本發(fā)明涉及一種燃料電池的狀態(tài)檢測裝置以及方法。

背景技術(shù)：

已知一種測定燃料電池的電壓值和阻抗值、基于這些值來檢測燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)的燃料電池的狀態(tài)檢測裝置。

例如，日本專利第4640661號提出了以下方案：分別計算與電解質(zhì)膜電阻對應(yīng)的第一頻域下的第一阻抗以及與電解質(zhì)膜電阻同催化劑層電阻的合計值對應(yīng)的低于第一頻域的第二頻域下的第二阻抗，基于作為第二阻抗與第一阻抗之差的差分阻抗來計算催化劑層的含水量。

另外，日本特開2005-285614號公報中記載了以下方案：獲取與燃料電池的復(fù)阻抗曲線(cole-cole圖)的同實軸的交點處的頻率f1、表示氧發(fā)生反應(yīng)時的反應(yīng)電阻(陰極的反應(yīng)電阻)的第一區(qū)域內(nèi)的頻率f2以及表示與氧的擴(kuò)散有關(guān)的電阻的第二區(qū)域內(nèi)的頻率f3對應(yīng)的復(fù)阻抗，根據(jù)獲取到的復(fù)阻抗來求出內(nèi)部電阻值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

然而，在日本專利第4640661號中，無法分別掌握陽極(anode)的狀態(tài)量和陰極(cathode)的狀態(tài)量。另外，在日本特開2005-285614號公報中也是，在阻抗曲線中陽極的狀態(tài)和陰極的狀態(tài)混在一起，難以個別地掌握陽極的狀態(tài)量和陰極的狀態(tài)量。

本發(fā)明是著眼于這種問題而完成的，其目的在于提供一種能夠個別地檢測燃料電池中的陽極的狀態(tài)量、陰極的狀態(tài)量等內(nèi)部狀態(tài)量的燃料電池的狀態(tài)檢測裝置以及方法。

用于解決問題的方案

根據(jù)本發(fā)明的某個方式，提供一種接受陽極氣體和陰極氣體的供給來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池的狀態(tài)檢測裝置。更詳細(xì)地說，該狀態(tài)檢測裝置具備阻抗獲取單元，該阻抗獲取單元獲取高頻阻抗和低頻阻抗，該高頻阻抗是基于從至少包括對陽極的狀態(tài)量表現(xiàn)出響應(yīng)性的頻帶的高頻帶選擇出的頻率的阻抗，該低頻阻抗是基于從至少包括對陰極的狀態(tài)量表現(xiàn)出響應(yīng)性的頻帶的低頻帶選擇出的頻率的阻抗。另外，狀態(tài)檢測裝置具備內(nèi)部狀態(tài)量估計單元，該內(nèi)部狀態(tài)量估計單元將獲取到的高頻阻抗與低頻阻抗進(jìn)行組合，分別估計作為燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)的陽極的狀態(tài)量和陰極的狀態(tài)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施方式的燃料電池單元的立體圖。

圖2是圖1的燃料電池的ii-ii截面圖。

圖3是本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)圖。

圖4a是表示在輸入了低頻帶的交流電壓的情況下流過燃料電池的簡易等效電路模型的電流的路徑的圖。

圖4b是表示在輸入了比圖4a的情況高的頻帶的交流電壓的情況下流過燃料電池的簡易等效電路模型的電流的路徑的圖。

圖4c是表示在輸入了比圖4b的情況高的頻帶的交流電壓的情況下流過燃料電池簡易等效電路模型的電流的路徑的圖。

圖4d是表示在輸入了高頻帶的交流電壓的情況下流過燃料電池的簡易等效電路模型的電流的路徑的圖。

圖5是表示一個實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。

圖6是表示一個實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。

圖7是分別示出穩(wěn)定時和非穩(wěn)定時的燃料電池的i-v特性線的圖。

圖8是表示一個實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。

圖9示出了陰極的雙電層電容的候選的頻率響應(yīng)。

圖10a示出了陽極的雙電層電容的候選的頻率響應(yīng)。

圖10b示出了陽極112的反應(yīng)電阻值的候選的頻率響應(yīng)。

圖11是表示一個實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。

圖12示出了穩(wěn)定時的燃料電池1的i-v特性線。

圖13是說明用于進(jìn)行i-v特性線的斜率δv/δi的計算的一組電流和電壓的設(shè)定方法的一例的圖。

圖14是概要性地示出在一個實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)中阻抗測量所涉及的重要部分的框圖。

具體實施方式

下面，參照附圖等來說明本發(fā)明的實施方式。

燃料電池單元構(gòu)成為用作為燃料極的陽極和作為氧化劑極的陰極將電解質(zhì)膜夾在中間。在燃料電池單元中，向陽極供給含有氫的陽極氣體，另一方面向陰極供給含有氧的陰極氣體，通過使用這些氣體來進(jìn)行發(fā)電。陽極和陰極這兩個電極處進(jìn)行的電極反應(yīng)如下。

陽極：2h2→4h⁺+4e^-

陰極：4h⁺+4e^-+o2→2h2o

圖1和圖2是用于說明本發(fā)明的一個實施方式的燃料電池單元10的結(jié)構(gòu)的圖。圖1是燃料電池單元10的立體圖，圖2是圖1的燃料電池單元10的ii-ii截面圖。

如圖1和圖2所示，燃料電池單元10具備膜電極組件(mea)11以及以將mea11夾在中間的方式配置的陽極隔板12和陰極隔板13。

mea11由電解質(zhì)膜111、陽極112以及陰極113構(gòu)成。mea11在電解質(zhì)膜111的其中一面?zhèn)染哂嘘枠O112，在另一面?zhèn)染哂嘘帢O113。

電解質(zhì)膜111是由氟系樹脂形成的質(zhì)子傳導(dǎo)性的離子交換膜。電解質(zhì)膜111在濕潤狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的電傳導(dǎo)性。此外，作為電解質(zhì)膜111，也可以根據(jù)設(shè)想的燃料電池的對應(yīng)，例如使用使磷酸(h3po4)浸漬于規(guī)定的基質(zhì)所得到的材料等其它材料。

陽極112具備催化劑層112a和氣體擴(kuò)散層112b。催化劑層112a是由鉑或承載有鉑等的炭黑粒子形成的構(gòu)件，設(shè)置成與電解質(zhì)膜111接觸。氣體擴(kuò)散層112b配置于催化劑層112a的外側(cè)。氣體擴(kuò)散層112b是由具有氣體擴(kuò)散性和導(dǎo)電性的碳布形成的構(gòu)件，設(shè)置成與催化劑層112a及陽極隔板12接觸。

與陽極112同樣地，陰極113也具備催化劑層113a和氣體擴(kuò)散層113b。催化劑層113a配置于電解質(zhì)膜111與氣體擴(kuò)散層113b之間，氣體擴(kuò)散層113b配置于催化劑層113a與陰極隔板13之間。

陽極隔板12配置于氣體擴(kuò)散層112b的外側(cè)。陽極隔板12具備用于向陽極112供給陽極氣體(氫氣)的多個陽極氣體流路121。陽極氣體流路121形成為槽狀通路。

陰極隔板13配置于氣體擴(kuò)散層113b的外側(cè)。陰極隔板13具備用于向陰極113供給陰極氣體(空氣)的多個陰極氣體流路131。陰極氣體流路131形成為槽狀通路。

陽極隔板12和陰極隔板13構(gòu)成為使在陽極氣體流路121中流動的陽極氣體的流動方向與在陰極氣體流路131中流動的陰極氣體的流動方向互為反向。此外，陽極隔板12和陰極隔板13也可以構(gòu)成為使這些氣體的流動方向為向相同方向流動。

在將這種燃料電池單元10用作汽車用電源的情況下，由于所要求的電力大，因此作為將數(shù)百塊燃料電池單元10層疊而得到的燃料電池堆來使用。然后，構(gòu)成向燃料電池堆供給陽極氣體和陰極氣體的燃料電池系統(tǒng)，取出用于驅(qū)動車輛的電力。此外，在本實施方式中，以層疊燃料電池單元10所得到的燃料電池堆為單位來進(jìn)行后述的阻抗測定，但是也可以是以一塊燃料電池單元10為單位或以燃料電池堆的一部分(例如數(shù)十塊單元)為單位來進(jìn)行阻抗測定。

另外，在燃料電池堆中，通過將一塊燃料電池單元10中的陽極112、陰極113以及電解質(zhì)膜111串聯(lián)配置多塊來構(gòu)成為作為總和的陽極、陰極以及電解質(zhì)膜。然而，下面為了便于說明，對該作為總和的陽極、陰極以及電解質(zhì)膜也標(biāo)注與單元單體的陽極112、陰極113以及電解質(zhì)膜111相同的標(biāo)記。

圖3是本發(fā)明的一個實施方式的燃料電池系統(tǒng)100的概要圖。

燃料電池系統(tǒng)100具備燃料電池1、陰極氣體供排裝置2、陽極氣體供排裝置3、電力系統(tǒng)5以及控制器6。

燃料電池1是如上所述那樣層疊多塊燃料電池單元10(單位電池)而成的層疊電池。燃料電池1接受陽極氣體和陰極氣體的供給來發(fā)出車輛行駛所需的電力。燃料電池1具有陽極側(cè)端子1a和陰極側(cè)端子1b作為取出電力的輸出端子。

陰極氣體供排裝置2向燃料電池1供給陰極氣體，并且將從燃料電池1排出的陰極排氣排出到外部。陰極氣體供排裝置2具備陰極氣體供給通路21、陰極氣體排出通路22、過濾器23、氣流傳感器24、陰極壓縮機(jī)25、陰極壓力傳感器26、水分回收裝置(wrd；waterrecoverydevice)27以及陰極壓力調(diào)節(jié)閥28。

陰極氣體供給通路21是流通向燃料電池1供給的陰極氣體的通路。陰極氣體供給通路21的一端連接于過濾器23，另一端連接于燃料電池1的陰極氣體入口部。

陰極氣體排出通路22是流通從燃料電池1排出的陰極排氣的通路。陰極氣體排出通路22的一端連接于燃料電池1的陰極氣體出口部，另一端形成為開口端。陰極排氣是包含陰極氣體、通過電極反應(yīng)而產(chǎn)生的水蒸氣等的混合氣體。

過濾器23是將取入到陰極氣體供給通路21的陰極氣體中含有的塵、埃等去除的構(gòu)件。

陰極壓縮機(jī)25設(shè)置于比過濾器23更靠下游側(cè)的陰極氣體供給通路21。陰極壓縮機(jī)25加壓輸送陰極氣體供給通路21內(nèi)的陰極氣體來供給到燃料電池1。

氣流傳感器24設(shè)置于過濾器23與陰極壓縮機(jī)25之間的陰極氣體供給通路21。氣流傳感器24檢測供給到燃料電池1的陰極氣體的流量。

陰極壓力傳感器26設(shè)置于陰極壓縮機(jī)25與wrd27之間的陰極氣體供給通路21。陰極壓力傳感器26檢測供給到燃料電池1的陰極氣體的壓力。由陰極壓力傳感器26檢測出的陰極氣體壓力代表包括燃料電池1的陰極氣體流路等在內(nèi)的整個陰極系統(tǒng)的壓力。

wrd27橫跨陰極氣體供給通路21和陰極氣體排出通路22地將它們連接。wrd27是如下的裝置：回收在陰極氣體排出通路22中流動的陰極排氣中的水分，使用所回收的該水分來加濕在陰極氣體供給通路21中流動的陰極氣體。

陰極壓力調(diào)節(jié)閥28設(shè)置于比wrd27更靠下游的陰極氣體排出通路22。陰極壓力調(diào)節(jié)閥28由控制器6來控制開閉，對供給到燃料電池1的陰極氣體的壓力進(jìn)行調(diào)整。

接著，說明陽極氣體供排裝置3。

陽極氣體供排裝置3向燃料電池1供給陽極氣體，并且將從燃料電池1排出的陽極排氣排出到陰極氣體排出通路22。陽極氣體供排裝置3具備高壓罐31、陽極氣體供給通路32、陽極壓力調(diào)節(jié)閥33、陽極壓力傳感器34、陽極氣體排出通路35、緩沖罐36、放氣通路37以及放氣閥38。

高壓罐31是將要向燃料電池1供給的陽極氣體保持為高壓狀態(tài)來貯存的容器。

陽極氣體供給通路32是將從高壓罐31排出的陽極氣體供給到燃料電池1的通路。陽極氣體供給通路32的一端連接于高壓罐31，另一端連接于燃料電池1的陽極氣體入口部。

陽極壓力調(diào)節(jié)閥33設(shè)置于比高壓罐31更靠下游的陽極氣體供給通路32。陽極壓力調(diào)節(jié)閥33由控制器6來控制開閉，對供給到燃料電池1的陽極氣體的壓力進(jìn)行調(diào)整。

陽極壓力傳感器34設(shè)置于比陽極壓力調(diào)節(jié)閥33更靠下游的陽極氣體供給通路32。陽極壓力傳感器34檢測供給到燃料電池1的陽極氣體的壓力。由陽極壓力傳感器34檢測出的陽極氣體壓力代表包括緩沖罐36、燃料電池1的陽極氣體流路等在內(nèi)的整個陽極系統(tǒng)的壓力。

陽極氣體排出通路35是流通從燃料電池1排出的陽極排氣的通路。陽極氣體排出通路35的一端連接于燃料電池1的陽極氣體出口部，另一端連接于緩沖罐36。陽極排氣中包含電極反應(yīng)中未被使用的陽極氣體、從陰極氣體流路131向陽極氣體流路121泄漏過來的氮等雜質(zhì)氣體、水分等。

緩沖罐36是暫時蓄積通過陽極氣體排出通路35流過來的陽極排氣的容器。積存在緩沖罐36中的陽極排氣在放氣閥38被打開時通過放氣通路37排出到陰極氣體排出通路22。

放氣通路37是用于排出陽極排氣的通路。放氣通路37的一端連接于陽極氣體排出通路35，另一端連接于比陰極壓力調(diào)節(jié)閥28更靠下游的陰極氣體排出通路22。

放氣閥38設(shè)置于放氣通路37。放氣閥38由控制器6來控制開閉，對從陽極氣體排出通路35排出到陰極氣體排出通路22的陽極排氣的放氣流量進(jìn)行控制。

當(dāng)執(zhí)行放氣閥38為開閥狀態(tài)的放氣控制時，陽極排氣通過放氣通路37和陰極氣體排出通路22排出到外部。此時，陽極排氣在陰極氣體排出通路22內(nèi)與陰極排氣混合。通過像這樣使陽極排氣與陰極排氣混合后排出到外部，混合氣體中的陽極氣體濃度(氫濃度)被設(shè)定為排出容許濃度以下的值。

電力系統(tǒng)5具備電流傳感器51、電壓傳感器52、行駛馬達(dá)53、逆變器54、蓄電池55以及dc/dc轉(zhuǎn)換器56。

電流傳感器51檢測從燃料電池1取出的輸出電流。電壓傳感器52檢測燃料電池1的輸出電壓、也就是說陽極側(cè)端子1a與陰極側(cè)端子1b之間的端子間電壓。電壓傳感器52既可以構(gòu)成為檢測每塊燃料電池單元10的電壓，也可以構(gòu)成為檢測每多塊燃料電池單元10的電壓。

行駛馬達(dá)53是三相交流同步馬達(dá)，是用于驅(qū)動車輪的驅(qū)動源。行駛馬達(dá)53具有作為電動機(jī)的功能和作為發(fā)電機(jī)的功能，該作為電動機(jī)的功能是從燃料電池1和蓄電池55接受電力的供給來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，該作為發(fā)電機(jī)的功能是通過被外力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行發(fā)電。

逆變器54由多個igbt等半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成。逆變器54的半導(dǎo)體開關(guān)由控制器6控制開關(guān)，由此將直流電力變換為交流電力，或者將交流電力變換為直流電力。在使行駛馬達(dá)53作為電動機(jī)而發(fā)揮功能的情況下，逆變器54將燃料電池1的輸出電力與蓄電池55的輸出電力的合成直流電力變換為三相交流電力來供給到行駛馬達(dá)53。與此相對，在使行駛馬達(dá)53作為發(fā)電機(jī)而發(fā)揮功能的情況下，逆變器54將行駛馬達(dá)53的再生電力(三相交流電力)變換為直流電力來供給到蓄電池55。

蓄電池55構(gòu)成為被充入燃料電池1的輸出電力的剩余部分和行駛馬達(dá)53的再生電力。充入到蓄電池55的電力根據(jù)需要而被供給到陰極壓縮機(jī)25等輔機(jī)類、行駛馬達(dá)53。

dc/dc轉(zhuǎn)換器56是使燃料電池1的輸出電壓升降的雙向性的電壓變換機(jī)。通過利用dc/dc轉(zhuǎn)換器56對燃料電池1的輸出電壓進(jìn)行控制，來調(diào)整燃料電池1的輸出電流等。

控制器6由具備中央運(yùn)算裝置(cpu)、只讀存儲器(rom)、隨機(jī)存取存儲器(ram)以及輸入輸出接口(i/o接口)的微計算機(jī)構(gòu)成。除了來自電流傳感器51、電壓傳感器52等各種傳感器的信號以外，來自檢測加速踏板的踏下量的加速行程傳感器(未圖示)等傳感器的信號也被輸入到控制器6。

控制器6根據(jù)燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來控制陽極壓力調(diào)節(jié)閥33、陰極壓力調(diào)節(jié)閥28、陰極壓縮機(jī)25等，對供給到燃料電池1的陽極氣體、陰極氣體的壓力、流量進(jìn)行調(diào)整。

另外，控制器6基于行駛馬達(dá)53的要求電力、陰極壓縮機(jī)25等輔機(jī)類的要求電力、蓄電池55的充放電要求等來計算目標(biāo)輸出電力?？刂破?基于目標(biāo)輸出電力，參照預(yù)先決定的燃料電池1的iv特性(電流電壓特性)來計算燃料電池1的目標(biāo)輸出電流。然后，控制器6進(jìn)行以下控制：通過dc/dc轉(zhuǎn)換器56對燃料電池1的輸出電壓進(jìn)行控制以使燃料電池1的輸出電流為目標(biāo)輸出電流，供給行駛馬達(dá)53、輔機(jī)類所需的電流。

另外，控制器6對陰極壓縮機(jī)25等進(jìn)行控制以使燃料電池1的各電解質(zhì)膜111的濕潤度(含水量)為適于發(fā)電的狀態(tài)。

另外，在后述的第一實施方式～第六實施方式中，控制器6將在燃料電池1的輸出電壓上疊加規(guī)定頻率的交流信號所得到的電壓值的振幅值除以同樣疊加交流信號所得到的電流值的振幅值，來計算規(guī)定頻率下的燃料電池1的阻抗z。

在如上所述那樣說明的燃料電池系統(tǒng)100中，由控制器6、電流傳感器51、電壓傳感器52以及dc/dc轉(zhuǎn)換器56來構(gòu)成燃料電池1的狀態(tài)檢測裝置。

在本實施方式中，在燃料電池1中，設(shè)定考慮到作為陽極112的狀態(tài)量的反應(yīng)電阻值ra和雙電層電容ca、作為陰極113的狀態(tài)量的反應(yīng)電阻值rc和雙電層電容cc以及作為電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量的電解質(zhì)膜電阻值rm的簡易的等效電路模型，基于該簡易等效電路模型來進(jìn)行燃料電池1的狀態(tài)估計。

此外，電解質(zhì)膜電阻值rm是其值根據(jù)電解質(zhì)膜111的濕潤度決定的狀態(tài)量。通常，具有電解質(zhì)膜111越干燥則電解質(zhì)膜電阻值rm越高的趨勢。

另外，陽極112的反應(yīng)電阻值ra與陽極112處的陽極氣體的反應(yīng)相應(yīng)地增減，例如，當(dāng)存在陽極氣體不足等無法順暢地進(jìn)行該反應(yīng)的因素時，與之相應(yīng)地反應(yīng)電阻值ra上升。

并且，陽極112的雙電層電容ca是以表示燃料電池1中陽極112所具有的電容的方式進(jìn)行模型化而得到的。因而，雙電層電容ca是基于構(gòu)成陽極112的材料、大小等各種要素而決定的。

另外，陰極113的反應(yīng)電阻值rc與陰極113處的陰極氣體的反應(yīng)相應(yīng)地增減，例如，當(dāng)存在陰極氣體不足等無法順暢地進(jìn)行該反應(yīng)的因素時，與之相應(yīng)地反應(yīng)電阻值rc上升。

并且，陰極113的雙電層電容cc是以表示陰極113所具有的電容的方式進(jìn)行模型化而得到的。因而，雙電層電容成分的值cc是基于構(gòu)成陰極113的材料、大小等各種要素而決定的。

在此，本發(fā)明人們發(fā)現(xiàn)：在燃料電池1的簡易等效電路模型中，疊加于燃料電池1的輸出電流的交流信號(交流電流)在燃料電池內(nèi)部流動的路徑存在頻率依賴特性。下面，說明交流電流在燃料電池內(nèi)部流動的路徑的頻率依賴特性。

圖4a～圖4d是按交流電流的頻帶來示意性地示出在本實施方式所涉及的燃料電池1的簡易等效電路模型中疊加于燃料電池1的輸出電流的交流電流在燃料電池內(nèi)部流動的路徑的圖。

在圖4a中，例如示出了屬于0hz附近的低頻帶(下面，也記載為第一頻帶)的頻率的交流電流的路徑。另外，在圖4b中，例如示出了屬于與幾hz左右的第一頻帶相比稍高的頻帶(下面，也記載為第二頻帶)的頻率的交流電流的路徑。并且，在圖4c中，例如示出了屬于與幾十hz～幾千hz的第二頻帶相比稍高的頻帶(下面，也記載為第三頻帶)的頻率的交流電流的路徑。另外，在圖4d中，例如示出了屬于幾萬hz以上的最高頻帶(下面，也記載為第四頻帶)的頻率的交流電流的路徑。此外，在圖4a～圖4d中，以粗線示出交流電流的路徑。

首先，關(guān)于圖4a所示的屬于第一頻帶的頻率的交流電流，由于頻率低，因此值的變動平緩，電流的值具有與作為固定值的直流相近的性質(zhì)。因而，這樣與直流相近的性質(zhì)的交流電流不流入陽極112的雙電層電容和陰極113的雙電層電容側(cè)部分，或者即使流入陽極112的雙電層電容和陰極113的雙電層電容側(cè)部分，其大小也小至能夠忽視的程度。即，如圖所示，交流電流實質(zhì)上僅流過陽極112的反應(yīng)電阻、電解質(zhì)膜電阻以及陰極113的反應(yīng)電阻的部分。

接著，關(guān)于圖4b所示的屬于第二頻帶的頻率的交流電流，與上述屬于第一頻帶的頻率的交流電流相比，值的變動變大，作為交流的性質(zhì)變得更強(qiáng)。因而，認(rèn)為如圖所示那樣，交流電流也開始流過陰極113的雙電層電容側(cè)。

另一方面，已知陽極112的反應(yīng)電阻值ra與陰極113的反應(yīng)電阻值rc相比取非常小的值，因此電流比較容易流向陽極112的反應(yīng)電阻側(cè)。因而，認(rèn)為在第二頻帶的頻率程度的交流電流中，電流依然不流入陽極112的雙電層電容側(cè)部分，或者即使流入陽極112的雙電層電容側(cè)部分，其大小也小至能夠忽視的程度。

并且，關(guān)于圖4c所示的屬于第三頻帶的頻率的交流電流，與上述屬于第二頻帶的頻率的交流電流相比，值的變動變得更大，因此作為交流的性質(zhì)進(jìn)一步變強(qiáng)。因而，認(rèn)為陽極112的雙電層電容的影響也變得無法忽視，電流也流過陽極112的雙電層電容部分。

另一方面，在該第三頻帶，陰極113處的氧化還原反應(yīng)變得無法追隨上述交流電流的值的變動速度，產(chǎn)生表觀上不再發(fā)生該氧化還原反應(yīng)的狀態(tài)。

因而，陰極113處的陰極氣體的反應(yīng)實質(zhì)上不發(fā)生，因此能夠忽視上述氧化還原反應(yīng)對陰極113的反應(yīng)電阻的影響。

即，在第三頻帶，如圖4c所示，交流電流不流入陰極113的反應(yīng)電阻，或者即使流入陰極113的反應(yīng)電阻、其大小也小至能夠忽視的程度，因此認(rèn)為實質(zhì)上僅流過雙電層電容成分。

此外，在陽極112處，氧化還原反應(yīng)對交流電流的值的變動的追隨性能比較高，該氧化還原反應(yīng)能夠在第三頻帶時仍追隨交流電流的值的變動。因而，認(rèn)為如圖所示那樣，屬于第三頻帶的頻率的交流電流依然流過陽極112的反應(yīng)電阻。

然后，關(guān)于圖4d所示的屬于第四頻帶的頻率的交流電流，與上述屬于第三頻帶的頻率的交流電流相比，值的變動進(jìn)一步變大，因此不僅是陰極113、陽極112處的氧化還原反應(yīng)也變得無法追隨該交流電流的值的變動。

因而，除了陰極113以外，陽極112處的反應(yīng)也實質(zhì)上不發(fā)生，能夠忽視陰極113的反應(yīng)電阻和陽極112的反應(yīng)電阻雙方的影響。

即，在第四頻帶，交流電流不流入陰極113和陽極112雙方的反應(yīng)電阻，或者即使流入陰極113和陽極112雙方的反應(yīng)電阻，其大小也小至能夠忽視的程度。因而，如圖所示，屬于第四頻帶的頻率的交流電流僅流過陰極113和陽極112各自的雙電層電容側(cè)。

根據(jù)以上的說明可以了解的是，對于上述的從第一頻帶選擇的頻率的交流電流、從第二頻帶選擇的頻率的交流電流、從第三頻帶選擇的頻率的交流電流以及從第四頻帶選擇的頻率的交流電流而言，流過燃料電池的簡易等效電路中的各要素的路徑不同。

因而，本發(fā)明人們想到了：利用像這樣與頻率相應(yīng)的交流電流的路徑的不同，參照基于簡易等效電路而得到的阻抗的式子，

[式1]

(其中，j表示虛數(shù)單位。)

根據(jù)基于屬于各頻帶的頻率的阻抗來個別地估計各種狀態(tài)量。

例如，從上述第四頻帶(下面也記載為“電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶”)選擇的頻率的交流電流流過電解質(zhì)膜電阻、陽極112的雙電層電容以及陰極113的雙電層電容的部分，因此基于從該電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶選擇的頻率的阻抗(下面也記載為“電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗”)包含電解質(zhì)膜電阻值rm的信息。

此外，該電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶是用于所謂的hfr(highfrequencyresistance：高頻電阻)的頻帶。因而，在阻抗的式(1)中當(dāng)設(shè)ω→∞時，能夠視作阻抗z與電解質(zhì)膜電阻值rm大致一致。

另外，從第三頻帶(下面也記載為“陽極響應(yīng)頻帶”)選擇的頻率的交流電流流過電解質(zhì)膜電阻、陽極112的反應(yīng)電阻、陽極112的雙電層電容以及陰極113的雙電層電容的部分，因此基于從該陽極響應(yīng)頻帶選擇的頻率的阻抗(下面記載為“陽極響應(yīng)阻抗”)至少包含陽極112的反應(yīng)電阻值ra和陽極112的雙電層電容值ca的信息。

特別是在該情況下，在圖4c所示的等效電路中能夠忽視陰極113的反應(yīng)電阻，因此阻抗的式子呈現(xiàn)為下式。

[式2]

并且，從第二頻帶選擇的頻率的交流電流流過電解質(zhì)膜電阻、陽極112的反應(yīng)電阻、陰極113的反應(yīng)電阻以及陰極113的雙電層電容的部分，因此基于從該第二頻帶選擇的頻率的阻抗包含電解質(zhì)膜電阻值、陽極112的反應(yīng)電阻值、陰極113的反應(yīng)電阻值rc以及陰極113的雙電層電容值cc的信息來作為狀態(tài)量。

另外，從作為最低頻帶的第一頻帶(下面也記載為“低頻帶”)選擇的頻率的交流電流流過電解質(zhì)膜電阻、陽極112的反應(yīng)電阻以及陰極113的反應(yīng)電阻的部分，因此基于從該低頻帶選擇的頻率的阻抗(下面記載為低頻阻抗)至少包含陰極113的反應(yīng)電阻值rc的信息。

下面，在各實施方式中，說明使用上述電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶、陽極響應(yīng)頻帶以及低頻帶燃料中的至少兩個來進(jìn)行的各狀態(tài)量的估計的詳情。

此外，一般已知的是，“頻率f”與“角頻率ω”之間存在ω＝2πf的關(guān)系，它們之間只存在乘以無量綱的常數(shù)2π的差異，因此在各實施方式中將“頻率”與“角頻率”同等看待，無論表示哪個都使用“ω”的符號，以簡化說明。

(第一實施方式)

下面，說明第一實施方式。

圖5是表示本實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。

如圖所示，首先，在步驟s101中，選擇電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶中的一個點的頻率ωh，求出基于頻率ωh的阻抗z(ωh)。

具體地說，在阻抗測量定時，控制器6控制dc/dc轉(zhuǎn)換器56，使得在從燃料電池1輸出的輸出電壓和輸出電流上疊加電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶的頻率ωh的交流信號。

并且，控制器6對由電壓傳感器52測定出的輸出電壓的值v實施傅立葉變換來得到電壓振幅值v(ωh)，對由電流傳感器51測定出的輸出電流的值i實施傅立葉變換處理來得到電壓振幅值i(ωh)，求出它們之比v(ωh)/i(ωh)來作為阻抗z(ωh)。此外，測量阻抗z(ωh)的手法在針對從電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶以外的陽極響應(yīng)頻帶、低頻帶選擇出的頻率進(jìn)行的情況下也是同樣的，因此以后省略其詳細(xì)說明。

接著，在步驟s102中，控制器6根據(jù)所得到的阻抗z(ωh)來估計電解質(zhì)膜電阻值rm。具體地說，如上所述，電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶是在所謂的hfr測量中使用的頻帶，基于從該高頻帶選擇出的頻率ωh的阻抗z(ωh)或其實部成分zr(ωh)大致與電解質(zhì)膜電阻值rm一致。即，將阻抗z(ωh)或其實部成分zr(ωh)的值直接估計為電解質(zhì)膜電阻值rm。

在步驟s103中，控制器6選擇陽極響應(yīng)頻帶中的兩個點的頻率ω1、ω2，求出基于該頻率ω1、ω2的陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)、z(ω2)。

在步驟s104中，控制器6根據(jù)估計出的電解質(zhì)膜電阻值rm以及所得到的兩個阻抗z(ω1)、z(ω2)，來估計陽極112的反應(yīng)電阻值ra和陽極112的雙電層電容值ca。

具體說明該估計的方式。首先，在選擇陽極響應(yīng)頻帶中的兩個點的頻率ω1、ω2的情況下，如上所述那樣能夠忽視陰極113的反應(yīng)電阻，因而，作為阻抗的式子，能夠使用從基于簡易等效電路的阻抗的式(1)去除陰極113的反應(yīng)電阻值ra后的式(2)。

在此，在式(2)中，代入作為已知的值的兩個點的頻率ω1、ω2以及基于它們的阻抗z(ω1)、z(ω2)的組合，取其實部zr(ω1)和zr(ωm2)。而且，考慮到估計出的電解質(zhì)膜電阻值rm已知，能夠得到未知數(shù)為ra和ca的兩個方程式。因而，只要對得到的兩個方程式進(jìn)行求解就能夠求出ra和ca。

示出求出未知數(shù)ra和ca的方法的一例。首先，當(dāng)取式(2)的實部來進(jìn)行變形時，為下式。

[式3]

考慮橫軸為ω²、縱軸為1/zr的平面，在該平面中，式(3)示為直線，其斜率mr呈現(xiàn)為下式。

[式4]

在此，兩個點的頻率ω1、ω2已知，因此當(dāng)將這兩個點的頻率ω1、ω2以及與它們對應(yīng)的阻抗測量值的實部zr(ω1)、zr(ω2)繪制于上述平面時，將它們連接的直線可定，斜率mr的值可定。即，式(4)的未知數(shù)是ra和ca。

接著，式(3)所表示的直線的截距a呈現(xiàn)為下式。

[式5]

在此，與斜率mr的值同樣地，根據(jù)點的頻率ω1、ω2以及與它們對應(yīng)的阻抗測量值的實部zr1、zr2，截距a的值也可定。而且，zr與阻抗測量值的實部zr1及zr2相當(dāng)，因此式(5)的未知數(shù)只有ra。

因而，根據(jù)式(5)，能夠?qū)㈥枠O112的反應(yīng)電阻值ra以下式的方式求出。

[式6]

另外，通過將根據(jù)式(6)決定的ra代入到式(4)，能夠?qū)㈥枠O112的雙電層電容值ca以下式的方式求出。

[式7]

此外，求出ra和ca的計算方法不限于上述的計算方法，能夠使用各種適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ā?/p>

接著，在步驟s105中，控制器6選擇低頻帶中的一個點的頻率ωl，測量基于該頻率ωl的阻抗z(ωl)。

在步驟s106中，控制器6使用已估計出的電解質(zhì)膜電阻值rm、陽極112的反應(yīng)電阻值ra和陽極112的雙電層電容值ca以及測量出的阻抗z(ωl)，來估計陰極113的雙電層電容值cc。

具體說明該估計的方式。如上所述，低頻帶的頻率ωl的交流電流流過燃料電池1的簡易等效電路中的全部電路要素、即陽極112的反應(yīng)電阻和雙電層電容、電解質(zhì)膜電阻以及陰極113的反應(yīng)電阻和雙電層電容的部分。因而，基于頻率ωl得到的低頻阻抗z(ωl)包含陽極112的反應(yīng)電阻值ra和雙電層電容值ca、電解質(zhì)膜電阻值rm以及陰極113的反應(yīng)電阻值rc和雙電層電容值cc的信息。因而，作為阻抗的式子，需要使用考慮到上述全部電路要素的式(1)。

在式(1)中，代入作為已知的值的頻率ωl以及基于頻率ωl的阻抗z(ωl)，取其實部zr(ωl)和虛部zi(ωl)。而且，考慮到估計出的電解質(zhì)膜電阻值rm、陽極112的反應(yīng)電阻值ra以及陽極112的雙電層電容值ca已知，能夠得到未知數(shù)為rc和cc的兩個方程式。因而，只要對這兩個方程式進(jìn)行求解就能夠求出未知數(shù)rc和cc。

示出像這樣求出未知數(shù)rc和cc的方法的一例。首先，當(dāng)取式(1)的實部來進(jìn)行變形時，為下式。

[式8]

另外，當(dāng)取式(1)的虛部來進(jìn)行變形時，為下式。

[式9]

在此，頻率ωl、與頻率ωl對應(yīng)的阻抗測量值的實部zr(ωl)和虛部zi(ωl)以及ra和ca已知，因此當(dāng)將它們代入到式(8)和式(9)來進(jìn)行變形時，陰極113的雙電層電容值cc為下式。

[式10]

其中，在式(10)中ω是ωl，a能夠如下述的式(11)那樣定義。

[式11]

并且，陰極113的反應(yīng)電阻值rc以下式的方式被求出。

[式12]

其中，式(12)中的a如上述式(11)那樣定義，式(12)中的b如下述式(13)那樣定義。

[式13]

如以上那樣，通過步驟s101～步驟s106的步驟，作為燃料電池1的狀態(tài)量，能夠估計出電解質(zhì)膜電阻值rm、陽極112的反應(yīng)電阻值ra、陽極112的雙電層電容值ca、陰極113的反應(yīng)電阻值rc以及陰極113的雙電層電容值cc。

根據(jù)上述的本實施方式，能夠得到以下的效果。在本實施方式中，由控制器6、電流傳感器51、電壓傳感器52以及dc/dc轉(zhuǎn)換器56來構(gòu)成狀態(tài)檢測裝置。另外，阻抗獲取單元和內(nèi)部狀態(tài)量估計單元由控制器6構(gòu)成。

根據(jù)本實施方式，接受陽極氣體和陰極氣體的供給來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池1的狀態(tài)檢測裝置的阻抗獲取單元獲取基于從至少包括對陽極112的狀態(tài)量ra、ca表現(xiàn)出響應(yīng)性的頻帶的高頻帶(陽極響應(yīng)頻帶和電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶)選擇出的頻率ωh、ω1、ω2的高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)以及基于從至少包括對陰極的狀態(tài)量rc、cc表現(xiàn)出響應(yīng)性的頻帶的低頻帶選擇出的頻率ωl的低頻阻抗z(ωl)(步驟s101、步驟s103、步驟s105)。

然后，燃料電池1的狀態(tài)檢測裝置的內(nèi)部狀態(tài)量估計單元將獲取到的高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)與低頻阻抗z(ωl)進(jìn)行組合，分別估計作為燃料電池1的內(nèi)部狀態(tài)的陽極112的狀態(tài)量ra、ca和陰極113的狀態(tài)量rc、cc。

據(jù)此，能夠基于獲取到的高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)和低頻阻抗z(ωl)這樣的從不同頻帶得到的阻抗信息，利用與頻率的大小相應(yīng)的陽極112的反應(yīng)和陰極113的反應(yīng)對于電流變動的追隨速度差，來至少分別個別地探測陽極112的狀態(tài)量ra、ca和陰極113的狀態(tài)量rc、cc。因而，能夠得到高精度的陽極112的狀態(tài)量ra、ca和陰極113的狀態(tài)量(rc、cc)的信息，其結(jié)果是能夠使利用這些狀態(tài)量進(jìn)行的燃料電池1的動作控制更適當(dāng)。

并且，根據(jù)本實施方式，內(nèi)部狀態(tài)量估計單元基于高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)來估計某個內(nèi)部狀態(tài)量rm、ra、ca，基于估計出的該內(nèi)部狀態(tài)量rm、ra、ca以及低頻阻抗z(ωl)來估計其它內(nèi)部狀態(tài)量rc、cc。

由此，對于僅利用作為一個頻帶的低頻帶的低頻阻抗z(ωl)無法確定的內(nèi)部狀態(tài)量rc、cc，能夠基于根據(jù)作為其它頻帶的高頻帶的高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)估計出的內(nèi)部狀態(tài)量rm、ra、ca來使其確定。即，能夠更可靠地進(jìn)行多種內(nèi)部狀態(tài)量rm、ra、ca、rc、cc彼此的區(qū)分。

此外，反之也可以是，內(nèi)部狀態(tài)量估計單元基于低頻阻抗z(ωl)來估計某個內(nèi)部狀態(tài)量，基于估計出的內(nèi)部狀態(tài)量以及高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)來估計其它內(nèi)部狀態(tài)量。

另外，根據(jù)本實施方式，上述高頻帶(陽極響應(yīng)頻帶和電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶)包括陽極響應(yīng)頻帶和電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶，該陽極響應(yīng)頻帶是對燃料電池1的陽極112的狀態(tài)量ra、ca表現(xiàn)出響應(yīng)性的頻帶，該電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶是頻率比陽極響應(yīng)頻帶高的頻帶，對燃料電池1的電解質(zhì)膜的狀態(tài)量rm表現(xiàn)出響應(yīng)性。而且，阻抗獲取單元獲取基于從陽極響應(yīng)頻帶選擇出的頻率的陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)、z(ω2)以及基于從電解質(zhì)膜響應(yīng)頻帶選擇出的頻率的電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗z(ωh)這兩方，來作為高頻阻抗z(ωh)、z(ω1)、z(ω2)(步驟s101、步驟s103)。

由此，能夠基于電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗z(ωh)和陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)、z(ω2)來分別估計燃料電池1的電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量rm和陽極112的狀態(tài)量ra、ca。

并且，根據(jù)本實施方式，內(nèi)部狀態(tài)量估計單元基于電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗z(ωh)來估計電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量rm(步驟s102)，基于估計出的該電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量rm以及陽極響應(yīng)頻帶阻抗z(ω1)、z(ω2)來估計陽極112的狀態(tài)量ra、ca(步驟s104)。

由此，能夠基于估計出的該電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量rm以及陽極響應(yīng)頻帶阻抗z(ω1)、z(ω2)，更可靠地與其它狀態(tài)量分開地估計陽極112的狀態(tài)量ra、ca。

特別是，在本實施方式中，陽極112的狀態(tài)量ra、ca包含該陽極112的反應(yīng)電阻值ra和雙電層電容值ca，陰極113的狀態(tài)量rc、cc包含該陰極113的反應(yīng)電阻值rc和雙電層電容值cc。而且，內(nèi)部狀態(tài)量估計單元基于陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)、z(ω2)來估計陽極112的反應(yīng)電阻值ra和陽極112的雙電層電容值ca(步驟s104)。另外，內(nèi)部狀態(tài)量估計單元基于估計出的電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量rm、陽極112的反應(yīng)電阻值ra和陽極112的雙電層電容值ca以及低頻阻抗z(ωl)來估計陰極113的反應(yīng)電阻值rc(步驟s106)。

據(jù)此，對于包含除陰極113的反應(yīng)電阻值rc以外的全部信息的低頻帶的低頻阻抗z(ωl)，能夠應(yīng)用基于陽極響應(yīng)阻抗(z(ω1)、z(ω2))估計出的陽極112的反應(yīng)電阻值ra和雙電層電容值ca、基于電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗z(ωh)估計出的電解質(zhì)膜111的狀態(tài)量rm。

因而，能夠根據(jù)包含除目標(biāo)的狀態(tài)量rc以外的信息的低頻帶的低頻阻抗z(ωl)，來適當(dāng)?shù)胤珠_估計該目標(biāo)的狀態(tài)量rc。

(第二實施方式)

下面，說明第二實施方式。此外，對與已經(jīng)說明的第一實施方式的要素相同的要素標(biāo)注同一標(biāo)記。

圖6是表示第二實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。圖6中的步驟s101～步驟s104與圖5中的s101～步驟s104相同，因此省略其詳細(xì)說明。在第二實施方式中，將預(yù)先設(shè)定的燃料電池1的i-v(電流電壓)特性線圖(i-v特性圖)中的特性線的直線部分的斜率視作低頻阻抗來獲取該斜率，以代替在低頻帶的頻率下測量低頻阻抗。

如圖所示，在經(jīng)過步驟s101～步驟s104之后、即獲取到陽極112的反應(yīng)電阻值ra和雙電層電容值ca的估計值之后，在步驟s205中，將燃料電池1的i-v特性圖中的特性線的直線部分的斜率δv/δi視作低頻阻抗z(ωl)，獲取該斜率δv/δi。

圖7中分別示出穩(wěn)定時和非穩(wěn)定時的燃料電池1的i-v特性線。此外，該燃料電池1的i-v特性線是預(yù)先基于實驗等而決定的。特性線cv1表示穩(wěn)定時的i-v特性，特性線cv2表示非穩(wěn)定時的i-v特性。在此，穩(wěn)定時是指不是起步時、停車時等突然加速狀態(tài)的、穩(wěn)定行駛時的燃料電池1的輸出特性。

特別是，根據(jù)圖可以了解的是，在穩(wěn)定時的特性線cv1的穩(wěn)定區(qū)域p，斜率δv/δi的變動小而大致取固定值，呈直線形態(tài)。因而，在穩(wěn)定區(qū)域p，不管輸出電流i如何都能夠?qū)⑿甭师膙/δi視作固定值。

這樣，δv/δi的值固定的穩(wěn)定區(qū)域p是使穩(wěn)定時的特性線cv1的δv/δi的值為規(guī)定值以下的橫軸(輸出電流i)的區(qū)間。

在本實施方式中，控制器6將該穩(wěn)定區(qū)域p的δv/δi的值預(yù)先存儲到未圖示的存儲器等，在獲取低頻阻抗z(ωl)的定時從該存儲器讀出δv/δi的值，視作低頻阻抗z(ωl)。這樣得到的低頻阻抗z(ωl)與現(xiàn)實的值良好匹配。

然后，在步驟s206中，使用作為低頻阻抗z(ωl)而獲取的δv/δi的值來進(jìn)行陰極113的反應(yīng)電阻值rc的估計。

具體地說明。當(dāng)在上述的式(1)中假定ω為低頻率(ω→0)時，認(rèn)為下式成立。

[式14]

因而，在式(14)中，當(dāng)將阻抗z置換為δv/δi時，為下式。

[式15]

由此，通過將通過步驟s101～步驟s104的過程而估計出的電解質(zhì)膜電阻值rm和陽極112的反應(yīng)電阻值ra代入到式(15)，能夠計算出陰極113的反應(yīng)電阻值rc。

根據(jù)以上說明的本實施方式所涉及的燃料電池1的狀態(tài)檢測裝置，作為阻抗獲取單元的控制器6獲取燃料電池1的i-v特性線的斜率δv/δi來作為低頻阻抗z(ω1)。即，不直接測量就能夠獲取低頻阻抗z(ω1)。

此外，例如，也可以是，利用獲取i-v特性線的斜率δv/δi的值來作為低頻阻抗z(ω1)以及通過測量來獲取低頻阻抗z(ω1)這兩方的方法，來獲取低頻阻抗z(ω1)，將對利用這兩方的方法得到的低頻阻抗z(ω1)進(jìn)行相互比較/校正等而獲取到的更高精度的低頻阻抗z(ω1)用在陰極113的反應(yīng)電阻值rc的估計中。

并且，在本實施方式中，作為阻抗獲取單元的控制器6在燃料電池1的i-v特性線cv1的斜率的值的變動為規(guī)定值以下的穩(wěn)定區(qū)域p獲取斜率δv/δi來作為低頻阻抗z(ω1)。

在像這樣斜率δv/δi的變動比較小的穩(wěn)定區(qū)域p，無論輸出電流i的測量值如何，都可以將斜率δv/δi的值視作固定，因此無需針對每個輸出電壓v、輸出電流i的測量值來計算斜率δv/δi的值，能夠減少運(yùn)算量。

(第三實施方式)

說明第三實施方式。此外，對與已說明的實施方式的要素相同的要素標(biāo)注同一標(biāo)記。

圖8是表示本實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。如圖所示，在本實施方式中，省略了與圖5所示的步驟s101及步驟s102相當(dāng)?shù)氖褂秒娊赓|(zhì)膜響應(yīng)頻帶的頻率進(jìn)行的電解質(zhì)膜電阻值rm的估計。

特別是，在本實施方式中，在特有的步驟s304中，使用在陽極響應(yīng)頻帶的兩個點的頻率ω1、ω2獲取到的陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)和z(ω2)，來估計作為狀態(tài)量的陽極112的反應(yīng)電阻值ra、陽極112的雙電層電容值ca、陰極113的雙電層電容值cc以及電解質(zhì)膜電阻值rm(步驟s304)。

下面，說明步驟s304中的狀態(tài)量估計的一個方式。

在本實施方式中，也基于上述的阻抗的式(2)來進(jìn)行計算。取式(2)的實部來得到式(3)、基于式(3)得到式(4)的步驟與第一實施方式所涉及的估計陽極112的反應(yīng)電阻值ra和陽極112的雙電層電容值ca的情況相同。

然后，如果對式(4)進(jìn)行變形，則能夠得到下式。

[式16]

此外，如上所述，mr是將兩個阻抗z(ω1)和z(ω2)連接的直線的斜率，是已知的值。

另一方面，當(dāng)取式(2)的虛部時為下式。

[式17]

在此，當(dāng)將式(16)的ra代入到上述式(17)、使兩邊乘以ω時，為下式。

[式18]

然后，當(dāng)將上述已知的頻率ω1和ω2以及與它們對應(yīng)的阻抗測量值的虛數(shù)成分zi1和zi2分別代入到式(18)來得到兩個式子、取這兩個式子之差來消除陰極的雙電層電容cc時，能夠得到與作為未知數(shù)的陽極的雙電層電容ca有關(guān)的4次方程式。

[式19]

對式(19)的4次方程式進(jìn)行求解，考慮到ca不能取虛數(shù)值，作為陽極的雙電層電容ca的候選，能夠得到兩個解。

[式20]

[式21]

此外，式(19)的4次方程式能夠使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的各種解法。

其中，t1是如下所述那樣定義的常數(shù)。

[式22]

以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但是上述實施方式不過示出了本發(fā)明的應(yīng)用例的一部分，其宗旨并不在于將本發(fā)明的保護(hù)范圍限定于上述實施方式的具體結(jié)構(gòu)。

并且，式中的a2、a1以及a0分別為下式。

[式23]

并且，通過將ca1和ca2分別代入到上述式(16)，能夠與該ca1和ca2對應(yīng)地決定ra1和ra2作為反應(yīng)電阻的估計值的候選。估計值的候選ra1和ra2如下述那樣。

[式24]

[式25]

在此，需要根據(jù)上述的陽極112的雙電層電容值的候選ca1和ca2以及反應(yīng)電阻值的候選ra1和ra2來決定適于現(xiàn)實特性的真正的估計值。說明其方法的一例。

在本實施方式中，對于該真正的估計值的決定，并非僅根據(jù)ca1、ra1、ca2以及ra2的值來判斷，而是對上述式(17)中的阻抗虛部的式子進(jìn)行變形而得到的陰極113的雙電層電容值cc的式子。

[式26]

圖9中示出了陰極113的雙電層電容值的候選cc1、cc2的頻率響應(yīng)。此外，該圖表是基于預(yù)先通過實驗等計算出的使頻率ω1和ω2在陽極響應(yīng)頻帶的范圍連續(xù)變化而得到的雙電層電容值的候選cc1、cc2的數(shù)據(jù)的圖表。

此外，在該圖表中，將cc1描繪的線表示為虛線，將cc2描繪的線表示為實線。另外，頻率ωd是對于陽極112的反應(yīng)電阻值和雙電層電容值的候選的組(ca1、ra1)和(ca2、ra2)而言(ca1、ra1)＝(ca2、ra2)的頻率。即，在頻率ωd下，ca1、ra1、ca2以及ra2中的上述式(20)、(21)、(24)以及(25)的根號內(nèi)部為0。

如圖所示，在頻率ω<ωd的區(qū)域，雙電層電容值的估計值候選cc2基本取0以下的值，在ωd之前cc2的值相對于頻率變化極端敏感，因此在頻率ω<ωd的區(qū)域，cc1是應(yīng)該現(xiàn)實采用的真正的估計值。

因而，關(guān)于陰極113的雙電層電容值和反應(yīng)電阻值，在頻率ω<ωd的區(qū)域，也分別采用與上述cc1對應(yīng)的ca1和ra1。

另一方面，在ω>ωd的區(qū)域，僅觀察陰極113的雙電層電容值的候選(cc1、cc2)的變化是難以判斷應(yīng)該采用cc1和cc2中的哪一個的。因此，通過直接研究陽極112的反應(yīng)電阻值和雙電層電容值的候選的組(ca1、ra1)和(ca2、ra2)來進(jìn)行該判斷。

圖10a示出了陽極112的雙電層電容的候選ca1、ca2的頻率響應(yīng)。另外，圖10b示出了陽極112的反應(yīng)電阻值的候選ra1、ra2的頻率響應(yīng)。此外，這些圖表也是基于預(yù)先通過實驗等計算出的使頻率ω1和ω2在陽極響應(yīng)頻帶的范圍連續(xù)變化而得到的候選的組(ca1、ra1)和(ca2、ra2)的數(shù)據(jù)的圖表。

當(dāng)參照圖10a時，在ω>ωd的區(qū)域，陽極112的雙電層電容值的候選ca1的頻率極端敏感。因而，在ω>ωd的區(qū)域，作為陽極112的雙電層電容值的真正的估計值，ca2是應(yīng)該現(xiàn)實采用的值。因而，在頻率ω>ωd的區(qū)域，應(yīng)該分別采用ca2以及與其對應(yīng)的ra1。

此外，參照圖10b可以了解的是，在比頻率ωd小的ω<ωd的區(qū)域，反應(yīng)電阻值的候選ra2對于頻率變化極端敏感，因此判斷出反應(yīng)電阻值的候選ra1是應(yīng)該現(xiàn)實采用的真正的估計值。因而，在該頻率ω<ωd的區(qū)域，應(yīng)該分別采用與ra1對應(yīng)的ca1和ra1，可知這一點與基于陰極113的雙電層電容值的頻率響應(yīng)進(jìn)行的考察一致。

另外，在頻率ω＝ωd時，(ca1、ra1)＝(ca2、ra2)，因此可以將這些候選的組中的任一組采用為真正的候選的組。

基于以上的考察可知，在決定真正的估計值時，應(yīng)該從候選的組(ca1、ra1)和(ca2、ra2)中決定的對象是根據(jù)頻率而變化的。具體地說，根據(jù)陽極響應(yīng)頻帶的兩個點的頻率ω1、ω2以及頻率ωd的大小，從候選的組(ca1、ra1)和(ca2、ra2)決定適當(dāng)?shù)慕M。并且，如果將所決定的陽極112的雙電層電容值ca和反應(yīng)電阻值ra的估計值代入到式(3)，則由于頻率ω和阻抗測量值的實部zr已知而可以求出電解質(zhì)膜電阻值rm。

使用這樣求出的陽極112的雙電層電容值ca、反應(yīng)電阻值ra以及電解質(zhì)膜電阻值rm的估計值，與第一實施方式同樣地進(jìn)行以后的步驟s105和步驟s106，將陰極113的反應(yīng)電阻值rc也估計出來。

根據(jù)以上說明的本實施方式所涉及的燃料電池1的狀態(tài)判定，作為阻抗獲取單元和內(nèi)部狀態(tài)量估計單元的控制器6僅獲取陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)和z(ω2)來作為高頻阻抗，基于陽極響應(yīng)頻帶阻抗z(ω1)和z(ω2)來估計陽極112的狀態(tài)量ca和ra。

由此，盡管省略基于電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗的測量的電解質(zhì)膜電阻值rm的估計來減輕對控制器6的負(fù)荷，也能夠估計陽極112的狀態(tài)量ca和ra，最終能夠?qū)⒆鳛殛帢O113的狀態(tài)量的反應(yīng)電阻值rc也估計出來。

(第四實施方式)

說明第四實施方式。此外，對與已說明的實施方式的要素相同的要素標(biāo)注同一標(biāo)記。

圖11是表示本實施方式所涉及的狀態(tài)量的估計的流程的流程圖。如圖所示，在本實施方式中，與第三實施方式同樣地，在步驟s103求出陽極響應(yīng)阻抗z(ω1)、z(ω2)，在步驟s304中求出陽極112的反應(yīng)電阻值ra和雙電層電容值ca、陰極113的雙電層電容值cc以及電解質(zhì)膜電阻值rm的估計值。

之后，與第二實施方式的情況同樣地，在步驟s205中基于燃料電池1的i-v特性來獲取低頻阻抗δv/δi，在步驟s206中根據(jù)這樣獲取到的低頻阻抗δv/δi以及電解質(zhì)膜電阻值rm的估計值來估計陰極113的反應(yīng)電阻值rc。

因而，根據(jù)本實施方式所涉及的燃料電池1的狀態(tài)判定，不直接測量低頻阻抗z(ω1)就能夠估計，并且能夠省略基于電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗的測量進(jìn)行的電解質(zhì)膜電阻值rm的估計，因此能夠進(jìn)一步減輕對控制器6的負(fù)荷。

(第五實施方式)

說明第五實施方式。此外，對與已說明的實施方式的要素相同的要素標(biāo)注同一標(biāo)記。

在本實施方式中，在第二實施方式和第四實施方式所涉及的步驟s205中，取代將圖7的穩(wěn)定時的特性線cv1的穩(wěn)定區(qū)域p的δv/δi的值事先存儲到存儲器的方式，而使用實際的輸出電壓v和輸出電流i的測量值以計算δv/δi的值。

圖12示出了穩(wěn)定時的燃料電池1的i-v特性線。特別是，在本實施方式中，對于在規(guī)定的測量定時由電流傳感器51測定出的輸出電流i1、i2以及在該定時由電壓傳感器52測定出的輸出電壓v1、v2，通過計算-(v1-v2)/(i1-i2)來計算斜率δv/δi。

即，根據(jù)輸出電壓和輸出電流的測量值來決定視作低頻阻抗的斜率δv/δi。

在本實施方式中，像這樣基于電流和電壓的兩組測量值(i1、v1)、(i2、v2)來計算燃料電池1的i-v特性線的斜率δv/δi。由此，與使用在穩(wěn)定區(qū)域p視作固定值而決定的斜率δv/δi的情況相比，能夠得到更高精度地反映出實際的特性的δv/δi的值。作為結(jié)果，將該δv/δi的值視作低頻阻抗來計算出的陰極113的反應(yīng)電阻值rc的估計值的精度也提高。

(第六實施方式)

說明第六實施方式。此外，對與已說明的實施方式的要素相同的要素標(biāo)注同一標(biāo)記。

在本實施方式中，取代如第五實施方式那樣測量輸出電流和輸出電壓的兩組測量值(i1、v1)、(i2、v2)以求出i-v特性線的斜率δv/δi，而是使用輸出電流和輸出電壓的一個測量值(i3、v3)以及事先設(shè)定的一個點(iset、vset)來進(jìn)行i-v特性線的斜率δv/δi的計算。

圖13是說明用于進(jìn)行i-v特性線的斜率δv/δi的計算的一組電流和電壓的設(shè)定方法的一例的圖。此外，在該圖中為了使附圖清楚，以虛線表示穩(wěn)定時的特性線cv1。如圖所示，在本實施方式中，圖中涂黑四方形所表示的點與上述(iset、vset)相當(dāng)。特別是，iset＝0。

因而，根據(jù)上述測量值(i3、v3)和事先設(shè)定值(iset、vset)，通過計算-(vset-v3)/(iset-i3)來計算斜率δv/δi的值。

如上所述，根據(jù)本實施方式，基于電流和電壓的一組測量值(i3、v3)和事先設(shè)定的一組電流和電壓的值(iset、vset)來計算i-v特性線的斜率δv/δi的值。

因而，對于燃料電池1的i-v特性線的斜率δv/δi，在計算該斜率的值時使用的i-v特性線上的兩個點中，作為一個點使用事先設(shè)定的(iset、vset)來抑制運(yùn)算量，作為另一個點使用測量值(i3、v3)，由此能夠?qū)⒂嬎愕木纫泊_保為一定以上。

(第七實施方式)

下面，說明第七實施方式。此外，對與已說明的實施方式的要素相同的要素標(biāo)注同一標(biāo)記。

在第一實施方式等中測量燃料電池1的阻抗時，測定疊加有交流信號的輸出電流i和輸出電壓v，在本實施方式中，取代這種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行所謂的激勵電流施加法，即，從規(guī)定的測定用電流源向燃料電池1提供電流i，基于該供給電流i以及輸出的電壓v來計算阻抗z＝v/i。

圖14是概要性地示出本實施方式的燃料電池系統(tǒng)100中阻抗測量所涉及的重要部分的框圖。

如圖所示，在本實施方式所涉及的燃料電池系統(tǒng)100中，設(shè)置有一邊調(diào)整交流電流一邊向燃料電池1施加該交流電流的施加交流電流調(diào)整部200。

施加交流電流調(diào)整部200除了與構(gòu)成為堆的燃料電池1的正極端子(陰極側(cè)端子)1b及負(fù)極端子(陽極側(cè)端子)1a連接以外，還與中途端子1c連接。此外，與中途端子1c連接的部分如圖所示那樣接地。

而且，施加交流電流調(diào)整部200具有：正極側(cè)電壓測定傳感器210，其測定正極端子1b相對于中途端子1c的正極側(cè)交流電位差v1；以及負(fù)極側(cè)電壓測定傳感器212，其測定負(fù)極端子1a相對于中途端子1c的負(fù)極側(cè)交流電位差v2。

并且，施加交流電流調(diào)整部200具有：正極側(cè)交流電源部214，其向包括正極端子1b和中途端子1c的電路施加交流電流i1；負(fù)極側(cè)交流電源部216，其向包括負(fù)極端子1a和中途端子1c的電路施加交流電流i2；控制器218，其對這些交流電流i1和交流電流i2的振幅、相位進(jìn)行調(diào)整；以及運(yùn)算部220，其基于正極側(cè)交流電位差v1、v2和交流電流i1、i2來進(jìn)行燃料電池1的阻抗z的運(yùn)算。

在本實施方式中，控制器218以使正極側(cè)交流電位差v1與負(fù)極側(cè)交流電位差v2相等的方式調(diào)節(jié)交流電流i1和交流電流i2的振幅和相位。此外，該控制器218也可以由圖3所示的控制器6構(gòu)成。

另外，運(yùn)算部220包括未圖示的ad變換器、微機(jī)芯片等硬件以及計算阻抗的程序等軟件結(jié)構(gòu)，將正極側(cè)交流電位差v1除以交流電流i1來計算從中途端子1c到正極端子1b的阻抗z1，將負(fù)極側(cè)交流電位差v2除以交流電流i2來計算從中途端子1c到負(fù)極端子1a的阻抗z2。并且，運(yùn)算部220通過取阻抗z1與阻抗z2之和來計算燃料電池1的整體阻抗z。

根據(jù)上述的本實施方式所涉及的燃料電池的狀態(tài)估計裝置，能夠得到以下的效果。

本實施方式所涉及的燃料電池的狀態(tài)估計裝置具有：交流電源部214、216，該交流電源部214、216與燃料電池1連接，向該燃料電池1輸出交流電流i1、i2；作為交流調(diào)整部的控制器218，其基于作為從燃料電池1的正極側(cè)1b的電位減去中途部分1c的電位而求出的電位差的正極側(cè)交流電位差v1以及作為從燃料電池1的負(fù)極側(cè)1a的電位減去中途部分1c的電位而求出的電位差的負(fù)極側(cè)交流電位差v2，來調(diào)整交流電流i1、i2；以及阻抗運(yùn)算部220，其基于調(diào)整后的交流電流i1、i2以及正極側(cè)交流電位差v1和負(fù)極側(cè)交流電位差v2來運(yùn)算燃料電池1的阻抗z。

控制器218以使燃料電池1的正極側(cè)的正極側(cè)交流電位差v1與負(fù)極側(cè)的負(fù)極側(cè)交流電位差v2實質(zhì)上一致的方式，對由正極側(cè)交流電源部214施加的交流電流i1和由負(fù)極側(cè)交流電源部216施加的交流電流i2的振幅和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。由此，正極側(cè)交流電位差v1的振幅與負(fù)極側(cè)交流電位差v2的振幅變得相等，因此正極端子1b與負(fù)極端子1a實質(zhì)上為相等電位。因而，防止用于阻抗測量的交流電流i1、i2流向負(fù)載53，因此防止對燃料電池1的發(fā)電產(chǎn)生影響。

另外，在燃料電池1處于發(fā)電狀態(tài)的情況下執(zhí)行上述阻抗測量的情況下，測量用交流電位會疊加在通過該發(fā)電產(chǎn)生的電壓上，因此正極側(cè)交流電位差v1和負(fù)極側(cè)交流電位差v2的值本身變大，但是正極側(cè)交流電位差v1和負(fù)極側(cè)交流電位差v2的相位、振幅本身并不改變，因此能夠與燃料電池1未處于發(fā)電狀態(tài)的情況同樣地執(zhí)行高精度的阻抗測量。

以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但是上述實施方式不過示出了本發(fā)明的應(yīng)用例的一部分，其宗旨并不在于將本發(fā)明的保護(hù)范圍限定于上述實施方式的具體結(jié)構(gòu)。例如，各實施方式中的獲取陽極響應(yīng)阻抗、電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗以及低頻阻抗的步驟(步驟s101、步驟s103以及步驟s105)等不限定于在各實施方式中說明的步驟順序，能夠任意地變更。

例如，也可以在將獲取陽極響應(yīng)阻抗、電解質(zhì)膜響應(yīng)阻抗以及低頻阻抗的步驟全部進(jìn)行完之后，進(jìn)行各狀態(tài)量的估計。

另外，在燃料電池1中估計多個內(nèi)部狀態(tài)量的方式不僅限于在上述各實施方式中說明的方式。

例如，也可以取代第一實施方式、第三實施方式中的步驟s105中的從低頻帶選擇一個頻率ωl的方式，而在低頻帶選擇兩個頻率ωl1、ωl2來求出低頻阻抗z(ωl1)和z(ωl2)。由此，不僅最終求出陰極113的反應(yīng)電阻rc，還能夠求出陰極113的雙電層電容ca的估計值。

另外，燃料電池1的簡易等效電路的方式也不限定于上述各實施方式中使用的方式。例如，也可以設(shè)定除了包括在上述各實施方式中說明的各極的反應(yīng)電阻、雙電層電容等電路元件以外、還包括擴(kuò)散電阻、電子輸送電阻以及離聚物電阻等其它要素的等效電路，以作為基于這些其它要素的內(nèi)部狀態(tài)量的擴(kuò)散電阻值、電子輸送電阻值以及離聚物電阻值等為估計的對象。