(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置された燃料電池の交流インピーダンス測定装置において、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、前記カソード本電極とカソード分割電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する第１電圧計測手段と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する第２電圧計測手段と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する第３電圧計測手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したことを特徴とする燃料電池の交流インピーダンス測定装置。
【請求項２】
本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置された燃料電池の交流インピーダンス測定装置において、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、
前記カソード本電極とカソード分割電極間の電圧（Ｖｃａ）が印加されるＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）が印加されるＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間の電圧（Ｖａｎ）が印加されるＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子と、
前記Ｖｃａ，Ｖｃｅｌｌ，Ｖａｎが印加されたＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子との接続を順次切替えるスキャナと、
該スキャナによって切替えられた前記Ｖｃａ，Ｖｃｅｌｌ，Ｖａｎのそれぞれの電圧を測定する第４電圧測定手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第４電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したことを特徴とする燃料電池の交流インピーダンス測定装置。
【請求項３】
本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置された燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に電気的に直列に負荷装置及び電流計測手段を接続する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃ
を設定する工程と、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記カソード本電極とカソード分割電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する工程と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する工程と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する工程と、
前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求める工程を含むことを特徴とする燃料電池の交流インピーダンス測定方法。
【請求項４】
前記カソード本電極とカソード分割電極間のインピーダンスＺｃａ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、カソード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間のインピーダンスＺａｎ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、アノード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記カソード反応の等価回路定数とアノード反応の等価回路定数から前記カソード本電極とアノード本電極間の反応の等価回路定数を決定し、前記カソード本電極とアノード本電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行う工程と
前記カソード本電極とアノード本電極間の反応のインピーダンスの測定結果Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））と前記シミュレーションの結果を比較して試験の信頼性の向上及び等価回路モデルの妥当性を検証する工程と、
を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法。
【請求項５】
前記カソード本電極とアノード本電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行うに際しては、
前記カソード本電極とアノード本電極間の反応の等価回路モデルを、前記カソード本電極とカソード分割電極間の等価回路モデルと前記アノード本電極とアノード分割電極間の等価回路モデルとを直列接続した等価回路モデルとし、アノード反応とカソード反応の等価回路定数を採用し、カソード本電極とアノード本電極間の反応の等価回路定数の決定を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法。
【請求項６】
カソード電極とアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置され、固体高分子膜のアノード側に配置され、該アノード電極を分割し電気的に分離して形成された参照電極を備えた燃料電池の交流インピーダンス測定装置において、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、
前記参照電極とカソード電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する第１電圧計測手段と、
前記カソード電極と前記アノード電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する第２電圧計測手段と、
前記アノード電極と前記参照電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する第３電圧計測手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したことを特徴とする燃料電池の交流インピーダンス測定装置。
【請求項７】
カソード電極とアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置され、固体高分子膜のアノード側に配置され、該アノード電極を分割し電気的に分離して形成された参照電極を備えた燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段を接続する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する工程と、
前記負荷装置制御部から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記カソード電極と参照電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する工程と、
前記カソード電極と前記アノード電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する工程と、
前記アノード電極と参照電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する工程と、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求める工程を含むことを特徴とする燃料電池の交流インピーダンス測定方法。
【請求項８】
前記カソード電極と参照電極間のインピーダンスＺｃａ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、カソード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記アノード電極と参照電極間のインピーダンスＺａｎ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、アノード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記カソード反応の等価回路定数とアノード反応の等価回路定数から前記カソード電極とアノード電極間の反応の等価回路定数を決定し、前記カソード電極とアノード電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行う工程と
前記カソード電極とアノード電極間の反応のインピーダンスの測定結果Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））と前記シミュレーションの結果を比較して試験の信頼性の向上及び等価回路モデルの妥当性を検証する工程と、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法
【請求項９】
前記カソード電極とアノード電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行うに際しては、
前記カソード電極とアノード電極間の反応の等価回路モデルを、前記カソード電極と参照電極間の等価回路モデルと前記アノード電極と参照電極間の等価回路モデルとを直列接続した等価回路モデルとし、アノード反応とカソード反応の等価回路定数を採用し、カソード電極とアノード電極間の反応の等価回路定数の決定を行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の電気的特性を測定する特性測定装置および特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。燃料電池はエネルギ
ー問題や環境問題に対する一つの解答を与え得るものとして期待されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１１６６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池は、その発電原理上、あるいはその構造上の理由から種々の電圧損失を発生さ
せる。しかし、燃料電池から取り出される出力電圧を測定するのみでは、個々の電圧損失
の寄与がどの程度であるかを特定できず、製造後の検査や経時的な劣化の検査のための充
分な情報が得られないという問題がある。例えば、出力電圧のみでは電圧損失がカソード
側で発生したものなのか、アノード側で発生したものなのか区別できず、燃料電池の性能
に対する評価や管理に限界を生じさせる。
【０００５】
本発明の目的は、電気的特性を詳細に測定することで、性能に対する効果的な評価や管
理を実行できる燃料電池の特性測定装置および特性測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池の交流インピーダンス測定装置は、請求項１においては、
本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置された燃料電池の交流インピーダンス測定装置において、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、前記カソード本電極とカソード分割電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する第１電圧計測手段と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する第２電圧計測手段と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する第３電圧計測手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２においては、
本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置された燃料電池の交流インピーダンス測定装置において、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、
前記カソード本電極とカソード分割電極間の電圧（Ｖｃａ）が印加されるＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）が印加されるＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間の電圧（Ｖａｎ）が印加されるＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子と、前記Ｖｃａ，Ｖｃｅｌｌ，Ｖａｎが印加されたＨｉｇｈ端子とＬｏｗ端子との接続を順次切替えるスキャナと、該スキャナによって切替えられた前記Ｖｃａ，Ｖｃｅｌｌ，Ｖａｎのそれぞれの電圧を測定する第４電圧測定手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第４電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３においては、
本電極と分割電極に分割されたカソード電極と、本電極と分割電極に分割されたアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置された燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に電気的に直列に負荷装置及び電流計測手段を接続する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃ
を設定する工程と、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記カソード本電極とカソード分割電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する工程と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する工程と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する工程と、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求める工程を含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項４においては、請求項３に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード本電極とカソード分割電極間のインピーダンスＺｃａ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、カソード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間のインピーダンスＺａｎ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、アノード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記カソード反応の等価回路定数とアノード反応の等価回路定数から前記カソード本電極とアノード本電極間の反応の等価回路定数を決定し、前記カソード本電極とアノード本電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行う工程と
前記カソード本電極とアノード本電極間の反応のインピーダンスの周波数特性の測定結果Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ）と前記シミュレーションの結果を比較して試験の信頼性の向上及び等価回路モデルの妥当性を検証する工程と、
を含むことを特徴とする。
請求項５においては、請求項４に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード本電極とアノード本電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行うに際しては、
前記カソード本電極とアノード本電極間の反応の等価回路モデルを、前記カソード本電極とカソード分割電極間の等価回路モデルと前記アノード本電極とアノード分割電極間の等価回路モデルとを直列接続した等価回路モデルとし、アノード反応とカソード反応の等価回路定数を採用し、カソード本電極とアノード本電極間の反応の等価回路定数の決定を行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項６においては、
カソード電極とアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置され、固体高分子膜のアノード側に配置され、該アノード電極を分割し電気的に分離して形成された参照電極を備えた燃料電池の交流インピーダンス測定装置において、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、
前記参照電極とカソード電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する第１電圧計測手段と、
前記カソード電極と前記アノード電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する第２電圧計測手段と、
前記アノード電極と前記参照電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する第３電圧計測手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項７においては、
カソード電極とアノード電極が固体高分子膜を隔てて互いに対向して配置され、アノード電極を分割し電気的に分離して形成された参照電極を備えた燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段を接続する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する工程と、
前記負荷装置制御部から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記カソード電極と参照電極間の電圧（Ｖｃａ）を測定する工程と、
前記カソード電極と前記アノード電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する工程と、
前記アノード電極と参照電極間の電圧（Ｖａｎ）を測定する工程と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する工程と、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する工程と、
前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求める工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項８においては、請求項７に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード電極と参照電極間のインピーダンスＺｃａ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、カソード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記アノード電極と参照電極間のインピーダンスＺａｎ（ｆ（ｊ））を等価回路モデルでフィッティングし、アノード反応の等価回路定数を決定する工程と、
前記カソード反応の等価回路定数とアノード反応の等価回路定数から前記カソード電極とアノード電極間の反応の等価回路定数を決定し、前記カソード電極とアノード電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行う工程と
前記カソード電極とアノード電極間の反応のインピーダンスの周波数特性の測定結果Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ）と前記シミュレーションの結果を比較して試験の信頼性の向上及び等価回路モデルの妥当性を検証する工程と、
を含むことを特徴とする。
請求項９においては、請求項８に記載の燃料電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記カソード電極とアノード電極間の反応のインピーダンスのシミュレーションを行うに際しては、
前記カソード電極とアノード電極間の反応の等価回路モデルを、前記カソード電極と参照電極間の等価回路モデルと前記アノード電極と参照電極間の等価回路モデルとを直列接続した等価回路モデルとし、アノード反応とカソード反応の等価回路定数を採用し、カソード電極とアノード電極間の反応の等価回路定数の決定を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池の交流インピーダンス測定装置の請求項１、２及び請求項６によれば、
カソード本電極とアノード本電極の間に電気的に直列に接続された負荷装置及び電流計測手段と、前記カソード本電極とカソード分割電極（又は参照電極）間の電圧（Ｖｃａ）を測定する第１電圧計測手段と、
前記カソード本電極と前記アノード本電極間の電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する第２電圧計測手段と、
前記アノード本電極とアノード分割電極間（又は参照電極）の電圧（Ｖａｎ）を測定する第３電圧計測手段と、
前記負荷装置に対して周波数ｆ（ｊ）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重畳交流電流振幅Ｉａｃを設定する電子負荷制御部を備え、
前記負荷装置から前記燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加し、前記電流計測手段と前記第１、第２、第３電圧計測手段で得られる電圧波形をもとに、周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズから各電極間の交流インピーダンス、Ｚｃａ（ｆ（ｊ））、Ｚｃｅｌｌ（ｆ（ｊ））、Ｚａｎ（ｆ（ｊ））を求めるように構成したので、分割電極（又は参照電極）による燃料電池の交流インピーダンス測定におけるモデルの妥当性と試験の信頼性を向上させることができる。
【００１９】
本発明の燃料電池の交流インピーダンス測定方法の請求項４，５によれば、カソード過電圧とアノード過電圧のインピーダンス計測を行うだけでなく、同時に発電部のインピーダンス計測を行う。カソードのインピーダンス結果からカソード等価回路モデルの等価回路定数を決定し、アノードのインピーダンス結果からアノード等価回路モデルの等価回路定数を決定する。発電部の等価回路モデルをアノードとカソードのそれぞれの等価回路モデルの直列と考え、それぞれの極の等価回路定数を用いて、発電部のインピーダンス特性をシミュレーションする。その結果を試験結果と比較するので、試験の信頼性の向上や等価回路モデルの妥当性を検証することができる。
【００２０】
請求項６〜９によれば、参照電極による過電圧分離インピーダンス計測方法において、その特性の信頼性、等価回路モデルの妥当性を検証することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１〜図５を参照して、本発明による燃料電池の特性測定装置の一実施形態につ
いて説明する。
【００２２】
図１は測定対象である燃料電池の構成を示す断面図、および測定機器の接続例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池１００は固体高分子膜１によりカソード電極とアノードに区画されている。
【００２３】
これらカソード電極とアノード電極には、固体高分子膜１の側から外側に向けて触媒層及び拡散層が接合体として積層されている。これらカソード電極およびアノード電極は互いに対向して配置されている。
【００２４】
なお、カソード電極及びアノード電極とケース３０の間にはカソードガス流路及びアノードガス流路が形成されており、カソード電極には酸化剤（空気、若しくは、酸素）、アノード電極には燃料ガスが与えられる。
【００２５】
図１に示すように、カソード電極はカソード本電極２Ａと、カソード分割電極２Ｂとに分割され、両者は電気的に分離されている。また、アノード電極はアノード本電極３Ａと、アノード分割電極３Ｂとに分割され、両者は電気的に分離されている。これらの電極は互いに対向して配置されている。
【００２６】
カソード本電極２Ａおよびアノード本電極３Ａの間に負荷装置４及び電流計測手段５０４が直列に接続される。この負荷装置４は電子負荷制御装置５ａにより制御される。カソード本電極２Ａおよびアノード本電極３Ａの間の電圧Ｖｃｅｌｌが電圧測定モジュール５０２により測定される。
【００２７】
また、カソード本電極２Ａとカソード分割電極２Ｂ間の電圧Ｖｃａが電圧測定モジュール５０１により測定され、アノード本電極３Ａおよびアノード分割電極３Ｂ間の電圧Ｖａｎが電圧測定モジュール５０３により測定される。電子負荷制御部５ａ,電圧計測手段５０４,電圧測定モジュール５０１，５０２，５０３はインピーダンス測定器として機能する。
カソード本電極２Ａとアノード本電極３Ａには電流負荷が印加されるので負荷電極となり、カソード分割電極２Ｂとアノード分割電極３Ｂには電流負荷が印加されないので無負荷電極となる。
【００２８】
図２は燃料電池の電圧特性を測定するためのフローチャートである。工程に従って説明する。
Ｓ０００：インピーダンス測定を実行するために周波数f（j）、直流電流値Ｉ（ｉ）、重            畳交流電流振幅Ｉacを設定する。
【００２９】
Ｓ００１：負荷装置から燃料電池に対してＩ（ｉ）±Ｉａｃ×ｓｉｎ（２πｆ（ｊ）ｔ）の電流負荷を印加する。
Ｓ００２：電流計測モジュール５０４と３つの電圧計測モジュール５０１，５０２，５０３で得られる電圧波形と、電圧波形から周波数ｆ（ｊ）におけるゲインとフェーズをＶｃｅｌｌ，Ｖｃａ，Ｖａｎについてそれぞれ求める。
【００３０】
Ｓ００３：周波数の計測が終了したかどうかを判断する。判断の結果、ＹＥＳであれば    Ｓ００４に進み、ＮＯであればＳ００３１に進む。
【００３１】
Ｓ００３１：        Ｓ００３の判断でＮＯとなった場合、カウンタインクリメントにより
j＝j＋１としてＳ００１に戻り、次の周波数f（j＋１）のインピーダン        ス計測を始める。
Ｓ００４：Ｓ００３の判断でＹＥＳとなった場合、Ｖｃａを等価回路モデルでフィッティングし、回路定数を決定する。
Ｓ００５：Ｖａｎを等価回路モデルでフィッティングし、回路定数を決定する。
【００３２】
Ｓ００６：ＶｃａとＶａｎの回路定数からＶｃｅｌｌの等価回路定数を決定しシュミレ    ーションを実施する。
Ｓ００７：Ｖｃｅｌｌの試験結果とシュミレーション結果の比較を行う。
Ｓ００８：電流計測が終了したか否かを判断する。判断の結果、ＹＥＳであれば計測を終了し、ＮＯであればＳ００８１に進んでカウンタインクリメントに    よりj＝j＋１としてＳ００１に戻り、次の直流電流値Ｉ(i)でのインピーダンス計測を始める。
【００３３】
上述のフローチャートを要約すれば次のようなものである。
インピーダンス測定器５は負荷装置制御部５ａを介して負荷装置４に対して、インピーダンス測定を行う周波数、直流電流値、重畳交流電流振幅を設定し、燃料電池への電流負荷を制御する。
【００３４】
交流成分が重畳された電流負荷に対して燃料電池電圧(Ｖｃｅｌｌ)カソード過電圧(Ｖｃａ)、アノード過電圧(Ｖａｎ)のそれぞれの波形を電圧モジュール５０２，５０１，５０３で計測し、そのゲイン及び位相(フェーズ)を求める。このインピーダンス測定を順次周波数を変えて行う。
周波数計測が終了した場合、Ｖｃａを等価回路モデルでフィッティングし、回路定数を決定する。
次に、Ｖａｎを等価回路モデルでフィッティングし、回路定数を決定し、ＶｃａとＶａｎの回路定数からＶｃｅｌｌの等価回路定数を決定しシュミレーションを実施する。
その後Ｖｃｅｌｌの試験結果とシュミレーション結果の比較を行う。
【００３５】
図３（ａ）は実験結果とフィッティング結果およびシミュレーション結果の一例を示す図である。図において横軸Ｚ’はインピーダンスの実数部を表し,縦軸Ｚ’’はインピーダンスの虚数部を表している。
図中、□印はＶｃｅｌｌ  ｅｘｐを、○印はＶｃａ  ｅｘｐを、△印はＶａｎ  ｅｘｐをプロットしたものである。
【００３６】
また、図中、粗い点線で示すＶｃａ  ｆｉｔはカソードのインピーダンス結果(○印)を図３（ｂ）に示す等価回路モデルに対してフィッティングを行ったものであり、細かな点線で示すＶａｎ  ｆｉｔはアノードのインピーダンス結果(△印)を図３（ｃ）に示す等価回路モデルに対してフィッティングを行ったものであり、実線で示すＶｃｅｌｌ  ｓｉｍはカソード、アノードの等価回路定数を図３（ｄ）に示すＶｃｅｌｌ等価回路モデルの定数としてＶｃｅｌｌのシュミレーションを行ったものである。
Ｖｃｅｌｌの試験結果、および上記シュミレーション結果を基に等価回路モデルの妥当性および試験の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
図４は本発明の他の実施例を示すものである。なお、図１と同一要素には同一符号を付している。この実施例ではスキャナ６（図では３チャンネルの場合を表示している）のＣＨ２（チャンネル２）に負荷電極間電圧（Ｖｃｅｌｌ）、ＣＨ１（チャンネル１）にカソード過電圧（Ｖｃａ）、ＣＨ３（チャンネル３）にアノード過電圧（Ｖａｎを入力している。
【００３８】
スキャナ６では各チャンネルの＋端子と−端子を切り替えてインピーダンス計測器５の電圧計測モジュール５０１が測定する部位を切り替えるようになっている。
図４において、電子負荷制御部５ａを介して直流電流値、重畳交流電流振幅、重畳交流電流周波数を設定し、燃料電池の負荷電極２Ａ，２Ｂ間に印加する。
【００３９】
スキャナ６はＣＨ２（ＣＨ２＋とＣＨ２−を選択）のセットをインピーダンス計測器５の電圧計測モジュール５０１に接続して負荷電極のインピーダンス計測を行う。
インピーダンス計測器５は電流計測モジュール５０４で測定される電流波形と電圧計測モジュール５０１で測定される電圧波形から、負荷電極間の重畳交流電流周波数でのインピーダンス計測（ゲインとフェーズ計測）を行う。
【００４０】
次にスキャナ６をＣＨ２にセットしてカソード過電圧のインピーダンス計測を行う。
更に、スキャナ６をＣＨ３にセットしてアノード過電圧のインピーダンス計測を行う。
以上の手順により、１つの周波数での負荷電極端子、カソード過電圧、アノード過電圧のインピーダンス計測を行うことができる。
したがって上述の構成によればインピーダンス計測器の電圧計測モジーュールを多数設ける必要がない。
【００４１】
図５は本発明の他の実施例を示すものである。なお、図１と同一要素には同一符号を付している。この実施例では図１に示す分割電極の代わりに参照電極を設けた場合を示している。
参照電極は電解質膜上にＰｔ線を配置し、このＰｔ線に外部より水素ガスを導入することにより絶対基準電位を得るようにしたものである。
【００４２】
図５において、参照電極３００に燃料ガスを供給し、その電位に対して、カソード電極（２Ａ）およびアノード電極（３ａ）の電位差をカソード過電圧（Ｖｃａ）およびアノード過電圧（Ｖａｎ）として測定する。そして、燃料電子端子（２Ａ）と（３ａ）に交流成分を重畳した電流負荷を印加して、燃料電池端子電圧（Ｖｃｅｌｌ）、（Ｖｃａ）、（Ｖａｎ）のインピーダンスを測定する。
なお、測定手順は図２で示した場合と同様なのでここでの説明は省略する。
【００４３】
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、固体高分子型燃
料電池に対する電気的特性の測定装置および測定方法に限らず、すべての燃料電池に対する測定について広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態の燃料電池の構成を示す断面図、および測定機器の接続例を示す図である。
【図２】燃料電池の電圧特性を測定するためのフローチャートである。
【図３】実験結果とフィッティング結果およびシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図４】他の実施形態を示す図である。
【図５】他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      固体高分子膜
２Ａ    カソード本電極
２Ｂ    カソード分割電極
３Ａ    アノード本電極
３Ｂ    アノード分割電極
４      電子負荷装置
５      インピーダンス測定器
５ａ    電子負荷制御部
６      スキャナ
３０    ケース
３００  参照電極
５０１，５０２，５０３    電圧計測モジュール
５０４  電流計測手段
【図１】
0005201380.tif 000002
【図２】
0005201380.tif 000003
【図３】
0005201380.tif 000004
【図４】
0005201380.tif 000005
【図５】
0005201380.tif 000006