JP2003217621A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ポンプから対応する流体を燃料電池スタックに
供給および／または排出する配管を、簡素化かつ短尺化
することができ、スペース効率の向上を図るとともに、
圧損の低減を可能にする。 【解決手段】燃料電池スタック１４と、ポンプ２６、４
０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、前記ポンプ２
６、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／または排出するための内部配管１０
５が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】 【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】本発明の請求項１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
池スタックに反応ガス（燃料ガスおよび／または酸化剤
ガス）を供給する反応ガス供給用ポンプ、または冷却媒
体供給用ポンプの少なくとも一方のポンプとが一体化さ
れるとともに、連結ブロックは、該ポンプから対応する
流体を該燃料電池スタックに供給および／または排出す
るための内部配管を設けている。 【００１０】これにより、反応ガスや冷却媒体である流
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１
６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３
０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４
６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６８
ｂ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１
４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８０
ｃ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９６
ａ〜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１０
５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、１０
８ｂ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、１１０
ｂ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８
４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１
０６ａ、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１
２２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１２
６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１
０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１０６
ａ、酸化剤ガス通路１０８ａおよび冷却媒体通路１１０
ａ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６
４ａ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２
６、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２
６、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２
６、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、反応ガス供給用ポンプ、または冷却
媒体供給用ポンプの少なくとも一方のポンプとが一体化
された状態で、該ポンプから対応する流体を該燃料電池
スタックに供給および／または排出するための内部配管
が設けられている。 【００５０】このため、反応ガスや冷却媒体である流体
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、１０８
ｂ…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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】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
   スタックと、 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、 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、 前記燃料電池スタックと、前記反応ガス供給用ポンプま
   たは前記冷却媒体供給用ポンプの少なくとも一方のポン
   プとを一体化した状態で、該ポンプから対応する流体を
   該燃料電池スタックに供給および／または排出するため
   の内部配管を設けた連結ブロックと、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。