JP4686362B2 - 燃料電池システム及び燃料電池自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池自動車に関し、詳しくは、加湿器と２つの燃料電池スタックを有する燃料電池システム及び燃料電池自動車に関する。
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池、特に固体高分子型燃料電池が注目されている。この燃料電池は、燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（空気）が供給されると、電気化学的に発電する一種の発電機である。固体高分子型の燃料電池は、その内部にプロトン導電性の固体高分子からなる電解質膜を備えており、この電解質膜は、加湿されることによりその性能を良好に発揮する。そのため、高分子型燃料電池システムにおいては、乾燥した酸化剤ガスを加湿した上で燃料電池スタックに供給するため、加湿器が設けられている（例えば、特許文献１参照）
前記した燃料電池スタックは、固体高分子膜を挟んだセパレータを単セルとして、これを多数積層させた発電機部分であり、燃料電池自動車などのアプリケーションが必要とする電圧、電力に応じて、積層枚数や大きさが設定される。
また、前記した加湿器は、例えば、酸化剤ガスを水蒸気交換可能な中空糸膜内に通すとともに、燃料電池スタックから排出された酸化剤ガス（以下、これを「オフガス」という）を加湿器内の中空糸膜外に通すことで、オフガス中の水蒸気を新たに供給される酸化剤ガスへ供給するように構成される。
特開２００２−７５４１８号公報（段落００１６、図１、図３）
このような燃料電池システムは、酸化剤ガスを加湿する必要がある一方で、酸化剤ガスの通路内、特に加湿器内の中空糸膜内で結露が発生すると、酸化剤ガスの流れが阻害され、燃料電池システムの効率が悪くなるおそれがある。また、燃料電池システムをアプリケーションに搭載する際には、燃料電池スタックをアプリケーションにコンパクトに搭載したいという要望もある。
このような背景に鑑みて本発明がなされたもので、本発明は、燃料電池の性能を安定化させるとともに、コンパクトにアプリケーションに搭載することを可能にする燃料電池システム及び燃料電池自動車を提供することを課題とする。
前記した課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガス及び燃料ガスからなる反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する少なくとも２つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の反応ガス出口から２つの前記燃料電池スタックの反応ガス供給口へ前記反応ガスを送る反応ガス供給管とを備える。そして、前記加湿器は、前記２つの燃料電池スタックの間に配置され、前記反応ガス供給管は、前記加湿器から前記２つの燃料電池スタックへ向けて分岐しており、その分岐点から前記２つの燃料電池スタックの反応ガス供給口までの長さがほぼ同一に構成される（第１の発明）。
このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタックを２つに分けることで、アプリケーションにおける燃料電池のレイアウトの自由度や、重量バランスを改善することが可能になる。また、燃料電池スタックを２つに分けた場合には、各燃料電池スタックへの反応ガスの供給状態が同等でないと、一方の燃料電池スタックの能率が落ちてしまうが、本発明の燃料電池システムでは、加湿器の反応ガス出口と、２つの燃料電池スタックの反応ガス供給口のそれぞれとは、反応ガス供給管で接続され、反応ガス供給管の分岐点から２つの燃料電池スタック反応ガス供給口までの長さはほぼ同一に構成されていることから、２つの燃料電池スタックにバランス良く反応ガスが供給される。なお、２つの燃料電池スタックへ通じる反応ガス供給管は、同じ太さであればさらに良い。
さらに、この燃料電池システムは、加湿器を２つの燃料電池スタックの間に配置したことから、燃料電池が発する熱により適度に加温される。そのため、加湿器内で反応ガスが加湿されながら、温度が上昇していくので、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生することがない。したがって、反応ガスは、安定した流れとなり、燃料電池の安定した動作が可能となる。
前記した燃料電池スタックにおいては、前記加湿器は、前記燃料電池スタックから排気されたオフガスに含まれる水分を、水透過膜を介して反応ガスへ供給する膜型加湿器として構成することができる（第２の発明）。この場合には、水透過膜の表面での結露が防止されることで加湿効率を維持することができるので、本発明の利点が顕著に発揮される。
また、前記した水透過膜を利用した加湿器を有する燃料電池スタックにおいては、前記加湿器内の水透過膜は、中空糸状であって、かつ一方向に揃えて配設され、前記燃料電池スタックは、前記中空糸状の水透過膜の管の方向に単セルが積層されて構成され、前記反応ガス供給口は、前記燃料電池スタックの単セルを積層した方向の一端面に形成され、前記反応ガス出口は、２つの前記反応ガス供給口と同じ側に向けて設けられるのが好ましい（第３の発明）。
このような燃料電池システムによれば、２つの燃料電池スタックの間に加湿器が配置された状態で、加湿器の反応ガス出口と、２つの燃料電池スタックの反応ガス供給口の両方が、同じ方向で開口する。そのため、反応ガス出口と反応ガス供給口とを連通する反応ガス供給管を短くすることができる。したがって、反応ガスの圧力損失を低減できるとともに、反応ガス供給管内での結露も可及的に防止することができる。
また、この燃料電池システムにおいては、前記２つの燃料電池スタックは、水平方向に並んで配置され、前記加湿器は、略円柱形状で、かつ少なくとも２つが上下に隣接して設けられ、前記加湿器から排出された前記オフガスが通流するオフガス排出管は、２つの前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設されるのが好ましい（第４の発明）。
このように、複数の略円柱形状の加湿器と、一方の燃料電池スタックに囲まれた位置にオフガス排出管が設けられれば、デッドスペースが有効利用でき、燃料電池システムのコンパクト化に貢献できる。
また、本発明においては、前記課題を解決した燃料電池自動車として、２つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給機と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給機と、前記燃料電池スタックに供給される空気を加湿する加湿器とを備える燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を提供する。この燃料電池自動車においては、前記燃料電池スタック及び前記加湿器は、前記加湿器を中心に前記２つ燃料電池スタックを車両の左右に並べた状態で前記車両の床下に配設され、前記空気供給機は、前記燃料電池スタック及び前記加湿器より車両前方に配設され、前記水素供給機は、前記燃料電池スタック及び前記加湿器より車両後方に配設され、前記加湿器の供給空気入口は車両前方に、供給空気出口は車両後方に向けて配設され、前記燃料電池スタックの空気供給口及び水素供給口は、それぞれ車両後方へ向けて開口していることを特徴とする（第５の発明）。
このような燃料電池自動車によれば、空気供給機が車両前方に配設されるのに対し加湿器の供給空気入口が車両前方へ向いているので、これらを繋ぐ配管を短くすることができる。また、水素供給機が車両後方に配設されるのに対し、水素供給口が車両後方へ向いているので、これらを繋ぐ配管を短くすることができる。さらに、加湿器の供給空気出口が車両後方に向けて配設されるとともに燃料電池スタックの空気供給口が車両後方へ向けて開口しているので、これらを繋ぐ配管も短くすることができる。
この燃料電池自動車においては、前記燃料電池スタックへ冷却水を供給する冷却水供給管をさらに有し、前記燃料電池スタックへ空気を供給する空気供給管と、前記燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給管と、前記冷却水供給管とは一体のマニホールドとして構成されるのが好ましい（第６の発明）。このように、反応ガス供給管、水素供給管、冷却水供給管を一体のマニホールドとして構成すれば、これらの供給管の配管をマニホールド１つの組み付けによって達成できるので、組み立て性が向上する。
また、燃料電池システムの他の態様としては、酸化剤ガス及び燃料ガスからなる反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する少なくとも２つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、前記加湿器は、前記２つの燃料電池スタックの間に配置されると共に、中空糸状の水透過膜を介して反応ガスを加湿する膜型加湿器として構成され、 前記中空糸状の水透過膜の延びる方向と、前記燃料電池スタック内に形成され各単セルに 反応ガスを供給する反応ガス供給通路の延びる方向とは、同じ方向である（第７の発明）。
この燃料電池システムは、加湿器を２つの燃料電池スタックの間に配置したことから、燃料電池が発する熱により適度に加温される。そのため、加湿器内で反応ガスが加湿されながら、温度が上昇していくので、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生することがない。したがって、反応ガスは、安定した流れとなり、燃料電池の安定動作が可能となる。また、燃料電池スタックを２つに分けたことで、アプリケーションへのレイアウトの自由度が高くなる。
また、加湿器と燃料電池スタックの配管を可及的に短くすることができる。
また、第７の発明の燃料電池システムにおいては、前記２つの燃料電池スタックは、水 平方向に並んで配置され、前記加湿器は、略円柱形状で、かつ少なくとも２つが上下に隣 接して配置されるのが好ましい（第８の発明）。
このようなレイアウトによれば、２つの燃料電池スタックの間の狭い空間を有効利用し て燃料電池システムのコンパクト化を図ることができる。
さらに、この燃料電池システムでは、前記反応ガスを通流させる反応ガス配管を、２つ の前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設するのが好ましい（ 第９の発明）。こうすれば、デッドスペースを有効利用して、燃料電池システムのコンパ クト化を図ることができる。
また、この燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックは、積層された単セル の両端にエンドプレートを有し、前記加湿器と前記２つの燃料電池スタックのエンドプレ ートとが結合されるのが好ましい（第１０の発明）。このように、燃料電池スタックと加 湿器とを一体に結合することにより、燃料電池システムに振動が加わった場合でも、燃料 電池スタックと加湿器とを接続する配管に余計な力がかからず、気密性を保つことができ る。
さらに、前記２つの燃料電池スタック及び前記加湿器は、燃料電池ボックス内に配置さ れ、前記２つの燃料電池スタックのエンドプレートは、前記燃料電池ボックスに固定され るのが好ましい（第１１の発明）。このように燃料電池スタックと、燃料電池ボックスと を一体にすることにより、燃料電池システムの剛性が高くなり、共振周波数が高くなるこ とで、共振を抑えることができる。
このように、第１の発明の燃料電池システムによれば、加湿器から２つの燃料電池スタックへの反応ガスの供給がバランス良くなされるとともに、加湿器が燃料電池スタックに加温されて、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生しないので、燃料電池の安定動作が可能である。また、燃料電池を２つに分けることでレイアウトの自由度や重量バランスを改善可能になる。
第２の発明の燃料電池システムによれば、第１の発明に係る燃料電池システムの効果がより顕著に発揮できる。
第３の発明の燃料電池システムによれば、反応ガス供給管を短くすることができ、反応ガス供給管内での結露を可及的に防止できる。
第４の発明の燃料電池システムによれば、デッドスペースを有効利用して燃料電池システムのコンパクト化に貢献できる。
第５の発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池へ空気又は水素を供給する配管が短くできる。
第６の発明の燃料電池自動車によれば、燃料電池システムの組み立て性が向上する。
第７の発明の燃料電池システムによれば、加湿器内の反応ガスの通路で結露が発生しないので、燃料電池の安定動作が可能である。
第８から第９の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムのコンパクト化を 図ることができる。
第１０の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックと加湿器とを接続する配管に余計な力がかからず、気密性を保つことができる。
第１１の発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの剛性が高くなり、共振周波数が高くなることで、共振を抑えることができる。
実施形態に係る燃料電池システム２を搭載した燃料電池自動車１の構成を示す斜視図である。 実施形態に係る燃料電池システム２の概要を示す模式図である。 （ａ）は、車両後方から見た加湿器２０と燃料電池スタック３０の分解斜視図であり、（ｂ）は、単セルＦＣの分解斜視図である。 加湿器２０を車両左側から見た側面図である。 加湿器２０を車両右側から見た側面図である。 加湿器２０ａの断面図である。 加湿器２０及び燃料電池スタック３０の配管を示す車両後方から見た斜視図である。 燃料電池スタック３０及び加湿器２０を平面視した模式図である。
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施形態に係る燃料電池システム２を搭載した燃料電池自動車１の構成を示す斜視図であり、図２は、実施形態に係る燃料電池システム２の概要を示す模式図である。
図１に示すように、実施形態に係る燃料電池自動車１は、燃料電池システム２が搭載された自動車である。燃料電池システム２は、主として燃料ガスである水素を供給する水素供給機としての高圧水素タンク１１と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給機としての圧縮機１２と、加湿器２０と、燃料電池スタック３０とを備えている。燃料電池スタック３０は、第１燃料電池スタック３１と第２燃料電池スタック３２とからなり、これらは、燃料電池自動車１（車両）の左右（水平方向）に並んで配置され、第１燃料電池スタック３１と第２燃料電池スタック３２との間に加湿器２０が配置されている。第１燃料電池スタック３１と第２燃料電池スタック３２とは、燃料電池自動車１の車幅方向中心を境に左右に振り分けられているため、燃料電池自動車１の左右の重量バランスがとられている。
高圧水素タンク１１から送り出される水素と、加湿器２０を通って加湿された空気とは、ともに燃料電池スタック３０へ供給され、内部で電気化学反応して起電力を発生する。
また、燃料電池システム２は、燃料電池スタック３０を冷却する冷却水の熱交換器として、ラジエータ１３を備えている。ラジエータ１３で冷却された冷却水は、第１燃料電池スタック３１、第２燃料電池スタック３２の内部を通過して、再びラジエータ１３へ還流している。
以上の燃料電池システム２の構成要素のうち、加湿器２０、第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３２は、燃料電池ボックス４１内に収納されている。そして、燃料電池ボックス４１は、フロアパネル４２の下（床下）で、車両の前後に延びるメインフレームに固定されている。
次に、図２を参照して、燃料電池システム２の各要素の概要を説明する。高圧水素タンク１１から送り出される水素は、燃料電池スタック３０のアノードＡに供給される。アノードＡで消費しきれなかった水素は、循環路１６を介して再びアノードＡに供給される。
圧縮機１２から送り出された空気（本明細書において「供給空気」という。）は、加湿器２０で加湿された後に燃料電池スタック３０のカソードＣへ供給される。また、圧縮機１２から加湿器２０を通らずにカソードＣへ送る加湿器バイパス２７が設けられ、供給空気の湿度を調整するため適宜加湿器バイパス２７を介してカソードＣへ供給空気が供給される。加湿器バイパス２７へ通す供給空気の流量は、バルブ１７により調整される。
アノードＡに燃料ガスとして水素を供給し、カソードＣに酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードＡで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子膜ＭＥを通過してカソードＣまで移動し、カソードＣの触媒によって酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
カソードＣから排出された空気（オフガス）は、燃料電池スタック３０内で発生した水を含んでおり、供給空気を加湿するため加湿器２０に供給される。加湿器２０内では、水透過膜である中空糸膜２１を介してオフガスと供給空気との間で水（水蒸気）の交換が行われる。加湿器２０から排出されたオフガスは、大気へ排出される。
次に、図３から図７を参照して、加湿器２０と燃料電池スタック３０の詳細について説明する。
図３（ａ）は、車両後方から見た加湿器２０と燃料電池スタック３０の分解斜視図であり、（ｂ）は、単セルＦＣの分解斜視図である。図４は、加湿器２０を車両左側から見た側面図、図５は、加湿器２０を車両右側から見た側面図、図６は、加湿器２０ａの断面図、図７は、加湿器２０及び燃料電池スタック３０の配管を示す車両後方から見た図である。
図３（ａ）に示すように、加湿器２０は、第１燃料電池スタック３１と第２燃料電池スタック３２の間に上下に隣接して配置されている。
第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３２は、それぞれ一つの燃料電池の単位である単セルＦＣを数十枚〜数百枚積層させたものである。各単セルＦＣは、図３（ｂ）に示すように、カーボンやステンレスからなる薄板であるアノードセパレータＡＳ及びカソードセパレータＣＳと、アノードセパレータＡＳとカソードセパレータＣＳの間に配置された固体高分子膜ＭＥにカソードＣ及びアノードＡが形成されて構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）とを備えて構成される。アノードセパレータＡＳ及びカソードセパレータＣＳは、溝３９により固体高分子膜ＭＥとの間にそれぞれ水素通路及び空気通路を形成している。また、アノードセパレータＡＳ又はカソードセパレータＣＳは、隣り合う単セルＦＣのカソードセパレータＣＳ又はアノードセパレータＡＳとの間で、溝３９により冷却水通路を形成している。
各アノードセパレータＡＳ及びカソードセパレータＣＳは、左右の縁部に孔Ｐ１〜Ｐ６を３つずつ有している。孔Ｐ１〜Ｐ６は、単セルＦＣを積み重ねていくことで、結合されて通路を形成する。すなわち、孔Ｐ１は空気供給通路に、孔Ｐ２は冷却水供給通路に、孔Ｐ３は水素排出通路に、孔Ｐ４は水素供給通路に、孔Ｐ５は冷却水排出通路に、孔Ｐ６は空気排出通路になる。そして、孔Ｐ１、孔Ｐ６は、前記した空気通路に連通し、孔Ｐ３及び孔Ｐ４は水素通路に連通し、孔Ｐ２及び孔Ｐ４は冷却水通路に連通している。
図３（ａ）に示すように第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３２は、積層した単セルＦＣの両端に、単セルＦＣと同じ輪郭のエンドプレート３３が設けられ、２つのエンドプレート３３同士をボルトなどで締結することで、単セルＦＣが一体のスタックとなっている。
各エンドプレート３３の車両内側の一辺には、加湿器２０と結合するための結合片３４が延設されている。結合片３４は、各エンドプレート３３について上下に１箇所、計２箇所設けられ、エンドプレート３３は、第１、第２燃料電池スタック３１，３２の前後に１つずつ、計４枚設けられているので、総計８箇所に結合片３４が設けられている。
加湿器２０にも、エンドプレート３３の各結合片３４に対応する位置に、すなわち前後の上下、左右に計８つの結合片２９が形成されている。
エンドプレート３３の結合片３４、及び加湿器２０の結合片２９は、それぞれ締結用の孔が形成され、この孔にボルトナットを通して締結することで、第１燃料電池スタック３１、加湿器２０、及び第２燃料電池スタック３２が一体に結合される。なお、エンドプレート３３と加湿器２０の結合方法は、このような方法に限られず、スタックボルトとナットや、リベット、溶接などを採用することもできる。
また、４つのエンドプレート３３は、それぞれ断面Ｌ字形の固定ブラケット３５（車両後方の２つのみ図示）により燃料電池ボックス４１に固定されている。固定ブラケット３５とエンドプレート３３は、ボルトにより締結され、固定ブラケット３５と燃料電池ボックス４１も、ボルトにより締結されている。そして、燃料電池ボックス４１は、車体のフロアパネル４２（図１参照）に固定されている（図示せず）。
固定ブラケット３５は、燃料電池の積層方向の端部に設けられ、燃料電池ブロックの締結力を維持している。
第１、第２燃料電池スタック３１，３２に供給する水素、空気、及び冷却水は、車両後方のエンドプレート３３に形成された各供給口又は排出口Ｑ１〜Ｑ６を介して供給、排出される。この供給口又は排出口Ｑ１〜Ｑ６へのガスの分配にはアルミニウム合金などからなるマニホールド５０が用いられる。マニホールド５０によるガスの分配の詳細は後述するが、マニホールド５０は、加湿器２０から排出される供給空気を、第１、第２燃料電池スタック３１，３２に導入し、また、第１、第２燃料電池スタック３１，３２から排出されたオフガスを加湿器２０へ導入するために、加湿器２０と第１、第２燃料電池スタック３１，３２とを繋いでいる。
このように第１、第２燃料電池スタック３１，３２は、ともに加湿器２０に結合されて一体になった上で燃料電池ボックス４１に固定されているので、それぞれを個別に燃料電池ボックス４１に固定した場合よりも、剛性を高くでき、その結果共振周波数を高くして共振の発生を抑えることができる。
また、加湿器２０と、第１、第２燃料電池スタック３１，３２とが、結合片２９，３４を介して結合されているので、互いの相対位置が固定される。そのため、燃料電池システム２に振動が加わっても、マニホールド５０に余計な力がかからず、マニホールド５０と加湿器２０又は第１、第２燃料電池スタック３１，３２との結合部において良好な気密性を保つことができる。
次に、加湿器２０の詳細について説明する。
図４に示すように、加湿器２０は、中空糸膜２１（図６参照）を利用した膜型加湿器で、２つの略円柱状の加湿器２０ａを上下に配置したものである。加湿器２０ａは、図６に示すように、円筒状のアウターパイプ２２の内部に円筒状のインナーパイプ２３が配置され、アウターパイプ２２とインナーパイプ２３の間に水蒸気を透過可能な水透過膜である中空糸状の中空糸膜２１がアウターパイプ２２の軸方向に沿って揃えて充填されている。燃料電池スタック３０との関係では、単セルＦＣの積層方向に中空糸膜２１の管が向くように揃えられている。中空糸膜２１は、前端及び後端で束ねられ、互いに接着されて接着部２１ａを形成している。さらに、接着部２１ａは、アウターパイプ２２及びインナーパイプ２３とも接着されて、アウターパイプ２２の前端及び後端には、中空糸膜２１の内孔のみが開口している。アウターパイプ２２の前端には空気供給管２４ａ（供給空気入口）を形成するキャップ２４が設けられ、後端には、空気排出口２５ａを形成するキャップ２５が設けられている。
インナーパイプ２３は、後端からアウターパイプ２２の内部（接着部２１ａより内側）に入った部分に複数の小孔２３ａが形成され、小孔２３ａは、インナーパイプ２３の内部と、中空糸膜２１が充填されている部分の中空糸膜２１の外側とを連通している。また、インナーパイプ２３の小孔２３ａよりもさらに内側の部分には、インナーパイプ２３の内孔を塞ぐ隔壁２３ｂが設けられている。また、アウターパイプ２２の前端付近には、周面に沿って複数のオフガス排出孔２２ａが全周にわたって設けられている。オフガス排出孔２２ａの周りには、オフガス排出孔２２ａから排出されたオフガスを集めるため、オフガス収集管２２ｂがベルト状に全周にわたって形成されている。
このような加湿器２０ａでは、前端の空気供給管２４ａから供給空気が導入されて、中空糸膜２１の内孔を通過し、加湿された上で、後端の空気排出口２５ａから排出される。一方、燃料電池スタック３０から排出されたオフガスは、インナーパイプ２３の後端から導入され、小孔２３ａを通って、中空糸膜２１が充填されている部分の中空糸膜２１の外側を通って前方へ流れる。そして、オフガスは、オフガス排出孔２２ａからアウターパイプ２２の外部に出て、オフガス収集管２２ｂを通って集合される。
ここで、図４に戻って加湿器２０の配管について説明する。
上下の加湿器２０ａの後端は、燃料電池スタック３０から排出されたオフガスが導入されるオフガス供給管２３ｃが設けられている。オフガス供給管２３ｃは、二又に分岐して、それぞれが上下の加湿器２０ａのインナーパイプ２３（図６参照）に連結されている。また、上下の加湿器２０ａのオフガス収集管２２ｂは、車両左側（図４の手前側）で連結された上、オフガス排出管２６（反応ガス配管）に連結されている。オフガス排出管２６は、上下の加湿器２０ａが接して形成された隅に沿って車両後方へ延びるように配置されている。つまり、オフガス排出管２６は、２つの加湿器２０ａと、第２燃料電池スタック３２（図３参照）に囲まれた部分に配置されている。そのため、オフガス排出管２６のレイアウトは、スペースを有効利用しており、燃料電池システム２のコンパクト化に貢献している。
以上のような配管により、オフガスは、車両後方からオフガス供給管２３ｃ、インナーパイプ２３を通って、加湿器２０ａ内の中空糸膜２１の外側を通った上、オフガス収集管２２ｂにより集められ、オフガス排出管２６を通って再び車両後方へ排出される（図６参照）。
一方、図５に示すように、車両前方には空気供給管２４ａが設けられている。空気供給管２４ａは、三又に分岐して、うち２つは、キャップ２４へ連通し、１つは加湿器バイパス２７（反応ガス配管）へ連通している。また、車両後方のキャップ２５及び加湿器バイパス２７は、車両後方で空気排出管２８（反応ガス出口、供給空気出口）へ集合している。そして、加湿器バイパス２７は、上下の加湿器２０ａが接して形成された隅に沿って車両の前後に延びるように配置されている。このように、加湿器バイパス２７は、２つの加湿器２０ａと、第１燃料電池スタック３１（図３参照）に囲まれた部分に配置されているので、加湿器バイパス２７のレイアウトは、スペースを有効利用しており、燃料電池システム２のコンパクト化に貢献している。
以上のような配管により、供給空気は車両前方の空気供給管２４ａからキャップ２４を通じて中空糸膜２１の内孔に入り、加湿された上で、キャップ２５から空気排出管２８を通じ、車両後方へ排出される（図６参照）。
次に、図７を参照しながら、燃料電池スタック３０の配管について説明する。
図７においては、マニホールド５０の図示を省略し、マニホールド５０内の通路のみを図示している。
図７に示すように、加湿器２０の空気排出管２８は、マニホールド５０内の空気供給管５１（反応ガス供給管）に連結されている。空気供給管５１は左右に分岐し、燃料電池スタック３０の内側上段の空気供給口Ｑ１（反応ガス供給口、ＡＩＲｉｎ）へ連通している。空気供給管５１は、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）の中央で分岐しており、分岐点から空気供給口Ｑ１までの長さは同じに設定されている。そのため、供給空気は、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）へ、バランス良く供給される。
燃料電池スタック３０の外側下段には、空気排出口Ｑ６（ＡＩＲｏｕｔ）が設けられている。左右の空気排出口Ｑ６は、オフガス配管５２で集合され、加湿器２０下方のオフガス供給管２３ｃに連通している。オフガス配管５２は、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）の中央で集合しており、左右の空気排出口Ｑ６と集合点までの長さは同じに設定されている。そのため、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）から排出されたオフガスはバランス良く加湿器２０へ送り込まれる。
水素は、車両後方から供給され、水素供給管５３を通って、燃料電池スタック３０の外側上段の水素供給口Ｑ４（Ｈ２ｉｎ）へ導入される。水素供給管５３は、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）の中央で左右に分岐しており、分岐点から左右の水素供給口Ｑ４までの長さは同じに設定されている。そのため、水素は、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）へバランス良く供給される。
燃料電池スタック３０の内側下段には、水素排出口Ｑ３（Ｈ２ｏｕｔ）が設けられている。左右の水素排出口Ｑ３は、水素排出管５４で集合され、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）の中央で後方へ還流している。
冷却水は、車両前方から、燃料電池スタック３０の右側を迂回して燃料電池スタック３０の車両後方へ導かれている。冷却水は、冷却水供給管５５を通って、左右の燃料電池スタック３０（３１，３２）の中央で左右に分岐しており、燃料電池スタック３０の内側中段の冷却水供給口Ｑ２（ＣＯＯＬｉｎ）に導入されている。そして、燃料電池スタック３０の内部を通流して冷却した後、外側中段の冷却水排出口Ｑ５（ＣＯＯＬｏｕｔ）から排出される。そして、冷却水排出口Ｑ５に接続された冷却水排出管５７は、左右の燃料電池スタック３０から排出された冷却水を車両左側で合流させ、車両前方のラジエータ１３（図１参照）へ還流するよう配管されている。
以上のような各配管、すなわち、空気供給管５１、オフガス配管５２、水素供給管５３、水素排出管５４、冷却水供給管５５、冷却水接続管５６、及び冷却水排出管５７は、すべて一体のマニホールド５０として構成されている。そのため、燃料電池スタック３０及び加湿器２０の配管は、この一つのマニホールド５０を燃料電池スタック３０及び加湿器２０へ固定するだけで完了する。
以上のように構成された燃料電池自動車１及び燃料電池システム２の作用効果について説明する。
図１に示した水素供給機である高圧水素タンク１１から供給された水素は、図７に示すようにマニホールド５０の左右方向における中央部分に供給され、水素供給管５３を通じて左右に分配され、水素供給口Ｑ４へ導入される。この際、水素供給管５３の分岐点から水素供給口Ｑ４までの長さは同じに設定されているので、水素は、第１燃料電池スタック３１と第２燃料電池スタック３２の２つへバランス良く分配される。
このように、高圧水素タンク１１は、車両の後方に配置されており、２つの燃料電池スタック３０（３１，３２）の後側から供給されるとともに、同じく後側から排出されるので、水素の配管は可及的に短くでき、燃料電池自動車１の重量及びコストの低減に貢献できる。
そして、図１に示した圧縮機１２から送り出された供給空気は、図３に示すように前方の空気供給管２４ａから加湿器２０（２０ａ）に入って加湿された後、後方の空気排出管２８から排出される。そして、図７に示すように、空気供給管５１を通って左右に分岐し、空気供給口Ｑ１から燃料電池スタック３０内へ導入される。
この際、加湿器２０内で加湿される供給空気は徐々に湿度が高くなるが、同時に加湿器２０の両側にある第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３２から熱を受け、温度も高くなる。そのため、加湿器２０内では、供給空気の湿度の上昇による結露が発生しにくい。
また、空気供給管５１の分岐点から左右の空気供給口Ｑ１までの長さは同じに設定されているため、供給空気は、第１燃料電池スタック３１と第２燃料電池スタック３２の２つへバランス良く分配される。
燃料電池スタック３０の左右の空気排出口Ｑ６から排出されたオフガスは、図７に示すようにオフガス配管５２を通って集合し、加湿器２０のオフガス供給管２３ｃへ導入される。加湿器２０に入ったオフガスは、図６に示すように加湿器２０内で中空糸膜２１を介して供給空気を加湿した後、前方のオフガス収集管２２ｂからアウターパイプ２２の外側に出て、オフガス排出管２６を通じ、さらにマニホールド５０の上部を通り抜けて、図示しない配管により車両後方へ排出される。
このように、空気は車両前方の圧縮機１２から加湿器２０の前側に供給され、後側へ抜けつつ加湿される。そして、加湿器２０の後側から、マニホールド５０により左右に分配されて燃料電池スタック３０に供給される。さらに、燃料電池スタック３０の後側から排出されたオフガスが、加湿器２０の後側へ供給され、加湿器２０を抜けた後は車両後方に排出される。つまり、車両前方の圧縮機１２と加湿器２０の前方とを接続しているため、空気の配管は短くて済み、また、加湿器２０と燃料電池スタック３０の間の配管も、マニホールド５０で済ませることができるので、可及的に短くすることができる。
冷却水は、車両前方のラジエータ１３で冷却された後、燃料電池スタック３０の右側から後方へ迂回して、２つの燃料電池スタック３０（３１，３２）内を循環した後、第２燃料電池スタック３２の後方左側から排出され、燃料電池スタック３０の左側を迂回して車両前方のラジエータ１３へ還流する。
この際、冷却水の配管は、車両前方にあるラジエータ１３から燃料電池スタック３０の後方まで回り込ませるので長くなる。冷却水の配管はアースをとる必要があり、燃料電池から配管の接地点までの距離が長い方が漏電しにくいので、ある程度迂回させるのが望ましい。
また、本実施形態の燃料電池スタック３０は、２つに分けて配置し、空気及び水素の供給、排出口Ｑ１〜Ｑ６を片側の面に集中させて配置したが、この構成は次の点でもメリットがある。
図８は、燃料電池スタック３０及び加湿器２０を平面視した模式図である。第１燃料電池スタック３１及び第２燃料電池スタック３２の各単セルＦＣは、すべて直列に接続されており、第１燃料電池スタック３１の前方、後方、第２燃料電池スタック３２の後方、前方の順に接続され、電位が高くなる。すなわち、図８中の符号でいえば、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の順に電位が高くなる。その際、電位Ｖ２と電位Ｖ３は、電気的に隣り合う単セルＦＣであるため、電位がほぼ同じである。このように、ほぼ電位が同じの面に、水素、空気、冷却水の配管を集中させることにより、電気短絡の可能性を低くすることが可能になっている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態には限定されず、適宜変更して実施可能であることはいうまでもない。例えば、加湿器２０は、３つ以上でも構わないし、オフガス排出管２６や加湿器バイパス２７の配置を左右逆にすることもできる。
燃料電池スタック３０は、水平方向として左右に並んで配置したが、前後に並んで配置させてもよい。さらに、３つ以上の燃料電池スタックを設けた場合には、隣接する燃料電池スタックの間に加湿器を配置させてもよい。
また、本実施形態では、燃料電池の例として燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして酸素ガスを用いたが、これらに限らず、他の反応ガスを利用しても良い。さらに、加湿器も、空気（酸化剤ガス）を加湿するものに限らず、例えば燃料ガスや、燃料ガスと酸化剤ガスの双方を加湿するものでも構わない。
また、燃料電池システム２は、燃料電池自動車に限らず、家庭用電源に適用することもできる。

Claims (11)

  1. 酸化剤ガス及び燃料ガスからなる反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する少なくとも２つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の反応ガス出口から２つの前記燃料電池スタックの反応ガス供給口へ前記反応ガスを送る反応ガス供給管と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記加湿器は、前記２つの燃料電池スタックの間に配置され、
    前記反応ガス供給管は、前記加湿器から前記２つの燃料電池スタックへ向けて分岐しており、その分岐点から前記２つの燃料電池スタックの反応ガス供給口までの長さがほぼ同一に構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記加湿器は、前記燃料電池スタックから排気されたオフガスに含まれる水分を、水透過膜を介して反応ガスへ供給する膜型加湿器として構成されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の燃料電池システム。
  3. 前記加湿器内の水透過膜は、中空糸状であって、かつ一方向に揃えて配設され、
    前記燃料電池スタックは、前記中空糸状の水透過膜の管の方向に単セルが積層されて構成され、
    前記反応ガス供給口は、前記燃料電池スタックの単セルを積層した方向の一端面に形成され、
    前記反応ガス出口は、２つの前記反応ガス供給口と同じ側に向けて設けられたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の燃料電池システム。
  4. 前記２つの燃料電池スタックは、水平方向に並んで配置され、
    前記加湿器は、略円柱形状で、かつ少なくとも２つが上下に隣接して設けられ、前記加湿器から排出された前記オフガスが通流するオフガス排出管は、２つの前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設されたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の燃料電池システム。
  5. ２つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給機と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給機と、前記燃料電池スタックに供給される空気を加湿する加湿器とを備える燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車であって、
    前記燃料電池スタック及び前記加湿器は、前記加湿器を中心に前記２つ燃料電池スタックを車両の左右に並べた状態で前記車両の床下に配設され、
    前記空気供給機は、前記燃料電池スタック及び前記加湿器より車両前方に配設され、
    前記水素供給機は、前記燃料電池スタック及び前記加湿器より車両後方に配設され、
    前記加湿器の供給空気入口は車両前方に、供給空気出口は車両後方に向けて配設され、
    前記燃料電池スタックの空気供給口及び水素供給口は、それぞれ車両後方へ向けて開口していることを特徴とする燃料電池自動車。
  6. 前記燃料電池スタックへ冷却水を供給する冷却水供給管をさらに有し、
    前記燃料電池スタックへ空気を供給する空気供給管と、前記燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給管と、前記冷却水供給管とは一体のマニホールドとして構成されたことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の燃料電池自動車。
  7. 酸化剤ガス及び燃料ガスからなる反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する少なくとも２つの燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される少なくとも一方の反応ガスを加湿する加湿器と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記加湿器は、前記２つの燃料電池スタックの間に配置されると共に、中空糸状の水透過膜を介して反応ガスを加湿する膜型加湿器として構成され、
    前記中空糸状の水透過膜の延びる方向と、前記燃料電池スタック内に形成され各単セルに反応ガスを供給する反応ガス供給通路の延びる方向とは、同じ方向である
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  8. 前記２つの燃料電池スタックは、水平方向に並んで配置され、
    前記加湿器は、略円柱形状で、かつ少なくとも２つが上下に隣接して配置されたことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記反応ガスを通流させる反応ガス配管を、２つの前記加湿器と前記燃料電池スタックの一方とに囲まれた位置に配設したことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池スタックは、積層された単セルの両端にエンドプレートを有し、前記加湿器と前記２つの燃料電池スタックのエンドプレートとが結合されていることを特徴とする請求の範囲第７項から請求の範囲第９項のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記２つの燃料電池スタック及び前記加湿器は、燃料電池ボックス内に配置され、前記２つの燃料電池スタックのエンドプレートは、前記燃料電池ボックスに固定されていることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の燃料電池システム。
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