JP5533800B2 - FUEL CELL AND FUEL CELL INSPECTION METHOD - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、および、燃料電池の検査方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell inspection method.

従来から、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池は、氷点下で始動したときに、いわゆる負電圧が発生して発電効率の低下や性能の低下が生じることが知られている。具体的には、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックを氷点下の環境で停止状態としていると、いくつかの燃料電池のガス流路が残留水の凍結によって閉塞する。この状態で燃料電池システムを始動させると、ガス流路が閉塞した燃料電池(セル)は、燃料ガスが欠乏した状態となりアノードの電位が上昇して負電圧となる。負電圧の燃料電池は外部に対して仕事をしないため、燃料電池スタック全体の発電効率が低下することがあった。また、この負電圧の燃料電池では、他の燃料電池と同じだけの電流を流そうとするために触媒を構成するカーボンの酸化が発生することあった。カーボンの酸化が発生すると、触媒面積の減少等によって、燃料電池の性能が低下する。なお、この負電圧の問題に関連して従来から、燃料電池スタックの外部にダイオードユニットを取り付けて負電圧を緩和する技術が知られている(特許文献1)。   Conventionally, it is known that a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas generates a so-called negative voltage when starting at below freezing point, resulting in a decrease in power generation efficiency and performance. . Specifically, when a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked is stopped in an environment below freezing, the gas flow paths of some fuel cells are blocked due to freezing of residual water. When the fuel cell system is started in this state, the fuel cell (cell) whose gas flow path is closed becomes in a state where the fuel gas is deficient, and the potential of the anode rises to a negative voltage. Since the negative voltage fuel cell does not work to the outside, the power generation efficiency of the entire fuel cell stack may be reduced. Further, in this negative voltage fuel cell, oxidation of carbon constituting the catalyst may occur in order to pass the same current as other fuel cells. When carbon oxidation occurs, the performance of the fuel cell deteriorates due to a decrease in the catalyst area or the like. In connection with the problem of the negative voltage, a technique for relaxing the negative voltage by attaching a diode unit outside the fuel cell stack has been known (Patent Document 1).

特開2010−212025号公報JP 2010-212025 A 特開2011−003477号公報JP 2011-003477 A

しかし、負電圧の発生による燃料電池の発電効率の低下や性能の低下を抑制するための技術については、なお改善の余地があった。   However, there is still room for improvement in the technology for suppressing the decrease in power generation efficiency and performance of the fuel cell due to the generation of negative voltage.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池が負電圧となったときの発電効率の低下や性能の低下を抑制する技術の向上を図ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve a technique for suppressing a decrease in power generation efficiency and a performance when a fuel cell becomes a negative voltage.

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。   In order to solve at least a part of the above problems, the present invention can be realized as the following aspects or application examples.

[適用例1]
燃料電池であって、
膜電極接合体を含んで構成される発電部材と、
前記発電部材の両側にそれぞれ配置される一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの間に配置され、両端部が前記一対のセパレータにそれぞれ電気的に接続され、前記一対のセパレータの間に負電圧が生じたときに流れる電流によって発熱する発熱回路と、を備え、
前記発熱回路は、前記発電部材と前記セパレータとの間に形成されるガス流路を加熱可能な位置に配置されている、燃料電池。
[Application Example 1]
A fuel cell,
A power generation member configured to include a membrane electrode assembly;
A pair of separators respectively disposed on both sides of the power generation member;
A heating circuit disposed between the pair of separators, having both ends electrically connected to the pair of separators, and generating heat by a current flowing when a negative voltage is generated between the pair of separators. ,
The heat generating circuit is a fuel cell that is disposed at a position where a gas flow path formed between the power generation member and the separator can be heated.

この構成によれば、残留水の凍結により燃料電池に負電圧が発生した場合であっても、負電圧によって発熱回路が発熱してガス流路を閉塞している氷を融解することができるため、負電圧状態を早期に解消させて発電効率の低下を抑制することができる。   According to this configuration, even when a negative voltage is generated in the fuel cell due to freezing of residual water, the ice that closes the gas flow path can be melted due to the heat generation circuit generating heat due to the negative voltage. Thus, the negative voltage state can be eliminated at an early stage to suppress a decrease in power generation efficiency.

[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池において、
前記一対のセパレータは、前記膜電極接合体のアノード側と接触するアノード側セパレータと、前記膜電極接合体のカソード側と接触するカソード側セパレータとを含み、
前記発熱回路は、前記アノード側セパレータから前記カソード側セパレータに電流が流れるように配置されたダイオードを含んでいる、燃料電池。
[Application Example 2]
In the fuel cell described in Application Example 1,
The pair of separators includes an anode separator that contacts the anode side of the membrane electrode assembly, and a cathode separator that contacts the cathode side of the membrane electrode assembly,
The heat generation circuit includes a diode arranged so that a current flows from the anode side separator to the cathode side separator.

この構成によれば、ダイオードの発熱によって、ガス流路を閉塞している氷を融解することができるため、負電圧状態を早期に解消させて発電効率の低下を抑制することができる。   According to this configuration, the ice blocking the gas flow path can be melted by the heat generated by the diode, so that the negative voltage state can be eliminated at an early stage to suppress a decrease in power generation efficiency.

[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池において、
前記発電部材は、前記膜電極接合体の外周部に形成される支持部材を含み、
前記発熱回路は、前記ガス流路のうち、前記セパレータと前記支持部材との間に形成されるガス流路を加熱可能な位置に配置されている、燃料電池。
[Application Example 3]
In the fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2,
The power generation member includes a support member formed on an outer peripheral portion of the membrane electrode assembly,
The heat generating circuit is a fuel cell, wherein the heat generating circuit is disposed at a position where the gas flow path formed between the separator and the support member can be heated.

この構成によれば、ガス流路において、残留水が凍結しやすい部分を加熱することができるため、負電圧状態を早期に解消させて発電効率の低下を抑制することができる。   According to this configuration, in the gas flow path, the portion where the residual water is likely to freeze can be heated, so that the negative voltage state can be eliminated at an early stage to suppress a decrease in power generation efficiency.

[適用例4]
適用例3に記載の燃料電池において、
前記発熱回路は、前記セパレータと前記支持部材との間に形成されるガス流路の両側にそれぞれ配置されている、燃料電池。
[Application Example 4]
In the fuel cell described in Application Example 3,
The fuel cell, wherein the heat generating circuit is disposed on each side of a gas flow path formed between the separator and the support member.

この構成によれば、ガス流路において、残留水が凍結しやすい部分を両側から加熱することができるため、負電圧状態を早期に解消させて発電効率の低下を抑制することができる。   According to this configuration, in the gas flow path, the portion where the residual water is likely to freeze can be heated from both sides, so that the negative voltage state can be eliminated at an early stage and the reduction in power generation efficiency can be suppressed.

[適用例5]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、前記発電部材と接触する面と反対側の面に冷媒流路を形成するための冷媒流路形成部を備え、
前記発熱回路は、前記ガス流路のうち、前記反対側の面に前記冷媒流路が形成されていないガス流路を加熱可能な位置に配置されている、燃料電池。
[Application Example 5]
In the fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2,
The separator includes a refrigerant flow path forming portion for forming a refrigerant flow path on a surface opposite to a surface in contact with the power generation member,
The heat generating circuit is a fuel cell, wherein the heat generating circuit is disposed at a position capable of heating a gas channel in which the refrigerant channel is not formed on the opposite surface of the gas channel.

この構成によれば、ガス流路において、残留水が凍結しやすい部分を加熱することができるため、負電圧状態を早期に解消させて発電効率の低下を抑制することができる。   According to this configuration, in the gas flow path, the portion where the residual water is likely to freeze can be heated, so that the negative voltage state can be eliminated at an early stage to suppress a decrease in power generation efficiency.

[適用例6]
適用例1ないし適用例5のいずれかに記載の燃料電池において、
前記発熱回路に電流が流れるときの前記一対のセパレータの間の負電圧が、前記膜電極接合体のアノードにおいて水電解反応が生じるときの電圧よりも大きい、燃料電池。
[Application Example 6]
In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 5,
The fuel cell, wherein a negative voltage between the pair of separators when a current flows through the heat generating circuit is larger than a voltage when a water electrolysis reaction occurs in an anode of the membrane electrode assembly.

この構成によれば、燃料ガスの欠乏によって、一対のセパレータの間に負電圧が発生しても、発熱回路に電流が流れることによって、セパレータの間の電圧がアノードでカーボンの酸化反応が発生する電圧まで下降しないため、触媒劣化による燃料電池の性能低下の発生を抑制することができる。   According to this configuration, even if a negative voltage is generated between the pair of separators due to the lack of fuel gas, a current flows through the heat generating circuit, so that the voltage between the separators causes an oxidation reaction of carbon at the anode. Since the voltage does not drop to the voltage, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the fuel cell due to catalyst deterioration.

[適用例7]
燃料電池の検査方法であって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配置される一対のセパレータと、前記一対のセパレータの間に負電圧が生じたときに流れる電流によって発熱する発熱回路とを備える燃料電池を準備する工程と、
前記一対のセパレータの間の抵抗値が所定値以上となるまで前記膜電極接合体を乾燥させる工程と、
前記膜電極接合体を乾燥させた前記燃料電池の前記一対のセパレータの間に電流を流したときの前記一対のセパレータの間の負電圧が所定値以上か否かによって、前記燃料電池の状態を判断する工程と、を備える検査方法。
[Application Example 7]
A method for inspecting a fuel cell,
A fuel cell comprising a membrane electrode assembly, a pair of separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and a heating circuit that generates heat due to a current flowing when a negative voltage is generated between the pair of separators. A preparation process;
Drying the membrane electrode assembly until a resistance value between the pair of separators is a predetermined value or more;
The state of the fuel cell is determined depending on whether or not a negative voltage between the pair of separators when a current is passed between the pair of separators of the fuel cell after drying the membrane electrode assembly is greater than or equal to a predetermined value. And a step of determining.

この構成によれば、負電圧が生じたときに発熱する発熱回路を備える燃料電池において、負電圧が生じたときに触媒劣化を抑制することができるか否かを容易に検査することができる。   According to this configuration, in a fuel cell including a heat generation circuit that generates heat when a negative voltage occurs, it can be easily inspected whether or not catalyst deterioration can be suppressed when a negative voltage occurs.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、上記燃料電池を含んで構成される燃料電池システム、上記燃料電池を搭載する車両、上記燃料電池の製造方法などの形態で実現することができる。   It should be noted that the present invention can be realized in various modes, for example, a form of a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell, a method of manufacturing the fuel cell, etc. Can be realized.

第1実施例に係る燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating schematic structure of the fuel cell which concerns on 1st Example. セパレータの概略構成を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating schematic structure of a separator. シール部材一体型MEAの概略構成を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating schematic structure of sealing member integrated MEA. 図2および図3のB−B’断面を例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated the B-B 'cross section of FIG. 2 and FIG. 正常時における燃料電池の発電状態を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the electric power generation state of the fuel cell at the time of normal. 水素欠乏時における燃料電池の発電状態を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the electric power generation state of the fuel cell at the time of hydrogen deficiency. 本実施例の燃料電池の等価回路を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the equivalent circuit of the fuel cell of a present Example. ダイオードDの順方向電圧と順方向電流との関係を例示した説明図である。6 is an explanatory diagram illustrating the relationship between a forward voltage and a forward current of a diode D. FIG. バイパス電圧Vcbを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the bypass voltage Vcb. 燃料電池における水電解反応発生電圧Vcwの評価結果を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the evaluation result of the water electrolysis reaction generation voltage Vcw in a fuel cell. 燃料電池の検査方法の流れを例示した説明図である。It is explanatory drawing which illustrated the flow of the inspection method of a fuel cell. 第2実施例に係るダイオードチップの設置位置を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the installation position of the diode chip which concerns on 2nd Example. 変形例1に係るダイオードチップの設置位置を説明するための説明図である。12 is an explanatory diagram for explaining an installation position of a diode chip according to Modification 1. FIG.

A.第1実施例:
図1は、第1実施例に係る燃料電池の概略構成を説明するための説明図である。図1は、燃料電池スタック10の断面構成を例示しており、後述する図2、図3のA−A’断面と対応している。燃料電池スタック10は、複数の燃料電池100を積層した構成を備えている。この燃料電池スタック10は、例えば、車両等の移動体に搭載されて、移動体の動力源として使用される。また、定置型の電源等としても使用される。燃料電池100は、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a schematic configuration of the fuel cell according to the first embodiment. FIG. 1 illustrates a cross-sectional configuration of the fuel cell stack 10 and corresponds to a cross section taken along the line AA ′ of FIGS. 2 and 3 described later. The fuel cell stack 10 has a configuration in which a plurality of fuel cells 100 are stacked. The fuel cell stack 10 is mounted on a moving body such as a vehicle and used as a power source for the moving body. It is also used as a stationary power source. The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen and oxygen.

燃料電池100は、シール部材一体型MEA(Membrane‐Electrode Assembly:膜電極接合体)200と、セパレータ310、330と、ダイオードチップ500とを備えている。燃料電池100は、セパレータ310、330によってシール部材一体型MEA200を挟持した構成を備えている。   The fuel cell 100 includes a seal member integrated MEA (Membrane-Electrode Assembly) 200, separators 310 and 330, and a diode chip 500. The fuel cell 100 has a configuration in which a seal member integrated MEA 200 is sandwiched between separators 310 and 330.

シール部材一体型MEA200は、MEA210とシール部材220とを備え、略長方形状のMEA210の外周に、枠状のシール部材220が形成されている。MEA210は、電解質膜212の一方の面にアノード側触媒層214、アノード側ガス拡散層410がこの順に積層され、他方の面にカソード側触媒層215、カソード側ガス拡散層430がこの順に積層された構成を備えている。本実施例のシール部材220は、特許請求の範囲における「発電部材」に該当する。   The seal member-integrated MEA 200 includes an MEA 210 and a seal member 220, and a frame-shaped seal member 220 is formed on the outer periphery of the substantially rectangular MEA 210. In the MEA 210, the anode side catalyst layer 214 and the anode side gas diffusion layer 410 are laminated in this order on one surface of the electrolyte membrane 212, and the cathode side catalyst layer 215 and the cathode side gas diffusion layer 430 are laminated in this order on the other surface. It has a configuration. The seal member 220 of the present embodiment corresponds to a “power generation member” in the claims.

電解質膜212は、プロトン伝導性の固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜(Nafion(登録商標))により構成されている。なお、高分子電解質膜としては、Nafion(登録商標)に限定されず、例えば、アシプレックス(登録商標)、フレミオン(登録商標)等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いてもよい。また、例えば、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等を用いてもよい。   The electrolyte membrane 212 is composed of a polymer electrolyte membrane (Nafion (registered trademark)) formed of a fluorine-based sulfonic acid polymer as a proton conductive solid polymer material. The polymer electrolyte membrane is not limited to Nafion (registered trademark), and other fluorine-based sulfonic acid membranes such as Aciplex (registered trademark) and Flemion (registered trademark) may be used. Further, for example, a fluorine-based phosphonic acid film, a fluorine-based carboxylic acid film, a fluorine-hydrocarbon-based graft film, a hydrocarbon-based graft film, an aromatic film, or the like may be used.

アノード側触媒層214およびカソード側触媒層215は、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属(例えば、白金)を担持したカーボン粒子(触媒担持担体)と、プロトン伝導性を有する高分子電解質(例えばフッ素系樹脂)を含んで構成されている。導電性担体としては、カーボン粒子の他に、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒金属としては、白金の他に、例えば、白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を用いることができる。   The anode-side catalyst layer 214 and the cathode-side catalyst layer 215 include, for example, carbon particles (catalyst-supported carrier) supporting a catalyst metal (for example, platinum) that progresses an electrochemical reaction, and a polymer electrolyte having proton conductivity (for example, (Fluorine resin). As the conductive carrier, in addition to carbon particles, for example, carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon compounds represented by silicon carbide, and the like can be used. In addition to platinum, for example, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium and the like can be used as the catalyst metal.

シール部材220は、MEA210を支持するための部材であり、シリコーンゴムを用いて射出成形により形成されている。シール部材220は、図1に示されているカソードガス供給用貫通孔223とアノード排ガス排出用貫通孔312のほか、図3を用いて後述する複数の貫通孔を備えている。各貫通孔は、セパレータ310、330にそれぞれ形成された貫通孔と共に、反応ガスおよび冷却水を給排するためのマニホールドを構成する。本実施例のシール部材220は、特許請求の範囲における「支持部材」に該当する。   The seal member 220 is a member for supporting the MEA 210 and is formed by injection molding using silicone rubber. In addition to the cathode gas supply through-hole 223 and the anode exhaust gas discharge through-hole 312 shown in FIG. 1, the seal member 220 includes a plurality of through-holes described later with reference to FIG. Each through hole constitutes a manifold for supplying and discharging reaction gas and cooling water together with through holes formed in the separators 310 and 330, respectively. The seal member 220 of the present embodiment corresponds to a “support member” in the claims.

ガス拡散層410、430は、電極反応に用いられる反応ガス(アノードガスおよびカソードガス)を電解質膜212の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。なお、ガス拡散層410、430は、撥水性を得るために、拡散層用基材が、撥水ペーストによりコーティング(撥水処理)されて撥水層が形成されていてもよい。   The gas diffusion layers 410 and 430 are layers that diffuse reaction gases (anode gas and cathode gas) used for the electrode reaction along the surface direction of the electrolyte membrane 212, and are constituted by a porous diffusion layer base material. Yes. As the base material for the diffusion layer, for example, a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, or a metal porous body such as a metal mesh or foam metal can be used. In order to obtain water repellency, the gas diffusion layers 410 and 430 may be formed by coating a diffusion layer base material with a water repellent paste (water repellent treatment).

セパレータ310、330は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されている。アノード側セパレータ310は、一方の主面がシール部材一体型MEA200のアノード側ガス拡散層410と接触し、他方の主面がカソード側セパレータ330と接触している。カソード側セパレータ330は、一方の主面がシール部材一体型MEA200のカソード側ガス拡散層430と接触し、他方の主面がアノード側セパレータ310と接触している。セパレータ310、330は、それぞれ、マニホールドを形成するための複数の開口部を備えている。セパレータ310、330の具体的な形状や構成については、図2を用いて詳述する。   Separator 310,330 is comprised by the member which has gas interruption | blocking property and electronic conductivity. The anode-side separator 310 has one main surface in contact with the anode-side gas diffusion layer 410 of the seal member-integrated MEA 200 and the other main surface in contact with the cathode-side separator 330. The cathode-side separator 330 has one main surface in contact with the cathode-side gas diffusion layer 430 of the seal member-integrated MEA 200 and the other main surface in contact with the anode-side separator 310. Each of the separators 310 and 330 includes a plurality of openings for forming a manifold. Specific shapes and configurations of the separators 310 and 330 will be described in detail with reference to FIG.

ダイオードチップ500は、P型シリコン510とN型シリコン530からなるシリコンダイオードを含んで構成されている。ダイオードチップ500は、燃料電池100と並列に接続されている。具体的には、P型シリコン510がアノード側セパレータ310に電気的に接続され、N型シリコン530がカソード側セパレータ330に電気的に接続されている。ダイオードチップ500に使用されるシリコンダイオードは、順方向降下電圧がおよそ0.6Vであり、また、逆方向電圧への耐性が大きい特性を有している。セパレータ310、330におけるダイオードチップ500の取り付け位置については、図2を用いて詳述する。本実施例のダイオードチップ500は、特許請求の範囲における「発熱回路」に該当する。   The diode chip 500 includes a silicon diode composed of P-type silicon 510 and N-type silicon 530. The diode chip 500 is connected in parallel with the fuel cell 100. Specifically, P-type silicon 510 is electrically connected to anode-side separator 310, and N-type silicon 530 is electrically connected to cathode-side separator 330. The silicon diode used in the diode chip 500 has a characteristic that the forward drop voltage is about 0.6 V and the resistance to the reverse voltage is high. The mounting position of the diode chip 500 in the separators 310 and 330 will be described in detail with reference to FIG. The diode chip 500 of this embodiment corresponds to a “heat generation circuit” in the claims.

図2は、セパレータの概略構成を説明するための説明図である。図2には、アノード側セパレータのシール部材一体型MEA200と接触する側の主面が例示されている。カソード側セパレータ330の形状は、図2に示すアノード側セパレータ310と同様のため、説明を省略する。   FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a schematic configuration of the separator. FIG. 2 illustrates the main surface of the anode-side separator that comes into contact with the seal member integrated MEA 200. The shape of the cathode side separator 330 is the same as that of the anode side separator 310 shown in FIG.

アノード側セパレータ310は、略矩形形状を有するステンレス鋼やチタン、アルミニウム、銅などの金属の薄板により形成されている。アノード側セパレータ310は、複数の溝によってシール部材一体型MEA200との間にガス流路を形成するためのガス流路形成部317を中心部付近に備え、両端部にマニホールドを構成するための複数の開口部(貫通孔)311〜316を備えている。以下、開口部311〜316を、それぞれ、アノードガス供給用貫通孔311、アノード排ガス排出用貫通孔312、カソードガス供給用貫通孔313、カソード排ガス排出用貫通孔314、冷却水供給用貫通孔315、冷却水排出用貫通孔316とも呼ぶ。   The anode-side separator 310 is formed of a thin metal plate such as stainless steel, titanium, aluminum, or copper having a substantially rectangular shape. The anode separator 310 includes a gas flow path forming portion 317 for forming a gas flow path between the seal member-integrated MEA 200 by a plurality of grooves in the vicinity of the center portion, and a plurality of gas flow path forming portions 317 for forming a manifold at both ends. Openings (through holes) 311 to 316 are provided. Hereinafter, the openings 311 to 316 are respectively formed as an anode gas supply through hole 311, an anode exhaust gas discharge through hole 312, a cathode gas supply through hole 313, a cathode exhaust gas discharge through hole 314, and a cooling water supply through hole 315. Also referred to as a cooling water discharge through hole 316.

ガス流路形成部317は、アノード側セパレータ310とシール部材一体型MEA200との間にアノードガスおよびアノード排ガスを流通させるためのガス流路を形成する。ガス流路形成部317は、MEA210と対向する部分である発電領域部分317Agと、シール部材220と対向する部分である非発電領域部分317Anの2つの部分を有している。発電領域部分317Agは、MEA210と対応した略矩形の形状を有し、発電時に電子の伝導に供される領域である。非発電領域部分317Anは、発電領域部分317Agとアノードガス供給用貫通孔311との間、および、発電領域部分317Agとアノード排ガス排出用貫通孔312との間にそれぞれ形成される領域である。非発電領域部分317Anには、シール部材220と接触する複数の凸部318が形成されているが、凸部318を備えていなくてもよい。以後、非発電領域部分317Anとシール部材220との間に形成されるガス流路を、非発電領域ガス流路GCnとも呼ぶ。本実施例の非発電領域ガス流路GCnは、特許請求の範囲における「セパレータと支持部材との間に形成されるガス流路」に該当する。   The gas flow path forming unit 317 forms a gas flow path for circulating the anode gas and the anode exhaust gas between the anode side separator 310 and the seal member integrated MEA 200. The gas flow path forming portion 317 has two portions, a power generation region portion 317Ag that is a portion facing the MEA 210 and a non-power generation region portion 317An that is a portion facing the seal member 220. The power generation region portion 317Ag has a substantially rectangular shape corresponding to the MEA 210, and is a region used for conduction of electrons during power generation. The non-power generation region portion 317An is a region formed between the power generation region portion 317Ag and the anode gas supply through hole 311 and between the power generation region portion 317Ag and the anode exhaust gas discharge through hole 312. In the non-power generation region portion 317An, a plurality of convex portions 318 that are in contact with the seal member 220 are formed, but the convex portions 318 may not be provided. Hereinafter, the gas flow path formed between the non-power generation region portion 317An and the seal member 220 is also referred to as a non-power generation region gas flow path GCn. The non-power generation region gas flow path GCn of the present embodiment corresponds to “a gas flow path formed between the separator and the support member” in the claims.

ダイオードチップ500は、非発電領域ガス流路GCnを加熱可能な位置に配置されている。具体的には、後述するように、ダイオードチップ500は、燃料電池100に負電圧が生じたときに電流が流れて発熱する。ダイオードチップ500の位置は、この発熱によって、非発電領域ガス流路GCnを加熱することが可能な程度、非発電領域ガス流路GCnに近接した任意の場所に設定される。ダイオードチップ500の設置位置を非発電領域ガス流路GCnが加熱可能な位置としたのは、非発電領域ガス流路GCnは、燃料電池100の発電に伴う熱が伝わりにくい場所であり、氷点下始動時に氷が溶解しにくいためである。   The diode chip 500 is disposed at a position where the non-power generation region gas flow path GCn can be heated. Specifically, as will be described later, when a negative voltage is generated in the fuel cell 100, the diode chip 500 generates heat when a current flows. The position of the diode chip 500 is set at an arbitrary position close to the non-power generation region gas flow path GCn to such an extent that the heat generation can heat the non-power generation region gas flow path GCn. The installation position of the diode chip 500 is set to a position where the non-power generation region gas flow path GCn can be heated. The non-power generation region gas flow path GCn is a place where heat generated by the power generation of the fuel cell 100 is difficult to be transmitted. This is because sometimes ice is difficult to melt.

ここでは、ダイオードチップ500は、非発電領域ガス流路GCnの両側にそれぞれ配置されている。なお、ダイオードチップ500は、アノード排ガス排出用貫通孔312に接続されている非発電領域ガス流路GCnのみを加熱可能に配置されていてもよいし、アノードガス供給用貫通孔221と接続されている非発電領域ガス流路GCnについても加熱可能に配置されていてもよい。   Here, the diode chips 500 are respectively disposed on both sides of the non-power generation region gas flow path GCn. The diode chip 500 may be arranged so that only the non-power generation region gas flow path GCn connected to the anode exhaust gas discharge through-hole 312 can be heated, or connected to the anode gas supply through-hole 221. The non-power generation region gas flow path GCn may be arranged so as to be heatable.

図3は、シール部材一体型MEAの概略構成を説明するための説明図である。シール部材一体型MEA200は、略矩形形状を有するシール部材220の中心部付近にMEA210が配置され、両端部にマニホールドを構成するための複数の開口部(貫通孔)221〜226を備えている。以下、開口部221〜226を、それぞれ、アノードガス供給用貫通孔221、アノード排ガス排出用貫通孔222、カソードガス供給用貫通孔223、カソード排ガス排出用貫通孔224、冷却水供給用貫通孔225、冷却水排出用貫通孔226とも呼ぶ。   FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a schematic configuration of the seal member integrated MEA. The seal member-integrated MEA 200 has a MEA 210 disposed in the vicinity of the center of a seal member 220 having a substantially rectangular shape, and includes a plurality of openings (through holes) 221 to 226 for constituting a manifold at both ends. Hereinafter, the openings 221 to 226 are respectively formed as an anode gas supply through hole 221, an anode exhaust gas discharge through hole 222, a cathode gas supply through hole 223, a cathode exhaust gas discharge through hole 224, and a cooling water supply through hole 225. Also referred to as a cooling water discharge through hole 226.

シール部材一体型MEA200は、マニホールドを形成するための上記の開口部(貫通孔)221〜226のほかに、図2のアノード側セパレータ310を積層したときに、ダイオードチップ500が配置された位置と対応する位置に、ダイオードチップ500を挿通させるための挿通口(貫通孔)220bを備えている。本実施例では、挿通口220bは、シール部材220に形成されている。   The seal member integrated MEA 200 has a position where the diode chip 500 is disposed when the anode-side separator 310 of FIG. 2 is stacked in addition to the openings (through holes) 221 to 226 for forming a manifold. An insertion port (through hole) 220b for inserting the diode chip 500 is provided at a corresponding position. In the present embodiment, the insertion port 220 b is formed in the seal member 220.

図4は、図2および図3のB−B’断面を例示した説明図である。図4に示すように、ダイオードチップ500は、挿通口220bを介して、アノード側セパレータ310とカソード側セパレータ330にそれぞれ接続されている。燃料電池100に負電圧が発生し、アノード側セパレータ310の電位がカソード側セパレータ330の電位よりも高い状態となると、ダイオードチップ500を介してアノード側セパレータ310からカソード側セパレータ330に向かって電流が流れる。ダイオードチップ500に電流が流れることによって、ダイオードチップ500が発熱し、非発電領域ガス流路GCnを加熱する。   FIG. 4 is an explanatory view illustrating the B-B ′ cross section of FIGS. 2 and 3. As shown in FIG. 4, the diode chip 500 is connected to the anode side separator 310 and the cathode side separator 330 through the insertion port 220b. When a negative voltage is generated in the fuel cell 100 and the potential of the anode side separator 310 becomes higher than the potential of the cathode side separator 330, current flows from the anode side separator 310 toward the cathode side separator 330 via the diode chip 500. Flowing. When the current flows through the diode chip 500, the diode chip 500 generates heat and heats the non-power generation region gas flow path GCn.

一般的に、燃料電池は、氷点下環境下で停止状態としていると、燃料電池のガス流路が残留水などの液体の凍結によって閉塞することがある。この状態で燃料電池を始動させるとガス流路が閉塞した燃料電池は、燃料ガス(水素)が欠乏した状態となりアノードの電位が上昇し、アノード電位がカソード電位よりも高い負電圧となる。負電圧の燃料電池は外部に対して仕事をしないため、燃料電池全体の発電効率が低下する問題があった。また、負電圧の燃料電池では、隣接する他の燃料電池と同じだけの電流を流そうとするために触媒を構成するカーボンの酸化が発生して燃料電池の性能が低下する問題があった。   In general, when a fuel cell is stopped in a sub-freezing environment, the gas flow path of the fuel cell may be blocked due to freezing of a liquid such as residual water. When the fuel cell is started in this state, the fuel cell whose gas flow path is closed becomes deficient in fuel gas (hydrogen), the anode potential rises, and the anode potential becomes a negative voltage higher than the cathode potential. Since the negative voltage fuel cell does not work to the outside, there is a problem that the power generation efficiency of the entire fuel cell is lowered. In addition, in the negative voltage fuel cell, there is a problem that the oxidation of carbon constituting the catalyst is generated and the performance of the fuel cell is deteriorated in order to pass the same current as that of other adjacent fuel cells.

しかし、本実施例の燃料電池100は、氷点下環境下の始動で負電圧が生じたときに、カーボン酸化反応が生じる電圧まで低下する前に、ダイオードチップ500に電流が流れるため、カーボン酸化反応の発生を抑制することができる。また、ダイオードチップ500に電流が流れると、ダイオードチップ500によって、非発電領域ガス流路GCnを加熱するため、非発電領域ガス流路GCnの内部の氷を融解させることができる。これにより、ガス流路の閉塞をより早く解消して負電圧状態を早期に解消することができる。以下では、燃料電池100の水素欠乏時における電子の流れや、アノードやカソードで生じる化学反応等について説明する。   However, in the fuel cell 100 according to the present embodiment, when a negative voltage is generated by starting in a sub-freezing environment, a current flows through the diode chip 500 before dropping to a voltage at which the carbon oxidation reaction occurs. Occurrence can be suppressed. When a current flows through the diode chip 500, the non-power generation region gas flow path GCn is heated by the diode chip 500, so that the ice inside the non-power generation region gas flow path GCn can be melted. Thereby, the blockage | closure of a gas flow path can be eliminated earlier and a negative voltage state can be eliminated early. Below, the flow of electrons when the fuel cell 100 is deficient in hydrogen, the chemical reaction that occurs at the anode and the cathode, and the like will be described.

図5、図6は、燃料電池の正常運転時(正常時)と水素欠乏時の発電状態を説明するための説明図である。図5は、正常時における燃料電池100の発電状態を示し、図6は、水素欠乏時における燃料電池100の発電状態を示している。図5、6では、説明の便宜上、燃料電池スタック10を、3つの燃料電池100(100a,100b,100c)を積層した構成として示している。また、各燃料電池100a,100b,100cを電解質膜mとカソードcとアノードaとセパレータsによって示している。例えば、燃料電池100aは、セパレータs0の一部と、カソードc1と、電解質膜m1と、アノードa1と、セパレータs1の一部とで示している。なお、セパレータs0の一部とは、図1のカソード側セパレータ330と対応している。カソードc1は、カソード側ガス拡散層430およびカソード側触媒層215と対応している。電解質膜m1は、電解質膜212と対応している。アノードa1は、アノード側触媒層214およびアノード側ガス拡散層410と対応している。セパレータs1は、アノード側セパレータ310およびカソード側セパレータ330の積層体と対応している。   5 and 6 are explanatory diagrams for explaining the power generation state during normal operation (normal time) and when the fuel cell is deficient in the fuel cell. FIG. 5 shows the power generation state of the fuel cell 100 at normal time, and FIG. 6 shows the power generation state of the fuel cell 100 at the time of hydrogen deficiency. 5 and 6, for convenience of explanation, the fuel cell stack 10 is shown as a configuration in which three fuel cells 100 (100a, 100b, 100c) are stacked. Each fuel cell 100a, 100b, 100c is indicated by an electrolyte membrane m, a cathode c, an anode a, and a separator s. For example, the fuel cell 100a is indicated by a part of the separator s0, the cathode c1, the electrolyte membrane m1, the anode a1, and a part of the separator s1. A part of the separator s0 corresponds to the cathode-side separator 330 in FIG. The cathode c1 corresponds to the cathode side gas diffusion layer 430 and the cathode side catalyst layer 215. The electrolyte membrane m1 corresponds to the electrolyte membrane 212. The anode a1 corresponds to the anode side catalyst layer 214 and the anode side gas diffusion layer 410. The separator s1 corresponds to a laminate of the anode side separator 310 and the cathode side separator 330.

図5に示すように、燃料電池100の正常発電時(正常時)、すなわち、各燃料電池100a,100b,100cに、水素ガス及び空気が十分に供給され、各燃料電池100a,100b,100cにおいて発電が行われているとき、アノードでは下記式(1)に示す反応が生じている。また、カソードでは下記式(2)に示す反応が生じている。このとき、各燃料電池100a,100b,100cの電圧(各燃料電池100のセパレータ間の電圧:セル電圧Vc)は、およそ+1.0Vとなっている。下記式(1),(2)の反応は、各燃料電池100a,100b,100cの電圧が0Vよりも高い場合に起こり得る。   As shown in FIG. 5, during normal power generation (normal time) of the fuel cell 100, that is, hydrogen gas and air are sufficiently supplied to the fuel cells 100a, 100b, and 100c, and the fuel cells 100a, 100b, and 100c When power generation is performed, a reaction represented by the following formula (1) occurs at the anode. Further, the reaction shown in the following formula (2) occurs at the cathode. At this time, the voltage of each fuel cell 100a, 100b, 100c (voltage between separators of each fuel cell 100: cell voltage Vc) is approximately + 1.0V. Reactions of the following formulas (1) and (2) can occur when the voltages of the fuel cells 100a, 100b, and 100c are higher than 0V.

Figure 0005533800
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Figure 0005533800
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単セルである燃料電池100のセル電圧Vcは、下記式(3)に示すように定められる。なお、式(3)において、Vcはセル電圧を、Ecはカソードの電位を、Eaはアノードの電位を、IRは、単セルの抵抗(電解質膜の抵抗や、配線の接触抵抗など)による電圧降下を、それぞれ意味する。なお、セル電圧Vcは、換言すると、1つの燃料電池を間に挟んだ2つの燃料電池間(単セル間)の電位差を意味する。例えば、燃料電池100bのセル電圧Vcは、燃料電池100a(アノードa1)と燃料電池100c(カソードc3)との間の電位差を意味する。   The cell voltage Vc of the fuel cell 100 that is a single cell is determined as shown in the following formula (3). In Equation (3), Vc is the cell voltage, Ec is the cathode potential, Ea is the anode potential, and IR is the voltage due to the resistance of the single cell (electrolyte membrane resistance, wiring contact resistance, etc.). Each means a descent. In addition, the cell voltage Vc means a potential difference between two fuel cells (between single cells) with one fuel cell interposed therebetween. For example, the cell voltage Vc of the fuel cell 100b means a potential difference between the fuel cell 100a (anode a1) and the fuel cell 100c (cathode c3).

Figure 0005533800
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燃料電池100bの正常時(すなわち、セル電圧Vcが0V以上の場合)には、ダイオードチップ500には、逆方向バイアスがかかるのでほぼ電流が流れない。なお、ダイオードチップ500に電流が流れない状態は、燃料電池100bの正常時(0≦Vcの場合)に限らず、燃料電池100bのセル電圧Vcが、負電圧になり、その絶対値がダイオードチップ500に含まれるダイオードの順方向電圧Vf(例えば、0.6V)よりも小さい場合(−Vf<Vc<0)にも起こり得る。   When the fuel cell 100b is normal (that is, when the cell voltage Vc is 0 V or higher), a reverse bias is applied to the diode chip 500, so that almost no current flows. The state in which no current flows through the diode chip 500 is not limited to when the fuel cell 100b is normal (in the case of 0 ≦ Vc), but the cell voltage Vc of the fuel cell 100b becomes a negative voltage, and its absolute value is the diode chip. This can also occur when the forward voltage Vf (eg, 0.6 V) of the diode included in 500 is smaller (−Vf <Vc <0).

燃料電池100への水素ガス供給量が、発電に必要な量よりも少ない場合(水素欠乏時)には、上記式(3)におけるアノード電位Eaが上昇するために、セル電圧Vcが負電圧(Vc<0)となり得る。水素欠乏は、上述したように、氷点下環境下において、燃料ガス流路や、アノード側触媒層214などに溜まった生成水が凍結してガス流路が閉塞した場合のほか、電気化学反応により生じた水(生成水)が燃料ガス流路に溜まり、この生成水によって燃料ガス流路における圧力損失が増大した場合などに発生することがある。   When the amount of hydrogen gas supplied to the fuel cell 100 is smaller than the amount necessary for power generation (when hydrogen is deficient), the anode potential Ea in the above equation (3) rises, so the cell voltage Vc is a negative voltage ( Vc <0). As described above, the hydrogen deficiency is caused by an electrochemical reaction in a sub-freezing environment, in addition to the case where the generated water accumulated in the fuel gas channel and the anode catalyst layer 214 freezes and the gas channel is blocked. It may occur when water (product water) accumulates in the fuel gas flow path and the pressure loss in the fuel gas flow path is increased by the generated water.

図6では、燃料電池100bにおいて水素欠乏が生じ、セル電圧Vcが負電圧となっている状態が示されている。このとき、他の燃料電池100a,100cでは正常に発電が行われているため、燃料電池100bにおいても、電流を発生させようとする(すなわち、電子のやりとりを行おうとする)。しかしながら、水素欠乏のため、燃料電池100bのアノードa2において、上記式(1)に示す反応は生じず、下記式(4)及び下記式(5)に示す反応が生じ得る。式(4)の水電解反応は、セル電圧Vcがおよそ−0.7V以下の場合に生じ得る。式(5)のカーボン酸化反応は、セル電圧Vcがおよそ−1.5V以下の場合に生じ得る。なお、カソードc2では、下記式(2)に示す反応が発生する。以後、式(4)の水電解反応が生じるときのセル電圧Vcを水電解反応発生電圧Vcwとも呼び、式(5)のカーボン酸化反応が生じるときのセル電圧Vcをカーボン酸化反応発生電圧Vccとも呼ぶ。   FIG. 6 shows a state where hydrogen deficiency occurs in the fuel cell 100b and the cell voltage Vc is a negative voltage. At this time, since the other fuel cells 100a and 100c generate power normally, the fuel cell 100b also tries to generate current (that is, try to exchange electrons). However, due to the lack of hydrogen, the reaction represented by the above formula (1) does not occur at the anode a2 of the fuel cell 100b, and the reactions represented by the following formula (4) and the following formula (5) may occur. The water electrolysis reaction of Formula (4) can occur when the cell voltage Vc is approximately −0.7 V or less. The carbon oxidation reaction of Formula (5) can occur when the cell voltage Vc is approximately −1.5V or less. In the cathode c2, a reaction represented by the following formula (2) occurs. Hereinafter, the cell voltage Vc when the water electrolysis reaction of Formula (4) occurs is also referred to as the water electrolysis reaction generation voltage Vcw, and the cell voltage Vc when the carbon oxidation reaction of Formula (5) occurs is also referred to as the carbon oxidation reaction generation voltage Vcc. Call.

Figure 0005533800
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Figure 0005533800
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ここで、式(5)に示す反応は、アノードa2を構成する触媒に含まれるカーボンの酸化を意味する。すなわち、水素欠乏時には、アノードa2において、式(5)に示す反応によって触媒が劣化するおそれがある。しかし、本実施例の燃料電池100bは、ダイオードチップ500が配置されているため、セル電圧Vcが負電圧になり、その絶対値がダイオードチップ500に含まれるダイオードの順方向電圧Vfよりも大きく(Vc<−Vf<0)になれば、アノードa2から燃料電池100cのカソードc3に電子が供給されなくても、ダイオードチップ500を介して燃料電池100aのアノードa1において発生した電子が燃料電池100cのカソードc3に供給される。したがって、燃料電池100bが水素欠乏状態であっても、アノードa2における上記式(4),(5)に示す反応の発生が抑制される。そのため、アノードa2の触媒劣化の発生が抑制される。   Here, the reaction shown in Formula (5) means oxidation of carbon contained in the catalyst constituting the anode a2. That is, at the time of hydrogen deficiency, the catalyst may be deteriorated by the reaction shown in the formula (5) at the anode a2. However, in the fuel cell 100b of this embodiment, since the diode chip 500 is disposed, the cell voltage Vc becomes a negative voltage, and the absolute value thereof is larger than the forward voltage Vf of the diode included in the diode chip 500 ( If Vc <−Vf <0), even if electrons are not supplied from the anode a2 to the cathode c3 of the fuel cell 100c, the electrons generated at the anode a1 of the fuel cell 100a via the diode chip 500 are generated in the fuel cell 100c. Supplied to the cathode c3. Therefore, even if the fuel cell 100b is in a hydrogen-deficient state, the occurrence of reactions shown in the above formulas (4) and (5) at the anode a2 is suppressed. Therefore, the occurrence of catalyst deterioration of the anode a2 is suppressed.

本実施例の燃料電池100は、ダイオードチップ500に電流が流れるときのセル電圧Vcであるバイパス電圧Vcbが水電解反応発生電圧Vcwよりも大きく(Vcw<Vcb<0)なるように構成されている。このようにすれば、セル電圧Vcが降下して負電圧状態(Vc<0)となったときに、ダイオードチップ500に電流が流れることによって、セル電圧Vcが水電解反応発生電圧Vcwやカーボン酸化反応発生電圧Vccまで降下することを抑制することができる。図7〜図10を用いて、バイパス電圧Vcbが水電解反応発生電圧Vcwよりも大きくなるための燃料電池100の具体的な構成について説明する。   The fuel cell 100 of this embodiment is configured such that the bypass voltage Vcb, which is the cell voltage Vc when a current flows through the diode chip 500, is greater than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw (Vcw <Vcb <0). . In this way, when the cell voltage Vc drops to a negative voltage state (Vc <0), a current flows through the diode chip 500, so that the cell voltage Vc is changed to the water electrolysis reaction generation voltage Vcw or the carbon oxidation. It is possible to suppress a drop to the reaction generation voltage Vcc. A specific configuration of the fuel cell 100 for the bypass voltage Vcb to be greater than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw will be described with reference to FIGS.

図7は、本実施例の燃料電池の等価回路を説明するための説明図である。図7の上段に示すように、ここでは、アノード側セパレータ310およびカソード側セパレータ330の厚さをそれぞれt(m)とし、ダイオードチップ500とセパレータ310、330との間の接着剤の厚さをそれぞれt(m)とする。また、ダイオードチップ500とセパレータ310、330との接触面積の合計をS(m)とする。S(m)は、ダイオードチップ500の断面積の合計と等しい。ダイオードチップ500を流れる電流の合計をI(A)とする。また、セパレータの電気抵抗率をρ(Ω・m)とし、接着剤の電気抵抗率をρ(Ω・m)とする。 FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining an equivalent circuit of the fuel cell of the present embodiment. As shown in the upper part of FIG. 7, here, the thickness of the anode-side separator 310 and the cathode-side separator 330 is t s (m), respectively, and the thickness of the adhesive between the diode chip 500 and the separators 310 and 330 is set. Are each t b (m). The total contact area between the diode chip 500 and the separators 310 and 330 is S (m 2 ). S (m 2 ) is equal to the total cross-sectional area of the diode chip 500. The total current flowing through the diode chip 500 is I (A). Further, the electrical resistivity of the separator is ρ s (Ω · m), and the electrical resistivity of the adhesive is ρ b (Ω · m).

燃料電池100の等価回路は、発電部Gと、ダイオードDと、セパレータと接着剤との合成抵抗Rsと、によって図7の下段のように表すことができる。発電部Gとは、燃料電池100において発電に供される部分、具体的には、MEA210とアノード側セパレータ310とカソード側セパレータ330とが積層された部分である。ダイオードDは、ダイオードチップ500に含まれるダイオードである。合成抵抗Rs(Ω)は、セパレータの抵抗と接着剤の抵抗とを合わせた抵抗であり、上述した、セパレータの電気抵抗率ρ(Ω・m)、パレータの厚さt(m)、接触面積S(m)、接着剤の電気抵抗率ρ(Ω・m)、および、接着剤の厚さt(m)を用いて下記式(6)のように表すことができる。 The equivalent circuit of the fuel cell 100 can be expressed as shown in the lower part of FIG. 7 by the power generation unit G, the diode D, and the combined resistance Rs of the separator and the adhesive. The power generation unit G is a part used for power generation in the fuel cell 100, specifically, a part where the MEA 210, the anode side separator 310, and the cathode side separator 330 are stacked. The diode D is a diode included in the diode chip 500. The combined resistance Rs (Ω) is a resistance obtained by combining the resistance of the separator and the resistance of the adhesive, and the electrical resistivity ρ s (Ω · m) of the separator, the thickness t s (m) of the palator, Using the contact area S (m 2 ), the electrical resistivity ρ b (Ω · m) of the adhesive, and the thickness t b (m) of the adhesive, it can be expressed as the following formula (6).

Figure 0005533800
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図8は、ダイオードDの順方向電圧と順方向電流との関係を例示した説明図である。図8の縦軸はダイオードDの順方向電圧(バイアス電圧)Vf(V)を示し、横軸はダイオードDの順方向の電流I(A)を示している。図8には、ダイオードDの温度Tcが150℃の場合と、25℃の場合における順方向電圧Vfと電流Iとの関係を示している。図8には、典型値(TYP値)と最大値(MAX値)が示されている。ダイオードDの順方向電圧Vfは、ダイオードDの温度Tcが高いほど減少し、電流Iが大きいほど大きくなることがわかる。   FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the forward voltage and the forward current of the diode D. The vertical axis in FIG. 8 represents the forward voltage (bias voltage) Vf (V) of the diode D, and the horizontal axis represents the forward current I (A) of the diode D. FIG. 8 shows the relationship between the forward voltage Vf and the current I when the temperature Tc of the diode D is 150 ° C. and 25 ° C. FIG. 8 shows a typical value (TYP value) and a maximum value (MAX value). It can be seen that the forward voltage Vf of the diode D decreases as the temperature Tc of the diode D increases, and increases as the current I increases.

図9は、バイパス電圧Vcbを説明するための説明図である。バイパス電圧Vcbは、上述した、電流Iと、ダイオードDの順方向電圧Vfと、合成抵抗Rsを構成するセパレータの電気抵抗率ρ(Ω・m)、パレータの厚さt(m)、接触面積S(m)、接着剤の電気抵抗率ρ(Ω・m)、接着剤の厚さt(m)と、を用いて、下記式(7)のように表すことができる。 FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the bypass voltage Vcb. The bypass voltage Vcb is the current I, the forward voltage Vf of the diode D, the electrical resistivity ρ s (Ω · m) of the separator constituting the combined resistor Rs, the thickness t s (m) of the palator, Using the contact area S (m 2 ), the electrical resistivity ρ b (Ω · m) of the adhesive, and the thickness t b (m) of the adhesive, it can be expressed as the following formula (7). .

Figure 0005533800
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図10は、燃料電池における水電解反応発生電圧Vcwの評価結果を示した説明図である。図10の横軸は、MEAを流れる電流の電流密度Dc(A/cm)を示し、縦軸は、セル電圧Vc(V)を示している。図10には、燃料電池の温度と電流密度が異なった各状態における、水電解反応発生電圧が示されている。図10の評価結果を得るために、ダイオードチップ500を備えない燃料電池において、アノードに窒素、カソードに空気を流した状態で外部から電流を掃引し、水電解反応が発生したときのセル電圧Vc(=水電解反応発生電圧)を測定した。燃料電池の温度は、40℃、60℃、80℃の3通りであり、相対湿度は100%である。また、セル電圧Vcを測定したときの電流密度は0.05、0.1、0.2、0.3、0.4(A/cm)である。図10から、水電解反応発生電圧Vcwは、燃料電池の温度が高くなるほど大きくなり、また、電流密度が小さくなるほど大きくなることがわかる。 FIG. 10 is an explanatory diagram showing the evaluation result of the water electrolysis reaction generation voltage Vcw in the fuel cell. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the current density Dc (A / cm 2 ) of the current flowing through the MEA, and the vertical axis indicates the cell voltage Vc (V). FIG. 10 shows the water electrolysis reaction generation voltage in each state where the temperature and current density of the fuel cell are different. In order to obtain the evaluation result of FIG. 10, in a fuel cell that does not include the diode chip 500, the cell voltage Vc when a water electrolysis reaction occurs when current is swept from the outside with nitrogen flowing through the anode and air flowing through the cathode. (= Water electrolysis reaction generation voltage) was measured. There are three fuel cell temperatures: 40 ° C., 60 ° C., and 80 ° C., and the relative humidity is 100%. The current density when the cell voltage Vc is measured is 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 (A / cm 2 ). FIG. 10 shows that the water electrolysis reaction generation voltage Vcw increases as the temperature of the fuel cell increases and increases as the current density decreases.

よって、燃料電池100のバイパス電圧Vcbを評価するために用いる水電解反応発生電圧Vcwは、例えば、燃料電池の温度が高く、燃料電池に流れる電流が小さいときの水電解反応発生電圧Vcwを用いると、安全側の評価をおこなうことができる。本実施例では、バイパス電圧Vcbを評価するために用いる水電解反応発生電圧Vcwを−0.6Vとした。これは、図10に示すように、セル電圧Vcが−0.6Vより大きいときには、燃料電池の温度や電流にかかわらず水電解反応が起こらないためである。   Therefore, the water electrolysis reaction generation voltage Vcw used for evaluating the bypass voltage Vcb of the fuel cell 100 is, for example, the water electrolysis reaction generation voltage Vcw when the temperature of the fuel cell is high and the current flowing through the fuel cell is small. The safety side can be evaluated. In this example, the water electrolysis reaction generation voltage Vcw used for evaluating the bypass voltage Vcb was set to −0.6V. This is because, as shown in FIG. 10, when the cell voltage Vc is larger than −0.6 V, the water electrolysis reaction does not occur regardless of the temperature and current of the fuel cell.

本実施例の燃料電池100は、水電解反応の発生を抑制するために、電流I、セパレータの電気抵抗率ρ(Ω・m)、パレータの厚さt(m)、接着剤の電気抵抗率ρ(Ω・m)、接着剤の厚さt(m)、が下記式(8)の関係となるように、設計されている。 In the fuel cell 100 of this example, the current I, the electrical resistivity ρ s (Ω · m) of the separator, the thickness t s (m) of the palator, The resistivity ρ b (Ω · m) and the adhesive thickness t b (m) are designed so as to satisfy the relationship of the following formula (8).

Figure 0005533800
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式(8)において、Vccは、式(5)のカーボン酸化反応が生じるときのセル電圧Vcであり、Vcwは、設計用の水電解反応発生電圧である。燃料電池100を上記式(8)の関係が成り立つように設計すれば、カーボン酸化反応の発生も抑制することができる。なお、燃料電池100のバイパス電圧Vcbを調べる方法としては、上記式(7)を用いる方法以外にも、例えば、MEA210を絶縁体とみなせるぐらいに十分に乾燥させた状態で燃料電池100の両側から電流を流したときのセル電圧Vcによってバイパス電圧Vcbを調べることができる。また、MEA210の替わりに絶縁体を挟んだ燃料電池100を作製し、この燃料電池100の両側から電流を流すことによってバイパス電圧Vcbを調べてもよい。MEA210を乾燥させた状態でセル電圧Vcを測定する方法であれば、組み立て後の燃料電池100に対して非破壊でバイパス電圧Vcbを特定することができるので、設計どおり、バイパス電圧Vcbが水電解反応発生電圧Vcwよりも大きくなるか否かを製品の出荷時に検査することができる。以下に、この検査方法の流れについて説明する。   In Expression (8), Vcc is a cell voltage Vc when the carbon oxidation reaction of Expression (5) occurs, and Vcw is a design water electrolysis reaction generation voltage. If the fuel cell 100 is designed so that the relationship of the above formula (8) is established, the occurrence of a carbon oxidation reaction can also be suppressed. As a method for examining the bypass voltage Vcb of the fuel cell 100, in addition to the method using the above formula (7), for example, from the both sides of the fuel cell 100 in a state where the MEA 210 is sufficiently dried to be regarded as an insulator. The bypass voltage Vcb can be examined by the cell voltage Vc when a current is passed. Alternatively, the bypass voltage Vcb may be examined by making a fuel cell 100 with an insulator sandwiched in place of the MEA 210 and passing a current from both sides of the fuel cell 100. If the cell voltage Vc is measured in a state where the MEA 210 is dried, the bypass voltage Vcb can be specified non-destructively with respect to the assembled fuel cell 100, so that the bypass voltage Vcb is water electrolysis as designed. Whether or not the reaction generation voltage Vcw becomes larger can be inspected at the time of shipment of the product. The flow of this inspection method will be described below.

図11は、燃料電池の検査方法の流れを例示した説明図である。作製した燃料電池100を用意し、まず、MEA210の乾燥をおこなう(ステップS110)。MEA210の乾燥は、燃料電池100の積層方向の抵抗値が所定値以上となるまでおこなわれる(ステップS120:NO)。この所定値とは、MEA210が乾燥してほぼ絶縁体となったときの燃料電池100の積層方向の抵抗値である。この所定値としては、例えば、100(Ω)を設定することができる。   FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating the flow of a fuel cell inspection method. The produced fuel cell 100 is prepared, and the MEA 210 is first dried (step S110). The MEA 210 is dried until the resistance value in the stacking direction of the fuel cell 100 becomes a predetermined value or more (step S120: NO). The predetermined value is a resistance value in the stacking direction of the fuel cell 100 when the MEA 210 is dried and becomes almost an insulator. As this predetermined value, for example, 100 (Ω) can be set.

MEAの乾燥によって、燃料電池100の抵抗値が所定値以上となると(ステップS120:YES)、外部電源を用いて燃料電池100に対して、アノードからカソードに向かう方向に電流を流し(ステップS130)、セル電圧Vc(<0)が水電解反応発生電圧Vcwとして予め設定された値(ここでは、−0.6V)より大きい否かを判定する(ステップS140)。   When the resistance value of the fuel cell 100 becomes equal to or higher than a predetermined value due to drying of the MEA (step S120: YES), an electric current is supplied to the fuel cell 100 in the direction from the anode to the cathode using an external power source (step S130). Then, it is determined whether or not the cell voltage Vc (<0) is larger than a value (here, −0.6 V) preset as the water electrolysis reaction generation voltage Vcw (step S140).

セル電圧Vc(<0)が水電解反応発生電圧Vcwより大きい場合(ステップS140:YES)、この燃料電池100のバイパス電圧Vcbは、水電解反応発生電圧Vcwよりも大きいため、検査合格として、例えば出荷することができる。一方、セル電圧Vc(<0)が水電解反応発生電圧Vcw以下の場合(ステップS140:NO)、この燃料電池100のバイパス電圧Vcbは、水電解反応発生電圧Vcw以下のおそれがあるため、検査不合格として、例えば破棄することができる。また、検査不合格のときには、燃料電池100の作製方法の見直しなどをおこなうことができる。このような検査をおこなうことで、負電圧が発生したときに水電解反応が発生する電圧となる前に、ダイオードチップ500に電流が流れる燃料電池100を出荷することができる。   When the cell voltage Vc (<0) is larger than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw (step S140: YES), the bypass voltage Vcb of the fuel cell 100 is larger than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw. Can be shipped. On the other hand, when the cell voltage Vc (<0) is equal to or lower than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw (step S140: NO), the bypass voltage Vcb of the fuel cell 100 may be equal to or lower than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw. For example, it can be discarded as a failure. Further, when the inspection fails, the manufacturing method of the fuel cell 100 can be reviewed. By performing such an inspection, the fuel cell 100 in which a current flows in the diode chip 500 before the water electrolysis reaction occurs when a negative voltage is generated can be shipped.

以上説明した、第1実施例の燃料電池100によれば、氷点下環境下の始動で負電圧が生じたときに、ダイオードチップ500に電流が流れることによって、セル電圧がカーボン酸化反応の生じる電圧まで低下しないため、カーボン酸化反応の発生による燃料電池の性能の低下を抑制することができる。また、ダイオードチップ500に電流が流れると、ダイオードチップ500の加熱によって内部の氷を融解するため、発電効率の低下した状態を早期に解消することができる。   According to the fuel cell 100 of the first embodiment described above, when a negative voltage is generated during start-up in a sub-freezing environment, a current flows through the diode chip 500, so that the cell voltage reaches a voltage at which a carbon oxidation reaction occurs. Since it does not decrease, a decrease in fuel cell performance due to the occurrence of a carbon oxidation reaction can be suppressed. Further, when a current flows through the diode chip 500, the internal ice is melted by heating the diode chip 500, so that the state in which the power generation efficiency is lowered can be quickly eliminated.

従来から、負電圧を検出して燃料電池に流れる電流を制御する制御部を備えた燃料電池が知られている。しかし、この燃料電池は、氷点下始動時にすばやく温度を上昇させるために大電流で発電すると、負電圧発生時の電圧降下速度が速く、制御部が負電圧を検出して電流制限などの制御を実行する前にカーボン酸化反応等が発生することがあった。また、上記制御をおこなうためには、各燃料電池セルの負電圧を検出するためのセルモニタを設置する必要があり、コストが高くなる問題があった。本実施例の燃料電池100によれば、バイパス電圧Vcbが水電解反応発生電圧Vcwよりも大きくなるように設計されているため、カーボン酸化反応の発生を抑制することができる。また、各燃料電池セルの負電圧を検出するためのセルモニタを設置する必要がないため、コストの上昇を抑制することができる。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell including a control unit that detects a negative voltage and controls a current flowing through the fuel cell is known. However, if this fuel cell generates electricity with a large current in order to quickly increase the temperature when starting below freezing, the voltage drop rate when the negative voltage is generated is fast, and the control unit detects the negative voltage and executes control such as current limiting A carbon oxidation reaction or the like may occur before the treatment. In addition, in order to perform the above control, it is necessary to install a cell monitor for detecting the negative voltage of each fuel cell, and there is a problem that the cost increases. According to the fuel cell 100 of the present embodiment, since the bypass voltage Vcb is designed to be higher than the water electrolysis reaction generation voltage Vcw, the generation of the carbon oxidation reaction can be suppressed. Moreover, since it is not necessary to install a cell monitor for detecting the negative voltage of each fuel cell, an increase in cost can be suppressed.

また、従来から、ヒータによってガス流路内部の氷を融解する燃料電池が知られている。しかし、始動時に負電圧を検出した後ヒータを発熱させる構成では、氷を十分に融解することができず、カーボン酸化反応の発生を十分に回避することができなかった。また、ヒータを発熱させるための電力を要するため、発電電力の供給効率が低下するおそれがあった。本実施例の燃料電池100によれば、負電圧の発生に伴ってダイオードチップ500が発熱するため、発熱に要する時間の短縮を図ることができる。また、負電圧を用いてダイオードチップ500に電力を供給するため電力の使用効率の低下を抑制することができる。   Conventionally, a fuel cell in which ice inside a gas flow path is melted by a heater is known. However, in the configuration in which the heater is heated after detecting a negative voltage at the start, the ice cannot be sufficiently melted, and the occurrence of the carbon oxidation reaction cannot be sufficiently avoided. Moreover, since electric power for generating heat from the heater is required, the supply efficiency of generated power may be reduced. According to the fuel cell 100 of the present embodiment, the diode chip 500 generates heat as the negative voltage is generated, so that the time required for heat generation can be shortened. In addition, since power is supplied to the diode chip 500 using a negative voltage, it is possible to suppress a decrease in power usage efficiency.

B.第2実施例:
第1実施例のダイオードチップ500は、非発電領域ガス流路GCnを加熱可能な位置に配置されるものとして説明したが、第2実施例のダイオードチップ500は、非発電領域ガス流路GCn以外のガス流路を加熱可能な位置に配置されている。
B. Second embodiment:
Although the diode chip 500 of the first embodiment has been described as being disposed at a position where the non-power generation region gas flow path GCn can be heated, the diode chip 500 of the second embodiment is other than the non-power generation region gas flow path GCn. It arrange | positions in the position which can heat this gas flow path.

図12は、第2実施例に係るダイオードチップの設置位置を説明するための説明図である。図12には、第2実施例のセパレータのアノード側セパレータ310bとダイオードチップ500が示されている。図12は、第1実施例の図2と対応している。図12では、ガス流路形成部317におけるリブの表示を省略している。一方、図12では、ガス流路形成部317が形成された主面と反対側の主面(以後「背面」とも呼ぶ)に形成されている溝状の冷却水流路形成部の位置を破線BLで示している。冷却水流路形成部は、アノード側セパレータ310とカソード側セパレータ330とを積層したときに冷却水が流通する冷却水流路を形成する。   FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining an installation position of the diode chip according to the second embodiment. FIG. 12 shows an anode side separator 310b and a diode chip 500 of the separator of the second embodiment. FIG. 12 corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. In FIG. 12, the display of ribs in the gas flow path forming portion 317 is omitted. On the other hand, in FIG. 12, the position of the groove-shaped cooling water flow path forming portion formed on the main surface opposite to the main surface on which the gas flow path forming portion 317 is formed (hereinafter also referred to as “rear surface”) is indicated by a broken line BL. Is shown. The cooling water flow path forming unit forms a cooling water flow path through which cooling water flows when the anode side separator 310 and the cathode side separator 330 are stacked.

ガス流路形成部317は、背面に冷却水流路が形成された部分である冷却水流通領域部分317Awと、背面に冷却水流路が形成されていない部分である冷却水非流通領域部分317Acの2つの部分を有している。ここでは、冷却水非流通領域部分317AcとMEA210との間、もしくは、冷却水非流通領域部分317Aとシール部材220と、の間に形成されるガス流路を冷却水非流通領域ガス流路GCcとも呼ぶ。本実施例の冷却水非流通領域ガス流路GCcは、特許請求の範囲における「反対側の面に冷媒流路が形成されていないガス流路」に該当する。   The gas flow path forming section 317 includes two parts, a cooling water flow area portion 317Aw where the cooling water flow path is formed on the back surface and a cooling water non-flow flow area portion 317Ac where the cooling water flow path is not formed on the back surface. Has one part. Here, a gas flow path formed between the cooling water non-circulation region portion 317Ac and the MEA 210 or between the cooling water non-circulation region portion 317A and the seal member 220 is referred to as a cooling water non-circulation region gas flow path GCc. Also called. The cooling water non-circulation region gas flow path GCc of the present embodiment corresponds to “a gas flow path in which no refrigerant flow path is formed on the opposite surface” in the claims.

ダイオードチップ500は、この冷却水非流通領域ガス流路GCcを加熱可能な位置に配置されている。ダイオードチップ500の位置は、負電圧発生時の発熱によって、冷却水非流通領域ガス流路GCcを加熱することが可能な程度、冷却水非流通領域ガス流路GCcに近接した位置であれば、ガス流路の内部でも外部でもいずれでもよい。また、冷却水非流通領域ガス流路GCcを加熱可能であれば、ダイオードチップ500の位置は、発電領域部分317Ag(図2)であてもよいし、非発電領域部分317Anであってもよい。ダイオードチップ500の設置位置を冷却水非流通領域ガス流路GCcが加熱可能な位置としたのは、冷却水非流通領域ガス流路GCcは、冷却水からの熱が伝わりにくい場所であり、氷点下始動時に氷が溶解しにくいためである。   The diode chip 500 is disposed at a position where the cooling water non-circulation region gas flow path GCc can be heated. The position of the diode chip 500 is a position close to the cooling water non-circulation region gas flow path GCc to such an extent that the cooling water non-circulation region gas flow path GCc can be heated by the heat generated when the negative voltage is generated. Either inside or outside the gas flow path may be used. As long as the cooling water non-circulation region gas flow path GCc can be heated, the position of the diode chip 500 may be the power generation region portion 317Ag (FIG. 2) or the non-power generation region portion 317An. The installation position of the diode chip 500 is set to a position where the cooling water non-circulation region gas flow path GCc can be heated. The cooling water non-circulation region gas flow path GCc is a place where heat from the cooling water is difficult to be transmitted. This is because ice is difficult to melt at the start.

以上説明した、第2実施例の燃料電池100によれば、ダイオードチップ500の位置は、非発電領域ガス流路GCn(図2)を加熱可能な位置以外の位置に配置されたばあいであっても、氷点下環境下の始動で負電圧が生じたときに、ダイオードチップ500に電流が流れることによって、セル電圧がカーボン酸化反応の生じる電圧まで低下しないため、カーボン酸化反応の発生による燃料電池の性能の低下を抑制することができる。また、ダイオードチップ500に電流が流れると、ダイオードチップ500の加熱によって内部の氷を融解するため、発電効率の低下した状態を早期に解消することができる。   According to the fuel cell 100 of the second embodiment described above, the position of the diode chip 500 is the same as when the non-power generation region gas flow path GCn (FIG. 2) is disposed at a position other than the position where heating is possible. However, when a negative voltage is generated by starting under a freezing environment, a current flows through the diode chip 500, so that the cell voltage does not decrease to a voltage at which a carbon oxidation reaction occurs. A decrease in performance can be suppressed. Further, when a current flows through the diode chip 500, the internal ice is melted by heating the diode chip 500, so that the state in which the power generation efficiency is lowered can be quickly eliminated.

C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

C−1.変形例1:
ダイオードチップ500の設置位置は、ガス流路において、氷点下始動時に氷が溶解しにくい部分を加熱可能な位置であれば、上述した位置以外の位置に設置してもよい。また、本実施例で説明したダイオードチップ500の数、位置、および、範囲は例示であり、ダイオードチップ500の数、位置、および、範囲は、実施例以外の構成としてもよい。
C-1. Modification 1:
The diode chip 500 may be installed at a position other than the above-described position as long as the portion where the ice is difficult to melt at the time of starting below the freezing point can be heated. In addition, the number, position, and range of the diode chips 500 described in the present embodiment are examples, and the number, position, and range of the diode chips 500 may be configured other than the embodiment.

図13は、変形例1に係るダイオードチップの設置位置を説明するための説明図である。説明図である。図13(a)に示すように、ダイオードチップ500は、非発電領域ガス流路GCnや、凸部318などのリブと対向する位置に配置されていてもよい。また、図13(b)に示すように、ダイオードチップ500は、凸部318などのリブとそれぞれ対向する位置に複数配置されていてもよい。なお、ダイオードチップ500の設置位置を上記のようにする場合には、ダイオードチップ500の腐食を抑制するために、ダイオードチップ500の表面を金メッキなどによって被覆することが好ましい。   FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining an installation position of the diode chip according to the first modification. It is explanatory drawing. As illustrated in FIG. 13A, the diode chip 500 may be disposed at a position facing the non-power generation region gas flow path GCn, the ribs such as the convex portion 318, and the like. As shown in FIG. 13B, a plurality of diode chips 500 may be arranged at positions facing the ribs such as the convex portions 318, respectively. When the installation position of the diode chip 500 is as described above, it is preferable to cover the surface of the diode chip 500 with gold plating or the like in order to suppress corrosion of the diode chip 500.

C−2.変形例2:
本実施例で示した、ダイオードチップ500の替わりにダイオードを含まず、抵抗体や、電流量を制御可能な制御部等によって構成される発熱回路を使用してもよい。この構成であっても、発熱回路に電流が流れることによって、セル電圧がカーボン酸化反応の生じる電圧まで低下しないため、カーボン酸化反応の発生による燃料電池の性能の低下を抑制することができる。また、発熱体に電流が流れると、発熱体の加熱によって内部の氷を融解するため、発電効率の低下した状態を早期に解消することができる。
C-2. Modification 2:
Instead of the diode chip 500 shown in this embodiment, a diode may not be included, and a heating circuit configured by a resistor, a control unit capable of controlling the amount of current, or the like may be used. Even in this configuration, since the cell voltage does not decrease to the voltage at which the carbon oxidation reaction occurs due to the current flowing through the heat generating circuit, it is possible to suppress a decrease in the performance of the fuel cell due to the occurrence of the carbon oxidation reaction. Further, when a current flows through the heating element, the internal ice is melted by heating the heating element, so that the state in which the power generation efficiency is reduced can be quickly eliminated.

C−3.変形例3:
本実施例では、ガス流路は、アノード側セパレータ310に形成されたガス流路形成部317とシール部材一体型MEA200との間に形成されるものとして説明したが、ガス流路は、アノード側セパレータ310とシール部材一体型MEA200との間に配置されたガス流路形成部材によって形成されていてもよい。ガス流路形成部材とは、例えば、チタン、ステンレス、ニッケルもしくは銅等の発泡金属や、ステンレス鋼により形成されたエキスパンドメタルなどによって構成することができる。
C-3. Modification 3:
In the present embodiment, the gas flow path is described as being formed between the gas flow path forming portion 317 formed in the anode separator 310 and the seal member integrated MEA 200. However, the gas flow path is formed on the anode side. It may be formed by a gas flow path forming member disposed between the separator 310 and the seal member integrated MEA 200. The gas flow path forming member can be made of, for example, a foam metal such as titanium, stainless steel, nickel, or copper, or an expanded metal formed of stainless steel.

C−4.変形例4:
燃料電池スタック10は、ダイオードチップ500を備える燃料電池100のみを積層した構成に限定されず、ダイオードチップ500を備えていない燃料電池を一部含んでいてもよい。
C-4. Modification 4:
The fuel cell stack 10 is not limited to a configuration in which only the fuel cell 100 including the diode chip 500 is stacked, and may partially include a fuel cell that does not include the diode chip 500.

C−5.変形例5:
本実施例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
C-5. Modification 5:
In this embodiment, the polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, but various fuel cells such as a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid oxide fuel cell can be used.

10…燃料電池スタック
100…燃料電池
200…シール部材一体型MEA
210…MEA
212…電解質膜
214…アノード側触媒層
215…カソード側触媒層
220…シール部材
220b…挿通口
221…アノードガス供給用貫通孔
222…アノード排ガス排出用貫通孔
223…カソードガス供給用貫通孔
224…カソード排ガス排出用貫通孔
225…冷却水供給用貫通孔
226…冷却水排出用貫通孔
310…アノード側セパレータ
311…アノードガス供給用貫通孔
312…アノード排ガス排出用貫通孔
313…カソードガス供給用貫通孔
314…カソード排ガス排出用貫通孔
315…冷却水供給用貫通孔
316…冷却水排出用貫通孔
317…ガス流路形成部
318…凸部
330…カソード側セパレータ
410…アノード側ガス拡散層
430…カソード側ガス拡散層
500…ダイオードチップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 100 ... Fuel cell 200 ... Sealing member integrated MEA
210 ... MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 212 ... Electrolyte membrane 214 ... Anode side catalyst layer 215 ... Cathode side catalyst layer 220 ... Seal member 220b ... Insertion port 221 ... Through-hole for anode gas supply 222 ... Through-hole for anode exhaust gas discharge 223 ... Through-hole for cathode gas supply 224 ... Cathode exhaust gas discharge through hole 225 ... Cooling water supply through hole 226 ... Cooling water discharge through hole 310 ... Anode-side separator 311 ... Anode gas supply through hole 312 ... Anode exhaust gas discharge through hole 313 ... Cathode gas supply through hole Hole 314 ... Cathode exhaust gas discharge through hole 315 ... Cooling water supply through hole 316 ... Cooling water discharge through hole 317 ... Gas flow path forming portion 318 ... Projection 330 ... Cathode side separator 410 ... Anode side gas diffusion layer 430 ... Cathode side gas diffusion layer 500 ... Diode chip

Claims (7)

燃料電池であって、
膜電極接合体を含んで構成される発電部材と、
前記発電部材の両側にそれぞれ配置される一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの間に配置され、両端部が前記一対のセパレータにそれぞれ電気的に接続され、前記一対のセパレータの間に負電圧が生じたときに流れる電流によって発熱する発熱回路と、を備え、
前記発熱回路は、前記発電部材と前記セパレータとの間に形成されるガス流路を加熱可能な位置に配置されている、燃料電池。
A fuel cell,
A power generation member configured to include a membrane electrode assembly;
A pair of separators respectively disposed on both sides of the power generation member;
A heating circuit disposed between the pair of separators, having both ends electrically connected to the pair of separators, and generating heat by a current flowing when a negative voltage is generated between the pair of separators. ,
The heat generating circuit is a fuel cell that is disposed at a position where a gas flow path formed between the power generation member and the separator can be heated.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記一対のセパレータは、前記膜電極接合体のアノード側と接触するアノード側セパレータと、前記膜電極接合体のカソード側と接触するカソード側セパレータとを含み、
前記発熱回路は、前記アノード側セパレータから前記カソード側セパレータに電流が流れるように配置されたダイオードを含んでいる、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The pair of separators includes an anode separator that contacts the anode side of the membrane electrode assembly, and a cathode separator that contacts the cathode side of the membrane electrode assembly,
The heat generation circuit includes a diode arranged so that a current flows from the anode side separator to the cathode side separator.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池において、
前記発電部材は、前記膜電極接合体の外周部に形成される支持部材を含み、
前記発熱回路は、前記ガス流路のうち、前記セパレータと前記支持部材との間に形成されるガス流路を加熱可能な位置に配置されている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The power generation member includes a support member formed on an outer peripheral portion of the membrane electrode assembly,
The heat generating circuit is a fuel cell, wherein the heat generating circuit is disposed at a position where the gas flow path formed between the separator and the support member can be heated.
請求項3に記載の燃料電池において、
前記発熱回路は、前記セパレータと前記支持部材との間に形成されるガス流路の両側にそれぞれ配置されている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The fuel cell, wherein the heat generating circuit is disposed on each side of a gas flow path formed between the separator and the support member.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、前記発電部材と接触する面と反対側の面に冷媒流路を形成するための冷媒流路形成部を備え、
前記発熱回路は、前記ガス流路のうち、前記反対側の面に前記冷媒流路が形成されていないガス流路を加熱可能な位置に配置されている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The separator includes a refrigerant flow path forming portion for forming a refrigerant flow path on a surface opposite to a surface in contact with the power generation member,
The heat generating circuit is a fuel cell, wherein the heat generating circuit is disposed at a position capable of heating a gas channel in which the refrigerant channel is not formed on the opposite surface of the gas channel.
請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の燃料電池において、
前記発熱回路に電流が流れるときの前記一対のセパレータの間の負電圧が、前記膜電極接合体のアノードにおいて水電解反応が生じるときの電圧よりも大きい、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell, wherein a negative voltage between the pair of separators when a current flows through the heat generating circuit is larger than a voltage when a water electrolysis reaction occurs in an anode of the membrane electrode assembly.
燃料電池の検査方法であって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側にそれぞれ配置される一対のセパレータと、前記一対のセパレータの間に負電圧が生じたときに流れる電流によって発熱する発熱回路とを備える燃料電池を準備する工程と、
前記一対のセパレータの間の抵抗値が所定値以上となるまで前記膜電極接合体を乾燥させる工程と、
前記膜電極接合体を乾燥させた前記燃料電池の前記一対のセパレータの間に電流を流したときの前記一対のセパレータの間の負電圧が所定値以上か否かによって、前記燃料電池の状態を判断する工程と、を備える検査方法。
A method for inspecting a fuel cell,
A fuel cell comprising a membrane electrode assembly, a pair of separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and a heating circuit that generates heat due to a current flowing when a negative voltage is generated between the pair of separators. A preparation process;
Drying the membrane electrode assembly until a resistance value between the pair of separators is a predetermined value or more;
The state of the fuel cell is determined depending on whether or not a negative voltage between the pair of separators when a current is passed between the pair of separators of the fuel cell after drying the membrane electrode assembly is greater than or equal to a predetermined value. And a step of determining.
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