JP6477425B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

従来、セルスタックを有する燃料電池装置が搭載された燃料電池車両が提案されている。また、かかる車両における燃料電池装置の搭載態様として、セルスタックにおける複数の単セルの積層方向が車両進行方向と平行になるように載置された態様が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の搭載態様では、比較的高い強度の部材であるエンドプレートが燃料電池装置の最前方に位置することとなる。また、セルスタックおよびエンドプレート等がケースに完全に収容された構成の燃料電池装置では、ケースが燃料電池装置の最前方に位置することとなる。また、セルスタックおよび一対のエンドプレートのうちの一方のエンドプレートがケースに収容され、他方のエンドプレートがケースから露出している構成では、ケースまたはエンドプレートが燃料電池装置の最前方に位置することとなる。

国際公開第２０１２／００４８２９号

燃料電池車両がポール等の突起物と前方衝突する場合、衝突荷重を点または線で受けるため、車両や壁等に衝突して衝突荷重を面で受ける場合に比べ、単位面積あたりの衝突圧力は大きくなる。このため、燃料電池装置において最前方に位置する部位の一部に応力が集中することとなり、かかる部位がケースである場合はもちろん、エンドプレートである場合にも、当該部位が破損するとともにその部位の後方に位置するセルスタックが損傷するおそれがある。このため、車両に搭載された燃料電池装置において、前方衝突発生時の局所的な応力集中を抑制する技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、車両のフロントルームに搭載されて用いられる燃料電池装置が提供される。この燃料電池装置は、前記フロントルームに前記燃料電池装置が搭載された搭載状態において、前記車両の前後方向に沿って積層された複数の単セルから成るセルスタックと；前記セルスタックの積層方向の２つの端面よりも、それぞれ前記積層方向に沿って外側に位置する第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートと；前記セルスタックおよび前記第２のエンドプレートの少なくとも一部を覆い、前記第１のエンドプレートに接続され、前記第２のエンドプレートと対向する面を有する壁部を有するケースと；を備え、前記第１のエンドプレートと前記壁部とのうちのいずれか一方は、前記搭載状態において、前記燃料電池装置における最も前方に位置し；前記第１のエンドプレートと前記壁部とのうち、前記搭載状態において前記燃料電池装置における最も前方に位置する部位は、前記搭載状態において鉛直方向に連続する低剛性部と；前記低剛性部よりも高い剛性を有し、前記搭載状態において鉛直方向に連続し、前記搭載状態において水平方向に前記低剛性部を挟む高剛性部と；を有する。
この形態の燃料電池装置によれば、ポール等の突起物との前方衝突発生時に、燃料電池装置における最前方に位置する部位である低剛性部で衝突荷重を受けるため、かかる部位の変形により衝突物との接触面積を増加できる。このため入力荷重を分散させて前方衝突発生時の局所的な応力集中を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池装置用ケース、燃料電池装置用エンドプレート、燃料電池装置を搭載した燃料電池車両等の形態で実現できる。

本発明の一実施形態としての燃料電池装置１００を搭載した燃料電池車両１０の概略構成を示す断面図である。 燃料電池車両１０のフロントルーム１１に搭載された状態における燃料電池装置１００の斜視図である。 図２に示すＡ−Ａ断面を拡大して示す断面図である。 搭載状態ＴＳにおける燃料電池装置１００の上面図である。 搭載状態ＴＳにおける燃料電池装置１００の正面図である。 ポールＰ１との前方衝突発生時の燃料電池装置１００の前方側を拡大して示す上面図である。 変形例における燃料電池装置１００ａを示す上面図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池装置１００を搭載した燃料電池車両１０の概略構成を示す断面図である。図１では、燃料電池車両１０の前方に位置するポールＰ１との衝突が発生していない平常時における燃料電池車両１０の車両前後方向ＦＲに沿った断面を示している。車両前後方向ＦＲは、後述する積層方向ＳＤと一致する。図１では、Ｚ軸は鉛直方向と平行に、Ｘ軸およびＹ軸は水平方向と平行に、それぞれ設定されている。＋Ｚ方向は鉛直上方に、−Ｚ方向は鉛直下方にそれぞれ相当する。また、＋Ｘ方向は燃料電池車両１０の前進方向に、−Ｘ方向は燃料電池車両１０の後退方向に、それぞれ相当する。以降では、＋Ｘ方向を前方と呼び、−Ｘ方向を後方と呼ぶこともある。

燃料電池車両１０には、前方側にフロントルーム１１が形成されている。本実施形態では、フロントルーム１１は、一対の前輪に挟まれた領域を含む空間として形成されている。フロントルーム１１の後方側には車室１２が形成されている。本実施形態では、車室１２は、一対の前輪と一対の後輪とに挟まれた車両前後方向ＦＲに延びる空間として形成されている。フロントルーム１１には、燃料電池装置１００が載置されている。燃料電池装置１００の詳細構成については、後述する。

図２は、燃料電池車両１０のフロントルーム１１に搭載された状態における燃料電池装置１００の斜視図である。以降、フロントルーム１１に燃料電池装置１００が搭載された状態を「搭載状態ＴＳ」と呼ぶ。図３は、図２に示すＡ−Ａ断面を拡大して示す断面図である。図４は、搭載状態ＴＳにおける燃料電池装置１００の上面図である。図５は、搭載状態ＴＳにおける燃料電池装置１００の正面図である。

図３に示すように、燃料電池装置１００は、セルスタック３０と、第１のエンドプレート２１と、第２のエンドプレート２２と、ケース４０と、複数の第１接合具２４と、複数の第２接合具５０とを備えている。

セルスタック３０は、積層方向ＳＤに沿って積層された複数の単セル２０から成る。上述したように、本実施形態では、積層方向ＳＤと車両前後方向ＦＲとは一致する。換言すると、燃料電池装置１００は、積層方向ＳＤと車両前後方向ＦＲとが一致するようにフロントルーム１１に搭載されている。各単セル２０は、本実施形態では、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜を挟んで設けられたアノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層に供給される反応ガスを用いた電気化学反応により電力を発生する。本実施形態において、アノード側の反応ガス（燃料ガス）は、水素ガスである。また、カソード側の反応ガス（酸化剤ガス）は、空気である。本実施形態において、各極の触媒電極層は、触媒としての白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子および電解質を含んで構成される。各単セル２０において各極の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発砲金属等の金属多孔質体が用いられる。また、各極のガス拡散層の外側には、導電性を有するセパレータが配置されている。セルスタック３０の内部には、各単セル２０に対する反応ガスの供給、各単セル２０からのオフガスの排出、および各単セル２０への冷却媒体の供給と排出を行うための複数のマニホールドが、積層方向ＳＤと平行に形成されている。

第１のエンドプレート２１は、セルスタック３０の積層方向ＳＤの２つの端面のうちの後方側の端面よりも、積層方向ＳＤに沿って外側（−Ｘ方向）に位置する。より詳細には、セルスタック３０の後方側の端面には総合電極としての図示しないターミナルプレートが接して配置され、第１のエンドプレート２１は、かかるターミナルプレートに対して図示しないインシュレータを介在して積層方向ＳＤに沿って外側に配置されている。第１のエンドプレート２１は、板状の部材であり、後述する第２のエンドプレート２２と共に、所定の圧縮力でセルスタック３０を挟み込み、セルスタック３０の積層状態を保持する。第１のエンドプレート２１には、厚さ方向（Ｘ軸方向）に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これら複数の貫通孔は、セルスタック３０の内部に形成されている複数のマニホールドと連通し、セルスタック３０への反応ガスおよび冷却媒体の供給、セルスタック３０からのオフガスおよび冷却媒体の排出に用いられる。第１のエンドプレート２１は比較的高い剛性を有する。本実施形態では、第１のエンドプレートはアルミニウムにより形成されている。第１のエンドプレート２１の平面視形状（−Ｘ方向に見たときの輪郭形状）は、略矩形であり、かかる形状の面積は、セルスタック３０の端面の平面視形状の面積よりも大きい。

第２のエンドプレート２２は、セルスタック３０の積層方向ＳＤの２つの端面のうち前方側の端面よりも、積層方向ＳＤに沿って外側（＋Ｘ方向）に位置する。上述した第１のエンドプレート２１と同様、セルスタック３０の前方側の端面にはターミナルプレートが接して配置され、第２のエンドプレート２２は、かかるターミナルプレートに対してインシュレータを介在して積層方向ＳＤに沿って外側に配置されている。第２のエンドプレート２２は、第１のエンドプレート２１と同様の板状の外観形状を有し、第１のエンドプレート２１と同様の材料から成る。Ｘ軸方向に見て、第２のエンドプレート２２は、第１のエンドプレート２１よりも小さい。

ケース４０は、−Ｘ方向の端部に開口が形成された筒状の外観形状を有する。ケース４０の内側には、セルスタック３０と、第２のエンドプレート２２とが収容されている。換言すると、ケース４０は、セルスタック３０と第２のエンドプレート２２とを覆っている。ケース４０は、−Ｘ方向の端部に形成された開口の周囲に、開口の中心から開口の縁に向かう方向に沿って延びるフランジ部４５を有する。フランジ部４５は、第１のエンドプレート２１の＋Ｘ方向の端面と接しており、複数の第２接合具５０により第１のエンドプレート２１の周縁部と接続されている。ケース４０は、防水性、防塵性、耐衝撃性に優れており、本実施形態では、後述する低剛性部４２を除きアルミニウムにより形成されている。

図２および図４に示すように、ケース４０は、壁部４１を有する。壁部４１は、ケース４０の開口に対向する底に相当する部位であり、第２のエンドプレート２２と対向する面を有する。壁部４１は、搭載状態ＴＳにおいて、燃料電池装置１００において最も前方に位置する。図２、図４および図５に示すように、壁部４１は、低剛性部４２と、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂとを有する。

図５に示すように、低剛性部４２は、搭載状態ＴＳにおいて鉛直方向に連続する態様で配置されている。また、低剛性部４２は、−Ｘ方向に見て壁部４１の略中央に配置されている。一対の高剛性部４３ａ、４３ｂは、いずれも搭載状態ＴＳにおいて鉛直方向に連続する態様で配置されている。また、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂは、−Ｘ方向に見て水平方向に壁部４１を挟んで配置されている。なお、図４に示すように、壁部４１において、低剛性部４２の−Ｘ側には、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂを互いに繋げる接続部４４が設けられている。上述の壁部４１の構成は、換言すると、板状の高剛性部の＋Ｘ方向の表面において、略中央部分に鉛直方向に沿った溝が形成されており、かかる溝を埋めるように低剛性部４２が配置された構成といえる。低剛性部は、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂに対して相対的に低い剛性を有する。換言すると、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂは、低剛性部４２に対して相対的に高い剛性を有する。本実施形態において、低剛性部４２は、樹脂材料により形成されている。一対の高剛性部４３ａ、４３ｂは、ケース４０の他の部位と同様にアルミニウムにより形成されている。図４に示すように、低剛性部４２の水平方向の長さ（幅）は、−Ｘ方向に向かうにつれて小さくなる。このため、水平面と平行な面による低剛性部４２の断面形状は、＋Ｘ方向の端部が底辺となり−Ｘ方向の端部が上辺となる略台形である。本実施形態では、壁部４１は以下のように形成される。すなわち、まずアルミニウムの鋳造等によりケース４０の本体が形成される。このとき、壁部４１に相当する底部分において、断面形状が台形のうちの底辺を除いた形状、換言すると開口に向かって末広がりな形状の溝が併せて形成される。また、ケース４０の製造とは別に、台形柱状の低剛性部４２の基材が樹脂材料により形成される。そして、上述の溝に低剛性部４２の基材が嵌めこまれて接着剤により両者が接合され、壁部４１が完成する。なお、ケース４０本体と同時に溝が形成されることに代えて、ケース４０本体を形成した後にプレス加工や切削加工等により溝を形成してもよい。一対の高剛性部４３ａ、４３ｂは、ケース４０における低剛性部４２を除く他の部位と同様に、ケース４０の剛性を向上させると共に、防水性、防塵性、耐衝撃性の向上に寄与する。低剛性部４２の役割の詳細については、後述する。

複数の第１接合具２４は、それぞれ、ケース４０と第２のエンドプレート２２との間に配置され、ケース４０内における第２のエンドプレート２２の位置を固定すると共に、セルスタック３０に締結荷重を加える。本実施形態において、各第１接合具２４は、ねじにより形成されている。かかるねじとしては、例えば、金属製のいもねじを用いてもよい。第１接合具２４の一端はケース４０の壁部４１（高剛性部４３ａ、４３ｂ）に設けられた図示しないねじ穴に螺合し、他端は、第２のエンドプレート２２の＋Ｘ方向の端面に接している。セルスタック３０および第２のエンドプレート２２がケース４０内に収容された状態で、壁部４１に設けられた図示しない貫通孔から挿入された治具により、第２のエンドプレート２２に対して−Ｘ方向の荷重が加えられる。これにより、第２のエンドプレート２２およびセルスタック３０を構成する各単セル２０は互いに締結される。この状態で、各第１接合具２４が図示しないねじ穴に挿入されて第２のエンドプレート２２の＋Ｘ方向の端面に接すると、上述の治具が抜き取られる。そうすると、第２のエンドプレート２２およびセルスタック３０に加えられた締結荷重は第１接合具２４により保持されることとなる。

複数の第２接合具５０は、それぞれ、ケース４０と第１のエンドプレート２１とを接合し固定する。本実施形態において、各第２接合具５０は、金属製のボルトにより形成されている。ケース４０のフランジ部４５と、第１のエンドプレート２１の周縁部には、互いにＸ軸方向に対向するボルト穴が形成されており、これら対向するボルト穴に第２接合具５０が螺合することで、ケース４０と第１のエンドプレート２１とが接合される。このようにケース４０と第１のエンドプレート２１とが複数の第２接合具５０により接合された状態で、上述したように第２のエンドプレート２２およびセルスタック３０に締結荷重が加えられる。

Ａ２．ポールＰ１との前方衝突発生時の燃料電池装置１００の状態：
図６は、ポールＰ１との前方衝突発生時の燃料電池装置１００の前方側を拡大して示す上面図である。図１に示すように燃料電池車両１０が前方のポールＰ１に向かって前進してポールＰ１に衝突した場合、前進速度によっては、ボンネットが破損してポールＰ１が燃料電池装置１００に到達する。この場合、図６に示すように、燃料電池装置１００において最も前方に位置する壁部４１の低剛性部４２にポールＰ１がぶつかる可能性が高い。低剛性部４２にポールＰ１がぶつかると、低剛性部４２は、剛性が低いために図６に示すようにポールＰ１の表面形状に沿って変形して、ポールＰ１の表面を覆うこととなる。このため、ポールＰ１の衝突応力は、ポールＰ１に対して面状に接する低剛性部４２を介して、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂの広い領域に分散して伝達される。このようにして、ポールＰ１の前方衝突に伴う衝突応力の局所的な集中は抑制され、ケース４０が破損すること、およびケース４０の内側に収容されている第２のエンドプレート２２およびセルスタック３０が損傷することが抑制される。上述した前方衝突発生時の燃料電池装置１００の状態からも理解できるように、低剛性部４２は、ポールＰ１との前方衝突が発生した場合に、衝突応力により変形してポールＰ１と壁部４１との接触面積を増加させる役割を果たす。これにより、衝突応力が分散されて、ケース４０の破損や第２のエンドプレート２２およびセルスタック３０の損傷が抑制される。また、本実施形態では、水平面と平行な面による低剛性部４２の平常時の断面形状は、＋Ｘ方向の端部が底辺となり−Ｘ方向の端部が上辺となる略台形であるため、低剛性部４２は、前方衝突発生時にポールＰ１の形状に沿ってポールＰ１を包み込むように変形し、衝突応力を吸収することができる。

以上説明した実施形態の燃料電池装置１００では、搭載状態ＴＳにおいて最も前方に低剛性部４２が位置するので、ポールＰ１との前方衝突発生時に、低剛性部４２で衝突荷重を受ける。このため、前方衝突発生時に低剛性部４２が変形することによりポールＰ１と燃料電池装置１００との接触面積を増加でき、入力荷重を分散させて局所的な応力集中を抑制できる。したがって、ケース４０の破損、およびケース４０の後方に位置する第２のエンドプレート２２やセルスタック３０の損傷を抑制できる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、搭載状態ＴＳにおいて第１のエンドプレート２１が後方側に位置するように燃料電池装置１００が載置されていたが、本発明はこれに限定されない。図７は、変形例における燃料電池装置１００ａを示す上面図である。この燃料電池装置１００ａは、搭載状態ＴＳにおいて、上述の実施形態から前後反転させた態様で燃料電池車両１０に搭載される点と、第１のエンドプレート２１に代えて第１のエンドプレート２１ａを備える点とにおいて、実施形態の燃料電池装置１００と異なる。変形例における燃料電池装置１００ａのその他の構成は、実施形態の燃料電池装置１００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第１のエンドプレート２１ａは、低剛性部７１と、一対の高剛性部７２ａ、７２ｂと、接続部７３とを備える。第１のエンドプレート２１ａの構成は、上記実施形態の壁部４１と同様の構成である。より詳細には、低剛性部７１は、上記実施形態の低剛性部４２と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。また、一対の高剛性部７２ａ、７２ｂは上記実施形態の一対の高剛性部４３ａ、４３ｂと、接続部７３は上記実施形態の接続部４４と、それぞれ同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。このような燃料電池装置１００ａにおいて、第１のエンドプレート２１ａ（低剛性部７１）は、燃料電池装置１００ａの最前方に位置することとなるため、燃料電池装置１００ａは、上記実施形態の燃料電池装置１００と同様の効果を得ることができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、低剛性部４２と一対の高剛性部４３ａ、４３ｂの境界の形状は、直線であったが、本発明はこれに限定されない。図示は省略しているが、例えば、曲線や折れ線といった、任意の形状であってもよい。このような構成においても、実施形態と同様な効果を奏する。すなわち、一般には、搭載状態ＴＳにおいて鉛直方向に連続する低剛性部４２と、低剛性部４２よりも高い剛性を有し、鉛直方向に連続し、水平方向に低剛性部４２を挟む一対の高剛性部４３ａ、４３ｂとを有する壁部を、本発明の燃料電池装置に用いてもよい。なお、上述の変形例１における燃料電池装置１００ａにおいては、搭載状態ＴＳにおいて鉛直方向に連続する低剛性部７１と、低剛性部７１よりも高い剛性を有し、鉛直方向に連続し、水平方向に低剛性部７１を挟む一対の高剛性部７２ａ、７２ｂとを有する第１のエンドプレート２１ａとを、本発明の燃料電池装置に用いてもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、低剛性部４２は、樹脂材料により形成されていたが、樹脂材料に限らず、金属により形成されてもよい。例えば、低剛性部４２をアルミニウム、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂを鉄により形成してもよい。また、低剛性部４２と一対の高剛性部４３ａ、４３ｂとを同一の金属部材により形成し、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂを他の金属との合金にすることにより剛性を高めてもよいし、一対の高剛性部４３ａ、４３ｂに焼き入れし剛性を高めてもよい。すなわち、低剛性部４２の剛性が高剛性部の剛性よりも相対的に低く形成されていれば、任意の材料であっても、実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、低剛性部４２の水平面と平行な面による断面形状は、略台形であったが、台形に代えて矩形等の任意の形状であってもよい。このような構成においても、実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、ケース４０は、開口部分を除き、セルスタック３０を覆っていたが、本発明はこれに限定されない。図示は省略しているが、例えば、ケース４０の鉛直下方の面が開口していてもよい。この構成においては、ケース４０は、セルスタック３０のうちの一部の面を覆うこととなる。なお、この構成においては、鉛直下方の開口を金属板等の板状部材により塞いでもよい。このような構成においても、実施形態と同様な効果を奏する。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池車両
１１…フロントルーム
１２…車室
２０…単セル
２１、２１ａ…第１のエンドプレート
２２…第２のエンドプレート
２４…第１接合具
３０…セルスタック
４０…ケース
４１…壁部
４２、７１…低剛性部
４３ａ、４３ｂ、７２ａ、７２ｂ…高剛性部
４４、７３…接続部
４５…フランジ部
５０…第２接合具
１００、１００ａ…燃料電池装置
ＦＲ…車両前後方向
Ｐ１…ポール
ＳＤ…積層方向
ＴＳ…搭載状態

Claims (1)

1. 車両のフロントルームに搭載されて用いられる燃料電池装置であって、
   前記フロントルームに前記燃料電池装置が搭載された搭載状態において、前記車両の前後方向に沿って積層された複数の単セルから成るセルスタックと、
   前記セルスタックの積層方向の２つの端面よりも、それぞれ前記積層方向に沿って外側に位置する第１のエンドプレートおよび第２のエンドプレートと、
   前記セルスタックおよび前記第２のエンドプレートの少なくとも一部を覆い、前記第１のエンドプレートに接続され、前記第２のエンドプレートと対向する面を有する壁部を有するケースと、
   を備え、
   前記第１のエンドプレートと前記壁部とのうちのいずれか一方は、前記搭載状態において、前記燃料電池装置における最も前方に位置し、
   前記第１のエンドプレートと前記壁部とのうち、前記搭載状態において前記燃料電池装置における最も前方に位置する部位は、
   前記搭載状態において鉛直方向に連続する低剛性部と、
   前記低剛性部よりも高い剛性を有し、前記搭載状態において鉛直方向に連続し、前記搭載状態において水平方向に前記低剛性部を挟む高剛性部と、
   を有する、燃料電池装置。

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