JP5764000B2

JP5764000B2 - Fuel cell temperature control device

Info

Publication number: JP5764000B2
Application number: JP2011159460A
Authority: JP
Inventors: 正和大橋; 振郭; 年坊万; 祐樹森松
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013026012A

Description

この発明は、燃料電池の温度を制御する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for controlling the temperature of a fuel cell.

燃料電池は燃料および酸化剤を電気化学的に反応させて発電をおこなうように構成されており、その燃料としてメタノールを使用し、これを改質することなく直接発電部に供給して発電をおこなうように構成されたダイレクトメタノール型の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと記す。）が知られている。 A fuel cell is configured to generate electricity by electrochemically reacting a fuel and an oxidizer. Methanol is used as the fuel, which is directly supplied to the power generation unit without reforming to generate power. A direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) configured as described above is known.

ＤＭＦＣは常温で液体のメタノールを燃料として使用しているため、燃料の取り扱い性がよく、これに加えて、高圧ガス等を燃料として使用しないことから、小型化が可能である。そのため、ＤＭＦＣは小型携帯型の電子機器用の充電器あるいは電源として、また１０ｋＷサイズの充電器としての使用が検討されている。 Since DMFC uses methanol, which is liquid at normal temperature, as a fuel, it is easy to handle the fuel. In addition, since DMFC does not use high-pressure gas or the like as a fuel, it can be miniaturized. Therefore, the use of DMFC as a charger or power source for small portable electronic devices and as a charger of 10 kW size is being studied.

一方で、ＤＭＦＣは水素を反応させて発電をおこなう水素型の燃料電池と比較して発電効率が低いことが知られている。したがって、ＤＭＦＣの発電効率を向上させることが望まれており、そのための方法の一つとして、発電部の温度を制御することが検討されている。すなわち、発電部のアノードにおけるメタノールの酸化反応は発熱反応であるから、発電部の温度を高めることによりその反応速度を向上させて発電効率を向上させることが検討されている。しかしながら、発電部の温度が過剰になると、アノードに供給したメタノールの一部が電解質膜を透過してカソードに到達し、そのカソードにおいて酸素と反応する燃料クロスオーバーと称される現象が生じてＤＭＦＣの発電効率が低下する可能性がある。このような発電部の過剰な温度上昇は、いわゆる単セルを積層化して発電部を構成した場合においては、特にその発電部の中央付近のセルの面方向の中央部分で生じる傾向があり、これは、積層化した各セルの外側部分は気中放熱により冷却され、これに対して中央部分の熱は気中放熱されにくいことによると考えられる。その結果、複数のセルを積層化して発電部を構成した場合においては、上述したような温度の不均一が原因となって発電効率が低下する可能性がある。 On the other hand, it is known that DMFC has lower power generation efficiency than a hydrogen fuel cell that generates power by reacting hydrogen. Therefore, it is desired to improve the power generation efficiency of the DMFC, and as one of the methods for that purpose, it is studied to control the temperature of the power generation unit. In other words, since the oxidation reaction of methanol at the anode of the power generation unit is an exothermic reaction, it has been studied to improve the power generation efficiency by increasing the reaction rate by increasing the temperature of the power generation unit. However, when the temperature of the power generation unit becomes excessive, a part of methanol supplied to the anode permeates the electrolyte membrane and reaches the cathode, and a phenomenon called fuel crossover that reacts with oxygen occurs at the cathode, and DMFC occurs. The power generation efficiency may be reduced. Such an excessive temperature rise in the power generation unit tends to occur in the central portion of the cell in the surface direction near the center of the power generation unit when the power generation unit is configured by stacking so-called single cells. It is considered that the outer portion of each stacked cell is cooled by heat release in the air, whereas the heat in the central portion is less likely to be released in the air. As a result, when a power generation unit is configured by stacking a plurality of cells, there is a possibility that the power generation efficiency may decrease due to the uneven temperature described above.

また、上述したように、メタノールの酸化反応は発熱反応であるから、発電を開始した時点においては発電部の温度が低いことが原因となって発電効率が低い。そのため、発電部の温度が予め定められた温度に達するまでの間において、他の電源から小型携帯型の電子機器に電力を供給し、発電部の温度が十分に高くなってから電力の供給源をＤＭＦＣに切り換えることが検討されている。しかしながらこのような構成では、他の電源を備える必要があることから、その分、小型化には不利になる。 Further, as described above, since the oxidation reaction of methanol is an exothermic reaction, the power generation efficiency is low due to the low temperature of the power generation unit at the time when power generation is started. Therefore, until the temperature of the power generation unit reaches a predetermined temperature, power is supplied from another power source to the small portable electronic device, and the power supply source after the temperature of the power generation unit becomes sufficiently high Is being considered to switch to DMFC. However, in such a configuration, it is necessary to provide another power source, which is disadvantageous for downsizing.

上記に加えて、燃料電池は原理的に水を生成するため、例えば、寒冷季においてその水が凍結した場合には、発電部に対して燃料を供給できなくなる可能性がある。これに加えて、発電部における電解質膜が凍結した場合には、その凍結が原因となって電解質膜が破損して発電そのものができない可能性がある。 In addition to the above, since the fuel cell in principle generates water, for example, when the water freezes in the cold season, there is a possibility that the fuel cannot be supplied to the power generation unit. In addition to this, when the electrolyte membrane in the power generation unit freezes, there is a possibility that the electrolyte membrane is damaged due to the freezing and power generation itself cannot be performed.

燃料電池が上述した発電を開始してから必要十分な電力を出力までの時間を短縮したり、寒冷季や寒冷地において燃料電池を使用するために、発電部の温度を制御するための技術の一例が特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１には、燃料電池用セパレータに、通電することにより発熱するシート状の発熱体を貼り付け、その発熱体が発生させる熱によってセパレータを昇温させるように構成した積層構成部品が記載されている。 A technology for controlling the temperature of the power generation unit in order to shorten the time from when the fuel cell starts the above-mentioned power generation until the necessary and sufficient power is output, or to use the fuel cell in the cold season or cold region. An example is described in Patent Document 1 and Patent Document 2. Patent Document 1 describes a laminated component in which a sheet-like heating element that generates heat when energized is attached to a fuel cell separator, and the temperature of the separator is increased by heat generated by the heating element. ing.

また、特許文献２には、発電部に燃料を供給するための流路溝が形成されているアノード側金属板において、その流路溝が形成される面とは反対側の面に、シート状の発熱体を設けた燃料電池が記載されている。そのシート状の発熱体は、ポリイミドなどの耐熱性樹脂によって形成されるフィルムと、そのフィルムの表面に配置されて予め定められた電圧が印加されることによりジュール熱を発生させる金属（すなわち、抵抗体）とを備えている。これに加えて、この特許文献２に記載された燃料電池は、アノード側金属板の温度を検出する温度センサと、その検出された温度に基づいてシート状の発熱体に印加する電圧を制御する制御部と、シート状の発熱体に供給する電圧を確保するための電源とを備えている。したがって、特許文献１や特許文献２に記載された装置によれば、シート状の発熱体が発生する熱によって発電部が昇温されるため、燃料電池が必要十分な電力を出力するまでの時間を短縮することができる、とされている。また、特許文献２に記載された燃料電池によれば、検出された温度に基づいてシート状の発熱体に印加する電圧をオンオフ制御するように構成されているため、発電部の温度を予め定めた温度の範囲に制御することができる、とされている。 Further, in Patent Document 2, in an anode side metal plate in which a channel groove for supplying fuel to the power generation unit is formed, a sheet-like shape is formed on the surface opposite to the surface on which the channel groove is formed. A fuel cell provided with a heating element is described. The sheet-like heating element includes a film formed of a heat-resistant resin such as polyimide, and a metal (that is, a resistor) that generates Joule heat by being applied to a predetermined voltage placed on the surface of the film. Body). In addition to this, the fuel cell described in Patent Document 2 controls a temperature sensor that detects the temperature of the anode side metal plate, and controls the voltage applied to the sheet-like heating element based on the detected temperature. A control unit and a power source for securing a voltage to be supplied to the sheet-like heating element are provided. Therefore, according to the devices described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the temperature of the power generation unit is raised by the heat generated by the sheet-like heating element, so the time until the fuel cell outputs necessary and sufficient power. Can be shortened. Further, according to the fuel cell described in Patent Document 2, since the voltage applied to the sheet-shaped heating element is controlled on and off based on the detected temperature, the temperature of the power generation unit is determined in advance. It can be controlled within a range of temperatures.

特開２００４−２２０９４７号公報JP 2004-220947 A 特開２００６−９２８４２号公報JP 2006-92842 A

特許文献１や特許文献２に記載された構成によれば、シート状の発熱体が発電部を温めるため、発電部が低温な状態であったとしても、必要十分な電力を出力するまでの時間を短縮できる可能性がある。しかしながら、上記の発熱体はこれに接触するセパレータやアノード側金属板の全面を均一に加熱するため、上述したように発電部の温度が不均一になる可能性があり、その結果、燃料電池全体としての発電効率を向上できない可能性がある。これに加えて、特許文献２に記載された構成では、温度センサや制御部が外的な衝撃によって脱離したり故障した場合には、抵抗体の発熱を制御することができず、発電部を過剰に加熱してしまう可能性がある。更にこれに加えて、燃料電池は局部的に酸やアルカリを生じるため、それらの酸やアルカリによって抵抗体の被膜が腐食させられた場合にはショートが生じる可能性がある。 According to the configurations described in Patent Document 1 and Patent Document 2, since the sheet-shaped heating element warms the power generation unit, even when the power generation unit is in a low temperature state, the time until the necessary and sufficient power is output. May be shortened. However, since the heating element uniformly heats the entire surface of the separator and the anode side metal plate in contact with the heating element, the temperature of the power generation unit may become non-uniform as described above. As a result, the power generation efficiency may not be improved. In addition to this, in the configuration described in Patent Document 2, when the temperature sensor or the control unit is detached or fails due to an external impact, the heat generation of the resistor cannot be controlled, and the power generation unit is There is a possibility of overheating. In addition to this, since the fuel cell locally generates acid and alkali, there is a possibility that a short circuit may occur when the film of the resistor is corroded by the acid or alkali.

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、発電部における温度の不均一を抑制するとともに、発電部の温度を予め定めた温度範囲にすることにより、発電効率を向上させ、かつ、発電を開始してから必要十分な電力を出力するまでの時間を短縮することができる燃料電池の温度制御装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made paying attention to the above technical problem, and suppresses uneven temperature in the power generation section and improves the power generation efficiency by setting the temperature of the power generation section within a predetermined temperature range. And it aims at providing the temperature control apparatus of the fuel cell which can shorten the time after starting electric power generation until it outputs necessary and sufficient electric power.

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料や酸化剤の電気化学反応によって発電をおこなうセルを積層化して発電部を構成し、その積層化した各セルの間に前記セルに対して前記燃料や酸化剤を供給する流路が形成されているセパレータが設けられている燃料電池の温度制御装置において、前記セパレータにおける前記流路が形成されている面とは反対側の面に、予め定められた電流が通電されることにより発熱し、かつ予め定められた温度に達した場合に前記通電が阻害されて前記発熱が停止するように構成された自己温度制御式の発熱体を備え、シート状に形成された複数の前記発熱体が、前記セパレータの面方向でその中心部から外側に向けて予め定められた間隔を空けて設けられ、前記外側に配置される前記発熱体における前記通電が阻害される温度は、その発熱体よりも前記中心部側に配置される前記発熱体における前記通電が阻害される温度に比較して高くなるように構成されていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that a power generation unit is configured by stacking cells that generate power by an electrochemical reaction of a fuel or an oxidant, and the cells are interposed between the stacked cells. In the temperature control device for a fuel cell, provided with a separator in which a flow path for supplying the fuel and oxidant is provided, a surface of the separator opposite to the surface on which the flow path is formed A self-temperature-controlled heating element configured to generate heat when a predetermined current is applied, and to stop the generation of heat when the predetermined temperature is reached. The plurality of heating elements formed in a sheet shape are provided at predetermined intervals from the center to the outside in the surface direction of the separator, and are arranged on the outside. In That the temperature at which the energization is inhibited, and characterized by being constituted such that the energization of said heating element is disposed in the central portion than the heating element becomes higher than the temperature to be inhibited To do.

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記発熱体は、通電されて発熱する導電体と、その導電体の発する熱によって熱膨張するマトリックスとを備え、そのマトリックスが熱膨張することに伴って前記導電体における前記通電が阻害されることにより前記発熱が抑制されるように構成されたＰＴＣヒーターを含むことを特徴とする燃料電池の温度制御装置である。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the heating element includes a conductor that generates heat when energized, and a matrix that thermally expands due to heat generated by the conductor, and the matrix thermally expands. A temperature control device for a fuel cell, comprising: a PTC heater configured to suppress the heat generation by inhibiting the energization of the conductor.

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記多孔質構造体は、前記セパレータは、一方の面に前記発電部のアノード側に前記燃料を供給する燃料チャンネルが形成され、他方の面に前記発電部のカソード側に前記酸化剤として酸素を含む空気を供給する空気チャンネルが形成されたバイポーラ−プレートを含み、そのバイポーラ−プレートの内部に前記発熱体が設けられていることを特徴とする燃料電池の温度制御装置である。 The invention according to claim 3, in inventions of claim 1 or 2, wherein the porous structure, the separator is a fuel channel for supplying the fuel to the anode side of the power generating portion on one surface is formed, A bipolar plate having an air channel for supplying air containing oxygen as the oxidant on the cathode side of the power generation unit on the other side; and the heating element is provided inside the bipolar plate. Is a temperature control device for a fuel cell.

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記セパレータは、熱伝導性を有するカーボンと、カーボンおよび金属製繊維の複合体と、金属性材料とのいずれかによって形成されていることを特徴とする燃料電池の温度制御装置である。 A fourth aspect of the present invention, formed in any one of the claims 1 to 3, wherein the separator includes a carbon having a thermal conductivity, a composite of carbon and metal fibers, either by a metallic material This is a temperature control device for a fuel cell.

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明において、前記燃料は、メタノールまたはメタノール水溶液を含むことを特徴とする燃料電池の温度制御装置である。 A fifth aspect of the present invention is the fuel cell temperature control device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the fuel includes methanol or a methanol aqueous solution.

請求項１の発明によれば、セパレータにおける燃料や酸化剤の流路が形成される面とは反対側の面に、通電されることにより発熱し、その発熱に伴って予め定められた温度まで昇温すると通電が阻害されて発熱が停止される自己温度制御式の発熱体が設けられている。そのため、その発熱体が発生する熱によって発電部を温めることができる。その結果、発電部における燃料や酸化剤の電気化学的な反応の反応速度を向上できることから、発電部に燃料を供給して発電を開始してから発電部が必要十分な電力を出力するまでの時間を短縮することができる。しかも、その発熱体は予め定められた温度に達すると、その通電が阻害されて発熱が抑制されるため、言い換えれば自動的に発熱を停止するように構成されているため、発電部の温度を予め定められた温度範囲に維持することが可能になる。これらの結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, the surface of the separator opposite to the surface on which the fuel and oxidant flow paths are formed generates heat when energized, and reaches a predetermined temperature along with the heat generation. A self-temperature control type heating element is provided in which energization is hindered when the temperature rises and heat generation is stopped. Therefore, the power generation unit can be warmed by the heat generated by the heating element. As a result, the reaction rate of the electrochemical reaction of fuel and oxidant in the power generation unit can be improved, so that the power generation unit can start generating electricity after supplying fuel to the power generation unit until it outputs sufficient power. Time can be shortened. In addition, when the heating element reaches a predetermined temperature, its energization is inhibited and heat generation is suppressed.In other words, since the heating element is configured to automatically stop heating, the temperature of the power generation unit is reduced. It becomes possible to maintain the temperature in a predetermined temperature range. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

さらに加えて、シート状に形成された複数の発熱体がセパレータの面方向でその中心部から外側に向けて予め定められた間隔を空けて設けられ、外側に配置される発熱体の通電が阻害される温度が、これよりも中心部側に設けられる発熱体の前記温度よりも高くなるように構成されている。言い換えれば、発熱体の最大発熱温度がセパレータの面方向でその中心部から外側に向けて段階的もしくは連続的に高くなるように構成されている。すなわち、複数のセルを積層化して発電部を構成すると、その積層の中心付近のセルの面方向で中央部の温度は他の部分に比較して高温となるが、上述したように発電体を構成し、またセパレータに設けることによって複数のセルを積層化して構成された発電部に生じる温度の不均一を抑制することができる。その結果、各セルの面方向で均一もしくはほぼ均一に上述した燃料や酸化剤の電気化学的な反応をおこなわせることができ、複数のセルを積層化して構成された発電部を備えた燃料電池においても、燃料電池の発電効率を向上させることができる。 In addition, a plurality of heating elements formed in a sheet shape are provided at predetermined intervals from the center to the outside in the surface direction of the separator, and the energization of the heating elements arranged outside is obstructed. The temperature of the heating element is configured to be higher than the temperature of the heating element provided on the central portion side. In other words, the maximum heat generation temperature of the heating element is configured to increase stepwise or continuously from the center to the outside in the surface direction of the separator. That is, when a power generation unit is configured by stacking a plurality of cells, the temperature of the central part in the surface direction of the cell near the center of the stack is higher than that of the other parts. By configuring and providing the separator, it is possible to suppress temperature non-uniformity generated in a power generation unit configured by stacking a plurality of cells. As a result, the fuel cell including the power generation unit configured by stacking a plurality of cells, which can cause the above-described electrochemical reaction of the fuel and the oxidant to uniformly or almost uniformly in the plane direction of each cell. In this case, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、発熱体は、通電されて発熱する導電体と、その導電体の発する熱によって熱膨張するマトリックスとを備え、そのマトリックスが熱膨張することに伴って導電体の通電が阻害されることにより導電体の発熱が抑制されるように構成されたＰＴＣヒーターを含んでいる。上述したように、このＰＴＣヒーターは温度を検出するための温度センサや、発熱を制御するための制御装置などを必要としないため、その分、部品コストを削減することが可能になる。これに加えて、ＰＴＣヒーターは、原理的に過剰に発熱しないため、安全かつ安定的に熱を得ることができる。したがって、このような構成の発熱体を発電部の昇温に用いることにより、発電部の温度が過剰になることを未然に防止して、その温度を予め定められた温度範囲にすることができる。 According to the invention of claim 2 , in addition to the effect similar to the effect of the invention of claim 1 , the heating element includes a conductor that generates heat when energized, and a matrix that thermally expands due to heat generated by the conductor. And a PTC heater configured to suppress heat generation of the conductor by inhibiting conduction of the conductor as the matrix thermally expands. As described above, this PTC heater does not require a temperature sensor for detecting temperature, a control device for controlling heat generation, and the like, so that the part cost can be reduced accordingly. In addition, since the PTC heater does not generate excessive heat in principle, heat can be obtained safely and stably. Therefore, by using the heating element having such a configuration for raising the temperature of the power generation unit, it is possible to prevent the temperature of the power generation unit from becoming excessive and to set the temperature within a predetermined temperature range. .

請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明による効果と同様の効果に加えて、バイポーラ−プレートの内部にシート状の発熱体を設けることにより、バイポーラ−プレートに発熱機能を持たせることができる。 According to the invention of claim 3, in addition to the same effects as the effects of inventions of claim 1 or 2, bipolar - by providing a sheet-like heating element in the interior of the plate, bipolar - a heat generating function to the plate You can have it.

請求項４の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかの発明による効果と同様の効果に加えて、セパレータやバイポーラ−プレートをカーボンあるいはカーボンと金属製繊維との複合体もしくは金属性材料によって形成することにより、例えば合成樹脂材料によって形成される従来のセパレータやバイポーラ−プレートに比較して熱伝達性を向上させることができる。そのため、発熱体による発電部の昇温を効率的におこなうことができる。 According to the invention of claim 4 , in addition to the effect similar to the effect of any one of the inventions of claims 1 to 3 , the separator or bipolar plate is made of carbon or a composite of carbon and metal fibers or a metallic material. The heat transferability can be improved as compared with a conventional separator or bipolar plate formed of, for example, a synthetic resin material. Therefore, it is possible to efficiently raise the temperature of the power generation unit by the heating element.

請求項５の発明によれば、請求項１ないし４のいずれかの発明による効果と同様の効果に加えて、反応性が高く、エネルギ密度の高いメタノールを燃料に用いることができる。すなわち、メタノールやメタノール水溶液を直接発電部に供給して発電をおこなうＤＭＦＣの発電効率を向上させることができる。

According to the invention of claim 5 , in addition to the effect similar to the effect of any one of claims 1 to 4 , methanol having high reactivity and high energy density can be used for the fuel. That is, it is possible to improve the power generation efficiency of the DMFC that generates power by supplying methanol or an aqueous methanol solution directly to the power generation unit.

この発明に係る燃料電池の発電部の構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a structure of the electric power generation part of the fuel cell which concerns on this invention. この発明に係る発熱体の構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of a structure of the heat generating body which concerns on this invention. セパレータの面方向における発熱体の配置の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of arrangement | positioning of the heat generating body in the surface direction of a separator.

つぎにこの発明を具体的に説明する。図１に、この発明に係る燃料電池の発電部の構成の一例を示す断面図を示してある。詳細は図示しないが、燃料電池は燃料を貯留する燃料タンクを備え、その燃料タンクは燃料供給管路を介して発電部１に連通されている。燃料の供給は電気的に駆動されるポンプを使用する方法、毛細管力を生じるウイックを燃料供給管路に設けることにより、ウイックの生じる毛細管力によって燃料を供給する方法、燃料タンクの内圧を高めることにより燃料タンクから燃料を押し出して供給する方法、燃料として例えば水素ガスを使用する場合にはそのガス圧を利用して燃料を供給する方法、すなわち燃料タンクと発電部との圧力差を利用して燃料を供給する方法など、従来知られている方法で行えばよい。 Next, the present invention will be specifically described. FIG. 1 is a sectional view showing an example of the configuration of a power generation unit of a fuel cell according to the present invention. Although not shown in detail, the fuel cell includes a fuel tank that stores fuel, and the fuel tank communicates with the power generation unit 1 through a fuel supply line. Fuel is supplied by using an electrically driven pump, a wick that generates capillary force is provided in the fuel supply line, fuel is supplied by capillary force that generates wick, and the internal pressure of the fuel tank is increased. For example, when hydrogen gas is used as the fuel, a method for supplying fuel using the gas pressure, that is, a pressure difference between the fuel tank and the power generation unit. A conventionally known method such as a method of supplying fuel may be used.

発電部１は、図１に示す例では、複数のセル２が積層化されたスタックとして構成されている。セル２は実質的な燃料電池に相当する部分であり、セル２は電解質として高分子電解質膜３を備え、その表裏両面側に触媒層（図示せず）がそれぞれ設けられている。その高分子電解質膜３には、一例としてパーフルオロスルホン酸系高分子膜（例えばNafion 117（登録商標））やポリベンゾイミダゾールなどのフッ素系の高分子膜を用いることができる。 In the example illustrated in FIG. 1, the power generation unit 1 is configured as a stack in which a plurality of cells 2 are stacked. The cell 2 is a portion corresponding to a substantial fuel cell. The cell 2 includes a polymer electrolyte membrane 3 as an electrolyte, and catalyst layers (not shown) are provided on both front and back sides. As the polymer electrolyte membrane 3, for example, a fluoropolymer membrane such as a perfluorosulfonic acid polymer membrane (for example, Nafion 117 (registered trademark)) or polybenzimidazole can be used.

燃料としてメタノールを使用する場合には、アノード側触媒層は触媒の存在下でメタノールと水とを反応させるものであるから、例えば、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などによって形成されたメッシュ構造体の表面に触媒として白金およびルテニウムの等量混合物を被覆して形成することができる。なお、燃料としては無希釈のメタノールと、水によって予め定められた濃度に調整されたメタノール水溶液とのいずれをも使用することができる。 When methanol is used as the fuel, the anode-side catalyst layer reacts methanol and water in the presence of the catalyst. For example, the surface of the mesh structure formed of titanium, stainless steel (SUS), or the like. Further, an equivalent mixture of platinum and ruthenium can be coated as a catalyst. As the fuel, either undiluted methanol or an aqueous methanol solution adjusted to a predetermined concentration with water can be used.

これに対してカソード側触媒層は触媒の存在下で外部から供給された酸素、すなわち酸化剤と、アノードから高分子電解質膜３を透過してきたプロトンと、電気回路（図示せず）を移動してきた電子とを反応させるように構成されている。カソード側触媒層は、例えば、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などによって形成されたメッシュ構造体の表面に触媒として白金を被覆して形成することができる。 On the other hand, the cathode catalyst layer moves oxygen supplied from the outside in the presence of the catalyst, that is, an oxidizing agent, protons that have permeated the polymer electrolyte membrane 3 from the anode, and an electric circuit (not shown). It is configured to react with electrons. The cathode side catalyst layer can be formed, for example, by coating platinum as a catalyst on the surface of a mesh structure formed of titanium, stainless steel (SUS), or the like.

各触媒層の表面側には、ガス拡散層４，５がそれぞれ設けられている。各ガス拡散層４，５は各触媒層の表面側に燃料や酸化剤として用いられる酸素を含む空気を均一に拡散させて供給するための空隙を確保するためのものであり、導電性の多孔構造とされている。ガス拡散層４，５としては一例として、カーボン紙あるいはカーボン繊維をメッシュ構造に編んだものを使用することができる。これに加えて、燃料電池では燃料および酸化剤の電気化学的な反応に伴って原理的に水が生成されるため、その水が各ガス拡散層４，５に付着することにより、燃料および空気の拡散あるいは流動が阻害されないように、各ガス拡散層４，５に水和処理を施すことが好ましい。その水和処理は上記のカーボン紙あるいはカーボン繊維に酸化スズを含浸させる方法など、従来知られている方法で行えばよい。 Gas diffusion layers 4 and 5 are provided on the surface side of each catalyst layer. Each of the gas diffusion layers 4 and 5 is for securing a void for uniformly diffusing and supplying air containing oxygen used as a fuel or an oxidant on the surface side of each catalyst layer. It is structured. As an example of the gas diffusion layers 4 and 5, carbon paper or carbon fiber knitted into a mesh structure can be used. In addition to this, in the fuel cell, water is generated in principle in accordance with the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant, so that the water adheres to each of the gas diffusion layers 4 and 5, so It is preferable to hydrate the gas diffusion layers 4 and 5 so that the diffusion or flow of the gas is not inhibited. The hydration treatment may be performed by a conventionally known method such as a method of impregnating the above carbon paper or carbon fiber with tin oxide.

ガス拡散層４，５の表面側に集電板（図示せず）がそれぞれ設けられている。集電板は、アノードの触媒反応で生じた電子を捕捉してカソードに移動させるとともに、発電した電力を燃料電池の外部に取り出すためのものである。そのため、集電板は電子の捕捉を向上させたり、電気的な腐食に対する耐久性を向上させるために、これに加えて燃料や空気を触媒層に到達させるために、一例として鉄、銅、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属製のメッシュ構造体に白金や金などの導電性材料を被覆して形成することができる。 Current collector plates (not shown) are provided on the surface sides of the gas diffusion layers 4 and 5, respectively. The current collector plate captures electrons generated by the catalytic reaction of the anode and moves them to the cathode, and takes out the generated power to the outside of the fuel cell. Therefore, in order to improve the trapping of electrons and improve the durability against electrical corrosion, the current collector plate is made of iron, copper, titanium as an example in order to allow fuel and air to reach the catalyst layer. It can be formed by coating a metal mesh structure such as stainless steel (SUS) with a conductive material such as platinum or gold.

そして、上記の高分子電解質膜３および各触媒層ならびに各ガス拡散層４，５そして各集電板を積層し、例えばホットプレス機で加熱加圧して一体構造化することによりセル２が構成される。 The polymer electrolyte membrane 3, the catalyst layers, the gas diffusion layers 4 and 5, and the current collectors are stacked, and the cell 2 is formed by, for example, heating and pressing with a hot press machine to form an integral structure. The

各セル２を積層化してスタックを形成する場合には、例えば一つのセル２のアノード側と、これに隣接して配置される他のセル２のカソード側とがセパレータ６ｓａ，６ｓｃを挟んで対向するように配置することができる。セパレータ６ｓａ，６ｓｃは一つのセル２を他のセル２に対してシールして各セル２ごとに発電をおこなわせるように構成されている。これに加えて、セパレータ６ｓａ，６ｓｃには各セル２に対して燃料や酸化剤を供給するための流路が形成されており、すなわち、セパレータ６ｓａ，６ｓｃは各セル２に燃料や酸化剤を供給するための部材としても機能する。図１に示す例においては、セル２のアノード側に燃料を供給するための流路（図示せず）が形成されたアノード側セパレータ６ｓａが設けられ、セル２のカソード側に酸化剤を供給するための流路（図示せず）が形成されたカソード側セパレータ６ｓｃが設けられている。したがって、詳細は図示しないが、セパレータ６ｓａに形成された燃料の流路は上述した燃料供給管路に連通され、セパレータ６ｓｃの酸化剤の流路は例えば発電部１の外部に連通されている。このセパレータ６ｓａ，６ｓｃに替わってプレートの一方の面に上述した燃料を供給するために流路を形成し、他方の面に上述した酸化剤を供給するための流路を形成した、いわゆるバイポーラ−プレートを使用することもできる。 When stacking each cell 2 to form a stack, for example, the anode side of one cell 2 and the cathode side of another cell 2 arranged adjacent thereto are opposed to each other with separators 6sa and 6sc interposed therebetween. Can be arranged to do. Separator 6sa, 6sc is comprised so that one cell 2 may be sealed with respect to the other cell 2, and each cell 2 may generate electric power. In addition, the separators 6sa and 6sc are provided with a flow path for supplying fuel and oxidant to each cell 2. That is, the separators 6sa and 6sc supply fuel and oxidant to each cell 2. It also functions as a member for supplying. In the example shown in FIG. 1, an anode-side separator 6sa having a flow path (not shown) for supplying fuel to the anode side of the cell 2 is provided, and an oxidant is supplied to the cathode side of the cell 2. A cathode-side separator 6sc in which a flow path (not shown) is formed is provided. Accordingly, although not shown in detail, the fuel flow path formed in the separator 6sa communicates with the above-described fuel supply pipe, and the oxidant flow path of the separator 6sc communicates with the outside of the power generation unit 1, for example. In place of the separators 6sa and 6sc, a so-called bipolar type in which a flow path is formed on one surface of the plate to supply the above-described fuel and a flow path for supplying the above-described oxidizing agent is formed on the other surface. Plates can also be used.

アノード側セパレータ６ｓａと、カソード側セパレータ６ｓｃとの間にこの発明に係る発熱体７が設けられている。発熱体７はアノード側セパレータ６ｓａと、カソード側セパレータ６ｓｃとのいずれか一方に一体化して設けてもよい。発熱体７はシート形状あるいはプレート形状に形成されていて、図示しない電源から予め定められた電流が印加されることにより発熱し、その発熱によって予め定められた温度に達した場合に、上述した通電が阻害もしくは遮断されて発熱が抑制され、また上記の予め定められた温度を下まわった場合には、上述した電流が再び印加されることにより発熱するように構成されている。セパレータ６ｓａ，６ｓｃに替わってバイポーラ−プレートを用いる場合には、バイポーラ−プレートの内部に発熱体７を設ければよい。 A heating element 7 according to the present invention is provided between the anode side separator 6sa and the cathode side separator 6sc. The heating element 7 may be provided integrally with either the anode side separator 6sa or the cathode side separator 6sc. The heating element 7 is formed in a sheet shape or a plate shape, and generates heat when a predetermined current is applied from a power source (not shown), and when the temperature reaches a predetermined temperature due to the generated heat, the above-described energization is performed. Is blocked or blocked to suppress heat generation, and when the temperature falls below the predetermined temperature, the above-described current is applied again to generate heat. When a bipolar plate is used instead of the separators 6sa and 6sc, the heating element 7 may be provided inside the bipolar plate.

セパレータ６ｓａ，６ｓｃやバイポーラ−プレートはカーボンや金属によって形成したり、カーボンとこれを補強するための合成樹脂製の繊維あるいは金属製繊維とによって形成してもよい。セパレータ６ｓａ，６ｓｃやバイポーラ−プレートを熱伝導性を有するカーボンや金属を含む材料によって形成することにより、セパレータ６ｓａ，６ｓｃやバイポーラ−プレートに熱伝導性を持たせることができる。 The separators 6sa, 6sc and the bipolar plate may be formed of carbon or metal, or may be formed of carbon and synthetic resin fibers or metal fibers for reinforcing the carbon. By forming the separators 6sa, 6sc and the bipolar plate with a material containing carbon or metal having thermal conductivity, the separators 6sa, 6sc and bipolar plate can be given thermal conductivity.

図２に、この発明に係る発熱体の構成の一例を模式的に示してある。この発熱体７には一例として、通電されることにより発熱し、その発熱による温度上昇に伴って電気抵抗値が正の係数をもって増大する特性を有するいわゆるＰＴＣヒーターを用いることができる。より具体的に説明すると、発熱体７は中空のフレーム８を備え、そのフレーム８の中空部に導体９，１０が設けられている。フレーム８は例えばフィルムやプレートを貼り合わせて構成されている。導体９，１０は導電性を有する導電性材料によって形成されており、図示しない電源から予め定められた電流が印加されるようになっている。フレーム８の中空部には、温度に応じて膨張・収縮するマトリックスが充填されており、そのマトリックスに導電性を有するカーボンブラック、すなわち炭素微粒子が分散させられている。マトリックスは、例えば、その温度が高くなることに伴って膨張し、その温度が低くなることに伴って収縮する熱膨張性を有する合成樹脂材料によって形成されている。図２において、温度に応じて膨張・収縮するマトリックスの樹脂成分を符号１１で示してある。上記の炭素微粒子がこの発明における導電体に相当し、マトリックスがこの発明におけるマトリックスに相当する。 FIG. 2 schematically shows an example of the configuration of the heating element according to the present invention. For example, a so-called PTC heater having a characteristic that the heat generation element 7 generates heat when energized and the electrical resistance value increases with a positive coefficient as the temperature rises due to the heat generation can be used. More specifically, the heating element 7 includes a hollow frame 8, and conductors 9 and 10 are provided in the hollow portion of the frame 8. The frame 8 is configured by, for example, bonding a film or a plate. The conductors 9 and 10 are made of a conductive material having conductivity, and a predetermined current is applied from a power source (not shown). The hollow portion of the frame 8 is filled with a matrix that expands and contracts depending on the temperature, and carbon black having conductivity, that is, carbon fine particles are dispersed in the matrix. The matrix is formed of, for example, a synthetic resin material having a thermal expansion property that expands as the temperature increases and contracts as the temperature decreases. In FIG. 2, the resin component of the matrix that expands and contracts according to the temperature is indicated by reference numeral 11. The carbon fine particles described above correspond to the conductor in the present invention, and the matrix corresponds to the matrix in the present invention.

上述したように構成された発熱体７の作用について説明する。発熱体７や燃料電池が低温状態の場合には、図２に示したように、隣接する炭素微粒子同士が接触するとともに、導体９，１０に接触してこれらの間に炭素微粒子の導線１２が形成される。導体９，１０に予め定められた電流を印加すると、上記の導線１２を電気が流れる。導線１２は炭素微粒子の電気抵抗に応じたジュール熱を発生するため、マトリックスの樹脂成分１１は炭素微粒子が発するジュール熱によって温められて熱膨張する。そのため、高温状態では、図２に示したように、マトリックスの樹脂成分１１によって隣接する炭素微粒子同士が引き離されて上記の導線１２の通電が遮断あるいは阻害される。すなわち、通電による炭素微粒子のジュール熱が発生しなくなる。その結果、発熱体７の温度が低下し、これに伴ってマトリックスの樹脂成分１１が次第に収縮して元の大きさに戻る。そして、隣接する炭素微粒子同士が接触するとともに、導体９，１０に接触して導体９，１０の間に炭素微粒子の導線１２が再び形成される。 The operation of the heating element 7 configured as described above will be described. When the heating element 7 and the fuel cell are in a low temperature state, as shown in FIG. 2, the adjacent carbon fine particles are in contact with each other, and the conductors 9 and 10 are in contact with each other, and the carbon fine particle conductor 12 is interposed between them. It is formed. When a predetermined current is applied to the conductors 9 and 10, electricity flows through the conductor 12. Since the conducting wire 12 generates Joule heat corresponding to the electric resistance of the carbon fine particles, the resin component 11 of the matrix is heated by the Joule heat generated by the carbon fine particles and thermally expands. Therefore, in a high temperature state, as shown in FIG. 2, adjacent carbon fine particles are separated from each other by the resin component 11 of the matrix, and the conduction of the conductive wire 12 is interrupted or inhibited. That is, Joule heat of carbon fine particles due to energization does not occur. As a result, the temperature of the heating element 7 decreases, and the resin component 11 of the matrix gradually shrinks and returns to its original size. Then, adjacent carbon fine particles come into contact with each other, and in contact with the conductors 9, 10, the carbon fine wire 12 is formed again between the conductors 9, 10.

このように発熱体７は例えばサーモスタットなどのような温度制御機器を用いないで自己の温度を制御するように構成されており、したがって、この発熱体７は自己温度制御式の発熱体と言うことができる。発熱体７としては、上述したように、従来一般的に市販されているＰＴＣ特性を用いたヒーターを使用することができる。 Thus, the heating element 7 is configured to control its own temperature without using a temperature control device such as a thermostat. Therefore, the heating element 7 is a self-temperature control type heating element. Can do. As the heating element 7, as described above, a heater using a PTC characteristic that is generally commercially available can be used.

図３に、セパレータの面方向における発熱体の配置の一例を模式的に示してある。図３に示す例では、帯状かつ矩形状に形成された複数のシート状の発熱体７がセパレータ６ｓａ，６ｓｃの幾何学的な中心からその外側に向けて予め定められた間隔をあけて配置されている。各発熱体７は電流供給部１３，１４を介して電気的に接続されている。これに加えて、各発熱体７は、上述した通電が阻害される温度、言い換えれば最大発熱温度が異なるように構成されている。一例として、セパレータ６ｓａ，６ｓｃの外側部分に配置される発熱体７の最大発熱温度は、これよりもセパレータ６ｓａ，６ｓｃの幾何学的な中心部側に配置される発熱体７の最大発熱温度よりも高くなるように構成されている。より具体的には、例えば、ＤＭＦＣの発電部の最適温度が７０℃前後であるから、上述したセパレータ６ｓａ，６ｓｃの中心部に配置される発熱体７の最大発熱温度を６０℃とし、これよりも外側に配置される発熱体７の最大発熱温度を段階的に引き上げて、最も外側部分に配置される発熱体７の最大発熱温度を７０℃とすることができる。なお、複数の発熱体７を、セパレータ６ｓａ，６ｓｃの幾何学的な中心部からその外側部分に向けて予め定められた間隔をあけて同心円状に配置してもよい。 FIG. 3 schematically shows an example of the arrangement of the heating elements in the surface direction of the separator. In the example shown in FIG. 3, a plurality of sheet-like heating elements 7 formed in a band shape and a rectangular shape are arranged at predetermined intervals from the geometric center of the separators 6 sa and 6 sc toward the outside thereof. ing. Each heating element 7 is electrically connected via current supply units 13 and 14. In addition to this, each heating element 7 is configured such that the temperature at which the above-described energization is inhibited, in other words, the maximum heating temperature is different. As an example, the maximum heat generation temperature of the heating element 7 disposed on the outer portion of the separators 6sa and 6sc is higher than the maximum heat generation temperature of the heating element 7 disposed on the geometrical center side of the separators 6sa and 6sc. Is also configured to be higher. More specifically, for example, since the optimum temperature of the power generation section of the DMFC is around 70 ° C., the maximum heat generation temperature of the heating element 7 arranged at the center of the separators 6sa and 6sc described above is set to 60 ° C. In addition, the maximum heat generation temperature of the heat generating element 7 disposed on the outer side can be raised stepwise so that the maximum heat generation temperature of the heat generating element 7 disposed on the outermost part can be set to 70 ° C. In addition, you may arrange | position the several heat generating body 7 concentrically at predetermined intervals toward the outer side part from the geometrical center part of separator 6sa, 6sc.

つぎに、上述したように構成した発電部１の作用について説明する。例えば、燃料電池が低温に曝されており、その低温状態から発電を開始する場合には、燃料タンクから発電部１に対して燃料を供給するとともに、発熱体７に通電して発熱させて発電部１の温度を上昇させる。発熱体７の温度が上昇することに伴って発電部１においては、燃料および酸化剤の電気化学的な反応の反応速度が上昇して発電部１の発電効率が上昇する。そして、発電部１の温度が予め定められた温度に達すると、発熱体７は上述したように自動的に通電が遮断もしくは阻害されてその発熱が抑制される。これに加えて、セパレータ６ｓａ，６ｓｃの外側部分に配置される発熱体７の最大発熱温度は、セパレータ６ｓａ，６ｓｃの幾何学的な中心部側に配置される発熱体７の最大発熱温度よりも高くなるように構成されている。そのため、各セル２の面方向における温度の不均一が防止もしくは抑制される。 Next, the operation of the power generation unit 1 configured as described above will be described. For example, when the fuel cell is exposed to a low temperature and power generation is started from the low temperature state, fuel is supplied from the fuel tank to the power generation unit 1 and the heating element 7 is energized to generate heat to generate power. Increase the temperature of part 1. As the temperature of the heating element 7 rises, in the power generation unit 1, the reaction rate of the electrochemical reaction between the fuel and the oxidant increases and the power generation efficiency of the power generation unit 1 increases. When the temperature of the power generation unit 1 reaches a predetermined temperature, the heating element 7 is automatically interrupted or inhibited as described above, and the heat generation is suppressed. In addition to this, the maximum heat generation temperature of the heating elements 7 arranged on the outer portions of the separators 6sa and 6sc is higher than the maximum heat generation temperature of the heating elements 7 arranged on the geometrical center side of the separators 6sa and 6sc. It is configured to be high. Therefore, temperature nonuniformity in the surface direction of each cell 2 is prevented or suppressed.

したがって、発電部１に自己温度制御式の発熱体７を設けることにより、発熱体７の発生する熱によって燃料電池が必要十分な電力を出力するまでの時間を短縮することができる。すなわち燃料電池の起動速度を向上させることができる。このような発電部１に発熱体７を設けた構成は、発電部１が凍結するような低温状態から燃料電池を起動させる場合に特に有効である。これに加えて、発熱体７は予め定められた温度に達すると、自動的に発熱を停止するため、発電部１の温度を予め定めた温度範囲に維持することができる。更にこれに加えて、発電部１の外側に配置される発熱体７の最大発熱温度を、これよりも中心部側に配置される発熱体７の最大発熱温度よりも高くすることにより、発電部１を構成する各セル２の面方向における温度の不均一を防止もしくは抑制することができる。これらの結果、燃料電池の発電効率を従来になく高くすることができる。 Therefore, by providing the self-temperature control type heating element 7 in the power generation unit 1, it is possible to shorten the time until the fuel cell outputs necessary and sufficient power by the heat generated by the heating element 7. That is, the starting speed of the fuel cell can be improved. Such a configuration in which the heat generator 7 is provided in the power generation unit 1 is particularly effective when starting the fuel cell from a low temperature state where the power generation unit 1 is frozen. In addition to this, when the heating element 7 reaches a predetermined temperature, it automatically stops generating heat, so that the temperature of the power generation unit 1 can be maintained within a predetermined temperature range. Furthermore, in addition to this, the maximum heat generation temperature of the heating element 7 disposed outside the power generation unit 1 is set higher than the maximum heat generation temperature of the heating element 7 disposed on the center side from this, thereby generating the power generation unit. 1 can prevent or suppress temperature non-uniformity in the surface direction of each cell 2 constituting one. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell can be made higher than ever before.

つぎに、上述した発熱体７を適用したＤＭＦＣの実験機を作成し、その発電特性を評価した。発熱体７は厚さ１．０ｍｍのシート状に形成し、その最大発熱温度を７０℃とした。これをアノード側セパレータ６ｓａとカソード側セパレータ６ｓｃとの間に配置した。高分子電解質膜３にはフッ素系の高分子膜を用いた。アノード側触媒層の触媒には、白金とルテニウムの等量混合物を用いた。カソード側触媒層の触媒には、白金を用いた。各ガス拡散層４，５には、厚みが１．０ｍｍのカーボン繊維を用いた。セパレータ６ｓａ，６ｓｃはカーボンによって形成した。セル２の面積を２０ｃｍ^２に調整し、これに水で希釈したメタノール水溶液を供給して最大の発電電力が得られるまでの時間を測定した。 Next, a DMFC experimental machine to which the heating element 7 described above was applied was created, and its power generation characteristics were evaluated. The heating element 7 was formed in a sheet shape having a thickness of 1.0 mm, and its maximum heating temperature was 70 ° C. This was disposed between the anode side separator 6sa and the cathode side separator 6sc. The polymer electrolyte membrane 3 was a fluorine polymer membrane. As a catalyst for the anode side catalyst layer, an equal mixture of platinum and ruthenium was used. Platinum was used for the catalyst of the cathode side catalyst layer. Carbon fibers having a thickness of 1.0 mm were used for the gas diffusion layers 4 and 5. Separators 6sa and 6sc were made of carbon. The area of the cell 2 was adjusted to 20 cm ² , and a time until a maximum generated power was obtained by supplying a methanol aqueous solution diluted with water was measured.

発熱体７を、図３に示したように、セパレータ６ｓａ，６ｓｃの幾何学的な中心からその外周側に向けて予め定められた間隔をあけて配置するとともに、セパレータ６ｓａ，６ｓｃの中心部側に配置される発熱体７の最大発熱温度を６０℃とし、これよりも外側に配置される発熱体７の最大発熱温度を段階的に引き上げて、最も外側部分に配置される発熱体７の最大発熱温度を７０℃とした。その他の構成は実施例１と同様の構成にした。 As shown in FIG. 3, the heating element 7 is arranged at a predetermined interval from the geometric center of the separators 6sa and 6sc toward the outer peripheral side thereof, and at the center side of the separators 6sa and 6sc. The maximum heat generation temperature of the heating element 7 arranged at the outermost portion is set to 60 ° C., and the maximum heating temperature of the heating element 7 arranged outside the heating element 7 is increased stepwise to maximize the heating element 7 arranged at the outermost part. The exothermic temperature was 70 ° C. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

Comparative example

発熱体７を設けない以外は、実施例１や実施例２と同様の構成にした。 The configuration was the same as in Example 1 or Example 2 except that the heating element 7 was not provided.

Evaluation

比較例のＤＭＦＣ実験機は燃料の供給を開始してから約７分経過した後に最大の発電電力を出力することが認められた。これに対して実施例１のＤＭＦＣ実験機は燃料の供給を開始してから約３分経過した後に最大の発電電力を出力することが認められた。また、実施例１のＤＭＦＣ実験機を凍結させた後に、同様の試験を行った。その結果、燃料の供給を開始する時に、発熱体７に通電することによりスムーズに発電を開始させることができた。実施例２のＤＭＦＣ実験機は、実施例１のＤＭＦＣ実験機と同様にスムーズな発電の開始が認められた。これに加えて、実施例２のＤＭＦＣ実験機は、セル２の幾何学的な中心部側と外側部分との温度差が抑制されていることが認められた。これらの結果から、発電部１に自己温度制御式の発熱体７を設けることにより、燃料電池の起動速度を向上できることが認められた。これに加えて、セル２の外側に配置される発熱体７の最大発熱温度をセル２の中心部側に配置される発熱体７の最大発熱温度よりも高くすることにより、発電部１を構成する各セル２の面方向における温度の不均一を防止もしくは抑制できることが認められた。したがって、この発明に係る燃料電池の温度制御装置によれば、燃料電池の発電効率を従来になく高くすることができる。そのため、この発明に係る温度制御装置を備えたＤＭＦＣは小型携帯型の機器用電源として優れている。 It was confirmed that the DMFC experimental machine of the comparative example outputs the maximum generated power after about 7 minutes from the start of the fuel supply. On the other hand, it was confirmed that the DMFC experimental machine of Example 1 outputs the maximum generated power after about 3 minutes from the start of fuel supply. The same test was performed after freezing the DMFC experimental machine of Example 1. As a result, when the supply of fuel was started, power generation could be started smoothly by energizing the heating element 7. As with the DMFC experimental machine of Example 1, the DMFC experimental machine of Example 2 was able to start smooth power generation. In addition, in the DMFC experimental machine of Example 2, it was recognized that the temperature difference between the geometrical center side and the outer part of the cell 2 was suppressed. From these results, it was recognized that the start-up speed of the fuel cell can be improved by providing the power generation unit 1 with the self-temperature control type heating element 7. In addition to this, the power generation unit 1 is configured by making the maximum heat generation temperature of the heating element 7 disposed outside the cell 2 higher than the maximum heat generation temperature of the heating element 7 disposed on the center side of the cell 2. It was confirmed that the temperature non-uniformity in the surface direction of each cell 2 can be prevented or suppressed. Therefore, according to the temperature control device for a fuel cell according to the present invention, the power generation efficiency of the fuel cell can be made higher than ever before. Therefore, the DMFC equipped with the temperature control device according to the present invention is excellent as a power source for small portable devices.

１…発電部（スタック）、２…セル、６ｓａ…アノード側セパレータ、６ｓｃ…カソード側セパレータ、７…自己温度制御式の発熱体。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power generation part (stack), 2 ... Cell, 6sa ... Anode side separator, 6sc ... Cathode side separator, 7 ... Self-temperature control type heating element.

Claims

A power generation unit is configured by stacking cells that generate power by an electrochemical reaction of fuel and oxidant, and a flow path for supplying the fuel and oxidant to the cell is formed between the stacked cells. In the fuel cell temperature control apparatus provided with the separator,
When a predetermined current is applied to the surface of the separator opposite to the surface on which the flow path is formed, the separator generates heat and the current is inhibited when a predetermined temperature is reached. A self-temperature-controlled heating element configured to stop the heat generation ,
A plurality of the heating elements formed in a sheet shape are provided at predetermined intervals from the center to the outside in the surface direction of the separator,
The temperature at which the energization of the heating element disposed on the outside is inhibited is higher than the temperature at which the energization is inhibited in the heating element disposed on the center side of the heating element. temperature control apparatus for a fuel cell according to claim <br/> that are configured.

The heating element includes a conductor that generates heat when energized and a matrix that thermally expands due to heat generated by the conductor, and the conduction of the conductor is inhibited as the matrix thermally expands. The fuel cell temperature control apparatus according to claim 1 , further comprising a PTC heater configured to suppress the heat generation.

In the separator, a fuel channel for supplying the fuel to the anode side of the power generation unit is formed on one side, and an air channel for supplying air containing oxygen as the oxidant to the cathode side of the power generation unit on the other side. A bipolar plate formed with
3. The temperature control apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the heating element is provided in the bipolar plate.

The separator includes a carbon having a thermal conductivity, a composite of carbon and metal fibers, claims 1, characterized in that it is formed by any of the metallic material 3 according to any one Fuel cell temperature control device.

The temperature control apparatus for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the fuel includes methanol or a methanol aqueous solution.