JP2010195354A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、センターコンソール内で燃料電池スタックを衝撃荷重から確実に保持し、前記燃料電池スタックに倒れが惹起することを良好に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池車両１０は、燃料電池スタック１２を備え、この燃料電池スタック１２がセンターコンソール１４内に収容される。燃料電池スタック１２は、車両の進行方向に向かう端面視で、重力方向に長尺な縦長形状を有する。燃料電池スタック１２の車幅方向両側部と、センターコンソール１４の内側壁１４ａとの間には、エアバック９４が配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、車室内に左右のフロントシート間に位置してセンターコンソールが設けられるとともに、前記センターコンソール内に、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックを収容する燃料電池車両に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。

通常、燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックは、自動車等に組み込まれて燃料電池車両を構成している。その際、燃料電池スタックは、車体の床下やボンネットの他、車室内の運転席と助手席との間に設けられているセンターコンソール内に収容される場合がある。

例えば、特許文献１では、図９に示すように、燃料電池用ケース１が図示しない燃料電池車両の車室床の前方寄りに配置され、前記燃料電池用ケース１がブラケット等により車体に固定されている。

燃料電池用ケース１内には、燃料電池スタック２と、前記燃料電池スタック２に付随する部品３と、衝撃吸収体としてのエアバック４とが収容されている。エアバック４は、燃料電池用ケース１内の車長方向前後に対応して、燃料電池スタック２と前記燃料電池用ケース１の内面との隙間、部品３と前記燃料電池用ケース１の内面との隙間、及び車幅方向に配置された一対の前記燃料電池スタック２間の隙間に配置されている。

そこで、車両の衝突時に、ケース外周辺部品５及び車両側部品６が燃料電池用ケース１に衝突すると、この燃料電池用ケース１に衝撃が加えられる。そして、この衝突が、衝突センサ（図示せず）により検出されると、燃料電池用ケース１内に配設されている各エアバック４は、膨張ガスにより膨張する。このため、ケース外周辺部品５及び車両側部品６が燃料電池用ケース１を内側に押し込むことを、エアバック４によって抑制することができる、としている。

特開２００８−２３０５１９号公報

しかしながら、上記の燃料電池用ケース１では、車長方向前後にエアバック４が配置されているものの、車幅方向（側方）からの衝撃に対して燃料電池スタック２を十分に保護することができないという問題がある。

しかも、燃料電池用ケース１がセンターコンソールを構成する際には、側方からの衝撃によって燃料電池スタック２が前記燃料電池用ケース１の内面に衝突し易い。これにより、特に、センターコンソールの形状に対応して縦長形状を有する燃料電池スタック２では、倒れが惹起されるという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単な構成で、センターコンソール内で燃料電池スタックを衝撃荷重から確実に保持し、前記燃料電池スタックに倒れが惹起することを良好に抑制することが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明は、車室内に左右のフロントシート間に位置してセンターコンソールが設けられるとともに、前記センターコンソール内に、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックを収容する燃料電池車両に関するものである。

燃料電池スタックは、車両の進行方向に向かう端面視で、重力方向に長尺な縦長形状を有し、前記燃料電池スタックの車幅方向両側部とセンターコンソールの内側壁との間には、エアバックが配置されている。

また、燃料電池スタックは、複数の燃料電池が車両の進行方向に沿って積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設されることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックは、複数の燃料電池が車両の車高方向に沿って積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設されることが好ましい。

さらにまた、エアバックは、燃料電池スタックの車長方向中央に配置されることが好ましい。

本発明では、センターコンソールの側方から荷重が付与された際、前記センターコンソールの内側壁と燃料電池スタックとの間に配置されているエアバックが展開される。このため、端面視で重力方向に長尺な縦長形状を有する燃料電池スタックは、特に倒れ易い車幅方向に対して良好に保持されており、撓みの抑制を図るとともに、車体部材との干渉による損傷を防止することができる。

これにより、簡単な構成で、センターコンソール内で燃料電池スタックを衝撃荷重から確実に保持し、前記燃料電池スタックに倒れが惹起することを良好に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池車両の一部側面説明図である。 前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタックがセンターコンソールに収容された状態の概略断面説明図である。 前記燃料電池スタックの一部切り欠き斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 エアバックが展開する際の動作説明図である。 展開された前記エアバックから不活性ガスが開放される際の動作説明図である。 第１の実施形態と比較例との衝突後の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池車両を構成する燃料電池スタックの一部切り欠き斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池用ケースの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池車両１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池車両１０は、車室１６内に左右のフロントシート（運転席及び助手席）１８ａ、１８ｂ間に位置して、センターコンソール１４が設けられるとともに、前記センターコンソール１４は、前記燃料電池車両１０の車長方向（矢印Ｌ方向）に延在する。センターコンソール１４内には、燃料電池スタック１２が収容される（図１及び図２参照）。

図３に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の単位セル（燃料電池）２２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２４を備える。積層体２４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂ、絶縁プレート２８ａ、２８ｂ及びエンドプレート３０ａ、３０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

燃料電池スタック１２は、縦長の長方形に構成されるエンドプレート３０ａ、３０ｂを端板として含むケーシング３２により一体的に保持される。なお、燃料電池スタック１２は、エンドプレート３０ａ、３０ｂ間にタイロッド（図示せず）を介して積層方向の荷重を付与するように構成してもよい。

図４に示すように、各単位セル２２は、電解質膜・電極構造体３６が、アノード側の第１金属セパレータ３８とカソード側の第２金属セパレータ４０とに挟持される。第１及び第２金属セパレータ３８、４０は、縦長の長方形状を有し、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

第１及び第２金属セパレータ３８、４０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ３８、４０に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単位セル２２の長辺方向（図４中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４４ａが設けられる。

単位セル２２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４２ｂが設けられる。

単位セル２２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４８と、前記固体高分子電解質膜４８を挟持するアノード側電極５０及びカソード側電極５２とを備える。アノード側電極５０は、カソード側電極５２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極５０及びカソード側電極５２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４８の両面に形成される。

第１金属セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３６に向かう面３８ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５４が形成される。この燃料ガス流路５４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。

第１金属セパレータ３８の面３８ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス流路５４とを連通する複数の供給孔部５８ａと、燃料ガス排出連通孔４４ｂと前記燃料ガス流路５４とを連通する複数の排出孔部５８ｂとが形成される。

第２金属セパレータ４０の電解質膜・電極構造体３６に向かう面４０ａには、酸化剤ガス供給連通孔４２ａと酸化剤ガス排出連通孔４２ｂとを連通する酸化剤ガス流路６０が形成される。この酸化剤ガス流路６０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。

第２金属セパレータ４０の面４０ｂと、第１金属セパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４６ａと冷却媒体排出連通孔４６ｂとに連通する冷却媒体流路６２が形成される。この冷却媒体流路６２は、燃料ガス流路５４の裏面形状と酸化剤ガス流路６０の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂには、この第１金属セパレータ３８の外周端縁部を周回して第１シール部材６６が一体成形される。第２金属セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂには、この第２金属セパレータ４０の外周端縁部を周回して第２シール部材６８が一体成形される。

図３に示すように、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの面内中央から積層方向外方に延在して第１及び第２電力取り出し端子７０ａ、７０ｂが設けられる。第１電力取り出し端子７０ａは、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａを貫通して外部に突出する一方、第２電力取り出し端子７０ｂは、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂを貫通して外部に突出する。

ケーシング３２は、端板であるエンドプレート３０ａ、３０ｂと、積層体２４の側部に配置される複数の側板７４ａ〜７４ｄと、前記側板７４ａ〜７４ｄの互いに近接する端部同士をねじ７５を介して連結するアングル部材７６と、前記エンドプレート３０ａ、３０ｂと前記側板７４ａ〜７４ｄとを連結するヒンジ機構７８とを備える。側板７４ａ〜７４ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

ヒンジ機構７８は、エンドプレート３０ａ、３０ｂに設けられる第１ヒンジ部８０ａ、８０ｂと、側板７４ａ〜７４ｄに設けられる第２ヒンジ部８２と、前記第１ヒンジ部８０ａ、８０ｂと第２ヒンジ部８２とが交互に配置された状態で挿入される連結ピン８６ａ、８６ｂとを備える。

エンドプレート３０ａの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔４２ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９０ａと、燃料ガス供給連通孔４４ａに連通する燃料ガス入口マニホールド９２ａとが設けられる。エンドプレート３０ａの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９０ｂと、燃料ガス排出連通孔４４ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド９２ｂとが設けられる。

エンドプレート３０ｂには、図示しないが、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体供給連通孔４６ａに連通する冷却媒体入口マニホールドと、冷却媒体排出連通孔４６ｂに連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。

燃料電池スタック１２は、燃料電池車両１０の進行方向に向かう端面視、すなわち、エンドプレート３０ａ（又は、エンドプレート３０ｂ）からの正面視で、重力方向に長尺な縦長形状を有する。

センターコンソール１４内では、図２に示すように、燃料電池スタック１２の車幅方向両側部と、前記センターコンソール１４の内側壁１４ａとの間に、エアバック９４が配置される。

図１に示すように、各エアバック９４は、燃料電池スタック１２の車長方向中央に配置される。エアバック９４には、インフレータ（ガス発生装置）９６が接続されるとともに、このインフレータ９６は、ＥＣＵ９８により点火される。このＥＣＵ９８には、センサ、例えば、加速度センサ１００からの衝突信号が入力される。

このように構成される燃料電池車両１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池スタック１２では、図３に示すように、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス入口マニホールド９０ａから酸化剤ガス供給連通孔４２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド９２ａから燃料ガス供給連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート３０ｂの冷却媒体入口マニホールドから冷却媒体供給連通孔４６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

このため、積層体２４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル２２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４２ａから第２金属セパレータ４０の酸化剤ガス流路６０に導入され、電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極５２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第１金属セパレータ３８の供給孔部５８ａを通って燃料ガス流路５４に導入され、電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極５０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３６では、カソード側電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極５２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂに沿って流動した後、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス出口マニホールド９０ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極５０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部５８ｂを通って燃料ガス排出連通孔４４ｂに排出されて流動し、エンドプレート３０ａの燃料ガス出口マニホールド９２ｂから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４６ａから第１及び第２金属セパレータ３８、４０間の冷却媒体流路６２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４６ｂを移動してエンドプレート３０ｂの冷却媒体出口マニホールドから排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池車両１０の側面衝突時等により、加速度センサ１００が所定値以上の加速度を検出すると、この検出信号がＥＣＵ９８に送られる。ＥＣＵ９８では、エアバック９４を展開させるために、インフレータ９６に点火電流を供給する。

従って、インフレータ９６では、窒素ガス等の高圧ガスが発生し、この高圧ガスは、折り畳まれているエアバック９４内に流入する。エアバック９４は、高圧ガスの流入によって膨張し、前記エアバック９４が展開して燃料電池スタック１２の車幅方向両側部とセンターコンソール１４の内側壁１４ａとの間が閉塞される（図５参照）。

このため、端面視で、重力方向に長尺な縦長形状を有する燃料電池スタック１２は、特に、倒れ易い車幅方向に対し、展開するエアバック９４を介して良好に保持されている。これにより、簡単な構成で、センターコンソール１４内で燃料電池スタック１２を衝撃荷重から確実に保持し、前記燃料電池スタック１２に倒れが惹起することを良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

さらに、エアバック９４は、燃料電池スタック１２に車幅方向からの衝撃が付与される際に、最も撓み易い積層方向中央（車両方向中央）に対応して配置されている。従って、側方荷重に対して燃料電池スタック１２の撓みを良好に抑制するとともに、前記燃料電池スタック１２が車体部材との干渉により損傷することを確実に防止することができる。

しかも、センターコンソール１４内では、エアバック９４は、展開して燃料電池スタック１２の変位を抑制した後、前記エアバック９４内部の高圧ガス（不活性ガス）を前記センターコンソール１４内に開放する（図６参照）。このため、センターコンソール１４内は、不活性ガスにより充満され、例えば、燃料電池スタック１２から水素ガスが漏れても、この水素ガスを良好に希釈することが可能になる。

ここで、エアバック９４を用いる場合（第１の実施形態）と、このエアバック９４を用いない場合（比較例）とにおいて、衝突後の加速度と時間との関係が、図７に示されている。これにより、エアバック９４を用いる第１の実施形態では、燃料電池スタック１２に付与される衝撃荷重が大幅に削減されるという利点が得られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池車両を構成する燃料電池スタック１１０の一部切り欠き斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１２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。

燃料電池スタック１１０は、ケーシング１１２を備え、このケーシング１１２は、エンドプレート３０ａ、３０ｂと複数の側板１１４ａ〜１１４ｄとを備える。ケーシング１１２内には、複数の単位セル２２が鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層された積層体２４を備える。

燃料電池スタック１１０は、車両の進行方向に向かう端面視で、すなわち、側板１１４ａからの正面視で、重力方向に長尺な縦長形状を有する。燃料電池スタック１１０の車幅方向両側部と、センターコンソール１４の内側壁１４ａとの間には、エアバック９４が配設される。

このように構成される第２の実施形態では、縦長形状を有する燃料電池スタック１１０の車幅方向両側部と、センターコンソール１４の内側壁１４ａとの間に、エアバック９４が配置されており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池車両 １２、１１０…燃料電池スタック
１４…センターコンソール ２２…単位セル
２４…積層体 ３０ａ、３０ｂ…エンドプレート
３２、１１２…ケーシング ３６…電解質膜・電極構造体
３８、４０…金属セパレータ ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側電極 ５２…カソード側電極
９４…エアバック ９６…インフレータ
９８…ＥＣＵ １００…加速度センサ

Claims (4)

1. 車室内に左右のフロントシート間に位置してセンターコンソールが設けられるとともに、前記センターコンソール内に、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックを収容する燃料電池車両であって、
   前記燃料電池スタックは、車両の進行方向に向かう端面視で、重力方向に長尺な縦長形状を有し、
   前記燃料電池スタックの車幅方向両側部と前記センターコンソールの内側壁との間には、エアバックが配置されることを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、複数の前記燃料電池が前記車両の進行方向に沿って積層されるとともに、
   前記積層方向両端にエンドプレートが配設されることを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、複数の前記燃料電池が前記車両の車高方向に沿って積層されるとともに、
   前記積層方向両端にエンドプレートが配設されることを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、前記エアバックは、燃料電池スタックの車長方向中央に配置されることを特徴とする燃料電池車両。

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