WO2016006114A1 - 燃料電池のインピーダンス測定装置および燃料電池のインピーダンス測定方法 - Google Patents

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WO2016006114A1
WO2016006114A1 PCT/JP2014/068634 JP2014068634W WO2016006114A1 WO 2016006114 A1 WO2016006114 A1 WO 2016006114A1 JP 2014068634 W JP2014068634 W JP 2014068634W WO 2016006114 A1 WO2016006114 A1 WO 2016006114A1
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WO
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fuel cell
frequency
potential
positive
negative
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PCT/JP2014/068634
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French (fr)
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充彦 松本
耕太郎 明石
庸平 金子
雅士 佐藤
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日産自動車株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring the impedance of a fuel cell.
  • WO2012 / 077450A discloses an internal resistance measuring device that can measure the internal resistance of a fuel cell in a state where electric power is supplied from the fuel cell to a load.
  • This internal resistance measuring device outputs the same AC signal to the positive terminal and the negative terminal of the fuel cell so that current does not leak to the load side in order to ensure measurement accuracy.
  • a potential difference obtained by subtracting the potential of the intermediate terminal located between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal from the potential of the positive electrode terminal of the fuel cell and a potential difference obtained by subtracting the potential of the intermediate terminal from the potential of the negative electrode terminal.
  • the amplitude of the AC signal output to each electrode terminal is adjusted so as to match. Thereafter, the internal impedance of the fuel cell is measured based on the adjusted potential difference signal and the AC output signal.
  • An object of the present invention is to provide a technique for accurately measuring the impedance of a fuel cell even when the load fluctuates.
  • An impedance measuring apparatus for a fuel cell includes a positive-side AC potential difference that is a difference between a positive-side potential and a halfway potential of a fuel cell, and a difference between a negative-side potential and a halfway potential of a fuel cell.
  • the AC current is adjusted so that a certain negative-side AC potential difference matches, and the impedance of the fuel cell is determined based on the AC potential difference of at least one of the positive-side AC potential difference and the negative-side AC potential difference and the adjusted AC current. Is calculated.
  • the frequency of the alternating current output to the fuel cell is adjusted so that it does not coincide with the frequency based on the fluctuation of the load connected to the fuel cell.
  • FIG. 1A is an external perspective view of a fuel cell that is a measurement target of an impedance measuring device for a fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 1B is an exploded view showing the structure of the power generation cell of the fuel cell.
  • FIG. 2 is a system configuration diagram in the case where the fuel cell impedance measuring device according to one embodiment is mounted on a fuel cell vehicle.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a fuel cell impedance measuring apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a detailed configuration of the positive-side DC blocking unit, the negative-side DC blocking unit, the midpoint DC blocking unit, the positive-side AC potential difference detection unit, and the negative-side AC potential difference detection unit.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a detailed configuration of the positive-side DC blocking unit, the negative-side DC blocking unit, the midpoint DC blocking unit, the positive-side AC potential difference detection unit, and the negative-side AC potential difference detection unit.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a detailed configuration of the positive power supply unit and the negative power supply unit.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a detailed configuration of the AC adjustment unit.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a detailed configuration of the impedance calculation unit.
  • FIG. 8 is a control flowchart executed mainly by the control unit of the fuel cell impedance measuring apparatus.
  • FIG. 9A is a diagram illustrating an example of an experimental result indicating that when a voltage at both ends of the fuel cell is measured in a low load state, a frequency having a large amplitude increases as the load increases.
  • FIG. 9A is a diagram illustrating an example of an experimental result indicating that when a voltage at both ends of the fuel cell is measured in a low load state, a frequency having a large amplitude increases as the load increases.
  • FIG. 9B is a diagram illustrating an example of an experimental result indicating that when the voltage across the fuel cell is measured in a high load state, the frequency having a large amplitude increases with an increase in the load.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the voltage magnitude and the frequency when the voltage across the fuel cell is measured in a state where the load is at a certain magnitude.
  • FIG. 11 sets the frequency of the AC signal output from the positive power supply unit and the negative power supply unit so as not to coincide with the fluctuation frequency of the load, determines the amplitude of the AC signal, and determines the determined frequency and amplitude. It is a flowchart which shows the procedure which outputs an alternating current signal from a positive electrode side power supply part and a negative electrode side power supply part.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the relationship between the phase voltage frequency and the implementation frequency.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the relationship between the phase voltage frequency and the amplitude of the AC signal.
  • FIG. 1A is an external perspective view of a fuel cell that is a measurement target of an impedance measuring device for a fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 1B is an exploded view showing the structure of the power generation cell of the fuel cell.
  • the fuel cell stack 1 (hereinafter also simply referred to as the fuel cell 1) includes a plurality of stacked power generation cells 10, a current collecting plate 20, an insulating plate 30, an end plate 40, Four tension rods 50 are provided.
  • 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), for example. 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 midway terminal 213 may be a midpoint between the positive electrode terminal 211 and the negative electrode terminal 212, or may be a position off the midpoint.
  • 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, for example, carbon black particles on which platinum is supported.
  • 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 system configuration diagram when the fuel cell impedance measuring device according to one embodiment is mounted on a fuel cell vehicle.
  • the DC power output from the fuel cell 1 is converted into AC power by the inverter 22 and supplied to the three-phase AC motor 23.
  • the secondary battery 25 is connected in parallel with the fuel cell 1 via the DC / DC converter 24.
  • the DC power of the secondary battery 25 is converted to a desired level of power by the DC / DC converter 24, then converted to AC power by the inverter 22, and supplied to the three-phase AC motor 23.
  • An impedance measuring device 5 described later is connected to the fuel cell 1.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the fuel cell impedance measuring apparatus 5 according to an 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.
  • a power supply unit 531, a negative power supply unit 532, an AC adjustment unit 540, and an impedance calculation unit 550 are provided.
  • 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. Note that the midpoint DC blocking unit 513 may not be provided as indicated by the wavy line in FIG.
  • These DC blocking units 511 to 513 block a DC signal but flow an AC signal.
  • the DC blocking units 511 to 513 are, for example, capacitors or transformers.
  • 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).
  • the positive power supply unit 531 outputs an AC signal having an amplitude and a frequency fa determined by a method described later.
  • the output current Io can be obtained by the input voltage Vi ⁇ proportional constant Rs without actually measuring the output current Io.
  • the output is current
  • the alternating current flowing through the stacked cell group and the output of the current source are in phase, and the input voltage Vi is also in phase. become. Therefore, it is not necessary to consider the phase difference in the impedance calculation at the next stage, and the circuit is simple.
  • 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-side detection circuit 5411, a positive-side subtractor 5421, a positive-side integration circuit 5431, a positive-side multiplier 5451, a negative-side detection circuit 5412, a negative-side subtracter 5422, and a negative-side An integration circuit 5432, a negative-side multiplier 5452, a reference voltage 544, and an AC signal source 546 are provided.
  • 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 fuel cell 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. In the present embodiment, in particular, the AC potentials Va and Vb are controlled so that the amplitude level of the AC signal is determined by a method described later.
  • 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 (CPU) 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 fuel cell.
  • 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. 8 is a control flowchart executed mainly by the control unit 6 of the fuel cell impedance measuring apparatus.
  • 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 impedance calculation unit 550 calculates the impedance based on the above-described equations (1-1) and (1-2).
  • the load fluctuation frequency is, for example, a switching frequency of a switching element (semiconductor switch) provided in the inverter 22 or a switching frequency of a switching element (semiconductor switch) provided in the DC / DC converter 24.
  • FIG. 9A and FIG. 9B are diagrams showing an example of experimental results showing that when the voltage across the fuel cell 1 is measured, the frequency with a large amplitude increases as the load increases, FIG. FIG. 9B shows the result when the load is high. As shown in FIG. 9B, when the load increases, the frequency having a large amplitude increases according to the load variation. Therefore, the frequency of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 and the load variation are increased. In some cases, the frequency matches.
  • the frequency fa of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 is set so as not to coincide with the fluctuation frequency of the load. More specifically, the frequency fa of the AC signal is set so as not to coincide with the frequencies (1) to (4) below.
  • the phase voltage frequency in the following (1) and (2) is the frequency of each phase voltage of the three-phase AC voltage applied to the motor 23. (1) Switching frequency of switching element provided in inverter 22 ⁇ phase voltage frequency ⁇ 2 (2) Switching frequency of switching element provided in inverter 22 ⁇ 2 ⁇ phase voltage frequency (3) Switching frequency of switching element provided in inverter 22 and its harmonic frequency (4) DC / DC converter The switching frequency of the switching element provided in 24, and its harmonic frequency
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the voltage magnitude and the frequency when the voltage across the fuel cell 1 is measured in a state where the load is at a certain magnitude.
  • the frequencies (a) to (f) at which the voltage amplitude is large are the following frequencies, respectively.
  • D Switching frequency of the switching element provided in the inverter 22 ⁇ 2
  • E Switching frequency of the switching element provided in the DC / DC converter 24
  • the frequency fa of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 is set so as not to coincide with at least the frequencies (a) to (f).
  • FIG. 11 sets the frequency fa of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 so that it does not coincide with the fluctuation frequency of the load, determines the amplitude of the AC signal, and determines the determined frequency.
  • 5 is a flowchart showing a procedure for outputting an alternating current signal having an amplitude and an amplitude from a positive power supply unit 531 and a negative power supply unit 532.
  • step S110 the rotational speed of the motor 23 is detected.
  • the rotation speed of the motor 23 is detected by a rotation speed sensor (not shown).
  • step S111 the phase voltage frequency is calculated from the following equation (2).
  • step S112 based on the phase voltage frequency calculated in step S111, the frequency of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 so as not to coincide with the frequencies of (1) to (4) above. (Implementation frequency) fa is determined.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of the relationship between the phase voltage frequency and the implementation frequency. Since the switching frequency of the switching element provided in the inverter 22 and the switching frequency of the switching element provided in the DC / DC converter 24 are determined in advance, the phase voltage frequency fluctuates according to the rotational speed of the motor 23. If it is known, the implementation frequency can be determined.
  • the implementation frequency may be set to a frequency that does not coincide with the above-described frequencies (1) to (4), that is, a frequency that does not coincide with the load fluctuation frequency, but is a frequency suitable for measuring the impedance of the fuel cell 1. Is preferably set.
  • an appropriate implementation frequency is obtained in advance according to the phase voltage frequency, and a table defining the relationship between the phase voltage frequency and the implementation frequency as shown in FIG. 12 is prepared, and based on the calculated phase voltage frequency.
  • the implementation frequency fa is determined by referring to the above table.
  • step S113 the amplitude of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 is determined based on the phase voltage frequency calculated in step S111.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the phase voltage frequency and the amplitude of the AC signal.
  • the amplitude of the AC signal is increased. This is because the noise level increases as the phase voltage frequency increases, so the amplitude is increased to increase the SN ratio (signal-to-noise ratio).
  • a table that defines the relationship between the phase voltage frequency and the amplitude of the AC signal as shown in FIG. 13 is prepared in advance, and the amplitude of the AC signal is determined by referring to this table.
  • step S114 the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 output an AC signal having the implementation frequency determined in step S112 and the amplitude determined in step S113.
  • the frequency of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 is set so as not to coincide with the load fluctuation frequency. Therefore, a margin is provided between the load fluctuation frequency and the frequency of the AC signal after setting.
  • the margin is increased as the phase voltage frequency becomes higher. Thereby, even when the frequency of the phase voltage is increased and the sideband of the switching frequency is widened, the frequency of the AC signal output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 and the fluctuation frequency of the load are increased. Since matching can be prevented, the impedance of the fuel cell 1 can be accurately measured.
  • the positive-side AC potential difference that is the difference between the positive-side potential and the midway potential of the fuel cell 1, and the negative-side potential and midway potential of the fuel cell 1.
  • the AC current output to the fuel cell 1 is adjusted such that the negative-side AC potential difference that is the difference between the positive-side AC potential difference and at least one of the positive-side AC potential difference and the negative-side AC potential difference is adjusted.
  • the impedance of the fuel cell 1 is calculated.
  • the frequency of the alternating current output to the fuel cell 1 is adjusted so that it does not coincide with the frequency based on the fluctuation of the load connected to the fuel cell 1.
  • the impedance of the fuel cell 1 can be obtained with high accuracy.
  • the fluctuation of the load is the fluctuation of the operation of the motor 23 to which electric power is supplied from the fuel cell 1 and the fluctuation of the operation of the semiconductor switch provided in the inverter (power converter) 22 connected to the fuel cell 1. At least one of them.
  • the frequency of the alternating current can be adjusted so as not to coincide with the frequency based on at least one of the operation state of the motor 23 and the operation state of the semiconductor switch provided in the inverter 22. Impedance can be obtained with high accuracy.
  • the frequency of the alternating current output from the positive electrode side power supply unit 531 and the negative electrode side power supply unit 532 is adjusted based on the frequency of the phase voltage between the inverter 22 and the motor 23, it corresponds to the operating state of the motor 23. Based on the phase voltage frequency that changes, the frequency of the alternating current and the frequency based on the load fluctuation can be prevented from matching, and the impedance of the fuel cell 1 can be obtained with high accuracy.
  • the frequency based on the load variation includes the switching frequency of the semiconductor switch of the inverter 22 and the phase voltage at a frequency that is twice the switching frequency of the semiconductor switch of the inverter 22.
  • the frequency obtained by adding or subtracting the frequency the frequency obtained by adding or subtracting the frequency obtained by doubling the frequency of the phase voltage to the switching frequency of the semiconductor switch of the inverter 22, and the harmonic frequency of the switching frequency of the semiconductor switch of the inverter 22 At least one is included.
  • the margin is set larger as the phase voltage frequency is higher. As a result, even if the phase voltage frequency is increased and the sideband of the switching frequency of the switching element is widened, it is possible to reliably prevent the frequency of the alternating current and the fluctuation frequency of the load from matching. 1 can be obtained with high accuracy.
  • the higher the phase voltage frequency the larger the amplitude of the alternating current output from the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532.
  • the higher the phase voltage frequency the higher the noise level, but the higher the phase voltage frequency, the larger the alternating current amplitude, thereby increasing the SN ratio (signal-to-noise ratio) and the accuracy of the fuel cell 1 impedance. You can ask well.
  • the rotation speed of the motor 23 is detected and the phase voltage frequency is calculated based on the detected rotation speed of the motor 23, the frequency based on the alternating current frequency and the load variation is calculated based on the calculated phase voltage frequency. And the impedance of the fuel cell 1 can be obtained with high accuracy.
  • the configuration of the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 is not limited to the configuration illustrated in FIG. 5, and is determined in step S ⁇ b> 112 in the flowchart illustrated in FIG. 11 and determined in step S ⁇ b> 113. Any configuration can be used as long as it can output an AC signal having the above-described amplitude.
  • the positive power supply unit 531 and the negative power supply unit 532 have the first IC that outputs the sine wave voltage of the determined implementation frequency and the amplitude of the sine wave voltage output from the first IC. It is good also as a structure provided with 2nd IC which adjusts so that it may become an amplitude and outputs the sine wave voltage after amplitude adjustment.
  • the circuit diagram of the fuel cell impedance measuring device 5 is not limited to the circuit shown in FIG.
  • 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, but may be connected through different paths.
  • a connection switch for switching halfway points to be connected may be provided so that the halfway points are sequentially switched.
  • the two fuel cells 1A and 1B are connected in series, the positive electrode of the fuel cell 1A is regarded as the positive electrode of the above embodiment, the connection point between the fuel cell 1A and the fuel cell 1B is regarded as the middle point of the above embodiment, The negative electrode of the battery 1B can also be regarded as the negative electrode of the above embodiment.
  • the internal impedance of the fuel cell 1A can be obtained as R1
  • the internal impedance of the fuel cell 1B can be obtained as R2.
  • the frequencies (1) to (4) above are listed as frequencies to avoid matching, they are not limited to the frequencies (1) to (4). That is, the frequency that should be avoided to coincide with the frequency of the alternating current output to the fuel cell 1 may be a frequency other than the frequencies of (1) to (4), or among (1) to (4) May be at least one frequency.

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Abstract

　燃料電池のインピーダンス測定装置は、燃料電池の正極側の電位と中途電位との差である正極側交流電位差、および、燃料電池の負極側の電位と中途電位との差である負極側交流電位差とが一致するように交流電流を調整し、正極側交流電位差および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、調整された交流電流とに基づいて、燃料電池のインピーダンスを算出する。燃料電池に出力する交流電流の周波数は、燃料電池と接続されている負荷の変動に基づく周波数と一致しない周波数となるように調整する。

Description

燃料電池のインピーダンス測定装置および燃料電池のインピーダンス測定方法
　本発明は、燃料電池のインピーダンスを測定する技術に関する。
　ＷＯ２０１２／０７７４５０Ａには、燃料電池から負荷に電力を供給した状態で、燃料電池の内部抵抗を測定できる内部抵抗測定装置が開示されている。この内部抵抗測定装置は、測定精度を確保するため負荷側に電流が漏れ出ないように、燃料電池の正極端子と負極端子とに同一の交流信号を出力する。そして、燃料電池の正極端子の電位から、その正極端子と負極端子との間に位置する中途端子の電位を引いた電位差と、負極端子の電位から上記の中途端子の電位を引いた電位差とが一致するように、夫々の電極端子に出力される交流信号の振幅を調整する。その後、調整された電位差信号と交流出力信号とに基づいて燃料電池の内部インピーダンスを測定している。
　しかしながら、負荷が変動して、交流信号の周波数と負荷変動の周波数とが一致してしまうと、燃料電池の正極端子と負極端子とに印加した交流信号が負荷側に流れてしまい、燃料電池のインピーダンスを精度良く測定することができなくなる可能性がある。
　本発明は、負荷が変動した場合でも、燃料電池のインピーダンスを精度良く測定する技術を提供することを目的とする。
　本発明の一態様における燃料電池のインピーダンス測定装置は、燃料電池の正極側の電位と中途電位との差である正極側交流電位差、および、燃料電池の負極側の電位と中途電位との差である負極側交流電位差とが一致するように交流電流を調整し、正極側交流電位差および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、調整された交流電流とに基づいて、燃料電池のインピーダンスを算出する。燃料電池に出力する交流電流の周波数は、燃料電池と接続されている負荷の変動に基づく周波数と一致しない周波数となるように調整する。
　本発明の実施形態については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図１Ａは、本発明による燃料電池のインピーダンス測定装置の測定対象である燃料電池の外観斜視図である。 図１Ｂは、燃料電池の発電セルの構造を示す分解図である。 図２は、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置を燃料電池車に搭載した場合のシステム構成図である。 図３は、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置の回路図である。 図４は、正極側直流遮断部、負極側直流遮断部、中途点直流遮断部、正極側交流電位差検出部及び負極側交流電位差検出部の詳細な構成を示す図である。 図５は、正極側電源部及び負極側電源部の詳細な構成を示す図である。 図６は、交流調整部の詳細な構成を示す図である。 図７は、インピーダンス演算部の詳細な構成を示す図である。 図８は、主に燃料電池のインピーダンス測定装置のコントロールユニットが実行する制御フローチャートである。 図９Ａは、負荷が低い状態で燃料電池の両端の電圧を測定した際に、負荷の増大に応じて振幅が大きい周波数が増えることを表す実験結果の一例を示す図である。 図９Ｂは、負荷が高い状態で燃料電池の両端の電圧を測定した際に、負荷の増大に応じて振幅が大きい周波数が増えることを表す実験結果の一例を示す図である。 図１０は、負荷がある大きさの状態で燃料電池の両端の電圧を測定した際の電圧の大きさと周波数との関係を示す図である。 図１１は、負荷の変動周波数と一致しないように、正極側電源部及び負極側電源部から出力される交流信号の周波数を設定するとともに、交流信号の振幅を決定し、決定した周波数および振幅の交流信号を正極側電源部及び負極側電源部から出力する手順を示すフローチャートである。 図１２は、相電圧周波数と実施周波数との関係の一例を示す図である。 図１３は、相電圧周波数と交流信号の振幅との関係の一例を示す図である。
　図１Ａは、本発明による燃料電池のインピーダンス測定装置の測定対象である燃料電池の外観斜視図である。図１Ｂは、燃料電池の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（以下、単に燃料電池１とも呼ぶ）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、例えば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、例えば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、正極端子２１１及び負極端子２１２を備える。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。中途端子２１３は、正極端子２１１及び負極端子２１２の間の中点であってもよいし、中点から外れた位置であってもよい。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、例えばゴムなどで形成される。
　エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。
　一方のエンドプレート４０(図１Ａでは、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。また、カソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及びアノード供給口４１ａは図中左側に設けられている。
　テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は、内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、例えば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。
　アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して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、例えば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。
　ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えばカーボン繊維で形成される。
　アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。
　カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。
　アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図１Ｂの表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、例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、例えばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図１Ｂに示すように、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。
　ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(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、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置を燃料電池車に搭載した場合のシステム構成図である。燃料電池１から出力される直流電力は、インバータ２２で交流電力に変換されて、三相交流モータ２３に供給される。二次電池２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して燃料電池１と並列に接続されている。二次電池２５の直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４で所望のレベルの電力に変換された後、インバータ２２で交流電力に変換されて、三相交流モータ２３に供給される。燃料電池１には、後述するインピーダンス測定装置５が接続されている。
　図３は、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置５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とを備える。
　正極側直流遮断部５１１、負極側直流遮断部５１２、中途点直流遮断部５１３、正極側交流電位差検出部５２１及び負極側交流電位差検出部５２２の詳細については、図４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。なお、中途点直流遮断部５１３は、図３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５１１～５１３は、直流信号を遮断するが、交流信号を流す。直流遮断部５１１～５１３は、例えばコンデンサやトランスである。
　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、例えば差動アンプ(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５を参照して説明する。
　正極側電源部５３１は、後述する方法により決定した振幅および周波数ｆａの交流信号を出力する。正極側電源部５３１は、例えば、図５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、この電圧電流変換回路は、入力電圧Ｖｉに応じて出力電流Ｉｏを調整可能な可変交流電流源である。
　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り、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５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６を参照して説明する。
　交流調整部５４０は、例えば、図６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とを備える。
　正極側検波回路５４１１は、燃料電池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。本実施形態では特に、後述する方法により決定する交流信号の振幅レベルとなるように、交流電位Ｖａ及びＶｂを制御する。
　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、図７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（ＣＰＵ）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及び燃料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及び燃料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８は、主に燃料電池のインピーダンス測定装置の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においてインピーダンス演算部５５０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。
　上述したように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流信号の周波数と、負荷の変動周波数とが一致してしまうと、燃料電池１の正極端子と負極端子とに印加した交流信号が負荷側に流れてしまい、燃料電池１のインピーダンスを精度良く測定することができなくなる可能性がある。負荷の変動周波数とは、例えば、インバータ２２に設けられているスイッチング素子（半導体スイッチ）のスイッチング周波数や、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に設けられているスイッチング素子（半導体スイッチ）のスイッチング周波数である。
　図９Ａおよび図９Ｂは、燃料電池１の両端の電圧を測定した際に、負荷の増大に応じて振幅が大きい周波数が増えることを表す実験結果の一例を示す図であり、図９Ａは負荷が低い場合の結果を、図９Ｂは負荷が高い場合の結果を示している。図９Ｂに示すように、負荷が増大すると、負荷の変動に応じて振幅が大きい周波数が増えるため、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流信号の周波数と、負荷の変動周波数とが一致する場合が生じる。
　本実施形態では、負荷の変動周波数と一致しないように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流信号の周波数ｆａを設定する。より具体的には、下記（１）～（４）の周波数と一致しないよう、交流信号の周波数ｆａを設定する。ただし、下記（１）、（２）における相電圧周波数とは、モータ２３に印加される三相交流電圧の各相電圧の周波数のことである。
（１）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数±相電圧周波数×２
（２）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数×２±相電圧周波数
（３）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数、および、その高調波周波数
（４）ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数、および、その高調波周波数
　図１０は、負荷がある大きさの状態で燃料電池１の両端の電圧を測定した際の電圧の大きさと周波数との関係を示す図である。図１０において、電圧の振幅が大きくなっている（ａ）～（ｆ）の周波数は、それぞれ下記の周波数である。
（ａ）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数－相電圧周波数×２
（ｂ）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数
（ｃ）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数＋相電圧周波数×２
（ｄ）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数×２
（ｅ）ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数
（ｆ）インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数×３
　この場合、少なくとも上記（ａ）～（ｆ）の周波数と一致しないように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流信号の周波数ｆａを設定する。
　図１１は、負荷の変動周波数と一致しないように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流信号の周波数ｆａを設定するとともに、交流信号の振幅を決定し、決定した周波数および振幅の交流信号を正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力する手順を示すフローチャートである。
　ステップＳ１１０では、モータ２３の回転数を検出する。モータ２３の回転数は、図示しない回転数センサにより検出する。
　ステップＳ１１１では、次式（２）より、相電圧周波数を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ステップＳ１１２では、ステップＳ１１１で算出した相電圧周波数に基づいて、上記（１）～（４）の周波数と一致しないように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力する交流信号の周波数（実施周波数）ｆａを決定する。
　図１２は、相電圧周波数と実施周波数との関係の一例を示す図である。インバータ２２に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数、および、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に設けられているスイッチング素子のスイッチング周波数は予め決まっているため、モータ２３の回転数に応じて変動する相電圧周波数が分かれば、実施周波数を決定することができる。実施周波数は、上述した（１）～（４）の周波数と一致しない周波数、すなわち、負荷の変動周波数と一致しない周波数に設定すればよいが、燃料電池１のインピーダンスを測定するために適した周波数を設定することが好ましい。従って、相電圧周波数に応じて適切な実施周波数を予め求めて、図１２に示すような相電圧周波数と実施周波数との関係を定めたテーブルを用意しておき、算出した相電圧周波数に基づいて、上記テーブルを参照することにより、実施周波数ｆａを決定する。
　ステップＳ１１３では、ステップＳ１１１で算出した相電圧周波数に基づいて、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力する交流信号の振幅を決定する。
　図１３は、相電圧周波数と交流信号の振幅との関係の一例を示す図である。図１３に示すように、相電圧周波数が高くなると、交流信号の振幅を大きくする。これは、相電圧周波数が高くなるとノイズレベルが大きくなるため、振幅を大きくしてＳＮ比（信号対雑音比）を大きくするためである。図１３に示すような相電圧周波数と交流信号の振幅との関係を定めたテーブルを予め用意しておき、このテーブルを参照することにより、交流信号の振幅を決定する。
　ステップＳ１１４において、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２は、ステップＳ１１２で決定した実施周波数、および、ステップＳ１１３で決定した振幅を有する交流信号を出力する。
　上述したように、本実施形態では、負荷の変動周波数と一致しないように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力する交流信号の周波数を設定するが、より確実に負荷の変動周波数と一致しないようにするために、負荷の変動周波数と、設定後の交流信号の周波数との間に余裕代を設ける。ただし、相電圧の周波数が高くなるほど、スイッチング素子のスイッチング周波数の側波帯が広くなるので、相電圧の周波数が高くなるほど余裕代を大きくする。これにより、相電圧の周波数が高くなってスイッチング周波数の側波帯が広くなった場合でも、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流信号の周波数と負荷の変動周波数とが一致するのを防ぐことができるので、燃料電池１のインピーダンスを精度良く計測することができる。
　以上、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置によれば、燃料電池１の正極側の電位と中途電位との差である正極側交流電位差、および、燃料電池１の負極側の電位と中途電位との差である負極側交流電位差とが一致するように燃料電池１に出力する交流電流を調整し、正極側交流電位差および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、調整された交流電流とに基づいて、燃料電池１のインピーダンスを算出する。燃料電池１に出力する交流電流の周波数は、燃料電池１と接続されている負荷の変動に基づく周波数と一致しない周波数となるように調整する。これにより、負荷が変動した場合でも、交流電流の周波数と、負荷の変動に基づく周波数とが一致するのを防ぐことができるので、正極側交流電位差と負極側交流電位差とが異なる値となるのを防いで、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　負荷の変動とは、燃料電池１から電力が供給されるモータ２３の動作変動、および、燃料電池１と接続されているインバータ（電力変換装置）２２に設けられている半導体スイッチの動作変動のうちの少なくとも一方が含まれる。これにより、交流電流の周波数を、モータ２３の動作状態およびインバータ２２に設けられている半導体スイッチの動作状態のうちの少なくとも一方に基づく周波数と一致しないように調整することができ、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　また、インバータ２２とモータ２３との間の相電圧の周波数に基づいて、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流の周波数を調整するので、モータ２３の動作状態に応じて変化する相電圧周波数に基づいて、交流電流の周波数と負荷の変動に基づく周波数とが一致するのを防ぐことができ、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　特に、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置によれば、負荷の変動に基づく周波数には、インバータ２２の半導体スイッチのスイッチング周波数、インバータ２２の半導体スイッチのスイッチング周波数を２倍した周波数に相電圧周波数を加算または減算した周波数、インバータ２２の半導体スイッチのスイッチング周波数に相電圧の周波数を２倍した周波数を加算または減算した周波数、および、インバータ２２の半導体スイッチのスイッチング周波数の高調波周波数のうちの少なくとも一つが含まれる。これにより、インバータ２２の半導体スイッチのスイッチング周波数および相電圧周波数に基づいて、交流電流の周波数と負荷の変動に基づく周波数とが一致するのを適切に防ぐことができ、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力される交流電流の周波数が負荷の変動に基づく周波数と一致しないように、調整後の交流電流の周波数と負荷の変動に基づく周波数との間に余裕代を設けるが、相電圧周波数が高いほど余裕代を大きく設定する。これにより、相電圧周波数が高くなって、スイッチング素子のスイッチング周波数の側波帯が広くなっても、交流電流の周波数と負荷の変動周波数とが一致するのを確実に防ぐことができ、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　また、一実施形態における燃料電池のインピーダンス測定装置によれば、相電圧周波数が高いほど、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２から出力する交流電流の振幅を大きくする。相電圧周波数が高くなるほどノイズレベルが大きくなるが、相電圧周波数が高いほど、交流電流の振幅を大きくすることにより、ＳＮ比（信号対雑音比）を大きくして、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　さらに、モータ２３の回転数を検出し、検出したモータ２３の回転数に基づいて、相電圧周波数を算出するので、算出した相電圧周波数に基づいて、交流電流の周波数と負荷の変動に基づく周波数とが一致するのを防ぐことができ、燃料電池１のインピーダンスを精度良く求めることができる。
　本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。例えば、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２の構成は、図５に示す構成に限定されることはなく、図１１に示すフローチャートのステップＳ１１２で決定した実施周波数、および、ステップＳ１１３で決定した振幅を有する交流信号を出力できる構成であればよい。例えば、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２は、決定した実施周波数の正弦波電圧を出力する第１のＩＣ、および、第１のＩＣから出力された正弦波電圧の振幅を、決定された振幅となるように調整して、振幅調整後の正弦波電圧を出力する第２のＩＣとを備えるような構成としてもよい。
　燃料電池のインピーダンス測定装置５の回路図は、図３に示す回路に限定されることはない。例えば、上述した実施形態では、交流電位差検出部５２１、５２２および電源部５３１、５３２を一つの経路で燃料電池１に接続していたが、それぞれ別の経路で接続するようにしてもよい。また、接続する中途点を切り替えるための接続切替器を設け、中途点を順次切り替える構成とすることもできる。
　さらに、二つの燃料電池１Ａ、１Ｂを直列接続し、燃料電池１Ａの正極を上記実施形態の正極と捉え、燃料電池１Ａと燃料電池１Ｂとの接続点を上記実施形態の中途点として捉え、燃料電池１Ｂの負極を上記実施形態の負極と捉えることもできる。この場合、燃料電池１Ａの内部インピーダンスをＲ１として求め、燃料電池１Ｂの内部インピーダンスをＲ２として求めることができる。
　一致するのを避ける周波数として、上記（１）～（４）の周波数を挙げたが、（１）～（４）の周波数に限定されることはない。すなわち、燃料電池１に出力する交流電流の周波数と一致するのを避けるべき周波数は、（１）～（４）の周波数以外の周波数であってもいいし、（１）～（４）のうちの少なくとも一つの周波数であってもよい。

Claims (8)

  1. 　燃料電池に交流電流を出力する交流電源部と、
    　前記燃料電池の正極側の電位と、前記燃料電池の正極および負極の間の中途点の電位である中途電位との差である正極側交流電位差、および、前記燃料電池の負極側の電位と前記中途電位との差である負極側交流電位差とが一致するように交流電流を調整する交流調整部と、
    　前記正極側交流電位差および前記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、前記調整された交流電流とに基づいて、前記燃料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、
    　前記交流電源部から出力される交流電流の周波数を、前記燃料電池と接続されている負荷の変動に基づく周波数と一致しない周波数となるように調整する周波数調整部と、
    を備える燃料電池のインピーダンス測定装置。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、
    　前記負荷の変動とは、前記燃料電池から電力が供給される電動機の動作変動、および、前記燃料電池と接続されている電力変換装置に設けられている半導体スイッチの動作変動のうちの少なくとも一方が含まれる燃料電池のインピーダンス測定装置。
  3. 　請求項２に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、
    　前記周波数調整部は、前記燃料電池と前記電動機との間に設けられているインバータと、前記電動機との間の相電圧の周波数に基づいて、前記交流電源部から出力される交流電流の周波数を調整する燃料電池のインピーダンス測定装置。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、
    　前記負荷の変動に基づく周波数には、前記電力変換装置の半導体スイッチのスイッチング周波数、前記電力変換装置の半導体スイッチのスイッチング周波数を２倍した周波数に前記相電圧の周波数を加算または減算した周波数、前記電力変換装置の半導体スイッチのスイッチング周波数に前記相電圧の周波数を２倍した周波数を加算または減算した周波数、および、前記インバータの半導体スイッチのスイッチング周波数の高調波周波数のうちの少なくとも一つが含まれる燃料電池のインピーダンス測定装置。
  5. 　請求項３または請求項４に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、
    　前記周波数調整部は、前記交流電源部から出力される交流電流の周波数が前記負荷の変動に基づく周波数と一致しないように、調整後の交流電流の周波数と前記負荷の変動に基づく周波数との間に余裕代を設けるが、前記相電圧の周波数が高いほど前記余裕代を大きく設定する燃料電池のインピーダンス測定装置。
  6. 　請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、
    　前記相電圧の周波数が高いほど前記交流電源部から出力される交流電流の振幅を大きくする振幅調整部をさらに備える燃料電池のインピーダンス測定装置。
  7. 　請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、
    　前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
    　前記電動機の回転数に基づいて、前記相電圧の周波数を算出する相電圧周波数算出手段と、
    をさらに備える燃料電池のインピーダンス測定装置。
  8. 　燃料電池に出力する交流電流の周波数を、前記燃料電池と接続されている負荷の変動に基づく周波数と一致しない周波数となるように調整し、
    　前記調整された周波数の交流電流を前記燃料電池に出力し、
    　前記燃料電池の正極側の電位と、前記燃料電池の正極および負極の間の中途点の電位である中途電位との差である正極側交流電位差、および、前記燃料電池の負極側の電位と前記中途電位との差である負極側交流電位差とが一致するように交流電流を調整し、
    　前記正極側交流電位差および前記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、前記調整された交流電流とに基づいて、前記燃料電池のインピーダンスを算出する、
    燃料電池のインピーダンス測定方法。
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