CN108140856B - 燃料电池的状态判定方法和状态判定装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池的状态判定方法，用于对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内部状态进行判定，在该燃料电池的状态判定方法中，对由于燃料电池成为氧不足状态而在阴极发生的析氢反应所引起的阴极的反应电阻值的下降进行检测，基于反应电阻值的下降的检测来判定氧不足状态。

Description

燃料电池的状态判定方法和状态判定装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的状态判定方法和状态判定装置。
背景技术
已知一种燃料电池的状态判定装置，测量燃料电池的内部阻抗值，基于该值来检测燃料电池的内部状态。
例如，日本特开2013-8568号公报中公开了一种燃料电池状态诊断装置，基于内部阻抗的测量值，将燃料气体(阳极气体)的缺乏和氧化剂气体(阴极气体)的缺乏区分开来诊断燃料电池的内部状态。
在该燃料电池状态诊断装置中，在燃料电池的阴极的出口附近获取到的内部阻抗增加的情况下，判定为发生了阴极气体的缺乏。
发明内容
然而，氧缺乏的加剧与内部阻抗的增加未必有相关性，有时难以高精度地判定氧不足状态。因而，期望一种新的氧不足的判定方法。
本发明是着眼于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够适当地判定燃料电池中的氧不足的燃料电池的状态判定方法和状态判定装置。
用于解决问题的方案
根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池的状态判定方法，用于对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内部状态进行检测。在该燃料电池的状态判定方法中，对由于燃料电池成为氧不足状态而在阴极发生的析氢反应所引起的阴极的反应电阻值的下降进行检测，基于反应电阻值的下降的检测来判定氧不足状态。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的概要结构图。
图2是说明与氧不足状态下的燃料电池堆内的反应有关的理论的图。
图3是概要性地示出与氧缺乏的加剧对应的阴极的反应电阻值的变化的时间序列数据的图。
图4是说明与氧缺乏的加剧对应的阴极的反应电阻值的变化同内部阻抗的测量频带之间的关系的图。
图5是说明一个实施方式所涉及的氧不足状态的判定和该判定后的处理的流程的流程图。
图6是示出一个实施方式所涉及的阴极的反应电阻值的计算的流程的流程图。
图7A是示出燃料电池堆的等效电路的一例的图。
图7B是示出燃料电池堆的等效电路的一例的图。
图8是说明一个实施方式所涉及的决定判定阈值的流程的流程图。
图9A是示出燃料电池堆的IV特性的变动的图。
图9B是说明燃料电池堆的与各IV特性相应的电流密度同反应电阻值之间的关系的图。
图10是示出反应电阻值与判定阈值之间的关系的图表。
图11是说明频率的选择方法的流程图。
图12是说明一个实施方式所涉及的氧不足状态的判定和该判定后的处理的流程的流程图。
图13是说明一个实施方式所涉及的氧不足状态的判定和该判定后的处理的流程的流程图。
图14是概要性地示出一个实施方式所涉及的阻抗测量装置的结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。
燃料电池单元以利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的方式构成。在燃料电池的单元中，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。当发电时在阳极和阴极这两个电极处进行的主要的电极反应如下。
阳极：2H2→4H++4e- (1)
阴极：4H++4e-+O2→2H2O (2)
(第一实施方式)
图1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具备燃料电池堆1、阴极气体供排装置2、阳极气体供排装置3、电力系统4、阻抗测量装置5以及控制器6。
燃料电池堆1是将两块以上的燃料电池单元(单位电池)层叠而成的层叠电池。燃料电池堆1接受阳极气体和阴极气体的供给来发出车辆行驶所需要的电力。燃料电池堆1具有阳极侧端子1A和阴极侧端子1B来作为用于取出电力的输出端子。
阴极气体供排装置2向燃料电池堆1供给阴极气体，并且将从燃料电池堆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、阴极压缩机25、水分回收装置(WRD；Water Recovery Device)27以及阴极压力调节阀28。
阴极气体供给通路21是流通向燃料电池堆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堆1的阴极气体入口部。
阴极气体排出通路22是流通从燃料电池堆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堆1的阴极气体出口部，另一端形成为开口端。阴极排气是含有阴极气体、通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。
过滤器23是将被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内的阴极气体来将其供给到燃料电池堆1。
WRD 27以跨足于阴极气体供给通路21和阴极气体排出通路22的方式与这些通路21、22连接。WRD 27是用于回收阴极气体排出通路22中流动的阴极排气中的水分并且使用所回收的该水分来对阴极气体供给通路21中流动的阴极气体进行加湿的装置。
阴极压力调节阀28设置于比WRD 27靠下游的阴极气体排出通路22。阴极压力调节阀28被控制器6进行开闭控制，用于调整向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力。
此外，在阴极气体供给通路21上设置有用于检测向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的气流传感器、用于检测向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力的阴极压力传感器等未图示的各种测量传感器。
接着，说明阳极气体供排装置3。
阳极气体供排装置3向燃料电池堆1供给阳极气体并使其循环，并且将从燃料电池堆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、引射器34、阳极气体循环通路35、放气通路36、氢循环泵37以及放气阀38。
高压罐31是将向燃料电池堆1供给的阳极气体保持为高压状态来进行贮存的容器。
阳极气体供给通路32是用于将从高压罐31排出的阳极气体供给到燃料电池堆1的通路。阳极气体供给通路32的一端连接于高压罐31，另一端连接于引射器34。
阳极压力调节阀33设置于比高压罐31靠下游的阳极气体供给通路32。阳极压力调节阀33被控制器6进行开闭控制，用于调整向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力。此外，除此以外，在阳极气体供给通路32上例如也可以还设置有用于检测阳极气体的压力的阳极压力传感器等测量装置。
引射器34设置于阳极气体供给通路32与阳极气体循环通路35的连结部。引射器34使来自高压罐31的阳极气体以及从燃料电池堆1的阳极排出的阳极气体在阳极气体循环通路35中再循环。
阳极气体循环通路35是用于使阳极气体在燃料电池堆1的阳极入口与阳极出口之间循环的通路。
放气通路36是用于从阳极气体循环通路35排出阳极排气的通路。放气通路36的一端连接于阳极气体循环通路35，另一端连接于阴极气体排出通路22。此外，也可以在放气通路36与阳极气体循环通路35的连接部设置用于暂时贮存阳极排气等的缓冲罐。
氢循环泵37作为使阳极气体在阳极气体循环通路35内循环的动力源发挥功能。
放气阀38设置于放气通路36。放气阀38由控制器6来控制开闭，对从阳极气体循环通路35向阴极气体排出通路22排出的阳极排气的放气流量进行控制。
当执行使放气阀38为开阀状态的放气控制时，阳极排气通过放气通路36和阴极气体排出通路22被排出到外部。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4具备行驶马达53、逆变器54、蓄电池55、DC/DC转换器56以及辅机类57。
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具有作为用于从燃料电池堆1和蓄电池55接受电力的供给来进行旋转驱动的电动机的功能、以及作为用于通过利用外力被旋转驱动来进行发电的发电机的功能。
逆变器54由多个IGBT等半导体开关构成。逆变器54的半导体开关被控制器6进行开关控制，由此直流电力被转换为交流电力，或者交流电力被转换为直流电力。在使行驶马达53作为电动机发挥功能的情况下，逆变器54将燃料电池堆1的输出电力与蓄电池55的输出电力的合成直流电力转换为三相交流电力后供给到行驶马达53。与此相对，在使行驶马达53作为发电机发挥功能的情况下，逆变器54将行驶马达53的再生电力(三相交流电力)转换为直流电力后供给到蓄电池55。
蓄电池55构成为被充入燃料电池堆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是使燃料电池堆1的输出电压升降的双向性的电压转换机。通过利用DC/DC转换器56对燃料电池堆1的输出电压进行控制，来调整燃料电池堆1的输出电流等。
辅机类57是阴极压缩机25、阴极压力调节阀28、阳极压力调节阀33以及放气阀38等消耗燃料电池堆1的输出电力、蓄电池55的电力的设备。
阻抗测量装置5是基于燃料电池堆1的输出电压和输出电流来测量燃料电池堆1的内部阻抗Z的装置。具体地说，阻抗测量装置5以使燃料电池堆1的输出电流和输出电压包含具有规定频率的交流信号的方式对燃料电池堆1的输出进行控制，基于此时检测出的输出电压值和输出电流值来计算内部阻抗Z。并且，阻抗测量装置5将测量出的内部阻抗Z输出到控制器6。
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)的微型计算机构成。控制器6除了被输入来自未图示的电流传感器、电压传感器等各种传感器的信号以外，还被输入来自未图示的用于检测加速踏板的踏下量的加速行程传感器等传感器的信号。
控制器6根据燃料电池系统100的运转状态来控制阳极压力调节阀33的开度、阴极压力调节阀28的开度以及阴极压缩机25的输出等，对向燃料电池堆1供给的阳极气体或阴极气体的压力、流量进行调整。
另外，控制器6基于行驶马达53的要求电力、辅机类57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堆1的IV特性(电流电压特性)来计算燃料电池堆1的目标输出电流。而且，控制器6进行以下控制：以使燃料电池堆1的输出电流为目标输出电流的方式利用DC/DC转换器56对燃料电池堆1的输出电压进行控制，供给行驶马达53、辅机类所需要的电流。
在上述的燃料电池系统100中，在本实施方式中，阻抗测量装置5和控制器6作为燃料电池堆1的状态判定装置发挥功能。另外，在本实施方式中，说明检测阴极的氧不足状态来作为燃料电池堆1的内部状态的方法。
在此，以往通过检测内部阻抗值的增加来判断燃料电池堆1的氧不足状态。此前，一般认为：当氧不足状态加剧时，燃料电池堆1内的上述式(1)和式(2)的反应变得难以进行，因此着眼于这一点，内部阻抗所包含的阴极的反应电阻增大，内部阻抗值增加。
然而，本发明的发明人发现以下事实：在现实中，即使燃料电池堆1处于氧不足状态，阴极的反应电阻也未必增大。因而，按照本发明的发明人的见解，即使检测出内部阻抗的增加，也不能判断为燃料电池堆1的氧不足状态。
下面，说明本发明的发明人所考察出的氧不足状态与阴极的反应电阻之间的关系的理论。然而，本实施方式并不一定约束于以下所说明的理论。
图2是说明与氧不足状态下的燃料电池堆1内的反应有关的理论的图。此外，在图2中，示意性地示出构成燃料电池堆1的一个燃料电池单元。
在图示的燃料电池单元中，作为阳极气体的氢沿着阳极112流动，作为阴极气体的空气与氢相向地沿着阴极113流动。在此，在燃料电池的发电状态下，在阳极112侧进行上述式(1)的反应，从而发生生成质子(H+)和电子(e-)的氢氧化反应。下面，将该氢氧化反应也记载为HOR(Hydrogen Oxidation Reaction)。
然后，所生成的质子通过电解质膜111后前进到阴极113，该质子与氧之间发生上述式(2)的反应(氧还原反应)而生成水。以下，将该氧还原反应也记载为ORR(OxygenReduction Reaction)。
经过这些HOR和ORR进行燃料电池单元的反应。然而，当阴极113成为氧不足状态时，即使进行上述ORR也会剩余质子。因而，在阴极113的氧不足状态下，在阴极113的入口侧(阴极气体的供给口侧)发生ORR，另一方面，在阴极113的出口侧与质子发生反应的氧原子不足，从而发生质子仅与电子结合的析氢反应(2H++2e-→H2)。
以下，将该析氢反应也记载为HER(Hydrogen Evolution Reaction)。而且，像这样在阳极侧的氢的氧化反应(上述式(1)的反应)中产生的质子被送到阴极113并仅与电子结合来产生氢的现象被称为质子泵。
在此，HER相比于ORR而言，活化能高，反应所需要的能量本身低。因而，在阴极113存在充分的氧的情况下，ORR的发生为主导，几乎不发生HER。然而，当氧缺乏加剧而HER所能够产生的活化能的势垒暂时被越过时，成为HER比ORR更容易发生的状态。因而，在阴极113进行HER来取代ORR，且该HER的反应所需要的能量低，因此产生阴极113的反应电阻变小的现象。
图3是概要性地示出与氧缺乏的加剧对应的阴极113的反应电阻值的变化的时间序列数据的图。在此，图3中的阴极113的反应电阻值是基于从后述的特定频域选择出的两个频率以及在该两个频率下获取到的两个内部阻抗计算出的值。另外，在图中，氧缺乏加剧的阶段被分为ORR阶段I、ORR/HER阶段II以及HER阶段III。
ORR阶段I是阴极113处的氧开始缺乏的阶段，是在阴极113全面地发生了ORR的阶段。在该ORR阶段I，阴极113的反应电阻值随着氧缺乏的加剧而增加。其主要原因在于随着氧浓度的下降而难以发生ORR。该现象如上所述那样是以往以来周知的现象。
然而，本发明的发明人发现：当氧缺乏进一步加剧并在时刻T1转变为ORR/HER阶段II时，阴极113的反应电阻值开始下降。认为这是由于如上所述那样开始发生HER来取代ORR所引起的。在此，在时刻T1以后，HER的反应所需要的能量比ORR所需要的能量低，并且ORR所需要的氧原子更加不足，因此HER的发生进一步成为主导，阴极113的反应电阻值随着氧缺乏加剧而进一步下降。
然后，当氧缺乏进一步加剧并在时刻T2转变为HER阶段III时，成为几乎不发生ORR而全面地发生了HER的状态，阴极113的反应电阻值逐渐接近比氧缺乏开始前(不是氧不足状态的情况下)的反应电阻值R0小的固定值。
因而，本发明的发明人着眼于在阴极113发生的HER，发现由于该HER的发生而阴极113的反应电阻值随着氧缺乏的加剧而下降，从而本发明的发明人想到将该现象使用于氧不足状态的判定。并且，本发明的发明人还发现：在从某个特定频域选择出计算阴极113的反应电阻值时使用的内部阻抗的测量频率的情况下，能够适当地检测出因上述的HER的发生所引起的该反应电阻值的下降。另外，本发明的发明人发现：在如本实施方式那样将两个以上的燃料电池单元层叠而构成的燃料电池堆1中，特别显著地发生伴随上述质子泵的产生而引起的阴极113的反应电阻值的下降。
图4是说明与氧缺乏的加剧对应的阴极113的反应电阻值的变化同内部阻抗的测量频带之间的关系的图。在图4中，用实线表示内部阻抗的测量频率包含于上述特定频带的情况下的反应电阻值。另外，在图4中，用虚线表示内部阻抗的测量频率为高于特定频带的频率的情况下的反应电阻值。
如根据图4的实线图表能够理解的那样，在内部阻抗的测量频率包含于特定频带的情况下，阴极113的反应电阻值在从ORR阶段I向ORR/HER阶段II转变的转变时刻T1取峰值，在时刻T1之后下降。即，在转变时刻T1，由于HER的影响而阴极113的反应电阻值开始下降。
另一方面，如根据图4的虚线图表能够理解的那样，在将高于特定频带的高频带的频率设为内部阻抗的测量频率的情况下，在转变时刻T1，阴极113的反应电阻值的峰值不明确。即，无法明确地检测出因HER的影响所引起的阴极113的反应电阻值的下降。
因而，为了检测HER的影响来判定氧不足状态，优选的是，在上述特定频带的频率下获取内部阻抗。该特定频带是使燃料电池堆1不是氧不足状态时(全面地发生了ORR时)的阴极113的反应电阻值与燃料电池堆1处于氧不足状态时(全面地发生了HER时)的阴极113的反应电阻值之差为规定值以上的基于实验等决定的频带。具体地说，该特定频带例如为几Hz至几十HZ，特别是1Hz～50Hz左右。
下面，说明本实施方式所涉及的氧不足状态的判定的具体方法。
图5是说明本实施方式所涉及的氧不足状态的判定和该判定后的处理的流程的流程图。
如图所示，在步骤S10，控制器6从上述特定频带选择两个频率ω1、ω2(ω1<ω2)，获取基于这些频率ω1、ω2的内部阻抗Z(ω1)和Z(ω2)。具体地说，首先，阻抗测量装置5对DC/DC转换器56进行控制使得燃料电池堆1的输出电流和输出电压包含频率ω1、ω2的交流信号，基于检测出的输出电流值和输出电压值来测量内部阻抗Z(ω1)和Z(ω2)。然后，阻抗测量装置5将测量出的内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)输出到控制器6。此外，在后面叙述从上述特定频带选择频率ω1、ω2的方法。
在步骤S20中，控制器6基于上述频率ω1、ω2以及获取到的内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)来计算阴极113的反应电阻值Ract,c。
图6是示出阴极113的反应电阻值Ract,c的计算的流程的流程图。
在步骤S21中，控制器6设定图7A所示的燃料电池堆1的等效电路模型。在本实施方式中，在该等效电路中包括阳极112的反应电阻值Ract,a和双电层电容值Cdl,a、阴极113的反应电阻值Ract,c和双电层电容值Cdl,c以及电解质膜电阻值Rmem。
在此，阳极112的反应电阻值Ract,a根据阳极112处的阳极气体的反应而发生增减，例如，由于阳极气体不足等无法顺畅地进行该反应的原因，反应电阻值Ract,a上升。因而，在阳极112被供给了充分的量的阳极气体从而氢没有不足的状态下，阳极112的反应电阻值Ract,a的值比阴极113的反应电阻值Ract,c小。因而，能够忽略阳极112的反应电阻成分。
并且，阳极112的双电层电容值Cdl,a是以表示在燃料电池堆1中阳极所具有的电容的方式进行模型化而得到的。因而，能够基于构成阳极112的材料、大小等各种要素来决定双电层电容值Cdl,a。在此，已知的是，与阴极113的双电层电容值Cdl,c相比，阳极112的双电层电容值Cdl,a对低频率(几百Hz以下)的灵敏度低。特别是在属于本实施方式中设想的上述特定频带的频率下，双电层电容值Cdl,c对内部阻抗的值的贡献非常小。因而，能够忽略阳极112的双电层电容成分。
由于能够像这样忽略阳极112的反应电阻成分和阳极112的双电层电容成分，因此燃料电池堆1的等效电路模型实质上能够视作如图7B所示那样的仅包括阴极113的反应电阻值Ract,c、双电层电容值Cdl,c以及电解质膜电阻值Rmem的电路。
因而，以下，为了使标记简化，将阴极113的反应电阻值Ract,c的标记简单地记载为“Ract”，将阴极113的双电层电容值Cdl,c的标记简单地记载为“Cdl”。
返回到图6，在步骤S22中，控制器6基于图7B所示的等效电路来设定内部阻抗的式子。由此得到的内部阻抗的式子如下。
[数1]
Figure GDA0001619436310000111
(其中，j表示虚数单位。)
在步骤S23中，控制器6提取上述式(3)的虚部Zim。虚部Zim如下。
[数2]
Figure GDA0001619436310000112
在步骤S24中，控制器6基于提取出的内部阻抗的虚部Zim来运算反应电阻值Ract。具体地说，将频率ω1和ω2以及与这些频率对应的内部阻抗的虚部Zim(ω1)和Zim(ω2)代入到上述式(4)，得到以Cdl和Ract为未知数的两个方程式并求解该两个方程式，来求出反应电阻值Ract。
特别是，上述式(4)能够如下述的式(5)那样变形。
[数3]
Figure GDA0001619436310000121
因而，如果在纵轴为-1/ωZim、横轴为1/ω2的坐标平面上标记两个频率ω1和ω2以及阻抗的虚部Zim(ω1)和Zim(ω2)来绘制直线并求出该直线的斜率和截距，则该斜率等于1/(Cdl·Ract2)，截距等于Cdl。由此，能够容易地计算反应电阻值Ract。
返回到图5，在步骤S30中，控制器6将步骤S20中计算出的阴极113的反应电阻值Ract与预先决定的规定的判定阈值Rth进行比较。即，如已经叙述的那样，当氧缺乏加剧到一定程度以上时，阴极113的反应电阻值Ract随着HER的发生而下降，因此通过将反应电阻值Ract与规定的判定阈值Rth进行比较，能够判定氧不足状态。在此，在本实施方式中，基于在燃料电池堆1不是氧不足状态的情况下设想的阴极113的反应电阻值Ract的最小值来决定判定阈值Rth。下面，说明决定该判定阈值Rth的方法的一例。
图8是说明决定判定阈值Rth的流程的流程图。此外，在本实施方式的状态判定方法的各处理之前事先进行该判定阈值Rth的设定。
如图所示，在步骤S101中，控制器6设定在燃料电池堆1中不是氧不足状态的状态(在阴极113全面地发生了ORR的状态)下能够预测阴极113的反应电阻值Ract最小的燃料电池堆1的运转条件。下面，说明阴极113的反应电阻值Ract与燃料电池堆1的运转条件之间的关系。
图9A是示出燃料电池堆1的IV特性的变动的图。在图中，作为燃料电池堆1能够取的IV特性的例子，示出了IV曲线1、IV曲线2以及IV曲线3。
已知的是，燃料电池堆1的IV特性是根据与运转状态相应地发生变动的电解质膜111的湿润度、堆温度、阴极气体压力、氢循环泵的转速以及向堆供给的空气流量等参数决定的。在图9A中，作为根据这些参数而发生变化的IV曲线的例子，示出了IV曲线1、IV曲线2以及IV曲线3这三个曲线。在此，燃料电池堆1的发电效率由电流×电压、即被IV曲线和各轴包围的部分的面积的大小来决定，因此在图9A所示的例子中，可以说发电效率按IV曲线3、IV曲线2以及IV曲线1的顺序依次变高(IV特性依次变良好)。
另一方面，图9B是说明燃料电池堆1的与各IV特性相应的电流密度同反应电阻值Ract之间的关系的图。在图9B中，与上述IV曲线1、IV曲线2以及IV曲线3对应地示出了表示燃料电池堆1的电流密度与反应电阻值Ract之间的关系的IR曲线1、IR曲线2以及IR曲线3。
如图9B所示，与最良好的IV特性即IV曲线1对应的IR曲线1取比其它IR曲线2和IR曲线3的反应电阻值Ract低的反应电阻值Ract。即，能够理解的是，燃料电池堆1的IV特性越良好，则反应电阻值Ract越小。因而，在设定判定阈值Rth时，适当的是，基于IV特性最良好的运转条件下的反应电阻值Ract(IR曲线1)来求出在燃料电池堆1不是氧不足状态的情况下设想的阴极113的反应电阻值Ract的最小值。
因而，控制器6以使IV特性最良好的方式设定燃料电池堆1的运转条件。具体地说，通过调节发电电力量将电解质膜111的湿润度调节为规定的值、通过将燃料电池堆1的温度维持为适当温度，通过调节阴极气体的压力或阴极气体流量、以及通过调节氢循环泵37的输出等，来调节IV特性。
返回到图8，在步骤S102中，控制器6求出阴极113的反应电阻值Ract的最低反应电阻值的候选。具体地说，在能够取上述的IR曲线1的IV曲线1的运转条件下，基于任意的频率的组(ωk，ωl)来分别获取内部阻抗Z(ωk)、Z(ωl)。其中，k和l表示任意的自然数。
然后，基于获取到的各内部阻抗Z(ωk)、Z(ωl)，通过与上述步骤S20中说明的方法同样的方法来计算反应电阻值Ract(ωk，ωl)。像这样计算出的各反应电阻值Ract(ωk，ωl)成为最低反应电阻值Rlm的候选。
在步骤S103中，从在上述步骤S102中求出的各最低反应电阻值的候选Ract(ωk，ωl)中提取最低的值即最低反应电阻值Rlm。像这样提取出的最低反应电阻值Rlm为在氧缺乏没有加剧的状态、即阴极113全面地发生了ORR的状态下设想阴极113的反应电阻值Ract理论上可能达到的最低的值。
在步骤S104中，控制器6计算相对于最低反应电阻值Rlm的余量ΔR。在此，余量ΔR是设想以下的事态设定的，该事态为，由于测量误差等或干扰的因素，与不是氧不足状态无关地导致阴极113的反应电阻值Ract低于最低反应电阻值Rlm。
此外，设想如下情形：根据高负荷运转、低负荷运转或暖机运转等燃料电池堆1的运转状态不同，应判断为处于氧不足状态的氧缺乏的加剧度(发生了HER的比例)不同。因而，也可以是，根据燃料电池堆1的运转状态来决定余量ΔR的大小，对应判断为处于氧不足状态的氧缺乏的加剧度进行调节。
在步骤S105中，控制器6将从上述步骤S103中计算出的最低反应电阻值Rlm减去步骤S104中计算出的余量ΔR所得到的值设定为判定阈值Rth。
然后，返回到图5，控制器6在如上所述那样在步骤S30中将反应电阻值Ract与判定阈值Rth进行比较的结果是反应电阻值Ract为判定阈值Rth以下的情况下，进入步骤S40，判定为燃料电池堆1处于氧不足状态。此外，控制器6在判断为反应电阻值Ract大于判定阈值Rth的情况下，进入步骤S50，判断为燃料电池堆1不是氧不足状态，结束本例程。
图10是示出反应电阻值Ract与判定阈值Rth之间的关系的图表。在图10中，用单点划线表示最低反应电阻值，用虚线表示判定阈值Rth。如图所示，判定阈值Rth为比设想在全面地发生了ORR的ORR阶段I能够取的最低的最低反应电阻值Rlm低余量ΔR的值。另一方面，当由于氧不足状态加剧某种程度并在阴极113主要发生HER而阴极113的反应电阻值Ract下降一定程度以上时，反应电阻值Ract在图的时刻T3变为判定阈值Rth以下。因而，在本实施方式中，控制器6在反应电阻值Ract变为判定阈值Rth以下的时刻T3判定为燃料电池堆1处于氧不足状态。
通过上述的图5的步骤S10～步骤S50中说明的方法，能够可靠地判定燃料电池堆1的氧不足状态，来适当地进行之后的处理。
此外，当在上述步骤S40中判定为燃料电池堆1处于氧不足状态时，在步骤S60中，控制器6进行氧不足判定后的处理。具体地说，为了消除氧不足状态，进行使阴极压缩机25的输出提高的处理、使燃料电池堆1的输出下降的处理，来实现氧不足状态的消除。
并且，在本实施方式所涉及的燃料电池堆1的状态判定方法中，为了以理想的精度判定氧不足状态，从特定频带选择什么样的频率ω1和ω2来作为测量内部阻抗Z时使用的频率这一点也是重要的。因而，下面，说明所使用的频率ω1和ω2的选择方法的一例。此外，在上述图5所示的氧不足状态的判定处理之前执行所使用的频率ω1和ω2的选择。
图11是说明频率ω1和ω2的选择方法的流程图。
在步骤S110中，控制器6获取与氧不足状态的加剧对应的每个频率下的反应电阻值Ract的变化的时间序列数据。更详细地说，控制器6首先调节燃料电池堆1的运转条件，来设为上述的良好的IV特性(图9A中的IV曲线1)，从该状态起一边使氧缺乏加剧，一边按属于特定频带的多个频率(多个频率的组)经时地计算反应电阻值Ract。
具体地说，首先，从上述特定频带提取以两个频率为一组的多个频率的组(ωk，ωl)。此外，在此，k、l表示任意的自然数。然后，基于各频率的组(ωk，ωl)来分别获取内部阻抗Z(ωk)、Z(ωl)，基于获取到的各内部阻抗Z(ωk)、Z(ωl)，通过与上述步骤S20中说明的方法同样的方法来分别计算反应电阻值Ract(ωk，ωl)。
通过以规定周期重复进行该反应电阻值Ract(ωk，ωl)的计算，能够得到反应电阻值Ract(ωk，ωl)的每个频率下的时间序列数据。此外，如图4中说明的那样，反应电阻值Ract(ωk，ωl)的时间序列数据根据频率ωk、ωl的大小而不同。另外，能够执行该计算的规定周期也依赖于频率ωk、ωl的大小。即，如果所要提取的频率ωk、ωl大，则能够使计算所需要的周期更短。
在步骤S120中，控制器6基于在步骤S110中得到的反应电阻值Ract(ωk，ωl)的每个频率下的时间序列数据，来计算每个频率下的最小值Rmin(ωk，ωl)。
在步骤S130中，控制器6从在步骤S120中提取出的多个频率的组(ωk，ωl)中提取一个包含该最小值Rmin(ωk，ωl)能够达到上述步骤S105中设定的判定阈值Rth的最高的频率ω2的组(ω1，ω2)。
即，设想以下情形：当提取出包含过高的频率的组时，即使在氧缺乏加剧的情况下，反应电阻值Ract(ωk，ωl)也不低于判定阈值Rth(ωk，ωl)，无法充分地进行氧缺乏的判定。另一方面，考虑以下情形：当提取出包含过低的频率的组时，导致能够计算反应电阻值Ract(ωk，ωl)的周期变长，该计算精度下降。因而，在本实施方式中，像这样选择即使反应电阻值Ract(ωk，ωl)达到判定阈值Rth(ωk，ωl)也能够良好地确保计算精度的频率。
并且，关于频率ω1，能够选择上述特定频带所包含的频率中的小于频率ω2的任意的频率，但是从防止测量误差的观点出发，频率ω1优选为尽可能远离频率ω2的值。例如，作为频率ω1，优选选择特定频带中最小的值。
根据以上所说明的本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法，能够得到以下效果。此外，以下所说明的运算、判定等处理全部由控制器6执行。
根据本实施方式，提供一种对燃料电池堆1的内部状态进行判定的燃料电池的状态判定方法，该燃料电池堆1是接受阳极气体和阴极气体的供给来进行发电的燃料电池。而且，在该燃料电池的状态判定方法中，对由于燃料电池堆1成为氧不足状态而在阴极113发生的析氢反应(HER)所引起的阴极113的反应电阻值Ract的下降进行检测，基于反应电阻值Ract的下降的检测来判定阴极113的氧不足状态。
在本实施方式中，特别地，由阻抗测量装置5和控制器6构成反应电阻值下降检测部，该反应电阻值下降检测部对由于燃料电池堆1成为氧不足状态而在阴极113发生的析氢反应(HER)所引起的阴极113的反应电阻值Ract的下降进行检测。另外，由控制器6构成氧不足状态判定部，在计算出的反应电阻值为规定阈值以下的情况下，该氧不足状态判定部基于反应电阻值Ract的下降的检测来判定阴极113的氧不足状态。
像这样，在本实施方式中，提供了如下一种新的思想：着眼于由于燃料电池堆1的氧不足状态而发生HER这一情形，检测因该HER所引起的阴极113的反应电阻值Ract的下降(参照图3等)来检测氧不足状态。由此，能够提供一种更适当地判定燃料电池堆1的氧不足状态的方法，来代替如以往那样根据内部阻抗的增加来检测氧不足的方法。
另外，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，上述反应电阻值下降检测部基于属于规定频带的两个频率ω1、ω2来分别获取燃料电池堆1的内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)，基于获取到的内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)来计算阴极113的反应电阻值Ract。而且，在计算出的反应电阻值Ract为规定阈值Rth以下的情况下，控制器6的氧不足状态判定部判定为处于氧不足状态。而且，上述规定频带是发生了HER时的阴极113的反应电阻值Ract与没有发生HER时的阴极113的反应电阻值Ract之差为规定值以上的特定频带。
即，从基于在发生了HER的状态下测量出的内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)计算的反应电阻值Ract与基于在没有发生HER的状态下测量出的内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)计算的反应电阻值Ract之差为规定值以上的特定频带选择频率ω1、ω2。通过在从这样的特定频带选择出的频率ω1、ω2下获取内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)，氧缺乏加剧的HER的发生状态及氧缺乏没有加剧的HER的非发生状态的信息明确地体现于阴极113的反应电阻值Ract。因而，能够更高精度地判断阴极113的反应电阻值Ract的下降，作为结果，能够实现氧不足状态的判定精度的提高。
特别是，本发明的发明人进行专门研究的结果是得到以下见解：与没有发生HER的状态(全面地发生了ORR的状态)相比，在发生HER的状态下，阴极113的反应电阻值Ract大幅地减少。因而，能够明确地判断阴极113的反应电阻值Ract的下降，因此有助于高精度的氧不足状态的判定。
另外，在产生例如电解质膜111的干燥、阳极112处的氢不足等可能对反应电阻值Ract产生影响的因素的情况下，妨碍燃料电池堆1内的上述式(1)、式(2)的电化学反应，因此反应电阻值Ract通常示出增加的倾向。然而，在本实施方式中，与此相反地，基于阴极113的反应电阻值Ract的下降来判定燃料电池堆1的氧不足状态，因此能够与电解质膜111的干燥、阳极112处的氢不足等其它因素明确地区分开来判定氧不足状态。
此外，从上述特定频带选择的频率不限于两个。即，也可以从特定频带选择三个以上的频率，在各个频率下分别获取内部阻抗，将获取到的三个以上的内部阻抗使用于阴极113的反应电阻值Ract的计算。
并且，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，上述反应电阻值下降检测部基于最低反应电阻值Rlm来设定作为规定阈值的判定阈值Rth，该最低反应电阻值Rlm是在燃料电池堆1不是氧不足状态的情况下设想的阴极113的反应电阻值Ract的最小值。
通过使用像这样设定的判定阈值Rth，能够更高精度地判定燃料电池堆1处于氧不足状态。
另外，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，上述反应电阻值下降检测部考虑燃料电池堆1的IV特性来设定最低反应电阻值Rlm。由此，例如通过在被认为阴极113的反应电阻值Ract相对变小的高效的IV特性(良好的IV特性)下求出最低反应电阻值Rlm，能够得到在不是氧不足状态的情况下低于最低反应电阻值Rlm的可能性低的最低反应电阻值Rlm，从而能够更高精度地判定燃料电池堆1的氧不足状态。
此外，例如，在要求在更安全侧判定氧不足状态的情况下，也可以在比较低效的燃料电池堆1的IV特性下求出最低反应电阻值Rlm。
并且，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，上述反应电阻值下降检测部基于各个内部阻抗Z(ω1)、Z(ω2)的虚部Zim(ω1)、Zim(ω2)来计算阴极113的反应电阻值Ract。
由此，在计算反应电阻值Ract时不需要使用内部阻抗的实部，因此反应电阻值Ract的计算变得容易。另外，能够将内部阻抗的实部有可能包含的构件电阻的变动等干扰的影响排除。
另外，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，利用将频率ω1、ω2以及在该频率ω1、ω2下获取到的各内部阻抗的虚部Zim(ω1)、Zim(ω2)分别代入到上述的式(4)所得到的两个以上的式子，来计算阴极113的反应电阻值Ract。
由此，能够根据图7B所示的燃料电池堆1的等效电路、通过简单的计算来计算阴极113的反应电阻值Ract。
(第二实施方式)
下面，说明第二实施方式。在以下所示的各实施方式中，对于实现与上述的第一实施方式同样的功能的部分，使用同一附图标记并适当省略重复的说明。
在本实施方式中，特别是在计算阴极113的反应电阻值Ract时，使用内部阻抗的实部Zre(ω1)、Zre(ω2)以及电解质膜111的电阻值Rmem(以下记载为电解质膜电阻值Rmem)，来代替第一实施方式中的使用内部阻抗的虚部Zim(ω1)、Zim(ω2)的方法。
图12是说明本实施方式所涉及的氧不足状态的判定和该判定后的处理的流程的流程图。此外，步骤S20～步骤S22与第一实施方式相同。
在步骤S25中，控制器6提取上述式(3)的实部Zre。实部Zre如下。
[数4]
Figure GDA0001619436310000191
在步骤S26中，控制器6获取电解质膜电阻值Rmem。具体地说，阻抗测量装置5对DC/DC转换器56进行控制使得燃料电池堆1的输出电流和输出电压包含几kHz以上的足够大的频率ω∞的交流信号，基于检测出的输出电流值和输出电压值计算内部阻抗Z(ω∞)来作为电解质膜电阻值Rmem。然后，阻抗测量装置5将电解质膜电阻值Rmem输出到控制器6。
在步骤S27中，控制器6基于提取出的内部阻抗的虚部Zre和计算出的电解质膜电阻值Rmem来运算反应电阻值Ract。控制器6将频率ω1和ω2、在这些频率下获取到的各内部阻抗的实部Zre(ω1)和Zre(ω2)以及获取到的电解质膜电阻值Rmem代入到上述式(6)，得到以Cdl和Ract为未知数的两个方程式并求解该两个方程式，来求出反应电阻值Ract。
特别是，上述式(6)能够如下述的式(7)那样变形。
[数5]
Figure GDA0001619436310000201
因而，如果在纵轴为-1/(Zre-Rmem)、横轴为ω2的坐标平面上标记两个频率ω1和ω2以及阻抗的实部Zre(ω1)和Zre(ω2)来绘制直线并求出该直线的斜率和截距，则该斜率等于Cdl2·Ract，截距等与1/Ract。由此，能够容易地计算反应电阻值Ract。
根据以上所说明的本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法，能够得到以下效果。此外，以下所说明的运算、判定等处理全部由控制器6执行。
在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，由阻抗测量装置5和控制器6构成的反应电阻值下降检测部计算燃料电池堆1的电解质膜电阻值Rmem，基于电解质膜电阻值Rmem和各个内部阻抗的实部Zre(ω1)、Zre(ω2)来计算阴极113的反应电阻值Ract。
由此，在计算反应电阻值Ract时不需要使用内部阻抗的虚部，因此反应电阻值Ract的计算变得容易。
另外，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，利用将两个频率ω1、ω2和在该两个频率ω1、ω2下获取到的内部阻抗的实部Zre(ω1)、Zre(ω2)以及电解质膜电阻值Rmem分别代入到上述的式(6)所得到的两个以上的式子，来计算阴极113的反应电阻值Ract。
由此，能够根据图7B所示的燃料电池堆1的等效电路、通过简单的计算来计算阴极113的反应电阻值Ract。
(第三实施方式)
下面，说明第三实施方式。在本实施方式中，特别是在计算阴极113的反应电阻值Ract时，使用内部阻抗的实部Zre和虚部Zim这两方来计算阴极113的反应电阻值Ract。
图13是说明本实施方式所涉及的氧不足状态的判定和该判定后的处理的流程的流程图。
如图所示，与第一实施方式同样地执行步骤S20～步骤S23。然后，在步骤S24′中，控制器6基于步骤S23中提取出的内部阻抗的虚部Zim来运算第一反应电阻候选Ract1。该第一反应电阻候选Ract1的具体的运算方法与在第一实施方式的步骤S24中执行的运算反应电阻值Ract的方法相同。
接着，与第二实施方式同样地执行步骤S25和步骤S26。然后，在步骤S27′中，基于提取出的内部阻抗的实部Zre和计算出的电解质膜电阻值Rmem来运算第二反应电阻候选Ract2。该第二反应电阻候选Ract2的具体的运算方法与在第二实施方式的步骤S27中执行的运算反应电阻值Ract的方法相同。
在步骤S28中，控制器6决定阴极113的反应电阻值Ract。具体地说，控制器6将第一反应电阻候选Ract1和第二反应电阻候选Ract2中的较低的一方的值决定为阴极113的反应电阻值Ract。
根据以上所说明的本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法，能够得到以下效果。此外，以下所说明的运算、判定等处理全部由控制器6执行。
在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，由阻抗测量装置5和控制器6构成的反应电阻值下降检测部使用内部阻抗Z的实部Zre和虚部Zim这两方来计算阴极113的反应电阻值Ract。由此，与使用实部Zre和虚部Zim中的任一方的情况相比，能够确保所计算的阴极113的反应电阻值Ract的精度、设定更保守的值等根据状况使反应电阻值Ract的计算方式具有多样性。
另外，在本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法中，上述反应电阻值下降检测部基于内部阻抗Z的实部Zre和虚部Zim各自分别计算所述阴极的反应电阻值的候选值Ract1、Ract2，将各个候选值Ract1、Ract2中的较小的一方决定为阴极113的反应电阻值Ract。
由此，即使在燃料电池堆1的等效电路模型与现实的燃料电池堆1的行为之间产生偏离的情况下或者在从内部阻抗Z分离出实部Zre和虚部Zim时产生误差这样的情况下，也能够将反应电阻值Ract设为保守的值，来进行考虑到更安全侧的氧不足的判断。
此外，使用内部阻抗Z的实部Zre和虚部Zim这两方来计算阴极113的反应电阻值Ract的方法不限于本实施方式所说明的方法。例如，在本实施方式中，将第一反应电阻候选Ract1和第二反应电阻候选Ract2中的较低的一方的值决定为阴极113的反应电阻值Ract，但是也可以将第一反应电阻候选Ract1和第二反应电阻候选Ract2中的较高的一方的值设为阴极113的反应电阻值Ract。由此，通过将阴极113的反应电阻值Ract估计为比设想高的值，能够防止氧不足判定频发。
另外，也可以将第一反应电阻候选Ract1与第二反应电阻候选Ract2的平均值设为阴极113的反应电阻值Ract。由此，能够进一步提高所计算的阴极113的反应电阻值Ract的精度。
(第四实施方式)
下面，说明第四实施方式。此外，对与已经说明的实施方式的要素相同的要素标注同一附图标记。
在本实施方式中，在测量燃料电池堆1的阻抗时，进行所谓的激励电流施加法，来代替将交流信号叠加于输出电流I和输出电压V的结构，在该激励电流施加法中，从规定的测量用电流源向燃料电池堆1供给电流I，基于该供给电流I以及所输出的输出电压V来计算阻抗Z＝V/I。
图14是示出本实施方式所涉及的阻抗测量装置5的概要结构的框图。
如图所示，阻抗测量装置5除了连接于燃料电池堆1的正极端子(阴极侧端子)1B和负极端子(阳极侧端子)1A以外，还连接于中途端子1C。此外，连接于中途端子1C的部分如图所示那样接地。
而且，阻抗测量装置5具有：正极侧电压检测传感器210，其检测正极端子1B相对于中途端子1C的正极侧交流电位差V1；以及负极侧电压检测传感器212，其检测负极端子1A相对于中途端子1C的负极侧交流电位差V2。
并且，阻抗测量装置5具有：正极侧交流电源部214，其向由正极端子1B和中途端子1C构成的电路施加交流电流I1；负极侧交流电源部216，其向由负极端子1A和中途端子1C构成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，其基于交流电位差V1、V2以及交流电流I1、I2来运算燃料电池堆1的阻抗Z。
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及交流电流I2的振幅和相位。此外，该控制器218也可以由图1所示的控制器6构成。
另外，运算部220包括未图示的AD转换器、微电脑芯片等硬件以及用于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的内部阻抗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的内部阻抗Z2。并且，运算部220通过取内部阻抗Z1与内部阻抗Z2之和来计算燃料电池堆1的总内部阻抗Z。
根据上述的本实施方式所涉及的燃料电池的状态估计方法，能够得到以下效果。
在本实施方式所涉及的燃料电池的状态估计方法中，构成反应电阻值下降检测部的阻抗测量装置5向被构成为层叠电池的燃料电池堆1输出交流电流I1、I2，基于从燃料电池堆1的正极端子1B的电位减去中途端子1C的电位所求出的电位差即正极侧交流电位差V1以及从燃料电池堆1的负极端子1A的电位减去中途端子1C的电位所求出的电位差即负极侧交流电位差V2，来调整交流电流I1、I2，基于正极侧交流电位差V1、负极侧交流电位差V2以及调整后的交流电流I1和I2来运算燃料电池堆1的内部阻抗Z。
特别是，构成反应电阻值下降检测部的阻抗测量装置5以使燃料电池堆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实质上一致的方式调节由正极侧交流电源部214施加的交流电流I1以及由负极侧交流电源部216施加的交流电流I2的振幅和相位。由此，正极侧交流电位差V1与负极侧交流电位差V2相等，因此正极端子1B与负极端子1A实质上为等电位。因而，能够防止用于阻抗测量的交流电流I1、I2流过行驶马达53等负载，因此能够防止燃料电池堆1的发电对阻抗测量的影响。
另外，在燃料电池堆1在发电状态下执行内部阻抗的测量的情况下，测量用交流电位被叠加于通过该发电产生的电压，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、振幅本身不变，因此能够与燃料电池堆1不是发电状态的情况同样地高精度地测量内部阻抗Z。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过表示了本发明的应用例的一部分，并非旨在将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
例如，在上述实施方式中，如图5所示，在判定为燃料电池堆1处于氧不足状态的情况下，为了消除氧不足而进行使燃料电池堆1的输出下降的处理。然而，例如，还设想如下控制：如燃料电池堆1的暖机运转时(零下启动时)、燃料电池堆1停止时的VLC(Voltage LimitControl：电压极限控制)那样，要求使燃料电池堆1的阴极113内的氧浓度降低(低氧浓度控制)。
因而，在将本实施方式所涉及的燃料电池的状态判定方法应用于这种低氧浓度控制的情况下，例如也可以在判定为燃料电池堆1不是氧不足状态的情况下进行使氧浓度下降的处理。
并且，在上述实施方式中，通过将阴极113的反应电阻值Ract与规定阈值Rth的大小进行比较来判定燃料电池堆1的氧不足状态，但是也可以是，在该氧不足状态的判定中不直接使用阴极113的反应电阻值Ract本身，而是使用包含反应电阻值Ract的物理量或与反应电阻值Ract相关的物理量、例如内部阻抗Z或其绝对值等。

Claims (19)

1.一种燃料电池的状态判定方法，用于对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内部状态进行判定，在所述燃料电池的状态判定方法中，
对由于所述燃料电池成为氧不足状态而在阴极发生的析氢反应所引起的所述阴极的反应电阻值的下降进行检测，
基于所述反应电阻值的下降的检测来判定所述氧不足状态，
其中，基于属于规定频带的频率来获取所述燃料电池的内部阻抗，基于获取到的所述内部阻抗来计算所述阴极的反应电阻值，
所述规定频带是发生了所述析氢反应时的阴极的反应电阻值与没有发生所述析氢反应时的阴极的反应电阻值之差为规定值以上的特定频带。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
基于属于所述规定频带的两个以上的频率来分别获取所述燃料电池的内部阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
在计算出的所述反应电阻值为规定阈值以下的情况下，判定为处于氧不足状态，
基于最低反应电阻值来设定所述规定阈值，该最低反应电阻值是在所述燃料电池不是氧不足状态的情况下设想的所述阴极的反应电阻值的最小值。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
考虑所述燃料电池的电流电压特性来设定所述最低反应电阻值。
5.根据权利要求2所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
基于各个所述内部阻抗的虚部来计算所述阴极的反应电阻值。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
利用将所述两个以上的频率和在该两个以上的频率下获取到的各内部阻抗的虚部分别代入到下述的式(1)所得到的两个以上的式子，来计算所述阴极的反应电阻值，
Figure FDA0002624926840000021
其中，在式中，Zim表示内部阻抗的虚部，ω表示交流信号的频率，Ract表示阴极电极的反应电阻值，以及Cdl表示阴极电极的双电层电容。
7.根据权利要求2所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
计算所述燃料电池的电解质膜电阻值，
基于所述电解质膜电阻值和各个所述内部阻抗的实部来计算所述阴极的反应电阻值。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
利用将所述两个以上的频率和在该两个以上的频率下获取到的各内部阻抗的实部以及所述电解质膜电阻值分别代入到下述的式(2)所得到的两个以上的式子，来计算所述阴极的反应电阻值，
Figure FDA0002624926840000022
其中，Zre表示内部阻抗的实部，ω表示交流信号的频率，Rmem表示电解质膜电阻值，Ract表示阴极电极的反应电阻值，以及Cdl表示阴极电极的双电层电容。
9.根据权利要求2所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
使用所述内部阻抗的实部和虚部这两方来计算所述阴极的反应电阻值。
10.根据权利要求9所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
基于所述内部阻抗的实部和虚部各自分别计算所述阴极的反应电阻值的候选值，
将各个所述候选值中的较小的一方决定为所述阴极的反应电阻值。
11.根据权利要求1或2所述的燃料电池的状态判定方法，其特征在于，
所述燃料电池被构成为层叠电池，
向所述层叠电池输出交流电流，
基于正极侧交流电位差和负极侧交流电位差来调整所述交流电流，其中，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所求出的电位差，所述负极侧交流电位差是从所述层叠电池的负极侧的电位减去所述中途部分的电位所求出的电位差，
基于所述正极侧交流电位差、所述负极侧交流电位差以及进行所述调整后的所述交流电流，来运算所述层叠电池的所述内部阻抗。
12.一种燃料电池的状态判定装置，用于对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内部状态进行检测，所述燃料电池的状态判定装置具有：
反应电阻值下降检测部，其对由于所述燃料电池处于氧不足状态而在阴极发生的析氢反应所引起的所述阴极的反应电阻值的下降进行检测；以及
氧不足状态判定部，其基于所述反应电阻值的下降的检测来判定所述阴极的氧不足状态，
其中，所述反应电阻值下降检测部基于属于规定频带的频率来获取所述燃料电池的内部阻抗，基于获取到的所述内部阻抗来计算所述阴极的反应电阻值，
所述规定频带是发生了所述析氢反应时的阴极的反应电阻值与没有发生所述析氢反应时的阴极的反应电阻值之差为规定值以上的特定频带。
13.根据权利要求12所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
所述反应电阻值下降检测部基于属于所述规定频带的两个以上的频率来分别获取所述燃料电池的内部阻抗。
14.根据权利要求12或13所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
在计算出的所述反应电阻值为规定阈值以下的情况下，所述氧不足状态判定部判定为处于氧不足状态，
所述反应电阻值下降检测部基于最低反应电阻值来设定所述规定阈值，该最低反应电阻值是在所述燃料电池不是氧不足状态的情况下设想的所述阴极的反应电阻值的最小值。
15.根据权利要求14所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
所述反应电阻值下降检测部考虑所述燃料电池的电流电压特性来设定所述最低反应电阻值。
16.根据权利要求13所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
所述反应电阻值下降检测部基于各个所述内部阻抗的虚部来计算所述阴极的反应电阻值。
17.根据权利要求13所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
所述反应电阻值下降检测部计算所述燃料电池的电解质膜电阻值，
所述反应电阻值下降检测部基于所述电解质膜电阻值和各个所述内部阻抗的实部来计算所述阴极的反应电阻值。
18.根据权利要求13所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
所述反应电阻值下降检测部使用所述内部阻抗的实部和虚部这两方来计算所述阴极的反应电阻值。
19.根据权利要求12或13所述的燃料电池的状态判定装置，其特征在于，
所述燃料电池被构成为层叠电池，
所述反应电阻值下降检测部向所述层叠电池输出交流电流，
所述反应电阻值下降检测部基于正极侧交流电位差和负极侧交流电位差来调整所述交流电流，其中，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所求出的电位差，所述负极侧交流电位差是从所述层叠电池的负极侧的电位减去所述中途部分的电位所求出的电位差，
所述反应电阻值下降检测部基于所述正极侧交流电位差、所述负极侧交流电位差以及进行所述调整后的所述交流电流，来运算所述层叠电池的所述内部阻抗。
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