CN107112558B - 燃料电池的状态检测装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电的燃料电池的状态检测装置，具备：阻抗获取单元，其获取高频阻抗和低频阻抗，该高频阻抗是基于从至少包括对阳极的状态量表现出响应性的频带的高频带选择出的频率的阻抗，该低频阻抗是基于从至少包括对阴极的状态量表现出响应性的频带的低频带选择出的频率的阻抗；以及内部状态量估计单元，其将获取到的所述高频阻抗与所述低频阻抗进行组合，分别估计作为所述燃料电池的内部状态的所述阳极的状态量和所述阴极的状态量。

Description

燃料电池的状态检测装置以及方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的状态检测装置以及方法。
背景技术
已知一种测定燃料电池的电压值和阻抗值、基于这些值来检测燃料电池的内部状态的燃料电池的状态检测装置。
例如，日本专利第4640661号提出了以下方案：分别计算与电解质膜电阻对应的第一频域下的第一阻抗以及与电解质膜电阻同催化剂层电阻的合计值对应的低于第一频域的第二频域下的第二阻抗，基于作为第二阻抗与第一阻抗之差的差分阻抗来计算催化剂层的含水量。
另外，日本特开2005-285614号公报中记载了以下方案：获取与燃料电池的复阻抗曲线(cole-cole图)的同实轴的交点处的频率F1、表示氧发生反应时的反应电阻(阴极的反应电阻)的第一区域内的频率F2以及表示与氧的扩散有关的电阻的第二区域内的频率F3对应的复阻抗，根据获取到的复阻抗来求出内部电阻值。
发明内容
然而，在日本专利第4640661号中，无法分别掌握阳极(anode)的状态量和阴极(cathode)的状态量。另外，在日本特开2005-285614号公报中也是，在阻抗曲线中阳极的状态和阴极的状态混在一起，难以个别地掌握阳极的状态量和阴极的状态量。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种能够个别地检测燃料电池中的阳极的状态量、阴极的状态量等内部状态量的燃料电池的状态检测装置以及方法。
用于解决问题的方案
根据本发明的某个方式，提供一种接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电的燃料电池的状态检测装置。更详细地说，该状态检测装置具备阻抗获取单元，该阻抗获取单元获取高频阻抗和低频阻抗，该高频阻抗是基于从至少包括对阳极的状态量表现出响应性的频带的高频带选择出的频率的阻抗，该低频阻抗是基于从至少包括对阴极的状态量表现出响应性的频带的低频带选择出的频率的阻抗。另外，状态检测装置具备内部状态量估计单元，该内部状态量估计单元将获取到的高频阻抗与低频阻抗进行组合，分别估计作为燃料电池的内部状态的阳极的状态量和阴极的状态量。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池单元的立体图。
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要结构图。
图4A是表示在输入了低频带的交流电压的情况下流过燃料电池的简易等效电路模型的电流的路径的图。
图4B是表示在输入了比图4A的情况高的频带的交流电压的情况下流过燃料电池的简易等效电路模型的电流的路径的图。
图4C是表示在输入了比图4B的情况高的频带的交流电压的情况下流过燃料电池简易等效电路模型的电流的路径的图。
图4D是表示在输入了高频带的交流电压的情况下流过燃料电池的简易等效电路模型的电流的路径的图。
图5是表示一个实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。
图6是表示一个实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。
图7是分别示出稳定时和非稳定时的燃料电池的I-V特性线的图。
图8是表示一个实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。
图9示出了阴极的双电层电容的候选的频率响应。
图10A示出了阳极的双电层电容的候选的频率响应。
图10B示出了阳极112的反应电阻值的候选的频率响应。
图11是表示一个实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。
图12示出了稳定时的燃料电池1的I-V特性线。
图13是说明用于进行I-V特性线的斜率ΔV/ΔI的计算的一组电流和电压的设定方法的一例的图。
图14是概要性地示出在一个实施方式所涉及的燃料电池系统中阻抗测量所涉及的重要部分的框图。
具体实施方式
下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。
燃料电池单元构成为用作为燃料极的阳极和作为氧化剂极的阴极将电解质膜夹在中间。在燃料电池单元中，向阳极供给含有氢的阳极气体，另一方面向阴极供给含有氧的阴极气体，通过使用这些气体来进行发电。阳极和阴极这两个电极处进行的电极反应如下。
阳极：2H2→4H++4e-
阴极：4H++4e-+O2→2H2O
图1和图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和图2所示，燃料电池单元10具备膜电极组件(MEA)11以及以将MEA 11夹在中间的方式配置的阳极隔板12和阴极隔板13。
MEA 11由电解质膜111、阳极112以及阴极113构成。MEA 11在电解质膜111的其中一面侧具有阳极112，在另一面侧具有阴极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在湿润状态下表现出良好的电传导性。此外，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)浸渍于规定的基质所得到的材料等其它材料。
阳极112具备催化剂层112A和气体扩散层112B。催化剂层112A是由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成的构件，设置成与电解质膜111接触。气体扩散层112B配置于催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是由具有气体扩散性和导电性的碳布形成的构件，设置成与催化剂层112A及阳极隔板12接触。
与阳极112同样地，阴极113也具备催化剂层113A和气体扩散层113B。催化剂层113A配置于电解质膜111与气体扩散层113B之间，气体扩散层113B配置于催化剂层113A与阴极隔板13之间。
阳极隔板12配置于气体扩散层112B的外侧。阳极隔板12具备用于向阳极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形成为槽状通路。
阴极隔板13配置于气体扩散层113B的外侧。阴极隔板13具备用于向阴极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形成为槽状通路。
阳极隔板12和阴极隔板13构成为使在阳极气体流路121中流动的阳极气体的流动方向与在阴极气体流路131中流动的阴极气体的流动方向互为反向。此外，阳极隔板12和阴极隔板13也可以构成为使这些气体的流动方向为向相同方向流动。
在将这种燃料电池单元10用作汽车用电源的情况下，由于所要求的电力大，因此作为将数百块燃料电池单元10层叠而得到的燃料电池堆来使用。然后，构成向燃料电池堆供给阳极气体和阴极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。此外，在本实施方式中，以层叠燃料电池单元10所得到的燃料电池堆为单位来进行后述的阻抗测定，但是也可以是以一块燃料电池单元10为单位或以燃料电池堆的一部分(例如数十块单元)为单位来进行阻抗测定。
另外，在燃料电池堆中，通过将一块燃料电池单元10中的阳极112、阴极113以及电解质膜111串联配置多块来构成为作为总和的阳极、阴极以及电解质膜。然而，下面为了便于说明，对该作为总和的阳极、阴极以及电解质膜也标注与单元单体的阳极112、阴极113以及电解质膜111相同的标记。
图3是本发明的一个实施方式的燃料电池系统100的概要图。
燃料电池系统100具备燃料电池1、阴极气体供排装置2、阳极气体供排装置3、电力系统5以及控制器6。
燃料电池1是如上所述那样层叠多块燃料电池单元10(单位电池)而成的层叠电池。燃料电池1接受阳极气体和阴极气体的供给来发出车辆行驶所需的电力。燃料电池1具有阳极侧端子1A和阴极侧端子1B作为取出电力的输出端子。
阴极气体供排装置2向燃料电池1供给阴极气体，并且将从燃料电池1排出的阴极排气排出到外部。阴极气体供排装置2具备阴极气体供给通路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；WaterRecovery Device)27以及阴极压力调节阀28。
阴极气体供给通路21是流通向燃料电池1供给的阴极气体的通路。阴极气体供给通路21的一端连接于过滤器23，另一端连接于燃料电池1的阴极气体入口部。
阴极气体排出通路22是流通从燃料电池1排出的阴极排气的通路。阴极气体排出通路22的一端连接于燃料电池1的阴极气体出口部，另一端形成为开口端。阴极排气是包含阴极气体、通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。
过滤器23是将取入到阴极气体供给通路21的阴极气体中含有的尘、埃等去除的构件。
阴极压缩机25设置于比过滤器23更靠下游侧的阴极气体供给通路21。阴极压缩机25加压输送阴极气体供给通路21内的阴极气体来供给到燃料电池1。
气流传感器24设置于过滤器23与阴极压缩机25之间的阴极气体供给通路21。气流传感器24检测供给到燃料电池1的阴极气体的流量。
阴极压力传感器26设置于阴极压缩机25与WRD 27之间的阴极气体供给通路21。阴极压力传感器26检测供给到燃料电池1的阴极气体的压力。由阴极压力传感器26检测出的阴极气体压力代表包括燃料电池1的阴极气体流路等在内的整个阴极系统的压力。
WRD 27横跨阴极气体供给通路21和阴极气体排出通路22地将它们连接。WRD 27是如下的装置：回收在阴极气体排出通路22中流动的阴极排气中的水分，使用所回收的该水分来加湿在阴极气体供给通路21中流动的阴极气体。
阴极压力调节阀28设置于比WRD 27更靠下游的阴极气体排出通路22。阴极压力调节阀28由控制器6来控制开闭，对供给到燃料电池1的阴极气体的压力进行调整。
接着，说明阳极气体供排装置3。
阳极气体供排装置3向燃料电池1供给阳极气体，并且将从燃料电池1排出的阳极排气排出到阴极气体排出通路22。阳极气体供排装置3具备高压罐31、阳极气体供给通路32、阳极压力调节阀33、阳极压力传感器34、阳极气体排出通路35、缓冲罐36、放气通路37以及放气阀38。
高压罐31是将要向燃料电池1供给的阳极气体保持为高压状态来贮存的容器。
阳极气体供给通路32是将从高压罐31排出的阳极气体供给到燃料电池1的通路。阳极气体供给通路32的一端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池1的阳极气体入口部。
阳极压力调节阀33设置于比高压罐31更靠下游的阳极气体供给通路32。阳极压力调节阀33由控制器6来控制开闭，对供给到燃料电池1的阳极气体的压力进行调整。
阳极压力传感器34设置于比阳极压力调节阀33更靠下游的阳极气体供给通路32。阳极压力传感器34检测供给到燃料电池1的阳极气体的压力。由阳极压力传感器34检测出的阳极气体压力代表包括缓冲罐36、燃料电池1的阳极气体流路等在内的整个阳极系统的压力。
阳极气体排出通路35是流通从燃料电池1排出的阳极排气的通路。阳极气体排出通路35的一端连接于燃料电池1的阳极气体出口部，另一端连接于缓冲罐36。阳极排气中包含电极反应中未被使用的阳极气体、从阴极气体流路131向阳极气体流路121泄漏过来的氮等杂质气体、水分等。
缓冲罐36是暂时蓄积通过阳极气体排出通路35流过来的阳极排气的容器。积存在缓冲罐36中的阳极排气在放气阀38被打开时通过放气通路37排出到阴极气体排出通路22。
放气通路37是用于排出阳极排气的通路。放气通路37的一端连接于阳极气体排出通路35，另一端连接于比阴极压力调节阀28更靠下游的阴极气体排出通路22。
放气阀38设置于放气通路37。放气阀38由控制器6来控制开闭，对从阳极气体排出通路35排出到阴极气体排出通路22的阳极排气的放气流量进行控制。
当执行放气阀38为开阀状态的放气控制时，阳极排气通过放气通路37和阴极气体排出通路22排出到外部。此时，阳极排气在阴极气体排出通路22内与阴极排气混合。通过像这样使阳极排气与阴极排气混合后排出到外部，混合气体中的阳极气体浓度(氢浓度)被设定为排出容许浓度以下的值。
电力系统5具备电流传感器51、电压传感器52、行驶马达53、逆变器54、蓄电池55以及DC/DC转换器56。
电流传感器51检测从燃料电池1取出的输出电流。电压传感器52检测燃料电池1的输出电压、也就是说阳极侧端子1A与阴极侧端子1B之间的端子间电压。电压传感器52既可以构成为检测每块燃料电池单元10的电压，也可以构成为检测每多块燃料电池单元10的电压。
行驶马达53是三相交流同步马达，是用于驱动车轮的驱动源。行驶马达53具有作为电动机的功能和作为发电机的功能，该作为电动机的功能是从燃料电池1和蓄电池55接受电力的供给来进行旋转驱动，该作为发电机的功能是通过被外力驱动旋转来进行发电。
逆变器54由多个IGBT等半导体开关构成。逆变器54的半导体开关由控制器6控制开关，由此将直流电力变换为交流电力，或者将交流电力变换为直流电力。在使行驶马达53作为电动机而发挥功能的情况下，逆变器54将燃料电池1的输出电力与蓄电池55的输出电力的合成直流电力变换为三相交流电力来供给到行驶马达53。与此相对，在使行驶马达53作为发电机而发挥功能的情况下，逆变器54将行驶马达53的再生电力(三相交流电力)变换为直流电力来供给到蓄电池55。
蓄电池55构成为被充入燃料电池1的输出电力的剩余部分和行驶马达53的再生电力。充入到蓄电池55的电力根据需要而被供给到阴极压缩机25等辅机类、行驶马达53。
DC/DC转换器56是使燃料电池1的输出电压升降的双向性的电压变换机。通过利用DC/DC转换器56对燃料电池1的输出电压进行控制，来调整燃料电池1的输出电流等。
控制器6由具备中央运算装置(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。除了来自电流传感器51、电压传感器52等各种传感器的信号以外，来自检测加速踏板的踏下量的加速行程传感器(未图示)等传感器的信号也被输入到控制器6。
控制器6根据燃料电池系统100的运转状态来控制阳极压力调节阀33、阴极压力调节阀28、阴极压缩机25等，对供给到燃料电池1的阳极气体、阴极气体的压力、流量进行调整。
另外，控制器6基于行驶马达53的要求电力、阴极压缩机25等辅机类的要求电力、蓄电池55的充放电要求等来计算目标输出电力。控制器6基于目标输出电力，参照预先决定的燃料电池1的IV特性(电流电压特性)来计算燃料电池1的目标输出电流。然后，控制器6进行以下控制：通过DC/DC转换器56对燃料电池1的输出电压进行控制以使燃料电池1的输出电流为目标输出电流，供给行驶马达53、辅机类所需的电流。
另外，控制器6对阴极压缩机25等进行控制以使燃料电池1的各电解质膜111的湿润度(含水量)为适于发电的状态。
另外，在后述的第一实施方式～第六实施方式中，控制器6将在燃料电池1的输出电压上叠加规定频率的交流信号所得到的电压值的振幅值除以同样叠加交流信号所得到的电流值的振幅值，来计算规定频率下的燃料电池1的阻抗Z。
在如上所述那样说明的燃料电池系统100中，由控制器6、电流传感器51、电压传感器52以及DC/DC转换器56来构成燃料电池1的状态检测装置。
在本实施方式中，在燃料电池1中，设定考虑到作为阳极112的状态量的反应电阻值Ra和双电层电容Ca、作为阴极113的状态量的反应电阻值Rc和双电层电容Cc以及作为电解质膜111的状态量的电解质膜电阻值Rm的简易的等效电路模型，基于该简易等效电路模型来进行燃料电池1的状态估计。
此外，电解质膜电阻值Rm是其值根据电解质膜111的湿润度决定的状态量。通常，具有电解质膜111越干燥则电解质膜电阻值Rm越高的趋势。
另外，阳极112的反应电阻值Ra与阳极112处的阳极气体的反应相应地增减，例如，当存在阳极气体不足等无法顺畅地进行该反应的因素时，与之相应地反应电阻值Ra上升。
并且，阳极112的双电层电容Ca是以表示燃料电池1中阳极112所具有的电容的方式进行模型化而得到的。因而，双电层电容Ca是基于构成阳极112的材料、大小等各种要素而决定的。
另外，阴极113的反应电阻值Rc与阴极113处的阴极气体的反应相应地增减，例如，当存在阴极气体不足等无法顺畅地进行该反应的因素时，与之相应地反应电阻值Rc上升。
并且，阴极113的双电层电容Cc是以表示阴极113所具有的电容的方式进行模型化而得到的。因而，双电层电容成分的值Cc是基于构成阴极113的材料、大小等各种要素而决定的。
在此，本发明人们发现：在燃料电池1的简易等效电路模型中，叠加于燃料电池1的输出电流的交流信号(交流电流)在燃料电池内部流动的路径存在频率依赖特性。下面，说明交流电流在燃料电池内部流动的路径的频率依赖特性。
图4A～图4D是按交流电流的频带来示意性地示出在本实施方式所涉及的燃料电池1的简易等效电路模型中叠加于燃料电池1的输出电流的交流电流在燃料电池内部流动的路径的图。
在图4A中，例如示出了属于0Hz附近的低频带(下面，也记载为第一频带)的频率的交流电流的路径。另外，在图4B中，例如示出了属于与几Hz左右的第一频带相比稍高的频带(下面，也记载为第二频带)的频率的交流电流的路径。并且，在图4C中，例如示出了属于与几十Hz～几千Hz的第二频带相比稍高的频带(下面，也记载为第三频带)的频率的交流电流的路径。另外，在图4D中，例如示出了属于几万Hz以上的最高频带(下面，也记载为第四频带)的频率的交流电流的路径。此外，在图4A～图4D中，以粗线示出交流电流的路径。
首先，关于图4A所示的属于第一频带的频率的交流电流，由于频率低，因此值的变动平缓，电流的值具有与作为固定值的直流相近的性质。因而，这样与直流相近的性质的交流电流不流入阳极112的双电层电容和阴极113的双电层电容侧部分，或者即使流入阳极112的双电层电容和阴极113的双电层电容侧部分，其大小也小至能够忽视的程度。即，如图所示，交流电流实质上仅流过阳极112的反应电阻、电解质膜电阻以及阴极113的反应电阻的部分。
接着，关于图4B所示的属于第二频带的频率的交流电流，与上述属于第一频带的频率的交流电流相比，值的变动变大，作为交流的性质变得更强。因而，认为如图所示那样，交流电流也开始流过阴极113的双电层电容侧。
另一方面，已知阳极112的反应电阻值Ra与阴极113的反应电阻值Rc相比取非常小的值，因此电流比较容易流向阳极112的反应电阻侧。因而，认为在第二频带的频率程度的交流电流中，电流依然不流入阳极112的双电层电容侧部分，或者即使流入阳极112的双电层电容侧部分，其大小也小至能够忽视的程度。
并且，关于图4C所示的属于第三频带的频率的交流电流，与上述属于第二频带的频率的交流电流相比，值的变动变得更大，因此作为交流的性质进一步变强。因而，认为阳极112的双电层电容的影响也变得无法忽视，电流也流过阳极112的双电层电容部分。
另一方面，在该第三频带，阴极113处的氧化还原反应变得无法追随上述交流电流的值的变动速度，产生表观上不再发生该氧化还原反应的状态。
因而，阴极113处的阴极气体的反应实质上不发生，因此能够忽视上述氧化还原反应对阴极113的反应电阻的影响。
即，在第三频带，如图4C所示，交流电流不流入阴极113的反应电阻，或者即使流入阴极113的反应电阻、其大小也小至能够忽视的程度，因此认为实质上仅流过双电层电容成分。
此外，在阳极112处，氧化还原反应对交流电流的值的变动的追随性能比较高，该氧化还原反应能够在第三频带时仍追随交流电流的值的变动。因而，认为如图所示那样，属于第三频带的频率的交流电流依然流过阳极112的反应电阻。
然后，关于图4D所示的属于第四频带的频率的交流电流，与上述属于第三频带的频率的交流电流相比，值的变动进一步变大，因此不仅是阴极113、阳极112处的氧化还原反应也变得无法追随该交流电流的值的变动。
因而，除了阴极113以外，阳极112处的反应也实质上不发生，能够忽视阴极113的反应电阻和阳极112的反应电阻双方的影响。
即，在第四频带，交流电流不流入阴极113和阳极112双方的反应电阻，或者即使流入阴极113和阳极112双方的反应电阻，其大小也小至能够忽视的程度。因而，如图所示，属于第四频带的频率的交流电流仅流过阴极113和阳极112各自的双电层电容侧。
根据以上的说明可以了解的是，对于上述的从第一频带选择的频率的交流电流、从第二频带选择的频率的交流电流、从第三频带选择的频率的交流电流以及从第四频带选择的频率的交流电流而言，流过燃料电池的简易等效电路中的各要素的路径不同。
因而，本发明人们想到了：利用像这样与频率相应的交流电流的路径的不同，参照基于简易等效电路而得到的阻抗的式子，
[式1]
(其中，j表示虚数单位。)
根据基于属于各频带的频率的阻抗来个别地估计各种状态量。
例如，从上述第四频带(下面也记载为“电解质膜响应频带”)选择的频率的交流电流流过电解质膜电阻、阳极112的双电层电容以及阴极113的双电层电容的部分，因此基于从该电解质膜响应频带选择的频率的阻抗(下面也记载为“电解质膜响应阻抗”)包含电解质膜电阻值Rm的信息。
此外，该电解质膜响应频带是用于所谓的HFR(High Frequency Resistance：高频电阻)的频带。因而，在阻抗的式(1)中当设ω→∞时，能够视作阻抗Z与电解质膜电阻值Rm大致一致。
另外，从第三频带(下面也记载为“阳极响应频带”)选择的频率的交流电流流过电解质膜电阻、阳极112的反应电阻、阳极112的双电层电容以及阴极113的双电层电容的部分，因此基于从该阳极响应频带选择的频率的阻抗(下面记载为“阳极响应阻抗”)至少包含阳极112的反应电阻值Ra和阳极112的双电层电容值Ca的信息。
特别是在该情况下，在图4C所示的等效电路中能够忽视阴极113的反应电阻，因此阻抗的式子呈现为下式。
[式2]
并且，从第二频带选择的频率的交流电流流过电解质膜电阻、阳极112的反应电阻、阴极113的反应电阻以及阴极113的双电层电容的部分，因此基于从该第二频带选择的频率的阻抗包含电解质膜电阻值、阳极112的反应电阻值、阴极113的反应电阻值Rc以及阴极113的双电层电容值Cc的信息来作为状态量。
另外，从作为最低频带的第一频带(下面也记载为“低频带”)选择的频率的交流电流流过电解质膜电阻、阳极112的反应电阻以及阴极113的反应电阻的部分，因此基于从该低频带选择的频率的阻抗(下面记载为低频阻抗)至少包含阴极113的反应电阻值Rc的信息。
下面，在各实施方式中，说明使用上述电解质膜响应频带、阳极响应频带以及低频带中的至少两个来进行的各状态量的估计的详情。
此外，一般已知的是，“频率f”与“角频率ω”之间存在ω＝2πf的关系，它们之间只存在乘以无量纲的常数2π的差异，因此在各实施方式中将“频率”与“角频率”同等看待，无论表示哪个都使用“ω”的符号，以简化说明。
(第一实施方式)
下面，说明第一实施方式。
图5是表示本实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。
如图所示，首先，在步骤S101中，选择电解质膜响应频带中的一个点的频率ωH，求出基于频率ωH的阻抗Z(ωH)。
具体地说，在阻抗测量定时，控制器6控制DC/DC转换器56，使得在从燃料电池1输出的输出电压和输出电流上叠加电解质膜响应频带的频率ωH的交流信号。
并且，控制器6对由电压传感器52测定出的输出电压的值V实施傅立叶变换来得到电压振幅值V(ωH)，对由电流传感器51测定出的输出电流的值I实施傅立叶变换处理来得到电压振幅值I(ωH)，求出它们之比V(ωH)/I(ωH)来作为阻抗Z(ωH)。此外，测量阻抗Z(ωH)的手法在针对从电解质膜响应频带以外的阳极响应频带、低频带选择出的频率进行的情况下也是同样的，因此以后省略其详细说明。
接着，在步骤S102中，控制器6根据所得到的阻抗Z(ωH)来估计电解质膜电阻值Rm。具体地说，如上所述，电解质膜响应频带是在所谓的HFR测量中使用的频带，基于从该高频带选择出的频率ωH的阻抗Z(ωH)或其实部成分Zr(ωH)大致与电解质膜电阻值Rm一致。即，将阻抗Z(ωH)或其实部成分Zr(ωH)的值直接估计为电解质膜电阻值Rm。
在步骤S103中，控制器6选择阳极响应频带中的两个点的频率ω1、ω2，求出基于该频率ω1、ω2的阳极响应阻抗Z(ω1)、Z(ω2)。
在步骤S104中，控制器6根据估计出的电解质膜电阻值Rm以及所得到的两个阻抗Z(ω1)、Z(ω2)，来估计阳极112的反应电阻值Ra和阳极112的双电层电容值Ca。
具体说明该估计的方式。首先，在选择阳极响应频带中的两个点的频率ω1、ω2的情况下，如上所述那样能够忽视阴极113的反应电阻，因而，作为阻抗的式子，能够使用从基于简易等效电路的阻抗的式(1)去除阴极113的反应电阻值Rc后的式(2)。
在此，在式(2)中，代入作为已知的值的两个点的频率ω1、ω2以及基于它们的阻抗Z(ω1)、Z(ω2)的组合，取其实部Zr(ω1)和Zr(ω2)。而且，考虑到估计出的电解质膜电阻值Rm已知，能够得到未知数为Ra和Ca的两个方程式。因而，只要对得到的两个方程式进行求解就能够求出Ra和Ca。
示出求出未知数Ra和Ca的方法的一例。首先，当取式(2)的实部来进行变形时，为下式。
[式3]
考虑横轴为ω2、纵轴为1/Zr的平面，在该平面中，式(3)示为直线，其斜率mr呈现为下式。
[式4]
在此，两个点的频率ω1、ω2已知，因此当将这两个点的频率ω1、ω2以及与它们对应的阻抗测量值的实部Zr(ω1)、Zr(ω2)绘制于上述平面时，将它们连接的直线可定，斜率mr的值可定。即，式(4)的未知数是Ra和Ca。
接着，式(3)所表示的直线的截距a呈现为下式。
[式5]
在此，与斜率mr的值同样地，根据点的频率ω1、ω2以及与它们对应的阻抗测量值的实部Zr1、Zr2，截距a的值也可定。而且，Zr与阻抗测量值的实部Zr1及Zr2相当，因此式(5)的未知数只有Ra。
因而，根据式(5)，能够将阳极112的反应电阻值Ra以下式的方式求出。
[式6]
另外，通过将根据式(6)决定的Ra代入到式(4)，能够将阳极112的双电层电容值Ca以下式的方式求出。
[式7]
此外，求出Ra和Ca的计算方法不限于上述的计算方法，能够使用各种适当的计算方法。
接着，在步骤S105中，控制器6选择低频带中的一个点的频率ωL，测量基于该频率ωL的阻抗Z(ωL)。
在步骤S106中，控制器6使用已估计出的电解质膜电阻值Rm、阳极112的反应电阻值Ra和阳极112的双电层电容值Ca以及测量出的阻抗Z(ωL)，来估计阴极113的双电层电容值Cc。
具体说明该估计的方式。如上所述，低频带的频率ωL的交流电流流过燃料电池1的简易等效电路中的全部电路要素、即阳极112的反应电阻和双电层电容、电解质膜电阻以及阴极113的反应电阻和双电层电容的部分。因而，基于频率ωL得到的低频阻抗Z(ωL)包含阳极112的反应电阻值Ra和双电层电容值Ca、电解质膜电阻值Rm以及阴极113的反应电阻值Rc和双电层电容值Cc的信息。因而，作为阻抗的式子，需要使用考虑到上述全部电路要素的式(1)。
在式(1)中，代入作为已知的值的频率ωL以及基于频率ωL的阻抗Z(ωL)，取其实部Zr(ωL)和虚部Zi(ωL)。而且，考虑到估计出的电解质膜电阻值Rm、阳极112的反应电阻值Ra以及阳极112的双电层电容值Ca已知，能够得到未知数为Rc和Cc的两个方程式。因而，只要对这两个方程式进行求解就能够求出未知数Rc和Cc。
示出像这样求出未知数Rc和Cc的方法的一例。首先，当取式(1)的实部来进行变形时，为下式。
[式8]
另外，当取式(1)的虚部来进行变形时，为下式。
[式9]
在此，频率ωL、与频率ωL对应的阻抗测量值的实部Zr(ωL)和虚部Zi(ωL)以及Ra和Ca已知，因此当将它们代入到式(8)和式(9)来进行变形时，阴极113的双电层电容值Cc为下式。
[式10]
其中，在式(10)中ω是ωL，A能够如下述的式(11)那样定义。
[式11]
并且，阴极113的反应电阻值Rc以下式的方式被求出。
[式12]
其中，式(12)中的A如上述式(11)那样定义，式(12)中的B如下述式(13)那样定义。
[式13]
如以上那样，通过步骤S101～步骤S106的步骤，作为燃料电池1的状态量，能够估计出电解质膜电阻值Rm、阳极112的反应电阻值Ra、阳极112的双电层电容值Ca、阴极113的反应电阻值Rc以及阴极113的双电层电容值Cc。
根据上述的本实施方式，能够得到以下的效果。在本实施方式中，由控制器6、电流传感器51、电压传感器52以及DC/DC转换器56来构成状态检测装置。另外，阻抗获取单元和内部状态量估计单元由控制器6构成。
根据本实施方式，接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电的燃料电池1的状态检测装置的阻抗获取单元获取基于从至少包括对阳极112的状态量Ra、Ca表现出响应性的频带的高频带(阳极响应频带和电解质膜响应频带)选择出的频率ωH、ω1、ω2的高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)以及基于从至少包括对阴极的状态量Rc、Cc表现出响应性的频带的低频带选择出的频率ωL的低频阻抗Z(ωL)(步骤S101、步骤S103、步骤S105)。
然后，燃料电池1的状态检测装置的内部状态量估计单元将获取到的高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)与低频阻抗Z(ωL)进行组合，分别估计作为燃料电池1的内部状态的阳极112的状态量Ra、Ca和阴极113的状态量Rc、Cc。
据此，能够基于获取到的高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)和低频阻抗Z(ωL)这样的从不同频带得到的阻抗信息，利用与频率的大小相应的阳极112的反应和阴极113的反应对于电流变动的追随速度差，来至少分别个别地探测阳极112的状态量Ra、Ca和阴极113的状态量Rc、Cc。因而，能够得到高精度的阳极112的状态量Ra、Ca和阴极113的状态量(Rc、Cc)的信息，其结果是能够使利用这些状态量进行的燃料电池1的动作控制更适当。
并且，根据本实施方式，内部状态量估计单元基于高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)来估计某个内部状态量Rm、Ra、Ca，基于估计出的该内部状态量Rm、Ra、Ca以及低频阻抗Z(ωL)来估计其它内部状态量Rc、Cc。
由此，对于仅利用作为一个频带的低频带的低频阻抗Z(ωL)无法确定的内部状态量Rc、Cc，能够基于根据作为其它频带的高频带的高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)估计出的内部状态量Rm、Ra、Ca来使其确定。即，能够更可靠地进行多种内部状态量Rm、Ra、Ca、Rc、Cc彼此的区分。
此外，反之也可以是，内部状态量估计单元基于低频阻抗Z(ωL)来估计某个内部状态量，基于估计出的内部状态量以及高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)来估计其它内部状态量。
另外，根据本实施方式，上述高频带(阳极响应频带和电解质膜响应频带)包括阳极响应频带和电解质膜响应频带，该阳极响应频带是对燃料电池1的阳极112的状态量Ra、Ca表现出响应性的频带，该电解质膜响应频带是频率比阳极响应频带高的频带，对燃料电池1的电解质膜的状态量Rm表现出响应性。而且，阻抗获取单元获取基于从阳极响应频带选择出的频率的阳极响应阻抗Z(ω1)、Z(ω2)以及基于从电解质膜响应频带选择出的频率的电解质膜响应阻抗Z(ωH)这两方，来作为高频阻抗Z(ωH)、Z(ω1)、Z(ω2)(步骤S101、步骤S103)。
由此，能够基于电解质膜响应阻抗Z(ωH)和阳极响应阻抗Z(ω1)、Z(ω2)来分别估计燃料电池1的电解质膜111的状态量Rm和阳极112的状态量Ra、Ca。
并且，根据本实施方式，内部状态量估计单元基于电解质膜响应阻抗Z(ωH)来估计电解质膜111的状态量Rm(步骤S102)，基于估计出的该电解质膜111的状态量Rm以及阳极响应频带阻抗Z(ω1)、Z(ω2)来估计阳极112的状态量Ra、Ca(步骤S104)。
由此，能够基于估计出的该电解质膜111的状态量Rm以及阳极响应频带阻抗Z(ω1)、Z(ω2)，更可靠地与其它状态量分开地估计阳极112的状态量Ra、Ca。
特别是，在本实施方式中，阳极112的状态量Ra、Ca包含该阳极112的反应电阻值Ra和双电层电容值Ca，阴极113的状态量Rc、Cc包含该阴极113的反应电阻值Rc和双电层电容值Cc。而且，内部状态量估计单元基于阳极响应阻抗Z(ω1)、Z(ω2)来估计阳极112的反应电阻值Ra和阳极112的双电层电容值Ca(步骤S104)。另外，内部状态量估计单元基于估计出的电解质膜111的状态量Rm、阳极112的反应电阻值Ra和阳极112的双电层电容值Ca以及低频阻抗Z(ωL)来估计阴极113的反应电阻值Rc(步骤S106)。
据此，对于包含除阴极113的反应电阻值Rc以外的全部信息的低频带的低频阻抗Z(ωL)，能够应用基于阳极响应阻抗(Z(ω1)、Z(ω2))估计出的阳极112的反应电阻值Ra和双电层电容值Ca、基于电解质膜响应阻抗Z(ωH)估计出的电解质膜111的状态量Rm。
因而，能够根据包含除目标的状态量Rc以外的信息的低频带的低频阻抗Z(ωL)，来适当地分开估计该目标的状态量Rc。
(第二实施方式)
下面，说明第二实施方式。此外，对与已经说明的第一实施方式的要素相同的要素标注同一标记。
图6是表示第二实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。图6中的步骤S101～步骤S104与图5中的S101～步骤S104相同，因此省略其详细说明。在第二实施方式中，将预先设定的燃料电池1的I-V(电流电压)特性线图(I-V特性图)中的特性线的直线部分的斜率视作低频阻抗来获取该斜率，以代替在低频带的频率下测量低频阻抗。
如图所示，在经过步骤S101～步骤S104之后、即获取到阳极112的反应电阻值Ra和双电层电容值Ca的估计值之后，在步骤S205中，将燃料电池1的I-V特性图中的特性线的直线部分的斜率ΔV/ΔI视作低频阻抗Z(ωL)，获取该斜率ΔV/ΔI。
图7中分别示出稳定时和非稳定时的燃料电池1的I-V特性线。此外，该燃料电池1的I-V特性线是预先基于实验等而决定的。特性线Cv1表示稳定时的I-V特性，特性线Cv2表示非稳定时的I-V特性。在此，稳定时是指不是起步时、停车时等突然加速状态的、稳定行驶时的燃料电池1的输出特性。
特别是，根据图可以了解的是，在稳定时的特性线Cv1的稳定区域P，斜率ΔV/ΔI的变动小而大致取固定值，呈直线形态。因而，在稳定区域P，不管输出电流I如何都能够将斜率ΔV/ΔI视作固定值。
这样，ΔV/ΔI的值固定的稳定区域P是使稳定时的特性线Cv1的ΔV/ΔI的值为规定值以下的横轴(输出电流I)的区间。
在本实施方式中，控制器6将该稳定区域P的ΔV/ΔI的值预先存储到未图示的存储器等，在获取低频阻抗Z(ωL)的定时从该存储器读出ΔV/ΔI的值，视作低频阻抗Z(ωL)。这样得到的低频阻抗Z(ωL)与现实的值良好匹配。
然后，在步骤S206中，使用作为低频阻抗Z(ωL)而获取的ΔV/ΔI的值来进行阴极113的反应电阻值Rc的估计。
具体地说明。当在上述的式(1)中假定ω为低频率(ω→0)时，认为下式成立。
[式14]
因而，在式(14)中，当将阻抗Z置换为ΔV/ΔI时，为下式。
[式15]
由此，通过将通过步骤S101～步骤S104的过程而估计出的电解质膜电阻值Rm和阳极112的反应电阻值Ra代入到式(15)，能够计算出阴极113的反应电阻值Rc。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池1的状态检测装置，作为阻抗获取单元的控制器6获取燃料电池1的I-V特性线的斜率ΔV/ΔI来作为低频阻抗Z(ω1)。即，不直接测量就能够获取低频阻抗Z(ω1)。
此外，例如，也可以是，利用获取I-V特性线的斜率ΔV/ΔI的值来作为低频阻抗Z(ω1)以及通过测量来获取低频阻抗Z(ω1)这两方的方法，来获取低频阻抗Z(ω1)，将对利用这两方的方法得到的低频阻抗Z(ω1)进行相互比较/校正等而获取到的更高精度的低频阻抗Z(ω1)用在阴极113的反应电阻值Rc的估计中。
并且，在本实施方式中，作为阻抗获取单元的控制器6在燃料电池1的I-V特性线Cv1的斜率的值的变动为规定值以下的稳定区域P获取斜率ΔV/ΔI来作为低频阻抗Z(ω1)。
在像这样斜率ΔV/ΔI的变动比较小的稳定区域P，无论输出电流I的测量值如何，都可以将斜率ΔV/ΔI的值视作固定，因此无需针对每个输出电压V、输出电流I的测量值来计算斜率ΔV/ΔI的值，能够减少运算量。
(第三实施方式)
说明第三实施方式。此外，对与已说明的实施方式的要素相同的要素标注同一标记。
图8是表示本实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。如图所示，在本实施方式中，省略了与图5所示的步骤S101及步骤S102相当的使用电解质膜响应频带的频率进行的电解质膜电阻值Rm的估计。
特别是，在本实施方式中，在特有的步骤S304中，使用在阳极响应频带的两个点的频率ω1、ω2获取到的阳极响应阻抗Z(ω1)和Z(ω2)，来估计作为状态量的阳极112的反应电阻值Ra、阳极112的双电层电容值Ca、阴极113的双电层电容值Cc以及电解质膜电阻值Rm(步骤S304)。
下面，说明步骤S304中的状态量估计的一个方式。
在本实施方式中，也基于上述的阻抗的式(2)来进行计算。取式(2)的实部来得到式(3)、基于式(3)得到式(4)的步骤与第一实施方式所涉及的估计阳极112的反应电阻值Ra和阳极112的双电层电容值Ca的情况相同。
然后，如果对式(4)进行变形，则能够得到下式。
[式16]
此外，如上所述，mr是将两个阻抗Z(ω1)和Z(ω2)连接的直线的斜率，是已知的值。
另一方面，当取式(2)的虚部时为下式。
[式17]
在此，当将式(16)的Ra代入到上述式(17)、使两边乘以ω时，为下式。
[式18]
然后，当将上述已知的频率ω1和ω2以及与它们对应的阻抗测量值的虚数成分Zi1和Zi2分别代入到式(18)来得到两个式子、取这两个式子之差来消除阴极的双电层电容Cc时，能够得到与作为未知数的阳极的双电层电容Ca有关的4次方程式。
[式19]
对式(19)的4次方程式进行求解，考虑到Ca不能取虚数值，作为阳极的双电层电容Ca的候选，能够得到两个解。
[式20]
[式21]
此外，式(19)的4次方程式能够使用本领域技术人员所知的各种解法。
其中，t1是如下所述那样定义的常数。
[式22]
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
并且，式中的A2、A1以及A0分别为下式。
[式23]
并且，通过将Ca1和Ca2分别代入到上述式(16)，能够与该Ca1和Ca2对应地决定Ra1和Ra2作为反应电阻的估计值的候选。估计值的候选Ra1和Ra2如下述那样。
[式24]
[式25]
在此，需要根据上述的阳极112的双电层电容值的候选Ca1和Ca2以及反应电阻值的候选Ra1和Ra2来决定适于现实特性的真正的估计值。说明其方法的一例。
在本实施方式中，对于该真正的估计值的决定，并非仅根据Ca1、Ra1、Ca2以及Ra2的值来判断，而是对上述式(17)中的阻抗虚部的式子进行变形而得到的阴极113的双电层电容值Cc的式子。
[式26]
图9中示出了阴极113的双电层电容值的候选Cc1、Cc2的频率响应。此外，该图表是基于预先通过实验等计算出的使频率ω1和ω2在阳极响应频带的范围连续变化而得到的双电层电容值的候选Cc1、Cc2的数据的图表。
此外，在该图表中，将Cc1描绘的线表示为虚线，将Cc2描绘的线表示为实线。另外，频率ωd是对于阳极112的反应电阻值和双电层电容值的候选的组(Ca1、Ra1)和(Ca2、Ra2)而言(Ca1、Ra1)＝(Ca2、Ra2)的频率。即，在频率ωd下，Ca1、Ra1、Ca2以及Ra2中的上述式(20)、(21)、(24)以及(25)的根号内部为0。
如图所示，在频率ω<ωd的区域，双电层电容值的估计值候选Cc2基本取0以下的值，在ωd之前Cc2的值相对于频率变化极端敏感，因此在频率ω<ωd的区域，Cc1是应该现实采用的真正的估计值。
因而，关于阴极113的双电层电容值和反应电阻值，在频率ω<ωd的区域，也分别采用与上述Cc1对应的Ca1和Ra1。
另一方面，在ω>ωd的区域，仅观察阴极113的双电层电容值的候选(Cc1、Cc2)的变化是难以判断应该采用Cc1和Cc2中的哪一个的。因此，通过直接研究阳极112的反应电阻值和双电层电容值的候选的组(Ca1、Ra1)和(Ca2、Ra2)来进行该判断。
图10A示出了阳极112的双电层电容的候选Ca1、Ca2的频率响应。另外，图10B示出了阳极112的反应电阻值的候选Ra1、Ra2的频率响应。此外，这些图表也是基于预先通过实验等计算出的使频率ω1和ω2在阳极响应频带的范围连续变化而得到的候选的组(Ca1、Ra1)和(Ca2、Ra2)的数据的图表。
当参照图10A时，在ω>ωd的区域，阳极112的双电层电容值的候选Ca1的频率极端敏感。因而，在ω>ωd的区域，作为阳极112的双电层电容值的真正的估计值，Ca2是应该现实采用的值。因而，在频率ω>ωd的区域，应该分别采用Ca2以及与其对应的Ra1。
此外，参照图10B可以了解的是，在比频率ωd小的ω<ωd的区域，反应电阻值的候选Ra2对于频率变化极端敏感，因此判断出反应电阻值的候选Ra1是应该现实采用的真正的估计值。因而，在该频率ω<ωd的区域，应该分别采用与Ra1对应的Ca1和Ra1，可知这一点与基于阴极113的双电层电容值的频率响应进行的考察一致。
另外，在频率ω＝ωd时，(Ca1、Ra1)＝(Ca2、Ra2)，因此可以将这些候选的组中的任一组采用为真正的候选的组。
基于以上的考察可知，在决定真正的估计值时，应该从候选的组(Ca1、Ra1)和(Ca2、Ra2)中决定的对象是根据频率而变化的。具体地说，根据阳极响应频带的两个点的频率ω1、ω2以及频率ωd的大小，从候选的组(Ca1、Ra1)和(Ca2、Ra2)决定适当的组。并且，如果将所决定的阳极112的双电层电容值Ca和反应电阻值Ra的估计值代入到式(3)，则由于频率ω和阻抗测量值的实部Zr已知而可以求出电解质膜电阻值Rm。
使用这样求出的阳极112的双电层电容值Ca、反应电阻值Ra以及电解质膜电阻值Rm的估计值，与第一实施方式同样地进行以后的步骤S105和步骤S106，将阴极113的反应电阻值Rc也估计出来。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池1的状态判定，作为阻抗获取单元和内部状态量估计单元的控制器6仅获取阳极响应阻抗Z(ω1)和Z(ω2)来作为高频阻抗，基于阳极响应频带阻抗Z(ω1)和Z(ω2)来估计阳极112的状态量Ca和Ra。
由此，尽管省略基于电解质膜响应阻抗的测量的电解质膜电阻值Rm的估计来减轻对控制器6的负荷，也能够估计阳极112的状态量Ca和Ra，最终能够将作为阴极113的状态量的反应电阻值Rc也估计出来。
(第四实施方式)
说明第四实施方式。此外，对与已说明的实施方式的要素相同的要素标注同一标记。
图11是表示本实施方式所涉及的状态量的估计的流程的流程图。如图所示，在本实施方式中，与第三实施方式同样地，在步骤S103求出阳极响应阻抗Z(ω1)、Z(ω2)，在步骤S304中求出阳极112的反应电阻值Ra和双电层电容值Ca、阴极113的双电层电容值Cc以及电解质膜电阻值Rm的估计值。
之后，与第二实施方式的情况同样地，在步骤S205中基于燃料电池1的I-V特性来获取低频阻抗ΔV/ΔI，在步骤S206中根据这样获取到的低频阻抗ΔV/ΔI以及电解质膜电阻值Rm的估计值来估计阴极113的反应电阻值Rc。
因而，根据本实施方式所涉及的燃料电池1的状态判定，不直接测量低频阻抗Z(ω1)就能够估计，并且能够省略基于电解质膜响应阻抗的测量进行的电解质膜电阻值Rm的估计，因此能够进一步减轻对控制器6的负荷。
(第五实施方式)
说明第五实施方式。此外，对与已说明的实施方式的要素相同的要素标注同一标记。
在本实施方式中，在第二实施方式和第四实施方式所涉及的步骤S205中，取代将图7的稳定时的特性线Cv1的稳定区域P的ΔV/ΔI的值事先存储到存储器的方式，而使用实际的输出电压V和输出电流I的测量值以计算ΔV/ΔI的值。
图12示出了稳定时的燃料电池1的I-V特性线。特别是，在本实施方式中，对于在规定的测量定时由电流传感器51测定出的输出电流I1、I2以及在该定时由电压传感器52测定出的输出电压V1、V2，通过计算-(V1-V2)/(I1-I2)来计算斜率ΔV/ΔI。
即，根据输出电压和输出电流的测量值来决定视作低频阻抗的斜率ΔV/ΔI。
在本实施方式中，像这样基于电流和电压的两组测量值(I1、V1)、(I2、V2)来计算燃料电池1的I-V特性线的斜率ΔV/ΔI。由此，与使用在稳定区域P视作固定值而决定的斜率ΔV/ΔI的情况相比，能够得到更高精度地反映出实际的特性的ΔV/ΔI的值。作为结果，将该ΔV/ΔI的值视作低频阻抗来计算出的阴极113的反应电阻值Rc的估计值的精度也提高。
(第六实施方式)
说明第六实施方式。此外，对与已说明的实施方式的要素相同的要素标注同一标记。
在本实施方式中，取代如第五实施方式那样测量输出电流和输出电压的两组测量值(I1、V1)、(I2、V2)以求出I-V特性线的斜率ΔV/ΔI，而是使用输出电流和输出电压的一个测量值(I3、V3)以及事先设定的一个点(Iset、Vset)来进行I-V特性线的斜率ΔV/ΔI的计算。
图13是说明用于进行I-V特性线的斜率ΔV/ΔI的计算的一组电流和电压的设定方法的一例的图。此外，在该图中为了使附图清楚，以虚线表示稳定时的特性线Cv1。如图所示，在本实施方式中，图中涂黑四方形所表示的点与上述(Iset、Vset)相当。特别是，Iset＝0。
因而，根据上述测量值(I3、V3)和事先设定值(Iset、Vset)，通过计算-(Vset-V3)/(Iset-I3)来计算斜率ΔV/ΔI的值。
如上所述，根据本实施方式，基于电流和电压的一组测量值(I3、V3)和事先设定的一组电流和电压的值(Iset、Vset)来计算I-V特性线的斜率ΔV/ΔI的值。
因而，对于燃料电池1的I-V特性线的斜率ΔV/ΔI，在计算该斜率的值时使用的I-V特性线上的两个点中，作为一个点使用事先设定的(Iset、Vset)来抑制运算量，作为另一个点使用测量值(I3、V3)，由此能够将计算的精度也确保为一定以上。
(第七实施方式)
下面，说明第七实施方式。此外，对与已说明的实施方式的要素相同的要素标注同一标记。
在第一实施方式等中测量燃料电池1的阻抗时，测定叠加有交流信号的输出电流I和输出电压V，在本实施方式中，取代这种结构，进行所谓的激励电流施加法，即，从规定的测定用电流源向燃料电池1提供电流I，基于该供给电流I以及输出的电压V来计算阻抗Z＝V/I。
图14是概要性地示出本实施方式的燃料电池系统100中阻抗测量所涉及的重要部分的框图。
如图所示，在本实施方式所涉及的燃料电池系统100中，设置有一边调整交流电流一边向燃料电池1施加该交流电流的施加交流电流调整部200。
施加交流电流调整部200除了与构成为堆的燃料电池1的正极端子(阴极侧端子)1B及负极端子(阳极侧端子)1A连接以外，还与中途端子1C连接。此外，与中途端子1C连接的部分如图所示那样接地。
而且，施加交流电流调整部200具有：正极侧电压测定传感器210，其测定正极端子1B相对于中途端子1C的正极侧交流电位差V1；以及负极侧电压测定传感器212，其测定负极端子1A相对于中途端子1C的负极侧交流电位差V2。
并且，施加交流电流调整部200具有：正极侧交流电源部214，其向包括正极端子1B和中途端子1C的电路施加交流电流I1；负极侧交流电源部216，其向包括负极端子1A和中途端子1C的电路施加交流电流I2；控制器218，其对这些交流电流I1和交流电流I2的振幅、相位进行调整；以及运算部220，其基于正极侧交流电位差V1、V2和交流电流I1、I2来进行燃料电池1的阻抗Z的运算。
在本实施方式中，控制器218以使正极侧交流电位差V1与负极侧交流电位差V2相等的方式调节交流电流I1和交流电流I2的振幅和相位。此外，该控制器218也可以由图3所示的控制器6构成。
另外，运算部220包括未图示的AD变换器、微机芯片等硬件以及计算阻抗的程序等软件结构，将正极侧交流电位差V1除以交流电流I1来计算从中途端子1C到正极端子1B的阻抗Z1，将负极侧交流电位差V2除以交流电流I2来计算从中途端子1C到负极端子1A的阻抗Z2。并且，运算部220通过取阻抗Z1与阻抗Z2之和来计算燃料电池1的整体阻抗Z。
根据上述的本实施方式所涉及的燃料电池的状态估计装置，能够得到以下的效果。
本实施方式所涉及的燃料电池的状态估计装置具有：交流电源部214、216，该交流电源部214、216与燃料电池1连接，向该燃料电池1输出交流电流I1、I2；作为交流调整部的控制器218，其基于作为从燃料电池1的正极侧1B的电位减去中途部分1C的电位而求出的电位差的正极侧交流电位差V1以及作为从燃料电池1的负极侧1A的电位减去中途部分1C的电位而求出的电位差的负极侧交流电位差V2，来调整交流电流I1、I2；以及阻抗运算部220，其基于调整后的交流电流I1、I2以及正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2来运算燃料电池1的阻抗Z。
控制器218以使燃料电池1的正极侧的正极侧交流电位差V1与负极侧的负极侧交流电位差V2实质上一致的方式，对由正极侧交流电源部214施加的交流电流I1和由负极侧交流电源部216施加的交流电流I2的振幅和相位进行调节。由此，正极侧交流电位差V1的振幅与负极侧交流电位差V2的振幅变得相等，因此正极端子1B与负极端子1A实质上为相等电位。因而，防止用于阻抗测量的交流电流I1、I2流向负载53，因此防止对燃料电池1的发电产生影响。
另外，在燃料电池1处于发电状态的情况下执行上述阻抗测量的情况下，测量用交流电位会叠加在通过该发电产生的电压上，因此正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2的值本身变大，但是正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2的相位、振幅本身并不改变，因此能够与燃料电池1未处于发电状态的情况同样地执行高精度的阻抗测量。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。例如，各实施方式中的获取阳极响应阻抗、电解质膜响应阻抗以及低频阻抗的步骤(步骤S101、步骤S103以及步骤S105)等不限定于在各实施方式中说明的步骤顺序，能够任意地变更。
例如，也可以在将获取阳极响应阻抗、电解质膜响应阻抗以及低频阻抗的步骤全部进行完之后，进行各状态量的估计。
另外，在燃料电池1中估计多个内部状态量的方式不仅限于在上述各实施方式中说明的方式。
例如，也可以取代第一实施方式、第三实施方式中的步骤S105中的从低频带选择一个频率ωL的方式，而在低频带选择两个频率ωL1、ωL2来求出低频阻抗Z(ωL1)和Z(ωL2)。由此，不仅最终求出阴极113的反应电阻Rc，还能够求出阴极113的双电层电容Ca的估计值。
另外，燃料电池1的简易等效电路的方式也不限定于上述各实施方式中使用的方式。例如，也可以设定除了包括在上述各实施方式中说明的各极的反应电阻、双电层电容等电路元件以外、还包括扩散电阻、电子输送电阻以及离聚物电阻等其它要素的等效电路，以作为基于这些其它要素的内部状态量的扩散电阻值、电子输送电阻值以及离聚物电阻值等为估计的对象。

Claims (12)

1.一种燃料电池的状态检测装置，该燃料电池接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电，所述燃料电池的状态检测装置具备：
阻抗获取单元，其获取高频阻抗和低频阻抗，所述高频阻抗是基于从对阳极的状态量表现出响应性的高频带选择出的频率的阻抗，所述低频阻抗是基于从对阴极的状态量表现出响应性的低频带选择出的频率的阻抗；以及
内部状态量估计单元，其将获取到的所述高频阻抗和所述低频阻抗进行组合，分别估计作为所述燃料电池的内部状态的所述阳极的状态量和所述阴极的状态量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述内部状态量估计单元基于所述高频阻抗来估计某个内部状态量，基于估计出的该内部状态量以及所述低频阻抗来估计其它内部状态量，或者，
所述内部状态量估计单元基于所述低频阻抗来估计某个内部状态量，基于估计出的该内部状态量以及所述高频阻抗来估计其它内部状态量。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述高频带是阳极响应频带且还包括电解质膜响应频带，所述电解质膜响应频带是频率比所述阳极响应频带高的频带，对所述燃料电池的电解质膜的状态量表现出响应性，
所述阻抗获取单元获取基于从所述阳极响应频带选择出的频率的阳极响应阻抗以及基于从所述电解质膜响应频带选择出的频率的电解质膜响应阻抗中的至少一方，来作为所述高频阻抗。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述阻抗获取单元获取所述阳极响应阻抗和所述电解质膜响应阻抗这两方，来作为所述高频阻抗，
所述内部状态量估计单元基于所述电解质膜响应阻抗来估计所述电解质膜的状态量，基于估计出的该电解质膜的状态量以及所述阳极响应频带阻抗来估计所述阳极的状态量。
5.根据权利要求3所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述阻抗获取单元仅获取所述阳极响应阻抗来作为所述高频阻抗，
所述内部状态量估计单元基于所述阳极响应频带阻抗来估计所述阳极的状态量。
6.根据权利要求4所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述阳极的状态量包括该阳极的反应电阻值和双电层电容值，
所述阴极的状态量包括该阴极的反应电阻值和双电层电容值，
所述内部状态量估计单元基于所述阳极响应阻抗来估计所述阳极的反应电阻值和所述阳极的双电层电容值，
所述内部状态量估计单元基于估计出的所述电解质膜的状态量、所述阳极的反应电阻值、所述阳极的双电层电容值以及所述低频阻抗，来估计所述阴极的反应电阻值和双电层电容值中的至少一方。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述阻抗获取单元获取所述燃料电池的电流电压特性线的斜率的值，来作为所述低频阻抗。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
在所述燃料电池的电流电压特性线的斜率的值的变动为规定值以下的稳定时，所述阻抗获取单元获取所述斜率的值来作为所述低频阻抗。
9.根据权利要求7所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
基于两组电流和电压的测量值来计算所述电流电压特性线的斜率。
10.根据权利要求7所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
基于一组电流和电压的测量值以及事先设定的一组电流和电压的值来计算所述电流电压特性线的斜率。
11.根据权利要求1或2所述的燃料电池的状态检测装置，其特征在于，
所述燃料电池构成为层叠电池，
所述燃料电池的状态检测装置还具备：
交流电源部，其与所述层叠电池连接，向该层叠电池输出交流电流；
交流调整部，其基于正极侧交流电位差和负极侧交流电位差来调整交流电流，所述正极侧交流电位差是从所述层叠电池的正极侧的电位减去该层叠电池的中途部分的电位而求出的电位差，所述负极侧交流电位差是从所述燃料电池的负极侧的电位减去所述中途部分的电位而求出的电位差；以及
阻抗运算部，其基于调整后的所述交流电流、所述正极侧交流电位差以及所述负极侧交流电位差，来运算所述燃料电池的所述阻抗测量值。
12.一种燃料电池的状态检测方法，该燃料电池接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电，所述燃料电池的状态检测方法包括：
阻抗获取步骤，获取高频阻抗和低频阻抗，所述高频阻抗是基于从对阳极的状态量表现出响应性的高频带选择出的频率的阻抗，所述低频阻抗是基于从对阴极的状态量表现出响应性的低频带选择出的频率的阻抗；以及
内部状态量估计步骤，将获取到的所述高频阻抗和所述低频阻抗进行组合，分别估计作为所述燃料电池的内部状态的所述阳极的状态量和所述阴极的状态量。
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