JP2008153040A - Fuel cell, fuel cell system, and control method of fuel cell system - Google Patents

Fuel cell, fuel cell system, and control method of fuel cell system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell, a fuel cell system equipped with the fuel cell, and a control method of the fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell is at least provided with an electrolyte layer, an anode electrode as well as a cathode electrode opposed to each other pinching the electrolyte layer, a collector, and a separator. The collector has a laminated structure consisting of two or more layers containing at least a high-resistance layer forming one of the surfaces and a low-resistance layer with a resistance value lower than the high-resistance layer and forming the other surface, the collector and the anode electrode and/or the cathode electrode are in contact with each other directly or through a conductive member. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法に関し、特に、直接メタノール型の燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, and a control method for the fuel cell system, and more particularly, to a direct methanol fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, and a control method for the fuel cell system. About.

近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、単独の発電装置として高い発電効率と高いエネルギー密度とを有する点から、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノード極においてたとえば水素、メタノール等の還元剤を、カソード極においてたとえば空気中の酸素等の酸化剤を、それぞれ電気化学的に酸化・還元し、この酸化・還元反応を通じて発電する。   In recent years, as a power source for portable electronic devices that support the information society, there is an increasing expectation for a fuel cell because it has high power generation efficiency and high energy density as a single power generation device. The fuel cell electrochemically oxidizes and reduces a reducing agent such as hydrogen and methanol at the anode electrode and an oxidant such as oxygen in the air at the cathode electrode, and generates electricity through this oxidation and reduction reaction.

種々ある燃料電池の方式の中でも、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell、以下「DMFC」ともいう)においては、改質器が不要であり、また、ガス燃料に比べ体積エネルギー密度の高い液体メタノールを使用するために、水素に代表される高圧ガスのボンベを用いる場合に比べメタノール燃料容器を小さくすることが可能である。よって、小型機器用電源への応用、特に、携帯機器用の2次電池代替用途という観点でDMFCに注目が集まっている。   Among various fuel cell systems, a direct methanol fuel cell (hereinafter also referred to as “DMFC”) that generates electricity by directly extracting protons from methanol does not require a reformer, and Since liquid methanol having a higher volumetric energy density than gas fuel is used, the methanol fuel container can be made smaller than when a high-pressure gas cylinder represented by hydrogen is used. Therefore, DMFC has been attracting attention in terms of application to power supplies for small devices, particularly secondary battery replacement for portable devices.

また、DMFCの燃料は液体であるため、従来の燃料電池システムではデッドスペースとなっていた狭い婉曲空間部を燃料スペースとして使用することが可能であり、デザインの制約を受けずに、携帯用小型電子機器に利用可能であるというメリットを有する。   In addition, since the fuel of DMFC is liquid, it is possible to use a narrow curved space part, which was a dead space in the conventional fuel cell system, as a fuel space. It has the merit that it can be used for electronic equipment.

図21は、従来例の燃料電池の構造を示す断面図である。図21に示すように、燃料電池は、一般に、電解質層1をアノード電極2とカソード電極3とで挟んだ構造体(膜電極複合体、以下単にMEAとも称する)を、一対の導電性のセパレータ4で押さえつけて集電し、各々のセパレータにおいて、片方の側がアノード側に、他方の側がカソード側となるように、図21に示すように配置した直列のスタック構造とされ、各セルにアノード燃料流路8およびカソード燃料流路9が設けられ、さらに、スタック構造の最端部に、取り出し電極5、および必要に応じてヒーター7を備えてなるのが一般的である。上記のスタック構造は、セルの筐体6やエンドプレートで、スタック構造の両側からボルトやナットといった締結部材を用いて押さえつけられ、これにより接触抵抗が低減され、スタック構造が保たれている。   FIG. 21 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional fuel cell. As shown in FIG. 21, a fuel cell generally includes a structure (membrane electrode assembly, hereinafter simply referred to as MEA) in which an electrolyte layer 1 is sandwiched between an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 as a pair of conductive separators. In each separator, each of the separators has a serial stack structure arranged as shown in FIG. 21 so that one side is the anode side and the other side is the cathode side. Generally, a flow path 8 and a cathode fuel flow path 9 are provided, and an extraction electrode 5 and, if necessary, a heater 7 are generally provided at the end of the stack structure. The above-described stack structure is pressed by a casing 6 or an end plate of the cell using fastening members such as bolts and nuts from both sides of the stack structure, thereby reducing contact resistance and maintaining the stack structure.

一般的な固体高分子燃料電池においては、電解質層として、ナフィオン(登録商標)膜、スルホン化ポリイミド膜、無機固体高分子、無機−有機ハイブリッド高分子膜等の高分子膜を用い、電解質層の両面に電極をホットプレスにより一体化して貼り付け、更に触媒層の上に燃料を拡散させる拡散層(例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等)を貼り付けた構造になっている。電極としては、一般的には触媒金属担持カーボン粒子とイオン導電性の高分子バインダーとからなる触媒層、例えば、白金担持カーボンや白金−ルテニウム担持カーボン等とナフィオンバインダー等とからなる触媒層が用いられる。   In a general solid polymer fuel cell, a polymer film such as a Nafion (registered trademark) film, a sulfonated polyimide film, an inorganic solid polymer, or an inorganic-organic hybrid polymer film is used as an electrolyte layer. Electrodes are integrated and attached to both surfaces by hot pressing, and a diffusion layer (for example, carbon paper, carbon cloth, etc.) for diffusing fuel is attached to the catalyst layer. As the electrode, a catalyst layer generally composed of catalytic metal-supported carbon particles and an ion conductive polymer binder, for example, a catalyst layer composed of platinum-supported carbon or platinum-ruthenium-supported carbon and Nafion binder is used. It is done.

アノード極に、還元剤として、たとえば水素、メタノール等を供給し、カソード極には、酸化剤として、たとえば酸素等を、セパレータに備えられた流路から供給する。燃料電池においては、アノードおよびカソードの各電極で起こる酸化還元反応から電子を取り出し、直流の電気エネルギーとして利用する。電極で電子を授受し、かつ、集電して電子を流す構造体は、一般的に集電体と定義される。また、アノード極とカソード極とを分離する構造体は、一般的にセパレータと定義される。電解質層もセパレータに含まれる。   For example, hydrogen, methanol or the like is supplied as a reducing agent to the anode electrode, and oxygen or the like is supplied as an oxidizing agent to the cathode electrode from a flow path provided in the separator. In a fuel cell, electrons are taken out from the oxidation-reduction reaction that occurs at each of the anode and cathode electrodes and used as direct current electric energy. A structure that exchanges electrons with an electrode and collects and flows electrons is generally defined as a current collector. A structure that separates the anode and the cathode is generally defined as a separator. An electrolyte layer is also included in the separator.

従来、燃料電池においては、低温時に発電効率が著しく低下する問題がある。その原因としては、主に電解質層のイオン伝導度の低下、触媒活性の低下等が挙げられる。外気温が低温である場合、例えば、外気温が氷点下以下である場合には、特に起動時において所定の出力特性が得られるまでに時間がかかる。また、燃料電池の停止時に外気温が氷点下以下になると、燃料電池が劣化する問題がある。プロトンをキャリアーとする高分子電解質層において、プロトンの伝導度は高分子電解質層を構成する高分子中の陽イオン交換基の数に比例するため、該高分子電解質層には通常陽イオン交換基が大量に存在する。この陽イオン交換基は水分を吸着するので、高分子電解質層中には少なからず水分が存在する。氷点下では、この水分が凍結し、体積膨張を引き起こすため、燃料電池の劣化が引き起こされる。   Conventionally, in a fuel cell, there is a problem that power generation efficiency is significantly reduced at low temperatures. The cause is mainly a decrease in ionic conductivity of the electrolyte layer, a decrease in catalytic activity, and the like. When the outside air temperature is low, for example, when the outside air temperature is below the freezing point, it takes time until a predetermined output characteristic is obtained particularly at the time of startup. Further, there is a problem that the fuel cell deteriorates when the outside air temperature becomes below freezing point when the fuel cell is stopped. In a polymer electrolyte layer using proton as a carrier, the proton conductivity is proportional to the number of cation exchange groups in the polymer constituting the polymer electrolyte layer. There is a large amount. Since this cation exchange group adsorbs moisture, there is a considerable amount of moisture in the polymer electrolyte layer. Below the freezing point, this moisture freezes and causes volume expansion, which causes deterioration of the fuel cell.

上記のような問題への対応として、特許文献1に記載のように、燃料電池の外部負荷に電力を供給し、自己発熱により始動性を向上させる技術が提案されている。また、特許文献2に記載のように、PTCヒーターを備えた絶縁板で燃料電池のスタックを狭持し、加熱することで、始動性を向上させるとともに停止後の温度を保護させる技術や、特許文献3に記載のように、燃料電池を局所的にヒーターで加熱し、自己発熱を促進することで、始動性を向上させる技術も提案されている。また、特許文献4に記載のように、集電板の端部に高い抵抗値の部分を備え、端部のセルの温度を向上させる技術も提案されている。   As a countermeasure to the above problem, as described in Patent Document 1, a technique for supplying electric power to an external load of a fuel cell and improving startability by self-heating is proposed. In addition, as described in Patent Document 2, a fuel cell stack is sandwiched and heated by an insulating plate equipped with a PTC heater, thereby improving startability and protecting the temperature after stopping, Patent As described in Document 3, a technique for improving startability by locally heating a fuel cell with a heater and promoting self-heating is also proposed. Also, as described in Patent Document 4, a technique has been proposed in which a portion having a high resistance value is provided at the end of the current collector plate and the temperature of the cell at the end is improved.

燃料電池においては、始動時だけでなく定常動作時における発電効率の向上が求められており、発電効率の向上のためには、発電部であるMEA、すなわちアノード電極、カソード電極および電解質層の部分の温度を、材料の耐圧を超えない範囲で高温にすることが好ましい。一方、近年では燃料電池の小型化も求められている。しかし、上記のような従来の燃料電池セルおよびスタックにおいては、電極および電解質層の加熱効率の向上による始動性、発電効率の向上と、燃料電池の小型化を両立することは困難であるのが現状である。
特表2000−512068号公報 特開平5−89900公報 特開2002−313391号公報 特開2003−45462号公報
Fuel cells are required to improve power generation efficiency not only at start-up but also during steady operation. In order to improve power generation efficiency, the MEA that is the power generation unit, that is, the anode electrode, cathode electrode, and electrolyte layer portions It is preferable to raise the temperature of the material within a range not exceeding the pressure resistance of the material. On the other hand, in recent years, miniaturization of fuel cells is also required. However, in the conventional fuel cell and stack as described above, it is difficult to achieve both startability and power generation efficiency by improving the heating efficiency of the electrode and the electrolyte layer, and downsizing of the fuel cell. Currently.
JP 2000-512068 A JP-A-5-89900 JP 2002-313391 A JP 2003-45462 A

本発明は上記の課題を解決し、始動性および発電効率の向上と小型化とが可能な燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a fuel cell capable of improving startability and power generation efficiency and downsizing, a fuel cell system including the fuel cell, and a control method for the fuel cell system. To do.

本発明は、電解質層と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備え、集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む2以上の層からなる積層構造を有し、該集電体と該アノード電極および/または該カソード電極とが直接または導電部材を介して接してなる燃料電池に関する。   The present invention includes at least an electrolyte layer, an anode electrode and a cathode electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween, a current collector, and a separator, and the current collector includes a high resistance layer forming one surface, And a low-resistance layer having a lower resistance value than that of the high-resistance layer and forming the other surface, and a laminated structure comprising two or more layers, and the current collector, the anode electrode, and / or Alternatively, the present invention relates to a fuel cell in which the cathode electrode is in direct contact with or through a conductive member.

本発明の燃料電池は、アノード側の集電体、アノード電極、電解質層、カソード電極、カソード側の集電体、の順に積層された積層構造を有することが好ましい。   The fuel cell of the present invention preferably has a laminated structure in which an anode-side current collector, an anode electrode, an electrolyte layer, a cathode electrode, and a cathode-side current collector are laminated in this order.

また、本発明の燃料電池は、アノード電極、アノード側の集電体、電解質層、カソード側の集電体、カソード電極、の順に積層された積層構造を有することが好ましい。   The fuel cell of the present invention preferably has a laminated structure in which an anode electrode, an anode current collector, an electrolyte layer, a cathode current collector, and a cathode electrode are laminated in this order.

本発明においては、集電体の低抵抗層がアノード電極および/またはカソード電極と直接または導電部材を介して接していることが好ましい。   In the present invention, the low resistance layer of the current collector is preferably in contact with the anode electrode and / or the cathode electrode directly or through a conductive member.

本発明において、集電体のうち低抵抗層以外の層は、低抵抗層のみを介してアノード電極またはカソード電極と電気的に接続されることが好ましい。   In the present invention, the layers other than the low resistance layer in the current collector are preferably electrically connected to the anode electrode or the cathode electrode only through the low resistance layer.

本発明において、集電体を構成する2以上の層は、アノード電極またはカソード電極が形成されている領域において互いに絶縁層のみを介して積層されており、アノード電極またはカソード電極が形成されていない領域の少なくとも一部において電気的に接続されていることが好ましい。   In the present invention, two or more layers constituting the current collector are laminated with each other through only an insulating layer in a region where the anode electrode or cathode electrode is formed, and the anode electrode or cathode electrode is not formed. It is preferable that at least a part of the region is electrically connected.

本発明においては、集電体を構成する各々の層が、電流を取り出すための取り出し部を有することが好ましい。   In the present invention, each layer constituting the current collector preferably has a take-out portion for taking out current.

本発明においては、集電体は電解質層とアノード電極および/またはカソード電極との間に形成され、集電体のうち低抵抗層以外の層は、アノード電極および/またはカソード電極が形成されている領域において絶縁層で覆われていることが好ましい。   In the present invention, the current collector is formed between the electrolyte layer and the anode electrode and / or the cathode electrode, and layers other than the low resistance layer of the current collector are formed with the anode electrode and / or the cathode electrode. It is preferable that the region is covered with an insulating layer.

本発明において、絶縁層は多孔質体からなることが好ましい。
本発明において、絶縁層と電解質層とが接合されることによって集電体と電解質層とが一体化されていることが好ましい。
In the present invention, the insulating layer is preferably made of a porous body.
In the present invention, it is preferable that the current collector and the electrolyte layer are integrated by joining the insulating layer and the electrolyte layer.

本発明においては、絶縁層が電解質材料からなることが好ましい。
本発明の燃料電池は、ヒーターをさらに備えることが好ましい。
In the present invention, the insulating layer is preferably made of an electrolyte material.
The fuel cell of the present invention preferably further includes a heater.

本発明はまた、負荷を駆動させるための燃料電池システムであって、上述のいずれかの燃料電池と、集電体を構成する2以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、燃料電池のアノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するための温度センサーと、温度センサーの検知結果に基づいてスイッチ部を制御するための制御部と、を備える、燃料電池システムに関する。   The present invention is also a fuel cell system for driving a load, wherein any one of the above-described fuel cells and a switch unit for controlling the presence or absence of energization to two or more layers constituting the current collector A temperature sensor for detecting at least one of the temperature of the anode and / or cathode electrode of the fuel cell and the outside air temperature, and a control unit for controlling the switch unit based on the detection result of the temperature sensor, The present invention relates to a fuel cell system.

本発明はまた、負荷を駆動させるための燃料電池システムであって、上述のいずれかの燃料電池と、集電体を構成する2以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、燃料電池の出力電流および/または出力電圧を検知するためのモニター部と、モニター部の検知結果に基づいてスイッチ部を制御するための制御部と、を備える、燃料電池システムに関する。   The present invention is also a fuel cell system for driving a load, wherein any one of the above-described fuel cells and a switch unit for controlling the presence or absence of energization to two or more layers constituting the current collector And a monitor unit for detecting the output current and / or output voltage of the fuel cell, and a control unit for controlling the switch unit based on the detection result of the monitor unit.

本発明の燃料電池システムにおいて、集電体は、燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、アノード側およびカソード側の集電体は高抵抗層と低抵抗層とからなり、
スイッチ部は、負荷とアノード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第1および第2のスイッチ素子と、負荷とカソード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第3および第4のスイッチ素子とを含むことが好ましい。
In the fuel cell system of the present invention, the current collector is provided on the anode side and the cathode side of the fuel cell, and the current collector on the anode side and the cathode side includes a high resistance layer and a low resistance layer,
The switch unit includes first and second switch elements for electrically connecting the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the anode side, and the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the cathode side. It is preferable to include a third and a fourth switch element for electrical connection.

本発明の燃料電池システムは、蓄電装置と該蓄電装置の充放電回路をさらに備えることが好ましい。   The fuel cell system of the present invention preferably further includes a power storage device and a charge / discharge circuit for the power storage device.

本発明はまた、上述の燃料電池システムの制御方法であって、温度センサーにより燃料電池のアノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するステップと、検知結果に基づいて、制御部によりスイッチ部を制御して集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、を備え、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention is also a control method of the above-described fuel cell system, wherein the temperature sensor detects at least one of the temperature of the anode and / or cathode electrode of the fuel cell and the outside air temperature, and based on the detection result. And a step of controlling the switch unit by the control unit to energize a layer other than the low resistance layer in the current collector, and by passing a current through the layer other than the low resistance layer, the anode electrode and / or the cathode electrode The present invention relates to a control method of a fuel cell system for increasing temperature.

上記の通電するステップにおいては、検知結果に基づいて、アノード電極および/もしくはカソード電極の温度または外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に集電体における低抵抗層以外の層に通電することが好ましい。   In the energizing step, energizing layers other than the low resistance layer in the current collector when the temperature of the anode electrode and / or cathode electrode or the outside air temperature is lower than a predetermined temperature based on the detection result. Is preferred.

本発明はまた、上記の検知するステップにおいて、アノード電極およびカソード電極の温度を検知し、通電するステップにおいて、検知結果に基づいて、カソード電極の温度からアノード電極の温度を引いた温度差があらかじめ設定された所定値より低い時に集電体における低抵抗層以外の層に通電する、燃料電池システムの制御方法に関する。   According to the present invention, the temperature difference obtained by subtracting the temperature of the anode electrode from the temperature of the cathode electrode based on the detection result is detected in advance in the step of detecting and detecting the temperature of the anode electrode and the cathode electrode in the detecting step. The present invention relates to a control method for a fuel cell system in which a current other than a low resistance layer in a current collector is energized when lower than a predetermined value.

本発明はまた、上述の燃料電池システムの制御方法であって、モニター部により燃料電池の出力電流および/または出力電圧を検知するステップと、検知結果に基づいて、出力電流および/または出力電圧があらかじめ設定された所定値より低い時に、制御部によりスイッチ部を制御して集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、を備え、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention is also a control method for the fuel cell system described above, wherein the monitor unit detects the output current and / or output voltage of the fuel cell, and the output current and / or output voltage is determined based on the detection result. By controlling the switch unit by the control unit and energizing a layer other than the low-resistance layer in the current collector when lower than a predetermined value set in advance, and by passing a current through the layer other than the low-resistance layer The present invention relates to a method for controlling a fuel cell system, which raises the temperature of an anode electrode and / or a cathode electrode.

本発明の燃料電池システムの制御方法においては、集電体が、燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、アノード側およびカソード側の集電体は高抵抗層と低抵抗層とからなり、スイッチ部は、負荷とアノード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第1および第2のスイッチ素子と、負荷とカソード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第3および第4のスイッチ素子と、を含み、通電するステップにおける高抵抗層への通電を、第1および第3のスイッチ素子を導通することにより行なうことが好ましい。   In the control method of the fuel cell system of the present invention, current collectors are provided on the anode side and the cathode side of the fuel cell, and the current collectors on the anode side and the cathode side are composed of a high resistance layer and a low resistance layer, The switch unit includes first and second switch elements for electrically connecting the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the anode side, and the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the cathode side. And electrically conducting the high resistance layer in the energizing step by conducting the first and third switch elements, respectively. .

本発明によれば、向上した始動性および発電効率を有しかつ小型化が可能な燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell having improved startability and power generation efficiency and capable of being downsized, a fuel cell system including the fuel cell, and a control method for the fuel cell system.

本発明の燃料電池は、電解質層と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備える。また本発明の燃料電池に設けられる集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む2以上の層からなる積層構造を有し、集電体と該アノード電極および/または該カソード電極とが直接または導電部材を介して接している。なお本発明の以下の記載においては、特記しない限り「アノード電極および/またはカソード電極」を単に「電極」とも称する。   The fuel cell of the present invention includes at least an electrolyte layer, an anode electrode and a cathode electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween, a current collector, and a separator. Further, the current collector provided in the fuel cell of the present invention comprises a high resistance layer forming one surface, and a low resistance layer having a lower resistance value than the high resistance layer and forming the other surface. It has a laminated structure composed of at least two layers including at least a current collector, and the anode electrode and / or the cathode electrode are in direct contact with each other through a conductive member. In the following description of the present invention, the “anode electrode and / or cathode electrode” is also simply referred to as “electrode” unless otherwise specified.

集電体の高抵抗層に電流を流した場合には、抵抗損失によって集電体自体を発熱させ、燃料電池を加熱することができる。一方、集電体の低抵抗層は燃料電池から発生した電流を電極から集電する取り出し電極としての機能に優れる。高抵抗層と低抵抗層とを少なくとも含む集電体を備える本発明の燃料電池においては、たとえば回路のスイッチの切替えによって、高抵抗層および低抵抗層のいずれか、または両方に電流を流すような設定を簡便に行なうことができる。よって、たとえば外気温度の低下時や燃料電池の始動時等には、高抵抗層に電流を流すことによって速やかに燃料電池の特に電極および電解質層の近傍の温度を上昇させ、通常の運転時には、低抵抗層に電流が流れるようにして該抵抗層を電極からの集電に用いることにより、優れた始動性と発電効率とを得ることが可能となる。   When a current is passed through the high resistance layer of the current collector, the current collector itself can generate heat due to resistance loss, and the fuel cell can be heated. On the other hand, the low resistance layer of the current collector is excellent in function as an extraction electrode that collects current generated from the fuel cell from the electrode. In the fuel cell of the present invention having a current collector including at least a high resistance layer and a low resistance layer, for example, by switching a circuit, a current is allowed to flow in either or both of the high resistance layer and the low resistance layer. Can be easily set. Therefore, for example, when the outside air temperature decreases or when the fuel cell starts, the temperature of the fuel cell, particularly in the vicinity of the electrode and the electrolyte layer, is quickly increased by passing a current through the high resistance layer. During normal operation, By using the resistance layer for current collection from the electrode so that a current flows through the low resistance layer, it is possible to obtain excellent startability and power generation efficiency.

また、本発明においては、取り出し電極として機能する集電体を発熱体としても用いるため、燃料電池の構造の簡略化が可能であり、より小型の燃料電池を得ることが可能になる。   In the present invention, since the current collector functioning as the extraction electrode is also used as the heating element, the structure of the fuel cell can be simplified, and a smaller fuel cell can be obtained.

すなわち、たとえば電熱線に代表されるヒーターは、一般に電圧を印加して電流を流し、抵抗損失で発熱させるため、このようなヒーターを電極に直接接触させると、電極に電圧が印加されてしまう。またヒーターを設けるために燃料電池が大型化する場合もある。一方、化学反応や、半導体素子の熱など、外部の熱を利用する場合も、熱を導くための伝導体によりセル内部構造が複雑になり、セルが大きくなってしまう。これに対して、本発明の燃料電池の構成によれば、集電体自体を発熱させることにより、簡便かつ小型な構成でMEAを効率良く加熱することが可能である。   That is, for example, a heater typified by a heating wire generally applies a voltage to cause a current to flow and generates heat due to resistance loss. Therefore, when such a heater is brought into direct contact with the electrode, a voltage is applied to the electrode. In addition, the fuel cell may be enlarged to provide a heater. On the other hand, when external heat such as a chemical reaction or heat of a semiconductor element is used, the internal structure of the cell is complicated by the conductor for guiding the heat, and the cell becomes large. On the other hand, according to the configuration of the fuel cell of the present invention, it is possible to efficiently heat the MEA with a simple and small configuration by causing the current collector itself to generate heat.

本発明において、集電体と電極とは、直接または導電部材を介して接するように形成される。すなわち、電極および電解質層と集電体との距離が比較的近いという特徴を有する。また、集電体は燃料電池の取り出し電極として機能するものであって導電性の材質からなる。導電性が高い材質は一般に熱抵抗も低いため、本発明においては、集電体が低い熱抵抗で電極と繋がっていることとなり、たとえばヒーター等で加熱する場合と比べて、電極および電解質層への伝熱効率が著しく優れる。   In the present invention, the current collector and the electrode are formed so as to be in contact directly or via a conductive member. That is, it has the characteristic that the distance between the electrode and the electrolyte layer and the current collector is relatively short. The current collector functions as an extraction electrode for the fuel cell and is made of a conductive material. Since a material having high conductivity generally has a low thermal resistance, in the present invention, the current collector is connected to the electrode with a low thermal resistance. For example, as compared with the case of heating with a heater or the like, the electrode and the electrolyte layer are connected. The heat transfer efficiency is extremely excellent.

なお本発明の燃料電池の起動時において、集電体に通電するための電流を燃料電池から確保できない場合には、二次電池あるいはキャパシタ等の外部電源から電流を集電体に流し、電極および電解質層を瞬時に昇温させることで、燃料電池を早期に起動させて、燃料電池から出力電力を取り出すことができる。   In addition, when the current for energizing the current collector cannot be secured from the fuel cell at the time of starting the fuel cell of the present invention, a current is passed from the external power source such as a secondary battery or a capacitor to the current collector, By raising the temperature of the electrolyte layer instantaneously, the fuel cell can be started early and output power can be taken out from the fuel cell.

図1および図2は、本発明の燃料電池において複数のセルを接続する構成の例を示す断面図である。燃料電池100,200は、電解質層101と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極102aおよびカソード電極102bと、集電体103,104,105と、セパレータ106とを備える。集電体103,104,105は、アノード電極102aおよびカソード電極102bに接するように形成されている。燃料電池100にはまた、アノード燃料流路107a、カソード燃料流路107b、さらに、ヒーター109a,109bが設けられている。集電体103,104,105は2以上の層からなる積層構造を有するが、図1および図2においては簡略化して図示している。なお本発明において同一の参照符号が付されている部位は同様の機能を有するため、各図面について説明を繰り返さない。   1 and 2 are cross-sectional views showing an example of a configuration in which a plurality of cells are connected in the fuel cell of the present invention. The fuel cells 100 and 200 include an electrolyte layer 101, an anode electrode 102a and a cathode electrode 102b facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween, current collectors 103, 104, and 105, and a separator 106. The current collectors 103, 104, and 105 are formed so as to be in contact with the anode electrode 102a and the cathode electrode 102b. The fuel cell 100 is also provided with an anode fuel channel 107a, a cathode fuel channel 107b, and heaters 109a and 109b. The current collectors 103, 104, and 105 have a laminated structure including two or more layers, but are simplified in FIGS. In addition, since the site | part to which the same referential mark is attached | subjected in this invention has the same function, description is not repeated about each drawing.

図1においては、燃料電池が絶縁性のセパレータ106を備え、セルが直列接続で、層厚方向にスタックされた構造を表している。図2においては、セルが平面方向に縦横にスタックされた構造を表している。図1,2においては、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む2以上の層からなる積層構造をもつ集電体がアノード側およびカソード側の両方に設けられる場合について示している。しかし本発明においては、アノード側、カソード側の少なくとも一方に上記特徴をもつ集電体が設けられていれば良い。   FIG. 1 shows a structure in which a fuel cell includes an insulating separator 106, cells are connected in series, and are stacked in the layer thickness direction. FIG. 2 shows a structure in which cells are stacked vertically and horizontally in a plane direction. 1 and 2, from two or more layers including at least a high resistance layer forming one surface and a low resistance layer having a lower resistance value than the high resistance layer and forming the other surface. The case where the current collector having the laminated structure is provided on both the anode side and the cathode side is shown. However, in the present invention, it suffices if a current collector having the above characteristics is provided on at least one of the anode side and the cathode side.

本発明の燃料電池は、図1に示すように、集電体103,104,105の外側に、拡散層108a,108bをさらに備えても良い。なお本発明において、拡散層は、本発明における導電部材として集電体と電極との間に形成されても良い。   As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention may further include diffusion layers 108 a and 108 b outside the current collectors 103, 104, and 105. In the present invention, the diffusion layer may be formed between the current collector and the electrode as the conductive member in the present invention.

本発明の燃料電池は、燃料電池の単位セルが層厚方向に複数スタックされた図1のような構造を有しても良いし、単位セルが平面方向の縦横それぞれに複数スタックされた図2のような構造を有しても良く、公知のスタック構造の態様を採用できる。   The fuel cell of the present invention may have a structure as shown in FIG. 1 in which a plurality of unit cells of the fuel cell are stacked in the layer thickness direction, or FIG. 2 in which a plurality of unit cells are stacked vertically and horizontally in the plane direction. A known stack structure may be employed.

本発明の燃料電池がスタック構造を有する場合、高抵抗層と低抵抗層とを少なくとも含む2以上の層からなる集電体を、単位セルの全てに設けても良く、スタック構造の両端をなす単位セルにのみ設けても良い。また、スタック構造における単位セルに対して1つおき、2つおき等の周期で該集電体を設けても良い。図2に示すような平面状のスタック構造においては、スタック構造の周縁部を形成する単位セル、特にスタック構造の四隅を形成する単位セルに該集電体を設けることが好ましい。   When the fuel cell of the present invention has a stack structure, a current collector composed of two or more layers including at least a high resistance layer and a low resistance layer may be provided in all of the unit cells and forms both ends of the stack structure. You may provide only in a unit cell. Further, the current collector may be provided at intervals of every other unit cell in the stack structure. In the planar stack structure as shown in FIG. 2, the current collector is preferably provided in a unit cell that forms the peripheral edge of the stack structure, particularly in a unit cell that forms four corners of the stack structure.

単位セルの全てに該集電体を設ける場合、電極および電解質層の加熱をより均一かつ高効率で行なうことができる。   When the current collector is provided in all the unit cells, the electrodes and the electrolyte layer can be heated more uniformly and efficiently.

また、単位セルの一部のみに、たとえば上記のような態様で該集電体を設ける場合、電極および電解質層の加熱を比較的均一かつ高効率で行なうことができるとともに、発熱のための電力消費を低く抑え、燃料電池の発電効率をより良好にすることができる。   In addition, when the current collector is provided only in a part of the unit cell, for example, in the above-described manner, the electrodes and the electrolyte layer can be heated relatively uniformly and with high efficiency, and power for heat generation can be obtained. Consumption can be kept low, and the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

なお、本発明の燃料電池は、本発明の効果を損なわない範囲でヒーターをさらに備えても良い。この場合、本発明において形成される集電体との組み合わせにより、電極および電解質層の加熱をより迅速に行なうことができる。この場合、ヒーターは、セパレータで囲まれたセルの内部、すなわち燃料電池の単位セル内に設けられることが加熱効率の点で好ましく、具体的には、集電体と絶縁した状態で、電極とセパレータとの間、または電極の内部、または電極とセパレータとの両者に隣接するように設けることが好ましい。   The fuel cell of the present invention may further include a heater as long as the effects of the present invention are not impaired. In this case, the electrode and the electrolyte layer can be heated more rapidly by the combination with the current collector formed in the present invention. In this case, the heater is preferably provided in the cell surrounded by the separator, that is, in the unit cell of the fuel cell in terms of heating efficiency. Specifically, the heater is insulated from the current collector, It is preferable to provide between the separators, inside the electrodes, or adjacent to both the electrodes and the separators.

本発明において、集電体とアノード電極および/またはカソード電極とが直接接している場合、集電体から電極への熱伝導が特に良好であり、効率的に電極および電解質層を昇温させることが可能である点で好ましい。図1においては、アノード電極102a,カソード電極102bのそれぞれに、集電体103,104,105が直接接する場合について示している。   In the present invention, when the current collector is in direct contact with the anode electrode and / or the cathode electrode, the heat conduction from the current collector to the electrode is particularly good, and the temperature of the electrode and the electrolyte layer can be increased efficiently. Is preferable in that it is possible. FIG. 1 shows a case where current collectors 103, 104, and 105 are in direct contact with anode electrode 102a and cathode electrode 102b, respectively.

一方本発明においては、集電体とアノード電極および/またはカソード電極との間に導電部材が介在しても良い。導電部材としては、たとえばカーボン等からなる拡散層等が例示できる。拡散層は、アノード極においては集電体とアノード電極との間での燃料の供給、および二酸化炭素の排出の機能を果たす。また、カソード極では集電体とカソード電極との間での酸素に代表される酸化剤の供給、および生成水の排出の機能を果たす。   On the other hand, in the present invention, a conductive member may be interposed between the current collector and the anode electrode and / or the cathode electrode. Examples of the conductive member include a diffusion layer made of carbon or the like. The diffusion layer functions to supply fuel and discharge carbon dioxide between the current collector and the anode electrode at the anode electrode. Further, the cathode electrode functions to supply an oxidant represented by oxygen between the current collector and the cathode electrode and to discharge generated water.

本発明の燃料電池は、たとえば図1および図2に示すように、アノード側の集電体、アノード電極、電解質層、カソード電極、カソード側の集電体、の順に積層された積層構造を有することが好ましい。この場合、集電体と電極とが接しているため、集電体から電極への熱伝導が良く、外部に発散される熱が少ないため、少ない消費電力で電極、電解質層を昇温させることが出来る。これにより、燃料電池の始動性を高め、イオン伝導度の向上、触媒活性の向上によって発電効率を向上させることができる。また、電極近傍の温度が上がることにより、燃料、空気、副生成物および種々イオンの拡散係数が上がるため、各物質の拡散抵抗の減少によりエネルギー密度が向上し、さらに発電効率を向上させることができる。   1 and 2, for example, the fuel cell of the present invention has a laminated structure in which an anode-side current collector, an anode electrode, an electrolyte layer, a cathode electrode, and a cathode-side current collector are laminated in this order. It is preferable. In this case, since the current collector is in contact with the electrode, the heat conduction from the current collector to the electrode is good, and the heat dissipated to the outside is small, so that the temperature of the electrode and electrolyte layer can be raised with low power consumption I can do it. Thereby, the startability of the fuel cell can be improved, and the power generation efficiency can be improved by improving ion conductivity and catalytic activity. Moreover, since the diffusion coefficient of fuel, air, by-products and various ions increases as the temperature in the vicinity of the electrode increases, the energy density can be improved by reducing the diffusion resistance of each substance, and the power generation efficiency can be further improved. it can.

また、本発明の燃料電池が、アノード電極、アノード側の集電体、電解質層、カソード側の集電体、カソード電極、の順に積層された積層構造を有することも好ましい。この場合、集電体が電極と電解質層との間に位置するため、効率的に電極および電解質層を昇温することが可能である。また、集電体が電極と電解質層とに挟まれることにより、集電体と電極および電解質層との接着力がより良好になり、密着性の一層の向上および接触抵抗の一層の低減が可能である。   The fuel cell of the present invention preferably has a laminated structure in which an anode electrode, an anode current collector, an electrolyte layer, a cathode current collector, and a cathode electrode are laminated in this order. In this case, since the current collector is located between the electrode and the electrolyte layer, it is possible to efficiently raise the temperature of the electrode and the electrolyte layer. In addition, since the current collector is sandwiched between the electrode and the electrolyte layer, the adhesive force between the current collector, the electrode and the electrolyte layer is improved, and the adhesion can be further improved and the contact resistance can be further reduced. It is.

本発明においては、集電体のうち低抵抗層がアノード電極および/またはカソード電極と直接または導電部材を介して接していることによって、該低抵抗層で集電することが好ましい。この場合、外部の機器に燃料電池から電力を供給する際の、抵抗による発熱の損失を低減し、効率的に電力を取り出すことができる。また、集電体に電流が流れた時には、抵抗による電圧降下が生じ、電極表面に電位分布や出力電流密度のムラが生じるため、局所的に電極内の触媒に負荷がかかって触媒が劣化するという問題があるが、低抵抗層の部分で集電する場合には抵抗による電圧降下を防止できるため、触媒の劣化を良好に防止できる。   In the present invention, it is preferable that the low-resistance layer of the current collector is in contact with the anode electrode and / or the cathode electrode directly or through a conductive member to collect current at the low-resistance layer. In this case, loss of heat generated by resistance when supplying power from the fuel cell to an external device can be reduced, and power can be efficiently extracted. In addition, when a current flows through the current collector, a voltage drop due to resistance occurs, and unevenness in potential distribution and output current density occurs on the electrode surface, so the catalyst in the electrode is locally loaded and the catalyst deteriorates. However, when the current is collected in the low resistance layer portion, the voltage drop due to the resistance can be prevented, so that the deterioration of the catalyst can be satisfactorily prevented.

本発明においては、集電体のうち低抵抗層以外の層が、アノード電極またはカソード電極と絶縁されるように設けられても良いが、集電体のうち低抵抗層以外の層が、低抵抗層のみを介してアノード電極またはカソード電極と電気的に接続されることが好ましい。この場合、低抵抗層以外の層に電流を流した時に生じる熱を、低抵抗層を介して出来るだけ近距離で電極に供給することが出来る。また、低抵抗層よりも高抵抗の層の部分に電流を流した時に生じる電圧降下による電位分布を電極に印加してしまう事を防ぎ、電極内の触媒の劣化を良好に防ぐことが出来る。   In the present invention, layers other than the low resistance layer of the current collector may be provided so as to be insulated from the anode electrode or the cathode electrode, but layers other than the low resistance layer of the current collector are low. It is preferable to be electrically connected to the anode electrode or the cathode electrode only through the resistance layer. In this case, heat generated when a current is passed through a layer other than the low resistance layer can be supplied to the electrode as close as possible through the low resistance layer. Further, it is possible to prevent a potential distribution due to a voltage drop generated when a current is passed through the portion of the layer having a higher resistance than the low resistance layer from being applied to the electrode, and to prevent deterioration of the catalyst in the electrode.

本発明においては、集電体のうち低抵抗層以外の層がたとえば絶縁層で覆われることにより、電極が形成されている領域において集電体の各層が絶縁層のみを介して積層されるとともに、電極が形成されていない領域の少なくとも一部において、低抵抗層以外の層が低抵抗層のみを介してアノード電極またはカソード電極と電気的に接続されることも好ましい。この場合、電極内の触媒の劣化を良好に防ぐことができる。   In the present invention, the layers other than the low resistance layer of the current collector are covered with, for example, an insulating layer, so that each layer of the current collector is laminated only through the insulating layer in the region where the electrode is formed. In at least a part of the region where the electrode is not formed, it is also preferable that layers other than the low resistance layer are electrically connected to the anode electrode or the cathode electrode only through the low resistance layer. In this case, deterioration of the catalyst in the electrode can be satisfactorily prevented.

またこの場合、集電体を構成する各々の層に電流の取り出し部(すなわち取り出し端子)を設けることが好ましく、これにより、低抵抗層のみならず低抵抗層以外の層も取り出し電極として用いることができる。なおこの場合、電極と集電体との接続部分の中点を挟んで低抵抗層以外の層と低抵抗層との接続部と対向するように該取り出し部を設けることが好ましく、特に、電極と集電体との接続部分以外の領域に該取り出し部を設けることが好ましい。これにより、電極と集電体の低抵抗層以外の層とが直接接触しない構成を確実に形成できる。   In this case, it is preferable to provide a current extraction portion (ie, an extraction terminal) in each layer constituting the current collector, so that not only the low resistance layer but also a layer other than the low resistance layer can be used as the extraction electrode. Can do. In this case, it is preferable to provide the extraction portion so as to face the connection portion between the layer other than the low resistance layer and the low resistance layer with the middle point of the connection portion between the electrode and the current collector interposed therebetween. It is preferable to provide the extraction portion in a region other than the connection portion between the electrode and the current collector. Thereby, the structure which a layer other than the low resistance layer of an electrical power collector and a collector does not contact directly can be formed reliably.

また、集電体が電解質層と電極との間に形成され、電極が形成されている領域において集電体のうち低抵抗層以外の層が絶縁層で覆われていることも好ましい。この場合も電極内の触媒の劣化を特に良好に防ぐことができる。   It is also preferable that the current collector is formed between the electrolyte layer and the electrode, and in the region where the electrode is formed, a layer other than the low resistance layer of the current collector is covered with an insulating layer. Also in this case, deterioration of the catalyst in the electrode can be prevented particularly well.

低抵抗層以外の層が低抵抗層のみを介して電極と電気的に接続される場合、集電体の低抵抗層以外の層に電流を流すことによる燃料電池の加熱は、低抵抗層以外の層に電流が流れるように回路の切り替えを行なった後、燃料電池の出力端子を短絡させることにより簡単に行なうことができる。燃料電池の出力端子が短絡しても、低抵抗層以外の層の存在により、各燃料電池セルのアノード極とカソード極との電位差が0付近になることがなく、過剰な過電圧が触媒にかからず、触媒が劣化しないという利点がある。なお、低抵抗層以外の層の抵抗値は、短絡時に流れる出力電流が、電極の過電圧で触媒が劣化せず、かつ電極および電解質の加熱のために十分な出力電流が流れるような値となるように選定することが好ましい。   When a layer other than the low resistance layer is electrically connected to the electrode only through the low resistance layer, heating of the fuel cell by flowing current through the layer other than the low resistance layer of the current collector After switching the circuit so that a current flows through this layer, the output terminal of the fuel cell can be short-circuited. Even if the output terminal of the fuel cell is short-circuited, the potential difference between the anode and cathode of each fuel cell does not become close to 0 due to the presence of layers other than the low resistance layer, and excessive overvoltage is applied to the catalyst. Therefore, there is an advantage that the catalyst does not deteriorate. Note that the resistance value of the layers other than the low resistance layer is such that the output current that flows at the time of a short circuit does not deteriorate the catalyst due to the overvoltage of the electrode, and a sufficient output current flows for heating the electrode and the electrolyte. It is preferable to select as follows.

本発明においては、集電体の抵抗値が平面方向において一様(すなわち均一)であることが好ましい。この場合電流の流れが均一となって、集電体における発熱が均一となる。これにより、電極および電解質層の加熱を均一に行なって、電極における触媒能および電解質層におけるイオン伝導度の局所的な向上を防止し、電極の出力電流のムラや電位分布を防止できるため、局所的な温度の上昇による電解質層や触媒の劣化を良好に防止できる。   In the present invention, the resistance value of the current collector is preferably uniform (that is, uniform) in the planar direction. In this case, the current flow becomes uniform, and the heat generation in the current collector becomes uniform. As a result, heating of the electrode and the electrolyte layer can be performed uniformly to prevent local improvement in the catalytic ability of the electrode and the ionic conductivity in the electrolyte layer, and unevenness of the output current of the electrode and potential distribution can be prevented. Deterioration of the electrolyte layer and the catalyst due to a typical temperature rise can be satisfactorily prevented.

以下、本発明の燃料電池の構造のより詳細な例について、直接メタノール型燃料電池を例に図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、以下では、アノードの燃料に3mol/Lの所定濃度のメタノール水溶液を用い、カソードには空気中の酸素を用いる、いわゆるダイレクトメタノール(直接メタノール方式)燃料電池の場合を例に説明する。   Hereinafter, a more detailed example of the structure of the fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings by taking a direct methanol fuel cell as an example, but the present invention is not limited to this. In the following, a case of a so-called direct methanol (direct methanol type) fuel cell in which an aqueous methanol solution having a predetermined concentration of 3 mol / L is used for the anode fuel and oxygen in the air is used for the cathode will be described as an example.

<電解質層>
電解質層は、従来公知の適宜の高分子膜、無機膜またはコンポジット膜にて形成されることができる。高分子膜としては、たとえば、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製)、ダウ膜(ダウ・ケミカル社)、アシプレックス(旭化成社製)、フレミオン(旭硝子社製)等のパーフルオロスルホン酸系電解質層、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質層、等が挙げられる。無機膜としては、たとえば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。また、コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜(ゴア社製)や細孔フィリング電解質層等が挙げられる。
<Electrolyte layer>
The electrolyte layer can be formed of a conventionally known appropriate polymer film, inorganic film, or composite film. Examples of the polymer membrane include perfluorosulfonic acid electrolytes such as Nafion (registered trademark) (DuPont), Dow membrane (Dow Chemical), Aciplex (Asahi Kasei) and Flemion (Asahi Glass). Examples thereof include hydrocarbon electrolyte layers such as layers, polystyrene sulfonic acid, and sulfonated polyether ether ketone. Examples of the inorganic film include phosphate glass, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, and the like. Examples of the composite membrane include a Gore Select membrane (manufactured by Gore) and a pore filling electrolyte layer.

電解質層のプロトン導伝率は、10-5S/cm以上であることが好ましく、10-3S/cm以上であることがより好ましい。プロトン導伝率が10-3S/cm以上である電解質層は、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマー等の高分子電解質層によって形成できる。 The proton conductivity of the electrolyte layer is preferably 10 −5 S / cm or more, and more preferably 10 −3 S / cm or more. The electrolyte layer having a proton conductivity of 10 −3 S / cm or more can be formed by a polymer electrolyte layer such as a perfluorosulfonic acid polymer or a hydrocarbon polymer.

<アノード電極,カソード電極>
本発明において、アノード電極とは、外部から供給された物質が化学反応を起こし、プロトンと電子とを生成する部位を意味し、カソード電極とは、外部から供給された物質がプロトンと電子とを取り込み、化学反応を起こし、水を生成する部位を意味する。アノード電極およびカソード電極は、典型的には、アノード触媒層およびカソード触媒層によって構成される。
<Anode electrode and cathode electrode>
In the present invention, the anode electrode means a site where a substance supplied from the outside causes a chemical reaction to generate protons and electrons, and the cathode electrode means a substance supplied from the outside that converts protons and electrons. It means a site that takes up, causes a chemical reaction, and produces water. The anode electrode and the cathode electrode are typically constituted by an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer.

アノード電極は、典型的には、アノード触媒粒子を担持した炭素粒子と固体高分子電解質とを含むアノード触媒層から構成されることができる。また、カソード電極は、典型的には、カソード触媒粒子を担持した炭素粒子と固体高分子電解質とを含むカソード触媒層から構成されることができる。アノード電極において、アノード触媒粒子はメタノールから二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する機能を有し、固体高分子電解質は、上記で生成したプロトンを電解質層へ伝導する機能を有す。炭素粒子は、上記で生成した電子をアノード集電体へ導電する機能を有する。カソード電極において、カソード触媒粒子は、酸素とプロトンと電子とから水を生成する機能を有し、固体高分子電解質は、電解質層からカソード触媒粒子近傍にプロトンを伝導する機能を有し、炭素粒子は、カソード触媒粒子近傍にカソード導電層から電子を導電する機能を有する。   The anode electrode can typically be composed of an anode catalyst layer including carbon particles supporting anode catalyst particles and a solid polymer electrolyte. In addition, the cathode electrode can typically be composed of a cathode catalyst layer including carbon particles supporting cathode catalyst particles and a solid polymer electrolyte. In the anode electrode, the anode catalyst particles have a function of generating carbon dioxide, protons, and electrons from methanol, and the solid polymer electrolyte has a function of conducting the protons generated above to the electrolyte layer. The carbon particles have a function of conducting the electrons generated above to the anode current collector. In the cathode electrode, the cathode catalyst particles have a function of generating water from oxygen, protons, and electrons, and the solid polymer electrolyte has a function of conducting protons from the electrolyte layer to the vicinity of the cathode catalyst particles. Has a function of conducting electrons from the cathode conductive layer in the vicinity of the cathode catalyst particles.

炭素粒子としては、アセチレンブラック(たとえば、XC72(Vulcan社製))、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。   Examples of the carbon particles include acetylene black (for example, XC72 (manufactured by Vulcan)), ketjen black, amorphous carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn, and the like.

アノード触媒粒子およびカソード触媒粒子を形成する触媒としては、たとえばPt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属や、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Znなどの卑金属が例示される。これらを、単独もしくは2種類以上の組み合わせで用いることができる。なお、アノード触媒層およびカソード触媒層に含まれる触媒の種類は必ずしも同種類に限定されず、異なる種類の触媒を用いることができる。   Examples of the catalyst for forming the anode catalyst particles and the cathode catalyst particles include noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir, Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, and Zn. Base metals such as are exemplified. These can be used alone or in combination of two or more. In addition, the kind of catalyst contained in an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer is not necessarily limited to the same kind, A different kind of catalyst can be used.

高分子電解質には、触媒を担持した炭素粒子の粒子間を電気的(すなわち電子的)に接続し、かつ、該炭素粒子と電解質層との間を物理的に接続する機能とともに、水素イオン伝導性、水移動性、酸素透過性に優れるという機能が求められる。よって、高分子電解質としては、具体的には、スルホン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基を有する有機高分子が好ましい。該有機高分子として、スルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(たとえば、フレミオン(旭化成社製))、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、等が例示される。   The polymer electrolyte has a function of electrically connecting the carbon particles carrying the catalyst between them (ie, electronically) and physically connecting the carbon particles to the electrolyte layer, as well as hydrogen ion conduction. Function, water mobility and oxygen permeability are required. Therefore, specifically, the polymer electrolyte is preferably an organic polymer having a strong acid group such as a sulfone group or a phosphoric acid group or a weak acid group such as a carboxyl group. Examples of the organic polymer include sulfonic acid group-containing perfluorocarbon (Nafion (manufactured by DuPont)), carboxyl group-containing perfluorocarbon (for example, Flemion (manufactured by Asahi Kasei)), polystyrene sulfonic acid copolymer, and polyvinyl sulfonic acid copolymer. , Etc. are exemplified.

アノード電極およびカソード電極の厚みは、プロトン伝導の抵抗および電子導電の抵抗を小さくし、内部までメタノールまたは酸素の供給を行なうことができる点で、それぞれ、0.1mm以下であることが好ましく、十分な触媒担持量を得ることにより出力電圧を向上させることができる点で、0.1μm以上であることが好ましい。   The thicknesses of the anode electrode and the cathode electrode are preferably 0.1 mm or less, respectively, from the viewpoint that the resistance of proton conduction and the resistance of electronic conduction can be reduced and methanol or oxygen can be supplied to the inside. It is preferable that it is 0.1 micrometer or more at the point which can improve an output voltage by obtaining a sufficient catalyst load.

<集電体>
本発明において形成される集電体は、取り出し電極としての機能と発熱体としての機能とを有し、典型的には金属から構成される。本発明において、集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む2以上の層からなる。低抵抗層は集電体を形成する層の中で最もシート抵抗の低い導電層である。集電体を構成する各層の抵抗値は、金属の材質や形状で制御することが出来る。集電体は、抵抗値を容易に増減できる点で、平板に孔加工、特に貫通孔を設ける加工がされたものやメッシュ状のものであることが好ましい。集電体の開孔率、厚み、目開き等を制御して抵抗値を調整することが好ましい。これにより、簡単かつ安価に抵抗値を設定することができる。
<Current collector>
The current collector formed in the present invention has a function as an extraction electrode and a function as a heating element, and is typically made of metal. In the present invention, the current collector includes at least two of a high resistance layer forming one surface and a low resistance layer having a resistance value lower than that of the high resistance layer and forming the other surface. Consists of layers. The low resistance layer is a conductive layer having the lowest sheet resistance among the layers forming the current collector. The resistance value of each layer constituting the current collector can be controlled by the metal material and shape. The current collector is preferably one having a hole processed in the flat plate, particularly a one having a through hole formed therein, or a mesh-like one in that the resistance value can be easily increased or decreased. It is preferable to adjust the resistance value by controlling the aperture ratio, thickness, aperture, and the like of the current collector. Thereby, the resistance value can be set easily and inexpensively.

本発明において、集電体は、アノード電極および/またはカソード電極に直接または導電部材を介して接するように形成する。集電体は、アノード側、カソード側のいずれに設けられる場合も、たとえば、Ti、Ta、Au、Ag、Pt、Nb、Ni、Si、WおよびAlからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素を含むことが好ましい。これらの元素を含むことにより、取り出し電極として機能させる集電体の比抵抗が小さくなるため、取り出し電極の抵抗ロスを軽減し、発電効率を向上させることが可能となるためである。また、集電体としてはステンレス合金を用いても良く、耐硫酸性のステンレスであるSUS316LやNSSC270等がより好ましい。   In the present invention, the current collector is formed so as to be in contact with the anode electrode and / or the cathode electrode directly or via a conductive member. When the current collector is provided on either the anode side or the cathode side, for example, at least one element selected from the group consisting of Ti, Ta, Au, Ag, Pt, Nb, Ni, Si, W, and Al is used. It is preferable to include. By including these elements, the specific resistance of the current collector that functions as the extraction electrode is reduced, so that the resistance loss of the extraction electrode can be reduced and the power generation efficiency can be improved. Further, as the current collector, a stainless alloy may be used, and SUS316L, NSSC270, etc., which are sulfuric acid-resistant stainless steel, are more preferable.

抵抗値が異なる2以上の層からなる集電体の設計は、各層の材質および形状を変えることにより行なうことができる。なお、集電体の特に表面を形成する高抵抗層および/または低抵抗層としては、導電性耐腐食処理が施されている金属メッシュや、打ち抜き加工金属板を用いることが好ましい。   A current collector composed of two or more layers having different resistance values can be designed by changing the material and shape of each layer. In addition, as a high resistance layer and / or a low resistance layer forming the surface of the current collector, it is preferable to use a metal mesh or a stamped metal plate that has been subjected to conductive corrosion resistance treatment.

また、集電体の腐食が問題となる場合には、集電体表面に、酸性水溶液雰囲気下または酸素雰囲気下で金属イオンが溶出せず、不導体層を形成しない耐腐食性を有するAu、Pt、Pd、Ru等の貴金属や、炭素、炭素および樹脂からなる導電性樹脂をコーティングしてもよい。これにより、後述するアノード電極中およびカソード電極中の電解質および電解質層に溶出した金属イオンが集電体内に混入する恐れがなくなる。さらには、集電体表面に不導体層が形成されないため、MEAの長期信頼性を得ることが可能となる。   Further, when corrosion of the current collector becomes a problem, Au having corrosion resistance that does not elute metal ions on the surface of the current collector in an acidic aqueous solution atmosphere or oxygen atmosphere and does not form a non-conductive layer, You may coat noble metals, such as Pt, Pd, and Ru, and the conductive resin which consists of carbon, carbon, and resin. Thereby, there is no possibility that metal ions eluted in the electrolyte and the electrolyte layer in the anode electrode and cathode electrode described later are mixed into the current collector. Furthermore, since a non-conductive layer is not formed on the current collector surface, long-term reliability of the MEA can be obtained.

また、集電体の厚みは、用いられる金属材料の比抵抗の値によっても異なるが、配線としての電圧低下を抑制するため、板形状であれば100μm以上の厚みであることが好ましい。また、集電体がメッシュ形状である場合には、線径が100μm以上であることが好ましい。   Further, the thickness of the current collector varies depending on the value of the specific resistance of the metal material to be used. However, in order to suppress a voltage drop as the wiring, the thickness is preferably 100 μm or more in the case of a plate shape. Further, when the current collector has a mesh shape, the wire diameter is preferably 100 μm or more.

また、集電体として金属メッシュまたは打ち抜き加工金属板を用いる場合、集電体には、燃料、空気をアノード触媒層、カソード触媒層にそれぞれ供給するための開孔部を層厚方向に設けることができる。これにより、取り出し電極として機能する集電体の層厚方向における、液体燃料および気体燃料の供給の阻害を軽減しつつ、効率よく集電を行なうことが可能となる。   When using a metal mesh or stamped metal plate as the current collector, the current collector is provided with openings in the layer thickness direction for supplying fuel and air to the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, respectively. Can do. As a result, it is possible to efficiently collect current while reducing the obstruction of the supply of liquid fuel and gaseous fuel in the layer thickness direction of the current collector that functions as the extraction electrode.

上記の開孔部は、集電体の層厚方向の貫通孔として形成されれば良く、開孔部の形状は特に制限はされないが、開孔率は10%〜95%の範囲内であることが好ましい。ここで、集電体の開孔率とは、電極の面積をSA、集電体に形成された開孔の面積の総和をSBとしたとき、SB/SA×100(単位:%)で計算される値で定義される。アノード触媒層へメタノールを、カソード触媒層へ酸素を良好に供給することができる点で、該開孔率は40%以上であることが好ましい。開孔率が過度に大きくなると、集電体の抵抗が増加したり、機械的強度が失われたりするおそれがあるため、開孔率は90%以下であることが好ましい。   The opening portion may be formed as a through-hole in the layer thickness direction of the current collector, and the shape of the opening portion is not particularly limited, but the opening ratio is in the range of 10% to 95%. It is preferable. Here, the aperture ratio of the current collector is calculated as SB / SA × 100 (unit:%), where SA is the electrode area and SB is the total area of the apertures formed in the current collector. Defined by the value The porosity is preferably 40% or more in that methanol can be satisfactorily supplied to the anode catalyst layer and oxygen to the cathode catalyst layer. If the aperture ratio becomes excessively large, the resistance of the current collector may increase or the mechanical strength may be lost. Therefore, the aperture ratio is preferably 90% or less.

電極上の高抵抗層の抵抗値は、1cm2の正方形の向かい合う2辺の各々に端子をつけ、平面方向に電流を流した時の抵抗、すなわち面積1cm2あたりのシート抵抗で、10mΩ〜300mΩの範囲内であることが好ましい。高抵抗層の該シート抵抗値が10mΩ以上である場合、発熱体としての機能が良好であり、300mΩ以下である場合、たとえば低抵抗層とともに高抵抗層を取り出し電極としても用いる場合、発電効率を良好に維持できる。高抵抗層の該シート抵抗値は、さらに100mΩ以上、特に150mΩ以上であることがより好ましく、また、さらに200mΩ以下であることがより好ましい。 The resistance value of the high resistance layer on the electrode is a resistance when a terminal is attached to each of two opposite sides of a square of 1 cm 2 and a current is passed in a plane direction, that is, a sheet resistance per 1 cm 2 of area, 10 mΩ to 300 mΩ. It is preferable to be within the range. When the sheet resistance value of the high resistance layer is 10 mΩ or more, the function as a heating element is good, and when it is 300 mΩ or less, for example, when the high resistance layer is used as an extraction electrode together with the low resistance layer, the power generation efficiency is reduced. It can be maintained well. The sheet resistance value of the high resistance layer is more preferably 100 mΩ or more, particularly preferably 150 mΩ or more, and more preferably 200 mΩ or less.

電極上の低抵抗層の抵抗値は、上記の面積1cm2あたりのシート抵抗で、1mΩ〜30mΩの範囲内であることが好ましい。低抵抗層の抵抗値が1mΩ以上である場合、材料の入手や低抵抗層の作製が容易であり、30mΩ以下である場合、取り出し電極としての機能が良好である。低抵抗層の該シート抵抗値は、さらに5mΩ以上、特に10mΩ以上であることがより好ましく、また、さらに25mΩ以下、特に20mΩ以下であることがより好ましい。 The resistance value of the low resistance layer on the electrode is preferably in the range of 1 mΩ to 30 mΩ as the sheet resistance per 1 cm 2 of the area. When the resistance value of the low resistance layer is 1 mΩ or more, it is easy to obtain materials and to produce the low resistance layer. When the resistance value is 30 mΩ or less, the function as the extraction electrode is good. The sheet resistance value of the low resistance layer is more preferably 5 mΩ or more, particularly preferably 10 mΩ or more, and more preferably 25 mΩ or less, particularly preferably 20 mΩ or less.

本発明において、高抵抗層と低抵抗層との間にたとえば中抵抗層が設けられる場合、該中抵抗層の抵抗値は高抵抗層の抵抗値と低抵抗層の抵抗値との中間になるように設計されれば良いが、中抵抗層の抵抗値は、上記の面積1cm2あたりのシート抵抗で、たとえば50mΩ〜100mΩの範囲内とされることが好ましい。 In the present invention, when, for example, an intermediate resistance layer is provided between the high resistance layer and the low resistance layer, the resistance value of the intermediate resistance layer is intermediate between the resistance value of the high resistance layer and the resistance value of the low resistance layer. However, it is preferable that the resistance value of the middle resistance layer is the sheet resistance per 1 cm 2 of the above-described area, for example, in the range of 50 mΩ to 100 mΩ.

より典型的には、集電体が高抵抗層と低抵抗層との2層からなる場合、低抵抗層の抵抗値が、上記のシート抵抗で15mΩ程度、高抵抗層の抵抗値が、上記のシート抵抗で150mΩ程度の範囲内である組合せが好ましい。たとえば、電極の面積が5cm2である燃料電池のセルで、低抵抗層の該シート抵抗が15mΩ、高抵抗層の該シート抵抗が150mΩ程度である組合せが好ましい。 More typically, when the current collector is composed of two layers of a high resistance layer and a low resistance layer, the resistance value of the low resistance layer is about 15 mΩ in terms of the sheet resistance, and the resistance value of the high resistance layer is A combination having a sheet resistance of about 150 mΩ is preferable. For example, in a fuel cell having an electrode area of 5 cm 2 , a combination in which the sheet resistance of the low resistance layer is about 15 mΩ and the sheet resistance of the high resistance layer is about 150 mΩ is preferable.

本発明においては、集電体が電極表面をすべて覆うように形成されることが好ましい。この場合、電極および電解質層をより均一に加熱することができ、電極に出力電流のムラや電位分布が生じるおそれが少なく、燃料電池全体の発電特性をさらに向上させることが出来る。   In the present invention, the current collector is preferably formed so as to cover the entire electrode surface. In this case, the electrode and the electrolyte layer can be heated more uniformly, and there is little possibility that unevenness of the output current and potential distribution occur in the electrode, and the power generation characteristics of the entire fuel cell can be further improved.

<セパレータ>
本発明においてセパレータは、燃料電池の単位セルを複数スタックしたときのアノード側とカソード側との短絡を防止し、燃料流路を形成する機能を有する。セパレータの材質としては、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート、アクリル樹脂、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂等、耐酸性、耐メタノール性に優れた高分子材料が好ましい。
<Separator>
In the present invention, the separator has a function of preventing a short circuit between the anode side and the cathode side when a plurality of unit cells of the fuel cell are stacked and forming a fuel flow path. As the material of the separator, a polymer material excellent in acid resistance and methanol resistance, such as polypropylene resin, polycarbonate, acrylic resin, PTFE (polytetrafluoroethylene) resin, polyphenylene ether resin, PEEK (polyether ether ketone) resin, etc. preferable.

セパレータが絶縁性の材質からなる場合、たとえば図3に示すような構造を有する燃料電池において電流の取り出しを平面方向に行なうことができ、高抵抗層に電流を流すことにより、小型、薄型の構造で簡単にMEAを均一に加熱することができるという利点を有する。また、セパレータが絶縁性であることによって、燃料電池の外部への熱抵抗が高くなり、集電体で発生させた熱を電極および電解質層の加熱に利用することができるため、燃料電池の始動性および発電効率がより良好になるという利点を有する。   When the separator is made of an insulating material, for example, in a fuel cell having a structure as shown in FIG. 3, the current can be taken out in the plane direction, and the current is passed through the high resistance layer, so that the structure is small and thin. This has the advantage that the MEA can be uniformly heated easily. Further, since the separator is insulative, the thermal resistance to the outside of the fuel cell is increased, and the heat generated by the current collector can be used for heating the electrode and the electrolyte layer. And has the advantage of better power generation efficiency.

絶縁性の材料としては、たとえば、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート、アクリル樹脂、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、また、これらの高分子樹脂で外装をコートし、内部にポリウレタンの発泡体、ガラスウール、ポリスチレン発泡体、ポリエチレン発泡体等をつめたもの等が例示できる。   Examples of the insulating material include polypropylene resin, polycarbonate, acrylic resin, PTFE (polytetrafluoroethylene) resin, polyphenylene ether resin, polyimide resin, PEEK (polyether ether ketone) resin, and these polymer resins. Examples include those coated with an exterior and filled with polyurethane foam, glass wool, polystyrene foam, polyethylene foam and the like.

一方、セパレータが断熱性を有する材質からなる場合、集電体で発生させた熱の燃料電池外部への伝導を抑制し、本発明による電極および電解質層の加熱効率がより良好となって燃料電池の始動性および発電効率がより良好になるという利点を有する。断熱性に優れる材質としては、たとえば上記の高分子樹脂で外装をコートし、内部にポリウレタンの発泡体、ガラスウール、ポリスチレン発泡体、ポリエチレン発泡体等をつめたもの等が例示できる。   On the other hand, when the separator is made of a heat-insulating material, the conduction of heat generated by the current collector to the outside of the fuel cell is suppressed, and the heating efficiency of the electrode and the electrolyte layer according to the present invention becomes better, and the fuel cell This has the advantage that the startability and the power generation efficiency are improved. Examples of the material having excellent heat insulating properties include those in which the exterior is coated with the above-described polymer resin, and polyurethane foam, glass wool, polystyrene foam, polyethylene foam and the like are filled inside.

<アノード拡散層,カソード拡散層>
本発明においては、拡散層として、アノード拡散層およびカソード拡散層を設けても良い。拡散層は、電極と集電体との間に導電部材として設けられても良く、集電体を挟んで電極と対向するように設けられても良い。アノード拡散層は、集電体とアノード電極との間での燃料の供給、および二酸化炭素の排出の機能を果たす。また、カソード拡散層は、集電体とカソード電極との間での酸素に代表される酸化剤の供給、および生成水の排出の機能を果たす。
<Anode diffusion layer, cathode diffusion layer>
In the present invention, an anode diffusion layer and a cathode diffusion layer may be provided as the diffusion layer. The diffusion layer may be provided as a conductive member between the electrode and the current collector, or may be provided to face the electrode with the current collector interposed therebetween. The anode diffusion layer functions to supply fuel and discharge carbon dioxide between the current collector and the anode electrode. The cathode diffusion layer functions to supply an oxidant represented by oxygen between the current collector and the cathode electrode and to discharge generated water.

拡散層は、たとえばカーボン等の電子伝導性の多孔質体として形成されることができる。また撥水性の多孔質体が集電体を挟んで電極と対向するように設けられた場合、撥水性の多孔質体が低濃度メタノール水溶液をはじくとともに、該多孔質体が二酸化炭素や空気などの気体を多く含むと該多孔質体の断熱性が上がり、メタノール水溶液に熱を奪われなくなる為、燃料電池の温度をさらに効率的に制御することができる。   The diffusion layer can be formed as an electron conductive porous body such as carbon. In addition, when the water-repellent porous body is provided so as to face the electrode across the current collector, the water-repellent porous body repels the low-concentration methanol aqueous solution, and the porous body contains carbon dioxide, air, etc. When a large amount of the gas is contained, the heat insulating property of the porous body is improved and the methanol aqueous solution is not deprived of heat, so that the temperature of the fuel cell can be controlled more efficiently.

<ヒーター>
本発明においてヒーターが設けられる場合、該ヒーターは、電極および電解質層を加熱して燃料電池の始動性および発電効率を向上させる機能を有する。ヒーターは、セパレータの内側に設置されることが好ましく、特にセパレータと一体化して設置されることが好ましい。ヒーターとしては、たとえばニクロム線などからなる電気抵抗ヒーター等を用いることができる。また、PTC特性をもつサーミスタヒーターは、温度制御のシステムを簡略化できるためヒーターとして好ましく用いられる。NTCサーミスタヒーターをヒーターとして用い、温度モニターしながら加熱を行なっても良い。
<Heater>
When a heater is provided in the present invention, the heater has a function of heating the electrode and the electrolyte layer to improve the startability and power generation efficiency of the fuel cell. The heater is preferably installed inside the separator, and particularly preferably integrated with the separator. As the heater, for example, an electric resistance heater made of nichrome wire or the like can be used. A thermistor heater having PTC characteristics is preferably used as a heater because the temperature control system can be simplified. An NTC thermistor heater may be used as a heater, and heating may be performed while monitoring the temperature.

ヒーターには、耐腐食処理がされていることが好ましい。また、反応物が直接燃料電池に触れないように設計された、化学反応によるヒーターであっても良いし、別途用意された燃焼器により発生した熱、たとえば炭化水素の水蒸気改質による水素−酸素を燃料とした燃料電池で改質反応に使われる熱、等を伝えるヒーターであっても良い。ヒートパイプ等により他で発生する熱源から、機器の動作熱やパワートランジスタ等のデバイスの発熱等の熱を伝導してきても良い。   The heater is preferably subjected to a corrosion resistance treatment. Also, the heater may be a chemical reaction designed so that the reactant does not directly touch the fuel cell, or heat generated by a separately prepared combustor, for example, hydrogen-oxygen by steam reforming of hydrocarbons. It may be a heater that conveys heat, etc. used in the reforming reaction in a fuel cell using as a fuel. You may conduct heat, such as operation | movement heat | fever of apparatus, and heat_generation | fever of devices, such as a power transistor, from the heat source which generate | occur | produces elsewhere by a heat pipe.

(実施の形態1)
図3は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。図3では燃料電池セルが単セルである場合を示している。なお本発明において、図3以降に関し、以下で特に説明しない部分については図1と同様の構成とされている。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a plan view for explaining an example of the configuration of the current collector in the fuel cell of the present invention. FIG. 3 shows a case where the fuel cell is a single cell. In the present invention, with respect to FIG. 3 and subsequent figures, parts not particularly described below have the same configuration as in FIG.

本発明においては、集電体を構成する2以上の層は、アノード電極またはカソード電極が形成されている領域において互いに絶縁層のみを介して積層され、アノード電極またはカソード電極が形成されていない領域の少なくとも一部において電気的に接続されていることが好ましい。この場合、電極が形成されている領域においては、低抵抗層と該低抵抗層以外の層とが絶縁されているため、集電体における低抵抗層以外の層に電流を流した時に生じる電圧降下による電位分布を電極に印加してしまう事を防ぎ、電極内の触媒の劣化を良好に防ぐことが出来る。また、集電体を構成する各層は絶縁層のみを介して比較的近距離で積層されるため、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって生じさせた熱は、低抵抗層を通じて比較的少ない損失で電極および電解質層に伝えられ、電極および電解質層が効率良く加熱される。また、電極が形成されていない領域には、集電体における低抵抗層と該低抵抗層以外の層との電気的な接合部位が存在するため、集電体の低抵抗層以外の部分に電流を流すことによって生じさせた熱を、該接合部位を介して電極および電解質層に効率良く伝え、電極および電解質層を効率良く加熱することができる。   In the present invention, two or more layers constituting the current collector are laminated with each other through only an insulating layer in a region where the anode electrode or cathode electrode is formed, and a region where the anode electrode or cathode electrode is not formed It is preferable that at least a part of these are electrically connected. In this case, in the region where the electrode is formed, since the low resistance layer and the layer other than the low resistance layer are insulated, the voltage generated when a current is passed through the layer other than the low resistance layer in the current collector It is possible to prevent the potential distribution due to the drop from being applied to the electrode and to satisfactorily prevent deterioration of the catalyst in the electrode. In addition, since each layer constituting the current collector is laminated at a relatively short distance through only the insulating layer, the heat generated by flowing a current through the layers other than the low resistance layer is comparatively transmitted through the low resistance layer. It is transmitted to the electrode and the electrolyte layer with little loss, and the electrode and the electrolyte layer are efficiently heated. In addition, in the region where the electrode is not formed, there is an electrical joint portion between the low resistance layer and the layer other than the low resistance layer in the current collector. The heat generated by flowing an electric current can be efficiently transmitted to the electrode and the electrolyte layer through the bonding site, and the electrode and the electrolyte layer can be efficiently heated.

図3に示す燃料電池においては、集電体が高抵抗層303aおよび低抵抗層303bの2層からなり、高抵抗層303aと低抵抗層303bとの間に絶縁層311が形成されている。高抵抗層303aと低抵抗層303bとは、アノード電極302a、カソード電極302bが形成されている領域では絶縁層311を介することによって電気的に絶縁されている。一方、アノード電極302a、カソード電極302bが形成されていない領域のうち、セパレータの外部に集電体が引出されている側、すなわちセル外への電流取り出し部側、の反対側では、高抵抗層303aと低抵抗層302bとが絶縁層311を介さず直接接するように高抵抗層303aの形状が設計され、これにより高抵抗層303aと低抵抗層303bとが電気的に接続されている。   In the fuel cell shown in FIG. 3, the current collector is composed of two layers of a high resistance layer 303a and a low resistance layer 303b, and an insulating layer 311 is formed between the high resistance layer 303a and the low resistance layer 303b. The high resistance layer 303a and the low resistance layer 303b are electrically insulated by an insulating layer 311 in a region where the anode electrode 302a and the cathode electrode 302b are formed. On the other hand, in the region where the anode electrode 302a and the cathode electrode 302b are not formed, on the side opposite to the side where the current collector is drawn outside the separator, that is, the current extraction part side outside the cell, The shape of the high-resistance layer 303a is designed so that the 303a and the low-resistance layer 302b are in direct contact with each other without the insulating layer 311, thereby electrically connecting the high-resistance layer 303a and the low-resistance layer 303b.

なお、電流取り出し部側の中間部では、高抵抗層303a、絶縁層311、低抵抗層303bが絶縁接着層312によって接合され、取り出し部側と反対側の端部では、高抵抗層303a、絶縁層311、低抵抗層303bが絶縁封止部313により封止されている。   Note that the high resistance layer 303a, the insulating layer 311 and the low resistance layer 303b are joined by the insulating adhesive layer 312 at the intermediate portion on the current extraction portion side, and the high resistance layer 303a and the insulation at the end opposite to the extraction portion side. The layer 311 and the low resistance layer 303b are sealed by the insulating sealing portion 313.

本発明において、たとえば図3に示すように絶縁層が設けられる場合、該絶縁層は多孔質体からなることが好ましい。この場合、燃料電池における反応の副生成物である二酸化炭素や水の排出効率、および燃料や酸素の拡散供給がより良好になり、発電出力が向上する。   In the present invention, for example, when an insulating layer is provided as shown in FIG. 3, the insulating layer is preferably made of a porous material. In this case, the discharge efficiency of carbon dioxide and water, which are byproducts of the reaction in the fuel cell, and the diffusion supply of fuel and oxygen become better, and the power generation output is improved.

多孔質体としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PP(ポリプロピレン)等の撥水性の多孔質体が好ましい。撥水性の多孔質体を用いる場合、カソード側においては、生成水が押し出され、酸素の供給口が確保されるため、酸素の供給不足による出力電力の低下が抑えられるという利点が得られ、アノード側においては、副生成物である二酸化炭素や水が速やかに多孔質体を通って外部に排出される為、気泡が触媒層に付着した場合に生じる燃料供給の阻害を防ぐことが出来、メタノール水溶液等の燃料の供給不足による出力電力の低下が抑えられるという利点が得られる。   As the porous body, a water-repellent porous body such as PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoride), PP (polypropylene) is preferable. When a water-repellent porous body is used, the generated water is pushed out on the cathode side, and an oxygen supply port is secured, so that an advantage of suppressing a decrease in output power due to insufficient supply of oxygen can be obtained. On the side, carbon dioxide and water, which are by-products, are quickly discharged to the outside through the porous body, so that it is possible to prevent the fuel supply from being hindered when bubbles are attached to the catalyst layer. There is an advantage that a decrease in output power due to insufficient supply of fuel such as an aqueous solution can be suppressed.

多孔質体としては、シリカ(SiO2)、酸化チタン(TiO2)等の、表面が親水性である無機多孔質物質の他、シリカ(SiO2)、酸化チタン(TiO2)等の親水性を示す粒子と有機高分子とからなるコンポジット層、水酸基、スルホン酸基、カルボニル基、アミド基等の親水性を示す官能基を有した有機高分子、等からなる多孔質体を用いることができる。 The porous material, silica (SiO 2), such as titanium oxide (TiO 2), the other surface of the inorganic porous material is hydrophilic silica (SiO 2), hydrophilic such as titanium oxide (TiO 2) A porous layer made of a composite layer composed of particles exhibiting an organic polymer and an organic polymer having a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a carbonyl group, an amide group, or the like can be used. .

図3においては、アノード側とカソード側との両方において、集電体の低抵抗層303bがそれぞれ電極と接するように形成されている。また、集電体における低抵抗層303b以外の部分、すなわち高抵抗層303aが、絶縁層311を介して電極と接するように形成されている。高抵抗層303aは、低抵抗層303bから高抵抗層303aを介して電流を燃料電池のセル外に取り出すための取り出し部を有している。これにより、電流の取り出し時において、電極から集電された電流は、低抵抗層303bを通ってそのまま電流を出力する場合には低抵抗層303bを平面方向に流れ、取り出し部に達した電流はそのままセル外へ取り出される。一方、高抵抗層303aを通って電流を出力する場合には、低抵抗層303bの取り出し部と反対側の領域に電流が流れ、高抵抗層303aと低抵抗層303bとの界面を経て高抵抗層303aへと伝わり、さらに高抵抗層303aを平面方向に流れて取り出し部に達する。ここで、高抵抗層303aは電極と接していないため、高抵抗層をより均一に発熱させることができる。   In FIG. 3, the low resistance layer 303b of the current collector is formed so as to be in contact with the electrodes on both the anode side and the cathode side. Further, a portion of the current collector other than the low resistance layer 303 b, that is, the high resistance layer 303 a is formed so as to be in contact with the electrode through the insulating layer 311. The high resistance layer 303a has an extraction portion for extracting current from the low resistance layer 303b to the outside of the fuel cell through the high resistance layer 303a. As a result, when the current is taken out, the current collected from the electrode flows through the low resistance layer 303b in the plane direction when the current is output as it is through the low resistance layer 303b, and the current reaching the extraction portion is It is taken out of the cell as it is. On the other hand, when a current is output through the high resistance layer 303a, the current flows in a region opposite to the take-out portion of the low resistance layer 303b and passes through the interface between the high resistance layer 303a and the low resistance layer 303b. It is transmitted to the layer 303a, and further flows through the high resistance layer 303a in the plane direction to reach the extraction portion. Here, since the high resistance layer 303a is not in contact with the electrode, the high resistance layer can generate heat more uniformly.

高抵抗層303a、低抵抗層303bのいずれについても、平面方向に電流を効率良く流すためには、平面方向において均一な抵抗値を有するように形成されることが好ましい。   Both the high resistance layer 303a and the low resistance layer 303b are preferably formed so as to have a uniform resistance value in the plane direction in order to efficiently flow current in the plane direction.

なおこの場合、電極および電解質層の加熱をより均一に行なうことができる点で、集電体を構成する各層の抵抗値は、少なくとも電極が形成されている領域において、平面方向、すなわち各層の界面と平行な方向において均一な値であることが好ましい。   In this case, since the electrodes and the electrolyte layer can be heated more uniformly, the resistance value of each layer constituting the current collector is in the plane direction, that is, at the interface between the layers, at least in the region where the electrode is formed. It is preferable that the value is uniform in the direction parallel to the.

集電体を構成する各層の抵抗値を平面方向において均一にする方法としては、たとえば、集電体に貫通孔を設け、導体部(すなわち貫通孔以外の部分)の厚みのばらつきを、理想値から±10%程度の幅に抑え、貫通孔の径およびピッチを小さくする方法が例示できる。   As a method of making the resistance value of each layer constituting the current collector uniform in the plane direction, for example, a through hole is provided in the current collector, and the variation in the thickness of the conductor portion (that is, the portion other than the through hole) is an ideal value. Can be exemplified by a method in which the width and the pitch of the through holes are reduced to about ± 10%.

また集電体の抵抗値が平面方向において均一であるか否かの評価は、たとえば、直流2端子法や直流4端子法等によって抵抗値を測定し、1cm2あたりのシート抵抗のばらつきが理想値から±10%以下の幅であるときに均一(すなわち一様)と判定する方法等によって評価できる。 In addition, evaluation of whether or not the resistance value of the current collector is uniform in the planar direction is made by measuring the resistance value by, for example, the DC two-terminal method or the DC four-terminal method, and the variation in sheet resistance per cm 2 is ideal. It can be evaluated by a method of determining that the width is ± 10% or less from the value and is uniform (ie, uniform).

本発明の集電体が、たとえば図3に示すような構成で、高抵抗層303aと低抵抗層303bとの2層からなる場合、低抵抗層303bの比抵抗は、1×10-4Ω・cm程度、高抵抗層303aの比抵抗は、3×10-3〜4×10-3Ω・cm程度であることが好ましい。また、たとえば、電極の面積が5cm2である燃料電池のセルの場合、低抵抗層303bの抵抗値は前述の1cm2あたりのシート抵抗で10mΩ以下であることが好ましく、高抵抗層303aの抵抗値は、前述の1cm2あたりのシート抵抗で200〜400mΩ程度であることが好ましい。 When the current collector of the present invention is configured as shown in FIG. 3 and consists of two layers, a high resistance layer 303a and a low resistance layer 303b, the specific resistance of the low resistance layer 303b is 1 × 10 −4 Ω. The specific resistance of the high resistance layer 303a is preferably about 3 × 10 −3 to 4 × 10 −3 Ω · cm. For example, in the case of a fuel cell having an electrode area of 5 cm 2 , the resistance value of the low resistance layer 303b is preferably 10 mΩ or less in terms of the sheet resistance per 1 cm 2 described above, and the resistance of the high resistance layer 303a. The value is preferably about 200 to 400 mΩ in terms of the sheet resistance per 1 cm 2 described above.

なお、本発明において、集電体を構成する各層は、たとえば、半田、Agペースト、融着、導電シート、導電性接着剤等により他の層と接合されることができる。   In the present invention, each layer constituting the current collector can be joined to another layer by, for example, solder, Ag paste, fusion, a conductive sheet, a conductive adhesive, or the like.

絶縁層311を構成する材料としては、高分子樹脂が好ましく、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアクリル樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂等が例示できる。その他、セラミック等も好ましい。チタンやSUS等、表面に酸化被膜の不動態を形成する金属においては、酸素雰囲気下の400〜800℃の高温で加熱処理を行ない、高抵抗の酸化被膜を絶縁層として形成しても良い。   The material constituting the insulating layer 311 is preferably a polymer resin, such as polytetrafluoroethylene (PTFE) resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyimide resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyacrylic resin, polyacrylic ester. Resin etc. can be illustrated. In addition, ceramic and the like are also preferable. For metals such as titanium and SUS that form an oxide film passivation on the surface, heat treatment may be performed at a high temperature of 400 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere to form a high-resistance oxide film as an insulating layer.

絶縁接着層312を構成する材料としては、たとえば、紫外線硬化型または熱硬化型であり、耐硫酸性、耐メタノール性に優れた樹脂が好ましい。具体的には、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、エステル系樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂等が好ましい。   As a material constituting the insulating adhesive layer 312, for example, an ultraviolet curable type or a thermosetting type, and a resin excellent in sulfuric acid resistance and methanol resistance is preferable. Specifically, acrylic resins, polyimide resins, ester resins, polyacrylate resins, and the like are preferable.

また、絶縁層および絶縁接着層に用いられる樹脂としては、メタルマスク等に用いられる感光性レジストフィルムや感光性製版樹脂も好ましく用いられる。   In addition, as a resin used for the insulating layer and the insulating adhesive layer, a photosensitive resist film or a photosensitive plate-making resin used for a metal mask or the like is also preferably used.

絶縁封止部313には、絶縁層311に用いられるのと同様の高分子樹脂を好ましく用いることができる。また、絶縁接着層312は、電極の形成されている領域の外側に設けられ、典型的には、高抵抗層303aと低抵抗層303bとを接着するものである。絶縁接着層312は、電極の形成領域に被らないように配置されることが好ましい。   For the insulating sealing portion 313, a polymer resin similar to that used for the insulating layer 311 can be preferably used. The insulating adhesive layer 312 is provided outside the region where the electrode is formed, and typically bonds the high resistance layer 303a and the low resistance layer 303b. The insulating adhesive layer 312 is preferably arranged so as not to cover the electrode formation region.

図3に示すような構成においても、集電体、電極および電解質層は一体化されて密着していることが好ましい。   Also in the configuration as shown in FIG. 3, it is preferable that the current collector, the electrode, and the electrolyte layer are integrated and in close contact.

(実施の形態2)
図4は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。図4に示す構成は、アノード側および/カソード側に形成されることができるが、図4においては一方のみを図示している。図4において、集電体は高抵抗層403aおよび低抵抗層403bの2層から構成される。絶縁層411aは、高抵抗層403aをコーティングするように形成され、該絶縁層411aによって高抵抗層403aと電極402とが絶縁されている。集電体は、電極402内に埋め込まれるように配置されている。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a plan view for explaining an example of the configuration of the current collector in the fuel cell of the present invention. The structure shown in FIG. 4 can be formed on the anode side and / or the cathode side, but only one is shown in FIG. In FIG. 4, the current collector is composed of two layers, a high resistance layer 403a and a low resistance layer 403b. The insulating layer 411a is formed so as to coat the high resistance layer 403a, and the high resistance layer 403a and the electrode 402 are insulated by the insulating layer 411a. The current collector is disposed so as to be embedded in the electrode 402.

実施の形態1では、高抵抗層の形状を、低抵抗層との電気的な接合を有するように設計する例について説明したが、本実施の形態では、接合部材414によって高抵抗層403aと低抵抗層403bとが電気的に接続されている。   In the first embodiment, an example in which the shape of the high resistance layer is designed so as to have electrical connection with the low resistance layer has been described. However, in this embodiment, the high resistance layer 403a and the low resistance layer 403a are formed by the bonding member 414. The resistance layer 403b is electrically connected.

図4では、低抵抗層403bから、接合部材414と高抵抗層403aとを介し、取り出し部から電流を取り出すことができる構成とされている。この場合、スイッチの切り替えによって電流を高抵抗層に流すことによる電極および電解質層の加熱を、より効率的に行なうことができる。   In FIG. 4, a current can be extracted from the extraction portion from the low resistance layer 403b through the bonding member 414 and the high resistance layer 403a. In this case, the electrode and the electrolyte layer can be heated more efficiently by passing a current through the high resistance layer by switching the switch.

電極402が形成されていない領域において、取り出し部側には絶縁接着層412が設けられ、取り出し部と反対側の端部には、封止のための絶縁封止部413と、接合部材414とが設けられている。これにより、電流の取り出し時において、電極から集電された電流は、低抵抗層403bを通ってそのまま電流を出力する場合には低抵抗層403bを平面方向に流れて、取り出し部に達した電流はそのままセル外へ取り出される。また、一方、高抵抗層403aを通って電流を出力する場合には、低抵抗層403bの取り出し部と反対側の領域に電流が流れ、高抵抗層403aと低抵抗層403bとの界面を経て高抵抗層403aへと伝わり、さらに高抵抗層403aを平面方向に流れて取り出し部に達する。ここで、高抵抗層403aは電極と接していないため、高抵抗層をより均一に発熱させることができる。   In a region where the electrode 402 is not formed, an insulating adhesive layer 412 is provided on the extraction portion side, and an insulating sealing portion 413 for sealing, a bonding member 414, and an end portion on the opposite side to the extraction portion are provided. Is provided. As a result, when the current is extracted, the current collected from the electrode flows in the plane direction of the low resistance layer 403b when the current is output as it is through the low resistance layer 403b, and reaches the extraction portion. Is taken out of the cell as it is. On the other hand, when a current is output through the high resistance layer 403a, the current flows in a region opposite to the extraction portion of the low resistance layer 403b and passes through the interface between the high resistance layer 403a and the low resistance layer 403b. It is transmitted to the high resistance layer 403a, and further flows in the planar direction through the high resistance layer 403a to reach the extraction portion. Here, since the high resistance layer 403a is not in contact with the electrode, the high resistance layer can generate heat more uniformly.

高抵抗層403a、低抵抗層403bのいずれについても、平面方向に電流を効率良く流すためには、平面方向において均一な抵抗値を有するように形成されることが好ましい。   Both the high resistance layer 403a and the low resistance layer 403b are preferably formed so as to have a uniform resistance value in the plane direction in order to allow current to flow efficiently in the plane direction.

(実施の形態3)
図5は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。図5に示す構成は、アノード側および/カソード側に形成されることができるが、図5においては一方のみを図示している。本発明においては、たとえば図5に示すように、集電体の貫通孔の部分に電極502が形成され、高抵抗層503aは絶縁層511により被覆されており、電極502と絶縁されていることが好ましい。低抵抗層503bは電解質層101と接するように形成されることができる。このような構成によれば、電極および電解質層の加熱をより均一かつ効率良く行なうことができる。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a plan view for explaining an example of the configuration of the current collector in the fuel cell of the present invention. The structure shown in FIG. 5 can be formed on the anode side and / or the cathode side, but only one of them is shown in FIG. In the present invention, for example, as shown in FIG. 5, an electrode 502 is formed in the through-hole portion of the current collector, and the high resistance layer 503 a is covered with the insulating layer 511 and insulated from the electrode 502. Is preferred. The low resistance layer 503b can be formed in contact with the electrolyte layer 101. According to such a configuration, heating of the electrode and the electrolyte layer can be performed more uniformly and efficiently.

図5において、絶縁接着層512、絶縁封止部513、接合部材514は、図4における絶縁接着層412、絶縁封止部413、接合部材414とそれぞれ同様の形状および機能を有する。図5においては、集電体の高抵抗層503aおよび低抵抗層503bが、層厚方向に貫通する貫通孔を有するように形成される。低抵抗層503bはこれにより電極502と接触する。   In FIG. 5, the insulating adhesive layer 512, the insulating sealing portion 513, and the bonding member 514 have the same shapes and functions as the insulating adhesive layer 412, the insulating sealing portion 413, and the bonding member 414 in FIG. 4. In FIG. 5, the high-resistance layer 503a and the low-resistance layer 503b of the current collector are formed so as to have through holes penetrating in the layer thickness direction. Thus, the low resistance layer 503b is in contact with the electrode 502.

実施の形態1〜3では、高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体を用い、高抵抗層と低抵抗層とが電極の形成されていない領域において電気的な接合を設ける場合について説明した。ここで、たとえば図3に示されるように高抵抗層の形状を調整することによって上記の電気的な接合を設ける場合の集電体の作製方法の例について以下に説明する。なお、以下では、集電体に貫通孔を設けることによって抵抗値を調整する態様についても併せて説明する。   In the first to third embodiments, a case where a current collector including a high resistance layer and a low resistance layer is used and an electrical junction is provided in a region where the high resistance layer and the low resistance layer are not formed with electrodes is described. did. Here, for example, as shown in FIG. 3, an example of a method for manufacturing a current collector in the case where the above-described electrical junction is provided by adjusting the shape of the high resistance layer will be described below. In addition, below, the aspect which adjusts resistance value by providing a through-hole in a collector is also demonstrated collectively.

図6は、貫通孔を有する集電体の作製方法の一例について説明する図である。たとえば0.01Ω・cm程度のP型シリコン基板に、直径100μm程度、ピッチ200μm程度で、六方最密充填で貫通孔をあけ、基板15とする(図6(A))。このとき、基板としてたとえばN型シリコンを用いる場合には、たとえば光アシスト電解エッチング法により貫通孔をより密にあけることができる。以上の方法で高抵抗層を形成する。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a method for manufacturing a current collector having a through hole. For example, a P-type silicon substrate of about 0.01 Ω · cm has a diameter of about 100 μm and a pitch of about 200 μm, and through holes are formed by hexagonal close-packing to form a substrate 15 (FIG. 6A). At this time, when N-type silicon, for example, is used as the substrate, the through holes can be made denser by, for example, a photo-assisted electrolytic etching method. The high resistance layer is formed by the above method.

次に、基板15上の一部の領域に、たとえばスパッタにより、たとえば金(Au)等の金属層25,35を積層する(図6(B))。次に、基板表面を酸化処理して、特に上面の金属層25,35以外の部分を絶縁化する。酸化処理においては、たとえば乾燥酸素中にて900℃で3時間加熱し、厚みが約100nm程度の酸化層45を形成することができる(図6(C))。   Next, metal layers 25 and 35 such as gold (Au), for example, are stacked on a part of the region on the substrate 15 by, for example, sputtering (FIG. 6B). Next, the surface of the substrate is oxidized to insulate portions other than the metal layers 25 and 35 on the upper surface. In the oxidation treatment, for example, the oxide layer 45 having a thickness of about 100 nm can be formed by heating in dry oxygen at 900 ° C. for 3 hours (FIG. 6C).

金属箔55としては、たとえばチタン箔100μmに基板15の貫通孔と同様の形状の貫通孔を孔加工により形成したものや、または、基板15の貫通孔の少なくとも一部分が該チタン箔の貫通孔に含まれるような形状の貫通孔を孔加工により形成したもの等を使用できる。なお該チタン箔には、たとえばAu(金)等のメッキをさらに施すことが好ましい。具体的には、上記のような形状とすることで基板15と金属箔55とを積層したときに両者ともを貫通可能な孔をたとえばパンチング、ラス加工等により施したチタン箔に、Auを厚み0.2μm程度でメッキして用いることができる。以上の方法で低抵抗層を形成する。   As the metal foil 55, for example, a titanium foil having a shape similar to the through hole of the substrate 15 is formed in 100 μm by drilling, or at least a part of the through hole of the substrate 15 is a through hole of the titanium foil. What formed the through-hole of the shape which is contained by the hole process etc. can be used. The titanium foil is preferably further plated with, for example, Au (gold). Specifically, when the substrate 15 and the metal foil 55 are laminated as described above, a thickness of Au is applied to a titanium foil in which holes that can penetrate both of them are formed by punching, lath processing, or the like. It can be used by plating at about 0.2 μm. The low resistance layer is formed by the above method.

次に、高抵抗層の基板15と低抵抗層の金属箔55とを半田により接合する。半田部にはPVDF、感光性ポリアクリル樹脂、感光性ポリイミド樹脂等によりコーティングを行なうことができる。以上により、2つの電流取り出し部65,75が形成され、貫通孔を有する集電体が作製される(図6(D)。なお、電流取り出し部65,75に各々スイッチを設けることによって、高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体として使用することが可能である。   Next, the high-resistance layer substrate 15 and the low-resistance layer metal foil 55 are joined together by soldering. The solder portion can be coated with PVDF, photosensitive polyacrylic resin, photosensitive polyimide resin, or the like. As described above, two current extraction portions 65 and 75 are formed, and a current collector having a through hole is manufactured (FIG. 6D). It can be used as a current collector composed of a resistance layer and a low resistance layer.

(実施の形態4)
図7は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。本発明においては、集電体が高抵抗層と低抵抗層とを少なくとも含んでいれば良いが、高抵抗層と低抵抗層との間に、たとえば高抵抗層と低抵抗層との中間の抵抗値を有する層が存在する3層以上からなる集電体も使用できる。図7には、高抵抗層703a、低抵抗層703b、および、高抵抗層703aと低抵抗層703bとの中間の抵抗値を有する中抵抗層703c、の3層からなる集電体を用いる例について示している。図7においては、高抵抗層703a、低抵抗層703b、中抵抗層703cの各層を絶縁するための絶縁層711a,711bが設けられている。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a plan view for explaining an example of the configuration of the current collector in the fuel cell of the present invention. In the present invention, it is sufficient that the current collector includes at least a high resistance layer and a low resistance layer, but between the high resistance layer and the low resistance layer, for example, between the high resistance layer and the low resistance layer. A current collector composed of three or more layers having a layer having a resistance value can also be used. FIG. 7 illustrates an example in which a current collector including three layers of a high resistance layer 703a, a low resistance layer 703b, and an intermediate resistance layer 703c having an intermediate resistance value between the high resistance layer 703a and the low resistance layer 703b is used. Shows about. In FIG. 7, insulating layers 711a and 711b for insulating the high resistance layer 703a, the low resistance layer 703b, and the middle resistance layer 703c are provided.

高抵抗層703a、低抵抗層703b、中抵抗層703cは、アノード電極、カソード電極が形成されている領域では絶縁層711a,711bを介することによって電気的に絶縁されている。一方、アノード電極、カソード電極が形成されていない領域のうち、電流取り出し部側の反対側では、高抵抗層703a、低抵抗層703b、中抵抗層703cが絶縁層を介さず直接接することによって電気的に接続されている。絶縁接着層712および絶縁封止部713は、図3に示す絶縁接着層312および絶縁封止部313と同様に形成されることができる。これにより、スイッチの切り替えによって電流を高抵抗層または中抵抗層に流すことによる電極および電解質層の加熱を、より効率的に行なうことができる。   The high resistance layer 703a, the low resistance layer 703b, and the middle resistance layer 703c are electrically insulated through the insulating layers 711a and 711b in the region where the anode electrode and the cathode electrode are formed. On the other hand, in the region where the anode electrode and the cathode electrode are not formed, the high resistance layer 703a, the low resistance layer 703b, and the middle resistance layer 703c are in direct contact with each other without an insulating layer on the side opposite to the current extraction portion side. Connected. The insulating adhesive layer 712 and the insulating sealing portion 713 can be formed in the same manner as the insulating adhesive layer 312 and the insulating sealing portion 313 shown in FIG. Thereby, the electrode and the electrolyte layer can be heated more efficiently by passing a current through the high resistance layer or the middle resistance layer by switching the switch.

図7においては、アノード側とカソード側との両方において、集電体の低抵抗層703bがそれぞれ電極と接するように形成されている。また、集電体における低抵抗層703b以外の部分、すなわち高抵抗層703aおよび中抵抗層703cが、絶縁層711を介して電極と接するように形成されている。これにより、電流の取り出し時において、低抵抗層703bの取り出し部から電流を取り出す場合、電極から集電された電流は、低抵抗層703bを平面方向、すなわち層厚方向と垂直の方向に流れて取り出し部に達する。取り出し部に達した電流はそのままセル外へ取り出される。また一方、中抵抗層703cの取り出し部から電流を取り出す場合、低抵抗層703bの取り出し部と反対側に流れた電流は、中抵抗層703cおよび低抵抗層703bと高抵抗層703aとの界面を経て中抵抗層703cへと伝わり、中抵抗層703cを平面方向に流れて取り出し部に達する。高抵抗層703aの取り出し部から電流を取り出す場合も同様に、低抵抗層703bの取り出し部と反対側に流れた電流は、高抵抗層703aと低抵抗層703bとの界面を経て高抵抗層703aへと伝わり、高抵抗層703aを平面方向に流れて取り出し部に達する。   In FIG. 7, the low resistance layer 703b of the current collector is formed so as to be in contact with the electrodes on both the anode side and the cathode side. Further, portions other than the low resistance layer 703 b in the current collector, that is, the high resistance layer 703 a and the middle resistance layer 703 c are formed so as to be in contact with the electrode through the insulating layer 711. As a result, when the current is extracted from the extraction portion of the low resistance layer 703b, the current collected from the electrode flows through the low resistance layer 703b in a plane direction, that is, a direction perpendicular to the layer thickness direction. Reach the extraction part. The current that has reached the extraction section is extracted out of the cell as it is. On the other hand, when the current is extracted from the extraction portion of the medium resistance layer 703c, the current that has flowed to the side opposite to the extraction portion of the low resistance layer 703b is caused to flow through the interface between the intermediate resistance layer 703c and the low resistance layer 703b and the high resistance layer 703a. Then, it is transmitted to the middle resistance layer 703c, flows through the middle resistance layer 703c in the plane direction, and reaches the extraction portion. Similarly, when the current is extracted from the extraction portion of the high resistance layer 703a, the current flowing on the opposite side to the extraction portion of the low resistance layer 703b passes through the interface between the high resistance layer 703a and the low resistance layer 703b. And flows through the high resistance layer 703a in the plane direction to reach the extraction portion.

以上のように、集電体が抵抗値の異なる3以上の層からなる場合においても、各層の取り出し部のいずれから電流を取り出すかを選択することにより、集電体の発熱量を制御できる。ここで、高抵抗層703aおよび中抵抗層703cは電極と接していないため、高抵抗層および中抵抗層のより均一な発熱が可能である。   As described above, even when the current collector is composed of three or more layers having different resistance values, the heat generation amount of the current collector can be controlled by selecting which of the extraction portions of each layer the current is extracted from. Here, since the high resistance layer 703a and the middle resistance layer 703c are not in contact with the electrode, more uniform heat generation of the high resistance layer and the middle resistance layer is possible.

(実施の形態5)
図8は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図であり、図9は、図8のIX−IX断面を示す断面図である。図8および図9に示す構成は、アノード側および/カソード側に形成されることができるが、図8および図9においては一方のみを図示している。本実施の形態では、電極、集電体、電解質層、の順の積層構造を有する場合について説明する。図8および図9に示す構成においては、集電体の高抵抗層803aが絶縁層811で覆われている。これにより、高抵抗層の電極および電解質層との接触をより確実に防止でき、電極および電解質層の加熱をより均一に行なうことができる。
(Embodiment 5)
FIG. 8 is a plan view for explaining an example of the configuration of the current collector in the fuel cell of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing the IX-IX cross section of FIG. The configurations shown in FIGS. 8 and 9 can be formed on the anode side and / or the cathode side, but only one of them is shown in FIGS. 8 and 9. In this embodiment, the case where an electrode, a current collector, and an electrolyte layer are stacked in this order will be described. 8 and 9, the high resistance layer 803a of the current collector is covered with an insulating layer 811. Thereby, contact with the electrode and electrolyte layer of a high resistance layer can be prevented more reliably, and heating of an electrode and an electrolyte layer can be performed more uniformly.

絶縁層811は、電極802を介して電解質層101と接合される部位と、接着層816によって電解質層101と接合される部位とを有する。絶縁層811、高抵抗層803a、低抵抗層803bは電極802に挟み込まれるように形成され、さらに絶縁封止部813、接合部材814が形成されている。   The insulating layer 811 has a portion bonded to the electrolyte layer 101 through the electrode 802 and a portion bonded to the electrolyte layer 101 by the adhesive layer 816. The insulating layer 811, the high resistance layer 803a, and the low resistance layer 803b are formed so as to be sandwiched between the electrodes 802, and an insulating sealing portion 813 and a bonding member 814 are formed.

図8および図9に示すような形状の電極802は、触媒を担持した炭素粒子と電解質高分子とからなる触媒ペーストを電解質層101上に塗布、乾燥した後、集電体を積層させ、さらにその上から該触媒ペーストを塗布、乾燥させる事により作製することができる。触媒ペーストは下記の手順により作製できる。アノード電極を形成するための触媒ペースト(以下、アノード触媒ペーストとも記載する)は、Pt担持量32.5wt%、Ru担持量16.9wt%のPt−Ru粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(たとえば、TEC66E50、田中貴金属社製)と、たとえば20wt%のナフィオン(登録商標)のアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、イソプロパノールと、アルミナボールとを、所定の割合でポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の容器に入れ、攪拌脱泡機を用いて500rpmで50分間の混合を行なうことにより作製できる。また、Pt担持量46.8wt%のPt粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(たとえば、TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いて、アノード触媒ペーストと同様に、カソード電極を形成するための触媒ペースト(以下、カソード触媒ペーストとも記載する)を作製できる。集電体と電解質層101とを接合した後、上記のアノード触媒ペーストと上記のカソード触媒ペーストとを各々塗布し、乾燥させることで、電極802を作製できる。   The electrode 802 having a shape as shown in FIGS. 8 and 9 is formed by applying a catalyst paste made of carbon particles supporting a catalyst and an electrolyte polymer on the electrolyte layer 101 and drying it, and then laminating a current collector. The catalyst paste can be applied and dried from above. The catalyst paste can be prepared by the following procedure. A catalyst paste for forming an anode electrode (hereinafter also referred to as anode catalyst paste) is a catalyst-supported carbon composed of Pt-Ru particles having a Pt loading amount of 32.5 wt% and a Ru loading amount of 16.9 wt% and carbon particles. Particles (for example, TEC66E50, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), 20 wt% of an alcohol solution of Nafion (registered trademark) (manufactured by Aldrich), isopropanol, and alumina balls at a predetermined ratio of polytetrafluoroethylene (PTFE) ), And mixing for 50 minutes at 500 rpm using a stirring defoamer. Further, by using catalyst-supported carbon particles (for example, TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) composed of Pt particles having a Pt support amount of 46.8 wt% and carbon particles, a cathode electrode is formed similarly to the anode catalyst paste. A catalyst paste (hereinafter also referred to as a cathode catalyst paste) can be produced. After the current collector and the electrolyte layer 101 are joined, the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste are applied and dried, whereby the electrode 802 can be manufactured.

図8および図9に示される構成においては、接着層816で絶縁層811と電解質層101とを接合することにより集電体と電解質層とを一体化している。これにより、ボルトやナットといった締結部材で集電体、電極、電解質層を押さえつける必要がないため、セルの一層の小型化、薄型化、軽量化が可能となる。なお本発明の「一体化」とは、たとえばエンドプレートおよびボルト、ナットなどで締結されることなく、充分に密着している状態を意味する。   In the configuration shown in FIGS. 8 and 9, the current collector and the electrolyte layer are integrated by bonding the insulating layer 811 and the electrolyte layer 101 with an adhesive layer 816. This eliminates the need to press the current collector, electrode, and electrolyte layer with fastening members such as bolts and nuts, thereby further reducing the size, thickness, and weight of the cell. The term “integrated” in the present invention means a state of being in close contact without being fastened by, for example, an end plate, bolts, nuts, or the like.

また、集電体と電解質層とが接着層を用いて一体化されることによって両者が剥がれるおそれが少なく、電極および電解質層と集電体との安定したコンタクトを確保できるため、燃料電池の信頼性を一層向上させることができる。   In addition, since the current collector and the electrolyte layer are integrated using an adhesive layer, there is little risk of peeling off, and a stable contact between the electrode and the electrolyte layer and the current collector can be secured. Property can be further improved.

接着層816の材料としては、たとえば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の他、感光性樹脂であるポリアクリル酸エステル、ポリアクリル樹脂等を用いることができる。   As a material for the adhesive layer 816, for example, epoxy resin, phenol resin, unsaturated polyester resin, or the like, polyacrylic acid ester that is a photosensitive resin, polyacrylic resin, or the like can be used.

(実施の形態6)
本発明において、集電体のうち低抵抗層以外の層が絶縁層で覆われる場合、絶縁層が電解質材料からなることも好ましい。電解質層は絶縁性の電解質からなる。よって、上記の場合、集電体における低抵抗層以外の層が電子絶縁性の電解質で覆われることとなり、低抵抗層以外の層を電流が局所的に流れた場合にも、電解質層や触媒の劣化の問題を回避することが出来る。また、絶縁層がプロトン導電性である為、イオンの拡散抵抗を低減することができる。さらに、電解質層と集電体とを強固に接着させることができるため、集電体の剥離によるオーミック抵抗の増大を引き起こす可能性が低くなる。
(Embodiment 6)
In the present invention, when a layer other than the low resistance layer of the current collector is covered with an insulating layer, the insulating layer is preferably made of an electrolyte material. The electrolyte layer is made of an insulating electrolyte. Therefore, in the above case, the layers other than the low resistance layer in the current collector are covered with the electronic insulating electrolyte, and even when a current locally flows through the layers other than the low resistance layer, the electrolyte layer and the catalyst The problem of deterioration can be avoided. Further, since the insulating layer is proton conductive, ion diffusion resistance can be reduced. Furthermore, since the electrolyte layer and the current collector can be firmly bonded, the possibility of causing an increase in ohmic resistance due to the peeling of the current collector is reduced.

図10は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図であり、図11は、図10のXI−XI断面を示す断面図である。図10および図11に示す構成は、アノード側および/カソード側に形成されることができるが、図10および図11においては一方のみを図示している。図10および図11に示す構成において、集電体は、電解質層101と電極1002との間に形成されている。絶縁層1011は電解質材料からなる。集電体の高抵抗層1003aは絶縁層1011で覆われ、絶縁層1011の上に低抵抗層1003bが形成されている。また絶縁層1011は接着層1016を介して電解質層101と接合されている。すなわち、高抵抗層1003aが電解質に埋め込まれるように一体化されて、さらに、絶縁封止部1013、接合部材1014が形成されている。なお接着層1016の材料としては、接着層816と同様の材料を用いることができる。   FIG. 10 is a plan view for explaining an example of the configuration of the current collector in the fuel cell of the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view showing a XI-XI cross section of FIG. The configurations shown in FIGS. 10 and 11 can be formed on the anode side and / or the cathode side, but only one of them is shown in FIGS. 10 and 11. 10 and 11, the current collector is formed between the electrolyte layer 101 and the electrode 1002. The insulating layer 1011 is made of an electrolyte material. The high-resistance layer 1003 a of the current collector is covered with an insulating layer 1011, and a low-resistance layer 1003 b is formed on the insulating layer 1011. The insulating layer 1011 is bonded to the electrolyte layer 101 through the adhesive layer 1016. That is, the high resistance layer 1003a is integrated so as to be embedded in the electrolyte, and the insulating sealing portion 1013 and the bonding member 1014 are further formed. Note that as the material of the adhesive layer 1016, a material similar to that of the adhesive layer 816 can be used.

図10および図11に示される構成において、絶縁層1011は、電解質層101と同様の材料から構成されることができる。絶縁層1011と電解質層101とは、たとえば電解質層101と同様の構成の、好ましくは比較的低分子量の電解質高分子、より好ましくは電解質層101よりも低分子量の電解質高分子で接着されていることが好ましい。具体的には、電解質層101よりも低分子量の電解質高分子を電解質層101および/または絶縁層1011に塗布し、該電解質層101と該絶縁層1011とを貼り合わせた後、ホットプレスにより接着することができる。この場合、集電体と電解質層101との剥離が防止され、電極と集電体との安定なコンタクトを確保できるため、燃料電池の信頼性が向上する。また、アノード電極で生成したプロトンのカソードへの移動がより効率良く行なわれため、燃料電池の発電効率が一層向上する。   10 and 11, the insulating layer 1011 can be made of the same material as the electrolyte layer 101. The insulating layer 1011 and the electrolyte layer 101 are bonded with, for example, a relatively low molecular weight electrolyte polymer having the same configuration as the electrolyte layer 101, and more preferably a lower molecular weight electrolyte polymer than the electrolyte layer 101. It is preferable. Specifically, an electrolyte polymer having a molecular weight lower than that of the electrolyte layer 101 is applied to the electrolyte layer 101 and / or the insulating layer 1011, and the electrolyte layer 101 and the insulating layer 1011 are bonded together, and then bonded by hot pressing. can do. In this case, peeling between the current collector and the electrolyte layer 101 is prevented, and a stable contact between the electrode and the current collector can be secured, so that the reliability of the fuel cell is improved. In addition, since the protons generated at the anode electrode are transferred to the cathode more efficiently, the power generation efficiency of the fuel cell is further improved.

図10および図11に示されるような形状の電極1002は、たとえば触媒を担持した炭素粒子と電解質高分子とからなる触媒ペーストを電解質層101上に塗布、乾燥した後、集電体を積層させ、さらにその上から該触媒ペーストを塗布、乾燥させる事により作製することができる。触媒ペーストは下記の手順により作製できる。アノード電極を形成するための触媒ペースト(以下、アノード触媒ペーストとも記載する)は、Pt担持量32.5wt%、Ru担持量16.9wt%のPt−Ru粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(たとえば、TEC66E50、田中貴金属社製)と、20wt%のナフィオン(登録商標)のアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、イソプロパノールと、アルミナボールとを、所定の割合でポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の容器に入れ、攪拌機を用いて500rpmで50分間の混合を行なうことにより作製できる。また、Pt担持量46.8wt%のPt粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(たとえば、TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いて、アノード触媒ペーストと同様に、カソード電極を形成するための触媒ペースト(以下、カソード触媒ペーストとも記載する)を作製できる。集電体と電解質層101とを接合した後、上記のアノード触媒ペーストと上記のカソード触媒ペーストとを各々塗布し、乾燥させることで、電極1002を作製できる。   The electrode 1002 having a shape as shown in FIGS. 10 and 11 is formed by, for example, applying a catalyst paste made of carbon particles supporting a catalyst and an electrolyte polymer on the electrolyte layer 101 and drying it, and then laminating a current collector. Further, the catalyst paste can be applied and dried from above. The catalyst paste can be prepared by the following procedure. A catalyst paste for forming an anode electrode (hereinafter also referred to as anode catalyst paste) is a catalyst-supported carbon composed of Pt-Ru particles having a Pt loading amount of 32.5 wt% and a Ru loading amount of 16.9 wt% and carbon particles. Particles (for example, TEC66E50, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), an alcohol solution of 20 wt% Nafion (registered trademark) (manufactured by Aldrich), isopropanol, and alumina balls in a predetermined ratio of polytetrafluoroethylene (PTFE) It can produce by mixing for 50 minutes at 500 rpm using a stirrer. Further, by using catalyst-supported carbon particles (for example, TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) composed of Pt particles having a Pt support amount of 46.8 wt% and carbon particles, a cathode electrode is formed similarly to the anode catalyst paste. A catalyst paste (hereinafter also referred to as a cathode catalyst paste) can be produced. After the current collector and the electrolyte layer 101 are joined, the anode catalyst paste and the cathode catalyst paste are applied and dried, whereby the electrode 1002 can be manufactured.

<燃料電池の製造方法>
本発明の燃料電池は、上述したような構造を備えるものであれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、本発明の燃料電池はたとえば以下のようにして作製することができる。なお、燃料電池の製造方法において以下で説明していない部分については、燃料電池の製造において通常用いられる公知の方法を適宜用いることができる。なお、以下では、集電体が高抵抗層と低抵抗層との2層からなり、該高抵抗層を絶縁層で覆う場合についてまず説明する。
<Fuel cell manufacturing method>
The fuel cell of the present invention is not particularly limited as long as it has the structure as described above, but the fuel cell of the present invention can be produced, for example, as follows. In addition, the well-known method normally used in manufacture of a fuel cell can be used suitably about the part which is not demonstrated below in the manufacturing method of a fuel cell. In the following, the case where the current collector is composed of two layers of a high resistance layer and a low resistance layer and the high resistance layer is covered with an insulating layer will be described first.

本発明の燃料電池は、典型的には、(1)高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体を形成する工程(集電体形成工程)と、(2)高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体のうち、高抵抗層を絶縁層で被覆する工程(絶縁被覆工程)と、(3)高抵抗層と低抵抗層とを接合する工程(接合工程)と、(4)拡散層を形成する工程(拡散層形成工程)と、(5)電極を形成する工程(電極形成工程)と、(6)拡散層と集電体と電解質層と電極とを一体形成する工程(一体化工程)からなる、製造方法により製造できる。電極と電解質層とが一体形成されたCCM(Catalyst Coated Membrane)を購入し、使用する場合は(5)の電極形成工程を省略することができる。   The fuel cell of the present invention typically includes (1) a step of forming a current collector (current collector forming step) comprising a high resistance layer and a low resistance layer, and (2) a high resistance layer and a low resistance. A step of covering the high-resistance layer with an insulating layer (insulation coating step), (3) a step of bonding the high-resistance layer and the low-resistance layer (bonding step), and (4) ) A step of forming a diffusion layer (a diffusion layer formation step), (5) a step of forming an electrode (electrode formation step), and (6) a step of integrally forming the diffusion layer, the current collector, the electrolyte layer, and the electrode. It can manufacture by the manufacturing method which consists of (integration process). When a CCM (Catalyst Coated Membrane) in which an electrode and an electrolyte layer are integrally formed is purchased and used, the electrode forming step (5) can be omitted.

ここで「一体化」とは、MEAの各部材が外部から圧力を加えなくとも分離しない状態のことをいい、具体的には化学結合やアンカー効果、粘着力等により接合された状態のことを指す。一体化させるための方法としては、たとえば、ホットプレス法により電解質層を電極および集電体に融着する方法が挙げられる。典型的には、電極中の固体高分子電解質や導電性多孔質物質を構成する高分子材料がホットプレス時の熱で変形することにより、3次元的なアンカー効果で接合を確保している。このような方法によれば、ボルトやナット等により締め付けを行って外部圧をかけることなく、集電体と電極との電気的、熱伝導的な接触を良好に保つことができる。   Here, “integrated” refers to a state in which each member of the MEA is not separated even if pressure is not applied from the outside, specifically, a state in which the members are joined by a chemical bond, an anchor effect, an adhesive force, or the like. Point to. As a method for integrating, for example, a method of fusing the electrolyte layer to the electrode and the current collector by a hot press method can be mentioned. Typically, the solid polymer electrolyte in the electrode and the polymer material constituting the conductive porous substance are deformed by the heat during hot pressing, thereby ensuring bonding by a three-dimensional anchor effect. According to such a method, it is possible to maintain good electrical and heat conductive contact between the current collector and the electrode without tightening with a bolt or nut or the like and applying external pressure.

(1)集電体形成工程
集電体は、たとえばシリコンプロセスで作製することができる。各層の抵抗値は、シリコン上へのメタルや、シリコンへの異種イオンのドープ量によって制御することが可能である。MEMS(micro electro mechanical systems)技術を用いることは、高精度な微細加工が可能となり、プロセス的に量産にも向く点で好ましい。
(1) Current collector forming step The current collector can be produced by, for example, a silicon process. The resistance value of each layer can be controlled by the amount of metal on silicon or the amount of different ions doped into silicon. The use of MEMS (micro electro mechanical systems) technology is preferable in that high-precision microfabrication is possible, and the process is suitable for mass production.

たとえば、ドリル、UV−YAGレーザー、ウェットエッチング等により穴をあけたシリコン基板を作製し、ダイシングにより、所定の大きさに調製することで集電体を作製することができる。また、N型シリコンの場合は、光アシスト電解エッチング法によれば穴をより密にあけることができる。また、異なる抵抗値を有する集電体として、部分的に金属をスパッタにより積層し、形成することが出来る。具体的には、シリコン基板表面を酸化処理し、金属以外の部分を絶縁化する。次に、上記で酸化処理された基板の表面に金属を積層する。または、金属箔、金属板接着剤を介して接着させる。酸化処理の替わりにポリイミド等の絶縁シートを塗布、または接着し、形成しても良い。金属表面には必要に応じて、金メッキを行なう。2つの電極取り出し口に各々スイッチを形成する。   For example, a current collector can be manufactured by preparing a silicon substrate with holes formed by a drill, a UV-YAG laser, wet etching, or the like and adjusting the silicon substrate to a predetermined size by dicing. In the case of N-type silicon, the holes can be made denser by the photo-assisted electrolytic etching method. Further, a current collector having different resistance values can be formed by partially laminating metal by sputtering. Specifically, the surface of the silicon substrate is oxidized to insulate portions other than the metal. Next, a metal is laminated on the surface of the substrate oxidized as described above. Or it adheres through metal foil and a metal plate adhesive agent. Instead of oxidation treatment, an insulating sheet such as polyimide may be applied or adhered to form. If necessary, the metal surface is plated with gold. A switch is formed in each of the two electrode outlets.

集電体形成工程においては、たとえば、集電体とするための金属板または金属箔に、パンチング法、エッチング法、レーザー法、ドリルを用いた孔加工等を行なう方法等によって、平面に複数の開孔を形成することができる。   In the current collector forming step, for example, a plurality of metal plates or metal foils to be used as a current collector are formed on a plane by a punching method, an etching method, a laser method, a drilling method using a drill, or the like. Openings can be formed.

パンチング法においては、所定の開孔パターンを形成するための金型を作製し、これを集電体に押し当て打ち抜くことにより、開孔を形成することができる。このような製造方法では、特別な装置を用いずとも、複数の開孔を一度に形成することができ、安価な加工が可能となる。また、熱がかからない機械加工であるため、選択される集電体の材料、材質にとらわれない開孔の形成が可能となる。   In the punching method, an opening can be formed by preparing a mold for forming a predetermined opening pattern and pressing and punching it to a current collector. In such a manufacturing method, a plurality of holes can be formed at one time without using a special apparatus, and inexpensive processing is possible. Further, since the machining is not applied with heat, it is possible to form a hole that is independent of the selected current collector material and material.

エッチング法としては、プリント配線技術等に用いられるフォトエッチング工程の方法を用いることができる。集電体の一方の表面に、感光性のレジストを塗布またはラミネートして感光層を形成し、露光後に残すべき集電体のレジストパターンを作製した後、現像、エッチングすることで、開孔を形成することができる。このような製造方法では、複数の開孔を一度に形成することができるとともに、微細な開孔パターンを加工することが可能となる。   As an etching method, a photoetching process method used in printed wiring technology or the like can be used. A photosensitive resist is applied or laminated on one surface of the current collector to form a photosensitive layer, and after forming a resist pattern of the current collector to be left after exposure, development and etching are performed to open holes. Can be formed. In such a manufacturing method, it is possible to form a plurality of openings at a time and to process a fine opening pattern.

レーザー法においては、エキシマ、炭酸ガス、キセノン等のレーザーを用い、開孔を形成することができる。このとき、集光レーザーを用い、単開孔ごとに集電体をX−Yステージ上で移動させ、所定の開孔パターンを形成することができる。   In the laser method, an opening can be formed using a laser such as excimer, carbon dioxide gas, or xenon. At this time, by using a condensing laser, the current collector can be moved on the XY stage for each single opening to form a predetermined opening pattern.

上記いずれの方法においても、金属板または金属箔の厚み、開孔径、開孔率によって集電体の抵抗値を制御することが出来る。   In any of the above methods, the resistance value of the current collector can be controlled by the thickness, hole diameter, and hole area ratio of the metal plate or metal foil.

また、集電体として、金属線を平織りに編んだメッシュを用いることも出来る。この場合、メッシュの線径や目開きを制御することで、抵抗値を制御することができる。   Further, a mesh in which metal wires are knitted into a plain weave can be used as the current collector. In this case, the resistance value can be controlled by controlling the wire diameter and mesh size of the mesh.

なお、集電体が耐酸性、耐薬品性を必要とする場合には、上記の方法で開孔を形成した後、Au,Pt等の耐酸性、耐薬品性に優れた金属を集電体表面にメッキする事が好ましい。   In addition, when the current collector needs acid resistance and chemical resistance, after forming an opening by the above method, a metal having excellent acid resistance and chemical resistance such as Au and Pt is collected. Plating on the surface is preferred.

(2)絶縁被覆工程
絶縁層で被覆された高抵抗層は、たとえば、電極の表面全面を覆うように形成されたポリイミドのシートで集電体をはさみ、外周をポリイミド系接着剤で封止する方法により作製できる。また、ネガ型感光性のポリイミド樹脂を、高抵抗層における電流取り出し部以外の部分に塗布し、UV照射によって該ポリイミド樹脂を硬化させることにより高抵抗層を絶縁層で被覆することができる。また、熱硬化性ポリイミド樹脂を用い、キュア温度で熱硬化させて形成しても良い。絶縁層となるポリイミドシートは多孔質体であることが好ましい。ただしこの場合、上述の触媒ペーストが該多孔質体の細孔の内部に入り込み、集電体の高抵抗層と電極とが電気的に接触してしまうことがない程度に細孔径が小さい多孔質体を用いる。集電体の高抵抗層と電極との電気的な接触を良好に防止できる点で、該細孔径は、たとえば直径1μm以下であることが好ましい。
(2) Insulation coating step The high resistance layer coated with the insulation layer is, for example, sandwiching the current collector with a polyimide sheet formed so as to cover the entire surface of the electrode, and sealing the outer periphery with a polyimide adhesive. It can be produced by a method. Moreover, a negative photosensitive polyimide resin is apply | coated to parts other than the electric current extraction part in a high resistance layer, and a high resistance layer can be coat | covered with an insulating layer by hardening this polyimide resin by UV irradiation. Alternatively, a thermosetting polyimide resin may be used and cured by curing at a curing temperature. It is preferable that the polyimide sheet used as an insulating layer is a porous body. However, in this case, the above-mentioned catalyst paste enters the inside of the pores of the porous body, and the pore diameter is so small that the high resistance layer of the current collector and the electrode are not in electrical contact with each other. Use the body. The pore diameter is preferably, for example, 1 μm or less in diameter in that electrical contact between the high resistance layer of the current collector and the electrode can be satisfactorily prevented.

絶縁層として使用できる他の多孔質体のシートとしては、ポリプロピレンやポリエチレンの不織布、発泡PTFE等が挙げられる。絶縁層として撥水性の多孔質体を用いる場合は、二酸化炭素を排出できるよう、多孔質体をセルの筐体外部まで引き伸ばしておくことが好ましい。また、NMP(N−メチルピロリドン)溶剤に溶解させたPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を集電体に塗布する方法等により絶縁層を作製しても良い。この場合、上記の開孔形成工程で形成した開孔を塞がないようにすることが好ましい。   Examples of other porous sheets that can be used as the insulating layer include polypropylene and polyethylene nonwoven fabrics and expanded PTFE. When a water-repellent porous material is used as the insulating layer, it is preferable to extend the porous material to the outside of the cell housing so that carbon dioxide can be discharged. Alternatively, the insulating layer may be formed by a method of applying PVDF (polyvinylidene fluoride) dissolved in an NMP (N-methylpyrrolidone) solvent to a current collector. In this case, it is preferable not to block the opening formed in the opening forming step.

(3)接合工程
集電体の高抵抗層と低抵抗層とを接合する方法としては、電極が形成された領域の外側で、高抵抗層と低抵抗層とを半田等の接合部材で接合する方法等を用いることができる。この場合、接合部材としては低温半田を用いることが好ましい。半田付けは、上記(2)の工程より前に行なっても良い。また、カシメや、ボルト、ナットにより高抵抗層と低抵抗層とを接合させても良い。その際、接合部の接触面積が多くなるよう、たとえば銀ペーストを塗布することが好ましい。また、炭素粒子等の導電性粒子と有機高分子とを溶剤に分散させたペーストによって高抵抗層と低抵抗層とを接着することで接合を行なっても良い。接合部には、ポリイミドやPDVF等の耐熱性、絶縁性に優れた樹脂でコーティングすることにより絶縁封止部を設けることが好ましい。また絶縁封止部は、熱硬化性樹脂や感光性樹脂からなることがさらに好ましい。
(3) Joining process As a method of joining the high resistance layer and the low resistance layer of the current collector, the high resistance layer and the low resistance layer are joined by a joining member such as solder outside the region where the electrodes are formed. Or the like can be used. In this case, it is preferable to use low-temperature solder as the joining member. Soldering may be performed before the step (2). Further, the high resistance layer and the low resistance layer may be joined by caulking, bolts, or nuts. At that time, for example, a silver paste is preferably applied so that the contact area of the joint portion is increased. Further, bonding may be performed by adhering the high resistance layer and the low resistance layer with a paste in which conductive particles such as carbon particles and an organic polymer are dispersed in a solvent. It is preferable to provide an insulating sealing portion at the joint portion by coating with a resin having excellent heat resistance and insulation properties such as polyimide and PDVF. The insulating sealing portion is more preferably made of a thermosetting resin or a photosensitive resin.

(4)拡散層形成工程
上記(3)の工程で作製された集電体のうち、電極に接着させる面と反対側の面に接着液を塗布し、該接着液を介して集電体と拡散層とを貼り合わせ、さらに後述の(6)の一体化工程で熱圧着することにより、集電体と拡散層とを一体化することができる。拡散層としては、典型的には多孔質体が好ましく用いられる。また、接着液としては、拡散層を形成する多孔質体と同様の物性を持った高分子が好ましく、親水性の多孔質体を備える場合は親水性の高分子を、撥水性の多孔質体を備える場合は撥水性の高分子を用いることが好ましい。
(4) Diffusion layer forming step Of the current collector produced in the step (3) above, an adhesive liquid is applied to the surface opposite to the surface to be bonded to the electrode, and the current collector and The current collector and the diffusion layer can be integrated by bonding the diffusion layer and further thermocompression bonding in an integration step (6) described later. As the diffusion layer, typically a porous body is preferably used. Further, the adhesive liquid is preferably a polymer having the same physical properties as the porous body forming the diffusion layer. When the hydrophilic liquid is provided, the hydrophilic polymer is replaced with the water-repellent porous body. When it is provided, it is preferable to use a water-repellent polymer.

(5)電極形成工程
触媒粒子と導電性粒子と電解質とを有機溶媒に分散させて得られる触媒ペーストを、バーコート法、スクリーン印刷法またはスプレーコーティング法等を用いて均一に塗布し、該触媒ペースト中の有機溶媒を除去する方法等により電極を形成できる。このような方法では、多数の細孔を有した電極を形成することができるため、触媒粒子の有効な表面積を増加させることが可能となる。
(5) Electrode forming step A catalyst paste obtained by dispersing catalyst particles, conductive particles, and an electrolyte in an organic solvent is uniformly applied using a bar coating method, a screen printing method, a spray coating method, or the like. The electrode can be formed by a method of removing the organic solvent in the paste. In such a method, since an electrode having a large number of pores can be formed, the effective surface area of the catalyst particles can be increased.

本発明において、電極を構成する触媒層は電解質層の表面に形成してもよく、たとえば導電層に被覆された導電性多孔質からなる拡散層の表面に形成してもよい。あらかじめ電解質層または導電層に触媒層を一体形成することにより、密着性の良い界面を得ることが可能となる。マスクにより導電層が露出している場合は、その上から触媒層を塗布して形成することで、触媒層と導電層とを直接接触させることができる。   In the present invention, the catalyst layer constituting the electrode may be formed on the surface of the electrolyte layer. For example, the catalyst layer may be formed on the surface of a diffusion layer made of a conductive porous material covered with a conductive layer. By forming the catalyst layer integrally with the electrolyte layer or the conductive layer in advance, it is possible to obtain an interface with good adhesion. When the conductive layer is exposed by the mask, the catalyst layer and the conductive layer can be brought into direct contact by applying and forming the catalyst layer from above.

さらに、たとえばプラスチックフィルム等(図示せず)の上に触媒層を形成した後、電解質層や集電体等に該触媒層を転写する方法を用いても良い。このような製造方法では、あらかじめ触媒層を別に形成しておくことができる。よって、電解質層のプロトン伝導率を低下させてしまう有機溶媒や導電層の表面に絶縁層を形成させてしまう有機溶媒であっても、触媒粒子と導電性粒子との分散性を向上させる目的で上記のペーストの溶媒として用いることが可能となる。   Furthermore, for example, a method of forming a catalyst layer on a plastic film or the like (not shown) and then transferring the catalyst layer to an electrolyte layer or a current collector may be used. In such a production method, the catalyst layer can be separately formed in advance. Therefore, even for an organic solvent that lowers the proton conductivity of the electrolyte layer or an organic solvent that forms an insulating layer on the surface of the conductive layer, the dispersibility between the catalyst particles and the conductive particles is improved. It can be used as a solvent for the paste.

(6)一体化工程
集電体と電解質層と電極とは、たとえば熱圧着等により一体化することができる。具体的には、上記(5)の電極形成工程において得られた、触媒層の形成された電解質層の触媒層面と上記の(1)、(2)、(3)の工程において作製された集電体の開孔部とが面接するように配置し、さらに上記の(4)の工程で設けた拡散層を配置する。次に、ホットプレス機を用いて、電解質層、触媒層、拡散層、および上記の(4)の工程で用いた接着液の軟化温度やガラス転移温度を超える温度で熱圧着する。
(6) Integration step The current collector, the electrolyte layer, and the electrode can be integrated by, for example, thermocompression bonding. Specifically, the catalyst layer surface of the electrolyte layer on which the catalyst layer is formed, obtained in the electrode forming step (5), and the assembly produced in the steps (1), (2), and (3) above. It arrange | positions so that the opening part of an electric conductor may contact, and also arrange | position the diffusion layer provided at the process of said (4). Next, using a hot press machine, thermocompression bonding is performed at a temperature exceeding the softening temperature and glass transition temperature of the electrolyte layer, the catalyst layer, the diffusion layer, and the adhesive liquid used in the step (4).

以上のような方法により作製されたMEAは、各界面において良好な密着性を有するとともに、微細な開孔パターンが形成されているため、このようなMEAを用いて燃料電池を作製することにより、メタノールおよび酸素の供給不足による出力電圧の低下を抑えることが可能となる。   The MEA produced by the above method has good adhesion at each interface and a fine aperture pattern is formed. By producing a fuel cell using such an MEA, It is possible to suppress a decrease in output voltage due to insufficient supply of methanol and oxygen.

なお、本発明において集電体が抵抗値の異なる3層からなる場合には、たとえば以下の方法によってMEAを作製することができる。すなわち、上記の工程(1)において3種類とも異なる抵抗値となるような3層からなる集電体を作製する。また、上記の工程(2)にて、集電体のうち低抵抗層以外の層にPVDFの溶液を塗布し、電子絶縁性を付与する。上記の工程(3)にて、3層の集電体を接着する。図7に示すように、低抵抗層703bを電極に接着させ、絶縁層711bを挟んで、中抵抗層703c、絶縁層711a、高抵抗層703aの順に積層する。集電体の各層にスイッチを設けることにより、各層に出力電流が流れるように制御することができる。   In the present invention, when the current collector is composed of three layers having different resistance values, for example, the MEA can be manufactured by the following method. That is, a current collector composed of three layers is prepared so as to have different resistance values in all three types in the above step (1). Moreover, in said process (2), the solution of PVDF is apply | coated to layers other than a low resistance layer among electrical power collectors, and electronic insulation is provided. In the step (3), a three-layer current collector is bonded. As shown in FIG. 7, a low resistance layer 703b is bonded to an electrode, and an intermediate resistance layer 703c, an insulating layer 711a, and a high resistance layer 703a are stacked in this order with the insulating layer 711b interposed therebetween. By providing a switch in each layer of the current collector, it is possible to control the output current to flow in each layer.

本発明において集電体と絶縁層と電解質層とを接合する場合には、上記の工程(1)〜(5)までは前述の通りとし、工程(6)の一体化工程において、絶縁層を電解質層と接着させる方法がある。電極の形成領域外では、電解質層と絶縁層とを接着剤を用いて接着させることができる。接着剤としては、電解質層と同様の高分子を絶縁層と電解質層とに塗布し、上記の工程(6)に記載の方法で絶縁層と電解質層とを重ね合わせ、ホットプレスにより接着させる。接着剤としては、その他にも、耐酸性、耐薬品性が優れ、ホットプレス時の温度で軟化して、熱圧着により接着できる高分子が好ましく用いられる。また、電解質層の耐熱温度以下の温度、すなわち電解質層に変質および軟化が生じない温度で熱硬化する高分子は好ましい。これにより、更に集電体とMEAとを強固に密着させることが出来、長期に渡る密着性の向上、集電時の接触抵抗による損失の軽減、熱伝導の効率化、を長期に渡って実現することが出来る。これにより製品の信頼性、歩留まりが向上する。   In the present invention, when the current collector, the insulating layer, and the electrolyte layer are joined, the above steps (1) to (5) are as described above, and in the integration step of step (6), the insulating layer is formed. There is a method of adhering to the electrolyte layer. Outside the electrode formation region, the electrolyte layer and the insulating layer can be bonded using an adhesive. As the adhesive, the same polymer as the electrolyte layer is applied to the insulating layer and the electrolyte layer, and the insulating layer and the electrolyte layer are overlapped by the method described in the above step (6) and bonded by hot pressing. In addition, a polymer that is excellent in acid resistance and chemical resistance, softens at the temperature during hot pressing, and can be bonded by thermocompression bonding is preferably used as the adhesive. In addition, a polymer that is thermoset at a temperature lower than the heat resistant temperature of the electrolyte layer, that is, a temperature at which the electrolyte layer does not change or soften is preferable. As a result, the current collector and the MEA can be firmly adhered to each other, and long-term improvement in adhesion, reduction of loss due to contact resistance during current collection, and improvement of heat conduction efficiency can be realized over a long period of time. I can do it. This improves the reliability and yield of the product.

本発明において、電解質材料からなる絶縁層を設ける場合、工程(2)において、絶縁層の材料として電解質材料を用い、工程(6)の一体化工程における接着剤として、たとえば電解質材料を有機溶剤で分散させた溶液を用いることができる。これにより、集電体と電解質層とを強固に接着させるだけでなく、アノード電極のアノード触媒層で得られたプロトンは速やかに電解質層に移動し、カソード側へ移動することが出来る。また、カソード側でも、電解質層からカソード触媒層へのプロトンおよび水の拡散が向上し、燃料電池の出力電力を向上させることが出来る。   In the present invention, when an insulating layer made of an electrolyte material is provided, in step (2), an electrolyte material is used as the material of the insulating layer, and as an adhesive in the integration step of step (6), for example, the electrolyte material is an organic solvent. A dispersed solution can be used. Thereby, not only the current collector and the electrolyte layer are firmly bonded, but also protons obtained in the anode catalyst layer of the anode electrode can quickly move to the electrolyte layer and move to the cathode side. Also, on the cathode side, diffusion of protons and water from the electrolyte layer to the cathode catalyst layer is improved, and the output power of the fuel cell can be improved.

図12は、本発明の燃料電池の構造を示す断面図である。燃料電池1200においては、筐体59の内部に、電解質層1201を挟んで対向するようにアノード電極1202a,カソード電極1202bが形成されている。アノード集電体としては低抵抗層1203bが、カソード集電体としては絶縁層1211を挟んで高抵抗層1203aおよび低抵抗層1203bが、それぞれ形成され、さらに、アノード側の拡散層1208a、カソード側の拡散層1208bが形成されている。高抵抗層1203aと低抵抗層1203bとは、電極が形成されていない領域において接合部材1214によって電気的に接続されている。カーボンGDLからなるカソード側の拡散層1208bにカソード集電体をプレスして押し付け、カソード電極1202bとしてのカソード触媒層をカソード集電体の上に塗布することにより、カソード極が形成されている。アノード側には、燃料容器19、燃料供給口29、換気孔49が設けられている。アノード集電体、カソード集電体には、それぞれアノード極配線69a、カソード極配線69bが接続されている。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of the fuel cell of the present invention. In the fuel cell 1200, an anode electrode 1202a and a cathode electrode 1202b are formed inside the housing 59 so as to face each other with the electrolyte layer 1201 interposed therebetween. A low-resistance layer 1203b is formed as the anode current collector, and a high-resistance layer 1203a and a low-resistance layer 1203b are formed as the cathode current collector with the insulating layer 1211 sandwiched therebetween. Further, the anode-side diffusion layer 1208a and the cathode side are formed. The diffusion layer 1208b is formed. The high resistance layer 1203a and the low resistance layer 1203b are electrically connected by a bonding member 1214 in a region where no electrode is formed. A cathode electrode is formed by pressing and pressing a cathode current collector against a cathode-side diffusion layer 1208b made of carbon GDL, and applying a cathode catalyst layer as a cathode electrode 1202b on the cathode current collector. On the anode side, a fuel container 19, a fuel supply port 29, and a ventilation hole 49 are provided. An anode electrode wiring 69a and a cathode electrode wiring 69b are connected to the anode current collector and the cathode current collector, respectively.

低抵抗層1203bとしては、100μm程度の厚みのTi板に縦0.5mm、横1mm程度のひし形の貫通孔を開けたメタルラス(エキスパンデッドメタル)に金を1μmの厚みでメッキしたものを用いることができる。また、高抵抗層1203aとしては、たとえば、材質がSUS316Lで線径30μmの金網(100メッシュ)であるSUS316Lメッシュを用いることができる。たとえばアノード側の拡散層1208aとアノード集電体とをプレスにより固定した上にアノード電極1202aとしてアノード触媒層を塗布することで、アノード電極が集電体と接して形成されている。アノード極、たとえばナフィオン(登録商標)117からなる電解質層1201、カソード極、の順で、アノード極とカソード極との触媒形成領域の位置を合わせて積層し、たとえば130℃、10kgf/cm2で2分間ホットプレス処理することにより、膜電極複合体が形成される。 As the low resistance layer 1203b, a metal plate (expanded metal) having a diamond-shaped through-hole with a thickness of about 0.5 mm and a width of about 1 mm on a Ti plate having a thickness of about 100 μm and gold plated to a thickness of 1 μm is used. be able to. Further, as the high resistance layer 1203a, for example, a SUS316L mesh that is a wire mesh (100 mesh) made of SUS316L and having a wire diameter of 30 μm can be used. For example, the anode diffusion layer 1208a and the anode current collector are fixed by pressing, and an anode catalyst layer is applied as the anode electrode 1202a, so that the anode electrode is formed in contact with the current collector. The anode electrode, for example, the electrolyte layer 1201 made of Nafion (registered trademark) 117, and the cathode electrode are stacked in this order so that the positions of the catalyst forming regions of the anode electrode and the cathode electrode are aligned, for example, at 130 ° C. and 10 kgf / cm 2 . A membrane electrode assembly is formed by hot pressing for 2 minutes.

さらに、筐体59はたとえばアクリル樹脂の削り出しにより作製できる。上記の筐体と上記の膜電極複合体との外周を、たとえば熱硬化性高分子、エポキシ樹脂、より好ましくは光重合性高分子、等の接着層39を用いて接着することにより、図12に示す燃料電池が作製される。   Furthermore, the housing 59 can be manufactured by cutting out acrylic resin, for example. By adhering the outer periphery of the casing and the membrane electrode assembly using an adhesive layer 39 such as a thermosetting polymer, an epoxy resin, more preferably a photopolymerizable polymer, FIG. The fuel cell shown in FIG.

上述のようにして作製される本発明の燃料電池は、たとえば携帯用電子機器等に対して好適に適用され得る。   The fuel cell of the present invention produced as described above can be suitably applied to, for example, a portable electronic device.

<燃料電池システム>
本発明はまた、負荷として外部機器を駆動するための燃料電池システムであって、上述のいずれかの燃料電池と、集電体を構成する2以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、燃料電池のアノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するための温度センサーと、温度センサーの検知結果に基づいてスイッチ部を制御するための制御部と、を備える、燃料電池システムに関する。図13〜15は、本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。図13〜15では、アノード側およびカソード側の集電体が高抵抗層と低抵抗層とからなる場合を例に説明するが、既述のように集電体は3以上の層で構成されても良い。なお図13〜15では、便宜上セル構造の上部をカソード側、下部をアノード側として説明する。
<Fuel cell system>
The present invention is also a fuel cell system for driving an external device as a load, for controlling each of the above-described fuel cells and whether or not current is supplied to two or more layers constituting the current collector. Switch unit, a temperature sensor for detecting the temperature of the anode and / or cathode electrode of the fuel cell and the outside air temperature, and a control unit for controlling the switch unit based on the detection result of the temperature sensor And a fuel cell system. 13-15 is a figure explaining the example of the fuel cell system of this invention. 13 to 15, an example in which the current collector on the anode side and the cathode side is composed of a high resistance layer and a low resistance layer will be described. However, as described above, the current collector is composed of three or more layers. May be. 13 to 15, for convenience, the upper part of the cell structure is described as the cathode side and the lower part is described as the anode side.

(実施の形態7)
図13に示す燃料電池システム1300は、図3に示したセル構造の燃料電池300と、アノード電極の近傍に設けられた温度センサー91と、制御部92とを備え、スイッチ部として、スイッチ441,442,443,444、445,446が設けられる。集電体は、アノード側およびカソード側の高抵抗層303aと、アノード側およびカソード側の低抵抗層303bとからなる。各々のスイッチにより、集電体の各層への通電の有無をそれぞれ制御することができる。なお図13において、燃料電池300の構造は簡略化して表されている。図13においては、温度センサー91がアノード電極の近傍に設けられる場合について示しているが、該温度センサー91の設置場所はこれに限定されない。温度センサーは1のみまたは2以上設けることができる。典型的には、アノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを感知できる態様で設けられることができる。電極の温度は直接感知されることが好ましいが、電極近傍に温度センサーを設け、電極近傍の温度を電極の温度として感知しても良い。特にアノード電極近傍に温度センサーを設けることは特に好ましい。
(Embodiment 7)
A fuel cell system 1300 illustrated in FIG. 13 includes the fuel cell 300 having the cell structure illustrated in FIG. 3, a temperature sensor 91 provided in the vicinity of the anode electrode, and a control unit 92. 442, 443, 444, 445, 446 are provided. The current collector includes an anode-side and cathode-side high-resistance layer 303a and an anode-side and cathode-side low-resistance layer 303b. The presence or absence of energization to each layer of the current collector can be controlled by each switch. In FIG. 13, the structure of the fuel cell 300 is shown in a simplified manner. Although FIG. 13 shows the case where the temperature sensor 91 is provided in the vicinity of the anode electrode, the installation location of the temperature sensor 91 is not limited to this. Only one temperature sensor or two or more temperature sensors can be provided. Typically, it can be provided in a manner capable of sensing at least one of the temperature of the anode electrode and / or the cathode electrode and the outside air temperature. The temperature of the electrode is preferably sensed directly, but a temperature sensor may be provided near the electrode, and the temperature near the electrode may be sensed as the electrode temperature. It is particularly preferable to provide a temperature sensor in the vicinity of the anode electrode.

温度センサーで温度をモニターし、外部機器に導通させる部分を集電体の低抵抗層と高抵抗層とに切り替えて行なうことで温度制御を行なうことにより、外部機器の定常時においても高効率で燃料電池を発電し続けることができる。また、水素と酸素とを燃料とする燃料電池は、カソードで生成する水の除去がうまく出来ていない場合、連続的に出力を取り出していると出力が落ちることがある。これは、水がたまり、酸素が供給されなくなることが原因の1つである。定常時において電極近傍の温度が高い場合には、カソードで発生した水が結露せず、カソード燃料および酸素の供給を阻害しないので、連続出力特性も向上することができる。本発明によれば、従来とは異なり、特に電極の触媒付近の温度を高くすることができるので、顕著な出力向上効果を得ることができる。さらに、本発明によれば、触媒活性も向上する。有機化合物燃料、例えばメタノール等を燃料とする場合には、CO被毒などによる触媒活性の失活が起こるが、高温で動作させることにより失活の割合を減らすことが出来、連続出力特性を向上させることができる。   By controlling the temperature by monitoring the temperature with the temperature sensor and switching the part that conducts to the external device between the low resistance layer and high resistance layer of the current collector, it is highly efficient even when the external device is steady The fuel cell can continue to generate electricity. In addition, in a fuel cell using hydrogen and oxygen as fuel, if the water generated at the cathode is not successfully removed, the output may drop if the output is continuously taken out. This is one of the causes that water accumulates and oxygen is not supplied. When the temperature in the vicinity of the electrode is high at a constant time, the water generated at the cathode does not condense and the supply of the cathode fuel and oxygen is not hindered, so that the continuous output characteristics can be improved. According to the present invention, unlike the prior art, the temperature in the vicinity of the catalyst of the electrode can be increased, so that a remarkable output improvement effect can be obtained. Furthermore, according to the present invention, the catalytic activity is also improved. When an organic compound fuel, such as methanol, is used as the fuel, the catalytic activity is deactivated due to CO poisoning, etc., but the deactivation rate can be reduced by operating at a high temperature, improving the continuous output characteristics. Can be made.

本発明の燃料電池システムが、温度センサーと制御部とを備える場合、外部機器の待機時の軽負荷時や停止時に、燃料電池が所定温度未満になると燃料電池を発電させることができる。自己発熱、および、必要によっては高抵抗層に電流を流すことによる発熱、によって、燃料電池の特に電極や電解質層の近傍の温度が一定未満にならないように制御し、燃料電池の構成材料の耐久性を低下させないという効果が得られる。また、電極および電解質層の温度を所定の温度以上に維持している場合、外部機器が急に待機時から復帰した時にも燃料電池から出力を瞬時に取り出せる利点もある。   When the fuel cell system of the present invention includes a temperature sensor and a control unit, the fuel cell can be caused to generate power when the temperature of the external device is lower than a predetermined temperature at the time of light load during standby or when the external device is stopped. Durability of the constituent materials of the fuel cell by controlling the temperature of the fuel cell, particularly in the vicinity of the electrode and electrolyte layer, to be less than a certain level by self-heating and, if necessary, heat generated by passing a current through the high resistance layer The effect of not lowering the property is obtained. Further, when the temperature of the electrode and the electrolyte layer is maintained at a predetermined temperature or higher, there is an advantage that the output can be instantaneously taken out from the fuel cell even when the external device suddenly returns from the standby state.

(実施の形態8)
図14においては、図3に示す燃料電池におけるセル構造と同様のセル構造が複数スタックされた燃料電池を含む燃料電池システムを例に示しており、簡略化のため燃料電池の各部材の参照符号は図示していない。本発明の燃料電池システムは蓄電装置をさらに備えることが好ましく、図14においては該蓄電装置を備える場合について示している。
(Embodiment 8)
FIG. 14 shows an example of a fuel cell system including a fuel cell in which a plurality of cell structures similar to the cell structure in the fuel cell shown in FIG. 3 are stacked. Is not shown. The fuel cell system of the present invention preferably further includes a power storage device, and FIG. 14 shows a case where the power storage device is provided.

燃料電池システム1400は、セル300a,300b,300cとして代表して表される、同じ構造の複数のセルがスタックされた燃料電池と、該燃料電池のアノード電極の近傍に設けられた温度センサー(図示せず)と、制御部96とを備える。また図14に示す燃料電池システム1400には、動作状態モニター93、後述するスイッチ441a,442aの開閉を探知する動作状態モニター93、2つの蓄電池からなる蓄電装置94、および充放電回路95が接続されている。なお図14において温度センサーは図示しないが、各セルに対し図13と同様の態様で設けられることができる。また図14においても、図13と同様燃料電池の構造は簡略化して表されている。図14では、スタック構造、およびスタック構造の中間部分に接続されるスイッチが一部省略して記載されている。   A fuel cell system 1400 includes a fuel cell in which a plurality of cells having the same structure, which are represented as cells 300a, 300b, and 300c, are stacked, and a temperature sensor (see FIG. And a control unit 96. 14 is connected to an operation state monitor 93, an operation state monitor 93 that detects opening and closing of switches 441a and 442a, which will be described later, a power storage device 94 including two storage batteries, and a charge / discharge circuit 95. ing. Although the temperature sensor is not shown in FIG. 14, each cell can be provided in the same manner as in FIG. Also in FIG. 14, the structure of the fuel cell is shown in a simplified manner as in FIG. In FIG. 14, a stack structure and a switch connected to an intermediate portion of the stack structure are partially omitted.

一例として、燃料電池システム1400における3つのセル300a,300b,300cの接続関係について説明する。セル300aにおいて、アノード側の集電体およびカソード側の集電体は、高抵抗層303aと低抵抗層303bとで構成される。他のセル300b,300cについても同様である。集電体の各層への通電の有無は、スイッチ部でそれぞれ制御できる。   As an example, the connection relationship of three cells 300a, 300b, and 300c in the fuel cell system 1400 will be described. In the cell 300a, the current collector on the anode side and the current collector on the cathode side are composed of a high resistance layer 303a and a low resistance layer 303b. The same applies to the other cells 300b and 300c. Whether the current collector is energized or not can be controlled by the switch unit.

セル300aのカソード側は、外部機器の端子(+側)と、スイッチおよび動作状態モニター93を介して接続される。具体的には、スイッチ441aは、動作状態モニター93とカソード側における高抵抗層303aの一端側との間に第1のスイッチ素子として設けられる。また、スイッチ442aは、動作状態モニター93とカソード側における低抵抗層303bとの間に第2のスイッチ素子として設けられる。   The cathode side of the cell 300 a is connected to a terminal (+ side) of an external device via a switch and an operation state monitor 93. Specifically, the switch 441a is provided as a first switch element between the operation state monitor 93 and one end side of the high resistance layer 303a on the cathode side. The switch 442a is provided as a second switch element between the operation state monitor 93 and the low resistance layer 303b on the cathode side.

また、セル300aとセル300bとの間を接続するためのスイッチが設けられる。具体的には、セル300aのアノード側とセル300bのカソード側とを接続するためのスイッチが設けられる。本例においては一例としてセル300aのアノード側の低抵抗層303bとセル300bのカソード側の低抵抗層303bとを接続するためのスイッチ444a、セル300aのアノード側の高抵抗層303aとセル300bのカソード側の高抵抗層303aとを接続するためのスイッチ445a、が設けられる場合が示されている。他の直列に接続されるセル同士を接続する場合においても同様のスイッチ444b,445bが設けられる。   In addition, a switch for connecting the cell 300a and the cell 300b is provided. Specifically, a switch for connecting the anode side of the cell 300a and the cathode side of the cell 300b is provided. In this example, as an example, the switch 444a for connecting the low resistance layer 303b on the anode side of the cell 300a and the low resistance layer 303b on the cathode side of the cell 300b, the high resistance layer 303a on the anode side of the cell 300a and the cell 300b The case where the switch 445a for connecting with the cathode side high resistance layer 303a is provided is shown. Similar switches 444b and 445b are provided when connecting other cells connected in series.

また、各セルに対応して設けられ、蓄電装置94および充放電回路95と接続されて、各セルの高抵抗層に電流を供給するためのスイッチが設けられる。具体的には、セル300aのカソード側の高抵抗層303aの一端側と充放電回路95との間を接続するためのスイッチ447aと、セル300aのカソード側の高抵抗層303aの他端側と蓄電装置94との間を接続するためのスイッチ443aとが設けられる。同様に、セル300aのアノード側の高抵抗層303aの一端側と充放電回路95との間を接続するためのスイッチ448aと、セル300aのアノード側の高抵抗層303aの他端側と蓄電装置94との間を接続するためのスイッチ446aとが設けられる。他のセルについても同様であり、セル300bのカソード側の高抵抗層303aに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ447b,443bが設けられている場合が示されている。また、セル300bのアノード側の高抵抗層303aに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ448b,446bが設けられている場合が示されている。   In addition, a switch is provided corresponding to each cell, connected to power storage device 94 and charge / discharge circuit 95, and provided to supply a current to the high resistance layer of each cell. Specifically, a switch 447a for connecting between one end side of the high resistance layer 303a on the cathode side of the cell 300a and the charge / discharge circuit 95, and the other end side of the high resistance layer 303a on the cathode side of the cell 300a, A switch 443a for connecting the power storage device 94 is provided. Similarly, a switch 448a for connecting between one end side of the high resistance layer 303a on the anode side of the cell 300a and the charge / discharge circuit 95, the other end side of the high resistance layer 303a on the anode side of the cell 300a, and the power storage device And a switch 446 a for connecting to the terminal 94. The same applies to other cells, and a case is shown in which switches 447b and 443b are provided on one end and the other end side corresponding to the high resistance layer 303a on the cathode side of the cell 300b, respectively. Further, the case where switches 448b and 446b are provided on one end and the other end side corresponding to the high resistance layer 303a on the anode side of the cell 300b is shown.

また、セル300cのカソード側の高抵抗層303aに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ447c,443cが設けられている場合が示されている。セル300cのアノード側の高抵抗層303aに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ448c,446cが設けられている場合が示されている。また、セル300cのアノード側の高抵抗層303aの一端側と蓄電装置94との間を接続するためのスイッチ449cが設けられている場合が示されている。   Further, a case is shown in which switches 447c and 443c are provided on one end and the other end side corresponding to the high resistance layer 303a on the cathode side of the cell 300c, respectively. The case where switches 448c and 446c are provided on one end and the other end side corresponding to the high resistance layer 303a on the anode side of the cell 300c is shown. In addition, a case where a switch 449c for connecting between one end side of the high resistance layer 303a on the anode side of the cell 300c and the power storage device 94 is provided is shown.

また、セル300cのアノード側は、外部機器の端子(−側)とスイッチを介して接続される。具体的には、第4のスイッチ素子としてのスイッチ444cは、一方を外部機器の端子(−側)と接続され、他方をアノード側における低抵抗層と接続される。また、第3のスイッチ素子としてのスイッチ445cは、一方を外部機器の端子(−側)と接続され、他方をアノード側における高抵抗層と接続される。   The anode side of the cell 300c is connected to a terminal (− side) of an external device via a switch. Specifically, one of the switches 444c as the fourth switch element is connected to the terminal (− side) of the external device, and the other is connected to the low resistance layer on the anode side. Also, one of the switches 445c as the third switch element is connected to the terminal (− side) of the external device, and the other is connected to the high resistance layer on the anode side.

(実施の形態9)
本発明の燃料電池システムは、上記の温度センサーに代えて、または温度センサーとともに、燃料電池の出力電流および/または出力電圧を検知するためのモニター部を備えても良い。図15に示す燃料電池システム1500は、図14に示す燃料電池システム1400の温度センサーに代えて、または該温度センサーとともに、モニター部97を設け、制御部として制御部98を設ける例について示している。
(Embodiment 9)
The fuel cell system of the present invention may include a monitor unit for detecting the output current and / or the output voltage of the fuel cell instead of or in addition to the above temperature sensor. A fuel cell system 1500 shown in FIG. 15 shows an example in which a monitor unit 97 is provided instead of or together with the temperature sensor of the fuel cell system 1400 shown in FIG. 14, and a control unit 98 is provided as a control unit. .

燃料電池が特にダイレクトメタノール方式である場合、出力が低下する要因として、カソードで生成した水の結露による燃料の供給不足と触媒反応過程における一酸化炭素による触媒の被毒が挙げられる。本発明の燃料電池システムが、出力電流および/または出力電圧のモニター部を有する場合、燃料電池の出力電流および/または出力電圧をモニターし、該出力電流および/または該出力電圧が低下してきた場合に、燃料電池の材料の耐熱以上の高温に成り過ぎない範囲で集電体による加熱を行なうように、燃料電池を制御することができる。これにより、触媒活性を向上させ、上記の被毒から回復させるとともに、結露した水を蒸発させて、カソードの燃料の供給を良くさせることができる。本発明の燃料電池においては、電極および電解質層に近接して集電体を設けるため、従来に比べて、触媒の温度が上がるまでに必要とされる時間およびエネルギーが少なくて済み、燃料電池に供給される燃料のエネルギーをより高効率で発電電力に利用することができる。   When the fuel cell is a direct methanol system in particular, factors that cause a decrease in output include insufficient supply of fuel due to condensation of water generated at the cathode and poisoning of the catalyst by carbon monoxide in the catalytic reaction process. When the fuel cell system of the present invention has an output current and / or output voltage monitor, the output current and / or output voltage of the fuel cell is monitored, and the output current and / or output voltage has decreased. In addition, the fuel cell can be controlled so that the current is heated by the current collector within a range where the temperature does not become too high as the heat resistance of the material of the fuel cell. As a result, the catalytic activity can be improved and the poisoning can be recovered, and the condensed water can be evaporated to improve the fuel supply to the cathode. In the fuel cell according to the present invention, the current collector is provided in the vicinity of the electrode and the electrolyte layer, so that the time and energy required for the temperature of the catalyst to increase can be reduced compared with the conventional case, and The energy of the supplied fuel can be used for generated power with higher efficiency.

本発明の燃料電池システムに設けられる温度センサーとしては、たとえば熱電対等を使用できる。また、スイッチとしては、たとえば、MOSトランジスタやサイリスタ等の半導体を利用したスイッチや、電磁コイルを利用したメカリレー等を使用できる。   As a temperature sensor provided in the fuel cell system of the present invention, for example, a thermocouple or the like can be used. As the switch, for example, a switch using a semiconductor such as a MOS transistor or a thyristor, a mechanical relay using an electromagnetic coil, or the like can be used.

本発明の燃料電池システムに設けられる制御部が、温度センサーと組み合されることを前提とした温度制御部である場合、温度センサーとしてサーミスタを用いることが好ましい。具体的には、たとえばアノード電極の近傍等、温度をセンシングしたい位置にサーミスタを設け、サーミスタの抵抗変化により、トランジスタ等のスイッチをオン/オフ制御する様に回路を組み、該回路を制御部とすることで、回路の切替えによる自動温度制御を行なうことが可能となる。これにより、複雑な制御や回路による電力の消費が不要であり、燃料電池の小型化が可能となる。トランジスタとしてはバイポーラトランジスタ、FETトランジスタなどが挙げられ、トランジスタとしては、電圧で駆動するFETトランジスタが消費電力の面で低消費であり好ましい。また、サーミスタの抵抗値をコンパレータに入力し、コンパレータで任意の温度の抵抗値と比較して、温度制御を行なうことが好ましい。また、マイコンを用いてAD変換した値をCPUにより演算することにより制御しても良い。たとえば、KOA株式会社製の「NTCサーミスタNT」等は、サーミスタとして好ましく使用できる。また、温度センサーとして、KOA株式会社製の白金薄膜温度センサーを用いることもできる。温度センサーを電極近傍に設置する場合、表面が絶縁皮膜で被覆された温度センサーを電極に接触させて温度測定を行ない、そのときの温度を電極の温度とみなすことができる。   When the control unit provided in the fuel cell system of the present invention is a temperature control unit on the assumption that it is combined with a temperature sensor, it is preferable to use a thermistor as the temperature sensor. Specifically, for example, a thermistor is provided at a position where the temperature is to be sensed, for example, in the vicinity of the anode electrode, and a circuit is assembled so that a switch such as a transistor is turned on / off by a resistance change of the thermistor. This makes it possible to perform automatic temperature control by switching circuits. This eliminates the need for complicated control and power consumption by the circuit, and enables the fuel cell to be miniaturized. Examples of the transistor include a bipolar transistor and an FET transistor. As the transistor, an FET transistor driven by voltage is preferable in terms of power consumption and low power consumption. Further, it is preferable to control the temperature by inputting the resistance value of the thermistor to the comparator and comparing the resistance value at an arbitrary temperature with the comparator. Further, it may be controlled by calculating a value AD-converted using a microcomputer by a CPU. For example, “NTC thermistor NT” manufactured by KOA Corporation can be preferably used as the thermistor. A platinum thin film temperature sensor manufactured by KOA Corporation can also be used as the temperature sensor. When a temperature sensor is installed in the vicinity of an electrode, temperature measurement is performed by bringing a temperature sensor whose surface is covered with an insulating film into contact with the electrode, and the temperature at that time can be regarded as the temperature of the electrode.

本発明の燃料電池システムの制御部としては、たとえばマイコンを用いることが好ましく、特にADコンバータを備えていることが好ましい。また、出力電流の値は、たとえば、抵抗とオペアンプとを用いて、電流−電圧変換させ、電圧値として、マイコンのADコンバータ端子に入力し、マイコンのCPUにより演算させることによりモニターできる。出力電圧の値は、抵抗を用いて測定したいノードとグランドとを接続することによりモニターできる。出力電圧が高い場合には上記の抵抗として複数の抵抗を用いることが好ましく、抵抗の分圧値をADコンバータ端子に入力して、マイコンのCPUにより演算させることが好ましい。   For example, a microcomputer is preferably used as the control unit of the fuel cell system of the present invention, and an AD converter is particularly preferable. Further, the value of the output current can be monitored by, for example, performing current-voltage conversion using a resistor and an operational amplifier, inputting the voltage value to the AD converter terminal of the microcomputer, and calculating by the CPU of the microcomputer. The value of the output voltage can be monitored by connecting a node to be measured with a resistor and the ground. When the output voltage is high, it is preferable to use a plurality of resistors as the above-described resistors, and it is preferable to input a divided voltage value of the resistors to the AD converter terminal and to calculate it by the CPU of the microcomputer.

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、たとえば図14および図15にも示されるような蓄電装置と、を備えることが好ましい。この場合、燃料電池から取り出した電流は、二次電池やキャパシタ等の、1または2以上の蓄電池からなる蓄電装置に蓄電し、再利用することができる。これにより、燃料電池の出力が低下した場合や燃料電池の起動時には蓄電装置から電流を流すことによって不足する出力電力を補い、電極および電解質層の近傍の温度を一定以上に保持することができる。一方、蓄電装置がフル充電状態である場合には、燃料電池の発電を止めて、蓄電装置から、外部機器に電力を供給することもできる。蓄電装置が2以上の蓄電池からなる場合、集電体の高抵抗層に電流を流すことによる加熱処理を行なっている際に、燃料電池の電力を1の蓄電池に蓄電し、他の蓄電池から燃料電池を動作させることができるため好ましい。   The fuel cell system of the present invention preferably includes a fuel cell and a power storage device as shown in FIGS. 14 and 15 for example. In this case, the current extracted from the fuel cell can be stored in a power storage device including one or two or more storage batteries, such as a secondary battery and a capacitor, and can be reused. As a result, when the output of the fuel cell is reduced or when the fuel cell is started, the output power that is insufficient by supplying current from the power storage device can be compensated, and the temperature in the vicinity of the electrode and the electrolyte layer can be maintained at a certain level or more. On the other hand, when the power storage device is in a fully charged state, power generation from the fuel cell can be stopped and power can be supplied from the power storage device to an external device. When the power storage device is composed of two or more storage batteries, the power of the fuel cell is stored in one storage battery during the heat treatment by passing a current through the high resistance layer of the current collector. This is preferable because the battery can be operated.

蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、プロトン電池、導電性高分子電池等の二次電池やキャパシタ等が挙げられる。また蓄電装置は、たとえば図14および図15に示す蓄電装置94のような態様で設けることができる。   Examples of the power storage device include secondary batteries such as lithium ion secondary batteries, nickel hydride secondary batteries, proton batteries, and conductive polymer batteries, capacitors, and the like. Further, the power storage device can be provided, for example, in a manner similar to power storage device 94 shown in FIGS.

図16は、本発明の燃料電池システムの制御部として設けられる温度制御部の一態様を示す回路図である。温度制御部としては、たとえば、温度をセンシングしたい位置に、温度センサーとして、PTC(POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)特性を持つサーミスタを設置し、該サーミスタの抵抗変化により、所定の温度でトランジスタのスイッチをオン/オフ制御できる様に組まれた回路を採用することができる。   FIG. 16 is a circuit diagram showing an aspect of a temperature control unit provided as a control unit of the fuel cell system of the present invention. As the temperature control unit, for example, a thermistor having a PTC (POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT) characteristic is installed as a temperature sensor at a position where the temperature is to be sensed, and the transistor switch is turned on / off at a predetermined temperature by the resistance change of the thermistor. A circuit assembled so as to be able to be turned off can be employed.

図16を参照し、たとえば図13〜15に示されるようなスイッチによって高抵抗層および低抵抗層に電流を流すか否かのスイッチ切替えを行なう方法について、以下に例示する。なお以下では、温度センサーで感知される温度が40℃以上である場合にスイッチが切替えられる場合を例に説明するが、本発明がこれに限定されないことは勿論である。まず、二次電池から−5Vの定電圧46が作られる。FETトランジスタ36のゲート−ソース間電位は、抵抗56bとサーミスタ16との分圧により決められる。サーミスタ16の抵抗値は温度が上昇するにしたがって増加し、ゲート−ソース間電位が約2V以上でオンする。サーミスタ16は25℃で470Ωであり、45℃で4.7kΩになる特性をもつ。抵抗56bは3kΩとする。約40℃以下ではサーミスタ16の抵抗値は4.5Ω以下であり、ゲート電圧は抵抗56bの分圧により2V以上であるから、MOSFET36はオン状態となり、MOSFET26のゲート電圧に−5Vが印加されるので、MOSFET26がオンする。ここで、MOSFET26はゲート−ソース間電圧が約−2VでオンするMOSFETである。また抵抗56aは100kΩとする。これにより、温度によって、高抵抗層に電流を流す場合と、流さない場合のスイッチの切替えを温度40℃で自動制御することが可能となる。以上のような方法により、あらかじめ設定された所定温度以上で入力端子66と出力端子76とが電気的に接続されるように制御することができる。   With reference to FIG. 16, a method for performing switch switching as to whether or not a current is passed through the high resistance layer and the low resistance layer using switches as shown in FIGS. In the following, a case where the switch is switched when the temperature detected by the temperature sensor is 40 ° C. or higher will be described as an example. However, the present invention is not limited to this. First, a constant voltage 46 of −5V is created from the secondary battery. The gate-source potential of the FET transistor 36 is determined by the divided voltage of the resistor 56 b and the thermistor 16. The resistance value of the thermistor 16 increases as the temperature rises, and turns on when the gate-source potential is about 2 V or more. The thermistor 16 has a characteristic of 470Ω at 25 ° C. and 4.7 kΩ at 45 ° C. The resistor 56b is 3 kΩ. Below about 40 ° C., the resistance value of the thermistor 16 is 4.5Ω or less, and the gate voltage is 2V or more due to the partial voltage of the resistor 56b. Therefore, the MOSFET 36 is turned on, and −5V is applied to the gate voltage of the MOSFET 26. Therefore, the MOSFET 26 is turned on. Here, the MOSFET 26 is a MOSFET which is turned on when the gate-source voltage is about −2V. The resistor 56a is 100 kΩ. This makes it possible to automatically control the switching of the switch when the current flows through the high resistance layer and when the current does not flow at a temperature of 40 ° C. depending on the temperature. By the method as described above, the input terminal 66 and the output terminal 76 can be controlled to be electrically connected at a predetermined temperature or higher set in advance.

<燃料電池システムの制御方法>
本発明はまた、上述のいずれかの燃料電池システムを制御するための方法であって、温度センサーにより燃料電池のアノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するステップと、検知結果に基づいて、制御部によりスイッチ部を制御して集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、を備え、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法に関する。典型的には、アノード電極および/もしくはカソード電極の温度または外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に、低抵抗層以外の層に通電することによって、アノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させる。この場合、アノード電極および/もしくはカソード電極の温度または外気温度が該所定温度に達した時には、低抵抗層以外の層への通電を停止させれば良い。
<Control method of fuel cell system>
The present invention is also a method for controlling any one of the above-described fuel cell systems, the step of detecting at least one of the temperature of the anode and / or cathode electrode of the fuel cell and the outside air temperature by a temperature sensor; And a step of controlling the switch unit by the control unit based on the detection result and energizing a layer other than the low-resistance layer in the current collector, and passing an electric current through the layer other than the low-resistance layer, The present invention also relates to a method for controlling a fuel cell system that raises the temperature of a cathode electrode. Typically, when the temperature of the anode electrode and / or the cathode electrode or the outside air temperature is lower than a predetermined temperature set in advance, the temperature of the anode electrode and / or the cathode electrode is set by energizing layers other than the low resistance layer. Raise. In this case, when the temperature of the anode electrode and / or cathode electrode or the outside air temperature reaches the predetermined temperature, energization to layers other than the low resistance layer may be stopped.

図17〜20は、本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。以下に、燃料電池を電力源とする外部機器の動作における燃料電池の制御の態様について説明する。   FIGS. 17 to 20 are flowcharts illustrating an example of a control mode of the fuel cell in the present invention. Below, the aspect of control of the fuel cell in the operation of an external device using the fuel cell as a power source will be described.

(実施の形態10)
まず、図17を参照して、図13に示す燃料電池システムを用いる場合の燃料電池の制御フローについて説明する。燃料電池を起動し、アノード電極近傍の温度があらかじめ設定された所定温度A以上であるか否かの温度センサー91および制御部92による判定(ステップS102)において、アノード電極近傍の温度が所定温度Aより低い場合(ステップS102で、NO)には加熱処理1に進み(ステップS104)、該温度が所定温度A以上である場合(ステップS102で、YES)には、制御部92によってスイッチ441,445をオフ、スイッチ442,444をオンにし、低抵抗層303bにて集電された電力を外部機器へ供給する定常動作に進む(ステップS106)。
(Embodiment 10)
First, a control flow of the fuel cell when using the fuel cell system shown in FIG. 13 will be described with reference to FIG. When the fuel cell is activated and the temperature sensor 91 and the control unit 92 determine whether or not the temperature near the anode electrode is equal to or higher than a predetermined temperature A set in advance (step S102), the temperature near the anode electrode is the predetermined temperature A. If the temperature is lower (NO in step S102), the process proceeds to heat treatment 1 (step S104). If the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature A (YES in step S102), the controller 92 switches 441, 445. Is turned off, the switches 442 and 444 are turned on, and the routine proceeds to a steady operation of supplying the power collected by the low resistance layer 303b to an external device (step S106).

上記の加熱処理1は以下のように行なう。すなわち、制御部92によって、スイッチ441,445として示される、高抵抗層303aに接続する第1および第3のスイッチ素子をオンに、スイッチ442,444として示される、低抵抗層303bに接続する第2および第4のスイッチ素子をオフにし、高抵抗層303aに電流を流すことで、電流の抵抗損失によって高抵抗層303aを発熱させるとともに、低抵抗層303bから高抵抗層303aを経て集電された電力を外部機器へ供給する。高抵抗層303aの熱は低抵抗層303bに速やかに伝わり、電極および電解質層が加熱される。加熱処理1によりアノード電極近傍の温度が所定温度A以上となった場合(ステップS102で、YES)、制御部96によってスイッチが切替えられ、上記の定常動作(ステップS106)に移行する。定常動作(ステップS106)においては、燃料電池で外部機器を動作(ステップS108)させる。燃料電池の発電によって外部機器を動作させると、燃料電池の温度は外気温度によって徐々に低下する場合がある。アノード電極近傍の温度が上述の所定温度Aよりも低い温度としてあらかじめ設定された所定温度B以上であるか否かの、温度センサー91および制御部92による判定(ステップS110)に進み、アノード電極近傍の温度が所定温度Bよりも低い場合(ステップS110で、NO)には、ステップS102に戻り、該温度が所定温度B以上である場合(ステップS110で、YES)には、引き続き燃料電池で外部機器を動作(ステップS108)させる。   The heat treatment 1 is performed as follows. That is, the control unit 92 turns on the first and third switch elements connected to the high resistance layer 303a shown as switches 441 and 445, and connects the first and third switch elements shown as switches 442 and 444 to the low resistance layer 303b. By turning off the second and fourth switching elements and causing a current to flow through the high resistance layer 303a, the high resistance layer 303a generates heat due to the resistance loss of the current and is collected from the low resistance layer 303b through the high resistance layer 303a. Supply power to external devices. The heat of the high resistance layer 303a is quickly transferred to the low resistance layer 303b, and the electrode and the electrolyte layer are heated. When the temperature in the vicinity of the anode electrode becomes equal to or higher than the predetermined temperature A by heat treatment 1 (YES in step S102), the switch is switched by the control unit 96, and the routine proceeds to the above-described steady operation (step S106). In the steady operation (step S106), the external device is operated by the fuel cell (step S108). When an external device is operated by power generation of the fuel cell, the temperature of the fuel cell may gradually decrease depending on the outside air temperature. The process proceeds to the determination by the temperature sensor 91 and the controller 92 (step S110) as to whether or not the temperature in the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature B set in advance as a temperature lower than the above-described predetermined temperature A. If the temperature is lower than the predetermined temperature B (NO in step S110), the process returns to step S102. If the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature B (YES in step S110), the fuel cell continues to be external. The device is operated (step S108).

ここで、所定温度Aは、たとえば40〜60℃の範囲内に設定されることが好ましい。また所定温度Bは、最低動作環境温度、すなわち、−5℃の環境温度において通常到達しうる温度であることが好ましく、たとえば、20〜30℃の範囲内に設定されることができる。   Here, it is preferable that the predetermined temperature A is set within a range of 40 to 60 ° C., for example. The predetermined temperature B is preferably a temperature that can normally be reached at the lowest operating environment temperature, that is, an environmental temperature of −5 ° C., and can be set within a range of 20 to 30 ° C., for example.

(実施の形態11)
ダイレクトメタノール方式の燃料電池においては、外気温度が0℃以下になると水が凍結してしまうという問題がある。特に、カソードで生成した水や、電解質層中の水分が問題となる。カソードで生成した水や電解質層中の水が凍結すると、イオン伝導度が低下する。また、水の凍結による膨張、伸縮により、電解質層やMEAの耐久性も損なわれる。待機時のような軽負荷時や、停止時においては、燃料電池の自己発熱が少ないために燃料電池温度が低下する。
(Embodiment 11)
The direct methanol fuel cell has a problem that water freezes when the outside air temperature becomes 0 ° C. or lower. In particular, water generated at the cathode and moisture in the electrolyte layer are problematic. When water produced at the cathode or water in the electrolyte layer freezes, the ionic conductivity decreases. In addition, the durability of the electrolyte layer and MEA is also impaired by expansion and contraction due to freezing of water. At a light load such as during standby or when the vehicle is stopped, the fuel cell temperature decreases due to a small amount of self-heating of the fuel cell.

本発明では、たとえば図14の動作状態モニター93のような動作状態モニターにより、外部機器が待機状態か、停止状態か、定常動作状態か等、動作状態を判定し、動作状態に応じて、燃料電池の特に電極および電解質層の近傍の温度を所定の範囲内に維持することが好ましい。動作状態の判定は、燃料電池の出力電流および/または出力電圧をモニターし、出力電流および/または出力電圧が所定の値以上であるか否かを制御部で判定すること等により行なうことができる。   In the present invention, for example, an operation state monitor such as the operation state monitor 93 of FIG. 14 determines the operation state such as whether the external device is in a standby state, a stop state, or a steady operation state. It is preferable to maintain the temperature of the battery, particularly in the vicinity of the electrode and the electrolyte layer, within a predetermined range. The operating state can be determined by monitoring the output current and / or output voltage of the fuel cell and determining whether or not the output current and / or output voltage is equal to or higher than a predetermined value by the control unit. .

図18および図19を参照して、図14に示す燃料電池システムを用いる場合の動作状態の制御フローについて説明する。   With reference to FIG. 18 and FIG. 19, the control flow of the operation state when using the fuel cell system shown in FIG. 14 will be described.

図18を参照し、定常時には、制御部96によって、図14においてスイッチ442a,444a,444b,444cとして示される、低抵抗層303bに接続するスイッチをオンにし、スイッチ441a,445a,445b,445cとして示される、高抵抗層303aに接続するスイッチをオフにすることで、低抵抗層303bから集電した電力を機器に供給し、燃料電池で機器を動作(ステップS202)させる。動作中、動作状態モニター93および制御部96による、待機時か否かの判定(ステップS204)において、待機時である場合(ステップS204で、YES)には、待機時(ステップS208)に移行し、待機時でない場合(ステップS204で、NO)、温度センサー91および制御部96による、アノード電極近傍の温度が前述の所定温度B以上であるか否かの判定(S206)に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度B以上である場合(ステップS206で、YES)、燃料電池で機器を動作(ステップS202)し、アノード電極近傍の温度が所定温度Bより低い場合(ステップS206で、NO)、加熱処理1(ステップS214)に移行する。   Referring to FIG. 18, in a steady state, the control unit 96 turns on the switches connected to the low resistance layer 303b, which are shown as the switches 442a, 444a, 444b, and 444c in FIG. 14, and the switches 441a, 445a, 445b, and 445c are turned on. By turning off the switch connected to the high resistance layer 303a shown, the power collected from the low resistance layer 303b is supplied to the device, and the device is operated by the fuel cell (step S202). During operation, when the operation state monitor 93 and the control unit 96 determine whether or not to wait (step S204), if it is standby (YES in step S204), the process proceeds to standby (step S208). If it is not during standby (NO in step S204), the process proceeds to determination (S206) of whether the temperature in the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature B by the temperature sensor 91 and the control unit 96. When the temperature near the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature B (YES in step S206), the device is operated with the fuel cell (step S202), and when the temperature near the anode electrode is lower than the predetermined temperature B (in step S206, NO), the process proceeds to heat treatment 1 (step S214).

加熱処理1は、図17を参照して前述した方法と同様に、高抵抗層303aに接続するスイッチをオンに、低抵抗層303bに接続するスイッチをオフに切替えることで行なう。加熱処理1の後、温度センサー91および制御部96による、アノード電極近傍の温度が前述の所定温度A以上であるか否かの判定(S216)に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度A以上である場合(ステップS216で、YES)、燃料電池での外部機器の動作(ステップS202)に戻り、アノード電極近傍の温度が所定温度Aより低い場合(ステップS216で、NO)、アノード電極近傍の温度が所定温度A以上となるまで上述の加熱処理1(S214)を行なう。   The heat treatment 1 is performed by turning on the switch connected to the high resistance layer 303a and turning off the switch connected to the low resistance layer 303b, as in the method described above with reference to FIG. After the heat treatment 1, the process proceeds to the determination (S216) of whether or not the temperature near the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature A by the temperature sensor 91 and the control unit 96. When the temperature in the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature A (YES in step S216), the process returns to the operation of the external device in the fuel cell (step S202), and the temperature in the vicinity of the anode electrode is lower than the predetermined temperature A (step In S216, NO), and the above heat treatment 1 (S214) is performed until the temperature in the vicinity of the anode electrode becomes equal to or higher than the predetermined temperature A.

待機時へ(ステップS208)移行した後、図19において、動作状態モニター93および制御部96による定常時か否かの判定(ステップS302)において、定常時でない場合(ステップS302で、NO)、アノード電極近傍の温度があらかじめ設定された所定温度C以上であるか否かの、温度センサー91および制御部96による判定(ステップS304)に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度C以上である場合(ステップS304で、YES)には、定常時か否かの判定(ステップS302)に戻る。一方ステップS302の判定が定常動作時である場合(ステップS302で、YES)、定常時へ復帰する(ステップS306)。アノード電極近傍の温度が所定温度Cより低い場合(ステップS304で、NO)、制御部96に信号を送り、加熱処理2(ステップS308)に進む。   After the transition to the standby time (step S208), in FIG. 19, when the operation state monitor 93 and the control unit 96 determine whether or not it is in the steady state (step S302), if it is not in the steady state (NO in step S302), the anode The process proceeds to determination (step S304) by the temperature sensor 91 and the control unit 96 as to whether or not the temperature in the vicinity of the electrode is equal to or higher than a predetermined temperature C set in advance. If the temperature in the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature C (YES in step S304), the process returns to the determination (step S302) as to whether the temperature is normal. On the other hand, when the determination in step S302 is a steady operation (YES in step S302), the process returns to the steady state (step S306). When the temperature in the vicinity of the anode electrode is lower than the predetermined temperature C (NO in step S304), a signal is sent to the control unit 96, and the process proceeds to heat treatment 2 (step S308).

待機時における加熱処理2は以下の通り行なう。すなわち、制御部96によって、スイッチ443a,443b,443c,447a,447b,447cをオンにし、その他のスイッチをオフにして、高抵抗層303aで集電した電力を燃料電池から蓄電装置94の一方の蓄電池へ、充放電回路95により充電電圧以上に昇圧または降圧して定電流で充電する。燃料電池の発電量が増えると、自己発熱および高抵抗層での抵抗損失による発熱により、燃料電池がさらに加熱される。加熱処理2は、あらかじめ設定された所定時間行なうように制御部96によって制御される。   Heat treatment 2 during standby is performed as follows. That is, the control unit 96 turns on the switches 443a, 443b, 443c, 447a, 447b, 447c and turns off the other switches, and the power collected by the high resistance layer 303a is supplied from the fuel cell to one of the power storage devices 94. The storage battery is charged with a constant current by stepping up or down to a charge voltage or higher by a charge / discharge circuit 95. As the amount of power generated by the fuel cell increases, the fuel cell is further heated by self-heating and heat generation due to resistance loss in the high resistance layer. The heat treatment 2 is controlled by the control unit 96 so as to be performed for a predetermined time set in advance.

所定時間の経過とともに、制御部96によって、上記加熱処理2でオンにしたスイッチをオフに切替え、加熱処理2(ステップS308)を終了する。動作状態モニター93および制御部96による定常時か否かの判定(ステップS310)において、定常時である場合(ステップS310で、YES)、定常時に復帰し(ステップS306)、定常時でない場合(ステップS310で、NO)、アノード電極近傍があらかじめ設定された所定温度D以上であるか否かの温度センサー91および制御部96による判定(ステップS312)に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度D以上である場合(ステップS312で、YES)には、定常時か否かの判定(ステップS302)に戻り、アノード電極近傍の温度が所定温度Dより低い場合(ステップS312で、NO)、加熱処理2(ステップS308)に戻る。上記で定常時へ復帰(ステップS306)する場合、図18に示す待機時からの復帰(ステップS210)を経て、図18に示すフローチャートでの制御に移行する。以上の態様で、定常時および待機時におけるアノード電極近傍の温度制御を行なうことができる。   As the predetermined time elapses, the controller 96 switches off the switch that was turned on in the heat treatment 2 and ends the heat treatment 2 (step S308). When the operation state monitor 93 and the control unit 96 determine whether or not it is in a steady state (step S310), if it is in a steady state (YES in step S310), return to the steady state (step S306), and not in a steady state (step S310). In S310, NO), the process proceeds to determination (step S312) by the temperature sensor 91 and the control unit 96 whether or not the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than a predetermined temperature D set in advance. If the temperature in the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature D (YES in step S312), the process returns to the determination of whether or not it is stationary (step S302), and the temperature in the vicinity of the anode electrode is lower than the predetermined temperature D ( In step S312, NO, the process returns to heat treatment 2 (step S308). When returning to the normal state (step S306) as described above, the control proceeds to the control in the flowchart shown in FIG. 18 through the return from the standby state shown in FIG. 18 (step S210). In the manner described above, temperature control in the vicinity of the anode electrode can be performed during normal operation and standby.

本発明において、上記の所定温度Cとしては、5〜9℃が好ましい。また、所定温度Dとしては、10〜13℃程度が好ましい。所定温度Cおよび所定温度Dが上記の範囲内に設定される場合、燃料電池の内部での水の凍結を良好に防止するとともに、待機時の燃料電池の消費電力を小さくして発電効率の低下を防止することができる。   In the present invention, the predetermined temperature C is preferably 5 to 9 ° C. Moreover, as the predetermined temperature D, about 10-13 degreeC is preferable. When the predetermined temperature C and the predetermined temperature D are set within the above ranges, water freezing inside the fuel cell is well prevented, and the power consumption of the fuel cell during standby is reduced to reduce power generation efficiency. Can be prevented.

なお、本発明の燃料電池システムが蓄電装置を備える場合の上記の加熱処理1(ステップS214)の態様について、図14に示される燃料電池システムの場合を例に説明する。すなわち、制御部96によって、スイッチ441a,445a,445b,445c,447a,447cをオン、その他のスイッチをオフにして、高抵抗層303aに電流を流し、高抵抗層303aを発熱させるとともに、2つの蓄電池からなる蓄電装置94のいずれかの蓄電池に充電する。いずれの蓄電池に充電するかは、制御部96で充放電回路95を制御することによって決定される。   In addition, the aspect of said heat processing 1 (step S214) in case the fuel cell system of this invention is equipped with an electrical storage apparatus is demonstrated to the case of the fuel cell system shown by FIG. 14 as an example. That is, the control unit 96 turns on the switches 441a, 445a, 445b, 445c, 447a, and 447c, and turns off the other switches so that a current flows through the high resistance layer 303a and heats the high resistance layer 303a. One of the storage batteries 94 of the storage battery 94 is charged. Which storage battery is charged is determined by controlling the charge / discharge circuit 95 by the control unit 96.

蓄電装置94のうち充電中の蓄電池の充電状態を、充放電回路95で開放電圧によってモニターし、90%以上に充電されていれば、制御部96によって、放電中の他方の蓄電池と充電対象を切替える。すべての蓄電池が90%以上に充電され、燃料電池からの充電電流が所定値以上流れなくなった場合には、充放電回路95は充電電流を遮断し、燃料電池から機器への出力を停止する。外部機器が動作していないとき(ステップS204で、YES)、図19に示すフローチャートでの制御に移行する。外部機器が待機時である場合、スイッチ441a,445c,443a,446a,443b,446b,443c,446c,447a,448a,447b,448b,447c,448cをオンに、その他のスイッチをオフにして、外部機器および高抵抗層303aへは蓄電装置から電力を供給する。充放電回路95でモニターされ制御部96に伝えられる蓄電装置の電圧があらかじめ設定された所定の電圧以下になった場合には、制御部96によってスイッチを切替え燃料電池により加熱処理と蓄電とを再開する。   The state of charge of the storage battery being charged in the power storage device 94 is monitored by the open / close voltage by the charge / discharge circuit 95, and if charged to 90% or more, the control unit 96 determines the other storage battery being charged and the charging target. Switch. When all the storage batteries are charged to 90% or more and the charging current from the fuel cell stops flowing beyond a predetermined value, the charging / discharging circuit 95 cuts off the charging current and stops the output from the fuel cell to the device. When the external device is not operating (YES in step S204), the process proceeds to the control in the flowchart shown in FIG. When the external device is in the standby state, the switches 441a, 445c, 443a, 446a, 443b, 446b, 443c, 446c, 447a, 448a, 447b, 448b, 447c, 448c are turned on, and the other switches are turned off. Electric power is supplied from the power storage device to the device and the high resistance layer 303a. When the voltage of the power storage device monitored by the charge / discharge circuit 95 and transmitted to the control unit 96 becomes equal to or lower than a predetermined voltage set in advance, the control unit 96 switches the switch and restarts the heat treatment and power storage by the fuel cell. To do.

なお本発明においては、加熱処理1を行なう際、蓄電装置と燃料電池との両方の電力を機器に供給するハイブリッド方式が採用されても良い。この場合、スイッチ441a,445a,445b,445c,447a,449cをオンに、その他のスイッチをオフにする。充放電回路95により、燃料電池からの出力で外部機器を動作させるために足りない電力を蓄電池から供給するように制御する。   In the present invention, when the heat treatment 1 is performed, a hybrid system that supplies both the power of the power storage device and the fuel cell to the device may be employed. In this case, the switches 441a, 445a, 445b, 445c, 447a, 449c are turned on, and the other switches are turned off. The charging / discharging circuit 95 controls to supply power from the storage battery that is insufficient to operate the external device with the output from the fuel cell.

また、定常時において外部機器の消費電力以上の出力を燃料電池から取り出すことが可能である場合、スイッチ442a,444a,444b,444c,447a,446cをオンに、その他のスイッチをオフにすることで蓄電装置94に蓄電することが好ましい。   In addition, when an output exceeding the power consumption of the external device can be taken out from the fuel cell in a steady state, the switches 442a, 444a, 444b, 444c, 447a, 446c are turned on and the other switches are turned off. It is preferable to store power in the power storage device 94.

起動時、燃料電池から電流が取れない場合は、スイッチ443a,446a,443b,446b,443c,446c,447a,448a,447b,448b,447c,448cをオンに、その他のスイッチをオフにすることにより、蓄電装置94から高抵抗層303aに電流を流し、燃料電池を迅速に昇温させることが好ましい。   If no current can be taken from the fuel cell at startup, the switches 443a, 446a, 443b, 446b, 443c, 446c, 447a, 448a, 447b, 448b, 447c, 448c are turned on and the other switches are turned off. It is preferable to pass a current from the power storage device 94 to the high resistance layer 303a to quickly raise the temperature of the fuel cell.

本発明において、所定時間の加熱処理を行なう際には、電極および電解質層の近傍が高温になり過ぎた場合に加熱処理を一時中断することができるよう、温度センサーによるリミッターをかけることが好ましい。この場合、リミッターが働いて加熱処理が中断される間の機器への供給電力の不足分を蓄電装置から供給する事が好ましい。リミッターとしては、たとえば、燃料電池の出力端子のスイッチであるスイッチ441a,442aの両方をオフにする事により燃料電池の出力電流を流さなくする事、充放電回路95で出力電流を遮断する事で、加熱処理を中断する構成や、低抵抗層に電流を流すように切替える構成が例示できる。   In the present invention, when performing the heat treatment for a predetermined time, it is preferable to apply a limiter by a temperature sensor so that the heat treatment can be temporarily interrupted when the vicinity of the electrode and the electrolyte layer becomes too high. In this case, it is preferable to supply the shortage of power supplied to the device from the power storage device while the limiter is activated and the heat treatment is interrupted. As the limiter, for example, by turning off both of the switches 441a and 442a which are the switches of the output terminals of the fuel cell, the output current of the fuel cell is prevented from flowing, and the output current is interrupted by the charge / discharge circuit 95. Examples include a configuration in which the heat treatment is interrupted and a configuration in which the current is switched to flow through the low resistance layer.

(実施の形態12)
本発明においては、外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に高抵抗層に電流を流すことによってアノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させ、外気温度が該所定温度に達した時に電流の流れを停止させることによって燃料電池システムを制御しても良い。この場合は、前述の温度センサーを外気中に設置することで外気温度をモニターする他は上述と同様の方法で燃料電池の制御を行なえば良い。
(Embodiment 12)
In the present invention, when the outside air temperature is lower than a predetermined temperature set in advance, the temperature of the anode electrode and / or the cathode electrode is raised by flowing a current through the high resistance layer, and the current flows when the outside air temperature reaches the predetermined temperature. The fuel cell system may be controlled by stopping the flow. In this case, the fuel cell may be controlled in the same manner as described above except that the temperature sensor is installed in the outside air to monitor the outside air temperature.

(実施の形態13)
本発明においては、カソード電極の温度からアノード電極の温度を引いた温度差の値があらかじめ設定された所定値より低い時に高抵抗層に電流を流すように制御しても良い。この場合、該温度差の値が所定値に達した時に電流の流れを停止させれば良い。本発明において、カソード電極がアノード電極よりも高温で、かつ両電極の温度差が所定値以上に維持される場合、カソード側で生成した水や水蒸気、アノード側からカソード側へ拡散した水、およびクロスオーバーしたメタノールが酸化されて生成した水、がアノード側とカソード側の水との蒸気圧差によって電解質層中に戻り、電解質層中を通ってカソード極側からアノード極側へ移動する水の量を増加させることが出来る。この制御により、上述した温度上昇による発電効率の向上だけでなく、カソード側の水がアノード側に移動することにより、アノード電極の触媒層でのメタノール濃度が低減され、クロスオーバーによる発電特性の低下を防ぐことが出来、燃料電池の発電効率が向上する。また、カソード側で生成した水をアノード側での反応に再利用することにより、あらかじめ準備されるアノード側の燃料容器に含まれる水の量を減らすことが可能となり、燃料容器の小型化、軽量化が可能となり、燃料電池システム全体の出力密度、エネルギー密度を向上させることが出来る。
(Embodiment 13)
In the present invention, the current may be controlled to flow through the high resistance layer when the temperature difference value obtained by subtracting the anode electrode temperature from the cathode electrode temperature is lower than a predetermined value set in advance. In this case, the current flow may be stopped when the temperature difference value reaches a predetermined value. In the present invention, when the cathode electrode is at a higher temperature than the anode electrode and the temperature difference between the two electrodes is maintained at a predetermined value or more, water or water vapor generated on the cathode side, water diffused from the anode side to the cathode side, and The amount of water that is generated by oxidation of the crossover methanol and returns to the electrolyte layer due to the vapor pressure difference between the anode side and cathode side water and moves from the cathode side to the anode side through the electrolyte layer Can be increased. This control not only improves the power generation efficiency due to the temperature rise described above, but also moves the water on the cathode side to the anode side, thereby reducing the methanol concentration in the catalyst layer of the anode electrode and reducing the power generation characteristics due to crossover. And the power generation efficiency of the fuel cell is improved. Also, by reusing the water generated on the cathode side for the reaction on the anode side, it becomes possible to reduce the amount of water contained in the anode-side fuel container prepared in advance, making the fuel container smaller and lighter And the output density and energy density of the entire fuel cell system can be improved.

カソード電極の温度からアノード電極の温度を引いた温度差の値を所定値以上にするためには、前述の温度センサーをアノード電極近傍およびカソード電極近傍に設置する。各々の電極の温度をモニターし、該温度差が所定値よりも低い場合には、カソード側の集電体の高抵抗層に電流を流して、カソード電極の温度を上昇させることにより、該温度差を所定値以上にすることができる。該温度差は、10〜15℃程度に設定されることが好ましい。カソード電極の加熱処理は、間欠的に、所定の動作タイミングで所定の動作時間行なうことが好ましい。   In order to make the value of the temperature difference obtained by subtracting the temperature of the anode electrode from the temperature of the cathode electrode equal to or greater than a predetermined value, the above-described temperature sensors are installed in the vicinity of the anode electrode and the cathode electrode. The temperature of each electrode is monitored, and when the temperature difference is lower than a predetermined value, a current is passed through the high-resistance layer of the current collector on the cathode side to raise the temperature of the cathode electrode, thereby The difference can be greater than or equal to a predetermined value. The temperature difference is preferably set to about 10 to 15 ° C. The heat treatment of the cathode electrode is preferably performed intermittently at a predetermined operation timing for a predetermined operation time.

間欠的な加熱処理は、たとえば以下のように行なうことができる。すなわち、加熱処理を行なって該温度差の値を10℃以上とした後、該温度差の値が10℃以下とならないように1分間加熱処理を継続する。1分後に加熱処理を止め、5分間は加熱処理を行なわず、定常運転にて動作させる。上記の操作を繰り返して、間欠的な加熱処理を行なうことができる。   The intermittent heat treatment can be performed as follows, for example. That is, after heat treatment is performed to set the temperature difference value to 10 ° C. or more, the heat treatment is continued for 1 minute so that the temperature difference value does not become 10 ° C. or less. The heat treatment is stopped after 1 minute, and the heat treatment is not performed for 5 minutes, and the operation is performed in a steady operation. By repeating the above operation, intermittent heat treatment can be performed.

(実施の形態14)
本発明においては、燃料電池の出力電流および/または出力電圧をモニター部で検知し、出力電流および/または出力電圧の値が、あらかじめ設定された所定値より低い時に、高抵抗層に電流を流すことによってアノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させるように制御しても良い。この場合、上記値が所定値に達した時に電流の流れを停止させれば良い。このような制御によれば、燃料電池の動作時において、出力電流および/または出力電圧を所定の値以上に維持することができ、燃料電池から外部機器への安定した出力を得ることができる。
(Embodiment 14)
In the present invention, the output current and / or output voltage of the fuel cell is detected by the monitor unit, and when the value of the output current and / or output voltage is lower than a predetermined value, a current is passed through the high resistance layer. Thus, the temperature of the anode electrode and / or the cathode electrode may be controlled to increase. In this case, the current flow may be stopped when the above value reaches a predetermined value. According to such control, during operation of the fuel cell, the output current and / or output voltage can be maintained at a predetermined value or more, and a stable output from the fuel cell to the external device can be obtained.

具体的には、燃料電池の出力電流および/または出力電圧を常時モニターし、出力電流および/または出力電圧の値が所定値以上である時には、集電体の低抵抗層にて電流を取り出し、出力電流および/または出力電圧の値が所定値よりも低い場合には、所定時間、高抵抗層に電流を流すように切替えて、電極および電解質層の近傍の温度を上昇させることが好ましい。   Specifically, the output current and / or output voltage of the fuel cell is constantly monitored, and when the value of the output current and / or output voltage is equal to or greater than a predetermined value, the current is taken out from the low resistance layer of the current collector, When the value of the output current and / or output voltage is lower than a predetermined value, it is preferable to switch the current to flow through the high resistance layer for a predetermined time to increase the temperature in the vicinity of the electrode and the electrolyte layer.

図20を参照して、モニター部97を備えた図15に示す燃料電池システムを用いて単セル電圧をモニターすることによる動作状態の制御フローについて説明する。   With reference to FIG. 20, the control flow of the operation state by monitoring the single cell voltage using the fuel cell system shown in FIG.

図20において、定常時には、燃料電池で機器を動作(ステップS402)させる。動作中、単セル電圧があらかじめ設定された所定値V1以上であるか否かの、モニター部97および制御部98による判定(ステップS404)において、単セル電圧が該所定値V1以上である場合(ステップS404で、YES)、動作状態モニター93および制御部98による待機時か否かの判定(ステップS410)に進む。単セル電圧が該所定値V1より低い場合(ステップS404で、NO)、加熱処理2(ステップS502)に進む。加熱処理2は、図19において説明した方法と同様に行なう。   In FIG. 20, at the time of steady operation, the device is operated with the fuel cell (step S402). During operation, when the monitor unit 97 and the control unit 98 determine whether the single cell voltage is equal to or higher than a predetermined value V1 (step S404), the single cell voltage is equal to or higher than the predetermined value V1 (step S404). In step S404, YES), the process proceeds to the determination (step S410) as to whether or not the operation state monitor 93 and the control unit 98 are on standby. If the single cell voltage is lower than the predetermined value V1 (NO in step S404), the process proceeds to heat treatment 2 (step S502). Heat treatment 2 is performed in the same manner as described in FIG.

加熱処理2を行ない(ステップS502)、動作状態モニター93および制御部98による待機時か否かの判定(ステップS504)に進み、判定が待機時である場合(ステップS504で、YES)、加熱処理2を終了して待機時へ移行(ステップS506)し、待機時でない場合(ステップS504で、NO)、制御部98による所定時間Eが経過したか否かの判定(ステップS508)に進む。所定時間Eが経過した場合(ステップS508で、YES)、単セル電圧が所定電圧V1以上であるか否かの判定(ステップS406)に進む。所定時間Eが経過していない場合(ステップS508で、NO)、加熱処理2(ステップS502)に戻る。   The heating process 2 is performed (step S502), and the process proceeds to the determination (step S504) as to whether the operation state monitor 93 and the control unit 98 are on standby. If the determination is standby (YES in step S504), the heating process is performed. 2 is terminated and the process proceeds to the standby state (step S506). If the standby state is not reached (NO in step S504), the control unit 98 proceeds to the determination of whether or not the predetermined time E has elapsed (step S508). When the predetermined time E has elapsed (YES in step S508), the process proceeds to determination (step S406) whether or not the single cell voltage is equal to or higher than the predetermined voltage V1. If the predetermined time E has not elapsed (NO in step S508), the process returns to heat treatment 2 (step S502).

単セル電圧が所定値V1以上である場合(ステップS406で、YES)は、動作状態モニター93および制御部98による待機時か否かの判定(ステップS410)に進み、単セル電圧が所定値V1より低い場合(ステップS406で、NO)は、異常と判断してシステムを停止する(ステップS412)。待機時か否かの判定(ステップS410)で待機時である場合(ステップS410で、YES)は、待機時に移行し(ステップS414)、待機時でない場合(ステップS410で、NO)、アノード電極近傍の温度が前述の所定温度B以上であるか否かの温度センサー(図示せず)および制御部98による判定(ステップS416)に進み、アノード電極近傍の温度が所定温度B以上である場合(ステップS416で、YES)、燃料電池で機器を動作(ステップS402)させ、アノード電極近傍の温度が所定温度Bより低い場合(ステップS416で、NO)、アノード電極近傍の温度が所定温度A以上であるか否かの温度センサーおよび制御部98による判定(ステップS418)に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度A以上である場合(ステップS418で、YES)には、燃料電池で機器を動作(ステップS402)させ、アノード電極近傍の温度が所定温度Aより低い場合(ステップS418で、NO)には、加熱処理1(ステップS420)に進む。加熱処理1は、図17を参照して前述した方法と同様に行なう。動作状態モニター93および制御部98による待機時か否かの判定(ステップS420)において、待機時である場合(ステップS420で、YES)、待機時へ移行(ステップS422)し、待機時でない場合(ステップS420で、NO)、アノード電極近傍の温度が所定温度A以上であるか否かの判定(ステップS418)に戻る。   If the single cell voltage is equal to or higher than the predetermined value V1 (YES in step S406), the operation state monitor 93 and the control unit 98 proceed to the determination of whether or not the standby state (step S410), and the single cell voltage is the predetermined value V1. If it is lower (NO in step S406), it is determined as abnormal and the system is stopped (step S412). If it is determined whether or not it is in standby (step S410) and it is in standby (YES in step S410), it shifts to standby (step S414). If it is not in standby (NO in step S410), the vicinity of the anode electrode When the temperature of the anode electrode is equal to or higher than the aforementioned predetermined temperature B, the process proceeds to a determination by the temperature sensor (not shown) and the control unit 98 (step S416). When the device is operated with the fuel cell (step S402) and the temperature near the anode electrode is lower than the predetermined temperature B (NO in step S416), the temperature near the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature A. The process proceeds to the determination by the temperature sensor and control unit 98 (step S418). When the temperature near the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature A (YES in step S418), the device is operated with the fuel cell (step S402), and when the temperature near the anode electrode is lower than the predetermined temperature A (step S418). In NO, the process proceeds to heat treatment 1 (step S420). Heat treatment 1 is performed in the same manner as described above with reference to FIG. In the determination (step S420) of whether or not the operation state monitor 93 and the control unit 98 are on standby (step S420: YES), the process shifts to standby (step S422) and is not on standby (step S420). In step S420, NO), the process returns to the determination (step S418) of whether or not the temperature in the vicinity of the anode electrode is equal to or higher than the predetermined temperature A.

待機時へ移行(ステップS414,ステップS422)した場合には、図19を参照して前述したのと同様の制御を行なう。図19において、定常時と判定された場合(ステップS302でYES、またはステップS310でYES)には、定常時へ復帰(ステップS306)し、図20の待機時からの復帰(ステップS424)を経て、図20に示すフローチャートによる制御に移行する。   In the case of shifting to the standby time (step S414, step S422), the same control as described above with reference to FIG. 19 is performed. In FIG. 19, when it is determined that the time is steady (YES in step S302 or YES in step S310), the process returns to the steady state (step S306), and the process returns from the standby state in FIG. 20 (step S424). Then, the control shifts to the flowchart shown in FIG.

上記の所定電圧V1は、たとえば0.2V±0.05V程度に設定することができる。また、上記の所定時間Eは、たとえば5〜10分程度に設定することができる。   The predetermined voltage V1 can be set to about 0.2V ± 0.05V, for example. The predetermined time E can be set to about 5 to 10 minutes, for example.

なお、本発明において、加熱処理1および加熱処理2は、たとえば下記の方法でアノード側とカソード側とを交互に加熱する方法により行なっても良い。すなわち、まずアノード側の加熱として、スイッチ443a,443b,443c,447a,447b,447cとして示される、アノード側の高抵抗層に接続されたスイッチのみ全てオンにし、他のスイッチはオフにして、アノード側の高抵抗層に電流を流す。次に、カソード側の加熱として、スイッチ446a,446b,446c,448a,448b,448cとして示される、カソード側の高抵抗層に接続されたスイッチのみ全てオンにし、他のスイッチをオフにして、カソード側の高抵抗層に電流を流す。また、スイッチ441a,444a,445b,444cをオンにして、出力する場合と、スイッチ442a,445a,444b,445cをオンにして、出力する場合とを交互にして、所定時間ごとにスイッチを切り替え、アノード側とカソード側とを交互に加熱しても良い。上記のスイッチ切替えを繰り返すことにより、アノード側とカソード側との加熱を交互に行なうことができる。   In the present invention, the heat treatment 1 and the heat treatment 2 may be performed by, for example, a method of alternately heating the anode side and the cathode side by the following method. That is, as the heating on the anode side, only the switches connected to the high resistance layer on the anode side, which are shown as switches 443a, 443b, 443c, 447a, 447b, and 447c, are turned on, and the other switches are turned off. Current is passed through the high resistance layer on the side. Next, as the heating on the cathode side, only the switches connected to the high-resistance layer on the cathode side, which are indicated as switches 446a, 446b, 446c, 448a, 448b, and 448c, are turned on, and the other switches are turned off. Current is passed through the high resistance layer on the side. In addition, the switches 441a, 444a, 445b, and 444c are turned on for output, and the switches 442a, 445a, 444b, and 445c are turned on for output, and the switches are switched at predetermined time intervals. The anode side and the cathode side may be alternately heated. By repeating the above switch switching, heating of the anode side and the cathode side can be performed alternately.

なお本発明において、燃料電池システムが蓄電装置を備える場合、該蓄電装置への蓄電は、機器の軽負荷時、停止時、動作終了時等に行なわれても良い。また本発明において、燃料電池にヒーターを設ける場合は、高抵抗層への通電と同時にオン/オフ制御されるスイッチを該ヒーターに接続することが好ましい。   In the present invention, when the fuel cell system includes a power storage device, power storage in the power storage device may be performed when the device is lightly loaded, stopped, or terminated. In the present invention, when a heater is provided in the fuel cell, it is preferable to connect a switch that is controlled to be turned on / off simultaneously with energization to the high resistance layer.

また、本発明における外部機器の待機時の加熱処理としては、図19に示すような設定温度による制御以外に、たとえば出力電圧モニターによる制御等を行なっても良い。   In addition, as the heat treatment during standby of the external device in the present invention, for example, control by an output voltage monitor may be performed in addition to the control by the set temperature as shown in FIG.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

[実施例1]
電解質層として、30mm×30mm、厚み約175μmのナフィオン(登録商標)117膜(デュポン社製)を用いた。
[Example 1]
As the electrolyte layer, a Nafion (registered trademark) 117 membrane (manufactured by DuPont) having a size of 30 mm × 30 mm and a thickness of about 175 μm was used.

触媒ペーストは下記の手順により作製した。Pt担持量32.5wt%、Ru担持量16.9wt%のPt−Ru粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(TEC66E50、田中貴金属社製)と、20wt%のナフィオン(登録商標)のアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、イソプロパノールと、アルミナボールとを、所定の割合でPTFE製の容器に入れ、攪拌機を用いて500rpmで50分間の混合を行なうことにより、アノード触媒ペーストを作製した。   The catalyst paste was prepared by the following procedure. Catalyst-supported carbon particles (TEC66E50, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) comprising Pt-Ru particles and carbon particles having a Pt-supported amount of 32.5 wt% and a Ru-supported amount of 16.9 wt%, and 20 wt% of Nafion (registered trademark) alcohol An anode catalyst paste was prepared by putting a solution (manufactured by Aldrich), isopropanol, and alumina balls into a PTFE container at a predetermined ratio and mixing them at 500 rpm for 50 minutes using a stirrer.

また、Pt担持量46.8wt%のPt粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(TEC10E50E、田中貴金属社製)を用いて、上記のアノード触媒ペーストと同様にして、カソード触媒ペーストを作製した。   In addition, a cathode catalyst paste was prepared in the same manner as the anode catalyst paste described above, using catalyst-supported carbon particles (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) comprising Pt particles having a Pt support amount of 46.8 wt% and carbon particles. .

集電体としては、100μmの厚みのTi板に、縦0.5mm、横1mm、横ピッチ1.5mm、縦ピッチ0.75mmのひし形の貫通孔を開けて、白金を1μmの厚みでメッキしてなる低抵抗層と、材質がTiで線径30μmの金網(100メッシュ)であるチタンメッシュにメッキしていない高抵抗層との積層体からなる集電体を用いた。絶縁層として、高抵抗層であるチタンメッシュにポリイミドコーティング材を塗布し、キュアを行なった。キュアは、3.5℃/分で昇温して170℃で30分間保持した後、3.5℃/分で昇温して320℃で60分間保持する条件で行ない、その後室温へ降温させた。ハンダにて、高抵抗層と低抵抗層との端部同士を接合して接合部材とし、さらにポリイミド樹脂をコーティングしてハンダ接合部を封止し、絶縁封止部とした。メタルラスは加工業者(株式会社サンクメタル)にて加工処理を行なった。   As a current collector, a platinum plate with a thickness of 1 μm is formed by opening a diamond-shaped through-hole having a thickness of 0.5 mm, a width of 1 mm, a width of 1.5 mm, and a length of 0.75 mm on a Ti plate having a thickness of 100 μm. And a current collector made of a laminate of a low resistance layer made of Ti and a high resistance layer not plated on a titanium mesh made of a wire mesh (100 mesh) having a wire diameter of 30 μm. As an insulating layer, a polyimide coating material was applied to a titanium mesh which is a high resistance layer and cured. Cure is performed at a temperature of 3.5 ° C./minute and held at 170 ° C. for 30 minutes, then at a temperature of 3.5 ° C./minute and held at 320 ° C. for 60 minutes, and then cooled to room temperature. It was. With solder, the ends of the high resistance layer and the low resistance layer were joined to form a joining member, and further, a polyimide resin was coated to seal the solder joint, thereby obtaining an insulating sealing portion. The metal lath was processed by a processor (Sunk Metal Co., Ltd.).

高抵抗層の抵抗値は、1cm2の正方形の向かい合う2辺の各々に端子をつけ、平面方向に電流を流した時の抵抗、すなわち面積1cm2あたりのシート抵抗で、170mΩであり、低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で、16mΩであった。なお集電体の端部は電流取り出し部とした。 The resistance value of the high resistance layer is 170 mΩ, which is a resistance when a terminal is attached to each of two opposite sides of a 1 cm 2 square and a current is passed in a plane direction, that is, a sheet resistance per 1 cm 2 of area. The resistance value of the layer was 16 mΩ as the sheet resistance. The end of the current collector was a current extraction part.

カーボンのガス拡散層であるGDL31BC(SGLカーボンジャパン株式会社製)を23mm×23mmの大きさで多孔質基体として用い、GDL31BCと、集電体の高抵抗層側の面とを対向させて積層し、GDL31BCと集電体とを1t/cm2でプレスして一体化した。このような方法で2つの一体化物を形成し、一方の一体化物の集電体の上に、アノード触媒ペーストを100μmの厚さで、他方の一体化物の集電体の上に、カソード触媒ペーストを20μmの厚さで、それぞれ塗布し、アノード電極およびカソード電極を形成した。 GDL31BC (manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.), which is a carbon gas diffusion layer, is used as a porous substrate with a size of 23 mm × 23 mm, and the GDL31BC and the surface on the high resistance layer side of the current collector are laminated to face each other. The GDL31BC and the current collector were pressed and integrated at 1 t / cm 2 . In this way, two integrated products are formed, and the anode catalyst paste is 100 μm thick on the one integrated current collector and the cathode catalyst paste on the other integrated current collector. Were coated in a thickness of 20 μm to form an anode electrode and a cathode electrode.

GDL31BC、集電体、アノード電極、ナフィオン(登録商標)117、カソード電極、集電体、GDL31BCの順で積層して積層体を作製した。GDL31BCは電極の形成領域に一致するように配置した。GDL31BCの電極側の表面は撥水性を有する炭素多孔質体である。この積層体を130℃、10kgf/cm2で2分間ホットプレス処理した。これにより、集電体が触媒層内に埋め込まれた図4の構造で、集電体を挟んで電解質層と対向するようにカーボンのガス拡散層が備えられた構造である膜電極複合体を作製した。 GDL31BC, current collector, anode electrode, Nafion (registered trademark) 117, cathode electrode, current collector, and GDL31BC were laminated in this order to produce a laminate. GDL31BC was arranged to coincide with the electrode formation region. The electrode side surface of GDL31BC is a carbon porous body having water repellency. This laminate was hot pressed at 130 ° C. and 10 kgf / cm 2 for 2 minutes. Thus, a membrane electrode assembly having a structure in which a current collector is embedded in the catalyst layer and a carbon gas diffusion layer is provided so as to face the electrolyte layer with the current collector interposed therebetween can be obtained. Produced.

上記の膜電極複合体の外側をポリアクリル樹脂からなる絶縁性のセパレータで狭持することによって、アノード拡散層およびカソード拡散層のそれぞれとセパレータとの間に、燃料および空気を供給するためのアノード燃料流路およびカソード燃料流路を設けた。セパレータの内側のアノード極の壁面の位置にヒーターを設置し、セパレータと一体化した。ヒーターとしては、ニクロム線の表面が耐腐食性の樹脂でコーティングされた電気抵抗ヒーターを用いた。上記の方法で燃料電池の単位セルを作製した。これを直列接続で10セル積み上げ、スタックとした。   An anode for supplying fuel and air between the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer and the separator by sandwiching the outside of the membrane electrode assembly with an insulating separator made of polyacrylic resin A fuel channel and a cathode fuel channel were provided. A heater was installed at the position of the wall surface of the anode inside the separator and integrated with the separator. As the heater, an electric resistance heater in which the surface of the nichrome wire was coated with a corrosion-resistant resin was used. A unit cell of a fuel cell was produced by the above method. 10 cells were stacked in series connection to form a stack.

上記で作製した燃料電池を用いた他は、図13に示す構成と同様になるように、燃料電池システムを構築した。   A fuel cell system was constructed so as to be the same as the configuration shown in FIG. 13 except that the fuel cell produced above was used.

構築した燃料電池システムを起動し、燃料電池から電力を出力して高抵抗層への通電を行なって加熱を行ない、起動時からアノード電極の温度が40℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約2分であり、後述する従来例1の燃料電池を用いた場合と比べ、加熱時間が約10分の1に短縮された。本実施例では、高抵抗層であるチタンメッシュは絶縁層であるポリイミド樹脂によりコーティングされている為、電極の触媒層とは接触していない。またポリイミド樹脂によって、高抵抗層と低抵抗層とはハンダ付け部以外では絶縁されている。本実施例では、低抵抗層であるTi−Au板がハンダ付け部以外で触媒層により電気的に短絡することを防いでいるため、電極の触媒層は効果的に加熱される。   When the constructed fuel cell system is started up, electric power is output from the fuel cell, the high resistance layer is energized and heated, and the heating time from the start to the anode electrode temperature of 40 ° C. is measured. The heating time was shortened to about 1/10 compared with the case of using the fuel cell of Conventional Example 1 described later. In this embodiment, the titanium mesh that is the high resistance layer is coated with the polyimide resin that is the insulating layer, and thus is not in contact with the catalyst layer of the electrode. Further, the high resistance layer and the low resistance layer are insulated by the polyimide resin except for the soldered portion. In this embodiment, the Ti—Au plate, which is a low resistance layer, is prevented from being electrically short-circuited by the catalyst layer other than the soldered portion, and therefore the catalyst layer of the electrode is effectively heated.

[従来例1]
従来例1として燃料電池を以下のように作製した。実施例1と同様のアノード触媒ペーストおよびカソード触媒ペーストを用いた。実施例1と同様のカーボンのガス拡散層であるGDL31BC(SGLカーボンジャパン株式会社製)を23mm×23mmの大きさで多孔質基体として用い、アノード触媒ペーストとカソード触媒ペーストとを各々GDL31BC上に塗布し、電極を形成した。電解質層として、30mm×30mm、厚み約175μmのナフィオン(登録商標)117膜(デュポン社製)を用いた。GDL31BC、アノード電極、ナフィオン(登録商標)117、カソード電極、GDL31BCの順で積層した。GDL31BCは電極に一致するように配置した。GDL31BCの電極側の表面は撥水性を有する炭素多孔質体とされている。この積層体を130℃、10kgf/cm2で2分間ホットプレス処理することにより、膜電極複合体を作製した。この膜電極複合体を、図21に示される形状の、アノード極、カソード極共に燃料、空気の流路が構成されているカーボン製のセパレータで挟み、ボルトおよびナットを用いて、各々の部材を締結し、燃料電池スタックとした。カーボンセパレータとしては、大きさが4×4cmで、アノード流路およびカソード流路の深さは1mm、流路間の幅は2mmのカーボンセパレータを用い、10セル積層してスタック化した。このスタックの外周に電熱線のヒーターを設け、さらに各セルのアノード電極近傍にも温度センサーを備えた。以上の方法で燃料電池を作製し、燃料電池の起動時から、アノード電極の温度が40℃になるまでの加熱時間を測定した。
[Conventional example 1]
As Conventional Example 1, a fuel cell was manufactured as follows. The same anode catalyst paste and cathode catalyst paste as in Example 1 were used. GDL31BC (manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.), which is the same carbon gas diffusion layer as in Example 1, was used as a porous substrate having a size of 23 mm × 23 mm, and an anode catalyst paste and a cathode catalyst paste were respectively applied onto GDL31BC. Then, an electrode was formed. As the electrolyte layer, a Nafion (registered trademark) 117 membrane (manufactured by DuPont) having a size of 30 mm × 30 mm and a thickness of about 175 μm was used. GDL31BC, anode electrode, Nafion (registered trademark) 117, cathode electrode, and GDL31BC were laminated in this order. GDL31BC was arranged to match the electrode. The electrode-side surface of GDL31BC is a carbon porous body having water repellency. The laminated body was hot-pressed at 130 ° C. and 10 kgf / cm 2 for 2 minutes to produce a membrane electrode assembly. This membrane electrode assembly is sandwiched between carbon anodes having a shape shown in FIG. 21 where fuel and air flow paths are configured for both the anode and cathode, and each member is fixed using bolts and nuts. The fuel cell stack was concluded. As the carbon separator, a carbon separator having a size of 4 × 4 cm, a depth of the anode flow path and the cathode flow path of 1 mm, and a width between the flow paths of 2 mm was laminated by stacking 10 cells. A heating wire heater was provided on the outer periphery of the stack, and a temperature sensor was also provided in the vicinity of the anode electrode of each cell. The fuel cell was produced by the above method, and the heating time from when the fuel cell was started until the temperature of the anode electrode reached 40 ° C. was measured.

[実施例2]
本実施例では、集電体に積層された絶縁層を電解質層と接合し、その上から、アノード電極およびカソード電極とアノード拡散層およびカソード拡散層とを配置して、膜電極複合体、集電体および拡散層を接合した構造の燃料電池を作製した。
[Example 2]
In this example, an insulating layer laminated on a current collector is joined to an electrolyte layer, and an anode electrode, a cathode electrode, an anode diffusion layer, and a cathode diffusion layer are disposed thereon, thereby forming a membrane electrode assembly, a collector. A fuel cell having a structure in which an electric body and a diffusion layer were joined was fabricated.

集電体としては、150μmの厚みのTi板に、縦0.5mm、横1mm、横ピッチ1.5mm、縦ピッチ0.75mmのひし形の貫通孔を開けて、白金を1μmの厚みでメッキしてなる低抵抗層と、材質がTiで線幅30μmのメタルラス(100メッシュ)であるチタンメッシュに白金を100nmの厚みでメッキした高抵抗層との積層体からなる集電体を用いた。ポリイミド樹脂を薄く集電体に塗布した後、高抵抗層と低抵抗層との間に絶縁層として厚み50μmの多孔質のポリイミドのシートを挟み、該ポリイミドを熱硬化させて高抵抗層と低抵抗層とを接合した。絶縁層としては、低抵抗層と同じ形状の貫通孔を有するものを用い、上記の接合は、低抵抗層と絶縁層との貫通孔の位置を合わせた状態で行なった。   The current collector is a 150 μm thick Ti plate with 0.5 mm vertical, 1 mm horizontal, 1.5 mm horizontal pitch, 0.75 mm vertical through holes, and platinum plated with a thickness of 1 μm. A current collector made of a laminate of a low-resistance layer and a high-resistance layer in which platinum is plated with a thickness of 100 nm on a titanium mesh made of metal lath (100 mesh) having a line width of 30 μm was used. After the polyimide resin is thinly applied to the current collector, a porous polyimide sheet having a thickness of 50 μm is sandwiched as an insulating layer between the high resistance layer and the low resistance layer, and the polyimide is thermally cured to reduce the resistance between the high resistance layer and the low resistance layer. The resistance layer was joined. As the insulating layer, one having a through hole having the same shape as that of the low resistance layer was used, and the above bonding was performed in a state where the positions of the through holes of the low resistance layer and the insulating layer were aligned.

上記の接合は、図3に示されるのと同様に、集電体の両端に電極と接合していない領域を有するように行ない、一端を電流取り出し部とし、他端を高抵抗層と低抵抗層との電気的な接合部とした。すなわち、該他端において、高抵抗層と低抵抗層とを、接合部材としてのハンダで接合した。ハンダには腐食防止のため、また取り出し部付近にも剥離強度向上のため、それぞれポリイミド樹脂のコーティングを施した。接合部材に燃料液が接触しないよう、接合部材の周囲に絶縁封止部を設けた。   In the same manner as shown in FIG. 3, the above-mentioned joining is performed so as to have regions not joined to the electrodes at both ends of the current collector, with one end serving as a current extraction portion and the other end serving as a high resistance layer and a low resistance. An electrical junction with the layer was made. That is, at the other end, the high resistance layer and the low resistance layer were joined by solder as a joining member. The solder was coated with a polyimide resin in order to prevent corrosion and to improve the peel strength in the vicinity of the take-out part. An insulating sealing portion was provided around the joining member so that the fuel liquid did not contact the joining member.

図8、9に示すように、集電体の端にはみ出した多孔質ポリイミドシートを接着剤を用いて電解質層と接合した。すなわち、150℃で熱硬化する接着剤であるフェノール樹脂を塗布した後、150℃、10分間ホットプレスし、プレスした状態で室温まで冷却し、接合させた。その後、実施例1と同様に作製したアノード触媒ペーストとカソード触媒ペーストとを各々塗布し、乾燥して、アノード触媒層およびカソード触媒層を形成した後、カーボンのガス拡散層であるGDL31BCを、アノード触媒層およびカソード触媒層の上に積層させ、130℃、2分間ホットプレスして一体化させた。   As shown in FIGS. 8 and 9, the porous polyimide sheet protruding from the end of the current collector was joined to the electrolyte layer using an adhesive. That is, after applying a phenol resin, which is an adhesive that is thermally cured at 150 ° C., hot pressing was performed at 150 ° C. for 10 minutes, and the pressed state was cooled to room temperature and bonded. Thereafter, an anode catalyst paste and a cathode catalyst paste prepared in the same manner as in Example 1 were applied and dried to form an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and then GDL31BC, which is a carbon gas diffusion layer, was added to the anode catalyst layer. It was laminated on the catalyst layer and the cathode catalyst layer, and integrated by hot pressing at 130 ° C. for 2 minutes.

上記した部材以外は実施例1と同様にして、燃料電池システムの構築、および起動からアノード電極の温度が40℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約2分という結果が得られた。本実施例では、集電体と電解質層とが絶縁層を介して接着剤で強固に接着している為、温度変化による膨潤、収縮に起因する剥離が生じにくい。   When the heating time from the construction and start-up of the fuel cell system to the temperature of the anode electrode reaching 40 ° C. was measured in the same manner as in Example 1 except for the members described above, a result of about 2 minutes was obtained. In this embodiment, since the current collector and the electrolyte layer are firmly bonded with an adhesive via an insulating layer, peeling due to swelling and shrinkage due to temperature change is unlikely to occur.

[実施例3]
集電体としては、150μmの厚みのTi板に、縦0.5mm、横1mm、横ピッチ1.5mm、縦ピッチ0.75mmのひし形の貫通孔を開けて、白金を1μmの厚みでメッキしてなる低抵抗層と、材質がTiで線径30μmの金網(100メッシュ)であるチタンメッシュにメッキしていない高抵抗層との積層体からなる集電体を用いた。絶縁層として、高抵抗層であるチタンメッシュに電解質高分子であるポリアリーレンエーテルスルホン酸樹脂を塗布し、150℃で乾燥させた。ハンダにて、高抵抗層と低抵抗層との端部同士を接合し、PVDF樹脂をコーティングして、ハンダ接合部を封止した。高抵抗層の抵抗値は、前述と同様の方法で測定した1cm2のシート抵抗で、170mΩであり、低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で、16mΩであった。なお集電体の端部は電流取り出し部とした。
[Example 3]
The current collector is a 150 μm thick Ti plate with 0.5 mm vertical, 1 mm horizontal, 1.5 mm horizontal pitch, 0.75 mm vertical through holes, and platinum plated with a thickness of 1 μm. And a current collector made of a laminate of a low resistance layer made of Ti and a high resistance layer not plated on a titanium mesh made of a wire mesh (100 mesh) having a wire diameter of 30 μm. As an insulating layer, a polyarylene ether sulfonic acid resin that is an electrolyte polymer was applied to a titanium mesh that was a high resistance layer and dried at 150 ° C. The end portions of the high resistance layer and the low resistance layer were joined with solder, and the PVDF resin was coated to seal the solder joint portion. The resistance value of the high resistance layer was 170 mΩ as a sheet resistance of 1 cm 2 measured by the same method as described above, and the resistance value of the low resistance layer was 16 mΩ as the sheet resistance. The end of the current collector was a current extraction part.

ポリアリーレンエーテルスルホン酸樹脂を被覆した高抵抗層側を、電解質層として用いたものと同種のポリアリーレンエーテルスルホン酸樹脂からなる絶縁層の上に積層させ、150℃、5分間、10kgf/cm2の条件でホットプレスして、電解質層と集電体と絶縁層とを接合させた。同種の高分子からなることにより、電解質層と絶縁層とはよくなじんで接着した。この上から実施例2と同様の作製方法で膜電極複合体を作製した。 The high resistance layer side coated with the polyarylene ether sulfonic acid resin is laminated on the insulating layer made of the same kind of polyarylene ether sulfonic acid resin as that used for the electrolyte layer, and 150 kg, 5 minutes, 10 kgf / cm 2. The electrolyte layer, the current collector, and the insulating layer were joined by hot pressing under the conditions described above. By being made of the same kind of polymer, the electrolyte layer and the insulating layer were well adhered and adhered. From this, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 2.

上記した部材以外は実施例1と同様にして、燃料電池システムの構築、および起動からアノード電極の温度が40℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約2分という結果が得られた。   When the heating time from the construction and start-up of the fuel cell system to the temperature of the anode electrode reaching 40 ° C. was measured in the same manner as in Example 1 except for the members described above, a result of about 2 minutes was obtained.

[実施例4]
高抵抗層を以下の方法で作製した。ウェットエッチング法により穴をあけたP型シリコン基板を作製し、ダイシングにより、25cm×25cmの大きさに調製し、図6に示すように、1000μmの厚みで、0.01Ω・cmとされたP型シリコン基板に、直径100μmの貫通孔を開け、基板15を作製した。なお該貫通孔は、200μmのピッチで六方最密充填となるように開けた。基板15上の一部の領域に、金属層25,35として金をスパッタにより積層した。また基板15の表面を酸化処理し、金以外の部分を絶縁化した。酸化処理は乾燥酸素中にて900℃で3時間加熱することで行ない、約100nmの厚みの酸化層45を形成した。
[Example 4]
A high resistance layer was produced by the following method. A P-type silicon substrate with holes formed by wet etching is prepared, adjusted to a size of 25 cm × 25 cm by dicing, and, as shown in FIG. 6, P having a thickness of 1000 μm and 0.01 Ω · cm A through-hole having a diameter of 100 μm was formed in the mold silicon substrate to produce a substrate 15. The through holes were opened at a pitch of 200 μm so as to provide hexagonal closest packing. Gold was deposited as metal layers 25 and 35 on a part of the region of the substrate 15 by sputtering. Further, the surface of the substrate 15 was oxidized to insulate portions other than gold. The oxidation treatment was performed by heating at 900 ° C. for 3 hours in dry oxygen to form an oxide layer 45 having a thickness of about 100 nm.

次に、低抵抗層を以下の方法で作製した。酸化された基板の表面に金属箔55を積層した。本実施例では、P型シリコン基板の表面を金(Au)で0.2μm厚でメッキし、さらに表面を処理したチタン箔100μmを積層することで金属箔55を形成した。チタン箔には、P型シリコン基板に形成した貫通孔と同様の形状の貫通孔をドリル加工によって形成した。次に、金属層35と、低抵抗層の金が形成されている側の面とを半田により接合した。半田部にはポリイミド樹脂によりコーティングを行なった。2つの電流取り出し部65,75に各々スイッチを設けた。金属箔55を膜電極複合体の触媒層面に接触させた。   Next, a low resistance layer was produced by the following method. A metal foil 55 was laminated on the surface of the oxidized substrate. In this example, the metal foil 55 was formed by plating the surface of a P-type silicon substrate with gold (Au) to a thickness of 0.2 μm and laminating 100 μm of a titanium foil whose surface was further treated. In the titanium foil, a through hole having the same shape as the through hole formed in the P-type silicon substrate was formed by drilling. Next, the metal layer 35 and the surface of the low resistance layer on which gold was formed were joined by solder. The solder part was coated with polyimide resin. Each of the two current extraction units 65 and 75 is provided with a switch. The metal foil 55 was brought into contact with the catalyst layer surface of the membrane electrode assembly.

なお高抵抗層の抵抗値は、1cm2のシート抵抗で200mΩであり、低抵抗層の抵抗値は、シート抵抗で18mΩであった。 The resistance value of the high resistance layer was 200 mΩ with a sheet resistance of 1 cm 2 , and the resistance value of the low resistance layer was 18 mΩ with a sheet resistance.

上記した部材以外は実施例1と同様にして、燃料電池システムの構築、および起動からアノード電極の温度が40℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約2分という結果が得られた。   When the heating time from the construction and start-up of the fuel cell system to the temperature of the anode electrode reaching 40 ° C. was measured in the same manner as in Example 1 except for the members described above, a result of about 2 minutes was obtained.

[実施例5]
実施例1で作製した燃料電池を用い、図15に示すような、集電体の低抵抗層(Tiラス−Pt層)と高抵抗層(Tiメッシュ層)との端部に、スイッチと、温度センサーと、制御部98と、2つの二次電池からなる蓄電装置94と、出力電圧をモニターするためのモニター部97とを備える燃料電池システムを構築した。温度センサーとしては熱電対を用いた。温度センサーによってアノード電極の触媒温度をモニターし、起動時から、温度が40℃未満の場合には、加熱処理1を以下の通り行なった。
[Example 5]
Using the fuel cell produced in Example 1, as shown in FIG. 15, at the ends of the low resistance layer (Ti lath-Pt layer) and the high resistance layer (Ti mesh layer) of the current collector, A fuel cell system including a temperature sensor, a control unit 98, a power storage device 94 including two secondary batteries, and a monitor unit 97 for monitoring the output voltage was constructed. A thermocouple was used as the temperature sensor. The catalyst temperature of the anode electrode was monitored by a temperature sensor. When the temperature was lower than 40 ° C. from the start, heat treatment 1 was performed as follows.

スイッチ441a,445a,445b,445cで示される高抵抗層に接続するスイッチをオン、スイッチ442a,444a,444b,444cで示される低抵抗層に接続するスイッチをオフにし、高抵抗層303aに電流を流すことで、電流の抵抗損失により発熱させた。   The switches connected to the high resistance layer indicated by the switches 441a, 445a, 445b, and 445c are turned on, the switches connected to the low resistance layer indicated by the switches 442a, 444a, 444b, and 444c are turned off, and current is supplied to the high resistance layer 303a. By flowing, heat was generated due to resistance loss of current.

起動時は、スイッチ447aおよび一番端のセルの高抵抗層に接続されているスイッチ446cと、スイッチ445a,445bとをオンにし、燃料電池から蓄電装置94の一方の二次電池に充放電回路95で一方に定電流で充電した。その間、スイッチ441a,442a,444c,445cはオフにし、機器へは蓄電装置94の他方の二次電池から供給した。   At the time of startup, the switch 447a and the switch 446c connected to the high resistance layer of the endmost cell and the switches 445a and 445b are turned on, and the charge / discharge circuit is connected from the fuel cell to one of the secondary batteries of the power storage device 94. One side was charged with a constant current at 95. In the meantime, the switches 441a, 442a, 444c, and 445c were turned off, and the device was supplied from the other secondary battery of the power storage device 94.

従来例1の燃料電池においては25℃で1.25Aの定電流で触媒温度が40℃に達するまで約20分ほどかかったが、本実施例においては、約2分ほどで40℃に達した。   In the fuel cell of Conventional Example 1, it took about 20 minutes for the catalyst temperature to reach 40 ° C. at a constant current of 1.25 A at 25 ° C., but in this example, it reached 40 ° C. in about 2 minutes. .

触媒温度が40℃以上に達した時、スイッチ447a,446cをオフに、スイッチ442a,444a,444b,444cで示される低抵抗層に接続するスイッチをオンにして、低抵抗層303bに電流を流し、高抵抗層303aに電流を流さないようにして、燃料電池の定常動作に移行させた。   When the catalyst temperature reaches 40 ° C. or higher, the switches 447a and 446c are turned off, the switches connected to the low resistance layers indicated by the switches 442a, 444a, 444b, and 444c are turned on, and a current is passed through the low resistance layer 303b. Then, the operation was shifted to the steady operation of the fuel cell without passing a current through the high resistance layer 303a.

燃料電池の動作フローは、図17に従った。起動時から、集電体部分の温度をモニターし、触媒温度が40℃未満では、高抵抗層303aに電流を流し、蓄電装置である二次電池に充電した。機器は二次電池により起動させた。触媒温度が40℃以上に達した時、燃料電池で機器を動作させた。セパレータは断熱性であり、セパレータ内部は熱容量が小さいため、触媒部の温度低下が少ない。温度が20℃まで下がると、再び、起動時と同じように、二次電池に充電しながら加熱した。その際、一方の二次電池に定電流で充電し、他方の電池で機器を動作させた。二次電池がフル充電されると、放電中の二次電池と充放電を交換し、放電済の二次電池を充電した。二次電池への充電は所定電圧V1まで低下しないと行なわないように、電圧モニターで二次電池の電圧を監視する方法で制御した。その間、燃料電池は発電せず、待機状態とした。放電中の二次電池が所定電圧V1以下になると所定電圧V2(但し、V2>V1)間になるように充電した。二次電池の電圧は充放電回路にてモニターした。なお、本実施例において、スイッチはパワートランジスタによってオン/オフ制御を行なった。   The operation flow of the fuel cell follows FIG. From the time of startup, the temperature of the current collector portion was monitored, and when the catalyst temperature was less than 40 ° C., a current was passed through the high resistance layer 303a to charge the secondary battery as the power storage device. The instrument was activated by a secondary battery. When the catalyst temperature reached 40 ° C. or higher, the device was operated with a fuel cell. The separator is heat-insulating, and since the heat capacity inside the separator is small, the temperature drop of the catalyst portion is small. When the temperature dropped to 20 ° C., the secondary battery was heated again while being charged in the same manner as at startup. At that time, one secondary battery was charged with a constant current, and the device was operated with the other battery. When the secondary battery was fully charged, the secondary battery being discharged was exchanged for charge and discharge, and the discharged secondary battery was charged. The secondary battery was controlled by a method of monitoring the voltage of the secondary battery with a voltage monitor so that the secondary battery would not be charged until the voltage was lowered to the predetermined voltage V1. During that time, the fuel cell did not generate electricity and was in a standby state. When the secondary battery being discharged was equal to or lower than the predetermined voltage V1, the battery was charged so as to be between the predetermined voltage V2 (where V2> V1). The voltage of the secondary battery was monitored by a charge / discharge circuit. In this embodiment, the switch is on / off controlled by a power transistor.

なお、触媒温度が40℃以上であるか否かを判定し、トランジスタでスイッチ切替えを行なう際の制御は、下記の方法で行なった。   In addition, it was determined whether or not the catalyst temperature was 40 ° C. or higher, and the control when switching the transistor was performed by the following method.

図16に示すように、温度をセンシングしたい位置にPTC(POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT)特性を持つサーミスタを設置し、その抵抗変化により、トランジスタのスイッチをオン/オフ制御できる様に回路を組んだ。   As shown in FIG. 16, a thermistor having PTC (POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT) characteristics is installed at a position where temperature is desired to be sensed, and a circuit is constructed so that the switch of the transistor can be controlled on / off by changing its resistance.

二次電池から−5Vの定電圧46を作成した。MOSFET36のゲート−ソース間電位は抵抗56bとサーミスタ16との分圧により決定した。サーミスタ16は温度が上昇するにしたがって抵抗値が増加し、ゲート−ソース間電位が約2V以上でオンするようにした。サーミスタ16としては25℃で470Ωであり、45℃で4.7kΩになる特性をもつものを用いた。抵抗56bは3kΩとした。約40℃以下ではサーミスタは4.5Ω以下であり、ゲート電圧は抵抗の分圧により、2V以上であるから、MOSFET36はオン状態となり、MOSFET26のゲート電圧に−5Vが印加されるので、MOSFET26がオンする。MOSFET26はゲート−ソース間電圧が約−2VでオンするMOSFETである。抵抗56aは100kΩとした。これにより、温度によって、高抵抗部分に電流を流す場合と、流さない場合のスイッチの切替えを温度40℃で自動制御することが可能である。   A constant voltage 46 of −5 V was created from the secondary battery. The gate-source potential of the MOSFET 36 is determined by the partial pressure of the resistor 56 b and the thermistor 16. The thermistor 16 increases in resistance as the temperature rises, and is turned on when the gate-source potential is about 2 V or more. As the thermistor 16, a thermistor having a characteristic of 470Ω at 25 ° C. and 4.7 kΩ at 45 ° C. was used. The resistor 56b was 3 kΩ. At about 40 ° C. or less, the thermistor is 4.5Ω or less, and the gate voltage is 2 V or more due to the resistance voltage division. Therefore, the MOSFET 36 is turned on, and −5 V is applied to the gate voltage of the MOSFET 26. Turn on. The MOSFET 26 is a MOSFET that is turned on when the gate-source voltage is about −2V. The resistor 56a was 100 kΩ. Thereby, it is possible to automatically control the switching of the switch at a temperature of 40 ° C. depending on the temperature when the current is passed through the high resistance portion and when the current is not passed.

上記のようにして、起動時に素早く集電体の温度を上昇させることができ、定常時も高温で高効率の発電が可能であった。二次電池は、外部機器の停止時に所定電圧まで充電した。これにより、外部機器の立ち上がり時には二次電池で外部機器を動作させることが可能であった。   As described above, the temperature of the current collector can be quickly raised at the time of start-up, and high-efficiency power generation can be performed at a high temperature even in a steady state. The secondary battery was charged to a predetermined voltage when the external device was stopped. Thereby, it was possible to operate the external device with the secondary battery when the external device started up.

[実施例6]
本実施例では、図12に示す構成の燃料電池を作製した。カソード極の集電体はカソード低抵抗層とカソード高抵抗層とからなり、両層の間には絶縁層を形成した。カソード極の集電体は、実施例2と同様の方法で作製した。カーボンGDLからなる拡散層にカソード集電体をプレスして押し付け、実施例1と同様の方法で作製したカソード触媒ペーストをカソード集電体の上に塗布してカソード触媒層を形成した。こうして、カソード極を形成した。なお、カソード高抵抗層の抵抗値は、前述と同様の方法で測定される1cm2のシート抵抗で170mΩであり、カソード低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で、16mΩであった。
[Example 6]
In this example, a fuel cell having the configuration shown in FIG. 12 was produced. The current collector of the cathode electrode was composed of a cathode low resistance layer and a cathode high resistance layer, and an insulating layer was formed between both layers. The cathode current collector was produced in the same manner as in Example 2. The cathode current collector was pressed and pressed against the diffusion layer made of carbon GDL, and the cathode catalyst paste produced by the same method as in Example 1 was applied onto the cathode current collector to form a cathode catalyst layer. Thus, the cathode electrode was formed. The resistance value of the cathode high resistance layer was 170 mΩ as a sheet resistance of 1 cm 2 measured by the same method as described above, and the resistance value of the cathode low resistance layer was 16 mΩ as the sheet resistance.

アノード極の集電体としては、直径70μm、100メッシュのAuメッシュをアノード低抵抗層として用いた。なおアノード低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で11mΩであった。カーボンGDLからなる拡散層とアノード集電体とをプレスにより固定した上に、アノード触媒ペーストを塗布し、アノード触媒層を形成した。アノード極、ナフィオン(登録商標)117からなる電解質層、カソード極の順で、アノード極とカソード極との電極形成領域の位置を合わせて積層し、130℃、10kgf/cm2で2分間ホットプレス処理し、膜電極複合体を作製した。 As the current collector for the anode electrode, an Au mesh having a diameter of 70 μm and 100 mesh was used as the anode low resistance layer. The resistance value of the anode low resistance layer was 11 mΩ in terms of the sheet resistance. A diffusion layer made of carbon GDL and an anode current collector were fixed by pressing, and then an anode catalyst paste was applied to form an anode catalyst layer. The anode electrode, the electrolyte layer made of Nafion (registered trademark) 117, and the cathode electrode are laminated in order of the electrode formation region of the anode electrode and the cathode electrode, and hot pressed at 130 ° C. and 10 kgf / cm 2 for 2 minutes. The membrane electrode assembly was produced by processing.

さらに、削り出しにて作製したポリアクリル製の筐体に上記の膜電極複合体を挟み、エポキシ樹脂にて外周を封止して、図12に示す燃料電池を作製した。   Further, the above membrane electrode assembly was sandwiched between a polyacrylic casing produced by cutting and the outer periphery was sealed with an epoxy resin, thereby producing a fuel cell shown in FIG.

上記で作製した燃料電池を用い、室温、相対湿度50%での発電特性を測定した。燃料電池はアクリル製のカバーケースで囲まれており、下部の供給口から3mol/Lのメタノール水溶液をアノード触媒層がすべて漬かるように供給し、カソード触媒層は大気に開放させた。燃料は追加で供給しない為、アノード極側の液面は1時間発電後に燃料が触媒層のすべてに浸かるように、多めに7CC供給しておいた。カソード側の集電体の高抵抗層と低抵抗層とにそれぞれ単独に電流が流れるようにスイッチを設けた。燃料電池の定常動作時には低抵抗層を集電体として用いて該低抵抗層から出力を取り出し、5分おきに1分間スイッチを切替えてカソード極の高抵抗層に電流を流すことで、所定時間の加熱処理を行なった。   Using the fuel cell prepared above, the power generation characteristics at room temperature and 50% relative humidity were measured. The fuel cell was surrounded by an acrylic cover case, and a 3 mol / L aqueous methanol solution was supplied from the lower supply port so that the anode catalyst layer was completely immersed, and the cathode catalyst layer was opened to the atmosphere. Since no additional fuel was supplied, an extra 7 CC was supplied to the liquid level on the anode electrode side so that the fuel was immersed in all of the catalyst layer after power generation for 1 hour. A switch was provided so that current could flow independently through the high resistance layer and the low resistance layer of the current collector on the cathode side. At the time of steady operation of the fuel cell, the output is taken out from the low resistance layer using the low resistance layer as a current collector, and the current is passed through the high resistance layer of the cathode electrode by switching the switch for 1 minute every 5 minutes. The heat treatment was performed.

その結果、発電特性は、100mA/cm2の時、0.31Vであった。この状態で、1時間発電させた後のアノード極側に残っている燃料の体積を確認したところ、6.11CCであった。 As a result, the power generation characteristic was 0.31 V at 100 mA / cm 2 . In this state, the volume of fuel remaining on the anode electrode side after power generation for 1 hour was confirmed to be 6.11 CC.

なお、実施例6と同じセルを用い、低抵抗層に電流を流すのみの制御を行なった場合、1時間発電後にアノード極側に残っている燃料の体積は、5.62CCであった。以上の結果から、本発明によれば、小型の燃料電池により、簡便な方法でカソード側の水をアノード側に戻して再利用でき、長時間発電させる為には濃度の高いメタノールを供給すれば良くなる為、カートリッジなど燃料タンクの大きさを小型化できることが分かった。   In addition, when the same cell as in Example 6 was used and only the current was passed through the low resistance layer, the volume of fuel remaining on the anode side after power generation for 1 hour was 5.62 CC. From the above results, according to the present invention, the water on the cathode side can be returned to the anode side and reused by a small fuel cell by a simple method. It turned out that the size of the fuel tank, such as a cartridge, can be reduced because it improves.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の燃料電池、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法は、たとえば携帯用電子機器等に対して好適に適用され得る。   The fuel cell, the fuel cell system, and the control method for the fuel cell system of the present invention can be suitably applied to, for example, portable electronic devices.

本発明の燃料電池の構成の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of a structure of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の構成の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of a structure of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。It is a top view explaining the example of a structure of the electrical power collector in the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。It is a top view explaining the example of a structure of the electrical power collector in the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。It is a top view explaining the example of a structure of the electrical power collector in the fuel cell of this invention. 貫通孔を有する集電体の作製方法について説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the electrical power collector which has a through-hole. 本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。It is a top view explaining the example of a structure of the electrical power collector in the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。It is a top view explaining the example of a structure of the electrical power collector in the fuel cell of this invention. 図8のIX−IX断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the IX-IX cross section of FIG. 本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。It is a top view explaining the example of a structure of the electrical power collector in the fuel cell of this invention. 図10のXI−XI断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the XI-XI cross section of FIG. 本発明の燃料電池の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。It is a figure explaining the example of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。It is a figure explaining the example of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。It is a figure explaining the example of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムの制御部として設けられる温度制御部の一態様を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the one aspect | mode of the temperature control part provided as a control part of the fuel cell system of this invention. 本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart explaining the example of the aspect of control of the fuel cell in this invention. 本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart explaining the example of the aspect of control of the fuel cell in this invention. 本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart explaining the example of the aspect of control of the fuel cell in this invention. 本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart explaining the example of the aspect of control of the fuel cell in this invention. 従来例の燃料電池の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1,101,1201 電解質層、2,102a,302a,702a,1202a アノード電極、3,102b,302b,702b,1202b カソード電極、4,106 セパレータ、5 取り出し電極、6,59 筐体、7,109a,109b ヒーター、8,107a アノード燃料流路、9,107b カソード燃料流路、15 基板、25,35 金属層、45 酸化層、55 金属箔、65,75 電流取り出し部、16 サーミスタ、26,36 MOSET、46 定電圧、56a,56b 抵抗、66 入力端子、76 出力端子、19 燃料容器、29 燃料供給口、39 接着層、49 換気孔、69a アノード極配線、69b カソード極配線、91 温度センサー、92,96,98 制御部、93 動作状態モニター、94 蓄電装置、95 充放電回路、97 モニター部、100,200,300,700,1200 燃料電池、103,104,105 集電体、108a,108b,1208a,1208b 拡散層、300a,300b,300c セル、303a,403a,503a,703a,803a,1003a,1203a 高抵抗層、55,303b,403b,503b,703b,803b,1003b,1203b 低抵抗層、99,311,411a,411b,511,711a,711b,811,1011,1211 絶縁層、312,412,512,712 絶縁接着層、313,413,513,713,813,1013 絶縁封止部、402,502,802,1002 電極、414,514,814,1014,1214 接合部材、703c 中抵抗層、816,1016 接着層、441,441a,441b,441c,442,442a,442b,442c,443,443a,443b,443c,444,444a,444b,444c,445,445a,445b,445c,446,446a,446b,446c,447a,447b,447c,448a,448b,448c,449c スイッチ、1300,1400,1500 燃料電池システム。   1,101,1201 Electrolyte layer, 2,102a, 302a, 702a, 1202a Anode electrode, 3,102b, 302b, 702b, 1202b Cathode electrode, 4,106 Separator, 5 Extraction electrode, 6,59 Case, 7,109a 109b heater, 8, 107a anode fuel flow path, 9, 107b cathode fuel flow path, 15 substrate, 25, 35 metal layer, 45 oxide layer, 55 metal foil, 65, 75 current extraction unit, 16 thermistor, 26, 36 MOSET, 46 constant voltage, 56a, 56b resistance, 66 input terminal, 76 output terminal, 19 fuel container, 29 fuel supply port, 39 adhesive layer, 49 ventilation hole, 69a anode electrode wiring, 69b cathode electrode wiring, 91 temperature sensor, 92, 96, 98 control unit, 93 operation status monitor, 94 power storage device, 95 charge / discharge circuit, 97 monitor unit, 100, 200, 300, 700, 1200 fuel cell, 103, 104, 105 current collector, 108a, 108b, 1208a, 1208b diffusion layer, 300a, 300b, 300c cell 303a, 403a, 503a, 703a, 803a, 1003a, 1203a High resistance layer, 55, 303b, 403b, 503b, 703b, 803b, 1003b, 1203b Low resistance layer, 99, 311, 411a, 411b, 511, 711a, 711b , 811, 1011, 1211 Insulating layer, 312, 412, 512, 712 Insulating adhesive layer, 313, 413, 513, 713, 813, 1013 Insulating sealing part, 402, 502, 802, 1002 electrode, 414, 514, 814 , 1014 , 1214 Bonding member, 703c Medium resistance layer, 816, 1016 Adhesive layer, 441, 441a, 441b, 441c, 442, 442a, 442b, 442c, 443, 443a, 443b, 443c, 444, 444a, 444b, 444c, 445 445a, 445b, 445c, 446, 446a, 446b, 446c, 447a, 447b, 447c, 448a, 448b, 448c, 449c switch, 1300, 1400, 1500 Fuel cell system.

Claims (21)

電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備え、
前記集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、前記高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む2以上の層からなる積層構造を有し、
前記集電体と前記アノード電極および/または前記カソード電極とが直接または導電部材を介して接してなる、燃料電池。
Comprising at least an electrolyte layer, an anode electrode and a cathode electrode facing each other across the electrolyte layer, a current collector, and a separator;
The current collector comprises two or more layers including at least a high resistance layer forming one surface and a low resistance layer having a lower resistance value than the high resistance layer and forming the other surface. Having a laminated structure,
A fuel cell in which the current collector is in contact with the anode electrode and / or the cathode electrode directly or through a conductive member.
アノード側の前記集電体、前記アノード電極、前記電解質層、前記カソード電極、カソード側の前記集電体、の順に積層された積層構造を有する、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell has a stacked structure in which the current collector on the anode side, the anode electrode, the electrolyte layer, the cathode electrode, and the current collector on the cathode side are stacked in this order. 前記アノード電極、アノード側の前記集電体、前記電解質層、カソード側の前記集電体、前記カソード電極、の順に積層された積層構造を有する、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell has a laminated structure in which the anode electrode, the anode-side current collector, the electrolyte layer, the cathode-side current collector, and the cathode electrode are laminated in this order. 前記集電体の前記低抵抗層が前記アノード電極および/または前記カソード電極と直接または導電部材を介して接している、請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the low-resistance layer of the current collector is in contact with the anode electrode and / or the cathode electrode directly or through a conductive member. 前記集電体のうち前記低抵抗層以外の層は、前記低抵抗層のみを介して前記アノード電極または前記カソード電極と電気的に接続される、請求項4に記載の燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 4, wherein layers other than the low resistance layer of the current collector are electrically connected to the anode electrode or the cathode electrode only through the low resistance layer. 前記集電体を構成する前記2以上の層は、前記アノード電極または前記カソード電極が形成されている領域において互いに絶縁層のみを介して積層されており、
前記アノード電極または前記カソード電極が形成されていない領域の少なくとも一部において電気的に接続されている、請求項5に記載の燃料電池。
The two or more layers constituting the current collector are laminated via an insulating layer only in a region where the anode electrode or the cathode electrode is formed,
The fuel cell according to claim 5, wherein the fuel cell is electrically connected in at least a part of a region where the anode electrode or the cathode electrode is not formed.
前記集電体を構成する各々の層が電流を取り出すための取り出し部を有する、請求項6に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 6, wherein each layer constituting the current collector has a takeout part for taking out a current. 前記集電体は、前記電解質層と前記アノード電極および/または前記カソード電極との間に形成され、
前記集電体のうち前記低抵抗層以外の層は、前記アノード電極および/または前記カソード電極が形成されている領域において絶縁層で覆われている、請求項7に記載の燃料電池。
The current collector is formed between the electrolyte layer and the anode electrode and / or the cathode electrode,
The fuel cell according to claim 7, wherein layers other than the low resistance layer of the current collector are covered with an insulating layer in a region where the anode electrode and / or the cathode electrode is formed.
前記絶縁層が多孔質体からなる、請求項6〜8のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 6 to 8, wherein the insulating layer is made of a porous body. 前記絶縁層と前記電解質層とが接合されることによって前記集電体と前記電解質層とが一体化されている、請求項8または9に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 8 or 9, wherein the current collector and the electrolyte layer are integrated by joining the insulating layer and the electrolyte layer. 前記絶縁層は電解質材料からなる、請求項8〜10のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 8, wherein the insulating layer is made of an electrolyte material. ヒーターをさらに備える、請求項1〜11のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, further comprising a heater. 負荷を駆動するための燃料電池システムであって、
請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池と、
前記集電体を構成する2以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、
前記燃料電池のアノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するための温度センサーと、
前記温度センサーの検知結果に基づいて前記スイッチ部を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池システム。
A fuel cell system for driving a load,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 12,
A switch unit for controlling the presence or absence of energization to two or more layers constituting the current collector;
A temperature sensor for detecting at least one of a temperature of an anode electrode and / or a cathode electrode of the fuel cell and an outside air temperature;
A control unit for controlling the switch unit based on a detection result of the temperature sensor;
A fuel cell system comprising:
負荷を駆動するための燃料電池システムであって、
請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池と、
前記集電体を構成する2以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、
前記燃料電池の出力電流および/または出力電圧を検知するためのモニター部と、
前記モニター部の検知結果に基づいて前記スイッチ部を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池システム。
A fuel cell system for driving a load,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 12,
A switch unit for controlling the presence or absence of energization to two or more layers constituting the current collector;
A monitor for detecting the output current and / or output voltage of the fuel cell;
A control unit for controlling the switch unit based on the detection result of the monitor unit;
A fuel cell system comprising:
前記集電体は、前記燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、
前記アノード側および前記カソード側の前記集電体はそれぞれ高抵抗層と低抵抗層とからなり、
前記スイッチ部は、
前記負荷と前記アノード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第1および第2のスイッチ素子と、
前記負荷と前記カソード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第3および第4のスイッチ素子と、
を含む、請求項13または14に記載の燃料電池システム。
The current collector is provided on the anode side and the cathode side of the fuel cell,
The current collectors on the anode side and the cathode side are each composed of a high resistance layer and a low resistance layer,
The switch part is
First and second switch elements for electrically connecting the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the anode side, respectively;
Third and fourth switch elements for electrically connecting the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the cathode side, respectively;
The fuel cell system according to claim 13 or 14, comprising:
蓄電装置と前記蓄電措置の充放電回路とをさらに備える、請求項13〜15のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 13 to 15, further comprising a power storage device and a charge / discharge circuit for the power storage device. 請求項13に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記温度センサーにより燃料電池のアノード電極および/またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するステップと、
検知結果に基づいて、前記制御部により前記スイッチ部を制御して前記集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、
を備え、
前記低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法。
A control method for a fuel cell system according to claim 13,
Detecting at least one of a temperature of an anode electrode and / or a cathode electrode of the fuel cell and an outside air temperature by the temperature sensor;
Based on the detection result, the step of controlling the switch unit by the control unit to energize layers other than the low resistance layer in the current collector;
With
A method for controlling a fuel cell system, wherein the temperature of an anode electrode and / or a cathode electrode is raised by passing a current through a layer other than the low resistance layer.
前記通電するステップにおいて、前記検知結果に基づいて、前記アノード電極および/もしくは前記カソード電極の温度または前記外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に前記集電体における低抵抗層以外の層に通電する、請求項17に記載の燃料電池システムの制御方法。   In the energizing step, based on the detection result, when the temperature of the anode electrode and / or the cathode electrode or the outside air temperature is lower than a predetermined temperature set in advance, a layer other than the low resistance layer in the current collector is provided. The fuel cell system control method according to claim 17, wherein energization is performed. 前記検知するステップにおいて、前記アノード電極および前記カソード電極の温度を検知し、
前記通電するステップにおいて、前記検知結果に基づいて、前記カソード電極の温度から前記アノード電極の温度を引いた温度差があらかじめ設定された所定値より低い時に前記集電体における低抵抗層以外の層に通電する、請求項17に記載の燃料電池システムの制御方法。
In the detecting step, the temperature of the anode electrode and the cathode electrode is detected,
In the energizing step, when the temperature difference obtained by subtracting the temperature of the anode electrode from the temperature of the cathode electrode is lower than a predetermined value based on the detection result, a layer other than the low resistance layer in the current collector The method for controlling a fuel cell system according to claim 17, wherein power is supplied to the fuel cell system.
請求項14に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記モニター部により燃料電池の出力電流および/または出力電圧を検知するステップと、
検知結果に基づいて、前記出力電流および/または前記出力電圧があらかじめ設定された所定値より低い時に、前記制御部により前記スイッチ部を制御して前記集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、
を備え、
前記低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および/またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法。
A control method for a fuel cell system according to claim 14,
Detecting the output current and / or output voltage of the fuel cell by the monitor unit;
Based on the detection result, when the output current and / or the output voltage is lower than a predetermined value set in advance, the control unit controls the switch unit to energize layers other than the low resistance layer in the current collector And steps to
With
A method for controlling a fuel cell system, wherein the temperature of an anode electrode and / or a cathode electrode is raised by passing a current through a layer other than the low resistance layer.
前記集電体は、前記燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、
前記アノード側および前記カソード側の前記集電体はそれぞれ高抵抗層と低抵抗層とからなり、
前記スイッチ部は、
前記負荷と前記アノード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第1および第2のスイッチ素子と、
前記負荷と前記カソード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第3および第4のスイッチ素子と、
を含み、
前記通電するステップにおける前記高抵抗層への通電を、前記第1および前記第3のスイッチ素子を導通させることにより行なう、請求項17〜20のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。
The current collector is provided on the anode side and the cathode side of the fuel cell,
The current collectors on the anode side and the cathode side are each composed of a high resistance layer and a low resistance layer,
The switch part is
First and second switch elements for electrically connecting the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the anode side, respectively;
Third and fourth switch elements for electrically connecting the load and the high resistance layer and the low resistance layer on the cathode side, respectively;
Including
21. The method of controlling a fuel cell system according to claim 17, wherein energization of the high resistance layer in the energizing step is performed by conducting the first and third switch elements.
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