JP5067707B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池のインピーダンス計測法を改良した燃料電池システムに関する。

車両、船舶等の移動体用の駆動源として、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムでは、０℃以下の低温状態において、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり電解質膜の電気伝導率が低下したりする。即ち、０℃以下の低温環境下では、燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりや、電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達が阻害されることにより、燃料電池に燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できず、さらに、反応ガス経路内で結露した水分が凍結することにより、ガス経路に閉塞が生ずることがあった。

従来の上記課題を解決する方法として、例えば、特開２００５−７１６２６号公報には、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動時に取出電流を最大に設定する技術が開示されている（特許文献１）。上記従来技術によって、燃料電池の自己発電を促進し、暖機時間を短縮することができていた。

ここで、上記特許文献１には、燃料電池セルの内部抵抗を測定する方法として、高周波インピーダンスを測定することが開示されている（段落００７６〜００９９）。燃料電池セルの内部抵抗はセルの電解質膜に残留する水分量（以下「含水量」という。）と強い相関関係があるため、交流インピーダンスの計測により燃料電池の含水量を推定することが可能である。

このような含水量推定法として、例えば、特開２００３−８６２２０号公報には、燃料電池の出力信号に周波数を高周波から低周波まで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求め、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分Ｒ１と、内部水分量過剰時に増加する抵抗成分Ｒ２とから燃料電池の水分状態を推定する燃料電池システムが記載されている（特許文献２）。抵抗成分Ｒ１は高周波の正弦波信号を印加することで測定され、抵抗成分Ｒ２は低周波の正弦波信号を印加することで測定されるものとされていた。

同様の技術として、特開２００３−２９７４０８号公報には、電気化学セルの電圧あるいは電流の一方から被測定ガスの含水量を検出するよう構成された燃料電池システムが記載されている（特許文献３）。

また、特開２００５−２０９６３５号公報には、電解膜質と反応ガス流路中との両方の残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御することで、燃料電池の運転継続中における電解膜質の残留水分を最適に制御し、これにより、燃料電池の停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にし、再起動時の始動性を向上する燃料電池の発電運転制御方法が記載されている（特許文献４）。

さらに、特開２００５−３３２７０２号公報には、ｎ個のセル又はセルモジュールを備える燃料電池の電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、この燃料電池に所定の周波数の交流を引加した時のセル等毎の電圧変化を測定することで、その内部抵抗を測定し、この内部抵抗及びリアクタンスからセル等毎の異常を検知する燃料電池診断装置が記載されている（特許文献５）。

ここで、上記特許文献１は、燃料電池のセル電圧が所定電圧値を下回ることにより、アノードのカーボンに酸化反応が生じてカーボンの消失や劣化が生じることを防止するための発明でもありこのような状態を回避するために、燃料電池のセル電圧が所定電圧を下回らない範囲で取出電流を最大に設定していた（特許文献１、段落）。
特開２００５−７１６２６号公報（段落００７４〜００９９、段落００２３〜００２８等） 特開２００３−８６２２０号公報（段落０００７、０００４等） 特開２００３−２９７４０８号公報（段落０００７等） 特開２００５−２０９６３５号公報（段落００８７等） 特開２００５−３３２７０２号公報（段落００１４等）

しかしながら、上記背景技術で述べた従来の燃料電池システムにあっては、交流インピーダンス法に基づいて燃料電池（以下「ＦＣ」と称することがある。）のインピーダンスを測定する際には、印加する交流信号に対応した電圧変動が蓄電装置の出力電圧にも表れる。この電圧変動の極小値が低くなりすぎた場合には、蓄電装置を構成するセルに不都合を生じてしまうことがあるという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、燃料電池の交流インピーダンスを計測する際に、蓄電装置の保護することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力を充電可能に接続された蓄電装置と、を備え、前記燃料電池の交流インピーダンスを計測可能に構成された燃料電池システムであって、前記蓄電装置はバッテリーであり、前記燃料電池の出力電圧に所定の交流信号を重畳する電圧重畳手段と、前記交流信号が重畳された前記燃料電池の出力電圧値の変化に伴って変動する前記蓄電装置の出力電圧値を検出する手段と、前記検出された前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値を当該出力電圧値について設定された下限しきい値電圧および上限しきい値電圧と比較する蓄電装置電圧比較手段と、前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値が前記下限しきい値電圧以下である場合または前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値が上限しきい値電圧以上である場合には、前記交流インピーダンスの計測を不許可と判定し、前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値が前記下限しきい値電圧と前記上限しきい値電圧との間である場合には、前記交流インピーダンス計測を許可する計測許可判定手段と、を備えることを特徴とする。

このように構成することにより、蓄電装置に不都合が生じるような出力電圧値となることを回避し、確実に蓄電装置を保護することができる。具体的には、保護電圧値の範囲として下限しきい値が設定されることになるので、蓄電装置の出力電圧値がこの下限しきい値を下回ることによりセルが破壊される等の不都合を回避可能である。また、保護電圧値の範囲として上限しきい値が設定されることになるので、蓄電装置の出力電圧値がこの上限しきい値を上回ることにより過電圧が印加される等の不都合を回避可能である。

なお、交流インピーダンス計測の許可判定は、燃料電池の出力に交流信号を実際に印加した場合の蓄電装置の電圧変動を検出した上で判定するものでも、交流信号の印加に伴う蓄電装置の出力電圧の変動幅を予め見越して保護電圧値の範囲を設定し、実際に交流信号の印加をすることなく交流インピーダンス計測の許可判定をするものでもよい。

また、前記燃料電池システムは、前記交流インピーダンス計測が不許可と判定された場合に、前記交流インピーダンス計測を所定の一定時間が経過するまで保留にすることを特徴とする。

このように構成することにより、交流インピーダンス計測が許可されない場合には、交流インピーダンス計測が暫く中断される。中断される時間を、蓄電装置の出力電圧が正常に回復するまでの妥当な時間に選択しておけば、不必要な交流インピーダンス計測の許可判定処理を省略することができる。

ここで例えば、この下限しきい値電圧は、蓄電装置のセル保護電圧値に所定のマージンを加えた電圧値に設定されることは好ましい。このように設定すれば、セル保護電圧値にさらにマージンが加えられた下限しきい値を利用して交流インピーダンス計測の許可・不許可が判定されることになり、マージンが十分な大きさに設定されていれば、蓄電装置の出力電圧値がセル保護電圧値に達することを確実に回避可能である。

ここで例えば、この上限しきい値電圧は、蓄電装置の過電圧保護電圧値に所定のマージンを加えた電圧値に設定されることは好ましい。このように設定すれば、過電圧保護電圧値にさらにマージンが加えられた上限しきい値を利用して交流インピーダンス計測の許可・不許可が判定されることになり、マージンが十分な大きさに設定されていれば、蓄電装置の出力電圧値が過電圧保護電圧値に達することを確実に回避可能である。

本発明によれば、蓄電装置の出力電圧値が前記蓄電装置を保護することができる保護電圧値の範囲を事前に把握し、交流インピーダンス計測に必要な交流信号の印加による電圧変動によって蓄電装置の出力電圧値が前記保護電圧の範囲に収まる場合に限って交流インピーダンス計測を許可するので、蓄電装置に不都合が生じるような電圧値にまで出力電圧値が低下することを予防し、確実に蓄電装置を保護することができる。

以下、本発明の燃料電池システム最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電気自動車の主要部の構成を示す構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化ガス（例えば酸素を含む空気）との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。本実施形態では燃料電池は、固体高分子電解質膜を酸素極（正極：カソード電極）１０ａおよび水素極（負極：アノード電極）１０ｂで挟んだ基本構造であるセルが複数積層されたスタック構造を有している。以下、この燃料電池のスタック構造をＦＣスタックとも称する。

ＦＣスタック１０では、以下の酸素極１０ａ側と水素極１０ｂ側の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生するようになっている。
（酸素極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-

燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極１０ａ側に空気を供給するための空気経路２０、およびＦＣスタック１０の水素極１０ｂ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には空気供給用の空気圧送用の送風機（コンプレッサ）２１が設けられている。空気経路２０には、空気のＦＣスタック１０への入口にシャットバルブ２２が、空気の出口にシャットバルブ２３が設けられている。これらのシャットバルブ２２、２３を閉じることで、ＦＣスタック１０内部および空気経路２０内部を外気から遮断可能に構成されている。

水素経路３０には水素供給装置３１が設けられており、水素供給装置３１により水素が供給されるようになっている。水素経路３０には、水素のＦＣスタック１０への入口にシャットバルブ３２が、出にはシャットバルブ３３が設けられている。これらのシャットバルブ３２、３３を閉じることで、ＦＣスタック１０への水素供給を遮断可能に構成されている。

さらに空気経路２０および水素経路３０には図示しない加湿装置を備える。加湿装置により空気経路２０の空気および水素経路３０の水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。また、酸素極１０ａ側では上記電気化学反応により水分が生成される。

またＦＣスタック１０には冷却システム４０〜４５が設けられている。冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷却液（熱媒体）を循環させる冷却液経路４０、冷却液を循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラジエータ４２が設けられている。ラジエータ４２およびファン４３で冷却部を構成している。また、冷却液経路４０には、冷却液を、ラジエータ４２をバイパスさせるためのバイパス経路４４がラジエータ４４と並列的に設けられている。冷却液の流路は、冷却液切替弁４５によってラジエータ４３側とバイパス通路４４側に切り替えられるようになっている。

上記冷却システムは、ウォータポンプ４１による循環流量制御、ラジエータ４２およびファン４３による風量制御、冷却液切替弁４５によるバイパス流量制御でＦＣスタック１０の冷却量制御により、燃料電池の発電に伴って生じた熱を除去して燃料電池の作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるように制御可能に構成されている。

さらに本燃料電池システムには、ＦＣスタック本体の温度を検出するための温度センサ１４、および外気温を検出する外気温センサ１５が設けられている。

またＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や二次電池１２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。ＦＣスタック１０と二次電池１２との間にはＦＣスタック１０の出力電圧値を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ（出力電流制御手段）１３が設けられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、制御部５０の制御に基づき一次側（燃料電池側）の出力電圧値を任意に変更可能に構成されている。
図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との関係を示すグラフ図である。図２に示すようにＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との間には相関関係があり、ＦＣスタック１０は出力電流の増加とともに出力電圧が低下し、出力電流の低下とともに出力電圧が増加するという特性を持っている。従って、制御部５０からの制御信号によりＤＣ／ＤＣコンバータ１３にてＦＣスタック１０の出力電圧を制御することにより、ＦＣスタック１０の出力電流を任意に制御することが可能に構成されている。

またＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、制御部５０からの制御信号に基づき一次側（燃料電池側）の出力に交流信号を重畳することが可能になっている。この交流信号は交流インピーダンス計測のためのものである。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は電力線を変調可能に設けられた能動素子の制御端子に所定の周波数の交流電圧を印加することで、一次側に交流信号を重畳する。一次側に重畳された交流信号による電圧変動は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の二次側にも及ぼされる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の一次側には、交流インピーダンス計測のために電流センサ３４および電圧センサ２４が接続されている。またＤＣ／ＤＣコンバータ１３の二次側には、二次側の出力電圧値を検出可能な電圧センサ１６が設けられている。この電圧センサ１６は、本発明に係る二次電池１２の出力電圧値の変動を検出するものである。

さらに本実施形態の燃料電池システムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０には、負荷１１からの要求電力信号、温度センサ１４からの温度信号、外気温センサ１５からの外気温信号、電流センサ２４、電圧センサ３４からの検出信号等が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、送風機２１、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４３、冷却液切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。さらに制御部５０は、

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける制御部５０の主要な機能ブロックを示すブロック構成図である。
図３に示すように、制御部５０には、主要な機能ブロックとして、電圧重畳部５０１（電圧重畳手段）と、蓄電装置出力電圧検出部５０２（蓄電装置出力電圧検出手段）と、蓄電装置電圧比較部５０３（蓄電装置電圧比較手段）と、計測許可判定部５０４（計測許可判定手段）と、を備える。

なお、電圧重畳部５０１は、制御部５０の制御により電力線に交流信号を印加するＤＣ／ＤＣコンバータ１３が相当する。蓄電装置出力電圧検出部５０２は、二次電池１２の出力電圧値ＶBATを検出し、制御部５０に検出信号を供給する電圧センサ１６が相当する。蓄電装置電圧比較部５０３および計測許可判定部５０４は、二次電池１２の保護電圧値の範囲情報を予め記憶してある制御部５０が相当する。

電圧重畳部５０１は、ＦＣスタック１０の出力電圧に交流信号を重畳する。蓄電装置出力電圧検出部５０２は、交流信号が重畳されたＤＣ／ＤＣコンバータ１３の一次側の出力電圧値の変化に伴って変動する二次電池１２の出力電圧値を検出する。蓄電装置電圧比較部５０３は、検出された二次電池１２の出力電圧値を所定のしきい値電圧と比較する。計測許可判定部５０４は、二次電池１２の出力電圧値が上記しきい値電圧を超えるかに基づいて交流インピーダンス計測の許可または不許可を判定する。

より具体的には、ＦＣスタック１０の含水量を推定する等の要請からＦＣスタック１０のインピーダンスを計測する指令が出されると、電圧重畳部５０１が起動され、ＦＣスタック１０の出力電圧に交流信号、例えば所定の周波数の正弦波信号を重畳する。

ＦＣスタック１０の出力側は、二次電池１２の出力側とＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して接続されているので、このＦＣスタック１の出力電圧に印加された交流信号は、二次電池１２の出力電圧に影響を与え、二次電池１２の出力電圧値にも変動が生じる。蓄電装置出力電圧検出部５０２（電圧センサ１６）は、この変動する二次電池１２の出力電圧値ＶBATを検出する。

蓄電装置電圧比較部５０３は、検出された二次電池１２の出力電圧値、例えば出力電圧値の極小値（瞬時値）を予め記憶されたしきい値電圧と比較する。計測許可判定部５０４は、二次電池１２の出力電圧値ＶBATがしきい値電圧を超えるか否かに基づいて、指令されたＦＣスタック１０のインピーダンス計測の可否を判定する。

計測許可判定部５０４は、蓄電装置電圧比較部５０３において、ＦＣスタック１０のインピーダンス計測が実行可能と判定される場合は、例えば、交流インピーダンス計測が許可されている旨のフラグをセットする。また、ＦＣスタック１０のインピーダンス計測が実行不可能と判定される場合は、例えば、交流インピーダンスが不許可状態である旨のフラグをセットする。そして、インピーダンス計測を一定期間保留（中断）にすると共に、この保留期間後に、インピーダンス計測の停止指令が出されたか否かを検証し、インピーダンス計測の停止指令が出されていない場合はインピーダンス計測を再開する。またインピーダンス計測の停止指令が出された場合は処理を終了する。

図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、ＦＣスタック１０のインピーダンス計測処理に至る制御の流れを示すフローチャート図である。
なお、ここでは、既に、制御部５０に対してＦＣスタック１０のインピーダンスを計測する指令が出されているものとする。

ステップＳ１において、まず、電圧重畳部５０１は、ＦＣスタック１０の出力電圧に所定周波数の交流信号を重畳する。具体的には制御部５０が制御信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１３に供給して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が交流信号で電力線を変調し、その一次側に交流信号を重畳する。

次にステップＳ２において、蓄電装置電圧検出部５０２、すなわち電圧センサ１６が二次電池１２の出力電圧値ＶBATを検出する。そして、蓄電装置電圧比較部５０３は、検出された二次電池１２の出力電圧値ＶBATのうち、特にその最小値（瞬時値）を参照する。

次にステップＳ３において、蓄電装置電圧比較部５０３は、二次電池１２の出力電圧の最小値（瞬時値）が所定のしきい値電圧Ｖrefよりも高い電圧値であるか否かを判定する。このしきい値電圧Ｖrefは、二次電池１２の内部素子、すなわちセルを保護するためのセル保護電圧に所定のマージンを加えた下限しきい値電圧である。

この比較の結果、前記最小値が前記（下限）しきい値電圧よりも高い電圧値である場合（ＹＥＳ）はステップＳ４に進み、計測許可判定部５０４は、交流信号が重畳されてもなお二次電池１２の出力電圧値がセル保護電圧値より大きいものと判断し、交流インピーダンス計測を許可する旨の制御に移行する。

一方、比較の結果、前記最小値が前記（下限）しきい値電圧よりも高い電圧値ではない場合（ＮＯ）はステップＳ５に移り、計測許可判定部５０４は、交流信号が重畳されたとすれば、二次電池１２の出力電圧値がセル保護電圧値を下回る可能性があると判断し、交流インピーダンス計測を不許可する旨の制御に移行する。

すなわちステップＳ５に移行し、二次電池１２を保護するためにインピーダンス計測の継続を一定期間保留にした後、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、計測許可判定部５０４が、インピーダンス計測の停止指示が指令されたか否かを検証し、前記停止指示が指令されていない場合（ＮＯ）はステップＳ１に戻り、前記停止指示が指令されている場合（ＹＥＳ）は処理を終了する。

なお、上記ステップＳ３では、二次電池の出力電圧値を下限しきい値と比較し、下限しきい値以下と判定される場合に交流インピーダンス計測を禁止していたが、この処理に加えて、さらに二次電池の出力電圧値を上限しきい値と比較し、上限しきい値以上と判定される場合に交流インピーダンス計測を禁止（保留）にするような処理を加えてもよい。この場合、上限しきい値は、二次電池１２を過電圧から保護するための過電圧保護電圧に一定のマージンを加えた電圧値とすることが好ましい。

また、しきい値に対してマージンを加えるか否かは任意であり、二次電池１２が保護可能であればマージンを加えなくてもよい。

図５は、交流インピーダンス法に基づく燃料電池のインピーダンス計測時に、蓄電装置の出力電圧値に生ずる電圧変動を説明するグラフ図である。
図５（ａ）は交流信号（正弦波電圧）が重畳された燃料電池の出力電圧値ＶFCを示す。図５（ｂ）は燃料電池の出力電圧値ＶFCに重畳された交流信号の影響を受けて変動する燃料電池の出力電力値ＰFCを示す。図５（ｃ）は燃料電池の出力電力値ＰFCの変動により電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の通過パワーが変動することに伴う蓄電装置側の出力電力値ＰBATを示す。図５（ｄ）は蓄電装置の出力電力値ＰBATの変動の影響を受けて変動する蓄電装置側の出力電圧値ＶBATを示す。

図５（ｄ）において、Ｖminは蓄電装置（二次電池）が破壊される破壊電圧とする。この破壊電圧は、上記セル保護電圧と同じかそれより低い電圧である。
もしも燃料電池の出力に対する交流信号の重畳によって図５（ｄ）のような電圧変動が蓄電装置の出力電圧に生じたとすれば、矢印の箇所において出力電圧値の極小値が破壊電圧Ｖminを下回ることとなってしまい、蓄電装置に回復不可能な不都合が生じる可能性がある。

この点、本発明によれば、例えば（下限）しきい値電圧を図５（ｄ）のＶthのように設定することになり、このしきい値電圧を蓄電装置の出力電圧値（の極小値）が下回る場合には交流インピーダンス計測が禁止され交流信号の印加が中断される。

以上、本実施形態によれば、二次電池の出力電圧値が二次電池を保護することができる保護電圧値の範囲を事前に把握し、しきい値として設定し、交流インピーダンス計測に必要な交流信号の印加による電圧変動によって二次電池の出力電圧値ＶBATが保護電圧の範囲に収まる場合に限って交流インピーダンス計測を許可するので、二次電池に不都合が生じるような電圧値Ｖminにまで出力電圧値が低下することを予防し、確実に二次電池を保護することができる。

本実施形態によれば、二次電池の出力電圧値ＶBATを検出し、しきい値電圧Ｖthと比較し、この出力電圧値ＶBATがしきい値電圧Ｖthを超えるか否かに基づいて交流インピーダンス計測の許可判定をするので、燃料電池の出力電圧に印加される交流信号の影響により蓄電装置の出力電圧値ＶBATの瞬時値がしきい値電圧Ｖthを下回る状態で交流インピーダンス計測が継続されることを回避することが可能である。

本実施形態によれば、交流インピーダンス計測が不許可と判定された場合に、交流インピーダンス計測を所定の時間が経過するまで保留にするので、保留される時間を二次電池の出力電圧が正常に回復するまでの妥当な時間に選択しておけば、不必要な交流インピーダンス計測の許可判定処理を省略することができる。

本実施形態によれば、二次電池のセル保護電圧値に所定のマージンを加えた電圧値を下限のしきい値電圧値に設定したので、マージンが十分な大きさに設定されていれば、二次電池の出力電圧値ＶBATがセル保護電圧値または破壊電圧Ｖminに達することを確実に回避可能である。

（他の実施の形態）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、二次電池１２の出力電圧を制御部５０で比較判定するように構成していたが、電圧センサにおいて出力電圧の最小値（瞬時値）が規定のしきい値電圧を超えたか否かを判定するように構成してもよい。この場合、二次電池１２の出力電圧の最小値（瞬時値）が規定のしきい値電圧を超えた場合に限って、その旨を示す信号を電圧センサ１６から制御部５０に送出する構成となる。

また上記実施形態においては、主として下限しきい値を二次電池の出力電圧値と比較していたが、これとは別に、またはこれに加えて、二次電池の出力電圧値が上限しきい値電圧以上である場合に、交流インピーダンスの計測を不許可と判定するようにしてもよい。このように構成すれば、保護電圧値の範囲として上限が設定されることになるので、二次電池の出力電圧値がこの保護電圧値を上回ることにより過電圧が印加される等の不都合を回避可能である。

なお、この上限しきい値電圧は、蓄電装置の過電圧保護電圧値そのものでもよいが、過電圧保護電圧値にさらに所定のマージンを加えた電圧値に設定することも可能である。過電圧保護電圧値にさらにマージンが加えられた上限しきい値を利用して交流インピーダンス計測の許可・不許可が判定されることになり、マージンが十分な大きさに設定されていれば、蓄電装置の出力電圧値が過電圧保護電圧値に達することを確実に回避可能である。

また上記実施形態においては、実際に燃料電池の出力に交流信号を印加した場合の二次電池の電圧変動を検出した上で判定していたが、これに限定されない。例えば、燃料電池の出力に対する交流信号の印加に伴う二次電池側の出力電圧の変動幅を予め見越して、保護電圧値の範囲を設定することができる。燃料電池側に印加する交流信号の振幅はシステムによっては一定にすることができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側に対する交流信号の重畳に伴う二次側の電圧変動量も予め予測することが可能である。したがって予測された二次側の電圧変動量を考慮すれば、二次電池の出力電圧値の保護範囲を予め設定することが可能となり、実際に交流信号の印加をすることなく、二次電池保護のための交流インピーダンス計測の許可・不許可の判定が可能である。

本発明は、燃料ガス（水素等）と酸化ガス（エア等）との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムの構築に適用可能であり、特に、交流インピーダンス法に基づくインピーダンス計測が行われる燃料電池システムに好適である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電気自動車の主要部の構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との関係を示すグラフ図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける制御部５０の主要な機能ブロックを示すブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、ＦＣスタック１０のインピーダンス計測処理に至る制御の流れを示すフローチャート図である。 燃料電池および蓄電装置の出力電圧または出力電力を示す図であり、図５（ａ）は交流信号（正弦波電圧）が重畳された燃料電池の出力電圧値ＶFC、図５（ｂ）は燃料電池の出力電圧値ＶFCに重畳された交流信号の影響を受けて変動する燃料電池の出力電力値ＰFC、図５（ｃ）は燃料電池の出力電力値ＰFCの変動により電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の通過パワーが変動することに伴う蓄電装置側の出力電力値ＰBAT、図５（ｄ）は蓄電装置の出力電力値ＰBATの変動の影響を受けて変動する蓄電装置側の出力電圧値ＶBAT。

符号の説明

１０ 燃料電池（ＦＣスタック）
１２ 二次電池
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６ 電圧センサ
２０ 空気通路
２２，２３，３２，３３ シャットバルブ
２４，３４ 湿度センサ
３０ 水素通路
５０ 制御部
５０１ 電圧重畳部
５０２ 蓄電装置電圧検出部
５０３ 蓄電装置電圧比較部
５０４ 計測許可判定部
Ｖ_BAT 蓄電装置出力電圧の最小値（瞬時値）

Claims (4)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の出力電力を充電可能に接続された蓄電装置と、を備え、前記燃料電池の交流インピーダンスを計測可能に構成された燃料電池システムであって、
   前記蓄電装置はバッテリーであり、
   前記燃料電池の出力電圧に所定の交流信号を重畳する電圧重畳手段と、
   前記交流信号が重畳された前記燃料電池の出力電圧値の変化に伴って変動する前記蓄電装置の出力電圧値を検出する手段と、
   前記検出された前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値を当該出力電圧値について設定された下限しきい値電圧および上限しきい値電圧と比較する蓄電装置電圧比較手段と、
   前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値が前記下限しきい値電圧以下である場合または前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値が上限しきい値電圧以上である場合には、前記交流インピーダンスの計測を不許可と判定し、前記蓄電装置の出力電圧値の瞬時値が前記下限しきい値電圧と前記上限しきい値電圧との間である場合には、前記交流インピーダンス計測を許可する計測許可判定手段と、を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記交流インピーダンス計測が不許可と判定された場合に、前記交流インピーダンス計測を所定の一定時間が経過するまで保留にすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記下限しきい値電圧は、前記蓄電装置のセル保護電圧値に所定のマージンを加えた電圧値に設定される、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記上限しきい値電圧は、前記蓄電装置の過電圧保護電圧値に所定のマージンを加えた電圧値に設定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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