JP6144303B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックをスタックケースに収納するとともに、前記スタックケースが車両本体の内部に搭載され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にアノード電極が、他方にカソード電極が、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、発電セルが構成されている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池車両では、特に燃料ガスである水素が、燃料電池スタックを搭載する空間内に漏出するおそれがある。このため、燃料電池スタックから漏出した水素を外部に効率よく排出することを目的として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池自動車が提案されている。
この燃料電池自動車は、乗員居室の前方に燃料電池を搭載する閉空間を配置している。そして、必要に応じて、閉空間の上部には、第１開口部が設けられるとともに、走行時に負圧が発生する位置には、第２開口部が設けられ、前記閉空間内に燃料電池システムから漏洩した水素を排出している。
従って、閉空間の上部に開口部を設けた場合には、特に車両停止状態において、閉空間内で燃料電池システムから漏出した水素を確実に車外に換気できる、としている。また、開口部を負圧の発生位置に設けた場合には、走行時に燃料電池システムから漏洩した水素を閉空間から排出することができる、としている。
特開２００４−０４０９５０号公報
上記の特許文献１では、閉空間の上部に開口部が設けられている。このため、車両が前後に傾斜した際や、左右に傾斜した際に、水素が閉空間に残るおそれがある。従って、漏出した水素を確実に車外に換気することができないという問題がある。
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、スタックケース内に漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車両外部に排出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が複数積層された燃料電池スタックを、スタックケースに収納するとともに、前記スタックケースが車両本体の内部に搭載されている。
この燃料電池車両では、スタックケースにダクト部材の一端が接続される一方、前記ダクト部材の他端は、車両本体のフェンダー部に開口している。
また、スタックケースは、ダッシュボードの前方に形成されたフロントボックス内に搭載されるとともに、ダクト部材の他端には、前輪のフェンダー部の上部に開口する排気口が設けられることが好ましい。
さらに、スタックケースの車幅方向両端には、それぞれダクト部材の一端が接続されるとともに、各ダクト部材は、車両平面視で、車両前後方向の後方に向かって車幅方向外方に傾斜するように配置されることが好ましい。
さらにまた、排気口の上端位置は、ダクト部材の内壁面の少なくとも一部の下端位置よりも下方に設定されることが好ましい。
また、排気口は、車両前後方向の後方に向かって開口面積が大きくなるように設定されることが好ましい。
本発明によれば、スタックケースにダクト部材の一端が接続される一方、前記ダクト部材の他端は、車両本体のフェンダー部に開口している。このため、簡単な構成で、スタックケース内に漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車両外部に排出させることが可能になる。
本発明の実施形態に係る燃料電池車両の前方部分の概略斜視説明図である。 前記燃料電池車両の概略平面説明図である。 前記燃料電池車両の概略正面説明図である。 前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタックを収納するスタックケースの分解斜視説明図である。 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。 前記燃料電池車両の前方左正面の説明図である。
図１〜図３に示すように、本発明の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、前輪１１Ｆ及び後輪１１Ｒを備えた車両本体１０ａを有する（図２参照）。車両本体１０ａの前輪１１Ｆ側には、燃料電池スタック１２が収容されたスタックケース１４を搭載するフロントボックス（モータルーム）１６が、ダッシュボード１８の前方に形成される。
図４に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０が車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池２０の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２２ａ、第１絶縁プレート２４ａ及び第１エンドプレート２６ａが、外方に向かって、順次、配設される。
燃料電池２０の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２２ｂ、第２絶縁プレート２４ｂ及び第２エンドプレート２６ｂが、外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１２の車両幅方向両端には、第１エンドプレート２６ａと第２エンドプレート２６ｂとが配置される。
第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂは、燃料電池２０、第１絶縁プレート２４ａ及び第２絶縁プレート２４ｂの外形寸法よりも大きな外形寸法に設定される。第１ターミナルプレート２２ａは、第１絶縁プレート２４ａの内部の凹部に収容される一方、第２ターミナルプレート２２ｂは、第２絶縁プレート２４ｂの内部の凹部に収容されてもよい。
横長形状の第１エンドプレート２６ａの中央部からは、第１ターミナルプレート２２ａに接続された第１電力出力端子２８ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート２６ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート２２ｂに接続された第２電力出力端子２８ｂが外方に向かって延在する。第１エンドプレート２６ａと第２エンドプレート２６ｂの各角部は、積層方向に延在するタイロッド３０により固定され、前記積層方向に締め付け荷重が付与される。
図５に示すように、燃料電池２０は、電解質膜・電極構造体３２が、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６に挟持される。第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６は、金属製セパレータ又はカーボン製セパレータにより構成される。
燃料電池２０の矢印Ａ方向の一端縁部には、積層方向（矢印Ｂ方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔４０ａは、冷却媒体を供給する一方、燃料ガス出口連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
燃料電池２０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通する酸化剤ガス流路４４が設けられる。第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面には、燃料ガス入口連通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔４２ｂとに連通する燃料ガス流路４６が設けられる。
互いに隣接し燃料電池２０を構成する第１セパレータ３４と第２セパレータ３６との間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４８が設けられる。第１セパレータ３４と第２セパレータ３６とには、それぞれシール部材５０、５２が、一体的又は個別に設けられる。
電解質膜・電極構造体３２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５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５８とを備える。カソード電極５６及びアノード電極５８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５４の両面に形成される。
図４に示すように、第１エンドプレート２６ａの一方の対角位置には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する酸化剤ガス供給マニホールド６０ａと、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂとが設けられる。第１エンドプレート２６ａの他方の対角位置には、燃料ガス入口連通孔４２ａに連通孔する燃料ガス供給マニホールド６２ａと、燃料ガス出口連通孔４２ｂに連通する燃料ガス排出マニホールド６２ｂとが設けられる。
図２に示すように、第２エンドプレート２６ｂには、冷却媒体入口連通孔４０ａに連通する冷却媒体供給マニホールド６４ａと、冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体排出マニホールド６４ｂとが設けられる。
図４に示すように、燃料電池スタック１２は、平面視矩形状、例えば、平面視長方形状のスタックケース１４内に収納される。スタックケース１４は、前方サイドパネル６６、後方サイドパネル６８、アッパーパネル７０、ローワーパネル７２、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂを備える。スタックケース１４を構成する各部品は、互いに、さらに第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂに対して、孔部７４を通ってねじ穴７６に螺合するねじ７８により固定される。
スタックケース１４の上面部を構成するアッパーパネル７０の内面、すなわち、燃料電池スタック１２が対向する天井面は、平坦面に形成される。アッパーパネル７０には、一方の対角位置にスタックケース１４内を外部に連通する開口部８０ａ、８０ｂが形成され、他方の対角位置に前記スタックケース１４内を外部に連通する開口部８０ｃ、８０ｄが形成される。
開口部８０ａ、８０ｃは、スタックケース１４の前方側（矢印Ａｆ方向）両側部に設けられ、燃料ガス入口連通孔４２ａの鉛直方向上方に配置される。開口部８０ｂ、８０ｄは、スタックケース１４の後方側（矢印Ａｂ方向）両側部に設けられる。
開口部８０ａ〜８０ｄには、排気ダクト（ダクト部材）８２ａ〜８２ｄの一端部が接続される。図１及び図２に示すように、排気ダクト８２ａの他端部と排気ダクト８２ｄの他端部とは、合流して右側排気ダクト（ダクト部材）８４Ｒの一端に接続される。排気ダクト８２ｂの他端部と排気ダクト８２ｃの他端部とは、合流して左側排気ダクト（ダクト部材）８４Ｌの一端に接続される。右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、以下に説明するように、部分的に高低差を設けるとともに、段差や曲がり形状を有する。高低差は、フロントボックス１６の高さを抑えるため、最小となるようにする。
図２に示すように、右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、車両平面視で、車両前後方向の後方（矢印Ａｂ方向）に向かって車幅方向外方（矢印ＢＲ方向及びやＢＬ方向）に傾斜するように配置される。右側排気ダクト８４Ｒは、燃料電池車両１０を構成する車両本体１０ａの右側フェンダー部８６Ｒに開口する一方、左側排気ダクト８４Ｌは、前記車両本体１０ａの左側フェンダー部８６Ｌに開口する。右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、途上に弾性を有するホースが接続されてもよい。また、右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、水平方向に扁平形状に形成されてもよい。
図１〜図３に示すように、左側フェンダー部８６Ｌ及び右側フェンダー部８６Ｒには、それぞれ前輪１１Ｆの上方且つ後方に位置して左側排気部材８８Ｌ及び右側排気部材８８Ｒが設けられる。左側排気部材８８Ｌ及び右側排気部材８８Ｒは、それぞれ内部に空間が設けられるとともに、表面にメッシュ部材９０Ｌ及びメッシュ部材９０Ｒが設けられる。メッシュ部材９０Ｌ、９０Ｒにより左側排気口９２Ｌ及び右側排気口９２Ｒが形成される。なお、左側排気部材８８Ｌ及び右側排気部材８８Ｒは、メッシュ部材９０Ｌ及びメッシュ部材９０Ｒを介して外気を流通させるプレートに複数の孔を設けたものでもよい。
図６に示すように、左側排気口９２Ｌは、車両前後方向の後方に向かって開口面積が大きくなるように設定される。左側排気口９２Ｌは、正面視で、前端部分が前方に向かって上下方向の開口寸法を小さくする略三角形状を有し、後端部分が略四角形状を有する。右側排気口９２Ｒは、同様に、車両前後方向の後方に向かって開口面積が大きくなるように設定される。
図３及び図６に示すように、左側排気口９２Ｌ及び右側排気口９２Ｒの上端位置は、左側排気ダクト８４Ｌ及び右側排気ダクト８４Ｒの内壁面の少なくとも一部の下端位置よりも下方に寸法Ｓ（＞０）だけ離間して設定される。
図１〜図３に示すように、排気ダクト８２ａの途上と排気ダクト８２ｃの途上とは、バイパスダクト９４により連結される。燃料電池車両１０が傾いた際にも、スタックケース１４の内部の水素濃度を均一にすることができる。
燃料電池スタック１２は、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂに設けられた図示しないマウント部材を介して、車両フレームに固定される。
このように構成される燃料電池車両１０の動作について、以下に説明する。
先ず、燃料電池車両１０の運転時には、図４に示すように、第１エンドプレート２６ａの燃料ガス供給マニホールド６２ａから燃料ガス入口連通孔４２ａに燃料ガスが供給される。一方、第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス供給マニホールド６０ａから酸化剤ガス入口連通孔３８ａに酸化剤ガスが供給される。
図５に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第２セパレータ３６の燃料ガス流路４６に導入される。この水素ガスは、電解質膜・電極構造体３２を構成するアノード電極５８に沿って供給される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード電極５６に沿って供給される。
従って、電解質膜・電極構造体３２では、アノード電極５８に供給される水素ガスと、カソード電極５６に供給される空気とが、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。
燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス出口連通孔４２ｂから第１エンドプレート２６ａの燃料ガス排出マニホールド６２ｂに排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂに排出される。
また、冷却媒体は、図２に示すように、第２エンドプレート２６ｂの冷却媒体供給マニホールド６４ａから冷却媒体入口連通孔４０ａに供給される。図５に示すように、冷却媒体は、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６間の冷却媒体流路４８に導入される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通して冷却媒体排出マニホールド６４ｂに排出される。
この場合、本実施形態では、図１に示すように、スタックケース１４の上面部を構成するアッパーパネル７０には、一方の対角位置に開口部８０ａ、８０ｂが形成され、他方の対角位置に開口部８０ｃ、８０ｄが形成されている。開口部８０ａ〜８０ｄには、排気ダクト８２ａ〜８２ｄの一端が接続されている。そして、排気ダクト８２ａ及び８２ｄの他端は、右側排気ダクト８４Ｒの一端に接続されるとともに、排気ダクト８２ｂ及び８２ｃの他端は、左側排気ダクト８４Ｌの一端に接続されている。
さらに、右側排気ダクト８４Ｒは、燃料電池車両１０を構成する車両本体１０ａの右側フェンダー部８６Ｒに開口する一方、左側排気ダクト８４Ｌは、前記車両本体１０ａの左側フェンダー部８６Ｌに開口している。
このため、燃料電池スタック１２から漏出する燃料ガス、例えば、水素は、空気よりも軽いため、スタックケース１４内を上昇し、各開口部８０ａ〜８０ｄから外部に排出されている。従って、スタックケース１４内に燃料ガスが滞留することがない。これにより、簡単な構成で、スタックケース１４内に漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車両外部に排出させることが可能になるという効果が得られる。
しかも、元来、使用用途の無いスペースである右側フェンダー部８６Ｒ及び左側フェンダー部８６Ｌを排出口として利用することができ、スペース効率を有効に向上させることが可能になる。
また、スタックケース１４は、ダッシュボード１８の前方に形成されたフロントボックス１６内に搭載されている。そして、右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌの他端には、各前輪１１Ｆの右側フェンダー部８６Ｒ及び左側フェンダー部８６Ｌの上部に開口する右側排気口９２Ｒ及び左側排気口９２Ｌが設けられている。このため、フロントボックス１６内を有効に活用するとともに、スタックケース１４内に漏出した燃料ガスを、容易且つ確実に車両外部に排出させることができる。
さらに、スタックケース１４の車幅方向両端には、それぞれ右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌの一端が間接的に接続されている。図２に示すように、右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、車両平面視で、車両前後方向の後方（矢印Ａｂ方向）に向かって車幅方向外方（矢印ＢＲ方向及び矢印ＢＬ方向）に傾斜するように配置されている。従って、右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、車両斜め後に向かって延在するため、燃料電池車両１０が前方に走行する際に、換気処理が円滑に遂行可能になる。右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌと右側排気口９２Ｒ及び左側排気口９２Ｌとの間に、圧力差が発生するからである。
さらにまた、図３及び図６に示すように、左側排気口９２Ｌ及び右側排気口９２Ｒの上端位置は、左側排気ダクト８４Ｌ及び右側排気ダクト８４Ｒの内壁面の少なくとも一部の下端位置よりも下方に設定されている。すなわち、右側排気ダクト８４Ｒ及び左側排気ダクト８４Ｌは、部分的に高低差を設けるとともに、段差や曲がり形状を有している。これにより、雨水等が左側排気ダクト８４Ｌ及び右側排気ダクト８４Ｒ内に逆流することを確実に抑制することができる。
また、左側排気口９２Ｌ及び右側排気口９２Ｒは、車両前後方向の後方に向かって開口面積が大きくなるように設定されている。このため、左側フェンダー部８６Ｌ及び右側フェンダー部８６Ｒには、各前輪１１Ｆに近接して左側排気口９２Ｌ及び右側排気口９２Ｒを設けることができる。従って、左側排気口９２Ｌ及び右側排気口９２Ｒは、コンパクト且つ良好に構成することが可能になる。
なお、図２に示すように、燃料電池スタック１２を収容したスタックケース１４が、車両本体１０ａの後方に配置されている場合がある。その際には、後輪１１Ｒの左側フェンダー部８６Ｌｒ及び右側フェンダー部８６Ｒｒに、左側排気部材８８Ｌ及び右側排気部材８８Ｒを設けることができる。
また、スタックケース１４には、開口部８０ａ〜８０ｄが設けられるとともに、前記開口部８０ａ〜８０ｄに排気ダクト８２ａ〜８２ｄが接続されているが、これに限定されるものではない。例えば、開口部８０ａ、８０ｂのみを設け、前記開口部８０ａ、８０ｂに排気ダクト８２ａ、８２ｂを接続することもできる。
さらに、第１エンドプレート２６ａ及び第２エンドプレート２６ｂは、スタックケース１４の構成部材として用いているが、これに限定されるものではなく、独立した直方体のケースの中に燃料電池スタック１２を収容してもよい。
１０…燃料電池車両 １０ａ…車両本体
１２…燃料電池スタック １４…スタックケース
１６…フロントボックス ２０…燃料電池
２６ａ、２６ｂ…エンドプレート ３２…電解質膜・電極構造体
３４、３６…セパレータ ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…冷却媒体入口連通孔
４０ｂ…冷却媒体出口連通孔 ４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４４…酸化剤ガス流路
４６…燃料ガス流路 ４８…冷却媒体流路
５４…固体高分子電解質膜 ５６…カソード電極
５８…アノード電極 ６６…前方サイドパネル
６８…後方サイドパネル ７０…アッパーパネル
７２…ローワーパネル ８０ａ〜８０ｄ…開口部
８２ａ〜８２ｄ…排気ダクト ８４Ｌ…左側排気ダクト
８４Ｒ…右側排気ダクト ８６Ｌ…左側フェンダー部
８６Ｒ…右側フェンダー部 ８８Ｌ…左側排気部材
８８Ｒ…右側排気部材 ９０Ｌ、９０Ｒ…メッシュ部材
９２Ｌ…左側排気口 ９２Ｒ…右側排気口
９４…バイパスダクト

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が複数積層された燃料電池スタックを、スタックケースに収納するとともに、前記スタックケースが車両本体の内部に搭載される燃料電池車両であって、
    前記スタックケースにダクト部材の一端が接続される一方、
    前記ダクト部材の他端は、前記車両本体のフェンダー部に開口す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、前記スタックケースは、ダッシュボードの前方に形成されたフロントボックス内に搭載されるとともに、
    前記ダクト部材の他端には、前輪の前記フェンダー部の上部に開口する排気口が設けら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、前記スタックケースの車幅方向両端には、それぞれ前記ダクト部材の一端が接続されるとともに、
    各ダクト部材は、車両平面視で、車両前後方向の後方に向かって車幅方向外方に傾斜するように配置され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、前記排気口の上端位置は、前記ダクト部材の内壁面の少なくとも一部の下端位置よりも下方に設定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、前記排気口は、車両前後方向の後方に向かって開口面積が大きくなるように設定されることを特徴とする燃料電池車両。
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