JP2010212157A - 燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部荷重が付与された際に、分割された側板が変形することを良好に抑制することができ、簡単な構成で、筐体内への異物の混入を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック20は、複数の単位セル22が積層された積層体24を備え、前記積層体24がケーシング32内に収容される。ケーシング32を構成する側板74cは、第1及び第2側板部82a、82bに分割されるとともに、これらの間には、保護部材104が配設される。保護部材104は、所定数のセル電圧端子68bに接続され、前記保護部材104は、ケーシング32の外部に露出する平板部材106を設ける。平板部材106は、第1側板部82aの一部と重なり合う平板部106aと、第2側板部82bの一部と重なり合う平板部106bとを有する。
【選択図】図3

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、車両の前後方向に複数積層されるとともに、少なくとも一側面には、複数のセル電圧端子が前記単位セルの積層方向に沿って配列される燃料電池スタックを備える燃料電池車両に関する。
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(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、単位セルが構成されている。
通常、燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、通常、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置(セル電圧モニタ)に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。
例えば、特許文献1では、図9に示すように、固体高分子型の燃料電池スタック1を備えており、この燃料電池スタック1は、複数のセル2を積層して構成されている。セル2は、2セル毎に1ユニットとして構成されるとともに、各ユニットには、電力測定端子3が配置されている。
燃料電池スタック1は、セル2の積層方向両端にエンドプレート4a、4bが配置され、前記エンドプレート4a、4bの各角部同士は屈曲形状を有する連結板5に固着されることにより、前記セル2には、積層方向への荷重が付与されている。燃料電池スタック1の側部には、外方に突出して電圧測定端子3が配列されるとともに、前記電圧測定端子3には、図示しないコネクタが接続されている。
特開平11−339828号公報
ところで、燃料電池スタックは、複数の単位セルが積層された積層体を箱状ケーシング内に収容した状態で、燃料電池車両に搭載する車載用燃料電池スタックとして使用される場合がある。具体的には、例えば、上記のエンドプレート4a、4b間には、各セル2の上下左右の側面を覆って4枚の側板が取り付られるともに、積層方向に配列されている電圧測定端子3をケーシングの外部に露呈させる必要がある。
従って、電圧測定端子3が設けられる側板は、上下に2分割されることになる。その際、側板は、軽量化を図るために、薄肉状に構成されており、この側板が2分割されると、各分割部の開放側の強度が低下してしまう。
このため、燃料電池スタックに積層方向に外部荷重が付与されると、分割されている側板は、各分割部の開放側が外方に向かって変形するおそれがある。これにより、変形部位が燃料電池スタックを配置している配置部位の壁部や他の部品等に衝突し易くなるとともに、ケーシング内に異物が混入するという問題がある。
本発明はこの種の課題を解決するものであり、外部荷重が付与された際に、分割された側板が変形することを良好に抑制することができ、簡単な構成で、筐体内への異物の混入を可及的に阻止することが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、車両の前後方向に複数積層されるとともに、少なくとも一側面には、複数のセル電圧端子が前記単位セルの積層方向に沿って配列される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記積層方向両端に配置される端板、及び前記燃料電池スタックの側面に沿って前記積層方向に延在し、前記端板間に固定される側板を有する筐体とを備える燃料電池車両に関するものである。
この燃料電池車両は、セル電圧端子を保護する保護部材を設け、側板は、前記セル電圧端子を外部に露呈させるために第1及び第2側板部に分割される一方、前記保護部材は、分割された前記第1及び第2側板部間を通って筐体外部に露出する端部に、一側面から見て、少なくとも前記第1側板部の一部と重なり合う平板部が設けられている。
また、平板部は、一側面から見て、分割された第1及び第2側板部のそれぞれの一部と重なり合うことが好ましい。
さらに、一側面は、燃料電池車両の左右いずれかに対応する面であるとともに、側板は、車両上下方向に第1及び第2側板部に分割され、上側の前記第1側板部の剛性は、下側の前記第2側板部の剛性よりも低く設定されることが好ましい。
さらにまた、保護部材が装着されるセル電圧端子は、車両点検時に使用されることが好ましい。
また、燃料電池スタックは、一側面に車両点検時に使用されるセル電圧端子が設けられるとともに、他側面に車両制御用のセル電圧端子が設けられることが好ましい。
さらに、燃料電池スタックは、車両点検時に使用されるセル電圧端子が設けられる単位セルと、車両制御用の前記セル電圧端子が設けられる単位セルとが、交互に積層されることが好ましい。
さらにまた、保護部材は、複数のセル電圧端子に一体に接続されて積層方向に延在して設けられることが好ましい。
本発明では、保護部材の筐体外部に露出する端部には、一側面から見て、少なくとも第1側板部の一部と重なり合う平板部が設けられている。このため、燃料電池スタックの積層方向に外部荷重が付与されて、筐体が変形する際に、少なくとも第1側板部は、平板部に保持されて外方に変形することを抑制される。
これにより、燃料電池スタックに積層方向に外部荷重が付与された際に、簡単な構成で、分割された側板が外方に変形することを良好に抑制することができるとともに、筐体内に異物が混入することを可及的に阻止することが可能になる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池車両の一部側面説明図である。 燃料電池スタックの一方からの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの他方からの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 車両制御用のセル電圧端子とコネクタとの接続状態を示す要部断面図である。 車両点検時に使用されるセル電圧端子と保護部材との接続状態を示す要部断面図である。 前記燃料電池スタックを構成するケーシングが変形した状態の説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池車両を構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 特許文献1の燃料電池スタックの説明図である。
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池車両10は、車室16内に左右のフロントシート(運転席及び助手席)18a、18b間に位置して、センターコンソール14が設けられるとともに、前記センターコンソール14は、前記燃料電池車両10の車長方向(矢印L方向)に延在する。このセンターコンソール14内に、燃料電池スタック20が収容される。
図2及び図3に示すように、燃料電池スタック20は、複数の単位セル22が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体24を備える。積層体24の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート26a、絶縁プレート28a及びエンドプレート30aが外方に向かって、順次、配設される。
積層体24の積層方向他端には、ターミナルプレート26b、絶縁プレート28b及びエンドプレート30bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック20は、縦長の長方形状に構成されるエンドプレート30a、30bを端板として含む箱状のケーシング(筐体)32により一体的に保持される。エンドプレート30a、30bは、例えば、アルミニウム板で形成される。
図4に示すように、各単位セル22は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)40と、前記電解質膜・電極構造体40を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ42、44とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ42、44に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。
単位セル22の長辺方向(図4中、矢印C方向)の一端縁部(上端縁部)には、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供給連通孔46a、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供給連通孔48aが設けられる。
単位セル22の長辺方向の他端縁部(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排出連通孔48b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔46bが設けられる。
単位セル22の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔50aが設けられるとともに、前記単位セル22の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔50bが設けられる。
電解質膜・電極構造体40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52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するアノード側電極54及びカソード側電極56とを備える。
アノード側電極54及びカソード側電極56は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜52の両面に形成される。
第1金属セパレータ42の電解質膜・電極構造体40に向かう面42aには、燃料ガス供給連通孔48aと燃料ガス排出連通孔48bとを連通する燃料ガス流路58が矢印C方向に沿って形成される。第1金属セパレータ42の面42bには、冷却媒体供給連通孔50aと冷却媒体排出連通孔50bとを連通する冷却媒体流路60が矢印B方向に沿って形成される。
第2金属セパレータ44の電解質膜・電極構造体40に向かう面44aには、矢印C方向に沿って酸化剤ガス流路62が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路62は、酸化剤ガス供給連通孔46aと酸化剤ガス排出連通孔46bとに連通する。第2金属セパレータ44の面44bには、第1金属セパレータ42の面42bと重なり合って冷却媒体流路60が一体的に形成される。
第1金属セパレータ42の面42a、42bには、この第1金属セパレータ42の外周端縁部を周回して第1シール部材64aが一体成形される。第2金属セパレータ44の面44a、44bには、この第2金属セパレータ44の外周端縁部を周回して第2シール部材64bが一体成形される。
一方の単位セル22の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、凹部66aが形成されるとともに、例えば、第1金属セパレータ42には、前記凹部66aに配置されて車両制御用のセル電圧端子68aが装着される。
上記の一方の単位セル22に隣接する他方の単位セルは、短辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、凹部66bが形成される。例えば、第1金属セパレータ42には、凹部66bに配置されて車両点検時に使用されるセル電圧端子68bが装着される。一方の単位セル22と他方の単位セル22とは、交互に積層される。
図2及び図3に示すように、ターミナルプレート26a、26bの面内中央から積層方向外方に延在して第1及び第2電力取り出し端子70a、70bが設けられる。第1電力取り出し端子70aは、絶縁プレート28a及びエンドプレート30aを貫通して外部に突出する一方、第2電力取り出し端子70bは、絶縁プレート28b及びエンドプレート30bを貫通して外部に突出する。第1及び第2電力取り出し端子70a、70bには、例えば、車両走行用モータ等の負荷が接続される。
ケーシング32は、端板であるエンドプレート30a、30bと、積層体24の側部に配置される複数の側板74a〜74dと、前記側板74a〜74dの互いに近接する端部同士をねじ75を介して連結するアングル部材76と、前記エンドプレート30a、30bと前記側板74a〜74dとを連結するヒンジ機構78とを備える。
側板74a〜74dは、薄板金属製プレートで構成されるとともに、図2に示すように、前記側板74aは、車両上下方向(矢印C方向)に2分割されて互いに離間して配置される第1側板部80a及び第2側板部80bを有する。図3に示すように、側板74cは、同様に車両上下方向(矢印C方向)に2分割されて互いに離間して配置される第1側板部82a及び第2側板部82bを有する。
ヒンジ機構78は、エンドプレート30a、30bに設けられる第1ヒンジ部84a、84bと、側板74a〜74dに設けられる第2ヒンジ部86と、前記第1ヒンジ部84a、84bと第2ヒンジ部86とが交互に配置された状態で挿入される連結ピン88a、88bとを備える。
図2に示すように、エンドプレート30aの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔46aに連通する酸化剤ガス入口マニホールド90aと、燃料ガス供給連通孔48aに連通する燃料ガス入口マニホールド92aとが設けられる。エンドプレート30aの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔46bに連通する酸化剤ガス出口マニホールド90bと、燃料ガス排出連通孔48bに連通する燃料ガス出口マニホールド92bとが設けられる。
図3に示すように、エンドプレート30bには、矢印C方向に延在してそれぞれ冷却媒体供給連通孔50aに連通する冷却媒体入口マニホールド93aと、冷却媒体排出連通孔50bに連通する冷却媒体出口マニホールド93bとが設けられる。
図2及び図5に示すように、所定数のセル電圧端子68a毎に、コネクタ(保護部材)94が装着される。コネクタ94は、各セル電圧端子68aに接続される接続端子部96を備え、前記接続端子部96は、ケーブル(ハーネス)98の一端にはんだ部100を介して連結される(図5参照)。コネクタ94のケーシング32の外部に露出する端部には、平板部材102が設けられる。
平板部材102には、一側面(側板74a)から見て(図5中、矢印F)、第1側板部80aの一部と重なり合う平板部102aと、第2側板部80bの一部と重なり合う平板部102bとが設けられる。なお、平板部102a、102bの少なくともいずれか、例えば、前記平板部102aのみを用いるだけでもよい。
図3及び図6に示すように、所定数のセル電圧端子68b毎に、コネクタ型の保護部材104が装着される。保護部材104のケーシング32の外部に露出する端部には、平板部材106が設けられる。平板部材106は、一側面(側板74c)から見て(図6中、矢印G)、第1側板部82aの一部と重なり合う平板部106aと、第2側板部82bの一部と重なり合う平板部106bとを有する。なお、平板部材106は、平板部106aのみを有してもよい。
側板74a、74cでは、上側の第1側板部80a、82aの剛性が、下側の第2側板部80b、82bの剛性よりも低く設定される。
このように構成される燃料電池スタック20の動作について、以下に説明する。
先ず、燃料電池スタック20では、図2に示すように、エンドプレート30aの酸化剤ガス入口マニホールド90aから酸化剤ガス供給連通孔46aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド92aから燃料ガス供給連通孔48aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
一方、図3に示すように、エンドプレート30bの冷却媒体入口マニホールド93aから冷却媒体供給連通孔50aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体24では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル22に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印A方向に供給される。
図4に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔46aから第2金属セパレータ44の酸化剤ガス流路62に導入され、電解質膜・電極構造体40のカソード側電極56に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔48aから第1金属セパレータ42の燃料ガス流路58に導入され、電解質膜・電極構造体40のアノード側電極54に沿って移動する。
従って、各電解質膜・電極構造体40では、カソード側電極56に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極54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56に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔46bに沿って流動した後、エンドプレート30aの酸化剤ガス出口マニホールド90bから外部に排出される。同様に、アノード側電極54に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔48bに沿って流動した後、エンドプレート30aの燃料ガス出口マニホールド92bから外部に排出される。
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔50aから第1及び第2金属セパレータ42、44間の冷却媒体流路60に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体40を冷却した後、冷却媒体排出連通孔50bを移動してエンドプレート30bの冷却媒体出口マニホールド93bから排出される。
この場合、第1の実施形態では、図3及び図6に示すように、側板74cが、第1側板部82aと第2側板部82bとに分割されるとともに、これらの間に配列されている複数のセル電圧端子68bには、保護部材104が装着されている。
そして、保護部材104は、第1及び第2側板部82a、82bを通ってケーシング32の外部に露出する端部に、平板部材106が設けられている。この平板部材106は、側板74cから見て、第1側板部82aの一部と重なり合う平板部106aと、第2側板部82bの一部と重なり合う平板部106bとを有している。
ここで、燃料電池スタック20に、積層方向に外部荷重が付与されると、図7に示すように、ケーシング32の強度の低い部分である第1及び第2側板部82a、82bの各開口側端部は、外方に向かって変形しようとする。その際、第1及び第2側板部82a、82bの開口側端部は、平板部材106の平板部106a、106bに当接して保持され、それぞれの変形が抑制される。
これにより、燃料電池スタック20に積層方向に外部荷重が付与された際に、簡単な構成で、分割された第1及び第2側板部82a、82bが変形することを良好に抑制することができるとともに、ケーシング32内に異物が混入することを阻止することが可能になるという効果が得られる。
しかも、第1及び第2側板部82a、82bの変形が抑制されるため、ケーシング32全体の変形も、一層確実に抑制することができる。
さらに、上側の第1側板部82aの剛性は、下側の第2側板部82bの剛性よりも低く設定されている。従って、燃料電池スタック20が外部荷重を受けた際に、上側の第1側板部82aが先に変形し、この第1側板部82aの変形作用下に、下側の第2側板部82bの変形を抑制することが可能になる。これにより、比較的異物が入り込み易い下側の第2側板部82bと積層体24との隙間が拡大することを、有効に阻止することができ、前記隙間からの異物の混入が可及的に防止される。
一方、側板74aは、同様に、第1及び第2側板部80a、80bに分割されるとともに、これらの間には、セル電圧端子68aに装着されたコネクタ94が配列されている。そして、コネクタ94のケーシング32の外部に露出する端部には、平板部材102が設けられている。平板部材102は、第1側板部80aの一部と重なり合う平板部102aと、第2側板部80bの一部と重なり合う平板部102bとを有しており、上記の平板部材106と同様の効果が得られる。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池車両を構成する燃料電池スタック110の概略斜視説明図である。
なお、第1の実施形態に係る燃料電池車両10を構成する燃料電池スタック20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110は、単一の保護部材112を備え、この保護部材112は、矢印A方向に延在して各セル電圧端子68bに一体的に装着される。保護部材112は、矢印A方向に長尺に構成されるとともに、上下両側面には、ケーシング32の外部に露出し、第1側板部82aの一部に重なり合う平板部114aと、第2側板部82bの一部に重なり合う平板部114bとが、それぞれ所定の数だけ設けられる。
なお、平板部114a、114bは、矢印A方向に長尺な1枚の板状物で構成してもよい。また、図示しないが、車両制御用のセル電圧端子68a側にも同様に、矢印A方向に長尺な単一のコネクタを一体に装着してもよい。
このように構成される第2の実施形態では、保護部材112には、第1側板部82aの一部に重なり合う平板部114aと、第2側板部82bの一部に重なり合う平板部114bとが設けられている。従って、燃料電池スタック110に積層方向に外部荷重が付与された際に、第1及び第2側板部82a、82bの変形が、平板部114a、114bにより良好に抑制される等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、第2の実施形態では、矢印A方向に配列されている複数の単位セル22に設けられている車両点検用の複数のセル電圧端子68bが、単一の保護部材112に一体的に装着されている。このため、保護部材112により、積層されている複数の単位セル22全体を、互いに位置決め保持することができ、前記単位セル22の位置ずれを可及的に阻止することが可能になるという利点が得られる。
なお、第1及び第2の実施形態では、燃料電池スタック20、110は、車室16内のセンターコンソール14に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池車両10の前部(ボンネット部)やこの燃料電池車両10の床下部等にも収容することができる。
10…燃料電池車両 14…センターコンソール
20、110…燃料電池スタック 22…単位セル
24…積層体 30a、30b…エンドプレート
32…ケーシング 40…電解質膜・電極構造体
42、44…金属セパレータ 52…固体高分子電解質膜
54…アノード側電極 56…カソード側電極
58…燃料ガス流路 60…冷却媒体流路
62…酸化剤ガス流路 68a、68b…セル電圧端子
74a〜74d…側板 80a、80b、82a、82b…側板部
94…コネクタ 102、106…平板部材
102a、102b、106a、106b、114a、114b…平板部
104、112…保護部

Claims (7)

  1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、車両の前後方向に複数積層されるとともに、少なくとも一側面には、複数のセル電圧端子が前記単位セルの積層方向に沿って配列される燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの前記積層方向両端に配置される端板、及び前記燃料電池スタックの側面に沿って前記積層方向に延在し、前記端板間に固定される側板を有する筐体と、
    を備える燃料電池車両であって、
    前記セル電圧端子を保護する保護部材を設け、
    前記側板は、前記セル電圧端子を外部に露呈させるために第1及び第2側板部に分割される一方、
    前記保護部材は、分割された前記第1及び第2側板部間を通って前記筐体外部に露出する端部に、前記一側面から見て、少なくとも前記第1側板部の一部と重なり合う平板部が設けられることを特徴とする燃料電池車両。
  2. 請求項1記載の燃料電池車両において、前記平板部は、前記一側面から見て、分割された前記第1及び第2側板部のそれぞれの一部と重なり合うことを特徴とする燃料電池車両。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池車両において、前記一側面は、前記燃料電池車両の左右いずれかに対応する面であるとともに、
    前記側板は、車両上下方向に前記第1及び第2側板部に分割され、上側の前記第1側板部の剛性は、下側の前記第2側板部の剛性よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池車両。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池車両において、前記保護部材が装着される前記セル電圧端子は、車両点検時に使用されることを特徴とする燃料電池車両。
  5. 請求項4記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、前記一側面に前記車両点検時に使用される前記セル電圧端子が設けられるとともに、
    他側面に車両制御用のセル電圧端子が設けられることを特徴とする燃料電池車両。
  6. 請求項5記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、前記車両点検時に使用される前記セル電圧端子が設けられる単位セルと、前記車両制御用の前記セル電圧端子が設けられる単位セルとが、交互に積層されることを特徴とする燃料電池車両。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池車両において、前記保護部材は、複数の前記セル電圧端子に一体に接続されて前記積層方向に延在して設けられることを特徴とする燃料電池車両。
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