(57)【要約】例えばバッテリーや燃料電池スタック等の、多電池電気化学デバイスの電池のインピーダンス及び電圧特性を測定する方法及び装置が提供される。個々の電池又は電池のグループにわたって電圧が測定される。同時に、負荷が電気化学デバイスと直列に接続される。何らかの形態のマイクロプロセッサを含み得るコントローラによって、電圧を測定する装置及び負荷の両方が一緒に制御されるのが好ましい。これにより、ＤＣ及びＡＣ電流特性の所望の組み合わせを与えるように負荷を制御できる。適切なＤＣ及びＡＣ電流特性を設定することにより、個々の電池のインピーダンスの所望の特性を測定できる。
2005538499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多電池電気化学デバイスの複数の電池のインピーダンス及び電圧特性を測定する装置であって、
測定電圧を示す電圧信号を生成するための、前記電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたり接続する複数の入力を含む、電圧測定手段と、
前記電気化学デバイスと直列に接続可能な負荷と、
前記負荷の特性を制御すると共に前記電圧測定手段から電圧信号を受け取るために、前記電圧測定手段及び前記負荷に接続され且つそれらを制御するコントローラと、
を含む、電池のインピーダンス及び電圧特性を測定する装置。
【請求項２】
前記負荷が、ＡＣ摂動電流が重ね合わされたＤＣ電流を引き込むように構成されると共に、前記コントローラが、所望のＤＣ及びＡＣ負荷電流特性を与えるために前記負荷を制御するように構成される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記電圧測定手段が、前記電圧信号のための、隣接する測定点にわたる電圧につき１つのチャネルがある複数の一次チャネルを設けると共に、前記隣接する測定点にわたる電圧の少なくともＤＣ成分を前記一次チャネルから分離するチャネル分割器であって、前記ＤＣ成分のための出力としての第１のチャネルを有するチャネル分割器を含む、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記チャネル分割器が、前記隣接する測定点にわたる電圧のＡＣ成分のための出力としての第２のチャネルを含む、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記電圧測定手段が、前記電圧測定手段の入力に接続されると共に前記複数の一次チャネルを設ける複数の出力を有する複数の計装用増幅器と、前記チャネル分割器からの少なくとも前記第１のチャネルに接続されるアナログマルチプレクサとを含み、前記コントローラと前記アナログマルチプレクサとの間に、少なくとも前記第１のチャネル間の順次切り替えを行うために前記アナログマルチプレクサを制御するマルチプレクサ制御ラインが接続される、請求項３記載の装置。
【請求項６】
前記アナログマルチプレクサの出力に接続される第１のアナログ−デジタル変換器と、前記第１のアナログ−デジタル変換器と前記コントローラとの間に接続される電圧データバスと、前記第１のアナログ−デジタル変換器を制御するために前記コントローラと前記第１のアナログ−デジタル変換器との間に接続されるアナログ−デジタル制御ラインと、を含む、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記負荷に接続されるアナログ出力を有するデジタル−アナログ変換器と、前記コントローラと前記デジタル−アナログ変換器との間に接続される負荷制御ラインと、負荷データバスと、を含む、請求項６記載の装置。
【請求項８】
電流測定のための前記負荷と直列に接続されたシャントが設けられ、該シャントは前記コントローラに接続される、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記シャントの複数の出力が電流増幅器に接続され、該電流増幅器は、前記コントローラに接続される電流測定信号のための出力を有する、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記電流増幅器の前記出力に接続される入力と、電流出力と、制御入力とを有する電流アナログ−デジタル変換器が設けられ、データバスが前記電流出力を前記コントローラに接続し、前記コントローラと前記電流アナログ−デジタル変換器の前記制御入力との間にアナログ−デジタル制御ラインが設けられる、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記コントローラが、前記コントローラを制御する制御信号を供給するための別の計算装置に接続可能な入力を含む、請求項１、請求項３、請求項４、請求項８又は請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
多電池電気化学デバイスの複数の電池の電圧及びインピーダンス特性をモニタする方法であって、
（i）前記電気化学デバイスと直列に接続された負荷を設ける工程と、
（ii）所望の電流特性を与えるために前記負荷を制御する工程と、
（iii）前記電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたる電圧を測定する工程と、
（iv）測定された電圧の少なくとも一部を記録する工程と、
を含む、電池の電圧及びインピーダンス特性をモニタする方法。
【請求項１３】
ＤＣ電流と重ね合わされたＡＣ電流摂動との所望の組み合わせを与えるように前記負荷を制御することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記工程（i）と前記工程（ii）との間に、一連の設定負荷条件を与えるように前記負荷を制御することと、各負荷条件に対して、前記電気化学デバイスの電圧特性の少なくとも一部を記録することと、を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記工程（i）と前記工程（ii）との間に、前記重ね合わされたＡＣ電流摂動の周波数を変更することと、前記重ね合わされたＡＣ電流摂動に対して、選択された周波数における電圧を記録することと、記録された電圧から、前記複数の電池のインピーダンスの実成分及び仮想成分を決定することと、を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記電気化学デバイスの電池間の隣接する測定点にわたって複数の差動増幅器の入力を接続することと、前記複数の差動増幅器を有する前記電池間の隣接する測定点にわたる電圧を測定して複数の電圧信号を生成することと、前記電圧信号をマルチプレクサに供給することと、前記電圧信号を前記コントローラに順次供給するために前記マルチプレクサを操作することと、を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記アナログマルチプレクサによって選択された各電圧信号を、電圧アナログ−デジタル変換器においてデジタル信号に変換することを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記負荷を通る電流を測定するために前記負荷と直列に接続されたシャントを設けることと、前記シャントにわたる電圧を測定して前記負荷を通る電流を判定し、それによって電流測定信号を生成することと、該電流測定信号をコントローラに供給することと、を含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記電流測定信号をデジタル電流測定信号に変換することと、該デジタル電流測定信号を前記コントローラに供給することと、を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記コントローラからデジタル−アナログ変換器にデジタル負荷信号を供給することと、前記デジタル−アナログ変換器を前記コントローラで制御することと、前記デジタル−アナログ変換器でアナログ負荷制御信号を生成することと、該アナログ負荷制御信号を前記負荷に供給することと、を含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記電気化学デバイスの各電池が較正され、前記電気化学デバイスの個々の電池にわたって各電圧が測定され、較正された測定電池電圧ＶRを求めるために、各電池の電圧が次式
ＶR＝ＶA * ＶA/D / [ＶA/D(ＶA) −ＶA/D(ＶO)] −ＶOFF        （１）
（式中、ＶRは較正された測定電池電圧であり、ＶA/Dは電池電圧測定の間の個々の電池に対する前記電圧デジタル−アナログ変換器の出力値であり、ＶAは較正中に個々の電池の前記差動増幅器の入力にディファレンシャルに印加される電圧であり、ＶA/D(ＶA)は較正中に個々の電池の前記差動増幅器の前記入力にＶAが印加された場合の前記電圧アナログ−デジタル変換器の出力値であり、ＶA/D(ＶO)は較正中に個々の電池の前記差動増幅器の前記入力が接地された場合の前記電圧アナログ−デジタル変換器の出力値であり、ＶOFFは較正中に個々の電池の前記差動増幅器の前記入力が接地された場合の前記差動増幅器の出力である）
に従って計算される、請求項１７、請求項１８、請求項１９又は請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの電圧及び高周波抵抗を測定するシステム及び方法に関する。特に、本発明は、個々の電池電圧と、複数の電池が一続きにスタックされた燃料電池スタックの抵抗とを測定するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（一般的に水素）及び酸化体（一般的に空気）を２つの適切な電極及び電解質と接触させることによって起電力を生じる、電気化学デバイスである。例えば水素ガス等の燃料は第１の電極に導入され、電解質の存在下で電気化学的に反応し、第１の電極において電子及びカチオンを生じる。電子は、電極間に接続された電気回路を通って、第１の電極から第２の電極へと循環する。カチオンは、電解質を通過して第２の電極に至る。同時に、酸素又は空気等の酸化体が第２の電極に導入され、そこで、酸化体は、電解質及び触媒の存在下で電気化学的に反応して、アニオンを生成すると共に、電気回路を通って循環する電子を消費し、第２の電極ではカチオンが消費される。第２の電極、即ち陰極で形成されたアニオンは、カチオンと反応し、反応生成物を形成する。第１の電極、即ち陽極は、燃料電極又は酸化電極と呼ばれることもあり、第２の電極は、酸化体電極又は還元電極と呼ばれることもある。２つの電極における半電池反応は、それぞれ次の通りである。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
1/2Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
【０００３】
外部の電気回路は電池から電流を引き込み、従って電力を受け取る。燃料電池の反応全体によって、上記の個別の半電池反応の合計によって示されるような電気エネルギーが生じる。この反応の典型的な副生成物は、水及び熱である。
【０００４】
実用では、燃料電池は単体では作動されない。むしろ、燃料電池は、積み重ねられ又は横に並べられ、一続きに接続される。燃料電池スタックと呼ばれる一続きの燃料電池は、通常はハウジングで包まれている。燃料及び酸化体はマニホールドを介して電極へと送られ、その間、反応物質又は冷却媒体によって冷却される。スタック内には、集電器と、電池どうしのシールと、絶縁物とがあり、必要な配管及び計器装備は、燃料電池スタックの外部に設けられている。スタック、ハウジング及び関連するハードウェアで、燃料電池モジュールが構成される。
【０００５】
燃料電池スタックの適切な動作を確実にすると共に、その性能を評価するために、様々なパラメータをモニタしなければならない。これらのパラメータには、燃料電池スタック内の各燃料電池にわたる電圧（以下「電池電圧」と称される）及び各燃料電池の内部抵抗が含まれる。
【０００６】
文献では、燃料電池の複素インピーダンス測定は、互いにインタフェースされた多くのサブシステムで構成される、ベンチトップ型の高価な実験室用機器を用いてのみ実行可能であることが示されている。例えば、非特許文献１〜３を参照されたい。このような公知の装置は、適切な自動化がなされておらず、手動で制御される。可搬型の統合型測定システムの使用を可能にするような、単一の公知の手法は存在しない。更に、燃料電池の動作パラメータの変更を可能にするような、これらのシステムに統合された測定装置は存在しない。
【０００７】
更に、特許文献では、複素インピーダンスの測定は、主にバッテリー用のものが知られていることが示されている。更に、これらの特許が教示するのは、単一の量、即ち「インピーダンス」（特許文献１及び特許文献２）又は「抵抗」（特許文献３、特許文献４及び特許文献５）の測定技術のみである。必ずしも燃料電池ではない電気化学的電池のインピーダンス測定に関する上述の特許（特許文献６）は、全く異なる更に複雑な手法を用いていた。更に、この手法は、後者（燃料電池）に関連する高い電流のために、燃料電池に直接適用できなかった。
【０００８】
従って、可搬性、燃料電池への適用性、測定の多様性及び分解能、自動化、並びにコスト等といった、依然として対処を要する問題がある。これらの問題は、燃料電池インピーダンス測定用の自給型の可搬型装置／システム及びインピーダンス測定の方法を提供する本願譲受人の同時係属の米国特許出願第０９/６７２，０４０号において、ある程度対処されている。このシステムは、ＣＰＵ、周波数合成器、燃料電池、負荷バンク、並びに測定及び取得回路を含んでいる。ＣＰＵは、ソフトウェアプログラムから入力パラメータを受け取り、これらのパラメータを信号生成装置に送り、信号生成装置は、負荷バンクを遠隔からプログラムするのに用いられるＤＣオフセットを有するＡＣ波形を生成する。負荷バンクは燃料電池から電流を引き込む。電圧及び電流検出回路によって、燃料電池にわたる電圧及び燃料電池を通る電流が測定され、次に、オシロスコープ又はＡ／Ｄ変換器によってデジタル化及び平均化される。記録されたデータはＣＰＵに送られ、そこで、ＡＣ位相の進み又は遅れが計算される。次に、この発明によって、実インピーダンス、仮想インピーダンス、位相差、進み成分、遅れ成分、電流の大きさ、電圧の大きさ、及び印加ＡＣ電圧を含む数多くの出力を表示できる。
【０００９】
しかし、先の出願の発明の用途は、従来の測定装置を用いた電圧測定が困難であり得る、多数の燃料電池で構成される燃料電池スタックの測定に限られていた。先の特許出願では、燃料電池スタック内の個々の燃料電池の内部抵抗をリアルタイムで測定するための手法は、詳細に記載されていない。
【００１０】
複数の電池電圧を測定するには、各燃料電池の２つの端末（即ち、陽極及び陰極）における差動電圧測定が必要である。しかし、燃料電池は直列に接続されると共に、一般的に多数であるので、一部の端末における電圧は、現在入手可能な任意の半導体測定装置で直接測定するには高過ぎる。例えば、各電池電圧が０．９５Ｖである１００個の電池で構成される燃料電池スタックでは、最上部の電池の負の端末（陰極）における実際の電圧は、９４．０５Ｖ（即ち、０．９５*１００−０．９５）になる。従って、この電圧は、電圧測定に一般的に用いられるほとんどの電流差動増幅器の許容可能最大入力電圧を超えるものである。
【００１１】
本願譲受人の同時係属の米国特許出願第０９/８６５，５６２号は、この問題に対する解決法を提供するものである。この特許出願は、燃料電池スタック内の個々の燃料電池の電池電圧をモニタするためのシステムを提供する。米国特許出願第０９/８６５，５６２号及び第０９/６７２，０４０号の内容を参照し、本明細書に組み込む。このシステムは、複数の差動増幅器、マルチプレクサ、アナログ−デジタル変換器、コントローラ及びコンピュータを含む。各差動増幅器は、各燃料電池の２つの端末における電圧を読み取る。アナログ−デジタル変換器は、任意の所与の時間にこれらの差動増幅器の１つに対するアクセスを提供するマルチプレクサを介して、これらの差動増幅器の出力を読み取る。次に、アナログ−デジタル変換器のデジタル出力がコンピュータに供給されて解析される。コンピュータは、アナログ−デジタル変換器及びマルチプレクサの動作を制御する。しかし、この特許出願の電圧モニタシステムは、個々の燃料電池にわたるＤＣ電圧のみを測定する。一方、上述した米国特許出願第０９/６７２，０４０号では、燃料電池インピーダンスの測定において、単一の燃料電池又は複数の燃料電池のスタックである燃料電池スタック全体にわたって、ＡＣ電圧及びＤＣ電圧を印加することが含まれる。
【００１２】
従って、特に、多数の燃料電池で構成されるスタックである燃料電池スタック内の、個々の燃料電池の内部抵抗を測定するのに適したシステムの必要性が、依然として存在する。
【特許文献１】米国特許第４，６９７，１３４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７７３，９７８号明細書
【特許文献３】米国特許第３，７５３，０９４号明細書
【特許文献４】米国特許第３，６７６，７７０号明細書
【特許文献５】米国特許第５，０４７，７２２号明細書
【特許文献６】米国特許第６，００２，２３８号明細書
【非特許文献１】Ｔ．Ｅ．スプリンガー（T. E. Springer），Ｔ．Ａ．ザウォジンスキー（T. A. Zawodzinski），Ｍ．Ｓ．ウィルソン（M. S. Wilson），及びＳ．ゴテスフィールド（S. Gottesfield）著，「ＡＣインピーダンス分光学を用いたポリマー電解質型燃料電池の特徴づけ（Characterization of polymer electrolyte fuel cells using AC impedance spectroscopy）」，米国電気化学学会誌 （Journal of electrochemical Society of America），１４３（２），１９９６年，p．５８７−５９９
【非特許文献２】Ｊ．Ｒ．セルマン（J. R. Selman）及びＹ．Ｐ．リン（Y. P. Lin）著，「燃料電池の研究及び開発におけるＡＣインピーダンスの適用（Application of AC impedance in fuel cell research and development）」，エレクトロケミカ・アクタ（Electrochemica Acta），３８（１４），１９９３年，p．２０６３−２０７３
【非特許文献３】Ｂ．エルセナー（B. Elsener）及びＨ．ボルミ（H. Bolmi）著，「能動−受動遷移の電気化学的調査におけるコンピュータ支援ＤＣ及びＡＣ技術（Computer-assisted DC and AC techniques in electrochemical investigations of active-passive transition）」，腐食化学（Corrosion Science），２３（４），１９８３年，p．３４１−３５２
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１つの態様によれば、燃料電池の電圧及びインピーダンスを測定するためのシステム又は装置が提供される。この装置は、測定電圧を示す電圧信号を生成するための、電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたり接続する複数の入力を含む、電圧測定手段と、電気化学デバイスと直列に接続可能な負荷と、負荷の特性を制御すると共に電圧測定手段から電圧信号を受け取るために、電圧測定手段及び負荷に接続され且つそれらを制御するコントローラと、を含む。
【００１４】
負荷は、ＡＣ摂動電流が重ね合わされたＤＣ電流を引き込むように構成されると共に、コントローラは、所望のＤＣ及びＡＣ負荷電流特性を与えるために負荷を制御するように構成される。
【００１５】
電圧測定手段は、電圧信号のための一次チャネルであって、隣接する測定点にわたる電圧につき１つのチャネルがある複数の一次チャネルを設けることが可能であると共に、電圧測定手段は、一次チャネルを、隣接する測定点にわたる電圧のＤＣ成分のための第１のチャネルと、オプションとして、隣接する測定点にわたる電圧のＡＣ成分のための第２のチャネルとに分割するチャネル分割器を含む。
【００１６】
好ましくは、電圧測定手段は、電圧測定手段の入力に接続されると共に複数の一次チャネルを設ける複数の出力を有する複数の計装用増幅器と、チャネル分割器からの少なくとも第１のチャネルに接続されるアナログマルチプレクサとを含み、コントローラとアナログマルチプレクサとの間に、少なくとも第１のチャネル間の順次切り替えを行うためにアナログマルチプレクサを制御するマルチプレクサ制御ラインが接続される。
【００１７】
電圧信号は、単に各電池にわたる実際の電圧であってもよいことを理解されたい。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、多電池電気化学デバイスの複数の電池の電圧及びインピーダンス特性をモニタする方法が提供され、この方法は、（i）電気化学デバイスと直列に接続された負荷を設ける工程と、（ii）所望の電流特性を与えるために負荷を制御する工程と、（iii）電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたる電圧を測定する工程と、（iv）測定された電圧の少なくとも一部を記録する工程と、を含む。
【００１９】
本発明の両方の態様では、測定される電圧は必ずしも個々の各電池にわたるものでなくてもよい。幾つかの電池のみにわたって電圧を測定することも可能、及び／又は、１グループの電池にわたって幾つかの個別の電圧を測定することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明のより良好な理解と、本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を例として参照する。
【００２１】
図１を参照すると、後述するように離散的な周波数で燃料電池のインピーダンスを測定するための、自給型の可搬型装置１０の好ましい実施形態が示されている。ＣＰＵ２０は、１つのＲＳ−２３２シリアルリンクプロトコル、即ち第１のデータバス４０を介して、ソフトウェアプログラム３０からの入力を受け容れる。幾つかの入力として、周波数、ＡＣ振幅、ＤＣオフセット電流及び燃料電池活性面積が含まれる。ＣＰＵ２０は、第２のデータバス６０を介して、入力パラメータをデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器５０に送ると共に、制御ライン６１によっても接続されている。ＣＰＵ２０は、第１の電圧アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７０から第３のデータバス８０を介して、燃料電池スタックにわたって測定された電池電圧、即ち、スタック内の個々の各燃料電池にわたる電圧を含むデータを受け取る。ＣＰＵ２０は、第２の、即ち電流アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７５から第４のデータバス８５を介して、測定された燃料電池スタックを通る電流を含むデータも受け取る。次に、ＣＰＵ２０は、様々な対象パラメータを計算し、これらのパラメータを、ＲＳ−２３２シリアルリンクプロトコル４０を介してソフトウェア３０に出力する。出力されるパラメータは、測定された抵抗電流の大きさ、電圧の大きさ及び印加ＡＣ電圧を含む。電圧アナログ−デジタル変換器７０及び電流アナログ−デジタル変換器７５は、ＣＰＵ２０に接続された各制御ライン４９、４５を介して供給される制御信号によって制御される。
【００２２】
テスト燃料電池スタックが９０で示されており、公知の方法で示されている接地を有する負荷バンク１００に直列に接続されている。負荷バンク１００は標準的な負荷バンクであり、所望の電圧を印加するように又は所望の電流を引き込むように設定可能である。詳細は後述するが、電流測定の目的で、燃料電池スタック９０及び負荷バンク１００を含む回路には、負荷バンク１００を横断するシャント１１０が設けられている。
【００２３】
燃料電池スタック９０をテストするためには、燃料電池スタックの出力が、交流レベルが重ね合わされた一定のＤＣレベルであることが必要である。従って、ＣＰＵ２０は、ＤＣ値及びＡＣ摂動を表すデータをＤ／Ａ変換器５０に供給する。一方、Ｄ／Ａ変換器５０は、所望の大きなＤＣ電流を引き込むように負荷バンク１００を制御する。負荷バンク１００は、更にＤ／Ａ変換器５０によって、ＤＣ電流に重ね合わされた、一般的に比較的小さいＡＣ摂動を引き込むように制御される。ＣＰＵ２０に摂動波形関数が格納されてもよい。この方法は、一般的には高周波抵抗測定技術と称される。
【００２４】
一揃いの差動増幅器１２０を用いて、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の電池電圧が直接測定され（詳細は後述する）、電圧信号が生成される。これらの電圧信号はチャネル分割装置２１に渡され、電圧信号のＤＣ成分に対する第１のチャネル及び電圧信号のＡＣ成分に対する第２のチャネルに分割される。次に、これらの第１及び第２チャネルは、アナログマルチプレクサ２２を介してＡ／Ｄ変換器７０に接続される。一方、燃料電池スタック９０を通る電流は、シャント１１０を用いて間接的に測定される。シャント１１０は既知の抵抗値及びゼロに近い反応成分を有し、負荷バンク１００の純粋な抵抗成分にわたって公知の方法で接続される。シャントには、シャント１１０にわたる電圧降下を測定して電流測定信号を生成するための差動増幅器１３０が接続されている。従って、シャント１１０を通る電流、及びそれに従って、燃料電池スタック９０を通る電流が、計算によって求められる。一揃いの差動増幅器１２０は、先の米国特許出願第０９/８６５，５６２号によるものであってよい。
【００２５】
本システムでは、測定された各燃料電池の電池電圧及び燃料電池スタック９０を通る電流が、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５によってそれぞれデジタル化及び平均化される。次に、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５は、デジタル形式の測定値を、第３のデータバス８０及び第４のデータバス８５を介してＣＰＵ２０に送る（そこで、測定値は処理のために格納される）。ＣＰＵ２０はこのデータを用いて、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池にわたるＡＣ電圧及びＤＣ電圧並びに燃料電池スタック９０を通る測定電流を計算する。次に、ＣＰＵ２０は、燃料電池スタック９０内の各燃料電池のインピーダンスの抵抗成分を計算する。これらの計算は、選択された「スポット」周波数において行われる。これらの全ての測定及び計算は、個々の各燃料電池に対して行われる。この周波数における実成分は、各燃料電池の内部抵抗の精確な測定値である。本願発明者は、本発明を遙かにコスト高のベンチトップ型の非統合型システムと比較した場合に、誤差レベルの大きさが１％未満であることを示している。
【００２６】
「スポット」周波数は、実際の測定の前にナイキスト図を用いて選択される。次に図２を参照すると、本願譲受人の同時係属の米国特許出願第０９/６７２，０４０号に開示されている装置等の周波数選択装置を用いて得られた例示的なナイキスト図が示されている。横軸は実インピーダンスをΩｃｍ2で示しており、縦軸は仮想インピーダンスをΩｃｍ2で示している。これらの値は、実際のインピーダンス値を、スタック９０内の各電池のＰＥＭの表面積で乗算することによって決定される。これにより、電池面積に依存しない、即ち、電池特性によってのみ決定される、各電池の単位面積に対するインピーダンス値の指標が与えられる。図示されるように、この図は、周波数が１５０で示される１００Ｈｚから１ｋＨｚ、２ｋＨｚを含む様々な点を通って１５２で示される１０ｋＨｚまで変化する際の、抵抗の変化を示している。高い周波数にあたる曲線の第１の部分は横軸より低く、正の仮想インピーダンスを示しており、一方、（低い周波数にあたる）第２の部分は軸より高く、負の仮想インピーダンスを示している。１５４で示される、曲線が軸と交差する場所、即ち、仮想インピーダンスが０の場所では、実インピーダンスはおよそ０．０９８Ωｃｍ2である。この点では仮想成分が０であるので、これは、抵抗の実成分の値である。実際の測定の前に、システムがインピーダンスの実成分のみを測定するように周波数が選択される。
【００２７】
次に図３を参照すると、図１に示されているシステムを用いた燃料電池スタックに対する電池電圧測定の部分的な概略図が示されている。このシステムは、燃料電池スタック９０に接続された（１２０で示される）複数の差動増幅器６２、６４等を含む。図１に示されるように、差動増幅器６２、６４等の複数の入力は、燃料電池スタック９０内の複数の燃料電池の端末に接続され、一方、差動増幅器６２、６４等の複数の出力は、（図１に示されている）チャネル分割装置２１に接続される。チャネル分割装置２１は、例えばマルチプレクサ等の切り替えネットワーク２２に接続される複数の出力を有する。マルチプレクサ２２は第１のＡ／Ｄ変換器７０に接続される１つの出力を有し、第１のＡ／Ｄ変換器７０は、マルチプレクサからのアナログデータをデジタル形式に変換し、このデータを解析のためにＣＰＵ２０に供給する。
【００２８】
電池電圧測定を実行するために、複数の差動増幅器６２、６４等の各々は、高いコモンモード除去率を有する。各増幅器は、高い線形性を有するのが好ましい。各増幅器は、略統一されたゲインを有してもよい。各増幅器は、各入力においてできるだけ高い電圧を除去できるべきである。しかし、当該技術分野で周知のように、入力格差は電源電圧によって制限される。従って、入力格差は＋／−１５Ｖの範囲に制限され得る。
【００２９】
図１及び図３では、各差動増幅器６２、６４等の入力は、１つの燃料電池にわたって接続される。具体的には、増幅器６２の２つの入力３４、３６が、電池１の陽極３８及び陰極４０に接続される。同様に、増幅器６４の２つの入力４６、４８が、電池２の陽極４２及び陰極４４に接続される。この構成では、電池電圧、及びそれに従って、各燃料電池の内部抵抗が得られる。しかし、実際には、差動増幅器の入力は、必ずしも１つの燃料電池の２つの端末に接続されなくてもよいことを理解されたい。むしろ、差動増幅器の入力は、燃料電池スタック９０の任意の２つの端末に接続されてよい。例えば、差動増幅器６２では、入力３６が電池１の端末４０に接続され、入力３４が電池２の端末に接続されてもよい。従って、任意の１つの増幅器に印加可能な最大電圧格差のみによって制限された、スタック９０内の多数の燃料電池の電圧降下及び内部抵抗を得ることができる。この説明では、簡潔にするために、各差動増幅器はそれぞれ１つの燃料電池の端末に接続されるものとする。
【００３０】
上述のように、負荷バンク１００は、ＡＣ摂動が重ね合わされたＤＣ電流を引き込む。従って、測定された電池電圧は、ＤＣ成分及びＡＣ成分の両方で構成される。チャネル分割装置２１は、複数の差動増幅器６２、６４等の出力の電圧信号（一次チャネル）を、個々の電池にわたる電圧のＤＣ成分及びＡＣ成分に対する第１及び第２のチャネルに分割するので、ＤＣ電圧及びＡＣ電圧の両方を精確に測定可能である。チャネル分割は、当業者に周知の方法で達成される。例えば、ＤＣ成分に対してはローパスフィルタを用い、ＡＣ成分に対してはハイパスフィルタを用いる。これにより、事実上測定チャネル数が２倍（１つの電池につき２つのチャネル）になる。一例として、チャネル分割装置２１においてハイパスフィルタ（図示せず）を適用することによってＡＣ成分を抽出してもよい。次に、切り替えネットワーク、即ちマルチプレクサ２２は、燃料電池スタック９０の２つの点で測定された、１つの差動電圧信号のみを、一度にアクセス可能にする。この構成は、測定システム１００の構成要素数を低減するために望ましい。切り替えネットワーク２２は、電池電圧の測定値の完全なセットを取得するために、チャネル分割装置２１の複数の出力をスキャンする。スキャンは、一度に１つの電池電圧信号のみが受け容れられるように高速で実行可能である。
【００３１】
次に、第１のＡ／Ｄ変換器７０は、測定されたアナログ電圧をデジタル値に順次変換する。実際には、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５は、１６ビット変換器であってよい。所望の場合には、より精確なデジタル値を得るために、よりビット数が多いＡ／Ｄ変換器を用いてもよい。ＣＰＵ２０によって、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５からデジタルデータが読み取られる。ＣＰＵ２０は、切り替えネットワーク制御信号ライン４７を介して切り替えネットワーク２２の動作を制御すると共に、上述したように、第１のＡ／Ｄ変換器制御信号４９を介して第１のＡ／Ｄ変換器７０の動作を制御し、第２のＡ／Ｄ変換器制御信号４５を介して第２のＡ／Ｄ変換器の動作を制御する。ＣＰＵ２０は、切り替えネットワーク、即ちマルチプレクサ２２を制御して、スタック９０内の特定の燃料電池の２つの端末において測定された電池電圧のデジタル値を選択的に受け取る。ＣＰＵ２０は切り替えネットワーク２２に、測定された電池電圧に順次アクセスして、第１のＡ／Ｄ変換器７０の対応するデジタル値を読み取るように指示するのが好ましい。或いは、測定された電池電圧は、適切にプログラムされたＣＰＵ２０によって任意の時にアクセス可能であってもよい。電池電圧が測定される頻度は、測定電圧及び内部抵抗を用いた電池性能の解析に重要である。電池電圧測定は、電池に対する短い過渡的な条件を報告するために十分に速くなければならない。各電池に対して１０ミリ秒毎に測定を行うのが好ましく、これは十分すぎるほどであることが示されている。１００個の電池のスタックに対しては、電池電圧は、各スタックにつき１秒の増分で測定される。
【００３２】
本発明で用いられる複数の差動増幅器６２、６４等は、高いコモンモード除去率を有する任意の市販の差動増幅器から選択されてよい。例としては、バー−ブラウン（Burr-Brown）ＩＮＡ１１７差動増幅器又はアナログ・デバイシズ（Analog Devices）ＡＤ６２９差動増幅器が挙げられる。これらの差動増幅器は、２００Ｖまでのコモンモード電圧と共に機能でき、従って、図１に示されるように、燃料電池スタック９０の燃料電池の陰極及び陽極に直接接続できる。
【００３３】
実際には、一揃いの差動増幅器１２０は、精確な電圧測定値を得るために較正を要する。当業者には周知のように、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の数が増加すると、単一の燃料電池の２つの端末における電圧は増加する。この増加が大きくなるほど、その単一の燃料電池が燃料電池スタック９０の基準電位から離れる。従って、その単一の燃料電池に接続された差動増幅器の入力のコモンモード電圧も増加する（コモンモード電圧は、複数の入力の単純な平均値である）。差動増幅器の入力における増加は、差動増幅器の出力に電圧を生じ、これは差動増幅器の電圧測定に悪影響を及ぼす。このコモンモード電圧誤差は、差動増幅器のコモンモード電圧ゲインと入力のコモンモード電圧との積に等しい。従って、コモンモード電圧誤差は、差動増幅器の入力のコモンモード電圧に比例する。従って、差動増幅器は、複数の入力の合計を出力電圧で除算した場合の入力電圧の比率である高いコモンモード除去率（ＣＭＲＲ）を有するのが好ましい。ＣＭＲＲは、通常はｄＢで表される（即ち、ＣＭＲＲ（ｄＢ）＝２０ ｌｏｇ（入力電圧／出力電圧））。一般的に、ＣＭＲＲの値はおよそ７０〜１１０ｄＢの範囲である。当然ながら、高いコモンモード除去率を有する増幅器は、コモンモード電圧ゲインが小さい。
【００３４】
更に、差動増幅器の不可避な内部不整合に起因して、差動増幅器の出力に余計な電圧が生じる。この出力電圧は、差動増幅器のＤＣオフセットと呼ばれる。ＤＣオフセットは、差動増幅器の入力が接地されている場合には、差動増幅器の出力における有限電圧として観察される。
【００３５】
更に、測定プロセスに生じる、Ａ／Ｄ変換器７０の量子化ノイズに起因する別の電圧誤差がある。しかし、当該技術分野で周知のように、Ａ／Ｄ変換器の量子化ビット数を増やすことにより、量子化ノイズを許容可能なレベルに低減できる。
【００３６】
コモンモード電圧誤差、ＤＣオフセット、及び幾分は量子化ノイズにも起因して、差動増幅器の出力は燃料電池の実際の電池電圧から偏る。この偏りは残存電圧と呼ばれ、一般的な差動増幅器構成では解消できない測定誤差である。上述したように、残存電圧は、差動増幅器の入力のコモンモード電圧に比例する。個々の燃料電池の合計数が増加すると、差動増幅器の入力のコモンモード電圧が増加するので、これは望ましくない。従って、燃料電池のスタック９０の最上部の燃料電池について測定された電池電圧の偏りは、電池電圧測定の精度にかなり影響する大きさである。
【００３７】
燃料電池の測定電圧を、各燃料電池の電圧測定から得られたデジタル値を用いる一次方程式に基づいて計算すれば、上記の問題を克服できる。この計算を行うために、較正プロセスの間に電圧値を読み取るための少なくとも１つの電圧計及び較正器（いずれも図示せず）が必要である。電圧計は高精度の電圧計であるのが好ましい。
【００３８】
所与の差動増幅器によって測定される各燃料電池の電池電圧は、次式を用いて計算できる。
ＶR＝ＶA * ＶA/D / [ＶA/D(ＶA) −ＶA/D(ＶO)] −ＶOFF        （１）
式中、ＶRは較正された測定電池電圧であり、ＶA/Dは電池電圧測定の間のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、ＶAは較正中に差動増幅器の入力にディファレンシャルに印加される電圧であり、ＶA/D(ＶA)は較正中に差動増幅器の入力にＶAが印加された場合のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、ＶA/D(ＶO)は較正中に差動増幅器の入力が接地された場合のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、ＶOFFは較正中に差動増幅器の入力が接地された場合の電圧差動増幅器の出力である。
【００３９】
上記の式（１）により測定誤差が除去され、測定中の燃料電池の測定電池電圧が得られる。電圧ＶOFFはＤＣオフセット及びコモンモード電圧誤差を表す。重ね合わせの原理に基づき、測定電圧は電池電圧とこれらの誤差との合計になるので、測定値からこれらの誤差が除去される。次に、ＶA/D / [ＶA/D(ＶA) −ＶA/D(ＶO)]の係数を用いて、Ａ／Ｄ変換器７０の出力をボルト単位の有意値に相関させる。この計算はＣＰＵ２０によって実行されてもよい。
【００４０】
図３は、較正を用いない場合に、燃料電池スタック９０の燃料電池の電池電圧を測定する際に生じる、測定誤差を示している。燃料電池スタック９０内に１０２個の燃料電池があり、各燃料電池が０．７５Ｖで動作する（即ち、電池電圧が０．７５Ｖ）とすると、図３に示されるように、１０２番目の燃料電池の実際のコモンモード電圧は７５．７５V（即ち、０．７５*１０１）である。１０２番目の燃料電池に接続される差動増幅器の出力６８に、＋５０ｍＶの残存電圧誤差が生じると、差動増幅器の出力６８は０．７５Vではなく０．８V（即ち、０．７５+０．０５）になり、個体のゲイン（unity gain）を有する。一般的に、差動ＤＣ電圧は０．０５ボルトまでの範囲で変動し得ることが予測される。
【００４１】
次に図４を参照すると、１０２番目の燃料電池に対して予測される正確なコモンモード電圧及び電池電圧（この例ではそれぞれ７５．７５Ｖ及び０．７５Ｖである）を提供する較正器１４０を用いて差動増幅器６８を較正することにより、測定誤差を解消できる。図示されるように、各差動増幅器６８に対して１つの較正器１４０を用いることができる。較正器を用いて差動増幅器６８を較正すると、差動増幅器のコモンモード電圧誤差及びＤＣオフセットが得られる。しかし、通常の使用法での実際の測定の間は、差動増幅器６８の出力は較正が行われる前と同じである（即ち、この例では０．８０Ｖ）。従って、実際の電池電圧を得ると共に残存誤差をかなり低減するには、式（１）を用いなければならない。
【００４２】
各燃料電池の使用中に生じる実際の電池電圧を予測するのは困難であるが、通常動作では、個々の燃料電池は約０．５Ｖ〜１．０Ｖで動作することが知られている。これらの電池電圧に近い電圧レベルを提供する較正器を適用して、複数の差動増幅器６２、６４等を電池電圧測定に用いる前に較正してもよい。従って、各差動増幅器のコモンモード電圧誤差及びＤＣオフセットを得ることができる。従って、各差動増幅器を較正することにより、燃料電池の電圧測定の精度が顕著に高まる。
【００４３】
個々の燃料電池は０．５Ｖ〜１．０Ｖの範囲で動作するので、各燃料電池が０．７５Ｖの電池電圧を有するように組み立てられてもよい。これは、通常使用中に複数の燃料電池が動作する平均電圧である。従って、較正中は０．７５Ｖの増分が用いられ、これは、図４に示されるように、燃料電池１の上部端末が０．７５Ｖ、燃料電池２の上部端末が１．５Ｖ、燃料電池３の上部端末が２．２５Ｖ等と続き、燃料電池１０１の上部端末が７６．５Ｖになる場合のような電圧を、較正器が提供することを意味する。本願発明者は、この方法を実際に用いることにより、各差動増幅器が、各燃料電池が理想的な条件下で動作する際の各燃料電池の電池端末における実際のコモンモード電圧に近いコモンモード電圧に較正されたことを見出した。その結果、測定電池電圧は、各燃料電池の実際の電池電圧に近いものであった。
【００４４】
この較正方法は、残存誤差を完全に解消するものではないが、残存誤差をかなり低減すると共に、コモンモード電圧誤差を低減する点が最も注目される。更に、較正後は、所与の差動増幅器の電圧測定中に生じるコモンモード電圧誤差は、差動増幅器の入力におけるコモンモード電圧に比例しない。この時点では、コモンモード電圧誤差は、入力における実際のコモンモード電圧と、較正中に各燃料電池に用いられる想定コモンモード電圧との差分に比例する。まず、この差は通常は比較的小さい。更に、この差はランダムであり、燃料電池スタック９０内の燃料電池数が増えても増加しない。従って、電池電圧測定の間、コモンモード電圧誤差は非常に低いレベルに保たれる。大きな燃料電池スタック内の燃料電池の電池電圧を測定する際には、これは特に好ましい。
【００４５】
次に、再び図１を参照すると、第１及び第２のＡ／Ｄ変換器７０及び７５から、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の測定電池電圧及びシャント１１０の測定電圧降下が、それぞれデジタル形式でＣＰＵ２０に供給される。実際には、負荷バンク１００に加えられる摂動周波数（「スポット」周波数）は、実際の測定の前に、上述の方法を用いて、各燃料電池の実インピーダンスが得られるように選択される。一般的に用いられる「スポット」周波数は１０００Ｈｚである。摂動振幅は通常は小さく、例えば、負荷バンク１００によって引き込まれる全ＤＣ電流の１０〜２０％である。実際の測定では、電池電圧のＡＣ波形のサンプルはしばしば除去されるが、所望の場合には、サンプリングされたＡＣ波形が保持されて解析のためにＣＰＵ２０に供給されるように、チャネル分割装置２１を構成することも可能であることを理解されたい。これにより、単純な抵抗以外の情報、即ち、電池のインピーダンスの仮想成分の情報を得られるようになる。
【００４６】
本発明は、安価であり且ついかなるハードウェア的調節も必要としない一般的に入手可能な構成要素を用いる。本発明は、使用が簡単であり且つ高精度の測定システムも提供する。更に、既存の電池電圧及び抵抗測定システムと比較して、本発明は構成要素数が少なく、システム全体のサイズが顕著に低減される。更に、本発明は、連続更新可能なリアルタイムの測定も可能にする。測定を自動化して、測定速度及び簡便性を高めることができる。本発明は、多数の燃料電池で構成される大きな燃料電池スタック内の、燃料電池の各グループの各電池電圧又は電圧降下を測定するのに、特に好ましい。
【００４７】
なお、本発明は、主に燃料電池の電圧及び内部抵抗の測定を意図したものであるが、任意の種類の多電池電気化学デバイスの電圧及び抵抗の測定にも適用可能であり、他のそのような装置の例としては、バッテリー（一次及び二次）及び電気分解装置がある。二次又は充電可能バッテリーに対しては、充電及び放電モードのバッテリー特性をモニタするために本発明を用いることが可能である。
【００４８】
更に、本発明は、個々の燃料電池にわたって測定される電圧について説明されたが、必ずしも各電池にわたって電圧を測定する必要はない。特定の電気化学デバイス及びその構成によっては、例えば、２個、３個又は４個の電池のグループである電池グループにわたって電圧を測定することが望ましい又は十分な場合もある。
【００４９】
更に、添付の特許請求の範囲にその範囲が定義された本発明から逸脱することなく、本明細書に説明及び図示された好ましい実施形態に対して、当業者によって様々な変形がなされ得ることを、理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の好ましい実施形態による燃料電池の電圧及び抵抗を測定するシステムの概略図である。
【図２】図１のシステムを用いて得られる実インピーダンス及び仮想インピーダンスの周波数の変化を示すナイキスト図である。
【図３】図１に示されているシステムを用いた燃料電池スタックの電池電圧測定の部分概略図である。
【図４】図１に示されているシステムを用いた電池電圧測定に必要な較正の部分概略図である。
【図１】
2005538499.tif 000003
【図２】
2005538499.tif 000004
【図３】
2005538499.tif 000005
【図４】
2005538499.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成16年3月18日(2004.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多電池電気化学デバイスの複数の電池のインピーダンス及び電圧特性を測定する装置であって、
測定電圧を示す電圧信号を生成するための、前記電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたり接続する複数の入力を含む電圧測定手段であって、該電圧測定手段が、前記測定電圧のための、隣接する測定点にわたる電圧につき１つのチャネルがある複数の一次チャネルを設けると共に、前記隣接する測定点にわたる電圧の成分を前記一次チャネルから分離するチャネル分割器であって、前記測定電圧のＤＣ成分を供給するための第１のチャネル及びＡＣ成分を供給するための第２のチャネルを有するチャネル分割器を含む、前記電圧測定手段と、
前記電気化学デバイスと直列に接続可能な負荷であって、ＡＣ摂動電流が重ね合わせられたＤＣ電流を引き込むように構成された負荷と、
前記負荷の特性を制御すると共に前記電圧測定手段から電圧信号を受け取るために、前記電圧測定手段及び前記負荷に接続され且つそれらを制御するコントローラであって、所望のＤＣ及びＡＣ負荷電流特性を与えるために前記負荷を制御するよう構成されるコントローラと、
を含む、電池のインピーダンス及び電圧特性を測定する装置。
【請求項２】
前記電圧測定手段が、前記電圧測定手段の入力に各々が並列に接続されると共に前記複数の一次チャネルを設ける複数の出力を有する複数の計装用増幅器と、前記チャネル分割器からの少なくとも前記第１のチャネルに接続されるアナログマルチプレクサとを含み、前記コントローラと前記アナログマルチプレクサとの間に、少なくとも前記第１のチャネル間の順次切り替えを行うために前記アナログマルチプレクサを制御するマルチプレクサ制御ラインが接続される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記アナログマルチプレクサの出力に接続される第１のアナログ−デジタル変換器と、前記第１のアナログ−デジタル変換器と前記コントローラとの間に接続される電圧データバスと、前記第１のアナログ−デジタル変換器を制御するために前記コントローラと前記第１のアナログ−デジタル変換器との間に接続されるアナログ−デジタル制御ラインと、を含む、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記負荷に接続されるアナログ出力を有するデジタル−アナログ変換器と、前記コントローラと前記デジタル−アナログ変換器との間に接続される負荷制御ラインと、負荷データバスと、を含む、請求項３記載の装置。
【請求項５】
電流測定のための前記負荷と直列に接続されたシャントが設けられ、該シャントは前記コントローラに接続される、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記シャントの複数の出力が電流増幅器に接続され、該電流増幅器は、前記コントローラに接続される電流測定信号のための出力を有する、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記電流増幅器の前記出力に接続される入力と、電流出力と、制御入力とを有する電流アナログ−デジタル変換器が設けられ、データバスが前記電流出力を前記コントローラに接続し、前記コントローラと前記電流アナログ−デジタル変換器の前記制御入力との間にアナログ−デジタル制御ラインが設けられる、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記コントローラが、前記コントローラを制御する制御信号を供給するための別の計算装置に接続可能な入力を含む、請求項１又は請求項７記載の装置。
【請求項９】
多電池電気化学デバイスの複数の電池の電圧及びインピーダンス特性をモニタする方法であって、
（i）前記電気化学デバイスと直列に接続された負荷を設ける工程と、
（ii）一連の設定負荷条件に従ったＤＣ電流と重ね合わされたＡＣ摂動電流との所望の組み合わせを有する所望の電流特性を与えるために前記負荷を制御する工程と、
（iii）隣接する測定点にわたる電圧につき１つのチャネルがある複数の一次チャネルを設けることと、前記測定電圧のＤＣ成分を得るための少なくとも１つの第１のチャネル及び前記測定電圧のＡＣ成分を得るための少なくとも１つの第２のチャネルを設けることによって前記隣接する測定点にわたる電圧の成分を前記一次チャネルから分離することとにより、前記電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたる電圧を測定する工程と、
（iv）測定された電圧の少なくとも一部を記録する工程と、
を含む、電池の電圧及びインピーダンス特性をモニタする方法。
【請求項１０】
前記工程（i）と前記工程（ii）との間に、前記重ね合わされたＡＣ電流摂動の周波数を変更することと、前記重ね合わされたＡＣ電流摂動に対して、選択された周波数における電圧を記録することと、記録された電圧から、前記複数の電池のインピーダンスの実成分及び仮想成分を決定することと、を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記電気化学デバイスの電池間の隣接する測定点にわたって並列に複数の差動増幅器の入力を接続することと、前記複数の差動増幅器を有する前記電池間の隣接する測定点にわたる電圧を測定して複数の電圧信号を生成することと、前記電圧信号をマルチプレクサに供給することと、前記電圧信号を前記コントローラに順次供給するために前記マルチプレクサを操作することと、を含む、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記アナログマルチプレクサによって選択された各電圧信号を、電圧アナログ−デジタル変換器においてデジタル信号に変換することを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記負荷を通る電流を測定するために前記負荷と直列に接続されたシャントを設けることと、前記シャントにわたる電圧を測定して前記負荷を通る電流を判定し、それによって電流測定信号を生成することと、該電流測定信号をコントローラに供給することと、を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記電流測定信号をデジタル電流測定信号に変換することと、該デジタル電流測定信号を前記コントローラに供給することと、を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記コントローラからデジタル−アナログ変換器にデジタル負荷信号を供給することと、前記デジタル−アナログ変換器を前記コントローラで制御することと、前記デジタル−アナログ変換器でアナログ負荷制御信号を生成することと、該アナログ負荷制御信号を前記負荷に供給することと、を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記電気化学デバイスの各電池が較正され、前記電気化学デバイスの個々の電池にわたって各電圧が測定され、較正された測定電池電圧ＶRを求めるために、各電池の電圧が次式
ＶR＝ＶA * ＶA/D / [ＶA/D(ＶA) −ＶA/D(ＶO)] −ＶOFF        （１）
（式中、ＶRは較正された測定電池電圧であり、ＶA/Dは電池電圧測定の間の個々の電池に対する前記電圧デジタル−アナログ変換器の出力値であり、ＶAは較正中に個々の電池の前記差動増幅器の入力にディファレンシャルに印加される電圧であり、ＶA/D(ＶA)は較正中に個々の電池の前記差動増幅器の前記入力にＶAが印加された場合の前記電圧アナログ−デジタル変換器の出力値であり、ＶA/D(ＶO)は較正中に個々の電池の前記差動増幅器の前記入力が接地された場合の前記電圧アナログ−デジタル変換器の出力値であり、ＶOFFは較正中に個々の電池の前記差動増幅器の前記入力が接地された場合の前記差動増幅器の出力である）
に従って計算される、請求項１２、請求項１３、請求項１４又は請求項１５記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの電圧及び高周波抵抗を測定するシステム及び方法に関する。特に、本発明は、個々の電池電圧と、複数の電池が一続きにスタックされた燃料電池スタックの抵抗とを測定するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（一般的に水素）及び酸化体（一般的に空気）を２つの適切な電極及び電解質と接触させることによって起電力を生じる、電気化学デバイスである。例えば水素ガス等の燃料は第１の電極に導入され、電解質の存在下で電気化学的に反応し、第１の電極において電子及びカチオンを生じる。電子は、電極間に接続された電気回路を通って、第１の電極から第２の電極へと循環する。カチオンは、電解質を通過して第２の電極に至る。同時に、酸素又は空気等の酸化体が第２の電極に導入され、そこで、酸化体は、電解質及び触媒の存在下で電気化学的に反応して、アニオンを生成すると共に、電気回路を通って循環する電子を消費し、第２の電極ではカチオンが消費される。第２の電極、即ち陰極で形成されたアニオンは、カチオンと反応し、反応生成物を形成する。第１の電極、即ち陽極は、燃料電極又は酸化電極と呼ばれることもあり、第２の電極は、酸化体電極又は還元電極と呼ばれることもある。２つの電極における半電池反応は、それぞれ次の通りである。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
1/2Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
【０００３】
外部の電気回路は電池から電流を引き込み、従って電力を受け取る。燃料電池の反応全体によって、上記の個別の半電池反応の合計によって示されるような電気エネルギーが生じる。この反応の典型的な副生成物は、水及び熱である。
【０００４】
実用では、燃料電池は単体では作動されない。むしろ、燃料電池は、積み重ねられ又は横に並べられ、一続きに接続される。燃料電池スタックと呼ばれる一続きの燃料電池は、通常はハウジングで包まれている。燃料及び酸化体はマニホールドを介して電極へと送られ、その間、反応物質又は冷却媒体によって冷却される。スタック内には、集電器と、電池どうしのシールと、絶縁物とがあり、必要な配管及び計器装備は、燃料電池スタックの外部に設けられている。スタック、ハウジング及び関連するハードウェアで、燃料電池モジュールが構成される。
【０００５】
燃料電池スタックの適切な動作を確実にすると共に、その性能を評価するために、様々なパラメータをモニタしなければならない。これらのパラメータには、燃料電池スタック内の各燃料電池にわたる電圧（以下「電池電圧」と称される）及び各燃料電池の内部抵抗が含まれる。
【０００６】
文献では、燃料電池の複素インピーダンス測定は、互いにインタフェースされた多くのサブシステムで構成される、ベンチトップ型の高価な実験室用機器を用いてのみ実行可能であることが示されている。例えば、非特許文献１〜３を参照されたい。このような公知の装置は、適切な自動化がなされておらず、手動で制御される。可搬型の統合型測定システムの使用を可能にするような、単一の公知の手法は存在しない。更に、燃料電池の動作パラメータの変更を可能にするような、これらのシステムに統合された測定装置は存在しない。
【０００７】
更に、特許文献では、複素インピーダンスの測定は、主にバッテリー用のものが知られていることが示されている。更に、これらの特許が教示するのは、単一の量、即ち「インピーダンス」（特許文献１及び特許文献２）又は「抵抗」（特許文献３、特許文献４及び特許文献５）の測定技術のみである。必ずしも燃料電池ではない電気化学的電池のインピーダンス測定に関する上述の特許（特許文献６）は、全く異なる更に複雑な手法を用いていた。更に、この手法は、後者（燃料電池）に関連する高い電流のために、燃料電池に直接適用できなかった。
【０００８】
従って、可搬性、燃料電池への適用性、測定の多様性及び分解能、自動化、並びにコスト等といった、依然として対処を要する問題がある。これらの問題は、燃料電池インピーダンス測定用の自給型の可搬型装置／システム及びインピーダンス測定の方法を提供する本願譲受人の同時係属の米国特許出願第０９/６７２，０４０号において、ある程度対処されている。このシステムは、ＣＰＵ、周波数合成器、燃料電池、負荷バンク、並びに測定及び取得回路を含んでいる。ＣＰＵは、ソフトウェアプログラムから入力パラメータを受け取り、これらのパラメータを信号生成装置に送り、信号生成装置は、負荷バンクを遠隔からプログラムするのに用いられるＤＣオフセットを有するＡＣ波形を生成する。負荷バンクは燃料電池から電流を引き込む。電圧及び電流検出回路によって、燃料電池にわたる電圧及び燃料電池を通る電流が測定され、次に、オシロスコープ又はＡ／Ｄ変換器によってデジタル化及び平均化される。記録されたデータはＣＰＵに送られ、そこで、ＡＣ位相の進み又は遅れが計算される。次に、この発明によって、実インピーダンス、仮想インピーダンス、位相差、進み成分、遅れ成分、電流の大きさ、電圧の大きさ、及び印加ＡＣ電圧を含む数多くの出力を表示できる。
【０００９】
しかし、先の出願の発明の用途は、従来の測定装置を用いた電圧測定が困難であり得る、多数の燃料電池で構成される燃料電池スタックの測定に限られていた。先の特許出願では、燃料電池スタック内の個々の燃料電池の内部抵抗をリアルタイムで測定するための手法は、詳細に記載されていない。
【００１０】
複数の電池電圧を測定するには、各燃料電池の２つの端末（即ち、陽極及び陰極）における差動電圧測定が必要である。しかし、燃料電池は直列に接続されると共に、一般的に多数であるので、一部の端末における電圧は、現在入手可能な任意の半導体測定装置で直接測定するには高過ぎる。例えば、各電池電圧が０．９５Ｖである１００個の電池で構成される燃料電池スタックでは、最上部の電池の負の端末（陰極）における実際の電圧は、９４．０５Ｖ（即ち、０．９５*１００−０．９５）になる。従って、この電圧は、電圧測定に一般的に用いられるほとんどの電流差動増幅器の許容可能最大入力電圧を超えるものである。
【００１１】
本願譲受人の同時係属の米国特許出願第０９/８６５，５６２号は、この問題に対する解決法を提供するものである。この特許出願は、燃料電池スタック内の個々の燃料電池の電池電圧をモニタするためのシステムを提供する。米国特許出願第０９/８６５，５６２号及び第０９/６７２，０４０号の内容を参照し、本明細書に組み込む。このシステムは、複数の差動増幅器、マルチプレクサ、アナログ−デジタル変換器、コントローラ及びコンピュータを含む。各差動増幅器は、各燃料電池の２つの端末における電圧を読み取る。アナログ−デジタル変換器は、任意の所与の時間にこれらの差動増幅器の１つに対するアクセスを提供するマルチプレクサを介して、これらの差動増幅器の出力を読み取る。次に、アナログ−デジタル変換器のデジタル出力がコンピュータに供給されて解析される。コンピュータは、アナログ−デジタル変換器及びマルチプレクサの動作を制御する。しかし、この特許出願の電圧モニタシステムは、個々の燃料電池にわたるＤＣ電圧のみを測定する。一方、上述した米国特許出願第０９/６７２，０４０号では、燃料電池インピーダンスの測定において、単一の燃料電池又は複数の燃料電池のスタックである燃料電池スタック全体にわたって、ＡＣ電圧及びＤＣ電圧を印加することが含まれる。
【００１２】
従って、特に、多数の燃料電池で構成されるスタックである燃料電池スタック内の、個々の燃料電池の内部抵抗を測定するのに適したシステムの必要性が、依然として存在する。
【特許文献１】米国特許第４，６９７，１３４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７７３，９７８号明細書
【特許文献３】米国特許第３，７５３，０９４号明細書
【特許文献４】米国特許第３，６７６，７７０号明細書
【特許文献５】米国特許第５，０４７，７２２号明細書
【特許文献６】米国特許第６，００２，２３８号明細書
【非特許文献１】Ｔ．Ｅ．スプリンガー（T. E. Springer），Ｔ．Ａ．ザウォジンスキー（T. A. Zawodzinski），Ｍ．Ｓ．ウィルソン（M. S. Wilson），及びＳ．ゴテスフィールド（S. Gottesfield）著，「ＡＣインピーダンス分光学を用いたポリマー電解質型燃料電池の特徴づけ（Characterization of polymer electrolyte fuel cells using AC impedance spectroscopy）」，米国電気化学学会誌 （Journal of electrochemical Society of America），１４３（２），１９９６年，p．５８７−５９９
【非特許文献２】Ｊ．Ｒ．セルマン（J. R. Selman）及びＹ．Ｐ．リン（Y. P. Lin）著，「燃料電池の研究及び開発におけるＡＣインピーダンスの適用（Application of AC impedance in fuel cell research and development）」，エレクトロケミカ・アクタ（Electrochemica Acta），３８（１４），１９９３年，p．２０６３−２０７３
【非特許文献３】Ｂ．エルセナー（B. Elsener）及びＨ．ボルミ（H. Bolmi）著，「能動−受動遷移の電気化学的調査におけるコンピュータ支援ＤＣ及びＡＣ技術（Computer-assisted DC and AC techniques in electrochemical investigations of active-passive transition）」，腐食化学（Corrosion Science），２３（４），１９８３年，p．３４１−３５２
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１つの態様によれば、燃料電池の電圧及びインピーダンスを測定するためのシステム又は装置が提供される。この装置は、測定電圧を示す電圧信号を生成するための、電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたり接続する複数の入力を含む、電圧測定手段であって、該電圧測定手段が、測定電圧のための、隣接する測定点にわたる電圧につき１つのチャネルがある複数の一次チャネルを設けると共に、隣接する測定点にわたる電圧の成分を一次チャネルから分離するチャネル分割器であって、測定電圧のＤＣ成分を供給するための第１のチャネル及びＡＣ成分を供給するための第２のチャネルを有するチャネル分割器を含む、電圧測定手段と、電気化学デバイスと直列に接続可能な負荷であって、ＡＣ摂動電流が重ね合わせられたＤＣ電流を引き込むように構成された負荷と、負荷の特性を制御すると共に電圧測定手段から電圧信号を受け取るために、電圧測定手段及び負荷に接続され且つそれらを制御するコントローラであって、所望のＤＣ及びＡＣ負荷電流特性を与えるために負荷を制御するよう構成されるコントローラと、を含む。
【００１４】
好ましくは、電圧測定手段は、電圧測定手段の入力に接続されると共に複数の一次チャネルを設ける複数の出力を有する複数の計装用増幅器と、チャネル分割器からの少なくとも第１のチャネルに接続されるアナログマルチプレクサとを含み、コントローラとアナログマルチプレクサとの間に、少なくとも第１のチャネル間の順次切り替えを行うためにアナログマルチプレクサを制御するマルチプレクサ制御ラインが接続される。
【００１５】
電圧信号は、単に各電池にわたる実際の電圧であってもよいことを理解されたい。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、多電池電気化学デバイスの複数の電池の電圧及びインピーダンス特性をモニタする方法が提供され、この方法は、（i）電気化学デバイスと直列に接続された負荷を設ける工程と、（ii）一連の設定負荷条件に従ったＤＣ電流と重ね合わされたＡＣ電流摂動との所望の組み合わせを有する所望の電流特性を与えるために負荷を制御する工程と、（iii）隣接する測定点にわたる電圧につき１つのチャネルがある複数の一次チャネルを設けることと、測定電圧のＤＣ成分を得るための少なくとも１つの第１のチャネル及び測定電圧のＡＣ成分を得るための少なくとも１つの第２のチャネルを設けることによって隣接する測定点にわたる電圧の成分を一次チャネルから分離することとにより、電気化学デバイスの電池間の複数の測定点にわたる電圧を測定する工程と、（iv）測定された電圧の少なくとも一部を記録する工程と、を含む。
【００１７】
本発明の両方の態様では、測定電圧は必ずしも個々の各電池にわたるものでなくてもよい。幾つかの電池のみにわたって電圧を測定することも可能、及び／又は、１グループの電池にわたって幾つかの個別の電圧を測定することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明のより良好な理解と、本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を例として参照する。
【００１９】
図１を参照すると、後述するように離散的な周波数で燃料電池のインピーダンスを測定するための、自給型の可搬型装置１０の好ましい実施形態が示されている。ＣＰＵ２０は、１つのＲＳ−２３２シリアルリンクプロトコル、即ち第１のデータバス４０を介して、ソフトウェアプログラム３０からの入力を受け容れる。幾つかの入力として、周波数、ＡＣ振幅、ＤＣオフセット電流及び燃料電池活性面積が含まれる。ＣＰＵ２０は、第２のデータバス６０を介して、入力パラメータをデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器５０に送ると共に、制御ライン６１によっても接続されている。ＣＰＵ２０は、第１の電圧アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７０から第３のデータバス８０を介して、燃料電池スタックにわたって測定された電池電圧、即ち、スタック内の個々の各燃料電池にわたる電圧を含むデータを受け取る。ＣＰＵ２０は、第２の、即ち電流アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７５から第４のデータバス８５を介して、測定された燃料電池スタックを通る電流を含むデータも受け取る。次に、ＣＰＵ２０は、様々な対象パラメータを計算し、これらのパラメータを、ＲＳ−２３２シリアルリンクプロトコル４０を介してソフトウェア３０に出力する。出力されるパラメータは、測定された抵抗、電流の大きさ、電圧の大きさ及び印加ＡＣ電圧を含む。電圧アナログ−デジタル変換器７０及び電流アナログ−デジタル変換器７５は、ＣＰＵ２０に接続された各制御ライン４９、４５を介して供給される制御信号によって制御される。
【００２０】
テスト燃料電池スタックが９０で示されており、公知の方法で示されている接地を有する負荷バンク１００に直列に接続されている。負荷バンク１００は標準的な負荷バンクであり、所望の電圧を印加するように又は所望の電流を引き込むように設定可能である。詳細は後述するが、電流測定の目的で、燃料電池スタック９０及び負荷バンク１００を含む回路には、負荷バンク１００を横断するシャント１１０が設けられている。
【００２１】
燃料電池スタック９０をテストするためには、燃料電池スタックの出力が、交流レベルが重ね合わされた一定のＤＣレベルであることが必要である。従って、ＣＰＵ２０は、ＤＣ値及びＡＣ摂動を表すデータをＤ／Ａ変換器５０に供給する。一方、Ｄ／Ａ変換器５０は、所望の大きなＤＣ電流を引き込むように負荷バンク１００を制御する。負荷バンク１００は、更にＤ／Ａ変換器５０によって、ＤＣ電流に重ね合わされた、一般的に比較的小さいＡＣ摂動を引き込むように制御される。ＣＰＵ２０に摂動波形関数が格納されてもよい。この方法は、一般的には高周波抵抗測定技術と称される。
【００２２】
一揃いの差動増幅器１２０を用いて、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の電池電圧が直接測定され（詳細は後述する）、電圧信号が生成される。これらの電圧信号はチャネル分割装置２１に渡され、電圧信号のＤＣ成分に対する第１のチャネル及び電圧信号のＡＣ成分に対する第２のチャネルに分割される。次に、これらの第１及び第２チャネルは、アナログマルチプレクサ２２を介してＡ／Ｄ変換器７０に接続される。一方、燃料電池スタック９０を通る電流は、シャント１１０を用いて間接的に測定される。シャント１１０は既知の抵抗値及びゼロに近い反応成分を有し、負荷バンク１００の純粋な抵抗成分にわたって公知の方法で接続される。シャントには、シャント１１０にわたる電圧降下を測定して電流測定信号を生成するための差動増幅器１３０が接続されている。従って、シャント１１０を通る電流、及びそれに従って、燃料電池スタック９０を通る電流が、計算によって求められる。一揃いの差動増幅器１２０は、先の米国特許出願第０９/８６５，５６２号によるものであってよい。
【００２３】
本システムでは、測定された各燃料電池の電池電圧及び燃料電池スタック９０を通る電流が、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５によってそれぞれデジタル化及び平均化される。次に、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５は、デジタル形式の測定値を、第３のデータバス８０及び第４のデータバス８５を介してＣＰＵ２０に送る（そこで、測定値は処理のために格納される）。ＣＰＵ２０はこのデータを用いて、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池にわたるＡＣ電圧及びＤＣ電圧並びに燃料電池スタック９０を通る測定電流を計算する。次に、ＣＰＵ２０は、燃料電池スタック９０内の各燃料電池のインピーダンスの抵抗成分を計算する。これらの計算は、選択された「スポット」周波数において行われる。これらの全ての測定及び計算は、個々の各燃料電池に対して行われる。この周波数における実成分は、各燃料電池の内部抵抗の精確な測定値である。本願発明者は、本発明を遙かにコスト高のベンチトップ型の非統合型システムと比較した場合に、誤差レベルの大きさが１％未満であることを示している。
【００２４】
「スポット」周波数は、実際の測定の前にナイキスト図を用いて選択される。次に図２を参照すると、本願譲受人の同時係属の米国特許出願第０９/６７２，０４０号に開示されている装置等の周波数選択装置を用いて得られた例示的なナイキスト図が示されている。横軸は実インピーダンスをΩｃｍ2で示しており、縦軸は仮想インピーダンスをΩｃｍ2で示している。これらの値は、実際のインピーダンス値を、スタック９０内の各電池のＰＥＭの表面積で乗算することによって決定される。これにより、電池面積に依存しない、即ち、電池特性によってのみ決定される、各電池の単位面積に対するインピーダンス値の指標が与えられる。図示されるように、この図は、周波数が１５０で示される１００Ｈｚから１ｋＨｚ、２ｋＨｚを含む様々な点を通って１５２で示される１０ｋＨｚまで変化する際の、抵抗の変化を示している。高い周波数にあたる曲線の第１の部分は横軸より低く、負の仮想インピーダンスを示しており、一方、（低い周波数にあたる）第２の部分は軸より高く、正の仮想インピーダンスを示している。１５４で示される、曲線が軸と交差する場所、即ち、仮想インピーダンスが０の場所では、実インピーダンスはおよそ０．０９８Ωｃｍ2である。この点では仮想成分が０であるので、これは、抵抗の実成分の値である。実際の測定の前に、システムがインピーダンスの実成分のみを測定するように周波数が選択される。
【００２５】
次に図３を参照すると、図１に示されているシステムを用いた燃料電池スタックに対する電池電圧測定の部分的な概略図が示されている。このシステムは、燃料電池スタック９０に接続された（１２０で示される）複数の差動増幅器６２、６４等を含む。図１に示されるように、差動増幅器６２、６４等の複数の入力は、燃料電池スタック９０内の複数の燃料電池の端末に接続され、一方、差動増幅器６２、６４等の複数の出力は、（図１に示されている）チャネル分割装置２１に接続される。チャネル分割装置２１は、例えばマルチプレクサ等の切り替えネットワーク２２に接続される複数の出力を有する。マルチプレクサ２２は第１のＡ／Ｄ変換器７０に接続される１つの出力を有し、第１のＡ／Ｄ変換器７０は、マルチプレクサからのアナログデータをデジタル形式に変換し、このデータを解析のためにＣＰＵ２０に供給する。
【００２６】
電池電圧測定を実行するために、複数の差動増幅器６２、６４等の各々は、高いコモンモード除去率を有する。各差動増幅器は、高い線形性を有するのが好ましい。各差動増幅器は、略統一されたゲインを有してもよい。各差動増幅器は、各入力においてできるだけ高い電圧を除去できるべきである。しかし、当該技術分野で周知のように、入力格差は電源電圧によって制限される。従って、入力格差は＋／−１５Ｖの範囲に制限され得る。
【００２７】
図１及び図３では、各差動増幅器６２、６４等の入力は、１つの燃料電池にわたって接続される。具体的には、増幅器６２の２つの入力３４、３６が、電池１の陽極３８及び陰極４０に接続される。同様に、増幅器６４の２つの入力４６、４８が、電池２の陽極４２及び陰極４４に接続される。この構成では、電池電圧、及びそれに従って、各燃料電池の内部抵抗が得られる。しかし、実際には、差動増幅器の入力は、必ずしも１つの燃料電池の２つの端末に接続されなくてもよいことを理解されたい。むしろ、差動増幅器の入力は、燃料電池スタック９０の任意の２つの端末に接続されてよい。例えば、差動増幅器６２では、入力３６が電池１の端末４０に接続され、入力３４が電池２の端末に接続されてもよい。従って、任意の１つの増幅器に印加可能な最大電圧格差のみによって制限された、スタック９０内の多数の燃料電池の電圧降下及び内部抵抗を得ることができる。この説明では、簡潔にするために、各差動増幅器はそれぞれ１つの燃料電池の端末に接続されるものとする。
【００２８】
上述のように、負荷バンク１００は、ＡＣ摂動が重ね合わされたＤＣ電流を引き込む。従って、測定された電池電圧は、ＤＣ成分及びＡＣ成分の両方で構成される。チャネル分割装置２１は、複数の差動増幅器６２、６４等の出力の電圧信号（一次チャネル）を、個々の電池にわたる電圧のＤＣ成分及びＡＣ成分に対する第１及び第２のチャネルに分割するので、ＤＣ電圧及びＡＣ電圧の両方を精確に測定可能である。チャネル分割は、当業者に周知の方法で達成される。例えば、ＤＣ成分に対してはローパスフィルタを用い、ＡＣ成分に対してはハイパスフィルタを用いる。これにより、事実上測定チャネル数が２倍（１つの電池につき２つのチャネル）になる。一例として、チャネル分割装置２１においてハイパスフィルタ（図示せず）を適用することによってＡＣ成分を抽出してもよい。次に、切り替えネットワーク、即ちマルチプレクサ２２は、燃料電池スタック９０の２つの点で測定された、１つの差動電圧信号のみを、一度にアクセス可能にする。この構成は、測定システム１００の構成要素数を低減するために望ましい。切り替えネットワーク２２は、電池電圧の測定値の完全なセットを取得するために、チャネル分割装置２１の複数の出力をスキャンする。スキャンは、一度に１つの電池電圧信号のみが受け容れられるように高速で実行可能である。
【００２９】
次に、第１のＡ／Ｄ変換器７０は、測定されたアナログ電圧をデジタル値に順次変換する。実際には、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５は、１６ビット変換器であってよい。所望の場合には、より精確なデジタル値を得るために、よりビット数が多いＡ／Ｄ変換器を用いてもよい。ＣＰＵ２０によって、第１のＡ／Ｄ変換器７０及び第２のＡ／Ｄ変換器７５からデジタルデータが読み取られる。ＣＰＵ２０は、切り替えネットワーク制御信号ライン４７を介して切り替えネットワーク２２の動作を制御すると共に、上述したように、第１のＡ／Ｄ変換器制御信号４９を介して第１のＡ／Ｄ変換器７０の動作を制御し、第２のＡ／Ｄ変換器制御信号４５を介して第２のＡ／Ｄ変換器の動作を制御する。ＣＰＵ２０は、切り替えネットワーク、即ちマルチプレクサ２２を制御して、スタック９０内の特定の燃料電池の２つの端末において測定された電池電圧のデジタル値を選択的に受け取る。ＣＰＵ２０は切り替えネットワーク２２に、測定された電池電圧に順次アクセスして、第１のＡ／Ｄ変換器７０の対応するデジタル値を読み取るように指示するのが好ましい。或いは、測定された電池電圧は、適切にプログラムされたＣＰＵ２０によって任意の時にアクセス可能であってもよい。電池電圧が測定される頻度は、測定電圧及び内部抵抗を用いた電池性能の解析に重要である。電池電圧測定は、電池に対する短い過渡的な条件を報告するために十分に速くなければならない。各電池に対して１０ミリ秒毎に測定を行うのが好ましく、これは十分すぎるほどであることが示されている。１００個の電池のスタックに対しては、電池電圧は、各スタックにつき１秒の増分で測定される。
【００３０】
本発明で用いられる複数の差動増幅器６２、６４等は、高いコモンモード除去率を有する任意の市販の差動増幅器から選択されてよい。例としては、バー−ブラウン（Burr-Brown）ＩＮＡ１１７差動増幅器又はアナログ・デバイシズ（Analog Devices）ＡＤ６２９差動増幅器が挙げられる。これらの差動増幅器は、２００Ｖまでのコモンモード電圧と共に機能でき、従って、図１に示されるように、燃料電池スタック９０の燃料電池の陰極及び陽極に直接接続できる。
【００３１】
実際には、一揃いの差動増幅器１２０は、精確な電圧測定値を得るために較正を要する。当業者には周知のように、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の数が増加すると、単一の燃料電池の２つの端末における電圧は増加する。この増加が大きくなるほど、その単一の燃料電池が燃料電池スタック９０の基準電位から離れる。従って、その単一の燃料電池に接続された差動増幅器の入力のコモンモード電圧も増加する（コモンモード電圧は、複数の入力の単純な平均値である）。差動増幅器の入力における増加は、差動増幅器の出力に電圧を生じ、これは差動増幅器の電圧測定に悪影響を及ぼす。このコモンモード電圧誤差は、差動増幅器のコモンモード電圧ゲインと入力のコモンモード電圧との積に等しい。従って、コモンモード電圧誤差は、差動増幅器の入力のコモンモード電圧に比例する。従って、差動増幅器は、複数の入力の合計を出力電圧で除算した場合の入力電圧の比率である高いコモンモード除去率（ＣＭＲＲ）を有するのが好ましい。ＣＭＲＲは、通常はｄＢで表される（即ち、ＣＭＲＲ（ｄＢ）＝２０ ｌｏｇ（入力電圧／出力電圧））。一般的に、ＣＭＲＲの値はおよそ７０〜１１０ｄＢの範囲である。当然ながら、高いコモンモード除去率を有する増幅器は、コモンモード電圧ゲインが小さい。
【００３２】
更に、差動増幅器の不可避な内部不整合に起因して、差動増幅器の出力に余計な電圧が生じる。この出力電圧は、差動増幅器のＤＣオフセットと呼ばれる。ＤＣオフセットは、差動増幅器の入力が接地されている場合には、差動増幅器の出力における有限電圧として観察される。
【００３３】
更に、Ａ／Ｄ変換器７０の量子化ノイズに起因して、測定に電圧誤差が生じ得る。しかし、当該技術分野で周知のように、Ａ／Ｄ変換器の量子化ビット数を増やすことにより、量子化ノイズを許容可能なレベルに低減できる。
【００３４】
コモンモード電圧誤差、ＤＣオフセット、及び幾分は量子化ノイズにも起因して、差動増幅器の出力は燃料電池の実際の電池電圧から偏る。この偏りは残存電圧と呼ばれ、一般的な差動増幅器構成では解消できない測定誤差である。上述したように、残存電圧は、差動増幅器の入力のコモンモード電圧に比例する。個々の燃料電池の合計数が増加すると、差動増幅器の入力のコモンモード電圧が増加するので、これは望ましくない。従って、燃料電池のスタック９０の最上部の燃料電池について測定された電池電圧の偏りは、電池電圧測定の精度にかなり影響する大きさである。
【００３５】
燃料電池の測定電圧を、各燃料電池の電圧測定から得られたデジタル値を用いる一次方程式に基づいて計算すれば、上記の問題を克服できる。この計算を行うために、較正プロセスの間に電圧値を読み取るための少なくとも１つの電圧計及び較正器（いずれも図示せず）が必要である。電圧計は高精度の電圧計であるのが好ましい。
【００３６】
所与の差動増幅器によって測定される各燃料電池の電池電圧は、次式を用いて計算できる。
ＶR＝ＶA * ＶA/D / [ＶA/D(ＶA) −ＶA/D(ＶO)] −ＶOFF        （１）
式中、ＶRは較正された測定電池電圧であり、ＶA/Dは電池電圧測定の間のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、ＶAは較正中に差動増幅器の入力にディファレンシャルに印加される電圧であり、ＶA/D(ＶA)は較正中に差動増幅器の入力にＶAが印加された場合のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、ＶA/D(ＶO)は較正中に差動増幅器の入力が接地された場合のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、ＶOFFは較正中に差動増幅器の入力が接地された場合の電圧差動増幅器の出力である。
【００３７】
上記の式（１）により測定誤差が除去され、測定中の燃料電池の測定電池電圧が得られる。電圧ＶOFFはＤＣオフセット及びコモンモード電圧誤差を表す。重ね合わせの原理に基づき、測定電圧は電池電圧とこれらの誤差との合計になるので、測定値からこれらの誤差が除去される。次に、ＶA/D / [ＶA/D(ＶA) −ＶA/D(ＶO)]の係数を用いて、Ａ／Ｄ変換器７０の出力をボルト単位の有意値に相関させる。この計算はＣＰＵ２０によって実行されてもよい。
【００３８】
図３は、較正を用いない場合に、燃料電池スタック９０の燃料電池の電池電圧を測定する際に生じる、測定誤差を示している。燃料電池スタック９０内に１０２個の燃料電池があり、各燃料電池が０．７５Ｖで動作する（即ち、電池電圧が０．７５Ｖ）とすると、図３に示されるように、１０２番目の燃料電池の実際のコモンモード電圧は７５．７５V（即ち、０．７５*１０１）である。１０２番目の燃料電池に接続される差動増幅器の出力６８に、＋５０ｍＶの残存電圧誤差が生じると、差動増幅器の出力６８は０．７５Vではなく０．８V（即ち、０．７５+０．０５）になり、個体のゲイン（unity gain）を有する。一般的に、差動ＤＣ電圧は０．０５ボルトまでの範囲で変動し得ることが予測される。
【００３９】
次に図４を参照すると、１０２番目の燃料電池に対して予測される正確なコモンモード電圧及び電池電圧（この例ではそれぞれ７５．７５Ｖ及び０．７５Ｖである）を提供する較正器１４０を用いて差動増幅器６８を較正することにより、測定誤差を解消できる。図示されるように、各差動増幅器６８に対して１つの較正器１４０を用いることができる。較正器を用いて差動増幅器６８を較正すると、差動増幅器のコモンモード電圧誤差及びＤＣオフセットが得られる。しかし、通常の使用法での実際の測定の間は、差動増幅器６８の出力は較正が行われる前と同じである（即ち、この例では０．８０Ｖ）。従って、実際の電池電圧を得ると共に残存誤差をかなり低減するには、式（１）を用いなければならない。
【００４０】
各燃料電池の使用中に生じる実際の電池電圧を予測するのは困難であるが、通常動作では、個々の燃料電池は約０．５Ｖ〜１．０Ｖで動作することが知られている。これらの電池電圧に近い電圧レベルを提供する較正器を適用して、複数の差動増幅器６２、６４等を電池電圧測定に用いる前に較正してもよい。従って、各差動増幅器のコモンモード電圧誤差及びＤＣオフセットを得ることができる。従って、各差動増幅器を較正することにより、燃料電池の電圧測定の精度が顕著に高まる。
【００４１】
個々の燃料電池は０．５Ｖ〜１．０Ｖの範囲で動作するので、各燃料電池が０．７５Ｖの電池電圧を有するように組み立てられてもよい。これは、通常使用中に複数の燃料電池が動作する平均電圧である。従って、較正中は０．７５Ｖの増分が用いられ、これは、図４に示されるように、燃料電池１の上部端末が０．７５Ｖ、燃料電池２の上部端末が１．５Ｖ、燃料電池３の上部端末が２．２５Ｖ等と続き、燃料電池１０１の上部端末が７６．５Ｖになる場合のような電圧を、較正器が提供することを意味する。本願発明者は、この方法を実際に用いることにより、各差動増幅器が、各燃料電池が理想的な条件下で動作する際の各燃料電池の電池端末における実際のコモンモード電圧に近いコモンモード電圧に較正されたことを見出した。その結果、測定電池電圧は、各燃料電池の実際の電池電圧に近いものであった。
【００４２】
この較正方法は、残存誤差を完全に解消するものではないが、残存誤差をかなり低減すると共に、コモンモード電圧誤差を低減する点が最も注目される。更に、較正後は、所与の差動増幅器の電圧測定中に生じるコモンモード電圧誤差は、差動増幅器の入力におけるコモンモード電圧に比例しない。この時点では、コモンモード電圧誤差は、入力における実際のコモンモード電圧と、較正中に各燃料電池に用いられる想定コモンモード電圧との差分に比例する。まず、この差は通常は比較的小さい。更に、この差はランダムであり、燃料電池スタック９０内の燃料電池数が増えても増加しない。従って、電池電圧測定の間、コモンモード電圧誤差は非常に低いレベルに保たれる。大きな燃料電池スタック内の燃料電池の電池電圧を測定する際には、これは特に好ましい。
【００４３】
次に、再び図１を参照すると、第１及び第２のＡ／Ｄ変換器７０及び７５から、燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の測定電池電圧及びシャント１１０の測定電圧降下が、それぞれデジタル形式でＣＰＵ２０に供給される。実際には、負荷バンク１００に加えられる摂動周波数（「スポット」周波数）は、実際の測定の前に、上述の方法を用いて、各燃料電池の実インピーダンスが得られるように選択される。一般的に用いられる「スポット」周波数は１０００Ｈｚである。摂動振幅は通常は小さく、例えば、負荷バンク１００によって引き込まれる全ＤＣ電流の１０〜２０％である。実際の測定では、電池電圧のＡＣ波形のサンプルはしばしば除去されるが、所望の場合には、サンプリングされたＡＣ波形が保持されて解析のためにＣＰＵ２０に供給されるように、チャネル分割装置２１を構成することも可能であることを理解されたい。これにより、単純な抵抗以外の情報、即ち、電池のインピーダンスの仮想成分の情報を得られるようになる。
【００４４】
本発明は、安価であり且ついかなるハードウェア的調節も必要としない一般的に入手可能な構成要素を用いる。本発明は、使用が簡単であり且つ高精度の測定システムも提供する。更に、既存の電池電圧及び抵抗測定システムと比較して、本発明は構成要素数が少なく、システム全体のサイズが顕著に低減される。更に、本発明は、連続更新可能なリアルタイムの測定も可能にする。測定を自動化して、測定速度及び簡便性を高めることができる。本発明は、多数の燃料電池で構成される大きな燃料電池スタック内の、燃料電池の各グループの各電池電圧又は電圧降下を測定するのに、特に好ましい。
【００４５】
なお、本発明は、主に燃料電池の電圧及び内部抵抗の測定を意図したものであるが、任意の種類の多電池電気化学デバイスの電圧及び抵抗の測定にも適用可能であり、他のそのような装置の例としては、バッテリー（一次及び二次）及び電気分解装置がある。二次又は充電可能バッテリーに対しては、充電及び放電モードのバッテリー特性をモニタするために本発明を用いることが可能である。
【００４６】
更に、本発明は、個々の燃料電池にわたって測定される電圧について説明されたが、必ずしも各電池にわたって電圧を測定する必要はない。特定の電気化学デバイス及びその構成によっては、例えば、２個、３個又は４個の電池のグループである電池グループにわたって電圧を測定することが望ましい又は十分な場合もある。
【００４７】
更に、添付の特許請求の範囲にその範囲が定義された本発明から逸脱することなく、本明細書に説明及び図示された好ましい実施形態に対して、当業者によって様々な変形がなされ得ることを、理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による燃料電池の電圧及び抵抗を測定するシステムの概略図である。
【図２】図１のシステムを用いて得られる実インピーダンス及び仮想インピーダンスの周波数の変化を示すナイキスト図である。
【図３】図１に示されているシステムを用いた燃料電池スタックの電池電圧測定の部分概略図である。
【図４】図１に示されているシステムを用いた電池電圧測定に必要な較正の部分概略図である。
【国際調査報告】
2005538499.tif 000007
2005538499.tif 000008