JP2013206856A - 車載用燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】車両のフロントボックスに搭載される車載用燃料電池スタックとフロントボックスカバーとの間のスペース効率を容易且つ確実に向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１８が車幅方向に積層され、燃料電池車両１２のフロントボックス１４に搭載される。燃料電池１８は、車長方向に互いに対向して配置され、鉛直方向に延在する第１辺１８ｆｓ及び第２辺１８ｒｓの近傍には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を積層方向に流通させる第１連通孔及び第２連通孔が形成されている。そして、第１辺１８ｆｓは、前記第１辺１８ｆｓよりも車両後方側に配置される第２辺１８ｒｓに比べて鉛直方向に短尺に構成される。第１辺１８ｆｓの上部と第２辺１８ｒｓの上部とを結んで、傾斜上辺１８ｕｓが構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両のフロントボックスに搭載される車載用燃料電池スタックに関する。

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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の車載用燃料電池スタックでは、例えば、特許文献１に開示されている構造が知られている。この構造では、図７に示すように、車両Ｓには、その走行方向前方側である車両Ｓの前方側Ｓｆに燃料電池１が設置されている。

車両Ｓの前方側Ｓｆには、燃料電池１とともに、前記燃料電池１へ酸化ガスである空気を圧縮して送り込むエアコンプレッサ２、前記燃料電池１を冷却させる冷却水を外気と熱交換させるファン３を備えたラジエータ４、及び前記燃料電池１の電力によって駆動力を発生させるトラクションモータ５が設置されている。

特開２００８−７４２９１号公報

ところで、上記の特許文献１では、車両Ｓの前方側Ｓｆ内部に燃料電池１が収容されており、前記燃料電池１とカバー（ボンネット）６との間には、比較的大きな空間Ｐが存在している。このため、燃料電池１の上方側のスペース効率が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、車両のフロントボックスに搭載される車載用燃料電池スタックとフロントボックスカバーとの間のスペース効率を容易且つ確実に向上させることが可能な車載用燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両のフロントボックスに搭載される車載用燃料電池スタックに関するものである。

この車載用燃料電池スタックでは、燃料電池は、車両の車幅方向に積層されるとともに、車長方向に互いに対向して配置され、且つ、鉛直方向に延在する第１辺及び第２辺の近傍には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を積層方向に流通させる第１連通孔及び第２連通孔が形成されている。そして、第１辺は、前記第１辺よりも車両後方側に配置される第２辺に比べて鉛直方向に短尺に構成されている。

また、この車載用燃料電池スタックでは、フロントボックスの上部を覆うフロントボックスカバーは、車長方向後方に向かって上方に傾斜するとともに、燃料電池は、第１辺から第２辺に向かって前記フロントボックスカバーの傾斜に対応して傾斜することが好ましい。

さらに、この車載用燃料電池スタックでは、車載用燃料電池スタックは、車両側フレームに固定される燃料電池フレームに搭載されるとともに、前記車載用燃料電池スタックの下方には、車両走行用モータが配置されることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池は、車両の車幅方向に積層されるとともに、車両前方側の第１辺は、車両後方側の第２辺よりも鉛直方向に短尺に構成されている。車両のフロントボックスでは、通常、フロントボックスカバーが車両後方側に向かって上方に傾斜している。従って、燃料電池の上方とフロントボックスカバーとの間のスペースを有効に活用することができ、スペース効率を容易且つ確実に向上させ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スタックが搭載される燃料電池車両の要部側面説明図である。 前記燃料電池車両の要部斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。 特許文献１に開示されている構造の側面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池車両１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１４に収容される。燃料電池車両１２は、燃料電池スタック１０をフロントボックス１４に搭載するための車体フレーム（車両側フレーム）１６を備える。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１８が、立位姿勢で燃料電池車両１２の車長方向（矢印Ｌ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｈ方向）に積層されて構成される。

図２に示すように、複数の燃料電池１８の積層方向両端には、それぞれターミナルプレート２０及び絶縁プレート２２を介装してエンドプレート２４ａ、２４ｂが配設される。エンドプレート２４ａ、２４ｂは、後述する燃料電池１８の形状に対応し、車両後方向（矢印Ｌｂ方向）に向かって上方に傾斜する略台形状を有する。

各エンドプレート２４ａ、２４ｂの中央部からは、それぞれターミナルプレート２０に接続された出力端子２６が延在する。エンドプレート２４ａ、２４ｂの各辺間には、連結バー（締結部材）２８の両端がねじ２９により固定される。

図１に示すように、燃料電池１８は、横長の略長方形状を有する。燃料電池１８は、車長方向に互いに対向して配置され、且つ、鉛直方向に延在する第１辺１８ｆｓ及び第２辺１８ｒｓを有する。車両前方側の第１辺１８ｆｓは、車両後方側の第２辺１８ｒｓよりも鉛直方向（矢印Ｔ方向）に短尺に構成される。

第１辺１８ｆｓの上部と第２辺１８ｒｓの上部とを結んで、傾斜上辺１８ｕｓが構成される。傾斜上辺１８ｕｓは、車両後方向（矢印Ｌｂ方向）に向かって上方に傾斜するとともに、その傾斜角度は、燃料電池車両１２のフロントボックス１４の上部を覆うフロントボックスカバー１４ａの傾斜角度と同等に設定される。

図３に示すように、燃料電池１８は、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４により挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１８の矢印Ｌ方向（図３中、水平方向）の一端縁部（第１辺１８ｆｓ側）には、積層方向である矢印Ｈ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入口連通孔（第１連通孔）３６ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（第１連通孔）３８ｂ、及び冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（第１連通孔）４０ａが、設けられる。

燃料電池１８の矢印Ｌ方向の他端縁部（第２辺１８ｒｓ側）には、矢印Ｈ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（第２連通孔）３８ａ、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（第２連通孔）３６ｂ、及び冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（第２連通孔）４０ｂが、設けられる。

第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通し、略矢印Ｌ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、正面視で車両後方向（矢印Ｌｂ方向）に向かって上方に拡大する略台形状を有する。酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス入口連通孔３６ａと、前記酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとは、それぞれ連結流路４３ａ、４３ｂを介して連通する。

図４に示すように、第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する複数本の燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、略台形状の領域内で矢印Ｌ方向に蛇行しながら、上方から下方に向かうサーペンタイン流路を構成する。燃料ガス流路４４と燃料ガス入口連通孔３８ａと、前記燃料ガス流路４４と燃料ガス出口連通孔３８ｂとは、それぞれ連結流路４５ａ、４５ｂを介して連通する。

互いに隣接する燃料電池１８を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の冷却媒体流路４６が設けられる（図３参照）。

第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４には、それぞれシール部材４８、５０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４８、５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体３０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。

カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。

図２に示すように、エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド６２ｂが取り付けられる。

２エンドプレート２４ｂには、図示しないが、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドが取り付けられる。

なお、上記の構成に代えて、エンドプレート２４ａに、全てのマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ、燃料ガス排出マニホールド６２ｂ、冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールド）を設けてもよい。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２４ａ、２４ｂには、マウント部材６４の一端が固定されるとともに、前記マウント部材６４の他端は、燃料電池用フレーム部材６６に固定される。

フレーム部材６６は、車両側構成部材であるサイドフレーム６８にブラケット７０を介して固定される。サイドフレーム６８は、車体フレーム１６の一部を構成する。

図１に示すように、フレーム部材６６の下部側には、高電圧系ユニット７２が固定される。高電圧系ユニット７２は、例えば、ＰＤＵ（パワードライブユニット）、水素ポンプＰＤＵ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、燃料電池ＶＣＵ（ヴォルテージコントロールユニット）、燃料電池コンタクタの他、燃料ガス供給装置を構成する遮断弁、水素ポンプ及びその他の各種バルブ類やエアコンヒータ等を備える。

高電圧系ユニット７２は、燃料電池スタック１０よりも外形寸法が小さく設定され、前記燃料電池スタック１０の下方に且つ該燃料電池スタック１０の投影範囲内に配置される。

車体フレーム１６には、燃料電池車両１２を走行させるための走行モータ（車両走行用モータ）７４が取り付けられる。走行モータ７４には、複数の連結部材７６を介してエアモータ７８が取り付けられる。エアモータは、酸化剤ガス供給装置（図示せず）を構成し、大気からの空気を圧縮した酸化剤ガスを燃料電池１８に供給する。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、燃料電池車両１２との関連で、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド６０ａに供給された後、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド６２ａから燃料電池スタック１０の燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される。

また、純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド（図示せず）から燃料電池スタック１０の冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｌ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。燃料ガスは、図４に示すように、矢印Ｌ方向に蛇行しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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。これにより、走行モータ７４に電力が供給されるため、燃料電池車両１２は、走行可能になる。

次いで、カソード電極５４から酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに排出された酸化剤ガスは、図２に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂから排出される。一方、アノード電極５６から燃料ガス出口連通孔３８ｂに排出された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド６２ｂから排出される。また、冷却媒体は、冷却媒体流路４６に導入された後、電解質膜・電極構造体３０を冷却し、冷却媒体排出マニホールド（図示せず）から戻される。

この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、燃料電池１８は、車長方向に互いに対向して配置され、且つ、鉛直方向に延在する第１辺１８ｆｓ及び第２辺１８ｒｓを有し、車両前方側の前記第１辺１８ｆｓは、車両後方側の前記第２辺１８ｒｓよりも鉛直方向に短尺に構成されている。

そして、第１辺１８ｆｓの上部と第２辺１８ｒｓの上部とを結んで、傾斜上辺１８ｕｓが構成されている。傾斜上辺１８ｕｓは、車両後方向（矢印Ｌｂ方向）に向かって上方に傾斜するとともに、その傾斜角度は、燃料電池車両１２のフロントボックス１４の上部を覆うフロントボックスカバー１４ａの傾斜角度と同等に設定されている。

従って、燃料電池１８の上部とフロントボックスカバー１４ａとの間に形成される空間は、相当に狭小化される。これにより、燃料電池１８の上方とフロントボックスカバー１４ａとの間のスペースを有効に活用することができ、スペース効率を容易且つ確実に向上させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、図４に示すように、第２セパレータ３４の面３４ａには、一方の対角位置に燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとが形成されるとともに、前記燃料ガス入口連通孔３８ａと前記燃料ガス出口連通孔３８ｂとは、サーペンタイン流路である燃料ガス流路４４に連通している。

このため、図４中、二点鎖線で示す長方形状のセパレータが使用される際に比べて、燃料ガス流路４４の流路長が良好に長尺化される。従って、燃料ガス流路４４での圧損が大きくなり、差圧による排水性の向上を図ることができるという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する燃料電池８２の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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８２は、電解質膜・電極構造体８４が、第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８により挟持される。燃料電池８２の矢印Ｌ方向（図５中、水平方向）の一端縁部（第１辺１８ｆｓ側）には、燃料ガス入口連通孔（第１連通孔）３８ａ、燃料ガス出口連通孔（第１連通孔）３８ｂ及び冷却媒体出口連通孔（第１連通孔）４０ｂが、設けられる。

燃料電池１８の矢印Ｌ方向の他端縁部（第２辺１８ｒｓ側）には、酸化剤ガス入口連通孔（第２連通孔）３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔（第２連通孔）３６ｂ及び冷却媒体入口連通孔（第２連通孔）４０ａが、設けられる。

第１セパレータ８６の電解質膜・電極構造体８４に向かう面８６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通し、略台形状の領域内で略Ｕ字状に湾曲する複数本の酸化剤ガス流路４２ａが設けられる。

図６に示すように、第２セパレータ８８の電解質膜・電極構造体８４に向かう面８８ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通し、略台形状の領域内で略Ｕ字状に湾曲する複数本の燃料ガス流路４４ａが設けられる。

互いに隣接する燃料電池８２を構成する第１セパレータ８６の面８６ｂと、第２セパレータ８８の面８８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の冷却媒体流路４６ａが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池８２は、車長方向に互いに対向して配置され、且つ、鉛直方向に延在する第１辺１８ｆｓ及び第２辺１８ｒｓを有し、車両前方側の前記第１辺１８ｆｓは、車両後方側の前記第２辺１８ｒｓよりも鉛直方向に短尺に構成されている。そして、第１辺１８ｆｓの上部と第２辺１８ｒｓの上部とを結んで、傾斜上辺１８ｕｓが構成されている。

これにより、燃料電池８２の上方とフロントボックスカバー１４ａ（図１参照）との間のスペースを有効に活用することができ、スペース効率を容易且つ確実に向上させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、８０…燃料電池スタック １２…燃料電池車両
１４…フロントボックス １６…車体フレーム
１８、８２…燃料電池 １８ｆｓ、１８ｒｓ…辺
１８ｕｓ…傾斜上辺 ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
３０、８４…電解質膜・電極構造体 ３２、３４、８６、８８…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２、４２ａ…酸化剤ガス流路 ４４、４４ａ…燃料ガス流路
４６、４６ａ…冷却媒体流路 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
６６…フレーム部材 ６８…サイドフレーム
７０…ブラケット ７２…高電圧系ユニット
７４…走行モータ

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両のフロントボックスに搭載される車載用燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池は、前記車両の車幅方向に積層されるとともに、
   車長方向に互いに対向して配置され、且つ、鉛直方向に延在する第１辺及び第２辺の近傍には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を積層方向に流通させる第１連通孔及び第２連通孔が形成され、
   前記第１辺は、該第１辺よりも車両後方側に配置される前記第２辺に比べて鉛直方向に短尺に構成されることを特徴とする車載用燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の車載用燃料電池スタックにおいて、前記フロントボックスの上部を覆うフロントボックスカバーは、車長方向後方に向かって上方に傾斜するとともに、
   前記燃料電池は、前記第１辺から前記第２辺に向かって前記フロントボックスカバーの傾斜に対応して傾斜することを特徴とする車載用燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の車載用燃料電池スタックにおいて、前記車載用燃料電池スタックは、車両側フレームに固定される燃料電池フレームに搭載されるとともに、
   前記車載用燃料電池スタックの下方には、車両走行用モータが配置されることを特徴とする車載用燃料電池スタック。

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