(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検出装置であって、少なくともアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯から選択された周波数に基づく高周波数インピーダンス、及び少なくともカソード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数に基づく低周波数インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、取得された前記高周波数インピーダンス及び前記低周波数インピーダンスを組み合わせて、前記燃料電池の内部状態としての前記アノード極の状態量と前記カソード極の状態量をそれぞれ推定する内部状態量推定手段と、を備えた燃料電池の状態検出装置。
2016103462.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検出装置であって、
少なくともアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯から選択された周波数に基づく高周波数インピーダンス、及び少なくともカソード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数に基づく低周波数インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、
取得された前記高周波数インピーダンス及び前記低周波数インピーダンスを組み合わせて、前記燃料電池の内部状態としての前記アノード極の状態量と前記カソード極の状態量をそれぞれ推定する内部状態量推定手段と、
を備えた燃料電池の状態検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記内部状態量推定手段は、
前記高周波数インピーダンスに基づいてある内部状態量を推定し、推定された該内部状態量及び前記低周波数インピーダンスに基づいて他の内部状態量を推定するか、又は
前記低周波数インピーダンスに基づいてある内部状態量を推定し、推定された該内部状態量及び前記高周波数インピーダンスに基づいて他の内部状態量を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記高周波数帯は、前記燃料電池のアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯であるアノード極応答周波数帯と、前記アノード極応答周波数帯よりも高い周波数帯であり前記燃料電池の電解質膜の状態量に対して応答性を示す電解質膜応答周波数帯と、を含み、
前記インピーダンス取得手段は、前記高周波数インピーダンスとして、前記アノード極応答周波数帯から選択された周波数に基づくアノード極応答インピーダンス及び前記電解質膜応答周波数帯から選択された周波数に基づく電解質膜応答インピーダンスの少なくともいずれか一方を取得する燃料電池の状態検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、前記高周波数インピーダンスとして、前記アノード極応答インピーダンス及び前記電解質膜応答インピーダンスの双方を取得し、
前記内部状態量推定手段は、前記電解質膜応答インピーダンスに基づいて前記電解質膜の状態量を推定し、推定された該電解質膜の状態量、及び前記アノード極応答周波数帯インピーダンスに基づいて前記アノード極の状態量を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、前記高周波数インピーダンスとして、前記アノード極応答インピーダンスのみを取得し、
前記内部状態量推定手段は、前記アノード極応答周波数帯インピーダンスに基づいて前記アノード極の状態量を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記アノード極の状態量には、該アノード極の反応抵抗値及び電気二重層容量値が含まれ、
前記カソード極の状態量には、該カソード極の反応抵抗値及び電気二重層容量値が含まれ、
前記内部状態量推定手段は、
前記アノード極応答インピーダンスに基づいて、前記アノード極の反応抵抗値及び前記アノード極の電気二重層容量値を推定し、
推定された前記電解質膜の状態量、前記アノード極の反応抵抗値、前記アノード極の電気二重層容量値、及び前記低周波数インピーダンスに基づいて前記カソード極の反応抵抗値及び電気二重層容量値の少なくともいずれか一方を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、
前記低周波数インピーダンスとして前記燃料電池のＩ−Ｖ特性線における傾きの値を取得する燃料電池の状態検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、
前記燃料電池のＩ−Ｖ特性線における傾きの値の変動が所定値以下となる定常時において、前記傾きの値を前記低周波数インピーダンスとして取得する燃料電池の状態検出装置。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記Ｉ−Ｖ特性線における傾きは、電流及び電圧の２組の計測値に基づいて算出される燃料電池の状態検出装置。
【請求項１０】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記Ｉ−Ｖ特性線における傾きは、電流及び電圧の１組の計測値及び事前に設定した１組の電流及び電圧の値に基づいて算出される燃料電池の状態検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池の状態検出装置において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記積層電池に接続されて該積層電池に交流電流を出力する交流電源部と、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記燃料電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて交流電流を調整する交流調整部と、
前記調整された交流電流並びに前記正極側交流電位差及び前記負極側交流電位差に基づいて前記燃料電池の前記インピーダンス計測値を演算するインピーダンス演算部と、
を有する燃料電池の状態検出装置。
【請求項１２】
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検出方法であって、
少なくともアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯から選択された周波数に基づく高周波数インピーダンス、及び少なくともカソード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数に基づく低周波数インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、
取得された前記高周波数インピーダンス及び前記低周波数インピーダンスを組み合わせて、前記燃料電池の内部状態としての前記アノード極の状態量と前記カソード極の状態量をそれぞれ推定する内部状態量推定手段と、
を備えた燃料電池の状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の状態検出装置及び方法に関する。
【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燃料電池の内部状態を検出する燃料電池の状態検出装置が知られている。【０００３】
例えば、特許第４６４０６６１号には、電解質膜抵抗に対応する第１の周波数領域における第１のインピーダンス、及び電解質膜抵抗と触媒層抵抗との合算値に対応する第１の周波数領域よりも低い第２の周波数領域における第２のインピーダンスをそれぞれ算出し、第２のインピーダンスと第１のインピーダンスとの差である差分インピーダンスに基づいて触媒層の含水量を算出することが提案されている。【０００４】
また、特開２００５−２８５６１４号公報には、燃料電池の複素インピーダンス曲線（コール・コールプロット）の実軸との交点における周波数Ｆ1、酸素が反応する際の反応抵抗（カソード極の反応抵抗）を表す第１の領域内の周波数Ｆ2、及び酸素の拡散に関する抵抗を表す第２の領域内の周波数Ｆ3に対応する複素インピーダンスを取得し、取得した複素インピーダンスから内部抵抗値を求めることが記載されている。
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、特許第４６４０６６１号では、アノード極の状態量とカソード極の状態量をそれぞれ把握することはできない。また、特開２００５−２８５６１４号公報においても、インピーダンス曲線にはアノード極の状態及びカソード極の状態が混在しており、アノード極の状態量とカソード極の状態量を個別に把握することは難しい。
【０００６】
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、燃料電池におけるアノード極の状態量やカソード極の状態量等の内部状態量を個別に検出し得る燃料電池の状態検出装置及び方法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検出装置が提供される。より詳細には、この状態検出装置は、少なくともアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯から選択された周波数に基づく高周波数インピーダンス、及び少なくともカソード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数に基づく低周波数インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段を備える。また、状態検出装置は、取得された高周波数インピーダンス及び低周波数インピーダンスを組み合わせて、燃料電池の内部状態としてのアノード極の状態量とカソード極の状態量をそれぞれ推定する内部状態量推定手段を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施形態による燃料電池セルの斜視図である。
【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４Ａ】図４Ａは、低周波数帯の交流電圧を入力した場合において燃料電池の簡易等価回路モデルに流れる電流の経路を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの場合よりも高い周波数帯の交流電圧を入力した場合において燃料電池の簡易等価回路モデルに流れる電流の経路を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂの場合よりも高い周波数帯の交流電圧を入力した場合において燃料電池簡易等価回路モデルに流れる電流の経路を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、高周波数帯の交流電圧を入力した場合において燃料電池の簡易等価回路モデルに流れる電流の経路を示す図である。
【図５】図５は、一実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、一実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、定常時及び非定常時における燃料電池のＩ−Ｖ特性線をそれぞれ示した図である。
【図８】図８は、一実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、カソード極の電気二重層容量の候補の周波数応答を示している。
【図１０Ａ】図１０Ａは、アノード極の電気二重層容量の候補の周波数応答を示している。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、アノード極１１２の反応抵抗値の候補の周波数応答を示している。
【図１１】図１１は、一実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、定常時における燃料電池１のＩ−Ｖ特性線を示している。
【図１３】図１３は、Ｉ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩの算出を行うための１組の電流及び電圧の設定方法の一例を説明する図である。
【図１４】図１４は、一実施形態に係る燃料電池システムにおいて、インピーダンス計測に係る要部を概略的に示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
燃料電池セルは、燃料極としてのアノード極と酸化剤極としてのカソード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。アノード極及びカソード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。
【００１１】
アノード極：２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-
カソード極：４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ
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、アノード極１１２と、カソード極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極１１２を有しており、他方の面側にカソード極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】
アノード極１１２と同様に、カソード極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。なお、本実施形態では、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。
【００２１】
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におけるアノード極１１２、カソード極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極、カソード極、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極、カソード極、及び電解質膜についても、セル単体のアノード極１１２、カソード極１１３、及び電解質膜１１１と同一の符号を付す。
【００２２】
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。
【００２３】
燃料電池システム１００は、燃料電池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。
【００２４】
燃料電池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１は、電力を取り出す出力端子として、アノード極側端子１Ａと、カソード極側端子１Ｂと、を有している。
【００２５】
カソードガス給排装置２は、燃料電池１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池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。
【００２６】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池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１のカソードガス入口部に接続される。
【００２７】
カソードガス排出通路２２は、燃料電池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。
【００２８】
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。
【００２９】
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１に供給する。
【００３０】
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１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。
【００３４】
次に、アノードガス給排装置３について説明する。
【００３５】
アノードガス給排装置３は、燃料電池１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池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。
【００３６】
高圧タンク３１は、燃料電池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。
【００３７】
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１のアノードガス入口部に接続される。
【００３８】
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１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
【００３９】
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。
【００４０】
アノードガス排出通路３５は、燃料電池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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
電流センサ５１は、燃料電池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１の出力電圧、つまりアノード極側端子１Ａとカソード極側端子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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
バッテリ５５は、燃料電池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。
【００５０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池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１の出力電圧を制御することで、燃料電池１の出力電流等が調整される。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
また、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１のＩＶ特性（電流電圧特性）を参照して燃料電池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。
【００５４】
さらに、コントローラ６は、燃料電池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。
【００５５】
また、コントローラ６は、後述する第１〜第６実施形態において、燃料電池１の出力電圧に所定周波数の交流信号が重畳された電圧値の振幅値を、同じく交流信号が重畳された電流値の振幅値を除して、所定周波数における燃料電池１のインピーダンスＺを算出する。
【００５６】
上述のように説明した燃料電池システム１００において、コントローラ６、電流センサ５１、電圧センサ５２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６により燃料電池１の状態検出装置が構成される。
【００５７】
本実施形態では、燃料電池１においてアノード極１１２の状態量である反応抵抗値Ｒa及び電気二重層容量Ｃa、カソード極１１３の状態量である反応抵抗値Ｒc及び電気二重層容量Ｃc、並びに電解質膜１１１の状態量である電解質膜抵抗値Ｒmを考慮した簡易的な等価回路モデルを設定し、該簡易等価回路モデルに基づいて燃料電池１の状態推定を行う。
【００５８】
なお、電解質膜抵抗値Ｒmは、電解質膜１１１の湿潤度に応じてその値が定まる状態量である。通常、電解質膜１１１が乾燥するにつれて電解質膜抵抗値Ｒmが高くなる傾向にある。
【００５９】
また、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒaは、アノード極１１２におけるアノードガスの反応に応じて増減し、例えばアノードガスが不足している等の当該反応の進行が円滑に行われない要因があるとこれに応じて反応抵抗値Ｒaは上昇する。
【００６０】
さらに、アノード極１１２の電気二重層容量Ｃaは、燃料電池１においてアノード極１１２が有する電気容量を表すようにモデル化したものである。従って、電気二重層容量Ｃaはアノード極１１２を構成する材料や大きさ等の種々の要素に基づいて決定されることとなる。
【００６１】
また、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒcは、カソード極１１３におけるカソードガスの反応に応じて増減し、例えばカソードガスが不足している等の当該反応の進行が円滑に行われない要因があるとこれに応じて反応抵抗値Ｒcは上昇する。
【００６２】
さらに、カソード極１１３の電気二重層容量Ｃcは、カソード極１１３が有する電気容量を表すようにモデル化したものである。従って、電気二重層容量成分の値Ｃcはカソード極１１３を構成する材料や大きさ等の種々の要素に基づいて決定されることとなる。
【００６３】
ここで、本発明者らは、燃料電池１の簡易等価回路モデルにおいて、燃料電池１の出力電流に重畳された交流信号（交流電流）の燃料電池内部において流れる経路には、周波数依存特性が存在することを見出している。以下では交流電流が燃料電池内部において流れる経路における周波数依存特性について説明する。
【００６４】
図４Ａ〜図４Ｄは、本実施形態に係る燃料電池１の簡易等価回路モデルにおいて、燃料電池１の出力電流に重畳された交流電流が燃料電池内部において流れる経路を、交流電流の周波数帯ごとに模式的に示した図である。
【００６５】
図４Ａにおいては、例えば０Ｈｚ近傍の低周波数帯（以下では、第１周波数帯とも記載する）に属する周波数の交流電流の経路を示している。また、図４Ｂにおいては、例えば、数Ｈｚ程度の第１周波数帯と比較して若干高い周波数帯（以下では、第２周波数帯とも記載する）に属する周波数の交流電流の経路を示している。さらに、図４Ｃにおいては、例えば、数十Ｈｚ〜数ＫＨｚの第２周波数帯よりも若干高い周波数帯（以下、第３周波数帯とも記載する）に属する周波数の交流電流の経路を示している。また、図４Ｄでは、例えば、数十ＫＨｚ以上の最も高い周波数帯（以下、第４周波数帯とも記載する）に属する周波数の交流電流の経路を示している。なお、図４Ａ〜図４Ｄにおいては交流電流の経路は太字で示している。
【００６６】
先ず、図４Ａに示した第１周波数帯に属する周波数の交流電流では、周波数が低いために値の変動が緩やかであり、電流の値が一定値である直流に近い性質を有することとなる。従って、このように直流に近い性質の交流電流は、アノード極１１２の電気二重層容量及びカソード極１１３の電気二重層容量側部分には流れ込まないか、又は流れ込んだとしてもその大きさが無視できる程度に小さくなる。すなわち、図で示すように、交流電流は、実質的に、アノード極１１２の反応抵抗、電解質膜抵抗、及びカソード極１１３の反応抵抗の部分にのみ流れることとなる。
【００６７】
次に、図４Ｂに示す第２周波数帯に属する周波数の交流電流では、上記第１周波数帯に属する周波数の交流電流と比較すると値の変動が大きくなり、より交流としての性質が強くなる。したがって、図に示すように、カソード極１１３の電気二重層容量側にも交流電流が流れはじめると考えられる。
【００６８】
一方で、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒａは、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒcと比較してかなり小さい値をとることが知られているので、アノード極１１２の反応抵抗側には比較的電流が流れやすい。したがって、第２周波数帯における周波数程度の交流電流では、依然として、アノード極１１２の電気二重層容量側部分には流れ込まないか、又は流れ込んだとしてもその大きさが無視できる程度に小さくなる。と考えられる。
【００６９】
さらに、図４Ｃに示す第３周波数帯に属する周波数の交流電流では、上記第２周波数帯に属する周波数の交流電流と比較して値の変動がより大きくなるので、さらに交流としての性質が強くなる。したがって、アノード極１１２の電気二重層容量の影響も無視できなくなり、アノード極１１２の電気二重層容量部分にも電流が流れると考えられる。
【００７０】
一方で、この第３周波数帯では、上記交流電流の値の変動速度に対して、カソード極１１３における酸化還元反応が追随できなくなり、当該酸化還元反応が見かけ上生じなくなるという状態が生じる。
【００７１】
したがって、実質的にカソード極１１３におけるカソードガスの反応が生じないこととなるので、上記酸化還元反応に起因するカソード極１１３の反応抵抗の影響を無視することができる。
【００７２】
すなわち、第３周波数帯においては、図４Ｃに示すように、交流電流がカソード極１１３の反応抵抗に流れ込まないか、又は流れ込んだとしてもその大きさが無視できる程度に小さくなるので、実質的に電気二重層容量成分にのみ流れると考えられる。
【００７３】
なお、アノード極１１２においては交流電流の値の変動に対する酸化還元反応の追従性能が比較的高く、当該酸化還元反応は、第３周波数帯ではまだ交流電流の値の変動に追従することができる。したがって、図に示すように、第３周波数帯に属する周波数の交流電流は、依然としてアノード極１１２の反応抵抗を流れると考えられる。
【００７４】
そして、図４Ｄに示す第４周波数帯に属する周波数の交流電流では、上記第３周波数帯に属する周波数の交流電流と比較して値の変動がさらに大きくなるので、カソード極１１３だけではなくアノード極１１２における酸化還元反応も、当該交流電流の値の変動に追随できなくなる。
【００７５】
従って、カソード極１１３に加えてアノード極１１２における反応も実質的に生じないこととなり、カソード極１１３の反応抵抗及びアノード極１１２の反応抵抗の双方の影響を無視することができる。
【００７６】
すなわち、第４周波数帯においては、交流電流がカソード極１１３及びアノード極１１２の双方の反応抵抗に流れ込まないか、又は流れ込んだとしてもその大きさが無視できる程度に小さくなる。したがって、図に示すように、第４周波数帯に属する周波数の交流電流は、カソード極１１３及びアノード極１１２のそれぞれの電気二重層容量側にのみ流れることとなる。
【００７７】
以上の説明から理解されるように、上述の第１周波数帯から選択される周波数の交流電流、第２周波数帯から選択される周波数の交流電流、第３周波数帯から選択される周波数の交流電流、及び第４周波数帯から選択される周波数の交流電流に対して、燃料電池の簡易等価回路における各要素に流れる経路が異なる。
【００７８】
したがって、本発明者らは、このように周波数に応じた交流電流の経路の違いを利用して、簡易等価回路に基づいて得られるインピーダンスの式
【数１】
2016103462.tif 000003
（ただし、ｊは虚数単位を意味する。）
を参照し、各周波数帯に属する周波数に基づくインピーダンスから種々の状態量を個々に推定することに想到した。
【００７９】
例えば、上記第４周波数帯（以下、「電解質膜応答周波数帯」とも記載する）から選択される周波数の交流電流は、電解質膜抵抗、アノード極１１２の電気二重層容量、及びカソード極１１３の電気二重層容量の部分に流れるので、当該電解質膜応答周波数帯から選択される周波数に基づくインピーダンス（以下、「電解質膜応答インピーダンス」とも記載する）には、電解質膜抵抗値Ｒmの情報が含まれている。
【００８０】
なお、この電解質膜応答周波数帯はいわゆるＨＦＲ（High Frequency Resistance）に用いられる周波数帯である。したがって、インピーダンスの式（１）においてω→∞とすると、インピーダンスＺは、電解質膜抵抗値Ｒmにほぼ一致するとみなすことができる。
【００８１】
また、第３周波数帯（以下では「アノード極応答周波数帯」とも記載する）から選択される周波数の交流電流は、電解質膜抵抗、アノード極１１２の反応抵抗、アノード極１１２の電気二重層容量、及びカソード極１１３の電気二重層容量の部分に流れるので、当該アノード極応答周波数帯から選択される周波数に基づくインピーダンス（以下、「アノード極応答インピーダンス」と記載する）には、少なくともアノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃaの情報が含まれている。
【００８２】
特にこの場合、図４Ｃで示した等価回路においてカソード極１１３の反応抵抗を無視することができるので、インピーダンスの式は、
【数２】
2016103462.tif 000004
で与えられる。
【００８３】
さらに、第２周波数帯から選択される周波数の交流電流は、電解質膜抵抗、アノード極１１２の反応抵抗、カソード極１１３の反応抵抗、及びカソード極１１３の電気二重層容量の部分に流れるので、当該第２周波数帯から選択される周波数に基づくインピーダンスには、状態量として電解質膜抵抗値、アノード極１１２の反応抵抗値、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒc、及びカソード極１１３の電気二重層容量値Ｃcの情報が含まれている。
【００８４】
また、最も低い周波数帯である第１周波数帯（以下では「低周波数帯」とも記載する）から選択される周波数の交流電流は、電解質膜抵抗、アノード極１１２の反応抵抗、及びカソード極１１３の反応抵抗の部分に流れるので、当該低周波数帯から選択される周波数に基づくインピーダンス（以下、低周波数インピーダンスと記載する）には、少なくともカソード極１１３の反応抵抗値Ｒcの情報が含まれている。
【００８５】
以下では、各実施形態において、上記電解質膜応答周波数帯、アノード極応答周波数帯、及び低周波数帯燃料のうちの少なくとも２つを用いた各状態量の推定の詳細について説明する。
【００８６】
なお、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、各実施形態において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。
【００８７】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について説明する。
【００８８】
図５は、本実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。
【００８９】
図示のように、先ず、ステップＳ１０１において、電解質膜応答周波数帯における１点の周波数ωHを選択し、周波数ωHに基づくインピーダンスＺ（ωH）を求める。
【００９０】
具体的には、コントローラ６が、インピーダンス計測タイミングにおいて、燃料電池１から出力される出力電圧及び出力電流に、電解質膜応答周波数帯の周波数ωHの交流信号が重畳されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御する。
【００９１】
さらに、コントローラ６は、電圧センサ５２で測定された出力電圧の値Ｖにフーリエ変換を施し電圧振幅値Ｖ（ωH）を得て、電流センサ５１で測定された出力電流の値Ｉにフーリエ変換処理を施し電圧振幅値Ｉ（ωH）を得て、これらの比Ｖ（ωH）／Ｉ（ωH）をインピーダンスＺ（ωH）として求める。なお、インピーダンスＺ（ωH）を計測する手法は、電解質膜応答周波数帯以外のアノード極応答周波数帯や低周波数帯から選択した周波数に対して行う場合も同様であるので、以降はその詳細な説明は省略する。
【００９２】
次に、ステップＳ１０２において、コントローラ６は、得られたインピーダンスＺ（ωH）から電解質膜抵抗値Ｒmを推定する。具体的には、上述のように、電解質膜応答周波数帯はいわゆるＨＦＲ計測にて用いられる周波数帯であるところ、当該高周波数帯から選択された周波数ωHに基づくインピーダンスＺ（ωH）又はその実部成分Ｚr（ωH）は、ほぼ電解質膜抵抗値Ｒmに一致することとなる。すなわち、インピーダンスＺ（ωH）又はその実部成分Ｚr（ωH）の値をそのまま電解質膜抵抗値Ｒmと推定する。
【００９３】
ステップＳ１０３において、コントローラ６は、アノード極応答周波数帯における２点の周波数ω1、ω2を選択し、当該周波数ω1、ω2に基づくアノード極応答インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）を求める。
【００９４】
ステップＳ１０４において、コントローラ６は、推定された電解質膜抵抗値Ｒm及び得られた２つのインピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）から、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃaを推定する。
【００９５】
この推定の態様を具体的に説明する。先ず、アノード極応答周波数帯における２点の周波数ω1、ω2を選択する場合には、上述のようにカソード極１１３の反応抵抗を無視することができ、したがって、インピーダンスの式として、簡易等価回路に基づくインピーダンスの式（１）からカソード極１１３の反応抵抗値Ｒaを除いた式（２）を用いることができる。
【００９６】
ここで、式（２）において、既知の値である２点の周波数ω1、ω2及びこれらに基づくインピーダンスＺ（ω1）、及びＺ（ω2）の組み合わせを代入し、その実部Ｚr（ω1）及びＺr（ωm2）をとる。そして、推定された電解質膜抵抗値Ｒmが既知であることを考慮すると、未知数をＲa及びＣaとする２つの方程式が得られることとなる。したがって、得られた２つの方程式を解けばＲa及びＣaを求めることができる。
【００９７】
未知数Ｒa、及びＣaを求める方法の一例を示す。先ず、式（２）の実部をとって変形すると、
【数３】
2016103462.tif 000005
となる。横軸ω2、縦軸１／Ｚrとする平面を考慮すると、当該平面において式（３）は直線を表し、その傾きｍrは
【数４】
2016103462.tif 000006
で与えられる。ここで、２点の周波数ω1、ω2が既知であるので、この２点の周波数ω1、ω2及びこれらに対応するインピーダンス計測値の実部Ｚr（ω1）及びＺr（ω2）を上記平面にプロットすると、これらを結ぶ直線が定まり、傾きｍrの値が決まる。すなわち、式（４）の未知数はＲa及びＣaである。
【００９８】
次に、式（３）が表す直線の切片ａは、
【数５】
2016103462.tif 000007
で与えられる。ここで、傾きｍrの値と同様に点の周波数ω1、ω2及びこれらに対応するインピーダンス計測値の実部Ｚr1及びＺr2により切片ａの値も決まる。そして、Ｚrはインピーダンス計測値の実部Ｚr1及びＺr2に相当するので、式（５）の未知数はＲaのみである。
【００９９】
したがって、式（５）によれば、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒaを、
【数６】
2016103462.tif 000008
として求めることができる。
【０１００】
また、式（６）により定まったＲaを式（４）に代入することで、アノード極１１２の電気二重層容量値Ｃaを、
【数７】
2016103462.tif 000009
として求めることができる。
【０１０１】
なお、Ｒa、及びＣaを求める計算方法は、上記した計算方法に限られるものではなく、種々の適切な計算方法を用いることができる。
【０１０２】
次に、ステップＳ１０５において、コントローラ６は、低周波数帯における１点の周波数ωLを選択し、当該周波数ωLに基づくインピーダンスＺ（ωL）を計測する。
【０１０３】
ステップＳ１０６において、コントローラ６は、既に推定されている電解質膜抵抗値Ｒm、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa、及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃa、並びに計測されたインピーダンスＺ（ωL）を用いて、カソード極１１３の電気二重層容量値Ｃcを推定する。
【０１０４】
この推定の態様を具体的に説明する。上述のように低周波数帯における周波数ωLの交流電流は、燃料電池１の簡易等価回路における全ての回路要素、すなわちアノード極１１２の反応抵抗及び電気二重層容量、電解質膜抵抗、並びにカソード極１１３の反応抵抗及び電気二重層容量の部分を流れる。したがって、周波数ωLに基づき得られる低周波数インピーダンスＺ（ωL）では、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及び電気二重層容量値Ｃa、電解質膜抵抗値Ｒm、並びにカソード極１１３の反応抵抗値Ｒc及び電気二重層容量値Ｃcの情報が含まれる。したがって、インピーダンスの式としては、上記全ての回路要素が考慮されている式（１）を用いる必要がある。
【０１０５】
式（１）において、既知の値である周波数ωL及びこれに基づくインピーダンスＺ（ωL）を代入し、その実部Ｚr（ωL）及び虚部Ｚi（ωL）をとる。そして、推定された電解質膜抵抗値Ｒm、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa、及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃaが既知であることを考慮すると、未知数をＲc及びＣcとする２つの方程式が得られることとなる。したがって、この２つの方程式を解けば未知数をＲc及びＣcを求めることができる。
【０１０６】
このように未知数Ｒc及びＣcを求める方法の一例を示す。先ず、式（１）の実部をとって変形すると、
【数８】
2016103462.tif 000010
となる。
【０１０７】
また、式（１）の虚部をとって変形すると、
【数９】
2016103462.tif 000011
となる。
【０１０８】
ここで、周波数ωL、周波数ωLに対応するインピーダンス計測値の実部Ｚr（ωL）及び虚部Ｚi（ωL）、並びにＲa及びＣaが既知であるので、これらを式（８）及び式（９）に代入して変形すると、カソード極１１３の電気二重層容量値Ｃcは、
【数１０】
2016103462.tif 000012
【０１０９】
ただし、式（１０）中、ωはωLであり、Ａは、下記の式（１１）のように定義される。
【０１１０】
【数１１】
2016103462.tif 000013
【０１１１】
さらに、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒcは、
【数１２】
2016103462.tif 000014
として求められる。
【０１１２】
ただし、式（１２）中のＡは上記式（１１）のように定義され、式（１２）中のＢは下記式（１３）のように定義される。
【０１１３】
【数１３】
2016103462.tif 000015
【０１１４】
以上のように、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６の工程により、燃料電池１の状態量として、電解質膜抵抗値Ｒm、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa、アノード極１１２の電気二重層容量値Ｃa、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒc、及びカソード極１１３の電気二重層容量値Ｃcが推定されることとなる。
【０１１５】
上記した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。本実施の形態では、コントローラ６、電流センサ５１、電圧センサ５２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６により状態検出装置が構成される。また、インピーダンス取得手段及び内部状態量推定手段は、コントローラ６により構成される。
【０１１６】
本実施形態によれば、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１の状態検出装置のインピーダンス取得手段は、少なくともアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaに対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯（アノード極応答周波数帯及び電解質膜応答周波数帯）から選択された周波数ωH、ω1、ω2に基づく高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）、及び少なくともカソード極の状態量Ｒc、Ｃcに対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数ωLに基づく低周波数インピーダンスＺ（ωL）を取得する（ステップＳ１０１、ステップＳ１０３、ステップＳ１０５）。
【０１１７】
そして、燃料電池１の状態検出装置の内部状態量推定手段は、取得された高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）及び低周波数インピーダンスＺ（ωL）を組み合わせて燃料電池１の内部状態としてのアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaとカソード極１１３の状態量Ｒc、Ｃcをそれぞれ推定する。
【０１１８】
これによれば、取得された高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）及び低周波数インピーダンスＺ（ωL）という異なる周波数帯から得られるインピーダンス情報に基づき、周波数の大小に応じた電流変動に対するアノード極１１２の反応とカソード極１１３の反応の追従速度差を利用して、少なくともアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaとカソード極１１３の状態量Ｒc、Ｃcをそれぞれ個別に検知することができる。したがって、高精度なアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaとカソード極１１３の状態量（Ｒc、Ｃc）の情報を得ることができ、結果としてこれらの状態量を利用して行われる燃料電池１の動作制御をより適切なものとすることができる。
【０１１９】
さらに、本実施形態によれば、内部状態量推定手段は、高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）に基づいてある内部状態量Ｒm、Ｒa、Ｃaを推定し、推定された該内部状態量Ｒm、Ｒa、Ｃa及び低周波数インピーダンスＺ（ωL）に基づいて他の内部状態量Ｒc、Ｃcを推定している。
【０１２０】
これにより、一つの周波数帯である低周波数帯の低周波数インピーダンスＺ（ωL）だけでは確定できない内部状態量Ｒc、Ｃcを、他の周波数帯である高周波数帯の高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）により推定された内部状態量Ｒm、Ｒa、Ｃaに基づいて確定させることができる。すなわち、複数種類の内部状態量Ｒm、Ｒa、Ｃa、Ｒc、Ｃcにおけるそれぞれの区別をより確実に行うことができる。
【０１２１】
なお、逆に、内部状態量推定手段は、低周波数インピーダンスＺ（ωL）に基づいてある内部状態量を推定し、推定された内部状態量及び高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）に基づいて他の内部状態量を推定するようにしても良い。
【０１２２】
また、本実施形態によれば、上記高周波数帯（アノード極応答周波数帯及び電解質膜応答周波数帯）は、燃料電池１のアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaに対して応答性を示す周波数帯であるアノード極応答周波数帯と、アノード極応答周波数帯よりも高い周波数帯であり燃料電池１の電解質膜の状態量Ｒmに対して応答性を示す電解質膜応答周波数帯と、を含む。そして、インピーダンス取得手段は、高周波数インピーダンスＺ（ωH）、Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2）として、アノード極応答周波数帯から選択された周波数に基づくアノード極応答インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）及び電解質膜応答周波数帯から選択された周波数に基づく電解質膜応答インピーダンスＺ（ωH）の双方を取得している（ステップＳ１０１、ステップＳ１０３）。
【０１２３】
これにより、燃料電池１の電解質膜１１１の状態量Ｒm及びアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaをそれぞれ、電解質膜応答インピーダンスＺ（ωH）及びアノード極応答インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）に基づいて推定することができる。
【０１２４】
さらに、本実施形態によれば、内部状態量推定手段は、電解質膜応答インピーダンスＺ（ωH）に基づいて電解質膜１１１の状態量Ｒmを推定し（ステップＳ１０２）、推定された該電解質膜１１１の状態量Ｒm、及びアノード極応答周波数帯インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）に基づいてアノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaを推定する（ステップＳ１０４）。
【０１２５】
これにより、推定された該電解質膜１１１の状態量Ｒm、及びアノード極応答周波数帯インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）に基づいて、アノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaを他の状態量からより確実に切り分けて推定することができる。
【０１２６】
特に、本実施形態では、アノード極１１２の状態量Ｒa、Ｃaには、該アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及び電気二重層容量値Ｃaが含まれており、カソード極１１３の状態量Ｒc、Ｃcには、該カソード極１１３の反応抵抗値Ｒc及び電気二重層容量値Ｃcが含まれている。そして、内部状態量推定手段は、アノード極応答インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）に基づいて、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa、及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃaを推定する（ステップＳ１０４）。また、内部状態量推定手段は、推定された電解質膜１１１の状態量Ｒm、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa、及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃa、並びに低周波数インピーダンスＺ（ωL）に基づいてカソード極１１３の反応抵抗値Ｒcを推定する（ステップＳ１０６）。
【０１２７】
これによれば、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒc以外の情報が全て含まれる低周波数帯の低周波数インピーダンスＺ（ωL）に対して、アノード極応答インピーダンス（Ｚ（ω1）、Ｚ（ω2））に基づいて推定されたアノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及び電気二重層容量値Ｃa、電解質膜応答インピーダンスＺ（ωH）に基づいて推定された電解質膜１１１の状態量Ｒmを適用することができる。
【０１２８】
したがって、目的の状態量Ｒc以外の情報を含む低周波数帯の低周波数インピーダンスＺ（ωL）から、当該目的の状態量Ｒcを好適に切り分けて推定することができる。
【０１２９】
（第２実施形態）
以下では、第２実施形態について説明する。なお、既に説明した第１の実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１３０】
図６は、第２実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。図６におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０４については、図５におけるＳ１０１〜ステップＳ１０４と同様であるので、その詳細な説明を省略する。第２実施形態では、低周波数帯の周波数で低周波数インピーダンスを計測することに代えて、予め設定された燃料電池１のＩ−Ｖ特性線図（Ｉ−Ｖ特性図）における特性線の直線部分の傾きを低周波数インピーダンスとみなして取得するようにしている。
【０１３１】
図示のように、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４を経た後、すなわち、アノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及び電気二重層容量値Ｃaの推定値を取得した後、ステップＳ２０５において、燃料電池１のＩ−Ｖ特性図における特性線の直線部分の傾きΔＶ／ΔＩを、低周波数インピーダンスＺ（ωL）とみなして取得する。
【０１３２】
図７には、定常時及び非定常時における燃料電池１のＩ−Ｖ特性線をそれぞれ示す。なお、この燃料電池１のＩ−Ｖ特性線は予め実験等に基づいて定められるものである。特性線Ｃｖ１は、定常時におけるＩ−Ｖ特性を示しており、特性線Ｃｖ２は、非定常時におけるＩ−Ｖ特性を示している。ここで、定常時とは、発進時や停車時等の急加速状態ではない安定走行時における燃料電池１が出力特性を意味する。
【０１３３】
特に、図から理解されるように、定常時の特性線Ｃｖ１の定常領域Ｐでは、傾きΔＶ／ΔＩの変動が小さくほぼ一定値をとっており、直線形態をとる。したがって、定常領域Ｐでは出力電流Ｉにかかわらず、傾きΔＶ／ΔＩを一定値とみなすことができる。
【０１３４】
このように、ΔＶ／ΔＩの値が一定の定常領域Ｐは、定常時の特性線Ｃｖ１のΔＶ／ΔＩの値が、所定値以下となるように横軸（出力電流Ｉ）の区間である。
【０１３５】
本実施の形態では、コントローラ６は、この定常領域ＰにおけるΔＶ／ΔＩの値を予め図示しないメモリ等に記憶させて置き、低周波数インピーダンスＺ（ωL）を取得するタイミングで当該メモリからΔＶ／ΔＩの値を読み出して、低周波数インピーダンスＺ（ωL）とみなす。このようにして得られた低周波数インピーダンスＺ（ωL）は現実の値に良く整合する。
【０１３６】
そして、ステップＳ２０６において、低周波数インピーダンスＺ（ωL）として取得したΔＶ／ΔＩの値を用いてカソード極１１３の反応抵抗値Ｒcの推定を行う。
【０１３７】
具体的に説明する。上述した式（１）においてωが低周波数（ω→０）であると仮定すると、
【数１４】
2016103462.tif 000016
が成り立つと考えられる。したがって、式（１４）においてインピーダンスＺをΔＶ／ΔＩに置き換えると、
【数１５】
2016103462.tif 000017
となる。
【０１３８】
これにより、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４の過程で推定された電解質膜抵抗値Ｒm、及びアノード極１１２の反応抵抗値Ｒaを式（１５）に代入することで、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒcを算出することができる。
【０１３９】
以上、説明した本実施形態にかかる燃料電池１の状態検出装置によれば、インピーダンス取得手段としてのコントローラ６は、燃料電池１のＩ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩを低周波数インピーダンスＺ（ω1）として取得する。すなわち、低周波数インピーダンスＺ（ω1）を直接計測することなく取得することができる。
【０１４０】
なお、例えば、Ｉ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩの値として低周波数インピーダンスＺ（ω1）を取得すること、及び計測により低周波数インピーダンスＺ（ω1）を取得することの双方の方法により、低周波数インピーダンスＺ（ω1）を取得し、これら双方の方法により得られた低周波数インピーダンスＺ（ω1）相互を比較・補正する等して取得されたより高精度の低周波数インピーダンスＺ（ω1）をカソード極１１３の反応抵抗値Ｒcの推定に用いるようにしても良い。
【０１４１】
さらに、本実施の形態では、インピーダンス取得手段としてのコントローラ６は、燃料電池１のＩ−Ｖ特性線Ｃｖ１における傾きの値の変動が所定値以下となる定常領域Ｐにおいて、傾きΔＶ／ΔＩを低周波数インピーダンスＺ（ω1）として取得している。
【０１４２】
このように傾きΔＶ／ΔＩの変動が比較的小さい定常領域Ｐでは、出力電流Ｉの計測値にかかわらず、傾きΔＶ／ΔＩの値を一定とみなして差し支えないので、出力電圧Ｖや出力電流Ｉの計測値ごとに傾きΔＶ／ΔＩの値を算出する必要が無くなり、演算量を低減させることができる。
【０１４３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１４４】
図８は、本実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。図示のように、本実施形態では、図５に示すステップＳ１０１及びステップＳ１０２に相当する電解質膜応答周波数帯の周波数を用いた電解質膜抵抗値Ｒmの推定が省略される。
【０１４５】
特に本実施の形態では、特有のステップＳ３０４においてアノード極応答周波数帯の２点の周波数ω1、ω2において取得したアノード極応答インピーダンスＺ（ω1）及びＺ（ω2）を用いて、状態量としてのアノード極１１２の反応抵抗値Ｒa、及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃa、カソード極１１３の電気二重層容量値Ｃc、及び電解質膜抵抗値Ｒmが推定される（ステップＳ３０４）。
【０１４６】
以下、ステップＳ３０４における状態量推定の一態様を説明する。
【０１４７】
本実施の形態においても、上述したインピーダンスの式（２）に基づいて計算が行われる。式（２）の実部をとって式（３）を得て、式（３）に基づき式（４）を得る工程については、第１の実施形態に係るアノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及びアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃaの推定の場合と同様である。
【０１４８】
そして、式（４）を変形すれば、
【数１６】
2016103462.tif 000018
が得られる。なお、ｍrは上述のように、２つのインピーダンスＺ（ω1）及びＺ（ω2）を結ぶ直線の傾きであって既知の値である。
【０１４９】
一方、式（２）の虚部をとると、
【数１７】
2016103462.tif 000019
【０１５０】
ここで、上記式（１７）に式（１６）のＲaを代入して両辺にωを乗ずると、
【数１８】
2016103462.tif 000020
【０１５１】
そして、上記既知の周波数ω1及びω2、並びにこれに対応するインピーダンス計測値の虚数成分Ｚi1及びＺi2をそれぞれ、式（１８）に代入して２つの式を得、この２つの式の差をとってカソードの電気二重層容量Ｃcを消去すると、未知数であるアノードの電気二重層容量Ｃaに関する４次方程式、
【数１９】
2016103462.tif 000021
が得られる。
【０１５２】
式（１９）の４次方程式を解き、Ｃaが虚数値を取りえないことを考慮すると、アノードの電気二重層容量Ｃaの候補として２つの解、
【数２０】
2016103462.tif 000022
【数２１】
2016103462.tif 000023
が得られる。なお、式（１９）の４次方程式は、当業者により知られている種々の解法を用いることができる。
【０１５３】
ただし、ｔ1は下記のように定義される定数である。
【０１５４】
【数２２】
2016103462.tif 000024
【０１５５】
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。
【０１５６】
さらに、式中のＡ2、Ａ1、及びＡ0は、それぞれ、
【数２３】
2016103462.tif 000025
【０１５７】
さらに、Ｃa1及びＣa2のそれぞれを、上記式（１６）に代入することで、当該Ｃa1及びＣa2に対応して反応抵抗の推定値の候補としてＲa1及びＲa2が定まる。推定値の候補Ｒa1及びＲa2は下記のようになる。
【０１５８】
【数２４】
2016103462.tif 000026
【０１５９】
【数２５】
2016103462.tif 000027
【０１６０】
ここで、上述のアノード極１１２の電気二重層容量値の候補Ｃa1及びＣa2、並びに反応抵抗値の候補Ｒa1及びＲa2から、現実の特性に適合する真の推定値を決定する必要がある。その方法の一例を説明する。
【０１６１】
本実施の形態では、この真の推定値の決定を、Ｃa1、Ｒa1、Ｃa2、及びＲa2の値のみから判断するのではなく、上記式（１７）におけるインピーダンス虚部の式を変形して得られるカソード極１１３の電気二重層容量値Ｃcの式、
【数２６】
2016103462.tif 000028
【０１６２】
図９には、カソード極１１３の電気二重層容量値の候補Ｃc1、Ｃc2の周波数応答を示している。なお、当グラフは、予め実験等により算出された周波数ω1及びω2をアノード極応答周波数帯の範囲で連続的に変化させて得られた電気二重層容量値の候補Ｃc1、Ｃc2のデータに基づくものである。
【０１６３】
なお、当グラフでは、Ｃc1が描く線を破線、Ｃc2が描く線を実線で表す。また、周波数ωdは、アノード極１１２の反応抵抗値及び電気二重層容量値の候補の組（Ｃa1、Ｒa1）及び（Ｃa2、Ｒa2）について（Ｃa1、Ｒa1）＝（Ｃa2、Ｒa2）となる周波数である。すなわち、周波数ωdでは、Ｃa1、Ｒa1、Ｃa2、及びＲa2における上記式（２０）、（２１）、（２４）、及び（２５）の根号内部が０となる。
【０１６４】
図示のように、周波数ω＜ωdとなる領域においては、電気二重層容量値の推定値候補Ｃc2が基本的に０以下の値をとり、ωdの直前ではＣc2の値が周波数変化に対して極端に敏感であることから、周波数ω＜ωdとなる領域ではＣc1が現実的に採用されるべき真の推定値である。
【０１６５】
したがって、カソード極１１３の電気二重層容量値及び反応抵抗値についても、周波数ω＜ωdとなる領域においては、上記Ｃc1に対応するＣa1及びＲa1がそれぞれ採用される。
【０１６６】
一方で、ω＞ωdとなる領域においては、カソード極１１３の電気二重層容量値の候補（Ｃc1、Ｃc2）の変化を見ただけではＣc1及びＣc2のいずれを採用すべきか判断が難しい。そこで、この判断は、アノード極１１２の反応抵抗値及び電気二重層容量値の候補の組（Ｃa1、Ｒa1）及び（Ｃa2、Ｒa2）を直接検討することにより行う。
【０１６７】
図１０Ａは、アノード極１１２の電気二重層容量の候補Ｃa1、Ｃa2の周波数応答を示している。また、図１０Ｂは、アノード極１１２の反応抵抗値の候補Ｒa1、Ｒa2の周波数応答を示している。なお、これらグラフも、予め実験等により算出された周波数ω1及びω2をアノード極応答周波数帯の範囲で連続的に変化させて得られた候補の組（Ｃa1、Ｒa1）及び（Ｃa2、Ｒa2）のデータに基づくものである。
【０１６８】
図１０Ａを参照すると、ω＞ωdとなる領域においては、アノード極１１２の電気二重層容量値の候補Ｃa1の周波数に極端に敏感になっている。したがって、ω＞ωdとなる領域においては、アノード極１１２の電気二重層容量値の真の推定値としてＣa2が現実的に採用されるべき値である。したがって、周波数ω＞ωdとなる領域においては、Ｃa2とこれに対応するＲa1がそれぞれ採用されるべきである。
【０１６９】
なお、図１０Ｂを参照すると理解されるように、周波数ωdはより小さい、ω＜ωdの領域では、反応抵抗値の候補Ｒa2が周波数変化に対して極端に敏感であることから、反応抵抗値の候補Ｒa1が現実的に採用されるべき真の推定値である判断される。したがって、この周波数ω＜ωdとなる領域においては、Ｒa1に対応するＣa1及びＲa1がそれぞれ採用されるべきであり、この点はカソード極１１３の電気二重層容量値の周波数応答に基づく考察と整合することがわかる。
【０１７０】
また、周波数ω＝ωdのときは、（Ｃa1、Ｒa1）＝（Ｃa2、Ｒa2）となるので、これらの候補の組のどちらを真の候補の組として採用しても良い。
【０１７１】
以上の考察に基づけば、真の推定値の決定においては、候補の組（Ｃa1、Ｒa1）及び（Ｃa2、Ｒa2）の中から決定すべき対象が周波数に応じて変化することがわかる。具体的には、アノード極応答周波数帯の２点の周波数ω1、ω2と、周波数ωdと、の大小に応じて、候補の組（Ｃa1、Ｒa1）及び（Ｃa2、Ｒa2）から適切な方を決定する。さらに、決定されたアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃa及び反応抵抗値Ｒaの推定値を式（３）に代入すれば、周波数ωとインピーダンス計測値の実部Ｚrが既知であることから、電解質膜抵抗値Ｒmが求まる。
【０１７２】
このように求められたアノード極１１２の電気二重層容量値Ｃa、反応抵抗値Ｒa、及び電解質膜抵抗値Ｒmの推定値を用いて、以降のステップＳ１０５及びステップＳ１０６が第１実施形態と同様に行われ、カソード極１１３の反応抵抗値Ｒcも推定される。
【０１７３】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池１の状態判定によれば、インピーダンス取得手段及び内部状態量推定手段としてのコントローラ６により、高周波数インピーダンスとして、アノード極応答インピーダンスＺ（ω1）及びＺ（ω2）のみが取得され、アノード極応答周波数帯インピーダンスＺ（ω1）及びＺ（ω2）に基づいてアノード極１１２の状態量Ｃa及びＲaが推定される。
【０１７４】
これにより、電解質膜応答インピーダンスの計測に基づく電解質膜抵抗値Ｒmの推定を省略してコントローラ６に対する負荷を軽減しつつも、アノード極１１２の状態量Ｃa及びＲaを推定することができ、最終的にカソード極１１３の状態量である反応抵抗値Ｒcも推定することができる。
【０１７５】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１７６】
図１１は、本実施形態に係る状態量の推定の流れを示すフローチャートである。図示のように、本実施形態では、第３実施形態と同様に、ステップＳ１０３においてアノード極応答インピーダンスＺ（ω1）、Ｚ（ω2）を求め、ステップＳ３０４においてアノード極１１２の反応抵抗値Ｒa及び電気二重層容量値Ｃa、カソード１１３の電気二重層容量値Ｃc、及び電解質膜抵抗値Ｒmの推定値を求める。
【０１７７】
その後、第２実施形態の場合と同様に、ステップＳ２０５において燃料電池１のＩ−Ｖ特性に基づいて低周波数インピーダンスΔＶ／ΔＩを取得して、ステップＳ２０６においてこのように取得した低周波数インピーダンスΔＶ／ΔＩ及び電解質膜抵抗値Ｒmの推定値からカソード極１１３の反応抵抗値Ｒcが推定される。
【０１７８】
したがって、本実施形態にかかる燃料電池１の状態判定によれば、低周波数インピーダンスＺ（ω1）を直接計測することなく推定することができるとともに、電解質膜応答インピーダンスの計測に基づく電解質膜抵抗値Ｒmの推定を省略することができるので、コントローラ６に対する負荷をより一層軽減することができる。
【０１７９】
（第５の実施形態）
第５の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１８０】
本実施の形態では、第２実施形態及び第４実施形態に係るステップＳ２０５において、図７の定常時の特性線Ｃｖ１の定常領域ＰにおけるΔＶ／ΔＩの値をメモリしておく態様に代えて、ΔＶ／ΔＩの値を算出するために実際の出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉの計測値を用いる。
【０１８１】
図１２は、定常時における燃料電池１のＩ−Ｖ特性線を示している。特に本実施の形態では、所定の計測タイミングにおいて電流センサ５１で測定された出力電流Ｉ1、Ｉ2と、同タイミングにおいて電圧センサ５２で測定された出力電圧Ｖ1、Ｖ2に対して、−（Ｖ1−Ｖ2）／（Ｉ1−Ｉ2）を計算することで傾きΔＶ／ΔＩが計算される。
【０１８２】
すなわち、出力電圧及び出力電流の計測値に応じて、低周波数インピーダンスとみなす傾きΔＶ／ΔＩが定められることとなる。
【０１８３】
本実施の形態では、このように燃料電池１のＩ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩが、電流及び電圧の２組の計測値（Ｉ1、Ｖ1）、（Ｉ2、Ｖ2）に基づいて算出される。これにより、定常領域Ｐにおいて一定値とみなして定めた傾きΔＶ／ΔＩを用いる場合と比較して、実際の特性をより高精度に反映したΔＶ／ΔＩの値を得ることができる。結果として、このΔＶ／ΔＩの値を低周波数インピーダンスとみなして算出されるカソード極１１３の反応抵抗値Ｒcの推定値の精度も向上することとなる。
【０１８４】
（第６の実施形態）
第６の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１８５】
本実施の形態では、Ｉ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩを求めるために、第５実施形態のように出力電流及び出力電圧の２組の計測値（Ｉ1、Ｖ1）、（Ｉ2、Ｖ2）を計測することに代えて、出力電流及び出力電圧の一つの計測値（Ｉ3、Ｖ3）と、事前に設定した１点（Ｉset、Ｖset）を用いてＩ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩの算出を行う。
【０１８６】
図１３は、Ｉ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩの算出を行うための１組の電流及び電圧の設定方法の一例を説明する図である。なお、当図では図面の明確化のため、定常時の特性線Ｃｖ１を破線で示している。図示のように、本実施形態では、図の黒塗り四角形で示した点が、上記（Ｉset、Ｖset）に該当する。特に、Ｉset＝０である。
【０１８７】
したがって、上記計測値（Ｉ3、Ｖ3）及び事前設定値（Ｉset、Ｖset）により、−（Ｖset−Ｖ3）／（Ｉset−Ｉ3）を計算することで傾きΔＶ／ΔＩの値が算出される。
【０１８８】
上述のように本実施の形態によれば、Ｉ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩの値は、電流及び電圧の１組の計測値（Ｉ3、Ｖ3）及び事前に設定した１組の電流及び電圧の値（Ｉset、Ｖset）に基づいて算出される。
【０１８９】
したがって、燃料電池１のＩ−Ｖ特性線における傾きΔＶ／ΔＩにあたり、当該傾きの値を算出するのに用いるＩ−Ｖ特性線上の２点のうち、一点を事前に設定された（Ｉset、Ｖset）を用いて演算量を抑えつつ、もう一点に計測値（Ｉ3、Ｖ3）を用いることで計算の精度も一定以上に確保することができる。
【０１９０】
（第７の実施形態）
以下、第７の実施形態について説明する。なお、既に説明した実施形態の要素と同様の要素には同一の符号を付す。
【０１９１】
本実施形態では、第１実施形態等において行われる燃料電池１のインピーダンスの計測にあたり、交流信号を重畳した出力電流Ｉ及び出力電圧Ｖを測定する構成に代えて、燃料電池１に所定の測定用電流源から電流Ｉを供給し、当該供給電流Ｉと出力される電圧Ｖとに基づいてインピーダンスＺ＝Ｖ／Ｉを算出するいわゆる励起電流印加法が行われる。
【０１９２】
図１４は、本実施形態の燃料電池システム１００において、インピーダンス計測に係る要部を概略的に示したブロック図である。
【０１９３】
図示のように、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１に交流電流を調整しつつ印加する印加交流電流調整部２００が設けられている。
【０１９４】
印加交流電流調整部２００は、スタックとして構成された燃料電池１の正極端子（カソード極側端子）１Ｂ及び負極端子（アノード極側端子）１Ａの他に、中途端子１Ｃに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分は図に示すようにアースされている。
【０１９５】
そして、印加交流電流調整部２００は、中途端子１Ｃに対する正極端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を測定する正極側電圧測定センサ２１０と、中途端子１Ｃに対する負極端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を測定する負極側電圧測定センサ２１２と、を有している。
【０１９６】
さらに、印加交流電流調整部２００は、正極端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ１を印加する正極側交流電源部２１４と、負極端子１Ａと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ２を印加する負極側交流電源部２１６と、これら交流電流Ｉ１及び交流電流Ｉ２の振幅や位相を調整するコントローラ２１８と、正極側交流電位差Ｖ１、Ｖ２及び交流電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて燃料電池１のインピーダンスＺの演算を行う演算部２２０と、を有している。
【０１９７】
本実施形態では、コントローラ２１８は、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２が等しくなるように、交流電流Ｉ１と交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。なお、このコントローラ２１８は、図３に示すコントローラ６により構成されても良い。
【０１９８】
また、演算部２２０は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含み、正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除して、中途端子１Ｃから正極端子１ＢまでのインピーダンスＺ１を算出し、負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除して、中途端子１Ｃから負極端子１ＡまでのインピーダンスＺ２を算出する。さらに、演算部２２０は、インピーダンスＺ１とインピーダンスＺ２の和をとることで、燃料電池１の全インピーダンスＺを算出する。
【０１９９】
上記した本実施形態に係る燃料電池の状態推定装置によれば、以下の効果を得ることができる。
【０２００】
本実施形態に係る燃料電池の状態推定装置は、燃料電池１に接続されて、該燃料電池１に交流電流Ｉ１，Ｉ２を出力する交流電源部２１４，２１６と、燃料電池１の正極側１Ｂの電位から中途部分１Ｃの電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差Ｖ１と、燃料電池１の負極側１Ａの電位から中途部分１Ｃの電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差Ｖ２と、に基づいて交流電流Ｉ１，Ｉ２を調整する交流調整部としてのコントローラ２１８と、調整された交流電流Ｉ１，Ｉ２並びに正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２に基づいて燃料電池１のインピーダンスＺを演算するインピーダンス演算部２２０と、を有する。
【０２０１】
コントローラ２１８は、燃料電池１の正極側の正極側交流電位差Ｖ１が負極側の負極側交流電位差Ｖ２と実質的に一致するように、正極側交流電源部２１４により印加される交流電流Ｉ１及び負極側交流電源部２１６により印加される交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。これにより、正極側交流電位差Ｖ１の振幅と負極側交流電位差Ｖ２の振幅とが等しくなるので、正極端子１Ｂと負極端子１Ａが実質的に等電位となる。したがって、インピーダンス計測のための交流電流Ｉ１、Ｉ２が負荷５３に流れることが防止されるので、燃料電池１による発電に影響を与えることが防止される。
【０２０２】
また、燃料電池１が発電状態の場合に上記インピーダンス計測を実行する場合、当該発電により生じた電圧に計測用交流電位が重畳されることとなるので、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の値自体が大きくなるが、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の位相や振幅自体が変わるわけではないので、燃料電池１が発電状態ではない場合と同様に高精度なインピーダンス計測を実行することができる。
【０２０３】
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。例えば、各実施形態における、アノード極応答インピーダンス、電解質膜応答インピーダンス、及び低周波数インピーダンスを取得する工程（ステップＳ１０１、ステップＳ１０３、及びステップＳ１０５）等は、各実施形態において説明した工程順に限定されることなく、任意に変更することが可能である。
【０２０４】
例えば、アノード極応答インピーダンス、電解質膜応答インピーダンス、及び低周波数インピーダンスを取得する工程を全て行った後に、各状態量の推定を行うようにしても良い。
【０２０５】
また、燃料電池１において複数の内部状態量を推定する態様は、上記各実施の形態に説明した態様のみに限られない。
【０２０６】
例えば、第１実施形態や第３実施形態におけるステップＳ１０５における低周波数帯から一つの周波数ωLを選択する態様に代えて、低周数帯で２つの周波数ωL1、ωL2を選択して低周波数インピーダンスＺ（ωL1）及びＺ（ωL2）を求めるようにしても良い。これにより、最終的にカソード極１１３の反応抵抗Ｒcだけでなく、カソード極１１３の電気二重層容量Ｃaの推定値も求めることができる。
【０２０７】
また、燃料電池１の簡易等価回路の態様も、上記各実施の形態で用いたものに限定されない。例えば、上記各実施形態において説明した各極の反応抵抗や電気二重層容量等の回路素子以外にも、拡散抵抗、電子輸送抵抗、及びアイオノマ抵抗等の他の要素を含む等価回路を設定し、これら他の要素に基づく内部状態量としての拡散抵抗値、電子輸送抵抗値、及びアイオノマ抵抗値等を推定の対象とするようにしても良い。
【図１】
2016103462.tif 000029
【図２】
2016103462.tif 000030
【図３】
2016103462.tif 000031
【図４Ａ】
2016103462.tif 000032
【図４Ｂ】
2016103462.tif 000033
【図４Ｃ】
2016103462.tif 000034
【図４Ｄ】
2016103462.tif 000035
【図５】
2016103462.tif 000036
【図６】
2016103462.tif 000037
【図７】
2016103462.tif 000038
【図８】
2016103462.tif 000039
【図９】
2016103462.tif 000040
【図１０Ａ】
2016103462.tif 000041
【図１０Ｂ】
2016103462.tif 000042
【図１１】
2016103462.tif 000043
【図１２】
2016103462.tif 000044
【図１３】
2016103462.tif 000045
【図１４】
2016103462.tif 000046
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月13日(2017.6.13)
【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検出装置であって、
少なくともアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯から選択された周波数に基づく高周波数インピーダンス、及び少なくともカソード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数に基づく低周波数インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、
取得された前記高周波数インピーダンス及び前記低周波数インピーダンスを組み合わせて、前記燃料電池の内部状態としての前記アノード極の状態量と前記カソード極の状態量をそれぞれ推定する内部状態量推定手段と、
を備えた燃料電池の状態検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記内部状態量推定手段は、
前記高周波数インピーダンスに基づいてある内部状態量を推定し、推定された該内部状態量及び前記低周波数インピーダンスに基づいて他の内部状態量を推定するか、又は
前記低周波数インピーダンスに基づいてある内部状態量を推定し、推定された該内部状態量及び前記高周波数インピーダンスに基づいて他の内部状態量を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記高周波数帯は、前記燃料電池のアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯であるアノード極応答周波数帯と、前記アノード極応答周波数帯よりも高い周波数帯であり前記燃料電池の電解質膜の状態量に対して応答性を示す電解質膜応答周波数帯と、を含み、
前記インピーダンス取得手段は、前記高周波数インピーダンスとして、前記アノード極応答周波数帯から選択された周波数に基づくアノード極応答インピーダンス及び前記電解質膜応答周波数帯から選択された周波数に基づく電解質膜応答インピーダンスの少なくともいずれか一方を取得する燃料電池の状態検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、前記高周波数インピーダンスとして、前記アノード極応答インピーダンス及び前記電解質膜応答インピーダンスの双方を取得し、
前記内部状態量推定手段は、前記電解質膜応答インピーダンスに基づいて前記電解質膜の状態量を推定し、推定された該電解質膜の状態量、及び前記アノード極応答インピーダンスに基づいて前記アノード極の状態量を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、前記高周波数インピーダンスとして、前記アノード極応答インピーダンスのみを取得し、
前記内部状態量推定手段は、前記アノード極応答インピーダンスに基づいて前記アノード極の状態量を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記アノード極の状態量には、該アノード極の反応抵抗値及び電気二重層容量値が含まれ、
前記カソード極の状態量には、該カソード極の反応抵抗値及び電気二重層容量値が含まれ、
前記内部状態量推定手段は、
前記アノード極応答インピーダンスに基づいて、前記アノード極の反応抵抗値及び前記アノード極の電気二重層容量値を推定し、
推定された前記電解質膜の状態量、前記アノード極の反応抵抗値、前記アノード極の電気二重層容量値、及び前記低周波数インピーダンスに基づいて前記カソード極の反応抵抗値及び電気二重層容量値の少なくともいずれか一方を推定する燃料電池の状態検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか1項に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、
前記低周波数インピーダンスとして前記燃料電池のＩ−Ｖ特性線における傾きの値を取得する燃料電池の状態検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記インピーダンス取得手段は、
前記燃料電池のＩ−Ｖ特性線における傾きの値の変動が所定値以下となる定常時において、前記傾きの値を前記低周波数インピーダンスとして取得する燃料電池の状態検出装置。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記Ｉ−Ｖ特性線における傾きは、電流及び電圧の２組の計測値に基づいて算出される燃料電池の状態検出装置。
【請求項１０】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池の状態検出装置であって、
前記Ｉ−Ｖ特性線における傾きは、電流及び電圧の１組の計測値及び事前に設定した１組の電流及び電圧の値に基づいて算出される燃料電池の状態検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池の状態検出装置において、
前記燃料電池が積層電池として構成され、
前記積層電池に接続されて該積層電池に交流電流を出力する交流電源部と、
前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記燃料電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差と、に基づいて交流電流を調整する交流調整部と、
前記調整された交流電流並びに前記正極側交流電位差及び前記負極側交流電位差に基づいて前記燃料電池のインピーダンス計測値を演算するインピーダンス演算部と、
を有する燃料電池の状態検出装置。
【請求項１２】
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検出方法であって、
少なくともアノード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む高周波数帯から選択された周波数に基づく高周波数インピーダンス、及び少なくともカソード極の状態量に対して応答性を示す周波数帯を含む低周波数帯から選択された周波数に基づく低周波数インピーダンスを取得するインピーダンス取得工程と、
取得された前記高周波数インピーダンス及び前記低周波数インピーダンスを組み合わせて、前記燃料電池の内部状態としての前記アノード極の状態量と前記カソード極の状態量をそれぞれ推定する内部状態量推定工程と、
を備えた燃料電池の状態検出方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
以下では、各実施形態において、上記電解質膜応答周波数帯、アノード極応答周波数帯、及び低周波数帯のうちの少なくとも２つを用いた各状態量の推定の詳細について説明する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
この推定の態様を具体的に説明する。先ず、アノード極応答周波数帯における２点の周波数ω１、ω２を選択する場合には、上述のようにカソード極１１３の反応抵抗を無視することができ、したがって、インピーダンスの式として、簡易等価回路に基づくインピーダンスの式（１）からカソード極１１３の反応抵抗値Ｒｃを除いた式（２）を用いることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
ここで、式（２）において、既知の値である２点の周波数ω１、ω２及びこれらに基づくインピーダンスＺ（ω１）、及びＺ（ω２）の組み合わせを代入し、その実部Ｚｒ（ω１）及びＺｒ（ω２）をとる。そして、推定された電解質膜抵抗値Ｒｍが既知であることを考慮すると、未知数をＲａ及びＣａとする２つの方程式が得られることとなる。したがって、得られた２つの方程式を解けばＲａ及びＣａを求めることができる。
【国際調査報告】
2016103462.tif 000047
2016103462.tif 000048
2016103462.tif 000049
2016103462.tif 000050