JP2012054153A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の湿潤状態を精度良く検出する。
【解決手段】本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池１と、インピーダンス値が予め既知の基準インピーダンス５２と、任意の周波数の交流電流を発生する交流電流発生部８と、を備え、燃料電池１と、基準インピーダンス５２とを、交流電流発生部８に対して並列に接続した燃料電池システム１００である。そして、燃料電池の発電中に交流電流発生部８によって所定周波数の交流電流を発生させてその交流電流を直流電流に重畳し、燃料電池１及び基準インピーダンス５２のそれぞれに流れた交流電流の電流振幅比と、基準インピーダンス５２のインピーダンス値と、に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを算出して燃料電池１の湿潤状態を推定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を把握するために、燃料電池の出力電流に交流電流を重畳し、燃料電池に流れた交流電流の電圧振幅を電流振幅で割ることで燃料電池の内部インピーダンスを算出するものがある（特許文献１参照）。
特開２００７−１２４１８号公報

しかしながら、現在では電解質膜の膜抵抗の低抵抗化が進んでおり、燃料電池の内部インピーダンスが小さくなる傾向にある。そのため、燃料電池に交流電流が流れたときの電流振幅の変動に対する電圧振幅の変動が小さくなって電圧振幅を精度良く検出できず、結果として燃料電池の内部インピーダンスを精度良く算出できないという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の内部インピーダンスを精度良く算出することを目的とする。

本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、インピーダンス値が予め既知の基準インピーダンスと、任意の周波数の交流電流を発生する交流電流発生部と、を備え、燃料電池と、基準インピーダンスとを、交流電流発生部に対して並列に接続した燃料電池システムである。そして、燃料電池の発電中に交流電流発生部によって所定周波数の交流電流を発生させてその交流電流を直流電流に重畳し、燃料電池及び基準インピーダンスのそれぞれに流れた交流電流の電流振幅比と、基準インピーダンスのインピーダンス値と、に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを算出して燃料電池の湿潤状態を推定することを特徴とする。

本発明によれば、交流電流を重畳したときの電圧振幅を検出することなく、燃料電池スタックの内部インピーダンスを算出することができる。したがって、膜抵抗の低抵抗化が進んでいった場合でも、精度良く燃料電池スタックの内部インピーダンスを算出することができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス供給機構２と、カソードガス供給機構３と、冷却機構４と、インバータ５と、モータ６と、バッテリ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、第１電流センサ９と、第２電流センサ１０と、コントローラ６０と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力をモータ６などの各種電装部品に供給する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。

アノードガス供給機構２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、流量調節弁２３と、２つの三方弁２４ａ，２４ｂと、アノードガス排出通路２５と、アノードガス還流通路２６と、リサイクルコンプレッサ２７と、を備える。

高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給する水素を主成分とするアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路であり、一端が高圧タンク２１に接続され、他端が燃料電池スタック１に接続される。

流量調節弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。流量調節弁２３は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を任意の流量に調整する。

三方弁２４ａ，２４ｂは、アノードガス供給通路２２と、アノードガス排出通路２５と、にそれぞれ１つずつ設けられる。

アノードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが流れる通路であり、一端が燃料電池スタック１に接続され、他端が燃焼触媒２８に接続される。燃焼触媒２８は、燃料電池スタック１から排出された未反応のカソードガスとアノードガスとを燃焼させて処理する。

アノードガス還流通路２６は、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガスを、アノードガス供給通路２２に戻すための通路であり、一端がアノードガス排出通路２５に設けられた三方弁２４ｂに接続され、他端がアノードガス供給通路２２に設けられた三方弁２４ａに接続される。

リサイクルコンプレッサ２７は、アノードガス還流通路２６に設けられ、アノードガス排出通路２５に排出された未反応のアノードガスをアノードガス供給通路２２に戻す。

カソードガス供給機構３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、コンプレッサ３４と、シャットオフ弁３５と、を備える。

カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路であり、一端がフィルタ３３に接続され、他端が燃料電池スタック１に接続される。

カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスが流れる通路であり、一端が燃料電池スタック１に接続され、他端が燃焼触媒２８に接続される。

フィルタ３３は、燃料電池スタック１に供給するカソードガス（空気）から異物を取り除く。

コンプレッサ３４は、カソードガス供給通路３１に設けられ、フィルタ３３を介してカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。

シャットオフ弁３５は、カソードガス排出通路３２に設けられる。シャットオフ弁３５は、燃料電池システム１００の停止時に閉じて、燃料電池システム１００の停止時に燃料電池スタック１にカソードガスが供給されるのを抑制する。

冷却機構４は、冷却水通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、を備える。

冷却水通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が流れる通路である。

冷却水循環ポンプ４２は、冷却水通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ラジエータ４３は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

インバータ５は、スイッチ部５１と、平滑コンデンサ５２と、を備え、燃料電池スタック１に電気的に接続される。

スイッチ部５１は、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に、又は、交流を直流に変換する。

平滑コンデンサ５２は、燃料電池スタック１と並列に接続されて、スイッチ部５１でのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。

モータ６は、インバータ５から供給される交流電流によって作動し、車両を駆動させるトルクを発生する。

バッテリ７は、例えばリチウムイオン二次電池などの充放電可能な二次電池である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに、入力電圧を任意の出力電圧に変換する。燃料電池スタック１及びインバータ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に対して並列に接続される。

第１電流センサ９は、燃料電池スタック１に対して直列に接続され、燃料電池スタック１に流れる電流を検出する。

第２電流センサ１０は、平滑コンデンサ５２に対して直列に接続され、平滑コンデンサ５２に流れる電流を検出する。

コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６１やバッテリ７の充電量を検出するＳＯＣセンサ６２などの信号が入力される。コントローラ６０は、これらの入力信号に基づいて燃料電池スタック１の目標発電量を算出し、燃料電池スタック１に供給するアノードガス及びカソードガスの流量を制御する。

また、コントローラ６０は、燃料電池の電解質膜の湿潤度を把握するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して燃料電池スタック１の出力電流に交流電流を重畳する。

燃料電池の内部抵抗は、燃料電池の電解質膜の湿潤度によって変化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、反応物質であるアノードガス及びカソードガスの拡散が阻害され、出力電圧が低下する。

したがって、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。燃料電池の内部水分量は、燃料電池の内部インピーダンスと相関関係があり、従来から交流インピーダンス法により燃料電池の内部インピーダンスを測定し、間接的に燃料電池の電解質膜の湿潤度を把握していた。以下、この交流インピーダンス法について簡単に説明する。

図２は、燃料電池の等価回路である。

図２に示すように、燃料電池の等価回路は、膜抵抗Ｒ１と、電荷移動抵抗Ｒ２と、電気二重層容量Ｃと、によって表すことができる。

この等価回路に、例えば周波数が１［ｋＨｚ］を超えるような高周波の交流電流（正弦波電流）を流すと、角速度ωが十分に大きくなるので、電荷移動抵抗Ｒ２と電気二重層容量Ｃとの合成インピーダンスは０と近似できる。

したがって、膜抵抗Ｒ１、電荷移動抵抗Ｒ２、及び電気二重層容量Ｃの合成インピーダンス、すなわち燃料電池の内部インピーダンスＺは、膜抵抗Ｒ１のインピーダンスと近似できる。

そこで従来は、燃料電池スタック１の出力電流に交流電流を重畳したときの燃料電池スタック１の電圧値を電圧センサによって検出し、その電圧値に基づいて重畳した交流電流の電圧振幅を演算していた。そして、その電圧振幅を重畳した交流電流の電流振幅で割ることで燃料電池の内部インピーダンスＺを演算し、電解質膜の湿潤状態を把握していた。

ここで、現在では燃料電池スタック１の高効率化及び小型化がより一層求められており、そのための有効な手段として、電解質膜の厚さを薄くすることが挙げられる。電解質膜の厚さを薄くすることで燃料電池自体の厚さを小さくすることができるので、燃料電池スタック１を小型化できる。また、電解質膜の厚さを薄くすることで電解質膜の膜抵抗を低くすることができるので、燃料電池スタック１の高効率化が図れる。

したがって、燃料電池スタック１の高効率化及び小型化のため、今後も膜抵抗の低抵抗化が一層進むものと考えられる。

膜抵抗の低抵抗化が進むと、燃料電池スタック１に交流電流を流したときの電流振幅の変動に対する電圧振幅の変動が小さくなってしまう。つまり、膜抵抗が低くなるほど重畳した交流電流の応答信号である電圧振幅が微弱になるため、電圧センサで検出した燃料電池スタック１の直流電圧値から交流電圧信号を検出することが難しくなり、電圧振幅の演算精度が低下する。

そのため、従来のように燃料電池スタック１の出力電流に交流電流を重畳したときの電圧振幅を、電流振幅で割ることで燃料電池の内部インピーダンスを演算していたのでは、電圧振幅の演算精度の低下によって燃料電池の内部インピーダンスの演算精度も低下してしまう。その結果、電解質膜の湿潤状態を精度良く把握できないという問題が生じるようになった。

また、燃料電池システム１００を車両に搭載する場合、外気温度が０℃を下回るような低温環境下での起動（以下「零下起動」という。）が求められる。零下起動時には、安定した発電を行える温度まで電極反応によって発生した熱を利用して燃料電池スタック内の温度を上げる必要があるが、このとき発生する水によって燃料電池の内部水分量が過剰になりやすい。そのため、零下起動時には出力電圧が低下しやすいという問題があった。

この問題を解決するには、電解質膜が比較的乾燥した状態で燃料電池システム１００を運転することが有効な手段の１つであるが、そのためには、燃料電池の内部水分量の管理をより細かく行う必要がある。つまり、従来から燃料電池を高効率で運転させるために燃料電池の内部水分量の管理を最適に行っていたが、この管理幅を従来よりも狭くする必要がある。

しかしながら、膜抵抗の低抵抗化が進むと、従来の方法で燃料電池の内部インピーダンスの演算していたのではその演算精度が低下するため、燃料電池の内部水分量が最適となるように管理することが難しいという問題が生じるようになった。

そこで、本実施形態では、インピーダンス値が既知の平滑コンデンサ５２を基準インピーダンスとして設定する。そして、その基準インピーダンスを流れた交流電流の電流振幅及び燃料電池を流れた交流電流の電流振幅の振幅比と、基準インピーダンスのインピーダンス値と、に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを演算することにした。これにより、交流電流の応答信号である電圧振幅を演算することなく燃料電池の内部インピーダンスを算出することができるので、演算精度を確保できる。以下、この本実施形態による湿潤状態推定制御について説明する。

図３は、本実施形態による湿潤状態推定制御について説明するフローチャートである。コントローラ６０は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して所定の周波数及び振幅の交流電流を発生させ、この交流電流を燃料電池スタック１の出力電流に重畳する。本実施形態では、周波数が１［ｋＨｚ］、振幅が±５［Ａ］の交流電流を重畳する。

ステップＳ２において、コントローラ６０は、第１電流センサ９及び第２電流センサ１０の電流値を検出する。

ステップＳ３において、コントローラ６０は、第１電流センサ９で検出した電流値に基づいて燃料電池スタック１に流れた交流電流の電流振幅を算出し、第２電流センサ１０で検出した電流値に基づいて基準インピーダンスに流れた交流電流の電流振幅を算出する。検出した電流値から交流電流の電流振幅を算出する方法としては、離散フーリエ変換処理を行う方法や、デジタル信号処理（逆ノッチフィルタ処理）を行う方法など、既知の方法を用いることができる。

ステップＳ４において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の電流振幅及び基準インピーダンスの電流振幅の振幅比と、基準インピーダンスのインピーダンス値と、に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタック１の出力電流に特定周波数の交流電流を重畳し、燃料電池スタック１に流れた交流電流の電流振幅と、基準インピーダンスに流れた交流電流の電流振幅と、の振幅比を算出する。そして、基準インピーダンスとして設定される平滑コンデンサ５２の特定周波数におけるインピーダンスが既知であることを利用して、その振幅比に基づいて燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。

例えば特定周波数（１［ｋＨｚ］）における平滑コンデンサ５２のインピーダンスが１００［ｍΩ］であり、算出した振幅比が２（燃料電池スタック１）：１（基準インピーダンス）であれば、５０［ｍΩ］が燃料電池スタック１の内部インピーダンスとなる。

このように、本実施形態によれば、燃料電池スタック１及び基準インピーダンスに流れた交流電流の電流振幅を検出するだけで、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出することができる。つまり、燃料電池スタック１の電圧値を検出することなく燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出することができる。

したがって、膜抵抗の低抵抗化が進んでいった場合でも、精度良く燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出することができ、電解質膜の湿潤状態を精度良く把握することができる。

また、膜抵抗の低抵抗化が進んでいった場合でも、電解質膜の湿潤状態を精度良く把握することができるので、燃料電池の内部水分量を細かく管理することができ、燃料電池の内部水分量の管理幅が狭くなったとしても対応することができる。そのため、電解質膜が比較的乾燥した状態で燃料電池システム１００を運転させることができ、燃料電池システム１００の零下起動性を向上させることができる。

また、電解質膜が比較的乾燥した状態で燃料電池システム１００を運転させることができるので、燃料電池スタック１の内部で過剰に水が発生することがない。そのため、発生した水を排出するための部品の小型化や、その部品自体を無くすことができ、燃料電池システム１００全体を小型化し、コストの削減を図ることができる。

また、基準インピーダンスとして、インバータ５の構成部品である平滑コンデンサ５２を使用したので、追加分品が不要となり、燃料電池システム１００が複雑になることもない。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、基準インピーダンスのインピーダンス値を随時更新していく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

基準インピーダンスとして設定した平滑コンデンサ５２のインピーダンス値は、燃料電池システム１００の起動回数や時間の経過によって、当初の値から変化することが考えられる。そこで本実施形態では、基準インピーダンスのインピーダンス値を随時測定して更新する。

図４は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

本実施形態による燃料電池システム１００は、ダイオード１３と、電圧センサ１４と、をさらに備える。

ダイオード１３は、燃料電池スタック１に直列に接続されて、バッテリ７などからの電流が逆流するのを防止する。

電圧センサ１４は、平滑コンデンサ５２、すなわち基準インピーダンスに並列に接続されて、基準インピーダンスの両端電圧を検出する。

図５は、本実施形態による基準インピーダンス更新制御について説明するフローチャートである。コントローラ６０は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１１において、コントローラ６０は、基準インピーダンスのインピーダンス値を更新する必要があるかどうかを判定する。具体的には、前回更新してから所定時間が経過したかを判定する。コントローラ６０は、前回更新してから所定時間が経過していればステップＳ１２の処理を行い、そうでなければステップＳ１５の処理を行う。

ステップＳ１２において、コントローラ６０は、電圧センサ１４で検出した電圧値から交流電流の応答信号である電圧振幅を検出しやすくするため、燃料電池スタック１による発電が停止されているかどうかを判定する。具体的には、燃料電池スタック１へのアノードガス及びカソードガスの供給が停止されているかを判定する。このような状況としては、燃料電池システム１００の起動時や停止時、アイドルストップ時などが挙げられる。コントローラ６０は、燃料電池スタック１による発電が停止されていればステップＳ１３の処理を行い、そうでなければステップＳ１５の処理を行う。

ステップＳ１３において、コントローラ６０は、モータ６を含む電装部品が駆動していないかどうかを判定する。コントローラ６０は、電装部品の非作動中であればステップＳ１４の処理を行い、そうでなければステップＳ１５の処理を行う。

ステップＳ１４において、コントローラ６０は、基準インピーダンス更新フラグをＯＮにする。

ステップＳ１５において、コントローラ６０は、基準インピーダンス更新フラグをＯＦＦにする。

ステップＳ１６において、コントローラ６０は、基準インピーダンス更新フラグがＯＮかどうかを判定する。コントローラ６０は、基準インピーダンス更新フラグがＯＮであればステップＳ１７の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ１７において、コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御して基準インピーダンスの両端に一定以上の交流電圧を印加し、所定の周波数及び振幅の交流電流を発生させる。これにより、基準インピーダンスにのみ発生させた交流電流を流すことができる。このとき、コントローラ６０は、基準インピーダンスに流す交流電流の電流振幅が、湿潤状態推定制御を実施するときに流す交流電流の電流振幅よりも大きくなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御する。

ステップＳ１８において、コントローラ６０は、第２電流センサ１０の電流値を検出する。

ステップＳ１９において、コントローラ６０は、電圧センサ１４の電圧値を検出する。

ステップＳ２０において、コントローラ６０は、第２電流センサ１０で検出した電流値に基づいて基準インピーダンスに流れた交流電流の電流振幅を算出し、電圧センサで検出した電圧値に基づいて基準インピーダンスの両端にかけられた交流電圧の電圧振幅を算出する。これらの算出方法としては、第１実施形態と同様に離散フーリエ変換処理を行う方法や、デジタル信号処理（逆ノッチフィルタ処理）を行う方法など、既知の方法を用いることができる。

ステップＳ２１において、コントローラ６０は、電圧振幅を電流振幅で割ることで基準インピーダンスのインピーダンス値を算出し、インピーダンス値を更新する。

以上説明した本実施形態によれば、基準インピーダンスのインピーダンス値が経時劣化等によって変化しても、随時更新することができる。したがって、湿潤状態推定制御による燃料電池スタック１の内部インピーダンスの演算精度を確保することができる。

また、燃料電池スタック１に流される交流電流は、燃料電池スタック１にとって外乱となる。そのため、燃料電池スタック１の発電中に大きな交流電流を重畳すると、燃料電池スタック１の発電安定性を損なうことになる。そこで、本実施形態のように、燃料電池スタック１での発電が停止されているときに基準インピーダンスのインピーダンス値を測定することで、湿潤状態推定制御を実施するときに流す交流電流よりも大きい交流電流を流すことができる。よって、基準インピーダンスのインピーダンス値を精度良く測定できる。

また、電装部品の非作動時に基準インピーダンス更新制御を行うことで、電装部品を作動することによる電力変動の影響を受けることなく基準インピーダンスのインピーダンス値を測定することができる。よって、基準インピーダンスのインピーダンス値を精度良く測定できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、基準インピーダンスとして設定する電気素子１５を別途に設ける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

燃料電池スタック１に流れる交流電流の電流振幅と、基準インピーダンスに流れる交流電流の電流振幅と、の振幅比に基づいて燃料電池のインピーダンスを演算する場合は、基準インピーダンスのインピーダンス値を燃料電池スタック１の内部インピーダンス値に近づけた方が演算精度が良くなる。

そのため、平滑コンデンサ５２を基準インピーダンスとして設定するよりも、別途に基準インピーダンスとなる電気素子１５を設けた方が良い場合がある。

図６は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

本実施形態による燃料電池システム１００は、基準インピーダンスとして設定される電気素子１５をさらに備える。

電気素子１５は、燃料電池スタック１に並列に接続される。電気素子１５としては、湿潤状態推定制御時に重畳される特定周波数の交流電流のインピーダンスが既知のコンデンサやコイル、抵抗などを使用でき、そのインピーダンス値が燃料電池スタック１の内部インピーダンス値と略同等のものが用いられる。

以上説明した本実施形態によれば、インピーダンス値が燃料電池スタック１の内部インピーダンス値と略同等の電気素子１５を基準インピーダンスとして設定したので、燃料電池スタック１の内部インピーダンス値をより精度良く演算することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、基準インピーダンスとして設定する電気素子１５を、温度によるインピーダンス値の変化が大きいアルミニウム電解コンデンサとした点で第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、燃料電池スタック１の内部温度が低いときよりも高いときの方が、電解質膜のプロトン導電性が向上するので低下する。

そのため、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの演算精度を上げるためには、基準インピーダンスのインピーダンス値も燃料電池スタック１の内部温度変化に応じて変化させることが望ましい。

そこで、本実施形態では、基準インピーダンスとして設定する電気素子１５に、温度が高くなるほどインピーダンス値が低下する特性を持つアルミニウム電解コンデンサを用いた。

図７は、本発明の第４実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

図７に示すように、本実施形態では、ラジエータ４３に導入される前の冷却水が流れる冷却水通路４１上に電気素子１５を配置する。これにより、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度に応じて電気素子１５の温度を制御することができる。

つまり、燃料電池スタック１の内部温度に応じてアルミニウム電解コンデンサの温度を変化させることができる。そのため、燃料電池スタック１の内部温度が上昇して燃料電池スタック１の内部インピーダンスが低下したときに、それにあわせて基準インピーダンスのインピーダンス値を低下させることができる。

したがって、燃料電池スタック１の内部温度が変化しても、燃料電池スタック１の内部インピーダンス及び基準インピーダンスのインピーダンス値を略同等に保つことができるので、燃料電池スタック１の内部インピーダンス値を精度良く演算することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、電気素子を複数設け、冷却水温度に応じて基準インピーダンスとして使用する電気素子を切り替える点で第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図８は、本発明の第５実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

図８に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に並列に接続される２つの電気素子１５ａ，１５ｂを備えるとともに、各電気素子に直列に接続される第２電流センサ１０ａ，１０ｂを備える。２つの電気素子１５ａ、１５ｂのインピーダンス値はそれぞれ異なる。また、冷却水通路４１に、冷却水温を検出する水温センサ４４を備える。

そして、水温センサ４４で検出した冷却水温に応じて、電気素子１５ａ，１５ｂのうち、燃料電池スタックの内部インピーダンス値により近いインピーダンス値を持つ電気素子に流れた交流電流の電流振幅に基づき燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。つまり、水温センサ４４で検出した冷却水温に応じて、基準インピーダンスとして使用する電気素子を切り替える。

これにより、燃料電池スタック１の内部温度が変化しても、燃料電池スタック１の内部インピーダンス値の近いインピーダンス値を持つ電気素子に流れた交流電流の電流振幅に基づき燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出することができる。よって、燃料電池スタック１の内部インピーダンス値を精度良く演算することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池システム１００をアノードデッドエンド型のシステムとした点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図９は、本実施形態によるアノードデッドエンド型の燃料電池システム１００の概略図である。

図９に示すように、本実施形態では、アノードガス排出通路２５の他端にバッファタンク１６が設けられる。

バッファタンク１６は、燃料電池スタック１から排出された未反応のアノードガスを蓄える。

バッファタンク１６の底面には、排水路１７が接続され、排水路１７には排水弁１８が設けられる。燃料電池スタック１から排出されたアノードガスには、電極反応によって発生し、カソード側からアノード側へ浸透してきた水分が含まれる。そのため、排水弁１８を開くことで、バッファタンク１６の内部でアノードガスから分離してバッファタンク１６の底部に溜まった液水を排水路１７から排出する。

バッファタンク１６の上面には、パージ通路１９が接続され、パージ通路１９にはパージ弁２０が設けられる。パージ弁２０を開くことで、バッファタンク１６の上部に溜まったオフガスをパージ通路１９から排出する。

アノードデッドエンド型の燃料電池システムでは、コントローラ６０によって流量制御弁２３を開閉してアノードガス圧力の増圧及び減圧を繰り返すことで、燃料電池スタック１とバッファタンク１６との間でアノードガスを循環させる。したがって、アノードガス圧力が時々刻々と変化するため、燃料電池の等価回路において、膜抵抗Ｒ１以外の電荷移動抵抗Ｒ２及び電気二重層容量Ｃの変動が大きくなってしまう。そのため、電荷移動抵抗Ｒ２及び電気二重層容量Ｃの合成インピーダンスの変動も大きくなってしまう。

電荷移動抵抗Ｒ２及び電気二重層容量Ｃの合成インピーダンスの変動による影響を除外するには、交流電流の周波数を高くする必要があるが、その分、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが低下する。

したがって、従来のように交流電流の電圧振幅を電流振幅で割って燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出していたのでは、電圧振幅が微弱となるので、アノードデッドエンド型の場合は燃料電池スタック１の内部インピーダンスの演算精度の低下が顕著となる。

これに対し、第１実施形態で説明した湿潤状態推定制御を実施することで、燃料電池スタック１の電圧値を検出することなく、燃料電池スタック１に流れた交流電流の電流振幅と、基準インピーダンスに流れた交流電流の電流振幅と、の振幅比に基づいて燃料電池の内部インピーダンスを算出することができる。

そのため、電荷移動抵抗Ｒ２及び電気二重層容量Ｃの合成インピーダンスの変動による影響を除外するために、交流電流の周波数を高くした場合でも、燃料電池の内部インピーダンスを精度良く算出できる。よって、アノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいても、燃料電池の内部インピーダンスを精度良く算出できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、第２実施形態において、基準インピーダンスを更新するかどうかを、所定時間が経過したかどうかで判定していたが、燃料電池システム１００の起動時や停止時に更新するようにしても良い。

本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 燃料電池の等価回路である。 本発明の第１実施形態による湿潤状態推定制御について説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の第２実施形態による基準インピーダンス更新制御について説明するフローチャートである。 本発明の第３実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の第４実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の第５実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の第６実施形態によるアノードデッドエンド型の燃料電池システムの概略図である。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
５ インバータ（電気負荷）
６ モータ（電装部品）
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ（交流電流発生部）
１３ ダイオード
１５ 電気素子（基準インピーダンス）
４１ 冷却水通路
５２ 平滑コンデンサ（基準インピーダンス）
Ｓ１ 交流重畳手段
Ｓ４ 湿潤状態推定手段
Ｓ１７ 交流電圧印加手段
Ｓ２１ 基準インピーダンス更新手段

Claims (9)

1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   インピーダンス値が予め既知の基準インピーダンスと、
   任意の周波数の交流電流を発生する交流電流発生部と、
   を備え、
   前記燃料電池と、前記基準インピーダンスとを、前記交流電流発生部に対して並列に接続した燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電中に、前記交流電流発生部によって所定周波数の交流電流を発生させて、その交流電流を直流電流に重畳する交流重畳手段と、
   前記燃料電池及び前記基準インピーダンスのそれぞれに流れた交流電流の電流振幅比と、前記基準インピーダンスのインピーダンス値と、に基づいて前記燃料電池の内部インピーダンスを算出し、前記燃料電池の湿潤状態を推定する湿潤状態推定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池に直列接続され、その燃料電池に電流が逆流するのを防止するダイオードを備え、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記基準インピーダンスにのみ交流電流が流れるように、前記交流電流発生部によって前記基準インピーダンスの両端に所定電圧以上の交流電圧を印加する交流電圧印加手段と、
   前記基準インピーダンスに流れた交流電流の電流振幅及び電圧振幅に基づいて、その基準インピーダンスのインピーダンス値を算出して更新する基準インピーダンス更新手段と、
   を備え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. 前記交流電圧印加手段は、前記交流重畳手段によって重畳する交流電流よりも電流振幅の大きい交流電流が前記基準インピーダンスに流れるように交流電圧を印加する、
   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. 前記交流電圧印加手段は、前記燃料電池の発電電力によって駆動される電装部品が作動していないときに交流電圧を印加する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記基準インピーダンスは、温度が高くなるほどインピーダンス値が低下する特性を有する電気素子であり、前記燃料電池から排出された燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却通路上に配置される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. インピーダンス値が異なる複数の前記基準インピーダンスを備え、
   前記燃料電池から排出された燃料電池冷却用の冷却水の温度に応じて、使用する基準インピーダンスを切り替える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記基準インピーダンスは、前記燃料電池に接続される電気負荷が備える電気素子である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記基準インピーダンスは、予め測定された前記燃料電池の内部インピーダンスと略同等のインピーダンス値を有する電気素子である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池は、アノードガスを外部に排出しないアノードデッドエンド型の燃料電池である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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