JP5395521B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックに関する。
燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
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、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・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。この発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスの有効利用を図るため、一部が使用されて前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、燃料ガスとしてアノード側電極に、再度、供給することが行われている。ところが、燃料オフガス中には、燃料電池の発電反応により生成される水が含まれており、温度低下によって水蒸気が凝縮して水滴が発生し易い。この水滴が燃料電池内に導入されると、前記燃料電池の発電性能を安定的に維持することが困難になるという問題がある。
一方、電解質膜は、所望のプロトン伝導性を発揮させるために、加湿する必要がある。従って、燃料電池に供給される反応ガス(酸化剤ガス及び燃料ガス)は、予め加湿されており、加湿された反応ガスが前記燃料電池に投入される前に、反応ガス経路に結露が惹起するおそれがある。このため、生成された凝縮水が燃料電池内に導入される場合がある。
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図9に示すように、複数のセル1が積層されるとともに、前記セル1の積層体両端には、インシュレータ2a、2b及び端板3a、3bが配設されている。
燃料電池スタック内には、酸化剤ガス供給マニホールド4と酸化剤ガス排出マニホールド5とが、積層方向に貫通して形成されている。この酸化剤ガス供給マニホールド4の出口には、酸化剤ドレイン排出配管6が接続されている。
酸化剤ドレイン排出配管6には、酸化剤ガス供給マニホールド4を流通する酸化剤ガス及び滞留水が導入され、図示しない水回収タンクに配設されている。このため、酸化剤ガス供給マニホールド4内の凝縮水量が減少し、セル1に凝縮水が混入することが抑制される、としている。
特開2008−270159号公報
上記の特許文献1では、複数のセル1が水平方向に積層された状態で、端板3a、3b間に締め付け荷重が付与されて、燃料電池スタックが構成されている。このため、燃料電池スタックでは、特に、積層方向中間側のセル1が最下位置に移動するように撓み易い(図9中、二点鎖線参照)。従って、酸化剤ガス供給マニホールド4では、積層方向中間部位の高さが、重力方向に対して最も低くなる一方、端板3a、3b側の高さ位置が最も高くなり、全体として湾曲形状になり易い。
これにより、積層方向中間部位に配置されているセル1では、酸化剤ガス供給マニホールド4に凝縮水が滞留し易く、酸化剤ドレイン排出配管6に前記凝縮水が押し出されず、該凝縮水がセル1内に導入され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、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行う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、複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して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、発電セルの積層方向中間部位のみに配置される排水部材を備え、前記排水部材は、反応ガス供給連通孔に供給される反応ガスに含まれる水分を、重力方向に沿って排出させるドレイン流路を設けている。
また、排水部材は、上部側に反応ガス供給連通孔に連通する上部開口部を設け、下部側に反応ガス排出連通孔に連通する下部開口部を設けるとともに、少なくとも一方の面には、前記上部開口部と前記下部開口部とを連通する前記ドレイン流路が設けられることが好ましい。
さらに、排水部材は、上部側に反応ガス供給連通孔である酸化剤ガス入口連通孔に連通する上部開口部であるカソード側上部開口部、及び前記反応ガス供給連通孔である燃料ガス入口連通孔に連通する前記上部開口部であるアノード側上部開口部を設け、下部側に反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス出口連通孔に連通する下部開口部であるカソード側下部開口部、及び前記反応ガス排出連通孔である燃料ガス出口連通孔に連通する前記下部開口部であるアノード側下部開口部を設け、前記排水部材の一方の面には、前記カソード側上部開口部と前記カソード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるカソード側ドレイン流路が形成され、前記排水部材の他方の面には、前記アノード側上部開口部と前記アノード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるアノード側ドレイン流路が形成されることが好ましい。
さらにまた、この燃料電池スタックは、下部開口部には、反応ガス排出連通孔よりも下方に位置して排水口が設けられることが好ましい。
また、この燃料電池スタックは、排水部材と一方のエンドプレートとの間には、複数の発電セルが積層された第1発電セル群が設けられる一方、前記排水部材と他方のエンドプレートとの間には、複数の前記発電セルが積層された第2発電セル群が設けられ、前記排水部材には、前記第1発電セル群の反応ガス供給連通孔及び前記第2発電セル群の反応ガス供給連通孔から水分が供給されることが好ましい。
本発明では、発電セルの積層方向中間部位、すなわち、燃料電池スタックの下方に湾曲し易い部位に、排水部材が配置されている。このため、反応ガス供給連通孔に供給される反応ガス中の水分は、この反応ガス供給連通孔の傾斜に沿って排水部材側に円滑に移動し、前記排水部材に設けられているドレイン流路に沿って重力方向に良好に排出される。
これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行うことが可能になる。
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図である。 前記燃料電池スタックの図1中、II−II線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの要部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排水部材の正面説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図6中、VII−VII線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する排水部材の正面説明図である。 特許文献1の燃料電池スタックの説明図である。
図1及び図2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、複数の燃料電池(発電セル)12が矢印A方向(水平方向)に積層される。燃料電池12の積層方向一端には、第1ターミナルプレート14a、第1絶縁プレート16a及び第1エンドプレート18aが積層される一方、積層方向他端には、第2ターミナルプレート14b、第2絶縁プレート16b及び第2エンドプレート18bが積層される。
図3に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体20が、第1及び第2セパレータ22、24に挟持される。第1及び第2セパレータ22、24は、カーボンセパレータで構成されているが、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成してもよい。第1セパレータ22、電解質膜・電極構造体20及び第2セパレータ24は、互いに図示しないシール部材を介装して積層される。
燃料電池12の矢印C方向(図3中、鉛直方向)の一端縁部(上端縁部)には、積層方向である矢印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26a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔28aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
酸化剤ガス入口連通孔26aを構成する底面27は、外方に向かって下方に傾斜するとともに、前記底面27の最下部には、凹部27aが設けられる。燃料ガス入口連通孔28aを構成する底面29は、外方に向かって下方に傾斜するとともに、前記底面29の最下部には、凹部29aが設けられる。
燃料電池12の矢印C方向の他端縁部(下端縁部)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出口連通孔28b、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26bが、矢印B方向に配列して設けられる。
燃料電池12の矢印B方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための複数、例えば、2つの冷却媒体入口連通孔30a、及び前記冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体出口連通孔30bが設けられる。
第1セパレータ22の電解質膜・電極構造体20に向かう面22aには、酸化剤ガス入口連通孔26aと酸化剤ガス出口連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路32が設けられる。
第2セパレータ24の電解質膜・電極構造体20に向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔28aと燃料ガス出口連通孔28bとに連通する燃料ガス流路34が設けられる。
互いに隣接する燃料電池12を構成する第1セパレータ22の面22bと、第2セパレータ24の面24bとの間には、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとを連通する冷却媒体流路36が設けられる。
電解質膜・電極構造体20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38と、前記固体高分子電解質膜38を挟持するカソード側電極40及びアノード側電極42とを備える。
カソード側電極40及びアノード側電極42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て形成される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38の両面に形成されている。
図1、図2及び図4に示すように、燃料電池スタック10は、燃料電池12の積層方向中間部位に配置される排水部材44を備える。
燃料電池スタック10は、排水部材44と第1エンドプレート18aとの間に、複数の燃料電池12が積層された第1発電セル群12aが設けられる一方、前記排水部材44と第2エンドプレート18bとの間に、複数の燃料電池12が積層された第2発電セル群12bが設けられる。
排水部材44は、例えば、カーボンプレートにより構成される。図4及び図5に示すように、排水部材44は、上部側に酸化剤ガス入口連通孔26aに連通するカソード側上部開口部(上部開口部)46aと、燃料ガス入口連通孔28aに連通するアノード側上部開口部(上部開口部)48aとを設ける。
カソード側上部開口部46aは、酸化剤ガス入口連通孔26a及び凹部27aを周回する形状に設定される。アノード側上部開口部48aは、燃料ガス入口連通孔28a及び凹部29aを周回する形状に設定される。
排水部材44は、下部側に酸化剤ガス出口連通孔26bに連通するカソード側下部開口部(下部開口部)46bと、燃料ガス出口連通孔28bに連通するアノード側下部開口部(下部開口部)48bとを備える。
排水部材44の一方の面44aには、カソード側上部開口部46aとカソード側下部開口部46bとを連通し、重力方向に向かって傾斜する複数本のカソード側ドレイン流路(ドレイン流路)50が形成される。排水部材44の他方の面44bには、アノード側上部開口部48aとアノード側下部開口部48bとを連通し、重力方向に向かって傾斜する複数本のアノード側ドレイン流路(ドレイン流路)52が形成される。
図1に示すように、第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、酸化剤ガス出口連通孔26b及び燃料ガス出口連通孔28bが形成される。第2エンドプレート18bには、図示しないが、冷却媒体入口連通孔30a及び冷却媒体出口連通孔30bが形成される。
第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとは、複数本、例えば、4本のタイロッド54を介して積層方向に締め付け保持されることにより、燃料電池スタック10が形成される。
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3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔26aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔28aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔30aに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、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔26aから第1セパレータ22の酸化剤ガス流路32に導入される。酸化剤ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するカソード側電極40に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔28aから第2セパレータ24の燃料ガス流路34に導入される。この燃料ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するアノード側電極42に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体20では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極42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40に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔26bに沿って矢印A方向に排出される。一方、アノード側電極42に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔28bに沿って矢印A方向に排出される。なお、一部が消費された燃料ガスは、図示しないが、リターン流路からエゼクタに吸引されて燃料電池スタック10に供給される。
また、各冷却媒体入口連通孔30aに供給された冷却媒体は、第1及び第2セパレータ22、24間の冷却媒体流路36に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体20を冷却した後、各冷却媒体出口連通孔30bから排出される。
この場合、燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12が水平方向(矢印A方向)に積層されるとともに、積層方向両端に配置される第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとが、タイロッド54により締め付け保持されている。従って、燃料電池スタック10は、図2に示すように、積層方向中間部位が下方向に移動するように撓み易い。
そこで、第1の実施形態では、燃料電池スタック10の積層方向中間部位に、排水部材44が配置されている。このため、例えば、燃料ガス入口連通孔28aが燃料電池スタック10の撓みによって最下位置となる積層方向中間部位には、排水部材44のアノード側上部開口部48aが配置されている。
これにより、燃料ガス入口連通孔28aに導入された凝縮水は、この燃料ガス入口連通孔28aの傾斜に沿って、すなわち、第1発電セル群12aから排水部材44側に、並びに、第2発電セル群12bから前記排水部材44側に、それぞれ移動する。
燃料ガス入口連通孔28aの傾斜に沿って、矢印A方向両側から排水部材44に向かって移動した凝縮水は、互いに連通する凹部29aから前記排水部材44のアノード側上部開口部48aに導入される。
アノード側上部開口部48aには、アノード側ドレイン流路52の上部側が連通している。従って、アノード側上部開口部48aに導入された凝縮水は、アノード側ドレイン流路52に沿って重力方向に移動した後、アノード側下部開口部48bに流動する。アノード側下部開口部48bは、燃料ガス出口連通孔28bに連通している。このため、凝縮水は、燃料ガス出口連通孔28bから第1エンドプレート18a側に向かう排出燃料ガスとともに、前記第1エンドプレート18a側に排出される。
上記のように、燃料電池スタック10内の燃料ガス入口連通孔28aに、燃料ガスに伴って導入された凝縮水は、前記燃料ガス入口連通孔28aを形成する底面29の傾斜に沿って凹部29aに移動し、さらに前記凹部29aを伝って排水部材44側に容易且つ円滑に移動する。そして、凝縮水は、排水部材44のアノード側上部開口部48aから複数本のアノード側ドレイン流路52に沿って重力方向に排出されている。
これにより、第1の実施形態では、簡単な構成で、燃料電池スタック10全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。
一方、酸化剤ガス入口連通孔26aに、酸化剤ガスに伴って凝縮水が導入されると、この凝縮水は、前記酸化剤ガス入口連通孔26aの底面27の傾斜に沿って凹部27aに移動する。さらに、凝縮水は、凹部27a同士の連通形状に沿って排水部材44側に容易且つ確実に移動し、前記排水部材44のカソード側上部開口部46aから複数本のカソード側ドレイン流路50に沿って重力方向に排出されている。従って、簡単な構成で、燃料電池スタック10全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行うことができる。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック60の要部分解斜視説明図である。
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。
燃料電池スタック60は、複数の燃料電池12の積層方向中間部位、すなわち、燃料電池スタック60の下方に湾曲し易い部位に、排水部材62を配置している。排水部材62は、酸化剤ガス出口連通孔26bに連通し、且つ前記酸化剤ガス出口連通孔26bよりも下方に開口するカソード側下部開口部46b1と、燃料ガス出口連通孔28bに連通し、且つ前記燃料ガス出口連通孔28bよりも下方に開口するアノード側下部開口部48b1とを設ける(図7及び図8参照)。
面44aには、カソード側下部開口部46b1に連通する複数のカソード側排水口64が形成され、前記カソード側排水口64は、カソード側ドレイン配管66を介して燃料電池スタック60の外部に連通する。このカソード側ドレイン配管66には、図示しないが、必要に応じて開閉弁等が設けられており、排水処理が自動的に行われている。
排水部材62の面44bには、アノード側下部開口部48b1に連通する複数のアノード側排水口68が形成される。このアノード側排水口68には、アノード側ドレイン配管70が接続され、前記アノード側ドレイン配管70は、燃料電池スタック60の外部に配設される。
このように構成される第2の実施形態では、排水部材62の下部側に、酸化剤ガス出口連通孔26bよりも下方に開口するカソード側下部開口部46b1と、燃料ガス出口連通孔28bよりも下方に開口するアノード側下部開口部48b1とが設けられている。
従って、酸化剤ガス出口連通孔26bの傾斜に沿って排水部材62に流入した凝縮水、及び燃料ガス出口連通孔28bの傾斜に沿って前記排水部材62に流入した凝縮水は、下方に開口するカソード側下部開口部46b1及びアノード側下部開口部48b1に確実に貯留される。
さらに、カソード側下部開口部46b1及びアノード側下部開口部48b1に滞留する凝縮水は、カソード側排水口64及びアノード側排水口68からそれぞれカソード側ドレイン配管66及びアノード側ドレイン配管70を介して外部に排出されている。このため、排水部材62には、凝縮水が必要以上に滞留することがなく、凝縮水の排水性が一層向上するという利点が得られる他、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
10、60…燃料電池スタック 12…燃料電池
12a、12b…発電セル群 14a、14b…ターミナルプレート
16a、16b…絶縁プレート 18a、18b…エンドプレート
20…電解質膜・電極構造体 22、24…セパレータ
26a…酸化剤ガス入口連通孔 26b…酸化剤ガス出口連通孔
27、29…底面 27a、29a…凹部
28a…燃料ガス入口連通孔 28b…燃料ガス出口連通孔
30a…冷却媒体入口連通孔 30b…冷却媒体出口連通孔
32…酸化剤ガス流路 34…燃料ガス流路
36…冷却媒体流路 38…固体高分子電解質膜
40…カソード側電極 42…アノード側電極
44、62…排水部材 46a…カソード側上部開口部
46b、46b1…カソード側下部開口部
48a…アノード側上部開口部
48b、48b1…アノード側下部開口部
50…カソード側ドレイン流路 52…アノード側ドレイン流路
54…タイロッド 64…カソード側排水口
66…カソード側ドレイン配管 68…アノード側排水口
70…アノード側ドレイン配管

Claims (6)

  1. 複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックであって、
    前記発電セルの積層方向中間部位のみに配置される排水部材を備え、
    前記排水部材は、前記反応ガス供給連通孔に供給される前記反応ガスに含まれる水分を、重力方向に沿って排出させるドレイン流路を設け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、前記排水部材は、上部側に前記反応ガス供給連通孔に連通する上部開口部を設け、
    下部側に前記反応ガス排出連通孔に連通する下部開口部を設けるとともに、
    少なくとも一方の面には、前記上部開口部と前記下部開口部とを連通する前記ドレイン流路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 請求項2記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部材は、上部側に前記反応ガス供給連通孔である酸化剤ガス入口連通孔に連通する前記上部開口部であるカソード側上部開口部、及び前記反応ガス供給連通孔である燃料ガス入口連通孔に連通する前記上部開口部であるアノード側上部開口部を設け、
    下部側に前記反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス出口連通孔に連通する前記下部開口部であるカソード側下部開口部、及び前記反応ガス排出連通孔である燃料ガス出口連通孔に連通する前記下部開口部であるアノード側下部開口部を設け、
    前記排水部材の一方の面には、前記カソード側上部開口部と前記カソード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるカソード側ドレイン流路が形成され、
    前記排水部材の他方の面には、前記アノード側上部開口部と前記アノード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるアノード側ドレイン流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  4. 請求項2又は3記載の燃料電池スタックにおいて、前記下部開口部には、前記反応ガス排出連通孔よりも下方に位置して排水口が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部材と一方の前記エンドプレートとの間には、複数の前記発電セルが積層された第1発電セル群が設けられる一方、
    前記排水部材と他方の前記エンドプレートとの間には、複数の前記発電セルが積層された第2発電セル群が設けられ、
    前記排水部材には、前記第1発電セル群の前記反応ガス供給連通孔及び前記第2発電セル群の前記反応ガス供給連通孔から水分が供給されることを特徴とする燃料電池スタック。
  6. 複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックであって、
    前記発電セルの積層方向中間部位に配置される排水部材を備え、
    前記排水部材は、上部側に前記反応ガス供給連通孔に連通する上部開口部を設け、
    下部側に前記反応ガス排出連通孔に連通する下部開口部を設け、且つ、前記下部開口部には、前記反応ガス排出連通孔よりも下方に位置して排水口が設けられるとともに、
    少なくとも一方の面には、前記上部開口部と前記下部開口部とを連通し、前記反応ガス供給連通孔に供給される前記反応ガスに含まれる水分を、重力方向に沿って排出させるドレイン流路が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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