JP5103813B2 - Fuel cell and fuel cell impedance distribution measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関し、特に燃料電池のインピーダンス分布測定することが可能な燃料電池及びインピーダンス分布測定装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates electric power by chemically reacting hydrogen and oxygen, and more particularly to a fuel cell and an impedance distribution measuring device capable of measuring the impedance distribution of the fuel cell.
従来の水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。 Prior art documents related to a fuel cell that generates power by chemically reacting hydrogen and oxygen are as follows.
図３は従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。図３において１は電解質膜、２及び３は触媒層・拡散層である。電解質膜１の両面には触媒層・拡散層２及び触媒層・拡散層３がそれぞれ形成される。 FIG. 3 is a configuration block diagram showing an example of a conventional fuel cell system. In FIG. 3, 1 is an electrolyte membrane, 2 and 3 are catalyst layers and diffusion layers. A catalyst layer / diffusion layer 2 and a catalyst layer / diffusion layer 3 are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 1, respectively.
図３中”ＦＧ０１”に示すように燃料ガス（例えば、水素等）が触媒層・拡散層２に供給され、図３中”ＯＧ０１”に示すように酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が触媒層・拡散層３に供給される。 As shown by “FG01” in FIG. 3, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the catalyst layer / diffusion layer 2, and as shown by “OG01” in FIG. 3, an oxidizing gas (for example, oxygen or air) is supplied. It is supplied to the catalyst layer / diffusion layer 3.
ここで、図３に示す従来例の動作を説明する。触媒層・拡散層２側（アノード側）では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、触媒層・拡散層３側（カソード側）では電解質膜１を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。 Here, the operation of the conventional example shown in FIG. 3 will be described. On the catalyst layer / diffusion layer 2 side (anode side), hydrogen becomes hydrogen ions (H + ) and releases electrons (e − ), while on the catalyst layer / diffusion layer 3 side (cathode side), it propagates through the electrolyte membrane 1. The generated hydrogen ions (H + ) and oxygen atoms react with electrons (e − ) to generate water (H 2 O).
この時、触媒層・拡散層２（アノード側）及び触媒層・拡散層３（カソード側）間の外部負荷を接続することにより、触媒層・拡散層２側（アノード側）で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。 At this time, electrons generated on the catalyst layer / diffusion layer 2 side (anode side) by connecting external loads between the catalyst layer / diffusion layer 2 (anode side) and the catalyst layer / diffusion layer 3 (cathode side) ( e − ) can be taken out, in other words, direct current can be taken out.
また、図４及び図５は従来の過電圧の測定が可能な燃料電池の一例を示す断面図である。図４は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図５は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。 4 and 5 are cross-sectional views showing an example of a conventional fuel cell capable of measuring an overvoltage. 4 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the electrolyte membrane of the fuel cell, and FIG. 5 is a cross-sectional view in a plane parallel to the gas flow path in the fuel cell.
図４において４は電解質膜、５及び７はアノード側の触媒層・拡散層、６及び８はカソード側の触媒層・拡散層、９はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、１０はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、１１及び１３はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１２及び１４はカソード側に形成された導電性を有するセパレータ、１５及び１６は絶縁部材である。 4, 4 is an electrolyte membrane, 5 and 7 are anode-side catalyst layers / diffusion layers, 6 and 8 are cathode-side catalyst layers / diffusion layers, and 9 is a fuel gas (eg, hydrogen) formed on the anode side. 10 is a gas flow path for oxidizing gas (oxygen, air, etc.) formed on the cathode side, 11 and 13 are conductive separators formed on the anode side, and 12 and 14 are formed on the cathode side. The conductive separators 15 and 16 are insulating members.
電解質膜４のアノード側には触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７が互いに接することなくそれぞれ形成され、電解質膜４のカソード側には触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８が互いに接することなくそれぞれ形成される。 The catalyst layer / diffusion layer 5 and the catalyst layer / diffusion layer 7 are formed on the anode side of the electrolyte membrane 4 without contacting each other, and the catalyst layer / diffusion layer 6 and the catalyst layer / diffusion layer are formed on the cathode side of the electrolyte membrane 4. 8 are formed without contacting each other.
また、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７の上、並びに、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７が形成されていないアノード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７の境界部分）には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路９が形成される。 Further, the catalyst layer / diffusion layer 5 and the catalyst layer / diffusion layer 7 and the electrolyte layer 4 on the anode side where the catalyst layer / diffusion layer 5 and the catalyst layer / diffusion layer 7 are not formed (catalyst layer. A gas flow path 9 for a fuel gas (for example, hydrogen) is formed in the diffusion layer 5 and a boundary portion between the catalyst layer and the diffusion layer 7.
同様に、触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８の上、並びに、触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８が形成されていないカソード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８の境界部分）には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路１０が形成される。 Similarly, on the catalyst layer / diffusion layer 6 and the catalyst layer / diffusion layer 8 and on the electrolyte membrane 4 on the cathode side where the catalyst layer / diffusion layer 6 and the catalyst layer / diffusion layer 8 are not formed (catalyst layer). A gas flow path 10 for an oxidizing gas (for example, oxygen or air) is formed in the diffusion layer 6 and the boundary between the catalyst layer and the diffusion layer 8.
例えば、ガス流路９は図５中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７上、並びに、触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７が形成されていないアノード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層７の境界部分）を蛇行するように形成されている。 For example, the gas flow path 9 is formed with the catalyst layer / diffusion layer 5 and the catalyst layer / diffusion layer 7 as well as the catalyst layer / diffusion layer 5 and the catalyst layer / diffusion layer 7 as shown by “GT11” in FIG. It is formed so as to meander over the anode-side electrolyte membrane 4 (boundary portion of the catalyst layer / diffusion layer 5 and the catalyst layer / diffusion layer 7).
また、例えば、ガス流路１０は図５中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８上、並びに、触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８が形成されていないカソード側の電解質膜４の上（触媒層・拡散層６及び触媒層・拡散層８の境界部分）を蛇行するように形成されている。 Further, for example, the gas flow path 10 includes a catalyst layer / diffusion layer 6 and a catalyst layer / diffusion layer 8 as well as a catalyst layer / diffusion layer 6 and a catalyst layer / diffusion layer 8 as indicated by “GT11” in FIG. It is formed so as to meander over the cathode-side electrolyte membrane 4 that is not formed (the boundary between the catalyst layer / diffusion layer 6 and the catalyst layer / diffusion layer 8).
さらに、ガス流路９が形成されていない触媒層・拡散層５及びガス流路９の上にはセパレータ１１が形成され、ガス流路９が形成されていない触媒層・拡散層７及びガス流路９の上にはセパレータ１３が形成されると共にセパレータ１１及びセパレータ１３の境界部分には絶縁部材１５が設けられる。
Further, a
同様に、ガス流路１０が形成されていない触媒層・拡散層６及びガス流路１０の上にはセパレータ１２が形成され、ガス流路１０が形成されていない触媒層・拡散層８及びガス流路１０の上にはセパレータ１４が形成されると共にセパレータ１２及びセパレータ１４の境界部分には絶縁部材１６が設けられる。 Similarly, the separator 12 is formed on the catalyst layer / diffusion layer 6 and the gas channel 10 where the gas channel 10 is not formed, and the catalyst layer / diffusion layer 8 and the gas where the gas channel 10 is not formed. A separator 14 is formed on the flow path 10, and an insulating member 16 is provided at a boundary portion between the separator 12 and the separator 14.
ここで、図４及び図５に示す従来例の動作を説明する。ガス流路９には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路１０には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図５中”ＩＮ１１”に示す供給口から各ガスが供給され、図５中”ＯＴ１１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。 Here, the operation of the conventional example shown in FIGS. 4 and 5 will be described. A fuel gas (for example, hydrogen or the like) is supplied to the gas channel 9, and an oxidizing gas (for example, oxygen or air) is supplied to the gas channel 10. For example, each gas is supplied from a supply port indicated by “IN11” in FIG. 5, and a gas that has not reacted is released from an exhaust port indicated by “OT11” in FIG.
アノード側の触媒層・拡散層７では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層８側では電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。 In the catalyst layer / diffusion layer 7 on the anode side, hydrogen becomes hydrogen ions (H + ) and releases electrons (e − ), while hydrogen that has propagated through the electrolyte membrane 4 on the catalyst layer / diffusion layer 8 side on the cathode side. Ions (H + ) and oxygen atoms react with electrons (e − ) to generate water (H 2 O).
この時、アノード側の触媒層・拡散層７及びカソード側の触媒層・拡散層８（具体的には、セパレータ１３とセパレータ１４）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層７で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。 At this time, by connecting an external load between the catalyst layer / diffusion layer 7 on the anode side and the catalyst layer / diffusion layer 8 on the cathode side (specifically, the separator 13 and the separator 14), the catalyst layer on the anode side It is possible to take out electrons (e − ) generated in the diffusion layer 7, in other words, to take out a direct current.
一方、セパレータ１１及びセパレータ１２には外部負荷を接続せず、アノード側のセパレータ１１とセパレータ１３との間の電位差を測定することにより、アノード側の過電圧を測定することができる。
On the other hand, the anode-side overvoltage can be measured by measuring the potential difference between the anode-
同様に、カソード側のセパレータ１２とセパレータ１４との間の電位差を測定することにより、カソード側の過電圧を測定することができる。 Similarly, by measuring the potential difference between the cathode-side separator 12 and the separator 14, the cathode-side overvoltage can be measured.
また、セパレータ１３とセパレータ１４との間から取り出される負荷電流に交流成分を重畳してセパレータ１３とセパレータ１４との間の電圧の応答性を測定することにより、燃料電池（具体的には、セパレータ１３とセパレータ１４との間の燃料電池）のインピーダンスを測定することができる。 Further, a fuel cell (specifically, a separator is formed by superimposing an alternating current component on a load current taken out between the separator 13 and the separator 14 and measuring a voltage responsiveness between the separator 13 and the separator 14. The impedance of the fuel cell between 13 and the separator 14 can be measured.
また、同時に、セパレータ１３とセパレータ１４との間の負荷電流に対するアノード側の過電圧及びカソード側の過電圧の応答性を測定することにより、アノード側の過電圧及びカソード側の過電圧のインピーダンスを測定することができる。 At the same time, by measuring the responsiveness of the anode-side overvoltage and the cathode-side overvoltage to the load current between the separator 13 and the separator 14, the impedance of the anode-side overvoltage and the cathode-side overvoltage can be measured. it can.
しかし、図４及び図５に示す従来例では、セパレータ１３とセパレータ１４との間の燃料電池のインピーダンスを測定することができるものの、燃料電池におけるインピーダンス分布を測定することができないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、燃料電池のインピーダンス分布測定することが可能な燃料電池及びインピーダンス分布測定装置を実現することにある。
However, in the conventional example shown in FIGS. 4 and 5, the impedance of the fuel cell between the separator 13 and the separator 14 can be measured, but the impedance distribution in the fuel cell cannot be measured. was there.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to realize a fuel cell and an impedance distribution measuring device capable of measuring the impedance distribution of the fuel cell.
本発明のインピーダンス分布測定装置は、The impedance distribution measuring device of the present invention is
電解質膜と、 An electrolyte membrane;
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、 A catalyst / diffusion layer provided on the anode side and the cathode side across the electrolyte membrane, each having a continuous gas flow path from one port to the other;
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、 Separators respectively formed on the catalyst and diffusion layers on the anode side and the cathode side;
を備える燃料電池のインピーダンス分布を測定するインピーダンス分布測定装置において、In an impedance distribution measuring device for measuring the impedance distribution of a fuel cell comprising:
前記燃料電池は、 The fuel cell
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、 Divided into a plurality of regions from one port of the gas flow path on the anode side and the cathode side toward the other port,
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、 Between the divided individual regions, the separator is divided in a state of being insulated from each other,
前記インピーダンス分布測定装置は、 The impedance distribution measuring device is
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスを供給するとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスを供給するガス供給手段と、 Gas supply for supplying fuel gas from one port of the gas channel on the anode side toward the other port and for supplying oxidizing gas from one port of the gas channel on the cathode side to the other port Means,
前記ガス供給手段により燃料ガスおよび酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定する測定手段と、 Measuring means for independently measuring the impedance between each of the divided separators facing each other with the electrolyte membrane sandwiched between the fuel gas and the oxidizing gas supplied by the gas supply means;
を備えることを特徴とする。It is characterized by providing.
前記測定手段は、電流掃引法によりインピーダンスを測定してもよい。The measuring means may measure impedance by a current sweep method.
前記測定手段は、電圧掃引法によりインピーダンスを測定してもよい。The measuring means may measure impedance by a voltage sweep method.
前記測定手段は、個々の分割された前記セパレータ間に重畳させる交流成分を、前記領域間で同期させてインピーダンスを測定してもよい。The measuring unit may measure impedance by synchronizing alternating current components superimposed between the divided separators between the regions.
前記測定手段は、個々の分割された前記セパレータ間に重畳させる交流成分の周波数を、前記領域間でずらしてインピーダンスを測定してもよい。The measuring means may measure the impedance by shifting the frequency of the AC component superimposed between the divided separators between the regions.
本発明の燃料電池は、The fuel cell of the present invention comprises
電解質膜と、 An electrolyte membrane;
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、 A catalyst / diffusion layer provided on the anode side and the cathode side across the electrolyte membrane, each having a continuous gas flow path from one port to the other;
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、 Separators respectively formed on the catalyst and diffusion layers on the anode side and the cathode side;
を備える燃料電池において、In a fuel cell comprising:
前記燃料電池は、 The fuel cell
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、 Divided into a plurality of regions from one port of the gas flow path on the anode side and the cathode side toward the other port,
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、 Between the divided individual regions, the separator is divided in a state of being insulated from each other,
前記個々の分割された前記セパレータを、 The individual divided separators,
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定するための電極として機能させることを特徴とする。 Fuel gas was supplied from one port of the gas channel on the anode side toward the other port, and oxidizing gas was supplied from one port of the gas channel on the cathode side to the other port It is made to function as an electrode for measuring independently the impedance between each of the divided separators facing each other with the electrolyte membrane in between.
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、燃料電池を絶縁部材等によって電気的に複数に分割して各分割電池の共有のガス流路に燃料ガスと酸化ガスを供給し各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる。
The present invention has the following effects.
According to the first, second, third, fourth, and fifth aspects of the invention, the fuel cell is electrically divided into a plurality of parts by an insulating member or the like, and the fuel gas and the oxidation are shared in the shared gas flow path of each divided battery. By supplying gas and measuring the impedance of each divided battery, the impedance distribution of the fuel cell can be measured.
また、請求項４の発明によれば、電圧挿引法を用いることにより、インピーダンス測定中のセパレータ間の電圧が等しくなり、通常の燃料電池により近いインピーダンスの測定が可能になる。 According to the invention of claim 4, by using the voltage insertion method, the voltage between the separators during impedance measurement becomes equal, and impedance measurement closer to that of a normal fuel cell becomes possible.
また、請求項５の発明によれば、分割電池のインピーダンスを測定する際に重畳させる交流成分を同期させることにより、通常の燃料電池のインピーダンス測定を同じ条件で各分割電池のインピーダンス測定を行うことが可能になる。 According to the invention of claim 5, the impedance measurement of each divided battery is performed under the same conditions for the impedance measurement of a normal fuel cell by synchronizing the alternating current component to be superimposed when measuring the impedance of the divided battery. Is possible.
また、請求項６の発明によれば、分割電池のインピーダンス測定の際に各分割電池に重畳する交流成分の周波数をずらして、各分割電池のインピーダンスを測定する装置に周波数フィルタを設けて交流成分を分離して測定することにより、インピーダンス測定時に周波数干渉を生じることなく、各分割電池のインピーダンスを測定することが可能になる。 According to the invention of claim 6, the frequency component is provided in the apparatus for measuring the impedance of each divided battery by shifting the frequency of the alternating current component superimposed on each divided battery when measuring the impedance of the divided battery. By separating and measuring, the impedance of each divided battery can be measured without causing frequency interference during impedance measurement.
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る燃料電池の一実施例を示す断面図である。図１は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図２は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2 are sectional views showing an embodiment of a fuel cell according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the electrolyte membrane of the fuel cell, and FIG. 2 is a cross-sectional view in a plane parallel to the gas flow path in the fuel cell.
図１において、１７は電解質膜、１８，２０，２２及び２４は４分割されたアノード側の触媒層・拡散層、１９，２１，２３及び２５は４分割されたカソード側の触媒層・拡散層、２６はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、２７はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、２８，３０，３２及び３４はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、２９，３１，３３及び３５はカソード側に形成された導電性を有するセパレータ、３６，３７，３８，３９，４０及び４１は絶縁部材である。 In FIG. 1, 17 is an electrolyte membrane, 18, 20, 22 and 24 are divided into four catalyst layers / diffusion layers on the anode side, 19, 21, 23 and 25 are catalyst layers / diffusion layers on the cathode side divided into four. , 26 is a gas flow path of fuel gas (for example, hydrogen) formed on the anode side, 27 is a gas flow path of oxidizing gas (oxygen, air, etc.) formed on the cathode side, 28, 30, 32, and 34 Is a conductive separator formed on the anode side, 29, 31, 33 and 35 are conductive separators formed on the cathode side, and 36, 37, 38, 39, 40 and 41 are insulating members.
電解質膜１７のアノード側には触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４が互いに接することなくそれぞれ形成され、電解質膜１７のカソード側には触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５が互いに接することなくそれぞれ形成される。 Catalyst layers / diffusion layers 18, 20, 22 and catalyst layers / diffusion layers 24 are formed on the anode side of the electrolyte membrane 17 without being in contact with each other, and catalyst layers / diffusion layers 19, 21 are formed on the cathode side of the electrolyte membrane 17. , 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25 are formed without contacting each other.
また、触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４の上、並びに、触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４が形成されていないアノード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４のそれぞれの境界部分）には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路２６が形成される。 Further, the electrolyte on the catalyst layer / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24 and the anode-side electrolyte in which the catalyst layers / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24 are not formed. A gas flow path 26 of fuel gas (for example, hydrogen) is formed on the membrane 17 (boundary portions of the catalyst layer / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24).
同様に、触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５の上、並びに、触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５が形成されていないカソード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５のそれぞれの境界部分）には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路２７が形成される。 Similarly, on the catalyst layer / diffusion layers 19, 21, 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25, and on the cathode side where the catalyst layers / diffusion layers 19, 21, 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25 are not formed. A gas flow path 27 for oxidizing gas (for example, oxygen or air) is formed on the electrolyte membrane 17 (boundary portions of the catalyst layers / diffusion layers 19, 21, 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25). .
例えば、ガス流路２６は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４上、並びに、触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４が形成されていないアノード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４のそれぞれの境界部分）を蛇行するように形成されている。 For example, the gas flow path 26 is formed on the catalyst layer / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24, as well as the catalyst layers / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst as indicated by "GT21" in FIG. It is formed so as to meander on the electrolyte membrane 17 on the anode side where the layer / diffusion layer 24 is not formed (the boundary portions of the catalyst layer / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24). Yes.
また、例えば、ガス流路２７は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５上、並びに、触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５が形成されていないカソード側の電解質膜１７の上（触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５のそれぞれの境界部分）を蛇行するように形成されている。 Further, for example, the gas flow path 27 is formed on the catalyst layer / diffusion layers 19, 21, 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25 as well as the catalyst layers / diffusion layers 19, 21, 23 as indicated by "GT21" in FIG. In addition, the cathode-side electrolyte membrane 17 where the catalyst layer / diffusion layer 25 is not formed is formed so as to meander (the respective boundary portions of the catalyst layers / diffusion layers 19, 21, 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25). Has been.
さらに、ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層１８及びガス流路２６の上にはセパレータ２８が形成され、ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層２０及びガス流路２６の上にはセパレータ３０が形成される。 Further, a separator 28 is formed on the catalyst layer / diffusion layer 18 and the gas flow path 26 where the gas flow path 26 is not formed, and the catalyst layer / diffusion layer 20 and the gas flow where the gas flow path 26 is not formed. A separator 30 is formed on the path 26.
ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層２２及びガス流路２６の上にはセパレータ３２が形成され、ガス流路２６が形成されていない触媒層・拡散層２４及びガス流路２６の上にはセパレータ３４が形成される。 A separator 32 is formed on the catalyst layer / diffusion layer 22 and the gas channel 26 in which the gas channel 26 is not formed, and the catalyst layer / diffusion layer 24 and the gas channel 26 in which the gas channel 26 is not formed. A separator 34 is formed on the top.
セパレータ２８及びセパレータ３０の境界部分には絶縁部材３６が、セパレータ３０及びセパレータ３２の境界部分には絶縁部材３８が、セパレータ３２及びセパレータ３４の境界部分には絶縁部材４０がそれぞれ設けられる。 An insulating member 36 is provided at a boundary portion between the separator 28 and the separator 30, an insulating member 38 is provided at a boundary portion between the separator 30 and the separator 32, and an insulating member 40 is provided at a boundary portion between the separator 32 and the separator 34.
一方、ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層１９及びガス流路２７の上にはセパレータ２９が形成され、ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層２１及びガス流路２７の上にはセパレータ３１が形成される。 On the other hand, a separator 29 is formed on the catalyst layer / diffusion layer 19 and the gas flow path 27 where the gas flow path 27 is not formed, and the catalyst layer / diffusion layer 21 and the gas flow where the gas flow path 27 is not formed. A separator 31 is formed on the path 27.
ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層２３及びガス流路２７の上にはセパレータ３３が形成され、ガス流路２７が形成されていない触媒層・拡散層２５及びガス流路２７の上にはセパレータ３５が形成される。 A separator 33 is formed on the catalyst layer / diffusion layer 23 and the gas channel 27 where the gas channel 27 is not formed, and the catalyst layer / diffusion layer 25 and the gas channel 27 where the gas channel 27 is not formed. A separator 35 is formed on the top.
セパレータ２９及びセパレータ３１の境界部分には絶縁部材３７が、セパレータ３１及びセパレータ３３の境界部分には絶縁部材３９が、セパレータ３３及びセパレータ３５の境界部分には絶縁部材４１がそれぞれ設けられる。 An insulating member 37 is provided at a boundary portion between the separator 29 and the separator 31, an insulating member 39 is provided at a boundary portion between the separator 31 and the separator 33, and an insulating member 41 is provided at a boundary portion between the separator 33 and the separator 35.
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。燃料電池は各絶縁部材等によって電気的に４分割されており、１７，１８，１９，２６，２７，２８及び２９から構成される第１の分割された燃料電池（以下、単に分割電池と呼ぶ。）、１７，２０，２１，２６，２７，３０及び３１から構成される第２の分割電池、１７，２２，２３，２６，２７，３２及び３３から構成される第３の分割電池、１７，２４，２５，２６，２７，３４及び３５から構成される第４の分割電池に分かれる。 Here, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be described. The fuel cell is electrically divided into four by each insulating member or the like, and a first divided fuel cell (hereinafter simply referred to as a divided cell) composed of 17, 18, 19, 26, 27, 28 and 29. ), 17, 20, 21, 26, 27, 30 and 31, a second divided battery, 17, 22, 23, 26, 27, 32 and 33, a third divided battery, , 24, 25, 26, 27, 34 and 35 are divided into fourth divided batteries.
ガス流路２６には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路２７には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図２中”ＩＮ２１”に示す供給口から各ガスが供給され、図２中”ＯＴ２１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。 A fuel gas (for example, hydrogen or the like) is supplied to the gas flow path 26, and an oxidizing gas (for example, oxygen or air) is supplied to the gas flow path 27. For example, each gas is supplied from the supply port indicated by “IN21” in FIG. 2, and unreacted gas is discharged from the exhaust port indicated by “OT21” in FIG.
アノード側の触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４では水素が水素イオン（Ｈ＋ ）になり電子（ｅ− ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５側では電解質膜１７を伝播してきた水素イオン（Ｈ＋ ）と酸素原子が電子（ｅ− ）と反応して水（Ｈ２Ｏ ）が生成される。 In the catalyst layer / diffusion layers 18, 20, and 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24 on the anode side, hydrogen becomes hydrogen ions (H + ) to release electrons (e − ), while the catalyst layer / diffusion layer on the cathode side. On the side of 19, 21, 23 and the catalyst layer / diffusion layer 25, hydrogen ions (H + ) and oxygen atoms that have propagated through the electrolyte membrane 17 react with electrons (e − ) to generate water (H 2 O). .
この時、アノード側の触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４とカソード側の触媒層・拡散層１９，２１，２３及び触媒層・拡散層２５（具体的には、互いに対向するセパレータ２８とセパレータ２９、セパレータ３０とセパレータ３１、セパレータ３２とセパレータ３３、並びに、セパレータ３４とセパレータ３５）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層１８，２０，２２及び触媒層・拡散層２４で発生した電子（ｅ− ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。 At this time, the catalyst layer / diffusion layers 18, 20, 22 and the catalyst layer / diffusion layer 24 on the anode side and the catalyst layers / diffusion layers 19, 21, 23, and the catalyst layer / diffusion layer 25 on the cathode side (specifically, By connecting external loads between the separator 28 and the separator 29, the separator 30 and the separator 31, the separator 32 and the separator 33, and the separator 34 and the separator 35) facing each other, the catalyst layer / diffusion layer 18 on the anode side, 20, 22 and the electrons (e − ) generated in the catalyst layer / diffusion layer 24 can be taken out, in other words, a direct current can be taken out.
すなわち、第１、第２、第３及び第４の分割電池はそれぞれ独立した燃料電池として動作することになる。 That is, the first, second, third, and fourth divided batteries operate as independent fuel cells.
また、第１の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第１の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ２８とセパレータ２９との間の電圧の応答性を測定することにより、第１の分割電池のインピーダンスを測定することができる。 When measuring the impedance of the first divided battery, an external load is connected to the first divided battery, and an alternating current component is superimposed on the load current, and the voltage response between the separator 28 and the separator 29 facing each other. By measuring the property, the impedance of the first divided battery can be measured.
同様に、第２の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第２の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ３０とセパレータ３１との間の電圧の応答性を測定することにより、第２の分割電池のインピーダンスを測定することができる。 Similarly, when measuring the impedance of the second divided battery, an external load is connected to the second divided battery, and the voltage between the separator 30 and the separator 31 facing each other is superimposed with an alternating current component superimposed on the load current. By measuring the responsiveness, the impedance of the second divided battery can be measured.
第３の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第３の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ３２とセパレータ３３との間の電圧の応答性を測定することにより、第３の分割電池のインピーダンスを測定することができる。 When measuring the impedance of the third split battery, an external load is connected to the third split battery, and the voltage response between the separator 32 and the separator 33 facing each other is superimposed by superimposing an AC component on the load current. By measuring, the impedance of the third divided battery can be measured.
第４の分割電池のインピーダンスを測定する場合、第４の分割電池に外部負荷を接続し、負荷電流に交流成分を重畳して互いに対向するセパレータ３４とセパレータ３５との間の電圧の応答性を測定することにより、第４の分割電池のインピーダンスを測定することができる。 When measuring the impedance of the fourth split battery, an external load is connected to the fourth split battery, and the voltage response between the separator 34 and the separator 35 facing each other by superimposing an AC component on the load current is obtained. By measuring, the impedance of the fourth divided battery can be measured.
この結果、燃料電池を絶縁部材等によって電気的に複数に分割して各分割電池の共有のガス流路に燃料ガスと酸化ガスを供給し各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる。 As a result, the fuel cell is electrically divided into a plurality of parts by an insulating member or the like, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the shared gas flow path of each divided battery, and the impedance of each divided battery is measured. It becomes possible to measure the impedance distribution.
なお、図１及び図２に示す実施例では説明の簡単のために燃料電池を４分割した構成を例示しているが、勿論、分割数は４分割に限定されるものではなく、任意の数で燃料電池を分割して構わない。 In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the configuration in which the fuel cell is divided into four parts is illustrated for the sake of simplicity. Of course, the number of divisions is not limited to four, and an arbitrary number. The fuel cell may be divided.
また、インピーダンスの測定方法としては、汎用のインピーダンス測定装置を分割電池の互いに対向するセパレータ間に接続してインピーダンスを測定しても構わない。 Further, as a method for measuring impedance, a general-purpose impedance measuring device may be connected between separators facing each other in a divided battery to measure impedance.
また、インピーダンスの測定方法として、負荷電流に交流成分を重畳させる電流挿引法を用いているが、分割電池の電圧の直流成分及び交流成分を一致させ電流の応答性を測定する電圧挿引法を用いてインピーダンスを測定しても勿論構わない。電圧挿引法を用いた場合には、インピーダンス測定中のセパレータ間の電圧が等しくなり、通常の燃料電池により近いインピーダンスの測定が可能になる。 In addition, as a method for measuring impedance, a current subtraction method in which an AC component is superimposed on a load current is used. However, a voltage subtraction method in which a DC component and an AC component of a divided battery are matched to measure current responsiveness. Of course, the impedance may be measured using the. When the voltage insertion method is used, the voltage between the separators during impedance measurement becomes equal, and impedance closer to that of a normal fuel cell can be measured.
また、分割電池のインピーダンスを測定する際には重畳させる交流成分を同期させても構わない。この場合には、通常の燃料電池のインピーダンス測定を同じ条件で各分割電池のインピーダンス測定を行うことが可能になる。 Moreover, you may synchronize the alternating current component superimposed when measuring the impedance of a divided battery. In this case, it becomes possible to measure the impedance of each divided battery under the same conditions as the impedance measurement of a normal fuel cell.
また、分割電池のインピーダンス測定の際に各分割電池間で周波数干渉が生じた場合には、各分割電池に重畳する交流成分の周波数をずらして、各分割電池のインピーダンスを測定する装置に周波数フィルタを設けて交流成分を分離して測定すればよい。 In addition, when frequency interference occurs between the divided batteries when measuring the impedance of the divided batteries, the frequency filter is added to a device that measures the impedance of each divided battery by shifting the frequency of the AC component superimposed on each divided battery. And the AC component may be separated and measured.
この場合には、インピーダンス測定時に周波数干渉を生じることなく、各分割電池のインピーダンスを測定することが可能になる。 In this case, it is possible to measure the impedance of each divided battery without causing frequency interference during impedance measurement.
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、ガス流路２６及びガス流路２７は各々の触媒層・拡散層上を蛇行するように形成されている旨例示したが、勿論これに限定されるものではなく、ガス流路は直線状であってもその他の形状であっても構わない。 In the description of the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2, the gas flow path 26 and the gas flow path 27 are exemplified to meander on the respective catalyst layers and diffusion layers. However, the gas flow path may be linear or other shapes.
１，４，１７ 電解質膜
２，３，５，６，７，８，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５ 触媒層・拡散層
９，１０，２６，２７ ガス流路
１１，１２，１３，１４，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５ セパレータ
１５，１６，３６，３７，３８，３９，４０，４１ 絶縁部材
1, 4, 17 Electrolyte membrane 2, 3, 5, 6, 7, 8, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 Catalyst layer / diffusion layer 9, 10, 26, 27
Claims (6)
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、 A catalyst / diffusion layer provided on the anode side and the cathode side across the electrolyte membrane, each having a continuous gas flow path from one port to the other;
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、 Separators respectively formed on the catalyst and diffusion layers on the anode side and the cathode side;
を備える燃料電池のインピーダンス分布を測定するインピーダンス分布測定装置において、In an impedance distribution measuring device for measuring the impedance distribution of a fuel cell comprising:
前記燃料電池は、 The fuel cell
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、 Divided into a plurality of regions from one port of the gas flow path on the anode side and the cathode side toward the other port,
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、 Between the divided individual regions, the separator is divided in a state of being insulated from each other,
前記インピーダンス分布測定装置は、 The impedance distribution measuring device is
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスを供給するとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスを供給するガス供給手段と、 Gas supply for supplying fuel gas from one port of the gas channel on the anode side toward the other port and for supplying oxidizing gas from one port of the gas channel on the cathode side to the other port Means,
前記ガス供給手段により燃料ガスおよび酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定する測定手段と、 Measuring means for independently measuring the impedance between each of the divided separators facing each other with the electrolyte membrane sandwiched between the fuel gas and the oxidizing gas supplied by the gas supply means;
を備えることを特徴とするインピーダンス分布測定装置。An impedance distribution measuring device comprising:
前記電解質膜を挟んでアノード側およびカソード側に設けられ、それぞれ一方の口から他方の口まで連続するガス流路が形成された触媒・拡散層と、 A catalyst / diffusion layer provided on the anode side and the cathode side across the electrolyte membrane, each having a continuous gas flow path from one port to the other;
アノード側およびカソード側の前記触媒・拡散層の上にそれぞれ形成されたセパレータと、 Separators respectively formed on the catalyst and diffusion layers on the anode side and the cathode side;
を備える燃料電池において、In a fuel cell comprising:
前記燃料電池は、 The fuel cell
アノード側およびカソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって、複数の領域に分割され、 Divided into a plurality of regions from one port of the gas flow path on the anode side and the cathode side toward the other port,
分割された個々の前記領域間で、前記セパレータは互いに絶縁された状態で分割され、 Between the divided individual regions, the separator is divided in a state of being insulated from each other,
前記個々の分割された前記セパレータを、 The individual divided separators,
アノード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード側の前記ガス流路の一方の口から他方の口に向かって酸化ガスが供給された状態で、前記電解質膜を挟んで対向する、個々の分割された前記セパレータ間のインピーダンスを独立して測定するための電極として機能させることを特徴とする燃料電池。 Fuel gas was supplied from one port of the gas channel on the anode side toward the other port, and oxidizing gas was supplied from one port of the gas channel on the cathode side to the other port A fuel cell, wherein the fuel cell is made to function as an electrode for independently measuring the impedance between the divided separators facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween.
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