JP6446920B2 - 積層電池のインピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層電池のインピーダンス測定装置に関する。

特許文献１には、燃料電池スタックを構成する積層電池の内部抵抗（インピーダンス）を測定するインピーダンス測定装置が開示されている。積層電池の中途部位に位置する燃料電池セルのセパレータには、インピーダンス測定用の交流電流を入出力するためのソース端子、及びインピーダンス測定用の交流電位の検出に使用されるセンス端子が設けられている。

国際公開第２０１２／０７７４５０号

しかしながら、中途部位に位置する燃料電池セルのセパレータに対してソース端子及びセンス端子はそれぞれ一つしか設けられていないため、積層電池内を流れるインピーダンス測定用の交流電流の経路には偏りが生じてしまう。このような状態において燃料電池スタックのインピーダンスを測定すると、積層電池の電解質膜の面方向における特定領域（インピーダンス測定用交流電流が通過した領域）の影響を受けたインピーダンスが測定されることとなる。

したがって、例えば当該特定領域のみが他の領域等と比較して乾燥している時に、測定されたインピーダンスに基づいて積層電池の電解質膜の湿潤状態（含水率）を推定すると、積層電池全体として電解質膜が適度な湿潤状態に維持されている場合であっても、ドライ状態であると判定されてしまう。

このように、上記したインピーダンス測定装置では、積層電池内の特定領域における電解質膜状態情報（湿潤状態情報）を含む一つのインピーダンスが検出されるだけであるため、積層電池の発電状態によっては、測定されたインピーダンスに基づいて積層電池の湿潤状態を精度よく検出することができない。

したがって、本発明の目的は、積層電池内における異なる領域の状態情報を含む複数のインピーダンスを検出可能な積層電池のインピーダンス測定装置を提供することである。

本発明のある態様によれば、積層電池から出力される交流信号に基づいて当該積層電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置が提供される。インピーダンス測定装置は、積層電池を構成する単位電池のセパレータに形成された端子に接続される。このセパレータには、インピーダンス測定用の交流電流を入出力するためのソース端子、及びインピーダンス測定用の交流電位を検出するためのセンス端子のうち、少なくとも一方の端子が異なる位置に複数設けられ、インピーダンス測定装置は、当該インピーダンス測定装置と一のソース端子及び一のセンス端子とが接続されるように、端子接続状態を切り換える切換部をさらに備える。セパレータは、積層電池に供給するカソードガスを流すカソードガス供給マニホールドを一方側の端部に備えるとともに、積層電池から排出されたカソードガスを流すカソードガス排出マニホールドを他方側の端部に備え、ソース端子は、カソードガス供給マニホールド寄りの位置に設けられる第１ソース端子と、カソードガス排出マニホールド寄りの位置に設けられる第２ソース端子とから構成される。センス端子は、カソードガス供給マニホールド寄りの位置に設けられており、切換部は、端子接続状態を、インピーダンス測定装置と第１ソース端子及びセンス端子が接続される第１接続状態、又はインピーダンス測定装置と第２ソース端子及びセンス端子が接続される第２接続状態に切り換えるように構成される。

本発明の積層電池のインピーダンス測定装置によれば、セパレータにソース端子及びセンス端子のうち少なくとも一方の端子が異なる位置に複数設けられ、これら端子を利用してインピーダンス測定を行うことで、積層電池内における異なる領域の状態情報を含む複数のインピーダンスを測定することが可能となる。これにより、積層電池内のインピーダンス分布を検出したり、積層電池の状態推定に最も適したインピーダンスを選択したりすることができ、インピーダンス測定結果をより有効に活用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの分解斜視図である。 図２は、燃料電池スタックを搭載した車両の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、積層電池の中途部位における燃料電池セルのカソードセパレータを示す図である。 図４は、積層電池のインピーダンス測定装置を示す図である。 図５は、インピーダンス測定装置を構成する交流調整部の概略構成図である。 図６Ａは、第１接続状態において積層電池内を流れるインピーダンス測定用の交流電流の経路について説明する図である。 図６Ｂは、第２接続状態において積層電池内を流れるインピーダンス測定用の交流電流の経路について説明する図である。 図７は、インピーダンス測定装置によって実行されるインピーダンス測定制御を示すフローチャートである。 図８は、インピーダンスＲ１と係数ｋとの関係を示す特性図である。 図９Ａは、第１変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図９Ｂは、第１変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図９Ｃは、第１変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。 図１０Ａは、第２変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図１０Ｂは、第２変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図１０Ｃは、第２変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。 図１１Ａは、第３変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図１１Ｂは、第３変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図１１Ｃは、第３変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。 図１２Ａは、第４変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図１２Ｂは、第４変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図１２Ｃは、第４変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。 図１３Ａは、第５変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図１３Ｂは、第５変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図１３Ｃは、第５変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。 図１４Ａは、第６変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図１４Ｂは、第６変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図１４Ｃは、第６変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。 図１５Ａは、第７変形例によるインピーダンス測定装置の第１接続状態を示す図である。 図１５Ｂは、第７変形例によるインピーダンス測定装置の第２接続状態を示す図である。 図１５Ｃは、第７変形例によるインピーダンス測定装置の第３接続状態を示す図である。

以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池スタック１０の分解斜視図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、積層電池１１と、一対の集電プレート１２と、一対の絶縁プレート１３と、一対のエンドプレート１４と、匡体１５と、を備える。

積層電池１１は、複数枚の燃料電池セル１（単位電池）を積層して直列に接続したものである。

燃料電池セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２ａが中央部分に配置されたＭＥＡプレート２と、ＭＥＡプレート２の一方の面側に配置される導電性のカソードセパレータ３と、ＭＥＡプレート２の他方の面側に配置される導電性のアノードセパレータ４と、から構成されている。

ＭＥＡプレート２は、薄い長方形の板状部材である。ＭＥＡプレート２は、プレート中央部分に配置されたＭＥＡ２ａと、ＭＥＡ２ａを取り囲むように形成された絶縁体としてのフレーム２ｂと、を一体化させた部材である。

ＭＥＡプレート２を構成するＭＥＡ２ａは、電解質膜の一面側にカソード電極層を重ね合わせ、他面側にアノード電極層を重ね合わせた部材である。ＭＥＡ２ａのカソード電極層に酸素を含有するカソードガスを供給し、アノード電極層に水素を含有するアノードガスを供給することで、カソード電極層とアノード電極層との間に１ボルト程度の電位差が生じる。

カソードセパレータ３は、薄い長方形状の導電性金属板である。カソードセパレータ３は、その中央部分がＭＥＡ２ａと接するように構成されている。以下では、必要に応じてＭＥＡ２ａと接するカソードセパレータ３の中央部分を「ＭＥＡ接触領域３ａ」といい、その周囲の部分を「ＭＥＡ非接触領域３ｂ」という。

カソードセパレータ３のＭＥＡプレート２側の面にはカソードセパレータ３の長手方向に伸びる複数の溝が形成されており、これら溝はＭＥＡ２ａにカソードガスを供給するカソードガス流路として機能する。

アノードセパレータ４も、薄い長方形状の導電性金属板であって、カソードセパレータ３と同様の形状を有している。

アノードセパレータ４のＭＥＡプレート２側の面にはアノードセパレータ４の長手方向に伸びる複数の溝が形成されており、これら溝がＭＥＡ２ａにアノードガスを供給するアノードガス流路として機能する。

積層電池１１を構成した場合には、隣接する燃料電池セル１において、一方の燃料電池セル１のカソードセパレータ３と他方の燃料電池セル１のアノードセパレータ４とが重ね合わせられる。カソードセパレータ３及びアノードセパレータ４のそれぞれの対向面には長手方向に伸びる複数の溝が形成されており、セパレータ３，４が重ね合わされた状態ではこれら溝はカソードセパレータ３及びアノードセパレータ４との間に冷却水を流す冷却水流路として機能する。

一対の集電プレート１２は、積層電池１１の外側にそれぞれ配置される。集電プレート１２は、薄い長方形状の板状部材であり、例えば緻密質カーボン等のガス不透過性の導電性部材で形成される。集電プレート１２は、積層電池１１の発電電力を取り出すための出力端子１２１を備えている。一方の集電プレート１２が積層電池１１の正極を構成し、他方の積層電池１１の集電プレート１２が負極を構成する。

絶縁プレート１３は、集電プレート１２の外側に配置される。絶縁プレート１３は、薄い長方形状の板状部材であり、例えばゴム等の絶縁性部材で形成される。絶縁プレート１３は、集電プレート１２の出力端子１２１を外側に突出させるための貫通孔１３ａを有している。

エンドプレート１４は、絶縁プレート１３の外側に配置される。エンドプレート１４は、薄い長方形状の板状部材であり、例えば鋼などの剛性のある金属により形成される。エンドプレート１４は、集電プレート１２の出力端子１２１を外側に突出させるための貫通孔１４ａを有している。

匡体１５は、上面板１５１と、下面板１５２と、一対の側面板１５３とから構成される枠体である。匡体１５は、箱状に形成されることにより、積層電池１１、集電プレート１２、絶縁プレート１３及びエンドプレート１４を積層した状態で保持する。

上記のように燃料電池スタック１０を構成するＭＥＡプレート２、カソードセパレータ３、アノードセパレータ４、正極側の集電プレート１２、正極側の絶縁プレート１３、及び正極側のエンドプレート１４は、それらの長手方向一端側（図中左側）に、それぞれカソードガス供給マニホールド２１ａ、冷却水供給マニホールド２２ａ、及びアノードガス排出マニホールド２３ｂを備えている。また、ＭＥＡプレート２、カソードセパレータ３、アノードセパレータ４、正極側の集電プレート１２、正極側の絶縁プレート１３、及び正極側のエンドプレート１４は、それらの長手方向他端側（図中右側）に、それぞれアノードガス供給マニホールド２３ａ、冷却水排出マニホールド２２ｂ、及びカソードガス排出マニホールド２１ｂを備えている。

なお、図１では、正極側のエンドプレート１４のみに各マニホールドに対応する符号を記載しており、それら以外の部材には各マニホールドに対応する符号の記載を省略している。

これら部材に形成された各マニホールド２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂは、燃料電池スタック１０が組み立てられた時にそれぞれ一本の通路を構成する。そして、燃料電池スタック１０の外部からカソードガス供給マニホールド２１ａに導入されたカソードガスは、各カソードセパレータ３のカソードガス流路に分配される。発電に利用されなかったカソードガスは、カソードガス流路からカソードガス排出マニホールド２１ｂに導かれ、当該カソードガス排出マニホールド２１ｂを通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。

また、燃料電池スタック１０の外部からアノードガス供給マニホールド２３ａに導入されたアノードガスは、各アノードセパレータ４のアノードガス流路に分配される。発電に利用されなかったアノードガスは、アノードガス流路からアノードガス排出マニホールド２３ｂに導かれ、当該アノードガス排出マニホールド２３ｂを通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。

さらに、燃料電池スタック１０の外部から冷却水供給マニホールド２２ａに導入された冷却水は、セパレータ３，４間の冷却水流路に分配される。冷却水流路を通過した冷却水は、冷却水排出マニホールド２２ｂを通じて燃料電池スタック１０の外部に排出される。

図２を参照して、燃料電池スタック１０を搭載した車両の燃料電池システム１００について説明する。

図２に示すように、車両用の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、電流センサ９１と、電圧センサ９２と、駆動モータ２０と、インバータ３０と、バッテリ４０と、補機類５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と、インピーダンス測定装置７０と、コントローラ９０と、を備える。なお、図２では、燃料電池スタック１０に対してカソードガス、アノードガス、及び冷却水の給排を行う給排装置については図示を省略した。

電流センサ９１は、燃料電池スタック１０から取り出される電流（出力電流）を検出するセンサである。電圧センサ９２は、集電プレート１２の出力端子１２１間の電圧（出力電圧）を検出するセンサである。これらセンサ９１，９２の検出信号はコントローラ９０に対して出力される。

駆動モータ２０は、ロータ及びステータから構成される三相交流同期モータである。駆動モータ２０は、燃料電池スタック１０及びバッテリ４０から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、車両の減速時等にロータが外力によって回転させられることで発電する発電機としての機能と、を有する。

インバータ３０は、例えばＩＧＢＴ等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ３０の半導体スイッチは、コントローラ９０によってオンオフ制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は交流電力が直流電力に変換される。インバータ３０は、駆動モータ２０を電動機として機能させる時は、燃料電池スタック１０の発電電力とバッテリ４０の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ２０に供給する。一方で、駆動モータ２０を発電機として機能させる時は、駆動モータ２０の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４０に供給する。

バッテリ４０は、充放電可能な二次電池である。バッテリ４０は、燃料電池スタック１０の出力電力の余剰分及び駆動モータ２０の回生電力を充電する。バッテリ４０に充電された電力は、必要に応じて補機類５０や駆動モータ２０に供給される。補機類５０は、燃料電池スタック１０にカソードガスを圧送するコンプレッサや、冷却水を加熱するＰＴＣヒータ等である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０によって燃料電池スタック１０の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１０の出力電流が制御される。

インピーダンス測定装置７０は、燃料電池スタック１０の積層電池１１にインピーダンス測定用の交流電流を流して積層電池１１のインピーダンス（内部抵抗）Ｒｍを測定する装置である。このように、インピーダンス測定装置７０は、積層電池１１から出力される交流信号に基づいてインピーダンス測定を実行するように構成されている。なお、インピーダンスＲｍは、各燃料電池セル１の電解質膜抵抗の合計値として測定される。

燃料電池スタック１０を高効率で発電させるためには、燃料電池セル１の電解質膜の湿潤状態（含水率）を適切な状態に管理する必要がある。燃料電池セル１の電解質膜の湿潤状態は、積層電池１１のインピーダンスＲｍと相関関係にあることが知られている。そのため、積層電池１１のインピーダンスＲｍを求めることで、電解質膜の湿潤状態を把握することができる。

コントローラ９０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９０には、電流センサ９１及び電圧センサ９２の検出信号や、インピーダンス測定装置７０の出力信号のほか、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力する。

コントローラ９０は、これら信号に基づいて、燃料電池スタック１０に供給するカソードガス及びアノードガスの流量や圧力、冷却水の流量や温度等を制御する。例えば、コントローラ９０は、燃料電池セル１の電解質膜の湿潤状態が発電に適した状態となるように、インピーダンス測定装置７０で測定されたインピーダンスに基づいて、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの流量や圧力、冷却水の温度を制御する。

上記したインピーダンス測定装置７０は、電気配線を介して燃料電池スタック１０の積層電池１１に接続されている。

積層電池１１の正極となる集電プレート１２には正極側ソース端子７ａ及び正極側センス端子７ｂが形成されており、積層電池１１の負極となる集電プレート１２には負極側ソース端子８ａ及び負極側センス端子８ｂが形成されている。また、積層電池１１の積層方向の中途部位に位置する燃料電池セル１のカソードセパレータ３には、第１中間ソース端子９ａ及び第２中間ソース端子９ｂと、中間センス端子９ｃとが形成されている。インピーダンス測定装置７０からの電気配線は、これら端子７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃに接続されている。

ソース端子７ａ，８ａ，９ａ，９ｂはインピーダンス測定用の交流電流を入出力するための端子であり、センス端子７ｂ，８ｂ，９ｃはインピーダンス測定用の交流電位を検出するための端子である。

上述の通り、中途部位に位置する燃料電池セル１のカソードセパレータ３は、図３に示すように、第１中間ソース端子９ａ、第２中間ソース端子９ｂ、及び中間センス端子９ｃを備えている。

中途部位に位置する燃料電池セル１のカソードセパレータ３は、ＭＥＡ２ａと接触するＭＥＡ接触領域３ａと、当該ＭＥＡ接触領域３ａの周囲に位置するＭＥＡ非接触領域３ｂとを有している。カソードセパレータ３の一端側（左端側）のＭＥＡ非接触領域３ｂには、カソードガス供給マニホールド２１ａ、冷却水供給マニホールド２２ａ、及びアノードガス排出マニホールド２３ｂが上下方向に沿って並設されている。カソードセパレータ３の他端側（右端側）のＭＥＡ非接触領域３ｂには、アノードガス供給マニホールド２３ａ、冷却水排出マニホールド２２ｂ、及びカソードガス排出マニホールド２１ｂが上下方向に沿って並設されている。

第１中間ソース端子９ａ及び中間センス端子９ｃは、カソードセパレータ３の一端部（左端）から外側に突出するように形成されており、アノードガス排出マニホールド２３ｂの側方に配置されている。第１中間ソース端子９ａ及び中間センス端子９ｃは、上下方向に並んで設けられている。これに対して、第２中間ソース端子９ｂは、カソードセパレータ３の他端部（右端）から外側に突出するように形成されており、アノードガス供給マニホールド２３ａの側方に配置されている。

このように本実施形態では、第１中間ソース端子９ａ及び中間センス端子９ｃは、カソードガス排出マニホールド２１ｂよりもカソードガス供給マニホールド２１ａ寄りの位置に配置されている。第２中間ソース端子９ｂは、カソードガス供給マニホールド２１ａよりもカソードガス排出マニホールド２１ｂ寄りの位置に配置されている。

次に、図４を参照して、積層電池１１のインピーダンス測定装置７０の詳細について説明する。

インピーダンス測定装置７０は、第１交流電源部７１と、第２交流電源部７２と、第１電位差検出部７３と、第２電位差検出部７４と、交流調整部７５と、演算部７６と、を備え、ソースライン及びセンスラインを介して積層電池１１に接続されている。

ソースラインは、積層電池１１に対し、インピーダンス測定装置７０で発生させた交流電流Ｉ１、Ｉ２の入出力を行うための配線である。ソースラインは、正極ソースライン７７ａ、負極ソースライン７７ｂ、第１中間ソースライン７７ｃ、及び第２中間ソースライン７７ｄの４本で構成される。

センスラインは、積層電池１１に対して交流電流Ｉ１、Ｉ２の入出力を行った時に、正極側センス端子７ｂ、負極側センス端子８ｂ、及び中間センス端子９ｃにおける交流電位を、インピーダンス測定装置７０に入力するための配線である。センスラインは、正極センスライン７８ａ、負極センスライン７８ｂ、及び中間センスライン７８ｃの３本で構成される。

正極ソースライン７７ａの一端は積層電池１１の正極側ソース端子７ａに接続され、正極ソースライン７７ａの他端は電気線７９ａを介して第１交流電源部７１に接続される。負極ソースライン７７ｂの一端は積層電池１１の負極側ソース端子８ａに接続され、負極ソースライン７７ｂの他端は電気線７９ｂを介して第２交流電源部７２に接続される。

第１中間ソースライン７７ｃの一端は積層電池１１の第１中間ソース端子９ａに接続され、第２中間ソースライン７７ｄの一端は積層電池１１の第２中間ソース端子９ｂに接続される。そして、第１中間ソースライン７７ｃ及び第２中間ソースライン７７ｄの他端は、インピーダンス測定装置７０に設けられた切換スイッチ８０（切換部）に接続される。第１中間ソースライン７７ｃ及び第２中間ソースライン７７ｄの一方は、切換スイッチ８０により電気線７９ｃに接続され、当該電気線７９ｃを介して基準電位点となる接地端子に接続される。

このように切換スイッチ８０は、中間ソース端子接続状態を、インピーダンス測定装置７０と第１中間ソース端子９ａが接続される第１接続状態と、インピーダンス測定装置７０と第２中間ソース端子９ｂとが接続される第２接続状態とに切り換えられるように構成されている。

正極センスライン７８ａの一端は積層電池１１の正極側センス端子７ｂに接続され、正極センスライン７８ａの他端は電気線７９ｄを介して第１電位差検出部７３に接続される。負極センスライン７８ｂの一端は積層電池１１の負極側センス端子８ｂに接続され、負極センスライン７８ｂの他端は電気線７９ｅを介して第２電位差検出部７４に接続される。中間センスライン７８ｃの一端は積層電池１１の中途部位に設けられた中間センス端子９ｃに接続され、中間センスライン７８ｃの他端は電気線７９ｆを介して第１電位差検出部７３及び第２電位差検出部７４のそれぞれに接続される。

電気線７９ａ〜７９ｆは、それぞれインピーダンス測定装置７０の内部配線である。各電気線７９ａ〜７９ｆには、直流電流を遮断して交流電流のみを流す直流遮断器９３が設けられる。本実施形態では直流遮断器９３としてコンデンサを使用しているが、トランス等を使用してもよい。

第１交流電源部７１は、交流調整部７５から出力された第１指令電圧Ｖｉ１に応じて交流電流を生成する電源である。第１交流電源部７１は、第１指令電圧Ｖｉ１に基づいて、積層電池１１の正極側ソース端子７ａと第１中間ソース端子９ａ又は第２中間ソース端子９ｂとの間に流し込む交流電流Ｉ１を生成する。交流電流Ｉ１の周波数は、インピーダンス測定用の基準周波数ｆｂに設定されている。

第２交流電源部７２は、交流調整部７５から出力された第２指令電圧Ｖｉ２に応じて交流電流を生成する電源である。第２交流電源部７２は、第２指令電圧Ｖｉ２に基づいて、積層電池１１の負極側ソース端子８ａと第１中間ソース端子９ａ又は第２中間ソース端子９ｂとの間に流し込む交流電流Ｉ２を生成する。交流電流Ｉ２の周波数は、インピーダンス測定用の基準周波数ｆｂに設定されている。

第１電位差検出部７３は、差動アンプである。第１電位差検出部７３には、正極側センス端子７ｂにおける交流電位Ｖｃが入力され、中間センス端子９ｃにおける交流電位Ｖｍが入力される。第１電位差検出部７３は、正極側センス端子７ｂの電位Ｖｃと中間センス端子９ｃの電位Ｖｍの電位差を検出して、この電位差を正極側交流電圧Ｖ１として出力する。

第２電位差検出部７４は、差動アンプである。第２電位差検出部７４には、負極側センス端子８ｂにおける交流電位Ｖａが入力され、中間センス端子９ｃにおける交流電位Ｖｍが入力される。第２電位差検出部７４は、負極側センス端子８ｂの電位Ｖａと中間センス端子９ｃの電位Ｖｍの電位差を検出して、この電位差を負極側交流電圧Ｖ２として出力する。

交流調整部７５には、第１電位差検出部７３から出力された正極側交流電圧Ｖ１、及び第２電位差検出部７４から出力された負極側交流電圧Ｖ２が入力される。交流調整部７５は、これら２つの入力電圧に基づいて、第１交流電源部７１に対する第１指令電圧Ｖｉ１及び第２交流電源部７２に対する第２指令電圧Ｖｉ２を出力する。つまり、交流調整部７５は、これら２つの入力電圧の値が一致するように第１指令電圧Ｖｉ１及び第２指令電圧Ｖｉ２を調整する。第１指令電圧Ｖｉ１及び第２指令電圧Ｖｉ２を調整することで、第１交流電源部７１及び第２交流電源部７２から出力される交流電流Ｉ１、Ｉ２の振幅が制御される。

正極側交流電圧Ｖ１と負極側交流電圧Ｖ２とを一致させるということは、正極側センス端子７ｂにおける電位Ｖｃと負極側センス端子８ｂにおける電位Ｖａとの差をゼロにするということである。すなわち、正極側交流電圧Ｖ１と負極側交流電圧Ｖ２とを一致させれば、インピーダンス測定装置７０によって積層電池１１に交流電流の入出力を行っても、インピーダンス測定用の交流電流が駆動モータ２０や補機類５０等に漏れ出ることがなく、駆動モータ２０等の動作に悪影響を及ぼすことを防止できる。

図５に示すように、交流調整部７５は、基準電圧源７５０と、交流信号源７５１と、第１検波回路７５２と、第１減算器７５３と、第１積分回路７５４と、第１乗算器７５５と、第２検波回路７５６と、第２減算器７５７と、第２積分回路７５８と、第２乗算器７５９と、を備える。

基準電圧源７５０は、０ボルトを基準に定められた所定の電位差（基準電圧）Ｖｓを発生させる定電圧源である。基準電圧Ｖｓは、正極側交流電圧Ｖ１及び負極側交流電圧Ｖ２の目標値である。交流調整部７５は、正極側交流電圧Ｖ１及び負極側交流電圧Ｖ２を基準電圧Ｖｓに収束させるＰＩ制御回路として構成されている。

交流信号源７５１は、第１乗算器７５５及び第２乗算器７５９に入力する基準周波数ｆｂの小振幅の交流信号を発生させる電源である。基準周波数ｆｂは、積層電池１１のインピーダンス測定に適した周波数に設定される。

第１検波回路７５２には、第１電位差検出部７３の出力信号である正極側交流電圧Ｖ１が入力される。第１検波回路７５２は、正極側交流電圧Ｖ１を直流電圧Ｖ１ｄに変換して出力する。第１検波回路７５２は、例えば正極側交流電圧Ｖ１の実効値又は平均値を直流電圧Ｖ１ｄとして出力する。

第１減算器７５３には、第１検波回路７５２から出力された直流電圧Ｖ１ｄと、基準電圧Ｖｓと、が入力される。第１減算器７５３は、直流電圧Ｖ１ｄ及び基準電圧Ｖｓの電圧差を出力する。

第１積分回路７５４には、第１減算器７５３から出力された電圧差が入力される。第１積分回路７５４は、入力された電圧差の積分値を出力する。

第１乗算器７５５には、第１積分回路７５４から出力された積分値と、交流信号源７５１から出力された交流信号と、が入力される。第１乗算器７５５は、入力された積分値に交流信号を掛け合わせた値を、第１交流電源部７１に入力する第１指令電圧Ｖｉ１として出力する。第１指令電圧Ｖｉ１は、正極側交流電圧Ｖ１を基準電圧Ｖｓに収束させる交流電流を、第１交流電源部７１から出力させるための指令値である。

第２検波回路７５６には、第２電位差検出部７４の出力信号である負極側交流電圧Ｖ２が入力される。第２検波回路７５６は、負極側交流電圧Ｖ２を直流電圧Ｖ２ｄに変換して出力する。第２検波回路７５６は、例えば負極側交流電圧Ｖ２の実効値又は平均値を直流電圧Ｖ２ｄとして出力する。

第２減算器７５７には、第２検波回路７５６から出力された直流電圧Ｖ２ｄと、基準電圧Ｖｓと、が入力される。第２減算器７５７は、直流電圧Ｖ２ｄ及び基準電圧Ｖｓの電圧差を出力する。

第２積分回路７５８には、第２減算器７５７から出力された電圧差が入力される。第２積分回路７５８は、入力された電圧差の積分値を出力する。

第２乗算器７５９には、第２積分回路７５８から出力された積分値と、交流信号源７５１から出力された交流信号と、が入力される。第２乗算器７５９は、入力された積分値に交流信号を掛け合わせた値を、第２交流電源部７２に入力する第２指令電圧Ｖｉ２として出力する。第２指令電圧Ｖｉ２は、負極側交流電圧Ｖ２を基準電圧Ｖｓに収束させる交流電流を、第２交流電源部７２から出力させるための指令値である。

図４に戻り、インピーダンス測定装置７０の演算部７６について説明する。

演算部７６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。

演算部７６には、第１交流電源部７１の出力信号である交流電流Ｉ１と、第２交流電源部７２の出力信号である交流電流Ｉ２と、第１電位差検出部７３の出力信号である正極側交流電圧Ｖ１と、第２電位差検出部７４の出力信号である負極側交流電圧Ｖ２と、が入力される。演算部７６は、これら４つの入力値を用い、以下の（１）式に基づいて積層電池１１のインピーダンスを演算する。演算部７６は、演算したインピーダンスＲに基づいてインピーダンス測定値を設定し、設定されたインピーダンス測定値をコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、インピーダンス測定値に基づいて積層電池１１の電解質膜の湿潤状態を推定する。

このようにインピーダンス測定装置７０は、いわゆる交流ブリッジ法によって積層電池１１のインピーダンスを測定する装置である。つまり、インピーダンス測定装置７０は、積層電池１１に対して交流電流を流し、正極側交流電圧Ｖ１と負極側交流電圧Ｖ２とが一致するように交流電流を調整して、各交流電源部７１，７２から出力された交流電流及び各電位差検出部７３，７４で検出された交流電圧に基づき積層電池１１のインピーダンスを演算する。

上記したインピーダンス測定装置７０は、交流電流を入出力するためのソース端子７ａ，８ａ，９ａ，９ｂ及び交流電位の検出に使用されるセンス端子７ｂ，８ｂ，９ｃを介して、積層電池１１に接続されている。特に、積層電池１１の中途部位に位置する燃料電池セル１のカソードセパレータ３には、図３に示したように、２つのソース端子（第１及び第２中間ソース端子９ａ，９ｂ）と１つのセンス端子（中間センス端子９ｃ）が設けられている。そして、本実施形態では、切換スイッチ８０を用いて、中間ソース端子接続状態がインピーダンス測定装置７０と第１中間ソース端子９ａが接続される第１接続状態と、インピーダンス測定装置７０と第２中間ソース端子９ｂとが接続される第２接続状態とに切り換えられる。なお、第１及び第２中間ソース端子９ａ，９ｂ以外の端子７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ｃとインピーダンス測定装置７０とは、常時接続されている。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、第１接続状態及び第２接続状態でのインピーダンス測定用の交流電流の経路について説明する。

図６Ａに示すように、インピーダンス測定装置７０による測定時に中間ソース端子接続状態が第１接続状態となっている場合、正極である集電プレート１２と中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３との間、及び負極である集電プレート１２と中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３との間に、複数の交流電流の経路が形成される。第１中間ソース端子９ａは比較的電気抵抗の大きいセパレータに形成されているため、インピーダンス測定用の交流電流は第１中間ソース端子９ａ寄りの位置を通過することとなり、図６Ａの矢印で示すように、交流電流の経路は第１中間ソース端子９ａ側に偏って密となる。

したがって、図６Ａに示すような交流電流の経路となる第１接続状態では、インピーダンス測定装置７０により測定される積層電池１１のインピーダンスに、第１中間ソース端子９ａに近い位置における電解質膜の湿潤状態の影響が反映されることとなる。換言すれば、第１接続状態で測定されたインピーダンスには、破線領域Ｒ１における各燃料電池セル１の電解質膜の湿潤状態情報はほとんど含まれない。

一方、図６Ｂに示すように、インピーダンス測定装置７０による測定時に中間ソース端子接続状態が第２接続状態となっている場合、正極である集電プレート１２と中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３との間、及び負極である集電プレート１２と中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３との間に、複数の交流電流の経路が形成される。この状態では、図６Ｂの矢印で示すように、交流電流の経路は第１中間ソース端子９ａ近傍ではなく第２中間ソース端子９ｂ近傍に偏って密となる。

したがって、図６Ｂに示すような交流電流の経路となる第２接続状態では、インピーダンス測定装置７０により測定される積層電池１１のインピーダンスに、第２中間ソース端子９ｂに近い位置における電解質膜の湿潤状態の影響が反映されることとなる。換言すれば、第２接続状態で測定されたインピーダンスには、破線領域Ｒ２における各燃料電池セル１の電解質膜の湿潤状態情報はほとんど含まれない。

このようにインピーダンス測定装置７０によれば、切換スイッチ８０により中間ソース端子接続状態を第１接続状態又は第２接続状態に切り換えることで、積層電池１１内における異なる領域、つまり燃料電池セル１の電解質膜の面方向において異なる位置、の電解質膜状態情報（湿潤状態情報）を含むインピーダンスを測定することができる。

次に、図７を参照して、インピーダンス測定装置７０によるインピーダンス測定制御について説明する。インピーダンス測定制御は、インピーダンス測定装置７０の演算部７６により、所定の測定タイミングで実行される。

ステップ１０１（Ｓ１０１）では、演算部７６は、中間ソース端子接続状態が第１接続状態に設定されるように切換スイッチ８０を制御する。これにより、切換スイッチ８０を介して、インピーダンス測定装置７０と、積層電池１１の中途部位における第１中間ソース端子９ａとが接続される。

Ｓ１０２では、演算部７６は、第１交流電源部７１から出力される交流電流Ｉ１、第２交流電源部７２から出力される交流電流Ｉ２、第１電位差検出部７３から出力される正極側交流電圧Ｖ１、及び第２電位差検出部７４から出力される負極側交流電圧Ｖ２に基づき、第１接続状態における積層電池１１のインピーダンスＲ１を算出する。演算部７６は、第１接続状態でのインピーダンスＲ１の算出後、Ｓ１０３の処理を実行する。

Ｓ１０３では、演算部７６は、Ｓ１０２で算出したインピーダンスＲ１が予め定められた下限値Ｒａよりも大きいか否かを判定する。

下限値Ｒａは、第１接続状態で算出したインピーダンスＲ１をそのままインピーダンス測定値として使用してもよいか否かを判定するための閾値であって、システム適合試験や実験により予め定められた値である。

外気をカソードガスとして積層電池１１に供給する燃料電池システム１００では、カソードガスが比較的乾燥しているため、各燃料電池セル１の電解質膜におけるカソードガス供給マニホールド２１ａ寄りの領域がその他の領域よりも乾燥しやすい。そのため、カソードガス供給マニホールド２１ａ寄りの位置にある第１中間ソース端子９ａを用いて測定されたインピーダンスにより積層電池１１の湿潤状態を推定すると、積層電池１１全体として電解質膜が適度な湿潤状態に維持されている場合であっても、ドライ状態であると判定されてしまうことがある。下限値Ｒａは、積層電池の湿潤状態がドライ状態であると誤判定されることを防止するために設定される閾値である。

Ｓ１０３においてインピーダンスＲ１が下限値Ｒａ（所定値）以下であると判定された場合には、演算部７６はＳ１０４の処理を実行する。Ｓ１０４では、演算部７６は、Ｓ１０２で算出した第１接続状態でのインピーダンスＲ１をインピーダンス測定値Ｒｍとして設定する。その後、演算部７６は、インピーダンス測定値Ｒｍをコントローラ９０に送信する。コントローラ９０は、インピーダンス測定値Ｒｍに基づいて積層電池１１における湿潤状態を判定し、湿潤状態に応じて必要となる湿潤制御等を実行する。

一方、Ｓ１０３においてインピーダンスＲ１が下限値Ｒａ（所定値）より大きいと判定された場合には、演算部７６はＳ１０５の処理を実行する。Ｓ１０５では、演算部７６は、中間ソース端子接続状態が第２接続状態に設定されるように切換スイッチ８０を制御する。これにより、切換スイッチ８０を介して、インピーダンス測定装置７０と、積層電池１１の中途部位における第２中間ソース端子９ｂとが接続される。

Ｓ１０６では、演算部７６は、第１交流電源部７１から出力される交流電流Ｉ１、第２交流電源部７２から出力される交流電流Ｉ２、第１電位差検出部７３から出力される正極側交流電圧Ｖ１、及び第２電位差検出部７４から出力される負極側交流電圧Ｖ２に基づき、第２接続状態における積層電池１１のインピーダンスＲ２を算出する。演算部７６は、第２接続状態でのインピーダンスＲ２の算出後、Ｓ１０７の処理を実行する。

Ｓ１０７では、演算部７６は、第１接続状態でのインピーダンスＲ１及び第２接続状態でのインピーダンスＲ２を用い、以下の（２）式に基づいてインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。

（２）式における係数ｋは、第１接続状態でのインピーダンスＲ１の大きさに応じて定まる値である。

図８を参照して、係数ｋの決定の仕方について説明する。図８は、インピーダンスＲ１と係数ｋとの関係を示す特性図である。

図８に示すように、係数ｋは１よりも小さな値となる。さらに、係数ｋは、インピーダンスＲ１が下限値Ｒａより大きくなるほど低下し、インピーダンスＲ１が上限値Ｒｂ以上となる領域では０に設定される。Ｓ１０７では、インピーダンス測定値Ｒｍは、（２）式に示す通り、インピーダンスＲ１、インピーダンスＲ２、及び係数ｋに基づいて設定される。インピーダンスＲ１が上限値Ｒｂを超えている場合には、インピーダンスＲ１とインピーダンスＲ２の平均値がインピーダンス測定値Ｒｍとして設定される。

なお、上限値Ｒｂは、積層電池１１の電解質膜の湿潤状態をウェット側に制御するウェット制御を開始するために設定された閾値である。上限値Ｒｂは、燃料電池セル１の製造ばらつきや劣化を考慮して定められている。

前述したように、第１接続状態で算出したインピーダンスＲ１が下限値Ｒａを超えた場合、インピーダンスＲ１をそのままインピーダンス測定値Ｒｍとして設定すると、湿潤状態の推定精度が低下する可能性がある。つまり、インピーダンスＲ１が電解質膜全体の湿潤状態を示す指標として正確性に欠けるおそれがある。

本実施形態では、インピーダンスＲ１が下限値Ｒａを超えた場合、インピーダンス測定値Ｒｍは、Ｓ１０７に示したように第１接続状態でのインピーダンスＲ１及び第２接続状態でのインピーダンスＲ２を用いて算出される。このように、インピーダンス測定値Ｒｍを、カソードガス供給マニホールド２１ａ寄りの位置における電解質膜の湿潤状態情報をほとんど含まないインピーダンスＲ２を加味して設定するので、湿潤状態の推定精度の低下を抑制することができる。

上述の通り、インピーダンスＲ１が下限値Ｒａを超えた場合、中間ソース端子接続状態が切り換えられ、インピーダンス測定値ＲｍはインピーダンスＲ１及びインピーダンスＲ２に基づいて設定される。しかしながら、インピーダンスＲ１が下限値Ｒａを超えた場合、第２接続状態で算出されたインピーダンスＲ２をそのままインピーダンス測定値Ｒｍとして設定してもよい。

上記した積層電池１１のインピーダンス測定装置７０によれば、以下の効果を得ることができる。

インピーダンス測定装置７０は、積層電池１１から出力される交流信号に基づいて積層電池１１のインピーダンス測定を実行する装置である。より具体的には、インピーダンス測定装置７０は、積層電池１１に交流電流を出力する第１及び第２交流電源部７１，７２と、正極側の集電プレート１２と積層電池１１の中途部位との間の交流電位差を検出する第１電位差検出部７３と、負極側の集電プレート１２と積層電池１１の中途部位との間の交流電位差を検出する第２電位差検出部７４と、第１及び第２電位差検出部７３，７４により検出されたそれぞれの交流電位差と、第１及び第２交流電源部７１，７２から出力される交流電流とに基づいて、積層電池１１のインピーダンスを演算する演算部７６と、を備える。そして、積層電池１１を構成する燃料電池セル１のカソードセパレータ３、つまり積層電池１１の中途部位に位置する燃料電池セル１のカソードセパレータ３は、カソードガス供給マニホールド２１ａ寄りの位置に設けられる第１中間ソース端子９ａ及び中間センス端子９ｃと、カソードガス排出マニホールド２１ｂ寄りの位置に設けられる第２中間ソース端子９ｂと、を備える。

このように、インピーダンス測定装置７０に接続される積層電池１１のカソードセパレータ３は、異なる位置に第１中間ソース端子９ａ及び第２中間ソース端子９ｂを備える。そのため、これら端子９ａ，９ｂを利用してインピーダンス測定を行うことで、積層電池１１内における異なる領域の電解質膜状態情報（湿潤状態情報）を含む２つのインピーダンスを測定することが可能となる。その結果、積層電池１１の電解質膜の面方向のインピーダンス分布を検出したり、積層電池１１の湿潤状態の推定に最も適したインピーダンスを選択したりすることができ、インピーダンス測定結果をより有効に活用することができる。

インピーダンス測定装置７０は、中間ソース端子接続状態を第１接続状態又は第２接続状態に切り換えるための切換スイッチ８０をさらに備えている。このように切換スイッチ８０により第１接続状態又は第２接続状態に切り換え、第１接続状態でのインピーダンス測定と第２接続状態でのインピーダンス測定を個別に実行するため、同時にインピーダンス測定を実行する装置と比較して、インピーダンス測定装置７０の構成を簡素化することができる。

インピーダンス測定装置７０の切換スイッチ８０は、第１接続状態で算出されたインピーダンスＲ１が予め設定された下限値Ｒａよりも大きい時に、中間ソース端子接続状態を第１接続状態から第２接続状態に切り換える。これにより、第１接続状態でのインピーダンスＲ１に基づく湿潤状態の推定精度が悪化するおそれがある場合に、第２接続状態でのインピーダンスＲ２を利用することで積層電池１１における湿潤状態の推定精度を改善することができる。なお、第１接続状態でのインピーダンスＲ１と第２接続状態でのインピーダンスＲ２とを比較するように演算部７６を構成すれば、これらインピーダンス測定の信頼性を判定することもできる。

インピーダンス測定装置７０の演算部７６は、第１接続状態において演算されたインピーダンスＲ１が下限値Ｒａ以下である場合、当該インピーダンスＲ１をインピーダンス測定値Ｒｍとして設定する。これに対して、演算部７６は、第１接続状態において演算されたインピーダンスＲ１が下限値Ｒａよりも大きい場合、第１接続状態で演算されたインピーダンスＲ１と第２接続状態で演算されたインピーダンスＲ２とに基づいてインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。このように、第１接続状態でのインピーダンスＲ１に基づく湿潤状態の推定精度が悪化するおそれがある場合には、電解質膜のカソードガス供給マニホールド２１ａ寄りの位置における状態情報をほとんど含まないインピーダンスＲ２を加味してインピーダンス測定値Ｒｍを設定するので、積層電池１１における湿潤状態の推定精度を改善することが可能となる。

以下では、図９〜図１５を参照し、本実施形態による積層電池１１のインピーダンス測定装置７０の各種変形例について説明する。これら変形例に関しては、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。

図９Ａ〜図９Ｃは、第１変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。

図９Ａに示すように、第１変形例では、中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３に、第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３と、１つの中間センス端子１９４とが形成される。

第１中間ソース端子１９１及び中間センス端子１９４は、カソードセパレータ３の左端から外側に突出するように形成されている。第１中間ソース端子１９１はカソードガス供給マニホールド２１ａの側方に配置されており、中間センス端子１９４はアノードガス排出マニホールド２３ｂの側方に配置されている。

第２中間ソース端子１９２は、カソードセパレータ３の上端中央部分から上方に突出するように形成されている。

第３中間ソース端子１９３は、カソードセパレータ３の右端部から外側に突出するように形成されている。第３中間ソース端子１９３は、アノードガス供給マニホールド２３ａの側方に配置されている。

第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３は、インピーダンス測定装置７０の切換スイッチ８０を介して電気線７９ｃに接続される。

切換スイッチ８０は、中間ソース端子接続状態を、インピーダンス測定装置７０と第１中間ソース端子１９１が接続される第１接続状態（図９Ａ参照）、インピーダンス測定装置７０と第２中間ソース端子１９２とが接続される第２接続状態（図９Ｂ参照）、及びインピーダンス測定装置７０と第３中間ソース端子１９３とが接続される第３接続状態（図９Ｃ参照）のいずれかに切り換えられるように構成されている。なお、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、中間センス端子１９４は、インピーダンス測定装置７０の電気線７９ｆに常時接続されている。図９Ａ〜図９Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子は、インピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。

第１変形例によれば、インピーダンス測定装置７０に接続される積層電池１１の中途部位のカソードセパレータ３は、異なる位置に第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３を備える。そのため、これら端子１９１〜１９３を利用してインピーダンス測定を行うことで、積層電池１１内における異なる領域の電解質膜状態情報（湿潤状態情報）を含む３つのインピーダンスを測定することが可能となる。その結果、積層電池１１の電解質膜の面方向のインピーダンス分布を検出したり、湿潤状態の推定に最も適したインピーダンスを選択したりすることができ、インピーダンス測定結果をより有効に活用することができる。

また、第１変形例によれば、切換スイッチ８０により中間ソース端子接続状態を第１接続状態、第２接続状態、又は第３接続状態に切り換えることで、第１〜第３接続状態でのインピーダンス測定を個別に実行することができる。したがって、同時にインピーダンス測定を実行する装置と比較して、インピーダンス測定装置７０の構成を簡素化することができる。

第１変形例によれば、第１接続状態でのインピーダンスＲ１、第２接続状態でのインピーダンスＲ２、第３接続状態でのインピーダンスＲ３の３つのインピーダンスが算出される。インピーダンス測定装置７０の演算部７６は、中間ソース端子接続状態の切り換えごとに算出された３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３に基づいてインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。例えば、演算部７６は、３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３に所定の演算を施すことでインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。演算部７６は、３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３のいずれかをインピーダンス測定値Ｒｍとして設定するように構成されてもよい。これにより、湿潤状態の推定に最も適したインピーダンス測定値Ｒｍを設定することが可能となる。

なお、第１変形例によれば、中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３に、３つの中間ソース端子を形成したが、４以上の中間ソース端子を形成してもよい。この場合、切換スイッチ８０は、インピーダンス測定装置７０と４以上の中間ソース端子との接続状態が順番に切り換えられるように構成される。演算部７６は、中間ソース端子接続状態の切り換えごとに算出された４以上のインピーダンスのうちの複数を用いてインピーダンス測定値Ｒｍを設定したり、４以上のインピーダンスのいずれかをインピーダンス測定値Ｒｍとして設定したりする。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、第２変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。

図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、第２変形例では、中間センス端子１９４の形成位置が第１変形例における形成位置とは異なっている。つまり、中間センス端子１９４は、カソードセパレータ３の下端中央部分から下方に突出するように形成されている。

図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子はインピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。さらに、図１０Ａは第１接続状態を、図１０Ｂは第２接続状態を、図１０Ｃは第３接続状態をそれぞれ示している。

上記のように構成された第２変形例による積層電池１１のインピーダンス測定装置７０によっても、第１変形例と同様の効果を得ることができる。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、第３変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。

図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、第３変形例では、中間センス端子１９４の形成位置が第１変形例における形成位置とは異なっている。つまり、中間センス端子１９４は、カソードセパレータ３の右端部から外側に突出するように形成されている。中間センス端子１９４は、カソードガス排出マニホールド２１ｂの側方に配置されている。

図１１Ａ〜図１１Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子はインピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。さらに、図１１Ａは第１接続状態を、図１１Ｂは第２接続状態を、図１１Ｃは第３接続状態をそれぞれ示している。

上記のように構成された第３変形例による積層電池１１のインピーダンス測定装置７０によっても、第１変形例と同様の効果を得ることができる。

図１２Ａ〜図１２Ｃは、第４変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。

図１２Ａに示すように、第４変形例では、中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３に、１つの中間ソース端子１９５と、第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８とが形成される。

中間ソース端子１９５及び第１中間センス端子１９６は、カソードセパレータ３の左端から外側に突出するように形成されている。中間ソース端子１９５はカソードガス供給マニホールド２１ａの側方に配置されており、第１中間センス端子１９６はアノードガス排出マニホールド２３ｂの側方に配置されている。

第２中間センス端子１９７は、カソードセパレータ３の下端中央部分から下方に突出するように形成されている。

第３中間センス端子１９８は、カソードセパレータ３の右端部から外側に突出するように形成されている。第３中間センス端子１９８は、カソードガス排出マニホールド２１ｂの側方に配置されている。

インピーダンス測定装置７０は切換スイッチ８１をさらに備え、この切換スイッチ８１を介して第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８は電気線７９ｆに接続される。

切換スイッチ８１は、中間センス端子接続状態を、インピーダンス測定装置７０と第１中間センス端子１９６が接続される第１接続状態（図１２Ａ参照）、インピーダンス測定装置７０と第２中間センス端子１９７とが接続される第２接続状態（図１２Ｂ参照）、及びインピーダンス測定装置７０と第３中間センス端子１９８とが接続される第３接続状態（図１２Ｃ参照）のいずれかに切り換えられるように構成されている。

なお、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、中間ソース端子１９５は、インピーダンス測定装置７０の電気線７９ｃに常時接続されている。このように第４変形例では、ソース端子は中間ソース端子１９５のみであるため、切換スイッチ８０は設けられていない。図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子は、インピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。

第４変形例によれば、インピーダンス測定装置７０に接続される積層電池１１の中途部位のカソードセパレータ３は、異なる位置に第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８を備える。そのため、これら端子１９６〜１９８を利用してインピーダンス測定を行うことで、積層電池１１内における異なる領域の電解質膜状態情報（湿潤状態情報）を含む３つのインピーダンスを測定することが可能となる。その結果、積層電池１１の電解質膜の面方向のインピーダンス分布を検出したり、湿潤状態の推定に最も適したインピーダンスを選択したりすることができ、インピーダンス測定結果をより有効に活用することができる。

また、第４変形例によれば、切換スイッチ８１により中間センス端子接続状態を第１接続状態、第２接続状態、又は第３接続状態に切り換えることで、第１〜第３接続状態でのインピーダンス測定を個別に実行することができる。したがって、同時にインピーダンス測定を実行する装置と比較して、インピーダンス測定装置７０の構成を簡素化することができる。

第４変形例によれば、第１接続状態でのインピーダンスＲ１、第２接続状態でのインピーダンスＲ２、第３接続状態でのインピーダンスＲ３の３つのインピーダンスが算出される。インピーダンス測定装置７０の演算部７６は、中間センス端子接続状態の切り換えごとに算出された３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３に基づいてインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。例えば、演算部７６は、３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３に所定の演算を施すことでインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。演算部７６は、３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３のいずれかをインピーダンス測定値Ｒｍとして設定するように構成されてもよい。これにより、湿潤状態の推定に最も適したインピーダンス測定値Ｒｍを設定することが可能となる。

なお、第４変形例によれば、中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３に、３つの中間センス端子を形成したが、４以上の中間センス端子を形成してもよい。この場合、切換スイッチ８１は、インピーダンス測定装置７０と４以上の中間センス端子との接続状態が順番に切り換えられるように構成される。演算部７６は、中間センス端子接続状態の切り換えごとに算出された４以上のインピーダンスのうちの複数を用いてインピーダンス測定値Ｒｍを設定したり、４以上のインピーダンスのいずれかをインピーダンス測定値Ｒｍとして設定したりする。

図１３Ａ〜図１３Ｃは、第５変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。

図１３Ａ〜図１３Ｃに示すように、第５変形例では、中間ソース端子１９５の形成位置が第４変形例における形成位置とは異なっている。つまり、中間ソース端子１９５は、カソードセパレータ３の上端中央部分から上方に突出するように形成されている。

図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子はインピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。さらに、図１３Ａは第１接続状態を、図１３Ｂは第２接続状態を、図１３Ｃは第３接続状態をそれぞれ示している。

上記のように構成された第５変形例による積層電池１１のインピーダンス測定装置７０によっても、第４変形例と同様の効果を得ることができる。

図１４Ａ〜図１４Ｃは、第６変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。

図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、第６変形例では、中間ソース端子１９５の形成位置が第４変形例における形成位置とは異なっている。つまり、中間ソース端子１９５は、カソードセパレータ３の右端部から外側に突出するように形成されている。中間ソース端子１９６は、アノードガス供給マニホールド２３ａの側方に配置されている。

図１４Ａ〜図１４Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子はインピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。さらに、図１４Ａは第１接続状態を、図１４Ｂは第２接続状態を、図１４Ｃは第３接続状態をそれぞれ示している。

上記のように構成された第６変形例による積層電池１１のインピーダンス測定装置７０によっても、第４変形例と同様の効果を得ることができる。

図１５Ａ〜図１５Ｃは、第７変形例での端子接続状態の切り換えについて説明する図である。第７変形例は、第１変形例と第４変形例を組み合わせた変形例である。

図１５Ａに示すように、第７変形例では、中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３に、第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３と、第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８とが形成される。

第１中間ソース端子１９１及び第１中間センス端子１９６は、カソードセパレータ３の左端から外側に突出するように形成されている。第１中間ソース端子１９１はカソードガス供給マニホールド２１ａの側方に配置されており、第１中間センス端子１９６はアノードガス排出マニホールド２３ｂの側方に配置されている。

第２中間ソース端子１９２はカソードセパレータ３の上端中央部分から上方に突出するように形成されており、第２中間センス端子１９７はカソードセパレータ３の下端中央部分から下方に突出するように形成されている。

第３中間ソース端子１９３及び第３中間センス端子１９８は、カソードセパレータ３の右端から外側に突出するように形成されている。第３中間ソース端子１９３はアノードガス供給マニホールド２３ａの側方に配置されており、第３中間センス端子１９８はカソードガス排出マニホールド２１ｂの側方に配置されている。

インピーダンス測定装置７０は、２つの切換スイッチ８０，８１を備えている。そして、第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３は切換スイッチ８０を介して電気線７９ｃに接続され、第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８は切換スイッチ８１を介して電気線７９ｆに接続される。

これら切換スイッチ８０，８１は、端子接続状態を、インピーダンス測定装置７０と第１中間ソース端子１９１及び第１中間センス端子１９６とが接続される第１接続状態（図１５Ａ参照）、インピーダンス測定装置７０と第２中間ソース端子１９２及び第２中間センス端子１９７とが接続される第２接続状態（図１５Ｂ参照）、及びインピーダンス測定装置７０と第３中間ソース端子１９３及び第３中間センス端子１９８とが接続される第３接続状態（図１５Ｃ参照）のいずれかに切り換えられるように構成されている。

なお、図１５Ａ〜図１５Ｃにおいて、二重線に囲まれた端子は、インピーダンス測定装置７０に接続されている端子を示している。

第７変形例によれば、インピーダンス測定装置７０に接続される積層電池１１の中途部位のカソードセパレータ３は、異なる位置に第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３及び第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８を備える。そのため、これら端子１９１〜１９３，１９６〜１９８を利用してインピーダンス測定を行うことで、積層電池１１内における異なる領域の電解質膜状態情報（湿潤状態情報）を含む３つのインピーダンスを測定することが可能となる。その結果、積層電池１１の電解質膜の面方向のインピーダンス分布を検出したり、湿潤状態の推定に最も適したインピーダンスを選択したりすることができ、インピーダンス測定結果をより有効に活用することができる。

また、第７変形例によれば、切換スイッチ８０，８１により端子接続状態を第１接続状態、第２接続状態、又は第３接続状態に切り換えることで、第１〜第３接続状態でのインピーダンス測定を個別に実行することができる。したがって、同時にインピーダンス測定を実行する装置と比較して、インピーダンス測定装置７０の構成を簡素化することができる。

第７変形例によれば、第１接続状態でのインピーダンスＲ１、第２接続状態でのインピーダンスＲ２、第３接続状態でのインピーダンスＲ３の３つのインピーダンスが算出される。インピーダンス測定装置７０の演算部７６は、端子接続状態の切り換えごとに算出された３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３に基づいてインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。例えば、演算部７６は、３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３に所定の演算を施すことでインピーダンス測定値Ｒｍを設定する。演算部７６は、３つのインピーダンスＲ１〜Ｒ３のいずれかをインピーダンス測定値Ｒｍとして設定するように構成されてもよい。これにより、湿潤状態の推定に最も適したインピーダンス測定値Ｒｍを設定することが可能となる。

なお、第７変形例によれば、中途部位における燃料電池セル１のカソードセパレータ３に、中間ソース端子及び中間センス端子をそれぞれ３つ形成した。しかしながら、カソードセパレータ３において、第１〜第３中間ソース端子１９１〜１９３のいずれか一つを省略し、第１〜第３中間センス端子１９６〜１９８のいずれか一つを省略してもよい。

また、カソードセパレータ３に、中間ソース端子及び中間センス端子をそれぞれ４以上形成してもよい。この場合、切換スイッチ８０は、インピーダンス測定装置７０と４以上の中間ソース端子との接続状態が順番に切り換えられるように構成され、切換スイッチ８１はインピーダンス測定装置７０と４以上の中間センス端子との接続状態が順番に切り換えられるように構成される。演算部７６は、端子接続状態の切り換えごとに算出された４以上のインピーダンスのうちの複数を用いてインピーダンス測定値Ｒｍを設定したり、４以上のインピーダンスのいずれかをインピーダンス測定値Ｒｍとして設定したりする。

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。

上記した実施形態においては、車両の駆動モータ２０に駆動電力を供給する燃料電池スタック１０に本発明を適用する例について説明した。しかしながら、本発明は、例えば車両以外の乗り物や電化製品等における負荷要素に電力を供給する燃料電池スタックにも適用することができる。

さらに、中間ソース端子及び中間センス端子を形成するカソードセパレータ３は、積層電池１１の中央部分に位置する燃料電池セル１のカソードセパレータに限られるものではない。積層電池１１の中央部分とは異なる位置に配置された燃料電池セル１のカソードセパレータ３に中間ソース端子及び中間センス端子を形成してもよい。また、中間ソース端子及び中間センス端子を、カソードセパレータ３ではなく、アノードセパレータ４に形成してもよい。

積層電池１１のインピーダンスを測定する方法としては、交流ブリッジ法の他にも、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して積層電池１１の出力電流に小振幅の高周波交流電流を重畳し、そのとき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測定する方法がある。

１ 燃料電池セル
３ カソードセパレータ
４ アノードセパレータ
９ａ 第１中間ソース端子
９ｂ 第２中間ソース端子
９ｃ 中間センス端子
１１ 積層電池
１２ 集電プレート
２１ａ カソードガス供給マニホールド
２１ｂ カソードガス排出マニホールド
７０ インピーダンス測定装置
７１ 第１交流電源部
７２ 第２交流電源部
７３ 第１電位差検出部
７４ 第２電位差検出部
７５ 交流調整部
７６ 演算部
８０ 切換スイッチ
８１ 切換スイッチ
１９１ 第１中間ソース端子
１９２ 第２中間ソース端子
１９３ 第３中間ソース端子
１９４ 中間センス端子
１９５ 中間ソース端子
１９６ 第１中間センス端子
１９７ 第２中間センス端子
１９８ 第３中間センス端子

Claims (7)

1. 積層電池から出力される交流信号に基づいて当該積層電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
   前記インピーダンス測定装置は、前記積層電池を構成する単位電池のセパレータに形成された端子に接続され、
   前記セパレータには、インピーダンス測定用の交流電流を入出力するためのソース端子、及びインピーダンス測定用の交流電位を検出するためのセンス端子のうち、少なくとも一方の端子が異なる位置に複数設けられ、
   前記インピーダンス測定装置は、当該インピーダンス測定装置と一の前記ソース端子及び一の前記センス端子とが接続されるように、端子接続状態を切り換える切換部をさらに備え、
   前記セパレータは、前記積層電池に供給するカソードガスを流すカソードガス供給マニホールドを一方側の端部に備えるとともに、前記積層電池から排出されたカソードガスを流すカソードガス排出マニホールドを他方側の端部に備え、
   前記ソース端子は、前記カソードガス供給マニホールド寄りの位置に設けられる第１ソース端子と、前記カソードガス排出マニホールド寄りの位置に設けられる第２ソース端子とから構成され、
   前記センス端子は、前記カソードガス供給マニホールド寄りの位置に設けられており、
   前記切換部は、端子接続状態を、前記インピーダンス測定装置と前記第１ソース端子及び前記センス端子が接続される第１接続状態、又は前記インピーダンス測定装置と前記第２ソース端子及び前記センス端子が接続される第２接続状態に切り換えるように構成される、
   積層電池のインピーダンス測定装置。
2. 請求項１に記載の積層電池のインピーダンス測定装置であって、
   前記インピーダンス測定装置は、
   前記積層電池の正極及び負極に対して交流電流を出力する電源部と、
   前記正極と前記積層電池の中途部位の間の交流電位差と、前記負極と前記中途部位の間の交流電位差とを検出する電位差検出部と、
   前記電位差検出部により検出されたそれぞれの交流電位差と、前記電源部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部と、を備え、
   前記ソース端子及び前記センス端子の少なくとも一方が複数設けられる前記セパレータは、前記積層電池の中途部位に位置する単位電池のセパレータである、
   積層電池のインピーダンス測定装置。
3. 請求項２に記載の積層電池のインピーダンス測定装置であって、
   前記演算部は、前記切換部による端子接続状態の切り換えごとに前記積層電池のインピーダンスを演算し、端子接続状態の切り換えごとに演算された複数のインピーダンスに基づいてインピーダンス測定値を設定する、
   積層電池のインピーダンス測定装置。
4. 請求項２又は３に記載の積層電池のインピーダンス測定装置であって、
   前記演算部は、前記切換部による端子接続状態の切り換えごとに前記積層電池のインピーダンスを演算し、端子接続状態の切り換えごとに演算された複数のインピーダンスのいずれかをインピーダンス測定値として設定する、
   積層電池のインピーダンス測定装置。
5. 請求項２から４のいずれか一つに記載の積層電池のインピーダンス測定装置であって、
   前記切換部は、前記第１接続状態において前記演算部により演算されたインピーダンスが予め設定された所定値よりも大きい場合に、端子接続状態を前記第１接続状態から前記第２接続状態に切り換える、
   積層電池のインピーダンス測定装置。
6. 請求項２から５のいずれか一つに記載の積層電池のインピーダンス測定装置であって、
   前記演算部は、前記第１接続状態において演算されたインピーダンスが予め設定された所定値以下である場合、当該インピーダンスをインピーダンス測定値として設定する、
   積層電池のインピーダンス測定装置。
7. 請求項２から６のいずれか一つに記載の積層電池のインピーダンス測定装置であって、
   前記演算部は、前記第１接続状態において演算されたインピーダンスが予め設定された所定値よりも大きい場合、前記第１接続状態で演算されたインピーダンスと前記第２接続状態で演算されたインピーダンスとに基づいてインピーダンス測定値を設定する、
   積層電池のインピーダンス測定装置。

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