(57)【要約】【課題】従来とは異なる構成でインピーダンスを測定できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、二次電池と、燃料電池に接続され、燃料電池の出力電圧を昇圧して高圧用配線に出力可能な第１コンバータと、高圧用配線と二次電池との間に配置され、高圧用配線の電圧を降圧して低圧用配線に出力可能な第２コンバータと、二次電池と並列に低圧用配線に接続された補機と、二次電池と低圧用配線との間に設けられたリレーと、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、制御部と、を備える。制御部は、リレーをオフとした状態で第１コンバータによる昇圧を停止して燃料電池から補機に電力を供給する動作状態において、第２コンバータで燃料電池に交流状の電流変動を発生させてインピーダンス測定部に燃料電池のインピーダンスを測定させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
二次電池と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して高圧用配線に出力可能な第１コンバータと、
前記高圧用配線と前記二次電池との間に配置され、前記高圧用配線の電圧を降圧して低圧用配線に出力可能な第２コンバータと、
前記二次電池と並列に前記低圧用配線に接続された補機と、
前記二次電池と前記低圧用配線との間に設けられたリレーと、
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記リレーをオフとした状態で前記第１コンバータによる昇圧を停止して前記燃料電池から前記補機に電力を供給する動作状態において、前記第２コンバータで前記燃料電池に交流状の電流変動を発生させて前記インピーダンス測定部に前記燃料電池のインピーダンスを測定させる、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料電池のインピーダンスを測定することで、セルの乾湿状態を測定するものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、モータのトルクを一定に維持しながらインバータの出力電力を正弦変化させるように制御してインピーダンスを測定することで、コンバータを備えない燃料電池システムでもインピーダンスを測定可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０５３１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、インバータの出力電力を変動させる場合、不必要に電流を消費するため、燃費が悪化するおそれがある。そのため、従来とは異なる構成でインピーダンスを測定できる技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と；二次電池と；前記燃料電池に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して高圧用配線に出力可能な第１コンバータと；前記高圧用配線と前記二次電池との間に配置され、前記高圧用配線の電圧を降圧して低圧用配線に出力可能な第２コンバータと；前記二次電池と並列に前記低圧用配線に接続された補機と；前記二次電池と前記低圧用配線との間に設けられたリレーと；前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と；制御部と、を備える。前記制御部は、前記リレーをオフとした状態で前記第１コンバータによる昇圧を停止して前記燃料電池から前記補機に電力を供給する動作状態において、前記第２コンバータで前記燃料電池に交流状の電流変動を発生させて前記インピーダンス測定部に前記燃料電池のインピーダンスを測定させる。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、第２コンバータを制御することにより電流を変動させることで、燃料電池のインピーダンスを測定できる。そのため、従来とは異なる構成でインピーダンスを測定できる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。
【図２】燃料電池の交流インピーダンス測定処理の概要を表わすフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、第１コンバータ２０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）３０と、二次電池ユニット４０と、補機５０と、制御部６０と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
【００１０】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガス（アノードガス）と空気（カソードガス）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル（図示せず）が積層されて構成されている。各セルは、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、第１コンバータ２０とＰＣＵ３０とを介して二次電池ユニット４０の二次電池４１に蓄電される。
【００１１】
第１コンバータ２０は、非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータである。第１コンバータ２０は、燃料電池１０に接続され、制御部６０の制御に応じて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧して高圧用配線Ｗ１に出力する。第１コンバータ２０は、燃料電池コンバータともいう。
【００１２】
ＰＣＵ３０は、インバータ３１とコンデンサＣ１と第２コンバータ３２とを備える。インバータ３１は、高圧用配線Ｗ１を介して燃料電池１０から供給される直流電力を交流電力へ変換し、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）や、エアコンプレッサ（図示せず）を含む負荷２００に電力を供給する。
【００１３】
第２コンバータ３２は、非絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。第２コンバータ３２はスイッチＳ１、Ｓ２とコンデンサＣ２とを内蔵する。第２コンバータ３２は、高圧用配線Ｗ１と二次電池４１（二次電池ユニット４０）との間に配置され、制御部６０の制御に応じて、高圧用配線Ｗ１の電圧を降圧して低圧用配線Ｗ２に出力する。第２コンバータ３２は、降圧動作と逆の昇圧動作も実行可能である。より具体的には、制御部６０は、第２コンバータ３２の降圧動作時には、下アーム側のスイッチＳ２をオフにした状態で、上アーム側のスイッチＳ１をオン／オフ動作させる。また、制御部６０は、第２コンバータ３２の昇圧動作時には、スイッチＳ１をオフにした状態で、スイッチＳ２をオン／オフ動作させる。第２コンバータ３２は、バッテリコンバータともいう。
【００１４】
二次電池ユニット４０は、低圧用配線Ｗ２を介してＰＣＵ３０に接続されている。二次電池ユニット４０は、二次電池４１とシステムリレーＳＭＲとを備える。燃料電池１０および二次電池４１の電力は、低圧用配線Ｗ２を介して、補機５０に供給される。システムリレーＳＭＲは、二次電池４１と低圧用配線Ｗ２との間に設けられている。
【００１５】
補機５０は、二次電池４１と並列に低圧用配線Ｗ２に接続される。補機５０は、例えば、水素ポンプやエアコン等が挙げられる。
【００１６】
制御部６０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述する交流インピーダンス測定処理を実現する。制御部６０には、電圧計６１と電流計６２とが接続されたインピーダンス測定部６３が接続されている。
【００１７】
電圧計６１は、燃料電池１０の出力電圧値を測定し、インピーダンス測定部６３に送信する。電流計６２は、燃料電池１０の出力電流値を測定し、インピーダンス測定部６３に送信する。インピーダンス測定部６３は、電圧計６１および電流計６２から受信した測定値に基づいて、燃料電池１０のインピーダンスを算出し、制御部６０に送信する。
【００１８】
図２は、本実施形態における、燃料電池１０の交流インピーダンス測定処理の概要を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００の動作中、制御部６０により繰り返し実行される処理である。
【００１９】
制御部６０は、この処理を開始すると、ステップＳ１００で、燃料電池システム１００がバッテリレス動作かどうかを判定する。本実施形態において、バッテリレス動作とは、二次電池４１を使用せずに燃料電池１０が発電した電力をそのまま用いて負荷２００を駆動する動作である。バッテリレス動作では、二次電池ユニット４０のシステムリレーＳＭＲをオフにした状態で第１コンバータ２０での昇圧を停止して燃料電池１０から負荷２００と補機５０に電力を供給する（「スルーモード」ともいう）。
【００２０】
バッテリレス動作をしている場合、制御部６０は、ステップＳ１１０に進み、第２コンバータ３２による交流印加を行う。本実施形態において、交流印加とは、燃料電池１０に交流状の電流変動を発生させることである。この場合には、例えば、スイッチＳ１がオフでスイッチＳ２がオンの第１状態と、スイッチＳ１がオンでスイッチＳ２がオフの第２状態とを交互に繰り返すようにスイッチングが行われる。このスイッチングの周波数を調整することによって、燃料電池１０から補機５０に流れる交流状の電流変化周波数を調整することができる。一方、バッテリレス動作をしていない場合、制御部６０はステップＳ１１５に進み、第１コンバータ２０による交流印加を行う。
【００２１】
次に、制御部６０は、ステップＳ１２０で、燃料電池１０のインピーダンスを測定する。より具体的には、制御部６０の制御によって、インピーダンス測定部６３が、電圧計６１から出力電圧値、および電流計６２から出力電流値を取得して、燃料電池１０のインピーダンスを測定する。
【００２２】
最後に、ステップＳ１３０で、制御部６０は、ステップＳ１２０において測定したインピーダンスの値に応じて、燃料電池１０のセルの乾湿状態を測定する。例えば、制御部６０は、インピーダンスが予め定めた閾値より高ければ、セルが乾燥していると判断し、インピーダンスが予め定めた閾値以下であれば、セルが湿潤であると判断する。閾値とは、予め実験的に定められた値であり、任意に定めることができる。
【００２３】
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部６０は、システムリレーＳＭＲをオフとした状態で第１コンバータ２０による昇圧を停止して燃料電池１０から補機５０に電力を供給する動作状態において、第２コンバータ３２を制御することにより燃料電池１０に交流状の電流変動を発生させることで、インピーダンスを測定できる。そのため、従来とは異なる構成でインピーダンス測定できる。
【００２４】
上記実施形態において、制御部６０は、測定したインピーダンスの値から、燃料電池１０のセルの湿潤を判定している。この代わりに、制御部６０は、測定したインピーダンスの値から、燃料電池１０を構成するセルの電極の異常や、反応ガスの導入部分の異常を判定してもよい。
【００２５】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…燃料電池
２０…第１コンバータ
３０…ＰＣＵ
３１…インバータ
３２…第２コンバータ
４０…二次電池ユニット
４１…二次電池
５０…補機
６０…制御部
６１…電圧計
６２…電流計
６３…インピーダンス測定部
１００…燃料電池システム
２００…負荷
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
Ｓ１、Ｓ２…スイッチ
ＳＭＲ…システムリレー
Ｗ１…高圧用配線
Ｗ２…低圧用配線
【図１】
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【図２】
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