JP2015009768A - 燃料電池スタック用搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを外部荷重に対して確実に固定するとともに、機器類を良好に保護することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２２が積層されるとともに、積層方向両端には、第１エンドプレート２８ａと第２エンドプレート２８ｂとが配設される。本発明の搭載構造１０は、第２エンドプレート２８ｂとフレーム部材２０Ｒとに連結されるマウント部材１００を備える。マウント部材１００は、第２エンドプレート２８ｂの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成される保持部１０２を備える。
【選択図】図３

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備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向の両端に矩形状のエンドプレートが配設される燃料電池スタックを、車両フレームに搭載するための燃料電池スタック用搭載構造に関する。

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方にアノード電極とカソード電極とが配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルが構成されている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして、燃料電池電気自動車に搭載されている。

車載用燃料電池スタックでは、走行中の振動や発進及び停止の繰り返し等によって、前記燃料電池スタックに慣性力が作用してしまうため、該燃料電池スタックを車両に対して強固に固定する必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。

この燃料電池スタックでは、一方のエンドプレート側を車両に保持する固定支持手段と、他方のエンドプレート側を前記車両に対して積層方向に移動可能に保持する可動支持手段とが設けられている。従って、燃料電池スタックの周囲温度や運転温度の変化等によって前記燃料電池スタックが積層方向に伸縮する際、可動支持手段の作用下に他方のエンドプレートが積層方向に進退し、マウント構造に応力が発生することがない、としている。

特許第３７７４６２２号公報

ところで、燃料電池電気自動車では、車両内の狭小なスペースを有効に利用することが望まれている。このため、燃料電池スタックに対して、周辺機器の他、車両関連機器等の機器類を連結する構造が採用されている。その際、衝撃等の外部荷重から機器類を保護する必要があり、個別の保護構造を採用しなければならない。従って、保護構造は、部品数が増加して複雑化するとともに、コストが高騰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、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを外部荷重に対して確実に固定するとともに、関連機器類を良好に保護することが可能な燃料電池スタック用搭載構造を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池スタックを、車両フレームに搭載するための燃料電池スタック用搭載構造に関するものである。燃料電池スタックは、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備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向の両端に矩形状のエンドプレートが配設されている。

この搭載構造では、少なくとも一方のエンドプレートと車両フレームとに連結されるマウント部材を備え、前記マウント部材は、前記エンドプレートの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成されている。

また、この搭載構造では、マウント部材は、エンドプレートとの間に機器類配置用の空間部を形成することが好ましい。

本発明によれば、マウント部材は、エンドプレートの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成されている。このため、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを外部荷重に対して確実に固定することができる。しかも、マウント部材の内部に形成される空間を有効に利用することが可能になり、スペースの有効活用が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック用搭載構造が適用される燃料電池車両の概略平面説明図である。 燃料電池スタックの要部の一部分解斜視図である。 前記搭載構造の要部の側面説明図である。 前記搭載構造の要部斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック用搭載構造の要部の斜視説明図である。

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スタック用搭載構造１０は、燃料電池車両１２に設けられる。燃料電池車両１２は、例えば、燃料電池電気自動車である。

燃料電池車両１２では、燃料電池スタック１４が前輪１６ｆ、１６ｆの近傍のモータルーム１８内に配設される。モータルーム１８内には、車両フレーム２０が設けられており、燃料電池スタック１４は、搭載構造１０を介して前記車両フレーム２０に搭載される。

図２に示すように、燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２２が車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池２２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２４ａ、第１絶縁プレート２６ａ及び第１エンドプレート（一方のエンドプレート）２８ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池２２の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２４ｂ、第２絶縁プレート２６ｂ及び第２エンドプレート２８ｂが、外方に向かって順次配設される。燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池２２が車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層されるとともに、車両幅方向両端には、第１エンドプレート２８ａと第２エンドプレート２８ｂとが配置される。

第１エンドプレート２８ａ及び第２エンドプレート２８ｂは、燃料電池２２、第１絶縁プレート２６ａ及び第２絶縁プレート２６ｂの外形寸法よりも大きな外形寸法に設定される。第１ターミナルプレート２４ａは、第１絶縁プレート２６ａの内部の凹部に収容される一方、第２ターミナルプレート２４ｂは、第２絶縁プレート２６ｂの内部の凹部に収容される。

横長形状の第１エンドプレート２８ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２４ａに接続された第１電力出力端子３０ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート２８ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２４ｂに接続された第２電力出力端子３０ｂが外方に向かって延在する。第１エンドプレート２８ａと第２エンドプレート２８ｂの各辺間には、連結バー３２の両端が複数のねじ３４により固定され、複数の積層された燃料電池２２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図１に示すように、燃料電池２２は、電解質膜・電極構造体３６が、第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０に挟持される。第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０は、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。

図２に示すように、燃料電池２２の矢印Ａ方向の一端縁部には、積層方向（矢印Ｂ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体入口連通孔４３ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する。冷却媒体入口連通孔４３ａは、冷却媒体を供給する一方、燃料ガス出口連通孔４４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を排出する。

燃料電池２２の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４３ｂ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

図１に示すように、第１セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３６に向かう面には、酸化剤ガス入口連通孔４２ａと酸化剤ガス出口連通孔４２ｂとに連通する酸化剤ガス流路４８が設けられる。第２セパレータ４０の電解質膜・電極構造体３６に向かう面には、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連通する燃料ガス流路５０が設けられる。

互いに隣接する燃料電池２２を構成する第１セパレータ３８と第２セパレータ４０との間には、冷却媒体入口連通孔４３ａと冷却媒体出口連通孔４３ｂとを連通する冷却媒体流路５２が設けられる。第１セパレータ３８と第２セパレータ４０とには、図示しないが、それぞれシール部材が、一体的又は個別に設けられる。

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５８と、前記固体高分子電解質膜５８を挟持するカソード電極６０及びアノード電極６２とを備える。カソード電極６０及びアノード電極６２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５８の両面に形成される。

図２に示すように、第１エンドプレート２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂが形成される。第２エンドプレート２８ｂには、冷却媒体入口連通孔４３ａ及び冷却媒体出口連通孔４３ｂが形成される。

第１エンドプレート２８ａの外側の面（燃料電池２２の積層体側とは反対の面）には、ブロック部材６４を介して燃料ガス系デバイス群（複数の燃料ガス系デバイス）６６の一部が配設される。ブロック部材６４に取り付けられる燃料ガス系デバイス群６６は、少なくともエゼクタ６８、水素ポンプ７０、気液分離器（タンク）７２、パージ弁７４及び逆止弁７６のいずれかを備える。なお、燃料ガス系デバイス群６６は、図示しないが、例えば、インジェクタを備えてもよい。

ブロック部材６４の内部には、図示しないが、所定のデバイスに燃料ガスの供給や排出を行うための流路７８が形成される。ブロック部材６４には、燃料ガス入口連通孔４４ａと燃料ガス出口連通孔４４ｂとに連結される配管部８０ａ、８０ｂが一体又は別体に設けられる。ブロック部材６４は、第１エンドプレート２８ａにねじ止め等により固定される。

燃料電池スタック１４には、前方サイドパネル８２、後方サイドパネル８４、アッパーパネル８６及びローワーパネル８８が装着される。前方サイドパネル８２、後方サイドパネル８４、アッパーパネル８６及びローワーパネル８８は、互いに、さらに第１エンドプレート２８ａ及び第２エンドプレート２８ｂに対して、孔部９０を通ってねじ穴９２に螺合するねじ９４により固定される。

アッパーパネル８６の第２エンドプレート２８ｂ側の一方の角部には、後述するマウント部材１００との干渉を避けるために開口部８６ａが形成されることが好ましい。ローワーパネル８８の一方の角部には、同様に図示しない開口部が形成されることが好ましい。

前方サイドパネル８２は、第１エンドプレート２８ａ及び第２エンドプレート２８ｂの車両進行方向（矢印Ａｆ方向）前方の各側面に固定される。後方サイドパネル８４は、第１エンドプレート２８ａ及び第２エンドプレート２８ｂの車両進行方向（矢印Ａｆ方向）後方の各側面に固定される。

前方サイドパネル８２及び後方サイドパネル８４は、第１エンドプレート２８ａから車幅方向（矢印Ｂ方向）外方に突出する端部を有し、前記端部には、燃料ガス系デバイス群６６を覆ってカバー部材９６が設けられる。カバー部材９６は、断面略コ字状を有し、前方サイドパネル８２及び後方サイドパネル８４にねじ止めされる。

図１及び図３に示すように、搭載構造１０は、第２エンドプレート２８ｂと車両フレーム２０を構成するフレーム部材２０Ｒとに連結されるマウント部材１００を備える。マウント部材１００は、図３及び図４に示すように、第２エンドプレート２８ｂの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成される保持部１０２を備える。保持部１０２には、連結部１０４の一端がねじ止め（又は溶接）により連結され、前記連結部１０４の他端がフレーム部材２０Ｒに固定される。

保持部１０２は、水平方向に延在する上面１０２ｕ及び下面１０２ｄに、例えば、それぞれ２つの孔部９０ａが形成される。各孔部９０ａに挿入されるねじ９４ａは、第２エンドプレート２８ｂの上面及び下面に形成されたそれぞれ２つのねじ穴９２ａに螺合することにより、保持部１０２が前記第２エンドプレート２８ｂに固定される。連結部１０４は、平板状の板部材（屈曲する板部材でもよい）で構成される。連結部１０４の一端は、複数のねじ９４ａを介して保持部１０２に固定される。連結部１０４の他端は、複数、例えば、３つのねじ９４ａを介してフレーム部材２０Ｒに固定される。

なお、保持部１０２は、上部側に上面１０２ｕに連なる段部形状を有しているが、この段部形状を不要にした断面コ字状に構成してもよい。すなわち、上面１０２ｕと下面１０２ｄと鉛直方向に延在する側面とにより構成し、一側面が開口してその間に第２エンドプレート２８ｂを挟むことができる形状であってもよい。

マウント部材１００は、第２エンドプレート２８ｂとの間に機器類配置用の空間部１０６を形成する。空間部１０６には、機器類、例えば、エアコン用の水加熱ヒータ１０８が配置される。水加熱ヒータ１０８は、図１に示すように、電源ケーブル１０９ａを介してバッテリＢＴに接続される一方、配管１０９ｂを介して図示しない熱交換ユニットに接続される。空間部１０６に収納される機器類としては、冷却媒体用マニホールド、ブレーキのＶＳＡ（車両挙動安定化制御システム）モジュール、燃料電池用セル電圧監視ユニット、燃料電池用モータ及び電装系等の冷却用水ポンプ等が採用される。

図１及び図３に示すように、搭載構造１０は、カバー部材９６と車両フレーム２０を構成するフレーム部材２０Ｌとに連結されるマウント部材１１０を備える。フレーム部材２０Ｒは、燃料電池車両１２の右側に沿って矢印Ａ方向に延在する一方、フレーム部材２０Ｌは、前記燃料電池車両１２の左側に沿って矢印Ａ方向に延在する。

マウント部材１１０は、平板状の板部材（屈曲する板部材でもよい）で構成される。マウント部材１１０は、カバー部材９６の上面（又は下面）に複数のねじ９４ａを介して固定されるとともに、フレーム部材２０Ｌに複数のねじ９４ａを介して固定される。

搭載構造１０は、ローワーパネル８８と車両フレーム２０を構成するフレーム部材２０Ｓとに連結されるマウント部材１１２を備える。フレーム部材２０Ｓは、フレーム部材２０Ｒ、２０Ｌに両端側が連結されて矢印Ｂ方向に延在する。マウント部材１１２は、屈曲する板部材（平板状の板部材でもよい）で構成される。マウント部材１１２は、ローワーパネル８８の後方側端部に複数のねじ９４ａを介して固定されるとともに、フレーム部材２０Ｓに複数のねじ９４ａを介して固定される。

このように構成される燃料電池車両１２の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池車両１２の運転時には、図２に示すように、燃料ガス（水素ガス）は、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２セパレータ４０の燃料ガス流路５０に導入される。この水素ガスは、図１に示すように、電解質膜・電極構造体３６を構成するアノード電極６２に沿って供給される。

酸化剤ガス（空気）は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ３８の酸化剤ガス流路４８に導入される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体３６を構成するカソード電極６０に沿って供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３６では、アノード電極６２に供給される水素ガスと、カソード電極６０に供給される空気とが、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。使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂに排出される一方、使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔４３ａに供給される。この冷却媒体は、第１セパレータ３８及び第２セパレータ４０間の冷却媒体流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４３ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３及び図４に示すように、搭載構造１０は、第２エンドプレート２８ｂとフレーム部材２０Ｒとに連結されるマウント部材１００を備えている。マウント部材１００は、第２エンドプレート２８ｂの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成される保持部１０２と、フレーム部材２０Ｒに固定される連結部１０４とを備えている。

このため、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック１４を確実に固定することができ、外部荷重を受けることができる。しかも、マウント部材１００の内部の空間を有効に利用することが可能になり、スペースの有効活用が容易に図られるという効果が得られる。

具体的には、マウント部材１００は、第２エンドプレート２８ｂとの間に機器類配置用の空間部１０６を形成しており、前記空間部１０６には、機器類、例えば、エアコン用の水加熱ヒータ１０８が配置されている。従って、水加熱ヒータ１０８は、専用の保護部材を用いる必要がなく、マウント部材１００及び第２エンドプレート２８ｂにより確実に保護することができる。

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用搭載構造１２０の要部の斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る搭載構造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。

搭載構造１２０では、カバー部材９６を不要にするとともに、マウント部材１１０に代えてマウント部材１２２が用いられる。マウント部材１２２は、上記のマウント部材１００と同様に構成され、第１エンドプレート２８ａの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成される保持部１２４を備える。保持部１２４には、連結部１２６の一端がねじ止めにより連結され、前記連結部１２６の他端がフレーム部材２０Ｌにねじ止め固定される。

マウント部材１２２は、第１エンドプレート２８ａとの間に機器類配置用の空間部１２８を形成する。空間部１２８には、機器類、例えば、燃料ガス系デバイス群６６が配置される。

このように構成される第２の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、マウント部材１２２の内部を有効に利用することが可能になり、スペースの有効活用が容易に図られる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１２０…搭載構造 １２…燃料電池車両
１４…燃料電池スタック ２０Ｌ、２０Ｒ、２０Ｓ…フレーム部材
２２…燃料電池 ２８ａ、２８ｂ…エンドプレート
３６…電解質膜・電極構造体 ３８、４０…セパレータ
４２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４３ａ…冷却媒体入口連通孔 ４３ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４８…酸化剤ガス流路 ５０…燃料ガス流路
５２…冷却媒体流路 ５８…固体高分子電解質膜
６０…カソード電極 ６２…アノード電極
６４…ブロック部材 ６６…燃料ガス系デバイス群
８２…前方サイドパネル ８４…後方サイドパネル
８６…アッパーパネル ８８…ローワーパネル
９６…カバー部材
１００、１１０、１１２、１２２…マウント部材
１０２、１２４…保持部 １０４、１２６…連結部
１０６、１２８…空間部 １０８…水加熱ヒータ

Claims (2)

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備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向の両端に矩形状のエンドプレートが配設される燃料電池スタックを、車両フレームに搭載するための燃料電池スタック用搭載構造であって、
   少なくとも一方の前記エンドプレートと前記車両フレームとに連結されるマウント部材を備え、
   前記マウント部材は、前記エンドプレートの上面及び下面に跨る断面コ字状に構成されることを特徴とする燃料電池スタック用搭載構造。
2. 請求項１記載の搭載構造において、前記マウント部材は、前記エンドプレートとの間に機器類配置用の空間部を形成することを特徴とする燃料電池スタック用搭載構造。

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