(57)【要約】  燃料電池のインピーダンス測定装置は、燃料電池に交流電流を出力し、燃料電池に出力される交流電流の周波数において、燃料電池と負荷装置との間のインピーダンスが二次電池と負荷装置との間のインピーダンスより高くなるように調整する。また、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。
2016006116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池および前記二次電池と接続される負荷装置とを備えたシステムに用いられる燃料電池のインピーダンス測定装置であって、
前記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において、前記燃料電池と前記負荷装置との間のインピーダンスが前記二次電池と前記負荷装置との間のインピーダンスより高くなるように調整するインピーダンス調整手段と、
を備える燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項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、
前記インピーダンス調整手段は、前記燃料電池と前記負荷装置との間に配置されるリアクタンス成分である、
燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項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、
前記インピーダンス調整手段は、前記燃料電池の電力を所望の電力に変換する電力変換装置内に配置されたリアクトルである、
燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項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、
前記電力変換装置の負荷装置側の電圧は、前記電力変換装置の燃料電池側の電圧より高く、
前記電力変換装置の半導体スイッチは、前記リアクトルに対して前記負荷装置側に設けられ、前記燃料電池側には設けられていない、
燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項５】
燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池および前記二次電池と接続される負荷装置とを備えたシステムに用いられる燃料電池のインピーダンス測定方法であって、
前記燃料電池に交流電流を出力し、
前記燃料電池に出力される交流電流の周波数において、前記燃料電池と前記負荷装置との間のインピーダンスが前記二次電池と前記負荷装置との間のインピーダンスより高くなるように調整し、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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正極側交流電位差と、負極端子の電位から上記の中途端子の電位を引いた負極側交流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。
【発明の概要】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、燃料電池に交流電流を出力し、燃料電池に出力される交流電流の周波数において、燃料電池と負荷装置との間のインピーダンスが二次電池と負荷装置との間のインピーダンスより高くなるように調整する。また、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。
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】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】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】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】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】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】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】図６は、交流調整部の詳細な構成を示す図である。
【図７】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】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】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】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】図１０は、切替タップを設け、負荷の大きさに応じて、切替タップとリアクトルとの接続点を変更する構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、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はまた、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して二次電池２５と並列に接続されている。二次電池２５の直流電力は、補機類２６に供給されるとともに、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。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、降圧用スイッチ２４１と、昇圧用スイッチ２４２と、還流ダイオード２４３と、還流ダイオード２４４と、リアクトル２４５とを備える。降圧用スイッチ２４１および昇圧用スイッチ２４２は、半導体スイッチであり、例えばＩＧＢＴである。還流ダイオード２４３は、降圧用スイッチ２４１とは逆向きに並列に接続されている。還流ダイオード２４４は、昇圧用スイッチ２４２とは逆向きに並列に接続されている。
【００２７】
リアクトル２４５は、一端が降圧用スイッチ２４１と昇圧用スイッチ２４２との接続点に接続されており、他端が燃料電池１の正極側に接続されている。一般的にＤＣ／ＤＣコンバータは、その機能上リアクトルが設けられているが、リアクトル２４５としてこのリアクトルを用いることができる。
【００２８】
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の燃料電池１側の電圧より、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４のインバータ２２側の電圧の方が高いことを前提とする。また、図２に示すように、リアクトル２４５の両端のうち、インバータ２２側には半導体スイッチ（降圧用スイッチ２４１、昇圧用スイッチ２４２）を設けるが、燃料電池１側には半導体スイッチは設けない。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。  
【００４５】
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。
【００４６】
【数１】
2016006116.tif 000003
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図９Ａおよび図９Ｂは、従来の装置（ＷＯ２０１２／０７７４５０Ａ）の構成で燃料電池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、燃料電池１に出力す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、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う。
【００６２】
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の内部、具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に設けられている半導体スイッチ（降圧用スイッチ２４１、昇圧用スイッチ２４２）より燃料電池１側にリアクトル２４５を設けることによって、負荷変動時に、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抑制している。すなわち、負荷の変動周波数が高くなるほど、リアクトル２４５のインピーダンスは高くなるので、負荷と二次電池２５との間のインピーダンスに対して、負荷と燃料電池１との間のインピーダンスは高くなる。これにより、負荷の変動は二次電池２５側で吸収されるので、燃料電池１の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抑制することができ、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るのを抑制することができる。
【００６３】
なお、負荷の変動には、例えば、インバータ２２に設けられている半導体スイッチのスイッチングや、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に設けられている半導体スイッチ（降圧用スイッチ２４１、昇圧用スイッチ２４２）のスイッチングなどが含まれ、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に設けられている降圧用スイッチ２４１および昇圧用スイッチ２４２のスイッチング周波数である。
【００６４】
ここで、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（測定周波数）は、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。この測定周波数、または測定周波数近傍において、負荷の変動を二次電池２５側で吸収するためには、負荷と二次電池２５との間のインピーダンスに対して、負荷と燃料電池１との間のインピーダンスを高くする必要がある。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の内部に設けるリアクトル２４５としては、測定周波数または測定周波数近傍において、負荷と二次電池２５との間のインピーダンスに対して、少なくとも負荷と燃料電池１との間のインピーダンスが高くなるようなインピーダンスを有するものを用いる。
【００６５】
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と、二次電池２５と、燃料電池１および二次電池２５の少なくとも一方から電力が供給される負荷とを備えたシステムに用いられる燃料電池のインピーダンス装置であって、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。そして、燃料電池１に出力する交流電流の周波数において、燃料電池１と負荷との間のインピーダンスが二次電池２５と負荷との間のインピーダンスより高くなるように調整するためのインピーダンス調整手段（リアクトル２４５）を設けた。これにより、負荷が変動してノイズが生じた場合でも、ノイズはインピーダンスの低い二次電池２５側に流れるので、正極側交流電位差と負極側交流電位差とを一致させた状態を保つことができ、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。
【００６６】
インピーダンス調整手段として、燃料電池１と負荷との間に配置され、リアクタンス成分を有するリアクトル２４５を用いるので、インピーダンス調整手段として抵抗を用いる場合に比べて、熱損失量を低減させることができる。
【００６７】
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、インピーダンス調整手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４内に設けられているリアクトル２４５を用いるので、新たにインピーダンス調整手段を設ける必要がなく、コストを低減することができる。
【００６８】
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の負荷側の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の燃料電池１側の電圧より高く、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の半導体スイッチは、リアクトル２４５に対して負荷側に設けられ、燃料電池１側には設けられていない。リアクトル２４５に対して燃料電池１側に半導体スイッチを設けた場合、この半導体スイッチのオン／オフにより、正極側交流電位差と負極側交流電位差とが一致せずに、燃料電池１のインピーダンスを精度よく求めることができなくなる可能性がある。しかしながら、燃料電池１側には半導体スイッチを設けずに、負荷側に設けることにより、半導体スイッチのオン／オフによる影響がリアクトル２４５を介して燃料電池１側に及ぶ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求めることができる。
【００６９】
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、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。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。
【００７０】
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。
【００７１】
負荷の大きさに応じて、負荷と燃料電池１との間のインピーダンスを変更できる構成とすることもできる。図１０は、切替タップ１００を設け、負荷の大きさに応じて、切替タップ１００とリアクトル２４５との接続点を変更する構成例を示す図であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の内部構成の一部を示している。リアクトル２４５には、切替タップ１００との接続点が３箇所設けられており、切替タップ１００は、負荷が小さい場合には図面左側の接続点に、負荷が中くらいの大きさの場合には真ん中の接続点に、負荷が大きい場合には図面右側の接続点に接続する。これにより、負荷が大きい場合には、負荷と燃料電池１との間のインピーダンスが負荷と二次電池２５との間のインピーダンスより高くなるようにして、燃料電池１のインピーダンスを精度良く測定できるようにし、負荷が小さい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の損失を低減させることができる。
【００７２】
上述した実施形態では、燃料電池１に出力する交流電流の周波数において、燃料電池１と負荷との間のインピーダンスが二次電池２５と負荷との間のインピーダンスより高くなるように調整するためのインピーダンス調整手段として、リアクトル２４５を設ける例を挙げて説明したが、インピーダンス調整手段がリアクトルに限定されることはない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
2016006116.tif 000013
【図９Ｂ】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年11月5日(2014.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池および前記二次電池と接続される負荷装置とを備えたシステムに用いられる燃料電池のインピーダンス測定装置であって、
前記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において、前記燃料電池と前記負荷装置との間の経路のインピーダンスと、前記燃料電池のインピーダンスとを合成したインピーダンスが、前記二次電池と前記負荷装置との間の経路のインピーダンスと、前記燃料電池のインピーダンスとを合成したインピーダンスより高くなるように調整するインピーダンス調整手段と、
を備える燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項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、
前記インピーダンス調整手段は、前記燃料電池と前記負荷装置との間に配置されるリアクタンス成分である、
燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項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、
前記インピーダンス調整手段は、前記燃料電池の電力を所望の電力に変換する電力変換装置内に配置されたリアクトルである、
燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項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、
前記電力変換装置の負荷装置側の電圧は、前記電力変換装置の燃料電池側の電圧より高く、
前記電力変換装置の半導体スイッチは、前記リアクトルに対して前記負荷装置側に設けられ、前記燃料電池側には設けられていない、
燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項５】
燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池および前記二次電池と接続される負荷装置とを備えたシステムに用いられる燃料電池のインピーダンス測定方法であって、
前記燃料電池に交流電流を出力し、
前記燃料電池に出力される交流電流の周波数において、前記燃料電池と前記負荷装置との間の経路のインピーダンスと、前記燃料電池のインピーダンスとを合成したインピーダンスが、前記二次電池と前記負荷装置との間の経路のインピーダンスと、前記燃料電池のインピーダンスとを合成したインピーダンスより高くなるように調整し、
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。
【国際調査報告】
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