JP6642229B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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。

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。

特開２０１２−２８１４６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池のセルの模式的な断面図である。 燃料電池のセルの内部構造を示す断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（アノード側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（Ｆ１）
（カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｒ_Ｍ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Ｒ_Ｈには、電解質膜１０１内部の水素イオン抵抗Ｒｐｍが含まれる。

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Ｒ_Ｍと高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲ_Ｈとの差分（＝Ｒ_Ｍ−Ｒ_Ｈ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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Ｒ_Ｍ、および高周波数域（例えば、１ｋＨｚ）に対応するインピーダンスＲ_Ｈを区別して算出する。

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Ｒ_Ｍ、および高周波数域に対応するインピーダンスＲ_Ｈの差分（＝Ｒ_Ｍ−Ｒ_Ｈ）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Ｒ_Ｍ、Ｒ_Ｈ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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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Ｒ_Ｍ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Ｒ_Ｌ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。

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。

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Ｒ_Ｌと中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲ_Ｍとの差分（＝Ｒ_Ｌ−Ｒ_Ｍ）から酸素の拡散抵抗Ｒｄを含む抵抗成分を算出する。

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Ｒ_Ｌと中間周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲ_Ｍ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。

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。

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）。

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Ｒ_Ｌ、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Ｒ_Ｍを区別して算出する。

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Ｒ_Ｌ、および中間周波数域に対応するインピーダンスＲ_Ｍの差分（＝Ｒ_Ｌ−Ｒ_Ｍ）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Ｒ_Ｌ、Ｒ_Ｍ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。

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）。

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。

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。

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。

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。

（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。

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Ｒ_Ｈ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Ｒ_Ｌ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。

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。

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Ｒ_Ｌと高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲ_Ｈとの差分（＝Ｒ_Ｌ−Ｒ_Ｈ）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。

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Ｒ_Ｌと高周波数域の燃料電池１０のインピーダンスＲ_Ｈ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。

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。

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）。

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Ｒ_Ｌ、および高周波数域（例えば、１ｋＨｚ）に対応するインピーダンスＲ_Ｈを区別して算出する。

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Ｒ_Ｌ、および高周波数域に対応するインピーダンスＲ_Ｈの差分（＝Ｒ_Ｌ−Ｒ_Ｈ）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Ｒ_Ｌ、Ｒ_Ｈ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。

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）。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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