特開 2024-173353 燃料電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024173353

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241205BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/2475

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023091714

(22)【出願日】2023-06-02

(71)【出願人】

【識別番号】000116574

【氏名又は名称】愛三工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】阪口 寛

(72)【発明者】

【氏名】永田 定嗣

(72)【発明者】

【氏名】間瀬 裕也

(72)【発明者】

【氏名】清水 雅基

(72)【発明者】

【氏名】宮部 善和

(72)【発明者】

【氏名】大見 正宣

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126FF10

5H127AA05

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA33

5H127BA57

5H127BA58

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB22

5H127BB26

5H127BB37

5H127CC06

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】 燃料電池モジュールにおいて、ユーザの要求に応じて、柔軟に構成をカスタマイズすることができる技術を提供する。
【解決手段】 本明細書は、ハウジングを備える燃料電池モジュールを開示する。前記ハウジングは、燃料電池スタック又は前記燃料電池スタックを駆動させる補機を挿入可能に構成されている複数の挿入口を備える、燃料電池モジュール。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハウジングを備える燃料電池モジュールであって、
前記ハウジングは、燃料電池スタック又は前記燃料電池スタックを駆動させる補機を挿入可能に構成されている複数の挿入口を備える、
燃料電池モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記補機は、第１の補機と、前記第１の補機とは異なる第２の補機を含み、
前記複数の挿入口は、前記燃料電池スタックを挿入可能であるとともに前記補機を挿入不能に構成されている第１の挿入口と、前記第１の補機を挿入可能であるとともに前記燃料電池スタック及び前記第２の補機を挿入不能に構成されている第２の挿入口と、前記第２の補機を挿入可能であるとともに前記燃料電池スタック及び前記第１の補機を挿入不能に構成されている第３の挿入口と、を有する、
燃料電池モジュール。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記補機は、前記燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、前記燃料電池スタックが発電する電力を変圧するコンバータと、前記燃料電池スタックを冷却する冷却装置と、のうちの少なくとも１つを含み、
前記燃料電池スタック及び前記補機を前記挿入口に挿入したときに、前記燃料電池スタックと前記補機が接続される、
燃料電池モジュール。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールであって、
前記ハウジングには、前記燃料電池スタックにより発電した電力を外部へ供給するための外部端子が設けられている、
燃料電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する技術は、燃料電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを駆動させる複数の補機と、点検又はメンテナンスされる複数のメンテナンス部品と、を備える燃料電池モジュールが開示されている。この燃料電池モジュールでは、フレーム内の空間に燃料電池スタック及び補機が収納され、フレーム外の空間にメンテナンス部品が配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－８６２７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックや補機のそれぞれが、フレーム内の予め定められた空間に配置される。このため、燃料電池モジュールの機能や能力が予め決まっており、例えば、燃料電池の出力の変更や補機の変更等、ユーザの要求に対して柔軟に対応することができない。本明細書では、燃料電池モジュールにおいて、ユーザの要求に応じて、柔軟に構成をカスタマイズすることができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書は、第１の態様として、ハウジングを備える燃料電池モジュールを開示する。前記ハウジングは、燃料電池スタック又は前記燃料電池スタックを駆動させる補機を挿入可能に構成されている複数の挿入口を備える。

【0006】

上記の燃料電池モジュールでは、ハウジングが複数の挿入口を備えており、この挿入口は、燃料電池スタック又は補機を挿入可能に構成されている。このため、用途や機能に応じて、燃料電池スタックや補機の種類や数を自由に変更することができる。すなわち、この燃料電池モジュールは、ユーザの要求に応じて、構成をカスタマイズすることができ、利便性が高い。

【0007】

第２の態様では、上記第１の態様において、前記補機は、第１の補機と、前記第１の補機とは異なる第２の補機を含んでもよい。前記複数の挿入口は、前記燃料電池スタックを挿入可能であるとともに前記補機を挿入不能に構成されている第１の挿入口と、前記第１の補機を挿入可能であるとともに前記燃料電池スタック及び前記第２の補機を挿入不能に構成されている第２の挿入口と、前記第２の補機を挿入可能であるとともに前記燃料電池スタック及び前記第１の補機を挿入不能に構成されている第３の挿入口と、を有してもよい。

【0008】

このような構成では、燃料電池スタック、第１の補機、及び第２の補機が、それぞれに対応する挿入口にのみ挿入可能に構成されている。このため、各部材の挿入口への誤挿入を抑制することができる。

【0009】

第３の態様では、上記第１又は第２の態様において、前記補機は、前記燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、前記燃料電池スタックが発電する電力を変圧するコンバータと、前記燃料電池スタックを冷却する冷却装置と、のうちの少なくとも１つを含んでもよい。前記燃料電池スタック及び前記補機を前記挿入口に挿入したときに、前記燃料電池スタックと前記補機が接続されてもよい。

【0010】

このような構成では、燃料電池スタック及び各補機を挿入口に挿入することにより、各部材間を容易に接続することができる。このため、燃料電池モジュールの機能を容易に発揮することができる。

【0011】

第４の態様では、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記ハウジングには、前記燃料電池スタックにより発電した電力を外部へ供給するための外部端子が設けられていてもよい。

【0012】

このような構成では、燃料電池スタックにより発電した電力を様々な機器（例えば、電気自動車や電動バイク等の移動体）に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例に係る燃料電池モジュールの構成を示す模式図。

【図2】実施例に係る燃料電池モジュールを構成する燃料電池システムの概略系統図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（実施例）
以下、図面を参照して、実施例の燃料電池モジュール２（以下、「燃料電池」を「ＦＣ」と表記することがある。）について説明する。図１に示すように、ＦＣモジュール２は、ハウジング３と、ＦＣスタック１２と、複数の補機（後述）と、を備えている。

【0015】

図１に示すように、ハウジング３は、複数の挿入口４を備えている。挿入口４は、ＦＣスタック１２又はＦＣスタック１２を駆動させる補機を挿入可能に構成されている。本実施例では、補機として、コンプレッサ２２、水素タンク３１、ポンプ４５、コンバータ５４を例に挙げて説明する。これらの機能等については後述する。

【0016】

挿入口４は、挿入口４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを有している。本実施例では、各挿入口４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが２つずつ設けられ、挿入口４ｅが１つ設けられている。挿入口４ａは、ＦＣスタック１２を挿入可能に構成されている。挿入口４ｂは、コンプレッサ２２を挿入可能に構成されている。挿入口４ｃは、水素タンク３１を挿入可能に構成されている。挿入口４ｄは、ポンプ４５を挿入可能に構成されている。挿入口４ｅは、コンバータ５４を挿入可能に構成されている。

【0017】

図１に示すように、各挿入口４は、互いに異なる形状を有している。例えば、挿入口４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅは略直方体形状を有しており、挿入口４ｃは略円柱形状を有している。ＦＣスタック１２は、挿入口４ａと略同形状を有している。コンプレッサ２２は、挿入口４ｂと略同形状を有している。水素タンク３１は、挿入口４ｃと略同形状を有している。ポンプ４５は、挿入口４ｄと略同形状を有している。コンバータ５４は、挿入口４ｅと略同形状を有している。なお、これらの部材１２、２２、３１、４５、５４は、上記した対応する挿入口４以外の挿入口には、挿入不能となっている。

【0018】

ＦＣスタック１２は、図示していないが、複数の単セルが直列に接続されて構成されている。各単セルは、電解質層と、電解質層を挟持する燃料極層（アノード電極）及び空気極層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスである空気（酸素）を供給するとともに、電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡと称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

【0019】

ＦＣスタック１２は、ハウジング３の挿入口４ａに挿入されると、ＦＣスタック１２を駆動するための様々な部材に接続され、図２に示すように、ＦＣモジュール２が、空気供給系２０、水素ガス供給系３０、冷却系４０、及び制御系５０を構成する。図２は、ＦＣスタック１２、コンプレッサ２２、水素タンク３１、及びコンバータ５４が各挿入口４に挿入された状態の系統図を示している。

【0020】

空気供給系２０は、ＦＣスタック１２を構成する各単セルのカソード電極に空気を供給し、各単セルで電気化学反応に供された後のオフガスをＦＣスタック１２から排出するように構成されている。空気供給系２０には、ＦＣスタック１２の上流側から、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、及びインタクーラ２３等が設けられ、ＦＣスタック１２の下流側には、マフラ２８等が設けられている。

【0021】

エアクリーナ２１は、大気中から取り込む空気中の塵埃等を除去する。コンプレッサ２２は、挿入口４ｂに挿入されると、エアクリーナ２１及びインタクーラ２３に接続される。コンプレッサ２２は、エアクリーナ２１を介して導入された空気を圧縮し、圧縮された空気をインタクーラ２３へ圧送する。インタクーラ２３は、コンプレッサ２２から圧送された空気を、例えば冷却液との熱交換によって冷却し、ＦＣスタック１２のカソード電極に供給する。本実施例のＦＣモジュール２では、空気供給系２０において、コンプレッサ２２がハウジング３の挿入口４ａに挿入され、ＦＣスタック１２の補機として機能する。

【0022】

水素ガス供給系３０は、ＦＣスタック１２を構成する各単セルのアノード電極に水素ガスを供給し、各単セルで電気化学反応に供された後のオフガスをＦＣスタック１２から排出するように構成されている。水素ガス供給系３０は、ＦＣスタック１２の上流側から、水素タンク３１及びインジェクタ３３が設けられ、ＦＣスタック１２の下流側には、気液分離器３７が設けられている。水素ガス供給系３０は、気液分離器３７を通過した水素ガスを上流側に循環させる水素ポンプ３８を備えている。

【0023】

水素タンク３１は、挿入口４ｃに挿入されると、インジェクタ３３に接続される。インジェクタ３３は、水素タンク３１から供給される水素ガスをＦＣスタック１２に供給する。気液分離器３７は、オフガスに含まれる生成水を分離する。生成水を分離した水素ガスは水素循環ポンプ３８に送られ、生成水はマフラ２８に送られる。水素循環ポンプ３８は、気液分離器３７で分離された水素ガスを圧送して、燃料ガス供給流路へ循環させる。本実施例のＦＣモジュール２では、水素ガス供給系３０において、水素タンク３１がハウジング３の挿入口４ｃに挿入され、ＦＣスタック１２の補機として機能する。

【0024】

冷却系４０は、ＦＣスタック１２を冷却するように構成されている。冷却系４０は、循環系であり、冷却系４０には、ロータリバルブ４２、熱交換器４３、ポンプ４５、イオン交換器４７、及び冷却液タンク４８が設けられている。ロータリバルブ４２は、ＦＣスタック１２から排出された冷却液を、熱交換器４３またはイオン交換器４７に分流する。熱交換器４３は、ＦＣスタック１２から排出される冷却液を冷却する。ポンプ４５は、挿入口４ｄに挿入されると、ロータリバルブ４２と熱交換器４３を接続する配管に介装される。ポンプ４５は、熱交換器４３で冷却された冷却液をＦＣスタック１２に圧送する。イオン交換器４７は、ＦＣスタック１２を冷却する冷却液からイオンを除去する機能を有しており、バイパス通路に設けられている。冷却液タンク４８は、冷却系４０に補給するための冷却液を収容しており、冷却液の不足時に、冷却系４０に補給用の冷却液が供給される。本実施例では、冷却系４０において、ポンプ４５がハウジング３の挿入口４ｃに挿入され、ＦＣスタック１２の補機として機能する。

【0025】

制御系５０は、ＦＣスタック１２の駆動等を制御するように構成されている。制御系５０には、制御装置５１、バッテリ５２、コンバータ５４、負荷５６、及び外部端子５８が設けられている。制御装置５１は、ＦＣモジュール２内の各バルブの開閉や、コンバータ５４を制御する。制御装置５１は、これにより、ＦＣスタック１２に供給される水素ガスと空気（酸素）の量を調整し、ＦＣスタック１２の出力電力を調整することができる。バッテリ５２は、ＦＣスタック１２で発電された電力を蓄電する。コンバータ５４は、挿入口４ｅに挿入されると、ＦＣスタック１２の出力端に接続される。コンバータ５４は、ＦＣスタック１２の出力電圧を昇圧して負荷５６又は外部端子５８に供給する。外部端子５８は、図１に示すように、ハウジング３から外側に延びている。外部の機器を外部端子５８に接続することにより、ＦＣスタック１２により発電した電力を当該機器に供給することができる。本実施例のＦＣモジュール２では、制御系５０において、コンバータ５４がハウジング３の挿入口４ｅに挿入され、補機として機能する。

【0026】

以上に説明したように、本実施例のＦＣモジュール２では、ハウジング３が複数の挿入口４を備えており、この挿入口４は、ＦＣスタック１２又は各種の補機を挿入可能に構成されている。このため、用途や機能に応じて、ＦＣスタック１２や補機の種類や数を自由に変更することができる。例えば、２つの挿入口４ａのそれぞれにＦＣスタック１２を挿入することで、ＦＣモジュール２の出力を増大することができる。また例えば、２つの挿入口４ｄのそれぞれにポンプ４５を挿入することで、冷却性能を向上させることができる。すなわち、このＦＣモジュール２は、ユーザの要求に応じて、構成をカスタマイズすることができ、利便性が高い。

【0027】

また、本実施例のＦＣモジュール２では、ＦＣスタック１２や、各種の補機が、それぞれに対応する挿入口４ａ～４ｅにのみ挿入可能に構成されている。このため、各部材の挿入口４への誤挿入を抑制することができる。

【0028】

また、本実施例のＦＣモジュール２では、ＦＣスタック１２及び各種の補機を挿入口４に挿入することにより、図２に示すように、各部材間を容易に接続することができる。このため、ＦＣモジュール２の機能を容易に発揮することができる。

【0029】

また、本実施例のＦＣモジュール２では、ＦＣスタック１２により発電した電力を、外部端子５８を介して、様々な機器（例えば、電気自動車や電動バイク等の移動体）に使用することができる。

【0030】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下、上述した実施例の変形例を以下に列挙する。

【0031】

上述した実施例において、図１に示す各挿入口４の配置や形状は一例であり、各挿入口４の配置や形状は、扱い易さや補機等の形状に応じて適宜変更してもよい。

【0032】

また、ＦＣスタック１２に供給される燃料ガス（水素）は、水素タンク３１から供給される水素ガスに限られない。例えば、水素タンク３１に代えてアンモニアタンクを使用し、アンモニアガスを改質することにより水素を生成して、生成した水素を燃料ガスとして用いてもよい。

【0033】

また、ハウジング３の挿入口４に挿入可能な補機は、上述したものに限られない。各挿入口４には、ＦＣモジュール２を構成する他の部材を挿入可能に構成してもよい。

【0034】

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0035】

２：燃料電池モジュール、３：ハウジング、４：挿入口、１２：燃料電池スタック、２０：空気供給系、３０：水素ガス供給系、４０：冷却系、５０：制御系、５８：外部端子

【図1】

【図2】