JP4700886B2 - 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、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た燃料電池スタックを備えた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、車載用として自動車車体に組み込む燃料電池システムが知られている。この種の燃料電池システム１は、図９に示すように、燃料電池スタック２を備えており、この燃料電池スタック２が自動車車体３の床下４に搭載されている。この床下４には、冷却媒体ポンプ（図示せず）が配設されている。さらに、自動車車体３のフロントボックス５内には、酸化剤ガスポンプ６が搭載される一方、前記自動車車体３のリアボックス７内には、燃料ガスタンク８が搭載されている。
【０００５】
【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、燃料電池スタック２が床下４に搭載されるとともに、酸化剤ガスポンプ６がフロントボックス５内に配置され、燃料ガスタンク８がリアボックス７内に配置されている。このため、酸化剤ガスポンプ６や燃料ガスタンク８等の補器から燃料電池スタック２を結ぶ各配管が、相当に長尺化してしまう。これにより、燃料電池システム１全体のスペース効率が低下するという問題がある。
【０００６】
さらに、酸化剤ガスや燃料ガス等の流体を通す配管が長尺化することにより、前記配管内で前記流体の圧力損失が相当に大きなものとなってしまう。このため、各補器のエネルギ損失が増大し、燃料電池システム１全体の発電効率が低下するという不具合が指摘されている。
【０００７】
しかも、配管が長尺化するため、負荷変動時のレスポンスも悪化するとともに、配管レイアウトが複雑化してしまう。従って、例えば、オフガスを利用する加給システム（ターボチャージャ）を採用することが困難になり、燃料電池システム１の自由度が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガスや冷却媒体等の流体用配管を簡素化および短尺化することができ、運転効率の向上や負荷変動時のレスポンスの向上を図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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックと、連結ブロックとを備えている。燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給用ポンプ、および冷却媒体供給用ポンプとが一体化されるとともに、連結ブロックは、該酸化剤ガス供給用ポンプから前記酸化剤ガスを該燃料電池スタックの酸化剤ガス供給用の前記連通孔に供給するための酸化剤ガス供給通路および前記燃料電池スタックの酸化剤ガス排出用の前記連通孔から前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路を内部に設ける一方、前記冷却媒体供給用ポンプから前記冷却媒体を該燃料電池スタックの冷却媒体供給用の前記連通孔に供給するための冷却媒体供給通路および前記燃料電池スタックの冷却媒体排出用の前記連通孔から前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出通路を内部に設けている。
【００１０】
これにより、酸化剤ガスおよび冷却媒体用の配管を簡略化および短尺化することができ、前記配管の取り回しが簡素化して燃料電池システム全体の配置スペースの効率化を図ることが可能になる。しかも、流体圧損を低減することができ、燃料電池システム全体の運転効率の向上が容易に遂行可能になる。
【００１１】
さらに、配管の短尺化および簡略化により、負荷変動時のレスポンスが向上するとともに、例えば、オフガスを利用した加給システムを搭載することができる等、システム構成上の自由度が有効に向上する。
【００１２】
【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１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の要部分解斜視説明図である。
【００１３】
燃料電池システム１０は、動力源であるメインモータ１２に電力を供給するために使用されるものであり、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。
【００１４】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４を備え、この燃料電池スタック１４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１６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１８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２０とが設けられる。
【００１５】
燃料ガス供給部１６は燃料タンク２２を備え、この燃料タンク２２と燃料電池スタック１４の燃料ガス供給連通孔６４ａ（後述する）とが、燃料ガス供給路２４を介して連通している。この燃料ガス供給路２４には、燃料ガス供給用ポンプ（反応ガス供給用ポンプ）２６が配設される。
【００１６】
酸化剤ガス供給部１８は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔６８ａ（後述する）に連通する酸化剤ガス供給路２８および酸化剤ガス排出路３０を備えている。酸化剤ガス供給路２８には、吸気用フィルタ３２と、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ（反応ガス供給用ポンプ）３４とが配置される一方、酸化剤ガス排出路３０は、排気部３６に接続されている。
【００１７】
冷却媒体供給部２０は、燃料電池スタック１４の冷却媒体供給連通孔６６ａ（後述する）に連通する循環流路３８を備え、この循環流路３８には、冷却媒体供給用ポンプ４０と、ラジエータ４２とが配設されている。循環流路３８は、ラジエータ４２に平行してバイパス流路４４を設けており、このバイパス流路４４にバルブ４６が配設されている。循環流路３８は、バルブ４６を介してラジエータ４２を経由する流路と、このラジエータ４２を経由しない流路とに切り替えられる。
【００１８】
ポンプ２６、スーパーチャージャ３４およびポンプ４０は、メインモータ１２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１４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、多孔質カーボン粒子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、例えば、金属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１４は、マニホールドブロック（連結ブロック）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１４上には、ＰＣＵ（power control unit）８２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１２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１２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１４は、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４が駆動されて補助電力を供給するための発電が行われている。メインモータ１２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に対応してポンプ２６とスーパーチャージャ３４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に対応してポンプ４０が組み付けられる。具体的には、ポンプ２６、４０がマニホールドブロック８０の側面８０ｂ、８０ｃに取り付けられるとともに、スーパーチャージャ３４がＰＣＵ８２に取り付けられている。
【００２６】
駆動力伝達機構４８は、メインモータ１２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１４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、スーパーチャージャ３４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、ポンプ２６および４０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は、燃料電池スタック１４とポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４とが一体化した状態で、前記ポンプ２６、４０および前記スーパーチャージャ３４から前記燃料電池スタック１４に燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを供給および排出するための内部配管１０５を設けている。
【００２９】
この内部配管１０５は、燃料電池スタック１４の燃料ガス供給連通孔６４ａおよび燃料ガス排出連通孔６４ｂに連通する燃料ガス通路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に連通する酸化剤ガス通路１０８ａ、１０８ｂと、冷却媒体供給連通孔６６ａおよび冷却媒体排出連通孔６６ｂに連通する冷却媒体通路１１０ａ、１１０ｂとを備える。
【００３０】
燃料ガス通路１０６ａ、１０６ｂと酸化剤ガス通路１０８ａ、１０８ｂとは、マニホールドブロック８０の上面８０ａと側面８０ｂとに開口して設けられるとともに、冷却媒体通路１１０ａ、１１０ｂは、前記上面８０ａと側面８０ｃとに開口して設けられる。
【００３１】
図４および図５に示すように、エアコン８４には、エア導入管１１２が接続されており、このエアコン８４のエア導出側に酸化剤ガス供給路２８が接続される。この酸化剤ガス供給路２８は、スーパーチャージャ３４を介してマニホールドブロック８０の酸化剤ガス通路１０８ａに連通する。酸化剤ガス通路１０８ｂは、酸化剤ガス排出路３０に連通している。燃料ガス通路１０６ａ、１０６ｂは、ポンプ２６に連通する一方、冷却媒体通路１１０ａ、１１０ｂは、ポンプ４０に連通している。
【００３２】
図７および図８に示すように、燃料電池システム１０は、自動車車体１２０のフロントボックス１２２に搭載される。フロントボックス１２２の進行方向（矢印Ｘ方向）先端側には、ラジエータ４２が配設されるとともに、車体フレーム１２４の外方には、前輪１２６が配置されている。車体フレーム１２４の内方に位置して燃料電池システム１０が搭載される。
【００３３】
フロントボックス１２２では、ポンプ４０が燃料電池システム１０の進行方向前方に配置されることにより、ラジエータ４２との距離を最小化している。
【００３４】
ポンプ２６は、燃料電池システム１０の進行方向後方にかつ下部側に配置されており、自動車車体１２０のリア側に搭載される燃料タンク２２との距離を最小化している。スーパーチャージャ３４は、マニホールドブロック８０の上部側に配置されており、エアコン８４との距離を最小化している。
【００３５】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
メインモータ１２には、後述するように、燃料電池スタック１４から電力が供給されており、このメインモータ１２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。
【００３７】
プーリ１０３が回転することによってポンプ２６が駆動されるため、燃料タンク２２内の燃料ガス（水素含有ガス等）は、前記ポンプ２６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１００は、スーパーチャージャ３４に設けられており、このスーパーチャージャ３４が駆動されることによって、酸化剤ガス供給部１８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。
【００３８】
さらに、プーリ１０４が設けられたポンプ４０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。
【００３９】
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１４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１４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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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１２に電力が供給され、前記メインモータ１２が動力源として、例えば、前輪１２６（または、図示しない後輪）の駆動等を行う。
【００４３】
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。
【００４４】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１４と、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４とが一体化されるとともに、マニホールドブロック８０には、前記燃料電池スタック１４に前記ポンプ２６、４０および前記スーパーチャージャ３４から燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの供給および排出を行うための内部配管１０５が設けられている。
【００４５】
このため、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガス用のそれぞれの配管を容易に簡素化および短尺化することができ、この種の配管の取り回しが簡素化されて、燃料電池システム１０全体の配置スペースの効率化を図ることが可能になる。しかも、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガス（以下、単に流体ともいう）が、配管を通る際の圧力損失を低減することができ、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４のエネルギ損失が削減される。これにより、燃料電池システム１０全体の運転効率を容易に向上させることができるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、各流体の配管を短尺化かつ簡素化することにより、負荷変動時のレスポンスが向上するとともに、例えば、オフガスを利用した加給システム（ターボチャージャ）を搭載することができる。従って、燃料電池システム１０の構成上の自由度が有効に向上するという利点がある。
【００４７】
なお、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を介して燃料電池スタック１４、メインモータ１２、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４等が一体的に組み付けられ、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１２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。
【００４８】
また、燃料電池スタック１４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１２、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４等を取り付けるようにしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックと、酸化剤ガス供給用ポンプ、および冷却媒体供給用ポンプとが一体化された状態で、該酸化剤ガス供給用ポンプから酸化剤ガスを該燃料電池スタックの酸化剤ガス供給用の前記連通孔に供給するための酸化剤ガス供給通路および前記燃料電池スタックの酸化剤ガス排出用の前記連通孔から前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路を内部に設ける一方、前記冷却媒体供給用ポンプから前記冷却媒体を該燃料電池スタックの冷却媒体供給用の前記連通孔に供給するための冷却媒体供給通路および前記燃料電池スタックの冷却媒体排出用の前記連通孔から前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出通路が内部に設けられている。
【００５０】
このため、酸化剤ガスおよび冷却媒体用の配管を簡略化および短尺化することができ、前記配管の取り回しが簡素化して燃料電池システム全体の配置スペースの効率化を図ることが可能になる。しかも、流体圧損の低減により、燃料電池システム全体の運転効率の向上が容易に遂行可能になる。
【００５１】
さらに、配管の短尺化および簡略化により、負荷変動時のレスポンスが向上するとともに、例えば、オフガスを利用した加給システムを搭載することができる等、システム構成上の自由度が有効に向上する。
【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自動車車体に搭載した状態の平面図である。
【図８】前記燃料電池システムを前記自動車車体に搭載した状態の一部側面図である。
【図９】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】
１０…燃料電池システム １２…メインモータ
１４…燃料電池スタック １６…燃料ガス供給部
１８…酸化剤ガス供給部 ２０…冷却媒体供給部
２２…燃料タンク ２４…燃料ガス供給路
２６、４０…ポンプ ２８…酸化剤ガス供給路
３０…酸化剤ガス排出路 ３４…スーパーチャージャ
３８…循環流路 ４２…ラジエータ
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 ８２…ＰＣＵ
８４…エアコン １０５…内部配管
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…自動車車体
１２２…フロントボックス
【発明の属する技術分野】
本発明は、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た燃料電池スタックを備えた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、車載用として自動車車体に組み込む燃料電池システムが知られている。この種の燃料電池システム１は、図９に示すように、燃料電池スタック２を備えており、この燃料電池スタック２が自動車車体３の床下４に搭載されている。この床下４には、冷却媒体ポンプ（図示せず）が配設されている。さらに、自動車車体３のフロントボックス５内には、酸化剤ガスポンプ６が搭載される一方、前記自動車車体３のリアボックス７内には、燃料ガスタンク８が搭載されている。
【０００５】
【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、燃料電池スタック２が床下４に搭載されるとともに、酸化剤ガスポンプ６がフロントボックス５内に配置され、燃料ガスタンク８がリアボックス７内に配置されている。このため、酸化剤ガスポンプ６や燃料ガスタンク８等の補器から燃料電池スタック２を結ぶ各配管が、相当に長尺化してしまう。これにより、燃料電池システム１全体のスペース効率が低下するという問題がある。
【０００６】
さらに、酸化剤ガスや燃料ガス等の流体を通す配管が長尺化することにより、前記配管内で前記流体の圧力損失が相当に大きなものとなってしまう。このため、各補器のエネルギ損失が増大し、燃料電池システム１全体の発電効率が低下するという不具合が指摘されている。
【０００７】
しかも、配管が長尺化するため、負荷変動時のレスポンスも悪化するとともに、配管レイアウトが複雑化してしまう。従って、例えば、オフガスを利用する加給システム（ターボチャージャ）を採用することが困難になり、燃料電池システム１の自由度が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガスや冷却媒体等の流体用配管を簡素化および短尺化することができ、運転効率の向上や負荷変動時のレスポンスの向上を図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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックと、連結ブロックとを備えている。燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給用ポンプ、および冷却媒体供給用ポンプとが一体化されるとともに、連結ブロックは、該酸化剤ガス供給用ポンプから前記酸化剤ガスを該燃料電池スタックの酸化剤ガス供給用の前記連通孔に供給するための酸化剤ガス供給通路および前記燃料電池スタックの酸化剤ガス排出用の前記連通孔から前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路を内部に設ける一方、前記冷却媒体供給用ポンプから前記冷却媒体を該燃料電池スタックの冷却媒体供給用の前記連通孔に供給するための冷却媒体供給通路および前記燃料電池スタックの冷却媒体排出用の前記連通孔から前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出通路を内部に設けている。
【００１０】
これにより、酸化剤ガスおよび冷却媒体用の配管を簡略化および短尺化することができ、前記配管の取り回しが簡素化して燃料電池システム全体の配置スペースの効率化を図ることが可能になる。しかも、流体圧損を低減することができ、燃料電池システム全体の運転効率の向上が容易に遂行可能になる。
【００１１】
さらに、配管の短尺化および簡略化により、負荷変動時のレスポンスが向上するとともに、例えば、オフガスを利用した加給システムを搭載することができる等、システム構成上の自由度が有効に向上する。
【００１２】
【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１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の要部分解斜視説明図である。
【００１３】
燃料電池システム１０は、動力源であるメインモータ１２に電力を供給するために使用されるものであり、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。
【００１４】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４を備え、この燃料電池スタック１４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１６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１８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２０とが設けられる。
【００１５】
燃料ガス供給部１６は燃料タンク２２を備え、この燃料タンク２２と燃料電池スタック１４の燃料ガス供給連通孔６４ａ（後述する）とが、燃料ガス供給路２４を介して連通している。この燃料ガス供給路２４には、燃料ガス供給用ポンプ（反応ガス供給用ポンプ）２６が配設される。
【００１６】
酸化剤ガス供給部１８は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔６８ａ（後述する）に連通する酸化剤ガス供給路２８および酸化剤ガス排出路３０を備えている。酸化剤ガス供給路２８には、吸気用フィルタ３２と、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ（反応ガス供給用ポンプ）３４とが配置される一方、酸化剤ガス排出路３０は、排気部３６に接続されている。
【００１７】
冷却媒体供給部２０は、燃料電池スタック１４の冷却媒体供給連通孔６６ａ（後述する）に連通する循環流路３８を備え、この循環流路３８には、冷却媒体供給用ポンプ４０と、ラジエータ４２とが配設されている。循環流路３８は、ラジエータ４２に平行してバイパス流路４４を設けており、このバイパス流路４４にバルブ４６が配設されている。循環流路３８は、バルブ４６を介してラジエータ４２を経由する流路と、このラジエータ４２を経由しない流路とに切り替えられる。
【００１８】
ポンプ２６、スーパーチャージャ３４およびポンプ４０は、メインモータ１２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１４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、多孔質カーボン粒子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、例えば、金属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１４は、マニホールドブロック（連結ブロック）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１４上には、ＰＣＵ（power control unit）８２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１２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１２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１４は、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４が駆動されて補助電力を供給するための発電が行われている。メインモータ１２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に対応してポンプ２６とスーパーチャージャ３４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に対応してポンプ４０が組み付けられる。具体的には、ポンプ２６、４０がマニホールドブロック８０の側面８０ｂ、８０ｃに取り付けられるとともに、スーパーチャージャ３４がＰＣＵ８２に取り付けられている。
【００２６】
駆動力伝達機構４８は、メインモータ１２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１４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、スーパーチャージャ３４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、ポンプ２６および４０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は、燃料電池スタック１４とポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４とが一体化した状態で、前記ポンプ２６、４０および前記スーパーチャージャ３４から前記燃料電池スタック１４に燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスを供給および排出するための内部配管１０５を設けている。
【００２９】
この内部配管１０５は、燃料電池スタック１４の燃料ガス供給連通孔６４ａおよび燃料ガス排出連通孔６４ｂに連通する燃料ガス通路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に連通する酸化剤ガス通路１０８ａ、１０８ｂと、冷却媒体供給連通孔６６ａおよび冷却媒体排出連通孔６６ｂに連通する冷却媒体通路１１０ａ、１１０ｂとを備える。
【００３０】
燃料ガス通路１０６ａ、１０６ｂと酸化剤ガス通路１０８ａ、１０８ｂとは、マニホールドブロック８０の上面８０ａと側面８０ｂとに開口して設けられるとともに、冷却媒体通路１１０ａ、１１０ｂは、前記上面８０ａと側面８０ｃとに開口して設けられる。
【００３１】
図４および図５に示すように、エアコン８４には、エア導入管１１２が接続されており、このエアコン８４のエア導出側に酸化剤ガス供給路２８が接続される。この酸化剤ガス供給路２８は、スーパーチャージャ３４を介してマニホールドブロック８０の酸化剤ガス通路１０８ａに連通する。酸化剤ガス通路１０８ｂは、酸化剤ガス排出路３０に連通している。燃料ガス通路１０６ａ、１０６ｂは、ポンプ２６に連通する一方、冷却媒体通路１１０ａ、１１０ｂは、ポンプ４０に連通している。
【００３２】
図７および図８に示すように、燃料電池システム１０は、自動車車体１２０のフロントボックス１２２に搭載される。フロントボックス１２２の進行方向（矢印Ｘ方向）先端側には、ラジエータ４２が配設されるとともに、車体フレーム１２４の外方には、前輪１２６が配置されている。車体フレーム１２４の内方に位置して燃料電池システム１０が搭載される。
【００３３】
フロントボックス１２２では、ポンプ４０が燃料電池システム１０の進行方向前方に配置されることにより、ラジエータ４２との距離を最小化している。
【００３４】
ポンプ２６は、燃料電池システム１０の進行方向後方にかつ下部側に配置されており、自動車車体１２０のリア側に搭載される燃料タンク２２との距離を最小化している。スーパーチャージャ３４は、マニホールドブロック８０の上部側に配置されており、エアコン８４との距離を最小化している。
【００３５】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
メインモータ１２には、後述するように、燃料電池スタック１４から電力が供給されており、このメインモータ１２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。
【００３７】
プーリ１０３が回転することによってポンプ２６が駆動されるため、燃料タンク２２内の燃料ガス（水素含有ガス等）は、前記ポンプ２６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１００は、スーパーチャージャ３４に設けられており、このスーパーチャージャ３４が駆動されることによって、酸化剤ガス供給部１８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。
【００３８】
さらに、プーリ１０４が設けられたポンプ４０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。
【００３９】
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１４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１４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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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１２に電力が供給され、前記メインモータ１２が動力源として、例えば、前輪１２６（または、図示しない後輪）の駆動等を行う。
【００４３】
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。
【００４４】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１４と、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４とが一体化されるとともに、マニホールドブロック８０には、前記燃料電池スタック１４に前記ポンプ２６、４０および前記スーパーチャージャ３４から燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガスの供給および排出を行うための内部配管１０５が設けられている。
【００４５】
このため、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガス用のそれぞれの配管を容易に簡素化および短尺化することができ、この種の配管の取り回しが簡素化されて、燃料電池システム１０全体の配置スペースの効率化を図ることが可能になる。しかも、燃料ガス、冷却媒体および酸化剤ガス（以下、単に流体ともいう）が、配管を通る際の圧力損失を低減することができ、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４のエネルギ損失が削減される。これにより、燃料電池システム１０全体の運転効率を容易に向上させることができるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、各流体の配管を短尺化かつ簡素化することにより、負荷変動時のレスポンスが向上するとともに、例えば、オフガスを利用した加給システム（ターボチャージャ）を搭載することができる。従って、燃料電池システム１０の構成上の自由度が有効に向上するという利点がある。
【００４７】
なお、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を介して燃料電池スタック１４、メインモータ１２、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４等が一体的に組み付けられ、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１２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。
【００４８】
また、燃料電池スタック１４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１２、ポンプ２６、４０およびスーパーチャージャ３４等を取り付けるようにしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックと、酸化剤ガス供給用ポンプ、および冷却媒体供給用ポンプとが一体化された状態で、該酸化剤ガス供給用ポンプから酸化剤ガスを該燃料電池スタックの酸化剤ガス供給用の前記連通孔に供給するための酸化剤ガス供給通路および前記燃料電池スタックの酸化剤ガス排出用の前記連通孔から前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路を内部に設ける一方、前記冷却媒体供給用ポンプから前記冷却媒体を該燃料電池スタックの冷却媒体供給用の前記連通孔に供給するための冷却媒体供給通路および前記燃料電池スタックの冷却媒体排出用の前記連通孔から前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出通路が内部に設けられている。
【００５０】
このため、酸化剤ガスおよび冷却媒体用の配管を簡略化および短尺化することができ、前記配管の取り回しが簡素化して燃料電池システム全体の配置スペースの効率化を図ることが可能になる。しかも、流体圧損の低減により、燃料電池システム全体の運転効率の向上が容易に遂行可能になる。
【００５１】
さらに、配管の短尺化および簡略化により、負荷変動時のレスポンスが向上するとともに、例えば、オフガスを利用した加給システムを搭載することができる等、システム構成上の自由度が有効に向上する。
【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自動車車体に搭載した状態の平面図である。
【図８】前記燃料電池システムを前記自動車車体に搭載した状態の一部側面図である。
【図９】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】
１０…燃料電池システム １２…メインモータ
１４…燃料電池スタック １６…燃料ガス供給部
１８…酸化剤ガス供給部 ２０…冷却媒体供給部
２２…燃料タンク ２４…燃料ガス供給路
２６、４０…ポンプ ２８…酸化剤ガス供給路
３０…酸化剤ガス排出路 ３４…スーパーチャージャ
３８…循環流路 ４２…ラジエータ
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 ８２…ＰＣＵ
８４…エアコン １０５…内部配管
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…自動車車体
１２２…フロントボックス
Claims (2)
- 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するとともに、内部に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体をそれぞれ積層方向に流通させる連通孔が形成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給用ポンプと、
前記燃料電池スタックに前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給用ポンプと、
前記燃料電池スタックと、前記酸化剤ガス供給用ポンプおよび前記冷却媒体供給用ポンプとを一体化した状態で、該酸化剤ガス供給用ポンプから前記酸化剤ガスを該燃料電池スタックの酸化剤ガス供給用の前記連通孔に供給するための酸化剤ガス供給通路および前記燃料電池スタックの酸化剤ガス排出用の前記連通孔から前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路を内部に設ける一方、前記冷却媒体供給用ポンプから前記冷却媒体を該燃料電池スタックの冷却媒体供給用の前記連通孔に供給するための冷却媒体供給通路および前記燃料電池スタックの冷却媒体排出用の前記連通孔から前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出通路を内部に設けるとともに、前記燃料電池スタックの前記積層方向端部に連結された連結ブロックと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 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燃料ガスを供給する燃料ガス供給用ポンプを備え、
前記連結ブロックは、前記燃料電池スタックと、前記燃料ガス供給用ポンプとを一体化した状態で、該燃料ガス供給用ポンプから前記燃料ガスを該燃料電池スタックの燃料ガス供給用の前記連通孔に供給するための燃料ガス供給通路および前記燃料電池スタックの燃料ガス排出用の前記連通孔から前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出通路を内部に設けることを特徴とする燃料電池システム。
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