JP6780950B2 - Fuel cells, fuel cell stacks, fuel cell systems, and bipolar plates - Google Patents

Fuel cells, fuel cell stacks, fuel cell systems, and bipolar plates Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池システム、及びバイポーラプレートに関するものである。 The present invention relates to fuel cells, fuel cell stacks, fuel cell systems, and bipolar plates.

発電を行うセルと、セパレータとを備える燃料電池において、当該セパレータにおける流路が形成されている面とは反対側の面に、セパレータの面方向でその中心部から外側に向けて複数の発熱体が設けられたものが知られている(たとえば、特許文献1参照)。この燃料電池では、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に高くなるように構成されている。 In a fuel cell provided with a cell for generating power and a separator, a plurality of heating elements are provided on a surface of the separator opposite to the surface on which the flow path is formed, from the center to the outside in the surface direction of the separator. Is known (see, for example, Patent Document 1). In this fuel cell, the maximum heat generation temperature of the heating element is configured to gradually increase from the center to the outside in the surface direction of the separator.

特許第5764000号公報Japanese Patent No. 5764000

上記燃料電池では、鉛直方向の上側に向かう熱の移動(熱拡散)によって生じるセルの面内温度の不均一を解消することができない。このため、セルの面内において、鉛直方向の下側の領域が相対的に低温となって発電反応が生じ難くなってしまい、結果として、燃料電池の出力が安定し難い、という問題がある。 In the above fuel cell, it is not possible to eliminate the non-uniformity of the in-plane temperature of the cell caused by the heat transfer (heat diffusion) upward in the vertical direction. Therefore, in the plane of the cell, the lower region in the vertical direction becomes relatively low temperature, which makes it difficult for the power generation reaction to occur, and as a result, there is a problem that the output of the fuel cell is difficult to stabilize.

本発明が解決しようとする課題は、出力を安定させることができる燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池システム、及びバイポーラプレートを提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a fuel cell, a fuel cell stack, a fuel cell system, and a bipolar plate capable of stabilizing the output.

[1]本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のバイポーラプレートと、を備え、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとの積層方向において、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとは重複領域で相互に重なっており、前記燃料電池は、一対の前記バイポーラプレートの少なくとも一方に設けられた発熱体をさらに備え、前記発熱体は、前記重複領域を鉛直方向に対して2分割した領域のうち少なくとも下側の領域と重なるように配置されている燃料電池である。 [1] The fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly and a pair of bipolar plates sandwiching the membrane electrode assembly, and the membrane in the stacking direction of the membrane electrode assembly and the bipolar plate. The electrode assembly and the bipolar plate overlap each other in an overlapping region, the fuel cell further includes a heating element provided on at least one of the pair of bipolar plates, and the heating element includes the overlapping region. The fuel cell is arranged so as to overlap at least the lower region of the region divided into two in the vertical direction.

[2]上記発明において、前記発熱体は、PTCヒータであってもよい。 [2] In the above invention, the heating element may be a PTC heater.

[3]上記発明において、前記バイポーラプレートは、前記燃料電池の電極の入口に繋がる第1のマニホールドを構成する第1の連通孔と、前記燃料電池の電極の出口に繋がる第2のマニホールドを構成する第2の連通孔と、を有し、前記燃料電池は、前記第1の連通孔及び第2の連通孔と前記発熱体との間を封止する封止部と、をさらに備えてもよい。 [3] In the above invention, the bipolar plate constitutes a first communication hole forming a first manifold connected to the inlet of the electrode of the fuel cell and a second manifold connected to the outlet of the electrode of the fuel cell. The fuel cell may further include a first communication hole and a sealing portion for sealing between the second communication hole and the heating element. Good.

[4]上記発明において、前記発熱体は、矩形状、又は、鉛直方向に対して上下に位置する上辺及び下辺を有し、前記上辺及び前記下辺に対して直交する側辺を有し、前記上辺の中央近傍に凹部を有する形状であってもよい。 [4] In the above invention, the heating element has a rectangular shape or an upper side and a lower side located vertically with respect to the vertical direction, and has a side side orthogonal to the upper side and the lower side. It may have a shape having a recess near the center of the upper side.

[5]上記発明において、前記発熱体は、前記発熱体の側辺の一方から延出する第1の端子と、前記発熱体の側辺の他方から延出する第2の端子と、を有していてもよい。 [5] In the above invention, the heating element has a first terminal extending from one of the side sides of the heating element and a second terminal extending from the other side of the heating element. You may be doing it.

[6]本発明に係る燃料電池スタックは、上記燃料電池を複数備え、複数の前記燃料電池は、前記積層方向において、前記第1の端子同士が相互に重なると共に、前記第2の端子同士が相互に重なるように積層されており、前記燃料電池スタックは、直線状に延在し、複数の前記第1の端子と電気的に接続された第1の導体線と、直線状に延在し、複数の前記第2の端子と電気的に接続された第2の導体線と、を備える燃料電池スタックである。 [6] The fuel cell stack according to the present invention includes a plurality of the fuel cells, and the plurality of fuel cells have the first terminals overlapping each other and the second terminals overlapping each other in the stacking direction. Stacked so as to overlap each other, the fuel cell stack extends linearly and extends linearly with a first conductor wire electrically connected to the plurality of first terminals. , A fuel cell stack comprising a plurality of second conductor wires electrically connected to the second terminal.

[7]本発明に係る燃料電池システムは、上記燃料電池、又は、上記燃料電池スタックと、前記燃料電池のアノードに燃料を供給する第1の供給手段と、前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する第2の供給手段と、を備えた燃料電池システムである。 [7] In the fuel cell system according to the present invention, the fuel cell or the fuel cell stack, a first supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell, and an oxidizing agent are applied to the cathode of the fuel cell. It is a fuel cell system including a second supply means for supplying.

[8]本発明に係るバイポーラプレートは、燃料電池に用いられ、膜電極接合体に対向配置されるバイポーラプレートであって、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとを積層した状態で、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとの積層方向において、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとは重複領域で相互に重なっており、前記重複領域を鉛直方向に対して2分割した領域のうち下側の領域と重なるように発熱体が配置されているバイポーラプレートである。 [8] The bipolar plate according to the present invention is a bipolar plate used in a fuel cell and arranged to face the membrane electrode assembly, and the membrane is in a state where the membrane electrode assembly and the bipolar plate are laminated. In the stacking direction of the electrode assembly and the bipolar plate, the membrane electrode assembly and the bipolar plate overlap each other in an overlapping region, and the lower side of the region obtained by dividing the overlapping region into two in the vertical direction. It is a bipolar plate in which the heating element is arranged so as to overlap the region of.

本発明によれば、発熱体を、重複領域を鉛直方向に対して2分割した領域のうち下側の領域と重なるように配置することで、膜電極接合体の面内において、相対的に温度の低い領域を部分的に加熱することができる。これにより、膜電極接合体の面内温度の不均一を抑えられ、燃料電池の出力を安定させることができる。 According to the present invention, by arranging the heating element so as to overlap the lower region of the region in which the overlapping region is divided into two in the vertical direction, the temperature is relatively high in the plane of the membrane electrode assembly. Areas with low temperature can be partially heated. As a result, the non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly can be suppressed, and the output of the fuel cell can be stabilized.

図1は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 図2(A)は、図1のIIA-IIA線に沿った断面図であり、図2(B)は、図1のIIB-IIB線に沿った断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line IIA-IIA of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIB-IIB of FIG. 図3は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池を示す分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図4は、本発明の一実施の形態に係る膜電極接合体を幅方向から視た断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention as viewed from the width direction. 図5(A)は、本発明の一実施の形態に係る第1のバイポーラプレートの第1の主面を積層方向から視た平面図であり、図5(B)は、本発明の一実施の形態に係る第2のバイポーラプレートの第1の主面を積層方向から視た平面図である。FIG. 5 (A) is a plan view of the first main surface of the first bipolar plate according to the embodiment of the present invention as viewed from the stacking direction, and FIG. 5 (B) is an embodiment of the present invention. It is a top view which looked at the 1st main surface of the 2nd bipolar plate which concerns on the embodiment as seen from the stacking direction. 図6(A)は、本発明の一実施の形態に係る第1のバイポーラプレートの第2の主面を積層方向から視た平面図であり、図6(B)は、本発明の一実施の形態に係る発熱体及び導体部を積層方向から視た平面図である。FIG. 6 (A) is a plan view of the second main surface of the first bipolar plate according to the embodiment of the present invention as viewed from the stacking direction, and FIG. 6 (B) is an embodiment of the present invention. It is a top view which viewed from the stacking direction the heating element and the conductor part which concerns on the form of. 図7は、図6(B)のVII-VII線に沿った断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of FIG. 6 (B). 図8は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池スタックを示す上面図である。FIG. 8 is a top view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 図9は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。FIG. 9 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図10(A)は、本発明の他の実施の形態に係る燃料電池を説明するための図であり、第1のバイポーラプレートの第2の主面を積層方向から視た平面図であり、図10(B)は、本発明の他の実施の形態に係る発熱体及び導体部を積層方向から視た平面図である。FIG. 10A is a view for explaining the fuel cell according to another embodiment of the present invention, and is a plan view of the second main surface of the first bipolar plate as viewed from the stacking direction. FIG. 10B is a plan view of the heating element and the conductor portion according to another embodiment of the present invention as viewed from the stacking direction. 図11は、本発明の他の実施の形態に係るバイポーラプレートを示す幅方向から視た断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the bipolar plate according to another embodiment of the present invention as viewed from the width direction.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の一実施の形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図、図2(A)は図1のIIA-IIA線に沿った断面図、図2(B)は図1のIIB-IIB線に沿った断面図、図3は本発明の一実施の形態に係る燃料電池を示す分解斜視図、図4は本発明の一実施の形態に係る膜電極接合体を幅方向から視た断面図、図5(A)は本発明の一実施の形態に係る第1のバイポーラプレートの第1の主面を積層方向から視た平面図、図5(B)は本発明の一実施の形態に係る第2のバイポーラプレートの第1の主面を積層方向から視た平面図、図6(A)は本発明の一実施の形態に係る第1のバイポーラプレートの第2の主面を積層方向から視た平面図、図6(B)は本発明の一実施の形態に係る発熱体及び導体部を積層方向から視た平面図、図7は図6(B)のVII-VII線に沿った断面図、図8は本発明の一実施の形態に係る燃料電池スタックを示す上面図である。 1 is a perspective view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, FIG. 2A is a sectional view taken along the line IIA-IIA of FIG. 1, and FIG. 2B is IIB- of FIG. A sectional view taken along line IIB, FIG. 3 is an exploded perspective view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view of a membrane electrode joint according to an embodiment of the present invention from the width direction. A cross-sectional view, FIG. 5 (A) is a plan view of the first main surface of the first bipolar plate according to the embodiment of the present invention as viewed from the stacking direction, and FIG. 5 (B) is an embodiment of the present invention. A plan view of the first main surface of the second bipolar plate according to the embodiment as viewed from the stacking direction, FIG. 6A shows the second main surface of the first bipolar plate according to the embodiment of the present invention. A plan view seen from the stacking direction, FIG. 6B is a plan view of the heating element and the conductor portion according to the embodiment of the present invention as viewed from the stacking direction, and FIG. 7 is a line VII-VII of FIG. 6B. FIG. 8 is a top view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

本実施形態の燃料電池スタック10は、たとえば、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ、自動車等の電源として用いられる。この燃料電池スタック10は、図1及び図2に示すように、複数のダイレクトメタノール型の燃料電池11と、エンドプレート75,76と、第1及び第2の導体線77,78とを備えている。複数の燃料電池11は、その面方向と積層方向(後述)とが実質的に一致するように重ねられている。複数の燃料電池11を積層し、これらを直列に電気的に接続することで、その積層数に応じた高出力の電力を得ることができる。燃料電池11については、後に詳細に説明する。本実施形態における「燃料電池スタック10」が本発明における「燃料電池スタック」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池11」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「第1の導体線77」が本発明における「第1の導体線」の一例に相当し、本実施形態における「第2の導体線78」が本発明における「第2の導体線」の一例に相当する。 The fuel cell stack 10 of the present embodiment is used, for example, as a power source for a notebook computer, a mobile phone, a small video camera, an automobile, or the like. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 includes a plurality of direct methanol type fuel cells 11, end plates 75, 76, and first and second conductor wires 77, 78. There is. The plurality of fuel cells 11 are stacked so that their surface directions and stacking directions (described later) substantially coincide with each other. By stacking a plurality of fuel cells 11 and electrically connecting them in series, it is possible to obtain high output power according to the number of stacks. The fuel cell 11 will be described in detail later. The "fuel cell stack 10" in the present embodiment corresponds to an example of the "fuel cell stack" in the present invention, and the "fuel cell 11" in the present embodiment corresponds to an example of the "fuel cell" in the present invention. The "first conductor wire 77" in the embodiment corresponds to an example of the "first conductor wire" in the present invention, and the "second conductor wire 78" in the present embodiment is the "second conductor wire" in the present invention. Corresponds to one example.

一対のエンドプレート75,76は、積層された複数の燃料電池11の両端に配置されている。エンドプレート75,76同士は、特に図示しない複数本の締結ボルトによって繋がれている。この締結ボルトを締め付けることで、一対のエンドプレート75、76の間に締め付け荷重が印加され、積層された複数の燃料電池11を保持することができる。 The pair of end plates 75, 76 are arranged at both ends of the plurality of stacked fuel cells 11. The end plates 75 and 76 are connected to each other by a plurality of fastening bolts (not shown). By tightening the fastening bolts, a tightening load is applied between the pair of end plates 75 and 76, and a plurality of stacked fuel cells 11 can be held.

エンドプレート75は、燃料供給口751と、燃料排出口752と、空気供給口753と、空気排出口754と、を有している。燃料供給口751は、燃料電池スタック10の外部から燃料電池11のアノードに供給される燃料(メタノール水溶液)を受け入れる。この燃料供給口751は、燃料電池スタック10の燃料供給側マニホールド2に連通している。燃料供給側マニホールド2は、積層方向において燃料供給連通孔251,301,351(いずれも後述)が連なり構成されている。この燃料供給側マニホールド2は、それぞれの燃料電池11のアノードの入口121と繋がっている。 The end plate 75 has a fuel supply port 751, a fuel discharge port 752, an air supply port 753, and an air discharge port 754. The fuel supply port 751 receives fuel (aqueous methanol solution) supplied from the outside of the fuel cell stack 10 to the anode of the fuel cell 11. The fuel supply port 751 communicates with the fuel supply side manifold 2 of the fuel cell stack 10. The fuel supply side manifold 2 is configured by connecting fuel supply communication holes 251, 301, 351 (all described later) in the stacking direction. The fuel supply side manifold 2 is connected to the inlet 121 of the anode of each fuel cell 11.

空気供給口753は、燃料電池スタック10の外部から燃料電池11のカソードに供給される空気(酸化剤)を受け入れる。空気供給口753は、燃料電池スタック10の空気供給側マニホールド4と連通している。空気供給側マニホールド4は、積層方向において空気供給連通孔253,303,353(いずれも後述)が連なり構成されている。この空気供給側マニホールド4は、それぞれの燃料電池11のカソードの入口131と繋がっている。 The air supply port 753 receives air (oxidizer) supplied from the outside of the fuel cell stack 10 to the cathode of the fuel cell 11. The air supply port 753 communicates with the air supply side manifold 4 of the fuel cell stack 10. The air supply side manifold 4 is configured by connecting air supply communication holes 253, 303, 353 (all described later) in the stacking direction. The air supply side manifold 4 is connected to the inlet 131 of the cathode of each fuel cell 11.

燃料電池11のアノードに送られた燃料のうち未反応もの及び当該アノードの生成物は、当該アノードの出口122と繋がる燃料排出側マニホールド3を通じて、当該燃料排出側マニホールド3と連通する燃料排出口752から燃料電池スタック10の外部に排出される。この燃料排出側マニホールド3は、積層方向において燃料排出連通孔252,302,352(いずれも後述)が連なり構成されている。 And those the anode product of unreacted of fuel sent to the anode of the fuel cell 11, through the fuel discharge side manifold 3 connected with the anode of the outlet 122, the fuel discharge side manifold 3 and the fuel discharge port communicating with It is discharged from 752 to the outside of the fuel cell stack 10. The fuel discharge side manifold 3 is configured by connecting fuel discharge communication holes 252, 302, and 352 (all of which will be described later) in the stacking direction.

一方、燃料電池11のカソードに送られた空気及び当該カソードの生成物は、当該カソードの出口132と繋がる空気排出側マニホールド5を通じて、当該空気排出側マニホールド5と連通する空気排出口754から燃料電池スタック10の外部に排出される。この空気排出側マニホールド5は、積層方向において空気排出連通孔254,304,354(いずれも後述)が連なり構成されている。 On the other hand, the air sent to the cathode of the fuel cell 11 and the product of the cathode pass through the air discharge side manifold 5 connected to the outlet 132 of the cathode, and the fuel cell from the air discharge port 754 communicating with the air discharge side manifold 5. It is discharged to the outside of the stack 10. The air discharge side manifold 5 is configured by connecting air discharge communication holes 254, 304, 354 (all of which will be described later) in the stacking direction.

燃料供給側マニホールド2と燃料排出側マニホールド3とは、膜電極接合体20(後述)を挟んで、鉛直方向に並んで配置されている。本実施形態では、燃料供給側マニホールド2が燃料排出側マニホールド3に対して鉛直方向において上側に位置している。空気供給側マニホールド4と空気排出側マニホールド5とは、膜電極接合体20を挟んで、燃料電池スタック10の幅方向に並んで配置されている。なお、鉛直方向とは、図1に対して+Z方向を指す。この為、例えば、ある地点よりも図1に対して+Z方向に存在するものがある場合は、その存在するものは上記のある地点に対して鉛直方向の上側に存在しているものとし、ある地点よりも図1に対して−Z方向に存在するものがある場合は、その存在するものは上記のある地点に対して鉛直方向の下側に存在しているものとする。本実施形態における「燃料供給側マニホールド2」及び「空気供給側マニホールド4」が本発明における「第1のマニホールド」の一例に相当し、本実施形態における「燃料排出側マニホールド3」及び「空気排出側マニホールド5」が本発明における「第2のマニホールド」の一例に相当する。また、本実施形態における「燃料電池11のアノードの入口121」及び「燃料電池11のカソードの入口131」が本発明における「燃料電池の電極の入口」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池11のアノードの出口122」及び「燃料電池11のカソードの出口132」が本発明における「燃料電池の電極の出口」の一例に相当する。 The fuel supply side manifold 2 and the fuel discharge side manifold 3 are arranged side by side in the vertical direction with the membrane electrode assembly 20 (described later) interposed therebetween. In the present embodiment, the fuel supply side manifold 2 is located above the fuel discharge side manifold 3 in the vertical direction. The air supply side manifold 4 and the air discharge side manifold 5 are arranged side by side in the width direction of the fuel cell stack 10 with the membrane electrode assembly 20 interposed therebetween. The vertical direction refers to the + Z direction with respect to FIG. Therefore, for example, if there is something that exists in the + Z direction with respect to FIG. 1 from a certain point, it is assumed that the existing thing exists above the above-mentioned point in the vertical direction. If there is something that exists in the -Z direction with respect to FIG. 1 from the point, it is assumed that the thing that exists exists below the above-mentioned point in the vertical direction. The "fuel supply side manifold 2" and "air supply side manifold 4" in the present embodiment correspond to an example of the "first manifold" in the present invention, and the "fuel discharge side manifold 3" and "air discharge" in the present embodiment. The "side manifold 5" corresponds to an example of the "second manifold" in the present invention. Further, the "fuel cell 11 anode inlet 121" and "fuel cell 11 cathode inlet 131" in the present embodiment correspond to an example of the "fuel cell electrode inlet" in the present invention, and the "fuel cell electrode inlet 121" in the present embodiment corresponds to the "inlet". The "outlet 122 of the anode of the fuel cell 11" and the "outlet 132 of the cathode of the fuel cell 11" correspond to an example of the "outlet of the electrode of the fuel cell" in the present invention.

図1の+Z方向に対してエンドプレート75の下側の面には、2つの脚部755,755が設けられている。また、図1の+Z方向に対してエンドプレート76の下側の面には、2つの脚部765,765が設けられている。この脚部755,755,765,765を水平面上に置いて、燃料電池スタック10を設置する。この場合、燃料電池スタック10では、燃料電池11が立った状態(積層方向と鉛直方向とが交差する状態)となる。本実施形態の燃料電池スタック10では、燃料電池11のカソードと電気的に接続されたエンドプレート76に組み込まれる集電体(不図示)が正極となり、燃料電池11のアノードと電気的に接続されたエンドプレート75に組み込まれる集電体(不図示)が負極となる。これらの電極を外部負荷に接続することで、燃料電池スタック10から当該外部負荷に電力が供給される。 Two legs 755 and 755 are provided on the lower surface of the end plate 75 with respect to the + Z direction in FIG. Further, two legs 765 and 765 are provided on the lower surface of the end plate 76 with respect to the + Z direction in FIG. The legs 755,755,765,765 are placed on a horizontal plane to install the fuel cell stack 10. In this case, in the fuel cell stack 10, the fuel cell 11 is in a standing state (a state in which the stacking direction and the vertical direction intersect). In the fuel cell stack 10 of the present embodiment, a current collector (not shown) incorporated in the end plate 76 electrically connected to the cathode of the fuel cell 11 serves as a positive electrode and is electrically connected to the anode of the fuel cell 11. A current collector (not shown) incorporated in the end plate 75 serves as a negative electrode. By connecting these electrodes to an external load, electric power is supplied from the fuel cell stack 10 to the external load.

燃料電池11は、図3に示すように、膜電極接合体20(MEA:Membrane electrode assembly)と、第1のバイポーラプレート30と、第2のバイポーラプレート35と、発熱体40と、絶縁部51,52と、導体部55と、第1〜第3の封止部60,65,70と、を備えている。この燃料電池11では、積層方向において、第2のバイポーラプレート35、膜電極接合体20、第1のバイポーラプレート30、絶縁部51、発熱体40及び導体部55、並びに、絶縁部52が図3における+Y方向に対して順次積層されている。なお、燃料電池スタック10における複数の燃料電池11の積層方向と、燃料電池11における当該燃料電池11の構成要素の積層方向とは実質的に一致している。以下の説明では、いずれ場合も単に積層方向と称する。本実施形態における「膜電極接合体20」が本発明における「膜電極接合体」の一例に相当し、本実施形態における「第1のバイポーラプレート30」及び「第2のバイポーラプレート35」が本発明における「バイポーラプレート」の一例に相当し、本実施形態における「発熱体40」が本発明における「発熱体」の一例に相当し、本実施形態における「第3の封止部70」が本発明における「封止部」の一例に相当する。 As shown in FIG. 3, the fuel cell 11 includes a membrane electrode assembly (MEA), a first bipolar plate 30, a second bipolar plate 35, a heating element 40, and an insulating portion 51. , 52, a conductor portion 55, and first to third sealing portions 60, 65, 70. In the fuel cell 11, the second bipolar plate 35, the membrane electrode assembly 20, the first bipolar plate 30, the insulating portion 51, the heating element 40 and the conductor portion 55, and the insulating portion 52 are shown in FIG. 3 in the stacking direction. It is sequentially laminated in the + Y direction in. The stacking direction of the plurality of fuel cells 11 in the fuel cell stack 10 and the stacking direction of the components of the fuel cell 11 in the fuel cell 11 are substantially the same. In the following description, each case is simply referred to as a stacking direction. The "membrane electrode assembly 20" in the present embodiment corresponds to an example of the "membrane electrode assembly" in the present invention, and the "first bipolar plate 30" and "second bipolar plate 35" in the present embodiment are the present. It corresponds to an example of the "bipolar plate" in the present invention, the "heating body 40" in the present embodiment corresponds to an example of the "heating body" in the present invention, and the "third sealing portion 70" in the present embodiment is the present. It corresponds to an example of the "sealing part" in the invention.

膜電極接合体20は、図4に示すように、水素イオン(陽イオン)伝導性を有する高分子電解質膜21と、アノード触媒層221と、カソード触媒層231と、アノードガス拡散層222と、カソードガス拡散層232とを備えている。アノード触媒層221とアノードガス拡散層222が燃料電池11のアノードを構成し、カソード触媒層231とカソードガス拡散層232が燃料電池11のカソードを構成する。 As shown in FIG. 4, the membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 21 having hydrogen ion (cation) conductivity, an anode catalyst layer 221, a cathode catalyst layer 231 and an anode gas diffusion layer 222. It includes a cathode gas diffusion layer 232. The anode catalyst layer 221 and the anode gas diffusion layer 222 form the anode of the fuel cell 11, and the cathode catalyst layer 231 and the cathode gas diffusion layer 232 form the cathode of the fuel cell 11.

高分子電解質膜21と、その表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノード触媒層221及びカソード触媒層231と、さらにその表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノードガス拡散層222及びカソードガス拡散層232は、矩形、円形、楕円形、多角形などダイレクトメタノール型燃料電池1の外形形状に応じた適宜の形状とされる。 The polymer electrolyte membrane 21, the anode catalyst layer 221 and the cathode catalyst layer 231 laminated on the front surface and the back surface thereof, and the anode gas diffusion layer 222 and the cathode gas diffusion layer 232 laminated on the front surface and the back surface thereof, respectively, The shape is appropriate according to the external shape of the direct methanol type fuel cell 1, such as a rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.

高分子電解質膜21としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質型燃料電池に搭載される、固体高分子電解質膜などの高分子電解質膜を使用することができる。 The polymer electrolyte membrane 21 is not particularly limited, and a polymer electrolyte membrane such as a solid polymer electrolyte membrane mounted on a normal polymer electrolyte fuel cell can be used.

アノード触媒層221及びカソード触媒層231は、例えば白金又は白金合金からなる金属触媒(白金系触媒)などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する例えば導電性を有する細孔の発達したカーボン材料などの導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。なお、アノード触媒層221にあっては、中間生成物である一酸化炭素が白金系触媒を被毒する問題があるため、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。 The anode catalyst layer 221 and the cathode catalyst layer 231 include an electrode catalyst such as a metal catalyst (platinum-based catalyst) made of platinum or a platinum alloy, and a carbon material having conductive pores that supports the electrode catalyst, for example. It is composed of the conductive carbon particles of the above and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity. Since the anode catalyst layer 221 has a problem that carbon monoxide, which is an intermediate product, poisons the platinum-based catalyst, it is desirable that the anode catalyst layer 221 contains ruthenium or the like having carbon monoxide toxicity resistance.

アノード触媒層221及びカソード触媒層231に含有されて、上記触媒担持粒子に付着させる上記水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、高分子電解質膜21を構成するものと同じ高分子電解質、例えばイオノマー(ionomer)を用いることができる。アノード触媒層221及びカソード触媒層231ならびに高分子電解質膜21を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。 The polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer 221 and the cathode catalyst layer 231 and having the hydrogen ion conductivity to be attached to the catalyst-supporting particles is the same polymer electrolyte as that constituting the polymer electrolyte film 21, for example. Ionomers can be used. The polymer electrolytes constituting the anode catalyst layer 221 and the cathode catalyst layer 231 and the polymer electrolyte membrane 21 may be of the same type or different types.

アノードガス拡散層222は、第1のバイポーラプレート30のアノード流路311(後述)から流入した燃料をアノード触媒層221に効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されない。同様にカソードガス拡散層232も、第2のバイポーラプレート35のカソード流路から流入した空気をカソード触媒層231に効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されない。アノードガス拡散層222やカソードガス拡散層232としては、種々の公知のガス拡散層を用いることができる。 The anode gas diffusion layer 222 is not particularly limited as long as it has a function and conductivity for efficiently guiding the fuel flowing from the anode flow path 311 (described later) of the first bipolar plate 30 to the anode catalyst layer 221. Similarly, the cathode gas diffusion layer 232 is not particularly limited as long as it has a function and conductivity of efficiently guiding the air flowing from the cathode flow path of the second bipolar plate 35 to the cathode catalyst layer 231. As the anode gas diffusion layer 222 and the cathode gas diffusion layer 232, various known gas diffusion layers can be used.

アノードガス拡散層222及びカソードガス拡散層232を構成する基材としては、ガス透過性や電子伝導性を有する導電性多孔質基材を用いることができる。なお、カソード側及びアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。 As the base material constituting the anode gas diffusion layer 222 and the cathode gas diffusion layer 232, a conductive porous base material having gas permeability and electron conductivity can be used. The same gas diffusion layer may be used on the cathode side and the anode side, or different gas diffusion layers may be used.

この膜電極接合体20は、フレーム25によって保持されている。フレーム25は、燃料に対する耐腐食性と電気絶縁性を有しており、たとえば、フェノール樹脂等の公知の熱硬化性樹脂や耐熱性を有する公知の熱可塑性樹脂等により構成されている。このフレーム25は、膜電極接合体20の側面を囲むように枠状に形成されており、当該フレーム25の中央に形成された膜電極接合体20の形状に対応する開口部に当該膜電極接合体20が配置されている。 The membrane electrode assembly 20 is held by the frame 25. The frame 25 has corrosion resistance and electrical insulation against fuel, and is made of, for example, a known thermosetting resin such as a phenol resin or a known thermoplastic resin having heat resistance. The frame 25 is formed in a frame shape so as to surround the side surface of the membrane electrode assembly 20, and the membrane electrode assembly is joined to the opening corresponding to the shape of the membrane electrode assembly 20 formed in the center of the frame 25. The body 20 is arranged.

フレーム25には、中央に形成された開口部の周囲に燃料供給連通孔251、燃料排出連通孔252、空気供給連通孔253、及び空気排出連通孔254が形成されている。これら連通孔251,252,253,254は、積層方向から視て略長方形状を有しており、積層方向に沿ってフレーム25を貫通している。なお、フレーム25は必須の構成ではなく、幅広に形成した膜電極接合体20の一部に上述の連通孔を形成することで、フレーム25を省略してもよい。 The frame 25 is formed with a fuel supply communication hole 251, a fuel discharge communication hole 252, an air supply communication hole 253, and an air discharge communication hole 254 around the opening formed in the center. These communication holes 251,252,253,254 have a substantially rectangular shape when viewed from the stacking direction, and penetrate the frame 25 along the stacking direction. The frame 25 is not an indispensable configuration, and the frame 25 may be omitted by forming the above-mentioned communication holes in a part of the widely formed membrane electrode assembly 20.

第1のバイポーラプレート30は、図2及び図3に示すように、隣り合う膜電極接合体20,20同士を隔離しつつ、当該膜電極接合体20で生じた電子を導く機能を有する。このような第1のバイポーラプレート30を構成する材料としては、たとえば、金属材料やグラファイト等を用いることができる。この中でも、加工容易性の観点から、金属材料が好ましい。また、燃料による腐食防止の観点から、第1のバイポーラプレート30の表面に金メッキ等を施してもよい。 As shown in FIGS. 2 and 3, the first bipolar plate 30 has a function of guiding electrons generated in the membrane electrode assembly 20 while isolating the adjacent membrane electrode assemblies 20 and 20 from each other. As the material constituting such a first bipolar plate 30, for example, a metal material, graphite, or the like can be used. Among these, a metal material is preferable from the viewpoint of ease of processing. Further, from the viewpoint of preventing corrosion by fuel, the surface of the first bipolar plate 30 may be plated with gold or the like.

この第1のバイポーラプレート30は、膜電極接合体20のアノードと対向するように配置されている。第1のバイポーラプレート30の膜電極接合体20と対向する側の主面(以下、「第1の主面31」と称する。)は、当該膜電極接合体20のアノードガス拡散層222と当接している。これにより、第1のバイポーラプレート30が燃料電池11のアノードで生じた電子を受け取ることができる。 The first bipolar plate 30 is arranged so as to face the anode of the membrane electrode assembly 20. The main surface of the first bipolar plate 30 facing the membrane electrode assembly 20 (hereinafter, referred to as "first main surface 31") corresponds to the anode gas diffusion layer 222 of the membrane electrode assembly 20. I'm in contact. As a result, the first bipolar plate 30 can receive the electrons generated at the anode of the fuel cell 11.

第1のバイポーラプレート30は、図3及び図5(A)に示すように、燃料供給連通孔301と、燃料排出連通孔302と、空気供給連通孔303と、空気排出連通孔304と、を有している。これら連通孔301,302,303,304は、積層方向から視て略長方形状を有しており、積層方向に沿って第1のバイポーラプレート30を貫通している。本実施形態における「燃料供給連通孔301」及び「空気供給連通孔303」が本発明における「第1の連通孔」の一例に相当し、本実施形態における「燃料排出連通孔302」及び「空気排出連通孔304」が本発明における「第2の連通孔」の一例に相当する。 As shown in FIGS. 3 and 5A, the first bipolar plate 30 has a fuel supply communication hole 301, a fuel discharge communication hole 302, an air supply communication hole 303, and an air discharge communication hole 304. Have. These communication holes 301, 302, 303, 304 have a substantially rectangular shape when viewed from the stacking direction, and penetrate the first bipolar plate 30 along the stacking direction. The "fuel supply communication hole 301" and the "air supply communication hole 303" in the present embodiment correspond to an example of the "first communication hole" in the present invention, and the "fuel discharge communication hole 302" and "air" in the present embodiment. The “discharge communication hole 304” corresponds to an example of the “second communication hole” in the present invention.

第1の主面31には、図5(A)に示すように、当該第1の主面31上で開口する溝であるアノード流路311が複数形成されている。このアノード流路311は、積層方向において、膜電極接合体20と第1のバイポーラプレート30とが相互に重なる領域(以下、「重複領域Z」とも称する。)に少なくとも形成されている。本実施形態における「重複領域Z」が本発明における「重複領域」の一例に相当する。 As shown in FIG. 5A, a plurality of anode flow paths 311 which are grooves opened on the first main surface 31 are formed on the first main surface 31. The anode flow path 311 is formed at least in a region where the membrane electrode assembly 20 and the first bipolar plate 30 overlap each other (hereinafter, also referred to as “overlapping region Z 1 ”) in the stacking direction. The "overlapping region Z 1 " in the present embodiment corresponds to an example of the "overlapping region" in the present invention.

アノード流路311の一端は、燃料供給連通孔301と繋がっている。一方、アノード流路311の他端は、燃料排出連通孔302と繋がっている。アノード流路311は、燃料供給連通孔301及び燃料排出連通孔302の間を鉛直方向に沿って直線状に形成されている。なお、アノード流路311は、特に上述に限定されず、たとえば、特に図示しないが、複数の直線状の溝と、隣接する直線状の溝を連結する複数のターン状の溝とで構成されたサーペンタイン形状であってもよい。 One end of the anode flow path 311 is connected to the fuel supply communication hole 301. On the other hand, the other end of the anode flow path 311 is connected to the fuel discharge communication hole 302. The anode flow path 311 is formed linearly along the vertical direction between the fuel supply communication hole 301 and the fuel discharge communication hole 302. The anode flow path 311 is not particularly limited to the above, and is composed of, for example, a plurality of linear grooves and a plurality of turn-shaped grooves connecting adjacent linear grooves, although not particularly shown. It may have a serpentine shape.

第1のバイポーラプレート30の第1の主面31上には、第1の封止部60が設けられている。第1の封止部60は、フレーム25と第1のバイポーラプレート30との間に介在している。この第1の封止部60は、締結ボルトによる締め付け荷重が印加されることで変形し、当該フレーム25及び第1のバイポーラプレート30と密着することで、当該フレーム25及び第1のバイポーラプレート30の間を封止している。このような第1の封止部60は、ゴム等の当該分野で公知なものを用いることができる。 A first sealing portion 60 is provided on the first main surface 31 of the first bipolar plate 30. The first sealing portion 60 is interposed between the frame 25 and the first bipolar plate 30. The first sealing portion 60 is deformed by applying a tightening load by a fastening bolt, and is brought into close contact with the frame 25 and the first bipolar plate 30, so that the frame 25 and the first bipolar plate 30 are brought into close contact with each other. The space is sealed. As such a first sealing portion 60, one known in the art such as rubber can be used.

第1の封止部60の一部は、積層方向から視て、燃料供給連通孔301と、燃料排出連通孔302と、アノード流路311とを一括して包囲するように設けられており、当該アノード流路311を介して燃料供給側マニホールド2と燃料排出側マニホールド3とが繋がるのを許容している。また、第1の封止部60の一部は、空気供給側マニホールド4から空気が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、空気供給連通孔303を包囲している。同様に、第1の封止部60の一部は、空気排出側マニホールド5から空気及びカソードの生成物が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、空気排出連通孔304を包囲している。 A part of the first sealing portion 60 is provided so as to collectively surround the fuel supply communication hole 301, the fuel discharge communication hole 302, and the anode flow path 311 when viewed from the stacking direction. It is allowed that the fuel supply side manifold 2 and the fuel discharge side manifold 3 are connected to each other through the anode flow path 311. Further, a part of the first sealing portion 60 surrounds the air supply communication hole 303 when viewed from the stacking direction in order to prevent air from flowing out from the air supply side manifold 4. Similarly, a part of the first sealing portion 60 surrounds the air discharge communication hole 304 when viewed from the stacking direction in order to prevent the air and cathode products from flowing out from the air discharge side manifold 5. There is.

第2のバイポーラプレート35は、図2及び図3に示すように、第1のバイポーラプレート30と同様、隣り合う膜電極接合体20,20同士を隔離しつつ、当該膜電極接合体20で生じた電子を導く機能を有している。この第2のバイポーラプレート35は、膜電極接合体20のカソードと対向するように配置されている。膜電極接合体20は、第1及び第2のバイポーラプレート30,35に挟まれており、締結ボルトによる締め付け荷重が作用することで、これらのバイポーラプレート30,35によって把持される。このような第2のバイポーラプレート35を構成する材料としては、上述の第1のバイポーラプレート30を構成する材料と同様のものを用いることができる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the second bipolar plate 35 is generated in the membrane electrode assembly 20 while isolating the adjacent membrane electrode assemblies 20 and 20 from each other, similarly to the first bipolar plate 30. It has the function of guiding the electrons. The second bipolar plate 35 is arranged so as to face the cathode of the membrane electrode assembly 20. The membrane electrode assembly 20 is sandwiched between the first and second bipolar plates 30 and 35, and is gripped by these bipolar plates 30 and 35 by the action of a tightening load by the fastening bolts. As the material constituting such a second bipolar plate 35, the same material as the material constituting the first bipolar plate 30 described above can be used.

第2のバイポーラプレート30の膜電極接合体20と対向する側の主面(以下、「第1の主面36」と称する。)は、当該膜電極接合体20のカソードガス拡散層232と当接している。これにより、燃料電池11のアノードで生じた電子がカソード側に移動する移動経路が形成される。 The main surface of the second bipolar plate 30 on the side facing the membrane electrode assembly 20 (hereinafter, referred to as "first main surface 36") corresponds to the cathode gas diffusion layer 232 of the membrane electrode assembly 20. I'm in contact. As a result, a movement path is formed in which the electrons generated at the anode of the fuel cell 11 move to the cathode side.

第2のバイポーラプレート35は、図3及び図5(B)に示すように、燃料供給連通孔351と、燃料排出連通孔352と、空気供給連通孔353と、空気排出連通孔354と、を有している。これらの連通孔351,352,353,354は、積層方向から視て略長方形状を有しており、第2のバイポーラプレート35を積層方向に沿って貫通している。 As shown in FIGS. 3 and 5B, the second bipolar plate 35 has a fuel supply communication hole 351, a fuel discharge communication hole 352, an air supply communication hole 353, and an air discharge communication hole 354. Have. These communication holes 351, 352, 353, 354 have a substantially rectangular shape when viewed from the stacking direction, and penetrate the second bipolar plate 35 along the stacking direction.

第1の主面36には、図5(B)に示すように、当該第1の主面36上で開口する溝であるカソード流路361が複数形成されている。このカソード流路361は、積層方向において、重複領域Zに少なくとも形成されている。カソード流路361の一端は、空気供給連通孔353と繋がっている。一方、カソード流路361の他端は、空気排出連通孔354と繋がっている。カソード流路361は、空気供給連通孔353及び空気排出連通孔354の間に幅方向に沿って直線状に形成されている。なお、カソード流路361は、アノード流路311と同様、サーペンタイン形状であってもよい。 As shown in FIG. 5B, a plurality of cathode flow paths 361, which are grooves opened on the first main surface 36, are formed on the first main surface 36. The cathode channel 361 in the stacking direction, are formed at least in the overlapping region Z 1. One end of the cathode flow path 361 is connected to the air supply communication hole 353. On the other hand, the other end of the cathode flow path 361 is connected to the air discharge communication hole 354. The cathode flow path 361 is formed linearly along the width direction between the air supply communication hole 353 and the air discharge communication hole 354. The cathode flow path 361 may have a serpentine shape like the anode flow path 311.

第1の主面36上には、第2の封止部65が設けられている。第2の封止部65は、フレーム25と第2のバイポーラプレート35との間に介在している。この第2の封止部65は、締結ボルトによる締め付け荷重が印加されることで変形し、当該フレーム25及び第2のバイポーラプレート35と密着することで、当該フレーム25及び第2のバイポーラプレート35の間を封止している。このような第2の封止部65を構成する材料としては、第1の封止部60を構成する材料と同様の材料を用いることができる。 A second sealing portion 65 is provided on the first main surface 36. The second sealing portion 65 is interposed between the frame 25 and the second bipolar plate 35. The second sealing portion 65 is deformed by applying a tightening load by a fastening bolt, and is brought into close contact with the frame 25 and the second bipolar plate 35, whereby the frame 25 and the second bipolar plate 35 are brought into close contact with each other. The space is sealed. As the material forming the second sealing portion 65, the same material as the material forming the first sealing portion 60 can be used.

第2の封止部65の一部は、積層方向から視て、空気供給連通孔353と、空気排出連通孔354と、カソード流路361とを一括して包囲するように設けられており、当該カソード流路361を介して空気供給側マニホールド4と空気排出側マニホールド5とが繋がるのを許容している。また、第2の封止部65の一部は、燃料供給側マニホールド2から燃料が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、燃料供給連通孔351を包囲している。同様に、第2の封止部65の一部は、燃料排出側マニホールド3から燃料及びアノードの生成物が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、燃料排出連通孔352を包囲している。 A part of the second sealing portion 65 is provided so as to collectively surround the air supply communication hole 353, the air discharge communication hole 354, and the cathode flow path 361 when viewed from the stacking direction. It is allowed that the air supply side manifold 4 and the air discharge side manifold 5 are connected to each other through the cathode flow path 361. A part of the second sealing portion 65 surrounds the fuel supply communication hole 351 when viewed from the stacking direction in order to prevent fuel from flowing out from the fuel supply side manifold 2. Similarly, a part of the second sealing portion 65 surrounds the fuel discharge communication hole 352 when viewed from the stacking direction in order to prevent fuel and anode products from flowing out from the fuel discharge side manifold 3. There is.

図2及び図3に示すように、本実施形態の第1のバイポーラプレート30において、第1の主面31と反対側の主面(以下、「第2の主面32」と称する。)上には、発熱体40と、導体部55と、第3の封止部70とが設けられている。 As shown in FIGS. 2 and 3, in the first bipolar plate 30 of the present embodiment, on the main surface (hereinafter, referred to as “second main surface 32”) opposite to the first main surface 31. Is provided with a heating element 40, a conductor portion 55, and a third sealing portion 70.

発熱体40は、燃料電池11の発電に伴い生じる熱により、膜電極接合体20の面内の温度が不均一になるのを抑えるために設けられる。本実施形態の発熱体40は、第1のバイポーラプレート30を介して、膜電極接合体20のアノード側から当該膜電極接合体20を加熱する。 The heating element 40 is provided to prevent the in-plane temperature of the membrane electrode assembly 20 from becoming non-uniform due to the heat generated by the power generation of the fuel cell 11. The heating element 40 of the present embodiment heats the membrane electrode assembly 20 from the anode side of the membrane electrode assembly 20 via the first bipolar plate 30.

この発熱体40は、図3に示すように、本体部41と、第1及び第2の端子42,43とを有している。本体部41は、温度上昇に伴って当該本体部41の電気抵抗値が正の係数を持って増大するPTC(正温度係数、Positive Temperature Coefficient)特性を有している。このような本体部41としては、PTCヒータを用いることができる。PTCヒータとしては、たとえば、通電することで発熱する(具体的には、通電することで導体の抵抗に応じたジュール熱を生じる)カーボン粒子等の導体と、温度に応じて膨張・収縮する熱応答絶縁性(非導電性)粒子とを配合して構成したものが挙げられる。このようなPTCヒータでは、通電することで導体が発熱し、これにより熱応答絶縁性粒子が加熱され膨張する。熱応答絶縁性粒子が膨張すると、導体同士が離れるなどして電流が流れ難くなり、当該導体の発熱が収まる。このように、PTCヒータは、温度に応じて電流の流れ易さを変化させ、所定温度で安定する温度自己制御機能を有している。なお、本体部41としては、PTCヒータに特に限定されない。たとえば、ニクロム線やカーボン繊維を用いた一般的な発熱体であってもよい。 As shown in FIG. 3, the heating element 40 has a main body 41 and first and second terminals 42 and 43. The main body 41 has a PTC (Positive Temperature Coefficient) characteristic in which the electric resistance value of the main body 41 increases with a positive coefficient as the temperature rises. A PTC heater can be used as such a main body 41. Examples of PTC heaters include conductors such as carbon particles that generate heat when energized (specifically, Joule heat is generated according to the resistance of the conductor when energized) and heat that expands and contracts according to temperature. Examples thereof include those formed by blending with responsive insulating (non-conductive) particles. In such a PTC heater, when energized, the conductor generates heat, which heats and expands the heat-responsive insulating particles. Thermal response When the insulating particles expand, the conductors separate from each other, making it difficult for current to flow, and the heat generated by the conductors subsides. As described above, the PTC heater has a temperature self-control function that changes the ease of current flow according to the temperature and stabilizes at a predetermined temperature. The main body 41 is not particularly limited to the PTC heater. For example, it may be a general heating element using nichrome wire or carbon fiber.

本実施形態の本体部41は、図6(A)及び図6(B)に示すように、積層方向から視て、重複領域Zを鉛直方向に対して2分割した領域のうち鉛直方向から視て下側の領域に配置されている。ここで、燃料電池11の発電に伴い膜電極接合体20が発熱すると、熱拡散の影響により鉛直方向の上側に向かって熱の移動が生じる。このため、膜電極接合体20の面内では、鉛直方向の上側の領域が相対的に高温となり、下側の領域が相対的に低温となる温度の不均一が生じる。本実施形態では、上述の膜電極接合体20の面内温度の不均一に基づいて、矩形状の重複領域Z1の辺のうち、図6(A)の+Z方向に延在する重複領域Zの辺を鉛直方向に対して2分割する様に、重複領域Zを鉛直方向に対して2分割している。本明細書では、図1の様に、脚部を有する構造を水平面に載置した際において、重複領域Zを鉛直方向に対して2分割した領域のうち上側の領域を高温領域Zと称し、下側の領域を低温領域Zと称する。 As shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B), the main body 41 of the present embodiment is viewed from the vertical direction among the regions in which the overlapping region Z 1 is divided into two with respect to the vertical direction when viewed from the stacking direction. It is located in the lower area when viewed. Here, when the membrane electrode assembly 20 generates heat with the power generation of the fuel cell 11, heat is transferred toward the upper side in the vertical direction due to the influence of heat diffusion. Therefore, in the plane of the membrane electrode assembly 20, the upper region in the vertical direction has a relatively high temperature, and the lower region has a relatively low temperature, resulting in non-uniform temperature. In the present embodiment, on the basis of non-uniform in-plane temperature of the above-described membrane electrode assembly 20, of the sides of the rectangular overlap region Z1, overlap region Z 1 extending in the + Z direction shown in FIG. 6 (A) as 2 divides the sides with respect to the vertical direction, are divided into two overlapping regions Z 1 with respect to the vertical direction. In the present specification, when the structure having legs is placed on a horizontal plane as shown in FIG. 1, the upper region of the region in which the overlapping region Z 1 is divided into two in the vertical direction is referred to as the high temperature region Z 2 . It referred, called the lower region and low temperature region Z 3.

重複領域Zにおいて、高温領域Zと低温領域Zとを分割する方法は、使用する燃料電池11の性能や当該燃料電池11の使用環境によって異なる。本実施形態では、重複領域Zの中心を通り、燃料電池11の幅方向に延在する仮想直線Lよりも上側を高温領域Zとし、当該仮想直線Lよりも図6に対して下側を低温領域Zとしている。この場合、高温領域Z及び低温領域Zの幅(燃料電池11の幅方向の長さ)は、膜電極接合体20の幅とほぼ一致している。一方、高温領域Z及び低温領域Zの高さ(鉛直方向の長さ)は、膜電極接合体20の高さのおおそよ2分の1となっている。 The method of dividing the high temperature region Z 2 and the low temperature region Z 3 in the overlapping region Z 1 differs depending on the performance of the fuel cell 11 to be used and the usage environment of the fuel cell 11. In the present embodiment, the high temperature region Z 2 passes through the center of the overlapping region Z 1 and extends above the virtual straight line L 1 extending in the width direction of the fuel cell 11, and the temperature region Z 2 is located above the virtual straight line L 1 with respect to FIG. It has a lower low temperature region Z 3. In this case, the widths of the high temperature region Z 2 and the low temperature region Z 3 (the length in the width direction of the fuel cell 11) are substantially the same as the width of the membrane electrode assembly 20. On the other hand, the height (length in the vertical direction) of the high temperature region Z 2 and the low temperature region Z 3 is about half the height of the membrane electrode assembly 20.

本実施形態では、低温領域Zの全体を均等に加熱する観点から、本体部41は、積層方向から視て低温領域Zの全体と重なるように配置されている。なお、少なくとも本体部41の一部が重複領域Zを鉛直方向に対して2分割した領域のうち下側の領域に配置されていれば、当該本体部41の配置の形態は特に限定されない。たとえば、本体部41は、積層方向から視て低温領域Zの一部と重なるように配置されていてもよい。また、本体部41の一部が、積層方向から視て低温領域Zから食み出して配置されていてもよい。また、本体部の外形は、積層方向から視て低温領域Zの外形よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。 In the present embodiment, from the viewpoint of uniformly heating the entire low temperature region Z 3 , the main body 41 is arranged so as to overlap the entire low temperature region Z 3 when viewed from the stacking direction. The form of arrangement of the main body 41 is not particularly limited as long as at least a part of the main body 41 is arranged in the lower region of the region obtained by dividing the overlapping region Z 1 into two in the vertical direction. For example, the main body 41 may be arranged so as to overlap a part of the low temperature region Z 3 when viewed from the stacking direction. Further, a portion of the body portion 41 may be disposed protrudes from the low temperature region Z 3 when viewed from the laminating direction. Further, the outer shape of the main body portion may be larger than the outer shape of the low temperature region Z 3 when viewed from the stacking direction may be smaller.

本実施形態の本体部41は、図6(B)に示すように、細長い板状の部材である。この本体部41は、積層方向から視て矩形状の平面形状を有し、短辺411,412と長辺413,414とからなる平行な対辺を有している。本実施形態の本体部41では、短辺411,412が鉛直方向と実質的に平行に延在し、長辺413,414が幅方向と実質的に平行に延在している。本実施形態における「短辺411,412」が本発明における「側辺」の一例に相当する。 As shown in FIG. 6B, the main body 41 of the present embodiment is an elongated plate-shaped member. The main body 41 has a rectangular planar shape when viewed from the stacking direction, and has parallel opposite sides including short sides 411 and 412 and long sides 413 and 414. In the main body 41 of the present embodiment, the short sides 411 and 412 extend substantially parallel to the vertical direction, and the long sides 413 and 414 extend substantially parallel to the width direction. The "short sides 411,412" in the present embodiment correspond to an example of the "side sides" in the present invention.

第1及び第2の端子42,43は、帯状の部材であり、本体部41に電力を供給するために設けられている。本体部41の短辺411からは、第1の端子42が本体部41の中心から離れる側であって、本体部41の長辺413,414に対して水平方向に向かって延出している。第1の端子42は、積層方向から視て、第1のバイポーラプレート30に形成された複数の連通孔301,302,303,304と重ならないように配設されている。 The first and second terminals 42 and 43 are band-shaped members and are provided to supply electric power to the main body 41. From the short side 411 of the main body 41, the first terminal 42 is on the side away from the center of the main body 41 and extends in the horizontal direction with respect to the long sides 413 and 414 of the main body 41. The first terminal 42 is arranged so as not to overlap the plurality of communication holes 301, 302, 303, 304 formed in the first bipolar plate 30 when viewed from the stacking direction.

この第1の端子42は、図7に示すように、第1のバイポーラプレート30と短絡するのを防ぐため、当該第1のバイポーラプレート30と離間して配置されている。第1の端子42の先端は、第1のバイポーラプレート30の外縁よりも外側に突出している。この第1の端子42の先端には、当該第1の端子42を積層方向に沿って貫通する貫通孔421が形成されている。本実施形態における「第1の端子42」が本発明における「第1の端子」の一例に相当する。 As shown in FIG. 7, the first terminal 42 is arranged apart from the first bipolar plate 30 in order to prevent a short circuit with the first bipolar plate 30. The tip of the first terminal 42 projects outward from the outer edge of the first bipolar plate 30. A through hole 421 that penetrates the first terminal 42 along the stacking direction is formed at the tip of the first terminal 42. The "first terminal 42" in the present embodiment corresponds to an example of the "first terminal" in the present invention.

図6(B)に示すように、本体部41の短辺412からは、第2の端子43が本体部41の中心から離れる側であって、本体部41の長辺413,414に対して水平方向に向かって延出している。第2の端子43は、積層方向から視て、第1のバイポーラプレート30に形成された複数の連通孔301,302,303,304と重ならないように配設されている。 As shown in FIG. 6B, from the short side 412 of the main body 41, the second terminal 43 is on the side away from the center of the main body 41 with respect to the long sides 413 and 414 of the main body 41. It extends in the horizontal direction. The second terminal 43 is arranged so as not to overlap the plurality of communication holes 301, 302, 303, 304 formed in the first bipolar plate 30 when viewed from the stacking direction.

この第2の端子43は、図7に示すように、第1のバイポーラプレート30と短絡するのを防ぐため、当該第1のバイポーラプレート30と離間して配置されている。第2の端子43の先端は、第1のバイポーラプレートの外縁よりも外側に突出している。この第2の端子43の先端には、当該第2の端子43を積層方向に沿って貫通する貫通孔431が形成されている。本実施形態における「第2の端子43」が本発明における「第2の端子」の一例に相当する。 As shown in FIG. 7, the second terminal 43 is arranged apart from the first bipolar plate 30 in order to prevent a short circuit with the first bipolar plate 30. The tip of the second terminal 43 projects outward from the outer edge of the first bipolar plate. A through hole 431 that penetrates the second terminal 43 along the stacking direction is formed at the tip of the second terminal 43. The "second terminal 43" in the present embodiment corresponds to an example of the "second terminal" in the present invention.

図2及び図3に示すように、本実施形態では、第1のバイポーラプレート30と発熱体40との間に電気絶縁性を有する絶縁部51が介在している。仮に、発熱体としてのPTCヒータとバイポーラプレートとが直接接触していると、当該接触する部分が燃料電池の発電により生じた電流が流れる短絡経路となってしまい、当該発熱体が誤動作するおそれがある。また、燃料電池が出力する電力を発熱体が消費してしまい、燃料電池の発電特性を悪化させるおそれ等がある。本実施形態の絶縁部51は、第1のバイポーラプレート30と発熱体40との間を電気的に絶縁することで、上記に記載した発熱体の誤動作及び燃料電池11の発電特性の悪化等の問題を防いでいる。 As shown in FIGS. 2 and 3, in the present embodiment, an insulating portion 51 having electrical insulation is interposed between the first bipolar plate 30 and the heating element 40. If the PTC heater as a heating element and the bipolar plate are in direct contact with each other, the contacting portion becomes a short-circuit path through which the current generated by the power generation of the fuel cell flows, and the heating element may malfunction. is there. In addition, the heating element consumes the electric power output from the fuel cell, which may deteriorate the power generation characteristics of the fuel cell. The insulating portion 51 of the present embodiment electrically insulates between the first bipolar plate 30 and the heating element 40, so that the above-described heating element malfunctions and the power generation characteristics of the fuel cell 11 deteriorate. Preventing problems.

絶縁部52は、発熱体40と、前述した燃料電池11の積層方向に隣接する他の燃料電池11を構成する第2のバイポーラプレート35との間に介在しており、これらを電気的に絶縁している。 The insulating portion 52 is interposed between the heating element 40 and the second bipolar plate 35 constituting another fuel cell 11 adjacent to the above-mentioned fuel cell 11 in the stacking direction, and electrically insulates them. doing.

発熱体40と第1及び第2のバイポーラプレート30,35との間の電気的な絶縁を確実に確保する観点から、絶縁部51,52は、積層方向から視て、少なくとも本体部41の全体と重なるように形成されていることが好ましい。このような絶縁部51,52としては、90℃程度まで変質、変形しない材料を用いることが好ましい。たとえば、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等の熱硬化性樹脂や耐熱性を有する公知の熱可塑性樹脂(たとえば、スーパーエンプラ)等の樹脂材料やシリコーンゴムやEPゴム等のゴム材料等で構成されるシートを用いることができる。なお、絶縁部は、特に上述に限定されず、発熱体40の全体を覆い囲むように絶縁部が1つのみ設けられも良い。 From the viewpoint of ensuring electrical insulation between the heating element 40 and the first and second bipolar plates 30 and 35, the insulating portions 51 and 52 are at least the entire main body portion 41 when viewed from the stacking direction. It is preferable that it is formed so as to overlap with. As such insulating portions 51 and 52, it is preferable to use a material that does not deteriorate or deform up to about 90 ° C. For example, a sheet made of a thermosetting resin such as a polyimide resin or a fluororesin, a resin material such as a known thermoplastic resin having heat resistance (for example, Super Empra), or a rubber material such as silicone rubber or EP rubber. Can be used. The insulating portion is not particularly limited to the above, and only one insulating portion may be provided so as to surround the entire heating element 40.

導体部55は、図6(A)及び図6(B)に示すように、積層方向から視て、高温領域Zと重なる位置に設けられている。この導体部55は、第1のバイポーラプレート30と、前述した燃料電池11の積層方向に隣接する他の燃料電池11を構成する第2のバイポーラプレート35とを電気的に接続している。発熱体40と導体部55とは、相互に離間して配置され電気的に絶縁されている。このような導体部55を構成する材料としては、耐熱性と導電性を有する材料であればよく、たとえば、金属材料や、導電性材料を耐熱性のある樹脂材料中に分散させたもの等を用いることができる。なお、導体部55を構成する材料としては、燃料に対する耐腐食性を有していることが好ましい。 Conductor 55, as shown in FIG. 6 (A) and 6 (B), when viewed from the laminating direction, are provided so as to overlap with the high-temperature region Z 2. The conductor portion 55 electrically connects the first bipolar plate 30 and the second bipolar plate 35 constituting another fuel cell 11 adjacent to the above-mentioned fuel cell 11 in the stacking direction. The heating element 40 and the conductor portion 55 are arranged apart from each other and electrically insulated. The material constituting such a conductor portion 55 may be any material having heat resistance and conductivity. For example, a metal material or a material obtained by dispersing a conductive material in a heat-resistant resin material may be used. Can be used. The material constituting the conductor portion 55 preferably has corrosion resistance to fuel.

図2に示すように、燃料電池スタック10において、締結ボルトによる締め付け荷重を燃料電池11の面内に対して均等に印加する観点から、積層方向において、導体部55の厚さと、発熱体40の厚さとが実質的に等しい事が好ましく、具体的には、図3に示すように、導体部55の厚さと、本体部41の厚さ、絶縁部51の厚さ,及び絶縁部52の厚さの合計とが実質的に等しいことが好ましい。 As shown in FIG. 2, in the fuel cell stack 10, from the viewpoint of evenly applying the tightening load by the fastening bolt to the in-plane of the fuel cell 11, the thickness of the conductor portion 55 and the heating element 40 are formed in the stacking direction. It is preferable that the thicknesses are substantially the same. Specifically, as shown in FIG. 3, the thickness of the conductor portion 55, the thickness of the main body portion 41, the thickness of the insulating portion 51, and the thickness of the insulating portion 52 It is preferable that the sum of the sums is substantially equal.

第3の封止部70は、図6(A)に示すように、第1のバイポーラプレート30と、隣接する燃料電池11を構成する第2のバイポーラプレート35との間に介在している。この第3の封止部70は、締結ボルトによる締め付け荷重が印加されることで変形し、当該第1及び第2のバイポーラプレート30,35と密着することで、当該第1及び第2のバイポーラプレート30,35の間を封止している。このような第3の封止部70を構成する材料としては、第1の封止部60を構成する材料と同様の材料を用いることができる。 As shown in FIG. 6A, the third sealing portion 70 is interposed between the first bipolar plate 30 and the second bipolar plate 35 constituting the adjacent fuel cell 11. The third sealing portion 70 is deformed by applying a tightening load by a fastening bolt, and is brought into close contact with the first and second bipolar plates 30 and 35, whereby the first and second bipolar plates are brought into close contact with each other. The space between the plates 30 and 35 is sealed. As the material constituting the third sealing portion 70, the same material as the material constituting the first sealing portion 60 can be used.

この第3の封止部70は、第1の環状部701と、第2の環状部702と、第3の環状部703と、第4の環状部704と、第5の環状部705とを有している。第1の環状部701は、積層方向から視て本体部41と、導体部55とを一括して包囲するように形成されている。この第1の環状部701は、各マニホールド2,3,4,5から流れ出た燃料により、発熱体40の劣化の抑制を図ることを目的として、第1のバイポーラプレート30に形成された複数の連通孔301,302,303,304と、発熱体40との間を封止して設けられている。この場合、発熱体40の第1及び第2の端子42,43は、第1の環状部701を横切って設けられており、第1の環状部701を貫通して、当該第1の環状部701の内側から外側に向かって延出している。なお、第1及び第2の端子42,43が第1の環状部701を横切る態様は特に上述に限定されない。たとえば、第1のバイポーラプレート30の第2の主面32上に封止部を設け、前述した燃料電池11の積層方向に隣接する他の燃料電池11を構成する第2のバイポーラプレート35の主面のうち第2の主面32に対向する主面上に封止部を設け、これら2つの封止部の間を第1及び第2の端子42,43が横切ってもよい。また、第1のバイポーラプレート30の第2の主面32上に封止部を設け、前述した燃料電池11の積層方向に隣接する他の燃料電池11を構成する第2のバイポーラプレート35の主面のうち第2の主面32と上記の封止部との間に第1及び第2の端子42,43が設けられていてもよい。 The third sealing portion 70 includes a first annular portion 701, a second annular portion 702, a third annular portion 703, a fourth annular portion 704, and a fifth annular portion 705. Have. The first annular portion 701 is formed so as to collectively surround the main body portion 41 and the conductor portion 55 when viewed from the stacking direction. The first annular portion 701 is formed on a plurality of first bipolar plates 30 for the purpose of suppressing deterioration of the heating element 40 due to the fuel flowing out from the manifolds 2, 3, 4, and 5. The communication holes 301, 302, 303, 304 and the heating element 40 are sealed and provided. In this case, the first and second terminals 42 and 43 of the heating element 40 are provided across the first annular portion 701, penetrate the first annular portion 701, and the first annular portion. It extends from the inside to the outside of the 701. The mode in which the first and second terminals 42 and 43 cross the first annular portion 701 is not particularly limited to the above. For example, the main of the second bipolar plate 35 in which the sealing portion is provided on the second main surface 32 of the first bipolar plate 30 and constitutes another fuel cell 11 adjacent to the stacking direction of the fuel cell 11 described above. A sealing portion may be provided on the main surface of the surface facing the second main surface 32, and the first and second terminals 42 and 43 may cross between the two sealing portions. Further, the main of the second bipolar plate 35 which is provided with a sealing portion on the second main surface 32 of the first bipolar plate 30 and constitutes another fuel cell 11 adjacent to the above-mentioned fuel cell 11 in the stacking direction. The first and second terminals 42 and 43 may be provided between the second main surface 32 and the sealing portion of the surface.

第2の環状部702は、燃料供給側マニホールド2から燃料が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、燃料供給連通孔301を包囲している。第3の環状部703は、燃料排出側マニホールド3から燃料及びアノードの生成物が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、燃料排出連通孔302を包囲している。第4の環状部704は、空気供給側マニホールド4から空気が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、空気供給連通孔303を包囲している。第5の環状部705は、空気排出側マニホールド5から空気及びカソードの生成物が流出するのを防ぐため、積層方向から視て、空気排出連通孔304を包囲している。 The second annular portion 702 surrounds the fuel supply communication hole 301 when viewed from the stacking direction in order to prevent fuel from flowing out from the fuel supply side manifold 2. The third annular portion 703 surrounds the fuel discharge communication hole 302 when viewed from the stacking direction in order to prevent the fuel and the products of the anode from flowing out from the fuel discharge side manifold 3. The fourth annular portion 704 surrounds the air supply communication hole 303 when viewed from the stacking direction in order to prevent air from flowing out from the air supply side manifold 4. The fifth annular portion 705 surrounds the air discharge communication hole 304 when viewed from the stacking direction in order to prevent the air and cathode products from flowing out from the air discharge side manifold 5.

本実施形態のように、第1のバイポーラプレート30の第2の主面32上に第3の封止部70が形成されている場合、発熱体40の第1及び第2の端子42,43は、積層方向から視て、第3の封止部70の第2〜第5の環状部702,703,704,705と重ならないように配設する。 When the third sealing portion 70 is formed on the second main surface 32 of the first bipolar plate 30 as in the present embodiment, the first and second terminals 42 and 43 of the heating element 40 are formed. Is arranged so as not to overlap with the second to fifth annular portions 702, 703, 704, 705 of the third sealing portion 70 when viewed from the stacking direction.

図1及び図8に示すように、本実施形態の燃料電池スタック10では、複数の燃料電池11は、積層方向において、第1の端子42同士が相互に重なるように配置されている。複数の第1の端子42は、積層方向において、相互に等間隔に配置されている。複数の第1の端子42の貫通孔421は、積層方向に沿って実質的に同軸上に配置されている。 As shown in FIGS. 1 and 8, in the fuel cell stack 10 of the present embodiment, the plurality of fuel cells 11 are arranged so that the first terminals 42 overlap each other in the stacking direction. The plurality of first terminals 42 are arranged at equal intervals with each other in the stacking direction. The through holes 421 of the plurality of first terminals 42 are arranged substantially coaxially along the stacking direction.

また、複数の燃料電池11は、積層方向において、第2の端子43同士が相互に重なるように配置されている。複数の第2の端子43は、積層方向において、相互に等間隔に配置されている。複数の第2の端子43の貫通孔431は、積層方向に沿って実質的に同軸上に配置されている。 Further, the plurality of fuel cells 11 are arranged so that the second terminals 43 overlap each other in the stacking direction. The plurality of second terminals 43 are arranged at equal intervals with each other in the stacking direction. The through holes 431 of the plurality of second terminals 43 are arranged substantially coaxially along the stacking direction.

第1の導体線77は、複数の第1の端子42を一括して外部電源(不図示)と電気的に接続する機能を有する。この第1の導体線77は、それぞれの第1の端子42の貫通孔421内に挿通されており、当該複数の貫通孔421が共有する軸上を直線状に延在している。この第1の導体線77の一端は、積層された複数の燃料電池11の両端に位置する燃料電池11の何れか一方を構成する第1の端子42に固定されている。第1の導体線77の他端は、外部電源(不図示)に電気的に接続されている。 The first conductor wire 77 has a function of electrically connecting a plurality of first terminals 42 to an external power source (not shown) at once. The first conductor wire 77 is inserted into the through hole 421 of each of the first terminals 42, and extends linearly on the axis shared by the plurality of through holes 421. One end of the first conductor wire 77 is fixed to a first terminal 42 constituting one of the fuel cells 11 located at both ends of the plurality of stacked fuel cells 11. The other end of the first conductor wire 77 is electrically connected to an external power source (not shown).

第2の導体線78は、複数の第2の端子43を一括して外部電源(不図示)と電気的に接続する機能を有する。この第2の導体線78は、それぞれの第2の端子43の貫通孔431内に挿通されており、当該複数の貫通孔431が共有する軸上を直線状に延在している。この第2の導体線78の一端は、積層された複数の燃料電池11の両端に位置する燃料電池11の何れか一方を構成する第2の端子43に固定されている。第2の導体線78の他端は、外部電源(不図示)に電気的に接続されている。これら第1及び第2の導体線77,78は、たとえば、銅などの高い導電性を有する金属材料により構成されている。 The second conductor wire 78 has a function of electrically connecting a plurality of second terminals 43 to an external power source (not shown) at once. The second conductor wire 78 is inserted into the through hole 431 of each of the second terminals 43, and extends linearly on the axis shared by the plurality of through holes 431. One end of the second conductor wire 78 is fixed to a second terminal 43 constituting one of the fuel cells 11 located at both ends of the plurality of stacked fuel cells 11. The other end of the second conductor wire 78 is electrically connected to an external power source (not shown). The first and second conductor wires 77 and 78 are made of a metal material having high conductivity such as copper.

以下に、本実施形態の燃料電池スタック10の作用について説明する。 The operation of the fuel cell stack 10 of the present embodiment will be described below.

本実施形態の燃料電池スタック10は、以下のように動作する。まず、図2(A)に示すように、エンドプレート75の燃料供給口751から燃料供給側マニホールド2に燃料が供給される。燃料供給側マニホールド2は、燃料を複数の燃料電池11のアノードに対して分配して供給する。そして、第1のバイポーラプレート30のアノード流路311に燃料が導入される(図2(A)の矢印を参照)。一方、図2(B)に示すように、エンドプレート75の空気供給口753から空気供給側マニホールド4に空気が供給される。空気供給側マニホールド4は、空気を複数の燃料電池11のカソードに分配して供給する。そして、第2のバイポーラプレート35のカソード流路361に空気が導入される(図2(B)の矢印を参照)。 The fuel cell stack 10 of the present embodiment operates as follows. First, as shown in FIG. 2A, fuel is supplied to the fuel supply side manifold 2 from the fuel supply port 751 of the end plate 75. The fuel supply side manifold 2 distributes and supplies fuel to the anodes of the plurality of fuel cells 11. Then, fuel is introduced into the anode flow path 311 of the first bipolar plate 30 (see the arrow in FIG. 2A). On the other hand, as shown in FIG. 2B, air is supplied to the air supply side manifold 4 from the air supply port 753 of the end plate 75. The air supply side manifold 4 distributes and supplies air to the cathodes of the plurality of fuel cells 11. Then, air is introduced into the cathode flow path 361 of the second bipolar plate 35 (see the arrow in FIG. 2B).

これにより、各燃料電池11のアノードにおいては、
[数1] CHOH+HO→CO+6H+6e
という酸化反応が生じ、各燃料電池11のカソードにおいては、
[数2] 3/2O+6H+6e→3H
という還元反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。
As a result, at the anode of each fuel cell 11,
[Number 1] CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Oxidation reaction occurs, and at the cathode of each fuel cell 11,
[Number 2] 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O
The reduction reaction occurs. This causes a current to flow between the anode and the cathode.

上記に示す化学反応(発電反応)により、膜電極接合体20が発熱し温度が上昇する。発生した熱は、熱拡散の影響により膜電極接合体20の面内を移動する。具体的には、膜電極接合体20の面内において鉛直方向の上側に向かって熱が移動する。このため、膜電極接合体20の面内を鉛直方向に対して2分割したうちの上側の領域は相対的に高温となり易く、下側の領域が相対的に低温となり易い。 Due to the chemical reaction (power generation reaction) shown above, the membrane electrode assembly 20 generates heat and the temperature rises. The generated heat moves in the plane of the membrane electrode assembly 20 due to the influence of heat diffusion. Specifically, heat is transferred upward in the vertical direction in the plane of the membrane electrode assembly 20. Therefore, the upper region of the in-plane of the membrane electrode assembly 20 divided into two in the vertical direction tends to have a relatively high temperature, and the lower region tends to have a relatively low temperature.

従来の燃料電池では、膜電極接合体における鉛直方向の上側に向かう熱の移動(熱拡散)により、当該膜電極接合体の面内温度が鉛直方向において不均一となる場合がある。また、一般的に、燃料電池においては、膜電極接合体の温度が高いほど発電反応が生じ易く、当該膜電極接合体の温度が低いほど発電反応が生じ難い。このため、相対的に低温となる膜電極接合体の面内のうち鉛直方向の下側の領域では発電反応が生じ難くなる。この場合、膜電極接合体の面内全体で発電反応が生じないため、燃料電池における燃料の利用効率が低下してしまい、当該膜電極接合体の反応面積から想定される燃料電池の出力を得ることができないおそれがある、という問題がある。なお、燃料の利用効率は、下記(1)式によって表すことができる。
A=(B−C)/B … (1)
但し、上記(1)式において、Aは燃料の利用効率であり、Bは燃料の供給量であり、Cは透過した燃料クロスオーバー量とカソードに透過せずにアノード排出口に排出された未反応の燃料の排出量との合計値である。
In a conventional fuel cell, the in-plane temperature of the membrane electrode assembly may become non-uniform in the vertical direction due to heat transfer (heat diffusion) toward the upper side in the vertical direction. Further, in general, in a fuel cell, the higher the temperature of the membrane electrode assembly, the more likely the power generation reaction occurs, and the lower the temperature of the membrane electrode assembly, the less likely the power generation reaction occurs. Therefore, the power generation reaction is less likely to occur in the lower region in the vertical direction in the plane of the membrane electrode assembly, which has a relatively low temperature. In this case, since the power generation reaction does not occur in the entire in-plane of the membrane electrode assembly, the fuel utilization efficiency in the fuel cell is lowered, and the expected output of the fuel cell is obtained from the reaction area of the membrane electrode assembly. There is a problem that it may not be possible. The fuel utilization efficiency can be expressed by the following equation (1).
A = (BC) / B ... (1)
However, in the above equation (1), A is the fuel utilization efficiency, B is the fuel supply amount, and C is the permeated fuel crossover amount and the amount of fuel that has not permeated through the cathode and has not been discharged to the anode discharge port. It is the total value with the fuel emission of the reaction.

また、膜電極接合体の面内のうち鉛直方向の上側の領域が相対的に高温となるため、局所的な発電反応が生じてしまい、当該上側の領域において局所的な触媒の劣化が生じてしまうおそれがある。この場合、燃料電池の運転を継続した結果、膜電極接合体の面内のうち相対的に温度の高い領域においても発電反応が滞り、燃料電池の出力が低下してしまうおそれがある、という問題がある。 Further, since the upper region in the vertical direction in the plane of the membrane electrode assembly becomes relatively hot, a local power generation reaction occurs, and local deterioration of the catalyst occurs in the upper region. There is a risk that it will end up. In this case, as a result of continuing the operation of the fuel cell, there is a problem that the power generation reaction may be delayed even in a region of the membrane electrode assembly where the temperature is relatively high, and the output of the fuel cell may decrease. There is.

また、膜電極接合体の面内のうち相対的に温度の高い領域において局所的に発電反応が生じてしまうことで、膜電極接合体が局所的に発熱してしまう。このため、膜電極接合体の面内温度の不均一がより一層拡大してしまう。そして、膜電極接合体の温度が一定温度以上となると、燃料電池のアノードに供給された燃料が、未反応のまま高分子電解質膜を通過し、燃料電池のカソードに到達してしまう現象(いわゆる、クロスオーバー現象)が生じ易くなる。この場合、燃料電池のおける燃料の利用効率がさらに低下して、当該燃料電池の出力が低下するおそれがある、という問題がある。 In addition, a power generation reaction occurs locally in a region of the membrane electrode assembly where the temperature is relatively high, so that the membrane electrode assembly generates heat locally. Therefore, the non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly further increases. When the temperature of the membrane electrode assembly exceeds a certain temperature, the fuel supplied to the anode of the fuel cell passes through the polymer electrolyte membrane without reacting and reaches the cathode of the fuel cell (so-called). , Crossover phenomenon) is likely to occur. In this case, there is a problem that the efficiency of fuel utilization in the fuel cell is further lowered, and the output of the fuel cell may be lowered.

以上のように、従来の燃料電池では、膜電極接合体の面内温度が、鉛直方向において不均一であることで、上述の問題が複合的に生じてしまい、結果として、燃料電池の出力が安定し難い、という問題があった。 As described above, in the conventional fuel cell, the in-plane temperature of the membrane electrode assembly is non-uniform in the vertical direction, which causes the above-mentioned problems in a complex manner, and as a result, the output of the fuel cell is increased. There was a problem that it was difficult to stabilize.

これに対し、本実施形態の燃料電池11は、第1のバイポーラプレート30に設けた発熱体40を、重複領域Zを鉛直方向に対して2分割した領域のうち下側の領域(低温領域Z)と重なるように配置している。このため、膜電極接合体20の面内において相対的に温度の低い領域を部分的に加熱することができるので、当該膜電極接合体20の面内温度の不均一を抑えることができる。 In contrast, the fuel cell 11 of the present embodiment, the lower region (low temperature region of the heat generating element 40 provided in the first bipolar plate 30, and divided into two overlapping regions Z 1 with respect to the vertical direction region It is arranged so as to overlap with Z 3 ). Therefore, since a region having a relatively low temperature can be partially heated in the in-plane of the membrane electrode assembly 20, non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly 20 can be suppressed.

これにより、膜電極接合体20の面内全体において発電反応が生じるため、燃料電池11における燃料の利用効率を向上することができる。また、膜電極接合体20の面内全体において発電反応が生じるため、局所的な触媒の劣化が生じ難くなる。さらに、膜電極接合体20の面内全体が発熱するため、当該膜電極接合体20の面内温度の不均一が拡大するのを防ぐことができ、燃料のクロスオーバーの発生を抑制できる。結果として、本実施形態では、燃料電池11の出力を安定させることができる。 As a result, a power generation reaction occurs in the entire in-plane of the membrane electrode assembly 20, so that the fuel utilization efficiency in the fuel cell 11 can be improved. Further, since the power generation reaction occurs in the entire in-plane of the membrane electrode assembly 20, local deterioration of the catalyst is less likely to occur. Further, since the entire in-plane of the membrane electrode assembly 20 generates heat, it is possible to prevent the non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly 20 from expanding, and it is possible to suppress the occurrence of fuel crossover. As a result, in the present embodiment, the output of the fuel cell 11 can be stabilized.

また、発熱体40を低温領域Zと重なるように配置するだけで、重複領域Zの全体に配置しないので、燃料電池11の製造コストの低減を図ることができる。 Further, since the heating element 40 is only arranged so as to overlap the low temperature region Z 3 and is not arranged in the entire overlapping region Z 1 , the manufacturing cost of the fuel cell 11 can be reduced.

なお、膜電極接合体20の温度が過昇温した場合は、外部から燃料電池11のカソードに導入される空気の量を増大させて、当該膜電極接合体20の面内全体を冷却することができるが、この場合、本実施形態では、膜電極接合体20の面内温度の不均一を抑えているので、当該膜電極接合体20の面内全体の温度を一様に低下させるだけで、当該膜電極接合体20の適切な温度制御を行うことができる。 When the temperature of the membrane electrode assembly 20 is excessively raised, the amount of air introduced into the cathode of the fuel cell 11 from the outside is increased to cool the entire in-plane of the membrane electrode assembly 20. However, in this case, since the non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly 20 is suppressed, only the temperature of the entire in-plane of the membrane electrode assembly 20 is uniformly lowered. , Appropriate temperature control of the membrane electrode assembly 20 can be performed.

また、本実施形態では、発熱体40としてPTCヒータを用いている。ここで、燃料電池スタック10(燃料電池11)の出力及び燃料の利用効率は、当該燃料電池スタック10(燃料電池11)の温度が上昇するに従い上昇するが、所定温度以上においては、燃料のクロスオーバーの影響により、むしろ温度が上昇するに従い燃料電池スタック10(燃料電池11)の出力及び燃料の利用効率が低下する。これに対し、本実施形態で用いるPTCヒータには、導体と熱応答絶縁性粒子が含まれており、当該導体が通電されることで発熱し、これにより熱応答絶縁性粒子が加熱され膨張する。熱応答絶縁性粒子が膨張すると、導体同士が離れるなどして電流が流れ難くなり、当該導体の発熱が収まる。このように、PTCヒータは、温度に応じて電流の流れ易さを変化させ、所定温度で安定する温度自己制御機能を有しており、所定温度を超える温度にならない様に設定されているので、膜電極接合体20の温度を所定温度で安定させることができ、延いては、燃料電池スタック10(燃料電池11)の出力及び燃料の利用効率を高い状態で安定させることができる。 Further, in the present embodiment, a PTC heater is used as the heating element 40. Here, the output of the fuel cell stack 10 (fuel cell 11) and the fuel utilization efficiency increase as the temperature of the fuel cell stack 10 (fuel cell 11) rises, but above a predetermined temperature, the fuel crosses. Due to the effect of overshooting, the output of the fuel cell stack 10 (fuel cell 11) and the efficiency of fuel utilization decrease as the temperature rises. On the other hand, the PTC heater used in the present embodiment contains a conductor and heat-responsive insulating particles, and when the conductor is energized, heat is generated, which heats and expands the heat-responsive insulating particles. .. Thermal response When the insulating particles expand, the conductors separate from each other, making it difficult for current to flow, and the heat generated by the conductors subsides. In this way, the PTC heater has a temperature self-control function that changes the ease of current flow according to the temperature and stabilizes at a predetermined temperature, and is set so as not to exceed the predetermined temperature. The temperature of the membrane electrode assembly 20 can be stabilized at a predetermined temperature, and the output of the fuel cell stack 10 (fuel cell 11) and the fuel utilization efficiency can be stabilized in a high state.

また、本実施形態では、第1のバイポーラプレート30に形成された連通孔301,302と発熱体40との間を封止する第3の封止部を設けることで、各マニホールド2,3,4,5から流れ出た燃料により、発熱体40が劣化するのを抑制している。 Further, in the present embodiment, the manifolds 2, 3 and 3 are provided by providing a third sealing portion for sealing between the communication holes 301 and 302 formed in the first bipolar plate 30 and the heating element 40. The deterioration of the heating element 40 is suppressed by the fuel flowing out from the 4th and 5th.

また、本実施形態では、発熱体40を矩形状に形成している。この場合、本体部41が積層方向から視て、低温領域Zの全体と重なるように配置されているので、当該膜電極接合体20の面内の相対的に温度の低い領域全体を均等に加熱することができる。これにより、膜電極接合体20の面内温度の不均一をより抑えることができる。 Further, in the present embodiment, the heating element 40 is formed in a rectangular shape. In this case, the main body portion 41 as viewed from the lamination direction, since it is arranged so as to overlap the entire cold zone Z 3, evenly relatively entire regions of low temperatures in the plane of the membrane electrode assembly 20 Can be heated. As a result, the non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly 20 can be further suppressed.

また、本実施形態では、積層方向から視て矩形状の発熱体40の短辺411から本体部41の中心から離れる側であって、本体部41の長辺413,414に対して水平方向に向かって第1の端子42が延出し、積層方向から視て当該短辺411と反対側の短辺412から本体部41の中心から離れる側であって、本体部41の長辺413,414に対して水平方向に向かって第2の端子43が延出している。このため、発熱体40の略全体に亘って通電することができるため、当該発熱体40の全体を均等に発熱させることができる。 Further, in the present embodiment, the side away from the center of the main body 41 from the short side 411 of the rectangular heating element 40 when viewed from the stacking direction, and horizontally with respect to the long sides 413 and 414 of the main body 41. The first terminal 42 extends toward the center of the main body 41 from the short side 412 opposite to the short side 411 when viewed from the stacking direction, and extends to the long sides 413 and 414 of the main body 41. On the other hand, the second terminal 43 extends in the horizontal direction. Therefore, since electricity can be applied to substantially the entire heating element 40, the entire heating element 40 can be uniformly heated.

また、本実施形態の燃料電池スタック10では、積層方向において、複数の燃料電池11を、第1の端子42同士が相互に重なると共に、第2の端子43同士が相互に重なるように積層している。そして、これら複数の第1の端子42を、直線状に延在する第1の導体線77と電気的に接続すると共に、複数の第2の端子43を、直線状に延在する第2の導体線78と電気的に接続している。これにより、複数の第1の端子42を一括して外部電源と電気的に接続すると共に、複数の第2の端子43を一括して外部電源と電気的に接続することができるので、第1及び第2の導体線77,78の取扱いが容易かつ、小型化が可能な燃料電池スタック10を得る事が可能となる。 Further, in the fuel cell stack 10 of the present embodiment, a plurality of fuel cells 11 are laminated so that the first terminals 42 overlap each other and the second terminals 43 overlap each other in the stacking direction. There is. Then, these plurality of first terminals 42 are electrically connected to the first conductor wire 77 extending linearly, and the plurality of second terminals 43 are linearly extending second. It is electrically connected to the conductor wire 78. As a result, the plurality of first terminals 42 can be collectively electrically connected to the external power source, and the plurality of second terminals 43 can be collectively electrically connected to the external power source. The fuel cell stack 10 can be easily handled and the second conductor wires 77 and 78 can be miniaturized.

以上に説明した燃料電池スタック10を備える燃料電池システム1について、図9を参照しながら説明する。図9は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 The fuel cell system 1 including the fuel cell stack 10 described above will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

本実施形態の燃料電池システム1は、図9に示すように、外部負荷と電気的に接続された燃料電池スタック10と、燃料タンク80と、ポンプ81と、ブロワ82と、水タンク83と、ポンプ84と、メタノールタンク85と、ポンプ86と、を備えている。本実施形態における「燃料タンク80」及び「ポンプ81」が本発明における「第1の供給手段」の一例に相当し、本実施形態における「ブロワ82」が本発明における「第2の供給手段」の一例に相当する。 As shown in FIG. 9, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a fuel cell stack 10 electrically connected to an external load, a fuel tank 80, a pump 81, a blower 82, a water tank 83, and the like. It includes a pump 84, a methanol tank 85, and a pump 86. The "fuel tank 80" and "pump 81" in the present embodiment correspond to an example of the "first supply means" in the present invention, and the "blower 82" in the present embodiment is the "second supply means" in the present invention. Corresponds to one example.

燃料タンク80には、メタノールタンク85から供給される高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液と、水タンク83から供給される水とが混合された燃料(液体燃料)が貯蔵されている。 The fuel tank 80 stores a fuel (liquid fuel) in which a high-concentration methanol aqueous solution or methanol stock solution supplied from the methanol tank 85 and water supplied from the water tank 83 are mixed.

ポンプ81は、配管Fを介して燃料電池スタック10の燃料供給口751に、燃料タンク80から燃料を供給する。燃料電池11のアノードから排出される生成物(二酸化炭素等)及び未反応の燃料は、燃料電池スタック10の燃料排出口752に繋がる配管Fを介して燃料タンク80に戻される。 Pump 81, the fuel supply port 751 of the fuel cell stack 10 via the piping F 1, for supplying fuel from the fuel tank 80. The fuel product (carbon dioxide) and unreacted discharged from the anode of the fuel cell 11 is returned to the fuel tank 80 via a pipe F 2 connected to the fuel discharge port 752 of the fuel cell stack 10.

ブロワ82は、配管Fを介して燃料電池スタック10の空気供給口753に、空気を供給する。このブロワ82の吸引側には、吸引する空気に含まれる塵埃等を除去するエアフィルタ(不図示)が設けられている。燃料電池11のカソードから排出される生成物(水、水蒸気、及び二酸化炭素等)、未反応の空気、及び膜電極接合体20を透過した未反応メタノールは、燃料電池スタック10の空気排出口754に繋がる配管Fを介して排出設備へ送られる。排出設備では、二酸化炭素等の気相成分を水等の液相成分から分離して、当該気相成分を外部に排出している。 Blower 82, the air supply port 753 of the fuel cell stack 10 via the piping F 3, for supplying air. An air filter (not shown) for removing dust and the like contained in the sucked air is provided on the suction side of the blower 82. The products (water, water vapor, carbon dioxide, etc.) discharged from the cathode of the fuel cell 11, the unreacted air, and the unreacted methanol that has permeated the membrane electrode assembly 20 are the air discharge port 754 of the fuel cell stack 10. It sent to the discharge facilities through pipes F 4 connected to. In the discharge facility, the gas phase component such as carbon dioxide is separated from the liquid phase component such as water, and the gas phase component is discharged to the outside.

水タンク83に貯蔵された水は、ポンプ84により、配管Fを介して燃料タンク80に送られる。また、メタノールタンク85に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液は、ポンプ86により、配管Fを介して燃料タンク80に送られる。 Stored in the water tank 83 water by a pump 84 and sent to the fuel tank 80 via a pipe F 5. Further, an aqueous methanol solution or methanol stock solution of high concentration stored in the methanol tank 85, a pump 86 and sent to the fuel tank 80 via a pipe F 6.

図10(A)は本発明の他の実施の形態に係る燃料電池を説明するための図であり、第1のバイポーラプレートの第2の主面を積層方向から視た平面図、図10(B)は本発明の他の実施の形態に係る発熱体及び導体部を積層方向から視た平面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。 FIG. 10A is a view for explaining the fuel cell according to another embodiment of the present invention, and is a plan view of the second main surface of the first bipolar plate viewed from the stacking direction, FIG. 10 (A). B) is a plan view of the heating element and the conductor portion according to another embodiment of the present invention as viewed from the stacking direction. The same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment, the repeated description is omitted, and the description in the above-described embodiment is incorporated.

以下に説明する実施形態では、熱は円形状に拡散していく事から、実際に発生し得る熱分布は図10(B)に示す通り、熱が逃げにくい膜電極接合体20の中心近傍において円弧状の領域Z212を有する高温領域Z21の様になる事が多い点に着目した。そこで、図10(B)に示す様な熱分布になった場合における燃料電池スタック11の説明をする。 In the embodiment described below, since the heat diffuses in a circular shape, the heat distribution that can actually be generated is near the center of the membrane electrode assembly 20 where the heat does not easily escape, as shown in FIG. 10 (B). It was noted that the high temperature region Z 21 having the arc-shaped region Z 212 is often formed. Therefore, the fuel cell stack 11 will be described when the heat distribution is as shown in FIG. 10B.

図10(A)に示すように、本実施形態では、重複領域Zにおいて、高温領域Z21と低温領域Z31とを以下のとおり設定する。すなわち、高温領域Z21は、仮想直線Lよりも上側の領域Z211と、当該領域Z211の下側の長辺の中心近傍において下方に向かって突出する円弧状の領域Z212とを合わせた領域とする。一方、低温領域Z31は、仮想直線Lよりも下側の領域のうち、上記領域Z212と重ならない領域とする。 As shown in FIG. 10A, in the present embodiment, the high temperature region Z 21 and the low temperature region Z 31 are set as follows in the overlapping region Z 1 . That is, the high-temperature region Z 21 is combined with the upper area Z 211 to the virtual straight line L 1, and the arcuate region Z 212 projecting downward in the vicinity of the center of the lower long side of the region Z 211 Area. On the other hand, the low temperature region Z 31 is a region below the virtual straight line L 1 that does not overlap with the region Z 212 .

膜電極接合体20の外縁近傍は、燃料電池11の外部から近いため比較的熱が逃げ易い。これに対して、膜電極接合体20の中心近傍は、燃料電池11の外部から遠いため比較的熱が逃げ難い。このため、膜電極接合体20の中心近傍は、相対的に高温となり易く、膜電極接合体20の外縁近傍は、相対的に低温となり易い。つまり、本実施形態では、膜電極接合体20の面内における鉛直方向の上側に向かう熱の移動と、当該膜電極接合体20の面内における当該膜電極接合体20の中心から外縁に向かう熱の移動とに基づいて高温領域Z21と低温領域Z31とを設定している。このため、仮想直線Lよりも下側の領域であっても、膜電極接合体20の中心近傍と重なる領域(領域Z212)は、低温領域Z31から除外している。 Since the vicinity of the outer edge of the membrane electrode assembly 20 is close to the outside of the fuel cell 11, heat is relatively easy to escape. On the other hand, since the vicinity of the center of the membrane electrode assembly 20 is far from the outside of the fuel cell 11, heat is relatively difficult to escape. Therefore, the vicinity of the center of the membrane electrode assembly 20 tends to be relatively hot, and the vicinity of the outer edge of the membrane electrode assembly 20 tends to be relatively low. That is, in the present embodiment, the heat transfer upward in the vertical direction in the plane of the membrane electrode assembly 20 and the heat from the center to the outer edge of the membrane electrode assembly 20 in the plane of the membrane electrode assembly 20. has set a high-temperature region Z21 and the low temperature area Z 31 based movement and the. Therefore, even in the area below the imaginary straight line L 1, a region overlapping with the center area of the membrane electrode assembly 20 (region Z 212) is excluded from the low temperature region Z 31.

発熱体40Bの本体部41Bは、図10(B)に示すように、積層方向から視て、上述した低温領域Z31に対応した形状となっている。すなわち、本体部41Bは、鉛直方向に対して上下に位置する長辺413B,414を有し、当該長辺413B,414に対して直交する短辺411,412を有し、当該長辺413Bの中央近傍に凹部415を有する形状となっている。ここで、凹部415は、図10(B)に示すように、鉛直方向に対して上方向に開口する様、設けられている。図10(B)の+X方向における凹部415の幅としては、図10(B)の+X方向における本体部41Bの幅の4分の1〜8分の1が好ましく、特に2分の1であることがより好ましい。また、図10(B)の+Z方向における凹部415の深さとしては、図10(B)の+Z方向における本体部41Bの高さの4分の1〜8分の1が好ましく、特に2分の1であることがより好ましい。なお、導体部55Bは、高温領域Z21に対応した形状となっている。すなわち、導体部55Bは、鉛直方向に対して上下に位置する長辺を有し、当該長辺に対して直交する側辺を有し、図10(B)に対して導体部の下側の長辺の中心近傍に、下側に向かって突出する円弧状の凸部を有する形状となっている。本実施形態における「長辺413B」が本発明における「上辺」の一例に相当し、本実施形態における「長辺414」が本発明における「下辺」の一例に相当し、本実施形態における「短辺411,412」が本発明における「側辺」の一例に相当する。 As shown in FIG. 10B, the main body 41B of the heating element 40B has a shape corresponding to the above-mentioned low temperature region Z 31 when viewed from the stacking direction. That is, the main body 41B has long sides 413B and 414 located vertically with respect to the vertical direction, and has short sides 411 and 412 orthogonal to the long sides 413B and 414, and has long sides 413B. It has a shape having a recess 415 near the center. Here, as shown in FIG. 10B, the recess 415 is provided so as to open upward with respect to the vertical direction. The width of the recess 415 in the + X direction in FIG. 10B is preferably 1/4 to 1/8 of the width of the main body 41B in the + X direction in FIG. 10B, and is particularly 1/2. Is more preferable. Further, the depth of the recess 415 in the + Z direction of FIG. 10B is preferably 1/4 to 1/8 of the height of the main body 41B in the + Z direction of FIG. 10B, particularly 2 minutes. It is more preferable that it is 1. The conductor portion 55B has a shape corresponding to the high temperature region Z 21 . That is, the conductor portion 55B has long sides located vertically in the vertical direction, has side sides orthogonal to the long sides, and is on the lower side of the conductor portion with respect to FIG. 10B. It has a shape having an arc-shaped convex portion protruding downward near the center of the long side. The "long side 413B" in the present embodiment corresponds to an example of the "upper side" in the present invention, the "long side 414" in the present embodiment corresponds to an example of the "lower side" in the present invention, and the "short side" in the present embodiment. "Sides 411,412" correspond to an example of "sides" in the present invention.

本実施形態では、積層方向から視て、相対的に高温となり易い膜電極接合体20の中心近傍と重ならないように発熱体40Bを形成している。これにより、膜電極接合体の中心近傍が発熱し、さらに、発熱体により加熱されることで、当該膜電極接合体の中心近傍が過昇温するのを防いでいる。これにより、膜電極接合体20の面内温度の不均一をより一層抑えることができ、燃料電池11の出力をさらに安定させることができる。 In the present embodiment, the heating element 40B is formed so as not to overlap with the vicinity of the center of the membrane electrode assembly 20 which tends to be relatively hot when viewed from the stacking direction. As a result, the vicinity of the center of the membrane electrode assembly generates heat, and further, the heating by the heating element prevents the vicinity of the center of the membrane electrode assembly from being overheated. As a result, the non-uniformity of the in-plane temperature of the membrane electrode assembly 20 can be further suppressed, and the output of the fuel cell 11 can be further stabilized.

図11は本発明の他の実施の形態に係るバイポーラプレートを示す幅方向から視た断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view of the bipolar plate according to another embodiment of the present invention as viewed from the width direction.

本実施形態のバイポーラプレート30Bは、燃料電池スタック10において、隣り合う燃料電池11,11を構成する膜電極接合体20,20同士の間に介在している。バイポーラプレート30Bの第1の主面31は、一方の膜電極接合体20のアノードと対向しており、当該膜電極接合体20のアノードガス拡散層222と当接している。バイポーラプレート30Bの第1の主面31と反対側の第2の主面32Bは、他方の膜電極接合体20のカソードと対向しており、当該膜電極接合体20のカソードガス拡散層232と当接している。 The bipolar plate 30B of the present embodiment is interposed between the membrane electrode assemblies 20 and 20 constituting the adjacent fuel cells 11 and 11 in the fuel cell stack 10. The first main surface 31 of the bipolar plate 30B faces the anode of one membrane electrode assembly 20 and is in contact with the anode gas diffusion layer 222 of the membrane electrode assembly 20. The second main surface 32B opposite to the first main surface 31 of the bipolar plate 30B faces the cathode of the other membrane electrode assembly 20, and meets the cathode gas diffusion layer 232 of the membrane electrode assembly 20. It is in contact.

図11に示すバイポーラプレート30Bは、膜電極接合体20のアノードと対向する第1の主面31にアノード流路311が形成され、膜電極接合体20のカソードと対向する第2の主面32Bにカソード流路321が形成されている。このカソード流路321は、上述の実施形態におけるカソード流路361と同様の形状を有しているため、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。 In the bipolar plate 30B shown in FIG. 11, the anode flow path 311 is formed on the first main surface 31 facing the anode of the membrane electrode assembly 20, and the second main surface 32B facing the cathode of the membrane electrode assembly 20. A cathode flow path 321 is formed in the surface. Since the cathode flow path 321 has the same shape as the cathode flow path 361 in the above-described embodiment, the repeated description is omitted, and the description in the above-described embodiment is incorporated.

発熱体40Cは、バイポーラプレート30Bの内部に埋め込まれている。つまり、本実施形態の発熱体40Cは、図11に対してバイポーラプレート30Bの第1の主面31よりも−Y方向側に位置しており、且つ、第2の主面32Bよりも+Y方向側に位置している。 The heating element 40C is embedded inside the bipolar plate 30B. That is, the heating element 40C of the present embodiment is located on the −Y direction side of the first main surface 31 of the bipolar plate 30B with respect to FIG. 11, and is in the + Y direction of the second main surface 32B. Located on the side.

バイポーラプレート30Bと発熱体40Cとが短絡するのを防ぐため、発熱体40Cの本体部41の全体は、電気絶縁性を有する絶縁部51Bで被覆されている。特に図示しないが、バイポーラプレート30Bと発熱体40Cとが短絡するのを防ぐため、発熱体40Cの第1及び第2の端子のうちバイポーラプレート30Bに埋設される部分も、電気絶縁性を有する絶縁層で被覆されている。 In order to prevent the bipolar plate 30B and the heating element 40C from being short-circuited, the entire main body 41 of the heating element 40C is covered with an insulating portion 51B having electrical insulation. Although not particularly shown, in order to prevent the bipolar plate 30B and the heating element 40C from short-circuiting, the portion of the first and second terminals of the heating element 40C that is embedded in the bipolar plate 30B is also insulated with electrical insulation. It is covered with a layer.

本実施形態のバイポーラプレート30Bを用いると、第1及び第2のバイポーラプレート30,35を必要としないため、燃料電池11において部品点数が減少し、当該燃料電池11の製造コストを低減することができる。 When the bipolar plate 30B of the present embodiment is used, since the first and second bipolar plates 30 and 35 are not required, the number of parts in the fuel cell 11 can be reduced, and the manufacturing cost of the fuel cell 11 can be reduced. it can.

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 It should be noted that the embodiments described above are described for facilitating the understanding of the present invention, and are not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.

たとえば、本実施形態では、第1のバイポーラプレート30の第2の主面32上に発熱体40を設けていたが、特にこれに限定されず、第1のバイポーラプレート30の代わりに第2のバイポーラプレート35を用いて、第2のバイポーラプレート35の第2の主面(第2のバイポーラプレート35において膜電極接合体20と対向する主面と反対側の主面)上に発熱体を設けてもよい。この場合、上記の実施形態と同様に、第2のバイポーラプレート35の第2の主面上に、絶縁部、導体部、及び第3の封止部も設ける。 For example, in the present embodiment, the heating element 40 is provided on the second main surface 32 of the first bipolar plate 30, but the heating element 40 is not particularly limited thereto, and the second bipolar plate 30 is replaced with the second heating element 40. Using the bipolar plate 35, a heating element is provided on the second main surface of the second bipolar plate 35 (the main surface of the second bipolar plate 35 opposite to the main surface facing the membrane electrode assembly 20). You may. In this case, similarly to the above embodiment, an insulating portion, a conductor portion, and a third sealing portion are also provided on the second main surface of the second bipolar plate 35.

1…燃料電池システム
2…燃料供給側マニホールド
3…燃料排出側マニホールド
4…空気供給側マニホールド
5…空気排出側マニホールド
10…燃料電池スタック
11…燃料電池
…重複領域
,Z21…高温領域
211,Z212…領域
,Z31…低温領域
121…アノードの入口
122…アノードの出口
131…カソードの入口
132…カソードの出口
20…膜電極接合体(MEA)
21…高分子電解質膜
221…アノード触媒層
222…アノードガス拡散層
231…カソード触媒層
232…カソードガス拡散層
25…フレーム
251…燃料供給連通孔
252…燃料排出連通孔
253…空気供給連通孔
254…空気排出連通孔
30,30B…第1のバイポーラプレート
301…燃料供給連通孔
302…燃料排出連通孔
303…空気供給連通孔
304…空気排出連通孔
31…第1の主面
311…アノード流路
32,32B…第2の主面
321…カソード流路
35…第2のバイポーラプレート
351…燃料供給連通孔
352…燃料排出連通孔
353…空気供給連通孔
354…空気排出連通孔
36…第1の主面
361…カソード流路
37…第2の主面
40,40B,40C…発熱体
41,41B,41C…本体部
411,412…短辺
413,414…頂辺
415…凹部
42,43…第1及び第2の端子
421,431…貫通孔
51,52…絶縁部
55…導体部
60…第1の封止部
65…第2の封止部
70…第3の封止部
701…第1の環状部
702…第2の環状部
703…第3の環状部
704…第4の環状部
705…第5の環状部
75…エンドプレート
751…燃料供給口
752…燃料排出口
753…空気供給口
754…空気排出口
755…脚部
76…エンドプレート
765…脚部
77,78…第1及び第2の導体線
80…燃料タンク
81…ポンプ
82…ブロワ
83…水タンク
84…ポンプ
85…メタノールタンク
86…ポンプ
〜F…配管
1 ... Fuel cell system 2 ... Fuel supply side manifold 3 ... Fuel discharge side manifold 4 ... Air supply side manifold 5 ... Air discharge side manifold 10 ... Fuel cell stack 11 ... Fuel cell Z 1 ... Overlapping area
Z 2 , Z 21 ... High temperature region
Z 211 , Z 212 ... Area
Z 3 , Z 31 ... Low temperature region 121 ... Anode inlet 122 ... Anode outlet 131 ... Cathode inlet 132 ... Cathode outlet 20 ... Membrane electrode assembly (MEA)
21 ... Polymer electrolyte membrane 221 ... Anode catalyst layer 222 ... Anode gas diffusion layer 231 ... Cathode gas diffusion layer 232 ... Cathode gas diffusion layer 25 ... Frame 251 ... Fuel supply communication hole 252 ... Fuel discharge communication hole 253 ... Air supply communication hole 254 … Air exhaust communication holes 30, 30B… First bipolar plate
301 ... Fuel supply communication hole
302 ... Fuel discharge communication hole
303 ... Air supply communication hole
304 ... Air discharge communication hole 31 ... First main surface
311 ... Anode flow path 32, 32B ... Second main surface
321 ... Cathode flow path 35 ... Second bipolar plate
351 ... Fuel supply communication hole
352 ... Fuel discharge communication hole
353 ... Air supply communication hole
354 ... Air discharge communication hole 36 ... First main surface
361 ... Cathode flow path 37 ... Second main surface 40, 40B, 40C ... Heating element 41, 41B, 41C ... Main body
411,412 ... Short side
413,414 ... Top
415 ... Recesses 42, 43 ... First and second terminals
421, 431 ... Through holes 51, 52 ... Insulation part 55 ... Conductor part 60 ... First sealing part 65 ... Second sealing part 70 ... Third sealing part 701 ... First annular part 702 ... First 2 annular part 703 ... 3rd annular part 704 ... 4th annular part 705 ... 5th annular part 75 ... End plate 751 ... Fuel supply port 752 ... Fuel discharge port 753 ... Air supply port 754 ... Air discharge port 755 ... Leg 76 ... End plate 765 ... Leg 77, 78 ... First and second conductor wires 80 ... Fuel tank 81 ... Pump 82 ... Blower 83 ... Water tank 84 ... Pump 85 ... Methanol tank 86 ... Pump F 1 ~ F 6 ... Piping

Claims (7)

膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のバイポーラプレートと、を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとの積層方向において、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとは重複領域で相互に重なっており、
前記燃料電池は、一対の前記バイポーラプレートの少なくとも一方に設けられた発熱体をさらに備え、
前記発熱体は、鉛直方向に対して上下に位置する上辺及び下辺を有し、前記上辺及び前記下辺に対して直交する側辺を有し、前記上辺の中央近傍に凹部を有する形状であり、前記重複領域を鉛直方向に対して2分割した領域のうち下側の領域のみと重なるように配置されている燃料電池。
A fuel cell comprising a membrane electrode assembly and a pair of bipolar plates sandwiching the membrane electrode assembly.
In the stacking direction of the membrane electrode assembly and the bipolar plate, the membrane electrode assembly and the bipolar plate overlap each other in an overlapping region.
The fuel cell further comprises a heating element provided on at least one of the pair of bipolar plates.
The heating element has an upper side and a lower side located vertically with respect to the vertical direction, has a side side orthogonal to the upper side and the lower side, and has a recess in the vicinity of the center of the upper side. fuel cell are disposed so as to overlap only an area of the overlapping region of two divided areas sac Chi lower with respect to the vertical direction.
請求項1に記載の燃料電池であって、
前記発熱体は、PTCヒータである燃料電池。
The fuel cell according to claim 1.
The heating element is a fuel cell which is a PTC heater.
請求項1又は2に記載の燃料電池であって、
前記バイポーラプレートは、
前記燃料電池の電極の入口に繋がる第1のマニホールドを構成する第1の連通孔と、
前記燃料電池の電極の出口に繋がる第2のマニホールドを構成する第2の連通孔と、を有し、
前記燃料電池は、前記第1の連通孔及び第2の連通孔と前記発熱体との間を封止する封止部と、をさらに備える燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2.
The bipolar plate is
The first communication hole constituting the first manifold connected to the inlet of the electrode of the fuel cell, and
It has a second communication hole that constitutes a second manifold that connects to the outlet of the electrode of the fuel cell.
The fuel cell is a fuel cell further comprising a sealing portion for sealing between the first communication hole and the second communication hole and the heating element.
請求項1〜3の何れか一項に記載の燃料電池であって、
前記発熱体は、
前記発熱体の側辺の一方から延出する第1の端子と、
前記発熱体の側辺の他方から延出する第2の端子と、を有している燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3 .
The heating element is
A first terminal extending from one of the side surfaces of the heating element and
A fuel cell having a second terminal extending from the other side of the heating element.
請求項に記載の燃料電池を複数備えた燃料電池スタックであって、
複数の前記燃料電池は、前記積層方向において、前記第1の端子同士が相互に重なると共に、前記第2の端子同士が相互に重なるように積層されており、
前記燃料電池スタックは、
直線状に延在し、複数の前記第1の端子と電気的に接続された第1の導体線と、
直線状に延在し、複数の前記第2の端子と電気的に接続された第2の導体線と、を備える燃料電池スタック。
A fuel cell stack including a plurality of fuel cells according to claim 4 .
The plurality of fuel cells are laminated so that the first terminals overlap each other and the second terminals overlap each other in the stacking direction.
The fuel cell stack
A first conductor wire extending linearly and electrically connected to the plurality of the first terminals,
A fuel cell stack comprising a second conductor wire extending linearly and electrically connected to the plurality of said second terminals.
請求項1〜の何れか項に記載の燃料電池、又は、請求項5に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池のアノードに燃料を供給する第1の供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤を供給する第2の供給手段と、を備えた燃料電池システム。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , or the fuel cell stack according to claim 5.
A first supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell,
A fuel cell system comprising a second supply means for supplying an oxidizing agent to the cathode of the fuel cell.
燃料電池に用いられ、膜電極接合体に対向配置されるバイポーラプレートであって、
前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとを積層した状態で、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとの積層方向において、前記膜電極接合体と前記バイポーラプレートとは重複領域で相互に重なっており、
前記重複領域を鉛直方向に対して2分割した領域のうち下側の領域のみと重なるように発熱体が配置されており、
前記発熱体は、鉛直方向に対して上下に位置する上辺及び下辺を有し、前記上辺及び前記下辺に対して直交する側辺を有し、前記上辺の中央近傍に凹部を有する形状であるバイポーラプレート。
A bipolar plate used in fuel cells and placed opposite a membrane electrode assembly.
In a state where the membrane electrode assembly and the bipolar plate are laminated, the membrane electrode assembly and the bipolar plate overlap each other in an overlapping region in the stacking direction of the membrane electrode assembly and the bipolar plate. ,
The heating element is arranged so as to overlap only the lower region of the region obtained by dividing the overlapping region into two in the vertical direction .
The heating element has an upper side and a lower side located vertically with respect to the vertical direction, has a side side orthogonal to the upper side and the lower side, and has a concave portion near the center of the upper side. plate.
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