JP2008149977A

JP2008149977A - 燃料電池移動体

Info

Publication number: JP2008149977A
Application number: JP2006342190A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takeyama; 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP5103893B2

Abstract

【課題】燃料電池車において、車体から燃料電池スタックに入力される変位を改善する。
【解決手段】燃料電池スタック２２は、燃料電池セル３０，３２，３４，．．．が積層されている。積層方向５０は、底面ＥＦＧＨにおける短辺の方向である。そして、燃料電池スタックは、この積層方向５０を進行方向前方２６に向けて、車体に搭載されている。搭載にあたっては、底面における長辺ＥＦの中心付近に取付部材４０が設けられ、長辺ＧＨの両端付近に取付部材４２，４４が設けられて三点支持されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動体に対し燃料電池を設置する技術に関する。

下記特許文献１には、燃料電池車において、直方体形状の燃料電池スタックを車両に縦置き（長手方向が進行方向を向く、つまり、短辺を含む側面が進行方向に面している）して、車両に三点支持する技術が開示されている。ここでは、進行方向の一方（例えば前方）の側面の中央下部と、進行方向の他方（例えば後方）の底面両端付近（あるいは側面両端下部）とにおいて、進行方向に摺動可能な部材を用いて支持を行っている。

同様にして、下記特許文献２には、燃料電池スタックを、車両に三点支持する技術が開示されている。この技術では、上記特許文献１と同様の燃料電池スタックを、短辺を含む一方の側面の中央下部と、他方の側面の両端下部において、水平方向に摺動可能な部材を用いて支持している。

下記特許文献３には、燃料電池車において、燃料電池に空気を供給するための圧縮モジュールと、燃料電池の発電電力により駆動する駆動モジュールを車両に取り付ける技術が開示されている。具体的には、Ｌ字型の駆動モジュールを車体に三点支持し、圧縮機モジュールを駆動モジュール上に四点支持する技術が開示されている。

特開２００４−２４７１３９号公報特開２００４−１２７７７１号公報特開２００３−２８５６５２号公報

ほぼ直方体の形状からなる燃料電池スタックを三点支持した場合、三頂点を結ぶ三角形からはみ出す部位が存在することになる。このような部位では、一般に三角形内部に比べて変形が生じやすい。しかし、上記特許文献１乃至３には、この部位の方向に燃料電池スタックが変位することへの対策については記載されていない。

本発明の目的は、該直方体形状からなる燃料電池スタックに対する新たな三点支持技術を実現することにある。

また、三点支持を行うにあたり、二点を直方体のある辺の両端付近に配置し、残る一点を向かい合う辺の中心付近に配置する場合がある。この場合、辺の中心付近の点には、比較的大きな荷重がかかる傾向にあり、この付近の燃料電池スタックにも対応する応力が作用することになる。

本発明の別の目的は、三点支持における荷重負荷の大きな支持点からの応力入力を考慮した三点支持技術を提供することにある。

本発明の燃料電池移動体の一態様においては、水平面形状が該長方形である該直方体形状の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを搭載し、前記燃料電池スタックが発電する電力で駆動される移動体と、前記燃料電池スタックにおける前記長方形の一方の長辺中央付近及び前記長方形の他方の長辺両端付近の計三箇所を前記移動体のそれぞれの取付箇所に取り付けて、前記燃料電池スタックを三点支持する三点支持機構と、を備える。

燃料電池スタックとは、積層された複数の燃料電池セルを含む機器である。移動体は、車両、船舶、航空機など、燃料電池によって自力で移動するものである。長辺中央付近とは、長辺の長さを１とした場合において、１／３〜２／３の範囲をいい、長辺両端付近とは、長辺の長さを１とした場合において、１／３よりも端側あるいは２／３よりも端側の範囲をいう。バランスを考えて、長辺中央付近をさらに中心付近（例えば０．４５〜０．５５程度の範囲）に設定することも有効である。そして、長辺の両端付近をさらに端側（例えば０．２５あるいは０．７５程度よりも端側）に設定することも有効である。

なお、取付部材は、これらの位置における底面に設けられても、側面に設けられても、底面及び側面を跨ぐように設けられても良い。また、取付部材は、燃料電池スタックに直接設けられていてもよいし、燃料電池スタックのフレームやケースなどに設けられていてもよい。三点支持機構は、移動体側あるいは燃料電池スタック側と一体化していてもよいし、別々に作られていてもよい。また、衝撃を吸収するために、例えば弾性体を利用して作成され、水平あるいは垂直方向への動きを緩衝する機構を備えていてもよい。

この構成によれば、三点支持機構を通じて燃料電池スタックへ振動等に起因した外力入力がなされる場合に、一点支持された側の辺において、直方体の辺方向に沿った変位角を小さくすることが可能となる。そして、燃料電池スタックの辺方向に瞬間的に作用する応力を小さくすることが可能となる。

本発明の燃料電池移動体の一態様においては、前記燃料電池スタックは、前記長方形の短辺方向が前記移動体の進行方向を向くように取り付けられている。短辺方向とは、短辺の長さ方向のことをいう。言い換えれば、長辺を含む側面の法線が進行方向を向くことになる。進行方向前方側が一点支持されていても、後方側が一点支持されていてもよい。この構成によれば、燃料電池スタックに対する外力入力の左右のバランスを向上させることが可能となる。

本発明の燃料電池移動体の一態様においては、前記燃料電池スタックでは、燃料電池セルが前記長方形の短辺方向を積層方向として積層されている。この構成によれば、長辺方向を積層方向にする場合に比べ、燃料電池セル間にずれを生じさせるような瞬間的な力が作用しにくくなる。

本発明の燃料電池移動体の一態様においては、前記三点支持機構は、前記燃料電池スタックの底面の三箇所を支持する。

本発明の燃料電池移動体の一態様においては、当該燃料電池移動体は、移動体に剛結合されたスタックケースを備え、前記燃料電池スタックは、前記スタックケース内に取り付けられている。剛結合とは、摺動や回転などの変形自由度がないようになされた結合をいう。ただし、スタックケース（さらには移動体本体）は、一般にその部材の材質や形状に応じた変形を起こす。この構成によれば、スタックケースが変位を吸収するため、燃料電池スタックの変位が小さくなる。

本発明の燃料電池移動体の一態様においては、当該燃料電池移動体は、前記移動体の異なる箇所に剛結合された四本の柱状部材を備え、前記スタックケースは、前記燃料電池スタックに対応した該直方体形状であり、底面の四頂点付近を対応する前記柱状部材によって剛結合されている。この構成によれば、スタックケースには、底面の各頂点の変位を最も大きくするような変位が働きやすくなる。したがって、長辺側を一点支持することによる辺に沿った変位角の減少効果が高まる。

以下に本実施の形態を例示する。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池車１０の概略を示す図である。燃料電池車１０は、燃料電池によって駆動される移動体である。燃料電池車１０は、車体１２、前輪１４、後輪１６を備えており、車体１２は、前輪１４と後輪１６から伸びるサスペンションによって支えられている。車体１２には、その骨格をなすフレーム１８が含まれている。フレーム１８は、水平方向に井桁形状をもつ水平フレーム１８ａと、井桁の交点付近から上方に伸びる四本の垂直フレーム１８ｂ，１８ｃ，．．を含んでいる。そして、垂直フレーム１８ｂ，１８ｃ，．．の上には、アルミ製のスタックケース２０が複数箇所におけるボルト締めによって剛結合されており、スタックケース２０の内部には、燃料電池の中心をなす燃料電池スタック２２が取り付けられている。

車体１２には、燃料電池スタック２２で発電された電力によって駆動されるモータ２４も設けられている。モータ２４は、電力を回転エネルギーに変換する装置であり、生成された回転エネルギーは前輪１４あるいは後輪１６に伝達されて、燃料電池車１０の駆動に用いられる。燃料電池車１０は、前輪１４及び後輪１６の向きによって規定される進行方向前方２６、あるいはその反対方向（進行方向後方）に駆動される。

図２は、燃料電池スタック２２の概略的な斜視図である。燃料電池スタック２２には、燃料電池セル３０，３２，３４，．．．を積層して形成した二本のスタックが並置されている。このため燃料電池スタック２２は、長方形状の上面ＡＢＣＤと下面（底面）ＥＦＧＨを含む直方体形状に形成されている。短辺ＡＤ，ＢＣ，ＥＨ，ＦＧの方向は、燃料電池セル３０，３２，３４，．．．の積層方向５０に一致する。そして、燃料電池スタック２２は、この積層方向５０が、燃料電池車１０の進行方向を向くようにほぼ水平に設置されている。言い換えれば、燃料電池スタックは、長辺ＡＢと長辺ＥＦとを含む面ＡＢＦＥの法線が進行方向前方に向き、長辺ＣＤと長辺ＧＨとを含む面ＣＤＨＧの法線が進行方向後方に向くように配置されている。

燃料電池車１０には、燃料電池スタック２２とともに燃料電池を構成し、各燃料電池セル３０，３２，３４，．．．に酸素ガスおよび燃料ガス（典型的には水素ガス）を供給する供給機構が設けられている。これにより、各燃料電池セル３０，３２，３４，．．．では、燃料ガスの酸化反応を利用した発電を行うことができる。

燃料電池スタック２２の下面ＥＦＧＨには、燃料電池スタック２２をスタックケース２０に取り付けるための取付部材４０，４２，４４がボルト締めなどにより設置されている。取付部材４０の設置位置は、進行方向前方２６の長辺ＥＦの中心近くであり、取付部材４２，４４の設置位置は、進行方向後方の長辺ＧＨの両端近くである。取付部材４０，４２，４４は、下端をスタックケース２０にボルト締めなどによって取り付けられ、これにより、燃料電池スタック２２をスタックケース２０内に三点支持する。取付部材４０，４２，４４には、弾性体（ゴムなど）が内蔵されており、スタックケース２０から伝わる振動などを一部吸収することができる。

燃料電池スタック２２の大きさは、各燃料電池セル３０，３２，３４，．．．の大きさや積層枚数、スタックの本数などに依存する。したがって、一意に特定することはできないが、例えば、短辺方向に３００〜４００ｍｍ、長辺方向に６００〜７００ｍｍ程度に構成され、それよりも若干大きい（例えば短辺方向に４００〜５００ｍｍ、長辺方向に７００〜８００ｍｍ程度）スタックケース２０に格納される。また、燃料電池スタック２２の重量は、１００ｋｇを超えるものもあり、燃料電池車１０に搭載される機器等の中では比較的重たい。

なお、燃料電池スタック２２は、一般に、骨格をなす部材を含んでおり、この部材によって強度補強されている。このような部材の例としては、積層方向５０の両端に配置され積層方向に押圧力を与えるエンドプレートや、側面に配置され両端をそれぞれエンドプレートと結合されるテンションプレートなどを挙げることができる。エンドプレートは、比較的頑強であるため、取付部材４０，４２，４４をエンドプレートに取り付けるようにしてもよい。また、スタックケース２０は、例えば、比較的薄いアルミによって作られる。しかし、取付部材４０，４２，４４が取り付けられる部分、及び、スタックケース２０自体がフレーム１８に取り付けられる部分は、リブ構造を設けるなどして十分に強固に作られている。

ここで、燃料電池車１０の駆動される過程について考える。燃料電池車１０は、ドライバーの運転操作に従って、加速（発進を含む）、定速度運行、減速（停車を含む）などを繰り返す。また、走行中は、路面の凹凸のために、しばしば上下方向に振動する。車体１２がこのようにして水平方向や上下方向に加減速した場合、燃料電池スタック２２には、取付部材４０，４２，４４を通じて、対応する変位が入力される。

図３は、スタックケース２０の変形により燃料電池スタック２２が変形する様子を模式的に示した図である。図には、スタックケース２０の底面１００、及び底面１００に取り付けられた取付部材４０，４２，４４を、その上に取り付けられた燃料電池スタック２２と分解した形で示している。

ここでは、長方形ＷＸＹＺで示される水平面に配されたスタックケース２０の底面１００が、路面からの影響によって、長方形ＷＸ’ＹＺで示される底面１０２へと変形している。すなわち、対角線ＷＹ付近を境界として、頂点Ｘが持ち上がって頂点Ｘ’へと変位している。底面１００における長辺ＷＸの変位角（角ＸＷＸ’）をα、短辺ＸＹの変位角（角ＸＹＸ’）をβとすれば、α＜βであることが、ＸＷ＞ＸＹの関係から容易に導かれる。

底面１００に取り付けられた取付部材４０，４２，４４のうち、頂点Ｘ’に近い（対角線ＷＹから遠い）取付部材４０は、二点鎖線で示した取り付けられた取付部材４０’のように傾いて持ち上げられている。なお、対角線ＷＹ上にある取付部材４２も若干折り曲げられるが、ここでは作図を省略している。また、頂点Ｚ側にある取付部材４４は、変位をうけない。

直方体ＡＢＣＤ−ＥＦＧＨの形状をもつ燃料電池スタック２２は、取付部材４０’からの応力（反力）を受けて、歪んだ直方体ＡＢ’ＣＤ−ＥＦ’ＧＨの形状をもつ燃料電池スタック６０へと変形する。すなわち、取付部材がとりつけられていない一方の頂点付近（頂点Ｂ，Ｆ付近）が上方向に大きく変位している。変位の伝達においては、取付部材４０’内の弾性体の圧縮・伸張や、燃料電池スタック２２内の剛性の効果のために、若干の時間的遅れをもって変形が起こることになる。しかし、近似的には、燃料電池スタック２２の長辺ＥＦの変位角（角ＦＥＦ’）はα、短辺ＦＧの変位角（角ＦＧＦ’）はβとなるとみなせる。

図４は、取付部材４０，４０’を進行方向後方側からみた側面図である。路面からの振動を受けて、底面１００の長辺ＷＸは角度αだけ傾いた長辺ＷＸ’となり、取付部材４０も取付部材４０’へとαだけ傾く。そして、燃料電池スタック２２の長辺ＥＦも角度α’だけ傾いた長辺ＥＦ’となっている。

ここで、参考として、図５に、三点支持の位置を変更した場合の例を示す。図５は、図３と同様に、スタックケース２０の底面１００が底面１０２へと変形する過程を示す図であるが、取付部材の設置位置が異なっている。すなわち、ここでは、取付部材４０，４２，４４の代わりに、底面１００の短辺ＸＹ側（これは燃料電池スタック２２の短辺ＦＧ側でもある）の中央付近に取付部材７０が設置され、底面１００の短辺ＷＺ側（これは燃料電池スタック２２の短辺ＨＥ側でもある）の両角付近に取付部材７２，７４が設置されている。そして、取付部材７０は、二点鎖線で示した取付部材７０’のように傾いている。

図６は、図５に示した取付部材７０、７０’を短辺ＸＹの側から（短辺ＷＺの側へと）みた側面図である。この場合には、底面１００の長辺ＸＹは角度βだけ傾いた長辺ＸＹ’となる。そして、取付部材７０はαだけ傾いた取付部材７０’となり、燃料電池スタック２２の長辺ＥＦは角度α’だけ傾いた長辺ＥＦ’となる。

先に示したように、α＜βであるため、長方形の辺に沿った傾きは、図４に示した取付部材４０’の方が、図６に示した取付部材７０’に比べて小さい。すなわち、長辺の中央付近に位置する取付部材４０’の方が、短辺の中央付近に位置する取付部材７０’に比べて、辺に沿った傾きが小さくなる。ただし、取付部材４０’と取付部材７０’は、対角線ＷＹへの垂線方向には同じ角度だけ変位することになる。

取付部材に取り付けられた燃料電池スタック２２は、取付部材から力を受けて変位し変形する。このため、取付部材付近の辺に沿った方向について言えば、取付部材４０’からは、燃料電池スタック２２に対して比較的小さな変形の力が与えられるのに対し、取付部材７０’からは、燃料電池スタック２２に対して比較的大きな変形の力が与えられる。したがって、後者の方が、取付部材付近に瞬間的に作用する辺に沿った方向の力を低減できることになる。特に、燃料電池スタック２２が、図２に例示したように、短辺方向を積層方向としている場合には、燃料電池セル間をずれさせるような瞬間的な力が低減されることになる。

なお、取付部材の剛性を低くし、応答までの時間を引き延ばすことで、取付部材から燃料電池スタックに伝達される瞬間的な力を弱めることも可能となる。しかしながら、この場合には、一般に、振動時の燃料電池スタックの変位が大きくなってしまう。また、スタックケース２０との干渉を回避可能な剛性の程度には限界もある。これに対し、本実施の態様では、取付部材の剛性を変化させなくてよい。

以上の説明では、図３に示したようにスタックケース２０の底面１００が、その長方形ＷＸＹＺの対角線ＷＹを回転軸として、頂点Ｘの側に折れ曲がるような変形を想定した。しかし、もちろん、これ以外の変形が起こる場合もある。例えば、長方形ＷＸＹＺの頂点Ｘのみならず、頂点Ｚも変位することが考えられる。ただし、この場合には、三角形ＷＹＺに対して相対的に頂点Ｘのみが変位するとみなせるため、上記説明と同様に考えることが可能である。また、例えば、長方形ＷＸＹＺの頂点Ｘのみならず、頂点Ｗも変位することが考えられる。ところが、この場合にも、三角形ＷＹＺに対して相対的に頂点Ｘのみが変位するとみなせるため、上記説明と同様に考えることが可能である。同様の解釈は、三頂点あるいは四頂点がそれぞれ変位する場合にも成り立つ。

このように主たる変位が四頂点にのみ生じるのであれば、上記説明と同様にして考えることが可能である。もちろん、例えば、長方形ＷＸＹＺの中心付近や、角辺の中心付近が各頂点とは独立して変位し、複雑に捻れる可能性もある。しかしながら、主たる変位が四頂点にのみ生じるとの想定は、図１に示した燃料電池車１０では、妥当なことである。この燃料電池車１０では、四本の垂直フレーム１８ｂ，１８ｃ，．．によって、スタックケース２０の底面の四隅付近が支えられている。このため、スタックケース２０には、この四隅が最も大きく変位する変形が生じやすいといえる。

本実施の形態にかかる燃料電池車の概略を説明する図である。燃料電池スタックの例を示す図である。スタックケースと燃料電池スタックの変形を説明する図である。図４の変形における取付部材の変位を説明する図である。スタックケースと燃料電池スタックの変形を説明する参考図である。図５の変形における取付部材の変位を説明する参考図である。

符号の説明

１０燃料電池車、１２車体、１４前輪、１６後輪、１８フレーム、１８ａ水平フレーム、１８ｂ，ｃ垂直フレーム、２０スタックケース、２２，６０燃料電池スタック、２４モータ、２６進行方向前方、３０，３２，３４燃料電池セル、４０、４２，４４，７０，７２，７４取付部材、５０積層方向、１００，１０２底面。

Claims

水平面形状が該長方形である該直方体形状の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを搭載し、前記燃料電池スタックが発電する電力で駆動される移動体と、
前記燃料電池スタックにおける前記長方形の一方の長辺中央付近及び前記長方形の他方の長辺両端付近の計三箇所を前記移動体のそれぞれの取付箇所に取り付けて、前記燃料電池スタックを三点支持する三点支持機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池移動体。
請求項１に記載の燃料電池移動体において、
前記燃料電池スタックは、前記長方形の短辺方向が前記移動体の進行方向を向くように取り付けられていることを特徴とする燃料電池移動体。
請求項１または２に記載の燃料電池移動体において、
前記燃料電池スタックでは、燃料電池セルが前記長方形の短辺方向を積層方向として積層されていることを特徴とする燃料電池移動体。
請求項１に記載の燃料電池移動体において、
前記三点支持機構は、前記燃料電池スタックの底面の三箇所を支持することを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池移動体において、
当該燃料電池移動体は、移動体に剛結合されたスタックケースを備え、
前記燃料電池スタックは、前記スタックケース内に取り付けられていることを特徴とする燃料電池移動体。
請求項５に記載の燃料電池移動体において、
当該燃料電池移動体は、前記移動体の異なる箇所に剛結合された四本の柱状部材を備え、
前記スタックケースは、前記燃料電池スタックに対応した該直方体形状であり、底面の四頂点付近を対応する前記柱状部材によって剛結合されていることを特徴とする燃料電池移動体。