JP2009146863A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スペース効率を向上させ軽量化を図る。
【解決手段】複数のセルが積層してなるセル積層体２１を有し、酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２において発電された電力を充電するバッテリ５３と、バッテリ５３から入力された直流電圧を調整してトラクションモータ５６側に出力し、燃料電池２側またはトラクションモータ５６側から入力された直流電圧を調整してバッテリ５３に出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５４と、セル積層体２１の一部のセルの電圧を検出するセルモニタ５２と、燃料電池２から入力された直流電圧を調整してトラクションモータ５６側に出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５１とを備える燃料電池システムであって、セルモニタ５２およびＤＣ／ＤＣコンバータ５４を、燃料電池の外面を構成するベースプレート２４の下面側に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池システムを搭載した車両では、燃料電池および二次電池からの電力供給によってトラクションモータを駆動させている。ここで、燃料電池から出力された直流電流は、ケーブルを介してトラクションインバータに入力され、このトラクションインバータで三相交流に変換された後、トラクションモータに供給される。また、燃料電池とトラクションインバータとの間には、燃料電池のセル積層体（セルスタック）に含まれる各セルの電圧を検出するためのセルモニタが配置される（下記特許文献１および２参照）。
特開２００６−１８５８６８号公報 特開２００７−０４８６０９号公報

ところで、燃料電池とトラクションインバータとを接続するケーブルには、電流値の大きな直流電流が流れるため、太く重いケーブルを用いる必要がある。さらに、燃料電池とトラクションインバータとの間には、セルモニタが配置されているため、太く重いケーブルのケーブル長が長くなってしまう。このようなケーブルを使用することは、スペース効率や軽量化の妨げになる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、スペース効率を向上させ軽量化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルが積層してなるセル積層体を有し、酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、セル積層体の一部のセルの電圧を検出するセル電圧検出部と、燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する直流電圧変換部と、を備え、直流電圧変換部およびセル電圧検出部は、燃料電池の外面を構成するいずれかのプレート上に配置されることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の外面を構成するいずれかのプレート上に、直流電圧変換部を配置することができるため、燃料電池と直流電圧変換部との間の距離を短くすることができ、燃料電池から出力される電流値の大きな直流電流を流す区間を短くすることができる。また、直流電圧変換部を燃料電池に隣接させて配置することで、燃料電池の出力電圧を一定に保持させることが可能となるため、セル電圧検出部を全てのセルに対応させて設ける必要がなくなり、一部のセルに対してのみセル電圧検出部を設けることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池において発電された電力を充電する畜電部と、畜電部から入力された直流電圧を調整して電力消費装置側に出力し、直流電圧変換部または電力消費装置側から入力された直流電圧を調整して畜電部に出力する畜電部用直流電圧変換部と、をさらに備えることとしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、上記プレートは、燃料電池の外面のうち、燃料電池を設置した際に上部側に位置する面以外のいずれかの面を構成することとしてもよい。

このようにすることで、直流電圧変換部およびセル電圧検出部を、燃料電池の上面側以外の面を構成するプレート上に配置させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記プレートは、燃料電池の外面のうち、燃料電池を設置した際に下部側に位置する面を構成することとしてもよい。

このようにすることで、直流電圧変換部およびセル電圧検出部を、燃料電池の下面を構成するプレートの下面側に配置させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記セル電圧検出部は、セル積層体の積層方向端部に位置する端セルの電圧をそれぞれ検出する複数の検出部を有し、上記直流電圧変換部は、当該検出部間に配置されることとしてもよい。

このようにすることで、直流電圧変換部を、複数の検出部間に形成されるスペースに配置させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記プレートは金属性材料からなることとしてもよい。

このようにすることで、直流電圧変換部から発生する熱を、プレートを伝導させて放熱させることができる。

本発明によれば、スペース効率を向上させ軽量化を図ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。燃料電池２および水素ガス配管系４により水素ガス供給機構が構成される。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数のセルを積層してなるセル積層体２１（セルスタック）を有する。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

燃料電池２は、セル積層体２１の両端に位置する端セルの外側にそれぞれ設けられたエンドプレート２２と、セル積層体２１の上端側において両エンドプレート２２間を締結するテンションプレート２３と、セル積層体２１の下端側において両エンドプレート２２間を締結するベースプレート２４（プレート）とを有する。テンションプレート２３とベースプレート２４とを用いて両エンドプレート２２間を締結することにより、セル積層体２１がセルの積層方向に所定の圧縮力がかかった状態で保持される。

ベースプレート２４の下面側には、後述する燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２が配置される。ベースプレート２４は、例えば、アルミ等のように所定以上の熱伝導率を有する金属性材料からなる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から発生する熱を、ベースプレート２４を介してエンドプレート２２に伝導させて放熱させることができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の冷却効果を向上させることができる。

ベースプレート２４を設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とセルモニタ５２とをそれぞれ配置するためのプレート、およびテンションプレートを、一枚のベースプレート２４のみで実現することができるため、燃料電池システム１の構成を簡易にできるとともに、燃料電池システム１の軽量化を図ることができる。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３が設けられている。循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。

電力系５は、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１（直流電圧変換部）と、セルモニタ５２（セル電圧検出部）と、バッテリ５３（畜電部）と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５４（畜電部用直流電圧変換部）と、トラクションインバータ５５と、トラクションモータ５６（電力消費装置）と、図示しない各種の補機インバータとを有する。

燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ５５に出力する機能を有する。燃料電池２の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇圧される。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５５とを接続するケーブルに流れる直流電流の電流値は、燃料電池２とＤＣ／ＤＣコンバータ５１との間に流れる直流電流の電流値よりも低下する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５５とを接続するケーブルとして、燃料電池２とＤＣ／ＤＣコバータ５１とを接続するケーブルよりも細く軽いケーブルを用いることができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池２のベースプレート２４に配置されるため、燃料電池２の電極とＤＣ／ＤＣコンバータ５１とを接続する太く重いケーブルのケーブル長を短くすることができる。これにより、燃料電池システム１のスペース効率を向上させることができるとともに、燃料電池システム１の軽量化を図ることができる。

セルモニタ５２は、セル積層体２１の積層方向端部に位置する端セルの電圧を検出する。ところで、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１を備えることで、トラクションインバータ５５に出力する直流電圧を一定に保持することが可能となるため、各セルの電圧を検出するセルモニタを省略することもできる。しかしながら、何らかの要因によりセルの電圧が低下した場合にはセルに不具合が生じるおそれがあり、そのような不具合を防止するために一部のセルの電圧を監視するセルモニタを設けることとした。本実施形態では、セルモニタ５２を二箇所に設け、それぞれのセルモニタ５２でセル積層体２１の両端に位置するセルの電圧をそれぞれ検出することとした。これにより、両セルモニタ５２間にスペースを設けることができ、このスペースにＤＣ／ＤＣコンバータ５１を配置することができるため、燃料電池２の電極とＤＣ／ＤＣコンバータ５１との間を接続するケーブルを短くすることが可能となる。また、セルモニタ５２を、全てのセルに対応させて設けることなく、端セルにのみ対応させて設ければよいため、燃料電池システム１のスペース効率を向上させることができるとともに、燃料電池システム１の軽量化を図ることができる。

図１に示すように、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１とセルモニタ５２は、燃料電池２を車両に設置した際に燃料電池２の下部側に位置するベースプレート２４の下面側に配置されているが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とセルモニタ５２を燃料電池２の下面側に配置することにより、以下のようなメリットがある。

燃料電池２で生成された水を排出する排水路は、燃料電池２よりも低い位置に設ける必要がある。一般に、排水路は、燃料電池２に隣接する位置であって、燃料電池よりも低い位置に設けられる。言い換えると、燃料電池２は、排水路に隣接し、かつ排水路よりも高い位置に設けられる。このように、燃料電池２を排水路よりも高い位置に配置することで、燃料電池２の下部には余分なスペースができてしまう。そこで、燃料電池２の下部にＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を配置し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を上記余分なスペース内に配置することで、燃料電池２の下部にできる余分なスペースを有効に活用することができる。

さらに、燃料電池２が車両の床下に設置される場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を上記余分なスペース内に配置することで、車両の床面の高さを維持させることができるとともに、車両の低重心化を図ることができる。また、車両の床面が低いほど、広い車内スペースを確保することができ、商品性を高めることができることから、低い床面を維持させることで商品性の高さを維持させることができる。

バッテリ５３は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５４は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５３から入力された直流電圧を調整（昇圧）して電力消費装置側であるトラクションインバータ５５に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５６から入力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ５３に出力する機能と、を有する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ５４の機能により、バッテリ５３の充放電が実現される。

トラクションインバータ５５は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５６に供給する。トラクションモータ５６は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部６からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ５３から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ５６等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ５６の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、セルモニタ５２、電流センサ、電圧センサおよび圧力センサ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、水素ポンプ４４およびトラクションモータ５６等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の下面を構成するベースプレート２４の下面側に、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１を配置することができるため、燃料電池２とＤＣ／ＤＣコンバータ５１との間の距離を短くすることができる。これにより、燃料電池２の電極とＤＣ／ＤＣコンバータ５１との間に接続される大電流用の太く重いケーブルの長さを短くすることができる。それゆえに、燃料電池システム１のスペース効率を向上させ、燃料電池システム１の軽量化を図ることができる。

また、従来の燃料電池に設けられているバッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５４の他に、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１を燃料電池２に隣接させて配置することで、燃料電池２の出力電圧を一定に保持させることが可能となるため、従来の燃料電池のように全てのセルに対応させてセルモニタを設ける必要がなくなり、一部のセルに対してのみセルモニタ５２を設けることができる。これにより、燃料電池システム１のスペース効率を向上させ、燃料電池システム１の軽量化を図ることができる。

なお、上述した実施形態では、ベースプレート２４の下面側にＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を配置しているが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を配置する位置はこれに限定されない。燃料電池２の外面を構成するいずれかの面にベースプレート２４を設け、このベースプレート２４上に配置することとしてもよい。これにより、燃料電池２の電極とＤＣ／ＤＣコンバータ５１とを相互に接続する太く重いケーブルのケーブル長をできる限り短くすることが可能となる。特に、燃料電池２の総プラス側の電極と総マイナス側の電極とを結ぶ直線上にＤＣ／ＤＣコンバータ５１を配置することができれば、上述した太く重いケーブルのケーブル長を最短にすることができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を同一の面上に設ける必要はなく、燃料電池２の外面を構成する面のうち、異なる面上にそれぞれベースプレート２４を設け、このベースプレート２４上にそれぞれを配置することとしてもよい。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を同一の面上に配置した場合には、ベースプレート２４を一枚にすることができるため、より軽量化を図ることができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１およびセルモニタ５２を、少なくとも燃料電池２の上面の高さから上方側に突出しない位置に配置させることで、床面の高さを維持させることができるため、商品性の高さを維持させることができる。

また、上述した各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、２１…セル積層体、２２…エンドプレート、２３…テンションプレート、２４…ベースプレート、５１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２…セルモニタ、５３…バッテリ、５４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５５…トラクションインバータ、５６…トラクションモータ。

Claims (6)

1. 複数のセルが積層してなるセル積層体を有し、酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記セル積層体の一部のセルの電圧を検出するセル電圧検出部と、
   前記燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する直流電圧変換部と、を備え、
   前記直流電圧変換部および前記セル電圧検出部は、前記燃料電池の外面を構成するいずれかのプレート上に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池において発電された電力を充電する畜電部と、
   前記畜電部から入力された直流電圧を調整して電力消費装置側に出力し、前記直流電圧変換部または電力消費装置側から入力された直流電圧を調整して前記畜電部に出力する畜電部用直流電圧変換部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記プレートは、前記燃料電池の外面のうち、前記燃料電池を設置した際に上部側に位置する面以外のいずれかの面を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記プレートは、前記燃料電池の外面のうち、前記燃料電池を設置した際に下部側に位置する面を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記セル電圧検出部は、前記セル積層体の積層方向端部に位置する端セルの電圧をそれぞれ検出する複数の検出部を有し、
   前記直流電圧変換部は、前記検出部間に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記プレートは金属性材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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