JP2005180927A - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池１等の測定対象物について、測定系の影響を排除するとともに簡単な構成で、しかも迅速かつ正確にそのインピーダンスを測定できるインピーダンス測定装置を提供する。
【解決手段】
測定に必要とされる帯域の周波数を含んだパルス波である入力信号を発生する負荷装置２と、既知のインピーダンスを有した標準素子３と、前記負荷装置２を前記測定対象物又は前記標準素子３のいずれか一方に切替可能に接続する切替回路４と、前記負荷装置２に前記測定対象物１を接続し前記入力信号を与えた場合に得られる第１応答信号及び前記負荷装置２に前記標準素子３を接続し前記入力信号を与えた場合に得られる第２応答信号に基づいて、測定対象物１のインピーダンスを算出する算出部６１とを備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池等のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置に関するものである。

電池の性能を知るために、その内部インピーダンスを測定することは一般的に行われている。図４は、例えば燃料電池の内部インピーダンスの一般的な等価回路図である。電池の等価回路は、反応抵抗Ｒと電気二重層容量Ｃを並列接続し、この並列接続部分に溶液抵抗Ｒｓｏｌを直列接続した回路になっている。

しかして、燃料電池の内部インピーダンスは、作動条件により効率低下および寿命悪化の原因となる。内部インピーダンスは、燃料電池を構成する素材はもちろん、加工法や動作条件によっても大きく影響を受ける。インピーダンス特性を精度よく測定することは、電池の効率や寿命等の基本性能の改善、あるいは品質管理等の目的からも非常に重要なことである。

そこで従来は、電流遮断法、ステップ法、或いは交流インピーダンス法と称され、測定に必要な周波数の正弦波を複数与えて各周波数毎にインピーダンス計測を行うようにしたものが知られている。ところが燃料電池の場合、電流遮断法、ステップ法では短時間で測定できるものの、溶液抵抗しか解析できず、交流インピーダンス法では反応抵抗、電気二重層容量及び溶液抵抗のそれぞれの値を個々に解析できるものの、測定に長時間が必要となる。また、前記特許文献1にも述べられているように、測定対象となる信号の周波数（正弦波信号の周波数）が０．１ｍＨｚ〜数十ｋＨｚであり、特に、低周波数の信号に対する内部インピーダンスを測定する場合には、１回の測定にかかる時間が、その信号の周期の長さに依存し、長時間が必要となる。このため、長時間をかけて周波数を掃引している間に、触媒（例えば固体高分子膜型燃料であれば貴金属系）の劣化等により、燃料電池の状態が変わってしまうことがあるという問題点がある。これを改善する例として、特許文献１に示すように、信号波形にＳｉｎｃ関数を用い、かつ中心波形の異なる複数の信号により解析を行うようにしたものも知られている。ところが、やはりこの装置でも複数回の測定が必要であり、ある程度の時間がかかる。

さらに、上述したものでは、例えば燃料電池の全体としての内部インピーダンスを知ることはできても、反応抵抗、電気二重層容量及び溶液抵抗のそれぞれの値を個々に解析することができない。加えて、一般に電池の内部インピーダンスは非常に小さく、測定系のインピーダンス（例えばケーブルのインピーダンス等）が計測誤差の大きな要因となりうる。
特開２００３−９０８６９公報

そこで本発明は、上述した問題点を解決すべく、燃料電池等のように、内部インピーダンスが小さくしかも長時間測定により特性変動のおそれがあるような測定対象物について、測定系の影響を排除するとともに簡単な構成で、しかも迅速かつ正確に内部の詳細なインピーダンスを測定できるインピーダンス測定装置を提供することをその主たる所期の課題としたものである。

すなわち本発明に係るインピーダンス測定装置は、測定対象物のインピーダンスを測定するものであって、測定に必要とされる帯域の周波数を含んだ１つのパルス波である入力信号を発生する負荷装置と、既知のインピーダンスを有した標準素子と、前記負荷装置を前記測定対象物又は前記標準素子のいずれか一方に切替可能に接続する切替回路と、前記負荷装置に前記測定対象物を接続し前記入力信号を発生させた場合に得られる第１応答信号及び前記負荷装置に前記標準素子を接続し前記入力信号を発生させた場合に得られる第２応答信号に基づいて、測定対象物のインピーダンスを算出する算出部とを備えていることを特徴とする。

ここで応答信号とは、例えば入力信号として電圧が与えられたときの電流であったり、電流が与えられたときの電圧であったりしてもよいし、あるいは、電圧／電流、電流／電圧といったような、入力信号を含んだものであってもよい。また、インピーダンスとは電気系に限られず、流体系（例えば液圧と流量）や熱系（例えば熱容量と温度）等で使用される意義をも含み、それに応じて入力信号や応答信号の具体例が変わるのも言うまでもない。パルス波とは有限時間で収束する所定形状の波のことを言う。

算出部の具体的な構成例としては、前記第１応答信号の交流成分を前記第２応答信号の交流成分によりデコンボリューションし、さらにその結果を前記標準素子のインピーダンスでコンボリューションすることにより測定対象物のインピーダンスを算出するものが挙げられる。

本発明の効果が特に顕著に奏される具体的な実施態様としては、前記測定対象物が燃料電池であって、前記負荷装置が、燃料電池に一定電流を消費させつつ、その一定電流に前記入力信号を重畳させるものを挙げることができる。

標準素子の好適な態様としてはインピーダンスが既知の抵抗器を挙げることができる。また、算出部での演算に好適な入力信号波形としては、パルス波を挙げることができる。

このような構成の本発明によれば、第１応答信号に含まれる測定系の影響を第２応答信号に基づいて排除し、測定対象物のみのインピーダンスを測定することができる。しかも、入力信号が、測定に必要とされる周波数帯域を含んだパルス波形のものであるため、短時間かつ１回での測定が可能となり、測定対象物の時間的な劣化を招くことなく、安定な状態での正確なインピーダンス測定ができる。したがって、例えば製品検査等に用いて特にその効果が顕著となる。また、逆にこのようにインピーダンス測定に時間がかからないということから、この測定を測定対象物に負荷を与えながら時系列的に複数回行うことで、測定対象物の劣化特性等の的確な時系列判断も可能となり、製品開発や実験等でも有用である。さらに、構成という点においては、標準素子や切替回路等が新たに必要なだけで、算出部においても特に複雑な機構を必要としないため、非常に簡単に実現することができる。加えて、例えば測定対象物が燃料電池の場合であれば、前述した反応抵抗、電気二重層容量及び溶液抵抗のそれぞれの値を個々に解析することも可能である。

以下に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るインピーダンス測定装置１００は、測定対象物である燃料電池１のインピーダンスを測定するものであり、図１に示すように、信号発生器５、負荷装置２、標準素子３、切替回路４及び情報処理装置６を備えている。以下に各部を詳述する。

信号発生器５は、例えば情報処理装置６からの外部トリガ信号（或いは内部トリガ信号）により、原信号を発生し、出力するものである。原信号は、測定に必要とされる複数の周波数成分を少なくとも含んだパルスである。

負荷装置２は、信号発生器５から出力された原信号を受け付け、その原信号と比例した波形の入力信号を発生するもので、より具体的には、前記原信号と振幅が比例した電流を、接続されるべき対象、すなわちここでは燃料電池１又は標準素子３を介して、この負荷装置２自身に流させるものである。

標準素子３は、例えば既知のインピーダンスを有した抵抗器である。

切替回路４は、前記負荷装置２を前記燃料電池１又は前記標準素子３のいずれか一方に切替可能に接続するものである。この実施形態における切替回路４は、いわゆる２極タイプのスイッチであり、一対のコモン端子４ｃ１、４ｃ２がそれぞれ負荷装置２の正負両端子２ａ、２ｂに、また各一対の出力端子４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２がそれぞれ標準素子３の正負両端子３ａ、３ｂ及び燃料電池１の正負両端子１ａ、１ｂに接続してある。そして、一方の接点に切り替えたときには、標準素子３の正負両端子３ａ、３ｂが負荷装置２の正負両端子２ａ、２ｂに接続され、他方の接点に切り替えたときには、燃料電池１の正負両端子１ａ、１ｂが負荷装置２の正負両端子２ａ、２ｂに接続される。この切替回路４の出力端子４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２から燃料電池１及び標準素子３に至る電気経路Ｒ１、Ｒ２は、互いに略同等の形態にしてあり、各電気経路Ｒ１、Ｒ２間でインピーダンスの違いがほとんどでないように構成してある。

情報処理装置６は、専用乃至汎用のコンピュータを利用して構成したもので、図２に示すように、ＣＰＵ６Ａの他、メモリ６Ｂ、入出力インタフェース６Ｃ、ＡＤ変換器６Ｄ等の周辺機器を備えている。そして図３に示すように、前記メモリ６Ｂに記憶させた所定のプログラムに従って前記ＣＰＵ６Ａ及び各周辺機器を動作させることにより、後述する応答信号生成部６２や応答信号格納部６３或いは算出部６１としての機能を発揮するように構成している。

応答信号生成部６２は、負荷装置２を前記燃料電池１又は前記標準素子３に接続し前記入力信号を与えた場合に、例えば負荷装置に２に付属するセンサ群７（図３に示す）で検出される電流及び電圧信号を受け付け、それらの値に基づいて、燃料電池１からの応答信号である第１応答信号及び前記標準素子３からの応答信号である第２応答信号をそれぞれ演算等により生成するものである。なお、ここでの応答信号とは、例えば電圧（値）／電流（値）のことである。

応答信号格納部６３は、応答信号生成部６２で生成された各応答信号を記憶格納しておくものである。

算出部６１は、前述した各応答信号を少なくともパラメータとして燃料電池１のインピーダンスを算出するものである。

次に、このインピーダンス測定装置１００の動作の一例について説明する。

まず、前記切替回路４を操作して負荷装置２と標準素子３とを接続する。この切替操作は手動であってもよいし、情報処理装置６からの指令により自動で行ってもよい。なお、手動で行う場合には、情報処理装置６に対して負荷装置２が標準素子３か又は燃料電池１のいずれに接続されているかを示す情報を与えておく必要がある。

その後、所定のタイミングで信号発生器５が原信号を送信し、負荷装置２がその原信号を受け付けて入力信号を発生する。その入力信号により標準素子３に作用した電圧及び電流は、センサ群７で検出される。

前記センサ群７からの検出信号である電圧及び電流信号は、応答信号生成部６２で受け付けられ、電圧信号値を電流信号値で除算するという演算処理が施されて、第１応答信号ω_ｒｅｆ（ｔ）が生成される。この第１応答信号ω_ｒｅｆ（ｔ）は、時系列データとしてメモリ６Ｂの所定領域に設定した応答信号格納部６３に記憶される。

ここで第１応答信号をω_ｒｅｆ（ｔ）は、以下の式で表される。
ω_ｒｅｆ（ｔ）＝Ｆ^−１［Ｈ（ｆ）・Ｒ（ｆ）］・・・（１）
なお、Ｈ（ｆ）は測定系のインピーダンス、Ｒ（ｆ）は標準素子３のインピーダンス、ｔは時間である。Ｆ^−１は逆フーリエ変換を表す。

次に、前記切替回路４を操作して負荷装置２と燃料電池１とを接続する。このとき、負荷装置２は燃料電池１を発電させ、一定電流を消費させてもよいし、無負荷の状態で片極性（正側あるいは負側だけ）のパルス波形を有する信号を加えてもよい。

その後、やはり所定のタイミングで前記信号発生器５が前述と同じ原信号を送信し、負荷装置２がその原信号を受け付けて前記と同様の入力信号を発生する。その入力信号は、前記負荷装置２が燃料電池１に消費させている一定電流に重畳される。そして、その入力信号が重畳されることにより生じた燃料電池１の電圧及び電流が、前記センサ群７で検出される。

前記センサ群７からの検出信号は、応答信号生成部６２で受け付けられる。そしてその検出信号である電圧信号値を電流信号値で除算し、さらにその結果から交流成分を抽出するという演算処理が施されて第２応答信号ω（ｔ）が生成される。その第２応答信号ω（ｔ）は、時系列データとしてメモリ６Ｂの所定領域に設定した応答信号格納部６３に記憶される。

ここで第２応答信号ω（ｔ）は以下の式で表される。
ω（ｔ）＝Ｆ^−１［Ｈ（ｆ）・Ｇ（ｆ）］・・・（２）
なお、Ｇ（ｆ）は燃料電池１のインピーダンスである。

次に応答信号格納部６３に記憶されている第２応答信号ω（ｔ）を第１応答信号ω_ｒｅｆ（ｔ）でデコンボリューションするという演算処理が、算出部６１により行われる。この演算は次の式（３）で表され、演算結果は前記メモリ６Ｂの所定記憶領域に記憶される。
Ｆ［ω（ｔ）／ω_ｒｅｆ（ｔ）］・・・（３）
なお、Ｆはフーリエ変換を表す。

さらに同算出部６１により、この結果を既知である標準素子３のインピーダンスＲ（ｆ）でコンボリューションするという演算処理が施され、やはりその結果が前記メモリ６Ｂの所定記憶領域に記憶される。この動作は、以下の式（４）で表される。
Ｆ［ω（ｔ）／ω_ｒｅｆ（ｔ）］・Ｒ（ｆ）・・・（４）

しかして、この式（４）の演算結果は、前記式（１）（２）を代入することから明らかなように、
Ｆ［ω（ｔ）／ω_ｒｅｆ（ｔ）］・Ｒ（ｆ）＝［Ｇ（ｆ）／Ｒ（ｆ）］・Ｒ（ｆ）＝Ｇ（ｆ）
となり、測定系のインピーダンスＨ（ｆ）の影響を排除した、燃料電池１のインピーダンスＧ（ｆ）を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、第１応答信号に含まれる測定系の影響が、第２応答信号に基づいて排除され、燃料電池１のみのインピーダンスを測定することができる。しかも、入力信号が、矩形パルス波であり、測定に必要とされる複数の周波数成分を含んでいるため、短時間での測定が可能であり、燃料電池１の時間的な劣化を招くことなく、安定な状態での正確なインピーダンス測定が可能となる。また、逆にこのようにインピーダンス測定に時間がかからないということから、この測定を燃料電池１に負荷を与えながら時系列的に複数回行うことで、燃料電池１の劣化特性等の的確な時系列判断も可能となる。さらに、構成という点においては、標準素子３や切替回路４等が新たに必要なだけで、情報処理装置６においても特に複雑な機構を必要としないため、非常に簡単に実現することが可能である。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、測定対象物は燃料電池に限られるものではなく、乾電池等の一次電池や、リチウム電池等の二次電池でも前記実施形態と同様の作用効果を奏し得る。また、測定対象物は、電池以外のものでも構わないが、特に内部インピーダンスが小さくしかも長時間測定により特性変動のおそれがあるようなものに対して本発明の効果が特に顕著となる。さらに標準素子には、いわゆるショートバーや標準燃料電池等を用いても構わない。

入力信号は、測定に必要とされる帯域の周波数成分を少なくとも含んだパルス波であればよく、その形状は三角波や矩形波でもよいし、その他にも種々考えられる。特に好ましくは、測定に必要とされる帯域の周波数成分のみ、またはその前後の帯域をも若干含むような波形のものがよい。

情報処理装置は、ＣＰＵを搭載してプログラムにより動作するコンピュータである必要はなく、ディスクリート回路で構成したものでも構わないし、演算処理をアナログ回路によって行ってもよい。また、算出部による演算過程は、前記実施形態と同一である必要はなく、最終的に同一結果が得られるのであれば、種々変形が可能である。

その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の一実施形態におけるインピーダンス測定装置の模式的全体機器構成図。 同実施形態における情報処理装置の模式的機器構成図。 同実施形態における情報処理装置の機能ブロック図。 燃料電池の内部等価回路を示す模式的回路図。

符号の説明

１ 測定対象物（燃料電池）
２ 負荷装置
３ 標準素子（抵抗器）
４ 切替回路
５ 算出部

Claims (4)

1. 測定対象物のインピーダンスを測定するものであって、
   測定に必要とされる帯域の周波数を含んだパルス波である入力信号を発生する負荷装置と、
   既知のインピーダンスを有した標準素子と、
   前記負荷装置を前記測定対象物又は前記標準素子のいずれか一方に切替可能に接続する切替回路と、
   前記負荷装置に前記測定対象物を接続し前記入力信号を発生させた場合に得られる第１応答信号及び前記負荷装置に前記標準素子を接続し前記入力信号を発生させた場合に得られる第２応答信号に基づいて、測定対象物のインピーダンスを算出する算出部とを備えていることを特徴とするインピーダンス測定装置。
2. 前記算出部が、前記第１応答信号を前記第２応答信号によりデコンボリューションし、さらにその結果を前記標準素子のインピーダンスでコンボリューションすることにより測定対象物のみのインピーダンスを算出するものである請求項１記載のインピーダンス測定装置。
3. 前記測定対象物が燃料電池であって、前記負荷装置が、燃料電池に一定電流を消費させつつ、その一定電流に前記入力信号を重畳させるものである請求項１又は２記載のインピーダンス測定装置。
4. 前記標準素子がインピーダンスが既知の抵抗器である請求項１、２又は３記載のインピーダンス測定装置。