(57)【要約】【課題】      測定時間を短縮でき、かつ各周波数域において測定点数を任意に設定できる燃料電池の内部インピーダンス測定装置を提供する。【解決手段】  交流波形発信器と、測定条件設定手段、ゲイン測定手段及び位相測定手段を格納する演算部とを備え、負荷装置が流す交流重畳電流に測定対象が応答して得られる電圧及び電流変化を前記ゲイン測定手段並びに位相測定手段が取り込み、該電圧及び電流変化を複素演算して測定対象の内部インピーダンスを求める内部インピーダンス測定装置において、測定条件設定手段は、負荷装置が流す交流重畳電流の周波数の最小値及び最大値を設定する測定範囲設定手段と、最小周波数と最大周波数間を複数の周波数域に分ける周波数域設定手段と、複数の周波数域ごとに任意の測定点数を代入する周波数単位テーブルと、該周波数単位テーブル内で周波数の測定点を決定する周波数測定点決定テーブルとを備える構成とした。【選択図】  図２
2010008146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷装置に任意の交流重畳電流を発生させる信号を与える交流波形発信器と、
測定条件設定手段、ゲイン測定手段及び位相測定手段を格納する演算部とを備え、
前記負荷装置が流す交流重畳電流に測定対象が応答して得られる電圧及び電流変化を前記ゲイン測定手段並びに位相測定手段が取り込み、取り込んだ該電圧及び電流変化を複素演算して前記測定対象の内部インピーダンスを求める内部インピーダンス測定装置において、
前記測定条件設定手段は、前記負荷装置が流す交流重畳電流の周波数の最小値及び最大値を設定する測定範囲設定手段と、前記最小周波数と最大周波数間を複数の周波数域に分ける周波数域設定手段と、前記複数の周波数域ごとにそれぞれ任意の測定点数を代入する周波数単位テーブルと、該周波数単位テーブル内で周波数の測定点を決定する周波数測定点決定テーブルと、を備えることを特徴とする内部インピーダンス測定装置。
【請求項２】
前記測定対象は燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の内部インピーダンス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における内部インピーダンスを測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油に代わる新エネルギーとして燃料電池の開発が進められている。この燃料電池とは、電解質膜によって隔てられた燃料極と空気極とにそれぞれ燃料及び酸化剤を供給し、電気化学反応によって電力を発生させる発電装置の一種である。
【０００３】
燃料電池を開発する上で、発電効率や耐久性などの性能を試験することは重要であり、例えば電池を継続して使用すると、様々な要因によって性能が劣化していく。このような状態を試験するために行われる測定の一つが、内部インピーダンスの測定である。
【０００４】
以下図４は、燃料電池の電気化学反応を最も単純に示した内部インピーダンスの等価回路４１を示した図である。４２は燃料電池の電解質抵抗を表し、４３は電気二重層容量を、４４は電気二重層容量４３と並列に存在する反応抵抗を表す。電解質抵抗４２は抵抗分極に起因する抵抗であり、電気二重層容量４３は異なる二つの相の界面に生じる静電容量であり、反応抵抗４４は電荷や物質が電解質中へ移動するときに生じる抵抗である。内部インピーダンスの測定は、この電解質抵抗や反応抵抗等を測定することが目的である。
【０００５】
上記内部インピーダンスを測定する方法には交流ブリッジ法、リサージュ法などいくつかの方法がある。その一つが、周波数制御によるインピーダンス測定法である。周波数制御によるインピーダンス測定方法によると、微小な交流電流を燃料電池に重畳し、その応答で得た電圧と電流変化の振幅及び位相から、複素演算することにより内部インピーダンスが測定できる。更に測定周波数を、設定された複数の測定点において掃引することにより、各周波数域の内部インピーダンスが求められ、燃料電池の電気化学反応を知ることができる。しかしこの場合、上記の各周波数域において設定される測定点数は、すべての測定周波数域において同一であった。
【０００６】
だが、内部インピーダンスの測定に際しては、試験という特性上、低周波から高周波まで幅広い周波数を測定対象とする場合が多い。この場合、低周波においては測定に時間がかかるという問題点があった。従来このような問題を解決する手段としては、次のようなものがある。
【０００７】
負荷装置に交流信号を与え、この負荷装置は与えられた交流信号の周波数に応じた電流を被測定対象から放電させ、このときに被測定対象の両端の電圧と被測定対象から流れる電流をもとにして被測定対象のインピーダンスを求めるインピーダンスの測定装置において、複数の高周波成分をもった波形を前記負荷装置に与える波形発生手段と、被測定対象から流れる電流と被測定対象の両端の電圧をもとに、前記波形の各成分毎に解析を行い、インピーダンスを求める解析手段とを設けるインピーダンスの測定装置である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−０９０８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、以上に述べた方法では、短時間で複数の周波数測定点における内部インピーダンスを測定することはできるものの、特定の周波数域における特性について詳細に測定したい場合であっても、すべての周波数域における測定点数は同一であり、特定の周波数域においてのみ測定点数を増やすことはできなかった。
【００１０】
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、測定時間を短縮することができ、かつ各周波数域において測定点数をそれぞれ任意に設定することができる、燃料電池の内部インピーダンス測定装置を実現することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、請求項１記載の内部インピーダンスの測定装置は、負荷装置に任意の交流重畳電流を発生させる信号を与える交流波形発信器と、測定条件設定手段、ゲイン測定手段及び位相測定手段を格納する演算部とを備え、前記負荷装置が流す交流重畳電流に測定対象が応答して得られる電圧及び電流変化を前記ゲイン測定手段並びに位相測定手段が取り込み、取り込んだ該電圧及び電流変化を複素演算して前記測定対象の内部インピーダンスを求める内部インピーダンス測定装置において、前記測定条件設定手段は、前記負荷装置が流す交流重畳電流の周波数の最小値及び最大値を設定する測定範囲設定手段と、前記最小周波数と最大周波数間を複数の周波数域に分ける周波数域設定手段と、前記複数の周波数域ごとにそれぞれ任意の測定点数を代入する周波数単位テーブルと、該周波数単位テーブル内で周波数の測定点を決定する周波数測定点決定テーブルと、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２記載の内部インピーダンス測定装置において、測定対象は燃料電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定に時間のかかる低周波においては、測定点数を少なく設定することで測定時間を短縮することが可能であり、また、特性について詳細な測定を必要とする周波数の範囲においては、測定点数を多く設定することでこの要請に応えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図１から図３に基づいて説明する。図１は本発明に係る内部インピーダンスの測定装置の一実施例であり、図２は各周波数域における測定点を設定するためのフロー図であり、図３は本発明の周波数域、測定点、測定点数を説明する図である。
【実施例】
【００１５】
まず、図１に基づいて、本発明を採用する内部インピーダンスの測定装置について説明する。内部インピーダンス測定装置１は、測定対象であり内部インピーダンスが発生する燃料電池２及びこの燃料電池２へ負荷電流及び交流重畳電流を流す負荷装置３に接続して用いられる。またこの内部インピーダンス測定装置１は、負荷装置３に任意の交流重畳電流を発生させる信号を与える交流波形発信器４と、各種演算を行うための演算部５から構成される。
【００１６】
例えばオシレータが用いられる交流波形発信器４は、負荷装置３に対し、任意の交流電流を発生させる信号を与える。この信号は、演算部５に位置する測定条件設定手段６によって設定された測定条件に基づき発せられる。これを受けた負荷装置３は、燃料電池２へ流す負荷電流に測定条件に基づいた任意の交流電流を重畳する。この交流重畳電流に燃料電池２が応答し、電圧及び電流変化が発生する。この電圧及び電流変化は演算部５に格納されるゲイン測定手段７及び位相測定手段８に取り込まれ、演算部５は取り込んだ電圧及び電流変化を複素演算することで、燃料電池２の内部インピーダンスを算出する。
【００１７】
次に、図２に基づいて、前記測定条件設定手段６において測定点数が決定されるフローについて説明する。まず、周波数の最小値及び最大値をそれぞれ任意に設定して測定範囲を決定する（S２０１）。続いて、この測定範囲に複数の周波数域を設定し（S２０２）、この周波数域に０から順に番号を割り当てていく（S２０３）。この番号が、周波数域を他の周波数域と区別する際の識別番号となる。次に各周波数域において、当該周波数域内で行う測定の点数をそれぞれ独立して任意に決定する（S２０４）。この測定点数を、演算部５に保存される周波数単位テーブルに代入し（S２０５）、各周波数域において測定する点数だけ周波数測定点決定テーブルを作成する（S２０６）。周波数単位テーブルは以下の数式１の集合である。
【数１】
2010008146.tif 000003
【００１８】
上記数式１において、nは当該周波数域に割り当てられた番号を示し、xは測定点数を示す。またy及びzは、当該周波数域がどの範囲の周波数を測定対象としているのかを示すため、最小周波数と最大周波数がそれぞれ代入される。
【００１９】
また、既に述べたとおり、各周波数単位テーブル内に、単数又は複数の数式２から構成される周波数測定点決定テーブルが設けられている。数式２は以下の通りである。
【数２】
2010008146.tif 000004
上記数式１において、各周波数域における測定点数（ｘ）が代入されると、この周波数測定点数決定テーブルに周波数単位テーブルに基づいた数値が代入され、測定する周波数が自動的に決定される。
【００２０】
この数式２において、ｋは、最小周波数から最大周波数までの全周波数域を通じて何番目の測定点に係る式であるかを示すものであり、０から順に数字が割り当てられる。Yは、数式１において定義されている最小周波数（ｙ）を、mHzの単位で表すものであり、ｔには、この式が当該周波数単位テーブルで規定された単数又は複数の測定点のうち、何番目の測定点に係る式であるかを定義するための数字が１から順に代入される。最後に、ｎにはこの式が前述の周波数単位テーブルのどのテーブルに係る式であるかを定義するために、本テーブルの上位に位置する周波数単位テーブルの識別番号が代入される。
【００２１】
図３に基づき、具体例を挙げると以下の通りである。例えば、０．０１Hz以上１００ｋHz以下の周波数域を測定する場合、まずこの周波数を任意の周波数ごとに複数の周波数域に分ける。最初の周波数域（０）は、周波数が０．０１Hz以上０．１Hz未満とし、次の周波数域（１）は、周波数を０．１Hz以上１Hz未満とする。このように１００ｋHzまで任意の数の周波数域に分け、０から順に番号を割り当てていく。そして、各周波数域における測定点数を設定する。例えば最初の周波数域（０）であって、測定周波数は０．０１Hz以上０．１Hz未満であり、測定点数を２回と設定した場合、数式１に各設定を代入すると以下の通りになる。
【数３】
2010008146.tif 000005
【００２２】
次に、上記周波数域において設定された測定点の数だけ周波数測定点決定テーブルが生成される。これによって、測定される周波数が決定する。上記例によると、測定点９の数は２なので、周波数測定点決定テーブルは２つ生成される。また、０．０１Hzは１０ｍHzを意味するので、Yには１０が代入される。さらに、最初の周波数域なので、周波数域を識別するための番号は０である。ここで生成される周波数測定点決定テーブルは以下の通りである。
【数４】
2010008146.tif 000006
【数５】
2010008146.tif 000007
続いて、同じように０．１Hz以上１Hz未満に設定した周波数域（１）において、たとえば測定点９の数を４と決める。後は、既に述べた場合と同じように周波数単位テーブルを設定し、周波数測定点決定テーブルに数値を代入していけばよい。なお、上述した周波数域（０）における測定点数（ｘ）を２と設定しているので、本周波数域（１）において、数式２のｋには２から順に代入される。
【００２３】
このようにして設定された測定条件に基づき、交流波形発信器は負荷装置へ信号を与える。この信号を受けた負荷装置は、燃料電池へ流す負荷電流にこの測定条件に基づいた任意の交流電流を重畳する。この交流重畳電流に燃料電池が応答し発生した電圧及び電流変化を、演算部が格納するゲイン測定手段及び位相測定手段が取り込む。そして、この演算部において電圧及び電流変化を複素演算することで、燃料電池の内部インピーダンスが算出できる。
【００２４】
このように、本願はそれぞれの周波数域において、任意に測定点数を設定することができる構成なので、測定時間を短縮し、また特定の周波数域を詳細に調べることができる。
【００２５】
以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明に係る内部インピーダンス測定装置の一実施例である。
【図２】図２は、図２は各周波数域における測定点を設定するためのフロー図である。
【図３】図３は本発明の周波数域、測定点、測定点数を説明する図である。
【図４】図４は、燃料電池の電気化学反応を最も単純に示した内部インピーダンスの等価回路である。
【符号の説明】
【００２７】
１．内部インピーダンス測定装置
２．燃料電池
３．負荷装置
４．交流波形発信器
５． 演算部
６．測定条件設定手段
７．ゲイン測定手段
８．位相測定手段
４１．内部インピーダンスの等価回路
４２．電解質抵抗
４３．電気二重層容量
４４．反応抵抗
【図１】
2010008146.tif 000008
【図２】
2010008146.tif 000009
【図３】
2010008146.tif 000010
【図４】
2010008146.tif 000011