JP2021005521A - インピーダンス分布測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度を向上させることを目的とする。【解決手段】本実施形態に係るインピーダンス分布測定方法は、燃料電池１２に備えられた一対の集電板の一方における複数の測定領域に対応して、電流分布センサ１８の複数のシャント抵抗をそれぞれ配置すると共に、一対の集電板に対して電圧測定ユニット２２を接続する。そして、燃料電池１２に周波数を調整しながら電流を供給して、一対の集電板間を流れる電流を電流分布センサ１８の複数のシャント抵抗によって測定すると共に、一対の集電板間の電圧を電圧測定ユニットによって測定する。また、測定された電流測定値及び電圧測定値に基づいて、上述の複数の測定領域毎に燃料電池１２のインピーダンスを算出し、複数の測定領域のインピーダンス分布を得る。【選択図】図１
Description
本発明は、インピーダンス分布測定方法及びインピーダンス分布測定装置に関し、詳しくは、電気化学インピーダンス法を用いた電気化学デバイスに対するインピーダンス分布測定方法及びインピーダンス分布測定装置に関する。
例えば燃料電池のような電気化学デバイスの集電板に周波数の調整が可能な交流電源を接続し、一対の集電板間を流れる電流と一対の集電板間の電圧から各周波数における電気化学デバイスのインピーダンスを測定して、この測定したインピーダンスから電気化学デバイスの特性を解析する手法（電気化学インピーダンス法：ＥＩＳ）が知られている。
例えば、特許文献１に記載される従来技術は、電流計で燃料電池の集電板における特定の１地点を流れる電流を測定し、当該電流計で測定した電流測定値に基づいて燃料電池のインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスのインピーダンススペクトルから得られる情報を燃料電池の等価回路にフィッティングすることで燃料電池の状態を診断するものである。
しかしながら、電気化学デバイスの場合、例えば電気化学デバイスを構成する物質内における電子やイオンの移動状態の違い、及び化学反応速度の不均一性等によって、同じ集電板を流れる電流であっても集電板の部分毎にその大きさにばらつきが生じることがある。
したがって、従来の電気化学インピーダンス法によって電気化学デバイスの内部状態を解析する場合、電流計を接続した領域の近傍におけるインピーダンスしか測定できないため、例えば電気化学デバイスの１部分が何らかの原因によって局所的に劣化し、当該劣化部分に対応する集電板領域の電流が減少した場合であっても、劣化部分が電流の計測点の近傍でなければ、電気化学デバイスに劣化が発生したことを検出できないことがある。このため、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度を向上させることが望まれている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度を向上させることを目的とする。
請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法は、電気化学デバイスに備えられた一対の集電板の一方における複数の測定領域に対応して複数の電流測定手段をそれぞれ配置すると共に、前記一対の集電板に対して電圧測定手段を接続し、前記電気化学デバイスに周波数を調整しながら電流を供給して、前記一対の集電板間を流れる電流を前記複数の電流測定手段によって測定すると共に、前記一対の集電板間の電圧を前記電圧測定手段によって測定し、前記複数の電流測定手段の電流測定値及び前記電圧測定手段の電圧測定値に基づいて、前記複数の測定領域毎に前記電気化学デバイスのインピーダンスを算出し、前記複数の測定領域のインピーダンス分布を得る、ことを含む。
請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、複数の測定領域のインピーダンス分布が得られるので、集電板の１地点についてのみインピーダンスを測定する場合に比して、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度を向上させることができる。
請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法は、請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法において、前記電気化学デバイスが、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、前記複数の電流測定手段を有する電流分布センサを一方の前記集電板と前記一対のガスフローチャネルとの間に配置すると共に、前記一対のガスフローチャネルに前記電圧測定手段を接続する方法である。
請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、一対のガスフローチャネルに電圧測定ユニットを接続することにより、複数のシャント抵抗の抵抗による影響が排除されるので、一対の集電板に電圧測定ユニットの端子を接続する場合に比して、より正確な電圧測定値を得ることができる。
請求項３に記載のインピーダンス分布測定方法は、請求項１又は請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法において、前記電気化学デバイスが、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、一方の前記集電板が、第一領域と、前記第一領域よりも前記ガスフローチャネルのガス取込口からの距離が遠い第二領域とを有し、前記第一領域の方が前記第二領域よりも前記電流測定手段の配置密度が高くなるように、前記複数の電流測定手段を配置する方法である。
請求項３に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、ガス取込口に近い第一領域の方が、ガス取込口からの距離が遠い第二領域よりも電流測定手段の配置密度を高くするので、劣化の進行が早い第一領域の劣化の状況をより正確に解析することができる。
請求項４に記載のインピーダンス分布測定方法は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス分布測定方法において、前記インピーダンス分布を前記電気化学デバイスの等価回路にフィッティングして、前記インピーダンス分布を表すマップデータを前記等価回路の構成要素毎に生成する方法である。
請求項４に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、マップデータに基づいて、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を表すマップを得ることができる。したがって、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を視覚的に表すことができるので、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度をより向上させることができる。
請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置は、電気化学デバイスに備えられた一対の集電板の一方における複数の測定領域に対応して配置された複数の電流測定手段と、前記一対の集電板に対して接続された電圧測定手段と、前記電気化学デバイスに周波数を調整しながら電流が供給されて、前記一対の集電板間を流れる電流が前記複数の電流測定手段によって測定されると共に、前記一対の集電板間の電圧が前記電圧測定手段によって測定された場合に、前記複数の電流測定手段の電流測定値及び前記電圧測定手段の電圧測定値に基づいて、前記複数の測定領域毎に前記電気化学デバイスのインピーダンスを算出して、前記複数の測定領域のインピーダンス分布を得る制御手段と、を備える。
請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置によれば、複数の測定領域のインピーダンス分布が得られるので、集電板の１地点についてのみインピーダンスを測定する場合に比して、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度を向上させることができる。
請求項６に記載のインピーダンス分布測定装置は、請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置において、前記電気化学デバイスが、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、前記複数の電流測定手段を有する電流分布センサが、一方の前記集電板と前記一対のガスフローチャネルとの間に配置され、前記電圧測定手段が、前記一対のガスフローチャネル間に接続された構成である。
請求項６に記載のインピーダンス分布測定装置によれば、一対のガスフローチャネルに電圧測定ユニットを接続することにより、複数のシャント抵抗の抵抗による影響が排除されるので、一対の集電板に電圧測定ユニットの端子を接続する場合に比して、より正確な電圧測定値を得ることができる。
請求項７に記載のインピーダンス分布測定装置は、請求項５又は請求項６に記載のインピーダンス分布測定装置において、前記電気化学デバイスが、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、一方の前記集電板が、第一領域と、前記第一領域よりも前記ガスフローチャネルのガス取込口からの距離が遠い第二領域とを有し、前記複数の電流測定手段が、前記第一領域の方が前記第二領域よりも前記電流測定手段の配置密度が高くなるように配置されている構成である。
請求項７に記載のインピーダンス分布測定装置によれば、ガス取込口に近い第一領域の方が、ガス取込口からの距離が遠い第二領域よりも電流測定手段の配置密度が高いので、劣化の進行が早い第一領域の劣化の状況をより正確に解析することができる。
請求項８に記載のインピーダンス分布測定装置は、請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載のインピーダンス分布測定装置において、前記制御手段が、前記インピーダンス分布を前記電気化学デバイスの等価回路にフィッティングして、前記インピーダンス分布を表すマップデータを前記等価回路の構成要素毎に生成する構成である。
請求項８に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、マップデータに基づいて、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を表すマップを得ることができる。したがって、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を視覚的に表すことができるので、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度をより向上させることができる。
以上詳述したように、本発明によれば、電気化学デバイスにおける内部状態の解析精度を向上させることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１には、本実施形態に係るインピーダンス分布測定装置１０を用いて燃料電池１２のインピーダンス分布を測定する測定系の一例が示されている。図１では、一例として、燃料電池１２のインピーダンス分布を測定する例を示しているが、インピーダンス分布の測定対象は、燃料電池１２に限られず、例えば水電気分解装置等の他の電気化学デバイスでもよい。以下、一例として、インピーダンス分布の測定対象を燃料電池１２とした場合について説明する。
燃料電池１２は、「電気化学デバイス」の一例であり、水素と空気を取り込み、空気に含まれる酸素と水素の電気化学反応により得られる電気エネルギーを供給（出力）する。この燃料電池１２には、直流負荷１４及び交流電源１６が並列に接続されている。また、後に図２を用いて詳述するが、燃料電池１２の一対の集電板間には、電流分布センサ１８が挿入されており、この電流分布センサ１８には、複数の電流測定ユニット２０が接続されている。また、燃料電池１２の一対の集電板に対しては電圧測定ユニット２２が接続されている。
この複数の電流測定ユニット２０、電圧測定ユニット２２及び交流電源１６には、制御ユニット２４が接続されている。制御ユニット２４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を有する電気回路によって構成される。この制御ユニット２４の動作については、後述するインピーダンス分布測定方法と併せて説明する。この制御ユニット２４の動作は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。
上述の電流分布センサ１８、複数の電流測定ユニット２０、電圧測定ユニット２２及び制御ユニット２４は、本実施形態に係るインピーダンス分布測定装置１０を構成している。電圧測定ユニット２２は、「電圧測定手段」の一例であり、制御ユニット２４は、「制御手段」の一例である。
図２に示されるように、燃料電池１２は、より具体的には、一対のエンドプレート３２Ａ、３２Ｂと、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂ（カソード電極及びアノード電極）と、一対のガスフローチャネル３６（セパレータ）と、膜集電板接合体３８（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）を有する積層構造体である。一対の集電板３４Ａ、３４Ｂは、一対のエンドプレート３２Ａ、３２Ｂの間に配置されており、一対のガスフローチャネル３６は、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂの間に配置されている。また、膜集電板接合体３８は、一対のガスフローチャネル３６の間に配置されている。
電流分布センサ１８は、一例として、一方の集電板３４Ａ（カソード電極）と一対のガスフローチャネル３６との間に配置されている。この電流分布センサ１８には、「複数の電流測定手段」の一例である複数のシャント抵抗４０が備えられている。複数のシャント抵抗４０は、格子状に並ぶように配列されており、一方の集電板３４Ａを格子状に分割した複数の測定領域（図３参照）の各々に対応して配置されている。各シャント抵抗４０は、対応する測定領域の電流を測定する。
なお、図２に示される例において、電流分布センサ１８は、一方の集電板３４Ａ（カソード電極）と一対のガスフローチャネル３６との間に配置されて、一方の集電板３４Ａ（カソード電極）に装着されているが、他方の集電板３４Ｂ（アノード電極）と一対のガスフローチャネル３６との間に配置されて、他方の集電板３４Ｂ（アノード電極）に装着されてもよい。
また、ガスフローチャネル３６のガス取込口に近い場所では、ガス中の不純物の影響により、他の場所に比べて燃料電池１２の劣化が早く進行する。したがって、一方の集電板３４Ａでは、ガス取込口に近い第一領域の方が、ガス取込口からの距離が遠い第二領域よりもシャント抵抗４０の配置密度を高くしてもよい。このようにすると、劣化の進行が早い第一領域の劣化の状況をより正確に解析することができる。
電圧測定ユニット２２は、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂ間に対して接続されている。ここで、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂのそれぞれは、ガスフローチャネル３６よりも厚さがあるため、電圧取り出し用の端子の接続が容易である。したがって、図２に示される例では、一例として、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂに電圧測定ユニット２２が接続されている。
なお、図２の点線で示した矢印のように、一対のガスフローチャネル３６に電圧測定ユニット２２を接続してもよい。このように、一対のガスフローチャネル３６に電圧測定ユニット２２を接続した場合には、複数のシャント抵抗４０の抵抗成分による影響が排除されるので、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂに電圧測定ユニット２２の端子を接続する場合に比して、より正確な電圧測定値を得ることができる。
次に、本実施形態に係るインピーダンス分布測定方法について説明する。
先ず、制御ユニット２４により交流電源１６を制御し、交流電源１６から燃料電池１２に指定された周波数の電流を供給する。このとき、制御ユニット２４の制御により電流の周波数を調整する。
また、このように交流電源１６から燃料電池１２に電流を供給する際に、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂ間を流れる電流を電流分布センサ１８（複数のシャント抵抗４０）で測定する。電流分布センサ１８は、複数のシャント抵抗４０で測定した電流測定値の各々を複数の電流測定ユニット２０に出力する。
複数の電流測定ユニット２０は、電流分布センサ１８から出力された電流測定値の時系列に沿った変化に対してＦＦＴアナライザを用いた周波数解析を行い、周波数解析結果を制御ユニット２４に出力する。なお、電流測定ユニット２０は１枚でＮ箇所（Ｎは１以上の整数）の電流測定値に対する周波数解析が可能である。複数の電流測定ユニット２０は、電流分布センサ１８による測定領域の数（複数のシャント抵抗４０の数）に応じた枚数が用いられる。
また、上述のように交流電源１６から燃料電池１２に電流を供給する際には、燃料電池１２の一対の集電板３４Ａ、３４Ｂ間の電圧を電圧測定ユニット２２で測定する。電圧測定ユニット２２は、測定した電圧測定値の時系列に沿った変化に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）アナライザを用いた周波数解析を行い、周波数解析結果を制御ユニット２４に出力する。
制御ユニット２４は、複数の電流測定ユニット２０及び電圧測定ユニット２２から出力された電流の周波数解析結果及び電圧の周波数解析結果を受け付け、交流電源１６から燃料電池１２に供給した電流の周波数に対して複数の測定領域４２（図３参照）毎に燃料電池１２のインピーダンスを算出する。そして、制御ユニット２４は、算出したインピーダンスに基づいて、図３に示されるようにナイキスト線図４４を生成して複数の測定領域４２のインピーダンス分布４６を得る。
さらに、制御ユニット２４は、得られたインピーダンス分布４６を等価回路の構成要素にフィッティングして、複数の測定領域４２のインピーダンス分布４６を表すマップデータを等価回路の構成要素毎に生成する。そして、図４に示されるように、このマップデータに基づいて、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を表すマップ４８を得る。
なお、図４における構成要素Ｒs、Ｌ、ＲＬ、ＲＰ、Ｗｉ、ＣＰＥ、ＲＬＰ、ＬＰの物理的意味は、次の通りである。
構成要素Ｒsは、電解質膜抵抗である。構成要素Ｒsはナイキスト線図におけるインピーダンススペクトル（インピーダンスデータ）の高周波数域での実数軸との交点に対応する。構成要素Ｒsは電解質抵抗に対応し、電解質膜の厚さ及び湿潤状態に起因して変化する。また、構成要素Ｒsはエンドプレート（セパレータ）の抵抗やガス拡散層とエンドプレートとの接触抵抗等も含む。
構成要素ＲＬは、配線抵抗であり、構成要素Ｌは、配線起因のインダクタである。構成要素ＲＬ及び構成要素Ｌは高周波数域での配線由来の誘導性挙動に関連するパラメータであり、その比ＲＬ/Ｌは、誘導性半円の時定数に相当する。
構成要素ＲＰは、集電板と溶液界面での電荷移動抵抗である。構成要素ＲＰは集電板と溶液界面でのカソードとアノードの電荷移動抵抗の合計に相当する。通常はアノードの電荷移動抵抗は相対的に小さいので、構成要素ＲＰはカソードのみの電荷移動抵抗に相当する。ただし、劣化などによりアノードの反応性が落ちた場合には、構成要素ＲＰはアノードの電荷移動抵抗の影響を受ける。
構成要素ＣＰＥ(Constant Phase Element)は、集電板と溶液界面での電気二重層容量である。構成要素ＣＰＥはつぶれた容量性半円を幾何学的に表すための素子で、そのインピーダンスＺＣＰＥは以下の式（１）で表現される。
ＺＣＰＥ＝１／（ｊω）Ｐ×ＴＣＰＥ・・・（１）
ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数，ＰはＣＰＥ指数、ＴＣＰＥはＣＰＥ指数である。
高周波数域で観察される容量性半円は，構成要素ＲＰと電気二重層容量の時定数に起因し、その直径はＲＰとなる。低周波数域での半円はＷｉに対応する。
ＺＣＰＥ＝１／（ｊω）Ｐ×ＴＣＰＥ・・・（１）
ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数，ＰはＣＰＥ指数、ＴＣＰＥはＣＰＥ指数である。
高周波数域で観察される容量性半円は，構成要素ＲＰと電気二重層容量の時定数に起因し、その直径はＲＰとなる。低周波数域での半円はＷｉに対応する。
構成要素Ｗｉは、拡散のワールブルグインピーダンスである。Ｗｉのインピーダンスは以下の式（２）で表現される。
Ｚｗ＝（ＲＷ×ｔａｎｈ（（ｊωＴＷ）Ｐ））／（ｊωＰ×ＴＷ）・・・（２）
ここで，ＲＷは物質移動抵抗、ＴＷは有限拡散の時定数である。低周波数域の容量性半円が時数軸と交わる値からＲＳとＲＰを引いた値がＲＷに相当する。
低周波数域で観察される誘導性半円は、カソードにおける酸素還元での反応中間体の生成が集電板反応速度に影響する場合に観察されると言われている。その誘導性半円の時定数がＲＬＰ／ＬＰに相当する。
Ｚｗ＝（ＲＷ×ｔａｎｈ（（ｊωＴＷ）Ｐ））／（ｊωＰ×ＴＷ）・・・（２）
ここで，ＲＷは物質移動抵抗、ＴＷは有限拡散の時定数である。低周波数域の容量性半円が時数軸と交わる値からＲＳとＲＰを引いた値がＲＷに相当する。
低周波数域で観察される誘導性半円は、カソードにおける酸素還元での反応中間体の生成が集電板反応速度に影響する場合に観察されると言われている。その誘導性半円の時定数がＲＬＰ／ＬＰに相当する。
構成要素ＲＬＰは、ファラデーインピーダンスを表すための抵抗であり、構成要素ＬＰは、ファラデーインピーダンスを表すためのインダクタである。
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
以上詳述した通り、本実施形態によれば、一方の集電板３４Ａの複数の測定領域４２に対応して複数のシャント抵抗４０をそれぞれ配置すると共に、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂに対して電圧測定ユニット２２を接続した状態とする。そして、燃料電池１２に周波数を調整しながら電流を供給して、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂ間を流れる電流を複数のシャント抵抗４０によって測定すると共に、一対の集電板３４Ａ、３４Ｂ間の電圧を電圧測定ユニット２２によって測定する。また、複数のシャント抵抗４０の電流測定値及び電圧測定ユニット２２の電圧測定値に基づいて、複数の測定領域４２毎に燃料電池１２のインピーダンスを算出し、これにより、複数の測定領域４２のインピーダンス分布４６を得る。
したがって、複数の測定領域４２のインピーダンス分布４６が得られるので、集電板３４Ａの１地点についてのみインピーダンスを測定する場合に比して、燃料電池１２における内部状態の解析精度を向上させることができる。
また、インピーダンス分布４６を燃料電池１２の等価回路にフィッティングして、インピーダンス分布４６を表すマップデータを等価回路の構成要素毎に生成する。そして、このマップデータに基づいて、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を表すマップ４８を得る。したがって、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を視覚的に表すことができるので、燃料電池１２における内部状態の解析精度をより向上させることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
１０ インピーダンス分布測定装置
１２ 燃料電池（電気化学デバイスの一例）
１４ 直流負荷
１６ 交流電源
１８ 電流分布センサ
２０ 電流測定ユニット
２２ 電圧測定ユニット
２４ 制御ユニット
３２Ａ、３２Ｂ エンドプレート
３４Ａ、３４Ｂ 集電板
３６ ガスフローチャネル
３８ 膜集電板接合体
４０ シャント抵抗（電流測定手段の一例）
４２ 測定領域
４４ ナイキスト線図
４６ インピーダンス分布
４８ マップ
１２ 燃料電池（電気化学デバイスの一例）
１４ 直流負荷
１６ 交流電源
１８ 電流分布センサ
２０ 電流測定ユニット
２２ 電圧測定ユニット
２４ 制御ユニット
３２Ａ、３２Ｂ エンドプレート
３４Ａ、３４Ｂ 集電板
３６ ガスフローチャネル
３８ 膜集電板接合体
４０ シャント抵抗（電流測定手段の一例）
４２ 測定領域
４４ ナイキスト線図
４６ インピーダンス分布
４８ マップ
請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法は、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有し、前記一対のガスフローチャネルの少なくとも一方に局所的な劣化が生じている燃料電池のインピーダンス分布を測定する、インピーダンス分布測定方法であって、一方の前記集電板の複数の測定領域に対応する複数の電流測定手段を有する電流分布センサを一方の前記集電板と一方の前記ガスフローチャネルとの間に配置すると共に、電圧測定手段を前記一対のガスフローチャネルに接続し、前記燃料電池に周波数を調整しながら電流を供給して、一方の前記集電板と一方の前記ガスフローチャネルとの間を流れる電流を前記複数の電流測定手段によって測定すると共に、前記一対のガスフローチャネル間の電圧を前記電圧測定手段によって測定し、前記複数の電流測定手段の電流測定値及び前記電圧測定手段の電圧測定値に基づいて、前記複数の測定領域毎に前記燃料電池のインピーダンスを算出し、前記複数の測定領域のインピーダンス分布を得る、ことを含む。
請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、複数の測定領域のインピーダンス分布が得られるので、集電板の１地点についてのみインピーダンスを測定する場合に比して、燃料電池における内部状態の解析精度を向上させることができる。
また、請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、一対のガスフローチャネルに電圧測定ユニットを接続することにより、複数のシャント抵抗の抵抗による影響が排除されるので、一対の集電板に電圧測定ユニットの端子を接続する場合に比して、より正確な電圧測定値を得ることができる。
請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法は、請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法において、一方の前記集電板が、第一領域と、前記第一領域よりも前記ガスフローチャネルのガス取込口からの距離が遠い第二領域とを有し、前記第一領域の方が前記第二領域よりも前記電流測定手段の配置密度が高くなるように、前記複数の電流測定手段を配置する方法である。
請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、ガス取込口に近い第一領域の方が、ガス取込口からの距離が遠い第二領域よりも電流測定手段の配置密度を高くするので、劣化の進行が早い第一領域の劣化の状況をより正確に解析することができる。
請求項３に記載のインピーダンス分布測定方法は、請求項１又は請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法において、前記インピーダンス分布を前記燃料電池の等価回路にフィッティングして、前記インピーダンス分布を表すマップデータを前記等価回路の構成要素毎に生成する方法である。
請求項３に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、マップデータに基づいて、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を表すマップを得ることができる。したがって、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を視覚的に表すことができるので、燃料電池における内部状態の解析精度をより向上させることができる。
請求項４に記載のインピーダンス分布測定装置は、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有し、前記一対のガスフローチャネルの少なくとも一方に局所的な劣化が生じている燃料電池のインピーダンス分布を測定する、インピーダンス分布測定装置であって、一方の前記集電板の複数の測定領域に対応する複数の電流測定手段を有し、一方の前記集電板と一方の前記ガスフローチャネルとの間に配置された電流分布センサと、前記一対のガスフローチャネルに接続された電圧測定手段と、前記燃料電池に周波数を調整しながら電流が供給されて、一方の前記集電板と一方の前記ガスフローチャネルとの間を流れる電流が前記複数の電流測定手段によって測定されると共に、前記一対のガスフローチャネル間の電圧が前記電圧測定手段によって測定された場合に、前記複数の電流測定手段の電流測定値及び前記電圧測定手段の電圧測定値に基づいて、前記複数の測定領域毎に前記燃料電池のインピーダンスを算出して、前記複数の測定領域のインピーダンス分布を得る制御手段と、を備える。
請求項４に記載のインピーダンス分布測定装置によれば、複数の測定領域のインピーダンス分布が得られるので、集電板の１地点についてのみインピーダンスを測定する場合に比して、燃料電池における内部状態の解析精度を向上させることができる。
また、請求項４に記載のインピーダンス分布測定装置によれば、一対のガスフローチャネルに電圧測定ユニットを接続することにより、複数のシャント抵抗の抵抗による影響が排除されるので、一対の集電板に電圧測定ユニットの端子を接続する場合に比して、より正確な電圧測定値を得ることができる。
請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置は、請求項４に記載のインピーダンス分布測定装置において、一方の前記集電板が、第一領域と、前記第一領域よりも前記ガスフローチャネルのガス取込口からの距離が遠い第二領域とを有し、前記複数の電流測定手段が、前記第一領域の方が前記第二領域よりも前記電流測定手段の配置密度が高くなるように配置されている構成である。
請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置によれば、ガス取込口に近い第一領域の方が、ガス取込口からの距離が遠い第二領域よりも電流測定手段の配置密度が高いので、劣化の進行が早い第一領域の劣化の状況をより正確に解析することができる。
請求項６に記載のインピーダンス分布測定装置は、請求項４又は請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置において、前記制御手段が、前記インピーダンス分布を前記燃料電池の等価回路にフィッティングして、前記インピーダンス分布を表すマップデータを前記等価回路の構成要素毎に生成する構成である。
請求項６に記載のインピーダンス分布測定方法によれば、マップデータに基づいて、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を表すマップを得ることができる。したがって、等価回路の構成要素毎のインピーダンス分布を視覚的に表すことができるので、燃料電池における内部状態の解析精度をより向上させることができる。
Claims (8)
- 電気化学デバイスに備えられた一対の集電板の一方における複数の測定領域に対応して複数の電流測定手段をそれぞれ配置すると共に、前記一対の集電板に対して電圧測定手段を接続し、
前記電気化学デバイスに周波数を調整しながら電流を供給して、前記一対の集電板間を流れる電流を前記複数の電流測定手段によって測定すると共に、前記一対の集電板間の電圧を前記電圧測定手段によって測定し、
前記複数の電流測定手段の電流測定値及び前記電圧測定手段の電圧測定値に基づいて、前記複数の測定領域毎に前記電気化学デバイスのインピーダンスを算出し、前記複数の測定領域のインピーダンス分布を得る、
ことを含むインピーダンス分布測定方法。 - 前記電気化学デバイスは、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、
前記複数の電流測定手段を有する電流分布センサを一方の前記集電板と前記一対のガスフローチャネルとの間に配置すると共に、前記電圧測定手段を前記一対のガスフローチャネルに接続する、
請求項１に記載のインピーダンス分布測定方法。 - 前記電気化学デバイスは、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、
一方の前記集電板は、第一領域と、前記第一領域よりも前記ガスフローチャネルのガス取込口からの距離が遠い第二領域とを有し、
前記第一領域の方が前記第二領域よりも前記電流測定手段の配置密度が高くなるように、前記複数の電流測定手段を配置する、
請求項１又は請求項２に記載のインピーダンス分布測定方法。 - 前記インピーダンス分布を前記電気化学デバイスの等価回路にフィッティングして、前記インピーダンス分布を表すマップデータを前記等価回路の構成要素毎に生成する、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のインピーダンス分布測定方法。 - 電気化学デバイスに備えられた一対の集電板の一方における複数の測定領域に対応して配置された複数の電流測定手段と、
前記一対の集電板に対して接続された電圧測定手段と、
前記電気化学デバイスに周波数を調整しながら電流が供給されて、前記一対の集電板間を流れる電流が前記複数の電流測定手段によって測定されると共に、前記一対の集電板間の電圧が前記電圧測定手段によって測定された場合に、前記複数の電流測定手段の電流測定値及び前記電圧測定手段の電圧測定値に基づいて、前記複数の測定領域毎に前記電気化学デバイスのインピーダンスを算出して、前記複数の測定領域のインピーダンス分布を得る制御手段と、
を備えるインピーダンス分布測定装置。 - 前記電気化学デバイスは、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、
前記複数の電流測定手段を有する電流分布センサは、一方の前記集電板と前記一対のガスフローチャネルとの間に配置され、
前記電圧測定手段は、前記一対のガスフローチャネル間に接続されている、
請求項５に記載のインピーダンス分布測定装置。 - 前記電気化学デバイスは、一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの間に配置された前記一対の集電板と、前記一対の集電板の間に配置された一対のガスフローチャネルと、前記一対のガスフローチャネルの間に配置された膜集電板接合体とを有する燃料電池であり、
一方の前記集電板は、第一領域と、前記第一領域よりも前記ガスフローチャネルのガス取込口からの距離が遠い第二領域とを有し、
前記複数の電流測定手段は、前記第一領域の方が前記第二領域よりも前記電流測定手段の配置密度が高くなるように配置されている、
請求項５又は請求項６に記載のインピーダンス分布測定装置。 - 前記制御手段は、前記インピーダンス分布を前記電気化学デバイスの等価回路にフィッティングして、前記インピーダンス分布を表すマップデータを前記等価回路の構成要素毎に生成する、
請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載のインピーダンス分布測定装置。
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