JP2008034115A - 燃料電池搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な居住空間を確保することができるとともに、部品の配置等に制約が生じることがなく、重量バランスを採ることができるようにする。
【解決手段】外気と直接接触し、燃料電池搭載車両の外表面を構成し、空気を取り込むための外装体と、燃料を供給するための燃料タンク４１と、前記外装体より内側において、外装体に沿って延在させて配設され、空気及び燃料を反応させて発電を行うメンブレン・エレクトロード・アッセンブリとを有する。燃料電池１１によって燃料電池搭載車両のボディの少なくとも一部が構成されるので、燃料電池１１を、スタック構造にする必要がなくなるとともに、空気を燃料電池１１に供給したり、水を燃料電池１１から排出したりするためのポンプを配設する必要がなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池搭載車両に関するものである。

従来、燃料電池を搭載した車両、すなわち、燃料電池搭載車両においては、積層型の燃料電池、すなわち、燃料電池スタックによって発生させられた電力を電流として駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。

そのために、前記車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、高圧の燃料としての水素ガスが貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに空気が供給される燃料電池スタック等を備える。前記燃料電池スタックは、上端部に空気を供給するための供給マニホルドを、下端部に混合流を排出するための排出マニホルドを備える。

そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールにおいて、前記水素ガスの水素と空気中の酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数の単位セルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成り、前記各単位セルは、電解質膜を挟んで空気極及び燃料極を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離し、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備える。

また、前記燃料電池搭載車両に燃料電池システムを搭載するに当たり、前記燃料電池スタック及び燃料タンクを車両の床下領域に配置することによって、車室内の居住空間を確保するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−１５１１３０号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池搭載車両において、燃料電池スタックは、必要な電力を発生させることができるだけの数の単位セルを積層することによって形成されるようになっているので、床下領域のかなりの部分を占有し、居住空間がその分狭くなってしまうだけでなく、他の部品の配置等に制約が生じてしまう。

また、燃料電池スタック及び燃料タンクは、相当の重量を有するので、床下領域の所定の箇所に配設されると、燃料電池搭載車両の全体の重量バランスを採るのが困難になってしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池搭載車両の問題点を解決して、十分な居住空間を確保することができるとともに、部品の配置等に制約が生じることがなく、重量バランスを採ることができる燃料電池搭載車両を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池搭載車両においては、外気と直接接触し、燃料電池搭載車両の外表面を構成し、空気を取り込むための外装体と、燃料を供給するための燃料タンクと、前記外装体より内側において、外装体に沿って延在させて配設され、取り込まれた空気、及び燃料タンクから供給された燃料を反応させて発電を行うメンブレン・エレクトロード・アッセンブリとを有する。

本発明によれば、燃料電池搭載車両においては、外気と直接接触し、燃料電池搭載車両の外表面を構成し、空気を取り込むための外装体と、燃料を供給するための燃料タンクと、前記外装体より内側において、外装体に沿って延在させて配設され、取り込まれた空気、及び燃料タンクから供給された燃料を反応させて発電を行うメンブレン・エレクトロード・アッセンブリとを有する。

この場合、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリは、外装体より内側において、外装体に沿って延在させて配設され、取り込まれた空気、及び燃料タンクから供給された燃料を反応させることによって発電を行う。

したがって、燃料電池によって燃料電池搭載車両のボディの少なくとも一部が構成されるので、燃料電池を、単位セルを積層したスタック構造にする必要がなくなるとともに、空気を燃料電池に供給するためのポンプが不要になる。また、ボディ自体の一部が燃料電池として構成されるので、燃料電池搭載車両を軽量化することができるだけでなく、居住空間をその分広くすることができ、他の部品の配置等に制約が生じるのを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池搭載車両の斜視図である。

図において、１３は乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両としての燃料電池搭載車両の床面を構成するプラットフォーム、１５、１６はドア、１９はルーフ、２１はボンネットフード、２３はトランクリッド、２４はフェンダーであり、前記プラットフォーム１３、ルーフ１９、ドア１５、１６、ボンネットフード２１、トランクリッド２３、フェンダー２４等の各ボディは、それぞれ、燃料電池構造体ｍｉ（ｉ＝１、２、…）を構成し、該各燃料電池構造体ｍｉは燃料電池システムを構成する。また、ｗｈｊ（ｊ＝１〜４）は車輪である（図においては、４個の車輪ｗｈｊのうちの２個の車輪ｗｈｊ（ｊ＝１、３）だけが示される。）。

次に、前記各燃料電池構造体ｍｉについて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池構造体の分解斜視図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。

図において、ｍｉは燃料電池構造体であり、本実施の形態においては、ドア１５を構成する。また、１１は、ドア１５の全体にわたって形成され、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池であり、該燃料電池１１は燃料電池搭載車両にエネルギー供給源として搭載され、燃料電池１１によって発生させられた電流は、図示されない駆動モータに供給され、該駆動モータを駆動することによって、各車輪ｗｈｊが回転させられる。

また、４１は液体水素が貯蔵された燃料供給装置としての、かつ、水素供給装置としての燃料タンクであり、該燃料タンク４１は、前記燃料電池１１の内側の面の全体にわたって密着させて形成され、燃料電池１１に燃料としての、かつ、燃料ガスとしての水素ガスを供給する。

前記燃料タンク４１は、燃料電池構造体ｍｉに内蔵されるので、内容積を大きくすることができる。したがって、内圧は２０気圧程度で十分であるが、航続距離を長くする場合は、５０気圧程度まで高くするのが好ましい。

本実施の形態においては、燃料電池として前記固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を使用しているが、固体高分子型燃料電池に代えて、アルカリ水溶液型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。

ところで、前記燃料電池１１においては、前記燃料タンク４１から供給された水素ガスと、外気から取り込んだ空気に含まれる酸化剤としての酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記燃料電池１１は、燃料電池搭載車両の外側から内側にかけて各要素を積層させて形成された積層構造を有し、外気と直接接触し、空気を取り込むための金属製の多孔体から成り、燃料電池搭載車両の外表面を構成する外装体としての多孔質外板２６、第１の拡散層としての空気極側拡散層２７、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ２８、及び第２の拡散層としての燃料極側拡散層２９を備え、該燃料極側拡散層２９に前記燃料タンク４１が取り付けられる。前記メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ２８は、多孔質外板２６、空気極側拡散層２７、燃料極側拡散層２９及び燃料タンク４１に沿って延在させられ、積層させられる。

前記燃料タンク４１における燃料極側拡散層２９と接触する壁は水素ガスを透過する透過壁を構成し、燃料タンク４１から燃料電池１１に水素ガスが直接供給される。なお、多孔質外板２６及び空気極側拡散層２７によって空気極（酸素極）が構成され、燃料極側拡散層２９によって燃料極が構成される。また、空気極側拡散層２７及び燃料極側拡散層２９は、カーボンクロス、カーボンペーパー、金属多孔体等によって形成され、ネットワーク構造を有する。

そして、前記メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ２８は、固体高分子から成り、イオン、本実施の形態においては、水素イオンを透過する固体電解質としての電解質膜３１を挟んで、前記空気極側拡散層２７側に空気極側触媒層３２が配設され、前記燃料極側拡散層２９側に燃料極側触媒層３３が配設される。前記空気極側触媒層３２及び燃料極側触媒層３３は、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質を所定の厚さで均一に分散させることによって形成される。

ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に図示されない負荷装置、例えば、インバータを接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが、プロトンの形態で水分を含んだ電解質膜３１内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子がインバータを介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生し、発電が行われる。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流をインバータに供給することができる。そして、該インバータは前記駆動モータに接続される。したがって、インバータによってＵ相、Ｖ相及びＷ相の相電流を発生させ、該相電流を駆動モータに供給することによって駆動モータを駆動することができる。

前記構成の燃料電池１１において、燃料電池搭載車両が停止しているときは、自然吸気によって多孔質外板２６を介して空気が燃料電池１１内に供給され、燃料電池搭載車両が走行しているときは、ラム流によって多孔質外板２６を介して空気が燃料電池１１内に供給される。

また、生成された水は、燃料電池搭載車両が停止しているときは、外気によって除去され、燃料電池搭載車両が走行しているときは、走行風によって除去されたり、蒸発させられたりする。

このように、燃料電池１１及び燃料タンク４１によって燃料電池搭載車両のボディの少なくとも一部が構成されるので、燃料電池１１を、単位セルを積層したスタック構造にする必要がなくなるとともに、空気を燃料電池１１に供給するためのポンプ、水を燃料電池１１から排出するためのポンプ等を配設する必要がなくなる。したがって、燃料電池搭載車両を軽量化することができるだけでなく、居住空間をその分広くすることができ、他の部品の配置等に制約が生じるのを防止することができる。

また、燃料電池搭載車両のボディの強度が多孔質外板２６によって得られ、燃料電池１１の電極が発電に寄与しない多孔質外板２６によって形成されるので、燃料電池１１の電極の設計の自由度を高くすることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図４は本発明の第２の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。

図において、３５は外装体としての外板ユニットであり、該外板ユニット３５は、外気と接触する外板３６、及び該外板３６と空気極側拡散層２７との間に形成された空気流路部３７を備える。該空気流路部３７には、平行に配設された複数の隔壁３８によって上下方向に延びる複数の溝３９が形成される。該各溝３９は、前記外板３６によって閉鎖され、複数の空気流路を構成する。また、前記外板３６における所定の箇所には、空気を取り込み、前記空気流路に供給するための空気導入口４８が形成される。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図５は本発明の第３の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。

図において、４３は金属製の多孔体から成る外装体としての多孔質外板、４４は第１の拡散層としての空気極側拡散層であり、前記多孔質外板４３及び空気極側拡散層４４によって空気極（酸素極）が構成される。

前記空気極側拡散層４４は、カーボンクロス、カーボンペーパー、金属多孔体等によって形成され、ネットワーク構造を有する。また、多孔質外板４３及び空気極側拡散層４４は、一体化され、外装体・拡散層ユニット４５を形成する。

このように、多孔質外板４３及び空気極側拡散層４４が一体化されることによって、多孔質外板４３と空気極側拡散層４４との間に複合材料から成る接合部が形成される。したがって、燃料電池１１の強度を大きくすることができる。

なお、多孔質外板４３及び空気極側拡散層４４を一体化するに当たり、多孔質外板４３と空気極側拡散層４４との間の接着面積を大きく取るために、多孔質外板４３と空気極側拡散層４４との間に複数の空気流路を形成しないのが好ましい。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図６は本発明の第４の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。

この場合、４７は強度が大きくなるように形成された強化拡散層としての空気極側拡散層であり、該空気極側拡散層４７は外装体として機能する。そのために、前記空気極側拡散層４７は、カーボンクロス、カーボンペーパー、金属多孔体等のベース材料に、樹脂等の含浸材料を含浸させることによって形成された複合材料から成る。したがって、空気極側拡散層４７の強度を通常の鋼板より大きくするとともに、弾力性を高くすることができる。なお、樹脂等の材料の含浸量は、空気の透過を妨げない程度の量に設定するのが好ましい。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図７は本発明の第５の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。

この場合、２７は、第１の拡散層としての空気極側拡散層であり、外装体としても機能する。また、燃料タンク４１の壁の強度が大きくされ、かつ、燃料極側拡散層２９と燃料タンク４１とは強固に接合される。したがって、前記空気極側拡散層２７は通常の空気極側拡散層の構造を有する。

次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図８は本発明の第６の実施の形態における燃料電池システムを示す図である。

図において、５０は燃料供給系であり、該燃料供給系５０は、燃料タンク４１、該燃料タンク４１から排出された水素ガスの圧力及び流量を調整するレギュレータ５３、燃料タンク４１とレギュレータ５３とを連結する燃料供給路５５、レギュレータ５３と燃料電池１１とを連結する燃料供給路５６等を備える。

また、燃料電池１１と燃料タンク４１との間には、燃料流路部６１が形成され、該燃料流路部６１には、平行に配設された複数の隔壁６３によって、水平方向に延びる複数の溝６４が形成される。該各溝６４は複数の燃料流路を構成し、水素ガスが燃料供給路５６を介して燃料流路に供給される。

次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。なお、第１、第６の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。

図９は本発明の第７の実施の形態における燃料電池システムを示す図である。

この場合、水素ガスは、燃料供給路５６を介して燃料極側拡散層２９に供給される。なお、燃料極側拡散層２９は水素ガスが逃げないようにシールされる。

前記各実施の形態においては、燃料供給装置及び水素供給装置として液体水素が貯蔵された燃料タンク４１が使用されるようになっているが、燃料タンク４１に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することができる。その場合、水素ガスを放出するときに、周囲から熱を吸収することによって車室内を冷却することができる。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池構造体の分解斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池搭載車両の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。 本発明の第３の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。 本発明の第４の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。 本発明の第５の実施の形態における燃料電池構造体の断面図である。 本発明の第６の実施の形態における燃料電池システムを示す図である。 本発明の第７の実施の形態における燃料電池システムを示す図である。

符号の説明

２６、４３ 多孔質外板
２７、４７ 空気極側拡散層
２８ メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ
３５ 外板ユニット
４１ 燃料タンク

Claims (6)

1. 外気と直接接触し、燃料電池搭載車両の外表面を構成し、空気を取り込むための外装体と、燃料を供給するための燃料タンクと、前記外装体より内側において、外装体に沿って延在させて配設され、取り込まれた空気、及び燃料タンクから供給された燃料を反応させて発電を行うメンブレン・エレクトロード・アッセンブリとを有することを特徴とする燃料電池搭載車両。
2. 前記外装体とメンブレン・エレクトロード・アッセンブリとの間に第１の拡散層が、 前記メンブレン・エレクトロード・アッセンブリと燃料タンクとの間に第２の拡散層が配設される請求項１に記載の燃料電池搭載車両。
3. 前記外装体と第１の拡散層との間に空気流路が形成される請求項２に記載の燃料電池搭載車両。
4. 前記外装体と第１の拡散層とは一体化されるとともに、前記外装体と第１の拡散層との間に複合材料から成る接合部が形成される請求項２に記載の燃料電池搭載車両。
5. 前記燃料タンクと第２の拡散層とが強固に接合される請求項２に記載の燃料電池搭載車両。
6. 前記燃料タンクと第２の拡散層との間に燃料流路が形成される請求項２に記載の燃料電池搭載車両。
   

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