JP5376405B2 - インピーダンス計測方法およびインピーダンス計測装置 - Google Patents
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Description
本発明は、摂動信号の周波数を変化させながら応答信号を取得することにより電池のインピーダンス計測を行うインピーダンス計測方法およびインピーダンス計測装置に関する。
電池のインピーダンスを計測する方法として、電流摂動に対する電圧応答、あるいは電圧摂動に対する電流応答を取得する方法が知られている。例えば、燃料電池のインピーダンス計測においては、ある動作点（Idc，Vdc）での発電を行い、さらに交流電流摂動Iacを重畳させて、そのときの電圧応答Vacを計測することで、インピーダンスを算出することができる。また、二次電池などで、残容量（SOC；State Of Charge）を揃えたインピーダンス計測が必要な場合には、電池の残容量SOCを所望状態に設定後、Idcをゼロとする動作点において交流電流摂動を与え、電圧応答を計測する。
インピーダンスの周波数特性解析では、電流摂動、あるいは電圧摂動の振幅を一定にし、摂動の周波数を任意のステップで変化させながら、数十ＫＨｚから数ＭＨｚまでのインピーダンスを順次計測していく。
このように、インピーダンスの周波数特性解析を行う場合、従来の方法では電流摂動、あるいは電圧摂動の振幅を一定にしたまま摂動の周波数を変化させている。このため、例えば、電流摂動を与える場合には、摂動のピーク電流が一定になる状態で周波数を変化させ、計測を行っている。
しかし、摂動の振幅を固定している場合、周波数によって摂動半周期分の反応に必要な電気量、反応物量、あるいは生成物量が変わってくる。例えば、摂動半周期分の電気量Ｑは摂動振幅に比例し、周波数に反比例する。ここで、周波数は上記のように１０6程度のレンジを持つため、インピーダンス計測に必要な電気量、物質量は周波数によって大きく異なる。
一般に、電池のインピーダンス計測では、「触媒などによる電気化学的反応」と「反応物や生成物の触媒への輸送（近づき）と拡散（遠ざかり）」の２つの影響を測定していると考えられている。しかし、とくに後者の計測において、電気量、物質量が周波数によって変動する場合には、物質量の比抵抗の変化によるものか、輸送距離の変化によるものかを判別することができない。
本発明の目的は、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となるインピーダンス計測方法およびインピーダンス計測装置を提供することにある。
本発明のインピーダンス計測方法は、摂動信号の周波数を変化させながら応答信号を取得することにより電池のインピーダンス計測を行うインピーダンス計測方法において、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ前記摂動信号の周波数を変化させるステップと、前記摂動信号に応じた前記応答信号を取得するステップと、を備えることを特徴とする。
このインピーダンス計測方法によれば、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ摂動信号の周波数を変化させるので、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となる。
このインピーダンス計測方法によれば、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ摂動信号の周波数を変化させるので、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となる。
前記応答信号を取得するステップにより取得された前記応答信号に基づいてインピーダンスの周波数特性を算出するステップを備えてもよい。
前記周波数特性を算出するステップにより算出された前記インピーダンスの周波数特性を比抵抗値の周波数変化として解析するステップを備えてもよい。
前記摂動信号の周波数を変化させるステップでは、前記物質輸送領域が触媒一単位に相当する範囲内となるように前記摂動振幅を制御してもよい。
本発明のインピーダンス計測装置は、摂動信号の周波数を変化させながら応答信号を取得することにより電池のインピーダンス計測を行うインピーダンス計測装置において、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ前記摂動信号の周波数を変化させる摂動信号制御手段と、前記摂動信号に応じた前記応答信号を取得する応答信号取得手段と、を備えることを特徴とする。
このインピーダンス計測装置によれば、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ摂動信号の周波数を変化させるので、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となる。
このインピーダンス計測装置によれば、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ摂動信号の周波数を変化させるので、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となる。
前記応答信号取得手段により取得された前記応答信号に基づいてインピーダンスの周波数特性を算出するインピーダンス算出手段を備えてもよい。
本発明のインピーダンス計測方法によれば、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ摂動信号の周波数を変化させるので、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となる。
本発明のインピーダンス計測装置によれば、物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ摂動信号の周波数を変化させるので、反応に寄与する物質輸送のエリアを制御することにより、詳細な解析が可能となる。
以下、本発明によるインピーダンス計測方法の実施形態について説明する。
図１は、燃料電池セル１０のインピーダンス計測を行う計測システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、燃料電池セル１０には計測部２が接続され、計測部２は制御装置１により制御される。図１に示すように、制御装置１は、摂動電流の周波数および振幅を制御する摂動信号制御手段１１と、摂動電流に応じた応答電圧を取得する応答信号取得手段１２と、応答信号取得手段１２により取得された応答電圧に基づいて燃料電池セル１０のインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段１３と、を構成する。
図２（ａ）は、制御装置１の動作を示すフローチャートである。
図２（ａ）のステップＳ１では、ユーザの指示等に基づいてインピーダンス計測に必要な計測条件を設定する。ここでは、測定の動作点（Idc，Vdc）、測定周波数範囲（交流電流摂動Iacの周波数の上限値および下限値）、周波数挿引時の周波数を切り替えるステップを設定するほか、半周期電気量ないし摂動電流の初期振幅を設定する。
ステップＳ２では、設定されている計測条件に基づいて摂動電流の周波数を設定し、摂動信号制御手段１１により計測部２を介して燃料電池セル１０に摂動電流を与える。ここでは、設定されている計測条件に基づいて摂動電流の周波数を設定するとともに、半周期電気量が一定となるように、摂動電流の周波数に応じた摂動電流の振幅を算出し、その周波数および振幅の摂動電流を動作点（Idc，Vdc）に重畳する。なお、周波数の挿引方向が周波数が低下する方向であれば、摂動電流の周波数は上限値から下限値に向けて、所定のステップ（例えば、同一の比率あるいは同一の差分）で低下するように設定される。
一般に、ある周波数ｆで振幅Ａの摂動（Ａsin（２πｆ））を与えた場合、その摂動半周期で必要な電気量Ｑは式（１）で求められる。式（１）に示すように、摂動反周期分の電気量Ｑは摂動振幅に比例し、周波数に反比例する。
本実施形態のインピーダンス計測方法では、周波数が変わっても摂動反周期分の電気量Ｑが一定となるように、摂動電流の振幅を設定する。したがって、摂動電流の振幅は摂動電流の周波数に反比例した値をとることになる。
次に、ステップＳ３では、ステップＳ２で与えられる摂動電流に応じた燃料電池セル１０の応答電圧を、計測部２を介して応答信号取得手段１２により取得する。また、応答信号取得手段１２により取得された応答電圧に基づいて、当該周波数における燃料電池セル１０のインピーダンスをインピーダンス算出手段１３により算出する。
次に、ステップＳ４では、インピーダンス計測が終了したか否か判断し、判断が肯定されれば処理を終了し、判断が否定されればステップＳ２へ戻る。
一般に、電池においては、電子と等量分のイオンの移動が律速となりインピーダンスが決まる。摂動がかかる前に触媒周りのイオン（物質）の濃度が一定だとすると、摂動振幅を固定した従来法では、摂動半周期で反応に必要なイオンの領域は周波数に反比例して大きくなる。これは周波数の低下に従って物質移動領域が広がっていくことを意味する。この場合、物質移動の比抵抗が同じであっても移動距離が増えればその抵抗値は大きくなるため、比抵抗の変化と移動距離の変化を併せて測定する結果となって、両者を分離できない。
これに対して、本発明の測定方法によれば、周波数が変化しても式（１）に示す電気量が一定となるように振幅を制御するため、周波数によらず物質移動領域を一定とすることができる。このため、周波数に応じた抵抗値の変化を比抵抗値の周波数特性として捉えることが可能となる。
上記実施形態では、電流摂動に対する電圧応答を取得しているが、電圧摂動に対する電流応答を取得してもよい。この場合、物質移動領域を一定とするような振幅の応答電流となるように、摂動電圧の振幅を制御すればよい。
図２（ｂ）は、触媒の配置と物質移動領域との関係を示す図である。
図２（ｂ）に示すように、本発明による計測方法において、物質輸送領域が触媒一単位に相当する範囲内となるように摂動振幅を制御することにより、触媒一単位に対する比抵抗値の周波数特性を求めることが可能となる。このように物質輸送領域を設定することにより、電池における反応の核心部分である３相界面において、触媒一単位当たりの電荷量（イオン量）を、近接する他の触媒の影響を受けずに求めるとともに、その領域でのインピーダンス計測を行うことができる。この場合、触媒近傍領域でのインピーダンス計測が行えるため、電極全体ではない、３相界面の状態の評価が可能となる。
本発明による計測方法において、物質輸送領域を段階的に変化させるように制御してもよい。この場合、上記実施形態における電気量Ｑを順次、Ｑ0，Ｑ1，Ｑ2，・・・に切り替え、各電気量Ｑ0，Ｑ1，Ｑ2，・・・について、上記実施形態と同様、ステップＳ１〜ステップＳ４を繰り返し、計測を行えばよい。このような計測を行うことにより、例えば、電気量Ｑに対してインピーダンス特性が非連続的に変化する点などを把握することができる。
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、摂動信号の周波数を変化させながら応答信号を取得することにより電池のインピーダンス計測を行うインピーダンス計測方法およびインピーダンス計測装置に対し、広く適用することができる。
１１ 摂動信号制御手段
１２ 応答信号取得手段
１３ インピーダンス算出手段
１２ 応答信号取得手段
１３ インピーダンス算出手段
Claims (6)
- 摂動信号の周波数を変化させながら応答信号を取得することにより電池のインピーダンス計測を行うインピーダンス計測方法において、
物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ前記摂動信号の周波数を変化させるステップと、
前記摂動信号に応じた前記応答信号を取得するステップと、
を備えることを特徴とするインピーダンス計測方法。 - 前記応答信号を取得するステップにより取得された前記応答信号に基づいてインピーダンスの周波数特性を算出するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス計測方法。
- 前記周波数特性を算出するステップにより算出された前記インピーダンスの周波数特性を比抵抗値の周波数変化として解析するステップを備えることを特徴とする請求項２に記載のインピーダンス計測方法。
- 前記摂動信号の周波数を変化させるステップでは、前記物質輸送領域が触媒一単位に相当する範囲内となるように前記摂動振幅を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインピーダンス計測方法。
- 摂動信号の周波数を変化させながら応答信号を取得することにより電池のインピーダンス計測を行うインピーダンス計測装置において、
物質輸送領域が周波数によらず一定になるように摂動振幅を制御しつつ前記摂動信号の周波数を変化させる摂動信号制御手段と、
前記摂動信号に応じた前記応答信号を取得する応答信号取得手段と、
を備えることを特徴とするインピーダンス計測装置。 - 前記応答信号取得手段により取得された前記応答信号に基づいてインピーダンスの周波数特性を算出するインピーダンス算出手段を備えることを特徴とする請求項５に記載のインピーダンス計測装置。
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