JP6114720B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。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、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池車両では、例えば、乗員スペースの制約を緩和することを可能にするために、特許文献１に開示されている燃料電池システムの車載構造が知られている。この車載構造では、車軸を駆動するためのモータと、前記モータに電源を供給するための燃料電池と、前記モータと前記燃料電池の動作を制御するための制御ユニットとを備えている。そして、モータと燃料電池と制御ユニットとは、前記燃料電池の上部に前記制御ユニットが配置され且つ前記燃料電池の下方に前記モータが配置された状態で、電気自動車の同一の車体空間内に配設されている。

特開２００２−３７０５４４号公報

上記の車載構造では、通常、制御ユニットと燃料電池とは、高電圧配線により接続されている。従って、比較的大径で柔軟性に劣る高電圧配線を確実に取り回すために、制御ユニットと燃料電池とを離間させる必要がある。これにより、制御ユニットを燃料電池の上部にコンパクトに配置することができず、車両内のスペースを効率的に活用することが困難にな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、簡単な構成で、高電圧ケーブルを効率的に配線することができ、スペース効率を良好に向上させ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。

本発明に係る燃料電池車両は、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と、前記燃料電池の上部に配置され、該燃料電池の出力を制御する制御装置とを備えている。燃料電池と制御装置とは、高電圧ケーブルにより接続されている。

この燃料電池車両は、高電圧ケーブルの一端部と制御装置とを接続する第１接続部と、前記高電圧ケーブルの他端部と燃料電池とを接続する第２接続部と、を有している。そして、第１接続部と第２接続部とは、水平方向及び鉛直方向に互いにずれた位置に配置されている。

また、この燃料電池車両では、燃料電池及び制御装置は、車両前方のフロントボックスに配置されることが好ましい。その際、第１接続部は、第２接続部よりも車両前後方向後方に配置され、且つ、前記第１接続部は、燃料電池の平面視で、該燃料電池の平面領域内に配置されることが好ましい。

さらに、この燃料電池車両では、高電圧ケーブルは、車両前後方向前方に突出するように湾曲する湾曲部を有することが好ましい。また、前記第１接続部と前記第２接続部とは車両前後方向及び車幅方向に互いにずれた位置に配置されることが好ましい。また、前記制御装置には、車幅方向一端側を後方から前方側に切り欠いた凹部が設けられ、前記凹部には、前記第１接続部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、第１接続部と第２接続部とは、水平方向及び鉛直方向に互いにずれた位置に配置されている。このため、燃料電池と制御装置とが、互いに近接して配置された状態で、第１接続部と第２接続部との距離を有効に長尺化させることができる。従って、高電圧ケーブルは、必要以上に屈曲されることがなく、容易且つ良好にレイアウトすることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池電気自動車の前方側の概略側面説明図である。 前記燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記燃料電池電気自動車の要部側面図である。 前記燃料電池電気自動車を構成する燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池電気自動車（燃料電池車両）１０は、モータルーム（フロントボックス）１２を有する。モータルーム１２は、隔壁部材（ダッシュボード）１２ｗにより車室１２ｃａから隔離されて設けられる。

モータルーム１２には、車体フレームを構成する第１車両フレーム部（例えば、サイドフレーム）１３Ｒ、１３Ｌが矢印Ａ方向に延在して設けられる。第１車両フレーム部１３Ｒ、１３Ｌの下方には、第２車両フレーム部（例えば、クロスメンバー）１３ＳＦが矢印Ａ方向に延在して設けられる。

モータルーム１２には、燃料電池スタック１４、走行用モータ１６、第１制御装置１８及び第２制御装置２０が配置される。概略的には、燃料電池スタック１４は、第１車両フレーム部１３Ｒ、１３Ｌに搭載され、第１制御装置１８は、前記燃料電池スタック１４の鉛直方向上部に配置される（図１及び図３参照）。

走行用モータ１６は、軸方向を車両幅方向（矢印Ｂ方向）に延在させて第２車両フレーム部１３ＳＦに搭載されるとともに、燃料電池スタック１４の鉛直方向下部に配置される。第２制御装置２０は、燃料電池スタック１４の鉛直方向下部に且つ走行用モータ１６の側方に配置される。

燃料電池スタック１４は、図２及び図４に示すように、燃料電池２２と、積層された複数の前記燃料電池２２を収容する筐体２４とを備える。燃料電池２２は、図４に示すように、電極面を立位姿勢にして燃料電池電気自動車１０の車長方向（車両前後方向）（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（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２６ａ、第１絶縁プレート２８ａ及び第１エンドプレート３０ａ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２６ｂ、第２絶縁プレート２８ｂ及び第２エンドプレート３０ｂが、外方に向かって、順次、配設される。第２絶縁プレート２８ｂと第２エンドプレート３０ｂとの間には、積層方向の寸法ばらつきを調整するために、必要に応じてスペーサ（図示せず）が介装される。

横長形状（長方形状）の第１エンドプレート３０ａの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第１ターミナルプレート２６ａに接続された第１電力出力端子３２ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート３０ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２６ｂに接続された第２電力出力端子３２ｂが外方に向かって延在する。

図４に示すように、第１エンドプレート３０ａと第２エンドプレート３０ｂとの各辺間には、それぞれ各辺の中央位置に対応して一定の長さを有する連結バー３４が配置される。連結バー３４の両端は、ねじ３６により第１エンドプレート３０ａと第２エンドプレート３０ｂとに固定され、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。

燃料電池２２は、図示しないが、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備える。電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜の両面にカソード電極とアノード電極とが設けられる、カソード電極には、酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される一方、アノード電極には、燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給され、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとの電気化学反応により発電する。

第１エンドプレート３０ａには、酸化剤ガス供給マニホールド部材４０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド部材４０ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材４２ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材４２ｂが取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド部材４０ａは、各燃料電池２２のカソード電極に酸化剤ガスを供給し、酸化剤ガス排出マニホールド部材４０ｂは、前記カソード電極から使用後の前記酸化剤ガスを排出する。燃料ガス供給マニホールド部材４２ａは、各燃料電池２２のアノード電極に燃料ガスを供給し、燃料ガス排出マニホールド部材４２ｂは、前記アノード電極から使用後の前記燃料ガスを排出する。

図２及び図３に示すように、第２エンドプレート３０ｂには、冷却媒体供給マニホールド部材４４ａ及び冷却媒体排出マニホールド部材４４ｂが取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド部材４４ａは、各燃料電池２２又は所定数の前記燃料電池２２に沿って冷却媒体を供給する一方、冷却媒体排出マニホールド部材４４ｂは、冷却に使用された前記冷却媒体を排出する。

筐体２４は、図４に示すように、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺（面）が第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂにより構成される。筐体２４の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺（面）は、横長プレート形状の前方サイドパネル４６及び後方サイドパネル４８により構成される。筐体２４の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル５０及び下方サイドパネル５２により構成される。上方サイドパネル５０及び下方サイドパネル５２は、横長プレート形状を有する。

前方サイドパネル４６、後方サイドパネル４８、上方サイドパネル５０及び下方サイドパネル５２は、第１エンドプレート３０ａ及び第２エンドプレート３０ｂの側部に設けられた各ねじ穴５４に、各孔部５６を介してねじ５８を螺入することにより固定される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１４には、前記燃料電池スタック１４を支持して第１車両フレーム部１３Ｒ、１３Ｌに固定する側方マウント部６０ａ、６０ｂが設けられる。図１及び図４に示すように、側方マウント部６０ａは、断面Ｌ字状に屈曲する板部材６２ａを有し、前記板部材６２ａは、複数本のねじ６４を介して第１エンドプレート３０ａの矢印Ａｆ方向前方側にねじ止めされる。

側方マウント部６０ａは、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１４の車幅方向一端に板部材６２ａを介して固定される衝撃緩衝部（液封マウント）６６ａを備える。衝撃緩衝部６６ａには、前記衝撃緩衝部６６ａを第１車両フレーム部１３Ｌに取り付ける２本の取り付け部６８ａ、７０ａが設けられる。

側方マウント部６０ｂは、図２に示すように、上記の側方マウント部６０ａと同様に構成される。同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。側方マウント部６０ｂは、第１車両フレーム部１３Ｒにねじ止め固定される。

図１に示すように、燃料電池スタック１４の車両前後方向後方部には、一対の後方マウント部７２の一端がねじ７４を介して固定される。走行用モータ１６の車両前後方向後方部には、モータマウント部７６の一端が装着される。後方マウント部７２とモータマウント部７６とは、連結マウント部７８に一体化されるとともに、前記連結マウント部７８は、第２車両フレーム部１３ＳＦにねじ止めされる。

後方マウント部７２の他端は、ゴム部材８０を介して連結マウント部７８の上端側にねじ止めされる。モータマウント部７６の他端は、ゴム部材８２を介して連結マウント部７８の下端側にねじ止めされる。連結マウント部７８の下部には、取り付け部８４ａ、８４ｂが設けられ、前記取り付け部８４ａ、８４ｂは、第２車両フレーム部１３ＳＦにねじ７４により固定される。

走行用モータ１６の車両前後方向前方部には、モータマウント部８６が設けられる。モータマウント部８６は、第２車両フレーム部１３ＳＦにねじ止めされる。燃料電池スタック１４の下面と走行用モータ１６の上面との間には、空間８８が形成される。

第１制御装置１８は、燃料電池スタック１４の出力を制御する電圧電流制御ユニット（ＶＣＵ）（ Voltage and current Control Unit）を構成する。図１〜図３に示すように、第１制御装置１８は、燃料電池スタック１４を構成する筐体２４の上面領域内に配置された状態で、前記筐体２４に複数のねじ７４により固定される。

図２に示すように、第１制御装置１８は、車幅方向一端側を後方から前方側に切り欠いた凹部９０を設ける。凹部９０を構成する側面（矢印Ｂ方向に延在する面）９０ｓａには、高電圧ケーブル９４ａ、９４ｂの一端を接続させる第１接続端子部９６ａが設けられる。

凹部９０を構成する側面（矢印Ａ方向に延在する面）９０ｓｂには、高電圧ケーブル９８ａの一端が第１接続部１００ａを介して接続される接続端子１０１ａが設けられる。高電圧ケーブル９８ａの他端は、燃料電池スタック１４の第１電力出力端子３２ａに第２接続部１０２ａを介して接続される。

図１に示すように、第１接続部１００ａと第２接続部１０２ａとは、高電圧ケーブル９８ａの正面視で、水平方向（矢印Ａ方向）及び鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに重なり合わない位置に配置される。第１接続部１００ａは、第２接続部１０２ａよりも車両前後方向後方（矢印Ａｂ方向）に配置される。図２に示すように、第１接続部１００ａは、燃料電池スタック１４の平面視で、該燃料電池スタック１４の平面領域内に配置される。

図１に示すように、高電圧ケーブル９８ａは、車両前後方向前方（矢印Ａｆ方向）に突出するように湾曲する湾曲部９８ａｗを有する。高電圧ケーブル９８ａは、第１接続部１００ａ及び第２接続部１０２ａの相対角度を調整することにより、湾曲部９８ａｗを形成することができる。高電圧ケーブル９８ａは、筒状のカバー１０３ａに囲繞される。

第１制御装置１８は、車幅方向他端側を後方から前方側に切り欠いた凹部９１を設ける。凹部９１を構成する側面（矢印Ａ方向に延在する面）には、高電圧ケーブル９８ｂの一端が第１接続部１００ｂを介して接続される接続端子１０１ｂが設けられる（図２及び図３参照）。図３に示すように、高電圧ケーブル９８ｂの他端は、燃料電池スタック１４の第２電力出力端子３２ｂに第２接続部１０２ｂを介して接続される。

第１接続部１００ｂと第２接続部１０２ｂとは、高電圧ケーブル９８ｂの正面視で、水平方向（矢印Ａ方向）及び鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに重なり合わない位置に配置される。第１接続部１００ｂは、第２接続部１０２ｂよりも車両前後方向後方（矢印Ａｂ方向）に配置される。図２に示すように、第１接続部１００ｂは、燃料電池スタック１４の平面視で、該燃料電池スタック１４の平面領域内に配置される。

図３に示すように、高電圧ケーブル９８ｂは、車両前後方向前方（矢印Ａｆ方向）に突出するように湾曲する湾曲部９８ｂｗを有する。高電圧ケーブル９８ｂは、第１接続部１００ｂ及び第２接続部１０２ｂの相対角度を調整することにより、湾曲部９８ｂｗを形成する。高電圧ケーブル９８ｂは、筒状のカバー１０３ｂに囲繞される。

第２制御装置２０は、走行用モータ１６に供給される電力を制御するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）を構成する。図１に示すように、第２制御装置２０は、走行用モータ１６の車両前後方向前方に且つ前記走行用モータ１６の車幅方向の寸法内に配置され、該走行用モータ１６に複数のねじ７４により固定される。図１に示すように、第２制御装置２０の上部には、高電圧ケーブル９４ａ、９４ｂの他端を接続させる第２接続端子部９６ｂが設けられる。

燃料電池スタック１４の下面には、燃料電池スタック１４のセル電圧を検出するセル電圧検出装置１０４が装着される。セル電圧検出装置１０４は、燃料電池スタック１４の下面領域内（空間８８内）に収容されて配置される。

このように構成される燃料電池電気自動車１０において、燃料電池スタック１４の動作について、以下に説明する。

先ず、図４に示すように、第１エンドプレート３０ａの酸化剤ガス供給マニホールド部材４０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート３０ａの燃料ガス供給マニホールド部材４２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、第２エンドプレート３０ｂでは、図２及び図３に示すように、冷却媒体供給マニホールド部材４４ａ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。

このため、各燃料電池２２では、カソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード電極に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する。各燃料電池２２は、電気的に直列に接続されており、燃料電池スタック１４の両極である第１電力出力端子３２ａと第２電力出力端子３２ｂとの間に発電電力が発生する。

第１電力出力端子３２ａに接続される高電圧ケーブル９８ａ及び第２電力出力端子３２ｂに接続される高電圧ケーブル９８ｂを介して、第１制御装置１８に発電電力が供給される。第１制御装置１８により電圧（及び電流）制御が行われ、前記第１制御装置１８に高電圧ケーブル９４ａ、９４ｂを介して電気的に接続されている第２制御装置２０に電力が供給される。第２制御装置２０では、走行用モータ１６に所望の電力が供給され、燃料電池電気自動車１０が走行可能な状態になる。

この場合、本実施形態では、図１及び図３に示すように、第１制御装置１８と燃料電池スタック１４とは、高電圧ケーブル９８ａ、９８ｂにより接続されている。高電圧ケーブル９８ａにおいて、第１接続部１００ａと第２接続部１０２ａとは、前記高電圧ケーブル９８ａの正面視で、水平方向（矢印Ａ方向）及び鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに重なり合わない位置に配置されている（図１参照）。

このため、燃料電池スタック１４と第１制御装置１８とが、互いに近接して配置された状態で、第１接続部１００ａと第２接続部１０２ａとの距離を有効に長尺化させることができる。従って、高電圧ケーブル９８ａは、必要以上に屈曲されることがなく、容易且つ良好にレイアウトすることが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１接続部１００ａは、第２接続部１０２ａよりも車両前後方向後方に配置されるとともに、前記第１接続部１００ａは、燃料電池スタック１４の平面視で、該燃料電池スタック１４の平面領域内に配置されている（図２参照）。これにより、燃料電池電気自動車１０に外部荷重（衝撃）が付与された際、第１接続部１００ａが損傷することを確実に抑制することができる。

さらにまた、図１に示すように、高電圧ケーブル９８ａは、車両前後方向前方に突出するように湾曲する湾曲部９８ａｗを有している。このため、燃料電池電気自動車１０に前方から外部荷重（衝撃）が付与された際、高電圧ケーブル９８ａに後方の部品が衝突することを阻止することが可能になり、前記高電圧ケーブル９８ａを良好に保護することができる。

また、高電圧ケーブル９８ｂ側では、上記の高電圧ケーブル９８ａ側と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池電気自動車 １２…モータルーム
１６…走行用モータ １８、２０…制御装置
２２…燃料電池 ２４…筐体
２６ａ、２６ｂ…ターミナルプレート ２８ａ、２８ｂ…絶縁プレート
３０ａ、３０ｂ…エンドプレート ３２ａ、３２ｂ…電力出力端子
６０ａ、６０ｂ…側方マウント部 ７２…後方マウント部
７６、８６…モータマウント部 ７８…連結マウント部
９４ａ、９４ｂ、９８ａ、９８ｂ…高電圧ケーブル
９８ａｗ、９８ｂｗ…湾曲部
１００ａ、１００ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…接続部
１０１ａ、１０１ｂ…接続端子

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と、
   前記燃料電池の上部に配置され、該燃料電池の出力を制御する制御装置と、
   前記燃料電池と前記制御装置とを接続する高電圧ケーブルと、
   を備える燃料電池車両であって、
   前記高電圧ケーブルの一端部と前記制御装置とを接続する第１接続部と、
   前記高電圧ケーブルの他端部と前記燃料電池とを接続する第２接続部と、
   を有するとともに、
   前記第１接続部と前記第２接続部とは、水平方向及び鉛直方向に互いにずれた位置に配置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、前記燃料電池及び前記制御装置は、車両前方のフロントボックスに配置されるとともに、
   前記第１接続部は、前記第２接続部よりも車両前後方向後方に配置され、且つ、前記第１接続部は、前記燃料電池の平面視で、該燃料電池の平面領域内に配置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、前記高電圧ケーブルは、車両前後方向前方に突出するように湾曲する湾曲部を有す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、前記第１接続部と前記第２接続部とは車両前後方向及び車幅方向に互いにずれた位置に配置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、前記制御装置には、車幅方向一端側を後方から前方側に切り欠いた凹部が設けられ、
   前記凹部には、前記第１接続部が設けられることを特徴とする燃料電池車両。

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