JP2001143740A - 燃料電池スタック - Google Patents
燃料電池スタックInfo
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- JP2001143740A JP2001143740A JP2000227413A JP2000227413A JP2001143740A JP 2001143740 A JP2001143740 A JP 2001143740A JP 2000227413 A JP2000227413 A JP 2000227413A JP 2000227413 A JP2000227413 A JP 2000227413A JP 2001143740 A JP2001143740 A JP 2001143740A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
冷却効率を向上させることを可能にする。 【解決手段】第1燃料電池スタック12内には、横方向
両端上下に位置して燃料ガス入口68a、燃料ガス出口
68b、酸化剤ガス入口56aおよび酸化剤ガス出口5
6b等が設けられるとともに、長辺側下部および長辺側
上部にはそれぞれ複数の冷却媒体入口70a〜70dお
よび冷却媒体出口70e〜70h等が設けられる。冷却
媒体は、冷却媒体流路74a〜74dを介して下から上
に向かって流れ、発電面の冷却を円滑にかつ確実に行
う。
Description
膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成さ
れる単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向
に複数個積層された燃料電池スタックに関する。
子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の
両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を
対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータに
よって挟持することにより構成されている。この固体高
分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパ
レータを所定数だけ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。
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガ
スは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿され
た電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。そ
の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気
エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化
剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給され
ているために、このカソード側電極において、前記水素
イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成さ
れる。
載しようとする場合、所望の電力を得るために各単位燃
料電池セルの発電面積を大きく設定する必要があり、前
記燃料電池スタック全体が相当に大型化してしまう。と
ころが、車両内では、燃料電池スタックの収容場所とし
て床下が適しており、車載用燃料電池スタックとして
は、高さ方向の寸法を低く設定した横長の長方形状に構
成されることが望ましい。そこで、例えば、米国特許第
5,804,326号公報に開示されているように、長
方形状の単位燃料電池セルを構成し、前記単位燃料電池
セルをセパレータにより挟持して複数個積層した燃料電
池スタックが知られている。
従来技術では、セパレータの同一の面内に反応ガス流路
と冷却水流路とが設けられており、この冷却水流路が前
記反応ガス流路を挟みかつ長辺方向に直線状に延在して
いる。このため、発電面全面に沿って冷却水を供給する
ことができず、この発電面を効率的に冷却することがで
きないおそれがある。
の長手方向に沿って延在している。これにより、冷却水
流路が長尺化してしまい、大きな圧損が発生するととも
に、このセパレータ面内で温度分布が生ずるという問題
が指摘されている。
り、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を低く抑え
るとともに、発電面を均一かつ円滑に冷却することが可
能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方
形状に構成されており、前記燃料電池スタック内には、
横方向両端上下に位置してそれぞれ燃料ガスおよび酸化
剤ガスを各単位燃料電池セルに供給するための燃料ガス
給排路および酸化剤ガス給排路が設けられる。このた
め、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低
く設定することができ、この燃料電池スタックを、例え
ば、自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載
することが可能になる。
タックでは、燃料電池スタック内には、長辺側下部に冷
却媒体給排路の供給側が設けられる一方、長辺側上部に
前記冷却媒体給排路の排出側が設けられている。このた
め、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給側が冷却媒体の入
口側に近接し、供給される前記燃料ガスおよび前記酸化
剤ガスの温度を低く設定することができる。燃料ガスお
よび酸化剤ガスの温度を単位燃料電池セルの温度に近似
させればよいからである。従って、燃料ガスおよび酸化
剤ガスの加湿量を減少させることが可能になり、前記燃
料ガスおよび前記酸化剤ガスを加湿するための加湿装置
自体の小型化が容易に図られる。
スタックでは、単位燃料電池セルの横方向両端下部に、
燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路の供給側が設け
られる一方、前記単位燃料電池セルの横方向両端上部
に、前記燃料ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の
排出側が設けられている。これにより、燃料ガスおよび
酸化剤ガスの出口側が燃料電池スタックの上部側に設定
され、生成水が前記燃料電池スタック内に逆流しないよ
うに、前記出口側の配管を該燃料電池スタックの燃料ガ
スおよび酸化剤ガスの出口高さよりも下方に配置する際
に、前記配管を可能にするために十分な高さを確保する
ことができる。
電池スタックでは、単位燃料電池セルの横方向両端上下
には、それぞれ燃料ガス給排路と酸化剤ガス給排路に連
通する燃料ガス供給口および燃料ガス排出口と酸化剤ガ
ス供給口および酸化剤ガス排出口とが設けられ、前記燃
料ガス供給口、前記燃料ガス排出口、前記酸化剤ガス供
給口および前記酸化剤ガス排出口が縦長の長方形状に設
定されている。これにより、例えば、円形状の供給口や
排出口に比べてガス流量を有効に増加させることがで
き、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池セルを
構成するアノード側電極およびカソード側電極に確実に
供給することが可能になる。
タックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成
されており、横方向両端上下に位置して燃料ガス供給
口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガ
ス排出口が設けられる一方、長辺側下部および長辺側上
部にそれぞれ複数の冷却媒体供給口および冷却媒体排出
口が設けられている。このため、燃料電池スタック全体
の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができ、こ
の燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の
低いスペースに有効に搭載することが可能になる。
て燃料電池スタックの下部側から上部側に向かって流れ
るため、この冷却媒体に混在している空気を前記冷却媒
体流路に沿って冷却媒体排出口に円滑に排出することが
できる。さらに、冷却媒体が燃料電池スタックの短辺方
向に沿って流れるため、冷却媒体流路が短尺化されて圧
損が小さくなるとともに、発電面内で温度分布が発生す
ることを有効に阻止することが可能になる。
スタックでは、燃料ガス供給口および酸化剤ガス供給口
が横方向両端下部に設けられる一方、燃料ガス排出口お
よび酸化剤ガス排出口が前記横方向両端上部に設けら
れ、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は下方から上方
に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスを流している。従
って、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、冷却媒体と同様に
下方から上方に向かって移動し、供給される前記燃料ガ
スおよび前記酸化剤ガスの温度を低く設定することがで
きる。
タックでは、冷却媒体供給口および冷却媒体排出口のそ
れぞれの間に形成される貫通孔に締め付けボルトが挿入
され、燃料電池スタックが一体的に固定される。これに
より、燃料電池スタック内の余剰スペースを有効に利用
することができるとともに、前記燃料電池スタックの高
さ方向の寸法を有効に小さく設定することが可能にな
る。
電池スタックでは、燃料電池スタックの積層方向一端部
に配置されるエンドプレートの鉛直面の略中央部に、複
数の冷却媒体供給口に連通する単一の冷却媒体導入口
と、複数の冷却媒体排出口に連通する単一の冷却媒体導
出口とが設けられる。これにより、エンドプレートに接
続される配管構造が簡素化され、燃料電池スタックの高
さ方向の寸法を一層低く設定することが可能になり、こ
の燃料電池スタックを、自動車車体の床下等の低いスペ
ースに容易に搭載することができる。
に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システム1
0の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池シス
テム10の側面説明図である。
A方向)に沿って互いに平行に配列される第1燃料電池
スタック12と第2燃料電池スタック14とを備える。
第1および第2燃料電池スタック12、14の同一側の
一端部鉛直面を構成する第1エンドプレート16、18
には、正極である第1電力取り出し端子20および負極
である第2電力取り出し端子22が設けられる。
4の同一側の他端部鉛直面である第2エンドプレート2
4、26側には、前記第1および第2燃料電池スタック
12、14に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒
体の供給と排出を行うための配管機構28が組み込まれ
る。第1および第2燃料電池スタック12、14は、取
り付け機構30を介して車両を構成する取り付けプレー
ト31に固定される。
図4に示すように、単位燃料電池セル32と、この単位
燃料電池セル32を挟持する第1および第2セパレータ
34、36とを備え、これらが複数組だけ水平方向(矢
印A方向)に積層されている。第1燃料電池スタック1
2は、全体として直方体状を有しており、短辺方向(矢
印B方向)が重力方向に指向するとともに、長辺方向
(矢印C方向)が水平方向に指向して配置される。
質膜38と、この電解質膜38を挟んで配設されるカソ
ード側電極40およびアノード側電極42とを有すると
ともに、前記カソード側電極40および前記アノード側
電極42には、例えば、多孔質層である多孔質カーボン
ペーパ等からなる第1および第2ガス拡散層44、46
が配設される。
よび第2ガスケット48、50が設けられ、前記第1ガ
スケット48は、カソード側電極40および第1ガス拡
散層44を収納するための大きな開口部52を有する一
方、前記第2ガスケット50は、アノード側電極42お
よび第2ガス拡散層46を収納するための大きな開口部
54を有する。単位燃料電池セル32と第1および第2
ガスケット48、50とが、第1および第2セパレータ
34、36によって挟持される。
0に対向する面34aおよび反対側の面34bが長方形
状に設定されており、例えば、長辺55aが水平方向に
指向するとともに、短辺55bが重力方向に指向して配
置される。
縁部上部側には、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤
ガスを通過させるための酸化剤ガス入口56aと、水素
含有ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口
58aとが、上下方向に長尺な長方形状を有して設けら
れる。第1セパレータ34の短辺55b側の両端縁部下
部側には、酸化剤ガス出口56bと燃料ガス出口58b
とが、酸化剤ガス入口56aおよび燃料ガス入口58a
と対角位置になるようにかつ上下方向に長尺な長方形状
を有して設けられている。
には、矢印C方向に長尺な4つの冷却媒体入口60a〜
60dが設けられるとともに、この第1セパレータ34
の長辺55a側の上部には、同様に、矢印C方向に長尺
な4つの冷却媒体出口60e〜60hが設けられる。冷
却媒体入口60a〜60dには、純水やエチレングリコ
ールやオイル等の冷却媒体が供給される。
剤ガス入口56aに連通する10本のそれぞれ独立した
第1酸化剤ガス流路溝62が、短辺55b側で折り返し
て水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられ
る。第1酸化剤ガス流路溝62は、5本の第2酸化剤ガ
ス流路溝65に合流し、前記第2酸化剤ガス流路溝65
が酸化剤ガス出口56bに連通する。第1セパレータ3
4には、タイロッド挿通用の孔部63が6箇所に形成さ
れている。
ており、この第2セパレータ36の短辺64b側の両端
縁部上部側には、酸化剤ガス入口66aおよび燃料ガス
入口68aが貫通形成されるとともに、その両端縁部下
部側には、酸化剤ガス出口66bおよび燃料ガス出口6
8bが、前記酸化剤ガス入口66aおよび前記燃料ガス
入口68aと対角位置になるように貫通形成されてい
る。
には、矢印C方向に長尺な4つの冷却媒体入口70a〜
70dが貫通形成され、この長辺64a側の上部には、
冷却媒体出口70e〜70hが、同様に、矢印C方向に
長尺に貫通形成される。
面36aには、燃料ガス入口68aに連通して10本の
第1燃料ガス流路溝72が形成される。第1燃料ガス流
路溝72は、短辺64b側で折り返し水平方向に蛇行し
ながら重力方向に向かって設けられ、この第1燃料ガス
流路溝72が5本の第2燃料ガス流路溝73に合流し、
前記第2燃料ガス流路溝73が燃料ガス出口68bに連
通する。
面36aとは反対側の面36bには、冷却媒体入口70
a〜70dと冷却媒体出口70e〜70hにそれぞれ個
別に連通する冷却媒体流路74a〜74dが重力方向に
向かって設けられる。冷却媒体流路74a〜74dは、
冷却媒体入口70a〜70dと冷却媒体出口70e〜7
0hに連通するそれぞれ9本の第1流路溝76a、76
bを備えるとともに、前記第1流路溝76a、76b間
には、それぞれ2本の第2流路溝78が互いに重力方向
に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。
34と同様に、タイロッド挿通用の孔部63が6箇所に
設けられている。孔部63は、冷却媒体入口60a〜6
0d、70a〜70dおよび冷却媒体出口60e〜60
h、70e〜70hの間に対応して第1および第2セパ
レータ34、36に設けられている。
単位燃料電池セル32の積層方向両端には、ターミナル
プレートである端子板80と第1導電プレート82とが
配設される。端子板80には、絶縁板84を介して第1
エンドプレート16が積層されるとともに、この端子板
80に第1電力取り出し端子20が装着される。
20は、円柱状の大径部86の両端に小径なねじ部88
a、88bを設けている。このねじ部88aは、端子板
80に形成された孔部90を通って第1セパレータ34
の酸化剤ガス入口56a内に突出し、前記ねじ部88a
にナット部材92が螺着される。大径部86の肩部に
は、端子板80との間のシール性を向上させるためにシ
ール部材94が介装されるとともに、前記大径部86の
外周と第1エンドプレート16に形成された孔部96と
の間に絶縁リング98が介装される。
は、第2セパレータ36とほぼ同一形状、すなわち、長
方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化
剤ガス入口100a、燃料ガス入口102aおよび酸化
剤ガス出口100b、燃料ガス出口102bが互いに対
角位置に設けられている。第1導電プレート82の長辺
側下部および上部には、それぞれ4つの冷却媒体入口1
04a〜104dと冷却媒体出口104e〜104hが
設けられるとともに、これらの間に対応してタイロッド
挿通用の孔部63が6箇所に形成されている。
スタック12の下側にかつ第2燃料電池スタック14に
近接して延在する第1接続板部106が設けられる。第
1接続板部106には、下方に突出して2本のボルト部
108a、108bが設けられ、このボルト部108
a、108bおよび第1導電プレート82は、導電性を
有する材料、例えば、SUSや銅等で構成されている。
図7に示すように、第1導電プレート82には、絶縁板
110、蓋板112およびシール部材114を介して第
2エンドプレート24が積層される。
ンドプレート24は長方形状に構成されており、その短
辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口120aと
燃料ガス入口122aとが貫通形成されるとともに、そ
の短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口120
bと燃料ガス出口122bとが前記酸化剤ガス入口12
0aおよび前記燃料ガス入口122aと対角位置になる
ように設けられる。
には、第2セパレータ36の冷却媒体入口70a〜70
dに連通する第1冷却媒体流路溝124a〜124d
と、前記第2セパレータ36の冷却媒体出口70e〜7
0hに連通する第2冷却媒体流路溝124e〜124h
が、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成され
る。第1冷却媒体流路溝124a〜124dは、それぞ
れ12本の第1溝部126aの端部に連通する。第1溝
部126aは、互いに平行に上方に延在した後、それぞ
れ2本ずつ合流して第2溝部126bが設けられ、前記
第2溝部126bがそれぞれ2本ずつ第3溝部126c
に合流して単一の冷却媒体導入口128に連通する。
は、同様に、それぞれ12本の第1溝部130aに連通
し、前記第1溝部130aが鉛直下方向に延在して第2
溝部130bに2本ずつ合流する。第2溝部130b
は、2本ずつ第3溝部130cに合流して単一の冷却媒
体導出口132に連通する。冷却媒体導入口128およ
び冷却媒体導出口132には、図10に示すように、供
給管路134と排出管路136が連結されており、この
供給管路134およびこの排出管路136が、第1燃料
電池スタック12の外方に所定の長さだけ突出してい
る。第2エンドプレート24には、タイロッド挿通用の
孔部63が6箇所に形成されている(図11参照)。
ンドプレート24の酸化剤ガス入口120a、第1セパ
レータ34の酸化剤ガス入口56a、酸化剤ガス出口5
6bおよび前記第2エンドプレート24の酸化剤ガス出
口120bを連通してU字状に構成される酸化剤ガス給
排路138aと、前記第2エンドプレート24の燃料ガ
ス入口122a、第2セパレータ36の燃料ガス入口6
8a、燃料ガス出口68bおよび前記第2エンドプレー
ト24の燃料ガス出口122bを連通してU字形状に構
成される燃料ガス給排路138bと、前記第2エンドプ
レート24の供給管路134、前記第2セパレータ36
の冷却媒体入口70a〜70d、冷却媒体出口70e〜
70hおよび前記第2エンドプレート24の排出管路1
36に連通してU字形状に構成される冷却媒体給排路1
38cが設けられる。酸化剤ガス給排路138aと燃料
ガス給排路138bは、第1燃料電池スタック12内の
横方向(長尺方向)両端上下に位置して設けられてい
る。
体導入口128および冷却媒体導出口132は、第2エ
ンドプレート24の面内の略中央部に、すなわち、酸化
剤ガス入口120a、燃料ガス入口122a、酸化剤ガ
ス出口120bおよび燃料ガス出口122bの上下方向
および左右方向内方に位置して設けられている。
12は、締め付け機構140を介して積層方向(矢印A
方向)に一体的に締め付け固定される。締め付け機構1
40は、第1エンドプレート16の外面側に設けられる
液体チャンバ142と、この液体チャンバ142内に封
入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコン
オイル144と、第2エンドプレート24の外面側に設
けられ、前記第2エンドプレート24を前記第1エンド
プレート16側に押圧するために水平方向に所定間隔ず
つ離間して配置される3つの皿ばね146a〜146c
とを備える。
レート16に対向してバックアッププレート148が配
設され、このバックアッププレート148とアルミニウ
ムまたはステンレススチールの薄板150との間に液体
チャンバ142が構成される。皿ばね146a〜146
cは、第2エンドプレート24の面内に略等間隔ずつ離
間して配置されるとともに、取り付け板152により支
持される。取り付け板152から第1燃料電池スタック
12を貫通してバックアッププレート148に6本のタ
イロッド154が挿入される。タイロッド154の端部
にナット156がねじ込まれることにより、第1燃料電
池スタック12が一体的に保持される。
機構30は、第1エンドプレート16の下部側に一体的
に設けられるブラケット部160a、160bと、第2
エンドプレート24の下部側にねじ止めされるマウント
ブラケット162a、162bとを備える。ブラケット
部160a、160bには、第1燃料電池スタック12
の積層方向(矢印A方向)に長尺な長孔164a、16
4bが形成される一方、マウントブラケット162a、
162bに孔部166a、166bが形成される。
a、166bには、それぞれゴムマウント168が配置
される。ゴムマウント168は、上下にねじ部170
a、170bが設けられており、上部に突出する前記ね
じ部170aにカラー172が配置されてこのカラー1
72がここから長孔164a、164bに挿入されると
ともに、該ねじ部170aにナット174が螺合され
る。マウントブラケット162a、162b側では、ゴ
ムマウント168のねじ部170aが孔部166a、1
66bに挿入されてその先端部にナット174が螺合さ
れる。ゴムマウント168の下部側に突出するねじ部1
70bは、取り付けプレート31に挿入されてナット1
76が螺合されることにより、第1燃料電池スタック1
2を車両等に固定する。
ク14は、上述した第1燃料電池スタック12とは対称
的に構成されるとともに、電解質膜38に対してカソー
ド側電極40とアノード側電極42とが逆側に配置され
ており、第1エンドプレート18側に負極である第2電
力取り出し端子22が設けられる(図14参照)。第2
燃料電池スタック14は、基本的には第1燃料電池スタ
ック12と同様に構成されており、同一の構成要素には
同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
ク14は、第2導電プレート180を備えており、この
第2導電プレート180には、前記第2燃料電池スタッ
ク14の下側に延在しかつ第1燃料電池スタック12に
設けられている第1導電プレート82の第1接続板部1
06に近接する第2接続板部182を設けている。第1
および第2接続板部106、182には、それぞれ一対
のボルト部108a、108bと184a、184bと
が設けられている。
部108bと184bには、それぞれ可撓性接続体、例
えば、撚り線186a、186bが接続される。撚り線
186a、186bは、多数の細線状の導線を網状に撚
ることにより構成されており、それぞれゴムカバー18
8a、188bにより覆われている。
電池スタック12、14を構成する第2エンドプレート
24、26には、それぞれ燃料ガス入口122aと酸化
剤ガス出口120bとが互いに近接する位置に配置され
ており、この第2エンドプレート24、26に配管機構
28が組み込まれる。
28は、互いに並設される第1および第2燃料電池スタ
ック12、14を構成する第2エンドプレート24、2
6の各燃料ガス入口122aを覆って前記第2エンドプ
レート24、26に一体的に固定される第1ブラケット
190を備える。この第1ブラケット190には、各燃
料ガス入口122aにそれぞれ連通する燃料ガス供給管
192a、192bが設けられ、前記燃料ガス供給管1
92a、192bが合流して燃料ガス供給口194に連
通する。
化剤ガス出口120bを覆って第2ブラケット196が
固定される。この第2ブラケット196に設けられ酸化
剤ガス出口120bにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出
管198a、198bの先端部が、酸化剤ガス排出口2
00に一体的に連通する。
ぞれの酸化剤ガス入口120aおよび燃料ガス出口12
2bを覆って第3および第4ブラケット202、204
が固定される。第3および第4ブラケット202、20
4には、酸化剤ガス入口120aに連通する酸化剤ガス
供給管206の両端が連通するとともに、この酸化剤ガ
ス供給管206の途上に酸化剤ガス供給口208が設け
られる。第3および第4ブラケット202、204に
は、燃料ガス出口122bに連通する燃料ガス排出管2
10の両端が連通し、この燃料ガス排出管210の途上
に燃料ガス排出口212が設けられる。
ている各供給管路134に冷却媒体供給管214の両端
が連結され、この冷却媒体供給管214に冷却媒体供給
口216が設けられる。第2エンドプレート24、26
に設けられている各排出管路136に冷却媒体排出管2
18が連結されるとともに、この冷却媒体排出管218
に冷却媒体排出口220が設けられる。
0の動作について、以下に説明する。
には、燃料ガス供給口194から燃料ガス(例えば、炭
化水素を改質した水素を含むガス)が供給されるととも
に、酸化剤ガス供給口208に酸化剤ガスとして空気ま
たは酸素含有ガス(以下、単に空気ともいう)が供給さ
れ、さらに、冷却媒体供給口216に冷却媒体が供給さ
れる。
スは、燃料ガス供給管192a、192bを通って第1
および第2燃料電池スタック12、14を構成する第2
エンドプレート24、26の各燃料ガス入口122aに
送られ、さらに第2セパレータ36の各燃料ガス入口6
8aから第1燃料ガス流路溝72に導入される。図5に
示すように、第1燃料ガス流路溝72に供給された燃料
ガスは、第2セパレータ36の面36aに沿って水平方
向に蛇行しながら重力方向に移動する。
ス拡散層46を通って単位燃料電池セル32のアノード
側電極42に供給される。そして、未使用の燃料ガス
は、第1燃料ガス流路溝72に沿って移動しながらアノ
ード側電極42に供給される一方、未使用の燃料ガスが
第2燃料ガス流路溝73を介して燃料ガス出口68bか
ら排出される。この未使用の燃料ガスは、第2エンドプ
レート24、26の各燃料ガス出口122bを通って燃
料ガス排出管210に導入され、燃料ガス排出口212
を介して燃料電池システム10から排出される。
た空気は、酸化剤ガス供給管206を介して第2エンド
プレート24、26に設けられた各酸化剤ガス入口12
0aに送られ、さらに第1および第2燃料電池スタック
12、14内に組み込まれた第1セパレータ34の酸化
剤ガス入口56aに供給される(図3参照)。第1セパ
レータ34では、酸化剤ガス入口56aに供給された空
気が面34a内の第1酸化剤ガス流路溝62に導入さ
れ、この第1酸化剤ガス流路溝62に沿って水平方向に
蛇行しながら重力方向に移動する。
散層44からカソード側電極40に供給される一方、未
使用の空気が第2酸化剤ガス流路溝65を介して酸化剤
ガス出口56bから排出される。この酸化剤ガス出口5
6bに排出された空気は、第2エンドプレート24、2
6に設けられた酸化剤ガス出口120bから酸化剤ガス
排出管198a、198bを介して酸化剤ガス排出口2
00より排出される(図1参照)。
ック12、14で発電が行われ、それぞれ特性の異なる
第1および第2電力取り出し端子20、22間に接続さ
れる負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給され
ることになる。
2、14内は、冷却媒体により有効に冷却される。すな
わち、冷却媒体供給口216に供給された冷却媒体は、
冷却媒体供給管214から第2エンドプレート24、2
6に設けられている供給管路134に導入される。この
冷却媒体は、図11に示すように、第2エンドプレート
24、26の冷却媒体導入口128に導入され、複数の
第2溝部126bから第1溝部126aを通って第1冷
却媒体流路溝124a〜124dに送られる。
導入された冷却媒体は、第2セパレータ36の下部側に
形成された冷却媒体入口70a〜70dに導入され、図
6に示すように、前記冷却媒体入口70a〜70dに連
通する冷却媒体流路74a〜74dに沿って下方から上
方に向かって移動する。冷却媒体流路74a〜74dを
通って各単位燃料電池セル32を冷却した冷却媒体は、
冷却媒体出口70e〜70hを通って第2エンドプレー
ト24、26の第2冷却媒体流路溝124e〜124h
に導入される(図11参照)。
hに導入された冷却媒体は、第1溝部130aから第2
溝部130bを介して冷却媒体導出口132に送られ、
排出管路136から冷却媒体排出管218を通って冷却
媒体排出口220より排出される。
示すように、第1燃料電池スタック12内に横方向(矢
印C方向)両端上下に位置して酸化剤ガス入口56a、
燃料ガス入口68a、酸化剤ガス出口56bおよび燃料
ガス出口68b等が設けられるとともに、長辺側下部お
よび上部には、冷却媒体入口70a〜70dおよび冷却
媒体出口70e〜70h等が設けられている。このた
め、第1燃料電池スタック12を横長に設定することが
でき、この第1燃料電池スタック12の高さ方向の寸法
を低く構成することが可能になる。
スタック12内の横方向(長尺方向)両端上下に位置し
て、酸化剤ガス給排路138aおよび燃料ガス給排路1
38bが設けられる一方、この第1燃料電池スタック1
2内の横方向両端には冷却媒体給排路138cが設けら
れていない。これにより、第1燃料電池スタック12の
高さ方向の寸法を一層低く設定することができ、燃料電
池システム10を自動車車体の床下等の低いスペースに
も容易に搭載することが可能になるという効果がある。
入口68a、酸化剤ガス出口56bおよび燃料ガス出口
68b等が、上下方向に長尺な長方形状に設定されてい
る。このため、例えば、円形状に比べて酸化剤ガスおよ
び燃料ガスの流量が有効に増加され、各単位燃料電池セ
ル32を構成するカソード側電極40およびアノード側
電極42に前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスを確実に
分散供給することができる。
ように、冷却媒体が第2セパレータ36の下部側に設け
られている冷却媒体入口70a〜70dに連通する冷却
媒体流路74a〜74dに沿って下方から上方に向かっ
て移動した後、冷却媒体出口70e〜70hに排出され
る。従って、冷却媒体に混在している空気は、冷却媒体
流路74a〜74dに沿って下から上に円滑かつ確実に
移動し、空気抜き処理が効果的に遂行されるという利点
がある。
第2セパレータ36の短辺方向(重力方向)に沿って設
けられている。これにより、冷却媒体が第2セパレータ
36の面36a内で流れる距離が短尺化されて圧損が小
さくなるとともに、発電面内での温度分布の発生を抑え
ることができ、冷却媒体による冷却効率が有効に向上す
るという効果が得られる。
および図13に示すように、第2エンドプレート24の
面24aの略中央部に位置して冷却媒体導入口128お
よび冷却媒体導出口132が設けられ、前記冷却媒体導
出口128に導入される冷却媒体を冷却媒体入口70a
〜70dに分割供給する一方、冷却媒体出口70e〜7
0hを介して排出された冷却媒体を前記冷却媒体導出口
132に一体的に導出する。このため、冷却媒体用配管
構造が有効に簡素化され、第1燃料電池スタック12の
高さ方向の寸法を一層容易に短尺化することが可能にな
る。従って、燃料電池システム10を有効に薄肉化し、
例えば、自動車車体の床下に前記燃料電池システム10
を容易に搭載することができる。
スタック12内に冷却媒体給排路138cの間に位置し
て孔部63が形成され、この孔部63にタイロッド15
4が挿入されて、前記第1燃料電池スタック12が一体
的に保持されている。このため、第1および第2セパレ
ータ34、36の余剰部分を有効に利用することができ
るとともに、第1燃料電池スタック12全体の高さ方向
の寸法を小さく設定することが可能になる。
2燃料電池スタック12、14を積層方向に並列して燃
料電池システム10を構成しているが、この第1燃料電
池スタック12のみを用いても同様の効果が得られる。
燃料電池スタック240内の流体の流れを示す流路説明
図であり、図18は、前記燃料電池スタック240の要
部分解斜視図である。なお、第1の実施形態に係る第1
燃料電池スタック12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。
よび第2セパレータ242、244は、長方形状に設定
されており、前記第1および第2セパレータ242、2
44の短辺55b、64b側の両端縁部下部側には、酸
化剤ガス入口56a、66aと燃料ガス入口58a、6
8aとが設けられる。第1および第2セパレータ24
2、244の短辺55b、64b側の両端縁部上部側に
は、酸化剤ガス出口56b、66bと燃料ガス出口58
b、68bとが設けられる。
酸化剤ガス入口56aに連通する10本のそれぞれ独立
した第1酸化剤ガス流路溝62が、短辺55b側で折り
返して水平方向に蛇行しながら反重力方向に向かって設
けられる。第1酸化剤ガス流路溝62は、5本の第2酸
化剤ガス流路溝65に合流し、前記第2酸化剤ガス流路
溝65が酸化剤ガス出口56bに連通する。
4の面244aには、燃料ガス入口68aに連通して1
0本の第1燃料ガス流路溝72が形成される。第1燃料
ガス流路溝72は、短辺64b側で折り返して水平方向
に蛇行しながら反重力方向に設けられ、5本の第2燃料
ガス流路溝73に合流した後、この第2燃料ガス流路溝
73が燃料ガス出口68bに連通する。
40内には、酸化剤ガス給排路138aと燃料ガス給排
路138bと冷却媒体給排路138cとが設けられる。
酸化剤ガス給排路138aと燃料ガス給排路138b
は、冷却媒体給排路138cと同様に燃料電池スタック
240内の横方向両端下部に供給側が設けられる一方、
横方向両端上部に排出側が設けられる。
は、燃料電池スタック240内の横方向両端下部から酸
化剤ガス給排路138aと燃料ガス給排路138bとに
空気と燃料ガスとが供給される。この空気は、第1セパ
レータ242の面242a内の第1酸化剤ガス流路溝6
2に導入され、水平方向に蛇行しながら反重力方向に移
動する。そして、未使用の空気が第2酸化剤ガス流路溝
65を介して酸化剤ガス出口56bに排出され、燃料電
池スタック240の横方向両端上部から排出される。
の面244a内の第1燃料ガス流路溝72に導入され、
水平方向に蛇行しながら反重力方向に移動する。そし
て、未使用の燃料ガスは、燃料電池スタック240の横
方向両端上部から排出される。
ガス給排路138aと燃料ガス給排路138bの供給側
が冷却媒体給排路138cの供給側と同様に燃料電池ス
タック240の下部側に設けられている。このため、供
給される燃料ガスおよび空気の温度は、入口側の冷却媒
体の温度に対応して低く設定することができ、この結
果、前記燃料ガスおよび前記空気の加湿量を少なくする
ことが可能になる。従って、燃料ガスおよび空気を加湿
するための加湿装置(図示せず)を容易に小型化するこ
とができ、設備全体の簡素化およびコストの削減が図ら
れるという効果が得られる。
ガス給排路138bの排出側が燃料電池スタック240
の横方向両端上部に設けられている。このため、酸化剤
ガス給排路138aおよび燃料ガス給排路138bの出
口に接続される配管(図示せず)は、生成水の逆流を阻
止するために前記出口よりも下方向に配置する際、高さ
方向のスペースを有効に確保することが可能になる。こ
れにより、特に、車載用として使用される場合のよう
に、燃料電池スタック240の載置面が床下面であって
も、酸化剤ガス給排路138aおよび燃料ガス給排路1
38bの出口側の配管を有効に下げた状態で配置するこ
とができるという利点がある。
位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、前
記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置して
燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路が設けられるた
め、前記燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効
に低く設定することができる。従って、燃料電池スタッ
クを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースにも
容易に搭載することが可能になる。
は、横方向両端上下に燃料ガス給排口および酸化剤ガス
給排口を設けるとともに、上下に複数の冷却媒体供給口
および冷却媒体排出口を設けることにより、前記燃料電
池スタック全体を横長構造に設定することができる。し
かも、冷却媒体が下から上に向かって流れるため、この
冷却媒体に混在する空気を円滑に排出することができる
とともに、冷却媒体流路が短尺化されて圧損の低減を図
り、かつ温度分布の発生を阻止することが可能になる。
クを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図であ
る。
る。
る。
タの一方の面の正面説明図である。
ある。
る。
端子の接続構造を示す説明図である。
の斜視説明図である。
流路説明図である。
プレートの内方側の面の正面説明図である。
ステムの正面説明図である。
図である。
ック内の流体の流れを示す流路説明図である。
る。
ータの一方の面の正面説明図である。
0…燃料電池スタック 16、18、24、26…エンドプレート 20、22…電力取り出し端子 28…配管機構 30…取り付け機構 32…単位燃料電
池セル 34、36、242、244…セパレータ 38…電解質膜 40…カソード側
電極 42…アノード側電極 56a、66a、100a、120a…酸化剤ガス入口 56b、66b、100b、120b…酸化剤ガス出口 58a、68a、102a、122a…燃料ガス入口 58b、68b、102b、122b…燃料ガス出口 60a〜60d、70a〜70d、104a〜104d
…冷却媒体入口 60e〜60h、70e〜70h、104e〜104h
…冷却媒体出口 62、65…酸化剤ガス流路溝 72、73…燃料
ガス流路溝 74a〜74d…冷却媒体流路 80…端子板 82、180…導電プレート 106、182…
接続板部 124a〜124h…冷却媒体流路溝 128…冷却媒体導入口 132…冷却媒体
導出口 134…供給管路 136…排出管路 138a…酸化剤ガス給排路 138b…燃料ガ
ス給排路 138c…冷却媒体給排路 140…締め付け
機構 142…液体チャンバ 146a〜146
c…皿ばね 160a、160b…ブラケット部 162a、162b…マウントブラケット 168…ゴムマウント
Claims (8)
- 【請求項1】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
ソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セル
が、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃
料電池スタックであって、 前記単位燃料電池セルは、横長の長方形状に構成される
とともに、 前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置し
てそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池
セルに供給するための燃料ガス給排路および酸化剤ガス
給排路が設けられることを特徴とする燃料電池スタッ
ク。 - 【請求項2】請求項1記載の燃料電池スタックにおい
て、前記燃料電池スタック内には、長辺側上下に位置し
て冷却媒体を供給するための冷却媒体給排路が設けら
れ、 前記長辺側下部には、前記冷却媒体給排路の供給側が設
けられる一方、 前記長辺側上部には、前記冷却媒体給排路の排出側が設
けられることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項3】請求項1または2記載の燃料電池スタック
において、前記単位燃料電池セルの横方向両端下部に
は、前記燃料ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の
供給側が設けられる一方、 前記単位燃料電池セルの横方向両端上部には、前記燃料
ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の排出側が設け
られることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項4】請求項1乃至3のいずれが1項に記載の燃
料電池スタックにおいて、前記単位燃料電池セルの横方
向両端上下には、前記燃料ガス給排路に連通する燃料ガ
ス供給口および燃料ガス排出口と、 前記酸化剤ガス給排路に連通する酸化剤ガス供給口およ
び酸化剤ガス排出口と、 が設けられるとともに、 前記燃料ガス供給口、前記燃料ガス排出口、前記酸化剤
ガス供給口および前記酸化剤ガス排出口は、縦長の長方
形状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項5】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
ソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セル
が、セパレータを介して水平方向に複数個積層された燃
料電池スタックであって、 前記単位燃料電池セルは、横長の長方形状に構成される
とともに、 前記燃料電池スタック内に、横方向両端上下に位置して
設けられる燃料ガス供給口、燃料ガス排出口、酸化剤ガ
ス供給口および酸化剤ガス排出口と、 前記アノード側電極に燃料ガスを供給するために、前記
燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口を連通しかつ短辺
側で折り返す複数本の連続する燃料ガス流路と、 前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給するために、前
記酸化剤ガス供給口と前記酸化剤ガス排出口を連通しか
つ短辺側で折り返す複数本の連続する酸化剤ガス流路
と、 前記燃料電池スタック内に、長辺側下部に互いに離間し
て設けられる複数の冷却媒体供給口と、 前記燃料電池スタック内に、長辺側上部に互いに離間し
て設けられる複数の冷却媒体排出口と、 前記冷却媒体供給口と前記冷却媒体排出口を連通し、冷
却媒体を下から上に流す冷却媒体流路と、 を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項6】請求項5記載の燃料電池スタックにおい
て、前記燃料ガス供給口および前記酸化剤ガス供給口
は、前記横方向両端下部に設けられる一方、 燃料ガス排出口および酸化剤ガス排出口は、前記横方向
両端上部に設けられ、 前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、下方か
ら上方に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスを流すこと
を特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項7】請求項5記載の燃料電池スタックにおい
て、前記冷却媒体供給口の間および前記冷却媒体排出口
の間には、貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔に
締め付けボルトが挿入されて前記燃料電池スタックが一
体的に固定されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 【請求項8】請求項5乃至7のいずれか1項に記載の燃
料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層
方向一端部に配置されるエンドプレートの鉛直面の略中
央部には、複数の前記冷却媒体供給口に連通する単一の
冷却媒体導入口および複数の前記冷却媒体排出口に連通
する単一の冷却媒体導出口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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