JP3708482B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力源であるモータに電力を供給するための燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(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構成されている。
【0003】
この種の燃料電池は、通常、電解質(電解質膜)・電極構造体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。前記燃料電池スタックにおいて、アノ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し、その移動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、空気等の酸素含有ガス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。
【0004】
ところで、上記の燃料電池スタックを、例えば、車載用として組み込む燃料電池システムが知られている。図8に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2を備え、この燃料電池スタック2には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部3と、酸素含有ガス等(例えば、空気)の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部4と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部5とが設けられている。
【0005】
燃料ガス供給部3は燃料タンク6を備え、この燃料タンク6と燃料電池スタック2の燃料ガス流路(図示せず)とが、燃料ガス供給路7を介して連通している。この燃料ガス供給路7には、燃料ガスポンプ8が配設されるとともに、前記燃料ガスポンプ8にはポンプ用モータ9が連結されている。
【0006】
酸化剤ガス供給部4は、燃料電池スタック2の酸化剤ガス流路(図示せず)に連通する酸化剤ガス供給路10および酸化剤ガス排出路11を備えている。酸化剤ガス供給路10には、吸気用フィルタ12と、ポンプ用モータ13が連結された酸化剤ガスポンプ14と、インタークーラ15とが配置される一方、酸化剤ガス排出路11は、排気部16に接続されている。
【0007】
冷却媒体供給部5は、燃料電池スタック2の冷却媒体流路(図示せず)に連通する循環流路17を備え、この循環流路17には、ポンプ用モータ18が連結された冷却媒体ポンプ19と、ラジエータ20とが配設されている。循環流路17は、ラジエータ20に平行してバイパス流路21を設けており、このバイパス流路21にバルブ22が配設されている。循環流路17は、バルブ22を介してラジエータ20を経由する流路と、このラジエータ20を経由しない流路とに切り替えられる。
【0008】
このように構成される燃料電池スタック2は、例えば、車両の床下等に搭載されている。そこで、例えば、フロントボックスに搭載されたPCU(power control unit)で燃料電池システム1が制御されることにより、各モータ9、13および18が駆動され、ポンプ8、14および19を介して燃料電池スタック2に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、各ポンプ8、14および19を駆動するために、それぞれ専用のモータ9、13および18が設けられている。このため、燃料電池システム1全体が相当に大型化するとともに、構造が複雑化して製造費が高騰するという問題が指摘されている。
【0010】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成の小型化および簡素化を図るとともに、経済的に製造することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明では、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックと、前記モータに並列され、前記燃料電池スタックに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプと、記モータの駆動軸と前記反応ガス供給用ポンプの被駆動軸とが同一方向に突出して並列されるとともに、前記駆動軸と前記被駆動軸とを連結し、該モータのみにより該反応ガス供給用ポンプを駆動するための反応ガス用駆動力伝達機構とを備えている。
【0012】
このため、反応ガス供給用ポンプである燃料ガス供給用ポンプおよび/または酸化剤ガス供給用ポンプに専用のポンプ用モータを設ける構造に比べ、燃料電池システム全体が有効に小型化および簡素化する。これにより、燃料電池システムを設置するためのスペース効率が有効に向上するとともに、前記燃料電池システムを経済的に構成することが可能になる。
【0013】
また、燃料電池システムでは、燃料電池スタックに冷却媒体を供給する冷却媒体供給用ポンプと、互いに並列されるモータと前記冷却媒体供給用ポンプとを連結して該モータのみにより該冷却媒体供給用ポンプを駆動するための冷媒用駆動力伝達機構とを備えている。従って、冷却媒体供給用ポンプに専用のポンプ用モータを設ける必要がなく、燃料電池システム全体の簡素化が図られる。
【0014】
しかも、燃料ガス供給用ポンプ、酸化剤ガス供給用ポンプおよび冷却媒体供給用ポンプが、単一のモータにより駆動されるとともに、これらを一体的に駆動することができる。これにより、燃料電池システム全体を一層簡単かつ経済的に構成することが可能になる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム30の概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池システム30の要部分解斜視説明図である。なお、図8に示す燃料電池システム1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。
【0016】
燃料電池システム30は、動力源であるメインモータ32に電力を供給するためのものであり、例えば、車両用駆動システムの他、回転力を得るための種々の駆動システムとして利用される。
【0017】
燃料電池システム30は、燃料電池スタック34を備え、この燃料電池スタック34には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部36と、酸素含有ガス等(例えば、空気)の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部38と、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部40とが設けられる。
【0018】
燃料ガス供給部36、酸化剤ガス供給部38および冷却媒体供給部40は、燃料ガス供給用ポンプ42、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ(ポンプ)44および冷却媒体供給用ポンプ46を備える。ポンプ42、スーパーチャージャ44およびポンプ46は、メインモータ32に対して駆動力伝達機構48を介して連結される。
【0019】
燃料電池スタック34は、所定組数の単位燃料電池セル50を鉛直方向(矢印A方向)に重ね合わせて構成されている。図3に示すように、単位燃料電池セル50は、電解質膜・電極構造体52と、前記電解質膜・電極構造体52を挟持する第1および第2セパレータ54、56とを備える。
【0020】
電解質膜・電極構造体52は、固体高分子電解質膜58の一方の面にアノード側電極60を設け、他方の面にカソード側電極62を設けている。アノード側電極60およびカソード側電極62は、貴金属系の触媒電極層を、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ガス拡散層に接合して構成されている。
【0021】
単位燃料電池セル50の長辺方向(矢印B方向)一端縁部には、燃料ガス供給連通孔64a、冷却媒体供給連通孔66aおよび酸化剤ガス排出連通孔68bが設けられる。単位燃料電池セル50の長辺方向他端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔68a、冷却媒体排出連通孔66bおよび燃料ガス排出連通孔64bが設けられる。
【0022】
第1および第2セパレータ54、56は、金属製薄板またはカーボン製薄板により構成されている。第1セパレータ54のカソード側電極62に対向する面54aには、酸化剤ガス供給連通孔68aと酸化剤ガス排出連通孔68bとに連通する複数本の酸化剤ガス流路溝72が設けられる。第2セパレータ56のアノード側電極60に対向する面56aには、燃料ガス供給連通孔64aと燃料ガス排出連通孔64bとに連通する複数本の燃料ガス流路溝74が形成される。第2セパレータ56の第1セパレータ54に対向する面56bには、冷却媒体供給連通孔66aと冷却媒体排出連通孔66bとに連通する複数本の冷却媒体流路溝76が形成される。
【0023】
図2に示すように、燃料電池スタック34は、マニホールドブロック80の上面80aに固定されるとともに、前記燃料電池スタック34上には、PCU82とエアコン84とが積層される。
【0024】
図2および図4乃至図6に示すように、マニホールドブロック80の底部には、メインモータ32が取り付けられている。例えば、車両のアイドリング時等には、メインモータ32が駆動輪から切り離された状態で回転するとともに、燃料電池スタック34は、補助電力を供給するためにポンプ42、46およびスーパーチャージャ44が駆動されてある程度の発電が行われている。メインモータ32に並列して、空調用コンプレッサ90が配置されている。
【0025】
マニホールドブロック80の側面80bには、ポンプ42とスーパーチャージャ44とが固定される一方、前記マニホールドブロック80の側面80cには、ポンプ46が組み付けられる。
【0026】
駆動力伝達機構48は、メインモータ32から延在する駆動軸92に軸着されるプーリ94を備え、このプーリ94の外周面には、3条のベルト溝96a〜96cが互いに平行に形成される。ベルト溝96a〜96cには、第1乃至第3駆動ベルト98a〜98cが係合する。駆動軸92とプーリ94との間には、必要に応じて減速可変機構を設けてもよく、また、減速比を燃料電池スタック34の運転条件に応じて可変にしてもよい。
【0027】
第1駆動ベルト98aは、プーリ94のベルト溝96aと、ポンプ42に設けられたプーリ100とに架け渡されるとともに、第2駆動ベルト98bは、前記プーリ94のベルト溝96bと、空調用コンプレッサ90に設けられたプーリ102とに架け渡される。第3駆動ベルト98cは、プーリ94のベルト溝96cと、スーパーチャージャ44およびポンプ46に設けられたプーリ103、104とに架け渡される。
【0028】
図2に示すように、マニホールドブロック80には、燃料電池スタック34の燃料ガス供給連通孔64aおよび燃料ガス排出連通孔64bをポンプ42に連通するための燃料ガス通路106a、106bと、酸化剤ガス供給連通孔68aおよび酸化剤ガス排出連通孔68bをスーパーチャージャ44に連通するための酸化剤ガス通路108a、108bとが、上面80aから側面80bに開口して設けられる。マニホールドブロック80には、冷却媒体供給連通孔66aおよび冷却媒体排出連通孔66bをポンプ46に連通するための冷却媒体通路110a、110bが、上面80aから側面80cに開口して設けられる。
【0029】
このように構成される燃料電池システム30の動作について、以下に説明する。
【0030】
メインモータ32には、後述するように、燃料電池スタック34から電力が供給されており、このメインモータ32の駆動作用下に、駆動軸92が回転されてこの駆動軸92に設けられたプーリ94が回転する。このプーリ94の各ベルト溝96a〜96cには、それぞれ第1乃至第3駆動ベルト98a〜98cが係合している。従って、プーリ94が回転することにより、第1乃至第3駆動ベルト98a〜98cが周回走行して、プーリ100、102、103および104が回転駆動される。
【0031】
プーリ100が回転することによってポンプ42が駆動されるため、燃料タンク6内の燃料ガスは、前記ポンプ42を介してマニホールドブロック80の燃料ガス通路106aに送られる。プーリ103は、スーパーチャージャ44に設けられており、このスーパーチャージャ44が駆動されることによって、酸化剤ガス供給部38からマニホールドブロック80の酸化剤ガス通路108aに、酸化剤ガスとして空気等の酸素含有ガス(以下、単に空気という)が供給される。
【0032】
さらに、プーリ104が設けられたポンプ46が駆動されると、マニホールドブロック80の冷却媒体通路110aに、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。また、プーリ102が設けられている空調用コンプレッサ90が駆動されると、エアコン84が必要に応じて駆動制御される。
【0033】
マニホールドブロック80の上面80aには、燃料電池スタック34が装着されている。このため、マニホールドブロック80の燃料ガス通路106a、酸化剤ガス通路108aおよび冷却媒体通路110aに導入された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体は、燃料電池スタック34を構成する複数組の単位燃料電池セル50に設けられた燃料ガス供給連通孔64a、酸化剤ガス供給連通孔68aおよび冷却媒体供給連通孔66aに送られる。
【0034】
図3に示すように、燃料ガス供給連通孔64aに供給された燃料ガスは、第2セパレータ56の面56aに設けられている燃料ガス流路溝74に導入される。この燃料ガスは、電解質膜・電極構造体52を構成するアノード側電極60に沿って移動した後、燃料ガス排出連通孔64bに排出される。
【0035】
一方、酸化剤ガス供給連通孔68aに供給された酸化剤ガスは、第1セパレータ54の面54aに設けられている酸化剤ガス流路溝72に導入される。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体52を構成するカソード側電極62に沿って移動した後、酸化剤ガス排出連通孔68bに排出される。
【0036】
従って、電解質膜・電極構造体52では、カソード側電極62に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極60に供給される燃料ガスとが、触媒電極内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。この発電によってメインモータ32に電力が供給され、前記メインモータ32が動力源として、例えば、車両用車輪の駆動等を行う。
【0037】
また、冷却媒体供給連通孔66aに供給された冷却媒体は、第2セパレータ56の面56bに設けられている冷却媒体流路溝76に沿って移動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体52を冷却した後、冷却媒体排出連通孔66bに排出される。
【0038】
この場合、本実施形態では、例えば、車輪駆動等を行うためのメインモータ32と、燃料ガス供給用ポンプ42、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ44および冷却媒体供給用ポンプ46とが、駆動力伝達機構48を介して連結されている。このため、燃料電池スタック34から動力源であるメインモータ32に電力が供給されると、駆動力伝達機構48を構成する第1乃至第3駆動ベルト98a〜98cを介してポンプ42、スーパーチャージャ44およびポンプ46が駆動され、燃料電池スタック34に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を供給することができる。
【0039】
これにより、本実施形態では、ポンプ42、スーパーチャージャ44およびポンプ46に専用のモータを設ける必要がなく、燃料電池システム30全体を有効に小型化および簡素化することが可能になる。従って、燃料電池システム30の設置用スペース効率が向上するとともに、前記燃料電池システム30を経済的に製造することが可能になるという効果が得られる。
【0040】
なお、本実施形態では、燃料電池システム30を、例えば、図7に示すように、車両120のフロントボックス122内等に搭載する際には、冷却媒体供給用ポンプ46を前記車両120の進行方向(矢印C方向)前方に配置することにより、燃料電池スタック34とラジエータ20との距離を最小化することができる。同様に、燃料ガス供給用ポンプ42を燃料タンク6に近接して車両120の進行方向後方に配置することにより、燃料電池スタック34と前記燃料タンク6との距離を最小化することが可能になる。
【0041】
また、本実施形態では、マニホールドブロック80を備え、このマニホールドブロック80に燃料電池スタック34、メインモータ32、ポンプ42、46およびスーパーチャージャ44等が組み付けられ、全体としてユニット化を図っているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記メインモータ32を前記マニホールドブロック80から独立して設置してもよい。さらにまた、燃料電池スタック34の外周側面にプレート(図示せず)を設け、このプレートにメインモータ32、ポンプ42、46およびスーパーチャージャ44等を取り付けるようにしてもよい。
【0042】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、動力源であるモータに燃料電池システムから電力を供給するとともに、燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプと前記モータとが駆動力伝達機構を介して連結されている。このため、モータを介して反応ガス供給用ポンプを駆動することができ、前記反応ガス供給用ポンプに専用のモータを設ける構造に比べ、燃料電池システム全体を有効に小型化および簡素化することができる。
【0043】
これにより、燃料電池システムの設置用スペース効率を向上させるとともに、前記燃料電池システムを経済的に構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図2】前記燃料電池システムの要部分解斜視説明図である。
【図3】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図4】前記燃料電池システムの要部斜視説明図である。
【図5】前記燃料電池システムの一方の側面図である。
【図6】前記燃料電池システムの他方の側面図である。
【図7】前記燃料電池システムを車両に搭載した状態の平面図である。
【図8】従来技術に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
6…燃料タンク 20…ラジエータ
30…燃料電池システム 32…メインモータ
34…燃料電池スタック 36…燃料ガス供給部
38…酸化剤ガス供給部 40…冷却媒体供給部
42、46…ポンプ 44…スーパーチャージャ
48…駆動力伝達機構 50…単位燃料電池セル
52…電解質膜・電極構造体 54、56…セパレータ
58…固体高分子電解質膜 60…アノード側電極
62…カソード側電極 64a…燃料ガス供給連通孔
64b…燃料ガス排出連通孔 66a…冷却媒体供給連通孔
66b…冷却媒体排出連通孔 68a…酸化剤ガス供給連通孔
68b…酸化剤ガス排出連通孔 72…酸化剤ガス流路溝
74…燃料ガス流路溝 76…冷却媒体流路溝
80…マニホールドブロック 98a〜98c…駆動ベルト
106a、106b…燃料ガス通路 108a、108b…酸化剤ガス通路
110a、110b…冷却媒体通路 120…車両

Claims (3)

  1. 車輪駆動用動力源であるモータに電力を供給するための燃料電池システムであって、
    電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックと、
    前記モータに並列され、前記燃料電池スタックに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方である反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプと、
    記モータの駆動軸と前記反応ガス供給用ポンプの被駆動軸とが同一方向に突出して並列されるとともに、前記駆動軸と前記被駆動軸とを連結し、該モータのみにより該反応ガス供給用ポンプを駆動するための反応ガス用駆動力伝達機構と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックに冷却媒体を供給する冷却媒体供給用ポンプと、
    互いに並列される前記モータと前記冷却媒体供給用ポンプとを連結し、該モータのみにより該冷却媒体供給用ポンプを駆動するための冷媒用駆動力伝達機構と、
    を備え
    前記反応ガス用駆動力伝達機構と前記冷媒用駆動力伝達機構とは、前記モータの駆動軸に並列かつ個別に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック、前記モータおよび前記反応ガス供給用ポンプは、マニホールドブロックに一体的に固定されるとともに、
    前記マニホールドブロックには、前記燃料電池スタックと前記反応ガス供給用ポンプとに連通する反応ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
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