(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池モジュールの内部状態を検出する燃料電池内部状態検出装置において、
前記燃料電池スタックに交流電流を印加する電流印加手段と、
電流印加時に、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧を検出する電圧検出手段と、
各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧と、その周波数における基準値とを比較して、内部状態検出条件が成立したか否かを判定する条件判定手段と、
内部状態検出条件成立時に、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧に基づいて燃料電池モジュール毎の内部状態を検出する内部状態検出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池内部状態検出装置。
【請求項２】
前記条件判定手段は、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧の少なくとも１つが、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧の平均値に基づいて算出される前記基準値よりも大きい場合に、内部状態検出条件が成立したと判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池内部状態検出装置。
【請求項３】
前記条件判定手段は、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧から算出される標準偏差が、前記基準値よりも大きい場合に、内部状態検出条件が成立したと判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池内部状態検出装置。
【請求項４】
前記条件判定手段は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧ばらつきから前記基準値を設定する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池内部状態検出装置。
【請求項５】
前記条件判定手段は、前記燃料電池スタックの出力電力が大きくなるほど前記基準値を小さく設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池内部状態検出装置。
【請求項６】
前記電圧検出手段は、前記交流電流の周波数に対応する周波数での応答電圧を検出する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池内部状態検出装置。
【請求項７】
前記電流印加手段は、複数の周波数を有する交流電流を印加し、
前記電圧検出手段は、各燃料電池モジュールにおいて周波数毎の応答電圧を検出し、
前記条件判定手段は、各燃料電池モジュールの周波数毎の応答電圧とそれら周波数における基準値とを比較して、周波数毎の内部状態検出条件が成立したか否かを判定し、
前記内部状態検出手段は、内部状態検出条件が成立した周波数の前記応答電圧に基づいて燃料電池モジュール毎の内部状態を検出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池内部状態検出装置。
【請求項８】
前記電圧検出手段は、前記所定周波数の応答電圧を通すバンドパスフィルタを備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池内部状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の内部状態を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリット車の電源となる燃料電池においては、電解質膜や燃料極、酸化剤極の状態（以下「内部状態」という。）によっては、発電性能が低下する可能性がある。燃料電池の発電性能が低下した場合には、燃料電池を正常な状態に戻すことや、燃料電池の状態に合わせた運転をすることが重要である。そのため、燃料電池システムにおいては燃料電池の内部状態を検出することが必要である。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池の発電が安定した後に燃料電池に交流電流を印加して、燃料電池の交流インピーダンスを求めることで、燃料電池の内部状態を検出する内部状態検出装置が開示されている。燃料電池の発電状態を安定させてから燃料電池の内部状態を検出するので、外乱の影響を受けることなく内部状態を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池システムでは発電安定時以外にも内部状態を検出する必要があるが、特許文献１に記載の内部状態検出装置を発電安定時以外にも適用した場合には、駆動モータ制御用インバータのスイッチング制御によるノイズ等の外乱の影響を受けて燃料電池の内部状態を誤検出してしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、外乱に起因する内部状態の誤検出を抑制することができる燃料電池内部状態検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００８】
本発明は、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池モジュールの内部状態を検出する燃料電池内部状態検出装置である。燃料電池内部状態検出装置は、燃料電池スタックに交流電流を印加する電流印加手段と、電流印加時に各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧を検出する電圧検出手段と、各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧とその周波数における基準値とを比較して内部状態検出条件が成立したか否かを判定する条件判定手段と、内部状態検出条件成立時に各燃料電池モジュールの所定周波数での応答電圧に基づいて燃料電池モジュール毎の内部状態を検出する内部状態検出手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内部状態検出条件が成立した場合にのみ、各セルモジュールの所定周波数の応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するので、応答電圧に外乱が含まれた場合であってもセルモジュールの内部状態を誤検出することがない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による燃料電池内部状態検出装置を適用可能な燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。
【図２】電圧検出装置の概略構成図である。
【図３】電流印加部によって印加される交流電流を示す図である。
【図４】フィルタ部の周波数‐ゲイン特性を示す図である。
【図５】燃料電池スタックのｎ番目のセルモジュールにおける応答電圧を示す図である。
【図６】コントローラが実行するセルモジュールの内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図７】低周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図８】中周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図９】高周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図１０】外乱がない場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する図である。
【図１１】高周波数の外乱がある場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する図である。
【図１２】燃料電池スタックの出力電力と、基準電圧値算出に用いられる係数との関係を示す図である。
【図１３】第２実施形態における低周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図１４】第２実施形態における中周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図１５】第２実施形態における高周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図１６】燃料電池スタックの出力電力とばらつき基準値との関係を示す図である。
【図１７】第３実施形態における内部状態検出制御及び外乱周波内部状態検出制御を示すフローチャートである。
【図１８】外乱周波数での応答電圧が検出された場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池内部状態検出装置を適用可能な燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１００は、車両用の燃料電池システムであって、燃料電池スタック１０と、水素吸排機構２０と、空気吸排機構３０と、駆動モータ制御装置４０と、電圧検出装置５０と、コントローラ６０とを備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、アノードガスである水素とカソードガスである空気とによって発電する燃料電池を少なくとも１枚以上有するセルモジュールをｎ個備える。燃料電池スタック１０は、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００１５】
水素吸排機構２０は、高圧水素タンク２１と、水素供給通路２２と、水素供給弁２３と、水素オフガス排出通路２４と、水素オフガス排出弁２５とを備える。
【００１６】
高圧水素タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給する水素を高圧状態で貯蔵する。
【００１７】
水素供給通路２２は、一端が高圧水素タンク２１に接続し、他端が燃料電池スタック１０の水素供給孔に接続する。
【００１８】
水素供給弁２３は、水素供給通路２２に設けられ、高圧水素タンク２１から燃料電池スタック１０に供給される水素の流量を調整する。
【００１９】
水素オフガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１０の水素オフガス排出孔に接続し、他端が外部に開口する。
【００２０】
水素オフガス排出弁２５は、水素オフガス排出通路２４に設けられ、外部に排出される水素オフガスの流量を調整する。
【００２１】
空気吸排機構３０は、空気供給通路３１と、コンプレッサ３２と、空気オフガス排出通路３３と、空気オフガス排出弁３４とを備える。
【００２２】
空気供給通路３１は、一端が空気取り入れ口を形成し、他端が燃料電池スタック１０の空気供給孔に接続する。
【００２３】
コンプレッサ３２は、空気供給通路３１に設けられ、外部から取り入れた空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。
【００２４】
空気オフガス排出通路３３は、一端が燃料電池スタック１０の空気オフガス排出孔に接続し、他端が外部に開口する。
【００２５】
空気オフガス排出弁３４は、空気オフガス排出通路３３に設けられ、外部に排出される空気オフガスの流量を調整する。
【００２６】
駆動モータ制御装置４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、バッテリ４２と、インバータ４３と、駆動モータ４４とを備える。
【００２７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、燃料電池スタック１０と充放電可能な二次電池であるバッテリ４２との間で直流電圧を昇圧又は降圧させる。
【００２８】
インバータ４３は、燃料電池スタック１０やバッテリ４２からの直流電流を交流電流に変換し、駆動モータ４４に供給する。駆動モータ４４は、三相交流モータであって、車両の主動力源である。
【００２９】
電圧検出装置５０は、内部状態検出制御時に燃料電池スタック１０に交流電流を印加し、各セルモジュールでの応答電圧を検出する。電圧検出装置５０によって検出された応答電圧信号は、コントローラ６０に出力される。
【００３０】
コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０には、電圧検出装置５０からの応答電圧信号が入力するほか、種々のセンサ類からの信号が入力する。コントローラ６０は、これら入力信号に基づいて、燃料電池スタック１０の各セルモジュールの内部状態を検出したり、インバータ４３のスイッチング素子を制御したりする。
【００３１】
図２を参照して、電圧検出装置５０の構成について説明する。
【００３２】
電圧検出装置５０は、接続線５１を介して燃料電池スタック１０の各セルモジュールと電気的に接続される。電圧検出装置５０は、電流印加部５２と、フィルタ部５３と、電圧測定部５４と、アイソレータ５５と、電圧処理部５６とを備える。
【００３３】
電流印加部５２は、内部状態検出制御時に燃料電池スタック１０に交流電流を印加する。このように燃料電池スタック１０に交流電流を印加すると、燃料電池スタック１０の各セルモジュールには応答電圧が生じる。電流印加部５２は、電圧検出装置５０に設けるのではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１に設置してもよい。
【００３４】
電流印加部５２によって印加される交流電流は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、異なる３つの周波数ｆ１〜ｆ３を含む交流電流である。低周波数ｆ１は、０．０１〜１Ｈｚ程度の周波数である。中周波数ｆ２は、２０〜４０Ｈｚ程度の周波数である。高周波数ｆ３は、５〜１０ｋＨｚ程度の周波数である。
【００３５】
図２に戻り、フィルタ部５３は、セルモジュール毎に電圧検出装置５０内に設けられる。フィルタ部５３は、図４に示すように、セルモジュールの応答電圧のうち所定の周波数帯の応答電圧を通過させるバンドパスフィルタである。フィルタ部５３のハイパス側のカットオフ周波数ｆCHは、電流印加部５２によって印加される交流電流の低周波数ｆ１よりも小さく設定される。フィルタ部５３のローパス側のカットオフ周波数ｆCLは、電流印加部５２によって印加される交流電流の低周波数ｆ３よりも大きく設定される。
【００３６】
図２に示すフィルタ部５３は、応答電圧の直流電圧成分を除去して入力電圧を低下させるので電圧測定部５４の耐久性を向上させることができ、応答電圧の高周波成分を除去するので電圧測定部５４でのエイリアシングの発生を抑制できる。
【００３７】
電圧測定部５４は、フィルタ部５３と同数設けられる。電圧測定部５４は、フィルタ処理された応答電圧を検出し、アナログ信号からデジタル信号に変換する。電圧測定部５４で測定された応答電圧は、アイソレータ５５を介して、電圧処理部５６に入力する。
【００３８】
電圧処理部５６は、各セルモジュールの応答電圧をＦＦＴ処理し、各セルモジュールにおける周波数毎の応答電圧を算出する。
【００３９】
図５は、電圧検出装置５０において検出される、燃料電池スタック１０のｎ番目のセルモジュールの応答電圧を示す。本実施形態では３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を含む交流電流を燃料電池スタック１０に印加するので、それぞれの周波数に対応した応答電圧Ｖ１n、Ｖ２n、Ｖ３nが電圧検出装置５０によって検出される。応答電圧Ｖ１nは、ｎ番目のセルモジュールでの低周波数ｆ１における応答電圧である。また、応答電圧Ｖ２nはｎ番目のセルモジュールでの中周波数ｆ２における応答電圧であり、応答電圧Ｖ３ｎはｎ番目のセルモジュールでの高周波数ｆ３における応答電圧である。
【００４０】
コントローラ６０は、各セルモジュールの周波数毎の応答電圧Ｖ１1〜n、Ｖ２1〜n、Ｖ３1〜nに基づいて、各セルモジュールの内部状態を検出する。コントローラ６０は、低周波数ｆ１における応答電圧Ｖ１1〜nから各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの反応ガス導入部の異常を検出する。コントローラ６０は、中周波数ｆ２における応答電圧Ｖ２1〜nから各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの燃料極や酸化剤極の異常を検出する。さらに、コントローラ６０は、高周波数ｆ３における応答電圧Ｖ３1〜nから各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの電解質膜の異常を検出する。
【００４１】
このように異なる周波数の応答電圧に基づいてセルモジュールの異なる内部状態を検出することは、特開２００５−３３２７０２において公知である。
【００４２】
ところで、従来手法の燃料電池内部状態検出装置は、発電安定時以外に内部状態を検出する場合、駆動モータ制御用インバータのスイッチング制御によるノイズ等の外乱の影響を受けて内部状態を誤検出する可能性があった。
【００４３】
そこで、本実施形態では、各セルモジュールの応答電圧Ｖ１1〜n、Ｖ２1〜n、Ｖ３1〜nに基づいて誤検出をしない内部状態検出条件が成立したか否かを判定し、条件成立時に各セルモジュールの内部状態を検出することで、外乱の影響を受けずに各セルモジュールの内部状態を診断する。
【００４４】
図６のフローチャートを参照して、コントローラ６０が実行するセルモジュールの内部状態検出制御について説明する。
【００４５】
図６は、内部状態検出制御のメインルイーチンを示すフローチャートである。この制御は、電源オン時から開始され、例えば１０ミリ秒周期で繰り返し実行される。
【００４６】
ステップＳ１では、コントローラ６０は、低周波内部状態検出制御を実施する。
【００４７】
ステップＳ２では、コントローラ６０は、中周波内部状態検出制御を実施する。
【００４８】
ステップＳ３では、コントローラ６０は、高周波内部状態検出制御を実施して、処理を終了する。
【００４９】
図７のフローチャートを参照して、低周波内部状態検出制御について説明する。
【００５０】
ステップＳ１１では、コントローラ６０は、電圧検出装置５０によって検出されたセルモジュール毎の低周波数ｆ１での応答電圧Ｖ１1〜nを読み込む。
【００５１】
ステップＳ１２では、コントローラ６０は、低周波応答電圧平均値Ｖ１AVEと係数Ｃ１とに基づいて（１）式から低周波基準電圧値Ｖ１ｓを算出する。
【００５２】
【数１】
0005387172.tif 000002
【００５３】
ここで、係数Ｃ１は１よりも大きい値である。係数Ｃ１は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ１1〜nのばらつきに基づいて決定される。
【００５４】
ステップＳ１３では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ１1〜nの少なくとも１つが低周波基準電圧値Ｖ１ｓよりも大きいか否かを判定する。
【００５５】
応答電圧Ｖ１1〜nの少なくとも１つが低周波基準電圧値Ｖ１ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、内部状態を誤検出することがない低周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ１４の処理を実行する。応答電圧Ｖ１1〜nの全てが低周波基準電圧値Ｖ１ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、低周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【００５６】
ステップＳ１４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの低周波数ｆ１での応答電圧Ｖ１1〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（反応ガス導入部の異常）を検出する。
【００５７】
図８のフローチャートを参照して、中周波内部状態検出制御について説明する。
【００５８】
ステップＳ２１では、コントローラ６０は、電圧検出装置５０によって検出されたセルモジュール毎の中周波数ｆ２での応答電圧Ｖ２1〜nを読み込む。
【００５９】
ステップＳ２２では、コントローラ６０は、中周波応答電圧平均値Ｖ２AVEと係数Ｃ２とに基づいて（２）式から中周波基準電圧値Ｖ２ｓを算出する。
【００６０】
【数２】
0005387172.tif 000003
【００６１】
ここで、係数Ｃ２は１よりも大きい値である。係数Ｃ２は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ２1〜nのばらつきに基づいて決定される。
【００６２】
ステップＳ２３では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ２1〜nの少なくとも１つが中周波基準電圧値Ｖ２ｓよりも大きいか否かを判定する。
【００６３】
応答電圧Ｖ２1〜nの少なくとも１つが中周波基準電圧値Ｖ２ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、内部状態を誤検出することがない中周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ２４の処理を実行する。応答電圧Ｖ２1〜nの全てが中周波基準電圧値Ｖ２ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、中周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【００６４】
ステップＳ２４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの中周波数ｆ２での応答電圧Ｖ２1〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（燃料極や酸化剤極の異常）を検出する。
【００６５】
図９のフローチャートを参照して、高周波内部状態検出制御について説明する。
【００６６】
ステップＳ３１では、コントローラ６０は、電圧検出装置５０によって検出されたセルモジュール毎の高周波数ｆ３での応答電圧Ｖ３1〜nを読み込む。
【００６７】
ステップＳ３２では、コントローラ６０は、高周波応答電圧平均値Ｖ３AVEと係数Ｃ３とに基づいて（３）式から中周波基準電圧値Ｖ３ｓを算出する。
【００６８】
【数３】
0005387172.tif 000004
【００６９】
ここで、係数Ｃ３は１よりも大きい値である。係数Ｃ３は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ３1〜nのばらつきに基づいて決定される。
【００７０】
ステップＳ３３では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ３1〜nの少なくとも１つが高周波基準電圧値Ｖ３ｓよりも大きいか否かを判定する。
【００７１】
応答電圧Ｖ３1〜nの少なくとも１つが高周波基準電圧値Ｖ３ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、内部状態を誤検出することがない高周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ３４の処理を実行する。応答電圧Ｖ３1〜nの全てが高周波基準電圧値Ｖ３ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、高周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【００７２】
ステップＳ３４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの高周波数ｆ３での応答電圧Ｖ３1〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（電解質膜の異常）を検出する。
【００７３】
図１０を参照して、インバータ４３のスイッチング制御によるノイズ等の外乱がない場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する。図１０は、燃料電池スタック１０に交流電流を印加した時に検出されたセルモジュール毎の周波数と応答電圧との関係を示した図である。
【００７４】
各セルモジュールの低周波数ｆ１での応答電圧Ｖ１1〜nはモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、応答電圧Ｖ１1〜nの全てが低周波基準電圧値Ｖ１ｓよりも小さくなり、低周波内部状態検出条件が不成立となるので（ステップＳ１３でＮＯ）、低周波内部状態検出制御は実施されない。
【００７５】
また、各セルモジュールの中周波数ｆ２での応答電圧Ｖ２1〜nもモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、応答電圧Ｖ２1〜nの全てが中周波基準電圧値Ｖ２ｓよりも小さくなり、中周波内部状態検出条件が不成立となるので（ステップＳ２３でＮＯ）、中周波内部状態検出制御は実施されない。
【００７６】
これに対して、各セルモジュールの高周波数ｆ３での応答電圧Ｖ３1〜nでは、第２セルモジュールの応答電圧Ｖ３2のみが極端に大きくなっている。このような場合には、応答電圧Ｖ３2が高周波基準電圧値Ｖ３ｓよりも大きくなり、高周波内部状態検出条件が成立する（ステップＳ３３でＹＥＳ）。セルモジュールの内部状態異常の可能性がある時には、応答電圧Ｖ３1〜nに基づいて各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（電解質膜の異常）を検出する。
【００７７】
次に、図１１を参照して、インバータ４３のスイッチング制御によるノイズ等が高周波数ｆ３の外乱である場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する。図１１は、燃料電池スタック１０に交流電流を印加した時に検出されたセルモジュール毎の周波数と応答電圧との関係を示した図である。
【００７８】
各セルモジュールの低周波数ｆ１での応答電圧Ｖ１1〜n及び中周波数ｆ２での応答電圧Ｖ２1〜nはモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、図１０の場合と同様に、低・中周波内部状態検出制御は実施されない。
【００７９】
一方、インバータ４３からのノイズ等が高周波数ｆ３の外乱であるため、この外乱に起因して、各セルモジュールの高周波数ｆ３での応答電圧Ｖ３1〜nは全体的に大きな値となる。
【００８０】
このように応答電圧Ｖ３1〜nが大きくなると、従来手法の燃料電池内部状態検出装置では、内部状態に異常がないにもかかわらず全てのセルモジュールにおいて内部状態が悪化したと検出してしまい、内部状態を誤検出する可能性がある。
【００８１】
本実施形態では、外乱を含んで応答電圧Ｖ３1〜nが大きくなっても、応答電圧Ｖ３1〜nがモジュール間において同程度の大きさである場合には、応答電圧Ｖ３1〜nの全てが高周波基準電圧値Ｖ３ｓよりも小さくなり、高周波内部状態検出条件が不成立となるので（ステップＳ３３でＮＯ）、高周波内部状態検出制御は実施されない。したがって、応答電圧Ｖ３1〜nに外乱が含まれた場合であっても、セルモジュールの内部状態を誤検出することがない。
【００８２】
以上により、第１実施形態の燃料電池内部状態検出装置では、下記の効果を得ることができる。
【００８３】
燃料電池内部状態検出装置は、燃料電池スタック１０に交流電流を印加し、交流電流の周波数に対応したセルモジュール毎の応答電圧を検出して、これら応答電圧の少なくとも１つが基準電圧値よりも大きくなった場合に、各セルモジュールの応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。これにより、応答電圧に外乱が含まれた場合であってもセルモジュールの内部状態を誤検出することがなく、内部状態検出精度を高めることができる。
【００８４】
また、燃料電池スタック１０に印加される交流電流は異なる３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を含んでいるので、セルモジュール毎に各周波数に対応した応答電圧を検出できる。燃料電池内部状態検出装置は、異なる周波数の応答電圧に基づいて内部状態検出制御実施するので、異なる種類の燃料電池内部状態を検出することが可能となる。
【００８５】
なお、第１実施形態では、低・中・高周波基準電圧値Ｖ１ｓ、Ｖ２ｓ、Ｖ３ｓを算出する際に一定値である係数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を用いたが、図１２に示すように燃料電池スタック１０の出力電力に応じて変化する係数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を用いてよい。この場合には、係数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、１よりも大きな値であって、燃料電池スタック１０の出力電力が大きくなるほど小さくなるように設定される。燃料電池スタック１０の出力電力に応じて低・中・高周波基準電圧値Ｖ１ｓ、Ｖ２ｓ、Ｖ３ｓを変化させるので、燃料電池スタック１０の運転状態に最適な内部状態検出を実施することができる。
【００８６】
（第２実施形態）
第２実施形態における燃料電池システム１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、低・中・高周波内部状態検出制御での内部状態検出条件の判定において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００８７】
図１３のフローチャートを参照して、第２実施形態における低周波内部状態検出制御について説明する。図１３のステップＳ１１及びＳ１４の内容は、第１実施形態における図７のステップＳ１１及びＳ１４と同様である。
【００８８】
コントローラ６０は、ステップＳ１１において低周波数ｆ１での応答電圧Ｖ１1〜nを読み込んだ後、ステップＳ１５の処理を実行する。
【００８９】
ステップＳ１５では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ１1〜nと低周波応答電圧平均値Ｖ１AVEとに基づいて（４）式から、ばらつきの指標となる標準偏差Ｓ１を算出する。
【００９０】
【数４】
0005387172.tif 000005
【００９１】
ステップＳ１６では、コントローラ６０は、低周波数ｆ１でのばらつき基準値Ｓ１ｓを算出する。ばらつき基準値Ｓ１ｓは、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ１1〜nのばらつきから決定される。
【００９２】
ステップＳ１７では、コントローラ６０は、応答電圧Ｖ１1〜nのばらつきを示す標準偏差Ｓ１がばらつき基準値Ｓ１ｓよりも大きいか否かを判定する。
【００９３】
標準偏差Ｓ１がばらつき基準値Ｓ１ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、低周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ１４の処理を実行する。標準偏差Ｓ１がばらつき基準値Ｓ１ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、低周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【００９４】
ステップＳ１４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの低周波数ｆ１での応答電圧Ｖ１1〜nに基づいて各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（反応ガス導入部の異常）を検出する。
【００９５】
図１４のフローチャートを参照して、第２実施形態における中周波内部状態検出制御について説明する。図１４のステップＳ２１及びＳ２４の内容は、第１実施形態における図８のステップＳ２１及びＳ２４と同様である。
【００９６】
コントローラ６０は、ステップＳ２１において中周波数ｆ２での応答電圧Ｖ２1〜nを読み込んだ後、ステップＳ２５の処理を実行する。
【００９７】
ステップＳ２５では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ２1〜nと中周波応答電圧平均値Ｖ２AVEとに基づいて（５）式から、ばらつきの指標となる標準偏差Ｓ２を算出する。
【００９８】
【数５】
0005387172.tif 000006
【００９９】
ステップＳ２６では、コントローラ６０は、中周波数ｆ２でのばらつき基準値Ｓ２ｓを算出する。ばらつき基準値Ｓ２ｓは、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ２1〜nのばらつきから決定される。
【０１００】
ステップＳ２７では、コントローラ６０は、応答電圧Ｖ２1〜nのばらつきを示す標準偏差Ｓ２がばらつき基準値Ｓ２ｓよりも大きいか否かを判定する。
【０１０１】
標準偏差Ｓ２がばらつき基準値Ｓ２ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、中周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ２４の処理を実行する。標準偏差Ｓ２がばらつき基準値Ｓ２ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、中周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【０１０２】
ステップＳ２４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの中周波数ｆ２での応答電圧Ｖ２1〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（燃料極や酸化剤極の異常）を検出する。
【０１０３】
次に、図１５のフローチャートを参照して、第２実施形態における高周波内部状態検出制御について説明する。図１５のステップＳ３１及びＳ３４の内容は、第１実施形態における図９のステップＳ３１及びＳ３４と同様である。
【０１０４】
コントローラ６０は、ステップＳ３１において高周波数ｆ３での応答電圧Ｖ３1〜nを読み込んだ後、ステップＳ３５の処理を実行する。
【０１０５】
ステップＳ３５では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ３1〜nと高周波応答電圧平均値Ｖ３AVEとに基づいて（６）式から、ばらつきの指標となる標準偏差Ｓ３を算出する。
【０１０６】
【数６】
0005387172.tif 000007
【０１０７】
ステップＳ３６では、コントローラ６０は、高周波数ｆ３でのばらつき基準値Ｓ３ｓを算出する。ばらつき基準値Ｓ３ｓは、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ３1〜nのばらつきから決定される。
【０１０８】
ステップＳ３７では、コントローラ６０は、応答電圧Ｖ３1〜nのばらつきを示す標準偏差Ｓ３がばらつき基準値Ｓ３ｓよりも大きいか否かを判定する。
【０１０９】
標準偏差Ｓ３がばらつき基準値Ｓ３ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、高周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ３４の処理を実行する。標準偏差Ｓ３がばらつき基準値Ｓ３ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、高周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【０１１０】
ステップＳ３４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの高周波数ｆ３での応答電圧Ｖ３1〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態（電解質膜の異常）を検出する。
【０１１１】
以上により、第２実施形態の燃料電池内部状態検出装置では、下記の効果を得ることができる。
【０１１２】
燃料電池内部状態検出装置は、燃料電池スタック１０に交流電流を印加し、交流電流の周波数に対応したセルモジュール毎の応答電圧を検出して、これら応答電圧から算出される標準偏差がばらつき基準値よりも大きくなった場合に、各セルモジュールの応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。これにより、応答電圧に外乱が含まれた場合であってもセルモジュールの内部状態を誤検出することがなく、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１３】
なお、第２実施形態では、ばらつき基準値Ｓ１ｓ、Ｓ２ｓ、Ｓ３ｓを一定値としたが、図１６に示すように燃料電池スタック１０の出力電力に応じてばらつき基準値Ｓ１ｓ、Ｓ２ｓ、Ｓ３ｓを変化させるようにしてもよい。この場合には、ばらつき基準値Ｓ１ｓ、Ｓ２ｓ、Ｓ３ｓは、燃料電池スタック１０の出力電力が大きくなるほど小さくなるように設定される。燃料電池スタック１０の出力電力に応じてばらつき基準値Ｓ１ｓ、Ｓ２ｓ、Ｓ３ｓを変化させるので、燃料電池スタック１０の運転状態に最適な内部状態検出を実施することができる。
【０１１４】
（第３実施形態）
第３実施形態における燃料電池システム１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、セルモジュールの内部状態の検出において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１１５】
インバータ４３のスイッチング制御によるノイズ等が燃料電池スタック１０に印加される交流電流の周波数と異なる周波数（以下「外乱周波数」という）を有する外乱である場合には、内部状態検出制御時に外乱周波数における応答電圧が検出されることがある。そこで、第３実施形態では、第１実施形態と同様に低周波数ｆ１〜高周波数ｆ３での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するだけでなく、外乱周波数における応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。
【０１１６】
図１７（Ａ）は、第３実施形態の内部状態検出制御のメインルイーチンを示すフローチャートである。図１７のステップＳ１〜Ｓ３の処理は、第１実施形態の図６のステップＳ１〜Ｓ３の処理と同様である。
【０１１７】
コントローラ６０は、ステップＳ３処理後のステップＳ４において、外乱周波内部状態検出制御を実施し、処理を終了する。
【０１１８】
次に図１７（Ｂ）のフローチャートを参照して、外乱周波内部状態検出制御について説明する。
【０１１９】
ステップＳ４１では、コントローラ６０は、電圧検出装置５０によって検出されたセルモジュール毎の外乱周波数ｆ４での応答電圧Ｖ４1〜nを読み込む。
【０１２０】
ステップＳ４２では、コントローラ６０は、外乱周波応答電圧平均値Ｖ４AVEと係数Ｃ４とに基づいて（７）式から外乱周波基準電圧値Ｖ４ｓを算出する。
【０１２１】
【数７】
0005387172.tif 000008
【０１２２】
ここで、係数Ｃ４は１よりも大きい値である。係数Ｃ４は、予めの実験により、正常状態での各セルモジュールの応答電圧Ｖ４1〜nのばらつきに基づいて決定される。なお、係数Ｃ４は、燃料電池スタック１０の出力電力が大きくなるほど小さくなるように設定してもよい。
【０１２３】
ステップＳ４３では、コントローラ６０は、各セルモジュールの応答電圧Ｖ４1〜nの少なくとも１つが外乱周波基準電圧値Ｖ４ｓよりも大きいか否かを判定する。
【０１２４】
応答電圧Ｖ４1〜nの少なくとも１つが外乱周波基準電圧値Ｖ４ｓよりも大きい場合には、コントローラ６０は、外乱周波内部状態検出条件が成立していると判定し、ステップＳ４４の処理を実行する。応答電圧Ｖ４1〜nの全てが外乱周波基準電圧値Ｖ４ｓよりも小さい場合には、コントローラ６０は、外乱周波内部状態検出条件が不成立であると判定し、各セルモジュールの内部状態を検出することなく処理を終了する。
【０１２５】
ステップＳ４４では、コントローラ６０は、各セルモジュールの外乱周波数ｆ４での応答電圧Ｖ４1〜nに基づいて、各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。
【０１２６】
図１８は、外乱周波数ｆ４での応答電圧Ｖ４1〜nが検出された場合のセルモジュールの内部状態検出制御の一例を説明する。
【０１２７】
各セルモジュールの低〜高周波数ｆ１〜ｆ３での応答電圧Ｖ１1〜n〜Ｖ３1〜nはモジュール間においてほぼ同程度の大きさであるため、各セルモジュールの内部状態は検出されない。
【０１２８】
これに対して、各セルモジュールの外乱周波数ｆ４での応答電圧Ｖ４1〜nでは、第２セルモジュールの応答電圧Ｖ４2のみが極端に大きくなっている。このような場合には、第２セルモジュールの応答電圧Ｖ４2が外乱周波基準電圧値Ｖ４ｓよりも大きくなり、外乱周波内部状態検出条件が成立する（ステップＳ４３でＹＥＳ）。外乱周波内部状態検出条件が成立して、セルモジュールの内部状態異常の可能性があると判定された時には、応答電圧Ｖ４1〜nに基づいて各セルモジュールの交流インピーダンスを算出し、これら交流インピーダンスに基づいて各セルモジュールの内部状態を検出する。
【０１２９】
以上により、第３実施形態の燃料電池内部状態検出装置では、下記の効果を得ることができる。
【０１３０】
燃料電池内部状態検出装置は、低周波数ｆ１〜高周波数ｆ３での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するだけでなく、外乱周波数での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するので、第１実施形態よりもセルモジュールの状態変化を検知しやすくなる。
【０１３１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１３２】
第１〜第３実施形態では、燃料電池スタック１０に印加した交流電流の周波数に対応する周波数の応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック１０に印加した交流電流の周波数に対する高調周波数での応答電圧をセルモジュール毎に検出し、それら高調周波数での応答電圧に基づいて各セルモジュールの内部状態を検出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１００  燃料電池システム
１０  燃料電池スタック
４３  インバータ
４４  駆動モータ
５０  電圧検出装置
５２  電流印加部（電流印加手段）
５３  フィルタ部
５４  電圧測定部
５６  電圧処理部
６０  コントローラ
Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１、Ｓ４１  電圧検出手段
Ｓ１３、Ｓ２３、Ｓ３３、Ｓ４３、Ｓ１７、Ｓ２７、Ｓ３７  条件判定手段
Ｓ１４、Ｓ２４、Ｓ３４、Ｓ４４  内部状態検出手段
【図１】
0005387172.tif 000009
【図２】
0005387172.tif 000010
【図３】
0005387172.tif 000011
【図４】
0005387172.tif 000012
【図５】
0005387172.tif 000013
【図６】
0005387172.tif 000014
【図７】
0005387172.tif 000015
【図８】
0005387172.tif 000016
【図９】
0005387172.tif 000017
【図１０】
0005387172.tif 000018
【図１１】
0005387172.tif 000019
【図１２】
0005387172.tif 000020
【図１３】
0005387172.tif 000021
【図１４】
0005387172.tif 000022
【図１５】
0005387172.tif 000023
【図１６】
0005387172.tif 000024
【図１７】
0005387172.tif 000025
【図１８】
0005387172.tif 000026