JP5082413B2

JP5082413B2 - 移動体

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Publication number: JP5082413B2
Application number: JP2006327778A
Authority: JP
Inventors: 康信寿福
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: CN101505985A; JP2008137565A; WO2008069326A1; US20090101423A1; CN101505985B; US8016062B2

Description

本発明は、燃料電池を所定の移動体に搭載するための技術に関する。

燃料電池を電力供給源として車両に搭載する場合がある。この燃料電池において、燃料電池を傾斜させることにより、重力を利用して生成水を集約すると共に、それを反応ガス排出口から外部に排出させる技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００２−１９８０７７号公報

ところで、車両は、坂道（斜面）を上ったり下ったりする場合があるが、特に、上り坂では、燃料電池において、多くの電力供給を必要とし、燃料電池で瞬時に大量の生成水が発生するおそれがある。この場合、上述の特許文献１に記載の技術のように、単に燃料電池を傾斜させるだけでは、坂道（斜面）の角度でその傾斜が相殺され、重力を利用して生成水を排出させることが困難になる場合があった。このように、生成水の排出が滞ると、フラッディングを誘発し、その結果、燃料電池の発電効率が低下し、車両の走行に支障をきたすおそれがあった。このような問題は、車両が下り坂を走行する場合にも生じるおそれがある。

また、車両に燃料電池を傾斜させて配置すると、配置位置において、燃料電池の底面（下面）下に余分なスペースが生じるという問題があった。

なお、燃料電池は、一般的に、カソードよりもアノードから排出する反応ガス量が少ない場合が多く、それに伴い、特に、アノードにおいて、生成水の排出が滞り、カソードよりアノードにおいてフラッディングが生じる蓋然性が高い。また、燃料電池が、車両の他、リニアモーターカー、船、飛行機、および、ロボットなどの他の移動体に搭載される場合においても、上記問題は生じ得る。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、第１の目的として、燃料電池が搭載される移動体において、斜面を移動中であっても重力を利用してアノード側の生成水を排出させることが可能な技術を提供し、第２の目的として、燃料電池を移動体に傾斜させて配置した場合において、燃料電池の底面下の余分なスペースの有効利用を行なうことが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の移動体では、複数の隅部を有する燃料電池が搭載される移動体であって、前記燃料電池は、アノードで電気化学反応に供された燃料ガスを前記燃料電池外部に排出するための燃料ガス排出ポートを備え、前記燃料電池は、前記移動体の前進方向側が前記前進方向の反対方向側より高くなるように、水平面に対して傾斜して配置されると共に、前記複数の隅部のうち、前記燃料電池の前記燃料ガス排出ポートに最も近い前記隅部が、最下点となるように配置されることを要旨とする。

上記構成の移動体によれば、斜面を移動中であっても重力を利用してアノード側の生成水を排出させることが可能である。なお、上記燃料電池は、隅部を複数有する多角形の柱状体（例えば、直方体形状）であることが好ましい。この場合、隅部とは、多角形の柱状体形状の頂部が、面取りされている場合において、その部分を含む概念である。

上記移動体において、前記燃料電池は、カソードで電気化学反応に供された酸化ガスを前記燃料電池外部に排出するための酸化ガス排出ポートを備え、前記燃料電池において、前記燃料ガス排出ポートは、少なくとも前記酸化ガス排出ポートよりも、最下点となる前記隅部に近い位置に設けられていることが好ましい。

このようにすれば、アノード内の生成水を重力を利用して効率よく収集することができ、その収集した生成水を重力を利用して燃料ガス排出ポートから効率よく排出することができる。

上記移動体において、前記燃料電池は、セパレータと膜電極接合体を積層して成る積層体であり、前記積層体の端部に配置され、前記燃料ガス排出ポートが設けられるエンドプレートを備え、前記移動体は、前記燃料電池を支持し、前記燃料電池を傾斜させて配置するための支持部材と、前記支持部材に固定され、少なくとも一部が弾性体から成るマウントと、前記マウントを前記燃料電池のエンドプレートに固定するためのマウント固定部材と、を備えることが好ましい。

このようにすれば、燃料電池と支持部材とをしっかり固定することができ、すなわち、燃料電池を支持部材でしっかり支持することができる。さらに、この場合、燃料電池のエンドプレートと支持部材との間に、ゴムから成るマウントを介しているので、車両に外力が加わり、支持部材に外力が伝達しても、その外力をマウントで緩和することが可能となる。

上記移動体において、前記最下点を通る前記燃料電池の底面の下に形成される空間に、前記燃料電池からの排出流体を導入するための流体導入部を配置することが好ましい。

このようにすれば、燃料電池の傾斜に伴い生じたスペースである上記空間を有効利用することができる。さらに、燃料電池から排出される反応ガスや水をすぐに流体導入部に導くことができる。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の移動体では、燃料電池が搭載される移動体であって、前記燃料電池を、水平面に対して傾斜させて配置し、前記燃料電池の最下点となる隅部を通る前記燃料電池の下面の下に形成される空間に、前記燃料電池からの排出流体を導入するための流体導入部を配置することを要旨とする。

上記構成の移動体によれば、燃料電池の側面下の余分なスペースの有効利用を行なうことが可能となる。

上記移動体において、前記流体導入部は、希釈器または気液分離器であることが好ましい。このようにすれば、燃料電池から排出される反応ガスや水をすぐに流体導入部としての希釈器や気液分離器に導くことができる。

上記移動体において、前記移動体は、車両であることが好ましい。このようにすれば、車両が斜面を走行中であっても重力を利用してアノード側の生成水を排出させることが可能である。

上記移動体において、前記燃料電池は、乗務員シート下に設けられることが好ましい。このようにすれば、車両におけるスペースを有効利用することができる。

なお、本発明は、上記した移動体の態様の他、車両やロボットなど他の装置発明の態様として実現することも可能である。また、移動体における燃料電池車載方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池１００の構成：
図１は、本発明の一実施例における車両１０００において、燃料電池１００の車載位置を説明するための概略構成図である。まず、燃料電池１００について説明する。燃料電池１００は、単セル（図示せず）を複数積層し、その積層体をエンドプレート１５０で挟持したスタック構造であり、略立方体形状を成す。燃料電池１００を収納する燃料電池ケース１００Ａも燃料電池１００と同様の立方体形状を成す。この燃料電池１００は、燃料ガスを各単セルのアノード（図示せず）に供給するための燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と、酸化ガスを各単セルのカソード（図示せず）に供給するための酸化ガス供給マニホールド（図示せず）と、アノードで電気化学反応に供されなかった燃料ガスを集約し、燃料電池１００外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド１６０（図１では、図示せず）と、カソードで電気化学反応に供されなかった酸化ガスを集約し、燃料電池１００外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド（図示せず）などを備えている。これらマニホールドは、単セルの積層方向に平行に設けられ、エンドプレート１５０に設けられる各ポートと接続されている。図１には、燃料ガス排出ポート１１０のみを示している。燃料ガス排出ポート１１０以外の他のポートについての説明は、後述する。燃料ガス排出ポート１１０は、燃料ガス排出マニホールド１６０と接続され、燃料ガスを燃料電池１００の外部に排出させるためのポートである。

上述のように略立方体形状である燃料電池１００において、８つの頂部のうち、任意の頂部を頂部Ｐとする。燃料ガス排出ポート１１０は、燃料電池１００の各頂部のうちで、頂部Ｐに最も近い位置に形成され、さらに、頂部Ｐに対して他のポート（後述の酸化ガス排出ポート１２０など）と比較して最も近い位置に形成されている。

なお、上述の単セルは、電解質膜（図示せず）を触媒電極層（図示せず）で挟持して成る膜電極接合体（ＭＥＡ）を、さらに、導電性プレート（いわゆる、セパレータ）で挟持されて構成される。

Ａ２．燃料電池１００の車載位置：
本実施例の車両１０００において、図１に示すように、前後、左右、上下方向を規定する。なお、「前方向」とは、車両１０００の前進方向であり、図１では、前進方向は水平方向でもある。燃料電池１００は、燃料電池ケース１００Ａに収納されており、図１に示すように、車両１０００において、乗務員シート９１０下であって、フロアパネル９２０下に配置される。具体的には、後述する部品を用いて、フロアパネル９２０下に配置されるサイドフレーム９３０に取り付けられるが、詳細は後述する。

Ａ３．燃料電池１００の配置状態：
図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す斜視図である。図１、図２に示すように、燃料電池１００は、頂部Ｐが、前後方向において後方側に、左右方向において右方向に位置すると共に、各頂部において最下点となるように傾斜して配置される。これについて以下に具体的に説明する。

図３は、車両１０００において燃料電池１００周辺を左方向に向かって見た図である。図４は、車両１０００において燃料電池１００周辺を後方向に向かって見た図である。図５は、車両１０００において燃料電池１００を上方向に向かって見た図である。燃料電池１００は、図３〜図５に示すように、マウント４００Ａ，Ｂ，Ｃを介して、支持部材３００と接続されている。この支持部材３００は、高さが異なる凸部３００Ａ，Ｂ，Ｃを備えており、凸部３００Ｂ、凸部３００Ｃ、凸部３００Ａの順で高くなっている。マウント４００Ａ，Ｂ，Ｃは、ゴムから成る。

燃料電池１００と支持部材３００との接続を具体的に説明すると、図４に示すように、燃料電池１００のエンドプレート１５０と、燃料電池ケース１００Ａの下面部および支持部材３００の各凸部３００Ａ，Ｂ，Ｃとが、それぞれマウント４００Ａ，Ｂ，Ｃを介して、マウントボルト４１０によって固定される。この場合、燃料電池１００において、各頂部のうち頂部Ｐが、凸部３００Ａと最も近くなるように、燃料電池１００を配置する。これにより、燃料電池１００は、頂部Ｐが最下点となるように傾斜して配置される。さらに、各マウントボルト４１０には、絶縁性のマウントカバー４２０が取り付けられている。上記図１および図２において、マウント４００Ａ，Ｂ，Ｃや支持部材３００などは、省略して示しており、また、図３および図５において、マウント４００Ａ，Ｂ，Ｃを簡略化して示し、マウントボルト４１０などは省略して示している。支持部材３００は、サイドフレーム９３０に固定される。

なお、本実施例において燃料電池１００は、前後方向においてα°、左右方向においてβ°傾斜して配置される。このαは、１０〜３０程度が好ましく、特に１５〜２０程度が好ましい。また、このβは、３〜１０程度が好ましく、特に３〜５程度が好ましい。

図３に示すように、燃料電池１００のエンドプレート１５０には、頂部Ｐ近傍に燃料ガス排出ポート１１０が設けられ、頂部Ｑ近傍に酸化ガス排出ポート１２０が設けられている。酸化ガス排出ポート１２０は、酸化ガス排出マニホールドと接続され、酸化ガスを燃料電池１００の外部に排出させるためのポートである。また、このエンドプレート１５０には、他に、燃料ガス供給マニホールドに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給ポート１３０と、酸化ガス供給マニホールドに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ポート１４０とが設けられている。

また、図４に示すように、燃料ガス排出ポート１１０は、燃料ガス排出マニホールド１６０からの燃料ガスを後述する希釈器５００に導入するための燃料ガス導入管１１５と接続される。図３〜図５では、図示を省略しているが、酸化ガス排出ポート１２０は、酸化ガス排出マニホールドからの酸化ガスを後述する希釈器５００に導入するための酸化ガス導入管１１７と接続される。

さらに、本実施例の車両１０００は、図３〜図５に示すように、燃料電池１００下面（底面）の下であって、燃料電池ケース１００Ａ下面の下に形成される空間（以下では、空間Ｋとも呼ぶ）に、希釈器５００を備えている。

図６は、希釈器５００の概略外観構成を示す図である。この希釈器５００は、図示するように、燃料ガス導入管１１５、酸化ガス導入管１１７、および、希釈ガス排出管５２０と接続されており、燃料ガス導入管１１５から導入される燃料ガスを酸化ガス導入管１１７から導入される酸化ガスと混合し、希釈するための装置である。希釈器５００で希釈されたガスは、希釈ガス排出管５２０を介してマフラーへ導入される。また、希釈器５００は、図６に示すように、上面（上蓋）が燃料電池ケース１００Ａの下面に沿うように形成されている。これにより、希釈器５００は、上記空間Ｋに無駄なく配置される。

以上のように、本実施例の車両１０００では、燃料電池１００の頂部のうち、燃料ガス排出ポート１１０に最も近い頂部Ｐが、前後方向において後方側に、左右方向において右方向に位置すると共に、各頂部において最下点となるように燃料電池１００を傾斜して配置している。このようにすれば、車両１０００が、上り坂を走行する場合には、常に、燃料ガス排出ポート１１０は燃料電池１００の最下点近傍に位置するので、各単セルのアノード内の生成水を燃料ガス排出マニホールド１６０に重力を利用して収集することが可能であり、さらに、その収集した生成水を重力を利用して燃料ガス排出ポート１１０から排出することが可能となる。その結果、燃料電池１００の各単セルにおいて、フラッディングを誘発することを抑制し、延いては、燃料電池の発電効率の低下を抑制し、車両１０００の走行に支障をきたすことを抑制することができる。また、車両１０００が、α°よりも傾斜がゆるい下り坂を走行する場合には、同様の効果を奏することが可能である。

ところで、一般的に、カソードよりもアノードから排出する反応ガス量が少ない場合が多い。そこで、本実施例の車両１０００では、前記燃料電池１００の最下点となる頂部Ｐに対して、酸化ガス排出ポート１２０より燃料ガス排出ポート１１０を近くに設けるようにしている。このようにすれば、燃料電池１００の各単セルにおいて、アノード内の生成水を燃料ガス排出マニホールド１６０に重力を利用して効率よく収集することができ、その収集した生成水を重力を利用して燃料ガス排出ポート１１０から効率よく排出することができる。

また、本実施例の車両１０００では、燃料電池１００のエンドプレート１５０と支持部材３００とをマウント４００Ａ，Ｂ，Ｃを介して、固定するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００と支持部材３００とをしっかり固定することができ、すなわち、燃料電池１００を支持部材３００でしっかり支持することができる。さらに、この場合、燃料電池１００のエンドプレート１５０と支持部材３００との間に、ゴムから成るマウント４００を介しているので、車両１０００に外力が加わり、支持部材に外力が伝達しても、マウント４００で緩和することが可能となる。

さらに、本実施例の車両１０００では、空間Ｋに希釈器５００を無駄なく配置するようにしている。このようにすれば、燃料電池１００の傾斜に伴い生じたスペースである空間Ｋを有効利用することができる。

車両１０００において乗務員シート９１０下は、比較的上下方向にスペースを取ることができる。そこで、本実施例の車両１０００では、燃料電池１００を乗務員シート９１０下に配置するようにしている。このようすれば、車両１０００におけるスペースを有効利用することができる。

車両１０００は、請求項における移動体に該当し、燃料ガス排出ポート１１０および酸化ガス排出ポート１２０は、請求項において、それぞれ、燃料ガス排出ポートおよび酸化ガス排出ポートに該当し、支持部材３００は、請求項における支持部材に該当し、マウント４００Ａ，Ｂ，Ｃは、請求項におけるマウントに該当し、マウントボルト４１０は、請求項におけるマウント固定部材に該当し、希釈器５００は、請求項における流体導入部に該当し、頂部Ｐは、請求項における「燃料ガス排出ポートに最も近い隅部」に該当する。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例の車両１０００では、燃料ガス排出ポート１１０が左右方向を向いているが、本発明は、これに限られるものではない。車両１０００において、燃料ガス排出ポート１１０に近い頂部Ｐが最下点であればよく、例えば、燃料電池１００において、燃料ガス排出ポート１１０などの各ポートが形成されるエンドプレート１５０が後方向を向き、すなわち、燃料ガス排出ポート１１０も後方向を向くようにしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することが可能となる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の車両１０００では、空間Ｋに希釈器５００を配置するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、希釈器５００の代わりに気液分離器や、その他の燃料電池１００の周辺機器を配置するようにしてもよい。このようにしても、燃料電池１００の傾斜に伴い生じたスペースである空間Ｋを有効利用することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池１００を搭載する移動体として車両１０００を用いて説明したが、本発明は、これに限られるものではない。リニアモーターカー、船、飛行機、および、ロボットなどの移動体に、上述の実施例のごとく燃料電池１００を傾斜させて配置するようにしてもよい。このようにすれば、この移動体が、上り走行（上昇飛行）する場合には、常に、燃料ガス排出ポート１１０は燃料電池１００の最下点近傍に位置するので、各単セルのアノード内の生成水を燃料ガス排出マニホールド１６０に重力を利用して収集することが可能であり、さらに、その収集した生成水を重力を利用して燃料ガス排出ポート１１０から排出することが可能となる。その結果、燃料電池１００の各単セルにおいて、フラッディングを誘発することを抑制し、延いては、燃料電池の発電効率の低下を抑制し、この移動体の走行（飛行）に支障をきたすことを抑制することができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例の車両１０００において、希釈器５００の上面（上蓋）と燃料電池ケース１００Ａの下面とは、別々の部材から成っているが、これらを兼用するようにしてもよい。このようにすれば、部品点数を減少させることができ、また、車両１０００を軽量化することができる。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例の車両１０００では、燃料電池１００において、頂部Ｐのみを最下点としているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池１００において、左右方向の傾斜をなくし（すなわち、β＝０）、左右方向に対して頂部Ｐに対応する頂部Ｒ（図２参照）を、頂部Ｐと共に最下点とするようにしてもよい。このようにすれば、車両１０００が、上り坂を走行する場合には、常に、燃料ガス排出ポート１１０は燃料電池１００の最下点近傍に位置するので、各単セルのアノード内の生成水を燃料ガス排出マニホールド１６０に重力を利用して効率よく収集することが可能となる。この場合、収集された生成水は、燃料ガスと共に燃料ガス排出ポート１１０から排出される。その結果、燃料電池１００の各単セルにおいて、フラッディングを誘発することを抑制し、延いては、燃料電池の発電効率の低下を抑制し、車両１０００の走行に支障をきたすことを抑制することができる。

Ｂ６．変形例６：
上記実施例の車両１０００において、燃料電池１００は、頂部Ｐが、前後方向において後方側に、左右方向において右方向に位置すると共に、各頂部において最下点となるように傾斜して配置されるが、本発明は、これに限られるものではなく、燃料電池１００を種々の方向に傾斜して配置するようにしてもよい。この場合においても、燃料電池１００の傾斜に伴い生じたスペースである空間に、希釈器５００や気液分離器などを配置する。このようにすれば、この空間を有効利用することができる。

Ｂ７．変形例７：
上記実施例の車両１０００において、燃料電池１００は、略立方体形状を成しているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池１００は、多角形（五角形、六角形など）の柱状体であってもよい。この場合、各頂部は、請求項における隅部に該当する。また、燃料電池１００は、略湾曲形状の頂部（以下では、湾曲頂部とも呼ぶ）を持つ柱状体であってもよい。この場合、その湾曲頂部は、請求項における隅部に該当する。

本発明の一実施例における車両１０００において燃料電池１００の車載位置を説明するための概略構成図である。図１のＡ−Ａ断面を示す斜視図である。車両１０００において燃料電池１００周辺を左方向に向かって見た図である。車両１０００において燃料電池１００周辺を後方向に向かって見た図である。車両１０００において燃料電池１００を上方向に向かって見た図である。希釈器５００の概略外観構成を示す図である。

符号の説明

１００…燃料電池
１００Ａ…燃料電池ケース
１００下面…燃料電池
１１０…燃料ガス排出ポート
１１５…燃料ガス導入管
１１７…酸化ガス導入管
１２０…酸化ガス排出ポート
３００…支持部材
４００…マウント
４１０…マウントボルト
４２０…マウントカバー
５００…希釈器
５２０…希釈ガス排出管
９１０…乗務員シート

Claims

８つの頂部を有する直方体形状の燃料電池スタックが搭載される移動体であって、
前記燃料電池スタックは、アノードで電気化学反応に供された燃料ガスを前記燃料電池スタックの外部に排出するための燃料ガス排出ポートを備え、
前記燃料電池スタックは、前記８つの頂部のうち、前記燃料電池スタックの前記燃料ガス排出ポートに最も近い第１の頂部が、他の７つの頂部よりも低くなるように水平面に対して傾斜して配置されるとともに、前記第１の頂部は、前記移動体の前進方向の反対側に配置されることを特徴とする移動体。
請求項１に記載の移動体において、
前記燃料電池スタックは、カソードで電気化学反応に供された酸化ガスを前記燃料電池スタックの外部に排出するための酸化ガス排出ポートを備え、
前記燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス排出ポートは、少なくとも前記酸化ガス排出ポートよりも、前記第１の頂部に近い位置に設けられていることを特徴とする移動体。
請求項１または請求項２に記載の移動体において、
前記燃料電池スタックは、セパレータと膜電極接合体を積層して成る積層体と、
前記積層体の端部に配置され、前記燃料ガス排出ポートが設けられるエンドプレートと、を備え、
前記移動体は、
前記燃料電池スタックを支持し、前記燃料電池スタックを傾斜させて配置するための支持部材と、
前記支持部材に固定され、少なくとも一部が弾性体から成るマウントと、
前記マウントを前記燃料電池スタックのエンドプレートに固定するためのマウント固定部材と、
を備えることを特徴とする移動体。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の移動体において、
前記第１の頂部を通る前記燃料電池スタックの底面の下に形成される空間に、前記燃料電池スタックからの排出流体を導入するための流体導入部を配置することを特徴とする移動体。
請求項４に記載の移動体において、
前記流体導入部は、希釈器または気液分離器であることを特徴とする移動体。
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の移動体において、
前記移動体は、車両であることを特徴とする移動体。
請求項６に記載の移動体において、
前記燃料電池スタックは、乗務員シート下に設けられることを特徴とする移動体。