JP3708482B2 - Fuel cell system - Google Patents

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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力源であるモータに電力を供給するための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、車載用として組み込む燃料電池システムが知られている。図8に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック2を備え、この燃料電池スタック2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3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4と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部5とが設けられている。
【0005】
燃料ガス供給部3は燃料タンク6を備え、この燃料タンク6と燃料電池スタック2の燃料ガス流路(図示せず)とが、燃料ガス供給路7を介して連通している。この燃料ガス供給路7には、燃料ガスポンプ8が配設されるとともに、前記燃料ガスポンプ8にはポンプ用モータ9が連結されている。
【0006】
酸化剤ガス供給部4は、燃料電池スタック2の酸化剤ガス流路(図示せず)に連通する酸化剤ガス供給路10および酸化剤ガス排出路11を備えている。酸化剤ガス供給路10には、吸気用フィルタ12と、ポンプ用モータ13が連結された酸化剤ガスポンプ14と、インタークーラ15とが配置される一方、酸化剤ガス排出路11は、排気部16に接続されている。
【0007】
冷却媒体供給部5は、燃料電池スタック2の冷却媒体流路(図示せず)に連通する循環流路17を備え、この循環流路17には、ポンプ用モータ18が連結された冷却媒体ポンプ19と、ラジエータ20とが配設されている。循環流路17は、ラジエータ20に平行してバイパス流路21を設けており、このバイパス流路21にバルブ22が配設されている。循環流路17は、バルブ22を介してラジエータ20を経由する流路と、このラジエータ20を経由しない流路とに切り替えられる。
【0008】
このように構成される燃料電池スタック2は、例えば、車両の床下等に搭載されている。そこで、例えば、フロントボックスに搭載されたPCU(power control unit)で燃料電池システム1が制御されることにより、各モータ9、13および18が駆動され、ポンプ8、14および19を介して燃料電池スタック2に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給されている。
【0009】
【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、各ポンプ8、14および19を駆動するために、それぞれ専用のモータ9、13および18が設けられている。このため、燃料電池システム1全体が相当に大型化するとともに、構造が複雑化して製造費が高騰するという問題が指摘されている。
【0010】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、構成の小型化および簡素化を図るとともに、経済的に製造す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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明では、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て構成された燃料電池スタックと、前記モータに並列され、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、記モータの駆動軸と前記反応ガス供給用ポンプの被駆動軸とが同一方向に突出して並列されるとともに、前記駆動軸と前記被駆動軸とを連結し、該モータのみにより該反応ガス供給用ポンプを駆動するための反応ガス用駆動力伝達機構とを備えている。
【0012】
このため、反応ガス供給用ポンプである燃料ガス供給用ポンプおよび/または酸化剤ガス供給用ポンプに専用のポンプ用モータを設ける構造に比べ、燃料電池システム全体が有効に小型化および簡素化する。これにより、燃料電池システムを設置するためのスペース効率が有効に向上するとともに、前記燃料電池システムを経済的に構成することが可能になる。
【0013】
また、燃料電池システムでは、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、互いに並列されるモータと前記冷却媒体供給用ポンプとを連結して該モータのみにより該冷却媒体供給用ポンプを駆動するための冷媒用駆動力伝達機構とを備えている。従って、冷却媒体供給用ポンプに専用のポンプ用モータを設ける必要がなく、燃料電池システム全体の簡素化が図られる。
【0014】
しかも、燃料ガス供給用ポンプ、酸化剤ガス供給用ポンプおよび冷却媒体供給用ポンプが、単一のモータにより駆動されるとともに、これらを一体的に駆動することができる。これにより、燃料電池システム全体を一層簡単かつ経済的に構成することが可能になる。
【0015】
【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30の概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池システム30の要部分解斜視説明図である。なお、図8に示す燃料電池システム1と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0016】
燃料電池システム30は、動力源であるメインモータ32に電力を供給するためのものであり、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。
【0017】
燃料電池システム30は、燃料電池スタック34を備え、この燃料電池スタック34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36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38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40とが設けられる。
【0018】
燃料ガス供給部36、酸化剤ガス供給部38および冷却媒体供給部40は、燃料ガス供給用ポンプ42、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ(ポンプ)44および冷却媒体供給用ポンプ46を備える。ポンプ42、スーパーチャージャ44およびポンプ46は、メインモータ32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34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、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等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、金属製薄板またはカーボン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34は、マニホールドブロック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34上には、PCU82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32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32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34は、補助電力を供給するためにポンプ42、46およびスーパーチャージャ44が駆動されてある程度の発電が行われている。メインモータ32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には、ポンプ42とスーパーチャージャ44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には、ポンプ46が組み付けられる。
【0026】
駆動力伝達機構48は、メインモータ32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34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、ポンプ42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、スーパーチャージャ44およびポンプ46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には、燃料電池スタック34の燃料ガス供給連通孔64aおよび燃料ガス排出連通孔64bをポンプ42に連通するための燃料ガス通路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をスーパーチャージャ44に連通するための酸化剤ガス通路108a、108bとが、上面80aから側面80bに開口して設けられる。マニホールドブロック80には、冷却媒体供給連通孔66aおよび冷却媒体排出連通孔66bをポンプ46に連通するための冷却媒体通路110a、110bが、上面80aから側面80cに開口して設けられる。
【0029】
このように構成される燃料電池システム30の動作について、以下に説明する。
【0030】
メインモータ32には、後述するように、燃料電池スタック34から電力が供給されており、このメインモータ32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。
【0031】
プーリ100が回転することによってポンプ42が駆動されるため、燃料タンク6内の燃料ガスは、前記ポンプ42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103は、スーパーチャージャ44に設けられており、このスーパーチャージャ44が駆動されることによって、酸化剤ガス供給部38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。
【0032】
さらに、プーリ104が設けられたポンプ46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。
【0033】
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34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34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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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32に電力が供給され、前記メインモータ32が動力源として、例えば、車両用車輪の駆動等を行う。
【0037】
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。
【0038】
この場合、本実施形態では、例えば、車輪駆動等を行うためのメインモータ32と、燃料ガス供給用ポンプ42、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ44および冷却媒体供給用ポンプ46とが、駆動力伝達機構48を介して連結されている。このため、燃料電池スタック34から動力源であるメインモータ32に電力が供給されると、駆動力伝達機構48を構成する第1乃至第3駆動ベルト98a〜98cを介してポンプ42、スーパーチャージャ44およびポンプ46が駆動され、燃料電池スタック34に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を供給することができる。
【0039】
これにより、本実施形態では、ポンプ42、スーパーチャージャ44およびポンプ46に専用のモータを設ける必要がなく、燃料電池システム30全体を有効に小型化および簡素化することが可能になる。従って、燃料電池システム30の設置用スペース効率が向上するとともに、前記燃料電池システム30を経済的に製造することが可能になるという効果が得られる。
【0040】
なお、本実施形態では、燃料電池システム30を、例えば、図7に示すように、車両120のフロントボックス122内等に搭載する際には、冷却媒体供給用ポンプ46を前記車両120の進行方向(矢印C方向)前方に配置することにより、燃料電池スタック34とラジエータ20との距離を最小化することができる。同様に、燃料ガス供給用ポンプ42を燃料タンク6に近接して車両120の進行方向後方に配置することにより、燃料電池スタック34と前記燃料タンク6との距離を最小化することが可能になる。
【0041】
また、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に燃料電池スタック34、メインモータ32、ポンプ42、46およびスーパーチャージャ44等が組み付けられ、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32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。さらにまた、燃料電池スタック34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32、ポンプ42、46およびスーパーチャージャ44等を取り付けるようにしてもよい。
【0042】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、動力源であるモータに燃料電池システムから電力を供給するとともに、燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給用ポンプと前記モータとが駆動力伝達機構を介して連結されている。このため、モータを介して反応ガス供給用ポンプを駆動することができ、前記反応ガス供給用ポンプに専用のモータを設ける構造に比べ、燃料電池システム全体を有効に小型化および簡素化することができる。
【0043】
これにより、燃料電池システムの設置用スペース効率を向上させるとともに、前記燃料電池システムを経済的に構成することが可能になる。
【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車両に搭載した状態の平面図である。
【図8】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】
6…燃料タンク 20…ラジエータ
30…燃料電池システム 32…メインモータ
34…燃料電池スタック 36…燃料ガス供給部
38…酸化剤ガス供給部 40…冷却媒体供給部
42、46…ポンプ 44…スーパーチャージャ
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 98a〜98c…駆動ベルト
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…車両
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system for supplying electric power to a motor that is a power source.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching.
[0003]
This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolytes (electrolyte membranes) / electrode structures and separators. In the fuel cell stack, the fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a hydrogen-containing gas, is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane, Electrons generated during the movement are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react to generate water at the cathode side electrode. .
[0004]
By the way, a fuel cell system in which the above fuel cell stack is incorporated, for example, for vehicle use is known. As shown in FIG. 8, the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2. The fuel cell stack 2 includes a fuel gas supply unit 3 for supplying a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, and an oxygen-containing gas. An oxidant gas supply unit 4 for supplying an oxidant gas such as air (for example, air) and a cooling medium supply unit 5 for supplying a cooling medium are provided.
[0005]
The fuel gas supply unit 3 includes a fuel tank 6, and the fuel tank 6 and a fuel gas flow path (not shown) of the fuel cell stack 2 communicate with each other via a fuel gas supply path 7. A fuel gas pump 8 is disposed in the fuel gas supply path 7, and a pump motor 9 is connected to the fuel gas pump 8.
[0006]
The oxidant gas supply unit 4 includes an oxidant gas supply path 10 and an oxidant gas discharge path 11 that communicate with an oxidant gas flow path (not shown) of the fuel cell stack 2. The oxidant gas supply path 10 is provided with an intake filter 12, an oxidant gas pump 14 connected to a pump motor 13, and an intercooler 15, while the oxidant gas discharge path 11 has an exhaust section 16. It is connected to the.
[0007]
The cooling medium supply unit 5 includes a circulation channel 17 that communicates with a cooling medium channel (not shown) of the fuel cell stack 2, and a cooling medium pump to which a pump motor 18 is connected. 19 and a radiator 20 are disposed. The circulation channel 17 is provided with a bypass channel 21 in parallel with the radiator 20, and a valve 22 is disposed in the bypass channel 21. The circulation channel 17 is switched to a channel that passes through the radiator 20 via the valve 22 and a channel that does not pass through the radiator 20.
[0008]
The fuel cell stack 2 configured in this way is mounted, for example, under the floor of a vehicle. Therefore, for example, when the fuel cell system 1 is controlled by a PCU (power control unit) mounted on the front box, the motors 9, 13 and 18 are driven, and the fuel cells are connected via the pumps 8, 14 and 19. The stack 2 is supplied with fuel gas, oxidant gas, and cooling medium.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, dedicated motors 9, 13 and 18 are provided for driving the pumps 8, 14 and 19, respectively. For this reason, the fuel cell system 1 as a whole is considerably increased in size, and the structure is complicated and the manufacturing cost is increased.
[0010]
The present invention solves this type of problem, and aims to provide a fuel cell system that can be manufactured economically while miniaturizing and simplifying the structure.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a fuel cell stack that is configured on both sides of an electrolyte and a separator and an electrolyte electrode assembly in which a pair of electrodes are stacked alternately, in parallel to the motor, the fuel gas to the fuel cell stack or a reactant gas supply pump for supplying at least one in which the reaction gas of the oxidizing gas, with a drive shaft of the front SL motor and the driven shaft of the reactant gas supply pump are parallel projecting in the same direction, the A drive shaft and the driven shaft are connected, and a reaction gas driving force transmission mechanism for driving the reaction gas supply pump only by the motor is provided.
[0012]
For this reason, the entire fuel cell system is effectively reduced in size and simplified as compared with a structure in which a dedicated pump motor is provided in a fuel gas supply pump and / or an oxidant gas supply pump, which are reaction gas supply pumps. Thereby, the space efficiency for installing the fuel cell system can be effectively improved, and the fuel cell system can be configured economically.
[0013]
In the fuel cell system, a cooling medium supply pump for supplying a cooling medium to the fuel cell stack, a motor parallel to each other, and the cooling medium supply pump are connected to each other, and the cooling medium supply pump is driven only by the motor. And a refrigerant driving force transmission mechanism for driving the motor . Therefore, it is not necessary to provide a dedicated pump motor for the cooling medium supply pump, and the entire fuel cell system can be simplified.
[0014]
Moreover, a fuel gas supply pump, an oxidant gas supply pump and the cooling medium supply pump, while being driven by a single motor may drive them one body to. As a result, the entire fuel cell system can be configured more simply and economically.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell system 30 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective explanatory view of a main part of the fuel cell system 30. The same components as those of the fuel cell system 1 shown in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0016]
The fuel cell system 30 is for supplying electric power to a main motor 32 as a power source, and is used as, for example, various drive systems for obtaining rotational force in addition to a vehicle drive system.
[0017]
The fuel cell system 30 includes a fuel cell stack 34. The fuel cell stack 34 includes a fuel gas supply unit 36 for supplying a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, and an oxygen-containing gas (for example, air). An oxidant gas supply unit 38 for supplying an oxidant gas and a cooling medium supply unit 40 for supplying a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil are provided.
[0018]
The fuel gas supply unit 36, the oxidant gas supply unit 38, and the cooling medium supply unit 40 include a fuel gas supply pump 42, an oxidant gas supply supercharger (pump) 44, and a cooling medium supply pump 46. The pump 42, the supercharger 44 and the pump 46 are connected to the main motor 32 via a driving force transmission mechanism 48.
[0019]
The fuel cell stack 34 is configured by stacking a predetermined number of unit fuel cells 50 in the vertical direction (the direction of arrow A). As shown in FIG. 3, the unit fuel cell 50 includes an electrolyte membrane / electrode structure 52 and first and second separators 54, 56 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 52.
[0020]
In the electrolyte membrane / electrode structure 52, an anode side electrode 60 is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 58, and a cathode side electrode 62 is provided on the other surface. The anode-side electrode 60 and the cathode-side electrode 62 are configured by joining a noble metal-based catalyst electrode layer to a gas diffusion layer made of, for example, porous carbon paper that is a porous layer.
[0021]
A fuel gas supply communication hole 64a, a cooling medium supply communication hole 66a, and an oxidant gas discharge communication hole 68b are provided at one end edge of the unit fuel cell 50 in the long side direction (arrow B direction). An oxidant gas supply communication hole 68a, a cooling medium discharge communication hole 66b, and a fuel gas discharge communication hole 64b are provided at the other edge in the long side direction of the unit fuel cell 50.
[0022]
The first and second separators 54 and 56 are made of a metal thin plate or a carbon thin plate. A plurality of oxidant gas flow channel grooves 72 communicating with the oxidant gas supply communication hole 68a and the oxidant gas discharge communication hole 68b are provided on the surface 54a of the first separator 54 facing the cathode side electrode 62. A plurality of fuel gas flow channel grooves 74 communicating with the fuel gas supply communication hole 64a and the fuel gas discharge communication hole 64b are formed on the surface 56a of the second separator 56 facing the anode side electrode 60. A plurality of cooling medium flow channel grooves 76 communicating with the cooling medium supply communication hole 66a and the cooling medium discharge communication hole 66b are formed on the surface 56b of the second separator 56 facing the first separator 54.
[0023]
As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 34 is fixed to the upper surface 80 a of the manifold block 80, and a PCU 82 and an air conditioner 84 are stacked on the fuel cell stack 34.
[0024]
As shown in FIGS. 2 and 4 to 6, the main motor 32 is attached to the bottom of the manifold block 80. For example, when the vehicle is idling or the like, the main motor 32 rotates while being disconnected from the drive wheels, and the fuel cell stack 34 is driven by the pumps 42 and 46 and the supercharger 44 to supply auxiliary power. Some power is generated. An air conditioning compressor 90 is arranged in parallel with the main motor 32.
[0025]
The pump 42 and the supercharger 44 are fixed to the side surface 80 b of the manifold block 80, while the pump 46 is assembled to the side surface 80 c of the manifold block 80.
[0026]
The driving force transmission mechanism 48 includes a pulley 94 that is attached to a driving shaft 92 extending from the main motor 32, and three belt grooves 96 a to 96 c are formed in parallel to each other on the outer peripheral surface of the pulley 94. The The first to third drive belts 98a to 98c are engaged with the belt grooves 96a to 96c. A variable speed reduction mechanism may be provided between the drive shaft 92 and the pulley 94 as necessary, and the speed reduction ratio may be variable according to the operating conditions of the fuel cell stack 34.
[0027]
The first drive belt 98a spans the belt groove 96a of the pulley 94 and the pulley 100 provided in the pump 42, and the second drive belt 98b includes the belt groove 96b of the pulley 94 and the air conditioning compressor 90. It is bridged with the pulley 102 provided in the. The third drive belt 98 c is stretched over the belt groove 96 c of the pulley 94 and pulleys 103 and 104 provided in the supercharger 44 and the pump 46.
[0028]
As shown in FIG. 2, the manifold block 80 includes fuel gas passages 106 a and 106 b for communicating the fuel gas supply communication hole 64 a and the fuel gas discharge communication hole 64 b of the fuel cell stack 34 to the pump 42, and an oxidant gas. Oxidant gas passages 108a and 108b for communicating the supply communication hole 68a and the oxidant gas discharge communication hole 68b with the supercharger 44 are provided from the upper surface 80a to the side surface 80b. In the manifold block 80, cooling medium passages 110a and 110b for communicating the cooling medium supply communication hole 66a and the cooling medium discharge communication hole 66b with the pump 46 are provided from the upper surface 80a to the side surface 80c.
[0029]
The operation of the fuel cell system 30 configured as described above will be described below.
[0030]
As will be described later, electric power is supplied to the main motor 32 from the fuel cell stack 34, and a driving shaft 92 is rotated under the driving action of the main motor 32, and a pulley 94 provided on the driving shaft 92. Rotates. First to third drive belts 98a to 98c are engaged with the belt grooves 96a to 96c of the pulley 94, respectively. Accordingly, when the pulley 94 rotates, the first to third drive belts 98a to 98c travel around and the pulleys 100, 102, 103, and 104 are driven to rotate.
[0031]
Since the pump 42 is driven by the rotation of the pulley 100, the fuel gas in the fuel tank 6 is sent to the fuel gas passage 106 a of the manifold block 80 via the pump 42. The pulley 103 is provided in the supercharger 44. When the supercharger 44 is driven, oxygen such as air is supplied as an oxidant gas from the oxidant gas supply unit 38 to the oxidant gas passage 108a of the manifold block 80. A contained gas (hereinafter simply referred to as air) is supplied.
[0032]
Further, when the pump 46 provided with the pulley 104 is driven, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium passage 110 a of the manifold block 80. In addition, when the air conditioning compressor 90 provided with the pulley 102 is driven, the air conditioner 84 is driven and controlled as necessary.
[0033]
A fuel cell stack 34 is mounted on the upper surface 80 a of the manifold block 80. Therefore, the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium introduced into the fuel gas passage 106a, the oxidant gas passage 108a, and the cooling medium passage 110a of the manifold block 80 are a plurality of sets of unit fuel cells that constitute the fuel cell stack 34. The fuel gas supply communication hole 64a, the oxidant gas supply communication hole 68a, and the cooling medium supply communication hole 66a provided in the cell 50 are sent.
[0034]
As shown in FIG. 3, the fuel gas supplied to the fuel gas supply communication hole 64 a is introduced into the fuel gas passage groove 74 provided in the surface 56 a of the second separator 56. The fuel gas moves along the anode-side electrode 60 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 52 and is then discharged into the fuel gas discharge communication hole 64b.
[0035]
On the other hand, the oxidant gas supplied to the oxidant gas supply communication hole 68 a is introduced into the oxidant gas channel groove 72 provided on the surface 54 a of the first separator 54. The oxidant gas moves along the cathode side electrode 62 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 52 and is then discharged to the oxidant gas discharge communication hole 68b.
[0036]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 52, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 62 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 60 are consumed by an electrochemical reaction in the catalyst electrode to generate power. Done. Electric power is supplied to the main motor 32 by this power generation, and the main motor 32 uses, for example, a vehicle wheel as a power source.
[0037]
In addition, the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 66 a moves along the cooling medium flow channel 76 provided on the surface 56 b of the second separator 56. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 52 and then is discharged into the cooling medium discharge communication hole 66b.
[0038]
In this case, in the present embodiment, for example, the main motor 32 for driving the wheel, the fuel gas supply pump 42, the oxidant gas supply supercharger 44, and the cooling medium supply pump 46 transmit the driving force. They are connected via a mechanism 48. Therefore, when electric power is supplied from the fuel cell stack 34 to the main motor 32 that is a power source, the pump 42 and the supercharger 44 are passed through the first to third drive belts 98a to 98c constituting the drive force transmission mechanism 48. Then, the pump 46 is driven to supply fuel gas, oxidant gas, and cooling medium to the fuel cell stack 34.
[0039]
Thereby, in this embodiment, it is not necessary to provide a dedicated motor for the pump 42, the supercharger 44, and the pump 46, and the entire fuel cell system 30 can be effectively downsized and simplified. Therefore, the installation space efficiency of the fuel cell system 30 is improved and the fuel cell system 30 can be produced economically.
[0040]
In this embodiment, for example, when the fuel cell system 30 is mounted in the front box 122 of the vehicle 120 as shown in FIG. 7, the cooling medium supply pump 46 is moved in the traveling direction of the vehicle 120. (Distance in the direction of arrow C) By disposing the front, the distance between the fuel cell stack 34 and the radiator 20 can be minimized. Similarly, by disposing the fuel gas supply pump 42 close to the fuel tank 6 and behind the vehicle 120 in the traveling direction, the distance between the fuel cell stack 34 and the fuel tank 6 can be minimized. .
[0041]
Further, in this embodiment, the manifold block 80 is provided, and the fuel cell stack 34, the main motor 32, the pumps 42 and 46, the supercharger 44, and the like are assembled to the manifold block 80 to achieve unitization as a whole. For example, the main motor 32 may be installed independently from the manifold block 80. Furthermore, a plate (not shown) may be provided on the outer peripheral side surface of the fuel cell stack 34, and the main motor 32, the pumps 42 and 46, the supercharger 44, and the like may be attached to the plate.
[0042]
【The invention's effect】
In the fuel cell system according to the present invention, a reaction gas supply pump for supplying a reaction gas to a fuel cell stack and a motor for supplying power from a fuel cell system to a motor as a power source and a motor via a driving force transmission mechanism. Are connected. Therefore, the reaction gas supply pump can be driven via a motor, and the entire fuel cell system can be effectively downsized and simplified as compared with a structure in which a dedicated motor is provided in the reaction gas supply pump. it can.
[0043]
Thereby, it is possible to improve the space efficiency for installation of the fuel cell system and to economically configure the fuel cell system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell system.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack constituting the fuel cell system.
FIG. 4 is a perspective view illustrating a main part of the fuel cell system.
FIG. 5 is a side view of one side of the fuel cell system.
FIG. 6 is another side view of the fuel cell system.
FIG. 7 is a plan view of the fuel cell system mounted on a vehicle.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a fuel cell system according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 6 ... Fuel tank 20 ... Radiator 30 ... Fuel cell system 32 ... Main motor 34 ... Fuel cell stack 36 ... Fuel gas supply part 38 ... Oxidant gas supply part 40 ... Cooling medium supply part 42, 46 ... Pump 44 ... Supercharger 48 ... Driving force transmission mechanism 50 ... Unit fuel cell 52 ... Electrolyte membrane / electrode structure 54, 56 ... Separator 58 ... Solid polymer electrolyte membrane 60 ... Anode side electrode 62 ... Cathode side electrode 64a ... Fuel gas supply communication hole 64b ... Fuel gas discharge communication hole 66a ... Cooling medium supply communication hole 66b ... Cooling medium discharge communication hole 68a ... Oxidant gas supply communication hole 68b ... Oxidant gas discharge communication hole 72 ... Oxidant gas flow channel 74 ... Fuel gas flow channel 76 ... Cooling medium passage groove 80 ... Manifold block 98a to 98c ... Drive belt 106a, 106b ... Fuel gas passage 08a, 108b ... oxidant gas passages 110a, 110b ... cooling medium passages 120 ... vehicle

Claims (3)

車輪駆動用動力源であるモータに電力を供給するための燃料電池システムであって、
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て構成された燃料電池スタックと、
前記モータに並列され、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、
記モータの駆動軸と前記反応ガス供給用ポンプの被駆動軸とが同一方向に突出して並列されるとともに、前記駆動軸と前記被駆動軸とを連結し、該モータのみにより該反応ガス供給用ポンプを駆動するための反応ガス用駆動力伝達機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system for supplying electric power to a motor that is a power source for driving a wheel,
A fuel cell stack configured by alternately stacking an electrolyte / electrode structure and a separator provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte; and
A reaction gas supply pump that is arranged in parallel with the motor and supplies a reaction gas that is at least one of fuel gas and oxidant gas to the fuel cell stack;
With a drive shaft of the front SL motor and the driven shaft of the reactant gas supply pump are parallel projecting in the same direction, and connecting the driven shaft and the drive shaft, the reaction gas supply only by the motor A reaction gas driving force transmission mechanism for driving a pump for use;
A fuel cell system comprising:
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冷却媒体を供給する冷却媒体供給用ポンプと、
互いに並列される前記モータと前記冷却媒体供給用ポンプとを連結し、該モータのみにより該冷却媒体供給用ポンプを駆動するための冷媒用駆動力伝達機構と、
を備え
前記反応ガス用駆動力伝達機構と前記冷媒用駆動力伝達機構とは、前記モータの駆動軸に並列かつ個別に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein a coolant supply pump for supplying a coolant to the fuel cell stack;
A refrigerant driving force transmission mechanism for connecting the motor and the cooling medium supply pump, which are parallel to each other, and driving the cooling medium supply pump only by the motor;
Equipped with a,
The reaction gas drive force transmission mechanism and the refrigerant driving force transmission mechanism, a fuel cell system characterized Rukoto parallel and provided separately to the drive shaft of the motor.
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、前記モータおよび前記反応ガス供給用ポンプは、マニホールドブロックに一体的に固定されるとともに、
前記マニホールドブロックには、前記燃料電池スタックと前記反応ガス供給用ポンプとに連通する反応ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell stack, the motor, and the reaction gas supply pump are integrally fixed to a manifold block ,
The manifold block is formed with a reaction gas passage communicating with the fuel cell stack and the reaction gas supply pump .
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