JP4817962B2 - Fuel cell current distribution measuring device, stacked fuel cell current distribution measuring device, and fuel cell current distribution measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、電解質と該電解質を挟んで両側に設けられた一対の電極とを有する燃料電池の電極面における起電力分布を得るための燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell current distribution measuring apparatus and a fuel cell current distribution measuring method for obtaining an electromotive force distribution on an electrode surface of a fuel cell having an electrolyte and a pair of electrodes provided on both sides of the electrolyte.
ガスの電気化学的反応を利用して、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、カルノー効率の制約を受けないため発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用、低公害の自動車用電源等、種々の用途が期待されている。燃料電池は、その電解質により分類することができ、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池等が知られている。 Fuel cells that use chemical reactions of gases to convert chemical energy directly into electrical energy have high power generation efficiency because they are not constrained by Carnot efficiency, and the exhausted gas is clean and has little impact on the environment. Therefore, in recent years, various uses such as power generation and low-pollution automobile power supplies are expected. Fuel cells can be classified according to their electrolytes. For example, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid electrolyte fuel cells, solid polymer fuel cells, and the like are known.
一般に、燃料電池は、図10に示すように、電解質101とその両側に設けられた一対の電極(燃料極102・酸化剤極103)とを有する電極−電解質構造体を発電単位として、燃料極102に水素や炭化水素等の燃料ガスを供給し、酸化剤極103に酸素や空気等の酸化剤ガスを供給して、ガスと電解質101と電極(燃料極102・酸化剤極103)との3相界面において電気化学的な反応を進行させることにより電気を取り出すものである。
In general, as shown in FIG. 10, a fuel cell has an electrode-electrolyte structure having an
燃料電池では、電極−電解質構造体の全体で均一に電極反応が進行することが重要となる。しかし、電極−電解質構造体の場所によって電解質中の水分量や電解質の劣化の程度、また、燃料ガス中の水素濃度や空気中の酸素濃度等が異なることにより、電極−電解質構造体の全体で電極反応が均一に進行しない場合がある。つまり、電極−電解質構造体の部分毎で電極反応の程度に差が生じる場合がある。 In a fuel cell, it is important that the electrode reaction proceeds uniformly throughout the electrode-electrolyte structure. However, depending on the location of the electrode-electrolyte structure, the amount of moisture in the electrolyte, the degree of deterioration of the electrolyte, the hydrogen concentration in the fuel gas, the oxygen concentration in the air, etc. The electrode reaction may not proceed uniformly. That is, there may be a difference in the degree of electrode reaction for each part of the electrode-electrolyte structure.
したがって、この電極−電解質構造体の部分毎における電極反応の程度を把握することにより、電解質や電極触媒等の構成部材の最適化や燃料ガスや酸化剤ガスの加湿量等の最適化を図ることが可能となり、さらに、電極−電解質構造体の劣化原因や劣化の進行具合等を知ることができる。したがって、燃料電池MEAの特性、燃料、酸化剤の供給方式など発電特性と関連ある諸パラメータの関係を確定するために、電極−電解質構造体における電極反応の分布を調査する必要がある。 Therefore, by grasping the degree of electrode reaction in each part of the electrode-electrolyte structure, optimization of components such as electrolyte and electrode catalyst, and optimization of the humidification amount of fuel gas and oxidant gas, etc. Furthermore, it is possible to know the cause of deterioration of the electrode-electrolyte structure, the progress of deterioration, and the like. Therefore, it is necessary to investigate the distribution of electrode reactions in the electrode-electrolyte structure in order to determine the relationship between various parameters related to the power generation characteristics such as the characteristics of the fuel cell MEA, the fuel and oxidant supply methods.
ここで、従来の電極−電解質構造体における電極反応の分布を調査する方法として、例えば、特許文献1に開示された電極反応分布測定システムおよび電極反応分布測定方法がある。
Here, as a method for investigating the distribution of the electrode reaction in the conventional electrode-electrolyte structure, for example, there is an electrode reaction distribution measuring system and an electrode reaction distribution measuring method disclosed in
この特許文献1では、一方の電極側を所定の領域に区分けし、その所定の領域毎の反応電流を測定する方法が示されている。詳細には、図11に示すように、燃料電池である電極−電解質構造体200は、電解質201と、その両側に設けられた一対の電極202・203と、さらにその両側に設けられた集電体204・205とからなっている。
In this
そして、一方の集電体204は、絶縁体からなる仕切り206によって格子状の領域に区分けされており、この区分けされた各集電体204は、半田付け211によりリード線212に接続され、図示しない電圧測定装置に接続されている。
One of the
また、他方の集電体205は銅板231を介して上記電圧測定装置に接続されている。なお、電圧測定装置は、特許文献1では、図示しないが、測定対象となる燃料電池の電極−電解質構造体に接続され、該電極−電解質構造体の全電流または端子間電圧を制御する1つの負荷装置と、該電極−電解質構造体の複数の部分領域の各々における反応電流を測定する電流測定装置と、該電極−電解質構造体の前記複数の部分領域の各々における電解質抵抗を測定する抵抗測定装置と、前記複数の部分領域のうちの同一の部分領域における反応電流と電解質抵抗との測定を同時に行うように当該電極反応分布測定システムを制御する測定制御装置とを含む構成となっている。
The other
しかしながら、上記特許文献1に開示された燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法では、仕切り206によって、集電体204を区分けしており、燃料電池の電極202全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現していない。
However, in the fuel cell current distribution measuring device and the fuel cell current distribution measuring method disclosed in
すなわち、上記特許文献1の方法では、特製試験サンプルと電流センサとを用いて、燃料電池の特定部分の発電性能を測定している。したがって、上記特許文献1の方法では、実デバイスと構造が違うので、測定誤差が出る。このため、実製品の評価はできない。
That is, in the method of
そこで、この問題を解決するために、例えば、特許文献2に開示された燃料電池電流分布測定装置300では、図12及び図13に示すように、燃料電池310の電極面における起電力分布を得るために、一対の燃料極301及び空気極302における一方の燃料極側セパレータ303の外側表面の非区画領域に接触される複数のプローブピン304と、各プローブピン304に流れる電流を測定する電流測定部305とを備えている。
In order to solve this problem, for example, in the fuel cell current
これにより、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法が提供できるものとなっている。 Thus, it is possible to provide a fuel cell current distribution measuring device and a fuel cell current distribution measuring method capable of accurately reproducing a partial electromotive force among electromotive forces obtained from the entire electrode of the fuel cell.
ここで、燃料電池電流分布測定装置300の測定原理について、図14に基づいて説明する。図14は、図13の中のAの部分であり、電流プローブ(接触ピン)と燃料電池セパレータの接触部を拡大したものである。
Here, the measurement principle of the fuel cell current
図14において、P1、P2は、電流測定プローブを示し、RS1、RS2は電流測定プローブP1・P2の等価抵抗であり、RC1、RC2は電流測定プローブP1・P2とアノード側セパレータCとの接触抵抗である。
In FIG. 14, P 1 and P 2 indicate current measuring probes, R S1 and R S2 are equivalent resistances of the current measuring probes P 1 and P 2 , and R C1 and R C2 indicate current measuring probes P 1 and
発電電流は想定発電ゾーンからアノード側セパレータC、電流測定プローブP1・P2、負荷、カソードセパレータに経由して、電流回路を構成する。
電流測定プローブP1・P2間のセパレータ抵抗があるので、発電電流IG1・IG2は、等価抵抗RS1・RS2・RC1・RC2・r12の各抵抗の値によって、再分布される。
The generated current passes from the assumed power generation zone to the anode side separator C, the current measurement probes P 1 and P 2 , the load, and the cathode separator to form a current circuit.
Since there is a separator resistance between the current measurement probes P 1 and P 2 , the generated currents I G1 and I G2 are redistributed depending on the resistance values of the equivalent resistances R S1 , R S2 , R C1 , R C2, and r 12. Is done.
図15は図14の等価回路である。測定電流と発電電流の関係は(式1)および(式2)で表される。(式1)および(式2)において、抵抗R1・R2が同じ値であれば、等価抵抗r12の電流が0となり、測定電流IM1=発電電流IG1、測定電流IM2=発電電流IG2となる。すなわち、測定電流IM1により発電電流IG1を表示することができる。 FIG. 15 is an equivalent circuit of FIG. The relationship between the measured current and the generated current is expressed by (Expression 1) and (Expression 2). In (Expression 1) and (Expression 2), if the resistances R 1 and R 2 are the same value, the current of the equivalent resistance r 12 becomes 0, and the measured current I M1 = the generated current I G1 and the measured current I M2 = generated power The current I G2 is obtained. That is, the generated current I G1 can be displayed by the measured current I M1 .
このように、従来の燃料電池表面電流測定技術では、電流プローブを用いて、燃料電池セパレータ表面での測定が主流となってきている。
しかしながら、上記従来の特許文献2に開示された燃料電池電流分布測定装置及び燃料電池電流分布測定方法では、一般的には、接触抵抗RC1・RC2が測定によって変化してしまうため、電流プローブによるプローブピン304と燃料極側セパレータ303の表面との接触抵抗RC1・RC2による電流再分布が発生する。この結果、測定電流IM1と発電電流IG1とは一致せず、測定電流IM1と発電電流との間に誤差が生じるという問題点を有している。
However, in the fuel cell current distribution measuring device and the fuel cell current distribution measuring method disclosed in the above-mentioned
すなわち、電流プローブによるプローブピン304を発電デバイス表面に接触させるので、接触抵抗RC1・RC2の不確定性による測定誤差が出る。この理由は、電流プローブの先端形状、使用状況、セパレータ表面状況、及び電流プローブにかかった圧力の大きさ等の各要素の影響によって、測定の都度、接触抵抗が変化するので、この接触抵抗による測定誤差の低減が困難であるためである。
That is, since the
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to avoid the influence of contact resistance and accurately determine the partial electromotive force in the electromotive force obtained from the entire electrode of the fuel cell. An object of the present invention is to provide a reproducible fuel cell current distribution measuring device, laminated fuel cell current distribution measuring device, and fuel cell current distribution measuring method.
本発明の燃料電池電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池における燃料極側の電極相当面に複数のプローブを接触させて燃料電池電流分布を測定する燃料電池電流分布測定装置において、上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出手段とが設けられていると共に、上記発電電流算出手段は、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a fuel cell current distribution measuring device of the present invention has an electrolyte and a fuel electrode side electrode in a fuel cell having a pair of fuel electrode and air electrode provided on both sides of the electrolyte. In a fuel cell current distribution measuring apparatus for measuring a fuel cell current distribution by bringing a plurality of probes into contact with a corresponding surface, the probe includes a current probe for measuring current, and an electrode on the fuel electrode side in each of the current probes . A voltage probe for measuring the voltage by contacting the vicinity of the contact position to the equivalent surface, and from the fuel electrode of the fuel cell to the air electrode via the electrode equivalent surface on the fuel electrode side and the current probe. current measuring means for measuring the current flowing in the closed circuit, a voltage measuring means for measuring the voltage of the contact position of the electrode corresponding surface of the fuel electrode side in the voltage probe, the electrocoating A measured current measured by the measuring means, from the measured measurement voltage by said voltage measuring means and a generated current calculating means for determining the power generation current of the fuel cell is provided, the generated current calculating unit, the A measurement current of one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe, a measurement voltage of the voltage probe at a position near one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe, and its surroundings The power generation current of the fuel cell is obtained from the measured voltages of the four voltage probes at the front, rear, left and right .
また、本発明の燃料電池電流分布測定方法は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池における燃料極側の電極相当面に複数のプローブを接触させて燃料電池電流分布を測定する燃料電池電流分布測定方法において、上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定工程と、上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定工程と、上記電流測定工程によって測定された測定電流と、上記電圧測定工程によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出工程とを含み、上記発電電流算出工程では、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴としている。 In addition, in order to solve the above problems, the fuel cell current distribution measuring method of the present invention is a fuel electrode side in a fuel cell having an electrolyte and a pair of fuel electrodes and air electrodes provided on both sides of the electrolyte. In the fuel cell current distribution measuring method for measuring the fuel cell current distribution by bringing a plurality of probes into contact with the electrode equivalent surface, the probe includes a current probe for measuring current, and a fuel electrode side in each of the current probes A voltage probe for measuring the voltage in contact with the vicinity of the contact position with the electrode equivalent surface of the fuel cell, and the air electrode from the fuel electrode of the fuel cell via the electrode equivalent surface on the fuel electrode side and the current probe a current measuring step of measuring the current flowing through the closed circuit to a voltage measuring step of measuring the voltage of the contact position of the electrode corresponding surface of the fuel electrode side in the voltage probe, A measured current measured by the serial current measuring step, from the measurement voltage and the measurement by the voltage measuring step, and a generated current calculating step of obtaining the power generation current of the fuel cell, in the power generation current calculating step, for the current The measurement current of one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the probe, the measurement voltage of the voltage probe near the one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe, and the surroundings It is characterized in that the generated current of the fuel cell is obtained from the measured voltages of the four voltage probes on the left and right .
これにより、燃料電池表面の電流測定を電流測定手段のみで測定することと比較して接触抵抗による測定誤差を軽減し、燃料電池表面で、燃料電池内部発電電流測定を行うことが可能となる。すなわち、実際の発電電流により近い正確な測定電流の値を得ることができる。また、各測定プローブにより直接電流を吸い上げることにより、測定治具による上記電極上でのパワーロスを小さくすることができる。また、大電流密度、大面積の燃料電池に対して、電流プローブ等の抵抗や、例えば燃料電池セパレータの抵抗及び電流プローブとセパレータとの間の接触抵抗による測定面の電流再分布が発生することにより、各電流プローブでの測定電流値と、該当測定点の発電電流との差異、又は、接触抵抗の値が測定の都度に変化するため、測定中で、補正しなければならないという、いわゆる測定システムによる燃料電池電流電圧(IV)特性の影響を少なくすることができる。 As a result, the measurement error due to contact resistance is reduced compared to measuring the current on the surface of the fuel cell only with the current measuring means, and the fuel cell internal generated current can be measured on the surface of the fuel cell. That is, an accurate measured current value closer to the actual generated current can be obtained. Further, by directly sucking up the current by each measurement probe, the power loss on the electrode due to the measurement jig can be reduced. In addition, for a fuel cell with a large current density and large area, a current redistribution on the measurement surface may occur due to the resistance of a current probe or the like, for example, the resistance of a fuel cell separator and the contact resistance between the current probe and the separator. Therefore, the difference between the measured current value at each current probe and the generated current at the corresponding measurement point, or the contact resistance value changes with each measurement, so the measurement must be corrected during the measurement. The influence of the fuel cell current voltage (IV) characteristic by the system can be reduced.
したがって、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法を提供することができる。 Accordingly, there are provided a fuel cell current distribution measuring device and a fuel cell current distribution measuring method capable of accurately reproducing a partial electromotive force in an electromotive force obtained from the entire electrode of the fuel cell while avoiding the influence of contact resistance. be able to.
また、本発明では、上記発電電流算出手段は、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求める。Further, in the present invention, the generated current calculation means includes one measurement current to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe and one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe. The power generation current of the fuel cell is obtained from the measurement voltage of the voltage probe in the vicinity of, and the measurement voltages of the four voltage probes around the front, rear, left and right.
これにより、等価モデルを用いて測定結果を計算し、実際の発電電流値を出力でき、実際の発電量と測定値とをより正確に一致させることができる。また、効率的に、燃料電池の発電量を知ることができ、安価で、より正確に測定を行うことができる。さらに、1ユニットの測定信号、すなわち、1点電流信号と5点電圧信号とで、発電電流を計算する方式によって、測定回路の誤差の影響を低減することができる。 Thereby, a measurement result is calculated using an equivalent model, an actual generated current value can be output, and an actual power generation amount and a measured value can be matched more accurately. In addition, the amount of power generated by the fuel cell can be known efficiently, and measurement can be performed more accurately at a low cost. Furthermore, the influence of measurement circuit errors can be reduced by a method of calculating the generated current using one unit of measurement signal, that is, a one-point current signal and a five-point voltage signal.
また、本発明の燃料電池電流分布測定装置では、上記電流測定手段は、閉回路内を流れる電流を測定する電流センサを備えていることが好ましい。 In the fuel cell current distribution measuring apparatus of the present invention, the current measuring means preferably includes a current sensor for measuring a current flowing in the closed circuit.
これにより、電流プローブからの電流を容易かつ正確に測定することができる。 Thereby, the current from the current probe can be measured easily and accurately.
また、本発明の燃料電池電流分布測定装置では、上記電流センサは、閉回路内に設けられた抵抗と、その抵抗の両端にかかる電圧を測定する両端電圧測定手段とからなっていることが好ましい。 In the fuel cell current distribution measuring apparatus of the present invention, the current sensor preferably includes a resistor provided in a closed circuit and a both-end voltage measuring means for measuring a voltage applied to both ends of the resistor. .
これにより、具体的に、構成の容易な電流センサとすることができる。 Thus, specifically, a current sensor with an easy configuration can be obtained.
本発明の積層燃料電池電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池セルをN(Nは2以上の整数)個積層してなる積層燃料電池セルの燃料電池電流分布を測定する積層燃料電池電流分布測定装置において、第K段(K≦N)よりも下側に位置する第K段〜第N段までの燃料電池セルの発生電流を合計した発生電流分布を測定すべく第K段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に載置される測定手段と、上記測定手段の上側に設けられる集電板と、上記集電板に積層された第K−1段から第1段までの燃料電池セルとが設けられていると共に、上記測定手段は、電流を測定するための第K段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ上記集電板に接続されている複数の電流用プローブと、各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための複数の電圧用プローブとを有し、さらに、上記第K段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面、電流用プローブ及び集電板を介する第N段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、上記電圧用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める発生電流算出手段とを備えていると共に、上記発生電流算出手段は、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発生電流を求めることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a laminated fuel cell current distribution measuring apparatus according to the present invention includes a fuel cell that includes an electrolyte and a pair of fuel electrodes and air electrodes provided on both sides of the electrolyte. in the stacked fuel cell current distribution measuring apparatus for measuring the fuel cell current distribution of the two or more integer) laminated formed by stacking fuel cells, a K stage positioned below the first K stages (K ≦ N) a measuring means which is placed on the electrode corresponding surface of the fuel electrode side in the fuel cell of the K-stage to measure the summed generating current distribution generation current of the fuel cell-to N-th stage, the measuring means A current collector plate provided on the upper side and fuel cells from the (K-1) th stage to the first stage stacked on the current collector board are provided, and the measuring means is for measuring current. Equivalent to the electrode on the fuel electrode side in the K-th stage fuel cell To be contacted, and a plurality of which are connected to the collector plate and the current probe, a plurality of for measuring a voltage in contact with the vicinity contact position of the electrode corresponding surface of the fuel electrode side of each current probe and a voltage probe, addition, the electrode corresponding surface from the fuel electrode of the fuel electrode side of the fuel cell of the K-stage, the air electrode of the fuel cell of the first N-stage via a current probe and collector plates Current measuring means for measuring the current flowing in the closed circuit to the electrode, voltage measuring means for measuring the voltage at the contact position of the voltage probe to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side, and the current measuring means. a measured current was, from the measured measurement voltage by said voltage measuring means and and a generator current calculating means for calculating a generation current of the fuel cell, the generation current calculation means in the current probe The measurement current of one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side, the measurement voltage of the voltage probe in the vicinity of one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe, and the front, rear, left and right around it The current generated by the fuel cell is obtained from the measured voltages of the four voltage probes .
これにより、積層燃料電池電流分布測定装置において、第K段(K≦N)よりも下側に位置する第K段〜第N段までの燃料電池セルの発生電流を合計した発生電流分布を測定することができる。 As a result, in the stacked fuel cell current distribution measuring device, the generated current distribution obtained by summing the generated currents of the fuel cells from the Kth stage to the Nth stage located below the Kth stage (K ≦ N) is measured. can do.
したがって、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る積層燃料電池電流分布測定装置を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a stacked fuel cell current distribution measuring apparatus that can accurately reproduce a partial electromotive force in an electromotive force obtained from the entire electrode of the fuel cell while avoiding the influence of contact resistance.
本発明の積層燃料電池電流分布測定装置は、上記課題を解決するために、電解質と、この電解質を挟んで両側に設けられた一対の燃料極及び空気極とを有する燃料電池セルをN(Nは2以上の整数)個積層してなる積層燃料電池セルの燃料電池電流分布を測定する積層燃料電池電流分布測定装置において、第K段(K≦N)の燃料電池セルの発生電流分布を測定すべく、第K段の燃料電池セルの上側における燃料極側の電極相当面に載置される第1の測定手段と、第K段の燃料電池セルの下側における空気極側の電極相当面に接触する第2の測定手段とが設けられると共に、上記第1の測定手段は、第K段から下側の第N段までの発生電流を測定するために、電流を測定するための上記第K段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ、第K−1段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接続された複数の第1の電流用プローブと、各第1の電流用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第1の電圧用プローブとを有し、上記第K段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び第1の電流用プローブを介する第N段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する第1の電流測定手段と、上記第1の電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第1の電圧測定手段と、上記第1の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第1の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める第1の発生電流算出手段とを備え、上記第1の発生電流算出手段は、上記第1の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、上記第1の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の第1の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の第1の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、上記第2の測定手段は、第K+1段から下側の第N段までの発生電流を測定するために、電流を測定するための上記第K段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接触され、かつ、第K+1段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接続された複数の第2の電流用プローブと、各第2の電流用プローブにおける上記空気極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第2の電圧用プローブとを有し、さらに、上記第2の電流用プローブにおける空気極側の電極相当面への各接触点と、上記第1の電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への各接触点とは、上下方向において平面的に同一位置であり、上記第K段の燃料電池セルにおける下側の空気極側の電極相当面及び第2の電流用プローブを介する第N段の燃料電池セルの空気極までへの閉回路内を流れる電流を測定する第2の電流測定手段と、上記第2の電圧用プローブにおける空気極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第2の電圧測定手段と、上記第2の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第2の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める第2の発電電流算出手段とを備え、上記第2の発生電流算出手段は、上記第2の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への1点の測定電流と、上記第2の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への1点の近傍位置の第2の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の第2の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、上記第1の測定手段と第2の測定手段との上下方向において平面的に同一位置の各接触点における各発生電流との差により、第K段の燃料電池セルの発生電流分布を測定することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a laminated fuel cell current distribution measuring apparatus according to the present invention includes a fuel cell that includes an electrolyte and a pair of fuel electrodes and air electrodes provided on both sides of the electrolyte. Is a stacked fuel cell current distribution measuring device that measures the fuel cell current distribution of stacked fuel cells that are stacked by two or more, and measures the generated current distribution of the Kth (K ≦ N) fuel cells. Preferably, the first measuring means placed on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side above the Kth fuel cell, and the electrode equivalent surface on the air electrode side below the Kth fuel cell. And a first measuring means for measuring a current to measure a generated current from the Kth stage to the lower Nth stage. the electrode corresponding surface of the fuel electrode side in the fuel cell K stages Is touch and, a plurality of first current probe connected to the electrode corresponding surface of the air electrode side in the K-1 stage of the fuel cell, the fuel electrode side in each of the first current probe electrode Each of the first voltage probes for measuring a voltage in contact with the vicinity of the contact position to the corresponding surface, the electrode corresponding surface on the fuel electrode side from the fuel electrode of the K-th stage fuel cell, and First current measuring means for measuring a current flowing in a closed circuit to the air electrode of the N-th stage fuel cell via the first current probe, and an electrode on the fuel electrode side in the first voltage probe From the first voltage measuring means for measuring the voltage at the contact position to the equivalent surface, the measured current measured by the first current measuring means, and the measured voltage measured by the first voltage measuring means, first generating electric seeking generation current of the fuel cell And a calculation unit, said first generating current calculation means, the measurement current point to the electrode corresponding surface of the fuel electrode side of the first current probe, a fuel electrode according to the first current probe The generated voltage of the fuel cell is determined by the measured voltage of the first voltage probe in the vicinity of one point on the electrode equivalent surface on the side and the measured voltages of the four first voltage probes around the front, rear, left and right around it. And the second measuring means measures the generated current from the (K + 1) th stage to the lower Nth stage, so that the air electrode side in the Kth stage fuel cell for measuring current is measured. A plurality of second current probes connected to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in the (K + 1) th stage fuel cell, and the air electrode in each second current probe Contact near the electrode equivalent surface on the side Each second voltage probe for measuring a voltage, and further, each contact point to the electrode equivalent surface on the air electrode side in the second current probe, and the first current probe The contact points with the electrode-corresponding surface on the fuel electrode side of the probe are at the same position in the vertical direction, and the electrode-corresponding surface on the lower air electrode side and the second surface in the K-th stage fuel cell. Second current measuring means for measuring the current flowing in the closed circuit to the air electrode of the N-th stage fuel cell through the current probe, and the electrode on the air electrode side in the second voltage probe From the second voltage measuring means for measuring the voltage at the position of contact with the surface, the measured current measured by the second current measuring means, and the measured voltage measured by the second voltage measuring means, a fuel is obtained. second generator for obtaining the power generation current of the battery A flow calculation unit, according to the second generation current calculation means, the measurement current point to the electrode corresponding face of the air electrode side by the second current probe, said second current probe A fuel cell according to the measurement voltage of the second voltage probe in the vicinity of one point on the electrode equivalent surface on the air electrode side and the measurement voltage of the four second voltage probes around the front, rear, right and left around the second voltage probe together with obtaining the generated current, the difference between the current generated at each contact point of the plane to the same position in the vertical direction between the first measuring means and second measuring means, the fuel cell of the K-stage It is characterized by measuring the generated current distribution.
上記の発明によれば、第1の測定手段と第2の測定手段とによって、第K段の燃料電池セルが挟まれる。したがって、このとき、第1の測定手段と第2の測定手段とは、測定される電流の極性が逆となっている。 According to the above invention, the K-th stage fuel cell is sandwiched between the first measuring means and the second measuring means. Therefore, at this time, the first measuring means and the second measuring means have opposite current polarities.
これにより、第1の測定手段と第2の測定手段との上下方向において平面的に同一位置の各接触点における各発生電流との差により、第K段の燃料電池セルの発生電流分布を測定することができる。すなわち、隣接する燃料電池単セル間の電流の差を求めることができる。したがって、積層燃料電池内における、積層されている個々の燃料電池の発電量を知りたい時にも、任意の燃料電池の表面電流と、隣接する燃料電池との差を確認することにより、個々の燃料電池の発電量を把握することができる。 As a result, the generated current distribution of the K-th stage fuel cell is measured by the difference between the first measuring means and the second measuring means in the vertical direction and the generated currents at the contact points at the same position in the plane. can do. That is, the difference in current between adjacent fuel cell single cells can be obtained. Therefore, even when it is desired to know the power generation amount of each stacked fuel cell in the stacked fuel cell, by checking the difference between the surface current of any fuel cell and the adjacent fuel cell, The amount of power generated by the battery can be grasped.
この結果、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る積層燃料電池電流分布測定装置を提供することができる。 As a result, it is possible to provide a stacked fuel cell current distribution measuring apparatus that can accurately reproduce a partial electromotive force of electromotive forces obtained from the entire electrodes of the fuel cell while avoiding the influence of contact resistance.
本発明の燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法は、以上のように、電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める。 As described above, the fuel cell current distribution measuring device, the laminated fuel cell current distribution measuring device, and the fuel cell current distribution measuring method of the present invention are measured by the current measuring means and the voltage measuring means. The generated current of the fuel cell is obtained from the measured voltage.
それゆえ、接触抵抗の影響を回避して、燃料電池の電極全体から得られる起電力の内の部分起電力を正確に再現し得る燃料電池電流分布測定装置、積層燃料電池電流分布測定装置、および燃料電池電流分布測定方法を提供するという効果を奏する。 Therefore, a fuel cell current distribution measuring device, a laminated fuel cell current distribution measuring device, which can accurately reproduce a partial electromotive force among electromotive forces obtained from the entire electrodes of the fuel cell, avoiding the influence of contact resistance, and There is an effect of providing a fuel cell current distribution measuring method.
〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について図1〜図6に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態については、例えば水素型燃料電池の電極面における起電力分布測定について説明しているが、必ずしもこれに限らず、直接メタノール型電池(DMFC)その他の燃料電池に適用できる。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In the present embodiment, for example, measurement of electromotive force distribution on the electrode surface of a hydrogen fuel cell has been described. However, the present embodiment is not limited to this and can be applied to a direct methanol battery (DMFC) or other fuel cells.
最初に、本実施の形態の燃料電池電流分布測定装置での燃料電池電流分布測定の対象となる燃料電池の構成について、図2に基づいて説明する。 First, a configuration of a fuel cell that is a target of fuel cell current distribution measurement in the fuel cell current distribution measuring apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIG.
燃料電池10は、図2(a)に示すように、イオン導電体となる電解質1と、一対の電極としての燃料極2と、燃料極側セパレータ3と、一対の電極としての空気極4と、空気極側セパレータ5と、上記空気極4の外部取り出し用電極である図示しない集電板とを有している。
2A, the
上記燃料極2は、詳細には、図2(b)に示すように、例えば炭素電極2aと、白金(Pt)からなる触媒2bとからなっている。なお、空気極4も同様の構成を有している。
Specifically, as shown in FIG. 2B, the
上記燃料極側セパレータ3及び空気極側セパレータ5は、図2(a)に示すように、縦縞溝及び横縞溝をそれぞれ有している。燃料極側セパレータ3の縦縞溝の内部には、例えば、水素(H2)ガス等の燃料ガスが供給されるようになっている一方、空気極側セパレータ5の横縞溝の内部には、例えば、酸素(O2)又は空気等の酸化剤ガスが供給されるようになっている。
The fuel
上記燃料電池10を測定する測定治具について、図3及び図4に基づいて説明する。
A measurement jig for measuring the
本実施の形態では、図3に示すように、電極相当面としての燃料極側セパレータ3の外側表面には、複数の電気的接合部材及び接触ピンとしての測定プローブ25が、この燃料極側セパレータ3に接触できるようにして設けられている。この測定プローブ25は、電流測定用の電流プローブ22と、電流プローブ22の近傍に設けられた電圧測定用の電圧プローブ23とからなっている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, a plurality of electrical joining members and a measuring
上記の上側締め付けプレート76の内部には、上記水素(H2)ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給路78が形成されている。上記燃料極側セパレータ3は、本実施の形態では、従来のような仕切り等による区切りを設けておらず、その結果、上記測定プローブ25は、燃料極側セパレータ3の外側表面に非区画領域に接触されることになる。
A fuel
また、本実施の形態では、測定プローブ25は、燃料電池電流分布測定装置20における上側締め付けプレート76及びプローブ治具プレート77に形成された貫通口に貫通されて設けられている。また、測定プローブ25は、図示しないバネによって、この測定プローブ25が上記燃料極側セパレータ3に当接するときには、該燃料極側セパレータ3に対して押圧状態に当接できるようになっている。
In the present embodiment, the
さらに、本実施の形態の測定プローブ25は、図4に示すように、例えば、6mmピッチで、7×7=49本設けられている。なお、必ずしもこれに限らず、例えば、25mmピッチ、45mmピッチ等であってもよい。すなわち、本実施の形態では、6mmピッチで燃料極側セパレータ3に測定プローブ25を当接させれば、燃料極側セパレータ3を絶縁物で区画しなくても、十分に隣接領域との間に電流の違いが見出せることを実験により検証できたことにより、燃料極側セパレータ3を絶縁物で区画しないものとなっている。
Furthermore, as shown in FIG. 4, 7 × 7 = 49 measuring probes 25 according to the present embodiment are provided at a pitch of 6 mm, for example. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and may be, for example, a 25 mm pitch, a 45 mm pitch, or the like. That is, in the present embodiment, if the
また、上記空気極側セパレータ5の外側表面には、この空気極側セパレータ5に接触する銅(Cu)からなる集電板6が設けられており、この集電板6が空気極4の外部取り出し用電極となっている。
A current collector plate 6 made of copper (Cu) that contacts the air
上記燃料電池10は、下側締め付けプレート71にシリコンシート72及びラバーヒータ73を介して載置されている。すなわち、本実施の形態では、ラバーヒータ73によって、燃料電池10の温度を常温よりも上昇させることが可能となっている。
The
また、上記下側締め付けプレート71の内部には、上記酸素(O2)又は空気等の酸化剤ガスを供給する空気供給路74が形成されている。
Further, an
上記燃料電池10における燃料極側セパレータ3の表面の電流分布を測定するための燃料電池電流分布測定装置50の全体概要について、図5に基づいて説明する。
An overall outline of the fuel cell current distribution measuring apparatus 50 for measuring the current distribution on the surface of the fuel
同図に示すように、上記燃料電池電流分布測定装置20には、燃料電池10を稼動させるために、水素(H2)ガス等の燃料ガスを貯蔵する燃料タンク11が設けられており、図示しない液送ポンプにて液体流量計12を通して燃料電池10に供給されるようになっている。また、酸素(O2)又は空気等の酸化剤ガスを貯蔵する酸化剤ボンベ13から、気体流量計15を通して、酸化剤ガスが燃料電池10に供給されるようになっている。
As shown in the figure, the fuel cell current
さらに、燃料電池10からのカソード(空気極側)排液を貯めるカソード排液タンク16、及び燃料電池10からのアノード(燃料極側)排液を貯める図示しないアノード排液タンクがそれぞれ設けられている。
Further, a
また、燃料電池10の燃料極側セパレータ3の表面での電流分布及び温度分布は、センサーユニット32にて検出され、パソコン42にそのデータが入力されるようになっている。さらに、燃料電池10の燃料極側セパレータ3の表面での電流分布の測定において、適切な電流値を得るための抵抗を負荷する電子負荷装置33が接続されている。
Further, the current distribution and the temperature distribution on the surface of the fuel
上記センサーユニット32は、電流を検知する測定プローブ25と、温度を測定するための上記熱電対37とからなっている。上記熱電対37によって検知された温度は、温度計45にて検出されるようになっている。
The
一方、電子負荷装置33は、複数種類の抵抗を有しており、その中から1つを選択することによって、電流信号収集モジュール44での電流信号収集に際して適切な電流値が取り出せるようになっている。この抵抗の選択は、パソコン42によって行うことができる。その他、本実施の形態の電子負荷装置33は、一定電流負荷モードや一定電圧負荷モード等が可能な機能を有しており、それらのモードによる電流−電圧特性試験及びその他の負荷試験に使用できるように、例えば、最大負荷200W、40A以下、電圧0〜200Vの負荷が掛けられるようになっている。
On the other hand, the
その他、図5に示すように、データ収集処理装置43には、液体流量計12の流量設定データ、流量計測データ、及び気体流量計15の流量データ等の各データが入力されると共に、発電電流算出手段としての測定電流抵抗補正計算部46が設けられている。
In addition, as shown in FIG. 5, the data
上記燃料電池10における燃料極側セパレータ3の表面の電流分布を測定するための本実施の形態の燃料電池電流分布測定装置の構成について、図1(a)(b)に基づいて説明する。
The configuration of the fuel cell current distribution measuring apparatus according to the present embodiment for measuring the current distribution on the surface of the fuel
図1(a)は、電圧プローブ23及び電流プローブ22が配置されたセパレータの上図であり、図1(b)は、接触ピンである電流プローブ22と燃料電池セパレータとの接触部を拡大した図である。
FIG. 1A is an upper view of a separator on which a
図1(b)に示すように、燃料電池電流分布測定装置20は、燃料電池10の燃料極側セパレータ3の表面に電圧プローブ23と、電流プローブ22とから構成されている測定プローブ25がマトリクス状に配置され、測定プローブ25は電流センサ24の一端と接続されている。さらに、電流センサ24の測定プローブ25と接続されていない側の端子は外部の電子負荷と接続されている。これらにより、燃料電池電流分布測定装置20は電気閉回路として構成されている。
As shown in FIG. 1B, the fuel cell current
また、測定プローブ25は、電流センサ24と、電流センサ24の両端電圧を測定する図示しない電圧計とから構成される電流測定手段に接続されている。
Further, the
なお、本実施の形態では、電流センサ24としてシャント抵抗を使用する。これにより測定プロ−ブ25の電流の測定を行う。
In the present embodiment, a shunt resistor is used as the
また、電圧プローブ23は、電流プローブ22の近辺に装着して、電流プローブ22と同時に燃料極側セパレータ3を接触させる。これにより、各点の電圧信号を取り出すことが可能となる。
Further, the
次に、燃料電池電流分布測定装置20における測定方法について、説明する。最初に、燃料電池電流分布測定装置20における信号を取り出す方法について説明し、続いて、測定回路の等価モデル、及び測定電流補正原理について説明する。
Next, a measurement method in the fuel cell current
〔信号を取り出す方法〕
先ず、燃料電池電流分布測定装置20における信号を取り出す方法は、図1(b)に示すように、本実施形態においては燃料極側セパレータ3の表面に測定プローブ25を接触させ、燃料極側セパレータ3の発電電流を測定プローブ25を経由して、測定プローブ25に接続されている電流センサ24により燃料極側セパレータ3の電流を測定する。
[How to extract signals]
First, as shown in FIG. 1B, a method for extracting a signal in the fuel cell current
電圧プローブ23は、電流プローブ22の近辺に装着して、電流プローブ22と同時に燃料極側セパレータ3に接触させ、各点の電圧信号を取出す。
The
〔測定回路の等価モデル〕
次いで、図6に基づいて、測定回路の等価モデルについて、説明する。
[Equivalent model of measurement circuit]
Next, an equivalent model of the measurement circuit will be described based on FIG.
図6に示すのは、図1(b)で示した、燃料電池電流分布測定装置20の等価モデルである。
FIG. 6 shows an equivalent model of the fuel cell current
まず、燃料電池電流分布測定装置20上部の発電電流を測定プローブ25の位置に集中すると仮定する。また、各仮定点の発電電流を電流源と仮定する。
First, it is assumed that the generated current in the upper part of the fuel cell current
燃料極側セパレータ3の抵抗を考慮すると、各測定プローブ25の間に、燃料極側セパレータ3の抵抗が存在する。また、測定プローブ25と電流センサ24との抵抗、および測定プローブ25と燃料極側セパレータ3との抵抗を考慮する。
Considering the resistance of the fuel
上記抵抗を考慮することにより、単体での測定プローブ25および電流センサ24における接触抵抗の等価モデルを図3に示す。
FIG. 3 shows an equivalent model of contact resistance in the
ここで、図6と図1(a)および(b)との記号は以下のように対比するものとする。 Here, the symbols in FIG. 6 and FIGS. 1A and 1B are compared as follows.
M,N ←→0
M,N−1 ←→1
M,N+1 ←→3
M−1,N ←→2
M+1,N ←→4
(k) ←→ −δ/ρ
これにより、図6の測定面に対する各点の発電電流の補正計算式は、
M, N ← → 0
M, N-1 ← → 1
M, N + 1 ← → 3
M-1, N ← → 2
M + 1, N ← → 4
(K) ← → −δ / ρ
Thereby, the correction calculation formula of the generated current of each point with respect to the measurement surface of FIG.
となる。 It becomes.
ここで、図6の本実施形態の電圧補正方式のモデルには、測定点の電流信号とその周辺の電圧信号だけが使われているので、測定プローブ25内の電圧は、理論上で、任意値でも測定への影響が出ない。よって、電流、電圧などの測定部分の治具構造を簡単化することができる。
Here, since only the current signal at the measurement point and the surrounding voltage signal are used in the voltage correction method model of the present embodiment in FIG. 6, the voltage in the
〔実施の形態2〕
本発明の他の実施の形態について図7ないし図9に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態1と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態1の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIGS. Configurations other than those described in the present embodiment are the same as those in the first embodiment. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in the drawings of the first embodiment are given the same reference numerals, and explanation thereof is omitted.
図7に燃料電池スタックの構造の一例を示す。本実施の形態の燃料電池スタックは、前記実施の形態1の単セルを直列に繋いで構成される。 FIG. 7 shows an example of the structure of the fuel cell stack. The fuel cell stack of the present embodiment is configured by connecting the single cells of the first embodiment in series.
図8(b)に測定部30の具体的構成を示す。測定部30は、燃料電池セル21の燃料極側セパレータ3の表面に設けられる電流プローブ22、電圧プローブ23、電流センサ24、および集電板29などから構成されている。
FIG. 8B shows a specific configuration of the
図8(a)に積層燃料電池測定装置の具体的構成を示す。同図に示すように、燃料電池セル21上に測定部30が形成され、燃料電池セル21と測定部30とが交互に形成されることにより積層燃料電池の間に積層燃料電池測定装置が形成される。
FIG. 8A shows a specific configuration of the stacked fuel cell measuring apparatus. As shown in the figure, the
また、電圧プローブ23、電流プローブ22、及び電流センサ24から測定される、電流および電圧から、図6における等価モデルの式を用い、計算することにより、測定部30における測定プローブ25での電流を求めることができる。
〔他の燃料電池の発電電流が測定結果へ及ぼす影響の消去〕
次に、各セルが他のセルへ及ぼす測定の影響について、図9を用いて説明する。
Further, by calculating from the current and voltage measured from the
[Elimination of effects of power generation current of other fuel cells on measurement results]
Next, the influence of measurement that each cell has on other cells will be described with reference to FIG.
図8(a)(b)の測定の例で、測定した電流値は、指定したセルの発電電流だけではなくて、指定したセル下のすべてのセルの発電電流である。したがって、該当セルだけの発電状況を示すために、この部分の電流を抽出しなければならない。 In the measurement examples of FIGS. 8A and 8B, the measured current value is not only the generated current of the specified cell but also the generated current of all the cells under the specified cell. Therefore, in order to show the power generation status of only the corresponding cell, the current in this part must be extracted.
図9は、積層燃料電池中における燃料電池単体の発電電流面分布測定の例で、発電電流面分布測定部60は測定部64が2ユニットで構成されている。
FIG. 9 is an example of measurement of the generated current surface distribution of a single fuel cell in a stacked fuel cell. The generated current surface distribution measuring unit 60 includes two measuring
測定ユニット61により、燃料電池セルNの発電電流と燃料電池セルN+1・・・の発電電流の和が測定され、測定ユニット62により、セルN+1・・・の発電電流がセルNの各測定位置に電流が流し込まれる。これにより、測定ユニット61と測定ユニット62との各点電流の差を求めて、燃料電池セルNの発電電流を表示する。ここで、測定ユニット61の各点電流の極性と測定ユニット62の各点電流の極性とは逆になるように設定する。 The measuring unit 61 measures the sum of the generated current of the fuel cell N and the generated current of the fuel cell N + 1..., And the measuring unit 62 sets the generated current of the cell N + 1. Current flows in. Thereby, the difference of each point current of the measurement unit 61 and the measurement unit 62 is calculated | required, and the electric power generation current of the fuel cell N is displayed. Here, the polarity of each point current of the measurement unit 61 and the polarity of each point current of the measurement unit 62 are set to be opposite.
セル間の電流伝導誤差を無くすため、図9の測定ユニット61および測定ユニット62には、図8(a)、及び図8(b)における集電板29のかわりに、電流引出しプローブ63が使われている。 In order to eliminate the current conduction error between the cells, the current drawing probe 63 is used in the measurement unit 61 and the measurement unit 62 in FIG. 9 instead of the current collector plate 29 in FIGS. 8 (a) and 8 (b). It has been broken.
この測定部64の構造は、測定ユニット61および測定ユニット62の電圧の極性がプラスマイナス逆である等の理由から、本実施の形態に関る測定方式に適した構造である。
The structure of the
以上のように、本実施形態の燃料電池電流測定装置は、電流プローブ22にて電流測定を行いながら、電圧プローブ23にて、セパレータ沿い方向の電流値を測定する。すなわち、セパレータ表面の電流値を測定する。また、電気回路の基本法則を利用して、各電流プローブ22と電圧プローブ23で取り出した情報を計算して、電圧補正計算を行うことにより、燃料電池内部の発電電流の分布を出力することができる。
As described above, the fuel cell current measuring device of the present embodiment measures the current value in the direction along the separator with the
また、発電デバイスの材質、形状、構造などの特性と発電デバイスの発電性能との関係は、燃料電池表面の電流分布で評価を行うことができる。 Further, the relationship between the characteristics of the power generation device such as the material, shape and structure and the power generation performance of the power generation device can be evaluated by the current distribution on the surface of the fuel cell.
本発明は、水素型燃料電池、直接メタノール型電池(DMFC)又はその他の燃料電池の電極面における起電力分布測定に適用できる。 The present invention can be applied to the measurement of electromotive force distribution on the electrode surface of a hydrogen fuel cell, a direct methanol cell (DMFC) or other fuel cells.
1 電解質
2 燃料極
2a 炭素電極
2b 触媒
3 燃料極側セパレータ
4 空気極
5 空気極側セパレータ
10 燃料電池
11 燃料タンク
12 液体流量計
13 酸化剤ボンベ
15 気体流量計
16 カソード排液タンク
20 燃料電池電流分布測定装置
21 燃料電池セル
22 電流プローブ
23 電圧プローブ(電圧測定手段)
24 電流センサ
25 測定プローブ
29 集電板(集電手段)
30 測定部
32 センサーユニット
33 電子負荷装置
46 測定電流抵抗補正計算部(発電電流算出手段)
61 測定ユニット
62 測定ユニット
63 電流引出しプローブ
64 測定部
60 発電電流面分布測定部
71 下側締め付けプレート
72 シリコンシート
73 ラバーヒータ
74 空気供給路
76 上側締め付けプレート
77 プローブ治具プレート
78 燃料ガス供給路
DESCRIPTION OF
24
30
61 Measurement Unit 62 Measurement Unit 63
Claims (6)
上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、
上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、
上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、
上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出手段とが設けられていると共に、
上記発電電流算出手段は、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴とする燃料電池電流分布測定装置。 A fuel cell for measuring a fuel cell current distribution by bringing a plurality of probes into contact with an electrode equivalent surface on the fuel electrode side in a fuel cell having an electrolyte and a pair of fuel electrode and air electrode provided on both sides of the electrolyte. In the current distribution measuring device,
The probe comprises a current probe for measuring current, and a voltage probe for measuring the voltage in contact with the vicinity of the contact position to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in each of the current probes,
Current measuring means for measuring a current flowing in a closed circuit from the fuel electrode of the fuel cell to the electrode corresponding surface on the fuel electrode side and the air electrode via a current probe;
Voltage measuring means for measuring a voltage at a contact position on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in the voltage probe;
A power generation current calculating means for determining a power generation current of the fuel cell from the measurement current measured by the current measurement means and the measurement voltage measured by the voltage measurement means ; and
The generated current calculation means includes:
One point of measurement current to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe,
Power generation of the fuel cell by the measurement voltage of the voltage probe in the vicinity of one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe and the measurement voltage of the four voltage probes around the front, rear, left and right around it fuel cell current distribution measuring apparatus and obtaining the current.
第K段(K≦N)よりも下側に位置する第K段〜第N段までの燃料電池セルの発生電流を合計した発生電流分布を測定すべく第K段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に載置される測定手段と、
上記測定手段の上側に設けられる集電板と、
上記集電板に積層された第K−1段から第1段までの燃料電池セルとが設けられていると共に、
上記測定手段は、
電流を測定するための第K段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ上記集電板に接続されている複数の電流用プローブと、各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための複数の電圧用プローブとを有し、
さらに、上記第K段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面、電流用プローブ及び集電板を介する第N段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定手段と、
上記電圧用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定手段と、
上記電流測定手段によって測定された測定電流と、上記電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める発生電流算出手段とを備えていると共に、
上記発生電流算出手段は、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発生電流を求めることを特徴とする積層燃料電池電流分布測定装置。 Fuel cell current distribution of a stacked fuel cell formed by stacking N (N is an integer of 2 or more) fuel cells having an electrolyte and a pair of fuel electrodes and air electrodes provided on both sides of the electrolyte. In the laminated fuel cell current distribution measuring device for measuring
Fuel electrode in the K-th stage fuel cell to measure the generated current distribution of the total generated currents of the fuel cells from the K-th stage to the N-th stage located below the K-th stage (K ≦ N) Measuring means placed on the electrode equivalent surface side ,
A current collector provided on the upper side of the measuring means ;
Fuel cells from the (K-1) th stage to the first stage stacked on the current collector plate are provided,
The measuring means is
A plurality of current probes that are in contact with the electrode-corresponding surface on the fuel electrode side in the K-th stage fuel cell for measuring current and connected to the current collector plate, and the fuel electrode side in each current probe A plurality of voltage probes for measuring the voltage in contact with the vicinity of the contact position to the electrode equivalent surface,
Furthermore, the current flowing in the closed circuit from the fuel electrode of the K-th stage fuel cell to the air electrode side of the fuel electrode side , the current probe and the current collector plate through the current electrode. Current measuring means for measuring,
Voltage measuring means for measuring a voltage at a contact position on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in the voltage probe;
A measured current measured by the current measuring means, from the measured measurement voltage by said voltage measuring means and and a generator current calculating means for calculating a generation current of the fuel cell,
The generated current calculation means includes:
One point of measurement current to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe,
The fuel cell is generated by the measured voltage of the voltage probe at a position near one point on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe and the measured voltages of the four voltage probes around the front, rear, left and right. An apparatus for measuring current distribution of a laminated fuel cell, characterized by obtaining a current.
第K段(K≦N)の燃料電池セルの発生電流分布を測定すべく、第K段の燃料電池セルの上側における燃料極側の電極相当面に載置される第1の測定手段と、第K段の燃料電池セルの下側における空気極側の電極相当面に接触する第2の測定手段とが設けられると共に、
上記第1の測定手段は、第K段から下側の第N段までの発生電流を測定するために、
電流を測定するための上記第K段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接触され、かつ、第K−1段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接続された複数の第1の電流用プローブと、各第1の電流用プローブにおける上記燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第1の電圧用プローブとを有し、
上記第K段の燃料電池セルの燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び第1の電流用プローブを介する第N段の燃料電池セルの空気極への閉回路内を流れる電流を測定する第1の電流測定手段と、
上記第1の電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第1の電圧測定手段と、
上記第1の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第1の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発生電流を求める第1の発生電流算出手段とを備え、
上記第1の発生電流算出手段は、
上記第1の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、
上記第1の電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の第1の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の第1の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、
上記第2の測定手段は、第K+1段から下側の第N段までの発生電流を測定するために、
電流を測定するための上記第K段の燃料電池セルにおける空気極側の電極相当面に接触され、かつ、第K+1段の燃料電池セルにおける燃料極側の電極相当面に接続された複数の第2の電流用プローブと、各第2の電流用プローブにおける上記空気極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための各第2の電圧用プローブとを有し、さらに、上記第2の電流用プローブにおける空気極側の電極相当面への各接触点と、上記第1の電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への各接触点とは、上下方向において平面的に同一位置であり、
上記第K段の燃料電池セルにおける下側の空気極側の電極相当面及び第2の電流用プローブを介する第N段の燃料電池セルの空気極までへの閉回路内を流れる電流を測定する第2の電流測定手段と、
上記第2の電圧用プローブにおける空気極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する第2の電圧測定手段と、
上記第2の電流測定手段によって測定された測定電流と、上記第2の電圧測定手段によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める第2の発電電流算出手段とを備え、
上記第2の発生電流算出手段は、
上記第2の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への1点の測定電流と、
上記第2の電流用プローブによる上記空気極側の電極相当面への1点の近傍位置の第2の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の第2の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めると共に、
上記第1の測定手段と第2の測定手段との上下方向において平面的に同一位置の各接触点における各発生電流との差により、第K段の燃料電池セルの発生電流分布を測定することを特徴とする積層燃料電池電流分布測定装置。 Fuel cell current distribution of a stacked fuel cell formed by stacking N (N is an integer of 2 or more) fuel cells having an electrolyte and a pair of fuel electrodes and air electrodes provided on both sides of the electrolyte. In the laminated fuel cell current distribution measuring device for measuring
First measuring means mounted on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side above the K-th stage fuel cell to measure the generated current distribution of the K-th stage (K ≦ N) fuel cell; A second measuring means that contacts the electrode equivalent surface on the air electrode side below the K-th stage fuel cell, and
The first measuring means measures the generated current from the Kth stage to the lower Nth stage,
In contact with the electrodes corresponding surface of the fuel electrode side in the first K stages of the fuel cell for measuring the current, and connected to the electrode corresponding surface of the air electrode side in the K-1 stage of the fuel cell more a first current probe, and the first voltage probe for measuring the voltage in contact with the vicinity contact position of the electrode corresponding surface of the fuel electrode side in each of the first current probe Yu And
Measure the current flowing in the closed circuit from the fuel electrode of the Kth stage fuel cell to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side and the air electrode of the Nth stage fuel cell via the first current probe. First current measuring means;
First voltage measuring means for measuring a voltage at a contact position on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in the first voltage probe;
A first generated current calculating means for determining a generated current of the fuel cell from the measured current measured by the first current measuring means and the measured voltage measured by the first voltage measuring means;
The first generated current calculation means includes:
A measurement current at one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the first current probe;
The measurement voltage of the first voltage probe in the vicinity of one point on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the first current probe, and the four first voltage probes at the front, rear, left and right around it . Based on the measured voltage, the generated current of the fuel cell is obtained,
The second measuring means measures the generated current from the (K + 1) th stage to the lower Nth stage,
In contact with the electrodes corresponding surface of the air electrode side in the fuel cell of the first K stages for measuring the current, and a plurality of which are connected to the electrodes corresponding surface of the fuel electrode side in the K + 1-stage fuel cell the and second current probe, and a respective second voltage probe for measuring the voltage in contact with the vicinity contact position of the electrode corresponding face of the air electrode side of each of the second current probe, Further, each contact point to the electrode equivalent surface on the air electrode side in the second current probe and each contact point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in the first current probe are in the vertical direction. In the same plane,
A current flowing in a closed circuit to the air electrode on the lower air electrode side and the air electrode of the Nth fuel cell through the second current probe is measured in the Kth fuel cell. A second current measuring means;
Second voltage measuring means for measuring a voltage at a position of contact with the electrode equivalent surface on the air electrode side in the second voltage probe;
A second generated current calculating means for determining a generated current of the fuel cell from the measured current measured by the second current measuring means and the measured voltage measured by the second voltage measuring means;
The second generated current calculation means includes:
One point of measurement current to the electrode equivalent surface on the air electrode side by the second current probe;
Measurement voltage of the second voltage probe in the vicinity of one point to the electrode equivalent surface on the air electrode side by the second current probe, and the four second voltage probes on the front, rear, left and right around the second voltage probe With the measured voltage of
Measure the generated current distribution of the K-th stage fuel cell according to the difference between the first measuring means and the second measuring means in the vertical direction and the generated current at each contact point in the same plane in the vertical direction. A fuel cell current distribution measuring apparatus characterized by the above.
上記プローブは電流を測定するための電流用プローブと、上記各電流用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置近傍に接触して電圧を測定するための電圧用プローブとからなると共に、
上記燃料電池の燃料極から上記燃料極側の電極相当面及び電流用プローブを介する空気極への閉回路内を流れる電流を測定する電流測定工程と、
上記電圧用プローブにおける燃料極側の電極相当面への接触位置の電圧を測定する電圧測定工程と、
上記電流測定工程によって測定された測定電流と、上記電圧測定工程によって測定された測定電圧とから、燃料電池の発電電流を求める発電電流算出工程とを含み、
上記発電電流算出工程では、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の測定電流と、
上記電流用プローブによる燃料極側の電極相当面への1点の近傍位置の電圧用プローブの測定電圧、及びその周りの前後左右の4点の電圧用プローブの測定電圧とにより、燃料電池の発電電流を求めることを特徴とする燃料電池電流分布測定方法。 A fuel cell for measuring a fuel cell current distribution by bringing a plurality of probes into contact with an electrode equivalent surface on the fuel electrode side in a fuel cell having an electrolyte and a pair of fuel electrode and air electrode provided on both sides of the electrolyte. In the current distribution measurement method,
The probe comprises a current probe for measuring current, and a voltage probe for measuring the voltage in contact with the vicinity of the contact position to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in each of the current probes,
A current measuring step of measuring a current flowing in a closed circuit from the fuel electrode of the fuel cell to the electrode corresponding surface on the fuel electrode side and the air electrode via the current probe;
A voltage measuring step for measuring a voltage at a contact position on the electrode equivalent surface on the fuel electrode side in the voltage probe;
A generated current calculation step for obtaining a generated current of the fuel cell from the measured current measured by the current measuring step and the measured voltage measured by the voltage measuring step ;
In the generation current calculation step,
One point of measurement current to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe,
Power generation of the fuel cell by the measurement voltage of the voltage probe in the vicinity of one point to the electrode equivalent surface on the fuel electrode side by the current probe and the measurement voltage of the four voltage probes around the front, rear, left and right around it fuel cell current distribution measuring method and obtains the current.
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