JP6344465B2 - インピーダンス測定装置及びインピーダンス測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、積層電池が有するインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置及びインピーダンス測定方法に関する。

ＷＯ２０１２０７７４５０には、積層電池から負荷に電力を供給した状態で、積層電池の内部抵抗を測定する装置が提案されている。

この測定装置は、積層電池から負荷の方に電流が漏れ出ないように、積層電池の正極端子及び負極端子の各々に同一周波数の交流電流を出力する。そして測定装置は、積層電池の正極端子の電位から、正極端子と負極端子との間に位置する中途点端子の電位を引いた交流電位差と、負極端子の電位から上記中途点端子の電位を引いた交流電位差とを検出する。そして検出された交流電位差と出力される交流電流とに基づいて積層電池の内部抵抗が測定される。

上述のような測定装置では、アナログ信号である交流電流を出力する部品や、交流電位差を検出する部品などに、オペアンプなどの電子部品が用いられる。そのため、電子部品の製造バラツキや、経時劣化、温度上昇に伴う出力変動などが原因で、積層電池のインピーダンスを測定する精度が低下してしまう。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、電子部品に起因する測定精度の低下に対して測定結果についての信頼性の維持向上を図るインピーダンス測定装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、インピーダンス測定装置は、電源手段と検出手段と、演算手段とを含む。電源手段は、複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極に対して、前記積層電池のインピーダンスを測定するための交流電流を出力する。そして検出手段は、前記正極と前記積層電池の中途点との間、及び前記負極と前記中途点との間の少なくとも一方の交流電位差を検出する。演算手段は、前記検出手段により検出される交流電位差と、前記電源手段から出力される交流電流とに基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する。さらにインピーダンス測定装置は、前記インピーダンスの測定誤差を算出するのに必要となる所定値のインピーダンスを有する素子と切替手段とを含む。切替手段は、前記積層電池に前記電源手段及び前記検出手段を接続する電池接続状態と、前記積層電池との接続を切断して前記素子に前記電源手段及び前記検出手段を接続する素子接続状態とを交互に切り替える。そして前記演算手段は、前記切替手段が前記素子接続状態に切り替えられた場合に前記素子のインピーダンスを測定し、該診断素子のインピーダンスの測定値と上記インピーダンス基準値の差分を測定誤差として算出し、該測定誤差に基づき、前記積層電池の測定状態を診断する。さらにインピーダンス測定装置は、前記積層電池の正極と前記電源手段との間に接続された第１直流遮断部と、前記積層電池の正極と前記検出手段との間に接続された第２直流遮断部とを含む。前記切替手段は、前記第１直流遮断部と前記電源手段との間に接続され、前記電池接続状態において、前記電源手段が接続される接続先を、前記第１直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第１切替器と、前記第２直流遮断部と前記検出手段の正極側第１端子との間に接続され、前記電池接続状態において、前記検出手段の正極側第１端子が接続される接続先を、前記第２直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第２切替器とを含み、前記積層電池の正極と負極との間の中途に位置する電池セルは、前記中途点として、前記診断素子の他端及び前記検出手段の正極側第２端子に接続されると共に接地される。

図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置の測定対象である積層電池の一例を示す図である。 図１Ｂは、積層電池に形成される電池セルの構造を示す分解図である。 図２は、本実施形態におけるインピーダンス測定装置の基本構成を示す図である。 図３は、直流遮断部と電位差検出部とを示す図である。 図４は、積層電池の正極及び負極に交流電流を出力する電源部を示す図である。 図５は、積層電池の正極及び負極に出力される交流電流を調整する交流調整部の詳細を示す図である。 図６は、積層電池の内部インピーダンスを演算する演算部の詳細を示す図である。 図７は、積層電池の正極及び負極に生じる電位を互いに等しく制御する等電位制御方法の一例を示すフローチャートである。 図８は、コントローラーが等電位制御を実行したときのタイムチャートである。 図９は、等電位制御によって積層電池の正極及び負極に生じる電位を示す図である。 図１０は、本実施形態におけるインピーダンス測定装置の詳細構成を示す図である。 図１１は、積層電池の測定状態を診断するときのインピーダンス測定装置内の接続状態を示す図である。 図１２は、本実施形態におけるインピーダンス測定方法の一例を示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第２実施形態におけるインピーダンス測定装置の詳細構成を示す図である。 図１４は、インピーダンス測定装置において第２診断素子の抵抗を測定するときの接続状態を示す図である。 図１５は、インピーダンス測定装置において負極側の測定経路に生じる測定誤差を測定するための接続状態の一例を示す図である。 図１６は、積層電池の内部抵抗の測定値を補正する補正手法の一例を示す図である。 図１７は、本実施形態におけるインピーダンス測定方法の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置により測定される測定対象である積層電池の一例を示す図である。図１Ａには、積層電池の一例として複数の電池セルが積層された燃料電池スタック１の外観斜視図が示されている。

図１Ａに示されるように、燃料電池スタック１は、複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。

発電セル１０は、いわゆる電池セルのことであり、燃料電池スタック１に積層された複数の燃料電池のうちのひとつを指す。発電セル１０は、例えば１Ｖ（ボルト)程度の起電圧を生じる。発電セル１０の詳細な構成については図１Ｂを参照して後述する。

集電プレート２０は、積層された発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、例えば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、正極端子２１１及び負極端子２１２を備える。なお、負極端子２１２から、発電セル１０で生じた電子ｅ-が外部に取り出される。

また、正極端子２１１と負極端子２１２との中間には中途点端子２１３が設けられる。中途点端子２１３は、正極端子２１１から負極端子２１２へ積層された複数枚の発電セル１０のうち中間に位置する発電セル１０に接続されている。なお、中途点端子２１３は、正極端子２１１と負極端子２１２との中点から外れた位置であってもよい。

絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、例えばゴムなどで形成される。

エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。

一方のエンドプレート４０(図１Ａでは、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。またカソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及びアノード供給口４１ａは図中左側に設けられている。

テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。

アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して供給する方法などがある。なお、水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

図１Ｂは、燃料電池スタック１に積層された発電セル１０の構造を示す分解図である。

図１Ｂに示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。

電極触媒層１１２は、例えば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えばカーボン繊維で形成される。

アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。

カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。

アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの表面)に重ねられる。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、例えばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図１Ｂに示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。

ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口４１ａ、アノード排出口４１ｂ、カソード供給口４２ａ、カソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂが形成される。

図２は、本発明の実施形態におけるインピーダンス測定装置５の基本的な構成を示す図である。

燃料電池スタック１は、負荷３と接続されて負荷３に電力を供給する積層電池であり、例えば車両に搭載される。燃料電池スタック１は、内部にインピーダンスを有する。負荷３は、例えば、電動モータや燃料電池スタック１の発電のために用いられる補機などである。燃料電池スタック１と接続される補機は、例えば、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するコンプレッサや、燃料電池スタック１を暖機するときに燃料電池スタック１を流れる冷却水を加熱するヒータなどである。

コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６は、燃料電池スタック１の発電状態や湿潤状態、内部の圧力状態、温度状態などの運転状態、及び負荷３の作動状態を制御する。

例えばコントロールユニット６は、負荷３から要求される発電電力に応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスやアノードガスのガス流量を制御する。また、燃料電池スタック１では電解質膜１１１が乾いた状態になると発電性能が低下する。この対策としてコントロールユニット６は、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある燃料電池スタック１の内部抵抗値を用いて、電解質膜１１１が乾いた状態や過剰に湿った状態にならないようにガス流量を調整する。

なお、コントロールユニット６には、燃料電池システムの起動スイッチが設けられた操作スイッチ部６１や、燃料電池スタック１の周囲温度を検出する温度センサ６２などが設けられている。

インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する。本実施形態では、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒを測定し、その内部抵抗Ｒの測定値をコントロールユニット６に送信する。コントロールユニット６は、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒの測定値を受信すると、その内部抵抗Ｒの測定値に基づいて燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する。

インピーダンス測定装置５は、正極側直流遮断部５１１と、負極側直流遮断部５１２と、中途点直流遮断部５１３と、正極側検出部５２１と、負極側検出部５２２と、正極側電源部５３１と、負極側電源部５３２と、交流調整部５４０と、演算部５５０とを含む。なお、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２によって検出手段が構成される。正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２によって電源手段が構成される。

正極側直流遮断部５１１、負極側直流遮断部５１２、中途点直流遮断部５１３、正極側検出部５２１、及び負極側検出部５２２の詳細については、図３を参照して説明する。

正極側直流遮断部５１１は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に接続される。負極側直流遮断部５１２は、燃料電池スタック１の負極端子２１２に接続される。中途点直流遮断部５１３は、燃料電池スタック１の中途点端子２１３に接続される。直流遮断部５１１〜５１３は、直流信号を遮断するが交流信号を流す。直流遮断部５１１〜５１３は、例えばコンデンサやトランスにより実現される。なお、破線により示された中途点直流遮断部５１３は、省略することができる。

正極側検出部５２１は、正極端子２１１に生じる交流電位Ｖａと、中途点端子２１３に生じる交流電位Ｖｃとの間の電位差（以下、「交流電位差Ｖ１」という。）を検出する。正極側検出部５２１は、交流電位差Ｖ１の振動に応じて値が変化する検出信号を演算部５５０に出力する。例えば交流電位差Ｖ１が上昇するほど検出信号の値は大きくなり、交流電位差Ｖ１が低下するほど検出信号の値は小さくなる。正極側検出部５２１では、第１入力端子（正極側第１端子）が正極側直流遮断部５１１を介して正極端子２１１と接続され、第２入力端子（正極側第２端子）が中途点直流遮断部５１３を介して中途点端子２１３と接続される。

負極側検出部５２２は、負極端子２１２に生じる交流電位Ｖｂと、中途点端子２１３に生じる交流電位Ｖｃとの間の電位差（以下「交流電位差Ｖ２」という。）を検出する。負極側検出部５２２は、交流電位差Ｖ２の振動に応じて値が変化する検出信号を演算部５５０に出力する。負極側検出部５２２では、第１入力端子（負極側第１端子）が負極側直流遮断部５１２を介して負極端子２１２と接続され、第２入力端子（負極側第２端子）が中途点直流遮断部５１３を介して中途点端子２１３と接続される。正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２は、例えば差動アンプ(計装アンプ)により実現される。

正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の詳細については、図４を参照して説明する。

正極側電源部５３１は、内部インピーダンスを測定するために基準周波数ｆｂの交流電流を出力する第１電源部である。正極側電源部５３１は、例えばオペアンプ(ＯＰアンプ)などの電圧電流変換回路により実現される。この電圧電流変換回路によって、入力電圧Ｖｉに比例した電流Ｉｏが出力される。なおＩｏ＝Ｖｉ／Ｒｓであり、Ｒｓは電流センシング抵抗である。この電圧電流変換回路は、入力電圧Ｖｉに応じて出力電流Ｉｏを調整可能な可変交流電流源である。

正極側電源部５３１として電圧電流変換回路を使用することにより、出力電流Ｉｏを実測しなくても、入力電圧Ｖｉ÷比例定数Ｒｓで出力電流Ｉｏが得られるので、入力電圧Ｖｉを検出すれば出力電流Ｉｏを求めることができる。負極側電源部５３２についても同様の構成である。すなわち負極側電源部５３２は、基準周波数ｆｂの交流電流を出力する第２電源部である。

交流調整部５４０の詳細については、図５を参照して説明する。

交流調整部５４０は、正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとが互いに一致するように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２のうち少なくとも一方から出力される交流電流の振幅を調整する。

本実施形態では交流調整部５４０は、正極側の交流電位差Ｖ１と負極側の交流電位差Ｖ２の振幅レベルが等しくなるように、正極側電源部５３１から出力される交流電流の振幅と、負極側電源部５３２から出力される交流電流の振幅との両方を増減させる。交流調整部５４０は、例えばＰＩ（Proportional Integral）制御回路により実現される。

また交流調整部５４０は、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２に対する指令信号を、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ１及びＩ２として演算部５５０に出力する。

交流調整部５４０は、正極側検波回路５４１１と、正極側減算器５４２１と、正極側積分回路５４３１と、正極側乗算器５４４１と、負極側検波回路５４１２と、負極側減算器５４２２と、負極側積分回路５４３２と、負極側乗算器５４４２と、を含む。

さらに交流調整部５４０は、基準電源５４５及び交流信号源５４６を備える。

基準電源５４５は、正極側の交流電位差Ｖ１と負極側の交流電位差Ｖ２とを一致させるために、０Ｖ（ボルト）を基準に設定された電位（以下、「基準電圧Ｖｓ」という。）を出力する。基準電圧Ｖｓは、実験等で定められた値である。

交流信号源５４６は、基準周波数ｆｂの交流信号を発振させる発振源である。基準周波数ｆｂは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するのに適した所定の周波数に設定される。基準周波数ｆｂは、例えば１ｋＨｚ（キロヘルツ）に設定される。

正極側検波回路５４１１は、正極側検出部５２１から出力される交流電位差Ｖ１を示す検出信号を受けると、検出信号に含まれる不要信号を除去すると共に、検出信号を交流電位差Ｖ１の振幅に比例した直流信号に変換する。正極側検波回路５４１１は、交流電位差Ｖ１の振幅に比例した直流信号として例えば、検出信号により示される交流電位差Ｖ１の平均値又は実効値を出力する。

本実施形態では正極側検波回路５４１１は、同期検波回路により実現される。正極側検波回路５４１１は、交流信号源５４６からの交流信号を交流電位差Ｖ１の検出信号に乗算して平滑化することにより、交流電位差Ｖ１の振幅に応じた直流信号を出力する。すなわち、正極側検波回路５４１１は、交流電流ＶＩと同相の交流信号に基づいて検出信号から交流電位差Ｖ１の実軸成分を抽出し、その交流電位差Ｖ１の実軸成分を示す直流信号を正極側減算器５４２１に出力する。

なお、正極側検波回路５４１１は、検出信号により示される交流電位差Ｖ１のベクトル値を求めて正極側減算器５４２１に出力してもよい。交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２との間の位相差が大きくなると交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅が同一であっても、交流電位差Ｖ１又はＶ２の実軸成分が低くなるため、等電位制御によって交流電流Ｉ１又はＩ２の振幅が過剰に増減されてしまう。

これに対してベクトル値を利用することにより、交流電位差Ｖ１又はＶ２の振幅レベルが正確に求められるので、等電位制御を適切に実行することができる。

具体的には、交流電位差Ｖ１の実軸成分の二乗値と交流電位差Ｖ１の虚軸成分の二乗値との和の平方根を演算して交流電位差Ｖ１のベクトル値が求められる。なお、交流電位差Ｖ１の虚軸成分は、交流信号源５４６からの交流信号の位相を９０度シフトさせた信号、すなわち交流電流Ｉ１と位相が直交する直交信号を交流電位差Ｖ１の検出信号に乗算して平滑化することにより得られる。

正極側減算器５４２１は、正極側検波回路５４１１で検出される交流電位差Ｖ１の実軸成分から基準電圧Ｖｓを減算することにより、基準電圧Ｖｓから実軸成分のズレ幅を示す差分信号を算出する。例えば、基準電圧Ｖｓからのズレ幅が大きくなるほど、差分信号の信号レベルは大きくなる。

正極側積分回路５４３１は、正極側減算器５４２１から出力される差分信号を積分することにより、差分信号を平均化又は感度調節する。そして正極側積分回路５４３１は、積分された差分信号を正極側乗算器５４４１に出力する。

正極側乗算器５４４１は、交流信号源５４６から出力される基準周波数ｆｂの交流信号に対して差分信号を乗算することにより、交流電位差Ｖ１の振幅を基準電圧Ｖｓに収束させる交流電圧信号を生成する。差分信号の信号レベルが大きくなるほど、正極側乗算器５４４１によって交流電圧信号の振幅は大きくなる。

正極側乗算器５４４１は、生成された交流電圧信号を指令信号として、図４に示された正極側電源部５３１に出力する。正極側電源部５３１に入力される交流電圧信号Ｖｉは、正極側電源部５３１によって交流電流信号Ｉｏに変換されて燃料電池スタック１の正極端子２１１へ出力される。

なお、負極側検波回路５４１２、負極側減算器５４２２、負極側積分回路５４３２及び負極側乗算器５４４２は、それぞれ、正極側検波回路５４１１、正極側減算器５４２１、正極側積分回路５４３１及び正極側乗算器５４４１と基本的に同じ構成である。

このように、交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の振幅が基準電圧Ｖｓとなるように、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の振幅を調整する。同様に交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ２の振幅が基準電圧Ｖｓとなるように、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の振幅を調整する。

このため、交流電位Ｖａ及び交流電位Ｖｂが互いに同じレベルに制御されるので、正極端子２１１に重畳される交流電位と、負極端子２１２に重畳される交流電位とが一致する。これにより、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１へ出力された交流電流Ｉ１及びＩ２が負荷３の方に漏れ出るのを防ぐことができる。なお、以下では、交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとが互いに等しくなるように正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を制御することを「等電位制御」という。

次に演算部５５０の詳細については図６を参照して説明する。

演算部５５０には、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から交流電位差Ｖ１及びＶ２を示す検出信号が入力され、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２に対する指令信号が交流電流Ｉ１及びＩ２として入力される。そして演算部５５０は、交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅と、交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅とを演算する。

演算部５５０は、その交流電位差Ｖ１及びＶ２と交流電流Ｉ１及びＩ２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演算する。例えば、演算部５５０は、正極側検出部５２１からの検出信号に基づいて交流電位差Ｖ１の実軸成分を交流電位差Ｖ１の振幅として演算すると共に、負極側検出部５２２からの検出信号に基づいて交流電位差Ｖ２の実軸成分を交流電位差Ｖ２の振幅として演算する。

そして、演算部５５０は、交流電位差Ｖ１の実軸成分を交流電流Ｉ１の実軸成分で除算することによって内部抵抗Ｒ１を算出し、交流電位差Ｖ２の実軸成分を交流電流Ｉ２の実軸成分で除算することによって内部抵抗Ｒ２を算出する。なお、演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗に加えて、交流電位差Ｖ１及びＶ２の虚軸成分を求めて燃料電池スタック１が有する静電容量を算出するものであってもよい。

また、演算部５５０は、交流電位差Ｖ１及びＶ２の実軸成分の代わりに、交流電位差Ｖ１の平均値又は実効値を求めて、内部抵抗Ｒ１及びＲ２を算出するものであってもよい。

例えば、演算部５５０は、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２からの検出信号に基づいて交流電位差Ｖ１及びＶ２の実効値を求め、交流調整部５４０からの指令信号に基づいて交流電流Ｉ１及びＩ２の実効値を求める。そして演算部５５０は、交流電位差Ｖ１の実効値を交流電流Ｉ１の実効値で除算して内部抵抗Ｒ１を算出し、交流電位差Ｖ２の実効値を交流電流Ｉ２の実効値で除算して内部抵抗Ｒ２を算出する。

演算部５５０は、ＡＤ（Analog Digital）変換器５５１及びマイコンチップ５５２を備える。

ＡＤ変換器５５１は、アナログ信号である交流電流の指令信号(Ｉ１，Ｉ２)及び交流電位差の検出信号(Ｖ１，Ｖ２)をデジタル数値信号に変換し、マイコンチップ５５２に転送する。

マイコンチップ５５２には、内部抵抗Ｒｎ及び燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを算出するプログラムが予め記憶されている。マイコンチップ５５２は、所定の微小時間間隔で順次内部抵抗Ｒを演算し、又は、コントロールユニット６の要求に応じて演算結果を出力する。なお、内部抵抗Ｒｎ及び燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒは、次式で演算される。

演算部５５０は、例えば、アナログ演算ＩＣを用いたアナログ演算回路により実現される。アナログ演算回路を用いることにより、時間的に連続した抵抗値の変化をコントロールユニット６に出力することができる。

コントロールユニット６は、インピーダンス測定装置５の測定結果として演算部５５０から出力される内部抵抗Ｒを受信する。コントロールユニット６は、内部抵抗Ｒの測定結果に応じて、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。

例えば、コントロールユニット６は、内部抵抗Ｒが高い場合には、燃料電池スタック１の電解質膜１１１が乾いた状態であると判断し、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を減らす。これにより、燃料電池スタック１から持ち出される水分量を減少させることができる。

図７は、交流調整部５４０によって行われる等電位制御をコントローラーによって実現したときの制御方法の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１においてコントローラーは、正極交流電位Ｖａが所定値よりも大きいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ３へ処理を移行する。

ステップＳ２においてコントローラーは、正極交流電位Ｖａが所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ４へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ５へ処理を移行する。

ステップＳ３においてコントローラーは、正極側電源部５３１の出力を下げる。すなわち、コントローラーは、交流電流Ｉ１の振幅を小さくする。これによって正極交流電位Ｖａが下がる。

ステップＳ４においてコントローラーは、正極側電源部５３１の出力を維持する。これによって正極交流電位Ｖａが維持される。

ステップＳ５においてコントローラーは、正極側電源部５３１の出力を上げる。これによって正極交流電位Ｖａが上がる。

ステップＳ６においてコントローラーは、負極の交流電位Ｖｂが所定値よりも大きいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ７へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ８へ処理を移行する。

ステップＳ７においてコントローラーは、負極の交流電位Ｖｂが所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ９へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１０へ処理を移行する。

ステップＳ８においてコントローラーは、負極側電源部５３２の出力を下げる。これによって負極交流電位Ｖｂが下がる。

ステップＳ９においてコントローラーは、負極側電源部５３２の出力を維持する。これによって負極交流電位Ｖｂが維持される。

ステップＳ１０においてコントローラーは、負極側電源部５３２の出力を上げる。これによって負極交流電位Ｖｂが上がる。

ステップＳ１１においてコントローラーは、交流電位Ｖａ及び交流電位Ｖｂが所定値であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１２へ処理を移行し、判定結果が否であれば処理を抜ける。

ステップＳ１２においてコントローラーは、上述の式（１−１）及び式（１−２）に基づいて内部抵抗を演算する。

図８は、交流調整部５４０によって行われる等電位制御をコントローラーが実行したときのタイムチャートである。なおフローチャートとの対応が判りやすくなるようにステップ番号を併記する。

図８の初期は、正極側の内部抵抗値Ｒ１が、負極側の内部抵抗値Ｒ２よりも高い状態である(図８（Ａ）)。このような状態でコントローラーが制御を開始する。

時刻ｔ０では、正極交流電位Ｖａも負極交流電位Ｖｂも制御レベルに達していない(図８（Ｃ）)。この状態では、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ１０→Ｓ１１を繰り返す。これによって正極側の交流電流Ｉ１及び負極側の交流電流Ｉ２が増大する(図８（Ｂ）)。

時刻ｔ１で正極の交流電位Ｖａが制御レベルに達したら(図８（Ｃ）)、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ１０→Ｓ１１を繰り返す。これによって正極側の交流電流Ｉ１が維持されるとともに、負極側の交流電流Ｉ２は増大する(図８（Ｂ）)。

時刻ｔ２で負極交流電位Ｖｂも制御レベルに達して正極の交流電位Ｖａと同レベルになったら(図８（Ｃ）)、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ９→Ｓ１１→Ｓ１２を処理する。これによって正極側の交流電流Ｉ１及び負極側の交流電流Ｉ２が維持される。そして式（１−１）に基づいて、正極側の内部抵抗値Ｒ１及び負極側の内部抵抗値Ｒ２が演算される。そして正極側の内部抵抗値Ｒ１と負極側の内部抵抗値Ｒ２とが足し合わされて全体の内部抵抗Ｒが求められる。

時刻ｔ３以降は燃料電池スタックの湿潤状態が変化するなどして負極側の内部抵抗値Ｒ２が上昇している(図８（Ａ）)。この場合には、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ８→Ｓ１１→Ｓ１２を繰り返す。このように処理することで負極側の内部抵抗値Ｒ２が上昇に合わせて負極側の交流電流Ｉ２が下がるので、負極側の交流電位Ｖｂは正極側の交流電位Ｖａと同レベルに維持される。したがってこの状態でも内部抵抗Ｒが演算される。

時刻ｔ４以降は負極側の内部抵抗値Ｒ２が正極側の内部抵抗値Ｒ１に一致するようになる(図８（Ａ）)。この場合には、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ９→Ｓ１１→Ｓ１２を繰り返す。このように処理することで正極側の交流電位Ｖａと負極側の交流電位Ｖｂとが同レベルに維持され(図８（Ｃ）)、内部抵抗Ｒが演算される。

次にインピーダンス測定装置５の等電位制御による作用効果を説明する。

図９は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に生じる正極電位及び負極端子２１２に生じる負極電位の状態を例示する図である。

燃料電池スタック１の出力中は、正極端子２１１及び負極端子２１２の間に、負荷３に出力される直流電圧Ｖｄｃが生じる。インピーダンス測定装置５が起動（ＯＮ）される前は、正極電位及び負極電位は一定であり、負荷３に直流電圧Ｖｄｃが供給される。その後インピーダンス測定装置５が起動され、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から交流電流Ｉ１及びＩ２が出力されると、正極電位に交流電位Ｖａが重畳され、負極電位に交流電位Ｖｂが重畳される。

そして交流調整部５４０による指令信号に従って正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２は、交流電位差Ｖ１及びＶ２が一致するように互いに振幅が調整された交流電流Ｉ１及びＩ２を出力する。

正極側電源部５３１から出力された交流電流Ｉ１は、正極側直流遮断部５１１を介して、燃料電池スタック１の正極端子２１１に供給され、中途点端子２１３及び中途点直流遮断部５１３を介して正極側検出部５２１に出力される。このとき、正極端子２１１と中途点端子２１３との間には、交流電流Ｉ１が内部抵抗Ｒ１に供給されることで内部抵抗Ｒ１での電圧降下により交流電位差Ｖ１(＝Ｖａ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ１は、正極側検出部５２１によって検出される。

一方、負極側電源部５３２から出力された交流電流Ｉ２は、負極側直流遮断部５１２を介して燃料電池スタック１の負極端子２１２に供給され、中途点端子２１３及び中途点直流遮断部５１３を介して負極側検出部５２２に出力される。このとき、負極端子２１２と中途点端子２１３との間には、交流電流Ｉ２が内部抵抗Ｒ２に供給されることで内部抵抗Ｒ２での電圧降下により交流電位差Ｖ２(＝Ｖｂ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ２は、負極側検出部５２２によって検出される。

交流調整部５４０は、燃料電池スタック１の正極側の交流電位差Ｖ１と、負極側の交流電位差Ｖ２との間の差(Ｖ１−Ｖ２)、すなわち交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとの差（Ｖａ−Ｖｂ）が常に小さくなるように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を調節する。これにより、正極電位の交流成分Ｖａの振幅と負極電位の交流成分Ｖｂの振幅とが等しくなるように調整されるので、直流電圧Ｖｄｃは変動せずに一定となる。

そして演算部５５０は、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から出力される交流電位差Ｖ１及びＶ２と、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ１及びＩ２とを用いてオームの法則を適用する。これにより、燃料電池スタック１の正極側の内部抵抗Ｒ１及び負極側の内部抵抗Ｒ２が算出される。

ここでは、正極端子２１１及び負極端子２１２の交流電位が同じ値になるので、仮に正極端子２１１及び負極端子２１２に対して走行用モータなどの負荷３が接続されていても、交流電流Ｉ１又はＩ２が負荷３に漏洩するのを抑制することができる。このため、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流値によって燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を正確に測定することができる。

さらに負荷３の状態によらず、稼働中の燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及び内部抵抗Ｒ２の測定値に基づいて燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを正確に測定することができる。また、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２が使用されるので、燃料電池スタック１が停止中であっても内部抵抗Ｒを測定することができる。

しかしながら、インピーダンス測定装置５に備えられた正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２や、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２、交流調整部５４０などは、オペアンプなどの電子部品、すなわちアナログ回路により構成されている。このような電子部品には、製造バラツキや、時間経過に伴って性能が劣化する経時劣化、温度上昇に伴い出力値が変動する温度ドリフトなどが生じるので、これらが原因で、内部インピーダンスを測定する精度が低下してしまう。

この対策として、製造バラツキや経時劣化、温度ドリフトが極めて小さい高精度な電子部品を使用することも考えられる。しかしながら、高精度な電子部品を用いる場合には、コストが増加することになるため、インピーダンス測定装置５の製造コストを低減することに対しての障害となる。

そこで本実施形態では、インピーダンス測定装置５は、自己の電子部品の製造バラツキや経時劣化などに起因する測定精度の低下を診断する。

図１０は、本実施形態におけるインピーダンス測定装置５の詳細構成を示す図である。ここでは、図２に示された構成と同じものについては、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１０では、信号ライン５０１は、正極側電源部５３１から燃料電池スタック１の正極端子２１１へ交流電流Ｉ１が入力される入力ライン５０１Ａと、正極端子２１１から正極側検出部５２１へ交流電位Ｖａが出力される出力ライン５０１Ｂとに分離されている。

同様に信号ライン５０２は、負極側電源部５３２から燃料電池スタック１の負極端子２１２へ交流電流Ｉ２が入力される入力ライン５０２Ａと、負極端子２１２から負極側検出部５２２へ交流電位Ｖｂが出力される出力ライン５０２Ｂとに分離されている。このように、信号ライン５０１及び５０２の各々を２つのラインに分離することにより、正極端子２１１及び負極端子２１２から出力される交流電位信号のみを正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２で検出することが可能となる。このため、インピーダンス測定装置５の測定精度を向上させることができる。

また入力ライン５０１Ａには、図２に示された直流遮断部５１１としてコンデンサ５１１Ａが接続され、出力ライン５０１Ｂにも、直流遮断部５１１としてコンデンサ５１１Ｂが接続される。同様に入力ライン５０２Ａには、直流遮断部５１２としてコンデンサ５１２Ａが接続され、出力ライン５０２Ｂにも、直流遮断部５１２としてコンデンサ５１２Ｂが接続される。

インピーダンス測定装置５は、図２に示された基本的な構成に加えて、診断素子部５６０と、切替部５７０と、切替制御部５８０とを備える。さらにインピーダンス測定装置５は、帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１を備える。

診断素子部５６０は、インピーダンス測定装置５の測定精度の低下を診断するために設けられ、予め定められた値のインピーダンスを有する診断素子を有する。

診断素子としては、インピーダンス測定装置５が測定する抵抗や静電容量などに合わせて、例えば、抵抗素子や、コンデンサ素子、インダクタ素子などのインピーダンス素子が用いられる。インダクタ素子としては、例えばコイルが用いられる。また、診断素子としては、抵抗素子とコンデンサ素子とが並列に接続されたインピーダンス素子が用いられてもよい。これにより、インピーダンス測定装置５の抵抗や静電容量などの測定誤差を計測できるようになる。

本実施形態では、診断素子部５６０は、正極側の診断素子５６１と負極側の診断素子５６２とを備える。

診断素子５６１は、予め定められた基準値Ｒｅｆ１の抵抗を有する。診断素子５６２は、予め定められた基準値Ｒｅｆ２の抵抗を有する。

診断素子５６１は、正極側検出部５２１に対して並列接続できる位置に配置される。診断素子５６２は、負極側検出部５２２に対して並列接続できる位置に配置される。基準値Ｒｅｆ１及びＲｅｆ２は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２が変動する範囲内の値に設定される。

例えば、基準値Ｒｅｆ１及びＲｅｆ２は、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動範囲内において、特に高い測定精度を要求される領域の抵抗値に設定される。積層電池の内部抵抗が特定の値、例えば測定範囲の中間値となるように制御されるようなシステムでは、基準値Ｒｅｆ１及びＲｅｆ２は、その特定の値に設定される。

あるいは、基準値Ｒｅｆ１及びＲｅｆ２は、信号雑音比（Signal-Noise ratio）が十分に確保されるように、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動範囲の下限値に設定されてもよい。この場合には、診断素子５６１及び５６２の抵抗は変動範囲内の最小値となるため、等電位制御によって診断素子５６１及び５６２に生じる交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅が基準電圧Ｖｓまで上昇するように交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅が変動範囲の最大値に調整される。このため、信号雑音比が最も大きい状態で、診断素子５６１及び５６２の抵抗が測定されることになるので、診断素子５６１及び５６２の抵抗の測定精度が高くなる。

診断素子５６１及び５６２としては、例えば、５０ｍΩ（ミリオーム）を有する抵抗器が用いられる。

切替部５７０は、インピーダンス測定装置５内の交流信号が通過する信号経路の接続状態を、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定するための電池接続状態、又は、診断素子５６１及び５６２の抵抗を測定するための素子接続状態に切り替える。

電池接続状態では、切替部５７０は、正極側電源部５３１を正極端子２１１に接続すると共に、正極側検出部５２１を燃料電池スタック１における正極端子２１１と中途点端子２１３との間の正極側部分の内部抵抗Ｒ１に並列接続する。そして切替部５７０は、負極側電源部５３２を負極端子２１２に接続すると共に、負極側検出部５２２を燃料電池スタック１における負極端子２１２と中途点端子２１３との間の負極側部分の内部抵抗Ｒ２に並列接続する。

一方、素子接続状態では、切替部５７０は、正極側電源部５３１を燃料電池スタック１の正極端子２１１から切断して診断素子５６１に接続すると共に、診断素子５６１を正極側検出部５２１に対して並列接続する。そして切替部５７０は、負極側電源部５３２を負極端子２１２から切断して診断素子５６２に接続すると共に、診断素子５６２を負極側検出部５２２に対して並列接続する。

切替部５７０は、電流経路切替器５７１及び５７２と検出対象切替器５７３及び５７４と、を備える。電流経路切替器５７１及び５７２と検出対象切替器５７３及び５７４とは、例えば、アナログスイッチやリレーなどにより実現される。

電流経路切替器５７１は、正極側電源部５３１とコンデンサ５１１Ａとの間に接続される。そして電流経路切替器５７１は、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の供給先を、燃料電池スタック１の正極端子２１１又は診断素子５６１に切り替える。

電流経路切替器５７１では、入力端子が正極側電源部５３１と接続され、第１出力端子がコンデンサ５１１Ａに接続され、第２出力端子が診断素子５６１と接続される。

電流経路切替器５７２は、負極側電源部５３２とコンデンサ５１２Ａとの間に接続される。そして電流経路切替器５７２は、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の供給先を、燃料電池スタック１の負極端子２１２又は診断素子５６２に切り替える。

電流経路切替器５７２では、入力端子が負極側電源部５３２と接続され、第１出力端子がコンデンサ５１２Ａに接続され、第２出力端子が診断素子５６２と接続される。

検出対象切替器５７３は、帯域通過フィルタ５２１１と正極側検出部５２１との間に接続される。そして検出対象切替器５７３は、正極側検出部５２１に対して並列接続される検出対象を、燃料電池スタック１の正極端子２１１から中途点端子２１３までの正極側部分、又は、診断素子５６１に切り替える。

検出対象切替器５７３では、第１入力端子が帯域通過フィルタ５２１１と接続され、第２入力端子が診断素子５６１に接続され、出力端子が正極側検出部５２１と接続される。

検出対象切替器５７４は、帯域通過フィルタ５２２１と負極側検出部５２２との間に接続される。そして検出対象切替器５７４は、負極側検出部５２２に対して並列接続される検出対象を、燃料電池スタック１の負極端子２１２から中途点端子２１３までの負極側部分、又は、診断素子５６２に切り替える。

検出対象切替器５７４では、第１入力端子が帯域通過フィルタ５２２１と接続され、第２入力端子が診断素子５６２に接続され、出力端子が負極側検出部５２２と接続される。

図１０では、切替部５７０は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に正極側電源部５３１及び正極側検出部５２１を接続すると共に負極端子２１２に負極側電源部５３２及び負極側検出部５２２を接続する電池接続状態に設定されている。

具体的には、電流経路切替器５７１では、正極側電源部５３１と接続された入力端子が、コンデンサ５１１Ａと接続された第１出力端子に接続される。これにより、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１が燃料電池スタック１の正極端子２１１に供給される。

同様に電流経路切替器５７２では、負極側電源部５３２と接続された入力端子が、コンデンサ５１１Ｂと接続された第１出力端子に接続される。これにより、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２が燃料電池スタック１の負極端子２１２に供給される。

検出対象切替器５７３では、正極側検出部５２１と接続された出力端子が、帯域通過フィルタ５２１１と接続された第１入力端子に接続される。これにより、燃料電池スタック１の正極端子２１１と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ１が正極側検出部５２１に並列に接続されるので、正極端子２１１から正極側検出部５２１に交流電位Ｖａが出力される。

検出対象切替器５７４では、負極側検出部５２２と接続された出力端子が、帯域通過フィルタ５２２１と接続された第１入力端子に接続される。これにより、燃料電池スタック１の負極端子２１２と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ２が負極側検出部５２２に並列に接続されるので、負極端子２１２から負極側検出部５２２に交流電位Ｖｂが出力される。

上述の電流経路切替器５７１及び５７２と検出対象切替器５７３及び５７４とは、共に切替制御部５８０によって制御される。

切替制御部５８０は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に正極側電源部５３１及び正極側検出部５２１を接続する電池接続状態、又は診断素子５６１に正極側電源部５３１及び正極側検出部５２１を接続する素子接続状態に切り替える。

また、切替制御部５８０は、燃料電池スタック１の負極端子２１２に負極側電源部５３２及び負極側検出部５２２を接続する電池接続状態、又は診断素子５６２に負極側電源部５３２及び負極側検出部５２２を接続する素子接続状態に切り替える。

切替制御部５８０は、予め定められた診断時期になると、切替部５７０の接続状態を、燃料電池スタック１の内部抵抗を測定する電池接続状態から、診断素子５６１及び５６２の抵抗を測定する素子接続状態に切り替える。これにより、インピーダンス測定装置５の測定状態を診断する処理が行われる。

図１１は、インピーダンス測定装置５の測定状態を診断するときの切替部５７０の接続状態を示す図である。

電流経路切替器５７１では、正極側電源部５３１と接続された入力端子が、コンデンサ５１１Ａと接続された第１出力端子から、診断素子５６１と接続された第２出力端子へ切り替えられる。これにより、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１が、診断素子５６１に供給される。

同様に電流経路切替器５７２では、負極側電源部５３２と接続された入力端子が、コンデンサ５１１Ｂと接続された第１出力端子から、診断素子５６２と接続された第２出力端子へ切り替えられる。これにより、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２が診断素子５６２に供給される。

検出対象切替器５７３では、正極側検出部５２１と接続された出力端子が、帯域通過フィルタ５２１１と接続された第１入力端子から、診断素子５６１と接続された第２入力端子へ切り替えられる。これにより、正極側検出部５２１に対して診断素子５６１が並列に接続されるので、診断素子５６１によって生じる交流電位差Ｖ１が正極側検出部５２１で検出され、その交流電位差Ｖ１が交流調整部５４０に出力される。

検出対象切替器５７４では、負極側検出部５２２と接続された出力端子が、帯域通過フィルタ５２２１と接続された第１入力端子から、診断素子５６２と接続された第２入力端子へ切り替えられる。これにより、負極側検出部５２２に対して診断素子５６２が並列に接続されるので、診断素子５６２によって生じる交流電位差Ｖ２が負極側検出部５２２で検出され、その交流電位差Ｖ２が交流調整部５４０に出力される。

交流調整部５４０は、診断素子５６１に生じる交流電位差Ｖ１と診断素子５６２に生じる交流電位差Ｖ２とが互いに等しくなるように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅を調整する。

演算部５５０は、交流調整部５４０から交流電流Ｉ１に相当する指令信号と交流電流Ｉ２に相当する指令信号とを受信すると共に、正極側検出部５２１からの交流電位差Ｖ１と負極側検出部５２２からの交流電位差Ｖ２とを受信する。演算部５５０は、式（１−１）のとおり、交流電流Ｉ１と交流電位差Ｖ１とに基づいて診断素子５６１の抵抗Ｒ１を演算し、その抵抗Ｒ１を測定値として保持する。また演算部５５０は、式（１−１）のとおり、交流電流Ｉ２と交流電位差Ｖ２とに基づいて診断素子５６２の抵抗Ｒ２を演算し、その抵抗Ｒ２を測定値として保持する。

演算部５５０は、診断素子５６１の抵抗の測定値と基準値Ｒｅｆ１との差を、診断素子５６１の測定誤差として算出すると共に、診断素子５６２の抵抗の測定値と基準値Ｒｅｆ２との差を、診断素子５６２の測定誤差として算出する。

演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２の測定誤差に基づいて、インピーダンス測定装置５の測定状態が良好か不良かを診断し、その診断結果をコントロールユニット６に送信する。

例えば、演算部５５０は、診断素子５６１の測定誤差及び診断素子５６２の測定誤差が、予め定められた許容誤差範囲を超えたか否かを判断する。そして演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２の測定誤差が共に許容誤差範囲内にある場合には、インピーダンス測定装置５の測定状態が良好であると判定する。すなわち、インピーダンス測定装置５に備えられた電子部品の製造バラツキや経時劣化などが原因でインピーダンスの測定精度が低下していないと判定される。

インピーダンス測定装置５の測定状態が良好であると判定された場合には、演算部５５０は、診断が終了した旨を示す診断終了信号を切替制御部５８０に供給する。切替制御部５８０は、その診断終了信号を受信すると、切替部５７０の接続状態を、診断素子５６１及び５６２の抵抗を測定する素子接続状態から、図１０に示された電池接続状態に切り替える。

そして演算部５５０は、等電位制御によって交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２とが互いに等しく制御された状態で燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒを演算し、その内部抵抗Ｒを測定結果としてコントロールユニット６へ送信する。

一方、診断素子５６１又は５６２の測定誤差が許容誤差範囲を超えた場合には、演算部５５０は、インピーダンス測定装置５の測定状態が不良であると判定する。すなわち、インピーダンス測定装置５に備えられた電子部品の製造バラツキや、経時劣化などが原因でインピーダンスの測定精度が低下していると判定される。

インピーダンス測定装置５の測定状態が不良であると判定された場合には、演算部５５０は、例えば、切替制御部５８０への診断終了信号の供給を停止して、切替部５７０の接続状態を、電池接続状態に切り替えることを禁止する。

あるいは、演算部５５０は、診断終了信号を切替制御部５８０に供給して切替部５７０を電池接続状態に切り替え、診断時に算出した診断素子５６１及び５６２の測定誤差に基づいて、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒの測定値を補正するようにしてもよい。

この場合において診断素子５６１及び５６２の測定値が基準値よりも小さいときには、演算部５５０は、例えば、内部抵抗Ｒ１の測定値に診断素子５６１の測定誤差を加算すると共に内部抵抗Ｒ２の測定値に診断素子５６２の測定誤算を加算して内部抵抗Ｒを算出する。または、演算部５５０は、診断素子５６１の測定誤差と診断素子５６２の測定誤差との平均値を内部抵抗Ｒの測定値に加算することで測定値を補正してもよい。演算部５５０は、その補正後の測定値をコントロールユニット６へ送信する。

その他の例として、演算部５５０は、測定状態が不良と判定された場合には、切替部５７０を電池接続状態に切り替え、診断素子５６１及び５６２の測定誤差を内部抵抗Ｒの測定結果に付加してコントロールユニット６に送信してもよい。コントロールユニット６には、燃料電池スタック１のカソードガス供給流量や、アノードガス供給流量、冷却水温度などを制御するための制御ブロックが複数存在するので、制御ブロックごとに要求される内部抵抗Ｒの測定精度が異なる場合には、測定結果に付された測定誤差などに応じて測定結果の取り扱いを変えることが可能となる。

なお、本実施形態では診断素子５６１及び５６２として、固定値の抵抗を有する抵抗器を用いる例について説明したが、抵抗器に代えてコンデンサ素子やインダクタンス素子が用いられてもよい。

例えば、燃料電池スタック１の内部には、抵抗成分だけでなく静電容量成分が含まれている。このため、燃料電池スタック１が有する静電容量を測定する場合には、インピーダンス測定装置５に所定値のコンデンサ素子を備える。そしてインピーダンス測定装置５は、診断時において切替部５７０を素子接続状態に切り替えてコンデンサ素子の静電容量の測定誤差を求め、その測定誤差に基づいて燃料電池スタック１の静電容量の測定状態が良好か否かを診断する。

また、診断素子５６１及び５６２として、抵抗素子とコンデンサ素子とを並列に接続したインピーダンス素子が用いられてもよい。この場合には、診断時において演算部５５０は、交流電位差Ｖ１及びＶ２の実軸成分及び虚軸成分を演算し、これらの実軸成分に基づいて抵抗素子の測定誤差を求め、虚軸成分に基づいてコンデンサ素子の測定誤差を求める。

これにより、抵抗素子とコンデンサ素子とを切り替える切替器を設けることなく、インピーダンス測定装置５の内部抵抗及び静電容量の両者の測定精度を診断することが可能となる。すなわち、インピーダンス測定装置５の回路構成を複雑にすることなく、インピーダンス測定装置５の測定精度に対する信頼性を確保することができる。

また、燃料電池スタック１では発電セル１０が多数積層されているため、燃料電池スタック１から負荷３に供給される電圧は数百ボルトと高い直流電圧となる。そのため、燃料電池スタック１からインピーダンス測定装置５へも供給される直流電圧を遮断するために、コンデンサ５１１Ａ、５１１Ｂ、５１２Ａ及び５１２Ｂが、インピーダンス測定装置５内に設けられている。

具体的には、燃料電池スタック１の正極端子２１１と正極側電源部５３１との間の入力ライン５０１Ａに直流遮断部５１１としてコンデンサ５１１Ａが接続され、正極端子２１１と正極側検出部５２１との間の出力ライン５０１Ｂにコンデンサ５１１Ｂが接続される。また燃料電池スタック１の負極端子２１２と負極側電源部５３２との間の入力ライン５０２Ａに直流遮断部５１２としてコンデンサ５１２Ａが接続され、負極端子２１２と負極側検出部５２２との間の出力ライン５０２Ｂにコンデンサ５１２Ｂが接続される。

そして、正極側の測定経路では、電流経路切替器５７１は、コンデンサ５１１Ａと正極側電源部５３１との間に接続され、電池接続状態において正極側電源部５３１が接続される接続先を、コンデンサ５１１Ａから診断素子５６１の一端に切り替える。また検出対象切替器５７３は、コンデンサ５１１Ｂと正極側検出部５２１の第１入力端子との間に接続され、電池接続状態において正極側検出部５２１の第１入力端子が接続される接続先を、コンデンサ５１１Ｂから診断素子５６１の一端に切り替える。

負極側の測定経路では、電流経路切替器５７２は、コンデンサ５１２Ａと負極側電源部５３２との間に接続され、電池接続状態において負極側電源部５３２が接続される接続先を、コンデンサ５１２Ａから診断素子５６２の一端に切り替える。また検出対象切替器５７４は、コンデンサ５１２Ｂと負極側検出部５２２の第１入力端子との間に接続され、電池接続状態において、負極側検出部５２２の第１入力端子が接続される接続先を、コンデンサ５１２Ｂから診断素子５６２の一端に切り替える。

また、燃料電池スタック１の正極端子２１１と負極端子２１２との中間に位置する発電セル１０に設けられた中途点端子２１３は、診断素子５６１の他端と診断素子５６２の他端と正極側検出部５２１の第２入力端子と負極側検出部５２２の第２入力端子とに接続される。これと共に中途点端子２１３は接地される。

このように、電流経路切替器５７１及び５７２は、それぞれコンデンサ５１１Ａ及び５１１Ｂよりも電源部５３１及び５３２側に配置され、検出対象切替器５７３及び５７４は、コンデンサ５１２Ａ及び５１２Ｂよりも検出部５２１及び５２２側に配置される。

このため、電流経路切替器５７１及び５７２と検出対象切替器５７３及び５７４とは、コンデンサ５１１Ａ、５１１Ｂ、５１２Ａ及び５１２Ｂによって、燃料電池スタック１からの数百ボルトの高い直流電圧が遮断されるので、耐圧性の高い切替器を用意せずに済む。したがって、安価な切替器を用いることが可能となり、製造コストを低減することができる。

一方、診断中の回路構成には、コンデンサ５１１Ａ、５１１Ｂ、５１２Ａ及び５１２Ｂが含まれないので、これらの製造バラツキや劣化などの影響が診断には反映されない。しかしながら、交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数、すなわち交流信号源５４６の基準周波数ｆｂは、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒを測定する際にコンデンサ５１１Ａ、５１１Ｂ、５１２Ａ及び５１２Ｂが有するインピーダンスの影響を無視できる範囲の値に設定すればよい。例えば、基準周波数ｆｂは、１ｋＨｚ（キロヘルツ）以上の値に設定される。

これにより、診断素子５６１及び５６２の抵抗を測定するときの回路特性が、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定するときの回路特性に近づくことになる。このため、診断素子５６１及び５６２の抵抗誤差を測定する精度、すなわちインピーダンス測定装置５の診断精度を向上させることができる。

また、交流調整部５４０では交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅が同一の基準値Ｖｓとなるように交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅を制御することから、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒの中間に中途点端子２１３を設けることが望ましい。燃料電池スタック１は、積層電池であるため、正極端子２１１から負極端子２１２まで積層された発電セルのうち中間に位置する発電セル１０に対して中途点端子２１３を設ければよいので、正確かつ容易に、内部抵抗Ｒの中間に中途点端子２１３を設けることが可能となる。

さらに、燃料電池スタック１は、積層電池であり、正極側と負極側とは対照であることから、正極側の測定経路と負極側の測定経路との２系統を互いに同じ構成にすることで、系統間のバラツキを低減することができる。また信号ライン５０１及び５０２の各々を２つのラインに分離することにより、正極電源部５３１から正極側検出部５２１に、及び負極電源部５３２から負極側検出部５２２に混入するノイズを抑制できる。

また、本実施形態では帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１が、コンデンサ５１１Ｂ及び５１２Ｂと検出対象切替器５７３及び５７４との間に配置される例について説明したが、本発明の実施形態はこれに限られるものではない。

例えば、帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１は、検出対象切替器５７３及び５７４と正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２との間に接続してもよい。この場合には、診断時において交流電流Ｉ１が流れる正極側電源部５３１から正極側検出部５２１までの経路中に帯域通過フィルタ５２１１が含まれ、交流電流Ｉ２が流れる負極側電源部５３２から負極側検出部５２２までの経路中にも帯域通過フィルタ５２２１が含まれることになる。すなわち、診断素子５６１及び５６２の抵抗を測定するときの回路特性が、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定するときの回路特性に近づくことになる。

帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１においては、入力信号に対する出力信号の振幅及び位相の特性が変化すると、インピーダンスの測定精度にも影響を及ぼす。仮に経時劣化が原因で帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１の出力信号が低下した場合には、交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅が低下することになるため、実際には内部抵抗Ｒ１及びＲ２が一定であっても、演算部５５０で演算される抵抗値は低下してしまう。このように帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１の個体差や経時劣化などが原因でインピーダンス測定装置５の測定精度が低下してしまう。

この対策として、帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１よりも前段に検出対象切替器５７３及び５７４を配置するようにしてもよい。これにより、帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１の製品バラツキや経時劣化などに起因する出力値のズレ幅が、診断素子５６１及び５６２の測定誤差に含まれることになる。したがって、インピーダンス測定装置５内の帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１などの電子部品によって生じる測定誤差をより正確に求めることが可能となる。

次にインピーダンス測定装置５の動作について図１２を参照して説明する。

図１２は、本実施形態におけるインピーダンス測定方法の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１において演算部５５０は、インピーダンス測定装置５が自己の測定状態を診断する診断時期になったか否かを判断する。演算部５５０は、診断時期になったと判断した場合には、診断実行信号を切替制御部５８０に供給する。一方、診断時期になっていないと判断した場合には、演算部５５０は、切替制御部５８０への診断実行信号の供給を停止する。

ステップＳ１０２において切替制御部５８０は、演算部５５０から診断実行信号を受信した場合には、電流経路切替器５７１及び５７２を制御して、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を、それぞれ診断素子５６１及び５６２に接続する。これと共に切替制御部５８０は、検出対象切替器５７３及び５７４を制御して、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２に対し、それぞれ診断素子５６１及び５６２を並列に接続する。

このように、インピーダンス測定装置５が診断時期になると、切替制御部５８０は、交流電流Ｉ１及びＩ２を診断素子５６１及び５６２にそれぞれ供給し、診断素子５６１及び５６２に生じる交流電位差Ｖ１及びＶ２を出力する素子接続状態に切り替える。そして、交流調整部５４０によって交流電位差Ｖ１及びＶ２が互いに等しくなるように交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅が調整された状態で正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から交流電位差Ｖ１及びＶ２が演算部５５０へ出力される。

ステップＳ１０３において演算部５５０は、式（１−１）のとおり、交流調整部５４０で調整された後の交流電流Ｉ１及びＩ２と交流電位差Ｖ１及びＶ２とを用いて、診断素子５６１の抵抗Ｒ１及び診断素子５６２の抵抗Ｒ２を演算する。すなわち、演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２のインピーダンスをそれぞれ測定する。

ステップＳ１０４において演算部５５０は、診断素子５６１の抵抗の測定値と基準値Ｒｅｆ１との測定誤差と、診断素子５６２の抵抗の測定値と基準値Ｒｅｆ２との測定誤差とが共に許容誤差範囲内にあるか否かを判断する。

そして演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２の測定誤差が共に許容誤差範囲内にある場合には、インピーダンス測定装置５の測定状態が良好であると判断し、ステップＳ１０１に戻る。

一方、ステップＳ１０５において演算部５５０は、診断素子５６１又は５６２の測定誤差が許容誤差範囲外にある場合には、測定状態が不良であると判断し、その旨を示す診断結果を送信先のコントロールユニット６へ出力する。

なお、演算部５５０は、診断結果として、診断素子５６１及び５６２の測定誤差や、測定誤差から求めた測定精度、インピーダンス測定装置５での測定を中止する指令などを送信してもよい。そして演算部５５０は、診断結果を送信した後にステップＳ１０１に戻る。

このように演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２の測定誤差に基づいて、インピーダンス測定装置５の製造バラツキや経時劣化などが原因で測定状態が不良であるか否かを診断する。

ステップＳ１０１においてインピーダンス測定装置５が診断時期でないと判断された場合には、演算部５５０は、切替制御部５８０への診断実行信号の供給を停止する。

ステップＳ１０６において切替制御部５８０は、電流経路切替器５７１及び５７２を制御して、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を、それぞれ燃料電池スタック１の正極端子２１１及び負極端子２１２に接続する。これと共に切替制御部５８０は、検出対象切替器５７３及び５７４を制御して、正極端子２１１と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ１を正極側検出部５２１に接続すると共に、負極端子２１２と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ２を負極側検出部５２２に接続する。

このように、切替制御部５８０は、交流電流Ｉ１及びＩ２を燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２にそれぞれ供給して、内部抵抗Ｒ１及びＲ２に生じる交流電位差Ｖ１及びＶ２を出力する電池接続状態に切り替える。そして交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１及びＶ２が互いに等しくなるように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を制御して交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅を調整する。この状態で、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２に生じる交流電位差Ｖ１及びＶ２が、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２により検出されて演算部５５０へ出力される。また、交流調整部５４０から正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２へ出力される指令信号が、交流電流Ｉ１及びＩ２として演算部５５０へ出力される。

ステップＳ１０７において演算部５５０は、式（１−１）のとおり、調整後の交流電流Ｉ１及びＩ２と交流電位差Ｖ１及びＶ２とを用いて、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を演算する。すなわち、演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する。

ステップＳ１０８において演算部５５０は、式（１−２）のとおり、測定された内部抵抗Ｒ１及びＲ２を合成することにより、燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを演算し、その内部抵抗Ｒを測定結果としてコントロールユニット６へ送信する。この場合において、ステップＳ１０４で診断素子５６１及び５６２の測定誤差が許容誤差範囲を超えていると判断した後に内部抵抗Ｒを測定するときには、演算部５５０は、測定誤差の診断結果を内部抵抗Ｒの測定結果に付加した測定データを生成して送信してもよい。

ステップＳ１０９において演算部５５０は、インピーダンス測定装置５が停止（ＯＦＦ）されるまでは、ステップＳ１０１からＳ１０８までの一連の処理を繰り返し、インピーダンス測定装置５が停止された場合には、インピーダンス測定方法を終了する。

本発明の第１実施形態によれば、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の正極端子２１１及び負極端子２１２の各々に対して、交流電流Ｉ１を出力する正極側電源部５３１と交流電流Ｉ２を出力する負極側電源部５３２とを備える。

また、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１における正極端子２１１と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ１に生じる交流電位差Ｖ１を検出する正極側検出部５２１を備える。そして負極端子２１２と中途点端子２１３との間の内部抵抗Ｒ２に生じる交流電位差Ｖ２を検出する負極側検出部５２２を備える。

さらに、インピーダンス測定装置５は、正極側検出部５２１により検出される交流電位差Ｖ１、及び正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１に基づいて燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１を演算する演算部５５０を備える。演算部５５０は、負極側検出部５２２により検出される交流電位差Ｖ２、及び負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２に基づいて内部抵抗Ｒ２を演算する。

これらに加えてインピーダンス測定装置５は、診断素子５６１及び５６２と切替部５７０とを備える。診断素子５６１は、予め定められた基準値Ｒｅｆ１の抵抗を有し、診断素子５６２は、予め定められた基準値Ｒｅｆ２の抵抗を有する。切替部５７０は、切替制御部５８０の制御に従って、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定するための電池接続状態と、診断素子５６１及び５６２の抵抗を測定するための素子接続状態とを交互に切り替える。

切替部５７０の電池接続状態は、正極側電源部５３１を正極端子２１１に接続すると共に正極側検出部５２１を燃料電池スタック１の正極端子２１１に接続し、負極側電源部５３２を負極端子２１２に接続すると共に負極側検出部５２２を負極端子２１２に接続する接続状態である。

切替部５７０の素子接続状態は、正極端子２１１から切断して診断素子５６１に正極側電源部５３１を接続すると共に診断素子５６１に正極側検出部５２１を接続し、負極端子２１２から遮断して診断素子５６２に負極側電源部５３２を接続すると共に診断素子５６２に負極側検出部５２２を接続する接続状態である。

切替部５７０が素子接続状態に切り替えられた場合には、演算部５５０は、交流電位差Ｖ１及びＶ２と交流電流Ｉ１及びＩ２とに基づいて診断素子５６１及び５６２の抵抗を求める。そして演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２の抵抗の演算値と基準値Ｒｅｆ１及びＲｅｆ２との差分を測定誤差として算出し、診断素子５６１及び５６２の測定誤差に基づいてインピーダンス測定装置５の測定状態が不良か否かを診断する。

例えば、演算部５５０は、診断素子５６１及び５６２の測定誤差が、予め定められた誤差許容範囲内にあるときは、測定状態が良好であると判定し、測定誤差が許容誤差範囲を超えたときには、測定状態が不良であると判定する。

このようにインピーダンス測定装置５の測定状態が不良であると診断された場合には、その診断結果を内部抵抗Ｒの測定値と共に出力することや、測定値の出力を停止すること、測定状態が不良と判断される直前の測定値を測定結果として固定するがこと可能となる。これにより、要求された測定精度を満足した測定結果が出力されるので、測定結果の信頼性を確保することができる。

あるいは、演算部５５０は、切替部５７０が電池接続状態に切り替えられ場合に、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を演算し、その内部抵抗Ｒ１及びＲ２の演算値を診断素子５６１及び５６２の測定誤差に基づいて補正する。

例えば、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値から、診断素子５６１又は５６２の測定誤差を減算することによって測定値が補正されるので、測定状態が不良でも、要求された測定精度を満足する測定結果を出力することができる。

このように本実施形態によれば、正極側電源部５３１や正極側検出部５２１などの電子部品の製造バラツキや経時劣化などが原因で、インピーダンス測定装置５の測定精度が低下したときに測定結果に対する信頼性の維持向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、正極側の測定経路、及び負極側の測定経路の２つの系統のそれぞれに診断素子５６１及び５６２を実装する例について説明したが、１つの診断素子を兼用して両方の測定経路における電子部品に起因する測定誤差を診断するようにしてもよい。この場合には素子接続状態において、正極側電源部５３１及び正極側検出部５２１と、負極側電源部５３２及び負極側検出部５２２とが１つの診断素子に対して順番に接続される。

例えば、切替制御部５８０は、素子接続状態において、正極端子２１１との接続を切断して１つの診断素子に対して正極側電源部５３１及び正極側検出部５２１を接続する。その後、負極端子２１２との接続を切断して負極側電源部５３２及び負極側検出部５２２を同じ診断素子に接続する。

これにより、正極側及び負極側の系統間のバラツキ、具体的には診断素子や切替器のバラツキによって生じる誤差が排除されるので、各系統での測定誤差を計測する精度を高めることができる。

また、本実施形態では演算部５５０は、インピーダンス測定装置５の製造時や出荷検査時、定期検査時において、インピーダンス測定装置５の測定精度を診断するために診断実行信号を切替制御部５８０に出力する。これにより、切替制御部５８０によって切替部５７０が素子接続状態に切り替えられ、演算部５５０によって診断素子５６１及び５６２のインピーダンスの測定誤差が算出される。

通常、インピーダンス測定装置５の製造バラツキを許容範囲内に調整するために、作業員が調整設備を使用してインピーダンス測定装置５の出荷検査や校正を行う。これに対して、インピーダンス測定装置５の製造時や出荷検査時、定期検査時において、演算部５５０が切替制御部５８０へ診断実行信号を出力するようにプログラムすることで、自動的に出荷検査及び定期検査の合否判定や、測定機能の校正を行うことができる。

例えば、診断実行信号は、図２に示された操作スイッチ部６１から出力される。操作スイッチ部６１は、外部からの操作が可能なスイッチ又はボタンである。操作スイッチ部６１には、インピーダンス測定装置５の診断及び校正（補正）を実行するための検査スイッチが設けられており、作業員によって検査スイッチがＯＮに設定されると、操作スイッチ部６１から診断実行信号がコントロールユニット６に出力される。コントロールユニット６は、図１０に示されるように演算部５５０を介して診断実行信号を切替制御部５８０に出力する。

このようにすることで、インピーダンス測定装置５の測定精度を維持しつつ、製造時の調整作業や定期検査の作業を軽減することができる。なお、操作スイッチ部６１に対してジャンパー線を取り付けたり取り外したりすることで、操作スイッチ部６１から診断実行信号を出力させてもよい。

また、演算部５５０は、診断時期として、インピーダンス測定装置５の起動時や停止時、又は、燃料電池システムの起動時や停止時において、診断実行信号を切替制御部５８０に出力するようにしてもよい。燃料電池システムとは、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給して燃料電池スタック１を発電させるシステムのことである。

この場合には、インピーダンス測定装置５を起動する起動スイッチや、燃料電池システムを起動する起動スイッチを操作スイッチ部６１に設け、コントロールユニット６は、操作スイッチ部６１のいずれかの起動スイッチがＯＮに設定された場合に診断実行信号を演算部５５０に出力する。あるいは、コントロールユニット６は、起動スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替えられた場合にも、診断実行信号を演算部５５０に出力するようにしてもよい。

このようにすることで、インピーダンス測定装置５の経時劣化に起因する測定精度の低下を早期に検知でき、電子部品の経時劣化に合わせて測定値を補正できる。

あるいは、演算部５５０は、予め定められた稼動時間ごとに診断実行信号を切替制御部５８０に出力してもよい。この場合には演算部５５０にインピーダンス測定装置５が稼働した時間を計測する計測カウンタが設けられ、その計測カウンタのカウント値が所定値に達すると、演算部５５０は診断実行信号を出力してカウント値をリセットし、計測カウントがカウントを開始する。

このようにすることで、定期的にインピーダンス測定装置５の診断や校正が実行されるので、測定精度の低下の検知と経時劣化に合わせた校正とをより確実に行うことができる。このため、インピーダンス測定装置５の信頼性が向上する。なお、演算部５５０に実装される計測カウンタは、コントロールユニット６に実装されてもよい。

（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態におけるインピーダンス測定装置の構成を示す図である。

本実施形態のインピーダンス測定装置は、図１０に示されたインピーダンス測定装置５の診断素子部５６０及び切替部５７０の代わりに、診断素子部６６０及び切替部６７０を備えている。その他の構成は、インピーダンス測定装置５と同じものであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

診断素子部６６０は、正極側電源部５３１から正極側検出部５２１までの測定経路と、負極側電源部５３２から負極側検出部５２２までの測定経路との２系統で兼用できる位置に配置される。

診断素子部６６０は、第１の診断素子６６１と第２の診断素子６６２とを備える。診断素子６６１と診断素子６６２とは、互いに異なる抵抗値を有するインピーダンス素子である。診断素子６６１は、予め定められた基準値Ｒｅｆ１１の抵抗を有する。診断素子６６２は、予め定められた基準値Ｒｅｆ１２の抵抗を有する。

本実施形態では、基準値Ｒｅｆ１１は、燃料電池スタック１が有する内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動範囲内の下限値に設定される。基準値Ｒｅｆ１２は、燃料電池スタック１が有する内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動範囲内の上限値に設定される。

切替部６７０は、切替制御部５８０の制御に従って、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定する電池接続状態と、診断素子６６１及び６６２の抵抗を測定する素子接続状態とを交互に切り替える。

電池接続状態においては、切替部６７０は、正極側電源部５３１を正極端子２１１に接続すると共に、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１に正極側検出部５２１を並列に接続する。そして切替部６７０は、負極側電源部５３２を負極端子２１２に接続すると共に、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ２に負極側検出部５２２を並列に接続する。

一方、素子接続状態では、切替部６７０は、正極側電源部５３１から正極側検出部５２１までの測定経路の誤差を測定する正極側測定状態に設定した後、負極側電源部５３２から負極側検出部までの測定経路の誤差を測定する負極側測定状態に切り替える。

正極側測定状態及び負極側測定状態では、切替部６７０は、第１の診断素子６６１の抵抗を測定する測定経路に接続した後、第２の診断素子６６２の抵抗を測定する測定経路に切り替える。

本実施形態では、切替部６７０は、電流経路切替器６７１及び６７２と、検出対象切替器６７３及び６７４と、診断素子切替器６７５及び６７６とを備える。これらは、例えば、アナログスイッチやリレーにより実現される。

電流経路切替器６７１は、正極側電源部５３１とコンデンサ５１１Ａとの間に接続される。そして電流経路切替器６７１は、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１の供給先を、燃料電池スタック１の正極端子２１１、又は、診断素子切替器６７５に切り替える。

電流経路切替器６７１では、入力端子が正極側電源部５３１と接続され、第１出力端子がコンデンサ５１１Ａと接続され、第２出力端子が診断素子切替器６７５の入力端子と接続される。

電流経路切替器６７２は、負極側電源部５３２とコンデンサ５１２Ａとの間に接続される。そして電流経路切替器６７２は、負極側電源部５３２から出力される交流電流Ｉ２の供給先を、燃料電池スタック１の負極端子２１２、又は、診断素子切替器６７５に切り替える。

電流経路切替器６７２では、入力端子が負極側電源部５３２と接続され、第１出力端子がコンデンサ５１２Ａと接続され、第２出力端子が診断素子切替器６７５の入力端子と接続される。

検出対象切替器６７３は、コンデンサ５１１Ｂと帯域通過フィルタ５２１１との間に接続される。そして検出対象切替器６７３は、正極側検出部５２１に対して並列に接続される検出対象を、燃料電池スタック１の正極側部分、又は、診断素子切替器６７６に切り替える。

検出対象切替器６７３では、第１入力端子がコンデンサ５１１Ｂと接続され、第２入力端子が診断素子切替器６７６の入力端子と接続され、出力端子が帯域通過フィルタ５２１１と接続される。

検出対象切替器６７４は、コンデンサ５１２Ｂと帯域通過フィルタ５２２１との間に接続される。そして検出対象切替器６７４は、正極側検出部５２１に対して並列に接続される検出対象を、燃料電池スタック１の負極側部分、又は、診断素子切替器６７６に切り替える。

検出対象切替器６７４では、第１入力端子がコンデンサ５１２Ｂと接続され、第２入力端子が診断素子切替器６７６の入力端子と接続され、出力端子が帯域通過フィルタ５２２１と接続される。

診断素子切替器６７５は、電流経路切替器６７１と電流経路切替器６７２との間を接続する電流信号線と診断素子部６６０との間に接続される。そして診断素子切替器６７５は、電流経路切替器６７１又は６７２から出力される交流電流Ｉ１又はＩ２の供給先を、診断素子６６１、又は、診断素子６６２に切り替える。

診断素子切替器６７５では、入力端子が、電流経路切替器６７１の第２出力端子と電流経路切替器６７２の第２出力端子とに接続され、第１出力端子が診断素子６６１と接続され、第２出力端子が診断素子６６２と接続される。

診断素子切替器６７６は、検出対象切替器６７３と検出対象切替器６７４との間を接続する検出信号線と診断素子部６６０との間に接続される。そして診断素子切替器６７６は、正極側検出部５２１又は負極側検出部５２２により交流電位差が検出される検出対象を、第１の診断素子６６１又は第２の診断素子６６２に切り替える。

診断素子切替器６７６では、第１入力端子が診断素子６６１と接続され、第２入力端子が診断素子６６２と接続され、出力端子が検出対象切替器６７３の第２入力端子と検出対象切替器６７４の第２入力端子とに接続される。

上述の電流経路切替器６７１及び６７２と検出対象切替器６７３及び６７４と診断素子切替器６７５及び６７６とは、それぞれ切替制御部５８０によって制御される。

切替制御部５８０は、予め定められた診断時期になると、切替部６７０の測定経路の接続状態を、電池接続状態又は素子接続状態に切り替える。

電池接続状態では、切替制御部５８０は、電流経路切替器６７１を制御して正極側電源部５３１をコンデンサ５１１Ａに接続し、電流経路切替器６７２を制御して負極側電源部５３２をコンデンサ５１２Ａに接続する。これと共に切替制御部５８０は、検出対象切替器６７３を制御して正極側検出部５２１の帯域通過フィルタ５２１１をコンデンサ５１１Ｂに接続し、検出対象切替器６７４を制御して負極側検出部５２２の帯域通過フィルタ５２２１をコンデンサ５１２Ｂに接続する。

素子接続状態において、切替制御部５８０は、図１３に示されるように、正極側電源部５３１から正極側検出部５２１までの測定経路に生じる測定誤差を測定する正極側測定状態に切替部６７０を設定する。

具体的には、切替制御部５８０は、電流経路切替器６７１を制御して正極側電源部５３１を診断素子切替器６７５の入力端子に切り替え、電流経路切替器６７２を制御して負極側電源部５３２をコンデンサ５１２Ａに接続した状態に維持する。これと共に切替制御部５８０は、検出対象切替器６７３を制御して帯域通過フィルタ５２１１を診断素子切替器６７６の出力端子に切り替え、検出対象切替器６７４を制御して帯域通過フィルタ５２２１をコンデンサ５１２Ｂに接続した状態に維持する。

そして切替制御部５８０は、切替部６７０の接続状態を、第１の診断素子６６１の抵抗を測定するための接続状態に設定する。具体的には、切替制御部５８０は、診断素子切替器６７５を制御して正極側電源部５３１を診断素子６６１に接続し、診断素子切替器６７６を制御して正極側検出部５２１を診断素子６６１に接続する。この状態で交流調整部５４０により交流電位差Ｖ１が基準電圧Ｖｓに調整され、演算部５５０により交流電流Ｉ１と交流電位差Ｖ１とに基づいて診断素子６６１の抵抗Ｒ１が測定される。

その後、切替制御部５８０は、切替部６７０の接続状態を、第２の診断素子６６２の抵抗を測定するための接続状態に切り替える。

図１４は、素子接続状態において第２の診断素子６６２の抵抗を測定するときのインピーダンス測定装置５内の接続状態を示す図である。

図１４に示されるように、切替制御部５８０は、診断素子切替器６７５を制御して正極側電源部５３１を診断素子６６２に接続し、診断素子切替器６７６を制御して正極側検出部５２１を診断素子６６２に接続する。この状態で交流調整部５４０により交流電位差Ｖ１が基準電圧に調整され、演算部５５０により交流電流Ｉ１と交流電位差Ｖ１とに基づいて診断素子６６２の抵抗Ｒ１が測定される。

次に切替制御部５８０は、負極側電源部５３２から負極側検出部５２２までの測定経路に生じる測定誤差を測定する負極側測定状態に切替部６７０の接続状態を切り替える。

図１５は、素子接続状態において負極側の測定経路に生じる測定誤差を測定するための接続状態を示す図である。ここでは、第１の診断素子６６１の抵抗を測定するための接続状態が示されている。負極側の診断についても、図１３及び図１４に示されたように診断素子６６１と診断素子６６２とが順番に接続されるので、演算部５５０によって診断素子６６１の抵抗が測定された後、診断素子６６２の抵抗が測定される。

そして、演算部５５０は、抵抗値が互いに異なる診断素子６６１及び６６２の測定値と基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２とを用いて、例えば、正極側及び負極側の測定経路の誤差特性を求める。演算部５５０は、その誤差特性を用いて燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値を補正する。

図１６は、演算部５５０で演算される内部抵抗Ｒ１及びＲ２を補正する補正手法の一例を示す図である。

図１６には、診断素子６６１及び６６２が有する抵抗の真値を表わす基準特性と、診断素子６６１及び６６２の抵抗の測定値により定まる測定特性とが示されている。図１６では、縦軸（Ｙ）が、診断素子６６１及び６６２の基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２を示し、横軸（Ｘ）が、診断素子６６１及び６６２が有する抵抗の測定値Ｒｍ１及びＲｍ２を示す。

演算部５５０は、基準特性と測定特性とに基づいて、インピーダンス測定装置５の誤差特性を補正するための補正特性を求める。誤差特性とは、測定される抵抗の大きさに応じて変化する測定誤差を示す特性のことであり、補正特性とは、測定される抵抗の大きさに応じて変化する測定誤差の補正量を示す特性のことである。本実施形態では誤差特性や補正特性は、一次回帰線により近似される。

具体的には、演算部５５０は、次式のとおり、診断素子６６１及び６６２の基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２と、診断素子６６１及び６６２の測定値Ｒｍ１及びＲｍ２とを用いて、補正特性を近似した近似直線の傾きＫａ及び切片Ｋｂを算出する。

そして演算部５５０は、算出された傾きＫａ及び切片Ｋｂを補正係数としてメモリ５５９に記録する。このように、補正特性を近似した直線の傾きＫａ及び切片Ｋｂを演算することにより、測定値の大きさに応じて補正量が変化する補正特性を取得することができる。

インピーダンス測定装置５の診断後に切替部６７０が電池接続状態に切り替えられた場合には、演算部５５０は、式（１−１）に従って燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を演算する。そして演算部５５０は、演算された内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｍを、次式に示されるとおり、補正特性の傾きＫａ及び切片Ｋｂを用いて補正することにより、補正後における内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｃを算出する。

このように演算部５５０は、診断素子６６１及び６６２の抵抗を測定し、２つの測定誤差に基づいて測定誤差を内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値に応じて補正する補正特性を求める。診断後において、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定し、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｍと診断時に求めた補正特性とに基づいて、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動に応じて変化する測定誤差を補正する。これにより、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｃが算出される。

また、本実施形態では診断素子６６１及び６６２の抵抗は、それぞれ、燃料電池スタック１が有する内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動範囲の上限値及び下限値に設定されている。これにより、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の変動範囲内において、誤差特性又は補正特性がより正確に近似されることになるので、内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｃの誤差を低減することができる。

また、本実施形態では補正特性を近似するために、２つの診断素子の測定誤差を用いて一次回帰線を求める例について説明したが、インピーダンス測定装置５に３つ以上の診断素子を設けてこれらの診断素子の測定誤差を用いて一次回帰線を求めてもよい。この場合には、誤差特性や補正特性がより正確に求められるので、演算部５５０から出力される測定値の誤差をより小さくすることができる。

また、本実施形態では２つの診断素子の測定誤差に基づいて一次回帰線を求める例について説明したが、誤差特性や補正特性が一次回帰線よりも近似曲線で表わした方が正確である場合には、近似曲線を求めるようにしてもよい。例えば、実験データなどで定められた曲線の近似式を予め求めておき、その近似式の係数を２つ以上の診断素子の測定誤差に基づいて求める。これにより、抵抗値に応じて変化する誤差特性や補正特性をより正確に近似することができる。

また、本実施形態のインピーダンス測定装置５は、正極側の測定経路、及び、負極側の測定経路の２つの系統の測定誤差を検出するのに、診断素子６６１及び６６２を兼用する回路構成となっている。

これにより、２つの系統の測定誤差を検出する場合や、測定誤差を補正する補正係数を求める場合において、系統間における診断素子や切替器のバラツキが排除されるので、測定誤差の測定精度を高めることができる。また、診断素子６６１及び６６２を兼用する回路構成にすることにより切替器の数を削減できるので、安価で小型のインピーダンス測定装置５を実現できる。したがって、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定精度を向上させつつ、インピーダンス測定装置５の回路構成を安価で小型にすることが可能となる。

なお、本実施形態では診断素子６６１及び６６２の代わりに、燃料電池スタック１の正極端子２１１及び負極端子２１２の各々から出力される出力信号を擬似した電圧信号を発生させる電圧信号発生回路をインピーダンス測定装置５に設けてもよい。このような構成でも、本実施形態と同様の効果が得られる。ただし、電圧信号発生回路から発生させる電圧信号は、正極側検波回路５４１１及び５４１２で用いられる交流信号と位相を同期させる必要がある。

図１７は、本実施形態におけるインピーダンス測定方法の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１において演算部５５０は、インピーダンス測定装置５が自己の測定状態を診断する診断時期になったか否かを判断する。演算部５５０は、診断時期になったと判断した場合には、診断実行信号を切替制御部５８０に供給し、診断時期になっていないと判断した場合には、切替制御部５８０への診断実行信号の供給を停止する。

ステップＳ２０２において切替制御部５８０は、演算部５５０から診断実行信号を受信した場合には、正極側電源部５３１を診断素子部６６０に接続すると共に、正極側検出部５２１を診断素子部６６０に接続する。すなわち切替制御部５８０は、正極側電源部５３１から正極側検出部５２１までの測定経路中に診断素子部６６０を接続する。

ステップＳ２０３において切替制御部５８０は、正極側電源部５３１から正極側検出部５２１までの測定経路中に診断素子部６６０内の診断素子６６１及び６６２を順番に接続すると共に演算部５５０は、診断素子６６１及び６６２の抵抗をそれぞれ測定する。

具体的には、切替制御部５８０は、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１を診断素子６６１に供給すると共に診断素子６６１に生じる交流電位差Ｖ１を正極側検出部５２１に出力する。そして演算部５５０は、交流調整部５４０によって調整された交流電流Ｉ１及び交流電位差Ｖ１を用いて、診断素子６６１の抵抗の測定値Ｒｍ１を算出する。

その後、切替制御部５８０は、正極側電源部５３１から出力される交流電流Ｉ１を診断素子６６２に供給すると共に診断素子６６２に生じる交流電位差Ｖ１を正極側検出部５２１に出力する。そして演算部５５０は、交流調整部５４０によって調整された交流電流Ｉ１及び交流電位差Ｖ１を用いて、診断素子６６２の抵抗の測定値Ｒｍ２を算出する。

同様に、切替制御部５８０は、負極側電源部５３２から負極側検出部５２２までの測定経路中に診断素子６６１及び６６２を順番に接続し、演算部５５０は、診断素子６６１及び６６２の抵抗をそれぞれ測定する。

そして演算部５５０は、正極側及び負極側の測定経路の各々について、診断素子６６１の測定値Ｒｍ１と基準値Ｒｅｆ１１との測定誤差と、診断素子６６２の測定値Ｒｍ２と基準値Ｒｅｆ１２との測定誤差とを算出する。

ステップＳ２０４において演算部５５０は、正極側の測定経路における診断素子６６１及び６６２の各々の測定誤差と、負極側の測定経路における診断素子６６１及び６６２の各々の測定誤差とが、許容誤差範囲内にあるか否かを判断する。

そして演算部５５０は、４つの測定誤差の全てが許容誤差範囲内にある場合には、ステップＳ２０１に戻る。一方、４つの測定誤差のうちのいずれかが許容誤差範囲外にある場合には、演算部５５０は、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０５において演算部５５０は、正極側の測定経路における診断素子６６１の測定値Ｒｍ１の測定誤差及び診断素子６６２の測定値Ｒｍ２の測定誤差に基づいて、正極側の補正係数を演算する。さらに演算部５５０は、負極側の測定経路における診断素子６６１の測定値Ｒｍ１の測定誤差及び診断素子６６２の測定値Ｒｍ２の測定誤差に基づいて、負極側の補正係数を演算する。

具体的には演算部５５０は、式（２−１）及び式（２−２）のとおり、補正特性を近似した直線の傾きＫａ及び切片Ｋｂを補正係数として算出する。

ステップＳ２０６において演算部５５０は、正極側の補正特性を近似した直線の傾きＫａ及び切片Ｋｂと、負極側の補正特性を近似した直線の傾きＫａ及びＫｂとをメモリ５５９に記録する。

ステップＳ２０１でインピーダンス測定装置５が診断時期でないと判断された場合には、演算部５５０は、切替制御部５８０への診断実行信号の供給を停止する。

ステップＳ２０７において切替制御部５８０は、交流電流Ｉ１及びＩ２を燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２に供給して内部抵抗Ｒ１及びＲ２に生じる交流電位差Ｖ１及びＶ２を検出できる電池接続状態に切り替える。そして交流調整部５４０によって交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅が調整された状態で、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２に生じる交流電位差Ｖ１及びＶ２が、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２から演算部５５０へ出力される。

ステップＳ２０８において演算部５５０は、式（１−１）のとおり、調整後の交流電流Ｉ１及びＩ２と交流電位差Ｖ１及びＶ２とを用いて、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を演算する。すなわち、演算部５５０は、燃料電池スタック１が有する内部インピーダンスを測定する。

ステップＳ２０９において演算部５５０は、メモリ５５９に記憶された補正係数を用いて、燃料電池スタック１が有する内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｍをそれぞれ補正する。具体的には、演算部５５０は、式（３）のとおり、傾きＫａ及び切片Ｋｂを用いて内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｍを補正することにより、補正後の測定値Ｒｃを演算する。

ステップＳ２１０において演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｃを合成することにより、燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを演算し、その内部抵抗Ｒを測定結果として送信先のコントロールユニット６へ送信する。

ステップＳ２１１において演算部５５０は、インピーダンス測定装置５が停止（ＯＦＦ）されるまでは、ステップＳ２０１からＳ２１０までの一連の処理を繰り返し、インピーダンス測定装置５が停止された場合に診断処理方法を終了する。

本発明の第２実施形態によれば、インピーダンス測定装置５は、第１実施形態とは異なり、切替部６７０を用いて正極側の測定経路と負極側の測定経路の２つの系統で診断素子部６６０を兼用する。診断素子部６６０は、互いに異なる基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２の抵抗を有する診断素子６６１及び６６２を備える。

切替部６７０は、素子接続状態に切り替えられた場合には、インピーダンス測定装置５と燃料電池スタック１との接続を切断して、正極側電源部５３１と正極側検出部５２１との間に診断素子６６１と診断素子６６２とを順番に接続する。そして、演算部５５０によって、診断素子６６１の基準値Ｒｅｆ１１と正極側経路の測定値Ｒｍ１との測定誤差、及び、診断素子６６２の基準値Ｒｅｆ１２と正極側経路の測定値Ｒｍ２との測定誤差が算出される。

演算部５５０は、その正極側経路における診断素子６６１及び６６２の各々の測定誤差に基づいて、各測定誤差を補正する近似式の傾きＫａ及び切片Ｋｂを求め、これらを補正係数としてメモリ５５９に記録する。

同様に切替部６７０は、素子接続状態に切り替えられた場合には、負極側電源部５３２と負極側検出部５２２との間に診断素子６６１と診断素子６６２とを順番に接続する。そして、演算部５５０で診断素子６６１の基準値Ｒｅｆ１１と負極側経路の測定値Ｒｍ１との測定誤差、及び、診断素子６６２の基準値Ｒｅｆ１２と負極側経路の測定値Ｒｍ２との測定誤差が算出される。

また、演算部５５０は、負極側経路における診断素子６６１及び６６２の各測定誤差に基づいて、負極側の近似式の傾きＫａ及び切片Ｋｂを求め、これらを補正係数としてメモリ５５９に記録する。例えば、演算部５５０は、式（２−１）及び式（２−２）に従い、近似式として一次回帰線を演算する。

その後、インピーダンス測定装置５を燃料電池スタック１に接続する電池接続状態に切替部６７０が切り替えられ場合に演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値を、メモリ５５９内の正極側及び負極側の補正係数に基づいて補正する。

例えば、演算部５５０は、式（３）に従い、内部抵抗Ｒ１の測定値Ｒｍと正極側の傾きＫａ及び切片Ｋｂを用いて補正後の内部抵抗Ｒ１の測定値Ｒｃを算出し、内部抵抗Ｒ２の測定値Ｒｍと負極側の傾きＫａ及び切片Ｋｂを用いて補正後の内部抵抗Ｒ１の測定値Ｒｃを算出する。そして演算部５５０は、補正後の内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値Ｒｃを合成することにより、燃料電池スタック１全体の内部抵抗Ｒを求める。

このように第２実施形態によれば、抵抗値の異なる２つ以上の診断素子の測定誤差に基づいて補正特性が求められるので、測定対象が有するインピーダンスの変動に応じて測定誤差が変わる回路特性でも、その変動にかかわらず測定精度を向上させることができる。すなわち、インピーダンス測定装置５の測定結果に対する信頼性を第１実施形態よりも向上させることができる。

また、本実施形態では演算部５５０は、コントロールユニット６から送信された診断実行信号を受信した場合には、診断実行信号を切替制御部５８０に出力してインピーダンス測定装置５の測定精度を診断するようにしてもよい。

例えば、固体高分子型燃料電池を積層した燃料電池スタック１では、通常よりも高い負荷で運転し続けていると、高分子膜の含水率（導電率）が低くなりすぎ、燃料電池が乾いた状態になるため、燃料電池スタック１の発電性能が劣化する。このため、高負荷で連続して運転している状態では、燃料電池スタック１の発電性能の劣化を防止するために、高分子膜の湿潤度を精密に推定する必要があることから、インピーダンス測定装置５には通常よりも高い測定精度が要求される。

そこでコントロールユニット６は、燃料電池スタック１を高負荷で運転している場合、例えば、燃料電池スタック１の出力電流や発電電力が発電閾値を超えた場合には、内部抵抗Ｒを補正する指令信号として診断実行信号を演算部５５０に送信する。なお発電閾値は、高負荷運転か否かを判定するために定められた閾値である。

演算部５５０は、診断実行信号を受信すると、その診断実行信号を切替制御部５８０に出力することにより、切替制御部５８０は、切替部６７０を診断素子６６１及び６６２の抵抗を測定する素子接続状態に切り替える。そして演算部５５０は、診断素子６６１及び６６２の測定誤差を算出し、これらの測定誤差に基づいてメモリ５５９内の補正係数を更新する。

その後、切替制御部５８０によって切替部６７０が燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１及びＲ２を測定する電池接続状態に戻され、演算部５５０は、診断時に更新された補正係数に基づいて内部抵抗Ｒ１及びＲ２の測定値を補正する。

これにより、インピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてコントロールユニット６から要求される測定精度が高くなる場合であっても、その要求に応じた測定精度で、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒを測定することが可能となる。

また燃料電池スタック１においては、内部に燃料電池の発電に関わる電荷移動抵抗、電気二重層容量や内部損失抵抗などの電気的特性を有している。本実施形態では燃料電池スタック１の内部インピーダンスに含まれる内部損失抵抗成分が電解質膜１１１の湿潤状態と相関関係が高いことから、インピーダンス測定装置５によって燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒが測定される。

一方、燃料電池スタック１の内部インピーダンスに含まれる電荷移動抵抗や電気二重層容量の静電容量成分を測定するには、燃料電池スタック１に供給される交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数を変更することにより計測することができる。

内部インピーダンスの静電容量成分は、燃料電池スタック１内のアノードガスに含まれる水素濃度に応じて変化する。燃料電池スタック１内の水素濃度が不足すると電解質膜１１１が劣化することから、燃料電池スタック１が有する静電容量の測定値を利用することにより、燃料電池スタック１内の水素不足を診断することが可能となる。

内部インピーダンスの静電容量成分を計測するには、内部抵抗Ｒの測定用の基準周波数ｆｂよりも低い周波数に交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数を設定する必要があり、１ｋＨｚよりも低い周波数に設定することが好ましい。

このように、燃料電池スタック１の内部抵抗と内部静電容量とを測定するには、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１に出力される交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数を変更することができる回路構成にする必要がある。

例えば、交流信号源５４６が周波数変更可能な交流信号源に置き換えられ、帯域通過フィルタ５２１１及び５２２２の各々には、内部抵抗測定用の帯域通過フィルタとは別に静電容量測定用の帯域通過フィルタと両者を切り替えるフィルタ切替器とが設けられる。

このような回路構成においてコントロールユニット６は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数を変更する周波数変更指令信号をインピーダンス測定装置５の演算部５５０に出力する。

例えば、コントロールユニット６は、燃料電池スタック１の発電電力が大きく変化する場合や燃料電池スタック１の停止処理を実行する場合、すなわち燃料電池スタック１内で水素欠乏が発生する可能性がある場合に周波数変更指令信号を演算部５５０に出力する。

そして演算部５５０は、周波数変更指令信号を切替制御部５８０に供給する。これにより、切替制御部５８０は、電流調整部５４０内に設けられた周波数変更可能な交流信号源の周波数を、周波数変更指令信号に示された指定周波数に変更する。これと共に切替制御部５８０は、図１０や図１３などに示されているように帯域通過フィルタ５２１１及び５２２１を制御して、周波数変更指令信号に示された指定周波数に対応する帯域通過フィルタにフィルタ切替器を切り替える。このとき、正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２が有する周波数特性が原因で正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の信号伝達感度や位相シフト量が変わる。

この対策として演算部５５０は、コントロールユニット６から周波数変更信号を受信した場合には、周波数変更指令信号に応じて交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数を設定した後、診断実行信号を切替制御部５８０に出力するようにしてもよい。

これにより、交流電流Ｉ１及びＩ２の周波数変更に伴う正極側検出部５２１及び負極側検出部５２２の周波数特性の変化に起因する測定精度の低下を抑制することができる。したがって、交流電流Ｉ１及びＩ２の測定周波数全域において一定の測定精度を確保できる。この例ではインピーダンス測定装置５は、燃料電池スタック１が有する抵抗成分と静電容量成分とを測定する。そのため、抵抗素子とコンデンサ素子とが並列に接続されたインピーダンス素子を診断素子として用いることで、抵抗素子及びコンデンサ素子を別々に設けて切替器で切り替える回路構成に比べて、簡易な回路構成で抵抗成分と静電容量成分とを診断できる。

また、本実施形態では演算部５５０は、インピーダンス測定装置５で測定状態の診断を実行している間は、診断中である旨を示すステータス信号と共に、診断直前に測定された内部抵抗Ｒの測定値を測定結果としてコントロールユニット６に送信してもよい。これにより、コントロールユニット６は、燃料電池スタック１の湿潤状態の制御を継続することができる。

また、コントロールユニット６は、診断中である旨を示すステータス信号を受信している期間に、運転者によってアクセルが踏まれて負荷３から発電電力の増加が要求された場合には、予め定められた範囲内に燃料電池スタック１の発電電力を制限してもよい。これにより、例えば燃料電池スタック１が乾燥しやすい状態で発電性能が低下するのを回避することができる。

また、本実施形態では演算部５５０は、燃料電池スタック１の温度又は周囲温度に応じて、診断実行信号を切替制御部５８０に出力することにより、インピーダンス測定装置５の測定状態を診断するようにしてもよい。

燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒは、燃料電池スタック１の温度又は周囲温度に応じて変化する。例えば、氷点温度よりも低い零下環境では、燃料電池スタック１内の生成水が氷になり、その氷によって発電セル１０同士の間隔が広がり、内部抵抗Ｒが例えば１００ｍΩ程度まで大きくなる。

一方、車両の走行中においては、積層電池の放電に伴う発熱や、燃料電池スタック１内に生成される水によって電導率が上昇するため、零下環境のときに比べて燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒは、１０分の１まで低下する場合がある。

このように、燃料電池スタック１の温度変化が大きくなるほど、内部抵抗Ｒも大きく変わるため、等電位制御によって交流電流Ｉ１及びＩ２が大きく変化し、正極側電源部５３１や正極側検出部５２１などの電子部品の特性も変化する。このように、燃料電池スタック１の温度変化が大きくなるほど、インピーダンス測定装置５の測定誤差が拡大するため、燃料電池スタック１の温度又は周囲温度が大きく急変するような状況では、インピーダンス測定装置５の測定精度が大きく低下する。

この対策として演算部５５０は、燃料電池スタック１の温度又は周囲温度が、段階的に設定された温度閾値を超えるたびに、診断実行信号を切替制御部５８０に出力するようにしてもよい。

具体的には、所定の温度範囲ごとに設定された複数の温度閾値がメモリ５５９に記録される。温度範囲は、電子回路の温度係数などによって決定される。例えば、温度範囲が２５℃に設定された場合には、第１温度閾値が−２５℃に設定され、第２温度閾値が０℃に設定され、第３温度閾値が２５℃に設定され、第４温度閾値が５０℃に設定される。

また、診断素子６６１及び６６２の温度変化が大きくなるほど、診断素子６６１及び６６２が有する抵抗も変化することから、診断素子６６１及び６６２の温度に応じた抵抗値の特性を示す温度特性情報が、メモリ５５９に記録される。

演算部５５０は、図２に示されるように、コントロールユニット６を介して温度センサ６２から燃料電池スタック１の周囲温度を取得する。演算部５５０は、その燃料電池スタック１の周囲温度が、第１温度閾値から第４温度閾値までのいずれかの温度閾値に達すると、診断実行信号を切替制御部５８０に出力する。

これと共に演算部５５０は、メモリ５５９に記憶された温度特性情報を参照して、周囲温度に対応付けられた診断素子６６１及び６６２の抵抗値を基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２として算出する。これにより、診断素子６６１及び６６２の基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２が補正される。

そして、演算部５５０は、切替制御部５８０によって切替部６７０が素子接続状態に切り替えられたときに、例えば正極側の交流電流Ｉ１及び交流電位差Ｖ１に基づいて診断素子６６１及び６６２の抵抗を求める。演算部５５０は、その診断素子６６１及び６６２の抵抗の測定値と、燃料電池スタック１の周囲温度によって補正された基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２とを用いて、正極側の測定誤差を補正する補正係数を演算する。

診断処理が終了した後、切替制御部５８０によって切替部６７０が電池接続状態に切り替えられたときに、演算部５５０は、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１を演算する。そして演算部５５０は、内部抵抗Ｒ１の測定値Ｒｍと、診断時に演算された補正係数とを用いて、式（３）のとおり、内部抵抗Ｒ１の測定値Ｒｍを測定値Ｒｃに補正する。

なお、温度センサ６２で検出される周囲温度に代えて、燃料電池スタック１の冷却水温度センサ（不図示）から出力される検出信号を燃料電池スタック１の温度として用いてもよい。冷却水温度センサは、燃料電池スタック１を流れる冷却水の温度を検出するものである。

このように、診断素子６６１及び６６２の周囲温度に応じて診断素子６６１及び６６２の基準値Ｒｅｆ１１及びＲｅｆ１２を補正することにより、周囲温度が大きく変化しても、診断素子６６１及び６６２の測定誤差を正確に測定することができる。

このような状態で、燃料電池スタック１の温度や周囲温度の変動幅が所定の温度範囲を超えるたびに、演算部５５０が診断処理を実行して補正係数を更新することにより、温度変化に伴う燃料電池スタック１の内部抵抗の測定誤差の拡大を抑制することができる。このため、インピーダンス測定装置５は、温度変化が大きい環境であっても、測定誤差が小さい高価な回路を用いることなく、高い測定精度を維持することができる。

上述のように燃料電池スタック１の発電電力を制限するような場合においては、コントロールユニット６は、運転者が見える位置に設けられた表示部に燃料電池スタック１の発電電力を制限している旨の表示を点灯させてもよい。これにより、アクセルの踏み込み量に対する車両の応答不足によって運転者が感じる違和感を軽減することができる。なお、表示部は、コントロールユニット６に設けられても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、インピーダンス測定装置５により燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する例について説明したが、測定対象は、複数の電池セルが積層された積層電池であればよく、例えば積層型のリチウムイオンバッテリーであってもよい。

また、正極側及び負極側の内部抵抗が殆ど変動しないリチウムイオンバッテリーであれば、インピーダンス測定装置５の回路構成を簡略化してもよい。例えば、交流調整部５４０を省略して電源部５３１及び５３２からは、振幅と位相が一致した交流電流Ｉ１及びＩ２を固定的に出力する。また検出部５２１及び５２２の一方を省略して他方の検出部（例えば正極側検出部５２１）のみで検出される交流電位差（例えば交流電位差Ｖ１）と、その交流電位差を生じさせる交流電流（例えば交流電流Ｉ１）とを用いて内部抵抗を演算する。このような回路構成であっても、上記実施形態と同じような効果を得ることができる。

また、本実施形態では、中途点端子２１３が燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒの中間に設けられ、交流調整部５４０によって交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅が同一の基準値Ｖｓとなるように交流電流Ｉ１及びＩ２の振幅を制御する例について説明した。しかしながら、中途点端子２１３は、燃料電池スタック１の中間に位置する発電セル１０から外れた発電セル１０に設けられてもよい。この場合には、正極端子２１１に生じる交流電位と、負極端子に生じる交流電位とが一致すればよいので、中途点端子２１３が設けられた発電セル１０の位置によって内部抵抗Ｒ１と内部抵抗Ｒ２との抵抗比を求め、その抵抗比に合わせて交流電位差Ｖ１及びＶ２の振幅の基準値を設定すればよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (12)

1. 複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極に対して、前記積層電池のインピ
   ーダンスを測定するための交流電流を出力する電源手段と、
   前記正極と前記積層電池の中途点との間、及び前記負極と前記中途点との間の少なくとも一方の交流電位差を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される交流電位差と、前記電源手段から出力される交流電流とに基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する演算手段と、
   前記インピーダンスの測定誤差を算出するのに必要となる予め定められたインピーダンス基準値を有する診断素子と、
   前記積層電池に前記電源手段及び前記検出手段を接続する電池接続状態と、前記積層電池との接続を切断して前記診断素子に前記電源手段及び前記検出手段を接続する診断素子接続状態とを交互に切り替える切替手段と、を含み、
   前記演算手段は、前記切替手段が前記診断素子接続状態に切り替えられた場合に前記診断素子のインピーダンスを測定し、該診断素子のインピーダンスの測定値と上記インピーダンス基準値の差分を測定誤差として算出し、該測定誤差に基づき、前記積層電池の測定状態を診断する、
   診断装置であって、
   前記積層電池の正極と前記電源手段との間に接続された第１直流遮断部と、
   前記積層電池の正極と前記検出手段との間に接続された第２直流遮断部とを含み、
   前記切替手段は、
   前記第１直流遮断部と前記電源手段との間に接続され、前記電池接続状態において、前記電源手段が接続される接続先を、前記第１直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第１切替器と、
   前記第２直流遮断部と前記検出手段の正極側第１端子との間に接続され、前記電池接続状態において、前記検出手段の正極側第１端子が接続される接続先を、前記第２直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第２切替器とを含み、
   前記積層電池の正極と負極との間の中途に位置する電池セルは、前記中途点として、前記診断素子の他端及び前記検出手段の正極側第２端子に接続されると共に接地される、
   診断装置。
2. 請求項１に記載の診断装置であって、
   前記積層電池の負極と前記電源手段との間に接続された第３直流遮断部と、
   前記積層電池の負極と前記検出手段との間に接続された第４直流遮断部とを含み、
   前記切替手段は、
   前記第３直流遮断部と前記電源手段との間に接続され、前記電池接続状態において、前記電源手段が接続される接続先を、前記第３直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第３切替器と、
   前記第４直流遮断部と前記検出手段の負極側第１端子との間に接続され、前記電池接続状態において、前記検出手段の負極側第１端子が接続される接続先を、前記第４直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第４切替器とを含み、
   前記積層電池の前記中途に位置する電池セルは、前記中途点として、前記診断素子の他端及び前記検出手段の負極側第２端子に接続されると共に接地される、
   診断装置。
3. 請求項１又は２に記載の診断装置であって、
   前記積層電池の前記正極又は前記負極から出力される交流電位信号から、前記交流電流と同じ周波数成分を抽出するフィルタをさらに含み、
   前記フィルタは、前記切替手段と前記検出手段との間に接続される、
   診断装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
   前記正極と前記中途点との間の交流電位差と、前記負極と前記中途点との間の交流電位差とが一致するように、前記電源手段から出力される交流電流の振幅を調整する調整手段をさらに含み、
   前記診断素子が有するインピーダンスは、前記インピーダンス基準値として前記積層電池が有するインピーダンスの変動範囲内の値に設定される、
   診断装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
   前記診断素子は、抵抗素子、コンデンサ素子、及びインダクタ素子のうちいずれかの素子を用いて構成される、
   診断装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
   前記演算手段は、前記切替手段が前記診断素子接続状態に切り替えられた場合において、前記検出手段により検出される交流電位差と、前記電源手段から出力される交流電流とに基づいて、前記診断素子のインピーダンスを求め、当該インピーダンスと前記インピーダンス基準値との差分が所定の閾値を超えたときには、前記測定状態が不良であると診断する、
   診断装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
   互いに異なるインピーダンス基準値を有する複数の前記診断素子が設けられ、
   前記演算手段は、
   前記切替手段が前記診断素子接続状態に切り替えられた場合には、前記複数の診断素子の測定誤差に基づいて、当該測定誤差の各々を前記積層電池のインピーダンスに応じて補正する補正係数を求め、
   前記切替手段が前記電池接続状態に切り替えられた場合には、前記積層電池のインピーダンスを演算し、当該インピーダンスを前記補正係数に基づいて補正する、
   診断装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
   前記演算手段は、前記診断装置の製造時、起動時及び停止時のうちいずれかのときに、前記切替手段を前記診断素子接続状態に切り替えて前記診断素子のインピーダンスを求める、
   診断装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
   外部から操作可能なスイッチをさらに含み、
   前記演算手段は、前記スイッチの操作に応じて前記切替手段を前記診断素子接続状態に切り替えて前記診断素子のインピーダンスを求める、
   診断装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
    前記積層電池は、燃料電池であり、
    前記診断装置は、燃料電池システムを制御する制御装置に接続され、
    前記制御装置は、前記電源手段から出力される交流電流の周波数を変更したとき、又は、前記燃料電池の発電状態に応じて、前記積層電池のインピーダンスを補正する指令信号を前記演算手段に送信し、
    前記演算手段は、前記制御装置から前記指令信号を受信した場合には、前記切替手段を前記診断素子接続状態に切り替えて前記診断素子の測定誤差を算出する、
    診断装置。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の診断装置であって、
    前記演算手段は、前記積層電池の温度又は周囲温度に応じて、前記切替手段を前記診断素子接続状態に切り替えて前記診断素子の測定誤差を算出する、
    診断装置。
12. 複数の電池セルが積層された積層電池の正極及び負極に対して、前記積層電池のインピーダンスを測定するための交流電流を出力する電源手段と、
    前記正極と前記積層電池の中途点との間、及び前記負極と前記中途点との間の少なくとも一方の交流電位差を検出する検出手段と、
    前記インピーダンスの測定誤差を算出するのに必要となる予め定められたインピーダンス基準値を有する診断素子と、
    前記積層電池の正極と前記電源手段との間に接続された第１直流遮断部と、
    前記積層電池の正極と前記検出手段との間に接続された第２直流遮断部と、
    前記積層電池に前記電源手段及び前記検出手段を接続する電池接続状態と、前記積層電池との接続を切断して前記診断素子に前記電源手段及び前記検出手段を接続する診断素子接続状態とを交互に切り替える切替手段とを有し、
    前記切り替え手段は、前記第１直流遮断部と前記電源手段との間に接続され、前記電池接続状態において、前記電源手段が接続される接続先を、前記第１直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第１切替器と、前記第２直流遮断部と前記検出手段の正極側第１端子との間に接続され、前記電池接続状態において、前記検出手段の正極側第１端子が接続される接続先を、前記第２直流遮断部から前記診断素子の一端に切り替える第２切替器とを含み、
    前記積層電池の正極と負極との間の中途に位置する電池セルは、前記中途点として、前記診断素子の他端及び前記検出手段の正極側第２端子に接続されると共に接地される診断装置で実行される診断方法であって、
    前記切替手段が前記電池接続状態に切り替えられた場合には、前記検出手段により検出される交流電位差と、前記電源手段から出力される交流電流とに基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する電池演算ステップと、
    前記切替手段が前記診断素子接続状態に切り替えられた場合には、前記診断素子のインピーダンスを測定し、該診断素子のインピーダンスの測定値と上記インピーダンス基準値の差を測定誤差として算出し、該測定誤差に基づき、前記積層電池の測定状態を診断する処理ステップと、
    を含む診断方法。

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