの導出は、逐次パラメータ推定アルゴリズム、例えば、逐次最小二乗法を用いる。逐次最小二乗法とは、時系列で繰り返し新たなデータを取得しつつ、新たなデータを取得するたびに、この新たなデータに基づくフィッティングによって1つ前のパラメータ推定値を補正することによって、過去の全データに対してフィッティングを行なうのと同様の効果を得ようとする周知のオンライン(リアルタイム)推定アルゴリズムである。   In step S220, the platinum oxide film ratio θ derived in step S210 and the output current I and output voltage V acquired in step S200 are substituted into equation (7), thereby expressing the current current-voltage characteristics. a, b, c, d are obtained. In order to derive the parameters a, b, c, and d in step S220, a sequential parameter estimation algorithm, for example, a sequential least square method is used. Sequential least squares method is a method of acquiring past data repeatedly in time series and correcting the previous parameter estimated value by fitting based on the new data each time new data is obtained. This is a well-known online (real-time) estimation algorithm that attempts to obtain the same effect as fitting to all data.

既述した出力制御処理ルーチンのステップS140で燃料電池60の運転ポイントを設定する際には、燃料電池60の電流−電圧特性として、IV特性推定処理ルーチンのステップS220で導出した値をパラメータa、b、c、dに代入した式(7)を用いる。具体的には、以下のようにして運転ポイントを求めればよい。以下に示す式(8)は、式(7)の両辺に、出力電流Iを乗じて得られる式である。式(8)において、Wは、燃料電池60の出力電力を表わす。   When setting the operation point of the fuel cell 60 in step S140 of the output control processing routine described above, the value derived in step S220 of the IV characteristic estimation processing routine is set as the parameter a, the current-voltage characteristic of the fuel cell 60. Equation (7) substituted for b, c, and d is used. Specifically, the driving point may be obtained as follows. Expression (8) shown below is an expression obtained by multiplying both sides of Expression (7) by the output current I. In Expression (8), W represents the output power of the fuel cell 60.

Figure 2011192458
Figure 2011192458

式(8)に示すように、燃料電池60からの出力は、出力電流Iを変数として表わすことができる。ステップS140では、この式(8)において、出力電力Wとして、ステップS130で算出した電源システム目標電力を代入し、白金酸化被膜率θとして、ステップS210で導出した値を代入し、インピーダンスRΩとして、取得した最新のインピーダンスの値を代入し、パラメータa、b、c、dに、ステップS220で導出した値を代入する。これにより、電源システム目標電力を燃料電池60から出力するための、燃料電池60の目標出力電流Iを算出することができる。そして、上記した電源システム目標電力および目標出力電流Iに基づいて、電源システム目標電力を燃料電池60から出力するための、燃料電池60の目標出力電圧Vを算出することができる。これにより、燃料電池60の運転ポイントを設定することができる。 As shown in Expression (8), the output from the fuel cell 60 can represent the output current I as a variable. In step S140, the power system target power calculated in step S130 is substituted as the output power W in the equation (8), the value derived in step S210 is substituted as the platinum oxide film ratio θ, and the impedance is obtained. The obtained latest impedance value is substituted, and the values derived in step S220 are substituted for the parameters a, b, c, and d. Thereby, the target output current I of the fuel cell 60 for outputting the power system target power from the fuel cell 60 can be calculated. Based on the power system target power and the target output current I, the target output voltage V of the fuel cell 60 for outputting the power system target power from the fuel cell 60 can be calculated. Thereby, the operating point of the fuel cell 60 can be set.

なお、図3に示すステップS160において回生運転モードが選択されたときに、回生電力量が充分であれば燃料電池60の発電は行なわれない。しかしながら、燃料電池60の発電を行なわない、すなわち燃料電池の運転ポイントの設定を行なわない場合であっても、図6に示した白金酸化被膜率θを導出するための学習の動作は継続して行なえば良い。この場合には、式(5)において、出力電流Iには0を代入すると共に、出力電圧Vおよび燃料電池温度Tには、新たに検出した値を代入することによって、ステップS210と同様にして白金酸化被膜率θを導出し続ければよい。これにより、再び負荷要求が高まって燃料電池60の発電を再開するときには、継続して導出していた白金酸化被膜率θを用いて電流−電圧特性を導出し、運転ポイントの設定を行なうことが可能になる。   Note that when the regenerative operation mode is selected in step S160 shown in FIG. 3, if the amount of regenerative power is sufficient, the fuel cell 60 does not generate power. However, the learning operation for deriving the platinum oxide film ratio θ shown in FIG. 6 continues even when the fuel cell 60 does not generate power, that is, when the operating point of the fuel cell is not set. Just do it. In this case, in Expression (5), 0 is substituted for the output current I, and newly detected values are substituted for the output voltage V and the fuel cell temperature T, as in step S210. It is only necessary to continue to derive the platinum oxide film ratio θ. Thus, when the load demand increases again and the power generation of the fuel cell 60 is resumed, the current-voltage characteristics can be derived using the platinum oxide film ratio θ that has been continuously derived, and the operating point can be set. It becomes possible.

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム20を備える電源システム15によれば、白金酸化被膜率θを導出して、得られた白金酸化被膜率θに基づいて現在の電流−電圧特性を推定し、推定した電流−電圧特性に基づいて燃料電池60の運転ポイントを設定している。したがって、より実際の状態に近い電流−電圧特性を用いて燃料電池の運転ポイントを設定することが可能となり、燃料電池から所望の電力を出力させる動作の精度を向上させることができる。   According to the power supply system 15 including the fuel cell system 20 of the present embodiment configured as described above, the current-voltage is calculated based on the platinum oxide film rate θ obtained by deriving the platinum oxide film rate θ. The characteristics are estimated, and the operating point of the fuel cell 60 is set based on the estimated current-voltage characteristics. Therefore, it becomes possible to set the operating point of the fuel cell using current-voltage characteristics that are closer to the actual state, and the accuracy of the operation of outputting desired power from the fuel cell can be improved.

特に、白金酸化被膜率θは、単に現在の出力電圧等に基づいて一義的に求められるものではなく、燃料電池出力の過去の履歴によって定まる値である。そのため、燃料電池出力を反映する値を用いて白金酸化被膜率θを導出する動作を継続的に行なうことにより、初めて精度良く白金酸化被膜率θを導出することが可能になる。本実施例では、白金酸化被膜率θを求める際に、白金の酸化反応の反応速度と還元反応の反応速度の差としての白金酸化還元反応速度rを、時間で積分して、白金酸化被膜率θを求めている。これにより、燃料電池の電流−電圧特性における白金酸化被膜に起因するヒステリシスを精度良く反映させて、現在の電流−電圧特性の精度良い導出を可能にしている。   In particular, the platinum oxide film ratio θ is not uniquely determined based merely on the current output voltage or the like, but is a value determined by the past history of fuel cell output. Therefore, the platinum oxide film ratio θ can be derived with high accuracy for the first time by continuously performing the operation of deriving the platinum oxide film ratio θ using the value reflecting the fuel cell output. In this example, when the platinum oxide film ratio θ is determined, the platinum oxidation-reduction reaction speed r, which is the difference between the reaction speed of the platinum oxidation reaction and the reaction speed of the reduction reaction, is integrated over time to obtain the platinum oxide film ratio. θ is obtained. Thereby, the hysteresis resulting from the platinum oxide film in the current-voltage characteristics of the fuel cell is accurately reflected, and the current current-voltage characteristics can be accurately derived.

例えば、燃料電池の電流−電圧特性を一次式で近似し、燃料電池の出力電流および出力電圧に基づいた学習によって近似式を補正し続ける構成も考えられる。しかしながら、常に変動する白金の酸化反応速度と還元反応速度の差としての白金酸化還元反応速度rに起因する白金酸化被膜率θの影響は、一次式によって充分に表わすことはできない。そのため、電流−電圧特性全体を一次式で近似しようとすると、白金酸化被膜率θに起因する誤差が非常に大きくなってしまう場合がある。本実施例では、電流−電圧特性において白金酸化被膜率θの影響を反映させる際に、式(7)に示すように、(1−θ)、すなわち、白金酸化被膜に覆われていない領域の割合の対数項を用いているため、白金酸化被膜率θを考慮して電流−電圧特性を導出する精度を、さらに高めることができる。   For example, a configuration in which the current-voltage characteristic of the fuel cell is approximated by a linear expression and the approximate expression is continuously corrected by learning based on the output current and output voltage of the fuel cell is also conceivable. However, the influence of the platinum oxide film ratio θ due to the platinum oxidation-reduction reaction rate r as the difference between the constantly changing platinum oxidation reaction rate and the reduction reaction rate cannot be sufficiently expressed by the linear equation. Therefore, if an attempt is made to approximate the entire current-voltage characteristic with a linear expression, the error due to the platinum oxide film ratio θ may become very large. In this example, when reflecting the influence of the platinum oxide film ratio θ on the current-voltage characteristics, as shown in the equation (7), (1−θ), that is, the region not covered with the platinum oxide film. Since the logarithmic term of the ratio is used, the accuracy of deriving the current-voltage characteristic in consideration of the platinum oxide film ratio θ can be further increased.

白金の酸化反応速度と還元反応速度とは、既述したように、燃料電池の運転状態の変動に伴って常に変化するものであり、その結果としての白金酸化被膜率θも常に変動する。このように、燃料電池の運転ポイント設定に対する白金酸化被膜率θの影響は、燃料電池の電流−電圧特性に影響する他の要因(例えば燃料電池の温度や供給ガス量、あるいは触媒が備えるカーボンの酸化)の影響と比較すると、比較的短い時間内で極めて大きいということができる。したがって、燃料電池の出力制御を、負荷要求に応じて短い時間間隔で繰り返し行なう際には、白金酸化被膜率θの影響を考慮することによる電流−電圧特性導出の精度の向上は、燃料電池からの出力制御の精度において、極めて大きな効果をもたらす。   As described above, the oxidation reaction rate and the reduction reaction rate of platinum always change with the change in the operating state of the fuel cell, and the resulting platinum oxide film ratio θ also always changes. Thus, the influence of the platinum oxide film ratio θ on the fuel cell operating point setting is influenced by other factors that affect the current-voltage characteristics of the fuel cell (for example, the temperature of the fuel cell, the amount of gas supplied, or the carbon content of the catalyst). Compared with the influence of (oxidation), it can be said that it is extremely large in a relatively short time. Therefore, when the output control of the fuel cell is repeatedly performed at short time intervals according to the load requirement, the improvement in the accuracy of the current-voltage characteristic derivation by considering the influence of the platinum oxide film ratio θ is In the output control accuracy, it has a great effect.

上記のように、導出する電流−電圧特性が真の値に近づく精度が高まり、設定した運転ポイントによって、所望の電力により近い電力を燃料電池から出力可能になるため、2次電池26における制御の誤差分を吸収するための充放電を抑制することができる。ここで、2次電池26が充放電する際には、充放電に伴う損失としての熱損失が生じる。制御誤差に起因する2次電池26の充放電を抑制することにより、2次電池26における熱損失を抑制することができ、電源システム15全体のエネルギ効率を高めることができる。その結果、電気自動車10においては、燃費を向上させることができる。   As described above, the accuracy with which the derived current-voltage characteristic approaches a true value is increased, and the power closer to the desired power can be output from the fuel cell depending on the set operation point. Charging / discharging for absorbing the error can be suppressed. Here, when the secondary battery 26 is charged and discharged, heat loss occurs as a loss associated with charging and discharging. By suppressing charging / discharging of the secondary battery 26 due to the control error, heat loss in the secondary battery 26 can be suppressed, and the energy efficiency of the entire power supply system 15 can be increased. As a result, in the electric vehicle 10, fuel consumption can be improved.

また、本実施例では、式(7)に基づいて電流−電圧特性を導出する際に、活性化過電圧を、出力電流Iの対数項として表わしている。これにより、活性化過電圧を考慮して電流−電圧特性を導出する精度を、例えば電流−電圧特性を一次式によって近似する構成に比べて、大きく向上させることができる。   In this embodiment, the activation overvoltage is expressed as a logarithmic term of the output current I when the current-voltage characteristic is derived based on the equation (7). Thereby, the accuracy of deriving the current-voltage characteristic in consideration of the activation overvoltage can be greatly improved as compared with, for example, a configuration in which the current-voltage characteristic is approximated by a linear expression.

D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

D1.変形例1:
実施例では、式(7)に基づいて燃料電池60の電流−電圧特性を導出したが、異なる構成としても良い。例えば、理論起電力に対して出力電圧を低下させる過電圧としては抵抗過電圧および活性化過電圧の他に、濃度過電圧がある。濃度過電圧は、出力電流が大きい発電状態以外では相対的な影響が非常に小さいため、実施例の式(7)では、濃度過電圧を特別に考慮していない。すなわち、濃度過電圧の影響は、結果的に1次式部分に含めている。しかしながら、式(7)において、理論起電力U1からの電圧低下分を表わす項として、濃度過電圧を表わす項をさらに設けても良い。式(7)においてさらに濃度過電圧を考慮した電流−電圧特性を表わす式を、式(9)として以下に示す。式(9)において、eは、a〜dと同様のフィッティングのためのパラメータである。触媒近傍酸素分圧(カソードの触媒近傍の酸素分圧)が小さいほど、濃度過電圧は大きくなり、式(9)の右辺第7項は小さくなる。
D1. Modification 1:
In the embodiment, the current-voltage characteristics of the fuel cell 60 are derived based on the formula (7), but different configurations may be used. For example, overvoltage that lowers the output voltage with respect to the theoretical electromotive force includes concentration overvoltage in addition to resistance overvoltage and activation overvoltage. Since the concentration overvoltage has a relatively small relative influence except in the power generation state where the output current is large, the equation (7) in the embodiment does not take the concentration overvoltage into consideration. That is, the influence of the concentration overvoltage is included in the primary equation portion as a result. However, in Equation (7), a term representing the concentration overvoltage may be further provided as a term representing the voltage drop from the theoretical electromotive force U 1 . An expression representing a current-voltage characteristic in consideration of the concentration overvoltage in Expression (7) is shown below as Expression (9). In equation (9), e is a parameter for fitting similar to a to d. The smaller the catalyst partial oxygen partial pressure (oxygen partial pressure in the vicinity of the cathode catalyst), the greater the concentration overvoltage, and the seventh term on the right side of equation (9) becomes smaller.

Figure 2011192458
Figure 2011192458

式(9)における触媒近傍酸素分圧の求め方の一例を以下に説明する。燃料電池60が充分に昇温して充分量のガスが供給されている定常状態で発電する際には、セル内酸化ガス流路から触媒近傍への酸素流量は、発電による酸素消費量に等しいと考えられる。セル内酸化ガス流路から触媒近傍への酸素流量は、セル内酸化ガス流路における酸素分圧(流路酸素分圧)と触媒近傍酸素分圧との差に比例すると考えられる。したがって、比例定数をDとすると、以下の式(10)が成り立つ。よって、式(10)から、触媒近傍酸素分圧を求めるための式(11)が得られる。なお、酸素の拡散速度と酸素分圧差との比例定数Dは、予め実験的に定めて制御部48内に記憶しておけばよい。   An example of how to determine the catalyst partial oxygen partial pressure in equation (9) will be described below. When generating power in a steady state where the fuel cell 60 is sufficiently heated and supplied with a sufficient amount of gas, the oxygen flow rate from the in-cell oxidizing gas flow path to the vicinity of the catalyst is equal to the amount of oxygen consumed by power generation. it is conceivable that. The oxygen flow rate from the in-cell oxidizing gas channel to the vicinity of the catalyst is considered to be proportional to the difference between the oxygen partial pressure in the in-cell oxidizing gas channel (channel oxygen partial pressure) and the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst. Therefore, when the proportionality constant is D, the following formula (10) is established. Therefore, from equation (10), equation (11) for determining the catalyst partial oxygen partial pressure is obtained. The proportional constant D between the oxygen diffusion rate and the oxygen partial pressure difference may be experimentally determined in advance and stored in the control unit 48.

Figure 2011192458
Figure 2011192458

式(11)に基づいて触媒近傍酸素分圧を求める際に、発電による酸素消費量は、燃料電池60における現在の発電量と式(2)に基づいて算出することができる。また、流路酸素分圧は、以下に示す式(12)に基づいて求めることができる。式(12)では、セル内酸化ガス流路における酸化ガスの圧力を「エア圧力」、酸化ガス排出マニホールドの出口部における酸素流量を「FC出口酸素流量」、酸化ガス排出マニホールドの出口部における排出酸化ガスの流量を「FC出口エア流量」、酸化ガス供給マニホールドへと流入する酸化ガスの流量を「FC入口エア流量」と記載している。   When obtaining the catalyst vicinity oxygen partial pressure based on the equation (11), the oxygen consumption amount by power generation can be calculated based on the current power generation amount in the fuel cell 60 and the equation (2). Further, the channel oxygen partial pressure can be obtained based on the following equation (12). In equation (12), the pressure of the oxidizing gas in the oxidizing gas flow channel in the cell is “air pressure”, the oxygen flow rate at the outlet of the oxidizing gas discharge manifold is “FC outlet oxygen flow rate”, and the discharge at the outlet of the oxidizing gas discharge manifold The flow rate of the oxidizing gas is described as “FC outlet air flow rate”, and the flow rate of the oxidizing gas flowing into the oxidizing gas supply manifold is described as “FC inlet air flow rate”.

Figure 2011192458
Figure 2011192458

ステップS220において式(9)に基づいて電流−電圧特性を導出する場合には、さらに、セル内酸化ガス流路あるいはセル内酸化ガス流路に連通する流路に圧力センサを設けて「エア圧力」を検出すると共に、燃料電池に連通する酸化ガス流路に設けた流量センサによって「FC入口エア流量」を常に繰り返し検出する。そして、これらの値を用いて式(12)、式(11)に基づいて流路酸素分圧および触媒近傍酸素分圧を求め、式(7)に基づく実施例と同様にして、式(9)に基づいて電流−電圧特性を導出すればよい。   When the current-voltage characteristic is derived based on the equation (9) in step S220, a pressure sensor is further provided in the in-cell oxidizing gas channel or the channel communicating with the in-cell oxidizing gas channel. ", And the" FC inlet air flow rate "is always detected repeatedly by the flow rate sensor provided in the oxidizing gas flow path communicating with the fuel cell. Then, using these values, the flow channel oxygen partial pressure and the catalyst vicinity oxygen partial pressure are obtained based on the equations (12) and (11), and the equation (9) is obtained in the same manner as in the embodiment based on the equation (7). ) To derive the current-voltage characteristics.

D2.変形例2:
実施例における式(7)に基づく電流−電圧特性の導出において、さらに異なる変形を行なっても良い。例えば、式(7)において、抵抗過電圧と活性化過電圧の少なくとも一方については、電圧低下分を表わす項として別途近似するのではなく、1次式の部分に含ませてフィッティングを行なうこととしても良い。
D2. Modification 2:
In the derivation of the current-voltage characteristics based on the expression (7) in the embodiment, further different modifications may be made. For example, in equation (7), at least one of the resistance overvoltage and the activation overvoltage is not separately approximated as a term representing the voltage drop, but may be included in the primary equation portion for fitting. .

抵抗過電圧および活性化過電圧は、白金酸化被膜率の影響と同様に直線的に変化する値ではないため、このように電圧低下分を表わす項として別途近似することにより、電流−電圧特性の導出の精度を向上させることができる。しかしながら、電圧を降下させる要因のうちで、変化の影響が1次式からはずれる程度は、白金酸化被膜率θの影響が最も大きいと考えられる。そのため、式(7)のように電流−電圧特性を表わす式において、濃度過電圧、抵抗過電圧、活性化過電圧という3つの過電圧の少なくとも一つに起因する電圧低下分については、1次式部分「−b・I+d」に含めることとして、当該過電圧を近似する項を特別に設けないこととしても良い。この場合にも、理論起電力からの電圧低下要因の内、白金酸化被膜率θに起因する電圧低下分を、白金酸化被膜率θを用いた対数項によって表わすと共に、他の要因による電圧低下分の少なくとも一つを、電流を変数として有する項によって表わすことにより、電流−電圧特性の導出の精度を高める実施例と同様の効果を得ることができる。   The resistance overvoltage and the activation overvoltage are not values that change linearly in the same manner as the influence of the platinum oxide film ratio. Thus, by separately approximating the terms representing the voltage drop, the current-voltage characteristics can be derived. Accuracy can be improved. However, it is considered that the influence of the platinum oxide film ratio θ is the greatest to the extent that the influence of the change deviates from the linear expression among the factors that cause the voltage to drop. Therefore, in the expression representing the current-voltage characteristic as shown in Expression (7), the voltage drop caused by at least one of the three overvoltages, that is, the concentration overvoltage, the resistance overvoltage, and the activation overvoltage, As a result of inclusion in “b · I + d”, a term approximating the overvoltage may not be provided. Also in this case, among the voltage drop factors from the theoretical electromotive force, the voltage drop due to the platinum oxide film ratio θ is represented by a logarithmic term using the platinum oxide film ratio θ, and the voltage drop due to other factors. By representing at least one of these by a term having a current as a variable, it is possible to obtain the same effect as that of the embodiment in which the accuracy of deriving the current-voltage characteristic is improved.

D3.変形例3:
また、電流−電圧特性を導出する際に、電圧を理論起電力から降下させる過電圧を近似する項として、実施例や既述した変形例とは異なる項を用いても良い。例えば、式(7)においては、活性化過電圧に起因する影響を表わすために、「c・lnI」という右辺第5項を設けたが、この右辺第5項に代えて、「c・ln(I+i_n)」という項を設けても良い。
D3. Modification 3:
Further, when deriving the current-voltage characteristics, a term different from the examples and the modifications already described may be used as a term that approximates an overvoltage that causes the voltage to drop from the theoretical electromotive force. For example, in the expression (7), the fifth term on the right side “c · lnI” is provided in order to express the influence caused by the activation overvoltage, but instead of the fifth term on the right side, “c · ln ( The term “I + i_n)” may be provided.

上記した「i_n」は、内部電流である。燃料電池の発電時には、アノード側からカソード側へと電解質膜を水素が透過して、透過した水素がカソードにおいて酸素と反応する現象が起こる。このような反応を内部電流として扱い、水素透過量をn「mol/s」とすると、内部電流i_nは、以下の式(13)で表わすことができる。   The above “i_n” is an internal current. During power generation of the fuel cell, a phenomenon occurs in which hydrogen permeates through the electrolyte membrane from the anode side to the cathode side, and the permeated hydrogen reacts with oxygen at the cathode. When such a reaction is treated as an internal current and the hydrogen permeation amount is n “mol / s”, the internal current i_n can be expressed by the following equation (13).

i_n = n/(2F)[A] …(13)
ただし、Fは、ファラデー定数。
i_n = n / (2F) [A] (13)
Where F is a Faraday constant.

そのため、活性化過電圧を表わす項は、「c・ln(I+i_n)」とすることができる。内部電流i_nは、例えば、水素透過量を温度やインピーダンスのマップとして予め制御部48内に記憶しておき、検出した温度およびインピーダンスを用いて上記マップを参照することによって求めることができる。また、水素透過量は、燃料電池の劣化の度合い(電解質膜の劣化の度合い)によって変化する。そのため、パラメータa、b、c、dのフィッティングを行なう式(7)と同様に、燃料電池の出力電流、出力電圧等の検出値に適合するように、学習を行ないつつ水素透過量を求めることとしても良い。   Therefore, the term representing the activation overvoltage can be “c · ln (I + i_n)”. The internal current i_n can be obtained, for example, by storing the hydrogen permeation amount in advance in the control unit 48 as a map of temperature and impedance and referring to the map using the detected temperature and impedance. Further, the hydrogen permeation amount varies depending on the degree of deterioration of the fuel cell (degree of deterioration of the electrolyte membrane). For this reason, the hydrogen permeation amount is obtained while learning so as to match the detected values of the output current, output voltage, etc. of the fuel cell, similarly to the equation (7) for fitting the parameters a, b, c, d. It is also good.

D4.変形例4:
実施例では、白金酸化被膜率θを逐次導出し、導出した白金酸化被膜率θを用いて、式(7)に基づいて、現在の電流−電圧特性を導出しているが、導出した白金酸化被膜率θを用いて電流−電圧特性を導出する動作は、異なる構成としても良い。例えば、図4に示したような電流−電圧特性としてのI−V曲線(実際には、電流と電圧の組み合わせとしての数列)を、白金酸化被膜率θ毎、および、燃料電池の温度毎に用意して、制御部48内に記憶しておく。そして、ステップS220では、検出した燃料電池温度と、ステップS210で求めた白金酸化被膜率θに応じて、記憶しておいたI−V曲線から現在のI−V曲線を選択し、選択したI−V曲線を用いて運転ポイント設定の制御を行なえばよい。逐次導出した白金酸化被膜率θから得られる電流−電圧特性に基づいて運転ポイントを設定するならば、白金酸化被膜の増減に起因する短期的な電流−電圧特性の変化に追従して、運転ポイント設定の精度を向上させる同様の効果が得られる。
D4. Modification 4:
In the embodiment, the platinum oxide film ratio θ is sequentially derived, and the current current-voltage characteristics are derived based on the formula (7) using the derived platinum oxide film ratio θ. The operation for deriving the current-voltage characteristic using the coating rate θ may be different. For example, an IV curve as a current-voltage characteristic as shown in FIG. 4 (actually, several sequences as a combination of current and voltage) is obtained for each platinum oxide film ratio θ and for each temperature of the fuel cell. Prepared and stored in the control unit 48. In step S220, the current IV curve is selected from the stored IV curves according to the detected fuel cell temperature and the platinum oxide film ratio θ obtained in step S210, and the selected I-V curve is selected. The operation point setting may be controlled using the −V curve. If the operation point is set based on the current-voltage characteristic obtained from the sequentially derived platinum oxide film ratio θ, the operation point follows the short-term change in the current-voltage characteristic caused by the increase or decrease of the platinum oxide film. The same effect that improves the setting accuracy can be obtained.

D5.変形例5:
実施例では、ステップS160において回生運転モードが選択されて燃料電池60の発電が行なわれない期間においても、図6に示した白金酸化被膜率θを導出する動作は継続して行なうこととしている。同様に、電源システム15の停止時にも、白金酸化被膜率θを導出する動作を継続することとしても良い。
D5. Modification 5:
In the embodiment, the operation for deriving the platinum oxide film ratio θ shown in FIG. 6 is continuously performed even during the period in which the regenerative operation mode is selected in step S160 and the power generation of the fuel cell 60 is not performed. Similarly, the operation for deriving the platinum oxide film ratio θ may be continued even when the power supply system 15 is stopped.

すなわち、電気自動車10において、所定の停止スイッチが操作されると、電源システム15からの電力供給は、次回に所定の起動スイッチが操作されるまで停止される。このように電気自動車10の停止の指示がなされた後には、式(5)において、出力電流Iには0を代入すると共に、出力電圧Vおよび燃料電池温度Tには、新たに検出した値を代入することによって、ステップS210と同様にして白金酸化被膜率θを導出し続ければよい。燃料電池が発電を停止した後には、燃料電池の電圧は、開回路電圧(OCV)から0へと次第に低下するが、電圧が0になるまでの間は、電圧および温度の影響を受けて白金酸化被膜率θは変動する。上記のように、燃料電池が発電を停止した後にも白金酸化被膜率θを導出し続けることにより、燃料電池の電圧が0になった時点での白金酸化被膜率θを求めることができる。これにより、電気自動車10を再起動して燃料電池60の発電を再開するときには、電圧が0となったときの白金酸化被膜率θを利用して電流−電圧特性を導出し、精度良く運転ポイントの設定を行なうことが可能になる。   That is, in the electric vehicle 10, when a predetermined stop switch is operated, the power supply from the power supply system 15 is stopped until the predetermined start switch is operated next time. After the electric vehicle 10 is instructed to stop in this way, in Expression (5), 0 is substituted for the output current I, and newly detected values are used for the output voltage V and the fuel cell temperature T. By substituting, it is sufficient to continue to derive the platinum oxide film ratio θ in the same manner as in step S210. After the fuel cell stops generating power, the voltage of the fuel cell gradually decreases from the open circuit voltage (OCV) to 0, but until the voltage reaches 0, it is affected by the voltage and temperature. The oxide film ratio θ varies. As described above, by continuously deriving the platinum oxide film rate θ even after the fuel cell stops power generation, the platinum oxide film rate θ when the voltage of the fuel cell becomes zero can be obtained. Thus, when the electric vehicle 10 is restarted and the power generation of the fuel cell 60 is resumed, the current-voltage characteristic is derived using the platinum oxide film ratio θ when the voltage becomes 0, and the operation point is accurately performed. Can be set.

なお、電気自動車10の停止時には、上記した白金酸化被膜率θの導出を繰り返す動作を行なうことなく、燃料電池60の発電停止時における白金酸化被膜率θを記憶して、再起動時には、記憶した値を用いて電流−電圧特性導出部を導出してもよい。再起動時の白金酸化被膜率θとして、燃料電池60の発電停止時の値を用いる場合には、燃料電池60の発電停止後にも白金酸化被膜率θの導出を行なった場合に比べて、再起動時における運転ポイント設定の精度が不十分となる可能性がある。しかしながら、発電開始と共に、白金酸化被膜率θを繰り返し導出する動作が開始され、電流−電圧特性をフィッティングする学習制御が開始される。そのため、燃料電池60の発電停止時の白金酸化被膜率θを用いる場合であっても、再起動後に燃料電池システムの暖機運転を行なう間に、電流−電圧特性を導出する精度を充分に高めることが可能になる。   When the electric vehicle 10 is stopped, the platinum oxide film rate θ when the power generation of the fuel cell 60 is stopped is stored without repeating the above-described operation of deriving the platinum oxide film rate θ, and is stored when the electric vehicle 10 is restarted. The current-voltage characteristic deriving unit may be derived using the value. When the value at the time of stopping the power generation of the fuel cell 60 is used as the platinum oxide film ratio θ at the time of restarting, compared with the case where the platinum oxide film ratio θ is derived even after the power generation of the fuel cell 60 is stopped. There is a possibility that the operation point setting accuracy at the time of start-up is insufficient. However, the operation for repeatedly deriving the platinum oxide film ratio θ is started with the start of power generation, and learning control for fitting the current-voltage characteristics is started. Therefore, even when the platinum oxide film ratio θ when power generation of the fuel cell 60 is stopped is used, the accuracy of deriving the current-voltage characteristics is sufficiently increased during the warm-up operation of the fuel cell system after restarting. It becomes possible.

D6.変形例6:
実施例では、カソードが備える触媒として白金を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、白金以外の貴金属を触媒として用いても良い。白金以外の触媒を用いる場合であっても、電極電位によっては触媒における酸化被膜形成に起因する電池性能の低下が起こり得る。そのため、実施例と同様に触媒酸化被膜率を導出して電流−電圧特性を推定することにより、実施例と同様の効果を得ることができる。
D6. Modification 6:
In the embodiment, platinum is used as the catalyst provided in the cathode, but a different configuration may be used. For example, a noble metal other than platinum may be used as the catalyst. Even when a catalyst other than platinum is used, depending on the electrode potential, battery performance may be reduced due to the formation of an oxide film on the catalyst. Therefore, the same effect as that of the embodiment can be obtained by deriving the catalytic oxide film ratio and estimating the current-voltage characteristics in the same manner as in the embodiment.

D7.変形例7:
実施例では、燃料電池システム20は、2次電池26を備える電源システム15に含まれることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、2次電池26に代えて、あるいは2次電池26に加えて、他種の蓄電器(例えばキャパシタ)を備えることとしても良い。あるいは、蓄電器を備えることなく、燃料電池のみを電源として用いる電源システムであっても良い。
D7. Modification 7:
In the embodiment, the fuel cell system 20 is included in the power supply system 15 including the secondary battery 26, but may have a different configuration. For example, instead of the secondary battery 26 or in addition to the secondary battery 26, another type of battery (for example, a capacitor) may be provided. Alternatively, a power supply system that uses only a fuel cell as a power supply without providing a capacitor may be used.

D8.変形例8:
実施例では、燃料電池システム20を電気自動車の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。車両以外の移動体の駆動用電源としてもよく、また、燃料電池システムを、定置型電源として用いても良い。
D8. Modification 8:
In the embodiment, the fuel cell system 20 is used as a power source for driving an electric vehicle, but a different configuration may be used. A power source for driving a moving body other than the vehicle may be used, and the fuel cell system may be used as a stationary power source.

10…電気自動車
15…電源システム
20…燃料電池システム
21…気液分離器
22…開閉弁
27…残存容量モニタ
28…DC/DCコンバータ
30…駆動インバータ
32…駆動モータ
34…減速ギヤ
36…出力軸
38…車両駆動軸
40…高圧補機
44…降圧DC/DCコンバータ
46…低圧補機
48…制御部
50…配線
52…電圧センサ
53…電流センサ
54…交流インピーダンス測定部
60…燃料電池
61…燃料ガス供給部
62…水素ガス供給路
63…アノードオフガス路
64…ブロワ
65…酸化ガス供給路
66…カソード排ガス路
67…温度センサ
69…水素ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electric vehicle 15 ... Power supply system 20 ... Fuel cell system 21 ... Gas-liquid separator 22 ... On-off valve 27 ... Remaining capacity monitor 28 ... DC / DC converter 30 ... Drive inverter 32 ... Drive motor 34 ... Reduction gear 36 ... Output shaft DESCRIPTION OF SYMBOLS 38 ... Vehicle drive shaft 40 ... High voltage auxiliary machine 44 ... Step-down DC / DC converter 46 ... Low voltage auxiliary machine 48 ... Control part 50 ... Wiring 52 ... Voltage sensor 53 ... Current sensor 54 ... AC impedance measurement part 60 ... Fuel cell 61 ... Fuel Gas supply part 62 ... Hydrogen gas supply path 63 ... Anode off gas path 64 ... Blower 65 ... Oxidation gas supply path 66 ... Cathode exhaust gas path 67 ... Temperature sensor 69 ... Hydrogen pump

Claims (8)

燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソードが備える触媒の表面における酸化被膜が形成された領域の割合である触媒酸化被膜率を、触媒の酸化物が生成される反応速度である生成反応速度と、触媒の酸化物が還元される反応速度である還元反応速度と、の差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する触媒酸化被膜率導出部と、
前記触媒酸化被膜率導出部が導出した前記触媒酸化被膜率に基づいて、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係である電流−電圧特性を導出する電流−電圧特性導出部と、
前記燃料電池に対する負荷要求を取得する負荷要求取得部と、
前記電流−電圧特性導出部が導出した前記電流−電圧特性に基づいて、前記負荷要求取得部が取得した負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る前記燃料電池における運転ポイントを設定する運転ポイント設定部と、
前記運転ポイント設定部が設定した前記運転ポイントにおいて前記燃料電池を発電させる制御部と
を備える燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell,
The catalyst oxide film rate, which is the ratio of the area where the oxide film is formed on the surface of the catalyst provided in the cathode of the fuel cell, the reaction rate at which the catalyst oxide is generated, and the catalyst oxide A catalytic oxide film rate deriving unit for deriving by integrating the catalyst oxide production rate as a difference between the reduction reaction rate, which is the reaction rate to be reduced, with time;
A current-voltage characteristic deriving unit for deriving a current-voltage characteristic that is a relationship between the output current and the output voltage of the fuel cell based on the catalytic oxide film rate derived by the catalytic oxide film rate deriving unit;
A load request acquisition unit for acquiring a load request for the fuel cell;
In the fuel cell comprising the output current and the output voltage for generating electric power corresponding to the load request acquired by the load request acquisition unit based on the current-voltage characteristic derived by the current-voltage characteristic deriving unit An operation point setting section for setting operation points;
A fuel cell system comprising: a control unit that generates power at the operation point set by the operation point setting unit.
請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力電圧を取得する電圧取得部と、
前記燃料電池の出力電流を取得する電流取得部と、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池のインピーダンスを導出するインピーダンス導出部と、
を備え、
前記触媒酸化被膜率導出部は、前記電圧取得部、電流取得部、および温度取得部が取得した前記燃料電池の電圧、電流、および温度と、前記インピーダンス導出部が導出した前記燃料電池のインピーダンスとを取得して、取得した電圧、電流、温度、およびインピーダンスに基づいて、前記生成反応速度および前記還元反応速度を導出する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
A voltage acquisition unit for acquiring an output voltage of the fuel cell;
A current acquisition unit for acquiring an output current of the fuel cell;
A temperature acquisition unit for acquiring the temperature of the fuel cell;
An impedance deriving unit for deriving the impedance of the fuel cell;
With
The catalytic oxide film rate deriving unit includes the voltage, current, and temperature of the fuel cell acquired by the voltage acquiring unit, the current acquiring unit, and the temperature acquiring unit, and the impedance of the fuel cell derived by the impedance deriving unit. The fuel cell system derives the production reaction rate and the reduction reaction rate based on the obtained voltage, current, temperature, and impedance.
請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値であって、該複数の値の内の一部は電流を変数として有する値を、理論起電力から減じた値として、前記燃料電池の出力電圧を表わすことにより、前記電流−電圧特性を導出し、
前記複数の値の内、前記電流を変数として有する値以外の値の一つは、前記触媒酸化被膜率を変数として有して、前記触媒の酸化被膜に起因する電圧低下の程度を近似する値である
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The current-voltage characteristic deriving unit has a plurality of values corresponding to factors that reduce the output voltage of the fuel cell with respect to the theoretical electromotive force, and some of the plurality of values have a current as a variable. Deriving the current-voltage characteristic by representing the output voltage of the fuel cell, with the value subtracted from the theoretical electromotive force,
Of the plurality of values, one of the values other than the value having the current as a variable has the catalyst oxide film ratio as a variable, and approximates the degree of voltage drop due to the oxide film of the catalyst. Is a fuel cell system.
請求項3記載の燃料電池システムであって、
前記電流−電圧特性導出部は、理論起電力から、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値を減じた値が、前記燃料電池の出力電圧であるとする式であって、前記要因に対応する値を表わす各項は各々係数を有する式において、前記触媒酸化被膜率と、前記電圧取得部が取得した出力電圧と、前記電流取得部が取得した出力電流と、に基づいて、前記式を成り立たせる値として各々の前記係数を定めることによって、前記電流−電圧特性を導出する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3, wherein
In the current-voltage characteristic deriving unit, a value obtained by subtracting a plurality of values corresponding to a factor for reducing the output voltage of the fuel cell from the theoretical electromotive force from the theoretical electromotive force is the output voltage of the fuel cell. Wherein each term representing a value corresponding to the factor has a coefficient, and the catalytic oxide film rate, the output voltage acquired by the voltage acquisition unit, and the current acquisition unit A fuel cell system that derives the current-voltage characteristic by determining each of the coefficients as a value that satisfies the equation based on an output current.
請求項3または4記載の燃料電池システムであって、
前記電流を変数として有する値の一つは、活性化過電圧に対応する値であって、電流の対数項として表わされる値である
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein
One of the values having the current as a variable is a value corresponding to the activation overvoltage, and is a value expressed as a logarithmic term of the current.
請求項2ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が発電を停止したときに、発電停止時における前記燃料電池のインピーダンスを記憶するインピーダンス記憶部を備え、
前記電圧取得部および前記温度取得部は、それぞれ、前記燃料電池が発電を停止した後も、前記燃料電池の電圧が0となるまでは、前記燃料電池の電圧あるいは温度の取得を継続し、
前記触媒酸化被膜率導出部は、前記燃料電池が発電を停止した後、前記燃料電池の電圧が0となるまで、前記インピーダンス記憶部が記憶したインピーダンスと、前記電圧取得部が取得した電圧と、前記温度取得部が取得した温度とに基づいて、前記触媒酸化被膜率の導出を繰り返し行ない、
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池が発電を停止した後に前記燃料電池の電圧が0となったときの、前記触媒酸化被膜率を記憶する触媒酸化被膜率記憶部を備え、
前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池が再び発電を開始する時には、前記触媒酸化被膜率記憶部が記憶した前記触媒酸化被膜率を用いて、前記電流−電圧特性を導出する
燃料電池システム。
6. The fuel cell system according to claim 2, further comprising:
When the fuel cell stops power generation, an impedance storage unit that stores the impedance of the fuel cell at the time of power generation stop,
Each of the voltage acquisition unit and the temperature acquisition unit continues to acquire the voltage or temperature of the fuel cell until the voltage of the fuel cell becomes 0, even after the fuel cell stops generating power,
The catalytic oxide film rate deriving unit, after the fuel cell stops generating power, until the voltage of the fuel cell becomes 0, the impedance stored by the impedance storage unit, the voltage acquired by the voltage acquisition unit, Based on the temperature acquired by the temperature acquisition unit, the derivation of the catalytic oxide film rate is repeated,
The fuel cell system further includes a catalyst oxide film rate storage unit that stores the catalyst oxide film rate when the voltage of the fuel cell becomes 0 after the fuel cell stops power generation,
The current-voltage characteristic deriving unit derives the current-voltage characteristic using the catalytic oxide film rate stored in the catalytic oxide film rate storage unit when the fuel cell starts power generation again. .
駆動力として電気エネルギを利用する移動体であって、
請求項1ないし6いずれか記載の燃料電池システムを備え、
前記移動体は、駆動用電源の少なくとも一つとして、前記燃料電池システムを用いる
移動体。
A moving body that uses electrical energy as a driving force,
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
The moving body uses the fuel cell system as at least one of driving power sources.
燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池のカソードが備える触媒の表面における酸化被膜が形成された領域の割合である触媒酸化被膜率を、触媒の酸化物が生成される反応速度である生成反応速度と、触媒の酸化物が還元される反応速度である還元反応速度と、の差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する第1の工程と、
前記触媒酸化被膜率に基づいて、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係である電流−電圧特性を導出する第2の工程と、
前記燃料電池に対する負荷要求を取得する第3の工程と、
前記第2の工程で導出した前記電流−電圧特性に基づいて、前記第3の工程で取得した前記負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る前記燃料電池における運転ポイントを設定する第4の工程と、
前記第4の工程で設定した前記運転ポイントにおいて前記燃料電池を発電させる第5の工程と
を備える燃料電池システムの制御方法。
A control method for a fuel cell system comprising a fuel cell,
The catalyst oxide film rate, which is the ratio of the area where the oxide film is formed on the surface of the catalyst provided in the cathode of the fuel cell, the reaction rate at which the catalyst oxide is generated, and the catalyst oxide A first step of deriving by integrating the catalyst oxide production rate as a difference between the reduction reaction rate, which is a reaction rate to be reduced, with time;
A second step of deriving a current-voltage characteristic that is a relationship between an output current and an output voltage of the fuel cell based on the catalytic oxide film ratio;
A third step of obtaining a load request for the fuel cell;
Based on the current-voltage characteristics derived in the second step, the operation in the fuel cell comprising the output current and the output voltage for generating electric power corresponding to the load request acquired in the third step A fourth step of setting points;
And a fifth step of generating the fuel cell at the operating point set in the fourth step.
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