WO2014057868A1 - 積層電池のインピーダンス測定装置 - Google Patents

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WO2014057868A1
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negative
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酒井　政信
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for measuring the impedance of a laminated battery.
  • JP2009-109375A An apparatus for measuring the impedance of a laminated battery is disclosed in JP2009-109375A.
  • an alternating current is applied to a battery connected to an external load to measure the impedance of the battery.
  • JP2009-109375A has a problem that the impedance of the laminated battery cannot be measured accurately because noise is superimposed on the detected alternating current.
  • a filter that passes an AC voltage signal to be detected it is common to use a filter that passes an AC voltage signal to be detected as a countermeasure against these noises.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus capable of measuring impedance with high accuracy by a method different from the above general filter processing.
  • a certain aspect of the impedance measuring device for a laminated battery according to the present invention outputs an alternating current to an impedance measurement target including at least the laminated battery, a positive side AC potential difference between a positive side potential and an intermediate potential of the impedance measurement target, and an impedance
  • the impedance of the laminated battery is calculated based on at least one AC potential difference among the negative electrode side AC potential difference between the negative electrode side potential and the intermediate potential of the measurement target, and the AC current applied to the impedance measurement target.
  • a filter that removes a signal of the AC signal frequency from an AC signal indicating an AC potential difference opposite to the AC potential difference used in impedance calculation, and a signal that has passed through the filter Is added to an AC signal indicating an AC potential difference used in impedance calculation.
  • FIG. 1A is an external perspective view illustrating a fuel cell as an example of a laminated battery to which an impedance measuring device according to the present invention is applied.
  • FIG. 1B is an exploded view showing a structure of a power generation cell constituting the fuel cell shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the laminated battery impedance measuring apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a positive-side DC blocking unit 511, a negative-side DC blocking unit 512, a halfway DC blocking unit 513, a positive-side AC potential difference detection unit 521, a negative-side AC potential difference detection unit 522, a positive-side notch filter 561, and a negative-side notch.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the details of the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the details of the AC adjustment unit 540.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the details of the impedance calculation unit 550.
  • FIG. 7 is a control flowchart executed by the control unit 6 in the first embodiment of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the present invention.
  • FIG. 8 is a time chart when the controller executes control of the impedance measuring device for a laminated battery according to the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the function and effect of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific configuration of the second embodiment.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a second embodiment of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the present invention.
  • FIG. 12 is a circuit diagram of the laminated battery impedance measuring apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a control flowchart executed by the controller of the laminated battery impedance measuring apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a circuit diagram of an impedance measuring device for a laminated battery in the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing a fifth embodiment of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the present invention.
  • FIG. 16 is a specific circuit diagram of the fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a circuit diagram of an impedance measuring device for a laminated battery according to a sixth embodiment.
  • FIG. 18 is a circuit diagram of a laminated battery impedance measuring apparatus according to the seventh embodiment.
  • FIG. 19 is a configuration diagram in which halfway points are sequentially switched by the connection switch 580.
  • FIG. 20 is a diagram showing a modification.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining a fuel cell as an example of a laminated battery to which an impedance measuring device according to the present invention is applied.
  • FIG. 1A is an external perspective view
  • FIG. 1B is an exploded view showing a structure of a power generation cell. is there.
  • the fuel cell stack 1 includes a plurality of stacked power generation cells 10, a current collecting plate 20, an insulating plate 30, an end plate 40, and four tension rods 50.
  • the power generation cell 10 is a unit cell of a fuel cell. Each power generation cell 10 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V). Details of the configuration of each power generation cell 10 will be described later.
  • the current collecting plate 20 is disposed outside each of the stacked power generation cells 10.
  • the current collecting plate 20 is formed of a gas impermeable conductive member, for example, dense carbon.
  • the current collecting plate 20 includes a positive electrode terminal 211 and a negative electrode terminal 212.
  • An intermediate terminal 213 is provided between the positive terminal 211 and the negative terminal 212.
  • the fuel cell stack 1 extracts and outputs the electrons e ⁇ generated in each power generation cell 10 by the positive electrode terminal 211 and the negative electrode terminal 212.
  • the insulating plates 30 are respectively arranged outside the current collecting plate 20.
  • the insulating plate 30 is formed of an insulating member such as rubber.
  • the end plate 40 is disposed outside the insulating plate 30.
  • the end plate 40 is made of a rigid metal material such as steel.
  • One end plate 40 (the left front end plate 40 in FIG. 1A) has an anode supply port 41a, an anode discharge port 41b, a cathode supply port 42a, a cathode discharge port 42b, and a cooling water supply port 43a.
  • a cooling water discharge port 43b is provided.
  • the anode discharge port 41b, the cooling water discharge port 43b, and the cathode supply port 42a are provided on the right side in the drawing.
  • the cathode discharge port 42b, the cooling water supply port 43a, and the anode supply port 41a are provided on the left side in the drawing.
  • the tension rods 50 are arranged near the four corners of the end plate 40, respectively.
  • the fuel cell stack 1 has a hole (not shown) penetrating therethrough.
  • the tension rod 50 is inserted through the through hole.
  • the tension rod 50 is formed of a rigid metal material such as steel.
  • the tension rod 50 is insulated on the surface in order to prevent an electrical short circuit between the power generation cells 10.
  • a nut (not shown because it is in the back) is screwed into the tension rod 50. The tension rod 50 and the nut tighten the fuel cell stack 1 in the stacking direction.
  • a method of supplying hydrogen as the anode gas to the anode supply port 41a for example, a method of directly supplying hydrogen gas from a hydrogen storage device or a hydrogen-containing gas reformed by reforming a fuel containing hydrogen is supplied.
  • the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank.
  • the fuel containing hydrogen include natural gas, methanol, and gasoline.
  • Air is generally used as the cathode gas supplied to the cathode supply port 42a.
  • an anode separator (anode bipolar plate) 12a and a cathode separator (cathode bipolar plate) 12b are arranged on both surfaces of a membrane electrode assembly (MEA) 11. Is the structure.
  • MEA 11 has electrode catalyst layers 112 formed on both surfaces of an electrolyte membrane 111 made of an ion exchange membrane.
  • a gas diffusion layer (gas diffusion layer: GDL) 113 is formed on the electrode catalyst layer 112.
  • the electrode catalyst layer 112 is formed of carbon black particles carrying platinum, for example.
  • the GDL 113 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, for example, carbon fiber.
  • the anode gas supplied from the anode supply port 41a flows through this GDL 113a, reacts with the anode electrode catalyst layer 112 (112a), and is discharged from the anode discharge port 41b.
  • the cathode gas supplied from the cathode supply port 42a flows through this GDL 113b, reacts with the cathode electrode catalyst layer 112 (112b), and is discharged from the cathode discharge port 42b.
  • the anode separator 12a is overlaid on one side of the MEA 11 (back side in FIG. 1B) via the GDL 113a and the seal 14a.
  • the cathode separator 12b is overlaid on one side (the surface in FIG. 1B) of the MEA 11 via the GDL 113b and the seal 14b.
  • the seal 14 (14a, 14b) is a rubber-like elastic material such as silicone rubber, ethylene-propylene rubber (EPDM), or fluorine rubber.
  • the anode separator 12a and the cathode separator 12b are formed by press-molding a metal separator base such as stainless steel so that a reaction gas channel is formed on one surface and alternately arranged with the reaction gas channel on the opposite surface. A cooling water flow path is formed. As shown in FIG. 1B, the anode separator 12a and the cathode separator 12b are overlapped to form a cooling water flow path.
  • the MEA 11, the anode separator 12a, and the cathode separator 12b are respectively formed with holes 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, which are stacked to be an anode supply port (anode supply manifold) 41a, an anode discharge port.
  • Anode discharge manifold 41b, cathode supply port (cathode supply manifold) 42a, cathode discharge port (cathode discharge manifold) 42b, cooling water supply port (cooling water supply manifold) 43a and cooling water discharge port (cooling water discharge manifold) 43b Is formed.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the impedance measuring apparatus for the laminated battery according to the first embodiment.
  • the impedance measuring device 5 includes a positive-side DC blocking unit 511, a negative-side DC blocking unit 512, a midpoint DC blocking unit 513, a positive-side AC potential difference detection unit 521, a negative-side AC potential difference detection unit 522, and a positive-electrode side.
  • Power supply unit 531, negative electrode side power supply unit 532, AC adjustment unit 540, impedance calculation unit 550, positive electrode side notch filter 561, negative electrode side notch filter 562, positive electrode side adder 571, and negative electrode side adder 572 Including.
  • the positive side DC blocking unit 511 is connected to the positive terminal 211 of the fuel cell 1.
  • the negative electrode side direct current blocking unit 512 is connected to the negative electrode terminal 212 of the fuel cell 1.
  • the midpoint DC cutoff unit 513 is connected to the midway terminal 213 of the fuel cell 1. In the present embodiment, the midway terminal 213 is connected to the intermediate potential point of the fuel cell 1 and is grounded. Note that the midpoint DC blocking unit 513 may not be provided as indicated by the broken line in FIG. These DC blockers block DC but flow AC.
  • the DC cut-off unit is, for example, a capacitor or a transformer.
  • the positive-side notch filter 561 removes an AC signal having a predetermined frequency (for example, 5 KHz), which is a detection target of the positive-side AC potential difference detection unit 521 described later, from the signal whose DC is cut off by the positive-side DC blocking unit 511. . Since the signal from which the direct current is cut off by the positive-side DC cut-off unit 511 includes a noise component together with the AC signal to be detected, the signal that has passed through the positive-side notch filter 561 is only the noise component.
  • a predetermined frequency for example, 5 KHz
  • the negative-side notch filter 562 removes an AC signal having a predetermined frequency (for example, 5 KHz), which is a detection target of a negative-side AC potential difference detection unit 522, which will be described later, from among the signals whose DC is cut off by the negative-side DC blocking unit 512. . Since the signal from which the direct current is cut off by the negative side direct current cut-off unit 512 includes a noise component together with the AC signal to be detected, the signal that has passed through the negative side notch filter 562 is only the noise component.
  • a predetermined frequency for example, 5 KHz
  • the positive side adder 571 adds the signal whose direct current is cut off by the positive side direct current cut-off unit 511 and the signal passed through the negative side notch filter 562.
  • the halfway point 213 is a point of the intermediate potential of the fuel cell 1 and is grounded. Therefore, the signal in which the direct current is cut off by the negative side DC cutoff unit 512 is transmitted by the positive side DC cutoff unit 511.
  • the signal is 180 degrees out of phase with the signal from which the direct current is cut off. That is, the signal indicating the noise component that has passed through the negative-side notch filter 562 is a signal that is 180 degrees out of phase (inverted in phase) with the noise component included in the signal whose direct-current is cut off by the positive-side DC cut-off unit 511.
  • the noise component is canceled by adding the signal in which the direct current is cut off by the positive side DC cutoff unit 511 and the signal that has passed through the negative side notch filter 562, and therefore the output of the positive side adder 571 is:
  • An AC signal having a predetermined frequency, which is a detection target, does not include a noise component.
  • the negative electrode side adder 572 adds the signal in which the direct current is cut off by the negative electrode side direct current cut-off unit 512 and the signal that has passed through the positive electrode side notch filter 561. Also in this case, since the noise component included in the signal from which direct current is cut off by the negative side DC blocking unit 512 and the signal of the noise component that has passed through the positive side notch filter 561 are canceled, the output of the negative side adder 572 Becomes an AC signal of a predetermined frequency which is a detection target and does not include a noise component.
  • the positive side AC potential difference detection unit 521 inputs the AC potential Va of the positive terminal 211 of the fuel cell 1 and the AC potential Vc of the midway terminal 213 and outputs the positive side AC potential difference.
  • the negative electrode side AC potential difference detection unit 522 inputs the AC potential Vb of the negative electrode terminal 212 of the fuel cell 1 and the AC potential Vc of the intermediate terminal 213 and outputs the negative electrode side AC potential difference.
  • the positive side AC potential difference detection unit 521 and the negative side AC potential difference detection unit 522 are, for example, differential amplifiers (instrumentation amplifiers).
  • OP amplifier operational amplifier
  • the output current Io can be obtained by the input voltage Vi ⁇ proportional constant Rs without actually measuring the output current Io. Further, since the output is a current, even if an element having a phase angle such as a capacitor is interposed in the current path, the alternating current flowing through the stacked cell group and the output of the current source have the same phase. Further, it has the same phase as the input voltage Vi. Therefore, it is not necessary to consider the phase difference in the impedance calculation at the next stage, and the circuit is simple. Furthermore, even if the impedance of the capacitor in the current path varies, it is not affected by the phase change. For this reason, it is preferable to use a circuit as shown in FIG. The same applies to the negative power supply unit 532.
  • the AC adjustment unit 540 can be realized by, for example, a PI control circuit as shown in FIG.
  • the AC adjustment unit 540 includes a positive detection circuit 5411, a positive subtractor 5421, a positive integration circuit 5431, a positive multiplier 5451, a negative detection circuit 5412, a negative subtractor 5422, and a negative side. Integrating circuit 5432, negative multiplier 5542, reference voltage 544, and AC signal source 546 are included.
  • the positive electrode side detection circuit 5411 removes an unnecessary signal from the AC potential Va on the wiring of the positive electrode side power supply unit 531 connected to the positive electrode terminal 211 of the laminated battery 1 and converts it into a DC signal.
  • the positive side subtractor 5421 detects the difference between the DC signal and the reference voltage 544.
  • the positive integration circuit 5431 averages or adjusts the sensitivity of the signal output from the positive subtractor 5421.
  • the positive multiplier 5451 modulates the amplitude of the AC signal source 546 with the output of the positive integration circuit 5431.
  • the AC adjustment unit 540 generates a command signal to the positive power supply unit 531 in this way. Similarly, AC adjustment unit 540 generates a command signal to negative power supply unit 532.
  • the AC potentials Va and Vb are both controlled to a predetermined level by increasing / decreasing the outputs of the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 according to the command signal generated in this way. As a result, the alternating potentials Va and Vb are equipotential.
  • an analog arithmetic IC is taken as an example in the circuit configuration.
  • the AC potential Va (Vb) may be digitally converted by an AD converter and then configured by a digital control circuit.
  • the impedance calculation unit 550 includes an AD converter (ADC) 551 and a microcomputer chip (CUP) 552.
  • the AD converter 551 converts the alternating current (I1, I2) and the alternating voltage (V1, V2), which are analog signals, into digital numerical signals and transfers them to the microcomputer chip 552. *
  • the microcomputer chip 552 stores in advance a program for calculating the impedance Rn and the impedance R of the entire laminated battery.
  • the microcomputer chip 552 sequentially calculates at predetermined minute time intervals, or outputs a calculation result in response to a request from the control unit 6.
  • the impedance calculation unit 550 may be realized by an analog calculation circuit using an analog calculation IC. According to the analog arithmetic circuit, it is possible to output a continuous impedance change.
  • FIG. 7 is a control flowchart executed by the control unit 6 in the first embodiment of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the present invention.
  • step S1 the control unit 6 determines whether or not the positive AC potential Va is greater than a predetermined value. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S2, and if the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S3.
  • step S2 the control unit 6 determines whether or not the positive AC potential Va is smaller than a predetermined value. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S4, and if the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S5.
  • step S3 the control unit 6 reduces the output of the positive power supply unit 531. As a result, the positive AC potential Va decreases.
  • step S4 the control unit 6 maintains the output of the positive power supply unit 531. As a result, the positive AC potential Va is maintained.
  • step S5 the control unit 6 increases the output of the positive power supply unit 531. As a result, the positive AC potential Va increases.
  • step S6 the control unit 6 determines whether or not the negative AC potential Vb is larger than a predetermined value. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S7, and if the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S8.
  • step S7 the control unit 6 determines whether or not the negative AC potential Vb is smaller than a predetermined value. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S9, and if the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S10.
  • step S8 the control unit 6 reduces the output of the negative power supply unit 532. As a result, the negative AC potential Vb decreases.
  • step S9 the control unit 6 maintains the output of the negative power supply unit 532. As a result, the negative AC potential Vb is maintained.
  • step S10 the control unit 6 increases the output of the negative power source unit 532. This increases the negative AC potential Vb.
  • step S11 the control unit 6 determines whether or not the positive AC potential Va and the negative AC potential Vb are predetermined values. If the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S12, and if the determination result is negative, the control unit 6 exits the process.
  • step S12 the control unit 6 calculates the impedance based on the above equations (1-1) and (1-2).
  • FIG. 8 is a time chart when the control unit 6 executes the control of the impedance measuring apparatus for the laminated battery according to the present invention.
  • step number is also written so that the correspondence with the flowchart is easy to understand.
  • the control unit 6 starts control.
  • the control unit 6 When the negative AC potential Vb reaches the control level and becomes the same level as the positive AC potential Va at time t2 (FIG. 8C), the control unit 6 performs steps S1, S2, S4, S6, S7, S9, and S11. ⁇ Processing is performed in the order of S12. As a result, the positive side alternating current I1 and the negative side alternating current I2 are maintained. Based on the equation (1-1), the positive side impedance R1 and the negative side impedance R2 are calculated. Then, the positive impedance R1 and the negative impedance R2 are added together to obtain the overall impedance R.
  • the control unit 6 repeats steps S1, S2, S4, S6, S8, S11, and S12.
  • the negative AC current I2 is lowered as the negative impedance R2 increases, so the negative AC potential is maintained at the same level as the positive AC potential. Therefore, the impedance is calculated even in this state.
  • the negative side impedance matches the positive side impedance (FIG. 8A).
  • the control unit 6 repeats steps S1, S2, S4, S6, S7, S9, S11, and S12. By processing in this way, the positive side AC potential and the negative side AC potential are maintained at the same level (FIG. 8C), and the impedance is calculated.
  • the impedance R of the entire fuel cell is obtained by adding the positive electrode side impedance R1 and the negative electrode side impedance R2.
  • the negative electrode side impedance R2 are equal. Therefore, for example, if only the positive-side AC potential difference and the positive-side AC current are detected to obtain the positive-side impedance R1, and the obtained impedance R1 is doubled, the impedance R of the fuel cell can be obtained.
  • only the negative-side notch filter 562 and the positive-side adder 571 may be provided, and the positive-side notch filter 561 and the negative-side adder 572 can be omitted.
  • the impedance R of the fuel cell can be obtained by detecting only the negative-side AC potential difference and the negative-side AC current, obtaining the negative-side impedance R2, and doubling the obtained impedance R2.
  • the positive electrode side notch filter 561 and the negative electrode side adder 572 may be provided, and the negative electrode side notch filter 562 and the positive electrode side adder 571 can be omitted.
  • the impedance measuring device for a laminated battery outputs an alternating current to the laminated battery, the positive side AC potential difference between the positive electrode side potential of the laminated battery and the intermediate potential of the laminated battery, and the negative electrode of the laminated battery. And detecting the AC potential difference of at least one of the negative side AC potential difference between the side potential and the intermediate potential of the stacked battery, and determining the impedance of the stacked battery based on at least one AC potential difference and the AC current applied to the stacked battery Is calculated.
  • a positive-side notch filter 561 that removes a signal of the AC signal frequency from an AC signal indicating a positive-side AC potential difference, and an AC signal that indicates a negative-side AC potential difference.
  • the negative-side notch filter 562 that removes the signal of the signal frequency, the positive electrode that adds the filter corresponding to the detected AC potential difference and the signal after passing through the first filter 561 to the AC signal indicating the negative-side AC potential difference.
  • the negative side adder 572 that adds the signal after passing through the side adder 571 and the negative side notch filter 562 to the AC signal indicating the positive side AC potential difference, the signal passed through the filter corresponding to the detected AC potential difference.
  • a signal obtained by removing the signal of the AC signal frequency by the positive electrode notch filter 561 with respect to the AC signal indicating the positive AC potential difference is a noise signal. Since the signal indicating the positive-side AC potential difference and the signal indicating the negative-side AC potential difference with reference to the intermediate potential of the stacked battery are signals that are 180 degrees out of phase (inverted), they have passed through the positive-side notch filter 561. The noise signal can be canceled by adding the subsequent signal to the AC signal indicating the negative-side AC potential difference, and the AC signal indicating the negative-side AC potential difference without noise can be taken out.
  • the noise signal can be canceled by adding the signal after passing through the negative-side notch filter 562 to the AC signal indicating the positive-side AC potential difference, and an AC signal indicating the positive-side AC potential difference without noise is taken out. be able to.
  • the impedance of a laminated battery can be calculated
  • the noise component from the AC signal indicating the negative AC potential difference can be obtained simply by passing the AC signal indicating the positive AC potential difference through the positive notch filter 561 and then adding the AC signal indicating the negative AC potential difference. Can be removed.
  • the noise component is removed from the AC signal indicating the positive side AC potential difference simply by passing the AC signal indicating the negative side AC potential difference through the negative side notch filter 562 and then adding the AC signal indicating the positive side AC potential difference. Can do.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the function and effect of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the second embodiment.
  • the AC potential difference detection units 521 and 522 and the power supply units 531 and 532 are connected to the fuel cell 1 through one path. However, in this embodiment, they are connected to the fuel cell 1 through different paths. I did it. This improves the impedance detection accuracy. The reason will be described below.
  • the voltage Vi detected by the AC potential difference detector 521 is expressed by the following equation (3).
  • the voltage Vi detected by the AC potential difference detection unit 521 is added with the error voltage corresponding to the wiring resistance Rw, the contact resistance Rc at the connection point, and the AC current to the potential Vx to be originally detected. Therefore, the measurement error err is expressed by the following equation (4).
  • the resistance Rx to be measured is generally large for a small battery or the like, the contact resistance Rc and the wiring resistance Rw can be ignored and there is no practical problem.
  • the contact resistance Rc and the wiring resistance Rw can be ignored and there is no practical problem.
  • for a large battery generally [wiring resistance Rw> measurement resistance Rx]. Become a relationship. In this case, it is necessary to connect to each stacked cell group by a four-terminal method.
  • the AC potential difference detection unit and the power supply unit are connected by different paths.
  • the contact resistance Rc and the wiring resistance Rw of the AC voltage detection line 501a act so as to divide the voltage Vx to be detected by the input resistance Ri of the AC potential difference detection unit 521.
  • FIG. 10 is a diagram showing a specific configuration of the second embodiment.
  • a part of the separator (bipolar plate) 12 of the power generation cell 10 constituting the fuel cell 1 is extended to provide a connection site.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a second embodiment of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the present invention.
  • the positive electrode side AC potential difference detection unit 521 is connected to the positive electrode side separator (bipolar plate) of the fuel cell 1 through the capacitor 511a.
  • the positive-side power source unit 531 is connected to the same separator (bipolar plate) as the positive-side AC potential difference detection unit 521 is connected via a capacitor 511 through a path 501 different from the path 501a of the positive-side AC potential difference detection unit 521. Connect to.
  • the negative electrode side AC potential difference detection unit 522 is connected to a separator (bipolar plate) on the negative electrode side of the fuel cell 1 through the capacitor 512a.
  • the negative-side power source unit 532 is connected to the same separator (bipolar plate) as the negative-side AC potential difference detection unit 522 is connected through a capacitor 512 through a path 502a different from the path 502a of the negative-side AC potential difference detection unit 522. Connect to.
  • the ground wire 503 is connected to a separator (bipolar plate) at a midpoint (intermediate potential point) of the fuel cell 1 through a capacitor 513. Further, the positive-side AC potential difference detecting unit 521 and the negative-side AC potential difference detecting unit 522 are connected to the same separator (bipolar plate) as the ground line 503 is connected through a capacitor 513a through a path 503a different from the ground line 503. Connect to.
  • the command signal of the AC adjustment unit 540 is proportional to the output signal in the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532, and based on this command signal, the AC current value (I1, I2) is obtained.
  • the present embodiment it is possible to greatly reduce the influence of resistance variation due to the magnitude of wiring resistance or contact resistance, temperature, terminal surface oxidation, or the like. Therefore, the degree of freedom in design between the laminated battery side and the signal wiring is high, and the impedance of each laminated cell group can be accurately detected at low cost. Moreover, since it is not necessary to actually measure the alternating current values (I1, I2), the circuit can be simplified.
  • the positive-side adder 571 and the negative-side adder 572 output a signal from which noise has been canceled, so that the positive-side AC potential difference detection unit 521 and The negative electrode side AC potential difference detection unit 522 can detect an AC potential difference without noise.
  • FIG. 12 is a circuit diagram of the laminated battery impedance measuring apparatus according to the third embodiment.
  • the AC potential difference detection unit is provided only on the positive electrode side. Therefore, the adder (571) is also provided only on the positive electrode side, and the notch filter (562) is provided only on the negative electrode side.
  • the AC power supply unit 570 is connected to the separator (bipolar plate) at the midpoint (intermediate potential point) of the fuel cell 1 via the capacitor 513. Further, the positive-side AC potential difference detection unit 521 is connected to the same separator (bipolar plate) as that to which the AC power supply unit 570 is connected through a capacitor 513a through a path 503a different from the path 503 of the AC power supply unit 570. .
  • the positive-side AC current detection unit 531a is connected to the positive-side AC potential difference detection unit 521 via a variable resistor Ra, a variable capacitor Ca, and a capacitor 511, and is connected to a path 501 different from the path 501a of the positive-side AC potential difference detection unit 521. Connect to the same separator (bipolar plate) as you do.
  • the negative-side AC current detection unit 532a is connected to the same separator (bipolar plate) to which the capacitor 512a is connected through the fixed resistor Rf and the capacitor 512 through a path 502 different from the path 502a of the capacitor 512a.
  • a current-voltage conversion circuit using an OP amplifier, a current transformer type (CT) AC current sensor, or the like can be used as the AC current detection units 531a and 532a.
  • One end of the AC adjustment unit 540a is connected between the capacitor 511a and the positive-side AC potential difference detection unit 521. The other end is connected to the capacitor 512a.
  • the AC adjusting unit 540a can input the positive AC potential Va and the negative AC potential Vb of the fuel cell 1.
  • the AC adjustment unit 540a adjusts the variable resistor Ra and the variable capacitor Ca.
  • FIG. 13 is a control flowchart executed by the controller of the laminated battery impedance measuring apparatus according to the third embodiment.
  • step S101 the control unit 6 determines whether or not the initial value has been set. If the determination result is negative (initial value has not been set), the control unit 6 proceeds to step S102, and if the determination result is positive (initial value has been set), the process proceeds to step S104. Transition.
  • step S102 the control unit 6 sets the adjustment amount N of the variable resistor Ra and the adjustment amount M of the variable capacitor Ca.
  • 1 is set as an example.
  • step S103 the control unit 6 calculates the comparison potential difference Vp by subtracting the negative AC potential Vb from the positive AC potential Va.
  • step S104 the control unit 6 determines whether or not to adjust the variable resistance Ra. If the determination result is affirmative, the control unit 6 proceeds to step S105. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S111.
  • step S105 the control unit 6 adds the adjustment amount N to the resistance value Ra of the variable resistance and updates the variable resistance value Ra.
  • step S106 the control unit 6 calculates the potential difference Vn by subtracting the negative AC potential Vb from the positive AC potential Va.
  • step S107 the control unit 6 determines whether or not the potential difference Vn is smaller than the comparison potential difference Vp. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S108, and if the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S109.
  • step S108 the control unit 6 reverses the polarity of the adjustment amount N and once exits the process.
  • step S109 the control unit 6 determines whether or not the potential difference Vn is minimized. If the determination result is affirmative, the control unit 6 proceeds to step S110. If the determination result is negative, the control unit 6 once exits the process.
  • step S110 the control unit 6 updates the comparison potential difference Vp with the potential difference Vn at that time.
  • step S111 the control unit 6 adds the adjustment amount M to the variable capacitor capacitance Ca to update the variable capacitor capacitance Ca.
  • step S112 the control unit 6 calculates a potential difference Vn by subtracting the negative AC potential Vb from the positive AC potential Va.
  • step S113 the control unit 6 determines whether or not the potential difference Vn is smaller than the comparison potential difference Vp. If the determination result is negative, the control unit 6 proceeds to step S114, and if the determination result is positive, the control unit 6 proceeds to step S115.
  • step S114 the control unit 6 reverses the polarity of the adjustment amount M, and once exits the process.
  • step S115 the control unit 6 determines whether or not the potential difference Vn is minimized. If the determination result is affirmative, the control unit 6 proceeds to step S116, and if the determination result is negative, the control unit 6 once exits the process.
  • step S116 the control unit 6 updates the comparison potential difference Vp with the potential difference Vn at that time.
  • step S117 the control unit 6 calculates the impedance based on the above equations (1-1) and (1-2).
  • initial values are set (S101 ⁇ S102 ⁇ S103).
  • variable resistance Ra is first adjusted.
  • the variable resistance value Ra is adjusted (S105), the potential difference Vn is calculated (S106). If the potential difference does not decrease, the polarity of the adjustment amount N is reversed (S108). Determination is made (S109).
  • the variable resistance value Ra is adjusted to the minimum value.
  • the comparison potential difference Vp is updated with the potential difference Vn at that time (S110).
  • variable capacitor capacity Ca is adjusted.
  • the variable capacitor capacitance Ca is adjusted (S111), the potential difference Vn is calculated (S112). If the potential difference does not decrease, the polarity of the adjustment amount M is reversed (S114). Determination is made (S115).
  • the variable capacitor capacitance Ca is adjusted to the minimum value.
  • the comparison potential difference Vp is updated with the potential difference Vn at that time (S116).
  • the AC voltage amplitudes at both ends of each stacked cell group are necessarily the same. Therefore, the same effects as those in the first embodiment and the second embodiment can be obtained. That is, since the alternating current value flowing through the impedance measurement target (fuel cell) matches the alternating current value output from the power supply, the alternating current flowing through the measurement target can be accurately detected. And since the impedance of a laminated battery is calculated
  • the AC potential difference detection unit may be provided on either the positive electrode side or the negative electrode side.
  • the AC potential difference detection unit 521 is provided on the positive electrode side. Therefore, the circuit can be simplified.
  • the positive side AC potential difference detection unit 521 detects an AC potential difference without noise. can do.
  • FIG. 14 is a circuit diagram of an impedance measuring device for a laminated battery in the fourth embodiment.
  • the AC power supply unit 570 is connected to a separator (bipolar plate) in the middle of the fuel cell 1 via the capacitor 513.
  • the positive-side AC potential difference detection unit 521 and the negative-side AC potential difference detection unit 522 are the same separator as the AC power supply unit 570 is connected to via the capacitor 513a through a path 503a different from the path 503 of the AC power supply unit 570. Connect to (bipolar plate).
  • the positive polarity inversion amplifier 540b is connected to the same separator (bipolar plate) as the positive AC potential difference detection unit 521 is connected via a capacitor 511 through a path 501 different from the path 501a of the positive AC potential difference detection unit 521. ).
  • the negative polarity-side inversion amplifier 540c is connected to the same separator (bipolar plate) as the negative-side AC potential difference detection unit 522 is connected via the capacitor 512 through a path 502 different from the path 502a of the negative-side AC potential difference detection unit 522. ).
  • the polarity inverting amplifier 540b As the 540c, an inverting amplifier circuit using an OP amplifier, a bootstrap circuit, an active noise cancellation circuit, or the like can be applied.
  • the alternating current flowing through each stacked cell group is detected by the alternating current detection units 531a and 532a, and the alternating voltage across the stacked cell group is detected by the alternating potential difference detection units 521 and 522 connected to the alternating voltage detection line.
  • the circuit can be simplified.
  • the positive-side adder 571 and the negative-side adder 572 output a signal from which noise has been canceled, so the positive-side AC potential difference detection unit 521 and the negative-side
  • the AC potential difference detection unit 522 can detect an AC potential difference without noise.
  • FIG. 15 is a diagram showing a fifth embodiment of the impedance measuring apparatus for a laminated battery according to the present invention.
  • the AC potential difference detection unit and the power source unit are connected to a common separator (bipolar plate).
  • a common separator bipolar plate
  • it connects to another bipolar plate separated by at least one.
  • the positive power supply unit 531 is connected to the bipolar plate 501 on the positive electrode side of the fuel cell 1 through the capacitor 511.
  • the positive-side AC potential difference detection unit 521 is connected to a bipolar plate 501a different from the bipolar plate 501 through a capacitor 511a.
  • the positive-side AC potential difference detection unit 521 is connected to a bipolar plate 5031a different from the bipolar plate 503 to which the ground line is connected via a capacitor 5131a.
  • the negative electrode side power supply unit 532 is connected to the bipolar plate 502 on the negative electrode side of the fuel cell 1 through the capacitor 512.
  • the negative-side AC potential difference detection unit 522 is connected to a bipolar plate 502a different from the bipolar plate 502 via a capacitor 512a. Further, the negative AC potential difference detection unit 522 is connected to a bipolar plate 5032a different from the bipolar plate 503 to which the ground line is connected via a capacitor 5132a.
  • the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Since the space occupied by the connection terminals can be reduced, the size can be reduced.
  • the cell impedance between the bipolar plate 501 and the bipolar plate 501a, the cell impedance between the bipolar plate 502 and the bipolar plate 502a, the bipolar plate 503 and the bipolar plate 5031a, The cell impedance between the two and the cell impedance between the bipolar plate 503 and the bipolar plate 5032a are both outside the range of AC voltage detection and cannot be detected.
  • the positive-side adder 571 and the negative-side adder 572 output a signal from which noise has been canceled, so the positive-side AC potential difference detection unit 521 and the negative-side
  • the AC potential difference detection unit 522 can detect an AC potential difference without noise.
  • FIG. 17 is a circuit diagram of an impedance measuring device for a laminated battery according to a sixth embodiment.
  • the AC potential difference detection unit and the power supply unit are connected to a common separator (bipolar plate). Connect to bipolar plate.
  • the AC potential difference detection unit is provided only on the positive electrode side, and this positive electrode side AC potential difference detection unit is connected to the bipolar plate 5031a in FIG.
  • the AC potential difference detection unit connected to the bipolar plate 5032a in FIG. 15 is not necessary.
  • the AC current value flowing through the impedance measurement target matches the AC current value output from the power source, so that the AC current flowing through the measurement target can be accurately detected.
  • the impedance of a laminated battery is calculated
  • the positive side AC potential difference detection unit 521 detects an AC potential difference without noise. can do.
  • FIG. 18 is a circuit diagram of a laminated battery impedance measuring apparatus according to the seventh embodiment.
  • This embodiment is basically the same as the fourth embodiment (FIG. 14). However, in the fourth embodiment (FIG. 14), the AC potential difference detection unit and the power supply unit (or AC current detection unit) are connected to a common separator (bipolar plate). Connect to a separate bipolar plate.
  • a common separator bipolar plate
  • the positive polarity inversion amplifier 540b is connected to the bipolar plate 501 on the positive side of the fuel cell 1 through the capacitor 511.
  • the positive-side AC potential difference detection unit 521 is connected to a bipolar plate 501a different from the bipolar plate 501 through a capacitor 511a.
  • the positive-side AC potential difference detection unit 521 is connected to a bipolar plate 5031a different from the bipolar plate 503 to which the ground line is connected via a capacitor 5131a.
  • the negative polarity polarity inverting amplifier 540 c is connected to the bipolar plate 502 on the negative polarity side of the fuel cell 1 through the capacitor 512.
  • the negative-side AC potential difference detection unit 522 is connected to a bipolar plate 502a different from the bipolar plate 502 via a capacitor 512a. Further, the negative AC potential difference detection unit 522 is connected to a bipolar plate 5032a different from the bipolar plate 503 to which the ground line is connected via a capacitor 5132a.
  • the polarity of the alternating voltage detected at the laminated battery output terminal is reversed and returned to the respective laminated battery output terminals, so that the alternating voltage amplitude at the laminated battery output terminal is It is forcibly canceled (zeroed).
  • the AC voltage amplitudes at both ends of the laminated battery become zero and become equipotential.
  • the alternating current flowing through each stacked cell group is detected by the alternating current detection units 531a and 532a, and the alternating voltage across the stacked cell group is detected by the alternating potential difference detection units 521 and 522 connected to the alternating voltage detection line. Therefore, according to the present embodiment, since the voltage comparison function by the AC adjustment unit 540 is unnecessary, the circuit can be simplified. Further, the space occupied by the connection terminals can be reduced, so that the size can be reduced.
  • the positive-side adder 571 and the negative-side adder 572 output a signal from which noise has been canceled, so the positive-side AC potential difference detection unit 521 and the negative-side
  • the AC potential difference detection unit 522 can detect an AC potential difference without noise.
  • the halfway point is a point of the intermediate potential of the fuel cell 1, but a configuration in which a notch filter is provided for a circuit when the halfway point is not a point of the intermediate potential of the fuel cell 1 is considered. deep.
  • the positive electrode side AC potential difference detection unit when grounding the point where the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the fuel cell 1 are divided 1: 2 as a halfway point, the positive electrode side AC potential difference detection unit outputs a signal obtained by multiplying the AC potential difference signal including noise by 1/3.
  • the negative-side AC potential difference detection unit detects a signal obtained by multiplying the AC potential difference signal including noise by 2/3. Therefore, if the signal detected by the positive AC potential difference detection unit is amplified twice, the signal levels detected by the positive AC potential difference detection unit and the negative AC potential difference detection unit are the same. Noise can be canceled by passing a signal adjusted to the same signal level through a notch filter and an adder, as described in the above embodiments.
  • FIG. 19 is a configuration diagram in which halfway points are sequentially switched by the connection switch 580. Also in this case, the signal level detected by the positive side AC potential difference detection unit and the negative side AC potential difference detection unit is adjusted to be the same according to the position of the halfway point to be switched, and then the notch filter and the adder are passed. Thus, noise can be canceled.
  • the impedance of the currently connected cell can be calculated by comparing the current measured value with the previous measured value. Therefore, the impedance can be measured for each cell. As a result, impedance distribution in the stacking direction, local cell degradation, and the like can be monitored.
  • a battery in which the same laminated battery 1-2 as the laminated battery 1-1 is connected in series may be used as an impedance measurement target.
  • the positive electrode of the multilayer battery 1-1 is regarded as the positive electrode of the above embodiment
  • the midpoint between the multilayer battery 1-1 and the multilayer battery 1-2 is regarded as the midpoint of the above embodiment.
  • the negative electrode of the battery 1-2 is regarded as the negative electrode of the above embodiment.
  • the halfway point is an intermediate potential point of the impedance measurement target including the laminated battery 1-1 and the laminated battery 1-2.
  • the impedance value of the laminated battery 1-1 is obtained as R1
  • the impedance value of the laminated battery 1-2 is obtained as R2.
  • a fuel cell is given as an example of a laminated battery, but a battery such as a lithium ion battery may be used. That is, it can be applied to any battery in which a plurality of power generation elements are stacked. Even with such a battery, it is desirable to be able to operate efficiently if the internal resistance can be measured.
  • the halfway point is a point of the intermediate potential of the fuel cell 1, it may be a point close to the intermediate potential, not a complete intermediate potential point.

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Abstract

　積層電池のインピーダンス測定装置は、積層電池を少なくとも含むインピーダンス測定対象に交流電流を出力し、インピーダンス測定対象の正極側の電位と中間電位との正極側交流電位差、および、インピーダンス測定対象の負極側の電位と中間電位との負極側交流電位差のうちの少なくとも一方の交流電位差と、インピーダンス測定対象に印加される交流電流とに基づいて積層電池のインピーダンスを算出する。この装置において、インピーダンス算出で用いられる交流電位差とは反対極側の交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去するフィルタと、フィルタを通過した後の信号を、インピーダンス算出で用いられる交流電位差を示す交流信号に加算する加算手段とを備える。

Description

積層電池のインピーダンス測定装置
　本発明は、積層電池のインピーダンスを測定する装置に関する。
　複数の発電要素が積層される積層電池では、インピーダンスをできるだけ正確に検出することが望ましい。積層電池のインピーダンスを測定する装置がＪＰ２００９－１０９３７５Ａに開示されている。ＪＰ２００９－１０９３７５Ａに記載の装置では、外部負荷に接続された電池に対して交流電流を印加して電池のインピーダンスを測定している。
　しかしながら、ＪＰ２００９－１０９３７５Ａに記載されているような装置では、検出する交流電流にノイズが重畳しているため、積層電池のインピーダンスを正確に測定できないという問題があった。ところで、印加する交流信号に対する交流電圧信号を測定したいので、これらのノイズ対策として、検出対象となる交流電圧信号を通過させるフィルタを用いることが一般的である。
　本発明では、上記一般的なフィルタ処理とは異なる方式にて、精度の高いインピーダンス測定が可能な装置を提供することを目的とする。
　本発明による積層電池のインピーダンス測定装置のある態様は、積層電池を少なくとも含むインピーダンス測定対象に交流電流を出力し、インピーダンス測定対象の正極側の電位と中間電位との正極側交流電位差、および、インピーダンス測定対象の負極側の電位と中間電位との負極側交流電位差のうちの少なくとも一方の交流電位差と、インピーダンス測定対象に印加される交流電流とに基づいて積層電池のインピーダンスを算出する。この積層電池のインピーダンス測定装置において、インピーダンス算出で用いられる交流電位差とは反対極側の交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去するフィルタと、フィルタを通過した後の信号を、インピーダンス算出で用いられる交流電位差を示す交流信号に加算する加算手段とを備える。
図１Ａは、本発明によるインピーダンス測定装置を適用する積層電池の一例としての燃料電池を説明する外観斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示した燃料電池を構成する発電セルの構造を示す分解図である。 図２は、第１実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。 図３は、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、正極側交流電位差検出部５２１、負極側交流電位差検出部５２２、正極側ノッチフィルタ５６１、負極側ノッチフィルタ５６２、及び加算器５７１、５７２の詳細について説明する図である。 図４は、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の詳細について説明する図である。 図５は、交流調整部５４０の詳細について説明する図である。 図６は、インピーダンス演算部５５０の詳細について説明する図である。 図７は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の第１実施形態におけるコントロールユニット６が実行する制御フローチャートである。 図８は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の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。 図９は、第２実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の作用効果を説明するための図である。 図１０は、第２実施形態の具体的な構成を示す図である。 図１１は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の第２実施形態を示す回路図である。 図１２は、第３実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。 図１３は、第３実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。 図１４は、第４実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。 図１５は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の第５実施形態を示す図である。 図１６は、第５実施形態の具体的な回路図である。 図１７は、第６実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。 図１８は、第７実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。 図１９は、接続切替器５８０で中途点を順次切り替えるようにした構成図である。 図２０は、変形形態を示す図である。
　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及び図１Ｂは、本発明によるインピーダンス測定装置を適用する積層電池の一例としての燃料電池を説明する図であり、図１Ａは外観斜視図、図１Ｂは発電セルの構造を示す分解図である。
　図１Ａに示されるように、燃料電池スタック１は、積層された複数の発電セル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、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述する。
　集電プレート２０は、積層された複数の発電セル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、たと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。また正極端子２１１及び負極端子２１２の間には、中途端子２１３が設けられる。燃料電池スタック１は、正極端子２１１及び負極端子２１２によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ－が取り出されて出力する。
　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、たと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、たと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、たと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改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。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、たと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、たと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。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。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、たと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(アノード供給マニホールド)４１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)４１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)４２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)４２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)４３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)４３ｂが形成される。
　図２は、第１実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。
　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、正極側交流電位差検出部５２１と、負極側交流電位差検出部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、インピーダンス演算部５５０と、正極側ノッチフィルタ５６１と、負極側ノッチフィルタ５６２と、正極側加算器５７１と、負極側加算器５７２とを含む。
　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、正極側交流電位差検出部５２１、負極側交流電位差検出部５２２、正極側ノッチフィルタ５６１、負極側ノッチフィルタ５６２、及び加算器５７１、５７２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１の中途端子２１３に接続される。本実施形態では、中途端子２１３は、燃料電池１の中間電位の点と接続されており、かつ、接地されている。なお中途点直流遮断部５１３は、図２で波線で示したように設けられなくてもよい。これらの直流遮断部は、直流を遮断するが、交流を流す。直流遮断部は、たとえばコンデンサーやトランスである。
　正極側ノッチフィルタ５６１は、正極側直流遮断部５１１で直流が遮断された信号のうち、後述する正極側交流電位差検出部５２１の検出対象である所定周波数（例えば、５ＫＨｚ）の交流信号を除去する。正極側直流遮断部５１１で直流が遮断された信号には、検出対象である交流信号とともにノイズ成分も含まれているため、正極側ノッチフィルタ５６１を通した信号は、ノイズ成分だけとなる。
　負極側ノッチフィルタ５６２は、負極側直流遮断部５１２で直流が遮断された信号のうち、後述する負極側交流電位差検出部５２２の検出対象である所定周波数（例えば、５ＫＨｚ）の交流信号を除去する。負極側直流遮断部５１２で直流が遮断された信号には、検出対象である交流信号とともにノイズ成分も含まれているため、負極側ノッチフィルタ５６２を通した信号は、ノイズ成分だけとなる。
　正極側加算器５７１は、正極側直流遮断部５１１で直流が遮断された信号と、負極側ノッチフィルタ５６２を通過した信号とを加算する。上述したように、中途点２１３は燃料電池１の中間電位の点であり、かつ、接地されているため、負極側直流遮断部５１２で直流が遮断された信号は、正極側直流遮断部５１１で直流が遮断された信号と位相が１８０度異なる信号となる。すなわち、負極側ノッチフィルタ５６２を通過したノイズ成分を示す信号は、正極側直流遮断部５１１で直流が遮断された信号に含まれるノイズ成分と位相が１８０度異なる（位相が反転した）信号である。従って、正極側直流遮断部５１１で直流が遮断された信号と、負極側ノッチフィルタ５６２を通過した信号とを加算することによって、ノイズ成分が相殺されるため、正極側加算器５７１の出力は、ノイズ成分が含まれない、検出対象である所定周波数の交流信号となる。
　負極側加算器５７２は、負極側直流遮断部５１２で直流が遮断された信号と、正極側ノッチフィルタ５６１を通過した信号とを加算する。この場合も、負極側直流遮断部５１２で直流が遮断された信号に含まれるノイズ成分と、正極側ノッチフィルタ５６１を通過したノイズ成分の信号とが相殺されるため、負極側加算器５７２の出力は、ノイズ成分が含まれない、検出対象である所定周波数の交流信号となる。
　正極側交流電位差検出部５２１は、燃料電池１の正極端子２１１の交流電位Ｖａと中途端子２１３の交流電位Ｖｃとを入力して正極側交流電位差を出力する。負極側交流電位差検出部５２２は、燃料電池１の負極端子２１２の交流電位Ｖｂと中途端子２１３の交流電位Ｖｃとを入力して負極側交流電位差を出力する。正極側交流電位差検出部５２１及び負極側交流電位差検出部５２２は、たとえば差動アンプ(計装アンプ)である。
　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、たとえば、図４に示すようなオペアンプ(ＯＰアンプ)による電圧電流変換回路によって実現できる。この回路によれば、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。すなわち、この回路は、入力電圧Ｖｉで出力電流Ｉｏを調整可能な可変交流電流源である。
　この回路を使用すれば、出力電流Ｉｏを実測しなくても、出力電流Ｉｏを入力電圧Ｖｉ÷比例定数Ｒｓで求めることができる。また、出力が電流なので、電流経路にコンデンサーのような位相角が生じる素子が介在しても、積層セル群を流れる交流電流と電流源の出力とは同位相になる。さらには入力電圧Ｖｉとも同位相になる。したがって次段のインピーダンス算出において位相差を考慮する必要がなく回路が簡素である。さらに、電流経路中のコンデンサーのインピーダンスがばらついても、位相変化の影響を受けない。このようなことから、正極側電源部５３１として図４に示すような回路を用いることが好適である。負極側電源部５３２も同様である。
　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、たとえば、図５に示すようなＰＩ制御回路によって実現できる。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５４５１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５４５２と、基準電圧５４４と、交流信号源５４６と、を含む。
　正極側検波回路５４１１は、積層電池１の正極端子２１１に接続された正極側電源部５３１の配線上の交流電位Ｖａから不要信号を除去するとともに、直流信号に変換する。
　正極側減算器５４２１は、その直流信号と基準電圧５４４との差を検出する。正極側積分回路５４３１は、正極側減算器５４２１から出力された信号を平均化又は感度調節する。
　正極側乗算器５４５１は、交流信号源５４６の振幅を正極側積分回路５４３１の出力で変調する。
　交流調整部５４０は、このようにして、正極側電源部５３１への指令信号を生成する。また同様に交流調整部５４０は、負極側電源部５３２への指令信号を生成する。このように生成された指令信号に応じて正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の出力が増減されることで、交流電位Ｖａ及びＶｂが共に所定のレベルに制御される。これにより交流電位Ｖａ及びＶｂは等電位になる。
　なおこの例ではアナログ演算ＩＣを例に回路構成を示しているが、交流電位Ｖａ(Ｖｂ)をＡＤ変換器でデジタル変換した後、デジタル制御回路で構成してもよい。
　インピーダンス演算部５５０の詳細については、図６を参照して説明する。
　インピーダンス演算部５５０は、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）５５１と、マイコンチップ（ＣＵＰ）５５２とを含む。
　ＡＤ変換器５５１は、アナログ信号である交流電流(Ｉ１，Ｉ２)及び交流電圧(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は、インピーダンスＲｎ及び積層電池全体のインピーダンスＲを算出するプログラムを予め記憶している。マイコンチップ５５２は、所定の微小時間間隔で順次演算し、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。なおインピーダンスＲｎ及び積層電池全体のインピーダンスＲは、次式で演算される。本実施形態では、ｎ＝２である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　インピーダンス演算部５５０は、アナログ演算ＩＣを用いたアナログ演算回路で実現してもよい。アナログ演算回路によれば、時間的に連続したインピーダンス変化を出力することができる。
　図７は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の第１実施形態におけるコントロールユニット６が実行する制御フローチャートである。
　ステップＳ１においてコントロールユニット６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。コントロールユニット６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ルユニット６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。コントロールユニット６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ルユニット６は、正極側電源部５３１の出力を下げる。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ルユニット６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ルユニット６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ルユニット６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。コントロールユニット６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ルユニット６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。コントロールユニット６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ルユニット６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ルユニット６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ルユニット６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ルユニット６は、正極交流電位Ｖａ及び負極交流電位Ｖｂが所定値であるか否かを判定する。コントロールユニット６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ルユニット６は、上述の式（１－１）、（１－２）に基づいてインピーダンスを演算する。
　図８は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の制御をコントロールユニット６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、正極側のインピーダンスＲ１が高く、負極側のインピーダンスＲ２が低い状態である(図８(Ａ))。このような状態でコントロールユニット６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、コントロールユニット６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交流電流Ｉ１及び負極側交流電流Ｉ２が増大する(図８(Ｂ))。
　時刻ｔ１で正極交流電位Ｖａが制御レベルに達したら(図８(Ｃ))、コントロールユニット６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交流電流Ｉ１が維持されるとともに、負極側交流電流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交流電位Ｖａと同レベルになったら(図８(Ｃ))、コントロールユニット６は、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ９→Ｓ１１→Ｓ１２の順に処理を行う。これによって正極側交流電流Ｉ１及び負極側交流電流Ｉ２が維持される。そして式（１－１）に基づいて、正極側インピーダンスＲ１及び負極側インピーダンスＲ２が演算される。そして正極側インピーダンスＲ１と負極側インピーダンスＲ２とが足し合わされて全体のインピーダンスＲが求められる。
　時刻ｔ３以降は燃料電池の湿潤状態が変化するなどして負極側インピーダンスＲ２が上昇している(図８(Ａ))。この場合には、コントロールユニット６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インピーダンスＲ２の上昇に合わせて負極側交流電流Ｉ２を下げるので、負極交流電位は正極交流電位と同レベルに維持される。したがってこの状態でもインピーダンスが演算される。
　時刻ｔ４以降は負極側インピーダンスが正極側インピーダンスに一致するようになる(図８(Ａ))。この場合には、コントロールユニット６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交流電位と負極側交流電位とが同レベルに維持され(図８(Ｃ))、インピーダンスが演算される。
　上述した説明では、正極側インピーダンスＲ１と負極側インピーダンスＲ２とを加算して燃料電池全体のインピーダンスＲを求めるものとしたが、中途点を燃料電池の中間電位の点としているので、正極側インピーダンスＲ１と負極側インピーダンスＲ２とは等しくなる。従って、例えば、正極側交流電位差および正極側交流電流のみを検出して、正極側インピーダンスＲ１を求め、求めたインピーダンスＲ１を２倍すれば、燃料電池のインピーダンスＲを求めることができる。この場合には、負極側ノッチフィルタ５６２及び正極側加算器５７１だけ設ければよく、正極側ノッチフィルタ５６１及び負極側加算器５７２は省略することができる。同様に、負極側交流電位差および負極側交流電流のみを検出して、負極側インピーダンスＲ２を求め、求めたインピーダンスＲ２を２倍することにより、燃料電池のインピーダンスＲを求めることもできる。この場合には、正極側ノッチフィルタ５６１及び負極側加算器５７２だけ設ければよく、負極側ノッチフィルタ５６２及び正極側加算器５７１は省略することができる。
　以上、第１実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置は、積層電池に交流電流を出力し、積層電池の正極側の電位と積層電池の中間電位との正極側交流電位差、および、積層電池の負極側の電位と積層電池の中間電位との負極側交流電位差のうちの少なくとも一方の交流電位差を検出し、少なくとも一方の交流電位差と、積層電池に印加される交流電流とに基づいて積層電池のインピーダンスを算出する。この積層電池のインピーダンス測定装置において、正極側交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去する正極側ノッチフィルタ５６１、および、負極側交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去する負極側ノッチフィルタ５６２のうち、検出される交流電位差に対応するフィルタと、第１のフィルタ５６１を通過した後の信号を負極側交流電位差を示す交流信号に加算する正極側加算器５７１、および、負極側ノッチフィルタ５６２を通過した後の信号を正極側交流電位差を示す交流信号に加算する負極側加算器５７２のうち、検出される交流電位差に対応するフィルタを通過した後の信号を加算する加算器とを備える。正極側交流電位差を示す交流信号に対して正極側ノッチフィルタ５６１によって当該交流信号周波数の信号を除去した信号はノイズ信号である。積層電池の中間電位を基準とする正極側交流電位差を示す信号と負極側交流電位差を示す信号とは位相が１８０度異なる（位相が反転した）信号であるから、正極側ノッチフィルタ５６１を通過した後の信号を負極側交流電位差を示す交流信号に加算することによってノイズ信号を相殺することができ、ノイズの無い負極側交流電位差を示す交流信号を取り出すことができる。同様に、負極側ノッチフィルタ５６２を通過した後の信号を正極側交流電位差を示す交流信号に加算することによってノイズ信号を相殺することができ、ノイズの無い正極側交流電位差を示す交流信号を取り出すことができる。これにより、ノイズの影響がない交流電位差および交流電流に基づいて、積層電池のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　所定の周波数帯域の信号を通過させるバンドパスフィルタを用いてノイズ成分を除去する場合、狭い周波数の信号を通過させるためのバンドパスフィルタが高価であるため、コストが高くなる。しかしながら、本実施形態では、安価なノッチフィルタを用いることにより、バンドパスフィルタを用いる構成に対して低いコストでノイズを除去することができる。
　また、除去したいノイズ信号の位相を反転させた信号を元信号に加算することによってノイズ信号を除去するアクティブノイズコントルールシステムでは、除去したいノイズ信号を生成する必要がある。しかし、本実施形態では、正極側交流電位差を示す交流信号を正極側ノッチフィルタ５６１に通してから負極側交流電位差を示す交流信号に加算するだけで、負極側交流電位差を示す交流信号からノイズ成分を除去することができる。同様に、負極側交流電位差を示す交流信号を負極側ノッチフィルタ５６２に通してから正極側交流電位差を示す交流信号に加算するだけで、正極側交流電位差を示す交流信号からノイズ成分を除去することができる。
　（第２実施形態）
　図９は、第２実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の作用効果を説明するための図である。
　第１実施形態では、交流電位差検出部５２１，５２２及び電源部５３１，５３２をひとつの経路で燃料電池１に接続していたが、本実施形態では、それぞれ別の経路で燃料電池１に接続するようにした。これによってインピーダンスの検出精度が向上する。以下ではその理由を説明する。
　図９(Ａ)に示すように、交流電位差検出部及び電源部をひとつの経路で接続すると、燃料電池１の電位Ｖｘは、次式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　これに対して、交流電位差検出部５２１で検出される電圧Ｖｉは、次式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　このように、交流電位差検出部５２１で検出される電圧Ｖｉには、本来検出したい電位Ｖｘに、配線抵抗Ｒｗ及び接続点の接触抵抗Ｒｃと交流電流とに応じた誤差電圧が加算される。したがって測定誤差ｅｒｒは、次式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　小型電池などであれば一般的に測定対象抵抗Ｒｘが大きいので、接触抵抗Ｒｃ及び配線抵抗Ｒｗを無視でき実用上問題ないが、大型電池では一般的に〔配線抵抗Ｒｗ＞測定対象抵抗Ｒｘ〕の関係になる。この場合は各積層セル群に対して四端子法で接続する必要がある。
　そこで本実施形態では、図９(Ｂ)に示すように、交流電位差検出部及び電源部をそれぞれ別の経路で接続する。このように構成すれば、交流電圧検出線５０１ａの接触抵抗Ｒｃ及び配線抵抗Ｒｗは、検出したい電圧Ｖｘを交流電位差検出部５２１の入力抵抗Ｒｉで分圧するように作用する。一般的には交流電位差検出部５２１の入力抵抗Ｒｉは配線抵抗Ｒｗや接触抵抗Ｒｃに対して非常に大きい（Ｒｉ≫（Ｒｗ＋Ｒｃ））。したがって、このように構成することで、測定誤差ｅｒｒは、次式（５）で表され、無視できるほど小さくなり、Ｖｉ＝Ｖｘと見なすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図１０は、第２実施形態の具体的な構成を示す図である。
　燃料電池１を構成する発電セル１０のセパレーター(バイポーラープレート)１２の一部を延設して接続部位を設ける。
　図１１は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の第２実施形態を示す回路図である。
　正極側交流電位差検出部５２１は、コンデンサー５１１ａを介して燃料電池１の正極側のセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。正極側電源部５３１は、コンデンサー５１１を介して、正極側交流電位差検出部５２１の経路５０１ａとは別の経路５０１で、正極側交流電位差検出部５２１が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１２ａを介して燃料電池１の負極側のセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。負極側電源部５３２は、コンデンサー５１２を介して、負極側交流電位差検出部５２２の経路５０２ａとは別の経路５０２で、負極側交流電位差検出部５２２が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　接地線５０３は、コンデンサー５１３を介して燃料電池１の中途点（中間電位の点）のセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。また正極側交流電位差検出部５２１及び負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１３ａを介して、接地線５０３とは別の経路５０３ａで、接地線５０３が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　また本実施形態では、交流調整部５４０の指令信号が正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２に出力信号と比例関係にあることに着目し、この指令信号に基づいて交流電流値(Ｉ１，Ｉ２)を得るようにしてある。
　本実施形態によれば、配線抵抗や接触抵抗の大きさや、あるいは温度や、端子表面酸化などによる抵抗変動の影響を大幅に低減することができる。そのため、積層電池側と信号配線との設計自由度が高く、安価に各積層セル群のインピーダンスを正確に検出することができる。また交流電流値(Ｉ１，Ｉ２)を実測する必要がないので、回路を簡素化できる。
　このような回路構成においても、第１の実施形態と同様に、正極側加算器５７１および負極側加算器５７２からはノイズが相殺された信号が出力されるので、正極側交流電位差検出部５２１および負極側交流電位差検出部５２２は、ノイズが無い交流電位差を検出することができる。
　（第３実施形態）
　図１２は、第３実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。本実施形態では、交流電位差検出部は正極側にのみ設けられている。従って、加算器（５７１）も正極側にのみ設けられ、ノッチフィルタ（５６２）は負極側にのみ設けられる。
　本実施形態では、交流電源部５７０が、コンデンサー５１３を介して燃料電池１の中途点（中間電位の点）のセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。また正極側交流電位差検出部５２１は、コンデンサー５１３ａを介して、交流電源部５７０の経路５０３とは別の経路５０３ａで、交流電源部５７０が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　正極側交流電流検出部５３１ａは、可変抵抗Ｒａ，可変コンデンサーＣａ及びコンデンサー５１１を介して、正極側交流電位差検出部５２１の経路５０１ａとは別の経路５０１で、正極側交流電位差検出部５２１が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　負極側交流電流検出部５３２ａは、固定抵抗Ｒｆ及びコンデンサー５１２を介して、コンデンサー５１２ａの経路５０２ａとは別の経路５０２で、コンデンサー５１２ａが接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。なお交流電流検出部５３１ａ、５３２ａとしては、ＯＰアンプによる電流電圧変換回路やカレントトランス方式（ＣＴ）の交流電流センサーなどが使用できる。
　交流調整部５４０ａは、一端がコンデンサー５１１ａ及び正極側交流電位差検出部５２１の間に接続される。また他端がコンデンサー５１２ａに接続される。これによって交流調整部５４０ａは、燃料電池１の正極交流電位Ｖａ及び負極交流電位Ｖｂを入力できる。そして交流調整部５４０ａは、可変抵抗Ｒａ及び可変コンデンサーＣａを調整する。
　図１３は、第３実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
　ステップＳ１０１においてコントロールユニット６は、初期値設定が済んでいるか否かを判定する。コントロールユニット６は、判定結果が否(初期値設定が済んでいない)であればステップＳ１０２へ処理を移行し、判定結果が肯(初期値設定が済んでいる)であればステップＳ１０４へ処理を移行する。
　ステップＳ１０２においてコントロールユニット６は、可変抵抗Ｒａの調整量Ｎ及び可変コンデンサーＣａの調整量Ｍを設定する。ここでは一例としてそれぞれ１を設定している。
　ステップＳ１０３においてコントロールユニット６は、正極交流電位Ｖａから負極交流電位Ｖｂを減算して比較電位差Ｖｐを算出する。
　ステップＳ１０４においてコントロールユニット６は、可変抵抗Ｒａを調整するか否かを判定する。コントロールユニット６は、判定結果が肯であればステップＳ１０５へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１１１へ処理を移行する。
　ステップＳ１０５においてコントロールユニット６は、可変抵抗の抵抗値Ｒａに調整量Ｎを加算して可変抵抗値Ｒａを更新する。
　ステップＳ１０６においてコントロールユニット６は、正極交流電位Ｖａから負極交流電位Ｖｂを減算して電位差Ｖｎを算出する。
　ステップＳ１０７においてコントロールユニット６は、電位差Ｖｎが比較電位差Ｖｐよりも小さくなったか否かを判定する。コントロールユニット６は、判定結果が否であればステップＳ１０８へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１０９へ処理を移行する。
　ステップＳ１０８においてコントロールユニット６は、調整量Ｎの極性を反転し、一旦処理を抜ける。
　ステップＳ１０９においてコントロールユニット６は、電位差Ｖｎが最小になったか否かを判定する。コントロールユニット６は、判定結果が肯であればステップＳ１１０へ処理を移行し、判定結果が否であれば、一旦処理を抜ける。
　ステップＳ１１０においてコントロールユニット６は、その時点の電位差Ｖｎで比較電位差Ｖｐを更新する。
　ステップＳ１１１においてコントロールユニット６は、可変コンデンサーの容量Ｃａに調整量Ｍを加算して可変コンデンサー容量Ｃａを更新する。
　ステップＳ１１２においてコントロールユニット６は、正極交流電位Ｖａから負極交流電位Ｖｂを減算して電位差Ｖｎを算出する。
　ステップＳ１１３においてコントロールユニット６は、電位差Ｖｎが比較電位差Ｖｐよりも小さくなったか否かを判定する。コントロールユニット６は、判定結果が否であればステップＳ１１４へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１１５へ処理を移行する。
　ステップＳ１１４においてコントロールユニット６は、調整量Ｍの極性を反転し、一旦処理を抜ける。
　ステップＳ１１５においてコントロールユニット６は、電位差Ｖｎが最小になったか否かを判定する。コントロールユニット６は、判定結果が肯であればステップＳ１１６へ処理を移行し、判定結果が否であれば、一旦処理を抜ける。
　ステップＳ１１６においてコントロールユニット６は、その時点の電位差Ｖｎで比較電位差Ｖｐを更新する。
　ステップＳ１１７においてコントロールユニット６は、上述の式（１－１）、（１－２）に基づいてインピーダンスを演算する。
　以上のフローチャートが実行されると以下のように動作する。
　最初は初期値を設定する(Ｓ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３)。
　次サイクルでは、まず可変抵抗Ｒａを調整する。可変抵抗値Ｒａを調整して(Ｓ１０５)、電位差Ｖｎを算出し(Ｓ１０６)、電位差が小さくならなければ調整量Ｎの極性を反転し(Ｓ１０８)、電位差が小さくなれば最小値か否かを判定する(Ｓ１０９)。最小値になるまで同様の処理(Ｓ１０１→Ｓ１０４→Ｓ１０５→Ｓ１０６→Ｓ１０７→Ｓ１０８又はＳ１０９)を繰り返すことで、可変抵抗値Ｒａが最小値に調整される。そして可変抵抗値Ｒａが最小値に調整されたら、その時点の電位差Ｖｎで比較電位差Ｖｐを更新する(Ｓ１１０)。
　次サイクルでは、可変コンデンサー容量Ｃａを調整する。可変コンデンサー容量Ｃａを調整して(Ｓ１１１)、電位差Ｖｎを算出し(Ｓ１１２)、電位差が小さくならなければ調整量Ｍの極性を反転し(Ｓ１１４)、電位差が小さくなれば最小値か否かを判定する(Ｓ１１５)。最小値になるまで同様の処理(Ｓ１０１→Ｓ１０４→Ｓ１１１→Ｓ１１２→Ｓ１１３→Ｓ１１４又はＳ１１５)を繰り返すことで、可変コンデンサー容量Ｃａが最小値に調整される。そして可変コンデンサー容量Ｃａが最小値に調整されたら、その時点の電位差Ｖｎで比較電位差Ｖｐを更新する(Ｓ１１６)。
　そして上述の式（１－１）、（１－２）に基づいてインピーダンスを演算する(Ｓ１１７)。
　本実施形態のようにすれば、各積層セル群両端の交流電圧振幅が必然的に同じになる。そのため、第１実施形態や第２実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、インピーダンス測定対象(燃料電池)に流れる交流電流値と、電源から出力する交流電流値と、が一致するので、測定対象へ流れる交流電流を正確に検知することができる。そしてこの交流電流に基づいて積層電池のインピーダンスを求めるので、稼働中の積層電池のインピーダンスを負荷装置の状態の影響を受けずに正確に測定することができる。
　さらに本実施形態によれば、各積層セル群両端の交流電圧振幅が必然的に同じになるので、交流電位差検出部は正極側及び負極側のいずれか一方に設ければよい。なお本実施形態では、正極側に交流電位差検出部５２１を設けた。したがって、回路を簡素にすることができる。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、正極側加算器５７１からはノイズが相殺された信号が出力されるので、正極側交流電位差検出部５２１は、ノイズが無い交流電位差を検出することができる。
　（第４実施形態）
　図１４は、第４実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。
　本実施形態では、第３実施形態と同様に、交流電源部５７０が、コンデンサー５１３を介して燃料電池１の中途点のセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。また正極側交流電位差検出部５２１及び負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１３ａを介して、交流電源部５７０の経路５０３とは別の経路５０３ａで、交流電源部５７０が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　正極側極性反転アンプ５４０ｂは、コンデンサー５１１を介して、正極側交流電位差検出部５２１の経路５０１ａとは別の経路５０１で、正極側交流電位差検出部５２１が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。
　負極側極性反転アンプ５４０ｃは、コンデンサー５１２を介して、負極側交流電位差検出部５２２の経路５０２ａとは別の経路５０２で、負極側交流電位差検出部５２２が接続するのと同じセパレーター(バイポーラープレート)に接続する。なお極性反転アンプ５４０ｂ．５４０ｃとしては、ＯＰアンプによる反転増幅回路、ブートストラップ回路、アクティブノイズキャンセル回路などが応用できる。
　このように構成すれば、積層電池出力端で検出される交流電圧の極性が反転されてそれぞれの積層電池出力端子に戻されるので、積層電池出力端の交流電圧振幅が強制的に相殺(零化)される。これによって、積層電池両端の交流電圧振幅は共に零になって等電位になる。
　また各々の積層セル群に流れる交流電流は、交流電流検出部５３１ａ，５３２ａで検出され、積層セル群両端の交流電圧は交流電圧検出線に接続した交流電位差検出部５２１，５２２で検出される。
　したがって、本実施形態によれば、交流調整部５４０による電圧比較機能が不要であるので、回路を簡素化できる。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、正極側加算器５７１および負極側加算器５７２からはノイズが相殺された信号が出力されるので、正極側交流電位差検出部５２１および負極側交流電位差検出部５２２は、ノイズが無い交流電位差を検出することができる。
　（第５実施形態）
　図１５は、本発明による積層電池のインピーダンス測定装置の第５実施形態を示す図である。
　上記各実施形態では、交流電位差検出部及び電源部(又は交流電流検出部)を共通のセパレーター(バイポーラープレート)に接続した。これに対して、本実施形態では、少なくともひとつ隔てた別のバイポーラープレートに接続する。具体的な回路図を図１６に示す。
　正極側電源部５３１は、コンデンサー５１１を介して、燃料電池１の正極側のバイポーラープレート５０１に接続する。正極側交流電位差検出部５２１は、コンデンサー５１１ａを介して、バイポーラープレート５０１とは異なるバイポーラープレート５０１ａに接続する。また正極側交流電位差検出部５２１は、コンデンサー５１３１ａを介して、接地線が接続するバイポーラープレート５０３とは異なるバイポーラープレート５０３１ａに接続する。
　負極側電源部５３２は、コンデンサー５１２を介して、燃料電池１の負極側のバイポーラープレート５０２に接続する。負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１２ａを介してバイポーラープレート５０２とは異なるバイポーラープレート５０２ａに接続する。また負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１３２ａを介して、接地線が接続するバイポーラープレート５０３とは異なるバイポーラープレート５０３２ａに接続する。
　本実施形態によっても、第２実施形態と同様の作用効果が得られる。接続端子の占有スペースを狭くできるので小型化できる。なお本実施形態の場合は、バイポーラープレート５０１とバイポーラープレート５０１ａとの間のセルインピーダンス、バイポーラープレート５０２とバイポーラープレート５０２ａとの間のセルインピーダンス、バイポーラープレート５０３とバイポーラープレート５０３１ａとの間のセルインピーダンス、バイポーラープレート５０３とバイポーラープレート５０３２ａとの間のセルインピーダンスは、いずれも交流電圧検出の範囲外となり検出できない。しかしながら、大型積層電池などのように積層枚数が多い場合や、セル間のインピーダンスばらつきが揃っている場合には、検出範囲のセル枚数から１セル当たりの平均セルインピーダンスを求めて補正できるので問題ない。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、正極側加算器５７１および負極側加算器５７２からはノイズが相殺された信号が出力されるので、正極側交流電位差検出部５２１および負極側交流電位差検出部５２２は、ノイズが無い交流電位差を検出することができる。
　（第６実施形態）
　図１７は、第６実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。
　本実施形態を回路図で示すと、第３実施形態(図１２)と同じになる。ただし、第３実施形態では、交流電位差検出部及び電源部(又は交流電流検出部)を共通のセパレーター(バイポーラープレート)に接続するようにしたが、本実施形態では、少なくともひとつ隔てた別のバイポーラープレートに接続する。なお本実施形態では、交流電位差検出部は正極側にのみ設け、この正極側交流電位差検出部を図１５のバイポーラープレート５０３１ａに接続する。図１５のバイポーラープレート５０３２ａに接続する交流電位差検出部は不要である。
　このようにすれば、第３実施形態と同様に、各積層セル群両端の交流電圧振幅が必然的に同じになる。そのため、インピーダンス測定対象(燃料電池)に流れる交流電流値と、電源から出力する交流電流値とが一致するので、測定対象へ流れる交流電流を正確に検知することができる。そしてこの交流電流に基づいて積層電池のインピーダンスを求めるので、稼働中の積層電池のインピーダンスを負荷装置の状態の影響を受けずに正確に測定することができる。また接続端子の占有スペースを狭くできるので小型化できる。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、正極側加算器５７１からはノイズが相殺された信号が出力されるので、正極側交流電位差検出部５２１は、ノイズが無い交流電位差を検出することができる。
　（第７実施形態）
　図１８は、第７実施形態における積層電池のインピーダンス測定装置の回路図である。
　本実施形態では、基本的には第４実施形態(図１４)と同様である。ただし、第４実施形態(図１４)では、交流電位差検出部及び電源部(又は交流電流検出部)を共通のセパレーター(バイポーラープレート)に接続したのに対して、本実施形態では、少なくともひとつ隔てた別のバイポーラープレートに接続する。
　正極側極性反転アンプ５４０ｂは、コンデンサー５１１を介して、燃料電池１の正極側のバイポーラープレート５０１に接続する。正極側交流電位差検出部５２１は、コンデンサー５１１ａを介して、バイポーラープレート５０１とは異なるバイポーラープレート５０１ａに接続する。また正極側交流電位差検出部５２１は、コンデンサー５１３１ａを介して、接地線が接続するバイポーラープレート５０３とは異なるバイポーラープレート５０３１ａに接続する。
　負極側極性反転アンプ５４０ｃは、コンデンサー５１２を介して、燃料電池１の負極側のバイポーラープレート５０２に接続する。負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１２ａを介してバイポーラープレート５０２とは異なるバイポーラープレート５０２ａに接続する。また負極側交流電位差検出部５２２は、コンデンサー５１３２ａを介して、接地線が接続するバイポーラープレート５０３とは異なるバイポーラープレート５０３２ａに接続する。
　このようにすれば、第４実施形態と同様に、積層電池出力端で検出される交流電圧の極性が反転されてそれぞれの積層電池出力端子に戻されるので、積層電池出力端の交流電圧振幅が強制的に相殺(零化)される。これによって、積層電池両端の交流電圧振幅は共に零になって等電位になる。また各々の積層セル群に流れる交流電流は、交流電流検出部５３１ａ，５３２ａで検出され、積層セル群両端の交流電圧は交流電圧検出線に接続した交流電位差検出部５２１，５２２で検出される。したがって、本実施形態によれば、交流調整部５４０による電圧比較機能が不要であるので、回路を簡素化できる。また接続端子の占有スペースを狭くできるので小型化できる。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、正極側加算器５７１および負極側加算器５７２からはノイズが相殺された信号が出力されるので、正極側交流電位差検出部５２１および負極側交流電位差検出部５２２は、ノイズが無い交流電位差を検出することができる。
　（参考実施形態）
　上述した各実施形態では、中途点は燃料電池１の中間電位の点としているが、中途点を燃料電池１の中間電位の点としない場合の回路に対してノッチフィルタを設ける構成について考察しておく。
　例えば、燃料電池１の正極端子と負極端子との間を１：２に分ける点を中途点として接地した場合、正極側交流電位差検出部ではノイズを含む交流電位差信号を１／３倍した信号を検出し、負極側交流電位差検出部ではノイズを含む交流電位差信号を２／３倍した信号を検出することになる。従って、正極側交流電位差検出部で検出される信号を２倍に増幅すれば、正極側交流電位差検出部と負極側交流電位差検出部で検出される信号レベルは同じとなる。同じ信号レベルとなるように調整された信号を、上述した各実施形態で説明したように、ノッチフィルタ及び加算器を通すことにより、ノイズをキャンセルすることができる。
　図１９は、接続切替器５８０で中途点を順次切り替えるようにした構成図である。この場合にも、切り換える中途点の位置に応じて、正極側交流電位差検出部と負極側交流電位差検出部で検出される信号レベルが同じとなるように調整してからノッチフィルタ及び加算器を通すことにより、ノイズをキャンセルすることができる。
　中途点を切り換えるこの構成によれば、現在の測定値と一つ前の測定値とを比較することで、現在接続されているセルのインピーダンスを算出することができる。従って、各セル毎にインピーダンスを測定することができる。これにより、積層方向のインピーダンス分布や局所的なセルの劣化などをモニタすることができる。
　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、図２０のように、積層電池１－１と同じ積層電池１－２を直列接続したものをインピーダンス測定対象としてもよい。このような場合であれば、積層電池１－１の正極を上記実施形態の正極と捉え、積層電池１－１と積層電池１－２との中途点を上記実施形態の中途点と捉え、積層電池１－２の負極を上記実施形態の負極と捉える。中途点は、積層電池１－１と積層電池１－２を含むインピーダンス測定対象の中間電位の点となる。このようにすれば、積層電池１－１のインピーダンス値がＲ１として求まり、積層電池１－２のインピーダンス値がＲ２として求まる。このようにしても、上述した各実施形態のように、ノッチフィルタおよび加算器を設けることによって、ノイズの影響を受けることなく、積層電池１－１及び積層電池１－２それぞれのインピーダンス値を正確に求めることができる。
　さらに上記説明においては、積層電池の一例として燃料電池を挙げたが、リチウムイオン電池などの電池であってもよい。すなわち発電要素が複数積層される電池であれば適用できる。そのような電池であっても内部抵抗が測定できれば効率的な運転ができ望ましい。
　上述した第１～第３、第５～第６実施形態では、交流調整部（５４０、５４０ａ）を設けた構成について説明したが、中途点を燃料電池１の中間電位の点としていることから、交流調整部（５４０、５４０ａ）は省略することも可能である。
　中途点は、燃料電池１の中間電位の点としたが、完全に中間電位の点ではなく、中間電位に近い位置としてもよい。
　本願は、２０１２年１０月９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－２２４２６６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (3)

  1. 　積層電池を少なくとも含むインピーダンス測定対象に交流電流を出力する交流電源部と、
    　前記インピーダンス測定対象の正極側の電位と前記インピーダンス測定対象の中間電位との正極側交流電位差、および、前記インピーダンス測定対象の負極側の電位と前記インピーダンス測定対象の中間電位との負極側交流電位差のうちの少なくとも一方の交流電位差を検出する交流電位差検出手段と、
    　前記少なくとも一方の交流電位差と、前記インピーダンス測定対象に印加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算出するインピーダンス算出手段と、
    　前記インピーダンス算出手段で用いられる交流電位差とは反対極側の交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去するフィルタと、
    　前記フィルタを通過した後の信号を、前記インピーダンス算出手段で用いられる前記交流電位差を示す交流信号に加算する加算手段と、
    を備える積層電池のインピーダンス測定装置。
  2. 　積層電池を少なくとも含むインピーダンス測定対象に交流電流を出力する交流電源部と、
    　前記インピーダンス測定対象の正極側の電位と前記インピーダンス測定対象の中間電位との正極側交流電位差、および、前記インピーダンス測定対象の負極側の電位と前記インピーダンス測定対象の中間電位との負極側交流電位差のうちの少なくとも一方の交流電位差を検出する交流電位差検出手段と、
    　前記少なくとも一方の交流電位差と、前記インピーダンス測定対象に印加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算出するインピーダンス算出手段と、
    　前記正極側交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去する第１のフィルタと、
    　前記負極側交流電位差を示す交流信号に対して当該交流信号周波数の信号を除去する第２のフィルタと、
    　前記第１のフィルタを通過した後の信号を前記負極側交流電位差を示す交流信号に加算する第１の加算手段と、
    　前記第２のフィルタを通過した後の信号を前記正極側交流電位差を示す交流信号に加算する第２の加算手段と、
    を備える積層電池のインピーダンス測定装置。
  3. 　請求項１または請求項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、
    　前記フィルタは、ノッチフィルタである、
    積層電池のインピーダンス測定装置。
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