JP2010262896A - Evaluation method of fuel cell, manufacturing method of fuel cell, and evaluation device of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To quantitatively evaluate summed resistance including an interface resistance between an electrolyte membrane and an electrode. <P>SOLUTION: A fuel cell equipped with a membrane-electrode assembly in which a first electrode is arranged at one face of the electrolyte membrane and a second electrode is arranged at the other face, is prepared. An evaluation method of the fuel cell includes a pre-evaluation process to introduce inert gas into the first electrode, a measuring process to measure an alternate-current impedance in a state in which the inert gas is introduced while varying frequency, of the membrane-electrode assembly, a first calculation process to obtain alternate-current impedance characteristics about a prescribed frequency range based on the alternate-current impedance for each frequency measured by the measurement process, and a second calculation process to obtain the prescribed summed resistance at least including a resistance of the electrolyte membrane and the interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode by fitting a prescribed alternate-current impedance to an equivalent circuit equipped with Warburg impedance. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池を評価する技術、または、燃料電池を製造する技術に関する。   The present invention relates to a technique for evaluating a fuel cell or a technique for manufacturing a fuel cell.

従来、燃料電池が知られている。燃料電池は、電解質膜の両面に電極が配置される膜電極接合体を備える。一方の電極に酸素を含む酸化ガス(例えば、空気)を供給し、他方の電極に燃料ガス(例えば、水素)を供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接的に電気エネルギを取り出すことができる。   Conventionally, a fuel cell is known. The fuel cell includes a membrane electrode assembly in which electrodes are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane. By supplying an oxidizing gas (for example, air) containing oxygen to one electrode and supplying a fuel gas (for example, hydrogen) to the other electrode, the hydrogen and oxygen are reacted electrochemically and directly. Electrical energy can be extracted.

燃料電池を検査・評価するものとして、交流インピーダンス法が提案されている(下記特許文献1参照)。   An AC impedance method has been proposed as a method for inspecting and evaluating fuel cells (see Patent Document 1 below).

特開2005−071882号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-071882

しかしながら、前記従来の技術では、燃料電池の良否を判定するだけで、燃料電池の状態を定量的に評価することができなかった。特に、電解質膜と電極との間の界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に評価することができないという問題があった。   However, in the conventional technique, it is impossible to quantitatively evaluate the state of the fuel cell only by determining whether the fuel cell is good or bad. In particular, there has been a problem that the combined resistance including the interface resistance between the electrolyte membrane and the electrode cannot be quantitatively evaluated.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、電解質膜と電極との間の界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に評価可能とすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to quantitatively evaluate a combined resistance including an interface resistance between an electrolyte membrane and an electrode.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1] 燃料電池の評価方法であって、電解質膜の一方の面に第1電極が配置され、前記電解質膜の他方の面に第2電極が配置される膜電極接合体を備える燃料電池を用意し、前記第1電極に不活性ガスを導入する評価前工程と、前記不活性ガスが導入された状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定工程と、前記測定工程により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を求める第1の演算工程と、ワールブルグインピーダンスを備える等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求める第2の演算工程とを備える燃料電池の評価方法。 Application Example 1 A fuel cell evaluation method, comprising a membrane electrode assembly in which a first electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane and a second electrode is disposed on the other surface of the electrolyte membrane. Preparation of a battery, and a pre-evaluation process for introducing an inert gas into the first electrode, and a measurement for measuring the AC impedance of the membrane electrode assembly while changing the frequency in a state where the inert gas is introduced And a first calculation step for obtaining an AC impedance characteristic for a predetermined frequency range based on the AC impedance for each frequency measured in the measurement step, and fitting the AC impedance characteristic to an equivalent circuit having a Warburg impedance A predetermined total resistance including at least the resistance of the electrolyte membrane and the interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode. Evaluation method for a fuel cell and a second calculation step of calculating.

上記構成の燃料電池の評価方法によれば、測定した周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を求め、ワールブルグインピーダンスを備える等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求めることができる。したがって、上記界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に評価することができる。   According to the evaluation method of the fuel cell having the above-described configuration, the AC impedance characteristic for a predetermined frequency range is obtained based on the measured AC impedance for each frequency, and the AC impedance characteristic is fitted to an equivalent circuit having a Warburg impedance. Thus, a predetermined total resistance including at least the resistance of the electrolyte membrane and the interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode can be obtained. Therefore, the total resistance including the interface resistance can be quantitatively evaluated.

[適用例2] 適用例1に記載の燃料電池の評価方法において、前記等価回路は、前記合算抵抗を表す合算抵抗成分と、補正抵抗成分とを備える構成である、燃料電池の評価方法。 Application Example 2 The fuel cell evaluation method according to Application Example 1, wherein the equivalent circuit includes a combined resistance component representing the combined resistance and a correction resistance component.

適用例2に記載の燃料電池の評価方法によれば、等価回路から合算抵抗成分を求めることで、評価を容易に行うことができる。   According to the fuel cell evaluation method described in Application Example 2, the evaluation can be easily performed by obtaining the combined resistance component from the equivalent circuit.

[適用例3] 適用例1または2に記載の燃料電池の評価方法において、前記第1の演算工程は、前記測定工程により測定された各周波数における交流インピーダンスを複素平面に入れ込むプロット工程と、前記プロット工程により得られる各プロット点から複素インピーダンスプロット曲線を求める工程と、前記複素インピーダンスプロット曲線における前記所定の周波数範囲を、前記交流インピーダンス特性として選定する工程とを備える、燃料電池の評価方法。 [Application Example 3] In the fuel cell evaluation method according to Application Example 1 or 2, the first calculation step includes a plotting step of inserting AC impedance at each frequency measured in the measurement step into a complex plane; A fuel cell evaluation method comprising: obtaining a complex impedance plot curve from each plot point obtained by the plotting step; and selecting the predetermined frequency range in the complex impedance plot curve as the AC impedance characteristic.

適用例3に記載の燃料電池の評価方法によれば、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を容易に求めることができる。   According to the fuel cell evaluation method described in Application Example 3, it is possible to easily obtain the AC impedance characteristic for a predetermined frequency range.

[適用例4] 適用例3に記載の燃料電池の評価方法において、前記複素インピーダンスプロット曲線は、前記複素平面の実部軸に対する角度が所定の閾値以下である第1の線分と、該第1の線分より低周波側であって前記複素平面の実部軸に対する角度が所定の閾値以上である第2の線分とを少なくとも含み、前記選定工程は、前記所定の周波数範囲の下限を、前記第1の線分と第2の線分との間の転換点についての周波数として前記選定を行う工程を備える、燃料電池の評価方法。 Application Example 4 In the fuel cell evaluation method according to Application Example 3, the complex impedance plot curve includes a first line segment having an angle with respect to a real part axis of the complex plane being equal to or less than a predetermined threshold, At least a second line segment that is at a lower frequency than the line segment 1 and has an angle with respect to the real part axis of the complex plane that is equal to or greater than a predetermined threshold value, and the selecting step includes a lower limit of the predetermined frequency range A method for evaluating a fuel cell, comprising the step of performing the selection as a frequency for a turning point between the first line segment and the second line segment.

適用例4に記載の燃料電池の評価方法によれば、等価回路に備えられるワールブルグインピーダンスで解析することが困難となる周波数範囲をフィッティングを行う周波数範囲から外すことができる。したがって、合算抵抗を高精度に測定することができる。   According to the fuel cell evaluation method described in Application Example 4, the frequency range in which it is difficult to analyze using the Warburg impedance provided in the equivalent circuit can be excluded from the frequency range in which the fitting is performed. Therefore, the total resistance can be measured with high accuracy.

[適用例5] 適用例3または4に記載の燃料電池の評価方法において、前記選定工程は、前記所定の周波数範囲の上限を、前記複素平面の虚部値が所定の正値となる点についての周波数として前記選定を行う工程を備える、燃料電池の評価方法。 Application Example 5 In the fuel cell evaluation method according to Application Example 3 or 4, in the selection step, the upper limit of the predetermined frequency range is set, and the imaginary part value of the complex plane is a predetermined positive value. A method for evaluating a fuel cell, comprising the step of performing the selection as the frequency of the fuel cell.

適用例5に記載の燃料電池の評価方法によれば、周波数がより高くなった高周波域での測定精度を高めることができる。   According to the fuel cell evaluation method described in Application Example 5, it is possible to increase the measurement accuracy in a high frequency region where the frequency is higher.

[適用例6] 燃料電池の製造方法であって、電解質膜、第1電極、および第2電極を用意する準備工程と、前記電解質膜、第1電極、および第2電極を用いて、所定の製造条件で膜電極接合体を製造する膜電極接合体製造工程と、前記製造された膜電極接合体にガス拡散層およびセパレータを積層することにより燃料電池を製造する燃料電池製造工程と、前記製造された燃料電池に備えられる膜電極接合体の第1電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定工程と、前記測定工程により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて交流インピーダンス特性を求め、等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求める演算工程と、前記演算工程により求めた合算抵抗に基づいて前記製造条件を求め、該求めた製造条件を膜電極接合体製造工程にフィードバックするフィードバック工程とを備える燃料電池の製造方法。 [Application Example 6] A method of manufacturing a fuel cell, wherein a preparation step of preparing an electrolyte membrane, a first electrode, and a second electrode, and a predetermined step using the electrolyte membrane, the first electrode, and the second electrode A membrane electrode assembly manufacturing process for manufacturing a membrane electrode assembly under manufacturing conditions, a fuel cell manufacturing process for manufacturing a fuel cell by stacking a gas diffusion layer and a separator on the manufactured membrane electrode assembly, and the manufacturing A measurement step of measuring the alternating current impedance of the membrane electrode assembly while changing the frequency in a state where an inert gas is introduced into the first electrode of the membrane electrode assembly provided in the fuel cell, and the measurement step By obtaining AC impedance characteristics based on the measured AC impedance for each frequency, and fitting the AC impedance characteristics to an equivalent circuit, the resistance of the electrolyte membrane And a calculation step for obtaining a predetermined total resistance including at least an interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode, and determining the manufacturing condition based on the total resistance determined by the calculation step, A fuel cell manufacturing method comprising a feedback step of feeding back manufacturing conditions to a membrane electrode assembly manufacturing step.

上記構成の記載の燃料電池の製造方法によれば、前記測定工程と前記演算工程により、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗を含む合算抵抗が求められ、その求められた合算抵抗により、膜電極接合体の製造条件が修正される。したがって、界面抵抗が適正となるように膜電極接合体の製造条件を決めることができることから、燃料電池の品質安定性を確保して燃料電池の製造を行うことができる。   According to the fuel cell manufacturing method described in the above configuration, the total resistance including the interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode is obtained by the measurement step and the calculation step, and the obtained sum is obtained. The manufacturing condition of the membrane electrode assembly is corrected by the resistance. Therefore, since the manufacturing conditions of the membrane electrode assembly can be determined so that the interface resistance is appropriate, the fuel cell can be manufactured while ensuring the quality stability of the fuel cell.

[適用例7] 適用例6に記載の燃料電池の製造方法において、前記膜電極接合体製造工程は、前記電解質膜の両面に前記第1電極と第2電極とを配置した積層体をホットプレスする工程を備え、前記製造条件は、前記ホットプレスの温度と圧力についての条件である、燃料電池の製造方法。 [Application Example 7] In the method of manufacturing a fuel cell according to Application Example 6, in the membrane electrode assembly manufacturing process, a laminate in which the first electrode and the second electrode are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane is hot pressed. A method of manufacturing a fuel cell, wherein the manufacturing condition is a condition for the temperature and pressure of the hot press.

適用例7に記載の燃料電池の製造方法によれば、電解質膜に第1電極と第2電極とをホットプレスする際の温度と圧力についての条件を適正に決めることができる。   According to the method for manufacturing a fuel cell described in Application Example 7, the conditions regarding temperature and pressure when hot pressing the first electrode and the second electrode on the electrolyte membrane can be appropriately determined.

[適用例8] 適用例7に記載の燃料電池の製造方法において、前記演算工程は、前記フィッティングを、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を用いて行う工程を備え、前記等価回路は、ワールブルグインピーダンスを備える構成である、燃料電池の製造方法。 Application Example 8 In the method of manufacturing a fuel cell according to Application Example 7, the calculation step includes a step of performing the fitting using an AC impedance characteristic for a predetermined frequency range, and the equivalent circuit includes a Warburg A method for manufacturing a fuel cell, comprising an impedance.

適用例8に記載の燃料電池の製造方法によれば、適用例1に記載の燃料電池の評価方法と同様に、界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に評価することができることから、燃料電池の品質安定性をより確保することができる。   According to the fuel cell manufacturing method described in Application Example 8, as in the fuel cell evaluation method described in Application Example 1, the total resistance including the interface resistance can be quantitatively evaluated. Quality stability can be further secured.

[適用例9] 電解質膜の一方の面に第1電極が配置され、前記電解質膜の他方の面に第2電極が配置される膜電極接合体を備える燃料電池を評価する燃料電池の評価装置であって、前記第1電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定部と、前記測定部により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を求める第1の演算部と、ワールブルグインピーダンスを備える等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求める第2の演算部とを備える燃料電池の評価装置。 Application Example 9 A fuel cell evaluation apparatus for evaluating a fuel cell including a membrane electrode assembly in which a first electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane and a second electrode is disposed on the other surface of the electrolyte membrane. In the state where an inert gas is introduced into the first electrode, a measurement unit that measures the AC impedance of the membrane electrode assembly while changing the frequency, and an AC for each frequency measured by the measurement unit. A first arithmetic unit that obtains an AC impedance characteristic for a predetermined frequency range based on the impedance; and fitting the AC impedance characteristic to an equivalent circuit having a Warburg impedance, thereby providing resistance of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane And a second arithmetic unit for obtaining a predetermined total resistance including at least an interface resistance between the first electrode and the first electrode. .

上記構成の燃料電池の評価装置によれば、適用例1に記載の燃料電池の評価方法と同様に、界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に評価することができる。   According to the fuel cell evaluation apparatus configured as described above, the combined resistance including the interface resistance can be quantitatively evaluated in the same manner as the fuel cell evaluation method described in Application Example 1.

なお、前記燃料電池の製造方法は、装置発明としての態様で実現することも可能である。さらには、前記燃料電池の評価方法および燃料電池の製造方法を実行するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。   In addition, the manufacturing method of the said fuel cell can also be implement | achieved with the aspect as an apparatus invention. Further, an aspect as a computer program for executing the fuel cell evaluation method and the fuel cell manufacturing method, an aspect as a recording medium in which such a computer program is recorded, and a carrier including the computer program in a carrier wave It can also be realized in various forms such as an embodied data signal.

また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、本発明の各工程を実行する装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の各工程を実行する部分のみを構成するものとしてもよい。   Further, when the present invention is configured as a computer program or a recording medium on which the program is recorded, the program may be configured as an entire program for controlling the operation of an apparatus that executes each step of the present invention. Only the part that executes each step may be configured.

本発明の第1実施例としての燃料電池評価装置10の概略構成を燃料電池NDとともに示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell evaluation apparatus 10 as 1st Example of this invention with the fuel cell ND. 燃料電池セルCLの概略構成を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing schematic structure of the fuel cell CL. 燃料電池評価装置10で実行される燃料電池セル評価処理を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a fuel cell evaluation process executed by the fuel cell evaluation device 10. 燃料電池NDのサイクリックボルタモグラムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cyclic voltammogram of the fuel cell ND. 複素インピーダンスプロット曲線Vを示すグラフである。5 is a graph showing a complex impedance plot curve V. 等価回路E1の回路構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circuit structure of the equivalent circuit E1. 第1実施例における燃料電池セルCLの製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the fuel cell CL in 1st Example. 第2実施例で用いる燃料電池評価装置10と燃料電池セルCLとの接続の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the connection of the fuel cell evaluation apparatus 10 and fuel cell CL which are used in 2nd Example. MEA化条件(温度圧力)と合算抵抗との関係を示す表TLについての図である。It is a figure about the table | surface TL which shows the relationship between MEA-ized conditions (temperature pressure) and total resistance. 第3実施例の製造方法で使用される燃料電池評価装置において実行される燃料電池セル評価処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the fuel cell evaluation process performed in the fuel cell evaluation apparatus used with the manufacturing method of 3rd Example. 第3実施例で用いられる等価回路E2の回路構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circuit structure of the equivalent circuit E2 used in 3rd Example.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.

A.第1実施例:
A1.燃料電池評価装置のハードウェア構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池評価装置10の概略構成を燃料電池NDとともに示す説明図である。図示するように、燃料電池評価装置(以下、単に「評価装置」とも呼ぶ)10は、2組の配線20、30により燃料電池NDと接続されている。
A. First embodiment:
A1. Hardware configuration of fuel cell evaluation system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell evaluation apparatus 10 as a first embodiment of the present invention together with a fuel cell ND. As shown in the figure, a fuel cell evaluation device (hereinafter also simply referred to as “evaluation device”) 10 is connected to a fuel cell ND by two sets of wires 20 and 30.

評価装置10は、第1の配線20を介して燃料電池NDに交流電流を流し、第2の配線30を介して燃料電池NDの交流インピーダンスを測定し、その測定の結果から、燃料電池NDにおける後述の燃料電池セルCLの内部状態を評価する。   The evaluation device 10 sends an alternating current to the fuel cell ND via the first wiring 20 and measures the alternating current impedance of the fuel cell ND via the second wiring 30. From the result of the measurement, the evaluation device 10 An internal state of a fuel cell CL described later is evaluated.

評価装置10は、CPU12、ROM14、RAM16、入出力制御部18、および表示部19等を備えている。CPU12は、ROM14に予め記憶されたプログラムに従う処理を実行することにより、測定部12a、第1の演算部12b、および第2の演算部12cとしての各機能を実現する。これら機能を実現することで、上述した燃料電池セルCLの内部状態の評価が行われる。評価結果は、入出力制御部18を介して表示部19に表示される。なお、表示部19による表示に換えて、評価結果を音声等、別の手法で報知する構成としてもよい。   The evaluation device 10 includes a CPU 12, a ROM 14, a RAM 16, an input / output control unit 18, a display unit 19, and the like. CPU12 implement | achieves each function as the measurement part 12a, the 1st calculating part 12b, and the 2nd calculating part 12c by performing the process according to the program previously memorize | stored in ROM14. By realizing these functions, the internal state of the fuel cell CL described above is evaluated. The evaluation result is displayed on the display unit 19 via the input / output control unit 18. In addition, it is good also as a structure which replaces with the display by the display part 19 and alert | reports an evaluation result by another methods, such as an audio | voice.

燃料電池NDは、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガス(例えば、空気)と、燃料ガス(例えば、水素)とを用いて、発電を行う。燃料電池NDは、複数の燃料電池セルCLと、2つのエンドプレートEPと、2つのターミナルTMと、を備えている。燃料電池セルCLは、ターミナルTMを挟んで、2つのエンドプレートEPによって挟持される。すなわち、燃料電池NDは、燃料電池セルCLが、複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池NDは、テンションプレート(図示せず)がボルト(図示せず)によって各エンドプレートEPに結合されることによって、各燃料電池セルCLを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、燃料電池NDにおいて、ターミナルTMとエンドプレートEPとの間に、絶縁を確保するためインシュレータを備えていても良い。   The fuel cell ND is a polymer electrolyte fuel cell, and generates power using an oxidizing gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen). The fuel cell ND includes a plurality of fuel cells CL, two end plates EP, and two terminals TM. The fuel cell CL is sandwiched between two end plates EP with the terminal TM interposed therebetween. That is, the fuel cell ND has a layered structure in which a plurality of fuel cells CL are stacked. The fuel cell ND has a structure in which each tension plate (not shown) is coupled to each end plate EP by bolts (not shown) to fasten the fuel cells CL with a predetermined force in the stacking direction. It has become. In the fuel cell ND, an insulator may be provided between the terminal TM and the end plate EP to ensure insulation.

図2は、燃料電池セルCLの概略構成を表わす説明図である。燃料電池セルCLは、膜電極接合体(以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ)50と、ガス拡散層60、70と、セパレータ80、90と、シール部材110とを備える。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel battery cell CL. The fuel cell CL includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly)) 50, gas diffusion layers 60 and 70, separators 80 and 90, and a seal member 110.

MEA50は、電解質膜51と、電解質膜51の一方の面に配置されるカソード52と、電解質膜51の他方の面に配置されるアノード53とにより構成される。カソード52が適用例1における「第1電極」に相当し、アノード53が適用例1における「第2電極」に相当する。   The MEA 50 includes an electrolyte membrane 51, a cathode 52 disposed on one surface of the electrolyte membrane 51, and an anode 53 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 51. The cathode 52 corresponds to the “first electrode” in Application Example 1, and the anode 53 corresponds to the “second electrode” in Application Example 1.

電解質膜51は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜51は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。   The electrolyte membrane 51 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin that is a solid polymer material, and exhibits good proton conductivity in a wet state. The electrolyte membrane 51 is not limited to the fluorine resin, and may be composed of, for example, a hydrocarbon resin.

カソード52およびアノード53は、触媒金属(例えば、白金(Pt))を担持した担体(例えば、カーボン)と、電解質(例えば、フッ素系樹脂)とから構成される。なお、カソード52およびアノード53に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。   The cathode 52 and the anode 53 are composed of a carrier (for example, carbon) supporting a catalyst metal (for example, platinum (Pt)) and an electrolyte (for example, a fluorine resin). In addition, the electrolyte contained in the cathode 52 and the anode 53 is not limited to the fluorine-based resin, and may be composed of, for example, a hydrocarbon-based resin.

ガス拡散層60はMEA50の一方の面に配置され、ガス拡散層70はMEA50の他方の面に配置される。各ガス拡散層60、705は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。   The gas diffusion layer 60 is disposed on one surface of the MEA 50, and the gas diffusion layer 70 is disposed on the other surface of the MEA 50. Each of the gas diffusion layers 60 and 705 is a carbon porous member having conductivity, and is formed of, for example, carbon cloth or carbon paper.

燃料電池セルCLにおいて各部材を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。積層方向は、燃料電池セルCLの各部材の厚さ方向と同一の方向である。   A direction in which the members are stacked in the fuel cell CL is also referred to as a stacking direction. The stacking direction is the same direction as the thickness direction of each member of the fuel cell CL.

セパレータ80、90は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ80は、片面において凸部82aと凹部82bとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ80において、凸部82aは、ガス拡散層60(カソード52または電解質膜51)を押圧し、凹部82bは、ガス拡散層60との間にガス拡散層60(カソード52)に対して酸化ガスを給排するためセル内流路82を形成する。また、セパレータ90は、片面において凸部92aと凹部92bとが交互に形成された凹凸形状を有している。セパレータ90において、凸部92aは、ガス拡散層70(アノード53または電解質膜51)を押圧し、凹部92bは、ガス拡散層70との間にガス拡散層70(アノード53)に対して燃料ガスを給排するためセル内流路92を形成する。   The separators 80 and 90 can be formed of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon, or a press-molded metal plate. The separator 80 has an uneven shape in which convex portions 82a and concave portions 82b are alternately formed on one side. In the separator 80, the convex portion 82 a presses the gas diffusion layer 60 (the cathode 52 or the electrolyte membrane 51), and the concave portion 82 b is between the gas diffusion layer 60 and the gas diffusion layer 60 (cathode 52). An in-cell flow path 82 is formed to supply and discharge oxidizing gas. The separator 90 has an uneven shape in which convex portions 92a and concave portions 92b are alternately formed on one surface. In the separator 90, the convex portion 92 a presses the gas diffusion layer 70 (the anode 53 or the electrolyte membrane 51), and the concave portion 92 b is between the gas diffusion layer 70 and the fuel gas with respect to the gas diffusion layer 70 (anode 53). In-cell flow path 92 is formed to supply and discharge the gas.

各セパレータ80、90は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部103〜106を備えている。各セパレータ80、90を、MEA50およびガス拡散層60、70と共に積層して燃料電池NDを組み立てると、積層された各セパレータ80、90の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池ND内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部103は、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部104は、酸化ガス排出マニホールドを形成し、孔部105は、燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部106は、燃料ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、セル内流路82に酸化ガスを導入するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、セル内流路82から酸化ガスを排出するための流路である。燃料ガス供給マニホールドは、セル内流路92に燃料ガスを導入するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、セル内流路92から燃料ガスを排出すための流路である。   Each separator 80, 90 includes holes 103 to 106 at positions corresponding to each other near the outer periphery thereof. When the separators 80 and 90 are stacked together with the MEA 50 and the gas diffusion layers 60 and 70 to assemble the fuel cell ND, the holes provided in the corresponding positions of the stacked separators 80 and 90 overlap each other, A flow path penetrating the inside of the fuel cell ND is formed in the stacking direction. Specifically, the hole 103 forms an oxidizing gas supply manifold, the hole 104 forms an oxidizing gas discharge manifold, the hole 105 forms a fuel gas supply manifold, and the hole 106 is a fuel. A gas exhaust manifold is formed. The oxidizing gas supply manifold is a channel for introducing oxidizing gas into the in-cell channel 82, and the oxidizing gas discharge manifold is a channel for discharging oxidizing gas from the in-cell channel 82. The fuel gas supply manifold is a flow path for introducing fuel gas into the in-cell flow path 92, and the fuel gas discharge manifold is a flow path for discharging fuel gas from the in-cell flow path 92.

シール部材110は、燃料電池セルCLにおいて、セル内流路82、セル内流路92、および上記各マニホールド周辺に配設され、セル内流路82、セル内流路92、および上記各マニホールドのガスシール性を確保する。   In the fuel cell CL, the seal member 110 is disposed around the in-cell flow path 82, the in-cell flow path 92, and the respective manifolds, and the in-cell flow path 82, the in-cell flow path 92, and the respective manifolds. Ensure gas seal.

評価装置10は、第1の配線20を介して、ターミナルTMに接続されると共に、第2の配線30を介して、内部状態を評価(検査)したい燃料電池セル(以下では、検査対象燃料電池セルとも呼ぶ)CLのセパレータ80およびセパレータ90に接続される。評価装置10のCPU12は、以下に示す燃料電池セル評価処理を実行する。なお、燃料電池セル評価処理は、ROM14に格納されたプログラムにより記述される処理ルーチンである。   The evaluation device 10 is connected to the terminal TM via the first wiring 20 and is a fuel cell (hereinafter referred to as an inspection target fuel cell) whose internal state is to be evaluated (inspected) via the second wiring 30. (Also referred to as a cell) is connected to a separator 80 and a separator 90 of CL. CPU12 of the evaluation apparatus 10 performs the fuel cell evaluation process shown below. The fuel cell evaluation process is a process routine described by a program stored in the ROM 14.

A2.燃料電池評価装置のソフトウェア構成:
図3は、評価装置10で実行される燃料電池セル評価処理を示すフローチャートである。この燃料電池セル評価処理は、検査対象燃料電池セルCLにおける内部状態(後述する合算抵抗)を評価(検査)するための処理である。
A2. Software configuration of fuel cell evaluation system:
FIG. 3 is a flowchart showing a fuel cell evaluation process executed by the evaluation apparatus 10. This fuel cell evaluation process is a process for evaluating (inspecting) an internal state (total resistance described later) in the fuel cell CL to be inspected.

なお、この燃料電池セル評価処理を実行するに先立ち、燃料電池NDには、以下の処理が施されている(評価前工程)。すなわち、燃料電池NDにおいて、燃料ガス供給マニホールドから活性ガスとしての水素を導入し、酸化ガス供給マニホールドから不活性ガスとしての窒素(あるいはアルゴン等)を導入し、各マニホールドを封止する。その結果、検査対象燃料電池セルCLにおいて、アノード53に水素が封入され、カソード52に窒素が封入された状態となっている。また、燃料電池NDに導入する水素および窒素は、相対湿度が、0.1〜60%の範囲内である低湿度なガスを用いている。この場合、水素および窒素は、相対湿度が、10〜20%の範囲内であることが特に好ましい。さらに、この燃料電池セル評価処理は、燃料電池NDの温度が、90℃程度の高温状態で行う。   Prior to executing the fuel cell evaluation process, the fuel cell ND is subjected to the following process (pre-evaluation step). That is, in the fuel cell ND, hydrogen as an active gas is introduced from the fuel gas supply manifold, nitrogen (or argon or the like) as an inert gas is introduced from the oxidizing gas supply manifold, and each manifold is sealed. As a result, in the fuel cell CL to be inspected, the anode 53 is sealed with hydrogen and the cathode 52 is sealed with nitrogen. The hydrogen and nitrogen introduced into the fuel cell ND use a low-humidity gas whose relative humidity is in the range of 0.1 to 60%. In this case, the relative humidity of hydrogen and nitrogen is particularly preferably in the range of 10 to 20%. Further, the fuel cell evaluation process is performed in a high temperature state where the temperature of the fuel cell ND is about 90 ° C.

図3に示すように、評価装置10のCPU12は、処理が開始されると、まず、燃料電池NDに周波数を所定間隔で変化させつつ、交流電流を流し、各周波数において検査対象燃料電池セルCL(具体的には、検査対象燃料電池セルCLのMEA50と各ガス拡散層60、70の接合体)の交流インピーダンスを検出(測定)する(ステップS110)。   As shown in FIG. 3, when the processing is started, the CPU 12 of the evaluation apparatus 10 first causes an alternating current to flow through the fuel cell ND while changing the frequency at a predetermined interval, and inspects the target fuel cell CL at each frequency. Specifically, the AC impedance of the MEA 50 of the fuel cell CL to be inspected and the joined body of the gas diffusion layers 60 and 70 is detected (measured) (step S110).

図4は、燃料電池NDのサイクリックボルタモグラムを示す説明図である。縦軸が電流値[A]を示し、横軸が電圧[V]を示す。サイクリックボルタモグラムは、電流−電圧曲線として示される。図中の1点鎖線で示した領域が、電気2重層領域(約0.3〜0.5V)である。ステップS110の処理においては、図4に示す電気2重層領域(約0.3〜0.5V)内の電圧を印加し、電気2重層領域内の電流値でもって交流電流を供給する。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a cyclic voltammogram of the fuel cell ND. The vertical axis represents the current value [A], and the horizontal axis represents the voltage [V]. The cyclic voltammogram is shown as a current-voltage curve. A region indicated by a one-dot chain line in the figure is an electric double layer region (about 0.3 to 0.5 V). In the process of step S110, a voltage in the electric double layer region (about 0.3 to 0.5 V) shown in FIG. 4 is applied, and an alternating current is supplied with a current value in the electric double layer region.

図3に戻って、ステップS110の実行後、CPU12は、ステップS110で検出した交流インピーダンスに基づいて、検査対象燃料電池セルCLについての複素インピーダンスプロット曲線Vを算出する(ステップS120)。複素インピーダンスプロット曲線は、単に「複素インピーダンスプロット」と呼ばれることもあり、また、「コール・コールプロット」とも呼ばれる。複素インピーダンスプロット曲線Vは、次の通りのものである。   Returning to FIG. 3, after execution of step S110, the CPU 12 calculates a complex impedance plot curve V for the fuel cell CL to be inspected based on the AC impedance detected in step S110 (step S120). The complex impedance plot curve is sometimes simply referred to as “complex impedance plot”, and is also referred to as “Cole-Cole plot”. The complex impedance plot curve V is as follows.

図5は、複素インピーダンスプロット曲線Vを示すグラフである。図5において、縦軸は、交流インピーダンスの虚部値Z2を表しており、以下では「虚部軸」とも呼び、横軸は、交流インピーダンスの実部値Z1を表しており、以下では「実部軸」とも呼ぶ。複素インピーダンスプロット曲線Vは、虚部軸と実部軸とで形成される平面(以下では「複素平面」とも呼ぶ)上に、ステップS110で検出された各周波数における交流インピーダンスを入れ込み(プロットし)、それら入れ込んだ点(プロット点)に基づいて作成される曲線(近似曲線)である。   FIG. 5 is a graph showing a complex impedance plot curve V. In FIG. 5, the vertical axis represents the imaginary part value Z2 of the AC impedance, and is hereinafter also referred to as “imaginary part axis”, and the horizontal axis represents the real part value Z1 of the AC impedance. Also called “partial axis”. The complex impedance plot curve V includes (plots) the AC impedance at each frequency detected in step S110 on a plane formed by the imaginary part axis and the real part axis (hereinafter also referred to as “complex plane”). , A curve (approximate curve) created based on the inserted points (plot points).

図示において、複素インピーダンスプロット曲線Vは実線で示されている。図中の四角形がプロット点である。複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて、左下側ほど高周波となっている。   In the drawing, the complex impedance plot curve V is shown by a solid line. Squares in the figure are plot points. In the complex impedance plot curve V, the lower left side has a higher frequency.

図3に戻り、ステップS120の実行後、CPU12は、ステップS120で算出した複素インピーダンスプロット曲線Vから所定の周波数範囲を選定する処理を行う(ステップS130)。   Returning to FIG. 3, after executing step S120, the CPU 12 performs a process of selecting a predetermined frequency range from the complex impedance plot curve V calculated in step S120 (step S130).

複素インピーダンスプロット曲線Vは、その形状から、おおまかには、3つの線分L1、L2、L3に分けることができる。線分L1は、高周波域の部分であり、その接線の傾き(実部値Z1に対する虚部値Z2の変化量)θが45度よりもかなり大きな値(例えば60度以上)となっている。線分L2は、中周波域(上記高周波域に続く低周波側の領域)の部分であり、その接線の傾きθが45度もしくは45度付近の角度となっている。ここで、45度付近とは、例えば45ア5度である。線分L3は、低周波域(上記中周波域に続く低周波側の領域)の部分であり、その接線の傾きθは45度よりもかなり大きな値(例えば80度以上)となっている。   The complex impedance plot curve V can be roughly divided into three line segments L1, L2, and L3 from its shape. The line segment L1 is a portion in the high-frequency region, and the slope of the tangent line (the amount of change in the imaginary part value Z2 with respect to the real part value Z1) θ is a value considerably larger than 45 degrees (for example, 60 degrees or more). The line segment L2 is a portion in the middle frequency region (the region on the low frequency side following the high frequency region), and the tangent slope θ is an angle of 45 degrees or around 45 degrees. Here, the vicinity of 45 degrees is 45 degrees and 5 degrees, for example. The line segment L3 is a low frequency region (a region on the low frequency side following the intermediate frequency region), and the slope θ of the tangent line is considerably larger than 45 degrees (for example, 80 degrees or more).

高周波域の線分L1と中周波域の線分L2との間の境界は、虚部軸Z2におけるゼロレベルをクロスするゼロクロス点Pa付近である。中周波域の線分L2と低周波域の線分L3との間の境界は、低周波側に向かって上記接線の傾きθが所定の閾値(例えば45ア5度)を超える点、すなわち転換点Pbである。   The boundary between the line segment L1 in the high frequency region and the line segment L2 in the medium frequency region is near the zero cross point Pa where the zero level in the imaginary part axis Z2 is crossed. The boundary between the line segment L2 in the middle frequency range and the line segment L3 in the low frequency range is a point where the slope θ of the tangent line exceeds a predetermined threshold value (for example, 45 degrees 5 degrees) toward the low frequency side, that is, a transition. This is a point Pb.

本実施例では、ステップS130で選定する所定の周波数範囲を、所定点Pcの周波数と上記転換点Pbの周波数との間と定めた。所定点Pcは、虚部値Z2が所定の正値(0よりも大きい値)となる点である。上記所定の正値は、例えば0.18である。CPU12は、ステップS120で得られた複素インピーダンスプロット曲線Vを辿ることにより、接線の傾きθが所定の閾値を超える転換点Pbを求め、その転換点Pbの周波数を上記所定の周波数範囲の下限に定めるととともに、複素インピーダンスプロット曲線Vにおいて虚部値Z2が上記所定の正値となる所定点Pcを求め、その所定点Pcの周波数を上記所定の周波数範囲の上限とする。   In this embodiment, the predetermined frequency range selected in step S130 is set between the frequency at the predetermined point Pc and the frequency at the turning point Pb. The predetermined point Pc is a point at which the imaginary part value Z2 becomes a predetermined positive value (a value greater than 0). The predetermined positive value is, for example, 0.18. The CPU 12 obtains a turning point Pb where the slope θ of the tangent exceeds a predetermined threshold by following the complex impedance plot curve V obtained in step S120, and sets the frequency of the turning point Pb to the lower limit of the predetermined frequency range. In addition, the predetermined point Pc at which the imaginary part value Z2 becomes the predetermined positive value in the complex impedance plot curve V is obtained, and the frequency of the predetermined point Pc is set as the upper limit of the predetermined frequency range.

なお、本実施例では、上述したように、CPUが、上記所定の周波数範囲の上限および下限を演算により求めていたが、これに換えて、予め定めた周波数範囲、例えば、10kHzから100Hzとしてもよい。上記10kHzという上限は、予め実験により決定したもので、所定点Pcを採りそうな値である。上記100Hzという下限は、予め実験により決定したもので、転換点Pbを採りそうな値である。なお、これら例示の数値は、これらに限る必要はない。   In this embodiment, as described above, the CPU obtains the upper and lower limits of the predetermined frequency range by calculation. However, instead of this, a predetermined frequency range, for example, 10 kHz to 100 Hz may be used. Good. The upper limit of 10 kHz is determined in advance by experiment and is a value at which the predetermined point Pc is likely to be taken. The lower limit of 100 Hz is determined in advance by experiment, and is a value at which the turning point Pb is likely to be taken. These illustrated numerical values need not be limited to these.

図3に戻り、ステップS130の実行後、CPU12は、複素インピーダンスプロット曲線VにおけるステップS130で選定された所定の周波数範囲の部分Vs(図5)を、予め用意された等価回路へフィッティングすることにより、電解質膜51の抵抗(以下、「膜抵抗」とも呼ぶ)を主要とする合算抵抗を算出する処理を行う(ステップS140)。   Returning to FIG. 3, after executing step S130, the CPU 12 fits the portion Vs (FIG. 5) in the predetermined frequency range selected in step S130 in the complex impedance plot curve V to an equivalent circuit prepared in advance. Then, a process of calculating a combined resistance mainly including the resistance of the electrolyte membrane 51 (hereinafter also referred to as “membrane resistance”) is performed (step S140).

図6は、等価回路E1の回路構成を示す説明図である。等価回路E1は、本発明の発明者によって見いだされたものである。図示するように、等価回路E1は、回路パラメータとして、膜抵抗等成分Rmと、ワールブルグインピーダンスZwと、補正抵抗成分Rhとを備えている。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing a circuit configuration of the equivalent circuit E1. The equivalent circuit E1 has been found by the inventors of the present invention. As shown in the figure, the equivalent circuit E1 includes a film resistance equal component Rm, a Warburg impedance Zw, and a correction resistance component Rh as circuit parameters.

膜抵抗等成分Rmは、電解質膜51の抵抗と、材料(カソード52側のガス拡散層60等)のバルク抵抗(以下、単に「材料バルク抵抗」と呼ぶ)と、電解質膜51とカソード52との間の界面抵抗(以下、単に「界面抵抗」と呼ぶ)との総和を表す。上記3者の内で電解質膜51の抵抗が最も大きいことから、ここでは、上記3者の総和を「膜抵抗等成分」と呼んでいる。膜抵抗等成分Rmが、適用例1における「合算抵抗成分」に相当する。   The component Rm such as membrane resistance includes the resistance of the electrolyte membrane 51, the bulk resistance (hereinafter simply referred to as “material bulk resistance”) of the material (gas diffusion layer 60 on the cathode 52 side), the electrolyte membrane 51, the cathode 52, and the like. Represents the sum total of the interface resistance (hereinafter simply referred to as “interface resistance”). Since the resistance of the electrolyte membrane 51 is the largest among the above three, the sum of the above three is referred to as “membrane resistance equal component”. The component Rm such as membrane resistance corresponds to the “total resistance component” in Application Example 1.

なお、同一の電解質膜やガス拡散層を使用している燃料電池の場合、電解質膜51の抵抗と、材料バルク抵抗とは同一の値となる。上記3者のうちで界面抵抗だけが異なった値を示す可能性がある。界面抵抗はもともと小さい値であるが、従来の技術によれば、界面抵抗を大きく見積もる虞がある。このため、本実施例では、膜抵抗等成分Rmを高精度に検出可能な評価装置を提供することで、電解質膜の抵抗と材料バルク抵抗とに変動がない条件下において、界面抵抗を高精度に評価することを計っている。   In the case of a fuel cell using the same electrolyte membrane or gas diffusion layer, the resistance of the electrolyte membrane 51 and the material bulk resistance are the same value. There is a possibility that only the interfacial resistance among the above three will show different values. The interface resistance is originally a small value, but according to the conventional technique, there is a possibility that the interface resistance is largely estimated. For this reason, in this embodiment, by providing an evaluation apparatus capable of detecting the component Rm such as membrane resistance with high accuracy, the interface resistance is highly accurate under the condition that the resistance of the electrolyte membrane and the material bulk resistance do not vary. I am planning to evaluate it.

ワールブルグインピーダンスZwは、本実施例では拡張型のものであり、次式(1)の関数式で示すことが可能なものである。   The Warburg impedance Zw is an expansion type in this embodiment, and can be expressed by the following functional expression (1).

Zw=R×ctnh[(T×I×ω)^p]/(T×I×ω)^p …(1)
ここで、Rは抵抗であり、Tは周期であり、ωは角周波数である。pは、任意の定数であり、例えば0〜1の値をとる。pが0.5の値をとったときに、複素インピーダンスプロット曲線Vは45度の傾きとなる。
Zw = R × ctnh [(T × I × ω) ^ p] / (T × I × ω) ^ p (1)
Here, R is a resistance, T is a period, and ω is an angular frequency. p is an arbitrary constant and takes a value of 0 to 1, for example. When p takes a value of 0.5, the complex impedance plot curve V has an inclination of 45 degrees.

補正抵抗成分Rhは、評価装置10の性能等に基づいて擬似的に設定される補正のための抵抗成分であり、詳しくは、擬似リアクタンス成分Lgと、擬似抵抗成分Rgとから成る。   The correction resistance component Rh is a resistance component for correction that is set in a pseudo manner based on the performance of the evaluation device 10, and more specifically includes a pseudo reactance component Lg and a pseudo resistance component Rg.

図7に示すように、等価回路E1は、上述した補正抵抗成分Rh、膜抵抗等成分RmおよびワールブルグインピーダンスZwが直列に接続された構成である。この構成の等価回路E1は、関数式等の形態でROM14に格納される。   As shown in FIG. 7, the equivalent circuit E1 has a configuration in which the above-described correction resistance component Rh, film resistance etc. component Rm, and Warburg impedance Zw are connected in series. The equivalent circuit E1 having this configuration is stored in the ROM 14 in the form of a functional equation or the like.

ステップS140では、詳細には、補正抵抗成分Rh、膜抵抗等成分RmおよびワールブルグインピーダンスZwの各値を変化させて、上記式(1)から求まるZwが、ステップS130で選定された所定の周波数範囲の複素インピーダンスプロット曲線Vと最も近似するようにして、その最も近似したときの膜抵抗等成分Rmの値を求めることで、膜抵抗を主要とする合算抵抗の算出を行っている。合算抵抗は、前述したように、電解質膜51の抵抗、材料バルク抵抗、および界面抵抗の総和である。   Specifically, in step S140, Zw obtained from the above equation (1) by changing each value of the correction resistance component Rh, the membrane resistance equal component Rm, and the Warburg impedance Zw is the predetermined frequency range selected in step S130. By calculating the value of the component Rm such as the membrane resistance when it is most approximated to the complex impedance plot curve V, the combined resistance mainly including the membrane resistance is calculated. As described above, the total resistance is the sum of the resistance of the electrolyte membrane 51, the material bulk resistance, and the interface resistance.

ステップS130で選定を行う際の所定の周波数範囲についての意味を、等価回路E1を用いてさらに説明する。   The meaning of the predetermined frequency range at the time of selection in step S130 will be further described using the equivalent circuit E1.

図5に示す複素インピーダンスプロット曲線Vにおける中周波域の線分L2は、ワールブルグインピーダンスZw(図6)の影響を大きく受ける。複素インピーダンスプロット曲線Vのおける高周波域の線分L1において所定点Pcとゼロクロス点Paとの間の領域は、補正抵抗成分Rh(図6)の影響を大きく受ける。中周波域の線分L2と低周波域の線分L3との転換点Pbは、上記所定の周波数範囲の下限としたが、これは、これ以上の低周波側に移行すると、ワールブルグインピーダンスで解析することが容易でなくなるためである。   The line segment L2 in the middle frequency range in the complex impedance plot curve V shown in FIG. 5 is greatly affected by the Warburg impedance Zw (FIG. 6). A region between the predetermined point Pc and the zero cross point Pa in the high frequency line segment L1 of the complex impedance plot curve V is greatly affected by the correction resistance component Rh (FIG. 6). The turning point Pb between the line segment L2 in the middle frequency range and the line segment L3 in the low frequency range is set as the lower limit of the predetermined frequency range, but this is analyzed by the Warburg impedance when moving to the lower frequency side. It is because it becomes difficult to do.

一方、上記所定の周波数範囲の上限は、虚部値Z2が所定の正値となる所定点Pcであるが、これは、これ以上、高周波側に移行すると、補正抵抗成分Rhで解析することが困難となるためである。評価装置10においては、抵抗値が小さくなると多くの電流が流れる。その電流を高周波で交流をかけることは難しく、精度不足となる。これを補正抵抗成分Rhに含まれる擬似リアクタンス成分Lgで補正しているが、より高い周波数が必要となると、擬似リアクタンス成分Lgでも補正しきれない場合がある。この限界の周波数が上記所定点Pcである。   On the other hand, the upper limit of the predetermined frequency range is a predetermined point Pc at which the imaginary part value Z2 becomes a predetermined positive value, which can be analyzed by the correction resistance component Rh when the frequency shifts further to the high frequency side. This is because it becomes difficult. In the evaluation device 10, a large amount of current flows when the resistance value decreases. It is difficult to apply alternating current at a high frequency, resulting in insufficient accuracy. This is corrected by the pseudo-reactance component Lg included in the correction resistance component Rh. However, if a higher frequency is required, the pseudo-reactance component Lg may not be completely corrected. This limit frequency is the predetermined point Pc.

図3に戻り、上述したように、ステップS140までの処理により、膜抵抗等成分Rmである合算抵抗が算出される。その後、CPU12は、上記算出された合算抵抗が所定の閾値を超えていないかを判定することにより、界面抵抗が大きすぎないかを評価し、その評価結果を、入出力制御部18を介して表示部19に表示する(ステップS150)。前述したように、電解質膜の抵抗と材料バルク抵抗とに変動がない条件下においてこの燃料電池セル評価処理を行うものとすることで、膜抵抗等成分Rmの変動は界面抵抗の変動によるものとすることができることから、上記界面抵抗の評価が可能となる。   Returning to FIG. 3, as described above, the combined resistance as the component Rm of membrane resistance is calculated by the processing up to step S <b> 140. Thereafter, the CPU 12 evaluates whether the interface resistance is too large by determining whether the calculated total resistance does not exceed a predetermined threshold, and the evaluation result is obtained via the input / output control unit 18. The information is displayed on the display unit 19 (step S150). As described above, when the fuel cell evaluation process is performed under the condition that the resistance of the electrolyte membrane and the material bulk resistance do not change, the change of the component Rm such as the membrane resistance is caused by the change of the interface resistance. Therefore, the interface resistance can be evaluated.

例えば、評価結果は、合算抵抗が所定の閾値以下である場合には「OK」と表示し、合算抵抗が所定の閾値を超えた場合には「NG」と表示する。さらに、本実施例では、評価結果に併せて、合算抵抗の値も表示部に19に表示する構成とした。もちろん、合算抵抗の値は表示せず、「OK」か「NG」かの評価結果だけを表示する構成としてもよい。また、他の実施形態として、ステップS150の処理に換えて、合算抵抗の値を評価結果として表示する構成とすることもできる。ステップS150の実行後、この燃料電池セル評価処理を終了する。   For example, the evaluation result is displayed as “OK” when the total resistance is equal to or less than a predetermined threshold, and is displayed as “NG” when the total resistance exceeds the predetermined threshold. Furthermore, in this embodiment, the value of the total resistance is displayed on the display unit 19 in addition to the evaluation result. Needless to say, the total resistance value may not be displayed, and only the evaluation result “OK” or “NG” may be displayed. In another embodiment, the value of the combined resistance may be displayed as the evaluation result instead of the process of step S150. After execution of step S150, the fuel cell evaluation process is terminated.

上記燃料電池セル評価処理におけるステップS110の処理が測定部12aの機能に、ステップS120およびS130の処理が第1の演算部12bの機能に、ステップS140の処理が第2の演算部12cの機能にそれぞれ対応する。   In the fuel cell evaluation process, the process of step S110 is the function of the measurement unit 12a, the processes of steps S120 and S130 are the function of the first calculation unit 12b, and the process of step S140 is the function of the second calculation unit 12c. Each corresponds.

A3.効果:
上記第1実施例の燃料電池評価装置10によれば、周波数毎の交流インピーダンスを測定し、各交流インピーダンスに基づいて、所定の周波数範囲についての複素インピーダンスプロット曲線Vを求め、ワールブルグインピーダンスを備える等価回路E1へ前記所定の周波数範囲についての複素インピーダンスプロット曲線Vをフィッティングすることにより、電解質膜51の抵抗と、電解質膜51とカソード52との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求めることができる。したがって、燃料電池NDを分解することなく、上記界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に評価することができる。
A3. effect:
According to the fuel cell evaluation apparatus 10 of the first embodiment, an AC impedance for each frequency is measured, a complex impedance plot curve V for a predetermined frequency range is obtained based on each AC impedance, and an equivalent with Warburg impedance is provided. By fitting the complex impedance plot curve V for the predetermined frequency range to the circuit E1, a predetermined total resistance including at least the resistance of the electrolyte membrane 51 and the interface resistance between the electrolyte membrane 51 and the cathode 52 is obtained. be able to. Therefore, the total resistance including the interface resistance can be quantitatively evaluated without disassembling the fuel cell ND.

特に本実施例では、等価回路E1は、回路パラメータとして、膜抵抗等成分Rmと、ワールブルグインピーダンスZwと、補正抵抗成分Rhとを備えていることから、上記合算抵抗を容易かつ高精度に測定することができる。   In particular, in the present embodiment, the equivalent circuit E1 includes the film resistance equal component Rm, the Warburg impedance Zw, and the correction resistance component Rh as circuit parameters, so that the combined resistance is easily and accurately measured. be able to.

A4.第1実施例の変形例:
前記第1実施例では、測定された各周波数における交流インピーダンスに基づいて、複素インピーダンスプロット曲線を求め、その後に、複素インピーダンスプロット曲線から所定の周波数範囲を選定するように構成していたが、これに換えて、測定された各周波数における交流インピーダンスから、直ちに、所定の周波数範囲についての複素インピーダンスプロット曲線を求める構成としてもよい。
A4. Modification of the first embodiment:
In the first embodiment, the complex impedance plot curve is obtained based on the measured AC impedance at each frequency, and then a predetermined frequency range is selected from the complex impedance plot curve. Alternatively, a complex impedance plot curve for a predetermined frequency range may be obtained immediately from the measured AC impedance at each frequency.

さらには、測定工程において測定する範囲を最初から所定の周波数範囲に限定して、その測定結果に基づいて作成される曲線を所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性とすることもできる。ここでは、「所定の周波数範囲」は、前述した転換点Pbの周波数と転換点Pbの周波数との間の範囲を予め実験によって求めて、その値を採用する構成とする。この構成によっても第1実施例と同様の効果を奏することができる。   Furthermore, the range measured in the measurement process can be limited to a predetermined frequency range from the beginning, and a curve created based on the measurement result can be an AC impedance characteristic for the predetermined frequency range. Here, the “predetermined frequency range” has a configuration in which a range between the frequency of the turning point Pb and the frequency of the turning point Pb is obtained in advance by experiment and the value is adopted. With this configuration, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

前記第1実施例では、ステップS130で選定する所定の周波数範囲、すなわちフィッティングを行う所定の周波数範囲を、所定点Pcと転換点Pbとの間と定めたが、これに限る必要はない。例えば、所定の周波数範囲の下限は、転換点Pbより低周波側に移行する構成としてもよいし、高周波側に移行する構成としてもよい。また、所定の周波数範囲の上限は所定点Pcであるが、この所定点Pcを特定するための虚部値Z2の値(前述した「所定の正値」)は正の値であれば適宜違った値とすることもできる。   In the first embodiment, the predetermined frequency range selected in step S130, that is, the predetermined frequency range for fitting is set between the predetermined point Pc and the turning point Pb. However, the present invention is not limited to this. For example, the lower limit of the predetermined frequency range may be configured to shift to the lower frequency side than the turning point Pb, or may be configured to shift to the higher frequency side. The upper limit of the predetermined frequency range is the predetermined point Pc. The value of the imaginary part value Z2 for specifying the predetermined point Pc (the above-mentioned “predetermined positive value”) is appropriately different as long as it is a positive value. It can also be a value.

B.第2実施例:
本発明の第2実施例について次に説明する。第2実施例は、燃料電池の製造方法を示す実施例である。製造する燃料電池は、第1実施例で詳述した燃料電池セルCL(図2)である。すなわち、一つの燃料電池セルCLの製造方法として本発明の燃料電池の製造方法が適用される。この燃料電池セルCLの製造方法は、所定の作業者によって行われる。また、雰囲気温度は23℃にて行なわれる。
B. Second embodiment:
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 2nd Example is an Example which shows the manufacturing method of a fuel cell. The fuel cell to be manufactured is the fuel cell CL (FIG. 2) detailed in the first embodiment. That is, the manufacturing method of the fuel cell of the present invention is applied as a manufacturing method of one fuel cell CL. The manufacturing method of the fuel cell CL is performed by a predetermined operator. The ambient temperature is 23 ° C.

図7は、本実施例における燃料電池セルCLの製造方法を示すフローチャートである。図示するように、作業者は、まず、電解質(例えば、フッ素系樹脂)と、溶媒(例えば、水、アルコール等)と、触媒担持担体(例えば、白金担持カーボン)と、テフロン(登録商標)製の基材とを用意する(ステップS210)。次に、作業者は、電解質、溶媒、および、触媒担持担体を混合させ、触媒インクを作成する(ステップS220)。   FIG. 7 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel cell CL in the present embodiment. As shown in the figure, an operator firstly makes an electrolyte (for example, fluorine resin), a solvent (for example, water, alcohol, etc.), a catalyst-supported carrier (for example, platinum-supported carbon), and Teflon (registered trademark). The base material is prepared (step S210). Next, the operator mixes the electrolyte, the solvent, and the catalyst-carrying carrier to create a catalyst ink (step S220).

続いて、作業者は、触媒インクを基材上にデカール法で塗工して、層状インクを形成する(ステップS230)。続いて、作業者は、層状インク上に熱風発生装置(図示せず)により熱風を流し乾燥させ、カソード52を製造する(ステップS240)。その後、作業者は、アノード53および電解質膜51を用意し(ステップS250)、電解質膜51を、製造したカソード52とアノード53とで挟持することで、MEA50を製造する(MEA化:ステップS260)。   Subsequently, the operator coats the catalyst ink on the substrate by a decal method to form a layered ink (step S230). Subsequently, the worker manufactures the cathode 52 by flowing hot air over the layered ink with a hot air generator (not shown) and drying it (step S240). Thereafter, the operator prepares the anode 53 and the electrolyte membrane 51 (step S250), and manufactures the MEA 50 by sandwiching the electrolyte membrane 51 between the manufactured cathode 52 and anode 53 (MEA conversion: step S260). .

MEA化は、電解質膜51の両面にカソード52とアノード53とを配置した状態で、ホットプレス機を用いてホットプレスすることにより行う。ホットプレスの条件は120℃、3MPaである。このホットプレスの温度および圧力についての条件を、以下「MEA化条件」と呼ぶ。   The MEA is performed by hot pressing using a hot press machine in a state where the cathode 52 and the anode 53 are disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 51. The conditions for hot pressing are 120 ° C. and 3 MPa. The conditions regarding the temperature and pressure of this hot press are hereinafter referred to as “MEA conditions”.

続いて、作業者は、前記製造したMEA50を用いて、燃料電池セルCLを製造する(ステップS270)。具体的には、ガス拡散層60、70、セパレータ80、90、およびシール部材110を用意し、ステップS260で製造したMEA50の周囲にシール部材110を配置し、それらをセパレータ80、90で挟持することにより、燃料電池セルCLを製造する。   Subsequently, the worker manufactures the fuel cell CL using the manufactured MEA 50 (step S270). Specifically, the gas diffusion layers 60 and 70, the separators 80 and 90, and the seal member 110 are prepared, the seal member 110 is arranged around the MEA 50 manufactured in step S260, and the separators 80 and 90 sandwich them. Thus, the fuel cell CL is manufactured.

その後、作業者は、前記製造した燃料電池セルCLのカソード52に不活性ガスとしての窒素(あるいはアルゴン等)を、アノード53に活性ガスとしての水素を導入し、封入する(ステップS280)。燃料電池セルCLに導入する水素および窒素は、第1実施例と同様な低加湿なガスを用いる。また、本実施例において、燃料電池セルCLに導入する水素および窒素の温度は、23℃程度としている。次いで、作業者は、第1実施例で詳述した燃料電池評価装置10を用いて、燃料電池セルCLの評価を行う(ステップS290)。   Thereafter, the operator introduces nitrogen (or argon or the like) as an inert gas into the cathode 52 of the manufactured fuel battery cell CL, and introduces hydrogen as the active gas into the anode 53 (step S280). As the hydrogen and nitrogen introduced into the fuel battery cell CL, the same low-humidified gas as in the first embodiment is used. In this embodiment, the temperature of hydrogen and nitrogen introduced into the fuel cell CL is about 23 ° C. Next, the worker uses the fuel cell evaluation device 10 detailed in the first embodiment to evaluate the fuel cell CL (step S290).

図8は、第2実施例で用いる燃料電池評価装置10と燃料電池セルCLとの接続の様子を示す説明図である。図示するように、評価装置10を、第1および第2の配線220、230を介して、ステップS270で製造した燃料電池セルCLと接続する。このように接続して、燃料電池評価装置10で燃料電池セルCLの評価(検査)を行う。   FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state of connection between the fuel cell evaluation device 10 used in the second embodiment and the fuel cell CL. As illustrated, the evaluation apparatus 10 is connected to the fuel cell CL manufactured in step S270 via the first and second wirings 220 and 230. In this way, the fuel cell evaluation device 10 evaluates (inspects) the fuel cell CL.

図7に戻り、作業者は、評価装置10の表示部19に表示された「OK」か「NG」かの評価結果を見て「OK」か「NG」かを判定する(ステップS300)。ここで、「OK」であると判定された場合には、ステップS270で製造した燃料電池セルCLは高品質であることから、燃料電池セルCLは完成したものとする。これで燃料電池の製造方法は終了する。   Returning to FIG. 7, the operator determines whether it is “OK” or “NG” by looking at the evaluation result “OK” or “NG” displayed on the display unit 19 of the evaluation apparatus 10 (step S300). Here, if it is determined as “OK”, the fuel cell CL manufactured in step S270 is of high quality, and therefore the fuel cell CL is assumed to be completed. This completes the fuel cell manufacturing method.

一方、ステップS300で、評価結果が「NG」であると判定された場合には、作業者は、ステップS270で製造した燃料電池セルCLを廃棄し(ステップS310)、ステップS290で評価を行った評価装置10で表示される合算抵抗の値に基づいて、MEA化条件(温度、圧力)を修正する(ステップS320)。   On the other hand, when it is determined in step S300 that the evaluation result is “NG”, the worker discards the fuel cell CL manufactured in step S270 (step S310) and performs the evaluation in step S290. Based on the value of the combined resistance displayed on the evaluation device 10, the MEA condition (temperature, pressure) is corrected (step S320).

図9は、MEA化条件(温度、圧力)と合算抵抗との関係を示す表TLについての図である。図示するように、表TLには、MEA化条件(温度、圧力)に対する合算抵抗が示されている。この表TLは、MEA化条件(温度、圧力)を種々に切り替えて合算抵抗の値を求めるという実験から作成したものである。この表TLから、ホットプレスの際の温度と圧力によって合算抵抗、ひいては界面抵抗が変化することがわかる。なお、図示の表TLには、5パターンしか記載されていないが、より多数のパターンが記載されたものとすることが好ましい。   FIG. 9 is a diagram for Table TL showing the relationship between the MEA conditions (temperature, pressure) and the combined resistance. As shown in the drawing, in Table TL, the combined resistance with respect to the MEA condition (temperature, pressure) is shown. This table TL is created from an experiment in which the value of the combined resistance is obtained by changing the MEA conditions (temperature, pressure) in various ways. From this Table TL, it can be seen that the combined resistance and thus the interfacial resistance change depending on the temperature and pressure during hot pressing. In addition, although only 5 patterns are described in the illustrated table TL, it is preferable that more patterns are described.

作業者は、図9に例示した表TLを見て、評価装置10に表示される合算抵抗の値に対応した温度と圧力を導き出し、その温度と圧力にMEA化条件を修正する(ステップS320)。ここで、MEA化条件の修正とは、具体的には、ステップS260のMEA化の処理で用いるホットプレス機の温度と圧力の設定を、上記表TLから導いた温度と圧力に変更するものである。   The operator looks at the table TL illustrated in FIG. 9, derives the temperature and pressure corresponding to the value of the combined resistance displayed on the evaluation apparatus 10, and corrects the MEA conversion condition to the temperature and pressure (step S <b> 320). . Here, the correction of the MEA conversion condition is specifically to change the temperature and pressure settings of the hot press machine used in the MEA conversion process in step S260 to the temperature and pressure derived from the above table TL. is there.

ステップS320の実行後、作業者は、最初のステップS210の処理に戻ってステップS210以後の処理を繰り返し実行する。なお、この繰り返しの際には、ステップS260のMEA化の処理は、ステップS310の処理で修正したMEA化条件(温度、圧力)でもって実行されることになる。すなわち、作業者は、評価装置10に表示される合算抵抗の値に基づいて温度と圧力を求め、この求めた温度と圧力をステップS206のMEA化の処理にフィードバックしている。   After execution of step S320, the operator returns to the process of the first step S210 and repeatedly executes the processes after step S210. In this repetition, the MEA process in step S260 is executed under the MEA conditions (temperature, pressure) corrected in the process in step S310. That is, the operator obtains the temperature and pressure based on the value of the combined resistance displayed on the evaluation device 10, and feeds back the obtained temperature and pressure to the MEA process in step S206.

したがって、第2実施例によれば、電解質膜とカソードとの間の界面抵抗が適正となるようにMEA50の製造条件、すなわち、MEA化条件を決めることができることから、燃料電池の品質安定性を確保して燃料電池セルCLの製造を行うことができるという効果を奏する。また、従来、燃料電池の評価をして評価結果をMEA化にフィードバックしていないので、界面抵抗を下げるためにMEA化の温度や圧力を過度に高く設定していた。これに対して第2実施例では、必要十分な温度や圧力を掛ければすむことから、余分なエネルギによるコスト上昇を防ぐとともに電解質膜、電極への物理的負荷の低減により燃料電池の性能向上を図ることが可能となるといった効果も奏する。   Therefore, according to the second embodiment, the manufacturing conditions of the MEA 50, that is, the MEA conditions can be determined so that the interface resistance between the electrolyte membrane and the cathode is appropriate. There is an effect that the fuel cell CL can be manufactured while being secured. Conventionally, since the fuel cell is evaluated and the evaluation result is not fed back to the MEA, the temperature and pressure of the MEA are set excessively high in order to reduce the interface resistance. On the other hand, in the second embodiment, it is only necessary to apply necessary and sufficient temperature and pressure, so that the increase in cost due to excess energy is prevented and the physical load on the electrolyte membrane and electrode is reduced to improve the performance of the fuel cell. There is also an effect that it can be achieved.

さらに、第2実施例では、第1実施例と同一の燃料電池評価装置10を用いて、電解質膜51とカソード52との間の界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に求めることができることから、燃料電池セルCLの品質安定性をより確保することができる。   Further, in the second embodiment, the total resistance including the interface resistance between the electrolyte membrane 51 and the cathode 52 can be obtained quantitatively using the same fuel cell evaluation apparatus 10 as in the first embodiment. The quality stability of the fuel cell CL can be further ensured.

なお、第2実施例では、ステップS320でホットプレスの温度と圧力の双方を修正する構成としたが、これに換えていずれか一方を修正する構成としてもよい。この構成によっても、従来例に比べて界面抵抗を適正に調整することができる。   In the second embodiment, the configuration is such that both the temperature and pressure of the hot press are corrected in step S320. However, in place of this, either one may be corrected. Also with this configuration, it is possible to appropriately adjust the interface resistance as compared with the conventional example.

C.第3実施例:
本発明の第3実施例について次に説明する。第3実施例は、第2実施例と同様の燃料電池製造方法を示す実施例であり、第2実施例と比較して、使用する燃料電池評価装置が相違する。
C. Third embodiment:
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 3rd Example is an Example which shows the fuel cell manufacturing method similar to 2nd Example, and the fuel cell evaluation apparatus to be used differs compared with 2nd Example.

図10は、第3実施例の製造方法で使用される燃料電池評価装置において実行される燃料電池セル評価処理を示すフローチャートである。図示するように、燃料電池評価装置のCPUは、処理が開始されると、第1実施例と同一のステップS110およびS120を実行する。この結果、第1実施例と同一の複素インピーダンスプロット曲線Vが算出される。第1実施例では、その後、複素インピーダンスプロット曲線Vから所定の周波数範囲の選定を行っていたが、この第3実施例ではその選定を行うことなく、複素インピーダンスプロット曲線Vをそのまま等価回路へフィッティングすることにより、合算抵抗を算出する処理を行う(ステップS430)。上記等価回路は、第1実施例で用いた等価回路E1(図6)と相違した回路構成となっている。   FIG. 10 is a flowchart showing a fuel cell evaluation process executed in the fuel cell evaluation apparatus used in the manufacturing method of the third embodiment. As shown in the figure, the CPU of the fuel cell evaluation apparatus executes the same steps S110 and S120 as in the first embodiment when the process is started. As a result, the same complex impedance plot curve V as that in the first embodiment is calculated. In the first embodiment, a predetermined frequency range is then selected from the complex impedance plot curve V. In the third embodiment, however, the complex impedance plot curve V is directly fitted to the equivalent circuit without selecting the frequency range. Thus, a process for calculating the total resistance is performed (step S430). The equivalent circuit has a circuit configuration different from the equivalent circuit E1 (FIG. 6) used in the first embodiment.

図11は、第3実施例で用いられる等価回路E2の回路構成を示す説明図である。等価回路E2は、本発明の発明者によって見いだされた等価回路である。図示するように、等価回路E2は、回路パラメータとして、膜抵抗等成分Rmと、複数のイオン伝導抵抗成分Riと、複数のCPE(Constant phase element)成分340と、複数の反応抵抗成分Raと、補正抵抗成分Rhとを備えている。膜抵抗等成分Rmと補正抵抗成分Rhは、第1実施例と同様のものである。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing a circuit configuration of an equivalent circuit E2 used in the third embodiment. The equivalent circuit E2 is an equivalent circuit found by the inventor of the present invention. As illustrated, the equivalent circuit E2 includes, as circuit parameters, a membrane resistance component Rm, a plurality of ion conduction resistance components Ri, a plurality of CPE (Constant phase element) components 340, a plurality of reaction resistance components Ra, And a correction resistance component Rh. The film resistance etc. component Rm and the correction resistance component Rh are the same as those in the first embodiment.

イオン伝導抵抗成分Riは、カソード52中の電解質のイオン伝導抵抗を表す。CPE成分340は、カソード52において電解質と担体との界面に生じる抵抗を表す。反応抵抗成分Raは、MEA50において、アノード53から水素(活性ガス)が電解質膜51を透過してカソード52に移動したリークガスが生じている場合に、リークガスがカソード52の触媒で反応した際に生じる反応抵抗を表す。   The ion conduction resistance component Ri represents the ion conduction resistance of the electrolyte in the cathode 52. The CPE component 340 represents resistance generated at the interface between the electrolyte and the carrier in the cathode 52. The reaction resistance component Ra is generated when the leak gas reacts with the catalyst of the cathode 52 in the MEA 50 when hydrogen (active gas) from the anode 53 passes through the electrolyte membrane 51 and moves to the cathode 52. Represents reaction resistance.

CPE成分340の容量性リアクタンスLcは、以下の式(2)で求めることができる。
Lc=1/{C(jω)} …(2)
C:静電容量 ω:周波数 P:任意の定数(例えば、0.8〜0.9)
The capacitive reactance Lc of the CPE component 340 can be obtained by the following equation (2).
Lc = 1 / {C (jω) P } (2)
C: Capacitance ω: Frequency P: Arbitrary constant (for example, 0.8 to 0.9)

等価回路E2において、CPE成分340と、反応抵抗成分Raは、並列に接続される。以下では、CPE成分340と反応抵抗成分Raとから成る並列回路をCPE並列回路とも呼ぶ。そして、等価回路E2は、補正抵抗成分Rhと、膜抵抗等成分Rmと、イオン伝導抵抗成分Riとが直列に接続されると共に、一つのCPE並列回路の一端が膜抵抗等成分Rmとイオン伝導抵抗成分Riとの間に接続され、他のCPE並列回路の一端が隣接するイオン伝導抵抗成分Ri間にそれぞれ接続され、さらに、各CPE並列回路の他端がラインKにそれぞれ接続されるラダー状の回路である。   In the equivalent circuit E2, the CPE component 340 and the reaction resistance component Ra are connected in parallel. Hereinafter, a parallel circuit composed of the CPE component 340 and the reaction resistance component Ra is also referred to as a CPE parallel circuit. The equivalent circuit E2 includes a correction resistance component Rh, a membrane resistance equal component Rm, and an ion conduction resistance component Ri connected in series, and one end of one CPE parallel circuit is connected to the membrane resistance equal component Rm and ion conduction. A ladder-like structure in which one end of another CPE parallel circuit is connected between adjacent ion conduction resistance components Ri, and the other end of each CPE parallel circuit is connected to the line K. Circuit.

上記のように構成した等価回路E2では、複素インピーダンスプロット曲線Vから所定の周波数範囲の選定を行うことなく、複素インピーダンスプロット曲線Vをそのままフィッティングを行うことにより、上記膜抵抗等成分Rmを始めとする各成分を求めることができる。特に、膜抵抗等成分Rmを始めとする各成分定量的に求めることが可能となっている。   In the equivalent circuit E2 configured as described above, the complex impedance plot curve V is fitted as it is without selecting a predetermined frequency range from the complex impedance plot curve V, so that the membrane resistance equal component Rm and the like can be started. Each component to be obtained can be obtained. In particular, it is possible to quantitatively determine each component including the component Rm such as membrane resistance.

図10に戻って、ステップS430の実行後、ステップS430で求めた膜抵抗等成分Rmに基づいて、第1実施例と同様に、界面抵抗の評価結果と、合算抵抗の値とを表示部に表示する(ステップS150)。その後、この燃料電池セル評価処理を終了する。   Returning to FIG. 10, after the execution of step S430, based on the film resistance equal component Rm obtained in step S430, the evaluation result of the interfacial resistance and the value of the combined resistance are displayed on the display unit as in the first embodiment. It is displayed (step S150). Thereafter, the fuel cell evaluation process is terminated.

上記燃料電池セル評価処理で得られた評価結果と界面抵抗の値とを用いて、第2実施例と同様にして燃料電池セルCLを製造する。   Using the evaluation result obtained by the fuel cell evaluation process and the value of the interface resistance, the fuel cell CL is manufactured in the same manner as in the second embodiment.

したがって、第3実施例によれば、第2実施例と同様に、界面抵抗が適正となるようにMEA50の製造条件を決めることができることから、燃料電池の品質安定性を確保して燃料電池セルCLの製造を行うことができる。また、第3実施例では、等価回路E2を用いた燃料電池評価装置を用いて、電解質膜51とカソード52との間の界面抵抗を含む合算抵抗を定量的に求めることができることから、燃料電池セルCLの品質安定性をより確保することができる。   Therefore, according to the third embodiment, as in the second embodiment, the manufacturing conditions of the MEA 50 can be determined so that the interface resistance is appropriate. CL can be manufactured. In the third embodiment, since the total resistance including the interface resistance between the electrolyte membrane 51 and the cathode 52 can be obtained quantitatively using the fuel cell evaluation apparatus using the equivalent circuit E2, the fuel cell The quality stability of the cell CL can be further ensured.

なお、第2実施例および第3実施例では、燃料電池セルの製造方法は、人である作業者が行うようにしていたが、これに換えて、作業者による作業をオートメーション装置により自動化する構成としてもよい。この構成によれば、より簡便に適正な燃料電池セルを作成することができる。   In the second embodiment and the third embodiment, the fuel cell manufacturing method is performed by a worker who is a person. Instead of this, a configuration in which the work by the worker is automated by an automation device. It is good. According to this configuration, an appropriate fuel cell can be created more easily.

D.変形例:
なお、前述した第1ないし第3実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の各実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
D. Variation:
It should be noted that elements other than those described in the independent claims among the constituent elements in the first to third embodiments and the modifications described above are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be carried out in various modes without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible. is there.

D1.変形例1:
上記各実施例では、燃料電池NDのアノード53に活性ガスとしての水素が、カソード52に不活性ガスとしての窒素がそれぞれ導入された状態で、評価装置10は、燃料電池セル評価処理において、電解質膜51とカソード52との間の界面抵抗を含む合算抵抗を求めているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池NDのアノード53に窒素、カソード52に水素を導入し、評価装置10は、燃料電池セル評価処理において、電解質膜51とアノード53との間の界面抵抗を含む合算抵抗を求めるようにしてもよい。このようにすれば、MEA50において、アノード53の状態を推定することが可能となる。
D1. Modification 1:
In each of the embodiments described above, the evaluation apparatus 10 performs the electrolyte in the fuel cell evaluation process in a state where hydrogen as an active gas is introduced into the anode 53 of the fuel cell ND and nitrogen as an inert gas is introduced into the cathode 52. Although the total resistance including the interface resistance between the membrane 51 and the cathode 52 is obtained, the present invention is not limited to this. For example, nitrogen is introduced into the anode 53 of the fuel cell ND and hydrogen is introduced into the cathode 52, so that the evaluation apparatus 10 obtains the combined resistance including the interface resistance between the electrolyte membrane 51 and the anode 53 in the fuel cell evaluation process. It may be. In this way, the state of the anode 53 can be estimated in the MEA 50.

D2.変形例2:
上記各実施例の燃料電池評価装置は、燃料電池セル評価処理の処理において、燃料電池NDに導入する水素および窒素は、相対湿度が、60%より高いガスを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の少なくとも効果の一部を奏することができる。
D2. Modification 2:
In the fuel cell evaluation apparatus of each of the above embodiments, in the fuel cell evaluation process, hydrogen and nitrogen introduced into the fuel cell ND may use a gas having a relative humidity higher than 60%. Even in this case, at least part of the effects of the above-described embodiment can be achieved.

D3.変形例3:
上記各実施例の燃料電池評価装置が燃料電池セル評価処理を行う燃料電池NDは、固体高分子型燃料電池としているが、本発明は、これに限られるものではなく、固体酸化物型燃料電池電解質型や溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池であってもよい。
D3. Modification 3:
The fuel cell ND in which the fuel cell evaluation device of each of the embodiments performs the fuel cell evaluation process is a solid polymer fuel cell, but the present invention is not limited to this, and the solid oxide fuel cell is not limited thereto. Various types of fuel cells such as an electrolyte type and a molten carbonate electrolyte type may be used.

10…燃料電池評価装置
12…CPU
12a…測定部
12b…第1の演算部
12c…第2の演算部
14…ROM
16…RAM
18…入出力制御部
19…表示部
20…第1の配線
30…第2の配線
50…MEA
51…電解質膜
52…カソード
53…アノード
60…ガス拡散層
70…ガス拡散層
80…セパレータ
82…セル内流路
82a…凸部
82b…凹部
90…セパレータ
92…セル内流路
92a…凸部
92b…凹部
103〜106…孔部
110…シール部材
V…複素インピーダンスプロット曲線
E1…等価回路
Rm…膜抵抗等成分
Zw…ワールブルグインピーダンス
Rh…補正抵抗成分
Lg…擬似リアクタンス成分
Rg…擬似抵抗成分
Pa…ゼロクロス点
Pb…転換点
Pc…所定点
E2…等価回路
ND…燃料電池
CL…燃料電池セル
TM…ターミナル
EP…エンドプレート
10 ... Fuel cell evaluation device 12 ... CPU
12a ... Measurement unit 12b ... First calculation unit 12c ... Second calculation unit 14 ... ROM
16 ... RAM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Input / output control part 19 ... Display part 20 ... 1st wiring 30 ... 2nd wiring 50 ... MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 51 ... Electrolyte membrane 52 ... Cathode 53 ... Anode 60 ... Gas diffusion layer 70 ... Gas diffusion layer 80 ... Separator 82 ... In-cell flow path 82a ... Convex part 82b ... Concave part 90 ... Separator 92 ... In-cell flow path 92a ... Convex part 92b ... Recessed parts 103 to 106 ... Hole part 110 ... Seal member V ... Complex impedance plot curve E1 ... Equivalent circuit Rm ... Membrane resistance component Zw ... Warburg impedance Rh ... Correction resistance component Lg ... Pseudo-reactance component Rg ... Pseudo-resistance component Pa ... Zero cross Point Pb ... Turning point Pc ... Predetermined point E2 ... Equivalent circuit ND ... Fuel cell CL ... Fuel cell TM ... Terminal EP ... End plate

Claims (9)

燃料電池の評価方法であって、
電解質膜の一方の面に第1電極が配置され、前記電解質膜の他方の面に第2電極が配置される膜電極接合体を備える燃料電池を用意し、前記第1電極に不活性ガスを導入する評価前工程と、
前記不活性ガスが導入された状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定工程と、
前記測定工程により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を求める第1の演算工程と、
ワールブルグインピーダンスを備える等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求める第2の演算工程と
を備える燃料電池の評価方法。
A fuel cell evaluation method comprising:
A fuel cell including a membrane electrode assembly in which a first electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane and a second electrode is disposed on the other surface of the electrolyte membrane is prepared, and an inert gas is supplied to the first electrode. Pre-evaluation process to be introduced,
In the state where the inert gas is introduced, the measurement step of measuring the AC impedance of the membrane electrode assembly while changing the frequency,
A first calculation step for obtaining an AC impedance characteristic for a predetermined frequency range based on the AC impedance for each frequency measured in the measurement step;
By fitting the AC impedance characteristic to an equivalent circuit having Warburg impedance, a second total resistance that includes at least the resistance of the electrolyte membrane and the interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode is obtained. A method for evaluating a fuel cell comprising:
請求項1に記載の燃料電池の評価方法において、
前記等価回路は、
前記合算抵抗を表す合算抵抗成分と、補正抵抗成分とを備える構成である、燃料電池の評価方法。
The fuel cell evaluation method according to claim 1,
The equivalent circuit is
A method for evaluating a fuel cell, comprising: a combined resistance component representing the combined resistance; and a correction resistance component.
請求項1または2に記載の燃料電池の評価方法において、
前記第1の演算工程は、
前記測定工程により測定された各周波数における交流インピーダンスを複素平面に入れ込むプロット工程と、
前記プロット工程により得られる各プロット点から複素インピーダンスプロット曲線を求めるプロット曲線演算工程と、
前記複素インピーダンスプロット曲線における前記所定の周波数範囲を、前記交流インピーダンス特性として選定する選定工程と
を備える、燃料電池の評価方法。
In the fuel cell evaluation method according to claim 1 or 2,
The first calculation step includes:
A plotting step for inserting AC impedance at each frequency measured in the measuring step into a complex plane;
A plot curve calculation step for obtaining a complex impedance plot curve from each plot point obtained by the plot step;
And a selecting step of selecting the predetermined frequency range in the complex impedance plot curve as the AC impedance characteristic.
請求項3に記載の燃料電池の評価方法において、
前記複素インピーダンスプロット曲線は、
前記複素平面の実部軸に対する角度が所定の閾値以下である第1の線分と、該第1の線分より低周波側であって前記複素平面の実部軸に対する角度が所定の閾値以上である第2の線分とを少なくとも含み、
前記選定工程は、
前記所定の周波数範囲の下限を、前記第1の線分と第2の線分との間の転換点についての周波数として前記選定を行う工程を備える、燃料電池の評価方法。
In the fuel cell evaluation method according to claim 3,
The complex impedance plot curve is
A first line segment whose angle with respect to the real part axis of the complex plane is equal to or less than a predetermined threshold value, and a lower frequency side than the first line segment and an angle with respect to the real part axis of the complex plane is equal to or greater than a predetermined threshold value And at least a second line segment,
The selection process includes
A method for evaluating a fuel cell, comprising: selecting the lower limit of the predetermined frequency range as a frequency for a turning point between the first line segment and the second line segment.
請求項3または4に記載の燃料電池の評価方法において、
前記選定工程は、
前記所定の周波数範囲の上限を、前記複素平面の虚部値が所定の正値となる点についての周波数として前記選定を行う工程を備える、燃料電池の評価方法。
In the evaluation method of the fuel cell according to claim 3 or 4,
The selection process includes
A method for evaluating a fuel cell, comprising: selecting the upper limit of the predetermined frequency range as a frequency for a point at which an imaginary part value of the complex plane becomes a predetermined positive value.
燃料電池の製造方法であって、
電解質膜、第1電極、および第2電極を用意する準備工程と、
前記電解質膜、第1電極、および第2電極を用いて、所定の製造条件で膜電極接合体を製造する膜電極接合体製造工程と、
前記製造された膜電極接合体にガス拡散層およびセパレータを積層することにより燃料電池を製造する燃料電池製造工程と、
前記製造された燃料電池に備えられる膜電極接合体の第1電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定工程と、
前記測定工程により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて交流インピーダンス特性を求め、等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求める演算工程と、
前記演算工程により求めた合算抵抗に基づいて前記製造条件を求め、該求めた製造条件を膜電極接合体製造工程にフィードバックするフィードバック工程と
を備える燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method comprising:
A preparation step of preparing an electrolyte membrane, a first electrode, and a second electrode;
A membrane electrode assembly manufacturing process for manufacturing a membrane electrode assembly under predetermined manufacturing conditions using the electrolyte membrane, the first electrode, and the second electrode;
A fuel cell manufacturing process for manufacturing a fuel cell by laminating a gas diffusion layer and a separator on the manufactured membrane electrode assembly; and
A measurement step of measuring the alternating current impedance of the membrane electrode assembly while changing the frequency with an inert gas introduced into the first electrode of the membrane electrode assembly provided in the manufactured fuel cell;
By obtaining AC impedance characteristics based on the AC impedance for each frequency measured in the measurement step, and fitting the AC impedance characteristics to an equivalent circuit, the resistance of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane, and the first electrode, A calculation step for obtaining a predetermined total resistance including at least an interfacial resistance between:
A fuel cell manufacturing method comprising: a feedback step of obtaining the manufacturing condition based on the combined resistance obtained by the calculation step and feeding back the obtained manufacturing condition to the membrane electrode assembly manufacturing step.
請求項6に記載の燃料電池の製造方法において、
前記膜電極接合体製造工程は、
前記電解質膜の両面に前記第1電極と第2電極とを配置した積層体をホットプレスする工程を備え、
前記製造条件は、
前記ホットプレスの温度と圧力についての条件である、燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 6,
The membrane electrode assembly manufacturing process includes:
Hot pressing a laminate in which the first electrode and the second electrode are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane,
The manufacturing conditions are as follows:
A method for producing a fuel cell, which is a condition for the temperature and pressure of the hot press.
請求項7に記載の燃料電池の製造方法において、
前記演算工程は、
前記フィッティングを、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を用いて行う工程を備え、
前記等価回路は、
ワールブルグインピーダンスを備える構成である、燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 7,
The calculation step includes
A step of performing the fitting using an AC impedance characteristic for a predetermined frequency range;
The equivalent circuit is
A method for manufacturing a fuel cell, comprising a Warburg impedance.
電解質膜の一方の面に第1電極が配置され、前記電解質膜の他方の面に第2電極が配置される膜電極接合体を備える燃料電池を評価する燃料電池の評価装置であって、
前記第1電極に不活性ガスを導入した状態で、前記膜電極接合体の交流インピーダンスを、周波数を変化させながら測定する測定部と、
前記測定部により測定された周波数毎の交流インピーダンスに基づいて、所定の周波数範囲についての交流インピーダンス特性を求める第1の演算部と、
ワールブルグインピーダンスを備える等価回路へ前記交流インピーダンス特性をフィッティングすることにより、前記電解質膜の抵抗と、前記電解質膜と前記第1電極との間の界面抵抗とを少なくとも含む所定の合算抵抗を求める第2の演算部と
を備える燃料電池の評価装置。
A fuel cell evaluation apparatus for evaluating a fuel cell including a membrane electrode assembly in which a first electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane and a second electrode is disposed on the other surface of the electrolyte membrane,
A measurement unit that measures the AC impedance of the membrane electrode assembly while changing the frequency with an inert gas introduced into the first electrode,
A first calculation unit for obtaining an AC impedance characteristic for a predetermined frequency range based on the AC impedance for each frequency measured by the measurement unit;
By fitting the AC impedance characteristic to an equivalent circuit having Warburg impedance, a second total resistance that includes at least the resistance of the electrolyte membrane and the interface resistance between the electrolyte membrane and the first electrode is obtained. A fuel cell evaluation apparatus comprising:
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