JP2022133060A - 燃料電池システムのマウント構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重に対して燃料電池システムを良好に保護することが可能な燃料電池システムのマウント構造を提供する。【解決手段】燃料電池システム12のマウント構造10は、駆動ユニット26及び接続構造28を備える。接続構造28は、ケースユニット36の積層方向の一端部と駆動ユニット26とを互いに接続する第1マウント部144と、ケースユニット36の積層方向の他端部と駆動ユニット26とを互いに接続する第2マウント部146と、電装ユニット32と駆動ユニット26とを互いに接続する第3マウント部148と、を有する。【選択図】図3

Description

本発明は、燃料電池システムのマウント構造に関する。
車両に搭載される燃料電池システムは、車両走行時の振動や衝突等の外部荷重に対して燃料電池システムを良好に保護するために、車体に対して確実に固定する必要がある。この種の燃料電池システム(燃料電池スタック)のマウント構造は、例えば、特許文献1に開示されている。
この特許文献1のマウント構造では、燃料電池スタックの下方に走行用モータを配置するとともに当該走行用モータの車両後方にマウント部材を配置し、当該マウント部材を車体に固定している。そして、マウント部材には、燃料電池スタックに固定されたブラケット部材が接続されるとともに走行用モータが接続されている。
特開2017-81209号公報
上述したようなマウント構造では、走行用モータの車両後方にマウント部材を設けているためマウント構造が大型化し易い。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重に対して燃料電池システムを良好に保護することが可能な燃料電池システムのマウント構造を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、車両に搭載される燃料電池システムと、前記燃料電池システムの下方に配置されて前記車両を駆動させるための駆動ユニットと、前記燃料電池システムを前記駆動ユニットに接続するための接続構造と、を備えた燃料電池システムのマウント構造であって、前記燃料電池システムは、複数の発電セルが互いに積層されてなるセル積層体と当該セル積層体を覆うケースユニットとを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを制御する電装ユニットと、を有し、前記電装ユニットは、前記ケースユニットにおける前記複数の発電セルの積層方向に直交する方向に位置する外面に固定され、前記駆動ユニットは、車体に固定するための固定部を有し、前記接続構造は、前記ケースユニットの前記積層方向の一端部と前記駆動ユニットとを互いに接続する第1マウント部と、前記ケースユニットの前記積層方向の他端部と前記駆動ユニットとを互いに接続する第2マウント部と、前記電装ユニットと前記駆動ユニットとを互いに接続する第3マウント部と、を有する、燃料電池システムのマウント構造である。
本発明によれば、ケースユニットの両端部が第1マウント部と第2マウント部とにより駆動ユニットに接続され、ケースユニットの外面に固定された電装ユニットが第3マウント部により駆動ユニットに接続されている。そして、駆動ユニットは、固定部により車体に固定される。そのため、外部荷重に対して燃料電池システムを良好に保護することができる。また、駆動ユニットの外方に燃料電池システムを固定するための部材を設ける必要がないため、燃料電池システムのマウント構造を簡単且つコンパクトにすることができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのマウント構造を備えた車両の前方側の概略側面説明図である。 前記車両の概略平面説明図である。 図1の燃料電池システムのマウント構造を車両後方から見た説明図である。 図1のIV-IV線に沿った断面説明図である。 図1のV-V線に沿った断面説明図である。
以下、本発明に係る燃料電池システムのマウント構造について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図1~図3に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム12のマウント構造10(以下、単に「マウント構造10」ということがある)は、車両14(燃料電池車両)のモータルーム16(フロントボックス)に設けられている。換言すれば、燃料電池システム12は、モータルーム16に設けられた車体18(車体フレーム)に対して固定される。モータルーム16は、ダッシュボード20により車室22から隔離されて設けられる(図1参照)。モータルーム16は、左右の前輪24の間に位置する。
各図において、車両14を基準に、運転者側から見て車両14の左側を矢印「L」で示し、車両14の右側を矢印「R」で示し、車両14の前方を矢印「Fr」で示し、車両14の後方を矢印「Rr」で示し、車両14の上方を矢印「U」で示し、車両14の下方を矢印「D」で示す。
図1~図3において、マウント構造10は、燃料電池システム12と、燃料電池システム12の下方に配置された駆動ユニット26と、燃料電池システム12を駆動ユニット26に接続するための接続構造28とを備える。
図4に示すように、燃料電池システム12は、燃料電池スタック30と、燃料電池スタック30を制御する電装ユニット32とを有する。燃料電池スタック30は、スタック本体34とケースユニット36とを備える。スタック本体34は、複数の発電セル38が互いに積層されてなるセル積層体40を有する。図2に示すように、燃料電池システム12は、複数の発電セル38の積層方向が車幅方向(矢印W方向)に向くように車両14のモータルーム16に搭載される。
図4において、セル積層体40の積層方向の一端(矢印L方向の端)には、第1ターミナルプレート42、第1絶縁プレート44が外方(矢印L方向)に向かって順次配設されている。セル積層体40の積層方向の他端(矢印R方向の端)には、第2ターミナルプレート46、第2絶縁プレート48が外方(矢印R方向)に向かって順次配設されている。スタック本体34は、セル積層体40、第1ターミナルプレート42、第1絶縁プレート44、第2ターミナルプレート46、第2絶縁プレート48を含む。
第1ターミナルプレート42及び第2ターミナルプレート46の各々は、導電性を有する材料(例えば、銅やアルミニウム等の金属材料)により構成されている。第1絶縁プレート44及び第2絶縁プレート48の各々は、例えば、電気絶縁性を有する樹脂材料により形成されている。
第1絶縁プレート44のセル積層体40に向かう内面(矢印R方向の面)には、第1ターミナルプレート42が配設される第1凹部50が形成されている。第2絶縁プレート48のセル積層体40に向かう内面(矢印L方向の面)には、第2ターミナルプレート46が配設される第2凹部52が形成されている。
発電セル38は、燃料ガス(例えば、水素含有ガス)と酸化剤ガス(例えば、酸素含有ガス)との電気化学反応により発電する。詳細な図示は省略するが、発電セル38は、電解質膜・電極構造体(MEA)をアノードセパレータとカソードセパレータとで挟持して形成される。MEAは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配設されたアノード電極と、電解質膜の他方の面に配設されたカソード電極とを有する。アノードセパレータには、燃料ガスをアノード電極に供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードセパレータには、酸化剤ガスをカソード電極に供給するための酸化剤ガス流路が形成される。
図4において、ケースユニット36は、スタック本体34を収納するスタック収納空間54を形成するスタックケース56と、燃料電池用補機58を収納する補機収納空間60を形成する補機ケース62とを備える。ケースユニット36は、上下方向(矢印U方向及び矢印D方向)及び車両前後方向(矢印Fr方向及び矢印Rr方向)から見て矩形状であり、その長辺が車幅方向(矢印W方向)に沿って延在する(図2及び図3参照)。
スタックケース56は、スタック本体34の外周面を覆う四角筒状の周壁ケース64と、周壁ケース64の一端(矢印L方向の端)に配設された第1エンドプレート66と、周壁ケース64の他端(矢印R方向の端)に配設された第2エンドプレート68とを含む。すなわち、スタック収納空間54は、周壁ケース64、第1エンドプレート66及び第2エンドプレート68によって形成される。
第1エンドプレート66は、周壁ケース64の一端側の第1開口部70を閉塞するように周壁ケース64に図示しないボルトにより接合される。第2エンドプレート68は、周壁ケース64の他端側の第2開口部72を閉塞するように周壁ケース64にボルト74により接合される。
補機ケース62は、補機収納空間60に収容された燃料電池用補機58を保護するための保護ケースである。補機収納空間60に収容される燃料電池用補機58としては、例えば、図示しない気液分離器、インジェクタ、エジェクタ、燃料ガスポンプ、バルブ類等が挙げられる。
補機ケース62は、矢印L方向が開口した箱型の第1ケース部材76と、矢印R方向が開口した箱型の第2ケース部材78とを互いに接合することにより形成される。第1ケース部材76は、上述した第1エンドプレート66と、第1エンドプレート66の外周縁部から矢印L方向に突出した第1周壁部80と、第1周壁部80の突出端に設けられた環状の第1フランジ部82とを含む。第1エンドプレート66は、スタックケース56の壁部と補機ケース62の壁部の両方を兼ねている。換言すると、第1エンドプレート66は、スタック収納空間54と補機収納空間60との隔壁である。
第2ケース部材78は、ケースユニット36の矢印L方向の端に位置する外側プレート84と、外側プレート84の外周縁部から矢印R方向に突出した第2周壁部86と、第2周壁部86の突出端に設けられた環状の第2フランジ部88とを含む。第1ケース部材76と第2ケース部材78とは、第1フランジ部82と第2フランジ部88とを互いに接触させた状態でボルト90で締結することによって一体化される。
電装ユニット32は、ケースユニット36のうち複数の発電セル38の積層方向に直交する方向に位置する外面92に固定されている。具体的に、電装ユニット32は、周壁ケース64における車両後方(矢印Rr方向)に位置する外面92に対して複数のボルト94a、94bによって接合されている。図3に示すように、電装ユニット32は、矢印Rr方向から見て略四角形状に形成されている。電装ユニット32は、周壁ケース64(ケースユニット36)よりも下方に延出している。
図3及び図4において、電装ユニット32は、電装ユニット本体96と、電装ユニット本体96を収容する電装ケース98とを備える。電装ユニット本体96は、燃料電池スタック30の電圧を制御する電圧制御ユニット(VCU: Voltage Control Unit)である。電装ケース98の下部には、下方に突出した突出部100が一体的に設けられている(図3及び図5参照)。突出部100は電装ユニット32の矢印L方向に寄って設けられている。これにより補機ケース62の重量を良好に受けることができる。
電装ケース98は、電装ユニット本体96を収容する収容空間102(図4参照)が形成されたケース本体部104と、ケース本体部104から矢印L方向に延出した第1取付部106と、ケース本体部104から矢印R方向に延出した第2取付部108とを有する。図4において、第1取付部106及び第2取付部108の厚さは、ケース本体部104よりも薄い(車両前後方向の長さが短い)。図3において、第1取付部106及び第2取付部108は、ケース本体部104の上下方向の全長に亘って延在している。突出部100は、第1取付部106とケース本体部104とに跨るように設けられている。
図5に示すように、第1取付部106には、例えば、2本のボルト94aが挿通する2つの挿通孔110が形成されている。第2取付部108には、例えば、2本のボルト94bが挿通する2つの挿通孔112が形成されている。ボルト94a、94b及び挿通孔110、112の数及び位置等は、電装ケース98が確実に周壁ケース64に固定されるよう適宜設定可能である。
電装ケース98の壁部内には、電装ユニット32を冷却するための冷媒流路114が形成されている。冷媒流路114には、第1取付部106の下部に設けられた導入ポート部116から冷媒が導入される。冷媒流路114を流通した冷媒は、第2取付部108の下部に設けられた導出ポート部118から導出される。導入ポート部116は、第1取付部106の側面(矢印L方向の外面)から外方(矢印L方向)に突出している。導出ポート部118は、第2取付部108の側面(矢印R方向の外面)から外方(矢印R方向)に突出している。冷媒流路114を流通する冷媒としては、例えば、水やエチレングリコールが挙げられるがこれに限定されない。
冷媒流路114は、冷媒導入路120、第1冷却流路122、第2冷却流路124及び冷媒導出路126を含む。冷媒導入路120は、導入ポート部116の内孔116aに連通するように第1取付部106の壁部内に形成されている。第1冷却流路122は、車幅方向(矢印W方向、発電セル38の積層方向)に延在するように突出部100の壁部内に形成されている。第1冷却流路122の一端(矢印L方向の端)は、冷媒導入路120に連通している。
第2冷却流路124は、ケース本体部104の壁部内に形成されている。図4において、第2冷却流路124は、収容空間102と周壁ケース64との間に位置している。換言すれば、第2冷却流路124と収容空間102とは、隔壁128によって仕切られている。隔壁128は、収容空間102の車両前方側の壁面130を形成する。隔壁128の壁面130には、電装ユニット本体96が設けられている。
図5に示すように、第2冷却流路124は、第1延在流路部132、折り返し流路部134及び第2延在流路部136を含む。第1延在流路部132及び第2延在流路部136は、上下方向に沿って直線状に延在している。ただし、第1延在流路部132及び第2延在流路部136は、上下方向に沿って湾曲しながら(例えば、波状に)延在してもよい。第1延在流路部132と第2延在流路部136とは、車幅方向に並ぶとともに壁部138によって仕切られている。第1延在流路部132の一端(下端)は、第1冷却流路122の他端(矢印R方向の端)に連通している。
折り返し流路部134は、第1延在流路部132の他端(上端)と第2延在流路部136の一端(上端)とを互いに連通する。折り返し流路部134は、車幅方向に延在している。ただし、折り返し流路部134は、上方に凸となる円弧形状であってもよい。冷媒導出路126は、第2延在流路部136の他端(下端)と導出ポート部118の内孔118aとを互いに連通するように第2取付部108の壁部内に形成されている。ケース本体部104の上壁部には、冷媒流路114内の空気を外部に排出するためのエア抜きポート部137が設けられている。
図1及び図3に示すように、駆動ユニット26は、燃料電池システム12の下方に配置された駆動ユニット本体140と、駆動ユニット本体140に設けられて車体18に固定可能な固定部142とを有する。駆動ユニット本体140は、燃料電池システム12で発電された電力や図示しないバッテリ等から供給された電力により車両14を駆動させる。具体的に、駆動ユニット本体140は、図示しない走行用モータ、減速機等を有する。つまり、駆動ユニット本体140は、車両14の前輪24を回転させる。ただし、駆動ユニット本体140は、車両14の図示しない後輪を回転させてもよい。
駆動ユニット本体140の上面とケースユニット36の下面との間には、隙間Sが設けられている。固定部142は、車体18に対してボルト143によって接合されている。本実施形態において、固定部142は、駆動ユニット本体140に対して4つ設けられている。固定部142の数、位置、大きさ、形状等は、適宜設定可能である。
図1~図5に示すように、接続構造28は、第1マウント部144、第2マウント部146及び第3マウント部148を有する。第1マウント部144は、ケースユニット36の一端部(矢印L方向の端部)と駆動ユニット本体140とを互いに接続する。第1マウント部144は、上下方向に延在した板状の第1接続部材150と、第1接続部材150を固定するための複数のボルト152a、152bとを含む。第1接続部材150の上端側は、複数のボルト152aによってケースユニット36の一端面(矢印L方向の端面、外側プレート84)に対して接合されている。第1接続部材150の下端側は、複数のボルト152bによって駆動ユニット本体140に対して接合されている(図1及び図3参照)。
図2~図4において、第2マウント部146は、ケースユニット36の他端部(矢印R方向の端部)と駆動ユニット本体140とを互いに接続する。第2マウント部146は、上下方向に延在した板状の第2接続部材154と、第2接続部材154を固定するための複数のボルト156a、156bとを含む。第2接続部材154の上端側は、複数のボルト156aによってケースユニット36の他端面(矢印R方向の端面、第2エンドプレート68)に対して接合されている。第2接続部材154の下端側は、複数のボルト156bによって駆動ユニット本体140に対して固定されている(図3参照)。
図1、図3及び図5において、第3マウント部148は、電装ユニット32と駆動ユニット26とを互いに接続する。第3マウント部148は、電装ケース98に一体的に設けられた上述した突出部100と、駆動ユニット本体140に一体的に設けられた第3接続部材158と、第3接続部材158を突出部100に固定するための複数のボルト160とを含む。第3接続部材158は、駆動ユニット本体140から車両後方(矢印Rr方向)に突出している(図1参照)。
図3及び図5に示すように、ボルト160は、2本である。ボルト160は、突出部100の突出端面(下面)と第3接続部材158の上面とを互いに接触させた状態で突出部100と第3接続部材158とを互いに接合する。2本のボルト160は、車幅方向に並んでいる。各ボルト160は、冷媒流路114よりも車両後方に位置している。ボルト160の数及び配置は、適宜設定可動である。
本実施形態に係る燃料電池システム12のマウント構造10は、以下の効果を奏する。
接続構造28は、ケースユニット36の積層方向の一端部と駆動ユニット26とを互いに接続する第1マウント部144と、ケースユニット36の積層方向の他端部と駆動ユニット26とを互いに接続する第2マウント部146と、電装ユニット32と駆動ユニット26とを互いに接続する第3マウント部148と、を有する。
このような構成によれば、ケースユニット36の両端部が第1マウント部144と第2マウント部146とにより駆動ユニット26に接続され、ケースユニット36の外面92に固定された電装ユニット32が第3マウント部148により駆動ユニット26に接続されている。そして、駆動ユニット26は、固定部142により車体18に固定される。そのため、外部荷重(車両走行時の振動や衝突等の外部荷重)に対して燃料電池システム12を良好に保護することができる。また、第1マウント部144、第2マウント部146及び第3マウント部148は全て駆動ユニット26に接続され、外方に燃料電池システム12を固定するための部材を設ける必要がないため、マウント構造10を簡単且つコンパクトにすることができる。
燃料電池スタック30は、積層方向が車幅方向(矢印W方向)を向くように車両14に搭載されている。電装ユニット32は、ケースユニット36のうち車両後方に位置する外面92に固定されている。
このような構成によれば、燃料電池システム12のマウント構造10が車幅方向に大きくなることを抑えることができる。
電装ユニット32は、電装ユニット本体96と、電装ユニット本体96を覆う電装ケース98と、を有する。第3マウント部148は、電装ケース98の下部から下方に突出するように当該電装ケース98に一体的に設けられた突出部100を含む。
このような構成によれば、第3マウント部148が電装ユニット本体96よりも車両後方に突出することを抑えることができる。
電装ケース98には、電装ユニット本体96を冷却するための冷媒流路114が形成されている。
このような構成によれば、冷媒流路114を流れる冷媒によって電装ユニット本体96を効率的に冷却することができる。
冷媒流路114は、突出部100の内部に延在するように形成されている。
このような構成によれば、冷媒流路114を流れる冷媒によって冷却される突出部100によって駆動ユニット26を冷却することができる。そのため、冷媒流路114を流れる冷媒によって、電装ユニット本体96と駆動ユニット26の両方を同時に冷却することができる。
冷媒流路114は、折り返し流路部134を含む。
このような構成によれば、コンパクトな構成で冷却効率を高めることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。第1マウント部144及び第2マウント部146は、ケースユニット36の下面に対して接合されてもよい。
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
上記実施形態は、車両(14)に搭載される燃料電池システム(12)と、前記燃料電池システムの下方に配置されて前記車両を駆動させるための駆動ユニット(26)と、前記燃料電池システムを前記駆動ユニットに接続するための接続構造(28)と、を備えた燃料電池システムのマウント構造(10)であって、前記燃料電池システムは、複数の発電セル(38)が互いに積層されてなるセル積層体(40)と当該セル積層体を覆うケースユニット(36)とを含む燃料電池スタック(30)と、前記燃料電池スタックを制御する電装ユニット(32)と、を有し、前記電装ユニットは、前記ケースユニットにおける前記複数の発電セルの積層方向に直交する方向に位置する外面(92)に固定され、前記駆動ユニットは、車体(18)に固定するための固定部(142)を有し、前記接続構造は、前記ケースユニットの前記積層方向の一端部と前記駆動ユニットとを互いに接続する第1マウント部(144)と、前記ケースユニットの前記積層方向の他端部と前記駆動ユニットとを互いに接続する第2マウント部(146)と、前記電装ユニットと前記駆動ユニットとを互いに接続する第3マウント部(148)と、を有する、燃料電池システムのマウント構造を開示している。
上記の燃料電池システムのマウント構造において、前記燃料電池スタックは、前記積層方向が車幅方向を向くように前記車両に搭載され、前記電装ユニットは、前記ケースユニットのうち車両後方に位置する前記外面に固定されてもよい。
上記の燃料電池システムのマウント構造において、前記電装ユニットは、電装ユニット本体(96)と、前記電装ユニット本体を覆う電装ケース(98)と、を有し、前記第3マウント部は、前記電装ケースの下部から下方に突出するように当該電装ケースに一体的に設けられた突出部(100)を含んでもよい。
上記の燃料電池システムのマウント構造において、前記電装ケースには、前記電装ユニット本体を冷却するための冷媒流路(114)が形成されてもよい。
上記の燃料電池システムのマウント構造において、前記冷媒流路は、前記突出部の内部に延在するように形成されてもよい。
上記の燃料電池システムのマウント構造において、前記冷媒流路には、折り返し流路部(134)を含んでもよい。
10…マウント構造 12…燃料電池システム
14…車両 18…車体
26…駆動ユニット 28…接続構造
30…燃料電池スタック 32…電装ユニット
36…ケースユニット 38…発電セル
40…セル積層体 96‥電装ユニット本体
98…電装ケース 100…突出部
114…冷媒流路 134…折り返し流路部
142…固定部 144…第1マウント部
146…第2マウント部 148…第3マウント部

Claims (6)

  1. 車両に搭載される燃料電池システムと、
    前記燃料電池システムの下方に配置されて前記車両を駆動させるための駆動ユニットと、
    前記燃料電池システムを前記駆動ユニットに接続するための接続構造と、を備えた燃料電池システムのマウント構造であって、
    前記燃料電池システムは、
    複数の発電セルが互いに積層されてなるセル積層体と当該セル積層体を覆うケースユニットとを含む燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックを制御する電装ユニットと、を有し、
    前記電装ユニットは、前記ケースユニットにおける前記複数の発電セルの積層方向に直交する方向に位置する外面に固定され、
    前記駆動ユニットは、車体に固定するための固定部を有し、
    前記接続構造は、
    前記ケースユニットの前記積層方向の一端部と前記駆動ユニットとを互いに接続する第1マウント部と、
    前記ケースユニットの前記積層方向の他端部と前記駆動ユニットとを互いに接続する第2マウント部と、
    前記電装ユニットと前記駆動ユニットとを互いに接続する第3マウント部と、を有する、燃料電池システムのマウント構造。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムのマウント構造であって、
    前記燃料電池スタックは、前記積層方向が車幅方向を向くように前記車両に搭載され、
    前記電装ユニットは、前記ケースユニットのうち車両後方に位置する前記外面に固定されている、燃料電池システムのマウント構造。
  3. 請求項1又は2に記載の燃料電池システムのマウント構造であって、
    前記電装ユニットは、
    電装ユニット本体と、
    前記電装ユニット本体を覆う電装ケースと、を有し、
    前記第3マウント部は、前記電装ケースの下部から下方に突出するように当該電装ケースに一体的に設けられた突出部を含む、燃料電池システムのマウント構造。
  4. 請求項3記載の燃料電池システムのマウント構造であって、
    前記電装ケースには、前記電装ユニット本体を冷却するための冷媒流路が形成されている、燃料電池システムのマウント構造。
  5. 請求項4記載の燃料電池システムのマウント構造であって、
    前記冷媒流路は、前記突出部の内部に延在するように形成されている、燃料電池システムのマウント構造。
  6. 請求項4又は5に記載の燃料電池システムのマウント構造であって、
    前記冷媒流路には、折り返し流路部を含む、燃料電池システムのマウント構造。
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