JP2007141636A - 燃料電池システム - Google Patents

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Toshiyuki Suzuki
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Abstract

【課題】燃料電池(燃料電池スタックおよび/または燃料電池ケースを含む)の突起に当たっても高電圧ケーブルが破損しないようにする燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の少なくとも一方は、ケーブル53が突起の角部に干渉することを防止する干渉防止手段を備えている燃料電池システムである。干渉防止手段には、突起角部を覆うカバーによる方法、突起曲がり部による方法、及びケーブルと近接する箇所にのみ部分的に設ける方法とがある。突起には、補強用リブと燃料電池スタックの締結用部材とがある。また、燃料電池スタックは車載用燃料電池スタックである。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、とくに、燃料電池システムの燃料電池ケーブルの保護構造に関する。
特開2002−343406号公報は、外面に、角をもつエッジがある突起を有する燃料電池(燃料電池スタックおよび/または燃料電池ケースを含む)を開示している。この突起には、燃料電池ケースのロアケースに取付けたリブや、燃料電池スタックのテンションプレートに固着されてエンドプレートに取り付けられるストッパや該ストッパをエンドプレートに取り付けるためのボルトの頭部などが含まれる。
燃料電池には、燃料電池の外部回路を構成するパワーケーブルやセル電圧モニターのケーブルなど、燃料電池の高電圧(42ボルト以上を高電圧というものとする)がかかるケーブル(配線)が配索される。このケーブルの一部は燃料電池(燃料電池スタックおよび/または燃料電池ケースを含む)の突起近傍に配索されることが多い。
特開2002−343406号公報
燃料電池に振動がかかる場合、たとえば、車載用燃料電池のように車両の走行振動が燃料電池にかかる場合、ケーブルが振動する。ケーブルが燃料電池(燃料電池スタックおよび/または燃料電池ケースを含む)の突起の角部と干渉して、ケーブルの被覆がこすれて破損すると、芯線が露出して短絡を起こすおそれがあり、安全上、燃料電池運転上、問題となる。
本発明の目的は、燃料電池の高電圧ケーブルが燃料電池(燃料電池スタックおよび/または燃料電池ケースを含む)の突起に当たっても高電圧ケーブルが破損しないようにする燃料電池システム(とくに、燃料電池ケーブルの保護構造)を提供することにある。
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
(1) 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する燃料電池ケースと、前記燃料電池スタックに接続されたケーブルを備え、前記燃料電池スタックと前記燃料電池ケースの少なくとも一方は、角部をもつ突起を有している燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックと前記燃料電池ケースの少なくとも一方は、前記ケーブルが突起の角部に干渉することを防止する干渉防止手段を備えている、燃料電池システム。
(2) 前記干渉防止手段が前記突起角部を覆うカバーである(1)記載の燃料電池システム。
(3) 前記干渉防止手段が前記突起の少なくとも一部を曲げて形成した突起曲がり部である(1)記載の燃料電池システム。
(4) 前記干渉防止手段が、前記突起角部のうち前記ケーブルと近接する箇所にのみ部分的に設けられている(1)〜(3)の何れかに記載の燃料電池システム。
(5) 前記突起は前記燃料電池ケースに設けられた補強用リブである(1)〜(4)の何れかに記載の燃料電池システム。
(6) 前記突起は前記燃料電池スタックの締結用部材である(1)〜(4)の何れかに記載の燃料電池システム。
(7) 前記ケーブルが燃料電池スタックに接続される高電圧ケーブルである(1)〜(6)の何れかに記載の燃料電池システム。
(8) 前記燃料電池スタックは車載用燃料電池スタックである(1)〜(7)の何れかに記載の燃料電池システム。
上記(1)〜上記(8)の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックと燃料電池ケースの少なくとも一方が、干渉防止手段を備えているので、燃料電池の高電圧ケーブルが燃料電池(燃料電池スタックおよび/または燃料電池ケースを含む)の突起に当たっても、高電圧ケーブルは突起の角部でこすれて破損することはない。
上記(2)の燃料電池システムによれば、干渉防止手段が突起角部を覆うカバーであるので、カバーに角部を設けないようにすることにより、角部とこすれることによるケーブルの破損は起こらない。
上記(3)の燃料電池システムによれば、干渉防止手段が突起の少なくとも一部を曲げて形成した突起曲がり部であるので、ケーブルが突起角部とこすれあうことはなく、角部とこすれることによるケーブルの破損は起こらない。
上記(4)の燃料電池システムによれば、干渉防止手段が、突起角部のうちケーブルと近接する箇所にのみ部分的に設けられているので、設計または構造変更を最小限とすることができる。
上記(5)の燃料電池システムによれば、突起が燃料電池ケースに設けられた補強用リブである場合に、パワーケーブルがリブ角部に当たって車両振動によってこすれてケーブルの被覆が破損することが防止される。
上記(6)の燃料電池システムによれば、突起が燃料電池スタックの締結用部材である場合に、セル電圧モニタケーブルが突起角部に当たって車両振動によってこすれてケーブルの被覆が破損することが防止される。
上記(7)の燃料電池システムによれば、ケーブルが燃料電池スタックに接続される高電圧ケーブル(パワーケーブルやセル電圧モニタケーブルなど)である場合に、被覆が破損し芯線が露出して短絡が生じることが防止される。
上記(8)の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックは車載用燃料電池スタックである場合に、車両振動を受けた時の高電圧ケーブルの被覆の損傷とそれによる短絡が防止され、安全である。
以下に、本発明の燃料電池システム(とくに、燃料電池ケーブルの保護構造)を図1〜図13を参照して説明する。
図中、図1〜図5は本発明の実施例1を示し、図6は本発明の実施例2を示し、図7は本発明の実施例3を示し、図8〜図10は本発明の実施例4を示す。図11〜図13は本発明の何れの実施例にも適用可能である。
本発明の全実施例に共通する構成部分には本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の全実施例に共通な部分の構成、作用・効果を、図1〜図5、図11〜図13を参照して、説明する。
本発明が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池10である。燃料電池10は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池10は、図11〜図13に示すように、膜−電極アッセンブリ19(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18とを積層した構造を有する。
膜−電極アッセンブリ19は、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜11の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリ19とセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層13、16が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ18を重ねてセル10を構成し、セル10を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材24(たとえば、テンションプレート24A、および/または、テンションプレート24Aに溶接付けされエンドプレート22に凹凸で係合されるストッパ24Bを含む)をエンドプレート22にボルト・ナット25にて固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付けて、燃料電池スタック23を構成する。
セパレータ18には、アノード14に燃料ガス(水素)を供給するための燃料ガス流路27が形成され、カソード17に酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための酸化ガス流路28が形成されている。また、セパレータ18には冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26も形成されている。セパレータ18には、燃料ガスマニホールド30、酸化ガスマニホールド31、冷媒マニホールド29が形成されている。燃料ガスマニホールド30は燃料ガス流路27と連通しており、酸化ガスマニホールド31は酸化ガス流路28と連通しており、冷媒マニホールド29は冷媒流路26と連通している。
各セル10の、アノード14側では、水素を水素イオン(プロトン)と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜11中をカソード17側に移動し、カソード17側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2
各種流体は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル10のMEAを挟む2つのセパレータ18間は、第1のシール部材32によってシールされており、隣接するセル19同士の間は、第2のシール部材33によってシールされている。メ
第1のシール部材32は、たとえば接着剤シール(シール接着剤)からなり、第2のシール部材33は、たとえば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)等のゴムシール材からなる。ただし、第1のシール部材32、第2のシール部材33とも、接着剤シール剤、またはゴムシール材から構成されてもよい。
燃料電池スタック23は燃料電池ケース(以下、単に「ケース」ともいう)50内に配置される。燃料電池ケース50は、たとえば、ロアケース50Aとアッパケース50Bを含む。ロアケース50Aには、ケースの側面に、4か所に、車載状態で上下方向に延びる補強用リブ51が溶接等で取付けられ、リブ51の上端部には、ブラケットを介してパワーコントロールユニット(PCU)52が載せられ、固定される。パワーコントロールユニット(PCU)52は、燃料電池ケース50外で、アッパケース50Bの上方に位置する。
燃料電池スタック23には、電気配線が接続され、電気配線は、燃料電池の外部負荷回路を形成するパワーケーブル53Aやセル電圧モニタケーブル53Bなどの高電圧(42ボルト以上を高電圧ということにする)ケーブル53を含む。高電圧ケーブル53は燃料電池ケース50内空間から燃料電池ケース50の穴を貫通して燃料電池ケース50外空間に延びている。高電圧ケーブル53は芯線(複数本の芯線であってもよい)とその被覆を含む。
燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の少なくとも一方(両方でもよい)は、角部55をもつ突起54を有している。突起54は、たとえば、燃料電池ケース50のリブ51や、燃料電池スタック23の締結部材24(たとえば、テンションプレート24A、および/または、テンションプレート24Aに溶接付けされエンドプレート22に凹凸で係合されるストッパ24Bを含む)をエンドプレート22に固定するボルト25、ナットを含む。
燃料電池スタック23に接続された電気配線、たとえば、高電圧ケーブル53の少なくとも一部は、燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の少なくとも一方(両方でもよい)の、角部55をもつ突起54と干渉する位置に配索されている。
本発明の燃料電池システム(とくに、燃料電池システムの燃料電池ケーブルの保護構造)は、燃料電池スタック23と、燃料電池スタック23を収容する燃料電池ケース50と、燃料電池スタック23に接続されたケーブル53を備え、燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の少なくとも一方は、角部55をもつ突起54を有している燃料電池システムであって、燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の少なくとも一方(両方でもよい)は、ケーブル53が突起54の角部55に干渉することを防止する干渉防止手段60を備えている燃料電池システムである。
干渉防止手段60は、ケーブル53が突起54の角部55に干渉する場合に、車両振動に合わせてこすれあい、ケーブル53の被覆が破損して芯線が露出し短絡が起こることを防止または抑制する手段である。
干渉防止手段60は、突起54の角部55を覆うカバー60Aであってもよいし、または、突起54自体に形成された、角部55がケーブル53に当たらないようにする構造(たとえば突起自体54を曲げて形成した突起曲がり部60B)などであってもよい。カバー60Aの場合は、カバーの材料が樹脂材で、角部を丸めて角部をもたないカバーであることが望ましい。
干渉防止手段60は、突起角部55のうちケーブル53と近接する箇所にのみ部分的に設けられてもよいし、あるいは突起角部55の全長に対して設けられてもよい。
ケーブル53は、燃料電池スタック23に接続される高電圧ケーブルであってもよいし、あるいは低電圧(5ボルト、12ボルト等)ケーブルであってもよい。
また、燃料電池スタック23は車載用燃料電池スタックであってもよいし、あるいは家庭用などの定置燃料電池スタックでもよい。
干渉防止手段60を設けたことによる作用、効果はつぎの通りである。
燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の少なくとも一方が、干渉防止手段60を備えているので、燃料電池のケーブル53が燃料電池(燃料電池スタック23および/または燃料電池ケース50を含む)の突起54に当たっても、ケーブル53は突起54の角部55とこすれあって被覆が破損し芯線が露出したり切れたりすることはない。
また、干渉防止手段60が、突起角部55のうちケーブル53と近接する箇所にのみ部分的に設けられているので、燃料電池スタック23と燃料電池ケース50の設計変更または構造変更を最小限とすることができ、重量増加や構造の複雑化をほとんど招かない。
また、ケーブル53が燃料電池スタックに接続される高電圧ケーブル(パワーケーブル53Aやセル電圧モニタケーブル53Bなど)である場合に、被覆が破損し芯線が露出して短絡が生じることが防止されるため、安全である。
また、燃料電池スタック23が車載用燃料電池スタックである場合は、車両振動を受けた時に突起角部55とこすれると高電圧ケーブル53の被覆が損傷しそれによる短絡が生じやすいが、干渉防止手段60が設けられているため、高電圧ケーブル53の被覆が損傷が防止され、安全である。
つぎに、本発明の各実施例を説明する。
〔実施例1〕−−−図1〜図5
本発明の実施例1では、図1〜図5に示すように、突起54が燃料電池ケース50に設けられた補強用リブ51(上端にブラケットを介してPCU52を載せる)であり、除去されるべき角部55がリブ51の先端の角部であり、ケーブル53がパワーケーブル53Aであり、干渉防止手段60が複数本(図では3本)のリブ51の最も外側に位置する2本のリブ51の先端に形成された角を取るための突起曲がり部60Bである。複数本(図では3本)のリブ51の最も外側に位置する2本のリブ51の先端間にわたってブリッジ61が形成されており、このブリッジ61と外側リブ51とのコーナには丸みが付けられていて、この丸みが干渉防止手段60としての突起曲がり部60Bを形成している。干渉防止手段60としての突起曲がり部60Bと、ブリッジ61は、ケーブル53が配索されている部位のみに形成されており、リブ51の全長にわたっては形成されていない。
ケーブル53が、干渉防止手段60が形成されている部位からずれないようにするために、ケーブル53をブリッジ61またはリブ51に対して固定するクランプ62が設けられることが望ましい。クランプ62は、ケーブル53を保持し、クランプの脚をブリッジ61またはリブ51に形成された穴に挿入することにより、ケーブル53をブリッジ61またはリブ51に対して固定する。
実施例1の作用、効果については、干渉防止手段60が突起54の少なくとも一部を曲げて形成した突起曲がり部60Bであるので、ケーブル53が突起角部55とこすれあうことはなく、角部55とこすれることによるケーブル53の破損は起こらない。
〔実施例2〕−−−図6
本発明の実施例1では、図6に示すように、突起54が燃料電池ケース50に設けられた補強用リブ51(上端にブラケットを介してPCU52を載せる)であり、除去されるべき角部55がリブ51の先端の角部であり、ケーブル53がパワーケーブル53Aであり、干渉防止手段60が複数本(図では3本)のリブ51の最も外側に位置する2本のリブ51(2本の外側リブは2本の外側リブの中間にある中間リブより突出長さが長い)の先端に形成された内側に折り曲げられた突起曲がり部60Bである。干渉防止手段60としての突起曲がり部60Bは、ケーブル53が配索されている部位のみに形成されており、リブ51の全長(リブの突出方向と直交する方向の全長)にわたっては形成されていない。
ケーブル53が、干渉防止手段60が形成されている部位からずれないようにするために、ケーブル53をリブ51に対して固定するクランプが設けられることが望ましい。
実施例2の作用、効果については、干渉防止手段60が突起54の少なくとも一部を曲げて形成した突起曲がり部60Bであるので、ケーブル53が突起角部55とこすれあうことはなく、角部55とこすれることによるケーブル53の破損は起こらない。
〔実施例3〕−−−図7
本発明の実施例3では、図7に示すように、突起54が燃料電池ケース50に設けられた補強用リブ51(上端にブラケットを介してPCU52を載せる)であり、除去されるべき角部55がリブ51の先端の角部であり、ケーブル53がパワーケーブル53Aであり、干渉防止手段60が複数本(図では3本)のリブ51の最も外側に位置する2本のリブ51(2本の外側リブは2本の外側リブの中間にある中間リブより突出長さが長い)の先端に形成された外側に折り曲げられた突起曲がり部60Bである。干渉防止手段60としての突起曲がり部60Bは、ケーブル53が配索されている部位のみに形成されており、リブ51の全長(リブの突出方向と直交する方向の全長)にわたっては形成されていない。
ケーブル53が、干渉防止手段60が形成されている部位からずれないようにするために、ケーブル53をリブ51に対して固定するクランプが設けられることが望ましい。
実施例3の作用、効果については、干渉防止手段60が突起54の少なくとも一部を曲げて形成した突起曲がり部60Bであるので、ケーブル53が突起角部55とこすれあうことはなく、角部55とこすれることによるケーブル53の破損は起こらない。
〔実施例4〕−−−図8〜図10
本発明の実施例4では、図8〜図10に示すように、突起54が燃料電池スタック23に設けられた締結用部材24(テンションプレート24A、ストッパ24B)および/または締結用部材24をエンドプレート22に締結するボルト25の頭部などであり、覆われるべき角部55が締結用部材24の角部および/またはボルト25の頭部の角部であり、ケーブル53がセル電圧モニタケーブル53Bであり、干渉防止手段60が突起角部55を覆ってケーブル53の突起角部55との干渉を防止するカバー60Aである。ただし、カバー60Aは樹脂製で、カバー60Aのケーブル53と干渉する部位の角部は丸められてケーブル53を傷つけないようにしてある。カバー60Aは、たとえば両面テープにて、ストッパ24Bに固定されている。干渉防止手段60としてのカバー60Aは、ケーブル53が配索されている部位のみに形成されており、突起角部55の全長(突起54の突出方向と直交する方向の全長)にわたっては形成されていない。
テンションプレート24Aとストッパ24Bとは互いに溶接付けされており、ストッパ24Bはエンドプレート22に凹凸係合していてセル積層方向にエンドプレート22に対してずれないようにしてあり、ストッパ24B部でストッパ24Bはエンドプレート22にボルト25により固定される。図示例ではストッ24Bのテンションプレート24A側に延びる部分は、テンションプレート24Aの端部よりも、セル積層方向と直交する方向においてセル積層体から離れた位置にある。したがって、ストッパ24Bのテンションプレート24A側に延びる部分は、テンションプレート24Aより外側に突出しており、ストッパ24Bのテンションプレート24A側に延びる部分の端部は角部55を形成している。
ケーブル53が、干渉防止手段60が形成されている部位からずれないようにするために、ケーブル53を締結用部材24に対して固定するクランプが設けられることが望ましい。
実施例4の作用、効果については、干渉防止手段60がカバー60Aで角部が丸められているので、ケーブル53が突起角部55とこすれあうことはなく、角部55とこすれることによるケーブル53の破損は起こらない。また、カバー60Aが樹脂材から構成されているので、ケーブル53の被覆がたとえ破損しても、カバー60Aへの短絡は起こらない。
本発明の実施例1の燃料電池システムの、干渉防止手段の近傍部の一部の平面図(ただし、燃料電池ケースは断面で示してある)である。 本発明の実施例1の燃料電池システムの側面図である。 本発明の実施例1の燃料電池システムの、干渉防止手段の近傍部の斜視図である。 本発明の実施例1の燃料電池システムの、干渉防止手段の近傍部の平面図(図3のA−A断面図)である。 本発明の実施例1の燃料電池システムの、干渉防止手段部位の平面図である。 本発明の実施例2の燃料電池システムの、干渉防止手段部位の平面図である。ある。 本発明の実施例3の燃料電池システムの、干渉防止手段部位の平面図である。ある。 本発明の実施例4の燃料電池システムの、燃料電池スタックと干渉防止手段の側面図である。 本発明の実施例4の燃料電池システムの、干渉防止手段部位の側面図である。 本発明の実施例4の燃料電池システムの、干渉防止手段部位の平面図である。 本発明の燃料電池システムを組み込んだ燃料電池スタックの側面図である。 図11の一部の拡大断面図である。 図11のセル部位の正面図である。
符号の説明
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
13、16 拡散層
14 アノード
17 カソード
18 セパレータ
19 MEA
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 燃料電池スタック
24 締結部材
24A テンションプレート
24B ストッパ
25 ボルト
26 冷媒流路(冷却水流路)
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29 冷媒マニホールド
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 第1のシール部材
33 第2のシール部材
50 燃料電池ケース
50A ロアケース
50B アッパケース
51 補強用リブ
52 PCU
53 ケーブル(高電圧ケーブル
53A パワーケーブル
53B セル電圧モニタケーブル
54 突起
55 角部
60 干渉防止手段
60A カバー
60B 突起曲がり部
61 ブリッジ
62 クランプ

Claims (8)

  1. 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する燃料電池ケースと、前記燃料電池スタックに接続されたケーブルを備え、前記燃料電池スタックと前記燃料電池ケースの少なくとも一方は、角部をもつ突起を有している燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックと前記燃料電池ケースの少なくとも一方は、前記ケーブルが突起の角部に干渉することを防止する干渉防止手段を備えている、燃料電池システム。
  2. 前記干渉防止手段が前記突起角部を覆うカバーである請求項1記載の燃料電池システム。
  3. 前記干渉防止手段が前記突起の少なくとも一部を曲げて形成した突起曲がり部である請求項1記載の燃料電池システム。
  4. 前記干渉防止手段が、前記突起角部のうち前記ケーブルと近接する箇所にのみ部分的に設けられている請求項1〜請求項3の何れか一項記載の燃料電池システム。
  5. 前記突起は前記燃料電池ケースに設けられた補強用リブである請求項1〜請求項4の何れか一項記載の燃料電池システム。
  6. 前記突起は前記燃料電池スタックの締結用部材である請求項1〜請求項4の何れか一項記載の燃料電池システム。
  7. 前記ケーブルが燃料電池スタックに接続される高電圧ケーブルである請求項1〜請求項6の何れか一項記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックは車載用燃料電池スタックである請求項1〜請求項7の何れか一項記載の燃料電池システム。
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US10144308B2 (en) 2014-11-13 2018-12-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electric equipment unit and vehicle

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