JP2014078410A - 燃料電池スタック - Google Patents

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秀晴 内藤
Yusuke Nara
由介 奈良
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秀忠 小嶋
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成志 好永
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Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、積層された複数の燃料電池に対して積層方向に所望の荷重を確実に付与することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック10は、リンク機構24aを備える。リンク機構24aは、第1エンドプレート18aの長辺20aを支点に揺動する第1リンクバー30aと、第2エンドプレート18bの長辺20bを支点に揺動し且つ前記第1リンクバー30aと互いに揺動可能に連結される第2リンクバー32aと、前記第1リンクバー30a及び前記第2リンクバー32aに一体に係合してこれらと三角形状部を形成する少なくとも1本の連結バー52aとを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第1エンドプレート及び第2エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関する。
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電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、相当に多数の発電セルを積層する必要がある。このため、各発電セル同士を積層方向に正確且つ強固に押圧保持しなければならない。
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、図7に示すように、それぞれ複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタック1a、1bを備えている。
燃料電池スタック1a、1bの積層方向一端側には、スプリングボックス2を介装して、エンドプレート3が配設されている。スプリングボックス2は、2枚の金属製プレート4a、4b間に、複数のばね5を挟持して構成されている。
エンドプレート3には、荷重調節ねじ6、7が設けられるとともに、前記荷重調節ねじ7は、孔部8を介して積層方向に交差する方向にスライド可能に支持されている。
特開2008−204909号公報
上記の特許文献1では、積層荷重を分担するために、複数のばね5が設けられている。このため、燃料電池全体の構成が複雑化するとともに、積層方向の全長が長尺化するという問題がある。
しかも、積層方向に外部荷重が付与された際に、反応ガスの漏れを防止するために、ばね5と発電セルを積層した積層体の寸法や材質を最適に設定する必要がある。しかしながら、ばね5及び積層体の双方を良好に調整することは、相当に困難であるという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、積層されている複数の燃料電池(発電セル)に対して積層方向に所望の荷重を確実に付与することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第1エンドプレート及び第2エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。
この燃料電池スタックは、第1エンドプレートと第2エンドプレートを連結する複数のリンク機構を備えている。リンク機構は、第1エンドプレートの1辺を支点に揺動する第1リンクバーと、第2エンドプレートの1辺を支点に揺動し且つ前記第1リンクバーと互いに揺動可能に連結される第2リンクバーと、前記第1リンクバー及び前記第2リンクバーに一体に係合し、該第1リンクバー及び該第2リンクバーと三角形状部を形成する少なくとも1本の連結バーと、を備えている。
また、この燃料電池スタックでは、第1リンクバーには、複数個の第1孔部が形成されるとともに、第2リンクバーには、複数の第2孔部が形成され、連結バーは、前記第1孔部及び前記第2孔部に一体に挿入されることにより、第1エンドプレートと第2エンドプレートとの間隔が調整されることが好ましい。
さらに、この燃料電池スタックでは、リンク機構は、少なくとも第1エンドプレート及び第2エンドプレートの、それぞれ互いに対向する2つの辺に設けられることが好ましい。
本発明によれば、第1リンクバー及び第2リンクバーに、連結バーを一体に係合させるだけで、第1エンドプレートと第2エンドプレートとの離間間隔を良好に調整することができる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、積層されている複数の燃料電池に対して積層方向に所望の荷重を確実に付与することが可能になる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの平面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するリンク機構の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックの平面説明図である。 特許文献1に開示されている燃料電池の説明図である。
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、例えば、燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12が、立位姿勢で水平方向に沿って又は垂直方向に沿って積層される。燃料電池12の積層方向一端には、ターミナルプレート14a、絶縁プレート16a及び第1エンドプレート18aが配設される。燃料電池12の積層方向他端には、ターミナルプレート14b、絶縁プレート16b及び第2エンドプレート18bが配設される。
第1エンドプレート18aの中央部からは、ターミナルプレート14aに接続された出力端子19aが延在する。第2エンドプレート18bの中央部からは、ターミナルプレート14bに接続された出力端子19bが延在する。
第1エンドプレート18a及び第2エンドプレート18bは、横長の長方形状を有する。第1エンドプレート18aの上方側長辺20aと、第2エンドプレート18bの上方側長辺20bとは、リンク機構24aを介して連結される。第1エンドプレート18aの下方側長辺22aと、第2エンドプレート18bの下方側長辺22bとは、リンク機構24bを介して連結される。
第1エンドプレート18aの一方の短辺26aと、第2エンドプレート18bの一方の短辺26bとは、リンク機構24cを介して連結される。第1エンドプレート18aの他方の短辺28aと、第2エンドプレート18bの他方の短辺28bとは、リンク機構24dを介して連結される。
図1及び図2に示すように、リンク機構24aは、第1エンドプレート18aの長辺20aの略中央を支点に揺動する一対の第1リンクバー30a、30bと、第2エンドプレート18bの長辺20bの略中央を支点に揺動する一対の第2リンクバー32a、32bとを有する。
第1リンクバー30a、30bの一端は、支軸(例えば、ボルト)34a、34bを介して第1エンドプレート18aに回転自在に係合する。第2リンクバー32a、32bの一端は、同様に、支軸(例えば、ボルト)36a、36bを介して第2エンドプレート18bに回転自在に支持される。
図3に示すように、第1リンクバー30aの他端には、ボルト挿通用の孔部38aが形成される。第2リンクバー32aの他端には、上下に一対の板状取り付け部40a、40aが膨出形成され、前記板状取り付け部40a、40aには、孔部42a、42aが同軸上に形成される。
板状取り付け部40a、40a間に、第1リンクバー30aの他端が挿入され、孔部42a、38a及び42aにボルト44aが一体に挿入されて、前記ボルト44aにナット46aが螺合する。第1リンクバー30aの他端と、第2リンクバー32aの他端とは、互いに所定の角度だけ回動(揺動)自在である。
第1リンクバー30aには、複数個の係合孔48aが形成されるとともに、第2リンクバー32aには、複数の係合孔50aが形成される。1つの係合孔48aと1つの係合孔50aとに、連結バー52aが挿入される。連結バー52aは、棒状の部材の両端を略90°屈曲させることにより、構成される。第1リンクバー30a、第2リンクバー32a及び連結バー52aによって、三角形状部が形成され、これらが一体に、すなわち、回転不能(傾動不能)に保持される。
他方の第1リンクバー30b及び第2リンクバー32bは、上記の第1リンクバー30a及び第2リンクバー32aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字にbを付して、その詳細な説明は省略する。
リンク機構24aは、上記のように構成されており、他のリンク機構24b、24c及び24dは、同様に構成されるため、その詳細な説明は省略する。
なお、第1の実施形態では、第1エンドプレート18a及び第2エンドプレート18bの各辺に対応して、4組のリンク機構24a、24b、24c及び24dを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、長辺側のリンク機構24a、24bのみを用いて、短辺側のリンク機構24c、24dを削除してもよい。また、リンク機構24a、24bは、1つの辺にそれぞれ複数個設けてもよい。さらにまた、燃料電池スタック10は、端部に皿ばね(弾性部材)を設けていないが、固体高分子電解質膜64(後述する)の含水率により第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとの間隔が変動する場合には、前記皿ばね(弾性部材)を設けてもよい。
図4に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体53と、前記電解質膜・電極構造体53を挟持する第1金属セパレータ54及び第2金属セパレータ56とを備える。
第1金属セパレータ54及び第2金属セパレータ56は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第1金属セパレータ54及び第2金属セパレータ56は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。断面凹凸形状により、積層方向に対してばね性を有する。なお、第1金属セパレータ54及び第2金属セパレータ56に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
第1金属セパレータ54及び第2金属セパレータ56は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向(矢印B方向)に延在し且つ短辺が重力方向(矢印C方向)に延在するように構成される。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように構成してもよい。
燃料電池12の長辺方向(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供給連通孔58aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔60aとが設けられる。
燃料電池12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔60bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔58bとが設けられる。
燃料電池12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方側(反応ガス入口側)には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための2つの冷却媒体供給連通孔62aが、対向する辺に設けられる。燃料電池12の短辺方向の両端縁部他方側(反応ガス出口側)には、冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体排出連通孔62bが、対向する辺に設けられる。
燃料電池12は、長辺方向一端部に、酸化剤ガス供給連通孔58a、燃料ガス供給連通孔60a及び一対の冷却媒体供給連通孔62aが設けられるとともに、長辺方向他端部に、燃料ガス排出連通孔60b、酸化剤ガス排出連通孔58b及び一対の冷却媒体排出連通孔62bが設けられる。
電解質膜・電極構造体53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64と、前記固体高分子電解質膜64を挟持するカソード電極66及びアノード電極68とを備える。
カソード電極66及びアノード電極68は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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て形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜64の両面に形成される。
第1金属セパレータ54の電解質膜・電極構造体53に向かう面54aには、酸化剤ガス供給連通孔58aと酸化剤ガス排出連通孔58bとを連通する酸化剤ガス流路70が形成される。酸化剤ガス流路70は、矢印B方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。
第2金属セパレータ56の電解質膜・電極構造体53に向かう面56aには、燃料ガス供給連通孔60aと燃料ガス排出連通孔60bとを連通する燃料ガス流路72が形成される。燃料ガス流路72は、矢印B方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。
第2金属セパレータ56の面56bと第1金属セパレータ54の面54bとの間には、冷却媒体供給連通孔62a、62aと冷却媒体排出連通孔62b、62bとに連通する冷却媒体流路74が形成される。この冷却媒体流路74は、電解質膜・電極構造体53の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。
第1金属セパレータ54の面54a、54bには、この第1金属セパレータ54の外周端縁部を周回して第1シール部材76が一体成形される。第2金属セパレータ56の面56a、56bには、この第2金属セパレータ56の外周端縁部を周回して第2シール部材78が一体成形される。
第1シール部材76及び第2シール部材78としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
図1に示すように、第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス供給連通孔58a、燃料ガス供給連通孔60a、酸化剤ガス排出連通孔58b、燃料ガス排出連通孔60b、冷却媒体供給連通孔62a及び冷却媒体排出連通孔62bが形成されるとともに、これらには、図示しないマニホールド部材が連結される。
なお、第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス供給連通孔58a、燃料ガス供給連通孔60a、酸化剤ガス排出連通孔58b及び燃料ガス排出連通孔60bが形成される一方、第2エンドプレート18bには、冷却媒体供給連通孔62a及び冷却媒体排出連通孔62bが形成されてもよい。
このように構成される燃料電池スタック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、第1エンドプレート18aの酸化剤ガス供給連通孔58aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔60aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔62aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
このため、図4に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔58aから第1金属セパレータ54の酸化剤ガス流路70に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路70に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体53のカソード電極66に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔60aから第2金属セパレータ56の燃料ガス流路72に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路72に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体53のアノード電極68に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体53では、カソード電極66に供給される酸化剤ガスと、アノード電極68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て発電が行われる。
次いで、電解質膜・電極構造体53のカソード電極66に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔58bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体53のアノード電極68に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔60bに沿って矢印A方向に排出される。
また、一対の冷却媒体供給連通孔62aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ54及び第2金属セパレータ56間の冷却媒体流路74に導入される。冷却媒体は、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体53を冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔62bに沿って矢印A方向に排出される。
この場合、第1の実施形態では、図1及び図2に示すように、第1エンドプレート18aの長辺20aと、第2エンドプレート18bの長辺20bとが、リンク機構24aを介して連結されている。
リンク機構24aは、第1リンクバー30aの他端と第2リンクバー32aの他端とが、互いに回転(傾動)自在に連結されている(図3参照)。一方、第1リンクバー30aの一端及び第2リンクバー32aの一端は、第1エンドプレート18aの長辺20a及び第2エンドプレート18bの長辺20bに回転(傾動)自在に連結されている。
そこで、第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとが、互いに近接する方向に荷重を付与された状態で、すなわち、燃料電池12の積層体に積層方向に荷重が付与された状態で、連結バー52aが、それぞれ任意の係合孔48a、50aに一体に係合される。
このため、第1リンクバー30a、第2リンクバー32a及び連結バー52aにより三角形状部が形成され、前記第1リンクバー30aと前記第2リンクバー32aとは、互いのなす角度を変更不能に固定されている。従って、第1リンクバー30aの一端と第2リンクバー32aとの一端との間隔は、確実に保持され、これらが連結されている第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとは、互いの離間間隔が変更不能に保持される。
また、第1リンクバー30bと第2リンクバー32bとは、同様に、連結バー52bを介して三角形状部が形成されており、それぞれの一端部間の距離が変動不能に保持されている。さらにまた、他のリンク機構24b、24c及び24dにおいても、リンク機構24aと同様に機能する。
このように、第1の実施形態では、第1リンクバー30aと第2リンクバー32aとの異なった係合孔48a、50aに連結バー52aを一体に係合させるだけで、第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとの離間間隔を調整することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、積層されている複数の燃料電池12に対して、積層方向に所望の荷重を確実に付与することが可能になるという効果が得られる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック80の概略斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池スタック80は、第1エンドプレート18a及び第2エンドプレート18bの各一方の長辺20a、20bに連結されるリンク機構82aと、他方の各長辺22a、22bに連結されるリンク機構82bとを備える。
なお、第1エンドプレート18a及び第2エンドプレート18bの一方の短辺26a、26b及び他方の短辺28a、28bには、必要に応じて、リンク機構82aと同様のリンク機構を設けてもよい。
リンク機構82aは、第1リンクバー30a、30bの一端が、第1エンドプレート18aの長辺20aの両端縁部に支軸34a、34bを介して揺動自在に支持される。第2リンクバー32a、32bの一端は、第2エンドプレート18bの長辺20bの両端縁部に支軸36a、36bを介して揺動自在に支持される。
第1リンクバー30aと第2リンクバー32aとは、それぞれの他端側を燃料電池スタック80の内側に向けて配設されており、連結バー52aが各係合孔48a、50aに係合する。他方の第1リンクバー30b及び第2リンクバー32bは、同様に、他端側を内方に向けて屈曲配置され、連結バー52bを介して三角形状部を形成する。
このように構成される第2の実施形態では、リンク機構82a、82bにより、第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとは、互いの離間間隔を調整することができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、積層されている複数の燃料電池12に対して、積層方向に所望の荷重を確実に付与することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック90の平面説明図である。
燃料電池スタック90では、例えば、リンク機構24aが、複数本の連結バー52a1、52a2及び52a3と、複数本の連結バー52b1、52b2及び52b3とを備える。このため、締結荷重によっては、複数本の連結バー52a1、52a2及び52a3が、一方の第1リンクバー30a及び第2リンクバー32aに同時に係合するとともに、複数の連結バー52b1、52b2及び52b3が、他方の第1リンクバー30b及び第2リンクバー32bに同時に係合することができる。
従って、第3の実施形態では、締結荷重に対応して連結バーの個数を調整することができる他、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
10、80、90…燃料電池スタック 12…燃料電池
18a、18b…エンドプレート
24a〜24d、82a、82b…リンク機構
30a、30b、32a、32b…リンクバー
34a、34b、36a、36b…支軸
44a…ボルト 48a、50a…係合孔
52a、52a1、52a2、52a3、52b、52b1、52b2、52b3…連結バー
53…電解質膜・電極構造体 54、56…金属セパレータ
58a…酸化剤ガス供給連通孔 58b…酸化剤ガス排出連通孔
60a…燃料ガス供給連通孔 60b…燃料ガス排出連通孔
62a…冷却媒体供給連通孔 62b…冷却媒体排出連通孔
64…固体高分子電解質膜 66…カソード電極
68…アノード電極 70…酸化剤ガス流路
72…燃料ガス流路 74…冷却媒体流路

Claims (3)

  1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向両端には、第1エンドプレート及び第2エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
    前記第1エンドプレートと前記第2エンドプレートとを連結する複数のリンク機構を備え、
    前記リンク機構は、前記第1エンドプレートの1辺を支点に揺動する第1リンクバーと、
    前記第2エンドプレートの1辺を支点に揺動し且つ前記第1リンクバーと互いに揺動可能に連結される第2リンクバーと、
    前記第1リンクバー及び前記第2リンクバーに一体に係合し、該第1リンクバー及び該第2リンクバーと三角形状部を形成する少なくとも1本の連結バーと、
    を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記第1リンクバーには、複数個の第1孔部が形成されるとともに、
    前記第2リンクバーには、複数の第2孔部が形成され、
    前記連結バーは、前記第1孔部及び前記第2孔部に一体に挿入されることにより、前記第1エンドプレートと前記第2エンドプレートとの間隔が調整されることを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記リンク機構は、少なくとも前記第1エンドプレート及び前記第2エンドプレートの、それぞれ互いに対向する2つの辺に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015208496A1 (de) 2014-11-06 2016-05-12 Mitsubishi Electric Corporation Bereichsschaltvorrichtung

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