JP2004288499A

JP2004288499A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2004288499A
Application number: JP2003079946A
Authority: JP
Inventors: Munehisa Horiguchi; 宗久堀口; Masanori Okada; 真規岡田
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】燃料電池スタック及び補機類をアンダーカバーから距離を開けて、かつ、前記燃料電池スタックが車両フレームと電気的に絶縁されるように取り付けることによって、燃料電池スタック及び補機類が衝撃を受けて損傷したり作動不良が発生したりすることがなく、また、燃料電池スタックの出力する電流がリークして車両フレームを流れてしまうこともなく、堅牢（ろう）で安全性が高く、かつ、車両のメンテナンス作業の作業性が高くなるようにする。
【解決手段】車両フレームの左右のサイドメンバーの間に配設されて該左右のサイドメンバーに取り付けられる燃料電池スタックと、前記車両フレームに取り付けられる補機類とを有し、前記燃料電池スタック及び補機類は、前記左右のサイドメンバーの下面に取り付けられた車両の下部の少なくとも一部を覆うアンダーカバーから距離を隔てて配設される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。燃料電池には、種々の形式のものが知られており、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体電解質を用いた燃料電池が有望視されている。この場合、固体電解質と燃料極、酸素極、空気流路、燃料流路とを併せて燃料電池セルが構成され、さらに、該燃料電池セルを複数積層させたものを燃料電池スタックとして構成される。
【０００３】
そして、燃料電池装置を自動車等の車両に搭載する場合、乗員や荷物を積載するためのスペースを広くとるために、燃料電池スタックや補機類を前後の車軸間の床下に配設する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、車両のフレームに前記車両の下部を覆うアンダ−カバーが取り付けられ、該アンダーカバーは十分な強度を備え、フレームを補強する強度部材としても機能するようになっている。そして、前記燃料電池スタックや補機類は、前記アンダーカバーに直接取り付けられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−１７１０７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池スタックや補機類がアンダーカバーに直接取り付けられているので、障害物が前記アンダーカバーに接触した場合に、衝撃が燃料電池スタックや補機類に伝達され、該燃料電池スタックや補機類が損傷したり、作動不良が発生したりしてしまう。
【０００６】
例えば、車両が悪路等を走行中に突起に乗り上げた場合、前記アンダーカバーは下方から大きな衝撃を受ける。この場合、該衝撃が、前記アンダーカバーに直接固着されている燃料電池スタックや補機類に伝達され、該燃料電池スタックや補機類が損傷することがある。また、損傷しなくても作動不良が発生してしまうことがある。
【０００７】
また、前記アンダーカバーは十分な強度を備え、フレームを補強する強度部材としても機能するようになっているので、通常、その材質は金属である。そのため、前記アンダーカバーに直接固着されている燃料電池スタックの出力する電流がリークして、前記アンダーカバーを伝わって、フレームを流れてしまうことがある。この場合、前記補機類は、通常、前記フレームにアースされているので、作動不良が発生したり、損傷したりしてしまうことがある。
【０００８】
さらに、燃料電池スタックや補機類がすべてアンダーカバーに取り付けられているので、前記燃料電池スタックや補機類の一部の部品を点検したり修理したりする場合でも、アンダーカバーとともにすべての燃料電池スタックや補機類を車両から取り外して、その後、取り付けなければならず、車両のメンテナンス作業が繁雑になってしまう。また、アンダーカバーは、通常、車両の下方からフレームの下面に取り付けられているので、アンダーカバーを車両から取り外したり取り付けたりする作業は車両の下方から行う必要があり、車両のメンテナンス作業の作業性が低下してしまう。
【０００９】
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池スタック及び補機類をアンダーカバーから距離を隔てて、かつ、前記燃料電池スタックが車両フレームと電気的に絶縁されるように取り付けることによって、燃料電池スタック及び補機類が衝撃を受けて損傷したり作動不良が発生したりすることがなく、また、燃料電池スタックの出力する電流がリークして車両フレームを流れてしまうこともなく、堅牢（ろう）で安全性が高く、かつ、車両のメンテナンス作業の作業性が高い燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、車両フレームの左右のサイドメンバーの間に配設されて該左右のサイドメンバーに取り付けられる燃料電池スタックと、前記車両フレームに取り付けられる補機類とを有し、前記燃料電池スタック及び補機類は、前記左右のサイドメンバーの下面に取り付けられた車両の下部の少なくとも一部を覆うアンダーカバーから距離を隔てて配設される。
【００１１】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池スタックは、取付ブラケットを介して前記左右のサイドメンバーに取り付けられる。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池スタックは、前記左右のサイドメンバーに電気的に絶縁された状態で取り付けられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池装置が搭載された車両の模式平面図、図２は本発明の実施の形態における燃料電池装置が搭載された車両の模式側面図である。
【００１５】
図において、１１は複数の燃料電池セル（ＦＣ）から構成される燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、車両１０は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両１０の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック１１と蓄電手段としての２次電池３６とを併用して使用することが望ましい。
【００１６】
そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００１７】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００１８】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料として水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。なお、本実施の形態において、前記燃料電池スタック１１はいわゆる常圧型の燃料電池であり、前記空気流路には常圧の空気が流通する。ここで、常圧とは、大気圧から大気圧より約１００〔ｍｍＡｑ〕高い程度の圧力までの範囲である。
【００１９】
例えば、本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、出力は約８０〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００２０】
なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両１０の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段１２に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。
【００２１】
ここで、補機類としての前記燃料貯蔵手段１２は、水素吸蔵合金を格納した容器であることが望ましいが、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等であってもよい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両１０の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池セルの出力インピーダンスは極めて低く、０に近似させることが可能である。
【００２２】
本実施の形態においては、燃料貯蔵手段１２として複数本（例えば、４本）の水素ガスボンベを使用する。この場合、該水素ガスボンベは、図示されない搭乗員用シートの後方において、図示されないフレームに立てかけるようにして着脱可能に取り付けられる。なお、取扱の観点から、前記水素ガスボンベは単一の容器等に梱（こん）包されて、単一のカートリッジとして取り扱うことができるようになっていることが望ましい。
【００２３】
そして、燃料電池スタック１１は、車両フレーム３１の右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌの間に、取付ブラケット３２を介して、取り付けられる。この場合、該取付ブラケット３２は固着手段としての取付ボルト３３によって前記車両フレーム３１に取り付けられ、前記燃料電池スタック１１は固着手段としての取付ボルト３３によって取付ブラケット３２に取り付けられている。ここで、前記取付ブラケット３２と車両フレーム３１との間、又は、燃料電池スタック１１と取付ブラケット３２との間には、樹脂等の電気的に絶縁性の材料から成る図示されない絶縁部材が介在し、車両フレーム３１と燃料電池スタック１１とが電気的に絶縁された状態となっている。そのため、燃料電池スタック１１の出力が車両フレーム３１を流れることがない。
【００２４】
この場合、燃料電池スタック１１は、運転者、同乗者等が乗車したり荷物等を搭載する図示されない車室の床板の下に配設される。また、前記燃料電池スタック１１の下方には、図２に示されるように、車両１０の下部の少なくとも一部を覆うアンダ−カバーとしての底板１５が、前記燃料電池スタック１１の下面から距離を隔てて配設されている。前記底板１５は、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの下面に取り付けられ、車両１０の下部を覆うようになっている。
【００２５】
また、前記燃料電池スタック１１の後方（図における右方）には、燃料貯蔵手段１２に貯蔵した燃料としての水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するために燃料供給管路、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、逆止弁、圧力センサ等の補機類を備える燃料供給用補機類ユニット１３、及び、燃料電池スタック１１に供給される酸化剤としての空気が流通する空気流路内に水をスプレーもしくは噴射するために水供給管路、電磁弁、流量調整弁、水タンク、水供給ポンプ等の補機類を備える水供給用補機類ユニット１４が、前記車両フレーム３１の右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌの間に配設される。
【００２６】
そして、燃料としての水素ガスは、前記燃料貯蔵手段１２から、燃料供給用補機類ユニット１３を通って、燃料電池スタック１１の各燃料電池セルに供給される。この場合、各燃料電池セルに供給される水素ガスがあらかじめ設定した一定の圧力に維持されるように、圧力センサで前記燃料供給管路内の水素ガスの圧力をモニターしながら、燃料圧力調整弁を調整して、水素ガスを燃料貯蔵手段１２から供給する。そして、燃料電池セルから排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って大気中へ排出される。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。さらに、燃料電池セルから排出される水素ガスを回収して、再度、燃料電池セルに供給するようにしてもよい。また、前記燃料排出管路には、図示されないフィルタ、燃料排出電磁弁、逆止弁等が配設される。
【００２７】
さらに、前記燃料供給用補機類ユニット１３及び水供給用補機類ユニット１４の後方であり、かつ、燃料貯蔵手段１２の下方には、補機類としての２次電池３６が前記車両フレーム３１の右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌの間に配設される。なお、前記２次電池３６としては、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等のいわゆるバッテリ（蓄電池）が一般的である。また、前記２次電池３６は、電気２重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。本実施の形態においては、２次電池３６として、キャパシタを使用する。この場合、開放端子電圧は約５０〔Ｖ〕であり、約１〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００２８】
また、前記２次電池３６の後方には、図示されない駆動モータを含む車両１０の駆動装置を制御するための駆動装置制御ユニット３５が配設される。該駆動装置制御ユニット３５は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、車両１０の駆動装置の動作を制御する。
【００２９】
ここで、前記車両フレーム３１は、右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌ、並びに、左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒを連結する複数のクロスメンバー３１ｃを有する。なお、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３Ｒは、例えば、断面矩（く）形の角筒部材であるが、断面円形の円筒部材、断面楕（だ）円形の筒部材、断面Ｉ字状の棒部材、断面Ｈ字状の棒部材、断面コ字状の棒部材等いかなる形状のものであってもよい。また、材質は、強度の高い材質であることが望ましく、例えば、鋼、アルミニウム合金、ＦＲＰ、カーボン複合材等であるが、いかなる材質であってもよい。
【００３０】
さらに、前記クロスメンバー３１ｃも、断面矩形の角筒部材であるが、断面円形の円筒部材、断面楕円形の筒部材、断面Ｉ字状の棒部材、断面Ｈ字状の棒部材、断面コ字状の棒部材等いかなる形状のものであってもよい。また、材質も、鋼、アルミニウム合金、ＦＲＰ、カーボン複合材等いかなる材質であってもよいが、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒと同じ材質であることが望ましい。なお、前記クロスメンバー３１ｃの数は、幾つであってもよいが、強度の観点からは多い方が望ましい。そして、前記クロスメンバー３１ｃの両端は、溶接、接着、ボルト止等の手段によって、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒに固着される。なお、前記クロスメンバー３１ｃの両端は、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの内側の側面に固着されることが望ましいが、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの上面又は下面に固着されてもよい。
【００３１】
そして、前記底板１５は、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの下面に取り付けられ、車両１０の底面を覆うようになっている。ここで、前記車両１０の底板１５は車両１０の全ての範囲に亘（わた）って底面を覆うようなものであってもよいし、車両１０の一部分の底面を覆うものであってもよい。本実施の形態において、前記底板１５は、図２に示されるように、ほぼ左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒと左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒとの間の範囲であり、かつ、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの間の範囲を覆うようになっている。
【００３２】
なお、前記底板１５は、前記車両１０の強度部材としての機能を果たすものであってもよいし、強度部材としての機能を果たすことなく、単に車両１０の底面を覆うだけの板部材であってもよい。そして、底板１５が強度部材である場合、底板１５の材質は、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒやクロスメンバー３１ｃと同じ材質であることが望ましい。
【００３３】
また、前記底板１５は、車両１０の強度部材としての機能を果たすものでなくても、ある程度の強度及び弾性を備えることが望ましい。これにより、車両１０が、例えば、悪路等を走行中に突起に乗り上げたときのように、車両１０の下方から衝撃を受けた場合でも、前記底板１５が衝撃を吸収し、該衝撃が燃料電池スタック１１やその他の装置に伝わることを防止することができる。
【００３４】
前記燃料電池スタック１１の幅、すなわち、車両１０の横方向（図１における上下方向）の寸法は、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの間隔と等しくなっている。そして、前記燃料電池スタック１１の幅方向（図１における上下方向）に関する中心は、車両１０の横方向に関する中心と一致するようになっている。すなわち、前記燃料電池スタック１１は車両１０の横方向に関する中心に配設される。また、重量物である燃料電池スタック１１が低い位置に配設されるので、車両１０の重心位置が低くなり、車両１０の安定性が向上する。さらに、前記燃料電池スタック１１が、左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒの車軸と左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒの車軸との間に配設されているので、車両１０の重心位置近傍に重量物が集中し、重心回りの慣性モーメントが低減され、車両１０の旋回性が向上する。
【００３５】
なお、図に示される車両の左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒ及び左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒは、サスペンション機構等を介して前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒやクロスメンバー３１ｃに取り付けられることが望ましい。
【００３６】
そして、前記燃料電池スタック１１の後方であり、かつ、燃料供給用補機類ユニット１３及び水供給用補機類ユニット１４の上方には、前記燃料電池スタック１１に酸化剤としての常圧の空気を供給するために、酸化剤供給源としての空気供給ファンユニット２６が配設される。該空気供給ファンユニット２６は、一般的にシロッコファンと称されるものであり、羽根車として遠心式の多翼ファンを備え、該多翼ファンの回転軸が鉛直方向（図２における上下方向）に延伸するように、すなわち、水平面内において回転するように配設される。この場合、前記空気供給ファンユニット２６は、回転する多翼ファンの中心に上方から空気を吸引し、前記多翼ファンの外周側に空気を排出し、該空気を前記多翼ファンの周囲に配設された概略渦巻状の昇圧ダクトを通過させて、空気供給ファンユニット２６の外部に常圧の空気を吐出する。
【００３７】
また、該空気供給ファンユニット２６の上面には、図２に示されるように、エアフィルタ２７が配設され、前記空気供給ファンユニット２６に吸引される空気中の塵埃（じんあい）、汚染物質、有害成分等を除去するようになっている。なお、前記エアフィルタ２７の上方には図示されない搭乗員用シートが配設されるが、空気がスムーズにエアフィルタ２７内に流入するように、前記搭乗員用シートの下面と前記エアフィルタ２７の上面との間にはある程度の間隙（げき）が形成されることが望ましい。
【００３８】
そして、前記空気供給ファンユニット２６から吐出された空気は、該空気供給ファンユニット２６の空気吹出口に接続された接続ダクト２５、及び、該接続ダクト２５に接続された空気導入ダクト２４を通って、燃料電池スタック１１上側に取り付けられた空気供給室１７内に供給される。なお、該空気供給室１７内には、水をスプレーする図示されない水供給ノズルが配設されている。
【００３９】
ここで、前記空気導入ダクト２４の前記空気供給室１７に接続される側の端部、すなわち、空気出口端部は、車両１０の横方向に関し、燃料電池スタック１１の少なくとも１／２以上の幅を備える。さらに、前記空気導入ダクト２４の空気出口端部及び前記空気供給室１７は、幅方向の中心が前記燃料電池スタック１１の幅方向の中心と一致する。また、空気供給ファンユニット２６の空気吹出口の位置が空気供給室１７の最も高い部位よりも高い位置になるように配設される。そのため、前記空気導入ダクト２４は、図２に示されるように、車両１０の前方に向かって下方向に傾斜して、前記空気供給室１７の上面に形成された空気導入口に接続される。
【００４０】
これにより、車両１０が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に車両１０が傾いたり跳ねたときであっても、水供給ノズルから空気供給室１７内にスプレーされた水が、空気供給ファンユニット２６の内部に到達するまで逆流してしまうことがない。
【００４１】
なお、前記接続ダクト２５は、空気導入ダクト２４と一体的に形成されたものであってもよいし、別個に形成されて取り付けられたものであってもよい。また、前記空気導入ダクト２４は、前記空気供給ファンユニット２６の昇圧ダクトと一体的に形成されたものであってもよいし、別個に形成されて接続されたものであってもよい。
【００４２】
また、燃料電池スタック１１の空気供給室１７の上面の高さは、その上を覆うように配設される車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り低くすることが望ましい。さらに、前記燃料電池スタック１１の空気排出室１８の下面も、前記燃料電池スタック１１の取付位置及び車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り下方に突出しないことが望ましい。すなわち、前記空気排出室１８の厚さはできる限り薄いことが望ましい。
【００４３】
そして、車両１０の前方部分には、凝縮器ユニット２１が配設されている。該凝縮器ユニット２１は、燃料電池スタック１１から排出された空気に含まれる水分を凝縮して分離するためのものであり、車両１０の走行風を適切に利用して、前記燃料電池スタック１１から排出された空気を冷却して、水分を凝縮するようになっている。そのため、前記凝縮器ユニット２１の下面の排気導入口には、排気導入ダクト２２が接続され、該排気導入ダクト２２に接続された排気接続ダクト２３は、燃料電池スタック１１の下側に取り付けられた空気排出室１８に接続されている。
【００４４】
これにより、燃料電池スタック１１から空気排出室１８内に排出された空気は、排気接続ダクト２３及び排気導入ダクト２２を通って、凝縮器ユニット２１の下面の排気導入口から凝縮器ユニット２１内に導入される。そして、前記空気は、凝縮器ユニット２１内を上昇する間に冷却され、凝縮した水分を分離して、凝縮器ユニット２１の上面の排気口２１ａから大気中に放出される。なお、分離された水分は、図示されない配水管を通って、水供給用補機類ユニット１４の水タンクに回収されるようになっていることが望ましい。
【００４５】
また、車両１０の前方部分には、車両１０の補機類用の蓄電手段としての補機類用２次電池３７が配設されている。該補機類用２次電池３７は、前記２次電池３６と同様にキャパシタであってもよいが、本実施の形態においては、補機類用２次電池３７としてバッテリを使用する。
【００４６】
なお、本実施の形態において、燃料電池装置は図示されない制御装置を有する。該制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ、その他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファンユニット２６、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、燃料排出電磁弁等の動作を制御する。さらに、前記制御装置は、他のセンサ及び駆動装置制御ユニット３５等の他の制御装置と連携して、燃料電池装置の動作を統括的に制御する。なお、前記制御装置は、駆動装置制御ユニット３５等の他の制御装置と一体的に構成されてもよい。
【００４７】
次に、燃料電池スタック１１を車両１０に取り付けるための構成について詳細に説明する。
【００４８】
図３は本発明の実施の形態における燃料電池装置が搭載された車両の要部拡大側面図である。
【００４９】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、図３に示されるように車両フレーム３１の右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌの間に、例えば、左右それぞれ２個の取付ブラケット３２を介して取り付けられる。なお、該取付ブラケット３２の数は幾つであってもよい。また、前記取付ブラケット３２は、いかなる形状を有するものであってもよいが、燃料電池スタック１１を車両１０の上方から、車両フレーム３１に取り付けることができるようになっている。そのため、本実施の形態において、前記取付ブラケット３２は、鉛直方向に延在する長寸法（ロングサイズ）の長方形板状部材と、該長方形板状部材の上端に固定された水平方向に延在する短寸法（ショートサイズ）の長方形板状部材とから構成される概略Ｌ字状の形状を有する。なお、コスト及び取扱の観点から、すべての取付ブラケット３２は同様の寸法及び形状を有するものであることが望ましい。
【００５０】
そして、前記取付ブラケット３２は、鉛直方向に延在する長寸法の長方形板状部材の下端近傍部において、固着手段としての取付ボルト３３によって燃料電池スタック１１の下方部分を構成する空気排出室１８の側壁に取り付けられる。なお、必ずしも、前記鉛直方向に延在する長寸法の長方形板状部材の下端近傍部と空気排出室１８の側壁とを取付ボルト３３によって固着する必要はなく、前記鉛直方向に延在する長寸法の長方形板状部材におけるどの部位と、燃料電池スタック１１の側壁におけるどの部位とを取付ボルト３３によって固着するかは、適宜決定することができる。また、前記取付ブラケット３２は、水平方向に延在する短寸法の長方形板状部材において、取付ボルト３３によって左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの上面に取り付けられる。
【００５１】
ここで、前記取付ブラケット３２及び取付ボルト３３は、いかなる材質から成るものであってもよいが、強度の観点から、鋼、アルミニウム合金、ＦＲＰ、カーボン複合材等から成るものであることが望ましい。そして、前記取付ブラケット３２及び取付ボルト３３が金属等の導電性部材から成る場合、前記取付ブラケット３２とサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒとの間、又は、燃料電池スタック１１と取付ブラケット３２との間には、セラミック、樹脂等の電気的に絶縁性の材料から成る図示されない絶縁部材が介在し、車両フレーム３１を構成する左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒと燃料電池スタック１１とが電気的に絶縁された状態となっている。すなわち、前記燃料電池スタック１１は、車両フレーム３１に電気的に絶縁された状態で取り付けられている。そのため、燃料電池スタック１１の出力した電流が車両フレーム３１を流れることがない。
【００５２】
なお、前記取付ブラケット３２及び取付ボルト３３が、例えば、ＦＲＰのような誘電体から成る場合には、前記取付ブラケット３２及び取付ボルト３３自体が絶縁部材として機能するので、他の絶縁部材を介在させる必要はない。
【００５３】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１を車両フレーム３１に取り付ける場合には、まず、前記燃料電池スタック１１の空気排出室１８の側壁に、前記取付ブラケット３２の鉛直方向に延在する長寸法の長方形板状部材の下端近傍部を、取付ボルト３３によって取り付ける。そして、すべての取付ブラケット３２を燃料電池スタック１１の空気排出室１８の側壁に取り付けた後に、前記燃料電池スタック１１を図示されないクレーン等によって持ち上げて、車両フレーム３１の上方に移動させる。
【００５４】
続いて、前記燃料電池スタック１１を下降させ、車両フレーム３１の右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌの間に上方から進入させる。そして、前記取付ブラケット３２の水平方向に延在する短寸法の長方形板状部材が左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの上面に当接するまで、前記燃料電池スタック１１を下降させる。
【００５５】
続いて、前記左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの上面に、前記取付ブラケット３２の水平方向に延在する短寸法の長方形板状部材を、取付ボルト３３によって取り付ける。なお、燃料電池スタック１１を車両フレーム３１から取り外す場合には、逆の手順によって行われる。
【００５６】
このようにして、前記燃料電池スタック１１を車両１０に取り付けたり、車両１０から取り外したりする作業を容易に短時間で行うことができる。また、前記燃料電池スタック１１が車両フレーム３１に電気的に絶縁された状態で取り付けられているので、燃料電池スタック１１の出力した電流が車両フレーム３１を流れることがない。
【００５７】
そして、車両フレーム３１に取り付けられた燃料電池スタック１１の下面、すなわち、空気排出室１８の下面と、車両フレーム３１に取り付けられた車両１０のアンダ−カバーとしての底板１５の上面との間には、図３に示されるように、所定の距離αを隔てるようになっている。すなわち、燃料電池スタック１１が底板１５から距離αを隔てて配設されている。なお、前記距離αは適宜設定することができる。また、燃料供給用補機類ユニット１３、水供給用補機類ユニット１４、２次電池３６等の補機類も、底板１５から距離α又はそれ以上の距離を隔てて配設されている。
【００５８】
これにより、車両１０が、例えば、悪路等を走行中に突起に乗り上げたような場合に、前記底板１５が下方から大きな衝撃を受けても、該衝撃が、前記燃料電池スタック１１や補機類に伝達されないので、該燃料電池スタック１１や補機類が損傷したり、作動不良が発生してしまうことがない。
【００５９】
次に、前記構成の車載燃料電池システムの動作について説明する。
【００６０】
図４は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムの空気の流れを示す模式側面図である。
【００６１】
本実施の形態の車載燃料電池システムにおける運転時には、空気供給ファンユニット２６が作動して、燃料電池スタック１１に酸化剤としての空気を供給する。ここで、前記空気供給ファンユニット２６は、図に示されるように、下方部分にモータ２６ａを備え、該モータ２６ａが回転することによって、図示されない多翼ファンが回転させられる。この場合、該多翼ファンは、回転軸が鉛直方向（図における上下方向）に延伸するように配設されている。そのため、前記多翼ファンの回転軸方向の長さを短くすることによって、空気供給ファンユニット２６の鉛直方向の寸法を抑制することができる。これにより、車両フレーム３１と図示されない搭乗員用シートとの間のわずかな間隙に前記空気供給ファンユニット２６及びエアフィルタ２７を配設することができる。
【００６２】
しかし、遠心式の多翼ファン、すなわち、シロッコファンは、同一直径の羽根車で同一の回転速度では、最も多くの流量と圧力を得ることができるものであるから、空気供給ファンユニット２６の鉛直方向の寸法を抑制しても、十分な量の空気を十分な圧力で外部に吐出することができる。一般的なシロッコファンの場合、吐出圧力（ヘッド）は静圧で１００〔ｍｍＡｑ〕程度である。なお、前記多翼ファンを大径化すると、吐出圧力をより高くすることができる。これに対し、車両用ラジエータ等に使用される軸流送風機であるディスクファンの場合、吐出圧力は静圧で５〜１０〔ｍｍＡｑ〕程度なので、空気を十分な圧力で外部に吐出することができなくなってしまう。もっとも、スーパーチャージャー等に使用することができる軸流圧縮機であれば、高い吐出圧力を得ることができるが、この場合、構造が複雑なためコストが高くなり、かつ、大型化してしまうので、前記車両フレーム３１と搭乗員用シートとの間のわずかな間隙に配設することができなくなる。
【００６３】
そして、前記多翼ファンが回転すると、空気が上方から前記多翼ファンの中心に吸引され、該多翼ファンの外周側に排出される。ここで、前記多翼ファンの外周側に排出された空気は、前記多翼ファンの周囲に配設された概略渦巻状の昇圧ダクトを通過して、空気供給ファンユニット２６の外部に吐出される。
【００６４】
続いて、前記空気供給ファンユニット２６から吐出された空気は、該空気供給ファンユニット２６の空気吹出口に接続された接続ダクト２５、及び、該接続ダクト２５に接続された空気導入ダクト２４を通って、燃料電池スタック１１の上側に取り付けられた空気供給室１７内に供給される。なお、前記空気供給ファンユニット２６の空気吹出口に接続された接続ダクト２５及び空気導入ダクト２４における前側の壁が、図に示されるように、前方に向かって下方向に傾斜しているので、空気供給ファンユニット２６から吐出された空気は、図における矢印で示されるように、前記前側の壁に衝突して下方向に向きを変えることによって大きく拡散する。そのため、空気の速度及び圧力が平準化される。
【００６５】
この場合、燃料電池スタック１１及び空気供給ファンユニット２６が車両１０の横方向に関する中心に配設されているので、空気流の圧力損失が低く、空気導入ダクト２４の空気出口端部から燃料電池スタック１１の空気供給室１７に流入する空気は、車両１０の横方向に関して速度分布及び圧力分布が均一となった状態となっている。また、前記空気出口端部は、車両１０の横方向に関し、燃料電池スタック１１の少なくとも１／２以上の幅を備え、さらに、前記空気出口端部及び前記空気供給室１７は幅方向の中心が一致する。そのため、空気は、空気供給室１７内において、車両１０の横方向に関して均一な速度分布及び圧力分布で流動する。
【００６６】
なお、前記燃料電池セル内には、鉛直方向に延在する多数の空気流路が形成され、該空気流路の一面が酸素極に接している。そして、該酸素極の反対側には固体高分子電解質膜を挟んで燃料極が配設され、該燃料極に接して水素ガスの通路としての燃料流路が形成されている。また、前記空気供給室１７の幅は、空気流路の集合体が分布している領域の幅とほぼ同一、すなわち、集合体としての空気流路の幅とほぼ同一である。しかも、空気供給ファンユニット２６の空気吹出口、接続ダクト２５、空気導入ダクト２４及び空気供給室１７の順で、空気流路の幅が順々に広がっているので、前記空気供給ファンユニット２６から送出された空気の流れは、スムーズに幅方向に広がって、空気供給室１７内において均一な流れとなる。
【００６７】
そのため、空気導入ダクト２４から送り込まれた酸化剤としての空気は、燃料電池セル内のすべての空気流路へ均等に導入され、図４における矢印で示されるように、下向きに流れる。したがって、空気流の圧力損失が低く、すべての空気流路に空気が均等に、スムーズに導入されるので、燃料電池セルの出力が安定して向上する。また、空気排出室１８の幅も集合体としての空気流路の幅とほぼ同一である。そのため、空気流路から排出された空気はスムーズに排気接続ダクト２３に向けて排出される。
【００６８】
ところで、前記空気供給室１７内には水供給ノズルが配設され、水が供給（スプレーもしくは噴射）される。前記水供給ノズルからスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の前記空気流路内に進入する。そして、酸素極を湿潤な状態に保つので、酸素極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。さらに、セパレータや酸素極や燃料極をスプレーされた水が蒸発する時の潜熱冷却により冷却することが可能になる。また、燃料である水素と酸化剤である酸素が結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、前記スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
【００６９】
ここで、スプレーされた水は液体の状態、すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そのため、気化潜熱によって空気流路内の酸素極等を冷却するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズルは通常のものであってよく、特別の構成を有する必要がない。なお、前記スプレーされた水は前記空気流路の下端から、空気とともに排出されるので、前記空気流路から排出された空気は水分を含んでいる。
【００７０】
そして、前記排気接続ダクト２３の空気排出室１８に接続された部分は、車両１０の横方向に関して燃料電池スタック１１の少なくとも１／２以上の幅を備える。さらに、前記排気接続ダクト２３と前記空気排出室１８は、幅方向の中心が前記燃料電池スタック１１の幅方向の中心と一致する。そのため、前記燃料電池セルの空気流路以降の空気流の圧力損失も低いので、前記空気流路から排出された空気は、空気排出室１８及び排気接続ダクト２３を通って、スムーズに排気導入ダクト２２に流入する。
【００７１】
そして、前記空気流路から空気排出室１８内に排出された空気は、図４における矢印で示されるように、排気接続ダクト２３及び排気導入ダクト２２を通って、凝縮器ユニット２１の下面の排気導入口から凝縮器ユニット２１内に導入される。ここで、前記空気は、水分を含むものであるが、凝縮器ユニット２１内を上昇する間に冷却されて凝縮した水分を分離して、凝縮器ユニット２１の上面の排気口２１ａから大気中に放出される。この場合、前記凝縮器ユニット２１は、車両１０の前方部分に配設されているので、車両１０の走行風を適切に利用して、前記空気を冷却し、水分を凝縮することができる。なお、分離された水分は、水供給用補機類ユニット１４の水タンクに回収されることが望ましい。これにより、水はほとんどがリサイクルされて使用されるので、水の補給量を少なくすることができる。
【００７２】
また、本実施の形態において、燃料電池スタック１１が常圧型なので、燃料電池セルの空気流路に供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記空気供給ファンユニット２６、空気導入ダクト２４、接続ダクト２５、空気供給室１７、空気排出室１８、排気接続ダクト２３、排気導入ダクト２２、凝縮器ユニット２１等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。
【００７３】
なお、前記燃料電池セルは図示されない負荷に接続され、出力した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、駆動装置制御ユニット３５における駆動制御装置としてのインバータ装置であり、前記燃料電池セル又は２次電池３６からの直流電流を交流電流に変換して、車両１０の左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒ又は左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒを回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両１０の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒ又は左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒによって回転させられて発電するので、前記左右の前輪２８Ｌ、２８Ｒ又は左右の後輪２９Ｌ、２９Ｒにブレーキをかける、すなわち、車両１０の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が２次電池３６に供給されて該２次電池３６が充電される。
【００７４】
このように、本実施の形態においては、車両フレーム３１に取り付けられた燃料電池スタック１１の下面と、車両フレーム３１に取り付けられた車両１０のアンダ−カバーとしての底板１５の上面との間に、所定の距離を隔てるようになっている。すなわち、燃料電池スタック１１が底板１５から距離を隔てて配設されている。また、燃料供給用補機類ユニット１３、水供給用補機類ユニット１４、２次電池３６等の補機類も、底板１５から距離を隔てて配設されている。
【００７５】
そのため、車両１０が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に、前記底板１５が下方から大きな衝撃を受けても、該衝撃が前記燃料電池スタック１１や補機類に伝達されないので、該燃料電池スタック１１や補機類が損傷したり、作動不良が発生してしまうことがない。
【００７６】
また、燃料電池スタック１１は、車両フレーム３１の右側のサイドメンバー３１Ｒ及び左側のサイドメンバー３１Ｌの間に、取付ブラケット３２を介して取り付けられる。この場合、該取付ブラケット３２の鉛直方向に延在する長方形板状部材が燃料電池スタック１１の側壁に取付ボルト３３によって取り付けられ、取付ブラケット３２の水平方向に延在する長方形板状部材が、左右のサイドメンバー３１Ｌ、３１Ｒの上面に取付ボルト３３によって取り付けられる。そのため、前記燃料電池スタック１１を車両１０に取り付けたり、車両１０から取り外したりする作業を容易に短時間で行うことができる。
【００７７】
さらに、前記燃料電池スタック１１が、絶縁部材が介在させ、車両フレーム３１に電気的に絶縁された状態で取り付けられている。そのため、燃料電池スタック１１の出力した電流が車両フレーム３１を流れることがない。
【００７８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、車両フレームの左右のサイドメンバーの間に配設されて該左右のサイドメンバーに取り付けられる燃料電池スタックと、前記車両フレームに取り付けられる補機類とを有し、前記燃料電池スタック及び補機類は、前記左右のサイドメンバーの下面に取り付けられた車両の下部の少なくとも一部を覆うアンダーカバーから距離を隔てて配設される。
【００８０】
この場合、車両が障害物や段差を乗り越えたり、悪路を走行したりする場合に、ンダーカバーが下方から大きな衝撃を受けても、該衝撃が前記燃料電池スタックや補機類に伝達されないので、該燃料電池スタックや補機類が損傷したり、作動不良が発生してしまうことがない。
【００８１】
他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池スタックは、取付ブラケットを介して前記左右のサイドメンバーに取り付けられる。
【００８２】
この場合、前記燃料電池スタックを車両フレームに取り付けたり、車両フレームから取り外したりする作業を容易に短時間で行うことができる。
【００８３】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池スタックは、前記左右のサイドメンバーに電気的に絶縁された状態で取り付けられる。
【００８４】
この場合、燃料電池スタックの出力した電流がリークして車両フレームを流れることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池装置が搭載された車両の模式平面図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池装置が搭載された車両の模式側面図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池装置が搭載された車両の要部拡大側面図である。
【図４】本発明の実施の形態における車載燃料電池システムの空気の流れを示す模式側面図である。
【符号の説明】
１０車両
１１燃料電池スタック
１２燃料貯蔵手段
１５底板
３１車両フレーム
３１Ｌ、３１Ｒサイドメンバー
３２取付ブラケット
３６２次電池

Claims

（ａ）車両フレームの左右のサイドメンバーの間に配設されて該左右のサイドメンバーに取り付けられる燃料電池スタックと、
（ｂ）前記車両フレームに取り付けられる補機類とを有し、
（ｃ）前記燃料電池スタック及び補機類は、前記左右のサイドメンバーの下面に取り付けられた車両の下部の少なくとも一部を覆うアンダーカバーから距離を隔てて配設されることを特徴とする燃料電池装置。
前記燃料電池スタックは、取付ブラケットを介して前記左右のサイドメンバーに取り付けられる請求項１に記載の燃料電池装置。
前記燃料電池スタックは、前記左右のサイドメンバーに電気的に絶縁された状態で取り付けられる請求項１又は２に記載の燃料電池装置。