CN106797040B - 燃料电池的状态估计装置、状态估计方法、以及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种接受阳极气体以及阴极气体的供给进行发电的燃料电池的状态估计装置，包括：根据从所述燃料电池输出的规定频率的交流信号，测量该燃料电池的内部阻抗的内部阻抗测量单元；计算从所述内部阻抗的测量值的实数分量求得的有关电极的状态量的第1预备估计值和从该内部阻抗的测量值的虚数分量求得的有关电极的状态量的第2预备估计值的状态量预备估计值计算单元；以及根据该算出的第1预备估计值以及第2预备估计值，决定所述燃料电池的状态量的最终估计值的状态量最终估计值决定单元。

Description

燃料电池的状态估计装置、状态估计方法、以及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的状态估计装置、状态估计方法、以及燃料电池系统。
背景技术
已知测量燃料电池的电压值和阻抗值，根据这些值估计异常。作为燃料电池的异常，例如考虑阳极电极中的氢气的不足(氢饥饿(starvation))，阴极电极中的氧的不足(氧饥饿)，以及电解质膜的干燥(脱水)等。
在WO2010128555中，提出了在所谓的科尔-科尔图(cole-cole plot)中描绘的燃料电池的内部阻抗的圆弧相对较大时，估计为阳极的氢浓度相对较低(即，为氢饥饿状态)的氢浓度测量方法。
发明内容
如果发生氢饥饿，则认为燃料电池整体的内部阻抗的值增加，内部阻抗的圆弧确实地变大。但是，虽说内部阻抗的圆弧相对地变大，并不能断定其要因是氢饥饿所导致的。例如，有时内部阻抗的圆弧也由于阴极的氧浓度的降低而变大。因此，在以往的使用了内部阻抗的燃料电池的状态估计方法中，难以适当地估计燃料电池的状态。
本发明是着眼于这样问题点而完成的，其目的是提供能够适当地估计燃料电池的状态的燃料电池的状态估计装置以及方法。进而，在本发明提供使用了该状态估计装置的燃料电池系统。
按照本发明的一个方式，提供接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电的燃料电池的状态估计装置。更详细地说，该状态估计装置包括根据从燃料电池输出的规定频率的交流信号测量该燃料电池的内部阻抗的内部阻抗测量单元。而且，该状态估计装置包括计算从内部阻抗的测量值的虚数分量求得的关于电极的状态量的第2预备估计值的状态量预备估计值计算单元。进而，状态估计装置包括根据该算出的第1预备估计值以及第2预备估计值决定所述电极的状态量的最终估计值的状态量最终估计值决定单元。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池的立体图。
图2是图1的燃料电池的II－II截面图。
图3是本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图4是表示本发明的实施方式中采用的燃料电池堆的等效电路模型的图。
图5是表示决定表示第1实施方式的燃料电池堆的状态的最终估计值的流程的流程图。
图6是表示基于内部阻抗Z的虚数分量Zim的预备估计值Ract1以及预备估计值Cdl1的计算的细节的流程图。
图7是表示基于内部阻抗的实数分量Zre的预备估计值Ract2和双电层电容(electrical Double-Layer Capacitor)的预备估计值Cdl2的计算的流程的流程图。
图8是表示电解质膜电阻的计算的流程的流程图。
图9是表示第2实施方式的燃料电池堆的动作控制的流程的流程图。
图10是表示减小第1预备估计值和第2预备估计值之差的处理的流程的流程图。
图11表示考虑了测量系统的电抗成分的燃料电池堆的等效电路。
图12包含噪声而表示进行了S/N比增加处理的情况下的输出电流与不进行该处理的情况下的输出电流的方式。
图13是表示燃料电池堆的单元电压、反应电阻的第1预备估计值Ract1和第2预备估计值Ract2的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图等，说明本发明的实施方式。
燃料电池的单元通过作为燃料极的阳极电极和作为氧化剂极的阴极电极夹着电解质膜而构成。在燃料电池的单元中，含有氢的阳极气体被提供给阳极电极，另一方面，含有氧的阴极气体被提供给阴极电极，通过使用这些气体进行发电。在阳极电极以及阴极电极的两电极中进行的电极反应如以下那样。
阳极电极：2H2→4H++4e-···(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O···(2)
通过这些(1)、(2)的电极反应，燃料电池的单元生成1V(伏特)左右的电动势。这里，上述(1)以及(2)中表示的反应是可逆反应，例如对于阴极电极将阳极电极的电位提高规定值以上等，通常，通过施加与将燃料电池连接到负载使用的情况相反符号的电压，可以产生与上述(1)以及(2)相反的反应。因此，通过将交流电压施加到燃料电池单元，以上述(1)以及(2)表示的反应以及与其相反的反应的相互的转换，与该交流电压的正负变动对应地产生。
图1以及图2是用于说明本发明的一个实施方式的燃料电池单元10的结构的图。图1是燃料电池单元10的立体图，图2是图1的燃料电池单元10的II－II截面图。
如图1以及图2所示，燃料电池单元10包括：膜电极接合体(MEA)11；夹着MEA11来配置的阳极分离器12以及阴极分离器13。
MEA11由电解质膜111、阳极电极112、阴极电极113构成。MEA11在电解质膜111的一个面侧具有阳极电极112，另一个面侧具有阴极电极113。
电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表示良好的电传导性。而且，作为电解质膜111，也可以根据设想的燃料电池的对应，例如使用使磷酸(H3PO4)浸渍在规定的基体(マトリックス)中的材料等其它材料。
阳极电极112具有催化剂层112A和气体扩散层112B。催化剂层112A是由承载了白金或者白金等的碳粒子所形成的部件，被设置为与电解质膜111接触。气体扩散层112B被配置在催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是由具有气体扩散性以及导电性的碳布所形成的构件，被设置为与催化剂层112A以及阳极分离器12接触。
与阳极电极112同样，阴极电极113也具有催化剂层113A和气体扩散层113B。催化剂层113A被配置在电解质膜111和气体扩散层113B之间，气体扩散层113B被配置在催化剂层113A和阴极分离器13之间。
阳极分离器12被配置在气体扩散层112B的外侧。阳极分离器12具有用于对阳极电极112供给阳极气体(氢气)的多个阳极气体流路121。阳极气体流路121被形成作为沟状通路。
阴极分离器13被配置在气体扩散层113B的外侧。阴极分离器13具有用于对阴极电极113供给阴极气体(空气)的多个阴极气体流路131。阴极气体流路131形成作为沟状通路。
阳极分离器12以及阴极分离器13被构成为，使得流过阳极气体流路121的阳极气体的流动方向与流过阴极气体流路131的阴极气体的流动方向成为相互相反方向。而且，阳极分离器12以及阴极分离器13也可以构成为，使得这些气体的流动方向向相同的方向流过。
这样，在将这样的燃料电池单元10作为汽车用电源使用的情况下，被要求的电力大，所以作为将数百张的燃料电池单元10层积后的燃料电池堆来使用。然后，构成对燃料电池堆供给阳极气体以及阴极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
而且，在本实施方式中，以层积了燃料电池单元10的燃料电池堆的单位进行如后所述的阻抗测量，也可以以一张燃料电池单元10的单位或一部分燃料电池堆(例如数十张的单元)的单位进行阻抗测量。
而且，在燃料电池堆中，通过多张串联地配置一张燃料电池单元10中的阳极电极112、阴极电极113、以及电解质膜111，构成作为总和的阳极电极、阴极电极、以及电解质膜。但是，以下为了方便说明，对于作为该总和的阳极电极、阴极电极、以及电解质膜，也附加与单元单体的阳极电极112、阴极电极113、以及电解质膜111相同的标号。
图3是本发明的一个实施方式的燃料电池系统100的概略图。
燃料电池系统100具有燃料电池堆1、阴极气体给排装置2、阳极气体给排装置3、电力系统5、以及控制器6。
燃料电池堆1如上述那样，是将多张燃料电池单元10(单位单元)层积的层积电池。燃料电池堆1接受阳极气体以及阴极气体的供给，发电车辆的行驶所需要的电力。作为取出电力的输出端子，燃料电池堆1具有阳极电极侧端子1A和阴极电极侧端子1B。
阴极气体给排装置2对燃料电池堆1供给阴极气体，同时将从燃料电池堆1排出的阴极排出气体排出到外部。阴极气体给排装置2包括：阴极气体供给通路21；阴极气体排出通路22；过滤器23；气流传感器24；阴极压缩机25；阴极压力传感器26；水分回收装置(WRD；Water Recovery Device)27；以及阴极调压阀28。
阴极气体供给通路21是对燃料电池堆1供给的阴极气体流过的通路。阴极气体供给通路21的一端连接到过滤器23，另一端连接到燃料电池堆1的阴极气体入口部。
阴极气体排出通路22是从燃料电池堆1排出的阴极排出气体流过的通路。阴极气体排出通路22的一端连接到燃料电池堆1的阴极气体出口部，另一端形成作为开口端。阴极排出气体是包含阴极气体和因电极反应而生成的水蒸气等的混合气体。
过滤器23是将被取入阴极气体供给通路21的阴极气体中包含的尘埃等除去的构件。
阴极压缩机25被设置在过滤器23下游侧的阴极气体供给通路21上。阴极压缩机25将阴极气体供给通路21内的阴极气体压送后提供给燃料电池堆1。
气流传感器24被设置在过滤器23和阴极压缩机25之间的阴极气体供给通路21上。气流传感器24检测对燃料电池堆1供给的阴极气体的流量。
阴极压力传感器26被设置在阴极压缩机25和WRD27之间的阴极气体供给通路21上。阴极压力传感器26检测对燃料电池堆1供给的阴极气体的压力。在阴极压力传感器26中检测的阴极气体压力代表包含了燃料电池堆1的阴极气体流路等的阴极系统整体的压力。
WRD27跨过阴极气体供给通路21和阴极气体排出通路22进行连接。WRD27是回收流过阴极气体排出通路22的阴极排出气体中的水分，使用该回收的水分加湿流过阴极气体供给通路21的阴极气体的装置。
阴极调压阀28被设置在比WRD27下游的阴极气体排出通路22上。阴极调压阀28通过控制器6被开闭控制，调整对燃料电池堆1供给的阴极气体的压力。
接着，说明阳极气体给排装置3。
阳极气体给排装置3对燃料电池堆1供给阳极气体，同时将从燃料电池堆1排出的阳极排出气体排出至阴极气体排出通路22。阳极气体给排装置3包括：高压罐31；阳极气体供给通路32；阳极调压阀33；阳极压力传感器34；阳极气体排出通路35；缓冲罐36；清洗通路37；以及清洗阀38。
高压罐31是将对燃料电池堆1供给的阳极气体保持为高压状态而贮藏的容器。
阳极气体供给通路32是将从高压罐31排出的阳极气体提供给燃料电池堆1的通路。阳极气体供给通路32的一端连接到高压罐31，另一端连接到燃料电池堆1的阳极气体入口部。
阳极调压阀33被设置在高压罐31下游的阳极气体供给通路32上。阳极调压阀33通过控制器6进行开闭控制，调整对燃料电池堆1供给的阳极气体的压力。
阳极压力传感器34被设置在阳极调压阀33下游的阳极气体供给通路32上。阳极压力传感器34检测对燃料电池堆1供给的阳极气体的压力。在阳极压力传感器34中检测到的阳极气体压力代表包含缓冲罐36或燃料电池堆1的阳极气体流路等的阳极系统整体的压力。
阳极气体排出通路35是流过从燃料电池堆1排出的阳极排出气体的通路。阳极气体排出通路35的一端连接到燃料电池堆1的阳极气体出口部，另一端连接到缓冲罐36。在阳极排出气体中，包含在电极反应中未使用的阳极气体、或者从阴极气体流路131泄漏至阳极气体流路121的氮气等杂质气体或水分等。
缓冲罐36是暂时存储流过阳极气体排出通路35的阳极排出气体的容器。存储在缓冲罐36中的阳极排出气体在清洗阀38被打开时，通过清洗通路37被排出到阴极气体排出通路22。
清洗通路37是用于排出阳极排出气体的通路。清洗通路37的一端连接到阳极气体排出通路35，另一端连接到比阴极调压阀28下游的阴极气体排出通路22。
清洗阀38被设置在清洗通路37上。清洗阀38通过控制器6进行开闭控制，控制从阳极气体排出通路35排出到阴极气体排出通路22的阳极排出气体的清洗流量。
在清洗阀38执行成为开阀状态的清洗控制时，阳极排出气体通过清洗通路37以及阴极气体排出通路22排出到外部。这时，阳极排出气体在阴极气体排出通路22内与阴极排出气体混合。这样，通过使阳极排出气体和阴极排出气体混合后排出到外部，混合气体中的阳极气体浓度(氢浓度)被决定为排出允许浓度以下的值。
电力系统5包括：电流传感器51；电压传感器52；行驶电动机53；逆变器54；电池55；DC/DC转换器56；以及交流电源57。
电流传感器51检测从燃料电池堆1被取出的输出电流。电压传感器52检测燃料电池堆1的输出电压，即阳极电极侧端子1A和阴极电极侧端子1B之间的端子间电压。电压传感器52既可以构成为检测燃料电池单元10的每1张的电压，也可以构成为检测燃料电池单元10的每多张的电压。
行驶电动机53是三相交流同步电动机，是用于驱动车轮的驱动源。行驶电动机53具有作为从燃料电池堆1以及电池55接受电力的供给而旋转驱动的电动机的功能、以及作为通过被外力旋转驱动而发电的发电机的功能。
逆变器54由IGBT等多个半导体开关构成。逆变器54的半导体开关通过控制器6进行开关控制，由此，直流电力被变换为交流电力，或者交流电力被变换为直流电力。在使行驶电动机53具有作为电动机的功能的情况下，逆变器54将燃料电池堆1的输出电力和电池55的输出电力的合成直流电力变换为三相交流电力，提供给行驶电动机53。相对于此，在使行驶电动机53具有作为发电机的功能的情况下，逆变器54将行驶电动机53的再生电力(三相交流电力)变换为直流电力，提供给电池55。
电池55构成为使其被燃料电池堆1的输出电力的剩余部分以及行驶电动机53的再生电力充电。被充电到电池55的电力，根据需要被提供给阴极压缩机25等辅机类或者行驶电动机53。
DC/DC转换器56是使燃料电池堆1的输出电压升降压的双方向性的电压变换机。通过由DC/DC转换器56控制燃料电池堆1的输出电压，调整燃料电池堆1的输出电流等。
交流电源57是为了如后所述的燃料电池堆1的内部阻抗测量而对燃料电池堆1施加交流电压的电源，通过控制器6对其交流电压的振幅或相位(特别是角频率ω)等参数进行控制。而且，作为内部阻抗测量用的电源，也可以取代该交流电源57或者与其同时，将对燃料电池堆1供给交流电流的交流电流源相对于燃料电池堆1串联地设置。进而，也可以将交流电源57和交流电流源设置在与端子1A以及1B、逆变器54以及DC/DC转换器56之间路径不同的系统中。
控制器6由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。在控制器6中，除了来自电流传感器51和电压传感器52等各种传感器的信号，还输入来自检测油门踏板的踏下量的油门行程传感器(未图示)等传感器的信号。
控制器6根据燃料电池系统100的运转状态，控制阳极调压阀33或阴极调压阀28、阴极压缩机25等，调整对燃料电池堆1供给的阳极气体或阴极气体的压力或流量。
而且，控制器6根据燃料电池系统100的运转状态，计算燃料电池堆1的目标输出电力。进而，控制器6根据行驶电动机53的要求电力或阴极压缩机25等辅机类的要求电力、电池55的充放电要求等，计算目标输出电力。特别是，在本实施方式中，根据如后所述的燃料电池堆1的状态量的最终估计值，调整目标输出电力的值。
进而，控制器6根据上述算出的目标输出电力，参照预先确定的燃料电池堆1的IV特性(电流电压特性)，计算燃料电池堆1的目标输出电流。然后，控制器6通过DC/DC转换器56控制燃料电池堆1的输出电压，使得燃料电池堆1的输出电流成为目标输出电流，进行对行驶电动机53或辅机类供给需要的电流的控制。
而且，控制器6控制阴极压缩机25等，使得燃料电池堆1的各电解质膜111的湿润度(含水量)成为适于发电的状态。控制器6具有计算与电解质膜111的湿润度存在相关关系的燃料电池堆1的电解质膜电阻的功能。而且，控制器6也可以具有控制阴极压缩机25等的功能，以便电解质膜电阻取使得电解质膜111的湿润度成为良好的状态而确定的规定的目标值。
进而，在本实施的方式中，控制器6控制交流电源57，以便每当燃料电池堆1的内部阻抗测量时，将规定频率的交流电压施加到燃料电池堆1。并且，控制器6具有作为内部阻抗测量单元的功能，该内部阻抗测量单元根据这样施加的规定频率的交流电压、以及作为相对于该交流电压的燃料电池堆1的输出交流电流的、由电流传感器51检测出的值，测量燃料电池堆1的内部阻抗。
更详细地说，该控制器6除去对于来自交流电源57的交流电压值(即，电压传感器52中测量的值)进行了傅里叶变换的值、和对于从电流传感器51接收的输出交流电压值进行了傅里叶变换的值，计算规定频率中的燃料电池堆1的内部阻抗。
进而，控制器6具有作为状态量预备估计值计算单元和状态量最终估计值决定单元的功能。状态量预备估计值计算单元计算从内部阻抗的测量值的实数分量求得的有关电极的状态量的第1预备估计值、和从该内部阻抗的测量值的虚数分量求得的有关电极的状态量的第2预备估计值，状态量最终估计值决定单元根据该算出的各预备估计值决定燃料电池堆1的最终估计值。而且，关于各预备估计值的计算、以及基于这些计算的最终估计值的决定在后面详细地说明。
图4是表示燃料电池堆1的等效电路的示意图。
如图4所示，本实施方式的燃料电池堆1的等效电路可以认为是由作为燃料电池堆1的电解质膜111的电阻成分即电解质膜电阻Rm、阴极电极113的反应电阻Ract以及双电层电容Cdl所构成的电路。即，在本实施方式的燃料电池堆1的等效电路中，忽略阳极电极112中的反应电阻成分以及双电层电容成分。
作为其理由，列举以下这一点，即首先，在阳极气体流路内的阳极气体浓度成为适于发电的浓度的情况下，阳极电极112侧的反应电阻的值非常小，即使相对于阴极电极113的反应电阻值Ract加以忽略，对实际的等效电路模型也没有大的影响。
而且，这样由于阳极电极112侧的反应电阻的值非常小，在对燃料电池堆1施加了交流电压的情况中，该阳极电极112侧的反应电阻的部分中电流非常容易流过。即，由于这意味着与该反应电阻并联地配置的双电层电容成分中基本上不流过电流，使用即使忽略阻抗测量时阳极电极112的双电层电容成分，对实际的等效电路模型也没有大的影响。
由于以上的理由，即使在燃料电池堆1的等效电路模型中忽略阳极电极112的影响，也可以确保一定的精度。因此，以下以图4所示的燃料电池堆1的等效电路模型为前提，进行各预备估计值的计算以及最终估计值的决定。
而且，一般来说，已知“频率f”和“角频率ω”之间存在ω＝2πf的关系，它们之间仅有乘以了无量纲的常数2π的差异，所以以下为了简化说明，将“频率”和“角频率”视为等同，在表示任意一个的情况下都使用“ω”的记号。
(第1实施方式)
图5是表示第1方式的燃料电池堆1的状态估计的流程的流程图。而且，下述的步骤S101～步骤S104构成内部阻抗测量步骤，步骤S105以及步骤S106构成状态量预备估计值计算步骤，步骤S107构成状态量最终估计值计算步骤。
如图示那样，首先，在步骤S101中，控制器6在内部阻抗测量定时中，通过交流电源57对燃料电池堆1施加从规定的频带(例如数Hz～数kHz)选择的两个不同的频率ω1以及ω2的交流电压Vin1以及Vin2。
在步骤S102中，控制器6对相对于电流传感器51中测量的上述交流电压Vin1以及Vin2的各自的输出电流的电流值Iout1以及Iout2实施傅里叶变换处理，计算电流振幅值Iout(ω1)以及Iout(ω2)。
在步骤S103中，控制器6对频率ω1以及ω2的交流电压Vin1以及Vin2分别实施傅里叶变换处理，计算电压振幅值Vout(ω1)以及Vout(ω2)。
在步骤S104中，控制器6对各频率ω1以及ω2，将上述电压振幅值Vout(ω1)以及Vout(ω2)分别除以电流振幅值Iout(ω1)以及Iout(ω2)，计算内部阻抗Z1、Z2。然后，求该内部阻抗Z1，Z2的虚数分量Zim1以及Zim2和实数分量Zre1以及Zre2。
在步骤S105中，根据内部阻抗Z1，Z2的虚数分量Zim1以及Zim2计算反应电阻的第1预备估计值Ract1以及燃料电池的双电层电容的第1预备估计值Cdl1。以下说明该计算的具体步骤。
图6是表示基于内部阻抗Z的虚数分量Zim1以及Zim2的第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Cdl1的计算的细节的流程图。
在步骤S1101中，根据燃料电池堆1的等效电路模型求内部阻抗Z的虚数分量Zim的关系式。
首先，基于上述图4所示的燃料电池堆1的等效电路模型的算式，如以下那样。
Figure BDA0001266883710000101
其中，Z是燃料电池堆1的内部阻抗，j是虚数单位，ω是交流信号的角频率，Rm是电解质膜电阻的值，Ract是阴极电极113的反应电阻值，以及Cdl意味着阴极电极113的双电层电容。
对于该式(1)，取两边的虚数分量，将Cdl设为Cdl1，将Ract改写为Ract1来进行变形时，得到
Figure BDA0001266883710000111
那样的内部阻抗的虚数分量Zim的关系式。
在步骤S1102中，对于上述式(2)，代入频率ω1以及ω2、以及在步骤S104中求得的内部阻抗的虚数分量Zim1以及Zim2，得到将未知数设为Ract1以及Cdl1的方程式并解它。
特别是，对于上述式(2)，在纵轴上取－1/ωZim、在横轴上取1/ω2，以两个频率ω1以及ω2绘制该坐标上的2点，描绘直线，如果求出该直线的斜率以及截距，因为该斜率等于1/(Cdl1·Ract1 2)，截距等于Cdl1，所以双电层电容的第1预备估计值Cdl1可以作为截距的值求出。而且，可以通过该求得的第1预备估计值Cdl1和斜率的值，求反应电阻的第1预备估计值Ract1。
返回图5，在步骤S106中，控制器6根据内部阻抗Z的实数分量Zre，计算反应电阻的第2预备估计值Ract2以及双电层电容的第2预备估计值Cdl2。
图7是表示基于内部阻抗Z的实数分量Zre的第2预备估计值Ract2以及第2预备估计值Cdl2的计算的细节的流程图。
如图示那样，在步骤S1201中，根据燃料电池堆1的等效电路模型求出内部阻抗Z的实数分量Zre的关系式。
具体地说，对于上述式(1)，取两边的实数分量，将Cdl设为Cdl2，将Ract改写为Ract2来变形时，得到
Figure BDA0001266883710000112
的内部阻抗Z的实数分量Zre的关系式。
这里，在上述(3)式中，未知数是双电层电容的第2预备估计值Cdl2、反应电阻的第2预备估计值Ract2、以及电解质膜电阻Rm，所以为了求反应电阻的第2预备估计值Ract2，除了需要在步骤S104中求得的实数分量Zre1以及Zre2，还需要求电解质膜电阻Rm。因此，在下一个步骤S1202中，求电解质膜电阻Rm。
图8是表示电解质膜电阻Rm的测量(以下将该测量也记载为HFR测量)的流程的流程图。而且，该HFR测量虽然也可以与上述内部阻抗测量一起进行，但是在本实施方式中，例如设想由于确认电解质膜111的湿润度等理由，而预先单独地进行。
在步骤S1301中，控制器6在内部阻抗测量定时中，通过交流电源57对燃料电池堆1施加高频率ω∞(数kHz～数十kHz)的交流电压Vin。
在步骤S1302中，控制器6对在电流传感器51中测量的与上述交流电压Vin相对的输出电流的电流值Iout实施傅里叶变换处理，计算电流振幅值Iout(ω∞)。
在步骤S1303中，控制器6对交流电压Vin实施傅里叶变换处理，计算电压振幅值Vout(ω∞)。
在步骤S1304中，将上述电压振幅值Vout(ω∞)除以电流振幅值Iout(ω∞)，计算内部阻抗Z，决定该实数分量作为燃料电池堆1的电解质膜电阻Rm。
而且，在上述等效电路模型的式(1)中表示的燃料电池堆1的内部阻抗中，在频率为数kHz以上的量级的足够大的值的情况下，作为ω→∞的情况处理，可以将式(1)的右边的第2项的值大致近似为0。因此，在频率为数十kHz以上的量级的情况下，内部阻抗Z的实数分量Zre与电解质膜电阻的值Rm基本上一致，所以通过该测量，得到高精度的电解质膜电阻的值Rm。
返回图7，在步骤S1203中，对于上述式(3)，代入两个频率ω1以及ω2、内部阻抗的实数分量Zre1以及Zre2、以及算出的电解质膜电阻值Rm，得到将未知数设为Cdl2以及Ract2的方程式并解它。
特别是，如果在纵轴取1/(ZRe－Rm)、横轴取ω2，在两个频率ω1以及ω2绘制该坐标上的2点，描绘直线，求该直线的斜率以及截距，则该斜率等于Cdl2 2·Ract2，截距等于1/Ract2。因此，可以由截距的值求Ract2，可以由求得的Ract2以及斜率的值计算Cdl2。
而且，作为求出上述电解质膜电阻Rm的方法，也可以取代在步骤S1301～S1303中进行HFR测量，而在三个频率ω1、ω2、以及ω3进行内部阻抗的实部分量Zre的测量，将这些频率ω1、ω2、以及ω3和Zre的测量值代入式(3)，解以Cdl2、Ract2、以及Rm为未知数而得到的方程式。由此，可以计算双电层电容的第2预备估计值Cdl2、以及反应电阻的第2预备估计值Ract2而不进行HFR测量。
返回图5，在步骤S107中，根据算出的反应电阻的第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2、以及双电层电容的第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2，计算反应电阻的最终估计值Ractf以及双电层电容的最终估计值Cdlf。
具体地说，将反应电阻的最终估计值Ractf决定为Max{Ract1，Ract2}，将双电层电容的最终估计值Cdlf决定为Min{Cdl1，Cdl2}。其中，Max{x，y}意味着x和y的值中较大的值(在x＝y的情况下x和y的任意一个都可以)。而且，Min{x，y}意味着x和y的值内的较小的值(在x＝y的情况下，x和y的任意一个都可以)。而且，反应电阻的最终估计值Ractf以及Cdlf的计算不限于该方法，例如，也可以通过Ractf＝(Ract1+Ract2)/2，Cdlf＝(Cdl1+Cdl2)/2等其它的计算方法来计算。
通过以上那样的各步骤得到的最终估计值Ractf以及Cdlf良好地近似于燃料电池堆1的实际的反应电阻的值以及双电层电容。特别是，在燃料电池堆1中发生了某些异常的情况下，可知反应电阻的值处于变大的倾向，另一方面双电层电容处于变小的倾向。
因此，如上述那样，通过将反应电阻的最终估计值Ractf决定为Max{Ract1，Ract2}，将双电层电容的最终估计值Cdlf决定为Min{Cdl1，Cdl2}，当进行将最终估计值(Ractf，Cdlf)设为控制参数之一的燃料电池堆1的动作控制时，可以确保为了迅速检知异常状态的足够的余量。
按照上述的本实施方式的控制器6(状态估计装置)以及具有该控制器的燃料电池系统100，可以得到以下的效果。
控制器6具有作为根据从燃料电池堆1输出的规定频率(ω1，ω2)的交流信号(Iout1，Iout2)测量该燃料电池堆1的内部阻抗Z的内部阻抗测量单元的功能。而且，控制器6具有作为计算从内部阻抗的测量值(Z1，Z2)的实数分量Zre求得的有关作为电极的阴极电极113的状态量的第1预备估计值(Ract1，Cdl1)、以及作为从该内部阻抗的测量值(Z1，Z2)的虚数分量Zim求得的有关阴极电极113的状态量的第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的状态量预备估计值计算单元的功能。进而，控制器6具有作为根据该算出的第1预备估计值(Ract1，Cdl1)以及第2预备估计值(Ract2，Cdl2)决定燃料电池堆1的状态量的最终估计值(Ractf，Cdlf)的状态量最终估计值决定单元的功能。
由此，如图5所示的步骤S107的部分中说明的那样，使用从相互独立的分量即内部阻抗虚数分量Zim以及内部阻抗实数分量Zre分别算出的第1预备估计值(Ract1，Cdl1)以及第2预备估计值(Ract2，Cdl2)决定用于估计燃料电池堆1的状态的最终估计值(Ractf，Cdlf)。由此，该最终估计值(Ractf，Cdlf)成为与燃料电池堆1的状态一致的高精度的值。作为结果，如果使用该最终估计值(Ractf，Cdlf)作为控制参数，则可以执行燃料电池堆1的优选的动作控制。
特别是，如本实施方式那样，由控制器6通过对第1预备估计值(Ract1，Cdl1)以及第2预备估计值(Ract2，Cdl2)取Max{Ract1，Ract2}以及Min{Cdl1，Cdl2}来决定最终估计值Ractf以及Cdlf，用于决定最终估计值Ractf以及Cdlf的运算也变得容易。
特别是在燃料电池堆1中发生了某些异常的情况下，反应电阻的值存在变大的倾向，所以如上述那样，通过将反应电阻值的第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2内的值较大的一方即Max{Ract1，Ract2}设为最终估计值Ractf，从而能够进行迅速检知燃料电池堆1的异常状态的保守的燃料电池堆1的控制。
而且，当求燃料电池堆1的反应电阻值的第1预备估计值Ract1时，根据上述式(2)，使用各频率ω1以及ω2、以及与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2。由此，可以更可靠地求出第1预备估计值Ract1。
特别是，优选在将横轴设为1/ω2，将纵轴设为－1/(ω·Zim)的坐标中，使用各频率ω1以及ω2、以及与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2，绘制所述坐标上的2点，计算连接该2点得到的直线的斜率以及截距，根据该算出的斜率以及截距求上述第1预备估计值Ract1。
由此，可以由上述斜率以及截距简便并且高速地计算第1预备估计值Ract1，而不求电解质膜电阻Rm等其它的参数。而且，上述坐标上的绘制数也可以为3点以上。通过将绘制数设为3点以上，得到与实际的值更一致的精度高的直线，作为结果，使用第1预备估计值Ract1最终得到的最终估计值Ractf的精度也进一步提高。
进而，当求反应电阻值的第2预备估计值Ract2时，根据上述(3)式，使用各频率ω1以及ω2、与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm。由此，可以更可靠地求出第2预备估计值Ract2。
特别是，优选在将横轴设为ω2、将纵轴设为1/(Zre－Rm)的坐标上，使用各频率ω1以及ω2、与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm，绘制所述坐标上的2点，计算连接该2点得到的直线的截距，根据该算出的截距求出上述第2预备估计值Ract2。
由此，在使用了内部阻抗的实数分量Zre的第2预备估计值Ract2的计算中，例如，在为了掌握被认为对燃料电池堆1的性质产生较大影响的电解质膜111的湿润度等的状态而预先计算电解质膜电阻Rm的情况等下，可以对其加以利用。这样，通过直接利用预先算出的电解质膜电阻Rm，可以简便并且快速地求出第2预备估计值Ract2。
而且，控制器6在使用双电层电容作为阴极电极113的状态量的情况下，将双电层电容的第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2中的值较小的一方，即Min{Cdl1，Cdl2}设为最终估计值Cdlf。
由此，因为在燃料电池堆1中发生了某些异常的情况下，存在燃料电池堆1的双电层电容变小的倾向，所以通过将第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2内的较小的值设为双电层电容的最终估计值Cdlf，能够进行迅速地检知燃料电池堆1的异常状态的保守的燃料电池堆1的控制。
进而，当求燃料电池堆1的双电层电容的第1预备估计值Cdl1时，根据上述的(2)，使用各频率ω1以及ω2、以及与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2求所述双电层电容的第1预备估计值Cdl1。由此，可以更可靠地求双电层电容的第1预备估计值Cdl1。
特别是，优选在将横轴设为1/ω2、将纵轴设为－1/(ω·Zim)的坐标上，使用各频率ω1以及ω2、以及与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2，绘制所述坐标上的2点，计算连接该2点得到的直线的截距，根据该算出的截距求出上述第1预备估计值Cdl1。
由此，可以从上述斜率以及截距简便并且高速地计算第1预备估计值Cdl1，而不求电解质膜电阻Rm等其它的参数。而且，上述坐标上的绘制数也可以为3点以上。这样，通过将绘制数取3点以上，使用最小二乘法等近似法确定直线，得到与实际的值更一致的精度高的直线，作为结果，从第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2最终得到的最终估计值Cdlf的精度也进一步提高。
而且，当求燃料电池堆1的双电层电容的第2预备估计值Cdl2时，根据上述的式(3)，使用各频率ω1以及ω2、与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm，求所述双电层电容的第2预备估计值Cdl2。由此，可以更可靠地求双电层电容的第2预备估计值Cdl2。
特别是，优选在将横轴设为ω2、将纵轴设为1/(Zre－Rm)的坐标上，使用各频率ω1以及ω2、与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm绘制所述坐标上的2点，计算连接该2点得到的直线的斜率以及截距，根据该算出的斜率以及截距求双电层电容的第2预备估计值Cdl2。
由此，在第2预备估计值Cdl2的计算中，例如，在为了掌握被认为对燃料电池堆1的性质产生较大影响的电解质膜111的湿润度等的状态而预先计算电解质膜电阻Rm的情况等下，可以对其加以利用。这样，通过直接利用预先算出的电解质膜电阻Rm，可以简便并且快速地求第2预备估计值Cdl2。
(第2实施方式)
以下，说明第2实施方式。而且，对于与第1实施方式相同的要素附加相同的标号，省略其说明。
在本实施方式中，特别是，将第1实施方式中求得的反应电阻的第1预备估计值Ract1与第2预备估计值Ract2相互比较，而且，将双电层电容的第1预备估计值Cdl1与第2预备估计值Cdl2相互比较。然后，根据这些比较结果决定反应电阻值以及双电层电容的最终估计值，作为燃料组1的动作控制的参数，根据它进行燃料电池系统1的动作控制。
具体地说，在上述第1预备估计值和第2预备估计值实质上相互一致的情况下，判断为可以正常地进行燃料电池堆1中的状态量的估计，直接采用对各预备估计值实施规定的运算所得到的最终估计值。
另一方面，在上述第1预备估计值和第2预备估计值实质上相互不一致的情况下，判断为不能正常地进行燃料电池堆1中的状态量的估计。在该情况下，因为认为如上述那样对各预备估计值实施规定的运算而得到的最终估计值的精度低，所以进行决定其它替代的最终估计值的处理。以下，说明本实施方式的处理的细节。
图9是表示基于燃料电池堆1的最终估计值的决定以及该最终估计值的燃料电池堆1的动作控制的流程的流程图。图10是表示图9所示的处理的一部分的副处理的流程图。而且，以下的各处理中的各运算使用在控制器6中具有的中央运算装置和随机接入存储器等来执行。
在步骤S201中，判定基于在任意的内部阻抗测量定时测量的内部阻抗的上述的第1预备估计值Ract1和第2预备估计值Ract2的差ΔRact(＝|Ract2－Ract1|)是否为规定值Rα以上，或者第1预备估计值Cdl1和第2预备估计值Cdl2的差ΔCdl(＝|Cact2－Cact1|)是否为规定值Cα以上。而且，在规定值Rα以及规定值Cα是考虑燃料电池堆1的规格和单元的层积数等各种要素后适当确定的阈值。
即，在本步骤中，进行反应电阻的第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2、以及双电层电容的第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2是否实质上相互一致的判定。然后，通过控制器6，如上述那样，在第1预备估计值和第2预备估计值分别实质上一致的情况(ΔRact＜Rα并且ΔCdl＜Cα)下，判断为正常地进行燃料电池堆1的估计，在不一致的情况(ΔRact≧Rα或者ΔCdl≧Cα)下判断为不正常地进行。
以下列举不能正常地进行燃料电池堆1的状态量的估计的情况的例子，说明在该情况下第1预备估计值和第2预备估计值实质上不一致。
首先，作为不能正常地进行燃料电池堆1的状态量的估计的情况之一，列举在对燃料电池堆1设想了上述图4所示的等效电路模型的情况中，通过上述HFR测量求得的电解质膜电阻的值Rm从实际的值较大地偏离的情况。
这样，如果如上述步骤S1203中记载的那样，将从实际的值偏离的电解质膜电阻Rm代入式(3)而计算第2预备估计值(Ract2，Cact2)，则第2预备估计值(Ract2，Cact2)的计算结果中包含从实际的值偏离的电解质膜电阻的值Rm的影响，产生误差。
另一方面，由于在式(2)中不包含电解质膜电阻Rm的项，所以在根据该式(2)算出的第1预备估计值(Ract1，Cact1)中，不包含从实际的值偏离的电解质膜电阻的值Rm的影响，正确的值被维持。因此，认为该正确的第1预备估计值(Ract1，Cact1)和上述产生了误差的第2预备估计值(Ract2，Cact2)的值必然不一致。
而且，作为不能正常地进行燃料电池堆1的状态量的估计的其它情况，列举控制器6等的阻抗测量系统的电抗成分的影响强到不能忽视的程度。在该情况下，燃料电池堆1的等效电路模型接近图11所示的电路模型，即设想的图4的等效电路模型不成立，所以不能正确地求出燃料电池堆1的状态量的最终估计值。
在该情况下，根据图11中记载的等效电路模型算出的内部阻抗的更确定的算式表示为，
Figure BDA0001266883710000181
。其中，L是阻抗测量系统的电抗的值。因此，取式(4)的两边的虚数分量，进行变形时，成为
Figure BDA0001266883710000182
因此，如果假设电抗值L已知，使用内部阻抗的测量值的虚数分量Zim1以及Zim2，根据式(5)求反应电阻的估计值Ract和双电层电容的估计值Cdl，则这些值中包含该电抗值L的影响，所以可知与从基于图4的等效电路模型的式(2)算出的第1预备估计值(Ract1，Cact1)，值上产生偏差。
另一方面，如参照上述式(4)可知，电抗值L的项是纯虚数分量，所以取式(4)中两边的实数分量时，没有留下该电抗L的项。因此，取式(4)的实数分量的式与上述式(3)一致，关于原来根据式(3)算出的第2预备估计值(Ract2，Cact2)，值不改变。由此，在不能忽略阻抗测量系统的电抗成分的影响的情况下，认为第1预备估计值(Ract1，Cact1)和第2预备估计值(Ract2，Cact2)的值不一致。
接着，在步骤S202中，在步骤S201中判定为ΔRact不足规定值Rα并且ΔCdl不足规定值Cα的情况下，判断为可以正常地进行燃料电池堆1的状态的估计。然后，在该情况下，与上述的步骤S107的情况相同，基于第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2的Max{Ract1，Ract2}、以及基于第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2的Min{Cdl1，Cdl2}被分别确定作为反应电阻的最终估计值Ractf、以及双电层电容的最终估计值Cdlf，转移到如后所述的步骤S206的处理。
另一方面，在步骤S203中，在步骤S201中判定为ΔRact为规定值Rα以上，或者ΔCdl为规定值Cα以上的情况下，进行使ΔRact或者ΔCdl的值减少的处理。这即是，在由于第1预备估计值Ract1与第2预备估计值Ract2实质上不一致，或者第1预备估计值Cdl1与第2预备估计值Cdl2实质上不一致，不能正常地进行燃料电池堆1的状态的估计的情况下，尝试纠正以便能够正常地进行估计的处理。以下说明该处理的细节。
在图10中，表示使ΔRact或者ΔCdl的值减少的处理的流程的流程图。
首先，在步骤S2101中，进行S/N比增加处理。具体地说，通过控制器6进行增大在内部阻抗测量时对燃料电池堆1施加的电压Vin1以及Vin2的振幅，调整输出电流的处理，以便容易从噪声区别输出电流的信息。
而且，本实施方式的S/N比是被定义为，将电流传感器51中测量的输出电流Iout的有效值，除以测量的杂音电流的有效值的值。而且，作为用于测量该杂音电流的装置，可以使用公知的噪声测量装置。
在图12中，表示进行了增大施加电压Vin的振幅的处理的情况下的输出电流Iout、与未进行的情况下的输出电流Iout的方式的一例。在该图中，用虚线表示进行S/N比增加处理之前的输出电流以及噪声，用实线表示进行了S/N比增加处理后的输出电流以及噪声。进而，用相对较细的虚线仅表示噪声。由图可知，因为在进行上述处理之前的相对振幅较小的输出电流中噪声相对较大，所以难以得到输出电流的信息。
另一方面，在进行了增大施加电压Vin的振幅的处理之后输出电流的振幅增加，噪声相对变小，所以容易得到输出电流的信息。但是，增大施加电压Vin的振幅的处理优选被调整为起因于输出电流Iout的增大的阳极113中的氢消耗不过大的程度。而且，该S/N比增加处理(S2101)也可以根据需要省略，仅进行下一个频率搜索处理(S2102)。
接着，在步骤S2102中，进行搜索极力减小ΔRact以及ΔCdl的值那样的频率ω的值的处理。具体地说，通过控制器6，使从交流电源57对燃料电池堆1施加的电压Vin1以及Vin2中的频率ω1以及ω2的值在规定的范围连续变化，求与该变化的频率对应的ΔRact以及ΔCdl的值。然后，在ΔRact以及ΔCdl的值为最小的情况中，记录这时的频率ω1以及ω2的值以及ΔRact以及ΔCdl的值。而且，关于使频率ω1以及ω2的值变化的范围没有特别限制，但是优选在认为图4所示的等效电路模型与实际的燃料电池堆1良好地一致的数Hz～数kHz之间变化。
这里，例如在某个频率的值中，图11所示的阻抗测量系统的电抗成分强烈地影响，ΔRact以及ΔCdl的值变大。另一方面，在其它的频率的值中，可以忽略该电抗成分的影响，作为结果，有时实际的燃料电池堆1与图4所示的等效电路模型良好地一致。
因此，通过该频率搜索处理，发现上述的ΔRact以及ΔCdl的值最小的频率，采用这样的频率进行内部阻抗测量，作为结果，使ΔRact以及ΔCdl的值减少，可以使实际的燃料电池堆1与图4所示的等效电路模型良好地一致。
以下，将ΔRact以及ΔCdl的值最小的频率ω1以及ω2分别记载为(ω1)min以及(ω2)min，将这时的ΔRact以及ΔCdl分别记载为(ΔRact)min以及(ΔCdl)min。
返回图9，在步骤S204中，判定上述的(ΔRact)min是否为规定值Rα以上，或者(ΔCdl)min是否为规定值Cα以上。即，判定进行了使ΔRact以及ΔCdl的值减少的处理之后的(ΔRact)min以及(ΔCdl)min是否小到可以正常地进行燃料电池堆1的状态的估计的程度。
这里，在判定为(ΔRact)min不足规定值Rα并且(ΔCdl)min不足规定值Cα的情况下，判断为可以正常地进行燃料电池堆1的状态的估计，进至上述步骤S202，根据上述(ω1)min以及(ω2)min求得的Max{Ract1，Ract2}、以及Min{Cdl1，Cdl2}分别被确定作为反应电阻的最终估计值Ractf、以及双电层电容的最终估计值Cdlf。
另一方面，在判定为(ΔRact)min为规定值Rα以上、或者(ΔCdl)min为规定值Cα以上的情况下，在步骤S205中，判断为不能正常进行燃料电池堆1的状态的估计，进行替代的最终估计值的决定处理。
具体地说，在最终估计值的例外决定处理中，将作为以前的测量(例如前次的测量)的、判定为ΔRact不足规定值Rα且ΔCdl不足规定值Cα的测量时所决定的最终估计值(Ractf，Cdlf)，决定作为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)。
而且，也可以将上述的以前的测量中的最终估计值存储在例如控制器6等中具有的规定的存储部件中，从该存储部件读出该最终估计值(Ractf，Cdlf)作为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，以便能够顺利地进行替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)的决定。
进而，也可以取代使用上述本次以前的测量中的最终估计值的方法，将预先确定的值决定作为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)。在该情况下，考虑安全性等情况，优选将该值设定为具有余量的保守的值。
接着，在步骤S206中，通过控制器6，根据上述步骤S202或者步骤S205中决定的最终估计值(Ractf，Cdlf)或者替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，进行燃料电池堆1的动作控制。
即，控制器6根据这些最终估计值(Ractf，Cdlf)或替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，掌握燃料电池堆1的容量或劣化的程度，进行对作为负载的行驶电动机53等供给的目标输出电力的值的调整。
按照上述的本实施方式的控制器6(状态估计装置)以及具有它的燃料电池系统100，可以得到以下的效果。
本实施方式的控制器6进一步具有在第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差为规定值以上的情况下判断为不正常地进行燃料电池堆1的估计的燃料电池异常状态判定功能。由此，可以适当地进行不能正常地估计燃料电池堆1的状态的情况的判断。
本实施方式的控制器6还具有作为在第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差不足规定值的情况下判断为正常地进行燃料电池堆1的估计的燃料电池正常状态判定单元的功能。由此，可以适当地进行可以正常地估计燃料电池堆1的状态的情况的判断。
这里，以下对可通过第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的实质上一致或者不一致，以判断是否可以正常地进行燃料电池堆1的估计这一点，说明其客观的根据。
图13是表示单元电压和第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2的关系的曲线图。而且，在该曲线图中用于计算第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2的内部阻抗测量中使用的频率ω1以及ω2例如是15Hz附近的确定频带中包含的频率。而且，图中单元电压的大小与阳极112的催化剂层112A中的氢浓度的大小对应。而且，这里确保足够的S/N比。
由图可知，与单元电压的大小无关，第1预备估计值Ract1和第2预备估计值Ract2相互基本上一致。另一方面，可知在上述确定频带中包含的上述频率ω1以及ω2中，实际的燃料电池堆1与图4所示的等效电路模型一致。因此，在该情况下，因为根据图4的等效电路模型决定的最终估计值(Ractf，
Cdlf)的精度被较高地保持，所以作为结果，如果使用该最终估计值(Ractf，Cdlf)，则认为能够进行燃料电池堆1的状态的正常估计。
由于这样的理由，可知第1预备估计值Ract1和第2预备估计值Ract2的一致，与能够进行燃料电池堆1的正常估计相关。
而且，上述指定频带是对照测量条件或燃料电池堆1的结构等各种条件而适当确定的频带。但是，如果用于内部阻抗测量的频率是太大的值，则不能忽略上述的阻抗测量系统的电抗成分，图4所示的等效电路模型与实际的燃料电池堆1的特性不一致。因此，作为上述指定频带，一般来说设想为数Hz～数kHz，特别地为数Hz～数百Hz，特别地为数Hz～数十Hz。
进而，如在上述步骤S201以及步骤2102中说明的那样，在第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差为规定值(Rα，Cα)以上的情况下，控制器6使用于内部阻抗测量而施加的交流信号(Vin1，Vin2)的频率(ω1，ω2)的值变化，以便第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差(ΔRact以及ΔCdl)减少。
由此，在燃料电池堆1中发生某些异常，设想的等效电路模型与实际的燃料电池堆1不一致，不能正常地估计燃料电池堆1的状态的情况中，通过使施加的交流信号(Vin1，Vin2)的频率(ω1，ω2)的值变化，搜索使上述差(ΔRact以及ΔCdl)减少的频率，可以发现能够使用上述设想的等效电路模型的频率。因此，通过在内部阻抗测量中使用该发现的频率，可以得到高精度的最终估计值(Ractf，Cdlf)，有助于燃料电池堆1的状态的正常估计。
而且，如在上述步骤S201以及步骤2101中说明的那样，在第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差为规定值(Rα，Cα)以上的情况下，控制器6也可以增大为了内部阻抗测量而施加的交流信号(Vin1，Vin2)的振幅值，以便第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差(ΔRact，ΔCdl)减少。
由此，在不能正常估计燃料电池堆1的状态的情况中，通过增大为了内部阻抗测量而施加的交流信号(Vin1，Vin2)的振幅值，容易确保S/N比。因此，可以得到更明确的输出信号(Iin1，Iin2)的信息，有助于测量精度的提高。
进而，如在上述步骤S205中说明的那样，通过施加的交流信号(Vin1，Vin2)的频率(ω1，ω2)的值的变化以及/或者振幅值的增加，第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差((ΔRact)min，(ΔCdl)min)未减少至不足规定值(Rα，Cα)的情况下，控制器6还具有作为燃料电池动作控制单元的功能，该燃料电池动作控制单元决定基于判定为第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差(ΔRact，ΔCdl)不足规定值(Rα，Cα)时的以前的内部阻抗测量值的最终估计值，作为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，根据决定的替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)进行燃料电池堆1的动作控制。
由此，在第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)实质上相互偏离的情况下，通过运算它们而决定的最终估计值(Ractf，Cdlf)的可靠性成为降低的可靠性，因为将该预备估计值相互偏差产生以前的测量中的最终估计值设为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，可以防止以可靠性降低的参数进行燃料电池堆1的动作控制。而且，优选将判断为不能正常进行燃料电池堆1的状态的判定的前一次的测量时存储的最终估计值决定为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)。
进而，控制器6如上述步骤S205中说明的那样，控制器6具有作为燃料电池动作控制单元的功能，该燃料电池动作控制单元在通过施加的交流信号(Vin1，Vin2)的频率(ω1，ω2)的值的变化以及/或者振幅值的增加，第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)的差((ΔRact)min，(ΔCdl)min)未减少至不足规定值(Rα，Cα)的情况下，决定预先确定的值作为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，根据该决定的替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)进行燃料电池堆1的动作控制。
由此，即使在因第1预备估计值(Ract1，Cdl1)和第2预备估计值(Ract2，Cdl2)实质上相互偏离，不能正常进行燃料电池堆1的状态的估计的情况下，也可以将预先确定值作为替代的最终估计值(R′actf，C′dlf)，继续燃料电池堆1的动作控制。而且，在该情况下，希望考虑安全性等情况，将该值设定为在安全方面具有余量的保守的值。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过表示了本发明的适用例的一部分，没有将本发明的技术的范围限定于上述实施方式的具体的结构的含义。
例如，上述实施方式中，说明了将本发明的结构适用于对车辆的行驶电动机53供给驱动电力的燃料电池堆1的例子，但是不限于此，例如可以将本发明的结构适用于对个人计算机或其它交通工具等中的负载元件供给电力的用途中所使用的任意的燃料电池。
而且，用于内部阻抗Z的测量的电路结构等也可能存在各种变更。例如，在本实施方式中通过交流电源57对燃料电池堆1施加电压，测量输出的交流电流，根据该施加电压和输出交流电流计算内部阻抗，但是也可以从规定的电流源对燃料电池堆1供给交流电流，测量输出的交流电压，根据该交流电流和输出交流电压计算内部阻抗。
进而，在上述实施方式中，求有关阴极电极113的反应电阻以及双电层电容的第1预备估计值(Ract1，Cdl1)以及第2预备估计值(Ract2，Cdl2)，但是不限于此，例如在阳极气体流路内的阳极气体浓度不足的所谓的氢饥饿状态等情况，即阳极电极112侧的反应电阻等的状态量增大至不能忽略的程度的情况下，也可以求有关阳极电极112的反应电阻以及双电层电容的第1预备估计值以及第2预备估计值。

Claims (12)

1.一种燃料电池的状态估计装置，该燃料电池接受阳极气体以及阴极气体的供给进行发电，
燃料电池的等效电路由作为燃料电池的电解质膜的电阻成分即电解质膜电阻、阴极电极的反应电阻以及双电层电容所构成，
所述燃料电池的状态估计装置包括：
内部阻抗测量单元，根据从所述燃料电池输出的规定频率的交流信号，测量该燃料电池的内部阻抗；
状态量预备估计值计算单元，从所述内部阻抗的测量值的虚数分量计算反应电阻值的第1预备估计值以及双电层电容的第1预备估计值、和从该内部阻抗的测量值的实数分量计算反应电阻值的第2预备估计值以及双电层电容的第2预备估计值；以及
状态量最终估计值决定单元，根据算出的反应电阻的第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2、以及双电层电容的第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2，计算反应电阻的最终估计值Ractf以及双电层电容的最终估计值Cdlf，将反应电阻的最终估计值Ractf决定为Max{Ract1，Ract2}，将双电层电容的最终估计值Cdlf决定为Min{Cdl1，Cdl2}。
2.如权利要求1所述的燃料电池的状态估计装置，
所述状态量预备估计值计算单元，
根据由所述燃料电池的等效电路模型确定的内部阻抗的虚数分量Zim的算式
Figure FDA0002271351560000011
，
使用各频率ω1以及ω2、以及与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2，求所述反应电阻值的第1预备估计值Ract1，其中，Zim意味燃料电池的内部阻抗的虚数分量，ω意味交流信号的角频率，Cdl1意味双电层电容的第1预备估计值，Cdl2意味双电层电容的第2预备估计值，
根据由所述燃料电池的等效电路模型确定的内部阻抗的实数分量Zre的算式
Figure FDA0002271351560000021
，
使用各频率ω1以及ω2、与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm，求所述反应电阻值的第2预备估计值Ract2。
3.如权利要求2所述的燃料电池的状态估计装置，
所述反应电阻值的第1预备估计值Ract1
根据在将横轴设为1/ω2、将纵轴设为－1/(ω·Zim)的坐标上，使用所述各频率ω1以及ω2、以及所述内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2，连接绘制在所述坐标上的2点所得到的直线的斜率以及截距来求，
所述反应电阻值的第2预备估计值Ract2
根据在将横轴设为ω2、将纵轴设为1/(Zre－Rm)的坐标上，使用所述各频率ω1以及ω2、所述内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm，连接绘制在所述坐标上的2点所得到的直线的截距来求。
4.如权利要求1所述的燃料电池的状态估计装置，
所述状态量预备估计值计算单元
根据由所述燃料电池的等效电路模型确定的内部阻抗的虚数分量Zim的算式
Figure FDA0002271351560000022
，
使用各频率ω1以及ω2、以及与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2，求所述双电层电容的第1预备估计值Cdl1，其中，Zim意味燃料电池的内部阻抗的虚数分量，ω意味交流信号的角频率，Ract1意味反应电阻的第1预备估计值，Ract2意味反应电阻的第2预备估计值，
根据由所述燃料电池的等效电路模型确定的内部阻抗的实数分量Zre的算式
Figure FDA0002271351560000023
，
使用各频率ω1以及ω2、与这些各频率ω1以及ω2对应的内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm，求所述双电层电容的第2预备估计值Cdl2。
5.如权利要求4所述的燃料电池的状态估计装置，
所述双电层电容的第1预备估计值Cdl1
根据在将横轴设为1/ω2、将纵轴设为－1/(ω·Zim)的坐标上，使用所述各频率ω1以及ω2、以及所述内部阻抗的虚数分量的测量值Zim1以及Zim2，连接绘制在所述坐标上的2点所得到的直线的截距来求，
所述双电层电容的第2预备估计值Cdl2
根据在将横轴设为ω2、将纵轴设为1/(Zre－Rm)的坐标上，使用所述各频率ω1以及ω2、所述内部阻抗的实数分量的测量值Zre1以及Zre2、以及预先算出的电解质膜电阻Rm，连接在所述坐标上绘制的2点得到的直线的斜率以及截距来求出。
6.如权利要求1所述的燃料电池的状态估计装置，还包括：
燃料电池异常状态判定单元，在所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差为规定值以上的情况下，判断为不正常地进行燃料电池的状态的估计。
7.如权利要求1所述的燃料电池的状态估计装置，还包括：
燃料电池正常状态判定单元，在所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差不足规定值的情况下，判断为正常地进行燃料电池的状态估计。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池的状态估计装置，
所述内部阻抗测量单元
在所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差为规定值以上的情况下，改变为了所述内部阻抗测量而施加的交流信号的频率的值，使得所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差减少。
9.如权利要求6或7所述的燃料电池的状态估计装置，
所述内部阻抗测量单元
在所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差为规定值以上的情况下，增加为了所述内部阻抗测量而施加的交流信号的振幅值，使得所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差减少。
10.使用了如权利要求6或7所述的燃料电池的状态估计装置的燃料电池系统，
所述状态量最终估计值决定单元
在通过施加的所述交流信号的频率的值的改变以及/或者振幅值的增加，所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差未减少至不足所述规定值的情况下，将基于判定为所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差不足规定值时以前的内部阻抗测量值的所述最终估计值，决定作为替代的最终估计值，
所述燃料电池系统还包括：根据该决定的替代的最终估计值，进行所述燃料电池的动作控制的燃料电池动作控制单元。
11.使用了如权利要求6或7所述的燃料电池的状态估计装置的燃料电池系统，
所述状态量最终估计值决定单元
在通过为了所述内部阻抗测量而施加的交流信号的频率的值的改变以及/或者振幅值的增加，所述第1预备估计值和所述第2预备估计值之差未减少至不足所述规定值的情况下，将预先确定的值决定作为替代的最终估计值，
所述燃料电池系统还包括：燃料电池动作控制单元，根据该决定的替代的最终估计值，进行所述燃料电池的动作控制。
12.一种燃料电池的状态估计方法，所述燃料电池接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电，
燃料电池的等效电路由作为燃料电池的电解质膜的电阻成分即电解质膜电阻、阴极电极的反应电阻以及双电层电容所构成，
所述燃料电池的状态估计方法包括：
内部阻抗测量步骤，根据从所述燃料电池输出的规定频率的交流信号测量该燃料电池的内部阻抗；
状态量预备估计值计算步骤，从所述内部阻抗的测量值的虚数分量计算反应电阻值的第1预备估计值以及双电层电容的第1预备估计值、和从该内部阻抗的测量值的实数分量计算反应电阻值的第2预备估计值以及双电层电容的第2预备估计值；以及
状态量最终估计值计算步骤，根据算出的反应电阻的第1预备估计值Ract1以及第2预备估计值Ract2、以及双电层电容的第1预备估计值Cdl1以及第2预备估计值Cdl2，计算反应电阻的最终估计值Ractf以及双电层电容的最终估计值Cdlf，将反应电阻的最终估计值Ractf决定为Max{Ract1，Ract2}，将双电层电容的最终估计值Cdlf决定为Min{Cdl1，Cdl2}。
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