特開 2023-169824 固体酸化物形セルの状態推定装置、固体酸化物形セルシステム、固体酸化物形セルの状態推定方法、およびコンピュータプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023169824

(43)【公開日】2023-11-30

(54)【発明の名称】固体酸化物形セルの状態推定装置、固体酸化物形セルシステム、固体酸化物形セルの状態推定方法、およびコンピュータプログラム

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/042 20210101AFI20231122BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20231122BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20231122BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20231122BHJP

【ＦＩ】

C25B1/042

H01M8/0606

C25B9/00 A

C25B15/023

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022081168

(22)【出願日】2022-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100157277

【弁理士】

【氏名又は名称】板倉 幸恵

(74)【代理人】

【識別番号】100182718

【弁理士】

【氏名又は名称】木崎 誠司

(72)【発明者】

【氏名】小林 哲郎

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 忠司

(72)【発明者】

【氏名】藤田 悟

(72)【発明者】

【氏名】人見 卓磨

【テーマコード（参考）】

4K021

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC09

4K021CA06

4K021DB06

4K021DB40

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

5H127BA02

5H127BA14

(57)【要約】

【課題】低コストで、簡便に固体酸化物形セルの状態を推定する。
【解決手段】固体酸化物形セルの状態推定装置は、固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得部と、取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物形セルの状態推定装置であって、
前記固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得部と、
取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定部と、
を備える、状態推定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の状態推定装置であって、
前記推定部は、前記固体酸化物形セルから取得されるインピーダンスを構成するいずれかの成分の変化割合を用いて、前記劣化状態を推定する、状態推定装置。

【請求項3】

請求項２に記載の状態推定装置であって、
前記取得部は、前記特定の周波数として１００Ｈｚ以上、かつ、１０ｋＨｚ以下の周波数を用いる、状態推定装置。

【請求項4】

請求項３に記載の状態推定装置であって、
前記固体酸化物形セルから取得されるインピーダンスには、抵抗の絶対値を表す成分と、位相差を表す成分と、抵抗の実部を表す成分と、抵抗の虚部を表す成分と、が含まれ、
前記推定部は、前記抵抗の虚部を表す成分の変化割合を用いて、前記劣化状態を推定する、状態推定装置。

【請求項5】

請求項４に記載の状態推定装置であって、
前記推定部は、過去に推定された前記劣化状態に応じて、新たに前記劣化状態を推定するために用いる前記特定の周波数を変化させる、状態推定装置。

【請求項6】

請求項５に記載の状態推定装置であって、さらに、
過去に推定された前記劣化状態と、前記変化割合とを対応付けた推定基準データを記憶している記憶部を備え、
前記推定部は、取得されたインピーダンスからの前記変化割合と、記憶された前記推定基準データに含まれる前記変化割合とを比較することにより、インピーダンスが取得された前記固体酸化物形セルの劣化状態を判定する、状態推定装置。

【請求項7】

請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の状態推定装置であって、
前記固体酸化物形セルは、水蒸気電解装置に用いられる固体酸化物形電解セルである、状態推定装置。

【請求項8】

固体酸化物形セルシステムであって、
前記固体酸化物形セルと、
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の状態推定装置と、
前記固体酸化物形セルが供給された水蒸気を用いて生成する水素量を制御する運転制御部と、
を備え、
前記運転制御部は、前記推定部により推定された前記劣化状態に応じて、前記固体酸化物形セルが生成する水素量を制御する、固体酸化物形セルシステム。

【請求項9】

固体酸化物形セルの状態推定方法であって、コンピュータが、
前記固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得工程と、
取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定工程と、
を実行する、状態推定方法。

【請求項10】

コンピュータプログラムであって、
固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得機能と、
取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定機能と、
をコンピュータに実現させる、コンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形セルの状態推定の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形セルを用いた固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrolyser Cell：ＳＯＥＣ）や固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１に記載された技術は、広い周波数域でインピーダンスを測定したインピーダンススペクトルを用いて、ＳＯＦＣの健全性を評価する。特許文献２に記載された技術は、広い周波数域でインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンススペクトルを用いたコールコールプロットにより、ＳＯＦＣのオーミック抵抗値と、燃料極反応抵抗値と、空気極反応抵抗値とを導出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４４８８２８４号公報

【特許文献2】特許第６１６３９３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１，２に記載された技術では、ＳＯＦＣの健全性やオーミック抵抗値などを測定するために、広い周波数域でのインピーダンス測定が必要である。多数のセルスタックで構成される大型のＳＯＦＣシステムに対して、広い周波数域でインピーダンスを測定するためには多くの測定装置が必要となる。ＳＯＦＣのインピーダンスの測定装置は高額であるため、多数のセルスタックで構成されるＳＯＦＣシステムの健全性やオーミック抵抗値などを測定する場合、費用が非常にかかってしまう。

【0005】

本発明は、上述した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、低コストで、簡便に固体酸化物形セルの状態を推定することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、以下の形態として実現できる。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、固体酸化物形セルの状態推定装置が提供される。この状態推定装置は、前記固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得部と、取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定部と、を備える。

【0008】

この構成によれば、固体酸化物形セルの特定の周波数に対応するインピーダンスが取得される。取得されたインピーダンスのいずれかの成分を用いて、固体酸化物形セルの劣化状態が推定される。本構成では、広い周波数域のインピーダンスの代わりに、測定する周波数を１点または数点に限定する。そのため、本構成の状態推定装置を簡易化し、固体酸化物形セルの劣化状態を推定するための費用を削減できる。また、固体酸化物形セルの交換やメンテナンスが複雑な大型のＳＯＥＣやＳＯＦＣのシステムの運転条件制御に、推定された固体酸化物形セルの劣化状態をフィードバックすることにより、当該システムの寿命を延ばした運転が可能になる。

【0009】

（２）上記態様の状態推定装置において、前記推定部は、前記固体酸化物形セルから取得されるインピーダンスを構成するいずれかの成分の変化割合を用いて、前記劣化状態を推定してもよい。
この構成によれば、固体酸化物形セルの劣化状態の推定に、取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分の変化割合が用いられる。成分の数値そのものの代わりに変化割合が用いられることにより、固体酸化物形セルの劣化状態をより適切に推定できる。

【0010】

（３）上記態様の状態推定装置において、前記取得部は、前記特定の周波数として１００Ｈｚ以上、かつ、１０ｋＨｚ以下の周波数を用いてもよい。
この構成によれば、インピーダンスを測定されるために固体酸化物形セルに印加される特定の周波数が１００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下である。そのため、当該領域の周波数に対するインピーダンスの成分の変化割合は、その他の周波数域の場合と比較して、固体酸化物形セルの劣化状態に応じた感度が高い。すなわち、特定の周波数が１００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下であることにより、劣化状態をより適切に推定できる。

【0011】

（４）上記態様の状態推定装置において、前記固体酸化物形セルから取得されるインピーダンスには、抵抗の絶対値を表す成分と、位相差を表す成分と、抵抗の実部を表す成分と、抵抗の虚部を表す成分と、が含まれ、前記推定部は、前記抵抗の虚部を表す成分の変化割合を用いて、前記劣化状態を推定してもよい。
この構成によれば、固体酸化物形セルの劣化状態の推定に、測定されたインピーダンスにおける抵抗の虚部を表す成分が用いられる。インピーダンスにおける抵抗の虚部の成分における変化割合は、その他の成分と比較して、固体酸化物形セルの劣化状態に応じた感度が高い。すなわち、インピーダンスの抵抗の虚部の成分が用いられることにより、劣化状態をより適切に推定できる。

【0012】

（５）上記態様の状態推定装置において、前記推定部は、過去に推定された前記劣化状態に応じて、新たに前記劣化状態を推定するために用いる前記特定の周波数を変化させてもよい。
この構成によれば、過去に劣化状態を推定する際に用いた特定の周波数を参考にして、新たに劣化状態を推定するための特定の周波数が決定される。そのため、過去の劣化状態の推定時に、変化割合の感度が最も高かった特定の周波数を用いて、新たに劣化状態を推定できる。この結果、新たに推定される固体酸化物形セルの劣化状態をより適切に推定できる。

【0013】

（６）上記態様の状態推定装置において、さらに、過去に推定された前記劣化状態と、前記変化割合とを対応付けた推定基準データを記憶している記憶部を備え、前記推定部は、取得されたインピーダンスからの前記変化割合と、記憶された前記推定基準データに含まれる前記変化割合とを比較することにより、インピーダンスが取得された前記固体酸化物形セルの劣化状態を判定してもよい。
この構成によれば、過去に推定された劣化状態を基準として、インピーダンスから算出された変化割合を用いて、新たにインピーダンスを測定した固体酸化物形セルの劣化状態を推定する。そのため、過去に推定された劣化状態のデータのうち、インピーダンスから算出された成分の変化割合に対応付けられた劣化状態を参照することで、インピーダンスが測定された固体酸化物形セルの劣化状態を簡便に推定できる。

【0014】

（７）上記態様の状態推定装置において、前記固体酸化物形セルは、水蒸気電解装置に用いられる固体酸化物形電解セルであってもよい。
この構成によれば、固体酸化物形セルがＳＯＥＣに用いられるセルであるため、ＳＯＥＣシステムの寿命を延ばした運転が可能になる。

【0015】

（８）本発明の他の一態様によれば、固体酸化物形セルシステムが提供される。この固体酸化物形セルシステムは、前記固体酸化物形セルと、上記態様の状態推定装置と、前記固体酸化物形セルが供給された水蒸気を用いて生成する水素量を制御する運転制御部と、を備え、前記運転制御部は、前記推定部により推定された前記劣化状態に応じて、前記固体酸化物形セルが生成する水素量を制御してもよい。
この構成によれば、固体酸化物形セルの劣化状態に応じて、固体酸化物形セルにより生成される水素量が制御される。すなわち、推定された劣化状態がフィードバックされて、固体酸化物形セルが生成する水素量が制御されるため、固体酸化物形セルの劣化が進む速度を抑制して、本構成の固体酸化物形セルシステムの寿命を延ばした運転が可能になる。

【0016】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、固体酸化物形セルの状態推定装置、ＳＯＥＣシステム、ＳＯＦＣシステム、固体酸化物形セルの状態推定方法およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態としてのＳＯＥＣシステムが備える状態推定装置の概略ブロック図である。

【図2】周波数毎の抵抗の虚部の時間変化の説明図である。

【図3】周波数が１ｋＨｚの場合のインピーダンスの成分毎の時間変化の説明図である。

【図4】ＳＯＥＣの耐久劣化加速試験についての説明図である。

【図5】本実施形態のおけるＳＯＥＣの状態推定方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜実施形態＞
１．状態推定装置の構成：
図１は、本発明の一実施形態としてのＳＯＥＣシステム１００が備える状態推定装置１０の概略ブロック図である。図１に示されるように、ＳＯＥＣシステム（固体酸化物形セルシステム）１００は、供給された水蒸気から水素を生成するＳＯＥＣ（Solid Oxide Electrolyser Cell：固体酸化物形電解セル）４０と、ＳＯＥＣ４０が水素を生成するために必要な電力を供給する電源ＰＳと、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する状態推定装置１０と、を備えている。本実施形態では、電源ＰＳから供給される電力によりＳＯＥＣ４０が水蒸気から水素を生成している状態で、状態推定装置１０がＳＯＥＣ４０のインピーダンスを測定する。状態推定装置１０は、測定したインピーダンスに含まれる成分のうち、抵抗の虚部の変化割合を用いて、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。

【0019】

ＳＯＥＣ４０は、複数の固体酸化物形セルが積層されたセルスタックである。固体酸化物形セルは、図示されていない固体内で酸化物イオンが伝導可能な電解質層と、電解質層の一方の面に配置された空気極と、電解質層の他方の面に配置された燃料極とが接合されて構成されている。本実施形態では、固体酸化物形セルが摂氏７００度（℃）まで加熱され、空気極には空気が導入され、燃料極には水蒸気を含むガスが導入される。空気極と燃料極との間に電源ＰＳにより電力が印加される。これにより、燃料極では、水蒸気が電解され、水素ガスと酸化物イオンとなり、水素ガスが燃料極の出力ガスとして得られる。一方、燃料極で生成された酸化物イオンは、電解質層内を燃料極側から空気極側へ伝導する。空気極へと伝導した酸化物イオンは、酸化されて酸素ガスとなり、空気極の出力ガスとして排出される。

【0020】

状態推定装置１０は、ＳＯＥＣ４０による水蒸気電解を制御しながら、水蒸気電解中に特定の周波数を用いたインピーダンス測定を行う。図１に示されるように、状態推定装置１０は、ＳＯＥＣ４０に特定の周波数の電圧振幅を印加して電流応答を検出する検出装置３０と、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する制御装置２０と、を備えている。本実施形態では、検出装置３０は、特定の周波数として、１００Ｈｚ以上、かつ、１０ｋＨｚ以下の周波数の電圧振幅をＳＯＥＣ４０に印加する。ＳＯＥＣ４０に印加される特定の周波数の電圧振幅は、制御装置２０により決定される。なお、他の実施形態では、ＳＯＥＣ４０に特定の周波数の電流振幅を印加して電圧応答を検出してもよい。

【0021】

制御装置２０は、図示されていないキーボードおよびマウスで構成されるユーザーインターフェースが受け付けたユーザの操作と、検出装置３０の検出値とに応じて、各種処理を行うパーソナルコンピュータ（Personal Computer）である。制御装置２０は、図１に示されるように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２５と、各種データを記憶する記憶部２６とを備えている。

【0022】

記憶部２６は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）などで構成されている。記憶部２６は、検出装置３０の検出値の時系列のデータを記憶する検出データベース（検出ＤＢ）２７と、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するために用いる推定データベース（推定ＤＢ）２８と、を備えている。

【0023】

検出ＤＢ２７は、検出装置３０によりＳＯＥＣ４０に印加された電圧振幅と、当該電圧振幅に対する検出装置３０の検出値である電流応答とを対応付けた時系列のデータを記憶する。推定ＤＢ２８には、ＳＯＥＣ４０とは異なるＳＯＥＣを用いて予め測定された、ＳＯＥＣの寿命を表す劣化状態と、インピーダンスの成分の変化割合とを対応付けた推定基準データが記憶されている。なお、劣化状態と、インピーダンスの成分の変化割合との対応付けについては後述する。

【0024】

ＣＰＵ２５は、図示されていないＲＯＭ（Read Only Memory）に格納されているコンピュータプログラムを、ＲＡＭ（Random Access Memory）に展開して実行することにより、ＳＯＥＣ４０および電源ＰＳを制御するほか、成分算出部２１、割合算出部２２、劣化推定部２３、および運転制御部２４として機能する。

【0025】

成分算出部２１は、ＳＯＥＣ４０に印加した電圧振幅と、検出装置３０の検出値である電流応答とを用いて、インピーダンスに含まれる成分である抵抗の絶対値｜Ｚ｜と、ＳＯＥＣ４０に印加した特定の周波数（例えば、１ｋＨｚ）に対する応答する周波数の位相差θとを算出する。成分算出部２１は、算出された抵抗の絶対値｜Ｚ｜と位相差θとを用いて、インピーダンスに含まれる、下記式（１），（２）に示される抵抗の実部Ｚ１と、虚部Ｚ２との成分をさらに算出する。換言すると、成分算出部２１は、ＳＯＥＣ４０における特定の周波数のインピーダンスを取得する。
Ｚ１＝｜Ｚ｜ｃｏｓθ ・・・（１）
Ｚ２＝｜Ｚ｜ｓｉｎθ ・・・（２）

【0026】

割合算出部２２は、成分算出部２１により算出されたインピーダンスの各成分の抵抗の絶対値｜Ｚ｜、位相差θ、抵抗の実部Ｚ１、および抵抗の虚部Ｚ２のそれぞれの変化割合を算出する。算出される各成分の変化割合は、算出された各成分の値を、ＳＯＥＣ４０の水蒸気電解の開始時の値で除した値である。

【0027】

劣化推定部２３は、割合算出部２２により算出された各成分のうちのいずれかの成分の変化割合を用いて、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。具体的には、劣化推定部２３は、割合算出部２２により算出された成分のうちの抵抗の虚部Ｚ２の変化割合と、推定ＤＢ２８に記憶されている過去に推定された推定基準データとを比較することにより、水蒸気電解を行っているＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。例えば、抵抗の虚部Ｚ２の変化割合が特定されると、劣化推定部２３は、特定された変化割合と、推定基準データに含まれる抵抗の虚部Ｚ２の変化割合とを比較することにより、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定できる。なお、本実施形態では、検出装置３０および成分算出部２１が取得部に相当し、割合算出部２２および劣化推定部２３が推定部に相当する。

【0028】

また、本実施形態の劣化推定部２３は、過去に推定されたＳＯＥＣの劣化状態に応じて、新たに劣化状態を推定するＳＯＥＣ４０に対して、推定のために用いる電圧振幅の周波数を変化させる。詳細については後述するが、ＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じて、劣化状態を推定するための指標として適用する周波数が変化する。換言すると、劣化推定部２３は、ＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じて、劣化状態を推定するために用いるべき特定の周波数を変化させている。

【0029】

運転制御部２４は、他の装置から送信される水素生成の要求量に応じて、電源ＰＳによりＳＯＥＣ４０に印加される電圧を制御して、水蒸気電解を制御する。また、運転制御部２４は、劣化推定部２３により推定された劣化状態に応じて、ＳＯＥＣ４０に印加させる電圧を制御する。例えば、運転制御部２４は、時刻ｔ１から時刻ｔ２（＞ｔ１）における抵抗の虚部Ｚ２の変化割合の変化量が予め設定された閾値以上の場合には、水素生成の要求量によって決まる電圧よりも小さい電圧で水素生成を行う。このように、運転制御部２４は、推定されたＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じて、ＳＯＥＣ４０が生成する水素量を制御する。

【0030】

２．インピーダンスの各成分の評価：
ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するために好ましい特定の周波数と、推定基準として使用されるインピーダンスの成分とを評価した。図２は、周波数毎の抵抗の虚部Ｚ２の時間変化の説明図である。図２には、周波数が、１Ｈｚと、１０Ｈｚと、１００Ｈｚと、１ｋＨｚと、１０ｋＨｚとの抵抗の虚部Ｚ２のＳＯＥＣ４０の稼働時間に応じた変化割合が示されている。具体的には、１Ｈｚの変化割合が黒丸および実線で示され、１０Ｈｚの変化割合が白抜きの丸および破線で示され、１００Ｈｚの変化割合が黒の四角および一点鎖線で示され、１ｋＨｚの変化割合が白抜きの四角および細線で示され、１０ｋＨｚの変化割合が白抜きの三角および二点鎖線で示されている。図２に示されるように、５つの周波数では、ＳＯＥＣ４０の１ｋＨｚの変化割合が、大きく、ＳＯＥＣ４０の稼働時間の増加に応じて増加する。すなわち、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するために、１Ｈｚ，１０Ｈｚ，１００Ｈｚ，および１０ｋＨｚよりも１ｋＨｚの変化割合が用いられることが好ましい。

【0031】

図３は、周波数が１ｋＨｚの場合のインピーダンスの成分毎の時間変化の説明図である。図３には、周波数が１ｋＨｚの場合に、抵抗の絶対値｜Ｚ｜と、位相差θと、抵抗の実部Ｚ１と、抵抗の虚部Ｚ２と各成分の稼働時間に応じた変化割合が示されている。具体的には、抵抗の絶対値｜Ｚ｜の変化割合が白丸および破線で示され、位相差θの変化割合が黒丸および実線で示され、抵抗の実部Ｚ１の変化割合が白抜きの四角および一点鎖線で示され、抵抗の虚部Ｚ２の変化割合が黒の四角および二点鎖線で示されている。図３に示されるように、インピーダンスの各成分では、抵抗の虚部Ｚ２の変化割合が、大きく、ＳＯＥＣ４０の稼働時間の増加に応じて増加する。すなわち、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するために、変化割合が大きい抵抗の虚部Ｚ２が用いられることが好ましい。

【0032】

図４は、ＳＯＥＣの耐久劣化加速試験についての説明図である。図４には、ＳＯＥＣ４０よりも小型のＳＯＥＣを用いて耐久劣化加速試験を行った場合の、耐久時間毎の周波数に応じた抵抗の虚部Ｚ２の変化が示されている。耐久劣化加速試験では、ＳＯＥＣに印加する電圧振幅の周波数（Frequency）を固定せずに、０．１Ｈｚから１００ｋＨｚの範囲で、インピーダンススペクトルが測定されている。

【0033】

図４には、耐久時間が２０ｈ（時間）経過した際の抵抗の虚部Ｚ２の変化が破線の曲線Ｃ２０で示されている。同じように、耐久時間が３０ｈ経過した虚部Ｚ２が実線の曲線Ｃ３０で示され、耐久時間が４０ｈ経過した虚部Ｚ２が細線の二点鎖線の曲線Ｃ４０で示され、耐久時間が５０ｈ経過した虚部Ｚ２が細線の一点鎖線の曲線Ｃ５０で示されている。耐久時間が６０ｈ経過した虚部Ｚ２が細線の破線の曲線Ｃ６０で示され、耐久時間が７０ｈ経過した虚部Ｚ２が細線の実線の曲線Ｃ７０で示され、耐久時間が８０ｈ経過した虚部Ｚ２が二点鎖線の曲線Ｃ８０で示されている。耐久時間が９０ｈ経過した虚部Ｚ２が一点鎖線の曲線Ｃ９０で示され、耐久時間が１００ｈ経過した虚部Ｚ２が破線の曲線Ｃ１００で示され、耐久時間が１１０ｈ経過した虚部Ｚ２が実線の曲線Ｃ１１０で示されている。

【0034】

図４には、曲線Ｃ４０～Ｃ１１０のそれぞれの虚部Ｚ２の最大値に黒丸が付されている。図４の黒丸で示されるように、各耐久時間で虚部Ｚ２が最大となる周波数は異なっている。具体的に言うと、耐久時間４０ｈから耐久時間が増加するにつれて、虚部Ｚ２の変化割合が最大となる周波数は、１ｋＨｚから小さくなる。耐久時間が１１０ｈに近づくと、虚部Ｚ２の変化割合が最大となる周波数は、１００（＝１０²）Ｈｚに近づく。すなわち、ＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じて、劣化状態を推定するために用いられる特定の周波数を、変化させてもよい。例えば、耐久時間が３０ｈの場合には周波数が１ｋＨｚ（＝１０³Ｈｚ）の虚部Ｚ２で劣化状態が推定され、耐久時間が１１０ｈの場合には周波数が１００Ｈｚの虚部Ｚ２で劣化状態が推定されてもよい。

【0035】

３．ＳＯＥＣの状態推定方法：
図５は、本実施形態のおけるＳＯＥＣ４０の状態推定方法のフローチャートである。図５に示される状態推定フローでは、初めに、検出装置３０が特定の周波数の電圧振幅をＳＯＥＣ４０に印加する（ステップＳ１）。検出装置３０は、電圧振幅の応答信号である電流応答を検出する（ステップＳ２）。成分算出部２１は、ＳＯＥＣ４０に印加された電圧振幅と、応答信号である電流応答とを用いて、インピーダンスの各成分の抵抗の絶対値｜Ｚ｜，位相差θ，抵抗の実部Ｚ１，および抵抗の虚部Ｚ２を算出する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ１～Ｓ３までの処理は、取得工程に相当する。

【0036】

割合算出部２２は、算出されたＳＯＥＣ４０のインピーダンスの各成分の変化割合を算出する（ステップＳ４）。劣化推定部２３は、算出された４つの成分のうちの抵抗の虚部Ｚ２の変化割合と、推定ＤＢ２８に記憶された推定基準データとを比較することにより、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定し（ステップＳ５）、状態推定フローを終了するか否かが推定される（ステップＳ６）。例えば、ＳＯＥＣ４０による水素生成を継続する場合には、状態推定フローが終了せずに（ステップＳ６：ＮＯ）、ステップＳ１以降の処理が繰り返される。ＳＯＥＣ４０の水素生成を終了する場合には（ステップＳ６：ＹＥＳ）、状態推定フローが終了する。

【0037】

以上説明したように、本実施形態の状態推定装置１０の成分算出部２１が、ＳＯＥＣ４０における特定の周波数のインピーダンスを取得する。劣化推定部２３は、割合算出部２２により算出された各成分のうちのいずれかの成分の変化割合を用いて、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。本実施形態では、広い周波数域のインピーダンスの代わりに、ＳＯＥＣ４０で測定される周波数を１点または数点である特定の周波数に限定している。そのため、状態推定装置１０を簡易化し、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するための費用を削減できる。また、ＳＯＥＣ４０における固体酸化物形セルの交換やメンテナンスが複雑な大型のＳＯＥＣシステム１００の運転条件制御に、推定されたＳＯＥＣ４０の劣化状態をフィードバックすることにより、ＳＯＥＣシステム１００の寿命を延ばした運転が可能になる。また、ＳＯＥＣ４０の劣化状態の推定に、インピーダンスを構成するいずれかの成分の数値そのものの代わりに変化割合が用いられることにより、ＳＯＥＣ４０の劣化状態をより適切に推定できる。

【0038】

また、本実施形態の検出装置３０は、特定の周波数として、１ｋＨｚの周波数の電圧振幅をＳＯＥＣ４０に印加する。図２に示されるように、１ｋＨｚの周波数に対するインピーダンスの成分の変化割合は、その他の周波数域の場合と比較して、ＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じた感度が高い。すなわち、１ｋＨｚの周波数がインピーダンス測定に用いられることにより、ＳＯＥＣ４０の劣化状態をより適切に推定できる。

【0039】

また、本実施形態の劣化推定部２３は、割合算出部２２により算出されたインピーダンスに含まれる抵抗の絶対値｜Ｚ｜と、位相差θと、抵抗の実部Ｚ１と、抵抗の虚部Ｚ２とを表す成分のうち、抵抗の虚部Ｚ２の変化割合を用いて、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。インピーダンスにおける抵抗の虚部Ｚ２を表す成分における変化割合は、図３に示されるように、その他の成分（抵抗の絶対値｜Ｚ｜，位相差θ，および抵抗の実部Ｚ１）と比較して、ＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じた感度が高い。すなわち、インピーダンスの抵抗の虚部Ｚ２の成分が用いられることにより、ＳＯＥＣ４０の劣化状態をより適切に推定できる。

【0040】

また、本実施形態の本実施形態の劣化推定部２３は、過去に推定されたＳＯＥＣの劣化状態に応じて、新たに劣化状態を推定するＳＯＥＣ４０に対して、推定のために用いる電圧振幅の周波数を変化させてもよい。本実施形態では、過去に劣化状態を推定する際に用いた周波数を参考にして、新たにＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するための周波数が決定される。そのため、過去のＳＯＥＣの劣化状態の推定時に、変化割合の感度が最も高かった特定の周波数を用いて、新たにＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定できる。この結果、新たに推定されるＳＯＥＣ４０の劣化状態をより適切に推定できる。

【0041】

また、本実施形態の劣化推定部２３は、割合算出部２２により算出された成分のうちの抵抗の虚部Ｚ２の変化割合と、推定ＤＢ２８に記憶されている過去に推定された推定基準データとを比較することにより、水蒸気電解を行っているＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。すなわち、劣化判定部２３は、過去に推定された劣化状態を基準として、インピーダンスから算出された変化割合を用いて、新たにＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。そのため、過去に推定された劣化状態のデータのうち、インピーダンスに含まれる成分の変化割合に対応付けられた劣化状態を参照することで、インピーダンスが測定されたＳＯＥＣ４０の劣化状態を簡便に推定できる。

【0042】

また、本実施形態の劣化推定部２３は、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定する。すなわち、固体酸化物形セルとしてＳＯＥＣ４０が用いられているため、ＳＯＥＣシステム１００の寿命を延ばした運転が可能になる。

【0043】

また、本実施形態のＳＯＥＣシステム１００では、制御装置２０の運転制御部２４は、推定されたＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じて、ＳＯＥＣ４０が生成する水素量を制御する。すなわち、推定されたＳＯＥＣ４０の劣化状態がフィードバックされて、ＳＯＥＣ４０が生成する水素量が制御されるため、ＳＯＥＣ４０の劣化が進む速度を抑制して、ＳＯＥＣシステム１００の寿命を延ばした運転が可能になる。

【0044】

＜上記実施形態の変形例＞
本発明は上記の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、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。

【0045】

上記実施形態の状態推定装置１０は、一例であって、測定した固体酸化物形セルのインピーダンスのいずれかの成分の変化割合を用いて、固体酸化物形セルの劣化状態を推定する範囲で変形可能である。例えば、固体酸化物形セルとして、ＳＯＥＣ４０ではなく、ＳＯＦＣが用いられてもよい。ＳＯＥＣ４０に印加される電圧振幅または電流振幅の周波数は、１ｋＨｚ以外であってもよい。印加される周波数は、１００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下が好ましいが、ノイズキャンセルの程度によって変化割合の感度を向上させて、周波数を適宜変更できる。ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するために用いられるインピーダンスの成分は、抵抗の虚部Ｚ２以外で、抵抗の絶対値｜Ｚ｜と、位相差θと、抵抗の実部Ｚ１とのいずれかであってもよいし、複数の成分の組み合わせであってもよい。成分算出部２１は、インピーダンスの成分の全てを算出せずに、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定するために用いられる成分のみを算出してもよい。

【0046】

また、ＳＯＥＣ４０の劣化状態を推定されるために用いられるインピーダンスの成分は、抵抗の虚部Ｚ２等の成分の変化割合ではなく、抵抗の虚部Ｚ２等の成分の数値そのものでもよい。例えば、劣化したＳＯＥＣ４０と、新しい同規格のＳＯＥＣ４０とを交換する場合に、劣化したＳＯＥＣ４０で測定された抵抗の虚部Ｚ２の数値との比較により、新しく交換されたＳＯＥＣ４０の劣化状態が推定されてもよい。

【0047】

上記実施形態の劣化推定部２３は、ＳＯＥＣ４０の劣化状態に応じて、インピーダンスを測定するためにＳＯＥＣ４０に印加する電圧振幅の周波数を変化させたが、電圧振幅の周波数は一定であってもよい。ＳＯＥＣ４０を構成する空気極と、燃料極と、電解質層との各材質については、周知の材質を適用できる。状態推定装置１０が備える検出装置３０および制御装置２０は、ＳＯＥＣ４０のインピーダンスの測定と、インピーダンスの各成分の変化割合の算出とが可能な範囲で周知の装置を適用できる。

【0048】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【0049】

本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
［適用例１］
固体酸化物形セルの状態推定装置であって、
前記固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得部と、
取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定部と、
を備える、状態推定装置。
［適用例２］
適用例１に記載の状態推定装置であって、
前記推定部は、前記固体酸化物形セルから取得されるインピーダンスを構成するいずれかの成分の変化割合を用いて、前記劣化状態を推定する、状態推定装置。
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の状態推定装置であって、
前記取得部は、前記特定の周波数として１００Ｈｚ以上、かつ、１０ｋＨｚ以下の周波数を用いる、状態推定装置。
［適用例４］
適用例１から適用例３までのいずれか一項に記載の状態推定装置であって、
前記固体酸化物形セルから取得されるインピーダンスには、抵抗の絶対値を表す成分と、位相差を表す成分と、抵抗の実部を表す成分と、抵抗の虚部を表す成分と、が含まれ、
前記推定部は、前記抵抗の虚部を表す成分の変化割合を用いて、前記劣化状態を推定する、状態推定装置。
［適用例５］
適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載の状態推定装置であって、
前記推定部は、過去に推定された前記劣化状態に応じて、新たに前記劣化状態を推定するために用いる前記特定の周波数を変化させる、状態推定装置。
［適用例６］
適用例１から適用例５までのいずれか一項に記載の状態推定装置であって、さらに、
過去に推定された前記劣化状態と、前記変化割合とを対応付けた推定基準データを記憶している記憶部を備え、
前記推定部は、取得されたインピーダンスからの前記変化割合と、記憶された前記推定基準データに含まれる前記変化割合とを比較することにより、インピーダンスが取得された前記固体酸化物形セルの劣化状態を判定する、状態推定装置。
［適用例７］
適用例１から適用例６までのいずれか一項に記載の状態推定装置であって、
前記固体酸化物形セルは、水蒸気電解装置に用いられる固体酸化物形電解セルである、状態推定装置。
［適用例８］
固体酸化物形セルシステムであって、
前記固体酸化物形セルと、
適用例１から適用例７までのいずれか一項に記載の状態推定装置と、
前記固体酸化物形セルが供給された水蒸気を用いて生成する水素量を制御する運転制御部と、
を備え、
前記運転制御部は、前記推定部により推定された前記劣化状態に応じて、前記固体酸化物形セルが生成する水素量を制御する、固体酸化物形セルシステム。
［適用例９］
固体酸化物形セルの状態推定方法であって、コンピュータが、
前記固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得工程と、
取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定工程と、
を実行する、状態推定方法。
［適用例１０］
コンピュータプログラムであって、
固体酸化物形セルにおける特定の周波数のインピーダンスを取得する取得機能と、
取得されたインピーダンスを構成するいずれかの成分を用いて、前記固体酸化物形セルの劣化状態を推定する推定機能と、
をコンピュータに実現させる、コンピュータプログラム。

【符号の説明】

【0050】

１０…状態推定装置
２０…制御装置
２１…成分算出部（取得部）
２２…割合算出部（推定部）
２３…劣化推定部（推定部）
２４…運転制御部
２５…ＣＰＵ
２６…記憶部
２７…検出ＤＢ
２８…推定ＤＢ
３０…検出装置（取得部）
４０…ＳＯＥＣ（固体酸化物形セル）
１００…ＳＯＥＣシステム（固体酸化物形セルシステム）
ＰＳ…電源
Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０，Ｃ５０，Ｃ６０，Ｃ７０，Ｃ８０，Ｃ９０，Ｃ１００，Ｃ１１０…抵抗の虚部の曲線
｜Ｚ｜…抵抗の絶対値
Ｚ１…抵抗の実部
Ｚ２…抵抗の虚部
ｔ１，ｔ２…時刻
θ…位相差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】