JP2010135290A - 燃料電池の状態を推定する推定方法、および、状態推定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、燃料電池の内部状態を容易に推定するための技術の提供を目的とする。
【解決手段】燃料電池の状態を推定する推定方法において、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、少なくとも、第１電極に不活性ガスを導入した状態で、膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定工程と、交流インピーダンスに基づいて、膜電極接合体の状態を推定する推定工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】燃料電池の状態を推定する推定方法において、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、少なくとも、第１電極に不活性ガスを導入した状態で、膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定工程と、交流インピーダンスに基づいて、膜電極接合体の状態を推定する推定工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、燃料電池の状態を推定する推定方法、または、燃料電池の状態を推定する装置に関する。
近年、燃料ガス（例えば、水素）と酸化ガス（例えば、空気）の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている（下記特許文献１参照）。
ところで、燃料電池の製造時、燃料電池の出荷時、または、燃料電池の点検時等において、例えば、燃料電池を分解することなく、燃料電池の内部状態を容易に把握したいという要望があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池の内部状態を容易に推定するための技術の提供を目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例１]
燃料電池の状態を推定する推
定方法であって、前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、少なくとも、前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定工程と、前記交流インピーダンスに基づいて、前記膜電極接合体の状態を推定する推定工程と、を備えることを要旨とする。
燃料電池の状態を推定する推
定方法であって、前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、少なくとも、前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定工程と、前記交流インピーダンスに基づいて、前記膜電極接合体の状態を推定する推定工程と、を備えることを要旨とする。
上記構成の推定方法によれば、燃料電池の内部状態を容易に把握することができる。
[適用例２]
適用例１に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含むと共に、前記電解質膜と当接する第１面と、前記第１面の反対面である第２面とを備え、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極中の前記電解質の分布を推定する第１工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含むと共に、前記電解質膜と当接する第１面と、前記第１面の反対面である第２面とを備え、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極中の前記電解質の分布を推定する第１工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極中の電解質の分布状態を容易に推定することができる。
[適用例３]
適用例２に記載の推定方法において、前記第１工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記第１電極の厚さ方向における前記電解質の分布を推定する第２工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２に記載の推定方法において、前記第１工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記第１電極の厚さ方向における前記電解質の分布を推定する第２工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、複素インピーダンスプロットに基づき、第１電極の厚さ方向における電解質の分布状態を容易に推定することができる。
[適用例４]
適用例３に記載の推定方法において、前記第２工程は、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より小さい場合には、前記第１電極において、前記第１面側より、前記第２面側に前記電解質が多く分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例３に記載の推定方法において、前記第２工程は、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より小さい場合には、前記第１電極において、前記第１面側より、前記第２面側に前記電解質が多く分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の厚さ方向において、第２面側に電解質が多く分布している場合に、その電解質の分布状態を容易に推定することができる。
[適用例５]
適用例３に記載の推定方法において、前記第２工程は、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より大きい場合には、前記第１電極において、前記第２面側より、前記第１面側に前記電解質が多く分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例３に記載の推定方法において、前記第２工程は、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より大きい場合には、前記第１電極において、前記第２面側より、前記第１面側に前記電解質が多く分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の厚さ方向において、第１面側に電解質が多く分布している場合に、その電解質の分布状態を正確に推定することができる。
[適用例６]
適用例３に記載の推定方法において、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって、前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、略角度判定値である場合には、前記第１電極において、前記第１電極の厚さ方向に前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例３に記載の推定方法において、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって、前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、略角度判定値である場合には、前記第１電極において、前記第１電極の厚さ方向に前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の厚さ方向において、略均等に電解質が多く分布している場合に、その電解質の分布状態を正確に推定することができる。
[適用例７]
適用例４ないし適用例６のいずれかに記載の推定方法において、前記実部軸と前記虚部軸は、直交し、前記複素インピーダンスプロットは、前記実部軸と前記虚部軸のそれぞれにおいて、同じだけ値が変化した時に、軸上の位置が同じだけ変化し、前記角度判定値は、４５°であることを特徴とする推定方法。
適用例４ないし適用例６のいずれかに記載の推定方法において、前記実部軸と前記虚部軸は、直交し、前記複素インピーダンスプロットは、前記実部軸と前記虚部軸のそれぞれにおいて、同じだけ値が変化した時に、軸上の位置が同じだけ変化し、前記角度判定値は、４５°であることを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の厚さ方向における電解質の分布状態を正確に推定することができる。
[適用例８]
適用例２に記載の推定方法において、前記第１工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路を用いてフィッティングさせたフィッティング曲線を検出する工程と、前記フィッティング曲線と、所定周波数における前記交流インピーダンスと、を比較することで、前記第１電極において、前記第１面に沿った方向における前記電解質の分布を推定する第３工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２に記載の推定方法において、前記第１工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路を用いてフィッティングさせたフィッティング曲線を検出する工程と、前記フィッティング曲線と、所定周波数における前記交流インピーダンスと、を比較することで、前記第１電極において、前記第１面に沿った方向における前記電解質の分布を推定する第３工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向における電解質の分布状態を容易に推定することができる。
[適用例９]
適用例８に記載の推定方法において、前記第３工程は、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記交流インピーダンスの測定点および前記フィッティング曲線が表される場合において、前記所定周波数に対応する前記交流インピーダンスの測定点と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第１距離判定値より大きい場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が偏って分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例８に記載の推定方法において、前記第３工程は、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記交流インピーダンスの測定点および前記フィッティング曲線が表される場合において、前記所定周波数に対応する前記交流インピーダンスの測定点と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第１距離判定値より大きい場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が偏って分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向において電解質が偏って分布している場合に、その分布状態を正確に推定することができる。
[適用例１０]
適用例８に記載の推定方法において、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記交流インピーダンスの測定点および前記フィッティング曲線が表される場合において、前記所定周波数に対応する前記交流インピーダンスの測定点と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第２距離判定値以下の場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例８に記載の推定方法において、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記交流インピーダンスの測定点および前記フィッティング曲線が表される場合において、前記所定周波数に対応する前記交流インピーダンスの測定点と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第２距離判定値以下の場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向において電解質が略均一に分布している場合に、その分布状態を正確に推定することができる。
[適用例１１]
適用例８ないし適用例１０のいずれかに記載の推定方法において、前記所定周波数は、前記フィッティング曲線において関数の性質が変わる転換点付近に対応する周波数であることを特徴とする推定方法。
適用例８ないし適用例１０のいずれかに記載の推定方法において、前記所定周波数は、前記フィッティング曲線において関数の性質が変わる転換点付近に対応する周波数であることを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向における電解質の分布状態を正確に推定することができる。
[適用例１２]
適用例２に記載の推定方法において、前記第１工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路を用いてフィッティングさせたフィッティング曲線を検出する工程と、前記フィッティング曲線と、前記複素インピーダンスプロットと、を比較することで、前記第１電極において、前記第１面に沿った方向における前記電解質の分布を推定する第４工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２に記載の推定方法において、前記第１工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路を用いてフィッティングさせたフィッティング曲線を検出する工程と、前記フィッティング曲線と、前記複素インピーダンスプロットと、を比較することで、前記第１電極において、前記第１面に沿った方向における前記電解質の分布を推定する第４工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向における電解質の分布状態を容易に推定することができる。
[適用例１３]
適用例１２に記載の推定方法において、前記第４工程は、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記複素インピーダンスプロットおよび前記フィッティング曲線が表される場合において、前記複素インピーダンスプロットの所定周波数に対応する位置と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第１距離判定値より大きい場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が偏って分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１２に記載の推定方法において、前記第４工程は、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記複素インピーダンスプロットおよび前記フィッティング曲線が表される場合において、前記複素インピーダンスプロットの所定周波数に対応する位置と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第１距離判定値より大きい場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が偏って分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向において電解質が偏って分布している場合に、その分布状態を正確に推定することができる。
[適用例１４]
適用例１２に記載の推定方法において、前記第４工程は、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記複素インピーダンスプロットおよび前記フィッティング曲線が表される場合において、前記複素インピーダンスプロットの所定周波数に対応する位置と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第２距離判定値以下の場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１２に記載の推定方法において、前記第４工程は、実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記複素インピーダンスプロットおよび前記フィッティング曲線が表される場合において、前記複素インピーダンスプロットの所定周波数に対応する位置と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第２距離判定値以下の場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向において電解質が略均一に分布している場合に、その分布状態を正確に推定することができる。
[適用例１５]
適用例１３または適用例１４に記載の推定方法において、前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットまたは前記フィッティング曲線において関数の性質が変わる転換点付近に対応する周波数であることを特徴とする推定方法。
適用例１３または適用例１４に記載の推定方法において、前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットまたは前記フィッティング曲線において関数の性質が変わる転換点付近に対応する周波数であることを特徴とする推定方法。
このようにすれば、第１電極の第１面に沿った方向における電解質の分布状態を正確に推定することができる。
[適用例１６]
適用例１に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出する工程と、前記係数に基づいて、前記電解質膜の膜抵抗、および／または、前記第１電極の電極抵抗を推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出する工程と、前記係数に基づいて、前記電解質膜の膜抵抗、および／または、前記第１電極の電極抵抗を推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、電解質膜の膜抵抗、および／または、第１電極の電極抵抗を精度よく推定することができる。
[適用例１７]
適用例１に記載の推定方法において、前記測定工程は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスが生じているか否かを推定する第５工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１に記載の推定方法において、前記測定工程は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスが生じているか否かを推定する第５工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを容易に推定することができる。
[適用例１８]
適用例１７に記載の推定方法において、前記第５工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より大きい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１７に記載の推定方法において、前記第５工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より大きい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを正確に推定することができる。
[適用例１９]
適用例１７に記載の推定方法において、前記第５工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１７に記載の推定方法において、前記第５工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを正確に推定することができる。
[適用例２０]
適用例１８または適用例１９に記載の推定方法において、前記第５工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程を含み、前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットおいて関数の性質が変わる転換点に対応する周波数より低いことを特徴とする推定方法。
適用例１８または適用例１９に記載の推定方法において、前記第５工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程を含み、前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットおいて関数の性質が変わる転換点に対応する周波数より低いことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを正確に推定することができる。
[適用例２１]
適用例１７に記載の推定方法において、前記測定工程は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の各周波数における前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記第５工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点より低周波側の部分における曲率半径が、曲率半径判定値より小さい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１７に記載の推定方法において、前記測定工程は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の各周波数における前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記第５工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点より低周波側の部分における曲率半径が、曲率半径判定値より小さい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを正確に推定することができる。
[適用例２２]
適用例１７に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記第５工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、前記第１電極において、前記リークガスと前記触媒との反応抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出する工程と、前記係数に基づいて、前記反応抵抗成分を推定する工程と、前記反応抵抗成分に基づいて、リークガスが生じているか否かを推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１７に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記第５工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、前記第１電極において、前記リークガスと前記触媒との反応抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出する工程と、前記係数に基づいて、前記反応抵抗成分を推定する工程と、前記反応抵抗成分に基づいて、リークガスが生じているか否かを推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを正確に推定することができる。
[適用例２３]
適用例１に記載の推定方法において、前記測定工程は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスの量を推定する第６工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１に記載の推定方法において、前記測定工程は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスの量を推定する第６工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガス量を容易に推定することができる。
[適用例２４]
適用例２３に記載の推定方法において、前記第６工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値、または、虚部値に基づいて、前記リークガスの量を推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２３に記載の推定方法において、前記第６工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値、または、虚部値に基づいて、前記リークガスの量を推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガス量を正確に推定することができる。
[適用例２５]
適用例２３に記載の推定方法において、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記第６工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点より低周波側の部分における曲率半径に基づいて、前記リークガスの量を推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２３に記載の推定方法において、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記第６工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点より低周波側の部分における曲率半径に基づいて、前記リークガスの量を推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、リークガス量を正確に推定することができる。
[適用例２６]
適用例１７ないし適用例２５のいずれかに記載の推定方法において、前記不活性ガスは、窒素であり、前記活性ガスは、水素であることを特徴とする推定方法。
適用例１７ないし適用例２５のいずれかに記載の推定方法において、前記不活性ガスは、窒素であり、前記活性ガスは、水素であることを特徴とする推定方法。
[適用例２７]
適用例１に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含み、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を推定する第７工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１に記載の推定方法において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含み、前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を推定する第７工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、交流インピーダンスに基づいて、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例２８]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より大きい場合には、前記実部値が前記実部判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より大きい場合には、前記実部値が前記実部判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例２９]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より小さい場合には、前記実部値が前記実部判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より小さい場合には、前記実部値が前記実部判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３０]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、前記虚部値の絶対値が前記虚部判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、前記虚部値の絶対値が前記虚部判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３１]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より大きい場合には、前記虚部値の絶対値が前記虚部判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より大きい場合には、前記虚部値の絶対値が前記虚部判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３２]
適用例２８ないし適用例３１のいずれかに記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程を含み、前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットにおいて関数の性質が変わる転換点に対応する周波数より低いことを特徴とする推定方法。
適用例２８ないし適用例３１のいずれかに記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程を含み、前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットにおいて関数の性質が変わる転換点に対応する周波数より低いことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を正確に推定することができる。
[適用例３３]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より大きい場合には、前記角度が前記角度判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より大きい場合には、前記角度が前記角度判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３４]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より小さい場合には、前記角度が前記角度判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より小さい場合には、前記角度が前記角度判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３５]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングをおこない、前記論理関数から、静電容量Ｃ、周波数ωおよび係数Ｐを用いて、１／｛Ｃ（ｊω）p｝で表される前記ＣＰＥ成分の前記係数Ｐを検出する工程と、
前記係数Ｐが、係数判定値より大きい場合には、前記係数Ｐが係数判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングをおこない、前記論理関数から、静電容量Ｃ、周波数ωおよび係数Ｐを用いて、１／｛Ｃ（ｊω）p｝で表される前記ＣＰＥ成分の前記係数Ｐを検出する工程と、
前記係数Ｐが、係数判定値より大きい場合には、前記係数Ｐが係数判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３６]
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングをおこない、前記論理関数から、静電容量Ｃ、周波数ωおよび係数Ｐを用いて、１／｛Ｃ（ｊω）p｝で表される前記ＣＰＥ成分の前記係数Ｐを検出する工程と、
前記係数Ｐが、係数判定値より小さい場合には、前記係数Ｐが係数判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
適用例２７に記載の推定方法において、前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングをおこない、前記論理関数から、静電容量Ｃ、周波数ωおよび係数Ｐを用いて、１／｛Ｃ（ｊω）p｝で表される前記ＣＰＥ成分の前記係数Ｐを検出する工程と、
前記係数Ｐが、係数判定値より小さい場合には、前記係数Ｐが係数判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
[適用例３７]
適用例１ないし適用例３６のいずれかに記載の推定方法において、前記測定工程は、前記燃料電池のサイクリックボルタモグラムにおける電気二重層領域内の電圧を印加して、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
適用例１ないし適用例３６のいずれかに記載の推定方法において、前記測定工程は、前記燃料電池のサイクリックボルタモグラムにおける電気二重層領域内の電圧を印加して、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する工程を含むことを特徴とする推定方法。
このようにすれば、交流インピーダンスに基づいて、正確に膜電極接合体の状態を推定することができる。
[適用例３８]
適用例１ないし適用例３７のいずれかに記載の推定方法において、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする推定方法。
適用例１ないし適用例３７のいずれかに記載の推定方法において、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする推定方法。
[適用例３９]
適用例１ないし適用例３８のいずれかに記載の推定方法において、前記不活性ガスは、低湿度ガスであることを特徴とする推定方法。
適用例１ないし適用例３８のいずれかに記載の推定方法において、前記不活性ガスは、低湿度ガスであることを特徴とする推定方法。
このようにすれば、膜電極接合体の状態を正確に推定することができる。
[適用例４０]
燃料電池の状態を推定する状態推定装置であって、前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、前記状態推定装置は、少なくとも、前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、各周波数における前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定部と、各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記燃料電池における前記膜電極接合体の状態を推定する推定部と、を備えることを特徴とする状態推定装置。
燃料電池の状態を推定する状態推定装置であって、前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、前記状態推定装置は、少なくとも、前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、各周波数における前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定部と、各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記燃料電池における前記膜電極接合体の状態を推定する推定部と、を備えることを特徴とする状態推定装置。
上記構成の状態推定装置によれば、燃料電池の内部状態を容易に把握することができる。
[適用例４１]
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記推定部は、各周波数における前記交流インピーダンスの実部と虚部との関係を示す複素インピーダンスプロットを検出し、前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記膜電極接合体の状態を推定することを特徴とする状態推定装置。
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記推定部は、各周波数における前記交流インピーダンスの実部と虚部との関係を示す複素インピーダンスプロットを検出し、前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記膜電極接合体の状態を推定することを特徴とする状態推定装置。
このようにすれば、燃料電池の内部状態を正確に把握することができる。
[適用例４２]
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含み、前記推定部は、各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極中の前記電解質の分布を推定することを特徴とする状態推定装置。
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含み、前記推定部は、各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極中の前記電解質の分布を推定することを特徴とする状態推定装置。
このようにすれば、第１電極中の電解質の分布状態を容易に推定することができる。
[適用例４３]
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、前記推定部は、各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出し、前記係数に基づいて、前記電解質膜の膜抵抗、および／または、前記第１電極の電極抵抗を推定することを特徴とする状態推定装置。
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、前記推定部は、各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出し、前記係数に基づいて、前記電解質膜の膜抵抗、および／または、前記第１電極の電極抵抗を推定することを特徴とする状態推定装置。
このようにすれば、電解質膜の膜抵抗、および／または、第１電極の電極抵抗を精度よく推定することができる。
[適用例４４]
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記測定部は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定し、前記推定部は、前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスが生じているか否かを推定することを特徴とする状態推定装置。
適用例４０に記載の状態推定装置において、前記測定部は、前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定し、前記推定部は、前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスが生じているか否かを推定することを特徴とする状態推定装置。
このようにすれば、リークガスが生じているか否かを容易に推定することができる。
なお、本発明は、上記した方法発明の態様に限ることなく、装置発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池状態推定システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池状態推定システム１００の概略構成を示す図である。本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、状態推定装置１０と、配線２０と、配線３０と、を備えている。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池状態推定システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池状態推定システム１００の概略構成を示す図である。本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、状態推定装置１０と、配線２０と、配線３０と、を備えている。
状態推定装置１０は、燃料電池ＮＤに配線２０を介して、燃料電池ＮＤに交流電流を流し、配線３０を介して、燃料電池ＮＤにおける後述の燃料電池セルＣＬの交流インピーダンスを測定し、その測定結果から、該燃料電池セルＣＬの内部状態（すなわち、後述のＭＥＡの状態）を推定する。この詳細については、後述のＭＥＡ状態推定処理で説明する。状態推定装置１０は、内部に備えるＲＡＭ（図示せず）に、リークガス量検定データを記憶している。このリークガス量検定データについても、ＭＥＡ状態推定処理で説明する。
また、状態推定装置１０は、表示部１６を備えており、ＭＥＡ状態推定処理における推定結果を表示部１６に報知する。
燃料電池ＮＤは、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガス（例えば、空気）と、燃料ガス（例えば、水素）とを用いて、発電を行う。燃料電池ＮＤは、複数の燃料電池セルＣＬと、２つのエンドプレートＥＰと、２つのターミナルＴＭと、を備えている。燃料電池セルＣＬは、ターミナル３４０を挟んで、２つのエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池ＮＤは、燃料電池セルＣＬが、複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池ＮＤは、テンションプレート（図示せず）がボルト（図示せず）によって各エンドプレートＥＰに結合されることによって、各燃料電池セルＣＬを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、燃料電池ＮＤにおいて、ターミナルＴＭとエンドプレートＥＰとの間に、絶縁を確保するためインシュレータを備えていても良い。
図２は、燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セルＣＬは、電解質膜１１と、膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）と、セパレータ６，７と、シール部材１１０と、を備える。
ＭＥＡ５は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に配置されるカソード１２およびアノード１３と、カソード１２の外側面に配置されるガス拡散層１４と、アノード１３の外側面に配置されるガス拡散層１５とから成る。
電解質膜１１は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜１１は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
カソード１２、および、アノード１３は、触媒金属（例えば、白金（Ｐｔ））を担持した担体（例えば、カーボン）と、電解質（例えば、フッ素系樹脂）とから構成される。なお、カソード１２、または、アノード１３に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
ガス拡散層１４，１５は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。
燃料電池セルＣＬにおいて各部材を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。積層方向は、燃料電池セルＣＬの各部材の厚さ方向と同一の方向である。また、積層方向（厚さ方向）に垂直な方向であり、燃料電池セルＣＬの各部材の面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。カソード１２において、電解質膜１１と当接する面を第１面とも呼び、第１面の反対面であり、ガス拡散層１４と当接する面を第２面とも呼ぶ。
セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ６は、片面において凸部１８ａと凹部１８ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ６において、凸部１８ａは、ガス拡散層１４（カソード１２または電解質膜１１）を押圧し、凹部１８ｂは、ガス拡散層１４との間にガス拡散層１４（カソード１２）に対して酸化ガスを給排するためセル内流路１８を形成する。また、セパレータ７は、片面において凸部１９ａと凹部１９ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。セパレータ７において、凸部１９ａは、ガス拡散層１５（アノード１３または電解質膜１１）を押圧し、凹部１９ｂは、ガス拡散層１５との間にガス拡散層１５（アノード１３）に対して燃料ガスを給排するためセル内流路１９を形成する。
セパレータ６，７は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部１０３〜１０６を備えている。セパレータ６，７を、ＭＥＡ５およびガス拡散層１４，１５と共に積層して燃料電池ＮＤを組み立てると、積層された各セパレータ６，７の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池ＮＤ内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部１０３は、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部１０４は、酸化ガス排出マニホールドを形成し、孔部１０５は、燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部１０６は、燃料ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、セル内流路１８に酸化ガスを導入するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、セル内流路１８から酸化ガスを排出するための流路である。燃料ガス供給マニホールドは、セル内流路１９に燃料ガスを導入するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、セル内流路１９から燃料ガスを排出すための流路である。
シール部材１１０は、燃料電池セルＣＬにおいて、セル内流路１８、セル内流路１９、および、上記各マニホールド周辺に配設され、セル内流路１８、セル内流路１９、および、上記各マニホールドのガスシール性を確保する。
燃料電池状態推定システム１００において、状態推定装置１０は、配線２０を介して、ターミナルＴＭに接続されると共に、配線３０を介して、内部状態を推定（検査）したい燃料電池セルＣＬ（以下では、検査対象燃料電池セルＣＬＬとも呼ぶ）のセパレータ６およびセパレータ７に接続される。状態推定装置１０は、以下に示すＭＥＡ状態推定処理を実行する。
Ａ２．ＭＥＡ状態推定処理：
図３は、ＭＥＡ状態推定処理のフローチャートである。図３に示すＭＥＡ状態推定処理は、検査対象燃料電池セルＣＬＬにおけるＭＥＡの状態を推定（検査）するための処理である。
図３は、ＭＥＡ状態推定処理のフローチャートである。図３に示すＭＥＡ状態推定処理は、検査対象燃料電池セルＣＬＬにおけるＭＥＡの状態を推定（検査）するための処理である。
このＭＥＡ状態推定処理前において、燃料電池ＮＤには、以下の処理が施されている。すなわち、燃料電池ＮＤにおいて、燃料ガス供給マニホールドから活性ガスとしての水素を導入し、酸化ガス供給マニホールドから不活性ガスとしての窒素を導入し、各マニホールドを封止する。その結果、検査対象燃料電池セルＣＬＬにおいて、アノード１３に水素が封入され、カソード１２に窒素が封入された状態となっている。また、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素は、相対湿度が、０．１〜６０％の範囲内である低湿度なガスを用いている。この場合、水素および窒素は、相対湿度が、１０〜２０％の範囲内であることが特に好ましい。さらに、このＭＥＡ状態推定処理は、燃料電池ＮＤの温度が、９０℃程度の高温状態で行う。
Ａ２−１．ステップＳ１０の処理の説明：
まず、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、燃料電池ＮＤに周波数を所定間隔で変化させつつ、交流電流を流し、各周波数において検査対象燃料電池セルＣＬＬ（具体的には、検査対象燃料電池セルＣＬＬのＭＥＡ５）の交流インピーダンスを検出（測定）する（ステップＳ１０）。
まず、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、燃料電池ＮＤに周波数を所定間隔で変化させつつ、交流電流を流し、各周波数において検査対象燃料電池セルＣＬＬ（具体的には、検査対象燃料電池セルＣＬＬのＭＥＡ５）の交流インピーダンスを検出（測定）する（ステップＳ１０）。
図４は、燃料電池ＮＤのサイクリックボルタモグラムを示す図である。縦軸が電流値［Ａ］を示し、横軸が電圧［Ｖ］を示す。ステップＳ１０の処理において、状態推定装置１０は、燃料電池ＮＤに交流電流を流す場合、図４に示すように、サイクリックボルタモグラムの電気２重層領域（約０．３〜０．５Ｖ）内の電圧を印加する。
Ａ２−２．ステップＳ２０の処理の説明：
続いて、状態推定装置１０は、検査対象燃料電池セルＣＬＬに対して、以下に示す複素インピーダンスプロットＶを検出する（ステップＳ２０）。図５を用いて複素インピーダンスプロットＶについて説明する。なお、複素インピーダンスプロットは、コール・コールプロットとも呼ばれる。
続いて、状態推定装置１０は、検査対象燃料電池セルＣＬＬに対して、以下に示す複素インピーダンスプロットＶを検出する（ステップＳ２０）。図５を用いて複素インピーダンスプロットＶについて説明する。なお、複素インピーダンスプロットは、コール・コールプロットとも呼ばれる。
図５は、複素インピーダンスプロットＶを示す図である。図５において、縦軸は、交流インピーダンスの虚部値Ｚ２を表しており、以下では、虚部軸とも呼び、横軸は、交流インピーダンスの実部値Ｚ１を表しており、以下では、実部軸とも呼ぶ。この複素インピーダンスプロットＶは、虚部軸と実部軸とで形成される平面（以下では、複素平面とも呼ぶ）において、ステップＳ１０の処理で検出（測定）した各周波数における交流インピーダンスの実部値Ｚ１および虚部値Ｚ２との関係を示す。詳しくは、複素インピーダンスプロットＶは、複素平面において、検出した各周波数において交流インピーダンスの実部値Ｚ１および虚部値Ｚ２を表す点（以下では、インピーダンス測定点とも呼ぶ）に基づいた近似曲線である。虚部軸と実部軸とは直交する。各軸において、各スケールは、それぞれ同様の大きさとなっている。すなわち、図５において、複素インピーダンスプロットＶは、実部軸と虚部軸のそれぞれにおいて、同じだけ値が変化した時に、軸上の位置が同じだけ変化する。図５において、実線が複素インピーダンスプロットＶを示し、黒抜き四角形がインピーダンス測定点を示す。また、図５において、複素インピーダンスプロットＶには、転換点Ｐが示されている。この転換点Ｐの詳細は、後述する。
Ａ２−３．ステップＳ３０の処理の説明：
次に、状態推定装置１０は、ステップＳ１０の処理で検出した各周波数における交流インピーダンスに対して、等価回路Ｚを用いてフィッティングさせたフィッティング曲線Ｙを検出する（ステップＳ３０）。まず、図６を用いてフィッティング曲線Ｙを説明し、図７を用いて等価回路Ｚを説明する。
次に、状態推定装置１０は、ステップＳ１０の処理で検出した各周波数における交流インピーダンスに対して、等価回路Ｚを用いてフィッティングさせたフィッティング曲線Ｙを検出する（ステップＳ３０）。まず、図６を用いてフィッティング曲線Ｙを説明し、図７を用いて等価回路Ｚを説明する。
図６は、本実施例におけるフィッティング曲線Ｙを示す図である。状態推定装置１０は、このステップＳ３０の処理において、ステップＳ１０の処理で検出した各周波数における交流インピーダンスに対して、等価回路Ｚに基づく論理関数でフィッティングさせ、その論理関数の各係数を検出し、図６に示すフィッティング曲線Ｙを検出する。
図７は、本実施例の等価回路Ｚの概略構成を示す図である。等価回路Ｚは、本発明の発明者によって見いだされた等価回路である。この等価回路Ｚは、図７に示すように、回路パラメータとして、膜抵抗成分Ｒｍと、複数のイオン伝導抵抗成分Ｒｉと、複数のＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分４０と、複数の反応抵抗成分Ｒａと、補正抵抗成分Ｒｈと、を備えている。
膜抵抗成分Ｒｍは、電解質膜１１の抵抗を表す。イオン伝導抵抗成分Ｒｉは、カソード１２中の電解質のイオン伝導抵抗を表す。ＣＰＥ成分４０は、カソード１２において電解質と担体との界面に生じる抵抗を表す。反応抵抗成分Ｒａは、ＭＥＡ５において、アノード１３から水素（活性ガス）が電解質膜１１を透過してカソード１２に移動したリークガスが生じている場合に、リークガスがカソード１２の触媒で反応した際に生じる反応抵抗を表す。補正抵抗成分Ｒｈは、状態推定装置１０の装置性能等に基づいて擬似的に設定される抵抗成分であり、詳しくは、擬似リアクタンス成分Ｌｇと、擬似抵抗成分Ｒｇとから成る。
ＣＰＥ成分４０の容量性リアクタンスＬｃは、以下の式で求めることができる。
Ｌｃ＝１／{Ｃ（ｊω）p}
Ｃ：静電容量 ω：周波数 Ｐ：任意の定数（例えば、０．８〜０．９）
Ｌｃ＝１／{Ｃ（ｊω）p}
Ｃ：静電容量 ω：周波数 Ｐ：任意の定数（例えば、０．８〜０．９）
等価回路Ｚにおいて、ＣＰＥ成分４０と、反応抵抗成分Ｒａは、図７に示すように、並列に接続される。以下では、ＣＰＥ成分４０と反応抵抗成分Ｒａとから成る並列回路をＣＰＥ並列回路とも呼ぶ。そして、等価回路Ｚは、図７に示すように、補正抵抗成分Ｒｈと、膜抵抗成分Ｒｍと、イオン伝導抵抗成分Ｒｉと、が直列に接続されると共に、一つのＣＰＥ並列回路の一端が、膜抵抗成分Ｒｍとイオン伝導抵抗成分Ｒｉとの間に接続され、他のＣＰＥ並列回路の一端が、隣接するイオン伝導抵抗成分Ｒｉ間にそれぞれ接続され、さらに、各ＣＰＥ並列回路の他端が、ラインＫにそれぞれ接続されるラダー状の回路である。
なお、図６は、本実施例のフィッティング曲線Ｙに加え、フィッティング曲線Ｙの転換点Ｐｆと、上述で検出した、複素インピーダンスプロットＶと、インピーダンス測定点とをそれぞれ示している。また、図６は、検出した各周波数における交流インピーダンスに対して、後述する比較例の等価回路Ｉを用いてフィッティングさせたフィッティング曲線Ｈを示している。
図８は、比較例の等価回路Ｉの概略構成を示す図である。比較例としての等価回路Ｉは、図８に示すように、膜抵抗成分Ｒｍと、複数のイオン伝導抵抗成分Ｒｉと、複数のコンデンサ成分Ｃａと、を備えている。コンデンサ成分は、カソード１２において電解質と担体との界面に生じる抵抗を表す。等価回路Ｉは、図８に示すように、膜抵抗成分Ｒｍと、イオン伝導抵抗成分Ｒｉと、が直列に接続されると共に、一つのコンデンサ成分Ｃａの一端が、膜抵抗成分Ｒｍとイオン伝導抵抗成分Ｒｉとの間に接続され、他のコンデンサ成分Ｃａの一端が、隣接するイオン伝導抵抗成分Ｒｉ間にそれぞれ接続され、さらに、各コンデンサ成分Ｃａの他端が、ラインＫ１にそれぞれ接続されるラダー状の回路である。本実施例の等価回路Ｚと比較例の等価回路Ｉとの対比は、後述で詳細を説明する。
図５に示す転換点Ｐは、複素インピーダンスプロットＶにおいて、関数の性質が変わる境界点であり、すなわち、複素インピーダンスプロットＶにおいて、カソード１２のイオン伝導抵抗成分ＲｉおよびＣＰＥ成分４０の影響を大きく受ける領域と、ＣＰＥ成分４０および反応抵抗成分Ｒａの影響を大きく受ける領域との境界点である。言い換えれば、転換点Ｐは、複素インピーダンスプロットＶにおいて、接線の傾き（実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量）が所定の閾値以上となった点である。この閾値は、燃料電池ＮＤの具体的な設計、例えば、下記（i）〜（iii）等に基づき予め設定される。
（i）燃料電池ＮＤにおいて、カソード１２の製造方法（触媒インクの分散手法、塗工方法等）。
（ii）カソード１２中の電解質の種類、分量、厚さ方向および面方向の分布状態。
（iii）カソード１２中の触媒担持担体の種類、粒径。
（i）燃料電池ＮＤにおいて、カソード１２の製造方法（触媒インクの分散手法、塗工方法等）。
（ii）カソード１２中の電解質の種類、分量、厚さ方向および面方向の分布状態。
（iii）カソード１２中の触媒担持担体の種類、粒径。
図６に示す転換点Ｐｆは、フィッティング曲線Ｙにおいて、関数の性質が変わる境界点であり、すなわち、フィッティング曲線Ｙにおいて、カソード１２のイオン伝導抵抗成分ＲｉおよびＣＰＥ成分４０の影響を大きく受ける領域と、ＣＰＥ成分４０および反応抵抗成分Ｒａの影響を大きく受ける領域との境界点である。言い換えれば、転換点Ｐは、フィッティング曲線Ｙにおいて、接線の傾き（実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量）が所定の閾値以上となった点である。この閾値は、燃料電池ＮＤの具体的な設計、例えば、下記（i）〜（iii）等に基づき予め設定される。
（i）燃料電池ＮＤにおいて、カソード１２の製造方法（触媒インクの分散手法、塗工方法等）。
（ii）カソード１２中の電解質の種類、分量、厚さ方向および面方向の分布状態。
（iii）カソード１２中の触媒担持担体の種類、粒径。
（i）燃料電池ＮＤにおいて、カソード１２の製造方法（触媒インクの分散手法、塗工方法等）。
（ii）カソード１２中の電解質の種類、分量、厚さ方向および面方向の分布状態。
（iii）カソード１２中の触媒担持担体の種類、粒径。
Ａ２−４．ステップＳ４０の処理の説明：
続いて、状態推定装置１０は、ステップＳ３０の処理で検出した論理関数の各係数に基づいて、等価回路Ｚの回路パラメータである膜抵抗成分Ｒｍおよびイオン伝導抵抗成分Ｒｉを検出し、膜抵抗成分Ｒｍを電解質膜１１の膜抵抗として、イオン伝導抵抗成分Ｒｉをカソード１２のカソード抵抗として推定する（ステップＳ４０）。
続いて、状態推定装置１０は、ステップＳ３０の処理で検出した論理関数の各係数に基づいて、等価回路Ｚの回路パラメータである膜抵抗成分Ｒｍおよびイオン伝導抵抗成分Ｒｉを検出し、膜抵抗成分Ｒｍを電解質膜１１の膜抵抗として、イオン伝導抵抗成分Ｒｉをカソード１２のカソード抵抗として推定する（ステップＳ４０）。
Ａ２−５．ステップＳ５０の処理の説明：
次に、状態推定装置１０は、ステップＳ２０の処理で検出した複素インピーダンスプロットＶに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する（ステップＳ５０）。
次に、状態推定装置１０は、ステップＳ２０の処理で検出した複素インピーダンスプロットＶに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する（ステップＳ５０）。
図９は、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐ付近を拡大した図である。状態推定装置１０は、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する場合には、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定する。具体的には、状態推定装置１０は、以下の考えに基づき、推定を行う。
すなわち、角度θが４５°の場合には、等価回路Ｚにおいて、各イオン伝導抵抗成分Ｒｉがほぼ等しいと考えられる。角度θが４５°よりも大きい場合には、等価回路Ｚにおいて、各イオン伝導抵抗成分Ｒｉのうち、膜抵抗成分Ｒｍに近いイオン伝導抵抗成分Ｒｉが低くなると考えられる。一方、角度θが４５°よりも小さい場合には、等価回路Ｚにおいて、各イオン伝導抵抗成分Ｒｉのうち、膜抵抗成分Ｒｍから遠いイオン伝導抵抗成分Ｒｉが低くなると考えられる。
従って、状態推定装置１０は、角度θが、４５°の場合には、カソード１２の厚さ方向において、略均一に電解質が分布していると推定する。角度θが、４５°よりも大きい場合には、カソード１２の厚さ方向において、第２面側よりも第１面側に電解質が多く分布していると推定する。角度θが、４５°よりも小さい場合には、カソード１２の厚さ方向において、第１面側よりも第２面側に電解質が多く分布していると推定する。なお、上記「転換点Ｐより高周波側」とは、例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲をいう。
図１０は、角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する手法が正しいことを確認するための確認試験の結果を表す図である。この確認試験では、カソードにおいて、第２面側（ガス拡散層側）よりも第１面側（電解質膜側）に電解質を多く分布させた燃料電池セルＵ１と、カソードにおいて、第１面側よりも第２面側に電解質を多く分布させた燃料電池セルＵ２とを用いて、それぞれ複素インピーダンスプロットを検出し、角度θを検出する。図１０は、燃料電池セルＵ１の複素インピーダンスプロットＶ１、複素インピーダンスプロットＶ１における転換点Ｐ１、燃料電池セルＵ２の複素インピーダンスプロットＶ２、および、複素インピーダンスプロットＶ２における転換点Ｐ２をそれぞれ示している。また、図１０は、燃料電池セルＵ１の各交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を黒抜き四角形で、燃料電池セルＵ２の各交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を黒抜き三角形で示している。
図１０に示すように、この確認試験の結果、以下の通りとなった。すなわち、燃料電池セルＵ１の複素インピーダンスプロットＶ１では、角度θが４５°より大きい６５°となった。一方、燃料電池セルＵ２の複素インピーダンスプロットＶ２では、角度θが４５°より小さい４０°となった。従って、上述のステップＳ５０の処理で、角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する手法は、妥当であると言える。
Ａ２−６．ステップＳ６０の処理の説明：
続いて、状態推定装置１０は、ステップＳ３０の処理で検出したフィッティング曲線Ｙ（図６参照）と、ステップＳ１０の処理で検出した交流インピーダンスとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する（ステップＳ６０）。すなわち、状態推定装置１０は、複素平面において、フィッティング曲線Ｙにおいて、転換点Ｐｆ付近の周波数Ｔ（後述の図１１参照）に対応する位置と、その周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する。なお、周波数Ｔは、例えば、１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数である。
続いて、状態推定装置１０は、ステップＳ３０の処理で検出したフィッティング曲線Ｙ（図６参照）と、ステップＳ１０の処理で検出した交流インピーダンスとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する（ステップＳ６０）。すなわち、状態推定装置１０は、複素平面において、フィッティング曲線Ｙにおいて、転換点Ｐｆ付近の周波数Ｔ（後述の図１１参照）に対応する位置と、その周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する。なお、周波数Ｔは、例えば、１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数である。
具体的には、状態推定装置１０は、複素平面において、距離Ｇが、閾値Ｇｔよりも大きい場合には、インピーダンス測定点と、フィッティング曲線Ｙとのずれが比較的大きいので、カソード１２において、面方向に電解質が偏って分布していると推定する。また、状態推定装置１０は、複素平面において、距離Ｇが、閾値Ｇｔ以下の場合には、インピーダンス測定点と、フィッティング曲線Ｙとのずれが比較的小さいので、カソード１２において、面方向に略均一に電解質が分布していると推定する。
図１１は、距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する手法が正しいことを確認するための確認試験の結果を表す図である。この確認試験では、燃料電池セルＱ１と、燃料電池セルＱ２とを用いて、各周波数における交流インピーダンス、複素インピーダンスプロット、および、等価回路Ｚに基づくフィッティング曲線をそれぞれ検出する。
燃料電池セルＱ１は、カソードにおいて、面方向に略均一に電解質が分布している。燃料電池セルＱ２は、カソードにおいて、面方向に、電解質量が異なるＱａ領域（図示せず）およびＱｂ（図示せず）領域に区分され、Ｑａ領域は、燃料電池セルＱ１のカソードと単位体積辺りの電解質量が同様になるように、面方向において、略均一に電解質が分布し、Ｑｂ領域は、Ｑａ領域よりも単位体積辺りの電解質量が多く、かつ、面方向に略均等に電解質が分布している。すなわち、燃料電池セルＱ２は、カソードの面方向において、電解質が不均一に分布している。なお、Ｑｂ領域は、Ｑａ領域の２倍程度の面積となっている。
図１１（Ａ）は、カソードにおいて、面方向に略均一に電解質が分布している燃料電池セルＱ１の試験結果を示している。具体的には、図１１（Ａ）は、複素平面において、燃料電池セルＱ１における、複素インピーダンスプロットＶａ、フィッティング曲線Ｙａ、複素インピーダンスプロットＶａの転換点Ｐａ、および、フィッティング曲線Ｙａの転換点Ｐｆａをそれぞれ示している。
図１１（Ｂ）は、カソードにおいて、面方向に不均一に電解質が分布している燃料電池セルＱ２の試験結果を示している。具体的には、図１１（Ｂ）は、複素平面において、燃料電池セルＱ２における、複素インピーダンスプロットＶｂ、フィッティング曲線Ｙｂ、複素インピーダンスプロットＶｂの転換点Ｐｂ、および、フィッティング曲線Ｙｂの転換点Ｐｆｂをそれぞれ示している。図１１において、燃料電池セルＱ１および燃料電池セルＱ２のインピーダンス測定点を、それぞれ黒抜き四角形で示している。
上記確認試験の結果は、以下の通りとなった。すなわち、図１１（Ａ）に示すように、燃料電池セルＱ１において、フィッティング曲線Ｙａにおける転換点Ｐｆａ付近の周波数Ｔに対応する位置と、周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇは、比較的近い。一方、図１１（Ｂ）に示すように、燃料電池セルＱ２において、フィッティング曲線Ｙｂにおける転換点Ｐｆｂ付近の周波数Ｔに対応する位置と、周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇは、比較的遠い。従って、距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する手法は、妥当であると言える。
Ａ２−７．ステップＳ７０の処理の説明：
次に、状態推定装置１０は、交流インピーダンスに基づいて、リークガスが生じているか否かを推定する（ステップＳ７０）。
次に、状態推定装置１０は、交流インピーダンスに基づいて、リークガスが生じているか否かを推定する（ステップＳ７０）。
図１２は、リークガスが生じている場合の複素インピーダンスプロットＶｌを示した図ある。詳しくは、図１２は、燃料電池ＮＤにおいて、リークガスが生じている場合の各周波数における交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を黒抜き四角形で示し、そのインピーダンス測定点に基づく複素インピーダンスプロットＶｌを実線で示し、さらには、複素インピーダンスプロットＶｌの転換点Ｐｌを示している。また、図１２は、燃料電池ＮＤにおいて、リークガスが生じていない場合の複素インピーダンスプロットＶｓを一点鎖線で示している。状態推定装置１０は、以下の考えに基づき、リークガスが生じているか否かの推定を行う。
すなわち、複素インピーダンスプロットＶｌは、等価回路Ｚ（図７参照）において、反応抵抗成分Ｒａが小さくなるので、図１２に示すように、複素インピーダンスプロットＶｓと比べて、複素インピーダンスプロットＶｌの転換点Ｐｌよりも低周波側で、実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量が鈍化し、曲率が強くなると考えられる。
従って、状態推定装置１０は、下記（１）〜（３）の少なくとも１つを満たした場合に、リークガスが生じていると推定し、下記（１）〜（３）のうち１つも満たしていない場合には、リークガスが生じていないと推定する。
（１）複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの実部値Ｚｌ１（図５参照）が、閾値Ｚｔ１より大きい場合。
（２）複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの虚部値Ｚｌ２（図５参照）の絶対値が、閾値Ｚｔ２より小さい場合。
（３）複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐよりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する部分が示す曲率半径Ｒｖ（図５参照）が、閾値Ｒｔより小さい場合。
（１）複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの実部値Ｚｌ１（図５参照）が、閾値Ｚｔ１より大きい場合。
（２）複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの虚部値Ｚｌ２（図５参照）の絶対値が、閾値Ｚｔ２より小さい場合。
（３）複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐよりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する部分が示す曲率半径Ｒｖ（図５参照）が、閾値Ｒｔより小さい場合。
Ａ２−８．ステップＳ８０，９０の処理の説明：
続いて、状態推定装置１０は、ステップＳ７０の処理で、リークガスが生じていると推定した場合には（ステップＳ８０：Ｙｅｓ）、次に、ステップＳ１０の処理で検出した交流インピーダンスと、ＲＡＭに記憶されたリークガス量検定データとを比較することで、リークガス量を推定する（ステップＳ９０）。リークガス量検定データは、所定の周波数における交流インピーダンスの実部値と、リークガス量のとの対応関係を示し、予め検定実験により求められる。
続いて、状態推定装置１０は、ステップＳ７０の処理で、リークガスが生じていると推定した場合には（ステップＳ８０：Ｙｅｓ）、次に、ステップＳ１０の処理で検出した交流インピーダンスと、ＲＡＭに記憶されたリークガス量検定データとを比較することで、リークガス量を推定する（ステップＳ９０）。リークガス量検定データは、所定の周波数における交流インピーダンスの実部値と、リークガス量のとの対応関係を示し、予め検定実験により求められる。
具体的には、状態推定装置１０は、検出した交流インピーダンスのうち、複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）における交流インピーダンスの実部値を検出し、リークガス量検定データにおいて、検出した実部値に対応する量を、上記リークガス量として推定する。なお、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、検出した交流インピーダンスのうち、複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）における交流インピーダンスの虚部値を検出し、リークガス量検定データにおいて、検出した虚部値に対応する量を、上記リークガス量として推定するようにしてもよい。この場合、リークガス量検定データは、所定の周波数における交流インピーダンスの虚部値と、リークガス量のとの対応関係を示す。
状態推定装置１０は、ステップＳ７０の処理で、リークガスが生じていないと推定した場合には、このＭＥＡ状態推定処理を終了する。
状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理が終了すると、ＭＥＡ状態推定処理の結果を表示部１６に報知する。具体的には、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において推定した、膜抵抗やカソード抵抗、カソード１２の厚さ方向における電解質分布、カソード１２の面方向における電解質分布、リークガスの有無、および、リークガス量等の情報を表示部１６に表示する。
以上のように、本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理を行い、燃料電池ＮＤを分解することなく、ＭＥＡ５の状態を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤの内部状態を容易に把握することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理において、検出した各周波数における交流インピーダンスに基づいて、カソード１２中の電解質の分布を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、カソード１２中の電解質の分布状態を容易に推定することができる。
ところで、比較例の等価回路Ｉ（図８参照）を用いて検出されるフィッティング曲線Ｈは、図６に示すように、検出した各インピーダンス測定点とは、大きく乖離しており、等価回路Ｉに基づいて、各回路バラメータ（膜抵抗成分Ｒｍ、イオン伝導抵抗成分Ｒｉ等）を検出しても、それらの値が実際の値に対して大きな誤差を含むおそれがあった。
一方、本実施例の燃料電池状態推定システム１００では、等価回路Ｚを用いてフィッティング曲線Ｙを形成するようにしている。このようにすれば、図６に示すように、フィッティング曲線Ｙは、各インピーダンス測定点に非常にフィットするように形成されるので、状態推定装置１０は、等価回路Ｚに基づいて、各回路パラメータを精度よく検出することができる。その結果、ステップＳ４０の処理において、膜抵抗成分Ｒｍおよびイオン伝導抵抗成分Ｒｉを精度よく検出することができ、言い換えれば、膜抵抗およびカソード抵抗を精度よく検出することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ５０の処理において、複素インピーダンスプロットに基づいて、カソード１２における厚さ方向の電解質の分布を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、カソード１２における厚さ方向の電解質の分布状態を容易に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ５０の処理において、複素インピーダンスプロットＶにおける転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、カソード１２の厚さ方向における電解質の分布状態を正確に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ６０の処理において、フィッティング曲線Ｙ（図６参照）と、検出した交流インピーダンスとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、カソード１２における面方向の電解質の分布状態を容易に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ６０の処理で、複素平面において、フィッティング曲線Ｙにおける転換点Ｐｆ付近の周波数Ｔに対応する位置と、その周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、カソード１２における面方向の電解質の分布状態を正確に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理において、交流インピーダンスに基づいて、リークガスが生じているか否かを推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、リークガスが生じているか否かを容易に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ７０の処理において、複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの実部値Ｚｌ１（図５参照）が、閾値Ｚｔ１より大きい場合に、リークガスが生じていると推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、リークガスの発生を正確に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ７０の処理において、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの虚部値Ｚｌ２（図５参照）の絶対値が、閾値Ｚｔ２より小さい場合に、リークガスが生じていると推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、リークガスの発生を正確に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ７０の処理において、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐよりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する部分が示す曲率半径Ｒｌ（図５参照）が、閾値Ｒｔより小さい場合に、リークガスが生じていると推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、リークガスの発生を正確に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理において、交流インピーダンスに基づいて、ＭＥＡ５におけるリークガス量を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、リークガス量を容易に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ８０の処理において、リークガス量検定データにおいて、検出した交流インピーダンスのうち、複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において転換点Ｐにおける周波数よりも低い周波数に対応する交流インピーダンスの実部値（若しくは虚部値）に対応する量を、リークガス量として推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、リークガス量を正確に推定することができる。
本実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ１０の処理において、燃料電池ＮＤに交流電流を流す場合、サイクリックボルタモグラムの電気２重層領域の電圧を印加するようにしている。このようにすれば、各周波数における交流インピーダンスに基づいて、正確にＭＥＡ５の状態を推定することができる。
図１３は、状態推定装置において周波数と出力電圧の振幅との関係の一例を表す図である。図１４は、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素の相対湿度が高い場合における複素インピーダンスプロットを示す図である。図１３において、横軸が周波数［Ｈｚ］を表し、縦軸が周波数に対する出力電圧の振幅［ｍＶ］を表す。図１４は、詳しくは、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素の相対湿度を、６０％よりも高い湿度とすると共に、図１３に示すように、高周波数領域で、出力電圧の振幅が減衰するような状態推定装置を用いて、検出された複素インピーダンスプロットを示す図である。
ところで、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素の相対湿度を、高い湿度（例えば、６０％より高い湿度）し、すなわち、ＭＥＡ５の抵抗値を小さくすると共に、図１３に示すような特性を持つ状態推定装置１０を用いてＭＥＡ状態推定処理を行うと、図１４に示すように、複素インピーダンスプロットが、直線状になるおそれがあり、その結果、ＭＥＡ状態推定処理において、正確にＭＥＡ５の状態を推定できないおそれがあった。
一方、本実施例では、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素は、相対湿度が、０．１〜６０％の範囲内である低湿度なガスを用いるようにしている。このようにすれば、ＭＥＡ５の抵抗値を高くすることができ、複素インピーダンスプロットが直線状になることを抑制することができる。その結果、ＭＥＡ状態推定処理において、ＭＥＡ５の状態、例えば、カソード１２における電解質の分布状態やリークガスの有無等を正確に推定することが可能となる。また、本実施例では、燃料電池ＮＤの温度が、９０℃程度の高温状態でＭＥＡ状態推定処理を行うようにしている。このようにすれば、ＭＥＡ５の抵抗値を高くすることができ、複素インピーダンスプロットが直線状になることを抑制することができる。その結果、ＭＥＡ状態推定処理において、ＭＥＡ５の状態、例えば、カソード１２における電解質の分布状態やリークガスの有無等を正確に推定することが可能となる。
本実施例において、カソード１２は、特許請求の範囲における第１電極に該当し、アノード１３は、特許請求の範囲における第２電極に該当し、閾値Ｇｔは、特許請求の範囲における第１距離判定値および第２距離判定値に該当し、閾値Ｚｔ１は、特許請求の範囲における実部判定値に該当し、閾値Ｚｔ２は、特許請求の範囲における虚部判定値に該当する。また、状態推定装置１０は、特許請求の範囲における状態推定装置、測定部、および、推定部に該当する。
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、複素インピーダンスプロットに基づいて、膜抵抗およびカソード抵抗の推定（ステップＳ４０）、カソードの厚さ方向における電解質分布の推定（ステップＳ５０）、カソードの面方向における電解質分布の推定（ステップＳ６０）、リークガスが生じているか否かの推定（ステップＳ７０）をおこなったが、第２実施例では、複素インピーダンスプロットに基づいて、カソード１２の触媒金属を担持した担体の集合により形成される二次粒子（以後、単に「二次粒子」とも呼ぶ）の分散の程度を推定する。燃料電池状態推定システム１００の構成については、第１実施例と同様であるため説明を省略する。
第１実施例では、複素インピーダンスプロットに基づいて、膜抵抗およびカソード抵抗の推定（ステップＳ４０）、カソードの厚さ方向における電解質分布の推定（ステップＳ５０）、カソードの面方向における電解質分布の推定（ステップＳ６０）、リークガスが生じているか否かの推定（ステップＳ７０）をおこなったが、第２実施例では、複素インピーダンスプロットに基づいて、カソード１２の触媒金属を担持した担体の集合により形成される二次粒子（以後、単に「二次粒子」とも呼ぶ）の分散の程度を推定する。燃料電池状態推定システム１００の構成については、第１実施例と同様であるため説明を省略する。
図１５は、二次粒子および分散の程度を説明するための説明図である。本実施例において、二次粒子ｓｐとは、図１５に示すように、ファンデルワールス力などにより、触媒金属ｃａを担持した担体ｐｐ（一次粒子）が凝集して形成された粒子をいう。また、二次粒子ｓｐの分散の程度とは、電解質と溶媒と触媒担持担体とを混合してホモジナイザーなどにより攪拌して触媒インクを作成する際に、攪拌により二次粒子ｓｐが砕き解されて細分化されている程度を表す。すなわち、攪拌により、二次粒子ｓｐが細分化されて、図１５（ａ）に示すように、粒径Ｄｐの小さい二次粒子ｓｐを多く含む状態を分散が強い（強分散）という。一方、二次粒子ｓｐが細分化されず、図１５（ｂ）に示すように、粒径Ｄｐの大きい二次粒子ｓｐを多く含む状態を分散が弱い（弱分散）という。
図１６は、第２実施例におけるＭＥＡ状態推定処理のフローチャートである。図１６において、ステップＳ１０〜ステップＳ３０は、既述の第１実施例におけるステップＳ１０〜ステップＳ３０と同様であるため説明を省略する。
状態推定装置１０は、交流インピーダンスに基づいて、二次粒子の分散の程度を推定する。（ステップＳ４５）。図１７は、二次粒子の分散の程度と複素インピーダンスプロットとの関係を示した図ある。図１７では、燃料電池ＮＤにおいて、二次粒子の分散が弱い場合（弱分散）の各周波数における交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を黒抜き菱形で示し、二次粒子の分散が強い場合（強分散）の各周波数における交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を黒四角形で示している。また、二次粒子の分散が弱い場合と二次粒子の分散が強い場合のそれぞれの複素インピーダンスプロットおよび転換点を、複素インピーダンスプロットＶ３および転換点Ｐ３と、複素インピーダンスプロットＶ４および転換点Ｐ４で示している。このとき、状態推定装置１０は、以下の考えに基づき、二次粒子の分散の程度の推定をおこなう。
図１８は、図１７における二次粒子の分散が強い場合と弱い場合のそれぞれに含まれる二次粒子の粒径とその頻度を例示した説明図である。サンプル１は、二次粒子の分散が強い場合の粒径分布であり、超音波ホモジナイザーおよび遠心攪拌等により二次粒子を分散させているため、粒径の小さい二次粒子（０．１μｍ〜０．５μｍ）を多く含んでいる。サンプル２は、二次粒子の分散が弱い場合の粒径分布であり、遠心攪拌のみにより二次粒子を分散させているため、粒径の大きい二次粒子（３μｍ〜１０μｍ）を多く含んでいる。分散の弱いカソード１２では、粒径の大きい二次粒子を多く含むため、二次粒子の内部における電解質自体の抵抗や電解質と担体との間の接触抵抗が粒径の小さい二次粒子を多く含む場合に比べて増大する。そのため、燃料電池ＮＤが分散の弱いカソード１２を有する場合、複素インピーダンスプロットの転換点より低周波側において、実部値に対する虚部値の変化量が鈍化すると考えられる。一方、燃料電池ＮＤが分散の強いカソード１２を有する場合、分散の弱いカソード１２に比べ、相対的に実部値に対する虚部値の変化量が大きくなる考とえられる。従って、状態推定装置１０は、下記（１）〜（４）の方法により、二次粒子の分散の程度の推定をおこなう。
（１）状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットにおいて転換点に対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１０００Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの実部値が、閾値Ｄｔ１より大きい場合、閾値Ｄｔ１以下の場合に比べて二次粒子の分散が弱いと推定する。一方、交流インピーダンスの実部値が、閾値Ｄｔ１より小さい場合、閾値Ｄｔ１以上の場合に比べて二次粒子の分散が強いと推定する。図１７では、複素インピーダンスプロットＶ３および複素インピーダンスプロットＶ４のそれぞれの同じ周波数におけるインピーダンス観測点が観測点Ｐｏ１および観測点Ｐｏ２で示されている。このとき、閾値Ｄｔ１を０．５と設定すれば、観測点Ｐｏ１の実部値Ｚｌ３は閾値Ｄｔ１より大きくなるため弱分散と推定でき、観測点Ｐｏ２の実部値Ｚｌ５は閾値Ｄｔ１より小さくなるため強分散と推定できる。よって、二次粒子の分散の程度について容易に検出をおこなうことができる。
（２）状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットにおいて転換点に対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１０００Ｈｚ）に対応する交流インピーダンスの虚部値の絶対値が、閾値Ｄｔ２より小さい場合、閾値Ｄｔ２以上の場合に比べて二次粒子の分散が弱いと推定する。一方、交流インピーダンスの虚部値の絶対値が、閾値Ｄｔ２より大きい場合、閾値Ｄｔ２以下の場合に比べて二次粒子の分散が強いと推定する。図１７では、上述の観測点Ｐｏ１および観測点Ｐｏ２において、閾値Ｄｔ２を−１．５の絶対値である１．５と設定すれば、観測点Ｐｏ１の虚部値の絶対値Ｚｌ４は閾値Ｄｔ２より小さくなるため弱分散と推定でき、観測点Ｐｏ２の虚部値の絶対値Ｚｌ６は閾値Ｄｔ２より大きくなるため強分散と推定できる。よって、二次粒子の分散の程度について容易に検出をおこなうことができる。
（３）状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットにおいて転換点に対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１０００Ｈｚ）における任意の点における接線と、この任意の点と交差し、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度Ａが、閾値Ａｔより小さい場合には、角度Ａが閾値Ａｔ以上の場合に比べて、二次粒子の分散が弱いと推定する。一方、角度Ａが、閾値Ａｔより大きい場合には、角度Ａが閾値Ａｔ以下の場合に比べて、二次粒子の分散が強いと推定する。図１７では、複素インピーダンスプロットＶ３および複素インピーダンスプロットＶ４のそれぞれの同じ周波数におけるインピーダンス観測点が観測点Ｐｎ１および観測点Ｐｎ２で示されている。このとき、閾値Ａｔを８０°と設定すれば、複素インピーダンスプロットＶ３の角度Ａは７６°であるため弱分散と推定でき、複素インピーダンスプロットＶ４の角度Ａは８６°であるため強分散と推定できる。よって、二次粒子の分散の程度について容易に検出をおこなうことができる。なお、角度Ａは、おおむね５０°〜９０°程度となる。
（４）状態推定装置１０は、各周波数における交流インピーダンスに対して、等価回路Ｚを用いてフィッティングさせた際に特定されるＣＰＥ成分４０の容量性リアクタンスＬｃ＝１／{Ｃ（ｊω）p}のうち、係数Ｐが、閾値Ｐｔより大きい場合、閾値Ｐｔ以下の場合に比べて、２次粒子の分散が弱いと推定する。一方、係数Ｐが、閾値Ｐｔより小さい場合、閾値Ｐｔ以上の場合に比べて２次粒子の分散が強いと推定する。係数Ｐは、等価回路Ｚによるフィッティングの際、フィッティング曲線の傾きに寄与する係数であり、係数Ｐが大きくなるほど実部軸側に傾き、係数Ｐが小さくなるほど虚部軸側に傾く。このように、係数Ｐは、複素インピーダンスプロットの実部値に対する虚部値の変化量と相関性が認められることから、係数Ｐを検出することにより、二次粒子の分散の程度について容易に検出をおこなうことができる。
二次粒子の分散は、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐに対応する周波数よりも低周波側の全領域で検出することができるが、転換点付近の中周波領域（例えば、１〜１０００Ｈｚ）より低周波側では、クロスリークによる影響が大きくなることから、中周波領域（例えば、１〜１０００Ｈｚ）において検出することが望ましい。なお、中周波領域は、触媒層の膜厚、担持担体や電解質の種類等により範囲が異なり、例えば本実施例では、１０〜１０００Ｈｚ辺りである。特許請求の範囲における転換点付近とは中周波領域をいう。
図１９は、攪拌方法の違いと複素インピーダンスプロットとの関係を示した図ある。図１９では、触媒インクを攪拌する際、触媒インクに直接接するように超音波ホモジナイザーを用い、さらに遠心攪拌等をおこなった場合の各周波数における交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を白抜き四角形で示している。また、触媒インクに間接的に接するように超音波ホモジナイザーを用い、さらに遠心攪拌等をおこなった場合の各周波数における交流インピーダンスに基づくインピーダンス測定点を白抜き菱形で示している。触媒インクに直接接するように超音波ホモジナイザーを用いた場合、間接的に超音波ホモジナイザーを用いた場合に比べて二次粒子がより細分化され、分散が強くなるため、図１９に示すように、中周波領域において実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量が大きくなる。すなわち、角度Ａ１＞角度Ａ２となる。このことから、触媒インクを作製する際にホモジナイザーを用いる場合であっても、用いる方法（直接か間接か）や用いる時間の長短などによって、二次粒子の分散の程度に差異が生じる。
本実施例において、閾値Ｄｔ１は、特許請求の範囲における実部判定値に該当し、閾値Ｄｔ２は、特許請求の範囲における虚部判定値に該当し、閾値Ａｔは、特許請求の範囲における角度判定値に該当し、閾値Ｐｔは、特許請求の範囲における係数判定値に該当する。
以上のように、第２実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理において、検出した各周波数における交流インピーダンスに基づいて、カソード１２中の触媒担持担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を推定するようにしている。このようにすれば、燃料電池ＮＤを分解することなく、カソード１２中の触媒担持担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
具体的には、分散の弱いカソード１２では、粒径の大きい二次粒子を多く含むため、二次粒子の内部における電解質自体の抵抗や電解質と担体との間の接触抵抗が粒径の小さい二次粒子を多く含む場合に比べ増大する。そのため、燃料電池ＮＤが分散の弱いカソード１２を有する場合、複素インピーダンスプロットの転換点より低周波側において、実部値に対する虚部値の変化量が鈍化する。よって、交流インピーダンスにおいて、転換点より低周波側における実部値が、実部判定値より大きい場合には、実部値が実部判定値以下の場合に比べて、二次粒子の分散が弱いと推定できることから、担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。また、交流インピーダンスにおいて、転換点より低周波側における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、虚部値の絶対値が虚部判定値以上の場合に比べて、二次粒子の分散が弱いと推定できることから、同様に二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
また、複素インピーダンスプロットにおいて、転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度Ａが、角度判定値より小さい場合には、角度Ａが角度判定値以上の場合に比べて、二次粒子の分散が弱いと推定できることから、二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
さらに、交流インピーダンスに対して、等価回路Ｚに基づく論理関数でフィッティングをおこない、ＣＰＥ成分の係数Ｐを検出し、係数Ｐが係数判定値より大きい場合には、係数Ｐが係数判定値以下の場合に比べて、二次粒子の分散が弱いと推定できることから、二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
一方、燃料電池ＮＤが分散の強いカソード１２を有する場合、分散の弱いカソード１２に比べ、相対的に実部値Ｚ１に対する虚部値Ｚ２の変化量が大きくなる考とえられる。よって、交流インピーダンスにおいて、転換点Ｐｌより低周波側における実部値Ｚ１が、実部判定値より小さい場合には、実部値Ｚ１が実部判定値以上の場合に比べて、二次粒子の分散が強いと推定できるため、二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。また、交流インピーダンスにおいて、転換点より低周波側における虚部値の絶対値が、虚部判定値より大きい場合には、虚部値の絶対値が虚部判定値以下の場合に比べて、二次粒子の分散が強いと推定できるため、同様に二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
また、複素インピーダンスプロットにおいて、転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度Ａが、角度判定値より大きい場合には、角度Ａが角度判定値以下の場合に比べて、二次粒子の分散が強いと推定できるため、二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
さらに、交流インピーダンスに対して、等価回路Ｚに基づく論理関数でフィッティングをおこない、ＣＰＥ成分の係数Ｐを検出し、係数Ｐが係数判定値より小さい場合には、係数Ｐが係数判定値以上の場合に比べて、二次粒子の分散が強いと推定できるため、二次粒子の分散の程度を容易に推定することができる。
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
Ｃ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理において、状態推定装置１０は、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の複数の点により求まる直線（例えば、２点を結んだ線、３点の近似直線等）と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理において、状態推定装置１０は、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の複数の点により求まる直線（例えば、２点を結んだ線、３点の近似直線等）と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
Ｃ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理において、状態推定装置１０は、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおける転換点Ｐに対応する周波数より高い周波数（例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）に対応する複数のインピーダンス測定点により求まる直線（例えば、２点を結んだ線、３点の近似直線等）と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理において、状態推定装置１０は、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定する場合に、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐよりも高周波側の所定点における接線と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおける転換点Ｐに対応する周波数より高い周波数（例えば、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）に対応する複数のインピーダンス測定点により求まる直線（例えば、２点を結んだ線、３点の近似直線等）と、実部軸に平行な線分とで形成される角の角度θに基づいて、カソード１２の厚さ方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
Ｃ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、ステップＳ５０の処理において、角度θが、４５°か、４５°より大きいか、若しくは、４５°より小さいか否かで、カソード１２の厚さ方向の電解質分布を推定するようにしており、すなわち、角度θの指標として、４５°という値を用いているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、４５°付近の任意の値を角度θの指標として用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、ステップＳ５０の処理において、角度θが、４５°か、４５°より大きいか、若しくは、４５°より小さいか否かで、カソード１２の厚さ方向の電解質分布を推定するようにしており、すなわち、角度θの指標として、４５°という値を用いているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、４５°付近の任意の値を角度θの指標として用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
Ｃ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、ステップＳ７０の処理において、上記（１）〜（３）の少なくとも１つを満たした場合に、リークガスが生じていると推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、上記（１）〜（３）のいずれかの組み合わせを満たした場合、若しくは、上記（１）〜（３）のすべてを満たした場合において、リークガスが生じていると推定するようにしてもよい。このようにすれば、リークガスの有無を精度よく検知することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、ステップＳ７０の処理において、上記（１）〜（３）の少なくとも１つを満たした場合に、リークガスが生じていると推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、上記（１）〜（３）のいずれかの組み合わせを満たした場合、若しくは、上記（１）〜（３）のすべてを満たした場合において、リークガスが生じていると推定するようにしてもよい。このようにすれば、リークガスの有無を精度よく検知することができる。
また、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理のステップＳ３０の処理で検出した論理関数の各係数に基づいて、等価回路Ｚの回路パラメータである反応抵抗成分Ｒａを検出し、反応抵抗成分Ｒａに基づいて、リークガスが生じているか否かを推定するようにしてもよい。この場合、状態推定装置１０は、リークガスが生じている場合には、さらに、反応抵抗成分Ｒａに基づいて、リークガス量を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
さらに、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶ（図５参照）において、転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する所定の実部値が、閾値Ｚｔ１より大きい場合にリークガスが生じていると推定してもよい。状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおいて、転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する所定の虚部値の絶対値が、閾値Ｚｔ２より小さい場合にリークガスが生じていると推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
Ｃ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、検出した交流インピーダンスのうち、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）における交流インピーダンスの実部値（若しくは虚部値）に基づいて、リークガス量を推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐよりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する部分が示す曲率半径Ｒｌ（図１２参照）に基づいて、リークガス量を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、検出した交流インピーダンスのうち、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐに対応する周波数よりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）における交流インピーダンスの実部値（若しくは虚部値）に基づいて、リークガス量を推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、複素インピーダンスプロットＶにおいて転換点Ｐよりも低い周波数（例えば、０．１〜１Ｈｚ）に対応する部分が示す曲率半径Ｒｌ（図１２参照）に基づいて、リークガス量を推定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
Ｃ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、ステップＳ６０の処理において、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙ（図６参照）と、検出した交流インピーダンスとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙと、複素インピーダンスプロットＶとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、ステップＳ６０の処理において、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙ（図６参照）と、検出した交流インピーダンスとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙと、複素インピーダンスプロットＶとを比較することで、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。
すなわち、状態推定装置１０は、複素平面において、フィッティング曲線Ｙにおける転換点Ｐｆ付近の周波数Ｔに対応する位置と、その周波数Ｔに対応する複素インピーダンスプロットＶ上の所定点との距離Ｇ１に基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定する。具体的には、状態推定装置１０は、複素平面において、距離Ｇ１が、閾値Ｇｔ１より大きい場合には、複素インピーダンスプロットＶと、フィッティング曲線Ｙとのずれが比較的大きいので、カソード１２において、面方向に電解質が偏って分布していると推定する。また、状態推定装置１０は、複素平面において、距離Ｇ１が、閾値Ｇｔ１以下の場合には、複素インピーダンスプロットＶと、フィッティング曲線Ｙとのずれが比較的小さいので、カソード１２において、面方向に略均一に電解質が分布していると推定する。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
Ｃ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、等価回路Ｚの回路パラメータである膜抵抗成分Ｒｍおよびイオン伝導抵抗成分Ｒｉに基づいて、膜抵抗およびカソード抵抗を求めるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙの形状から膜抵抗およびカソード抵抗を求めるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、等価回路Ｚの回路パラメータである膜抵抗成分Ｒｍおよびイオン伝導抵抗成分Ｒｉに基づいて、膜抵抗およびカソード抵抗を求めるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙの形状から膜抵抗およびカソード抵抗を求めるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
Ｃ８．変形例８：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００の状態推定装置１０は、燃料電池ＮＤにおいて、検査対象燃料電池セルＣＬＬにおけるＭＥＡ５の状態を検査するために、ＭＥＡ状態推定処理を行うようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、燃料電池（ＭＥＡ）の製造工程において、完成したＭＥＡに対してＭＥＡ状態推定処理を行い、ＭＥＡの状態を推定し、その推定結果に基づいて、ＭＥＡの製造工程を見直すようにしてもよい。言い換えれば、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態の推定結果をＭＥＡの製造工程にフィードバックするようにしてもよい。このようにすれば、意図するＭＥＡを迅速に作成することが可能となる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００の状態推定装置１０は、燃料電池ＮＤにおいて、検査対象燃料電池セルＣＬＬにおけるＭＥＡ５の状態を検査するために、ＭＥＡ状態推定処理を行うようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、燃料電池（ＭＥＡ）の製造工程において、完成したＭＥＡに対してＭＥＡ状態推定処理を行い、ＭＥＡの状態を推定し、その推定結果に基づいて、ＭＥＡの製造工程を見直すようにしてもよい。言い換えれば、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態の推定結果をＭＥＡの製造工程にフィードバックするようにしてもよい。このようにすれば、意図するＭＥＡを迅速に作成することが可能となる。
Ｃ９．変形例９：
上記実施例では、燃料電池ＮＤのアノード１３に活性ガスとしての水素が、カソード１２に不活性ガスとしての窒素がそれぞれ導入された状態で、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、カソード１２における電解質の分布状態を推定したり、カソード１２のカソード抵抗を推定したりしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池ＮＤのアノード１３に窒素、カソード１２に水素を導入し、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、アノード１３における電解質の分布状態を推定したり、アノード１３のアノード抵抗を推定したりするようにしてもよい。このようにすれば、ＭＥＡ５において、アノード１３の状態を推定することが可能となる。
上記実施例では、燃料電池ＮＤのアノード１３に活性ガスとしての水素が、カソード１２に不活性ガスとしての窒素がそれぞれ導入された状態で、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、カソード１２における電解質の分布状態を推定したり、カソード１２のカソード抵抗を推定したりしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池ＮＤのアノード１３に窒素、カソード１２に水素を導入し、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、アノード１３における電解質の分布状態を推定したり、アノード１３のアノード抵抗を推定したりするようにしてもよい。このようにすれば、ＭＥＡ５において、アノード１３の状態を推定することが可能となる。
Ｃ１０．変形例１０：
上記実施例では、燃料電池ＮＤのアノード１３に活性ガスとしての水素が、カソード１２に不活性ガスとしての窒素がそれぞれ導入された状態において、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理を実行させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池ＮＤのアノード１３に不活性ガス（例えば、窒素）を導入し、その状態において、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理を実行するようにしてもよい。この場合、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、リークガスが生じているか否かの推定、および、リークガス量の推定以外の処理を実行するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
上記実施例では、燃料電池ＮＤのアノード１３に活性ガスとしての水素が、カソード１２に不活性ガスとしての窒素がそれぞれ導入された状態において、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理を実行させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池ＮＤのアノード１３に不活性ガス（例えば、窒素）を導入し、その状態において、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理を実行するようにしてもよい。この場合、状態推定装置１０は、ＭＥＡ状態推定処理において、リークガスが生じているか否かの推定、および、リークガス量の推定以外の処理を実行するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
Ｃ１１．変形例１１：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理の処理において、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素は、相対湿度が、６０％より高いガスを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の少なくとも効果の一部を奏することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００は、ＭＥＡ状態推定処理の処理において、燃料電池ＮＤに導入する水素および窒素は、相対湿度が、６０％より高いガスを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の少なくとも効果の一部を奏することができる。
Ｃ１２．変形例１２：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、ステップＳ６０の処理において、複素平面において、フィッティング曲線Ｙにおける転換点Ｐｆ付近の周波数Ｔに対応する位置と、その周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙにおける転換点Ｐｆ付近の複数の周波数に対応する各位置と、各周波数に対応するインピーダンス測定点とのそれぞれの各距離を検出し、各距離の平均値、または、各距離の総合計に基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにすれば、カソード１２の面方向における電解質分布を精度よく推定することができる。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００が行うＭＥＡ状態推定処理では、状態推定装置１０は、ステップＳ６０の処理において、複素平面において、フィッティング曲線Ｙにおける転換点Ｐｆ付近の周波数Ｔに対応する位置と、その周波数Ｔに対応するインピーダンス測定点との距離Ｇに基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、状態推定装置１０は、フィッティング曲線Ｙにおける転換点Ｐｆ付近の複数の周波数に対応する各位置と、各周波数に対応するインピーダンス測定点とのそれぞれの各距離を検出し、各距離の平均値、または、各距離の総合計に基づいて、カソード１２の面方向における電解質分布を推定するようにしてもよい。このようにすれば、カソード１２の面方向における電解質分布を精度よく推定することができる。
Ｃ１３．変形例１３：
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００がＭＥＡ状態推定処理を行う燃料電池ＮＤは、固体高分子型燃料電池としているが、本発明は、これに限られるものではなく、固体酸化物型燃料電池電解質型や溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池であってもよい。
上記実施例の燃料電池状態推定システム１００がＭＥＡ状態推定処理を行う燃料電池ＮＤは、固体高分子型燃料電池としているが、本発明は、これに限られるものではなく、固体酸化物型燃料電池電解質型や溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池であってもよい。
５…ＭＥＡ
６,７…セパレータ
１０…状態推定装置
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４，１５…ガス拡散層
１６…表示部
１８…セル内流路
１８ａ，１９ａ…凸部
１８ｂ，１９ｂ…凹部
１９…セル内流路
２０，３０…配線
１００…燃料電池状態推定システム
１０３〜１０６…孔部
１１０…シール部材
３４０…ターミナル
Ｕ１，Ｕ２，Ｑ１，Ｑ２，ＣＬ…燃料電池セル
ＮＤ…燃料電池
ＴＭ…ターミナル
ＥＰ…エンドプレート
ＣＬＬ…検査対象燃料電池セル
６,７…セパレータ
１０…状態推定装置
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４，１５…ガス拡散層
１６…表示部
１８…セル内流路
１８ａ，１９ａ…凸部
１８ｂ，１９ｂ…凹部
１９…セル内流路
２０，３０…配線
１００…燃料電池状態推定システム
１０３〜１０６…孔部
１１０…シール部材
３４０…ターミナル
Ｕ１，Ｕ２，Ｑ１，Ｑ２，ＣＬ…燃料電池セル
ＮＤ…燃料電池
ＴＭ…ターミナル
ＥＰ…エンドプレート
ＣＬＬ…検査対象燃料電池セル
Claims (44)
- 燃料電池の状態を推定する推定方法であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、
少なくとも、前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定工程と、
前記交流インピーダンスに基づいて、前記膜電極接合体の状態を推定する推定工程と、
を備えることを特徴とする推定方法。 - 請求項１に記載の推定方法において、
前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含むと共に、前記電解質膜と当接する第１面と、前記第１面の反対面である第２面とを備え、
前記測定工程は、
複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記推定工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極中の前記電解質の分布を推定する第１工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２に記載の推定方法において、
前記第１工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記第１電極の厚さ方向における前記電解質の分布を推定する第２工程と、
を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項３に記載の推定方法において、
前記第２工程は、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より小さい場合には、前記第１電極において、前記第１面側より、前記第２面側に前記電解質が多く分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項３に記載の推定方法において、
前記第２工程は、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より大きい場合には、前記第１電極において、前記第２面側より、前記第１面側に前記電解質が多く分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項３に記載の推定方法において、
前記第２工程は、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって、前記転換点より高周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、略角度判定値である場合には、前記第１電極において、前記第１電極の厚さ方向に前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の推定方法において、
前記実部軸と前記虚部軸は、直交し、
前記複素インピーダンスプロットは、
前記実部軸と前記虚部軸のそれぞれにおいて、同じだけ値が変化した時に、軸上の位置が同じだけ変化し、
前記角度判定値は、４５°であることを特徴とする推定方法。 - 請求項２に記載の推定方法において、
前記第１工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路を用いてフィッティングさせたフィッティング曲線を検出する工程と、
前記フィッティング曲線と、所定周波数における前記交流インピーダンスと、を比較することで、前記第１電極において、前記第１面に沿った方向における前記電解質の分布を推定する第３工程と、
を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項８に記載の推定方法において、
前記第３工程は、
実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記交流インピーダンスの測定点および前記フィッティング曲線が表される場合において、前記所定周波数に対応する前記交流インピーダンスの測定点と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第１距離判定値より大きい場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が偏って分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項８に記載の推定方法において、
前記第３工程は、
実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記交流インピーダンスの測定点および前記フィッティング曲線が表される場合において、前記所定周波数に対応する前記交流インピーダンスの測定点と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第２距離判定値以下の場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の推定方法において、
前記所定周波数は、前記フィッティング曲線において関数の性質が変わる転換点付近に対応する周波数であることを特徴とする推定方法。 - 請求項２に記載の推定方法において、
前記第１工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路を用いてフィッティングさせたフィッティング曲線を検出する工程と、
前記フィッティング曲線と、前記複素インピーダンスプロットと、を比較することで、前記第１電極において、前記第１面に沿った方向における前記電解質の分布を推定する第４工程と、
を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１２に記載の推定方法において、
前記第４工程は、
実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記複素インピーダンスプロットおよび前記フィッティング曲線が表される場合において、前記複素インピーダンスプロットの所定周波数に対応する位置と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第１距離判定値より大きい場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が偏って分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１２に記載の推定方法において、
前記第４工程は、
実部値を示す実部軸と虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に、前記複素インピーダンスプロットおよび前記フィッティング曲線が表される場合において、前記複素インピーダンスプロットの所定周波数に対応する位置と、前記フィッティング曲線の前記所定周波数に対応する位置と、の距離が、第２距離判定値以下の場合に、前記第１電極の前記第１面に沿った方向において前記電解質が略均一に分布していると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１３または請求項１４に記載の推定方法において、
前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットまたは前記フィッティング曲線において関数の性質が変わる転換点付近に対応する周波数であることを特徴とする推定方法。 - 請求項１に記載の推定方法において、
前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、
前記測定工程は、
複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記推定工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出する工程と、
前記係数に基づいて、前記電解質膜の膜抵抗、および／または、前記第１電極の電極抵抗を推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１に記載の推定方法において、
前記測定工程は、
前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記推定工程は、
前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスが生じているか否かを推定する第５工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１７に記載の推定方法において、
前記第５工程は、
前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より大きい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１７に記載の推定方法において、
前記第５工程は、
前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１８または請求項１９に記載の推定方法において、
前記第５工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程を含み、
前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットにおいて関数の性質が変わる転換点に対応する周波数より低いことを特徴とする推定方法。 - 請求項１７に記載の推定方法において、
前記測定工程は、
前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の各周波数における前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記第５工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点より低周波側の部分における曲率半径が、曲率半径判定値より小さい場合には、前記リークガスが生じていると推定する工程と、
を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１７に記載の推定方法において、
前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、
前記測定工程は、
複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記第５工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、前記第１電極において、前記リークガスと前記触媒との反応抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出する工程と、
前記係数に基づいて、前記反応抵抗成分を推定する工程と、
前記反応抵抗成分に基づいて、リークガスが生じているか否かを推定する工程と、
を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１に記載の推定方法において、
前記測定工程は、
前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記推定工程は、
前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスの量を推定する第６工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２３に記載の推定方法において、
前記第６工程は、
前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値、または、虚部値に基づいて、前記リークガスの量を推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２３に記載の推定方法において、
前記測定工程は、
複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記第６工程は、
測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点より低周波側の部分における曲率半径に基づいて、前記リークガスの量を推定する工程と、
を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１７ないし請求項２５のいずれかに記載の推定方法において、
前記不活性ガスは、窒素であり、前記活性ガスは、水素であることを特徴とする推定方法。 - 請求項１に記載の推定方法において、
前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含み、
前記測定工程は、複数の周波数における前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定する工程を含み、
前記推定工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記担体の凝集により形成される二次粒子の分散の程度を推定する第７工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より大きい場合には、前記実部値が前記実部判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における実部値が、実部判定値より小さい場合には、前記実部値が前記実部判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より小さい場合には、前記虚部値の絶対値が前記虚部判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、前記交流インピーダンスにおいて、所定周波数における虚部値の絶対値が、虚部判定値より大きい場合には、前記虚部値の絶対値が前記虚部判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２８ないし請求項３１のいずれかに記載の推定方法において、
前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程を含み、
前記所定周波数は、前記複素インピーダンスプロットにおいて関数の性質が変わる転換点に対応する周波数より低いことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より大きい場合には、前記角度が前記角度判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスの実部値と虚部値との関係を示し、前記実部値を示す実部軸と前記虚部値を示す虚部軸とで形成される複素平面に表現可能な複素インピーダンスプロットを検出する工程と、
前記複素インピーダンスプロットにおいて、関数の性質が変わる転換点付近であって前記転換点より低周波側の部分によって規定される線分と、前記実部軸に平行な線分とで形成される角の角度が、角度判定値より小さい場合には、前記角度が前記角度判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングをおこない、前記論理関数から、静電容量Ｃ、周波数ωおよび係数Ｐを用いて、１／｛Ｃ（ｊω）p｝で表される前記ＣＰＥ成分の前記係数Ｐを検出する工程と、
前記係数Ｐが、係数判定値より大きい場合には、前記係数Ｐが係数判定値より小さい場合に比べて、前記二次粒子の分散が弱いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項２７に記載の推定方法において、
前記第７工程は、測定した各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングをおこない、前記論理関数から、静電容量Ｃ、周波数ωおよび係数Ｐを用いて、１／｛Ｃ（ｊω）p｝で表される前記ＣＰＥ成分の前記係数Ｐを検出する工程と、
前記係数Ｐが、係数判定値より小さい場合には、前記係数Ｐが係数判定値より大きい場合に比べて、前記二次粒子の分散が強いと推定する工程と、を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１ないし請求項３６いずれかに記載の推定方法において、
前記測定工程は、
前記燃料電池のサイクリックボルタモグラムにおける電気二重層領域内の電圧を印加して、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する工程を含むことを特徴とする推定方法。 - 請求項１ないし請求項３７のいずれかに記載の推定方法において、
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする推定方法。 - 請求項１ないし請求項３８のいずれかに記載の推定方法において、
前記不活性ガスは、低湿度ガスであることを特徴とする推定方法。 - 燃料電池の状態を推定する状態推定装置であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置される第１電極と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２電極と、を有する膜電極接合体を備え、
前記状態推定装置は、
少なくとも、前記第１電極に不活性ガスを導入した状態で、各周波数における前記膜電極接合体の交流インピーダンスを測定する測定部と、
各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記燃料電池における前記膜電極接合体の状態を推定する推定部と、
を備えることを特徴とする状態推定装置。 - 請求項４０に記載の状態推定装置において、
前記推定部は、
各周波数における前記交流インピーダンスの実部と虚部との関係を示す複素インピーダンスプロットを検出し、前記複素インピーダンスプロットに基づいて、前記膜電極接合体の状態を推定することを特徴とする状態推定装置。 - 請求項４０に記載の状態推定装置において、
前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体とを含み、
前記推定部は、
各周波数における前記交流インピーダンスに基づいて、前記第１電極中の前記電解質の分布を推定することを特徴とする状態推定装置。 - 請求項４０に記載の状態推定装置において、
前記第１電極は、電解質と、触媒を担持する担体と、を含み、
前記推定部は、
各周波数における前記交流インピーダンスに対して、前記電解質膜の膜抵抗成分と、前記電解質のイオン伝導抵抗成分と、前記電解質と前記担体との界面に生じるＣＰＥ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｈａｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）成分と、補正抵抗成分と、を備える等価回路に基づく論理関数でフィッティングさせ、前記論理関数の係数を検出し、前記係数に基づいて、前記電解質膜の膜抵抗、および／または、前記第１電極の電極抵抗を推定することを特徴とする状態推定装置。 - 請求項４０に記載の状態推定装置において、
前記測定部は、
前記第１電極に前記不活性ガスを導入すると共に、前記第２電極に活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の前記交流インピーダンスを測定し、
前記推定部は、
前記交流インピーダンスに基づいて、前記第２電極に導入された前記活性ガスが前記膜電極接合体の前記電解質膜を透過して、前記第１電極に移動したリークガスが生じているか否かを推定することを特徴とする状態推定装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2009
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