JP5155549B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell having a cell stack in which single cells are stacked.

従来、固体高分子型の燃料電池の単セルは、電解質膜、アノード(陰極)及びカソード(陽極)からなるMEA(Membrane Electrode Assembly)を有し、さらにMEAを挟持する一対のセパレータを有する(例えば、特許文献1参照。)。燃料電池では、このような単セルを複数積層してセル積層体を構成し、セル積層体の両端部に位置する単セル(以下、「端部セル」という。)の外側に、集電板、絶縁板及びエンドプレートなどを配置する。   Conventionally, a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell has an MEA (Membrane Electrode Assembly) composed of an electrolyte membrane, an anode (cathode) and a cathode (anode), and further has a pair of separators that sandwich the MEA (for example, , See Patent Document 1). In a fuel cell, a plurality of such single cells are stacked to form a cell stack, and a current collector plate is provided outside the single cells (hereinafter referred to as “end cells”) located at both ends of the cell stack. Insulating plate and end plate are arranged.

燃料ガス及び酸化ガスは、セル積層体の一方の端から他方の端に向けて流れ、各単セルの燃料ガス流路及び酸化ガス流路へと供給される。通常、酸化ガスは、燃料ガスよりも多くセル積層体に供給され、排出される。この両ガスの電気化学反応により、単セルの起電力が得られると共に、カソード側で水が生成される。生成水は、酸化ガス又は燃料ガスの流れによって単セル外に排水される。   The fuel gas and the oxidizing gas flow from one end of the cell stack to the other end, and are supplied to the fuel gas channel and the oxidizing gas channel of each single cell. Usually, the oxidizing gas is supplied to the cell stack more than the fuel gas and discharged. Due to the electrochemical reaction of both gases, an electromotive force of a single cell is obtained and water is generated on the cathode side. The produced water is drained out of the single cell by the flow of oxidizing gas or fuel gas.

電気化学反応で発生した熱は、セル積層体の温度が適切な運転温度に保たれるように、冷媒により排熱される。通常、冷媒は、セル積層体の一方の端から他方の端に向けて流れ、単セル間に形成された冷媒流路に供給される。また、端部セルのセパレータと集電板との間にも冷媒流路(以下、「端部冷媒流路」という。)が形成される。   The heat generated by the electrochemical reaction is exhausted by the refrigerant so that the temperature of the cell stack is maintained at an appropriate operating temperature. Usually, the refrigerant flows from one end of the cell stack to the other end and is supplied to a refrigerant flow path formed between the single cells. A refrigerant channel (hereinafter referred to as “end refrigerant channel”) is also formed between the separator of the end cell and the current collector plate.

特許文献1に記載されているように、端部セルは、セル積層体の他の単セルよりも温度が低くなるという事実がある。これは、端部セルが、集電板、絶縁板及びエンドプレートからの放熱の影響を受け、端部冷媒流路の冷媒の温度が下がるからである。特に、セル積層体における総マイナス側の端部セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなる。   As described in Patent Document 1, there is a fact that the end cell has a lower temperature than other single cells of the cell stack. This is because the end cell is affected by heat radiation from the current collector plate, the insulating plate, and the end plate, and the temperature of the refrigerant in the end refrigerant flow path is lowered. In particular, in the end cell on the total minus side in the cell stack, the temperature on the anode side is lower than the temperature on the cathode side.

この両極の温度差の結果、酸化ガス流路から燃料ガス流路に水蒸気が移動し、燃料ガス流路に液水が発生する。この液水は燃料ガス流路の燃料ガスの流れによって排水されないわけではないが、燃料ガスは液水を排水するエネルギー(流量)が酸化ガスに比べて小さい。このため、液水が十分に持ち去られず、総マイナス側にある燃料ガス流路でフラッディング(湿潤過多)となり易い。その結果、総マイナス側にある端部セルへの燃料ガスの供給量が減少して、この端部セルの電圧が低下するという現象が生じる。   As a result of the temperature difference between the two electrodes, water vapor moves from the oxidizing gas passage to the fuel gas passage, and liquid water is generated in the fuel gas passage. This liquid water is not necessarily drained by the flow of the fuel gas in the fuel gas flow path, but the fuel gas has a smaller energy (flow rate) for draining the liquid water than the oxidizing gas. For this reason, liquid water is not carried away sufficiently, and flooding (excessive wetness) tends to occur in the fuel gas passage on the total minus side. As a result, a phenomenon occurs in which the amount of fuel gas supplied to the end cell on the total minus side decreases, and the voltage of the end cell decreases.

このような端部セルの温度低下に着目した特許文献1の燃料電池は、端部セルと集電板との間に薄板状の発熱体を備える。そして、発熱体のジュール熱の値を、燃料電池の両端から放散される熱量に見合った値にすることで、セル積層体の温度の分布の均一化を図ろうとしている。
特開平8−167424号公報
The fuel cell of Patent Document 1 that pays attention to such a temperature decrease of the end cell includes a thin plate-like heating element between the end cell and the current collector plate. The temperature distribution of the cell stack is made uniform by setting the value of the Joule heat of the heating element to a value commensurate with the amount of heat dissipated from both ends of the fuel cell.
JP-A-8-167424

しかし、このような特許文献1に記載の燃料電池では、発熱体の全体を発熱させて端部セルの全体を加熱するので、熱量及び電力を多く必要としていた。また、両端の端部セルの温度を上げようとするので、条件によっては、総プラス側の端部セルの温度が他の単セルよりも高くなることも生じる。その場合には、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなり、総マイナス側の端部セルで生じる上記の電圧低下の現象が総プラス側の端部セルでも生じてしまう。   However, in the fuel cell described in Patent Document 1, since the entire heating element is heated to heat the entire end cell, a large amount of heat and electric power are required. Further, since the temperature of the end cells at both ends is to be raised, the temperature of the end cell on the total plus side may be higher than that of other single cells depending on conditions. In this case, the temperature on the anode side becomes lower than the temperature on the cathode side, and the above-described voltage drop phenomenon that occurs in the end cell on the total minus side also occurs on the end cell on the total plus side.

本発明は、端部セルにおいてアノード側の温度がカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セルの電圧低下を抑制できる燃料電池を提供することをその目的としている。   An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be adjusted efficiently so that the temperature on the anode side in the end cell does not become lower than that on the cathode side, and the voltage drop in the end cell can be suppressed.

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池は、アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、セル積層体における総マイナス側の単セルを当該単セルのアノード側から冷却するための冷媒流路と、冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、冷媒入口側よりも冷媒出口側への加熱量が多くなるように構成された加熱手段と、を備えるものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises a cell laminate in which single cells having an anode and a cathode are laminated, and a total negative cell in the cell laminate is cooled from the anode side of the single cell. A refrigerant flow path for supplying the refrigerant to the refrigerant flow path, a refrigerant outlet for discharging the refrigerant from the refrigerant flow path, and a larger amount of heating to the refrigerant outlet side than to the refrigerant inlet side And heating means configured to be.

この構成によれば、総マイナス側の単セルのアノード側の温度を加熱手段により上げることができる。また、本来、単セルの発熱反応と冷媒の流れとの関係上、カソードとアノードとの温度差は、冷媒入口側に比べて冷媒出口側で大きくなる。本発明によれば、冷媒出口側への加熱量を比較的多くしているので、アノード側の温度をカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整できる。したがって、総マイナス側の単セルのフラッディングを抑制でき、この単セルの電圧低下を抑制できる。また、全体を均一の加熱量としないので、小電力ともなる。   According to this configuration, the temperature on the anode side of the total minus side single cell can be raised by the heating means. In addition, due to the relationship between the exothermic reaction of the single cell and the flow of the refrigerant, the temperature difference between the cathode and the anode is larger on the refrigerant outlet side than on the refrigerant inlet side. According to the present invention, since the amount of heating to the refrigerant outlet side is relatively large, the temperature on the anode side can be adjusted efficiently so as not to be lower than that on the cathode side. Therefore, flooding of the single cell on the total minus side can be suppressed, and voltage drop of the single cell can be suppressed. Moreover, since the whole heating is not made uniform, it becomes a small electric power.

本発明の好ましい一態様によれば、加熱手段は、冷媒入口側よりも冷媒出口側で冷媒を加熱するように構成される。この場合、冷媒を直接加熱するようにしてもよいし、冷媒を間接的に加熱、つまり熱伝達により冷媒を加熱するようにしてもよい。   According to a preferred aspect of the present invention, the heating means is configured to heat the refrigerant on the refrigerant outlet side rather than on the refrigerant inlet side. In this case, the refrigerant may be directly heated, or the refrigerant may be indirectly heated, that is, the refrigerant may be heated by heat transfer.

本発明の好ましい一態様によれば、加熱手段は、冷媒入口側よりも冷媒出口側に配置された発熱体である。   According to a preferred aspect of the present invention, the heating means is a heating element arranged on the refrigerant outlet side rather than the refrigerant inlet side.

これにより、冷媒出口側のみを効率よく加熱できる。   Thereby, only the refrigerant | coolant exit side can be heated efficiently.

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池は、総マイナス側の単セルに積層された集電板と、集電板の外側に配置された絶縁板と、を備える。そして、発熱体は、集電板と絶縁板との間に配置される。   According to a preferred aspect of the present invention, the fuel cell includes a current collector plate stacked on a single cell on the total minus side, and an insulating plate disposed outside the current collector plate. The heating element is disposed between the current collector plate and the insulating plate.

これにより、総マイナス側の単セルのアノード側を好適に加熱できる。   Thereby, the anode side of the unit cell on the total minus side can be suitably heated.

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池は、発熱体を有するプレートであって、集電板と絶縁板とに挟持されるプレートを備える。   According to a preferred aspect of the present invention, the fuel cell includes a plate having a heating element and sandwiched between a current collector plate and an insulating plate.

これにより、例えば燃料電池全体に圧縮荷重がかかる場合にも、発熱体を安定して配置することができる。   Thereby, for example, even when a compressive load is applied to the entire fuel cell, the heating element can be stably disposed.

本発明の好ましい一態様によれば、プレートは、発熱体が設けられる第1の部分と、第1の部分に隣接する第2の部分と、を有する。そして、第1の部分は、第2の部分よりも熱伝導率が高い材料で構成される。   According to a preferred aspect of the present invention, the plate has a first portion provided with a heating element, and a second portion adjacent to the first portion. The first portion is made of a material having a higher thermal conductivity than that of the second portion.

これにより、発熱体の熱を集電板に好適に熱伝達でき、総マイナス側のアノード側を加熱できる。   Thereby, the heat of the heating element can be suitably transferred to the current collector plate, and the anode side on the total minus side can be heated.

本発明の好ましい一態様によれば、発熱体は、PTC抵抗体である。   According to a preferred embodiment of the present invention, the heating element is a PTC resistor.

この構成によれば、アノード側の低温時にはPTC抵抗体が通電して発熱するので、アノード側の温度を上げることができる。一方、アノード側の高温時には、PTC抵抗体は電気抵抗値が上がって通電させないようにもできる。こうすることで、PTC抵抗体が発熱しなくなるので、アノード側の温度を必要以上に上げなくて済む。このように、PTC抵抗体の特性を有効に利用することで、フラッディングが生じ易いときには、アノード側の温度を上げてフラッディングを抑制できる一方、ドライアップし易いときには、それを抑制できる。   According to this configuration, the PTC resistor is energized and generates heat at a low temperature on the anode side, so that the temperature on the anode side can be increased. On the other hand, at high temperatures on the anode side, the PTC resistor can be prevented from being energized due to its increased electrical resistance value. By doing so, the PTC resistor does not generate heat, so the temperature on the anode side does not have to be increased more than necessary. Thus, by effectively utilizing the characteristics of the PTC resistor, when flooding is likely to occur, the temperature on the anode side can be raised to suppress flooding, while when it is easy to dry up, it can be suppressed.

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池は、総マイナス側の単セルに積層された第1の集電板と、第1の集電板にPTC抵抗体を介して積層された第2の集電板と、を備える。そして、第2の集電板は、PTC抵抗体が通電可能なときに、当該燃料電池が発電した電流が第1の集電板と並列で第2の集電板を流れるように構成される。   According to a preferred aspect of the present invention, a fuel cell includes a first current collecting plate laminated on a single cell on the total minus side, and a second current laminated on the first current collecting plate via a PTC resistor. Current collector plate. The second current collector plate is configured such that when the PTC resistor can be energized, the current generated by the fuel cell flows through the second current collector plate in parallel with the first current collector plate. .

本発明の好ましい一態様によれば、加熱手段は、当該燃料電池の温度、その出力電圧、総マイナス側の単セルの温度、その出力電圧、及び冷媒の温度の少なくとも一つに基づいて、冷媒への加熱量を制御する。   According to a preferred aspect of the present invention, the heating means is a refrigerant based on at least one of the temperature of the fuel cell, its output voltage, the temperature of the total negative single cell, its output voltage, and the temperature of the refrigerant. Control the amount of heating.

これにより、燃料電池の色々な運転状態に応じて、総マイナス側の単セルのアノード側の温度をコントールできる。   Thereby, the temperature on the anode side of the total minus side single cell can be controlled in accordance with various operating states of the fuel cell.

本発明の好ましい一態様によれば、総マイナス側の単セルは、アノードに燃料ガスを供給する第1のセパレータと、カソードに酸化ガスを供給する第2のセパレータと、を有する。そして、冷媒流路の少なくとも一部は、第1のセパレータに形成される。   According to a preferred aspect of the present invention, the total minus-side single cell includes a first separator that supplies fuel gas to the anode and a second separator that supplies oxidizing gas to the cathode. And at least one part of a refrigerant | coolant flow path is formed in a 1st separator.

本発明の別の燃料電池は、アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、セル積層体における総マイナス側の単セルを当該単セルのアノード側から冷却するための冷媒流路と、冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、冷媒入口側よりも冷媒出口側において冷媒の放熱量が少なくなるように、当該冷媒出口側での冷媒の温度低下を抑制する抑制手段と、を備えるものである。   Another fuel cell according to the present invention includes a cell stack in which single cells having an anode and a cathode are stacked, and a refrigerant flow for cooling from the anode side of each single cell of the total negative side of the cell stack. A refrigerant, a refrigerant inlet for supplying refrigerant to the refrigerant flow path, a refrigerant outlet for discharging the refrigerant from the refrigerant flow path, and so that the amount of heat released from the refrigerant is smaller on the refrigerant outlet side than on the refrigerant inlet side. Suppression means for suppressing a temperature drop of the refrigerant on the refrigerant outlet side.

この構成によれば、総マイナス側の単セルのアノード側の温度が低下することを効率的に抑制できる。これにより、上記した本発明の燃料電池と同様に、総マイナス側の単セルのフラッディングを抑制でき、この単セルの電圧低下を抑制できる。   According to this structure, it can suppress efficiently that the temperature of the anode side of the unit cell of a total minus side falls. Thereby, like the above-described fuel cell of the present invention, flooding of single cells on the total minus side can be suppressed, and voltage drop of the single cells can be suppressed.

本発明の燃料電池によれば、端部セルにおいてアノード側の温度がカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セルの電圧低下を抑制できる。   According to the fuel cell of the present invention, the temperature on the anode side in the end cell can be adjusted efficiently so as not to be lower than that on the cathode side, and the voltage drop in the end cell can be suppressed.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば船舶、飛行機及びロボットといった自走式の移動体に搭載することもできるし、定置の発電システムとしても用いることが可能である。   Hereinafter, a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings by taking a solid polymer fuel cell suitable for a vehicle as an example. Of course, the fuel cell system including the fuel cell can be mounted not only on a vehicle but also on a self-propelled mobile body such as a ship, an airplane, and a robot, or can be used as a stationary power generation system. .

<第1実施形態>
図1は、燃料電池の断面図である。
燃料電池1は、基本単位である単セル2を積層してなるセル積層体3を有する。セル積層体3は、同一種、つまり互いに同一構造の単セル2を多数積層してなる。セル積層体3の両端に位置する単セル2(以下、「端部セル2a」又は「端部セル2b」という。)の外側には、それぞれ順次、集電板5a、5b、絶縁板6a、6b及びエンドプレート7a、7bが配置される。そして、燃料電池1は、セル積層方向に圧縮荷重が付与される。端部セル2aは、セル積層体3における総プラス側に位置し、端部セル2bは、セル積層体3における総マイナス側に位置する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell.
The fuel cell 1 has a cell stack 3 formed by stacking single cells 2 that are basic units. The cell stack 3 is formed by stacking a number of single cells 2 of the same type, that is, the same structure. On the outside of the single cells 2 (hereinafter referred to as “end cell 2a” or “end cell 2b”) positioned at both ends of the cell stack 3, current collector plates 5a, 5b, insulating plates 6a, 6b and end plates 7a, 7b are arranged. The fuel cell 1 is given a compressive load in the cell stacking direction. The end cell 2 a is located on the total plus side in the cell stack 3, and the end cell 2 b is located on the total minus side in the cell stack 3.

燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート7aに接続した供給管からセル積層体3内に供給され、セル積層方向に流れると共に各単セル2の平面方向に流れる。その後、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート7aに接続した排出管から燃料電池1外へと排出される。なお、図1は、冷媒の流れを矢印を用いて示し、他の流体(燃料ガス及び酸化ガス)に関連する構成を省略している。   The fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant are supplied from the supply pipe connected to the end plate 7a into the cell stack 3 and flow in the cell stacking direction and in the plane direction of each single cell 2. Thereafter, the fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant are discharged out of the fuel cell 1 from the discharge pipe connected to the end plate 7a. In FIG. 1, the refrigerant flow is indicated by arrows, and the configuration related to other fluids (fuel gas and oxidizing gas) is omitted.

ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガスを意味する。また、酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスを意味する。燃料ガスおよび酸化ガスは、反応ガスと総称されることがある。冷媒は、例えば冷却水である。   Here, the fuel gas means hydrogen gas containing hydrogen. The oxidizing gas means a gas containing an oxidizing agent typified by oxygen or air. The fuel gas and the oxidizing gas may be collectively referred to as a reaction gas. The refrigerant is, for example, cooling water.

図2は、単セル2の断面図である。
単セル2は、MEA20及び一対のセパレータ22A,22Bを備える。例えば接着により、MEA20、セパレータ22A及びセパレータ22Bが一体化される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the single cell 2.
The single cell 2 includes an MEA 20 and a pair of separators 22A and 22B. For example, the MEA 20, the separator 22A, and the separator 22B are integrated by bonding.

MEA20(膜―電極アッセンブリ)は、電解質膜30と、電解質膜30を挟んだアノード32A及びカソード32Bと、で構成される。アノード32A及びカソード32Bは、拡散層36及び触媒層38で構成される。拡散層36は、例えば多孔質のカーボン素材からなる。触媒層38の触媒としては例えば白金が好適に用いられる。   The MEA 20 (membrane-electrode assembly) includes an electrolyte membrane 30 and an anode 32A and a cathode 32B sandwiching the electrolyte membrane 30. The anode 32A and the cathode 32B are composed of a diffusion layer 36 and a catalyst layer 38. The diffusion layer 36 is made of, for example, a porous carbon material. For example, platinum is preferably used as the catalyst of the catalyst layer 38.

セパレータ22A,22Bは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボン、導電性樹脂の他、アルミニウム等の金属が挙げられる。セパレータ22Aは、表面に燃料ガス流路40を有し、裏面に冷媒流路44Aを有する。セパレータ22Bは、表面に酸化ガス流路42を有し、裏面に冷媒流路44Bを有する。   The separators 22A and 22B are made of a gas impermeable conductive material. Examples of the conductive material include carbon, conductive resin, and metals such as aluminum. The separator 22A has a fuel gas channel 40 on the front surface and a refrigerant channel 44A on the back surface. The separator 22B has an oxidizing gas channel 42 on the front surface and a refrigerant channel 44B on the back surface.

燃料ガス流路40が燃料ガスをアノード32Aに供給し、酸化ガス流路42が酸化ガスをカソード32Bに供給することにより、MEA20内で電気化学反応が生じる。これにより、単セル2の起電力が得られる。また、この電気化学反応により、カソード32B側に水が生成されると共に発熱する。冷媒は、電気化学反応で発生した単セル2の熱を低減し、燃料電池1の温度上昇を抑制する。   The fuel gas channel 40 supplies the fuel gas to the anode 32A, and the oxidizing gas channel 42 supplies the oxidizing gas to the cathode 32B, thereby causing an electrochemical reaction in the MEA 20. Thereby, the electromotive force of the single cell 2 is obtained. In addition, this electrochemical reaction generates water and generates heat on the cathode 32B side. The refrigerant reduces the heat of the single cell 2 generated by the electrochemical reaction and suppresses the temperature rise of the fuel cell 1.

隣接する二つの単セル2,2の一方の冷媒流路44Aが他方の冷媒流路44Bと連通することで、単セル2,2間に冷媒を供給する冷媒流路が構成される。また、端部セル2aと集電板5aとの間にも冷媒流路46が構成される。冷媒流路46は、端部セル2aのセパレータ22Bの冷媒流路44Bが、集電板5aに形成された冷媒流路44Cに連通することで構成される。また、端部セル2bと集電板5bとの間にも冷媒流路48が構成される。冷媒流路48は、端部セル2bのセパレータ22Aの冷媒流路44Aが、集電板5bに形成された冷媒流路44Dに連通することで構成される。冷媒流路44C、44Dは、冷媒流路44A,44Bと同様の形状であればよい。   One refrigerant flow path 44A of two adjacent single cells 2 and 2 communicates with the other refrigerant flow path 44B, whereby a refrigerant flow path for supplying a refrigerant between the single cells 2 and 2 is formed. Further, a refrigerant flow path 46 is also formed between the end cell 2a and the current collector plate 5a. The refrigerant channel 46 is configured by the refrigerant channel 44B of the separator 22B of the end cell 2a communicating with the refrigerant channel 44C formed in the current collector plate 5a. Further, a coolant channel 48 is also formed between the end cell 2b and the current collector plate 5b. The refrigerant channel 48 is configured by the refrigerant channel 44A of the separator 22A of the end cell 2b communicating with the refrigerant channel 44D formed in the current collector plate 5b. The refrigerant channels 44C and 44D may have the same shape as the refrigerant channels 44A and 44B.

ここで、冷媒流路48は、総マイナス側の端部セル2bを、そのアノード32A側から冷却するためのものであるといえる。一方、端部セル2bとこれに隣接する単セル2との間に構成される冷媒流路は、総マイナス側の端部セル2bを、そのカソード32B側から冷却するためのものであるといえる。   Here, it can be said that the refrigerant flow path 48 is for cooling the end cell 2b on the total minus side from the anode 32A side. On the other hand, it can be said that the refrigerant flow path formed between the end cell 2b and the single cell 2 adjacent thereto is for cooling the end cell 2b on the total minus side from the cathode 32B side. .

他の実施態様では、冷媒流路44Dを省略して、冷媒流路48を冷媒流路44Aのみで構成しても良い(例えば、図11参照。)。また、別の実施態様では、発電に寄与する反応ガスを流さないいわゆるダミーセパレータを端部セル2bと集電板5bとの間に配置し、ダミーセパレータに冷媒流路44Dを形成してもよい。いずれの場合にせよ、冷媒流路48の少なくとも一部は冷媒流路44Aによって構成される。   In another embodiment, the refrigerant flow path 44D may be omitted, and the refrigerant flow path 48 may be configured by only the refrigerant flow path 44A (see, for example, FIG. 11). In another embodiment, a so-called dummy separator that does not flow reactive gas that contributes to power generation may be disposed between the end cell 2b and the current collector plate 5b, and the refrigerant flow path 44D may be formed in the dummy separator. . In any case, at least a part of the coolant channel 48 is constituted by the coolant channel 44A.

図3は、セパレータ22Aを冷媒流路44A側から見た平面図である。なお、セパレータ22Bの形状もセパレータ22Aと同様であるが、ここでは詳細な説明及び図面を省略する。   FIG. 3 is a plan view of the separator 22A viewed from the refrigerant flow path 44A side. The shape of the separator 22B is the same as that of the separator 22A, but detailed description and drawings are omitted here.

セパレータ22A、22Bは、平面視矩形状に形成される。各セパレータ22A、22Bは、冷媒流路44A,44Bの周囲に周縁部を有する。周縁部の一つの辺部には、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の供給側の入口51a,52a,53aが貫通形成される。また、この辺部とは対辺の関係にある他の辺部には、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の排出側の出口51b,52b,53bが貫通形成される。   The separators 22A and 22B are formed in a rectangular shape in plan view. Each separator 22A, 22B has a peripheral part around the refrigerant flow paths 44A, 44B. An inlet 51a, 52a, 53a on the supply side of the fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant is formed through one side of the peripheral portion. Further, outlets 51b, 52b, and 53b on the discharge side of the fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant are formed through the other side that is opposite to the side.

冷媒流路44A,44Bは、冷媒入口53a及び出口53bと接続される。冷媒流路44A,44Bは、例えば、重力方向で下側にある冷媒入口53aから冷媒を供給され、この冷媒を重力方向の下側から上側へと流す際に蛇行させ、冷媒出口53bから排出する。冷媒流路44A,44Bは、途中に折り返し部を有する溝状のサーペンタイン流路で構成される。例えばプレス成形によって、セパレータ22Aの両面に燃料ガス流路40及び冷媒流路44Aが同時に形成される。セパレータ22Bの両面の流路42、44Bも同様に形成される。なお、冷媒流路44A,44Bを、凹凸の繰り返しが一方向に延びる複数のストレート流路で構成してもよい。   The refrigerant flow paths 44A and 44B are connected to the refrigerant inlet 53a and the outlet 53b. The refrigerant channels 44A and 44B are supplied with a refrigerant from, for example, a refrigerant inlet 53a located on the lower side in the gravity direction, meander when the refrigerant flows from the lower side to the upper side in the gravity direction, and are discharged from the refrigerant outlet 53b. . Refrigerant flow paths 44A and 44B are constituted by groove-shaped serpentine flow paths having a folded portion in the middle. For example, the fuel gas channel 40 and the refrigerant channel 44A are simultaneously formed on both surfaces of the separator 22A by press molding. The flow paths 42 and 44B on both surfaces of the separator 22B are similarly formed. In addition, you may comprise the refrigerant flow paths 44A and 44B by the several straight flow path where the repetition of an unevenness | corrugation extends in one direction.

そして、セル積層体3では、全ての単セル2の冷媒入口53aが積層方向に連通して、セル積層体3内を積層方向に延びる供給マニホールド55が構成される(図1参照)。また、全ての単セル2の冷媒出口53bが積層方向に連通して、セル積層体3内を積層方向に延びる排出マニホールド56が構成される(図1参照)。   And in the cell laminated body 3, the refrigerant inlet 53a of all the single cells 2 is connected in the lamination direction, and the supply manifold 55 extended in the lamination direction in the cell laminated body 3 is comprised (refer FIG. 1). Moreover, the refrigerant | coolant outlet 53b of all the single cells 2 is connected to the lamination direction, and the discharge manifold 56 extended in the lamination direction in the cell laminated body 3 is comprised (refer FIG. 1).

ここで、図1及び図3において、符号Wiは供給マニホールド55内の冷媒の流れを示し、Woは排出マニホールド56内の冷媒の流れを示す。また、符号wiは単セル2又は単セル2、2間への冷媒の流れを示し、woは単セル2又は単セル2,2間への冷媒の流れを示す。   Here, in FIGS. 1 and 3, the symbol Wi indicates the flow of the refrigerant in the supply manifold 55, and Wo indicates the flow of the refrigerant in the discharge manifold 56. The symbol wi indicates the flow of the refrigerant between the single cell 2 or the single cells 2 and 2, and wo indicates the flow of the refrigerant between the single cell 2 or the single cells 2 and 2.

したがって、冷媒は、燃料電池1外から供給マニホールド55に供給され、供給マニホールド55から各単セル2,2間の冷媒流路のほか、冷媒流路46及び冷媒流路48に供給される。そして、これら冷媒流路を流れた冷媒は、排出マニホールド56にて合流し、燃料電池1外へと排出される。   Accordingly, the refrigerant is supplied from outside the fuel cell 1 to the supply manifold 55, and is supplied from the supply manifold 55 to the refrigerant flow path 46 and the refrigerant flow path 48 in addition to the refrigerant flow path between the single cells 2 and 2. Then, the refrigerant that has flowed through these refrigerant flow paths joins at the discharge manifold 56 and is discharged out of the fuel cell 1.

図示省略したが、燃料電池1は、各流体に対応した供給管及び排出管を含む燃料電池システムに組み込まれる。燃料電池システムでは、通常、酸化ガスは、コンプレッサにより燃料電池1に圧送されるが、その圧送過程の際に加湿される。また、燃料電池1には、酸化ガスの方が燃料ガスよりも多く供給され、多く排出される。   Although not shown, the fuel cell 1 is incorporated into a fuel cell system including a supply pipe and a discharge pipe corresponding to each fluid. In the fuel cell system, the oxidizing gas is usually pumped to the fuel cell 1 by a compressor, but is humidified during the pumping process. Further, the oxidizing gas is supplied to the fuel cell 1 more than the fuel gas, and a larger amount is discharged.

したがって、燃料電池1から排出される酸化ガス及び燃料ガスが持ち去る水分は、酸化ガスの方が多い。つまり、本実施形態の燃料電池1は、燃料ガスによる単セル2内の水分の持ち去り量が、酸化ガスによる単セル2内の水分の持ち去り量よりも少ない燃料電池システムに組み込まれる。なお、厳密には、水分の持ち去り量は、カソード32Bでの生成水量や、カソード32Bから電解質膜30を介したアノード32Aへの水分の移動し易さ等の条件も考慮して、算出されるものである。   Therefore, the oxidizing gas discharged from the fuel cell 1 and the moisture carried away by the fuel gas are more in the oxidizing gas. That is, the fuel cell 1 of the present embodiment is incorporated in a fuel cell system in which the amount of moisture removed from the single cell 2 by the fuel gas is smaller than the amount of moisture removed from the single cell 2 by the oxidizing gas. Strictly speaking, the amount of moisture carried away is calculated in consideration of conditions such as the amount of water produced at the cathode 32B and the ease of movement of moisture from the cathode 32B to the anode 32A via the electrolyte membrane 30. Is.

続いて、図1及び図4を参照して、本発明の特徴部分である加熱構造について説明する。
図1に示すように、プレート80は、集電板5bと絶縁板6bとに挟持される。ただし、プレート80と集電板5bとの間には、絶縁シート82が設けられる。
Next, a heating structure that is a characteristic part of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 4.
As shown in FIG. 1, the plate 80 is sandwiched between the current collector plate 5b and the insulating plate 6b. However, an insulating sheet 82 is provided between the plate 80 and the current collector plate 5b.

図4に示すように、プレート80は、平面視矩形状に形成される。プレート80のサイズは、絶縁板6bやセパレータ22A,22Bのサイズと同程度又は同じである。プレート80は、燃料電池1の締結時の圧縮荷重によって変形しない程度の強度を有する。   As shown in FIG. 4, the plate 80 is formed in a rectangular shape in plan view. The size of the plate 80 is approximately the same as or the same as the size of the insulating plate 6b and the separators 22A and 22B. The plate 80 is strong enough not to be deformed by a compressive load when the fuel cell 1 is fastened.

プレート80は、ヒータ91を有する第1の部分92と、ヒータ91のない第2の部分93と、で構成される。ヒータ91(加熱手段)は、リード線からの電力供給により、発熱体として機能する。ヒータ91への電力供給は、燃料電池1が発電した電力により行うことができる。ヒータ91は、第1の部分92の内部に埋め込まれる。   The plate 80 includes a first portion 92 having a heater 91 and a second portion 93 having no heater 91. The heater 91 (heating means) functions as a heating element by supplying power from a lead wire. The power supply to the heater 91 can be performed by the power generated by the fuel cell 1. The heater 91 is embedded in the first portion 92.

第1の部分92は、第2の部分93に隣接する。例えば、第1の部分92はプレート80の上半部を構成し、第2の部分93はプレート80の下半部を構成する。第1の部分92は、第2の部分93よりも熱伝導率が高い材料で構成される。例えば、第1の部分92はアルミニウムからなり、第2の部分93は硬質の樹脂からなる。こうすることで、第2の部分93と絶縁板6bとの絶縁性と、第2の部分93から絶縁シート82を介して集電板5bへの伝熱性が高まる。なお、第1の部分92は、絶縁材料で表面処理されることが好ましい。   The first portion 92 is adjacent to the second portion 93. For example, the first portion 92 constitutes the upper half of the plate 80, and the second portion 93 constitutes the lower half of the plate 80. The first portion 92 is made of a material having a higher thermal conductivity than that of the second portion 93. For example, the first portion 92 is made of aluminum, and the second portion 93 is made of a hard resin. By doing so, the insulation between the second portion 93 and the insulating plate 6b and the heat transfer from the second portion 93 to the current collector plate 5b via the insulating sheet 82 are enhanced. Note that the first portion 92 is preferably surface-treated with an insulating material.

ここで、図3及び図4を参照するに、ヒータ91は、冷媒の入口53a側よりも、出口53b側に寄せて配置される。つまり、ヒータ91は、入口53a側よりも出口53b側への加熱量が多くなるように、より正確には、冷媒流路48における出口側53b側に近い部分を熱伝達により加熱するように構成される。なお、図1において、プレート80内に点線で示す符号94は、ヒータ91による加熱領域の一例を表す。   Here, referring to FIG. 3 and FIG. 4, the heater 91 is arranged closer to the outlet 53 b side than the refrigerant inlet 53 a side. That is, the heater 91 is configured to heat the portion near the outlet side 53b side in the refrigerant flow path 48 by heat transfer so that the heating amount to the outlet 53b side is larger than the inlet 53a side. Is done. In FIG. 1, reference numeral 94 indicated by a dotted line in the plate 80 represents an example of a heating region by the heater 91.

したがって、ヒータ91を通電すると、ヒータ91の熱は集電板5bに伝達され、冷媒流路48を流れる冷媒に伝達される。この加熱された冷媒によって、端部セル2bのアノード32A側のうち、出口53bに近い側が温められる。また、集電板5bと端部セル2bのセパレータ22Aとの接触部分からの熱伝達によっても、端部セル2bのアノード32A側のうち、出口53bに近い側が温められる。   Therefore, when the heater 91 is energized, the heat of the heater 91 is transmitted to the current collector plate 5 b and is transmitted to the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 48. This heated refrigerant warms the end cell 2b on the anode 32A side closer to the outlet 53b. In addition, the heat transfer from the contact portion between the current collector plate 5b and the separator 22A of the end cell 2b also warms the side close to the outlet 53b on the anode 32A side of the end cell 2b.

本発明の作用効果について、図5ないし図8を参照して説明する。   The effects of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5ないし図8に示す「従来例」とは、本発明のプレート80を具備しない比較例に係る燃料電池を意味する。
図5、図6及び図8の横軸はセル積層体3における単セル2の積層位置であり、図7の横軸は端部セル2bのセル面内位置(積層方向に直交する面内位置)であり、「入口側」は入口53a側を、「出口側」は出口53b側を示す。一方、図5及び図7の縦軸は冷媒の温度(℃)である。また、図6の縦軸は、単セル2におけるカソード32B側(プラス側)の冷媒温度からアノード32A側(マイナス側)の冷媒温度を減算した温度差(℃)である。さらに、図8の縦軸は、単セル2に含まれる水分量(g/セル)である。
The “conventional example” shown in FIGS. 5 to 8 means a fuel cell according to a comparative example that does not include the plate 80 of the present invention.
5, 6, and 8, the horizontal axis represents the stack position of the single cell 2 in the cell stack 3, and the horizontal axis in FIG. 7 represents the in-plane position of the end cell 2 b (in-plane position orthogonal to the stack direction). "Inlet side" indicates the inlet 53a side, and "Exit side" indicates the outlet 53b side. On the other hand, the vertical axis in FIGS. 5 and 7 represents the temperature (° C.) of the refrigerant. 6 represents a temperature difference (° C.) obtained by subtracting the refrigerant temperature on the anode 32A side (minus side) from the refrigerant temperature on the cathode 32B side (plus side) in the single cell 2. Furthermore, the vertical axis in FIG. 8 is the amount of water (g / cell) contained in the single cell 2.

図5に示すように、従来例では、セル積層体3の両端の冷媒温度は、中央部に比べて低い。これは、上述したように、端部セル2a、2bがエンドプレート7a,7b等からの放熱の影響を受けて、冷媒の温度が下がるからである。   As shown in FIG. 5, in the conventional example, the refrigerant temperature at both ends of the cell stack 3 is lower than that at the center. This is because, as described above, the end cells 2a, 2b are affected by heat radiation from the end plates 7a, 7b, etc., and the temperature of the refrigerant is lowered.

これに対し、本発明では、上記のヒータ91で端部セル2b側を加熱できる。これにより、本発明では、端部セル2b側の冷媒温度が、セル積層体3の中央部の単セル2の冷媒温度と同等になるか(曲線L1参照)、それよりも高くなる(曲線L2参照)。   On the other hand, in the present invention, the end cell 2b side can be heated by the heater 91 described above. Thereby, in this invention, the refrigerant | coolant temperature by the side of the edge part cell 2b is equivalent to the refrigerant | coolant temperature of the single cell 2 of the center part of the cell laminated body 3 (refer curve L1), or becomes higher (curve L2). reference).

また、図6に示すように、従来例では、セル積層体3の両端において、単セル2におけるカソード32B側とアノード32A側の冷媒の温度差が、セル積層体3の中央部のそれに比べて大きい。これは、端部セル2aではカソード32B側がエンドプレート7a等からの放熱の影響を受け、端部セル2bではアノード側32A側がエンドプレート7b等からの放熱の影響を受けるからである。   As shown in FIG. 6, in the conventional example, the temperature difference between the refrigerant on the cathode 32 </ b> B side and the anode 32 </ b> A side in the single cell 2 at both ends of the cell stack 3 is larger than that at the center of the cell stack 3. large. This is because in the end cell 2a, the cathode 32B side is affected by heat radiation from the end plate 7a, and in the end cell 2b, the anode side 32A side is affected by heat radiation from the end plate 7b.

これに対し、本発明では、上記のヒータ91で端部セル2bのアノード32A側を加熱できる。これにより、端部セル2bのアノード32A側の冷媒の温度を上昇させることができる。したがって、本発明では、端部セル2b側の両極間の冷媒温度差は、セル積層体3の中央部の単セル2の冷媒温度差と同等になるか(曲線L3参照)、それよりも低くなる(曲線L4参照)。   On the other hand, in the present invention, the anode 91A side of the end cell 2b can be heated by the heater 91. Thereby, the temperature of the refrigerant | coolant by the side of the anode 32A of the edge part cell 2b can be raised. Therefore, in the present invention, the refrigerant temperature difference between the two electrodes on the end cell 2b side is equal to the refrigerant temperature difference of the single cell 2 at the center of the cell stack 3 (see curve L3) or lower. (See curve L4).

特に、図7に示すように、従来例では、端部セル2bにおいて、アノード32A側及びカソード32B側の冷媒温度は入口53a側でほぼ同じであるが、出口53bに向かい、その温度差が大きい。これは、端部セル2bが発電反応により発熱して、アノード32A側及びカソード32B側の冷媒が出口53bに向かうにつれて温度上昇する一方で、上記のとおり、アノード32A側では放熱の影響を受けることで、アノード32A側の冷媒温度の上昇が抑制されるからである。   In particular, as shown in FIG. 7, in the conventional example, in the end cell 2b, the refrigerant temperature on the anode 32A side and the cathode 32B side is substantially the same on the inlet 53a side, but the temperature difference is large toward the outlet 53b. . This is because the end cell 2b generates heat due to a power generation reaction, and the temperature of the refrigerant on the anode 32A side and the cathode 32B side rises as it goes to the outlet 53b. On the other hand, the anode 32A side is affected by heat dissipation as described above. This is because an increase in the refrigerant temperature on the anode 32A side is suppressed.

これに対し、本発明では、上記のヒータ91によって、端部セル2bのアノード32A側のうち出口53bに近い側を選択的に加熱できる。これにより、端部セル2bのアノード32A側の全領域を加熱する場合に比べて、少ない加熱領域94となるので、少ない電力で加熱できる。したがって、端部セル2bの出口53b側において、アノード32A側の冷媒温度をカソード32B側のそれよりも低くならないように効率的に調整できる。なお、図7に示す「アノード(本発明)」は、アノード32A側の冷媒温度をカソード32B側のそれよりも高くした例である。   On the other hand, in the present invention, the heater 91 can selectively heat the side close to the outlet 53b on the anode 32A side of the end cell 2b. Thereby, compared with the case where the whole area | region by the side of the anode 32A of the edge part cell 2b is heated, since it becomes the heating area 94 few, it can heat with little electric power. Therefore, the refrigerant temperature on the anode 32A side can be efficiently adjusted on the outlet 53b side of the end cell 2b so as not to be lower than that on the cathode 32B side. The “anode (present invention)” shown in FIG. 7 is an example in which the refrigerant temperature on the anode 32A side is higher than that on the cathode 32B side.

図8に示すように、従来例では、端部セル2bの含水量がセル積層体3の他の単セル2に比べて多い。これは、前述のとおり、端部セル2bでの温度差の結果、端部セル2bのアノード32A側(燃料ガス流路40)で液水が発生するが、その液水が燃料ガスによって持ち去られ難いからである。   As shown in FIG. 8, in the conventional example, the water content of the end cell 2 b is larger than that of the other single cells 2 in the cell stack 3. As described above, as a result of the temperature difference in the end cell 2b, liquid water is generated on the anode 32A side (fuel gas flow path 40) of the end cell 2b, but the liquid water is carried away by the fuel gas. It is difficult.

これに対し、本発明では、図5及び図6に示すように、端部セル2bにおいて、アノード32A側がカソード32B側よりも低温となる温度差の発生を抑制できる。これにより、図8に示すように、端部セル2bの含水量は、セル積層体3の中央部の単セル2の含水量と同等になるか(曲線L5参照)、それよりも低くなる(曲線L6参照)。   On the other hand, in the present invention, as shown in FIGS. 5 and 6, in the end cell 2b, it is possible to suppress the occurrence of a temperature difference in which the anode 32A side is at a lower temperature than the cathode 32B side. Thereby, as shown in FIG. 8, the water content of the end cell 2b is equal to the water content of the single cell 2 in the center of the cell stack 3 (see the curve L5) or lower (see FIG. 8). (See curve L6).

以上説明したように、本実施形態の燃料電池1によれば、端部セル2bのアノード32A側の温度を、比較的小さい電力で上げることができる。これにより、端部セル2bにおいてアノード32A側の温度がカソード32B側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セル2bのフラッディングを抑制できる。それゆえ、端部セル2bの電圧低下を抑制できる。   As described above, according to the fuel cell 1 of the present embodiment, the temperature on the anode 32A side of the end cell 2b can be raised with relatively small electric power. Thereby, the temperature on the anode 32A side in the end cell 2b can be adjusted efficiently so as not to be lower than that on the cathode 32B side, and flooding of the end cell 2b can be suppressed. Therefore, the voltage drop of the end cell 2b can be suppressed.

なお、ヒータ91は、外気温、燃料電池1の温度、端部セル2bの温度、及び端部セル2bの両極間の温度差の少なくとも一つに基づいて、加熱開始、加熱時間及び加熱量が制御されるとよい。特に、ヒータ91は、これらの温度の低温時に発熱することが好ましい。   The heater 91 has a heating start, a heating time, and a heating amount based on at least one of the outside air temperature, the temperature of the fuel cell 1, the temperature of the end cell 2b, and the temperature difference between both electrodes of the end cell 2b. It should be controlled. In particular, the heater 91 preferably generates heat when the temperature is low.

ここで、燃料電池1の温度は、例えば、冷媒の供給管での温度又は冷媒の排出管での温度である。また、端部セル2bの温度は、例えば、冷媒流路48における冷媒の温度であり、端部セル2bの両極間の温度差は、例えば、冷媒流路48の冷媒の温度と、端部セル2bと単セル2との間の冷媒流路44Bの冷媒の温度との差である。   Here, the temperature of the fuel cell 1 is, for example, the temperature at the refrigerant supply pipe or the temperature at the refrigerant discharge pipe. The temperature of the end cell 2b is, for example, the temperature of the refrigerant in the refrigerant channel 48, and the temperature difference between both electrodes of the end cell 2b is, for example, the temperature of the refrigerant in the refrigerant channel 48 and the end cell. It is a difference with the temperature of the refrigerant | coolant of the refrigerant | coolant flow path 44B between 2b and the single cell 2. FIG.

また、ヒータ91は、燃料電池1の出力及び端部セル2bの出力に基づいて、加熱開始、加熱時間及び加熱量が制御されるとよい。特に、端部セル2bの出力が低下した場合に、ヒータ91は発熱することが好ましい。さらに、燃料電池1の低負荷発電時に、ヒータ91を発熱させてもよい。   Moreover, the heater 91 is good to control a heating start, a heating time, and a heating amount based on the output of the fuel cell 1 and the output of the end cell 2b. In particular, it is preferable that the heater 91 generates heat when the output of the end cell 2b decreases. Further, the heater 91 may generate heat during low load power generation of the fuel cell 1.

<第2実施形態>
次に、図9及び図10を参照して、第2実施形態に係る燃料電池1について相違点を中心に説明する。第1実施形態との大きな相違点は、他の加熱構造を採用したことである。この加熱構造は、ヒータ91の代わりに、発熱体としてPTC抵抗体100を用いたものである。なお、第1実施形態と共通する第2実施形態の構成については、第1実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
Second Embodiment
Next, the fuel cell 1 according to the second embodiment will be described with a focus on the differences with reference to FIGS. 9 and 10. A major difference from the first embodiment is that another heating structure is employed. This heating structure uses a PTC resistor 100 as a heating element instead of the heater 91. In addition, about the structure of 2nd Embodiment which is common in 1st Embodiment, the code | symbol same as 1st Embodiment is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

図10に示すように、PTC抵抗体100は、所定の温度T1までは通電して発熱する一方、所定の温度T1になると、その電気抵抗値RPTCが急激に上昇して通電しなくなり、発熱しなくなる、という特徴を有する。温度T1は、固体高分子型の燃料電池1の発電時の温度を考慮し、例えば70℃に設定される。また、電気抵抗値RPTCは、例えば0℃では10RAに設定され、その範囲は例えば10RA〜∞に設定される。 As shown in FIG. 10, the PTC resistor 100 generates heat when energized up to a predetermined temperature T 1 , while the electric resistance value R PTC suddenly increases when the temperature reaches the predetermined temperature T 1 , and the PTC resistor 100 stops energizing. It has a feature that it does not generate heat. The temperature T 1 is set to, for example, 70 ° C. in consideration of the temperature during power generation of the solid polymer fuel cell 1. Further, the electric resistance value R PTC is set to 10 R A at, for example, 0 ° C., and the range is set to, for example, 10 R A to ∞.

図9に示すように、PTC抵抗体100は、集電板5bと第2の集電板110との間に配置される。集電板5bと絶縁板6bとの間では、PTC抵抗体100及び第2の集電板110が冷媒の出口53bよりに配置されて挟持される一方、冷媒の入口53aよりには絶縁板120が配置されて挟持される。   As shown in FIG. 9, the PTC resistor 100 is disposed between the current collector plate 5 b and the second current collector plate 110. Between the current collecting plate 5b and the insulating plate 6b, the PTC resistor 100 and the second current collecting plate 110 are disposed and sandwiched from the refrigerant outlet 53b, while the insulating plate 120 is interposed from the refrigerant inlet 53a. Is placed and clamped.

そして、図9に示すように、燃料電池1では、負荷130に電流を供給する電気的な回路140が構成される。回路140では、集電板5bと補正抵抗141(電気抵抗値RA)とが直列接続された部分と、第2の集電板110がある部分とが、負荷130に対して並列に接続される。ここでは、前者の部分を流れる電流をiAとし、後者の部分を流れる電流をiBとし、負荷130に供給される発電電流をIとする。これらの関係は、以下のとおりに表現できる。 As shown in FIG. 9, the fuel cell 1 includes an electrical circuit 140 that supplies current to the load 130. In the circuit 140, a portion in which the current collector plate 5b and the correction resistor 141 (electric resistance value R A ) are connected in series and a portion in which the second current collector plate 110 is provided are connected in parallel to the load 130. The Here, the current flowing through the former part is i A , the current flowing through the latter part is i B, and the generated current supplied to the load 130 is I. These relationships can be expressed as follows:

I=iA+iB I = i A + i B

また、iBは、次のように表現できる。
B={RA/(RA+RPTC)}×I
I B can be expressed as follows.
i B = {R A / (R A + R PTC )} × I

ここで、上記のとおり、仮にRPTCが10RA〜∞の間の値をとるとなると、iBは0〜0.09×Iの値をとることになる。この場合には、70℃未満では総発電電流Iの約1割分で端部セル2bのアノード32A側の加熱を行い、70℃以上では加熱しない。 Here, as described above, if R PTC takes a value between 10 R A and ∞, i B takes a value of 0 to 0.09 × I. In this case, when the temperature is less than 70 ° C., the anode 32A side of the end cell 2b is heated at about 10% of the total generated current I, and not heated above 70 ° C.

本実施形態によれば、低負荷運転及び冷媒温度が低い場合(例えば70℃未満)、燃料電池1の発電電流は、集電板5bと並列でPTC抵抗体100及び第2の集電板110を流れ、PTC抵抗体100は発熱しヒータON状態となる。これにより、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。一方、冷媒温度が高い場合(例えば70℃以上)は、PTC抵抗体100のRPTCが増加するので、発電電流は集電板5bのみ流れる。 According to this embodiment, when the low-load operation and the refrigerant temperature are low (for example, less than 70 ° C.), the generated current of the fuel cell 1 is parallel to the current collecting plate 5b and the PTC resistor 100 and the second current collecting plate 110. , The PTC resistor 100 generates heat and the heater is turned on. Thereby, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired. On the other hand, when the refrigerant temperature is high (for example, 70 ° C. or higher), R PTC of the PTC resistor 100 increases, so that the generated current flows only in the current collector plate 5b.

<第3実施形態>
次に、図11を参照して、第3実施形態に係る燃料電池1について相違点を中心に説明する。第1実施形態との大きな相違点は、加熱構造に代えて、温度の低下を抑制する抑制手段を採用したことである。なお、第1実施形態と共通する第3実施形態の構成については、第1実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
<Third Embodiment>
Next, the fuel cell 1 according to the third embodiment will be described with reference to FIG. A major difference from the first embodiment is that a suppressing means for suppressing a decrease in temperature is employed instead of the heating structure. In addition, about the structure of 3rd Embodiment which is common in 1st Embodiment, the code | symbol same as 1st Embodiment is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

この抑制手段は、第1実施形態で説明した集電板5b、絶縁板6b及びエンドプレート7bの構造を工夫することで構成される。具体的には、集電板5bには、排出マニホールド56の延長上に貫通孔200を形成する。絶縁板6bには、貫通孔200に連通する流路210を形成し、エンドプレート7bには、流路210に連通する流路220を形成する。   This suppressing means is configured by devising the structure of the current collector plate 5b, the insulating plate 6b, and the end plate 7b described in the first embodiment. Specifically, a through hole 200 is formed in the current collector plate 5 b on the extension of the discharge manifold 56. A flow path 210 communicating with the through hole 200 is formed in the insulating plate 6b, and a flow path 220 communicating with the flow path 210 is formed on the end plate 7b.

流路210及び流路220からなるバイパス流路230は、端部セル2bの冷媒の入口53a側よりも出口53b側に近い位置に、折り返し部を有するように形成される。そして、バイパス流路230は、燃料電池1外のバイパス配管240に接続される。バイパス流路230及びバイパス配管240は、セル積層体3内の排出マニホールド56をバイパスして冷媒を流すものであり、この冷媒を排出マニホールド56から排出された冷媒に、燃料電池1外にある合流点250にて合流させる。   The bypass flow path 230 including the flow path 210 and the flow path 220 is formed to have a folded portion at a position closer to the outlet 53b side than the refrigerant inlet 53a side of the end cell 2b. The bypass channel 230 is connected to a bypass pipe 240 outside the fuel cell 1. The bypass flow path 230 and the bypass pipe 240 flow the refrigerant by bypassing the discharge manifold 56 in the cell stack 3, and this refrigerant is combined with the refrigerant discharged from the discharge manifold 56 outside the fuel cell 1. Merge at point 250.

本実施形態によれば、燃料電池1の発熱反応により温度上昇した冷媒の一部が、バイパス流路230に流れる。このため、端部セル2bでは、入口53a側よりも出口53b側において、冷媒の放熱量が少なくなる。これにより、端部セル2bの出口53b側での冷媒の温度低下を抑制でき、端部セル2bのアノード32A側の温度低下を効率的に抑制できる。したがって、本実施形態によっても、第1実施形態と同様に、端部セル2bのフラッディングを抑制でき、端部セル2bの電圧低下を抑制できる。   According to the present embodiment, a part of the refrigerant whose temperature has risen due to the exothermic reaction of the fuel cell 1 flows into the bypass channel 230. For this reason, in the end cell 2b, the heat radiation amount of the refrigerant is smaller on the outlet 53b side than on the inlet 53a side. Thereby, the temperature fall of the refrigerant | coolant by the side of the exit 53b of the edge part cell 2b can be suppressed, and the temperature fall by the side of the anode 32A of the edge part cell 2b can be suppressed efficiently. Therefore, also in the present embodiment, as in the first embodiment, the flooding of the end cell 2b can be suppressed, and the voltage drop of the end cell 2b can be suppressed.

第1実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る燃料電池の単セルの断面図である。It is sectional drawing of the single cell of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る単セルのセパレータの平面図である。It is a top view of the separator of the single cell concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る加熱手段を備えたプレートの平面図である。It is a top view of the plate provided with the heating means which concerns on 1st Embodiment. 単セルの積層位置と冷媒温度との関係について、従来例及び本実施形態を示すグラフである。It is a graph which shows a prior art example and this embodiment about the relationship between the lamination position of a single cell, and refrigerant | coolant temperature. 単セルの積層位置と単セルにおける極間の温度差との関係について、従来例及び第1実施形態を示すグラフである。It is a graph which shows a prior art example and 1st Embodiment about the relationship between the lamination position of a single cell, and the temperature difference between the poles in a single cell. 総マイナス側の端部セルのセル面内における位置と、アノード側及びカソード側の冷媒温度との関係について、従来例及び第1実施形態を示すグラフである。It is a graph which shows a prior art example and 1st Embodiment about the relationship between the position in the cell surface of the edge part cell of a total minus side, and the refrigerant | coolant temperature of an anode side and a cathode side. 単セルの積層位置と単セルの含水量との関係について、従来例及び第1実施形態を示すグラフである。It is a graph which shows a prior art example and 1st Embodiment about the relationship between the lamination | stacking position of a single cell, and the water content of a single cell. 第2実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel cell which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るPTC抵抗体の特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the PTC resistor which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel cell which concerns on 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…単セル、2a…総プラス側の端部セル、2b…総マイナス側の端部セル、3…セル積層体、5a,5b…集電板、6a,6b…絶縁板、7a,7b…エンドプレート、20…MEA、22A…セパレータ、22B…セパレータ、32A…アノード、32B…カソード、40…燃料ガス流路、42…酸化ガス流路、44A,44B,44C,44D,46,48…冷媒流路、53a…冷媒入口、53b…冷媒出口、80…プレート、91…ヒータ(加熱手段、発熱体)、92…第1の部分、93…第2の部分、100…PTC抵抗体、110…第2の集電板、230…バイパス流路(抑制手段)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Single cell, 2a ... Total positive side end cell, 2b ... Total negative side end cell, 3 ... Cell laminated body, 5a, 5b ... Current collecting plate, 6a, 6b ... Insulating plate 7a, 7b ... end plate, 20 ... MEA, 22A ... separator, 22B ... separator, 32A ... anode, 32B ... cathode, 40 ... fuel gas passage, 42 ... oxidizing gas passage, 44A, 44B, 44C, 44D, 46, 48 ... refrigerant flow path, 53a ... refrigerant inlet, 53b ... refrigerant outlet, 80 ... plate, 91 ... heater (heating means, heating element), 92 ... first part, 93 ... second part, 100 ... PTC Resistor, 110 ... second current collector plate, 230 ... bypass channel (suppressing means)

Claims (11)

アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、
前記セル積層体における端部に位置する単セルを、当該単セルの外側から冷却するための冷媒流路と、
前記冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、
前記冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、
を備えた燃料電池において、
前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側への加熱量が多くなるように構成された加熱手段を、前記セル積層体の総マイナス側において更に備えている一方で、前記セル積層体の総プラス側においては備えていない燃料電池。
A cell laminate in which single cells having an anode and a cathode are laminated;
A refrigerant channel for cooling the single cell located at the end of the cell stack from the outside of the single cell;
A refrigerant inlet for supplying a refrigerant to the refrigerant flow path;
A refrigerant outlet for discharging the refrigerant from the refrigerant flow path;
In a fuel cell comprising
Heating means configured to increase the amount of heating to the refrigerant outlet side more than the refrigerant inlet side is further provided on the total minus side of the cell stack, while the total plus side of the cell stack Does not have a fuel cell.
前記加熱手段は、前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側で前記冷媒を加熱するように構成された、請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the heating unit is configured to heat the refrigerant on the refrigerant outlet side rather than on the refrigerant inlet side. 前記加熱手段は、前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側に配置された発熱体である、請求項1又は2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the heating unit is a heating element arranged closer to the refrigerant outlet side than to the refrigerant inlet side. 前記総マイナス側の単セルに積層された集電板と、
前記集電板の外側に配置された絶縁板と、
を更に備え、
前記発熱体は、前記集電板と前記絶縁板との間に配置される、請求項3に記載の燃料電池。
Current collectors stacked on the total minus side single cell;
An insulating plate disposed outside the current collector plate;
Further comprising
The fuel cell according to claim 3, wherein the heating element is disposed between the current collector plate and the insulating plate.
前記発熱体を有するプレートであって、前記集電板と前記絶縁板とに挟持されるプレートを備えた、請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, further comprising a plate having the heating element, the plate being sandwiched between the current collector plate and the insulating plate. 前記プレートは、前記発熱体が設けられる第1の部分と、前記第1の部分に隣接する第2の部分と、を有し、
前記第1の部分は、第2の部分よりも熱伝導率が高い材料で構成される、請求項5に記載の燃料電池。
The plate has a first portion where the heating element is provided, and a second portion adjacent to the first portion,
The fuel cell according to claim 5, wherein the first portion is made of a material having a higher thermal conductivity than the second portion.
前記発熱体は、PTC抵抗体である、請求項3に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 3, wherein the heating element is a PTC resistor. 前記総マイナス側の単セルに積層された第1の集電板と、
前記第1の集電板に前記PTC抵抗体を介して積層された第2の集電板であって、前記PTC抵抗体が通電可能なときに、当該燃料電池が発電した電流が前記第1の集電板と並列で前記第2の集電板を流れるように構成された第2の集電板と、
を備えた請求項7に記載の燃料電池。
A first current collecting plate laminated on the total minus side single cell;
A second current collecting plate laminated on the first current collecting plate via the PTC resistor, and when the PTC resistor can be energized, the current generated by the fuel cell is the first current collecting plate. A second current collector plate configured to flow through the second current collector plate in parallel with the current collector plate;
The fuel cell according to claim 7, comprising:
前記加熱手段は、当該燃料電池の温度、その出力電圧、前記総マイナス側の単セルの温度、その出力電圧、及び前記冷媒の温度の少なくとも一つに基づいて、前記加熱量を制御する、請求項2ないし8のいずれか一項に記載の燃料電池。   The heating means controls the heating amount based on at least one of a temperature of the fuel cell, an output voltage thereof, a temperature of the total negative single cell, an output voltage thereof, and a temperature of the refrigerant. Item 9. The fuel cell according to any one of Items 2 to 8. 前記総マイナス側の単セルは、前記アノードに燃料ガスを供給する第1のセパレータと、前記カソードに酸化ガスを供給する第2のセパレータと、を有しており、
前記冷媒流路の少なくとも一部は、前記第1のセパレータに形成されている、請求項1ないし9のいずれか一項に記載の燃料電池。
The negative unit cell has a first separator that supplies fuel gas to the anode, and a second separator that supplies oxidizing gas to the cathode.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein at least a part of the refrigerant flow path is formed in the first separator.
アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、
前記セル積層体における端部に位置する単セルを、当該単セルの外側から冷却するための冷媒流路と、
前記冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、
前記冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、
を備えた燃料電池において、
前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側において前記冷媒の放熱量が少なくなるように、当該冷媒出口側での冷媒の温度低下を抑制する抑制手段を、前記セル積層体の総マイナス側において更に備えている一方で、前記セル積層体の総プラス側においては備えていない燃料電池。
A cell laminate in which single cells having an anode and a cathode are laminated;
A refrigerant channel for cooling the single cell located at the end of the cell stack from the outside of the single cell;
A refrigerant inlet for supplying a refrigerant to the refrigerant flow path;
A refrigerant outlet for discharging the refrigerant from the refrigerant flow path;
In a fuel cell comprising
The cell stack is further provided with suppression means on the total minus side of the cell stack so that the amount of heat released from the refrigerant is smaller on the refrigerant outlet side than on the refrigerant inlet side. On the other hand, a fuel cell not provided on the total positive side of the cell stack .
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