JP2009283173A

JP2009283173A - インピーダンス特性評価方法およびインピーダンス特性評価装置

Info

Publication number: JP2009283173A
Application number: JP2008131691A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Tomosada; 伸浩友定; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Atsushi Kimura; 篤史木村; Tomomi Akutsu; 智美阿久津; Saaya Sato; 紗綾佐藤; Makoto Kawano; 誠川野
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】測定されたインピーダンス特性から膜抵抗を除去し、反応抵抗を詳細に解析することができるインピーダンス特性評価方法およびインピーダンス特性評価装置を提供する。
【解決手段】測定手段４１は、測定周波数を変えながら燃料電池セル１のインピーダンスを測定する。膜抵抗算出手段４２は、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値を燃料電池セル１の膜抵抗として算出する。反応抵抗算出手段４３は、燃料電池セル１のインピーダンスから膜抵抗を減算することで燃料電池セル１の反応抵抗を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池のインピーダンス特性を評価するインピーダンス特性評価方法およびインピーダンス特性評価装置に関する。

負荷電流に重畳する交流の周波数（測定周波数）を変えながら燃料電池セルのインピーダンスを測定する方法が知られている。この方法では、負荷電流として直流成分（Ｉｄｃ）に加えて十分振幅の小さな交流成分（Ｉａｃ）を重畳した電流（Ｉｄｃ＋Ｉａｃ）を与える。一般的には、この交流成分として正弦波が使用される。インピーダンス計測器により、この電流摂動に対する電池電圧（Ｖｄｃ＋Ｖａｃ）の変化を測定し、交流成分のゲイン特性、位相遅れを得る。測定周波数を順次変えながら、それぞれの周波数でのゲインおよび位相を測定することで、燃料電池セルのインピーダンス特性を得ることができる。
特開２００７−２６５８８５号公報

燃料電池セルインピーダンスは、膜抵抗および反応抵抗から構成されると考えられる。このうち、膜抵抗はイオン伝導体の抵抗と考えられているが、燃料電池においては、その抵抗値は発電状態に大きく依存する。発電負荷の大小や、供給される燃料ガス（水素）や酸化ガス（エア）の加湿状態、発電の際に発生する生成水の影響などにより、膜抵抗は変化する。一方、反応抵抗はそれらの原因も含め、触媒状態や触媒へのガス供給など、様々な他の要因で変化すると考えられている。

しかし、現在行われているインピーダンス計測では、上記の膜抵抗と反応抵抗とを分けて測定することが行われておらず、２種類の抵抗の変化をまとめて解析しようとしているため、特に反応抵抗の解析が遅れている。

本発明の目的は、測定されたインピーダンス特性から膜抵抗を除去し、反応抵抗を詳細に解析することができるインピーダンス特性評価方法およびインピーダンス特性評価装置を提供することにある。

本発明のインピーダンス特性評価方法は、電池のインピーダンス特性を評価するインピーダンス特性評価方法において、測定周波数を変えながら電池のインピーダンスを測定するステップと、前記測定周波数を上昇させたときの前記インピーダンスの実数成分の収束値を前記電池の膜抵抗として算出するステップと、前記電池のインピーダンスから前記膜抵抗を減算することで前記電池の反応抵抗を算出するステップと、を備えることを特徴とする。
このインピーダンス特性評価方法によれば、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値を電池の膜抵抗として算出し、電池のインピーダンスから上記膜抵抗を減算することで電池の反応抵抗を算出するので、反応抵抗を詳細に解析することができる。

前記膜抵抗を算出するステップでは、コールコールプロットにおける実軸との交点を用いて前記膜抵抗を算出してもよい。

前記膜抵抗を算出するステップでは、等価回路に対するフィッティングを用いて前記膜抵抗を算出してもよい。

前記等価回路には、測定系のインピーダンス成分が付加されてもよい。

本発明のインピーダンス特性評価装置は、電池のインピーダンス特性を評価するインピーダンス特性評価装置において、測定周波数を変えながら電池のインピーダンスを測定する測定手段と、前記測定周波数を上昇させたときの前記インピーダンスの実数成分の収束値を前記電池の膜抵抗として算出する膜抵抗算出手段と、前記電池のインピーダンスから前記膜抵抗を減算することで前記電池の反応抵抗を算出する反応抵抗算出手段と、を備えることを特徴とする。
このインピーダンス特性評価装置によれば、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値を電池の膜抵抗として算出し、電池のインピーダンスから上記膜抵抗を減算することで電池の反応抵抗を算出するので、反応抵抗を詳細に解析することができる。

本発明のインピーダンス特性評価方法によれば、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値を電池の膜抵抗として算出し、電池のインピーダンスから上記膜抵抗を減算することで電池の反応抵抗を算出するので、反応抵抗を詳細に解析することができる。

本発明のインピーダンス特性評価装置によれば、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値を電池の膜抵抗として算出し、電池のインピーダンスから上記膜抵抗を減算することで電池の反応抵抗を算出するので、反応抵抗を詳細に解析することができる。

以下、図１〜図４を参照して、本発明によるインピーダンス特性評価方法の一実施形態について説明する。

図１は、電池セルのインピーダンス特性を計測する際の接続状態を示す図である。

図１に示すように、燃料電池セル１は、アノード１２、電解質膜１１およびカソード１３を順次積層して構成される。

インピーダンス特性の計測時には、アノード１２およびカソード１３の間に、インピーダンス計測器２および電子負荷３が直列に接続される。また、制御・演算装置４は、インピーダンス計測器２および電子負荷３の動作を制御するとともに、インピーダンス特性の計測、評価のための演算処理を実行する。

図１に示すように、制御・演算装置４は、測定周波数を変えながら燃料電池セル１のインピーダンスを測定する測定手段４１と、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値を燃料電池セル１の膜抵抗として算出する膜抵抗算出手段４２と、燃料電池セル１のインピーダンスから膜抵抗を減算することで燃料電池セル１の反応抵抗を算出する反応抵抗算出手段４３と、を構成する。

図２は、インピーダンス特性を計測する手順を示すフローチャートである。

図２のステップＳ１では、測定手段４１の制御に基づき、電子負荷３の負荷電流に重畳する交流の周波数（測定周波数）を変えながら燃料電池セル１のインピーダンスを測定する。

ここでは、負荷電流として直流成分（Ｉｄｃ）に加えて十分振幅の小さな交流成分（Ｉａｃ）を重畳した電流（Ｉｄｃ＋Ｉａｃ）を与える。一般的には、この交流成分として正弦波が使用される。インピーダンス計測器２は、この電流摂動に対する電池電圧（Ｖｄｃ＋Ｖａｃ）の変化を測定し、交流成分のゲイン特性、位相遅れを得る。測定周波数を順次変えながら、それぞれの周波数でのゲインおよび位相を測定することで、燃料電池セル１のインピーダンス特性を得ることができる。

図３（ａ）は、このようにして測定されたインピーダンス特性を複素平面図により示す図である。

次に、ステップＳ２では、膜抵抗算出手段４２により、ステップＳ１において測定されたインピーダンス特性に基づいて、膜抵抗Ｚmemを算出する。

ここでは、インピーダンス特性のグラフ（図３（ａ））と実軸との交点の座標を燃料電池セル１の膜抵抗Ｚmemとして算出することができる。グラフ（図３（ａ））と実軸との交点は、測定周波数を上昇させたときのインピーダンスの実数成分の収束値に相当している。このように、膜抵抗Ｚmemは実数部だけをもち、虚数成分をもたない。

グラフ上の交点を用いる代わりに、図４（ａ）に示すような燃料電池セル１の等価回路の素子の定数をフィッティングにより求め、抵抗Ｒ１の値を膜抵抗Ｚmenとしてもよい。なお、図４（ａ）において、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ２およびコンデンサＣ３からなる回路は、反応抵抗に相当する。等価回路は図４（ａ）に示すものに限定されず、燃料電池セルのインピーダンス特性に応じて適切な等価回路が選択される。

次に、ステップＳ３では、反応抵抗算出手段４３において燃料電池セル１のインピーダンスから膜抵抗Ｚmemを減算することにより、燃料電池セル１の反応抵抗Ｚactを算出する。

ここで、燃料電池セル１の実数部をＺreal、虚数部をＺimg、反応抵抗Ｚactの実数部をＺ´real、虚数部をＺ´img、位相角をθ´とすると、

が成立する。

図３（ｂ）は、燃料電池セル１のインピーダンスを膜抵抗Ｚmemおよび反応抵抗Ｚactに分離した様子を示す図である。また、図３（ｃ）は、膜抵抗Ｚmemを減算することにより得られた反応抵抗Ｚactのインピーダンス特性を示す図である。

次に、ステップＳ４では、図３（ｃ）に示す複素平面図、あるいはボード線図等を用いて示される、反応抵抗Ｚactのインピーダンス特性の解析・評価を行い、処理を終了する。

以上のように、本実施形態のインピーダンス特性評価方法によれば、膜抵抗と反応抵抗を分離することで、周波数に依存する特性を有する反応抵抗について、その周波数特性を単独で再計算することが可能となる。これにより、反応抵抗のみを抽出して詳細な解析・評価を行うことができる。

図４（ｂ）は、測定系のインピーダンスの影響で、測定周波数を上昇させたときにインピーダンスが実数成分に収束しない場合を例示する図である。図４（ｂ）の例では、測定系に起因するＬ成分によって高周波領域で位相の進みが発生する。このような場合には、実軸との交点から膜抵抗Ｚmemを求めることはできない。また、図４（ａ）に示すような等価回路でのフィッティングも不可能となる。したがって、この場合には、ステップＳ２において、図４（ｃ）に示すような測定系のインピーダンスを加えた等価回路を用いてフィッティングを行い、抵抗値Ｒ１を膜抵抗Ｚmemとして求めることができる。図４（ｃ）において、Ｌ成分（Ｌ１）が、測定系に起因するインピーダンスに相当する。

このように、測定系のインピーダンスを考慮した等価回路を用いてフィッティングを行うことで、実際に高い頻度で発生する測定系のインピーダンス（Ｌ成分）の影響をシミュレーションによって除去できる。これにより真の膜抵抗を抽出することができ、反応抵抗を正しく計算することが可能となる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、電池のインピーダンス特性を評価するインピーダンス特性評価方法およびインピーダンス特性評価装置に対し、広く適用することができる。

電池セルのインピーダンス特性を計測する際の接続状態を示す図。図２は、インピーダンス特性を計測する手順を示すフローチャート。インピーダンス特性を示す図であり、（ａ）は、燃料電池セルのインピーダンス特性を示す図、（ｂ）は、燃料電池セルのインピーダンスを膜抵抗Ｚmenおよび反応抵抗Ｚactに分離した様子を示す図、（ｃ）は、膜抵抗Ｚmemを減算することにより得られた反応抵抗Ｚactのインピーダンス特性を示す図。フィッティングの方法を示す図であり、（ａ）は燃料電池セルの等価回路を例示する図、（ｂ）は測定系のインピーダンスの影響で、測定周波数を上昇させたときにインピーダンスが実数成分に収束しない場合を例示する図、（ｃ）は測定系のインピーダンスを加えた等価回路を示す図。

符号の説明

１燃料電池セル
１１電解質膜
１２アノード
１３カソード
２インピーダンス計測器
３電子負荷
４制御・演算装置
４１測定手段
４２膜抵抗算出手段
４３反応抵抗算出手段

Claims

電池のインピーダンス特性を評価するインピーダンス特性評価方法において、
測定周波数を変えながら電池のインピーダンスを測定するステップと、
前記測定周波数を上昇させたときの前記インピーダンスの実数成分の収束値を前記電池の膜抵抗として算出するステップと、
前記電池のインピーダンスから前記膜抵抗を減算することで前記電池の反応抵抗を算出するステップと、
を備えることを特徴とするインピーダンス特性評価方法。
前記膜抵抗を算出するステップでは、コールコールプロットにおける実軸との交点を用いて前記膜抵抗を算出することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス特性評価方法。
前記膜抵抗を算出するステップでは、等価回路に対するフィッティングを用いて前記膜抵抗を算出することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス特性評価方法。
前記等価回路には、測定系のインピーダンス成分が付加されることを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス特性評価方法。
電池のインピーダンス特性を評価するインピーダンス特性評価装置において、
測定周波数を変えながら電池のインピーダンスを測定する測定手段と、
前記測定周波数を上昇させたときの前記インピーダンスの実数成分の収束値を前記電池の膜抵抗として算出する膜抵抗算出手段と、
前記電池のインピーダンスから前記膜抵抗を減算することで前記電池の反応抵抗を算出する反応抵抗算出手段と、
を備えることを特徴とするインピーダンス特性評価装置。