JP2005228542A - 燃料電池 - Google Patents

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伸之 松本
Shigeru Inai
滋 稲井
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英男 加藤
Akira Jinba
亮 神馬
Katsumi Hayashi
勝美 林
Hiromichi Yoshida
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Abstract

【課題】燃料電池内にドライガスを供給する際に、水分の流入を阻止して良好な掃気効果を得ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池10は、複数の発電セル12が積層された積層体14を備え、この積層体14を第1及び第2エンドプレート20a、20b間に挟持するとともに、前記第1エンドプレート20aには、配管マニホールド22a、22bがねじ止めされる。配管マニホールド22a、22bには、第1エンドプレート20aの酸化剤ガス入口58a及び燃料ガス入口62aに連通する酸化剤ガス供給口70a及び燃料ガス供給口74aが形成されるとともに、前記酸化剤ガス供給口70a及び前記燃料ガス供給口74aには、ドライガス供給口76a、76bが連結される。
【選択図】図1

Description

本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが交互に積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に貫通して少なくとも反応ガスを流す複数の反応ガス入口連通孔が形成される燃料電池に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給される。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、予め加湿された状態で燃料電池に供給されている。しかしながら、特に燃料電池を氷点下で始動させる際、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、始動性が低下するという不具合が指摘されている。
そこで、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池システムが知られている。具体的には、図6に示すように、固体高分子型燃料電池スタック1は、反応ガス流供給ポート2と反応ガス流排出ポート3とを備えており、前記反応ガス流供給ポート2に供給流路4が接続される一方、前記反応ガス流排出ポート3に排出流路5が接続されている。
供給流路4及び排出流路5は、熱・湿度交換器6を構成する水交換膜7の両側に配置されるとともに、前記供給流路4には、弁8を介してバイパス路9が設けられている。そして、システムを停止する前に、バイパス路9から固体高分子型燃料電池スタック1にドライガスが供給されることにより、前記固体高分子型燃料電池スタック1内をパージ(掃気)することができる。
米国特許第6,416,895号公報(図1)
上記の特許文献1では、バイパス路9が供給流路4の途上に接続されており、前記バイパス路9と前記供給流路4との連結部の下流には、比較的長尺な共通流路(配管)が形成されている。このため、バイパス路9にドライガスを供給する際に、発電中に共通流路に結露した水分や残留した加湿ガスが、前記ドライガスによって固体高分子型燃料電池スタック1内に導入されるとともに、該ドライガス自体が加湿されてしまう。これにより、固体高分子型燃料電池スタック1内を良好且つ効率的に掃気することができないという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池内にドライガスを供給する際に、前記燃料電池内に水分が流入することがなく、該ドライガスによる掃気を良好且つ効率的に行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが交互に積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に貫通して少なくとも反応ガスを流す反応ガス入口連通孔が形成される燃料電池である。燃料電池には、反応ガス入口連通孔の上流に連通して該反応ガス入口連通孔にドライガスを供給する専用のドライガス供給口が設けられている。ドライガスとは、無加湿乃至低加湿のガスをいう。
また、積層体の少なくとも一方の端部に配管部材が設けられるとともに、前記配管部材には、反応ガス入口連通孔に連通する反応ガス供給口と、ドライガス供給口とが連結して設けられることが好ましい。
さらに、積層体には、反応ガス入口連通孔を含む6つの連通孔が積層方向に貫通して設けられるとともに、前記積層体の前記積層方向に交差する横方向両端には、それぞれ3つの前記連通孔が形成され、且つ前記横方向両端には、それぞれ配管部材が取り付けられることが好ましい。
さらにまた、少なくとも一方の配管部材には、反応ガス供給口である第1ポートの他に、連通孔に連通する第2及び第3ポートが形成され、前記第1ポートは、前記第2及び第3ポートよりも上方に配置されるとともに、該第1ポートにドライガス供給口が連結されることが好ましい。
また、ドライガス供給口は、第1ポートに対して水平方向から上方に傾斜して連結されることが好ましい。
さらに、積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層されるとともに、一方の前記エンドプレートには、反応ガス入口連通孔に連結されてドライガス供給口が設けられることが好ましい。
さらにまた、ドライガス供給口は、反応ガス入口連通孔に対して水平方向から上方に傾斜して連結されることが好ましい。
本発明では、燃料電池自体にドライガス供給口が設けられるため、掃気用ドライガスは、水分が残留している反応ガス用配管を通らずに、燃料電池内に直接流入することができる。従って、発電中に反応ガス用配管に結露した水分や残留した加湿ガスが、燃料電池内に導入されたり、ドライガス自体が加湿されたりすることがなく、燃料電池内を良好且つ効率的に掃気することが可能になる。特に、氷点下の始動に際して、残留水の凍結が有効に阻止され、燃料電池の始動性が向上する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池10の要部分解斜視説明図である。
燃料電池10は、複数の発電セル12が積層された積層体14を備え、前記積層体14の積層方向(矢印A方向)両端部には、第1及び第2ターミナルプレート16a、16bと、第1及び第2絶縁プレート18a、18bと、第1及び第2エンドプレート20a、20bとが、順次、設けられる。少なくとも第1エンドプレート20aには、後述する6つの連通孔にそれぞれ反応ガスや冷却媒体の供給、排出を行う配管マニホールド(配管部材)22a、22bが複数のねじ24によって固定される。なお、燃料電池10は、図示しないが、例えば、ボックス状のケーシングにより締め付け保持される。
図2に示すように、発電セル12は、電解質膜・電極構造体30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
発電セル12の矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔(反応ガス入口連通孔)38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔40bが設けられる。
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔36bが設けられる。
第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス入口連通孔40aと燃料ガス出口連通孔40bとを連通する燃料ガス流路42が形成される。この燃料ガス流路42は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体入口連通孔38aと冷却媒体出口連通孔38bとを連通する冷却媒体流路44が形成される。この冷却媒体流路44は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。
第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路46が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路46は、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路44が一体的に形成される。
第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端部を周回して第1シール部材48が一体成形される。第1シール部材48は、面32aで燃料ガス入口連通孔40a、燃料ガス出口連通孔40b及び燃料ガス流路42を囲繞してこれらを連通させる一方、面32bで冷却媒体入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔38b及び冷却媒体流路44を囲繞してこれらを連通させる。
第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端部を周回して第2シール部材50が一体成形される。第2シール部材50は、面34aで酸化剤ガス入口連通孔36a、酸化剤ガス出口連通孔36b及び酸化剤ガス流路46を囲繞してこれらを連通させる一方、面34bで冷却媒体入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔38b及び冷却媒体流路44を囲繞してこれらを連通させる。
電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するアノード側電極54及びカソード側電極56とを備える。
アノード側電極54及びカソード側電極56は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜52の両面に接合される。
図1に示すように、第1エンドプレート20aには、発電セル12の酸化剤ガス入口連通孔36a、冷却媒体入口連通孔38a、燃料ガス出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔38b及び酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する酸化剤ガス入口58a、冷却媒体入口60a、燃料ガス出口62b、燃料ガス入口62a、冷却媒体出口60b及び酸化剤ガス出口58bが形成される。第1エンドプレート20aには、酸化剤ガス入口58a、冷却媒体入口60a、燃料ガス出口62b、燃料ガス入口62a、冷却媒体出口60b及び酸化剤ガス出口58bを囲むようにして、複数のねじ孔64が形成される。
配管マニホールド22a、22bは、第1エンドプレート20aの横方向(矢印B方向)両端に配置される取り付け板状部66a、66bを設ける。各取り付け板状部66a、66bには、第1エンドプレート20aのねじ孔64と同軸的に複数の孔部68a、68bが形成される。孔部68a、68bにねじ24が挿入されて該ねじ24の先端がねじ孔64にねじ込まれることにより、配管マニホールド22a、22bが第1エンドプレート20aに固定される。
図1及び図3に示すように、配管マニホールド22aには、第1エンドプレート20aの酸化剤ガス入口58a、冷却媒体入口60a及び燃料ガス出口62bに連通する酸化剤ガス供給口(第1ポート)70a、冷却媒体供給口(第2ポート)72a及び燃料ガス排出口(第3ポート)74bが形成される。
配管マニホールド22aの上部には、下方に延在して酸化剤ガス供給口70aに連通し、前記酸化剤ガス供給口70aから酸化剤ガス入口58aを介して酸化剤ガス入口連通孔36aに無加湿乃至低加湿のドライガスを供給するためのドライガス供給口76aが形成される。このドライガス供給口76aは、酸化剤ガス供給口70aに対して水平方向から上方に傾斜して連結されることが好ましい。
酸化剤ガス供給口70a、冷却媒体供給口72a及び燃料ガス排出口74bには、それぞれ配管78a、80a及び82bが設けられる一方、ドライガス供給口76aには、配管84aが設けられる。
図1に示すように、配管マニホールド22bには、第1エンドプレート20aの燃料ガス入口62a、冷却媒体出口60b及び酸化剤ガス出口58bに連通する燃料ガス供給口(第1ポート)74a、冷却媒体排出口(第2ポート)72b及び酸化剤ガス排出口(第3ポート)70bが形成される。
配管マニホールド22bの上部には、下方に延在して燃料ガス供給口74aに連通し、前記燃料ガス供給口74aから燃料ガス入口62aを介して燃料ガス入口連通孔40aに無加湿乃至低加湿のドライガスを供給するためのドライガス供給口76bが形成される。このドライガス供給口76bは、燃料ガス供給口74aに対して水平方向から上方に傾斜して連結されることが好ましい。
燃料ガス供給口74a、冷却媒体排出口72b及び酸化剤ガス排出口70bには、それぞれ配管82a、80b及び78bが設けられる一方、ドライガス供給口76bには、配管84bが設けられる。
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
先ず、図1に示すように、燃料電池10では、配管マニホールド22aの配管78aから第1エンドプレート20aの酸化剤ガス入口58aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、配管マニホールド22bの配管82aから燃料ガス入口62aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管マニホールド22aの配管80aから冷却媒体入口60aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各発電セル12に対して酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印A方向に供給される。
図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路46に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極56に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路42に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極54に沿って移動する。
従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極56に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極54に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、カソード側電極56に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔36bに沿って矢印A方向に流動した後、第1エンドプレート20aの酸化剤ガス出口58bから配管マニホールド22bの配管78bに排出される(図1参照)。同様に、アノード側電極54に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔40bに排出されて矢印A方向に流動し、第1エンドプレート20aの燃料ガス出口62bから配管マニホールド22aの配管82bに排出される。
また、冷却媒体は、図2に示すように、冷却媒体入口連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路44に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体出口連通孔38bを移動して第1エンドプレート20aの冷却媒体出口60bから配管マニホールド22bの配管80bに排出される(図1参照)。
ところで、燃料電池10による発電が停止された後、図3に示すように、配管マニホールド22aの配管84aからドライガス供給口76aに無加湿乃至低加湿のドライガスが供給される。このドライガスは、酸化剤ガス入口連通孔36aに供給され、さらに酸化剤ガス流路46を通って酸化剤ガス出口連通孔36bに排出されて燃料電池10内の掃気が行われる。
この場合、第1の実施形態では、燃料電池10に固着された配管マニホールド22a自体にドライガス供給口76aが設けられており、このドライガス供給口76aは、前記配管マニホールド22aの酸化剤ガス供給口70aに連結されている。このため、掃気用のドライガスは、酸化剤ガス供給口70aから酸化剤ガス入口58aに直接導入され、酸化剤ガス用の配管78aを通らずに前記燃料電池10内に流入することができる。
その際、配管78aでは、燃料電池10の発電中に結露した水分や加湿ガスが残留し易いが、第1の実施形態では、前記水分や前記加湿ガスが燃料電池10内に導入されたり、ドライガス自体が加湿されたりすることがなく、前記燃料電池10内を良好且つ効率的に掃気することが可能になるという効果が得られる。特に、燃料電池10を氷点下で始動する際には、残留水の凍結が良好に阻止されて、始動性の向上が容易に図られるという利点がある。
さらに、配管マニホールド22aでは、3つのポートのうち第1ポートである酸化剤ガス供給口70aが最上位に配置されるとともに、ドライガス供給口76aは、前記酸化剤ガス供給口70aに対して水平方向から上方に傾斜して連結される。従って、ドライガス供給口76aに燃料電池10内の滞留水が逆流することがなく、掃気の効果を有効に向上させることができる。しかも、水分は、重力によって下流に流れ易く、該水分の滞留を良好に阻止することが可能になる。
一方、配管マニホールド22bでは、同様に燃料ガス供給口74aとドライガス供給口76bとが連結して設けられている。このため、燃料ガス入口連通孔40aから燃料ガス流路42を介して燃料ガス出口連通孔40bの掃気が良好に行われる等、配管マニホールド22aと同様の効果が得られる。なお、燃料ガス側の掃気が不要である場合には、配管マニホールド22bにドライガス供給口76bを設けなくてもよい。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池90の概略斜視図であり、図5は、前記燃料電池90の一部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。
燃料電池90は、積層体14を挟持する第1及び第2エンドプレート92、20bを備えるとともに、前記第1エンドプレート92の横方向(矢印B方向)両端には、配管マニホールド(配管部材)94a、94bがねじ止めされる。
第1エンドプレート92の上部には、下方に延在してそれぞれ酸化剤ガス入口58a及び燃料ガス入口62aに連通するドライガス供給口96a、96bが形成される。ドライガス供給口96a、96bは、それぞれ酸化剤ガス入口58a及び燃料ガス入口62aに対して水平方向から上方に傾斜して連結されることが好ましい。ドライガス供給口96a、96bには、配管98a、98bが接続される一方、配管マニホールド94a、94bには、ドライガス供給口が設けられていない。
このように構成される第2の実施形態では、燃料電池90による発電が停止された後、配管98aからドライガス供給口96aを介して酸化剤ガス入口58aに掃気用のドライガスが供給される。一方、配管98bを介してドライガス供給口96bから燃料ガス入口62aに掃気用のドライガスが供給される。
その際、ドライガス供給口96a、96bは、第1エンドプレート92に直接形成されている。これにより、ドライガスは、酸化剤ガス入口58a及び燃料ガス入口62aから酸化剤ガス入口連通孔36a及び燃料ガス入口連通孔40aに、直接、供給される。
従って、第2の実施形態では、配管78a、82aに残存する結露水や加湿ガスは、掃気時に燃料電池90内に導入されることがなく、ドライガスによる掃気が良好且つ効率的に行われるとともに、残留水の結露を阻止して前記燃料電池90の始動性を向上させることができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の概略斜視図である。 前記燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の概略斜視図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 特許文献1の概略説明図である。
符号の説明
10、90…燃料電池 12…発電セル
16a、16b…ターミナルプレート 18a、18b…絶縁プレート
20a、20b、92…エンドプレート
22a、22b、94a、94b…配管マニホールド
30…電解質膜・電極構造体 32、34…金属セパレータ
36a…酸化剤ガス入口連通孔 36b…酸化剤ガス出口連通孔
38a…冷却媒体入口連通孔 38b…冷却媒体出口連通孔
40a…燃料ガス入口連通孔 40b…燃料ガス出口連通孔
42…燃料ガス流路 44…冷却媒体流路
46…酸化剤ガス流路 52…固体高分子電解質膜
54…アノード側電極 56…カソード側電極
58a…酸化剤ガス入口 58b…酸化剤ガス出口
60a…冷却媒体入口 60b…冷却媒体出口
62a…燃料ガス入口 62b…燃料ガス出口
70a…酸化剤ガス供給口 70b…酸化剤ガス排出口
72a…冷却媒体供給口 72b…冷却媒体排出口
74a…燃料ガス供給口 74b…燃料ガス排出口
76a、76b、96a、96b…ドライガス供給口
78a、78b、80a、80b、82a、82b、84a、84b、98a、98b…配管

Claims (7)

  1. 電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが交互に積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に貫通して少なくとも反応ガスを流す反応ガス入口連通孔が形成される燃料電池であって、
    前記燃料電池には、前記反応ガス入口連通孔の上流に連通して該反応ガス入口連通孔にドライガスを供給する専用のドライガス供給口が設けられることを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項1記載の燃料電池において、前記積層体の少なくとも一方の端部に配管部材が設けられるとともに、
    前記配管部材には、前記反応ガス入口連通孔に連通する反応ガス供給口と、前記ドライガス供給口とが連結して設けられることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項2記載の燃料電池において、前記積層体には、前記反応ガス入口連通孔を含む6つの連通孔が前記積層方向に貫通して設けられるとともに、
    前記積層体の前記積層方向に交差する横方向両端には、それぞれ3つの前記連通孔が形成され、且つ前記横方向両端には、それぞれ前記配管部材が取り付けられることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項3記載の燃料電池において、少なくとも一方の前記配管部材には、前記反応ガス供給口である第1ポートの他に、前記連通孔に連通する第2及び第3ポートが形成され、
    前記第1ポートは、前記第2及び第3ポートよりも上方に配置されるとともに、該第1ポートに前記ドライガス供給口が連結されることを特徴とする燃料電池。
  5. 請求項4記載の燃料電池において、前記ドライガス供給口は、前記第1ポートに対して水平方向から上方に傾斜して連結されることを特徴とする燃料電池。
  6. 請求項1記載の燃料電池において、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層されるとともに、
    一方の前記エンドプレートには、前記反応ガス入口連通孔に連結されて前記ドライガス供給口が設けられることを特徴とする燃料電池。
  7. 請求項6記載の燃料電池において、前記ドライガス供給口は、前記反応ガス入口連通孔に対して水平方向から上方に傾斜して連結されることを特徴とする燃料電池。

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007128752A (ja) * 2005-11-04 2007-05-24 Toyota Motor Corp 燃料電池スタック、燃料電池システムおよび同システムを搭載する移動体
JP2012028078A (ja) * 2010-07-21 2012-02-09 Toyota Boshoku Corp 燃料電池システム
WO2021218906A1 (zh) * 2020-04-28 2021-11-04 北京朔景新能源科技有限公司 燃料电池及配流装置

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