(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、電圧変換装置と、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記電圧変換装置の出力電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号を生成する生成手段と、
前記出力電圧に対する当該インピーダンス測定用信号の重畳／非重畳の切り換えに応じてインピーダンス測定用信号の振幅を徐々に変化させる制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、少なくとも前記インピーダンス測定用信号を非重畳から重畳へ切り換える場合に、前記振幅が徐々に大きくなるようにインピーダンス測定用信号の振幅を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、さらに前記インピーダンス測定用信号を重畳から非重畳へ切り換える場合に、前記振幅が徐々に小さくなるようにインピーダンス測定用信号の振幅を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システムを搭載した移動体であって、
前記生成手段は、当該移動体が停止状態にあるときに、前記出力電圧に重畳すべき前記インピーダンス測定用信号を生成することを特徴とする移動体。
【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し、特に交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンス測定を行う燃料電池システム及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の内部抵抗は、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があり、現在では交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することが行われている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、燃料電池の出力信号に任意の周波数を有する正弦波信号（インピーダンス測定用信号）を印加（重畳）し、その場合のインピーダンスを測定することで燃料電池の内部水分量をリアルタイムに把握する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−８６２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池を搭載した自動車では、燃料電池と２次電池がＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）を介して接続され、車両の要求パワーに応じて２次電池側から燃料電池側に電流を供給したり、逆に燃料電池側から２次電池側に充電したりする制御が行われる。
【０００６】
インピーダンスを測定する際には、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に正弦波信号が重畳されるが、かかる正弦波が重畳されることでＤＣ／ＤＣコンバータのリアクトルを流れる電流（以下、リアクトル電流）は大きく変化し、ＤＣ／ＤＣコンバータが発するノイズ（以下、コンバータノイズ）は増大する。かかるコンバータノイズの増大に伴ってコンバータノイズの音圧が大きく変化し、その変化は耳につきやすいことから当該車両に乗車する者（運転者など）に不快感を与えてしまうといった問題があった。
【０００７】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池のインピーダンス測定の際に生じるコンバータノイズの音圧変化を低減することが可能な燃料電池システム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】
【０００８】
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、電圧変換装置と、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段とを備えた燃料電池システムであって、前記電圧変換装置の出力電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号を生成する生成手段と、前記出力電圧に対する当該インピーダンス測定用信号の重畳／非重畳の切り換えに応じてインピーダンス測定用信号の振幅を徐々に変化させる制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
このように、振幅値が徐々に変化してゆくインピーダンス測定用信号を生成・利用してインピーダンス測定を行うことで、振幅値が一定のインピーダンス測定用信号を生成・利用する場合に比べて（図５参照）、インピーダンス測定用信号の重畳時と非重畳時におけるコンバータノイズの音圧変化を低減することができ、結果としてノイズの変化も耳につきにくくなるという効果が得られる。
【００１０】
ここで、前記制御手段は、少なくとも前記インピーダンス測定用信号を非重畳から重畳へ切り換える場合に、前記振幅が徐々に大きくなるようにインピーダンス測定用信号の振幅を制御する態様が好ましい。また、前記制御手段は、さらに前記インピーダンス測定用信号を重畳から非重畳へ切り換える場合に、前記振幅が徐々に小さくなるようにインピーダンス測定用信号の振幅を制御する態様がさらに好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、電圧変換装置と、前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段とを備えた燃料電池システムであって、前記電圧変換装置の出力電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号を生成する生成手段と、当該システムの運転状態に基づき、前記出力電圧に対する当該インピーダンス測定用信号の重畳／非重畳の切り換えを行う切換制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
このように、当該システムの運転状態（例えばエアブロー時など）に基づいてインピーダンス測定を行うことで、電圧変換装置から発生するノイズの音圧変化はエアコンプレッサノイズの音圧変化などに埋もれ、結果としてノイズの変化も耳につきにくくなるという効果が得られる。
【００１３】
なお、前記切換制御手段は、当該システムに搭載されているエアコンプレッサの運転状態に基づき、前記出力電圧に対する当該インピーダンス測定用信号の重畳／非重畳の切り換えを行う態様が好ましい。例えば、エアコンプレッサの作動中にインピーダンス測定用信号を重畳するとよい。
【００１４】
以上の構成において、「振幅を徐々に変化」とは、燃料電池システムの操作者（例えば、移動体の場合は乗員）が重畳／非重畳の切換に伴って変化するノイズが、耳障りとならない所定音圧帯域に入るように振幅を時間経過と共に変更する状態と解釈してもよいし、音圧変化を所定の時間変化量以下に抑制することで、人間の可聴機能における音順応に適応できる状態と解釈としてもよい。
【００１５】
また、移動体の「停止状態」は、移動速度がゼロの状態を意味するだけでなく、移動速度が低くいときを含んで解釈してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池のインピーダンス測定の際に生じる電圧変換装置のノイズの音圧変化を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
Ａ．第１実施形態
＜構成の説明＞
図１は第１実施形態に係わる燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では、車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶、飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００１８】
この車両は、車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたモータ６１を駆動力源として走行する。モータ６１の電源は電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、モータ６１に供給される。モータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。
【００１９】
電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。燃料電池４０は供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
【００２０】
バッテリ（蓄電器）２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ２０に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列接続されている。
【００２１】
燃料電池４０とバッテリ２０とはインバータ６０に並列接続されており、燃料電池４０からインバータ６０への回路には、バッテリ２０からの電流またはモータ６１において発電された電流が逆流するのを防ぐためのダイオード４２が設けられている。
【００２２】
このように、並列接続された燃料電池４０及びバッテリ２０の両電源の適切な出力分配を実現するためには両電源の相対的な電圧差を制御する必要がある。本実施形態では、かかる電圧差を制御するためにバッテリ２０とインバータ６０との間にＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）３０を設けている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を調整して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０またはモータ６１から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００２３】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間には、車両補機５０およびＦＣ補機５１が接続され、バッテリ２０はこれら補機の電源となる。車両補機５０とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器をいい、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。また、ＦＣ補機５１とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器をいい、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータなどが含まれる。
【００２４】
上述した各要素の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット１０は、インバータ６０のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流をモータ６１に出力する。また、制御ユニット１０は、要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ３０の運転を制御する。この制御ユニット１０には、種々のセンサ信号が入力される。例えば、アクセルペダルセンサ１１、バッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ２１、燃料電池４０のガス流量を検出する流量センサ４１、車速を検出する車速センサ６２などから、種々のセンサ信号が制御ユニット１０に入力される。
【００２５】
＜インピーダンス測定の説明＞
図２は、交流インピーダンス法によるインピーダンス測定を説明するための図である。
【００２６】
図２に示すように、制御ユニット１０は、目標電圧決定部１１０、重畳タイミング指令部１２０、重畳信号生成部１２５、電圧指令信号生成部１３０、インピーダンス演算部１４０、内部状態検出部１５０を備えている。
【００２７】
目標電圧決定部１１０は、アクセルペダルセンサ１１やＳＯＣセンサ２１などから入力される各センサ信号に基づいて出力目標電圧（例えば３００Ｖなど）を決定し、これを電圧指令信号生成部１３０に出力する。
【００２８】
重畳タイミング指令部１２０は、目標電圧決定部１１０によって決定された出力目標電圧などに基づいて、重畳信号生成部１２５へインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令する。
【００２９】
図３は、出力目標電圧の計時変化を示す図である。
【００３０】
図３に示すように、出力目標電圧はシステム要求電力などに応じて時々刻々変化する。重畳タイミング指令部１２０は、例えば出力目標電圧が閾値電圧Ｖｈ１を越えたことを検知すると、重畳信号生成部１２０に対してインピーダンス測定用信号の生成開始を指令する一方、出力目標電圧が閾値電圧Ｖｈ２を下回ったことを検知すると、重畳信号生成部１２０に対してインピーダンス測定用信号の生成中止を指令する。なお、出力目標電圧に基づいてインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令する代わりに、他のパラメータ（例えば経過時間など）に基づいてインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令しても良い。また、当該車両が停止状態にあるときにインピーダンス測定を行うようにしても良い。
【００３１】
重畳信号生成部（生成手段、制御手段）１２５は、重畳タイミング指令部１２０からの指令（インピーダンス測定用信号の重畳／非重畳の切り換え指令）に従ってインピーダンス測定用信号の生成を開始もしくは停止する。重畳信号生成部１２５によって生成されたインピーダンス測定用信号は電圧指令信号生成部１３０に供給される。
【００３２】
図４は、重畳信号生成部１２５によって生成されるインピーダンス測定用信号の信号波形を例示した図である。図４に示すように、重複信号生成部１２５は、振幅値が徐々に変化（徐変）するインピーダンス測定信号（例えば特定周波数のサイン波など）を生成する。具体的には、インピーダンス測定用信号の生成開始指令を受けた場合には、振幅値が徐々に増加してゆくインピーダンス測定用信号を生成する一方（図４（ａ）参照）、インピーダンス測定用信号の生成中止指令を受けた場合には、振幅値が徐々に減少してゆくインピーダンス測定用信号を生成する（図４（ｂ）参照）。このように、徐変するインピーダンス測定用信号を生成することで、振幅値が一定のインピーダンス測定用信号を生成した場合に比べて（図５参照）、インピーダンス測定用信号の重畳時と非重畳時におけるコンバータノイズの音圧変化を低減することができ、結果としてノイズの変化も耳につきにくくなるという効果が得られる。なお、インピーダンス測定用信号に係わるパラメータ（波形の種類、周波数、最大振幅値、最小振幅値、振幅値の変化の割合など）については、システム設計などに応じて適宜設定すれば良い。
【００３３】
電圧指令信号生成部１３０は、重畳信号生成部１２５からインピーダンス測定用信号が供給される場合には、インピーダンス測定信号を出力目標電圧に重畳し、電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ３０に出力する。一方、重畳信号生成部１２５からインピーダンス測定用信号が供給されない場合には、出力目標電圧をそのまま電圧指令信号ＶｆｃｒとしてＤＣ／ＤＣコンバータ３０に出力する。
【００３４】
インピーダンス演算部（測定手段）１４０は、電圧センサ１４１によって検出される燃料電池４０の電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ及び電流センサ１４２によって検出される燃料電池４０の電流（ＦＣ電流）Ｉｆを所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。インピーダンス演算部１４０は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池４０のインピーダンスを求める。
【００３５】
内部状態検出部１５０は、インピーダンス演算部１４０から供給される燃料電池４０のインピーダンスを解析し、燃料電池４０の内部状態を検出する。制御ユニット１０は、検出される燃料電池４０の内部状態に基づき酸化ガス等に含まれる水分量の調整等し、これにより、燃料電池４０の内部状態は適正に保持される。
【００３６】
以上説明したように、インピーダンス測定を行う際、振幅値が徐々に変化してゆくインピーダンス測定用信号を生成・利用することで、振幅値が一定のインピーダンス測定用信号を生成・利用する場合に比べて（図５参照）、インピーダンス測定用信号の重畳時と非重畳時におけるコンバータノイズの音圧変化を低減することができ、結果としてノイズの変化も耳につきにくくなるという効果が得られる。
【００３７】
Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、出力目標電圧に基づいてインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令したが、当該システムの運転状態に基づいてインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令しても良い。
【００３８】
一般に、エアコンプレッサ（図示略）の回転数はエアブロー時などに増大し、車両騒音も大きくなる。この間にインピーダンス測定を行い、コンバータノイズの音圧変化の影響を小さくしようとするのが本実施形態である。
【００３９】
本実施形態に係る重畳タイミング指令部（切換制御手段）１２０は、エアコンプレッサ（図示略）の回転数（運転状態）を示すセンサ信号などからエアブローの開始・終了タイミングを検出し、検出した開始・終了タイミングに応じて重畳信号生成部１２５へインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令する。
【００４０】
重畳信号生成部（生成手段）１２５は、重畳タイミング指令部１２０からの指令に従って出力目標電圧に重畳すべきインピーダンス測定用信号の生成等を行い、生成したインピーダンス測定用信号を電圧指令信号生成部１３０に出力する。なお、本実施形態では、エアコンプレッサノイズによって車両騒音が大きくなる間にインピーダンス測定を行うため、インピーダンス測定用信号の振幅値は一定であってもコンバータノイズの音圧変化の影響を小さくすることができる（図５参照）。もちろん、インピーダンス測定用信号の振幅値を徐々に変化させてゆくことでコンバータノイズの音圧変化の影響をより小さくしても良い。また、当該車両が停止状態にあるときにインピーダンス測定を行うようにしても良い。
【００４１】
以上説明したように、エアブロー時などエアコンプレッサの回転数が増大し、車両騒音が大きくなる間にインピーダンス測定を行うことで、コンバータノイズの音圧変化はエアコンプレッサノイズの音圧変化に埋もれ、結果としてノイズの変化も耳につきにくくなるという効果が得られる。
【００４２】
なお、エアコンプレッサの回転数を検出する代わりに、例えば音圧センサなどによって車両騒音を直接検出し、検出した音圧レベルに基づきインピーダンス測定用信号の生成開始、生成中止を指令しても良い。
【００４３】
また、インピーダンス測定用信号の重畳／非重畳の切換は、燃料電池システムのエアコンプレッサの作動に限定する必要はない。例えば、燃料電池システムで使用しているポンプ（水素ポンプ、エアコンプレッサ等）の作動中などの騒音源が作動中に切り換えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係るインピーダンス測定を説明するための図である。
【図３】同実施形態に係る出力目標電圧の計時変化を示す図である。
【図４】同実施形態に係るインピーダンス計測用信号の信号波形を例示した図である。
【図５】従来のインピーダンス計測用信号の信号波形を例示した図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０・・・制御ユニット、２０・・・バッテリ、３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０・・・燃料電池、５０・・・車両補機、６０・・・インバータ、６１・・・モータ、１１０・・・目標電圧決定部、１２０・・・重畳タイミング指令部、１２５・・・重畳信号生成部、１３０・・・電圧指令信号生成部、１４０・・・インピーダンス演算部、１４１・・・電圧センサ、１４２・・・電流センサ、１５０・・・内部状態検出部。
【図１】
0004743492.tif 000002
【図２】
0004743492.tif 000003
【図３】
0004743492.tif 000004
【図４】
0004743492.tif 000005
【図５】
0004743492.tif 000006