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JP2004014130A - 燃料電池の配管構造 - Google Patents

燃料電池の配管構造 Download PDF

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JP2004014130A
JP2004014130A JP2002161625A JP2002161625A JP2004014130A JP 2004014130 A JP2004014130 A JP 2004014130A JP 2002161625 A JP2002161625 A JP 2002161625A JP 2002161625 A JP2002161625 A JP 2002161625A JP 2004014130 A JP2004014130 A JP 2004014130A
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tubular member
plate
end plate
piping structure
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JP2002161625A
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Atsushi Miyazawa
宮澤 篤史
Kazuya Tajiri
田尻 和也
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】エンドプレートや電流取出板の腐食を確実に防止する。
【解決手段】一対のバイポーラプレート15,17相互間に、図示しない電解質膜とその両側に位置する電極とが設けられて単位セル19を構成し、この単位セル19が図中で左右方向に複数積層されている。積層した複数の単位セル19の両側には、電流取出板21および絶縁板23がそれぞれ配置され、さらにその外側にはエンドプレート25が配置されている。単位セル19,電流取出板21,絶縁板23およびエンドプレート25にわたり、ガス供給流路31が貫通して形成され、このガス供給流路31内に管状部材37を設けている。管状部材37は、コネクタ35をエンドプレート25に接続することで固定される。
【選択図】   図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の単位セルが複数積層されてその積層方向両側に電流取出板およびエンドプレートを備え、このエンドプレートおよび電流取出板を貫通する流体流路を備えた燃料電池の配管構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池では、電解質膜を間に挟んで対峙する2つの電極に、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、各電極で電気化学反応が発生し、化学エネルギが電気エネルギに変換される。
【0003】
このとき、電解質膜中をプロトン(水素イオン)が移動するには、電解質膜が加湿され充分に濡れている必要があるために、各電極への供給ガスを外部から加湿するのが一般的である。したがって、燃料電池に対して外部から供給されるガスは、燃料ガスと酸化ガスおよび水蒸気である。
【0004】
図6は、固定高分子形燃料電池の一般的な構成図である。セパレータを構成するカーボンもしくは金属製の一対のバイポーラプレート1,3相互間に、図示しない電解質膜とその両側に位置する電極とが設けられて単位セル5を構成している。したがって、ここでは6つの単位セル5が図中で左右方向に積層されていることになる。
【0005】
左右両端の単位セル5の外側には、電流取出板7および絶縁板9がそれぞれ配置され、さらにその外側にはエンドプレート11が配置されている。電流取出板7およびエンドプレート11は、鉄,ステンレス,銅,アルミニウムなどの金属製であるのが一般的である。一方絶縁板9は、燃料電池の作動温度に耐え、前述した燃料電池内への水蒸気の導入によって加水分解が起こらないような樹脂材料が用いられる。
【0006】
エンドプレート11は、積層された複数の単位セル5を両側から圧迫することで互いに密着させて固定するものであり、このエンドプレート11に取り付けたコネクタ13を介し、前記した燃料ガスと酸化ガスおよび水蒸気のほか、冷却水を供給し、あるは排出を行う。エンドプレート11,絶縁板9および電流取出板7には、コネクタ13と単位セル5とを連通する流路が形成されている。
【0007】
このような構造を備えた燃料電池としては、例えば、特開平7−282836号公報の図9に開示されている。
【0008】
また、エンドプレート11に関しては、様々な手段を講じることにより(例えば特開2001−155760,特開2000−294268号公報など参照)、バイポーラプレート1,3に対し均一な面圧を施そうとする検討がなされているが、上記したガスや冷却水などの燃料電池内への導入あるいは排出の手段は、上記した図6の構造のものと基本的には変わることはない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池に使用されるエンドプレートや電流取出板の材質は、前述したように鉄,ステンレス,銅,アルミニウムなどの金属製である。これらの金属の中には、水分もしくは酸素と接することにより酸化物を生成するものがある。一般的には、腐食の観点からオーステナイト系ステンレス(SUS304やSUS316)が多く用いられているが、燃料電池を長時間(数万時間)運転すると、ステンレス鋼が徐々に腐食し亀裂を生じることがある。
【0010】
さらに、エンドプレートや電流取出板は、単位セル5を多数積層した燃料電池スタックの一部であり、腐食やこれに起因する異常の際に、これらを交換するためにはスタックの圧迫を緩めて取り外さなければならず、交換作業が煩雑なものとなる。このためエンドプレートや電流取出板の防食を確実に行うことは極めて重要なことである。
【0011】
そこで、この発明は、エンドプレートや電流取出板の腐食を確実に防止することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1の発明は、燃料電池の単位セルが複数積層されてその積層方向両側に電流取出板が、さらにその外側にエンドプレートがそれぞれ設けられ、このエンドプレートおよび電流取出板を貫通して前記単位セルに達する流体流路を備えた燃料電池の配管構造において、前記流体流路内に、前記単位セルと燃料電池の外部とを連通する管状部材を配置した構成としてある。
【0013】
請求項2の発明は、請求項1の発明の構成において、前記管状部材の燃料電池の内部側の端部は、前記電流取出板に隣接する単位セルに対応する位置にある構成としてある。
【0014】
請求項3の発明は、請求項1または2の発明の構成において、前記管状部材は、樹脂もしくはセラミックス製、あるいは表面に樹脂層を備えている構成としてある。
【0015】
請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれかの発明の構成において、前記単位セルは、固体高分子膜を中心としてその両側に電極およびセパレータをそれぞれ備え、前記管状部材と、前記電流取出板に隣接する前記単位セルのセパレータとの間に、シール材を設けた構成としてある。
【0016】
請求項5の発明は、請求項1ないし4のいずれかの発明の構成において、前記電流取出板と前記エンドプレートとの少なくともいずれか一方と、前記管状部材との間に、シール材を設けた構成としてある。
【0017】
請求項6の発明は、請求項1ないし5のいずれかの発明の構成において、前記管状部材は、前記エンドプレートに接続される固定部材によって固定される構成としてある。
【0018】
請求項7の発明は、請求項6の発明の構成において、前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部にフランジを設ける一方、前記流体流路のエンドプレート端面側に前記固定部材を接続する接続部を設け、この接続部の内径を前記流体流路の単位セル側の内径に対して大径にし、この大径部分に前記フランジを配置し、前記接続部に接続される前記固定部材の先端により前記フランジを押し付けて前記管状部材を固定する構成としてある。
【0019】
請求項8の発明は、請求項6の発明の構成において、前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部を、燃料電池の外部に引き出し、前記管状部材は、前記エンドプレートに接続される固定部材の内周面に押圧されて固定される構成としてある。
【0020】
請求項9の発明は、請求項6の発明の構成において、前記固定部材は、前記エンドプレートに対してねじ結合によって接続固定され、このねじ結合部に、前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部を噛み込ませる構成としてある。
【0021】
請求項10の発明は、請求項9の発明の構成において、前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部は、フィルム状に形成された円筒部が一体化されている構成としてある。
【0022】
請求項11の発明は、請求項6の発明の構成において、前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部にシール用テープを巻き付け、この端部よりさらに軸方向外側へ突出する環状部を前記シール用テープにより形成し、前記固定部材を、前記エンドプレートに対してねじ結合によって固定する際に、このねじ結合部に前記環状部を噛み込ませる構成としてある。
【0023】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、エンドプレートおよび電流取出板を貫通する流体流路内に管状部材を設け、流体がこの管状部材内を流れることで、エンドプレートおよび電流取出板への流体の接触が回避され、エンドプレートおよび電流取出板の腐食を防止することができる。
【0024】
請求項2の発明によれば、エンドプレートおよび電流取出板への流体の接触を回避して腐食を防止しつつ、管状部材の長さを最小限とすることができる。
【0025】
請求項3の発明によれば、管状部材の腐食を防止できるとともに、エンドプレートおよび電流取出板に対する絶縁効果も発揮される。
【0026】
請求項4の発明によれば、シール材により、エンドプレートおよび電流取出板に対する流体の接触が確実に回避され、エンドプレートおよび電流取出板の腐食をより確実に防止することができる。
【0027】
請求項5の発明によれば、シール材により、エンドプレートや電流取出板への流体の流入を防止できるとともに、燃料電池外部への流体の漏れを効果的に防止することができる。また、シール材により、管状部材のエンドプレートおよび電流取出板に対するずれを防止することもできる。
【0028】
請求項6の発明によれば、管状部材は、エンドプレートに接続される固定部材によって固定されるので、エンドプレートおよび電流取出板に対するずれを防止することができる。
【0029】
請求項7の発明によれば、管状部材は、固定部材がフランジを固定するので、エンドプレートおよび電流取出板に対するずれが確実に防止される。
【0030】
請求項8の発明によれば、管状部材は、固定部材の内周面によって押圧されるので、エンドプレートおよび電流取出板に対するずれが確実に防止される。また、燃料電池の外部に引き出した部分の管状部材に、外部からの配管を直接接続することができる。
【0031】
請求項9の発明によれば、固定部材とエンドプレートとのねじ結合部に、管状部材の端部を噛み込ませることで、固定部材と管状部材との間のシールを行え、燃料電池外部への流体の漏れを防止することができる。
【0032】
請求項10の発明によれば、固定部材をエンドプレートに対してねじ結合する際に、このねじ結合部にフィルム状の円筒部を容易に噛み込ませることができる。
【0033】
請求項11の発明によれば、固定部材をエンドプレートに対してねじ結合する際に、このねじ結合部に、シール用テープの環状部を噛み込ませることで、固定部材と管状部材との間のシールを行え、燃料電池外部への流体の漏れを防止することができる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0035】
図1は、この発明の第1の実施形態に係わる燃料電池の配管構造を示す断面図である。この燃料電池は、前記図6に示したものと同様に、セパレータを構成するカーボンもしくは金属製の一対のバイポーラプレート15,17相互間に、図示しない電解質膜とその両側に位置する電極とが設けられて単位セル19を構成している。この単位セル19が図中で左右方向に複数積層されており、この積層体の図中で右側の端部にも、図1と同様の配管構造を備えている。
【0036】
単位セル19の外側(図1中で左側)には、電流取出板21および絶縁板23がそれぞれ配置され、さらにその外側にはエンドプレート25が配置されている。バイポーラプレート15,17相互間および、バイポーラプレート15と電流取出板21との間には、シール用のOリング27および29がそれぞれが介装されている。
【0037】
上記した電流取出板21およびエンドプレート25は、鉄,ステンレス,銅,アルミニウムなどの金属製である。一方絶縁板23は、燃料電池の作動温度に耐え、燃料電池内への水蒸気の導入によって加水分解が起こらないような樹脂材料を用いる。
【0038】
上記した単位セル19から、電流取出板21,絶縁板23およびエンドプレート25にわたり、流体流路としてのガス供給流路31が貫通して形成されている。ここでのガス供給流路31は、前記した図示しない電極へ供給される水素または酸素を含有するガスが流れるものとする。
【0039】
ガス供給流路31は、エンドプレート25側の端部が大径となっており、この大径部分33の内周に、接続部としての雌ねじ33aが形成されている。この雌ねじ33aには固定部材としてのコネクタ35がねじ込まれてエンドプレート25に接続される。
【0040】
上記した大径部分33より単位セル19側のガス供給流路31には、管状部材37が挿入されている。管状部材37は、耐熱・耐加水分解・化学的安定性から、PPS樹脂(ポリフェニレンサルファイド)を繊維(ガラス繊維)強化したものを用いており、コネクタ35を通して外部から供給されるガスが流通可能なように軸方向に貫通する貫通孔37aを備えている。
【0041】
管状部材37の単位セル19側の端部は、電流取出板21に隣接するバイポーラプレート15に対応する位置にあり、このバイポーラプレート15,絶縁板23およびエンドプレート25と、管状部材37との間には、シール材としてのOリング39,41および43がそれぞれ介装されている。なお、図示していないが、さらに、電流取出板21に対応する位置にOリングを設けてもよい。
【0042】
このOリング39,41および43ならびに、前記したOリング27,29は、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、スチレゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムなどの一般的なものを用いることができるが、耐熱性を考慮すると、フッ素ゴムもしくはシリコンゴムが好ましく、−30℃以下での物性保持力を考慮すると、シリコンゴムがより好ましい。
【0043】
管状部材37のコネクタ35側の端部は、大径部33内に突出し、この突出部にフランジ37bが形成され、このフランジ37bは、大径部33の段部33bに当接している。コネクタ35をエンドプレート25の雌ねじ33aにねじ込むことで、管状部材37のフランジ37bが、コネクタ35の端面に押圧され、管状部材37がコネクタ35によって固定される。
【0044】
上記した燃料電池の配管構造によれば、水素または酸素を含有するガスが、外部からコネクタ35を通して燃料電池に供給される際に、前記ガスは、管状部材37内を流れる。このため、エンドプレート25および電流取出板21へのガスの直接の接触が回避され、エンドプレート25および電流取出板21の腐食を防止することができる。
【0045】
また、この場合管状部材37の単位セル19側の端部を、電流取出板21に隣接する単位セル19のバイポーラプレート15に対応する位置とすることで、エンドプレート25および電流取出板21の腐食を防止しつつつつ、管状部材37の長さを最小限とすることができる。
【0046】
さらに、Oリング39,41および43を設けることで、燃料電池内に供給される前記したガスのエンドプレート25および電流取出板21への直接の接触が確実に回避されるとともに、供給されたガスの燃料電池外部への漏れを防止することができる。
【0047】
なお、上記した各Oリング39,41および43のうち、エンドプレート25や絶縁板23、電流取出板21に対応するもの(図示しない)は必ずしも必要ではなく、少なくともバイポーラプレート15に対応するOリング39があればよい。バイポーラプレート15に対応するOリング39を設けることで、管状部材37から流出するガスの電流取出板21およびエンドプレート25への漏れが防止される。
【0048】
また、管状部材37は、エンドプレート25に接続固定されるコネクタ35によって、フランジ37bが押圧されて固定されるので、ガス導入時に、エンドプレート25および電流取出板21に対するガス導入方向前方側へのずれが防止される。この管状部材37のずれは、前記した各Oリング39,41および43によっても防止されている。
【0049】
なお、上記した管状部材37は、PPS樹脂とすることで、自身の腐食を防止できるとともに、エンドプレート25および電流取出板21に対する絶縁効果が発揮されるが、PPS樹脂に代えて、ステンレス(SUS304やSUS316)の表面に樹脂(フッ素樹脂)をコーティングしたものや、セラミックを使用してもよい。
【0050】
図2は、この発明の第2の実施形態に係わる燃料電池の配管構造を示す断面図である。この実施形態は、管状部材45の単位セル19側の端部と反対側を、燃料電池の外部に引き出す構成としたものである。
【0051】
この管状部材45についても、第1の実施形態における管状部材37と同様に、PPS樹脂や、ステンレス(SUS304やSUS316)の表面に樹脂(フッ素樹脂)をコーティングしたもの、あるいはセラミックを使用し、軸方向に貫通してガスが流通する貫通孔45aを備えている。
【0052】
コネクタ35は、管状部材45が挿入される挿入孔35aが形成され、エンドプレート25の雌ねじ33aにねじ込むことで、エンドプレート25に接続固定される。
【0053】
また、上記したコネクタ35は、受け部材47と締付部材49とから構成され、受け部材47の内面に形成してある雌ねじ部に、締付部材49の外周面に形成してある雄ねじ部がねじ込まれて両者相互が固定される。このとき、締付部材49の先端側と受け部材47および管状部材45との間に圧縮スリーブを介装しておき、この圧縮スリーブが上記ねじ込み作業によって塑性変形することで、管状部材47の外周面が圧縮スリーブを介してコネクタ35の内周面によって押し付けられる。この結果管状部材45は、コネクタ35を介してエンドプレート25に固定されることになる。
【0054】
上記した締付部材49の受け部材47へのねじ込み作業は、受け部材47をエンドプレート25に接続固定した後に行う。その他の構成は、前記図1のものと同様である。
【0055】
この第2の実施形態によれば、管状部材45は、コネクタ35によって外周面が押圧されて固定されることで、ガス導入時に、エンドプレート25および電流取出板21に対するガス導入方向前方側へのずれが防止される。また、燃料電池の外部に引き出した部分の管状部材45に、外部からの配管を直接接続することができる。
図3は、この発明の第3の実施形態に係わる燃料電池の配管構造を示す断面図である。この実施形態は、管状部材51の単位セル19と反対側の端部に、前記図1のものと同様に、フランジ51aを設け、さらにこのフランジ51aの外周側端部から、エンドプレート25の雌ねじ33aに沿ってフィルム状の円筒部51bを一体に形成してある。
【0056】
この実施形態における管状部材51は、フッ素樹脂からなるテフロン(登録商標)を用いており、軸方向に貫通してガスが流通する貫通孔51aを備えている。その他の構成は前記図1のものと同様である。
【0057】
この場合、コネクタ35を、エンドプレート25の雌ねじ33aにねじ込むことで、円筒部51bが、図4に示すように、このねじ結合部に噛み込んだ状態Aとなる。ねじ込み後は、図1のものと同様に、コネクタ35の先端が管状部材51のフランジ51aを押圧して固定することになる。
【0058】
上記した第2の実施形態によれば、管状部材51の円筒部51bがねじ結合部にねじ込まれることで、管状部材51が固定されるとともに、コネクタ35と管状部材51との間のシールが行え、燃料電池外部への前記したガスの漏れが確実に防止される。
【0059】
図5は、この発明の第4の実施形態を示す。図5(a)に斜視図として示す管状部材53は、前記図1の管状部材37と同様に、単位セル19と反対側の端部にフランジ53aを備えるとともに、軸方向に貫通してガスが流通する貫通孔53bを備えている。また、この管状部材53についても、第1の実施形態における管状部材37と同様に、PPS樹脂や、ステンレス(SUS304やSUS316)の表面に樹脂(フッ素樹脂)をコーティングしたもの、あるいはセラミックを使用している。
【0060】
上記した第4の実施形態は、前記図3に示した第3の実施形態におけるフィルム状の円筒部51bに相当するものを、図5(b),(c)に示してあるシール用テープ55によって形成している。その他の燃料電池における構成は、前記図1のものと同様である。
【0061】
シール用テープ55は、テフロン(フッ素樹脂)製であり、図5(b)のように、管状部材53の中央付近から巻き付け始め、図5(c)のように、フランジ53aにも巻き付けた後、さらに軸方向外側へ突出するように、環状部55aをシール用テープ55によって形成する。この環状部55aが、前記図3に示してあるフィルム状の円筒部51bに相当する。
【0062】
すなわち、上記した管状部材53を、図3の管状部材51と同様にガス供給流路31に取り付けた状態では、シール用テープ55の環状部55aがエンドプレート25の雌ねじ33aにほぼ接した状態となる。この状態で、コネクタ35を雌ねじ33aにねじ込むことで、環状部55aがこのねじ結合部に噛み込んだ状態となる。ねじ込み後は、図3のものと同様に、コネクタ35の先端が管状部材51のフランジ51aを押圧して固定することになる。
【0063】
上記した第4の実施形態によれば、シール用テープ55の環状部55aがねじ結合部にねじ込まれることで、図3に示した第3の実施形態と同様に、管状部材53がシール用テープ55を介して固定されるとともに、コネクタ35と管状部材53との間のシールが行え、燃料電池外部への前記したガスの漏れが確実に防止される。
【0064】
なお、上記した各実施形態における燃料電池の配管構造は、流体流路としてガス供給流路31に限って適用されるることはなく、燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水流路や、燃料電池に供給された余剰の水素ガスの排出流路など、燃料電池に接続される流体流路の配管構造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態に係わる燃料電池の配管構造を示す断面図である。
【図2】この発明の第2の実施形態に係わる燃料電池の配管構造を示す断面図である。
【図3】この発明の第3の実施形態に係わる燃料電池の配管構造を示す断面図である。
【図4】図3の実施形態における管状部材の円筒部がねじ結合部に噛み込んだ状態を示す断面図である。
【図5】この発明の第4の実施形態に係わる管状部材の斜視図である。
【図6】固定高分子形燃料電池の一般的な構成図である。
【符号の説明】
15,17 バイポーラプレート(セパレータ)
19 単位セル
21 電流取出板
25 エンドプレート
31 ガス供給流路(流体流路)
33 大径部分
33a 雌ねじ(接続部)
37,45,51,53 管状部材
37b フランジ
35 コネクタ(固定部材)
39,41,43 Oリング(シール材)
51b フィルム状の円筒部
55 シール用テープ
55a 環状部

Claims (11)

  1. 燃料電池の単位セルが複数積層されてその積層方向両側に電流取出板が、さらにその外側にエンドプレートがそれぞれ設けられ、このエンドプレートおよび電流取出板を貫通して前記単位セルに達する流体流路を備えた燃料電池の配管構造において、前記流体流路内に、前記単位セルと燃料電池の外部とを連通する管状部材を配置したことを特徴とする燃料電池の配管構造。
  2. 前記管状部材の燃料電池の内部側の端部は、前記電流取出板に隣接する単位セルに対応する位置にあることを特徴とする請求項1記載の燃料電池の配管構造。
  3. 前記管状部材は、樹脂もしくはセラミックス製、あるいは表面に樹脂層を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池の配管構造。
  4. 前記単位セルは、固体高分子膜を中心としてその両側に電極およびセパレータをそれぞれ備え、前記管状部材と、前記電流取出板に隣接する前記単位セルのセパレータとの間に、シール材を設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池の配管構造。
  5. 前記電流取出板と前記エンドプレートとの少なくともいずれか一方と、前記管状部材との間に、シール材を設けたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池の配管構造。
  6. 前記管状部材は、前記エンドプレートに接続される固定部材によって固定されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池の配管構造。
  7. 前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部にフランジを設ける一方、前記流体流路のエンドプレート端面側に前記固定部材を接続する接続部を設け、この接続部の内径を前記流体流路の単位セル側の内径に対して大径にし、この大径部分に前記フランジを配置し、前記接続部に接続される前記固定部材の先端により前記フランジを押し付けて前記管状部材を固定することを特徴とする請求項6記載の燃料電池の配管構造。
  8. 前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部を、燃料電池の外部に引き出し、前記管状部材は、前記エンドプレートに接続される固定部材の内周面に押圧されて固定されることを特徴とする請求項6記載の燃料電池の配管構造。
  9. 前記固定部材は、前記エンドプレートに対してねじ結合によって接続固定され、このねじ結合部に、前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部を噛み込ませることを特徴とする請求項6記載の燃料電池の配管構造。
  10. 前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部は、フィルム状に形成された円筒部が一体化されていることを特徴とする請求項9載の燃料電池の配管構造。
  11. 前記管状部材の前記単位セルと反対側の端部にシール用テープを巻き付け、この端部よりさらに軸方向外側へ突出する環状部を前記シール用テープにより形成し、前記固定部材を、前記エンドプレートに対してねじ結合によって固定する際に、このねじ結合部に前記環状部を噛み込ませることを特徴とする請求項6記載の燃料電池の配管構造。
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