(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
請求項４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。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか一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。
【請求項７】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５７６４０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［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。
【０００７】
［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。
【０００８】
［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。
【０００９】
［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。
【００１０】
［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。
【００１１】
［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。
【００１２】
［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。
【００１３】
［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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】図７は、図６（Ｂ）のVII-VII線に沿った断面図である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
燃料電池１１のアノードに送られた燃料のうち未反応の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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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Ｚ１」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Ｚ１」が本発明における「重複領域」の一例に相当する。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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Ｚ１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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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Ｚ１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Ｚ１の辺を鉛直方向に対して２分割する様に、重複領域Ｚ１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Ｚ１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Ｚ２と称し、下側の領域を低温領域Ｚ３と称する。
【００５３】
重複領域Ｚ１において、高温領域Ｚ２と低温領域Ｚ３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Ｚ１の中心を通り、燃料電池１１の幅方向に延在する仮想直線Ｌ１よりも上側を高温領域Ｚ２とし、当該仮想直線Ｌ１よりも図６に対して下側を低温領域Ｚ３としている。この場合、高温領域Ｚ２及び低温領域Ｚ３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Ｚ２及び低温領域Ｚ３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。
【００５４】
本実施形態では、低温領域Ｚ３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Ｚ３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Ｚ１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Ｚ３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Ｚ３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Ｚ３の外形よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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Ｚ２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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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）。
【００７５】
これにより、各燃料電池１１のアノードにおいては、
［数１］  ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋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］  ３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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Ｚ１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Ｚ３）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。
【００８２】
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。
【００８３】
また、発熱体４０を低温領域Ｚ３と重なるように配置するだけで、重複領域Ｚ１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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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Ｚ３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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
ポンプ８１は、配管Ｆ１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Ｆ２を介して燃料タンク８０に戻される。
【００９４】
ブロワ８２は、配管Ｆ３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Ｆ４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。
【００９５】
水タンク８３に貯蔵された水は、ポンプ８４により、配管Ｆ５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Ｆ６を介して燃料タンク８０に送られる。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
図１０（Ａ）に示すように、本実施形態では、重複領域Ｚ１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Ｌ１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Ｌ１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。
【００９９】
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Ｌ１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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【符号の説明】
【０１１０】
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
Ｚ１…重複領域
Ｚ２，Ｚ２１…高温領域
Ｚ２１１，Ｚ２１２…領域
Ｚ３，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
Ｆ１〜Ｆ６…配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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