燃料電池のインピーダンス測定装置
【課題】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確実に測定可能なインピーダンス測定装置を提供する。
【解決手段】空気と水素とを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル１０ａを積層配置して構成された燃料電池１０におけるセル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において、セル１０ａの局所部位を流れる電流値を測定する局所電流測定手段５１、１０１と、局所電流測定手段５１、１０１に伝播するノイズを吸収するノイズ吸収部４００とを備える。
【解決手段】空気と水素とを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル１０ａを積層配置して構成された燃料電池１０におけるセル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において、セル１０ａの局所部位を流れる電流値を測定する局所電流測定手段５１、１０１と、局所電流測定手段５１、１０１に伝播するノイズを吸収するノイズ吸収部４００とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のインピーダンス測定装置は、電流検出手段および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と、正弦波が印加された電流検出手段と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とを備えている。
【０００３】
これにより、交流インピーダンス法を用いることで、セルの等価回路における電解質膜の抵抗Ｒ１と電極の反応抵抗Ｒ２とを分離して計測することが可能となる。そして、電解質膜の抵抗Ｒ１が第１の所定値を越えている場合には、電解質膜の水分量が不足していると判断し、電極の反応抵抗Ｒ２が第２の所定値を越えている場合には、電極の水分量が過剰であると判断することができる。
【０００４】
なお、セルの等価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のインピーダンスを複素平面上に表示した場合、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半円を描く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２５２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１に記載のインピーダンス測定装置では、印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスを測定することで、燃料電池の電解質膜の抵抗Ｒ１を計測している。
【０００７】
しかしながら、本発明者が、上記特許文献１に記載のインピーダンス測定装置を実際の燃料電池発電実験に適用したところ、印加する正弦波電流の周波数が４００Ｈｚを超えると、インピーダンスの演算結果が上記半円から外れてしまい、目標とする結果が得られないことがわかった。この原因について本発明者が検討したところ、セル等を流れる電流による誘導起電圧の影響を受けているためであるとわかった。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、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確実に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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（１０）におけるセル（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において、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を測定する局所電流測定手段（５１、１０１）と、局所電流測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズを吸収するノイズ吸収部（４００）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
これによれば、局所電流値測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズを吸収することができるので、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を正確に測定することができる。このため、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスを確実に測定することが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のインピーダンス測定装置インピーダンス測定対象となるセル（１０ａ）に隣接して配置され、セル（１０ａ）の局所部位に対応する部位に導電部（２０１）が形成された板状部材（２００）と、板状部材（２００）の導電部（２０１）に流れる電流を検出する電流測定手段（５１、１０１）と、燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１０２）と、電圧検出手段（１０２）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、正弦波信号が印加された電圧検出手段（１０２）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、電流測定手段（５１、１０１）が、局所電流測定手段であってもよい。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、導電部（２０１）は、第１電極（２１１）と、第２電極（２３１）と、第１電極（２１１）および第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、第１電極（２１１）がインピーダンス測定対象となるセル（１０ａ）に電気的に接触しており、電流測定手段は、抵抗体（２２１）の２点間の電位差を検出する電位差検出手段（１０１）と、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抵抗体（２２１）の電気抵抗値を用いて、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、ノイズ吸収部（４００）は、第１電極（２１１）と抵抗体（２２１）との間、および、第２電極（２３１）と抵抗体（２２１）との間の少なくとも一方に配置されていることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、ノイズ吸収部（４００）を抵抗体（２２１）の近傍に配置することができるので、抵抗体（２２１）で発生するノイズをより確実に吸収することができる。したがって、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値をより正確に測定することができ、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスをより確実に測定することが可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、ノイズ吸収部（４００）は、容量素子（４０１）を有して構成されていてもよい。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、ノイズ吸収部（４００）は、容量素子（４０１）を含む閉回路を有して構成されていることを特徴としている。
【００１６】
このように、ノイズ吸収部（４００）を閉回路とすることで、容量素子（４０１）で吸収した電流が閉回路外を流れることがない。このため、局所電流値測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズをより確実に吸収することができる。したがって、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値をより正確に測定することができ、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスをより確実に測定することが可能となる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】インピーダンス測定装置１００の斜視図である。
【図３】板状部材２００の分解斜視図である。
【図４】導電部２０１の断面図である。
【図５】導電部２０１の電流の流れを示す斜視図である。
【図６】導電部２０１を示す概念図である。
【図７】燃料電池１０の回路構成を示す概念図である。
【図８】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９】セル１０ａの内部水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図１０】セル１０ａの等価回路を示す回路図である。
【図１１】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特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について図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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
水素排出流路３０ｂには、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、水素極側において生成水は発生しないものの、水素極側には、酸素極側から各セル１０ａの電解質膜を透過した生成水が溜まるおそれがある。そこで、本実施形態では、水素排出流路３０ｂおよび電磁弁３４を設けている。
【００２７】
さらに、水素供給流路３０ａおよび水素排出流路３０ｂは、水素循環流路３０ｃを介して接続されている。水素循環流路３０ｃは、水素供給流路３０ａの水素調圧弁３２下流側と水素排出流路３０ｂの電磁弁３４上流側とを接続するように設けられている。これにより、燃料電池１０から流出した未反応の水素を、燃料電池１０に循環させて再供給している。また、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が配置されている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、板状部材２００を有している。この板状部剤２００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および別の１枚のセル１０ｂとにより両側から挟み込まれるように配置されている。換言すると、板状部材２００は、インピーダンス測定対象となるセル１０ａに隣接して配置されている。
【００３２】
板状部材２００には、導電部２０１が複数設けられている。この導電部２０１は、セル１０ａの局所部位に対応する位置に設けられている。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、導電部２０１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。本実施形態の導電部２０１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。
【００３３】
信号処理回路５１は、導電部２０１の電流値と、セル１０ａとセル１０ｂとの間の電圧を演算処理し、セル１０ａの面内における導電部２０１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。
【００３４】
次に、板状部材２００について説明する。図３は、板状部材２００の分解斜視図である。図３に示すように、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。
【００３５】
本実施形態の板状部材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。
【００３６】
導電部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、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、電流測定用配線２２２および電流測定用抵抗体２２１は、銅箔から構成されている。
【００３９】
図４は導電部２０１の断面図であり、図５は導電部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には、第１スルーホール２０１ａが設けられている。第１スルーホール２０１ａ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。
【００４０】
第１スルーホール２０１ａを介して、第１電極部２１１と電流測定用抵抗体２２１が導通し、第２スルーホール２０１ｂを介して、電流測定用抵抗体２２１と第２電極部２３１が導通している。さらに第１スルーホール２０１ａを介して電流測定用抵抗体２２１と電流測定用配線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。
【００４１】
電流測定用配線２２２は、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。
【００４２】
燃料電池１０での発電が行われている場合には、板状部材２００の各導電部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→第１スルーホール２０１ａ→電流測定用抵抗体２２１→第２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における導電部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が本発明の局所電流測定手段に相当している。
【００４３】
図５に示すように、板状部材２００の各導電部２０１における第１基板２１０と第２基板２２０の間、および第２基板２２０と第３基板２３０の間には、局所電流測定手段（電流測定用電圧センサ１０１および信号処理回路５１）に伝播する電磁ノイズを吸収するノイズ吸収部４００が設けられている。
【００４４】
ノイズ吸収部４００は、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を吸収可能に構成されている。具体的には、ノイズ吸収部４００は、容量素子としてのコンデンサ（キャパシタ）４０１を含む閉回路を有して構成されている。本実施形態では、ノイズ吸収部４００は、第１基板２１０と第２基板２２０の間における第１スルーホール２０１ａ側、および、第２基板２２０と第３基板２３０の間における第２スルーホール２０１ｂ側に配置されている。なお、ノイズ吸収部４００の詳細な構成については後述する。
【００４５】
図６は、導電部２０１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、セル１０ａとセル１０ｂとの間の電位差ＶCを測定するように構成されている。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。
【００４６】
燃料電池１０での発電が行われている場合には、セル１０ａとセル１０ｂとの間の測定電位差ＶＣがセル１０ａにおける導電部２０１に対応する部位の局所電圧となる。
【００４７】
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。
【００４８】
図７は、燃料電池１０の回路構成を示す概念図である。図７に示すように、燃料電池１０の出力電圧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。
【００４９】
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、電流測定用電圧センサ１０１の信号および電圧測定用電圧センサ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。
【００５０】
図９は、セル１０ａの内部水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図１０はセル１０ａの等価回路を示す回路図である。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。
【００５４】
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特性図である。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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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
ところで、上述したノイズ吸収部４００は、セル１０ａに高周波数（本実施形態では１０ＭＨｚ）の正弦波電流を印加した場合に、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を吸収可能に構成されている。
【００５８】
具体的には、電流測定用抵抗体２２１を、厚さｔ［μｍ］、パターン幅Ｗ［ｍｍ］、長さｌ［ｍｍ］の銅箔パターンとして構成した場合、そのインダクタンスＬ［μＨ］は次の数式Ｆ１により算出される（参考文献：トランジスタ技術、１９９３年２月号）。
Ｌ＝０．０００２×ｌ×｛ｌｎ（２×ｌ／（Ｗ＋ｔ））＋０．２２３５×（（Ｗ＋ｔ）／ｌ）＋０．５｝…（Ｆ１）
本実施形態では、電流測定用抵抗体２２１として、厚さｔ＝３５［μｍ］、パターン幅Ｗ＝３６．１［ｍｍ］、長さｌ＝８［ｍｍ］の銅箔パターンを採用しているので、上記数式Ｆ１により、電流測定用抵抗体２２１のインダクタンスＬは１．１１２ｎＨとなる。そして、例えば、１つの板状部材２００に４２個の導電部２０１が配置されている場合、全体のインダクタンスＬは４６．７ｎＨとなる。
【００５９】
ここで、ノイズ吸収部４００のコンデンサ４０１の容量をＣ［Ｆ］、正弦波電流の周波数をｆ［Ｈｚ］、インダクタンスをＬ［Ｈ］としたとき、容量Ｃ、周波数ｆ、インダクタンスＬは、次の数式Ｆ２で表される関係を有する。
２πｆＬ＝１／（２πｆＣ）…（Ｆ２）
インダクタンスＬが４６．７ｎＨの場合、電流測定用抵抗体２２１に１０ＭＨｚの正弦波電流を印加したときの誘導起電圧を吸収可能なコンデンサの容量を、上記数式Ｆ２により算出すると、必要な容量Ｃは５．４２ｎＦとなる。
【００６０】
続いて、容量Ｃが５．４２ｎＦのコンデンサに対して、平行平板コンデンサの数式Ｆ３を適用する。
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ＝０．００８８５５εｒＳ／ｄ…（Ｆ３）
上記数式Ｆ３において、ε０は真空の誘電率、εｒは誘電体の比誘電率、Ｓは電極板の面積［ｍｍ２］、ｄは電極板間の距離［ｍｍ］、Ｃは平行平板コンデンサの容量［ｐＦ］である。
【００６１】
例えば、誘電体を厚さ０．０１ｍｍのポリエチレンにより形成した場合、比誘電率εｒが３、電極板間の距離ｄが０．０１ｍｍであるため、上記数式Ｆ３より、電極板の面積Ｓは２０４０ｍｍ２となる。全体として２０４０ｍｍ２の電極板面積が必要であるので、本実施形態で示した４２個の導電部材２０１それぞれに必要な電極板面積は４９ｍｍ２となる。このため本実施形態では、コンデンサ４０１の電極板は、一辺が７ｍｍの正方形状に形成されている。
【００６２】
以上説明したように、インピーダンス測定装置１００の導電部２０１にノイズ吸収部４００を設けるころで、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を吸収することができる。これにより、セル１０ａの局所部位を流れる電流値を正確に測定することができるので、セル１０ａの局所的なインピーダンスを確実に測定することが可能となる。
【００６３】
また、ノイズ吸収部４００を、第１電極２１１と電流測定用抵抗体２２１との間、および、第２電極２３１と電流測定用抵抗体２２１との間に配置することで、ノイズ吸収部４００を電流測定用抵抗体２２１の近傍に配置することができる。これにより、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を確実に吸収することができる。
【００６４】
また、ノイズ吸収部４００を閉回路とすることで、コンデンサ４０１で吸収した電流が閉回路外に流れることがないので、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧をより確実に吸収することができる。
【００６５】
（他の実施形態）
上記実施形態では、ノイズ吸収部４００を、第１電極２１１と電流測定用抵抗体２２１との間、および、第２電極２３１と電流測定用抵抗体２２１との間に配置した例について説明したが、これに限らず、第１電極２１１と電流測定用抵抗体２２１との間、および、第２電極２３１と電流測定用抵抗体２２１との間のいずれか一方にのみ配置してもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、ノイズ吸収部４００のコンデンサ４０１の誘電体として、ポリエチレンを用いた例について説明したが、これに限らず、他の物質を用いてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、導電部材２０１それぞれに必要な電極板の面積Ｓを４９ｍｍ２とするために、コンデンサ４０１の電極板を、一辺が７ｍｍの正方形状に形成した例について説明したが、これに限らず、長方形状や円形状等、他の形状に形成してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０ａ セル
２１１ 第１電極
２２１ 電流測定用抵抗体
２３１ 第２電極
４００ ノイズ吸収部
４０１ コンデンサ（容量素子）
【技術分野】
【０００１】
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のインピーダンス測定装置は、電流検出手段および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と、正弦波が印加された電流検出手段と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とを備えている。
【０００３】
これにより、交流インピーダンス法を用いることで、セルの等価回路における電解質膜の抵抗Ｒ１と電極の反応抵抗Ｒ２とを分離して計測することが可能となる。そして、電解質膜の抵抗Ｒ１が第１の所定値を越えている場合には、電解質膜の水分量が不足していると判断し、電極の反応抵抗Ｒ２が第２の所定値を越えている場合には、電極の水分量が過剰であると判断することができる。
【０００４】
なお、セルの等価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のインピーダンスを複素平面上に表示した場合、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半円を描く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２５２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１に記載のインピーダンス測定装置では、印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスを測定することで、燃料電池の電解質膜の抵抗Ｒ１を計測している。
【０００７】
しかしながら、本発明者が、上記特許文献１に記載のインピーダンス測定装置を実際の燃料電池発電実験に適用したところ、印加する正弦波電流の周波数が４００Ｈｚを超えると、インピーダンスの演算結果が上記半円から外れてしまい、目標とする結果が得られないことがわかった。この原因について本発明者が検討したところ、セル等を流れる電流による誘導起電圧の影響を受けているためであるとわかった。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、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確実に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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（１０）におけるセル（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において、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を測定する局所電流測定手段（５１、１０１）と、局所電流測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズを吸収するノイズ吸収部（４００）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
これによれば、局所電流値測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズを吸収することができるので、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を正確に測定することができる。このため、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスを確実に測定することが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載のインピーダンス測定装置インピーダンス測定対象となるセル（１０ａ）に隣接して配置され、セル（１０ａ）の局所部位に対応する部位に導電部（２０１）が形成された板状部材（２００）と、板状部材（２００）の導電部（２０１）に流れる電流を検出する電流測定手段（５１、１０１）と、燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１０２）と、電圧検出手段（１０２）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、正弦波信号が印加された電圧検出手段（１０２）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、電流測定手段（５１、１０１）が、局所電流測定手段であってもよい。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、導電部（２０１）は、第１電極（２１１）と、第２電極（２３１）と、第１電極（２１１）および第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、第１電極（２１１）がインピーダンス測定対象となるセル（１０ａ）に電気的に接触しており、電流測定手段は、抵抗体（２２１）の２点間の電位差を検出する電位差検出手段（１０１）と、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抵抗体（２２１）の電気抵抗値を用いて、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、ノイズ吸収部（４００）は、第１電極（２１１）と抵抗体（２２１）との間、および、第２電極（２３１）と抵抗体（２２１）との間の少なくとも一方に配置されていることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、ノイズ吸収部（４００）を抵抗体（２２１）の近傍に配置することができるので、抵抗体（２２１）で発生するノイズをより確実に吸収することができる。したがって、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値をより正確に測定することができ、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスをより確実に測定することが可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、ノイズ吸収部（４００）は、容量素子（４０１）を有して構成されていてもよい。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置において、ノイズ吸収部（４００）は、容量素子（４０１）を含む閉回路を有して構成されていることを特徴としている。
【００１６】
このように、ノイズ吸収部（４００）を閉回路とすることで、容量素子（４０１）で吸収した電流が閉回路外を流れることがない。このため、局所電流値測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズをより確実に吸収することができる。したがって、セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値をより正確に測定することができ、セル（１０ａ）の局所的なインピーダンスをより確実に測定することが可能となる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】インピーダンス測定装置１００の斜視図である。
【図３】板状部材２００の分解斜視図である。
【図４】導電部２０１の断面図である。
【図５】導電部２０１の電流の流れを示す斜視図である。
【図６】導電部２０１を示す概念図である。
【図７】燃料電池１０の回路構成を示す概念図である。
【図８】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９】セル１０ａの内部水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図１０】セル１０ａの等価回路を示す回路図である。
【図１１】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特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について図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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
水素排出流路３０ｂには、生成水を微量な水素とともに外気へ排出するために所定の時間間隔で開閉する電磁弁３４が設けられている。なお、上述の電気化学反応では、水素極側において生成水は発生しないものの、水素極側には、酸素極側から各セル１０ａの電解質膜を透過した生成水が溜まるおそれがある。そこで、本実施形態では、水素排出流路３０ｂおよび電磁弁３４を設けている。
【００２７】
さらに、水素供給流路３０ａおよび水素排出流路３０ｂは、水素循環流路３０ｃを介して接続されている。水素循環流路３０ｃは、水素供給流路３０ａの水素調圧弁３２下流側と水素排出流路３０ｂの電磁弁３４上流側とを接続するように設けられている。これにより、燃料電池１０から流出した未反応の水素を、燃料電池１０に循環させて再供給している。また、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が配置されている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、板状部材２００を有している。この板状部剤２００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および別の１枚のセル１０ｂとにより両側から挟み込まれるように配置されている。換言すると、板状部材２００は、インピーダンス測定対象となるセル１０ａに隣接して配置されている。
【００３２】
板状部材２００には、導電部２０１が複数設けられている。この導電部２０１は、セル１０ａの局所部位に対応する位置に設けられている。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、導電部２０１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。本実施形態の導電部２０１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。
【００３３】
信号処理回路５１は、導電部２０１の電流値と、セル１０ａとセル１０ｂとの間の電圧を演算処理し、セル１０ａの面内における導電部２０１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。
【００３４】
次に、板状部材２００について説明する。図３は、板状部材２００の分解斜視図である。図３に示すように、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。
【００３５】
本実施形態の板状部材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。
【００３６】
導電部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、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、電流測定用配線２２２および電流測定用抵抗体２２１は、銅箔から構成されている。
【００３９】
図４は導電部２０１の断面図であり、図５は導電部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には、第１スルーホール２０１ａが設けられている。第１スルーホール２０１ａ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。
【００４０】
第１スルーホール２０１ａを介して、第１電極部２１１と電流測定用抵抗体２２１が導通し、第２スルーホール２０１ｂを介して、電流測定用抵抗体２２１と第２電極部２３１が導通している。さらに第１スルーホール２０１ａを介して電流測定用抵抗体２２１と電流測定用配線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。
【００４１】
電流測定用配線２２２は、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。
【００４２】
燃料電池１０での発電が行われている場合には、板状部材２００の各導電部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→第１スルーホール２０１ａ→電流測定用抵抗体２２１→第２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における導電部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が本発明の局所電流測定手段に相当している。
【００４３】
図５に示すように、板状部材２００の各導電部２０１における第１基板２１０と第２基板２２０の間、および第２基板２２０と第３基板２３０の間には、局所電流測定手段（電流測定用電圧センサ１０１および信号処理回路５１）に伝播する電磁ノイズを吸収するノイズ吸収部４００が設けられている。
【００４４】
ノイズ吸収部４００は、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を吸収可能に構成されている。具体的には、ノイズ吸収部４００は、容量素子としてのコンデンサ（キャパシタ）４０１を含む閉回路を有して構成されている。本実施形態では、ノイズ吸収部４００は、第１基板２１０と第２基板２２０の間における第１スルーホール２０１ａ側、および、第２基板２２０と第３基板２３０の間における第２スルーホール２０１ｂ側に配置されている。なお、ノイズ吸収部４００の詳細な構成については後述する。
【００４５】
図６は、導電部２０１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、セル１０ａとセル１０ｂとの間の電位差ＶCを測定するように構成されている。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。
【００４６】
燃料電池１０での発電が行われている場合には、セル１０ａとセル１０ｂとの間の測定電位差ＶＣがセル１０ａにおける導電部２０１に対応する部位の局所電圧となる。
【００４７】
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。
【００４８】
図７は、燃料電池１０の回路構成を示す概念図である。図７に示すように、燃料電池１０の出力電圧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。
【００４９】
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、電流測定用電圧センサ１０１の信号および電圧測定用電圧センサ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。
【００５０】
図９は、セル１０ａの内部水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図１０はセル１０ａの等価回路を示す回路図である。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。
【００５４】
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特性図である。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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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
ところで、上述したノイズ吸収部４００は、セル１０ａに高周波数（本実施形態では１０ＭＨｚ）の正弦波電流を印加した場合に、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を吸収可能に構成されている。
【００５８】
具体的には、電流測定用抵抗体２２１を、厚さｔ［μｍ］、パターン幅Ｗ［ｍｍ］、長さｌ［ｍｍ］の銅箔パターンとして構成した場合、そのインダクタンスＬ［μＨ］は次の数式Ｆ１により算出される（参考文献：トランジスタ技術、１９９３年２月号）。
Ｌ＝０．０００２×ｌ×｛ｌｎ（２×ｌ／（Ｗ＋ｔ））＋０．２２３５×（（Ｗ＋ｔ）／ｌ）＋０．５｝…（Ｆ１）
本実施形態では、電流測定用抵抗体２２１として、厚さｔ＝３５［μｍ］、パターン幅Ｗ＝３６．１［ｍｍ］、長さｌ＝８［ｍｍ］の銅箔パターンを採用しているので、上記数式Ｆ１により、電流測定用抵抗体２２１のインダクタンスＬは１．１１２ｎＨとなる。そして、例えば、１つの板状部材２００に４２個の導電部２０１が配置されている場合、全体のインダクタンスＬは４６．７ｎＨとなる。
【００５９】
ここで、ノイズ吸収部４００のコンデンサ４０１の容量をＣ［Ｆ］、正弦波電流の周波数をｆ［Ｈｚ］、インダクタンスをＬ［Ｈ］としたとき、容量Ｃ、周波数ｆ、インダクタンスＬは、次の数式Ｆ２で表される関係を有する。
２πｆＬ＝１／（２πｆＣ）…（Ｆ２）
インダクタンスＬが４６．７ｎＨの場合、電流測定用抵抗体２２１に１０ＭＨｚの正弦波電流を印加したときの誘導起電圧を吸収可能なコンデンサの容量を、上記数式Ｆ２により算出すると、必要な容量Ｃは５．４２ｎＦとなる。
【００６０】
続いて、容量Ｃが５．４２ｎＦのコンデンサに対して、平行平板コンデンサの数式Ｆ３を適用する。
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ＝０．００８８５５εｒＳ／ｄ…（Ｆ３）
上記数式Ｆ３において、ε０は真空の誘電率、εｒは誘電体の比誘電率、Ｓは電極板の面積［ｍｍ２］、ｄは電極板間の距離［ｍｍ］、Ｃは平行平板コンデンサの容量［ｐＦ］である。
【００６１】
例えば、誘電体を厚さ０．０１ｍｍのポリエチレンにより形成した場合、比誘電率εｒが３、電極板間の距離ｄが０．０１ｍｍであるため、上記数式Ｆ３より、電極板の面積Ｓは２０４０ｍｍ２となる。全体として２０４０ｍｍ２の電極板面積が必要であるので、本実施形態で示した４２個の導電部材２０１それぞれに必要な電極板面積は４９ｍｍ２となる。このため本実施形態では、コンデンサ４０１の電極板は、一辺が７ｍｍの正方形状に形成されている。
【００６２】
以上説明したように、インピーダンス測定装置１００の導電部２０１にノイズ吸収部４００を設けるころで、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を吸収することができる。これにより、セル１０ａの局所部位を流れる電流値を正確に測定することができるので、セル１０ａの局所的なインピーダンスを確実に測定することが可能となる。
【００６３】
また、ノイズ吸収部４００を、第１電極２１１と電流測定用抵抗体２２１との間、および、第２電極２３１と電流測定用抵抗体２２１との間に配置することで、ノイズ吸収部４００を電流測定用抵抗体２２１の近傍に配置することができる。これにより、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧を確実に吸収することができる。
【００６４】
また、ノイズ吸収部４００を閉回路とすることで、コンデンサ４０１で吸収した電流が閉回路外に流れることがないので、電流測定用抵抗体２２１を流れる電流により発生する誘導起電圧をより確実に吸収することができる。
【００６５】
（他の実施形態）
上記実施形態では、ノイズ吸収部４００を、第１電極２１１と電流測定用抵抗体２２１との間、および、第２電極２３１と電流測定用抵抗体２２１との間に配置した例について説明したが、これに限らず、第１電極２１１と電流測定用抵抗体２２１との間、および、第２電極２３１と電流測定用抵抗体２２１との間のいずれか一方にのみ配置してもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、ノイズ吸収部４００のコンデンサ４０１の誘電体として、ポリエチレンを用いた例について説明したが、これに限らず、他の物質を用いてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、導電部材２０１それぞれに必要な電極板の面積Ｓを４９ｍｍ２とするために、コンデンサ４０１の電極板を、一辺が７ｍｍの正方形状に形成した例について説明したが、これに限らず、長方形状や円形状等、他の形状に形成してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０ａ セル
２１１ 第１電極
２２１ 電流測定用抵抗体
２３１ 第２電極
４００ ノイズ吸収部
４０１ コンデンサ（容量素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（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、
前記セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を測定する局所電流測定手段（５１、１０１）と、
前記局所電流測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズを吸収するノイズ吸収部（４００）とを備え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。
【請求項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導電部（２０１）が形成された板状部材（２００）と、
前記板状部材（２００）の前記導電部（２０１）に流れる電流を検出する電流測定手段（５１、１０１）と、
前記燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１０２）と、
前記電圧検出手段（１０２）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、
正弦波信号が印加された前記電圧検出手段（１０２）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、
前記電流測定手段（５１、１０１）が、前記局所電流測定手段であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項３】
前記導電部（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、前記抵抗体（２２１）の２点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、
前記ノイズ吸収部（４００）は、前記第１電極（２１１）と前記抵抗体（２２１）との間、および、前記第２電極（２３１）と前記抵抗体（２２１）との間の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記ノイズ吸収部（４００）は、容量素子（４０１）を有して構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項５】
前記ノイズ吸収部（４００）は、前記容量素子（４０１）を含む閉回路を有して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを出力する複数のセル（１０ａ）を積層配置して構成された燃料電池（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、
前記セル（１０ａ）の局所部位を流れる電流値を測定する局所電流測定手段（５１、１０１）と、
前記局所電流測定手段（５１、１０１）に伝播するノイズを吸収するノイズ吸収部（４００）とを備え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。
【請求項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導電部（２０１）が形成された板状部材（２００）と、
前記板状部材（２００）の前記導電部（２０１）に流れる電流を検出する電流測定手段（５１、１０１）と、
前記燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１０２）と、
前記電圧検出手段（１０２）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、
正弦波信号が印加された前記電圧検出手段（１０２）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、
前記電流測定手段（５１、１０１）が、前記局所電流測定手段であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項３】
前記導電部（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、前記抵抗体（２２１）の２点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、
前記ノイズ吸収部（４００）は、前記第１電極（２１１）と前記抵抗体（２２１）との間、および、前記第２電極（２３１）と前記抵抗体（２２１）との間の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記ノイズ吸収部（４００）は、容量素子（４０１）を有して構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池のインピーダンス測定装置。
【請求項５】
前記ノイズ吸収部（４００）は、前記容量素子（４０１）を含む閉回路を有して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池のインピーダンス測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１３４０７６（Ｐ２０１２−１３４０７６Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８６８１８（Ｐ２０１０−２８６８１８）
【出願日】平成２２年１２月２３日（２０１０．１２．２３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２３日（２０１０．１２．２３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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