(57)【要約】マルチ電池電気化学装置、例えば、バッテリまたは燃料電池スタックの個々の電池のインピーダンスおよび電圧特性を測定するための方法およびシステムを提供する。電気化学システムは、複数の電池と、複数の電池に亘って接続された複数の入力を含み、複数の電池の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する測定装置と、複数の電池を流れる変調された電流値を重ね合わせる電流供給／引き出し手段と、測定装置から受信した電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御するコントローラであって、測定装置に接続されているコントローラとを含む。当該方法は、（ａ）電気化学装置の複数の電池にかかる変調された電流値を重ね合わせる工程と、（ｂ）複数の電池から電流を引き出し、複数の電池の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する工程と、（ｃ）複数の電池の電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御する工程とを含む。
2006518536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池と、
前記複数の電池における複数の電池群の各電池群に亘って接続された複数の入力を含み、前記複数の電池の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する測定装置と、
前記複数の電池における複数の電池群の各電池群を流れる変調された電流値を重ね合わせる電流供給／引き出し手段と、
前記測定装置から受信した電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御するコントローラであって、前記測定装置に接続されているコントローラと、
を含む電気化学システム。
【請求項２】
前記複数の電池群の各電池群は５個未満の電池を含む、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項３】
前記電流供給／引き出し手段がモジュレータを含む、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項４】
前記モジュレータは前記コントローラの一体部分である、請求項３に記載の電気化学システム。
【請求項５】
前記複数の電池における各電池群は電池を１個だけ含み、前記複数の入力は前記複数の電池における個々の電池に亘って接続され、モジュレータは個々の電池を流れる変調された電流値を重ね合わせるように動作可能である、請求項２に記載の電気化学システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記測定装置から受信した電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件をリアルタイムで制御するように動作可能である、請求項２に記載の電気化学システム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記測定装置から受信した電圧および電流特性から決定されるアラーム状態に基づいて、オペレータに警報を発するように動作可能である、請求項２に記載の電気化学システム。
【請求項８】
前記モジュレータは、高周波抵抗測定のためのバースト時間において変調された電流値を重ね合わせ、バースト時間とバースト時間との間の時間は変調された電流値の重ね合わせがないようにする、請求項３に記載の電気化学システム。
【請求項９】
前記測定装置は、測定された電圧および電流信号用の複数の一次チャネルを提供し、個々の各電池にかかる電圧に対して１つのチャネルがあり、前記測定装置は個々の電池にかかる電圧の少なくともＤＣ成分を一次チャネルから分離するためのスプリッタを含み、該スプリッタはＤＣ成分のための出力として第１のチャネルを有する、請求項５に記載の電気化学システム。
【請求項１０】
前記スプリッタは、個々の電池にかかる電圧のＡＣ成分のための出力として第２のチャネルを含む、請求項９に記載の電気化学システム。
【請求項１１】
前記測定装置は、該測定装置の入力に接続された複数の計装用増幅器であって、複数の一次チャネルを提供する出力を有する複数の計装用増幅器と、少なくともチャネルスプリッタからの第１のチャネルに接続されたアナログマルチプレクサとを含み、少なくとも第１のチャネル間において順次切り替えを行うように前記アナログマルチプレクサを制御するために、マルチプレクサ制御ラインが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接続される、請求項９に記載の電気化学システム。
【請求項１２】
前記アナログマルチプレクサの出力に接続された第１のアナログ・デジタル変換器と、該第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た電圧データバスと、制御の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たアナログ・デジタル制御ラインとをさらに含む、請求項１１に記載の電気化学システム。
【請求項１３】
電流を測定するために、電流検出装置が個々の電池に直列に接続されて設けられ、該電流検出装置は前記コントローラに接続される、請求項１２に記載の電気化学システム。
【請求項１４】
前記電流検出装置の出力は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た電流測定信号のための出力を有する、請求項１３に記載の電気化学システム。
【請求項１５】
電流アナログ・デジタル変換器が前記電流増幅器の出力に接続された入力を備え、また電流出力と制御入力とを備えて設けられ、データバスが電流出力を前記コントローラに接続し、アナログ・デジタル制御ラインが前記コントローラと前記電流アナログ・デジタル変換器の制御入力との間に設けられた、請求項１４に記載の電気化学システム。
【請求項１６】
前記コントローラは、該コントローラを制御するための制御信号の供給用コンピュータ装置に接続可能な入力を含む、請求項２に記載の電気化学システム。
【請求項１７】
前記複数の電池によって電力を供給される負荷をさらに含む、請求項１に記載の電気化学システム。
【請求項１８】
マルチ電池電気化学システムの少なくとも１つのシステム動作条件を制御する方法であって、
（ａ）電気化学装置の複数の電池における複数の電池群の各電池群にかかる変調された電流値を重ね合わせる工程と、
（ｂ）前記複数の電池における複数の電池群の各電池群から電流を引き出し、前記複数の電池における複数の電池群の各電池群の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する工程と、
（ｃ）前記複数の電池の電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御する工程と、
を含む方法。
【請求項１９】
各電池群および複数の電池群は５個未満の電池を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の電池群の各電池群は電池を１個だけ含み、
工程（ａ）は、前記複数の電池における個々の電池にかかる変調された電流値を重ね合わせる工程を含み、
工程（ｂ）は、個々の電池から電流を引き出して個々の電池の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する工程を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
工程（ａ）は高周波抵抗測定のためのバースト時間に行われ、バースト時間の間の時間は変調された電流値の重ね合わせがない、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
工程（ａ）は、一連の設定された干渉状態を提供するように重ね合わせを制御する工程と、各干渉状態に対して、電気化学装置の電圧及び電流特性の少なくとも一部を測定する工程とを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
工程（ａ）は、重ね合わせられた電流値の周波数を変化させる工程を含み、
工程（ｂ）は、重ね合わせられた、変調された電流値に対して選択された周波数で電圧および電流信号を生成する工程と、個々の電池のインピーダンスの複数の実数成分および虚数成分を、電圧および電流信号から決定する工程とを含み、
工程（ｃ）は、個々の電池のインピーダンスの複数の実数成分および虚数成分に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
工程（ｂ）は、複数の差動増幅器の入力を電気化学装置の個々の電池に亘って接続する工程と、複数の差動増幅器で電池の電圧および電流を測定して電圧および電流信号を生成する工程と、電圧および電流信号をマルチプレクサに供給する工程と、工程（ｃ）を行うために電圧および電流信号をコントローラに順次供給するようにマルチプレクサを動作させる工程とを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
アナログマルチプレクサによって選択された各電圧および電流信号を、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工程をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
負荷を流れる電流を測定するために電池に直列に接続された電流検出装置を設ける工程と、該電流検出装置にかかる電圧を測定して負荷を流れる電流を決定し、これにより電流測定信号を生成する工程と、電流測定信号を前記コントローラに供給する工程とをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
電流測定信号をデジタル電流測定信号に変換する工程と、デジタル電流測定信号を前記コントローラに供給する工程とをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記複数の電池から引き出された電流を使用して負荷を駆動する工程をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね電気化学装置の内部抵抗を測定するシステムおよび方法に関する。より詳細には、燃料電池スタックであって、スタックのテスト時または実際の応用における自立発電時のいずれかにおいて、動的流量条件および種々の負荷条件のもとで動作す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システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（典型的には水素）と酸化剤（典型的には空気）とを２つの適切な電極および電解質と接触させることにより、起電力を生じる電気化学装置である。例えば、水素ガスなどの燃料を第１の電極に導入して、そこで電解質存在下で電気化学的に反応させて第１の電極において電子および陽イオンを生成する。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。陽イオンは電解質を通じて第２の電極へと移動する。同時に、酸素または空気などの酸化剤を第２の電極へ導入して、そこで酸化剤は電解質および触媒の存在下で電気化学的に反応して陰イオンを生成し、電気回路を通って循環する電子を消費する。すなわち陽イオンは第２の電極で消費される。第２の電極またはカソードで形成される陰イオンは陽イオンと反応して、反応生成物を形成する。第１の電極またはアノードは代替的には燃料電極または酸化電極と呼ぶことができ、第２の電極は代替的には酸化剤電極または還元電極と呼ぶことができる。２つの電極での半電池反応は、それぞれ以下の通りである。
【０００３】
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ−
【０００４】
１／２Ｏ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ2Ｏ
【０００５】
外部電気回路は、電流を引き出し、従って電池から電力を受け取る。全燃料電池反応は、上記の個々の半電池反応の和によって示される電気エネルギーを生産する。水と熱はその反応の典型的な副生成物である。
【０００６】
実際、燃料電池は単体として動作されない。むしろ、燃料電池は直列に接続され、１つずつその上部に積み重ねられるか、または並んで設置される。燃料電池スタックと呼ばれる一連の燃料電池は、通常は筐体に収容される。反応剤または冷媒のいずれかにより冷却が提供されつつ、燃料および酸化剤はマニホルドを介して電極に導かれる。また、スタック内にはカレントコレクタ、電池間シール（ｃｅｌｌ−ｔｏ−ｃｅｌｌ  ｓｅａｌｓ）および絶縁体があり、燃料電池スタックの外部には必要なパイピングおよび器具類が設けられる。スタック、筐体および関連ハードウェアが燃料電池モジュールを構成する。
【０００７】
燃料電池スタックの適切な動作を確実にし、その性能を評価するために種々のパラメータを監視する必要がある。これらのパラメータは、以下電池電圧と呼ばれる燃料電池スタックの各燃料電池にかかる電圧と各燃料電池の内部抵抗とを含む。
【０００８】
携帯性、燃料電池適用性、測定多様性、分解能、自動化およびコストなどのこれらのパラメータを監視するようにシステムを設計する際には、問題が生じる。これらの問題にはある程度対応がなされていて、譲受人の同時係属中の米国特許出願第０９／６７２，０４０号および第１０／１０９，００３号には、燃料電池テスト時において燃料電池インピーダンスを測定するための内蔵式携帯装置／システムおよび関連方法が記載される。そのシステムは、ＣＰＵ、周波数合成器、燃料電池、ロードバンクならびに測定および獲得回路を備える。ＣＰＵは、ソフトウェアプログラムから入力パラメータを受信し、信号生成装置にそのパラメータを送信し、信号生成装置は、ロードバンクを遠隔でプログラミングするために使用されるＤＣオフセットを有するＡＣ波形を生成する。ロードバンクは燃料電池から電流を引き出す。燃料電池にかかる電圧および燃料電池を流れる電流は電圧および電流検出回路によって測定され、その後オシロスコープまたはＡ／Ｄ変換器によってデジタル化され平均化される。記録されたデータはＣＰＵに送信されて、そこでＡＣ位相の進みまたは遅れが算出される。その後、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、および印加されたＡＣ電圧を含む多数の出力が本発明により表示可能である。
【０００９】
しかしながら、先の出願の発明では、燃料電池スタックの実際の動作（「実地における」動作）時の燃料電池スタックの燃料電池インピーダンス測定における適用が限定されている。さらに、燃料電池スタック内の個々の燃料電池内部抵抗をリアルタイムで測定するためのスキームは、以前の特許出願において詳述されていない。
【００１０】
電池電圧を測定するために、各電池の２つの端子（すなわちアノードおよびカソード）において差動電圧測定が必要とされる。しかし、燃料電池は直列に、典型的には多数接続されるので、任意の現在使用可能な半導体測定装置で直接測定するには一部の端子の電圧は高くなりすぎる。例えば、０．９５Ｖの各電池電圧を有する１００個の電池からなる燃料電池スタックに関しては、最上部電池の負端子（カソード）の実際の電圧は、９４．０５Ｖ（すなわち、０．９５＊１００−０．９５）になる。このように電圧は、電圧を測定するために一般的に使用される最新の差動増幅器の最大許容入力電圧を越えてしまう。
【００１１】
譲受人の同時係属の米国特許出願第０９／８６５，５６２号は、この問題の解決策を提供している。この特許出願は、テスト時において燃料電池スタックの個々の燃料電池の電池電圧を監視するためのシステムを提供しており、米国特許出願第０９／８６５，５６２号、第０９／６７２，０４０号および第１０／１０９，００３号の内容は、参照として本出願に組み込む。特許出願第０９／８６５，５６２号のシステムは、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、コントローラおよびコンピュータを備える。各差動増幅器は、各燃料電池の２つの端子で電圧を読み取る。アナログ・デジタル変換器は、任意の所定時間にこれらの差動増幅器のうちの１つにアクセスするマルチプレクサを介して差動増幅器の出力を読み取る。アナログ・デジタル変換器のデジタル出力は、その後、分析のためにコンピュータに提供される。コンピュータはアナログ・デジタル変換器およびマルチプレクサの動作を制御する。但し、本特許出願における電圧監視システムは、個々の燃料電池にかかるＤＣ電圧を測定するだけである。対照的に、燃料電池テストに使用される方法およびシステムを記載した前述の米国特許出願第０９／６７２，０４０号では、インピーダンスの測定には、全燃料電池スタックが一個の燃料電池であっても多数の燃料電池のスタックであっても、全燃料電池スタックにかかるＡＣおよびＤＣ電圧の両方の印加が含まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、燃料電池テストの目的で使用される制御されたテスト環境とは対照的に、「実地」での燃料電池の実際の使用時において、燃料電池スタック、特に多数の燃料電池からなる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が依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１つの態様により電気化学システムが提供される。電気化学システムは、複数の電池と、複数の電池に亘って接続された複数の入力を含み、複数の電池の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する測定装置と、複数の電池を流れる変調された電流値を重ね合わせる電流供給／引き出し手段と、測定装置から受信した電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御するコントローラであって、測定装置に接続されているコントローラとを含む。
【００１４】
モジュレータは、有利には、高周波抵抗測定のためのバースト時間において変調された電流値を重ね合わせ、バースト時間の間の時間は変調された電流値の重ね合わせがないようにする。
【００１５】
モジュレータは、例えば、重ね合わせられた電流値を生成するための正弦波発生器に連結された電流制御装置を有する。任意の周期的波形、例えば、正弦形、正方形、三角形、のこぎり形、長方形またはその他任意のステップ波形が電流値を変調するのに使用可能である。
【００１６】
有利には、測定装置は電圧および電流信号用の複数の一次チャネルを提供し、各電池にかかる電圧に対して１つのチャネルがあり、測定装置は、個々の電池にかかる電圧の少なくともＤＣ成分を一次チャネルから分離するためのスプリッタを含み、スプリッタはＤＣ成分のための出力として第１のチャネルを有する。
【００１７】
スプリッタは、有利には、個々の電池にかかる電圧のＡＣ成分のための出力として第２のチャネルを含む。
【００１８】
測定装置は、有利には、測定装置の入力に接続された複数の計装用増幅器であって、複数の一次チャネルを提供する出力を有する複数の計装用増幅器と、スプリッタからの少なくとも２つのチャネルに接続されたアナログマルチプレクサとを含み、チャネル間において順次切り替えを行うようにアナログマルチプレクサを制御するために、マルチプレクサ制御ラインがコントローラとアナログマルチプレクサとの間に接続される。
【００１９】
装置は、有利には、アナログマルチプレクサの出力に接続された第１のアナログ・デジタル変換器と、第１のアナログ・デジタル変換器とコントローラとの間に接続された電圧データバスと、制御のためにコントローラと第１のアナログ・デジタル変換器との間に接続されたアナログ・デジタル制御ラインとをさらに含む。
【００２０】
有利には、電流を測定するために電流検出装置（トランスデューサ）が個々の電池に直列に接続されて設けられ、電流検出装置はコントローラに接続される。電流検出装置の出力は、任意に電流増幅器に接続され、電流増幅器はコントローラに接続された電流測定信号のための出力を有する。
【００２１】
有利には、電流アナログ・デジタル変換器が電流増幅器の出力に接続された入力を備え、また電流出力と制御入力とを備えて設けられ、データバスが電流出力をコントローラに接続し、アナログ・デジタル制御ラインがコントローラと電流アナログ・デジタル変換器の制御入力との間に設けられる。
【００２２】
コントローラは、任意に、コントローラを制御するための制御信号の供給用コンピュータ装置に接続可能な入力を含む。
【００２３】
本発明の第２の態様により、マルチ電池電気化学システムの少なくとも１つのシステム動作条件を制御する方法が提供される。この方法は、（ａ）電気化学装置の複数の電池にかかる変調された電流値を重ね合わせる工程と、（ｂ）複数の電池から電流を引き出し、複数の電池の電圧および電流特性を示す電圧および電流信号を生成する工程と、（ｃ）複数の電池の電圧および電流特性に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件を制御する工程とを含む。
【００２４】
工程（ａ）は、有利には、高周波抵抗測定のためのバースト時間に行われ、バースト時間の間の時間は変調された電流値の重ね合わせがない。
【００２５】
有利には、工程（ａ）は一連の設定された干渉状態を提供するように変調された電流値の重ね合わせを制御する工程と、各干渉状態に対して、電気化学装置の電圧及び電流特性の少なくとも一部を測定する工程とを含む。例えば、重ね合わせられた電流値の周波数を変化させて、電圧および電流測定値ならびに／または波形が、重ね合わせられた電流値に対して選択された周波数で測定され、個々の電池のインピーダンスの実数成分および虚数成分が、測定された電圧および電流特性から決定される。その後、個々の電池のインピーダンスの実数成分および虚数成分に基づいて、少なくとも１つのシステム動作条件が制御される。
【００２６】
有利には、この方法は、複数の差動増幅器の入力を電気化学装置の個々の電池に亘って接続する工程と、複数の差動増幅器で電池の電圧および電流を測定して複数の電圧および電流信号を生成する工程と、電圧および電流信号をマルチプレクサに供給する工程と、工程（ｃ）を行うために電圧および電流信号をコントローラに順次供給するようにマルチプレクサを動作させる工程とをさらに含む。任意に、この方法は、アナログマルチプレクサによって選択された各電圧および電流信号を、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工程をさらに含む。
【００２７】
この方法は、有利には、負荷を流れる電流を測定するために電池に直列に接続された電流検出装置を設ける工程と、電流検出装置にかかる電圧を測定して負荷を流れる電流を決定し、これにより電流測定信号を生成する工程とをさらに含む。その後、電流測定信号はコントローラに供給される。この方法は任意に以下の工程、すなわち、電流測定信号をデジタル電流測定信号に変換する工程と、デジタル電流測定信号をコントローラに供給する工程とを含む。
【００２８】
本発明の両態様に関して、測定された電圧は、個々の電池のそれぞれにかかる必要はない。電圧は電池の単に一部に亘って測定可能であり、一部の個々の電圧は電池群に亘って測定可能であることも考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明をより理解するために、また本発明がどのように実施され得るかを示すために、本発明の好適な実施形態を示す添付の図面を一例として参照する。
【００３０】
燃料電池または燃料電池スタック（図中では概ね番号９０で示される）をテストする先行技術の装置および方法を図示する図１を参照する。燃料電池テストステーション２０は、燃料電池（単数、複数）９０、ロードバンク１００およびＨＦＲ（高周波抵抗）装置８０に接続される。ロードバンク１００は、燃料電池（単数、複数）９０をテストするために特定の予め設定された負荷特性を提供するための制御可能な擬似負荷であり、ＨＦＲ装置８０は、ロードバンク１００によって引き出されるＤＣ電流に重ね合わせるための、設定可能なＡＣ摂動電圧を提供する。燃料電池（単数、複数）９０は、燃料電池テストステーションに適合する任意のタイプである。燃料電池（単数、複数）９０は、ロードバンク１００に電気的に接続され、既知の方法で接地接続される。ロードバンク１００は、有利には、所望の電圧を印加する、または所望の電流を引き出すように設定可能な標準ロードバンクである。加えて、電流測定の目的で、電流検出装置１１０が燃料電池スタック９０およびロードバンク１００を含む回路に設けられ、電流検出装置１１０はロードバンク１００に亘って接続される。電流検出装置１１０は、例えばトランスデューサまたは分流器である。
【００３１】
燃料電池スタック９０をテストするためには、燃料電池（単数、複数）９０の出力は、重ね合わせられた交流レベルを有する一定したＤＣレベルであることが必要である。燃料電池テストステーション２０は、所望の、通常大きなＤＣ電流を引き出すようにロードバンク１００を制御する。ロードバンク１００はさらにＨＦＲ装置８０によって制御されて、ＤＣ電流に重ね合わせられて概ね相対的に小さいＡＣ摂動を引き出す。摂動波形関数は、燃料電池テストステーション２０の制御装置（図示せず）に保存され得る。この方法は、一般的には高周波抵抗測定技術と呼ばれる。
【００３２】
次に図２ａおよび図２ｂを参照する。図２ａおよび図２ｂは、本発明による後述の燃料電池の実際の使用時における、離散周波数での燃料電池のインピーダンス測定用内蔵式携帯装置１０の好適な実施形態を図示する。実際の使用時では、燃料電池はテスト負荷とは異なり、ユーザ／オペレータによって容易に制御できない予想外の変化を起こし得る、実際の負荷に接続することになる。
【００３３】
図２ａおよび図２ｂにおいて概ね参照符号１０を用いて示される燃料電池電源装置は、電源電池スタック９０と、制御装置３０とを有し、制御装置３０によって、有利には制御装置３０に保存される所定の燃料電池電源装置操作スキームに従って燃料電池スタック９０を調整する。制御装置３０は、燃料電池（または他の電気化学的装置）の個々の電池に亘って接続するための複数の入力（図示せず）を備え、測定電圧および電流を示す電圧および電流信号を生成する測定部と、測定部に接続され、測定部を制御し、測定部からの電圧および電流信号を受信するための制御部とを有する。従って、制御装置３０は、ファンやバルブなどの装置（これらの種々の装置は図示せず）を操作することによりプロセスガス流量、水抜きおよび、他のプロセスパラメータを調整して、電源装置１０の動作時において、バランスオブプラントを維持する。
【００３４】
燃料電池スタック９０内の個々の燃料電池の電池電圧は、例えば、電圧信号を生成する差動増幅器（図示せず）のバンクを使用して、直接測定される。燃料電池スタック９０を流れる電流は、電流検出装置１１０を使用して間接的に測定される。電流検出装置１１０は、既知の抵抗値およびゼロに近い誘電または容量成分を有し、既知の方法でロードバンクの純粋な抵抗成分に亘って接続される。差動増幅器（図示せず）は、電流検出装置１１０に接続され、電流検出装置１１０にかかる電圧降下を測定し、電流測定信号を生成する。電流検出装置１１０の出力は、任意に、制御部に接続された電流測定信号用出力を有する電流増幅器（図示せず）に接続される。
【００３５】
制御装置３０はＨＦＲ／ＦＣＶＭ（燃料電池電圧監視）部３３とモジュレータ３６とを備える（図２ａ参照）。または、モジュレータは電源（図示せず）などの外部装置の一部であり得る（図２ｂ参照）。ＨＦＲ／ＦＣＶＭ部は、燃料電池９０の電圧および電流信号を測定し、実負荷２００によって引き出されたＤＣ電流上にモジュレータ３６によって重ね合わせられたＡＣ摂動電流の生成を制御する。モジュレータ３６は、有利には、波形発生器５０を調整する電流制御装置４０を有し、波形発生器５０は、出力装置６０、例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタを介して、生成されたＡＣ摂動を出力する。ＡＣ摂動は、好ましくはバーストでのみ、すなわち、通常の燃料電池動作時における短時間の間だけ重ね合わせられる。典型的には、重ね合わせバースト間に予め設定された停止時間を有して、所定秒間重ね合わせが続く。ＡＣ摂動は、引き出されたＤＣ電流と比較して、低振幅で、従って低励起電流である。
【００３６】
モジュレータ３６は、例えば、重ね合わせられた電流値を生成するための正弦波発生器に連結される電流制御装置を有する。電流値を変調するのに、任意の周期的波形、例えば、正弦、正方形、三角形、のこぎり形、長方形または他の任意のステップ波形が使用可能である。
【００３７】
典型的な実負荷２００によって引き出された電流が図３に示される。時間Ａにおいて、第１のＡＣ摂動が生成され、重ね合わせられる。停止時間Ｒの後、例においては実負荷２００によって燃料電池から更に大きなＤＣ電流を引き出した後、第２のＡＣ摂動が生成され、重ね合わせられる。制御装置３０によって得られる電圧および電流信号を使用して、燃料電池スタックの高周波抵抗は、燃料電池の実際の使用時においてリアルタイムに算出可能であり、いかなる異常も燃料電池オペレータに報告されるか、または制御システム自身によって自動的に対処可能である。制御装置３０は、例えば燃料電池システム内の温度、湿度または反応剤流量速度を調整することによって、これらの異常に自動的に対処し得る。または、アラーム状態が存在する場合は、制御装置３０はアラームを作動するか、そうでなければアラーム状態をオペレータに知らせ得る。なお、ＡＣ摂動の重ね合わせは、静的負荷時または動的負荷状態のもとのいずれかで行うことができる。
【００３８】
有利には、制御装置３０の測定部は、電圧および電流信号に対して複数の一次チャネルを提供し、各電池にかかる電圧に対して、１つのチャネルがある。測定部はさらに、個々の電池にかかる電圧のＤＣ成分を一次チャネルから分離させるためのスプリッタ（図示せず）を含み、そのチャネルスプリッタは個々の電池にかかるＤＣ成分のための出力として第１のチャネルを有する。
【００３９】
スプリッタは有利には、個々の電池にかかる電圧のＡＣ成分のための出力として第２のチャネルを含む。
【００４０】
好ましくは、変調された電流値の重ね合わせは、一連の設定された干渉状態を提供するように制御される。そして最後に各干渉状態に対して、電気化学装置の電圧および電流特性の一部が測定される。例えば、重ね合わせられた電流値の周波数が変更され、電圧および電流ならびに電流測定値および／または波形が、重ね合わせられた電流値に対して選択された周波数で測定され、個々の電池のインピーダンスの実数成分および虚数成分が、測定された電圧および電流特性から決定される。その後、電気化学装置を、電池のインピーダンスのこれらの実数成分および虚数成分に部分的に基づいて、制御することが可能である。
【００４１】
測定部はさらに、有利には測定装置の入力に接続され、複数の一次チャネルを提供する出力を有する複数の計装用増幅器（図示せず）を備える。さらに、アナログマルチプレクサ（図示せず）が有利には、少なくともチャネルスプリッタからの第１のチャネルに接続され、少なくとも第１のチャネル間で順次切り替えるようにアナログマルチプレクサを制御するために、マルチプレクサ制御ラインが制御部とアナログマルチプレクサとの間に接続される。
【００４２】
燃料電池システム１０はさらに、有利にはアナログ１２マルチプレクサの出力に接続された第１のアナログ・デジタル変換器（図示せず）と、第１のアナログ・デジタル変換器と制御部との間に接続された電圧データバス（図示せず）と、第１のデジタル・アナログ変換器を制御するために制御部と第１のアナログ・デジタル変換器との間に接続されたアナログ・デジタル制御ライン（図示せず）とを備える。
【００４３】
電流アナログ・デジタル変換器（図示せず）が、有利には電流増幅器の出力に接続された入力を備え、かつ電流出力と制御入力とを備えて設けられる。データバス（図示せず）が電流出力をコントローラに接続し、アナログ・デジタル制御ラインがコントローラと電流アナログ・デジタル変換器の制御入力との間に設けられる。
【００４４】
電流検出装置（トランスデューサ）は、有利には電流を測定するために個々の電池に直列に接続されて設けられる。電流検出装置は、コントローラに接続される。電流検出装置の出力は、任意に、電流測定信号をコントローラに提供するためにコントローラに接続された出力を有する電流増幅器に接続される。
【００４５】
電流アナログ・デジタル変換器が、有利には電流増幅器の出力に接続された入力を備え、かつ電流出力および制御入力を備えて設けられ、データバスがその電流出力をコントローラに接続し、アナログ・デジタル制御ラインがコントローラと電流アナログ・デジタル変換器の制御入力との間に設けられる。
【００４６】
制御部は、任意で制御部を制御するための制御信号を供給するためのコンピュータ装置（図示せず）に接続可能な入力を備える。
【００４７】
好ましくは、電気化学装置の各電池は、個々の電池にかかる各電圧を測定することにより較正される。所定の差動増幅器によって測定された各燃料電池の電池電圧は、その後以下の式を使用して算出可能である。
【００４８】
ＶR＝ＶA＊ＶA/D／［ＶA/D（ＶA）−ＶA/D（Ｖ0）］−ＶOFF  （１）
【００４９】
この式において、ＶRは、較正された測定電池電圧であり、
ＶA/Dは、電池電圧測定時におけるＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、
ＶAは、較正時における差動増幅器の入力に差動的に印加された電圧であり、
ＶA/D（ＶA）は、ＶAが較正時に差動増幅器の入力に印加された場合のＡ／Ｄ変換器７０の出力値であり、
ＶA/D（Ｖ0）は、較正時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、較正時に差動増幅器の入力が接地された場合の差動増幅器の電圧出力である。
【００５０】
本発明は、安価で、ハードウェア調整を必要としない一般的に利用可能な構成要素を使用している。本発明はまた、使用が簡単で、高精度の測定システムを提供する。さらに、既存の電池電圧および抵抗測定システムと比較すると、本発明はより少ない構成要素を有し、これによりシステムの全体の大きさを著しく減じる。加えて、本発明はまた、連続更新可能なリアルタイム測定も可能である。測定は自動化され、測定速度および簡略さを向上させる。本発明は特に、多数の燃料電池からなる大きな燃料電池スタック内の各燃料電池群の各電池電圧または電圧降下を測定するのに有利である。
【００５１】
本発明は主として、燃料電池電圧および内部抵抗を測定することを目的とするが、任意の種類のマルチ電池電気化学装置の電圧および抵抗を測定するのにも適用可能であることを理解すべきで、他のこのような装置の例としては、バッテリ１３（一次および二次両方）および電解槽である。当然、電解槽の場合は、負荷は電解槽に電力を提供する電源と置き換えられる。二次または充電式バッテリに対して、本発明を利用して充電および放電モード両方においてバッテリ特性を監視することが可能である。
【００５２】
さらに、本発明は、個々の燃料電池にかかる、またはそれらを流れる測定された電圧および電流値に関して記載されてきたが、必ずしも常に個々の電池毎に値を測定する必要はない。特定の電気化学装置およびその構成に依存して、電池群、例えば２、３、４個の電池の群に亘って値を測定することが望ましい、またはそれで十分なこともあり得る。
【００５３】
その範囲が添付の請求項で規定される本発明から逸脱することなく、本明細書において記載され、図示される好適な実施形態に対して種々の変形が可能であることは当業者によってさらに理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】先行技術による燃料電池（スタック）テスト時における燃料電池電圧および抵抗を測定するためのシステムの概略図である。
【図２ａ】本発明の好適な実施形態による燃料電池電圧および抵抗を測定するためのシステムの概略図である。
【図２ｂ】本発明のさらなる好適な実施形態による燃料電池電圧および抵抗を測定するためのシステムの概略図である。
【図３】図２ａおよび図２ｂで示すシステムを使用した燃料電池スタックの経時電池電流測定の概略図である。
【図１】
2006518536.tif 000003
2006518536.tif 000004
2006518536.tif 000005
【図３】
2006518536.tif 000006
【国際調査報告】
2006518536.tif 000007
2006518536.tif 000008
2006518536.tif 000009