JP2007250365A

JP2007250365A - 燃料電池の電気化学的分光特性計測方法

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Publication number: JP2007250365A
Application number: JP2006072506A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Atsushi Kimura; 篤史木村
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP5066821B2

Abstract

【課題】出力電圧が計測器の測定下限となるように、入力電流の重畳交流成分を絞り、必要最低限の電流摂動とした電池の電気化学的分光特性を計測する方法を実現する。
【解決手段】交流成分を重畳した負荷を電池に印加し、前記交流成分の周波数に応じた電流を電池から放電させ、このときに電池の両端の電圧と電池から流れる電流をもとにして電池の電気化学的分光特性を計測する方法において、電流変化に対する電圧応答のゲインおよびフェーズを測定するに際しては、入力電流の重畳交流成分を測定器の計測下限とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の電気化学的分光特性を計測する方法に関し、計測器が必要とする最低限の電流摂動を燃料電池に印加して交流インピーダンスを計測する方法に関するものである。

図２（ａ）は燃料電池のインピーダンス測定装置の一般的な構成例を示した図である。
図２（ａ）において、周波数応答アナライザ１０は、正弦波スイープ発信器１１とディジタルフーリエ演算器１２を有する。正弦波スイープ発信器１１は、任意の低周波数から高周波数までの正弦波信号を発生している。
電子負荷装置２０には、正弦波スイープ発信器１１が発生した正弦波信号が与えられる。被測定対象となる電池３０は、電子負荷装置２０と直列に接続されている。

電子負荷装置２０は、正弦波スイープ発信器１１から与えられた負荷制御信号をもとに正弦波信号と振幅が比例した電流量を電池３０から放電させる。ディジタルフーリエ演算器１２は、このときの放電電流と燃料電池の両端電圧をディジタルフーリエ演算することにより、正弦波信号の各周波数における利得と、位相特性から電池の内部インピーダンスを求める。ここでいう利得は、（電池両端電圧振幅）／（放電電流振幅）である。利得測定手段１２１は利得を求め、位相測定手段１２２は位相を求める。利得と位相特性からインピーダンスを求めることができる。

図２（ｂ）は燃料電池のインピーダンス計測を行うための計測例を示すものである。
図において、インピーダンス計測器３００は、燃料電池３０と電子負荷装置２０の間に直列接続された電流計測器３０２および燃料電池３０の両端に並列接続された電圧計測器３０３を備えている。

デジタルフーリェ演算部１２はこれら電流／電圧測定器からの出力を入力してインピーダンスの測定を行う。また、インピーダンス計測器３００は電子負荷制御部３０１を備えており、電子負荷装置２０に対して直流電流値や重畳交流電流（振幅、周波数）などの制御信号を出力する。

このような、インピーダンスの測定装置の先行技術としては例えば下記の特許文献に示されたものがある。

特開２００３−９０８６９号公報

図３は上述の装置を用いて測定した燃料電池の電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性と交流インピーダンス計測の入出力結果を示す図である。
図３に示すように燃料電池の電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性は非線形な特性をもっている。
交流インピーダンス計測では
インピーダンスを測定する周波数を決める（例えば、５０ｋＨｚ〜１ＨｚまでＬｏｇ刻みなど）
インピーダンス測定を行うための直流電流値を決める（例えば１Ａなど）。
インピーダンス測定における交流電流の振幅を決める（例えば０．２Ａなど）。
上記1.で決めた周波数の一つ目の電流摂動（負荷）を燃料電池に印加する。
例えばｆ＝５０ｋＨｚ，Ｉｄｃ＝１Ａ,Ｉａｃ＝０．２Ａとしたときの燃料電池の端子電圧の時間変動
Ｖｄｃ＋Ｖａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ−θ)
のゲイン,フェーズを計測し、一つ目の周波数のインピーダンス値を決定する。
次の周波数に対しても同様にインピーダンス測定を行う。
例えばｆ＝１０ｋＨｚ，Ｉｄｃ＝１Ａ,Ｉａｃ＝０．２Ａ
この場合、Ｉａｃ＝０．２Ａが最適な値とは限らない。変極点付近では電圧波形の歪を小さくするために測定可能な下限までＩａｃは小さくすることが望ましい。

ところで、上述の従来例においては、燃料電池の特性が非線形に変化するポイント（矢印Ａで示す部分）での計測は最適に行われない。また、交流電流の振幅が大きい場合には燃料電池の燃料利用率への影響、圧力、温度（発熱による温度変化）、生成水量など、直流Ｉｄｃの環境下とは違った発電条件となってしまうという問題がある。

即ち、図３では交流電流を正弦波としたときに、電圧の交流成分も正弦波になるような図となっているが、燃料電池の電流−電圧特性が非線形に変化する部分では、電圧交流成分は正弦波から歪むことになり、その結果、Ａ点とは少しずれた直流電流値の特性を測定することになる。電流−電圧波形が線形に変化するところでは問題ないが、非線形に変化するポイントでは、交流電流の振幅を可能な限り小さくして、電流−電圧特性が線形とみなせる領域で測定する必要がある。

従って本発明は、燃料電池の電気化学的分光特性計測方法（もしくは交流インピーダンス計測）において、出力電圧が計測器の測定下限となるように、入力電流の重畳交流成分を絞り、必要最低限の電流摂動とすることにより、燃料電池の交流インピーダンス計測方法を提供する。この計測方法により、燃料電池のＩ−Ｖ特性が非線形に変化する領域での計測精度の向上を可能とし、

また、全ての電流領域において、燃料電池の定電流発電状態の環境条件（燃料利用率、酸化剤利用率、圧力、温度、生成水量など）に限りなく近い状態での交流インピーダンス計測方法を実現することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１記載の発明においては、
負荷装置に交流信号を与え、この負荷装置は与えられた交流信号の周波数に応じた電流を電池から放電させ、このときに電池の両端の電圧と電池から流れる電流をもとにして電池の交流インピーダンス特性を計測する方法において、電流変化に対する電圧応答のゲインおよびフェーズを測定するに際しては、入力電流の重畳交流成分を測定器の計測下限としたことを特徴とする。
請求項２においては、請求項１記載の燃料電池の交流インピーダンス特性計測方法において、
前記電流変化に対する電圧応答のゲインおよびフェーズを測定するに際しては、下記の工程を含んで測定することを特徴とする。
工程１：インピーダンス計測を行う電流値（直流成分）Ｉdｃを設定し、印加する。
工程２：燃料電池に印加するＩｄｃに振幅Ｉａｃ、周波数ｆの交流電流を重畳させる。
工程３：燃料電池に印加した電流Ｉｄｃ±Ｉａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ)とそのときの燃料電池の電圧Ｖｄｃ±Ｖａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ−θ)を測定する
工程４：Ｉｄｃ、Ｉａｃ、Ｖｄｃ、Ｖａｃがインピーダンス計測を行うのに必要最低限の値となっているかを判断する。
工程５：工程４の判断でＮＯとなった場合、Ｉａｃを小さくする。
工程６：電流と電圧間のゲイン、フェーズの測定（交流インピーダンス計測）を行う。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、次のような効果がある。
電流変化に対する電圧応答のゲインおよびフェーズを測定するに際しては、請求項２に示す制御フローを組込むことにより、重畳する交流電流の振幅を調整し、インピーダンス計測器の必要最低限の交流電流負荷、あるいは電流電圧値においてインピーダンス計測を実施することが可能となる。

また、測定したい直流電流値における燃料電池の発電状態（直流電流Ｉｄｃでの燃料ガス利用率、酸化ガス利用率、圧力、温度、生成水量）に限りなく近い状態での交流インピーダンス計測が可能となる。
その結果、特に燃料電池の電流電圧特性が非線形に変化する電流領域のおいても、重畳する交流電流の振幅が小さいため、交流インピーダンス計測の精度が向上する。

図１は本発明の一実施例を示すフローチャートである。工程に従って説明する。
Ｓ０００：測定を開始する。
Ｓ００１：インピダンス計測を行う直流電流値Ｉdｃを設定し、印加する。

Ｓ００２：燃料電池に印加するＩｄｃに振幅Ｉａｃ、周波数ｆの交流電流を重畳させる。
Ｓ００３：燃料電池に印加した電流Ｉｄｃ±Ｉａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ)とそのときの燃料電池の電圧Ｖｄｃ±Ｖａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ−θ)を測定する
Ｓ００４：Ｉｄｃ、Ｉａｃ、Ｖｄｃ、Ｖａｃがインピーダンス計測を行うのに必要最低限の値となっているかを判断する。
判断の結果、ＹＥＳであればＳ００５に進み、ＮＯであればＳ００４１に進む。

Ｓ００４１：Ｓ００４の判断でＮＯとなった場合、Ｉａｃを小さくする。
即ち、Ｉａｃ=Ｉａｃ−ΔＩａｃに再設定し、Ｓ００２に戻る。
Ｓ００５：電流と電圧間のゲイン、フェーズの測定（交流インピーダンス計測）を行う
Ｓ００６：周波数ｆの設定が終了したか否かを判断する。判断の結果、ＹＥＳであれば
Ｓ００５に進み、ＮＯであればＳ００４１に進む。

Ｓ００６１：次の周波数ｆにセットする。
Ｓ００６：電流Ｉｄｃの測定が終了したか否かを判断し、ＹＥＳであればＳ００８に進み、ＮＯであればＳ００７１に進む。
Ｓ００７１：次の電流値Ｉｄｃにセットする。
Ｓ００８：測定を終了する。

上述の制御フローを組込むことにより、計測器が必要とする最低限の電流摂動を燃料電池に印加し、その交流インピーダンス計測を行うことが可能となる。
その結果、インピーダンスを計測したい直流電流値における燃料電池の発電状態（直流電流Ｉｄｃでの燃料ガス利用率、酸化ガス利用率、圧力、温度、生成水量）に限りなく近い状態での交流インピーダンス計測が可能となる。
特に燃料電池の電流電圧特性が非線形に変化する電流領域においては、重畳する交流電流の振幅が小さいため、交流インピーダンス計測の精度が向上する。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば図１では正弦波スイープ発振器を用いたが任意波形発振器であっても良い。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の一実施例を示すフローチャートである。燃料電池のインピーダンス測定装置の一般的な構成例を示した図である。燃料電池の電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性と交流インピーダンス計測の入出力結果を示す図である。

符号の説明

１０周波数応答アナライザ
１１正弦波スイープ発振器
１２デジタルフーリェ変換部
１２１利得測定手段
１２２位相測定手段
２０電子負荷装置
３０燃料電池
３００インピーダンス計測器
３０１電子負荷制御部
３０２電流計測器
３０３電圧計測器

Claims

交流成分を重畳した負荷を電池に印加し、前記交流成分の周波数に応じた電流を電池から放電させ、このときに電池の両端の電圧と電池から流れる電流をもとにして電池の電気化学的分光特性を計測する方法において、電流変化に対する電圧応答のゲインおよびフェーズを測定するに際しては、入力電流の重畳交流成分を測定器の計測下限としたことを特徴とする燃料電池の電気化学的分光特性計測方法。
前記電流変化に対する電圧応答のゲインおよびフェーズを測定するに際しては、下記の工程を含んで測定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電気化学的分光特性計測方法。
工程１：インピーダンス計測を行う直流電流値Ｉdｃを設定し、印加する。
工程２：燃料電池に印加するＩｄｃに振幅Ｉａｃ、周波数ｆの交流電流を重畳させる。
工程３：燃料電池に印加した電流Ｉｄｃ±Ｉａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ)とそのときの燃料電池の電圧Ｖｄｃ±Ｖａｃ×ｓｉｎ(２πｆｔ−θ)を測定する
工程４：Ｉｄｃ、Ｉａｃ、Ｖｄｃ、Ｖａｃがインピーダンス計測を行うのに必要最低限の値となっているかを判断する。
工程５：工程４の判断でＮＯとなった場合、Ｉａｃを小さくする。
工程６：電流と電圧間のゲイン、フェーズの測定（交流インピーダンス計測）を行う。