JP5186986B2 - Fuel cell impedance measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関する。 The present invention relates to an impedance measuring device that measures the impedance of a fuel cell using an alternating current impedance method.
固体高分子型燃料電池は、燃料電池内部の電解質膜の導電率を維持するために加湿する必要がある。燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。このため、燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。 The polymer electrolyte fuel cell needs to be humidified in order to maintain the conductivity of the electrolyte membrane inside the fuel cell. When the amount of moisture in the fuel cell is small and the electrolyte membrane is dry, the internal resistance increases and the output voltage of the fuel cell decreases. On the other hand, when the internal water content of the fuel cell is excessive, the electrode of the fuel cell is covered with water, so that the diffusion of oxygen and hydrogen as reactants is hindered, and the output voltage decreases. For this reason, in order to operate the fuel cell with high efficiency, it is necessary to optimally manage the internal moisture content of the fuel cell.
このような問題に対し、燃料電池の内部水分量を把握するために、交流インピーダンス法を用いて燃料電池のインピーダンスを測定する燃料電池システムが開示されている（特許文献１参照）。
しかしながら、上記特許文献１の構成では、複数のセルが積層された燃料電池スタック全体のインピーダンスしか測定できず、セルの面内における局所的な内部水分量を把握することができない。 However, in the configuration of Patent Document 1, only the impedance of the entire fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked can be measured, and the local internal moisture content in the cell plane cannot be grasped.
そこで、本発明は上記点に鑑み、燃料電池スタックにおけるセルの局所的なインピーダンスを測定可能なインピーダンス測定装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention has an object to provide an impedance measuring device capable of measuring local impedance of cells in a fuel cell stack.
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させるセル（１０ａ）が複数積層された燃料電池（１０）における前記セル（１０ａ）のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
インピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）に隣接して配置され、前記セル（１０ａ）の局所部位に対応する部位に第１導電部（２０１）が形成された第１板状部材（２００）と、インピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）における前記第１板状部材（２００）の反対側に隣接して配置され、前記第１導電部（２０１）と対になるように前記セル（１０ａ）の局所部位に対応する部位に第２導電部（３０１）が形成された第２板状部材（３００）と、前記第１板状部材（２００）の前記第１導電部（２０１）に流れる電流を検出する電流検出手段（５１、１０１）と、前記第１板状部材（２００）の前記第１導電部（２０１）と前記第２板状部材（３００）の前記第２導電部（３０１）との電位差を検出する電圧検出手段（１０２）と、前記電流検出手段および前記電圧検出手段の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加する正弦波印加手段（１３）と、正弦波が印加された前記電流検出手段と前記電圧検出手段の出力信号からインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段（５１）とを備えることを第１の特徴としている。
To achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention, a fuel cell cell (10a) are stacked for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and fuel gas (10) An impedance measuring device for measuring the impedance of the cell (10a) in
A first plate-like member (200) disposed adjacent to the cell (10a) to be measured for impedance and having a first conductive portion (201) formed at a site corresponding to a local site of the cell (10a); The cell (10a) is disposed adjacent to the opposite side of the first plate member (200) in the cell (10a) to be impedance-measured and is paired with the first conductive portion (201). Current flowing in the second plate member (300) having the second conductive portion (301) formed in a portion corresponding to the local portion of the first plate portion and the first conductive portion (201) of the first plate member (200). Current detecting means (51, 101) for detecting the first conductive member (201) of the first plate member (200) and the second conductive member (301) of the second plate member (300). Voltage detecting means (1 2), a sine wave applying means (13) for applying a sine wave signal while changing the frequency to the output signals of the current detecting means and the voltage detecting means, the current detecting means to which the sine wave is applied, and the voltage The first feature is that it comprises impedance calculation means (51) for calculating impedance from the output signal of the detection means.
これにより、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスを測定することができ、局所的なインピーダンスに基づいてセル（１０ａ）の局所的な内部水分量を把握することができる。 Thereby, the local impedance of the cell (10a) can be measured, and the local internal moisture content of the cell (10a) can be grasped based on the local impedance.
更に、請求項１に記載の発明では、前記第１導電部（２０１）は、第１電極（２１１）と、第２電極（２３１）と、前記第１電極（２１１）および前記第２電極（２３１）とを電気的に接続するとともに予め定めた電気抵抗値を有する板状の抵抗体（２２１）とを備え、前記第１電極（２１１）がインピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）に電気的に接触しており、前記電流測定手段は、前記第１電極（２１１）と前記抵抗体（２２１）とを接続する第１接続部（２０１ａ）および前記抵抗体（２２１）と前記第２電極（２３１）とを接続する第２接続部（２０１ｂ）間の電位差を検出する電位差検出手段（１０１）と、前記電位差検出手段（１０１）によって検出された検出電位差および前記抵抗体（２２１）の電気抵抗値を用いて、前記セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を検出する電流値検出手段（５１）とを備え、前記電圧検出手段（１０２）は、前記電位差検出手段（１０１）による電位差測定のために前記第１接続部（２０１ａ）と前記第２接続部（２０１ｂ）から引き出された配線と、前記第２導電部（３０１）との間の電位差を検出するように構成されていることを第２の特徴としている。 In the first aspect of the present invention, the first conductive portion (201) includes a first electrode (211), a second electrode (231), the first electrode (211), and the second electrode ( 231) and a plate-like resistor (221) having a predetermined electric resistance value, and the first electrode (211) is electrically connected to the cell (10a) to be measured for impedance. The current measuring means includes a first connection part (201a) for connecting the first electrode (211) and the resistor (221), and the resistor (221) and the second electrode. A potential difference detecting means (101) for detecting a potential difference between the second connecting portions (201b) connecting to (231), a detected potential difference detected by the potential difference detecting means (101), and an electric potential of the resistor (221). Using resistance value Current value detecting means (51) for detecting a current value flowing in a local part of the cell (10a), and the voltage detecting means (102) is configured to measure the potential difference by the potential difference detecting means (101). It is configured to detect a potential difference between the wiring drawn from the first connection part (201a) and the second connection part (201b) and the second conductive part (301) . It is a feature.
これにより、電流検出手段による電位差測定のために引き出された配線に電圧検出手段による電位差測定用の配線を接続するだけでよく、電圧検出手段による電位差測定用の専用配線を第１電極（２１１）から引き出す必要がないので、配線を簡略化できる。 Thus, it is only necessary to connect the wiring for measuring the potential difference by the voltage detecting means to the wiring drawn out for measuring the potential difference by the current detecting means. Wiring can be simplified because it is not necessary to pull out from the wiring.
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、前記第１導電部（２０１）と、当該第１導電部（２０１）と対になる前記第２導電部（３０１）は、それぞれインピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）の面全体に分布するように複数設けられていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell impedance measuring device according to the first aspect , the first conductive portion (201) and the second conductive portion (201) are paired with the second conductive portion (201). A plurality of conductive portions (301) are provided so as to be distributed over the entire surface of the cell (10a) to be measured for impedance.
これにより、セル（１０ａ）の面全体のインピーダンス分布を測定することができ、セル（１０ａ）の面全体の内部水分量の分布を把握することができる。 Thereby, the impedance distribution of the whole surface of a cell (10a) can be measured, and distribution of the internal moisture content of the whole surface of a cell (10a) can be grasped | ascertained.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図１１に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to this embodiment, and this fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電解質膜の両側面に電極が接合されたＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータから構成されるセルが複数個積層され、かつ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
そして、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１１と燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１２とが設けられている。積層されたセル１０ａの間に、特定のセル１０ａの局所的な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１００が設けられている。インピーダンス測定装置１００は、積層されたセル１０ａの間における任意の部位に配置することができる。インピーダンス測定装置１００は、隣り合うセル１０ａと電気的に直列接続されている。インピーダンス測定装置１００から出力される信号は信号処理回路５１で演算処理され、インピーダンスが算出される。インピーダンス測定装置１００、信号処理回路５１については後述する。
(Negative electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Positive electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
A
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。
The fuel cell system includes an air flow path 20 for supplying air (oxygen) to the air electrode (positive electrode) side of the
空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。また、空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。
An air pump 21 for pressure-feeding air sucked from the atmosphere to the
水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。
A high-pressure hydrogen tank 31 filled with hydrogen is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply flow path 30a, and the
水素排出流路３０ｂには、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループを構成する水素循環流路３０ｃが分岐して設けられており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｃには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３が設けられている。
The hydrogen discharge passage 30b is provided with a branching hydrogen circulation passage 30c that is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 32 in the hydrogen supply passage 30a and forms a closed loop. Then, hydrogen is circulated so that unreacted hydrogen is supplied to the
燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。
The
冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度を間接的に検出することができる。
The cooling water path 40 is provided with a bypass path 44 for bypassing the cooling water to the radiator 43. A flow path switching valve 45 for adjusting the flow rate of the cooling water flowing through the bypass path 44 is provided at the junction of the cooling water path 40 and the bypass path 44. Further, a temperature sensor 46 is provided in the vicinity of the outlet side of the
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部５０には、電圧センサ１１からの電圧信号、電流センサ１２からの電流信号、信号処理回路５１にて演算されたインピーダンスを示す信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。
The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The
図２は、インピーダンス測定装置１００の斜視図である。図２に示すように、インピーダンス測定装置１００は、第１板状部材２００と第２板状部材３００とを備えている。第１板状部材２００と第２板状部材３００は、セル１０ａと同じ大きさに構成され、インピーダンス測定対象となる１枚のセル１０ａを両側から挟み込むように配置されている。
FIG. 2 is a perspective view of the
第１板状部材２００には、第１導電部２０１が複数設けられており、第２板状部材３００には、第２導電部３０１が複数設けられている。第１板状部材２００の第１導電部２０１と第２板状部材３００の第２導電部３０１は、それぞれセル１０ａの局所部位に対応する位置に対になるように設けられている。本実施形態では、セル１０ａの面内におけるインピーダンス分布を測定するために、第１導電部２０１と第２導電部３０１がセル１０ａの板面の全体に分布するように設けられている。本実施形態の第１導電部２０１、第２導電部３０１は、直交する二方向にマトリクス状（格子状）に設けられており、本実施形態ではそれぞれ図２における上下方向に６個、左右方向に７個という配列となっている。
The
信号処理回路５１は、第１導電部２０１の電流値と、第１導電部２０１と第２導電部３０１との間の電圧を演算処理し、セル１０ａの面内における各第１導電部２０１、第２導電部３０１に対応する部位の局所的なインピーダンスを測定する。信号処理回路５１は、演算したインピーダンス値を制御部５０に出力し、制御部５０では、セル１０ａの面内におけるインピーダンスの分布を検出することができる。
The
次に、第１板状部材２００について説明する。図３は、第１板状部材２００の分解斜視図である。図３に示すように、第１板状部材２００は、配線パターンが形成された複数のプリント基板２１０〜２３０を積層した積層基板（板状部材）として構成されている。プリント基板２１０〜２３０としては、一般的なガラスエポキシ基板を用いることができる。本実施形態の第１板状部材２００は、第１基板２１０、第２基板２２０、第３基板２３０の３枚のプリント基板が積層されて構成されている。各基板２１０〜２３０には、図２における左右両側に、空気、水素、冷却水がそれぞれ通過するマニホールドが形成されている。これらの基板２１０〜２３０は、絶縁性接着剤を介在させてホットプレスにより一体化されている。
Next, the
第１導通部２０１は、一対の電極部２１１、２３１とこれらを接続する電流測定用抵抗体２２１とを有している。一対の電極部２１１、２３１は、第１板状部材２００における両外面に設けられ、第１電極部２１１は第１基板２１０におけるセル１０ａに対向する面（図３の紙面手前側）に設けられており、第２電極部２３１は第３基板２３０におけるセル１０ａに対向する面（図３の紙面奥側）に設けられている。
The 1st conduction | electrical_connection
電流測定用抵抗体２２１は、第１基板２１０と第３基板２３０に挟まれた第２基板２２０に設けられている。本実施形態では、電流測定用抵抗体２２１は、第２基板２２０における第１基板２１０に対向する側（図３の紙面手前側）に設けられている。第２基板２２０における電流測定用抵抗体２２１が設けられている側の反対側（図３の紙面奥側）には電流測定用配線２２２が設けられている。図３では、電流測定用配線２２２を破線で囲まれた斜線で示している。第２基板２２０の１辺には、電流測定用配線２２２が接続された信号取り出し用のコネクタ２２３が設けられている。
The
電流測定用抵抗体２２１は、電極部２１１、２３１より抵抗値が大きい材料から構成されている。第１電極部２１１、第２電極部２３１、電流測定用抵抗体２２１は、金属箔として構成されており、これらは各基板２１０〜２３０に配線パターンとして形成されている。本実施形態では、電極部２１１、２３１と電流測定用配線２２２は銅箔から構成され、電流測定用抵抗体２２１はニッケル箔から構成されている。
The
図４は第１導通部２０１の断面図であり、図５は第１導通部２０１の電流の流れを示す斜視図である。図４に示すように、第１基板２１０と第２基板２２０の間と、第２基板２２０と第３基板２３０の間には、電気絶縁性を有する絶縁性接着剤２１２、２２４が設けられている。図４、図５に示すように、各基板２１０〜２３０の一端側、他端側には、スルーホール２０１ａ、２０１ｂが設けられている。スルーホール２０１ａ、２０１ｂの内部には、電極部２１１、２３１と同様の銅箔から構成される導電体が設けられている。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
スルーホール２０１ａを介して、第１電極部２１１の一端側と電流測定用抵抗体２２１の一端側が導通し、スルーホール２０１ｂを介して電流測定用抵抗体２２１の他端側と第２電極部２３１の他端側が導通している。さらにスルーホール２０１ａを介して電流測定用抵抗体２２１の一端側と電流測定用配線２２２が導通するとともに、スルーホール２０１ｂを介して電流測定用抵抗体２２１の他端側と別の電流測定用配線２２２が導通している。第１電極部２１１は電流測定用抵抗体２２１の一端側と導通し、第２電極部２３１は電流測定用抵抗体２２１の他端側と導通しているため、電流測定用抵抗体２２１では一端側と他端側との間で電流が流れることとなる。
Via the through
図３、図４に図示された電流測定用配線２２２は、上記したように一端側のスルーホール２０１ａと他端側のスルーホール２０１ｂを介して、電流測定用抵抗体２２１の一端側および他端側と導通している。電流測定用配線２２２は、外部の配線と接続され、電流測定用電圧センサ１０１と接続されている。電流測定用電圧センサ１０１は、電流測定用抵抗体２２１の一端側および他端側の２点間の電位差を測定し、信号を信号処理回路５１に出力するように構成されている。電流測定用抵抗体２２１の一端側および他端側の２点間の抵抗値Ｒは既知であるものとする。
The
燃料電池１０での発電が行われている場合には、第１板状部材２００の各第１導通部２０１では、電流流れ方向上流側のセル１０ａから第１電極部２１１の板面に電流が流れる。そして、第１電極部２１１→スルーホール２０１ａ→電流測定用抵抗体２２１→スルーホール２０１ｂ→第２電極部２３１の順に電流が流れ、第２電極部２３１の板面から電流流れ方向下流側のセル１０ａに電流が流れる。このとき、電流測定用電圧センサ１０１で電流測定用抵抗体２２１の一端側および他端側の電位差ＶRを測定する。信号処理回路５１では、電流測定用電圧センサ１０１による測定電位差ＶRと、既知である電流測定用抵抗体２２１の抵抗値Ｒとから電流測定用抵抗体２２１に流れた電流ＩC（＝ＶR／Ｒ）を算出することができる。この電流ＩCが、セル１０ａにおける第１導通部２０１に対応する部位の局所電流となる。なお、電流測定用電圧センサ１０１と信号処理回路５１が本発明の電流検出手段に相当している。
When power generation is performed in the
次に、第２板状部材３００による電圧測定方法について説明する。図２に示すように、第２板状部材３００は、一枚の板状部材から構成されている。第２板状部材３００は、図３で示した第１板状部材２００の第１基板２１０と同様の構成を有している。第２板状部材３００は、プリント基板として構成され、各第２導電部３０１の周囲は絶縁部となっている。また、第２板状部材３００は、図２における左右両側に空気、水素、冷却水がそれぞれ通過するマニホールドが形成されている。
Next, a voltage measurement method using the
図６は、第１導電部２０１と第２導電部３０１を示す概念図である。図６に示すように、セル１０ａの局所部位の電圧を検出する電圧測定用電圧センサ１０２が設けられている。電圧測定用電圧センサ１０２は、第１板状部材２００の第１導電部２０１と第２板状部材３００の第２導電部３０１との間の電位差ＶCを測定するように構成されている。本実施形態では、電圧測定用電圧センサ１０２による電位差測定用の配線は、一端側が第１導電部２０１のうちインピーダンス測定対象となるセル１０ａに面する第１電極部２１１から引き出され、他端側が第２板状部材３００の第２導電部３０１から引き出されている。なお、電圧測定用電圧センサ１０２が本発明の電圧検出手段に相当している。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the first
燃料電池１０での発電が行われている場合には、第１板状部材２００の各第１導通部２０１と、第２板状部材３００の各第２導通部３０１と、これらに挟まれたセル１０ａには、電流が流れる。このとき、電圧測定用電圧センサ１０２で測定される第１板状部材２００の第１導通部２０１と第２板状部材３００の各第２導通部３０１との間の測定電位差ＶCがセル１０ａにおける導電部２０１、３０１に対応する部位の局所電圧となる。
When power generation is performed in the
次に、セル１０ａの局所的なインピーダンス測定方法について説明する。本実施形態では、上述のセル１０ａの局所電流ＩCと局所電圧ＶCを用いて、周知の交流インピーダンス法によりセル１０ａの局所インピーダンスを測定するように構成されている。
Next, a local impedance measurement method for the
図７は、燃料電池１０の回路構成を示している。図７に示すように、燃料電池１０の出力電流に任意の周波数で正弦波を重畳させる正弦波印加手段としての正弦波発振器１３が設けられている。これにより、電流測定用電圧センサ１０１と電圧測定用電圧センサ１０２の出力に正弦波が重畳される。
FIG. 7 shows a circuit configuration of the
図８は、信号処理回路５１のインピーダンス検出部５１ａ〜５１ｅの構成を示す概念図である。図８に示すように、信号処理回路５１には、電流検出用電圧センサ１０１の信号および電圧検出用電圧センサ１０２の信号からノイズを除去するフィルタ部５１ａ、５１ｂと、高速フーリエ変換処理を行うＦＦＴ処理部５１ｃ、５１ｄと、ＦＦＴ処理された電流成分および電圧成分からセル１０ａの局所インピーダンスを算出するインピーダンス分析部５１ｅを備えている。なお、信号処理回路５１が本発明のインピーダンス演算手段に相当している。
FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the configuration of the
図９は、セル１０ａの内部水分量と内部抵抗との関係を示している。図９に示すように、セル１０ａの内部水分量と内部抵抗とは相関関係がある。すなわち、セル１０ａ内の水分が不足すると電解質膜の水分量が減少し、電解質膜の導電率が低下する。この結果、電解質膜の抵抗が増大することとなる。従って、電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合には電解質膜の水分量が不足していると判断することができる。また、水分が過剰になると電極の反応抵抗が増加する。このため、電極の反応抵抗が第２の所定抵抗値を超えている場合には、電解質膜の水分過剰と判断することができる。それら以外の場合には電解質膜の水分量が適正であると判断することができる。
FIG. 9 shows the relationship between the internal moisture content and the internal resistance of the
ところで、セル１０ａの電圧降下は、（１）電気化学反応による反応抵抗、（２）セル１０ａの電解質膜抵抗によって生じる。従って、これらの中から交流インピーダンス法により反応抵抗と電解質膜抵抗を測定することで、燃料電池の水分量を検出することが可能となる。
By the way, the voltage drop of the
次に、図１０、図１１に基づいて、交流インピーダンス法による反応抵抗と電解質膜抵抗の測定方法について説明する。 Next, based on FIG. 10, FIG. 11, the measuring method of the reaction resistance and electrolyte membrane resistance by an alternating current impedance method is demonstrated.
図１０はセル１０ａの等価回路を示している。図１０の等価回路におけるＲ１は電解質膜の抵抗に相当し、Ｒ２は反応抵抗に相当している。図１０の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
FIG. 10 shows an equivalent circuit of the
図１１は、図１０の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合のセル１０ａのインピーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスは、図１１におけるＲ１となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図１１に示すような半円を描く。
FIG. 11 shows the impedance of the
これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、セル１０ａの等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。
From these things, it becomes possible to isolate | separate and measure R1 and R2 in the equivalent circuit of the
上述のようにＲ１は電解質膜の抵抗に相当するため、Ｒ１が第１の所定値を超えている場合には電解質膜の水分量が不足していると判断することができ、Ｒ１が第１の所定値を下回っている場合には電解質膜の水分量が適正であると判断することができる。また、Ｒ２は電極の反応抵抗に相当するため、Ｒ２が第２の所定値を超えている場合は電極上の水分量が過剰と判断でき、Ｒ２が第２の所定値を下回る場合は水分量が適正と判断できる。 As described above, since R1 corresponds to the resistance of the electrolyte membrane, when R1 exceeds the first predetermined value, it can be determined that the moisture content of the electrolyte membrane is insufficient, and R1 is the first value. If the value is below the predetermined value, it can be determined that the water content of the electrolyte membrane is appropriate. Since R2 corresponds to the reaction resistance of the electrode, it can be determined that the amount of water on the electrode is excessive when R2 exceeds the second predetermined value, and the amount of water when R2 is lower than the second predetermined value. Can be judged as appropriate.
以上の構成により、セル１０ａ面内における局所的なインピーダンスを測定することができ、セル１０ａ面内における局所的な内部水分量を検出することができる。また、本実施形態では、セル１０ａ面内の全体で局所インピーダンスを測定しているので、セル１０ａ面内の内部水分量の分布を検出することができる。
With the above configuration, the local impedance in the
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、電圧測定用電圧センサ１０２の配線が異なっている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in the wiring of the voltage measuring
図１２は、本第２実施形態の第１導電部２０１と第２導電部３０１を示す概念図であり、上記第１実施形態の図６に対応している。図１２に示すように、本実施形態の電圧測定用電圧センサ１０２による電位差測定用の配線は、一端側が電流測定用電圧センサ１０１による電位差測定のために第１接続部２０１ａと第２接続部２０１ｂから引き出された配線に接続され、他端側が第２板状部材３００の第２導電部３０１とから引き出されている。
FIG. 12 is a conceptual diagram showing the first
上記第１実施形態の構成では、電圧測定用電圧センサ１０２による電位差測定用の専用配線を第１電極２１１から引き出していたが、本第２実施形態では電流測定用電圧センサ１０１による電位差測定のために引き出された配線に電圧測定用電圧センサ１０２による電位差測定用の配線を接続するだけでよく、配線を簡略化できる。
In the configuration of the first embodiment, the dedicated wiring for measuring the potential difference by the
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、第１板状部材２００にセル１０ａの面内の全体に対応して複数の第１導通部２０１を設け、第２板状部材３００にセル１０ａの面内の全体に対応して複数の第２導電部３０１を設けたが、第１導通部２０１と第２導電部３０１はともに少なくとも１個設けられていればよい。これにより、セル１０ａにおける第１導通部２０１と第２導電部３０１に対応する部位の局所インピーダンスを測定することができる。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, the
また、第１板状部材２００は、セル１０ａ面内の局所電流を測定可能な構成であれば、上記各実施形態の構成に限定されず、第２板状部材３００は、セル１０ａ面内の局所電圧を測定可能な構成であれば、上記各実施形態の構成に限定されない。
Further, the
また、上記各実施形態では、第１板状部材２００として複数のプリント基板が積層された積層基板を用い、第２板状部材３００として１枚のプリント基板を用いたが、これらはプリント基板に限らず、絶縁性を有する基板であれば用いることができる。
In each of the above embodiments, a laminated board in which a plurality of printed boards are laminated as the first plate-
また、上記各実施形態では、電流測定用抵抗体２２１をニッケルから構成したが、これに限らず、例えば白金などの他の材料から構成してもよい。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態では、電極２１１、２３１と電流測定用抵抗体２２１とを異なる材料から構成したが、電極２１１、２３１と電流測定用抵抗体２２１は同じ材料から構成してもよい。
In the above embodiments, the
１０ 燃料電池
１０ａ セル
５０ 制御部
５１ 信号処理回路
１００ インピーダンス測定装置
２００ 第１板状部材
２０１ 第１導電部
３００ 第２板状部材
３０１ 第２導電部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
インピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）に隣接して配置され、前記セル（１０ａ）の局所部位に対応する部位に第１導電部（２０１）が形成された第１板状部材（２００）と、
インピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）における前記第１板状部材（２００）の反対側に隣接して配置され、前記第１導電部（２０１）と対になるように前記セル（１０ａ）の局所部位に対応する部位に第２導電部（３０１）が形成された第２板状部材（３００）と、
前記第１板状部材（２００）の前記第１導電部（２０１）に流れる電流を検出する電流検出手段（５１、１０１）と、
前記第１板状部材（２００）の前記第１導電部（２０１）と前記第２板状部材（３００）の前記第２導電部（３０１）との電位差を検出する電圧検出手段（１０２）と、
前記電流検出手段および前記電圧検出手段の出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加する正弦波印加手段（１３）と、
正弦波が印加された前記電流検出手段と前記電圧検出手段の出力信号からインピーダンスを演算するインピーダンス演算手段（５１）とを備え、
前記第１導電部（２０１）は、第１電極（２１１）と、第２電極（２３１）と、前記第１電極（２１１）および前記第２電極（２３１）とを電気的に接続するとともに予め定めた電気抵抗値を有する板状の抵抗体（２２１）とを備え、前記第１電極（２１１）がインピーダンス測定対象となる前記セル（１０ａ）に電気的に接触しており、
前記電流測定手段は、前記第１電極（２１１）と前記抵抗体（２２１）とを接続する第１接続部（２０１ａ）および前記抵抗体（２２１）と前記第２電極（２３１）とを接続する第２接続部（２０１ｂ）間の電位差を検出する電位差検出手段（１０１）と、前記電位差検出手段（１０１）によって検出された検出電位差および前記抵抗体（２２１）の電気抵抗値を用いて、前記セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を検出する電流値検出手段（５１）とを備え、
前記電圧検出手段（１０２）は、前記電位差検出手段（１０１）による電位差測定のために前記第１接続部（２０１ａ）と前記第２接続部（２０１ｂ）から引き出された配線と、前記第２導電部（３０１）との間の電位差を検出するように構成されていることを特徴とする燃料電池のインピーダンス測定装置。 An impedance measuring device for measuring the impedance of the cell (10a) in a fuel cell (10) in which a plurality of cells (10a) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas are stacked,
A first plate-like member (200) disposed adjacent to the cell (10a) to be measured for impedance and having a first conductive portion (201) formed at a site corresponding to a local site of the cell (10a); ,
The cell (10a) of the cell (10a) is disposed adjacent to the opposite side of the first plate-like member (200) and is paired with the first conductive portion (201). A second plate-like member (300) in which a second conductive portion (301) is formed in a part corresponding to the local part;
Current detection means (51, 101) for detecting a current flowing through the first conductive portion (201) of the first plate-like member (200);
Voltage detecting means (102) for detecting a potential difference between the first conductive portion (201) of the first plate-like member (200) and the second conductive portion (301) of the second plate-like member (300); ,
A sine wave applying means (13) for applying a sine wave signal while changing the frequency to the output signals of the current detecting means and the voltage detecting means;
E Bei an impedance calculating means (51) for calculating the impedance from said current detecting means sine wave is applied the output signal of said voltage detecting means,
The first conductive portion (201) electrically connects the first electrode (211), the second electrode (231), the first electrode (211), and the second electrode (231) in advance. A plate-like resistor (221) having a predetermined electric resistance value, and the first electrode (211) is in electrical contact with the cell (10a) to be measured for impedance,
The current measuring means connects the first connection part (201a) for connecting the first electrode (211) and the resistor (221), and the resistor (221) and the second electrode (231). Using the potential difference detecting means (101) for detecting the potential difference between the second connection portions (201b), the detected potential difference detected by the potential difference detecting means (101) and the electric resistance value of the resistor (221), Current value detecting means (51) for detecting a current value flowing through a local portion of the cell (10a),
The voltage detection means (102) includes wiring drawn from the first connection portion (201a) and the second connection portion (201b) for the potential difference measurement by the potential difference detection means (101), and the second conductive An impedance measuring device for a fuel cell configured to detect a potential difference with respect to the unit (301) .
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