(57)【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内部状態を推定する内部状態推定装置であって、
前記燃料電池から出力される２以上の異なる周波数の交流信号に基づいて、各周波数における前記燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
各周波数の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて、前記燃料電池の電極の状態量を算出する状態量算出手段と、
前記燃料電池の電極の状態量と、所定周波数の前記内部インピーダンスの実部成分とに
基づいて、前記燃料電池の電解質膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段と、
前記膜抵抗算出手段により算出された前記電解質膜抵抗に基づいて、前記燃料電池の電解質膜抵抗測定値を設定する設定手段と、
を備え、
前記膜抵抗算出手段は、２以上の異なる周波数の前記内部インピーダンスの実部成分を用いて、２以上の前記電解質膜抵抗を算出するように構成されており、
前記設定手段は、複数の前記電解質膜抵抗のうちの最大値が湿潤判定用上限値よりも大きい場合、当該最大値を前記電解質膜抵抗測定値として設定する、
ことを特徴とする燃料電池の内部状態推定装置。
【請求項２】
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内部状態を推定する内部状態推定装置であって、
前記燃料電池から出力される２以上の異なる周波数の交流信号に基づいて、各周波数における前記燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
各周波数の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて、前記燃料電池の電極の状態量を算出する状態量算出手段と、
前記燃料電池の電極の状態量と、所定周波数の前記内部インピーダンスの実部成分とに基づいて、前記燃料電池の電解質膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段と、
前記膜抵抗算出手段により算出された前記電解質膜抵抗に基づいて、前記燃料電池の電解質膜抵抗測定値を設定する設定手段と、
を備え、
前記膜抵抗算出手段は、２以上の異なる周波数の前記内部インピーダンスの実部成分を用いて、２以上の前記電解質膜抵抗を算出するように構成されており、
前記設定手段は、複数の前記電解質膜抵抗のうちの最小値が湿潤判定用下限値よりも小さい場合、当該最小値を前記電解質膜抵抗測定値として設定する、
ことを特徴とする燃料電池の内部状態推定装置。
【請求項３】
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内部状態を推定する内部状態推定装置であって、
前記燃料電池から出力される２以上の異なる周波数の交流信号に基づいて、各周波数における前記燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
各周波数の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて、前記燃料電池の電極の状態量を算出する状態量算出手段と、
前記燃料電池の電極の状態量と、所定周波数の前記内部インピーダンスの実部成分とに基づいて、前記燃料電池の電解質膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段と、
前記膜抵抗算出手段により算出された前記電解質膜抵抗に基づいて、前記燃料電池の電解質膜抵抗測定値を設定する設定手段と、
を備え、
前記膜抵抗算出手段は、２以上の異なる周波数の前記内部インピーダンスの実部成分を用いて、２以上の前記電解質膜抵抗を算出するように構成されており、
前記設定手段は、複数の前記電解質膜抵抗が湿潤判定用上限値と湿潤判定用下限値との間にある場合、複数の前記電解質膜抵抗の平均値を前記電解質膜抵抗測定値として設定する、
ことを特徴とする燃料電池の内部状態推定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の内部状態推定装置であって、
前記膜抵抗算出手段は、前記燃料電池の電極の状態量から補正用インピーダンスを算出し、当該補正用インピーダンスを用いて前記内部インピーダンスの実部成分を補正することで前記電解質膜抵抗を算出する、
燃料電池の内部状態推定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の内部状態推定装置であって、
前記膜抵抗算出手段は、前記内部インピーダンスの実部成分から前記補正用インピーダンスを減算することにより前記電解質膜抵抗を算出する、
燃料電池の内部状態推定装置。
【請求項６】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の内部状態推定装置であって、
前記状態量算出手段により算出される前記燃料電池の電極の状態量は、当該電極の電気二重層容量及び反応抵抗である、
燃料電池の内部状態推定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池の内部状態推定装置であって、
前記状態量算出手段は、
横軸を１／ω２（ω＝２πｆ）とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとする座標において、各周波数ｆの内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに基づいてプロットされる２以上の点から求められる直線の切片を前記電気二重層容量として算出し、
前記電気二重層容量と前記直線の傾きから前記反応抵抗を算出する、
燃料電池の内部状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電解質膜抵抗を算出可能な内部状態推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、インピーダンス測定により測定された燃料電池のインピーダンスの実部成分のみを用いて、燃料電池の電解質膜の湿潤度（含水量）を推定する内部状態推定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１００６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内部状態推定装置による燃料電池のインピーダンス測定は、例えば燃料電池に交流電圧を印加し、燃料電池から出力される交流電流を検出することで行われる。湿潤度情報を含む燃料電池のインピーダンスを測定する場合には、交流電圧及び交流電流の周波数は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの高周波数に設定される。
【０００５】
このような内部状態推定装置では、高周波数の交流信号を扱うために各種処理部で高速演算を行う必要がある。その結果、内部状態推定装置に組み込まれるマイクロコンピュータは高価なものとなり、当該内部状態推定装置のコストが増大してしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、コストアップを招くことなく、燃料電池の電解質膜抵抗を算出可能な内部状態推定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】
本発明は、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内部状態を推定する内部状態推定装置である。内部状態推定装置は、燃料電池から出力される２以上の異なる周波数の交流信号に基づいて、各周波数における燃料電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス算出手段を備える。さらに、内部状態推定装置は、各周波数の内部インピーダンスの虚部成分に基づいて燃料電池の電極の状態量を算出する状態量算出手段と、燃料電池の電極の状態量と、所定周波数の内部インピーダンスの実部成分とに基づいて、燃料電池の電解質膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段と、膜抵抗算出手段により算出された電解質膜抵抗に基づいて、燃料電池の電解質膜抵抗測定値を設定する設定手段と、を備え、膜抵抗算出手段は、２以上の異なる周波数の内部インピーダンスの実部成分を用いて、２以上の電解質膜抵抗を算出するように構成されており、設定手段は、複数の電解質膜抵抗のうちの最大値が湿潤判定用上限値よりも大きい場合、当該最大値を電解質膜抵抗測定値として設定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の内部状態推定装置での電解質膜抵抗算出手法によれば、インピーダンス測定時の交流信号の周波数を低周波数に設定することができる。この内部状態推定装置では、従来手法のように高周波数の交流信号を扱う必要がないため、内部状態推定装置での演算負荷を軽減できる。したがって、内部状態推定装置によれば、当該装置のコストアップを招くことなく、燃料電池の電解質膜の湿潤度と相関関係のある電解質膜抵抗を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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、燃料電池スタックの等価回路を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、燃料電池スタックの等価回路の変形例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、燃料電池スタックの等価回路のその他の変形例を示す図である。
【図６】図６は、燃料電池スタックの等価回路のその他の変形例を示す図である。
【図７】図７は、燃料電池システムのコントローラが実行する電解質膜抵抗設定制御のフローチャートである。
【図８】図８は、コントローラが実行する内部インピーダンス算出処理を示すフローチャートである。
【図９】図９は、コントローラが実行する電極状態推定処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、１／ω２と−１／ω・Ｚｉｍとの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、コントローラが実行する電解質膜抵抗算出処理を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、コントローラが実行する電解質膜抵抗設定処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
燃料電池は、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。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。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。
【００１２】
アノード電極：  ２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−        ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ       ・・・（２）
【００１３】
これら（１）、（２）の電極反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。
【００１４】
図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成を説明するための図である。図１は燃料電池１０の斜視図であり、図２は図１の燃料電池１０のII−II断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、燃料電池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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
このような燃料電池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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、アノードガス給排装置３について説明する。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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の一端はバッファタンク３６の下流部に接続され、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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設定される。
【００４７】
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、を備える。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【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６１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。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。コントローラ６は、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。
【００５６】
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し、この電解質膜抵抗が目標値となるようにカソードコンプレッサ２５等を制御する。本実施形態では、目標値は予め実験等で定めた発電に適した所定値に設定される。このように、コントローラ６は、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗を算出可能な内部状態推定装置としての機能を有している。
【００５７】
従来、燃料電池スタックの電解質膜抵抗は、燃料電池スタックから出力される高周波数の交流信号（交流電流及び交流電圧）に基づいて算出される。例えば、コントローラが、燃料電池スタックの出力電流及び出力電圧が高周波数（例えば数十ｋＨｚ）を有する交流信号となるように燃料電池スタックの出力を制御し、この時検出される出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池スタックの内部インピーダンスを算出する。そして、コントローラは、内部インピーダンスの実部成分を、燃料電池スタックの電解質膜抵抗として設定する。
【００５８】
このように構成されたコントローラ（内部状態推定装置）では、高周波数の交流信号を扱うために各種処理部で高速演算を行う必要がある。その結果、コントローラに組み込まれるマイクロコンピュータは高価なものとなり、当該コントローラのコストが増大してしまうという問題がある。
【００５９】
そこで、本実施形態では、演算負荷を軽減するため、コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される低周波数（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）の交流信号（交流電流及び交流電圧）に基づいて算出される内部インピーダンスを用いて、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗を算出するように構成される。つまり、コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される交流電流及び交流電圧が低周波数（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）の交流信号となるように燃料電池スタック１の出力を制御する。そして、コントローラ６は、出力電流値及び出力電圧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算出し、この内部インピーダンスの実部成分及び虚部成分を利用して電解質膜抵抗を算出する。なお、低周波数は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚとしたが、より具体的には３Ｈｚ〜１０００Ｈｚ程度の周波数を含む。
【００６０】
図４を参照して、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗の算出原理について説明する。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。
【００６１】
図４に示すように、燃料電池スタック１を模式的に示す等価回路は、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Ｒｍｅｍと、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌとによって表される。なお、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側の反応抵抗は非常に小さくなり、インピーダンス測定の際にアノード電極１１２の影響については無視できるため、図４においてはアノード電極１１２の記載を省略している。
【００６２】
低周波数ｆ（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）の交流信号に基づいて算出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺは、以下の（１）式で表わされる。
【００６３】
【数１】
0006507507.tif 000002
【００６４】
図４に示すように、低周波数ｆの交流電流は、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒｍｅｍだけでなく、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌを通過する。そのため、（１）式で示されるように、低周波数ｆの交流信号に基づき算出される内部インピーダンスＺは、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒｍｅｍだけでなく、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌの影響を受けた値として算出される。
【００６５】
ここで、（１）式を内部インピーダンスの実部成分Ｚｒｅに関して整理すると、（２）式のように表わされる。
【００６６】
【数２】
0006507507.tif 000003
【００６７】
（２）式に示すように、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗は、右辺第１項の内部インピーダンスの実部成分Ｚｒｅから、右辺第２項の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌによって表わされるインピーダンス成分（補正用インピーダンス）を差し引いた値となる。内部インピーダンスの実部成分Ｚｒｅは既知の値であるので、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌの値が分かれば、（２）式より燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒｍｅｍを算出することが可能となる。
【００６８】
本実施形態では、コントローラ６は、２つの異なる低周波数における内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍを用いて、反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌの値を算出するように構成されている。そして、コントローラ６は、算出したＲａｃｔ及びＣｄｌの値を（２）式に代入することで、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒｍｅｍを算出する。カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌの算出の詳細については、図９及び図１０を参照して後述する。
【００６９】
なお、本実施形態では、インピーダンス測定用の交流信号の周波数は数Ｈｚ〜数百Ｈｚに設定される。従来手法のように周波数を高周波数に設定すると、測定される内部インピーダンスは燃料電池スタック１に電気的に接続したコントローラ６等のインピーダンス計測系のリアクタンス成分Ｌの影響を強く受けてしまい、この影響が測定誤差の要因となる。
【００７０】
しかしながら、本実施形態のように周波数を数Ｈｚ〜数百Ｈｚに設定する場合には、交流電流が図５Ａ及び図５Ｂに示すようにインピーダンス計測系のリアクタンス成分Ｌを通過しても、その影響をほとんど受けないという知見が得られた。そのため、インピーダンス測定用の交流信号の周波数を低周波数（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）に設定する場合には、インピーダンス計測系のリアクタンス成分Ｌに起因する測定誤差を抑制することが可能となる。
【００７１】
インピーダンス測定用の交流信号の周波数を低くしすぎると、図６に示すようにカソード電極１１３においてカソードガスの輸送抵抗に起因するワールブルグインピーダンスＺｗの影響が、測定される内部インピーダンスに含まれる可能性がある。
【００７２】
しかしながら、本実施形態のように周波数を数Ｈｚ〜数百Ｈｚに設定する場合には、カソード電極１１３側のワールブルグインピーダンスＺｗを無視することができ、当該ワールブルグインピーダンスＺｗに起因する測定誤差を抑制することが可能となる。
【００７３】
このように、本実施形態では、インピーダンス測定用の交流信号の周波数は、インピーダンス計測系のリアクタンス成分ＬやワールブルグインピーダンスＺｗに起因する測定誤差が抑制される周波数範囲（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）に設定されている。
【００７４】
次に、図７を参照して、コントローラ６における電解質膜抵抗設定制御の詳細について説明する。この制御において、コントローラ６は、低周波数での内部インピーダンスの実部成分及び虚部成分を用いて燃料電池スタック１の電解質膜抵抗を算出し、現在の電解質膜抵抗測定値を設定する。
【００７５】
図７は、コントローラ６が実行する電解質膜抵抗設定制御を示すフローチャートである。電解質膜抵抗設定制御は、所定制御周期で繰り返し実行される。
【００７６】
図７に示すように、ステップ１０１（Ｓ１０１）では、コントローラ６は内部インピーダンス算出処理を実行する。内部インピーダンス算出処理では、２つの異なる低周波数での内部インピーダンスＺ１，Ｚ２の実部成分Ｚ１ｒｅ，Ｚ２ｒｅ及び虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍが算出される。このように、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を算出するインピーダンス算出手段を有している。内部インピーダンス算出処理の詳細については、図８を参照して後述する。
【００７７】
Ｓ１０２では、コントローラ６は、電極状態推定処理を実行する。電極状態推定処理では、Ｓ１０１で算出された内部インピーダンスの虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいて、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌが算出される。このように、コントローラ６は、燃料電池スタック１のカソード電極１１３の状態を示す状態量（反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌ）を算出する状態量算出手段を有している。電極状態推定処理の詳細については、図９及び図１０を参照して後述する。
【００７８】
Ｓ１０３では、コントローラ６は、電解質膜抵抗算出処理を実行する。電解質膜抵抗算出処理では、Ｓ１０１で算出された内部インピーダンスの実部成分Ｚ１ｒｅ，Ｚ２ｒｅと、Ｓ１０２で算出された反応抵抗Ｒａｃｔ及び電気二重層容量Ｃｄｌとに基づいて、電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍが算出される。このように、コントローラ６は、燃料電池スタック１の電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある電解質膜抵抗を算出する膜抵抗算出手段を有している。電解質膜抵抗算出処理の詳細については、図１１を参照して後述する。
【００７９】
Ｓ１０４では、コントローラ６は、電解質膜抵抗設定処理を実行して、今回の電解質膜抵抗設定制御を終了する。電解質膜抵抗設定処理では、Ｓ１０３で算出された電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍに基づいて、現在の燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値が設定される。このように、コントローラ６は、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値（現状値）を設定する設定手段を有している。電解質膜抵抗設定処理の詳細については、図１２を参照して後述する。
【００８０】
図８を参照して、図７のＳ１０１で実行される内部インピーダンス算出処理について説明する。内部インピーダンス算出処理は、例えば交流インピーダンス法を利用したインピーダンスの算出手法である。
【００８１】
Ｓ２０１では、コントローラ６は、インピーダンス計測タイミングにおいて、燃料電池スタック１から出力される出力電流及び出力電圧が２つの異なる低周波数ｆ１，ｆ２（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）を含む交流信号となるように、インバータ５４及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御する。本実施形態では、従来手法において設定される周波数（数ｋ〜数十Ｈｚ）よりも低い周波数に設定される。例えば、周波数ｆ１は１０Ｈｚに設定され、周波数ｆ２は１００Ｈｚに設定される。
【００８２】
Ｓ２０２では、コントローラ６は、電流センサ５１により検出した出力電流値Ｉ１，Ｉ２にフーリエ変換処理を施して、各周波数ｆ１，ｆ２における電流振幅値ΔＩ１，ΔＩ２を算出する。
【００８３】
Ｓ２０３では、コントローラ６は、電圧センサ５２により検出した出力電圧値Ｖ１，Ｖ２にフーリエ変換処理を施して、各周波数ｆ１，ｆ２における電圧振幅値ΔＶ１，ΔＶ２を算出する。
【００８４】
Ｓ２０４では、コントローラ６は、Ｓ２０３で算出した電圧振幅値ΔＶ１，ΔＶ２をＳ２０２で算出した対応する電流振幅値ΔＩ１，ΔＩ２で除して、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺ１，Ｚ２を算出する。
【００８５】
Ｓ２０５では、コントローラ６は、出力電流値Ｉ１に対する出力電圧値Ｖ１の位相遅れθ１を算出し、出力電流値Ｉ２に対する出力電圧値Ｖ２の位相遅れθ２を算出する。
【００８６】
Ｓ２０６では、コントローラ６は、内部インピーダンスＺ１と位相遅れθ１に基づいて内部インピーダンスＺ１を実部成分Ｚ１ｒｅと虚部成分Ｚ１ｉｍに分離し、内部インピーダンスＺ２と位相遅れθ２に基づいて内部インピーダンスＺ２を実部成分Ｚ２ｒｅと虚部成分Ｚ２ｉｍに分離する。Ｓ２０６で算出された低周波数ｆ１における虚部成分Ｚ１ｉｍ及び低周波数ｆ２における虚部成分Ｚ２ｉｍは、図７のＳ１０２における電極状態推定処理で使用される。また、Ｓ２０６で算出された低周波数ｆ１における実部成分Ｚ１ｒｅ及び低周波数ｆ２における実部成分Ｚ２ｒｅは、図７のＳ１０３における電解質膜抵抗算出処理で使用される。
【００８７】
なお、内部インピーダンス算出処理のＳ２０１では、燃料電池スタック１から出力される出力電流及び出力電圧に２つの異なる低周波数ｆ１，ｆ２を含んでいるが、いずれか一方の周波数のみを含むようにしてもよい。この場合、コントローラ６は、周波数ｆ１を含む出力電流及び出力電圧を用いて当該周波数ｆ１における内部インピーダンスの実部成分Ｚ１ｒｅ及び虚部成分Ｚ１ｉｍを算出し、その後出力電流及び出力電圧の周波数をｆ１からｆ２に変更して当該周波数ｆ２における内部インピーダンスの実部成分Ｚ２ｒｅ及び虚部成分Ｚ２ｉｍを算出する。
【００８８】
また、内部インピーダンス算出処理では、コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される出力電流及び出力電圧が交流信号となるように、インバータ５４及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御する。しかしながら、燃料電池システム１００に燃料電池スタック１に低周波数の交流電圧を印加する装置を設け、コントローラ６は印加された交流電圧と、印加時における燃料電池スタック１の出力交流電流とに基づいて内部インピーダンスを算出してもよい。
【００８９】
次に、図９を参照して、図７のＳ１０２で実行される電極状態推定処理について説明する。電極状態推定処理は、カソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｄｌ及び反応抵抗Ｒａｃｔを算出する処理である。
【００９０】
Ｓ３０１では、コントローラ６は、周波数ｆ１における内部インピーダンスの虚部成分Ｚ１ｉｍ及び周波数ｆ２における内部インピーダンスの虚部成分Ｚ２ｉｍに基づいて、カソード電極１１３の状態量の一つである電気二重層容量Ｃｄｌを算出する。
【００９１】
ここで、カソード電極１１３の状態量の算出手法について説明する。
【００９２】
コントローラ６によって検出される燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺは前述した通り（１）式で表わされる。この（１）式を内部インピーダンスの虚部成分Ｚｉｍに関して整理すると、（３）式のように表わされる。なお、（３）式において、ｆはインピーダンス測定時の交流信号の周波数、Ｒａｃｔは電極の反応抵抗を示し、Ｃｄｌは電極の電気二重層容量を示す。
【００９３】
【数３】
0006507507.tif 000004
【００９４】
（３）式は、横軸を１／ω２とし、縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとする直線を示す式である。この（３）式から分かるように、直線の切片は燃料電池スタック１におけるカソード電極１１３の電気二重層容量であり、直線の傾きはカソード電極１１３の電気二重層容量及び反応抵抗から算出される定数である。
【００９５】
本実施形態では、コントローラ６は、図８のＳ２０６において周波数ｆ１，ｆ２での内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍを算出しているので、図１０に示すように横軸を１／ω２とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとする座標上にＺ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいて２つの点Ｐ１，Ｐ２をプロットし、これら２点Ｐ１，Ｐ２を結ぶことで、（３）式に関する直線Ｌを求めることができる。
【００９６】
したがって、コントローラ６は、Ｓ３０１において周波数ｆ１，ｆ２での内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいて求めた直線Ｌから切片を計算し、直線Ｌの切片の値を燃料電池スタック１におけるカソード電極１１３の電気二重層量Ｃｄｌとする。
【００９７】
Ｓ３０２では、コントローラ６は、周波数ｆ１，ｆ２での内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいて求めた直線Ｌから傾きａを計算する。（３）式の直線の傾き部分を反応抵抗Ｒａｃｔに関して整理すると、反応抵抗Ｒａｃｔは（４）式に示すように直線Ｌの傾きａとカソード電極１１３の電気二重層容量Ｃｄｌとで表わされる。
【００９８】
【数４】
0006507507.tif 000005
【００９９】
コントローラ６は、内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいて求めた直線Ｌの傾きａと、Ｓ３０１で算出した電気二重層容量Ｃｄｌを（４）式に代入することで、カソード電極１１３の反応抵抗Ｒａｃｔを算出する。このように、コントローラ６は、内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ、内部インピーダンス虚部成分Ｚ２ｉｍ、及び電気二重層容量Ｃｄｌに基づいて、カソード電極１１３の状態量の一つである反応抵抗Ｒａｃｔを算出する。
【０１００】
図１１を参照して、図７のＳ１０３で実行される電解質膜抵抗算出処理について説明する。電解質膜抵抗算出処理は、燃料電池スタック１の電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある電解質膜抵抗を算出する処理である。
【０１０１】
Ｓ４０１では、コントローラ６は、図８のＳ２０６で算出された周波数ｆ１での内部インピーダンスの実部成分Ｚ１ｒｅ、図９のＳ３０１及びＳ３０２で算出された電気二重層容量Ｃｄｌ及び反応抵抗Ｒａｃｔを前述した（２）式に代入することで、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍを算出する。
【０１０２】
つまり、コントローラ６は、カソード電極１１３の状態量（電気二重層容量Ｃｄｌ及び反応抵抗Ｒａｃｔ）に基づいて（２）式の右辺第２項で表わされる補正用インピーダンスを算出する。そして、コントローラ６は、内部インピーダンス実部成分Ｚ１ｒｅを補正用インピーダンスにより補正することで、より具体的には内部インピーダンス実部成分Ｚ１ｒｅから補正用インピーダンスを減算することで、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍを算出する。
【０１０３】
Ｓ４０２では、コントローラ６は、Ｓ４０１と同様の手法により、周波数ｆ２での内部インピーダンスの実部成分Ｚ２ｒｅ、電気二重層容量Ｃｄｌ、及び反応抵抗Ｒａｃｔを前述した（２）式に代入することで、第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍを算出する。
【０１０４】
次に、図１２を参照して、図７のＳ１０４で実行される電解質膜抵抗設定処理について説明する。電解質膜抵抗設定処理は、電解質膜抵抗算出処理で算出された第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ及び第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍに基づいて、現在の燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値を設定する処理である。
【０１０５】
Ｓ５０１では、コントローラ６は、電解質膜抵抗算出処理で算出した第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち大きい方が、ドライ限界閾値ＲＨ（湿潤判定用上限値）よりも大きいか否かを判定する。
【０１０６】
ドライ限界閾値ＲＨは、予め定められた値であって、燃料電池スタック１の電解質膜１１１が過乾燥状態である場合に燃料電池システム１００において許容されるスタック最低出力値に基づき設定される。ドライ限界閾値ＲＨは、最もスタック出力電圧が低下する車両加速時等の過渡状態を想定して設定されており、さらに各燃料電池１０の個体ばらつきや経時劣化等を加味して設定されている。
【０１０７】
第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち大きい方がドライ限界閾値ＲＨよりも大きい場合には、コントローラ６は、電解質膜１１１が過乾燥状態であると判定し、Ｓ５０２の処理を実行する。
【０１０８】
Ｓ５０２では、コントローラ６は、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち大きい方を、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍ（電解質膜抵抗の現状値）に設定する。このように電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍを設定することで、燃料電池スタック１の電解質膜１１１が過乾燥状態となっていることをより確実に検出でき、電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに応じた過乾燥状態回避制御を実行することが可能となる。
【０１０９】
一方、Ｓ５０１において第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち大きい方がドライ限界閾値ＲＨ以下であると判定された場合には、コントローラ６は、電解質膜１１１が過乾燥状態になっていないと判断してＳ５０３の処理を実行する。
【０１１０】
Ｓ５０３では、コントローラ６は、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち小さい方が、ウェット限界閾値ＲＬ（湿潤判定用下限値）よりも小さいか否かを判定する。
【０１１１】
ウェット限界閾値ＲＬは、予め定められた値であって、燃料電池スタック１におけるフラッディングの発生を検知可能な値として設定される。ウェット限界閾値ＲＬは、各燃料電池１０の個体ばらつきや経時劣化等を加味して設定されている。
【０１１２】
第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち小さい方がウェット限界閾値ＲＬよりも小さい場合には、コントローラ６は、フラッディングが発生する可能性があると判定し、Ｓ５０４の処理を実行する。
【０１１３】
Ｓ５０４では、コントローラ６は、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍのうち小さい方を、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍ（電解質膜抵抗の現状値）に設定する。このように電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍを設定することで、燃料電池スタック１の電解質膜１１１が過湿潤状態となっていることをより確実に検出でき、電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに応じたフラッディング回避制御を実行することが可能となる。
【０１１４】
一方、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ及び第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍの両方がウェット限界閾値ＲＬ以上でドライ限界閾値ＲＨ以下である場合には、コントローラ６は、電解質膜１１１が適度に湿潤していると判定し、Ｓ５０５の処理を実行する。
【０１１５】
Ｓ５０５では、コントローラ６は、第１電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍと第２電解質膜抵抗Ｒ２ｍｅｍの平均値を、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍ（電解質膜抵抗の現状値）に設定する。複数の電解質膜抵抗の平均値を電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍとして設定することで、燃料電池スタック１にとって最適な湿潤制御を実行することが可能となる。
【０１１６】
上記した本実施形態の燃料電池システム１００が備えるコントローラ６（内部状態推定装置）によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１７】
コントローラ６は、燃料電池スタック１から出力される２つの異なる周波数の交流信号（交流電流及び交流電圧）に基づいて、各周波数に対応した燃料電池スタック１の内部インピーダンスを算出する。また、コントローラ６は、各周波数の内部インピーダンスの虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいて燃料電池スタック１のカソード電極１１３の状態量を算出し、当該状態量と各周波数の内部インピーダンスの実部成分Ｚ１ｒｅ，Ｚ２ｒｅとに基づいて燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍを算出する。そして、コントローラ６は、これら電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍに基づいて、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍ（電解質膜抵抗の現状値）を設定する。
【０１１８】
このような構成の電解質膜抵抗算出手法によれば、インピーダンス測定時の交流信号の周波数を低周波数（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）に設定することができる。したがって、従来手法のように高周波数の交流信号を扱う必要がないため、コントローラ６（内部状態推定装置）での演算負荷を軽減でき、当該コントローラ６のコストアップを招くことなく、燃料電池スタック１の電解質膜１１１の湿潤度と相関関係のある電解質膜抵抗を算出することが可能となる。
【０１１９】
また、測定周波数は数Ｈｚ〜数百Ｈｚの低周波領域から選択できるため、特定の周波数にノイズ成分があっても、その特定の周波数以外の低周波数を使用することでインピーダンス測定精度を高めることができる。その結果、電解質膜抵抗算出精度も高めることが可能となる。
【０１２０】
コントローラ６は、カソード電極１１３の状態量（電気二重層容量Ｃｄｌ及び反応抵抗Ｒａｃｔ）に基づいて、前述した（２）式の右辺第２項で表わされる補正用インピーダンスを算出する。そして、コントローラ６は、内部インピーダンス実部成分を補正用インピーダンスにより補正することで、より具体的には内部インピーダンス実部成分から補正用インピーダンスを減算することで、電解質膜抵抗を算出する。このように本実施形態によれば、内部インピーダンス実部成分と補正用インピーダンスを用いて、容易に燃料電池スタック１における電解質膜抵抗を算出することができる。
【０１２１】
コントローラ６は、横軸を１／ω２とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとする座標において、２つの異なる周波数ｆ１，ｆ２での内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍに基づいてプロットされる２点を結ぶ直線Ｌの切片を、電気二重層容量Ｃｄｌとして算出する。さらに、コントローラ６は、算出した電気二重層容量Ｃｄｌと直線Ｌの傾きａから反応抵抗Ｒａｃｔを算出する。
【０１２２】
このように、２つの異なる周波数ｆ１，ｆ２での内部インピーダンス虚部成分Ｚ１ｉｍ，Ｚ２ｉｍを用いることで、カソード電極１１３の状態量である電気二重層容量Ｃｄｌ及び反応抵抗Ｒａｃｔを容易に推定することが可能となる。
【０１２３】
コントローラ６は、算出した２つの電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍのうちの最大値がドライ限界閾値ＲＨ（湿潤判定用上限値）よりも大きい場合、当該最大値を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに設定する。これにより、燃料電池スタック１の電解質膜１１１が過乾燥状態となっていることをより確実に検出でき、電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに応じた過乾燥状態回避制御を実行することが可能となる。
【０１２４】
コントローラ６は、算出した２つの電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍのうちの最小値がウェット限界閾値ＲＬ（湿潤判定用下限値）よりも小さい場合、当該最小値を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに設定する。これにより、燃料電池スタック１の電解質膜１１１が過湿潤状態となっていることをより確実に検出でき、電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに応じたフラッディング回避制御を実行することが可能となる。
【０１２５】
コントローラ６は、算出した２つの電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍがウェット限界閾値ＲＬとドライ限界閾値ＲＨとの間にある場合には、２つの電解質膜抵抗Ｒ１ｍｅｍ，Ｒ２ｍｅｍの平均値を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値Ｒｍｅｍに設定する。これにより、燃料電池システム１００の通常運転時に燃料電池スタック１にとって最適な湿潤制御を実行することが可能となる。
【０１２６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１２７】
本実施形態のコントローラ６は、図９の電極状態推定処理において、２つの異なる低周波数での内部インピーダンス虚部成分に基づいて直線Ｌを求めて、その直線Ｌを利用して電極の状態量（電気二重層容量及び反応抵抗）を算出する。しかしながら、コントローラ６は、３以上の異なる低周波数での内部インピーダンス虚部成分に基づいて直線Ｌを求めて、その直線Ｌを利用して電極の状態量（電気二重層容量及び反応抵抗）を算出してもよい。
【０１２８】
この場合には、内部インピーダンス算出処理において、３以上の異なる低周波数での内部インピーダンスの実部成分及び虚部成分が算出される。また、電極状態推定処理においては、横軸を１／ω２とし縦軸を−１／ω・Ｚｉｍとする座標に３以上の点がプロットされるため、最小二乗法等を利用して直線Ｌが求められる。
【０１２９】
本実施形態のコントローラ６は、図１１の電解質膜抵抗算出処理において、２つの異なる低周波数での内部インピーダンス実部成分及び電極の状態量（電気二重層容量及び反応抵抗）を用いて、第１電解質膜抵抗及び第２電解質膜抵抗を算出する。しかしながら、コントローラ６は、３以上の異なる低周波数での内部インピーダンスの実部成分及び電極の状態量を用いて、３以上の電解質膜抵抗を算出してもよい。
【０１３０】
この場合には、電解質膜抵抗設定処理において、コントローラ６は、３以上の電解質膜抵抗のうちの最大値がドライ限界閾値よりも大きい場合に、当該最大値を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値に設定する。また、コントローラ６は、３以上の電解質膜抵抗のうちの最小値がウェット限界閾値よりも小さい場合に、当該最小値を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値に設定する。さらに、コントローラ６は、３以上の電解質膜抵抗がウェット限界閾値とドライ限界閾値との間にある場合に、これら電解質膜抵抗の平均値を燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値に設定する。
【０１３１】
なお、電解質膜抵抗算出処理において、コントローラ６は、電極の状態量と所定の低周波数における内部インピーダンス実部成分とに基づいて、複数ではなく、一の電解質膜抵抗を算出してもよい。この場合には、電解質膜抵抗設定処理において、コントローラ６は、電解質膜抵抗算出処理で算出した一の電解質膜抵抗を、そのまま燃料電池スタック１の電解質膜抵抗測定値に設定する。
【符号の説明】
【０１３２】
１００  燃料電池システム
１      燃料電池スタック
１０    燃料電池
２５    カソードコンプレッサ
２８    カソード調圧弁
３１    高圧タンク
３３    アノード調圧弁
３６    バッファタンク
３８    パージ弁
５１    電流センサ
５２    電圧センサ
５３    走行モータ
５６    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１１  電解質膜
１１２  アノード電極
１１３  カソード電極
【図１】
0006507507.tif 000006
【図２】
0006507507.tif 000007
【図３】
0006507507.tif 000008
【図４】
0006507507.tif 000009
【図５Ａ】
0006507507.tif 000010
【図５Ｂ】
0006507507.tif 000011
【図６】
0006507507.tif 000012
【図７】
0006507507.tif 000013
【図８】
0006507507.tif 000014
【図９】
0006507507.tif 000015
【図１０】
0006507507.tif 000016
【図１１】
0006507507.tif 000017
【図１２】
0006507507.tif 000018