燃料電池状態診断装置
【課題】部品点数の増加を招くことなく、燃料電池の状態を診断可能な燃料電池状態診断装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加部５１と、診断対象となる単位セル１０の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出部４と、局所電流から交流成分を抽出して交流成分における周波数特性を算出する演算部５２１と、交流電流における周波数特性と局所電流における周波数特性との対応関係に基づいて燃料電池の状態を診断する状態診断手段６２と、を備える。これによると、単位セル１０のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備える必要がないので、部品点数の増加を招くことなく燃料電池１の状態を診断することが可能となる。
【解決手段】燃料電池１に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加部５１と、診断対象となる単位セル１０の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出部４と、局所電流から交流成分を抽出して交流成分における周波数特性を算出する演算部５２１と、交流電流における周波数特性と局所電流における周波数特性との対応関係に基づいて燃料電池の状態を診断する状態診断手段６２と、を備える。これによると、単位セル１０のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備える必要がないので、部品点数の増加を招くことなく燃料電池１の状態を診断することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の状態を診断する燃料電池状態診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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（内部抵抗）を測定し、測定したインピーダンスに基づいて、燃料電池の状態を診断する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、燃料電池の単位セルの電圧（セル電圧）を検出するセル電圧センサ、および単位セルの局所部位を流れる電流を検出する局所電流センサの検出値に基づいて、単位セルの局所部位におけるインピーダンスを測定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の如く、交流インピーダンス法を用いて交流インピーダンスを測定する構成では、局所電流センサおよびセル電圧センサ（セル電圧検出手段）が必要となるため、燃料電池状態診断装置における部品点数が増加して、コストアップとなる問題がある。特に、セル電圧センサは、特別な絶縁対策等を施す必要があり、コストアップの主要因となる。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、部品点数の増加を招くことなく、燃料電池の状態を診断可能な燃料電池状態診断装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた。この結果、燃料電池に対して所定の交流電流を印加した際の電流変動（応答特性）が、燃料電池の状態により異なることに着眼し、燃料電池に交流電流を印加した際の電流変動によって燃料電池の状態を診断する構成を案出した。すなわち、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の状態を診断する燃料電池状態診断装置であって、燃料電池（１）に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加手段（５１）と、診断対象となる単位セル（１０）の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４）と、局所電流から交流成分を抽出して交流成分における周波数特性を算出する周波数特性算出手段（５２１）と、交流電流における周波数特性と局所電流における周波数特性との対応関係に基づいて燃料電池の状態を診断する状態診断手段（６２）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
これによると、単位セル（１０）のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備える必要がないので、部品点数の増加を招くことなく燃料電池（１）の状態を診断することが可能となる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池状態診断装置において、交流電流における周波数特性を入力とし、局所電流における周波数特性を出力とした局所伝達関数を算出する局所伝達関数算出手段（５２２）と、燃料電池（１）の状態に応じて予め設定された複数の基準伝達関数を記憶する記憶手段（６１）と、を備え、状態診断手段（６２）は、複数の基準伝達関数から伝達関数算出手段（５２２）にて算出された局所伝達関数に対応する基準伝達関数を選択し、選択した基準伝達関数に基づいて燃料電池（１）の状態を特定することを特徴とする。
【００１０】
このように、燃料電池（１）に対して所定の交流電流を印加した際の局所電流の変動を示す局所伝達関数を算出することで、燃料電池（１）の状態を診断することができる。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る信号処理装置の模式図である。
【図３】局所伝達関数の周波数特性の一例を示すナイキスト線図である。
【図４】燃料電池の状態に応じた局所伝達関数の周波数特性を示すナイキスト線図である。
【図５】交流電流の周波数を変化させた場合の局所伝達関数の周波数特性を示すボード線図である。
【図６】本実施形態の信号処理装置および制御装置にて行う制御処理を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態に係る信号処理装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は、本実施形態に係る信号処理装置５の模式図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
【００１５】
まず、燃料電池システムは、図１に示すように、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、図示しない車両走行用電動モータや２次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。より具体的には、燃料電池１は、基本単位となる単位セル１０が複数積層され、各単位セル１０が電気的に直列に接続されて構成されたものである。
【００１６】
図２に示すように、各単位セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両側面に一対の電極１００ｂ、１００ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、この膜電極接合体１００を狭持する一対のセパレータ１０１、１０２で構成されている。
【００１７】
一対のセパレータ１０１、１０２は、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、アノード電極１００ｂと対向する面に水素が流れる水素流路（図示略）が形成され、カソード電極１００ｃと対向する面に空気が流れる空気流路（図示略）が形成されている。
【００１８】
単位セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
【００１９】
（負極側：アノード電極）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側：カソード電極）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１と電気負荷２との間には、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（図示略）を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池１から電気負荷、あるいは電気負荷から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。
【００２０】
燃料電池１における積層された複数の単位セル１０の間には、診断対象となる特定の単位セル１０（以下、診断対象セル１０と称する。）の局所部位に流れる電流（局所電流）を検出する局所電流検出部４（局所電流検出手段）が設けられている。局所電流検出部４は、積層された単位セル１０の間の任意の部位に設けることができる。
【００２１】
局所電流検出部４は、診断対象セル１０における水素出口部付近、空気出口部付近を含む複数部位に流れる局所電流を検出するために、複数の電流センサ（本実施形態では５個）を有して構成されている。局所電流検出部４を構成する電流センサとしては、シャント抵抗や磁気等を利用した周知のセンサを用いることができる。局所電流検出部４から出力される出力信号は、後述する信号処理装置５の演算処理部５２にて演算処理される。なお、信号処理装置５については後述する。
【００２２】
燃料電池１のカソード電極１００ｃ側には、酸素を主成分とする酸化剤ガス（空気）を燃料電池１に供給するための空気供給配管２０、並びに、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外気へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。
【００２３】
空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する空気供給手段が構成される。
【００２４】
燃料電池１のアノード電極１００ｂ側には、水素を主成分とする燃料ガスを燃料電池１に供給するための水素供給配管３０、アノード電極１００ｂ側に溜まった生成水を微量な水素と共に燃料電池１から外部へ排出するための水素排出配管３１が接続されている。
【００２５】
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所望の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。
【００２６】
水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１００ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１００ｂ側には、カソード電極１００ｃ側から各セル１０の電解質膜１００ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。
【００２７】
燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）６が設けられている。この制御装置６は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、およびＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶手段６１からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。
【００２８】
具体的には、制御装置６の入力側には、信号処理装置５、および車室内に設けられた車両起動スイッチ６ａに接続されており、信号処理装置５および車両起動スイッチ６ａからの出力信号が入力される。なお、車両起動スイッチ６ａは、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。なお、制御装置６の出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４等の各種電気式アクチュエータ、および信号処理装置５が接続されている。
【００２９】
本実施形態の制御装置６は、信号処理装置５と双方向に通信可能に構成されており、信号処理装置５からの出力に基づいて、燃料電池１の状態を診断する。本実施形態では、制御装置６の一部および信号処理装置５が燃料電池１の状態を診断する燃料電池状態診断装置として機能する。
【００３０】
次に、本実施形態の信号処理装置５について説明する。信号処理装置５は、診断対象セル１０の出力電流に対して任意の周波数の交流電流を印加する交流印加部５１、および局所電流検出部４で検出された局所電流を演算処理する演算処理部５２、診断対象セル１０の出力電流を検出する出力電流センサ５３等で構成されている。
【００３１】
交流印加部５１は、診断対象セル１０の出力電流に任意の周波数で正弦波等の交流電流を印加する交流電流印加手段を構成している。本実施形態の交流印加部５１は、異なる複数の周波数を合成した交流信号を燃料電池１の出力信号に印加可能に構成されている。なお、交流印加部５１にて印加する交流電流は、燃料電池１の発電状態に影響しないように、燃料電池１における発電電流の１０％以下とすることが好ましい。
【００３２】
演算処理部５２は、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、抽出した交流成分の周波数特性を算出する演算部５２１と、演算部５２１での演算結果に基づいて診断対象セルの各局所部位における局所伝達関数Ｆｎを算出する局所伝達関数算出部５２２を有して構成されている。なお、本実施形態では、演算部５２１が周波数特性算出手段を構成し、局所伝達関数算出部５２２が局所伝達関数算出手段を構成している。
【００３３】
演算部５２１は、交流印加部５１にて診断対象セル１０に交流電流を印加した際、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサから、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、各交流成分における周波数特性（ゲインや位相差等）を算出する。なお、演算部５２１で求めた出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性は、実質的に交流印加部５１にて印加した交流電流の周波数特性と同じ特性となる。
【００３４】
局所伝達関数算出部５２２は、演算部５２１で求めた出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性（全体での電流変動）ΔＩを入力とし、局所電流検出部４の各電流センサの交流成分における周波数特性（局所電流変動）Δｉｎを出力とした局所伝達関数Ｆｎを算出する。局所伝達関数算出部５２２において算出した局所伝達関数Ｆｎの周波数特性は、図３に示すような軌跡となる。図３は、局所伝達関数Ｆｎの周波数特性の一例を示すナイキスト線図であり、図中のＲｅ（Ｆ）が実数部、Ｉｍ（Ｆ）が虚数部、Ａｂｓ（Ｆ）がゲイン、θ（Ｆ）が位相差を示している。
【００３５】
この局所伝達関数Ｆｎは、診断対象セル１０に対して交流電流を印加した際の電流変動（応答特性）を示しており、その周波数特性が燃料電池１の状態に応じて変化する。このため、本実施形態では、制御装置６にて、局所伝達関数算出部５２２で算出した局所伝達関数Ｆｎに基づいて燃料電池１の状態を診断する診断処理を行う。本実施形態では、制御装置６における燃料電池１の状態を診断する構成（ソフトウェアおよびハードウェアを含む。）を状態診断手段６２とする。
【００３６】
次に、本実施形態における燃料電池１の状態の診断方法について、図４および図５に基づいて説明する。図４は、燃料電池１の状態に応じた局所伝達関数Ｆｎの周波数特性を示すナイキスト線図である。また、図５は、交流電流の周波数を変化させた場合の局所伝達関数Ｆｎの周波数特性を示すボード線図であり、図５の（ａ）が周波数を変化させた場合のゲインの変化を示し、（ｂ）が周波数を変化させた場合の位相差の変化を示している。
【００３７】
図４に示すように、燃料電池１の状態が正常状態（正常）、酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）、および水素が欠乏した状態（水素欠乏）では、それぞれ異なる周波数特性を示すことが分かる。
【００３８】
このため、燃料電池１の状態が正常状態（正常）、酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）、および水素が欠乏した状態（水素欠乏）における伝達関数を基準伝達関数として予め制御装置６の記憶手段６１に記憶し、記憶手段６１に記憶した各基準伝達関数と、局所伝達関数算出部５２２にて算出した局所伝達関数Ｆｎとを比較することで、燃料電池１の状態を推定することが可能となる。
【００３９】
また、図５に示すように、燃料電池１の状態が正常状態（正常）、酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）、および水素が欠乏した状態（水素欠乏）では、１０Ｈｚ以下の周波数帯域で、ゲインおよび位相差が顕著に異なることが分かる。
【００４０】
従って、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を１０Ｈｚ以下とし、当該交流電流を印加した際に局所伝達関数算出部５２２にて算出した局所伝達関数Ｆｎと、記憶手段６１に記憶した各基準伝達関数との対応関係を比較照合することで、燃料電池１の状態を精度よく推定することが可能となる。
【００４１】
なお、単位セル１０では、水素流路の出口側にて水素欠乏が生じ易いため、水素流路の出口側付近の局所電流を用いて算出した局所伝達関数Ｆｎを用いることで、燃料電池１の水素欠乏を精度よく推定することができる。また、単位セル１０では、空気流路の出口側にて酸素欠乏が生じ易いため、空気流路の出口側付近の局所電流を用いて算出した局所伝達関数Ｆｎを用いることで、燃料電池１の酸素欠乏を精度よく推定することができる。
【００４２】
次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、正常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態といった三種類の状態を診断する状態診断処理の流れを、図６に示すフローチャートにより説明する。図６に示す制御フローは、車両起動スイッチ６ａが投入（ＯＮ）されて、燃料電池１の発電状態となるとスタートする。なお、図６では、信号処理装置５および制御装置６にて行う処理を１つのフローチャートで示している。
【００４３】
車両が起動すると、まず、信号処理装置５の交流印加部５１から診断対象セル１０に単一周波数の正弦波を有する交流電流を印加する（Ｓ１０）。交流印加部５１で印加する交流電流の周波数は、１０Ｈｚ以下に設定されており、予め記憶手段６１に記憶されている。
【００４４】
次に、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、演算処理部５２の演算部５２１にて出力電流センサ５３および局所電流検出部４の出力信号から、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、各交流成分における周波数特性を算出する（Ｓ３０）。
【００４５】
次に、ステップＳ３０にて算出した出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性（全体での電流変動）ΔＩを入力とし、局所電流検出部４の各電流センサの交流成分における周波数特性（局所電流変動）Δｉｎを出力とした局所伝達関数Ｆｎを算出する（Ｓ４０）。
【００４６】
次に、ステップＳ４０にて算出した局所伝達関数Ｆｎを、予め記憶手段６１に記憶された通常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態における基準伝達関数と照合する（Ｓ５０）。具体的には、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数における局所伝達関数Ｆｎのゲインおよび位相差に最も近いゲインおよび位相差となる基準伝達関数を選択する。
【００４７】
次に、ステップＳ５０にて選択した基準伝達関数に対応する燃料電池１の状態が、水素欠乏であるか否かを判定する（Ｓ６０）。この結果、水素欠乏であると判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を水素欠乏と診断する（Ｓ７０）。なお、水素欠乏と判定された場合、燃料電池１への水素の供給量が不足していることが原因と考えられるため、例えば、水素調圧弁３３の開度を増大させ、高圧水素タンク３２からの水素の供給量を増大させることにより、水素欠乏を解消することが可能となる。
【００４８】
一方、ステップＳ６０の判定処理の結果、水素欠乏でないと判定された場合は、ステップＳ５０にて選択した基準伝達関数に対応する燃料電池１の状態が、酸素欠乏であるか否かを判定する（Ｓ８０）。この結果、酸素欠乏であると判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を酸素欠乏と診断し（Ｓ９０）、酸素欠乏でないと判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を正常と診断する（Ｓ１００）。なお、酸素欠乏と判定された場合、カソード電極１００ｃ側に生成水が溜っていることが原因と考えられるので、空気調圧弁２３の開度を増大させてカソード側に溜まった生成水を燃料電池１の内部から排出することで、酸素欠乏を解消することが可能となる。
【００４９】
以上説明した本実施形態の構成によれば、燃料電池１における診断対象セル１０に対して所定の交流電流を印加した際の局所電流の変動を示す局所伝達関数Ｆｎを算出することで、燃料電池１の状態を診断することができる。このような構成では、単位セル１０のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備える必要がないので、部品点数の増加を招くことなく燃料電池１の状態を診断することが可能となる。従って、燃料電池１の状態を診断する構成によって燃料電システムのコストが増大してしまうことを回避することができる。
【００５０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。図７は、本実施形態に係る信号処理装置５の模式図である。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００５１】
上述の第１実施形態では、交流印加部５１にて単一周波数の交流電流を印加するようにしているが、本実施形態では、交流印加部５１にて異なる周波数を合成した合成波を有する交流電流を印加するようにしている。なお、交流電流は、燃料電池１の状態により周波数特性が顕著に異なる傾向を示す周波数同士を合成した合成波とすることが好ましい。
【００５２】
具体的には、本実施形態の信号処理装置５の演算処理部５２には、ＦＦＴ処理部５２３が設けられている。このＦＦＴ処理部５２３は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号から異なる周波数毎に交流成分を抽出するものである。
【００５３】
本実施形態の演算処理部５２では、ＦＦＴ処理部５２３にて、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号から異なる周波数毎に交流成分を抽出し、演算部５２１にてＦＦＴ処理部５２３で抽出された各交流成分の周波数特性を算出する。
【００５４】
本実施形態の構成によれば、異なる周波数を合成した合成波形の交流電流を印加することで、局所伝達関数算出部５２２にて周波数特性の異なる局所伝達関数Ｆｎを一度に算出することが可能となる。さらに、燃料電池１の状態により周波数特性が顕著に異なる傾向を示す周波数同士を合成した合成波の交流電流を診断対象セル１０に印加した場合、局所伝達関数算出部５２２にて、基準伝達関数の周波数特性に強い相関を有する局所伝達関数Ｆｎを算出することが可能となる。この結果、燃料電池１の状態を診断する際の診断精度の向上を図ることができる。
【００５５】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
【００５６】
（１）上述の第１実施形態では、演算部５２１にて出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性を算出し、算出した出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性を局所伝達関数Ｆｎの入力としているが、これに限定されない。演算部５２１で求めた出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性は、実質的に交流印加部５１にて印加した交流電流の周波数特性と同じ特性となるため、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数特性を局所伝達関数Ｆｎの入力としてもよい。これによれば、出力電流センサ５３を省略することができるので、燃料電池１の状態を診断する構成の部品点数の低減を図ることができる。
【００５７】
（２）上述の各実施形態では、各伝達関数のゲインおよび位相差の相関に基づいて局所伝達関数Ｆｎと基準伝達関数とを照合する例を説明したが、これに限定されず、例えば、各伝達関数におけるゲインおよび位相差と、局所電流検出部４にて検出した電流値との組み合わせにより照合するようにしてもよい。
【００５８】
（３）上述の各実施形態のように、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を１０Ｈｚ以下とすることが好ましいが、これに限定されず、例えば、０．１Ｈｚ〜数百ｋＨｚまでの間の任意の周波数としてもよい。
【００５９】
（４）上述の各実施形態では、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を一定としているが、これに限定されず、例えば、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を可変させ、変化させた周波数毎に燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。
【００６０】
（５）上述の各実施形態では、局所電流検出部４を単位セル１０の局所部位（複数箇所）に複数の電流センサで構成する例を説明したが、これに限定されず、例えば、単位セル１０の局所部位（一箇所）に対応して配置された単一の電流センサで構成してもよい。
【００６１】
（６）上述の各実施形態では、交流印加部５１にて診断対象セル１０に対して単一周波数の正弦波、または正弦波を合成した合成波を有する交流電流を印加する構成としているが、これに限定されず、例えば、単一周波数の矩形波やインパルス波、または、これらの合成波を有する交流電流を印加する構成としてもよい。
【００６２】
（７）上述の各実施形態では、交流印加部５１にて診断対象セル１０に対して交流電流を印加する構成としているが、これに限定されず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて診断対象セル１０に対して交流電流を印加する構成としてもよい。これにより、燃料電池１の状態を診断する構成の部品点数の低減を図ることができる。
【００６３】
（８）上述の各実施形態では、信号処理装置５および制御装置６にて正常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態といった三種類の状態を診断する状態診断処理を行う例を説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１の単位セル１０の局所部位が乾燥するドライアップ、燃料電池１の単位セル１０へ過剰に水素が供給される水素供給過剰、燃料電池１の単位セル１０へ過剰に酸素（空気）が供給される酸素供給過剰等においても、局所伝達関数Ｆｎが異なる周波数特性が示す。このため、ドライアップ、水素供給過剰、酸素供給過剰等の状態における局所伝達関数Ｆｎを算出し、ドライアップ、水素供給過剰、酸素供給過剰等の状態を診断するようにしてもよい。
【００６４】
（９）上述の各実施形態では、局所電流検出部４および出力電流センサ５３からの出力信号を信号処理装置５の演算処理部５２にて演算する例を説明したが、これに限定されず、例えば、演算処理部５２にて行う処理を、制御装置６にて行うようにしてもよい。
【００６５】
（１０）上述の各実施形態では、燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する例を説明したが、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１ 燃料電池
１０ 単位セル
４ 局所電流検出部（局所電流検出手段）
５１ 交流印加部（交流電流印加手段）
５２１ 演算部（周波数特性算出手段）
５２２ 局所伝達関数算出部（局所伝達関数算出手段）
６１ 記憶手段
６２ 状態診断手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の状態を診断する燃料電池状態診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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（内部抵抗）を測定し、測定したインピーダンスに基づいて、燃料電池の状態を診断する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、燃料電池の単位セルの電圧（セル電圧）を検出するセル電圧センサ、および単位セルの局所部位を流れる電流を検出する局所電流センサの検出値に基づいて、単位セルの局所部位におけるインピーダンスを測定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の如く、交流インピーダンス法を用いて交流インピーダンスを測定する構成では、局所電流センサおよびセル電圧センサ（セル電圧検出手段）が必要となるため、燃料電池状態診断装置における部品点数が増加して、コストアップとなる問題がある。特に、セル電圧センサは、特別な絶縁対策等を施す必要があり、コストアップの主要因となる。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、部品点数の増加を招くことなく、燃料電池の状態を診断可能な燃料電池状態診断装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた。この結果、燃料電池に対して所定の交流電流を印加した際の電流変動（応答特性）が、燃料電池の状態により異なることに着眼し、燃料電池に交流電流を印加した際の電流変動によって燃料電池の状態を診断する構成を案出した。すなわち、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の状態を診断する燃料電池状態診断装置であって、燃料電池（１）に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加手段（５１）と、診断対象となる単位セル（１０）の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４）と、局所電流から交流成分を抽出して交流成分における周波数特性を算出する周波数特性算出手段（５２１）と、交流電流における周波数特性と局所電流における周波数特性との対応関係に基づいて燃料電池の状態を診断する状態診断手段（６２）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
これによると、単位セル（１０）のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備える必要がないので、部品点数の増加を招くことなく燃料電池（１）の状態を診断することが可能となる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池状態診断装置において、交流電流における周波数特性を入力とし、局所電流における周波数特性を出力とした局所伝達関数を算出する局所伝達関数算出手段（５２２）と、燃料電池（１）の状態に応じて予め設定された複数の基準伝達関数を記憶する記憶手段（６１）と、を備え、状態診断手段（６２）は、複数の基準伝達関数から伝達関数算出手段（５２２）にて算出された局所伝達関数に対応する基準伝達関数を選択し、選択した基準伝達関数に基づいて燃料電池（１）の状態を特定することを特徴とする。
【００１０】
このように、燃料電池（１）に対して所定の交流電流を印加した際の局所電流の変動を示す局所伝達関数を算出することで、燃料電池（１）の状態を診断することができる。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る信号処理装置の模式図である。
【図３】局所伝達関数の周波数特性の一例を示すナイキスト線図である。
【図４】燃料電池の状態に応じた局所伝達関数の周波数特性を示すナイキスト線図である。
【図５】交流電流の周波数を変化させた場合の局所伝達関数の周波数特性を示すボード線図である。
【図６】本実施形態の信号処理装置および制御装置にて行う制御処理を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態に係る信号処理装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は、本実施形態に係る信号処理装置５の模式図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。
【００１５】
まず、燃料電池システムは、図１に示すように、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、図示しない車両走行用電動モータや２次電池といった各種電気負荷に供給される電気エネルギを出力するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。より具体的には、燃料電池１は、基本単位となる単位セル１０が複数積層され、各単位セル１０が電気的に直列に接続されて構成されたものである。
【００１６】
図２に示すように、各単位セル１０は、固体高分子からなる電解質膜１００ａの両側面に一対の電極１００ｂ、１００ｃが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１００と、この膜電極接合体１００を狭持する一対のセパレータ１０１、１０２で構成されている。
【００１７】
一対のセパレータ１０１、１０２は、カーボン材や導電性金属よりなる板状プレートからなり、アノード電極１００ｂと対向する面に水素が流れる水素流路（図示略）が形成され、カソード電極１００ｃと対向する面に空気が流れる空気流路（図示略）が形成されている。
【００１８】
単位セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。
【００１９】
（負極側：アノード電極）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側：カソード電極）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
図１に戻り、燃料電池１と電気負荷２との間には、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ（図示略）を介して電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池１から電気負荷、あるいは電気負荷から燃料電池１への電力の流れを制御するものである。
【００２０】
燃料電池１における積層された複数の単位セル１０の間には、診断対象となる特定の単位セル１０（以下、診断対象セル１０と称する。）の局所部位に流れる電流（局所電流）を検出する局所電流検出部４（局所電流検出手段）が設けられている。局所電流検出部４は、積層された単位セル１０の間の任意の部位に設けることができる。
【００２１】
局所電流検出部４は、診断対象セル１０における水素出口部付近、空気出口部付近を含む複数部位に流れる局所電流を検出するために、複数の電流センサ（本実施形態では５個）を有して構成されている。局所電流検出部４を構成する電流センサとしては、シャント抵抗や磁気等を利用した周知のセンサを用いることができる。局所電流検出部４から出力される出力信号は、後述する信号処理装置５の演算処理部５２にて演算処理される。なお、信号処理装置５については後述する。
【００２２】
燃料電池１のカソード電極１００ｃ側には、酸素を主成分とする酸化剤ガス（空気）を燃料電池１に供給するための空気供給配管２０、並びに、燃料電池１にて電気化学反応を終えた余剰空気および空気極で生成された生成水を燃料電池１から外気へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。
【００２３】
空気供給配管２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送するための空気ポンプ２２が設けられ、空気排出配管２１には、燃料電池１内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ２２および空気調圧弁２３によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池１に供給する空気供給手段が構成される。
【００２４】
燃料電池１のアノード電極１００ｂ側には、水素を主成分とする燃料ガスを燃料電池１に供給するための水素供給配管３０、アノード電極１００ｂ側に溜まった生成水を微量な水素と共に燃料電池１から外部へ排出するための水素排出配管３１が接続されている。
【００２５】
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられ、水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁３３によって、所望の圧力の水素を燃料電池１に供給する燃料ガス側のガス供給手段が構成される。
【００２６】
水素排出配管３１には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、アノード電極１００ｂ側において生成水は発生しないものの、アノード電極１００ｂ側には、カソード電極１００ｃ側から各セル１０の電解質膜１００ａを透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管３１および電磁弁３４を設けている。
【００２７】
燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置（ＥＣＵ）６が設けられている。この制御装置６は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、ＣＰＵ、およびＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶手段６１からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。
【００２８】
具体的には、制御装置６の入力側には、信号処理装置５、および車室内に設けられた車両起動スイッチ６ａに接続されており、信号処理装置５および車両起動スイッチ６ａからの出力信号が入力される。なお、車両起動スイッチ６ａは、空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４等の作動開始信号を出力する開始信号出力手段の機能を兼ねる。なお、制御装置６の出力側には、上述の空気ポンプ２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３３、電磁弁３４等の各種電気式アクチュエータ、および信号処理装置５が接続されている。
【００２９】
本実施形態の制御装置６は、信号処理装置５と双方向に通信可能に構成されており、信号処理装置５からの出力に基づいて、燃料電池１の状態を診断する。本実施形態では、制御装置６の一部および信号処理装置５が燃料電池１の状態を診断する燃料電池状態診断装置として機能する。
【００３０】
次に、本実施形態の信号処理装置５について説明する。信号処理装置５は、診断対象セル１０の出力電流に対して任意の周波数の交流電流を印加する交流印加部５１、および局所電流検出部４で検出された局所電流を演算処理する演算処理部５２、診断対象セル１０の出力電流を検出する出力電流センサ５３等で構成されている。
【００３１】
交流印加部５１は、診断対象セル１０の出力電流に任意の周波数で正弦波等の交流電流を印加する交流電流印加手段を構成している。本実施形態の交流印加部５１は、異なる複数の周波数を合成した交流信号を燃料電池１の出力信号に印加可能に構成されている。なお、交流印加部５１にて印加する交流電流は、燃料電池１の発電状態に影響しないように、燃料電池１における発電電流の１０％以下とすることが好ましい。
【００３２】
演算処理部５２は、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、抽出した交流成分の周波数特性を算出する演算部５２１と、演算部５２１での演算結果に基づいて診断対象セルの各局所部位における局所伝達関数Ｆｎを算出する局所伝達関数算出部５２２を有して構成されている。なお、本実施形態では、演算部５２１が周波数特性算出手段を構成し、局所伝達関数算出部５２２が局所伝達関数算出手段を構成している。
【００３３】
演算部５２１は、交流印加部５１にて診断対象セル１０に交流電流を印加した際、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサから、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、各交流成分における周波数特性（ゲインや位相差等）を算出する。なお、演算部５２１で求めた出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性は、実質的に交流印加部５１にて印加した交流電流の周波数特性と同じ特性となる。
【００３４】
局所伝達関数算出部５２２は、演算部５２１で求めた出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性（全体での電流変動）ΔＩを入力とし、局所電流検出部４の各電流センサの交流成分における周波数特性（局所電流変動）Δｉｎを出力とした局所伝達関数Ｆｎを算出する。局所伝達関数算出部５２２において算出した局所伝達関数Ｆｎの周波数特性は、図３に示すような軌跡となる。図３は、局所伝達関数Ｆｎの周波数特性の一例を示すナイキスト線図であり、図中のＲｅ（Ｆ）が実数部、Ｉｍ（Ｆ）が虚数部、Ａｂｓ（Ｆ）がゲイン、θ（Ｆ）が位相差を示している。
【００３５】
この局所伝達関数Ｆｎは、診断対象セル１０に対して交流電流を印加した際の電流変動（応答特性）を示しており、その周波数特性が燃料電池１の状態に応じて変化する。このため、本実施形態では、制御装置６にて、局所伝達関数算出部５２２で算出した局所伝達関数Ｆｎに基づいて燃料電池１の状態を診断する診断処理を行う。本実施形態では、制御装置６における燃料電池１の状態を診断する構成（ソフトウェアおよびハードウェアを含む。）を状態診断手段６２とする。
【００３６】
次に、本実施形態における燃料電池１の状態の診断方法について、図４および図５に基づいて説明する。図４は、燃料電池１の状態に応じた局所伝達関数Ｆｎの周波数特性を示すナイキスト線図である。また、図５は、交流電流の周波数を変化させた場合の局所伝達関数Ｆｎの周波数特性を示すボード線図であり、図５の（ａ）が周波数を変化させた場合のゲインの変化を示し、（ｂ）が周波数を変化させた場合の位相差の変化を示している。
【００３７】
図４に示すように、燃料電池１の状態が正常状態（正常）、酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）、および水素が欠乏した状態（水素欠乏）では、それぞれ異なる周波数特性を示すことが分かる。
【００３８】
このため、燃料電池１の状態が正常状態（正常）、酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）、および水素が欠乏した状態（水素欠乏）における伝達関数を基準伝達関数として予め制御装置６の記憶手段６１に記憶し、記憶手段６１に記憶した各基準伝達関数と、局所伝達関数算出部５２２にて算出した局所伝達関数Ｆｎとを比較することで、燃料電池１の状態を推定することが可能となる。
【００３９】
また、図５に示すように、燃料電池１の状態が正常状態（正常）、酸素が欠乏した状態（酸素欠乏）、および水素が欠乏した状態（水素欠乏）では、１０Ｈｚ以下の周波数帯域で、ゲインおよび位相差が顕著に異なることが分かる。
【００４０】
従って、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を１０Ｈｚ以下とし、当該交流電流を印加した際に局所伝達関数算出部５２２にて算出した局所伝達関数Ｆｎと、記憶手段６１に記憶した各基準伝達関数との対応関係を比較照合することで、燃料電池１の状態を精度よく推定することが可能となる。
【００４１】
なお、単位セル１０では、水素流路の出口側にて水素欠乏が生じ易いため、水素流路の出口側付近の局所電流を用いて算出した局所伝達関数Ｆｎを用いることで、燃料電池１の水素欠乏を精度よく推定することができる。また、単位セル１０では、空気流路の出口側にて酸素欠乏が生じ易いため、空気流路の出口側付近の局所電流を用いて算出した局所伝達関数Ｆｎを用いることで、燃料電池１の酸素欠乏を精度よく推定することができる。
【００４２】
次に、上記構成に係る燃料電池システムにおいて、正常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態といった三種類の状態を診断する状態診断処理の流れを、図６に示すフローチャートにより説明する。図６に示す制御フローは、車両起動スイッチ６ａが投入（ＯＮ）されて、燃料電池１の発電状態となるとスタートする。なお、図６では、信号処理装置５および制御装置６にて行う処理を１つのフローチャートで示している。
【００４３】
車両が起動すると、まず、信号処理装置５の交流印加部５１から診断対象セル１０に単一周波数の正弦波を有する交流電流を印加する（Ｓ１０）。交流印加部５１で印加する交流電流の周波数は、１０Ｈｚ以下に設定されており、予め記憶手段６１に記憶されている。
【００４４】
次に、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号を読み込む（Ｓ２０）。そして、演算処理部５２の演算部５２１にて出力電流センサ５３および局所電流検出部４の出力信号から、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数の交流成分を抽出し、各交流成分における周波数特性を算出する（Ｓ３０）。
【００４５】
次に、ステップＳ３０にて算出した出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性（全体での電流変動）ΔＩを入力とし、局所電流検出部４の各電流センサの交流成分における周波数特性（局所電流変動）Δｉｎを出力とした局所伝達関数Ｆｎを算出する（Ｓ４０）。
【００４６】
次に、ステップＳ４０にて算出した局所伝達関数Ｆｎを、予め記憶手段６１に記憶された通常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態における基準伝達関数と照合する（Ｓ５０）。具体的には、交流印加部５１にて印加した交流電流と同一周波数における局所伝達関数Ｆｎのゲインおよび位相差に最も近いゲインおよび位相差となる基準伝達関数を選択する。
【００４７】
次に、ステップＳ５０にて選択した基準伝達関数に対応する燃料電池１の状態が、水素欠乏であるか否かを判定する（Ｓ６０）。この結果、水素欠乏であると判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を水素欠乏と診断する（Ｓ７０）。なお、水素欠乏と判定された場合、燃料電池１への水素の供給量が不足していることが原因と考えられるため、例えば、水素調圧弁３３の開度を増大させ、高圧水素タンク３２からの水素の供給量を増大させることにより、水素欠乏を解消することが可能となる。
【００４８】
一方、ステップＳ６０の判定処理の結果、水素欠乏でないと判定された場合は、ステップＳ５０にて選択した基準伝達関数に対応する燃料電池１の状態が、酸素欠乏であるか否かを判定する（Ｓ８０）。この結果、酸素欠乏であると判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を酸素欠乏と診断し（Ｓ９０）、酸素欠乏でないと判定された場合は、今回の燃料電池１の状態を正常と診断する（Ｓ１００）。なお、酸素欠乏と判定された場合、カソード電極１００ｃ側に生成水が溜っていることが原因と考えられるので、空気調圧弁２３の開度を増大させてカソード側に溜まった生成水を燃料電池１の内部から排出することで、酸素欠乏を解消することが可能となる。
【００４９】
以上説明した本実施形態の構成によれば、燃料電池１における診断対象セル１０に対して所定の交流電流を印加した際の局所電流の変動を示す局所伝達関数Ｆｎを算出することで、燃料電池１の状態を診断することができる。このような構成では、単位セル１０のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備える必要がないので、部品点数の増加を招くことなく燃料電池１の状態を診断することが可能となる。従って、燃料電池１の状態を診断する構成によって燃料電システムのコストが増大してしまうことを回避することができる。
【００５０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。図７は、本実施形態に係る信号処理装置５の模式図である。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００５１】
上述の第１実施形態では、交流印加部５１にて単一周波数の交流電流を印加するようにしているが、本実施形態では、交流印加部５１にて異なる周波数を合成した合成波を有する交流電流を印加するようにしている。なお、交流電流は、燃料電池１の状態により周波数特性が顕著に異なる傾向を示す周波数同士を合成した合成波とすることが好ましい。
【００５２】
具体的には、本実施形態の信号処理装置５の演算処理部５２には、ＦＦＴ処理部５２３が設けられている。このＦＦＴ処理部５２３は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号から異なる周波数毎に交流成分を抽出するものである。
【００５３】
本実施形態の演算処理部５２では、ＦＦＴ処理部５２３にて、出力電流センサ５３および局所電流検出部４の各電流センサからの出力信号から異なる周波数毎に交流成分を抽出し、演算部５２１にてＦＦＴ処理部５２３で抽出された各交流成分の周波数特性を算出する。
【００５４】
本実施形態の構成によれば、異なる周波数を合成した合成波形の交流電流を印加することで、局所伝達関数算出部５２２にて周波数特性の異なる局所伝達関数Ｆｎを一度に算出することが可能となる。さらに、燃料電池１の状態により周波数特性が顕著に異なる傾向を示す周波数同士を合成した合成波の交流電流を診断対象セル１０に印加した場合、局所伝達関数算出部５２２にて、基準伝達関数の周波数特性に強い相関を有する局所伝達関数Ｆｎを算出することが可能となる。この結果、燃料電池１の状態を診断する際の診断精度の向上を図ることができる。
【００５５】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
【００５６】
（１）上述の第１実施形態では、演算部５２１にて出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性を算出し、算出した出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性を局所伝達関数Ｆｎの入力としているが、これに限定されない。演算部５２１で求めた出力電流センサ５３の交流成分における周波数特性は、実質的に交流印加部５１にて印加した交流電流の周波数特性と同じ特性となるため、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数特性を局所伝達関数Ｆｎの入力としてもよい。これによれば、出力電流センサ５３を省略することができるので、燃料電池１の状態を診断する構成の部品点数の低減を図ることができる。
【００５７】
（２）上述の各実施形態では、各伝達関数のゲインおよび位相差の相関に基づいて局所伝達関数Ｆｎと基準伝達関数とを照合する例を説明したが、これに限定されず、例えば、各伝達関数におけるゲインおよび位相差と、局所電流検出部４にて検出した電流値との組み合わせにより照合するようにしてもよい。
【００５８】
（３）上述の各実施形態のように、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を１０Ｈｚ以下とすることが好ましいが、これに限定されず、例えば、０．１Ｈｚ〜数百ｋＨｚまでの間の任意の周波数としてもよい。
【００５９】
（４）上述の各実施形態では、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を一定としているが、これに限定されず、例えば、交流印加部５１にて印加する交流電流の周波数を可変させ、変化させた周波数毎に燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。
【００６０】
（５）上述の各実施形態では、局所電流検出部４を単位セル１０の局所部位（複数箇所）に複数の電流センサで構成する例を説明したが、これに限定されず、例えば、単位セル１０の局所部位（一箇所）に対応して配置された単一の電流センサで構成してもよい。
【００６１】
（６）上述の各実施形態では、交流印加部５１にて診断対象セル１０に対して単一周波数の正弦波、または正弦波を合成した合成波を有する交流電流を印加する構成としているが、これに限定されず、例えば、単一周波数の矩形波やインパルス波、または、これらの合成波を有する交流電流を印加する構成としてもよい。
【００６２】
（７）上述の各実施形態では、交流印加部５１にて診断対象セル１０に対して交流電流を印加する構成としているが、これに限定されず、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて診断対象セル１０に対して交流電流を印加する構成としてもよい。これにより、燃料電池１の状態を診断する構成の部品点数の低減を図ることができる。
【００６３】
（８）上述の各実施形態では、信号処理装置５および制御装置６にて正常状態、水素欠乏状態、および酸素欠乏状態といった三種類の状態を診断する状態診断処理を行う例を説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１の単位セル１０の局所部位が乾燥するドライアップ、燃料電池１の単位セル１０へ過剰に水素が供給される水素供給過剰、燃料電池１の単位セル１０へ過剰に酸素（空気）が供給される酸素供給過剰等においても、局所伝達関数Ｆｎが異なる周波数特性が示す。このため、ドライアップ、水素供給過剰、酸素供給過剰等の状態における局所伝達関数Ｆｎを算出し、ドライアップ、水素供給過剰、酸素供給過剰等の状態を診断するようにしてもよい。
【００６４】
（９）上述の各実施形態では、局所電流検出部４および出力電流センサ５３からの出力信号を信号処理装置５の演算処理部５２にて演算する例を説明したが、これに限定されず、例えば、演算処理部５２にて行う処理を、制御装置６にて行うようにしてもよい。
【００６５】
（１０）上述の各実施形態では、燃料電池車両に搭載された燃料電池１の状態を診断する例を説明したが、これに限定されず、船舶及びポータブル発電器等の移動体や設置型の燃料電池１の状態を診断するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１ 燃料電池
１０ 単位セル
４ 局所電流検出部（局所電流検出手段）
５１ 交流印加部（交流電流印加手段）
５２１ 演算部（周波数特性算出手段）
５２２ 局所伝達関数算出部（局所伝達関数算出手段）
６１ 記憶手段
６２ 状態診断手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の状態を診断する燃料電池状態診断装置であって、
前記燃料電池（１）に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加手段（５１）と、
診断対象となる前記単位セル（１０）の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４）と、
前記局所電流から交流成分を抽出して前記交流成分における周波数特性を算出する周波数特性算出手段（５２１）と、
前記交流電流における周波数特性と前記局所電流における周波数特性との対応関係に基づいて前記燃料電池の状態を診断する状態診断手段（６２）と、
を備えることを特徴とする燃料電池状態診断装置。
【請求項２】
前記交流電流における周波数特性を入力とし、前記局所電流における周波数特性を出力とした局所伝達関数を算出する局所伝達関数算出手段（５２２）と、
前記燃料電池（１）の状態に応じて予め設定された複数の基準伝達関数を記憶する記憶手段（６１）と、を備え、
前記状態診断手段（６２）は、前記複数の基準伝達関数から前記伝達関数算出手段（５２２）にて算出された前記局所伝達関数に対応する基準伝達関数を選択し、選択した基準伝達関数に基づいて前記燃料電池（１）の状態を特定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池状態診断装置。
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル（１０）が複数積層された燃料電池（１）の状態を診断する燃料電池状態診断装置であって、
前記燃料電池（１）に対して所定の波形を有する交流電流を印加する交流電流印加手段（５１）と、
診断対象となる前記単位セル（１０）の局所部位に流れる局所電流を検出する局所電流検出手段（４）と、
前記局所電流から交流成分を抽出して前記交流成分における周波数特性を算出する周波数特性算出手段（５２１）と、
前記交流電流における周波数特性と前記局所電流における周波数特性との対応関係に基づいて前記燃料電池の状態を診断する状態診断手段（６２）と、
を備えることを特徴とする燃料電池状態診断装置。
【請求項２】
前記交流電流における周波数特性を入力とし、前記局所電流における周波数特性を出力とした局所伝達関数を算出する局所伝達関数算出手段（５２２）と、
前記燃料電池（１）の状態に応じて予め設定された複数の基準伝達関数を記憶する記憶手段（６１）と、を備え、
前記状態診断手段（６２）は、前記複数の基準伝達関数から前記伝達関数算出手段（５２２）にて算出された前記局所伝達関数に対応する基準伝達関数を選択し、選択した基準伝達関数に基づいて前記燃料電池（１）の状態を特定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池状態診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９９０１０（Ｐ２０１２−１９９０１０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１０７３（Ｐ２０１１−６１０７３）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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