電気化学インピーダンス測定システム
燃料電池評価ための組合せ
Cole-Coleプロット、電流遮断法、IVプロット

インターケミ株式会社
燃料電池評価ための組合せ構成
1　PGSTAT302ポテンショスタット/ガルバノスタット（±2A）
2　ＧＰＥＳ電気化学測定と解析ソフトウェア、ポテンショ/ガルバノスタットを制御、測定されたデータを解析するため
3　インピーダンスモジュ−ル
4　FRAインピ-ダンス測定と解析ソフトウェア
5　ブースター、PGSTAT302の最大電流は±2Aです。この以上の電流が必要の場合に、ブースターをオプションにします。ブースター10Aは±10Aで、ブースター20Aは±20Aです。
6　制御コンピュ−タ−

　　

Cole-Coleプロットはインピーダンス測定の一つの表示方法です。X軸は実数のインピーダンス、Y軸は虚数のインピーダンスです。下図は固体高分子型PEFC燃料電池のCole-Coleプロットです。

ガス供給はチノー社のPECF単セル試験装置

測定条件：
装置の組み合わせ：　PG30FRA+BOOSTER10A
測定方式：　ガルバノシングルSine波
周波数：　10KHz〜100ｍHz
交流幅：　500mA
直流電流印加：
1　1A　（最大半球）
2　2A　（2番目の半球）
3　3A　（3番目の半球）
4　5A　（4番目の半球）
5　9A　（最小の半球 ）

右図は1A時のCole-Coleプロットです（上図の最大半球）。このデータを解析してみます。Circleの分析より、二つの半球を重ねて、一つの半球になったと見られます。等価回路を仮設定します。

R1（Q1R2）（Q2R3）


R1は　2電極間の抵抗(膜抵抗）
（Q1R2）は　水素極の二重層容量と電荷移動抵抗
（Q2R3）は　酸素極の二重層容量と電荷移動抵抗

　

仮設定した等価回路をフィッティングします。フィッティングされた結果右図のようです。
R1：　19.52mΩ
Q1:　3.9F、ｎ=0.9
R2：　5.31mΩ
Q2：　1.4F、ｎ=0.97
R3：　40.1mΩ

　

電流遮断法　燃料電池の電流遮断法(Current Interrupt Method)は燃料電池を放電したり、放電を止めたり、その時のIRドロップを測定して、Rを求める方法です。即ち、2電極の間の抵抗（膜抵抗）を求めます。理論的に、この抵抗の値はCole-ColeプロットのR1と同じです。AUTOLABのGPESソフトにChrono Potentiometry　(Galvanostatic)測定項目を選択し、電流遮断法を簡単に測定できます。

下図は電流遮断法のデータです。パラメータの設定は左図のようです。
曲線1）　0A、　1A、　0A
曲線2）　0A、　2A、　0A
曲線3）　0A、　3A、　0A
曲線4）　0A、　5A、　0A

データの解析

2電極の間の抵抗（膜抵抗）は交流成分は含まれてないため、IRドロップは電圧の直線の部分です。右図のように、直線電圧ΔEを求めます。ソフト上で、Zoom機能を使って、電圧を細かいに読めます。

R=ΔE/I

1Aの時に　（0.778-0.758）V/1A=0.02Ω

この結果はCole-Coleプロットの19.52mΩと近い値です。

5Aの時に　（0.717-0.607）V/5A=0.022Ω

この結果はCole-Coleプロットの結果と一致です。
IVプロットは電流vs.電圧特性です。GPESソフトは、IVプロット測定に、2種類の測定方法が選択できます。サイクリックボルタンメトリーとサイクリックガルバノスタットボルタンメトリーと言います。前者は電圧を制御し、即ち、電圧をスキャンし、電流を測定する方法です。ポテンショスタットの機能です。曲線表示はX軸が電圧、Y軸が電流です。電気化学測定法の主要な一つの方法として、よく使われています。後者は電流を制御し、即ち、電流をスキャンし、電圧を測定する方法です。ガルバノスタットの機能です。曲線表示はX軸が電流、Y軸が電圧です。

　　燃料電池IV測定に、サイクリックガルバノスタットボルタンメトリーはよく使われています。電流はOから、ゆっくり、増大し、電圧の変化を観察します。GPESソフトに、電池の電圧保護設定があります。燃料電池の電圧が下がり過ぎないように、一定な電圧に着きましたら、電流のスキャン方向は逆転し、或いはスキャンは停止します。右の曲線はスキャンの設定が-5Aですが、-4.7Aになりますと、電圧は設定値の0.2Vに着きました。測定はストップになりました。