JP6642229B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that outputs electric energy by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas.

従来、固体高分子形燃料電池のカソードを構成する触媒電極層では、電解質膜側の一部が電解質膜内へ溶出して触媒消失層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）。この特許文献１には、触媒消失層の増加に伴って触媒電極層におけるイオン抵抗が増加することに着眼し、触媒電極層におけるイオン抵抗を定量化し、定量化したイオン抵抗から触媒消失層の形成を検出する技術が開示されている。   Conventionally, it is known that in a catalyst electrode layer constituting a cathode of a polymer electrolyte fuel cell, a part of the electrolyte membrane side is eluted into the electrolyte membrane to form a catalyst disappearance layer (for example, Patent Document 1). 1). Patent Document 1 focuses on the fact that the ionic resistance in the catalyst electrode layer increases with the increase in the catalyst loss layer, quantifies the ion resistance in the catalyst electrode layer, and forms the catalyst loss layer from the quantified ion resistance. A technology for detecting the

特開２０１２−２８１４６号公報JP 2012-28146 A

ところで、燃料電池では、触媒電極層の劣化に伴って性能低下が生じることから、触媒電極層が劣化すると、燃料電池に対する要求出力に対して燃料電池の出力が不足してしまう。このため、燃料電池システムには、触媒電極層の劣化に伴う燃料電池の出力不足を把握する等の対策が必要となる。   By the way, in the fuel cell, the performance is deteriorated due to the deterioration of the catalyst electrode layer. Therefore, when the catalyst electrode layer is deteriorated, the output of the fuel cell becomes insufficient with respect to the required output for the fuel cell. For this reason, the fuel cell system requires measures such as grasping the output shortage of the fuel cell due to the deterioration of the catalyst electrode layer.

しかしながら、特許文献１では、発電環境下で測定した燃料電池のインピーダンス、および非発電環境下で測定した燃料電池のインピーダンスを測定し、その測定結果に基づいて触媒電極層におけるイオン抵抗を定量化している。そして、非発電環境下における燃料電池のインピーダンスの測定では、酸化剤ガスの代わりに窒素タンクに充填された窒素を燃料電池に供給する構成となっている。   However, in Patent Document 1, the impedance of the fuel cell measured in a power generation environment and the impedance of the fuel cell measured in a non-power generation environment are measured, and the ionic resistance in the catalyst electrode layer is quantified based on the measurement results. I have. Then, in the measurement of the impedance of the fuel cell in a non-power generation environment, a configuration is adopted in which nitrogen filled in a nitrogen tank is supplied to the fuel cell instead of the oxidizing gas.

このように、特許文献１では、触媒電極層におけるイオン抵抗を算出するために、非発電環境下で測定した燃料電池のインピーダンスを測定することで、窒素タンク等の専用部品を追加搭載する必要がある。このため、例えば、機器類の搭載制限の厳しい車両に対して適用することは、現実的ではない。   As described above, in Patent Document 1, in order to calculate the ionic resistance in the catalyst electrode layer, it is necessary to additionally install a dedicated component such as a nitrogen tank by measuring the impedance of the fuel cell measured in a non-power generation environment. is there. For this reason, for example, it is not practical to apply to a vehicle in which installation restrictions on equipment are severe.

本発明は上記点に鑑みて、専用部品の追加を抑えつつ、触媒電極性の劣化に応じた燃料電池の出力特性を推定可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of estimating an output characteristic of a fuel cell according to deterioration of a catalytic electrode property while suppressing addition of a dedicated component.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池システムを対象としている。   To achieve the above object, the first aspect of the present invention is directed to a fuel cell system that outputs electric energy by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas.

請求項１に記載の発明は、
電解質膜（１０１）および電解質膜の両面に配置された触媒電極層（１０３ａ、１０３ｂ）で構成される膜電極接合体（１００）を含むセル（１０ａ）を複数有する固体高分子形の燃料電池（１０）と、
燃料電池に対して所定の周波数の交流信号を重畳させる交流重畳部（５１０）と、
交流重畳部にて交流信号が重畳された際の燃料電池のインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（５２０）と、
第１の周波数域における燃料電池のインピーダンス、および第１の周波数域よりも高い第２の周波数域における燃料電池のインピーダンスに基づいて、触媒電極層の劣化に相関性を有する物理量を算出する物理量算出部（５３０）と、
物理量算出部の算出結果に基づいて、燃料電池の性能低下量を算出する性能低下量算出部（５５０）と、
性能低下量算出部の算出結果に基づいて、燃料電池の出力特性を推定する出力推定部（５６０）と、を備え、
第１の周波数域は、酸化剤ガスの拡散抵抗の影響を受ける低周波数域に設定されており、
第２の周波数域は、低周波数域よりも高く、且つ、電解質膜内部の水素イオン抵抗の影響が支配的となる高周波数域よりも低い中間周波数域に設定されており、
物理量算出部は、低周波数域における燃料電池のインピーダンスと中間周波数域における燃料電池のインピーダンスとの差分から触媒電極層の劣化に相関性を有する酸化剤ガスの拡散抵抗を含む抵抗成分を算出する燃料電池システム。 The invention described in claim 1 is
A polymer electrolyte fuel cell having a plurality of cells (10a) including a membrane electrode assembly (100) composed of an electrolyte membrane (101) and catalyst electrode layers (103a, 103b) disposed on both sides of the electrolyte membrane ( 10),
An AC superimposing unit (510) for superimposing an AC signal of a predetermined frequency on the fuel cell;
An impedance calculator (520) for calculating the impedance of the fuel cell when the AC signal is superimposed by the AC superimposing unit;
Physical quantity calculation for calculating a physical quantity having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layer based on the impedance of the fuel cell in the first frequency range and the impedance of the fuel cell in the second frequency range higher than the first frequency range. Part (530),
A performance reduction amount calculation unit (550) for calculating a performance reduction amount of the fuel cell based on the calculation result of the physical quantity calculation unit;
An output estimator (560) for estimating the output characteristics of the fuel cell based on the calculation result of the performance reduction calculator .
The first frequency range is set to a low frequency range affected by the diffusion resistance of the oxidizing gas,
The second frequency range is set to an intermediate frequency range higher than the low frequency range and lower than the high frequency range in which the influence of the hydrogen ion resistance inside the electrolyte membrane is dominant,
The physical quantity calculator calculates a resistance component including a diffusion resistance of an oxidizing gas having a correlation with deterioration of the catalyst electrode layer from a difference between the impedance of the fuel cell in the low frequency range and the impedance of the fuel cell in the intermediate frequency range. Battery system.

これによると、異なる周波数域の燃料電池のインピーダンスに基づいて、触媒電極層の劣化に相関性を有する物理量を算出する構成としているので、専用の追加部品を抑えることができる。そして、触媒電極層の劣化に相関性を有する物理量に基づいて、燃料電池の性能低下量の算出、および燃料電池の出力特性を推定する構成としているので、触媒電極層の劣化に応じた燃料電池の出力特性を推定することが可能となる。   According to this, since the physical quantity having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layer is calculated based on the impedance of the fuel cell in the different frequency range, it is possible to suppress an additional component for exclusive use. Then, based on a physical quantity having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layer, the calculation of the performance reduction amount of the fuel cell and the estimation of the output characteristics of the fuel cell are performed. Can be estimated.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。   The reference numerals in parentheses of each means described in this section and in the claims show an example of a correspondence relationship with specific means described in the embodiment described later.

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 燃料電池のセルの模式的な断面図である。It is a typical sectional view of a cell of a fuel cell. 燃料電池のセルの内部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the cell of a fuel cell. 第１実施形態の燃料電池システムの電池制御装置の模式的な構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a battery control device of the fuel cell system according to the first embodiment. 燃料電池の電流電圧特性の推定ラインを説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an estimation line of a current-voltage characteristic of a fuel cell. 触媒電極層の劣化に伴う燃料電池の電流電圧特性の変化を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a change in current-voltage characteristics of a fuel cell due to deterioration of a catalyst electrode layer. 交流成分ΔＩ付加部で燃料電池の出力電流に重畳させる交流電流を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an AC current superimposed on an output current of a fuel cell in an AC component ΔI adding unit. 交流電流の周波数を変更した際に、燃料電池のインピーダンスに影響する抵抗成分を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a resistance component that affects the impedance of a fuel cell when the frequency of an alternating current is changed. 第１実施形態の電池制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a flow of a control process executed by the battery control device according to the first embodiment. 異なる周波数における燃料電池のインピーダンスの差分と性能低下量との関係が規定された制御マップを示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing a control map in which a relationship between a difference in impedance of a fuel cell at different frequencies and a performance reduction amount is defined. 推定した電流電圧特性を利用して、燃料電池の動作点を決定する方法を説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a method of determining an operating point of a fuel cell using an estimated current-voltage characteristic. 第２実施形態の電池制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。It is a flow chart which shows a flow of control processing which a battery control device of a 2nd embodiment performs. 第３実施形態の電池制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。It is a flow chart which shows a flow of control processing which a battery control device of a 3rd embodiment performs.

以下、発明を実施する形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts as those described in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted. Further, in the embodiment, when only a part of the component is described, the component described in the preceding embodiment can be applied to the other part of the component. The following embodiments can be partially combined with each other as long as the combination is not particularly hindered, even if not particularly specified.

（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。本実施形態では、電気自動車の一種である燃料電池自動車に本発明の燃料電池システム１を適用した例について説明する。 (1st Embodiment)
The present embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, an example will be described in which the fuel cell system 1 of the present invention is applied to a fuel cell vehicle that is a type of electric vehicle.

燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する燃料電池１０を備える。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子形燃料電池（PEFC：Proton Exchange membrane Fuel Cell）を採用している。燃料電池１０は、発電により発生した直流電流をＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、図示しない車両走行用の電動モータや二次電池といった電気負荷に供給する。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10 that outputs electric energy by utilizing an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas (for example, air) containing oxygen. In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC: Proton Exchange membrane Fuel Cell) is employed as the fuel cell 10. The fuel cell 10 supplies a direct current generated by power generation to an electric load such as an electric motor for driving a vehicle or a secondary battery (not shown) via a DC-DC converter 51a.

燃料電池１０は、基本単位となるセル１０ａを複数積層配置したスタック構造となっている。複数のセル１０ａのうち、隣り合うセル１０ａは、互いに電気的に直列に接続されている。   The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of cells 10a serving as basic units are stacked and arranged. Adjacent cells 10a among the plurality of cells 10a are electrically connected to each other in series.

図２に示すように、セル１０ａは、電解質膜１０１の両側を一対の触媒電極層１０２ａ、１０２ｂで挟んで構成される膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対のガス拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを狭持するセパレータ１１０を備える。   As shown in FIG. 2, the cell 10a includes a membrane electrode assembly 100 in which both sides of an electrolyte membrane 101 are sandwiched between a pair of catalyst electrode layers 102a and 102b, and a pair of cells arranged on both sides of the membrane electrode assembly 100. Gas diffusion layers 103a and 103b are provided, and a separator 110 sandwiching these gas diffusion layers is provided.

電解質膜１０１は、含水性を有する炭化フッ素経や炭化水素系などの高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜で構成されている。また、一対の触媒電極層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極を構成している。具体的には、一対の触媒電極層１０２ａ、１０２ｂは、アノード電極を構成するアノード側触媒電極層１０２ａ、およびカソード電極を構成するカソード側触媒電極層１０２ｂで構成されている。   The electrolyte membrane 101 is formed of a proton-conductive ion exchange membrane formed of a polymer material having a water content, such as a fluorocarbon or a hydrocarbon. Further, the pair of catalyst electrode layers 102a and 102b each constitute an electrode. Specifically, the pair of catalyst electrode layers 102a and 102b include an anode-side catalyst electrode layer 102a forming an anode electrode and a cathode-side catalyst electrode layer 102b forming a cathode electrode.

図３に示すように、各触媒電極層１０２ａ、１０２ｂは、白金粒子等の触媒作用を発揮する物質１０２ｃ、当該物質１０２ｃを担持する担持カーボン１０２ｄ、担持カーボン１０２ｄを被覆するアイオノマー（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。   As shown in FIG. 3, each of the catalyst electrode layers 102a and 102b includes a substance 102c that exhibits a catalytic action such as platinum particles, a supported carbon 102d that supports the substance 102c, and an ionomer (electrolyte polymer) 102e that covers the supported carbon 102d. It is composed of

ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスを各触媒電極層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるものである。ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、カーボンペーパーやカーボンクロス等のガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材で構成されている。   The gas diffusion layers 103a and 103b are for diffusing a fuel gas and an oxidizing gas, which are reaction gases, to the respective catalyst electrode layers 102a and 102b. The gas diffusion layers 103a and 103b are formed of a porous member having gas permeability and electron conductivity such as carbon paper and carbon cloth.

セパレータ１１０は、例えば、導電性を有するカーボン製の基材で構成されている。各セパレータ１１０には、アノード側触媒電極層１０２ａに対向する部位に、燃料ガスが流れる水素流路１１１が形成され、カソード側触媒電極層１０２ｂに対向する部位に、酸化剤ガスが流れる空気流路１１２が形成されている。   The separator 110 is made of, for example, a conductive carbon substrate. In each of the separators 110, a hydrogen flow path 111 through which a fuel gas flows is formed at a position facing the anode-side catalyst electrode layer 102a, and an air flow path through which an oxidant gas flows is formed at a position facing the cathode-side catalyst electrode layer 102b. 112 are formed.

各セル１０ａは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、以下の数式Ｆ１、数式Ｆ２に示す水素と酸素との電気化学反応により、電気エネルギを出力する。   When the fuel gas and the oxidizing gas are supplied, each cell 10a outputs electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen represented by the following formulas F1 and F2.

（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（Ｆ１）
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（Ｆ２）
図１に戻り、燃料電池１０は、双方向に電力供給可能なＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、各種電気負荷に電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａは、出力制御部５１ｂ、電圧センサ５２ａ、および電流センサ５２ｂと共に、燃料電池１０から各種電気負荷、あるいは、各種電気負荷と燃料電池１０との間の電流の流れを制御する電流制御装置５１を構成している。 (Anode side) H 2 → 2H + + 2e - ··· (F1)
(Cathode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (F2)
Returning to FIG. 1, the fuel cell 10 is electrically connected to various electric loads via a DC-DC converter 51a capable of bidirectionally supplying power. The DC-DC converter 51a, together with the output control unit 51b, the voltage sensor 52a, and the current sensor 52b, controls the flow of various electric loads from the fuel cell 10 or the flow of current between the various electric loads and the fuel cell 10. The control device 51 is constituted.

燃料電池１０には、電流制御装置５１を含む電池制御装置５が接続されている。電池制御装置５は、燃料電池１０の状態を診断すると共に、その診断結果に応じて燃料電池１０の作動を制御する装置である。本実施形態の電池制御装置５は、燃料電池１０の劣化を検出し、その検出結果に基づいて燃料電池１０の作動を制御するように構成されている。なお、電池制御装置５の詳細については後述する。   A battery control device 5 including a current control device 51 is connected to the fuel cell 10. The battery control device 5 is a device that diagnoses the state of the fuel cell 10 and controls the operation of the fuel cell 10 according to the diagnosis result. The battery control device 5 of the present embodiment is configured to detect deterioration of the fuel cell 10 and control the operation of the fuel cell 10 based on the detection result. The details of the battery control device 5 will be described later.

燃料電池１０には、各セル１０ａの空気流路１１２に酸化剤ガスである空気を供給する空気入口部１１ａ、各セル１０ａの空気流路１１２から生成水や不純物を空気と共に排出する空気出口部１１ｂが設けられている。そして、空気入口部１１ａには、空気供給配管２０が接続されている。また、空気出口部１１ｂには、空気排出配管２１が接続されている。   The fuel cell 10 has an air inlet 11a for supplying air, which is an oxidizing gas, to an air passage 112 of each cell 10a, and an air outlet for discharging generated water and impurities from the air passage 112 of each cell 10a together with air. 11b is provided. The air supply pipe 20 is connected to the air inlet 11a. An air outlet pipe 21 is connected to the air outlet 11b.

空気供給配管２０には、その最上流部に大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２２が設けられている。空気ポンプ２２は、空気を圧送する圧縮機構と圧縮機構を駆動する電動モータからなる電動ポンプである。   The air supply pipe 20 is provided with an air pump 22 for pumping air sucked from the atmosphere to the fuel cell 10 at the most upstream portion thereof. The air pump 22 is an electric pump that includes a compression mechanism that pumps air and an electric motor that drives the compression mechanism.

そして、空気供給配管２０における空気ポンプ２２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁２３が設けられている。空気調圧弁２３は、空気供給配管２０のうち空気が流通する空気流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。   An air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of air supplied to the fuel cell 10 is provided between the air pump 22 and the fuel cell 10 in the air supply pipe 20. The air pressure regulating valve 23 is composed of a valve element for adjusting the opening of an air flow path in the air supply pipe 20 through which air flows, and an electric actuator for driving the valve element.

また、空気排出配管２１には、燃料電池１０内部に存する生成水や不純物等を空気とともに外部へ排出するための電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、空気排出配管２１のうち空気が排出される空気排出路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。   The air discharge pipe 21 is provided with an electromagnetic valve 24 for discharging generated water, impurities, and the like existing in the fuel cell 10 to the outside together with air. The electromagnetic valve 24 includes a valve body for adjusting the opening degree of an air discharge passage of the air discharge pipe 21 through which air is discharged, and an electric actuator for driving the valve body.

また、燃料電池１０には、各セル１０ａの水素流路１１１に燃料ガスを供給する水素入口部１２ａ、各セル１０ａの水素流路１１１から未反応水素等を排出させる水素出口部１２ｂが設けられている。そして、水素入口部１２ａには、水素供給配管３０が接続されている。また、水素出口部１２ｂには、水素排出配管３１が接続されている。   Further, the fuel cell 10 is provided with a hydrogen inlet 12a for supplying fuel gas to the hydrogen flow path 111 of each cell 10a, and a hydrogen outlet 12b for discharging unreacted hydrogen and the like from the hydrogen flow path 111 of each cell 10a. ing. The hydrogen supply pipe 30 is connected to the hydrogen inlet 12a. Further, a hydrogen discharge pipe 31 is connected to the hydrogen outlet 12b.

水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられている。そして、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。水素調圧弁３３は、水素供給配管３０のうち水素供給流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。   A high-pressure hydrogen tank 32 filled with high-pressure hydrogen is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply pipe 30. Further, between the high-pressure hydrogen tank 32 and the fuel cell 10 in the hydrogen supply pipe 30, a hydrogen pressure regulating valve 33 for adjusting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is provided. The hydrogen pressure regulating valve 33 includes a valve body for adjusting the opening of the hydrogen supply passage in the hydrogen supply pipe 30 and an electric actuator for driving the valve body.

また、水素排出配管３１には、微量な未反応水素等を外部へ排出するための電磁弁３４が設けられている。電磁弁３４は、水素排出配管３１のうち水素排出流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。なお、本実施形態の空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、各電磁弁２４、３４、および空気ポンプ２２は、電池制御装置５の出力側に接続されており、電池制御装置５からの制御信号により制御される構成となっている。   The hydrogen discharge pipe 31 is provided with an electromagnetic valve 34 for discharging a small amount of unreacted hydrogen and the like to the outside. The electromagnetic valve 34 includes a valve body for adjusting the opening degree of the hydrogen discharge passage in the hydrogen discharge pipe 31 and an electric actuator for driving the valve body. The air pressure regulating valve 23, the hydrogen pressure regulating valve 33, the respective solenoid valves 24 and 34, and the air pump 22 of the present embodiment are connected to the output side of the battery control device 5, and control signals from the battery control device 5 The configuration is controlled by:

ここで、本実施形態の燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を調整する冷却系として、不凍液等で構成される冷却水が循環する冷却水循環回路４が接続されている。冷却水循環回路４には、冷却水を循環させる水ポンプ４１、燃料電池１０通過後の冷却水を外気と熱交換させて放熱する放熱器４２が設けられている。放熱器４２は、電動ファン４３によって送風される外気により冷却水を冷却する。   Here, to the fuel cell 10 of the present embodiment, a cooling water circulation circuit 4 for circulating cooling water composed of antifreeze or the like is connected as a cooling system for adjusting the temperature of the fuel cell 10. The cooling water circulation circuit 4 is provided with a water pump 41 for circulating the cooling water, and a radiator 42 for exchanging heat of the cooling water after passing through the fuel cell 10 with the outside air and releasing heat. The radiator 42 cools the cooling water by the outside air blown by the electric fan 43.

また、冷却水循環回路４には、放熱器４２をバイパスして水ポンプ４１の入口と燃料電池１０の水出口とを接続するバイパス流路４４が設けられている。さらに、バイパス流路４４および放熱器４２の水出口のうちいずれか一方を水ポンプ４１の入口に接続する三方弁４５が設けられている。   Further, the cooling water circulation circuit 4 is provided with a bypass flow path 44 that connects the inlet of the water pump 41 and the water outlet of the fuel cell 10, bypassing the radiator 42. Further, a three-way valve 45 that connects either the bypass flow path 44 or the water outlet of the radiator 42 to the inlet of the water pump 41 is provided.

さらに、冷却水循環回路４には、燃料電池１０の冷却水出口部に温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６は、燃料電池１０を通過した後の冷却水の温度を検出する。なお、燃料電池１０を通過した後の冷却水の温度は、燃料電池１０の温度と殆ど同様の温度となる。このため、温度センサ４６の検出値を燃料電池１０の温度と見なして、燃料電池１０の温度を検出することが可能となっている。   Further, the cooling water circulation circuit 4 is provided with a temperature sensor 46 at a cooling water outlet of the fuel cell 10. This temperature sensor 46 detects the temperature of the cooling water after passing through the fuel cell 10. The temperature of the cooling water after passing through the fuel cell 10 is almost the same as the temperature of the fuel cell 10. Therefore, the temperature of the fuel cell 10 can be detected by regarding the detection value of the temperature sensor 46 as the temperature of the fuel cell 10.

次に、電池制御装置５について図４を参照して説明する。図４では、燃料電池１０の内部構造を示すために、燃料電池１０を構成するセル１０ａの一部を透視図で示している。   Next, the battery control device 5 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, in order to show the internal structure of the fuel cell 10, a part of a cell 10 a constituting the fuel cell 10 is shown in a perspective view.

図４に示すように、電池制御装置５は、主たる構成要素として、診断制御部５０、電流制御装置５１、増幅回路５３、およびセルモニタ５４を備えている。   As shown in FIG. 4, the battery control device 5 includes a diagnostic control unit 50, a current control device 51, an amplifier circuit 53, and a cell monitor 54 as main components.

電流制御装置５１は、前述の如く出力制御部５１ｂを備える。出力制御部５１ｂは、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶部５１ｃを備えるマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。   The current control device 51 includes the output control unit 51b as described above. The output control unit 51b includes a microcomputer including a storage unit 51c such as a CPU, a ROM, and a RAM, and peripheral circuits thereof.

出力制御部５１ｂは、燃料電池１０に要求される要求出力Ｐ（すなわち、要求発電量）を算出し、燃料電池１０に要求される要求出力に応じて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を調整する各種機器の作動を制御する。   The output control unit 51b calculates a required output P (that is, a required power generation amount) required for the fuel cell 10, and determines a supply amount of the fuel gas and the oxidizing gas according to the required output required for the fuel cell 10. Control the operation of various devices to be adjusted.

具体的には、出力制御部５１ｂは、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサ、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するセンサ等の検出結果に応じて、燃料電池１０に要求される要求出力Ｐを算出する。   Specifically, the output control unit 51b outputs a required output P required by the fuel cell 10 in accordance with a detection result of a sensor (not shown) for detecting a depression amount of an accelerator pedal, a sensor for detecting a depression amount of a brake pedal, or the like. Is calculated.

本実施形態の出力制御部５１ｂは、記憶部５１ｃに記憶された燃料電池１０のセル１０ａの電流電圧特性（ＩＶ特性）の推定ライン（電池性能推定曲線）が規定された出力用制御マップを参照して、要求出力Ｐが得られる出力電圧Ｖを算出する。そして、出力制御部５１ｂは、算出した出力電圧Ｖを各セル１０ａの目標電圧とし、各セル１０ａの出力電圧が目標電圧に近づくようにＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを制御して、燃料電池１０の出力電圧を制御する。   The output control unit 51b of the present embodiment refers to the output control map in which the estimation line (cell performance estimation curve) of the current-voltage characteristic (IV characteristic) of the cell 10a of the fuel cell 10 stored in the storage unit 51c is defined. Then, the output voltage V at which the required output P is obtained is calculated. Then, the output control unit 51b sets the calculated output voltage V as the target voltage of each cell 10a, controls the DC-DC converter 51a so that the output voltage of each cell 10a approaches the target voltage, and outputs the output of the fuel cell 10. Control the voltage.

本実施形態では、出力制御部５１ｂが、燃料電池１０に要求される要求出力を満たす燃料電池１０の動作点（出力電流、出力電圧）を決定する動作点決定部を構成している。なお、燃料電池１０の動作点は、燃料電池１０の出力電圧および出力電流により決まる動作点である。   In the present embodiment, the output control unit 51b constitutes an operating point determining unit that determines an operating point (output current, output voltage) of the fuel cell 10 that satisfies the required output required for the fuel cell 10. The operating point of the fuel cell 10 is an operating point determined by the output voltage and the output current of the fuel cell 10.

ところで、燃料電池１０の各セル１０ａにおける触媒電極層１０２ａ、１０２ｂは、電解質膜１０１側の一部が溶出して経時劣化する。触媒電極層１０２ａ、１０２ｂが劣化すると、燃料電池１０の各セル１０ａにおける電流電圧特性が大きく変動する。   By the way, in the catalyst electrode layers 102a and 102b in each cell 10a of the fuel cell 10, a part on the electrolyte membrane 101 side elutes and deteriorates with time. When the catalyst electrode layers 102a and 102b deteriorate, the current-voltage characteristics in each cell 10a of the fuel cell 10 greatly fluctuate.

触媒電極層１０２ａ、１０２ｂが劣化すると、例えば、図６に示すように、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化後における燃料電池１０の動作点ＯＰ２が、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化前における燃料電池１０の動作点ＯＰ１に対して変化する。   When the catalyst electrode layers 102a and 102b are deteriorated, for example, as shown in FIG. 6, the operating point OP2 of the fuel cell 10 after the catalyst electrode layers 102a and 102b are deteriorated is changed to the fuel cell before the catalyst electrode layers 102a and 102b are deteriorated. It changes for ten operating points OP1.

具体的には、劣化する前の電流電圧特性（図６の破線参照）は、劣化する前の電流電圧特性を示す曲線（図６の実線参照）に対して、同じ出力電圧Ｖ１に対応する電流密度が小さくなる（Ｉ１→Ｉ２）。   Specifically, the current-voltage characteristic before deterioration (see the broken line in FIG. 6) is the current corresponding to the same output voltage V1 with respect to the curve indicating the current-voltage characteristic before deterioration (see the solid line in FIG. 6). The density decreases (I1 → I2).

このため、出力制御部５１ｂが予め規定された出力用制御マップを参照して算出した出力電圧Ｖ１を各セル１０ａの目標電圧に設定すると、各セル１０ａにおける出力Ｐ２（＝Ｉ２×Ｖ１）が要求出力Ｐ１（＝Ｉ１×Ｖ１）に対して不足してしまう。燃料電池１０からの出力が要求出力Ｐ１に対して不足すると、ユーザによるアクセルペダルの踏み込み量に応じた出力が得られないことで、ドライバビリティ等が低下してしまう。   For this reason, when the output control unit 51b sets the output voltage V1 calculated with reference to the predefined output control map to the target voltage of each cell 10a, the output P2 (= I2 × V1) of each cell 10a is required. The output P1 (= I1 × V1) is insufficient. If the output from the fuel cell 10 is insufficient with respect to the required output P1, drivability and the like will be reduced because an output corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal by the user cannot be obtained.

そこで、本実施形態では、電池制御装置５の診断制御部５０にて燃料電池１０の触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出し、当該検出結果に基づいて実際の燃料電池１０の出力特性（電流電圧特性）を推定する。   Therefore, in the present embodiment, the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b of the fuel cell 10 is detected by the diagnosis control unit 50 of the battery control device 5, and the actual output characteristics (current Voltage characteristics).

診断制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の記憶部５００を備えるマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。本実施形態の診断制御部５０は、図４に示すように、交流成分ΔＩ付加部５１０、ΔＩｎ算出部５４０、Ｚｎ算出部５２０、劣化検出部５３０、性能低下量算出部５５０、出力推定部５６０を備える。   The diagnosis control unit 50 includes a microcomputer including a storage unit 500 such as a CPU, a ROM, and a RAM, and peripheral circuits thereof. As shown in FIG. 4, the diagnostic control unit 50 of the present embodiment includes an AC component ΔI adding unit 510, a ΔIn calculating unit 540, a Zn calculating unit 520, a deterioration detecting unit 530, a performance reduction calculating unit 550, and an output estimating unit 560. Is provided.

交流成分ΔＩ付加部５１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを介して、燃料電池１０の出力電流に対して、所定の周波数域の交流電流（交流成分ΔＩ）を重畳させる交流重畳部である。   The AC component ΔI adding unit 510 is an AC superimposing unit that superimposes an AC current (AC component ΔI) in a predetermined frequency range on the output current of the fuel cell 10 via the DC-DC converter 51a.

交流成分ΔＩ付加部５１０は、図７に示す波形を有する交流電流を燃料電池１０の出力電流に重畳する。本実施形態の交流成分ΔＩ付加部５１０は、燃料電池１０の出力電流に対して、異なる周波数域（第１の周波数域、第２の周波数域）の交流電流を重畳させることが可能となっている。   AC component ΔI adding section 510 superimposes the AC current having the waveform shown in FIG. 7 on the output current of fuel cell 10. The AC component ΔI adding unit 510 of the present embodiment can superimpose AC currents of different frequency ranges (first frequency range and second frequency range) on the output current of the fuel cell 10. I have.

交流電流の周波数の詳細については後述する。なお、交流成分ΔＩ付加部５１０において重畳する交流電流は、燃料電池１０の発電状態への影響を考慮して、燃料電池１０の出力電流（発電電流）の１０％以内とすることが望ましい。   Details of the frequency of the alternating current will be described later. The AC current superimposed in AC component ΔI adding section 510 is preferably within 10% of the output current (power generation current) of fuel cell 10 in consideration of the influence on the power generation state of fuel cell 10.

ΔＩｎ算出部５４０は、電流センサ５２ｂの検出電流Ｉに基づいて、燃料電池１０に流れる総電流Ｉのうち所定の周波数の交流成分ΔＩｎを算出する。具体的には、ΔＩｎ算出部５４０は、高速フーリエ変換等の手法によって交流成分ΔＩｎを算出する。なお、電流センサ５２ｂは、燃料電池１０に流れる総電流を検出する電流検出部を構成する。総電流は、図５に示す燃料電池１０の直流成分Ｉと、所定の周波数の交流成分ΔＩとを含む電流である。   The ΔIn calculation unit 540 calculates an AC component ΔIn of a predetermined frequency in the total current I flowing through the fuel cell 10 based on the detection current I of the current sensor 52b. Specifically, ΔIn calculation section 540 calculates AC component ΔIn by a method such as fast Fourier transform. The current sensor 52b forms a current detection unit that detects the total current flowing through the fuel cell 10. The total current is a current including a DC component I of the fuel cell 10 shown in FIG. 5 and an AC component ΔI of a predetermined frequency.

Ｚｎ算出部５２０は、交流成分ΔＩ付加部５１０により燃料電池１０の出力電流に交流電流が重畳された状態で、セルモニタ５４の検出値、および電流センサ５２ｂの検出値に基づいて、セルのインピーダンスＺｎを算出する。   In a state where the AC current is superimposed on the output current of the fuel cell 10 by the AC component ΔI adding unit 510, the Zn calculating unit 520 determines the cell impedance Zn based on the detection value of the cell monitor 54 and the detection value of the current sensor 52b. Is calculated.

具体的には、Ｚｎ算出部５２０は、増幅回路５３で増幅された出力電圧に基づいて、セル１０ａから出力されるセル電圧のうち、所定の周波数域の交流電圧である交流成分ΔＶをセル１０ａ毎に算出する。本実施形態のＺｎ算出部５２０は、高速フーリエ変換等の手法により交流成分ΔＶを算出する。   Specifically, based on the output voltage amplified by the amplifier circuit 53, the Zn calculator 520 converts the AC component ΔV, which is an AC voltage in a predetermined frequency range, from the cell voltage output from the cell 10a into the cell 10a. It is calculated every time. The Zn calculator 520 of the present embodiment calculates the AC component ΔV by a method such as fast Fourier transform.

そして、本実施形態のＺｎ算出部５２０は、交流成分ΔＶをΔＩｎ算出部５４０で算出された交流成分ΔＩｎで除算して、交流電流に対するセル１０ａのインピーダンスＺｎ（＝ΔＶ／ΔＩｎ）をセル１０ａ毎に算出可能となっている。なお、Ｚｎ算出部５２０で算出するインピーダンスＺｎは、インピーダンスの絶対値である。以降、インピーダンスの絶対値を単にインピーダンスと略称する。   Then, the Zn calculator 520 of the present embodiment divides the AC component ΔV by the AC component ΔIn calculated by the ΔIn calculator 540, and calculates the impedance Zn (= ΔV / ΔIn) of the cell 10a with respect to the AC current for each cell 10a. Can be calculated. The impedance Zn calculated by the Zn calculator 520 is an absolute value of the impedance. Hereinafter, the absolute value of impedance is simply referred to as impedance.

また、本実施形態のＺｎ算出部５２０は、交流成分ΔＩ付加部５１０により異なる周波数域の交流電流が重畳された場合に、異なる周波数域毎のインピーダンスＺｎを算出することが可能となっている。本実施形態では、Ｚｎ算出部５２０がインピーダンス算出部を構成している。   In addition, when the AC component ΔI adding unit 510 superimposes AC currents in different frequency ranges, the Zn calculating unit 520 of the present embodiment can calculate the impedance Zn for each different frequency range. In the present embodiment, the Zn calculator 520 forms an impedance calculator.

続いて、増幅回路５３は、セルモニタ５４に接続され、セルモニタ５４から出力される電圧を増幅して、Ｚｎ算出部５２０に出力する回路である。セルモニタ５４は、セル１０ａから出力されるセル電圧をセル１０ａ毎に検出するセル電圧検出部である。このため、増幅回路５３では、各セル１０ａから出力されるセル電圧をそれぞれ増幅することになる。   Subsequently, the amplifier circuit 53 is a circuit that is connected to the cell monitor 54, amplifies the voltage output from the cell monitor 54, and outputs the voltage to the Zn calculator 520. The cell monitor 54 is a cell voltage detection unit that detects a cell voltage output from the cell 10a for each cell 10a. For this reason, the amplifier circuit 53 amplifies the cell voltage output from each cell 10a.

ここで、本実施形態の電池制御装置５は、セルモニタ５４以外にも、電流制御装置５１の電圧センサ５２ａを有している。この電圧センサ５２ａは、燃料電池１０全体、すなわち、複数のセル１０ａの積層体から出力される総電圧を検出する総電圧検出部を構成している。   Here, the battery control device 5 of the present embodiment has a voltage sensor 52 a of the current control device 51 in addition to the cell monitor 54. The voltage sensor 52a constitutes a total voltage detecting unit that detects a total voltage output from the entire fuel cell 10, that is, a stacked body of the plurality of cells 10a.

続いて、劣化検出部５３０は、異なる周波数域における燃料電池１０全体または各セル１０ａのインピーダンスに基づいて、燃料電池１０の触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化との相関性を有する物理量を算出する物理量算出部である。   Subsequently, the deterioration detection unit 530 calculates a physical quantity having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b of the fuel cell 10 based on the entire fuel cell 10 or the impedance of each cell 10a in a different frequency range. It is a calculation unit.

ここで、高周波数域、中間周波数域、および低周波数域といった異なる３つの周波数域における燃料電池１０のインピーダンスに含まれる抵抗成分について、図８を参照して説明する。   Here, resistance components included in the impedance of the fuel cell 10 in three different frequency ranges, such as a high frequency range, an intermediate frequency range, and a low frequency range, will be described with reference to FIG.

図８に示すように、まず、数ｋＨｚ帯の高周波数域における燃料電池１０のインピーダンスには、電解質膜１０１中を高速で移動する水素イオン（Ｈ＋）の移動抵抗が含まれており、その抵抗成分は、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍが支配的となる。 As shown in FIG. 8, first, the impedance of the fuel cell 10 in the high frequency range of several kHz includes the movement resistance of hydrogen ions (H + ) moving at high speed in the electrolyte membrane 101. The resistance component is dominated by the hydrogen ion resistance Rpm inside the electrolyte membrane 101.

続いて、数百Ｈｚ帯の中間周波数域における燃料電池１０のインピーダンスには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍに加えて、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ中を移動する水素イオン（Ｈ＋）の移動抵抗が含まれている。そして、中間周波数域における燃料電池１０のインピーダンスは、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍおよび触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃが支配的となる。なお、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部における水素イオンの移動速度は、電解質膜１０１内部における水素イオンの移動速度よりも遅くなる。このため、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃは、高周波数域における燃料電池１０のインピーダンスへの影響が小さい。 Subsequently, in addition to the hydrogen ion resistance Rpm inside the electrolyte membrane 101, the hydrogen ions (H + ) moving in the catalyst electrode layers 102a and 102b are added to the impedance of the fuel cell 10 in the intermediate frequency range of several hundred Hz. Movement resistance is included. The impedance of the fuel cell 10 in the intermediate frequency range is dominated by the hydrogen ion resistance Rpm inside the electrolyte membrane 101 and the hydrogen ion resistance Rpc inside the catalyst electrode layers 102a and 102b. Note that the moving speed of hydrogen ions inside the catalyst electrode layers 102a and 102b is lower than the moving speed of hydrogen ions inside the electrolyte membrane 101. Therefore, the hydrogen ion resistance Rpc inside the catalyst electrode layers 102a and 102b has little effect on the impedance of the fuel cell 10 in a high frequency range.

続いて、数十Ｈｚ帯の低周波数域における燃料電池１０のインピーダンスには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍ、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃに加えて、酸素の拡散抵抗（酸化剤ガスの拡散抵抗）Ｒｄが含まれている。なお、酸素の移動速度は、水素イオンよりも遅くなる。このため、酸素の拡散抵抗Ｒｄは、高周波数域および中間周波数域における燃料電池１０のインピーダンスへの影響が小さい。   Subsequently, in addition to the hydrogen ion resistance Rpm inside the electrolyte membrane 101 and the hydrogen ion resistance Rpc inside the catalyst electrode layers 102a and 102b, the oxygen diffusion resistance (Diffusion resistance of oxidant gas) Rd is included. Note that the moving speed of oxygen is lower than that of hydrogen ions. Therefore, the diffusion resistance Rd of oxygen has little effect on the impedance of the fuel cell 10 in the high frequency range and the intermediate frequency range.

そして、燃料電池１０のインピーダンスに含まれる抵抗成分のうち、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃは、他の抵抗成分に比べて、最も触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を有する。   Then, among the resistance components included in the impedance of the fuel cell 10, the hydrogen ion resistance Rpc inside the catalyst electrode layers 102a and 102b has the highest correlation with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b as compared with the other resistance components. Have.

これらを鑑みて、本実施形態の劣化検出部５３０は、燃料電池１０の触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化との相関性を有する物理量として、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃを含む抵抗成分を算出する。   In view of these, the deterioration detection unit 530 of the present embodiment includes the hydrogen ion resistance Rpc inside the catalyst electrode layers 102a and 102b as a physical quantity having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b of the fuel cell 10. Calculate the resistance component.

ここで、前述の如く、中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＭには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍおよび触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃが含まれる。また、高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＨには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍが含まれる。 Here, as described above, the impedance R M of the fuel cell 10 of the intermediate frequency range, the electrolyte membrane 101 inside of the hydrogen ionic resistance Rpm and the catalyst electrode layer 102a, includes 102b inside of the hydrogen ionic resistance Rpc. The impedance RH of the fuel cell 10 in the high frequency range includes the hydrogen ion resistance Rpm inside the electrolyte membrane 101.

このため、本実施形態の劣化検出部５３０は、中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＭと高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＨとの差分（＝ＲＭ−ＲＨ）から触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃを含む抵抗成分を算出する。 Therefore, the deterioration detector 530 of the present embodiment, the catalyst electrode from the difference between the impedance R H of the impedance R M and the high frequency range the fuel cell 10 of the fuel cell 10 of the intermediate frequency range (= R M -R H) A resistance component including the hydrogen ion resistance Rpc inside the layers 102a and 102b is calculated.

図４に戻り、診断制御部５０の性能低下量算出部５５０は、劣化検出部５３０の算出結果に基づいて、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に伴う燃料電池１０の性能低下量を算出する算出部である。   Returning to FIG. 4, the performance reduction amount calculation unit 550 of the diagnosis control unit 50 calculates the performance reduction amount of the fuel cell 10 due to the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b based on the calculation result of the deterioration detection unit 530. Department.

本実施形態の性能低下量算出部５５０は、劣化検出部５３０の算出結果に基づいて、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性のある物理量と燃料電池１０の性能低下量との関係を規定した評価用制御マップを参照して、燃料電池１０の性能低下量を算出する。評価用制御マップには、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化が進行する程、燃料電池１０の性能低下量が大きくなる関係が規定されている。なお、評価用制御マップは、診断制御部５０の記憶部５００に予め記憶されている。   The performance reduction amount calculating section 550 of the present embodiment defines the relationship between the physical quantity correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b and the performance deterioration amount of the fuel cell 10 based on the calculation result of the deterioration detecting section 530. The performance reduction amount of the fuel cell 10 is calculated with reference to the evaluation control map thus obtained. The evaluation control map defines a relationship in which the more the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b progresses, the larger the performance reduction amount of the fuel cell 10 becomes. The evaluation control map is stored in the storage unit 500 of the diagnosis control unit 50 in advance.

続いて、出力推定部５６０は、性能低下量算出部５５０の算出結果に基づいて、燃料電池１０の実際の出力特性、すなわち、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に伴って変化した電流電圧特性を推定する推定部である。   Subsequently, the output estimating unit 560 calculates the actual output characteristics of the fuel cell 10, that is, the current-voltage characteristics changed with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b, based on the calculation result of the performance reduction amount calculating unit 550. An estimating unit for estimating.

本実施形態の出力推定部５６０は、性能低下量算出部５５０の算出結果に基づいて、電流制御装置５１の記憶部５１ｃに記憶された電流電圧特性（ＩＶ特性）の推定ラインが規定された出力用制御マップを補正する。出力推定部５６０は、例えば、性能低下量算出部５５０で算出された性能低下量が５％となる場合、電流制御装置５１の記憶部５１ｃに記憶された電流電圧特性から導かれる出力（＝電流密度×出力電圧）が５％程度減るように、推定ラインを補正する。   The output estimating unit 560 of the present embodiment outputs an output in which an estimated line of the current-voltage characteristic (IV characteristic) stored in the storage unit 51c of the current control device 51 is defined based on the calculation result of the performance reduction amount calculating unit 550. The control map for use. For example, when the performance decrease amount calculated by the performance decrease amount calculation unit 550 is 5%, the output estimating unit 560 outputs (= current) derived from the current-voltage characteristic stored in the storage unit 51c of the current control device 51. The estimated line is corrected so that (density × output voltage) is reduced by about 5%.

次に、本実施形態の電池制御装置５が実行する触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化対応処理について、図９を参照して説明する。図９に示す制御ルーチンは、電池制御装置５により実行される。図９に示す制御ルーチンは、ドラバビリティへの影響を抑えるために、例えば、燃料電池１０の起動処理または停止処理時に実行することが望ましい。なお、図９に示すフローチャートの各ステップは、電池制御装置５により実現されるものであり、各ステップで実現される機能それぞれを機能実現部として解釈することができる。   Next, a process for dealing with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b performed by the battery control device 5 of the present embodiment will be described with reference to FIG. The control routine shown in FIG. 9 is executed by the battery control device 5. The control routine shown in FIG. 9 is desirably executed, for example, at the time of start-up processing or stop processing of the fuel cell 10 in order to suppress the influence on drivability. Note that each step of the flowchart illustrated in FIG. 9 is realized by the battery control device 5, and each function realized in each step can be interpreted as a function realizing unit.

図９に示すように、電池制御装置５は、まず、交流成分ΔＩ付加部５１０により、高周波数域（例えば、１ｋＨｚ）の交流電流、および中間周波数域（例えば、２００Ｈｚ）の交流電流を、燃料電池１０の出力電流に重畳させる（Ｓ１０）。   As shown in FIG. 9, the battery control device 5 first uses the AC component ΔI adding unit 510 to convert an AC current in a high frequency range (eg, 1 kHz) and an AC current in an intermediate frequency range (eg, 200 Hz) into fuel. The output current is superimposed on the output current of the battery 10 (S10).

続いて、電池制御装置５は、各種センサの検出信号を読み込む（Ｓ２０）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ２０の処理にて、電圧センサ５２ａ、電流センサ５２ｂ、セルモニタ５４の検出信号を読み込む。   Subsequently, the battery control device 5 reads detection signals of various sensors (S20). Specifically, the battery control device 5 reads the detection signals of the voltage sensor 52a, the current sensor 52b, and the cell monitor 54 in the process of step S20.

続いて、電池制御装置５は、ステップＳ２０の処理にて読み込んだ各種センサの検出値から、燃料電池１０のインピーダンスを算出する（Ｓ３０）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ３０の処理にて、中間周波数域（例えば、２００Ｈｚ）に対応するインピーダンスＲＭ、および高周波数域（例えば、１ｋＨｚ）に対応するインピーダンスＲＨを区別して算出する。 Subsequently, the battery control device 5 calculates the impedance of the fuel cell 10 from the detection values of the various sensors read in the processing of step S20 (S30). Specifically, the battery control device 5, in the process of step S30, an intermediate frequency range (e.g., 200 Hz) Impedance R M, and the high frequency range corresponding to (e.g., 1 kHz) Subdivision impedance R H corresponding to Calculate separately.

続いて、電池制御装置５は、中間周波数域に対応するインピーダンスＲＭ、および高周波数域に対応するインピーダンスＲＨの差分（＝ＲＭ−ＲＨ）に基づいて、燃料電池１０の性能低下量を算出する（Ｓ４０）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ４０の処理にて、図１０に示すように、各インピーダンスＲＭ、ＲＨの差分と性能低下量との関係が規定された評価用制御マップを参照して燃料電池１０の性能低下量を算出する。 Subsequently, the battery control device 5, based on the impedance R H corresponds to the impedance R M, and a high-frequency region corresponding to the intermediate frequency range the difference (= R M -R H), performance degradation of the fuel cell 10 Is calculated (S40). Specifically, the battery control device 5, in the process of step S40, as shown in FIG. 10, the impedance R M, a is defined evaluation control map relationship between the difference and the performance degradation of R H The performance reduction amount of the fuel cell 10 is calculated with reference to the reference.

続いて、電池制御装置５は、ステップＳ４０の処理にて算出した燃料電池１０の性能低下量に基づいて、燃料電池１０の実際の出力特性、すなわち、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に伴って変化した電流電圧特性（ＩＶ特性）を推定する（Ｓ５０）。   Subsequently, based on the performance reduction amount of the fuel cell 10 calculated in the process of step S40, the battery control device 5 changes the actual output characteristics of the fuel cell 10, that is, with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b. The changed current-voltage characteristics (IV characteristics) are estimated (S50).

具体的には、電池制御装置５は、性能低下量算出部５５０で算出された性能低下量に応じて、電流制御装置５１の記憶部５１ｃに記憶された電流電圧特性（ＩＶ特性）の推定ラインが規定された出力用制御マップを補正する。電池制御装置５は、例えば、性能低下量が５％となる場合、電流制御装置５１の記憶部５１ｃに記憶された電流電圧特性から導かれる出力（＝電流密度×出力電圧）が５％程度減るように、推定ラインを補正する。   Specifically, the battery control device 5 determines the current-voltage characteristic (IV characteristic) estimation line stored in the storage unit 51c of the current control device 51 according to the performance reduction amount calculated by the performance reduction amount calculation unit 550. Is corrected for the specified output control map. For example, when the performance reduction amount is 5%, the output (= current density × output voltage) derived from the current-voltage characteristics stored in the storage unit 51c of the current control device 51 decreases by about 5%. Thus, the estimated line is corrected.

本実施形態の電流制御装置５１の出力制御部５１ｂは、図１０のステップＳ５０の処理で推定された燃料電池１０の出力特性（電流電圧特性）に基づいて、燃料電池１０に要求される要求出力を満たす燃料電池１０の動作点を決定する。   The output control unit 51b of the current control device 51 of the present embodiment outputs the required output required for the fuel cell 10 based on the output characteristics (current-voltage characteristics) of the fuel cell 10 estimated in the process of step S50 in FIG. The operating point of the fuel cell 10 that satisfies is satisfied.

ここで、図１１は、推定した電流電圧特性を利用して、燃料電池１０の各セル１０ａの動作点ＯＰを決定する方法を説明するための説明図である。図１１では、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂが劣化する前の電流電圧特性の推定ラインを実線で示し、劣化後の電流電圧特性の推定ラインを破線で示している。なお、図１１の破線で示す推定ラインは、図１０のステップＳ５０における電流電圧特性（ＩＶ特性）の推定結果である。   Here, FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a method of determining the operating point OP of each cell 10a of the fuel cell 10 using the estimated current-voltage characteristics. In FIG. 11, the estimation line of the current-voltage characteristic before the catalyst electrode layers 102a and 102b are deteriorated is indicated by a solid line, and the estimation line of the current-voltage characteristic after the deterioration is indicated by a broken line. The estimation line shown by the broken line in FIG. 11 is the estimation result of the current-voltage characteristic (IV characteristic) in step S50 in FIG.

本実施形態の出力制御部５１ｂは、図１１に示すように、図１０のステップＳ５０にて推定した電流電圧特性（ＩＶ特性）の推定ライン（図１１の破線参照）上において、要求出力Ｐ１を満たす出力Ｐ３が得られる燃料電池１０の動作点ＯＰ３を決定する。   As shown in FIG. 11, the output control unit 51b of the present embodiment sets the required output P1 on the estimation line (see the broken line in FIG. 11) of the current-voltage characteristic (IV characteristic) estimated in step S50 in FIG. An operating point OP3 of the fuel cell 10 at which a satisfying output P3 is obtained is determined.

具体的には、出力制御部５１ｂは、まず、記憶部５１ｃに記憶された電流電圧特性の推定ライン（図１１の実線参照）における要求出力Ｐ１を満たす出力電圧Ｖ１を算出する。続いて、出力制御部５１ｂは、出力電圧Ｖ１以下の電圧範囲において、図１０のステップＳ５０にて推定した電流電圧特性の推定ライン上において、要求出力Ｐ１を満たす電圧Ｖ３および電流密度Ｖ３を燃料電池１０の動作点ＯＰ３として決定する。そして、出力制御部５１ｂは、燃料電池１０の動作点ＯＰ３における出力電圧Ｖ３を各セル１０ａの目標電圧とし、各セル１０ａの出力電圧が目標電圧に近づくようにＤＣ−ＤＣコンバータ５１ａを制御して、燃料電池１０の出力電圧を制御する。   Specifically, first, the output control unit 51b calculates the output voltage V1 that satisfies the required output P1 on the current-voltage characteristic estimation line (see the solid line in FIG. 11) stored in the storage unit 51c. Subsequently, in the voltage range equal to or lower than the output voltage V1, the output control unit 51b compares the voltage V3 and the current density V3 satisfying the required output P1 on the estimation line of the current-voltage characteristic estimated in step S50 of FIG. It is determined as 10 operating points OP3. Then, the output control unit 51b sets the output voltage V3 at the operating point OP3 of the fuel cell 10 as the target voltage of each cell 10a, and controls the DC-DC converter 51a so that the output voltage of each cell 10a approaches the target voltage. , The output voltage of the fuel cell 10 is controlled.

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１は、異なる周波数域の燃料電池１０のインピーダンスに基づいて、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関する物理量を算出する構成としている。   The fuel cell system 1 of the present embodiment described above is configured to calculate a physical quantity correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b based on the impedance of the fuel cell 10 in different frequency ranges.

加えて、本実施形態の燃料電池システム１では、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を有する物理量に基づいて、燃料電池１０の性能低下量の算出、および燃料電池１０の出力特性の推定を行う構成となっている。   In addition, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the performance reduction amount of the fuel cell 10 is calculated and the output characteristics of the fuel cell 10 are estimated based on the physical quantity correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b. Is performed.

このため、本実施形態の燃料電池システム１では、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出するための専用の追加部品を抑えつつ、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に応じた燃料電池の出力特性を推定することができる。なお、本実施形態の燃料電池システム１における燃料電池１０のインピーダンスを算出する構成は、燃料電池１０の内部の水分状態、発電状態を把握するためにも利用されるものであり、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出するための専用の追加部品ではない。   For this reason, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the output characteristic of the fuel cell according to the deterioration of the catalyst electrode layers 102a, 102b is reduced while suppressing an additional component dedicated for detecting the deterioration of the catalyst electrode layers 102a, 102b. Can be estimated. Note that the configuration for calculating the impedance of the fuel cell 10 in the fuel cell system 1 of the present embodiment is also used to grasp the state of water and the state of power generation inside the fuel cell 10, and the catalyst electrode layer 102a , 102b are not dedicated additional components for detecting deterioration.

また、本実施形態の燃料電池システム１は、出力推定部５６０にて推定された燃料電池１０の出力特性に基づいて、燃料電池１０に要求される要求出力を満たす燃料電池１０の動作点を決定する構成となっている。このように、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を加味して燃料電池１０を作動させる構成では、燃料電池１０に要求される要求出力に見合った電気エネルギを出力することができる。   Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment determines the operating point of the fuel cell 10 that satisfies the required output required for the fuel cell 10 based on the output characteristics of the fuel cell 10 estimated by the output estimating unit 560. Configuration. As described above, in the configuration in which the fuel cell 10 is operated in consideration of the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b, it is possible to output electric energy corresponding to the required output required of the fuel cell 10.

さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、記憶部５１ｃに記憶された触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの水素イオン抵抗と燃料電池１０の性能低下量との関係を規定した制御マップを参照して、燃料電池１０の性能低下量を算出する構成となっている。これによれば、燃料電池１０の性能低下量の算出を電池制御装置５の内部構成にて行うことができるので、専用の追加部品の増加を抑えることができる。   Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment refers to a control map that defines the relationship between the hydrogen ion resistance of the catalyst electrode layers 102a and 102b and the performance reduction amount of the fuel cell 10 stored in the storage unit 51c. The configuration is such that the performance reduction amount of the fuel cell 10 is calculated. According to this, since the performance reduction amount of the fuel cell 10 can be calculated by the internal configuration of the battery control device 5, an increase in the number of dedicated additional components can be suppressed.

さらにまた、本実施形態の燃料電池システム１では、中間周波数域および高周波数域における燃料電池１０のインピーダンスの差分から触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を有する触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの水素イオン抵抗を含む抵抗成分を算出する構成となっている。これによれば、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの水素イオン抵抗を含む抵抗成分を算出することができるので、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を適切に検出することができる。この結果、燃料電池１０の出力特性を精度良く推定することが可能となる。   Furthermore, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the hydrogen difference between the catalyst electrode layers 102a and 102b correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b based on the impedance difference of the fuel cell 10 in the intermediate frequency range and the high frequency range. The resistance component including the ionic resistance is calculated. According to this, the resistance component including the hydrogen ion resistance of the catalyst electrode layers 102a and 102b can be calculated, so that the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b can be appropriately detected. As a result, the output characteristics of the fuel cell 10 can be accurately estimated.

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図１２を参照して説明する。本実施形態では、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出する際に燃料電池１０の出力電流に重畳させる交流電流の周波数域が第１実施形態と相違している。 (2nd Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the frequency range of the alternating current to be superimposed on the output current of the fuel cell 10 when detecting deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b is different from that of the first embodiment.

第１実施形態で説明したように、中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＭには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍおよび触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃが含まれる。また、低周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＬには、電解質膜１０１および触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍ、Ｒｐｃに加えて、酸素の拡散抵抗Ｒｄが含まれる。 As described in the first embodiment, the impedance R M of the fuel cell 10 of the intermediate frequency range, the electrolyte membrane 101 inside of the hydrogen ionic resistance Rpm and the catalyst electrode layer 102a, includes 102b inside of the hydrogen ionic resistance Rpc. In addition, the impedance RL of the fuel cell 10 in the low frequency range includes the diffusion resistance Rd of oxygen in addition to the hydrogen ion resistances Rpm and Rpc inside the electrolyte membrane 101 and the catalyst electrode layers 102a and 102b.

ここで、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂに劣化が生ずると、燃料電池１０内部における酸素の拡散が阻害されることで、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの水素イオン抵抗だけでなく、酸素の拡散抵抗Ｒｄも増加する傾向がある。すなわち、酸素の拡散抵抗Ｒｄは、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を物理量となる。   Here, when deterioration occurs in the catalyst electrode layers 102a and 102b, diffusion of oxygen inside the fuel cell 10 is hindered, so that not only the hydrogen ion resistance of the catalyst electrode layers 102a and 102b but also the oxygen diffusion resistance Rd is reduced. Tends to increase. That is, the diffusion resistance Rd of oxygen has a physical quantity correlating with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b.

このため、本実施形態の劣化検出部５３０は、低周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＬと中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＭとの差分（＝ＲＬ−ＲＭ）から酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分を算出する。 Therefore, the deterioration detector 530 of the present embodiment, the impedance R M of the impedance R L and the fuel cell 10 of the intermediate frequency range of the fuel cell 10 in the low frequency range the difference (= R L -R M) from the oxygen A resistance component including the diffusion resistance Rd is calculated.

また、本実施形態の性能低下量算出部５５０は、劣化検出部５３０の算出結果に基づいて、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性のある物理量と燃料電池１０の性能低下量との関係を規定した評価用制御マップを参照して、燃料電池１０の性能低下量を算出する。なお、評価用制御マップには、低周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＬと中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＭとの差分が大きくなる程、燃料電池１０の性能低下量が大きくなる関係が規定されている。 Further, based on the calculation result of the deterioration detection unit 530, the performance reduction amount calculation unit 550 of the present embodiment determines the relationship between the physical amount correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b and the performance reduction amount of the fuel cell 10. The performance reduction amount of the fuel cell 10 is calculated with reference to the evaluation control map defining the above. Note that the evaluation control map, as the difference between the impedance R M of the impedance R L and the fuel cell 10 of the intermediate frequency range of the fuel cell 10 in the low frequency band increases, the performance degradation of the fuel cell 10 is increased The relationship is prescribed.

次に、本実施形態の電池制御装置５が実行する触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化対応処理について、図１２を参照して説明する。図１２は、第１実施形態で説明した図９に対応するフローチャートである。なお、図１２に示す制御ルーチンは、燃料電池１０の起動または停止する際に、電池制御装置５により実行される。   Next, a process for dealing with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b executed by the battery control device 5 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a flowchart corresponding to FIG. 9 described in the first embodiment. The control routine shown in FIG. 12 is executed by the battery control device 5 when starting or stopping the fuel cell 10.

図１２に示すように、電池制御装置５は、まず、交流成分ΔＩ付加部５１０により、低周波数域（例えば、２０Ｈｚ）の交流電流、および中間周波数域（例えば、２００Ｈｚ）の交流電流を、燃料電池１０の出力電流に重畳させる（Ｓ１０Ａ）。その後、電池制御装置５は、各種センサの検出信号を読み込む（Ｓ２０）。   As shown in FIG. 12, the battery control device 5 first uses the AC component ΔI adding unit 510 to convert an AC current in a low frequency range (for example, 20 Hz) and an AC current in an intermediate frequency range (for example, 200 Hz) into fuel. The output current is superimposed on the output current of the battery 10 (S10A). Thereafter, the battery control device 5 reads detection signals of various sensors (S20).

続いて、電池制御装置５は、ステップＳ２０の処理にて読み込んだ各種センサの検出値から、燃料電池１０のインピーダンスを算出する（Ｓ３０Ａ）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ３０の処理にて、低周波数域（例えば、２０Ｈｚ）に対応するインピーダンスＲＬ、および中間周波数域（例えば、２００Ｈｚ）に対応するインピーダンスＲＭを区別して算出する。 Subsequently, the battery control device 5 calculates the impedance of the fuel cell 10 from the detection values of the various sensors read in the processing of step S20 (S30A). Specifically, the battery control device 5, in the process of step S30, the low frequency range (e.g., 20 Hz) impedance R L corresponding to, and an intermediate frequency range (e.g., 200 Hz) Subdivision impedance R M corresponding to Calculate separately.

続いて、電池制御装置５は、低周波数域に対応するインピーダンスＲＬ、および中間周波数域に対応するインピーダンスＲＭの差分（＝ＲＬ−ＲＭ）に基づいて、燃料電池１０の性能低下量を算出する（Ｓ４０Ａ）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ４０の処理にて、各インピーダンスＲＬ、ＲＭの差分と性能低下量との関係が規定された評価用制御マップを参照して燃料電池１０の性能低下量を算出する。 Subsequently, the battery control device 5, the low-frequency region to a corresponding impedance R L, and based on the intermediate frequency range to the difference of the corresponding impedance R M (= R L -R M ), performance degradation of the fuel cell 10 Is calculated (S40A). Specifically, the battery control device 5, in the process of step S40, for each impedance R L, the fuel cell 10 with reference to the evaluation control map relationship is defined between the difference and the performance degradation of R M Calculate the performance decrease.

続いて、電池制御装置５は、ステップＳ４０Ａの処理にて算出した燃料電池１０の性能低下量に基づいて、燃料電池１０の実際の出力特性、すなわち、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に伴って変化した電流電圧特性（ＩＶ特性）を推定する（Ｓ５０）。   Subsequently, based on the performance reduction amount of the fuel cell 10 calculated in the process of step S40A, the battery control device 5 determines the actual output characteristics of the fuel cell 10, that is, the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b. The changed current-voltage characteristics (IV characteristics) are estimated (S50).

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と同様の構成を含んでいる。このため、本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と同様の構成により得られる構成によって得られる作用効果を第１実施形態と同様に得ることができる。   Other configurations are the same as in the first embodiment. The fuel cell system 1 of the present embodiment includes a configuration similar to that of the first embodiment. For this reason, the fuel cell system 1 of the present embodiment can obtain the operation and effect obtained by the configuration obtained by the same configuration as that of the first embodiment, similarly to the first embodiment.

ここで、本実施形態の燃料電池システム１は、低周波数域および中間周波数域における燃料電池１０のインピーダンスの差分から触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を有する酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分を算出する構成となっている。これによれば、触媒電極層の劣化に相関性を有する酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分によって、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出することができる。   Here, the fuel cell system 1 according to the present embodiment has a resistance including a diffusion resistance Rd of oxygen correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b based on the difference between the impedances of the fuel cell 10 in the low frequency range and the intermediate frequency range. The components are calculated. According to this, the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b can be detected by the resistance component including the diffusion resistance Rd of oxygen correlated with the deterioration of the catalyst electrode layer.

ここで、数ｋＨｚの高周波数域の交流信号を取り扱う場合、サンプリング周波数が低下することで、電池制御装置５における処理系（交流成分ΔＩ付加部５１０、Ｚｎ算出部５２０等）が大型化したり、複雑化したりすることが懸念される。このことは、移動体である車両等への搭載を妨げる要因となってしまう。   Here, when an AC signal in a high frequency range of several kHz is handled, the processing system (AC component ΔI adding unit 510, Zn calculating unit 520, etc.) in the battery control device 5 becomes large due to a decrease in the sampling frequency, It is feared that it will be complicated. This becomes a factor that hinders mounting on a vehicle or the like that is a moving body.

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１では、高周波数域よりも低い周波数に対応する燃料電池１０のインピーダンスにより触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出することができる。このため、電池制御装置５における処理系（交流成分ΔＩ付加部５１０、Ｚｎ算出部５２０等）の大型化および複雑化を抑えることができる。本実施形態の燃料電池システム１は、機器の搭載制約がある車両等の移動体に好適である。   On the other hand, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b can be detected from the impedance of the fuel cell 10 corresponding to a frequency lower than the high frequency range. Therefore, it is possible to suppress an increase in the size and complexity of the processing system (the AC component ΔI adding unit 510, the Zn calculating unit 520, and the like) in the battery control device 5. The fuel cell system 1 of the present embodiment is suitable for a mobile body such as a vehicle having a restriction on mounting of the device.

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１３を参照して説明する。本実施形態では、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出する際に燃料電池１０の出力電流に重畳させる交流電流の周波数域が第１、第２実施形態と相違している。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the frequency range of the alternating current superimposed on the output current of the fuel cell 10 when detecting the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b is different from the first and second embodiments.

第１、第２実施形態で説明したように、高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＨには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍが含まれる。また、低周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＬには、電解質膜１０１および触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍ、Ｒｐｃに加えて、酸素の拡散抵抗Ｒｄが含まれる。 As described in the first and second embodiments, the impedance RH of the fuel cell 10 in the high frequency range includes the hydrogen ion resistance Rpm inside the electrolyte membrane 101. In addition, the impedance RL of the fuel cell 10 in the low frequency range includes the diffusion resistance Rd of oxygen in addition to the hydrogen ion resistances Rpm and Rpc inside the electrolyte membrane 101 and the catalyst electrode layers 102a and 102b.

ここで、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃ、および酸素の拡散抵抗Ｒｄは、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を物理量となる。   Here, the hydrogen ion resistance Rpc and the diffusion resistance Rd of the oxygen inside the catalyst electrode layers 102a and 102b are correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b as physical quantities.

このため、本実施形態の劣化検出部５３０は、低周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＬと高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＨとの差分（＝ＲＬ−ＲＨ）から触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃ、および酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分を算出する。 For this reason, the deterioration detection unit 530 of the present embodiment determines the catalyst electrode from the difference (= RL- RH ) between the impedance RL of the fuel cell 10 in the low frequency range and the impedance RH of the fuel cell 10 in the high frequency range. A resistance component including the hydrogen ion resistance Rpc inside the layers 102a and 102b and the oxygen diffusion resistance Rd is calculated.

また、本実施形態の性能低下量算出部５５０は、劣化検出部５３０の算出結果に基づいて、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性のある物理量と燃料電池１０の性能低下量との関係を規定した評価用制御マップを参照して、燃料電池１０の性能低下量を算出する。なお、評価用制御マップには、低周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＬと高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲＨとの差分が大きくなる程、燃料電池１０の性能低下量が大きくなる関係が規定されている。 Further, based on the calculation result of the deterioration detection unit 530, the performance reduction amount calculation unit 550 of the present embodiment determines the relationship between the physical amount correlated with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b and the performance reduction amount of the fuel cell 10. The performance reduction amount of the fuel cell 10 is calculated with reference to the evaluation control map defining the above. In the evaluation control map, the larger the difference between the impedance RL of the fuel cell 10 in the low frequency range and the impedance RH of the fuel cell 10 in the high frequency range, the greater the amount of performance degradation of the fuel cell 10. The relationship is prescribed.

次に、本実施形態の電池制御装置５が実行する触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化対応処理について、図１３を参照して説明する。図１３は、第１実施形態で説明した図９、および第２実施形態で説明した図１２に対応するフローチャートである。なお、図１３に示す制御ルーチンは、燃料電池１０の起動または停止する際に、電池制御装置５により実行される。   Next, a process for dealing with deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b executed by the battery control device 5 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a flowchart corresponding to FIG. 9 described in the first embodiment and FIG. 12 described in the second embodiment. Note that the control routine shown in FIG. 13 is executed by the battery control device 5 when starting or stopping the fuel cell 10.

図１３に示すように、電池制御装置５は、まず、交流成分ΔＩ付加部５１０により、低周波数域（例えば、２０Ｈｚ）の交流電流、および高周波数域（例えば、１ｋＨｚ）の交流電流を、燃料電池１０の出力電流に重畳させる（Ｓ１０Ｂ）。その後、電池制御装置５は、各種センサの検出信号を読み込む（Ｓ２０）。   As shown in FIG. 13, the battery control device 5 first uses the AC component ΔI adding unit 510 to convert an AC current in a low frequency range (for example, 20 Hz) and an AC current in a high frequency range (for example, 1 kHz) into fuel. The output current is superimposed on the output current of the battery 10 (S10B). Thereafter, the battery control device 5 reads detection signals of various sensors (S20).

続いて、電池制御装置５は、ステップＳ２０の処理にて読み込んだ各種センサの検出値から、燃料電池１０のインピーダンスを算出する（Ｓ３０Ｂ）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ３０の処理にて、低周波数域（例えば、２０Ｈｚ）に対応するインピーダンスＲＬ、および高周波数域（例えば、１ｋＨｚ）に対応するインピーダンスＲＨを区別して算出する。 Subsequently, the battery control device 5 calculates the impedance of the fuel cell 10 from the detection values of the various sensors read in the processing of step S20 (S30B). Specifically, the battery control device 5 determines the impedance RL corresponding to the low frequency range (for example, 20 Hz) and the impedance RH corresponding to the high frequency range (for example, 1 kHz) in the process of step S30. Calculate separately.

続いて、電池制御装置５は、低周波数域に対応するインピーダンスＲＬ、および高周波数域に対応するインピーダンスＲＨの差分（＝ＲＬ−ＲＨ）に基づいて、燃料電池１０の性能低下量を算出する（Ｓ４０Ｂ）。具体的には、電池制御装置５は、ステップＳ４０の処理にて、各インピーダンスＲＬ、ＲＨの差分と性能低下量との関係が規定された評価用制御マップを参照して燃料電池１０の性能低下量を算出する。 Subsequently, the battery control device 5 determines the performance reduction amount of the fuel cell 10 based on the difference (= RL- RH ) between the impedance RL corresponding to the low frequency range and the impedance RH corresponding to the high frequency range. Is calculated (S40B). Specifically, in the process of step S40, the battery control device 5 refers to the evaluation control map in which the relationship between the difference between the impedances RL and RH and the performance reduction amount is specified, and the fuel cell 10 Calculate the performance decrease.

続いて、電池制御装置５は、ステップＳ４０Ｂの処理にて算出した燃料電池１０の性能低下量に基づいて、燃料電池１０の実際の出力特性、すなわち、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に伴って変化した電流電圧特性（ＩＶ特性）を推定する（Ｓ５０）。   Subsequently, based on the performance reduction amount of the fuel cell 10 calculated in the process of step S40B, the battery control device 5 changes the actual output characteristics of the fuel cell 10, that is, with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b. The changed current-voltage characteristics (IV characteristics) are estimated (S50).

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と同様の構成を含んでいる。このため、本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と同様の構成により得られる構成によって得られる作用効果を第１実施形態と同様に得ることができる。   Other configurations are the same as in the first embodiment. The fuel cell system 1 of the present embodiment includes a configuration similar to that of the first embodiment. For this reason, the fuel cell system 1 of the present embodiment can obtain the operation and effect obtained by the configuration obtained by the same configuration as that of the first embodiment, similarly to the first embodiment.

ここで、本実施形態の燃料電池システム１は、低周波数域および高周波数域における燃料電池１０のインピーダンスの差分から触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化に相関性を有する触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃおよび酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分を算出する構成となっている。これによれば、触媒電極層の劣化に相関性を有する触媒電極層１０２ａ、１０２ｂ内部の水素イオン抵抗Ｒｐｃ、および酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分によって、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの劣化を検出することができる。   Here, the fuel cell system 1 according to the present embodiment has a structure inside the catalyst electrode layers 102a and 102b that has a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b based on the difference between the impedances of the fuel cell 10 in the low frequency range and the high frequency range. The resistance component including the hydrogen ion resistance Rpc and the oxygen diffusion resistance Rd is calculated. According to this, the deterioration of the catalyst electrode layers 102a and 102b is detected by the resistance components including the hydrogen ion resistance Rpc and the oxygen diffusion resistance Rd inside the catalyst electrode layers 102a and 102b having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layers. can do.

（他の実施形態）
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。 (Other embodiments)
The representative embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows, for example.

上述の各実施形態では、燃料電池自動車に対して本発明の燃料電池システム１を適用する例について説明したが、これに限定されない。例えば、定置型の装置やシステムに本発明の燃料電池システム１を適用してもよい。   In each of the above embodiments, the example in which the fuel cell system 1 of the present invention is applied to a fuel cell vehicle has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the fuel cell system 1 of the present invention may be applied to a stationary device or system.

上述の各実施形態では、出力推定部５６０にて推定された燃料電池１０の出力特性に基づいて、燃料電池１０に要求される要求出力を満たす燃料電池１０の動作点を決定する例について説明したが、これに限定されない。例えば、出力推定部５６０にて推定された燃料電池１０の出力特性に基づいて、ユーザ側に燃料電池１０が出力不足となる要因を報知するようにしてもよい。   In each of the above embodiments, an example has been described in which the operating point of the fuel cell 10 that satisfies the required output required for the fuel cell 10 is determined based on the output characteristics of the fuel cell 10 estimated by the output estimating unit 560. However, the present invention is not limited to this. For example, based on the output characteristics of the fuel cell 10 estimated by the output estimating unit 560, the user may be notified of the cause of the output shortage of the fuel cell 10.

上述の各実施形態では、記憶部５１ｃに記憶された触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの水素イオン抵抗と燃料電池１０の性能低下量との関係を規定した制御マップを参照して、燃料電池１０の性能低下量を算出する例について説明したが、これに限定されない。例えば、触媒電極層１０２ａ、１０２ｂの水素イオン抵抗と燃料電池１０の性能低下量との関係を数式化して、当該数式を用いて燃料電池１０の性能低下量を算出してもよい。   In each of the above-described embodiments, the performance of the fuel cell 10 is referred to with reference to a control map that defines the relationship between the hydrogen ion resistance of the catalyst electrode layers 102a and 102b and the performance reduction amount of the fuel cell 10 stored in the storage unit 51c. Although the example of calculating the reduction amount has been described, the present invention is not limited to this. For example, the relationship between the hydrogen ion resistance of the catalyst electrode layers 102a and 102b and the performance degradation of the fuel cell 10 may be expressed by a mathematical formula, and the performance degradation of the fuel cell 10 may be calculated using the mathematical formula.

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   In the above-described embodiment, it is needless to say that elements constituting the embodiment are not necessarily essential unless otherwise clearly indicated as essential or in principle considered to be clearly essential.

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。   In the above-described embodiment, when a numerical value such as the number, numerical value, amount, range or the like of the constituent elements of the exemplary embodiment is referred to, it is particularly limited to a specific number when it is explicitly stated that it is essential and in principle. It is not limited to that particular number, except in such cases.

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。   In the above embodiments, when referring to the shape, positional relationship, and the like of the components, the shape, positional relationship, and the like, unless otherwise specified and in principle limited to a specific shape, positional relationship, etc. It is not limited to the above.

１０ 燃料電池
１０ａ セル
１００ 膜電極接合体
１０１ 電解質膜
１０２ａ、１０２ｂ 触媒電極層
５１０ 交流成分ΔＩ付加部（交流重畳部）
５２０ Ｚｎ算出部（インピーダンス算出部）
５３０ 劣化検出部（物理量算出部）
５５０ 性能低下量算出部
５６０ 出力推定部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 10a Cell 100 Membrane electrode assembly 101 Electrolyte membrane 102a, 102b Catalyst electrode layer 510 AC component (DELTA) I addition part (AC superposition part)
520 Zn calculator (impedance calculator)
530 Deterioration detection unit (physical quantity calculation unit)
550 Performance reduction amount calculation unit 560 Output estimation unit

Claims (3)

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池システムであって、
電解質膜（１０１）および前記電解質膜の両側に配置された触媒電極層（１０２ａ、１０２ｂ）で構成される膜電極接合体（１００）を有する複数のセル（１０ａ）で構成された固体高分子形の燃料電池（１０）と、
前記燃料電池に対して所定の周波数の交流信号を重畳させる交流重畳部（５１０）と、
前記交流重畳部にて前記交流信号が重畳された際の前記燃料電池のインピーダンスを算出するインピーダンス算出部（５２０）と、
第１の周波数域における前記燃料電池のインピーダンス、および前記第１の周波数域よりも高い第２の周波数域における前記燃料電池のインピーダンスに基づいて、前記触媒電極層の劣化に相関性を有する物理量を算出する物理量算出部（５３０）と、
前記物理量算出部の算出結果に基づいて、前記燃料電池の性能低下量を算出する性能低下量算出部（５５０）と、
前記性能低下量算出部の算出結果に基づいて、前記燃料電池の出力特性を推定する出力推定部（５６０）と、を備え、
前記第１の周波数域は、前記酸化剤ガスの拡散抵抗の影響を受ける低周波数域に設定されており、
前記第２の周波数域は、前記低周波数域よりも高く、且つ、前記電解質膜内部の水素イオン抵抗の影響が支配的となる高周波数域よりも低い中間周波数域に設定されており、
前記物理量算出部は、前記低周波数域における前記燃料電池のインピーダンスと前記中間周波数域における前記燃料電池のインピーダンスとの差分から前記触媒電極層の劣化に相関性を有する前記酸化剤ガスの拡散抵抗を含む抵抗成分を算出する燃料電池システム。 A fuel cell system that outputs electric energy by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas,
Solid polymer type comprising a plurality of cells (10a) having a membrane electrode assembly (100) composed of an electrolyte membrane (101) and catalyst electrode layers (102a, 102b) arranged on both sides of the electrolyte membrane A fuel cell (10),
An AC superimposing unit (510) for superimposing an AC signal of a predetermined frequency on the fuel cell;
An impedance calculator (520) for calculating an impedance of the fuel cell when the AC signal is superimposed by the AC superimposing unit;
Based on the impedance of the fuel cell in a first frequency range and the impedance of the fuel cell in a second frequency range higher than the first frequency range, a physical quantity correlated with the deterioration of the catalyst electrode layer is calculated. A physical quantity calculation unit (530) to calculate;
A performance reduction amount calculation unit (550) for calculating a performance reduction amount of the fuel cell based on a calculation result of the physical quantity calculation unit;
An output estimator (560) for estimating the output characteristics of the fuel cell based on the calculation result of the performance reduction calculator .
The first frequency range is set to a low frequency range affected by the diffusion resistance of the oxidizing gas,
The second frequency range is set to an intermediate frequency range higher than the low frequency range, and lower than a high frequency range in which the influence of the hydrogen ion resistance inside the electrolyte membrane is dominant,
The physical quantity calculation unit calculates the diffusion resistance of the oxidizing gas having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layer from a difference between the impedance of the fuel cell in the low frequency band and the impedance of the fuel cell in the intermediate frequency band. A fuel cell system that calculates the resistance component that contains . 前記出力推定部にて推定された前記燃料電池の出力特性に基づいて、前記燃料電池に要求される要求出力を満たす前記燃料電池の動作点を決定する動作点決定部（５１ｂ）を備える請求項１に記載の燃料電池システム。   An operating point determining unit (51b) that determines an operating point of the fuel cell that satisfies a required output required for the fuel cell based on an output characteristic of the fuel cell estimated by the output estimating unit. 2. The fuel cell system according to 1. 前記触媒電極層の劣化に相関性を有する物理量と前記燃料電池の性能低下量との関係を規定した制御マップが予め記憶された記憶部（５１ｃ）を備え、
前記性能低下量算出部は、前記物理量算出部の算出結果に基づき、前記記憶部に記憶された前記制御マップを参照して前記性能低下量を算出する請求項１または２に記載の燃料電池システム。 A storage unit (51c) in which a control map preliminarily storing a relationship between a physical quantity having a correlation with the deterioration of the catalyst electrode layer and a performance reduction amount of the fuel cell is provided;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the performance reduction amount calculation unit calculates the performance reduction amount with reference to the control map stored in the storage unit based on a calculation result of the physical quantity calculation unit. 4. .
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