JP2015022856A - Impedance measuring device for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれる燃料電池用インピーダンス計測装置に関する。 The present invention relates to an impedance measuring device for a fuel cell incorporated in a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are laminated.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この燃料電池は、電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持することにより構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell is constructed by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) having an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side of the electrolyte membrane with a separator. ing.
燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。 In a fuel cell, it is necessary to accurately grasp the power generation status in order to reliably perform desired power generation. For example, the electrolyte membrane must be moistened to a desired wet state in order to maintain the power generation performance. When the electrolyte membrane is in a dry state, the power generation performance is degraded.
一方、発電による生成水量が多く、水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下するおそれがある。また、燃料ガスの不足に起因して性能低下が発生する場合がある。 On the other hand, when the amount of water generated by power generation is large and the water becomes excessive, flooding is likely to occur. For this reason, the channel | path etc. which distribute | circulate reaction gas may be clogged, and there exists a possibility that electric power generation performance may fall. In addition, performance degradation may occur due to a shortage of fuel gas.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、セパレータは、電極反応面の領域内に設けられ、それぞれの一方の面が電解質・電極構造体に接触する複数個の計測用電極部材と、各計測用電極部材同士を互いに絶縁状態に分離して保持する絶縁性樹脂部材と、各計測用電極部材の他方の面に、それぞれ個別に電気的に接続されるフレキシブル基板とを備えている。 Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, the separator is provided in the region of the electrode reaction surface, and a plurality of measurement electrode members whose one surface is in contact with the electrolyte / electrode structure and the measurement electrode members are insulated from each other. An insulating resin member that is separated and held in a state and a flexible substrate that is individually electrically connected to the other surface of each measurement electrode member are provided.
特許文献1では、電解質・電極構造体の電極反応面の領域を複数の領域に分割して複数個の計測用電極部材が設けられるため、前記電極反応面内における各領域のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することができる、としている。 In Patent Document 1, since the electrode reaction surface region of the electrolyte / electrode structure is divided into a plurality of regions and a plurality of measurement electrode members are provided, the impedance distribution of each region in the electrode reaction surface can be easily and It can be measured accurately.
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池の電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することが可能な燃料電池用インピーダンス計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with this type of technology, and has a compact and simple configuration and can easily and accurately measure the impedance of the electrode reaction surface of the fuel cell. The purpose is to provide.
本発明は、電解質の両側に電極が設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に組み込まれる燃料電池用インピーダンス計測装置に関するものである。 The present invention relates to an impedance measuring device for a fuel cell incorporated in a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are laminated.
この燃料電池用インピーダンス計測装置では、電解質・電極構造体の一方の電極側に配置される第1電極部、及び前記電解質・電極構造体の他方の電極側に前記第1電極部と対向して配置される第2電極部と、一端部に前記第1電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第1シート部材と、一端部に前記第2電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第2シート部材と、を備えている。そして、電解質・電極構造体には、外部から交流が印加されている。 In this fuel cell impedance measuring device, the first electrode portion disposed on one electrode side of the electrolyte / electrode structure and the first electrode portion on the other electrode side of the electrolyte / electrode structure are opposed to the first electrode portion. The second electrode portion is disposed, the first electrode portion is provided at one end portion, the other end portion extends outward from the electrolyte / electrode structure, and the one end portion includes the first sheet member. A second sheet member provided with a second electrode portion and the other end portion extending outward of the electrolyte / electrode structure. An alternating current is applied to the electrolyte / electrode structure from the outside.
また、この燃料電池用インピーダンス計測装置では、少なくとも第1電極部に隣接して設けられる抵抗体及び第3電極部と、一端部に前記抵抗体及び前記第3電極部が設けられるとともに、他端部が電解質・電極構造体の外方に延在される第3シート部材と、を備えることが好ましい。抵抗体は、直流抵抗のみではなく、交流抵抗も含んでもよい。 Further, in this fuel cell impedance measuring apparatus, at least the resistor and the third electrode portion provided adjacent to the first electrode portion, the resistor and the third electrode portion provided at one end portion, and the other end It is preferable that the portion includes a third sheet member that extends outward from the electrolyte / electrode structure. The resistor may include not only DC resistance but also AC resistance.
さらに、この燃料電池用インピーダンス計測装置では、第1シート部材、第2シート部材及び第3シート部材の各他端部は、互いに一体化されることが好ましい。 Further, in the fuel cell impedance measuring apparatus, it is preferable that the other end portions of the first sheet member, the second sheet member, and the third sheet member are integrated with each other.
さらにまた、この燃料電池用インピーダンス計測装置では、第1電極部及び第2電極部は、電極を構成する各触媒層の外側又は各拡散層の外側に当接することが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell impedance measuring apparatus, it is preferable that the first electrode portion and the second electrode portion are in contact with the outside of each catalyst layer or the outside of each diffusion layer constituting the electrode.
本発明によれば、電解質・電極構造体の電極反応面内の局所部位に対応して第1電極部及び第2電極部が互いに対向して配設されている。そして、第1電極部は、第1シート部材の一端部に設けられる一方、第2電極部は、第2シート部材の一端部に設けられている。 According to the present invention, the first electrode portion and the second electrode portion are disposed so as to face each other corresponding to the local site in the electrode reaction surface of the electrolyte / electrode structure. The first electrode portion is provided at one end of the first sheet member, while the second electrode portion is provided at one end of the second sheet member.
このため、電極反応面内における局所部位のインピーダンスを容易且つ正確に計測することができる。しかも、構成が一挙に簡素化し、経済的に製造することが可能になる。これにより、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池の電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することが可能になる。 For this reason, the impedance of the local site | part in an electrode reaction surface can be measured easily and correctly. In addition, the configuration can be simplified at a time, and it can be manufactured economically. This makes it possible to easily and accurately measure the impedance of the electrode reaction surface of the fuel cell with a compact and simple configuration.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置10は、燃料電池スタック12に組み込まれる。
As shown in FIG. 1, the fuel cell
燃料電池スタック12は、少なくとも1つの計測用燃料電池14Sと、複数の燃料電池14とが積層されるとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。燃料電池スタック12は、燃料電池14の積層方向(矢印A方向)一端にターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが配設される。燃料電池スタック12は、積層方向他端にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが配設される。
The
ターミナルプレート16aは、絶縁プレート18a内に収容されるとともに、積層方向一端側に端子部16atが突出する。ターミナルプレート16bは、絶縁プレート18b内に収容されるとともに、積層方向他端側に端子部16btが突出する。端子部16at、16btには、外部負荷22が接続される。
The
図2に示すように、燃料電池14Sは、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)24と、前記電解質膜・電極構造体24を挟持する第1セパレータ26及び第2セパレータ28とを備える。第1セパレータ26及び第2セパレータ28は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池14Sの矢印B方向(図1中、矢印A方向に交差する水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔30aと、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔32aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔34bとが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
燃料電池14Sの矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔34aと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔32bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔30bとが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
電解質膜・電極構造体24は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜36と、該固体高分子電解質膜36を挟持するカソード電極38及びアノード電極40とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード電極38は、図3に示すように、固体高分子電解質膜36の一方の面に接合される電極触媒層38aと、前記電極触媒層38aに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層38bとを有する。アノード電極40は、固体高分子電解質膜36の他方の面に接合される電極触媒層40aと、前記電極触媒層40aに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層40bとを有する。電極触媒層38a、40aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜36の両面に一様に塗布して形成される。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、第1セパレータ26の電解質膜・電極構造体24に向かう面26aには、酸化剤ガス流路42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、矢印B方向に延在する複数の流路溝を有しており、酸化剤ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔30bとに連通する。第1セパレータ26の面26bには、第2セパレータ28の面28bとの間に冷却媒体流路44が設けられる。第1セパレータ26には、第1シール部材46aが設けられる。
As shown in FIG. 2, an oxidant
第2セパレータ28の電解質膜・電極構造体24に向かう面28aには、燃料ガス流路48が設けられる。燃料ガス流路48は、酸化剤ガス流路42と同様に、矢印B方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔34aと燃料ガス排出連通孔34bとに連通する。第2セパレータ28には、第2シール部材46bが設けられる。
A
図3及び図4に示すように、インピーダンス計測装置10は、電解質膜・電極構造体24のアノード電極(一方の電極)40側に配置される第1電極部50と、前記電解質膜・電極構造体24のカソード電極(他方の電極)38側に前記第1電極部50と対向して配置される第2電極部52とを備える。第1電極部50は、電極触媒層40aの外方に、すなわち、前記電極触媒層40aとガス拡散層40bとの間に配置される。第2電極部52は、電極触媒層38aの外方に、すなわち、前記電極触媒層38aとガス拡散層38bとの間に配置される。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
インピーダンス計測装置10は、さらに一端部に第1電極部50が設けられるとともに、他端部が電解質膜・電極構造体24の外方に延在される第1シート部材54と、一端部に第2電極部52が設けられるとともに、他端部が前記電解質膜・電極構造体24の外方に延在される第2シート部材56とを備える。第2電極部52は、固体高分子電解質膜36と電極触媒層38a、40aを挟んで第1電極部50と略対称位置に設けられる。第1シート部材54及び第2シート部材56は、電気的絶縁性を有し、例えば、液晶ポリマ(LCP)で形成される。
The
図4に示すように、第1電極部50には、交流印加用配線58aと測定用配線58bとが接続される。第2電極部52には、交流印加用配線60aと測定用配線60bとが接続される。第1シート部材54の一端部側及び第2シート部材56の一端部側は、第1電極部50及び第2電極部52のみが外部に露呈する一方、それぞれの他端部は、互いに熱圧着等により一体化(溶着)される。
As shown in FIG. 4, an AC application wiring 58 a and a
第1シート部材54及び第2シート部材56の他端部には、コネクタ62が接続される。コネクタ62は、ケーブル64を介してコントローラ66に接続される。コントローラ66は、交流電圧印加部68、電圧測定部70及び電流測定部72を備える。図1に示すように、交流印加用配線58a、60aは、交流電圧印加部68に接続される一方、測定用配線58b、60bは、電圧測定部70及び電流測定部72に接続される。
A
インピーダンス計測装置10は、特に入口連通孔や出口連通孔の近傍、例えば、酸化剤ガス供給連通孔30aの近傍や燃料ガス供給連通孔34aの近傍に設けることが好ましい。一方、酸化剤ガス排出連通孔30bの近傍や燃料ガス排出連通孔34bの近傍に設けることができる。
The
図1に示すように、燃料電池14は、電解質膜・電極構造体24と、前記電解質膜・電極構造体24を挟持する第1セパレータ26及び第2セパレータ28とを備える。なお、燃料電池14では、上記の燃料電池14Sと同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。実質的には、燃料電池14は、燃料電池用インピーダンス計測装置10が組み込まれていない他、燃料電池14Sと同一に構成される。
As shown in FIG. 1, the
このように構成される燃料電池スタック12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図2に示すように、酸化剤ガス供給連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔32aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 2, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガスは、第1セパレータ26に設けられている酸化剤ガス流路42に導入され、電解質膜・電極構造体24を構成するカソード電極38に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔34aに供給された燃料ガスは、第2セパレータ28の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体24を構成するアノード電極40に沿って移動する。
The oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体24では、カソード電極38に供給される酸化剤ガスと、アノード電極40に供給される燃料ガスとが、電極触媒層38a、40a内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極38に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔30bに排出される。同様に、アノード電極40に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔34bに排出される。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
また、冷却媒体供給連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ26及び第2セパレータ28間の冷却媒体流路44に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体24を冷却した後、冷却媒体排出連通孔32bに排出される。
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium
上記の発電時において、図1に示すように、コントローラ66では、外部負荷22により燃料電池スタック12から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させている。
During the above power generation, as shown in FIG. 1, the
このため、電圧測定部70は、交流電流に対する交流応答電圧を測定する一方、電流測定部72により交流電流が測定されている。従って、測定された交流電圧及び交流電流から、第1電極部50及び第2電極部52間の交流インピーダンスが算出される。これにより、燃料電池14Sの電極面内の局所部位の交流インピーダンスを検出することが可能になる。
For this reason, the
この場合、第1の実施形態では、電解質膜・電極構造体24の電極反応面内の局所部位に対応して第1電極部50及び第2電極部52が互いに対向して配設されている。そして、第1電極部50は、第1シート部材54の一端部に設けられる一方、第2電極部52は、第2シート部材56の一端部に設けられている。さらに、第1シート部材54の他端部と第2シート部材56の他端部とは、一体化されており、第1電極部50と第2電極部52とは、所望の設置位置に正確に対向配置することが可能になる。
In this case, in the first embodiment, the
このため、インピーダンス計測装置10は、電極反応面内における局所部位のインピーダンスを容易且つ正確に計測することができる。しかも、構成が一挙に簡素化し、経済的に製造することが可能になる。これにより、コンパクト且つ簡単な構成で、燃料電池14Sの電極反応面のインピーダンスを容易且つ正確に計測することができるという効果が得られる。
For this reason, the
図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置80が組み込まれた電解質膜・電極構造体82の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係るインピーダンス計測装置10を構成する電解質膜・電極構造体24と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of a main part of an electrolyte membrane /
インピーダンス計測装置80では、第1電極部50は、アノード電極40を構成するガス拡散層40bの外方に配置される。第2電極部52は、カソード電極38を構成するガス拡散層38bの外方に配置される。このように構成される第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the
図6は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池用インピーダンス計測装置100が組み込まれた燃料電池スタック102の概略側面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック12と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is a schematic side view of a
図7〜図9に示すように、インピーダンス計測装置100は、電解質膜・電極構造体104に組み込まれる。インピーダンス計測装置100は、図8に示すように、少なくとも第1電極部50に隣接して設けられる抵抗体106及び第3電極部108を備える。第1電極部50、抵抗体106及び第3電極部108は、導電性連結部109a、109bにろう付けやスポット溶接等を介して互いに電気的に接続される。導電性連結部109a、109bは、所定の距離だけ抵抗体106の平面方向に離間して配置される。抵抗体106は、蛇行形状や渦巻き形状等により長さが長尺化されることが好ましく、また、直流抵抗のみではなく、交流抵抗も含んでもよい。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
抵抗体106及び第3電極部108は、第3シート部材110の一端部に設けられるとともに、前記第3シート部材110は、電解質膜・電極構造体104の外方に延在する。図9に示すように、第1シート部材54、第2シート部材56及び第3シート部材110の各他端部は、溶着等により互いに一体化される。
The
第3電極部108には、交流印加用配線112aと測定用配線112bとが接続される。交流印加用配線112aは、交流電圧印加部68に接続される。なお、交流電圧印加部68は、用いなくてもよい。
The
図6に示すように、測定用配線112bと第1電極部50の測定用配線58bとは、電流測定部72に接続される。第1電極部50では、交流印加用配線58aを測定用配線として電圧測定部70に接続することができる。交流電圧印加部68は、交流印加用配線114a、114bが端子部16at、16btに接続される。
As shown in FIG. 6, the
このように構成される第3の実施形態では、燃料電池スタック102の発電時に、交流電圧印加部68を介して端子部16at、16bt間に交流電圧が印加される。交流電圧印加部68は、インピーダンス計測装置100が設けられた複数の燃料電池14Sに跨って交流を印加できればよく、両端に限定されない。
In the third embodiment configured as described above, an AC voltage is applied between the terminal portions 16at and 16bt via the AC
このため、第1電極部50と第3電極部108との間で電圧降下が起こり、電流(交流電流)が流れる。従って、電流測定部72により電圧降下に基づいて交流電流が測定される。一方、電圧測定部70では、第1電極部50と第2電極部52との電位差から交流電圧が測定される。
For this reason, a voltage drop occurs between the
これにより、燃料電池14Sの電極面内の局所部位の交流インピーダンスを検出することが可能になる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、燃料電池スタック102全体に交流電圧を印加すればよいので、個別のインピーダンス計測装置100毎に交流電圧を印加するのに比べて、計測装置が簡略化される。なお、第3の実施形態では、第2の実施形態と同様の構成を採用することができる。
As a result, the same effects as those of the first and second embodiments described above can be obtained, such as the ability to detect the AC impedance of a local portion within the electrode surface of the
10、80、100…インピーダンス計測装置
12、102…燃料電池スタック 14、14S…燃料電池
24、82、104…電解質膜・電極構造体 26、28…セパレータ
30a…酸化剤ガス供給連通孔 30b…酸化剤ガス排出連通孔
32a…冷却媒体供給連通孔 32b…冷却媒体排出連通孔
34a…燃料ガス供給連通孔 34b…燃料ガス排出連通孔
36…固体高分子電解質膜 38…カソード電極
38a、40a…電極触媒層 38b、40b…ガス拡散層
40…アノード電極 42…酸化剤ガス流路
44…冷却媒体流路 48…燃料ガス流路
50、52、108…電極部 54、56、110…シート部材
58a、58b、60a、60b、112a、112b、114a、114b…配線
66…コントローラ 68…交流電圧印加部
70…電圧測定部 72…電流測定部
106…抵抗体
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電解質・電極構造体の一方の電極側に配置される第1電極部、及び前記電解質・電極構造体の他方の電極側に前記第1電極部と対向して配置される第2電極部と、
一端部に前記第1電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第1シート部材と、
一端部に前記第2電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第2シート部材と、
を備え、
前記電解質・電極構造体には、外部から交流が印加されることを特徴とする燃料電池用インピーダンス計測装置。 An impedance measuring device for a fuel cell incorporated in a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are laminated,
A first electrode portion disposed on one electrode side of the electrolyte / electrode structure, and a second electrode portion disposed opposite the first electrode portion on the other electrode side of the electrolyte / electrode structure; ,
A first sheet member provided at one end and the other end of the first sheet member extending outward of the electrolyte-electrode structure;
A second sheet member provided at one end with the second electrode portion and the other end extending outward of the electrolyte / electrode structure;
With
An impedance measuring device for a fuel cell, wherein an alternating current is applied to the electrolyte / electrode structure from outside.
一端部に前記抵抗体及び前記第3電極部が設けられるとともに、他端部が前記電解質・電極構造体の外方に延在される第3シート部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池用インピーダンス計測装置。 The impedance measuring device for a fuel cell according to claim 1, wherein at least a resistor and a third electrode portion provided adjacent to the first electrode portion,
A third sheet member provided with the resistor and the third electrode part at one end, and the other end extending outward of the electrolyte / electrode structure;
An impedance measuring device for a fuel cell comprising:
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