JP7120968B2 - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は、発電セルを複数積層した積層体を収納するスタックケースと、燃料電池用補機を収納する補機ケースとを備える燃料電池システム及び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にアノード電極が配設され、他方にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備える。電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持することにより、発電セルが構成され、複数個の発電セルを積層することにより、積層体が構成される。
この積層体に、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレート等をさらに積層することにより、燃料電池スタックが得られる。燃料電池スタックはスタックケースに収容され、さらに、燃料ガスのインジェクタ等を含む燃料電池用補機を収納する補機ケースがスタックケースに隣接して設けられて燃料電池システムが構成される。このような燃料電池システムは、燃料電池車両のフロントボックスに搭載して用いられる。
ところで、燃料電池車両に用いられる燃料電池システムには、燃料電池車両が衝突する等して、燃料電池システムに衝撃荷重が入力された際に、水素等の燃料ガスが漏洩しない構造が求められる。特許文献1には、補機ケース内の燃料ガス配管を、剛性の高いスタックの近くに配置することで、燃料ガス配管を保護する構造が開示されている。
特許第3671864号公報
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムは、補機ケース内の水素配管の保護を図ることができるものの、補機ケースから水素タンクに至る水素配管を保護する構造について示していない。
本発明は、衝撃荷重が入力された場合であっても、補機ケースに接続された水素配管を保護できる燃料電池システム及び燃料電池車両を提供することを目的とする。
本発明の一観点は、発電セルの積層体を収納するスタックケースと、前記スタックケースの一端に隣接して設けられ、燃料電池用補機を収納する補機ケースと、前記燃料電池用補機に燃料ガスを導入する燃料ガス配管と、を備え、前記補機ケースには、前記補機ケースの前記スタックケースから離間した一端面と上端部との間の上端角部を切り欠くようにして形成された切欠部が設けられ、前記切欠部は、前記一端面から前記スタックケース側に向かうにしたがって高くなるように傾斜しており、前記燃料ガス配管は前記切欠部の近傍を通るように配置され、前記切欠部に前記燃料ガス配管の接続ポートが設けられ、さらに、前記補機ケースは、一端が前記スタックケースに接合されるとともに他端が開口した第1ケース部材と、前記第1ケース部材に対向して前記開口を覆うように前記第1ケース部材に装着される第2ケース部材と、を備え、前記切欠部が前記第2ケース部材に設けられ、前記第1ケース部材及び前記第2ケース部材は、フランジ部を介して接合されるとともに、前記補機ケースの背面側上端面に、外方に突出した突出部が形成されている、燃料電池システムにある。
本発明の別の一観点は、上記の燃料電池システムを搭載した、燃料電池車両にある。
上記観点の燃料電池システム及び燃料電池車両によれば、衝撃荷重が入力された場合であっても、補機ケースの切欠部によって生み出されるスペースで水素配管の保護を図ることができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成説明図である。 図1の燃料電池システムの外観を示す斜視図である。 図1の燃料電池システムの燃料電池車両への搭載レイアウトを示す図である。 図3の燃料電池システムを正面側から見て示す図である。 図1の燃料電池システムの作用を示す説明図である。 比較例に係る燃料電池システムの作用を示す説明図である。
以下、本発明に係る燃料電池システム及び燃料電池車両の好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
各図において、燃料電池車両10を基準に、運転者側から見て左側を矢印「L」で、右側を矢印「R」で、前方を矢印「Fr」で、後方を矢印「Rr」で、上方を矢印「U」で、下方を矢印「D」で、それぞれ示す。
図1に示すように、実施形態に係る燃料電池車両10は、例えば、燃料電池電気自動車である。燃料電池車両10は、ダッシュボード12の前方に形成されたフロントボックス14(モータルーム)内に配設された燃料電池システム16と、燃料電池システム16を設置部材20(車体フレーム)に固定するためのマウント用のブラケット24とを備えている。設置部材20は、車両(燃料電池車両10)の右側及び左側に一対設けられており、車両の前後方向に延在している。燃料電池システム16は、後述するエンドプレート30及び補機ケース28において、ブラケット24を介して設置部材20に固定される。フロントボックス14は、左右の前輪26L、26Rの間に設けられている。フロントボックス14内には、燃料電池システム16の他、図示しない車両走行用のモータ等が配設されている。
燃料電池システム16は、セル積層体25、スタックケース27、補機ケース28及びエンドプレート30を有する。セル積層体25は、複数の発電セル32が一方向(車幅方向、左右方向)に積層されて形成される。発電セル32は、電解質膜・電極構造体34と、電解質膜・電極構造体34を両側から挟持する一組のセパレータ36、38とを含む。
電解質膜・電極構造体34は、例えば、固体高分子電解質膜40と、固体高分子電解質膜40の一方の面40aに設けられたカソード電極42と、固体高分子電解質膜40の他方の面40bに設けられたアノード電極44とを有する。固体高分子電解質膜40は、水分を含むパーフルオロスルホン酸の薄膜である。固体高分子電解質膜40は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。
セパレータ36、38は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、又は金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波型にプレス成形して構成される。セパレータ36、38は、カーボン材により構成されてよい。
セパレータ36のうちカソード電極42に対向する面には、酸化剤ガス(例えば、空気)が流通する酸化剤ガス流路46が形成されている。セパレータ38のうちアノード電極44に対向する面には、燃料ガス(例えば、水素ガス)が流通する燃料ガス流路48が形成されている。互いに隣接するセパレータ36、38の間には、冷却媒体が流通する冷媒流路50が形成されている。
カソード電極42には、酸化剤ガスが供給される。アノード電極44には、燃料ガスが供給される。発電セル32は、カソード電極42に供給された酸化剤ガスとアノード電極44に供給された燃料ガスとの電気化学反応により発電する。
セル積層体25の積層方向一端(矢印L方向の端)には、第1ターミナルプレート52及び第1絶縁プレート54が外方に向かって順次配設される。セル積層体25の積層方向他端(矢印R方向の端)には、第2ターミナルプレート56及び第2絶縁プレート58が外方に向かって順次配設される。
図1及び図2に示すように、スタックケース27は、車幅方向に沿って延在した四角筒形状である。スタックケース27は、セル積層体25を上下方向及び前後方向から覆う。図1において、補機ケース28は、燃料電池用補機60を保護するための保護ケースであり、スタックケース27の一端部(矢印L方向の端部)に固定されている。補機ケース28内には、燃料電池用補機60として、燃料ガス系デバイス及び酸化剤ガス系デバイスが収容されている。
図1及び図2に示すように、エンドプレート30は、スタックケース27の他端部の開口部を閉じるように、スタックケース27の他端部(矢印R方向の端部)に固定されている。エンドプレート30は、長方形状の金属板よりなり、複数のボルト61によってスタックケース27の他端部に締結されている。エンドプレート30は、セル積層体25に積層方向の締結荷重を付与する。なお、図示は省略するが、スタックケース27とエンドプレート30との間には、弾性材料からなるシール部材が、スタックケース27とエンドプレート30との接合部の全周に亘って配置される。
図2に示すように、補機ケース28は、一端(矢印L方向の端)が開口した箱型の第1ケース部材62と、他端(矢印R方向の端)が開口した箱型の第2ケース部材66とを備えている。第2ケース部材66は、第1ケース部材62の開口を塞ぐように配置されて、補機ケース28を構成する。第1ケース部材62の一端部の周縁部には外方に突出するようにして形成されたフランジ部64が設けられている。また、第2ケース部材66の他端部の周縁部には外方に突出するようにして形成されたフランジ部68が設けられている。第1ケース部材62のフランジ部64と第2ケース部材66のフランジ部68とが複数のボルト67によって締結されることによって、第1ケース部材62と第2ケース部材66とが一体的に接合される。
第1ケース部材62の他端(矢印R方向の端)は、スタックケース27の一端側の開口部を閉じるように接合されており、第1ケース部材62がスタックケース27の一端にボルトにより締結される。第1ケース部材62は、スタックケース27のエンドプレートの機能も兼ね備えている。そのため、第1ケース部材62は、第1絶縁プレート54(図1参照)に当接して、エンドプレート30との間で、セル積層体25に対して積層方向の締付荷重を付与する。
第2ケース部材66は、正面66a、一端面66b、背面66c、底面66dを備える本体部66eと、本体部66eの上端側に形成された上端部66fとを備えている。正面66aは車体の前方に配置され、背面66cは車体の後方に配置された面である。正面66a及び背面66cは、前後方向(矢印Fr、Rr方向)に略垂直な面として形成されている。底面66dは、正面66aの下端部と背面66cの下端部との間に設けられており、第2ケース部材66の底部を覆う。一端面66bは、第2ケース部材66の一端部(矢印L方向)を覆う面であり、車幅方向(矢印R、L方向)に略垂直な面として形成されている。
さらに、第2ケース部材66の上端部66fには、正面66a、一端面66b及び背面66cの上端よりも上方に突出した膨出部70が形成されている。第2ケース部材66の膨出部70は、正面66aの上端から延び出る正面側上端面70aと、一端面66bの上端に繋がる切欠部70bと、背面66cの上端から延び出る背面側上端面70cとで構成されている。
正面側上端面70aは、前方を向いた傾斜面で構成されており、第2ケース部材66の前後方向の中央部分に向かうにしたがって徐々に上方に突出するように傾斜している。背面側上端面70cは、後方を向いた傾斜面で構成されており、第2ケース部材66の前後方向の中央部分に向かうにしたがって上方に突出するように傾斜している。
切欠部70bは、想定される衝撃荷重入力方向である、車両の前後方向に平行に延び、補機ケース28の上端角部を斜めに切り欠くようにして形成されている。すなわち、切欠部70bは、車幅方向(矢印R、L方向)及び上下方向(矢印U、D方向対して傾斜するように、一端面66bの上端から、第2ケース部材66のフランジ部68に向けて徐々に上方に突出するように傾斜している。また、切欠部70bは、補機ケース28の一端面66bを一端側からV字状に切り欠いて構成されたものであってもよい。
膨出部70は、側面視した際に、正面側上端面70a及び背面側上端面70cにより、第2ケース部材66の前後方向の中央部分が最も高くなるように形成されている。また、膨出部70は、正面視した際に、切欠部70bにより、フランジ部68が形成された他端部が最も高くなるように形成されている。
第2ケース部材66のフランジ部68は、正面66a、底面66d、背面66c及び膨出部70の他端部から外方に突出するようにして形成されている。第1ケース部材62のフランジ部64は、第2ケース部材66のフランジ部68と略同じ外形形状に形成されており、フランジ部64とフランジ部68とが面接触した状態でボルト67により締結されることで、リブ構造65を構成する。リブ構造65は、補機ケース28の正面66a、背面66c、上端部66f及び底面66dから突出している。リブ構造65は、補機ケース28において、前後方向に対する剛性の高い部分となっており、前後方向への衝撃荷重の入力が発生した際に、変形や破損が生じにくい補強構造を構成している。
本実施形態の補機ケース28では、さらに、リブ構造65が、膨出部70の正面側上端面70aの外方(上方及び前方)に突出した第1突出部78と、背面側上端面70cから外方(上方及び後方)に大きく突出した第2突出部80とを備えている。このうち、第2突出部80は、衝撃荷重の入力によって、燃料電池システム16がダッシュボード12(図1参照)側に変位した際に、ダッシュボード12と当接して、補機ケース28とダッシュボード12との間にスペースを生み出すように構成されている。第2突出部80の寸法は、補機ケース28とダッシュボード12との間に、燃料ガス配管74を保護可能なスペースを生み出せる範囲で適宜設定される。
また、第1突出部78及び第2突出部80とには、補修作業等の際に、燃料電池システム16の吊下作業を容易にするべく、フランジ部64及びフランジ部68よりなるリブ構造65を厚み方向に貫通する孔部78a、80aがそれぞれ設けられている。孔部78a、80aは吊下用フックを装着可能なサイズに形成されている。このようにして、孔部78aを有する第1突出部78及び孔部80aを有する第2突出部80は、燃料電池システム16の吊下構造を構成する。
膨出部70の切欠部70bには、接続ポート76が設けられている。接続ポート76には、インジェクタ等の燃料電池用補機60(図1参照)に燃料ガスを供給する燃料ガス配管74が接続されている。燃料ガス配管74は、切欠部70bに沿って補機ケース28の後方に向けて配索されている。また、燃料ガス配管74は、車幅方向に蛇行した蛇行部74aを有している。蛇行部74aは、上方から見たときに車幅方向の左側に突出するようにしてU字状に折り返された折返部74bと、折返部74bの両端に設けられた屈曲部74cとを有している。なお、蛇行部74aは3つの屈曲箇所に限定されず、必要に応じて複数の折返部74bを設けてもよい。蛇行部74aは、切欠部70bを後方に延長した面よりも外方(矢印L方向の外側)に配置されており、衝撃荷重の入力によって、燃料電池システム16が後方に変位した場合であっても、ダッシュボード12と燃料電池システム16との間に挟まれない位置に配置されている。屈曲部74cから先の燃料ガス配管74は、図示のように車両の下部に向けて延びている。燃料ガス配管74は、車室21の下方を通って車両後方に設けられた燃料ガスタンク(例えば、水素タンク)に接続されている。図4に示すように、燃料ガス配管74は、補機ケース28よりも車幅方向に突出しない位置で、補機ケース28の背面66c側に配置される。
燃料ガス配管74は、ゴムや、各種エラストマ等の柔軟な樹脂材料又は、ステンレス鋼、アルミニウム又はその合金、銅又は銅合金等の塑性変形可能な金属材料で構成されている。燃料ガス配管74は、燃料電池システム16の変位が生じても、蛇行部74aで変形を吸収することで、破断しないように構成されている。
図3に示すように、燃料電池システム16は、燃料電池車両10のボンネット15及びダッシュボード12で囲まれたフロントボックス14内に配置される。このとき、補機ケース28の膨出部70が、ダッシュボード12の上端が車体前方に向けて屈曲したダッシュアッパー18と対向する位置に配置されている。
燃料ガス配管74は、膨出部70の切欠部70bに沿って、後方のダッシュボード12の近傍に向けて延び、さらに、ダッシュボード12の下方に向けて配索されている。図4に示すように、補機ケース28の切欠部70bの近傍には、第2突出部80(図3参照)を備えたリブ構造65によって、ダッシュボード12及びダッシュアッパー18等の周辺の部材と当接することがない空間71が形成される。その空間71を通るように、燃料ガス配管74が配索されている。
本実施形態の燃料電池システム16は以上のように構成され、以下その作用について説明する。
図5に示すように、燃料電池車両10の前方(矢印Fr方向)から後方(矢印Rr方向)に向けて、衝撃荷重が入力されることにより、燃料電池システム16が後方(矢印Rr方向)に変位する。燃料電池システム16が変位すると、補機ケース28(第2ケース部材66)のリブ構造65に設けられた第2突出部80が、ダッシュボード12に当接し、ダッシュアッパー18を上方に押し上げながら、さらに後方に変位する。
これにより、第2ケース部材66の切欠部70bの近傍に、ダッシュボード12等の車体構造と干渉することのない、安全な空間71が生まれる。燃料ガス配管74は、切欠部70bの近傍に配設されているため、この空間71に燃料ガス配管74が収容される。したがって、衝撃荷重が入力されて燃料電池システム16が変位した場合であっても、燃料ガス配管74を保護することができる。
一方、図6に示すように、比較例の燃料電池スタック96では、補機ケース28に切欠部70bが設けられておらず、リブ構造98にも突出部が設けられていない。このような燃料電池スタック96では、衝撃荷重の入力により燃料電池スタック96が後方に変位した場合に、ダッシュボード12との間に安全な空間71を確保することができない。そのため、燃料ガス配管74がダッシュボード12等の車体側の部品と干渉する場合があり、燃料ガス配管74に大きな荷重が作用するおそれがある。
これに対し、本実施形態の燃料電池システム16によれば、第2ケース部材66の切欠部70bの近傍に、ダッシュボード12等の車体構造と干渉することのない、安全な空間71に燃料ガス配管74を収容して保護することができる。
本実施形態の燃料電池システム16及び燃料電池車両10は、以下の効果を奏する。
本実施形態の燃料電池システム16は、発電セル32の積層体(セル積層体25)を収納するスタックケース27と、スタックケース27の一端に隣接して設けられ、燃料電池用補機60を収納する補機ケース28と、燃料電池用補機60に燃料ガスを導入する燃料ガス配管74と、を備え、補機ケース28には、補機ケース28のスタックケース27から離間した一端面66bと上端部66fとの間の上端角部を切り欠くようにして形成された切欠部70bが設けられ、切欠部70bは、一端面66bからスタックケース27側に向かうにしたがって高くなるように傾斜しており、燃料ガス配管74は切欠部70bの近傍を通るように配置されている。このように構成することにより、切欠部70bの近傍に、ダッシュボード12等の車体構造と干渉することのない安全な空間71が生じ、その空間71に燃料ガス配管74を収容して保護することができる。また、衝撃荷重が入力されて燃料電池システム16が後方に向けて変位した場合であっても、切欠部70bの近傍に、ダッシュボード12等の車体構造と干渉することのない、安全な空間71を生み出すことができる。
上記の燃料電池システム16において、切欠部70bに燃料ガス配管74の接続ポート76が設けられていてもよい。このように構成することにより、燃料ガス配管74とともに、接続ポート76を安全な空間71内で保護できる。
上記の燃料電池システム16において、補機ケース28は、一端がスタックケース27に接合されるとともに他端が開口した第1ケース部材62と、第1ケース部材62に対向して開口を覆うように第1ケース部材62に装着される第2ケース部材66と、を備え、切欠部70bが第2ケース部材66に設けられていてもよい。このように、スタックケース27から離れた第2ケース部材66に切欠部70bを設けたことにより、燃料ガス配管74を燃料電池システム16とダッシュボード12等の車体構造とに挟まれない位置に配索することができて好適である。
上記の燃料電池システム16において、第1ケース部材62及び第2ケース部材66は、フランジ部64、68を介して接合されるとともに、補機ケース28の背面側上端面70cに、外方に向けて突出した第2突出部80が形成されていてもよい。このように構成することにより、衝撃荷重の入力により燃料電池システム16が後方に向けて変位した際に、第2突出部80がダッシュボード12等の車体構造に当接して、切欠部70bの近傍に、車体構造と干渉しない安全な空間71を生み出すことができる。
上記の燃料電池システム16において、フランジ部64、68の第2突出部80にフランジ部64、68を厚み方向に貫通する孔部80aを有する吊下構造が形成されていてもよい。これにより、吊下部材を別途設ける必要がなくなり、補機ケース28の構造を簡素化することができる。
上記の燃料電池システム16において、燃料ガス配管74は、接続ポート76から補機ケース28の後面側に向かって延びるとともに、側方に屈曲した蛇行部74aが設けられてもよい。
本実施形態の燃料電池車両10は、上記の燃料電池システム16を搭載している。これにより、衝撃荷重が入力された際であっても、燃料ガス配管74を保護することができて好適である。
本実施形態の燃料電池車両10は、フロントボックス14と、フロントボックス14の後方に形成された車室21と、フロントボックス14と車室21とを隔てるダッシュボード12とを、さらに備え、燃料電池システム16は、補機ケース28及びスタックケース27を車幅方向に並べてフロントボックス14に搭載されるとともに、燃料ガス配管74は、切欠部70bに沿ってダッシュボード12の近傍に向けて前後方向に延び、燃料ガス配管74に、車幅方向に屈曲した蛇行部74aが設けられていてもよい。このように構成することにより、衝撃荷重が入力された際であっても、燃料ガス配管74を保護することができて好適である。
上記の燃料電池車両10は、ダッシュボード12の上端に前方に向けて屈曲して延び出たダッシュアッパー18が設けられるとともに、補機ケース28は、一端がスタックケース27に接合されるとともに他端が開口した第1ケース部材62と、第1ケース部材62に対向して開口を覆うように第1ケース部材62に装着される第2ケース部材66と、を備え、衝撃荷重の入力時に、第1ケース部材62と第2ケース部材66の接合部に設けられたフランジ部64、68がダッシュアッパー18を押し上げることにより、切欠部70bとダッシュボード12との間に燃料ガス配管74を収容する空間71を形成する。これにより、燃料ガス配管74を保護することができて好適である。
上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
10…燃料電池車両 12…ダッシュボード
14…フロントボックス 16…燃料電池システム
27…スタックケース 28…補機ケース
62…第1ケース部材 64、68…フランジ部
65、98…リブ構造 66…第2ケース部材
70b…切欠部 74…燃料ガス配管
78…第1突出部 80…第2突出部

Claims (5)

  1. 発電セルの積層体を収納するスタックケースと、
    前記スタックケースの一端に隣接して設けられ、燃料電池用補機を収納する補機ケースと、
    前記燃料電池用補機に燃料ガスを導入する燃料ガス配管と、
    を備え、
    前記補機ケースには、前記補機ケースの前記スタックケースから離間した一端面と上端部との間の上端角部を切り欠くようにして形成された切欠部が設けられ、前記切欠部は、前記一端面から前記スタックケース側に向かうにしたがって高くなるように傾斜しており、
    前記燃料ガス配管は前記切欠部の近傍を通るように配置され
    前記切欠部に前記燃料ガス配管の接続ポートが設けられ、
    さらに、前記補機ケースは、一端が前記スタックケースに接合されるとともに他端が開口した第1ケース部材と、前記第1ケース部材に対向して前記開口を覆うように前記第1ケース部材に装着される第2ケース部材と、を備え、
    前記切欠部が前記第2ケース部材に設けられ、
    前記第1ケース部材及び前記第2ケース部材は、フランジ部を介して接合されるとともに、前記補機ケースの背面側上端面に、外方に突出した突出部が形成されている、
    燃料電池システム。
  2. 請求項記載の燃料電池システムであって、前記フランジ部の前記突出部に前記フランジ部を厚み方向に貫通する孔部を有する吊下構造が形成されている、燃料電池システム。
  3. 請求項記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス配管は、前記接続ポートから前記補機ケースの後面側に向かって延びるとともに、側方に屈曲した蛇行部が設けられている、燃料電池システム。
  4. 請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池システムを搭載した、燃料電池車両。
  5. 請求項記載の燃料電池車両であって、フロントボックスと、前記フロントボックスの後方に形成された車室と、前記フロントボックスと前記車室とを隔てるダッシュボードとを、さらに備え、
    前記燃料電池システムは、前記補機ケース及び前記スタックケースを車幅方向に並べて前記フロントボックスに搭載されるとともに、前記燃料ガス配管は、前記切欠部に沿って前記ダッシュボードの近傍に向けて前後方向に延び、
    前記燃料ガス配管に、前記車幅方向に屈曲した蛇行部が設けられている、燃料電池車両。
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