(57)【要約】【課題】非線形反応に起因する現象や非線形反応の程度を利用することで電気化学反応に関する詳細な計測が可能な電気化学反応計測方法および電気化学反応計測装置を提供する。【解決手段】振幅制御手段３１は、電池１に与える摂動信号の振幅を変化させる。応答信号取得手段３２は、振幅制御手段３１により変化する摂動信号の振幅に応じた応答信号を取得する。また、演算部３２において電池１のインピーダンスを算出する。ここでは、応答信号取得手段３２により取得された応答信号に基づき、電池１のインピーダンス（Ｚ，θ）を算出する。【選択図】図１
2010281588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物に摂動信号を与え、応答信号に基づいて前記被計測物の電気化学反応に関する計測を行う電気化学反応計測方法において、
前記摂動信号の振幅を変化させるステップと、
前記振幅を変化させるステップにより変化する摂動信号の振幅に応じた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電気化学反応計測方法。
【請求項２】
前記応答信号を取得するステップにより取得された応答信号に基づいて、前記摂動信号の振幅に応じた前記被計測物のインピーダンス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に記載の電気化学反応計測方法。
【請求項３】
前記応答信号を取得するステップにより取得された応答信号に基づいて、前記被計測物のインピーダンスの非線形性が現れる前記摂動信号の振幅を取得するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の電気化学反応計測方法。
【請求項４】
前記応答信号を取得するステップにより取得された応答信号の周波数スペクトル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に記載の電気化学反応計測方法。
【請求項５】
前記周波数スペクトルは応答信号を取得するステップにより取得された応答信号の振幅スペクトルまたは位相スペクトルであることを特徴とする請求項４に記載の電気化学反応計測方法。
【請求項６】
被計測物に摂動信号を与え、応答信号に基づいて前記被計測物の電気化学反応に関する計測を行う電気化学反応計測装置において、
前記摂動信号の振幅を変化させる振幅制御手段と、
前記振幅制御手段により変化する摂動信号の振幅に応じた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電気化学反応計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物に摂動信号を与え、応答信号に基づいて前記被計測物の電気化学反応に関する計測を行う電気化学反応計測方法および電気化学反応計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、その他の電池のインピーダンスを計測する方法として、電池に摂動信号を与え、そのときの応答信号に基づいてインピーダンスを算出する方法が知られている。この方法では、ある動作点（出力電流Ｉｄｃ、出力電圧Ｖｄｃ）での発電を行い、さらに周波数ｆ１の交流電流摂動Ｉａｃを重畳させ、その電圧応答信号Ｖａｃを取得し、周波数ｆ１におけるインピーダンスを算出する。あるいは上記動作点で周波数ｆ１の交流電圧摂動Ｖａｃを重畳させ、その電流応答信号Ｉａｃを取得し、周波数ｆ１におけるインピーダンスを算出する。例えば、二次電池などで残容量（ＳＯＣ；State of Charge）を揃えた状態でのインピーダンス計測が必要な場合には、電池のＳＯＣを所望状態に設定後、上記出力電流Ｉｄｃをゼロにして（あるいは、出力電圧Ｖｄｃを固定して）交流摂動を印加し、そのときの応答信号に基づいてインピーダンスを計測する。
【０００３】
一般に電気化学反応は非線形反応と考えられており、そのインピーダンス計測については、交流の摂動電圧幅あるいは摂動電流幅を小さくすることで、系を線形近似しても問題のない範囲、すなわち誤差が許容される領域での計測を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２５０３６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非線形現象を線形近似するための条件についての取り決めはなく、摂動電圧幅あるいは摂動電流幅を可能な限り小さくし、あるいは予め定められた摂動電圧値あるいは摂動電流値を適用しており、最適な摂動信号の信号幅についての検討はなされていない。
【０００６】
また、非線形反応に起因して生ずる応答信号の波形ひずみの程度等を電気化学反応の解析に利用する手法等も提案されていない。
【０００７】
本発明の目的は、非線形反応に起因する現象や非線形反応の程度を利用することで電気化学反応に関する詳細な計測が可能な電気化学反応計測方法および電気化学反応計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電気化学反応計測方法は、被計測物に摂動信号を与え、応答信号に基づいて前記被計測物の電気化学反応に関する計測を行う電気化学反応計測方法において、前記摂動信号の振幅を変化させるステップと、前記振幅を変化させるステップにより変化する摂動信号の振幅に応じた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。
この電気化学反応計測方法によれば、摂動信号の振幅を変化させるとともに、摂動信号の振幅に応じた応答信号を取得するので、非線形反応に起因する現象や非線形反応の程度を利用した計測が可能となる。
【０００９】
前記応答信号を取得するステップにより取得された応答信号に基づいて、前記摂動信号の振幅に応じた前記被計測物のインピーダンスを算出するステップを備えてもよい。
【００１０】
前記応答信号を取得するステップにより取得された応答信号に基づいて、前記被計測物のインピーダンスの非線形性が現れる前記摂動信号の振幅を取得するステップを備えてもよい。
【００１１】
前記応答信号を取得するステップにより取得された応答信号の周波数スペクトルを算出するステップを備えてもよい。
【００１２】
前記周波数スペクトルは応答信号を取得するステップにより取得された応答信号の振幅スペクトルまたは位相スペクトルであってもよい。
【００１３】
本発明の電気化学反応計測装置は、被計測物に摂動信号を与え、応答信号に基づいて前記被計測物の電気化学反応に関する計測を行う電気化学反応計測装置において、前記摂動信号の振幅を変化させる振幅制御手段と、前記振幅制御手段により変化する摂動信号の振幅に応じた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。
この電気化学反応計測装置によれば、摂動信号の振幅を変化させるとともに、摂動信号の振幅に応じた応答信号を取得するので、非線形反応に起因する現象や非線形反応の程度を利用した計測が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電気化学反応計測方法によれば、摂動信号の振幅を変化させるとともに、摂動信号の振幅に応じた応答信号を取得するので、非線形反応に起因する現象や非線形反応の程度を利用した計測が可能となる。
【００１５】
本発明の電気化学反応計測装置によれば、摂動信号の振幅を変化させるとともに、摂動信号の振幅に応じた応答信号を取得するので、非線形反応に起因する現象や非線形反応の程度を利用した計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による電気化学反応計測方法を行うための計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】計測装置の動作を示すフローチャート。
【図３】摂動信号の振幅とインピーダンスの対応関係を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による電気化学反応計測方法の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明による電気化学反応計測方法を行うための計測装置の構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、被計測物である電池１には電子負荷２が接続され、電子負荷２を介して電池１に所定の動作点が与えられるとともに、その動作点における動作電圧または動作電流に摂動信号（電圧摂動信号または電流摂動信号）が重畳される。
【００２０】
図１に示すように、計測装置３は電子負荷２を制御する振幅制御手段３１と、電池１の応答信号を取得する応答信号取得手段３２とを構成する。また、計測装置３には応答信号取得手段３２で取得された応答信号に基づく演算を実行する演算部３３と、演算部３３における演算結果を表示する表示部３４とが設けられる。
【００２１】
図２は、計測装置３の動作を示すフローチャートである。
【００２２】
図２のステップＳ１では、ユーザの指示に基づいて計測条件が設定される。ここで設定される設定パラメータには、摂動信号の周波数、摂動信号の振幅の初期値、摂動信号の振幅の上限値、摂動信号の振幅の変化幅などが含まれる。また、電池１が燃料電池の場合等には、直流負荷（出力電圧値または出力電流値）が、電池１が二次電池などの場合には残容量（ＳＯＣ；State of Charge）が、それぞれ設定パラメータとして設定される。
【００２３】
次に、ステップＳ２では、上記設定パラメータに従い、振幅制御手段３１は電子負荷２を介して電池１に直流負荷を与えるとともに、直流負荷に摂動信号を重畳させる。計測開始時における摂動信号の振幅は、上記設定パラメータにおける摂動信号の振幅の初期値に従う。
【００２４】
次に、ステップＳ３では、応答信号取得手段３２により電池１の応答信号を取得する。
【００２５】
次に、ステップＳ４では、演算部３２において電池１のインピーダンスを算出する。ここでは、応答信号取得手段３２により取得された応答信号に基づき、電池１のインピーダンス（Ｚ，θ）を算出し、算出結果を摂動信号の振幅と対応付けて保存する。なお、摂動信号および応答信号の対比によりインピーダンスを算出する手法は公知であるため、インピーダンス算出の方法についての説明は省略する。
【００２６】
次に、ステップＳ５では、摂動信号の振幅が上記設定パラメータにおける摂動信号の振幅の上限値に到達したか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ７へ進み、判断が否定されればステップＳ６へ進む。
【００２７】
ステップＳ６では、摂動信号の振幅を上記設定パラメータにおける摂動信号の振幅の変化幅だけ増加させ、ステップＳ２へ進む。
【００２８】
ステップＳ７では、保存されている電池１のインピーダンス（Ｚ，θ）の算出結果に基づき、演算部３３において、摂動信号の振幅とインピーダンスの対応関係を算出する。
【００２９】
図３は、演算部３３において算出される摂動信号の振幅とインピーダンスの対応関係を例示する図である。図３に示すように、摂動信号の振幅の初期値は線形領域にあり、インピーダンス（Ｚ，θ）は正しく算出される。さらに摂動信号の振幅を増加させても線形領域内では算出されるインピーダンス（Ｚ，θ）は変化しない。しかし、摂動信号の振幅が限界振幅に到達すると非線形領域に突入し、線形性が崩れ、算出される見かけ上のＺおよびθが増大してゆく。
【００３０】
このため、Ｚおよびθの変化状況を参照することで、線形性が崩れる閾値（限界振幅）を把握することができる。例えば、演算部３３における演算結果を、図３に示すようなグラフとして表示部３４に表示することで、ユーザは上記閾値（限界振幅）を容易に把握することができる。
【００３１】
このように、上記実施形態では、線形領域から非線形領域に切り替わる上記閾値（限界振幅）が明らかとなるため、線形性が維持される範囲で摂動振幅を極力大きくとることで、インピーダンス計測時のＳＮ比を向上させることが可能となる。例えば、上記閾値（限界振幅）に到達する直前における計測で算出されたインピーダンスを計測値として採用することができる。また、新たな被計測物に対して図２に示す手順で予備計測を行うことで、インピーダンス計測に適切な摂動信号の振幅を予め確定することができる。
【００３２】
また、摂動信号の振幅とインピーダンスの関係を用いて被計測物の劣化や状態変化の高感度計測が可能となる。例えば、劣化が起きると上記閾値（限界振幅）が小さくなることが予測されるため、上記閾値（限界振幅）の変化状況を把握することで、劣化の程度を推定することができる。これに対し、従来のインピーダンス計測では摂動信号の振幅を最小限に抑えているため、劣化が大幅に進むまでその劣化がインピーダンスの算出値に反映されず、早期に劣化状況を知ることができない。
【００３３】
摂動信号の振幅とインピーダンスの対応関係（図３）に基づく評価を行う代わりに、あるいはこれと並行してスペクトル解析を行ってもよい。
【００３４】
例えば、摂動信号に応じた応答信号の周波数スペクトルを演算部３３において算出し、表示部３４においてこれを表示することができる。この場合、周波数スペクトルはインピーダンス計測値を導くものではないが、摂動信号の周波数を基本周波数とする応答信号の周波数スペクトルを算出することで、周波数スペクトルの内訳（ひずみの詳細状況）まで詳細に把握することが可能となる。この場合の周波数スペクトルとして、基本周波数に対する振幅比のほか、基本スペクトルに対する位相（摂動信号に対する応答信号の位相差）の周波数特性を得ることもできる。
【００３５】
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、被計測物に摂動信号を与え、応答信号に基づいて被計測物の電気化学反応に関する計測を行う電気化学反応計測方法および電気化学反応計測装置に対し、広く適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
３１    振幅制御手段
３２    応答信号取得手段
【図１】
2010281588.tif 000003
【図２】
2010281588.tif 000004
【図３】
2010281588.tif 000005