WO2013111669A1 - 燃料電池車両 - Google Patents

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vehicle
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fuel
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好永成志
内藤秀晴
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell vehicle including a fuel cell stack that includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a plurality of the fuel cells are stacked in the vehicle width direction.
  • a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) having an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is held by a separator.
  • MEA electrolyte membrane / electrode assembly
  • This type of fuel cell is generally used as a vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
  • an electric vehicle disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2009-137443 is known.
  • the interior of the motor room 1 is partitioned by the base panel 2 into an upper space and a lower space.
  • a traveling motor and an air compressor which are rotating electrical machines, are mounted in a lower space in the motor room 1, while a fuel cell stack 3 and a power control unit (PCU) are installed in the upper space of the motor room 1.
  • PCU power control unit
  • motor room 1 includes dash panel 5a provided in the longitudinal middle of the vehicle and a pair of fender side inner panels 5b provided on both sides in the width direction of the vehicle, and the whole is configured in a frame shape. There is.
  • the base panel 2 is a curved plate which is continuous from the substantially flat flat plate portion 2 a in the horizontal direction and the front end of the flat plate portion 2 a and curved downward toward the front so as to avoid the upper radiator 6. And a unit 2b.
  • a front end upper surface, which is an end opposite to the passenger compartment, of the curved plate portion 2b is directly coupled and fixed to a lower end edge of the front lower frame 5c by welding or the like.
  • the front lower frame 5c is provided at the front end of the vehicle, and is connected to the lower part of the front end of the pair of fender side inner panels 5b so as to extend in the vehicle width direction.
  • the front end upper part of a pair of fender side inner side panel 5b is connected by the front side upper panel (not shown) provided in the front end part of the vehicle.
  • the flat plate portion 2a is an end portion in the vehicle longitudinal direction, and a rear end portion, which is an end portion on the vehicle compartment side, is directly coupled and fixed to the front side surface of the dash panel 5a in the horizontal direction by welding or the like. Further, the flat plate portion 2a is directly coupled and fixed in the horizontal direction by welding or the like to both widthwise inner side surfaces of the pair of fender side inner panels 5b in the vehicle width direction. The rear end portion of the flat plate portion 2a and both widthwise end portions are directly coupled to the dash panel 5a and the fender side inner panel 5b in a state in which there is substantially no gap or in a state in which a gap exists.
  • the electrically powered vehicle configured in this manner, for example, when external force is applied from the outside due to a collision or the like in the direction indicated by the arrow ⁇ , the external force can be shared and received by the member including the base panel 2. Therefore, it becomes easy to prevent the force applied to each member constituting the vehicle body from becoming excessively large, and even when the base panel 2 is crushed, parts mounted on the base panel 2 such as the fuel cell stack 3 etc. It is possible to prevent external force from being applied to parts in the motor room 1 and to effectively prevent damage to the parts.
  • the present invention solves this kind of problem, and has a simple configuration, a fuel cell capable of well preventing external load from directly acting on the fuel cell, and capable of reliably protecting the fuel cell.
  • the purpose is to provide a vehicle.
  • the present invention relates to a fuel cell vehicle including a fuel cell stack that includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and in which a plurality of the fuel cells are stacked in the vehicle width direction.
  • end plates are disposed at both ends in the stacking direction of the fuel cell, and at least one of the fastening members connecting between the end plates is the vehicle traveling direction of the fuel cell stack It is disposed in front of and apart from the fuel cell.
  • the fuel cell cooling radiator, the load receiving member, and the fastening member are disposed in this order from the front to the rear in the vehicle traveling direction.
  • the end plate is fixed to the vehicle body frame.
  • the external load is transmitted to the vehicle body frame after being transmitted to the end plate from at least the radiator for fuel cell cooling and the load receiving member.
  • the external load is transmitted to the vehicle body frame after being transmitted from the fuel cell cooling radiator, the load receiving member and the fastening member to the end plate.
  • a housing for housing the fuel cell stack therein is provided, and a part of the housing is disposed in front of the fuel cell stack in the vehicle traveling direction to constitute a load receiving member. Is preferred.
  • the external load when an external load is applied to the fuel cell vehicle from the front in the vehicle traveling direction, the external load is transmitted from the fuel cell cooling radiator, the load receiving member and the fastening member to the end plate and then the fuel It is transmitted from the battery frame to the vehicle body frame.
  • the external load is not directly applied to the fuel cells constituting the fuel cell stack, and the external load can be released to the vehicle body frame.
  • direct application of external load to the fuel cell can be well prevented, and the fuel cell can be reliably protected.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing main parts of a fuel cell stack and a casing that constitute the fuel cell vehicle.
  • FIG. 5 is a cross-sectional side view of the fuel cell stack and the housing. It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell which comprises the said fuel cell stack. It is side explanatory drawing of the fuel cell vehicle which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is perspective explanatory drawing of the fuel cell stack which comprises the said fuel cell vehicle, and a housing
  • a fuel cell vehicle 10 includes a fuel cell stack 14 housed in a front box (so-called motor room) (inside the vehicle body) 12.
  • Fuel cell stack 14 is accommodated in housing 16 and, as shown in FIG. 3, in the vehicle width direction (arrow direction) in which a plurality of fuel cells 18 intersect in the vehicle length direction (arrow L direction) of fuel cell vehicle 10 Stacked in the direction H).
  • a plurality of fuel cells 18 are stacked in the horizontal direction (the arrow H direction) in a standing posture.
  • a first terminal plate 20a, a first insulating plate 22a, and a first end plate 24a are sequentially disposed outward at one end of the plurality of fuel cells 18 in the stacking direction.
  • the second terminal plate 20b, the second insulating plate 22b, and the second end plate 24b are sequentially disposed outward.
  • a first output terminal 26a connected to the first terminal plate 20a extends from the central portion of the first end plate 24a.
  • a second output terminal 26b connected to the second terminal plate 20b extends from the central portion of the second end plate 24b.
  • the 1st end plate 24a and the 2nd end plate 24b have horizontally long substantially rectangular shape which notched each corner, it is not limited to this, for example, has rectangular shape, square shape, etc. May be
  • Both ends of the connecting bar (fastening member) 28 a are fixed by screws 30 between the long sides of the first end plate 24 a and the second end plate 24 b. Both ends of the connecting bar (fastening member) 28 b are fixed by screws 30 between the short sides of the first end plate 24 a and the second end plate 24 b.
  • the connection bars 28a and 28b apply a clamping load in the stacking direction (the direction of the arrow H) to the plurality of stacked fuel cells 18 of the fuel cell stack 14.
  • connection bars 28a and 28b on the first end plate 24a side are fitted in the recessed portions 32 formed on each side of the first end plate 24a.
  • the end of the connecting bar 28a, 28b on the second end plate 24b side is fitted in the recess 34 formed on each side of the second end plate 24b.
  • the outer surface of the connecting bar 28a is disposed on the same plane as the long sides of the first end plate 24a and the second end plate 24b without any gap.
  • the connection bar 28b protrudes outward beyond the short sides of the first end plate 24a and the second end plate 24b, and one of the connection bars 28b is positioned forward of the fuel cell 18 in the vehicle traveling direction (arrow L direction).
  • the connecting bar 28b is set to the same thickness as the connecting bar 28a, and at least a part of the connecting bar 28b, for example, the central portion in the thickness direction is bulged outward to form the first end plate 24a and the second end plate. It may be made to project outward rather than each short side of 24b.
  • the fuel cell 18 has a horizontally long rectangular shape, and the membrane electrode assembly 40 is sandwiched between the first separator 42 and the second separator 44.
  • the first separator 42 and the second separator 44 are made of, for example, a metal separator such as a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or a plated steel plate, or a carbon separator.
  • the end portions communicate with each other in the direction of arrow H, which is the stacking direction, to oxidize to supply an oxidant gas such as an oxygen-containing gas.
  • An agent gas inlet communication hole 46a and a fuel gas outlet communication hole 48b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the direction of the arrow T (vertical direction).
  • the other end edge of the fuel cell 18 in the direction of arrow L communicates with each other in the direction of arrow H, and a fuel gas inlet communication hole 48a for supplying a fuel gas, and an oxidant gas for discharging an oxidant gas
  • the outlet communication holes 46 b are arranged in the arrow T direction.
  • the upper end edge of the fuel cell 18 in the arrow T direction is provided with a pair of cooling medium inlet communication holes 50a for supplying a cooling medium, and the lower end edge of the fuel cell 18 in the arrow T direction is A pair of coolant outlet communication holes 50b for discharging the coolant is provided.
  • An oxidant gas flow channel 52 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 46 a and the oxidant gas outlet communication hole 46 b is provided on the surface 42 a of the first separator 42 facing the electrolyte membrane / electrode assembly 40.
  • a fuel gas passage 54 communicating with the fuel gas inlet communication hole 48 a and the fuel gas outlet communication hole 48 b is provided on the surface 44 a of the second separator 44 facing the electrolyte membrane-electrode assembly 40.
  • a cooling medium communicating the cooling medium inlet communication hole 50a and the cooling medium outlet communication hole 50b between the surface 42b of the first separator 42 and the surface 44b of the second separator 44 which constitute the fuel cells 18 adjacent to each other A flow path 56 is provided.
  • Seal members 58 and 60 are integrally or separately provided on the first separator 42 and the second separator 44, respectively.
  • the sealing members 58 and 60 are made of, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicon rubber, butyl rubber, natural rubber, sealing material such as styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber, cushion material, or packing material Do.
  • the electrolyte membrane / electrode assembly 40 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 62 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and a cathode electrode 64 and an anode electrode 66 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 62.
  • a solid polymer electrolyte membrane 62 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water
  • a cathode electrode 64 and an anode electrode 66 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 62.
  • the cathode electrode 64 and the anode electrode 66 are formed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst formed by uniformly applying porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface to the surface of the gas diffusion layer. And a layer.
  • the electrode catalyst layer is formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 62.
  • the casing 16 has a plurality of, for example, two split members 70a and 70b having split surfaces along the length direction (the direction of the arrow H) on the long side of the fuel cell 18.
  • the divided members 70a and 70b are made of, for example, a member obtained by press forming an aluminum plate material, a member obtained by press forming a steel plate (stainless steel plate), or the like, and are joined together from the side (horizontal direction) of the fuel cell stack In particular, it has a polygonal cylindrical shape corresponding to the outer shape of the fuel cell stack 14.
  • the divided members 70a and 70b have protruding portions 71a and 71b protruding outward in correspondence with the connection bars 28b on side surfaces (vertical surfaces) extending in the arrow T direction.
  • One projection portion 71b constitutes a load receiving member.
  • the housing 16 may be divided into three or more if necessary.
  • Flange portions 72a and 72a that respectively protrude outward (vertically) are provided at open end portions extending in the longitudinal direction of the dividing member 70a, and the flange portions 72a constitute a dividing surface.
  • a plurality of holes 74a are provided at predetermined intervals in each flange 72a.
  • the divided member 70b is provided with an outwardly projecting flange portion 72b at the open end that extends in the lengthwise direction, and the flange portion 72b constitutes a divided surface.
  • Each flange portion 72b is formed with a plurality of hole portions 74b coaxially arranged in each hole portion 74a.
  • the bolts 76 are integrally inserted into the holes 74a and 74b coaxially disposed, respectively, and the nuts 77 are screwed into the bolts 76, whereby the divided members 70a and 70b are integrally joined.
  • the first seal member 78a is in close contact with the outer periphery of the first end plate 24a, while the second seal member 78b is in close contact with the outer periphery of the second end plate 24b.
  • the inner peripheral surface 16a of the housing 16 sandwiches the first seal member 78a with the outer peripheral portion of the first end plate 24a in a state where the divided members 70a and 70b are integrally fixed, and the second end The second seal member 78b is held between the outer peripheral portion of the plate 24b, and the inside of the housing 16 is airtightly held.
  • the first end plate 24a includes an oxidant gas inlet communication hole 46a, an oxidant gas outlet communication hole 46b, a fuel gas inlet communication hole 48a, and an oxidant gas communicating with the fuel gas outlet communication hole 48b.
  • a supply manifold 80a, an oxidant gas discharge manifold 80b, a fuel gas supply manifold 82a and a fuel gas discharge manifold 82b are attached.
  • One end of a pair of mounting members 84 a is fixed to the first end plate 24 a, and the other ends of the pair of mounting members 84 a are fixed to a fuel cell frame member 86.
  • the first end plate 24 a is directly fixed to the frame member 86.
  • the second end plate 24b includes a pair of cooling medium supply manifolds 88a and a pair of cooling medium discharge manifolds 88b communicating with the pair of cooling medium inlet communication holes 50a and the pair of cooling medium outlet communication holes 50b. Is attached.
  • the pair of cooling medium supply manifolds 88a merge to form a single supply piping structure, while the pair of cooling medium discharge manifolds 88b merge similarly to form a single discharge piping structure.
  • One end of a pair of mounting members 84 b is fixed to the second end plate 24 b, and the other ends of the pair of mounting members 84 b are fixed to a frame member 86.
  • the second end plate 24 b is directly fixed to the frame member 86.
  • all manifolds (oxidizer gas supply manifold 80a, oxidant gas discharge manifold 80b, fuel gas supply manifold 82a, fuel gas discharge manifold 82b, a pair of cooling media, etc.) are provided on the first end plate 24a.
  • the frame member 86 is fixed to a side frame 90 which is a vehicle side component via a bracket 91.
  • the side frame 90 constitutes a part of the vehicle body frame 92.
  • various devices are disposed as needed.
  • the front box 12 includes a radiator 96 for fuel cell cooling, a projection portion 71 b (load receiving member) of the housing 16, and a connecting bar of the fuel cell stack 14 from the front in the vehicle traveling direction to the rear. 28b (fastening member) are arranged in order.
  • an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the oxidant gas supply manifold 80a to the oxidant gas inlet manifold 46a, and a fuel gas inlet from the fuel gas supply manifold 82a.
  • a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the communication hole 48a.
  • a cooling medium such as pure water, ethylene glycol or oil is supplied from the cooling medium supply manifold 88a to the cooling medium inlet communication hole 50a.
  • the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet manifold 46 a into the oxidant gas flow path 52 of the first separator 42.
  • the oxidant gas is supplied to the cathode electrode 64 constituting the membrane electrode assembly 40 while moving in the direction of arrow L.
  • the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 54 of the second separator 44 from the fuel gas inlet passage 48 a.
  • the fuel gas is supplied to the anode electrode 66 constituting the membrane electrode assembly 40 while moving in the direction of arrow L.
  • the oxidant gas supplied to the cathode electrode 64 and the fuel gas supplied to the anode electrode 66 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, and power generation is performed. It will be. As a result, power is supplied to the traveling motor 94, so that the fuel cell vehicle 10 can travel.
  • the oxidant gas supplied to the cathode electrode 64 and consumed is circulated along the oxidant gas outlet communication hole 46b in the direction of the arrow H, and is discharged from the oxidant gas discharge manifold 80b (see FIG. 3).
  • the fuel gas supplied to and consumed by the anode electrode 66 flows along the fuel gas outlet passage 48b in the direction of the arrow H and is discharged from the fuel gas discharge manifold 82b.
  • the cooling medium supplied to the pair of cooling medium inlet communication holes 50a is introduced into the cooling medium channel 56 between the first separator 42 and the second separator 44, and then flows in the arrow T direction.
  • the cooling medium cools the membrane electrode assembly 40, flows through the pair of cooling medium outlet communication holes 50b, and is discharged from the cooling medium discharge manifold 88b (see FIG. 2).
  • connection bar 28b of the fuel cell stack 14 is disposed on the back surface side of the projection portion 71b.
  • the connecting bar 28 b protrudes outward beyond the short sides of the first end plate 24 a and the second end plate 24 b and is separated from the fuel cell 18.
  • the external load F acting on the projection portion 71b is transmitted to the connection bar 28b, and then transmitted to the first end plate 24a and the second end plate 24b to which the connection bar 28b is fixed. At this time, the external load F is not transmitted to the fuel cell 18.
  • the first end plate 24a and the second end plate 24b are directly fixed to the frame member 86 via the mount members 84a and 84b. Therefore, the external load F is transmitted to the frame member 86 from the first end plate 24a and the second end plate 24b, and then transmitted to the vehicle body frame 92 through the side frame 90 to which the frame member 86 is fixed. ing.
  • the external load F when the external load F is applied from the front in the vehicle traveling direction, the external load F is determined by the radiator 96, the projecting portion 71b of the housing 16 and the connecting bar 28b to the first end plate 24a. And, after being transmitted to the second end plate 24 b, it is transmitted from the frame member 86 to the vehicle body frame 92 via the side frame 90.
  • the external load F is not directly applied to each fuel cell 18 of the fuel cell stack 14, and the external load F can be reliably released to the vehicle body frame 92.
  • the external load F it is possible to effectively prevent the external load F from directly acting on the fuel cell 18 with a simple configuration, and to securely protect the fuel cell 18.
  • a gap may be formed between the connection bar 28 b and the protruding portion 71 b of the housing 16.
  • the external load F is transmitted to the first end plate 24 a and the second end plate 24 b from the radiator 96 and the projection portion 71 b of the housing 16, and then from the frame member 86 to the vehicle body frame 92 via the side frame 90. It has been transmitted.
  • FIG. 6 is a cross sectional view showing main components of a fuel cell vehicle 100 according to a second embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the fuel cell vehicle 10 according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted. Also in the third embodiment described below, the detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell vehicle 100 includes a housing 102 for housing the fuel cell stack 14 as shown in FIGS. 6 and 7.
  • the housing 102 has a plurality of, for example, two dividing members 104 a and 104 b having dividing surfaces on the short side of the fuel cell 18 along the length direction (arrow H direction).
  • the divided members 104 a and 104 b have a cylindrical shape, in particular, a polygonal cylindrical shape corresponding to the outer shape of the fuel cell stack 14 in a state of being joined to each other in the vertical direction of the fuel cell stack 14.
  • the dividing members 104a and 104b have dividing surfaces at the portions where the connecting bars 28b are disposed.
  • Flange portions 106a that respectively protrude outward in the horizontal direction are provided at the opening side end portions extending in the longitudinal direction of the division member 104a, and the flange portions 106a constitute division surfaces.
  • the dividing member 104b is provided with a flange portion 106b protruding outward in the horizontal direction at the opening side end extending in the longitudinal direction, and the flange portion 106b constitutes a dividing surface .
  • a load receiving member is constituted by one of the flange portions 106a and 106b projecting forward from the fuel cell stack 14 in the vehicle travel direction.
  • the front box 12 includes the radiator 96, the flange portions 106a and 106b (load receiving members) of the housing 102, and the fuel cell stack in the vehicle traveling direction from the front toward the rear.
  • the fourteen connection bars 28b (fastening members) are arranged in this order.
  • the external load F when the external load F is applied from the front in the vehicle traveling direction, the external load F is determined by the radiator 96, the flange portions 106a and 106b of the housing 16, and the connecting bar 28b to the first end plate 24a and the second end plate. After being transmitted to 24b, they are transmitted from the frame member 86 to the vehicle body frame 92 via the side frame 90.
  • the external load F is not directly applied to each fuel cell 18 of the fuel cell stack 14, and the external load F can be reliably released to the vehicle body frame 92.
  • the fuel cell stack 14 is accommodated in the housing 16 and without using the frame member 86. It is directly fixed to the side frame 90a.
  • One end of a pair of mounting members 112a is fixed to the first end plate 24a, and the other end of the pair of mounting members 112a is fixed to the side frame 90a.
  • One end of a pair of mounting members 112b is fixed to the second end plate 24b, and the other end of the pair of mounting members 112b is fixed to the side frame 90a.
  • the strength reduction portion 114 is provided by cutting in the height direction at a predetermined position in the arrow L direction.
  • the external load F when the external load F is applied from the front in the vehicle traveling direction, the external load F corresponds to the projection portion 71 b of the radiator 96 and the housing 16 (and the connection as necessary. After being transmitted from the bar 28b) to the first end plate 24a and the second end plate 24b, they are transmitted to the vehicle body frame 92 via the side frame 90a.
  • the external load F is not directly applied to each fuel cell 18 of the fuel cell stack 14, and the external load F can be reliably released by the side frame 90a and the vehicle body frame 92. This can avoid damage due to concentrated stress.
  • the side frame 90a is provided with the strength reduction portion 114. Therefore, application of the external load F allows the side frame 90a to be bent at the strength reduction portion 114, thereby reliably absorbing the external load F, and capable of protecting the fuel cell 18 favorably. Effect is obtained.

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Abstract

 燃料電池車両(10)では、フロントボックス(12)に、車両走行方向前方から後方に向かって、ラジエータ(96)、筐体(16)の突起部位(71b)、燃料電池スタック(14)の連結バー(28b)の順に配置される。第1エンドプレート(24a)及び第2エンドプレート(24b)は、マウント部材(84a、84b)を介してフレーム部材(86)に直接固定され、前記フレーム部材(86)は、車体フレーム(92)に固定される。外部荷重(F)は、ラジエータ(96)及び筐体(16)の突起部位(71b)から第1エンドプレート(24a)及び第2エンドプレート(24b)に伝達された後、サイドフレーム(90)を介して車体フレーム(92)に伝達される。

Description

燃料電池車両
 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し、複数の前記燃料電池が車両幅方向に積層される燃料電池スタックを備え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、それぞれアノード電極及びカソード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、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
 上記の燃料電池スタックが搭載された燃料電池車両では、例えば、前方からの衝撃(外部荷重)が燃料電池スタックに作用した際には、前記燃料電池スタック等の各部品を保護する必要がある。
 このため、例えば、特開2009-137443号公報に開示されている電動車両が知られている。この電動車両では、図10に示すように、モータルーム1内がベースパネル2により上部空間と下部空間とに仕切られている。モータルーム1内の下部空間には、図示しないが、回転電機である走行用モータ及びエアコンプレッサが搭載される一方、前記モータルーム1の上部空間には、燃料電池スタック3及び電力制御ユニット(PCU)4が配置されている。
 また、モータルーム1は、車両の前後方向中間部に設けられたダッシュパネル5aと、車両の幅方向両側に設けられた一対のフェンダー側内側パネル5bとを含み、全体を枠状に構成している。
 ベースパネル2は、水平方向の略平板状の平板部2aと、前記平板部2aの前端部から連続し、上側のラジエータ6を避けるように、前方に向かう程、低くなるように湾曲した湾曲板部2bとを備えている。
 湾曲板部2bの車室反対側端部である、前端部上側面が、前側下部フレーム5cの下端縁に溶接等により直接結合固定されている。前側下部フレーム5cは、車両の前端部に設けて、一対のフェンダー側内側パネル5bの前端部の下部に、車両幅方向に掛け渡すように結合されている。また、車両の前端部に設けた前側上部パネル(図示せず)により、一対のフェンダー側内側パネル5bの前端部上部が連結されている。
 さらに、平板部2aは、車両前後方向一端部であり、車室側端部である後端部が、ダッシュパネル5aの前側面に、水平方向に溶接等により直接結合固定されている。また、平板部2aは、車両幅方向両端部を、一対のフェンダー側内側パネル5bの幅方向内側面に、水平方向に溶接等により直接結合固定されている。平板部2aの後端部と幅方向両端部とは、ダッシュパネル5aとフェンダー側内側パネル5bとに、略隙間がない状態又は一部に隙間が存在する状態で直接結合している。
 このように構成される電動車両では、例えば、矢印αで示す方向に、衝突等により外部から外力が加わった場合に、ベースパネル2を含む部材で外力を分担して受けることができる。従って、車体を構成する各部材に加わる力が過度に大きくなることを防止し易くなるとともに、ベースパネル2が潰れた場合でも、燃料電池スタック3等の、ベースパネル2に載置した部品等、モータルーム1内の部品に外部から大きな力が加わることを防止し、部品の損傷を有効に防止し易くできる、としている。
 しかしながら、上記の特開2009-137443号公報では、電動車両の前方から矢印βで示す方向に、ラジエータ6に衝撃が付与された際に、前記ラジエータ6が後方に移動変形して燃料電池スタック3に直接衝突するおそれがある。これにより、燃料電池スタック3には、多大な外部荷重が直接付与されてしまうという問題がある。
 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、外部荷重が燃料電池に直接作用することを良好に阻止し、前記燃料電池を確実に保護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、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し、複数の前記燃料電池が車両幅方向に積層される燃料電池スタックを備える燃料電池車両に関するものである。
 この燃料電池車両では、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレート間を連結する締結部材の少なくとも1つは、前記燃料電池スタックの車両走行方向前方に前記燃料電池から離間して配置されている。
 車両内部には、車両走行方向前方から後方に向かって、燃料電池冷却用ラジエータ、荷重受け部材、締結部材の順に配置されている。一方、エンドプレートは、車体フレームに固定されている。
 そして、車両走行方向前方から外部荷重が付与された際、前記外部荷重は、少なくとも燃料電池冷却用ラジエータ及び荷重受け部材からエンドプレートに伝達された後、車体フレームに伝達されている。
 また、この燃料電池車両では、外部荷重は、燃料電池冷却用ラジエータ、荷重受け部材及び締結部材からエンドプレートに伝達された後、車体フレームに伝達されることが好ましい。
 さらに、この燃料電池車両では、燃料電池スタックを内部に収容する筐体を備えるとともに、前記筐体の一部は、前記燃料電池スタックの車両走行方向前方に配置されて荷重受け部材を構成することが好ましい。
 本発明によれば、燃料電池車両に車両走行方向前方から外部荷重が付与された際、前記外部荷重は、燃料電池冷却用ラジエータ、荷重受け部材及び締結部材からエンドプレートに伝達された後、燃料電池用フレームから車体フレームに伝達されている。
 このため、外部荷重は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池に直接付与されることがなく、前記外部荷重を車体フレームに逃がすことができる。これにより、簡単な構成で、外部荷重が燃料電池に直接作用することを良好に阻止し、前記燃料電池を確実に保護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側面説明図である。 前記燃料電池車両の要部斜視説明図である。 前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタック及び筐体の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタック及び前記筐体の断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池車両の側面説明図である。 前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタック及び筐体の斜視説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池車両の側面説明図である。 前記燃料電池車両の要部斜視説明図である。 特開2009-137443号公報に開示されている電動車両の要部平面説明図である。
 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、フロントボックス(所謂、モータルーム)(車体内部)12に収容される燃料電池スタック14を備える。
 燃料電池スタック14は、筐体16内に収容されるとともに、図3に示すように、複数の燃料電池18が燃料電池車両10の車長方向(矢印L方向)に交差する車幅方向(矢印H方向)に積層されて構成される。
 図3及び図4に示すように、燃料電池スタック14は、複数の燃料電池18が、立位姿勢で水平方向(矢印H方向)に積層される。複数の燃料電池18の積層方向一端には、第1ターミナルプレート20a、第1絶縁プレート22a及び第1エンドプレート24aが外方に向かって順次配設される。燃料電池18の積層方向他端には、第2ターミナルプレート20b、第2絶縁プレート22b及び第2エンドプレート24bが外方に向かって順次配設される。
 第1エンドプレート24aの中央部からは、第1ターミナルプレート20aに接続された第1出力端子26aが延在する。第2エンドプレート24bの中央部からは、第2ターミナルプレート20bに接続された第2出力端子26bが延在する。
 第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bは、各角部を切り欠いた横長の略長方形状を有するが、これに限定されるものではなく、例えば、長方形状や正方形状等を有していてもよい。
 第1エンドプレート24aと第2エンドプレート24bの各長辺間には、連結バー(締結部材)28aの両端がねじ30により固定される。第1エンドプレート24aと第2エンドプレート24bの各短辺間には、連結バー(締結部材)28bの両端がねじ30により固定される。連結バー28a、28bにより、燃料電池スタック14の複数の積層された燃料電池18に積層方向(矢印H方向)の締め付け荷重が付与される。
 図3に示すように、連結バー28a、28bの第1エンドプレート24a側の端部は、前記第1エンドプレート24aの各辺に形成された凹部32に嵌合する。
 連結バー28a、28bの第2エンドプレート24b側の端部は、前記第2エンドプレート24bの各辺に形成された凹部34に嵌合する。
 連結バー28aの外面は、第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bの各長辺と同一面上に且つ隙間なく配置される。連結バー28bは、第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bの各短辺よりも外方に突出しており、一方の前記連結バー28bは、車両走行方向(矢印L方向)前方に燃料電池18から離間して配置される。なお、連結バー28bは、連結バー28aと同一の肉厚に設定されるとともに、少なくとも一部、例えば、厚さ方向中央部を外方に膨出させて第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bの各短辺よりも外方に突出させてもよい。
 図5に示すように、燃料電池18は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体40が、第1セパレータ42及び第2セパレータ44に挟持される。第1セパレータ42及び第2セパレータ44は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
 燃料電池18の矢印L方向(図5中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印H方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔46a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔48bが、矢印T方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
 燃料電池18の矢印L方向の他端縁部には、矢印H方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔48a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔46bが、矢印T方向に配列して設けられる。
 燃料電池18の矢印T方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔50aが設けられるとともに、前記燃料電池18の矢印T方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔50bが設けられる。
 第1セパレータ42の電解質膜・電極構造体40に向かう面42aには、酸化剤ガス入口連通孔46aと酸化剤ガス出口連通孔46bとに連通する酸化剤ガス流路52が設けられる。
 第2セパレータ44の電解質膜・電極構造体40に向かう面44aには、燃料ガス入口連通孔48aと燃料ガス出口連通孔48bとに連通する燃料ガス流路54が設けられる。
 互いに隣接する燃料電池18を構成する第1セパレータ42の面42bと、第2セパレータ44の面44bとの間には、冷却媒体入口連通孔50aと冷却媒体出口連通孔50bとを連通する冷却媒体流路56が設けられる。
 第1セパレータ42及び第2セパレータ44には、それぞれシール部材58、60が、一体的又は個別に設けられる。シール部材58、60は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
 電解質膜・電極構造体40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62と、前記固体高分子電解質膜62を挟持するカソード電極64及びアノード電極66とを備える。
 カソード電極64及びアノード電極66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62の両面に形成されている。
 図2及び図3に示すように、筐体16は、燃料電池18の長辺側に長さ方向(矢印H方向)に沿って、分割面を有する複数、例えば、2つの分割部材70a、70bを有する。分割部材70a、70bは、例えば、アルミニウム製板材をプレス成形した部材、鋼板(ステンレス鋼板)をプレス成形した部材等により構成され、燃料電池スタック14の側方(水平方向)から互いに接合された状態で、筒形状、特に、燃料電池スタック14の外形形状に対応する多角筒形状を有する。
 分割部材70a、70bは、矢印T方向に延在する側面(鉛直面)に各連結バー28bに対応して外部に突出する突起部位71a、71bを有する。一方の突起部位71bは、荷重受け部材を構成する。なお、筐体16は、必要に応じて3以上に分割されていてもよい。
 分割部材70aの長さ方向に延在する開口側端部には、それぞれ外方(上下方向)に突出するフランジ部72a、72aが設けられ、前記フランジ部72aは、分割面を構成する。各フランジ部72aには、複数の孔部74aが所定間隔ずつ離間して設けられる。
 分割部材70bは、同様に、長さ方向に延在する開口側端部に、外方に突出するフランジ部72bが設けられ、前記フランジ部72bにより分割面が構成される。
 各フランジ部72bには、各孔部74aに同軸上に配置される複数の孔部74bが形成される。それぞれ同軸上に配置される孔部74a、74bには、ボルト76が一体に挿入され、前記ボルト76にナット77が螺合することにより、分割部材70a、70b同士が一体に接合される。
 第1エンドプレート24aの外周部を周回して、第1シール部材78aが密着する一方、第2エンドプレート24bの外周部を周回して、第2シール部材78bが密着する。
 筐体16の内周面16aは、分割部材70a、70bが一体に固定された状態で、第1エンドプレート24aの外周部との間で第1シール部材78aを挟持し、且つ、第2エンドプレート24bの外周部との間で第2シール部材78bを挟持し、前記筐体16の内部を気密に保持している。
 図3に示すように、第1エンドプレート24aには、酸化剤ガス入口連通孔46a、酸化剤ガス出口連通孔46b、燃料ガス入口連通孔48a及び燃料ガス出口連通孔48bに連通する酸化剤ガス供給マニホールド80a、酸化剤ガス排出マニホールド80b、燃料ガス供給マニホールド82a及び燃料ガス排出マニホールド82bが取り付けられる。
 第1エンドプレート24aには、一対のマウント部材84aの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材84aの他端は、燃料電池用フレーム部材86に固定される。第1エンドプレート24aは、フレーム部材86に直接固定される。
 図2に示すように、第2エンドプレート24bには、一対の冷却媒体入口連通孔50a及び一対の冷却媒体出口連通孔50bに連通する一対の冷却媒体供給マニホールド88a及び一対の冷却媒体排出マニホールド88bが取り付けられる。一対の冷却媒体供給マニホールド88aは、合流して単一の供給配管構造になる一方、一対の冷却媒体排出マニホールド88bは、同様に合流して単一の排出配管構造になる。
 第2エンドプレート24bには、一対のマウント部材84bの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材84bの他端は、フレーム部材86に固定される。第2エンドプレート24bは、フレーム部材86に直接固定される。
 なお、上記の構成に代えて、第1エンドプレート24aに、全てのマニホールド(酸化剤ガス供給マニホールド80a、酸化剤ガス排出マニホールド80b、燃料ガス供給マニホールド82a、燃料ガス排出マニホールド82b、一対の冷却媒体供給マニホールド88a及び一対の冷却媒体排出マニホールド88b)を設けてもよい。
 図1及び図2に示すように、フレーム部材86は、車両側構成部材であるサイドフレーム90にブラケット91を介して固定される。サイドフレーム90は、車体フレーム92の一部を構成する。フレーム部材86と車体フレーム92との間には、走行用モータ94の他、必要に応じて各種機器が配設される。
 図1に示すように、フロントボックス12には、車両走行方向前方から後方に向かって、燃料電池冷却用ラジエータ96、筐体16の突起部位71b(荷重受け部材)、燃料電池スタック14の連結バー28b(締結部材)の順に配置される。
 このように構成される燃料電池車両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3及び図5に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド80aから酸化剤ガス入口連通孔46aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給マニホールド82aから燃料ガス入口連通孔48aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、図2及び図5に示すように、冷却媒体供給マニホールド88aから冷却媒体入口連通孔50aに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、図5に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔46aから第1セパレータ42の酸化剤ガス流路52に導入される。酸化剤ガスは、矢印L方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体40を構成するカソード電極64に供給される。
 一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔48aから第2セパレータ44の燃料ガス流路54に導入される。この燃料ガスは、矢印L方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体40を構成するアノード電極66に供給される。
 従って、電解質膜・電極構造体40では、カソード電極64に供給される酸化剤ガスと、アノード電極66に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、走行用モータ94に電力が供給されるため、燃料電池車両10は、走行可能になる。
 次いで、カソード電極64に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔46bに沿って矢印H方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド80bから排出される(図3参照)。一方、アノード電極66に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔48bに沿って矢印H方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド82bから排出される。
 また、一対の冷却媒体入口連通孔50aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ42及び第2セパレータ44間の冷却媒体流路56に導入された後、矢印T方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体40を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔50bを流通し、冷却媒体排出マニホールド88bから排出される(図2参照)。
 燃料電池車両10では、上記のように、燃料電池スタック14から電力が供給されて走行される。その際、図1に示すように、燃料電池車両10に前方から衝撃である外部荷重Fが加わると、前記燃料電池車両10の前方部分が内部に変形し、ラジエータ96を進行方向後方(矢印Lb方向)に移動変形させる。従って、ラジエータ96は、筐体16を構成する分割部材70bの突起部位71bに衝突する。
 突起部位71bの裏面側には、燃料電池スタック14の連結バー28bが、配置されている。この連結バー28bは、第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bの各短辺よりも外方に突出し、燃料電池18から離間している。これにより、突起部位71bに作用する外部荷重Fは、連結バー28bに伝達された後、前記連結バー28bが固定される第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bに伝達される。その際、外部荷重Fは、燃料電池18に伝達されることがない。
 図1及び図2に示すように、第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bは、マウント部材84a、84bを介してフレーム部材86に直接固定されている。このため、外部荷重Fは、第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bからフレーム部材86に伝達された後、前記フレーム部材86が固定されているサイドフレーム90を介して車体フレーム92に伝達されている。
 この場合、第1の実施形態では、車両走行方向前方から外部荷重Fが付与された際、前記外部荷重Fは、ラジエータ96、筐体16の突起部位71b及び連結バー28bから第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bに伝達された後、フレーム部材86からサイドフレーム90を介して車体フレーム92に伝達されている。
 従って、外部荷重Fは、燃料電池スタック14の各燃料電池18に直接付与されることがなく、前記外部荷重Fを車体フレーム92に確実に逃がすことができる。これにより、簡単な構成で、外部荷重Fが燃料電池18に直接作用することを良好に阻止し、前記燃料電池18を確実に保護することが可能になるという効果が得られる。
 なお、連結バー28bと筐体16の突起部位71bとの間には、隙間が形成されてもよい。その際、外部荷重Fは、ラジエータ96、筐体16の突起部位71bから第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bに伝達された後、フレーム部材86からサイドフレーム90を介して車体フレーム92に伝達されている。
 図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池車両100の要部断面説明図である。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。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
 燃料電池車両100は、図6及び図7に示すように、燃料電池スタック14を収容する筐体102を備える。筐体102は、燃料電池18の短辺側に長さ方向(矢印H方向)に沿って、分割面を有する複数、例えば、2つの分割部材104a、104bを有する。分割部材104a、104bは、燃料電池スタック14の上下方向から互いに接合された状態で、筒形状、特に、燃料電池スタック14の外形形状に対応する多角筒形状を有する。
 分割部材104a、104bは、連結バー28bが配置される部位に分割面を有する。分割部材104aの長さ方向に延在する開口側端部には、それぞれ水平方向外方に突出するフランジ部106aが設けられ、前記フランジ部106aは、分割面を構成する。
 分割部材104bは、分割部材104aと同様に、長さ方向に延在する開口側端部に、水平方向外方に突出するフランジ部106bが設けられ、前記フランジ部106bにより分割面が構成される。
 各フランジ部106a、106bは、ボルト76及びナット77により固定され、分割部材104a、104b同士が一体に接合される。筐体102では、燃料電池スタック14から車両走行方向前方に突出する一方のフランジ部106a、106bにより、荷重受け部材が構成される。
 このように構成される第2の実施形態では、フロントボックス12には、車両走行方向前方から後方に向かって、ラジエータ96、筐体102のフランジ部106a、106b(荷重受け部材)、燃料電池スタック14の連結バー28b(締結部材)の順に配置されている。
 このため、車両走行方向前方から外部荷重Fが付与された際、前記外部荷重Fは、ラジエータ96、筐体16のフランジ部106a、106b及び連結バー28bから第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bに伝達された後、フレーム部材86からサイドフレーム90を介して車体フレーム92に伝達されている。
 従って、外部荷重Fは、燃料電池スタック14の各燃料電池18に直接付与されることがなく、前記外部荷重Fを車体フレーム92に確実に逃がすことができる。
 これにより、簡単な構成で、外部荷重Fが燃料電池スタック14に直接作用することを良好に阻止し、前記燃料電池スタック14を保護することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
 図8及び図9に示すように、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池車両110では、燃料電池スタック14は、筐体16内に収容されるとともに、フレーム部材86を用いることなく、サイドフレーム90aに直接固定される。
 第1エンドプレート24aには、一対のマウント部材112aの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材112aの他端は、サイドフレーム90aに固定される。第2エンドプレート24bには、一対のマウント部材112bの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材112bの他端は、サイドフレーム90aに固定される。サイドフレーム90aには、矢印L方向の所定の位置に高さ方向に切り込んで強度低下部位114が設けられる。
 このように構成される第3の実施形態では、車両走行方向前方から外部荷重Fが付与された際、前記外部荷重Fは、ラジエータ96、筐体16の突起部位71b(及び必要に応じて連結バー28b)から第1エンドプレート24a及び第2エンドプレート24bに伝達された後、サイドフレーム90aを介して車体フレーム92に伝達されている。
 従って、外部荷重Fは、燃料電池スタック14の各燃料電池18に直接付与されることがなく、前記外部荷重Fをサイドフレーム90a及び車体フレーム92により確実に逃がすことができる。これにより、集中応力による損傷を回避することができる。
 しかも、サイドフレーム90aには、強度低下部位114が設けられている。このため、外部荷重Fの付与により、サイドフレーム90aが強度低下部位114で折れ曲がることで、前記外部荷重Fを確実に吸収することが可能になり、燃料電池18を良好に保護することが可能になるという効果が得られる。

Claims (3)

  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(18)を有し、複数の前記燃料電池(18)が車両幅方向に積層される燃料電池スタック(14)を備える燃料電池車両(10)であって、
     前記燃料電池スタック(14)は、前記燃料電池(18)の積層方向両端にエンドプレート(24a、24b)が配設されるとともに、前記エンドプレート(24a、24b)間を連結する締結部材(28b)の少なくとも1つは、前記燃料電池スタック(14)の車両走行方向前方に前記燃料電池(18)から離間して配置され、
     車両内部(12)には、前記車両走行方向前方から後方に向かって、燃料電池冷却用ラジエータ(96)、荷重受け部材(71b)、前記締結部材(28b)の順に配置される一方、
     前記エンドプレート(24a、24b)は、車体フレーム(92)に固定されることにより、前記車両走行方向前方から外部荷重が付与された際、前記外部荷重は、少なくとも前記燃料電池冷却用ラジエータ(96)及び前記荷重受け部材(71b)から前記エンドプレート(24a、24b)に伝達された後、前記車体フレーム(92)に伝達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、前記外部荷重は、前記燃料電池冷却用ラジエータ(96)、前記荷重受け部材(71b)及び前記締結部材(28b)から前記エンドプレート(24a、24b)に伝達された後、前記車体フレーム(92)に伝達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、前記燃料電池スタック(14)を内部に収容する筐体(16)を備えるとともに、
     前記筐体(16)の一部は、前記燃料電池スタック(14)の前記車両走行方向前方に配置されて前記荷重受け部材(71b)を構成することを特徴とする燃料電池車両。
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