JP2024007057A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、搭載性が良好な燃料電池ユニットを提供することを主目的とする。【解決手段】燃料電池ユニット（１００）は、電力変換器として、第１燃料電池モジュール（１０Ａ）の電力を変換する第１電力変換器（２０Ａ）と、第２燃料電池モジュール（１０Ｂ）の電力を変換する第２電力変換器（２０Ａ）と、を備え、第１電力変換器（２０Ａ）は、第１燃料電池モジュール（１０Ａ）の第１面Ａに配置され、第２電力変換器（２０Ａ）は、第２燃料電池モジュール（１０Ｂ）の第１面Ｂに配置され、第１面Ａおよび第１面Ｂは、互いに対向し、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向は、複数の第１単セル（１１Ａ）および複数の第２単セル（１１Ｂ）の積層方向、と直交している、燃料電池ユニット。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池ユニットに関する。

燃料電池は、酸素を含有する酸化剤ガスと水素を含有する燃料ガスとの化学反応により電気エネルギーを発生させる電池である。燃料電池（燃料電池スタック）の基本単位となるセル（単セル）は、一般に、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備え、その外側にガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）、さらにその外側にガス流路を有するセパレータが配置されている。

また、燃料電池ユニットは、少なくとも燃料電池スタックおよび電力変換器から構成される。例えば特許文献１には、燃料電池システムにおいて、電力変換装置の少なくとも２面を、燃料電池を含む電源装置で覆う構成が開示されている。

特開２００８－３１１０３８号公報

燃料電池ユニットを、例えば燃料電池車両（ＦＣＥＶ）に搭載する場合、高出力要請の観点から複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池ユニットを搭載することが考えられるが、燃料電池ユニットの搭載性（設置性）が悪化する恐れがある。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、搭載性が良好な燃料電池ユニットを提供することを主目的とする。

［１］
燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの電力を変換する電力変換器と、を備える燃料電池ユニットであって、上記燃料電池ユニットは、上記燃料電池モジュールとして、複数の第１単セルが積層された第１燃料電池スタックを有する、第１燃料電池モジュールと、複数の第２単セルが積層された第２燃料電池スタックを有する、第２燃料電池モジュールと、を備え、上記燃料電池ユニットは、上記電力変換器として、上記第１燃料電池モジュールの電力を変換する第１電力変換器と、上記第２燃料電池モジュールの電力を変換する第２電力変換器と、を備え、上記第１電力変換器は、上記第１燃料電池モジュールの第１面Ａに配置され、上記第２電力変換器は、上記第２燃料電池モジュールの第１面Ｂに配置され、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂは、互いに対向し、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂの第１法線方向は、上記複数の第１単セルおよび上記複数の第２単セルの積層方向、と直交している、燃料電池ユニット。

［２］
上記第１電力変換器および上記第２電力変換器が、それぞれ個別の電力変換器ケースに収容されている、［１］に記載の燃料電池ユニット。

［３］
燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの電力を変換する電力変換器と、を備える燃料電池ユニットであって、上記燃料電池ユニットは、上記燃料電池モジュールとして、複数の第１単セルが積層された第１燃料電池スタックを有する、第１燃料電池モジュールと、複数の第２単セルが積層された第２燃料電池スタックを有する、第２燃料電池モジュールと、を備え、上記燃料電池ユニットは、上記電力変換器として、上記第１燃料電池モジュールの電力を変換し、かつ、上記第２燃料電池モジュールの電力を変換する共通電力変換器と、を備え、上記共通電力変換器は、上記第１燃料電池モジュールの第１面Ａに配置され、かつ、上記第２燃料電池モジュールの第１面Ｂに配置され、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂは、互いに対向し、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂの第１法線方向は、上記複数の第１単セルおよび上記複数の第２単セルの積層方向、と直交している、燃料電池ユニット。

［４］
上記第１電力変換器および上記第２電力変換器の両方、または、上記共通電力変換器が、１つの電力変換器ケースに収容されている、［１］または［３］に記載の燃料電池ユニット。

［５］
上記第１燃料電池モジュールは、上記第１燃料電池スタックの正極側に配置された第１正極ターミナルプレートと、上記第１燃料電池スタックの負極側に配置された第１負極ターミナルプレートと、上記第１燃料電池スタック、上記第１正極ターミナルプレートおよび上記第１負極ターミナルプレートを収容する、第１燃料電池ケースと、を有し、上記第２燃料電池モジュールは、上記第２燃料電池スタックの正極側に配置された第２正極ターミナルプレートと、上記第２燃料電池スタックの負極側に配置された第２負極ターミナルプレートと、上記第２燃料電池スタック、上記第２正極ターミナルプレートおよび上記第２負極ターミナルプレートを収容する第２燃料電池ケースと、を有し、上記燃料電池ユニットは、上記第１正極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第１燃料電池ケースから突出する、第１正極端子と、上記第１負極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第１燃料電池ケースから突出する、第１負極端子と、上記第２正極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第２燃料電池ケースから突出する、第２正極端子と、上記第２負極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第２燃料電池ケースから突出する、第２負極端子と、を備え、上記第１正極端子は、上記第１正極ターミナルプレートと接続する基部Ａ１と、上記基部Ａ１から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ａ１と、を有し、上記第１負極端子は、上記第１負極ターミナルプレートと接続する基部Ａ２と、上記基部Ａ２から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ａ２と、を有し、上記第２正極端子は、上記第２正極ターミナルプレートと接続する基部Ｂ１と、上記基部Ｂ１から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ｂ１と、を有し、上記第２負極端子は、上記第２負極ターミナルプレートと接続する基部Ｂ２と、上記基部Ｂ２から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ｂ２と、を有し、上記燃料電池ユニットは、下記の（１）および（２）の少なくとも一方の条件を満たす、［３］または［４］に記載の燃料電池ユニット。
（１）上記積層方向から平面視した場合に、上記第１正極端子の上記突出部Ａ１および上記第２正極端子の上記突出部Ｂ１は、重複しない位置に配置されている。
（２）上記積層方向から平面視した場合に、上記第１負極端子の上記突出部Ａ２および上記第２負極端子の上記突出部Ｂ２は、重複しない位置に配置されている。

［６］
上記燃料電池ユニットは、上記（１）の条件を少なくとも満たし、かつ、上記第１法線方向から平面視した場合に、上記基部Ａ１および上記基部Ｂ１は、少なくとも一部が重複する位置に配置されている、［５］に記載の燃料電池ユニット。

［７］
上記燃料電池ユニットは、上記（２）の条件を少なくとも満たし、かつ、上記第１法線方向から平面視した場合に、上記基部Ａ２および上記基部Ｂ２は、少なくとも一部が重複する位置に配置されている、［５］または［６］に記載の燃料電池ユニット。

［８］
上記燃料電池ユニットは、上記（１）の条件を少なくとも満たし、かつ、上記第１法線方向から平面視した場合に、上記基部Ａ１および上記基部Ｂ１は、重複しない位置に配置されている、［５］に記載の燃料電池ユニット。

［９］
上記燃料電池ユニットは、上記（２）の条件を少なくとも満たし、かつ、上記第１法線方向から平面視した場合に、上記基部Ａ２および上記基部Ｂ２は、重複しない位置に配置されている、［５］または［８］に記載の燃料電池ユニット。

［１０］
上記燃料電池ユニットは、上記（１）の条件を少なくとも満たし、かつ、下記の（３）を満たす、［５］から［９］のいずれかに記載の燃料電池ユニット。（３）上記積層方向に垂直な断面において、上記第１正極端子の上記突出部Ａ１および上記第２正極端子の上記突出部Ｂ１は、同一断面上に配置されている。

［１１］
上記燃料電池ユニットは、上記（２）の条件を少なくとも満たし、かつ、下記の（４）を満たす、［５］から［１０］のいずれかに記載の燃料電池ユニット。（４）上記積層方向に垂直な断面において、上記第１負極端子の上記突出部Ａ２および上記第２負極端子の上記突出部Ｂ２は、同一断面上に配置されている。

［１２］
上記燃料電池ユニットは、上記第１燃料電池モジュールの運転を補助する第１補器と、上記第２燃料電池モジュールの運転を補助する第２補器と、を備え、上記第１補器は、上記第１燃料電池モジュールの第２面Ｃに配置され、上記第２補器は、上記第２燃料電池モジュールの第２面Ｄに配置され、上記第２面Ｃおよび上記第２面Ｄの第２法線方向は、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂの上記第１法線方向とは、直交しており、上記第１補器および上記第２補器は、互いに対向している、［１］から［１１］までのいずれかに記載の燃料電池ユニット。

［１３］
上記第１補器は、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂの上記第１法線方向において、上記第１燃料電池モジュールから上記電力変換器に向けて突出しており、上記第２補器は、上記第１面Ａおよび上記第１面Ｂの上記第１法線方向において、上記第２燃料電池モジュールから上記電力変換器に向けて突出している、［１２］に記載の燃料電池ユニット。

本開示においては、搭載性が良好な燃料電池ユニットを提供できるという効果を奏する。

本開示における燃料電池ユニットを例示する概略断面図である。 本開示における燃料電池ユニットを例示する概略断面図である。 本開示における燃料電池ユニットを例示する概略断面図である。 本開示における燃料電池ユニットを例示する外観斜視図である。 燃料電池モジュール同士の接続を説明する図である。 本開示における燃料電池ユニットを例示する部分斜視図、部分拡大図、部分平面図および部分断面図である。 本開示における燃料電池ユニットを例示する部分斜視図、部分平面図および部分断面図である。 本開示における単セルを例示する概略断面図である。

以下、本開示における燃料電池ユニットについて、詳細に説明する。以下に示す各図は、模式的に示したものであり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。また、本明細書において、ある部材に対して他の部材を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」または「下に」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある部材に接するように、直上または直下に他の部材を配置する場合と、ある部材の上方または下方に、別の部材を介して他の部材を配置する場合との両方を含む。

また、本開示において、ある部材を「第１」および「第２」などの表記を付さずに説明する場合、特に明記しない限り、「第１」および「第２」などの表記が付された部材の両方について説明するものとする。

さらに、本開示において「直交」には、厳密な直交のみならず、２つの方向のなす角度が、８０°以上、１００°以下の場合も含まれる。上記角度は、８５°以上、９５°以下であってもよい。また、本開示において「平行」には、厳密な平行のみならず、２つの方向のなす角度が１０°以下である場合も含まれる。上記角度は５°以下であってもよい。

１．燃料電池ユニットの構成
図１は、本開示における燃料電池ユニットを例示する概略平面図である。図１に示すように、燃料電池ユニット１００は、燃料電池モジュール１０と、燃料電池モジュール１０の電力を変換する電力変換器２０と、を備えている。また、燃料電池ユニット１００は、燃料電池モジュール１０として、複数の第１単セル１１Ａが積層された第１燃料電池スタック１２Ａを有する、第１燃料電池モジュール１０Ａと、複数の第２単セル１１Ｂが積層された第２燃料電池スタック１２Ｂを有する、第２燃料電池モジュール１０Ｂと、を備えている。また、燃料電池ユニット１００は、電力変換器２０として、第１燃料電池モジュール１０Ａの電力を変換する第１電力変換器２０Ａと、第２燃料電池モジュール１０Ｂの電力を変換する第２電力変換器２０Ｂと、を備えている。

また、図１に示すように、燃料電池ユニット１００においては、第１電力変換器２０Ａは、第１燃料電池モジュール１０Ａの第１面Ａに配置され、第２電力変換器２０Ｂは、第２燃料電池モジュール１０Ｂの第１面Ｂに配置されている。また、第１面Ａおよび第１面Ｂは、互いに対向している。さらに、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍは、複数の第１単セル１１Ａおよび複数の第２単セル１１Ｂの積層方向Ｎと直交している。なお、本開示において、第１面Ａの法線方向および第１面Ｂの法線方向は平行であり、複数の第１単セルの積層方向および複数の第２単セルの積層方向は平行である。

本開示によれば、第１電力変換器が第１燃料電池モジュールの所定の第１面Ａに配置され、第２電力変換器が第２燃料電池モジュールの所定の第１面Ｂに配置され、かつ、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向が複数の第１単セルおよび複数の第２単セルの積層方向と直交しているため、搭載性が良好な燃料電池ユニットとなる。例えば、電力変換器との接続する端子などの部材を燃料電池モジュールの同一面から突出させることができ、それぞれの電力変換器（電力変換器ケース）から延伸する、ワイヤハーネス等の接続部材を容易にまとめることができるため、搭載性が良好となる。特に、電力変換器を１つの電力変換器ケースに収容した場合、一体化された接続部材を一つの電力変換器ケースから延伸させることができるため、より搭載性が良好となる。

また、図２に示すように、本開示における燃料電池ユニットでは、電力変換器として、第１燃料電池モジュール１０Ａの電力を変換し、かつ、第２燃料電池モジュール１０Ｂの電力を変換する共通電力変換器２０Ｃを備えていてもよい。共通電力変換器２０Ｃは、第１燃料電池モジュール１０Ａの第１面Ａに配置され、かつ、第２燃料電池モジュール１０Ｂの第１面Ｂに配置されている。図２に示した燃料電池ユニット１００の、共通電力変換器２０Ｃ以外の構成は、図１に示した燃料電池ユニット１００と同様である。

本開示によれば、共通の電力変換器で第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールの電力を変換できるため、つまり、１つの電力変換器が第１電力変換器および第２電力変換器の両方として機能できるため、電力変換器および電力変換器ケース自体の大きさを小さくすることができる。その結果、搭載性がより良好になる。

ここで、本開示における燃料電池ユニットの構造は、電力変換器が２つの燃料電池モジュールに挟まれた構造と捉えることができる。そのため、燃料電池ユニットに衝撃が加わった場合に、電力変換器が衝撃緩衝材として機能でき、衝突安全性がより良好となるという利点がある。

ここで、図１～図３に示すように、第１燃料電池モジュール１０Ａは、複数の第１単セル１１Ａおよび第１燃料電池スタック１２Ａを収容する、燃料電池ケース１３Ａを通常有している。同様に、第２燃料電池モジュール１０Ｂは、複数の第１単セル１１Ｂおよび第２燃料電池スタック１２Ｂを収容する、燃料電池ケース１３Ｂを通常有している。また、燃料電池ケース１３Ａおよび１３Ｂは、それぞれ、第１電力変換器２０Ａおよび第２電力変換器２０Ｂと、または共通電力変換器２０Ｃと、電気的に接続するための開口部が上記第１面Ａ、上記第１面Ｂに通常形成されている。

また、図１に示すように、第１電力変換器２０Ａおよび第２電力変換器２０Ｂは、それぞれ個別の電力変換器ケース（２１Ａ、２１Ｂ）に収容されていてもよい。個別の電力変換器ケースとは、第１電力変換器２０Ａを収容するケースと、第２電力変換器２０Ｂを収容するケースとが連通していないことを意味する。この場合、燃料電池ケース１３Ａおよび電力変換器ケース２１Ａは、開口部を介して接続されていることが好ましい。同様に、燃料電池ケース１３Ｂおよび電力変換器ケース２１Ｂは、開口部を介して接続されていることが好ましい。

一方、図２、３に示すように、第１電力変換器２０Ａおよび第２電力変換器２０Ｂの両方、または、共通電力変換器２０Ｃが、１つの電力変換器ケース２１に収容されていてもよい。ここで、図２に示すように、第１電力変換器２０Ａと第２電力変換器２０Ｂケースとが個別の電力変換器である場合、１つの電力変換器ケースとは、第１電力変換器２０Ａを収容するケースと、第２電力変換器２０Ｂを収容するケースとが連通され、一体化されていることを意味する。この場合、燃料電池ケース１３Ａ、電力変換器ケース２１および燃料電池ケース１３Ｂは、それぞれ開口部において接続されていることが好ましい。

図４は、本開示における燃料電池ユニットを例示する外観斜視図である。具体的には、電力変換器が、１つの電力変換器ケースに収容されている燃料電池ユニットを例示する外観斜視図である。図４に示すように、燃料電池モジュール（１０Ａ、１０Ｂ）では、燃料電池ケース（１３Ａ、１３Ｂ）の一端にエンドプレートＸ（１４ＸＡ、１４ＸＢ）が配置され、燃料電池ケース（１３Ａ、１３Ｂ）のエンドプレートＸと対向する他方の端にエンドプレートＹ（１４ＹＡ、１４ＹＢ）が配置されている。エンドプレートＹ（１４ＹＡ、１４ＹＢ）には、補器（第１補器６０Ａ、第２補器６０Ｂ）が固定されている。

ここで、図１～図４に示すように、燃料電池ユニット１００は、第１燃料電池モジュール１０Ａの運転を補助する第１補器６０Ａと、第２燃料電池モジュール１０Ｂの運転を補助する第２補器６０Ｂを備えていてもよい。図１～図３に示すように、第１補器６０Ａは、第１燃料電池モジュール１０Ａの第２面Ｃに配置され、第２補器６０Ｂは、第２燃料電池モジュール１０Ｂの第２面Ｄに配置され、第２面Ｃおよび第２面Ｄの第２法線方向は、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍと、直交している。また、第１補器６０Ａおよび第２補器６０Ｂは、互いに対向している。なお、第２面Ｃおよび第２面Ｄは、燃料電池モジュールにおいて重力方向下側の面であることが好ましい。また、本開示において、第２面Ｃの法線方向および第２面Ｄの法線方向は平行である。

また、図１～図３に示すように、第１補器６０Ａは、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍにおいて、第１燃料電池モジュール１０Ａから電力変換器２０に向けて突出しており、第２補器６０Ｂは、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍにおいて、第２燃料電池モジュール１０Ｂから電力変換器２０に突出していることが好ましい。

また、第１補器および第２補器は、それぞれ、少なくとも２つの補器が一体化されている補器ユニットであってもよい。一方、第１補器および第２補器は、それぞれ、１つの補器であってもよい。

ここで、第１電力変換器および第２電力変換器の両方、または、共通電力変換器が１つの電力変換器ケースに収容されている場合、第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールは、並列に接続されていてもよく、直列に接続されていてもよい。

図５は、燃料電池モジュール同士の接続を説明する図である。具体的には、第１電力変換器および第２電力変換器の両方、または、共通電力変換器が１つの電力変換器ケースに収容されている燃料電池ユニットにおける、第１燃料電池モジュール側の正極端子および負極端子を例示する部分斜視図である。例えば、図５（ａ）に示すように、電力変換器が１つの電力変換器ケースに収容されている場合において、第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールを電気的に接続するためには、所定の端子を用いて、電力変換器ケース内で接続することが想定される。一方、図５（ｂ）に示すように、第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールにおける正極端子同士（４０Ａ、４０Ｂ）および負極端子同士（５０Ａ、５０Ｂ）の少なくとも一方が、干渉（直接接触）してしまうと、電気的に接続することが困難となる。

そこで、第１電力変換器および第２電力変換器の両方、または、共通電力変換器が１つの電力変換器ケースに収容されている場合、本開示における燃料電池ユニットは下記の態様であることが好ましい。すなわち、
上記第１燃料電池モジュールは、上記第１燃料電池スタックの正極側に配置された第１正極ターミナルプレートと、上記第１燃料電池スタックの負極側に配置された第１負極ターミナルプレートと、上記第１燃料電池スタック、上記第１正極ターミナルプレートおよび上記第１負極ターミナルプレートを収容する、第１燃料電池ケースと、を有し、上記第２燃料電池モジュールは、上記第２燃料電池スタックの正極側に配置された第２正極ターミナルプレートと、上記第２燃料電池スタックの負極側に配置された第２負極ターミナルプレートと、上記第２燃料電池スタック、上記第２正極ターミナルプレートおよび上記第２負極ターミナルプレートを収容する第２燃料電池ケースと、を有し、上記燃料電池ユニットは、上記第１正極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第１燃料電池ケースから突出する、第１正極端子と、上記第１負極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第１燃料電池ケースから突出する、第１負極端子と、上記第２正極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第２燃料電池ケースから突出する、第２正極端子と、上記第２負極ターミナルプレートと接続され、かつ、上記電力変換器に向けて上記第２燃料電池ケースから突出する、第２負極端子と、を備え、上記第１正極端子は、上記第１正極ターミナルプレートと接続する基部Ａ１と、上記基部Ａ１から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ａ１と、を有し、上記第１負極端子は、上記第１負極ターミナルプレートと接続する基部Ａ２と、上記基部Ａ２から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ａ２と、を有し、上記第２正極端子は、上記第２正極ターミナルプレートと接続する基部Ｂ１と、上記基部Ｂ１から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ｂ１と、を有し、上記第２負極端子は、上記第２負極ターミナルプレートと接続する基部Ｂ２と、上記基部Ｂ２から上記電力変換器に向けて突出する突出部Ｂ２と、を有し、上記燃料電池ユニットは、下記の（１）および（２）の少なくとも一方の条件を満たす、燃料電池ユニット。
（１）上記積層方向から平面視した場合に、上記第１正極端子の上記突出部Ａ１および上記第２正極端子の上記突出部Ｂ１は、重複しない位置に配置されている。
（２）上記積層方向から平面視した場合に、上記第１負極端子の上記突出部Ａ２および上記第２負極端子の上記突出部Ｂ２は、重複しない位置に配置されている。

上記態様の燃料電池ユニットであれば、燃料電池モジュール同士を容易に接続することができる。

また、上記（１）の条件を少なくとも満たす上記燃料電池ユニットは、下記の（３）を満たすことが好ましい。（３）上記積層方向に垂直な断面において、上記第１正極端子の上記突出部Ａ１および上記第２正極端子の上記突出部Ｂ１は、同一断面上に配置されている。また、上記（２）の条件を少なくとも満たす上記燃料電池ユニットは、下記の（４）を満たすことが好ましい。（４）上記積層方向に垂直な断面において、上記第１負極端子の上記突出部Ａ２および上記第２負極端子の上記突出部Ｂ２は、同一断面上に配置されている。

ここで、正極端子同士および負極端子同士の干渉を避けるために、端子の突出部の位置（端子の突出位置）を、単セルの積層方向においてずらすことが考えられるが、燃料電池ユニットの体格が大きくなる恐れがある。これに対して、上記（３）および（４）の少なくとも一方の条件を満たす燃料電池ユニットであれば、端子の突出部の位置を、単セルの積層方向と直交する方向においてずらすことができる。そのため、燃料電池ユニットの体格が大きくなる恐れがなく、燃料電池モジュール同士を容易に接続することができる。

なお、「積層方向に垂直な断面」とは、断面と単セルの積層方向とのなす角度が厳密な垂直となる場合のみならず、上記角度が、８０°以上、１００°以下の場合も含まれる。上記角度は、８５°以上、９５°以下であってもよい。

上記態様についてより詳細に説明する。図６（ａ）～（ｅ）は、本開示における燃料電池ユニットを例示する部分斜視図、部分拡大図、部分平面図および部分断面図である。具体的には、図６（ａ）は、図４に示す燃料電池ユニットにおいて、第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールの接続方法の一例を概略的に示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）における第１正極端子４０Ａおよび第２正極端子４０Ｂの部分を拡大した図である。図６（ｃ）、（ｄ）は、図６（ａ）の燃料電池ユニットを、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向から見た、概略平面図であり、図６（ｃ）は、第１燃料電池モジュール側から見た平面図であり、図６（ｄ）は、第２燃料電池モジュール側から見た平面図である。図６（ｅ）は、図６（ａ）における燃料電池ユニットを、単セルの積層方向から見た、概略平面図（概略断面図）である。なお、図６（ａ）～（ｅ）に示した燃料電池ユニットでは、上記条件（１）および（３）を満たしている。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電力変換器が、１つの電力変換器ケースに収容されている場合、第１正極端子４０Ａは、第１正極ターミナルプレート１５Ａと接続する基部Ａ１（４１Ａ）と、基部Ａ１（４１Ａ）から電力変換器（電力変換器ケース２１）に向けて突出する突出部Ａ１（４２Ａ）と、を有し、第２正極端子４０Ｂは、第２正極ターミナルプレート（不図示）と接続する基部Ｂ１（４１Ｂ）と、基部Ｂ１（４１Ｂ）から電力変換器（電力変換器ケース２１）に向けて突出する突出部Ｂ１（４２Ｂ）と、を有していることが好ましい。また、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、基部Ａ１（４１Ａ）および基部Ｂ１（４１Ｂ）の法線方向は、それぞれ、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍと平行であることが好ましく、突出部Ａ２（４２Ａ）および突出部Ｂ２（４２Ｂ）突出方向は、それぞれ、基部Ａ１（４１Ａ）および基部Ｂ１（４１Ｂ）の法線方向、ならびに、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍと平行であることが好ましい。

また、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、燃料電池ユニットを燃料電池モジュールの第１面の第１法線方向から平面視した場合、基部Ａ１（４１Ａ）および基部Ｂ１（４１Ｂ）は、少なくとも一部が重複する位置に配置されていることが好ましい。図６（ｃ）、（ｄ）においては、第２燃料電池モジュール側の基部Ｂ１（４１Ｂ）が、第１燃料電池モジュール側の基部Ａ１（４１Ａ）よりも、単セルの積層方向Ｎと直交する方向Ｄに延在している。

また、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、基部Ａ１（４１Ａ）および基部Ｂ１（４１Ｂ）は、単セルの積層方向Ｎと直交する方向Ｄにおいて、それぞれ、燃料電池スタックの中央部分に配置されていることが好ましい。「燃料電池スタックの中央部分に配置」とは、図６（ｃ）、（ｄ）に示すような平面視において、上記方向Ｄにおける燃料電池スタックの長さをＬとした場合に、方向Ｄにおける基部の端部の少なくとも一方が、燃料電池スタックの端部から０．４Ｌ以上、０．６Ｌ以下の範囲に位置していることをいう。

基部Ａ１および基部Ｂ１を上記のように配置することで、図６（ｅ）に示すように、積層方向Ｎに垂直な断面Ｐにおいて、第１正極端子４０の突出部Ａ１（４２Ａ）および第２正極端子４０Ｂの突出部Ｂ１（４２Ｂ）を、同一断面Ｐ上に配置し、かつ、積層方向Ｎから平面視した場合に、第１正極端子４０Ａの突出部Ａ１（４２Ａ）および第２正極端子４０Ｂの突出部Ｂ１（４２Ｂ）を、重複しない位置に配置することができる。その結果、図６（ａ）に示すように、正極端子同士が干渉することなく、第１燃料電池モジュールに接続された負極端子５０Ａと、第２燃料電池モジュールに接続された正極端子４０Ｂとを、導電部材７０を介して接続でき、第１、第２燃料電池モジュールを電気的に直列接続することができる。

なお、負極端子を、図６（ａ）～（ｅ）に示した正極端子のように配置してもよい。これにより、上記条件（２）および（４）を満たす燃料電池ユニットとすることができる。

また、図７（ａ）～（ｃ）は、本開示における燃料電池ユニットを例示する部分斜視図、部分平面図および部分断面図である。具体的には、図７（ａ）は、図４に示す第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールの接続方法の一例を概略的に示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）で示された燃料電池ユニットを、第１面の第１法線方向から見た概略平面図である。図７（ｃ）は、図７（ａ）における燃料電池ユニットを、単セルの積層方向から見た、概略平面図（概略断面図）である。なお、図７（ａ）～（ｃ）に示した燃料電池ユニットでは、上記条件（１）および（３）を満たしている。

図７（ａ）に示すように、上記態様においては、第１正極端子４０Ａは、基部Ａ１（４１Ａ）と、基部Ａ１（４１Ａ）から電力変換器（電力変換器ケース２１）に向けて突出する突出部Ａ１（４２Ａ）と、を有し、第２正極端子４０Ｂは、基部Ｂ１（４１Ｂ）と、基部Ｂ１（４１Ｂ）から電力変換器（電力変換器ケース２１）に向けて突出する突出部Ｂ１（４２Ｂ）と、を有していることが好ましい。また、図７（ｂ）に示すように、燃料電池ユニット１００を、第１面Ａおよび第１面Ｂの第１法線方向Ｍから平面視した場合、基部Ａ１（４１Ａ）と、基部Ｂ１（４１Ｂ）とは、重複しないことが好ましい。

両方の基部は、燃料電池スタックの中央部分に配置されていなくてもよい。また、一方の基部は、燃料電池スタックの中央部分に配置され、他方の基部は、燃料電池スタックの中央部分に配置されていなくてもよい。燃料電池スタックの中央部分とは、上記のとおりである。

基部Ａ１および基部Ｂ１を上記のように配置することで、図７（ｃ）に示すように、積層方向Ｎに垂直な断面Ｐにおいて、第１正極端子４０の突出部Ａ１（４２Ａ）および第２正極端子４０Ｂの突出部Ｂ１（４２Ｂ）は、同一断面Ｐ上に配置され、かつ、積層方向Ｎから平面視した場合に、第１正極端子４０Ａの突出部Ａ１（４２Ａ）および第２正極端子４０Ｂの突出部Ｂ１（４２Ｂ）を、重複しない位置に配置することができる。その結果、図７（ａ）に示すように、正極端子同士が干渉することなく、第１燃料電池モジュールに接続された負極端子５０Ａと、第２燃料電池モジュールに接続された正極端子４０Ｂとを、導電部材７０を介して接続でき、第１、第２燃料電池モジュールを電気的に直列接続することができる。

なお、負極端子を、図７（ａ）～（ｃ）に示した正極端子のように配置してもよい。これにより、上記条件（２）および（４）を満たす燃料電池ユニットとすることができる。

２．燃料電池ユニットの部材
（１）燃料電池モジュール
本開示における燃料電池ユニットは、燃料電池モジュールとして、第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールを有している。第１燃料電池モジュールおよび第２燃料電池モジュールは、少なくとも、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを、それぞれ有している。

（ｉ）燃料電池スタック
本開示における燃料電池スタックでは、複数の単セルが積層されている。単セルの数（積層数）は、２以上であり、５以上であってもよく、１０以上であってもよい。第１燃料電池スタックにおける第１単セルの積層数と、第２燃料電池スタックにおける第２単セルの積層数は、同じであってもよく、異なっていてもよい。

図８に示される燃料電池（単セル）１１は、カソード側ガス拡散層１、カソード触媒層２、電解質膜３、アノード触媒層４、アノード側ガス拡散層５がこの順に積層された膜－電極接合体（ＭＥＡ）６と、ＭＥＡ６を挟持する２枚のセパレータ７を有している。第１単セルおよび第２単セルを構成する材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。

電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜などのフッ素系電解質膜および非フッ素系電解質膜が挙げられる。非フッ素系電解質膜としては、例えば炭化水素系電解質膜が挙げられる。電解質膜の厚さは、例えば、５μｍ以上、１００μｍ以下である。

カソード触媒層およびアノード触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、触媒金属を担持する母材、プロトン伝導性を有する電解質、および、電子伝導性を有するカーボン粒子を備える。触媒金属としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などの金属単体、Ｐｔを含む合金が挙げられる。電解質としては、例えばフッ素系樹脂が挙げられる。また、母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料が挙げられる。カソード触媒層およびアノード触媒層の厚さは、例えば、それぞれ、５μｍ以上、１００μｍ以下である。

アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンクロスおよびカーボンペーパーなどのカーボン多孔質体、金属メッシュおよび発泡金属などの金属多孔質体が挙げられる。アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の厚さは、例えば、それぞれ、５μｍ以上、１００μｍ以下である。

セパレータは、ガス拡散層（アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層）に対向する面にガス経路を有していてもよい。セパレータの材料としては、例えば、ステンレス鋼などの金属材料およびカーボンコンポジット材などの炭素材料を挙げることができる。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。

（ｉｉ）ターミナルプレート
燃料電池モジュールは、通常、燃料電池スタックの正極側および負極側にそれぞれターミナルプレートを有している。ターミナルプレートは、燃料電池スタックが発電した電力を取り出すために用いられる。ターミナルプレートの材料は、それぞれ、例えば銅、アルミニウムおよびこれらを含む合金等の金属材料であってもよく、緻密性カーボンなどの導電性材料であってもよい。ターミナルプレートの形状および大きさは、適宜調整することができる。

（ｉｉｉ）燃料電池ケース
燃料電池ケースは、燃料電池スタックおよびターミナルプレートを収容することができる任意の形状であってよい。

（２）電力変換器
本開示における電力変換器の位置については、上述の通りである。

電力変換器は、燃料電池モジュールの電力を変換する部材であれば特に限定されない。電力変換器は、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇圧と降圧のいずれも可能な昇降圧コンバータなどのコンバータであってもよく、直流電力を交流電力に変換するインバータであってもよい。また、燃料電池スタックは、電力変換器として、上記部材のうち１種を有していてもよく、２種以上を有していてもよい。

電力変換器は、電力変換器ケースに通常収容されている。また、電力変換器ケースは、燃料電池ケースと対向する面に開口部を通常有している。また、電力変換器ケースは、蓋を有していてもよい。また、電力変換器ケースは、燃料電池ケースと、例えばボルトなどの結合部材により結合される。なお、電力変換器ケースの外形は、直方体であることが好ましい。また、電力変換器ケースの材料としては、例えばアルミニウム合金などの金属材料が挙げられる。

（３）正極端子および負極端子
正極端子および負極端子は、それぞれ、上記正極ターミナルプレートまたは上記負極ターミナルプレートと接続される。正極端子および負極端子は、それぞれ、燃料電池モジュール同士を電気的に接続するための部材、および、燃料電池スタックで発電された電力を電力変換器に出力するための部材である。正極端子および負極端子の材料としては、例えば銅、アルミニウムおよびこれらを含む合金等の金属材料を挙げることができる。正極端子および負極端子は、それぞれの基部においてターミナルプレートと接続される。

（４）補器
本開示における補器の位置については、上述のとおりである。

補器としては、例えば、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するためのエアコンプレッサ、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するインジェクタ；燃料電池に燃料オフガスを供給するための循環ポンプ；燃料電池に冷却水を供給する電動ポンプ；燃料電池スタックに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿させるための加湿モジュール；燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の少なくとも一つの流れを許容する状態と遮断する状態とを切り替えるためのバルブ、を挙げることができる。補器は、１種類の機器であってもよく、２種類以上の機器であってもよい。

また、補器が、複数の機器が一体化された補器ユニットである場合、補器（補器ユニット）は、任意のケースに収容されていてもよい。補器ケースの材料としては、例えばアルミニウム合金等の金属材料をあげることができる。

３．燃料電池ユニット
本開示における燃料電池ユニットの用途としては、例えば、燃料電池車（ＦＣＥＶ）などの車両が挙げられる。また、本開示における燃料電池システムは、車両以外の移動体（例えば、鉄道、船舶、航空機）に用いられてもよく、移動体以外に用いられてもよい。

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

１０ …燃料電池モジュール
１０Ａ …第１燃料電池モジュール
１０Ｂ …第２燃料電池モジュール
１１ …単セル
１１Ａ …第１単セル
１１Ｂ …第２単セル
１２ …燃料電池スタック
１２Ａ …第１燃料電池スタック
１２Ｂ …第２燃料電池スタック
２０ …電力変換器
２０Ａ …第１電力変換器
２０Ｂ …第２電力変換器
２０Ｃ …共通電力変換器
４０ …正極端子
５０ …負極端子
１００ …燃料電池ユニット

Claims (13)

1. 燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールの電力を変換する電力変換器と、
   を備える燃料電池ユニットであって、
   前記燃料電池ユニットは、前記燃料電池モジュールとして、
   複数の第１単セルが積層された第１燃料電池スタックを有する、第１燃料電池モジュールと、
   複数の第２単セルが積層された第２燃料電池スタックを有する、第２燃料電池モジュールと、を備え、
   前記燃料電池ユニットは、前記電力変換器として、
   前記第１燃料電池モジュールの電力を変換する第１電力変換器と、
   前記第２燃料電池モジュールの電力を変換する第２電力変換器と、を備え、
   前記第１電力変換器は、前記第１燃料電池モジュールの第１面Ａに配置され、
   前記第２電力変換器は、前記第２燃料電池モジュールの第１面Ｂに配置され、
   前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂは、互いに対向し、
   前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂの第１法線方向は、前記複数の第１単セルおよび前記複数の第２単セルの積層方向、と直交している、燃料電池ユニット。
2. 前記第１電力変換器および前記第２電力変換器が、それぞれ個別の電力変換器ケースに収容されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールの電力を変換する電力変換器と、
   を備える燃料電池ユニットであって、
   前記燃料電池ユニットは、前記燃料電池モジュールとして、
   複数の第１単セルが積層された第１燃料電池スタックを有する、第１燃料電池モジュールと、
   複数の第２単セルが積層された第２燃料電池スタックを有する、第２燃料電池モジュールと、を備え、
   前記燃料電池ユニットは、前記電力変換器として、
   前記第１燃料電池モジュールの電力を変換し、かつ、前記第２燃料電池モジュールの電力を変換する共通電力変換器と、を備え、
   前記共通電力変換器は、前記第１燃料電池モジュールの第１面Ａに配置され、かつ、前記第２燃料電池モジュールの第１面Ｂに配置され、
   前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂは、互いに対向し、
   前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂの第１法線方向は、前記複数の第１単セルおよび前記複数の第２単セルの積層方向、と直交している、燃料電池ユニット。
4. 前記第１電力変換器および前記第２電力変換器の両方、または、前記共通電力変換器が、１つの電力変換器ケースに収容されている、請求項１または請求項３に記載の燃料電池ユニット。
5. 前記第１燃料電池モジュールは、
   前記第１燃料電池スタックの正極側に配置された第１正極ターミナルプレートと、
   前記第１燃料電池スタックの負極側に配置された第１負極ターミナルプレートと、
   前記第１燃料電池スタック、前記第１正極ターミナルプレートおよび前記第１負極ターミナルプレートを収容する、第１燃料電池ケースと、を有し、
   前記第２燃料電池モジュールは、
   前記第２燃料電池スタックの正極側に配置された第２正極ターミナルプレートと、
   前記第２燃料電池スタックの負極側に配置された第２負極ターミナルプレートと、
   前記第２燃料電池スタック、前記第２正極ターミナルプレートおよび前記第２負極ターミナルプレートを収容する第２燃料電池ケースと、を有し、
   前記燃料電池ユニットは、
   前記第１正極ターミナルプレートと接続され、かつ、前記電力変換器に向けて前記第１燃料電池ケースから突出する、第１正極端子と、
   前記第１負極ターミナルプレートと接続され、かつ、前記電力変換器に向けて前記第１燃料電池ケースから突出する、第１負極端子と、
   前記第２正極ターミナルプレートと接続され、かつ、前記電力変換器に向けて前記第２燃料電池ケースから突出する、第２正極端子と、
   前記第２負極ターミナルプレートと接続され、かつ、前記電力変換器に向けて前記第２燃料電池ケースから突出する、第２負極端子と、を備え、
   前記第１正極端子は、
   前記第１正極ターミナルプレートと接続する基部Ａ１と、前記基部Ａ１から前記電力変換器に向けて突出する突出部Ａ１と、を有し、
   前記第１負極端子は、
   前記第１負極ターミナルプレートと接続する基部Ａ２と、前記基部Ａ２から前記電力変換器に向けて突出する突出部Ａ２と、を有し、
   前記第２正極端子は、
   前記第２正極ターミナルプレートと接続する基部Ｂ１と、前記基部Ｂ１から前記電力変換器に向けて突出する突出部Ｂ１と、を有し、
   前記第２負極端子は、
   前記第２負極ターミナルプレートと接続する基部Ｂ２と、前記基部Ｂ２から前記電力変換器に向けて突出する突出部Ｂ２と、を有し、
   前記燃料電池ユニットは、下記の（１）および（２）の少なくとも一方の条件を満たす、請求項３に記載の燃料電池ユニット。
   （１）前記積層方向から平面視した場合に、前記第１正極端子の前記突出部Ａ１および前記第２正極端子の前記突出部Ｂ１は、重複しない位置に配置されている。
   （２）前記積層方向から平面視した場合に、前記第１負極端子の前記突出部Ａ２および前記第２負極端子の前記突出部Ｂ２は、重複しない位置に配置されている。
6. 前記燃料電池ユニットは、前記（１）の条件を少なくとも満たし、かつ、
   前記第１法線方向から平面視した場合に、前記基部Ａ１および前記基部Ｂ１は、少なくとも一部が重複する位置に配置されている、請求項５に記載の燃料電池ユニット。
7. 前記燃料電池ユニットは、前記（２）の条件を少なくとも満たし、かつ、
   前記第１法線方向から平面視した場合に、前記基部Ａ２および前記基部Ｂ２は、少なくとも一部が重複する位置に配置されている、請求項５に記載の燃料電池ユニット。
8. 前記燃料電池ユニットは、前記（１）の条件を少なくとも満たし、かつ、
   前記第１法線方向から平面視した場合に、前記基部Ａ１および前記基部Ｂ１は、重複しない位置に配置されている、請求項５に記載の燃料電池ユニット。
9. 前記燃料電池ユニットは、前記（２）の条件を少なくとも満たし、かつ、
   前記第１法線方向から平面視した場合に、前記基部Ａ２および前記基部Ｂ２は、重複しない位置に配置されている、請求項５に記載の燃料電池ユニット。
10. 前記燃料電池ユニットは、前記（１）の条件を少なくとも満たし、かつ、下記の（３）を満たす、請求項５に記載の燃料電池ユニット。
    （３）前記積層方向に垂直な断面において、前記第１正極端子の前記突出部Ａ１および前記第２正極端子の前記突出部Ｂ１は、同一断面上に配置されている。
11. 前記燃料電池ユニットは、前記（２）の条件を少なくとも満たし、かつ、下記の（４）を満たす、請求項５に記載の燃料電池ユニット。
    （４）前記積層方向に垂直な断面において、前記第１負極端子の前記突出部Ａ２および前記第２負極端子の前記突出部Ｂ２は、同一断面上に配置されている。
12. 前記燃料電池ユニットは、
    前記第１燃料電池モジュールの運転を補助する第１補器と、
    前記第２燃料電池モジュールの運転を補助する第２補器と、を備え、
    前記第１補器は、前記第１燃料電池モジュールの第２面Ｃに配置され、
    前記第２補器は、前記第２燃料電池モジュールの第２面Ｄに配置され、
    前記第２面Ｃおよび前記第２面Ｄの第２法線方向は、前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂの前記第１法線方向とは、直交しており、
    前記第１補器および前記第２補器は、互いに対向している、請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の燃料電池ユニット。
13. 前記第１補器は、前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂの前記第１法線方向において、前記第１燃料電池モジュールから前記電力変換器に向けて突出しており、
    前記第２補器は、前記第１面Ａおよび前記第１面Ｂの前記第１法線方向において、前記第２燃料電池モジュールから前記電力変換器に向けて突出している、請求項１２に記載の燃料電池ユニット。