如何可靠的測量燃料電池的電阻值？

經常會有用戶表示所使用的測量儀器的精度雖然很高，卻無法準確并可靠的測量燃料電池的電阻。對于這種測量儀器無法發揮其能力導致測量值缺乏再現性的煩惱該如何去解決呢？

為何需要測量電阻值呢？

將利用電化學反應的燃料電池的電阻值使用等效電路進行表示時，可以參考下圖《圖1》。

Rs在燃料電池中被稱為膜電阻，是由電極、隔膜、觸媒以及離子交換膜的電阻相結合而組成。

Rc被稱為反應電阻，是由于燃料的氫放出電子后，氫接受了電子的反應中用于使其活性化的能量損失而產生的。

Cd是被稱為雙電層電容的靜電容量，當與Rc并聯時將會形成時間常數。

由于該等效電路的電容Cd不流動直流，所以燃料電池的直流電阻為膜電阻Rs與反應電阻Rc相加的值。也就是在直流電中只能測量該合計值，卻無法確認Rs與Rc、Cd分別的值。但是，在不同的2點以上的頻率下測量電阻時，可以根據其測量值計算出《圖2》等效電路中包含Cd的各個常數。并且還可作為了解燃料電池的哪個部分發生了什么的線索。

什么是電阻測試儀

直流電阻的情況下，無論是與電感L串聯、或是與電容C并聯，其值都不會變化。但是在使用交流的電阻的情況下，還需考慮由電感L與電容C所產生的電抗。電阻Z通常被認為是實際電阻成分R與電阻成分X之間的連接。電阻測試儀為測量該R與X的裝置。

電感的影響

在燃料電池實用化時會發生的其中一個問題是提高單位體積的輸出功率。為了可以提高燃料電池的輸出效率，需要盡可能的減少Rs與Rc。燃料電池的開發人員也是對減少其值而不斷地進行研究開發。固體高分子燃料電池的單元電池中，電阻值非常小，只有數mΩ~數10mΩ。所以很難使用普通的LCZ測量儀等測量。那么如何在不受電線等的影響下盡可能準確地測量如mΩ數量級的電阻值呢？

其中一個非常有效的方法是在測量對象附近連接傳感線(電阻測量用電線)。這樣可以測量出不包含測量對象為止的布線電阻和電感。但是，電阻測量不能僅憑這一點就安心。隨著頻率慢慢升高，僅僅帶有一點點長度的電極所具有的電感成分的影響也會變大。麻煩的是電感成分一定會出現在有長度的地方，所以在進行mΩ數量級的低電阻測量時需要十分注意。即使只有幾厘米，測量值也會有很大的差別。例如《圖2》的例子中，測量值會有多少差異呢？讓我們實際來計算一下吧！

假設燃料電池中的電極長度分別為2cm時，一般來說電線的電感約為10mH/cm，電極的電感為40mH。如果在頻率10kHz下測量一個真實值為R=3mΩ、X=0Ω的電阻的燃料電池時《圖3》

Z＝R＋jX

 ＝0.003＋jωL

 ＝0.003＋j·2π·10000·0.00000004

≒3mΩ＋j2.51mΩ

Φ＝tan－1(X/R) ≒40°

僅僅只是將傳感位置偏離了2cm，就會使原本為0的電抗成分達到2.51mΩ。電壓與電流間也會產生40°的相位角，導致最終值與真實值出現誤差。在這種狀態下，如果改變測量頻率并繪制科爾作圖時，則會出現如《圖3》所示的差。

在測量電阻時，如果不去注意在直流中所不需要考慮的部分，則無論測量儀器的精度有多高，也都無法發揮其能力。

本文來源于KIKUSUI菊水

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