(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流インピーダンス法を用いてエネルギ変換デバイスのインピーダンススペクトルを得るインピーダンススペクトル推定方法であって、
前記エネルギ変換デバイスとして、ナイキスト線図において前記インピーダンススペクトルが一つの円弧で示されるエネルギ変換デバイスについて、前記インピーダンススペクトルと前記ナイキスト線図の実軸が交差する高周波側の切片に対応する周波数のインピーダンスと、他の周波数におけるインピーダンスの２点のインピーダンスを測定し、前記２点のインピーダンスに基づいて前記インピーダンススペクトルを推定する、
インピーダンススペクトル推定方法。
【請求項２】
交流インピーダンス法を用いてエネルギ変換デバイスのインピーダンススペクトルを得るインピーダンス測定装置であって、
前記エネルギ変換デバイスとして、ナイキスト線図において前記インピーダンススペクトルが一つの円弧で示されるエネルギ変換デバイスについて、前記インピーダンススペクトルと前記ナイキスト線図の実軸が交差する高周波側の切片に対応する周波数のインピーダンスと、他の周波数におけるインピーダンスの２点のインピーダンスを測定し、前記２点のインピーダンスに基づいて前記インピーダンススペクトルを推定する、
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、インピーダンススペクトル推定方法及びインピーダンス測定装置に関し、詳しくは、交流インピーダンス法を用いたエネルギ変換デバイスに対するインピーダンススペクトル推定方法及びインピーダンス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば燃料電池のようなエネルギ変換デバイスの電極に周波数の調整が可能な交流電源を接続し、一対の電極間を流れる電流と一対の電極間の電圧から各周波数におけるエネルギ変換デバイスのインピーダンスを測定して、この測定したインピーダンスからエネルギ変換デバイスの特性を解析する手法（交流インピーダンス法：ＥＩＳ）が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載される従来技術は、電流計で燃料電池の電極における特定の１地点を流れる電流を測定し、当該電流計で測定した電流測定値に基づいて燃料電池のインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスのインピーダンススペクトルから得られる情報を燃料電池の等価回路にフィッティングすることで燃料電池の状態を診断するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２-１３６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エネルギ変換デバイスの場合、例えばエネルギ変換デバイスを構成する物質内における電子やイオンの移動状態の違い、及び化学反応速度の不均一性等によって、同じ電極を流れる電流であっても電極の部分毎にその大きさにばらつきが生じることがある。
【０００６】
したがって、従来の交流インピーダンス法によってエネルギ変換デバイス内部の状態を解析する場合、電流計を接続した領域の近傍におけるインピーダンスしか測定できないため、例えばエネルギ変換デバイスの１部分が何らかの原因によって局所的に劣化し、当該劣化部分に対応する電極領域の電流が減少した場合であっても、劣化部分が電流の計測点の近傍でなければ、エネルギ変換デバイスに劣化が発生したことを検出できないことがある。
【０００７】
そこで、例えば電極上に設けられた複数の領域毎の電流を測定する電流分布センサを用いてインピーダンス分布を測定することが考えられる。しかしながら、電流分布センサを用いる場合、複数の領域毎にインピーダンススペクトルを測定しなければならないため、電極上の１地点のインピーダンススペクトルを測定する場合と比較してインピーダンススペクトルの測定回数が増加し、インピーダンス分布の測定に要する時間が長くなる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、エネルギ変換デバイスに対するインピーダンススペクトルの測定時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載のインピーダンススペクトル推定方法は、交流インピーダンス法を用いてエネルギ変換デバイスのインピーダンススペクトルを得るインピーダンススペクトル推定方法であって、前記エネルギ変換デバイスとして、ナイキスト線図において前記インピーダンススペクトルが一つの円弧で示されるエネルギ変換デバイスについて、前記インピーダンススペクトルと前記ナイキスト線図の実軸が交差する高周波側の切片に対応する周波数のインピーダンスと、他の周波数におけるインピーダンスの２点のインピーダンスを測定し、前記２点のインピーダンスに基づいて前記インピーダンススペクトルを推定する方法である。
【００１０】
請求項２に記載のインピーダンススペクトル推定装置は、交流インピーダンス法を用いてエネルギ変換デバイスのインピーダンススペクトルを得るインピーダンス測定装置であって、前記エネルギ変換デバイスとして、ナイキスト線図において前記インピーダンススペクトルが一つの円弧で示されるエネルギ変換デバイスについて、前記インピーダンススペクトルと前記ナイキスト線図の実軸が交差する高周波側の切片に対応する周波数のインピーダンスと、他の周波数におけるインピーダンスの２点のインピーダンスを測定し、前記２点のインピーダンスに基づいて前記インピーダンススペクトルを推定する構成である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来のように交流電源が燃料電池に供給する電流の周波数を高周波から低周波まで変化させながら各々の周波数に対するインピーダンスを測定してインピーダンススペクトルを生成する場合に比して、インピーダンスの測定回数が少なくて済むので、インピーダンススペクトルの測定時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るインピーダンス測定装置で燃料電池のインピーダンスを測定する例を示すブロック図である。
【図２】インピーダンスの実数成分を横軸、虚数成分を縦軸にプロットしたナイキスト線図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
【００１４】
図１に示されるように、燃料電池１２の一対の電極には、直流負荷１４及び交流電源１６が並列に接続されている。また、燃料電池１２と交流電源１６との間には、電流測定ユニット１８が直列に接続されており、燃料電池１２の一対の電極に対しては、電圧測定ユニット２０が接続されている。交流電源１６、電流測定ユニット１８及び電圧測定ユニット２０には、制御ユニット１０が接続されている。制御ユニット１０は、本実施形態に係るインピーダンス測定装置に相当する。
【００１５】
燃料電池１２は、「エネルギ変換デバイス」の一例であり、水素と空気を取り込み、空気に含まれる酸素と水素の電気化学反応により得られる電気エネルギを供給（出力）する。交流電源１６は、燃料電池１２に指定された周波数の交流電流を供給する。交流電流の周波数は、制御ユニット１０の制御によって調整可能である。
【００１６】
電圧測定ユニット２０は、交流電源１６から燃料電池１２に電流を供給した場合に燃料電池１２の両端に現れる交流電圧を測定する。また、電圧測定ユニット２０は、測定した交流電圧の時系列に沿った変化に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）アナライザを用いた周波数解析を行い、周波数解析結果を制御ユニット１０に出力する。電流測定ユニット１８は、燃料電池１２を流れる電流に対してＦＦＴアナライザを用いた周波数解析を行い、周波数解析結果を制御ユニット１０に出力する。
【００１７】
制御ユニット１０は、電圧測定ユニット２０及び電流測定ユニット１８から出力された電圧の周波数解析結果及び電流の周波数解析結果を受け付け、交流電源１６から燃料電池１２に供給した電流の周波数に対して燃料電池１２のインピーダンスを算出し、算出したインピーダンスに基づいてインピーダンススペクトルを生成する。
【００１８】
このインピーダンススペクトルを生成する際の詳細は、後述するが、制御ユニット１０は、従来のように交流電源１６が燃料電池１２に供給する電流の周波数を高周波から低周波まで変化させながら各々の周波数に対するインピーダンスを測定するのではなく、インピーダンスの測定点数がインピーダンススペクトルの生成に必要となる最低限の数に制限されるように、交流電源１６から燃料電池１２に供給する電流の周波数を限定する。そして、制御ユニット１０は、限定した周波数に対してインピーダンスを算出し、算出したインピーダンスに基づいてインピーダンススペクトルを推定する。
【００１９】
この制御ユニット１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）を有する電気回路によって構成されている。制御ユニット１０におけるインピーダンススペクトルを推定する動作は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。
【００２０】
なお、図１では、一例として、燃料電池１２のインピーダンスを測定する例を示しているが、インピーダンスの測定対象であるエネルギ変換デバイスは、燃料電池の他に、ＰＥＭ型水電気分解装置（PEMWE：PEM water electrolyser）、太陽電池、蓄電池等の他のエネルギ変換デバイスでもよい。以下、インピーダンスの測定対象を燃料電池１２に限定せずに説明する。
【００２１】
次に、制御ユニット１０におけるインピーダンススペクトルの推定原理について説明する。
【００２２】
図２には、インピーダンスの実数成分を横軸、虚数成分を縦軸にプロットしたナイキスト線図（Cole-Coleプロット）の一例が示されている。図２中に記載されている膜抵抗、移動抵抗の概念（定義）は、次の通りである。つまり、膜抵抗とは、電解質由来の抵抗値（セパレータ、集電板等のオーミック抵抗を含む）であり、電荷移動抵抗とは、活性化分極由来の抵抗値（触媒反応阻害の影響を含む）である。
【００２３】
図２に示されるように、エネルギ変換デバイスにおけるインピーダンススペクトル（インピーダンスデータ）は、エネルギ変換デバイスに含まれるキャパシタ成分の影響により一つの円弧２２（半円又は略半円）で示される傾向がある。例えば、エネルギ変換デバイスがＰＥＭ型水電気分解装置（PEMWE：PEM water electrolyser）の場合、太陽電池の場合、燃料電池１２の場合、蓄電池の場合には、インピーダンススペクトルが一つの円弧２２で示される。なお、燃料電池１２及び蓄電池は、構成材料によって円弧が一つになる場合と二つになる場合がある。
【００２４】
インピーダンススペクトルが一つの円弧２２で示されるエネルギ変換デバイスの場合には、エネルギ変換デバイスに印加される電流の周波数が高くなるほどキャパシタ成分によるインピーダンスが減少し、エネルギ変換デバイスのインピーダンスがオーミック抵抗に相当する膜抵抗だけに集約される。したがって、この場合には、インピーダンススペクトルと実軸（横軸）が交差する左側（高周波側）の切片に対応する周波数のインピーダンスＡと、他の周波数におけるインピーダンスＢの２点を測定すれば、半円の直径（実軸上に表れる）に対する円周角は直角であることを利用して、インピーダンススペクトルを推定することができる。
【００２５】
このとき、例えば、エネルギ変換デバイスが燃料電池の場合には、一つ目のインピーダンスＡについては、周波数が１ｋＨｚのときのインピーダンスを測定し、二つのインピーダンスＢについては、１０Ｈｚ以下の周波数帯でのインピーダンスを測定すればよい。
【００２６】
制御ユニット１０は、上記推定原理に従って動作し、インピーダンススペクトルを推定する。上記推定原理に従ってインピーダンススペクトルを推定する方法は、本実施形態に係るインピーダンススペクトル推定方法に相当し、このインピーダンススペクトル推定方法を実行する制御ユニット１０は、上述の通り、本実施形態に係るインピーダンス測定装置に相当する。
【００２７】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００２８】
以上詳述した通り、本実施形態によれば、図２に示されるように、ナイキスト線図においてインピーダンススペクトルが一つの円弧２２で示されるエネルギ変換デバイスの場合には、インピーダンススペクトルと実軸（横軸）が交差する左側（高周波側）の切片に対応する周波数のインピーダンスＡと、他の周波数におけるインピーダンスＢの２点のインピーダンスを測定し、半円の直径（実軸上に表れる）に対する円周角は直角であることを利用して、インピーダンススペクトルを推定する。
【００２９】
したがって、従来のように交流電源がエネルギ変換デバイスに供給する電流の周波数を高周波から低周波まで変化させながら各々の周波数に対するインピーダンスを測定してインピーダンススペクトルを生成する場合に比して、インピーダンスの測定回数が少なくて済むので、インピーダンススペクトルの測定時間を短縮することができる。
【００３０】
次に、本実施形態に係るインピーダンススペクトル推定方法を電流分布センサに適用した例について説明する。
【００３１】
上述のインピーダンススペクトルの推定方法は、例えば電極上に設けられた複数の領域毎の電流を測定する電流分布センサを用いたインピーダンス分布の測定に適用することで、その効果がより発揮される。電流分布センサを用いる場合、複数の領域毎にインピーダンススペクトルを測定しなければならないため、電極上の１地点のインピーダンススペクトルを測定する場合と比較してインピーダンスの測定回数が増加し、インピーダンス分布の測定に要する時間が長くなる。
【００３２】
しかしながら、インピーダンス分布を測定する複数の領域毎に本実施形態に係るインピーダンススペクトル推定方法を用いれば、各々の領域におけるインピーダンスの測定回数を減少させることができるため、インピーダンス分布の測定に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  制御ユニット（インピーダンス測定装置の一例）
１２  燃料電池（エネルギ変換デバイスの一例）
１４  直流負荷
１６  交流電源
１８  電流測定ユニット
２０  電圧測定ユニット
２２  一つの円弧
２４Ａ、２４Ｂ  二つの円弧
【要約】
【課題】エネルギ変換デバイスに対するインピーダンススペクトルの測定時間を短縮することを目的とする。
【解決手段】本実施形態に係るインピーダンススペクトル推定方法では、交流インピーダンス法を用いてエネルギ変換デバイスのインピーダンススペクトルを得る際に、例えば、エネルギ変換デバイスが、ナイキスト線図においてインピーダンススペクトルが一つの円弧２２で示されるエネルギ変換デバイスの場合には、インピーダンススペクトルとナイキスト線図の実軸が交差する高周波側の切片に対応する周波数のインピーダンスＡと、他の周波数におけるインピーダンスＢの２点のインピーダンスを測定し、この２点のインピーダンスに基づいてインピーダンススペクトルを推定する。
【選択図】図２【図１】
0006675725.tif 000002
【図２】
0006675725.tif 000003