JP2007066589A - Characteristic evaluation method and device of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の電気的特性を評価する特性評価方法および特性評価装置に関する。 The present invention relates to a characteristic evaluation method and a characteristic evaluation apparatus for evaluating electric characteristics of a fuel cell.
水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。燃料電池はエネルギー問題や環境問題に対する1つの解答を与え得るものとして期待されている。また、燃料電池の電気的特性を評価する方法として、燃料電池の内部インピーダンスを示す等価回路モデルを用意し、測定結果に基づいて等価回路モデルのパラメータをフィッティングする方法が用いられている。 Fuel cells that generate electricity by chemically reacting hydrogen and oxygen are known. Fuel cells are expected to provide a solution to energy and environmental problems. Further, as a method for evaluating the electrical characteristics of the fuel cell, a method of preparing an equivalent circuit model indicating the internal impedance of the fuel cell and fitting the parameters of the equivalent circuit model based on the measurement result is used.
しかし、従来用いられている等価回路モデルでは燃料電池の内部インピーダンスを充分に評価しきれないという問題がある。燃料電池の電圧損失には、膜抵抗、カソード反応インピーダンス、カソード拡散インピーダンス、アノード反応インピーダンスおよびアノード拡散インピーダンスに起因するものがあることが知られている。しかし、従来の等価回路モデルでは、アノード拡散インピーダンスの項を取り込んでいないため、とくに電流密度が大きい領域で電圧損失を正しく評価できない。 However, the conventional equivalent circuit model has a problem that the internal impedance of the fuel cell cannot be fully evaluated. It is known that there are fuel cell voltage losses due to membrane resistance, cathode reaction impedance, cathode diffusion impedance, anode reaction impedance, and anode diffusion impedance. However, since the conventional equivalent circuit model does not include the term of anode diffusion impedance, voltage loss cannot be evaluated correctly particularly in a region where the current density is large.
とくに固体高分子膜燃料電池では、電流密度が大きくなるとカソードで生成した水のアノード側への浸透量が増大する。このため、膜を通して滲み出してきた生成水が電極間の空隙を埋め、アノードでの燃料拡散を阻害することが考えられる。燃料ガスを加湿して使うシステムの場合には、その阻害影響はより大きくなる。また、電極面内に温度分布が存在する場合には、結露の影響も無視できない。 Particularly in solid polymer membrane fuel cells, when the current density increases, the amount of water generated at the cathode into the anode increases. For this reason, it is conceivable that the generated water that has oozed through the membrane fills the gap between the electrodes and inhibits fuel diffusion at the anode. In the case of a system that uses fuel gas in a humidified state, the inhibition effect becomes even greater. In addition, when there is a temperature distribution in the electrode surface, the influence of condensation cannot be ignored.
本発明の目的は、燃料電池の電気的特性を評価するに際しアノード拡散インピーダンスの影響を取り込むことで、燃料電池の精緻な評価を可能とする燃料電池の特性評価方法および特性評価装置を提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a fuel cell characteristic evaluation method and characteristic evaluation apparatus that enables precise evaluation of a fuel cell by incorporating the influence of anode diffusion impedance when evaluating the electric characteristics of the fuel cell. It is in.
本発明の燃料電池の特性評価方法は、等価回路モデルへのフィッティングを行うことで燃料電池の内部インピーダンスを評価する燃料電池の特性評価方法において、前記等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むことを特徴とする。
この燃料電池の特性評価方法によれば、等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むので、燃料電池の電気的特性を評価するに際しアノード拡散インピーダンスの影響を取り込むことができる。
The fuel cell characteristic evaluation method of the present invention is a method of evaluating the internal impedance of a fuel cell by fitting to an equivalent circuit model, and includes incorporating an anode diffusion impedance into the equivalent circuit model. Features.
According to this fuel cell characteristic evaluation method, since the anode diffusion impedance is incorporated into the equivalent circuit model, the influence of the anode diffusion impedance can be taken in when evaluating the electric characteristics of the fuel cell.
前記等価回路モデルに、膜抵抗、カソード反応インピーダンス、カソード拡散インピーダンスおよびアノード反応インピーダンスを組み込んでもよい。 The equivalent circuit model may incorporate membrane resistance, cathode reaction impedance, cathode diffusion impedance, and anode reaction impedance.
前記アノード拡散インピーダンスは、抵抗とコンデンサとを並列接続した等価回路として表現されてもよい。 The anode diffusion impedance may be expressed as an equivalent circuit in which a resistor and a capacitor are connected in parallel.
前記アノード拡散インピーダンスは、直列接続されたアノードの反応抵抗に相当する抵抗およびアノード拡散抵抗に相当するワールブルグ抵抗と、アノードの電気二重層容量に相当するコンデンサと、を並列接続した等価回路として表現されてもよい。 The anode diffusion impedance is expressed as an equivalent circuit in which a resistance corresponding to the reaction resistance of the anode connected in series, a Warburg resistance corresponding to the anode diffusion resistance, and a capacitor corresponding to the electric double layer capacitance of the anode are connected in parallel. May be.
カソード電極およびアノード電極が、互いに対向して配置され、前記カソード電極がカソード本電極およびカソード分割電極に分割され、前記アノード電極がアノード本電極およびアノード分割電極に分割され、前記カソード分割電極および前記アノード分割電極が同一領域で互いに対向して配置された燃料電池を用意し、前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に負荷を接続し、前記負荷に流れる電流に交流成分を重畳させるステップと、前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に負荷を接続した状態で前記アノード本電極と前記アノード分割電極の間の電圧の前記負荷電流に対する周波数応答を測定するステップと、測定された前記負荷電流と前記電圧に基づいて前記等価回路モデルのパラメータをフィッティングするステップと、を備えてもよい。
この場合には、アノード本電極とアノード分割電極の間の電圧の周波数応答をカソード側から切り離して測定できるので、アノード側のインピーダンスについて精緻なフィッティングを実行できる。
A cathode electrode and an anode electrode are disposed to face each other, the cathode electrode is divided into a cathode main electrode and a cathode divided electrode, the anode electrode is divided into an anode main electrode and an anode divided electrode, and the cathode divided electrode and the cathode divided electrode Preparing a fuel cell in which anode split electrodes are arranged opposite to each other in the same region, connecting a load between the cathode main electrode and the anode main electrode, and superimposing an alternating current component on the current flowing through the load; Measuring a frequency response of the voltage between the anode main electrode and the anode split electrode to the load current in a state where a load is connected between the cathode main electrode and the anode main electrode; and the measured load A step for fitting the parameters of the equivalent circuit model based on the current and the voltage. And up, it may be provided.
In this case, the frequency response of the voltage between the anode main electrode and the anode split electrode can be measured separately from the cathode side, so that precise fitting can be performed for the impedance on the anode side.
前記燃料電池は固体高分子膜燃料電池であってもよい。 The fuel cell may be a solid polymer membrane fuel cell.
本発明の燃料電池の特性評価装置は、燃料電池に接続される負荷電流に交流成分を重畳させる負荷制御手段と、負荷電流に対する燃料電池の電圧周波数応答を計測する計測手段と、計測された前記電圧周波数応答に基づいて等価回路モデルのパラメータをフィッティングするフィッティング手段と、を備える特性評価装置において、前記等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むことを特徴とする。
この燃料電池の特性評価装置によれば、等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むので、燃料電池の電気的特性を評価するに際しアノード拡散インピーダンスの影響を取り込むことができる。
The fuel cell characteristic evaluation apparatus of the present invention includes a load control unit that superimposes an AC component on a load current connected to the fuel cell, a measurement unit that measures a voltage frequency response of the fuel cell with respect to the load current, and the measured In a characteristic evaluation apparatus comprising a fitting means for fitting a parameter of an equivalent circuit model based on a voltage frequency response, an anode diffusion impedance is incorporated in the equivalent circuit model.
According to this fuel cell characteristic evaluation apparatus, since the anode diffusion impedance is incorporated into the equivalent circuit model, the influence of the anode diffusion impedance can be taken in when evaluating the electric characteristics of the fuel cell.
前記等価回路モデルに、膜抵抗、カソード反応インピーダンス、カソード拡散インピーダンスおよびアノード反応インピーダンスを組み込んでもよい。 The equivalent circuit model may incorporate membrane resistance, cathode reaction impedance, cathode diffusion impedance, and anode reaction impedance.
前記アノード拡散インピーダンスは、抵抗とコンデンサとを並列接続した等価回路として表現されてもよい。 The anode diffusion impedance may be expressed as an equivalent circuit in which a resistor and a capacitor are connected in parallel.
前記アノード拡散インピーダンスは、直列接続されたアノードの反応抵抗に相当する抵抗およびアノード拡散抵抗に相当するワールブルグ抵抗と、アノードの電気二重層容量に相当するコンデンサと、を並列接続した等価回路として表現されてもよい。 The anode diffusion impedance is expressed as an equivalent circuit in which a resistance corresponding to the reaction resistance of the anode connected in series, a Warburg resistance corresponding to the anode diffusion resistance, and a capacitor corresponding to the electric double layer capacitance of the anode are connected in parallel. May be.
前記燃料電池は、カソード電極およびアノード電極が、互いに対向して配置され、前記カソード電極がカソード本電極およびカソード分割電極に分割され、前記アノード電極がアノード本電極およびアノード分割電極に分割され、前記カソード分割電極および前記アノード分割電極が同一領域で互いに対向して配置され、前記負荷制御手段は、前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に接続された負荷に流れる電流に交流成分を重畳させ、前記計測手段は、前記アノード本電極と前記アノード分割電極の間の電圧の電流に対する周波数応答を測定してもよい。
この場合には、アノード本電極とアノード分割電極の間の電圧の周波数応答をカソード側から切り離して測定できるので、アノード側のインピーダンスについて精緻なフィッティングを実行できる。
In the fuel cell, a cathode electrode and an anode electrode are arranged to face each other, the cathode electrode is divided into a cathode main electrode and a cathode divided electrode, the anode electrode is divided into an anode main electrode and an anode divided electrode, The cathode split electrode and the anode split electrode are arranged to face each other in the same region, and the load control means superimposes an alternating current component on a current flowing in a load connected between the cathode main electrode and the anode main electrode. The measuring unit may measure a frequency response to a current of a voltage between the anode main electrode and the anode divided electrode.
In this case, the frequency response of the voltage between the anode main electrode and the anode split electrode can be measured separately from the cathode side, so that precise fitting can be performed for the impedance on the anode side.
前記燃料電池は固体高分子膜燃料電池であってもよい。 The fuel cell may be a solid polymer membrane fuel cell.
本発明の燃料電池の特性評価方法によれば、等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むので、燃料電池の電気的特性を評価するに際しアノード拡散インピーダンスの影響を取り込むことができる。 According to the fuel cell characteristic evaluation method of the present invention, the anode diffusion impedance is incorporated into the equivalent circuit model, so that the influence of the anode diffusion impedance can be taken in when evaluating the electric characteristics of the fuel cell.
本発明の燃料電池の特性評価装置によれば、等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むので、燃料電池の電気的特性を評価するに際しアノード拡散インピーダンスの影響を取り込むことができる。 According to the fuel cell characteristic evaluation apparatus of the present invention, since the anode diffusion impedance is incorporated into the equivalent circuit model, it is possible to incorporate the influence of the anode diffusion impedance when evaluating the electric characteristics of the fuel cell.
図1は本発明による燃料電池の評価方法で用いられる燃料電池の等価回路モデルを例示する図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating an equivalent circuit model of a fuel cell used in a fuel cell evaluation method according to the present invention.
図1(a)に示す等価回路モデルでは、(1)カソードの反応インピーダンスに相当する、並列接続された容量値Cca1のコンデンサおよび抵抗値Rca1の抵抗と、(2)カソードの拡散インピーダンスに相当する、並列接続された容量値Cca2のコンデンサおよび抵抗値Rca2の抵抗と、(3)固体高分子膜1の抵抗に相当する抵抗値Rirの抵抗と、(4)アノードの拡散インピーダンスに相当する、並列接続された容量値Can2のコンデンサおよび抵抗値Ran2の抵抗と、(5)アノードの反応インピーダンスに相当する、並列接続された容量値Can1のコンデンサおよび抵抗値Ran1の抵抗と、が直列に接続される。
In the equivalent circuit model shown in FIG. 1A, (1) a capacitor having a capacitance value Cca1 connected in parallel and a resistance having a resistance value Rca1 corresponding to the reaction impedance of the cathode, and (2) corresponding to a diffusion impedance of the cathode. A parallel-connected capacitor having a capacitance value Cca2 and a resistance having a resistance value Rca2, (3) a resistance having a resistance value Rir corresponding to the resistance of the
図1(b)に示す等価モデルでは、(6)直列接続されたカソードの反応抵抗に相当する抵抗値Rca1の抵抗およびカソードの拡散抵抗に相当する抵抗値Wcaの抵抗と、カソードの電気二重層容量に相当する容量値Cca0のコンデンサと、を並列接続した回路と、(7)固体高分子膜1の抵抗に相当する抵抗値Rirの抵抗と、(8)直列接続されたアノードの反応抵抗に相当する抵抗値Ran1の抵抗およびアノードの拡散抵抗に相当する抵抗値Wanの抵抗と、アノードの電気二重層容量に相当する容量値Can0のコンデンサと、を並列接続した回路と、が直列に接続される。
In the equivalent model shown in FIG. 1B, (6) the resistance of the resistance value Rca1 corresponding to the reaction resistance of the cathode connected in series and the resistance of the resistance value Wca corresponding to the diffusion resistance of the cathode, and the electric double layer of the cathode A circuit in which a capacitor having a capacitance value Cca0 corresponding to the capacitance is connected in parallel, (7) a resistance having a resistance value Rir corresponding to the resistance of the
以下、図2〜図4を参照して、燃料電池の特性評価方法の実施例1について説明する。 Hereinafter, Example 1 of the fuel cell characteristic evaluation method will be described with reference to FIGS.
図2(a)は評価対象である燃料電池の構成を示す断面図、図2(b)は図2(a)の右方から見た平面図である。 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell to be evaluated, and FIG. 2B is a plan view seen from the right side of FIG. 2A.
図2(a)に示すように、本実施形態の燃料電池100は、燃料電池100をカソード側とアノード側に区画する固体高分子膜1を備える固体高分子型燃料電池である。カソード側には、固体高分子膜1の側から左方に向けて、カソード触媒層21A及び21B、カソード拡散層22A及び22B、およびカソード電極が、順次積層されている。また、アノード側には、固体高分子膜1の側から右方に向けて、アノード触媒層31A及び31B、アノード拡散層32A及び32B、およびアノード電極が、順次積層されている。これらの層は、カソード電極およびアノード電極が形成された領域において実質的に均一に形成されており、カソード電極2およびアノード電極3は均一な距離を介して互いに対向して配置されている。
As shown in FIG. 2A, the
また、カソード電極とケース4の間にはカソードガス流路26が、アノード電極とケース4の間にはカソードガス流路36が、それぞれ形成されている。カソード電極には酸化剤(空気、若しくは、酸素)、アノード電極には燃料ガスが与えられる。カソードガス流路26およびカソードガス流路36の形状は図示されていないが、これらの流路は燃料ガスの供給量(濃度)を制御するための形状に適宜形成される。
A cathode
図2(a)および図2(b)に示すように、カソード電極はカソード本電極2Aと、カソード分割電極2Bとに分割され、両者は電気的に分離されている。また、アノード電極はアノード本電極3Aと、アノード分割電極3Bとに分割され、両者は電気的に分離されている。図2(a)および図2(b)に示すように、カソード分割電極2Bおよびアノード分割電極3Bは、カソード電極およびアノード電極の比較的小さな同一領域に設けられ、互いに対向して配置されている。
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the cathode electrode is divided into a cathode
図2(a)に示すように、カソード本電極2Aには端子24が、カソード分割電極2Bには端子25が、それぞれ接続され、ケース4の外部に引き出されている。また、アノード本電極3Aには端子34が、アノード分割電極3Bには端子35が、それぞれ接続され、ケース4の外部に引き出されている。
As shown in FIG. 2A, a
図3は燃料電池の電気的特性を測定する方法を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a method for measuring the electrical characteristics of the fuel cell.
図3に示すように、端子24および端子34を介して、カソード本電極2Aおよびアノード本電極3Aの間に電子負荷5が接続される。また、端子24、端子25、端子34および端子35を介して、カソード本電極2A、カソード分割電極2B、アノード本電極3Aおよびアノード分割電極3Bの電位が測定される。
As shown in FIG. 3, an
図3に示すように、燃料電池100の発電時に、カソード本電極2Aとアノード本電極3A間のセル電圧V、カソード分割電極2Bとアノード分割電極3B間の電圧V1、アノード分割電極3Bとアノード本電極3A間の電圧V2、カソード分割電極2Bとカソード本電極2A間の電圧V3が、それぞれ測定される。
As shown in FIG. 3, when the
図4は燃料電池の電圧特性を説明する図である。図4に示すように、セル電圧Vは理論開回路電圧Vocから、各種の過電圧あるいは電圧損失を減算したものとして示される。燃料電池100の性能の点で、これらの過電圧あるいは損失電圧を抑制することが望まれる。
FIG. 4 is a diagram illustrating the voltage characteristics of the fuel cell. As shown in FIG. 4, the cell voltage V is represented by subtracting various overvoltages or voltage losses from the theoretical open circuit voltage Voc. In view of the performance of the
一般に、カソード側の過電圧としては、カソード活性化過電圧Vca1と、カソード濃度過電圧Vca2とが存在すると考えられる。カソード活性化過電圧Vca1はカソード側での化学反応に要するエネルギーに、カソード濃度過電圧Vca2はカソード側のガス濃度に、それぞれ依存する過電圧である。また、アノード側の過電圧としては、アノード活性化過電圧Van1と、アノード濃度過電圧Van2とが存在すると考えられる。アノード活性化過電圧Van1はアノード側での化学反応に要するエネルギーに、アノード濃度過電圧Van2はアノード側のガス濃度に、それぞれ依存する過電圧である。なお、図4において、理論開回路電圧Vocは発電条件、すなわち、温度、供給ガス圧による補正がなされている。また、燃料電池100各部の膜抵抗を含む抵抗過電圧Vrをカソード側に集約して示している。
In general, it is considered that the cathode activation overvoltage Vca1 and the cathode concentration overvoltage Vca2 exist as the cathode overvoltage. The cathode activation overvoltage Vca1 is an overvoltage that depends on the energy required for the chemical reaction on the cathode side, and the cathode concentration overvoltage Vca2 is an overvoltage that depends on the gas concentration on the cathode side. Further, it is considered that an anode activation overvoltage Van1 and an anode concentration overvoltage Van2 exist as the overvoltage on the anode side. The anode activation overvoltage Van1 is an overvoltage that depends on the energy required for the chemical reaction on the anode side, and the anode concentration overvoltage Van2 is an overvoltage that depends on the gas concentration on the anode side. In FIG. 4, the theoretical open circuit voltage Voc is corrected by power generation conditions, that is, temperature and supply gas pressure. Further, the resistance overvoltage Vr including the membrane resistance of each part of the
カソード分割電極2Bとアノード分割電極3B間の電圧V1と、理論開回路電圧Vocとの差は、固体高分子膜1を介しての燃料クロスオーバーに起因する損失電圧Vcoに対応すると考えられる。
The difference between the voltage V1 between the
本実施形態では、電圧V2がアノード側の過電圧に、電圧V3がカソード側の過電圧に、それぞれ対応しており、アノード側の過電圧とカソード側の過電圧とを分離して測定できる。したがって、性能の管理に必要な情報として、より詳細で有用な情報を得ることができる。 In this embodiment, the voltage V2 corresponds to the anode-side overvoltage and the voltage V3 corresponds to the cathode-side overvoltage, and the anode-side overvoltage and the cathode-side overvoltage can be measured separately. Therefore, more detailed and useful information can be obtained as information necessary for performance management.
これらの過電圧は、燃料電池100の製造後の検査や出荷時検査における評価対象として利用できる。また、過電圧を測定することで、燃料電池の経時変化を調べることもできる。例えば、長期的には、膜劣化などで固体高分子膜1を介する燃料ガスの透過率が高くなり、上記燃料クロスオーバ起因の過電圧Vcoが上昇する。このため、過電圧Vcoの値を、膜の劣化の程度を判断するための管理値として用いることができる。
These overvoltages can be used as evaluation targets in the inspection after manufacturing of the
また、図4に示すように、「V1=V+V2+V3」の関係がある。このため、V,V1,V2,V3の電圧をすべて測定する場合には、測定値を用いた検算をすることができ、測定の信頼性を向上させることができる。 Further, as shown in FIG. 4, there is a relationship of “V1 = V + V2 + V3”. For this reason, when all the voltages V, V1, V2, and V3 are measured, it is possible to perform a verification using the measured values, and to improve the reliability of the measurement.
電気的インピーダンスの測定結果を等価回路モデルフィッティングすることで、アノード側の活性化過電圧、濃度過電圧、膜抵抗過電圧、カソード側の活性化過電圧、濃度過電圧の分離が可能になる。このモデル化により燃料電池の各要素(拡散層、触媒層、膜)と各過電圧を関係付けることができ、性能向上のための設計フィードバックが可能になる。また、出荷時の合否判断において理想(設計)モデルとの比較、差分管理が要素毎に可能となる。経時劣化評価においては初期等価回路定数の変化を指標とすることができる。 By fitting the measurement result of the electrical impedance to an equivalent circuit model, it becomes possible to separate the activation overvoltage, concentration overvoltage, membrane resistance overvoltage, activation overvoltage on the cathode side, and concentration overvoltage on the anode side. By this modeling, each overvoltage can be related to each element (diffusion layer, catalyst layer, membrane) of the fuel cell, and design feedback for performance improvement becomes possible. Further, comparison with an ideal (design) model and difference management are possible for each element in pass / fail judgment at the time of shipment. In the evaluation of deterioration over time, a change in the initial equivalent circuit constant can be used as an index.
図5は、燃料電池100の電気的特性を測定する測定装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a measurement apparatus that measures the electrical characteristics of the
図5に示すように、測定装置70は、上記電圧V,V1,V2,V3を取得する計測部71と、計測部71を介して得られた電圧値に基づく演算を実行する演算部72と、計測部71により取得した電圧値あるいは演算部72における演算結果を出力する出力部73と、計測部71、演算部72、出力部73および上記電子負荷5を制御する制御部74とを備える。
As shown in FIG. 5, the measuring
図6は測定装置70の動作手順を示すフローチャートである。この手順は制御部74の制御に基づいて実行される。
FIG. 6 is a flowchart showing an operation procedure of the measuring
図6のステップS11〜ステップS23は、交流成分の測定手順を示している。 Steps S11 to S23 in FIG. 6 show the AC component measurement procedure.
図6のステップS11では、電子負荷5を制御して所定の直流電流の負荷をカソード本電極2Aとアノード本電極3A間に与える。次に、ステップS12では計測部71により上記電圧V,V1,V2,V3、電流値Aを取得する。
In step S11 of FIG. 6, the
次に、ステップS13では、演算部72において、取得された電圧V,V1,V2,V3を用いて検算を行い、正常な測定が実行されているか否か判断する。判断が肯定されればステップS14へ進み、判断が否定されればステップS12へ戻って電圧V,V1,V2,V3を再度取得する。
Next, in step S13, the
ステップS14では、出力部73を介して、取得された電圧V,V1,V2,V3、電流値Aのデータを出力若しくは記憶する。出力若しくは記憶された電圧V1若しくはV+V2+V3を用いることで、図3で示した燃料クロスオーバーに起因する損失電圧Vco(Vcoはアノードのガス温度、ガス圧力、カソードのガス温度、ガス圧力によって補正された理論VocからV1(或いは、V+V2+V3)を引くことで求められる)を算出することができる。
In step S14, the acquired data of the voltages V, V1, V2, V3, and the current value A are output or stored via the
ステップS15では負荷に所望の振幅、周波数の交流電流を重畳し、ステップS16では上記電圧V,V1,V2,V3、電流値の波形を取得する。ステップS17ではインピーダンス演算を行う。 In step S15, an alternating current having a desired amplitude and frequency is superimposed on the load. In step S16, the waveforms of the voltages V, V1, V2, V3 and current values are acquired. In step S17, impedance calculation is performed.
次に、ステップS18では、予定されたすべての測定条件、例えば、すべての周波数について測定が終了したか否か判断し、判断が肯定されればステップS20に進み、判断が否定されればステップS19で重畳交流の周波数を変更しステップS15へ戻る Next, in step S18, it is determined whether measurement has been completed for all scheduled measurement conditions, for example, all frequencies. If the determination is affirmative, the process proceeds to step S20, and if the determination is negative, step S19 is performed. To change the frequency of the superimposed alternating current and return to step S15.
次に、ステップS20では、予定されたすべての測定条件が終了したか否か判断し、判断が肯定されれば一連の処理を終了し、判断が否定されればステップS21で直流電流値を変更しステップS11へ戻る。この場合、ステップS19では、次の測定条件に合わせて電子負荷5を制御し、上記の測定手順(ステップS12〜ステップS17)を繰り返す。
Next, in step S20, it is determined whether or not all scheduled measurement conditions have been completed. If the determination is affirmative, the series of processing ends, and if the determination is negative, the direct current value is changed in step S21. The process returns to step S11. In this case, in step S19, the
以上の手順により、カソード本電極2Aとアノード本電極3A間の負荷に加える交流成分の周波数を変化させたときの、電圧V2および電圧V3の応答特性を取得することができる。
With the above procedure, the response characteristics of the voltage V2 and the voltage V3 when the frequency of the AC component applied to the load between the cathode
次に、ステップS22では、演算部72において、電圧V2、電圧V3のインピーダンスの周波数特性から、燃料電池の等価回路モデルのパラメータのフィッティングを行い、ステップS23で結果出力を行う。
Next, in step S22, the
図7は燃料電池の等価回路モデルの一例を示す図である。図7において、並列接続されたコンデンサCca1および抵抗Rca1はカソードの反応インピーダンスに、並列接続されたコンデンサCca2および抵抗Rca2はカソードの拡散インピーダンスに、並列接続されたコンデンサCan1および抵抗Ran1はアノードの反応インピーダンスに、並列接続されたコンデンサCan2および抵抗Ran2はアノードの拡散インピーダンスに、それぞれ対応する。また、抵抗Rirは固体高分子膜1の抵抗値に対応する。
FIG. 7 is a diagram showing an example of an equivalent circuit model of a fuel cell. In FIG. 7, the capacitor Cca1 and resistor Rca1 connected in parallel are the cathode reaction impedance, the capacitor Cca2 and resistor Rca2 connected in parallel are the diffusion impedance of the cathode, and the capacitor Can1 and resistor Ran1 connected in parallel are the anode reaction impedance. The capacitor Can2 and the resistor Ran2 connected in parallel correspond to the diffusion impedance of the anode, respectively. The resistance Rir corresponds to the resistance value of the
図3に示したカソード活性化過電圧Vca1、カソード濃度過電圧Vca2、アノード活性化過電圧Van1、アノード濃度過電圧Van2および抵抗過電圧Vrは、ぞれぞれ、カソードの反応インピーダンス、カソードの拡散インピーダンス、アノードの反応インピーダンス、アノードの拡散インピーダンスおよび抵抗Rirに基づき発生する。 The cathode activation overvoltage Vca1, the cathode concentration overvoltage Vca2, the anode activation overvoltage Van1, the anode concentration overvoltage Van2, and the resistance overvoltage Vr shown in FIG. 3 are the cathode reaction impedance, cathode diffusion impedance, and anode reaction, respectively. Generated based on impedance, anode diffusion impedance and resistance Rir.
ステップS22では、これらのコンデンサの容量および抵抗の抵抗値を電流と電圧V2(或いは、電圧V3)の位相関係、ゲイン関係によりフィッティングする。本実施形態では、カソード側の過電圧を電圧V3として、アノード側の過電圧を電圧V2として、それぞれ取得することができる。このため、カソードの反応インピーダンスおよびカソードの拡散インピーダンスに対応する容量および抵抗値は電圧V3と電流の位相とゲインの関係に基づき、アノードの反応インピーダンスおよびアノードの拡散インピーダンスに対応する容量および抵抗値は電圧V2と電流の位相とゲインの関係に基づき、それぞれ独立して算出する。したがって、燃料電池の過電圧をアノード、カソードに分離して算出することが可能になる。 In step S22, the capacities of these capacitors and the resistance values of the resistors are fitted according to the phase relationship and gain relationship between the current and voltage V2 (or voltage V3). In this embodiment, the cathode-side overvoltage can be acquired as the voltage V3, and the anode-side overvoltage can be acquired as the voltage V2. Therefore, the capacitance and resistance values corresponding to the cathode reaction impedance and the cathode diffusion impedance are based on the relationship between the voltage V3 and the phase and gain of the current, and the capacitance and resistance values corresponding to the anode reaction impedance and the anode diffusion impedance are Based on the relationship between the voltage V2, the phase of the current, and the gain, each is calculated independently. Therefore, the overvoltage of the fuel cell can be calculated separately for the anode and the cathode.
次に、ステップS23では、フィッティングによる算出結果を、出力部74を介して出力し、一連の手順を終了する。
Next, in step S23, the calculation result by fitting is output via the
本実施例ではアノード拡散インピーダンスを組み込んだ等価回路モデルを用いるので、アノード拡散インピーダンスの影響が正確に反映された等価回路を得ることができる。とくに、電流密度が大きな領域でも、実際の燃料電池の挙動を正確に示すことができる。 In this embodiment, an equivalent circuit model incorporating the anode diffusion impedance is used, so that an equivalent circuit in which the influence of the anode diffusion impedance is accurately reflected can be obtained. In particular, the actual behavior of the fuel cell can be accurately shown even in a region where the current density is large.
また、本実施例では、カソード側の過電圧を電圧V3として、アノード側の過電圧を電圧V2として、それぞれ取得することができる。このため、カソードの反応インピーダンスおよびカソードの拡散インピーダンスに対応する容量および抵抗値は電圧V3に基づき、アノードの反応インピーダンスおよびアノードの拡散インピーダンスに対応する容量および抵抗値は電圧V2に基づき、それぞれ独立して算出される。したがって、これらの容量および抵抗値を正確に算出することが可能となる。 In the present embodiment, the cathode-side overvoltage can be acquired as the voltage V3, and the anode-side overvoltage can be acquired as the voltage V2. For this reason, the capacitance and resistance values corresponding to the cathode reaction impedance and the cathode diffusion impedance are based on the voltage V3, and the capacitance and resistance values corresponding to the anode reaction impedance and the anode diffusion impedance are based on the voltage V2 and are independent of each other. Is calculated. Therefore, it is possible to accurately calculate these capacitance and resistance values.
上記実施例1では、カソード側の過電圧とアノード側の過電圧とを分離して測定する例を示した。しかし、本発明はカソード側およびアノード側の過電圧を併せて測定する場合も適用可能である。 In the first embodiment, an example in which the cathode-side overvoltage and the anode-side overvoltage are measured separately is shown. However, the present invention is also applicable to the case where the overvoltages on the cathode side and the anode side are measured together.
図8に示すように、分割電極が設けられていないカソード電極102とアノード電極103間に電子負荷5を接続し、負荷電流に交流を重畳させたときのカソード電極102とアノード電極103間の電圧Vについて周波数応答を測定することができる。この場合、測定された電圧Vの周波数応答に基づいて、図1(a)あるいは図1(b)の等価回路モデルのパラメータをフィッティングすればよい。
As shown in FIG. 8, the voltage between the
ただし、この方法では、カソード側の過電圧とアノード側の過電圧とを分離して測定することができない。このため、実施例1に比べ、各パラメータの値を正確に算出することが困難となる。 However, with this method, it is impossible to measure the cathode-side overvoltage and the anode-side overvoltage separately. For this reason, it is difficult to accurately calculate the value of each parameter compared to the first embodiment.
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、固体高分子型燃料電池に対する電気的特性の測定に限らず、すべての燃料電池に対する測定について広く適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention is not limited to the measurement of electrical characteristics for a polymer electrolyte fuel cell, and can be widely applied to the measurement for all fuel cells.
1 固体高分子膜
2A カソード本電極
2B カソード分割電極
3A アノード本電極
3B アノード分割電極
5 電子負荷(負荷)
70 測定装置(特性評価装置)
71 計測部(計測手段)
72 演算部(フィッティング手段)
100 燃料電池
DESCRIPTION OF
70 Measuring device (characteristic evaluation device)
71 Measuring unit (measuring means)
72 Calculation unit (fitting means)
100 Fuel cell
Claims (12)
前記等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むことを特徴とする燃料電池の特性評価方法。 In the fuel cell characteristics evaluation method for evaluating the electrical characteristics of the fuel cell by fitting to an equivalent circuit model,
A method for evaluating the characteristics of a fuel cell, comprising incorporating an anode diffusion impedance into the equivalent circuit model.
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に負荷を接続し、前記負荷に流れる電流に交流成分を重畳させるステップと、
前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に負荷を接続した状態で前記アノード本電極と前記アノード分割電極の間の前記負荷電流に対する電圧の周波数応答を測定するステップと、
測定された前記負荷電流と電圧に基づいて前記等価回路モデルのパラメータをフィッティングするステップと、
を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池の特性評価方法。 A cathode electrode and an anode electrode are disposed to face each other, the cathode electrode is divided into a cathode main electrode and a cathode divided electrode, the anode electrode is divided into an anode main electrode and an anode divided electrode, and the cathode divided electrode and the cathode divided electrode Prepare a fuel cell in which anode split electrodes are arranged opposite to each other in the same region,
Connecting a load between the cathode main electrode and the anode main electrode, and superimposing an AC component on the current flowing through the load;
Measuring a frequency response of a voltage to the load current between the anode main electrode and the anode split electrode with a load connected between the cathode main electrode and the anode main electrode;
Fitting parameters of the equivalent circuit model based on the measured load current and voltage;
5. The fuel cell characteristic evaluation method according to claim 1, comprising:
負荷の電流に対する燃料電池の周波数応答を計測する計測手段と、
計測された前記周波数応答に基づいて等価回路モデルのパラメータをフィッティングするフィッティング手段と、
を備える特性評価装置において、
前記等価回路モデルに、アノード拡散インピーダンスを組み込むことを特徴とする燃料電池の特性評価装置。 Load control means for superimposing an AC component on the current of the load connected to the fuel cell;
Measuring means for measuring the frequency response of the fuel cell to the load current;
Fitting means for fitting parameters of an equivalent circuit model based on the measured frequency response;
In a characteristic evaluation apparatus comprising:
An apparatus for evaluating characteristics of a fuel cell, wherein an anode diffusion impedance is incorporated in the equivalent circuit model.
前記負荷制御手段は、前記カソード本電極と前記アノード本電極の間に接続された負荷に流れる電流に交流成分を重畳させ、
前記計測手段は、前記アノード本電極と前記アノード分割電極の間の前記負荷電流に対する電圧の周波数応答を測定することを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の燃料電池の特性評価装置。 In the fuel cell, a cathode electrode and an anode electrode are arranged to face each other, the cathode electrode is divided into a cathode main electrode and a cathode divided electrode, the anode electrode is divided into an anode main electrode and an anode divided electrode, The cathode split electrode and the anode split electrode are arranged to face each other in the same region,
The load control means superimposes an alternating current component on a current flowing in a load connected between the cathode main electrode and the anode main electrode,
11. The fuel cell characteristic according to claim 7, wherein the measuring unit measures a frequency response of a voltage with respect to the load current between the anode main electrode and the anode split electrode. Evaluation device.
12. The fuel cell characteristic evaluation apparatus according to claim 7, wherein the fuel cell is a solid polymer membrane fuel cell.
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