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
Since the resistance value during operation of the
Of the above resistances, the ohmic resistance of the
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
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
The fuel electrode side interface resistance Ria = resistance 53-51- (Rba + 0.5Rbs) (5)
( Wherein , resistance 53-51 indicates the resistance between the
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
Thus, the air electrode side interface resistance Ric is calculated. The intermediate
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
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
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
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
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
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-
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
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
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 /
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
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
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
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-
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
Next, fitting is performed between the
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
The relationship between the
Therefore, if (1) the
Further, when the Cole-Cole plot of the calculation target fuel cell obtained in the first step is the Cole-
In the fitting, first, the soft circuit diagram of the
The relationship between the
Therefore, if it is determined that (3) the
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
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(Ln0.8Sr0.2Mn1.0O3)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。
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
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
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
(Fitting process)
The equivalent circuit shown in FIG. 7 was constructed. From the result of the above-mentioned arc recognition, in FIG. 7, the
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.
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-
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)
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.
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:
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