JP2013244817A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成を有するとともに、燃料電池スタックに外部から衝撃が付与された際、連通孔を良好に保護することを可能にする。
【解決手段】燃料電池自動車１０は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４を車両側フレームに搭載するためのマウント部材７０とを備える。マウント部材７０は、前方側マウント部材７０Ｆ及び後方側マウント部材７０Ｂを備える。前方側マウント部材７０Ｆは、燃料電池スタック１４の前方下部角部を挟んだ水平部７４ａ及び鉛直部７４ｂにより燃料ガス出口連通孔４０ｂを覆って配置される。
【選択図】図４

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車両幅方向に積層される燃料電池スタックと、車両側フレームに前記燃料電池スタックを搭載するためのマウント部材とを備え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、車両に外力が付与された際に、燃料電池スタックに対する外力の影響を抑制する必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている車両が知られている。この車両は、図８に示すように、燃料電池１が燃料電池ケース２に収納されるとともに、前記燃料電池ケース２は、複数のサイドフレーム３に固定されている。

具体的には、一対のサイドフレーム３間に、２本のクロスメンバー４が橋渡しされるとともに、前記クロスメンバー４間には、マウントメンバ５が交差する方向に延在して設けられている。マウントメンバ５には、図示しないマウントを介して燃料電池ケース２が取り付けられている。

特開２００８−１３２８００号公報

ところで、燃料電池１では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を前記燃料電池１に供給するために、該燃料電池１の積層方向に貫通する複数の連通孔が設けられている。このため、上記の特許文献１では、車両に外部から衝撃荷重が付与された際に、連通孔を確実に保護することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成を有するとともに、燃料電池スタックに外部から衝撃が付与された際、連通孔を良好に保護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、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車両幅方向に積層されるとともに、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複数の連通孔が形成される燃料電池スタックと、車両側フレームに前記燃料電池スタックを搭載するためのマウント部材とを備える燃料電池車両に関するものである。

この燃料電池車両では、燃料電池スタックの車両前方向に位置する前端部側角部には、１つの連通孔が配置される一方、マウント部材は、車両幅方向に延在している。そして、マウント部材は、断面屈曲形状を有し、燃料電池スタックの前端部側角部を挟んだ２辺により１つの連通孔を覆って配置される前方側マウント部材を備えている。

また、この燃料電池車両では、前方側マウント部材により覆われる１つの連通孔は、燃料ガス連通孔であることが好ましい。

さらに、この燃料電池車両では、燃料電池スタックの車両後方向に位置する後端部側角部には、別の１つの連通孔が配置されるとともに、マウント部材は、前記燃料電池スタックの前記後端部側角部を挟んだ２辺により前記別の１つの連通孔を覆って配置される後方側マウント部材を備えることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池車両では、前方側マウント部材及び後方側マウント部材は、車両側フレームを構成するサイドフレームに固定されることが好ましい。

また、この燃料電池車両では、前方側マウント部材は、車両側フレームを構成するサイドフレームに固定されるとともに、後方側マウント部材は、前記車両側フレームを構成するサスペンションマウント部に固定されることが好ましい。

本発明によれば、前方側マウント部材は、燃料電池スタックの前端部側角部を挟んだ２辺により１つの連通孔を覆って配置されている。このため、車両に外部荷重が付与された際、前方側マウント部材は、前記外部荷重を確実に受けることができる。これにより、燃料電池スタックの連通孔に外部荷重が直接作用することがなく、簡単且つコンパクトな構成で、前記連通孔を良好に保護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自動車の要部平面説明図である。 前記燃料電池自動車の要部斜視説明図である。 前記燃料電池自動車を構成する燃料電池スタックの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの正面説明図である。 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説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池自動車の要部斜視説明図である。 前記燃料電池自動車を構成する燃料電池スタックの正面説明図である。 特許文献１に開示されている車両の要部斜視説明図である。

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自動車（燃料電池車両）１０は、フロントボックス（所謂、モータルーム）１２に収容される燃料電池スタック１４を備える。

燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１６が、立位姿勢で燃料電池自動車１０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１及び図２に示すように、複数の燃料電池１６の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１８ａ、第１絶縁プレート２０ａ及び第１エンドプレート２２ａが外方に向かって、順次、配設される。複数の燃料電池１６の積層方向他端には、第２ターミナルプレート１８ｂ、第２絶縁プレート２０ｂ及び第２エンドプレート２２ｂが外方に向かって、順次、配設される。

第１エンドプレート２２ａの中央部からは、第１ターミナルプレート１８ａに接続された第１出力端子２４ａが延在する。第２エンドプレート２２ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート１８ｂに接続された第２出力端子２４ｂが延在する。

図３及び図４に示すように、第１エンドプレート２２ａ及び第２エンドプレート２２ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各角部には、断面略Ｌ字状を有する締結部材２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄが配置される。各締結部材２６ａ〜２６ｄは、両端を第１エンドプレート２２ａ及び第２エンドプレート２２ｂにボルト２８を介して固定され、複数の積層された燃料電池１６に積層方向（矢印Ｈ方向）の締め付け荷重を付与する。

図５に示すように、燃料電池１６は、横長の長方形状を有するとともに、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１６の矢印Ｌ方向（図５中、水平方向）の一端縁部には、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３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３８ａ、及び燃料ガス、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４０ｂが、矢印Ｔ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１６の矢印Ｌ方向の他端縁部には、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４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｔ方向に配列して設けられる。

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、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。

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４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通し、矢印Ｌ方向に延在する複数本の燃料ガス流路４４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１６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３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂ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。

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等の弾性を有するシール部材を使用する。

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３に示すように、第１エンドプレート２２ａ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４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂ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。

図２及び図３に示すように、第２エンドプレート２２ｂには、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び冷却媒体出口連通孔３８ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド６４ａ及び冷却媒体排出マニホールド６４ｂが取り付けられる。

なお、上記の構成に代えて、第１エンドプレート２２ａ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６４ａ及び冷却媒体排出マニホールド６４ｂ）を設けてもよい。

図１に示すように、燃料電池スタック１４は、マウント部材７０を介して燃料電池自動車１０を構成する車両側フレーム、例えば、左右一対のサイドフレーム７２に固定される。マウント部材７０は、前方側マウント部材７０Ｆ及び後方側マウント部材７０Ｂを備える。

図１〜図４に示すように、前方側マウント部材７０Ｆは、車幅方向（矢印Ｈ方向）に燃料電池スタック１４よりも長尺に延在するとともに、Ｌ字状の断面屈曲形状を有する。前方側マウント部材７０Ｆは、水平方向に平行する水平部７４ａと、重力方向に平行する鉛直部７４ｂとを一体に設ける。

前方側マウント部材７０Ｆは、図４に示すように、燃料電池スタック１４の車両前方向（矢印Ｌａ方向）に位置する前方下部角部（前端部側角部）を挟んだ水平部７４ａ及び鉛直部７４ｂ（２辺）により、燃料ガス出口連通孔（１つの連通孔）４０ｂを覆って配置される。水平部７４ａは、燃料ガス出口連通孔４０ｂの内方側端部位置よりも内方に距離Ｓ１だけ突出する一方、鉛直部７４ｂは、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの上部側端部位置よりも外方（上方）に距離Ｓ２だけ突出する。

図１〜図３に示すように、前方側マウント部材７０Ｆを構成する水平部７４ａの長尺方向両端縁部には、取り付け脚部７６の一端が設けられる。一対の取り付け脚部７６は、重力方向に延在し、それぞれの他端が各サイドフレーム７２に固定される。前方側マウント部材７０Ｆは、締結部材２６ａに溶接又はボルト締結により固定される。

図１〜図４に示すように、後方側マウント部材７０Ｂは、車幅方向（矢印Ｈ方向）に燃料電池スタック１４よりも長尺に延在するとともに、Ｌ字状の断面屈曲形状を有する。前方側マウント部材７０Ｆは、水平方向に平行する水平部７８ａと、重力方向に平行する鉛直部７８ｂとを一体に設ける。

後方側マウント部材７０Ｂは、図４に示すように、燃料電池スタック１４の車両後方向（矢印Ｌｂ方向）に位置する後方上部角部（後端部側角部）を挟んだ水平部７８ａ及び鉛直部７８ｂ（２辺）により、燃料ガス入口連通孔（別の１つの連通孔）４０ａを覆って配置される。水平部７８ａは、燃料ガス入口連通孔４０ａの内方側端部位置よりも内方に距離Ｓ３だけ突出する一方、鉛直部７８ｂは、前記燃料ガス入口連通孔４０ａの下部側端部位置よりも外方（下方）に距離Ｓ４だけ突出する。

図１〜図３に示すように、後方側マウント部材７０Ｂを構成する水平部７８ａの長尺方向両端縁部には、取り付け脚部８０の一端が設けられる。一対の取り付け脚部８０は、重力方向に延在し、それぞれの他端が各サイドフレーム７２に固定される。後方側マウント部材７０Ｂは、締結部材２６ｃに溶接又はボルト締結により固定される。

このように構成される燃料電池自動車１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２２ａの酸化剤ガス供給マニホールド６０ａには、空気等の酸化剤ガスが供給されるとともに、前記第１エンドプレート２２ａの燃料ガス供給マニホールド６２ａには、水素ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、第２エンドプレート２２ｂの冷却媒体供給マニホールド６４ａには、純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。

図５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から各燃料電池１６の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給されるとともに、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド６２ａから前記燃料電池１６の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。さらに、冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド６４ａから燃料電池１６の冷却媒体入口連通孔３８ａに供給される。

このため、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４０ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、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、燃料電池自動車１０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及び図３に示すように、第１エンドプレート２２ａの酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂに排出される。一方、アノード電極５６から燃料ガス出口連通孔４０ｂに排出された燃料ガスは、第１エンドプレート２２ａの燃料ガス排出マニホールド６２ｂに排出される。また、冷却媒体は、冷却媒体流路４６に導入された後、冷却媒体出口連通孔３８ｂから第２エンドプレート２２ｂの冷却媒体排出マニホールド６４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４は、前方側マウント部材７０Ｆ及び後方側マウント部材７０Ｂを介して、燃料電池自動車１０を構成する左右一対のサイドフレーム７２に固定されている。前方側マウント部材７０Ｆは、図１〜図４に示すように、断面屈曲形状を有し、燃料電池スタック１４の前方下部角部を挟んだ水平部７４ａ及び鉛直部７４ｂにより、燃料ガス出口連通孔４０ｂを覆って配置されている。

このため、図１、図２及び図４に示すように、燃料電池自動車１０に前方から後方（矢印Ｌｂ方向）に外部荷重が付与された際、前方側マウント部材７０Ｆは、前記外部荷重を確実に受けることができる。これにより、燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４０ｂに外部荷重が直接作用することがない。このため、簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガス出口連通孔４０ｂを良好に保護することが可能になるという効果が得られる。

また、第１の実施形態では、後方側マウント部材７０Ｂは、断面屈曲形状を有し、図４に示すように、燃料電池スタック１４の後方上部角部を挟んだ水平部７８ａ及び鉛直部７８ｂにより、燃料ガス入口連通孔４０ａを覆って配置されている。従って、燃料電池自動車１０に後方から前方（矢印Ｌａ方向）に外部荷重が付与された際、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４０ａに外部荷重が直接作用することがない。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガス入口連通孔４０ａを良好に保護することができるという効果が得られる。

なお、後方側マウント部材７０Ｂは、必要に応じて設ければよく、少なくとも前方側マウント部材７０Ｆのみが設けられていればよい。また、前方側マウント部材７０Ｆ及び後方側マウント部材７０Ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを覆って配置するように構成することもできる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池自動車（燃料電池車両）９０の要部斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池自動車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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１４は、マウント部材９２を介して燃料電池自動車９０を構成する車両側フレームに固定される。マウント部材９２は、前方側マウント部材９２Ｆ及び後方側マウント部材９２Ｂを備える。

前方側マウント部材９２Ｆは、上述した前方側マウント部材７０Ｆと同様に構成され、車両側フレームを構成する左右一対のサイドフレーム７２に固定される。後方側マウント部材９２Ｂは、上述した後方側マウント部材７０Ｂと同様に構成されるとともに、車両側フレームを構成する左右一対のサスペンションマウント部９４に固定される。なお、サスペンションマウント部９４は、図示しないが、サスペンションを車体に組み付けるマウント構造を覆うマウントカバーにより構成される。

このように構成される第２の実施形態では、後方側マウント部材９２Ｂは、左右一対のサスペンションマウント部９４に固定されている。このため、後方側マウント部材９２Ｂは、車体のタワーバーとしての機能を有することができる。従って、第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、車体剛性の向上を図ることが可能になるという利点が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池自動車（燃料電池車両）１００の要部斜視説明図である。

燃料電池スタック１４は、マウント部材１０２を介して燃料電池自動車１００を構成する車両側フレームに固定される。マウント部材１０２は、前方側マウント部材１０２Ｆ及び後方側マウント部材１０２Ｂを備える。

前方側マウント部材１０２Ｆは、断面屈曲形状を有し、燃料電池スタック１４の前方下部角部を挟んだ水平部１０４ａ及び鉛直部１０４ｂにより、燃料ガス出口連通孔４０ｂを覆って配置される。

後方側マウント部材１０２Ｂは、断面屈曲形状を有し、燃料電池スタック１４の後方下部角部を挟んだ水平部１０６ａ及び鉛直部１０６ｂにより、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを覆って配置される。

このように構成される第３の実施形態では、前方側マウント部材１０２Ｆにより、燃料ガス出口連通孔４０ｂを確実に保護することができるとともに、後方側マウント部材１０２Ｂにより、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを良好に保護することが可能になるという効果が得られる。

１０、９０、１００…燃料電池自動車 １２…フロントボックス
１４…燃料電池スタック １６…燃料電池
２２ａ、２２ｂ…エンドプレート ２６ａ〜２６ｄ…締結部材
２８…ボルト ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…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…冷却媒体入口連通孔
３８ｂ…冷却媒体出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
４８、５０…シール部材 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
７０、９２、１０２…マウント部材 ７２…サイドフレーム
７０Ｂ、９２Ｂ、１０２Ｂ…後方側マウント部材
７０Ｆ、９２Ｆ、１０２Ｆ…前方側マウント部材
７４ａ、７８ａ、１０４ａ、１０６ａ…水平部
７４ｂ、７８ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ…鉛直部
７６、８０…取り付け脚部 ９４…サスペンションマウント部

Claims (5)

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車両幅方向に積層されるとともに、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複数の連通孔が形成される燃料電池スタックと、
   車両側フレームに前記燃料電池スタックを搭載するためのマウント部材と、
   を備える燃料電池車両であって、
   前記燃料電池スタックの車両前方向に位置する前端部側角部には、１つの連通孔が配置される一方、
   前記マウント部材は、前記車両幅方向に延在するとともに、断面屈曲形状を有し、前記燃料電池スタックの前記前端部側角部を挟んだ２辺により前記１つの連通孔を覆って配置される前方側マウント部材を備え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、前記前方側マウント部材により覆われる前記１つの連通孔は、燃料ガス連通孔であることを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックの車両後方向に位置する後端部側角部には、別の１つの連通孔が配置されるとともに、
   前記マウント部材は、前記燃料電池スタックの前記後端部側角部を挟んだ２辺により前記別の１つの連通孔を覆って配置される後方側マウント部材を備えることを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項３記載の燃料電池車両において、前記前方側マウント部材及び前記後方側マウント部材は、前記車両側フレームを構成するサイドフレームに固定されることを特徴とする燃料電池車両。
5. 請求項３記載の燃料電池車両において、前記前方側マウント部材は、前記車両側フレームを構成するサイドフレームに固定されるとともに、
   前記後方側マウント部材は、前記車両側フレームを構成するサスペンションマウント部に固定されることを特徴とする燃料電池車両。

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