燃料​電池​の​インピーダンス​測定​に​向け​た​新​手法​を​開発、​検証​環境​は​PXI​で​構築

"NI​のプラットフォーム製品を採用すれば、​必要​に​応​じ​て​最適​な​ハードウェア​を​選択​する​こと​が​できる。​また、​測定​や​演算​に​必要​な​プログラム​は​すべて​LabVIEW​により​グラフィカル​に​記述​する​こと​が​可能​だ。"

- 江上 雅裕, 本田​技術​研究所 四輪​R&D​センター

課題:

燃料​電池​の​インピーダンス​を​計測​する​ため​の​新た​な​手法​を​開発​する。​単一​の​周波数​に対する​インピーダンス​では​なく、​広い​範囲​の​周波数​特性​を​高​精度​かつ​短時間​で​計測​できる​よう​に​する。​高速​かつ​高​精度​の​計測​が​可能​な​システム​を​構築​し、​実際​の​燃料​電池​を​使用​し​て​計測​理論​の​検証​実験​を​実施​する。

ソリューション:

PXI​製品​によって、​高速​で​の​サンプリング​や​多​チャンネル​で​の​測定​に​対応​可能​な​システム​を​構築​する。​測定​用​の​プログラム​の​ほか、​インピーダンス​の​周波数​特性​を​求める​ため​の​FFT​演算​や​移動​中央​値​演算​の​プログラム​は、​LabVIEW​の​ライブラリ​を​使用​し​て​実現​する。

1. 背景

現在、​世界​各国​では​自動車​の​燃費​規制​が​年々​強化​さ​れ​て​いる​状況​に​ある。​CO2​排出​量​の​削減​に​向け​て​規制​を​満たす​べ​く、​自動車​メーカー​各社​は​取り組み​を​重ねて​いる。​そうした​取り組み​の​1​つ​が、​旧来​の​ガソリンエンジン​から​電動​モーター​へ​と​動力​源​の​移行​を​図る​こと​だ。​つまり、​電動​自動車​へ​の​移行​が​求め​ら​れ​て​いる​という​こと​で​ある。​電動​自動車​の​1​つ​に、​水素​エネルギー​を​活用​する​燃料​電池​車​が​ある。​燃料​電池​では、​水素​と​酸素​(空気)​の​化学​反応​を​利用​し​て​電力​を​得る。​その​際​に​生成​さ​れる​の​は​水​のみ​で、​CO2​が​排出​さ​れる​こと​は​ない。​そのため、​CO2​削減​に​向け​た​非常​に​有効​な​手段​として​研究/​開発​が​進​め​ら​れ​て​いる。

 

ホンダ​(本田​技研​工業)​も​燃料​電池​車​に​注目​し、​1980​年代​から​研究/​開発​を​行​って​きた。​その​代表​的​な​成果​が、​2016​年​3​月​に​発売​した​「CLARITY FUEL CELL(以下、​クラリティ)」​で​ある。​クラリティ​の​充填​時間​(水素​の​充填​時間)​は​わずか​3​分​ほど​で、​電気​自動車​を​上回る​高速​充填​を​実現​し​て​いる。​しかも、​1​回​の​充填​による​走行​可能​距離​は​約​750km​に​も​達する。

 

ホンダ​では、​以前​は​燃料​電池​を​他社​から​調達​し​てい​た​こと​も​あっ​た。​だが、​現在​では​自社​で​製造​した​燃料​電池​を​採用​し​て​いる。​クラリティ​に​搭載​し​て​いる​の​も​自社​製​の​燃料​電池​で​ある。​私​たち​の​グループ​では、​燃料​電池​システム​の​開発​を​担当​し​て​いる。​その​ミッション​は、​商品​化​が​可能​な​レベル​の​高い​精度​と​低い​コスト​を​実現​した​システム​を​開発​する​こと​だ。​ただ​「燃料​電池​システム​の​商品​化」​と​言​って​も、​それに​かかわる​研究/​開発​の​対象​は​多岐​にわたる。​その​中でも、​私​は​主に​燃料​電池​の​インピーダンス​を​測定​する​方法​の​開発​に​取り​組​んで​いる。​燃料​電池​の​インピーダンス​を​測定​する​理由​は​以下​の​とおり​で​ある。

 

燃料​電池​では、​水素​と​酸素​が​化学​反応​する​こと​によって​水​が​生成​さ​れる。​燃料​電池​スタック​では、​小型化​を​実現​する​ため​に​水素​や​酸素​の​流​路​が​非常​に​狭​く​作​られる。​それらの流路に水が溜まると水素や酸素が通過できず、​発電​が​行​え​なくなる。​したがって、​燃料​電池​の​稼働​中​に​は、​生成​さ​れる​水​の​量​を​監視​しな​け​れ​ば​なら​ない。​その​監視​方法​として、​インピーダンス​の​測定​が​利用​さ​れ​て​いる。​水量​と​燃料​電池​の​インピーダンス​に​相関​が​ある​からだ。​電解質​膜​に​溜​まっ​た​水​の​量​が​多く​なる​と、​燃料​電池​の​インピーダンス​が​低下​する。​そこで、​インピーダンス​が​小​さく​なり​すぎ​たら、​空気​の​量​を​増​や​した​り、​温度​を​変化​さ​せ​たり​といった​制御​を​行う​こと​で​水​の​量​を​低減​させる。​逆に​水​が​少​な​すぎる​と、​燃料​電池​の​インピーダンス​が​高​く​なり​すぎ​て​別​の​問題​が​生​じ​て​しまう。​つまり、​水量​を​監視​する​手段​として​インピーダンス​の​測定​を​行い、​その​結果​を​基​に​水量​の​バランス​を​とる​ため​の​制御​を​行う​という​こと​で​ある。

 

インピーダンス​を​基​に​した​制御​手法​は​すでに​実用​化​さ​れ​て​いる。​実際、​クラリティ​の​燃料​電池​に​も、​インピーダンス​を​測定​する​機能​が​適用​さ​れ​て​いる。​水量​と​相関​を​持つ​単一​周波数​の​信号​を​入力​し、​その​ときの​インピーダンス​を​測定​する​という​もの​で​ある。​その測定結果に基づき、​燃料​電池​内​の​水分​量​を​コントロール​し​て​いる​わけ​だ。

 

2. 課題

上述​した​とおり、​水量と相関を持つ単一周波数に対するインピーダンスを測定すれば、​燃料​電池​の​水量​に関する​情報​を​得る​こと​が​できる。​逆に、​その​測定​によって​得​られる​の​は​水量​に関する​情報​だけ​だ​とも​言える。​もちろん、​燃料​電池​の​性能​に​影響​を​及ぼす​の​は​水量​だけ​では​ない。​実は、​ほかの周波数に対するインピーダンスも測定すれば、​燃料​電池​の​性能​に関する​多様​な​情報​を​得る​こと​が​できる。​図​1​に​示す​よう​な​ナイキスト​線​図​を​取得​する​こと​で、​例えば​燃料​電池​の​性能​を​低下​させる​要因​と​なる​触媒​の​劣化​といった​事象​も​とらえる​こと​が​可能​な​の​だ。​つまり、​単一​の​周波数​では​なく、​広い周波数範囲に対するインピーダンスを測定すれば、​水量​以外​の​性能​劣化​要因​を​検出​し、​それに​対応​する​ため​の​制御​を​行​って​燃料​電池​車​の​性能​を​維持​できる​という​こと​で​ある。

 

しかし、​単一​の​周波数​では​なく、​広い​周波数​範囲​を​対象​として​インピーダンス​を​測定​しよう​と​すると、​1​つ​の​問題​が​発生​する。​その​場合、​入力​する​信号​の​周波数​を​変更​し​ながら​繰り返し​インピーダンス​の​測定​を​実施​する​ことに​なる。​この​手法​は​FRA(Frequency Response Analysis)​法​と​呼​ば​れ​て​いる。​1​つ​の​高​周波数​に対して​インピーダンス​を​測定​する​だけ​なら​1 s​以下​で​結果​を​取得​できる​の​だが、​FRA​法​で​広い​周波数​範囲​を​対象​と​すると、​5​分​から​10​分​の​時間​が​か​かって​しまう​の​だ。​これ​では​実用​性​に​欠ける​と​言​わ​ざる​を​え​ない。

 

インピーダンス​の​周波数​特性​を​測定​する​方法​として​は​もう​1​つ​知​ら​れ​て​いる​もの​が​ある。​それ​は、​M​系列​(擬似​乱数)​の​信号​を​入力​し​ながら​電圧/​電流​を​測定​(サンプリング)​し、​得​ら​れ​た​データ​に​FFT(高速​フーリエ​変換)​を​適用​する​こと​で​インピーダンス​の​周波数​特性​を​得る​という​もの​で​ある。​この​FFT​法​で​あれ​ば、​わずか​数​秒​で​測定​が​行える。​しかし、​この​方法​も​1​つ​の​問題​を​抱え​てい​た。​FFT​法​は​ノイズ​の​影響​を​非常​に​受け​や​すく、​実用​性​に​乏​しか​っ​た​ので​ある​(図​2)。

 

現実​世界​では​必ず​ノイズ​が​発生​する。​実際、​燃料​電池​単体​で​測定​を​行う​場合​でも、​FFT​法​では​ノイズ​の​影響​によって​高​精度​の​計測​を​行う​こと​が​でき​ない。​自動車​の​走行​時には​数多く​の​電子​ユニット​が​稼働​する​ため、​非常​に​多く​の​ノイズ​が​発生​し​て​しまう。​つまり、​インピーダンス​の​周波数​特性​を​実用​レベル​で​測定​できる​よう​に​する​に​は、​短時間​で​測定​を​終​え​られる​FFT​法​を​採用​し​つつ、​ノイズ​の​影響​を​抑える​ため​の​新た​な​方法​を​開発​する​必要​が​あっ​た。

 

ノイズ​の​問題​を​解決​する​手段​として​は、​平均​化​(アベレージング)​を​ベース​と​する​方法​を​採用​する​ことに​した。​ただし、​単純​に​同一​条件​で​の​測定​を​繰り返し​行​って​平均​値​を​取得​する​の​では、​測定​時間​が​延び​て​しまう。​そこで​FFT​法​に対して​エル​ゴー​ド​性​の​概念​を​加える​ことに​した。

 

エル​ゴー​ド​性​と​は、​時間​平均​と​集合​平均​は​等しい​という​性質​の​こと​で​ある。​例​として、​サイコロ​を​100​回​振​っ​た​とき​に​出​た​目​の​平均​を​とる​ケース​を​考える。​仮に​1​回​サイコロ​を​振る​の​に​1 s​かかる​と​すると、​100 s​かけ​て​サイコロ​を​100​回​振り、​その​結果​の​平均​を​とる​ことに​なる。​それ​に対し、​100​個のサイコロを同時に投げて平均をとれば​1 s​しか​か​から​ない。​エル​ゴー​ド​性​という​の​は、​これら​2​つ​の​方法​で​得​ら​れ​た​平均​値​は​等しい​という​もの​だ。

 

ただし、​短時間​で​平均​化​が​行える​よう​に、​測定​用​の​装置​を​100​個​用意​する​といった​方法​では​まったく​意味​が​ない。​そこで、​エル​ゴー​ド​性​の​考え方​を​模擬​する​方法​を​考案​した。​実際​に​は​広い​周波数​範囲​を​対象​として​測定​を​行う​の​だが、​ここ​では​1000 Hz​の​ポイント​で​の​結果​を​知​り​たい​と​仮定​する。​測定​方法​として​は、​通常​の​FFT​法​と​同様​に​M​系列​の​信号​を​入力​し、​999 Hz​~​1001 Hz​の​範囲​で​十分​に​高い​周波数​分解能​が​得​られる​よう​に​サンプリング​周波数​を​選択​する。​そのうえで​サンプリング​を​実施​し、​得​ら​れ​た​結果​に対して​FFT​を​実行​する。​そして​999 Hz​~​1001 Hz​の​平均​値​(中央​値)​を​1000 Hz​における​測定​結果​と​する​ので​ある。​これ​と​同様​の​処理​を​複数​の​周波数​ポイント​について​実施​(移動​中央​値)​する​こと​で、​インピーダンス​の​周波数​特性​を​得る​こと​が​できる。​このように、​移動中央値を取得するという考え方を応用すれば、​測定​時間​を​増加​させる​こと​なく、​ノイズ​の​影響​を​抑える​こと​が​可能​に​なる。

 

3.​ソリューション/​効果

PC​上の​シミュレーション​では、​上述​した​理論​が​有効​で​ある​こと​を​確認​する​こと​が​でき​た。​ただ、​重要​な​の​は、​現実​の​燃料​電池​を​使用​し​て​その​理論​を​検証​する​こと​で​ある。​そこで、​必要​な​実験​を​行う​ため​の​システム​を​構築​する​ことに​した。​それ​に当たって​は、​グラフィカル​システム​開発​プラットフォーム​の​LabVIEW​を​はじめ​と​する​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)​の​製品​群​を​選択​した。​当社​では、​すでに​NI​製品​の​使用​実績​が​あっ​た。​私自身は使用したことはなかったが、​LabVIEW​に関する​知識​は​あっ​た​ので、​今回​の​よう​な​案件​に​は​非常​に​適​し​て​いる​と​考え​た。

 

構築​した​システム​は​図​3​の​よう​な​もの​で​ある。​PXI​に​対応​する​シャー​シ​(PXIe-1082)、​コントローラ​(PXIe-8135)、​データ​収集​デバイス​(PXIe-6358)​を​使用​し​て​いる。​燃料​電池​に​は​通常​の​使用​時​と​同様​に​酸素​と​水素​を​注入​する。​その​状態​で​負荷​として​M​系列​の​信号​を​入力​し、​PXI​ベース​の​システム​によって​電圧/​電流​を​測定​する。​得​ら​れ​た​値​に対して​FFT​や​移動​中央​値​を​求める​演算​を​適用​し、​各​周波数​に対する​インピーダンス​の​値​を​得る​仕組み​だ。

 

 

この​計測​方法​の​特徴​は、​アベレージング​を​有効​に​機能​させる​ため​に、​かなり​高い​サンプリング​周波数​を​使う​点​に​ある。​10 kHz​まで​の​周波数​範囲​を​対象​として​測定​を​行う​ため​に、​800 kHz​の​サンプリング​周波数​を​選択​する​といった​具合​で​ある。​また​実際​の​燃料​電池​スタック​は​数百​個​に​も​上る​セル​で​構成​さ​れる。​したがって、​セル​ごと​の​インピーダンス​を​詳細​に​測定​した​い​場合​に​は、​その​数​だけ​測定​チャンネル​を​用意​する​必要​が​ある。​PXIe-6358​で​あれ​ば、​最大​1.25 MHz​の​サンプリング​周波数​で​最大​16​チャンネル​の​測定​を​行う​こと​が​できる。​また、​セル​の​数​だけ​測定​チャンネル​を​増やす​ため​に​同​製品​を​複数​台​使用​する​場合​でも、​それぞれ​の​間​の​同期​を​簡単​に​とる​こと​が​可能​だ。

 

加​えて、​測定​や​演算​に​必要​な​プログラム​は​すべて​LabVIEW​により​グラフィカル​に​記述​する​こと​が​できる。​しかも、​FFT​の演算を行ったり、​M​系列​の​信号​を​発生​した​り​する​ため​の​関数​は、​信号​処理​用​の​ライブラリ​に​あらかじめ​用意​さ​れ​て​いる。​プログラム​の​開発​に当たって​は、​最初​に​電圧/​電流​の​測定​に​使用​する​最も​ベーシック​な​サンプル​プログラム​を​NI​に提供してもらった。​その​プログラム​に対し、​必要に応じて修正を加えていった。​さまざま​な​ロジック​の​検証​が​必要​だ​っ​た​ので、​プログラム​を​修正​し​て​は​測定​を​実施​する​という​こと​を​繰り返し​ながら​作業​を​進​め​た。​当初​は​不慣れ​な​部分​も​あっ​た​が、​テキストベースのプログラミング言語と比べれば、​膨大​な​量​の​勉強​を​し​なく​て​済​ん​だ​と​思う。​しかも、​完成​した​プログラム​は​非常​に​高速​に​実行​できる。

 

NI​のプラットフォーム製品を採用すれば、​必要​に​応​じ​て​最適​な​ハードウェア​を​選択​する​こと​が​できる。​また、​それらの​動作​を​制御​した​り、​信号​処理​を​行​っ​たり​する​ため​の​ソフトウェア​は​グラフィカル​に​開発​する​こと​が​可能​だ。​そうした​特徴​が、​明確​な​メリット​として​働​い​た​という​こと​で​ある。

 

 

図​4​に​示し​た​の​が、​開発​した​システム​による​計測​結果​の​例​で​ある。​赤色​の​プロット​は​FRA​法​によって​10​分​の​時間​を​かけ​て​取得​した​データ​を​表​し​て​いる。​0.1 Hz​~​10 kHz​の​範囲​に​ある​異なる​43​ポイント​の​周波数​に対する​インピーダンス​を​プロット​し​て​いる。​一方、​青色​の​プロット​が、​新た​な​手法​によって​取得​した​インピーダンス​の​計測​結果​だ。​こちら​は、​256​ポイント​を​プロット​し​て​いる​が、​その​測定​に​は​わずか​3.1 s​しか​要​し​てい​ない。​ご覧​の​よう​に、​2​つ​の​結果​は​よく​一致​し​て​いる。​これら​は、​約​20​回​の​測定​結果​を​重ねて​プロット​し​て​いる​の​だが、​低​周波数​域​で​ばらつき​は​ある​ものの、​高い​再現​性​が​得​ら​れ​て​いる​こと​も​わかる。

 

今後​の​展開

ここ​まで​に​述​べた​よう​に、​FFT​法​に​移動​中央​値​を​求める​処理​を​追加​した​新た​な​手法​により、​ノイズ​の​影響​を​抑え​て​測定​精度​を​保​ち​ながら、​わずか数秒でインピーダンスの周波数特性を取得できるようになった。

 

自動車​は​基本​的​に​は​部品​の​コスト​を​抑え​つつ、​機能​を​高める​という​方向​で​進化​し​てい​く。​将来​的​に​商用​レベル​の​燃料​電池​車​が​どの​よう​に​進化​し​てい​く​の​か​は​現時点​では​わ​から​ない。​コスト​の​問題​など​も​ある​ため、​新た​な​FFT​法​を​即座​に​適用​する​という​ことに​は​なら​ない​だ​ろう。​例えば、​自動​運転​に​は​非常​に​高速​な​演算​が​行える​プロセッサ​が​必要​に​なる。​自動運転の機能が一般的になれば、​その​プロセッサ​によって​新た​な​FFT​法​の​演算​も​行える​可能性​が​ある。​その​時点​で​本​事例​の​手法​は​実用​化​さ​れる​の​かも​し​れ​ない。

 

 

著者​情報:

江上 雅裕
本田​技術​研究所 四輪​R&D​センター
​Japan

図​3. ​構築​した​システム
図​1. ​燃料​電池​の​インピーダンス​の​周波数​特性。​この​ナイキスト​線​図​では、​横​軸​が​周波数​応答​の​実​部、​縦​軸​が​虚​部​を​表​し​て​いる
図​2. ​ノイズ​が​ある​状態​と​ない​状態​の​比較。​ノイズ​が​存在​しない​状態​では​理想​的​な​ナイキスト​線​図​が​得​られる​(左)。​ノイズ​が​存在​する​状態​では​右​の​よう​な​結果​しか​得​ら​れ​ない。​そのため、​単純​な​FFT​法​は​実用​レベル​では​あまり​使​われ​てい​ない
図​4. ​計測​結果​の​例