JP5007963B2 - Calculation method of interface resistance - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用セルの作動時の界面抵抗を測定する方法、具体的には、燃料極と電解質との界面の界面抵抗及び空気極と電解質との界面の界面抵抗を算出する方法に関する。   The present invention relates to a method for measuring an interface resistance at the time of operation of a fuel cell, specifically, a method for calculating an interface resistance at an interface between a fuel electrode and an electrolyte and an interface resistance at an interface between an air electrode and an electrolyte. .

燃料電池は、電解質を燃料極及び空気極で挟み込みようにして構成されている燃料電池用セルを有する。該燃料電池用セルについて、第14図を参照して説明する。第14図は、燃料電池用セルを示す模式図である。第14図中、燃料電池用セル44は、電解質41を、燃料極42及び空気極43で挟み込むようにして形成されている。
該燃料電池用セル44の作動時の抵抗値は、燃料電池用セルの性能に係る重要な要素の1つであるので、該燃料電池用セル44の作動時の抵抗値を把握することは重要である。該燃料電池用セル44の作動時の抵抗は、主に、該電解質41自身のオーム抵抗、該燃料極42自身のオーム抵抗、該空気極43自身のオーム抵抗、作動時の該燃料極42と該電解質41との界面の界面抵抗及び作動時の該空気極43と該電解質41との界面の界面抵抗の合算値である。なお、以下、該電解質41自身のオーム抵抗、該燃料極42自身のオーム抵抗及び該空気極43自身のオーム抵抗の合計を、セルのオーム抵抗Rbとも記載し、燃料極と電解質との界面の界面抵抗を、燃料極側界面抵抗Riaとも記載し、空気極と電解質との界面の界面抵抗を、空気極側界面抵抗Ricとも記載する。
上記抵抗のうち、該燃料極42自身のオーム抵抗は、該電解質41に接合される前の該燃料極42の抵抗を測定すること、あるいは、該電解質41に接合されていない該燃料極42を作製して、その抵抗を測定することにより、求められる。また、該電解質41自身のオーム抵抗及び該空気極43自身のオーム抵抗についても同様である。
一方、該燃料極側界面抵抗Ria及び該空気極側界面抵抗Ricは、該燃料極42又は該空気極43と該電解質41との界面の抵抗なので、実際に、該燃料極42又は該空気極43を該電解質41に接合した状態でなければ、抵抗を測定することはできない。
そこで、従来の界面抵抗の測定方法について、第15図を参照して説明する。第15図は、従来の界面抵抗の測定方法を示す模式図であり、界面抵抗測定時の燃料電池用セルの断面の模式図である。先ず、電解質41aに燃料極42a及び空気極43aを接合する前のそれぞれのオーム抵抗、すなわち、該電解質41aのオーム抵抗、該燃料極42aのオーム抵抗及び空気極43aのオーム抵抗を測定する。次いで、第15図に示すように、該電解質41aを該燃料極42a及び該空気極43aで挟み込むようにして、燃料電池用セル44aを形成させ、更に、中間電位点55aに、参照極51を設ける。通常、該参照極51が設置される位置は、該電解質41aの側面であり、該電解質41aの厚み方向の中間点である。次いで、該燃料電池用セル44aの作動条件と同じ条件で、燃料極端子53と該参照極51との間の抵抗及び該参照極51と空気極端子54との間の抵抗をそれぞれ測定する。そして、下記式(5):
該燃料極側界面抵抗Ria=抵抗53−51−(Rba+0.5Rbs) (5)
(式中、抵抗53−51は、該燃料極端子53と該参照極51との間の抵抗を示し、Rbaは、該燃料極42aのオーム抵抗を示し、Rbsは、該電解質41aのオーム抵抗を示す。)
より、該燃料極側界面抵抗Riaを算出し、下記式(6):
該空気極側界面抵抗Ric=抵抗51−54−(Rbc+0.5Rbs) (6)
(式中、抵抗51−54は、該参照極51と該空気極端子54との間の抵抗を示し、Rbcは、該空気極43aのオーム抵抗を示し、Rbsは、該電解質41aのオーム抵抗を示す。)
より、該空気極側界面抵抗Ricを算出する。なお、該中間電位点55aとは、該電解質41aのオーム抵抗を二分する点を指す。
上記のような従来の界面抵抗の算出方法では、該電解質の厚みが十分あれば、何の支障もなく、該参照極を設置することができる。しかし、現在実用されている燃料電池用セルの電解質の厚みは、5〜100μm程度と、極めて薄いため、現在実用されている燃料電池用セルの電解質に、該参照極を設置することが困難であった。すなわち、現在実用されている燃料電池用セルの場合、界面抵抗を算出することができないという問題があった。
また、第15図に示す該燃料電池用セル44aの場合、該電解質41aと該燃料極42aとの接合部の面積及び形状が、該電解質41aと該空気極43aとの接合部の面積及び形状と同じなので、該電解質41a中の電位の変化は、上下対象になる。すなわち、該電解質41a中の等電位線52aを示すと、該燃料電池用セル44aの場合、該等電位線52aが、該燃料極42a及び該空気極43aから、上下対象の形状で広がる。そのため、該燃料電池用セル44aでは、該中間電位点55aは、該電解質41aの側面に現れ、且つ該電解質41aの厚み方向の中間点になる。
第16図は、電解質と燃料極との接合部の面積又は形状が、電解質と空気極との接合部の面積又は形状と同じではない燃料電池用セルを示す模式的な断面図である。第16図中、燃料電池用セル44bでは、電解質41bと燃料極42bとの接合部の面積及び形状は、該電解質41bと空気極43bとの接合部の面積及び形状と同じではない。この場合、等電位線52bは、該燃料極42b及び該空気極43bから、上下非対象の形状で広がる。そのため、該燃料電池用セル44bでは、中間電位点55bは、該電解質41bの側面には現れず、該燃料極42bが接合されている面56に現れ、そして、該接合部の面積又は形状により、該中間電位点55bの現れる位置は変わるので、該燃料電池用セル44bの場合、正確な位置に、該参照極を設置することができず、正確な界面抵抗を測定できないという問題があった。
従って、本発明の課題は、燃料電池用セルの電解質の厚みが小さくても、あるいは、電解質と燃料極との接合部の面積又は形状が、電解質と空気極との接合部の面積又は形状と同じでなくても、界面抵抗を算出することができる界面抵抗の算出方法を提供することにある。
The fuel cell has a cell for a fuel cell configured to sandwich an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode. The fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a schematic view showing a fuel cell. In FIG. 14, the fuel cell 44 is formed so that the electrolyte 41 is sandwiched between the fuel electrode 42 and the air electrode 43.
Since the resistance value during operation of the fuel cell 44 is one of the important factors related to the performance of the fuel cell, it is important to grasp the resistance value during operation of the fuel cell 44. It is. The resistance of the fuel cell 44 during operation mainly includes an ohm resistance of the electrolyte 41 itself, an ohm resistance of the fuel electrode 42 itself, an ohm resistance of the air electrode 43 itself, and the fuel electrode 42 during operation. The sum of the interface resistance at the interface with the electrolyte 41 and the interface resistance at the interface between the air electrode 43 and the electrolyte 41 during operation. Hereinafter, the sum of the ohmic resistance of the electrolyte 41 itself, the ohmic resistance of the fuel electrode 42 itself, and the ohmic resistance of the air electrode 43 itself is also referred to as the cell ohmic resistance Rb, and the interface between the fuel electrode and the electrolyte. The interface resistance is also referred to as the fuel electrode side interface resistance Ria, and the interface resistance at the interface between the air electrode and the electrolyte is also referred to as the air electrode side interface resistance Ric.
Of the above resistances, the ohmic resistance of the fuel electrode 42 itself is measured by measuring the resistance of the fuel electrode 42 before being joined to the electrolyte 41, or the resistance of the fuel electrode 42 not joined to the electrolyte 41. It is calculated | required by producing and measuring the resistance. The same applies to the ohmic resistance of the electrolyte 41 itself and the ohmic resistance of the air electrode 43 itself.
On the other hand, since the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric are resistances at the interface between the fuel electrode 42 or the air electrode 43 and the electrolyte 41, the fuel electrode 42 or the air electrode actually The resistance cannot be measured unless 43 is bonded to the electrolyte 41.
Therefore, a conventional method for measuring the interface resistance will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a schematic diagram showing a conventional method for measuring interface resistance, and is a schematic diagram of a cross section of a cell for a fuel cell at the time of measuring interface resistance. First, each ohm resistance before joining the fuel electrode 42a and the air electrode 43a to the electrolyte 41a, that is, the ohm resistance of the electrolyte 41a, the ohm resistance of the fuel electrode 42a, and the ohm resistance of the air electrode 43a is measured. Next, as shown in FIG. 15, the electrolyte cell 41a is sandwiched between the fuel electrode 42a and the air electrode 43a to form a fuel cell 44a, and a reference electrode 51 is formed at an intermediate potential point 55a. Provide. Usually, the position where the reference electrode 51 is installed is the side surface of the electrolyte 41a, and the middle point in the thickness direction of the electrolyte 41a. Next, the resistance between the fuel electrode terminal 53 and the reference electrode 51 and the resistance between the reference electrode 51 and the air electrode terminal 54 are measured under the same operating conditions as the fuel cell 44a. And the following formula (5):
The fuel electrode side interface resistance Ria = resistance 53-51- (Rba + 0.5Rbs) (5)
( Wherein , resistance 53-51 indicates the resistance between the fuel electrode terminal 53 and the reference electrode 51, Rba indicates the ohmic resistance of the fuel electrode 42a, and Rbs indicates the ohmic resistance of the electrolyte 41a. Is shown.)
Thus, the fuel electrode side interface resistance Ria is calculated, and the following equation (6):
The air Kikyoku side interface resistance Ric = resistance 51-54 - (Rbc + 0.5Rbs) ( 6)
(In the formula, resistors 51-54 indicate the resistance between the reference electrode 51 and the air electrode terminal 54, Rbc indicates the ohmic resistance of the air electrode 43a, and Rbs indicates the ohmic resistance of the electrolyte 41a. Is shown.)
Thus, the air electrode side interface resistance Ric is calculated. The intermediate potential point 55a refers to a point that bisects the ohmic resistance of the electrolyte 41a.
In the conventional method for calculating the interfacial resistance as described above, the reference electrode can be installed without any problem as long as the thickness of the electrolyte is sufficient. However, since the thickness of the electrolyte of the fuel cell currently in practical use is as extremely thin as about 5 to 100 μm, it is difficult to install the reference electrode on the electrolyte of the fuel cell currently in practical use. there were. That is, in the case of the fuel cell currently in practical use, there is a problem that the interface resistance cannot be calculated.
In the case of the fuel cell 44a shown in FIG. 15, the area and shape of the junction between the electrolyte 41a and the fuel electrode 42a are the same as the area and shape of the junction between the electrolyte 41a and the air electrode 43a. Therefore, the change in potential in the electrolyte 41a is subject to up and down. That is, when the equipotential line 52a in the electrolyte 41a is shown, in the case of the fuel cell 44a, the equipotential line 52a spreads from the fuel electrode 42a and the air electrode 43a in the shape of the vertical object. Therefore, in the fuel cell 44a, the intermediate potential point 55a appears on the side surface of the electrolyte 41a and becomes the intermediate point in the thickness direction of the electrolyte 41a.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a fuel cell cell in which the area or shape of the joint between the electrolyte and the fuel electrode is not the same as the area or shape of the joint between the electrolyte and the air electrode. In FIG. 16, in the fuel cell 44b, the area and shape of the junction between the electrolyte 41b and the fuel electrode 42b are not the same as the area and shape of the junction between the electrolyte 41b and the air electrode 43b. In this case, the equipotential line 52b extends from the fuel electrode 42b and the air electrode 43b in a non-target shape. Therefore, in the fuel cell 44b, the intermediate potential point 55b does not appear on the side surface of the electrolyte 41b, but appears on the surface 56 to which the fuel electrode 42b is joined, and depending on the area or shape of the joined portion. Since the position where the intermediate potential point 55b appears changes, in the case of the fuel cell 44b, there is a problem in that the reference electrode cannot be installed at an accurate position and an accurate interface resistance cannot be measured. .
Therefore, the problem of the present invention is that even if the thickness of the electrolyte of the fuel cell is small, or the area or shape of the junction between the electrolyte and the fuel electrode is the area or shape of the junction between the electrolyte and the air electrode. An object of the present invention is to provide a method for calculating an interface resistance that can calculate the interface resistance even if they are not the same.

本発明(1)は、算出対象燃料電池用セルの作動時の燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを算出する界面抵抗の算出方法であって、
界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る第一工程と、
燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求め、次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第一グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する第二工程と、
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求め、次いで、横軸に周波数、縦軸にΔR(3−4)rnをプロットして実数部抵抗値差第二グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第二グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する第三工程と、
該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第二工程で燃料極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rra(max)と実数部抵抗値の最小値Rra(min)との差を、下記式(3):
Ria=Rra(max)−Rra(min) (3)
により計算して、燃料極側界面抵抗Riaを求め、次いで、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第三工程で空気極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rrc(max)と実数部抵抗値の最小値Rrc(min)との差を、下記式(4):
Ric=Rrc(max)−Rrc(min) (4)
により計算し、空気極側界面抵抗Ricを求める界面抵抗計算工程と、を有することを特徴とする界面抵抗の算出方法を提供するものである。
また、本発明(2)は、算出対象燃料電池用セルの作動時の燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを算出する界面抵抗の算出方法であって、
界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る第一工程と、
燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求め、次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第一グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する第二工程と、
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求め、次いで、横軸に周波数、縦軸にΔR(3−4)rnをプロットして実数部抵抗値差第二グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第二グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する第三工程と、
直列に接続された(i)第一抵抗、(ii)並列に接続された第二抵抗及び第一コンデンサー、並びに(iii)並列に接続された第三抵抗及び第二コンデンサーを有する等価回路と、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットとのフィッティングを行い、燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを求めるフィッティング工程と、
を有することを特徴とする界面抵抗の算出方法を提供するものである。
本発明によれば、燃料電池用セルの電解質の厚みが小さくても、あるいは、電解質と燃料極との接合部の面積又は形状が、電解質と空気極との接合部の面積又は形状と同じでなくても、界面抵抗を算出できる界面抵抗の算出方法を提供することができる。
The present invention (1) is an interface resistance calculation method for calculating the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric during operation of the calculation target fuel cell.
A first step of performing a complex impedance measurement of the calculation target fuel cell under an operating condition for calculating the interface resistance and obtaining a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell;
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas, and then the real number when the frequency in the first measurement condition is n The difference ΔR (1-2) rn between the partial resistance value R1rn and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is expressed by the following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To calculate ΔR (1-2) rn for each frequency, and then plot ΔR (1-2) rn for each frequency with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, A real part resistance value difference first graph is obtained, and then, from the peak top frequency in the real part resistance value difference first graph, the call cell call call of the calculation target fuel cell obtained in the first step is obtained. Of the arcs in the plot, the second step of certifying arcs derived from the fuel electrode side interface;
Under the third measurement condition and the fourth measurement condition, which differ only in the gas composition of the air electrode side gas, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed, and then the frequency in the third measurement condition is n The difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is expressed by the following equation (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency, and then plot the frequency on the horizontal axis and ΔR (3-4) rn on the vertical axis to obtain the real part resistance difference second graph, From the peak top frequency in the real part resistance value difference second graph, the arc side in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is connected to the air electrode side interface. A third step of certifying the arc of origin,
In the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, the maximum value of the resistance value of the real part of the arc recognized as the arc derived from the fuel electrode side interface in the second step The difference between Rra (max) and the minimum value Rra (min) of the real part resistance value is expressed by the following formula (3):
Ria = Rra (max) −Rra (min) (3)
To obtain the fuel electrode side interface resistance Ria, and then derived from the air electrode side interface in the third step during the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step The difference between the maximum value Rrc (max) of the real part resistance value and the minimum value Rrc (min) of the real part resistance value of the arc recognized as an arc to be obtained is expressed by the following formula (4):
Ric = Rrc (max) −Rrc (min) (4)
And calculating an interface resistance Ric to obtain an air electrode side interface resistance Ric.
Further, the present invention (2) is an interface resistance calculation method for calculating the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric during operation of the calculation target fuel cell.
A first step of performing a complex impedance measurement of the calculation target fuel cell under an operating condition for calculating the interface resistance and obtaining a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell;
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas, and then the real number when the frequency in the first measurement condition is n The difference ΔR (1-2) rn between the partial resistance value R1rn and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is expressed by the following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To calculate ΔR (1-2) rn for each frequency, and then plot ΔR (1-2) rn for each frequency with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, A real part resistance value difference first graph is obtained, and then, from the peak top frequency in the real part resistance value difference first graph, the call cell call call of the calculation target fuel cell obtained in the first step is obtained. Of the arcs in the plot, the second step of certifying arcs derived from the fuel electrode side interface;
Under the third measurement condition and the fourth measurement condition, which differ only in the gas composition of the air electrode side gas, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed, and then the frequency in the third measurement condition is n The difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is expressed by the following equation (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency, and then plot the frequency on the horizontal axis and ΔR (3-4) rn on the vertical axis to obtain the real part resistance difference second graph, From the peak top frequency in the real part resistance value difference second graph, the arc side in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is connected to the air electrode side interface. A third step of certifying the arc of origin,
An equivalent circuit having (i) a first resistor connected in series, (ii) a second resistor and a first capacitor connected in parallel, and (iii) a third resistor and a second capacitor connected in parallel; Fitting with the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step to obtain the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric;
It is intended to provide a method for calculating an interface resistance characterized by comprising:
According to the present invention, even if the thickness of the electrolyte of the fuel cell cell is small, or the area or shape of the junction between the electrolyte and the fuel electrode is the same as the area or shape of the junction between the electrolyte and the air electrode. Even if it is not, it is possible to provide an interface resistance calculation method capable of calculating the interface resistance.

第1図は、2つの円弧からなる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図であり、第2図は、3つの円弧からなる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図であり、第3図は、該第一測定条件及び該第二測定条件で、複素インピーダンス測定した時の該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図であり、第4図は、実数部抵抗差第一グラフ14及び実数部抵抗差第二グラフ141を示す模式図であり、第5図は、該第三測定条件及び該第四測定条件で、複素インピーダンス測定した時の該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図であり、第6図は、等価回路21を示す図であり、第7図は、等価回路30を示す図であり、第8図は、測定1のコール・コール・プロットを示す図であり、第9図は、測定2のコール・コール・プロットを示す図であり、第10図は、測定3のコール・コール・プロットを示す図であり、第11図は、測定4のコール・コール・プロットを示す図であり、第12図は、実数部抵抗値差第一グラフ及び実数部抵抗値差第二グラフを示すグラフであり、第13図は、実施例1におけるフィッティング工程で得られたフィッティング時のコール・コール・プロットを示す図であり、第14図は、燃料電池用セルを示す模式図であり、第15図は、従来の界面抵抗の測定方法を示す模式図であり、第16図は、電解質と燃料極との接合部の面積又は形状が、電解質と空気極との接合部の面積又は形状と同じではない燃料電池用セルを示す模式的な断面図である。   FIG. 1 is a schematic diagram of a call / call plot of the calculation target fuel cell comprising two arcs, and FIG. 2 is a call / call plot of the calculation target fuel cell comprising three arcs. FIG. 3 is a schematic diagram of a plot, and FIG. 3 is a schematic diagram of a Cole-Cole plot of the cell for calculation target fuel cell when complex impedance is measured under the first measurement condition and the second measurement condition. FIG. 4 is a schematic diagram showing the real part resistance difference first graph 14 and the real part resistance difference second graph 141, and FIG. 5 shows the complex impedance under the third measurement condition and the fourth measurement condition. FIG. 6 is a schematic diagram of a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell when measured, FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit 21, and FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit 30. Figure 8 shows the call code for measurement 1. Fig. 9 is a diagram showing a plot, Fig. 9 is a diagram showing a Cole-Cole plot of measurement 2, Fig. 10 is a diagram showing a Cole-Cole plot of measurement 3, and Fig. 11 is a diagram FIG. 12 is a graph showing a Cole-Cole plot of measurement 4, FIG. 12 is a graph showing a real part resistance value difference first graph and a real part resistance value difference second graph, and FIG. 13 is an example. FIG. 14 is a diagram showing a Cole-Cole plot at the time of fitting obtained in the fitting step in FIG. 1, FIG. 14 is a schematic diagram showing a fuel cell, and FIG. 15 is a conventional method for measuring interface resistance. FIG. 16 is a schematic diagram showing a fuel cell cell in which the area or shape of the joint between the electrolyte and the fuel electrode is not the same as the area or shape of the joint between the electrolyte and the air electrode. FIG.

本発明の第一の形態の界面抵抗の測定方法は、算出対象燃料電池用セルの作動時の燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを算出する界面抵抗の算出方法であって、
界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る第一工程と、
燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求め、次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第一グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する第二工程と、
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求め、次いで、横軸に周波数、縦軸にΔR(3−4)rnをプロットして実数部抵抗値差第二グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第二グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する第三工程と、
該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第二工程で燃料極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rra(max)と実数部抵抗値の最小値Rra(min)との差を、下記式(3):
Ria=Rra(max)−Rra(min) (3)
により計算して、燃料極側界面抵抗Riaを求め、次いで、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第三工程で空気極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rrc(max)と実数部抵抗値の最小値Rrc(min)との差を、下記式(4):
Ric=Rrc(max)−Rrc(min) (4)
により計算し、空気極側界面抵抗Ricを求める界面抵抗計算工程と、を有する界面抵抗の算出方法である。
本発明の第一の形態の界面抵抗の算出方法に係る算出対象燃料電池用セルとは、界面抵抗の算出の対象となる燃料電池用セルのことである。
該第一工程では、先ず、界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う。
該界面抵抗の算出を行う作動条件とは、界面抵抗の算出を欲する特定の作動条件のことである。つまり、該第一工程では、先ず、界面抵抗の算出を欲する特定の作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う。
該界面抵抗の算出を行う作動条件は、燃料極側ガスの燃料濃度、空気極側ガスの酸素濃度、セルの作動温度、燃料極側ガスの水蒸気濃度、空気極側ガスの水蒸気濃度等の種々の要素から構成される。そして、該界面抵抗の算出を行う作動条件は、必ず、燃料極側ガスのガス組成、空気極側ガスのガス組成及びセルの作動温度の3要素を含んでいる。
該算出対象燃料電池用セルとしては、電解質を燃料極及び空気極で挟み込んで形成される燃料電池用のセルであれば、特に制限されず、例えば、固体酸化物形燃料電池用セル、リン酸形燃料電池用セル、溶融炭酸塩形燃料電池用セル、固体高分子形燃料電池用セルが挙げられる。
該複素インピーダンス測定とは、該算出対象燃料電池用セルの燃料極と空気極の間に、100mV以下の僅かな電圧の交流成分を乗せて電圧を印加する際に、該交流成分の周波数を100kHz程度から1mHz程度まで変化させた時の、電流及びその位相差を測定することである。該複素インピーダンス測定を行う方法としては、通常、燃料電池の特性の把握のために用いられる複素インピーダンス測定の方法であれば、特に制限されない。なお、該複素インピーダンス測定は、交流インピーダンス測定とも呼ばれている。また、後述する該第二工程に係る複素インピーダンス測定及び該第三工程に係る複素インピーダンス測定は、該第一工程に係る複素インピーダンス測定と同様である。
そして、該複素インピーダンス測定を行い得られる電流及びその位相差を基に、周波数を変化させた時の周波数毎の実数部抵抗値Z’(Ω)及び虚数部抵抗値Z”(Ω)を、横軸を実数部抵抗値Z’、縦軸を虚数部抵抗値Z”として、プロットして、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る。なお、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る方法は、複素平面表示法とも呼ばれている。
該第一工程で得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを、第1図及び第2図を参照して説明する。第1図は、2つの円弧からなる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図であり、第2図は、3つの円弧からなる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図である。該第一工程で得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットうち、最も単純な形のものは、第1図に示すように、2つの円弧、すなわち、第一円弧2a及び第二円弧3aからなるコール・コール・プロット1aである。また、該第一工程で得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットとしては、他に、第2図に示すように、3つの円弧、すなわち、第一円弧2b、第二円弧3b及び第三円弧4からなるコール・コール・プロット1bや、4つ以上の円弧、すなわち、第一円弧及び第二円弧並びに第一円弧及び第二円弧以外の2以上の円弧からなるコール・コール・プロットが挙げられる。該第一工程で得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの多くは、2つ又は3つの円弧からなる。
なお、本発明において、該第一円弧とは、該第一工程で得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの円弧のうち、実数部抵抗値が小さい側から数えて、1番目の円弧を指し、該第二円弧とは、該第一工程で得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの円弧のうち、実数部抵抗値が小さい側から数えて、2番目の円弧を指す。そして、該第一円弧及び該第二円弧のうちのいずれか一方が、燃料極側界面に由来する円弧であり、他方が空気極側界面に由来する円弧である。
なお、実際に該複素インピーダンス測定を行って得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの曲線が、真円の円弧と同一の形状になることは殆どなく、真円の円弧に類似した形状となるが、本発明では、円弧の文言を用いた。
第1図中、該コール・コール・プロット1aでは、実数部抵抗値が小さくなる程、高周波数になり、すなわち、矢印5の方向に向かって高周波数になり、一方、実数部抵抗値が大きくなる程、低周波数になり、すなわち、矢印6の方向に向かって低周波数になる。また、3以上の円弧からなる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの場合も同様に、実数部抵抗値が小さくなる程、高周波数になり、一方、実数部抵抗値が大きくなる程、低周波数になる。
該第二工程では、先ず、燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う。
該燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行うとは、測定条件を構成する要素のうち、該燃料極側ガスのガス組成以外は固定し、該燃料極側ガスのガス組成のみを代えた2つの測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行うことを指す。具体的には、例えば、該第一測定条件の燃料極側ガスの水素濃度を100体積%とし、該第二測定条件の燃料極側ガスの水素濃度を10体積%とし、他の測定条件を構成する要素については、該第一測定条件及び該第二測定条件のいずれも同一にして、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う。該第一測定条件及び該第二測定条件に係る測定条件は、燃料極側ガスの燃料濃度、空気極側ガスの酸素濃度、セルの作動温度、燃料極側ガスの水蒸気濃度、空気極側ガスの水蒸気濃度等の種々の要素から構成される。そして、該測定条件は、必ず、燃料極側ガスのガス組成、空気極側ガスのガス組成及びセルの作動温度の3要素を含んでいる。
第3図に、該第一測定条件又は該第二測定条件での該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図を示す。第3図は、該第一工程を行い得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの円弧の数が2となる該算出対象燃料電池用セルを、該第一測定条件及び該第二測定条件で、複素インピーダンス測定した時の該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットであり、該第一測定条件での該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット11は、第一円弧2c及び第二円弧3cからなり、また、該第二測定条件での該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット12は、第一円弧2d及び第二円弧3dからなる。
次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の該実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の該実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求める。
具体的には、例えば、該コール・コール・プロット11中の周波数が1000Hzの点を点E1、該コール・コール・プロット12中の周波数が1000Hzの点を点E2とすると、該コール・コール・プロット11から、該点E1の実数部抵抗値R1r1000を、該コール・コール・プロット12から、該点E2の実数部抵抗値R2r1000を求める。次いで、該点E1の実数部抵抗値R1r1000と、該点E2の実数部抵抗値R2r1000の差(R1r1000−R2r1000)を計算し、周波数が1000Hzの時のΔR(1−2)r1000を求める。このような、該ΔR(1−2)rnの計算を、該コール・コール・プロット11及び該コール・コール・プロット12の全域に亘って行い、周波数毎のΔR(1−2)rnを求める。なお、該ΔR(1−2)rnの計算は、周波数の変化に対するΔR(1−2)rnの変化を、該コール・コール・プロット11及び該コール・コール・プロット12の全域に亘って観察できるような周波数の間隔で行われればよく、一定間隔の周波数毎に対応するΔR(1−2)rnを求めてもよいし、あるいは、周波数の間隔が一定でなくてもよい。
次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得る。
第4図に、該実数部抵抗差第一グラフの模式図を示す。第4図中、符号14で示すグラフが、実数部抵抗差第一グラフ14であり、該実数部抵抗差第一グラフ14には、必ず、他の周波数域に比べ、該ΔR(1−2)rnの変化量が大きくなる周波数域が存在する。すなわち、該実数部抵抗差第一グラフ14には、必ず、ピーク15が存在する。そして、該ピーク15のピークトップ16の周波数を、該実数部抵抗差第一グラフ14から読み取り、該ピークトップ16の周波数の値から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットのうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する。例えば、該実数部抵抗差第一グラフの該ピークトップの周波数がxであったとすると、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットのうち、周波数がxである点を含む円弧を、燃料極側界面に由来する円弧と認定する。
該第二工程では、燃料極側ガスのガス組成のみを変化させているので、該実数部抵抗差第一グラフにおいて、周波数xに該ピークトップがあるということは、燃料極側の変化の影響を強く受けるのは、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、周波数x近辺の周波数域に対応する部分であるといえるので、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットのうち、周波数がxである点を含む円弧を、燃料極側界面に由来する円弧と認定することができる。
該燃料極側ガス中に含まれる燃料としては、特に制限されず、水素、メタン等が挙げられる。
該第三工程では、先ず、空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う。
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行うとは、測定条件を構成する要素のうち、該空気極側ガスのガス組成以外は固定し、該空気極側ガスのガス組成のみを代えた2つの測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行うことを指す。具体的には、例えば、該第三測定条件の空気極側ガスの酸素濃度を100体積%とし、該第四測定条件の空気極側ガスの酸素濃度を10体積%とし、他の測定条件を構成する要素については、該第三測定条件及び該第四測定条件のいずれも同一にして、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う。該第三測定条件及び該第四測定条件に係る測定条件は、燃料極側ガスの燃料濃度、空気極側ガスの酸素濃度、セルの作動温度、燃料極側ガスの水蒸気濃度、空気極側ガスの水蒸気濃度等の種々の要素から構成される。そして、該測定条件は、必ず、燃料極側ガスのガス組成、空気極側ガスのガス組成及びセルの作動温度の3要素を含んでいる。
第5図に、該第三測定条件又は該第四測定条件での該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの模式図を示す。第5図は、該第一工程を行い得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの円弧の数が2となる該算出対象燃料電池用セルを、該第三測定条件及び該第四測定条件で、複素インピーダンス測定した時の該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットであり、該第三測定条件での該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット17は、第一円弧2e及び第二円弧3eからなり、また、該第四測定条件での該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット18は、第一円弧2f及び第二円弧3fからなる。
次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の該実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の該実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求める。
具体的には、例えば、該コール・コール・プロット17中の周波数が1000Hzの点を点G1、該コール・コール・プロット18中の周波数が1000Hzの点を点G2とすると、該コール・コール・プロット17から、該点G1の実数部抵抗値R3r1000を、該コール・コール・プロット18から、該点G2の実数部抵抗値R4r1000を求める。次いで、該点G1の実数部抵抗値R3r1000と、該点G2の実数部抵抗値R4r1000の差(R3r1000−R4r1000)を計算し、周波数が1000Hzの時のΔR(3−4)r1000を求める。このような、該ΔR(3−4)rnの計算を、該コール・コール・プロット17及び該コール・コール・プロット18の全域に亘って行い、周波数毎のΔR(3−4)rnを求める。なお、該ΔR(3−4)rnの計算は、周波数の変化に対するΔR(3−4)rnの変化を、該コール・コール・プロット17及び該コール・コール・プロット18の全域に亘って観察できるような周波数の間隔で行われればよく、一定間隔の周波数毎に対応するΔR(3−4)rnを求めてもよいし、あるいは、周波数の間隔が一定でなくてもよい。
次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(3−4)rnとして、周波数毎のΔR(3−4)rnをプロットし、実数部抵抗値差第二グラフを得る。
第4図に、該実数部抵抗差第二グラフの模式図を示す。第4図中、符号141で示すグラフが、実数部抵抗差第二グラフ141であり、該実数部抵抗差第二グラフ141には、必ず、他の周波数域に比べ、該ΔR(3−4)rnの変化量が大きくなる周波数域が存在する。すなわち、該実数部抵抗差第二グラフ141には、必ず、ピーク151が存在する。そして、該ピーク151のピークトップ161の周波数を、該実数部抵抗差第二グラフ141から読み取り、該ピークトップ161の周波数の値から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットのうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する。例えば、該実数部抵抗差第二グラフの該ピークトップの周波数がyであったとすると、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットのうち、周波数がyである点を含む円弧を、空気極側界面に由来する円弧と認定する。
該第三工程では、空気極側ガスのガス組成のみを変化させているので、該実数部抵抗差第二グラフにおいて、周波数yに該ピークトップがあるということは、空気極側の変化の影響を強く受けるのは、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、周波数y近辺の周波数域に対応する部分であるといえるので、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットのうち、周波数がyである点を含む円弧を、空気極側界面に由来する円弧と認定することができる。
該界面抵抗計算工程では、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第二工程で燃料極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rra(max)と実数部抵抗値の最小値Rra(min)との差を、下記式(3):
Ria=Rra(max)−Rra(min) (3)
により計算し、燃料極側界面抵抗Riaを求め、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第三工程で空気極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rrc(max)と実数部抵抗値の最小値Rrc(min)との差を、下記式(4):
Ric=Rrc(max)−Rrc(min) (4)
により計算し、空気極側界面抵抗Ricを求める。
該界面抵抗計算工程について、第1図を参照して説明する。該第二工程及び該第三工程を行った結果、該コール・コール・プロット1aのうち、該第一円弧2aが、燃料極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3aが、空気極側界面に由来する円弧であると認定したとして説明する。該コール・コール・プロット1a中、該第一円弧2aと横軸との交点、すなわち、該第一円弧2aのうちの虚数部抵抗値が「0」となる点を点A1、該第一円弧2aと該第二円弧3aとの交点を点B1、該第二円弧3aと横軸との交点、すなわち、該第二円弧3aのうちの虚数部抵抗値が「0」となる点を点C1とすると、この場合は、該Rra(min)は該点A1の実数部抵抗値であり、該Rra(max)は該点B1の実数部抵抗値であり、該Rc(min)は該点B1の実数部抵抗値であり、該Rrc(max)は該点C1の実数部抵抗値である。そして、上記式(3)により、該燃料極側界面抵抗Riaを求め、また、上記式(4)により、該空気極側界面抵抗Ricを求める。
また、該第一工程を行い得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが、3つの円弧からなる場合について、第2図を参照して説明する。該第二工程及び該第三工程を行った結果、該コール・コール・プロット1bのうち、該第一円弧2bが、燃料極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3bが、空気極側界面に由来する円弧であると認定したとして説明する。該コール・コール・プロット1b中、該第一円弧2bと横軸との交点、すなわち、該第一円弧2bのうちの虚数部抵抗値が「0」となる点を点A2、該第一円弧2bと該第二円弧3bとの交点を点B2、該第二円弧3bと該第三円弧4との交点を点C2とすると、この場合は、該Rra(min)は該点A2の実数部抵抗値であり、該Rra(max)は該点B2の実数部抵抗値であり、該Rc(min)は該点B2の実数部抵抗値であり、該Rrc(max)は該点C2の実数部抵抗値である。そして、上記式(3)により、該燃料極側界面抵抗Riaを求め、また、上記式(4)により、該空気極側界面抵抗Ricを求める。
また、該第一工程を行い得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが、4つの円弧からなる場合は、該第三円弧より実数部抵抗値が大きい側に、円弧が増えるだけで、該第一円弧、該第二円弧及び該第三円弧の関係は変わらないので、該第一工程を行い得られる該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが、3つの円弧からなる場合と同様である。
本発明の第二の形態の界面抵抗の測定方法は、算出対象燃料電池用セルの作動時の燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを算出する界面抵抗の算出方法であって、
界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る第一工程と、
燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求め、次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第一グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する第二工程と、
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求め、次いで、横軸に周波数、縦軸にΔR(3−4)rnをプロットして実数部抵抗値差第二グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第二グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する第三工程と、
直列に接続された(i)第一抵抗、(ii)並列に接続された第二抵抗及び第一コンデンサー、並びに(iii)並列に接続された第三抵抗及び第二コンデンサーを有する等価回路と、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットとのフィッティングを行い、燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを求めるフィッティング工程と、
を有する界面抵抗の算出方法である。
本発明の第二の形態の界面抵抗の測定方法に係る第一工程、第二工程及び第三工程は、本発明の第一の形態の界面抵抗の測定方法に係る第一工程、第二工程及び第三工程と同様である。
該フィッティング工程では、先ず、該等価回路を構築する。該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが、第1図に示す該コール・コール・プロット1aであった場合、すなわち、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが2つの円弧からなる場合、構築する等価回路は、第6図に示す等価回路21である。第6図中、該等価回路21は、(i)第一抵抗22a、(ii)並列に接続された第二抵抗24a及び第一コンデンサー23a、並びに(iii)並列に接続された第三抵抗26a及び第二コンデンサー25aが、直列に接続されている。
次いで、該等価回路21と、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット1aとのフィッティングを行う。
該フィッティングには、等価回路の回路図、等価回路中の抵抗の抵抗値、等価回路中のコンデンサーの容量値、リアクタンスを入力することにより、コール・コール・プロットを計算し、その形状を出力することができる既存のソフトを使用する。該フィッティングに使用される既存のソフトとしては、特に制限されず、Z View2−Equivalent−Circuits等が挙げられる。
該フィッティングは、先ず、該ソフトに、該等価回路21の回路図、並びに該第一抵抗22aの初期値、該第二抵抗24aの初期値、該第一コンデンサー23aの初期値、該第三抵抗26aの初期値、該第二コンデンサー25aの初期値、及びリアクタンス等の計算に必要な入力値を入力し、次いで、該入力値を少しずつ変えながら、該ソフトでの計算を繰り返して、該ソフトでの計算により得られるコール・コール・プロットの形状を、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの形状に近づけることにより行われる。そして、該ソフトでの計算により得られるコール・コール・プロットの形状が、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットの形状と一致又は略一致した時の入力値を、フィッティング時の入力値として求める。
該等価回路21と該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット1aとの関係を説明すると、該第二工程及び該第三工程により、(1)該コール・コール・プロット1aの該第一円弧2aが燃料極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3aが空気極側界面に由来する円弧であると認定した場合、該第二抵抗24aは燃料極側界面抵抗Riaに、該第一コンデンサー23aは燃料極側界面のコンデンサー成分に、該第三抵抗26aは空気極側界面抵抗Ricに、該第二コンデンサー25aは空気極側界面のコンデンサー成分に、それぞれ相当する。また、該第二工程及び該第三工程により、(2)該コール・コール・プロット1aの該第一円弧2aが空気極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3aが燃料極側界面に由来する円弧であると認定した場合、該第二抵抗24aは空気極側界面抵抗Ricに、該第一コンデンサー23aは空気極側界面のコンデンサー成分に、該第三抵抗26aは燃料極側界面抵抗Riaに、該第二コンデンサー25aは燃料極側界面のコンデンサー成分に、それぞれ相当する。
従って、上記(1)該第一円弧2aが燃料極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3aが空気極側界面に由来する円弧であると認定した場合は、該フィッティング時の入力値のうち、該第二抵抗24aの入力値が、燃料極側界面抵抗Riaであり、該第三抵抗26aの入力値が、空気極側界面抵抗Ricである。また、上記(2)該第一円弧2aが空気極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3aが燃料極側界面に由来する円弧であると認定した場合、該フィッティング時の入力値のうち、該第二抵抗24aの入力値が、空気極側界面抵抗Ricあり、該第三抵抗26aの入力値が、燃料極側界面抵抗Riaである。
また、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが、第2図に示す該コール・コール・プロット1bであった場合、すなわち、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが3つの円弧からなる場合、構築する等価回路は、第7図に示す等価回路30である。第7図中、該等価回路30は、(i)第一抵抗22b、(ii)並列に接続された第二抵抗24b及び第一コンデンサー23b、(iii)並列に接続された第三抵抗26b及び第二コンデンサー25b、並びに(iv)並列に接続された第四抵抗28b及び第三コンデンサー27bが、直列に接続されている。
該フィッティングは、先ず、該ソフトに、該等価回路30の回路図、並びに該第一抵抗22bの初期値、該第二抵抗24bの初期値、該第一コンデンサー23bの初期値、該第三抵抗26bの初期値、該第二コンデンサー25bの初期値、該第四抵抗28bの初期値、該第三コンデンサー27bの初期値、リアクタンス等の計算に必要な入力値を入力する以外は、前述した、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが2つの円弧からなる場合と同様の方法で行い、フィッティング時の入力値を求める。
該等価回路30と該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット1bとの関係を説明すると、該第二工程及び該第三工程により、(3)該コール・コール・プロット1bの該第一円弧2bが燃料極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3bが空気極側界面に由来する円弧であると認定した場合、該第二抵抗24bは燃料極側界面抵抗Riaに、該第一コンデンサー23bは燃料極側界面のコンデンサー成分に、該第三抵抗26bは空気極側界面抵抗Ricに、該第二コンデンサー25bは空気極側界面のコンデンサー成分に、それぞれ相当する。また、該第二工程及び該第三工程により、(4)該コール・コール・プロット1bの該第一円弧2bが空気極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3bが燃料極側界面に由来する円弧であると認定した場合、該第二抵抗24bは空気極側界面抵抗Ricに、該第一コンデンサー23bは空気極側界面のコンデンサー成分に、該第三抵抗26bは燃料極側界面抵抗Riaに、該第二コンデンサー25bは燃料極側界面のコンデンサー成分に、それぞれ相当する。
従って、上記(3)該第一円弧2bが燃料極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3bが空気極側界面に由来する円弧であると認定した場合は、該フィッティング時の入力値のうち、該第二抵抗24bの入力値が、燃料極側界面抵抗Riaであり、該第三抵抗26bの入力値が、空気極側界面抵抗Ricである。また、上記(4)該第一円弧2bが空気極側界面に由来する円弧であり、該第二円弧3bが燃料極側界面に由来する円弧であると認定した場合、該フィッティング時の入力値のうち、該第二抵抗24bの入力値が、空気極側界面抵抗Ricあり、該第三抵抗26bの入力値が、燃料極側界面抵抗Riaである。
また、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットが4つ以上の円弧からなる場合は、円弧の数に係らず、第7図に示す該等価回路30とのフィッティングを行うことができる。
本発明の第一の形態の界面抵抗の算出方法及び本発明の第二の形態の界面抵抗の算出方法では、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の該第一円弧及び該第二円弧が、燃料極側界面又は空気極側界面のいずれに由来する円弧なのかを判断し易くなる点で、(1)該第二工程における該第一測定条件及び該第二測定条件が、該燃料極側ガス中の燃料濃度のみが異なる測定条件であり、且つ該第三工程における該第三測定条件及び該第四測定条件が、該空気極側ガス中の酸素濃度のみが異なる測定条件であることが好ましく、(2)該第二工程における該第一測定条件及び該第二測定条件が、該燃料極側ガス中の水素濃度のみが異なる測定条件であり、且つ該第三工程における該第三測定条件及び該第四測定条件が、該空気極側ガス中の酸素濃度のみが異なる測定条件であることが特に好ましく、(3)該第二工程における該第一測定条件及び該第二測定条件が、該燃料極側ガス中の水蒸気濃度のみが異なる測定条件であり、且つ該第三工程における該第三測定条件及び該第四測定条件が、該空気極側ガス中の酸素濃度のみが異なる測定条件であることが更に好ましい。
また、本発明の第一の形態の界面抵抗の算出方法及び本発明の第二の形態の界面抵抗の算出方法では、該第二工程おける該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定及び該第三工程おける該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行う温度は、特に制限されず、セルの種類、作動条件により、適宜選択され、通常、−10〜1200℃であり、例えば、固体酸化物形燃料電池用セルの場合、600〜1200℃である。
従来より、作動時の作動条件で、燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、コール・コール・プロットを得ることは知られていた。しかし、得られたコール・コール・プロット中の円弧が、燃料極側界面に由来するものなのか、空気極側界面に由来するものなのかを判断することはできなかった。そのため、作動時の燃料極側界面抵抗及び空気極側界面抵抗を算出することはできなかった。
一方、本発明の第一の形態の界面抵抗の算出方法及び本発明の第二の形態の界面抵抗の算出方法では、該第二工程及び該第三工程を行うことにより、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の第一円弧及び第二円弧が、いずれの界面に由来するものなのかを、確実に認定できる。従って、本発明の第一の形態の界面抵抗の算出方法及び本発明の第二の形態の界面抵抗の算出方法によれば、算出を欲する特定の作動条件で、該算出対象燃料電池用セルを作動させた時の、燃料極側界面抵抗及び空気極側界面抵抗を算出することができる。
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
The interface resistance measuring method according to the first aspect of the present invention is a method for calculating an interface resistance for calculating a fuel electrode side interface resistance Ria and an air electrode side interface resistance Ric during operation of a calculation target fuel cell.
A first step of performing a complex impedance measurement of the calculation target fuel cell under an operating condition for calculating the interface resistance and obtaining a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell;
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas, and then the real number when the frequency in the first measurement condition is n The difference ΔR (1-2) rn between the partial resistance value R1rn and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is expressed by the following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To calculate ΔR (1-2) rn for each frequency, and then plot ΔR (1-2) rn for each frequency with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, A real part resistance value difference first graph is obtained, and then, from the peak top frequency in the real part resistance value difference first graph, the call cell call call of the calculation target fuel cell obtained in the first step is obtained. Of the arcs in the plot, the second step of certifying arcs derived from the fuel electrode side interface;
Under the third measurement condition and the fourth measurement condition, which differ only in the gas composition of the air electrode side gas, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed, and then the frequency in the third measurement condition is n The difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is expressed by the following equation (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency, and then plot the frequency on the horizontal axis and ΔR (3-4) rn on the vertical axis to obtain the real part resistance difference second graph, From the peak top frequency in the real part resistance value difference second graph, the arc side in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is connected to the air electrode side interface. A third step of certifying the arc of origin,
In the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, the maximum value of the resistance value of the real part of the arc recognized as the arc derived from the fuel electrode side interface in the second step The difference between Rra (max) and the minimum value Rra (min) of the real part resistance value is expressed by the following formula (3):
Ria = Rra (max) −Rra (min) (3)
To obtain the fuel electrode side interface resistance Ria, and then derived from the air electrode side interface in the third step during the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step The difference between the maximum value Rrc (max) of the real part resistance value and the minimum value Rrc (min) of the real part resistance value of the arc recognized as an arc to be obtained is expressed by the following formula (4):
Ric = Rrc (max) −Rrc (min) (4)
An interface resistance calculation step of calculating the air electrode side interface resistance Ric.
The calculation target fuel cell according to the interface resistance calculation method of the first aspect of the present invention is a fuel cell for which the interface resistance is calculated.
In the first step, first, the complex impedance of the calculation target fuel cell is measured under the operating condition for calculating the interface resistance.
The operating condition for calculating the interface resistance is a specific operating condition that requires calculation of the interface resistance. That is, in the first step, first, complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under a specific operating condition for which calculation of interface resistance is desired.
There are various operating conditions for calculating the interface resistance, such as the fuel electrode side gas fuel concentration, the air electrode side gas oxygen concentration, the cell operating temperature, the fuel electrode side gas water vapor concentration, and the air electrode side gas water vapor concentration. It is composed of elements. The operating conditions for calculating the interface resistance always include three elements: the gas composition of the fuel electrode side gas, the gas composition of the air electrode side gas, and the operating temperature of the cell.
The calculation target fuel cell is not particularly limited as long as it is a fuel cell formed by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an air electrode. For example, a solid oxide fuel cell, phosphoric acid Examples include a fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.
The complex impedance measurement means that when a voltage is applied by applying a slight voltage AC component of 100 mV or less between the fuel electrode and the air electrode of the calculation target fuel cell, the frequency of the AC component is 100 kHz. It is to measure the current and its phase difference when changing from about 1 to about 1 mHz. The method for performing the complex impedance measurement is not particularly limited as long as it is a complex impedance measurement method usually used for grasping the characteristics of the fuel cell. The complex impedance measurement is also called AC impedance measurement. Further, the complex impedance measurement according to the second step and the complex impedance measurement according to the third step, which will be described later, are the same as the complex impedance measurement according to the first step.
Then, based on the current obtained by performing the complex impedance measurement and its phase difference, the real part resistance value Z ′ (Ω) and the imaginary part resistance value Z ″ (Ω) for each frequency when the frequency is changed, The horizontal axis is plotted with the real part resistance value Z ′ and the vertical axis is plotted with the imaginary part resistance value Z ″ to obtain a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell. The method for obtaining the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell is also called a complex plane display method.
The Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of a call / call plot of the calculation target fuel cell comprising two arcs, and FIG. 2 is a call / call plot of the calculation target fuel cell comprising three arcs. -It is a schematic diagram of a plot. Of the call-call plots of the calculation target fuel cell obtained in the first step, the simplest one has two arcs, that is, the first arc 2a and the first arc 2a as shown in FIG. This is a Cole-Cole plot 1a composed of two arcs 3a. In addition, as the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, there are three arcs, that is, a first arc 2b and a second arc as shown in FIG. Cole call plot 1b composed of 3b and third arc 4, and four or more arcs, that is, call call composed of two or more arcs other than the first arc and the second arc, and the first arc and the second arc・ Plots are listed. Many of the Cole-Cole plots of the calculation target fuel cell obtained in the first step are composed of two or three arcs.
In the present invention, the first arc is defined by counting from the side with the smaller real part resistance value among the arcs of the call / call plot of the fuel cell for calculation obtained in the first step. The second arc is the number of arcs of the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, counted from the side with the smaller real part resistance value. Refers to the second arc. One of the first arc and the second arc is an arc derived from the fuel electrode side interface, and the other is an arc derived from the air electrode side interface.
In addition, the Cole-Cole plot curve of the calculation target fuel cell obtained by actually performing the complex impedance measurement hardly has the same shape as a perfect circular arc. Although it becomes a similar shape, the wording of the arc is used in the present invention.
In FIG. 1, in the Cole-Cole plot 1a, the smaller the real part resistance value, the higher the frequency, that is, the higher the frequency in the direction of the arrow 5, while the real part resistance value increases. The lower the frequency, the lower the frequency in the direction of arrow 6. Similarly, in the case of the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell comprising three or more arcs, the smaller the real part resistance value, the higher the frequency, while the real part resistance value increases. The lower the frequency.
In the second step, first, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas.
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition in which only the gas composition of the fuel electrode side gas is different. Among the elements constituting the measurement condition, the fuel electrode This means that the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under two measurement conditions in which the gas composition other than the side gas is fixed and only the gas composition of the fuel electrode side gas is changed. Specifically, for example, the hydrogen concentration of the fuel electrode side gas in the first measurement condition is set to 100% by volume, the hydrogen concentration of the fuel electrode side gas in the second measurement condition is set to 10% by volume, and other measurement conditions are set. Regarding the constituent elements, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the same conditions of the first measurement condition and the second measurement condition. The measurement conditions according to the first measurement condition and the second measurement condition are as follows: the fuel concentration of the fuel electrode side gas, the oxygen concentration of the air electrode side gas, the operating temperature of the cell, the water vapor concentration of the fuel electrode side gas, and the air electrode side gas. It is composed of various elements such as water vapor concentration. The measurement conditions always include three elements: the gas composition of the fuel electrode side gas, the gas composition of the air electrode side gas, and the operating temperature of the cell.
FIG. 3 shows a schematic diagram of a Cole-Cole plot of the fuel cell for calculation under the first measurement condition or the second measurement condition. FIG. 3 shows the calculation target fuel cell in which the number of arcs of the call / call plot of the calculation target fuel cell obtained by performing the first step is 2, the first measurement condition and the It is a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell when complex impedance is measured under the second measurement condition, and a Cole-Cole plot 11 of the calculation target fuel cell under the first measurement condition is The call arc / call plot 12 of the calculation target fuel cell cell under the second measurement condition includes a first arc 2d and a second arc 3d.
Next, a difference ΔR (1-2) rn between the real part resistance value R1rn when the frequency in the first measurement condition is n and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is Following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To obtain ΔR (1-2) rn for each frequency.
Specifically, for example, when a point at which the frequency in the call call plot 11 is 1000 Hz is a point E1, and a point at which the frequency in the call call plot 12 is 1000 Hz is a point E2, the call call call From the plot 11, the real part resistance value R1r of the point E1 is shown. 1000 From the Cole-Cole plot 12, the real part resistance value R2r at the point E2 1000 Ask for. Next, the real part resistance value R1r of the point E1 1000 And the real part resistance value R2r of the point E2 1000 Difference (R1r 1000 -R2r 1000 ) And ΔR (1-2) r when the frequency is 1000 Hz 1000 Ask for. Such calculation of ΔR (1-2) rn is performed over the entire area of the Cole-Cole plot 11 and the Cole-Cole plot 12, and ΔR (1-2) rn for each frequency is obtained. . The calculation of ΔR (1-2) rn is performed by observing changes in ΔR (1-2) rn with respect to changes in frequency over the entire area of the Cole-Cole plot 11 and the Cole-Cole plot 12. It is only necessary to be performed at a frequency interval that can be performed, and ΔR (1-2) rn corresponding to each frequency at a constant interval may be obtained, or the frequency interval may not be constant.
Next, ΔR (1-2) rn for each frequency is plotted with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, thereby obtaining a real part resistance difference first graph.
FIG. 4 is a schematic diagram of the first real part resistance difference graph. In FIG. 4, a graph indicated by reference numeral 14 is a real part resistance difference first graph 14, and the real part resistance difference first graph 14 always includes ΔR (1-2) compared to other frequency ranges. ) There is a frequency range where the amount of change in rn becomes large. That is, a peak 15 always exists in the real part resistance difference first graph 14. Then, the frequency of the peak top 16 of the peak 15 is read from the first real part resistance difference graph 14, and the calculation target fuel cell cell obtained in the first step is obtained from the frequency value of the peak top 16. In the Cole-Cole plot, the arc derived from the fuel electrode side interface is recognized. For example, if the frequency of the peak top of the first real part resistance difference graph is x, the frequency is x in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step. The arc including the point is identified as an arc derived from the fuel electrode side interface.
In the second step, since only the gas composition of the fuel electrode side gas is changed, the fact that the peak top is present at the frequency x in the first real part resistance difference graph indicates the influence of the change on the fuel electrode side. Is strongly affected by the frequency region in the vicinity of the frequency x in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell, the calculation target fuel cell obtained in the first step. In the Cole-Cole plot of the cell, an arc including a point having a frequency x can be recognized as an arc derived from the fuel electrode side interface.
The fuel contained in the fuel electrode side gas is not particularly limited, and examples thereof include hydrogen and methane.
In the third step, first, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the third measurement condition and the fourth measurement condition that are different only in the gas composition of the air electrode side gas.
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the third measurement condition and the fourth measurement condition in which only the gas composition of the air electrode side gas is different. Among the elements constituting the measurement condition, the air electrode It means that the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under two measurement conditions in which the gas composition other than the side gas is fixed and only the gas composition of the air electrode side gas is changed. Specifically, for example, the oxygen concentration of the air electrode side gas in the third measurement condition is set to 100% by volume, the oxygen concentration of the air electrode side gas in the fourth measurement condition is set to 10% by volume, and other measurement conditions are set. Regarding the constituent elements, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed with the third measurement condition and the fourth measurement condition being the same. The measurement conditions according to the third measurement condition and the fourth measurement condition are: fuel electrode side gas fuel concentration, air electrode side gas oxygen concentration, cell operating temperature, fuel electrode side gas water vapor concentration, air electrode side gas It is composed of various elements such as water vapor concentration. The measurement conditions always include three elements: the gas composition of the fuel electrode side gas, the gas composition of the air electrode side gas, and the operating temperature of the cell.
FIG. 5 shows a schematic diagram of the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell under the third measurement condition or the fourth measurement condition. FIG. 5 shows the calculation target fuel cell in which the number of arcs of the call / call plot of the calculation target fuel cell obtained by performing the first step is 2, the third measurement condition and the It is a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell when the complex impedance is measured under the fourth measurement condition, and a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell under the third measurement condition is The call arc / call plot 18 of the calculation target fuel cell cell under the fourth measurement condition includes a first arc 2f and a second arc 3f.
Next, a difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn when the frequency in the third measurement condition is n and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is Following formula (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency.
Specifically, for example, when a point where the frequency in the call call plot 17 is 1000 Hz is a point G1, and a point where the frequency is 1000 Hz in the call call plot 18 is a point G2, the call call call From the plot 17, the real part resistance value R3r of the point G1 1000 From the Cole-Cole plot 18, the real part resistance value R4r of the point G2 1000 Ask for. Next, the real part resistance value R3r of the point G1 1000 And the real part resistance value R4r of the point G2 1000 Difference (R3r 1000 -R4r 1000 ) And ΔR (3-4) r when the frequency is 1000 Hz 1000 Ask for. Such calculation of ΔR (3-4) rn is performed over the entire area of the Cole-Cole plot 17 and the Cole-Cole plot 18 to obtain ΔR (3-4) rn for each frequency. . The calculation of ΔR (3-4) rn is performed by observing changes in ΔR (3-4) rn with respect to changes in frequency over the entire area of the Cole-Cole plot 17 and the Cole-Cole plot 18. It is only necessary to be performed at such a frequency interval, and ΔR (3-4) rn corresponding to each frequency at a certain interval may be obtained, or the frequency interval may not be constant.
Next, ΔR (3-4) rn for each frequency is plotted with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (3-4) rn, thereby obtaining a real part resistance difference second graph.
FIG. 4 is a schematic diagram of the second real part resistance difference graph. In FIG. 4, a graph denoted by reference numeral 141 is a real part resistance difference second graph 141, and the real part resistance difference second graph 141 always includes the ΔR (3-4) as compared with other frequency ranges. ) There is a frequency range where the amount of change in rn becomes large. That is, the peak 151 is always present in the second real part resistance difference graph 141. The frequency of the peak top 161 of the peak 151 is read from the real part resistance difference second graph 141, and the calculation target fuel cell cell obtained in the first step is obtained from the frequency value of the peak top 161. In the Cole-Cole plot, the arc derived from the air electrode side interface is recognized. For example, if the frequency of the peak top of the real part resistance difference second graph is y, the frequency is y in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step. The arc including the point is identified as an arc derived from the air electrode side interface.
In the third step, since only the gas composition of the air electrode side gas is changed, the fact that the peak top is present at the frequency y in the second real part resistance difference graph indicates the influence of the change on the air electrode side. Is strongly affected by the frequency range in the vicinity of the frequency y in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell, the calculation target fuel cell obtained in the first step. In the Cole-Cole plot of the cell, an arc including a point having a frequency y can be recognized as an arc derived from the air electrode side interface.
In the interface resistance calculation step, in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, the arc determined to be an arc derived from the fuel electrode side interface in the second step The difference between the maximum value Rra (max) of the real part resistance value and the minimum value Rra (min) of the real part resistance value is expressed by the following equation (3):
Ria = Rra (max) −Rra (min) (3)
To obtain the fuel electrode side interface resistance Ria, and in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, the arc derived from the air electrode side interface in the third step The difference between the maximum value Rrc (max) of the real part resistance value and the minimum value Rrc (min) of the real part resistance value of the arc that has been determined to be present is expressed by the following equation (4):
Ric = Rrc (max) −Rrc (min) (4)
To calculate the air electrode side interface resistance Ric.
The interface resistance calculation step will be described with reference to FIG. As a result of performing the second step and the third step, in the Cole-Cole plot 1a, the first arc 2a is an arc derived from the fuel electrode side interface, and the second arc 3a is air. The description will be made assuming that the arc is derived from the pole-side interface. In the Cole-Cole plot 1a, the point of intersection of the first arc 2a and the horizontal axis, that is, the point at which the imaginary part resistance value of the first arc 2a is “0”, the first arc 2a and the second arc 3a is the point B1, and the second arc 3a and the horizontal axis is the intersection, that is, the point where the imaginary part resistance value of the second arc 3a is "0" is the point C1. In this case, the Rra (min) is the real part resistance value of the point A1, the Rra (max) is the real part resistance value of the point B1, and the Rc (min) is the point B1. The Rrc (max) is the real part resistance value of the point C1. Then, the fuel electrode side interface resistance Ria is obtained from the above equation (3), and the air electrode side interface resistance Ric is obtained from the above equation (4).
Further, a case where the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained by performing the first step is composed of three arcs will be described with reference to FIG. As a result of performing the second step and the third step, in the Cole-Cole plot 1b, the first arc 2b is an arc derived from the fuel electrode side interface, and the second arc 3b is air. The description will be made assuming that the arc is derived from the pole-side interface. In the Cole-Cole plot 1b, the intersection of the first arc 2b and the horizontal axis, that is, the point where the imaginary part resistance value of the first arc 2b is “0” is the point A2, the first arc If the intersection of 2b and the second arc 3b is a point B2, and the intersection of the second arc 3b and the third arc 4 is a point C2, in this case, Rra (min) is the real part of the point A2. A resistance value, the Rra (max) is a real part resistance value at the point B2, the Rc (min) is a real part resistance value at the point B2, and the Rrc (max) is a real number at the point C2. Resistance value. Then, the fuel electrode side interface resistance Ria is obtained from the above equation (3), and the air electrode side interface resistance Ric is obtained from the above equation (4).
Further, when the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained by performing the first step is composed of four arcs, the number of arcs increases on the side where the real part resistance value is larger than the third arc. However, since the relationship between the first arc, the second arc, and the third arc does not change, the call / call plot of the calculation target fuel cell obtained by performing the first step has three arcs. It is the same as the case where consists of.
The method for measuring the interface resistance according to the second aspect of the present invention is a method for calculating the interface resistance for calculating the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric during operation of the calculation target fuel cell.
A first step of performing a complex impedance measurement of the calculation target fuel cell under an operating condition for calculating the interface resistance and obtaining a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell;
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas, and then the real number when the frequency in the first measurement condition is n The difference ΔR (1-2) rn between the partial resistance value R1rn and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is expressed by the following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To calculate ΔR (1-2) rn for each frequency, and then plot ΔR (1-2) rn for each frequency with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, A real part resistance value difference first graph is obtained, and then, from the peak top frequency in the real part resistance value difference first graph, the call cell call call of the calculation target fuel cell obtained in the first step is obtained. Of the arcs in the plot, the second step of certifying arcs derived from the fuel electrode side interface;
Under the third measurement condition and the fourth measurement condition, which differ only in the gas composition of the air electrode side gas, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed, and then the frequency in the third measurement condition is n The difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is expressed by the following equation (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency, and then plot the frequency on the horizontal axis and ΔR (3-4) rn on the vertical axis to obtain the real part resistance difference second graph, From the peak top frequency in the real part resistance value difference second graph, the arc side in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is connected to the air electrode side interface. A third step of certifying the arc of origin,
An equivalent circuit having (i) a first resistor connected in series, (ii) a second resistor and a first capacitor connected in parallel, and (iii) a third resistor and a second capacitor connected in parallel; Fitting with the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step to obtain the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric;
It is the calculation method of the interface resistance which has this.
The first step, the second step and the third step according to the method for measuring the interfacial resistance according to the second aspect of the present invention are the first step and the second step according to the method for measuring the interfacial resistance according to the first aspect of the present invention. And it is the same as that of a 3rd process.
In the fitting step, first, the equivalent circuit is constructed. When the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is the Cole-Cole plot 1a shown in FIG. 1, that is, obtained in the first step. When the Cole-Cole plot of the cell to be calculated is composed of two arcs, the equivalent circuit to be constructed is the equivalent circuit 21 shown in FIG. In FIG. 6, the equivalent circuit 21 includes (i) a first resistor 22a, (ii) a second resistor 24a and a first capacitor 23a connected in parallel, and (iii) a third resistor 26a connected in parallel. And the 2nd capacitor | condenser 25a is connected in series.
Next, fitting is performed between the equivalent circuit 21 and the Cole-Cole plot 1a of the calculation target fuel cell obtained in the first step.
In the fitting, the circuit diagram of the equivalent circuit, the resistance value of the resistor in the equivalent circuit, the capacitance value of the capacitor in the equivalent circuit, and the reactance are input, and the Cole-Cole plot is calculated and the shape is output. Can use existing software. The existing software used for the fitting is not particularly limited, and examples include Z View2-Equivalent-Circuits.
In the fitting, first, the soft circuit diagram of the equivalent circuit 21, the initial value of the first resistor 22a, the initial value of the second resistor 24a, the initial value of the first capacitor 23a, the third resistor The initial value of 26a, the initial value of the second capacitor 25a, and input values necessary for calculation of reactance, etc. are input, and then the calculation by the software is repeated while changing the input value little by little. The shape of the Cole Cole plot obtained by the calculation in is approximated to the shape of the Cole Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step. When the shape of the Cole-Cole plot obtained by the calculation in the software matches or substantially matches the shape of the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step An input value is obtained as an input value at the time of fitting.
The relationship between the equivalent circuit 21 and the Cole-Cole plot 1a of the calculation target fuel cell obtained in the first step will be described. By the second step and the third step, (1) the call When it is determined that the first arc 2a of the Cole plot 1a is an arc derived from the fuel electrode side interface and the second arc 3a is an arc derived from the air electrode side interface, the second resistance 24a is In the fuel electrode side interface resistance Ria, the first capacitor 23a is a capacitor component at the fuel electrode side interface, the third resistor 26a is in the air electrode side interface resistance Ric, and the second capacitor 25a is a capacitor component in the air electrode side interface. Respectively. Further, by the second step and the third step, (2) the first arc 2a of the Cole-Cole plot 1a is an arc derived from the air electrode side interface, and the second arc 3a is the fuel electrode side. When the arc is derived from the interface, the second resistor 24a is the air electrode side interface resistance Ric, the first capacitor 23a is the capacitor component at the air electrode side interface, and the third resistor 26a is the fuel electrode side. The second capacitor 25a corresponds to the interface resistance Ria and the capacitor component at the fuel electrode side interface.
Therefore, if (1) the first arc 2a is an arc derived from the fuel electrode side interface and the second arc 3a is an arc derived from the air electrode side interface, the input at the time of fitting is performed. Among the values, the input value of the second resistor 24a is the fuel electrode side interface resistance Ria, and the input value of the third resistor 26a is the air electrode side interface resistance Ric. In addition, when it is determined that (2) the first arc 2a is an arc derived from the air electrode side interface and the second arc 3a is an arc derived from the fuel electrode side interface, the input value at the time of fitting Of these, the input value of the second resistor 24a is the air electrode side interface resistance Ric, and the input value of the third resistor 26a is the fuel electrode side interface resistance Ria.
Further, when the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is the Cole-Cole plot 1b shown in FIG. 2, that is, obtained in the first step. When the Cole-Cole plot of the calculated calculation target fuel cell is composed of three arcs, the equivalent circuit to be constructed is the equivalent circuit 30 shown in FIG. 7, the equivalent circuit 30 includes (i) a first resistor 22b, (ii) a second resistor 24b and a first capacitor 23b connected in parallel, (iii) a third resistor 26b connected in parallel, and The second capacitor 25b, and (iv) the fourth resistor 28b and the third capacitor 27b connected in parallel are connected in series.
In the fitting, first, the soft circuit diagram of the equivalent circuit 30 and the initial value of the first resistor 22b, the initial value of the second resistor 24b, the initial value of the first capacitor 23b, the third resistor Except for inputting an initial value of 26b, an initial value of the second capacitor 25b, an initial value of the fourth resistor 28b, an initial value of the third capacitor 27b, an input value necessary for calculation of reactance, etc. An input value at the time of fitting is obtained by the same method as in the case where the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is composed of two arcs.
The relationship between the equivalent circuit 30 and the Cole-Cole plot 1b of the calculation target fuel cell obtained in the first step will be described. By the second step and the third step, (3) the call When it is determined that the first arc 2b of the Cole plot 1b is an arc derived from the fuel electrode side interface and the second arc 3b is an arc derived from the air electrode side interface, the second resistor 24b is In the fuel electrode side interface resistance Ria, the first capacitor 23b is a capacitor component at the fuel electrode side interface, the third resistor 26b is in the air electrode side interface resistance Ric, and the second capacitor 25b is a capacitor component in the air electrode side interface. Respectively. Further, by the second step and the third step, (4) the first arc 2b of the Cole-Cole plot 1b is an arc derived from the air electrode side interface, and the second arc 3b is the fuel electrode side. When the arc is derived from the interface, the second resistor 24b is the air electrode side interface resistance Ric, the first capacitor 23b is the capacitor component at the air electrode side interface, and the third resistor 26b is the fuel electrode side. The second capacitor 25b corresponds to the interface resistance Ria and the capacitor component on the fuel electrode side interface.
Therefore, if it is determined that (3) the first arc 2b is an arc derived from the fuel electrode side interface and the second arc 3b is an arc derived from the air electrode side interface, the input at the time of fitting is performed. Among the values, the input value of the second resistor 24b is the fuel electrode side interface resistance Ria, and the input value of the third resistor 26b is the air electrode side interface resistance Ric. Further, when it is determined that (4) the first arc 2b is an arc derived from the air electrode side interface and the second arc 3b is an arc derived from the fuel electrode side interface, the input value at the time of fitting Among these, the input value of the second resistor 24b is the air electrode side interface resistance Ric, and the input value of the third resistor 26b is the fuel electrode side interface resistance Ria.
Further, when the Cole / Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is composed of four or more arcs, the equivalent circuit 30 shown in FIG. 7 regardless of the number of arcs. And fitting.
In the calculation method of the interfacial resistance according to the first aspect of the present invention and the interfacial resistance calculation method according to the second aspect of the present invention, the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step (1) The first measurement in the second step in that it is easy to determine whether the first arc and the second arc are from the fuel electrode side interface or the air electrode side interface. And the second measurement condition is a measurement condition in which only the fuel concentration in the fuel electrode side gas is different, and the third measurement condition and the fourth measurement condition in the third step are the air electrode side gas. It is preferable that the measurement conditions differ only in the oxygen concentration therein. (2) The first measurement condition and the second measurement condition in the second step differ only in the hydrogen concentration in the fuel electrode side gas. And the third measurement condition in the third step and the fourth It is particularly preferable that the constant condition is a measurement condition in which only the oxygen concentration in the air electrode side gas is different. (3) The first measurement condition and the second measurement condition in the second step are the fuel electrode side. Only the water vapor concentration in the gas is a different measurement condition, and the third measurement condition and the fourth measurement condition in the third step are different measurement conditions only in the oxygen concentration in the air electrode side gas. Further preferred.
In the calculation method of the interfacial resistance according to the first aspect of the present invention and the interfacial resistance calculation method according to the second aspect of the present invention, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell in the second step and the second The temperature at which the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell in the three steps is not particularly limited, is appropriately selected depending on the type of cell and the operating conditions, and is usually −10 to 1200 ° C., for example, solid oxidation In the case of a physical fuel cell, the temperature is 600 to 1200 ° C.
Conventionally, it has been known to obtain a Cole-Cole plot by measuring complex impedance of a fuel cell cell under operating conditions during operation. However, it has not been possible to determine whether the arc in the obtained Cole-Cole plot is derived from the fuel electrode side interface or the air electrode side interface. Therefore, the fuel electrode side interface resistance and the air electrode side interface resistance during operation could not be calculated.
On the other hand, in the calculation method of the interfacial resistance of the first aspect of the present invention and the calculation method of the interfacial resistance of the second aspect of the present invention, by performing the second step and the third step, It can be reliably identified from which interface the first arc and the second arc in the obtained Cole-Cole-Plot of the calculated fuel cell for calculation are derived. Therefore, according to the calculation method of the interfacial resistance according to the first aspect of the present invention and the interfacial resistance calculation method according to the second aspect of the present invention, the fuel cell to be calculated is calculated under a specific operating condition desired to be calculated. When operated, the fuel electrode side interface resistance and the air electrode side interface resistance can be calculated.
EXAMPLES Next, although an Example is given and this invention is demonstrated more concretely, this is only an illustration and does not restrict | limit this invention.

(実施例1)
(セルの作製)
混合比率が50:50の酸化ニッケル(NiO)とスカンジアセリア安定化ジルコニア(10Sc1CeSZ)の混合粉体を含有する燃料極形成用スラリーを調製し、次いで、該燃料極形成用スラリーを用いて、スクリーン印刷法にて、膜厚が100μmの燃料極形成用スラリー層を形成させ、乾燥後、1400℃で5時間焼成し、燃料極を作製した。
・酸化ニッケル;平均粒径0.8μm
・スカンジアセリア安定化ジルコニア;ジルコニア中のスカンジアの含有量10mol%、セリアの含有量1mol%、平均粒径0.6μm
次いで、燃料極層形成用スラリーの調製に用いたスカンジアセリア安定化ジルコニア(10Sc1CeSZ)を含有する電解質形成用スラリーを調製し、次いで、燃料極層の表面に、該電解質形成用スラリーを、スクリーン印刷法にて、膜厚が0.3mmとなるように塗布し、乾燥させた後、1400℃で5時間焼成し、電解質が形成された燃料極を得た。
次いで、ランタンストロンチウムマンガネート(Ln0.8Sr0.2Mn1.0)を含有する空気極形成用スラリーを調製し、次いで、該電解質の表面に、該空気極形成用スラリーを、スクリーン印刷法にて、膜厚が100μmとなるように塗布し、乾燥させた後、1200℃で3時間焼成し、燃料電池用セルAを製造した。
(複素インピーダンス測定)
該燃料電池用セルAの複素インピーダンスを、セルの作動温度が1000℃、ガス組成が第1表に示す燃料極側ガスの水素濃度及び空気極側ガスの酸素濃度の条件下、測定モード:ポテンションスタット、設定電位:0.0V、電流レンジ:10A、遅延時間:0.1秒、掃引測定データ数:50回、積分回数:10回、最大周波数:100kHz、最小周波数:0.1Hz、正弦波電圧:0.03Vrms、EM測定時間:5秒、分極保持時間:0.2秒で測定した。その結果を第2表〜第5表に示す。また、測定1〜4のコール・コール・プロットを第8図〜第11図に示す。

Figure 0005007963
そして、第一工程の界面抵抗の算出を行う作動条件を測定1とし、第二工程の第一測定条件を測定4、第二測定条件を測定2、第二工程の第三測定条件を測定1、第四測定条件を測定2として、実数部抵抗値差第一グラフ及び実数部抵抗値差第二グラフを求めた。その結果を第6表及び第12図に示す。
Figure 0005007963
Figure 0005007963
Figure 0005007963
Figure 0005007963
Figure 0005007963
(円弧の認定)
第12図中、実数部抵抗値差第一グラフのピークトップは、周波数100Hz付近であるので、周波数100Hz近辺に、燃料極側の変化の影響が強く出ていることがわかった。そして、第2表から、第8図の測定1のコール・コール・プロット中の円弧のうち、周波数100Hzの点を含む円弧である第一円弧31が、燃料極側に由来する円弧であると認定できる。同様に、実数部抵抗値差第二グラフのピークトップは、周波数10Hz付近であるので、周波数10Hz近辺に、空気極側の変化の影響が強く出ていることがわかった。そして、第2表から、第8図の測定1のコール・コール・プロット中の円弧のうち、周波数10Hzの点を含む円弧である第二円弧32が、空気極側に由来する円弧であると認定できる。
(フィッティング工程)
第7図に示す等価回路を構築した。上記円弧の認定結果から、第7図中、第二抵抗24bが燃料極側界面抵抗Riaに相当し、第二抵抗26bが空気極側界面抵抗Ricの相当する。次いで、既存ソフトZ View2−Equivalent−Circuitsを用いて、第8図に示す測定1のコール・コール・プロットとのフィッティングを行い、第13図に示すコール・コール・プロットを得た。第13図に示すコール・コール・プロットとなる時の第二抵抗24bの入力値は、0.96976Ωであり、第三抵抗26bの入力値は、0.55527Ωであった。
従って、該燃料電池用セルAを、燃料極側のガス組成が水素濃度100%、空気極側のガス組成が酸素濃度10%、セルの作動温度が1000℃の作動条件で作動させた時、該燃料電池用セルAの燃料極側界面抵抗Riaは0.96976Ω、空気極側界面抵抗Ricは0.55527Ωである。Example 1
(Production of cell)
A fuel electrode forming slurry containing a mixed powder of nickel oxide (NiO) and scandiaceria-stabilized zirconia (10Sc1CeSZ) having a mixing ratio of 50:50 is prepared, and then the fuel electrode forming slurry is used to screen. A slurry layer for forming a fuel electrode having a film thickness of 100 μm was formed by a printing method, dried, and then fired at 1400 ° C. for 5 hours to produce a fuel electrode.
・ Nickel oxide; average particle size 0.8μm
Scandia ceria stabilized zirconia; scandia content in zirconia 10 mol%, ceria content 1 mol%, average particle size 0.6 μm
Next, an electrolyte forming slurry containing scandiaceria-stabilized zirconia (10Sc1CeSZ) used for the preparation of the fuel electrode layer forming slurry is prepared, and then the electrolyte forming slurry is screen-printed on the surface of the fuel electrode layer. The film was applied by a method so that the film thickness became 0.3 mm, dried, and then fired at 1400 ° C. for 5 hours to obtain a fuel electrode on which an electrolyte was formed.
Next, an air electrode forming slurry containing lanthanum strontium manganate (Ln 0.8 Sr 0.2 Mn 1.0 O 3 ) is prepared, and then the air electrode forming slurry is formed on the surface of the electrolyte. By applying a screen printing method so as to have a film thickness of 100 μm and drying, baking was performed at 1200 ° C. for 3 hours to produce a cell A for a fuel cell.
(Complex impedance measurement)
The complex impedance of the fuel cell A is measured under the conditions of the cell operating temperature of 1000 ° C. and the gas composition of the hydrogen concentration of the fuel electrode side gas and the oxygen concentration of the air electrode side gas as shown in Table 1. Tension stat, set potential: 0.0 V, current range: 10 A, delay time: 0.1 second, number of sweep measurement data: 50 times, number of integrations: 10 times, maximum frequency: 100 kHz, minimum frequency: 0.1 Hz, sine Wave voltage: 0.03 Vrms, EM measurement time: 5 seconds, polarization holding time: 0.2 seconds. The results are shown in Tables 2-5. Also, Cole-Cole plots of measurements 1 to 4 are shown in FIGS.
Figure 0005007963
The operating condition for calculating the interfacial resistance in the first step is taken as measurement 1, the first measuring condition in the second step is measured 4, the second measuring condition is measured 2, and the third measuring condition in the second step is measured 1. Using the second measurement condition as measurement 2, a real part resistance value difference first graph and a real part resistance value difference second graph were obtained. The results are shown in Table 6 and FIG.
Figure 0005007963
Figure 0005007963
Figure 0005007963
Figure 0005007963
Figure 0005007963
(Circuit certification)
In FIG. 12, since the peak top of the first real part resistance value difference graph is near the frequency of 100 Hz, it was found that the influence of the change on the fuel electrode side is strongly around the frequency of 100 Hz. From Table 2, the first arc 31 that is an arc including a point of a frequency of 100 Hz among the arcs in the call call plot of the measurement 1 in FIG. 8 is an arc derived from the fuel electrode side. Can be certified. Similarly, since the peak top of the real part resistance value difference second graph is near the frequency of 10 Hz, it was found that the influence of the change on the air electrode side is strongly around the frequency of 10 Hz. And from Table 2, the second arc 32 that is an arc including a point of frequency 10 Hz among the arcs in the call call plot of the measurement 1 in FIG. 8 is an arc derived from the air electrode side. Can be certified.
(Fitting process)
The equivalent circuit shown in FIG. 7 was constructed. From the result of the above-mentioned arc recognition, in FIG. 7, the second resistance 24b corresponds to the fuel electrode side interface resistance Ria, and the second resistance 26b corresponds to the air electrode side interface resistance Ric. Next, using the existing software Z View2-Equivalent-Circuits, fitting with the call-call plot of measurement 1 shown in FIG. 8 was performed, and the call-call plot shown in FIG. 13 was obtained. The input value of the second resistor 24b in the Cole-Cole plot shown in FIG. 13 was 0.96976Ω, and the input value of the third resistor 26b was 0.55527Ω.
Therefore, when the fuel cell A is operated under the operating conditions where the gas composition on the fuel electrode side is 100% hydrogen concentration, the gas composition on the air electrode side is 10% oxygen concentration, and the cell operating temperature is 1000 ° C. The fuel cell side interface resistance Ria of the fuel cell A is 0.96976Ω, and the air electrode side interface resistance Ric is 0.55527Ω.

符号の説明Explanation of symbols

1a、1b、11、12、17、18 コール・コール・プロット
2a、2b、2c、2d、2e、2f、31 第一円弧
3a、3b、3c、3d、3e、3f、32 第二円弧
4 第三円弧
14 実数部抵抗差第一グラフ
141 実数部抵抗差第二グラフ
15、151 ピーク
16、161 ピークトップ
21、30 等価回路
22a、22b 第一抵抗
23a、23b 第一コンデンサー
24a、24b 第二抵抗
25a、25b 第二コンデンサー
26a、26b 第三抵抗
27b 第三コンデンサー
28b 第四抵抗
41、41a、41b 電解質
42、42a、42b 燃料極
43、43a、43b 空気極
44、44a、44b 燃料電池用セル
51 参照極
52a、52b 等電位線
53 燃料極端子
54 空気極端子
55a、55b 中間電位点
56 燃料極42bが接合されている面
1a, 1b, 11, 12, 17, 18 Cole-Cole plot 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 31 First arc 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 32 Second arc 4 Second Three arcs 14 Real part resistance difference first graph 141 Real part resistance difference second graph 15, 151 Peak 16, 161 Peak top 21, 30 Equivalent circuit 22a, 22b First resistor 23a, 23b First capacitor 24a, 24b Second resistance 25a, 25b Second capacitor 26a, 26b Third resistor 27b Third capacitor 28b Fourth resistor 41, 41a, 41b Electrolyte 42, 42a, 42b Fuel electrode 43, 43a, 43b Air electrode 44, 44a, 44b Fuel cell 51 Reference electrode 52a, 52b Equipotential line 53 Fuel electrode terminal 54 Air electrode terminal 55a, 55b Intermediate potential point 56 Fuel electrode 4 Surface b is bonded

本発明によれば、作動条件での燃料電池用セルの界面抵抗を把握することができるので、燃料電池用セルを有する発電システムの構築が容易になる。   According to the present invention, since the interface resistance of the fuel cell can be grasped under the operating condition, it is easy to construct a power generation system having the fuel cell.

Claims (5)

算出対象燃料電池用セルの作動時の燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを算出する界面抵抗の算出方法であって、
界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る第一工程と、
燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求め、次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第一グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する第二工程と、
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求め、次いで、横軸に周波数、縦軸にΔR(3−4)rnをプロットして実数部抵抗値差第二グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第二グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する第三工程と、
該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第二工程で燃料極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rra(max)と実数部抵抗値の最小値Rra(min)との差を、下記式(3):
Ria=Rra(max)−Rra(min) (3)
により計算して、燃料極側界面抵抗Riaを求め、次いで、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中、該第三工程で空気極側界面に由来する円弧であると認定した円弧の実数部抵抗値の最大値Rrc(max)と実数部抵抗値の最小値Rrc(min)との差を、下記式(4):
Ric=Rrc(max)−Rrc(min) (4)
により計算し、空気極側界面抵抗Ricを求める界面抵抗計算工程と、を有することを特徴とする界面抵抗の算出方法。
A calculation method of an interface resistance for calculating a fuel electrode side interface resistance Ria and an air electrode side interface resistance Ric during operation of a calculation target fuel cell,
A first step of performing a complex impedance measurement of the calculation target fuel cell under an operating condition for calculating the interface resistance and obtaining a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell;
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas, and then the real number when the frequency in the first measurement condition is n The difference ΔR (1-2) rn between the partial resistance value R1rn and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is expressed by the following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To calculate ΔR (1-2) rn for each frequency, and then plot ΔR (1-2) rn for each frequency with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, A real part resistance value difference first graph is obtained, and then, from the peak top frequency in the real part resistance value difference first graph, the call cell call call of the calculation target fuel cell obtained in the first step is obtained. Of the arcs in the plot, the second step of certifying arcs derived from the fuel electrode side interface;
Under the third measurement condition and the fourth measurement condition, which differ only in the gas composition of the air electrode side gas, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed, and then the frequency in the third measurement condition is n The difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is expressed by the following equation (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency, and then plot the frequency on the horizontal axis and ΔR (3-4) rn on the vertical axis to obtain the real part resistance difference second graph, From the peak top frequency in the real part resistance value difference second graph, the arc side in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is connected to the air electrode side interface. A third step of certifying the arc of origin,
In the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step, the maximum value of the resistance value of the real part of the arc recognized as the arc derived from the fuel electrode side interface in the second step The difference between Rra (max) and the minimum value Rra (min) of the real part resistance value is expressed by the following formula (3):
Ria = Rra (max) −Rra (min) (3)
To obtain the fuel electrode side interface resistance Ria, and then derived from the air electrode side interface in the third step during the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step The difference between the maximum value Rrc (max) of the real part resistance value and the minimum value Rrc (min) of the real part resistance value of the arc recognized as an arc to be obtained is expressed by the following formula (4):
Ric = Rrc (max) −Rrc (min) (4)
And calculating an interface resistance Ric to obtain the air electrode side interface resistance Ric.
算出対象燃料電池用セルの作動時の燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを算出する界面抵抗の算出方法であって、
界面抵抗の算出を行う作動条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットを得る第一工程と、
燃料極側ガスのガス組成のみが異なる第一測定条件及び第二測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第一測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R1rnと該第二測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R2rnとの差ΔR(1−2)rnを下記式(1):
ΔR(1−2)rn=R1rn−R2rn (1)
により計算し、周波数毎のΔR(1−2)rnを求め、次いで、横軸を周波数、縦軸をΔR(1−2)rnとして、周波数毎のΔR(1−2)rnをプロットし、実数部抵抗値差第一グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第一グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、燃料極側界面に由来する円弧を認定する第二工程と、
該空気極側ガスのガス組成のみが異なる第三測定条件及び第四測定条件で、該算出対象燃料電池用セルの複素インピーダンス測定を行い、次いで、該第三測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R3rnと該第四測定条件における周波数がnの時の実数部抵抗値R4rnとの差ΔR(3−4)rnを下記式(2):
ΔR(3−4)rn=R3rn−R4rn (2)
により計算し、周波数毎のΔR(3−4)rnを求め、次いで、横軸に周波数、縦軸にΔR(3−4)rnをプロットして実数部抵抗値差第二グラフを得、次いで、該実数部抵抗値差第二グラフ中のピークトップの周波数から、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロット中の円弧のうち、空気極側界面に由来する円弧を認定する第三工程と、
直列に接続された(i)第一抵抗、(ii)並列に接続された第二抵抗及び第一コンデンサー、並びに(iii)並列に接続された第三抵抗及び第二コンデンサーを有する等価回路と、該第一工程で得られた該算出対象燃料電池用セルのコール・コール・プロットとのフィッティングを行い、燃料極側界面抵抗Ria及び空気極側界面抵抗Ricを求めるフィッティング工程と、
を有することを特徴とする界面抵抗の算出方法。
A calculation method of an interface resistance for calculating a fuel electrode side interface resistance Ria and an air electrode side interface resistance Ric during operation of a calculation target fuel cell,
A first step of performing a complex impedance measurement of the calculation target fuel cell under an operating condition for calculating the interface resistance and obtaining a Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell;
The complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed under the first measurement condition and the second measurement condition that are different only in the gas composition of the fuel electrode side gas, and then the real number when the frequency in the first measurement condition is n The difference ΔR (1-2) rn between the partial resistance value R1rn and the real part resistance value R2rn when the frequency in the second measurement condition is n is expressed by the following formula (1):
ΔR (1-2) rn = R1rn−R2rn (1)
To calculate ΔR (1-2) rn for each frequency, and then plot ΔR (1-2) rn for each frequency with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing ΔR (1-2) rn, A real part resistance value difference first graph is obtained, and then, from the peak top frequency in the real part resistance value difference first graph, the call cell call call of the calculation target fuel cell obtained in the first step is obtained. Of the arcs in the plot, the second step of certifying arcs derived from the fuel electrode side interface;
Under the third measurement condition and the fourth measurement condition, which differ only in the gas composition of the air electrode side gas, the complex impedance measurement of the calculation target fuel cell is performed, and then the frequency in the third measurement condition is n The difference ΔR (3-4) rn between the real part resistance value R3rn and the real part resistance value R4rn when the frequency in the fourth measurement condition is n is expressed by the following equation (2):
ΔR (3-4) rn = R3rn−R4rn (2)
To obtain ΔR (3-4) rn for each frequency, and then plot the frequency on the horizontal axis and ΔR (3-4) rn on the vertical axis to obtain the real part resistance difference second graph, From the peak top frequency in the real part resistance value difference second graph, the arc side in the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is connected to the air electrode side interface. A third step of certifying the arc of origin,
An equivalent circuit having (i) a first resistor connected in series, (ii) a second resistor and a first capacitor connected in parallel, and (iii) a third resistor and a second capacitor connected in parallel; Fitting with the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step to obtain the fuel electrode side interface resistance Ria and the air electrode side interface resistance Ric;
A method for calculating the interfacial resistance, comprising:
前記第二工程における前記第一測定条件及び前記第二測定条件が、前記燃料極側ガス中の燃料濃度のみが異なる測定条件であり、且つ前記第三工程における前記第三測定条件及び前記第四測定条件が、前記空気極側ガス中の酸素濃度のみが異なる測定条件であることを特徴とする請求項1又は2いずれか1項に記載の界面抵抗の算出方法。The first measurement condition and the second measurement condition in the second step are measurement conditions that differ only in the fuel concentration in the fuel electrode side gas, and the third measurement condition and the fourth measurement in the third step. The interface resistance calculation method according to claim 1, wherein the measurement condition is a measurement condition in which only the oxygen concentration in the air electrode side gas is different. 前記第二工程における前記第一測定条件及び前記第二測定条件が、前記燃料極側ガス中の水素濃度のみが異なる測定条件であることを特徴とする請求項3記載の界面抵抗の算出方法。The interface resistance calculation method according to claim 3, wherein the first measurement condition and the second measurement condition in the second step are measurement conditions that differ only in the hydrogen concentration in the fuel electrode side gas. 前記第二工程における前記第一測定条件及び前記第二測定条件が、前記燃料極側ガス中の水蒸気濃度のみが異なる測定条件であり、且つ前記第三工程における前記第三測定条件及び前記第四測定条件が、前記空気極側ガス中の酸素濃度のみが異なる測定条件であることを特徴とする請求項1又は2いずれか1項に記載の界面抵抗の算出方法。The first measurement condition and the second measurement condition in the second step are measurement conditions that differ only in the water vapor concentration in the fuel electrode side gas, and the third measurement condition and the fourth measurement in the third step. The interface resistance calculation method according to claim 1, wherein the measurement condition is a measurement condition in which only the oxygen concentration in the air electrode side gas is different.
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