JP2022024498A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】より簡易な構成で流体の漏洩を抑制可能な燃料電池を提供する。【解決手段】本実施形態に係る燃料電池は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極を有するセルと、アノード電極に接触した燃料流路を有するアノードセパレータと、カソード電極に接触した酸化剤流路を有するカソードセパレータと、燃料を隔離するアノード側のシール材と、酸化剤を隔離するカソード側のシール材と、を備え、燃料流路及び酸化剤流路の少なくとも一方の長辺の壁と、シール材の長辺端部とが、アノードセパレータ、カソードセパレータ、アノード電極側のセル、及びカソード電極側のセルの少なくともいずれかの平面に対して垂直であり、燃料流路及び酸化剤流路の少なくとも一方の長辺の壁とシール材の長辺端部が接触して、燃料もしくは酸化剤をシールする。【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池に関する。
燃料電池は、セパレータとセルを積層して組み立てられる。また、ガスや冷却水の流路構造と流体の漏れを防止するためのシール構造を両立させるために、セパレータ、セル、シールにそれぞれ段差をつけて組み合わせる方法が一般に知られている。
ところが、MEA保持枠体とセパレータとの間に段差があり、段差部からのガスの漏洩を抑制するために、枠の内周にもシール材を設ける必要が生じ、漏洩を防止する構造が複雑化してしまう。
本発明が解決しようとする課題は、より簡易な構成で流体の漏洩を抑制可能な燃料電池を提供することである。
実施形態に係る燃料電池は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極を有するセルと、アノード電極に接触した燃料流路を有するアノードセパレータと、カソード電極に接触した酸化剤流路を有するカソードセパレータと、燃料を隔離するアノード側のシール材と、酸化剤を隔離するカソード側のシール材と、を備え、燃料流路及び酸化剤流路の少なくとも一方の長辺の壁と、シール材の長辺端部とが、アノードセパレータ、カソードセパレータ、アノード電極側のセル、及びカソード電極側のセルの少なくともいずれかに対して垂直であり、燃料流路及び酸化剤流路の少なくとも一方の長辺の壁とシール材の長辺端部が接触して、燃料もしくは酸化剤をシールする。
本発明によれば、より簡易な構成で燃料電池における流体の漏洩を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る燃料電池の構成を示した鳥観図である。燃料電池1は、例えば固体高分子形燃料電池であり、燃料電池単位セル2を積層して構成される。図2Aは図1のAA’断面図であり、図2Bは図1のBB’断面図であり、図2Cは図1のCC’断面図である。
図1は、第1実施形態に係る燃料電池の構成を示した鳥観図である。燃料電池1は、例えば固体高分子形燃料電池であり、燃料電池単位セル2を積層して構成される。図2Aは図1のAA’断面図であり、図2Bは図1のBB’断面図であり、図2Cは図1のCC’断面図である。
図1に示すように、燃料電池単位セル2は、酸化剤である例えば酸素含有ガスと、燃料である例えば水素含有ガスを用いて発電する。この燃料電池単位セル2は、セル10と、カソードセパレータ20と、アノードセパレータ30と、を有する。すなわち、この燃料電池単位セル2は、セル10と、カソードセパレータ20と、アノードセパレータ30と、を一組として、これらを積層した構造を有する。複数の燃料電池単位セル2を積層することが可能である。複数の燃料電池単位セル2を直列に積層した構造体は、燃料電池スタックと称される。また、燃料電池単位セル2は単電池と呼ばれる場合もある。
セル10は、膜電極接合体(MEA)100と、セル枠101とを有する。図2A~Cに示すように、膜電極接合体100は、アノード電極100a、高分子電解質膜100b、カソード電極100cを有する。膜電極接合体は、燃料と酸化剤との燃料極反応により発電する。セル枠101には、酸化剤マニホールド102a、bと、冷媒マニホールド104a、bと、燃料マニホールド106a、bと、が設けられている。セル枠101は、ガスを透過させない材質で構成される。
燃料は、例えば水素含有ガスであるが、これに限定されない。また、酸化剤は、例えば酸素含有ガスであるが、これに限定されない。さらにまた、冷媒は、例えば水であるが、これに限定されない。
再び図1に示すように、カソードセパレータ20には、酸化剤流路200と、酸化剤マニホールド102a、bと、冷媒マニホールド104a、bと、燃料マニホールド106a、bと、が形成されている。また、カソードセパレータ20には、カソード側のシール材202が設けられている。カソードセパレータ20は、金属薄膜のプレス加工や、カーボン素材の射出成形などで作成される。
酸化剤流路200は、酸化剤を流すための流路である。図2A~Cに示すように、セル10のアノード電極100aはアノードセパレータ30と接し、カソード電極100cはカソードセパレータ20と接する。また、酸化剤流路200は、リブ200aと、溝部200bを有する。
図2Aに示すように、酸化剤マニホールド102aから導入された酸化剤は、酸化剤流路200の溝部200bを経由して酸化剤マニホールド102bから排出される。このように、酸化剤流路200の溝部200bからカソード電極100cに酸化剤が供給される。
酸化剤流路200は、流体を外部へ漏洩させないようにシール材202でシールされる。すなわち、シール材202は、酸化剤の漏洩を防止するために設けられている。図1に示すように、本実施形態に係るシール材202はカソードセパレータ20上に形成されているが、これに限定されない。例えば、シール材202はセル10上に形成されてもよいし、或いは、ガスケットのようにシール材202だけを作成して、セル10とカソードセパレータ20の間に設置するようにしてもよい。
再び図1に示すように、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側の面には、冷媒を流す冷媒流路300と、酸化剤マニホールド102a、bと、冷媒マニホールド104a、bと、燃料マニホールド106a、bと、が形成されている。また、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側の面には、シール材302が設けられている。アノードセパレータ30は、金属薄膜のプレス加工や、カーボン素材の射出成形などで作成される。
冷媒流路300は、冷媒を流すための流路である。図2Bに示すように、冷媒流路300は、リブ300aと、溝部300bを有する。冷媒マニホールド104aから導入された冷媒は、冷媒流路300の溝部300bを経由して冷媒マニホールド104bから排出される。このように、冷媒流路300の溝部300bを流れる冷媒により、カソードセパレータ20とアノードセパレータ30とが冷却される。
図2Bに示すように、冷媒流路300は、流体を外部へ漏洩させないようにシール材302でシールされる。このシール材302は、カソードセパレータ20とアノードセパレータ30との間に形成されるる。すなわち、シール材302は、冷媒の漏洩を防止するために設けられている。本実施形態に係るシール材302はアノードセパレータ30上に形成されているがこれに限定されない。例えば、シール材302はカソードセパレータ20上に形成されてもよいし、或いは、ガスケットのようにシール材302だけを作成して、カソードセパレータ20とアノードセパレータ30との間に設置するようにしてもよい。
図2Cに示すように、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側と反対の面には、燃料を流す燃料流路400(図2A、Bを参照)が形成されている。また、アノードセパレータ30のカソードセパレータ20側と反対の面には、シール材402が設けられている。燃料マニホールド106a(図2A~Cを参照)から導入された燃料は、燃料流路400の溝部400bを経由して燃料マニホールド106bから排出される。このように、燃料流路400の溝部400bからアノード電極100aに燃料が供給される。
図2Cに示すように、燃料流路400は、流体を外部へ漏洩させないようにシール材402でシールされる。このシール材402もセル10とアノードセパレータ30との間に形成される。すなわち、シール材402は、燃料の漏洩を防止するために設けられている。本実施形態に係るシール材402はアノードセパレータ30上に形成されているがこれに限定されない。例えば、シール材402はセル10上に形成されてもよいし、或いは、ガスケットのようにシール材402だけを作成して、セル10とアノードセパレータ30との間に設置するようにしてもよい。
このように、酸化剤流路200の溝部200bからカソード電極100cに酸化剤が供給され、燃料流路400の溝部400bからアノード電極100aに燃料が供給される。これにより、膜電極接合体100は、化学式1で示す反応により発電する。すなわち、酸素含有ガスは、カソード電極100cの酸化剤流路200を流れ、酸化剤極反応をおこす。また、水素含有ガスは、アノード電極100a側の燃料流路400を流れ、燃料極反応をおこす。
[化学式1]
燃料極反応:2H2→4H++4e-
酸化剤極反応:O2+4H++4e-→4H2O
なお、本実施形態に係る各流路200、300、400は、途中で何回か屈曲するサーペンタイン構造であるが、これに限定されない。
[化学式1]
燃料極反応:2H2→4H++4e-
酸化剤極反応:O2+4H++4e-→4H2O
なお、本実施形態に係る各流路200、300、400は、途中で何回か屈曲するサーペンタイン構造であるが、これに限定されない。
図3Aは、図1の領域A20を拡大した平面図である。外周のシール材202から突起状のシール材202aを設けられている。シール材202aは、流路200の長辺方向の壁面とシール材202の端部を接触させている。なお、図3A~Cは、シール材202について説明するが、シール材302、402も同様の構造である。
図3Bは、図3AのAA’断面図である。シール材202aと接触する流路200の壁面は、カソードセパレータ20の平面に対して垂直である。これにより、シール材202aのカソードセパレータ20の底面と流路200の側面に接する角度は直角になる。シール材202aと接触しない流路壁面に関しては、垂直であってもよく、或いは傾斜が付いていてもよい。
図3Cは、図3AのBB’断面図である。図3Cに示すように、シール材202aの断面形状は、片側が凸形状になっている。シール材202aのシール高さは、10%から30%程度の圧縮で、セパレータ流路200(図2A~Cを参照)の高さにくるように設計する。
図3Dは、燃料電池スタックとして組み立てた後の、カソードセパレータ20とセル10のAA’断面図である。図3Dに示すように、シール材202aとカソードセパレータ20、シール材202aと流路200の側面に接する角度は直角になる。シール材202aは、カソードセパレータ20やセル10と隙間なく密着し、流体が漏れ出るのを防止することが可能となる。
図3Eは、シール材202aと、カソードセパレータ20とを接着する場合の構成例を示すAA’断面図である。図3Eに示すように、シール材202aと、カソードセパレータ20とを接着する場合には、カソードセパレータ20の平面上に接着材202bを設けてシール材202aを保持する。ただし、カソードセパレータ20の流路壁面まで接着剤を設けると、シールが圧縮できなくなってしまう。このため、カソードセパレータ20の平面上にのみ接着材202bを設ける。
図4A、B、及び図5A、Bは、カソードセパレータ20の流路壁面が傾斜している場合の比較例を示す。図4Aは、カソードセパレータ20の流路壁面が傾斜している場合のAA’断面図である。図4Aでは、シール材202aの端部が流路の底辺の角にある。
図4Bは、図4Aで示す構成例を燃料電池スタックとして組み立てた後の、カソードセパレータ20とセル10のAA’断面図である。図4Bに示すように、セル10とカソードセパレータ20が接触しても、セル10とカソードセパレータ20の壁面の間に隙間204aができる。そのため流体の漏れが生じてしまう。
図5Aは、シール材202aの端部が流路の上辺の角まである場合のAA’断面図である。図5Aでは、シール材202aの端部が流路の上辺の角まである。
図5Bは、図5Aで示す構成例を燃料電池スタックとして組み立てた後の、カソードセパレータ20とセル10のAA’断面図である。図5Bに示すように、シール材202aを十分に圧縮することができず、セル10とカソードセパレータ20の間に隙間204bができる。そのため流体の漏れが生じてしまう。
なお、セル枠101と膜電極接合体100はその組み立て方法によって、セル枠101が膜電極接合体100よりも厚くなる場合、膜電極接合体100がセル枠101よりも厚くなる場合、セル枠101と膜電極接合体100の厚さがほぼ等しくなる場合に分けられる。セル枠101と膜電極接合体100の間に段差が生じる場合には、段差をセル枠101(または膜電極接合体100)に対して垂直に形成する。これの場合、セルの段差部分に接触するシール材202aの形状は、流路に接触する場合の形状と同じように考えて取り扱うことができる。
図6は、シール材の形状例について示す図である。図6に示す例ではシール材202、302、402の底面がセパレータ20、30、シール材202、302、402の左手前が流路200、300、400と密着する例を示す。これらのシール材202、302、402は、設置前の形状である。すなわち、シール材202、302、402は、設置時には圧がかかり、変形する。
図6(a)から(h)のいずれの形状でも、横から見ると、シール材202、302、402の上辺と流路200、300、400と接するシール材の辺は直角であり、シール材202、302、402の下辺と流路200、300、400と接するシール材の辺も直角である。図6(a)は図3Cと同じ形状である。シールの上端は尖っており、セル10と接する。シール材202、302、402の長辺端部の先端は平らになっており流路200、300、400と密着する。セル10と密着するシール材202、302、402の接触面積を小さくすることでセル10のシール率を上げることができる。
図6(b)は、シール材202、302、402の長辺端部の先端が尖っており、先端部分が流路200、300、400の壁面と密着する。流路200、300、400と密着するシール材202、302、402の接触面積を小さくすることで流路200、300、400とのシール率を上げることができる。
図6(c)はシール材202、302、402の上端と長辺端部の先端の両方が尖っている。そのためセル10および流路200、300、400ともシール材202、302、402との接触面積が小さくなる。そのため、図6(a)や(b)よりもシール率を高めることができる。
図6(d)は、シール材202、302、402の上端の尖っている部分を2つ設けたものである。図6(a)に比べて、セル10とは2か所で接するため、図6(a)よりもシール率を上げることができる。
図6(e)は、シール材202、302、402の長辺端部の先端が尖っている部分を2つ設けたものである。図6(b)に比べて、流路200、300、400とは2か所で接するため、図76(b)よりもシール率を上げることができる。
図6(f)は、シール材202、302、402の上端と長辺端部の先端の両方で、尖っている部分を2つずつ設けたものである。図6(c)に比べて、セル10や流路200、300、400のそれぞれ2か所で接するため、図6(c)よりもシール率を上げることができる。
図6(g)は、図6(b)と図6(d)を組み合わせたものである。図6(h)は、図6(a)と図6(e)を組み合わせたものである。
なお、図6において、本実施形態に係るシール材202、302、402はセパレータ20、30に接着しているとしたが、これに限定されない。例えば、セル10に接着させてもよく、或いは、ガスケットにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態によればセパレータ20、30に形成された流路200、300、400の長辺の壁と、燃料もしくは酸化剤を隔離するシール材202、302、402の長辺端部が各々セパレータ20、30の平面に対して垂直であり、流路200、300、400の長辺の壁とシール材202、302、402の長辺端部が接触して、燃料もしくは酸化剤をシールすることとした。これにより、反応ガス又は冷媒が隙間204a、 04bから流路200、300、400に回り込むことを抑制することができる。このため、酸化剤、燃料、冷媒が漏れることを抑制し、発電性能を向上させることができる。
(第2実施形態)
第1実施形態に係る燃料電池1は、シール材202、402がセパレータ20、30上に設けられていたのに対し、本実施形態に係る燃料電池1は、シール材202、402がセル10上に設けられている点で相違する。以下では第1実施形態に係る燃料電池1と相違する点を説明する。
第1実施形態に係る燃料電池1は、シール材202、402がセパレータ20、30上に設けられていたのに対し、本実施形態に係る燃料電池1は、シール材202、402がセル10上に設けられている点で相違する。以下では第1実施形態に係る燃料電池1と相違する点を説明する。
図7Aは、カソードセパレータ20の外周部の酸化剤流路200のリブ200aと、溝部200bを示す上面図である。図7Bは、図7Aのリブ200aの側壁と接するカソード電極100c側のセル10上のシール材202とシール材202からの突起状のシール材202bを示す図である。なお、図7A~Cは、シール材202について説明するが、シール材302、402も同様の構造としてよい。この場合、シール材302は、カソードセパレータ20上に構成され、シール材402は、アノード電極100a側のセル10上に構成される。
図7Cは、図7AのAA’断面図である。シール材202bと接触する流路200の壁面は、カソードセパレータ20の平面に対して垂直である。シール材202bと接触しない流路壁面に関しては、垂直であってもよく、或いは傾斜が付いていてもよい。
図7Dは、図7BのCC’断面図である。図7Dに示すように、シール材202bのセル10の裏面と流路200の側面に接する角度は直角になる。これにより、シール材202bのカソードセパレータ20の底面と流路200の側面に接する角度は直角になる。
図7Eは、図7BのBB’断面図である。シール材202bの断面形状は、片側が凸形状になっている。シール材202bのシール高さは、10%から30%程度の圧縮で、カソードセパレータ20の(図2A~Cを参照)の底面と一致する。
図7Fは、燃料電池スタックとして組み立てた後の、カソードセパレータ20とセル10のAA’断面図である。図7Fに示すように、シール材202bと、カソードセパレータ20と流路200の側面に接する角度は直角になる。シール材202bは、カソードセパレータ20やセル10と隙間なく密着し、流体が漏れ出るのを防止することが可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、セパレータ20、30に形成された流路200、400の長辺の壁と、燃料もしくは酸化剤を隔離するシール材202、402の長辺端部がセル10の平面に対して垂直であり、流路200、400の長辺の壁とシール材202、402の長辺端部が接触して、燃料もしくは酸化剤をシールすることとした。これにより、反応ガス又は冷媒が隙間204a、 204bから流路200、400に回り込むことを抑制することができる。このため、酸化剤又は燃料が漏れることを抑制し、発電性能を向上させることができる。
1:燃料電池、10:セル、20:カソードセパレータ、30:アノードセパレータ、100b:高分子電解質膜、200:流路、202:シール材、202a:シール材の長辺端部、202b:シール材の長辺端部、300:流路、302:シール材、400:流路、402:シール材。
Claims (16)
- 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極を有するセルと、
前記アノード電極に接触した燃料流路を有するアノードセパレータと、
前記カソード電極に接触した酸化剤流路を有するカソードセパレータと、
前記燃料を隔離するアノード側のシール材と、
前記酸化剤を隔離するカソード側のシール材と、
を備え、
前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の長辺の壁と、前記シール材の長辺端部とが、前記アノードセパレータ、前記カソードセパレータ、前記アノード電極側の前記セル、及び前記カソード電極側の前記セルの少なくともいずれかの平面に対して垂直であり、前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の長辺の壁と前記シール材の長辺端部が接触して、燃料もしくは酸化剤をシールする、燃料電池。 - 前記シール材と接する前記燃料流路及び前記酸化剤流路の壁面が垂直である、請求項1の燃料電池。
- 前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の壁面と前記シール材の長辺端部の上辺は垂直に接合し、且つ前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の壁面と前記シール材の長辺端部の下辺は垂直に接合する、請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記シール材の設置前における長辺端部における前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の壁面と平行な断面は、底部から上部に向かって尖っている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シール材の長辺端部の先端面は平面であり、前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の壁面と密着する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シール材の設置前における長辺端部の先端部は尖っており、尖った先端部分が前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方の壁面と密着する、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シール材の設置前における長辺端部における前記燃料流路及び前記酸化剤流路の少なくとも一方と平行な断面は、底部から上部に向かって尖っている領域が少なくとも2つある、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シール材の設置前における長辺端部は、少なくとも2つの尖った先端部分がある、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記シール材と接する前記燃料流路及び前記酸化剤流路の以外の他の流路壁面は傾斜している、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記アノード側の前記シール材は、前記セルの平面部と前記アノードセパレータの平面部との間に保持される、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記カソード側の前記シール材は、前記セルの平面部と前記カソードセパレータの平面部との間に保持される、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記アノード側の前記シール材が、前記アノードセパレータと接着している、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記アノード側の前記シール材が、前記セルと接着している、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記カソード側の前記シール材が、前記カソードセパレータと接着している、請求項1乃至13のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記カソード側の前記シール材が、前記セルと接着している、請求項1乃至13のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池である、請求項1乃至15のいずれか一項に記載の燃料電池。
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2020
- 2020-07-28 JP JP2020127122A patent/JP2022024498A/ja active Pending
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