(57)【要約】【課題】測定精度が高く、電流測定範囲が広く、応答特性が速く、温度特性が良好な内部抵抗測定システムを提供する【解決手段】燃料電池２に負荷を接続して一定の電流を流した通電状態から負荷の電流を遮断し燃料電池２の正負端子間に発生する電圧差から次式内部抵抗Ｒ＝（ＥＣ−Ｅ）／ＩＩ：遮断直前の負荷電流Ｅ：遮断直前の電圧ＥＣ：遮断直後の電圧によって燃料電池２の内部抵抗を求める燃料電池２の内部抵抗測定方式であって、負荷及び電流計をもつ負荷回路を複数の測定領域ごとに備え、負荷回路は切り替え可能であり、遮断中に次以降の通電状態における負荷回路または制御目標電流値もしくは制御目標電圧値の切り替えを行う【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に負荷を接続して一定の電流を流した通電状態から前記負荷の電流を遮断し、前記燃料電池の正負端子間に発生する電圧差から次式によって前記燃料電池の内部抵抗を求める燃料電池の内部抵抗測定方式であって、前記負荷及び電流計をもつ負荷回路を複数の測定領域ごとに備え、前記負荷回路は切り替え可能であり、前記遮断中に次以降の通電状態における負荷回路または制御目標電流値もしくは制御目標電圧値の切り替えを行うことを特徴とする燃料電池の内部抵抗測定方式。
内部抵抗Ｒ＝（ＥＣ−Ｅ）／Ｉ
Ｉ：遮断直前の負荷電流
Ｅ：遮断直前の電圧
ＥＣ：遮断直後の電圧
【請求項２】
前記遮断の間隔は１００ｍｓｅｃ以上であり、遮断幅は１０〜１０００μｓｅｃであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項３】
前記複数の負荷の電流は１００Ａ以下及び０．００１Ａより大きいことを特徴とする請求項１から２のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項４】
前記遮断の時間的変化勾配が可変であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項５】
前記燃料電池と前記負荷を接続する往復のケーブルを平ケーブルのツイストペアーとすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項６】
前記燃料電池と前記負荷を接続するケーブルに整合器を付加して前記ケーブルの終端で発生する反射を吸収するように構成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項７】
前記負荷回路の切り替えを制御目標電流値または制御目標電圧値によって行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項８】
前記負荷回路は切替可能な電流が０．０〜１００．０Ａの電流負荷回路と電流が０．０００〜１．０００Ａの電流負荷回路とからなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項９】
前記燃料電池は固体高分子膜、リン酸水溶液、アルカリ水溶液、溶融炭酸塩または固体酸化物を電解質膜とする燃料電池であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一記載の燃料電池の内部抵抗測定方式。
【請求項１０】
電流遮断法によって燃料電池の内部抵抗を測定することを特徴とする燃料電池の内部抵抗測定方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は燃料電池を評価するための燃料電池の内部抵抗を測定する測定システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスとを電気的に反応させて電気を生成するもので、開発途上の次世代エネルギーとして注目されている。
燃料電池はＨ２が電解質層において２Ｈ＋と２ｅ−に分離し、２ｅ−がアノード電極から負荷を介してカソード電極に流れ、２Ｈ＋はカソード電極側から供給され  た酸素及びアノード電極から供給された２ｅ−と結合して水となり系外に排出さ  れる。燃料電池の種類としては電解質の種類に応じて、固体高分子膜型、リン酸水溶液型、アルカリ水溶液型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型があるが、固体高分子膜型が実用段階に入っている。
【０００３】
この燃料電池においては電解質の特性低下や発電効率の低下等が発生するので、この燃料電池の特性を評価する必要がある。この特性の評価の一手段としてスタックの内部抵抗を計測することが行われているが、燃料電池の内部抵抗の測定に当っては、燃料電池内の多種の微小な化学反応を反映する応答が必要であるところから、広い測定範囲と、その全範囲にわたる連続的な応答が要求されると共に、その測定がその化学反応に対して外乱として作用することが無いことが望まれる。
【０００４】
燃料電池の内部抵抗を計測する手法としては、従来、電流検出に磁気クランプ型電流検出方式を使用するのが一般的であった。
【０００５】
磁気クランプ型電流検出方式は燃料電池及び負荷を接続した回路の被検出電流が流れる回路に磁気回路がクランプされ、回路に流れる被検出電流を検出する。この磁気クランプ型電流検出方式は回路電圧に対し挿入ロスがなく被検出回路を切断することなく簡単に電流を検出することができる利点を有する一方で、測定精度は最大電流値に対し１％程度が限界であり、電流測定範囲は最大電流値に対し１％以下は評価できない。また応答特性は磁性材、磁気検出器の特性に依存し、数百ｋＨｚが限界であり、温度特性は磁性材、磁気検出器の特性に依存し、０．１％／℃が限界である。
【０００６】
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、測定精度が高く、電流測定範囲が広く、応答特性が速く、温度特性が良好な内部抵抗測定システムを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【構成】
この目的に対応して、この発明の燃料電池の内部抵抗測定方式は、燃料電池に負荷を接続して一定の電流を流した通電状態から前記負荷の電流を遮断し前記燃料電池の正負端子間に発生する電圧差から次式
内部抵抗Ｒ＝（ＥＣ−Ｅ）／Ｉ
Ｉ：遮断直前の負荷電流
Ｅ：遮断直前の電圧
ＥＣ：遮断直後の電圧
によって前記燃料電池の内部抵抗を求める燃料電池の内部抵抗測定方式であって、前記負荷及び電流計をもつ負荷回路を複数の測定領域ごとに備え、前記負荷回路は切り替え可能であり、前記遮断中に次以降の通電状態における負荷回路または制御目標電流値もしくは制御目標電圧値の切り替えを行うことを特徴としている。
【０００８】
【実施例】
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面を使用して説明する。
図１において、１は内部抵抗測定装置である。内部抵抗測定装置１は図２に示す燃料電池２の負荷回路３と負荷駆動回路４と制御装置５とを備えている。負荷回路３は負荷回路３ａと負荷回路３ｂを並列に備えており、負荷回路３ａは大電流負荷９ＩＨと大電流用電流検出器８ＩＨを有しており、負荷回路３ｂは小電流負荷９ＩＬと小電流用電流検出器８ＩＬを有している。例として、負荷回路３ａは０．５Ａから５０Ａの電流測定用の負荷回路であり、負荷回路３ｂは５０ｍＡから５００ｍＡの電流測定用の負荷回路であり、その結果、両負荷回路３ａ、３ｂを切り替えて併用すれば５０ｍＡから５０Ａのまでの広範囲の電流測定が可能である。負荷９ＩＨ、９ＩＬの負荷電流の制御は電流制御または電圧制御によって行い、この電流または電圧の変更は制御装置５からの指令により負荷駆動回路４によって行われる。両回路３ａ、３ｂは負荷制御回路５及び負荷駆動回路４で遮断及び切り替え可能である。
【０００９】
指令・計測装置６はコンピュータなどで構成され、設定信号Ｅ、ＩＨ、ＩＬ、計測タイミングＡ、Ｂ、制御指定値変更タイミング、大電流、小電流または電圧の制御モード切替タイミング、応答速度切替タイミングをそれぞれ登録しＩＨ、ＩＬ、Ｅ、ＥＣなどの測定値から内部抵抗を演算する機能を有する。
【００１０】
図３に示すように、一例として、遮断の間隔は１００ｍｓｅｃ以上であり、遮断の幅は１０〜１０００μｓｅｃである。負荷回路３ａの負荷電流は０．０〜１００．０Ａであり、負荷回路３ｂの負荷電流は０〜１Ａの範囲に設定する。電圧制御の場合は両負荷回路３ａ、３ｂの全範囲として電圧制御範囲が０．１〜２Ｖである。遮断をする場合には電流が時間的変化勾配を持つように遮断速度を設定する。この時間的変化勾配は例えば１０Ａ／μｓ、２Ａ／μｓ、１Ａ／μｓのように設定する。
【００１１】
図３に示すように制御指定値の変更、負荷回路３ａ、３ｂによる制御モードの切替、応答速度の切替などの測定条件の切替は遮断中に実行する。
【００１２】
このように構成された内部抵抗装置１における内部抵抗の測定のオペレーションは次のようになされる。指令・計測装置６には設定信号Ｅ、ＩＨ、ＩＬ、計測タイミングＡ、Ｂを入力し、被測定対象である燃料電池２には燃料を供給して一定の電流を電流制御または電圧制御で流しておく。この制御は高い安定性が要求される。
【００１３】
負荷９ＩＨ、９ＩＬのいずれかは指令・計測装置６が切り替えて選択する。この切り替えの指令は個別の入力により、または電流値若しくは電圧値により自動的に行う。この切替を１０μｓから１０００μｓの短時間での高速ですることにより、複数の測定範囲の境界が見かけ上なくなり、出力が連続的になる。
【００１４】
この状態で回路３を数μｓｅｃオープン状態にして電流を遮断する。この時、図４に示すように燃料電池２の両端の電圧が僅かに高くなる。この高くなった電圧の信号は、電圧の検出端から信号線１１ａ，１１ｂによって負荷制御回路５を通り指令・計測装置６に入力され、遮断直前の測定電圧及び電流を用いて演算し、内部抵抗Ｒを出力する。
【００１５】
内部抵抗Ｒは
Ｒ＝（ＥＣ−Ｅ）／Ｉ
Ｉ：遮断直前の負荷電流
Ｅ：遮断直前の電圧
Ｅｃ：遮断直後の電圧
である。
【００１６】
図３に信号のタイミング図を示す。
【００１７】
電流を遮断することは電池にとって外乱となるので、測定に必要な範囲において最短でなくてはならない。望ましくは１００μｓｅｃ以下である。データ採取後はただちに次の制御モードおよび目標設定値に移行する。
【００１８】
【発明の効果】
この発明の内部抵抗測定装置１では電流測定にシャント抵抗を用いた電圧降下方式を採用することにより、燃料電池の内部抵抗を測定するが、電圧降下方式の電流測定自体は原理的な方式であって、測定分解能は無限小であり、応答特性はシャント抵抗が純抵抗と見なせる範囲において有効であって、数百ＭＨｚ以上が可能であり、抵抗体の温度特性は±１０ｐｐｍ／℃以内であって、以上は周辺の電子回路の諸特性を上回るものである。
【００１９】
したがって、この発明の燃料電池の内部抵抗測定装置では、電圧降下方式の採用により
（１）高い精度の測定が得られる。
（２）測定範囲の拡大に寄与する。
（３）高速な応答特性が得られ制御の安定性が向上する。
（４）電流検出器の端子間電圧を燃料電池の動作に影響を与えない範囲内に設定する事により欠点にはならない。
（５）同一装置内に複数レンジの定電流装置を設ける事ができ、レンジを瞬時に切り換えることにより設置及び結線状態を変更することなく測定範囲を広範囲に拡大する事が可能である。
などの技術効果を得ることができる。
（６）この発明では大電流領域・小電流領域に共通な状態である電流遮断期間中に次期のレンジの切り替えおよび次期の制御目標値を設定することで切れ目のない連続した広範囲の電流遮断式内部抵抗の測定が可能となった。電流設定は最大設定電流値に対し１０００００分の１（従来技術では１０００分の１程度）が可能である。本装置では電流検出器にシャント抵抗を用いている。従来は電流検出器として、一般的に磁気クランプ式電流検出器が用いられていて、これは挿入ロスは無いが応答特性、精度、温度特性などの問題点があるが本発明ではそれらを解決する。
（７）遮断時に発生するオーバーシュート、リンギングは燃料電池及び測定、制御系に影響を与える。この発明では遮断時における過渡の勾配を調節することで抑制できる。本装置では遮断時の時間的変化勾配を可変にした。この結果、安定な遮断特性が得られ、電池および測定に与える影響を低減した。
（８）燃料電池と負荷を接続するケーブルで発生するオーバーシュート、リンギングを制限するため平ケーブルを用いてインダクタンス（Ｌ分）を低減し、往復の電線をツイストペアーとすることで線路インピーダンスを安定させ、発生する磁気を打ち消し、磁気放射を最小限に抑える。
（９）ケーブルの終端に整合器を付加し、ケーブルの終端で発生する反射を吸収することで遮断時に発生するリンギングを抑制した。安定な過渡特性が得られ、電池および測定に与える影響を低減した。
（１０）上記の技術の相乗効果により、電流・電圧の制御が安定し、高精度になったことで電流遮断法の測定精度が格段に向上した。
【００２０】
以上の説明から明らかな通り、この発明によれば、測定精度が高く、電流測定範囲が広く、応答特性が高く、温度特性が高い内部抵抗測定システムを得ることが出来る。
【００２１】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池の内部抵抗測定装置のブロック図。
【図２】燃料電池の説明図。
【図３】信号のタイミング図。
【図４】出力波形の説明図。
【符号の説明】
１              内部抵抗測定装置
２              燃料電池
３ａ、３ｂ      負荷回路
４              負荷駆動回路
５              負荷制御回路
６              指令・計測装置
８ＩＨ、８ＩＬ  電流検出器
９ＩＨ、９ＩＬ  負荷
１１ａ、１１ｂ  信号線
【図１】
2004348982.tif 000003
【図２】
2004348982.tif 000004
【図３】
2004348982.tif 000005
【図４】
2004348982.tif 000006