JP5136945B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の動作状態を検出する交流インピーダンスの測定技術の改良に関する。
燃料電池の出力は、燃料電池の内部状態、例えば、電解質膜の湿潤度に影響を受けることが知られている。この電解質膜の湿潤度は、燃料電池の複素インピーダンスと相関があることから、従来、燃料電池の出力に交流信号を印加し、電圧に対する電流の振幅比と位相のずれの両方を検出することにより、複素インピーダンスを演算し、燃料電池の動作状態を監視することが提案されていた。
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制限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１）。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２）。
上記従来技術によって、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ができていた。
特開２００３−８６２２０号公報（段落０００７、０００４等） 特開２００３−２９７４０８号公報（段落０００７等）
しかしながら、上記従来の技術において、特に低周波の正弦波信号を印加する場合に、測定精度が悪化するという傾向があった。これは、燃料電池の負荷がポンプやコンプレッサ等の補機であるため、この補機の動作状態に応じて燃料電池の出力電電流が変動することに起因している。つまり、補機の動作に応じて負荷状態が変動し、燃料電池の出力電流が変化してしまうためであると考えられる。電流量は、交流インピーダンスを定める要素となるため、負荷状態に応じて電流が周期的に変動したのでは、測定される交流インピーダンスが不正確な値になってしまう。
そこで本発明は、上記課題を解決するために、高い精度で交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムを提供することを目的の１つとしている。
上記課題を解決するために、本願第１の発明の燃料電池システムは、燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、燃料電池の発電状態であることが検出されたときに、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を備え、発電安定化手段は、燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、燃料電池の出力が安定することによる不足電力を、蓄電装置からの放電により補わせる電力制御手段と、を含み、インピーダンス測定手段は、不足電力が、蓄電装置からの放電により補われる電力を超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させることを特徴とする。
上記第１の発明によれば、交流インピーダンスの測定に先立って、まず燃料電池の発電を安定させる処理が実行されるので、交流インピーダンス測定時には燃料電池の発電の変動要因が排除される。したがってこの状態で測定される交流インピーダンスは燃料電池の水分状態に対応したものとなり、正確な複素インピーダンスを示す。
また燃料電池の発電を安定させると一定の電力が出力されるようになるが、要求されている負荷パワーがこの出力電力よりも大きい場合には不足な電力が発生する。この点、上記発明によれば、不足する電力が蓄電装置から供給されるので、交流インピーダンス測定中に要求負荷パワーの増加を生じたとしても、対応することが可能である。なお、電力の不足は、燃料電池と電気的に接続されている負荷装置（例えば駆動用モータ等）による消費電力（負荷パワー）が燃料電池の発電電力より大きい場合に生ずる。
さらに燃料電池からの安定化された発電量で不足する電力を蓄電装置からの放電で補填する場合でも、急にアクセルが操作された場合等、急激に要求負荷パワーが上昇するときには蓄電装置からの放電を補填しても要求負荷パワーを補い切れない場合がある。この点、上記発明によれば、蓄電装置から放電可能な電力を超えた要求負荷があった場合には、一旦交流インピーダンスの測定が中断されるので、急激な負荷変動に対応させることが可能である。
ここで、「交流インピーダンス」は、例えば低周波領域で測定される。
「低周波領域」とは、交流インピーダンスを測定しうる範囲のうち相対的に低い周波数領域を意味し、周波数ω＝０をも含みうる概念である。このような周波数領域における交流インピーダンスは、燃料電池の発電状態に応じて変動しうるものである。
「発電の安定状態」とは、燃料電池の発電出力（電力、電流、電圧）が一定値という意味の他に、所定の発電出力領域（レンジ）以下に発電出力変化が抑制されていることも意味する。
本願第２の発明の燃料電池システムは、燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、燃料電池の発電が安定状態であることが検出されたときに、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を備え、発電安定化手段は、燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、燃料電池の出力が安定するように、燃料電池と該蓄電装置との間の電力授受を制御する電力制御手段と、を含み、インピーダンス測定手段は、蓄電装置の充放電可能電力が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させることを特徴とする。
上記第２の発明によれば、交流インピーダンスの測定に先立って、まず燃料電池の発電を安定させる処理が実行されるので、交流インピーダンス測定時には燃料電池の発電の変動要因が排除される。したがってこの状態で測定される交流インピーダンスは燃料電池の水分状態に対応したものとなり、正確な複素インピーダンスを示す。
また、燃料電池の発電が安定すると一定の電力が出力されるようになるが、要求されている負荷パワーがこの出力電力よりも少ない場合には余剰な電力が発生する。この点、上記発明によれば、余剰な電力が蓄電装置に充電されるので、エネルギーの有効利用が図れる。なお、電力の余剰は、燃料電池と電気的に接続されている負荷装置（例えば駆動用モータ等）による消費電力（負荷パワー）が燃料電池の発電電力より小さい場合に生ずる。
さらに、蓄電装置は、その容量に応じて充放電が可能に構成されているが、その時の蓄電装置その他関連装置の温度によっては、電力系にその時に流せる電流が制限される場合がある。この点、上記発明によれば、蓄電装置の電力に所定の制限がある場合にインピーダンス測定が中止されるので、システムの安全や耐久性を向上させる上で好ましい。
本願第３の発明の燃料電池システムは、燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、燃料電池の発電が安定状態であることが検出されたときに、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を備え、燃料電池が低出力運転モードである場合に、燃料電池の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させることを特徴とする。
上記第３の発明によれば、交流インピーダンスの測定に先立って、まず燃料電池の発電を安定させる処理が実行されるので、交流インピーダンス測定時には燃料電池の発電の変動要因が排除される。したがってこの状態で測定される交流インピーダンスは燃料電池の水分状態に対応したものとなり、正確な複素インピーダンスを示す。
また交流インピーダンスは、印加交流電圧に対する電流の位相の遅れを参照するものであるため、ある程度の電流を供給しないと精度が悪い。アイドル運転状態等の低電力運転モードでは発電量が少ないために交流インピーダンス測定に適した電流量でない場合が考えられる。この点、上記発明によれば、低電力運転モード時には発電量を上昇させてから測定に入るので、精度の良いインピーダンス測定が行える。
なお、「低出力運転モード」とは、燃料電池の定格出力や最大出力に対して相対的に出力が低い状態で運転されるモードをいう。
さらに第１〜第３の発明において、発電安定化手段は、燃料電池の発電電流を一定に維持することは好ましい。
ここにいう「一定」とは、電流が一定値という意味の他に、所定の電流領域（レンジ）以下に電流変化が抑制されていることも意味する。
さらに第１および第２の発明では、燃料電池が低出力運転モードである場合に、燃料電池の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させるように構成してもよい。
本発明によれば、燃料電池の発電を安定状態に維持させた後に、交流インピーダンスを測定するようにしたので、測定時に外乱が発生することなく、高い精度で交流インピーダンスを測定することが可能である。
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
（実施形態１）
この実施形態１は、燃料電池の発電を安定させた後に、低周波領域の交流インピーダンスを測定する燃料電池システムに係り、特に、燃料電池発電安定化に伴う余剰電力または不足電力を蓄電装置充放電可能に構成した例に関する。
図２に、本ハイブリッド燃料電池システムで実現される本発明の交流インピーダンス測定に係る機能ブロック図を示す。
図２に示すように、本ハイブリッド燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池１００からの充電及び負荷装置１０２への放電が可能に構成された蓄電装置１０１とを備えている。負荷装置１０２に対する電力が燃料電池１００及び蓄電装置１０１の一方または双方から供給可能になっており、負荷装置１０２で生じた回生電力が蓄電装置１０１に充電可能になっている。これら燃料電池システムの交流インピーダンスの測定機能が制御部３によって提供されている。
制御部３は、以下の機能ブロックを備えて構成されている。
１）燃料電池１００の発電を安定化させる発電安定化手段１０３；
２）燃料電池１００の発電が安定化した後に、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段１０４；
３）安定した燃料電池１００による発電により余剰電力が発生する場合に、余剰電力を蓄電装置１０１に充電させる充電手段１０５；
４）安定した燃料電池による発電により不足電力が発生する場合に、不足電力を蓄電装置１０１から放電させて補う放電手段１０６；
５）不足電力が、蓄電装置１０１からの放電可能電力を超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させる第１測定中止手段１０８；
６）燃料電池１００の充放電可能電力が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させる第２測定中止手段１０９；及び
７）燃料電池１００が低出力運転モードである場合に、燃料電池１００の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させる発電量増加手段１０７。
以上の構成のうち構成要素７の発電量増加手段については実施形態２で説明することとし、本実施形態１ではそれ以外の機能ブロックで実現される処理について説明する。
図１に、具体的な本ハイブリッド燃料電池システムのブロック図を示す。
図１に示すように、ハイブリッド燃料電池システムは、燃料電池１００にアノードガスである水素ガスを供給するアノードガス供給系１、燃料電池１００にカソードガスである空気を供給するカソードガス供給系２、本発明に係る交流インピーダンス測定方法を実行する制御部３、及び交流インピーダンスの被測定対象となる電力系４から構成されている。
燃料電池１００は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータ一対で挟み込んだ構造をしている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極及びカソード極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。アノード極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。その他、燃料電池の形態として、リン酸型、溶融炭酸塩型等を用いることが可能である。
燃料電池１００は水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側には燃料ガス供給系統１からアノードガスである水素ガスが供給される。カソード（陽極）極側にはカソードガス供給系統２から酸素を含んだカソードガスである空気が供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
アノードガス供給系１としては、水素ガス供給源としての水素タンク１０、アノードガス供給路１１、アノードオフガス排出路１２を備える。その他、図示しないが、水素ガスを流通させるための水素ポンプ、水素ガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等を備えていてもよい。
水素タンク１０には高圧の水素ガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。アノードガス供給路１１は、高圧の水素ガスを供給する配管であり、途中に図示しない調圧弁（レギュレータ）等を備えていてもよい。アノードガス供給路１１から供給された水素ガスは、燃料電池１００内において、マニホールド経由で各単セルのアノード極側に供給され、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じてからアノードオフガス（水素オフガス）として排出される。アノードオフガス排出路１２は、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを排出する経路であり、循環経路を形成していてもよい。循環経路を形成させるには、図示しない逆止弁やエジェクタを介して、再びアノードガス供給路１１にアノードオフガスを戻すように構成される。
カソードガス供給系２は、コンプレッサ２０、カソードガス供給路２１、カソードオフガス排出路２２を備える。その他、図示しないが、カソードガスである空気の湿度を制御するための加湿器、カソードオフガス（空気オフガス）を除去する気液分離器、アノードオフガスをカソードオフガスと混合するための希釈器、消音器等を備えていてもよい。
コンプレッサ２０は、エアクリーナ等から取り入れられた空気を圧縮し、空気量や空気圧を変更し、燃料電池１００のカソード極側に供給するものである。カソードガス供給路２１から供給された空気は、燃料電池１００内において、水素ガスと同じくマニホールド経由で各単セルのカソード極側に供給され、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じてからカソードオフガスとして排出される。燃料電池１００から排出されたカソードオフガスは、アノードオフガスと希釈されてから排出される。
電力系４は、バッテリ４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、補機インバータ４４、高圧補機４５、バッテリコンピュータ４６、電流センサ４７、電圧センサ４８、逆流防止ダイオード４９等を備えている。
バッテリ４０は、本発明の蓄電装置１０１に係り、充放電可能な二次電池である。バッテリとしては、ニッケルー水素電池等、様々な種類の二次電池を用いることができる。二次電池の代わりに、充放電が可能な蓄電装置、例えばキャパシタを用いることが可能である。バッテリ４０は、一定電圧で発電するバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって高電圧を出力可能とすることができる。
バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の出力端子に設けられており、制御部３と通信可能になっている。バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持するとともに、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部３に通知するようになっている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、一次側と二次側との間で電圧の昇圧／降圧をして電力を流通させるものである。例えば、一次側のバッテリ４０の出力電圧を、二次側の燃料電池１００の出力電圧にまで昇圧して、トラクションモータ４３や高圧補機４５等の負荷装置１０２に電力を供給する。逆に、二次側において燃料電池１００の余剰電力や負荷装置１０２からの回生電力を、降圧して一次側のバッテリ４０に充電するために通過させる。
トラクションインバータ４２は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４３に供給するものである。トラクションモータ４３は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。
補機インバータ４４は、高圧補機４５を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機４５は、コンプレッサ２０、水素ポンプ、冷却系のモータ類等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。
電流センサ４７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の二次側の電流を検出し、検出信号Ｓｉとして制御部３へ供給することが可能になっている。電圧センサ４８は、二次側の電圧を検出し、検出信号Ｓｅとして制御部３へ供給することが可能になっている。
制御部３は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部３は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主としてアノードガス供給系１、カソードガス供給系２、電力系４を含む燃料電池システム全体を制御する他、当該燃料電池システムにおいて本発明の交流インピーダンス測定方法を実行させることが可能になっている。
具体的に制御部３は、以下の幾つかの動作ブロックに分割されている。特に本発明に関連するブロックとして、フィルタ３０、３１、ＦＦＴ処理部３２、３３、補正処理部３４、インピーダンス解析部３５、判断部３６、記憶装置３７、交流信号発生器３８、交流信号加算器３９を備えている。
交流信号発生器３８は、電源配線に重畳させる交流信号を発生する発振器であり、好ましくは交流信号を高低二種類の周波数で発生させることが可能に構成されている。燃料電池は、電解質膜の保湿量等の内部状態に応じて、交流インピーダンスの周波数特性が変化するものであるため、最低二つの異なる周波数における交流インピーダンスを測定することにより、電解質膜が水分過多状態であるか乾燥状態であるかを検出可能だからである。例えば、３００Ｈｚ前後の周波数を高周波交流信号、１０Ｈｚ以下の周波数を低周波交流信号とすることで、燃料電池の内部状態を類推可能となる。加算器３９は、例えばパワートランジスタ等で構成されており、交流信号発生器３８からベースに印加される交流信号を電源配線に重畳させる（変調する）ものである。
なお、本発明は、高圧補機等が動作していることにより発生する電流変動によって交流インピーダンスが正確に測定できなくなることを防止するものである。
フィルタ３０及び３１は、バンドパスフィルタであり、交流信号発生器３８における発信周波数に対応した交流信号のみを通過させるものである。フィルタ３０は、電流センサ４７で検出された検出信号Ｓｉのうち、交流インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。フィルタ３１は、電圧センサ４８で検出された検出信号Ｓｅのうち、交流インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。
ＦＦＴ処理部３２及び３３は、電流検出信号Ｓｉや電圧検出信号Ｓｅに対し高速フーリエ変換演算を行い、測定周波数成分における電流検出信号Ｓｉや電圧検出信号Ｓｅをそれぞれ実部と虚部（ａi＋ｊｂi、ａe＋ｊｂe）に分離する。インピーダンス解析部３５は、ＦＦＴ処理された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいて交流インピーダンスＸ（ａX＋ｊｂX）を算出し、複素平面上での原点からの距離（実効値）ｒ（＝√（ａX 2＋ｊｂX 2）と位相角θ（＝ｔａｎ-1（ｂ／ａ））とを求め、印加された周波数の交流信号における交流インピーダンスを求めるものである。
ここで補正処理部３４は、フィルタ３０及び３１のフィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を補正するものである。補正処理部３４は、予め測定しているフィルタ３０及び３１の位相遅れ及びゲイン変動に基づき、ＦＦＴ処理部３２及び３３における実部と虚部の係数（ａi、ｂi、ａe、ｂe）の補正を行う。この補正処理により、フィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を取り除いた実際の電圧検出信号及び電流検出信号が得られるのである。
判断部３６は、インピーダンス解析部３５において求められた実効値と位相角、または、二つの異なる周波数ｆ１及びｆ２における複素平面における実部と虚部（ａXf1、ｂXf1）（ａXf2、ｂXf2）を記憶装置３７に記憶させる。燃料電池の抵抗過電圧と拡散過電圧を求めるには、複素平面における二つの点に基づき幾何学的な計算により、複素平面におけるインピーダンス曲線を求め、周波数がゼロとした場合の抵抗値を電解質膜の抵抗とし、周波数が無限大とした場合の抵抗値を活性化過電圧と拡散過電圧の抵抗換算値とする。
なお、交流信号発生器３８における発信周波数を変化させながらそれぞれについて交流インピーダンスを求め記憶させていくように構成するならば、特殊な幾何演算をすることなく、インピーダンス曲線を求めることができる。
さて、判断部３６はこの交流インピーダンス測定の前提として、この燃料電池システムの動作状態を本発明に基づき制御するように構成されており、以下、それを詳しく説明する。
図３のフローチャートを参照して、判断部３６で実施される、本実施形態１の交流インピーダンス測定方法を説明する。この交流インピーダンスの測定方法では、特に、燃料電池１００の発電を安定させた後に、低周波領域の交流インピーダンスを測定するように処理することを特徴としている。
まず、低周波における交流インピーダンス測定を実施するモードになっているか否かが検査される（Ｓ１）。低周波における交流インピーダンス測定とは、燃料電池の動作状態によって影響が及ぼされるような周波数帯域における交流インピーダンス測定を意味する。例えば、１０Ｈｚ以下の周波数帯域をいう。
低周波における交流インピーダンス測定モードとなっていなかった場合（Ｓ１：ＮＯ）、交流インピーダンス測定モードに切り替えるか否かの判断を下す。まず、本発明の第一の特徴として燃料電池１００の発電を安定させる。具体的には、燃料電池１００において、トラクションモータ４３や高圧補機４５のトルクを一定にして負荷状態を安定化させ、かつ、燃料電池１００に供給される水素ガスや空気の流通量を一定にする。これにより燃料電池の運転状態を安定化させ、この結果として燃料電池１００による発電電流が一定にさせる（Ｓ２）。このときの一定値となった発電電力を固定値Ｐｃとする。
次いで、バッテリコンピュータ４６からバッテリ４０の充放電状態を示す検出信号ＳSOCが読み取られる（Ｓ３）。検出信号ＳSOCを参照することにより、バッテリ４０が適正な充電領域にあるか過放電領域にあるか過充電領域にあるかを検知することができる。また、併せてバッテリ４０の内部温度を示す検出信号Ｓt1、コンバータ４１の内部温度を示す検出信号Ｓt2も参照される。バッテリ４０やコンバータ４１の内部温度が高過ぎる場合には、素子保護等の観点から、それ以上の電流を通過させることが適当でないため、温度を参照することで、システムの電流制限を把握するのである。
次いで、交流インピーダンス測定モードをオン状態とすべきかが判定される（Ｓ４）。
まず、前回の交流インピーダンス測定から一定時間Ｔが経過しているかが判定される。交流インピーダンスは燃料電池システムの状態を検査するものでるためシステム状態の変化が生じうる程度のインターバル時間Ｔを設けておくことが妥当だからである。
また、燃料電池１００における発電が安定化しているかが判定される。発電が安定化しているとは、例えば燃料電池１００に対する燃料ガス供給量を一定に維持または停止させ、トラクションモータ４３や高圧補機４５への電力供給をバッテリ４０からのみ行わせている状態をいう。負荷変動や高圧補機４５が動作していると燃料電池１００の発電電流が変動し、交流インピーダンス測定の元となる電流検出信号の振幅（ゲイン）を変化させてしまうことを防止するためである。
また、バッテリを初めとするシステムに電流制限が発生していないことが確認される。例えば、バッテリ４０が過放電や過充電状態に陥っていないか、バッテリ４０やコンバータ４１の内部温度が高くなりすぎていないか、が判定される。このような電流制限が発生している場合には、バッテリ４０からの電力供給を増加させることが適当でないため、トラクションモータ４３や高圧補機４５の駆動電力を燃料電池１００の発電でまかなわなければならないからである。
これらの条件を総て満たしている場合に（Ｓ４：ＹＥＳ）、交流インピーダンス測定モードがオンにされる（Ｓ５）。これらのうちいずれかでも条件が満たされていない場合には（Ｓ４：ＮＯ）、交流インピーダンス測定モードはオンにされることなく処理が終了される。
一方、既に交流インピーダンス測定モードがオン状態となっている場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、インピーダンス測定モードを継続の可否が判定される。
まず、燃料電池１００に要求されるパワーが読み取られる（Ｓ１０）。燃料電池１００の要求パワーは、アクセル開度信号Ｓａやシフトポジション信号Ｓｓに基づき、現在求められている運転状態を得るためにシステムに要求されるパワーとして求められる。また、バッテリコンピュータ４６からの検出信号ＳSOCが読み取られる（Ｓ１１）。
そして、交流インピーダンス測定を継続させてよい条件であるか否かが検査される（Ｓ１２）。
まず、交流インピーダンス測定開始後の要求パワーの変化量が所定のしきい値Ｐｔｈより大きいかが判定される。しきい値Ｐｔｈはバッテリ４０から単位時間に供給可能な電力量に応じて定められる。システムの要求パワーの変化量が一定値以上ある場合には、バッテリ４０からのみの電力供給では電力需要が間に合わないことを意味しているからである。
また、バッテリその他のシステム部品に電流制限が発生していないことが確認される。例えば、バッテリ４０が過放電や過充電状態に陥っていないか、バッテリ４０やコンバータ４１の内部温度が高くなりすぎていないか、が判定される。このような電流制限が発生している場合には、バッテリ等からの電力供給を増加させることが適当でないため、トラクションモータ４３や高圧補機４５の駆動電力を燃料電池１００の発電でまかなわなければならない。その場合には交流インピーダンス測定はできないからである。
これらのうちいずれかの条件でも発生していた場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、一時的に交流インピーダンス測定に適さない状態となるので、一旦交流インピーダンス測定モードをオフ状態として（Ｓ１８）、処理を終了させる。
一方、ステップＳ１２におけるいずれの条件も発生していなかった場合には（Ｓ１２：ＮＯ）、バッテリ４０からの電力供給のみでシステムを運転させることを意味しているので、固定された電力値Ｐｃでの燃料電池１００の発電が継続される（Ｓ１３）。
以上の準備が終了したら、交流インピーダンス測定が継続される（Ｓ１４）。交流信号の周波数毎に電圧検出信号Ｓｅと電流検出信号Ｓｉが検出され、検出された電圧検出信号と電流検出信号とが記憶装置３７に記憶される。この交流インピーダンス測定は、このシーケンスに入る度に、新たな周波数について検出するように構成しても、一時に複数の周波数について検出するように構成してもよい。
測定に係る総ての周波数における測定が終了していない場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、次回の測定も継続させるが、総ての周波数における測定が終了した場合には（Ｓ１５：ＹＥＳ）、検出された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいて、低周波における交流インピーダンスが演算される（Ｓ１６）。すなわち電圧成分に対する電流成分の位相差とゲイン差に基づき交流インピーダンスが求められる。求められた交流インピーダンスは、この周波数における現時点での内部状態を示すパラメータとして記憶され更新される（Ｓ１７）。そして、交流インピーダンスが更新されたら、交流インピーダンス測定モードがオフ状態とされる（Ｓ１８）。
上記フローチャートに基づく説明は、本発明の一例であり、処理の詳細や順番に限定はない。実際の交流インピーダンス測定の前に燃料電池を安定化させる点、システムの要求パワーが大きい場合やシステムに電流制限がある場合には交流インピーダンス測定を解除する点が満たされていれば、いかようにでも変形して適用が可能である。
以上、本実施形態１によれば、交流インピーダンスの測定に先立って、まず燃料電池の発電を安定させる処理（Ｓ２）が実行されるので、交流インピーダンス測定時には燃料電池の発電の変動要因が排除される。したがって、高い精度で交流インピーダンスを測定することが可能である。
また、本実施形態１によれば、燃料電池１００の発電を安定化させることによる余剰電力が、バッテリ４０に充電されるように構成されているので、エネルギーの有効利用が図れる。
また、本実施形態１によれば、燃料電池１００の発電を安定化させることによる不足電力がバッテリ４０からの放電により補われるように構成されているので、交流インピーダンス測定中に要求負荷パワーの増加を生じたとしても、測定を中断せずに負荷変動に追従することが可能である。
また、本実施形態１によれば、バッテリ４０からの放電により補われる電力Ｐｔｈを超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させるように構成されている（Ｓ１２、Ｓ１８）ので、急にアクセルが操作された場合等の急激な負荷変動に対応させることが可能である。
また、本実施形態１によれば、バッテリ４０における充放電可能電力等が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させる（Ｓ１２、Ｓ１８）ので、システムの安全や耐久性を向上させる上で好ましい。
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、アイドル運転などの低出力運転モードにおいての交流インピーダンス測定方法に関する。
本実施形態２におけるハイブリッド燃料電池システムは、図１に示すシステムブロック図、及び、図２に示す機能ブロック図がそのまま適用されるため、その説明を省略する。
図４のフローチャートに基づいて、本実施形態２の交流インピーダンス測定処理を説明する。本実施形態２における交流インピーダンス測定では、燃料電池が低出力運転モードである場合に、燃料電池の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させる点に特徴がある。本フローチャートは、特に燃料電池が低出力状態になっている場合の交流インピーダンス測定に特化した処理に関する。以下、詳しく説明する。
まず、低出力状態における交流インピーダンス測定を実施するモードになっているか否かが検査される（Ｓ２０）。低出力状態における交流インピーダンス測定モードとなっていなかった場合（Ｓ２０：ＮＯ）、交流インピーダンス測定モードに切り替えるか否かを判断する前提として、燃料電池１００の発電を安定させる（Ｓ２１）。具体的には、燃料電池１００において、トラクションモータ４３や高圧補機４５のトルクを一定にして負荷状態を安定化させ、かつ、燃料電池１００に供給される水素ガスや空気の流通量を一定にする。これにより燃料電池の運転状態を安定化させ、この結果として燃料電池１００による発電電流が一定になり、発電電力が固定値Ｐｃとなる。
次いで、バッテリコンピュータ４６からバッテリ４０の充放電状態を示す検出信号ＳＳＯＣが読み取られ（Ｓ２２）、バッテリ４０が適正な充電領域にあるか過放電領域にあるか過充電領域にあるかが検知される。併せて、バッテリ４０の内部温度を示す検出信号Ｓｔ１、コンバータ４１の内部温度を示す検出信号Ｓｔ２も参照される。
そして、交流インピーダンス測定モードをオン状態とすべきかが判定される（Ｓ２３）。
まず、前回の交流インピーダンス測定から一定時間Ｔが経過しているかが判定される。また、燃料電池１００における発電が安定化しているかが判定される。さらに、バッテリを初めとするシステムに電流制限が発生していないことが確認される。これらは実施形態１における判定と同じである。
さらに本実施形態では、燃料電池の出力電流が、交流インピーダンスの測定に必要な計測電流値Ｉｄより小さいか否かが判定される（Ｓ２５）。交流インピーダンスを測定するには、印加された交流信号の電圧と電流を検出し、電圧に対する電流の遅れ（進み）の位相と振幅レベルとにより交流インピーダンスを演算する。このため、検出される電流がある程度の電流量でないと、誤差やノイズの影響を受けてしまい、正確な交流インピーダンスが測定できなくなってしまう。ここでは、このような低出力状態であるか否か（すなわち、通常運転状態における交流インピーダンス測定ではないこと）が判定される。
これらの条件を総て満たしている場合に（Ｓ２３：ＹＥＳ）、低出力状態における交流インピーダンス測定モードがオンにされる（Ｓ２４）。これらのうちいずれかでも条件が満たされていない場合には（Ｓ２３：ＮＯ）、交流インピーダンス測定モードはオンにされることなく処理が終了される。
さて、既に低出力状態における交流インピーダンス測定モードがオン状態となっている場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、インピーダンス測定モードを継続の可否が判定される。
まず、燃料電池１００に要求されるパワーが読み取られる（Ｓ３０）。燃料電池１００の要求パワーは、アクセル開度信号Ｓａやシフトポジション信号Ｓｓに基づき、現在求められている運転状態を得るためにシステムに要求されるパワーとして求められる。また、バッテリコンピュータ４６からの検出信号ＳSOCが読み取られる（Ｓ３１）。
そして、交流インピーダンス測定を継続させてよい条件であるか否かが検査される（Ｓ３２）。
まず、燃料電池１００の要求電力から算出される要求電流が、交流インピーダンスの測定電流Ｉｄより大きいかが判定される。システムの要求パワーから算出される電流量がこの計測電流値Ｉｄより大きい場合には、バッテリ４０からのみの電力供給では電力需要が間に合わないことを意味しているからである。電流値の比較ではなく実施形態１と同様に電力値で判定してもよい。
また、実施形態１と同様に、バッテリその他のシステム部品に電流制限が発生していないことが確認される。例えば、バッテリ４０が過放電や過充電状態に陥っていないか、バッテリ４０やコンバータ４１の内部温度が高くなりすぎていないか、が判定される。このような電流制限が発生している場合には、バッテリ等からの電力供給を増加させることが適当でないため、トラクションモータ４３や高圧補機４５の駆動電力を燃料電池１００の発電でまかなわなければならない。その場合には交流インピーダンス測定はできないからである。
これらのうちいずれかの条件でも発生していた場合には（Ｓ３２：ＹＥＳ）、一時的に交流インピーダンス測定に適さない状態となるので、一旦交流インピーダンス測定モードをオフ状態として（Ｓ３８）、処理を終了させる。
一方、ステップＳ３２におけるいずれの条件も発生していなかった場合には（Ｓ３２：ＮＯ）、交流インピーダンス測定に適した計測電流値Ｉｄとなるように燃料電池出力が増量され、また、既に計測電流値Ｉｄで発電されている場合にはそのまま維持される（Ｓ３３）。これにより、安定した計測電流値Ｉｄでの燃料電池１００の発電が継続される。
次いで交流インピーダンス測定が実行される（Ｓ３４）。交流信号の周波数毎に電圧検出信号Ｓｅと電流検出信号Ｓｉが検出され、検出された電圧検出信号と電流検出信号とが記憶装置３７に記憶される。この交流インピーダンス測定は、このシーケンスに入る度に、新たな周波数について検出するように構成しても、一時に複数の周波数について検出するように構成してもよい。
測定に係る総ての周波数における測定が終了していない場合には（Ｓ３５：ＮＯ）次回の測定も継続させるが、総ての周波数における測定が終了した場合には（Ｓ３５：ＹＥＳ）、検出された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいて、低周波における交流インピーダンスが演算される（Ｓ３６）。すなわち電圧成分に対する電流成分の位相差とゲイン差に基づき交流インピーダンスが求められる。求められた交流インピーダンスは、この周波数における現時点での内部状態を示すパラメータとして記憶され更新される（Ｓ３７）。そして、交流インピーダンスが更新されたら、交流インピーダンス測定モードがオフ状態とされる（Ｓ３８）。
上記フローチャートに基づく説明は、本発明の一例であり、処理の詳細や順番に限定はない。実際の交流インピーダンス測定の前に燃料電池を安定化させる点、システムの要求パワーが大きい場合やシステムに電流制限がある場合には交流インピーダンス測定を解除する点の他、燃料電池の出力電流が少ない場合に増加する点が満たされていれば、いかようにでも変形して適用が可能である。
以上、本実施形態２によれば、上記実施形態１と同様の作用効果を奏する他、低電力運転モード時には発電量を上昇させてから測定に入るので、精度の良いインピーダンス測定が行える。
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では交流インピーダンスの測定に本発明を適用したが、高圧補機の運転によって変動する物理値を検出する場合にも本発明の考え方を応用することがかのである。すなわちその物理値の測定に先立って燃料電池の出力を安定化させればよいのである。
上記実施形態では移動体である車両上に搭載されるハイブリッド燃料電池システムを例示したが、本発明は、自動車のみならず、他の移動体、例えば、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。また、定置型のハイブリッド燃料電池システムにおいて本発明を適用しても無論よい。
実施形態に係るハイブリッド燃料電池システムのブロック図 本発明の機能ブロック図 実施形態１に係る交流インピーダンス測定方法を説明するフローチャート 実施形態２に係る交流インピーダンス測定方法を説明するフローチャート
符号の説明
１…アノードガス供給系、２…カソードガス供給系、３…制御部、４…電力系、１０…水素タンク、１１…アノードガス供給路、１２…アノードオフガス排出路、２０…コンプレッサ、２１…カソードガス供給路、２２…カソードオフガス排出路、３０・３１…フィルタ、３２・３３…ＦＦＴ処理部、３４…補正処理部、３５…インピーダンス解析部、３６…判断部、３７…記憶装置、３８…交流信号発生器、３９…交流信号加算器、４０…バッテリ、４１…コンバータ、４２…トラクションインバータ、４３…トラクションモータ、４４…補機インバータ、４５…高圧補機、４６…バッテリコンピュータ、４７…電流センサ、４８…電圧センサ、４９…逆流防止ダイオード、１００…燃料電池、１０１…蓄電装置、１０２…負荷装置、１０３…発電安定化手段、１０４…インピーダンス測定手段、１０５…充電手段、１０６…放電手段、１０７…発電量増加手段、１０８…第１測定中止手段、１０９…第２測定中止手段、Ｓａ…アクセル開度信号、Ｓｅ…電圧検出信号、Ｓｉ…電流検出信号、Ｓｓ…シフトポジション信号、ＳSOC…検出信号、Ｓt1…検出信号、Ｓt2…検出信号、Ｘ…交流インピーダンス、θ…位相角、ω…周波数

Claims (5)

  1. 燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、
    前記燃料電池の発電が安定状態であることが検出されたときに、前記交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
    を備え、
    前記発電安定化手段は、
    前記燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、
    前記燃料電池の出力が安定することによる不足電力を、前記蓄電装置からの放電により補わせる電力制御手段と、を含み、
    前記インピーダンス測定手段は、前記不足電力が、前記蓄電装置からの放電により補われる電力を超えている場合に、前記交流インピーダンスの測定を中止させる、
    燃料電池システム。
  2. 燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、
    前記燃料電池の発電が安定状態であることが検出されたときに、前記交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
    を備え、
    前記発電安定化手段は、
    前記燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、
    前記燃料電池の出力が安定するように、前記燃料電池と前記蓄電装置との間の電力授受を制御する電力制御手段と、を含み、
    前記インピーダンス測定手段は、前記蓄電装置の充放電可能電力が制限されている場合には、前記交流インピーダンスの測定を中止させる、
    燃料電池システム。
  3. 燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、
    前記燃料電池の発電が安定状態であることが検出されたときに、前記交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
    を備え、
    前記燃料電池が低出力運転モードである場合に、前記燃料電池の発電量を所定量増加させてから、前記交流インピーダンスを測定させる、
    燃料電池システム。
  4. 前記発電安定化手段は、前記燃料電池の発電電流を一定に維持する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池が低出力運転モードである場合に、前記燃料電池の発電量を所定量増加させてから、前記交流インピーダンスを測定させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
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