JP4995876B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、複数の発電セルが積層された燃料電池スタックを含む燃料電池ユニットを、ダッシュボード前方に形成されたフロントルームに配置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の両側に、それぞれ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（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、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の車載用燃料電池スタックでは、車両のフロントルーム（モータルーム）に配置する構成が知られている。例えば、特許文献１に開示されている車載用燃料電池システムは、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの積層方向が鉛直方向に向かうようにフロントボックス（フロントルーム）に搭載されている。

これにより、燃料電池スタックを車両のフロントボックスに良好に搭載するとともに、車両寸法を変更させることがなく、高出力化を図ることが可能になる。

特開２００３−１７３７９０号公報

ところで、燃料電池スタックは、多数（数百）の発電セルが積層されて構成されるため、前記発電セルが鉛直方向に積層される際には、前記燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法が相当に大きくなる。従って、特に高出力の燃料電池スタックを搭載しようとすると、車両のフロントボックスを構成するボンネットの高さを高く設定しなければならないという問題がある。

しかも、燃料電池スタックは、一般的に下部側が車体フレームに固定されている。このため、車両に衝撃が付与された際には、燃料電池スタックは、下部側を支点にして上部側が傾動し易い。これにより、燃料電池スタックは、他の設備に当接して損傷するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタックを狭小なフロントルーム内に効率的に配置させることができ、しかも外部からの衝撃を有効に緩和して前記燃料電池スタックの損傷を可及的に阻止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、複数の発電セルが積層された燃料電池スタックを含む燃料電池ユニットを、ダッシュボード前方に形成されたフロントルームに配置する燃料電池車両に関するものである。

この燃料電池車両は、フロントガラスの前端部下方に車幅方向に延在して配置され、前記フロントガラスからの雨水を受けるとともに、前記雨水を前記車幅方向に流動させる排水部材を備えている。そして、燃料電池ユニットは、ダッシュボードと排水部材との間に配置されるとともに、下端部を支点にして車長方向前方に傾動した際、前記燃料電池ユニットの少なくとも一部が前記排水部材に当接する姿勢に設定されている。

また、排水部材の車幅方向両端は、左右のダンパーハウジングに接続されることが好ましい。

さらに、燃料電池ユニットの下方には、ステアリングギアボックスが配置されることが好ましい。

さらにまた、燃料電池ユニットは、燃料電池スタックに駆動モータを含む関連機器が一体化されて構成されることが好ましい。

また、燃料電池スタックは、発電セルが上下方向に積層されることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックは、発電セルが水平方向に積層されるとともに、前記燃料電池スタックの上部には、高電圧ユニットが一体化されて載置されることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池ユニットは、ダッシュボードと排水部材との間に配置されるため、前記ダッシュボード前方の比較的高さ方向に大きな寸法を有する空間を、前記燃料電池ユニットを配置するためのスペースとして有効に活用することができる。従って、高さ方向に大きな燃料電池ユニットを、狭小なフロントルーム内に効率的に配置させることが可能になる。

しかも、燃料電池ユニットは、下端部を支点にして車長方向前方に傾動した際、前記燃料電池ユニットの少なくとも一部が排水部材に当接する姿勢に設定されている。これにより、外部からの衝撃を排水部材により保持することができ、前記衝撃を有効に緩和して燃料電池スタックの損傷を可及的に阻止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概略側面図である。 前記燃料電池車両の一部概略平面図である。 前記燃料電池車両の一部概略斜視説明図である。 前記燃料電池車両の一部概略正面視説明図である。 前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタックの一部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池車両の一部概略側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池車両の一部概略側面図である。

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車両１０は車体１２を備える。この車体１２は、ダッシュボード１４及びフロントガラス１６によりキャビン１５を形成するとともに、前記ダッシュボード１４の前方には、フロントルーム（モータールーム）１８が形成される。

ダッシュボード１４は、ダッシュボードロア１４ａ及びダッシュボードアッパー１４ｂを接合して構成される。ダッシュボードアッパー１４ｂの先端には、フロントガラス１６の前端部１６ａが配置される。フロントルーム１８は、フロントカバー２０により外部に開閉自在である。

車体１２は、メインフレーム２２を備え、このメインフレーム２２は、車長方向（矢印Ａ方向）に延在してフロントルーム１８内の先端まで配置されるとともに、車幅方向（図２中、矢印Ｂ方向）に連結される。メインフレーム２２には、サブフレーム２４が接合される。メインフレーム２２には、ラジエータ２６が取り付けられる一方、サブフレーム２４には、駆動モータ２８及びステアリングギアボックス３０が取り付けられる。

図３及び図４に示すように、駆動モータ２８は、左右両側の車軸３２に連結されるとともに、各車軸３２には、ホイール３４が装着される。各ホイール３４は、ホイールハウス３５に配置されるとともに、ダンパ３６に連結される。ダンパ３６は、ダンパハウジング３８に保持される。各車軸３２には、ステアリングギアボックス３０が連結される。

図１及び図３に示すように、ダッシュボードアッパー１４ｂの先端には、フロントガラス１６から流れ落ちる雨水を通過させるための通気孔４０が形成される。フロントガラス１６の前端部１６ａの下方には、排水部材４２が配置される。排水部材４２は、車幅方向に延在するとともに、その車幅方向両端は、左右のダンパハウジング３８に取り付け部４４を介して固定される。

排水部材４２は、車幅方向中央部が山高形状を有し、車幅方向両端に向かって下方に傾斜する。排水部材４２は、車長方向前方側に通気孔４０から流入した雨水を車幅方向両側に流動させるために、略雨どい形状を有して上方に開口する矩形状の第１雨どい部４６ａを設ける。第１雨どい部４６ａの車幅方向両端は、ダンパハウジング３８に延在し、ホイールハウス３５に雨水を排出するように構成される。

排水部材４２は、第１雨どい部４６ａから各通路部４８を介して連なる第２雨どい部４６ｂを設ける。第２雨どい部４６ｂは、ダンパハウジング３８の取り付け部位を挟んで第１雨どい部４６ａに対向しており、ダッシュボード１４の近傍に延在してホイールハウス３５に排水可能に構成される。

図１に示すように、ダッシュボード１４と排水部材４２との間には、燃料電池ユニット５０が配置される。燃料電池ユニット５０は、燃料電池スタック５２に駆動モータ２８を含む関連機器が一体化されて構成される。燃料電池ユニット５０の下方には、ステアリングギアボックス３０が配置される。燃料電池スタック５２は、複数の発電セル５４が上下方向（矢印Ｃ方向）に積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート５６ａ、５６ｂ、絶縁プレート５８ａ、５８ｂ及びエンドプレート６０ａ、６０ｂが配置される。

図５に示すように、発電セル５４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）６２が、第１及び第２セパレータ６４、６６に挟持される。第１及び第２セパレータ６４、６６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータで構成される。

電解質膜・電極構造体６２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６８と、前記固体高分子電解質膜６８を挟持するカソード側電極７０及びアノード側電極７２とを備える。

カソード側電極７０及びアノード側電極７２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６８の両面に形成されている。

第１セパレータ６４の電解質膜・電極構造体６２に向かう面には、酸化剤ガス流路７４が設けられるとともに、第２セパレータ６６の前記電解質膜・電極構造体６２に向かう面には、燃料ガス流路７６が設けられる。各発電セル５４を構成する第１セパレータ６４と第２セパレータ６６との間には、冷却媒体流路７８が設けられる。

燃料電池スタック５２は、下端部がメインフレーム２２に固定されており、この下端部を支点にして車長方向前方に傾倒した際、前記燃料電池スタック５２の少なくとも一部、第１の実施形態では、上部が排水部材４２に当接するように設定される。燃料電池スタック５２の上部は、排水部材４２の車幅方向中央側（山高部位）の底面に対して、上方に距離Ｈだけ突出している。燃料電池スタック５２の最上面は、フロントガラス１６の前端部１６ａよりも車長方向後方に、且つ、ダッシュボードロア１４ａよりも前方に配置される。

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。

燃料電池スタック５２では、図５に示すように、燃料ガス流路７６に燃料ガスとして水素ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路７４に酸化剤ガスとして空気が供給される。これにより、各発電セル５４で発電が行われ、燃料電池スタック５２からの出力電力は、例えば、駆動モータ２８に送られる。このため、燃料電池車両１０は、駆動モータ２８の回転作用下に走行可能となる。

また、ラジエータ２６には、図示しない冷却媒体が循環供給されている。この冷却媒体は、冷却媒体流路７８に供給されることにより、燃料電池スタック５２を所望の温度範囲内に維持している。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック５２は、図１に示すように、ダッシュボード１４と排水部材４２との間に配置されている。このため、ダッシュボード１４の前方の比較的高さ方向に大きな寸法を有する空間、すなわち、ダッシュボードロア１４ａ及びダッシュボードアッパー１４ｂにより形成されるとともに、フロントガラス１６の下方に且つキャビン１５の上部側まで延在する空間に、燃料電池スタック５２を配置することができる。

従って、フロントルーム１８内のスペースを有効に活用することが可能になる。特に、複数の発電セル５４を上下方向に積層した高さ方向に大きな燃料電池スタック５２を、狭小なフロントルーム１８内に効率的に配置させることができるという効果が得られる。

しかも、燃料電池スタック５２には、下端部側がメインフレーム２２に接続されており、この下端部を支点にして車長方向前方に傾倒した際、前記燃料電池スタック５２の上部側が、排水部材４２に当接する姿勢に設定されている。

これにより、車体１２に外部から衝撃が付与された際、燃料電池スタック５２への衝撃を排水部材４２により保持することができる。このため、衝撃を有効に緩和して、燃料電池スタック５２の損傷を可及的に阻止することが可能になるという利点がある。

さらに、燃料電池スタック５２の下方には、ステアリングギアボックス３０が配置されている。従って、燃料電池車両１０が走行している際に、路面の突起や縁石又は石等から燃料電池スタック５２を有効に保護することができる。

さらにまた、排水部材４２は、上方が開口される略Ｕ字状、又は矩形状断面を有する第１雨どい部４６ａを設けるとともに、前記第１雨どい部４６ａは、車幅方向両側に延在してダンパハウジング３８の近傍に連結されている。これにより、排水部材４２は、補強部材として機能し、車体１２のボディ剛性を有効に向上させることが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池車両８０の一部概略側面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池車両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。

燃料電池車両８０を構成する燃料電池ユニット８２は、複数の発電セル５４が上下方向に積層される燃料電池スタック８４を備えるとともに、前記燃料電池スタック８４全体として、上部側が車長方向後方に傾斜している。

燃料電池スタック８４は、上部側がフロントガラス１６の前端部１６ａとダッシュボードロア１４ａとの間に配置される一方、前記燃料電池スタック８４の下端部側は、前記前端部１６ａよりも車長方向前方に突出している。

なお、フロントルーム１８内のスペースの有効利用を図るため、第２の実施形態では、駆動モータ２８とステアリングギアボックス３０との位置が、第１の実施形態とは逆に設定される。また、駆動モータ２８は、デフレンシャル８６を介装して車軸３２に連結されている。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック８４が、車長方向に傾斜しているものの、その他の構成は、上記の第１の実施形態と同様であり、該第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池車両９０の一部概略側面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池車両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。

燃料電池車両９０は、燃料電池ユニット９２を備えるとともに、前記燃料電池ユニット９２は、燃料電池スタック９４と、関連機器である駆動モータ２８及び高電圧ユニット（ＰＤＵ）９６とを一体化して構成される。

燃料電池スタック９４は、複数の発電セル５４が水平方向に積層されるとともに、前記燃料電池スタック９４の上部には、高電圧ユニット９６が一体化されて載置される。高電圧ユニット９６の上面９６ａは、排水部材４２の底面よりも高さＨ１だけ高く構成される。

これにより、第３の実施形態では、燃料電池スタック９４の上部側が傾動する際に、高電圧ユニット９６の上部が排水部材４２に当接保持される。このため、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、燃料電池ユニット９２では、燃料電池スタック９４が、複数の発電セル５４を水平方向に沿って積層し、この燃料電池スタック９４上に高電圧ユニット９６が一体化されて載置されている。従って、高さ方向に比較的低いフロントルーム１８内のスペースに、駆動モータ２８、燃料電池スタック９４及び高電圧ユニット９６を順に配置することができ、このフロントルーム１８内の有効スペース内の活用が容易に図られる。

その上、高電圧ユニット９６は、燃料電池スタック９４の上部に一体化されて載置されている。これにより、例えば、車体１２が水没した際にも、高電圧ユニット９６の浸水が良好に回避されるという利点が得られる。

１０、８０、９０…燃料電池車両 １２…車体
１４…ダッシュボード １４ａ…ダッシュボードロア
１４ｂ…ダッシュボードアッパー １５…キャビン
１６…フロントガラス １８…フロントルーム
２２…メインフレーム ２４…サブフレーム
２８…駆動モータ ３０…ステアリングボックス
３２…車軸 ３４…ホイール
３５…ホイールハウス ３６…ダンパ
３８…ダンパハウジング ４０…通気孔
４２…排水部材 ４６ａ、４６ｂ…雨どい部
５０、８２、９２…燃料電池ユニット ５２、８４、９４…燃料電池スタック
５４…発電セル ６２…電解質膜・電極構造体
６４、６６…セパレータ ６８…固体高分子電解質膜
７０…カソード側電極 ７２…アノード側電極
９６…高電圧ユニット

Claims (6)

1. 複数の発電セルが積層された燃料電池スタックを含む燃料電池ユニットを、ダッシュボード前方に形成されたフロントルームに配置する燃料電池車両であって、
   フロントガラスの前端部下方に車幅方向に延在して配置され、前記フロントガラスからの雨水を受けるとともに、前記雨水を前記車幅方向に流動させる排水部材を備え、
   前記燃料電池ユニットは、前記ダッシュボードと前記排水部材との間に配置されるとともに、下端部を支点にして車長方向前方に傾動した際、該燃料電池ユニットの少なくとも一部が該排水部材に当接する姿勢に設定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、前記排水部材の前記車幅方向両端は、左右のダンパーハウジングに接続され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、前記燃料電池ユニットの下方には、ステアリングギアボックスが配置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、前記燃料電池ユニットは、前記燃料電池スタックに駆動モータを含む関連機器が一体化されて構成されることを特徴とする燃料電池車両。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、前記発電セルが上下方向に積層されることを特徴とする燃料電池車両。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、前記発電セルが水平方向に積層されるとともに、
   前記燃料電池スタックの上部には、高電圧ユニットが一体化されて載置されることを特徴とする燃料電池車両。

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