JP2007042495A

JP2007042495A - 燃料電池搭載構造体

Info

Publication number: JP2007042495A
Application number: JP2005226531A
Authority: JP
Inventors: Haruhisa Niimi; 治久新美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: KR100993214B1; CN101258636A; US20090286129A1; JP4992208B2; DE112006001936B4; CN100593879C; US8361669B2; KR20080026203A; DE112006001936T5; WO2007015142A1

Abstract

【課題】燃料電池や支持部材の小型化を実現させ、燃料電池や各種付属部品の搭載作業の容易化を実現させる。
【解決手段】複数積層された単電池５を有する燃料電池本体３と、燃料電池本体３を収納する燃料電池ケース２と、を備えるとともに燃料電池本体３の単電池積層方向両端のうち一端側に配管１１が設けられてなる燃料電池１と、燃料電池１を所定の基台上で支持する支持部材（マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃ）と、を備える燃料電池搭載構造体である。支持部材は、配管１１側（重心Ｇに最も近い側面近傍）において２点で燃料電池１を支持するとともに、配管１１と反対側において１点で燃料電池１を支持する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池搭載構造体に関する。

現在、燃料電池を各種構造体（車両、ロボット、船舶、航空機等）に搭載する技術が種々提案されている。燃料電池を構造体に搭載する際には、燃料電池本体を所定のケース内に収納して、燃料電池本体を外部の水分や電磁波から保護するとともに電気絶縁を実現させるのが一般的である。また、近年においては、外部から燃料電池への振動入力を低減させるために、ゴム等の弾性部材を有する支持部材を介して燃料電池を構造体に取り付ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２３５８０１号公報

しかし、前記特許文献１に記載の技術においては、支持部材の個数や、支持部材による燃料電池の支持位置が充分に検討されていない。従って、燃料電池への振動入力を低減させるためには支持部材を大型化する必要があるが、単に支持部材を大型化すると、燃料電池に取り付けられる各種付属部品を配置するための空間が失われてしまい、付属部品の搭載が困難となるという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池や支持部材の小型化を実現させ、燃料電池や各種付属部品の搭載作業の容易化を実現させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池搭載構造体は、複数積層された単電池を有するとともに単電池積層方向両端のうち一端側に配管が設けられてなる燃料電池と、この燃料電池を所定の基台上で支持する支持部材と、を備える燃料電池搭載構造体であって、支持部材は、配管側において２点で燃料電池を支持するとともに、配管と反対側において１点で燃料電池を支持するように構成されてなるものである。

かかる構成によれば、燃料電池がその重心に近い配管側（配管類の重量の影響により、燃料電池の重心は単電池積層方向における中央部より配管寄りの部分に位置する）において２点支持されるため、各支持点に作用する荷重を小さくすることができる。従って、支持部材を小型化することができるので、燃料電池や各種付属部品の搭載作業が容易となる。また、燃料電池を３点で支持するため、支持点により構成される平面を一義的に決定することができ、その平面の動く方向や量を推定し易くなる。従って、燃料電池を、燃料電池本体と、これを収納する燃料電池ケースと、から構成した場合には、燃料電池ケースの形状を最適化することができ、ケースの外形寸法を徒に大型化する必要がないため、燃料電池の小型化が可能となり、燃料電池の搭載作業も容易となる。

前記燃料電池搭載構造体において、燃料電池は、単電池を複数積層して構成した燃料電池スタックを複数列有するとともに、これら燃料電池スタックを単電池積層方向両端から挟持する一対のエンドプレートを有し、少なくとも配管側に配置されたエンドプレートは、燃料電池スタックの端部を複数列まとめて覆うように構成されることもできる。

また、前記燃料電池搭載構造体において、支持部材を、配管側において複数の燃料電池スタックからなるスタック列の境界付近を除く位置（例えばエンドプレートの両端近傍の位置）に配置することもできる。

このようにすることにより、スタック列の境界付近に各種付属部品や配管を配置するための空間を設けることができるので、各種付属部品の搭載作業の容易化が可能となる。また、支持部材をエンドプレートの両端近傍に配置することにより、より安定的な支持を実現させることが可能となる。

また、前記燃料電池搭載構造体において、燃料電池を、複数積層された単電池を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体を収納する燃料電池ケースと、を備えるものとすることができる。かかる場合に、支持部材は、燃料電池本体を収納した燃料電池ケースを基台上に配置した場合における側面のうち重心に最も近い側面近傍において２点で燃料電池ケースを支持するとともに、重心に最も近い側面に対向する側面近傍において１点で燃料電池ケースを支持するように構成されることができる。

また、前記燃料電池搭載構造体において、支持部材は、燃料電池ケースの外側に設けられて燃料電池ケースの底板の下面を基台上で支持するケース支持部材と、燃料電池ケースの底板の上面に設けられて燃料電池本体を燃料電池ケース上で支持する電池支持部材と、を含み、ケース支持部材を電池支持部材の鉛直方向下方に配置するのが好ましい。

このようにすることにより、燃料電池本体の荷重を、電池支持部材及びケース支持部材を介して基台に作用させることができる。すなわち、燃料電池本体の荷重の作用位置と、燃料電池本体を収容した燃料電池全体の荷重の作用位置と、を一致させることができるので、燃料電池本体の荷重の作用位置と燃料電池全体の荷重の作用位置とが異なることに起因して発生する燃料電池ケースへの負荷（曲げモーメントの作用等）を低減することができる。この結果、燃料電池ケースの薄型化が可能となり、構造全体の軽量化・小型化を実現させることができる。

また、本発明に係る燃料電池搭載構造体は、燃料電池と、この燃料電池を所定の基台上で支持する支持部材と、を備える燃料電池搭載構造体であって、支持部材は、燃料電池を基台上に配置した場合における側面のうち重心に最も近い側面近傍において２点で燃料電池を支持するとともに、重心に最も近い側面に対向する側面近傍において１点で燃料電池を支持するように構成されてなるものである。

かかる構成によれば、燃料電池がその重心に最も近い側面近傍において２点支持されるため、各支持点に作用する荷重を小さくすることができる。従って、支持部材を小型化することができるので、燃料電池や各種付属部品の搭載作業が容易となる。また、燃料電池を３点で支持するため、支持点により構成される平面を一義的に決定することができ、その平面の動く方向や量を推定し易くなる。従って、燃料電池を、燃料電池本体と、これを収納する燃料電池ケースと、から構成した場合には、燃料電池ケースの形状を最適化することができ、ケースの外形寸法を徒に大型化する必要がないため、燃料電池の小型化が可能となり、燃料電池の搭載作業も容易となる。

前記燃料電池搭載構造体において、燃料電池を、複数積層された単電池を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体を収納する燃料電池ケースと、を備えるものとすることができる。かかる場合に、支持部材は、燃料電池本体を収納した燃料電池ケースを基台上に配置した場合における側面のうち重心に最も近い側面近傍において２点で燃料電池ケースを支持するとともに、重心に最も近い側面に対向する側面近傍において１点で燃料電池ケースを支持するように構成されることができる。

本発明によれば、支持部材の個数及び位置を適切に設定することにより、燃料電池や支持部材の小型化を実現させ、燃料電池や各種付属部品の搭載作業の容易化を実現させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池搭載構造体について説明する。本実施形態においては、燃料電池車両に設けられた所定の基台（構造材６８：図６等）に支持部材（マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃ：図６等）を介して燃料電池１を搭載することにより燃料電池搭載構造体を構成している。

まず、図１〜図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池搭載構造体を構成する燃料電池１の構成について説明する。

燃料電池１は、図１〜図３に示すように、燃料電池ケース２と燃料電池本体３とを備え、燃料電池ケース２内に燃料電池本体３が固定されてなるものである。燃料電池ケース２は、図１に示すように、上半分を構成するアッパケース２Ａと、下半分を構成するロアケース２Ｂと、が密閉状態で固定されており、高い電磁シールド性、気密性及び液密性を有している。燃料電池ケース２には、燃料電池本体３に加えて、コネクタやセルモニタなど燃料電池本体３に付随する各種付属部品が収納されている。

燃料電池本体３は、図２及び図３に示すように、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなる単電池５を複数積層した積層体を有している。また、この積層体の単電池積層方向両端にはエンドプレート２２Ａ、２２Ｂが配置されている。そして、両エンドプレート２２Ａ、２２Ｂで積層体を挟持して単電池積層方向に圧縮力を作用させ、積層体の外側で単電池積層方向に延在する締結部材（例えばテンションプレート）を両エンドプレート２２Ａ、２２Ｂに固定することにより、燃料電池スタック７を構成している。本実施形態においては、燃料電池スタック７を２列並べて配置しており、両エンドプレート２２Ａ、２２Ｂは、２列の燃料電池スタック７に対して共通に（すなわち燃料電池スタック７の端部を２列まとめて覆うように）構成されている。

また、燃料電池本体３の積層体の単電池積層方向一端側には、図２及び図３に示すように、システム補機部品１０が設けられており、同じ側には２列の燃料電池スタック７の境界部から分配管（配管）１１が外部に延出している。分配管１１は、燃料電池本体３に供給される反応ガス及び冷却水の流路である。かかる分配管１１の重量の影響により、図２及び図３に示すように、燃料電池本体３の重心Ｇは単電池積層方向における中央部より分配管１１側の部分に位置するようになっている。

また、燃料電池本体３の下面には、図３に示したようにマウントインシュレータ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃが固定されている。各マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃは、所定の基台（構造材６８：図６等）に対して燃料電池１を固定するとともに、燃料電池ケース２に対して燃料電池本体３を固定するものであり、燃料電池１を３点で支持する。すなわち、マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃは本発明における支持部材の一実施形態である。マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃの構造については、後に詳述する。

本実施形態においては、図３に示すように、燃料電池１を所定の基台上に配置した場合における燃料電池１の側面のうち重心Ｇに最も近い側面（システム補機部品１０及び分配管１１が配置されている側の面）近傍に、２個のマウントインシュレータ１５Ａ、１５Ｂを配置している。そして、これら分配管１１側のマウントインシュレータ１５Ａ、１５Ｂは、図３に示すように、２列の燃料電池スタック７の境界付近を避け、エンドプレート２２Ａの両側端部付近に固定することとしている。また、重心Ｇに最も近い側面に対向する側面近傍であって２列の燃料電池スタック７の境界付近に、１個のマウントインシュレータ１５Ｃを配置し、このマウントインシュレータ１５Ｃをエンドプレート２２Ｂに固定することとしている。なお、マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃをエンドプレート２２Ａ、２２Ｂに固定するのは、エンドプレート２２Ａ、２２Ｂの剛性が高いためである。

次に、図４及び図５を用いて、燃料電池１の配置態様について説明する。

燃料電池１は、図４及び図５に示すように、車両の客室３８の前方又は後方に形成された車体空間（客室前方空間３４及び客室後方空間３５）内や車両の床下に搭載される。燃料電池１を客室前方空間３４内又は客室後方空間３５内に搭載する場合には、燃料電池１は客室３８側に寄せて配置される。例えば、客室前方空間３４内に搭載する場合には、燃料電池１は図５に示したダッシュパネル３７のすぐ前に配置される。また、客室後方空間３５内に搭載する場合には、燃料電池１は、図５に示すように、後部座席４０のすぐ後ろであってリヤバンパ４１の前方に配置される。そして、燃料電池１は、図４及び図６に示すように、サイドメンバ４２間に設けられた構造材（基台）６８に対して、マウントインシュレータ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを介して固定される。本実施形態においては、図６に示すように、システム補機部品１０及び分配管１１側を車両後方に向けて固定している。

続いて、図６〜図８を用いて、本発明における支持部材の一実施形態であるマウントインシュレータ１５Ａの構成について説明する。なお、マウントインシュレータ１５Ｂ、１５Ｃの構成はマウントインシュレータ１５Ａの構成と実質的に同一であるため、説明を省略する。

マウントインシュレータ１５Ａは、図６〜図８に示すように、第１支持部材６５及び第２支持部材６６を備えている。第１支持部材６５は、燃料電池ケース２のロアケース２Ｂの底板の上面に設けられて燃料電池本体３を燃料電池ケース２上で支持するものであり、本発明における電池支持部材の一実施形態である。第２支持部材６６は、燃料電池ケース２の外側に設けられて燃料電池ケース２のロアケース２Ｂの底板の下面を構造材６８上で支持するものであり、本発明におけるケース支持部材の一実施形態である。第２支持部材６６は、図６〜図８に示すように、第１支持部材６５の鉛直方向下方に配置されている。

第１支持部材６５は、図７及び図８に示すように、ボルト７０及びナット７１により燃料電池ケース２のロアケース２Ｂに固定される座板６５ａと、この座板６５ａに連接された座台６５ｂと、を有している。燃料電池ケース２のロアケース２Ｂと、第１支持部材６５の座台６５ｂと、にはボルト７２を挿入するための挿入孔が設けられている。下方からこれら挿入孔にボルト７２を挿入し、燃料電池本体３のエンドプレート２２Ａに設けられた雌ネジ部にボルト７２の雄ネジ部を螺入して締結することにより、燃料電池本体３に第１支持部材６５が固定される。また、座板６５ａの内部には絶縁体６５ｃが設けられており、この絶縁体６５ｃにより、エンドプレート２２Ａと燃料電池ケース２との間の絶縁が確保されている。

第２支持部材６６は、図６及び図８に示すように、中央部６６ａが下方に突出した断面ハット形状の部材であり、中央部６６ａの上部両側にフランジ部６６ｂを備えている。中央部６６ａの下面は構造材６８に溶接されている。また、第２支持部材６６のフランジ部６６ｂと、第１支持部材６５の座板６５ａと、ロアケース２Ｂと、にはボルト７０を挿入するための挿入孔が設けられている。フランジ部６６ｂと座板６５ａとの間にロアケース２Ｂを挟み込み、上方からこれらの挿入孔にボルト７０を挿入してナット７１で締結することにより、第１支持部材６５及び燃料電池ケース２が第２支持部材６６及び構造材６８に固定される。また、第１支持部材６５には燃料電池本体３が固定されているため、構造材６８に燃料電池１全体（燃料電池ケース２及び燃料電池本体３）が固定されることとなる。

第１支持部材６５及び第２支持部材６６がこのように構成されることにより、燃料電池本体３の荷重が、第１支持部材６５及び第２支持部材６６を経て構造材６８に作用する。なお、第２支持部材６６とロアケース２Ｂとの間にガスケット等のシール材を介在させることにより、燃料電池ケース２の密閉性を高めることができる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池搭載構造体においては、燃料電池１がその重心Ｇに近い分配管１１側（その重心Ｇに最も近い側面近傍）において２点支持されるため、各支持点に作用する荷重を小さくすることができる。従って、支持部材であるマウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃを小型化することができるので、燃料電池１及び各種付属部品の搭載作業が容易となる。また、燃料電池１を３点で支持するため、支持点により構成される平面を一義的に決定することができ、その平面の動く方向や量を推定し易くなる。従って、燃料電池ケース２の形状を最適化することができ、ケースの外形寸法を徒に大型化する必要がないため、燃料電池１の小型化が可能となり、燃料電池１の搭載作業も容易となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池搭載構造体においては、支持部材（マウントインシュレータ１５Ａ、１５Ｂ）を、分配管１１側において複数の燃料電池スタック７からなるスタック列の境界付近を除く位置に配置しているため、スタック列の境界付近に各種付属部品や配管を配置するための空間を設けることができる。この結果、各種付属部品の搭載作業が一層容易となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池搭載構造体においては、分配管１１側における２点の支持位置を離隔させて、マウントインシュレータ１５Ａ、１５Ｂをエンドプレート２２Ａの両端近傍に配置しているため、より安定的な支持を実現させることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池搭載構造体においては、支持部材（マウントインシュレータ１５Ａ〜１５Ｃ）を第１支持部材６５と第２支持部材６６とで構成し、第２支持部材６６を第１支持部材６５の鉛直方向下方に配置しているため、燃料電池本体３の荷重を、第１支持部材６５及び第２支持部材６６を介して構造材６８に作用させることができる。すなわち、燃料電池本体３の荷重の作用位置と、燃料電池１全体の荷重の作用位置と、を一致させることができるので、燃料電池本体３の荷重の作用位置と燃料電池１全体の荷重の作用位置とが異なることに起因して発生する燃料電池ケース２への負荷（曲げモーメントの作用等）を低減することができる。この結果、燃料電池ケース２の薄型化が可能となり、燃料電池１全体の軽量化・小型化を実現させることができる。

なお、以上の実施形態においては、マウントインシュレータを複数の部材（第１支持部材６５及び第２支持部材）から構成した例を示したが、例えば断面ロ字状の単一の部材を用いてマウントインシュレータを構成することもできる。また、以上の実施形態においては、本発明における支持部材の一実施形態としてマウントインシュレータを採用した例を示したが、支持部材の構成はこれに限られるものではなく、弾性部材を有する従来のマウント部材を支持部材として採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池ケースをアッパケース及びロアケースから構成した例を示したが、燃料電池ケースの構成はこれに限られるものではない。また、以上の実施形態においては、燃料電池ケースを含む燃料電池に本発明を適用した例を示したが、燃料電池ケースを含まない燃料電池（燃料電池本体とその付属部品とからなるもの）に本発明を適用することもできる。かかる場合においては、燃料電池を所定の基台としての燃料電池ケース底面上において３点で支持し、燃料電池を収納した燃料電池ケースを構造材上において４点で支持するように構成することができる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両の基台に燃料電池を搭載して燃料電池搭載構造体を構成する場合について本発明を適用したが、燃料電池車両以外の各種構造体（ロボット、船舶、航空機等）の基台に燃料電池を搭載して燃料電池搭載構造体を構成する場合についても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池搭載構造体を構成する燃料電池の側断面図である。図１に示した燃料電池の内部に搭載された燃料電池本体の平面図である。図１に示した燃料電池の内部に搭載された燃料電池本体の下面図である。図１に示した燃料電池が搭載される燃料電池車両の平面図である。図４に示した燃料電池車両の側面図である。図１に示した燃料電池を燃料電池車両に搭載する際に用いる支持部材（マウントインシュレータ）の斜視図である。図６に示したマウントインシュレータの拡大断面図である。図７のA-A部分における断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…燃料電池ケース、３…燃料電池本体、５…単電池、７…燃料電池スタック、１１…分配管、１５Ａ〜１５Ｃ…マウントインシュレータ（支持部材）、２２Ａ…エンドプレート、６５…第１支持部材（電池支持部材）、６６…第２支持部材（ケース支持部材）、Ｇ…重心

Claims

複数積層された単電池を有するとともに単電池積層方向両端のうち一端側に配管が設けられてなる燃料電池と、前記燃料電池を所定の基台上で支持する支持部材と、を備える燃料電池搭載構造体であって、
前記支持部材は、前記配管側において２点で前記燃料電池を支持するとともに、前記配管と反対側において１点で前記燃料電池を支持するように構成されてなる燃料電池搭載構造体。
前記燃料電池は、前記単電池を複数積層して構成した燃料電池スタックを複数列有するとともに、これら燃料電池スタックを単電池積層方向両端から挟持する一対のエンドプレートを有し、少なくとも前記配管側に配置された前記エンドプレートは、前記燃料電池スタックの端部を複数列まとめて覆うように形成されてなる請求項１に記載の燃料電池搭載構造体。
前記支持部材は、前記配管側において複数列の前記燃料電池スタックからなるスタック列の境界付近を除く位置に配置されてなる請求項２に記載の燃料電池搭載構造体。
前記支持部材は、前記配管側において前記エンドプレートの両端近傍の位置に配置されてなる請求項２又は３に記載の燃料電池搭載構造体。
前記燃料電池は、複数積層された単電池を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体を収納する燃料電池ケースと、を備え、
前記支持部材は、前記燃料電池本体を収納した前記燃料電池ケースを前記基台上に配置した場合における側面のうち重心に最も近い側面近傍において２点で前記燃料電池ケースを支持するとともに、前記重心に最も近い側面に対向する側面近傍において１点で前記燃料電池ケースを支持するように構成されてなる請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池搭載構造体。
前記支持部材は、前記燃料電池ケースの外側に設けられて前記燃料電池ケースの底板の下面を前記基台上で支持するケース支持部材と、前記燃料電池ケースの底板の上面に設けられて前記燃料電池本体を前記燃料電池ケース上で支持する電池支持部材と、を含み、前記ケース支持部材が前記電池支持部材の鉛直方向下方に配置されてなる請求項５に記載の燃料電池搭載構造体。
燃料電池と、前記燃料電池を所定の基台上で支持する支持部材と、を備える燃料電池搭載構造体であって、
前記支持部材は、前記燃料電池を前記基台上に配置した場合における側面のうち重心に最も近い側面近傍において２点で前記燃料電池を支持するとともに、前記重心に最も近い側面に対向する側面近傍において１点で前記燃料電池を支持するように構成されてなる燃料電池搭載構造体。
前記燃料電池は、複数積層された単電池を有する燃料電池本体と、この燃料電池本体を収納する燃料電池ケースと、を備え、
前記支持部材は、前記燃料電池本体を収納した前記燃料電池ケースを前記基台上に配置した場合における側面のうち重心に最も近い側面近傍において２点で前記燃料電池ケースを支持するとともに、前記重心に最も近い側面に対向する側面近傍において１点で前記燃料電池ケースを支持するように構成されてなる請求項７に記載の燃料電池搭載構造体。