JP4624528B2

JP4624528B2 - Fuel cell component performance evaluation apparatus and performance evaluation method

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Publication number: JP4624528B2
Application number: JP2000232885A
Authority: JP
Inventors: 毅彦中島; 聡野村
Original assignee: Horiba Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Horiba Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: JP2002050380A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法に関し、詳しくは、燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価装置および性能評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を評価する手法としては、カソードおよびアノードに対して基準となる参照電極を用いて行なう手法が提案されている（例えば、特開平２−５１８６６号公報など）。この手法では、参照電極とカソードとの電位差および参照電極とアノードとの電位差を検出し、検出した電位差から電池特性を解析している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした評価手法では、燃料電池を構成する要素の評価、特に要素の部位毎の評価を適切に行なうことができない。燃料電池は、燃料と電解質と触媒との接触点に生じる電気化学反応に基づいて発電するが、電解質と触媒は共に層状に形成されることが多いから、一般的には、電解質と触媒との接触点は面的な広がりを持っている。従来例の評価手法では、全体としての電池特性は解析できるが、面的な広がりを持つ電解質と触媒との各接触点における特性評価は行なうことができない。
【０００４】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法は、燃料電池を構成する要素の平面的な部位の性能を評価することを目的の一つとする。また、燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法は、燃料電池を構成する要素の形状が燃料電池に及ぼす影響を評価することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置および性能評価方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置は、
燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価装置であって、
所定の材料により形成され、前記評価対象要素の電解質に接して配置されるゲル層と、
前記評価対象要素に前記燃料電池に用いる燃料を供給する燃料供給手段と、
前記ゲル層と前記評価対象要素とに接続され、前記評価対象要素が燃料電池として機能する際の電気的なパスを構成する電気的パス構成手段と、
前記ゲル層のプロトン分布を検出するプロトン分布検出手段と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置では、ゲル層と評価対象要素とに接続された電気的パス構成手段により電気的なパスが構成されることにより、燃料供給手段によって評価対象要素へ燃料が供給されると、供給された燃料に基づいて評価対象要素は電気化学反応を生じてプロトンをゲル層に放出する。このゲル層に放出されたプロトンがプロトン分布検出手段によりその分布として検出されるから、そのプロトン分布に基づいて評価対象要素の性能を評価、即ち評価対象要素の面的な各部の性能の評価を行なうことができる。もとより、評価対象要素の各要素の全体的な評価および面的な各部の評価を行なうことができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記評価対象要素は、前記電解質の前記ゲル層が配置された面の裏面に接合された触媒層を備える要素であるものとすることができる。こうすれば、電解質の全体的な評価および面的な各部の評価や、触媒層の全体的な評価および面的な各部の評価を行なうことができる。この態様の本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記評価対象要素は、前記触媒層に接して配置され該触媒層に燃料を供給可能なセパレータを備える要素であるものとすることもできる。こうすれば、セパレータの全体としての評価および面的な各部の評価，セパレータの形状が及ぼす影響の評価を行なうことができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記評価対象要素は前記電解質と該電解質の前記ゲル層が配置された面の裏面の一部に配置された第１の触媒層と前記電解質の前記第１の触媒層が配置された面の他部に配置された第２の触媒層とを備える要素であり、前記電気的パス構成手段は、前記ゲル層と前記評価対象要素に代えて前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とに接続されてなる手段であり、前記燃料供給手段は前記第１の触媒層に水素を含有する水素含有ガスを供給すると共に前記第２の触媒層に酸素を含有する酸素含有ガスを供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電解質の評価、特に電解質内のプロトンの移動に関する評価を行なうことができる。
【００１０】
さらに、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記ゲル層は、塩化カリウムが所定濃度となるよう調製された寒天ゲルにより所定厚さに形成されてなるものとすることもできる。
【００１１】
あるいは、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記プロトン分布検出手段は、前記ゲル層に一面が接するよう配置される窒化ケイ素により形成された窒化ケイ素層と、酸化シリコンにより前記窒化ケイ素層の他面に一面が接するよう形成された酸化シリコン層と、シリコンにより前記酸化シリコン層の他面に一面が接するように形成されたシリコン層と、前記シリコン層の他面に所定の光を走査しながら照射する光照射手段と、前記ゲル層と前記シリコン層との間に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、該印加された電圧に基づいて前記所定の光が照射された部位のプロトンの濃度を検出するプロトン濃度検出手段とを備えるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池構成要素の性能評価装置において、前記プロトン分布検出手段により検出されたプロトンの分布を画像処理して出力する画像処理出力手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、プロトン分布およびプロトン分布が示す評価対象要素の性能を画像として出力することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池構成要素の性能評価方法は、
燃料電池を構成する要素のうち少なくとも電解質を含む評価対象要素の性能を評価する性能評価方法であって、
所定のゲル層に前記評価対象要素の電解質が接するよう配置し、
前記評価対象要素に前記燃料電池に用いる燃料を供給し、
前記所定のゲル層のプロトン分布を検出し、
該検出されたプロトン分布に基づいて前記評価対象要素の性能を評価する
ことを要旨とする。
【００１４】
この本発明の燃料電池構成要素の性能評価方法によれば、評価対象要素へ燃料を供給することにより評価対象要素が電気化学反応を生じてゲル層に放出するプロトンの分布を検出し、そのプロトン分布に基づいて評価対象要素の性能を評価することができる。プロトン分布に基づくから評価対象要素の面的な各部の性能の評価を行なうことができる。もとより、評価対象要素の各要素の全体的な評価および面的な各部の評価も行なうことができる。
【００１５】
こうした本発明の燃料電池構成要素の性能評価方法において、前記プロトン分布の検出ステップは、前記所定のゲル層に一面が接するよう配置された窒化ケイ素により形成された窒化ケイ素層と酸化シリコンにより該窒化ケイ素の他面に一面が接するよう形成された酸化シリコン層とシリコンにより該酸化シリコン層の他面に一面が接するように形成されたシリコン層からなる検出層の該シリコン層の他面に所定の光を走査しながら照射し、該シリコン層と前記所定のゲル層との間に所定の電圧を印加し、該印加された電圧に基づいて前記所定の光が照射された部位のプロトンの濃度を検出することにより前記所定のゲル層のプロトン分布を検出するステップであるものとすることもできる。

【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池構成要素の性能評価装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０は、評価対象としての燃料電池構成要素１０に面して配置されたゲル層２２と、このゲル層２２のプロトン分布を検出するプロトン分布センサ４０と、燃料電池構成要素１０に燃料としての水素を水素タンク３０から供給する水素供給ダクト３２と、燃料電池構成要素１０が燃料電池として作用したときに電気的なパスを構成する電気的パス構成機構２３と、プロトン分布センサ４０のコントローラとして機能すると共に装置全体をコントロールするコンピュータ６０とを備える。
【００１７】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０に評価対象として用いた燃料電池構成要素１０は、例えば固体高分子型燃料電池を構成する要素としての電解質膜１２とこの電解質膜１２に印刷された触媒層１４とから構成されている。電解質膜１２としては、例えばフッ素系樹脂などのプロトン導電性の高分子材料を用いることができ、触媒層１４としては、例えばカーボン粉末を担体として白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたものを用いることができる。なお、燃料電池構成要素１０は、電解質膜１２がゲル層２２に接するように取り付けられている。
【００１８】
ゲル層２２としては、実施例では０．１ｍｏｌの塩化カリウムを含む寒天ゲルを厚さ１ｍｍに調製したものを用いた。
【００１９】
電気的パス構成機構２３は、ゲル層２２に埋め込まれたメッシュ状の陽極２４と、燃料電池構成要素１０の触媒層１４に接するように配置されたメッシュ状の陰極２６と、この陽極２４と陰極２６とに接続された負荷２８とから構成されており、燃料電池構成要素１０に燃料としての水素を供給し電気化学反応を生じさせたときの電気的なパスを形成している。即ち、電気的パス構成機構２３は、燃料電池構成要素１０の陰極反応としての水素の電離の際に生じる電子を陰極２６，負荷２８を介して陽極２４からゲル層２２に供給するパスを構成するのである。
【００２０】
プロトン分布センサ４０は、ケイ素により形成されたシリコン層４２と、酸化ケイ素によりシリコン層４２の表面に形成された酸化シリコン層４４と、窒化ケイ素により酸化シリコン層４４の表面に形成されゲル層２２を載置する窒化ケイ素層４６と、シリコン層４２の裏面から所定の波長のレーザ光を、例えば二次元方向に走査しながら照射するレーザ光照射装置４８と、ゲル層２２とシリコン層４２とにバイアス電圧を印加させるポテンシオスタット５０と、シリコン層４２に流れる電流を、シリコン層４２に形成されたオーミック電極ＯＣから電流信号として取り出して検出する電流センサ５２と、この検出された電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器５３と、この電流−電圧変換器５３からの信号が入力される演算増幅回路５４などを備える。
【００２１】
プロトン分布センサ４０は、次のように機能してプロトンの分布を検出する。シリコン層４２に所定の波長のレーザ光を照射すると、レーザ光の照射された部位のシリコン内に光励起された交流電流が流れる。この光電流は、図２のグラフに示すように、バイアス電圧に対してＳ字の特性を示すと共にゲル層２２のプロトン濃度に応じてバイアス電圧方向にシフトする。このため、ゲル層２２とシリコン層４２に所定のバイアス電圧を作用させておけば、レーザ光照射装置４８によりレーザ光を照射した部位のゲル層２２においてプロトン濃度に応じた電流信号が発生する。この電流信号を電流センサ５２で検出し、前記電流−電圧変換器５３、演算増幅回路５４を経てコンピュータ６０に入力し、プロトン濃度に変換することでゲル層２２のプロトン分布を検出することができる。
【００２２】
コンピュータ６０は、ＣＰＵを中心とする汎用のマイクロコンピュータとして構成されており、図示しないが処理プログラムを記憶したＲＯＭや一時的にデータを記憶するＲＡＭ，入出力ポートなどを備える。コンピュータ６０の入力ポートには、レーザ光照射装置４８からの走査位置や電流センサ５２からの電流値などが入力されており、出力ポートからは、水素タンク３０から水素供給ダクト３２への水素の供給を司る水素供給弁３４のアクチュエータ３６への駆動信号やレーザ光照射装置４８への駆動信号などが出力されている。
【００２３】
コンピュータ６０は、前述したように、プロトン分布センサ４０のコントローラとして機能すると共に装置全体のコントローラとしても機能する。そして、レーザ光照射装置４８からの走査位置に対応して入力される電流センサ５２からの電流値を画像処理してゲル層２２のプロトン分布を色、例えばプロトン濃度の高低により赤系から青系へ変化する複数段の色に変換して２次元平面的に出力する。したがって、ゲル層２２のプロトン分布を色の変化として視覚的に迅速に把握することができる。
【００２４】
以上説明した実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０によれば、燃料電池構成要素１０の性能をゲル層２２のプロトン分布として評価することができる。また、ゲル層２２の２次元平面のプロトン分布により評価するから、燃料電池構成要素１０の２次元平面の各部における性能を評価することができる。しかも、ゲル層２２のプロトン分布を画像処理により色の変化として出力するから、ゲル層２２のプロトン分布を視覚的に迅速に把握することができる。
【００２５】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０によれば、電解質膜１２に対して異なる触媒層１４を異なる位置に印刷してなる燃料電池構成要素１０を用いて性能評価処理したり、同一の電解質膜１２に異なる触媒層１４を印刷した燃料電池構成要素１０を複数回に分けて性能評価処理することにより、異なる触媒層１４の評価および触媒層１４の２次元平面の各部の評価を行なうことができる。逆に、異なる材質の電解質膜１２に対して同一の触媒層１４を印刷した燃料電池構成要素１０を複数回に分けて性能評価処理することにより、異なる材質の電解質膜１２の評価および電解質膜１２の２次元平面の各部の評価を行なうことができる。
【００２６】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０では、電解質膜１２と触媒層１４とからなる燃料電池構成要素１０の性能を評価するものとして説明したが、図３の変形例の燃料電池構成要素１０Ｂに示すように、電解質膜１２と、触媒層１４と、触媒層１４に水素を供給すると共に燃料電池を構成したときに単電池間の隔壁をなすセパレータ１６とにより評価対象としての燃料電池構成要素を構成するものとしてもよい。こうすれば、セパレータ１６の触媒層１４への水素の平面的な供給に対する評価を行なうことができる。即ち、水素の供給流路の形状の異なる複数のセパレータ１６を用いた燃料電池構成要素１０Ｂを複数回に分けて性能評価することにより異なるセパレータ１６間の性能評価および各セパレータ１６における２次元平面の各部の評価を行なうことができる。なお、この変形例の燃料電池構成要素１０Ｂを用いる場合、水素の供給はセパレータ１６の水素の供給流路に行なうものとし、電気的パス構成機構２３の陰極としてセパレータ１６をそのまま用いるものとすることができる。
【００２７】
また、図４の変形例の燃料電池構成要素１０Ｃに示すように、電解質膜１２を隔壁１８により二つの領域に分け、一方の領域には実施例の燃料電池構成要素１０と同一の構成となるよう触媒層１４を印刷すると共に陰極２６を配置し、他方の領域には燃料電池の陽極側の構成と同一の触媒層１５を印刷すると共に陰極２６と同様のメッシュ状の陽極２４Ｃを配置し、性能評価の際に、陰極２６が配置された一方の領域には水素を供給すると共に陽極２４Ｃが配置された他方の領域には酸素を含有する酸素含有ガス（例えば、空気）を供給するものとすることもできる。こうすれば、燃料電池構成要素１０Ｃが燃料電池を構成し、電解質膜１２におけるプロトン移動の性能を評価することができる。
【００２８】
以上説明したように、実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０に用いる燃料電池構成要素１０は、燃料電池を構成する要素の種々の組み合わせとすることができる。なお、実施例やその変形例では、燃料電池構成要素１０を固体高分子型燃料電池を構成する要素としたが、固体高分子型燃料電池に限られず、ゲル層２２に載置可能な電解質を有する燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池など種々のタイプの燃料電池を構成する要素に適用することができる。
【００２９】
実施例の燃料電池構成要素の性能評価装置２０では、ゲル層２２のプロトン分布を画像処理により色の変化として出力するものとしたが、プロトン分布を出力できれば如何なる手法を用いてもよく、例えばプロトン濃度を数値のまま出力するものとしても差し支えない。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池構成要素の性能評価装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】プロトン分布センサ４０におけるバイアス電圧とプロトン濃度と光電流値との関係の一例を示すグラフである。
【図３】変形例の燃料電池構成要素１０Ｂの構成を例示する構成図である。
【図４】変形例の燃料電池構成要素１０Ｃの構成を例示する構成図である。
【符号の説明】
１０燃料電池構成要素、１２電解質膜、１４，１５触媒層、１６セパレータ、１８隔壁、２０燃料電池構成要素の性能評価装置、２２ゲル層、２３電気的パス構成機構、２４，２４Ｃ陽極、２６陰極、３０水素タンク、３２水素供給ダクト、３４水素供給弁、３６アクチュエータ、４０プロトン分布センサ、４２シリコン層、４４酸化シリコン層、４６窒化ケイ素層、４８レーザ光照射装置、５０ポテンシオスタット、５２電流センサ、５３電流−電圧変換器、５４演算増幅回路、６０コンピュータ、ＯＣオーミック電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell component performance evaluation apparatus and performance evaluation method, and more particularly to a performance evaluation device and a performance evaluation method for evaluating the performance of an evaluation target element including at least an electrolyte among elements constituting a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for evaluating a fuel cell, a method using a reference electrode serving as a reference for a cathode and an anode has been proposed (for example, JP-A-2-51866). In this method, the potential difference between the reference electrode and the cathode and the potential difference between the reference electrode and the anode are detected, and the battery characteristics are analyzed from the detected potential difference.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, with such an evaluation method, it is not possible to appropriately evaluate the elements constituting the fuel cell, in particular, the evaluation for each part of the elements. A fuel cell generates electricity based on an electrochemical reaction that occurs at the contact point between a fuel, an electrolyte, and a catalyst. However, since the electrolyte and the catalyst are often formed in layers, generally, the electrolyte and the catalyst The contact point has a wide area. With the conventional evaluation method, the battery characteristics as a whole can be analyzed, but the characteristics cannot be evaluated at each contact point between the electrolyte and the catalyst having a wide area.
[0004]
The fuel cell component performance evaluation apparatus and performance evaluation method according to the present invention has an object to evaluate the performance of a planar portion of the components constituting the fuel cell. Another object of the performance evaluation apparatus and performance evaluation method for a fuel cell component is to evaluate the influence of the shape of the component constituting the fuel cell on the fuel cell.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
The fuel cell component performance evaluation apparatus and performance evaluation method of the present invention employ the following means in order to achieve at least a part of the above object.
[0006]
The fuel cell component performance evaluation apparatus of the present invention comprises:
A performance evaluation device for evaluating the performance of an evaluation target element including at least an electrolyte among elements constituting a fuel cell,
A gel layer formed of a predetermined material and disposed in contact with the electrolyte of the evaluation target element;
Fuel supply means for supplying fuel to be used for the fuel cell to the evaluation target element;
An electrical path forming means connected to the gel layer and the evaluation target element to configure an electrical path when the evaluation target element functions as a fuel cell;
The gist of the present invention is to provide a proton distribution detecting means for detecting the proton distribution of the gel layer.
[0007]
In the fuel cell component performance evaluation apparatus of the present invention, an electric path is configured by the electrical path configuration means connected to the gel layer and the evaluation target element, so that the fuel supply means supplies the evaluation target element. When the fuel is supplied, the evaluation target element generates an electrochemical reaction based on the supplied fuel and releases protons to the gel layer. Since the protons released to the gel layer are detected as the distribution by the proton distribution detection means, the performance of the evaluation target element is evaluated based on the proton distribution, that is, the performance of each part of the evaluation target element is evaluated. Can be done. Of course, the overall evaluation of each element of the evaluation target element and the evaluation of each area can be performed.
[0008]
In such a fuel cell component performance evaluation apparatus of the present invention, the evaluation target element may be an element including a catalyst layer bonded to the back surface of the surface on which the gel layer of the electrolyte is disposed. . By doing so, it is possible to perform the overall evaluation of the electrolyte and the evaluation of each area, and the overall evaluation of the catalyst layer and the evaluation of each area. In the fuel cell component performance evaluation apparatus according to this aspect of the present invention, the evaluation target element may be an element including a separator disposed in contact with the catalyst layer and capable of supplying fuel to the catalyst layer. it can. If it carries out like this, the evaluation of the whole separator, evaluation of each surface part, and the influence which the shape of a separator exerts can be performed.
[0009]
In the fuel cell component performance evaluation apparatus according to the present invention, the evaluation target element includes the first catalyst layer disposed on a part of the back surface of the surface on which the electrolyte and the gel layer of the electrolyte are disposed; A second catalyst layer disposed on the other surface of the surface on which the first catalyst layer of the electrolyte is disposed, and the electric path forming means replaces the gel layer and the evaluation target element. The fuel supply means supplies a hydrogen-containing gas containing hydrogen to the first catalyst layer and the second catalyst layer is connected to the first catalyst layer and the second catalyst layer. The catalyst layer may be a means for supplying an oxygen-containing gas containing oxygen. In this way, it is possible to perform evaluation of the electrolyte, particularly evaluation of proton movement in the electrolyte.
[0010]
Further, in the fuel cell component performance evaluation apparatus of the present invention, the gel layer may be formed to a predetermined thickness with an agar gel prepared so that potassium chloride has a predetermined concentration.
[0011]
Alternatively, in the performance evaluation device for a fuel cell components of the present invention, the proton distribution detecting means, a silicon nitride layer formed of silicon nitride which is arranged to one side in the gel layer is in contact, wherein the silicon nitride of silicon oxide A silicon oxide layer formed so that one surface is in contact with the other surface of the layer, a silicon layer formed by silicon so that the one surface is in contact with the other surface of the silicon oxide layer, and predetermined light on the other surface of the silicon layer. Light irradiation means for irradiating while scanning; voltage applying means for applying a predetermined voltage between the gel layer and the silicon layer; and a portion irradiated with the predetermined light based on the applied voltage. Proton concentration detection means for detecting the proton concentration may be provided.
[0012]
The fuel cell component performance evaluation apparatus of the present invention may further include image processing output means for performing image processing and outputting the proton distribution detected by the proton distribution detection means. In this way, the proton distribution and the performance of the evaluation target element indicated by the proton distribution can be output as an image.
[0013]
The performance evaluation method of the fuel cell component of the present invention is:
A performance evaluation method for evaluating performance of an evaluation target element including at least an electrolyte among elements constituting a fuel cell,
Arranged so that the electrolyte of the element to be evaluated is in contact with a predetermined gel layer,
Supplying the fuel to be used for the fuel cell to the evaluation target element;
Detecting the proton distribution of the predetermined gel layer;
The gist is to evaluate the performance of the evaluation target element based on the detected proton distribution.
[0014]
According to the fuel cell component performance evaluation method of the present invention, by supplying fuel to the evaluation target element, the evaluation target element detects the distribution of protons that cause an electrochemical reaction and is released to the gel layer. The performance of the evaluation target element can be evaluated based on the distribution. Since it is based on the proton distribution, the performance of each part of the evaluation target element can be evaluated. Of course, overall evaluation of each element of the evaluation target element and evaluation of each area can be performed.
[0015]
In performance evaluation method of the fuel cell components such present invention, the detection step of the proton distribution is the nitride of silicon oxide and the predetermined gel layer to the silicon nitride layer formed by arranged silicon nitride to one surface in contact A detection layer comprising a silicon oxide layer formed so that one surface is in contact with the other surface of silicon and a silicon layer formed so that the other surface is in contact with the other surface of the silicon oxide layer is predetermined on the other surface of the silicon layer. Irradiate while scanning light, apply a predetermined voltage between the silicon layer and the predetermined gel layer, and based on the applied voltage, determine the proton concentration at the site irradiated with the predetermined light It may be a step of detecting a proton distribution of the predetermined gel layer by detection.

[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a fuel cell component performance evaluation apparatus 20 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell component performance evaluation apparatus 20 according to the embodiment includes a gel layer 22 disposed facing the fuel cell component 10 as an evaluation target, and a proton distribution sensor 40 that detects a proton distribution of the gel layer 22. , A hydrogen supply duct 32 for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell component 10 from the hydrogen tank 30, and an electrical path configuration mechanism 23 that constitutes an electrical path when the fuel cell component 10 acts as a fuel cell And a computer 60 that functions as a controller of the proton distribution sensor 40 and controls the entire apparatus.
[0017]
The fuel cell component 10 used as an evaluation target in the fuel cell component performance evaluation apparatus 20 of the example was printed on the electrolyte membrane 12 and the electrolyte membrane 12 as an element constituting a polymer electrolyte fuel cell, for example. And a catalyst layer 14. As the electrolyte membrane 12, for example, a proton conductive polymer material such as a fluorine resin can be used. As the catalyst layer 14, for example, carbon powder is used as a carrier and platinum or an alloy made of platinum and other metals is supported. Can be used. The fuel cell component 10 is attached so that the electrolyte membrane 12 is in contact with the gel layer 22.
[0018]
As the gel layer 22, an agar gel containing 0.1 mol of potassium chloride prepared in a thickness of 1 mm was used in the examples.
[0019]
The electrical path constituting mechanism 23 includes a mesh-like anode 24 embedded in the gel layer 22, a mesh-like cathode 26 disposed so as to contact the catalyst layer 14 of the fuel cell component 10, and the anode 24 and the cathode And a load 28 connected to the fuel cell component 26, and forms an electrical path when hydrogen as fuel is supplied to the fuel cell component 10 to cause an electrochemical reaction. That is, the electrical path forming mechanism 23 forms a path for supplying electrons generated during hydrogen ionization as a cathode reaction of the fuel cell component 10 from the anode 24 to the gel layer 22 through the cathode 26 and the load 28. It is.
[0020]
The proton distribution sensor 40 includes a silicon layer 42 formed of silicon, a silicon oxide layer 44 formed on the surface of the silicon layer 42 by silicon oxide, and a gel layer 22 formed on the surface of the silicon oxide layer 44 by silicon nitride. A bias is applied to the silicon nitride layer 46 to be placed, a laser beam irradiation device 48 that irradiates laser light of a predetermined wavelength from the back surface of the silicon layer 42 in, for example, a two-dimensional direction, the gel layer 22, and the silicon layer 42. A potentiostat 50 for applying a voltage, a current sensor 52 for detecting a current flowing in the silicon layer 42 as a current signal from the ohmic electrode OC formed in the silicon layer 42, and the detected current signal as a voltage signal A current-voltage converter 53 that converts the signal into a current and a calculation amplification circuit to which a signal from the current-voltage converter 53 is input. 54 comprises a like.
[0021]
The proton distribution sensor 40 functions as follows to detect the proton distribution. When the silicon layer 42 is irradiated with laser light having a predetermined wavelength, an alternating current that is photoexcited flows in silicon at a portion irradiated with the laser light. As shown in the graph of FIG. 2, this photocurrent exhibits an S-shaped characteristic with respect to the bias voltage and shifts in the bias voltage direction according to the proton concentration of the gel layer 22. For this reason, if a predetermined bias voltage is applied to the gel layer 22 and the silicon layer 42, a current signal corresponding to the proton concentration is generated in the gel layer 22 where the laser beam is irradiated by the laser beam irradiation device 48. This current signal is detected by a current sensor 52, input to the computer 60 via the current-voltage converter 53 and the operational amplifier circuit 54, and converted to proton concentration, whereby the proton distribution of the gel layer 22 can be detected. .
[0022]
The computer 60 is configured as a general-purpose microcomputer centered on a CPU, and includes a ROM that stores a processing program, a RAM that temporarily stores data, an input / output port, and the like (not shown). A scanning position from the laser beam irradiation device 48, a current value from the current sensor 52, and the like are input to the input port of the computer 60, and hydrogen is supplied from the hydrogen tank 30 to the hydrogen supply duct 32 from the output port. A drive signal to the actuator 36 of the hydrogen supply valve 34 that controls the drive, a drive signal to the laser beam irradiation device 48, and the like are output.
[0023]
As described above, the computer 60 functions as a controller for the proton distribution sensor 40 and also functions as a controller for the entire apparatus. Then, the current value from the current sensor 52 input corresponding to the scanning position from the laser beam irradiation device 48 is subjected to image processing, and the proton distribution of the gel layer 22 is colored, for example, from red to blue depending on the level of proton concentration. Are converted into a plurality of colors that change to a two-dimensional plane. Therefore, the proton distribution of the gel layer 22 can be quickly grasped visually as a color change.
[0024]
According to the fuel cell component performance evaluation apparatus 20 of the embodiment described above, the performance of the fuel cell component 10 can be evaluated as the proton distribution of the gel layer 22. In addition, since the evaluation is performed based on the proton distribution on the two-dimensional plane of the gel layer 22, the performance of each part of the fuel cell component 10 on the two-dimensional plane can be evaluated. In addition, since the proton distribution of the gel layer 22 is output as a color change by image processing, the proton distribution of the gel layer 22 can be visually grasped quickly.
[0025]
According to the fuel cell component performance evaluation apparatus 20 of the embodiment, the performance evaluation process is performed using the fuel cell component 10 formed by printing different catalyst layers 14 on the electrolyte membrane 12 at different positions, or the same. The fuel cell component 10 having different catalyst layers 14 printed on the electrolyte membrane 12 is subjected to a performance evaluation process in a plurality of times, thereby evaluating different catalyst layers 14 and each part of the catalyst layer 14 in a two-dimensional plane. Can do. On the contrary, the performance evaluation process is performed on the fuel cell component 10 on which the same catalyst layer 14 is printed on the electrolyte membrane 12 of different materials in a plurality of times, thereby evaluating the electrolyte membrane 12 of different materials and the electrolyte membrane 12. Each part of the two-dimensional plane can be evaluated.
[0026]
The fuel cell component performance evaluation apparatus 20 according to the embodiment has been described as evaluating the performance of the fuel cell component 10 including the electrolyte membrane 12 and the catalyst layer 14, but the fuel cell component of the modified example of FIG. 10B, an electrolyte membrane 12, a catalyst layer 14, and a separator 16 that supplies hydrogen to the catalyst layer 14 and forms a partition between the unit cells when the fuel cell is configured. It is good also as what constitutes an element. By doing so, it is possible to evaluate the planar supply of hydrogen to the catalyst layer 14 of the separator 16. That is, by evaluating the performance of the fuel cell component 10B using the plurality of separators 16 having different shapes of the hydrogen supply flow path in a plurality of times, the performance evaluation between the different separators 16 and the two-dimensional plane of each separator 16 are performed. Each part can be evaluated. When the fuel cell component 10B of this modification is used, hydrogen is supplied to the hydrogen supply flow path of the separator 16, and the separator 16 is used as it is as the cathode of the electrical path forming mechanism 23. Can do.
[0027]
Further, as shown in the fuel cell component 10C of the modified example of FIG. 4, the electrolyte membrane 12 is divided into two regions by the partition wall 18, and one region has the same configuration as the fuel cell component 10 of the embodiment. The catalyst layer 14 is printed and the cathode 26 is disposed. In the other region, the catalyst layer 15 having the same configuration as that on the anode side of the fuel cell is printed and the mesh-like anode 24C similar to the cathode 26 is disposed. In the performance evaluation, hydrogen is supplied to one region where the cathode 26 is disposed, and an oxygen-containing gas (for example, air) containing oxygen is supplied to the other region where the anode 24C is disposed. You can also In this way, the fuel cell component 10C constitutes a fuel cell, and the proton transfer performance in the electrolyte membrane 12 can be evaluated.
[0028]
As described above, the fuel cell component 10 used in the fuel cell component performance evaluation apparatus 20 according to the embodiment can be various combinations of components constituting the fuel cell. In the embodiment and its modifications, the fuel cell component 10 is an element that constitutes a solid polymer fuel cell. However, the fuel cell component 10 is not limited to a solid polymer fuel cell, and an electrolyte that can be placed on the gel layer 22 The present invention can be applied to elements constituting various types of fuel cells such as a fuel cell including a solid oxide fuel cell.
[0029]
In the fuel cell component performance evaluation apparatus 20 of the embodiment, the proton distribution of the gel layer 22 is output as a color change by image processing. However, any method may be used as long as the proton distribution can be output. The density may be output as a numerical value.
[0030]
The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course you get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell component performance evaluation apparatus 20 according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing an example of a relationship among a bias voltage, a proton concentration, and a photocurrent value in the proton distribution sensor 40. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the configuration of a fuel cell component 10B according to a modification.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating the configuration of a fuel cell component 10C according to a modification.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell component, 12 Electrolyte membrane, 14, 15 Catalyst layer, 16 Separator, 18 Partition, 20 Fuel cell component performance evaluation apparatus, 22 Gel layer, 23 Electrical path component, 24, 24C Anode, 26 Cathode , 30 Hydrogen tank, 32 Hydrogen supply duct, 34 Hydrogen supply valve, 36 Actuator, 40 Proton distribution sensor, 42 Silicon layer, 44 Silicon oxide layer, 46 Silicon nitride layer, 48 Laser light irradiation device, 50 Potentiostat, 52 Current Sensor, 53 current-voltage converter, 54 operational amplifier circuit, 60 computer, OC ohmic electrode.

Claims

A performance evaluation apparatus for evaluating the performance of an evaluation target element including at least an electrolyte among elements constituting a fuel cell, a gel layer formed of a predetermined material and disposed in contact with the electrolyte of the evaluation target element; A fuel supply means for supplying fuel to be used for the fuel cell to the evaluation target element, connected to the gel layer and the evaluation target element, and constituting an electrical path when the evaluation target element functions as a fuel cell An apparatus for evaluating the performance of a fuel cell component, comprising: an electrical path forming unit configured to detect a proton distribution in the gel layer;

The fuel cell component performance evaluation apparatus according to claim 1, wherein the evaluation target element is an element including a catalyst layer bonded to a back surface of the surface on which the gel layer of the electrolyte is disposed.

The fuel cell component performance evaluation apparatus according to claim 2, wherein the evaluation target element is an element provided with a separator disposed in contact with the catalyst layer and capable of supplying fuel to the catalyst layer.

2. The fuel cell component performance evaluation apparatus according to claim 1, wherein the evaluation target element is arranged on a part of a back surface of the surface on which the electrolyte and the gel layer of the electrolyte are arranged. A catalyst layer and a second catalyst layer disposed on the other surface of the surface of the electrolyte on which the first catalyst layer is disposed, and the electrical path forming means includes the gel layer and the gel layer. It is means connected to the first catalyst layer and the second catalyst layer in place of the evaluation target element, and the fuel supply means uses a hydrogen-containing gas containing hydrogen in the first catalyst layer. An apparatus for evaluating the performance of a fuel cell component, which is means for supplying an oxygen-containing gas containing oxygen to the second catalyst layer.

The fuel cell component performance evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the gel layer is formed to a predetermined thickness by an agar gel prepared so that potassium chloride has a predetermined concentration.

The proton distribution detecting means includes a silicon nitride layer formed of silicon nitride disposed so that one surface is in contact with the gel layer, and a silicon oxide layer formed by silicon oxide so that the other surface is in contact with the other surface of the silicon nitride layer. A silicon layer formed by silicon so that the other surface of the silicon oxide layer is in contact with the other surface, light irradiation means for irradiating the other surface of the silicon layer with predetermined light, the gel layer, A voltage application unit that applies a predetermined voltage between the silicon layer and a proton concentration detection unit that detects a proton concentration at a site irradiated with the predetermined light based on the applied voltage. 6. A fuel cell component performance evaluation apparatus according to any one of 1 to 5.

7. The fuel cell component performance evaluation apparatus according to claim 1, further comprising image processing output means for performing image processing and outputting a proton distribution detected by the proton distribution detection means.

A performance evaluation method for evaluating the performance of an evaluation target element including at least an electrolyte among elements constituting a fuel cell, wherein the electrolyte of the evaluation target element is in contact with a predetermined gel layer, and the evaluation target element A fuel cell component performance evaluation method for supplying a fuel used in a fuel cell, detecting a proton distribution of the predetermined gel layer, and evaluating the performance of the evaluation target element based on the detected proton distribution.

Detecting step of the proton distribution is formed so that one surface to the other surface of the silicon nitride layer is in contact with said predetermined placed as silicon oxide, silicon nitride layer formed of silicon nitride to one surface to the gel layer is in contact oxide Irradiating the silicon layer with a predetermined light while irradiating the other surface of the silicon layer of the detection layer made of a silicon layer formed so that one surface is in contact with the other surface of the silicon oxide layer with the silicon layer and the silicon layer, A predetermined voltage is applied between the predetermined gel layer, and the proton distribution of the predetermined gel layer is detected by detecting the proton concentration at the site irradiated with the predetermined light based on the applied voltage. The method for evaluating the performance of a fuel cell component according to claim 8, which is a detecting step.