JP5217649B2 - 燃料電池ユニット、および、車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニットまたは車両に関する。

燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を供給するポンプとを備えている（下記特許文献１参照）。

特開２００８−１６４０２号公報

しかしながら、上記燃料電池システムを所定場所に配置する場合において、配置空間には、種々の制約が課せられるおそれがあった。特に、上記燃料電池システムを、車両などの移動体に搭載する場合には、搭載空間の利用効率の観点から、搭載空間に種々の制約が生じるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池およびポンプを備える燃料電池システムであって、配置空間の利用効率を向上させる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
燃料電池ユニットであって、
燃料電池セルを２つの剛性プレートで挟持して構成される燃料電池と、
シャフトを備え、前記剛性プレートのいずれか一方において、前記燃料電池セルを挟持する面の反対面に当接すると共に、前記シャフトの長手方向の向きが、前記燃料電池セルおよび前記剛性プレートを積層する積層方向に沿うように配置されるポンプと、
を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池ユニットによれば、配置空間の利用効率を向上させることができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記ポンプは、
流体が流入し、前記流体を吐出するためのポンプ室を備え、
前記ポンプ室が、前記剛性プレートの前記反対面に当接することを特徴とする燃料電池ユニット。

このようにすれば、燃料電池によりポンプ室を暖機することが可能である。また、配管を短くすることができる。さらに、組み付け誤差を抑制することができる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記ポンプは、
前記燃料電池に燃料ガスを循環供給させるための循環ポンプであることを特徴とする燃料電池ユニット。

このようにすれば、燃料電池によりポンプ室を暖機することが可能である。また、配管を短くすることができる。さらに、組み付け誤差を抑制することができる。

[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記燃料電池ユニットは、
車両において、前記車両の前後方向に伸びるセンタートンネル内に、前記前後方向と前記積層方向が略一致するように配置されることを特徴とする燃料電池ユニット。

このようにすれば、車両のセンタートンネル内に、好適に燃料電池ユニットを配置することができる。

[適用例５]
車両であって、
前記車両の前後方向に伸びるセンタートンネルと、
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池ユニットと、
を備え、
前記燃料電池ユニットは、
前記車両の前記センタートンネル内に、前記前後方向と前記積層方向が略一致するように配置されることを特徴とする車両。

上記構成の車両によれば、燃料電池ユニットを、センタートンネルに好適に配置することができ、センタートンネルの利用効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池ユニットや車両の他、燃料電池システムや移動体など、他の装置発明としての態様で実現することが可能である。また、上記した装置発明の態様に限ることなく、燃料電池ユニットの製造方法など、方法発明としての態様で実現することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池９００と、水素タンク３００と、水素遮断弁３１０と、レギュレータ３１５と、コンプレッサ３３０と、水素循環ポンプ１００と、排気排水弁６１０と、を備えている。燃料電池９００と、水素循環ポンプ１００とは、一体に形成されており、燃料電池ユニットＦＵを形成する。燃料電池ユニットＦＵについての詳細は、後述する。

燃料電池９００は、図１に示すように、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料電池セル２０と、ターミナルＴＭと、インシュレータＩＳと、エンドプレートＥＰと、を備える。具体的には、燃料電池９００は、インシュレータＩＳ、ターミナルＴＭ、複数の燃料電池セル２０、ターミナルＴＭ、インシュレータＩＳの順に積層された積層体を、剛性プレートであるエンドプレートＥＰで挟持することによって構成したスタック構造となっている。燃料電池９００において、これら構成部材は、板状部材であり、これら板状部材を積層する方向を積層方向とも呼ぶ。また、板状部材において、積層方向に略垂直な面に沿った方向を面方向とも呼ぶ。エンドプレートＥＰにおいて、面方向に沿った面であって、インシュレータＩＳ側と反対面を、外側面ＥＰＭとも呼ぶ。燃料電池セル２０は、膜電極接合体（図示せず）と、アノード側セパレータ（図示せず）と、カソード側セパレータ（図示せず）と、を備えている。

水素タンク３００は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路３０４を介して燃料電池９００に接続されている。燃料ガス供給流路３０４上において、水素タンク３００から近い順番に、水素遮断弁３１０と、レギュレータ３１５とが設けられている。水素遮断弁３１０を開弁することにより、燃料電池９００に水素ガスを燃料ガスとして供給する。

また、燃料電池９００は、燃料ガス排出流路３０６と接続される。燃料ガス排出流路３０６上には、排気排水弁６１０が設けられる。燃料ガス排出流路３０６と、燃料ガス供給流路３０４とは、ガス循環流路３０７によって接続される。ガス循環流路３０７は、一端が、燃料ガス排出流路３０６において、燃料電池９００と排気排水弁６１０との間に接続され、他端が、燃料ガス供給流路３０４において、レギュレータ３１５と燃料電池９００との間に接続される。

水素循環ポンプ１００は、ガス循環流路３０７上に設けられる。燃料電池９００で電気化学反応に供された後の燃料ガスは、水素循環ポンプ１００によって、ガス循環流路３０７を介して、燃料ガス供給流路３０４へ導入され、再び発電に利用される。なお、排気排水弁６１０を適宜開弁することにより、不純物（例えば、窒素）濃度が高くなった燃料ガスや、燃料電池９００から排出される排水を、燃料ガス排出流路３０６を介して、燃料電池システム１０００外部に排出する。以下では、ガス循環流路３０７において、水素循環ポンプ１００より燃料ガスの流れ方向の上流側の流路をガス循環上流側流路３０７Ａと呼び、水素循環ポンプ１００より下流側の流路をガス循環下流側流路３０７Ｂと呼ぶ。

コンプレッサ３３０は、酸化ガス供給流路３３４を介して燃料電池９００に接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、カソードに供給する。また、燃料電池９００は、酸化ガス排出流路３３６と接続され、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガスは、この酸化ガス排出流路３３６を介して、燃料電池システム１０００の外部に排出される。なお、燃料電池９００には、燃料電池９００を冷却するための冷媒を循環させる冷却機構（図示せず）を備えている。

Ａ２．燃料電池ユニットＦＵの詳細：
図２は、本実施例における燃料電池ユニットＦＵの概略断面図である。図３は、図２に示す水素循環ポンプ１００のＡ−Ａ断面図である。図２は、図３のＢ−Ｂ断面に相当する。図２において、ｘ、ｙ、ｚ方向を図示するように規定する。図４は、図２における燃料電池ユニットＦＵをｚ方向から見た図である。

水素循環ポンプ１００は、ルーツ式ポンプ（又はルーツ式ブロワ）であり、主に、ポンプロータ１１０Ａと、ポンプロータ１１０Ｂと、シャフト１２０Ａ，１２０Ｂと、タイミングギア１３０Ａ，１３０Ｂと、ベアリング１４０Ａ，１４０Ｂ，１７０と、モータ部１５５と、を備えている。また、水素循環ポンプ１００は、壁Ｗによって、ポンプ室ＰＲと、ギア室ＴＲと、モータ室ＭＲとに区画されている。ギア室ＴＲは、ポンプ室ＰＲとモータ室ＭＲとに挟まれている。

図２に示すように、シャフト１２０Ａは、ポンプ室ＰＲ、ギア室ＴＲ、および、モータ室ＭＲを貫通するように配置され、シャフト１２０Ｂは、ポンプ室ＰＲ、および、ギア室ＴＲを貫通するように配置される。

モータ室ＭＲでは、モータ部１５５が配置される。モータ部１５５は、シャフト１２０Ａに取り付けられたモータロータ１６０と、モータロータ１６０の外周を取り囲むようにモータ室の壁Ｗに取り付けられた電磁コイル（ステータ）１５０とから成る。また、モータ室ＭＲには、シャフト１２０Ａの受け軸としてのベアリング１７０が設けられている。

モータ室ＭＲにおいて、モータ部１５５は、電磁コイル１５０によって、モータロータ１６０を回転させ、それによりシャフト１２０Ａを回転駆動させる。

ギア室ＴＲでは、シャフト１２０Ａにタイミングギア１３０Ａが取り付けられ、シャフト１２０Ｂにタイミングギア１３０Ｂが取り付けられる。また、この場合、タイミングギア１３０Ａとタイミングギア１３０Ｂとが、勘合するように配置される。さらに、ギア室ＴＲには、シャフト１２０Ａおよびシャフト１２０Ｂの受け軸としてのベアリング１４０Ａおよびベアリング１４０Ｂが設けられている。

ギア室ＴＲにおいて、シャフト１２０Ａが回転駆動すると、タイミングギア１３０Ａが回転し、タイミングギア１３０Ｂを回転させ、それに伴い、シャフト１２０Ｂが回転駆動する。

図２、図３に示すように、ポンプ室ＰＲでは、シャフト１２０Ａおよびシャフト１２０Ｂに、それぞれ、ポンプロータ１１０Ａおよびポンプロータ１１０Ｂが取り付けられる。また、ポンプ室ＰＲは、ガス循環上流側流路３０７Ａから燃料ガスを吸入するための吸入口ＩＮと、吸入した燃料ガスをガス循環下流側流路３０７Ｂへ導出するための導出口ＯＵＴとを備えている。

ポンプ室ＰＲにおいて、シャフト１２０Ａが回転駆動すると、ポンプロータ１１０Ａが回転する。また、シャフト１２０Ｂが回転駆動することにより、ポンプロータ１１０Ｂが回転する。これにより、ポンプ室ＰＲにおいて、吸入口ＩＮから燃料ガスを吸入し、その燃料ガスを導出口ＯＵＴから導出させることができる。このようにして、ガス循環流路３０７において、ガス循環上流側流路３０７Ａの燃料ガスが、ガス循環下流側流路３０７Ｂへ汲み上げられる。

図２、図４に示すように、燃料電池ユニットＦＵにおいて、水素循環ポンプ１００は、燃料電池９００のエンドプレートＥＰの外側面ＥＰＭの略中央付近に固定されている。具体的には、燃料電池ユニットＦＵにおいて、水素循環ポンプ１００は、シャフト１２０Ａおよびシャフト１２０Ｂの長手方向の向きが積層方向に沿った方向となるように配置されると共に、ポンプ室ＰＲがエンドプレートＥＰの外側面ＥＰＭの略中央付近と当接するように、固定ボルト（図示せず）で固定されている。

次に、上記燃料電池システム１０００（燃料電池ユニットＦＵ）を、下記に示す自動車ＨＲに搭載した場合を説明する。図５は、燃料電池ユニットＦＵを搭載した自動車ＨＲの一部を示す図である。自動車ＨＲは、連結シャフトＲＳと、フロアパネルＰＮと、フロアパネルＰＮ上に形成されるセンタートンネルＣＴと、を備えている。連結シャフトＲＳは、自動車ＨＲの各車輪（図示せず）を連結し、各車輪に駆動力を伝達するための駆動軸であり、センタートンネルＣＴ内に配置される。図５は、具体的には、センタートンネルＣＴを自動車ＨＲの進行方向（前方向）から見た図である。自動車ＨＲは、図５に示すように、上記燃料電池ユニットＦＵを、センタートンネルＣＴ内に配置している。この場合、自動車ＨＲにおいて、燃料電池ユニットＦＵは、積層方向と自動車ＨＲの進行方向（前方向）とが略一致するように配置される。

図６は、比較例としての燃料電池ユニットＦＵＨを示す図である。図６に示す比較例の燃料電池ユニットＦＵＨにおいて、燃料電池９００および水素循環ポンプ１００の材料構成は、上記実施例の燃料電池ユニットＦＵと同様である。しかし、燃料電池ユニットＦＵＨでは、水素循環ポンプ１００において、シャフト１２０Ａおよびシャフト１２０Ｂの長手方向の向きが、燃料電池９００における面方向に沿うように配置されると共に、モータ室ＭＲが燃料電池９００のエンドプレートＥＰの外側面ＥＰＭと当接するように、固定されている。

ところで、水素循環ポンプ１００は、燃料ガスを輸送する際の体積効率の向上等のため、シャフトの長手方向の向きに、できるだけ大きくしたいという要望がある。このような要望を満たすため、水素循環ポンプ１００において、シャフト１２０Ａおよびシャフト１２０Ｂの長手方向に比較的大きく形成した場合であって、図６に示す比較例のごとく水素循環ポンプ１００を配置すると、燃料電池ユニットＦＵＨにおいて、水素循環ポンプ１００が、面方向において燃料電池９００よりも飛び出てしまい、燃料電池ユニットが面方向に大きくなるおそれがあった。このように燃料電池ユニットが面方向に大きくなると、上記のごとく、自動車ＨＲのセンタートンネルＣＴ内に燃料電池ユニットを配置する場合に、センタートンネルＣＴを面方向（車幅方向）に広く取る必要が生じ、自動車ＨＲにおける搭乗空間や他の装置の搭載空間の減少など種々の不具合が生じるおそれがあった。

一方、本実施例の燃料電池ユニットＦＵでは、水素循環ポンプ１００は、シャフト１２０Ａおよびシャフト１２０Ｂの長手方向の向きが積層方向に沿った方向となるように配置され、エンドプレートＥＰの外側面ＥＰＭと当接するように固定されているので、水素循環ポンプ１００が、面方向において燃料電池９００よりも飛び出すことを抑制することができる。その結果、自動車ＨＲのセンタートンネルＣＴ内に燃料電池ユニットを配置する場合において、自動車ＨＲのセンタートンネルＣＴを面方向（車幅方向）に大きくすることを抑制することができ、自動車ＨＲの搭乗空間や他の装置の搭載空間の減少など種々の不具合が生じることを抑制することができる。

本実施例の燃料電池ユニットＦＵでは、燃料電池９００に水素循環ポンプ１００を固定している。このようにすれば、燃料電池９００と水素循環ポンプ１００とを同じ振動系とすることができ、ガス循環流路３０７等の配管系の接続部分において、振動に起因するひび割れ等を抑制することができる。

ところで、水素循環ポンプ１００において、モータ室ＭＲ側をエンドプレートＥＰに固定したとすると、「エンドプレート内の、流路とポンプ取り付け部の誤差」、「モータ内のポンプ取り付け部とポンプ部取り付け部の誤差」、「ポンプ部内のモータ部取り付け部と配管取り付け部の誤差」、「ポンプ部とモータ部の組み付け時ばらつき誤差」、および、「エンドプレートとポンプの組み付け時のばらつき誤差」の５つの組み付け誤差が生じる。

一方、本実施例の燃料電池ユニットＦＵのごとく、水素循環ポンプ１００において、モータ室ＭＲ側ではなく、ポンプ室ＰＲ側を燃料電池９００のエンドプレートＥＰに固定した場合には、組み付け誤差が、「エンドプレート内の、流路とポンプ取り付け部の誤差」、「ポンプ取り付け部とポンプの配管取り付け部の誤差」、および、「エンドプレートとポンプの組み付け時のばらつき誤差」の３つで済むので、モータ室ＭＲ側をエンドプレートＥＰに固定した場合と比較して、組み付け誤差を抑制することができる。

本実施例の燃料電池ユニットＦＵにおいて、水素循環ポンプ１００のポンプ室ＰＲ側を燃料電池９００のエンドプレートＥＰに固定している。このようにすれば、燃料電池９００から伝達される熱によって、ポンプ室ＰＲを暖機することができ、低温時の燃料電池システム１０００の起動時であっても、水素循環ポンプ１００を素早く起動させることが可能となる。

また、燃料電池ユニットＦＵにおいて、水素循環ポンプ１００のポンプ室ＰＲ側を燃料電池９００のエンドプレートＥＰに固定すれば、水素循環ポンプ１００のモータ室ＭＲ側を燃料電池９００のエンドプレートＥＰに固定した場合と比較して、ガス循環流路３０７等の配管を短くすることができ、コストの抑制、大型化の抑制、または、配管の凍結抑制等を達成することができる。

なお、本実施例において、燃料電池ユニットＦＵは、特許請求の範囲における燃料電池ユニットに該当し、燃料電池セル２０は、特許請求の範囲における燃料電池セルに該当し、エンドプレートＥＰは、特許請求の範囲における剛性プレートに該当し、外側面ＥＰＭは、特許請求の範囲における剛性プレートの反対面に該当し、燃料電池９００は、特許請求の範囲における燃料電池に該当し、水素循環ポンプ１００は、特許請求の範囲におけるポンプに該当し、ポンプ室ＰＲは、特許請求の範囲におけるポンプ室に該当し、自動車ＨＲは、特許請求の範囲における車両に該当し、センタートンネルＣＴは、特許請求の範囲におけるセンタートンネルに該当する。

Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例において、水素循環ポンプ１００は、ルーツ式のポンプを用いているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、水素循環ポンプ１００は、スクロール式、ターボ式、または、スクリュー式のポンプを用いるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記燃料電池ユニットＦＵにおいて、燃料電池９００のエンドプレートＥＰに固定するポンプは、水素循環ポンプ１００としているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、燃料電池９００に固定するポンプを、コンプレッサ３３０や、冷却機構の冷媒循環ポンプ（図示せず）等としてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池ユニットＦＵを自動車ＨＲのセンタートンネルＣＴに配置するようにしているが、本発明は、これに限られるものではなく、燃料電池９００の面方向に大きさが制限されるような場所（例えば、自動車ＨＲのシート（図示せず）下など）に配置するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。上記燃料電池ユニットＦＵは、種々の場所に配置することが可能であり、例えば、自動車ＨＲ以外の移動体（電車、リニアモーターカー、ロボット、船舶、飛行機、ロケットなど）に搭載するようにしてもよい。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池ユニットＦＵを自動車ＨＲに搭載する場合、図５に示すように、吸入口ＩＮおよび導出口ＯＵＴがほぼ平行になるように配置されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池ユニットＦＵを自動車ＨＲに搭載する場合、吸入口ＩＮが重力方向下側で導出口ＯＵＴが重力方向上側になるように配置するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池９００で生成された生成水が、水素循環ポンプ１００に流入することを抑制することができ、燃料ガスと共に、生成水が循環することを抑制することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。 本実施例における燃料電池ユニットＦＵの概略断面図である。 図２に示す水素循環ポンプ１００のＡ−Ａ断面図である。 図２における燃料電池ユニットＦＵをｚ方向から見た図である。 燃料電池ユニットＦＵを搭載した自動車ＨＲの一部を示す図である。 比較例としての燃料電池ユニットＦＵＨを示す図である。

符号の説明

２０…燃料電池セル
１００…水素循環ポンプ
１１０Ａ…ポンプロータ
１１０Ｂ…ポンプロータ
１２０Ａ…シャフト
１２０Ｂ…シャフト
１３０Ａ…タイミングギア
１３０Ｂ…タイミングギア
１４０Ａ…ベアリング
１４０Ｂ…ベアリング
１５０…電磁コイル
１５５…モータ部
１６０…モータロータ
１７０…ベアリング
３００…水素タンク
３０４…燃料ガス供給流路
３０６…燃料ガス排出流路
３０７…ガス循環流路
３０７Ａ…ガス循環上流側流路
３０７Ｂ…ガス循環下流側流路
３１０…水素遮断弁
３１５…レギュレータ
３３０…コンプレッサ
３３４…酸化ガス供給流路
３３６…酸化ガス排出流路
６１０…排気排水弁
９００…燃料電池
１０００…燃料電池システム
ＴＭ…ターミナル
ＩＮ…吸入口
ＰＮ…フロアパネル
ＥＰ…エンドプレート
ＰＲ…ポンプ室
ＴＲ…ギア室
ＭＲ…モータ室
ＩＳ…インシュレータ
ＲＳ…連結シャフト
ＣＴ…センタートンネル
ＦＵ…燃料電池ユニット
ＣＡＲ…自動車
ＥＰＭ…外側面
ＦＵＨ…燃料電池ユニット
ＯＵＴ…導出口

Claims (4)

1. 燃料電池ユニットであって、
   燃料電池セルを２つの剛性プレートで挟持して構成される燃料電池と、
   シャフトを備え、前記剛性プレートのいずれか一方において、前記燃料電池セルを挟持する面の反対面に当接すると共に、前記シャフトの長手方向の向きが、前記燃料電池セルおよび前記剛性プレートを積層する積層方向に沿うように配置されるポンプと、
   を備え、
   前記ポンプは、
   流体が流入し、前記流体を吐出するためのポンプ室を備え、
   前記ポンプ室が、前記剛性プレートの前記反対面に当接することを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
   前記ポンプは、
   前記燃料電池に燃料ガスを循環供給させるための循環ポンプであることを特徴とする燃料電池ユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニットにおいて、
   前記燃料電池ユニットは、
   車両において、前記車両の前後方向に伸びるセンタートンネル内に、前記前後方向と前記積層方向が略一致するように配置されることを特徴とする燃料電池ユニット。
4. 車両であって、
   前記車両の前後方向に伸びるセンタートンネルと、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ユニットと、
   を備え、
   前記燃料電池ユニットは、
   前記車両の前記センタートンネル内に、前記前後方向と前記積層方向が略一致するように配置されることを特徴とする車両。

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