JP2001167789A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

高分子電解質型燃料電池

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JP2001167789A
JP2001167789A JP35079899A JP35079899A JP2001167789A JP 2001167789 A JP2001167789 A JP 2001167789A JP 35079899 A JP35079899 A JP 35079899A JP 35079899 A JP35079899 A JP 35079899A JP 2001167789 A JP2001167789 A JP 2001167789A
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flow path
fuel
manifold
polymer electrolyte
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JP35079899A
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Toshihiro Matsumoto
敏宏 松本
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
Junji Niikura
順二 新倉
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部マニホルド型の高分子電解質型燃料電池
において、マニホルド自体の耐久性を高めるとともに、
電池本体部へのガス漏れのない取り付け構造を実現す
る。 【解決手段】 燃料ガスおよび酸化剤ガスに直接接触す
る部分を電気絶縁性材料で被覆した金属材料からなるマ
ニホルド、または樹脂材料からなり、燃料ガスおよび酸
化剤ガスに直接接触しない部分に配した金属材料からな
る補強部材を有するマニホルドを備える高分子電解質型
燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステ
ム等に使用される常温作動型の高分子電解質型燃料電池
に関し、特にその構成要素であるガスマニホルドの改良
に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、水素などの
燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極で電
気化学的に反応させ、電気と熱を同時に発生させるもの
である。この種高分子電解質型燃料電池は、一般的に水
素イオン伝導性高分子電解質膜と、その高分子電解質膜
の両面に接合された一対の電極からなる電極電解質膜接
合体(以下、MEAと言う。)を構成単位としている。
前記の電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末
と水素イオン伝導性高分子電解質とを含み、高分子電解
質膜に接合された触媒反応層およびその外面に接合され
た通気性と電子導電性を併せ持つ拡散層からなる。ME
Aの周囲には、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外
部にリークしたり、互いに混合したりしないように、ガ
スシール部を配置される。これらは、あらかじめMEA
と一体的に作製するのが普通である。MEAの外側に
は、これを機械的に固定するとともに、隣接したMEA
を互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレー
タが配置される。導電性セパレータがMEAと接触する
部分には、電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給し、
反応により生成した水や余剰のガスを運び去るためのガ
ス流路が形成される。ガス流路は、導電性セパレータと
は別に設けることもできるが、導電性セパレータの表面
に溝を設ける方式が一般的である。
【0003】通常、燃料電池は、出力電圧を高くするた
め、単電池を数多く積層した電池スタック構造を採って
いる。燃料電池の運転時には、電力とともに発生する熱
を電池外に排出するために、単電池1〜2セル毎に冷却
板が配置される。冷却板としては、薄い金属板の内部
に、冷却水などの熱媒体が貫流するような構造が一般的
である。これにより、電池温度を一定に保つと同時に、
発生した熱エネルギーを温水などの形で利用することが
できる。また、単電池を構成する導電性セパレータの背
面に冷却水流路を形成し、セパレータ自体を冷却板とし
て機能させる方法もある。その際、冷却水などの熱媒体
をシールするためにOリングやガスケットも必要となる
が、このシールではOリングを完全につぶすなどして冷
却板の上下間で十分な導電性を確保する必要がある。こ
のような積層電池では、各単電池へ燃料ガス、酸化剤ガ
スおよび冷却水を供給排出するための孔が必要であり、
これをマニホルドと呼ぶ。マニホルドの配置形態によ
り、燃料電池は内部マニホルド型と外部マニホルド型に
分類される。高分子電解質型燃料電池は、燃料ガス、酸
化剤ガスおよび冷却水の供給排出孔を積層電池の内部に
形成した、いわゆる内部マニホルド型が一般的である。
【0004】しかしながら、内部マニホルド型は、都市
ガスを改質して水素化した実ガスを用いて運転したと
き、燃料ガス流路の下流域でCO濃度が上昇し、電極が
COに被毒される。これにより電極の温度が低下し、そ
の温度低下がさらに電極被毒を促進させることがある。
このような電池の性能を低下する現象を緩和するため、
マニホルドから各単電池へのガスの供給排出部の間口を
できるだけ広く取る構造として、外部マニホルド型が見
直されている。内部マニホルド型の燃料電池において
は、電池全体に恒常的な締め付け圧を加えているため、
一般的にガスシ−ルに対する信頼性は高い。一方、外部
マニホルド型の燃料電池においては、マニホルドのフラ
ンジ面に接する積層電池の側面が、MEAやセパレ−タ
などの薄板の積層体であるため、平滑なシ−ル面が得難
く、一般的に、内部マニホルド型に比較してガスシ−ル
に対する信頼性が低い。しかし、内部マニホルド型の場
合、電池の積層数や電力出力が大きくなってくると、こ
の内部マニホルド孔を通って大量の流体を供給排出しな
ければならず、マニホルド部での圧損が大きくなる。し
たがって、積層数の小さい燃料電池では、電池全体のコ
ンパクト性を考慮して、孔径の小さいマニホルド孔に
し、逆に積層数の大きい燃料電池では圧損を抑えるため
に孔径の大きなマニホルド孔にする必要がある。そのた
め、内部マニホルド型では、セパレータやMEAの設計
において、常に積層数を考慮しなければならないという
問題があった。
【0005】内部マニホルド型および外部マニホルド型
のいずれを用いても、冷却部を含む複数の単電池を一方
向に積み重ね、その両端に一対の端板を配し、両端板間
を締結ロッドで固定することが必要である。締め付け方
式は、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けること
が望ましい。機械的強度の観点から、端板や締結ロッド
には通常、ステンレス鋼などの金属材料を用いる。これ
らの端板や締結ロッドと積層電池とは、絶縁板により電
気的に絶縁され、電流が端板を通して外部に漏れ出るこ
とのない構造とされる。締結ロッドについては、セパレ
ータ内部の貫通孔の中を通す方法や、積層電池全体を端
板越しに金属のベルトで締め上げる方式が提案されてい
る。また、ガスシール性を維持し、かつ電極とセパレー
タの間やセパレータ同士間の接触抵抗を小さく保つた
め、恒常的な締め付け圧が必要である。そこで、締結ロ
ッドと端板の間にスクリューばねや皿ばねを挿入するな
どの構成が提案されている。この締め付け圧力によっ
て、セパレータ、電極、電解質膜など電池の構成部材間
の電気的接触が確保される。
【0006】積層電池において発生する電気は、集電板
により集電され、その端部に接続された外部機器に出力
される。また、各流体は、マニホルドに接続された配管
により供給・排出される。そこで、電流を出力する方
向、各流体がマニホルドに流入する方向およびマニホル
ドから流出する方向が平行でないと、配線・配管が複雑
になり、機器搭載性の自由度が低くなる。また、積層電
池が安定的に性能を発揮するためには、単電池に生成あ
るいは結露した水を除去することが必要である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池は、発電する
とかなりの高温となり、また単電池に生成あるいは結露
した水をガス流路を通じて外部に除去するため、ガス流
路は腐食雰囲気下におかれる。本発明は、耐熱性および
耐食性を有し、さらに電池積層体へのガス漏れのない取
り付けが可能な外部マニホルド型燃料電池を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導
性高分子電解質膜および前記水素イオン伝導性高分子電
解質膜を挟む一対の電極を具備した単電池を、前記電極
の一方に燃料ガスを供給し他方に酸化剤ガスを供給する
ガス流路を有する導電性セパレータを介して積層した電
池積層体、並びに前記電池積層体の一側面および他側面
にそれぞれ接合され、かつ前記燃料ガス流路および酸化
剤ガス流路の端部に連なる燃料ガスおよび酸化剤ガスの
流路となる溝をそれぞれ有するガス供給用マニホルドお
よびガス排出用マニホルドを備え、前記ガス供給用マニ
ホルドおよびガス排出用マニホルドが、前記燃料ガスま
たは酸化剤ガスに直接接触する部分を電気絶縁性材料で
被覆した金属材料からなることを特徴とする。ここにお
いて、前記電池積層体が前記特定の燃料ガス流路と酸化
剤ガス流路との間に冷却水の流路を有し、前記ガス供給
用マニホルドおよびガス排出用マニホルドが、それぞれ
前記冷却水の流路の端部に連なる溝を有するとともに冷
却水に直接接触する部分が電気絶縁性材料で被覆されて
いることが好ましい。
【0009】また、本発明は、水素イオン伝導性高分子
電解質膜および前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を
挟む一対の電極を具備した単電池を、前記電極の一方に
燃料ガスを供給し他方に酸化剤ガスを供給するガス流路
を有する導電性セパレータを介して積層した電池積層
体、並びに前記電池積層体の一側面および他側面にそれ
ぞれ接合され、かつ前記燃料ガス流路および酸化剤ガス
流路の端部に連なる燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路と
なる溝をそれぞれ有するガス供給用マニホルドおよびガ
ス排出用マニホルドを備え、前記ガス供給用マニホルド
およびガス排出用マニホルドが、樹脂材料からなり、か
つ前記燃料ガスおよび酸化剤ガスに直接接触しない部分
に配した金属材料からなる補強部材を有することを特徴
とする高分子電解質型燃料電池を提供する。前記電池積
層体は、前記特定の燃料ガス流路と酸化剤ガス流路との
間に冷却水の流路を有し、前記補強部材が冷却水に直接
接触しない部分に配されていることが好ましい。また、
前記ガス供給用マニホルドおよびガス排出用マニホルド
がばね材を具備しねじで前記電池積層体の側面に固定さ
れていることが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図1〜図
4を参照しながら説明する。なお、以下に示す図面は概
略を示すものであって、各要素の相対的なサイズや位置
は必ずしも正確ではない。図1は燃料電池の一部を切欠
した平面図、図2はそのII−II’線断面図である。19
は単電池の積層体30に集電板、絶縁板、端板および締
め付け部材などを組み合わせて締め付けた燃料電池本体
であり、その両側面にガス供給用マニホルド21および
ガス排出用マニホルド23が取り付けられている。マニ
ホルド21および23には、酸化剤ガスの出入り口24
c、燃料ガスの出入り口24aおよび冷却水の出入り口
24wが設けられ、これらの出入り口に連通して、それ
ぞれ単電池の積層体30と対向する面には、積層体の酸
化剤ガス流路の出入り口端部、燃料ガス流路の出入り口
端部および冷却水の出入り口端部に連なる溝25c、2
5aおよび25wが設けられている。
【0011】図3は単電池を積層した積層体30の要部
を示す断面図であり、図4はセパレータの斜視図であ
る。積層体30は、拡散層13と触媒反応層12からな
る一対の電極および両電極間に挟まれた電解質膜11か
らなる複数のMEA10が導電性セパレータを介して積
層されて構成されている。電池構成単位のセパレータ
は、図4に示すように、アノードへ燃料ガスを供給する
ガス流路となるスリット15aを有する導電性プレート
14a、カソードへ酸化剤ガスを供給するガス流路とな
るスリット15cを有する導電性プレート14c、およ
び気密性の導電性プレート17からなり、プレート17
と14aによりスリット15aの部分にアノードに燃料
ガスを供給するガス流路を形成し、プレート17とプレ
ート14cによりスリット15cの部分にカソードに酸
化剤ガスを供給するガス流路を形成する。また、2枚の
気密性のプレート17の間にプレート14wを配置する
とことにより、プレート14wのスリット15wの部分
に冷却水の流路を形成する。この冷却水の流路を形成す
るためのプレート14wと付加的な1枚の気密性プレー
ト17は、電池の設計に応じて各セル毎または2〜3セ
ル毎に挿入する。
【0012】プレート14a、14cおよび14wのス
リット15a、15cおよび15wは、それぞれガスま
たは冷却水の出入り口となる端部16a、16cおよび
16wの一方から他方に向けて連続する互いに平行な数
条のスリットでつながっている。そして、端部16a、
16cおよび16wがそれぞれマニホルド21および2
3の溝25a、25cおよび25w内に配される。図示
の例では、スリット15aと15cの幅を同じとし、ス
リット15wの幅をスリット15a、15cより大きく
しているが、これらのスリットの幅は電池の設計に応じ
て適宜変更できることはいうまでもない。
【0013】それぞれ溝25a、25cおよび25wに
通じるガス出入り口24a、24cおよび24wを有す
るマニホルド21および23は、図1に示すように、耐
熱性の合成樹脂、例えば、ポリプロピレン、ポリカーボ
ネイト、ポリイミドなどの高強度樹脂から成形したもの
で、その外面には、例えばステンレス鋼などの金属から
なる補強部材20が組み合わされている。電池本体の側
面にマニホルド21および23を取り付けるには、電池
本体の側面に、スリットを有する導電性プレートの端部
16a、16cおよび16wを塞がないようにシール材
を塗布してシール材層を形成するとともに、マニホルド
との接合面にシール材を介在させ、ねじ27とナット2
8により電池本体に固定する。この例では、マニホル
ド、補強部材20およびシール材18を貫通させたねじ
27を、端板31の両端部に立ち上げた鍔部の孔をとお
し、その先端に皿ばね29を介してナットを螺合させて
締め付けている。
【0014】このように構成された燃料電池において
は、ガス供給用マニホルド21の燃料ガスの出入り口2
4aから燃料ガスの通路溝25aを経て各導電性プレー
ト14aの端部16aよりガス流路となるスリット15
aからアノードへ燃料ガスが供給され、残余の燃料ガス
および排出ガスは各導電性プレート14aのスリット1
5a、端部16a、ガス排出用マニホルド23の溝25
aを経てガス出入り口24aから外部へ排出される。酸
化剤ガスおよび冷却水についても燃料ガスの場合と同様
に、一方のガス供給用マニホルド21から各導電性プレ
ートのスリットに供給され、ガス排出用マニホルド23
から排出される。
【0015】次に、電池本体の構造を図1および図2を
参照して簡単に説明する。30は単位電池の積層体を表
す。積層体30の上下には端板31および32が配され
ている。端板31の上にはボルト35をねじ穴に螺合し
た補助プレート33が、また端板32の下には端板32
の底面に設けた凹部36と対応させて設けた凸部37に
皿状のばね38を装着した補助プレート34がそれぞれ
配されている。そして、補助プレート33と34とは、
それらの周縁部に設けた凹部41に係合する凸部を上下
に設けたバンド39からなる拘束部材により連結され、
ボルト35を補助プレート33に螺入させることにより
ばね37を圧縮し、これによって端板31、32を介し
て積層体30が締め付けられ、シール部や電極に必要な
面圧がかけられる。
【0016】この例では、補助プレート33、34およ
び一対のバンド39からなる締め付け部材の2組で電池
積層体および端板を締め付けている。そして、1個の補
助プレート33には、4個のボルト35が取り付けられ
ている。この電池の出力端子42および43は、電池の
上下に配されている。これらの出力端子42及び43
は、それぞれ端板31および32の内側に絶縁板を介し
て配された集電板に接続されている。端子42および4
3とそれぞれ絶縁カラー48および49により絶縁され
た金属板46および47は、端板31および32に溶接
などにより取り付けられ、補助プレート33および34
が締め付け力により横方向にずれるのを規制する。
【0017】次に、マニホルドの別の実施の形態を図5
に示す。このマニホルド52は、金属、例えばステンレ
ス鋼のブロックを切削加工により作製したもので、燃料
ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を導く溝50a、50c
および50w、並びに前記の各溝に通じる出入り口を有
している。そして、ガスおよび水に直接接触する部分に
は、ポリテトラフルオロエチレンの被膜51が被覆され
ている。
【0018】
【実施例】《実施例1》MEAの作製方法を説明する。
炭素微粉末(米国キャボット社製VXC72、一次粒子
径:30nm、比表面積:254m2/g)に、平均粒
径約30Åの白金粒子を25重量%担持したものを電極
の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散
させた液に、以下の式に示すパーフルオロカーボンスル
ホン酸の粉末をエチルアルコールに分散した液を混合
し、触媒ペーストを作製した。
【0019】
【化1】
【0020】式中m=5〜13.5、n≒1000、x
=1、y=2である。一方、電極の多孔性基材となるカ
ーボンペーパーを撥水処理した。すなわち、厚み360
μmのカ−ボン不織布13(東レ製、TGP−H−12
0)を、ポリテトラフルオロエチレンの水性ディスパー
ジョン(ダイキン工業製、ネオフロンND1)に含浸し
た後、これを乾燥し、400℃で30分加熱することに
より撥水性を与えた。次に、この撥水性を与えたカ−ボ
ン不織布の上に、前述の触媒ペーストをクリ−ン印刷法
をもちいて塗布することにより触媒層を形成した。この
ようにして作製した触媒層とカ−ボン不織布とを合わせ
て電極とした。電極中に含まれる白金量は0.5mg/
cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2
mg/cm2となるよう調整した。この電極をアノ−ド
およびカソ−ドの両方に使用した。
【0021】次に、外寸の大きさを前述の電極より5m
m大きくした、プロトン伝導性高分子電解質膜(米国デ
ュポン社製ナフィオン112)の裏表両面に、一対の電
極を触媒層が電解質膜に接するようにホットプレスで接
合し、これを電極電解質膜接合体(MEA)とした。こ
のMEAを導電性セパレータで挟み込んで単電池の構成
とした。セパレータは、SUS304製のステンレス鋼
板を打ち抜き加工してガスまたは冷却水の流路となるス
リットを形成した後、0.2μmの金メッキを施した厚
さ0.5mmの導電性プレートと、ポリイソブチレンに
導電性カーボンを分散させた気密性の導電性プレートの
組合せにより作製した。セパレータの大きさは10cm
×20cmであり、ガス流路を形成するスリットの幅は
1.9mm、冷却水の流路を形成するスリットの幅は同
じく1.9mmである。
【0022】以上のようにして作製したMEAを、燃料
ガス流路用スリットを有する導電性プレート、気密性の
導電性プレートおよび酸化剤ガス流路用スリットを有す
る導電性プレートを介して50セル積層した。そして、
2セル毎に冷却水流路用スリットを有する導電性プレー
トおよび気密性の導電性プレートを挿入した。この積層
電池の両端部に、集電板、絶縁板、および端板を順に重
ね合わせ、図2のような構造の燃料電池に組み立てた。
各単電池にかかる締結圧は、セパレータの面積当たり1
0kgf/cm2とした。次に、図1のように、ポリプ
ロピレンの成形体からなるマニホルド21および23に
ステンレス鋼SUS304板製補強板20を組み合わ
せ、これらをばね29を具備したねじ27により端板に
固定した。なお、マニホルドと電池積層体との間には、
エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体配合物を配
置してシールした。
【0023】《実施例2》図5に示したように、ステン
レス鋼SUS304製のマニホルド48のガスおよび冷
却水と直接接触する部分にポリテトラフルオロエチレン
の被膜を被覆したものを用いた他は実施例1と同様の燃
料電池を組み立てた。
【0024】
【発明の効果】本発明によると、外部マニホルド型の燃
料電池において、マニホルド自体の耐久性を高めるとと
ともに、電池本体部へのガス漏れのない取り付け構造を
有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で作製した高分子電解質型燃料
電池の一部を切欠した平面図である。
【図2】図1のII−II’線断面図である。
【図3】同燃料電池の電池積層体の要部を示す断面図で
ある。
【図4】同燃料電池のセパレータの斜視図である。
【図5】本発明の他の実施例におけるマニホルドの横断
面図である。
【符号の説明】
10 MEA 11 水素イオン伝導性高分子電解質膜 12 触媒反応層 13 拡散層 14a、14c、14w 導電性プレート 15a、15c、15w スリット 16a、16c、16w 端部 17 気密性導電性プレート 18 シール材 19 燃料電池本体 20 補強部材 21 ガス供給用マニホルド 23 ガス排出用マニホルド 24a、24c、24w 出入り口 25a、25c、25w 溝 27 ねじ 28 ナット 29 ばね 50a、50c、50w 溝 51 樹脂被膜 52 マニホルド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新倉 順二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB04 CC03 CX08 EE02 EE08 EE18

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜および
    前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極
    を具備した単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給
    し他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する導電性
    セパレータを介して積層した電池積層体、並びに前記電
    池積層体の一側面および他側面にそれぞれ接合され、か
    つ前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の端部に連な
    る燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路となる溝をそれぞれ
    有するガス供給用マニホルドおよびガス排出用マニホル
    ドを備え、 前記ガス供給用マニホルドおよびガス排出用マニホルド
    が、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスに直接接触する部分
    を電気絶縁性材料で被覆した金属材料からなることを特
    徴とする高分子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記電池積層体が前記特定の燃料ガス流
    路と酸化剤ガス流路との間に冷却水の流路を有し、前記
    ガス供給用マニホルドおよびガス排出用マニホルドが、
    それぞれ前記冷却水の流路の端部に連なる溝を有すると
    ともに冷却水に直接接触する部分が電気絶縁性材料で被
    覆されている請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】 水素イオン伝導性高分子電解質膜および
    前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極
    を具備した単電池を、前記電極の一方に燃料ガスを供給
    し他方に酸化剤ガスを供給するガス流路を有する導電性
    セパレータを介して積層した電池積層体、並びに前記電
    池積層体の一側面および他側面にそれぞれ接合され、か
    つ前記燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の端部に連な
    る燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路となる溝をそれぞれ
    有するガス供給用マニホルドおよびガス排出用マニホル
    ドを備え、 前記ガス供給用マニホルドおよびガス排出用マニホルド
    が、樹脂材料からなり、かつ前記燃料ガスおよび酸化剤
    ガスに直接接触しない部分に配した金属材料からなる補
    強部材を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電
    池。
  4. 【請求項4】 前記電池積層体が前記特定の燃料ガス流
    路と酸化剤ガス流路との間に冷却水の流路を有し、前記
    補強部材が冷却水に直接接触しない部分に配されている
    請求項3記載の高分子電解質型燃料電池。
  5. 【請求項5】 前記ガス供給用マニホルドおよびガス排
    出用マニホルドがばね材を具備しねじで前記電池積層体
    の側面に固定されている請求項1〜4のいずれかに記載
    の高分子電解質型燃料電池。
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