【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに始動時の暖機性を向上させた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池車両において、外気が０℃以下の低温時では、水分が凍ることなどにより反応が非常に少ないため、運転に必要な電力を得るためには、外部からの加熱により燃料電池スタックの温度を上昇させる必要がある。
このとき、スタック全体を同時に温度上昇させていては加熱時間が長くなり、始動性が低下する。そのため、特開２０００−１７３６３８号公報では、低温始動時には、燃料電池を複数の発電部に分割したうちの１つの発電部に、ヒータで加熱した循環水を流すことにより、１つの発電部を速やかに暖機させ、１つの発電部が所定温度以上になった時に他の発電部へも循環水を循環させて全体を暖機するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１７３６３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の複数の発電部に分割した従来の燃料電池は、燃料電池スタックをセル積層方向に分割しているため、燃料電池スタックのうちの１つの分割域に温度が０℃以下のものがあると、その分割域のセルの発電性能が低くなりその電気抵抗が大となって、その分割域を直列に接続した燃料電池スタック全体に電流が流れにくくなる。その結果、燃料電池全体が０℃以上に暖機されるまでは燃料電池として成立しなくなり、一部を加熱する暖機方式が成立しなくなる。
また、セルは熱抵抗の大きい拡散層を含むため、セル積層方向の伝熱抵抗が大きい。そのため、１つの分割域を温度上昇させても、その領域の反応熱をその他の分割域に伝熱してスタック全体を暖機するには時間を要し、効率的な暖機が困難である。
本発明の目的は、燃料電池全体が０℃以上に暖機されなくても発電可能であり、効率的な暖機が可能な、燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられている、燃料電池。
（２） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されている、燃料電池。
（３） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部と他の部分との間に、前記セパレータの前記一部および前記他の部分より熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられている、燃料電池。
（４） 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される単位燃料電池セルを、前記セパレータを介して複数積層した燃料電池であって、前記セパレータの一部を前記積層方向に互いに重なるように積層した（１）または（２）または（３）記載の燃料電池。
【０００６】
上記（１）の燃料電池では、セパレータの面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部が０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域が０℃以上に暖機されなくても、燃料電池は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
セパレータの面内方向の一部を加熱するので、セパレータの面内方向の全域を加熱する場合より速やかにセパレータの一部の温度を０℃以上に上げることができる。また、昇温されたセパレータの面内方向の一部からセパレータの面内方向の全域への伝熱は、その一部を通過して他部へ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的である。
これによって、０℃以下の低温からの燃料電池の始動性が向上する。
上記（２）の燃料電池では、セパレータの一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されているので（ただし、セパレータの一部とセパレータの他の部分とは接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部が加熱部により加熱された時に熱伝導により他の部分に熱が逃げにくく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
上記（３）の燃料電池では、セパレータの一部と他の部分との間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられているので（セパレータの一部と他の部分はそれぞれ断熱部に接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部が加熱部により加熱された時に熱伝導により他の部分に熱が逃げにくく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
上記（４）の燃料電池では、積層方向に互いに重なるように積層されるセパレータの一部の暖機を促進して積層型燃料電池全体としての一部運転を素早く可能とすることができるので、積層型燃料電池の始動性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１〜図１１を参照して説明する。図１、図２は本発明の実施例１を示し、図３は本発明の実施例２を示し、図４は本発明の実施例３を示し、図５は本発明の実施例４を示し、図６は本発明の実施例５を示し、図７は本発明の実施例６を示し、図８は本発明の実施例７を示し、図９は本発明の実施例８を示す。図１０、図１１は本発明が適用できる燃料電池の一般的構成を示す。
本発明の全実施例にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符合を付してある。
【０００８】
まず、本発明の全実施例にわたって、または本発明の複数の実施例にわたって、共通する部分を、図１、図２、図１０、図１１を参照して説明する。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【０００９】
図１０、図１１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュール１９を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
【００１１】
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。
【００１２】
セパレータ１８は、セパレータ面内方向（セル積層方向と直交する面と平行な方向）におけるセパレータの一部１８ａに対して、該セパレータの一部１８ａを外部から加熱する加熱部２９が設けられている。たとえば表面が電気的に絶縁されているヒータからなる外部熱源が、加熱部２９でセパレータの一部１８ａに接触して、セパレータの一部１８ａを加熱する。セパレータの一部１８ａは加熱部２９部位のみで加熱される。加熱部２９は低温下からの燃料電池始動時のみオンとされてセパレータの一部１８ａを加熱し、燃料電池暖機後はオフとなる。
加熱部２９はセパレータの辺に設けられる。加熱部２９による加熱により昇温されたセパレータの一部１８ａでの反応熱が反応ガスの流れにのってセパレータの他部１８ｂに流れ、他部１８ｂを昇温させることができるように、加熱部２９は反応ガス（エア、または水素）の流入側近傍に設けられることが望ましい。
【００１３】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、直接、または低熱伝導性の材料からなる断熱部１８ｃを挟んで、接続または接合している。したがって、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは分離してはいない。セパレータ１８に形成されたガス流路２７、２８や冷媒流路２６、あるいはガスマニホールドや冷媒マニホールドが、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとにわたってまたがっていても、一部１８ａと他部１８ｂとの境界でガスもれや水もれは生じない。
セパレータの一部１８ａは、セパレータの他部１８ｂよりも面積が小であることが望ましい（ただし、大であってもよい）。面積が小の場合は、より速やかにセパレータの一部１８ａを昇温でき、暖機性がよい。
【００１４】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、材質が同一であってもよいし、材質が異なっていてもよい。
材質が同一である場合は、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとを一体に作製できる。境界部の強度は境界部以外の部分に比べて低下せず、境界部の強度を維持するのに特別な対策を講じる必要はない。
材質が異なる場合は、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとを別々に作製しておいて、それらを接合する。接合は、たとえば圧着、接着、ロー付け、溶接（ロー付け、溶接はメタルセパレータの場合に限る）、溶着（導電性樹脂セパレータの場合に限る）などによる。接合部での破損を防止するには、セル積層方向に隣接するセパレータの接合部をセル面内方向にずらして互い違いに配置することが有効である。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂの材質が異なっていても、それと無関係にガス流路２７、２８、冷媒流路２６、ガスマニホールド、冷媒マニホールドがセパレータの一部１８ａと他部１８ｂにまたがって形成されてもよい。
【００１５】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂの材質が異なる場合、セパレータの一部１８ａ（加熱部２９が設けられる方）の材料の熱伝導率がセパレータの他部１８ｂの材料の熱伝導率より低いことが望ましい。セパレータの一部１８ａを形成する熱伝導率が低い材料としては、たとえば、ＳＵＳ、ニッケル、成型カーボンがあり、セパレータの他部１８ｂを形成する熱伝導率がよい材料としては、たとえば、銅、アルミ、焼結カーボンがある。
【００１６】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが挟まれる場合、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、材質が同一であってもよいし、あるいは異なってもよい。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂと、断熱部１８ｃとは、互いに接合され、その接合は、たとえば圧着、接着、ロー付け、溶接（ロー付け、溶接はメタルセパレータの場合に限る）、溶着（導電性樹脂セパレータの場合に限る）などによる。接合部での破損を防止するには、セル積層方向に隣接するセパレータの接合部をセル面内方向にずらして互い違いに配置することが有効である。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６、ガスマニホールド、冷媒マニホールドは、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂにまたがって形成されてもよい。
断熱部１８ｃを構成する材料としては、カーボンクロス、カーボンペーパーなどがある。
【００１７】
つぎに、本発明の全実施例にわたって、または本発明の複数の実施例にわたって、共通する部分の作用を説明する。
セパレータ１８の面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部１８ａが０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）が０℃以上に暖機されなくても、暖機されたセパレータの一部１８ａを通って電流がセル積層方向に流れるので、燃料電池１８は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
【００１８】
セパレータの面内方向の一部１８ａを加熱するので、セパレータの面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）を加熱する場合より速やかにセパレータの一部１８ａの温度を０℃以上に上げることができる。
また、昇温されたセパレータの面内方向の一部１８ａからセパレータの面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）への伝熱は、その一部１８ａを通過して他部１８ｂへ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ１８自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的に行われる。
これによって、０℃以下の低温からの燃料電池の始動性が向上する。
【００１９】
セパレータの一部１８ａが他の部分１８ｂより熱伝導率の低い材料から構成されている場合は、セパレータの一部１８ａの保温性がよいため、セパレータの一部１８ａが加熱部２９により加熱された時に熱伝導により他の部分１８ｂに熱が逃げにくく、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。ただし、熱伝導が低い材料の部分をセパレータの一部１８ａのみとした理由は、セパレータの面内方向全域を熱伝導が低い材料とすると、始動性が向上するものの、通常運転時の冷却性が損なわれるので、それを避けるためである。
【００２０】
セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂとの間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部１８ｃが設けられている場合は（セパレータの一部と他の部分はそれぞれ断熱部に接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部１８ａが他部１８ｂから熱遮断されているため、セパレータの一部１８ａが加熱部２９により加熱された時に熱伝導により他の部分１８ｂに熱が逃げにくく、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。ただし、セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂをそれぞれ断熱部１８ｃに接合した理由は、セパレータの一部と他の部分を分離するとガス入口、出口が増え、発電システム全体の容積が増加し、構造が複雑になり、車両への搭載性が悪くなるので、それを避けるためである。
【００２１】
つぎに、本発明の各実施例を説明する。
本発明の実施例１では、図１、図２に示すように、セパレータの一部１８ａはほぼ正方形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの一辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａはＳＵＳ、ニッケル、成型カーボンなど、熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが銅、アルミ、焼結カーボンなど熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性がよい。図２は加熱部２９で加熱した時のセパレータ１８の温度分布を示す。
【００２２】
本発明の実施例２では、図３に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの短辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２３】
本発明の実施例３では、図４に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの長辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２４】
本発明の実施例４では、図５に示すように、セパレータの一部１８ａは三角形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの直角を挟む２辺のうちの１辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２５】
本発明の実施例５では、図６に示すように、セパレータの一部１８ａはほぼ正方形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの一辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性がよい。
【００２６】
本発明の実施例６では、図７に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの短辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２７】
本発明の実施例７では、図８に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの長辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２８】
本発明の実施例８では、図９に示すように、セパレータの一部１８ａは三角形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの直角を挟む２辺のうちの１辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、セパレータの面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部が０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域が０℃以上に暖機されなくても、燃料電池は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
また、セパレータの面内方向の一部を加熱するので、セパレータの面内方向の全域を加熱する場合より速やかにセパレータの一部の温度を０℃以上に上げることができる。また、昇温されたセパレータの面内方向の一部からセパレータの面内方向の全域への伝熱は、その一部を通過して他部へ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的である。
これによって、低温からの燃料電池の始動性が向上する。
請求項２の燃料電池によれば、セパレータの一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されているので、セパレータの一部の保温性がよく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
請求項３の燃料電池によれば、セパレータの一部と他の部分との間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられているので、セパレータの一部の熱遮断性がよく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
請求項４の燃料電池によれば、積層方向に互いに重なるように積層されるセパレータの一部の暖機を促進して積層型燃料電池全体としての一部運転を素早く可能とすることができるので、積層型燃料電池の始動性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの温度分布図である。
【図３】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図４】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図５】本発明の実施例４の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図６】本発明の実施例５の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図７】本発明の実施例６の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図８】本発明の実施例７の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図９】本発明の実施例８の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図１０】一般の燃料電池（本発明にも適用可能）の全体側面図である。
【図１１】図１０の燃料電池の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８ａ セパレータの一部
１８ｂ セパレータの他部
１８ｃ 断熱部
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 加熱部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell), and more particularly to a fuel cell having improved warm-up properties at startup.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell vehicle, when the outside air is at a low temperature of 0 ° C. or less, the reaction is very small due to freezing of water and the like. Need to raise.
At this time, if the temperature of the entire stack is raised at the same time, the heating time is prolonged, and the startability is reduced. For this reason, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-173638, at the time of a low temperature start, one of the fuel cells is divided into a plurality of power generation units, and circulating water heated by a heater is caused to flow through one of the power generation units to quickly start one of the power generation units. When one of the power generation units has a temperature equal to or higher than a predetermined temperature, the circulating water is circulated to the other power generation units to warm up the entire power generation unit.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-173638
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell divided into a plurality of power generation units, since the fuel cell stack is divided in the cell stacking direction, one of the fuel cell stacks having a temperature of 0 ° C. or less in one division area. If there is, the power generation performance of the cells in the divided area is reduced, the electric resistance is increased, and it becomes difficult for the current to flow through the entire fuel cell stack in which the divided areas are connected in series. As a result, the fuel cell does not work as a fuel cell until the entire fuel cell is warmed to 0 ° C. or higher, and the warming method for heating a part of the fuel cell does not work.
Further, since the cell includes a diffusion layer having a high thermal resistance, the heat transfer resistance in the cell stacking direction is large. Therefore, even if the temperature of one of the divided areas is increased, it takes time to transfer the reaction heat of that area to the other divided areas and warm up the entire stack, and it is difficult to efficiently warm up the stack.
An object of the present invention is to provide a fuel cell that can generate power even if the entire fuel cell is not warmed to 0 ° C. or higher, and that can efficiently warm up.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object is as follows.
(1) A fuel cell having a separator, wherein a heating unit for heating a part of the separator from outside is provided for a part of the separator in an in-plane direction of the separator.
(2) A fuel cell having a separator, wherein a heating unit that heats a part of the separator from outside is provided for a part of the separator in an in-plane direction of the separator, and the part of the separator is provided. Is made of a material having lower thermal conductivity than other parts.
(3) A fuel cell having a separator, wherein a heating unit for heating a part of the separator from outside is provided for a part of the separator in an in-plane direction of the separator, and the part of the separator is provided. A fuel cell, comprising: a heat insulating part made of a material having a lower thermal conductivity than the part of the separator and the other part between the part and the other part.
(4) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode are stacked with the separator interposed therebetween, and a part of the separator is formed by the stacking. The fuel cell according to (1), (2), or (3), wherein the fuel cells are stacked so as to overlap each other in the directions.
[0006]
In the fuel cell of the above (1), even if only a part of the separator is heated in the in-plane direction of the separator, if a part of all of the separators is heated to 0 ° C. or more in the cell laminating direction, the in-plane of the separator is reduced. Even if the entire area in the direction is not warmed up to 0 ° C. or more, the fuel cell can generate power, and a warming-up method of partial heating is established.
Since the part of the separator in the in-plane direction is heated, the temperature of the part of the separator can be raised to 0 ° C. or more more quickly than in the case where the entire region in the in-plane direction of the separator is heated. In addition, heat transfer from a portion of the heated separator in the in-plane direction to the entire region in the in-plane direction of the separator is caused by heat transfer by a reaction gas flowing through the portion to another portion and heat in the separator itself. Since the heat transfer by conduction is performed more quickly than the heat transfer in the cell stacking direction, warming up of the fuel cell is efficient.
This improves the startability of the fuel cell from a low temperature of 0 ° C. or less.
In the fuel cell of the above (2), a part of the separator is made of a material having a lower thermal conductivity than the other part (however, a part of the separator and another part of the separator are joined, Is not separated), when a part of the separator is heated by the heating part, it is difficult for heat to escape to other parts due to heat conduction, and the temperature of part of the separator can be raised quickly, improving the low temperature startability of the fuel cell I do.
In the fuel cell of the above (3), since a heat insulating portion made of a material having low thermal conductivity is provided between a part of the separator and another part (the part of the separator and the other part (Each is joined to the heat insulation part and is not separated.) When a part of the separator is heated by the heating part, it is difficult for heat to escape to the other part due to heat conduction, and the part of the separator can be heated quickly. In addition, the low-temperature startability of the fuel cell is improved.
In the fuel cell of the above (4), since the warm-up of a part of the separators stacked so as to overlap with each other in the stacking direction can be promoted and the partial operation as the whole stacked fuel cell can be quickly performed, The startability of the stacked fuel cell can be improved.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention, FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention. 6 shows a fifth embodiment of the present invention, FIG. 7 shows a sixth embodiment of the present invention, FIG. 8 shows a seventh embodiment of the present invention, and FIG. 9 shows an eighth embodiment of the present invention. 10 and 11 show a general configuration of a fuel cell to which the present invention can be applied.
Portions common to all embodiments of the present invention are denoted by the same reference numerals throughout all embodiments of the present invention.
[0008]
First, common parts across all embodiments of the present invention or across multiple embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 10, and 11.
The fuel cell 10 of the present invention is, for example, a low-temperature fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a vehicle. However, the present invention is not limited to the use in a vehicle.
[0009]
As shown in FIGS. 10 and 11, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) and a separator 18. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 composed of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 composed of a catalyst layer 12 disposed on one side of the electrolyte membrane, and a catalyst layer 15 disposed on the other side of the electrolyte membrane. (Cathode, air electrode) 17. Diffusion layers 13 and 16 may be provided between the membrane-electrode assembly and the separator 18 on the anode side and the cathode side, respectively. Gas passages 27 and 28 (fuel gas passage 27 and oxidizing gas passage 28) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to anode 14 and cathode 17 are provided in separator 18. A coolant passage 26 for flowing a coolant (normally, cooling water) is formed. A cell is formed by stacking the membrane-electrode assembly and the separator 18, a module 19 is formed from at least one cell, the modules are stacked to form a cell stack, and terminals 20 and insulators are provided at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. 21, the end plate 22 is arranged, the cell stack is tightened in the cell stacking direction, and fixed with a fastening member (for example, a tension plate 24) extending in the cell stacking direction outside the cell stack with a bolt / nut 25; The stack 23 is configured.
[0010]
On the anode side of each cell, a reaction is performed to convert hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons. The hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen and hydrogen ions and electrons (next MEA) on the cathode side. The electrons generated at the anode of the cell pass through the separator, or the electrons generated at the anode of one cell in the cell stacking direction pass through an external circuit to the cathode of the other cell, thereby producing water. Done.
The anode side: H 2 → 2H + + 2e -
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
[0011]
The separator 18 must be impermeable in order to separate fuel gas, oxidizing gas, and refrigerant, and must be electrically conductive because it serves as an electronic passage between adjacent cells. For this purpose, the separator 18 is usually provided with a carbon plate (a molded carbon plate made of a mixed material of a conductive material such as carbon and graphite and a resin, or a sintered carbon plate made of a conductive material such as carbon and graphite) or a conductive resin. It is composed of a fluid passage formed on a metal plate (for example, a SUS plate) or a combination of a fluid plate formed on a metal plate and a resin frame.
[0012]
The separator 18 is provided with a heating unit 29 for externally heating the part 18a of the separator with respect to the part 18a of the separator in the separator in-plane direction (the direction parallel to the plane perpendicular to the cell stacking direction). . For example, an external heat source composed of a heater whose surface is electrically insulated contacts the portion 18a of the separator at the heating section 29 and heats the portion 18a of the separator. A portion 18a of the separator is heated only at the heating section 29. The heating unit 29 is turned on only when the fuel cell is started from a low temperature and heats a part 18a of the separator, and is turned off after the fuel cell is warmed up.
The heating unit 29 is provided on a side of the separator. The heat of the reaction in the part 18a of the separator, which has been heated by the heating unit 29, flows along the flow of the reaction gas to the other part 18b of the separator, and the temperature of the other part 18b can be raised. The part 29 is desirably provided near the inflow side of the reaction gas (air or hydrogen).
[0013]
The part 18a and the other part 18b of the separator are connected or joined directly or via a heat insulating part 18c made of a material having low thermal conductivity. Therefore, the part 18a of the separator and the other part 18b are not separated. Even if the gas flow paths 27 and 28 and the refrigerant flow path 26 formed in the separator 18, or the gas manifold and the refrigerant manifold extend over the part 18 a and the other part 18 b of the separator, the part 18 a and the other part 18 b No gas leakage or water leakage occurs at the boundary of.
It is desirable that the part 18a of the separator has a smaller area (but may be larger) than the other part 18b of the separator. When the area is small, the temperature of the part 18a of the separator can be raised more quickly, and the warm-up property is good.
[0014]
The material of the part 18a and the other part 18b of the separator may be the same or different.
When the material is the same, the part 18a and the other part 18b of the separator can be integrally formed. The strength of the boundary does not decrease as compared with the other parts, and no special measures need to be taken to maintain the strength of the boundary.
If the materials are different, the part 18a and the other part 18b of the separator are separately prepared and then joined. The joining is performed by, for example, crimping, bonding, brazing, welding (brazing and welding are limited to metal separators), welding (limited to conductive resin separators), and the like. In order to prevent breakage at the junction, it is effective to shift the junctions of the separators adjacent to each other in the cell stacking direction in the cell plane direction and alternately arrange them. Even if the material of the part 18a and the other part 18b of the separator is different, regardless of the material, the gas flow paths 27 and 28, the refrigerant flow path 26, the gas manifold, and the refrigerant manifold straddle the part 18a and the other part 18b of the separator. It may be formed.
[0015]
When the material of the part 18a of the separator and the material of the other part 18b are different, the thermal conductivity of the material of the part 18a of the separator (where the heating unit 29 is provided) is lower than the thermal conductivity of the material of the other part 18b of the separator. Is desirable. Examples of the material having a low thermal conductivity forming the part 18a of the separator include SUS, nickel and molded carbon, and examples of the material having a good thermal conductivity forming the other part 18b of the separator include copper and aluminum. , There is sintered carbon.
[0016]
When the heat insulating part 18c is sandwiched between the part 18a and the other part 18b of the separator, the material of the part 18a and the other part 18b of the separator may be the same or different. The part 18a, the other part 18b, and the heat insulating part 18c of the separator are joined to each other, and the joining is performed by, for example, crimping, bonding, brazing, welding (brazing, welding is limited to a metal separator), welding ( (Limited to conductive resin separators). In order to prevent breakage at the junction, it is effective to shift the junctions of the separators adjacent to each other in the cell stacking direction in the cell plane direction and alternately arrange them. The gas flow paths 27 and 28, the refrigerant flow path 26, the gas manifold, and the refrigerant manifold may be formed over a part 18a and another part 18b of the separator.
Examples of the material forming the heat insulating portion 18c include carbon cloth and carbon paper.
[0017]
Next, the operation of the common part over all the embodiments of the present invention or over a plurality of embodiments of the present invention will be described.
Even if only a part of the separator 18 is heated in the in-plane direction, if all the parts 18a of the separators are heated to 0 ° C. or more in the cell stacking direction, the entire area (18a + 18b) in the separator in-plane direction is increased. Even if the heater is not warmed up to 0 ° C. or higher, the current flows in the cell stacking direction through a part 18a of the warmed-up separator, so that the fuel cell 18 can generate power and a warming-up method of partially heating is established. I do.
[0018]
Since the part 18a in the in-plane direction of the separator is heated, the temperature of the part 18a of the separator can be raised to 0 ° C. or more more quickly than when the entire area (18a + 18b) in the in-plane direction of the separator is heated.
The heat transfer from the heated portion 18a of the separator in the in-plane direction to the entire region (18a + 18b) in the in-plane direction of the separator is caused by the heat transfer by the reaction gas flowing through the portion 18a to the other portion 18b. Since the heat transfer by heat conduction in the separator 18 itself is performed more quickly than the heat transfer in the cell stacking direction, the fuel cell is warmed up efficiently.
This improves the startability of the fuel cell from a low temperature of 0 ° C. or less.
[0019]
When the part 18a of the separator is made of a material having a lower thermal conductivity than the other part 18b, the part 18a of the separator is heated by the heating unit 29 because the part 18a of the separator has good heat retention. Sometimes, heat does not easily escape to the other portion 18b due to heat conduction, so that the temperature of the portion 18a of the separator can be raised quickly, and the low-temperature startability of the fuel cell is improved. However, the reason that only the portion 18a of the separator is made of a material having low heat conductivity is that when the heat conductivity is low throughout the in-plane direction of the separator, the startability is improved, but the cooling performance during normal operation is improved. To avoid it because it will be damaged.
[0020]
When a heat insulating portion 18c made of a material having low thermal conductivity is provided between the portion 18a and the other portion 18b of the separator (a part of the separator and another portion are joined to the heat insulating portion, respectively). Since the part 18a of the separator is thermally insulated from the other part 18b, when the part 18a of the separator is heated by the heating unit 29, the part 18a is separated from the other part 18b by heat conduction. It is difficult for heat to escape, and the temperature of the part 18a of the separator can be raised quickly, and the low-temperature startability of the fuel cell is improved. However, the reason that the part 18a and the other part 18b of the separator are respectively joined to the heat insulating part 18c is that when the part of the separator and the other part are separated, the gas inlet and the outlet increase, and the volume of the entire power generation system increases, This is because the structure is complicated and the mountability on the vehicle is deteriorated, which is to be avoided.
[0021]
Next, each embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, the part 18 a of the separator is substantially square and is located at one of the four corners of the separator 18. Is provided. Part 18a of the separator is made of a material having low heat conductivity, such as SUS, nickel, or molded carbon, and other part 18b is made of a material having good heat conductivity, such as copper, aluminum, or sintered carbon. The two portions 18a and 18b are joined by a solvent (adhesive) having good electric conductivity.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the fuel cell has good warm-up properties from a low temperature. FIG. 2 shows a temperature distribution of the separator 18 when heated by the heating unit 29.
[0022]
In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the part 18a of the separator is rectangular and is located along the entire length of one of the four sides of the separator 18, and the short side of the part 18a of the separator is heated. 29 are provided. The part 18a of the separator is made of a material having low heat conductivity, and the other part 18b is made of a material having good heat conductivity. The two parts 18a, 18b are joined.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the warm-up property of the fuel cell from a low temperature is improved.
[0023]
In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, the part 18a of the separator is rectangular and is located along the entire length of one of the four sides of the separator 18, and the heating part is connected to the long side of the part 18a of the separator. 29 are provided. The part 18a of the separator is made of a material having low heat conductivity, and the other part 18b is made of a material having good heat conductivity. The two parts 18a, 18b are joined.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the warm-up property of the fuel cell from a low temperature is improved.
[0024]
In Embodiment 4 of the present invention, as shown in FIG. 5, the part 18a of the separator is a triangle and is located at one of the four corners of the separator 18, and one of two sides sandwiching the right angle of the part 18a of the separator. A heating unit 29 is provided on the side. The part 18a of the separator is made of a material having low heat conductivity, and the other part 18b is made of a material having good heat conductivity. The two parts 18a, 18b are joined.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the warm-up property of the fuel cell from a low temperature is improved.
[0025]
In the fifth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, a part 18a of the separator is substantially square and located at one of the four corners of the separator 18, and a heating part 29 is provided on one side of the part 18a of the separator. ing. A heat insulating part 18c is provided between a part 18a and another part 18b of the separator. The two portions 18a, 18b and the heat insulating portion 18c are joined with a solvent (adhesive) having good electric conductivity.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the fuel cell has good warm-up properties from a low temperature.
[0026]
In the sixth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, a part 18a of the separator is rectangular and is located along the entire length of one of four sides of the separator 18, and a heating part is provided on the short side of the part 18a of the separator. 29 are provided. A heat insulating part 18c is provided between a part 18a and another part 18b of the separator. The two portions 18a, 18b and the heat insulating portion 18c are joined with a solvent (adhesive) having good electric conductivity.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the warm-up property of the fuel cell from a low temperature is improved.
[0027]
In the seventh embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, the part 18a of the separator is rectangular and located along the entire length of one of four sides of the separator 18, and the heating part is provided on the long side of the part 18a of the separator. 29 are provided. A heat insulating part 18c is provided between a part 18a and another part 18b of the separator. The two portions 18a, 18b and the heat insulating portion 18c are joined with a solvent (adhesive) having good electric conductivity.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the warm-up property of the fuel cell from a low temperature is improved.
[0028]
In Embodiment 8 of the present invention, as shown in FIG. 9, the part 18a of the separator is a triangle and is located at one of the four corners of the separator 18, and one of two sides sandwiching the right angle of the part 18a of the separator. A heating unit 29 is provided on the side. A heat insulating part 18c is provided between a part 18a and another part 18b of the separator. The two portions 18a, 18b and the heat insulating portion 18c are joined with a solvent (adhesive) having good electric conductivity.
With respect to the effect, the temperature of the part 18a of the separator can be quickly raised, and the warm-up property of the fuel cell from a low temperature is improved.
[0029]
【The invention's effect】
According to the fuel cell of the present invention, even if only a part of the separator is heated in the in-plane direction of the separator, if a part of all the separators is heated to 0 ° C. or more in the cell stacking direction, the separator surface is heated. Even if the entire area in the inward direction is not warmed up to 0 ° C. or more, the fuel cell can generate power, and a warming-up method of partial heating is established.
In addition, since a part of the separator in the in-plane direction is heated, the temperature of the part of the separator can be raised to 0 ° C. or more more quickly than in the case where the entire region in the in-plane direction of the separator is heated. In addition, heat transfer from a portion of the heated separator in the in-plane direction to the entire region in the in-plane direction of the separator is caused by heat transfer by a reaction gas flowing through the portion to another portion and heat in the separator itself. Since the heat transfer by conduction is performed more quickly than the heat transfer in the cell stacking direction, warming up of the fuel cell is efficient.
Thereby, the startability of the fuel cell from a low temperature is improved.
According to the fuel cell of the second aspect, since a part of the separator is made of a material having a lower thermal conductivity than the other part, the heat retaining property of the part of the separator is good and the part of the separator is quickly raised. Temperature, and the low temperature startability of the fuel cell is improved.
According to the fuel cell of the third aspect, since the heat insulating portion made of a material having low thermal conductivity is provided between a part of the separator and another part, the heat insulation of a part of the separator is provided. The temperature of a part of the separator can be raised quickly, and the low temperature startability of the fuel cell is improved.
According to the fuel cell of the fourth aspect, warming up of a part of the separators stacked so as to overlap each other in the stacking direction can be promoted, and a partial operation as the whole stacked fuel cell can be quickly performed. In addition, the startability of the stacked fuel cell can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a separator of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a temperature distribution diagram of a separator of the fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a front view of a separator of the fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a front view of a separator of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is a front view of a separator of a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 6 is a front view of a separator of a fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 7 is a front view of a separator of a fuel cell according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 8 is a front view of a separator of a fuel cell according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 9 is a front view of a separator of the fuel cell according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 10 is an overall side view of a general fuel cell (also applicable to the present invention).
11 is a partially enlarged cross-sectional view of the fuel cell of FIG.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 (Solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Catalyst layer 13 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
Reference Signs List 18 separator 18a part of separator 18b other part of separator 18c heat insulating part 19 module 20 terminal 21 insulator 22 end plate 23 stack 24 fastening member (tension plate)
25 bolt / nut 26 refrigerant channel 27 fuel gas channel 28 oxidizing gas channel 29 heating section
