WO2011036765A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

　この燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣの運転状態を取得し、燃料電池ＦＣにおける電流と電圧との関係を示すＩＶ特性を推定するものであって、燃料電池ＦＣの抵抗過電圧、活性化過電圧、電流・電圧ヒステリシス、及び濃度過電圧の少なくとも一つを燃料電池ＦＣの運転状態より求め、その求めた結果に基づいてＩＶ特性を推定するものである。

Description

燃料電池システム

　本発明は、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムに関する。

　水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

　アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）が供給され、カソードには酸化剤として酸素を含む酸化ガス（一例として空気）が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

　このような燃料電池システムの一例として、下記特許文献１に記載のものが提案されている。下記特許文献１に記載の燃料電池システムは、原料ガス及び原料供給動力の無駄をなくしながら、燃料電池本体のセル電圧のバラツキを抑制するものである。具体的には、燃料電池本体を構成する発電セルの電圧にバラツキが生じた際に、その原因が燃料電池本体内部での原料ガス分布によるものであるかセル劣化によるものであるかを判断し、判断結果に応じて原料ガスストイキ比を設定するものである。

　また、このような燃料電池システムの一例として、下記特許文献２に記載のものが提案されている。下記特許文献２に記載の燃料電池システムは、回復可能な燃料電池の電流電圧特性低下では、使用者に点検、交換を促すことなく、回復不能な燃料電池の電流電圧特性低下量が所定値に達したときに、使用者に点検、交換を促すことができるものであって、燃料電池本体の電流電圧特性を推定して、燃料電池本体の劣化判定を行っている。具体的には、予め記憶した電流電圧特性の初期値Ｖ１から、現在の電圧値Ｖ３までの電流電圧特性低下量を第１の低下量とし、運転を停止して回復可能な電流電圧特性の低下量を第２の低下量とする。第１の低下量から第２の低下量を減じた第３の低下量は、回復不能な低下量であって、第３の低下量が所定値に達したときに、使用者に燃料電池本体の点検、交換を促すものである。

　また、このような燃料電池システムの一例として、下記特許文献３に記載のものが提案されている。下記特許文献３に記載の燃料電池システムは、出力制限のハンチングを起こすことなく安定的に出力を取り出せるものである。具体的には、燃料電池の出力電圧が燃料電池が安定して発電することができる電圧下限閾値を下回った場合に燃料電池から取り出す電流を制限し、出力電圧が上昇して電圧下限閾値以上となった時に燃料電池から取り出す電流の制限を解除し、電流の制限を解除する時の電流の増加量上限を演算するものである。

特開２００４－２０７０２９号公報 特開２００６－１４７４０４号公報 特開２００６－３０９９７９号公報

　ところで、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムでは、燃料電池の電流と電圧との関係が変動するものであるため、その電流と電圧との関係を的確に推定して把握する必要がある。その電流と電圧との関係を推定すること（ＩＶ推定）の一つの手法として、予め定められたＩＶ推定マップから実測値を追従する学習方式のＩＶ推定手法がある。この手法では、燃料電池システムの運転制御がその追従に追いつかずに電力分配不良やバッテリの過充電といったことが発生するおそれがある。そのような問題を回避するために追従間隔を短くすることが考えられるが、電力分配が波打ってしまいサージが発生してしまうおそれがある。一方、電力分配が波打ってしまう部分を燃料電池のコンデンサ成分に吸収させる手法も考えられるが、燃料電池のＰｔ触媒の劣化が懸念される。

　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池のＩＶ推定を原理原則に基づいて的確に実行することができる燃料電池システムを提供することにある。

　上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転状態を取得する運転状態取得手段と、前記燃料電池における電流と電圧との関係を示すＩＶ特性を推定する特性推定手段とを備え、前記特性推定手段は、前記燃料電池の抵抗過電圧、活性化過電圧、電流・電圧ヒステリシス、及び濃度過電圧の少なくとも一つを、前記運転状態取得手段が取得する運転状態より求め、その求めた結果に基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする。

　本発明によれば、運転状態取得手段が燃料電池の運転状態を取得し、その取得した運転状態に基づいて特性推定手段が、燃料電池の抵抗過電圧、活性化過電圧、電流・電圧ヒステリシス、及び濃度過電圧の少なくとも一つを求めるので、燃料電池の抵抗過電圧、活性化過電圧、電流・電圧ヒステリシス、及び濃度過電圧の少なくとも一つを燃料電池の運転状態に基づいて的確に把握することができる。また、特性推定手段は、燃料電池の抵抗過電圧、活性化過電圧、電流・電圧ヒステリシス、及び濃度過電圧の少なくとも一つに基づいてＩＶ特性を推定するので、例えばバトラー・フォルマーの式といった原理原則に基づいた燃料電池のＩＶ推定を実行することができる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の安定状態におけるインピーダンスを計測し、前記特性推定手段は、そのインピーダンス計測値に基づいて前記抵抗過電圧を求め、その求めた抵抗過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することも好ましい。この好ましい態様では、燃料電池の安定状態におけるインピーダンスを計測して抵抗過電圧を求めるので、燃料電池の内部状態に基づいた的確な抵抗過電圧を求めることができる。また、そのように求めた抵抗過電圧に基づいてＩＶ特性を推定するので、原理原則に基づき燃料電池の内部状態を的確に反映したＩＶ推定が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の劣化を検知する劣化検知手段と、前記燃料電池システムの運転制御を実行する制御手段とを備え、前記劣化検知手段は、前記運転状態取得手段が計測した前記燃料電池のインピーダンスに基づいて前記燃料電池を構成する単セルの膜痩せの有無を把握し、前記制御手段は、膜痩せが発生している場合にはフラッディング防止制御及び警告報知制御を実行することも好ましい。この好ましい態様では、燃料電池のインピーダンスに基づいて燃料電池の膜抵抗を求めることができ、その膜抵抗と膜のプロトン伝導度とから膜厚を把握することができる。従って、燃料電池を構成する単セルの膜痩せの有無を把握することができ、膜痩せに対応するフラッディング防止制御及び警告報知制御を実行することができる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の出力電流、交換電流密度、及び温度を計測し、前記特性推定手段は、その出力電流、交換電流密度、及び温度に基づいて前記活性化過電圧を求め、その求めた活性化過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することも好ましい。この好ましい態様では、出力電流、交換電流密度、及び温度に基づいて活性化過電圧を求めるので、燃料電池の内部状態に基づいた的確な活性化過電圧を求めることができる。また、そのように求めた活性化過電圧に基づいてＩＶ特性を推定するので、原理原則に基づき燃料電池の内部状態を的確に反映したＩＶ推定が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の劣化を検知する劣化検知手段と、前記燃料電池システムの運転制御を実行する制御手段とを備え、前記劣化検知手段は、前記燃料電池に用いられるＰｔ触媒の有効表面積を推定し、前記制御手段は、推定したＰｔ触媒の有効表面積に基づいて、Ｐｔ触媒の劣化抑制運転を実行することも好ましい。運転状態取得手段が求めた活性化過電圧と実測された出力電圧とによって、交換電流密度の変動を把握することができ、この好ましい態様では、その交換電流密度の変動がＰｔ触媒の有効表面積の変動に依存しているものとして、Ｐｔ触媒の有効表面積を推定している。そのように推定したＰｔ触媒の有効表面積に基づいてＰｔ触媒の劣化抑制運転を実行するので、燃料電池の内部状態を的確に反映した劣化抑制制御が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転状態取得手段は、前記燃料電池に用いられるＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係を取得し、前記特性推定手段は、その取得したＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係に基づいて、前記電流・電圧ヒステリシスを求め、その求めた電流・電圧ヒステリシスに基づいて前記ＩＶ特性を推定することも好ましい。この好ましい態様では、Ｐｔ触媒の酸化皮膜が電流・電圧ヒステリシスに影響を与えているということに基づいて、Ｐｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係からＰｔ触媒におけるＰｔ／ＰｔＯを算出して電流・電圧ヒステリシスを求めている。そのように求めた電流・電圧ヒステリシスに基づいてＩＶ特性を推定するので、原理原則に基づき燃料電池の内部状態を的確に反映したＩＶ推定が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記特性推定手段は、前記運転状態取得手段が取得したＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係に基づいて、Ｐｔ触媒の溶出度を推定し、前記制御手段は、推定したＰｔ触媒の溶出度に基づいて、Ｐｔ触媒の劣化抑制運転を実行することも好ましい。この好ましい態様では、Ｐｔ触媒の酸化・還元反応速度と燃料電池の出力電圧及び温度との関係に基づいて、Ｐｔ触媒の溶出度を推定しているので、的確に把握したＰｔ触媒の劣化度合いに基づいてＰｔ触媒の劣化抑制運転を実行することが可能となり、燃料電池の内部状態を的確に反映した劣化抑制制御が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の温度、ストイキ比、及び残水量を取得し、前記特性推定手段は、その取得した前記燃料電池の温度、ストイキ比、及び残水量に基づいて、前記濃度過電圧を求め、その求めた濃度過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することも好ましい。この好ましい態様では、燃料電池の温度、ストイキ比、及び残水量に基づいて濃度過電圧を求めるので、燃料電池の内部状態に基づいた的確な濃度過電圧を求めることができる。また、そのように求めた濃度過電圧に基づいてＩＶ特性を推定するので、原理原則に基づき燃料電池の内部状態を的確に反映したＩＶ推定が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の出力電流から残水量を推定し、前記特性推定手段は、その取得した残水量に基づいて前記濃度過電圧を求め、その求めた濃度過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することも好ましい。この好ましい態様では、出力電流から残水量を推定し、更にその推定した残水量に基づいて濃度過電圧を求めてＩＶ特性を推定しているので、燃料電池の内部状態を的確に反映したＩＶ推定が可能となる。

　また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の劣化を検知する劣化検知手段と、前記燃料電池システムの運転制御を実行する制御手段とを備え、前記劣化検知手段は、前記燃料電池に用いられるＰｔ触媒のカーボン酸化度合を推定し、前記制御手段は、推定したＰｔ触媒のカーボン酸化度合に基づいて、警告制御を実行することも好ましい。この好ましい態様では、濃度過電圧によるＩＶ特性の減少度合いからＰｔ触媒のカーボン酸化度合いを推定しているので、燃料電池の内部状態を的確に反映した推定が可能となり、的確な警告制御を実行することができる。

　本発明によれば、燃料電池のＩＶ推定を原理原則に基づいて的確に実行することができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの構成を示す図である。 図１の燃料電池のＩＶ特性の一例を示す図である。 ＩＶ特性を推定する際に用いられる電圧と反応速度との関係を示す図である。 図１における濃度過電圧部分を拡大して示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。

　燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣは、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。

　燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣには、図に明示しない温度センサが設けられている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。

　Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-　　　　　　　　　　　（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ　　　　（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ　　　　　　　　（３）

　酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。

　酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。

　酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。

　燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。

　燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ～７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。

　燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。

　レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。

　インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

　インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

　循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

　排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。

　電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。

　ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。

　バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。

　トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

　補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

　冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプＣＳ２が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ５が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。

　コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

　ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

　そして、コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１を制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。

　本実施形態の燃料電池システムＦＣＳは、上述した構成によって、燃料電池ＦＣの運転状態を取得する運転状態取得手段ＥＣ１と、燃料電池ＦＣにおける電流と電圧との関係を示すＩＶ特性を推定する特性推定手段ＥＣ２と、燃料電池ＦＣの劣化を検知する劣化検知手段ＥＣ３と、燃料電池システムＦＣＳの運転制御を実行する制御手段ＥＣ４とを備える燃料電池システムとして機能する。従って、コントローラＥＣは、運転状態取得手段ＥＣ１、特性推定手段ＥＣ２、劣化検知手段ＥＣ３、及び制御手段ＥＣ４として機能する。

　図２は、燃料電池ＦＣＳに用いられる燃料電池ＦＣの電流・電圧特性（ＩＶ特性）を示す図である。図２に示すように、開回路電圧に相当する定数Ｕから、抵抗過電圧η_IR、活性化過電圧η_act、濃度過電圧η_concを引くことで、燃料電池ＦＣの電圧Ｖが算出される。
Ｖ＝Ｕ－活性化過電圧η_act－濃度過電圧η_conc－抵抗過電圧η_IR　　　（４）

　特性推定手段ＥＣ２は、燃料電池ＦＣの抵抗過電圧η_IR、活性化過電圧η_act、電流・電圧ヒステリシスＨ、及び濃度過電圧η_concの少なくとも一つを、運転状態取得手段ＥＣ１が取得する運転状態より求め、その求めた結果に基づいてＩＶ特性を推定するものである。

　最初に抵抗過電圧η_IRによる電流・電圧推定（ＩＶ推定）及び制御変更について説明する。運転状態取得手段ＥＣ１は、燃料電池ＦＣの安定状態におけるインピーダンスを計測し、特性推定手段ＥＣ２は、そのインピーダンス計測値に基づいて抵抗過電圧η_IRを求め、その求めた抵抗過電圧η_IRに基づいてＩＶ特性を推定するものである。換言すれば、図２におけるΔ１の傾きをインピーダンス計測値から求めることで、抵抗過電圧η_IRを求めている。

　また、劣化検知手段ＥＣ３は、運転状態取得手段が計測した燃料電池ＦＣのインピーダンスに基づいて燃料電池ＦＣを構成する単セルの膜痩せの有無を把握し、制御手段ＥＣ４は、膜痩せが発生している場合にはフラッディング防止制御及び警告報知制御を実行するものである。具体的には、膜抵抗Ｒ_mem、膜のプロトン伝導度κ_mem、膜厚Ｚ_memの関係式（５）に基づいて膜厚変化を把握し、膜痩せの有無を把握する。
Ｒ_mem＝１／κ_mem　×Ｚ_mem　　　（５）

　尚、燃料電池ＦＣの膜厚が変化すれば水透過量も変化し、残水も変化するので、それらを推定してフラッディング防止制御や警告報知制御を実行することも好ましいものである。フラッディング防止制御としては、ストイキアップや背圧低下を行うことが好ましい。また、膜厚が極端に低下していると推定された場合には、膜に孔が開いており回復不能な不具合であるおそれもあるので、ユーザに燃料電池ＦＣのスタック交換を促す警告を発することも好ましい。

　続いて、活性化過電圧η_actによる電流・電圧推定（ＩＶ推定）及び制御変更について説明する。運転状態取得手段ＥＣ１は、燃料電池ＦＣの出力電流、交換電流密度、及び温度を計測し、特性推定手段ＥＣ２は、その出力電流ｉ、交換電流密度ｉｏ、及び温度Ｔに基づいて関係式（６）に基づいて活性化過電圧η_actを求め、その求めた活性化過電圧η_actに基づいてＩＶ特性を推定するものである。換言すれば、図２におけるΔ２の傾きを求めるものである。
η_act＝ＲＴ／２αＦ　×ｌｎ（ｉ／ｉｏ）　　　（６）
尚、式（６）において、Ｒは気体定数、Ｆはファラデー定数、αは電荷移動係数である。電荷移動係数αは、燃料電池ＦＣに用いられる触媒によって決定される係数である。また、出力電流ｉに燃料ガスクロスリークを考慮した電流ｉ_crossを加算してもよい。

　また、劣化検知手段ＥＣ３は、燃料電池ＦＣに用いられるＰｔ触媒の有効表面積を推定し、制御手段ＥＣ４は、推定したＰｔ触媒の有効表面積に基づいて、Ｐｔ触媒の劣化抑制運転を実行するものである。具体的には、実測した出力電圧のズレと式（６）とから交換電流密度ｉｏの変化を推定し、交換電流密度ｉｏはＰｔ触媒の有効表面積に比例するものとしてＰｔ触媒の有効表面積を推定する。Ｐｔ触媒の有効表面積が所定面積以下であれば劣化抑制運転を実行するが、劣化抑制運転としては低負荷での活性化過電圧を下げ、酸素分圧を上げるための運転を実行する。具体的には、エアストイキや背圧上昇を行うことが好ましい。また、過度にＰｔ触媒の有効表面積が減少していたり劣化が激しい場合には、ユーザに燃料電池ＦＣのスタック交換を促す警告を発することも好ましい。

　尚、活性化過電圧η_actを求めるにあたっては、燃料電池ＦＣが安定した運転領域で運転中において、燃料電池ＦＣの出力電流及び出力電圧の実測値を取得し、その取得した電流及び電圧に基づいて算出することも好ましいものである。具体的には、実測データの各電流における電圧値の最大値を結ぶ上限ラインを直線近似して求めるものである。この場合、ＩＶ特性曲線が概略直線とみなせる中負荷領域の実測データを用いることが好ましいものである。Ｐｔ触媒の表面積減少は非常にゆっくりと進行するため、このような安定運転領域のデータのみを選別して用いたとしても、十分に実現象には追随できるものである。

　続いて、電流・電圧ヒステリシスＨによる電流・電圧推定（ＩＶ推定）及び制御変更について説明する。運転状態取得手段ＥＣ１は、燃料電池ＦＣに用いられるＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と燃料電池ＦＣの出力電圧又は温度との関係を取得し、特性推定手段ＥＣ２は、その取得したＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と燃料電池ＦＣの出力電圧又は温度との関係に基づいて、電流・電圧ヒステリシスＨを求め、その求めた電流・電圧ヒステリシスＨに基づいてＩＶ特性を推定するものである。

　Ｐｔ触媒の酸化・還元反応速度と燃料電池ＦＣの出力電圧との関係の一例を図３に示す。図３に示すように、Ｐｔ触媒の酸化・還元反応速度を事前評価から求め、出力電圧に対するマップを予め定めておき、積算することでＰｔ／ＰｔＯ割合を算出することができ、Ｐｔ触媒の有効表面積を算出することができる。ＩＶ特性のＰｔＯによる降下分である電流・電圧ヒステリシスＨは関係式（７）によって求められる。
Ｈ＝ＲＴ／Ｆ　×ｌｎ（ａ×ｉ_orr×Ｌ）　　　（７）
尚、式（７）において、Ｒは気体定数、Ｆはファラデー定数、Ｔは燃料電池ＦＣの温度、ａはＰｔ表面積、ｉ_orrは酸素還元電流密度、Ｌはカソード触媒層厚である。酸素還元電流密度ｉ_orrは、電流密度ｉｏより求められる。また、この場合において、リフレッシュ運転を実行し、その状態をＰｔが１００パーセント、ＰｔＯが０パーセントとして基準にすることも好ましい。

　また、特性推定手段ＥＣ２は、運転状態取得手段ＥＣ１が取得したＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と燃料電池ＦＣの出力電圧及び温度との関係に基づいて、Ｐｔ触媒の溶出度を推定し、制御手段ＥＣ４は、推定したＰｔ触媒の溶出度に基づいて、Ｐｔ触媒の劣化抑制運転を実行するものである。具体的には、同じ条件化で電流・電圧ヒステリシスＨを算出し、その算出した電流・電圧ヒステリシスＨに差異があればＰｔ触媒の有効表面積が減少若しくは劣化したものと判断し、Ｐｔ触媒の溶出度として推定する。この場合のＰｔ触媒の劣化抑制運転としては、電力分配の過不足を燃料電池のコンデンサ成分に吸収させる制御において、出力電圧の上限値を下げることでＰｔ触媒の劣化を抑制させるものが想定される。

　続いて、濃度過電圧η_concによる電流・電圧推定（ＩＶ推定）及び制御変更について説明する。運転状態取得手段ＥＣ１は、燃料電池ＦＣの温度、ストイキ比、及び残水量を取得し、特性推定手段ＥＣ２は、その取得した燃料電池ＦＣの温度、ストイキ比、及び残水量に基づいて、濃度過電圧η_concを求め、その求めた濃度過電圧η_concに基づいてＩＶ特性を推定するものである。より具体的には、図４に示す濃度過電圧η_concによるＩＶ特性の傾きΔ３と、ＩＶ特性の垂れ下がり位置βを、温度とストイキ比と残水量のマップ値で持たせて推定するものである。運転状態取得手段ＥＣ１は、燃料電池ＦＣの出力電流を積算し、残水量とのマップに基づいて残水量を推定する。特性推定手段ＥＣ２は、その取得した残水量と濃度過電圧η_concとのマップに基づいて濃度過電圧η_concの下がり代であるΔ３を決定する。ＩＶ特性の垂れ下がり位置βは、温度、ストイキ比、及び残水量とのマップに基づいて決定する。

　また、劣化検知手段ＥＣ３は、燃料電池ＦＣに用いられるＰｔ触媒のカーボン酸化度合を推定し、制御手段ＥＣ４は、推定したＰｔ触媒のカーボン酸化度合に基づいて、警告制御を実行するものである。より具体的には、ＩＶ特性の傾きΔ３の増加や、ＩＶ特性の垂れ下がり位置βの減少度合いからＰｔ触媒のカーボン酸化度合を推定する。この場合、濃度過電圧η_concを下げる制御として、ストイキアップや背圧低下といったフラッディング防止制御を行うことが好ましい。また、過度のＩＶ特性の傾きΔ３の増加や、ＩＶ特性の垂れ下がり位置βの減少が認められた場合には、ユーザに燃料電池ＦＣのスタック交換を促す警告を発することも好ましい。

ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＣ：燃料電池
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＣ：コントローラ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４，Ｓ６：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号

Claims (10)

1. 　燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸化ガスとを供給して発電させる燃料電池システムであって、
   　前記燃料電池の運転状態を取得する運転状態取得手段と、
   　前記燃料電池における電流と電圧との関係を示すＩＶ特性を推定する特性推定手段とを備え、
   　前記特性推定手段は、前記燃料電池の抵抗過電圧、活性化過電圧、電流・電圧ヒステリシス、及び濃度過電圧の少なくとも一つを、前記運転状態取得手段が取得する運転状態より求め、その求めた結果に基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 　前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の安定状態におけるインピーダンスを計測し、
   　前記特性推定手段は、そのインピーダンス計測値に基づいて前記抵抗過電圧を求め、その求めた抵抗過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 　前記燃料電池の劣化を検知する劣化検知手段と、前記燃料電池システムの運転制御を実行する制御手段とを備え、
   　前記劣化検知手段は、前記運転状態取得手段が計測した前記燃料電池のインピーダンスに基づいて前記燃料電池を構成する単セルの膜痩せの有無を把握し、
   　前記制御手段は、膜痩せが発生している場合にはフラッディング防止制御及び警告報知制御を実行することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 　前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の出力電流、交換電流密度、及び温度を計測し、
   　前記特性推定手段は、その出力電流、交換電流密度、及び温度に基づいて前記活性化過電圧を求め、その求めた活性化過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする請求項１～３に記載の燃料電池システム。
5. 　前記燃料電池の劣化を検知する劣化検知手段と、前記燃料電池システムの運転制御を実行する制御手段とを備え、
   　前記劣化検知手段は、前記燃料電池に用いられるＰｔ触媒の有効表面積を推定し、
   　前記制御手段は、推定したＰｔ触媒の有効表面積に基づいて、Ｐｔ触媒の劣化抑制運転を実行することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 　前記運転状態取得手段は、前記燃料電池に用いられるＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係を取得し、
   　前記特性推定手段は、その取得したＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係に基づいて、前記電流・電圧ヒステリシスを求め、その求めた電流・電圧ヒステリシスに基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする請求項１～５に記載の燃料電池システム。
7. 　前記特性推定手段は、前記運転状態取得手段が取得したＰｔ触媒の酸化・還元反応速度と前記燃料電池の出力電圧及び温度との関係に基づいて、Ｐｔ触媒の溶出度を推定し、
   　前記制御手段は、推定したＰｔ触媒の溶出度に基づいて、Ｐｔ触媒の劣化抑制運転を実行することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 　前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の温度、ストイキ比、及び残水量を取得し、
   　前記特性推定手段は、その取得した前記燃料電池の温度、ストイキ比、及び残水量に基づいて、前記濃度過電圧を求め、その求めた濃度過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする請求項１～７に記載の燃料電池システム。
9. 　前記運転状態取得手段は、前記燃料電池の出力電流から残水量を推定し、
   　前記特性推定手段は、その取得した残水量に基づいて前記濃度過電圧を求め、その求めた濃度過電圧に基づいて前記ＩＶ特性を推定することを特徴とする請求項１～７に記載の燃料電池システム。
10. 　前記燃料電池の劣化を検知する劣化検知手段と、前記燃料電池システムの運転制御を実行する制御手段とを備え、
    　前記劣化検知手段は、前記燃料電池に用いられるＰｔ触媒のカーボン酸化度合を推定し、
    　前記制御手段は、推定したＰｔ触媒のカーボン酸化度合に基づいて、警告制御を実行することを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システム。

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