JP2005353561A

JP2005353561A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2005353561A
Application number: JP2004220598A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2005-12-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell that prevents temperature lowering of unit cells located on both end sides, along the direction of stacking. <P>SOLUTION: The fuel cell comprises a stack 50, having a plurality of stacked unit cells 2 that generate power using hydrogen and air, and collector plates 3 for taking out power generated by the stack 50 from both end sides along the direction in which the unit cells 2 are stacked. The fuel cell further comprises heating stacks 51 located outside the collector plates 3, the heating stacks 51, comprising heating cells 4 for heating the unit cells 2 located on both end sides along the direction of stacking. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では下記（１）（２）反応が行われる。 A fuel cell system is a device that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy, and supplies a fuel gas containing hydrogen to an anode of a pair of electrodes provided with an electrolyte membrane interposed therebetween, and the other cathode An oxygen agent gas containing oxygen is supplied to the electrode, and electric energy is extracted from the electrodes by using the following electrochemical reaction that occurs on the electrolyte membrane side surface of the pair of electrodes. The following reactions (1) and (2) are performed at each electrode.

陽極（アノード）反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、例えばガソリンやアルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。 Anode reaction: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
Cathode reaction: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O (2)
As the fuel gas supplied to the anode, a method of directly supplying from a hydrogen storage device, for example, a method of supplying a hydrogen-containing gas obtained by reforming a fuel such as gasoline, alcohol, natural gas or the like is known. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. Air is generally used as the fuel gas supplied to the cathode.

自動車用に限らず、複数の単位セルを積層して使用する燃料電池は複数の単位セル全てにおいて均一の性能を維持できることが望ましいが、実際には各単位セルで様々な要因から性能のばらつきが発生することが明らかになっている。その１つの要因としてスタックの中央部に配置された単位セルと、両端に近い部分に配置された単位セルとの温度差が挙げられる。 It is desirable not only for automobiles but also for a fuel cell that uses a plurality of unit cells to be stacked, and it is desirable to maintain uniform performance in all of the unit cells. It has been shown that it occurs. One factor is the temperature difference between the unit cells arranged at the center of the stack and the unit cells arranged near the ends.

これは、端部の放熱等により両端の単位セル温度が低下し、電気化学的な反応速度およびセル内部における相対湿度の変化、水の凝縮などが起こるため、スタック中央部の単位セルに比べて性能が低下することがあった。 This is because the unit cell temperature at both ends decreases due to heat dissipation at the end, and the electrochemical reaction rate, relative humidity change inside the cell, water condensation, etc. occur. Compared to the unit cell at the center of the stack. There was a case where the performance deteriorated.

更に、外気温が低い環境下で電池の作動を開始した場合、両端の単位セル温度が上がりきらない状態で電流を取ると電解質膜および触媒層にダメージを及ぼすこともあった。 Furthermore, when the operation of the battery is started under an environment where the outside air temperature is low, the electrolyte membrane and the catalyst layer may be damaged if current is taken in a state where the unit cell temperature at both ends cannot be increased.

そこで従来、アノード集電極、カソード集電極の外側に電力取り出し端子を備えた発熱体を配置し、両端の単位セル温度が低い場合に発熱体によって加熱するものが、特許文献１に開示されている。
特開２００３−４５４６２号公報 Therefore, Patent Document 1 discloses a conventional heating element provided with a power extraction terminal outside the anode collector electrode and the cathode collector electrode and heated by the heating element when the unit cell temperature at both ends is low. .
JP 2003-45462 A

しかし、上記の発明では、発熱体での発熱量が燃料電池の発電電力に依存するために、例えば燃料電池を起動した直後など、燃料電池が十分温まっていない場合などに、発熱体での発熱量が少なく、燃料電池を両端側のセルを温めることができないといった問題点がある。 However, in the above invention, since the amount of heat generated by the heating element depends on the generated power of the fuel cell, the heating element generates heat when the fuel cell is not sufficiently warmed, for example, immediately after starting the fuel cell. There is a problem that the amount is small and the cells on both ends of the fuel cell cannot be heated.

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池の単位セル積層方向両端側の単位セルの温度を低下させずに、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems, and aims to improve the power generation efficiency of the fuel cell without lowering the temperature of the unit cells on both ends of the unit cell stacking direction of the fuel cell. And

本発明の燃料電池は、水素と酸化剤によって発電を行う第１単位セルを複数積層したスタックと、第１単位セルの積層方向両端に第１単位セルによって発電された電力を取り出す電極と、を備えた燃料電池において、電極の外側に水素と酸化剤によって発電を行い、第１単位セルの積層方向両端側を加熱する第２単位セルを少なくとも一つ有する加熱スタックを備える。 The fuel cell of the present invention includes a stack in which a plurality of first unit cells that generate power using hydrogen and an oxidant are stacked, and electrodes that extract power generated by the first unit cells at both ends in the stacking direction of the first unit cells. The fuel cell is provided with a heating stack having at least one second unit cell that generates power using hydrogen and an oxidant and heats both ends of the first unit cell in the stacking direction outside the electrode.

本発明によると、第２単位セルによって積層方向両端側の第１単位セルを第１単位セルの発電量と関係なく温めることができ、積層方向両端側の第１単位セルの温度低下を防ぎ燃料電池の発電効率を向上することができる。 According to the present invention, the second unit cell can warm the first unit cell at both ends in the stacking direction regardless of the power generation amount of the first unit cell, and prevents the temperature decrease of the first unit cell at both ends in the stacking direction. The power generation efficiency of the battery can be improved.

本発明の第１実施形態の構成を図１の概略構成図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池１は、後述する積層された複数の単位セル２（第１単位セル）から構成されるスタック５０と、スタック５０の両端より電力を外部へ取り出す集電板３と、集電板の外側にスタック５０の両端側の単位セル２を温める後述する加熱セル４から構成される加熱スタック５１と、加熱スタック５１の外側に絶縁板５を備える。更に、絶縁板５の外側にエンドプレート６を備え、複数のタイロッド（ロッド）７とナット９（脱着可能な締め付け部材）によってエンドプレート６の外側よりスタック５０、集電板３、加熱スタック５１、絶縁板５、エンドプレート６を締め付け、接合する。なお、エンドプレート６とタイロッド７、ナット９の間には、弾性体としてバネ８を設け、燃料電池１の圧縮力を調整する。この構成によって、積層された単位セル２の両端側の単位セル２を加熱セル４によって温めることができる。なお、タイロッド７が通る穴はこの実施形態の図２、図４では省略する。 The configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. The fuel cell 1 of this embodiment includes a stack 50 composed of a plurality of unit cells 2 (first unit cells) to be described later, a current collector plate 3 that extracts power from both ends of the stack 50, and a current collector. A heating stack 51 composed of a heating cell 4 to be described later for heating the unit cells 2 on both ends of the stack 50 outside the electric plate, and an insulating plate 5 outside the heating stack 51 are provided. Furthermore, an end plate 6 is provided outside the insulating plate 5, and a stack 50, a current collecting plate 3, a heating stack 51, a plurality of tie rods (rods) 7 and nuts 9 (detachable fastening members) from the outside of the end plate 6; The insulating plate 5 and the end plate 6 are tightened and joined. A spring 8 is provided as an elastic body between the end plate 6, the tie rod 7 and the nut 9 to adjust the compressive force of the fuel cell 1. With this configuration, the unit cells 2 on both ends of the stacked unit cells 2 can be heated by the heating cell 4. The hole through which the tie rod 7 passes is omitted in FIGS. 2 and 4 of this embodiment.

単位セル２について図２を用いて説明する。単位セル２は、電解質膜１０と、水素が供給されるアノードガス拡散層１１と、空気（酸化剤）が供給されるカソードガス拡散層１２と、アノードガス拡散層１１とカソードガス拡散層１２の外側に設けたセパレータ１３によって構成される。また、電解質膜１０とセパレータ１３の間にはアノードガス拡散層１１、またはカソードガス拡散層１２から水素、空気がリークしないようにガスケット１４を設ける。 The unit cell 2 will be described with reference to FIG. The unit cell 2 includes an electrolyte membrane 10, an anode gas diffusion layer 11 to which hydrogen is supplied, a cathode gas diffusion layer 12 to which air (oxidant) is supplied, an anode gas diffusion layer 11 and a cathode gas diffusion layer 12. It is comprised by the separator 13 provided in the outer side. A gasket 14 is provided between the electrolyte membrane 10 and the separator 13 so that hydrogen and air do not leak from the anode gas diffusion layer 11 or the cathode gas diffusion layer 12.

電解質膜１０はアノードガス拡散層１１、カソードガス拡散層１２によって挟持されており、電解質膜１０とアノードガス拡散層１１、カソードガス拡散層１２の間には、例えば白金などの触媒を接合し、アノードガス拡散層１１、カソードガス拡散層１２に水素または空気が供給され、式（１）（２）の反応により発電を行う。 The electrolyte membrane 10 is sandwiched between an anode gas diffusion layer 11 and a cathode gas diffusion layer 12, and a catalyst such as platinum is joined between the electrolyte membrane 10, the anode gas diffusion layer 11, and the cathode gas diffusion layer 12, Hydrogen or air is supplied to the anode gas diffusion layer 11 and the cathode gas diffusion layer 12, and power generation is performed by the reactions of the formulas (1) and (2).

ここで、セパレータ１３について図４を用いて説明する。なお、図４は燃料電池１について単位セル２の一部と加熱セル４の分解概略図であり、セパレータ１３、後述するセパレータ２２についてのみ記載し、電解質膜１０、後述する電解質膜２０などは省略している。セパレータ１３は、アノードガス拡散層１１へ水素を供給する水素流路３１と、水素流路３１と連通し、図示しない水素供給装置から水素を水素流路３１へ水素を導入する水素供給路３３と、水素流路３１と連通し、水素流路３１から発電に使用されなかった未反応の排出水素を排出する水素排出路３５を備える。なお、水素流路３１の詳しい形状は省略するが、単位セル２で効率良く発電が行われるように形成する（例えばサーペンタイン形状など）以下、空気流路３２、水素流路４１、空気流路４２についても同様とする。 Here, the separator 13 will be described with reference to FIG. 4 is an exploded schematic view of a part of the unit cell 2 and the heating cell 4 for the fuel cell 1, and only the separator 13 and the separator 22 described later are shown, and the electrolyte membrane 10 and the electrolyte membrane 20 described later are omitted. doing. The separator 13 includes a hydrogen flow path 31 that supplies hydrogen to the anode gas diffusion layer 11, and a hydrogen supply path 33 that communicates with the hydrogen flow path 31 and introduces hydrogen into the hydrogen flow path 31 from a hydrogen supply device (not shown). And a hydrogen discharge path 35 that communicates with the hydrogen flow path 31 and discharges unreacted discharged hydrogen that has not been used for power generation from the hydrogen flow path 31. Although the detailed shape of the hydrogen channel 31 is omitted, the unit cell 2 is formed so as to generate power efficiently (for example, serpentine shape). The air channel 32, the hydrogen channel 41, and the air channel 42 are hereinafter described. The same applies to.

また、水素流路３１が設けられた背面には、隣り合う単位セル２のカソードガス拡散層１２へ空気を供給する空気流路３２と、空気流路３２と連通し、図示しない空気供給装置から空気を空気流路３２へ導入する空気供給路３４と、空気流路３２から発電に使用されなかった未反応の排出空気を排出する空気排出路３６を備える。なお、以下ではセパレータ１３の水素流路３１を設けた領域を水素反応領域３７、空気流路３２を設けた領域を空気反応領域３８とする。水素反応領域３７、空気反応領域３８は、ガス拡散層１１が設けられた領域、つまり単位セル２が発電反応を行う反応面積の領域のことである。なお、単位セル２を冷却するための冷却流路（図示しない）をセパレータ１３に設けても良い。この場合には、セパレータ１３に冷却流路に外部より冷却水を供給する冷却水供給路６０、冷却流路から外部へ冷却水を排出する冷却水排出路６１を設ける。 In addition, on the back surface where the hydrogen flow path 31 is provided, an air flow path 32 that supplies air to the cathode gas diffusion layer 12 of the adjacent unit cell 2 and an air flow path 32 communicate with each other from an air supply device (not shown). An air supply path 34 for introducing air into the air flow path 32 and an air discharge path 36 for discharging unreacted exhaust air that has not been used for power generation from the air flow path 32 are provided. In the following, the region of the separator 13 in which the hydrogen flow path 31 is provided is referred to as a hydrogen reaction region 37, and the region in which the air flow path 32 is provided is referred to as an air reaction region 38. The hydrogen reaction region 37 and the air reaction region 38 are regions where the gas diffusion layer 11 is provided, that is, regions of a reaction area where the unit cell 2 performs a power generation reaction. A cooling channel (not shown) for cooling the unit cell 2 may be provided in the separator 13. In this case, the separator 13 is provided with a cooling water supply path 60 for supplying cooling water to the cooling flow path from the outside and a cooling water discharge path 61 for discharging cooling water from the cooling flow path to the outside.

次に加熱セル４の構成について、図３を用いて説明する。加熱セル４は単位セル２と基本的な構成は同じであり、電解質膜２０と、アノードガス拡散層２１と、カソードガス拡散層２２と、アノードガス拡散層２１の外側に設けたアノードセパレータ２３と、カソードガス拡散層２２の外側に設けたカソードセパレータ２４によって構成される。電解質膜２０はアノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２によって挟持されており、電解質膜２０と、アノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２の間には例えば白金などの触媒が接合している。また、電解質膜２０とセパレータ２２の間にはアノードガス拡散層２１、カソードガス拡散層２２からガスがリークしないようにガスケット２５を設ける。 Next, the configuration of the heating cell 4 will be described with reference to FIG. The heating cell 4 has the same basic configuration as the unit cell 2, and includes an electrolyte membrane 20, an anode gas diffusion layer 21, a cathode gas diffusion layer 22, and an anode separator 23 provided outside the anode gas diffusion layer 21. The cathode separator 24 is provided outside the cathode gas diffusion layer 22. The electrolyte membrane 20 is sandwiched between an anode gas diffusion layer 21 and a cathode gas diffusion layer 22, and a catalyst such as platinum is bonded between the electrolyte membrane 20, the anode gas diffusion layer 21, and the cathode gas diffusion layer 22. Yes. A gasket 25 is provided between the electrolyte membrane 20 and the separator 22 so that gas does not leak from the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22.

ここで、アノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４について図４を用いて説明する。アノードセパレータ２３には、積層された単位セル２への水素、空気の供給、排出を行う水素供給路３３と、水素排出路３５と、空気供給路３４と、空気排出路３６を備える。そして、アノードガス拡散層２１へ水素を供給する水素流路４１と、水素流路４１と単位セル２から外部へ排出水素を排出する水素排出路３５とを連通し、水素流路４１に水素を導入する水素導入路４３と、水素流路４１から水素濃度の薄くなった排出水素を燃料電池１の外部へ排出する水素排出路４５と、後述する空気排出路４６を備える。 Here, the anode separator 23 and the cathode separator 24 will be described with reference to FIG. The anode separator 23 includes a hydrogen supply path 33 that supplies and discharges hydrogen and air to and from the stacked unit cells 2, a hydrogen discharge path 35, an air supply path 34, and an air discharge path 36. Then, a hydrogen flow path 41 for supplying hydrogen to the anode gas diffusion layer 21, a hydrogen flow path 41 and a hydrogen discharge path 35 for discharging discharged hydrogen from the unit cell 2 to the outside are communicated, and hydrogen is supplied to the hydrogen flow path 41. A hydrogen introduction path 43 to be introduced, a hydrogen discharge path 45 that discharges discharged hydrogen having a reduced hydrogen concentration from the hydrogen flow path 41 to the outside of the fuel cell 1, and an air discharge path 46 to be described later are provided.

カソードセパレータ２４には、積層された単位セル２への水素、空気の供給、排出を行う水素供給路３３と、水素排出路３５と、空気供給路３４と、空気排出路３６を備える。そして、カソードガス拡散層２２へ空気を供給する空気流路４２と、空気流路４２と単位セル２から外部へ排出空気を排出する空気排出路３６とを連通し、空気流路４２に排出空気を導入する空気導入路４４と、空気流路４２から酸素濃度の薄くなった排出空気を燃料電池１の外部へ排出する空気排出路４６を備える。 The cathode separator 24 includes a hydrogen supply path 33 that supplies and discharges hydrogen and air to and from the stacked unit cells 2, a hydrogen discharge path 35, an air supply path 34, and an air discharge path 36. The air flow path 42 that supplies air to the cathode gas diffusion layer 22 and the air flow path 42 and the air discharge path 36 that discharges exhaust air from the unit cell 2 to the outside communicate with each other. And an air exhaust passage 46 for exhausting exhaust air having a reduced oxygen concentration from the air passage 42 to the outside of the fuel cell 1.

また、以下ではアノードセパレータ２３の水素流路４１を設けた領域を水素反応領域４７、カソードセパレータ２４の空気流路４２を設けた領域を空気反応領域４８とする。水素反応領域４７、空気反応領域４８は、アノードガス拡散層２１、カソードガス拡散層２２が設けられた領域、つまり加熱セル４が発電反応を行う領域のことである。 In the following, a region where the hydrogen flow path 41 of the anode separator 23 is provided is referred to as a hydrogen reaction region 47, and a region where the air flow path 42 of the cathode separator 24 is provided is referred to as an air reaction region 48. The hydrogen reaction region 47 and the air reaction region 48 are regions where the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22 are provided, that is, regions where the heating cell 4 performs a power generation reaction.

加熱セル４のアノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４には電気的抵抗値の比較的大きい材料を用いる。積層した単位セル２は、外部への放熱などにより積層方向の中央部よりも両端部付近の温度が下がり易く、加熱セル４はその両端部付近の温度を調整（加熱）するために設けられている。そのため、加熱セル４自体の発熱量が高くなることが望ましく、アノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４は電気的抵抗値が比較的大きい材料が望ましい。例えば、加熱セル４の電気的抵抗値は、単位セル２の電気的抵抗値よりも大きくする。また、図５にガス拡散層（例えばアノードガス拡散層２１）の抵抗値と燃料電池の単位セルに掛かる圧力との関係を示すが、単位セルに掛かる圧力が高くなるほどガス拡散層の電気抵抗値は低くなることから、例えば水素流路４１と空気流路４２を凸凹状の流路を形成した場合（この時、凹部を水素、または空気が流れ、凸部がアノードセパレータ２３とカソードセパレータ２４と接触する）、アノードガス拡散層２１、カソードガス拡散層２２と接触する凸部の面積を広くし、アノードガス拡散層２１、カソードガス拡散層２２に掛かる圧力を低くする。また、図３に示すようにアノードセパレータ２３とカソードセパレータ２４上のアノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２の配置されるエリアに段部２６を設けることで、アノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２の厚さを調整しても良い。これにより、アノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２の圧力を低くすることができる。 A material having a relatively large electrical resistance value is used for the anode separator 23 and the cathode separator 24 of the heating cell 4. The stacked unit cell 2 is more likely to lower the temperature near both ends than the center in the stacking direction due to heat radiation to the outside, and the heating cell 4 is provided to adjust (heat) the temperature near both ends. Yes. For this reason, it is desirable that the heat generation amount of the heating cell 4 itself be high, and the anode separator 23 and the cathode separator 24 are desirably made of materials having a relatively large electrical resistance value. For example, the electrical resistance value of the heating cell 4 is made larger than the electrical resistance value of the unit cell 2. FIG. 5 shows the relationship between the resistance value of the gas diffusion layer (for example, the anode gas diffusion layer 21) and the pressure applied to the unit cell of the fuel cell. The higher the pressure applied to the unit cell, the higher the electrical resistance value of the gas diffusion layer. Therefore, for example, when the hydrogen flow path 41 and the air flow path 42 are formed as uneven flow paths (at this time, hydrogen or air flows through the recesses, and the protrusions are connected to the anode separator 23 and the cathode separator 24). The contact area of the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22 is increased, and the pressure applied to the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22 is decreased. Also, as shown in FIG. 3, by providing a step portion 26 in the area where the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22 are disposed on the anode separator 23 and the cathode separator 24, the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas are provided. The thickness of the diffusion layer 22 may be adjusted. Thereby, the pressure of the anode gas diffusion layer 21 and the cathode gas diffusion layer 22 can be lowered.

なお、加熱セル４を複数積層する場合には、単位セル２と同様に、隣り合う加熱セル４間のセパレータは水素供給路３３を設けた背面に空気供給路３４を設けても良い。 When a plurality of heating cells 4 are stacked, as in the unit cell 2, the separator between the adjacent heating cells 4 may be provided with an air supply path 34 on the back surface where the hydrogen supply path 33 is provided.

加熱セル４は、スタック５０から排出された水素、空気によって発電を行い、その際に生じる熱によって、積層された単位セル２の端部を加熱する。この実施形態では加熱セル４は燃料電池１の両側に設けるが、燃料電池１の配置などにより、燃料電池１の片側の放熱が少ない場合には、片側だけに設けても良い。 The heating cell 4 generates power with hydrogen and air discharged from the stack 50, and heats the end of the stacked unit cells 2 with the heat generated at that time. In this embodiment, the heating cells 4 are provided on both sides of the fuel cell 1, but may be provided only on one side when heat dissipation on one side of the fuel cell 1 is small due to the arrangement of the fuel cell 1 or the like.

ここで、単位セル２と加熱セル４の水素、空気供給について図４を用いて説明する。各単位セル２には図示しない水素供給装置から水素が水素供給路３３を通り、供給され（矢印Ａ方向）、単位セル２で使用されなかった排出水素が水素排出路３５を通り排出される（矢印Ｂ方向）。また水素排出路３５から単位セル２から排出された排出水素の一部が加熱セル４内へ導入され、加熱セル４によって発電に使用され、更に水素濃度の薄くなった排出水素が水素排出路４５から排出される（矢印Ｂ方向）。なお、空気供給についての説明は省略するが、水素供給と同様に、空気供給路３４から空気が単位セル２に供給され、空気排出路３６から排出された排出空気の一部が加熱セル４へ導入され、加熱セル４によって更に空気濃度の薄くなった排出空気が空気排出路４６から排出される。 Here, the hydrogen and air supply of the unit cell 2 and the heating cell 4 will be described with reference to FIG. Hydrogen is supplied to each unit cell 2 from a hydrogen supply device (not shown) through a hydrogen supply path 33 (in the direction of arrow A), and discharged hydrogen not used in the unit cell 2 is discharged through a hydrogen discharge path 35 ( Arrow B direction). Further, part of the discharged hydrogen discharged from the unit cell 2 from the hydrogen discharge path 35 is introduced into the heating cell 4 and used for power generation by the heating cell 4, and the discharged hydrogen whose hydrogen concentration is further reduced is the hydrogen discharge path 45. (In the direction of arrow B). In addition, although description about air supply is abbreviate | omitted, like hydrogen supply, air is supplied to the unit cell 2 from the air supply path 34, and a part of exhaust air discharged | emitted from the air exhaust path 36 to the heating cell 4 is supplied. The exhaust air introduced and further reduced in air concentration by the heating cell 4 is exhausted from the air exhaust passage 46.

積層された単位セル２に供給される水素と空気は、各単位セル２内で、均一に発電を行うために予め余分に供給されており、単位セル２から排出される排出水素、排出空気は、加熱セル４において十分に発電可能な水素と空気を含んでいる。また単位セル２からの排出水素、排出空気は発電時に単位セル２で生成される水、または電解質膜１０で起こる水の逆拡散によって加湿されており、単位セル２から排出される排出水素と排出空気によって加熱セル４で発電することが可能である。 Hydrogen and air to be supplied to the stacked unit cells 2 are supplied in advance in order to generate power uniformly in each unit cell 2, and discharged hydrogen and discharged air discharged from the unit cells 2 are The heating cell 4 contains hydrogen and air that can sufficiently generate electricity. The discharged hydrogen and discharged air from the unit cell 2 are humidified by the reverse diffusion of water generated in the unit cell 2 or water generated in the electrolyte membrane 10 during power generation, and discharged hydrogen and discharged from the unit cell 2. It is possible to generate electricity in the heating cell 4 by air.

また、単位セル２の水素反応領域３８、及び空気反応領域３８と、加熱セル４の水素反応領域４７、及び空気反応領域４８では、加熱セル４に設けた水素反応領域４７、空気反応領域４８を単位セル２に設けた水素反応領域３７、空気反応領域３８よりも狭くする。つまり単位セル２と加熱セル４の各発電反応を行う面積は、単位セル２の面積よりも加熱セル４の面積の方が小さい。これにより、加熱セル４に供給される水素、空気に単位セル２から排出された排出水素、排出空気を使用する、つまり反応ガスの濃度が低いため、面積を小さくすることで反応領域の単位面積あたりに供給するガス量を多くさせることができ、また、加熱セル４での発電を効率良く行うことができる。また、水素反応領域４７と空気反応領域４８は単位セル２から排出される排出水素、排出空気の流量が少ない場合、つまり燃料電池１の発電量が小さい場合でも、加熱セル４に供給される排出水素、排出空気によって発電が行えるように、水素反応領域４７、空気反応領域４８を設定する。 Further, in the hydrogen reaction region 38 and the air reaction region 38 of the unit cell 2 and the hydrogen reaction region 47 and the air reaction region 48 of the heating cell 4, the hydrogen reaction region 47 and the air reaction region 48 provided in the heating cell 4 are defined. Narrower than the hydrogen reaction region 37 and the air reaction region 38 provided in the unit cell 2. That is, the area of the heating cell 4 is smaller than the area of the unit cell 2 in terms of the power generation reaction of the unit cell 2 and the heating cell 4. Thereby, the hydrogen supplied to the heating cell 4 and the exhausted hydrogen discharged from the unit cell 2 and the exhausted air are used for the air, that is, the concentration of the reaction gas is low. The amount of gas supplied around can be increased, and power generation in the heating cell 4 can be performed efficiently. Further, the hydrogen reaction area 47 and the air reaction area 48 are discharged to the heating cell 4 even when the flow rate of discharged hydrogen and discharged air discharged from the unit cell 2 is small, that is, even when the power generation amount of the fuel cell 1 is small. A hydrogen reaction region 47 and an air reaction region 48 are set so that power generation can be performed using hydrogen and exhaust air.

なお、加熱セル４の水素流路４１、空気流路４２は、高加湿の排出水素、または排出空気が供給されるために排水性の良い流路とすることが望ましい。 Note that the hydrogen flow path 41 and the air flow path 42 of the heating cell 4 are desirably flow paths with good drainage because highly humid exhausted hydrogen or exhausted air is supplied.

加熱スタック５１とエンドプレート６との間に絶縁板５を設けたが、この絶縁板５は図６に示すように集電板３と加熱セル４の間に設けても良い。これによって、加熱セル４の発熱による温度ムラを少なくすることができ、積層された単位セル２の両端部を均一に加熱することができる。絶縁板５は樹脂などで構成されているために、絶縁の機能だけでなく、断熱効果を備えている。そのため、加熱セル４では、絶縁板５によって放熱される分の熱を抑制すれば良く、加熱セル４での発熱量、すなわち発電量を少なくすることができ、燃料電池１での発電効率を高くすることができる。なお、エンドプレート６には加熱スタック５１と接する面に水素供給路３３または空気供給路３４を設けてもよい。これによってエンドプレート６と加熱スタック５１の間にアノードセパレータ２３またはカソードセパレータ２４を設ける必要がなく、燃料電池１を軽量化することができ、体積あたりの出力密度を上がることができる。 Although the insulating plate 5 is provided between the heating stack 51 and the end plate 6, this insulating plate 5 may be provided between the current collecting plate 3 and the heating cell 4 as shown in FIG. Thereby, temperature unevenness due to heat generation of the heating cell 4 can be reduced, and both end portions of the stacked unit cells 2 can be heated uniformly. Since the insulating plate 5 is made of resin or the like, it has not only an insulating function but also a heat insulating effect. Therefore, in the heating cell 4, it is only necessary to suppress the amount of heat radiated by the insulating plate 5, the amount of heat generated in the heating cell 4, that is, the amount of power generation can be reduced, and the power generation efficiency in the fuel cell 1 is increased. can do. The end plate 6 may be provided with a hydrogen supply path 33 or an air supply path 34 on the surface in contact with the heating stack 51. As a result, it is not necessary to provide the anode separator 23 or the cathode separator 24 between the end plate 6 and the heating stack 51, the fuel cell 1 can be reduced in weight, and the output density per volume can be increased.

加熱スタック５１は、例えば図７に示すように加熱スタック５１と外部発熱体６２を接続しても良い。そして加熱セル４によって発電された電力を使用して外部発熱体６２で熱を生じさせ、この熱によって、燃料電池１などを加熱する。これによって、燃料電池１、または燃料電池１を備えたシステムなどを温め、エネルギー効率を良することができる。 For example, as shown in FIG. 7, the heating stack 51 may connect the heating stack 51 and an external heating element 62. Then, the electric power generated by the heating cell 4 is used to generate heat in the external heating element 62, and the fuel cell 1 and the like are heated by this heat. Accordingly, it is possible to warm the fuel cell 1 or a system including the fuel cell 1 and improve energy efficiency.

本発明の第１実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

単位セル２を積層した燃料電池１において、単位セル２で発電した電力を取り出す集電板３の外側に加熱用のセルとして加熱スタック５１を設けたので、温度の下がり易い積層方向両端側の単位セル２を温めることができ、温度低下による単位セル２の性能低下を防ぐことができ、燃料電池１の発電効率を向上することができる。また、集電板３の外側に加熱セル４を設けることで、燃料電池１の発電に影響を与えることを防ぐことができる。 In the fuel cell 1 in which the unit cells 2 are stacked, since the heating stack 51 is provided as a heating cell outside the current collector plate 3 for taking out the electric power generated by the unit cells 2, the units on both ends in the stacking direction are likely to drop in temperature. The cell 2 can be warmed, the performance of the unit cell 2 can be prevented from being lowered due to a temperature drop, and the power generation efficiency of the fuel cell 1 can be improved. Further, by providing the heating cell 4 outside the current collector plate 3, it is possible to prevent the power generation of the fuel cell 1 from being affected.

また、加熱セル４の発電に使用する水素と空気に、単位セル２から排出された排出水素、排出空気を使用するので、排出水素を効果的に使用することができ、エネルギー効率を向上させることができる。 Further, since hydrogen and air discharged from the unit cell 2 are used for hydrogen and air used for power generation of the heating cell 4, the discharged hydrogen can be used effectively and energy efficiency can be improved. Can do.

加熱セル４の電気的抵抗値を大きくすることで、加熱セル４の発電による発熱量を多くすることができ、積層方向両端側の単位セル２への加熱量を増やすことができ、積層方向両端側の単位セル２を素早く温めることができる。 By increasing the electrical resistance value of the heating cell 4, the amount of heat generated by the power generation of the heating cell 4 can be increased, the amount of heating to the unit cell 2 on both ends in the stacking direction can be increased, and both ends in the stacking direction can be increased. The side unit cell 2 can be quickly warmed.

加熱セル４で発電された電力によって外部発熱体５０で発熱し、その熱によって積層方向両端側の単位セル２を温めることができ、更にその熱を燃料電池１のその他のシステムにも与えることができ、燃料電池１を備えたシステムのエネルギー効率を良することができる。 The electric power generated by the heating cell 4 generates heat from the external heating element 50, and the heat can heat the unit cells 2 at both ends in the stacking direction, and can also supply the heat to other systems of the fuel cell 1. The energy efficiency of the system including the fuel cell 1 can be improved.

本発明の第２実施形態について図８、図９の概略図を用いて説明する。図９は図８における矢視Ａ図である。この実施形態では水素供給路３３に水素を導入する水素供給マニホールド７０と、空気供給路３４に空気を導入する空気供給マニホールド７１を一方のエンドプレート６に配置する（以下、このエンドプレート６をエンドプレート６ａとし、もう一方のエンドプレートをエンドプレート６ｂとする）。なお、単位セル２を冷却するための冷却流路（図示しない）を設ける場合には冷却水マニホールド（図示しない）を設けてもよい。また、燃料電池１から排出水素を排出する水素排出マニホールド７２と、排出空気を排出する空気排出マニホールド７３を備える。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS. FIG. 9 is an arrow A view in FIG. In this embodiment, a hydrogen supply manifold 70 that introduces hydrogen into the hydrogen supply passage 33 and an air supply manifold 71 that introduces air into the air supply passage 34 are disposed on one end plate 6 (hereinafter, this end plate 6 is referred to as an end plate 6). Plate 6a, and the other end plate as end plate 6b). In addition, when providing the cooling flow path (not shown) for cooling the unit cell 2, you may provide a cooling water manifold (not shown). Further, a hydrogen discharge manifold 72 that discharges discharged hydrogen from the fuel cell 1 and an air discharge manifold 73 that discharges discharged air are provided.

エンドプレート６ａ側の加熱セル４（以下、この加熱セル４を加熱セル４ａとする）はもう一方のエンドプレート６ｂ側の加熱セル４（以下、この加熱セル４を加熱セル４ｂとする）または単位セル２より触媒担持量が多い。そのため加熱セル４ａの始動性は加熱セル４ｂまたは単位セル２よりも早い。つまり低温時などに加熱セル４ａが加熱セル４ｂまたは単位セル２よりも発電を早く開始する。これによって燃料電池１の起動時、特に低温起動時に加熱セル４の熱によって単位セル２を加熱、または単位セル２に供給する水素、または空気を加熱することができ、単位セル２を素早く起動させることができる。また、電気的抵抗を大きくして加熱セル４ａの発熱量を多くしてもよい。なお、加熱セル４ｂについても触媒担持量を多くし、始動性を早くしてもよい。 The heating cell 4 on the end plate 6a side (hereinafter referred to as the heating cell 4a) is the heating cell 4 on the other end plate 6b side (hereinafter referred to as the heating cell 4b) or unit. There is more catalyst loading than cell 2. Therefore, the startability of the heating cell 4a is faster than that of the heating cell 4b or the unit cell 2. That is, the heating cell 4a starts power generation earlier than the heating cell 4b or the unit cell 2 at a low temperature or the like. As a result, when the fuel cell 1 is started, especially when the low temperature is started, the unit cell 2 can be heated by the heat of the heating cell 4 or the hydrogen or air supplied to the unit cell 2 can be heated. be able to. Further, the heating resistance of the heating cell 4a may be increased by increasing the electrical resistance. It should be noted that the heating cell 4b may also increase the amount of catalyst supported to speed up the startability.

また、図１０に示すように燃料電池１を締め付けるタイロッド７の端部７ａを太くして端部７ａによって燃料電池１の一方を締め付ける場合には、エンドプレート６ｂ側より端部７ａで締め付け、エンドプレート６ａ側では脱着可能なナット９で締め付ける。低温起動時の始動性を早くした加熱セル４ａは通常の単位セル２、または加熱セル４ｂよりも劣化が進み易いが、加熱セル４ａを設けたエンドプレート６ａ側をナット９で締め付けることで、加熱セル４ａが劣化し、交換が必要な場合でも容易に交換することができる。 Further, as shown in FIG. 10, when the end portion 7a of the tie rod 7 for tightening the fuel cell 1 is thickened and one end of the fuel cell 1 is tightened by the end portion 7a, the end portion 7a is tightened from the end plate 6b side. The plate 6a is tightened with a detachable nut 9. The heating cell 4a having a faster startability at the time of low-temperature startup is more easily deteriorated than the normal unit cell 2 or the heating cell 4b. However, by heating the end plate 6a provided with the heating cell 4a with a nut 9, the heating cell 4a is heated. Even when the cell 4a is deteriorated and needs to be replaced, it can be easily replaced.

他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。 Since other configurations are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here.

本発明の第２実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

加熱スタック５１の加熱セル４の触媒担持量を単位セル２よりも多くすることで、加熱セル４の始動性が早くなるように設定するので、特に低温起動時に燃料電池１を素早く起動することができる。 By setting the catalyst carrying amount of the heating cell 4 of the heating stack 51 to be larger than that of the unit cell 2, the startability of the heating cell 4 is set to be faster, so that the fuel cell 1 can be started quickly especially at low temperature startup. it can.

水素供給マニホールド７０と空気供給マニホールド７１を一方のエンドプレート６ａに配置した場合に、エンドプレート６ａ側の加熱セル４ａをもう一方のエンドプレート６ｂ側の加熱セル４ｂまたは単位セル２よりも低温時の始動性を早くするので、加熱セル４ａで発生する熱の熱伝達によって単位セル２を加熱し、または水素供給マニホールド７０と空気供給マニホールド７１を流れる水素と空気を加熱しスタック５０全体を加熱することができる。そのため燃料電池１を素早く起動させることができる。 When the hydrogen supply manifold 70 and the air supply manifold 71 are arranged on one end plate 6a, the heating cell 4a on the end plate 6a side is at a lower temperature than the heating cell 4b on the other end plate 6b side or the unit cell 2. Since startability is accelerated, the unit cell 2 is heated by heat transfer of heat generated in the heating cell 4a, or hydrogen and air flowing through the hydrogen supply manifold 70 and the air supply manifold 71 are heated to heat the entire stack 50. Can do. Therefore, the fuel cell 1 can be activated quickly.

また、加熱セル４ａは起動時に急速に加熱を行うために加熱セル４ｂまたは単位セル２と比較して劣化を起こし易いが、加熱セル４ａ側ではタイロッド７と脱着可能なナット９によって締め付けるので、燃料電池１から加熱セル４ａを容易に脱着することができ、交換を容易に行うことができる。 Further, the heating cell 4a is likely to be deteriorated compared with the heating cell 4b or the unit cell 2 because it rapidly heats up at the time of start-up, but the heating cell 4a is tightened by a tie rod 7 and a detachable nut 9 so The heating cell 4a can be easily detached from the battery 1 and can be easily replaced.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.

外部温度に影響を受け易い燃料電池に使用することが有効であり、例えば燃料電池車両などの利用することができる。 It is effective to be used for a fuel cell that is easily affected by an external temperature, and for example, a fuel cell vehicle can be used.

本発明の第１実施形態の燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell of 1st Embodiment of this invention. 本発明の単位セルの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the unit cell of this invention. 本発明の加熱セルの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the heating cell of this invention. 本発明の単位セルのセパレータと加熱セルのセパレータへの水素、空気供給を示す図である。It is a figure which shows hydrogen and air supply to the separator of the unit cell of this invention, and the separator of a heating cell. ガス拡散層の電気的抵抗値と単位セルに掛かる圧力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electrical resistance value of a gas diffusion layer, and the pressure concerning a unit cell. 絶縁板を集電板と加熱セル間に設けた場合の図である。It is a figure at the time of providing an insulating board between a current collection board and a heating cell. 加熱セルの電力を外部発熱体に供給する場合の概略構成図である。It is a schematic block diagram in the case of supplying the electric power of a heating cell to an external heat generating body. 本発明の第２実施形態の燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell of 2nd Embodiment of this invention. 図８の矢視Ａ図である。It is an arrow A figure of FIG. 本発明の第２実施形態のタイロッドの概略図である。It is the schematic of the tie rod of 2nd Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１燃料電池
２単位セル（第１単位セル）
３集電板
４加熱セル（第２単位セル）
１２セパレータ
２３アノードセパレータ
２４カソードセパレータ
３７水素反応領域
３８空気反応領域
４７水素反応領域
４８空気反応領域
５０スタック
５１加熱スタック
６２外部発熱体（電力消費手段）
７０水素供給マニホールド
７１空気供給マニホールド（酸化剤供給マニホールド） 1 Fuel cell 2 Unit cell (first unit cell)
3 Current collector plate 4 Heating cell (second unit cell)
12 Separator 23 Anode separator 24 Cathode separator 37 Hydrogen reaction region 38 Air reaction region 47 Hydrogen reaction region 48 Air reaction region 50 Stack 51 Heating stack 62 External heating element (power consumption means)
70 Hydrogen supply manifold 71 Air supply manifold (oxidant supply manifold)

Claims

A stack in which a plurality of first unit cells that generate power with hydrogen and an oxidant are stacked;
In the fuel cell comprising: electrodes for extracting power generated by the stack at both ends in the stacking direction of the first unit cell;
A fuel cell comprising: a heating stack having at least one second unit cell that generates power with hydrogen and an oxidant outside the electrode and heats both ends of the first unit cell in the stacking direction.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrogen or oxidant supplied to the heating stack is discharged hydrogen or discharged oxidant discharged from the stack.

3. The fuel cell according to claim 1, wherein a reaction area in which the second unit cell generates electric power is smaller than a reaction area in which the first unit cell generates electric power.

4. The fuel cell according to claim 1, wherein a heat generation amount of the second unit cell during power generation is larger than a heat generation amount of the first unit cell during power generation. 5.

The fuel cell according to claim 4, wherein an electrical resistance value of the second unit cell is larger than an electrical resistance value of the first unit cell.

5. The fuel cell according to claim 1, wherein the second unit cell is set so that startability at a low temperature is faster than that of the first unit cell.

A hydrogen supply manifold for introducing the hydrogen into the stack and an oxidant supply manifold for introducing the oxidant into the stack are arranged on one side of the stacking direction of the first unit cell,
7. The startability at a low temperature of the second unit cell on the side where the hydrogen supply manifold and the oxidant supply manifold are arranged is faster than that of the other second unit cell. A fuel cell according to any one of the above.

Tightening means for fastening the stack from both ends of the stack with a rod and a fastening member,
8. The fuel cell according to claim 7, wherein at least the fastening member on the side where the hydrogen supply manifold and the oxidant supply manifold are disposed is a fastening member that is detachable from the rod.

The catalyst loading amount of the second unit cell having a fast startability at a low temperature is larger than that of the second unit cell other than the first unit cell or the second unit cell having a fast startability at a low temperature. Item 9. The fuel cell according to any one of Items 6 to 8.

A power consuming means connected to the second unit cell and consuming power generated by the second unit cell;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the fuel cell is heated by heat generated when the power is consumed by the power consuming means.