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JP5065601B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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JP5065601B2
JP5065601B2 JP2006030539A JP2006030539A JP5065601B2 JP 5065601 B2 JP5065601 B2 JP 5065601B2 JP 2006030539 A JP2006030539 A JP 2006030539A JP 2006030539 A JP2006030539 A JP 2006030539A JP 5065601 B2 JP5065601 B2 JP 5065601B2
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亮 神馬
滋 稲井
弘道 吉田
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Description

本発明は、内部マニホールド型の燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to an internal manifold type fuel cell stack.

燃料電池自動車などに用いられる燃料電池スタックは、一般に、固体高分子からなる電解質膜の両面にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる単セルが複数積層されて構成されている。この種の燃料電池スタックにおいては、複数の単セルからなる積層体に各カソード電極に空気(酸素)を供給するための連通孔と各アノード電極に水素を供給するための連通孔とが設けられた内部マニホールド型の燃料電池スタックが一般に採用されている。また、この種の燃料電池スタックでは、電解質膜によるイオン導電性を向上させるために、カソード電極に供給される空気やアノード電極に供給される水素を加湿することが行われている。   A fuel cell stack used in a fuel cell vehicle or the like is generally configured by laminating a plurality of single cells each having an anode electrode and a cathode electrode disposed on both surfaces of an electrolyte membrane made of a solid polymer. In this type of fuel cell stack, a laminated body composed of a plurality of single cells is provided with a communication hole for supplying air (oxygen) to each cathode electrode and a communication hole for supplying hydrogen to each anode electrode. An internal manifold type fuel cell stack is generally employed. In this type of fuel cell stack, in order to improve ion conductivity by the electrolyte membrane, air supplied to the cathode electrode and hydrogen supplied to the anode electrode are humidified.

しかし、前記した燃料電池スタックを氷点下となるような低温環境下で使用すると、燃料電池スタックに形成された連通孔に反応ガスが投入されたときに、反応ガスが冷やされて結露が発生し、連通孔を介してカソード電極やアノード電極の各電極に水滴が流れ込み、反応ガスの電極への供給が阻害されて発電性能が低下するという問題がある。   However, when the above-described fuel cell stack is used in a low-temperature environment that is below freezing point, when the reaction gas is introduced into the communication hole formed in the fuel cell stack, the reaction gas is cooled and condensation occurs. There is a problem in that water droplets flow into each electrode of the cathode electrode and the anode electrode through the communication hole, and the supply of the reaction gas to the electrode is hindered to reduce the power generation performance.

そこで、水滴が電極面へ流れ込むのを防止するために、特許文献1では、水滴が発生した場合には、燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路を介して排水する技術が提案されており、また特許文献2では、アノード側の水素ガス経路の途中に水滴を溜めて排出するためのドレン装置を設ける技術が提案されている。
特開2003−346869号公報(図9) 特開2002−313403号公報(図1)
Therefore, in order to prevent water droplets from flowing into the electrode surface, Patent Document 1 proposes a technique of draining water via a bypass channel that bypasses the fuel cell stack when water droplets are generated. Patent Document 2 proposes a technique of providing a drain device for collecting and discharging water droplets in the middle of a hydrogen gas path on the anode side.
Japanese Patent Laying-Open No. 2003-346869 (FIG. 9) JP 2002-313403 A (FIG. 1)

しかし、特許文献1に記載の燃料電池スタックでは、水滴とともにスタックに供給される反応ガスもバイパスされるため、発電に使用できない反応ガスが発生して、発電効率が悪化するという問題がある。また、特許文献2に記載の燃料電池スタックでは、ドレン装置に示すような排水機構が必要になるので、燃料電池システムの大型化を招き、また溜めた水滴を定期的に排出する必要があるので、その際に未使用の水素も同時に排出され、発電効率が悪化するという問題がある。   However, in the fuel cell stack described in Patent Document 1, since the reaction gas supplied to the stack together with water droplets is also bypassed, there is a problem that a reaction gas that cannot be used for power generation is generated and power generation efficiency deteriorates. In addition, the fuel cell stack described in Patent Document 2 requires a drainage mechanism as shown in the drain device, which leads to an increase in the size of the fuel cell system, and it is necessary to periodically discharge the accumulated water droplets. In this case, unused hydrogen is also discharged at the same time, and there is a problem that power generation efficiency deteriorates.

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止して発電の安定化を図ることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of stabilizing power generation by preventing water droplets from flowing into the electrode surface of each single cell. .

本発明は、電解質膜の両面に一対の電極を配置してなる膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して構成した単セルがその厚み方向に複数積層された積層体を備え、前記積層体には、前記セパレータを前記厚み方向に貫通して、前記各単セルの電極に反応ガスを供給するための供給側連通孔と、前記各単セルからのオフガスを排出するため排出側連通孔とが設けられた内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、前記供給側連通孔には供給側加熱手段が設けられ、前記セパレータは、前記電極に対応する領域に前記反応ガスを流通させる反応ガス流通路、および前記反応ガス流通路と前記供給側連通孔とを連通させる供給側連絡路を備え、前記供給側加熱手段は、前記供給側連通孔を構成する内壁のうち、前記供給側連絡路側の内壁を除く内壁を覆う形状を有することを特徴とする。なお、供給側加熱手段は、後記する実施形態のヒータ10,20,10A,20Aに相当する。供給側連絡路は、後記する実施形態の連絡路14g,15gに相当する。 The present invention includes a laminate in which a plurality of unit cells each having a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched by a pair of separators and are laminated in the thickness direction. A through-side communication hole for supplying the reaction gas to the electrode of each single cell through the separator in the thickness direction, and a discharge-side communication hole for discharging off-gas from each single cell; an internal manifold type fuel cell stack which is provided, in front Symbol supply passage is provided supply-side heating section, the separator, the reaction gas circulating the reaction gas in a region corresponding to the electrode And a supply-side communication path that communicates the reaction gas flow path with the supply-side communication hole, and the supply-side heating means includes the supply-side communication path side of the inner wall that forms the supply-side communication hole. The inner wall of And having a shape covering the Ku inner wall. The supply side heating means corresponds to the heaters 10, 20, 10A, 20A of the embodiments described later. The supply side communication paths correspond to the communication paths 14g and 15g in the embodiments described later.

本発明によれば、少なくとも供給側連通孔内に加熱手段が設けられているので、供給側連通孔内で結露により水滴が発生するおそれがあるときに、加熱手段で供給側連通孔内を加熱することにより結露を防止することができ、各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止するができる。   According to the present invention, since the heating means is provided at least in the supply side communication hole, the heating side heats the inside of the supply side communication hole when there is a possibility that water droplets are generated due to condensation in the supply side communication hole. By doing so, dew condensation can be prevented, and water droplets can be prevented from flowing into the electrode surface of each single cell.

また、前記供給側連絡路は、幅方向に間隔を開けて配置される複数のブリッジを有し、
前記供給側加熱手段は、前記供給側連絡路側の内壁の前記ブリッジに対応する位置に配置されていることを特徴とする。
また、前記セパレータは四角形状であり、前記供給側連通孔は、前記セパレータの角部に配置されていることを特徴とする。
また、前記供給側連通孔と隣り合い、冷却媒体が流れる連通孔が配置されていることを特徴とする。
また、前記供給側連通孔の内壁は、前記単セルを積層することにより凹凸に形成され、前記供給側加熱手段は、外面が前記内壁の凹凸に沿って構成されていることを特徴とする。
また、前記排出側連通孔には、排出側加熱手段が設けられ、前記セパレータは、前記反応ガス流通路と前記排出側連通孔とを連通させる排出側連絡路を備え、前記排出側加熱手段は、前記排出側連通孔を構成する内壁のうち、前記排出側連絡路側の内壁を除く内壁を覆う形状を有することを特徴とする。なお、排出側連絡路は、後記する実施形態の連絡路14i,15iに相当する。
また、前記積層体に投入される前記反応ガスの温度を検出する第1温度センサと、前記積層体の表面温度を検出する第2温度センサと、を備え、前記反応ガスの温度と前記表面温度とに基づいて前記供給側加熱手段を制御する制御装置を備えることを特徴とする。なお、第1温度センサは、後記する実施形態の温度センサ61,62に相当し、第2温度センサは、後記する実施形態の温度センサ60に相当する。
また、前記加熱手段は、シート状であることが好ましい。これにより、複数の単セルが積層されることによって形成される連通孔の内壁の凹凸をなくして平滑化できるので、反応ガスの圧力損失を低減することが可能になる。その結果、各単セル間での反応ガスの供給のバラツキを縮小でき、セル電圧のバラツキを縮小させることが可能になる。
Further, the supply side communication path has a plurality of bridges arranged at intervals in the width direction,
The supply side heating means is arranged at a position corresponding to the bridge on the inner wall on the supply side communication path side.
The separator has a quadrangular shape, and the supply side communication hole is arranged at a corner of the separator.
Further, a communication hole through which a cooling medium flows is disposed adjacent to the supply side communication hole.
In addition, the inner wall of the supply-side communication hole is formed to be uneven by laminating the single cells, and the supply-side heating means has an outer surface configured along the unevenness of the inner wall.
The discharge-side communication hole is provided with a discharge-side heating means, and the separator includes a discharge-side communication path that connects the reaction gas flow passage and the discharge-side communication hole, and the discharge-side heating means The inner wall constituting the discharge-side communication hole has a shape that covers the inner wall excluding the inner wall on the discharge-side communication path side. The discharge side communication path corresponds to the communication paths 14i and 15i of the embodiment described later.
And a first temperature sensor for detecting a temperature of the reaction gas charged into the stacked body, and a second temperature sensor for detecting a surface temperature of the stacked body, wherein the temperature of the reactive gas and the surface temperature are provided. And a control device for controlling the supply-side heating means. The first temperature sensor corresponds to the temperature sensors 61 and 62 in the embodiment described later, and the second temperature sensor corresponds to the temperature sensor 60 in the embodiment described later.
Moreover, it is preferable that the said heating means is a sheet form. Thereby, since the unevenness | corrugation of the inner wall of the communicating hole formed by laminating | stacking a several single cell can be eliminated, it becomes possible to reduce the pressure loss of a reactive gas. As a result, the variation in the supply of the reaction gas between the single cells can be reduced, and the variation in the cell voltage can be reduced.

本発明によれば、各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止して発電の安定化を図ることができる。   According to the present invention, it is possible to prevent water droplets from flowing into the electrode surface of each single cell and to stabilize power generation.

図1は本実施形態の燃料電池スタックを示し、(a)は分解斜視図、(b)は側面図、図2は単セルの積層構造を示す分解斜視図、図3(a)はアノード側のセパレータを示す平面図、(b)はカソード側のセパレータを示す平面図、図4は図1(b)のA−A断面図であり、(a)は加熱手段を取り付ける前の状態、(b)は加熱手段の取り付けた後の状態、図5(a)〜(c)はそれぞれ加熱手段の取付方法を示す断面図である。   1A and 1B show a fuel cell stack of the present embodiment, in which FIG. 1A is an exploded perspective view, FIG. 2B is a side view, FIG. 2 is an exploded perspective view showing a single cell stack structure, and FIG. (B) is a plan view showing the cathode-side separator, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 (b), (a) is a state before attaching the heating means, ( b) is a state after the heating means is attached, and FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing a method for attaching the heating means.

図1(a)および(b)に示すように、本実施形態の燃料電池スタックFCは、内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、複数の単セル1が積層された積層体2、エンドプレート3,4、加熱手段としてのヒータ10,20などで構成されている。   As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the fuel cell stack FC of this embodiment is an internal manifold type fuel cell stack, in which a plurality of single cells 1 are stacked, an end plate, and an end plate. 3, 4 and heaters 10 and 20 as heating means.

図2に示すように、前記単セル1は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜(以下、電解質膜と略記する)11の一面側を、触媒を備えたアノード電極12、他面側を、触媒を備えたカソード電極13で挟んでなる膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)をさらに一対の導電性のセパレータ14,15で挟んで構成されている。この単セル1が複数積層されたものが積層体2(図1参照)に相当する。また、電解質膜11は、アノード電極12およびカソード電極13の縁部から側方(左右方向)に突出して形成されており、図2の紙面奥側上段、中段、下段に貫通孔11a,11b,11cが形成されている。また、図2の紙面手前側上段、中段、下段に貫通孔11d,11e,11fが形成されている。   As shown in FIG. 2, the single cell 1 includes an ionic conductive solid polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as an electrolyte membrane) 11 on one side, an anode electrode 12 having a catalyst, and the other side. Further, a membrane electrode assembly (MEA) sandwiched between cathode electrodes 13 provided with a catalyst is further sandwiched between a pair of conductive separators 14 and 15. A stack of the single cells 1 corresponds to the stacked body 2 (see FIG. 1). The electrolyte membrane 11 is formed so as to protrude laterally (in the left-right direction) from the edges of the anode electrode 12 and the cathode electrode 13, and through holes 11a, 11b, 11c is formed. Further, through holes 11d, 11e, and 11f are formed in the upper, middle, and lower stages on the front side in FIG.

前記セパレータ14は、前記アノード電極12に対向する側に設けられ、アノード電極(電極)12に対向する面に、アノード電極12に対応する領域に反応ガスとしての水素が流通するクシ歯形状のアノードガス流通路14Sが形成されている。また、セパレータ14には、図2の紙面奥側上段、中段、下段に貫通孔14a,14b,14cが形成されている。また、図2の紙面手前側上段、中段、下段に貫通孔14d,14e,14fが形成されている。また、セパレータ14には、貫通孔14aとアノードガス流通路14Sとを連通させる連絡路14g、およびアノードガス流通路14Sと貫通孔14fとを連通させる連絡路14iが形成されており、この連絡路14g,14iに、ゴムなどの弾性部材で形成された複数のブリッジ14h,14jが幅方向に間隔を開けて配置されている。   The separator 14 is provided on the side facing the anode electrode 12, and a comb-shaped anode in which hydrogen as a reaction gas flows in a region corresponding to the anode electrode 12 on a surface facing the anode electrode (electrode) 12. A gas flow passage 14S is formed. Further, the separator 14 is formed with through holes 14a, 14b, and 14c at the upper, middle, and lower stages on the back side in FIG. Further, through holes 14d, 14e, and 14f are formed in the upper, middle, and lower stages on the front side in FIG. The separator 14 is formed with a communication path 14g for communicating the through hole 14a and the anode gas flow path 14S, and a communication path 14i for communicating the anode gas flow path 14S and the through hole 14f. A plurality of bridges 14h and 14j formed of an elastic member such as rubber are arranged at 14g and 14i at intervals in the width direction.

前記セパレータ15は、前記カソード電極13に対向する側に設けられ、カソード電極13に対向する面に、図3(b)に示すように、カソード電極(電極)13に対応する領域に反応ガスとしての空気(酸素)が流通するクシ歯形状のカソードガス流通路15Sが形成されている。また、セパレータ15には、貫通孔15dとカソードガス流通路15Sとを連通させる連絡路15gと、カソードガス流通路15Sと貫通孔15cとを連通させる連絡路15iとがそれぞれ形成されており、この連絡路15g,15iに、ゴムなどの弾性部材で形成された複数のブリッジ15h,15jが幅方向に間隔を開けて配置されている。さらに、セパレータ15のカソードガス流通路15Sとは反対側の面には、図2に示すように、冷却媒体が流通する冷却媒体流通路16Sがクシ歯形状に形成されている。なお、この冷却媒体は、冷却媒体流通路16Sを流れることにより燃料電池スタックFCを冷却するものである。また、セパレータ15には、図2の紙面奥側上段、中段、下段に貫通孔15a,15b,15cが形成され、紙面手前側上段、中段、下段に貫通孔15d,15e,15fが形成されている。また、セパレータ15には、貫通孔15bと冷却媒体流通路16Sとを連通させる連絡路16a、冷却媒体流通路16Sと貫通孔15eとを連通させる連絡路16cがそれぞれ形成されており、この連絡路16a,16cに、前記と同様な複数のブリッジ16b,16dが配置されている。   The separator 15 is provided on the side facing the cathode electrode 13, and is formed on the surface facing the cathode electrode 13 as a reactive gas in a region corresponding to the cathode electrode (electrode) 13 as shown in FIG. A comb-shaped cathode gas flow passage 15S through which air (oxygen) flows is formed. The separator 15 is formed with a communication path 15g for communicating the through hole 15d and the cathode gas flow path 15S, and a communication path 15i for communicating the cathode gas flow path 15S and the through hole 15c. A plurality of bridges 15h and 15j formed of an elastic member such as rubber are arranged in the communication paths 15g and 15i with a gap in the width direction. Further, as shown in FIG. 2, a cooling medium flow passage 16S through which the cooling medium flows is formed in a comb-tooth shape on the surface of the separator 15 opposite to the cathode gas flow passage 15S. This cooling medium cools the fuel cell stack FC by flowing through the cooling medium flow passage 16S. Further, the separator 15 has through holes 15a, 15b, and 15c formed at the upper, middle, and lower stages on the back side of FIG. 2, and through holes 15d, 15e, and 15f are formed at the upper, middle, and lower stages on the front side of the sheet. Yes. The separator 15 is formed with a communication path 16a for communicating the through hole 15b and the cooling medium flow path 16S, and a communication path 16c for communicating the cooling medium flow path 16S and the through hole 15e. A plurality of bridges 16b and 16d similar to the above are arranged on 16a and 16c.

また、前記した単セル1には、MEAとセパレータ14との間、およびMEAとセパレータ15との間にそれぞれシール部材17,18が設けられている。また、セパレータ15と隣り合う単セル1のセパレータ14との間にシール部材19が設けられている。なお、いずれのシール部材17,18,19もゴムなどの弾性部材で形成されている。   The single cell 1 is provided with seal members 17 and 18 between the MEA and the separator 14 and between the MEA and the separator 15, respectively. Further, a seal member 19 is provided between the separator 15 and the separator 14 of the single cell 1 adjacent thereto. Note that any of the seal members 17, 18, and 19 is formed of an elastic member such as rubber.

前記シール部材17は、貫通孔14aと連絡路14gとカソードガス流通路14Sと連絡路14iと貫通孔14fの周囲を覆って密閉するシール部17a、貫通孔14bの周囲を覆って密閉するシール部17b、貫通孔14cの周囲を覆って密閉するシール部17c、貫通孔14dの周囲を覆って密閉するシール部17d、貫通孔14eの周囲を覆って密閉するシール部17eを有している。   The seal member 17 includes a seal portion 17a that covers and seals the through hole 14a, the communication path 14g, the cathode gas flow path 14S, the communication path 14i, and the through hole 14f, and a seal portion that covers and seals the periphery of the through hole 14b. 17b, a seal portion 17c that covers and seals the periphery of the through hole 14c, a seal portion 17d that covers and seals the periphery of the through hole 14d, and a seal portion 17e that covers and seals the periphery of the through hole 14e.

前記シール部材18は、貫通孔15aの周囲を覆って密閉するシール部18a、貫通孔15bの周囲を覆って密閉するシール部18b、貫通孔15dと連絡路15gとカソードガス流通路15Sと連絡路15iと貫通孔15cの周囲を覆って密閉するシール部18d、貫通孔15eの周囲を覆って密閉するシール部18e、および貫通孔15fの周囲を覆って密閉するシール部18fを有している。   The seal member 18 includes a seal portion 18a that covers and seals the periphery of the through hole 15a, a seal portion 18b that covers and seals the periphery of the through hole 15b, a through hole 15d, a communication path 15g, a cathode gas flow path 15S, and a communication path. 15i and a seal portion 18d that covers and seals the periphery of the through hole 15c, a seal portion 18e that covers and seals the periphery of the through hole 15e, and a seal portion 18f that covers and seals the periphery of the through hole 15f.

前記シール部材19は、貫通孔15aの周囲を覆って密閉するシール部19a、貫通孔15bと連絡路16aと冷却媒体流通路16Sと連絡路16cと貫通孔15eの周囲を覆って密閉するシール部19b、貫通孔15cの周囲を覆って密閉するシール部19c、貫通孔15dの周囲を覆って密閉するシール部19d、および貫通孔15fの周囲を覆って密閉するシール部19fを有している。   The sealing member 19 includes a sealing portion 19a for covering and sealing the periphery of the through hole 15a, and a sealing portion for covering and sealing the periphery of the through hole 15b, the communication path 16a, the cooling medium flow path 16S, the communication path 16c, and the through hole 15e. 19b, a seal portion 19c that covers and seals the periphery of the through hole 15c, a seal portion 19d that covers and seals the periphery of the through hole 15d, and a seal portion 19f that covers and seals the periphery of the through hole 15f.

前記した単セル1では、水素が、シール部19a、貫通孔15a、シール部18a、貫通孔11a、シール部17a、貫通孔14aによって構成される供給側連通孔R1を流通しながら供給され、オフガス(アノードオフガス)が、貫通孔14f、シール部17a、貫通孔11f、シール部18f、貫通孔15f、シール部19fによって構成される排出側連通孔R3を流通しながら排出されるようになっている。また、空気は、シール部19d、貫通孔15d、シール部18d、貫通孔11d、シール部17d、貫通孔14dによって構成される供給側連通孔R2を流通しながら供給され、オフガス(カソードオフガス)が、貫通孔14c、シール部17c、貫通孔11c、シール部18d、貫通孔15c、シール部19cによって構成される排出側連通孔R4を流通しながら排出されるようになっている。また、冷却媒体は、シール部19b、貫通孔15b、シール部18b、貫通孔11b、シール部17b、貫通孔14bを流通しながら供給され、貫通孔14e、シール部17e、貫通孔11e、シール部18e、貫通孔15e、シール部19bから排出されるようになっている。   In the single cell 1 described above, hydrogen is supplied while flowing through the supply-side communication hole R1 constituted by the seal portion 19a, the through-hole 15a, the seal portion 18a, the through-hole 11a, the seal portion 17a, and the through-hole 14a. (Anode off gas) is discharged while flowing through the discharge side communication hole R3 constituted by the through hole 14f, the seal part 17a, the through hole 11f, the seal part 18f, the through hole 15f, and the seal part 19f. . The air is supplied while flowing through the supply side communication hole R2 constituted by the seal portion 19d, the through hole 15d, the seal portion 18d, the through hole 11d, the seal portion 17d, and the through hole 14d, and off gas (cathode off gas) is supplied. The through-hole 14c, the seal portion 17c, the through-hole 11c, the seal portion 18d, the through-hole 15c, and the seal portion 19c are discharged while flowing through the discharge-side communication hole R4. Further, the cooling medium is supplied through the seal portion 19b, the through hole 15b, the seal portion 18b, the through hole 11b, the seal portion 17b, and the through hole 14b, and the through hole 14e, the seal portion 17e, the through hole 11e, and the seal portion. 18e, the through hole 15e, and the seal portion 19b are discharged.

なお、シール部17a,18a,19aは、図4(a)に示すように、貫通孔14a,15aの開口縁部14a1,15a1よりも外側に位置しており、また、シール部17d,18d,19dは、貫通孔14d,15dの開口縁部14d1,15d1よりも外側に位置している。   In addition, as shown to Fig.4 (a), seal part 17a, 18a, 19a is located outside opening edge part 14a1, 15a1 of through-hole 14a, 15a, and seal part 17d, 18d, 19d is located outside the opening edge portions 14d1 and 15d1 of the through holes 14d and 15d.

また、本実施形態では、シール部19a、貫通孔15a、シール部18a、貫通孔11a、シール部17a、貫通孔14a、・・・によって本発明の供給側連通孔R1(アノード側)が構成されている。また、シール部19d、貫通孔15d、シール部18d、貫通孔11d、シール部17d、貫通孔14d、・・・によって本発明の供給側連通孔R2(カソード側)が構成されている。また、本実施形態では、シール部19f、貫通孔15f、シール部18f、貫通孔11f、シール部17a、貫通孔14f、・・・によって本発明のアノード側の排出側連通孔R3(図3参照)が構成されている。また、シール部19c、貫通孔15c、シール部18d、貫通孔11c、シール部17c、貫通孔14cによって本発明のカソード側の排出側連通孔R4(図3参照)が構成されている。   Moreover, in this embodiment, the supply side communication hole R1 (anode side) of the present invention is configured by the seal portion 19a, the through hole 15a, the seal portion 18a, the through hole 11a, the seal portion 17a, the through hole 14a,. ing. Further, the supply side communication hole R2 (cathode side) of the present invention is configured by the seal portion 19d, the through hole 15d, the seal portion 18d, the through hole 11d, the seal portion 17d, the through hole 14d,. Further, in this embodiment, the discharge side communication hole R3 (see FIG. 3) on the anode side of the present invention is provided by the seal portion 19f, the through hole 15f, the seal portion 18f, the through hole 11f, the seal portion 17a, the through hole 14f,. ) Is configured. Further, the cathode side discharge side communication hole R4 (see FIG. 3) of the present invention is constituted by the seal portion 19c, the through hole 15c, the seal portion 18d, the through hole 11c, the seal portion 17c, and the through hole 14c.

図1(a)に示すように、前記エンドプレート3は、単セル1の積層体2の一方の端面に積層される金属板を有し、単セル1のセパレータ15の貫通孔15a,15b,15c,15d,15e,15fに対応する位置に貫通孔3a,3b,3c,3d,3e,3fが形成されている。前記エンドプレート4は、積層体2の他方の端面に積層される金属板を有している。なお、エンドプレート3とエンドプレート4とが図示しない部材によって連結されて、積層体2に対して所定の荷重が与えられた状態でガタツキなく保持されるようになっている。また、エンドプレート4と積層体2との間には、図4(b)に示すように、インシュレータ(絶縁体、図1では図示省略)5が設けられ、インシュレータ5の中央部に、外部に電気を取り出すための電極6が設けられる。   As shown in FIG. 1 (a), the end plate 3 has a metal plate laminated on one end face of the laminated body 2 of the single cell 1, and the through holes 15a, 15b, Through holes 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f are formed at positions corresponding to 15c, 15d, 15e, 15f. The end plate 4 has a metal plate laminated on the other end face of the laminate 2. Note that the end plate 3 and the end plate 4 are connected by a member (not shown) so that the laminated body 2 is held with no play when a predetermined load is applied thereto. Further, an insulator (insulator, not shown in FIG. 1) 5 is provided between the end plate 4 and the laminate 2 as shown in FIG. An electrode 6 for taking out electricity is provided.

前記した燃料電池スタックFCでは、図2に示すように、貫通孔3a(図1参照)から水素が供給されると、この水素は、貫通孔15a、シール部18a、貫通孔11a、シール部17a、連絡路14gを通ってアノードガス流通路14Sからアノード電極12に供給される。また、貫通孔3d(図1参照)から供給された空気は、貫通孔15d、連絡路15gを通ってカソードガス流通路15S(図3参照)からカソード電極13に供給される。アノード電極12では、触媒の作用によってプロトン(水素イオン)と電子に分解されて、プロトンが電解質膜11を介してカソード電極13に透過し、電子が外部負荷を介してカソード電極13に移動する。なお、アノード電極12で生じた電子は、セパレータ14および電極6から取り出され、電極6から外部負荷を介してエンドプレート4側の電極(図示せず)を通ってカソード電極13に戻る。一方、カソード電極13では、触媒の作用によって、電解質膜11を透過したプロトンと、空気中の酸素と、外部負荷からの電子との反応によって水が生成される。   In the fuel cell stack FC described above, as shown in FIG. 2, when hydrogen is supplied from the through hole 3a (see FIG. 1), this hydrogen is passed through the through hole 15a, the seal portion 18a, the through hole 11a, and the seal portion 17a. The anode gas flow path 14S is supplied to the anode electrode 12 through the communication path 14g. The air supplied from the through hole 3d (see FIG. 1) is supplied to the cathode electrode 13 from the cathode gas flow passage 15S (see FIG. 3) through the through hole 15d and the communication path 15g. In the anode electrode 12, protons (hydrogen ions) and electrons are decomposed by the action of the catalyst, the protons pass through the electrolyte membrane 11 to the cathode electrode 13, and the electrons move to the cathode electrode 13 through an external load. Electrons generated at the anode electrode 12 are taken out from the separator 14 and the electrode 6 and return to the cathode electrode 13 from the electrode 6 through an electrode (not shown) on the end plate 4 side via an external load. On the other hand, in the cathode electrode 13, water is generated by the reaction of protons that have passed through the electrolyte membrane 11, oxygen in the air, and electrons from an external load by the action of the catalyst.

前記ヒータ10は、シート状であり、例えば、対向して設けられた合成樹脂製のシート基材の間に電気抵抗体を挟むことにより形成することができる。またヒータ10は、アノード側の供給側連通孔R1の外側方に向く内壁を覆う面10aと、上方に向く内壁を覆う面10bと、下方に向く内壁を覆う面10cとを有して構成され、積層方向平面視での形状がコ字状になるように配置されている。また、ヒータ20も同様にして形成され、カソード側の供給側連通孔R2の外側方に向く内壁を覆う面20aと、上方に向く内壁を覆う面20bと、下方に向く内壁を覆う面20cとを有して構成されている。また、ヒータ10,20は、積層体2内に形成された供給側連通孔R1,R2の一端から他端までを覆うことができる長さで形成されている。   The heater 10 has a sheet shape, and can be formed, for example, by sandwiching an electric resistor between sheet substrates made of synthetic resin facing each other. The heater 10 includes a surface 10a that covers the inner wall facing the outside of the supply side communication hole R1 on the anode side, a surface 10b that covers the inner wall facing upward, and a surface 10c that covers the inner wall facing downward. These are arranged so that the shape in a plan view in the stacking direction becomes a U-shape. The heater 20 is also formed in the same manner, and includes a surface 20a that covers the inner wall facing the outside of the supply side communication hole R2 on the cathode side, a surface 20b that covers the inner wall facing upward, and a surface 20c that covers the inner wall facing downward. It is comprised. The heaters 10 and 20 are formed with a length that can cover one end to the other end of the supply side communication holes R1 and R2 formed in the laminate 2.

前記ヒータ10を供給側連通孔R1に保持させる手段としては、図5(a)に示すように、ヒータ10の端部に、積層方向に延びる延出部10dを一体に形成して、この延出部10dをエンドプレート4とインシュレータ5との間で挟んで保持するようにしてもよい。なお、延出部10dを挟む位置は、エンドプレート4とインシュレータ5との間に限定されるものではなく、エンドプレート4、インシュレータ5、電極6の積層構造に応じて適宜変更できる。また、その他の保持手段としては、図5(b)に示すように、ヒータ10と供給側連通孔R1との間に接着層7を設けて、ヒータ10を供給側連通孔R1内に固定するようにしてもよい。あるいは、図5(c)に示すように、ヒータ10の背面を、供給側連通孔R1内に形成された凹部m(図4(b)参照)に倣う形状の凸部8を形成して、この凸部8を供給側連通孔R1の凹部mに嵌合させて保持するようにしてもよい。   As a means for holding the heater 10 in the supply side communication hole R1, as shown in FIG. 5A, an extension 10d extending in the stacking direction is integrally formed at the end of the heater 10, and this extension is performed. The protruding portion 10 d may be held between the end plate 4 and the insulator 5. The position where the extending portion 10d is sandwiched is not limited between the end plate 4 and the insulator 5, but can be changed as appropriate according to the laminated structure of the end plate 4, the insulator 5, and the electrode 6. As other holding means, as shown in FIG. 5B, an adhesive layer 7 is provided between the heater 10 and the supply side communication hole R1, and the heater 10 is fixed in the supply side communication hole R1. You may do it. Alternatively, as shown in FIG. 5C, the rear surface of the heater 10 is formed with a convex portion 8 having a shape that follows the concave portion m (see FIG. 4B) formed in the supply side communication hole R1. The convex portion 8 may be fitted and held in the concave portion m of the supply side communication hole R1.

なお、ヒータ10について、一方の端部のみについて説明したが、他方つまりエンドプレート3側についても同様にして保持することができる。また、図5(b),(c)では、ヒータ10の面10aのみについて説明したが、他の面10b,10cについても同様に接着層7や凸部8を介して、供給側連通孔R1に保持されている。また、一方のヒータ10のみについて説明したが、もう一方のヒータ20についても同様にして構成することができる。また、図5(a)〜(c)の手段を組み合わせてもよい。   Although only one end of the heater 10 has been described, the other, that is, the end plate 3 side can be similarly held. 5 (b) and 5 (c), only the surface 10a of the heater 10 has been described, but the other surfaces 10b and 10c are similarly supplied via the adhesive layer 7 and the convex portion 8 to the supply side communication hole R1. Is held in. Although only one heater 10 has been described, the other heater 20 can be configured in the same manner. Moreover, you may combine the means of Fig.5 (a)-(c).

図6に示すように、本実施形態の燃料電池スタックFCを搭載した燃料電池システムF1は、アノード系30、カソード系40、制御装置50、温度センサ60,61,62、イグニッション70などで構成されている。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両に搭載される場合を例に挙げて説明する。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system F1 equipped with the fuel cell stack FC of the present embodiment includes an anode system 30, a cathode system 40, a control device 50, temperature sensors 60, 61, 62, an ignition 70, and the like. ing. In the following description, the case where the vehicle is mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle will be described as an example.

前記アノード系30は、アノードガス配管31、アノードオフガス配管32、高圧水素タンク33、遮断弁34、加湿装置35などで構成されている。アノードガス配管31は、一端が高圧水素タンク33に接続され、他端が燃料電池スタックFCの供給側連通孔R1に接続されている。アノードオフガス配管32は、一端が燃料電池スタックFCの排出側連通孔R3に接続され、他端が図示しない希釈装置に接続されている。高圧水素タンク33は、高純度の水素を例えば35MPaの高圧で充填したものである。遮断弁34は、例えば電磁作動式のものであり、高圧水素タンク33の下流に設けられている。加湿装置35は、水透過性の膜を備え、燃料電池スタックFCに供給される水素を加湿するものであり、アノードガス配管31とアノードオフガス配管32とが接続されて構成されている。   The anode system 30 includes an anode gas pipe 31, an anode off-gas pipe 32, a high-pressure hydrogen tank 33, a shut-off valve 34, a humidifier 35, and the like. The anode gas pipe 31 has one end connected to the high-pressure hydrogen tank 33 and the other end connected to the supply side communication hole R1 of the fuel cell stack FC. One end of the anode off-gas pipe 32 is connected to the discharge side communication hole R3 of the fuel cell stack FC, and the other end is connected to a dilution device (not shown). The high-pressure hydrogen tank 33 is filled with high-purity hydrogen at a high pressure of 35 MPa, for example. The shut-off valve 34 is, for example, an electromagnetically operated type, and is provided downstream of the high-pressure hydrogen tank 33. The humidifier 35 is provided with a water permeable membrane and humidifies hydrogen supplied to the fuel cell stack FC, and is configured by connecting an anode gas pipe 31 and an anode offgas pipe 32.

前記カソード系40は、カソードガス配管41、カソードオフガス配管42、エアコンプレッサ43、加湿装置44などで構成されている。カソードガス配管41は、一端がエアコンプレッサ43に接続され、他端が燃料電池スタックFCの供給側連通孔R2に接続されている。カソードオフガス配管42は、一端が燃料電池スタックFCの排出側連通孔R4に接続され、他端が図示しない希釈装置に接続されている。エアコンプレッサ43は、スーパーチャージャなどを備えて構成されている。加湿装置44は、水透過性の膜を備え、燃料電池スタックFCに供給される空気を加湿するものであり、カソードガス配管41とカソードオフガス配管42とが接続されて構成されている。   The cathode system 40 includes a cathode gas pipe 41, a cathode offgas pipe 42, an air compressor 43, a humidifier 44, and the like. The cathode gas pipe 41 has one end connected to the air compressor 43 and the other end connected to the supply side communication hole R2 of the fuel cell stack FC. One end of the cathode offgas pipe 42 is connected to the discharge side communication hole R4 of the fuel cell stack FC, and the other end is connected to a diluting device (not shown). The air compressor 43 includes a supercharger and the like. The humidifier 44 is provided with a water permeable membrane and humidifies the air supplied to the fuel cell stack FC, and is configured by connecting a cathode gas pipe 41 and a cathode offgas pipe 42.

なお、空気を加湿する加湿源としては、カソード電極13で生成された水が利用され、また、水素を加湿する加湿源としては、カソード電極13で生成された水が電解質膜10を介してアノード電極12に透過した水が利用されるようになっている。   Note that water generated at the cathode electrode 13 is used as a humidifying source for humidifying air, and water generated at the cathode electrode 13 is used as an humidifying source for humidifying hydrogen via the electrolyte membrane 10. Water that has permeated through the electrode 12 is used.

前記制御装置50は、図示しないマイクロコンピュータ、ROM、RAM、周辺回路、入出力インターフェースなどで構成され、ヒータ10,20、遮断弁34、エアコンプレッサ43、温度センサ60,61,62、イグニッション(IG)70と接続されている。温度センサ60は、燃料電池スタックFCの温度を検出するものであり、例えば、燃料電池スタックFCの表面温度、もしくは供給側連通孔R1,R2の内壁温度を検出するものである。なお、燃料電池スタックFCの内壁温度は、図4(b)においてP点で示す位置、すなわち供給側連通孔R1の凹部m(図4(a)参照)とヒータ10の面10aとの間の空間に棒状の温度センサを配置することで検出できる。温度センサ61は、燃料電池スタックFCのアノード側の入口近傍に設けられ、燃料電池スタックFCに投入される水素温度が検出される。温度センサ62は、燃料電池スタックFCのカソード側の入口近傍に設けられ、燃料電池スタックFCに投入される空気温度が検出される。この制御装置50では、ヒータ10,20のON・OFFの切替え、遮断弁34の開閉、エアコンプレッサ43の回転速度情報を出力し、温度センサ60から燃料電池スタックFCの温度情報、温度センサ61から水素温度情報、温度センサ62から空気温度情報、イグニッション70のON・OFF信号を取得する。   The control device 50 includes a microcomputer, ROM, RAM, peripheral circuit, input / output interface, and the like (not shown), and includes heaters 10 and 20, a shutoff valve 34, an air compressor 43, temperature sensors 60, 61 and 62, an ignition (IG) ) 70. The temperature sensor 60 detects the temperature of the fuel cell stack FC. For example, the temperature sensor 60 detects the surface temperature of the fuel cell stack FC or the inner wall temperatures of the supply side communication holes R1 and R2. In addition, the inner wall temperature of the fuel cell stack FC is a position indicated by a point P in FIG. 4B, that is, between the recess m (see FIG. 4A) of the supply side communication hole R1 and the surface 10a of the heater 10. It can be detected by arranging a rod-shaped temperature sensor in the space. The temperature sensor 61 is provided in the vicinity of the inlet on the anode side of the fuel cell stack FC, and detects the temperature of hydrogen charged into the fuel cell stack FC. The temperature sensor 62 is provided in the vicinity of the cathode side inlet of the fuel cell stack FC, and detects the temperature of the air charged into the fuel cell stack FC. In this control device 50, ON / OFF switching of the heaters 10, 20, opening / closing of the shut-off valve 34, and rotation speed information of the air compressor 43 are output, temperature information of the fuel cell stack FC is output from the temperature sensor 60, and temperature sensor 61 The hydrogen temperature information, the air temperature information, and the ON / OFF signal of the ignition 70 are acquired from the temperature sensor 62.

次に、本実施形態の燃料電池スタックFCの作用について、燃料電池システムF1の制御を含めた状態で説明する。
まず、車両のイグニッション(IG)70がオン状態にされると(ステップS1)、制御装置50はシステムを起動する(ステップS2)。このシステム起動では、遮断弁34を開弁して、高圧水素タンク33から燃料電池スタックFCのアノード電極12に対して、加湿装置35で加湿された水素を供給するとともに、エアコンプレッサ43を駆動して外気を取り込んで、加湿装置44で加湿された空気(酸素)を燃料電池スタックFCのカソード電極13に供給する。このとき、加湿された水素は、エンドプレート3に形成された貫通孔3aから供給され、加湿された空気は、貫通孔3dから供給される。
Next, the operation of the fuel cell stack FC of the present embodiment will be described in a state including the control of the fuel cell system F1.
First, when the ignition (IG) 70 of the vehicle is turned on (step S1), the control device 50 starts the system (step S2). In this system start-up, the shutoff valve 34 is opened to supply hydrogen humidified by the humidifier 35 from the high-pressure hydrogen tank 33 to the anode electrode 12 of the fuel cell stack FC, and the air compressor 43 is driven. The outside air is taken in and the air (oxygen) humidified by the humidifier 44 is supplied to the cathode electrode 13 of the fuel cell stack FC. At this time, the humidified hydrogen is supplied from the through hole 3a formed in the end plate 3, and the humidified air is supplied from the through hole 3d.

そして、ステップS3に進み、制御装置50は、水素温度(投入ガス温度)T1、空気温度T2がそれぞれ燃料電池スタックFCの表面温度T以上である否かを判断する。ステップS3において、水素温度T1および空気温度T2が表面温度T以上と判断された場合には(Yes)、ステップS4に進み、ヒータ10,20の電源をONにする。つまり、水素温度T1および空気温度T2が表面温度T以上であると、水素および空気は加湿装置35,44で加湿されているので、水素および空気が貫通孔3a,3dから供給されたときに結露が発生して水滴(液滴の水)が発生し、この水滴は、連絡路14g,15gを通ってアノード電極12、カソード電極13の表面に拡散することになる。アノード電極12、カソード電極13の表面が水滴で覆われると、水素および空気のアノード電極12およびカソード電極13への供給が阻害されて発電性能が低下することとなる。そこで、本実施形態では、ヒータ10,20を供給側連通孔R1,R2内に設けて、水素温度T1および空気温度T2が表面温度T以上と判断された場合に、ヒータ10,20の電源をONにして、結露の発生を防止することにより、水滴が発生しないようにすることができる。これにより発電性能の安定化を図ることができる。また、低温環境下(氷点下)での起動時に、供給側連通孔R1,R2上において水素や空気の流れを阻害する氷の発生を防止できるので、起動時における発電性能が向上し、また凍結による燃料電池スタックFCの不具合を低減できる。また、水滴の発生を防止して、アノード電極12に対する水素供給が阻害されるのを低減することで、未使用の水素がそのままオフガスとして排出される頻度を低減でき、発電効率の低下を防止できる。   In step S3, the control device 50 determines whether the hydrogen temperature (input gas temperature) T1 and the air temperature T2 are equal to or higher than the surface temperature T of the fuel cell stack FC. If it is determined in step S3 that the hydrogen temperature T1 and the air temperature T2 are equal to or higher than the surface temperature T (Yes), the process proceeds to step S4, and the heaters 10 and 20 are turned on. That is, when the hydrogen temperature T1 and the air temperature T2 are equal to or higher than the surface temperature T, the hydrogen and air are humidified by the humidifiers 35 and 44, so that dew condensation occurs when hydrogen and air are supplied from the through holes 3a and 3d. And water droplets (droplet water) are generated, and the water droplets diffuse through the communication paths 14g and 15g to the surfaces of the anode electrode 12 and the cathode electrode 13. When the surfaces of the anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are covered with water droplets, supply of hydrogen and air to the anode electrode 12 and the cathode electrode 13 is hindered, resulting in a decrease in power generation performance. Therefore, in the present embodiment, the heaters 10 and 20 are provided in the supply side communication holes R1 and R2, and when the hydrogen temperature T1 and the air temperature T2 are determined to be equal to or higher than the surface temperature T, the heaters 10 and 20 are turned on. By turning on and preventing the occurrence of condensation, water droplets can be prevented from being generated. As a result, the power generation performance can be stabilized. In addition, when starting in a low temperature environment (below freezing point), it is possible to prevent the generation of ice that hinders the flow of hydrogen and air on the supply side communication holes R1 and R2, thereby improving the power generation performance at the time of starting and freezing. Problems with the fuel cell stack FC can be reduced. Further, by preventing the generation of water droplets and reducing the hindrance of hydrogen supply to the anode electrode 12, the frequency of unused hydrogen being discharged as off-gas as it is can be reduced, and the reduction in power generation efficiency can be prevented. .

また、図4(a)に示すように、単セル1を複数積層することにより、供給側連通孔R1,R2の内壁が破線L1,L2で示すように凹凸形状になるが、本実施形態では、図4(b)に示すように、供給側連通孔R1,R2内に挿入されるヒータ10,20の形状をシート状にしているので、供給側連通孔R1,R2の3方向の内壁が平滑になって、供給側連通孔R1,R2内を流れる水素および空気の流れを乱す要因を減らすことができる。その結果、供給側連通孔R1,R2の圧力損失が低減され、単セル1間のガス(水素、空気)供給のバラツキの幅を縮小でき、各単セル1のセル電圧のバラツキを縮小できるようになる。   Further, as shown in FIG. 4A, by laminating a plurality of single cells 1, the inner walls of the supply side communication holes R1 and R2 become uneven as shown by broken lines L1 and L2, but in this embodiment, 4B, since the heaters 10 and 20 inserted into the supply side communication holes R1 and R2 have a sheet shape, the inner walls in the three directions of the supply side communication holes R1 and R2 are It becomes smooth and the factor which disturbs the flow of hydrogen and air flowing through the supply side communication holes R1 and R2 can be reduced. As a result, the pressure loss of the supply side communication holes R1 and R2 is reduced, the variation range of the gas (hydrogen, air) supply between the single cells 1 can be reduced, and the variation of the cell voltage of each single cell 1 can be reduced. become.

図7のフローチャートに戻り、ステップS3において、水素温度T1および空気温度T2が表面温度T以上でないと判断された場合には(No)、ステップS5に進み、ヒータ10の電源をONにせずOFFにしておく。つまり、水素温度T1および空気温度T2が表面温度T以上でない場合には、投入された水素や空気は温められるので、結露は発生しなくなる。したがって、加湿された水素や空気から水滴(液滴の水)が生じないので、アノード電極12やカソード電極13に対する水素や空気の供給が阻害されることがない。   Returning to the flowchart of FIG. 7, when it is determined in step S3 that the hydrogen temperature T1 and the air temperature T2 are not equal to or higher than the surface temperature T (No), the process proceeds to step S5, and the heater 10 is turned off without turning it on. Keep it. That is, when the hydrogen temperature T1 and the air temperature T2 are not equal to or higher than the surface temperature T, the charged hydrogen and air are warmed, so that condensation does not occur. Accordingly, since water droplets (droplet water) are not generated from the humidified hydrogen or air, supply of hydrogen or air to the anode electrode 12 or the cathode electrode 13 is not hindered.

そして、ステップS6に進み、制御装置50は、イグニッション(IG)70がOFFに切り替えられたか否かを判断して、イグニッション70がまだOFFにされていない場合には(No)、ステップS3に戻り、イグニッション70がOFFに切り替えられた場合には(Yes)、ステップS7に進み、遮断弁34を閉じて水素の供給を停止するとともにエアコンプレッサ43を停止して空気の供給を停止して燃料電池システムF1を停止する。なお、ステップS7において、ヒータ10,20の電源がONである場合には、ヒータ10,20の電源をOFFにして燃料電池システムF1を停止する。   Then, the process proceeds to step S6, in which the control device 50 determines whether or not the ignition (IG) 70 has been switched off. If the ignition 70 has not yet been switched off (No), the control apparatus 50 returns to step S3. If the ignition 70 is switched to OFF (Yes), the process proceeds to step S7, where the shutoff valve 34 is closed to stop the supply of hydrogen and the air compressor 43 is stopped to stop the supply of air and the fuel cell. System F1 is stopped. In step S7, when the heaters 10 and 20 are powered on, the heaters 10 and 20 are powered off and the fuel cell system F1 is stopped.

なお、本実施形態の燃料電池スタックFCを含む燃料電池システムF1の制御は、図7に示すフローチャートに限定されるものではなく、例えば、ステップS3の燃料電池スタックFCの表面温度Tに替えて、図4(b)に示すように、供給側連通孔R1の凹凸部m(図4(a)参照)の凹部とヒータ10の面10aとの間の空間に配置された棒状の温度センサから得られる内壁温度としてもよい。   Note that the control of the fuel cell system F1 including the fuel cell stack FC of the present embodiment is not limited to the flowchart shown in FIG. 7, for example, instead of the surface temperature T of the fuel cell stack FC in step S3, As shown in FIG. 4 (b), it is obtained from a rod-shaped temperature sensor arranged in a space between the concave portion of the uneven portion m (see FIG. 4 (a)) of the supply side communication hole R1 and the surface 10a of the heater 10. It is good also as inner wall temperature to be made.

また、図8(a),(b)は、加熱手段の変形例を示す平面図である。図8に示すように、加熱手段として、例えばシースヒータのようなシート状のヒータ10,20に、棒状のヒータ10A,20Aを、ヒータ10,20の面10a,10b,10c,20a,20b,20cが形成されていない連絡路14g,15g側に追加してもよい。ただし、この棒状のヒータ10A,20Aは、ヒータ10,20と同様に単セル1の積層方向に延びて形成され、連絡路14g,15gに形成されたブリッジ14h,15hと重なり、連絡路14g,15gの流路を塞がない位置に配置されている。このように、ヒータ10A,20Aを追加することにより、水滴が連絡路14g,15gに導入されるのをより確実に防止できるようになる。   FIGS. 8A and 8B are plan views showing modifications of the heating means. As shown in FIG. 8, as heating means, for example, sheet-like heaters 10 and 20 such as sheath heaters, rod-like heaters 10A and 20A, and surfaces 10a, 10b, 10c, 20a, 20b and 20c of the heaters 10 and 20 are used. It may be added to the side of the communication paths 14g and 15g where no is formed. However, the rod-like heaters 10A and 20A are formed so as to extend in the stacking direction of the single cells 1 similarly to the heaters 10 and 20, and overlap the bridges 14h and 15h formed in the communication paths 14g and 15g. It is arranged at a position where the 15 g flow path is not blocked. Thus, by adding the heaters 10A and 20A, it becomes possible to more reliably prevent water droplets from being introduced into the communication paths 14g and 15g.

また、本実施形態では、供給側連通孔R1,R2にヒータ10,20を設けた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、排出側連通孔R3,R4にヒータを追加する構成であってもよい。これにより、排出側連通孔R3,R4上での水素や空気の流れを阻害する氷を無くすことができるので、氷点下での起動時における発電性能をより向上させることができる。   In the present embodiment, the case where the heaters 10 and 20 are provided in the supply side communication holes R1 and R2 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the heaters are provided in the discharge side communication holes R3 and R4. May be added. As a result, the ice that hinders the flow of hydrogen and air over the discharge side communication holes R3 and R4 can be eliminated, so that the power generation performance at the time of starting below the freezing point can be further improved.

また、本実施形態では、アノードとカソードの双方の供給側連通孔R1,R2にヒータ10,20を設けたが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード側の供給側連通孔R1のみにヒータ10を設けるようにしてもよい。   In the present embodiment, the heaters 10 and 20 are provided in the supply side communication holes R1 and R2 of both the anode and the cathode. However, the present invention is not limited to this. For example, only the supply side communication hole R1 on the cathode side is provided. You may make it provide the heater 10 in this.

また、本実施形態では、膜電極接合体MEAに貫通孔11a〜11fを形成して供給側連通孔R1,R2および排出側連通孔R3,R4の一部を構成しているが、これに限定されるものではなく、膜電極接合体MEAに貫通孔11a〜11fを形成せず、つまり電解質膜11をアノード電極12,13と同程度の面積となるようにMEAを小さく構成し、貫通孔14a,14d,15a,15dおよびシール部17a,17d,18a,18d,19a,19dにより供給側連通孔R1,R2、排出側連通孔R3,R4、および冷却媒体の連通孔を構成するようにしてもよい。   In the present embodiment, the through-holes 11a to 11f are formed in the membrane electrode assembly MEA to constitute a part of the supply side communication holes R1 and R2 and the discharge side communication holes R3 and R4. However, the through-holes 11a to 11f are not formed in the membrane electrode assembly MEA. That is, the MEA is configured to be small in size so that the electrolyte membrane 11 has the same area as the anode electrodes 12 and 13, and the through-hole 14a. , 14d, 15a, 15d and seal portions 17a, 17d, 18a, 18d, 19a, 19d constitute supply side communication holes R1, R2, discharge side communication holes R3, R4, and a cooling medium communication hole. Good.

本実施形態の燃料電池スタックを示し、(a)は分解斜視図、(b)は側面図である。The fuel cell stack of this embodiment is shown, (a) is a disassembled perspective view, (b) is a side view. 単セルの積層構造を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the laminated structure of a single cell. (a)はアノード側のセパレータを示す平面図、(b)はカソード側のセパレータを示す平面図である。(A) is a top view which shows the anode side separator, (b) is a top view which shows the cathode side separator. 図1(b)のA−A断面図を示し、(a)は加熱手段を取り付ける前の状態、(b)は加熱手段を取り付けた後の状態である。FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1B, in which FIG. 1A shows a state before the heating means is attached, and FIG. (a)〜(c)はそれぞれ加熱手段の取付方法を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the attachment method of a heating means, respectively. 本実施形態の燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing an example of a fuel cell system carrying a fuel cell stack of this embodiment. 燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of a fuel cell system. 加熱手段の変形例を示し、(a)はアノード側のセパレータを示す平面図、(b)はカソード側のセパレータを示す平面図である。The modification of a heating means is shown, (a) is a top view which shows the separator by the side of an anode, (b) is a top view which shows the separator by the side of a cathode.

符号の説明Explanation of symbols

1 単セル
2 積層体
10,20 ヒータ(加熱手段)
11 固体高分子電解質膜(電解質膜)
12 アノード電極(電極)
13 カソード電極(電極)
14,15 セパレータ
FC 燃料電池スタック
R1,R2 供給側連通孔
R3,R4 排出側連通孔
1 Single cell 2 Laminate 10,20 Heater (heating means)
11 Solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane)
12 Anode electrode (electrode)
13 Cathode electrode (electrode)
14, 15 Separator FC Fuel cell stack R1, R2 Supply side communication hole R3, R4 Discharge side communication hole

Claims (8)

電解質膜の両面に一対の電極を配置してなる膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して構成した単セルがその厚み方向に複数積層された積層体を備え、前記積層体には、前記セパレータを前記厚み方向に貫通して、前記各単セルの電極に反応ガスを供給するための供給側連通孔と、前記各単セルからのオフガスを排出するため排出側連通孔とが設けられた内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、
記供給側連通孔には供給側加熱手段が設けられ
前記セパレータは、前記電極に対応する領域に前記反応ガスを流通させる反応ガス流通路、および前記反応ガス流通路と前記供給側連通孔とを連通させる供給側連絡路を備え、
前記供給側加熱手段は、前記供給側連通孔を構成する内壁のうち、前記供給側連絡路側の内壁を除く内壁を覆う形状を有することを特徴とする燃料電池スタック。
A laminated body in which a plurality of unit cells configured by sandwiching a membrane electrode assembly formed by arranging a pair of electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane with a pair of separators are stacked in the thickness direction, A supply-side communication hole for supplying a reaction gas to the electrode of each single cell through the separator in the thickness direction and a discharge-side communication hole for discharging off-gas from each single cell were provided. An internal manifold type fuel cell stack,
Supply-side heating means is provided in front Symbol supply passage,
The separator includes a reaction gas flow path for flowing the reaction gas in a region corresponding to the electrode, and a supply side communication path for communicating the reaction gas flow path and the supply side communication hole,
The fuel cell stack, wherein the supply side heating means has a shape that covers an inner wall of the supply side communication hole except for an inner wall on the supply side communication path side .
前記供給側連絡路は、幅方向に間隔を開けて配置される複数のブリッジを有し、  The supply side communication path has a plurality of bridges arranged at intervals in the width direction,
前記供給側加熱手段は、前記供給側連絡路側の内壁の前記ブリッジに対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。  2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the supply-side heating unit is disposed at a position corresponding to the bridge on the inner wall on the supply-side communication path side.
前記セパレータは四角形状であり、  The separator has a rectangular shape,
前記供給側連通孔は、前記セパレータの角部に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタック。  The fuel cell stack according to claim 1, wherein the supply side communication hole is disposed at a corner of the separator.
前記供給側連通孔と隣り合い、冷却媒体が流れる連通孔が配置されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。  The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein a communication hole through which a cooling medium flows is disposed adjacent to the supply side communication hole. 前記供給側連通孔の内壁は、前記単セルを積層することにより凹凸に形成され、  The inner wall of the supply-side communication hole is formed to be uneven by stacking the single cells,
前記供給側加熱手段は、外面が前記内壁の凹凸に沿って構成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。  5. The fuel cell stack according to claim 1, wherein an outer surface of the supply-side heating unit is configured along irregularities of the inner wall.
前記排出側連通孔には、排出側加熱手段が設けられ、  The discharge side communication hole is provided with a discharge side heating means,
前記セパレータは、前記反応ガス流通路と前記排出側連通孔とを連通させる排出側連絡路を備え、  The separator includes a discharge side communication path that communicates the reaction gas flow path and the discharge side communication hole,
前記排出側加熱手段は、前記排出側連通孔を構成する内壁のうち、前記排出側連絡路側の内壁を除く内壁を覆う形状を有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。  The discharge side heating means has a shape covering an inner wall excluding an inner wall on the discharge side communication path side among inner walls constituting the discharge side communication hole. The fuel cell stack according to item.
前記積層体に投入される前記反応ガスの温度を検出する第1温度センサと、  A first temperature sensor for detecting a temperature of the reaction gas charged into the laminate;
前記積層体の表面温度を検出する第2温度センサと、を備え、  A second temperature sensor for detecting the surface temperature of the laminate,
前記反応ガスの温度と前記表面温度とに基づいて前記供給側加熱手段を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。  The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6, further comprising a control device that controls the supply-side heating unit based on a temperature of the reaction gas and the surface temperature.
前記供給側加熱手段は、シート状であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 7, wherein the supply side heating means has a sheet shape.
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