燃料电池的阻抗测定装置以及燃料电池的阻抗测定方法与流程

本发明涉及一种测定燃料电池的阻抗的技术。

背景技术：

WO2012/077450A中公开了一种能够在从燃料电池向负载供给电力的状态下测定燃料电池的内部电阻的内部电阻测定装置。该内部电阻测定装置向燃料电池的正极端子和负极端子输出同一交流信号，使得电流不会泄漏到负载侧以确保测定精度。然后，以使燃料电池的正极端子的电位减去位于该正极端子与负极端子之间的中途端子的电位而得到的正极侧交流电位差与负极端子的电位减去上述的中途端子的电位而得到的负极侧交流电位差一致的方式，对输出到各个电极端子的交流信号的振幅进行调整。之后，基于调整后的电位差信号和交流输出信号来测定燃料电池的内部阻抗。

技术实现要素：

然而，当负载发生变动而交流信号的频率与负载变动的频率一致时，存在以下可能性：施加于燃料电池的正极端子和负极端子的交流信号流入到负载侧，不再能够高精度地测定燃料电池的阻抗。

本发明的目的在于提供一种即使在负载发生了变动的情况下也会高精度地测定燃料电池的阻抗的技术。

本发明的一个方式中的燃料电池的阻抗测定装置向燃料电池输出交流电流，进行调整使得在输出到燃料电池的交流电流的频率下，燃料电池与负载装置之间的阻抗变得高于二次电池与负载装置之间的阻抗。另外，以使作为燃料电池的正极侧的电位与中途电位之差的正极侧交流电位差同作为燃料电池的负极侧的电位与中途电位之差的负极侧交流电位差一致的方式调整交流电流，基于正极侧交流电位差和负极侧交流电位差中的至少一方的交流电位差以及调整后的交流电流来计算燃料电池的阻抗。

下面结合附图来详细说明本发明的实施方式。

附图说明

图1A是本发明的燃料电池的阻抗测定装置的作为测定对象的燃料电池的外观立体图。

图1B是表示燃料电池的发电电池的构造的分解图。

图2是将一个实施方式中的燃料电池的阻抗测定装置搭载于燃料电池车的情况下的系统结构图。

图3是一个实施方式中的燃料电池的阻抗测定装置的电路图。

图4是表示正极侧直流切断部、负极侧直流切断部、中途点直流切断部、正极侧交流电位差检测部以及负极侧交流电位差检测部的详细结构的图。

图5是表示正极侧电源部和负极侧电源部的详细结构的图。

图6是表示交流调整部的详细结构的图。

图7是表示阻抗运算部的详细结构的图。

图8是主要由燃料电池的阻抗测定装置的控制单元执行的控制流程图。

图9A是表示示出在负载低的状态下测定出燃料电池的两端的电压时振幅大的频率与负载的增大相应地增加的情况的实验结果的一例的图。

图9B是表示示出在负载高的状态下测定出燃料电池的两端的电压时振幅大的频率与负载的增大相应地增加的情况的实验结果的一例的图。

图10是表示设置切换头、并与负载的大小相应地变更切换头与电抗器的连接点的结构例的图。

具体实施方式

图1A是本发明的燃料电池的阻抗测定装置的作为测定对象的燃料电池的外观立体图。图1B是表示燃料电池的发电电池的构造的分解图。

如图1A所示，燃料电池堆1(以下也仅称为燃料电池1)具备进行了层叠的多个发电电池10、集电板20、绝缘板30、端板40以及四根拉杆50。

发电电池10是燃料电池的单位电池。各发电电池10产生例如1伏特(V)左右的电动势。各发电电池10的结构的详情在后面叙述。

集电板20分别配置于进行了层叠的多个发电电池10的外侧。集电板20由不透气性的导电性构件、例如致密碳形成。集电板20具备正极端子211和负极端子212。另外，在正极端子211与负极端子212之间设置有中途端子213。中途端子213既可以是正极端子211与负极端子212之间的中点，也可以是偏离中点的位置。燃料电池堆1通过正极端子211和负极端子212取出由各发电电池10产生的电子e^-后输出。

绝缘板30分别配置于集电板20的外侧。绝缘板30由绝缘性的构件、例如橡胶等形成。

端板40分别配置于绝缘板30的外侧。端板40由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。

在一方的端板40(图1A中左前的端板40)上设置有阳极(anode)供给口41a、阳极排出口41b、阴极(cathode)供给口42a、阴极排出口42b、冷却水供给口43a以及冷却水排出口43b。在本实施方式中，阳极排出口41b、冷却水排出口43b以及阴极供给口42a设置于图中右侧。另外，阴极排出口42b、冷却水供给口43a以及阳极供给口41a设置于图中左侧。

拉杆50分别配置于端板40的四角附近。燃料电池堆1在内部形成有贯通的孔(未图示)。拉杆50贯穿该贯通孔。拉杆50由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。拉杆50在表面进行了绝缘处理，以防止发电电池10之间发生电短路。该拉杆50与螺母(位于里面因此未图示)螺纹接合。拉杆50和螺母在层叠方向上对燃料电池堆1进行紧固。

作为向阳极供给口41a供给作为阳极气体的氢的方法，例如有从氢贮存装置直接供给氢气的方法、或者将含氢的燃料重整来供给重整后的含氢气体的方法等。此外，作为氢贮存装置，有高压气体罐、液化氢罐、贮氢合金罐等。作为含氢的燃料，有天然气、甲醇、汽油等。另外，作为向阴极供给口42a供给的阴极气体，一般利用空气。

如图1B所示，发电电池10为在膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly；MEA)11的两面配置阳极隔板(阳极双极板)12a和阴极隔板(阴极双极板)12b的构造。

MEA 11在由离子交换膜构成的电解质膜111的两面形成电极催化剂层112。在该电极催化剂层112之上形成气体扩散层(Gas Diffusion Layer；GDL)113。

电极催化剂层112例如由承载有铂的炭黑粒子形成。

GDL 113由具有足够的气体扩散性和导电性的构件、例如碳纤维形成。

从阳极供给口41a供给的阳极气体在该GDL 113a中流动来与阳极电极催化剂层112(112a)进行反应，从阳极排出口41b排出。

从阴极供给口42a供给的阴极气体在该GDL 113b中流动来与阴极电极催化剂层112(112b)进行反应，从阴极排出口42b排出。

阳极隔板12a隔着GDL 113a和密封件14a叠加在MEA 11的单面(图1B的背面)上。阴极隔板12b隔着GDL 113b和密封件14b叠加在MEA 11的单面(图1B的表面)上。密封件14(14a、14b)例如是硅橡胶、三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer；EPDM)、氟橡胶等橡胶状弹性材料。阳极隔板12a和阴极隔板12b例如是将不锈钢等金属制的隔板基体压制成型而成的，在一个面上形成反应气体流路，在其相反面上以与反应气体流路交替排列的方式形成冷却水流路。如图1B所示那样将阳极隔板12a与阴极隔板12b重叠，来形成冷却水流路。

MEA 11、阳极隔板12a以及阴极隔板12b中分别形成有孔41a、41b、42a、42b、43a、43b，将它们重叠来形成阳极供给口(阳极供给歧管)41a、阳极排出口(阳极排出歧管)41b、阴极供给口(阴极供给歧管)42a、阴极排出口(阴极排出歧管)42b、冷却水供给口(冷却水供给歧管)43a以及冷却水排出口(冷却水排出歧管)43b。

图2是将一个实施方式中的燃料电池的阻抗测定装置搭载于燃料电池车的情况下的系统结构图。从燃料电池1输出的直流电力在被DC/DC转换器24变换为期望的电平的电力之后，被逆变器22变换为交流电力后供给到三相交流电动机23。燃料电池1还经由DC/DC转换器24来与二次电池25并联连接。二次电池25的直流电力被供给到辅机类26，并且被逆变器22变换为交流电力后供给到三相交流电动机23。燃料电池1上连接有后述的阻抗测定装置5。

DC/DC转换器24具备降压用开关241、升压用开关242、回流二极管243、回流二极管244以及电抗器245。降压用开关241和升压用开关242是半导体开关、例如IGBT。回流二极管243与降压用开关241反并联连接。回流二极管244与升压用开关242反并联连接。

电抗器245的一端连接于降压用开关241与升压用开关242的连接点，另一端连接于燃料电池1的正极侧。一般来说，DC/DC转换器就其功能而言设置有电抗器，能够将该电抗器用作电抗器245。

在本实施方式中，以DC/DC转换器24的逆变器22侧的电压比DC/DC转换器24的燃料电池1侧的电压高为前提。另外，如图2所示，在电抗器245的两端中，逆变器22侧设置有半导体开关(降压用开关241、升压用开关242)，但是在燃料电池1侧未设置半导体开关。

图3是一个实施方式中的燃料电池的阻抗测定装置5的电路图。阻抗测定装置5具备正极侧直流切断部511、负极侧直流切断部512、中途点直流切断部513、正极侧交流电位差检测部521、负极侧交流电位差检测部522、正极侧电源部531、负极侧电源部532、交流调整部540以及阻抗运算部550。

参照图4来说明正极侧直流切断部511、负极侧直流切断部512、中途点直流切断部513、正极侧交流电位差检测部521以及负极侧交流电位差检测部522的详情。

正极侧直流切断部511与燃料电池1的正极端子211连接。负极侧直流切断部512与燃料电池1的负极端子212连接。中途点直流切断部513与燃料电池1的中途端子213连接。此外，也可以如图3中虚线所示那样不设置中途点直流切断部513。这些直流切断部511～513切断直流信号而使交流信号流通。直流切断部511～513例如是电容器、变压器。

正极侧交流电位差检测部521以燃料电池1的正极端子211的交流电位Va和中途端子213的交流电位Vc为输入来输出正极侧交流电位差。负极侧交流电位差检测部522以燃料电池1的负极端子212的交流电位Vb和中途端子213的交流电位Vc为输入来输出负极侧交流电位差。正极侧交流电位差检测部521和负极侧交流电位差检测部522例如是差动放大器(仪表放大器)。

参照图5来说明正极侧电源部531和负极侧电源部532的详情。

正极侧电源部531例如能够由如图5所示的利用运算放大器(OP放大器)的电压电流变换电路来实现。根据该电路，输出与输入电压Vi成正比的电流Io。此外，Io＝Vi/Rs，Rs是电流感测电阻。即，该电压电流变换电路是能够与输入电压Vi相应地调整输出电流Io的可变交流电流源。

如果使用该电路，则即使不实际测量输出电流Io，也能够利用输入电压Vi÷比例常数Rs来求出输出电流Io。另外，由于输出是电流，因此即使在电流路径上存在如电容器那样的产生相位角的元件，在层叠电池组中流动的交流电流与电流源的输出也会成为相同相位，也与输入电压Vi成为相同相位。因而，在下一阶段的阻抗计算中无需考虑相位差，电路简单。并且，即使电流路径中的电容器的阻抗产生偏差，也不受相位变化的影响。由于这样，将如图5所示的电路用作正极侧电源部531是合适的。负极侧电源部532也同样。

参照图6来说明交流调整部540的详情。

交流调整部540例如能够由如图6所示的PI控制电路来实现。交流调整部540具备正极侧检波电路5411、正极侧减法器5421、正极侧积分电路5431、正极侧乘法器5451、负极侧检波电路5412、负极侧减法器5422、负极侧积分电路5432、负极侧乘法器5452、基准电压544以及交流信号源546。

正极侧检波电路5411从与燃料电池1的正极端子211连接的正极侧电源部531的配线上的交流电位Va去除不需要的信号，并且变换为直流信号。

正极侧减法器5421检测该直流信号与基准电压544之差。正极侧积分电路5431对从正极侧减法器5421输出的信号进行平均化或灵敏度调节。

正极侧乘法器5451利用正极侧积分电路5431的输出对交流信号源546的振幅进行调制。

交流调整部540像这样生成给正极侧电源部531的指令信号。另外同样地，交流调整部540生成给负极侧电源部532的指令信号。通过根据像这样生成的指令信号来增减正极侧电源部531和负极侧电源部532的输出，交流电位Va及Vb均被控制为规定的电平。由此，交流电位Va及Vb成为等电位。

此外，在该例中，以模拟运算IC为例来示出了电路结构，但是也可以在利用AD变换器对交流电位Va(Vb)进行数字变换之后由数字控制电路构成电路结构。

参照图7来说明阻抗运算部550的详情。

阻抗运算部550包括AD变换器(ADC)551和微计算机芯片(CPU)552。

AD变换器551将作为模拟信号的交流电流(I1、I2)和交流电压(V1、V2)变换为数字数值信号后，传输至微计算机芯片552。

微计算机芯片552预先存储有计算阻抗Rn和燃料电池整体的阻抗R的程序。微计算机芯片552以规定的微小时间为间隔来依次进行运算并输出运算结果，或者根据控制单元6的请求来输出运算结果。此外，利用下式运算阻抗Rn和燃料电池整体的阻抗R。在本实施方式中，n＝2。

[式1]

R＝ΣRn…(1-2)

阻抗运算部550也可以由使用模拟运算IC的模拟运算电路来实现。根据模拟运算电路，能够输出在时间上连续的阻抗变化。

图8是主要由燃料电池的阻抗测定装置的控制单元6执行的控制流程图。

在步骤S1中，控制单元6判定正极交流电位Va是否大于规定值。如果判定结果为否，则控制单元6将处理转移到步骤S2，如果判定结果为是，则控制单元6将处理转移到步骤S3。

在步骤S2中，控制单元6判定正极交流电位Va是否小于规定值。如果判定结果为否，则控制单元6将处理转移到步骤S4，如果判定结果为是，则控制单元6将处理转移到步骤S5。

在步骤S3中，控制单元6降低正极侧电源部531的输出。由此正极交流电位Va下降。

在步骤S4中，控制单元6维持正极侧电源部531的输出。由此正极交流电位Va被维持。

在步骤S5中，控制单元6升高正极侧电源部531的输出。由此正极交流电位Va上升。

在步骤S6中，控制单元6判定负极的交流电位Vb是否大于规定值。如果判定结果为否，则控制单元6将处理转移到步骤S7，如果判定结果为是，则控制单元6将处理转移到步骤S8。

在步骤S7中，控制单元6判定负极的交流电位Vb是否小于规定值。如果判定结果为否，则控制单元6将处理转移到步骤S9，如果判定结果为是，则控制单元6将处理转移到步骤S10。

在步骤S8中，控制单元6降低负极侧电源部532的输出。由此负极交流电位Vb下降。

在步骤S9中，控制单元6维持负极侧电源部532的输出。由此负极交流电位Vb被维持。

在步骤S10中，控制单元6升高负极侧电源部532的输出。由此负极交流电位Vb上升。

在步骤S11中，控制单元6判定正极交流电位Va和负极交流电位Vb是否为规定值。如果判定结果为是，则控制单元6将处理转移到步骤S12，如果判定结果为否，则控制单元6退出处理。

在步骤S12中，阻抗运算部550基于上述的式(1-1)、(1-2)来运算阻抗。

图9A和图9B是表示示出在利用以往的装置(WO2012/077450A)的结构测定出燃料电池1的两端的电压时振幅大的频率与负载的增大相应地增加的情况的实验结果的一例的图，图9A表示负载低的情况下的结果，图9B表示负载高的情况下的结果。如图9B所示，当负载增大时，振幅大的频率与负载的变动相应地增加，因此发生输出到燃料电池1的交流信号的频率与负载的变动频率一致的情况，施加于燃料电池1的正极端子和负极端子的交流信号会流向负载侧。

在本实施方式中，在DC/DC转换器24的内部，具体地说，在比DC/DC转换器24中设置的半导体开关(降压用开关241、升压用开关242)靠燃料电池1侧的位置，设置电抗器245，由此抑制在负载变动时正极侧交流电位差与负极侧交流电位差成为不同的值。即，负载的变动频率越高，则电抗器245的阻抗越高，因此相对于负载与二次电池25之间的阻抗，负载与燃料电池1之间的阻抗越高。由此，负载的变动被二次电池25侧吸收，因此能够抑制燃料电池1的正极侧交流电位差与负极侧交流电位差成为不同的值，从而能够抑制施加于燃料电池1的正极端子和负极端子的交流信号流向负载侧。

此外，负载的变动例如包括逆变器22中设置的半导体开关的开关动作、DC/DC转换器24中设置的半导体开关(降压用开关241、升压用开关242)的开关动作等，负载的变动频率例如是指逆变器22中设置的半导体开关的开关动作频率、DC/DC转换器24中设置的降压用开关241和升压用开关242的开关动作频率。

在此，关于从正极侧电源部531和负极侧电源部532输出的交流信号的频率(测定频率)，设定适于测定燃料电池1的阻抗的频率。在该测定频率或测定频率附近，为了在二次电池25侧吸收负载的变动，需要使负载与燃料电池1之间的阻抗相对于负载与二次电池25之间的阻抗而言高。因而，作为设置于DC/DC转换器24的内部的电抗器245，使用具有如下的阻抗的电抗器：在测定频率或测定频率附近，至少负载与燃料电池1之间的阻抗相对于负载与二次电池25之间的阻抗而言高。

以上，根据一个实施方式中的燃料电池的阻抗测定装置，在使用于具备燃料电池1、二次电池25以及从燃料电池1和二次电池25中的至少一方被供给电力的负载的系统中的燃料电池的阻抗装置中，以使作为燃料电池1的正极侧的电位与中途电位之差的正极侧交流电位差同作为燃料电池1的负极侧的电位与中途电位之差的负极侧交流电位差一致的方式对输出到燃料电池1的交流电流进行调整，基于正极侧交流电位差和负极侧交流电位差中的至少一方的交流电位差以及调整后的交流电流来计算燃料电池1的阻抗。而且，设置有阻抗调整单元(电抗器245)，该阻抗调整单元用于进行调整使得在输出到燃料电池1的交流电流的频率下，燃料电池1与负载之间的阻抗变得高于二次电池25与负载之间的阻抗。由此，即使在负载发生变动而产生噪声的情况下，噪声也会流向阻抗低的二次电池25侧，因此能够保持使正极侧交流电位差与负极侧交流电位差一致的状态，从而能够高精度地求出燃料电池1的阻抗。

作为阻抗调整单元，使用配置于燃料电池1与负载之间的具有电抗成分的电抗器245，因此与将电阻用作阻抗调整单元的情况相比，能够减少热损耗量。

特别是，根据一个实施方式中的燃料电池的阻抗测定装置，作为阻抗调整单元，使用设置于DC/DC转换器24内的电抗器245，因此不需要新设置阻抗调整单元，能够减少成本。

在本实施方式中，DC/DC转换器24的负载侧的电压高于DC/DC转换器24的燃料电池1侧的电压，DC/DC转换器24的半导体开关设置在相对于电抗器245靠负载侧的位置而不设置在相对于电抗器245靠燃料电池1侧的位置。在相对于电抗器245将半导体开关设置于燃料电池1侧的情况下，存在由于该半导体开关的导通/截止而正极侧交流电位差与负极侧交流电位差不一致从而不能高精度地求出燃料电池1的阻抗的可能性。然而，通过不在燃料电池1侧设置半导体开关而在负载侧设置半导体开关，能够防止半导体开关的导通/截止所引起的影响经由电抗器245波及到燃料电池1侧，因此能够高精度地求出燃料电池1的阻抗。

本发明不限定于上述的实施方式。例如，燃料电池的阻抗测定装置5的电路图不限定于图3所示的电路。在上述的实施方式中，通过一个路径将交流电位差检测部521、522和电源部531、532连接到燃料电池1，但是也可以分别通过不同的路径进行连接。另外，也能够设为以下结构：设置用于对要连接的中途点进行切换的连接切换器，依次切换中途点。

并且，也能够将两个燃料电池1A、1B串联连接，将燃料电池1A的正极当作上述实施方式的正极，将燃料电池1A与燃料电池1B的连接点当作上述实施方式的中途点，将燃料电池1B的负极当作上述实施方式的负极。在该情况下，能够将燃料电池1A的内部阻抗作为R1来求出，将燃料电池1B的内部阻抗作为R2来求出。

也能够设为以下结构：能够根据负载的大小来变更负载与燃料电池1之间的阻抗。图10是表示设置切换头100、并根据负载的大小来变更切换头100与电抗器245的连接点的结构例的图，示出了DC/DC转换器24的内部结构的一部分。电抗器245设置有三处与切换头100的连接点，切换头100在负载小的情况下与图面左侧的连接点连接，在负载为中等大小的情况下与正中的连接点连接，在负载大的情况下与图面右侧的连接点连接。由此，在负载大的情况下，使负载与燃料电池1之间的阻抗变得高于负载与二次电池25之间的阻抗，使得能够高精度地测定燃料电池1的阻抗，在负载小的情况下，能够减少DC/DC转换器24的损耗。

在上述的实施方式中，作为用于进行调整使得在输出到燃料电池1的交流电流的频率下燃料电池1与负载之间的阻抗变得高于二次电池25与负载之间的阻抗的阻抗调整单元，设置电抗器245，列举了这样的例子来进行了说明，但是阻抗调整单元不限定于电抗器。