JP5585248B2 - Gas concentration measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、電解質を一対の電極で狭持した電気化学セルに供給する反応ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。   The present invention relates to a gas concentration measuring apparatus for measuring the gas concentration of a reaction gas supplied to an electrochemical cell in which an electrolyte is held between a pair of electrodes.

従来、固体高分子電解質膜型燃料電池等に適用される電気化学セルにおける電極反応は、電気二重層によるコンデンサ成分Cd、当該コンデンサ成分Cdと並列に接続されるファラデーインピーダンスZと呼ばれる仮想素子、およびこれらと直列に接続される抵抗Roからなる等価回路に単純化可能とされている。この等価回路のうち、ファラデーインピーダンスZは、電気化学セルに供給される反応ガス(活性物質)のガス濃度Csに応じて変化することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。そして、この非特許文献1には、電池化学セルの内部インピーダンスZに基づいて、電池化学セルに供給された反応ガスのガス濃度Csを測定可能であることが示唆されている。 Conventionally, a solid electrode reaction in an electrochemical cell that is applied to a polymer electrolyte membrane fuel cell or the like, a capacitor component Cd by electric double layer, the virtual device called Faraday impedance Z f connected in parallel with the capacitor component Cd, It is possible to simplify the circuit to an equivalent circuit composed of a resistor Ro connected in series with these. Of this equivalent circuit, Faraday impedance Z f are known to vary depending on the gas concentration Cs of the reaction gas (the active substance) to be supplied to the electrochemical cell (e.g., see Non-Patent Document 1). This Non-Patent Document 1 suggests that the gas concentration Cs of the reaction gas supplied to the battery chemical cell can be measured based on the internal impedance Z of the battery chemical cell.

板垣昌幸著、「電気化学インピーダンス法 原理・測定・解析」、第1版、丸善株式会社、2008年8月、p.124−127Itagaki Masayuki, “The Principle, Measurement and Analysis of Electrochemical Impedance Method”, 1st Edition, Maruzen Co., Ltd., August 2008, p.124-127

しかしながら、電気化学セルの内部インピーダンスZの抵抗成分は、電気化学セルの内部の乾燥状態に応じて変化するので、単に、電気化学セルの内部インピーダンスZから反応ガスのガス濃度Csを測定したとしても、電池化学セル内の乾燥の影響によって、実際のガス濃度と測定値とが乖離してしまうことがある。つまり、従来の電池化学セルの内部インピーダンスから電池化学セルに供給された反応ガスのガス濃度を測定する場合には、その測定精度が低いといった問題がある。   However, since the resistance component of the internal impedance Z of the electrochemical cell changes according to the dry state inside the electrochemical cell, even if the gas concentration Cs of the reaction gas is simply measured from the internal impedance Z of the electrochemical cell. The actual gas concentration and the measured value may deviate due to the influence of drying in the battery chemical cell. That is, when measuring the gas concentration of the reaction gas supplied to the battery chemical cell from the internal impedance of the conventional battery chemical cell, there is a problem that the measurement accuracy is low.

本発明は上記点に鑑みて、電解質を一対の電極で狭持した電気化学セルの反応ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置において、ガス濃度の測定精度の向上を図ることを目的とする。   In view of the above points, an object of the present invention is to improve the measurement accuracy of a gas concentration in a gas concentration measurement device that measures the gas concentration of a reaction gas in an electrochemical cell in which an electrolyte is held between a pair of electrodes. .

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、電解質(101)を一対の電極(102、103)で狭持した電気化学セル(10)の内部に供給された反応ガスのガス濃度(Cs)を測定するガス濃度測定装置であって、電気化学セル(10)の出力電流を検出する電流検出手段(41)と、電気化学セル(10)の出力電圧を検出する電圧検出手段(42)と、電気化学セル(10)の出力信号に任意の周波数の交流信号を発生させる交流信号発生手段(43)と、出力信号に交流信号を発生させた際の出力電流および出力電圧に基づいて、電気化学セル(10)の交流インピーダンス(Z)を算出するインピーダンス算出手段(44)と、インピーダンス算出手段(44)にて算出された交流インピーダンス(Z)を補正するインピーダンス補正手段(45a)と、インピーダンス補正手段(45a)にて補正した補正インピーダンス(Z´)に基づいて、反応ガスのガス濃度(Cs)を算出するガス濃度算出手段(45b)と、を備え、インピーダンス補正手段(45a)は、出力信号に発生させる交流信号の周波数を高周波から低周波へと変化させた際に、高周波側の交流インピーダンス(Z)の実数部および虚数部がなす円弧状の軌跡の頂部に達したときの周波数を基準周波数(fo)とし、基準周波数(fo)における交流インピーダンス(Zo)の実数部(Zro)と虚数部(Zio)とを合算した合計値(Zro+Zio)を電気化学セル(10)の内部の乾燥に起因する抵抗成分の変化量(ΔZ)として算出し、合計値(Zro+Zio)を基準周波数(fo)よりも低い低周波帯域における交流インピーダンスの実数部(Zr)から減算することで低周波帯域における交流インピーダンスを補正することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the gas concentration of the reaction gas supplied into the electrochemical cell (10) in which the electrolyte (101) is held between the pair of electrodes (102, 103). A gas concentration measuring device for measuring (Cs), current detection means (41) for detecting the output current of the electrochemical cell (10), and voltage detection means for detecting the output voltage of the electrochemical cell (10) ( 42), an AC signal generating means (43) for generating an AC signal of an arbitrary frequency as an output signal of the electrochemical cell (10), and an output current and an output voltage when the AC signal is generated as an output signal. The impedance calculating means (44) for calculating the alternating current impedance (Z) of the electrochemical cell (10) and the AC impedance (Z) calculated by the impedance calculating means (44) are corrected. And a gas concentration calculating means (45b) for calculating the gas concentration (Cs) of the reaction gas based on the corrected impedance (Z ′) corrected by the impedance correcting means (45a). The impedance correction means (45a) is a circular arc formed by the real part and the imaginary part of the AC impedance (Z) on the high frequency side when the frequency of the AC signal generated in the output signal is changed from a high frequency to a low frequency. The frequency when reaching the top of the trajectory is defined as the reference frequency (fo), and the total value (Zro + Zio) obtained by adding the real part (Zro) and the imaginary part (Zio) of the AC impedance (Zo) at the reference frequency (fo). calculated as the change amount of the resistance component due to the drying of the electrochemical cell (10) ([Delta] Z), the sum (Zro + Zio) a reference frequency ( and correcting the AC impedance in a low frequency band by subtracting the real part of the AC impedance (Zr) in a low frequency band lower than o).

これによると、電気化学セル(10)の内部の乾燥に起因する抵抗成分の変化量(ΔZ)に基づいて補正した補正インピーダンス(Z´)を用いて電気化学セル(10)の反応ガスのガス濃度(Cs)を測定するので、反応ガスのガス濃度(Cs)の測定精度を向上させることが可能となる。   According to this, the gas of the reaction gas of the electrochemical cell (10) using the corrected impedance (Z ′) corrected based on the change amount (ΔZ) of the resistance component due to the drying inside the electrochemical cell (10). Since the concentration (Cs) is measured, the measurement accuracy of the gas concentration (Cs) of the reaction gas can be improved.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. 実施形態に係るガス濃度測定装置および電気化学セルの模式図である。It is a schematic diagram of the gas concentration measuring apparatus and electrochemical cell which concern on embodiment. 電気化学セル内における水素濃度の変化に伴う交流インピーダンスの変化を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the change of the alternating current impedance accompanying the change of the hydrogen concentration in an electrochemical cell. 電気化学セル内の乾燥の影響による交流インピーダンスの変化を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the change of alternating current impedance by the influence of the drying in an electrochemical cell. 電気化学セルの電極反応の等価回路を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the equivalent circuit of the electrode reaction of an electrochemical cell. 図4のCole-Coleプロットの模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of the Cole-Cole plot of FIG. 4. 電気化学セル内の乾燥の影響による抵抗成分の変化量を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the variation | change_quantity of the resistance component by the influence of the drying in an electrochemical cell. 実施形態に係る演算装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control processing which the arithmetic unit which concerns on embodiment performs. 補正インピーダンスのCole-Coleプロットを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the Cole-Cole plot of correction | amendment impedance. 抵抗成分の変化量を算出する処理と補正インピーダンスを算出する処理の実行タイミングを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the execution timing of the process which calculates the variation | change_quantity of a resistance component, and the process which calculates correction | amendment impedance.

以下、本発明の一実施形態について図1〜図10に基づいて説明する。図1は、本実施形態のガス濃度測定装置40を適用した燃料電池システムの全体構成図であり、図2は、燃料電池1の電気化学セル10およびガス濃度測定装置40の模式図である。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の各種電気負荷2に電力を供給するものである。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system to which a gas concentration measuring device 40 of the present embodiment is applied, and FIG. 2 is a schematic diagram of an electrochemical cell 10 and a gas concentration measuring device 40 of the fuel cell 1. This fuel cell system is applied to a so-called fuel cell vehicle, which is a kind of electric vehicle, and supplies electric power to various electric loads 2 such as an electric motor for vehicle travel.

図1に示すように、燃料電池システムは、水素(燃料ガス)および酸素(燃料ガスを酸化する酸化剤ガス)の電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池1を備えている。燃料電池1は、各種電気負荷2に電力を供給するもので、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。なお、燃料電池1としては、固体高分子電解質膜型に限らず、他の型式の燃料電池に適用してもよい。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell 1 that generates electric power using an electrochemical reaction of hydrogen (fuel gas) and oxygen (oxidant gas that oxidizes the fuel gas). The fuel cell 1 supplies electric power to various electric loads 2, and in this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is adopted. The fuel cell 1 is not limited to the solid polymer electrolyte membrane type, and may be applied to other types of fuel cells.

具体的には、燃料電池1は、基本単位となる電気化学セル10(以下、セル10と略称する。)が複数個、電気的に直列に接続されて構成されたものである。   Specifically, the fuel cell 1 is configured by electrically connecting a plurality of electrochemical cells 10 (hereinafter abbreviated as “cells 10”) as basic units in series.

図2に示すように、各セル10は、固体高分子からなる電解質膜101の両側に一対の電極102、103が配置された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10aと、この膜電極接合体10aを狭持する一対のセパレータ104、105で構成されている。なお、一対のセパレータ104、105における水素極(アノード電極)102に対向する表面には、水素が流通する水素流路が形成される一方、空気極(カソード電極)103に対向する表面には、酸素を含む空気が流通する空気流路が形成されている。   As shown in FIG. 2, each cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) 10a in which a pair of electrodes 102 and 103 are arranged on both sides of an electrolyte membrane 101 made of a solid polymer, and the membrane electrode. It consists of a pair of separators 104 and 105 holding the joined body 10a. In addition, on the surface facing the hydrogen electrode (anode electrode) 102 in the pair of separators 104 and 105, a hydrogen flow path through which hydrogen flows is formed, while on the surface facing the air electrode (cathode electrode) 103, An air channel through which air containing oxygen flows is formed.

各セル10では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する。   In each cell 10, as shown below, hydrogen and oxygen are electrochemically reacted to output electric energy.

(水素極側)H→2H+2e
(空気極側)2H+1/2O+2e→H
また、セル10には、セル10内における反応ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置40が接続されている。本実施形態のガス濃度測定装置40は、セル10内における水素のガス濃度Csを測定するものである。なお、ガス濃度測定装置40の詳細については後述する。
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e
(Air electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O
The cell 10 is connected to a gas concentration measuring device 40 that measures the gas concentration of the reaction gas in the cell 10. The gas concentration measuring device 40 of the present embodiment measures the hydrogen gas concentration Cs in the cell 10. Details of the gas concentration measuring device 40 will be described later.

図1に戻り、燃料電池1の空気極103側には、空気(酸素)を燃料電池1の各セル10に供給するための空気供給配管20、並びに、燃料電池1にて電気化学反応を終えた余剰空気、および空気極103で生成された生成水を燃料電池1から外部へ排出するための空気排出配管21が接続されている。   Returning to FIG. 1, on the air electrode 103 side of the fuel cell 1, the air supply pipe 20 for supplying air (oxygen) to each cell 10 of the fuel cell 1 and the electrochemical reaction in the fuel cell 1 are finished. An air discharge pipe 21 for discharging the excess air and the generated water generated by the air electrode 103 from the fuel cell 1 to the outside is connected.

空気供給配管20の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池1に圧送するための空気ポンプ22が設けられ、空気排出配管21には、燃料電池1内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁23が設けられている。なお、本実施形態では、空気ポンプ22および空気調圧弁23によって、所定の流量および圧力の空気を燃料電池1に供給する酸化剤ガス供給手段が構成される。   An air pump 22 for pumping air sucked from the atmosphere to the fuel cell 1 is provided at the most upstream portion of the air supply pipe 20, and an air pressure in the fuel cell 1 is adjusted in the air discharge pipe 21. An air pressure regulating valve 23 is provided. In the present embodiment, the air pump 22 and the air pressure regulating valve 23 constitute oxidant gas supply means for supplying air of a predetermined flow rate and pressure to the fuel cell 1.

燃料電池1の水素極102側には、水素を燃料電池1に供給するための水素供給配管30、並びに、水素極102側に溜まった生成水を微量な水素と共に燃料電池1から外部へ排出するための水素排出配管31が接続されている。   On the hydrogen electrode 102 side of the fuel cell 1, a hydrogen supply pipe 30 for supplying hydrogen to the fuel cell 1, and the generated water accumulated on the hydrogen electrode 102 side is discharged from the fuel cell 1 together with a small amount of hydrogen. For this purpose, a hydrogen discharge pipe 31 is connected.

水素供給配管30の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク32が設けられ、水素供給配管30における高圧水素タンク32と燃料電池1との間には、燃料電池1に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁33が設けられている。なお、本実施形態では、この水素調圧弁33によって、所定の圧力の水素を燃料電池1に供給する燃料ガス供給手段が構成される。   A high-pressure hydrogen tank 32 filled with high-pressure hydrogen is provided at the uppermost stream portion of the hydrogen supply pipe 30, and is supplied to the fuel cell 1 between the high-pressure hydrogen tank 32 and the fuel cell 1 in the hydrogen supply pipe 30. A hydrogen pressure regulating valve 33 for adjusting the hydrogen pressure is provided. In the present embodiment, the hydrogen pressure regulating valve 33 constitutes a fuel gas supply means for supplying hydrogen at a predetermined pressure to the fuel cell 1.

水素排出配管31には、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁34が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、水素極側において生成水は発生しないものの、水素極側には、酸素極側から各セル10の電解質膜101を透過した生成水が溜まるおそれがある。このため、本実施形態では、水素排出配管31および電磁弁34を設けている。   The hydrogen discharge pipe 31 is provided with an electromagnetic valve 34 that opens and closes at predetermined time intervals in order to discharge the produced water together with a small amount of hydrogen to the outside air. In the above-described electrochemical reaction, although generated water is not generated on the hydrogen electrode side, generated water that has permeated the electrolyte membrane 101 of each cell 10 from the oxygen electrode side may accumulate on the hydrogen electrode side. For this reason, in this embodiment, the hydrogen discharge piping 31 and the solenoid valve 34 are provided.

燃料電池システムには、各種制御を行う発電制御手段としての制御装置(ECU)50が設けられている。この制御装置50は、入力信号に基づいて、燃料電池システムを構成する各種電気式アクチュエータの作動を制御するもので、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。   The fuel cell system is provided with a control device (ECU) 50 as power generation control means for performing various controls. The control device 50 controls the operation of various electric actuators constituting the fuel cell system based on the input signal, and is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. ing.

制御装置50の入力側には、ガス濃度測定装置40の検出信号等が入力される一方、出力側には、空気ポンプ22、空気調圧弁23、水素調圧弁33、電磁弁34等の各種電気式アクチュエータが接続されている。   A detection signal of the gas concentration measuring device 40 is input to the input side of the control device 50, and various electric devices such as an air pump 22, an air pressure adjustment valve 23, a hydrogen pressure adjustment valve 33, and an electromagnetic valve 34 are input to the output side. Type actuators are connected.

次に、本実施形態のガス濃度測定装置40について説明する。ガス濃度測定装置40は、図2に示すように、主に、電流センサ41、電圧センサ42、発振回路43、信号処理回路44、演算装置45にて構成されている。   Next, the gas concentration measuring device 40 of this embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the gas concentration measuring device 40 mainly includes a current sensor 41, a voltage sensor 42, an oscillation circuit 43, a signal processing circuit 44, and an arithmetic device 45.

電流センサ41は、ガス濃度を測定するセル10(測定対象セル)から出力される出力電流を検出する電流検出手段であり、電圧センサ42は、セル10から出力される出力電圧(一対の電極102、103間の電位差)を検出する電圧検出手段である。電流センサ41および電圧センサ42それぞれは、信号処理回路44に接続されており、各センサ41、42の各検出信号が信号処理回路44に出力されるように構成されている。   The current sensor 41 is current detection means for detecting an output current output from the cell 10 (measuring cell) for measuring the gas concentration, and the voltage sensor 42 is an output voltage (a pair of electrodes 102) output from the cell 10. , 103 is a voltage detection means for detecting a potential difference between the two. Each of the current sensor 41 and the voltage sensor 42 is connected to a signal processing circuit 44, and each detection signal of each sensor 41, 42 is configured to be output to the signal processing circuit 44.

発振回路43は、セル10の出力信号に任意の周波数で正弦波等の交流信号を発生させる交流信号発生手段を構成している。具体的には、発振回路43としては、可変抵抗等によってセル10から任意の周波数の交流信号を引き出すことが可能な負荷可変装置で構成することができる。勿論、発振回路43としては、セル10の出力信号に、正弦波等の交流を印加して任意の周波数の交流信号を発生させる交流印加装置で構成してもよい。発振回路43にて発生させる交流の周波数は、信号処理回路44にて調整可能となっている。   The oscillation circuit 43 constitutes AC signal generating means for generating an AC signal such as a sine wave at an arbitrary frequency in the output signal of the cell 10. Specifically, the oscillation circuit 43 can be configured by a load variable device capable of extracting an AC signal having an arbitrary frequency from the cell 10 by a variable resistor or the like. Of course, the oscillation circuit 43 may be configured by an AC applying device that generates an AC signal having an arbitrary frequency by applying an AC signal such as a sine wave to the output signal of the cell 10. The frequency of the alternating current generated by the oscillation circuit 43 can be adjusted by the signal processing circuit 44.

信号処理回路44は、発振回路43にて任意の周波数の交流信号を発生させた際の電流センサ41および電圧センサ42から出力される各検出信号に基づいて、セル10の交流インピーダンスZ(内部インピーダンス)を算出するインピーダンス算出手段を構成している。信号処理回路44は、演算装置45に接続されており、信号処理回路44にて算出した交流インピーダンスZの算出結果が演算装置45に出力されるように構成されている。   The signal processing circuit 44 generates an AC impedance Z (internal impedance) of the cell 10 based on the detection signals output from the current sensor 41 and the voltage sensor 42 when the oscillation circuit 43 generates an AC signal having an arbitrary frequency. ) Is calculated. The signal processing circuit 44 is connected to the arithmetic device 45, and is configured to output the calculation result of the AC impedance Z calculated by the signal processing circuit 44 to the arithmetic device 45.

演算装置45は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路により構成されている。本実施形態の演算装置45は、信号処理回路44にて算出された交流インピーダンスZを補正すると共に、補正した交流インピーダンスZ´(補正インピーダンス)に基づいて、セル10の内部における水素のガス濃度Csを算出する。具体的には、演算装置45では、信号処理回路44にて算出した交流インピーダンスZからセル10内の乾燥に起因する抵抗成分の変化量ΔZを除去する補正を行う。   The arithmetic unit 45 is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The arithmetic unit 45 of the present embodiment corrects the alternating current impedance Z calculated by the signal processing circuit 44 and, based on the corrected alternating current impedance Z ′ (corrected impedance), the hydrogen gas concentration Cs inside the cell 10. Is calculated. Specifically, the arithmetic unit 45 performs correction to remove the resistance component variation ΔZ caused by drying in the cell 10 from the AC impedance Z calculated by the signal processing circuit 44.

なお、本実施形態では、演算装置45における交流インピーダンスZを補正する構成(ハードウェアおよびソフトウェア)をインピーダンス補正手段45aとし、ガス濃度Csを算出する構成を(ハードウェアおよびソフトウェア)をガス濃度算出手段45bとする。   In the present embodiment, the configuration (hardware and software) for correcting the AC impedance Z in the arithmetic unit 45 is the impedance correction means 45a, and the configuration for calculating the gas concentration Cs (hardware and software) is the gas concentration calculation means. 45b.

ここで、セル10の交流インピーダンスZは、セル10内のガス濃度Csに相関関係があることが分かっている。この点について、図3に基づいて説明する。   Here, it is known that the AC impedance Z of the cell 10 has a correlation with the gas concentration Cs in the cell 10. This point will be described with reference to FIG.

図3は、ガス濃度Csの変化による交流インピーダンスZの変化の一例を説明する説明図である。ここで、図3(a)は、セル10の内部が高湿度となる条件(例えば、露点=45℃)で、セル10の出力信号に発生させる周波数を高周波から低周波まで変化させた場合の交流インピーダンスZの実数部Zr(レジスタンス成分)および虚数部Zi(リアクタンス成分)の変化を示したものである。また、図3(b)は、図3(a)の実数部Zrと虚数部Ziとを複素平面状に示したもの(Cole-Coleプロット)である。   FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of a change in AC impedance Z due to a change in gas concentration Cs. Here, FIG. 3A shows a case where the frequency generated in the output signal of the cell 10 is changed from a high frequency to a low frequency under the condition that the inside of the cell 10 becomes high humidity (for example, dew point = 45 ° C.). The change of the real part Zr (resistance component) and the imaginary part Zi (reactance component) of the alternating current impedance Z is shown. FIG. 3B is a complex plane showing the real part Zr and the imaginary part Zi of FIG. 3A (Cole-Cole plot).

なお、図3(a)では、水素のガス濃度Csが高濃度となる条件(例えば、水素濃度=30%)における実数部Zrの変化を白丸、虚数部Ziの変化を黒丸で示し、水素のガス濃度Csが低濃度となる条件(例えば、水素濃度=6.5%)における実数部Zrの変化を白四角、虚数部Ziの変化を黒四角で示している。また、図3(b)では、水素のガス濃度Csが高濃度となる条件におけるプロットを白丸で示し、低濃度となる条件におけるプロットを白四角で示している。   In FIG. 3A, the change in the real part Zr is indicated by a white circle and the change in the imaginary part Zi is indicated by a black circle under the condition that the hydrogen gas concentration Cs is high (for example, hydrogen concentration = 30%). The change of the real part Zr is indicated by a white square and the change of the imaginary part Zi is indicated by a black square under the condition that the gas concentration Cs is low (for example, hydrogen concentration = 6.5%). In FIG. 3B, a plot under a condition where the hydrogen gas concentration Cs is high is indicated by a white circle, and a plot under a condition where the hydrogen gas concentration Cs is low is indicated by a white square.

図3(a)に示すように、セル10の内部が高湿度、かつ、低濃度となる条件(高湿度低濃度条件)における交流インピーダンスZの実数部Zr(白四角)は、セル10の内部が高湿度、かつ、高濃度となる条件(高湿度高濃度条件)における交流インピーダンスZの実数部Zr(白丸)に比べて、低周波帯域(例えば、周波数=0.3〜10Hz)で大幅に増加する傾向がある。また、高湿度低濃度条件における交流インピーダンスZの虚数部Zi(黒四角)は、高湿度高濃度条件における交流インピーダンスZの虚数部Zi(黒丸)に比べて、低周波帯域で大幅に減少する傾向がある。   As shown in FIG. 3A, the real part Zr (white square) of the alternating current impedance Z under the condition that the inside of the cell 10 has high humidity and low concentration (high humidity and low concentration condition) is the inside of the cell 10. Compared with the real part Zr (white circle) of the AC impedance Z under conditions of high humidity and high concentration (high humidity and high concentration conditions), it is greatly reduced in the low frequency band (for example, frequency = 0.3 to 10 Hz). There is a tendency to increase. In addition, the imaginary part Zi (black square) of the AC impedance Z under high humidity and low concentration conditions tends to decrease significantly in the low frequency band as compared to the imaginary part Zi (black circle) of the AC impedance Z under high humidity and high concentration conditions. There is.

そして、図3(b)に示すように、高湿度高濃度条件におけるCole-Coleプロット(白丸)が半円状の軌跡となる一方、高湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロット(白四角)が2つの円弧を組み合わせたような軌跡となる。なお、高湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロット(白四角)は、高周波側(図中左側)に示す円弧状の軌跡が、高湿度高濃度条件におけるCole-Coleプロット(白丸)の軌跡と略一致している。   And, as shown in FIG. 3 (b), the Cole-Cole plot (white circle) in the high humidity and high concentration condition becomes a semicircular locus, while the Cole-Cole plot (white square) in the high humidity and low concentration condition is The locus looks like a combination of two arcs. In the Cole-Cole plot (white square) under high humidity and low concentration conditions, the arc-shaped locus on the high frequency side (left side in the figure) is roughly the same as the locus of the Cole-Cole plot (white circle) under high humidity and high concentration conditions. Match.

このように、セル10の交流インピーダンスZおよびセル10内のガス濃度Csには、セル10の内部における水素のガス濃度Csの減少に伴い、低周波帯域における交流インピーダンスZが増大するといった相関関係があることが分かる。   Thus, the AC impedance Z of the cell 10 and the gas concentration Cs in the cell 10 have a correlation that the AC impedance Z in the low frequency band increases as the hydrogen gas concentration Cs in the cell 10 decreases. I understand that there is.

また、セル10の交流インピーダンスZは、セル10内のガス濃度Cs以外にセル10内の乾燥度合いと相関関係があることが分かっている。この点について、図4に基づいて説明する。   Further, it is known that the AC impedance Z of the cell 10 has a correlation with the degree of drying in the cell 10 other than the gas concentration Cs in the cell 10. This point will be described with reference to FIG.

図4は、セル10内の乾燥度合いの変化による交流インピーダンスZの変化の一例を説明する説明図である。ここで、図4(a)は、セル10の内部が低濃度となる条件(水素濃度=6.5%)で、セル10の出力信号に発生させる周波数を高周波から低周波まで変化させた場合の交流インピーダンスZの実数部Zrおよび虚数部Ziの変化を示したものである。また、図4(b)は、図4(a)のCole-Coleプロットである。   FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an example of a change in the AC impedance Z due to a change in the degree of drying in the cell 10. Here, FIG. 4A shows a case where the frequency generated in the output signal of the cell 10 is changed from a high frequency to a low frequency under the condition that the inside of the cell 10 has a low concentration (hydrogen concentration = 6.5%). The change of the real part Zr and the imaginary part Zi of the alternating current impedance Z is shown. FIG. 4B is a Cole-Cole plot of FIG.

なお、図4(a)では、セル10内が高湿度となる条件(例えば、露点=45°)における実数部Zrの変化を白四角、虚数部Ziの変化を黒四角で示し、セル10内が低湿度となる条件(例えば、露点=35°)における実数部Zrの変化を白三角、虚数部Ziの変化を黒三角で示している。また、図4(b)では、セル10内が高湿度となる条件におけるプロットを白四角で示し、セル10内が低湿度となる条件におけるプロットを白三角で示している。   4A, the change in the real part Zr is indicated by a white square and the change in the imaginary part Zi is indicated by a black square in a condition where the inside of the cell 10 is at high humidity (for example, dew point = 45 °). The change of the real part Zr under the condition of low humidity (for example, dew point = 35 °) is indicated by a white triangle and the change of the imaginary part Zi is indicated by a black triangle. Further, in FIG. 4B, a plot in a condition where the inside of the cell 10 is at high humidity is indicated by a white square, and a plot in a condition where the inside of the cell 10 is at low humidity is indicated by a white triangle.

図4(a)に示すように、セル10の内部が低湿度、かつ、低濃度となる条件(低湿度低濃度条件)における交流インピーダンスZの実数部(白三角)は、高湿度低濃度条件における交流インピーダンスZの実数部(白四角)に比べて全体的に増加する傾向がある。また、高湿度低濃度条件における交流インピーダンスZの虚数部(黒三角)は、高湿度低濃度条件における交流インピーダンスZの虚数部(黒四角)に比べて、若干増加する傾向がある。   As shown in FIG. 4 (a), the real part (white triangle) of the AC impedance Z under the condition that the inside of the cell 10 has low humidity and low concentration (low humidity and low concentration condition) is the high humidity and low concentration condition. Compared to the real part (white square) of the AC impedance Z in FIG. Further, the imaginary part (black triangle) of the alternating current impedance Z under the high humidity and low concentration condition tends to slightly increase compared to the imaginary part (black square) of the alternating current impedance Z under the high humidity and low concentration condition.

そして、図4(b)に示すように、低湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロット(白三角)は、高湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロット(白四角)と異なり、高周波側(図中左側)が、直線部を含む円弧状の軌跡となる。そして、低湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロット(白四角)は、直線部以降の低周波側(図中右側)が、高湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロット(白三角)に対して、実数部Zrを高レジスタンス側(図中右側)に平行移動した形状に近似する。   And, as shown in FIG. 4 (b), the Cole-Cole plot (white triangle) in the low humidity and low concentration condition is different from the Cole-Cole plot (white square) in the high humidity and low concentration condition (in the figure). The left side) is an arc-shaped locus including a straight line portion. And the Cole-Cole plot (white square) in the low humidity and low concentration condition shows that the low frequency side (right side in the figure) after the straight line part is the Cole-Cole plot (white triangle) in the high humidity and low concentration condition. The real part Zr is approximated to a shape translated from the high resistance side (right side in the figure).

ここで、セル10の内部が高湿度となる場合のセル10の等価回路は、図5(a)に示すように、電気二重層によるコンデンサ成分Cd、当該コンデンサ成分Cdに並列に接続されるファラデーインピーダンスZ、およびこれらと直列に接続される電解質膜101の膜抵抗Roからなる一般的な等価回路で示すことができる。 Here, as shown in FIG. 5A, an equivalent circuit of the cell 10 when the inside of the cell 10 is at high humidity is a capacitor component Cd by an electric double layer and a Faraday connected in parallel to the capacitor component Cd. It can be shown by a general equivalent circuit composed of the impedance Z f and the membrane resistance Ro of the electrolyte membrane 101 connected in series therewith.

これに対して、セル10の内部が低湿度となる場合のセル10の等価回路は、図5(b)に示すように、一般的な等価回路ではなく、分布定数回路で示すことができる。なお、図5(b)に示す等価回路中のRporeは、セル10の電解質膜101や電極102、103内に含まれる微小粒子による抵抗を示している。 On the other hand, the equivalent circuit of the cell 10 when the inside of the cell 10 has low humidity can be represented by a distributed constant circuit, not a general equivalent circuit, as shown in FIG. Note that R pore in the equivalent circuit shown in FIG. 5B indicates resistance due to fine particles contained in the electrolyte membrane 101 and the electrodes 102 and 103 of the cell 10.

セル10の内部が乾燥して低湿度となる場合には、等価回路中の抵抗Rporeの抵抗値が増大し、この抵抗Rporeの抵抗値の増大が、低濃度となる条件におけるCole-Coleプロットの直線部として現れ、直線部以降の低周波側の実数部Zrが高レジスタンス側に平行移動した形状となる。なお、セル10の内部が高湿度となる場合には、図5(b)に示す等価回路中の抵抗Rporeの抵抗値が非常に小さく、無視できることから、一般的な等価回路で示すことができる。 When the inside of the cell 10 is dried and becomes low humidity, the resistance value of the resistance R pore in the equivalent circuit increases, and the increase in the resistance value of the resistance R pore is a Cole-Cole under the condition of low concentration. It appears as a straight line part of the plot, and the real part Zr on the low frequency side after the straight line part is translated to the high resistance side. Note that when the inside of the cell 10 has high humidity, the resistance value of the resistor R pore in the equivalent circuit shown in FIG. 5B is very small and can be ignored. it can.

このように、セル10の交流インピーダンスZおよびセル10内の乾燥度合いには、セル10内が低湿度となると、低周波帯域において交流インピーダンスZの実数部Zrが全体的に増加するといった相関関係がある。   Thus, the AC impedance Z of the cell 10 and the degree of dryness in the cell 10 have a correlation that the real part Zr of the AC impedance Z generally increases in the low frequency band when the inside of the cell 10 becomes low humidity. is there.

次に、本実施形態において、インピーダンス補正手段にて行う交流インピーダンスZの補正方法について図6、図7に基づいて説明する。   Next, in the present embodiment, a method for correcting the AC impedance Z performed by the impedance correcting means will be described with reference to FIGS.

図6は、図4(b)に示すCole-Coleプロットの模式図である。図6では、低湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロットの軌跡を実線で示し、高湿度低濃度条件におけるCole-Coleプロットの軌跡を破線で示している。なお、説明の便宜のため、図6では、高湿度低濃度条件における電解質膜101の膜抵抗Roを除去した交流インピーダンスの変化を示している。   FIG. 6 is a schematic diagram of the Cole-Cole plot shown in FIG. In FIG. 6, the locus of the Cole-Cole plot under the low humidity and low concentration condition is indicated by a solid line, and the locus of the Cole-Cole plot under the high humidity and low concentration condition is indicated by a broken line. For convenience of explanation, FIG. 6 shows a change in AC impedance from which the membrane resistance Ro of the electrolyte membrane 101 is removed under high humidity and low concentration conditions.

図6に示すように、低湿度低濃度条件では、セル10内の乾燥(低湿度)の影響によって、例えば、高湿度低濃度条件の高周波側(図中左側)に示す円弧状の軌跡の頂部X1が、高周波側に示す円弧状の軌跡の頂部X2まで高レジスタンス側に平行移動する。なお、円弧状の軌跡の頂部は、虚数部におけるピーク値を意味している。   As shown in FIG. 6, in the low humidity and low concentration condition, for example, the top of the arc-shaped locus shown on the high frequency side (left side in the figure) of the high humidity and low concentration condition due to the influence of drying (low humidity) in the cell 10 X1 moves parallel to the high resistance side to the top X2 of the arc-shaped locus shown on the high frequency side. Note that the top of the arc-shaped locus means the peak value in the imaginary part.

この平行移動した実数部の移動量は、セル10の内部が乾燥することに起因して生ずる抵抗成分の変化量ΔZとして考えることができ、頂部X1の座標(Zr2、Zi2)における実数部と虚数部とを合算した合計値(Zr2+Zi2:Zr2≧0、Zi2≦0)と推定することができる。   The movement amount of the real part that has been translated can be considered as a change ΔZ of the resistance component caused by the inside of the cell 10 being dried, and the real part and the imaginary number in the coordinates (Zr2, Zi2) of the top X1. It is possible to estimate a total value (Zr2 + Zi2: Zr2 ≧ 0, Zi2 ≦ 0).

この点について図7に基づいて説明する。まず、低湿度低濃度条件における高周波側に示す円弧状の軌跡の直線部を、頂部X2における虚数部Zi2の絶対値|Zi2|を半径とした円弧(仮想線L)で置き換える。そうすると、図7に示すように、仮想線Lを含む低湿度低濃度条件のCole-Coleプロットの軌跡が、高湿度低濃度条件のCole-Coleプロットの軌跡を、抵抗成分の変化量ΔZだけ高レジスタンス側に平行移動した形状と近似する。   This point will be described with reference to FIG. First, the straight line portion of the arc-shaped locus shown on the high frequency side in the low humidity and low concentration condition is replaced with an arc (virtual line L) with the absolute value | Zi2 | of the imaginary part Zi2 at the top X2 as a radius. Then, as shown in FIG. 7, the locus of the Cole-Cole plot under the low humidity and low concentration condition including the virtual line L is higher than the locus of the Cole-Cole plot under the high humidity and low concentration condition by the change amount ΔZ of the resistance component. It approximates the shape translated to the resistance side.

ここで、仮想線Lと実数部の軸との交点X3(座標(Zr2−|Zi2|、0))は、高湿度低濃度条件における高周波側に示す円弧状の軌跡と実数部の軸との交点X4(座標(0、0))が、高レジスタンス側に平行移動したと考えることができる。   Here, the intersection X3 (coordinates (Zr2- | Zi2 |, 0)) between the virtual line L and the real part axis is the arc-shaped locus shown on the high frequency side in the high humidity and low concentration condition and the real part axis. It can be considered that the intersection point X4 (coordinates (0, 0)) has moved parallel to the high resistance side.

このため、セル10の内部の乾燥に起因して変化する抵抗成分の変化量ΔZは、交点X3における実数部であるZr2−|Zi2|で近似することができる。なお、虚数部の値は、0以下となるので、抵抗成分の変化量ΔZは、Zr2+Zi2として表すこともできる。   Therefore, the resistance component variation ΔZ that changes due to the drying of the inside of the cell 10 can be approximated by Zr2− | Zi2 | that is a real part at the intersection X3. Since the value of the imaginary part is 0 or less, the change amount ΔZ of the resistance component can also be expressed as Zr2 + Zi2.

従って、セル10の内部が低湿度となる場合に算出した交流インピーダンスの実数部から抵抗成分の変化量ΔZを減算することで、セル10の内部が乾燥することで生ずる抵抗成分を除去した交流インピーダンスZc(補正インピーダンス)を算出することができる。   Accordingly, by subtracting the resistance component change ΔZ from the real part of the AC impedance calculated when the inside of the cell 10 is in a low humidity, the AC impedance in which the resistance component generated by drying the inside of the cell 10 is removed. Zc (correction impedance) can be calculated.

次に、ガス濃度の算出方法について説明する。本実施形態では、ガス濃度Csと交流インピーダンスZとの関係を規定した関数Cs=f(Z)を用いて算出する。この関数の一例としては、下記数1で示す理論式とすることができる。   Next, a method for calculating the gas concentration will be described. In the present embodiment, calculation is performed using a function Cs = f (Z) that defines the relationship between the gas concentration Cs and the AC impedance Z. As an example of this function, the theoretical formula shown by the following formula 1 can be used.

Figure 0005585248
ここで、「A」は定数、「I」は電流(発電電流)、「Ro」は膜抵抗、「ω」は交流の角周波数、「Cd」はコンデンサ成分、「D」は拡散係数、「δ」は電極における拡散層の厚さ、「n」は電極反応に寄与した電子数、「F」はファラデー定数、「b」はターフェル係数を示している。
Figure 0005585248
Here, “A” is a constant, “I” is a current (generated current), “Ro” is a membrane resistance, “ω” is an AC angular frequency, “Cd” is a capacitor component, “D” is a diffusion coefficient, “ “δ” is the thickness of the diffusion layer in the electrode, “n” is the number of electrons contributing to the electrode reaction, “F” is the Faraday constant, and “b” is the Tafel coefficient.

この数1で示す理論式は、下記数2〜数7に示す数式(非特許文献1参照)から導出することができる。   The theoretical formula shown by the formula 1 can be derived from the formulas shown in the following formulas 2 to 7 (see Non-Patent Document 1).

Figure 0005585248
ここで、数2に示す数式に示す「k」は、電極における反応速度定数である。なお、数2に示す数式は、電極反応速度を示す電流(発電電流)を導出する式である。
Figure 0005585248
Here, “k” shown in the mathematical formula 2 is a reaction rate constant in the electrode. In addition, the numerical formula shown in Formula 2 is an expression for deriving a current (generated current) indicating the electrode reaction rate.

Figure 0005585248
数3に示す数式は、図5(a)に示す一般的な等価回路におけるファラデーインピーダンスZを示す式である。
Figure 0005585248
Formula shown in Formula 3 is a formula showing the Faraday impedance Z f in the general equivalent circuit shown in Figure 5 (a).

Figure 0005585248
ここで、数4に示す数式に示す「J」は、電極における拡散のフラックスを示している。なお、数4に示す数式は、電流変化量および電圧変化量からファラデーインピーダンスZを導出する示す式である。
Figure 0005585248
Here, “J” shown in the mathematical formula 4 represents the diffusion flux in the electrode. Incidentally, the formula shown in Formula 4 is a formula showing deriving a Faraday impedance Z f from the current change amount and the voltage change amount.

Figure 0005585248
数5に示す数式は、電位Eの変化量ΔEに対するガス濃度Csの変化量ΔCsを示す式である。
Figure 0005585248
The numerical formula shown in Equation 5 is an expression showing the change amount ΔCs of the gas concentration Cs with respect to the change amount ΔE of the potential E.

Figure 0005585248
数6に示す数式は、フラックスの変化ΔJとガス濃度の変化ΔCsとの関係を示す式である。
Figure 0005585248
The mathematical formula shown in Equation 6 is a formula showing the relationship between the flux change ΔJ and the gas concentration change ΔCs.

Figure 0005585248
数7に示す数式は、数2で示す数式から導出される反応速度定数kとガス濃度Csとの関係を示す式である。
Figure 0005585248
The equation shown in Equation 7 is an equation showing the relationship between the reaction rate constant k derived from the equation shown in Equation 2 and the gas concentration Cs.

ここで、数3〜数7に示す数式から数1に示す理論式の導出過程にてついて簡単に説明すると、まず、数4に示す数式に、数5で示す数式の「ΔCs/ΔE」、数6で示す数式の「ΔJ/ΔCs」、さらに、数7で示す数式の「k」を代入する。そして、数4で示す数式に、数3で示す「1/Z」を代入し、当該数式を整理することで数1に示す理論式を導出することができる。 Here, the process of deriving the theoretical formula shown in the formula 1 from the formulas shown in the formulas 3 to 7 will be briefly described. First, the formula shown in the formula 4 is changed to “ΔCs / ΔE” of the formula shown in the formula 5. Substituting “ΔJ / ΔCs” in the equation shown in Equation 6 and “k” in the equation shown in Equation 7. Then, by substituting “1 / Z f ” shown in Equation 3 into the equation shown in Equation 4 and rearranging the equation, the theoretical equation shown in Equation 1 can be derived.

このように、数1で示す理論式を用いることで、セル10の交流インピーダンスZからガス濃度を算出することが可能となる。なお、数1で示す理論式の交流インピーダンスZ以外のパラメータ(A、I、Ro、ω、Cd、D、δ、n、F、b)については、セル10の出力信号に発生させる周波数を高周波から低周波まで変化させた際に、数1に示す理論式で算出したガス濃度Csの算出結果と、ガス濃度Csの実測値との誤差が最も小さくなるように、予め最小二乗法等の計算手法にて算出すればよい。   As described above, the gas concentration can be calculated from the AC impedance Z of the cell 10 by using the theoretical formula expressed by Equation (1). For parameters (A, I, Ro, ω, Cd, D, δ, n, F, b) other than the AC impedance Z of the theoretical formula shown in Equation 1, the frequency generated in the output signal of the cell 10 is a high frequency. In order to minimize the error between the calculation result of the gas concentration Cs calculated by the theoretical formula shown in Equation 1 and the actual measurement value of the gas concentration Cs when the frequency is changed from low to low frequency, a calculation such as the least square method is performed in advance. What is necessary is just to calculate by a method.

次に、本実施形態のガス濃度測定装置40の演算装置45にて行う制御処理について図8に基づいて説明する。図8は、ガス濃度測定装置の演算装置45にて行う制御処理を示すフローチャートである。図8の制御ルーチンは、演算装置45にて実行されるメイン制御ルーチンのサブルーチンとして実行される。   Next, a control process performed by the arithmetic device 45 of the gas concentration measuring device 40 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart showing a control process performed by the arithmetic unit 45 of the gas concentration measuring apparatus. The control routine of FIG. 8 is executed as a subroutine of a main control routine executed by the arithmetic unit 45.

まず、図8に示す制御ルーチンを開始する前の前処理として、セル10の出力信号に発生させる周波数を高周波から低周波まで変化させた際に、Cole-Coleプロットにおける高周波側の円弧の頂部に達したときの周波数(例えば、20Hz)を算出する。そして、当該周波数を基準周波数foとして演算装置45の記憶部に記憶する。なお、基準周波数foは、セル10の電極反応の等価回路における共振周波数に相当する周波数である。   First, as pre-processing before starting the control routine shown in FIG. 8, when the frequency generated in the output signal of the cell 10 is changed from a high frequency to a low frequency, the top of the high frequency side arc in the Cole-Cole plot is displayed. The frequency (for example, 20 Hz) when reaching is calculated. And the said frequency is memorize | stored in the memory | storage part of the arithmetic unit 45 as the reference frequency fo. The reference frequency fo is a frequency corresponding to the resonance frequency in the equivalent circuit of the electrode reaction of the cell 10.

また、セル10の内部が高湿度となる条件におけるセル10における電解質膜101の膜抵抗Roを算出し、膜抵抗Roを演算装置45の記憶部に記憶する。なお、電解質膜101の膜抵抗Roは、高湿度条件において、セル10の出力信号に発生させる周波数を上昇させた際に、収束する収束値、すなわち、Cole-Coleプロットで示す高周波側の円弧状の軌跡と、実数部Zrの軸とが交わるときの交流インピーダンスZの実数部Zrに相当する。   Further, the membrane resistance Ro of the electrolyte membrane 101 in the cell 10 under the condition that the inside of the cell 10 is at high humidity is calculated, and the membrane resistance Ro is stored in the storage unit of the arithmetic device 45. Note that the membrane resistance Ro of the electrolyte membrane 101 is a convergent value that converges when the frequency generated in the output signal of the cell 10 is increased under high humidity conditions, that is, a high-frequency side arc shape indicated by a Cole-Cole plot. Corresponds to the real part Zr of the AC impedance Z when the trajectory and the axis of the real part Zr intersect.

上述の前処理を行った後、図8に示す制御ルーチンが実行されると、演算装置45の記憶部に記憶された基準周波数foの交流信号をセル10の出力信号に発生させ、電流センサ41および電圧センサ42の検出信号を読み込む(S10)。そして、各センサ41、42の検出信号に基づいて、基準周波数foにおけるセル10の交流インピーダンスZoを算出する(S20)。   When the control routine shown in FIG. 8 is executed after performing the above-described preprocessing, an AC signal having a reference frequency fo stored in the storage unit of the arithmetic unit 45 is generated in the output signal of the cell 10, and the current sensor 41 And the detection signal of the voltage sensor 42 is read (S10). Based on the detection signals of the sensors 41 and 42, the AC impedance Zo of the cell 10 at the reference frequency fo is calculated (S20).

次に、S20にて算出した交流インピーダンスZoの実数部Zroおよび虚数部Zioに基づいて、乾燥に起因して生ずる抵抗成分の変化量ΔZを算出する(S30)。具体的には、基準周波数foにおける交流インピーダンスZoの実数部Zro(≧0)および虚数部Zio(≦0)の合計値(Zro+Zio)を抵抗成分の変化量ΔZとして算出する。   Next, based on the real part Zro and the imaginary part Zio of the AC impedance Zo calculated in S20, a resistance component variation ΔZ caused by drying is calculated (S30). Specifically, the total value (Zro + Zio) of the real part Zro (≧ 0) and the imaginary part Zio (≦ 0) of the AC impedance Zo at the reference frequency fo is calculated as the resistance component change amount ΔZ.

なお、電解質膜101の膜抵抗Roが抵抗成分の変化量ΔZに対して無視できない場合には、交流インピーダンスZoの実数部Zroおよび虚数部Zioの合計値から、前処理にて算出した膜抵抗Roを減算した値を抵抗成分の変化量ΔZとしてもよい。   When the membrane resistance Ro of the electrolyte membrane 101 cannot be ignored with respect to the change amount ΔZ of the resistance component, the membrane resistance Ro calculated in the preprocessing from the total value of the real part Zro and the imaginary part Zio of the AC impedance Zo. A value obtained by subtracting may be used as the resistance component change amount ΔZ.

次に、基準周波数よりも低い低周波帯域における測定周波数fの交流信号をセル10の出力信号に発生させ、当該測定周波数fにおけるセル10の交流インピーダンスZを算出する(S40)。なお、測定周波数fは、基準周波数foよりも低い低周波帯域内の任意の周波数を設定することができる。なお、測定周波数fは、水素濃度Csの変化が大きい周波数に設定することが望ましい。   Next, an AC signal of the measurement frequency f in the low frequency band lower than the reference frequency is generated in the output signal of the cell 10, and the AC impedance Z of the cell 10 at the measurement frequency f is calculated (S40). The measurement frequency f can be set to an arbitrary frequency within a low frequency band lower than the reference frequency fo. The measurement frequency f is preferably set to a frequency at which the change in the hydrogen concentration Cs is large.

次に、S40にて算出した交流インピーダンスZの実数部ZrからS30にて算出した抵抗成分の変化量ΔZを減算することで、補正インピーダンスZ´を算出する(S50)。   Next, the correction impedance Z ′ is calculated by subtracting the resistance component variation ΔZ calculated in S30 from the real part Zr of the AC impedance Z calculated in S40 (S50).

これにより、図9に示すように、補正インピーダンスZ´のCole-Coleプロットの軌跡(実線)は、補正前の交流インピーダンスのCole-Coleプロットの軌跡(破線)に対して、抵抗成分の変化量ΔZだけ低レジスタンス側に平行移動することとなる。なお、補正インピーダンスZ´は、実数部Zr´がZr−(Zro+Zio)となり、虚数部Zi´がZiとなる。   As a result, as shown in FIG. 9, the locus (solid line) of the Cole-Cole plot of the corrected impedance Z ′ is the amount of change in the resistance component with respect to the locus (dashed line) of the Cole-Cole plot of the AC impedance before correction. This translates to the low resistance side by ΔZ. In the correction impedance Z ′, the real part Zr ′ is Zr− (Zro + Zio), and the imaginary part Zi ′ is Zi.

次に、S50にて算出した補正インピーダンスZ´を算出した後、水素のガス濃度Cs(水素濃度)を算出する(S60)。水素のガス濃度Csは、上述した数1に示す数式の交流インピーダンスZに、S50にて算出した補正インピーダンスZ´を代入することで算出することができる。   Next, after calculating the corrected impedance Z ′ calculated in S50, the hydrogen gas concentration Cs (hydrogen concentration) is calculated (S60). The gas concentration Cs of hydrogen can be calculated by substituting the corrected impedance Z ′ calculated in S50 for the AC impedance Z expressed by Equation 1 described above.

次に、測定周波数fを変更して水素濃度を算出するか否かを判定する(S70)。当該判定にて測定周波数fを変更して水素濃度を算出すると判定された場合(S70:YES)には、S80に移行して測定周波数fを変更し、S40に戻る。一方、測定周波数fを変更して水素濃度を算出しないと判定された場合(S70:NO)には、メイン制御ルーチンに戻る。   Next, it is determined whether to change the measurement frequency f to calculate the hydrogen concentration (S70). If it is determined in this determination that the measurement frequency f is changed to calculate the hydrogen concentration (S70: YES), the process proceeds to S80, where the measurement frequency f is changed, and the process returns to S40. On the other hand, when it is determined not to calculate the hydrogen concentration by changing the measurement frequency f (S70: NO), the process returns to the main control routine.

メイン制御ルーチンでは、所定周期毎に図8の制御ルーチンを呼び出す場合、S30の処理(基準周波数における交流インピーダンスZoの算出処理)とS60の処理(ガス濃度Csの算出処理)の実行タイミングは、図10に示すように、S30の処理を終えてからS60の処理を複数回実行することとなる。   In the main control routine, when the control routine of FIG. 8 is called at predetermined intervals, the execution timing of the processing of S30 (calculation processing of AC impedance Zo at the reference frequency) and the processing of S60 (calculation processing of gas concentration Cs) is shown in FIG. As shown in FIG. 10, after the process of S30 is completed, the process of S60 is executed a plurality of times.

以上説明した本実施形態では、燃料電池1のセル10内の乾燥に起因する抵抗成分の変化量ΔZに基づいて交流インピーダンスZを補正する。そして、補正した交流インピーダンスZ´(補正インピーダンス)を用いてセル10の水素のガス濃度Csを算出する。   In the present embodiment described above, the AC impedance Z is corrected based on the resistance component change amount ΔZ caused by drying in the cells 10 of the fuel cell 1. Then, the hydrogen gas concentration Cs of the cell 10 is calculated using the corrected AC impedance Z ′ (corrected impedance).

このように、燃料電池1のセル10内の乾燥によって変化する交流インピーダンスを補正することで、セル10内における水素のガス濃度Csの実測値と測定値との乖離を抑制することができるので、水素のガス濃度Csの測定精度を向上させることが可能となる。   As described above, by correcting the AC impedance that changes due to drying in the cell 10 of the fuel cell 1, it is possible to suppress the deviation between the measured value and the measured value of the hydrogen gas concentration Cs in the cell 10, It becomes possible to improve the measurement accuracy of the hydrogen gas concentration Cs.

(他の実施形態)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, Unless it deviates from the range described in each claim, it is not limited to the wording of each claim, and those skilled in the art Improvements based on the knowledge that a person skilled in the art normally has can be added as appropriate to the extent that they can be easily replaced. For example, various modifications are possible as follows.

(1)上述の実施形態では、ガス濃度測定装置40の演算装置45と、燃料電池システムの制御装置50とを別体で構成したが、演算装置45と制御装置50とを共通の制御手段として一体化してもよい。   (1) In the above-described embodiment, the arithmetic device 45 of the gas concentration measuring device 40 and the control device 50 of the fuel cell system are configured separately, but the arithmetic device 45 and the control device 50 are used as a common control means. It may be integrated.

(2)上述の実施形態では、補正インピーダンスZ´を数1に示す理論式を用いてセル10内の水素濃度の算出する構成としているが、これに限定されない。例えば、補正インピーダンスとセル10内の水素濃度とを関連付けた制御マップを予め用意し、当該制御マップを参照して、セル10内の水素濃度Csの算出する構成としてもよい。   (2) In the above-described embodiment, the correction impedance Z ′ is configured to calculate the hydrogen concentration in the cell 10 using the theoretical formula shown in Equation 1, but is not limited thereto. For example, a control map that associates the corrected impedance with the hydrogen concentration in the cell 10 may be prepared in advance, and the hydrogen concentration Cs in the cell 10 may be calculated with reference to the control map.

(3)上述の実施形態の演算装置45では、基準周波数foにおける交流インピーダンスZoの算出処理を終えてからガス濃度Csの算出処理を複数回実行するようにしているが、これに限らず、基準周波数foにおける交流インピーダンスZoの算出処理を終えてからガス濃度Csの算出処理を一回実行するようにしてもよい。   (3) In the arithmetic unit 45 of the above-described embodiment, the calculation process of the gas concentration Cs is executed a plurality of times after the calculation process of the AC impedance Zo at the reference frequency fo is completed. The calculation process of the gas concentration Cs may be executed once after the calculation process of the AC impedance Zo at the frequency fo is completed.

(4)上述の実施形態では、ガス濃度測定装置40によって、燃料電池1のセル10内の水素濃度Csを測定する構成としているが、燃料電池1のセル10内の酸素濃度を測定する構成としてもよい。   (4) In the above-described embodiment, the gas concentration measuring device 40 is configured to measure the hydrogen concentration Cs in the cell 10 of the fuel cell 1, but the oxygen concentration in the cell 10 of the fuel cell 1 is measured. Also good.

(5)上述の実施形態では、ガス濃度測定装置40を燃料電池システムに適用しているが、ガス濃度測定装置40は、燃料電池システムに限らず、電解質を一対の電極で狭持し、内部の乾燥によって内部インピーダンスZの抵抗成分が変化する電気化学セルを備える様々な電気化学装置に適用することができる。   (5) In the above-described embodiment, the gas concentration measuring device 40 is applied to the fuel cell system. However, the gas concentration measuring device 40 is not limited to the fuel cell system, and the electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes. It can be applied to various electrochemical devices including electrochemical cells in which the resistance component of the internal impedance Z changes by drying.

10 電気化学セル
101 電解質膜(電解質)
102 水素極(アノード電極)
103 空気極(カソード電極)
41 電流センサ(電流検出手段)
42 電圧センサ(電圧検出手段)
43 発振回路(交流信号発生手段)
44 信号処理回路(インピーダンス算出手段)
45 演算装置
45a インピーダンス補正手段
45b ガス濃度算出手段
10 Electrochemical cell 101 Electrolyte membrane (electrolyte)
102 Hydrogen electrode (anode electrode)
103 Air electrode (cathode electrode)
41 Current sensor (current detection means)
42 Voltage sensor (voltage detection means)
43 Oscillation circuit (AC signal generating means)
44 Signal processing circuit (impedance calculation means)
45 arithmetic unit 45a impedance correction means 45b gas concentration calculation means

Claims (1)

電解質(101)を一対の電極(102、103)で狭持した電気化学セル(10)の内部に供給された反応ガスのガス濃度(Cs)を測定するガス濃度測定装置であって、
前記電気化学セル(10)の出力電流を検出する電流検出手段(41)と、
前記電気化学セル(10)の出力電圧を検出する電圧検出手段(42)と、
前記電気化学セル(10)の出力信号に任意の周波数の交流信号を発生させる交流信号発生手段(43)と、
前記出力信号に前記交流信号を発生させた際の前記出力電流および前記出力電圧に基づいて、前記電気化学セル(10)の交流インピーダンス(Z)を算出するインピーダンス算出手段(44)と、
前記インピーダンス算出手段(44)にて算出された前記交流インピーダンス(Z)を補正するインピーダンス補正手段(45a)と、
前記インピーダンス補正手段(Z)にて補正した補正インピーダンス(Z´)に基づいて、前記反応ガスのガス濃度を算出するガス濃度算出手段(45b)と、を備え、
前記インピーダンス補正手段(45a)は、
前記出力信号に発生させる前記交流信号の周波数を高周波から低周波へと変化させた際に、前記高周波側の前記交流インピーダンス(Z)の実数部および虚数部がなす円弧状の軌跡の頂部に達したときの周波数を基準周波数(fo)とし、前記基準周波数(fo)における前記交流インピーダンス(Zo)の実数部(Zro)と虚数部(Zio)とを合算した合計値(Zro+Zio)を前記電気化学セル(10)の内部の乾燥に起因する抵抗成分の変化量(ΔZ)として算出し、前記合計値(Zro+Zio)を前記基準周波数(fo)よりも低い低周波帯域における前記交流インピーダンスの実数部(Zr)から減算することで前記低周波帯域における前記交流インピーダンスを補正することを特徴とするガス濃度測定装置。
A gas concentration measuring device for measuring a gas concentration (Cs) of a reaction gas supplied into an electrochemical cell (10) in which an electrolyte (101) is held between a pair of electrodes (102, 103),
Current detection means (41) for detecting the output current of the electrochemical cell (10);
Voltage detection means (42) for detecting the output voltage of the electrochemical cell (10);
AC signal generating means (43) for generating an AC signal having an arbitrary frequency as an output signal of the electrochemical cell (10);
Impedance calculating means (44) for calculating an alternating current impedance (Z) of the electrochemical cell (10) based on the output current and the output voltage when the alternating signal is generated in the output signal;
Impedance correction means (45a) for correcting the AC impedance (Z) calculated by the impedance calculation means (44);
Gas concentration calculation means (45b) for calculating the gas concentration of the reaction gas based on the corrected impedance (Z ′) corrected by the impedance correction means (Z),
The impedance correction means (45a)
When the frequency of the AC signal generated in the output signal is changed from a high frequency to a low frequency, the peak of the arc-shaped locus formed by the real part and the imaginary part of the AC impedance (Z) on the high frequency side is reached. The frequency obtained by setting the reference frequency (fo) as the reference frequency (fo), and adding the real part (Zro) and imaginary part (Zio) of the AC impedance (Zo) at the reference frequency (fo) to the sum (Zro + Zio) Calculated as a change amount (ΔZ) of the resistance component due to drying inside the cell (10), and the total value (Zro + Zio) is a real part of the AC impedance in a low frequency band lower than the reference frequency (fo) ( A gas concentration measuring device for correcting the AC impedance in the low frequency band by subtracting from Zr) .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5119565B2 (en) * 2001-09-12 2013-01-16 株式会社デンソー Fuel cell system
JP4488284B2 (en) * 2003-09-30 2010-06-23 独立行政法人産業技術総合研究所 Soundness evaluation method and soundness evaluation apparatus for solid oxide fuel cell
JP3965403B2 (en) * 2004-09-22 2007-08-29 日本特殊陶業株式会社 Gas sensor and gas concentration measuring method
JP4821962B2 (en) * 2005-06-30 2011-11-24 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP4807000B2 (en) * 2005-08-09 2011-11-02 トヨタ自動車株式会社 Performance degradation determination apparatus and method
JP5288166B2 (en) * 2008-08-18 2013-09-11 横河電機株式会社 Battery impedance evaluation method and impedance evaluation apparatus
JP5338903B2 (en) * 2009-05-08 2013-11-13 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell hydrogen concentration estimation device, fuel cell system

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