JP2003086220A

JP2003086220A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003086220A
Application number: JP2001277056A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Imamura; 朋範今村; Toshiyuki Kawai; 利幸河合; Kunio Okamoto; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP5119565B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池のインピーダンスを経時的に計測可
能であり、燃料電池内部の水分状態をリアルタイムに把
握可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池の出力信号に任意の周波数を有
する正弦波信号を印加する正弦波発振器４０と、燃料電
池の出力電圧を検出する電圧センサ４１と、燃料電池の
出力電流を検出する電流センサ４２と、所定周波数にお
ける燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピー
ダンス演算手段４３〜４７とを設ける。インピーダンス
演算手段により異なる２つの周波数における複素インピ
ーダンスを算出し、異なる２つの周波数の複素インピー
ダンスに基づいて、周波数を変化させながら正弦波信号
を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスを算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からな
る燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポ
ータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の内部抵抗は、燃料電池内部の
電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料
電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合
には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下
する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合に
は、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応
物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低
下する。

【０００３】このため、燃料電池を高効率で運転させる
ためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必
要があるが、現状では燃料電池の内部水分量を直接計測
する手法はない。

【０００４】燃料電池の内部水分量は、燃料電池の複素
インピーダンスと相関関係があるため、燃料電池のイン
ピーダンスを測定することで、間接的に燃料電池内部の
水分状態を把握することは可能である。現在、インピー
ダンスを計測する方法として交流インピーダンス法があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、現状の交流
インピーダンス法では、印加する正弦波の周波数を変化
させながら多数の点でインピーダンスを計測するため、
一回の計測に数分を要する。このため、経時的に変化す
る燃料電池のインピーダンスを計測することは困難であ
り、燃料電池内部の水分状態をリアルタイムに把握する
ことが難しかった。

【０００６】本発明は、上記点に鑑み、燃料電池のイン
ピーダンスを経時的に計測可能であり、燃料電池内部の
水分状態をリアルタイムに把握することができる燃料電
池システムを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化
学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備え、燃料
電池の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を
印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスにより得
られる、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成
分（Ｒ１）と、燃料電池の内部水分量過剰時に増加する
抵抗成分（Ｒ２）とから燃料電池内部の水分状態を推定
する燃料電池システムであって、燃料電池の出力信号に
任意の周波数を有する正弦波信号を印加する正弦波印加
手段（４０）と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検
出手段（４１）と、燃料電池の出力電流を検出する電流
検出手段（４２）と、正弦波印加手段（４０）により所
定周波数の正弦波信号を印加した場合の、電圧検出手段
（４１）で検出した出力電圧および電流検出手段（４
２）で検出した出力電流に基づいて、所定周波数におけ
る燃料電池の複素インピーダンスを算出するインピーダ
ンス演算手段（４３〜４７）とを備え、インピーダンス
演算手段により少なくとも１つの周波数における燃料電
池の複素インピーダンスを算出し、少なくとも１つの周
波数における燃料電池の複素インピーダンスに基づい
て、周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合
の前記燃料電池の複素インピーダンスを算出することを
特徴としている。

【０００８】このように、異なる２つの周波数における
インピーダンスを用い、高周波（ω＝∞）から低周波
（ω＝０）まで周波数を変化させた場合の複素インピー
ダンスを推定することで、燃料電池の内部水分量不足時
に増加する抵抗成分（Ｒ１）と、燃料電池の内部水分量
過剰時に増加する抵抗成分（Ｒ２）とを求めることがで
きる。このため、交流インピーダンス法により燃料電池
の内部水分量を推定する際に、周波数を変化させながら
多数の点で複素インピーダンスを計測する必要がなく、
インピーダンスの計測を短時間で行うことができる。こ
れにより、経時的にインピーダンス計測を行うことがで
き、燃料電池内部の水分状態（水分の不足／過剰）をリ
アルタイムに把握することが可能となる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明のように、周
波数は異なる２つの周波数であり、この異なる２つの周
波数における燃料電池の複素インピーダンスの一方は、
正弦波印加手段により正弦波信号を印加しない場合にお
いて出力電圧を出力電流で除した値を、周波数が０にお
ける燃料電池の複素インピーダンスとして用いることが
できる。

【００１０】この場合には、１つの周波数における複素
インピーダンスを計測するだけでよく、さらに短時間で
インピーダンスの計測を行うことができる。

【００１１】また、請求項３に記載の発明では、インピ
ーダンス演算手段により所定周波数における燃料電池の
複素インピーダンスを算出し、所定周波数における燃料
電池の複素インピーダンスの応答遅れに基づいて、燃料
電池内部の水分状態を推定することを特徴としている。

【００１２】燃料電池内部の水分状態は、燃料電池の複
素インピーダンスの応答遅れと相関関係があるため、こ
のように所定周波数における燃料電池の複素インピーダ
ンスの応答遅れに基づいて、燃料電池内部の水分状態を
推定することができる。

【００１３】また、請求項４に記載の発明では、所定周
波数における燃料電池の複素インピーダンスの位相角に
基づいて、燃料電池内部の水分状態を推定することを特
徴としている。

【００１４】複素インピーダンスの応答遅れは位相角か
ら得られるため、所定周波数における燃料電池の複素イ
ンピーダンスの位相角に基づいて、燃料電池内部の水分
状態を推定することができる。具体的には、所定周波数
における燃料電池の複素インピーダンスの位相角が、予
め設定された所定位相角より大きい場合には、燃料電池
の内部水分量が過剰であると判定でき、所定位相角より
小さい場合には、燃料電池の内部水分量が不足している
と判定できる。

【００１５】また、請求項５に記載の発明では、燃料電
池内部の水分状態の推定に、複素インピーダンスの位相
角に加えて、複素インピーダンスの絶対値を用いること
を特徴としている。このように、複素インピーダンスの
絶対値を用いることで、燃料電池の内部水分量が適正状
態であることを判定することができる。

【００１６】また、請求項６に記載の発明では、インピ
ーダンス演算手段により所定周波数における燃料電池の
複素インピーダンスを算出し、所定周波数における燃料
電池の複素インピーダンスの複素平面上の座標に基づい
て、燃料電池内部の水分状態を推定することを特徴とし
ている。

【００１７】燃料電池内部の水分状態は、燃料電池の複
素インピーダンスの位相角および絶対値と相関関係があ
るため、複素平面上で内部水分量の最適領域、過剰領
域、不足領域を予め設定しておけば、インピーダンスの
複素平面上における座標が３つの領域のいずれに位置す
るかによって、燃料電池内部の水分状態を推定すること
ができる。

【００１８】また、請求項７に記載の発明のように、出
力信号は燃料電池の出力電流および出力電圧であり、正
弦波信号は正弦波電流もしくは正弦波電圧であるとする
ことができる。

【００１９】また、請求項８に記載の発明では、燃料電
池の内部水分量を調整する内部水分量調整手段（２０〜
２３、３０〜３３）を備え、燃料電池の内部水分量が不
足していると判定された場合には、内部水分量調整手段
により燃料電池の内部水分量を増加させ、燃料電池の内
部水分量が過剰であると判定された場合には、内部水分
量調整手段により燃料電池の内部水分量を減少させるこ
とを特徴としている。

【００２０】これにより、燃料電池の内部水分量を最適
に保つことができる。

【００２１】なお、上記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を示すも
のである。

【００２２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明す
る。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを電気自
動車に適用したものである。

【００２３】図１は、本第１実施形態の燃料電池システ
ムの全体構成を示している。図１に示すように、本第１
実施形態の燃料電池システムには、燃料電池（ＦＣスタ
ック）１０、空気供給装置２１、水素供給装置３１、イ
ンピーダンス検出部４０〜４７、制御部５０等が設けら
れている。

【００２４】燃料電池（ＦＣスタック）１０は、水素と
酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので
ある。本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分
子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる単セ
ルが複数積層されて構成されている。燃料電池１０で
は、水素および空気（酸素）が供給されることにより、
以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネル
ギが発生する。（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （酸素極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ燃料電池１０は、インバータ（負荷）１１や図示しない
２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成され
ている。インバータ１１は、燃料電池１０から供給され
た直流電流を交流電流に変換して図示しない走行用モー
タに供給してモータを駆動する。

【００２５】燃料電池システムには、燃料電池１０の酸
素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経
路（酸素経路）２０と、燃料電池１０の水素極（負極）
側に水素を供給するための水素経路３０が設けられてい
る。空気経路２０の最上流部には空気供給装置（コンプ
レッサ）２１が設けられている。また、水素経路３０の
最上流部には水素供給装置３１が設けられている。水素
供給装置３１としては、例えば改質反応により水素を生
成する改質装置、あるいは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材
を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることが
できる。空気供給装置２１、水素供給装置３１は、空気
および水素の供給量を調整し流量を調整することができ
る。

【００２６】上記電気化学反応のためには、燃料電池１
０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている
必要がある。このため、空気経路２０には、燃料電池１
０に供給される空気を加湿するための加湿器２２が設け
られている。加湿器２２は、空気の加湿量を調整可能に
構成されている。同様に、水素経路３０にも、燃料電池
１０に供給される水素を加湿するための加湿器３２が設
けられている。加湿器２２、３２による加湿量を増大す
ることにより内部水分量を増大させることができ、加湿
器２２、３２による加湿量を減少することにより内部水
分量を減少させることができる。

【００２７】空気経路２０における燃料電池１０下流側
には、空気経路２０を流れる空気の圧力を調整するため
の背圧調整バルブ２３が設けられている。バルブ２３の
開度を小さくすることで空気経路２０内の空気圧を高く
することができ、開度を大きくすることで空気圧を低く
することができる。同様に、水素経路３０における燃料
電池１０下流側にも、水素経路３０を流れる水素の圧力
を調整するための背圧調整バルブ３３が設けられてい
る。

【００２８】背圧調整バルブ２３、３３の開度を大きく
することで、燃料電池１０内部において空気経路２０、
水素経路３０内の圧力が低下し、これらの経路２０、３
０内の水分蒸発を促進することができ、内部水分量を減
少させることができる。また、背圧調整バルブ２３、３
３の開度を小さくすることで、燃料電池１０内部におい
て空気経路２０、水素経路３０内の圧力が増大し、これ
らの経路２０、３０内の水分蒸発を抑制することがで
き、内部水分量を増大させることができる。

【００２９】さらに、空気供給装置２１から供給される
空気の流速を速くしたり、水素供給装置３１から供給さ
れる水素の流速を速くすることでも、燃料電池１０内部
の水分を吹き飛ばして、内部水分量を減少させることが
できる。

【００３０】上記の加湿器２２、３２、背圧調整バルブ
２３、３３、空気供給装置２１、水素供給装置３１は、
燃料電池１０の内部水分量を増加あるいは減少させて調
整する内部水分量調整手段を構成している。これらは、
それぞれ単独で用いてもよく、あるいは組み合わせて用
いてもよい。

【００３１】次に、図２に基づいて、燃料電池１０の出
力電圧低下と内部水分量との関係について説明する。図
２は、燃料電池１０の出力電圧と出力電流との関係を示
している。燃料電池１０では、電池内部での損失がなけ
れば、図２中破線で示すように一定の起電力が発生す
る。

【００３２】しかし、実際には、図２中の実線で示すよ
うに電圧降下が生ずる。その内訳は、１）電気化学反応
の活性化エネルギに起因する活性化過電圧、２）燃料電
池１０の内部抵抗に起因する抵抗過電圧、３）水素、酸
素の拡散が阻害されることに起因する拡散過電圧が発生
することによるものである。

【００３３】燃料電池１０内の水分量が不足すると、高
分子電解質膜の含水量が減少し、電解質膜の導電率が低
下する。この結果、電解質膜の電気抵抗が増大するた
め、２）抵抗過電圧が増加する。一方、１）活性過電
圧、３）拡散過電圧は水分量不足による影響は受けな
い。

【００３４】燃料電池１０内の水分量が過剰になると、
燃料電池１０の電極が水によって覆われてしまうため、
反応物質である水素、酸素の拡散が阻害され、３）拡散
過電圧が増大する。一方、１）活性化過電圧、２）抵抗
過電圧は水分量過剰による影響は受けない。

【００３５】上記点から、２）抵抗過電圧の増加と、
３）拡散過電圧の増加を分離して計測することができれ
ば、抵抗過電圧の増加から内部水分量の不足を判断で
き、拡散過電圧の増加から内部水分量の過剰を判断する
ことができる。これらの抵抗過電圧と拡散過電圧は、交
流インピーダンス法を用いることにより分離することが
可能となる。

【００３６】次に、図３、図４に基づいて、交流インピ
ーダンス法による抵抗過電圧と拡散過電圧の分離方法に
ついて説明する。

【００３７】図３は燃料電池１０の等価回路を示してい
る。図３の等価回路におけるＲ１は電解質膜の抵抗に相
当し、Ｒ２は活性化過電圧と拡散過電圧を抵抗換算した
ものに相当している。図３の等価回路に所定の周波数を
有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して
電圧の応答が遅れる。

【００３８】図４は、図３の回路に高周波から低周波ま
での正弦波電流を印加した場合の燃料電池１０のインピ
ーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する
正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のイ
ンピーダンスは、図４におけるＲ１となる。また、正弦
波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピ
ーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間
で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図４に
示すような半円を描く。

【００３９】これらのことより、交流インピーダンス法
を用いることで、燃料電池１０の等価回路におけるＲ１
とＲ２を分離して計測することが可能となる。Ｒ１が予
め定められた第１所定値より大きくなり出力が低下して
いる場合には、高分子電解質膜が乾燥して抵抗過電圧が
大きくなり、導電率が低下していることが出力低下の原
因と判断できる。また、Ｒ２が予め定められた第２所定
値より大きくなり出力が低下している場合には、電極表
面に水が過剰に存在し、拡散過電圧が大きくなっている
ことが原因であると判断できる。

【００４０】本第１実施形態の燃料電池システムには、
交流インピーダンス法により燃料電池１０のインピーダ
ンスを検出するインピーダンス検出部４０〜４７が設け
られている。

【００４１】インピーダンス検出部は、任意の周波数で
正弦波電流を発生する正弦波発振器（正弦波印加手段）
４０と、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ
（電圧検出手段）４１、出力電流を検出する電流センサ
（電流検出手段）４２と、電圧信号、電流信号からノイ
ズを除去するフィルタ部４３、４４と、高速フーリエ変
換処理を行うＦＦＴ処理部４５、４６と、ＦＦＴ処理さ
れた電圧成分、電流成分からインピーダンスを算出する
インピーダンス分析部４７とからなる。フィルタ部４
３、４４、ＦＦＴ処理部４５、４６、インピーダンス分
析部４７は、インピーダンス演算手段を構成している。

【００４２】また、本第１実施形態の燃料電池システム
では、各種制御を行う制御部５０が設けられている。制
御部５０は、インピーダンス分析部４７にて算出された
燃料電池１０のインピーダンスに基づいて、燃料電池１
０内部の水分状態を判断し、これに基づいて燃料電池１
０の内部水分量の制御を行うように構成されている。

【００４３】次に、本第１実施形態の燃料電池システム
の作動を説明する。

【００４４】まず、運転者によるアクセル開度等から車
両走行に必要な車両要求電力を検出する。燃料電池１０
では、車両要求電力を供給するように発電を行う。次
に、インピーダンス検出部４０〜４７により、燃料電池
１０のインピーダンス計測を行う。

【００４５】図５は、インピーダンス計測手順を示して
いる。まず、正弦波発振器４０により、燃料電池１０か
ら出力される直流電流に所定の周波数を有する正弦波電
流を印加する。このときの燃料電池１０の出力電圧を電
圧センサ４１で検出し、出力電流を電流センサ４２で検
出する。電圧信号、電流信号は、フィルタ部４３、４４
にて高周波ノイズ成分と低周波の車両要求電力を満たす
ための電流変動成分が除去される。

【００４６】ＦＦＴ処理部４５、４６では、高速フーリ
エ変換を行い、フィルタ部４３、４４を通過した電圧信
号、電流信号をそれぞれ実成分と虚成分（ａ_V＋ｊｂ_V、
ａ_I＋ｊｂ_I）に分離する。インピーダンス分析器４７で
は、ＦＦＴ処理した電圧信号をＦＦＴ処理した電流信号
で除してインピーダンスの実成分と虚成分を算出し、複
素平面上での原点からの距離（絶対値）ｒと位相角θを
出力する。

【００４７】以上の手順により、所定周波数における燃
料電池１０のインピーダンスを検出することができる。

【００４８】次に、燃料電池１０の抵抗過電圧と拡散過
電圧を分離して検出する。上述のように、交流インピー
ダンス法により図３の等価回路におけるＲ１とＲ２を求
めれば、燃料電池１０の抵抗過電圧と拡散過電圧を分離
して検出することができる。図６は、Ｒ１とＲ２を算出
する手順を示している。本第１実施形態では、異なる周
波数における２点のインピーダンスを計測することで、
Ｒ１およびＲ２を算出する。

【００４９】まず、異なる２つの周波数ｆ１、ｆ２にお
ける燃料電池１０のインピーダンスを計測する。図６に
示すように、これら２点の複素平面上における座標を、
それぞれ（ａ１，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）とする。これ
ら２点の座標は、図４に示す実軸上に中心を持つ半円の
円周上に位置する。

【００５０】従って、２点の座標（ａ１，ｂ１）、（ａ
２，ｂ２）から、円の中心の座標（ａ_C，０）と半径Ｒ
を算出することができる。このように、２点のインピー
ダンスを用いて、高周波（ω＝∞）から低周波（ω＝
０）まで周波数を変化させた場合のインピーダンスを算
出することができる。このとき、Ｒ１＝（中心のＸ座標
−円の半径）＝（ａ_C−Ｒ）、Ｒ２＝円の直径＝２Ｒと
なる。以上のように、２点のインピーダンスからＲ１と
Ｒ２を算出することができる。

【００５１】次に、燃料電池１０の内部水分量の状態を
判定する。上述のようにＲ１は電解質膜の抵抗に相当
し、Ｒ２は活性化過電圧と拡散過電圧を抵抗換算したも
のに相当している。このため、Ｒ１が予め設定された第
１所定値より大きく、Ｒ２が第２所定値より小さい場合
には、抵抗過電圧が増加しており、燃料電池１０の内部
水分量が不足していると推定できる。また、Ｒ１が第１
所定値より小さく、Ｒ２が第２所定値より大きい場合に
は、拡散過電圧が増加しており、燃料電池１０の内部水
分量が過剰であると推定できる。

【００５２】燃料電池１０の内部水分量が不足している
と判定された場合には、加湿器２２、３２等の内部水分
量調整手段により、燃料電池１０の内部水分量を増加さ
せるように制御を行う。一方、燃料電池１０の内部水分
量が過剰であると判定された場合には、加湿器２２、３
２等により燃料電池１０の内部水分量を減少させる。こ
れにより、燃料電池１０の内部水分量を適正に保つこと
ができる。

【００５３】以上、本第１実施形態によれば、交流イン
ピーダンス法により燃料電池１０の内部水分量を推定す
る際に、異なる２つの周波数における燃料電池１０のイ
ンピーダンスを計測するだけでよい。このため、インピ
ーダンスの計測を短時間で行うことができるので、経時
的にインピーダンス計測を行うことができ、燃料電池１
０内部の水分状態（水分の不足／過剰）をリアルタイム
に把握することが可能となる。

【００５４】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について図７に基づいて説明する。本第２実施形態
は、上記第１実施形態に比較して、図３の等価回路にお
けるＲ１とＲ２を求める方法が異なるものである。上記
第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付
して説明を省略する。

【００５５】図７は、本第２実施形態におけるＲ１とＲ
２を算出する手順を示している。本第１実施形態では、
所定周波数における１点のインピーダンスを計測し、Ｒ
１およびＲ２を算出する。

【００５６】まず、所定周波数ｆ３における燃料電池１
０のインピーダンスを計測する。図７に示すように、こ
の点の複素平面上における座標を（ａ３，ｂ３）とす
る。次に、正弦波発振器４０にて正弦波電流を印加して
いない場合において、燃料電池１０の出力電圧を出力電
流で除した値を、周波数＝０における燃料電池１０のイ
ンピーダンスとしてＲ２＝（出力電圧）／（出力電流）
とする。この点を（Ｒ２，０）の座標にあると考える。

【００５７】（ａ３，ｂ３）と（Ｒ２，０）は、ともに
図４に示す実軸上に中心を持つ半円の円周上に位置す
る。従って、上記第１実施形態と同様に、２点の座標
（ａ３，ｂ３）、（Ｒ２，０）から、円の中心の座標
（ａ_C，０）と半径Ｒを算出することができる。このと
き、Ｒ１＝（中心のＸ座標−円の半径）＝（ａ_C−
Ｒ）、Ｒ２＝円の直径＝２Ｒとなる。

【００５８】以上のように、所定の周波数における一点
のインピーダンスを測定するとともに、定常状態の出力
電圧、出力電流を測定することで、上記第１実施形態と
同様にＲ１とＲ２を算出することができる。

【００５９】このようにＲ１とＲ２を求めた後、上記第
１実施形態と同様、燃料電池１０内部の水分状態を推定
し、内部水分量調整手段により燃料電池１０の内部水分
量の制御を行う。

【００６０】以上、本第２実施形態によれば、交流イン
ピーダンス法により燃料電池１０の内部水分量を推定す
る際に、１つの所定周波数における燃料電池１０のイン
ピーダンスを計測するだけでよい。このため、上記第１
実施形態と同様に、短時間でインピーダンスの計測を行
うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行
うことができ、燃料電池１０内部の水分状態（水分の不
足／過剰）をリアルタイムに把握することができる。

【００６１】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態について図８に基づいて説明する。本第３実施形態
は、上記各実施形態に比較して、燃料電池１０のインピ
ーダンスから内部水分量を推定する方法が異なるもので
ある。

【００６２】本第３実施形態における燃料電池１０のイ
ンピーダンスに基づく燃料電池１０内部の水分状態の推
定方法について図４、図８に基づいて説明する。図８
は、所定周波数の正弦波が印加された場合における燃料
電池１０のインピーダンスと、燃料電池１０内部の水分
状態との関係を示している。

【００６３】図４において、燃料電池１０の内部水分量
が不足し抵抗過電圧が増大した場合には、複素平面上で
Ｒ１が増大する。Ｒ１の増大に伴い、所定の周波数にお
けるインピーダンスＺは、主に実成分ａが大きくなり、
複素平面上で原点から遠ざかる。この結果、インピーダ
ンスＺの絶対値ｒが大きくなるとともに、インピーダン
スＺの位相角θは小さくなる。これは、燃料電池１０の
電流信号に対する電圧信号の位相遅れ（応答遅れ）が小
さくなることを意味している。

【００６４】一方、燃料電池１０の内部水分量が過剰で
あり、拡散過電圧が増大した場合には、図４の複素平面
上でＲ２が増大する。Ｒ２の増大に伴い、所定の周波数
におけるインピーダンスＺは、主に虚成分ｂが大きくな
り、複素平面上で原点から遠ざかる。この結果、インピ
ーダンスＺの絶対値ｒが大きくなるとともに、インピー
ダンスＺの位相角θは大きくなる。これは燃料電池１０
の出力電流に対する出力電圧の位相の遅れが大きくなる
ことを意味している。

【００６５】以上のように、燃料電池１０内部の水分状
態は、燃料電池１０のインピーダンスの位相角（電流信
号に対する電圧信号の位相の遅れ）および絶対値と相関
関係がある。図８はこれらの関係を示しており、複素平
面上に内部水分量が、１）最適な領域、２）過剰な領
域、３）不足している領域の３つの領域を設定してい
る。これらの領域は、燃料電池１０の負荷に応じて定め
られる。

【００６６】図８に示すように、燃料電池１０の内部水
分量の状態は、燃料電池１０のインピーダンスの位相角
に基づいて推定することができる。すなわち、所定周波
数における燃料電池１０のインピーダンスの位相角が、
所定位相角θｏ近傍にある場合には燃料電池の内部水分
量は適正であり、所定位相角θｏより小さい場合には内
部水分量が不足しており、所定位相角θｏより大きい場
合には内部水分量が過剰であると判定できる。内部水分
量の判断基準となる所定位相角θｏは、印加する正弦波
の周波数等によって予め設定される。

【００６７】また、図８に示すように、内部水分量の最
適領域は、燃料電池１０のインピーダンスの実成分およ
び虚成分がそれぞれ所定値より小さい領域である。従っ
て、インピーダンスの絶対値が所定値より小さい場合に
は、内部水分量が適正領域にあると判断できる。

【００６８】以上のことにより、本第３実施形態では、
ある所定の周波数１点における燃料電池１０のインピー
ダンスを計測することによって、次のように燃料電池１
０内部の水分状態を推定できる。

【００６９】１）燃料電池１０のインピーダンスの位相
角に基づいて、燃料電池の内部水分量の状態を判断する
ことができる。

【００７０】２）また、インピーダンスの絶対値が所定
値より小さい場合には、内部水分量が最適領域にあると
判断することができる。

【００７１】３）また、電圧センサ４１により燃料電池
１０の出力低下を判定した上で、インピーダンスの位相
角により、水分不足あるいは過剰を判定することもでき
る。

【００７２】４）また、複素平面上で内部水分量の最適
領域、過剰領域、不足領域を予め設定し、インピーダン
スの複素平面上における座標が３つの領域のいずれに位
置するかによって、燃料電池１０内部の水分状態を推定
することができる。

【００７３】以上、本第３実施形態によれば、交流イン
ピーダンス法により燃料電池１０の内部水分量を推定す
る際に、１つの所定周波数における燃料電池１０のイン
ピーダンスを計測するだけでよい。このため、上記第１
実施形態と同様に、インピーダンスの計測を短時間で行
うことができるので、経時的にインピーダンス計測を行
うことができ、燃料電池１０内部の水分状態（水分の不
足／過剰）をリアルタイムに把握することが可能とな
る。

【００７４】（他の実施形態）なお、上記各実施形態で
は、正弦波発振器４０では、正弦波電流を発生するよう
に構成したが、正弦波電圧を発生するように構成しても
よく、燃料電池１０が出力する直流電圧に正弦波電圧を
印加してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成示
す概念図である。

【図２】燃料電池の電圧降下の内容を示す特性図であ
る。

【図３】燃料電池の等価回路を示す回路図である。

【図４】燃料電池のインピーダンスを示す特性図であ
る。

【図５】インピーダンス検出部の作動を示す概念図であ
る。

【図６】２点のインピーダンスから周波数を変化させた
場合のインピーダンス算出手順を示す特性図である。

【図７】１点のインピーダンスから周波数を変化させた
場合のインピーダンス算出手順を示す特性図である。

【図８】燃料電池のインピーダンスと内部水分量の状態
との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池、１１…インバータ、２０…空気供給経
路、２１…空気供給装置、２２…加湿器、２３…背圧調
整バルブ、３０…水素供給経路、３１…水素供給装置、
３２…加湿器、３３…背圧調整バルブ、４０…正弦波発
振器、４１…電圧センサ、４２…電流センサ、４３、４
４…フィルタ部、４５、４６…ＦＦＴ処理部、４７…イ
ンピーダンス分析部、５０…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本邦夫愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 HH06 5H027 AA06 KK51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素と酸素とを電気化学反応させて電力
を得る燃料電池（１０）を備え、前記燃料電池の出力信
号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合
の前記燃料電池の複素インピーダンスにより得られる、
前記燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分
（Ｒ１）と、前記燃料電池の内部水分量過剰時に増加す
る抵抗成分（Ｒ２）とから前記燃料電池内部の水分状態
を推定する燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波
信号を印加する正弦波印加手段（４０）と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段（４
１）と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（４
２）と、前記正弦波印加手段（４０）により所定周波数の正弦波
信号を印加した場合の、前記電圧検出手段（４１）で検
出した前記出力電圧および前記電流検出手段（４２）で
検出した前記出力電流に基づいて、前記所定周波数にお
ける前記燃料電池の複素インピーダンスを算出するイン
ピーダンス演算手段（４３〜４７）とを備え、前記インピーダンス演算手段により少なくとも１つの周
波数における前記燃料電池の複素インピーダンスを算出
し、前記少なくとも１つの周波数における前記燃料電池
の複素インピーダンスに基づいて、前記周波数を変化さ
せながら正弦波信号を印加した場合の前記燃料電池の複
素インピーダンスを算出することを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項２】前記周波数は異なる２つの周波数であ
り、この異なる２つの周波数における前記燃料電池の複
素インピーダンスの一方は、前記正弦波印加手段により
前記正弦波信号を印加しない場合において、前記出力電
圧を前記出力電流で除した値を、周波数が０における前
記燃料電池の複素インピーダンスとして用いることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】水素と酸素とを電気化学反応させて電力
を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであ
って、前記燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波
信号を印加する正弦波印加手段（４０）と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段（４
１）と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（４
２）と、前記正弦波印加手段（４０）により所定周波数の正弦波
信号を印加した場合の、前記電圧検出手段（４１）で検
出した前記出力電圧および前記電流検出手段（４２）で
検出した前記出力電流に基づいて、前記所定周波数にお
ける前記燃料電池の複素インピーダンスを算出するイン
ピーダンス演算手段（４３〜４７）とを備え、前記インピーダンス演算手段により所定周波数における
前記燃料電池の複素インピーダンスを算出し、前記所定
周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスの応
答遅れに基づいて、前記燃料電池内部の水分状態を推定
することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】前記所定周波数における前記燃料電池の
複素インピーダンスの位相角に基づいて、前記燃料電池
内部の水分状態を推定することを特徴とする請求項３に
記載の燃料電池システム。
【請求項５】前記燃料電池内部の水分状態の推定に、
前記複素インピーダンスの位相角に加えて、前記複素イ
ンピーダンスの絶対値を用い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。
【請求項６】水素と酸素とを電気化学反応させて電力
を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであ
って、前記燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波
信号を印加する正弦波印加手段（４０）と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段（４
１）と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段（４
２）と、前記正弦波印加手段（４０）により所定周波数の正弦波
信号を印加した場合の、前記電圧検出手段（４１）で検
出した前記出力電圧および前記電流検出手段（４２）で
検出した前記出力電流に基づいて、前記所定周波数にお
ける前記燃料電池の複素インピーダンスを算出するイン
ピーダンス演算手段（４３〜４７）とを備え、前記インピーダンス演算手段により所定周波数における
前記燃料電池の複素インピーダンスを算出し、前記所定
周波数における前記燃料電池の複素インピーダンスの複
素平面上の座標に基づいて、前記燃料電池内部の水分状
態を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】前記出力信号は、前記燃料電池の出力電
流および出力電圧であり、前記正弦波信号は、正弦波電
流もしくは正弦波電圧であることを特徴とする請求項１
ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】前記燃料電池の内部水分量を調整する内
部水分量調整手段（２０〜２３、３０〜３３）を備え、前記燃料電池の内部水分量が不足していると判定された
場合には、内部水分量調整手段により前記燃料電池の内
部水分量を増加させ、前記燃料電池の内部水分量が過剰
であると判定された場合には、内部水分量調整手段によ
り前記燃料電池の内部水分量を減少させることを特徴と
する請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池
システム。