(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【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、前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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003708482.tif 000009