WO2007004732A1

WO2007004732A1 - 燃料電池システム及び交流インピーダンスの測定方法

Info

Publication number: WO2007004732A1
Application number: PCT/JP2006/313635
Authority: WO
Inventors: Kota Manabe; Masahiro Shige
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2007-01-11
Also published as: DE112006001747T5; US8889309B2; CN101218704A; JP5136945B2; JP2007018741A; CN101218704B; DE112006001747B4; US20090226770A1

Abstract

交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池（１００）の発電を安定させる発電安定化手段（１０３）と、燃料電池（１００）の発電が安定した後に、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段（１０４）と、を備える。燃料電池（１００）の発電を安定させた後に、低周波領域の交流インピーダンスを測定するようにしたので、測定時に外乱が発生することなく、高い精度で交流インピーダンスを測定することが可能である。高い精度で交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システム及び測定方法が提供できる。

Description

明細書

燃料電池システム及び交流インピーダンスの測定方法

技術分野

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の動作状態を検出する交流ィンピーダンスの測定技術の改良に関する。

背景技術

燃料電池の出力は、燃料電池の内部状態、例えば、電解質膜の湿潤度に影響を受けることが知られている。この電解質膜の湿潤度は、燃料電池の複素インピーダンスと相関があることから、従来、燃料電池の出力に交流信号を印加し、電圧に対する電流の振幅比と位相のずれの両方を検出することにより、複素インピーダンスを演算し、燃料電池の動作状態を監視することが提案されていた。

例えば、特開 2 0 0 3— 8 6 2 2 0号公報には、燃料電池の出力信号に周波数を高周波から低周波まで変化させながら制限波信号を印加した場合の燃料電池の複素インピーダンスを求め、燃料電池の内部水分量不足時に増加する抵抗成分 R 1と、内部水分量過剰時に増加する抵抗成分 R 2とから燃料電池の水分状態を推定する燃料電池システムが記載されている。抵抗成分 R 1は高周波の正弦波信号を印加することで測定され、抵抗成分 R 2は低周波の正弦波信号を印加することで測定されるものとされていた。同様の技術として、特開 2 0 0 3 - 2 9 7 4 0 8号公報には、電気化学セルの電圧あるいは電流の一方から被測定ガスの含水量を検出するよう構成された燃料電池システムが記載されている。

上記従来技術によって、燃料電池のインピーダンスを測定することで、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することができていた。発明の開示

し力、しな力《ら、上記従来の技術において、特に低周波の正弦波信号を印加する場合に、測定精度が低下するという傾向があった。これは、燃料電池の負荷がポンプやコンプレッサ等の補機であるため、この補機の動作状態に応じて燃料電池の出力電電流が変動することに起因している。つまり、補機の動作に応じて負荷状態が変動し、燃料電池の出力電流が変化してしまうためであると考えられる。電流量は、交流インピーダンスを定める要素となるため、負荷状態に応じて電流が周期的に変動したのでは、測定される交流インピーダンスが不正確な値になってしまう。そこで本発明は、上記課題を解決するために、高い精度で交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システム及び測定方法を提供することを目的としている。上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、燃料電池の発電状態であることが検出されたときに、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を備えたことを特徴とする。

また本発明の交流インピーダンスの測定方法は、燃料電池システムにおける交流インピーダンスの測定方法であって、燃料電池の発電を安定状態に維持するステツプと、燃料電池の発電が安定した後に、交流インピーダンスを測定するステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、交流インピーダンスの測定に先立って、まず燃料電池の発電を安定させる処理が実行されるので、交流インピーダンス測定時には燃料電池の発電の変動要因が排除される。したがつてこの状態で測定される交流インピーダンスは燃料電池の水分状態に対応したものとなリ、正確な複素ィンピーダンスを示す。

ここで、「交流インピーダンス」は、例えば低周波領域で測定される。「低周波領域」とは、交流インピーダンスを測定しうる範囲のうち相対的に低い周波数領域を意味し、周波数 ω = 0をも含みうる概念である。このような周波数領域における交流インピーダンスは、燃料電池の発電状態に応じて変動しうるものである。

ここで、「発電の安定状態」とは、燃料電池の発電出力（電力、電流、電圧）が一定値という意味の他に、所定の発電出力領域（レンジ）以下に発電出力変化が抑制されていることも意味する。

さらに発電安定化手段は、燃料電池の発電電流を一定に維持することは好ましし、。ここにいう「一定」とは、電流が一定値という意味の他に、所定の電流領域（レンジ）以下に電流変化が抑制されていることも意味する。

本発明において、発電安定化手段は、燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、燃料電池の出力が安定するように、燃料電池と蓄電装置との間の電力授受を制御する電力制御手段とを含むように構成することができる。燃料電池の発電が安定すると一定の電力が出力されるようになるが、要求されている負荷パワーがこの出力電力よりも少ない場合には余剰な電力が発生する。この点、上記構成によれば、余剰な電力が蓄電装置に充電されるので、エネルギーの有効利用が図れる。なお、電力の余剰は、燃料電池と電気的に接続されている負荷装置（例えば駆動用モータ等）による消費電力（負荷パワー）が燃料電池の発電電力より小さい場合に生ずる。また本発明において、発電安定化手段は、燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、燃料電池の出力が安定することによる不足電力を、蓄電装置からの放電によリ補わせる電力制御手段とを含むように構成することができる。燃料電池の、発電を安定させると一定の電力が出力されるようになる力、要求されている負荷パワーがこの出力電力よりも大きい場合には不足な電力が発生する。この点、上記構成によれば、不足する電力が蓄電装置から供給されるので、交流インピーダンス測定中に要求負荷パワーの増加を生じたとしても、対応することが可能である。なお、電力の不足は、燃料電池と電気的に接続されている負荷装置（例えば駆動用モータ等）による消費電力（負荷パワー）が燃料電池の発電電力より大きい場合に生ずる。さらに本発明において、インピーダンス測定手段は、不足電力が、蓄電装置からの放電により補われる電力を超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させるように構成してもよい。燃料電池からの安定化された発電量で不足する電力を蓄電装置からの放電で補填する場合でも、急にアクセルが操作された場合等、急激に要求負荷パワーが上昇するときには蓄電装置からの放電を補填しても要求負荷パワーを補い切れない場合がある。この点、上記構成によれば、蓄電装置から放電可能な電力を超えた要求負荷があった場合には、一旦交流インピーダンスの測定が中断されるので、急激な負荷変動に対応させることが可能である。

また、本発明において、インピーダンス測定手段は、蓄電装置の充放電可能電力が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させることは好ましし、。蓄電装置は、その容量に応じて充放電が可能に構成されているが、その時の蓄電装置その他関連装置の温度によっては、電力系にその時に流せる電流が制限される場合がある。この点、上記構成によれば、蓄電装置の電力に所定の制限がある場合にインピーダンス測定が中止されるので、システムの安全や耐久性を向上させる上で好ましい。

さらに本発明では、燃料電池が低出力運転モードである場合に、燃料電池の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させるように構成してもよい。交流インピーダンスは、印加交流電圧に対する電流の位相の遅れを参照するものであるため、ある程度の電流を供給しないと精度が低い。アイドル運転状態等の低電力運転モードでは発電量が少ないために交流インピーダンス測定に適した電流量でない場合がある。この点、上記構成によれば、低電力運転モード時には発電量を上昇させてから測定に入るので、精度の高いインピーダンス測定が行える。なお、「低出力運転モード」とは、燃料電池の定格出力や最大出力に対して相対的に出力が低い状態で運転されるモードをいう。

上記構成を踏まえた具体的な本発明の燃料電池システムは、交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池からの充電及び負荷装置への放電が可能に構成された蓄電装置と、燃料電池の発電を安定化させる発電安定化手段と、燃料電池の発電が安定化した後に、交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、安定した燃料電池による発電により余剰電力が発生する場合に、余剰電力を蓄電装置に充電させる充電手段と、安定した燃料電池による発電により不足電力が発生する場合に、不足電力を蓄電装置から放電させて補う放電手段と、燃料電池が低出力運転モードである場合に、燃料電池の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させる発電量増加手段と、不足電力が、蓄電装置からの放電可能電力を超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させる第 1測定中止手段と、燃料電池の充放電可能電力が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させる第 2測定中止手段と、を備えたことを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1 ：実施形態に係るハイブリッド燃料電池システムのブロック図

図 2 ：本発明の機能ブロック図

図 3：実施形態 1に係る交流インピーダンス測定方法を説明するフローチャート図 4：実施形態 2に係る交流ィンピーダンス測定方法を説明するフローチヤ一ト発明を実施するための最良の形態

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイプリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

(実施形態 1 )

この実施形態 1は、燃料電池の発電を安定させた後に、低周波領域の交流インピ一ダンスを測定する燃料電池システムに係り、特に、燃料電池発電安定化に伴う余剰電力または不足電力を蓄電装置充放電可能に構成した例に関する。

図 2に、本ハイプリッド燃料電池システムで実現される本発明の交流ィンピ一ダンス測定に係る機能ブロック図を示す。

図 2に示すように、本ハイブリッド燃料電池システムは、燃料電池 1 0 0と、燃料電池 1 0 0からの充電及び負荷装置 1 0 2への放電が可能に構成された蓄電装置 1 0 1とを備えている。負荷装置 1 0 2に対する電力が燃料電池 1 0 0及び蓄電装置 1 0 1の一方または双方から供給可能になっており、負荷装置 1 0 2で生じた回生電力が蓄電装置 1 0 1に充電可能になっている。これら燃料電池システムの交流インピーダンスの測定機能が制御部 3によって提供されている。

制御部 3は、以下の機能ブロックを備えて構成されている。

1 ) 燃料電池 1 0 0の発電を安定化させる発電安定化手段 1 0 3 ；

2 )燃料電池 1 0 0の発電が安定化した後に、交流インピーダンスを測定するィンピーダンス測定手段 1 0 4；

3 )安定した燃料電池 1 0 0による発電により余剰電力が発生する場合に、余剰電力を蓄電装置 1 0 1に充電させる充電手段 1 0 5 ；

4 )安定した燃料電池による発電により不足電力が発生する場合に、不足電力を蓄電装置 1 0 1から放電させて補う放電手段 1 0 6 ；

5 )不足電力が、蓄電装置 1 0 1からの放電可能電力を超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させる第 1測定中止手段 1 0 8 ；

6 )燃料電池 1 0 0の充放電可能電力が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させる第 2測定中止手段 1 0 9 ；及び

7 )燃料電池 1 0 0が低出力運転モードである場合に、燃料電池 1 0 0の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させる発電量増加手段 1 0 7。以上の構成のうち構成要素 7の発電量増加手段については実施形態 2で説明することとし、本実施形態 1ではそれ以外の機能プロックで実現される処理について説明する。

図 1に、具体的な本ハイプリッド燃料電池システムのプロック図を示す。

図 1に示すように、ハイブリツド燃料電池システムは、燃料電池 1 0 0にァノードガスである水素ガスを供給するァノードガス供給系 1、燃料電池 1 0 0に力ソードガスである空気を供給するカソードガス供給系 2、本発明に係る交流ィンピ一ダンス測定方法を実行する制御部 3、及び交流インピーダンスの被測定対象となる電力系 4から構成されている。

燃料電池 1 0 0は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、 M E A (Membrane E l ectrode Assemb l y) と呼ばれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレーター対で挟み込んだ構造をしている。 M E Aは高分子電解質膜をァノード極及び力ソード極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。アノード極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、力ソード極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。その他、燃料電池の形態として、リン酸型、溶融炭酸塩型等を用いることが可能である。

燃料電池 1 0 0は水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側には燃料ガス供給系統 1からァノードガスである水素ガスが供給される。力ソ —ド（陽極）極側には力ソードガス供給系統 2から酸素を含んだ力ソードガスである空気が供給される。アノード極側では式（1 ) のような反応を、力ソード極側では式（2 ) のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。

H ₂ → 2 H + + 2 e " … （ 1 )

2 H ⁺ + 2 e " + ( 1ノ 2 ) 0₂ → H ₂ 0 … （2 )

アノードガス供給系 1 としては、燃料ガスである水素ガス供給源としての水素タンク 1 0、アノードガス供給路 1 1、アノードオフガス排出路 1 2を備える。その他、図示しないが、水素ガスを流通させるための水素ポンプ、水素ガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等を備えていてもよい。水素タンク 1 0には高圧の水素ガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。アノードガス供給路 1 1は、高圧の水素ガスを供給する配管であり、途中に図示しない調圧弁 (レギユレ一タ）等を備えていてもよい。アノードガス供給路 1 1から供給された水素ガスは、燃料電池 1 0 0内において、マ二ホールド経由で各単セルのアノード極側に供給され、 M E Aのアノードにおいて電気化学反応を生じてからアノードォフガス（水素オフガス）として排出される。アノードオフガス排出路 1 2は、燃料電池 1 0 0から排出されたァノードオフガスを排出する経路であり、循環経路を形成していてもよい。循環経路を形成させるには、図示しない逆止弁やェジェクタを介して、再びアノードガス供給路 1 1にアノードオフガスを戻すように構成される。力ソードガス供給系 2は、コンプレッサ 2 0、力ソードガス供給路 2 1、.カソードオフガス排出路 2 2を備える。その他、図示しないが、酸化ガスであリカソードガスである空気の湿度を制御するための加湿器、力ソードオフガス（空気オフガス）を除去する気液分離器、アノードオフガスを力ソードオフガスと混合するための希釈器、消音器等を備えていてもよい。

コンプレッサ 2 0は、エアクリ一ナ等から取リ入れられた空気を圧縮し、空気量や空気圧を変更し、燃料電池 1 0 0のカソード極側に供給するものである。カソードガス供給路 2 1から供給された空気は、燃料電池 1 0 0内において、水素ガスと同じくマ二ホールド経由で各単セルの力ソード極側に供給され、 M E Aの力ソードにおいて電気化学反応を生じてから力ソードオフガスとして排出される。燃料電池 1 0 0から排出された力ソードオフガスは、アノードオフガスと希釈されてから排出される。

電力系 4は、パ、ッテリ 4 0、 D C— D Cコンバータ 4 1、トラクシヨンインバータ 4 2、トラクシヨンモータ 4 3、補機インバータ 4 4、高圧補機 4 5、バッテリコンピュータ 4 6、電流センサ 4 7、電圧センサ 4 8、逆流防止ダイォード 4 9等を備えている。

バッテリ 4 0は、本発明の蓄電装置 1 0 1に係り、充放電可能な二次電池である。バッテリとしては、ニッケル一水素電池等、様々な種類の二次電池を用いることができる。二次電池の代わりに、充放電が可能な蓄電装置、例えばキャパシタを用いることが可能である。ノくッテリ 4 0は、一定電圧で発電するバッテリーュニッ卜を複数積層し直列接続することによって高電圧を出力可能とすることができる。バッテリコンピュータ 4 6は、バッテリ 4 0の出力端子に設けられており、制御部 3と通信可能になっている。パッテリコンピュータ 4 6は、ノ《ッテリ 4 0の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持するとともに、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部 3に通知するようになつている。

D C— D Cコンバータ 4 1は、一次側と二次側との間で電圧の昇圧降圧をして電力を流通させるものである。例えば、一次側のバッテリ 4 0の出力電圧を、二次側の燃料電池 1 0 0の出力電圧にまで昇圧して、トラクシヨンモータ 4 3や高圧補機 4 5等の負荷装置 1 0 2に電力を供給する。逆に、二次側において燃料電池 1 0 0の余剰電力や負荷装置 1 0 2からの回生電力を、降圧して一次側のバッテリ 4 0 に充電するために通過させる。

トラクシヨンィンバ一タ 4 2は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ 4 3に供給するものである。トラクシヨンモータ 4 3は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。

補機ィンバータ 4 4は、高圧補機 4 5を駆動するための直流一交流変換手段である。高圧補機 4 5は、コンプレッサ 2 0、水素ポンプ、冷却系のモータ類等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。

電流センサ 4 7は、 D C— D Cコンバータ 4 1の二次側の電流を検出し、検出信号 S i として制御部 3へ供給することが可能になっている。電圧センサ 4 8は、二次側の電圧を検出し、検出信号 S eとして制御部 3へ供給することが可能になっている。

制御部 3は、 C P U (中央処理装置）、 R A M、 R O M , インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部 3は、内蔵 R O M等に格納されているソフトウエアプログラムを順次実行することにより、主としてァノ一ドガス供給系 1、力ソードガス供給系 2、電力系 4を含む燃料電池システム全体を制御する他、当該燃料電池システムにおいて本発明の交流インピーダンス測定方法を実行させることが可能になっている。

具体的に制御部 3は、以下の幾つかの動作ブロックに分割されている。特に本発明に関連するブロックとして、フィルタ 3 0、 3 1、 F F T処理部 3 2、 3 3、補正処理部 3 4、インピーダンス解析部 3 5、判断部 3 6、記憶装置 3 7、交流信号発生器 3 8、交流信号加算器 3 9を備えている。

交流信号発生器 3 8は、電源配線に重畳させる交流信号を発生する発振器であり、好ましくは交流信号を高低二種類の周波数で発生させることが可能に構成されている。燃料電池は、電解質膜の保湿量等の内部状態に応じて、交流インピーダンスの周波数特性が変化するものであるため、最低二つの異なる周波数における交流ィンピーダンスを測定することにより、電解質膜が水分過多状態であるか乾燥状態であるかを検出可能だからである。例えば、 3 0 0 H z前後の周波数を高周波交流信号、 1 O H _Z以下の周波数を低周波交流信号とすることで、燃料電池の内部状態を類推可能となる。加算器 3 9は、例えばパワートランジスタ等で構成されており、交流信号発生器 3 8からベースに印加される交流信号を電源配線に重畳させる（変調する）ものである。または、交信号発生器 3 8の出力を D C— D Cコンバータ 4 1の指令電圧に重畳させてもよい。

なお、本発明は、高圧補機等が動作していることにより発生する電流変動によつて交流ィンピ一ダンスが正確に測定できなくなることを防止するものである。

フィルタ 3 0及ぴ 3 1は、パンドパスフィルタであり、交流信号発生器 3 8における発信周波数に対応した交流信号のみを通過させるものである。フィルタ 3 0は、電流センサ 4 7で検出された検出信号 S iのうち、交流インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。フィルタ 3 1は、電圧センサ 4 8で検出された検出信号 S eのうち、交流インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。

F F T処理部 3 2及び 3 3は、電流検出信号 S iや電圧検出信号 S eに対し高速フーリエ変換演算を行い、測定周波数成分における電流検出信号 S iや電圧検出信号 S eをそれぞれ実部と虚部（a i + j b i、 a _Θ + j b _e ) に分離する。インピーダンス解析部 35は、 F FT処理された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいて交流インピーダンス X (a_x+ j b_x) を算出し、複素平面上での原点からの距離 (実効値） r ( = " (a_x ²+ j b_x ²) と位相角 Θ (= t a n—¹ (bZa) ) とを求め、印加された周波数の交流信号における交流インピーダンスを求めるものである。

ここで補正処理部 34は、フィルタ 30及び 3 1のフィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を補正するものである。補正処理部 34は、予め測定しているフィルタ 30及び 3 1の位相遅れ及びゲイン変動に基づき、 F FT処理部 32及び 33における実部と虚部の係数（aい b i、 a _e、 b_e) の補正を行う。この補正処理により、フィルタ特性に応じて生じる位相遅れやゲイン変動を取り除いた実際の電圧検出信号及び電流検出信号が得られるのである。

判断部 36は、インピーダンス解析部 35において求められた実効値と位相角、または、二つの異なる周波数 f 1及び f 2における複素平面における実部と虚部 (a_{x f 1}、 b_{X f 1}) (a_{X f 2}、 b_{X f 2}) を記憶装置 37に記憶させる。燃料電池の抵抗過電圧と拡散過電圧を求めるには、複素平面における二つの点に基づき幾何学的な計算によリ、複素平面におけるインピーダンス曲線を求め、周波数を無限大とした場合の抵抗値を電解質膜の抵抗とし、周波数をゼロとした場合の抵抗値を活性化過電圧と拡散過電圧の抵抗換算値とする。

なお、交^信号発生器 38における発信周波数を変化させながらそれぞれについて交流インピーダンスを求め記憶させていくように構成するならば、特殊な幾何演算をすることなく、インピーダンス曲線を求めることができる。

さて、判断部 36はこの交流インピーダンス測定の前提として、この燃料電池システムの動作状態を本発明に基づき制御するように構成されており、以下、それを詳しく説明する。

図 3のフローチャートを参照して、判断部 36で実施される、本実施形態 1の交流インピーダンス測定方法を説明する。この交流インピーダンスの測定方法では、特に、燃料電池 1 0 0の発電を安定させた後に、低周波領域の交流インピーダンスを測定するように処理することを特徴としている。

まず、低周波における交流ィンピーダンス測定を実施するモードになっているか否かが検査される（S 1 ) 。低周波における交流インピーダンス測定とは、燃料電池の動作状態によって影響が及ぼされるような周波数帯域における交流インピーダンス測定を意味する。例えば、 1 O H _Z以下の周波数帯域をいう。

低周波における交流インピーダンス測定モードとなっていなかった場合（S 1 ： N O ) 、交流インピーダンス測定モードに切り替えるか否かの判断を下す。まず、本発明の第一の特徴として燃料電池 1 0 0の発電を安定させる。具体的には、燃料電池 1 0 0において、トラクシヨンモータ 4 3や高圧補機 4 5のトルクを一定にして負荷状態を安定化させ、かつ、燃料電池 1 0 0に供給される水素ガスや空気の流通量を一定にする。これにより燃料電池の運転状態を安定化させ、この結果として燃料電池 1 0 0による発電電流を一定にさせる（S 2 ) 。このときの一定値となつた発電電力を固定値 P cとする。

次いでくッテリコンピュータ 4 6からバッテリ 4 0の充放電状態を示す検出信号 S _{s o c}が読み取られる（S 3 ) 。検出信号 S _{s o c}を参照することにより、バッテリ 4 0が適正な充電領域にあるか過放電領域にあるか過充電領域にあるかを検知することができる。また、併せてバッテリ 4 0の内部温度を示す検出信号 S _{t 1}、コンバータ 4 1の内部温度を示す検出信号 S _{t 2}も参照される。バッテリ 4 0ゃコンバータ 4 1の内部温度が高過ぎる場合には、素子保護等の観点から、それ以上の電流を通過させることが適当でないため、温度を参照することで、システムの電流制限を把握するのである。

次いで、交流インピーダンス測定モードをオン状態とすべきかが判定される（S 4 ) 。

まず、前回の交流ィンピーダンス測定から一定時間 Tが経過しているかが判定される。交流インピーダンスは燃料電池システムの状態を検査するものでるためシステム状態の変化が生じうる程度のィンターバル時間 Tを設けておくことが妥当だかである。

次いで、燃料電池 1 0 0における発電が安定化しているかが判定される。発電が安定化している状態とは、例えば燃料電池 1 0 0に対する燃^ ^ガス（水素ガス、空気）供給量を一定に維持または停止させ、トラクシヨンモータ 4 3や高圧補機 4 5 への電力供給をバッテリ 4 0から主体的に行わせている状態をいう。負荷変動や高圧補機 4 5が動作していると燃料電池 1 0 0の発電電流が変動し、交流ィンビーダンス測定の元となる電流検出信号の振幅（ゲイン）を変化させてしまうことを防止するためである。

なお、上記のように、燃料電池の負荷状態を一定に維持し、燃料ガス供給量を一定にさせていることを確認することの他、電流センサ 4 7および電圧センサ 4 8からの検出信号を参照して、燃料電池 1 0 0の出力電力が安定化しているかを判定するように構成してもよい。電流センサ 4 7で検出される電流値および電圧センサ 4 8で検出される電圧値がともに一定時間以上、所定の変動範囲内に収まっていれば、燃料電池による発電が安定していると言えるからである。

また、バッテリを初めとするシステムに電流制限が発生していないことが確認される。例えば、パッテリ 4 0が過放電や過充電状態に陥っていないか、パッテリ 4 0やコンバータ 4 1の内部温度が高くなりすぎていないか、が判定される。このような電流制限が発生している場合には、バッテリ 4 0からの電力供給を増加させることが適当でないため、トラクシヨンモータ 4 3や高圧補機 4 5の駆動電力を燃料電池 1 0 0の発電でまかなわなければならないからである。

これらの条件を総て満たしている場合に（S 4 ： Y E S ) 、交流インピ"^ダンス測定モードがオンにされる（S 5 ) 。これらのうちいずれかでも条件が満たされていない場合には（S 4 ： N O ) 、交流インピーダンス測定モードはオンにされることなく処理が終了される。

—方、既に交流インピーダンス測定モードがオン状態となっている場合には（S 1 ： Y E S ) 、インピーダンス測定モードを継続の可否が判定される。

まず、燃料電池 1 0 0に要求されるパワーが読み取られる（S 1 0 ) 。燃料電池 1 0 0の要求ノヮ一は、ァクセル開度信号 S aやシフトポジション信号 S sに基づき、現在求められている運転状態を得るためにシステムに要求されるパワーとして求められる。また、バッテリコンピュータ 4 6からの検出信号 S _{s o c}が読み取られる（S 1 1 ) 。

そして、交流インピーダンス測定を継続させてよい条件であるか否かが検査される（S 1 2 ) 。

まず、交流インピーダンス測定開始後の要求パワーの変化量が所定のしきい値 P t hより大きいかが判定される。しきい値 P t hはバッテリ 4 0から単位時間に供給可能な電力量に応じて定められる。システムの要求パワーの変化量が一定値以上ある場合には《ッテリ 4 0からのみの電力供給では電力需要が間に合わないことを意味しているからである。

また、バッテリその他のシステム部品に電流制限が発生していないことが確認される。例えば、バッテリ 4 0が過放電や過充電状態に陥っていないか、バッテリ 4 .' 0ゃコンバータ 4 1の内部温度が高くなりすぎていない力、、が判定される。このような電流制限が発生している場合には、バッテリ等からの電力供給を増加させることが適当でないため、トラクシヨンモータ 4 3や高圧補機 4 5の駆動電力を燃料電池 1 0 0の発電でまかなわなければならない。その場合には交流インピーダンス測定はできないからである。

これらのうちいずれかの条件でも発生していた場合には（S 1 2： Y E S ) 、一時的に交流インピーダンス測定に適さない状態となるので、一旦交流インピーダンス測定モードをオフ状態として（S 1 8 ) 、処理を終了させる。

—方、ステップ S 1 2におけるいずれの条件も発生していなかった場合には（S 1 2： N O ) 、バッテリ 4 0からの電力供給のみでシステムを運転させることを意味しているので、固定された電力値 P cでの燃料電池 1 0 0の発電が継続される T/JP2006/313635

15

( S 1 3 ) ₀

以上の準備が終了したら、交流インピーダンス測定が継続される（S 1 4 ) 。交流信号の周波数毎に電圧検出信号 S eと電流検出信号 S iが検出され、検出された電圧検出信号と電流検出信号とが記憶装置 3 7に記憶される。この交流インピーダンス測定は、このシーケンスに入る度に、新たな周波数について検出するように構成しても、一時に複数の周波数について検出するように構成してもよい。

測定に係る総ての周波数における測定が終了していない場合には（S 1 5 _: N O)、次回の測定も継続させるが、総ての周波数における測定が終了した場合には（S 1 5 ： Y E S ) 、検出された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいて、低周波における交流インピーダンスが演算される（S 1 6 ) 。すなわち電圧成分に対する電流成分の位相差とゲイン差に基づき交流インピーダンスが求められる。求められた交流インピーダンスは、この周波数における現時点での内部状態を示すパラメータとして記憶され更新される（S 1 7 )。そして、交流インピーダンスが更新されたら、交流インピーダンス測定モードがオフ状態とされる（S 1 8 ) 。

上記フローチヤ一卜に基づく説明は、本発明の一例であり、処理の詳細や順番に限定はない。実際の交流インピーダンス測定の前に燃料電池を安定化させる点、システムの要求パワーが大きい場合やシステムに電流制限がある場合には交流インピーダンス測定を解除する点が満たされていれば、いかようにでも変形して適用が可能である。

以上、本実施形態 1によれば、交流インピーダンスの測定に先立って、まず燃料電池の発電を安定させる処理（S 2 ) が実行されるので、交流インピーダンス測定時には燃料電池の発電の変動要因が排除される。したがって、高い精度で交流インピーダンスを測定することが可能である。

また、本実施形態 1によれば、燃料電池 1 0 0の発電を安定化させることによる余剰電力が、バッテリ 4 0に充電されるように構成されているので、エネルギーの有効利用が図れる。また、本実施形態 1によれば、燃料電池 1 0 0の発電を安定化させることによる不足電力カ^くッテリ 4 0からの放電により補われるように構成されているので、交流インピーダンス測定中に要求負荷パワーの増加を生じたとしても、測定を中断せずに負荷変動に追従することが可能である。

また、本実施形態 1によれば、バッテリ 4 0からの放電により補われる電力 P t hを超えている場合に、交流インピーダンスの測定を中止させるように構成されている（S 1 2、 S 1 8 ) ので、急にアクセルが操作された場合等の急激な負荷変動に対応させることが可能である。

また、本実施形態 1によれば、バッテリ 4 0における充放電可能電力等が制限されている場合には、交流インピーダンスの測定を中止させる（S 1 2、 S 1 8 ) ので、システムの安全や耐久性を向上させる上で好ましい。

(実施形態 2 )

本発明の実施形態 2は、アイドル運転などの低出力運転モードにおいての交流ィンピーダンス測定方法に関する。

本実施形態 2におけるハイプリッド燃料電池システムは、図 1に示すシステムブロック図、及び、図 2に示す機能ブロック図がそのまま適用されるため、その説明を省略する。

図 4のフローチャートに基づいて、本実施形態 2の交流ィンピーダンス測定処理を説明する。本実施形態 2における交流インピーダンス測定では、燃料電池が低出力運転モードである場合に、燃料電池の発電量を所定量増加させてから、交流インピーダンスを測定させる点に特徴がある。本フローチヤ一卜は、特に燃料電池が低出力状態になっている場合の交流インピーダンス測定に特化した処理に関する。以下、詳しく説明する。

まず、低出力状態における交流インピーダンス測定を実施するモードになっているか否かが検査される（S 2 0 ) 。低出力状態における交流インピーダンス測定モードとなっていなかった場合（S 2 0 ： N O) 、交流インピーダンス測定モードに切り替えるか否かを判断する前提として、燃料電池 1 0 0の発電を安定させる（S 2 1 ) 。具体的には、燃料電池 1 0 0において、トラクシヨンモータ 4 3や高圧補機 4 5のトルクを一定にして負荷状態を安定化させ、かつ、燃料電池 1 0 0に供給される水素ガスや空気の流通量を一定にする。これによリ燃料電池の運転状態を安定化させ、この結果として燃料電池 1 0 0による発電電 Eが一定になり、発電電力が固定値 P cとなる。

次いで、バッテリコンピュータ 4 6力、らバッテリ 4 0の充放電状態を示す検出信号 S S O Cが読み取られ（S 2 2 ) 、パッテリ 4 0が適正な充電領域にあるか過放電領域にあるか過充電領域にあるかが検知される。併せて、バッテリ 4 0の内部温度を示す検出信号 S t 1、コンバータ 4 1の内部温度を示す検出信号 S t 2も参照される。

そしで、交流インピーダンス測定モードをオン状態とすべきかが判定される（S 2 3 )

まず、前回の交流インピーダンス測定から一定時間 Tが経過しているかが判定される。また、燃料電池 1 0 0における発電が安定化しているかが判定される。さらに、バッテリを初めとするシステムに電流制限が発生していないことが確認される。これらは実施形態 1における判定と同じである。

さらに本実施形態では、燃料電池の出力電流が、交流インピーダンスの測定に必要な計測電流値 I dより小さいか否かが判定される（S 2 5 ) 。交流インピーダンスを測定するには、印加された交流信号の電圧と電流を検出し、電圧に対する電流の遅れ（進み）の位相と振幅レベルとにより交流インピーダンスを演算する。このため、検出される電流がある程度の電流量でないと、誤差やノイズの影響を受けてしまい、正確な交流インピーダンスが測定できなくなってしまう。ここでは、このような低出力状態であるか否か（すなわち、通常運転状態における交流インピーダンス測定ではないこと）が判定される。

これらの条件を総て満たしている場合に（S 2 3 ： Y E S ) 、低出力状態における交流インピーダンス測定モードがオンにされる（S 24) 。これらのうちいずれかでも条件が満たされていない場合には（S23 ： NO) 、交流インピーダンス測定モードはオンにされることなく処理が終了される。

さて、既に低出力状態における交流インピーダンス測定モードがオン状態となつている場合（S 20 ： YES) 、インピーダンス測定モードを継続の可否が判定される。

まず、燃料電池 1 00に要求されるパワーが読み取られる（S 30) 。燃料電池 1 00の要求パワーは、アクセル開度信号 S aゃシフ卜ポジション信号 S sに基づき、現在求められている運転状態を得るためにシステムに要求されるパワーとして求められる。また、バッテリコンピュータ 46からの検出信号 S_socが読み取られる（ S 31 ) 。

そして、交流インピーダンス測定を継続させてよい条件であるか否かが検査される（S 32) 。

まず、燃料電池 1 00の要求電力から算出される要求電流が、交流インピーダン— スの測定電流 I dよリ大きいかが判定される。システムの要求パワーから算出される電流量がこの計測電流値〖 dより大きい場合には、バッテリ 40からのみの電力供給では電力需要が間に合わないことを意味しているからである。電流値の比較ではなく実施形態 1 と同様に電力値で判定してもよい。

また、実施形態 1と同様に、バッテリその他のシステム部品に電流制限が発生していないことが確認される。例えば、バッテリ 40が過放電や過充電状態に陥っていないか、バッテリ 40やコンバータ 41の内部温度が高くなりすぎていないか、が判定される。このような電流制限が発生している場合には、バッテリ等からの電力供給を増加させることが適当でないため、トラクシヨンモータ 43や高圧補機 4 5の駆動電力を燃料電池 1 00の発電でまかなわなければならない。その場合には交流インピーダンス測定はできないからである。

これらのうちいずれかの条件でも発生していた場合には（S 32 ： YES) 、一時的に交流インピーダンス測定に適さない状態となるので、一旦交流インピーダンス測定モードをオフ状態として（S 3 8 ) 、処理を終了させる。

一方、ステップ S 3 2におけるいずれの条件も発生していなかった場合には（S 3 2 ： N O ) 、交流インピーダンス測定に適した計測電流値 I dとなるように燃料電池出力が増量され、また、既に計測電流値 I dで発電されている場合にはそのまま維持される（S 3 3 ) 。これにより、安定した計測電流値 I dでの燃料電池 1 0 0の発電が継続される。

次いで交流インピーダンス測定が実行される（S 3 4 ) 。交流信号の周波数毎に電圧検出信号 S eと電流検出信号 S iが検出され、検出された電圧検出信号と電流検出信号とが記憶装置 3 7に記憶される。この交流インピーダンス測定は、このシ —ゲンスに入る度に、新たな周波数について検出するように構成しても、一時に複数の周波数について検出するように構成してもよい。

測定に係る総ての周波数おける測定が終了していない場合には（S 3 5 : N O ) 次回の測定も継続させるが、総ての周波数における測定が終了した場合には（S 3 5 ： Y E S ) 、検出された電圧検出信号と電流検出信号とに基づいて、低周波における交流インピーダンスが演算される（S 3 6 ) 。すなわち電圧成^^に対する電流成分の位相差とゲイン差に基づき交流インピーダンスが求められる。求められた交流インピーダンスは、この周波数における現時点での内部状態を示すパラメータとして記憶され更新される（ S 3 7 )。そして、交流ィンピーダンスが更新されたら、交流インピーダンス測定モードがオフ状態とされる（S 3 8 ) 。

上記フローチャートに基づく説明は、本発明の一例であり、処理の詳細や順番に限定はない。実際の交流インピーダンス測定の前に燃料電池を安定化させる点、システムの要求パワーが大きい場合やシステムに電流制限がある場合には交流インピーダンス測定を解除する点の他、燃料電池の出力電流が少ない場合に増加する点が満たされていれば、いかようにでも変形して適用が可能である。

以上、本実施形態 2によれば、上記実施形態 1 と同様の作用効果を奏する他、低 2006/313635

20 電力運転モード時には発電量を上昇させてから測定に入るので、精度の高いインピ一ダンス測定が行える。

(その他の実施形態）

本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、上記実施形態では交流インピーダンスの測定に本発明を適用したが、高圧補機等の負荷装置の運転によって変動する物理値を検出する場合にも本発明の考え方を応用することがかのである。すなわちその物理値の測定に先立って負荷装置の運転状態を制御して燃料電池の出力を安定化させればよいのである。

上記実施形態では移動体である車両上に搭載されるハイプリッド燃料電池システムを例示したが、本発明は、自動車のみならず、他の移動体 _Λ例えば、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。また、定置型のハイブリツド燃料電池システムにおいて本発明を適用しても無論よい。

(産業上の利用可能性）

本発明によれば、燃料電池の発電を安定状態に維持させた後に、交流インピーダンスを測定するようにしたので、測定時に外乱が発生することなく、高い精度で交流インピーダンスを測定することが可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池の交流インピーダンスを測定可能な燃料電池システムにおいて、該燃料電池の発電を安定状態に維持する発電安定化手段と、

該燃料電池の発電が安定状態であることが検出されたときに、該交流ィンビーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、

を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

2 . 前記発電安定化手段は、前記燃料電池の発電電流を一定に維持する、請求項 1に記載の燃料電池システム。

3 . 前記発電安定化手段は、

前記燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、

前記燃料電池の出力が安定するように、前記燃料電池と該蓄電装置との間の電力授受を制御する電力制御手段と、を含む、

請求項 1または 2に記載の燃料電池システム。

4. 前記発電安定化手段は、

前記燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、

前記燃料電池の出力が安定することによる不足電力を、前記蓄電装置からの放電により補わせる電力制御手段と、を含む、

請求項 1または 2に記載の燃料電池システム。

5 . 前記インピーダンス測定手段は、前記不足電力が、前記蓄電装置からの放電により補われる電力を超えている場合に、前記交流インピーダンスの測定を中止させる、請求項 4に記載の燃料電池システム。

6 . 前記インピーダンス測定手段は、前記蓄電装置の充放電可能電力が制限されている場合には、前記交流インピーダンスの測定を中止させる、請求項 3乃至 5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

7 . 前記燃料電池が低出力運転モードである場合に、前記燃料電池の発電量を所定量増加させてから、前記交流インピーダンスを測定させる、請求項 1乃至 6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

8 . 燃料電池の交流インピーダンスの測定方法であって、

燃料電池の発電を安定状態に維持するステップと、

該燃料電池の発電が安定した後に、該交流インピーダンスを測定するステップと、を備えたことを特徴とする交流インピーダンスの測定方法。

9 . 燃料電池と、

該燃料電池の出力電力を検出する電力検出装置と、

該燃料電池の該出力電圧に基づいて交流インピーダンスを測定する交流インピ一ダンス測定装置と、

該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、

該燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、

該燃料電池または該蓄電装置からの電力を消費する負荷装置と、

該燃料電池への該燃料ガスの供給、該酸化ガスの供給、および該負荷装置の動作を制御する制御装置と、を備え、

該制御装置は、

該燃料ガス供給装置による該燃料ガスの供給、該酸化ガス供給装置による該酸化ガスの供給、およ.ぴ該負荷装置の動作を安定状態に維持し、

該電力検出装置にょリ該燃料電池の出力電力を検出し、

検出された該出力電力が安定している場合に、該交流インピーダンス測定装置により交流インピーダンスを測定する、

燃料電池システム。

1 0 . 前記燃料電池に電気的に接続される蓄電装置と、

前記燃料電池と前記蓄電装置との電力授受を制御する電力制御装置と、をさらに備え、

前記制御装置は、

該蓄電装置の通過電力を制御可能に構成されておリ、前記燃料電池の前記出力電力が安定している場合において、

a )前記燃料電力の出力電力が余剰となる場合には、該電力制御装置を制御して該蓄電装置に該余剰電力を充電させ、

b )前記燃料電池の出力電力が不足となる場合には、該電力制御装置を制御して該蓄電装置に該不足電力を補わせる、

請求項 9に記載の燃料電池システム。