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の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には、例えば1V(ボルト)程度の起電圧が生じる。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。燃料電池スタック1の正(プラス)の電極である正極に相当する集電プレート20には、正極端子211が設けられ、燃料電池スタック1の負(マイナス)の電極である負極に相当する集電プレート20には、負極端子212が設けられている。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との間の中途点にある発電セル10には中途点端子213が設けられる。本実施形態では、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(中点)に位置する発電セル10に中途点端子213が設けられている。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に設けられてもよい。
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、例えばゴムなどにより形成される。
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、例えば鋼などにより形成される。
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が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に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、例えば鋼などにより形成される。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に、その表面に絶縁処理が施されている。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ていない)が螺合する。テンションロッド50とナットとにより燃料電池スタック1が積層方向に締め付けられる。
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や、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、例えば天然ガスや、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12a及びカソードセパレーター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に対して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が形成される。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、本実施形態におけるインピーダンス測定装置5の基本構成を例示する構成図である。
燃料電池スタック1は、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。本実施形態では燃料電池スタック1と負荷3との間にスイッチ2が接続されている。
スイッチ2は、燃料電池スタック1と負荷3との間の接続を導通状態(接続状態)又は非導通状態(切断状態)に切り替える回路である。例えば、スイッチ2は、燃料電池スタック1から負荷3に対し十分な電力を供給可能になったときに、その接続を非導通状態から導通状態に切り替える。スイッチ2の接続は、燃料電池スタック1の運転状態を制御するコントロールユニット(C/U)6により制御される。
負荷3は、電動モータや燃料電池スタック1の補機などによって構成される電気負荷である。燃料電池スタック1に接続される補機としては、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の暖機中に燃料電池スタック1の冷却水を加熱するヒータなどが挙げられる。
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、例えば燃料電池スタック1の発電状態や、温度状態、内部の湿潤状態、内部の圧力状態などを、負荷3の作動状態に応じて制御する。例えば、コントロールユニット6は、負荷3から燃料電池スタック1に対して要求される要求電力の大きさに応じて、燃料電池スタック1に供給されるカソードガス及びアノードガスの各流量を制御する。
また、燃料電池スタック1においては電解質膜111が乾いた状態になると発電セル10の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の湿潤度と相関のある燃料電池スタック1の内部抵抗値を利用して、電解質膜111が乾いた状態又は過剰に湿った状態にならないようカソードガス及びアノードガスの各流量を制御する。
インピーダンス測定装置5は、燃料電池スタック1の発電状態を把握するために、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。本実施形態のインピーダンス測定装置5は、内部インピーダンスの抵抗成分である内部抵抗Rを測定し、その測定値をコントロールユニット6に送信する。
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とを備える。
正極側直流遮断部511、負極側直流遮断部512及び中途点直流遮断部513は、それぞれ直流信号を遮断するものの、交流信号を通す直流遮断手段である。直流遮断部511乃至513は、例えば、コンデンサやトランスなどにより実現される。なお、波線により示された中途点直流遮断部513については省略することが可能である。
正極側検出部521及び負極側検出部522は、正極端子211と中途点端子213との間に生じる交流電位差(正極側電位差)V1、及び、負極端子212と中途点端子213との間に生じる交流電位差(負極側電位差)V2のうち少なくとも一方の電位差を検出する検出手段を構成する。
正極側検出部521は、正極端子211に生じる電位の交流成分となる交流電位Vaと、中途点端子213に生じる電位の交流成分となる交流電位Vcとの間の電位差である交流電位差V1を検出する。
正極側検出部521は、交流電位差V1の大きさに応じて値が変化する検出信号を交流調整部540及び演算部550に出力する。例えば、交流電位差V1が大きくなるほど検出信号は高くなり、交流電位差V1が小さくなるほど検出信号は低くなる。
正極側検出部521では、第1入力端子が直流遮断部511を介して正極端子211と接続され、第2入力端子が接地され、出力端子が交流調整部540及び演算部550の各々に接続される。
負極側検出部522は、負極端子212に生じる電位の交流成分となる交流電位Vbと、中途点端子213に生じる電位の交流成分となる交流電位Vcとの間の電位差である交流電位差V2を検出する。
負極側検出部522は、交流電位差V2の大きさ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においては、第1入力端子が直流遮断部512を介して負極端子212と接続され、第2入力端子が接地され、出力端子が交流調整部540及び演算部550の各々に対して接続される。
ここで、図3を参照し、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の構成例を説明する。
図3に示した例では、直流遮断部511乃至513は、コンデンサにより実現される。
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から出力される直流信号を遮断する。この例では、正極側直流遮断部511を構成するコンデンサの一方の電極が正極端子211及び正極側検出部521の第1入力端子に対して接続され、他方の電極が正極側電源部531の出力端子に対して接続される。
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から出力される直流信号を遮断する。この例では、負極側直流遮断部512を構成するコンデンサの一方の電極が負極端子212に対して接続され、他方の電極が負極側電源部532の出力端子及び負極側検出部522の第1入力端子に対して接続される。
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から出力される直流信号を遮断する。この例では、中途点直流遮断部513を構成するコンデンサの一方の電極が中途点端子213に対して接続され、他方の電極が正極側検出部521及び負極側検出部522の各第2入力端子に対して接続される。他方の電極はさらに接地線533に対して接続される。接地線533は、電位が0V(ボルト)となるようアース(GND)される。
なお、負極側検出部522の構成については基本的に正極側検出部521と同じ構成であるため、ここでの説明を省略する。
次に、図2に示した正極側電源部531及び負極側電源部532について説明する。
正極側電源部531及び負極側電源部532は、燃料電池スタック1の中途点端子213を基準とし、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、同一の周波数を有する交流電流を出力する電源手段を構成する。
正極側電源部531は、基準周波数fbを有する交流電流I1を、正極側直流遮断部511を介して正極端子211へ出力する。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値に定められる。交流電流I1の振幅は、交流調整部540によって制御される。正極側電源部531は、例えば、オペアンプ(Operational Amplifier;OA)を含んで構成される電圧電流変換回路によって実現される。
ここで、図4を参照し、正極側電源部531及び負極側電源部532の構成例を説明する。
正極側電源部531は、基準周波数fbを有する交流電流I1を出力する。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は、入力電圧Viとして交流調整部540からの電流指令信号を受信すると、入力電圧Viの大きさに比例した出力電流Ioを交流電流I1として出力
する。なお、Io=Vi/Rsであり、Rsは電流センシング抵抗である。
このように、正極側電源部531は、交流調整部540からの電流指令信号の大きさに応じて交流電流I1を出力する。
なお、電圧電流変換回路は、入力電圧Viの大きさに応じて出力電流Ioの大きさを変更する可変交流電流源である。電圧電流変換回路を用いることで、出力電流Ioを実測しなくても入力電圧Viの大きさが分かれば、入力電圧Vi÷比例定数Rsにより出力電流Ioの大きさを求めることが可能になる。
負極側電源部532は、正極側電源部531と同様の構成である。すなわち、負極側電源部532は、基準周波数fbを有する交流電流I2を出力する電源手段を構成する。
負極側電源部532は、交流電流I1の周波数と同じ基準周波数fbを有する交流電流I2を、負極側直流遮断部512を介して負極端子212へ出力する。交流電流I2の振幅は、交流調整部540によって制御される。なお、負極側検出部522の構成については、正極側検出部521と同じ構成であるため、ここでの詳細な説明を省略する。
次に、図2に示した交流調整部540について説明する。
交流調整部540は、正極側直流遮断部511と正極側電源部531との間の信号線に生じる正極側の交流電位Vaと、負極側直流遮断部512と負極側電源部532との間の信号線に生じる負極側の交流電位Vbとのうち少なくとも一方の交流電位を調整する。
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、正極側電源部531及び負極側電源部532のうちの少なくとも一方の電源部により出力される交流電流の振幅を調整する調整手段を構成する。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。
本実施形態の交流調整部540は、正極側の交流電位差V1と負極側の交流電位差V2とが互いに等しくなるよう、正極側電源部531及び負極側電源部532の各出力を制御する。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の出力を制御することを「等電位制御」という。
次に、演算部550の構成について説明する。
演算部550は、交流調整部540で調整された交流電流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演算手段を構成する。
ここで、図5を参照して演算部550の構成例を説明する。
演算部550には、正極側検出部521及び負極側検出部522から、それぞれ交流電位差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から、それぞれ交流電流I1及びI2を示す信号が入力される。
演算部550は、AD(Analog Digital)変換器551とマイコンチップ552とを備える。
AD変換器551は、交流電流I1及びI2の入力信号、及び交流電位差V1及びV2の入力信号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、燃料電池スタック1の内部抵抗を分割した分割抵抗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内部抵抗Rを順次演算し、その演算結果をコントロールユニット6に出力する。なお、マイコンチップ552は、コントロールユニット6の要求に応じて内部抵抗R演算するものであってもよい。
マイコンチップ552は、次の式(1−1)及び式(1−2)のように、燃料電池スタック1の分割抵抗Rn及び燃料電池スタック1全体の内部抵抗Rを演算する。
演算部550は、例えば、アナログ演算ICを含んで構成される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、時間的に変化する内部抵抗値をコントロールユニット6に連続して出力することが可能になる。
コントロールユニット6は、演算部550により演算された内部抵抗Rを受信すると、内部抵抗Rの大きさ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が目標値よりも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からカソードガスによって持ち出される水分量を減らすことができる。
図6は、交流調整部540によって実行される等電位制御の一例を示すタイムチャートである。
図6の初期は、正極側の内部抵抗R1が、負極側の内部抵抗R2よりも高い状態である(図6(A))。このような状態で交流調整部540が等電位制御を開始する。
時刻t0では、正極側の交流電位Vaも負極側の交流電位Vbも制御レベルに達していない(図6(C))。この状態では、交流調整部540は、正極側の交流電位差V1及び負極側交流電位差V2が共に制御レベルとなるよう、正極側電源部531及び負極側電源部532の各出力を調整する。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が増大する(図6(B))。
時刻t1では、交流電位Vaが制御レベルに達したものの、交流電位Vbは制御レベルに達していない(図6(C))。この状態で、交流調整部540は、負極側電源部532の出力を調整する。これによって交流電流I1が維持されるとともに、交流電流I2は増大する(図6(B))。
時刻t2で交流電位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6(C))、交流調整部540により交流電流I1及び交流電流I2が一定に維持される。そして式(1−1)に基づいて、正極側の内部抵抗R1及び負極側の内部抵抗R2が演算され、内部抵抗R1と内部抵抗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内部抵抗R2が上昇している(図6(A))。この場合には、交流調整部540が内部抵抗値R2の上昇に合わせて交流電流I2を下げるので、交流電位Vbは交流電位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以降では内部抵抗R2が内部抵抗R1と一致するようになる(図6(A))。この場合には、交流調整部540により交流電位Vaと交流電位Vbとが同レベルに維持されて(図6(C))、内部抵抗Rが演算される。
次に、交流調整部540による制御の作用効果を説明する。
図7は、等電位制御を実行したときの正極端子211に生じる正極電位と負極端子212に生じる負極電位の変化を例示する観念図である。
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の端子間に生じる直流電圧Vdcが燃料電池スタック1から負荷3に供給される。インピーダンス測定装置5が起動(ON)する前は、正極端子211の正極電位、及び負極端子212の負極電位は、点線で示すように共に一定であり、正極電位と負極電位との電位差である直流電圧Vdcが負荷3に供給される。その後インピーダンス測定装置5が起動して正極側電源部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。
正極側電源部531から出力される交流電流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に印加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から出力される交流電流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に印加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、交流電位差V1と交流電位差V2との電位差(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の出力を調節する。これにより、交流成分Vaの振幅と交流成分Vbの振幅とが等しくなるので、直流電圧Vdcは変動することなく一定の値に維持される。
この状態で、演算部550は、交流電位差V1及びV2と交流電流I1及びI2とを取得し、オームの法則を適用して燃料電池スタック1の内部抵抗R1及び内部抵抗R2を算出する。
交流調整部540により、正極端子211及び負極端子212の交流電位が共に等しくなるので、仮に、正極端子211及び負極端子212に走行用モータなどの負荷3が接続された状態であっても、交流電流I1又はI2が負荷3の方に漏洩することを抑制できる。
さらに負荷3の作動状態によらず、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、インピーダンス測定装置5には正極側電源部531及び負極側電源部532が備えられているので、燃料電池スタック1の発電が停止中であっても内部抵抗Rを測定することが可能である。
しかしながら、負荷3で発生したノイズがインピーダンス測定装置5に混入するような状況では、次図に示すように、負荷3からのノイズが原因となって等電位制御が適切に行われず、交流電流I1及びI2が負荷3へ漏れ出す恐れがある。
図8は、インピーダンス測定装置5にノイズが混入して等電位制御が正しく行われず、交流電流I1の一部が負荷3へ漏れ出しているときのインピーダンス測定装置5の測定状態を示す観念図である。
図8に示すように、正極側電源部531から出力された交流電流I1の一部が負荷3へ漏れ出している。このため、燃料電池スタック1の正極端子211には、交流電流I1から漏れ電流ILを減じた流入電流I1t(=I1−IL)が供給され、負極端子212には、交流電流I2に漏れ電流ILを加えた流入電流I2t(=I2+IL)が供給される。
内部抵抗R1の演算には交流電流I1が用いられるが、実際には正極端子211に供給される交流電流の大きさは流入電流I1tであるため、内部抵抗R1の測定誤差が大きくなってしまう。内部抵抗R2の演算についても同様である。
この対策として、本実施形態では等電位制御を実行する交流調整部540が負荷3への漏れ電流を抑制する処理を実行する。
図9は、本実施形態における交流調整部540の構成例を示す図である。
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、正極側基準電源5451と、正極側交流信号源5461とを備える。さらに交流調整部540は、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、負極側基準電源5452と、負極側交流信号源5462とを備える。
正極側基準電源5451は、正極側の交流電位差V1と負極側の交流電位差V2とが互いに一致するよう、予め定められた基準電圧Vsを出力する。基準電圧Vsは実験等により求められる値である。
正極側交流信号源5461は、基準周波数fbを有する交流信号を発振する発振源である。基準周波数fbは、例えば、1kHz(キロヘルツ)に設定される。正極側交流信号源5461は、交流電流I1を生成するために、発振した交流信号を正極側乗算器5441に出力する。
正極側検波回路5411は、燃料電池スタック1の正極端子211と中途点端子213との間の交流電位差(Va−Vc)から不要信号を除去すると共に、その交流電位差(Va−Vc)をその振幅に比例した直流の検出信号V1に変換する。
正極側検波回路5411は、正極側検出部521から出力される検出信号のうち、交流電流I1と同じ周波数を有し、かつ、交流電流I1に対して位相が一致する信号成分、すなわち検出信号の実軸成分のみを抽出する抽出回路である。
例えば、正極側検波回路5411は、基準周波数fbを有する交流信号であって交流電流I1に対して位相が一致する同相の交流信号を検出信号に乗算し、その乗算した検出信号を平滑化して検出信号V1を生成する。
正極側減算器5421は、正極側検出部521からの検出信号V1から基準電圧Vsを減算することにより、基準電圧Vsからのズレ幅に比例した差分信号を出力する。例えば、基準電圧Vsに対するズレ幅が大きくなるほど差分信号のレベルは高くなる。
正極側積分回路5431は、正極側減算器5421からの差分信号を積分する。これにより、差分信号が平均化されるので、交流調整部540の感度が調節される。そして、正極側積分回路5431は、積分し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、正極側交流信号源5461から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の振幅が基準電圧Vsに収束するような入力電圧Viを生成する。例えば、正極側減算器5421からの差分信号のレベルが大きくなるほど、交流電圧の振幅は大きくなる。正極側乗算器5441は、交流電圧を電流指令信号として正極側電源部531へ出力する。交流電圧Vは正極側電源部531によって交流電流I1に変換される。
なお、本実施形態では正極側基準電源5451及び負極側基準電源5452を個別に交流調整部540に設けているが、共通の基準電源を設けるようにしてもよい。
また、負極側検波回路5412、負極側減算器5422、負極側積分回路5432、負極側乗算器5442、負極側基準電源5452及び負極側交流信号源5462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、正極側乗算器5441、正極側基準電源5451及び正極側交流信号源5461と比較して同じ構成である。したがって、これらの構成の説明については省略する。
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となるよう正極側電源部531からの交流電流I1の振幅を調整し、交流電位差V2の振幅が基準電圧Vsとなるよう負極側電源部532からの交流電流I2の振幅を調整する。
これにより、燃料電池スタック1の正極端子211に重畳される交流電位Vaと負極端子212に重畳される交流電位Vbとが互いに同じ信号レベルに収束するので、交流電流I1及びI2が負荷3の方に漏れ出すのを抑えることができる。
以上のように、交流調整部540が等電位制御を実行することにより、インピーダンス測定装置5から燃料電池スタック1を通過して負荷3に漏れ出るのを抑制することが可能になる。しかしながら、上述のように、負荷3で発生したノイズがインピーダンス測定装置5に混入するような状況では、このノイズが原因となって等電位制御が適切に行われず、交流電流I1及びI2が負荷3へ漏れ出すことが懸念される。
そこで、本実施形態の交流調整部540には、負荷3への漏れ電流を抑制する電流漏れ処理部600が備えられている。
電流漏れ処理部600は、交流電流I1及びI2の全部又は一部が燃料電池スタック1
に供給されずに負荷3の方に漏れ出しているか否かを検出する。すなわち、電流漏れ処理部600は、負荷3への電流漏れの発生を診断する診断装置、又は、電流漏れの発生を検出した場合に交流電流I1及びI2の大きさをバランスさせる測定管理装置を構成する。
電流漏れ処理部600は、電流漏れの発生を検出した場合には、電流漏れが発生しないよう交流電流I1及びI2の大きさをバランスさせる処理を実行する。これにより、内部抵抗Rの測定誤差を抑制することが可能になる。
例えば、電流漏れ処理部600は、交流電流I1及びI2をバランスさせる処理として、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の出力を修正する。あるいは、電流漏れ処理部600は、内部抵抗Rの測定誤差を抑制するために、演算部550の演算結果の送信を停止するキャンセル処理や、演算結果を予め定められた値に固定するホールド処理、検出した電流漏れの度合いに応じて演算結果を補正する補正処理などを実行するものであってもよい。
次に、図9を参照し、本実施形態における電流漏れ処理部600の構成例を説明する。
電流漏れ処理部600は、電流供給切替え部610と、抵抗比演算部620と、電流漏れ判断部630と、交流電流修正部640と、初期値設定部651及び652とを備える。
電流供給切替え部610は、電流漏れの発生を検出する際に、燃料電池スタック1の正極端子211と負極端子212との間を同一の交流電流が流れるようインピーダンス測定装置5の作動状態を制御する。
具体的には、電流供給切替え部610は、インピーダンス測定装置5が燃料電池スタック1に電流を供給する電流供給状態を、正極端子211及び負極端子212のうち一方の電極端子から他方の電極端子までの全体に交流電流を供給する状態に切り替える。以下では、一方の電極端子から他方の電極端子までの燃料電池スタック1の内部全体に同一の交流電流を供給する状態のことを「漏れ検出状態」という。
本実施形態では、電流供給切替え部610は、インピーダンス測定装置5があらかじめ定められた検出時期になると、負極側交流信号源5462から出力される交流信号の位相を180度シフトさせる。加えて負極側電源部532の出力振幅を正極側電源部531の出力振幅と同一にする。このように負極側交流信号源5462の出力位相を反転させ、振幅値を同一にすることにより、正極端子211から負極端子212までの全体に同一の交流電流を供給することができる。
上述の検出時期としては、例えば、スイッチ2の接続が導通状態に切り替えられてから交流電位差V1及びV2が互いに等しくなった時や、負荷3の作動状態が大幅に変動した時、実験等により予め定められた周期が経過した時などが挙げられる。
電流漏れの検出が終了した後、電流供給切替え部610は、負極側交流信号源5462から出力される交流信号の位相を180度シフトさせる。このように負極側交流信号源5462の出力位相を元に戻すことにより、正極端子211及び負極端子212の双方から中途点端子213までの分割部分に交流電流I1及びI2をそれぞれ供給することができる。以下では、正極端子211から中途点端子213までの正極側部分に交流電流I1を供給するとともに負極端子212から中途点端子213までの負極側部分に交流電流I2を供給する状態のことを「抵抗測定状態」という。
このように、電流供給切替え部610は、所定のタイミングにおいてインピーダンス測定装置5の電流供給状態を、漏れ検出状態及び抵抗測定状態のうちいずれかの状態に切り替える。
抵抗比演算部620は、燃料電池スタック1における正極側の内部抵抗R1と負極側の内部抵抗R2との比率を演算する。すなわち、抵抗比演算部620は、燃料電池スタック1の正極端子211と負極端子212との間を交流電流が一方向に流れる漏れ検出状態での分圧抵抗比(R1t/R2t)を計測する。
本実施形態の抵抗比演算部620は、電流供給切替え部610によりインピーダンス測定装置5の電流供給状態が漏れ検出状態に切り替えられた場合に、正極側検出部521からの交流電位差V1tと負極側検出部522からの交流電位差V2tとを取得する。
そして、抵抗比演算部620は、取得した交流電位差V1tと交流電位差V2tとの比率を示す基準電圧比(V1t/V2t)を演算する。漏れ検出状態では、燃料電池スタック1に正極端子211から負極端子212に貫通する交流電流が流れることから、負荷3への電流漏れの有無にかかわらず、基準電圧比(V1t/V2t)は分圧抵抗比(R1t/R2t)と等しくなる。このような物理的法則を利用して、抵抗比演算部620は、演算した基準電圧比(V1t/V2t)を燃料電池スタック1の分圧抵抗比(R1t/R2t)として電流漏れ判断部630に出力する。
電流漏れ判断部630は、抵抗比演算部620からの分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて、交流電流I1及びI2が負荷3へ漏れ出しているか否かを判断する。
本実施形態では、電流漏れ判断部630は、正極側乗算器5441からの電流指令信号を交流電流I1として取得し、負極側乗算器5442からの電流指令信号を交流電流I2として取得する。電流漏れ判断部630は、取得した交流電流I1と交流電流I2との比率を示す出力電流比(I1/I2)を算出する。
そして、電流漏れ判断部630は、次式(2)のように、出力電流比(I1/I2)と分圧抵抗比(R1t/R2t)との積を求め、求めた値から「1.0」を減じた差分の絶対値が所定の誤差閾値Tを超えるか否かを判断する。
ここで、電流漏れの有無についての判断条件である式(2)の導出手法について簡単に説明する。
まず、インピーダンス測定装置5の電流供給状態が漏れ検出状態に切り替えられる直前においては、等電位制御により交流電位差V1と交流電位差V2が互いに等しい状態であり、電圧比(V1/V2)は「1.0」になる。このような状態において抵抗測定状態から漏れ検出状態へと切り替えられたときには、交流電流I1及びI2の振幅は変更しないので、負荷3に交流電流I1及びI2が漏れていなければ、出力電流比(I1/I2)は分圧抵抗比(R1t/R2t)の逆数と同じ値になる。
したがって、負荷3に交流電流I1及びI2が漏れていない状況では、次式(3)のように、出力電流比(I1/I2)と抵抗比(R1t/R2t)とを互いに乗じた値は「1.0」となる。
式(3)の関係から、出力電流比(I1/I2)と分圧抵抗比(R1t/R2t)との積から「1.0」を減じた差分の絶対値は、負荷3への漏れ電流ILが増加するほど大きくなることが理解できる。上記差分の絶対値は、次式(4)のように、内部抵抗Rの測定誤差Errorに比例する。
そのため、上記の式(2)中の誤差閾値Tは、インピーダンス測定装置5に対して要求される測定誤差の許容値に基づき設計又は実験等により定められる。例えば、許容値が1%である場合は、誤差閾値Tに「0.01」が設定される。
式(2)に従って、分圧抵抗比(R1t/R2t)と出力電流比(I1/I2)との積が誤差閾値T以下である場合には、電流漏れ判断部630は、電流漏れが発生していないと判断し、電流供給切替え部610に対して抵抗測定状態に戻すよう指示する。
一方、分圧抵抗比(R1t/R2t)と出力電流比(I1/I2)との積が誤差閾値Tを上回る場合には、電流漏れ判断部630は、電流漏れが発生していると判断し、電流漏れの発生を示す検出信号を交流電流修正部640に出力する。
交流電流修正部640は、漏れ検出状態での分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて交流電流I1又はI2の大きさをバランスさせる処理を実行する処理手段を構成する。
本実施形態の交流電流修正部640は、交流電流I1及びI2が負荷3に漏れているとの判断がなされた場合には、分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて正極側電源部531及び負極側電源部532の少なくとも一方の電源部の出力を修正する。
例えば、交流電流修正部640は、次の式(5−1)及び式(5−2)に基づき、交流電流I1及び交流電流I2の和(I1+I2)及び分圧抵抗比(R1t/R2t)を用いて、交流電流I1の修正値I1cと交流電流I2の修正値I2cとを演算する。
ここで、交流電流の修正値I1c及びI2cの演算式である式(5−1)及び式(5−2)の導出手法について説明する。
図8に示した燃料電池スタック1の正極端子211から中途点端子213までの正極側部分に流れる流入電流I1tと、負極端子212から中途点端子213までの負極側部分に流れる流入電流I2tとの和(I1t+I2t)は、次式(6)のように交流電流I1及びI2の和(I1+I2)と等しくなる。
次に、負極側の流入電流I2tについて式(3)を解くと、次式(7)のように変形することができる。
上式(7)の右辺を式(6)中の流入電流I2tに代入すると、次式(8)のようになる。
上式(8)を正極側の流入電流I1tについて解くと、次式(9)のように変形することができる。
上式(9)の流入電流I1tは、負荷3への電流漏れが生じていない状態における燃料電池スタック1の正極端子211に供給すべき交流電流I1cの大きさに相当するため、式(5−1)が導出される。
次に、式(6)を負極側の流入電流I2tについて解くと次式(10)に変形することができ、式(10)中の流入電流I1tに式(9)の右辺を代入することにより、式(5−2)が導出される。
上述のように導出された式(5−1)及び式(5−2)に従って、交流電流修正部640は、交流電流I1の修正値I1cと交流電流I2の修正値I2cとを算出する。そして、交流電流修正部640は、算出した交流電流I1の修正値I1cを初期値設定部651に出力すると共に、交流電流I2の修正値I2cを初期値設定部652に出力する。
初期値設定部651は、交流電流修正部640からの修正値I1cを取得すると、正極側積分回路5431の積分値を修正値I1cに設定する。これにより、正極側積分回路5431が初期化されて正極側積分回路5431の初期値に修正値I1cが設定されるので、正極側電源部531により修正値I1cの交流電流が燃料電池スタック1の正極端子211へ出力される。
初期値設定部652は、交流電流修正部640からの修正値I2cを取得すると、負極側積分回路5432の積分値を修正値I2cに設定する。これにより、負極側積分回路5432が初期化されて負極側積分回路5432の初期値に修正値I2cが設定されるので、負極側電源部532により修正値I2cの交流電流が負極端子212へ出力される。
このように、電流漏れ処理部600は、インピーダンス測定装置5が漏れ検出状態に切り替えられた状態で、基準電圧比(V1t/V2t)を分圧抵抗比(R1t/R2t)として計測し、分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて、負荷3への電流漏れの有無を検出する。そして、電流漏れが生じていると判断した場合には、電流漏れ処理部600は、分圧抵抗比(R1t/R2t)を用いて、交流電流I1及びI2の振幅の各々を電流漏れが生じていないときの値にバランスさせる。
なお、本実施形態では交流電流修正部640が交流電流の修正値I1c及びI2cに基づき正極側電源部531及び532の出力を修正する例について説明したが、交流電流修正部640の処理はこれに限られるものではない。
例えば、交流電流修正部640は、交流電流の修正値I1c及びI2cを用いて内部抵抗R1及びR2を演算するものであってもよく、電流漏れ判断部630から電流漏れの発生を示す検出信号を受信した時に演算部550の出力を禁止するものであってもよい。あるいは、交流電流修正部640は、電流漏れの発生がないとの判断がなされた時の内部抵抗値(前回値)Rなどの信頼性の高い所定の値に演算結果を固定するよう演算部550に指示するものであってもよい。
また、本実施形態では電流漏れ判断部630が交流電流I1及びI2として正極側乗算器5441及び負極側乗算器5442の各出力(電流指令信号)を取得する例について説明したが、電源部531及び532の各々の出力を検出してその検出信号を取得するようにしてもよい。この場合には電流漏れの発生を検出する精度を向上させることができる。
図11は、インピーダンス測定装置5の漏れ検出状態を示す観念図である。
本実施形態では、インピーダンス測定装置5が所定の検出時期になると、電流供給切替え部610が負極側交流信号源5462の位相を反転させることにより、図11に示すように、燃料電池スタック1の全体に同一の交流電流が供給されることになる。
このような漏れ検出状態では、漏れ電流の有無にかかわらず、分圧抵抗比(R1t/R2t)の大きさは変わらず一定の値になることから、この分圧抵抗比(R1t/R2t)を基準にして実際の出力電流比(I1/I2)と対比することにより、電流漏れの有無を検出することが可能になる。
なお、本実施形態では負極側交流信号源5462の位相を反転させる例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、正極側交流信号源5461の位相のみを反転させてもよいし、正極側交流信号源5461の出力に対する負極側交流信号源5462の出力の位相を180度シフトさせるように両者を制御するようにしてもよい。また、負極側交流信号源5462の位相を反転させるのではなく、負極側積分回路5432の積分値の符号を「+」から「−」に変更するようにしてもよい。
また、本実施形態では内部抵抗Rが変化する燃料電池スタック1を測定対象とする例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、内部抵抗Rが変化しない積層電池を測定対象とする場合には、あらかじめ分圧抵抗比(R1t/R2t)を計測して記憶しておき、抵抗計測状態での抵抗比(R1/R2)に対する分圧抵抗比(R1t/R2t)の割合に応じて電流漏れの発生を判断するようにしてもよい。
図12は、本実施形態におけるインピーダンス測定方法の処理手順例を示すフローチャートである。ここでは、コントローラを用いて等電位制御を実現する例について説明する。
ステップS10においてコントローラは、交流電位差V1と交流電位差V2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の各出力を調整する等電位制御処理を実行する。等電位制御処理につては図13を参照して後述する。
ステップS20においてコントローラは、正極側の交流電位Vaと負極側の交流電位Vbとが共に所定値であるか否かを判定する。コントローラは、判定結果が肯であればステップS30へ処理を移行し、判定結果が否であればステップS10に戻る。
ステップS30においてコントローラは、交流電流I1及びI2の一部が負荷3の方に漏れ出すのを抑制する電流漏れ処理を実行する。電流漏れ処理については図14を参照して後述する。
ステップS40においてコントローラは、等電位制御処理を実行し、交流電流I1及びI2と交流電位差V1及びV2とを取得し、上述の式(1−1)及び式(1−2)に基づいて燃料電池スタック1の内部抵抗Rを演算する。
ステップS50においてコントローラは、内部抵抗Rの演算結果をコントロールユニット6に送信して、インピーダンス測定方法に関する一連の処理手順が終了する。
図13は、ステップS10で実行される等電位制御処理についての処理手順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は、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は、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、コントローラは、交流電流I1の振幅を小さくする。これによって交流電位Vaが下がる。
ステップS4においてコントローラは、正極側電源部531の出力を維持する。これによって交流電位Vaが維持される。
ステップS5においてコントローラは、正極側電源部531の出力を上げる。これによって交流電位Vaが上がる。
ステップS6においてコントローラは、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は、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S11へ処理を移行する。
ステップS8においてコントローラは、負極側電源部532の出力を下げる。これによって交流電位Vbが下がる。
ステップS9においてコントローラは、負極側電源部532の出力を維持する。これによって交流電位Vbが維持される。
ステップS11においてコントローラは、負極側電源部532の出力を上げる。これによって交流電位Vbが上がる。
ステップS8、S9又はS11の処理が完了すると、等電位制御処理が終了するため図12に示したインピーダンス制御方法の処理手順に戻る。
図14は、図12に示したステップS30で実行される電流漏れ処理についての処理手順例を示すフローチャートである。
ステップS31において電流供給切替え部610は、正極側電源部531及び負極側電源部532のうち一方の電源部の出力の位相を反転させる。
本実施形態の電流供給切替え部610は、負極側交流信号源5462の位相を反転させることで、負極側電源部532から出力される交流電流I2の位相を180度シフトさせる。これにより、図11に示したように、燃料電池スタック1の正極端子211から負極端子212までの全体に同一の交流電流が供給される。すなわち、インピーダンス測定装置5の電流供給状態が、抵抗測定状態から漏れ検出状態に切り替えられる。
ステップS32において抵抗比演算部620は、漏れ電流検出状態における分圧抵抗比(R1t/R2t)を演算する。
本実施形態では、抵抗比演算部620は、正極側検出部521及び負極側検出部522から、それぞれ漏れ検出状態での交流電位差V1及び電流電位差V2を取得し、漏れ検出
状態での基準電圧比(V1t/V2t)を求める。抵抗比演算部620は、求めた基準電
圧比(V1t/V2t)を分圧抵抗比(R1t/R2t)として電流漏れ判断部630に
出力する。
ステップS33において電流漏れ判断部630は、分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて、交流電流I1及びI2の一部が負荷3に漏れているか否かを判断する。例えば、電流漏れ判断部630は、出力電流比(I1/I2)と分圧抵抗比(R1t/R2t)との関係に基づき、負荷3への電流漏れの有無を判断する。
本実施形態の電流漏れ判断部630は、上記の式(2)のように、出力電流比(I1/I2)と分圧抵抗比(R1t/R2t)との乗算値から「1.0」を減じた差分の絶対値が誤差閾値Tを超えたか否かを判断する。電流漏れ判断部630は、その差分絶対値が誤差閾値T未満である場合には、負荷3への電流漏れが発生していないと判断し、ステップS36の処理に進む。
一方、差分絶対値が誤差閾値T以上である場合には、電流漏れ判断部630は、負荷3への電流漏れが発生していると判断する。そして電流漏れ判断部630は、電流漏れの発生を示す検出信号を交流電流修正部640に出力する。
ステップS34において交流電流修正部640は、電流漏れ判断部630から検出信号を受信すると、分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて正極側電源部531及び負極側電源部532の出力である交流電流I1及びI2を修正する。
本実施形態の交流電流修正部640は、式(5−1)及び式(5−2)のように、分圧抵抗比(R1t/R2t)と交流電流I1及びI2とを用いて、交流電流I1の修正値I1cと交流電流I2の修正値I2cとを算出する。交流電流修正部640は、修正値I1cを初期値設定部651に出力し、修正値I2cを初期値設定部652に出力する。
ステップS35において、初期値設定部651は、正極側積分回路5431の出力値I1を初期化して正極側積分回路5431の初期値を修正値I1cに設定する。初期値設定部652は、負極側積分回路5432の出力値I2を初期化して負極側積分回路5432の初期値を修正値I2cに設定する。
ステップS36において電流供給切替え部610は、ステップS31で位相を反転させた一方の電源部の出力位相を元に戻す。
本実施形態の電流供給切替え部610は、負極側交流信号源5462の位相を反転させることで、負極側電源部532から出力される交流電流I2の位相を180度シフトさせる。これにより、燃料電池スタック1の正極端子211から中途点端子213までの正極側部分に交流電流I1が供給され、負極端子212から中途点端子213までの負極側部分に交流電流I2が供給される。すなわち、インピーダンス測定装置5の電流供給状態が漏れ検出状態から抵抗測定状態に切り替えられる。
ステップS36の処理が完了すると、電流漏れ処理が終了するため図12に示したインピーダンス測定方法の処理手順に戻り、交流調整部540により等電位制御が実行される。
本発明の第1実施形態によれば、正極側電源部531及び負極側電源部532は、積層電池である燃料電池スタック1の中途点213を基準とし、燃料電池スタック1の正極211及び負極212の双方に対し交流電流I1及びI2をそれぞれ出力する電源手段を構成する。また、正極側電源部531及び負極側電源部532は、燃料電池スタック1における正極211と中途点213との間の正極側電位差V1、及び、負極212と中途点213との間の負極側電位差V2を検出する検出手段を構成する。さらに、交流調整部540は、検出手段により検出される電位差に基づいて正極側電源部531及び負極側電源部532の出力を調整する調整手段を構成する。
そして、演算部550は、正極側電源部531及び負極側電源部532により出力される交流電流I1及びI2の大きさと、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とを取得する。演算部550は、取得した交流電流I1及びI2と交流電位差V1及びV2とに基づいて、燃料電池スタック1のインピーダンスRを演算する演算手段を構成する。
さらに、電流漏れ処理部600は、正極211から中途点213までの正極側内部抵抗R1tと、中途点213から負極212までの負極側内部抵抗R2tとの抵抗比率である分圧抵抗比(R1t/R2t)を取得する。例えば、分圧抵抗比の変動が少ない積層電池を測定対象とする場合には、電流漏れ処理部600にあらかじめ計測した分圧抵抗比(R1t/R2t)を記憶しておいてもよい。
電流漏れ処理部600の電流漏れ判断部630は、取得した分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて、交流電流I1及びI2の一部が燃料電池スタック1の負荷3へ漏れているか否かを判断する判断手段を構成する。電流漏れ処理部600は、交流電流I1及びI2の一部が負荷3へ漏れていると判断された場合には、交流電流I1及びI2の大きさをバランスさせる処理を実行して、演算部550に対してインピーダンスRを演算させる処理手段を構成する。
このようにインピーダンス測定装置5は、電流漏れ判断部630を備えることにより、分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて負荷3への電流漏れの有無を判断することが可能になる。燃料電池スタック1を介して負荷3の方に漏れ出る電流が増加するほど、インピーダンスRを測定する精度が低下するため、負荷3への電流漏れの発生を検出することで、インピーダンスRの測定精度が低下するのを抑制することが可能になる。
例えば、負荷3などの外部で発生したノイズがインピーダンス測定装置5に混入するような場合には偶発的に等電位制御が正しく行われなくなることがある。このような状況では、図8に示したように負荷3に漏れ電流ILが流れてしまい、等電位制御が実行されることにより、かえって、交流電流I1及びI2や、交流電位差V1及びV2、内部抵抗R1及びR2などのパラメータが本来の値から外れてしまう。その結果、インピーダンスRの測定精度が低下することになる。
これに対して、分圧抵抗比(R1t/R2t)は、負荷3への電流漏れの有無にかかわらず正確に計測できることから、この分圧抵抗比(R1t/R2t)を基準にパラメータの実測値と対比することにより、負荷3に交流電流が漏れていることを精度良く検出することが可能になる。また、分圧抵抗比(R1t/R2t)については正極側検出部521及び負極側検出部522の構成を変更することなく計測することが可能であることから、インピーダンス測定装置5の回路規模の増加を抑制することができる。
したがって、本実施形態によれば、インピーダンス測定装置5の構成が複雑になるのを抑制しつつ、インピーダンスRの測定精度の低下を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、電流供給切替え部610は、正極211及び負極212のうち一方の電極から他方の電極までの全部に交流電流を供給する。一方の電極から他方の電極までの全体に同一の交流電流が供給されている状態で、抵抗比演算部620は、正極側の交流電位差V1と負極側の交流電位差V2との比率である基準電圧比(V1t/V2t)を分圧抵抗比(R1t/R2t)として計測する計測手段を構成する。
このように、電流漏れ処理部600は、燃料電池スタック1の全部に同一の交流電流を供給することにより、電流漏れの影響を受けることなく基準電圧比(V1t/V2t)を正確に計測することができる。
また、燃料電池スタック1の全部に同一の交流電流を供給することにより、基準電圧比(V1t/V2t)は分圧抵抗比(R1t/R2t)と同じ値であるとみなすことができる。したがって、基準電圧比(V1t/V2t)を計測するだけで正確な分圧抵抗比(R1t/R2t)を求めることが可能になる。これに伴い、交流電流I1及びI2並びに交流電位差V1及びV2を用いて内部抵抗R1及びR2をそれぞれ演算して分圧抵抗比を求める必要がないので、分圧抵抗比の演算処理を低減することができる。
また、本実施形態によれば、計測手段を構成する電流供給切替え部610は、他方の電極212から中途点213に出力される交流電流I2の位相を反転させる。このように交流電流I2の位相を反転させることにより、図11に示したように、燃料電池スタック1の一方の電極211から他方の電極212までの部分に1つの交流電流を供給することができる。したがって、簡易な手法により、分圧抵抗比(R1t/R2t)を計測することが可能になる。
また、本実施形態によれば、交流電流修正部640は、電流漏れ判断部630により交流電流I1及びI2の一部が負荷3に漏れているとの判断がなされた場合に分圧抵抗比(R1t/R2t)に基づいて交流電流I1及びI2の大きさを制御する。
例えば、交流電流修正部640は、燃料電池スタック1の正極211及び負極212に出力される各交流電流I1及びI2の大きさ、及び、分圧抵抗比(R1t/R2t)を用いて正極側電源部531及び負極側電源部532の各出力を修正する。具体的には、交流電流修正部640は、上記の式(5−1)及び式(5−2)を用いて交流電流の修正値I1c及びI2cを求め、交流電流I1及びI2がそれぞれ修正値I1c及びI2cとなるよう正極側電源部531及び負極側電源部532の入力信号を調整する。
これにより、電流漏れがない状態で等電位制御が正しく行われることになるので、演算部550で取得される交流電位差V1及びV2並びに交流電流I1及びI2の誤差が小さくなり、インピーダンスRの測定誤差を抑制することができる。
また、交流電流修正部640は、電流漏れが発生したとの判断がなされた場合には、演算部550の演算結果を破棄又は送信停止するキャンセル処理、又は、演算結果を信頼性の高い所定値に固定するホールド処理を実行するものであってもよい。あるいは、交流電流修正部640は、交流電流の修正値I1c及びI2cを用いて演算結果を補正する補正処理を実行するものであってもよい。このような処理を実行することによっても、インピーダンスRの測定誤差を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、電流漏れ判断部630は、燃料電池スタック1の正極211に出力される正極側交流電流I1と、負極212に出力される負極側交流電流I2とを取得する。電流漏れ判断部630は、取得した交流電流I1及びI2、並びに、基準電圧比(V1t/V2t)に基づいて、交流電流I1及びI2が負荷3に漏れているか否かを判断する。
このように、漏れ電流の大きさに応じて変化する交流電流I1及びI2を、漏れ電流の影響を受けない基準電圧比(V1t/V2t)と比較することで、簡易な処理により電流漏れの発生を検出することが可能になる。
また、本実施形態によれば、交流調整部540は、交流電位差V1と交流電位差V2が互いに等しくなるよう交流電流I1及び交流電流I2の振幅を調整する。そして電流漏れ判断部630は、交流電流I1と交流電流I2との比率である出力電流比(I1/I2)を用いて、負荷3に交流電流I1及びI2の一部が漏れているか否かを判断する。
負荷3に交流電流I1及びI2の一部が漏れていない場合には、演算部550は、交流調整部540で調整された交流電流I1及び交流電位差V1に基づいて正極側インピーダンスR1を演算し、調整された交流電流I2及び交流電位差V2に基づいて負極側インピーダンスR2を演算する。
このように、交流電位差V1と交流電位差V2が等しくなるよう内部抵抗R1及びR2のバラツキに合わせて交流電流I1及びI2の振幅が調整されるので、漏れ電流がなければ出力電流比(I1/I2)は分圧抵抗比(R1t/R2t)の逆数と等しくなる。
したがって、漏れ電流はなければ、出力電流比(I1/I2)と分圧抵抗比(R1t/R2t)との積は「1.0」になる。それゆえ、上記の式(2)のように、その積と「1.0」との差分を求めることで、電流漏れの有無を判断することが可能になる。このように、電流漏れの影響を受けない分圧抵抗比(R1t/R2t)を電流漏れの影響を受ける出力電流比(I1/I2)と対比することにより、電流漏れの有無を正確に判断することができる。
また、電流漏れ判断部630は、負荷3と燃料電池スタック1との間に配置されたスイッチ2が切断状態から接続状態に切り替えられた場合に、交流電流I1及びI2が負荷3に漏れているか否かを判断する。
スイッチ2が切断状態から接続状態に切り替えられたタイミングにおいて、負荷3からインピーダンス測定装置5にノイズが混入して交流調整部540による等電位制御が正しく行われなくなることがある。この対策として、スイッチ2の切替え後、交流電位差V1及びV2が互いに等しくなったときに電流漏れの判断を行うことで、電流漏れによる測定精度の低下を的確に抑制することができる。
また、本実施形態によれば、電流漏れ処理部600は、正極側電源部531及び負極側電源部532と正極側検出部521及び負極側検出部522と交流調整部540と演算部550とを備えるインピーダンス測定装置5の測定状態を診断する診断装置を構成する。電流漏れ処理部600は、正極側内部抵抗R1tと負極側内部抵抗R2tとの抵抗比率(R1t/R2t)を計測する計測手段を構成する電流供給切替え部610及び抵抗比演算部620を備える。さらに電流漏れ処理部600は、抵抗比率(R1t/R2t)に基づいて交流電流I1及びI2が負荷3に漏れているか否かを判断する判断手段を構成する電流漏れ判断部630を備えている。
これにより、電流漏れを検出した場合には、正極側電源部531及び負極側電源部532の出力をバランスさせる処理や、演算部550による演算結果を補正する補正処理などを実行することが可能になる。したがって、インピーダンス測定装置5の測定精度の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態ではインピーダンス測定装置5の電流供給状態を漏れ検出状態に切り替えるために交流電流I1又はI2の位相を反転させる例について説明したが、漏れ検出状態に切り替える手法はこれに限られるものではない。そこでインピーダンス測定装置5の電流供給状態を漏れ検出状態に切り替える別の手法について説明する。
(第2実施形態)
図15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5の構成例を示す図である。
本実施形態のインピーダンス測定装置5は、図9に示した電流漏れ処理部600に代えて、電流漏れ処理部601、スイッチ631、及びスイッチ632を備えている。他の構成については、図2に示したインピーダンス測定装置5の構成と同じであるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。
スイッチ631は、中途点直流遮断部513と接地線533との間に接続され、中途点端子213と接地線533とを接続又は遮断する。
スイッチ632は、負極側直流遮断部512と負極側電源部532の接地線との間に接続され、負極端子212と負極側電源部532の接地線とを接続又は遮断する。
電流漏れ処理部601は、図9に示した電流漏れ処理部600に対応し、同様の機能を有する。電流漏れ処理部601は、インピーダンス測定装置5が所定の検出時期になると、負極側電源部532の出力を停止し、スイッチ631を切断状態に切り替えると共にスイッチ632を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の電流供給状態を、正極端子211から負極端子212に同一の交流電流I1が供給される漏れ検出状態に切り替えることができる。
このように、本実施形態によれば、インピーダンス測定装置5が所定の検出時期になると、負極側電源部532の出力を停止するので、第1実施形態に比べてインピーダンス測定装置5の消費電力を低減することができる。
なお、正極側直流遮断部511と正極側電源部531の接地線との間にスイッチ632を接続し、所定の検出時期になると、正極側電源部531の出力を停止してスイッチ631を切断状態に切り替えると共にスイッチ632を接続状態に切り替えるようにしてもよい。これにより、インピーダンス測定装置5の電流供給状態を、負極端子212から正極端子211に同一の交流電流I2が供給される漏れ検出状態に切り替えることができる。
このようにインピーダンス測定装置5の電流供給状態を漏れ検出状態に切り替えたとしても、第1実施形態と同様、漏れ電流ILの影響を受けることなく、燃料電池スタック1の分圧抵抗比(R1t/R2t)を正確に計測することができる。これにより、分圧抵抗比(R1t/R2t)を基準にして漏れ電流ILの有無を正確に判定することができるようになる。
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。
例えば、上記実施形態では交流調整部540に電流漏れ処理部600を備える例について説明したが、電流漏れ処理部600は、交流調整部540の外部に設けてもよく、例えば演算部550に備えるようにしてもよい。
また、上記実施形態では図9に示した正極側検波回路5411が検出信号の実軸成分を抽出する例について説明したが、検出信号の実軸成分の二乗値と虚軸成分の二乗値との和の平方根を演算してベクトル値を求め、これを検出信号V1として出力してもよい。なお、検出信号の虚軸成分は、交流電流I1と位相が直交する直交信号を検出信号に乗算して平滑化することにより得られる。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。
さらに、上記実施形態では演算部550が燃料電池スタック1の内部抵抗を求める例について説明したが、演算部550は、内部抵抗に加え、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、上記実施形態ではインピーダンス測定装置5が燃料電池スタック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、正極側検出部521及び負極側検出部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、その交流電流(例えば交流電流I1)とを用いて内部抵抗を演算するようにしてもよい。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の一方の出力を調整するようにしてもよい。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。この場合にも正極端子211に生じる交流電位Vaと、負極端子に生じる交流電位Vb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との抵抗比をあらかじめ求め、その抵抗比に合わせて交流電位差V1及びV2の各振幅の基準値Vsをそれぞれ設定すればよい。
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。