JP6328640B2 - 燃料電池スタックへの余分の冷却流体の供給 - Google Patents

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Description

本発明は、スタック構造に配置された電気化学燃料電池に関し、とくにはそのような燃料電池スタックのための冷却システムに関する。
伝統的な電気化学燃料電池は、通常はどちらも気体の流れの形態である燃料および酸化剤を、電気エネルギおよび反応生成物へと変換する。水素と酸素とを反応させる一般的な形式の電気化学燃料電池は、膜−電極アセンブリ(MEA)内にプロトン交換膜(PEM)としても知られるポリマーイオン移動膜を備えており、燃料および空気が、膜のそれぞれの面に通される。プロトン(すなわち、水素イオン)が、膜を通って導かれ、燃料電池の陽極と陰極とを接続する回路を通って導かれる電子によって釣り合わせられる。利用可能な電圧を高めるために、いくつかのMEAを電気的に直列に配置して備えるスタックが形成される。各々のMEAに、別個の陽極および陰極の流体の流路が設けられる。陽極および陰極の流体の流路が、膜へと燃料および酸化剤をそれぞれ届ける。燃料電池スタックは、典型的には、多数の個々の燃料電池プレートをスタックのそれぞれの端部の端部プレートによって一体に保持して備えるブロックの形態である。
燃料および酸化剤の反応によって熱および電力が生み出されるため、燃料電池スタックは、ひとたび運転温度に達したならば、燃料電池の損傷を回避するために冷却を必要とする。冷却を、少なくとも部分的には、水をスタック内の個々のセルへと陽極の流体の流路(陽極を水和させるように機能する)および/または反応水と合流する陰極の流体の流路のいずれかにて届けることによって達成できる。いずれの場合も、燃料電池の蒸発冷却が生じうる。
典型的な配置においては、冷却水が、燃料電池スタックの片側を下方へと延びる1つ以上の共通のマニホールドから陽極または陰極の流体の流路へと注入される。潜在的な問題が、そのようなマニホールドにおける水の流量から生じる。水を、入口マニホールドの一端の導入口へと送り、そこからスタック内の個々のセルへと供給することができる。これは、マニホールドにおける水の流量が導入口から遠ざかるにつれて減少することにつながる。例えば、100個のセルからなるスタックが、スタックの一端に100ml/分の流れがもたらされることを必要とする場合、第1のセルにおけるマニホールド内の流量は、100ml/分になると考えられ、50番目のセルの後のマニホールド内の流量は、約50ml/分になる可能性があり、最後のセルにおけるマニホールド内の流量は、わずか1ml/分になる可能性がある。例えば1ml/分など、マニホールド内のそのようなきわめて少ない流れは、燃料電池スタックの信頼性の問題につながる可能性がある。よどんだ流れまたはほぼよどんだ流れの領域において、とくには脱イオン水が使用される場合の腐食の恐れの増大および細菌の集中の恐れの増大に起因して、問題が生じる可能性がある。
高級な脱イオン水(例えば、18MΩ)が冷却流体として使用される場合、水の導電性に起因する各セルの間の電圧差は、スタックにおける腐食を深刻にすることがないように充分に低いと考えることができる。しかしながら、燃料電池スタックが、脱イオン水を燃料電池スタックの冷却剤出口から回収して燃料電池スタックへと再び導入できるように設置される場合、水の導電性が、大気から吸収されるCOならびに燃料電池膜および燃料電池スタック内の金属部品から流出するイオンならびに不純物または汚染物質などのいくつかの要因に起因して、高くなる可能性が大きい。したがって、注入された水を横切る電圧差が大きくなり、結果としてセルの腐食がより生じやすい環境がもたらされる。冷却水の導入口から最も遠い燃料電池スタックの端部において、入口マニホールド内の冷却水の流量が最小になる可能性が高く、冷却水からのイオンの付着物が形成され、燃料電池スタック内のフロープレートなどの金属部品を攻撃/浸食する可能性がより高い。
本発明の目的は、上述の問題のうちの1つ以上への技術的解決策を提供することにある。本発明の目的は、燃料電池スタックの冷却剤分配マニホールドにおいて冷却剤の流れがきわめて少ないことから生じうる問題を、軽減または解消することにある。本発明の目的は、燃料電池スタックにおいて適切な冷却剤の流れの水準を維持するための技術的解決策を提供することにある。
一態様によれば、本発明は、
各々が流体冷却剤導管を有している複数の燃料電池と、
冷却剤導入口を有している冷却剤供給入口マニホールドと
を備えており、
冷却剤供給入口マニホールドは、各々の燃料電池へと冷却剤を分配するために各々の流体冷却剤導管へと接続され、
冷却剤供給入口マニホールドは、冷却剤供給入口マニホールドの一端に位置する排出導管をさらに備え、排出導管は、冷却剤供給入口マニホールドから余分の冷却剤を排出するように構成されている燃料電池スタックアセンブリを提供する。
排出導管は、燃料電池スタックの一端に配置されてスタックを横切って延びている追加のプレートを備えることができる。追加のプレートは、ヒータ板、集電板、または絶縁板を備えることができる。排出導管は、冷却剤供給入口マニホールドから排出導管への冷却剤の流量が所定の流量の範囲内となるように、冷却剤供給入口マニホールドと比べて流れのインピーダンスが大きい導管を備えることができる。第2の排出導管が、冷却剤供給入口マニホールドの第1の排出導管とは反対側の端部に位置することができる。第2の排出導管は、燃料電池スタックの他端に配置されてスタックを横切って延びている追加のプレートを備えることができる。追加のプレートは、ヒータ板、集電板、または絶縁板を備えることができる。排出導管は、冷却剤供給入口マニホールドへと冷却剤を再び循環させるための冷却剤導入口へと接続された再循環経路を備えることができる。燃料電池スタックアセンブリは、再循環経路を通過する冷却剤の抵抗率を明らかにするように構成された冷却剤抵抗率監視装置を備えることができる。排出導管を、外部の冷却剤溜めまたはタンクへと接続することができる。冷却剤供給入口マニホールドから排出導管への冷却流体の流れを制御するように構成された流量制御アセンブリを、排出導管へと接続することができる。流量制御アセンブリは、可変の流量制限装置を備えることができる。燃料電池スタックの排出導管を有する端部は、燃料電池スタックの電気的に正の端部であってよい。出口マニホールドを、各々の燃料電池から冷却剤を受け取るために複数の燃料電池の各々の流体冷却剤導管へと接続することができる。排出導管は、出口マニホールドの一部であってよい。
次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、あくまでも例として説明する。
冷却剤供給入口マニホールドおよび排出出口を備える燃料電池スタックの概略の側面図である。 冷却剤供給入口マニホールドおよび排出出口を備える別の燃料電池スタックの概略の側面図である。 冷却剤供給入口マニホールドおよび2つの排出出口を備える燃料電池スタックの概略の側面図である。 冷却剤供給入口マニホールドおよび2つの排出出口を備える別の燃料電池スタックの概略の側面図である。 冷却剤の供給を冷却剤供給入口マニホールドへと再び循環させるように接続された図2の燃料電池スタックの概略図である。 排出される冷却剤をタンクへと通すように接続された図2の燃料電池スタックの概略図である。 可変の流量コントローラを備える図1の燃料電池スタックの概略図である。 可変の流量コントローラを備える図2の燃料電池スタックの概略図である。
後述される種々の実施形態は、冷却剤供給入口マニホールドへと注入される余分の冷却剤を供給する。冷却剤は、水であってよく、好ましくは脱イオン水であってよい。注入される冷却剤の一部は、燃料電池スタック内の燃料電池の流体冷却剤導管へと渡される。余分の冷却剤と称される他の部分は、燃料電池を通過することなく排出導管によって冷却剤供給入口マニホールドを出る。冷却剤導入口を介して冷却剤供給入口マニホールドへと余分の冷却剤を供給することによって、導入口から最も遠いマニホールドの端部における冷却剤の流れは、マニホールドにおけるきわめて少ない冷却剤の流量またはよどんだ冷却剤に起因して生じる問題を、回避または軽減するために充分である。
本明細書に記載の実施形態は、冷却剤のよどみの問題を軽減するために必要な流量を達成するために、必ずしも追加の弁、ポンプ、および/またはコントローラの使用を必要としない。したがって、本発明は、弁などの追加の構成部品の導入についての資材調達の考慮、余分な工作、保守の考慮、およびコストの増加を伴うことなく、改善された燃料電池スタックアセンブリを好都合に提供する。しかしながら、本発明は、燃料電池への冷却流体/燃料電池からの冷却流体のさらなる制御に必要であれば、そのような弁を備えることを許容する。
さらに、本明細書に記載の実施形態は、燃料電池スタックの他の設計変種と容易に組み合わせることができる少ない冷却剤の流量および冷却剤のよどみの問題に対する技術的解決策を提供することで、求められる特定の条件への適応のための柔軟性を有するモジュール式の燃料電池システムに貢献する。
図1が、燃料電池スタック10の概略の側面図を示している。スタック10は、複数の燃料電池11を備えており、その各々が、膜−電極アセンブリの陽極表面へと燃料をもたらすための陽極の流体の流路と、膜−電極アセンブリの陰極表面へと酸化剤をもたらすための陰極の流体流路とを有している。燃料電池は、公知のやり方で端部プレート12、13によってスタックの配置に保持されている。陽極の流体の流路または陰極の流体の流路は、冷却剤供給入口マニホールド14による燃料電池スタックの蒸発冷却のための冷却剤の注入を備えており、冷却剤供給入口マニホールド14は、冷却剤供給入口マニホールド14の両端の冷却剤導入口15と排出導管16との間をスタック10の全長にわたって延びている。冷却剤供給入口マニホールド14を、冷却剤/水配送マニホールドまたはギャラリと称することもできる。
図1に矢印によって示されているとおり、冷却剤は、冷却剤導入口15からマニホールドへと流れ、次いで個々の燃料電池11の流体流路の各々へと流れる。好ましくは、冷却剤は、冷却剤供給入口マニホールド14と個々の燃料電池11内の流路との間のどこかの地点において燃料または酸化剤の流れと合流する。これらの流路は、燃料電池11の活性表面を横切って延びている。燃料および酸化剤を、公知の技術を使用し、個別の燃料マニホールドおよび個別の酸化剤マニホールドを使用して個々の燃料電池11へと導入することができる。いくつかの実施形態においては、未使用の燃料または酸化剤が、出口マニホールド17へと燃料電池を通過でき、いくつかの実施形態においては、出口マニホールド17から1つ以上の排出ポート/出口18、19へと通過することができる。出口マニホールド17は、すべての燃料が燃料電池11の活性表面において消費される場合に、とりわけ冷却剤の注入が燃料電池11の陽極側にはもたらされないならば、陽極の流体流路には必ずしも必要でないが、陽極の排出系統を定期的なパージのために設けてもよい。本明細書に記載の実施形態においては、出口マニホールド17が、少なくとも冷却剤を各々の燃料電池11から排出するために、複数の燃料電池11の各々の流体冷却剤導管へと接続されて示されている。
さらに図1には、余分の冷却剤20を燃料電池11の流体冷却剤導管に通すことなく冷却剤供給入口マニホールド14から出すための排出導管16が示されている。図1の排出導管16を、外部冷却剤ドレインと称することもできる。すなわち、図1は、各々が流体冷却剤導管を有している複数の燃料電池11と、冷却剤導入口15を有する冷却剤供給入口マニホールド14とを備える燃料電池スタックアセンブリ10を示している。冷却剤供給入口マニホールド14は、冷却剤を各々の燃料電池へと分配するために燃料電池11の各々の流体冷却剤導管へと接続されている。冷却剤供給入口マニホールド14は、冷却剤供給入口マニホールド14の一端に位置する排出導管16をさらに備えている。排出導管16は、余分の冷却剤20を冷却剤供給入口マニホールド14から排出するように構成されている。
排出導管16を、冷却剤供給入口マニホールド14の冷却剤導入口15とは反対側の端部に配置することによって、余分の冷却剤を冷却剤導入口15を介して燃料電池スタック10へと注入でき、マニホールドのうちの冷却剤導入口15から最も遠い部位において、必ずしも冷却剤の流量をきわめて少なくする必要がない。すでに述べた問題につながりかねない冷却剤の流れのよどみを回避または軽減すべく、たとえ冷却剤導入口15から最も遠い燃料電池スタック10の端部においてもマニホールドを通過する充分な流れが存在するように、冷却流体の流れを冷却剤導入口15において冷却剤供給入口マニホールド14へともたらすことができる。燃料電池11を通過することがない余分の冷却剤20は、排出導管16によって冷却剤供給入口マニホールド14を出る。
図2は、燃料電池スタックアセンブリ10を示しており、燃料電池スタックアセンブリ10は、各々が流体冷却剤導管を有している複数の燃料電池11と、スタックの一端に冷却剤導入口15を有している冷却剤供給入口マニホールド14とを備えている。冷却剤供給入口マニホールド14は、スタックの他端に位置する排出導管16を備えており、排出導管16は、余分の冷却剤20を冷却剤供給入口マニホールド14から排出するように構成されている。この例では、排出導管16が、冷却剤供給入口マニホールド14の冷却剤導入口15とは反対側の端部から、燃料電池の導管と平行に燃料電池スタック10を横切り、スタックの冷却剤供給入口マニホールド14とは反対側まで通過した後で、出口マニホールド17を通って出て行く。図2、4、5、6、および8に関して説明される実施形態においては、排出導管16が、出口マニホールド17の一部を形成するように図示されているが、必ずしもそのようである必要はなく、排出導管16は、出口マニホールド17とは別の経路によって燃料電池スタックから出てもよい。
図2によって代表されるいくつかの実施形態において、排出導管16は、燃料電池スタック10の端部に配置されて燃料電池に平行にスタックの全幅にわたって延びる追加のプレート21を備えることができ、あるいはそのようなプレート21内に形成されてよい。この追加のプレート21は、端部プレート13に隣接するヒータ板または集電板あるいは絶縁板であってよい。図2の排出導管16を、内部冷却剤ドレインと称することができる。排出導管16を、燃料電池スタックの冷却剤導入口15とは反対側から余分の冷却剤を通すことができるように、追加のプレート21の内部に形成することができる。排出導管16がヒータ板の内部に含まれる場合、排出導管16は、好ましくはヒータ板のうちの加熱素子を備える側とは反対側に位置することができる。排出導管16をヒータ板の内部に設けることは、冷間の起動および動作の際にヒータ板が排出導管16内に存在しうる微量の氷を除去して始動および動作の改善を可能にできるという追加の利点をもたらすことができる。
排出導管16は、冷却剤供給入口マニホールド14から排出導管16への冷却剤の流量が所定の流量の範囲内となるように背圧を生み出すために、(マニホールド14の寸法と比べて)所定の縮小された寸法の導管を備えることができる。排出導管16は、冷却剤供給入口マニホールド14に対して特定の寸法を有している配管であってよく、少なくとも一部分が蛇行または曲がりくねった形態であってよい。これにより、排出導管は、マニホールドと比べて冷却剤の流れに対して適切に高められたインピーダンスを呈し、マニホールドへの所望の流量および背圧を達成する。このようにして、燃料電池11における冷却剤の流れおよび冷却剤供給入口マニホールド14から出る余分の冷却剤の流れについて、流れのパラメータを制御することができる。
図3は、各々が流体冷却剤導管を有している複数の燃料電池11と、冷却剤供給入口マニホールド14とを備える燃料電池スタックアセンブリ10を示しており、冷却剤供給入口マニホールド14は、冷却剤供給入口マニホールド14の中央に向かって位置する冷却剤導入口15を有している。冷却剤供給入口マニホールド14は、この実施形態においては、冷却剤供給入口マニホールド14の一端に位置する第1の排出導管16と、冷却剤供給入口マニホールド14の他端に位置する第2の排出導管22とを備えている。排出導管16、22はどちらも、余分の冷却剤を冷却剤供給入口マニホールド14から排出するように構成されている。
図1および2の例が、冷却剤供給入口マニホールド14の一端に位置する冷却剤導入口15を示している一方で、図3の例は、冷却剤供給入口マニホールド14の中央に位置する冷却剤導入口15を示している。図3の実施形態は、冷却剤が冷却剤導入口15から最も遠い燃料電池(燃料電池スタックの両端の燃料電池)を含むスタック10内の各々の燃料電池へと、よどんだ冷却剤あるいは冷却剤導入口15から遠いマニホールドの端部におけるきわめて少ない冷却剤の流量に起因する問題を軽減するための充分に大きな流量にて流れることができるように、冷却剤供給入口マニホールド14へと余分の冷却剤の流れをもたらす。燃料電池11の流れの導管を通過しない余分の冷却剤20は、2つの排出導管16、22によって冷却剤供給入口マニホールド14を出る。さらに図3は、未使用の燃料または酸化剤を出口マニホールド17から出すための2つの排出ポート/出口18、19を示している。
図4は、各々が流体冷却剤導管を有している複数の燃料電池11と、冷却剤供給入口マニホールド14とを備える燃料電池スタックアセンブリ10を示しており、冷却剤供給入口マニホールド14は、図3と同様に、冷却剤供給入口マニホールド14の中央に向かって位置する冷却剤導入口15を有している。冷却剤供給入口マニホールド14は、この実施形態においては、冷却剤供給入口マニホールド14の一端に位置する第1の排出導管16と、冷却剤供給入口マニホールド14の他端に位置する第2の排出導管22とを備えている。第1の排出導管16および第2の排出導管22の両方は、燃料電池スタック10の端部に配置された追加のプレート21、23を備えている。追加のプレート21、23の各々は、それぞれの端部プレート12、13に隣接するヒータ板または集電板あるいは絶縁板であってよい。排出導管16、22は、余分の冷却剤を冷却剤供給入口マニホールド14から排出するように構成される。
図4の実施形態は、追加のプレート21、23がヒータ板として設けられる場合に、燃料電池スタック10をより複雑にすることなく燃料電池スタック10の冷間起動時に排出導管16、22内に存在しうる微量の氷を除去できるという図2の実施形態と同様の利点をもたらす。
所望であれば、燃料電池スタックを、冷却剤供給入口マニホールド14を直接出る図3に示されるとおりの第1の排出導管16と、図4に示されるように追加のプレート23の内部に含まれる第2の排出導管22とを有するように形成することができる。それぞれの端部の追加のプレート21、23は、異なる種類であってよい。冷却剤導入口15の位置は、必ずしも冷却剤供給入口マニホールドの中央でなくてもよく、所望であればマニホールド14に沿った途中に位置してもよい。
図5は、排出導管16が冷却剤を複数の燃料電池11へと再び循環させるために冷却剤導入口15へと接続された再循環経路24を備えている図2の燃料電池スタック10を示している。ポンプ(図示されていない)を、再循環経路24に設けることができる。図5に示されるとおり、冷却剤抵抗率監視装置25を、再循環経路24を通過する冷却剤の抵抗率を割り出すために設けることができる。冷却流体の再循環によって、冷却流体の消耗が少なくなる。冷却流体の抵抗率を監視することによって、冷却剤の交換または部分的交換の時期を決定することができる。例えば、脱イオン水についての特定の値を下回る抵抗率の値を、再循環水の交換または再循環水の希釈を制御するために使用することができる。典型的な最小値は、例えば0.1MOhm.cmであってよい。抵抗率監視装置25の位置は、再循環の冷却剤の経路に沿った任意の場所であってよく、したがって例えば冷却剤導入口15、再循環経路24、または燃料電池スタック10の内部の排出導管16に位置することができる。所望であれば、2つ以上のそのような抵抗率監視装置25を、再循環の冷却剤の経路に沿った異なる位置に使用することができる。
図6は、排出導管16が外部の冷却剤溜めまたはタンク26へと接続された図2の燃料電池スタック10を示している。したがって、もはや必要とされない余分の冷却剤を、貯蔵もしくは燃料電池スタック10における希釈および再使用のために収集することができる。図5および6に示される実施形態を、所望であれば弁およびコントローラの使用と組み合わせることができる。例えば、冷却流体を、冷却剤の抵抗率の所定の値に達するまで再循環させることができる。所定の抵抗率の値に達すると、コントローラが、余分の冷却剤の経路を再循環経路24による再循環からタンク26への排出へと変更するように弁を切り替えることができる。
図7および8は、流量制御アセンブリ27をさらに備える図1および2のそれぞれの実施形態を示している。流量制御アセンブリ27は、排出導管16へと接続され、排出導管16における冷却流体の圧力を所定の圧力の範囲内に保持することができるよう、排出導管16におけるマニホールド14内の冷却流体の背圧を制御するように構成される。したがって、排出導管16は、流れのインピーダンスを変化させることによってマニホールド14への背圧を変化させるための手段として、流量制御アセンブリ27を備えることができる。
流量制御アセンブリ27は、例えば可変の流量制限装置、オリフィス板、ニードル弁、所定の長さの配管、および所定の幅の配管のうちの1つ以上を備えることができる。例えば、図7および8の流量制御アセンブリの位置における冷却剤供給入口マニホールドの端部の圧力が1barであり、50ml/分の冷却剤を冷却剤導入口15を介して注入すべき場合、1mmの直径を有する長さ3mの排出導管16を、この圧力を達成するために、冷却剤供給入口マニホールド14の出口と冷却剤導入口15との間に使用することができる。
図1、2、5、6、7、および8に関して説明した実施形態において冷却剤導入口15が位置する燃料電池スタック10の端部を、燃料電池スタックの負極端として選択でき、燃料電池スタックの他端を、正の端部として選択することができる。これを、必要であれば逆にすることができる。
他の実施形態も、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

Claims (15)

  1. 数の燃料電池を備え、前記燃料電池の各々は、流体冷却剤導管を有しており、前記流体冷却剤導管は、膜−電極アセンブリの陽極表面へと燃料をもたらすための陽極の流体の流路及び膜−電極アセンブリの陰極表面へと酸化剤をもたらすための陰極の流体の流路の少なくとも一方で構成されており、さらに
    冷却剤導入口を有している冷却剤供給入口マニホールドを備えており、
    前記冷却剤供給入口マニホールドは、前記燃料電池の各々へと冷却剤を分配するために前記流体冷却剤導管の各々へと接続され、
    前記冷却剤供給入口マニホールドは、前記冷却剤供給入口マニホールドの一端に位置する排出導管をさらに備え、前記排出導管は、前記冷却剤供給入口マニホールドから余分の冷却剤を排出するように構成されている、蒸発冷却される燃料電池スタックアセンブリ。
  2. 前記排出導管は、前記燃料電池スタックの前記一端に配置されて前記スタックを横切って延びている追加のプレートを備える請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  3. 前記追加のプレートは、ヒータ板、集電板、または絶縁板を備える請求項2に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  4. 前記排出導管は、前記冷却剤供給入口マニホールドから前記排出導管への冷却剤の流量が所定の流量の範囲内となるように、前記冷却剤供給入口マニホールドと比べて流れのインピーダンスが大きい導管を備えている請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  5. 前記冷却剤供給入口マニホールドの前記一端に位置する前記排出導管は、第1の排出導管であり、
    前記冷却剤供給入口マニホールドの前記第1の排出導管とは反対側の端部に位置する第2の排出導管をさらに備える請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  6. 前記冷却剤供給入口マニホールドの前記第1の排出導管とは反対側の前記端部に位置する前記第2の排出導管は、前記燃料電池スタックの他端に配置されて前記スタックを横切って延びている追加のプレートを備える請求項5に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  7. 前記追加のプレートは、ヒータ板、集電板、または絶縁板を備える請求項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  8. 前記排出導管は、前記冷却剤供給入口マニホールドへと冷却剤を再び循環させるための前記冷却剤導入口へと接続された再循環経路を備える請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  9. 前記再循環経路を通過する冷却剤の抵抗率を明らかにするように構成された冷却剤抵抗率監視装置をさらに備える請求項8に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  10. 前記排出導管は、外部の冷却剤溜めまたはタンクへと接続されている請求項1〜9のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  11. 前記排出導管へと接続され流量制御アセンブリをさらに備え、前記流量制御アセンブリは、前記冷却剤供給入口マニホールドから前記排出導管への冷却流体の流れを制御するように構成されてい請求項1〜10のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  12. 前記流量制御アセンブリは、可変の流量制限装置を備える請求項11に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  13. 前記燃料電池スタックの前記排出導管を有する端部は、前記燃料電池スタックの電気的に正の端部である請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  14. 前記複数の燃料電池の前記流体冷却剤導管の各々へと接続され、前記燃料電池の各々から冷却剤を受け取る出口マニホールドをさらに備える請求項1〜13のいずれか一項に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
  15. 前記排出導管は、前記出口マニホールドの一部を形成する請求項14に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6995840B2 (ja) 2017-03-27 2022-01-17 住化積水フィルム株式会社 塗膜表面保護フィルム用基材及びそれを用いた塗膜表面保護フィルム

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015005349A1 (de) * 2014-05-24 2015-11-26 Daimler Ag Reaktionsmittel-Sammelleitungen für Brennstoffzellenstapel, welche unter dem Gefrierpunkt betrieben werden
KR101734689B1 (ko) * 2015-10-15 2017-05-24 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 냉각 시스템
KR102371046B1 (ko) * 2016-07-15 2022-03-07 현대자동차주식회사 연료전지용 엔드셀 히터
KR102634452B1 (ko) * 2018-09-04 2024-02-05 현대자동차주식회사 연료전지의 절연저항 유지시스템 및 유지방법
CN110911707A (zh) * 2019-10-22 2020-03-24 北京建筑大学 一种用于严寒气候下车用质子交换膜燃料电池***
JP2022154399A (ja) * 2021-03-30 2022-10-13 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4706737A (en) * 1986-11-20 1987-11-17 International Fuel Cells Corporation Fuel cell coolant inlet manifold and system
JP3349742B2 (ja) * 1993-01-28 2002-11-25 マツダ株式会社 燃料電池自動車
JPH08111231A (ja) * 1994-10-12 1996-04-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体高分子電解質型燃料電池
JPH0992317A (ja) * 1995-09-22 1997-04-04 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置
JP4178849B2 (ja) * 2001-08-10 2008-11-12 株式会社デンソー 燃料電池システム
US6838201B2 (en) * 2002-04-11 2005-01-04 General Motors Corporation Fuel cell stack coolant conductivity monitoring circuit
JP2004247258A (ja) * 2003-02-17 2004-09-02 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池積層体、それに用いるセパレータおよび燃料電池システム
EP1473791A1 (en) * 2003-05-02 2004-11-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell power generator
JP2005235489A (ja) * 2004-02-18 2005-09-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20050221149A1 (en) * 2004-03-30 2005-10-06 Sanyo Electric Co., Ltd. Fuel cell stack
JP4780283B2 (ja) * 2005-05-30 2011-09-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP5034675B2 (ja) * 2007-05-22 2012-09-26 トヨタ自動車株式会社 移動体
DE102007037853A1 (de) * 2007-08-10 2008-07-31 Daimler Ag Brennstoffzellenanordnung
JP5231055B2 (ja) * 2008-03-17 2013-07-10 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
US7923162B2 (en) * 2008-03-19 2011-04-12 Dana Canada Corporation Fuel cell assemblies with integrated reactant-conditioning heat exchangers
CN102005594B (zh) * 2009-09-02 2013-06-19 本田技研工业株式会社 燃料电池组
WO2011074032A1 (ja) * 2009-12-16 2011-06-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP5765518B2 (ja) * 2010-07-27 2015-08-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6995840B2 (ja) 2017-03-27 2022-01-17 住化積水フィルム株式会社 塗膜表面保護フィルム用基材及びそれを用いた塗膜表面保護フィルム

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