JP5474606B2 - 車載用燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される車載用燃料電池スタックに関する。
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配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数(例えば、数百)の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。
この場合、上記の燃料ガス流路内には、凝縮水が発生するとともに、上記の酸化剤ガス流路内には、反応による生成水が発生し、それぞれの流路内に滞留水が惹起し易い。このため、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路が滞留水によって閉塞され、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池は、図7に示すように、セパレータ1a、1bを備えている。セパレータ1a、1bの四隅には、燃料ガス供給口2a、酸化剤ガス供給口3a、燃料ガス排出口2b及び酸化剤ガス排出口3bが積層方向に貫通して設けられている。
セパレータ1aには、水平方向に延在する複数本の燃料ガス流路4が形成されるとともに、セパレータ1bには、水平方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路5が形成されている。燃料ガス流路4及び酸化剤ガス流路5は、水平方向に又は下流側にいく程、下方に傾斜するように形成されている。
これにより、燃料ガス流路4及び酸化剤ガス流路5では、水が重力によって低位の部分に流れ、水排出性がよく、前記燃料ガス流路4及び前記酸化剤ガス流路5の全域が水で覆われることがない、としている。
特開2002−184428号公報
上記の特許文献1では、燃料ガス流路4及び酸化剤ガス流路5が、水平方向に又は下流側にいく程、下方に傾斜するように形成されている。このため、セパレータ1a、1bの製造コストが高騰するとともに、構成が複雑化するという問題がある。
しかも、特に、燃料ガス流路4では、燃料ガスとして純水素を用いる場合、燃料ガス供給口2a側に連通する供給路と、燃料ガス排出口2b側に連通する排出路とが、エゼクタにより連結されて燃料ガスの循環供給を行う構成が採用されている。この種のシステムでは、循環される燃料ガスの流量が少ないため、燃料ガス流路4を相当に大きく傾斜させないと、前記燃料ガス流路4に凝縮水が滞留し易い。
従って、MEAの両側では、燃料ガス流路4の流れ方向と酸化剤ガス流路5の流れ方向との交差角度が大きくなってしまう。これにより、有効発電面積が減少し、燃料電池の発電効率が低下するという問題がある。
また、水素を強制的に循環させるポンプを設けたシステムでは、ポンプの能力を上げることにより対応することも考えられる。しかしながら、水素ガスの密度が小さいため、ポンプの負荷が著しく高くなり、効率が大幅に低下す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、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の燃料ガス流路から滞留水を容易且つ確実に排出させることが可能な車載用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、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを直線状に流通させる燃料ガス流路が形成され、且つ他方の電極と他方のセパレータとの間には、電極面に沿って酸化剤ガスを直線状に流通させる酸化剤ガス流路が形成されるとともに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される車載用燃料電池スタックに関するものである。
燃料電池は、電極面を水平方向に沿って鉛直方向に積層されるとともに、直線状の燃料ガス流路が車両の前後方向に沿って配置され、且つ、燃料ガスは、前記車両の前後方向前方から後方に向かって前記燃料ガス流路を流通している。
さらにまた、燃料電池スタックは、車両のフロントボックス内に搭載されることが好ましい。
なお、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、燃料ガス及び酸化剤ガスを概ね直線状に流通させるものであればよく、例えば、波形状も含む。
本発明によれば、燃料ガスは、車両の前後方向(以下、進行方向ともいう)前方から後方に向かって直線状の燃料ガス流路を流通する。このため、車両が加速する際に、加速度によって燃料ガス流路内に存在する凝縮水の排水が促進され、良好な排水処理が確実に遂行される。
しかも、加速時には、モータへの電力供給の必要性から、燃料電池での発電量が急激に増加されるため、多量の生成水が発生する。酸化剤ガス流路側で発生した生成水は、固体高分子電解質膜を介して燃料ガス流路にも流出する。その際、燃料ガス流路から確実に排水されるため、安定的な発電が遂行され、車両の加速性能の低下や効率の低下、さらに固体高分子電解質膜や電極への損傷を有効に阻止することができる。
一方、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの流量は、燃料ガス流路を流通する燃料ガスの流量よりも多く且つガスの粘度及び密度が高いため、前記酸化剤ガス流路の両端(入口側と出口側)の圧力差が大きくなっている。しかも、加速時には、モータへの電力供給の必要性から、酸化剤ガス流量が増大されるため、酸化剤ガス流路の流れ方向が、車両の進行方向後方から前方に向かっていても、圧力差を利用して前記酸化剤ガス流路内の生成水は、入口側から出口側に円滑且つ確実に排水される。このため、酸化剤ガス流路に滞留水が存在することがなく、酸化剤ガスのストイキを維持して良好な発電が遂行される。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池自動車の概略説明図である。 前記燃料電池スタックの概略構成説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 本発明に関連する燃料電池スタックが搭載される燃料電池自動車の概略説明図である。 前記燃料電池スタックの概略構成説明図である。 前記燃料電池スタックが搭載される他の燃料電池自動車の概略説明図である。 特許文献1に開示されている燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
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スタック10は、燃料電池自動車12に組み込まれる。
燃料電池スタック10は、取り付け部16を介して燃料電池自動車12のフロントボックス18内に収容される。燃料電池スタック10は、複数の燃料電池20が電極面を水平方向(矢印B方向)に沿って鉛直方向(矢印A方向)に積層される。各燃料電池20は、電極面が水平方向に対して平行に配置される。
図2に示すように、燃料電池スタック10は、燃料電池20の積層方向下端に、ターミナルプレート22a、絶縁プレート24a及びエンドプレート26aが配設される。燃料電池20の積層方向上端に、ターミナルプレート22b、絶縁プレート24b及びエンドプレート26bが配設される。
エンドプレート26a、26bには、複数本の連結バー28の両端が固定されており、前記エンドプレート26a、26b間に所定の締め付け荷重が付与される。
図3に示すように、燃料電池20は、電解質膜・電極構造体(MEA)30が、第1及び第2金属セパレータ32、34に挟持される。第1及び第2金属セパレータ32、34は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。
第1及び第2金属セパレータ32、34は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代えて、例えば、第1及び第2カーボンセパレータ(図示せず)を採用してもよい。
燃料電池20の矢印B方向の一端縁部には、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36aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔38bとが設けられる。
燃料電池20の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔38aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔36bとが設けられる。
燃料電池20の矢印C方向両端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔40aと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔40bとが設けられる。
第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとに連通する酸化剤ガス流路42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、矢印B方向に延在する複数本の波形状流路溝42aを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部43a及び出口バッファ部43bが設けられる。
第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに連通する燃料ガス流路44が設けられる。燃料ガス流路44は、矢印B方向に延在する複数本の波形状流路溝42aを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部45a及び出口バッファ部45bが設けられる。直線状の燃料ガス流路44は、燃料電池自動車12の進行方向(矢印B2方向)に沿って配置されるとともに、燃料ガスは、前記燃料電池自動車12の進行方向前方から後方に向かって(矢印B1方向)、前記燃料ガス流路44を流通するように設定される。
燃料ガス流路44と酸化剤ガス流路42とは、それぞれの流れ方向が逆方向に設定される、所謂、対向流を構成する。なお、波形状流路溝42a、44aに代えて、直線流路溝を採用してもよい。
互いに隣接する燃料電池20を構成する第1金属セパレータ32の面32bと、第2金属セパレータ34の面34bとの間には、冷却媒体入口連通孔40aと冷却媒体出口連通孔40bとを連通する冷却媒体流路46が設けられる。冷却媒体流路46は、酸化剤ガス流路42の裏面形状と燃料ガス流路44の裏面形状とが重なり合って構成される。
第1金属セパレータ32の面32a、32bには、第1シール部材48が、一体的又は個別に設けられるとともに、第2金属セパレータ34の面34a、34bには、第2シール部材50が、一体的に又は個別に設けられる。
第1及び第2シール部材48、50は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
電解質膜・電極構造体30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を挟持するカソード側電極54及びアノード側電極56とを備える。
カソード側電極54及びアノード側電極56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52の両面に形成されている。
図2に示すように、エンドプレート26aには、配管マニホールド部60が装着される。この配管マニホールド部60は、酸化剤ガス入口連通孔36a、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体入口連通孔40a、酸化剤ガス出口連通孔36b、燃料ガス出口連通孔38b及び冷却媒体出口連通孔40bに、それぞれ連通する複数の独立したマニホールド部材を備える。なお、図2では、各マニホールド部材の詳細な記載は、省略している。
燃料電池スタック10には、酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給装置62と、燃料ガスである水素ガスを供給するための水素供給装置64と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置66とが接続される。
空気供給装置62は、エアポンプ68を備え、このエアポンプ68が接続される空気供給路70は、加湿器72を介装して燃料電池スタック10の酸化剤ガス入口連通孔36aに連通する。
空気供給装置62は、燃料電池スタック10の酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する空気排出路74を有するとともに、前記空気排出路74は、加湿器72を介装して車外に延在する。加湿器72は、空気排出路74に排出される使用済みの加湿空気と、空気供給路70に導入される新たな空気との間で、水交換を行うことにより、この新たな空気を加湿する。
水素供給装置64は、高圧水素を貯留する水素タンク76を備え、この水素タンク76が水素供給路78に配置される。水素供給路78は、燃料電池スタック10の燃料ガス入口連通孔38aに連通するとともに、減圧弁80及びエゼクタ82を配設する。エゼクタ82の吸引口には、水素排出路84が連通するとともに、前記水素排出路84は、気液分離器86を介装して燃料電池スタック10の燃料ガス出口連通孔38bに連通する。
冷却媒体供給装置66は、ラジエータ88を備える。ラジエータ88には、冷却媒体循環路90が接続され、前記冷却媒体循環路90は、燃料電池スタック10の冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bに両端が接続される。この冷却媒体循環路90には、冷媒ポンプ92が介装される。
図1に示すように、燃料電池自動車12内では、フロントボックス18内に、燃料電池スタック10の他、ラジエータ88、エアポンプ68、各種補機(加湿器72等を含む)111、走行用モータ112及びエアコン114等が配設される。走行用モータ112は、燃料電池スタック10から出力される電力によって駆動される。
燃料電池自動車12の後部側には、水素タンク76が配置されるとともに、この水素タンク76の前方には、バッテリ116が配置される。バッテリ116は、補機111、エアコン114の他、走行用モータ112に電力を供給可能であるとともに、燃料電池スタック10からの電力により充電される。
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、燃料電池自動車12の図示しないイグニッションスイッチがオンされると、バッテリ116から補機111等に電力が供給され、燃料電池スタック10の運転が開始される。
図2に示すように、空気供給装置62では、エアポンプ68の駆動作用下に空気供給路70に導出された圧縮空気は、加湿器72で加湿された後、燃料電池スタック10の酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。
水素供給装置64では、水素タンク76に貯留されている高圧水素が、減圧弁80を介して減圧されて水素供給路78に送られる。燃料ガス(水素ガス)は、エゼクタ82のノズル部から噴出されるとともに、後述する使用済みの燃料ガスを吸引して、燃料電池スタック10の燃料ガス入口連通孔38aに供給される。
一方、冷却媒体供給装置66では、冷媒ポンプ92の作用下に、冷却媒体循環路90から燃料電池スタック10の冷却媒体入口連通孔40aに冷却媒体が供給される。
このため、図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔36aから第1金属セパレータ32の酸化剤ガス流路42に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路42に沿って矢印B2方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体30を構成するカソード側電極54に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第2金属セパレータ34の燃料ガス流路44に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路44に沿って矢印B1方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体30を構成するアノード側電極56に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極54に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極56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54に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔36bに沿って矢印A方向に移動し、空気排出路74に排出される(図2参照)。この酸化剤ガスは、加湿器72で新たな酸化剤ガスを加湿した後、車外に排出される。
一方、アノード側電極56に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔38bに沿って矢印A方向に移動し、水素排出路84に排出される(図2参照)。この燃料ガスは、エゼクタ82の吸引作用下に、新たな燃料ガスに混在して水素供給路78に導入され、燃料ガスとして燃料電池スタック10に供給される。
また、冷却媒体入口連通孔40aに供給された冷却媒体(純水やエチレングリコール、オイル等)は、図3に示すように、第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路46に導入され、矢印C方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体出口連通孔40bに排出される。冷却媒体は、図2に示すように、冷却媒体循環路90に戻されてラジエータ88で冷却された後、燃料電池スタック10に循環供給される。
この場合、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10では、図1及び図2に示すように、直線状の燃料ガス流路44が、燃料電池自動車12の進行方向(矢印B2方向)に沿って配置されるとともに、燃料ガスは、前記燃料電池自動車12の進行方向前方から後方に向かって(矢印B1方向)、前記燃料ガス流路44を流通するように設定されている。
このため、燃料電池自動車12が加速する際、図1に示すように、燃料電池スタック10には、矢印B1方向に向かう加速度(G)が作用する。従って、燃料電池スタック10内の燃料ガス流路44では、加速度(G)によってこの燃料ガス流路44内に存在する凝縮水の排水が促進される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、良好な排水処理が遂行されるという効果が得られる。
しかも、燃料電池自動車12の加速時には、走行用モータ112への電力供給の必要性から、燃料電池20での発電量が急激に増加されるため、多量の生成水が発生する。酸化剤ガス流路42側で発生した生成水は、固体高分子電解質膜52を介して燃料ガス流路44にも流出する。その際、燃料ガス流路44から確実に排水されるため、安定的な発電が遂行され、燃料電池自動車12の加速性能の低下や効率の低下、さらに固体高分子電解質膜52やカソード側電極54及びアノード側電極56への損傷を有効に阻止することができる。
また、燃料電池自動車12の加速時には、発電量が急激に増加して水素供給装置64内を循環する流量が増加する。これにより、気液分離器86内での気液分離が不十分になり、燃料ガス入口連通孔38aから各燃料ガス流路44に液状水が導入され易い。
その際、燃料ガス流路44には、燃料ガスの流れ方向に加速度(G)が作用するため、前記燃料ガス流路44に導入された液状水は、容易且つ確実に燃料ガス出口連通孔38bに排出され、安定した発電が遂行可能になる。
一方、酸化剤ガス流路42では、酸化剤ガスが、燃料電池自動車12の進行方向後方から前方に向かって(矢印B2方向)、流通している。ここで、酸化剤ガス流路42に流通される酸化剤ガスの流量は、燃料ガス流路44に流通される燃料ガスの流量に比べて多量となり、且つガスの粘度及び密度が高いため、前記酸化剤ガス流路42の流路両端の圧力差が大きくなっている。
しかも、加速時には、走行用モータ112への電力供給の必要性から、酸化剤ガス流量が増大されるため、酸化剤ガス流路42の流れ方向が、燃料電池自動車12の進行方向後方から前方に向かっていても、圧力差を利用して前記酸化剤ガス流路42内の生成水は、入口側(酸化剤ガス入口連通孔36a側)から出口側(酸化剤ガス出口連通孔36b側)に円滑且つ確実に排水される。このため、酸化剤ガス流路に滞留水が存在することがなく、酸化剤ガスのストイキを維持して良好な発電が遂行される。
その上、燃料ガス流路44の燃料ガス流れ方向と、酸化剤ガス流路42の酸化剤ガス流れ方向とは、対向流(逆方向)に設定されている。従って、酸化剤ガス及び燃料ガスは、共に加湿不足になり易い入口側が、固体高分子電解質膜52を挟んで凝縮水の豊富な対極の出口側が存在することで、良好に加湿状態が維持される。これにより、空気供給装置62では、加湿器72を廃止又は小型化できるという効果がある。
図4は、本発明に関連する燃料電池スタック120が組み込まれる燃料電池自動車12の概略説明図である。
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120は、複数の燃料電池20が、電極面を鉛直方向(矢印A方向)に沿って水平方向(車幅方向)に積層される(図4及び図5参照)。酸化剤ガス流路42と燃料電池20とは、対向流を構成する。燃料ガス流路44は、燃料電池自動車12の進行方向(矢印B2方向)に沿って配置されるとともに、燃料ガスは、前記燃料電池自動車12の進行方向前方から後方に向かって(矢印B1方向)、前記燃料ガス流路44を流通するように設定されている。
これにより、燃料電池スタック120では、燃料電池自動車12が加速する際、燃料ガス流路44では、矢印B1方向に向かう加速度(G)の作用下に、この燃料ガス流路44内に存在する凝縮水の排水が促進される。従って、良好な排水処理が遂行される等の効果が得られる。
図6は、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10及び/又は燃料電池スタック120が収容される燃料電池自動車12aの概略説明図である。
燃料電池自動車12aは、キャビン(車室)130内にセンタートンネル132を有し、このセンタートンネル132内に燃料電池スタック10(120)が配置される。
このため、燃料電池自動車12aでは、フロントボックス18内に、他の設備を容易に収容することができるとともに、センタートンネル132内のスペースの有効利用が図られるという利点がある。
10、120…燃料電池スタック 12、12a…燃料電池自動車
16…取り付け部 18…フロントボックス
20…燃料電池 30…電解質膜・電極構造体
32、34…セパレータ 36a…酸化剤ガス入口連通孔
36b…酸化剤ガス出口連通孔 38a…燃料ガス入口連通孔
38b…燃料ガス出口連通孔 40a…冷却媒体入口連通孔
40b…冷却媒体出口連通孔 42…酸化剤ガス流路
44…燃料ガス流路 46…冷却媒体流路
52…固体高分子電解質膜 54…カソード側電極
56…アノード側電極 60…配管マニホールド部
62…空気供給装置 64…水素供給装置
66…冷却媒体供給装置 68…エアポンプ
72…加湿器 82…エゼクタ
88…ラジエータ 112…走行用モータ
116…バッテリ 130…キャビン
132…センタートンネル

Claims (2)

  1. 固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを直線状に流通させる燃料ガス流路が形成され、且つ他方の電極と他方のセパレータとの間には、電極面に沿って酸化剤ガスを直線状に流通させる酸化剤ガス流路が形成されるとともに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される車載用燃料電池スタックであって、
    前記燃料電池は、前記電極面を水平方向に沿って鉛直方向に積層されるとともに、
    直線状の前記燃料ガス流路が車両の前後方向に沿って配置され、且つ、前記燃料ガスは、前記車両の前後方向前方から後方に向かって前記燃料ガス流路を流通することを特徴とする車載用燃料電池スタック。
  2. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、前記車両のフロントボックス内に搭載されることを特徴とする車載用燃料電池スタック。
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