JP5535013B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、外部マニホールドを備えた燃料電池発電装置に関する。
燃料電池発電装置は、電解質層の両面に触媒層を配置して、そこに燃料ガスと酸化剤ガスを供給して、これらの電気化学反応により発電を行う装置である。一般的な固体高分子型の燃料電池発電装置は、単セル電池を構成する膜電極複合体(MEA)と、セパレータとを複数積層してなる燃料電池積層体を備えている。
膜電極複合体(MEA)は、固体高分子膜およびその両面に設けられた電極から構成されている。セパレータは、膜電極複合体の両面に配置されて、ガスおよび冷却水供給用の流通路が形成されている。燃料電池積層体は、積層方向の両端部に配置されたエンドプレートを介して、互いに近接する方向に締め付けて保持されている。
燃料電池積層体の各単セル電池には、反応に必要な燃料(水素)と酸化剤(空気)および冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要がある。ガスおよび冷却水を分配・回収するマニホールドには、内部マニホールド方式のものと外部マニホールド方式のものとがある。
内部マニホールド方式の燃料電池発電装置では、燃料電池積層体の内部、詳しくは、膜電極複合体およびセパレータの周辺部に、ガスおよび冷却水供給・排出用の内部マニホールドが形成されている。この内部マニホールドは、セパレータのガス流通路・冷却水流通路と連通している。内部マニホールドは、エンドプレートに設けられたパイプに連通している(例えば特許文献1ないし4参照)。
外部マニホールド方式の燃料電池発電装置では、燃料電池積層体の外部、詳しくは、燃料電池積層体の積層方向の側面に、ガスおよび冷却水供給・排出用の外部マニホールドが設けられている。この外部マニホールド方式では、ガス流通路・冷却水流通路の出入口は、燃料電池積層体の側面に位置し、外部マニホールドは、ガス流通路・冷却水流通路と連通している(例えば特許文献5および6参照)。
外部マニホールド方式では、セパレータがマニホールドを含まないため、セパレータの断面積が膜電極複合体の断面積と同等の大きさとなる。そのため、セパレータをコンパクト化でき、外部マニホールドには、絶縁性の安価なプラスチックを用いることができる。その結果、燃料電池発電装置のコストダウンが可能となる。また、マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設計可能であり、ガスおよび冷却水をガス・冷却水流通路に均一に分配することが可能となる。
特開2009−187777号公報 特開2003−151612号公報 特開2001−135344号公報 特開2007−141716号公報 特開2008−218087号公報 特開2008−41475号公報
外部マニホールド方式の燃料電池発電装置では、スタッドボルトなどを用いて、燃料電池積層体の積層方向の両端部に配置された一対のエンドプレート同士を、スプリングを介して、互いに近接する方向に締め付けて、燃料電池積層体を所定の圧力で密着させて保持している。
この構造を採用すると、スタッドボルトは、燃料電池積層体の外側を積層方向に沿って配置されて、一対のエンドプレート同士を締め付ける。そのため、エンドプレートの断面積を単セル電池の断面積に比べて大きく設計する必要がある。また、剛性を得るために、エンドプレートを厚く設計する必要がある。その結果、燃料電池発電装置の重量やコストが増加してしまう。
そこで、本発明は、外部マニホールドを備えた燃料電池発電装置の重量やコストを抑制することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明は、アノード電極とカソード電極とにより電解質膜を挟んでなる膜電極複合体、および、出入口が外周縁に位置する流通路が形成されたセパレータを有し、前記膜電極複合体と前記セパレータとを前記流通路の出入口が側面に位置するように積層してなる燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向の両端面に配置された一対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体および前記一対のエンドプレートに一体に巻き掛けられて、前記一対のエンドプレートにより前記燃料電池積層体を挟持させる帯状の締結具と、一端が開口した箱型に形成され、内部にマニホールド空間が形成されていて、前記マニホールド空間と前記流通路の出入口とが連通するように開口が前記燃料電池積層体に向けられて前記燃料電池積層体の積層方向の側面上に配置されて、前記一対のエンドプレートに取り付けられた外部マニホールドと、を備え、前記燃料電池積層体の積層方向の側面と前記外部マニホールドの開口端面とが前記締結具を介して密着していることを特徴とする。
本発明によれば、外部マニホールドを備えた燃料電池発電装置の重量やコストを抑制することができる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置の斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置の燃料電池積層体およびエンドプレートの分解斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置の燃料電池積層体およびエンドプレートが締結バンドにより締結された状態を示した斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置の第1および第3の外部マニホールドの取付け状態を示した断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置の第2および第4の外部マニホールドの取付け状態を示した断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置の第2および第4の外部マニホールドの取付け状態を示した断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池発電装置の斜視図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池発電装置の斜視図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池発電装置の燃料電池積層体およびエンドプレートが締結ガスケットにより締結された状態を示した斜視図である。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電装置について、図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る燃料電池発電装置の構造について、図1ないし図6を用いて説明する。図1は、燃料電池発電装置の斜視図である。図2は、燃料電池積層体およびエンドプレートの分解斜視図である。図3は、燃料電池積層体およびエンドプレートが締結バンドにより締結された状態を示した斜視図である。図4は、第1および第3の外部マニホールドの取付け状態を示した断面図である。図5および図6は、第2および第4の外部マニホールドの取付け状態を示した断面図である。
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、図1に示したように、燃料電池積層体10、一対のエンドプレート30、締結具、および、外部マニホールド60などを備えている。
燃料電池積層体10は、図2に示したように、膜電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)12、両面溝付きセパレータ14、および、片面溝付きセパレータ16が複数積層されて構成されている。
膜電極複合体12は、長方形に形成された固体高分子膜(電解質膜)の両面に触媒層(アノード電極およびカソード電極)が形成され、さらに、触媒層上にガス拡散層が形成されていて、単セル電池を構成する。触媒層は、例えば白金あるいは白金化合物からなる。ガス拡散層は、例えば多孔質カーボンペーパーなどからなる。
膜電極複合体12は、両面溝付きセパレータ14と片面溝付きセパレータ16とで挟まれている。両面溝付きセパレータ14および片面溝付きセパレータ16は、膜電極複合体12と同一の断面形状(長方形)・断面積に形成されている。
両面溝付きセパレータ14の膜電極複合体12との接触面には、燃料ガス流通路20が形成されている。燃料ガス流通路20が形成された面の裏面には、冷却水流通路24が形成されている。燃料ガス流通路20は、図4に示したように、両面溝付きセパレータ14の対向する短辺の間を長軸方向に沿って直線的に延びている。冷却水流通路24は、両面溝付きセパレータ14の対向する長辺の間を2回折り曲がって延びている。燃料ガス流通路20および冷却水流通路24の出入口は、両面溝付きセパレータ14の外周縁に位置している。
一方、片面溝付きセパレータ16の膜電極複合体12との接触面には、酸化剤ガス流通路22が形成されている。酸化剤ガス流通路22は、片面溝付きセパレータ16の対向する長辺の間を2回折り曲がって延びている。酸化剤ガス流通路22の出入口は、片面溝付きセパレータ16の外周縁に位置している。
本実施形態では、燃料電池積層体10は、図2に示したように、複数組の膜電極複合体12、両面溝付きセパレータ14、および、片面溝付きセパレータ16が複数積層され構成されていて、全体として直方体形状になっている。燃料ガス流通路20、酸化剤ガス流通路22、および、冷却水流通路24の出入口は、燃料電池積層体10の積層方向の側面に露出している。
詳しくは、燃料ガス流通路20の入口は、燃料電池積層体10の第1の側面に位置している。一方、燃料ガス流通路20の出口は、第1の側面の裏面である第3の側面に位置している。また、酸化剤ガス流通路22の入口および冷却水流通路24の出口は、ともに燃料電池積層体10の第2の側面に位置している。一方、酸化剤ガス流通路22の出口および冷却水流通路24の入口は、ともに第2の側面の裏面である第4の側面に位置している。
エンドプレート30は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、あるいは、フェノール樹脂などからなり、絶縁性を有している。エンドプレート30は、燃料電池積層体10とほぼ同一の断面形状(長方形)・断面積に形成されている。一対のエンドプレート30は、図2に示したように、燃料電池積層体10の積層方向の両端に配置されている。燃料電池積層体10が一対のエンドプレート30により挟まれた状態では、これらは、全体として略直方体形状になっている。
エンドプレート30の中央部には、電力取出口32が形成されている。燃料電池積層体10で発電された電力は、この電力取出口32から取り出される。
エンドプレート30の外周縁(積層方向の側面)には、後述する締結バンド40が嵌るバンドガイド溝34が形成されている。バンドガイド溝34の幅および深さは、締結バンド40の幅および厚さに対応している。
エンドプレート30の外周縁(積層方向の側面)には、後述する外部マニホールド60を取り付けるための取付ネジ穴36が形成されている。
燃料電池積層体10の積層方向の両端とエンドプレート30との間には、集電板28が設けられている。エンドプレート30の燃料電池積層体10側の面には、集電板28が収まる窪みが形成されている。
本実施形態では、締結具は、例えば5本の締結バンド40(40a〜40e)である。締結バンド40は、例えばばね鋼からなり、厚さ1mm程度の帯状に形成されている。締結バンド40は、図3に示したように、燃料電池積層体10および一対のエンドプレート30に対して一体に巻き掛けられて、一対のエンドプレート30により燃料電池積層体10を挟持させる。その結果、膜電極複合体12、両面溝付きセパレータ14、および、片面溝付きセパレータ16が互いに密着する。
第1および第2の締結バンド40a,40bは、燃料電池積層体10の第1および第3の側面上、ならびに、一対のエンドプレート30の端面上に渡って環状に巻き掛けられている。第1および第2の締結バンド40a,40bは、第1および第3の側面において積層方向に配列された燃料ガス流通路20の出入口を挟むように、第1および第3の側面の両端部上を積層方向に延びている。
第3ないし第5の締結バンド40c〜40eは、燃料電池積層体10の第2および第4の側面上、ならびに、一対のエンドプレート30の端面上に渡って環状に巻き掛けられている。第3および第5の締結バンド40c,40eは、第2および第4の側面において積層方向に配列された酸化剤ガス流通路22および冷却水流通路24の出入口を挟むように、第2および第4の側面の両端部上を積層方向に延びている。また、第4の締結バンド40dは、第2および第4の側面において積層方向に配列された酸化剤ガス流通路22および冷却水流通路24を仕切るように、第2および第4の側面の中央部上を積層方向に延びている。
締結バンド40は、一対のエンドプレート30の側面上では、前述したバンドガイド溝34に嵌っている。また、第1および第2の締結バンド40a,40bと第3ないし第5の締結バンド40c〜40eとは、一対のエンドプレート30の端面上で重なっている。
なお、図4ないし図6に示したように、締結バンド40と燃料電池積層体10の積層方向の側面との間には、帯状の第1シール材50が介在している。第1シール材50は、例えば絶縁性樹脂からなる。第1シール材50は、締結バンド40と燃料電池積層体10の積層方向の側面とをシールし、かつ、各単セル電池と締結バンド40とを絶縁する役割を果たす。
本実施形態に係る燃料電池発電装置は、図1に示したように、4個の外部マニホールド60(60a〜60d)を備えている。外部マニホールド60は、図4ないし図6に示したように、一端が開口した略直方体形状の箱型に形成されている。
第1の外部マニホールド60aは、その開口が燃料電池積層体10に向けられて、第1の側面を覆うように配置されている。第1の外部マニホールド60aの内部には、図4に示したように、第1の外部マニホールド60aの内面と第1の側面とに囲まれた、燃料ガス供給空間64aが形成されている。
第3の外部マニホールド60cは、その開口が燃料電池積層体10に向けられて、第3の側面を覆うように配置されている。第3の外部マニホールド60cの内部には、図4に示したように、第3の外部マニホールド60cの内面と第3の側面とに囲まれた、燃料ガス排出空間64bが形成されている。
図4に示したように、燃料ガス供給空間64aと燃料ガス排出空間64bとは、両面溝付きセパレータ14に形成された燃料ガス流通路20を介して連通している。燃料ガスは、第1の外部マニホールド60aの一端に設けられた燃料ガス供給口70aから燃料ガス供給空間64aに供給された後、燃料ガス流通路20を通って、アノード電極に供給される。発電に使用された燃料ガスは、燃料ガス流通路20を通って、燃料ガス排出空間64bに送られた後、第3の外部マニホールド60cの一端に設けられた燃料ガス排出口70bから排出される。
第2の外部マニホールド60bは、その開口が燃料電池積層体10に向けられて、第2の側面を覆うように配置されている。第2の外部マニホールド60bの内部には、図5および図6に示したように、積層方向に延びる仕切り壁62bが設けられている。そのため、第2の外部マニホールド60bの内部には、第2の外部マニホールド60bの内面と第2の側面とに囲まれて、互いに仕切り壁62bにより仕切られた、酸化剤ガス供給空間66aおよび冷却水排出空間68bが形成されている。
第4の外部マニホールド60dは、その開口が燃料電池積層体10に向けられて、第4の側面を覆うように配置されている。第4の外部マニホールド60dの内部には、図5および図6に示したように、積層方向に延びる仕切り壁62dが設けられている。そのため、第4の外部マニホールド60dの内部には、第4の外部マニホールド60dの内面と第4の側面とに囲まれて、互いに仕切り壁62dにより仕切られた、酸化剤ガス排出空間66bおよび冷却水供給空間68aが形成されている。
図5に示したように、酸化剤ガス供給空間66aと酸化剤ガス排出空間66bとは、片面溝付きセパレータ16に形成された酸化剤ガス流通路22を介して連通している。酸化剤ガスは、第2の外部マニホールド60bの一端に設けられた酸化剤ガス供給口72aから酸化剤ガス供給空間66aに供給された後、酸化剤ガス流通路22を通って、カソード電極に供給される。発電に使用された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流通路22を通って、酸化剤ガス排出空間66bに送られた後、第4の外部マニホールド60dの一端に設けられた酸化剤ガス排出口72bから排出される。
図6に示したように、冷却水供給空間68aと冷却水排出空間68bとは、両面溝付きセパレータ14に形成された冷却水流通路24を介して連通している。冷却水は、第4の外部マニホールド60dの一端に設けられた冷却水供給口74aから冷却水供給空間68aに供給された後、冷却水流通路24を通って、燃料電池積層体10を冷却する。冷却後の冷却水は、冷却水流通路24を通って、冷却水排出空間68bに送られた後、第2の外部マニホールド60bの一端に設けられた冷却水排出口74bから排出される。
4個の外部マニホールド60は、それぞれ、取付ネジ80により一対のエンドプレート30に取り付けられている。
ここで、外部マニホールド60の開口端面には、帯状の第2シール材52が設けられている。そのため、図4ないし図6に示したように、燃料電池積層体10の積層方向の側面と外部マニホールド60の開口端面との間には、第1シール材50、締結バンド40、および、第2シール材52が介在している。
本実施形態に係る燃料電池発電装置の効果について説明する。
上述したスタッドボルトを用いた締付け構造を採用すると、エンドプレートの断面積を燃料電池積層体の断面積に比べて大きく設計する必要がある。また、剛性を得るために、エンドプレートを厚く設計する必要がある。
一方、本実施形態によれば、締結バンド40を燃料電池積層体10および一対のエンドプレート30に対して一体に巻き掛けて、燃料電池積層体10を締め付けている。そのため、エンドプレート30の断面積が燃料電池積層体10の断面積と同等に設計されている。また、スタッドボルトを用いた締付け構造に比べて、エンドプレート30の剛性を必要としないため、エンドプレート30を薄く設計することができる。その結果、外部マニホールドを有する燃料電池発電装置の重量やコストを抑制することができる。
また、本実施形態では、燃料電池積層体10の側面と外部マニホールド60の開口端面との間に、第1シール材50、締結バンド40、および、第2シール材52が介在している。そのため、これらが燃料電池積層体10の側面の凹凸を吸収して、シール性能を高めることができる。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る燃料電池発電装置について、図7を用いて説明する。図7は、燃料電池発電装置の斜視図である。なお、本実施形態は、第1の実施形態の変形例であるため、重複部分には同一符号を付して、その部分の構成の説明を省略する。
第1の実施形態では、外部マニホールド60は、取付ネジ80によりエンドプレート30に取り付けられている。一方、本実施形態では、外部マニホールド60は、例えば5本の取付バンド82により、燃料電池積層体10に取り付けられている。取付バンド82は、例えばばね鋼からなり、帯状に形成されている。
例えば、2本の取付バンド82は、図7に示したように、第1および第3の外部マニホールド60a,60cの外面上、ならびに、一対のエンドプレート30の端面状に渡って環状に巻き掛けられている。また、3本の取付バンド82は、第2および第4の外部マニホールド60b,60dの外面上、ならびに、一対のエンドプレート30の端面状に渡って環状に巻き掛けられている。
本実施形態によれば、取付バンド82は、燃料電池積層体10に対して外部マニホールド60を取り付ける役割に加えて、燃料電池積層体10を締め付ける役割も果たすことができる。そのため、本実施形態は、締結バンド40だけでは燃料電池積層体10の締付け荷重を得ることができない場合に有効である。
また、第1の実施形態では、取付ネジ80を用いて、外部マニホールド60をエンドプレート30に取り付ける。そのため、締結バンド40の締付け度合いによっては、取付ネジ80がエンドプレート30に形成された取付ネジ穴36に挿入できず、外部マニホールド60を取り付けることができないことがある。一方、本実施形態によれば、締結バンド40の締め付け度合いによらずに、外部マニホールド60を取り付けることができる。
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態に係る燃料電池発電装置について、図8および図9を用いて説明する。図8は、燃料電池発電装置の斜視図である。図9は、燃料電池積層体およびエンドプレートが締結ガスケットにより締結された状態を示した斜視図である。なお、本実施形態は、第1の実施形態の変形例であるため、重複部分には同一符号を付して、その部分の構成の説明を省略する。
本実施形態では、締結具は、締結ガスケット42である。締結ガスケット42は、図9に示したように、一対のプレート部42aと5本のバンド部42bとが一体に成型されている。締結ガスケット42は、例えばばね鋼からなる。
プレート部42aは、厚さ1mm程度の長方形の板状に形成されている。一対のプレート部42aは、一対のエンドプレート30の端面上に配置されている。
5本のバンド部42bは、厚さ1mm程度の帯状に形成されていて、一対のプレート部42a同士を連結している。5本のバンド部42bは、燃料電池積層体10の積層方向の側面上を積層方向に沿って延びている。
本実施形態によっても、第1の実施形態と同等の効果を得ることができる。また、締結バンド40を適用した第1の実施形態では、締結バンド40の耐久性を高めるために、エンドプレート30の端面と側面との角部を丸み面取りして、締結バンド40の曲率を大きくすることが望ましい。一方、締結ガスケット42を適用した本実施形態では、エンドプレート30の端面と側面との角部に丸みをつける必要がない。そのため、本実施形態では、第1の実施形態に比べて、丸み面取りが不要な分だけエンドプレートの厚みを薄くでき、エンドプレートの加工も容易となる。その結果、さらにコストを削減できる。
[他の実施の形態]
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
例えば、第2の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせても良い。具体的には、第3の実施形態では、外部マニホールド60を燃料電池積層体10に取り付けるために、取付ネジ80を用いているが、第2の実施形態のように、取付バンド82を用いても良い。
10…燃料電池積層体、12…膜電極複合体、14…両面溝付きセパレータ、16…片面溝付きセパレータ、20…燃料ガス流通路、22…酸化剤ガス流通路、24…冷却水流通路、28…集電板、30…エンドプレート、32…電力取出口、34…バンドガイド溝、36…取付ネジ穴、40(40a〜40e)…締結バンド、42…締結ガスケット、50…第1シール材、52…第2シール材、60(60a〜60d)…外部マニホールド、62b,62d…仕切り壁、64a…燃料ガス供給空間、64b…燃料ガス排出空間、66a…酸化剤ガス供給空間、66b…酸化剤ガス排出空間、68a…冷却水供給空間、68b…冷却水排出空間、70a…燃料ガス供給口、70b…燃料ガス排出口、72a…酸化剤ガス供給口、72b…酸化剤ガス排出口、74a…冷却水供給口、74b…冷却水排出口、80…取付ネジ、82…取付バンド

Claims (5)

  1. アノード電極とカソード電極とにより電解質膜を挟んでなる膜電極複合体、および、出入口が外周縁に位置する流通路が形成されたセパレータを有し、前記膜電極複合体と前記セパレータとを前記流通路の出入口が側面に位置するように積層してなる燃料電池積層体と、
    前記燃料電池積層体の積層方向の両端面に配置された一対のエンドプレートと、
    前記燃料電池積層体および前記一対のエンドプレートに一体に巻き掛けられて、前記一対のエンドプレートにより前記燃料電池積層体を挟持させる帯状の締結具と、
    一端が開口した箱型に形成され、内部にマニホールド空間が形成されていて、前記マニホールド空間と前記流通路の出入口とが連通するように開口が前記燃料電池積層体に向けられて前記燃料電池積層体の積層方向の側面上に配置されて、前記一対のエンドプレートに取り付けられた外部マニホールドと、を備え
    前記燃料電池積層体の積層方向の側面と前記外部マニホールドの開口端面とが前記締結具を介して密着していることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 前記燃料電池積層体の積層方向の側面と前記締結具とが第1シール材を介して密着し、かつ、前記外部マニホールドの開口端面と前記締結具とが第2シール材を介して密着していることを特徴とする請求項に記載の燃料電池発電装置。
  3. 前記締結具が締結バンドであることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池発電装置。
  4. 前記締結具が締結ガスケットであり、この締結ガスケットは、一対のプレート部と複数のバンド部を有し、前記一対のプレート部が前記一対のエンドプレート部の端面上に配置され、前記複数のバンド部が前記一対のプレート部同士を連結し、かつ前記燃料電池積層体の積層方向の側面上を積層方向に沿って延びていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池発電装置。
  5. 前記外部マニホールドが帯状の取付バンドにより前記燃料電池積層体に取り付けられていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
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