(57)【要約】  燃料電池の正極端子と負極端子のそれぞれに所定周波数の交流信号を出力するインピーダンス測定装置は、正極端子から中点までの交流電位差を検出する検出部と、検出信号を所定値に調整するために交流信号の振幅を調整する調整部と、を含む。そして、同相信号を検出信号に乗算して検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出部と、検出信号の抵抗成分と出力信号とに基づいて正極側実軸インピーダンスを算出する算出部と、を含む。さらに、直交信号を検出信号に乗算して検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出部と、抽出された静電容量成分と抵抗成分とに基づいて検出信号のベクトル値を再生する再生部と、を含む。調整部は、再生したベクトル値が所定値となるように交流信号の振幅を調整する。
2014141752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが積層され、前記電池セルの状態に応じて変化する静電容量成分と抵抗成分とを有する燃料電池と、
前記燃料電池の正極端子に接続され、前記燃料電池の内部インピーダンスを測定するための所定周波数の交流信号を出力する正極側出力部と、
前記燃料電池の負極端子に接続され、前記所定周波数の交流信号を出力する負極側出力部と、
前記正極端子から前記燃料電池の中点までの交流電位差を検出する検出部と、
前記交流電位差検出信号を、前記負極端子から前記中点までの交流電位差と一致させるための所定の値に収束させるように、前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する調整部と、
前記所定周波数の交流信号と位相が同一の同相信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出部と、
前記抵抗成分と前記出力信号とに基づいて、正極側実軸インピーダンスを算出する算出部と、
前記所定周波数の交流信号と位相が直交する直交信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出部と、
前記抽出された静電容量成分と抵抗成分とに基づいて、交流電位差検出信号のベクトル値を再生する再生部と、を含み、
前記調整部は、前記再生したベクトル値が前記所定の値となるように前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する、
インピーダンス測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインピーダンス測定装置において、
前記同相成分抽出部は、
前記同相信号を前記交流電位差検出信号に乗算して同相交流信号を出力する同相乗算部と、
前記同相交流信号の高周波領域を除去して前記交流電位差検出信号の抵抗成分を通過させる同相低域フィルタと、を含み、
前記直交成分抽出部は、
前記直交信号を前記交流電位差検出信号に乗算して直交交流信号を出力する直交乗算部と、
前記直交交流信号の高周波領域を除去して前記交流電位差検出信号の静電容量成分を通過させる直交低域フィルタと、を含み、
前記再生部は、前記抵抗成分の二乗値と前記静電容量成分の二乗値との和の平方根を前記ベクトル値として出力する、
インピーダンス測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のインピーダンス測定装置において、
前記同相乗算部は、
前記交流電位差検出信号が入力される反転入力端子と、前記反転入力端子と同じ交流電位差検出信号が入力される非反転入力端子と、前記同相低域フィルタと接続された出力端子と、を有するオペアンプと、
前記所定周波数の矩形パルス信号に応じて前記非反転入力端子を接地又は非接地の状態に切り替えて、前記オペアンプの出力端子から整流された同相交流信号を出力させる同相切替器と、を含み、
前記直交乗算部は、
前記交流電位差検出信号が入力される反転入力端子と、前記反転入力端子と同じ交流電位差検出信号が入力される非反転入力端子と、前記直交低域フィルタと接続された出力端子と、を有するオペアンプと、
前記矩形パルス信号と位相が直交する直交パルス信号に応じて前記非反転入力端子を接地又は非接地の状態に切り替えて、前記オペアンプの出力端子から整流された直交交流信号を出力させる直交切替器と、を含む、
インピーダンス測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載のインピーダンス測定装置において、
前記同相乗算部は、
正の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して正側交流信号を出力する第１乗算器と、
負の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して負側交流信号を出力する第２乗算器と、
前記所定周波数の矩形パルス信号に応じて、前記第１乗算器又は第２乗算器の出力を切り替えて、前記正側交流信号と前記負側交流信号とによって整流された同相交流信号を出力する同相切替器と、を含み、
前記直交乗算部は、
正の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して正側交流信号を出力する第３乗算器と、
負の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して負側交流信号を出力する第４乗算器と、
前記矩形パルス信号と位相が直交する直交パルス信号に応じて前記第３乗算器又は第４乗算器の出力を切り替えて、前記正側交流信号と前記負側交流信号とによって整流された直交交流信号を出力する直交切替器と、を含む、
インピーダンス測定装置。
【請求項５】
複数の電池セルが積層され、前記電池セルの状態に応じて変化する静電容量成分と抵抗成分とを有する燃料電池と、前記燃料電池の正極端子に接続され、前記燃料電池の内部インピーダンスを測定するための所定周波数の交流信号を出力する正極側出力部と、前記燃料電池の負極端子に接続され、前記所定周波数の交流信号を出力する負極側出力部と、前記正極端子から前記燃料電池の中点までの交流電位差を検出する検出部と、を備えるインピーダンス測定装置の制御方法であって、
前記検出部により検出される交流電位差検出信号を、前記負極端子から前記中点までの交流電位差と一致させるための所定の値に収束させるように、前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する調整ステップと、
前記所定周波数の交流信号と位相が同一の同相信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、前記交流電位差検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出ステップと、
前記交流電位差検出信号の抵抗成分と前記正極側出力部から出力される出力信号とに基づいて、正極側実軸インピーダンスを算出する算出ステップと、
前記所定周波数の交流信号と位相が直交する直交信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出ステップと、
前記同相成分抽出ステップで抽出される抵抗成分と、前記直交成分抽出ステップで抽出される静電容量成分とに基づいて、交流電位差検出信号のベクトル値を再生する再生ステップと、を含み、
前記調整ステップにおいて、前記再生したベクトル値が前記所定の値となるように前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する、
インピーダンス測定装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＯ２０１２０７７４５０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する内部抵抗測定装置が提案されている。【０００３】
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点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点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。そして調整された交流出力信号と電位差信号とに基づいて燃料電池の内部抵抗が測定される。
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、燃料電池の内部には静電容量成分が含まれている。この静電容量は、燃料電池の運転状態に応じて大きく変動する。この静電容量の変動によって電位差信号の位相は内部抵抗測定装置からの交流出力信号の位相からずれてしまう。
【０００５】
電位差信号の位相にズレが生じた場合には、電位差信号の検出レベル、例えば実効値が目標値よりも低下するため、位相ズレした電位差信号で交流信号の振幅を調整すると、交流信号の振幅が過剰に増やされてしまう。その結果、過剰に増幅された交流出力信号によってインピーダンスが測定されるため、測定精度が悪くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、燃料電池の内部インピーダンスの測定精度が低下するのを抑制することである。
【０００７】
本発明によるインピーダンス測定装置のひとつの態様は、複数の電池セルが積層され、電池セルの状態に応じて変化する静電容量成分と抵抗成分とを有する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装置である。インピーダンス測定装置は、燃料電池の正極端子に接続され、燃料電池の内部インピーダンスを測定するための所定周波数の交流信号を出力する正極側出力部と、燃料電池の負極端子に接続され、上記所定周波数の交流信号を出力する負極側出力部と、を含む。そして、正極端子から燃料電池の中点までの交流電位差を検出する検出部と、交流電位差検出信号を負極端子から中点までの交流電位差と一致させるための所定の値に収束させるように正極側出力部における交流信号の振幅を調整する調整部と、を含む。またインピーダンス測定装置は、上記所定周波数の交流信号と位相が同一の同相信号を交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出部と、抵抗成分と出力信号とに基づいて、正極側実軸インピーダンスを算出する算出部と、を含む。さらに上記所定周波数の交流信号と位相が直交する直交信号を交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出部と、抽出された静電容量成分と抵抗成分とに基づいて、交流電位差検出信号のベクトル値を再生する再生部と、を含む。そして調整部は、再生したベクトル値が上記所定の値となるように正極側出力部の交流信号の振幅を調整することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態における等電位制御を行うインピーダンス測定装置の測定対象である積層電池の一例を示す外観斜視図である。
【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、インピーダンス測定装置の詳細を示す回路図である。
【図３】図３は、インピーダンス測定装置の直流遮断部及び電位差検出部を示す回路図である。
【図４】図４は、インピーダンス測定装置の電源部の詳細を示す図である。
【図５】図５は、インピーダンス測定装置の交流調整部の詳細を示す図である。
【図６】図６は、燃料電池の寄生容量の変動に伴う交流信号の過剰増幅を示す図である。
【図７】図７は、過剰増幅された交流信号の波形を示す図である。
【図８】図８は、交流調整部の正極側検波回路の詳細を示す図である。
【図９】図９は、交流電位差信号の実軸成分と虚軸成分の検出信号を示す図である。
【図１０】図１０は、正極側検波回路の詳細を示す図である。
【図１１】図１１は、インピーダンス測定装置の抵抗算出部の詳細を示す図である。
【図１２】図１２は、インピーダンス測定装置の等電位制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、等電位制御を実行したときのタイムチャートである。
【図１４】図１４は、検出信号のベクトル値を用いた等電位制御による交流信号の波形を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２実施形態における正極側検波回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるインピーダンス測定装置の測定対象である積層電池の一例を示す外観斜視図である。図１Ａには、積層電池の一例として燃料電池が示されている。図１Ｂは、燃料電池の発電セルの構造を示す分解図である。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、中点端子２１３が設けられている。中点端子２１３は、正極端子２１１に接続された発電セルから、負極端子２１２に接続された発電セルまでの電池セルのうち中間に位置する電池セルと接続されている。なお中点端子２１３は、正極端子２１１及び負極端子２１２の間の中点から外れた位置の中途点に設けてもよい。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、表面には絶縁処理が施されている。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図２は、本実施形態における等電位制御を行うインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【００２８】
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、中点直流遮断部５１３と、正極側電位差検出部５２１と、負極側電位差検出部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、抵抗算出部５５０と、を含む。
【００２９】
正極側直流遮断部５１１、負極側直流遮断部５１２、中点直流遮断部５１３、正極側電位差検出部５２１及び負極側電位差検出部５２２の詳細については、図３を参照して説明する。
【００３０】
正極側直流遮断部５１１は、燃料電池スタック１の正極端子２１１に接続される。負極側直流遮断部５１２は、燃料電池スタック１の負極端子２１２に接続される。中点直流遮断部５１３は、燃料電池スタック１の中点端子２１３に接続される。なお、中点端子２１３は、正極端子２１１と負極端子２１２との間に位置する端子である。また、中点直流遮断部５１３は、波線で示したように設けなくてもよい。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、例えばコンデンサーやトランスである。
【００３１】
正極側電位差検出部５２１は、正極端子２１１に生じる交流電位Ｖａと、中点端子２１３に生じる交流電位Ｖｃとの電位差（以下「交流電位差Ｖ１」と称する）を検出する。正極側電位差検出部５２１は、交流電位差Ｖ１に応じて信号レベルが変化する検出信号（以下「正極側の交流電位差検出信号」とも称する）を交流調整部５４０と抵抗算出部５５０とに出力する。
【００３２】
負極側電位差検出部５２２は、負極端子２１２に生じる交流電位Ｖｂと、中点端子２１３に生じる交流電位Ｖｃとの交流電位差Ｖ２を検出する。負極側電位差検出部５２２は、交流電位差Ｖ２に応じて信号レベルが変化する検出信号（以下「負極側の交流電位差検出信号」とも称する）を交流調整部５４０と抵抗算出部５５０とに出力する。正極側電位差検出部５２１及び負極側電位差検出部５２２は、例えば差動アンプ(計装アンプ)により実現される。
【００３３】
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。
【００３４】
正極側電源部５３１は、基準周波数ｆｂの交流信号を出力する正極側出力部である。正極側電源部５３１は、例えばオペアンプ(ＯＰアンプ)などの電圧電流変換回路によって実現できる。この電圧電流変換回路によって、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。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。
【００３５】
電圧電流変換回路を使用することにより、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。負極側電源部５３２についても同様の構成である。すなわち負極側電源部５３２は、基準周波数ｆｂの交流信号を出力する負極側出力部である。
【００３６】
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。
【００３７】
交流調整部５４０は、例えば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、を含む。
【００３８】
また、交流調整部５４０には、交流信号源５５８から基準周波数ｆｂの基準交流信号が入力されると共に、基準電源５５９から基準電圧Ｖｓが入力される。基準周波数ｆｂは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するために交流電位差を検出するのに適した所定の周波数である。また基準電圧Ｖｓは、正極側の交流電位差Ｖ１と負極側の交流電位差Ｖ２とを一致させるために予め定められた基準値である。なお、本実施形態では交流信号源５５８及び基準電源５５９は、抵抗算出部５５０に設けられているが、交流調整部５４０に設けてもよい。
【００３９】
正極側検波回路５４１１は、正極側電位差検出部５２１の検出信号から、正極側電源部５３１の出力信号成分のみを抽出するために、基準周波数ｆｂの交流信号を検波する。すなわち正極側検波回路５４１１は、交流電位差Ｖ１の検出信号から不要信号を除去して、交流電位差Ｖ１の振幅に比例した直流の電圧信号を生成する。正極側検波回路５４１１は、その電圧信号を正極側減算器５４２１に出力する。
【００４０】
正極側減算器５４２１は、正極側検波回路５４１１の電圧信号と、基準電源５５９の基準電圧Ｖｓとの差分を検出する。基準電圧Ｖｓは、上述のとおり、正極側の交流電位差検出信号と負極側の交流電位差検出信号の振幅を一致させるための基準値である。
【００４１】
正極側積分回路５４３１は、正極側減算器５４２１から出力された差分信号を平均化又は感度調節する。そして正極側積分回路５４３１は、平均化された差分信号を正極側乗算器５４５１に出力する。差分信号は、基準電圧Ｖｓからのズレ量を示す信号である。例えば、ズレ量が大きいほど、差分信号の信号レベルは大きくなる。
【００４２】
正極側乗算器５４５１は、交流信号源５５８から出力された交流信号の振幅を、正極側積分回路５４３１の出力信号に応じて増減させる。これにより、交流電位差Ｖ１が基準電圧Ｖｓとなるように、交流信号源５５８から出力された交流信号の振幅が調整される。そして正極側乗算器５４５１は、基準電圧Ｖｓに調整された交流信号を、振幅指令値として正極側電源部５３１に出力する。
【００４３】
このように交流調整部５４０は、交流電位差Ｖ１の検出信号について、交流信号源５５８の交流信号を用いて、交流電位差検出信号の振幅を直流信号に変換して抽出し、その直流信号と基準電圧Ｖｓとのズレの大きさに応じて正極側の交流信号の振幅を調整する。同様に交流調整部５４０は、負極側の交流信号の振幅も調整する。
【００４４】
調整後の正極側及び負極側の交流信号は、それぞれ正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２に入力され、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２は、それぞれ調整後の交流信号の電圧レベルに応じた電流を正極端子２１１及び負極端子２１２に出力する。
【００４５】
すなわち、交流調整部５４０は、正極側及び負極側の交流電位差検出信号の両者を基準電圧Ｖｓに収束させるように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２からそれぞれ出力される正極側及び負極側の交流信号の振幅を調整する。
【００４６】
これにより、正極端子２１１の交流電位Ｖａ及び負極端子２１２の交流電位Ｖｂが互いに基準レベルに制御されるので、交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂは等電位になる。このため、インピーダンス測定装置５から、燃料電池スタック１に接続されている負荷３に交流信号が漏れるのを防ぐことができる。以下では、交流電位Ｖａと交流電位Ｖｂとが等電位となるようなに正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２のゲインを制御することを「等電位制御」という。
【００４７】
しかしながら、燃料電池スタック１の内部には静電容量（キャパシタンス）が寄生しているため、寄生容量によって等電位制御が正しく機能しなくなる場合がある。
【００４８】
図２に示したように、燃料電池スタック１は、正極側の内部抵抗Ｒ１及び負極側の内部抵抗Ｒ２と、正極側の静電容量Ｃ１及び負極側の静電容量Ｃ２とが並列に接続された等価回路で表される。そして、この静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスやカソードガスの濃度の変動などによって、大きく変化することを発明者は知見した。
【００４９】
例えば、燃料電池スタック１の起動時には、燃料電池スタック内部のアノードガス及びカソードガスのガス濃度が上昇するため、これに伴い静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２が大きく変化する。この静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の変化によって、交流電位差検出信号の位相も大きく変化する。
【００５０】
図６は、正極側及び負極側の交流電位差検出信号の位相ズレを説明するための図である。図６には、正極側の交流電位差検出信号のベクトル６１１と、負極側の交流電位差検出信号のベクトル６１２とが示されている。また、一点破線によって交流電位差検出信号の振幅が示されている。なお、横軸がベクトルの実軸成分で示され、縦軸がベクトルの虚軸成分で示される。
【００５１】
図６では、ベクトル６１１及びベクトル６１２が予め基準電圧Ｖｓに調整されており、燃料電池スタック１の起動に伴い静電容量Ｃ１のリアクタンスが静電容量Ｃ２よりも先に大きくなったときのベクトル６１１及びベクトル６１２が示されている。
【００５２】
燃料電池スタック１では、図１に示すようにアノードガス及びカソードガスが、正極端子２１１側から負極端子２１２側へ流れる。このため、正極端子２１１から中点端子２１３までの正極側の発電セル群のガス濃度が、中点端子２１３から負極端子２１２までの負極側の発電セル群のガス濃度よりも先に上昇するので、静電容量Ｃ１が静電容量Ｃ２よりも先に変化する。これにより、ベクトル６１１の位相角θＨがベクトル６１２の位相角θＬよりも先に大きくなる。
【００５３】
図６に示すように、ベクトル６１１の位相角θＨは、燃料電池スタック１の運転状態によっては４５度近くまで回転する。この状態で等電位制御が行われると、交流電位差検出信号の検出レベル（実効値、ピーク値又は平均値）が、基準電圧Ｖｓと一致するように交流信号の振幅が調整されてしまう。
【００５４】
例えば、一般的な正極側検波回路及び負極側検波回路では、交流電位差検出信号の実軸成分のみが検出されるので、ベクトル６１１の位相角θＨが約４５度回転すると、ベクトル６１１の実軸成分が小さくなり、検出信号のレベルは低下する。
【００５５】
検出信号のレベルが低下すると、ベクトル６１１の実軸成分が基準電圧Ｖｓとなるように正極側電源部５３１の利得が高く設定されるため、正極端子２１１に出力される交流信号の振幅が調整量６２１だけ過剰に増幅されてしまう。
【００５６】
図７は、調整量６２１が加算された交流電位差検出信号６１１を交流信号の波形で表現した図である。図７には、負極側の交流電位差検出信号６１２と、交流信号源５５８の基準交流信号７０１と、が示されている。縦軸が電位で示され、横軸が時間で示されている。
【００５７】
図７に示すように、正極側の交流電位差検出信号６１１では、静電容量Ｃ１の変動によって基準交流信号７０１よりも位相が遅れるため、等電位制御による振幅値（ピーク値）は、負極側の交流電位差検出信号６１２よりも過剰に大きく制御される。その結果、正極側の交流電位差検出信号６１１と、負極側の交流電位差検出信号６１２との交流電位差が大きくなる。
【００５８】
交流電位差が大きくなるほど、燃料電池スタック１の負荷３に漏れ込む電流量も多くなる。このため、正極側電源部５３１から出力した電流量と、実際に燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１に流れる電流量との誤差が大きくなり、内部抵抗Ｒ１の測定精度が低下してしまう。
【００５９】
このように、燃料電池スタック１の運転状態によって静電容量Ｃ１又は静電容量Ｃ２が大きく変動した状態で等電位制御が行われると、電位Ｖａと電位Ｖｂとの電位差がかえって大きくなってしまい、内部抵抗の測定精度が低下するという問題があった。
【００６０】
そこで本実施形態では、燃料電池スタックに寄生する静電容量の変動に伴う交流電位差検出信号の位相ズレを検出して交流電位差検出信号のベクトル値を求め、ベクトル値に基づいて等電位制御を実行する。
【００６１】
本実施形態では、交流電位差検出信号のベクトル値に基づいて等電位制御を実行するために、正極側検波回路５４１１及び負極側検波回路５４１２が、交流電位差検出信号の実軸成分及び虚軸成分を検波する。
【００６２】
図８は、本実施形態における正極側検波回路５４１１の構成を示す図である。
【００６３】
正極側検波回路５４１１は、同相成分抽出部７１０と、直交成分抽出部７２０と、ベクトル演算部７３０と、を備える。
【００６４】
同相成分抽出部７１０は、内部抵抗Ｒ１を検出するための同相信号Ｓｉｎ（０）を、正極側電位差検出部５２１の検出信号に乗算することにより、検出信号の実軸成分Ｖ１ｒを抽出する。同相信号Ｓｉｎ（０）は、基準周波数ｆｂの交流信号であり、正極側電源部５３１の出力信号と位相が同一の信号である。同相信号Ｓｉｎ（０）は、例えば交流信号源５５８から同相成分抽出部７１０に入力される。同相成分抽出部７１０は、同相乗算部７１１と同相低域フィルタ７１２とを備える。
【００６５】
同相乗算部７１１は、正極側の交流電位差Ｖ１に同相信号Ｓｉｎ（０）を乗算する。これにより、同相乗算部７１１からは、交流電位差Ｖ１の波形と、同相信号Ｓｉｎ（０）の波形との一致度合いに応じた同相交流信号が出力される。例えば、交流電位差Ｖ１と同相信号Ｓｉｎ（０）の位相が完全に一致している場合には、全波整流波形の同相交流信号が出力される。また、交流電位差Ｖ１と同相信号Ｓｉｎ（０）の波形の一致度合いが大きいほど、交流電位差検出信号の実軸成分Ｖ１ｒが大きくなる。
【００６６】
同相低域フィルタ７１２は、同相交流信号の直流成分Ｖ１ｒを検出する。すなわち、同相低域フィルタ７１２は、同相交流信号の交流成分又は高周波領域成分を除去して同相交流信号の直流成分を通過させる。同相低域フィルタ７１２によって平滑化された同相交流信号は、ベクトル演算部７３０に交流電位差検出信号の実軸成分Ｖ１ｒとして入力される。
【００６７】
このように同相成分抽出部７１０は、正極側電源部５３１の交流出力信号と同じ位相の同相信号Ｓｉｎ（０）を交流電位差Ｖ１に乗算することで、交流電位差検出信号から、同相信号Ｓｉｎ（０）と同じ周波数の実軸成分Ｖ１ｒのみを抽出する。このため、交流電位差信号がノイズに埋もれていても、同相成分抽出部７１０は、確実に実軸成分Ｖ１ｒを検波することができる。
【００６８】
また、同相成分抽出部７１０は、正極側の交流電位差検出信号の実軸成分Ｖ１ｒを抵抗算出部５５０に出力する。そして抵抗算出部５５０は、正極側の実軸成分Ｖ１ｒと正極側電源部５３１の出力信号Ｉ１とに基づいて、燃料電池スタック１の内部抵抗Ｒ１を演算する。このように、交流電位差検出信号の実軸成分Ｖ１ｒによって内部抵抗Ｒ１が求められるため、実軸成分Ｖ１ｒは、交流電位差検出信号の抵抗成分と呼ぶことができる。
【００６９】
直交成分抽出部７２０は、静電容量Ｃ２を検出するための直交信号Ｓｉｎ（９０）を、正極側電位差検出部５２１の検出信号に乗算することにより、検出信号の虚軸成分Ｖ１ｘを抽出する。直交信号Ｓｉｎ（９０）は、基準周波数ｆｂの交流信号であり、正極側電源部５３１の出力信号と位相角が直交し、かつ、同相信号と振幅が同一の信号である。直交信号Ｓｉｎ（９０）は、例えば交流信号源５５８の位相を９０度回転させて直交成分抽出部７２０に入力される。直交成分抽出部７２０は、直交乗算部７２１と直交低域フィルタ７２２とを備える。
【００７０】
直交乗算部７２１は、交流電位差Ｖ１に直交信号Ｓｉｎ（９０）を乗算する。これにより、直交乗算部７２１からは、交流電位差Ｖ１の波形と直交信号の波形の一致度合いに応じた直交交流信号が出力される。
【００７１】
直交低域フィルタ７２２は、直交交流信号の直流成分Ｖ１ｘを検出する。すなわち、直交低域フィルタ７２２は、直交交流信号の交流成分又は高周波領域成分を除去して直交交流信号の直流成分を通過させる。直交低域フィルタ７２２によって平滑化された直交交流信号は、ベクトル演算部７３０に交流電位差検出信号の虚軸成分Ｖ１ｘとして入力される。
【００７２】
このように直交成分抽出部７２０は、直交信号Ｓｉｎ（９０）を交流電位差Ｖ１に乗算することで、交流電位差検出信号から、直交信号Ｓｉｎ（９０）と同じ周波数の虚軸成分Ｖ１ｘのみを抽出する。このため、交流電位差検出信号がノイズに埋もれていても、直交成分抽出部７２０は、虚軸成分Ｖ１ｘを確実に検出することができる。
【００７３】
ベクトル演算部７３０は、実軸成分Ｖ１ｒと虚軸成分Ｖ１ｘとに基づいて交流電位差検出信号のベクトル値Ｖｐ１を算出する。具体的にはベクトル演算部７３０は、次式のとおり、実軸成分Ｖ１ｒの二乗値と虚軸成分Ｖ１ｘの二乗値との和の平方根を演算してベクトル値Ｖｐ１を求める。
【００７４】
【数１】
2014141752.tif 000003
【００７５】
ベクトル演算部７３０は、交流電位差検出信号のベクトル値Ｖｐ１を、交流信号の振幅調整用の検出信号として正極側減算器５４２１に出力する。
【００７６】
このように、正極側検波回路５４１１は、交流電位差検出信号の実軸成分Ｖ１ｒと虚軸成分Ｖ１ｘとをそれぞれ検出する。そして正極側検波回路５４１１は、交流電位差検出信号のベクトル値Ｖｐ１を再生して正極側減算器５４２１に出力する。なお、負極側検波回路５４１２も、正極側検波回路５４１１と同様の構成である。
【００７７】
また、直交成分抽出部７２０は、交流電位差検出信号の虚軸成分Ｖ１ｘを抵抗算出部５５０に出力してもよい。この場合には抵抗算出部５５０は、検出信号の虚軸成分Ｖ１ｘに基づいて静電容量Ｃ１を演算することができる。このように、検出信号の虚軸成分Ｖ１ｘによって静電容量Ｃ１が求められるため、虚軸成分Ｖ１ｘは、交流電位差検出信号の静電容量成分と呼ぶことができる。
【００７８】
図９は、交流電位差検出信号から抽出される信号成分を例示する図である。図９（Ａ）は、同相成分抽出部７１０において検出される交流電位差検出信号の実軸成分を示す図である。図９（Ａ）には、同相乗算部７１１によって抽出される同相交流信号７１１９と、同相低域フィルタ７１２によって実軸成分として検出される検出信号７１２９と、が示されている。
【００７９】
図９（Ｂ）は、直交成分抽出部７２０において検出される虚軸成分を示す図である。図９（Ｂ）には、直交乗算部７２１で抽出される直交交流信号７２１９と、直交低域フィルタ７２２によって虚軸成分として検出される検出信号７２２９と、が示されている。
【００８０】
図９（Ａ）では、同相交流信号７１１９は、交流電位差Ｖ１の波形と同相信号Ｓｉｎ（０）の波形との一致度合いが大きいため、全波整流波形に近似している。そして実軸成分の検出信号７１２９は、図９（Ｂ）に示した虚軸成分の検出信号７２２９よりも信号レベルが高い。
【００８１】
静電容量Ｃ１の変動によって位相角の回転が大きくなるほど、実軸成分の検出信号７１２９のレベルは低くなるとともに、虚軸成分の検出信号７２２９のレベルは高くなるため、この例では、静電容量Ｃ１の変動による位相角の回転は小さいことが分かる。
【００８２】
図１０は、図８で示した正極側検波回路５４１１の具体例を示す図である。
【００８３】
同相乗算部７１１は、非反転乗算器７１１１と、反転乗算器７１１２と、同相切替器７１１３と、を備える。
【００８４】
非反転乗算器７１１１は、正（プラス）の定数「＋１」を交流電位差Ｖ１に乗算する。これにより、符号の反転のない検出信号（正側交流信号）が出力される。
【００８５】
反転乗算器７１１２は、負（マイナス）の定数「−１」を交流電位差Ｖ１に乗算する。これにより、符号が反転した検出信号（負側交流信号）が出力される。非反転乗算器７１１１及び反転乗算器７１１２は、オペアンプにより実現される。
【００８６】
同相切替器７１１３は、基準周波数ｆｂの矩形パルス信号に応じて非反転乗算器７１１１又は反転乗算器７１１２の出力端子に接続を切り替える。これにより、交流電位差Ｖ１の検出信号の実軸成分が全波整流される。
【００８７】
具体的には、同相切替器７１１３の制御端子に、交流信号源５５８の交流信号と同期した矩形パルス信号が入力される。そして同相切替器７１１３は、基準周波数ｆｂの矩形パルス信号に応じて、非反転乗算器７１１１の出力端子と、反転乗算器７１１２の出力端子の一方を同相低域フィルタ７１２の入力端子に接続する。
【００８８】
例えば、同相切替器７１１３は、基準周波数ｆｂの矩形パルス信号がＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの場合には、非反転乗算器７１１１の出力端子を同相低域フィルタ７１２の入力端子に接続する。一方、矩形パルス信号がＬ（Ｌｏｗ）レベルの場合には、同相切替器７１１３は、反転乗算器７１１２の出力端子を同相低域フィルタ７１２の入力端子に接続する。これにより、正側交流信号と負側交流信号とによって全波整流された同相交流信号が同相低域フィルタ７１２に入力される。
【００８９】
同相低域フィルタ７１２は、抵抗素子Ｒ１１と、抵抗素子Ｒ１２と、抵抗素子Ｒ１３と、容量素子Ｃ１１と、容量素子Ｃ１２と、容量素子Ｃ１３と、を有する。同相乗算部７１１の出力端子と抵抗素子Ｒ１１の一端が接続され、抵抗素子Ｒ１１の他端が容量素子Ｃ１１の一端に接続される。そして容量素子Ｃ１１の他端が接地される。このようなＲＣ回路が同相低域フィルタ７１２には３つ直列接続される。同相低域フィルタ７１２によって、同相交流信号が整流されてベクトル演算部７３０に検出信号の実軸成分Ｖ１ｒとして入力される。また、直交低域フィルタ７２２も、同相低域フィルタ７１２と同様の構成である。
【００９０】
直交乗算部７２１は、非反転乗算器７２１１と、反転乗算器７２１２と、直交切替器７２１３と、位相シフター７２１４と、を備える。
【００９１】
非反転乗算器７２１１は、正の定数「＋１」を交流電位差Ｖ１に乗算する。これにより、符号の反転のない検出信号（正側交流信号）が出力される。
【００９２】
反転乗算器７２１２は、負の定数「−１」を交流電位差Ｖ１に乗算する。これにより、符号が反転した検出信号（負側交流信号）が出力される。非反転乗算器７１２１及び反転乗算器７１２２は、オペアンプにより実現される。
【００９３】
位相シフター７２１４は、同相切替器７１１３の制御端子に入力される矩形パルス信号の位相を９０度だけ変化させる。位相シフター７２１４は、９０度だけ移相した矩形パルス信号を、直交パルス信号として直交切替器７２１３の制御端子に出力する。
【００９４】
直交切替器７２１３は、基準周波数ｆｂの直交パルス信号に応じて非反転乗算器７２１１又は反転乗算器７２１２に出力信号を切り替える。これにより、直交切替器７２１３から直交交流信号が出力され、直交交流信号が直交低域フィルタ７２２によって整流されてベクトル演算部７３０に虚軸成分Ｖ１ｘとして入力される。
【００９５】
抵抗算出部５５０の詳細については、図１１を参照して説明する。
【００９６】
抵抗算出部５５０は、検出信号の実軸成分Ｖ１ｒの電圧値と、正極側電源部５３１の交流信号の電流値とに基づいて、燃料電池スタック１の正極側内部抵抗Ｒ１を演算する。すなわち、抵抗算出部５５０は、正極側検出信号の抵抗成分Ｖ１ｒと、正極側電源部５３１の出力信号Ｉ１と、に基づいて正極側実軸インピーダンスを算出する。なお、正極側実軸インピーダンスは、正極側内部抵抗Ｒ１のことである。抵抗算出部５５０は、ＡＤ変換器５５１と、マイコンチップ５５２と、を含む。
【００９７】
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(Ｖ１ｒ，Ｖ２ｒ)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。
【００９８】
マイコンチップ５５２は、内部抵抗Ｒｎ及び積層電池全体の内部抵抗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、又はコントローラーの要求に応じて、演算結果を出力する。なお内部抵抗Ｒｎ及び積層電池全体の内部抵抗Ｒは、次式で演算される。
【００９９】
【数２】
2014141752.tif 000004
【０１００】
抵抗算出部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、時間的に連続した抵抗値の変化を出力することができる。
【０１０１】
図１２は、インピーダンス測定装置５のコントローラーによる制御方法を示すフローチャートである。
【０１０２】
ステップＳ１においてコントローラーは、正極の交流電位Ｖａが所定値よりも大きいか否かを判定する。コントローラーは、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。
【０１０３】
ステップＳ２においてコントローラーは、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。コントローラーは、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。
【０１０４】
ステップＳ３においてコントローラーは、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。
【０１０５】
ステップＳ４においてコントローラーは、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。
【０１０６】
ステップＳ５においてコントローラーは、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。
【０１０７】
ステップＳ６においてコントローラーは、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。コントローラーは、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。
【０１０８】
ステップＳ７においてコントローラーは、負極交流電位Ｖｂが所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラーは、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。
【０１０９】
ステップＳ８においてコントローラーは、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。
【０１１０】
ステップＳ９においてコントローラーは、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。
【０１１１】
ステップＳ１０においてコントローラーは、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。
【０１１２】
ステップＳ１１においてコントローラーは、正極交流電位Ｖａ及び負極交流電位Ｖｂが所定値（基準電圧Ｖｓ）であるか否かを判定する。コントローラーは、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。
【０１１３】
ステップＳ１２においてコントローラーは、上述の式(1-1)(1-2)に基づいて抵抗値を演算する。
【０１１４】
図１３は、インピーダンス測定装置５のコントローラーによる制御手法を説明するため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。
【０１１５】
図１３の初期は、正極側の内部抵抗値Ｒ１が高く、負極側の内部抵抗値Ｒ２が低い状態である(図１３（Ａ）)。このような状態でコントローラーが制御を開始する。
【０１１６】
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１３（Ｃ）)。この状態では、コントローラーは、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１３（Ｂ）)。
【０１１７】
時刻ｔ１で正極交流電位Ｖａが制御レベルに達したら(図１３（Ｃ）)、コントローラーは、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１３（Ｂ）)。
【０１１８】
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１３（Ｃ）)、コントローラーは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ９→Ｓ１１→Ｓ１２を処理する。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、正極側内部抵抗値Ｒ１及び負極側内部抵抗値Ｒ２が演算される。そして正極側内部抵抗値Ｒ１と負極側内部抵抗値Ｒ２とが足し合わされて全体の内部抵抗Ｒが求められる。
【０１１９】
時刻ｔ３以降は燃料電池スタック１の湿潤状態が変化するなどして負極側内部抵抗値Ｒ２が上昇している(図１３（Ａ）)。この場合には、コントローラーは、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内部抵抗値Ｒ２が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内部抵抗が演算される。
【０１２０】
時刻ｔ４以降は負極側内部抵抗値が正極側内部抵抗値に一致するようになる(図１３（Ａ）)。この場合には、コントローラーは、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１３（Ｃ）)、内部抵抗が演算される。
【０１２１】
次にインピーダンス測定装置５の等電位制御による作用効果を説明する。
【０１２２】
燃料電池スタック１（積層電池）の出力中は、正極端子２１１及び負極端子２１２の電位差は、負荷に供給されている直流電圧となる。そして本実施形態では、交流調整部５４０による指令に応じて正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２は、交流電流の振幅を調整して出力する。
【０１２３】
正極側電源部５３１から出力された交流電流は、正極側直流遮断部５１１を介して、燃料電池スタック１の正極に出力され、中点端子２１３及び中点直流遮断部５１３を介して正極側電位差検出部５２１に流れる。このとき、正極端子２１１と中点端子２１３の端子間には、内部抵抗及び供給電流によって交流電位差Ｖ１(Ｖ１＝Ｖａ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ１は正極側電位差検出部５２１で検出される。
【０１２４】
一方、負極側電源部５３２から出力された交流電流は、負極側直流遮断部５１２を介して、燃料電池スタック１の負極に出力され、中点端子２１３及び中点直流遮断部５１３を介して負極側電位差検出部５２２に流れる。このとき、負極端子２１２と中点端子２１３の端子間には、内部抵抗及び供給電流によって交流電位差Ｖ２(Ｖ２＝Ｖｂ−Ｖｃ)が生じる。この交流電位差Ｖ２は負極側電位差検出部５２２で検出される。
【０１２５】
交流調整部５４０は、正極側電位差検出部５２１で検出された検出信号を実軸成分Ｖ１ｒと虚軸成分Ｖ１ｘとにベクトル分解する。そして交流調整部５４０は、実軸成分Ｖ１ｒと虚軸成分Ｖ１ｘとに基づいて正極側の検出信号の振幅値、すなわちベクトル値Ｖｐ１を演算する。
【０１２６】
これとともに交流調整部５４０は、負極側電位差検出部５２２で検出された検出信号を実軸成分Ｖ２ｒと虚軸成分Ｖ２ｘとにベクトル分解する。そして交流調整部５４０は、実軸成分Ｖ２ｒと虚軸成分Ｖ２ｘとに基づいて負極側のベクトル値Ｖｐ２を算出する。
【０１２７】
そして交流調整部５４０は、燃料電池スタック１の正極側のベクトル値Ｖｐ１と、負極側のベクトル値Ｖｐ２との差(Ｖｐ１−Ｖｐ２)が常に小さくなるように、正極側電源部５３１及び負極側電源部５３２を調節する。
【０１２８】
静電容量Ｃ１又は静電容量Ｃ２の変動によって正極側又は負極側の検出信号に位相ズレが生じても、位相ズレによって検出信号のベクトル値は変わらないため、両者のベクトル値を用いて等電位制御を行うことで、交流電位差Ｖ１及び交流電位差Ｖ２を的確に一致させることができる。
【０１２９】
図１４は、等電位制御による調整後の正極側検出信号５２１１と負極側検出信号５２２１とを示す図である。正極側検出信号５２１１は、交流調整部５４０によって正極側電源部５３１の振幅が調整された後の正極端子２１１と中点端子２１３の端子間の交流電位差を示す。負極側検出信号５２２１は、交流調整部５４０によって負極側電源部５３２の振幅が調整された後の負極端子２１２と中点端子２１３の端子間の交流電位差を示す。
【０１３０】
図１４に示すように、交流電位差検出信号のベクトル値を用いることで、静電容量Ｃ１の変動によって正極側検出信号５２１１が負極側検出信号５２２１よりも遅れたとしても、常に検出信号の最大振幅値を正確に検出できる。よって、正極側交流信号と負極側交流信号の振幅を互いに一致させることができる。
【０１３１】
交流調整部５４０は、交流信号の振幅を互いに一致させた状態で、正極側検出信号の実軸成分Ｖ１ｒ及び負極側検出信号の実軸成分Ｖ２ｒと、正極側電源部５３１の交流電流Ｉ１及び負極側電源部５３２の交流電流Ｉ２とを取得して抵抗算出部５５０に出力する。抵抗算出部５５０は、正極側の実軸成分Ｖ１ｒ及び交流電流Ｉ１と、負極側の実軸成分Ｖ２ｒ及び交流電流Ｉ２とにオームの法則を適用して、燃料電池スタック１の正極側の内部抵抗Ｒ１及び負極側の内部抵抗Ｒ２を算出する。
【０１３２】
このように交流電位差の検出値としてベクトル値を用いて等電位制御を実行することにより、燃料電池スタック１の寄生容量の変動に拘わらず、正極端子２１１及び負極端子２１２の交流電位を同等に制御できる。そのため、正極端子２１１及び負極端子２１２に負荷装置(走行用モーターなど)が接続されていても、その負荷装置に交流電流が漏洩してしまうことを抑制できる。
【０１３３】
なお、正極側検出信号５２１１と負極側検出信号５２２１の位相差によって燃料電池スタック１の負荷３へ電流が多少漏れ込むが、検出信号の位相差による負荷３への電流の漏れ込み量は、図６に示した振幅差による漏れ込み量に比べて微量であり、内部抵抗Ｒ１及び内部抵抗Ｒ２の測定精度に与える影響は小さい。
【０１３４】
したがって、検出信号のベクトル値を用いることで内部抵抗の測定対象(燃料電池)に流れる交流電流値と、電源から出力される交流電流値とが略一致するため、電源の交流電流値によって積層電池の内部抵抗値Ｒ１及び内部抵抗値Ｒ２を正確に求めることができる。さらに負荷装置の状態の影響を受けずに、稼働中の積層電池の内部抵抗値Ｒ１及び内部抵抗値Ｒ２に基づいて燃料電池スタック１全体の内部抵抗値Ｒを正確に測定することができる。また、電源部を使用するので、燃料電池スタック１が停止中であっても内部抵抗Ｒを測定できるのである。
【０１３５】
本発明の第１実施形態によれば、同相成分抽出部７１０が、基準周波数ｆｂの交流信号と位相が同一の同相信号を交流電位差Ｖ１の検出信号に乗算して検出信号の抵抗成分Ｖ１ｒを抽出する。これとともに直交成分抽出部７２０が、同相信号と位相が直交する直交信号を交流電位差Ｖ１の検出信号に乗算して検出信号の静電容量成分Ｖ１ｘを抽出する。そしてベクトル演算部７３０は、静電容量成分Ｖ１ｘと抵抗成分Ｖ１ｒとに基づいて検出信号のベクトル値Ｖｐ１を再生して、そのベクトル値Ｖｐ１が所定の値となるように、正極側電源部５３１から出力される交流信号の振幅を調整する。
【０１３６】
これにより、燃料電池スタック１の静電容量成分Ｃ１と抵抗成分Ｒ１とが変動したとしても、交流電位差Ｖ１と交流電位差Ｖ２の振幅が互いに等しくなるように、正極側の交流信号及び負極側の交流信号の振幅を調整することができる。
【０１３７】
例えば、燃料電池システムの運転状態によって燃料電池スタック１に寄生する静電容量が変動した場合には、静電容量の変動に伴い検出信号の位相にズレが生じて実軸成分の検出レベルが低下する。このような場合でも、検出信号の実軸成分だけでなく虚軸成分も検出してベクトル値を求めることで、検出信号の最大振幅を正確に特定することができる。このため、静電容量の変動が原因で検出信号の実軸成分の検出レベルが低下したとしてもベクトル値は変わらないので、等電位制御によって交流信号の振幅が過剰に増幅されることを防ぐことができる。
【０１３８】
また、ベクトル値を用いることで等電位制御の調整精度を高めることができるので、インピーダンス測定装置５から燃料電池スタック１の負荷３へ漏れ出す電流の量を低減することができる。したがって、静電容量Ｃ１及び静電容量Ｃ２の変動によって正極側検出信号と負極側検出信号との位相にズレが生じた場合であっても、実軸インピーダンスの測定精度の低下を抑制することができる。
【０１３９】
また、本実施形態では、同相乗算部７１１が、交流電位差Ｖ１の検出信号に同相信号を乗算して同相交流信号を出力し、同相低域フィルタ７１２によって同相交流信号の高周波領域成分を除去して検出信号の実軸成分を通過させる。一方、直交乗算部１２１が、交流電位差Ｖ１の検出信号に直交信号を乗算して直交交流信号を出力し、直交低域フィルタ７２２によって直交交流信号の高周波領域成分を除去して検出信号の虚軸成分を通過させる。
【０１４０】
これにより、抵抗算出部５５０は、同相交流信号の直流成分によって燃料電池スタック１の内部抵抗を算出することができるとともに、直交交流信号の直流成分によって燃料電池スタック１の寄生容量を算出することができる。
【０１４１】
さらに本実施形態では、同相乗算部７１１は、交流電位差Ｖ１に正の定数を乗算して正側交流信号を出力する非反転乗算器７１１１と、交流電位差に負の定数を乗算して負側交流信号を出力する反転乗算器７１１２と、同相切替器７１１３を含む。さらに直交乗算部７２１は、交流電位差に正の定数を乗算して正側交流信号を出力する非反転乗算器７２１１と、交流電位差を負の定数に乗算して負側交流信号を出力する反転乗算器７２１２と、直交切替器７２１３とを含む。
【０１４２】
そして同相切替器７１１３は、基準周波数ｆｂの矩形パルス信号に応じて非反転乗算器７１１１又は反転乗算器７１１２のいずれかに出力信号を切り替える。これとともに直交切替器１２１３は、矩形パルス信号と位相が直交する直交パルス信号に応じて、非反転乗算器７２１１又は反転乗算器７２１２に出力信号を切り替える。
【０１４３】
このため、同相乗算部７１１によって、矩形パルス信号と同期して正側交流信号と負側交流信号とが交互に出力されて同相交流信号が生成され、その同相交流信号が同相低域フィルタ７１２によって整流されて検出信号の実軸成分が抽出される。これとともに直交乗算部７２１によって直交パルス信号と同期して正側交流信号と負側交流信号とが交互に出力されて直交交流信号が生成され、その直交交流信号が直交低域フィルタ７２２によって整流されて検出信号の虚軸成分が抽出される。
【０１４４】
これにより、正極側検波回路５４１１及び負極側検波回路５４１２は、検出信号の実軸成分と虚軸成分とをそれぞれ検波することができる。
【０１４５】
（第２実施形態）
図１５は、本発明の第２実施形態における正極側検波回路及び負極側検波回路を示す回路図である。本実施形態では、正極側検波回路５４１１と負極側検波回路５４１２とが同様の構成であるため、正極側検波回路５４１１についてのみ説明する。正極側検波回路５４１１は、図１０に示した同相乗算部７１１及び直交乗算部７２１に代えて、同相乗算部８１１及び直交乗算部８２１を備える。その他の構成は、第１実施形態と同様の構成であるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。
【０１４６】
同相乗算部８１１は、抵抗素子８１１１と、抵抗素子８１１２と、抵抗素子８１１３と、オペアンプ８１１４と、スイッチ８１１５と、を備える。
【０１４７】
抵抗素子８１１１及び抵抗素子８１１２は、正極側電位差検出部５２１からの電流量を調整するために設けられている。抵抗素子８１１３は、オペアンプ８１１４の増幅率を調整するために設けられている。
【０１４８】
抵抗素子８１１１の一端と抵抗素子８１１２の一端は、共に正極側電位差検出部５２１の出力端子に接続される。抵抗素子８１１１の他端は、オペアンプ８１１４の反転入力端子（−）と、抵抗素子８１１３の一端とに接続される。抵抗素子８１１３の他端はオペアンプ８１１４の出力端子と接続される。また、抵抗素子８１１２の他端は、オペアンプ８１１４の非反転入力端子（＋）と、スイッチ８１１５の一方の接点端子と接続される。スイッチ８１１５の他方の接点端子は接地される。
【０１４９】
スイッチ８１１５の制御端子には、図１０と同様、抵抗算出部５５０からの交流信号と同期したパルス信号（矩形波）が入力される。スイッチ８１１５は、基準周波数ｆｂのパルス信号に応じて、オペアンプ８１１４の非反転入力端子（＋）を接地又は非接地の状態に切り替える。
【０１５０】
例えば、スイッチ８１１５の制御端子にＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの信号が供給されると、スイッチ８１１５は接続状態（ＯＮ）となって、オペアンプ８１１４の非反転入力端子（＋）が接地される。この状態では、オペアンプ８１１４は入力信号に「−１」を乗算する反転増幅器として機能するため、オペアンプ８１１４から検出信号の符号が反転した反転電圧信号が出力される。
【０１５１】
一方、スイッチ８１１５の制御端子にＬ（Ｌｏｗ）レベルの信号が供給されると、スイッチ８１１５は遮断状態（ＯＦＦ）となって、オペアンプ８１１４の非反転入力端子（＋）が非接地となる。この状態では、オペアンプ８１１４は入力信号に「＋１」を乗算する非反転増幅器として機能するため、オペアンプ８１１４から検出信号の符号が反転しない非反転電圧信号が出力される。
【０１５２】
このように、基準周波数ｆｂの交流信号と同期した矩形パルス信号に応じて、オペアンプ８１１４の非反転入力端子（＋）を接地又は非接地の状態に切り替えることにより、オペアンプ８１１４によって検出信号が全波整流され、整流された同相交流信号が検出信号の実軸成分としてベクトル演算部７３０に入力される。
【０１５３】
直交乗算部８２１は、同相乗算部８１１と同様、抵抗素子８１１１と、抵抗素子８１１２と、抵抗素子８１１３と、オペアンプ８１１４と、を備える。そのため、これらの構成についての説明は省略する。さらに直交乗算部８２１は、スイッチ８２１５と位相シフター８２１６とを備える。
【０１５４】
位相シフター８２１６は、検出信号の虚軸成分を抽出するために、スイッチ８１１５の制御端子に入力される矩形パルス信号の位相を９０度だけ移相する。位相シフター８２１６は、９０度だけ移相したパルス信号を、直交パルス信号としてスイッチ８２１５の制御端子に出力する。
【０１５５】
スイッチ８２１５は、基準周波数ｆｂの直交パルス信号に応じて、オペアンプ８１１４の非反転入力端子（＋）を接地又は非接地の状態に切り替える。ことにより、オペアンプ８１１４によって検出信号の虚軸成分が整流され、整流された直交交流信号が検出信号の虚軸成分としてベクトル演算部７３０に入力される。
【０１５６】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、検出信号の実軸成分と虚軸成分を検出することができる。さらに図１０に示した構成と比べて、正極側検波回路５４１１及び負極側検波回路５４１２に実装するオペアンプの数を削減することができる。
【０１５７】
なお、本実施形態ではアナログ演算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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０１６０】
本願は、２０１３年３月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−４９４１６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。
【図１Ａ】
2014141752.tif 000005
【図１Ｂ】
2014141752.tif 000006
【図２】
2014141752.tif 000007
【図３】
2014141752.tif 000008
【図４】
2014141752.tif 000009
【図５】
2014141752.tif 000010
【図６】
2014141752.tif 000011
【図７】
2014141752.tif 000012
【図８】
2014141752.tif 000013
【図９】
2014141752.tif 000014
【図１０】
2014141752.tif 000015
【図１１】
2014141752.tif 000016
【図１２】
2014141752.tif 000017
【図１３】
2014141752.tif 000018
【図１４】
2014141752.tif 000019
【図１５】
2014141752.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月3日(2016.10.3)
【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】
複数の電池セルが積層され、前記電池セルの状態に応じて変化する静電容量成分と抵抗成分とを有する燃料電池と、
前記燃料電池の正極端子に接続され、前記燃料電池の内部インピーダンスを測定するための所定周波数の交流信号を出力する正極側出力部と、
前記燃料電池の負極端子に接続され、前記所定周波数の交流信号を出力する負極側出力部と、
前記正極端子から前記燃料電池の中点までの交流電位差を検出する検出部と、
前記交流電位差検出信号の振幅を、前記負極端子から前記中点までの交流電位差の振幅と一致させるための所定の値に収束させるように、前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する調整部と、
前記所定周波数の交流信号と位相が同一の同相信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出部と、
前記抵抗成分と前記出力信号とに基づいて、正極側実軸インピーダンスを算出する算出部と、
前記所定周波数の交流信号と位相が直交する直交信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出部と、
前記抽出された静電容量成分と抵抗成分とに基づいて、交流電位差検出信号のベクトル値を再生する再生部と、を含み、
前記調整部は、前記再生したベクトル値が前記所定の値となるように前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する、
インピーダンス測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインピーダンス測定装置において、
前記同相成分抽出部は、
前記同相信号を前記交流電位差検出信号に乗算して同相交流信号を出力する同相乗算部と、
前記同相交流信号の高周波領域を除去して前記交流電位差検出信号の抵抗成分を通過させる同相低域フィルタと、を含み、
前記直交成分抽出部は、
前記直交信号を前記交流電位差検出信号に乗算して直交交流信号を出力する直交乗算部と、
前記直交交流信号の高周波領域を除去して前記交流電位差検出信号の静電容量成分を通過させる直交低域フィルタと、を含み、
前記再生部は、前記抵抗成分の二乗値と前記静電容量成分の二乗値との和の平方根を前記ベクトル値として出力する、
インピーダンス測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載のインピーダンス測定装置において、
前記同相乗算部は、
前記交流電位差検出信号が入力される反転入力端子と、前記反転入力端子と同じ交流電位差検出信号が入力される非反転入力端子と、前記同相低域フィルタと接続された出力端子と、を有するオペアンプと、
前記所定周波数の矩形パルス信号に応じて前記非反転入力端子を接地又は非接地の状態に切り替えて、前記オペアンプの出力端子から整流された同相交流信号を出力させる同相切替器と、を含み、
前記直交乗算部は、
前記交流電位差検出信号が入力される反転入力端子と、前記反転入力端子と同じ交流電位差検出信号が入力される非反転入力端子と、前記直交低域フィルタと接続された出力端子と、を有するオペアンプと、
前記矩形パルス信号と位相が直交する直交パルス信号に応じて前記非反転入力端子を接地又は非接地の状態に切り替えて、前記オペアンプの出力端子から整流された直交交流信号を出力させる直交切替器と、を含む、
インピーダンス測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載のインピーダンス測定装置において、
前記同相乗算部は、
正の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して正側交流信号を出力する第１乗算器と、
負の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して負側交流信号を出力する第２乗算器と、
前記所定周波数の矩形パルス信号に応じて、前記第１乗算器又は第２乗算器の出力を切り替えて、前記正側交流信号と前記負側交流信号とによって整流された同相交流信号を出力する同相切替器と、を含み、
前記直交乗算部は、
正の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して正側交流信号を出力する第３乗算器と、
負の定数を前記交流電位差検出信号に乗算して負側交流信号を出力する第４乗算器と、
前記矩形パルス信号と位相が直交する直交パルス信号に応じて前記第３乗算器又は第４乗算器の出力を切り替えて、前記正側交流信号と前記負側交流信号とによって整流された直交交流信号を出力する直交切替器と、を含む、
インピーダンス測定装置。
【請求項５】
複数の電池セルが積層され、前記電池セルの状態に応じて変化する静電容量成分と抵抗成分とを有する燃料電池と、前記燃料電池の正極端子に接続され、前記燃料電池の内部インピーダンスを測定するための所定周波数の交流信号を出力する正極側出力部と、前記燃料電池の負極端子に接続され、前記所定周波数の交流信号を出力する負極側出力部と、前記正極端子から前記燃料電池の中点までの交流電位差を検出する検出部と、を備えるインピーダンス測定装置の制御方法であって、
前記検出部により検出される交流電位差検出信号の振幅を、前記負極端子から前記中点までの交流電位差の振幅と一致させるための所定の値に収束させるように、前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する調整ステップと、
前記所定周波数の交流信号と位相が同一の同相信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、前記交流電位差検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出ステップと、
前記交流電位差検出信号の抵抗成分と前記正極側出力部から出力される出力信号とに基づいて、正極側実軸インピーダンスを算出する算出ステップと、
前記所定周波数の交流信号と位相が直交する直交信号を前記交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出ステップと、
前記同相成分抽出ステップで抽出される抵抗成分と、前記直交成分抽出ステップで抽出される静電容量成分とに基づいて、交流電位差検出信号のベクトル値を再生する再生ステップと、を含み、
前記調整ステップにおいて、前記再生したベクトル値が前記所定の値となるように前記正極側出力部における交流信号の振幅を調整する、
インピーダンス測定装置の制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明によるインピーダンス測定装置のひとつの態様は、複数の電池セルが積層され、電池セルの状態に応じて変化する静電容量成分と抵抗成分とを有する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装置である。インピーダンス測定装置は、燃料電池の正極端子に接続され、燃料電池の内部インピーダンスを測定するための所定周波数の交流信号を出力する正極側出力部と、燃料電池の負極端子に接続され、上記所定周波数の交流信号を出力する負極側出力部と、を含む。そして、正極端子から燃料電池の中点までの交流電位差を検出する検出部と、交流電位差検出信号の振幅を負極端子から中点までの交流電位差の振幅と一致させるための所定の値に収束させるように正極側出力部における交流信号の振幅を調整する調整部と、を含む。またインピーダンス測定装置は、上記所定周波数の交流信号と位相が同一の同相信号を交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の抵抗成分を抽出する同相成分抽出部と、抵抗成分と出力信号とに基づいて、正極側実軸インピーダンスを算出する算出部と、を含む。さらに上記所定周波数の交流信号と位相が直交する直交信号を交流電位差検出信号に乗算して、交流電位差検出信号の静電容量成分を抽出する直交成分抽出部と、抽出された静電容量成分と抵抗成分とに基づいて、交流電位差検出信号のベクトル値を再生する再生部と、を含む。そして調整部は、再生したベクトル値が上記所定の値となるように正極側出力部の交流信号の振幅を調整することを特徴とする。
【国際調査報告】
2014141752.tif 000021
2014141752.tif 000022
2014141752.tif 000023
2014141752.tif 000024