(57)【要約】  アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定装置であって、前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段と、前記内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第１予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出手段と、該算出された第１予備推定値及び第２予備推定値に基づいて前記燃料電池の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値決定手段と、を備えた状態推定装置。
2016067430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定装置であって、
前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段と、
前記内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第１予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出手段と、
該算出された第１予備推定値及び第２予備推定値に基づいて前記電極の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値決定手段と、
を備えた燃料電池の状態推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記電極の状態量は、反応抵抗値であり、
前記状態量最終推定値決定手段は、前記反応抵抗値の第１予備推定値及び前記第２予備推定値の内の値が大きい方を前記反応抵抗の最終推定値として決定する燃料電池の状態推定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記状態量予備推定値算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの虚数成分Ｚimの式
【数１】
2016067430.tif 000008
（ただし、Ｚimは燃料電池の内部インピーダンスの虚数成分、ωは交流信号の角周波数を意味する。）に基づいて、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1を求め、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの実数成分Ｚreの式
【数２】
2016067430.tif 000009
に基づいて、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記反応抵抗の第２予備推定値Ｒact2を求める燃料電池の状態推定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1は、
横軸を１／ω2とし縦軸を−１／（ω・Ｚim）とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、並びに前記内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の傾き及び切片に基づいて求められ、
前記反応抵抗値の第２予備推定値Ｒact2は、
横軸をω2とし縦軸を１／（Ｚre−Ｒm）とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、前記内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の切片に基づいて求められる燃料電池の状態推定装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記電極の状態量は、電気二重層容量であり、
前記状態量最終推定値決定手段は、前記電気二重層容量の第１予備推定値及び前記第２予備推定値の内の値が小さい方を前記電気二重層容量の最終推定値として決定する燃料電池の状態推定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記状態量予備推定値算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの虚数成分Ｚimの式
【数３】
2016067430.tif 000010
（ただし、Ｚimは燃料電池の内部インピーダンスの虚数成分、ωは交流信号の角周波数を意味する。）に基づいて、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1を求め、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの実数成分Ｚreの式
【数４】
2016067430.tif 000011
に基づいて、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2を求める燃料電池の状態推定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1は、
横軸を１／ω2とし縦軸を−１／（ω・Ｚim）とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、並びに前記内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の切片に基づいて求められ、
前記電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2は、
横軸をω2とし縦軸を１／（Ｚre−Ｒm）とする座標上で、前記各周波数ω1及びω2、前記内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の傾き及び切片に基づいて求められる燃料電池の状態推定装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値以上の場合に燃料電池の状態の推定が正常に行われないと判断する燃料電池異常状態判定手段をさらに備えた燃料電池の状態推定装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値未満の場合に燃料電池の状態推定が正常に行われると判断する燃料電池正常状態判定手段をさらに備えた燃料電池の状態推定装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記内部インピーダンス測定手段は、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値以上の場合に、前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が減少するように、前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の周波数の値を変化させる燃料電池の状態推定装置。
【請求項１１】
請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池の状態推定装置であって、
前記内部インピーダンス測定手段は、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値以上の場合に、前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が減少するように、前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の振幅値を増加させる燃料電池の状態推定装置。
【請求項１２】
請求項８〜請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池の状態推定装置を用いた燃料電池システムであって、
前記状態量最終推定値決定手段は、
前記印加する交流信号の周波数の値の変化及び／又は振幅値の増加によっては前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が前記所定値未満となるまで減少しない場合に、前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値未満であると判定された際の以前の内部インピーダンス測定値に基づく前記最終推定値を、代替的な最終推定値として決定し、
該決定された代替的な最終推定値に基づいて前記燃料電池の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段をさらに備えた燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項８〜請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池の状態推定装置を用いた燃料電池システムであって、
前記状態量最終推定値決定手段は、
前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の周波数の値の変化及び／又は振幅値の増加によっては前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が前記所定値未満となるまで減少しない場合に、予め定められた値を代替的な最終推定値として決定し、
該決定された代替的な最終推定値に基づいて前記燃料電池の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段をさらに備えた燃料電池システム。
【請求項１４】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定方法であって、
前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定工程と、
前記内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第１予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出工程と、
該算出された第１予備推定値及び第２予備推定値に基づいて前記燃料電池の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値算出工程と、
を備えた燃料電池の状態推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の状態推定装置、状態推定方法、及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電圧値やインピーダンス値を測定し、これらの値に基づいて異常を推定することが知られている。燃料電池の異常としては、例えば、アノード電極における水素ガスの不足（水素スタベーション）、カソード電極における酸素の不足（酸素スタベーション）、及び電解質膜の乾燥（ドライアウト）等が考えられる。【０００３】
ＷＯ２０１０１２８５５５には、いわゆるコールコールプロット図において描かれる燃料電池の内部インピーダンスの円弧が相対的に大きいときに、アノードの水素濃度が相対的に低い（すなわち、水素スタベーション状態である）と推定する水素濃度測定方法が提案されている。
【発明の概要】
【０００４】
水素スタベーションが発生すれば燃料電池全体の内部インピーダンスの値が増加し、内部インピーダンスの円弧は確かに大きくなると考えられる。しかしながら、内部インピーダンスの円弧が相対的に大きくなったからといって、その要因が水素スタベーションによるものであると断定することはできない。例えば、カソードの酸素濃度の低下によっても内部インピーダンスの円弧が大きくなることがある。従って、従来の内部インピーダンスを用いた燃料電池の状態推定方法では、燃料電池の状態を適切に推定することが難しかった。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の状態を適切に推定し得る燃料電池の状態推定装置及び方法を提供することを目的とする。さらに本発明では、この状態推定装置を用いた燃料電池システムを提供する。
【０００６】
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定装置が提供される。より詳細には、この状態推定装置は、燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段を備える。また、この状態推定装置は、内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出手段を備える。さらに、状態推定装置は、該算出された第１予備推定値及び第２予備推定値に基づいて前記電極の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値決定手段を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の実施形態による燃料電池の斜視図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池のII−II断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態において採用される燃料電池スタックの等価回路モデルを示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態に係る燃料電池スタックの状態を示す最終推定値を決定する流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、内部インピーダンスＺの虚数成分Ｚimに基づく予備推定値Ｒact1及び予備推定値Ｃdl1の算出の詳細を示すフローチャートである。
【図７】図７は、内部インピーダンスの実数成分Ｚreに基づく予備推定値Ｒact2と電気二重層容量の予備推定値Ｃdl2の算出の流れを示すフローチャートである。
【図８】図８は、電解質膜抵抗の算出の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る燃料電池スタックの作動制御の流れを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第１予備推定値と第２予備推定値の差を小さくする処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、測定系のリアクタンス成分を考慮した燃料電池スタックの等価回路を示している。
【図１２】図１２は、Ｓ／Ｎ比増加処理を行った場合における出力電流と当該処理を行わない場合における出力電流の態様をノイズを含めて示している。
【図１３】図１３は、燃料電池スタックのセル電圧と反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1と第２予備推定値Ｒact2の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
燃料電池のセルは、燃料極としてのアノード電極と酸化剤極としてのカソード電極とによって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池のセルでは、水素を含有するアノードガスがアノード電極に供給される一方で、酸素を含有するカソードガスがカソード電極に供給されて、これらガスを用いることで発電が行われる。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【００１０】
アノード電極：  ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-           ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
これら（１）、（２）の電極反応によって、燃料電池のセルは１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。ここで、上記（１）及び（２）で示す反応は可逆反応であるので、例えばカソード電極に対してアノード電極の電位を所定値以上高くするなどして、通常、燃料電池を負荷に繋いで使用する場合と逆符号の電圧を印加することにより、上記（１）及び（２）と逆の反応を生じさせることができる。従って、交流電圧を燃料電池セルに印加することによって、上記（１）及び（２）で表される反応及びこれとは逆の反応との相互の切り替わりが、当該交流電圧の正負変動に対応して生じることとなる。
【００１１】
図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池セル１０の構成を説明するための図である。図１は燃料電池セル１０の斜視図であり、図２は図１の燃料電池セル１０のII−II断面図である。
【００１２】
図１及び図２に示すように、燃料電池セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。
【００１３】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード電極１１２を有しており、他方の面側にカソード電極１１３を有している。
【００１４】
電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。なお、電解質膜１１１としては、想定される燃料電池の対応に応じて、例えばリン酸（Ｈ3ＰＯ4）を所定のマトリックスに含浸させたものなどの他の材料を用いるようにしても良い。
【００１５】
アノード電極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。触媒層１１２Ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子により形成された部材であって、電解質膜１１１と接するように設けられる。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置される。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられる。
【００１６】
アノード電極１１２と同様に、カソード電極１１３も触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。触媒層１１３Ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂは触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。
【００１７】
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置される。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガス（水素ガス）を供給するための複数のアノードガス流路１２１を備えている。アノードガス流路１２１は、溝状通路として形成されている。
【００１８】
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置される。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガス（空気）を供給するための複数のカソードガス流路１３１を備えている。カソードガス流路１３１は、溝状通路として形成されている。
【００１９】
アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。
【００２０】
このような燃料電池セル１０を自動車用電源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池セル１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。
【００２１】
なお、本実施の形態では、燃料電池セル１０が積層された燃料電池スタックの単位で後述するインピーダンス測定を行うが、燃料電池セル１０一枚の単位や燃料電池スタックの一部（例えば数十枚のセル）の単位でインピーダンス測定を行うようにしても良い。
【００２２】
また、燃料電池スタックにおいては、一枚の燃料電池セル１０におけるアノード電極１１２、カソード電極１１３、及び電解質膜１１１が、複数枚直列に配置されることによって総和としてのアノード電極、カソード電極、及び電解質膜が構成されることとなる。しかしながら、以下では説明の便宜上、この総和としてのアノード電極、カソード電極、及び電解質膜についても、セル単体のアノード電極１１２、カソード電極１１３、及び電解質膜１１１と同一の符号を付す。
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００２４】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、電力システム５と、コントローラ６と、を備える。
【００２５】
燃料電池スタック１は、上述のように複数枚の燃料電池セル１０（単位セル）を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す出力端子として、アノード電極側端子１Ａと、カソード電極側端子１Ｂと、を有している。
【００２６】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外部に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（ＷＲＤ；Water Recovery Device）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。
【００２７】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端はフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。
【００２８】
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガスや電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。
【００２９】
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込まれるカソードガスに含まれる塵や埃等を除去する部材である。
【００３０】
カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３よりも下流側のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１内のカソードガスを圧送して燃料電池スタック１に供給する。
【００３１】
エアフローセンサ２４は、フィルタ２３とカソードコンプレッサ２５との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
【００３２】
カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサ２６で検出されたカソードガス圧力は、燃料電池スタック１のカソードガス流路等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
【００３３】
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１とカソードガス排出通路２２とに跨って接続される。ＷＲＤ２７は、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分を用いてカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する装置である。
【００３４】
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。
【００３５】
次に、アノードガス給排装置３について説明する。
【００３６】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。
【００３７】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。
【００３８】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給する通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口部に接続される。
【００３９】
アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
【００４０】
アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ３４で検出されたアノードガス圧力は、バッファタンク３６や燃料電池スタック１のアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
【００４１】
アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はバッファタンク３６に接続される。アノードオフガスには、電極反応で使用されなかったアノードガスや、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へとリークしてきた窒素等の不純物ガスや水分等が含まれる。
【００４２】
バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える容器である。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれる時に、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。
【００４３】
パージ通路３７は、アノードオフガスを排出するための通路である。パージ通路３７の一端はアノードガス排出通路３５に接続され、他端はカソード調圧弁２８よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。
【００４４】
パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスのパージ流量を制御する。
【００４５】
パージ弁３８が開弁状態となるパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、パージ通路３７及びカソードガス排出通路２２を通じて外部に排出される。この時、アノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合される。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、混合ガス中のアノードガス濃度（水素濃度）が排出許容濃度以下の値に決定される。
【００４６】
電力システム５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、交流電源５７と、を備える。
【００４７】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の出力電圧、つまりアノード電極側端子１Ａとカソード電極側端子１Ｂの間の端子間電圧を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池セル１０の１枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよいし、燃料電池セル１０の複数枚ごとの電圧を検出するように構成されてもよい。
【００４８】
走行モータ５３は、三相交流同期モータであって、車輪を駆動するため駆動源である。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能と、を有する。
【００４９】
インバータ５４は、ＩＧＢＴ等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によってスイッチング制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は交流電力が直流電力に変換される。走行モータ５３を電動機として機能させる場合、インバータ５４は、燃料電池スタック１の出力電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換し、走行モータ５３に供給する。これに対して、走行モータ５３を発電機として機能させる場合、インバータ５４は、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換し、バッテリ５５に供給する。
【００５０】
バッテリ５５は、燃料電池スタック１の出力電力の余剰分及び走行モータ５３の回生電力が充電されるように構成されている。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５等の補機類や走行モータ５３に供給される。
【００５１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流等が調整される。
【００５２】
交流電源５７は、後述する燃料電池スタック１の内部インピーダンス測定のために、燃料電池スタック１に交流電圧を印加する電源であり、コントローラ６によってその交流電圧の振幅や位相（特に角周波数ω）等のパラメータが制御される。なお、内部インピーダンス測定用の電源として、この交流電源５７に代えて又はこれとともに、交流電流を燃料電池スタック１に供給する交流電流源を、燃料電池スタック１に対して直列に設置するようにしても良い。さらに、交流電源５７や交流電流源を、端子１Ａ及び１Ｂとインバータ５４及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６との間の経路とは別系統に設けるようにしても良い。
【００５３】
コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６には、電流センサ５１や電圧センサ５２等の各種センサからの信号の他、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ（図示せず）等のセンサからの信号が入力される。
【００５４】
コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード調圧弁３３やカソード調圧弁２８、カソードコンプレッサ２５等を制御し、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圧力や流量を調整する。
【００５５】
また、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電力を算出する。さらに、コントローラ６は、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求等に基づいて、目標出力電力を算出する。特に、本実施の形態では、後述する燃料電池スタック１の状態量の最終推定値に応じて、目標出力電力の値が調整される。
【００５６】
さらに、コントローラ６は、上述の算出された目標出力電力に基づいて、予め定められた燃料電池スタック１のＩＶ特性（電流電圧特性）を参照して燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ５３や補機類に必要な電流を供給する制御を行う。
【００５７】
また、コントローラ６は、燃料電池スタック１の各電解質膜１１１の湿潤度（含水量）が発電に適した状態となるように、カソードコンプレッサ２５等を制御する。コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある燃料電池スタック１の電解質膜抵抗を算出する機能を備えている。また、コントローラ６は、電解質膜抵抗が電解質膜１１１の湿潤度が良好な状態になるように定められた所定の目標値をとるように、カソードコンプレッサ２５等を制御する機能を備えていても良い。
【００５８】
さらに、本実施の形態においてコントローラ６は、燃料電池スタック１の内部インピーダンス測定にあたり、所定周波数の交流電圧を燃料電池スタック１に印加するように交流電源５７を制御する。そして、コントローラ６は、このように印加された所定周波数の交流電圧、及びこれに対する燃料電池スタック１の出力交流電流であって電流センサ５１で検出された値に基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段として機能する。
【００５９】
より詳細には、このコントローラ６は、交流電源５７からの交流電圧値（すなわち、電圧センサ５２に測定される値）に対してフーリエ変換を行った値と電流センサ５１から受信する出力交流電圧値に対してフーリエ変換を行った値を除して、所定周波数における燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。
【００６０】
さらに、コントローラ６は、内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第１予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出手段と、並びに該算出された各予備推定値に基づいて燃料電池スタック１の最終推定値を決定する状態量最終推定値決定手段として機能する。なお、各予備推定値の算出、及びこれらに基づく最終推定値の決定については後に詳細に説明する。
【００６１】
図４は、燃料電池スタック１の等価回路を示す模式図である。
【００６２】
本実施の形態に係る燃料電池スタック１の等価回路は、図４に示すように、燃料電池スタック１の電解質膜１１１の抵抗成分である電解質膜抵抗Ｒmと、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒact及び電気二重層容量Ｃdlとによって構成されるものと考えることができる。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池スタック１に係る等価回路では、アノード電極１１２における反応抵抗成分及び電気二重層容量成分を無視している。
【００６３】
その理由として、先ず、アノードガス流路内のアノードガス濃度が発電に適した濃度となっている場合には、アノード電極１１２側の反応抵抗の値は非常に小さくなるので、カソード電極１１３の反応抵抗値Ｒactに対して無視しても現実の等価回路モデルに大きく影響しない点が挙げられる。
【００６４】
また、このようにアノード電極１１２側の反応抵抗の値が非常に小さいことにより、燃料電池スタック１に交流電圧を印加した場合においては、このアノード電極１１２側の反応抵抗の部分に電流が非常に流れやすくなる。すなわち、これは、当該反応抵抗と並列に配置される電気二重層容量成分には電流がほぼ流れないことを意味するので、インピーダンス測定の際においてアノード電極１１２の電気二重層容量成分を無視しても現実の等価回路モデルに大きく影響しない。
【００６５】
以上の理由により、燃料電池スタック１の等価回路モデルにおいてはアノード電極１１２の影響を無視しても一定の精度を保つことができる。したがって、以下では、図４に示した燃料電池スタック１の等価回路モデルを前提に、各予備推定値の算出及び最終推定値の決定を行う。
【００６６】
また、一般に「周波数ｆ」と「角周波数ω」との間にはω＝２πｆの関係があることは知られており、これらの間には無次元の定数２πを乗じた差異しかないため、以下では説明の簡略化のため、「周波数」と「角周波数」を同一視し、いずれを表す場合にも「ω」の記号を用いる。
【００６７】
（第1の実施の形態）
図５は、第1の形態に係る燃料電池スタック１の状態推定の流れを示すフローチャートである。なお、下記のステップＳ１０１〜ステップＳ１０４が内部インピーダンス測定工程、ステップＳ１０５及びステップＳ１０６が状態量予備推定値算出工程を構成し、ステップＳ１０７が状態量最終推定値算出工程を構成する。
【００６８】
図示のように、先ず、ステップＳ１０１において、コントローラ６は、内部インピーダンス測定タイミングにおいて、交流電源５７により燃料電池スタック１に、所定の周波数帯（例えば数Ｈｚ〜数ｋＨｚ）から選択した２つの異なる周波数ω1及びω2の交流電圧Ｖin1及びＶin2を印加する。
【００６９】
ステップＳ１０２において、コントローラ６は、電流センサ５１で測定された上記交流電圧Ｖin1及びＶin2に対するそれぞれの出力電流の電流値Ｉout1及びＩout2にフーリエ変換処理を施し、電流振幅値Ｉout（ω1）及びＩout（ω2）を算出する。
【００７０】
ステップＳ１０３において、コントローラ６は、周波数ω1及びω2の交流電圧Ｖin1及びＶin2にそれぞれにフーリエ変換処理を施し、電圧振幅値Ｖout（ω1）及びＶout（ω2）を算出する。
【００７１】
ステップＳ１０４において、コントローラ６は、各周波数ω1及びω2について、上記電圧振幅値Ｖout（ω1）及びＶout（ω2）をそれぞれ電流振幅値Ｉout（ω1）及びＩout（ω2）で除して内部インピーダンスＺ1、Ｚ2を算出する。そして、この内部インピーダンスＺ1、Ｚ2の虚数成分Ｚim1及びＺim2と実数成分Ｚre1及びＺre2を求める。
【００７２】
ステップＳ１０５において、内部インピーダンスＺ1、Ｚ2の虚数成分Ｚim1及びＺim2に基づいて反応抵抗の第1予備推定値Ｒact1及び燃料電池の電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1を算出する。以下でこの算出の具体的手順を説明する。
【００７３】
図６は、内部インピーダンスＺの虚数成分Ｚim1及びＺim2に基づく第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｃdl1の算出の詳細を示すフローチャートである。
【００７４】
ステップＳ１１０１において、燃料電池スタック１の等価回路モデルに基づき内部インピーダンスＺの虚数成分Ｚimの関係式を求める。
【００７５】
先ず、上記図４に示した燃料電池スタック１の等価回路モデルに基づく式は、以下のようになる。
【００７６】
【数１】
2016067430.tif 000003
ただし、Ｚは燃料電池スタック１の内部インピーダンス、ｊは虚数単位、ωは交流信号の角周波数、Ｒmは電解質膜抵抗の値、Ｒactはカソード電極１１３の反応抵抗値、及びＣdlはカソード電極１１３の電気二重層容量を意味する。
【００７７】
この式（１）について、両辺の虚数成分をとり、ＣdlをＣdl1とし、ＲactをＲact1と書き換えて変形すると、
【数２】
2016067430.tif 000004
という内部インピーダンスの虚数成分Ｚimの関係式が得られる。
【００７８】
ステップＳ１１０２において、上記式（２）に対して、周波数ω1及びω2、並びにステップＳ１０４で求めた内部インピーダンスの虚数成分Ｚim1及びＺim2を代入し、未知数をＲact1及びＣdl1とする方程式を得てこれを解く。
【００７９】
特に、上記式（２）について、縦軸に−１／ωＺim、横軸に１／ω2と取って２つの周波数ω1、及びω2で当該座標上の２点をプロットして直線を描き、この直線の傾き及び切片を求めれば、この傾きが１／（Ｃdl1・Ｒact12）に等しくなり、切片がＣdl1に等しくなることから、電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1は切片の値として求めることができる。また、この求めた第１予備推定値Ｃdl1と傾きの値により反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1を求めることができる。
【００８０】
図５に戻り、ステップＳ１０６において、コントローラ６は、内部インピーダンスＺの実数成分Ｚreに基づき、反応抵抗の第２予備推定値Ｒact2及び電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2を算出する。
【００８１】
図７は、内部インピーダンスＺの実数成分Ｚreに基づく第２予備推定値Ｒact2及び第２予備推定値Ｃdl2の算出の詳細を示すフローチャートである。
【００８２】
図示のように、ステップＳ１２０１において、燃料電池スタック１の等価回路モデルに基づき内部インピーダンスＺの実数成分Ｚreの関係式を求める。
【００８３】
具体的に、上記式（１）について、両辺の実数成分をとり、ＣdlをＣdl2とし、ＲactをＲact2と書き換えて変形すると、
【数３】
2016067430.tif 000005
という内部インピーダンスＺの実数成分Ｚreの関係式が得られる。
【００８４】
ここで、上記（３）式においては、未知数は、電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2、反応抵抗の第２予備推定値Ｒact2、及び電解質膜抵抗Ｒmであるので、反応抵抗の第２予備推定値Ｒact2を求めるためには、ステップＳ１０４で求めた実数成分Ｚre1及びＺre2に加えて、電解質膜抵抗Ｒmを求める必要がある。従って、次のステップＳ１２０２において、電解質膜抵抗Ｒmを求める。
【００８５】
図８は、電解質膜抵抗Ｒmの測定（以下ではこの測定をＨＦＲ測定とも記載する）の流れを示すフローチャートである。なお、このＨＦＲ測定は、上記内部インピーダンス測定と併せて行われても良いが、本実施の形態では例えば、電解質膜１１１の湿潤度を確認する等の理由で予め別個に行われていることが想定される。
【００８６】
ステップＳ１３０１において、コントローラ６は、内部インピーダンス測定タイミングにおいて、交流電源５７により燃料電池スタック１に、高周波数ω∞（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）の交流電圧Ｖinを印加する。
【００８７】
ステップＳ１３０２において、コントローラ６は、電流センサ５１で測定された上記交流電圧Ｖinに対する出力電流の電流値Ｉoutにフーリエ変換処理を施し、電流振幅値Ｉout（ω∞）を算出する。
【００８８】
ステップＳ１３０３において、コントローラ６は、交流電圧Ｖinにフーリエ変換処理を施し、電圧振幅値Ｖout（ω∞）を算出する。
【００８９】
ステップＳ１３０４において、上記電圧振幅値Ｖout（ω∞）を電流振幅値Ｉout（ω∞）で除して内部インピーダンスＺを算出し、この実数成分を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒmとして決定する。
【００９０】
なお、上記等価回路モデルの式（１）で表される燃料電池スタック１の内部インピーダンスにおいて、周波数が数ｋＨｚ以上のオーダーの十分に大きな値である場合には、ω→∞とするものと扱い、式（１）の右辺の第２項の値をほぼ０と近似することができる。従って、周波数が数十ｋＨｚ以上のオーダーである場合には、内部インピーダンスＺの実数成分Ｚreは電解質膜抵抗の値Ｒmとほぼ一致することとなるので、当該測定により高精度の電解質膜抵抗の値Ｒmが得られる。
【００９１】
図７に戻り、ステップＳ１２０３において、上記式（３）に対して、２つの周波数ω1及びω2、内部インピーダンスの実数成分Ｚre1及びＺre2、並びに算出した電解質膜抵抗値Ｒmを代入し、未知数をＣdl2及びＲact2とする方程式を得てこれを解く。
【００９２】
特に、縦軸に１／（ＺRe−Ｒm）、横軸にω2を取って２つの周波数ω1、及びω2で当該座標上の２点をプロットして直線を描き、この直線の傾き及び切片を求めれば、この傾きがＣdl22・Ｒact2に等しくなり、切片が１／Ｒact2と等しくなる。したがって、切片の値からＲact2を求めることができ、求めたＲact2及び傾きの値からＣdl2を算出することができる。
【００９３】
なお、上記電解質膜抵抗Ｒmを求める方法として、ステップＳ１３０１〜Ｓ１３０３でＨＦＲ測定に代えて、３つの周波数ω1、ω2、及びω3で内部インピーダンスの実部成分Ｚreの測定を行い、これら周波数ω1、ω2、及びω3とＺreの測定値を式（３）に代入し、Ｃdl2、Ｒact2、及びＲmを未知数とする得られた方程式を解くようにしても良い。これにより、ＨＦＲ測定を行うことなく電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2、及び反応抵抗の第２予備推定値Ｒact2を算出することができる。
【００９４】
図５に戻り、ステップＳ１０７において、算出された反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｒact2、並びに電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1及び第２予備推定値Ｃdl2に基づいて、反応抵抗の最終推定値Ｒactf及び電気二重層容量の最終推定値Ｃdlfを算出する。
【００９５】
具体的に、反応抵抗の最終推定値ＲactfをＭａｘ｛Ｒact1，Ｒact2｝とし、電気二重層容量の最終推定値ＣdlfをＭｉｎ｛Ｃdl1，Ｃdl2｝として決定する。ただし、Ｍａｘ｛ｘ，ｙ｝は、ｘとｙの値の内の大きい値を意味する（ｘ＝ｙの場合はｘとｙのいずれでも良い）。また、Ｍｉｎ｛ｘ，ｙ｝は、ｘとｙの値の内の小さい値を意味する（ｘ＝ｙの場合はｘとｙのいずれでも良い）。なお、反応抵抗の最終推定値Ｒactf及びＣdlfの算出は、この方法に限られず、例えば、Ｒactf＝（Ｒact1＋Ｒact2）／２、Ｃdlf＝（Ｃdl1＋Ｃdl2）／２などの他の算出方法により行っても良い。
【００９６】
以上のような各工程により得られた最終推定値Ｒactf及びＣdlfは、燃料電池スタック１の実際の反応抵抗の値及び電気二重層容量に良好に近似することとなる。特に、燃料電池スタック１に何らかの異常が生じた場合には、反応抵抗の値は大きくなる傾向にある一方で、電気二重層容量は小さくなる傾向にあることが知られている。
【００９７】
したがって、上述のように反応抵抗の最終推定値ＲactfをＭａｘ｛Ｒact1，Ｒact2｝とし、電気二重層容量の最終推定値ＣdlfをＭｉｎ｛Ｃdl1，Ｃdl2｝として決定することにより、最終推定値（Ｒactf，Ｃdlf）を制御パラメータの一つとする燃料電池スタック１の作動制御にあたり、異常状態を速やかに検知するための十分な余裕を確保することができる。
【００９８】
上記した本実施形態のコントローラ６（状態推定装置）及びこれを有する燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００９９】
コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される所定周波数（ω1，ω2）の交流信号（Ｉout1，Ｉout2）に基づいて該燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを測定する内部インピーダンス測定手段として機能する。また、コントローラ６は、内部インピーダンスの測定値（Ｚ1，Ｚ2）の実数成分Ｚreから求めた電極としてのカソード電極１１３の状態量についての第１予備推定値（Ｒact1，Ｃdl1）と、該内部インピーダンスの測定値（Ｚ1，Ｚ2）の虚数成分Ｚimから求めたカソード電極１１３の状態量についての第２予備推定値（Ｒact2，Ｃdl2）を算出する状態量予備推定値算出手段として機能する。さらに、コントローラ６は、該算出された第１予備推定値（Ｒact1，Ｃdl1）及び第２予備推定値（Ｒact2，Ｃdl2）に基づいて燃料電池スタック１の状態量の最終推定値（Ｒactf，Ｃdlf）を決定する状態量最終推定値決定手段として機能する。
【０１００】
これによれば、図５に示したステップＳ１０７の部分で説明したように、燃料電池スタック１の状態を推定する最終推定値（Ｒactf，Ｃdlf）が、互いに独立した成分である内部インピーダンス虚数成分Ｚim及び内部インピーダンス実数成分Ｚreからそれぞれ算出される第１予備推定値（Ｒact1，Ｃdl1）及び第２予備推定値（Ｒact2，Ｃdl2）を用いて決定されることとなる。したがって、当該最終推定値（Ｒactf，Ｃdlf）は、燃料電池スタック１の状態に合致した高精度な値となる。結果として、この最終推定値（Ｒactf，Ｃdlf）を制御パラメータとして用いれば、燃料電池スタック１の好適な作動制御を実行することができる。
【０１０１】
特に、本実施の形態のように、コントローラ６により、最終推定値Ｒactf及びＣdlfは、第１予備推定値（Ｒact1，Ｃdl1）及び第２予備推定値（Ｒact2，Ｃdl2）に対してＭａｘ｛Ｒact1，Ｒact2｝及びＭｉｎ｛Ｃdl1，Ｃdl2｝をとることで決定されることで、最終推定値Ｒactf及びＣdlfを決定するための演算も容易となる。
【０１０２】
特に燃料電池スタック１に何らかの異常が発生した場合には反応抵抗の値が大きくなる傾向にあるので、上述のように、反応抵抗値の第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｒact2の内の値が大きい方であるＭａｘ｛Ｒact1，Ｒact2｝を最終推定値Ｒactfとすることで、燃料電池スタック１の異常状態を速やかに検知する保守的な燃料電池スタック１の制御が可能となる。
【０１０３】
また、燃料電池スタック１の反応抵抗値の第１予備推定値Ｒact1を求めるにあたっては、上記式（２）に基づいて、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いる。これにより、第１予備推定値Ｒact1をより確実に求めることができる。
【０１０４】
特に、横軸を１／ω2とし縦軸を−１／（ω・Ｚim）とする座標上で、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記座標上の２点をプロットし、該２点を結んで得られる直線の傾き及び切片を算出し、該算出した傾き及び切片に基づいて上記第１予備推定値Ｒact1を求めるようにすることが好ましい。
【０１０５】
これにより、第１予備推定値Ｒact1を、電解質膜抵抗Ｒm等の他のパラメータを求めること無く、上記傾き及び切片から簡便且つ高速に算出することができる。なお、上述の座標上のプロット数は３点以上であっても良い。プロット数を３点以上とることで、より実際の値に合致した精度の高い直線が得られ、結果として第１予備推定値Ｒact1を用いて最終的に得られる最終推定値Ｒactfの精度もより向上することとなる。
【０１０６】
さらに、反応抵抗値の第２予備推定値Ｒact2を求めるにあたっては、上記（３）式に基づいて、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いる。これにより、第２予備推定値Ｒact2をより確実に求めることができる。
【０１０７】
特に、横軸をω2とし縦軸を１／（Ｚre−Ｒm）とする座標上で、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記座標上の２点をプロットし、該２点を結んで得られる直線の切片を算出し、該算出した切片に基づいて上記第２予備推定値Ｒact2を求めるようにすることが好ましい。
【０１０８】
これにより、内部インピーダンスの実数成分Ｚreを用いた第２予備推定値Ｒact2の算出においては、例えば、燃料電池スタック１の性質に大きく影響を及ぼすと考えられる電解質膜１１１の湿潤度等の状態を把握するために電解質膜抵抗Ｒmを予め算出している場合などに、これを利用することができる。このように予め算出されている電解質膜抵抗Ｒmをそのまま利用することにより、簡便且つ高速に第２予備推定値Ｒact2を求めることができる。
【０１０９】
また、コントローラ６は、カソード電極１１３の状態量として電気二重層容量を用いる場合には、電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1及び第２予備推定値Ｃdl2における値が小さい方、すなわちＭｉｎ｛Ｃdl1，Ｃdl2｝を最終推定値Ｃdlfとする。
【０１１０】
これによると、燃料電池スタック１に何らかの異常が発生した場合には燃料電池スタック１の電気二重層容量が小さくなる傾向にあるので、第１予備推定値Ｃdl1及び第２予備推定値Ｃdl2の内の小さい値を電気二重層容量の最終推定値Ｃdlfとすることで、燃料電池スタック１の異常状態を速やかに検知する保守的な燃料電池スタック１の制御が可能となる。
【０１１１】
さらに、燃料電池スタック１の電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1を求めるにあたっては、上述の（２）式に基づいて、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1を求める。これにより、電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1をより確実に求めることができる。
【０１１２】
特に、横軸を１／ω2とし縦軸を−１／（ω・Ｚim）とする座標上で、各周波数ω1及びω2、並びにこれら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚim1及びＺim2を用いて前記座標上の２点をプロットし、該２点を結んで得られる直線の切片を算出し、該算出した切片に基づいて上記第１予備推定値Ｃdl1を求めるようにすることが好ましい。
【０１１３】
これにより、第１予備推定値Ｃdl1を、電解質膜抵抗Ｒm等の他のパラメータを求めること無く、上記傾き及び切片から簡便且つ高速に算出することができる。なお、上述の座標上のプロット数は３点以上であっても良い。このようにプロット数を３点以上とって最小二乗法等の近似法を用いて直線を定めることで、より実際の値に合致した精度の高い直線が得られ、結果として第１予備推定値Ｃdl1及び第２予備推定値Ｃdl2から最終的に得られる最終推定値Ｃdlfの精度もより向上することとなる。
【０１１４】
また、燃料電池スタック１の電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2を求めるにあたっては、上述の式（３）に基づいて、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2を求める。これにより、より確実に電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2を求めることができる。
【０１１５】
特に、横軸をω2とし縦軸を１／（Ｚre−Ｒm）とする座標上で、各周波数ω1及びω2、これら各周波数ω1及びω2に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚre1及びＺre2、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒmを用いて前記座標上の２点をプロットし、該２点を結んで得られる直線の傾き及び切片を算出し、該算出した傾き及び切片に基づき電気二重層容量の第２予備推定値Ｃdl2を求めるようにすることが好ましい。
【０１１６】
これによれば、第２予備推定値Ｃdl2の算出においては、例えば、燃料電池スタック１の性質に大きく影響を及ぼすと考えられる電解質膜１１１の湿潤度等の状態を把握するために電解質膜抵抗Ｒmを予め算出している場合などに、これを利用することができる。このように予め算出されている電解質膜抵抗Ｒmをそのまま利用することにより、簡便且つ高速に第２予備推定値Ｃdl2を求めることができる。
【０１１７】
（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１８】
本実施の形態では、特に、第１の実施の形態において求められた反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1と第２予備推定値Ｒact2を相互に比較し、また、電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1と第２予備推定値Ｃdl2を相互に比較する。そして、これらの比較結果に基づいて燃料スタック１の作動制御のパラメータとして反応抵抗値及び電気二重層容量の最終推定値を決定し、これに基づいて燃料電池システム１の作動制御を行う。
【０１１９】
具体的には、上記第１予備推定値と第２予備推定値が実質的に相互に一致する場合には、燃料電池スタック１における状態量の推定は正常に行うことができるものと判断され、そのまま各予備推定値に所定の演算を施し得られた最終推定値が採用される。
【０１２０】
一方で、上記第１予備推定値と第２予備推定値が実質的に相互に一致しない場合には、燃料電池スタック１における状態量の推定を正常に行うことができないものと判断される。この場合、上述のように各予備推定値に所定の演算を施して得られる最終推定値の精度は低いと考えられるので、他の代替的な最終推定値を決定する処理が行われる。以下、本実施の形態に係る処理の詳細について説明する。
【０１２１】
図９は、燃料電池スタック１の最終推定値の決定及び該最終推定値に基づく燃料電池スタック１の作動制御の流れを示すフローチャートである。図１０は、図９に示した処理の一部の副処理を示すフローチャートである。なお、以下の各処理における各演算は、コントローラ６に具備されている中央演算装置やランダムアクセスメモリ等を用いて実行される。
【０１２２】
ステップＳ２０１において、任意の内部インピーダンス測定タイミングで測定した内部インピーダンスに基づく上述の第１予備推定値Ｒact1と第２予備推定値Ｒact2との差ΔＲact（＝｜Ｒact2−Ｒact1｜）が所定値Ｒα以上であるか、又は第１予備推定値Ｃdl1と第２予備推定値Ｃdl2との差ΔＣdl（＝｜Ｃact2−Ｃact1｜）が所定値Ｃα以上であるかどうかが判定される。なお、所定値Ｒα及び所定値Ｃαは、燃料電池スタック１の仕様やセルの積層数等の種々の要素を考慮して適宜決定される閾値である。
【０１２３】
すなわち、本ステップにおいては、反応抵抗の第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｒact2、並びに電気二重層容量の第１予備推定値Ｃdl1及び第２予備推定値Ｃdl2が、実質的に相互に一致しているかどうかの判定がなされることとなる。そして、コントローラ６により、上述のように第１予備推定値と第２予備推定値がそれぞれ実質的に一致している場合（ΔＲact＜Ｒα且つΔＣdl＜Ｃα）には、燃料電池スタック１の推定が正常に行われるものと判断され、一致しない場合（ΔＲact≧Ｒα又はΔＣdl≧Ｃα）には正常に行われないものと判断される。
【０１２４】
以下には、燃料電池スタック１の状態量の推定を正常に行うことができなくなるケースの例を挙げ、この場合に第１予備推定値と第２予備推定値とが実質的に一致しなくなることを説明する。
【０１２５】
先ず、燃料電池スタック１の状態量の推定を正常に行うことができなくなるケースの一つとして、燃料電池スタック１について上記図４に示した等価回路モデルを想定した場合において、上記ＨＦＲ測定により求めた電解質膜抵抗の値Ｒmが現実の値と大きくずれる場合が挙げられる。
【０１２６】
このように現実の値とずれた電解質膜抵抗Ｒmを、上記ステップＳ１２０３に記載したように、式（３）に代入して第２予備推定値（Ｒact2，Ｃact2）を算出すれば、第２予備推定値（Ｒact2，Ｃact2）の算出結果に現実の値とずれた電解質膜抵抗の値Ｒmの影響が含まれ、誤差が生じることとなる。
【０１２７】
一方で、式（２）には電解質膜抵抗Ｒmの項が含まれていないので、この式（２）に基づいて算出された第１予備推定値（Ｒact1，Ｃact1）には、現実の値とずれた電解質膜抵抗の値Ｒmの影響は含まれず、正確な値が維持される。したがって、この正確な第１予備推定値（Ｒact1，Ｃact1）と上述の誤差が生じた第２予備推定値（Ｒact2，Ｃact2）の値は、必然的に一致しなくなると考えられる。
【０１２８】
また、燃料電池スタック１の状態量の推定を正常に行うことができなくなる他のケースとして、コントローラ６等のインピーダンス測定系のリアクタンス成分の影響が無視できない程度に強くなることが挙げられる。この場合には、燃料電池スタック１の等価回路モデルが図１１に示す回路モデルに近づき、すなわち想定された図４の等価回路モデルが成り立たなくなるので、燃料電池スタック１の状態量の最終推定値を正確に求めることができなくなる。
【０１２９】
この場合において、図１１に記載の等価回路モデルに基づいて算出される内部インピーダンスのより定まる式は、
【数４】
2016067430.tif 000006
と表される。ただし、Ｌはインピーダンス測定系のリアクタンスの値である。したがって、式（４）の両辺の虚数成分をとり、変形すると、
【数５】
2016067430.tif 000007
となる。
【０１３０】
したがって、仮にリアクタンス値Ｌが既知であるとし、内部インピーダンスの測定値の虚数成分Ｚim1及びＺim2を用いて式（５）に基づいて、反応抵抗の推定値Ｒactや電気二重層容量の推定値Ｃdlを求めれば、これらの値にはこのリアクタンス値Ｌの影響が含まれるので、図４の等価回路モデルに基づく式（２）から算出された第１予備推定値（Ｒact1，Ｃact1）とは、値がずれることがわかる。
【０１３１】
一方で、上記式（４）を参照すれば明らかなようにリアクタンス値Ｌの項は純虚数成分であるから、式（４）において両辺の実数成分をとると、当該リアクタンスＬの項は残らない。したがって、式（４）の実数成分をとった式は上記式（３）に一致するので、もともと式（３）に基づいて算出されていた第２予備推定値（Ｒact2，Ｃact2）について、値が変わらない。これにより、インピーダンス測定系のリアクタンス成分の影響が無視できない場合には、第１予備推定値（Ｒact1，Ｃact1）と第２予備推定値（Ｒact2，Ｃact2）の値は一致しなくなると考えられる。
【０１３２】
次に、ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１においてΔＲactが所定値Ｒα未満であり且つΔＣdlが所定値Ｃα未満であると判定された場合に、燃料電池スタック１の状態の推定を正常に行うことができると判断される。そして、この場合には、上述のステップＳ１０７の場合と同様に、第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｒact2に基づくＭａｘ｛Ｒact1，Ｒact2｝、並びに第１予備推定値Ｃdl1及び第２予備推定値Ｃdl2に基づくＭｉｎ｛Ｃdl1，Ｃdl2｝がそれぞれ、反応抵抗の最終推定値Ｒactf、及び電気二重層容量の最終推定値Ｃdlfとして決定されて、後述するステップＳ２０６の処理に移行する。
【０１３３】
一方、ステップＳ２０３では、ステップＳ２０１においてΔＲactが所定値Ｒα以上であるか、又はΔＣdlが所定値Ｃα以上であると判定された場合に、ΔＲact又はΔＣdlの値を減少させる処理を行う。これはすなわち、第１予備推定値Ｒact1と第２予備推定値Ｒact2が実質的に一致しないか、又は第１予備推定値Ｃdl1と第２予備推定値Ｃdl2が実質的に一致しないことにより燃料電池スタック１の状態の推定を正常に行うことができない場合に、推定を正常に行うことができるように是正を試みる処理である。以下ではこの処理の詳細について説明する。
【０１３４】
図１０において、ΔＲact又はΔＣdlの値を減少させる処理の流れをフローチャートに示している。
【０１３５】
先ず、ステップＳ２１０１において、Ｓ／Ｎ比増加処理を行う。具体的には、出力電流の情報をノイズから区別することが容易となるように、コントローラ６により、内部インピーダンス測定時に燃料電池スタック１に印加される電圧Ｖin1及びＶin2の振幅を大きくして出力電流を調整する処理が行われる。
【０１３６】
なお、本実施の形態に係るＳ／Ｎ比とは、電流センサ５１で測定される出力電流Ｉoutの実効値を、測定される雑音電流の実効値で除した値として定義されるものである。また、この雑音電流を測定するための装置としては公知のノイズ測定装置を用いることができる。
【０１３７】
図１２において、印加電圧Ｖinの振幅を大きくする処理を行った場合における出力電流Ｉoutと行わない場合における出力電流Ｉoutの態様の一例を示している。当図においては、Ｓ／Ｎ比増加処理を行う前の出力電流及びノイズを破線で示しており、Ｓ／Ｎ比増加処理を行った後の出力電流及びノイズを実線で示している。さらに、ノイズのみを相対的に細かい破線で示している。図から明らかなように、上記処理を行う前の相対的に振幅の小さい出力電流においてはノイズが相対的に大きいために、出力電流の情報が得られにくい。
【０１３８】
一方で、印加電圧Ｖinの振幅を大きくする処理を行った後では出力電流の振幅が増加し、ノイズが相対的に小さくなるため、出力電流の情報を得ることが容易になる。しかしながら、印加電圧Ｖinの振幅を大きくする処理は、出力電流Ｉoutの増大に起因するアノード極１１３における水素消費が大きくなり過ぎない程度に調整されることが好ましい。なお、このＳ／Ｎ比増加処理（Ｓ２１０１）は必要に応じて省略し、次の周波数探索処理（Ｓ２１０２）のみを行うようにしても良い。
【０１３９】
次に、ステップＳ２１０２においては、ΔＲact及びΔＣdlの値を極力小さくするような周波数ωの値を探索する処理が行われる。具体的には、コントローラ６により交流電源５７から燃料電池スタック１に印加される電圧Ｖin1及びＶin2における周波数ω1及びω2の値を所定の範囲で連続的に変化させて、この変化した周波数に対応したΔＲact及びΔＣdlの値を求める。そして、ΔＲact及びΔＣdlの値が最も小さくなる場合において、このときの周波数ω1及びω2の値及びΔＲact及びΔＣdlの値を記録する。なお、周波数ω1及びω2の値を変化させる範囲について特に制限は無いが、図４に示した等価回路モデルが現実の燃料電池スタック１に良く合致すると考えられる数Ｈｚ〜数ｋＨｚの間で変化させることが好ましい。
【０１４０】
ここで、例えばある周波数の値においては図１１に示したようなインピーダンス測定系のリアクタンス成分が強く影響してΔＲact及びΔＣdlの値が大きくなってしまう一方で、他の周波数の値においてはこのリアクタンス成分の影響を無視することができて、結果として現実の燃料電池スタック１が図４に示した等価回路モデルに良好に合致するということがある。
【０１４１】
したがって、当該周波数探索処理により、上述のΔＲact及びΔＣdlの値が最小の周波数を発見し、このような周波数を採用して内部インピーダンス測定を行うことで、結果としてΔＲact及びΔＣdlの値を減少させて、現実の燃料電池スタック１を図４に示した等価回路モデルに良好に合致させるようにすることができる。
【０１４２】
以下では、ΔＲact及びΔＣdlの値が最も小さくなる周波数ω1及びω2を、それぞれ（ω1）min及び（ω2）minと記載し、このときのΔＲact及びΔＣdlを、それぞれ（ΔＲact）min及び（ΔＣdl）minと記載する。
【０１４３】
図９に戻り、ステップＳ２０４において、上述の（ΔＲact）minが所定値Ｒα以上であるか、又は（ΔＣdl）minが所定値Ｃα以上であるかどうかが判定される。すなわち、ΔＲact及びΔＣdlの値を減少させる処理が行われた後の（ΔＲact）min及び（ΔＣdl）minが、燃料電池スタック１の状態の推定を正常に行うことができる程度に小さくなっているかどうか判定される。
【０１４４】
ここで、（ΔＲact）minが所定値Ｒα未満であり且つ（ΔＣdl）minが所定値Ｃα未満であると判定された場合には、燃料電池スタック１の状態の推定を正常に行うことができると判断され、上記ステップＳ２０２に進み、上記（ω1）min及び（ω2）minに基づいて求められるＭａｘ｛Ｒact1，Ｒact2｝、並びにＭｉｎ｛Ｃdl1，Ｃdl2｝がそれぞれ、反応抵抗の最終推定値Ｒactf、及び電気二重層容量の最終推定値Ｃdlfとして決定される。
【０１４５】
一方で、（ΔＲact）minが所定値Ｒα以上であるか、又は（ΔＣdl）minが所定値Ｃα以上であると判定された場合には、ステップＳ２０５において、燃料電池スタック１の状態の推定を正常に行うことができないと判断され、代替的な最終推定値の決定処理が行われる。
【０１４６】
具体的に、最終推定値の例外決定処理では、以前の測定（例えば前回の測定）であって、ΔＲactが所定値Ｒα未満であり、且つΔＣdlが及び所定値Ｃα未満であると判定された測定の際に決定された最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）を、代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）として決定する。
【０１４７】
なお、代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）の決定をスムーズに行うことができるように、上述の以前の測定における最終推定値を、例えばコントローラ６等に具備された所定の記憶手段に記憶させておき、この記憶手段から当該最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）を代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）として読み出すようにしても良い。
【０１４８】
さらに、上記今回以前の測定における最終推定値を用いる方法に代えて、予め定められた値を代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）として決定するようにしても良い。この場合には安全性等の事情を考慮して、当該値を、余裕を持たせた保守的な値に設定することが好ましい。
【０１４９】
次に、ステップＳ２０６において、コントローラ６により、上記ステップＳ２０２又はステップＳ２０５において決定された最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）又は代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）に基づき、燃料電池スタック１の作動制御が行われる。
【０１５０】
すなわち、コントローラ６は、これら最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）や代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）に基づき、燃料電池スタック１の容量や劣化の程度を把握しつつ、負荷である走行モータ５３等へ供給する目標出力電力の値の調整を行う。
【０１５１】
上記した本実施形態のコントローラ６（状態推定装置）及びこれを有する燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１５２】
本実施の形態に係るコントローラ６は、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差が所定値以上の場合に燃料電池スタック１が正常に行われないと判断する燃料電池異常状態判定機能をさらに備える。これにより、燃料電池スタック１の状態を正常に推定することができない場合の判断を適切に行うことができる。
【０１５３】
本実施の形態に係るコントローラ６は、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差が所定値未満の場合に燃料電池スタック１の推定が正常に行われると判断する燃料電池正常状態判定手段としての機能をさらに備える。これにより、燃料電池スタック１の状態を正常に推定することができる場合の判断を適切に行うことができる。
【０１５４】
ここで、以下では、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との実質的な一致・不一致により、燃料電池スタック１の推定を正常に行うことができるどうかを判断できる点について、その客観的根拠を説明する。
【０１５５】
図１３は、セル電圧と第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｒact2との関係を示すグラフである。なお、このグラフにおいて第１予備推定値Ｒact1及び第２予備推定値Ｒact2を算出するための内部インピーダンス測定に用いた周波数ω1及びω2は、例えば１５Ｈｚ近傍の特定周波数帯に含まれる周波数である。また、図においてはセル電圧の大小は、アノード極１１２の触媒層１１２Ａにおける水素濃度の大小と対応している。また、ここでは十分なＳ／Ｎ比が確保されている。
【０１５６】
図から明らかなように、セル電圧の大小にかかわらず、第１予備推定値Ｒact1と第２予備推定値Ｒact2は相互にほぼ一致していることがわかる。一方で、上記特定周波数帯に含まれる上記周波数ω1及びω2では、現実の燃料電池スタック１が図４に示す等価回路モデルに合致することがわかっている。したがってこの場合、図４の等価回路モデルに基づいて決定された最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）の精度は高く保たれているので、結果としてこの最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）を用いれば、燃料電池スタック１の状態の正常な推定が可能であると考えられる。
【０１５７】
このような理由から、第１予備推定値Ｒact1と第２予備推定値Ｒact2との一致していることと、燃料電池スタック１の正常な推定が可能であることは相関していることがわかる。
【０１５８】
なお、上記特定周波数帯は、測定条件や燃料電池スタック１の構成等の種々の条件に照らして適宜定められるものである。しかしながら、内部インピーダンス測定のための周波数があまりにも大きな値であると、上述したインピーダンス測定系のリアクタンス成分を無視できなくなり、図４に示した等価回路モデルと現実の燃料電池スタック１の特性が一致しなくなる。したがって、上記特定周波数帯としては、一般的には数Ｈｚ〜数ｋＨｚで、特に数Ｈｚ〜数百Ｈｚ、特に数Ｈｚ〜数十Ｈｚであることが想定される。
【０１５９】
さらに、コントローラ６は、上記ステップＳ２０１及びステップ２１０２で説明したように、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差が所定値（Ｒα，Ｃα）以上の場合に、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差（ΔＲact及びΔＣdl）が減少するように、内部インピーダンス測定のために印加する交流信号（Ｖin1，Ｖin2）の周波数（ω1，ω2）の値を変化させる。
【０１６０】
これによれば、燃料電池スタック１において何らかの異常が生じ、想定した等価回路モデルが現実の燃料電池スタック１に合致しなくなり、燃料電池スタック１の状態の正常な推定ができなくなった場合において、印加する交流信号（Ｖin1，Ｖin2）の周波数（ω1，ω2）の値を変化させて上記差（ΔＲact及びΔＣdl）を減少させる周波数を探索することで、上記想定した等価回路モデルを使用することができる周波数を探し出すことができる。したがって、この探し出した周波数を内部インピーダンス測定に用いることで、高精度の最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）を得ることができ、燃料電池スタック１の状態の正常な推定に資することとなる。
【０１６１】
また、コントローラ６は、上記ステップＳ２０１及びステップ２１０１で説明したように、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差が所定値（Ｒα，Ｃα）以上の場合に、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差（ΔＲact，ΔＣdl）が減少するように、内部インピーダンス測定のために印加する交流信号（Ｖin1，Ｖin2）の振幅値を大きくしても良い。
【０１６２】
これによれば、燃料電池スタック１の状態の正常な推定ができなくなった場合において、内部インピーダンス測定のために印加する交流信号（Ｖin1，Ｖin2）の振幅値を大きくすることで、Ｓ／Ｎ比を確保しやすくなる。したがって、より明確な出力信号（Ｉin1，Ｉin2）の情報を得ることができ、測定精度の向上に資することとなる。
【０１６３】
さらに、上記ステップＳ２０５において説明したように、コントローラ６は、印加する交流信号（Ｖin1，Ｖin2）の周波数（ω1，ω2）の値の変化及び／又は振幅値の増加によっては第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差（（ΔＲact）min，（ΔＣdl）min）が所定値（Ｒα，Ｃα）未満となるまで減少しない場合に、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差（ΔＲact，ΔＣdl）が所定値（Ｒα，Ｃα）未満であると判定された際の以前の内部インピーダンス測定値に基づく最終推定値を代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）として決定し、決定された代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）に基づいて燃料電池スタック１の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段としての機能をさらに備えている。
【０１６４】
これによれば、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）が実質的に相互にずれた場合には、これらを演算することで決定される最終推定値（Ｒactf、Ｃdlf）の信頼性が低下したものとして、当該予備推定値相互のずれが生じる以前の測定における最終推定値を代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）とするので、信頼性の低下したパラメータで燃料電池スタック１の作動制御を行うことを防止することができる。なお、燃料電池スタック１の状態の判定を正常に行うことができない判断される一回前の測定時において記憶された最終推定値を、代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）と決定することが好ましい。
【０１６５】
さらに、コントローラ６は、上記ステップＳ２０５において説明したように、コントローラ６は、印加する交流信号（Ｖin1，Ｖin2）の周波数（ω1，ω2）の値の変化及び／又は振幅値の増加によっては第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）との差（（ΔＲact）min，（ΔＣdl）min）が所定値（Ｒα，Ｃα）未満となるまで減少しない場合に、予め定められた値を代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）として決定し、該決定された代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）に基づいて燃料電池スタック１の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段として機能する。
【０１６６】
これにより、第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）と第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）が実質的に相互にずれることで燃料電池スタック１の状態の推定が正常にできなくなった場合であっても、予め定められた値を代替的な最終推定値（Ｒ´actf、Ｃ´dlf）として燃料電池スタック１の作動制御を継続することができる。なお、この場合には安全性等の事情を考慮して、当該値を、安全面で余裕を持たせた保守的な値に設定することが望ましい。
【０１６７】
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。
【０１６８】
例えば、上記実施の形態では、車両の走行モータ５３に駆動電力を供給する燃料電池スタック１に本発明の構成を適用する例について説明しているが、これに限られず、例えばパーソナルコンピュータや他の乗り物等における負荷要素に電力を供給する用途で使用される任意の燃料電池に本発明の構成を適用することができる。
【０１６９】
また、内部インピーダンスＺの測定のための回路構成等も種々の変更が可能である。例えば、本実施の形態では燃料電池スタック１に交流電源５７により電圧を印加し、出力される交流電流を測定して、当該印加電圧と出力交流電流に基づき内部インピーダンスを計算しているが、燃料電池スタック１に所定の電流源から交流電流を供給するようにして、出力される交流電圧を測定し、当該交流電流と出力交流電圧に基づき内部インピーダンスを計算するようにしても良い。
【０１７０】
さらに、上記実施の形態では、カソード電極１１３の反応抵抗及び電気二重層容量についての第１予備推定値（Ｒact1、Ｃdl1）及び第２予備推定値（Ｒact2、Ｃdl2）を求めているが、これに限られず、例えばアノードガス流路内のアノードガス濃度が不足するいわゆる水素スタベーション状態等の場合であってアノード電極１１２側の反応抵抗等の状態量が無視できない程度に大きい場合には、アノード電極１１２の反応抵抗及び電気二重層容量についての第１予備推定値及び第２予備推定値を求めるようにしても良い。
【図１】
2016067430.tif 000012
【図２】
2016067430.tif 000013
【図３】
2016067430.tif 000014
【図４】
2016067430.tif 000015
【図５】
2016067430.tif 000016
【図６】
2016067430.tif 000017
【図７】
2016067430.tif 000018
【図８】
2016067430.tif 000019
【図９】
2016067430.tif 000020
【図１０】
2016067430.tif 000021
【図１１】
2016067430.tif 000022
【図１２】
2016067430.tif 000023
【図１３】
2016067430.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月5日(2017.4.5)
【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】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定装置であって、
前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定手段と、
前記内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第１予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出手段と、
該算出された第１予備推定値及び第２予備推定値に基づいて前記電極の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値決定手段と、
を備えた状態推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の状態推定装置であって、
前記電極の状態量は、反応抵抗値であり、
前記状態量最終推定値決定手段は、前記反応抵抗値の第１予備推定値及び前記第２予備推定値の内の値が大きい方を前記反応抵抗値の最終推定値として決定する状態推定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の状態推定装置であって、
前記状態量予備推定値算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの虚数成分Ｚｉｍの式
【数１】
2016067430.tif 000025
（ただし、Ｚｉｍは燃料電池の内部インピーダンスの虚数成分、ωは交流信号の角周波数を意味する。）に基づいて、各周波数ω１及びω２、並びにこれら各周波数ω１及びω２に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚｉｍ１及びＺｉｍ２を用いて前記反応抵抗値の第１予備推定値Ｒａｃｔ１を求め、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの実数成分Ｚｒｅの式
【数２】
2016067430.tif 000026
に基づいて、各周波数ω１及びω２、これら各周波数ω１及びω２に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚｒｅ１及びＺｒｅ２、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒｍを用いて前記反応抵抗値の第２予備推定値Ｒａｃｔ２を求める状態推定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の状態推定装置であって、
前記反応抵抗値の第１予備推定値Ｒａｃｔ１は、
横軸を１／ω２とし縦軸を−１／（ω・Ｚｉｍ）とする座標上で、前記各周波数ω１及びω２、並びに前記内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚｉｍ１及びＺｉｍ２を用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の傾き及び切片に基づいて求められ、
前記反応抵抗値の第２予備推定値Ｒａｃｔ２は、
横軸をω２とし縦軸を１／（Ｚｒｅ−Ｒｍ）とする座標上で、前記各周波数ω１及びω２、前記内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚｒｅ１及びＺｒｅ２、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒｍを用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の切片に基づいて求められる状態推定装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の状態推定装置であって、
前記電極の状態量は、電気二重層容量であり、
前記状態量最終推定値決定手段は、前記電気二重層容量の第１予備推定値及び前記第２予備推定値の内の値が小さい方を前記電気二重層容量の最終推定値として決定する状態推定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の状態推定装置であって、
前記状態量予備推定値算出手段は、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの虚数成分Ｚｉｍの式
【数３】
2016067430.tif 000027
（ただし、Ｚｉｍは燃料電池の内部インピーダンスの虚数成分、ωは交流信号の角周波数を意味する。）に基づいて、各周波数ω１及びω２、並びにこれら各周波数ω１及びω２に対応する内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚｉｍ１及びＺｉｍ２を用いて前記電気二重層容量の第１予備推定値Ｃｄｌ１を求め、
前記燃料電池の等価回路モデルにより定めた内部インピーダンスの実数成分Ｚｒｅの式
【数４】
2016067430.tif 000028
に基づいて、各周波数ω１及びω２、これら各周波数ω１及びω２に対応する内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚｒｅ１及びＺｒｅ２、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒｍを用いて前記電気二重層容量の第２予備推定値Ｃｄｌ２を求める状態推定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の状態推定装置であって、
前記電気二重層容量の第１予備推定値Ｃｄｌ１は、
横軸を１／ω２とし縦軸を−１／（ω・Ｚｉｍ）とする座標上で、前記各周波数ω１及びω２、並びに前記内部インピーダンスの虚数成分の測定値Ｚｉｍ１及びＺｉｍ２を用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の切片に基づいて求められ、
前記電気二重層容量の第２予備推定値Ｃｄｌ２は、
横軸をω２とし縦軸を１／（Ｚｒｅ−Ｒｍ）とする座標上で、前記各周波数ω１及びω２、前記内部インピーダンスの実数成分の測定値Ｚｒｅ１及びＺｒｅ２、並びに予め算出された電解質膜抵抗Ｒｍを用いて前記座標上にプロットした２点を結んで得られる直線の傾き及び切片に基づいて求められる状態推定装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の状態推定装置であって、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値以上の場合に燃料電池の状態の推定が正常に行われないと判断する燃料電池異常状態判定手段をさらに備えた状態推定装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の状態推定装置であって、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値未満の場合に燃料電池の状態推定が正常に行われると判断する燃料電池正常状態判定手段をさらに備えた状態推定装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の状態推定装置であって、
前記内部インピーダンス測定手段は、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値以上の場合に、前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が減少するように、前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の周波数の値を変化させる状態推定装置。
【請求項１１】
請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載の状態推定装置であって、
前記内部インピーダンス測定手段は、
前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値以上の場合に、前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が減少するように、前記内部インピーダンスの測定のために印加する交流信号の振幅値を増加させる状態推定装置。
【請求項１２】
請求項８〜請求項１１のいずれか１項に記載の状態推定装置を用いた燃料電池システムであって、
前記状態量最終推定値決定手段は、
前記印加する交流信号の周波数の値の変化及び／又は振幅値の増加によっては前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が前記所定値未満となるまで減少しない場合に、前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が所定値未満であると判定された際の以前の内部インピーダンス測定値に基づく前記最終推定値を、代替的な最終推定値として決定し、
該決定された代替的な最終推定値に基づいて前記燃料電池の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段をさらに備えた燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項８〜請求項１１のいずれか１項に記載の状態推定装置を用いた燃料電池システムであって、
前記状態量最終推定値決定手段は、
前記内部インピーダンス測定のために印加する交流信号の周波数の値の変化及び／又は振幅値の増加によっては前記第１予備推定値と前記第２予備推定値との差が前記所定値未満となるまで減少しない場合に、予め定められた値を代替的な最終推定値として決定し、
該決定された代替的な最終推定値に基づいて前記燃料電池の作動制御を行なう燃料電池作動制御手段をさらに備えた燃料電池システム。
【請求項１４】
アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池の状態推定方法であって、
前記燃料電池から出力される所定周波数の交流信号に基づいて該燃料電池の内部インピーダンスを測定する内部インピーダンス測定工程と、
前記内部インピーダンスの測定値の実数成分から求めた電極の状態量についての第１予備推定値と、該内部インピーダンスの測定値の虚数成分から求めた電極の状態量についての第２予備推定値を算出する状態量予備推定値算出工程と、
該算出された第１予備推定値及び第２予備推定値に基づいて前記燃料電池の状態量の最終推定値を決定する状態量最終推定値算出工程と、
を備えた状態推定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１８】
本実施の形態では、特に、第１の実施の形態において求められた反応抵抗の第１予備推定値Ｒａｃｔ１と第２予備推定値Ｒａｃｔ２を相互に比較し、また、電気二重層容量の第１予備推定値Ｃｄｌ１と第２予備推定値Ｃｄｌ２を相互に比較する。そして、これらの比較結果に基づいて燃料スタック１の作動制御のパラメータとして反応抵抗値及び電気二重層容量の最終推定値を決定し、これに基づいて燃料電池システム１００の作動制御を行う。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３８】
一方で、印加電圧Ｖｉｎの振幅を大きくする処理を行った後では出力電流の振幅が増加し、ノイズが相対的に小さくなるため、出力電流の情報を得ることが容易になる。しかしながら、印加電圧Ｖｉｎの振幅を大きくする処理は、出力電流Ｉｏｕｔの増大に起因するアノード極１１２における水素消費が大きくなり過ぎない程度に調整されることが好ましい。なお、このＳ／Ｎ比増加処理（Ｓ２１０１）は必要に応じて省略し、次の周波数探索処理（Ｓ２１０２）のみを行うようにしても良い。
【国際調査報告】
2016067430.tif 000029
2016067430.tif 000030
2016067430.tif 000031
2016067430.tif 000032