JP7183725B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本明細書では、車両のフードの下側空間に搭載される燃料電池システムを開示する。

従来から、燃料電池を搭載した車両が提案されている。こうした燃料電池は、発電に伴い発熱するため、必要に応じて冷却液で冷却する必要がある。そのため、燃料電池システムには、通常、冷却液が流れる冷却流路や、冷却液を外気と熱交換するラジエータ、冷却液を貯留するリザーブタンクなどを備えた冷却機構が組み込まれている。

特許文献１には、冷却機構を組み込んだ燃料電池システムが開示されている。この特許文献１では、水頭圧を考慮して、リザーブタンクを燃料電池スタックの上方に配置している。

特開２０１２－１８７６１号公報

ところで、近年、燃料電池システムを、フードの下側空間、すなわち、パワーユニット室（エンジン車両におけるエンジンルームに対応）に搭載することが提案されている。ここで、通常、フードは、比較的柔らかく構成されており、車両が歩行者に衝突し、歩行者がフードに乗り上げたときには、当該フードが変形することで歩行者を保護する。そのため、フードと燃料電池システムとの間には、当該フードの変形を許容するために、十分な隙間が求められる。

特許文献１のように、燃料電池スタックの上側にリザーブタンクを設けた場合、当該リザーブタンクの分だけ、燃料電池システム全体の高さが高くなり、フードの設置高さを高くしなければならない。その結果、フードを含む車両前部の意匠の自由度が低下する。

そこで、本明細書では、車両前部の意匠の自由度を低下させることなく、車両のフードの下側空間に配置される燃料電池システムを開示する。

本明細書で開示する燃料電池システムは、車両のフードの下側空間に搭載される燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを制御するコントロールユニットと、を有したＦＣアセンブリと、前記燃料電池スタックを完全密閉式の冷却流路を用いて冷却する冷却機構と、前記冷却流路の途中に設けられ、冷却液を貯留するリザーブタンクであって、ラジエータとの間で前記冷却液を送受し、その上部にダンパとして機能する空気が溜まっているリザーブタンクと、を備え、前記リザーブタンクは、前記ＦＣアセンブリに対して水平方向に隣接して配置され、前記リザーブタンクは、前記ＦＣアセンブリに対して車両前方に隣接して配置されており、前記リザーブタンクの上端高さは、前記ＦＣアセンブリの前端面の上端高さより低い、ことを特徴とする。

かかる構成とすることで、燃料電池システムの高さを低く抑えることができるため、フードの配置高さの自由度、ひいては、車両前部の意匠の自由度の低下を防止できる。

かかる構成とすることで、燃料電池システムの高さを決定する要因、ひいては、フードの配置高さを決定する要因から、リザーブタンクを除外でき、フードの配置高さの自由度が向上する。

本明細書で開示する他の燃料電池システムは、車両のフードの下側空間に搭載される燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを制御するコントロールユニットと、を有したＦＣアセンブリと、前記燃料電池スタックを完全密閉式の冷却流路を用いて冷却する冷却機構と、前記冷却流路の途中に設けられ、冷却液を貯留するリザーブタンクと、を備え、前記リザーブタンクは、前記ＦＣアセンブリに対して水平方向に隣接して配置され、前記リザーブタンクは、支持ブラケットを介して前記ＦＣアセンブリの周面に固定される、ことを特徴とする。

かかる構成とすることで、リザーブタンクが、ＦＣアセンブリの共振を抑制するマスダンパとして機能し、振動、ひいては、騒音を低減できる。

この場合、前記リザーブタンクは、配管を介して、電動バルブに連結されるバルブ連結部を有しており、前記支持ブラケットは、前記リザーブタンクのうち、幅方向中心よりも前記バルブ連結部に近い位置に取り付けられていてもよい。

振動が伝達されやすいバルブ連結部に近い箇所に、支持ブラケットを取り付けることで、振動をより効果的に防止できる。

前記支持ブラケットは、前記リザーブタンクの底面と、前記ＦＣアセンブリの周面と、を連結してもよい。

かかる構成とすることで、リザーブタンクの重量を、ＦＣアセンブリで確実に支えることができる。

この場合、前記支持ブラケットは、前記リザーブタンクの底面に取り付けられるタンク側端部と、前記ＦＣアセンブリの周面に取り付けられるケース側端部と、前記タンク側端部および前記ケース側端部とを接続する中間部と、を有しており、前記中間部は、前記タンク側端部と前記ケース側端部とをほぼ一直線に結ぶ形状であってもよい。

かかる構成とすることで、中間部の距離を低減でき、ブラケットの材料を低減できる。

また、前記支持ブラケットは、マウントゴムを介して前記リザーブタンクに取り付けられていてもよい。

かかる構成とすることで、リザーブタンクとＦＣアセンブリとの間で振動を効果的に吸収できる。

本明細書で開示する燃料電池システムによれば、車両前部の意匠の自由度を低下させることなく、車両のフードの下側空間に配置できる。

燃料電池システムの概略的な平面図である。 燃料電池システムの概略的な側面図である。 リザーブタンク周辺の正面図である。 図３のＡ－Ａ線での端面図である。 冷却機構の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して燃料電池システム１０の構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０の概略平面図であり、図２は、側面図である。また、図３は、リザーブタンク５０周辺の正面図であり、図４は、図３のＡ－Ａ線での端面図である。なお、以下の図面では、主要な部品のみを図示し、各種配管やポンプ等の図示は省略している。また、図１では、意匠カバー１９を二点鎖線で図示し、意匠カバー１９の下側に見える部材を実線で図示している。また、図３、図４では、意匠カバー１９の図示を省略している。さらに、以下の図面において、「Ｆｒ」、「Ｗ」、「Ｕｐ」は、それぞれ、車両の前方、幅方向、上方を示している。

燃料電池システム１０は、車両に搭載されて、走行用電動モータ等に電力を供給する電源として用いることができる。本例において、燃料電池システム１０は、フードの下側空間、すなわち、パワーコントロール室に搭載されている。そのため、図２に示すように、燃料電池システム１０の上方には、後ろ上がりに傾斜したフード１００が位置している。このフード１００は、比較的柔らかく、容易に変形できるようになっている。これは、車両に衝突した歩行者が、当該フード１００に乗り上げたときに、当該フード１００を変形させることで歩行者への負荷を軽減するためである。

燃料電池システム１０は、図１～図４に示すように、燃料電池スタック（以下「ＦＣスタック」と称す）１２およびコントロールユニット１４を組み合わせたＦＣアセンブリ１８と、ＦＣスタック１２を冷却する冷却機構３０と、を備えている。

ＦＣスタック１２は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池のセルを複数有している。複数のセルは、車両前後方向に積層されて、一対のエンドプレートで挟持される。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池を用いることができる。燃料電池の種類はこれに限定されるものではなく、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等であってもかまわない。

このＦＣスタック１２は、スタックケース１６（図４参照）に収容され、ベース部材２０を介して車両に固定される。このときＦＣスタック１２は、後ろ下がりに傾斜した状態で固定される。これは、ＦＣスタック１２内に流れる液体を効率的に流すためである。すなわち、ＦＣスタック１２には、冷却液が流れる冷却流路３２や、燃料ガスおよび酸化ガスが流れるガス流路が設けられている。冷却液や水が、これら冷却流路３２およびガス流路を円滑に流れて、ＦＣスタック１２の外部に排出されるように、本例では、ＦＣスタック１２を後ろ下がりに傾斜させている。なお、ガス流路において存在する水とは、燃料ガスまたは酸化ガスを加湿するために投入された水や、発電によって生じた水である。

ＦＣスタック１２の上には、ＦＣスタック１２が生成する電力および電流を制御するコントロールユニット１４が設置されている。本例では、図に示すように、スタックケース１６を、上下二段構成とし、下側にＦＣスタック１２を、上側にコントロールユニット１４を配置している。このようにＦＣスタック１２およびコントロールユニット１４を、スタックケース１６により一体化し、ユニット化することで、ＦＣアセンブリ１８が構成される。

冷却機構３０は、ＦＣスタック１２に冷却液を供給することでＦＣスタック１２を冷却する。本例では、冷却機構３０として、冷却液が外気に接触しない、いわゆる完全密閉型の冷却機構３０を採用している。なお、冷却液としては、低温時の凍結を防止するために、例えば、エチレングリコールと水との混合溶液、いわゆる不凍液を用いることができる。

図５は、この冷却機構３０の構成を示すブロック図である。冷却機構３０は、図５に示すように、冷却液が流れる冷却流路３２を有しており、この冷却流路３２の途中には、ラジエータ３８やウォータポンプ４２等が設けられている。冷却流路３２は、ＦＣスタック１２から流出した冷却液をラジエータ３８を経て、再び、ＦＣスタック１２に戻すメイン流路３４のほか、このメイン流路３４から分岐したバイパス流路３６ａ～３６ｃと、ラジエータ３８とリザーブタンク５０を連通する連通流路３７と、を含む。

ラジエータ３８は、ＦＣスタック１２から排出された冷却液を外気との熱交換により冷却する熱交換器である。このラジエータ３８の背後には、熱交換を促進するためのラジエータファン４０が設けられている。ウォータポンプ４２は、メイン流路３４の途中に設けられ、冷却液を圧送する。一つのバイパス流路３６ａには、冷却液からイオンを吸着除去するイオン交換機４６が設けられている。また、別のバイパス流路３６ｂには、ＦＣスタック１２に供給される空気と冷却液とを熱交換するインタークーラ４４が設けられている。

電動バルブ４８は、メイン流路３４とバイパス流路３６ａとの合流点に設けられ、ラジエータ３８を通過する冷却液とバイパス流路３６ａを通過する冷却液との流量比率を調節する。この電動バルブ４８は、図１、図２に示すように、スタックケース１６の側面（図示例では、正面向かって右側の側面）に取り付けられている。

さらに、別のバイパス流路３６ｃには、冷却液を貯留するリザーブタンク５０も設けられている。リザーブタンク５０は、連通流路３７を介してラジエータ３８に連通されており、ラジエータ３８との間で冷却液を送受する。このリザーブタンク５０は、大気開放されることなく、完全に閉鎖された、いわゆる完全密閉式のリザーブタンク５０である。このリザーブタンク５０内の上部に貯まった空気がダンパの役割を果たすことで、温度変動に伴う冷却液の圧力変動を吸収できる。

図２、図３に示すように、リザーブタンク５０の上部には、圧力調整弁の機能を有したキャップ５２が設けられている。キャップ５２は、例えば、樹脂からなり、螺合等の手段によりリザーブタンク５０に着脱自在に取り付けられている。このキャップ５２は、タンク内圧力が高くなれば、タンク内の水蒸気を外部に放出し、タンク内圧力が低くなればタンク内に空気を流入させ、タンク内の圧力を正常に保つ。

意匠カバー１９は、図１、図２に示すように、ＦＣアセンブリ１８の上方に配置され、ＦＣアセンブリ１８の上面およびリザーブタンク５０のキャップ５２を上方から覆っている。かかる意匠カバー１９を設けることで、ＦＣアセンブリ１８の上部（すなわちコントロールユニット１４の上部）に設けられた各種電気部品や、リザーブタンク５０のキャップ５２などに、ユーザが不必要に接触することが防止される。

ところで、図１、図２から明らかな通り、本例では、リザーブタンク５０を、ＦＣアセンブリ１８に対して車両前方に隣接した位置に配置している。別の見方をすれば、リザーブタンク５０は、ＦＣスタック１２に対して水平方向に隣接配置されている。かかる構成とするのは、次の理由による。

従来、リザーブタンク５０は、ＦＣアセンブリ１８の上方に配置されることが多かった。特に、リザーブタンク５０が大気開放された簡易密閉式の冷却機構３０を用いる場合、水頭圧の関係上、リザーブタンク５０は、ＦＣスタック１２より上方に配置しなければならなかった。しかし、リザーブタンク５０を、ＦＣアセンブリ１８の上方に配置した場合、その分、燃料電池システム１０全体の高さが大きくなる。

ここで、既述した通り、燃料電池システム１０は、フード１００の下側に配されており、歩行者保護のためには、このフード１００と燃料電池システム１０との間には十分な空間が必要である。リザーブタンク５０をＦＣアセンブリ１８の上方に配置して燃料電池システム１０が高くなれば、その分、フード１００の設置位置も高くなり、車両前部の意匠の自由度が低下するという問題が生じていた。もちろん、燃料電池システム１０の高さ増加を抑えるべく、リザーブタンク５０の形状を工夫することも考えられる。しかし、この場合、リザーブタンク５０の容量が制限されるなど、別の問題が生じる。

そこで、本例では、上述したように、リザーブタンク５０を、ＦＣアセンブリ１８に対して水平方向に隣接して配置している。かかる配置とすることで、リザーブタンク５０の容量（サイズ）を過度に制限しなくても、リザーブタンク５０の上端高さを、ＦＣアセンブリ１８の上端より低く抑えることができる。その結果、燃料電池システム１０の高さを決定する要因、ひいては、フード１００の配置高さを決定する要因から、リザーブタンク５０が除外され、フード１００の配置高さの自由度が向上する。

なお、上述した通り、簡易密閉式の冷却機構３０では、水頭圧の関係で、リザーブタンク５０は、ＦＣスタック１２の上方に位置しなければならない。一方、本例では、完全密閉式の冷却機構３０を採用しているため、水頭圧を考慮する必要がなく、リザーブタンク５０を、ＦＣスタック１２とほぼ同じ高さに配置することが可能となっている。

次に、リザーブタンク５０の構成および取り付けについて詳説する。既述した通り、リザーブタンク５０は、その上部にキャップ５２が設けられている。また、図３から明らかな通り、リザーブタンク５０には、冷却流路３２を構成する配管が接続される連結部５４～５８が三つ、設けられている。第一～第三連結部５４～５８は、いずれも、リザーブタンク５０の内部空間に連通した管状体である。

第一連結部５４は、リザーブタンク５０の正面向かって右側の上端近傍に設けられている。この第一連結部５４は、リザーブタンク５０と電動バルブ４８（より正確には電動バルブ４８近傍のメイン流路３４）とを接続する配管（バイパス流路３６ｃ）が接続されるバルブ連結部として機能する。第二連結部５６は、リザーブタンク５０の正面向かって右側の下端近傍に設けられている。この第二連結部５６は、リザーブタンク５０とラジエータ３８とを接続する配管（連通流路３７）が接続される。第三連結部５８は、リザーブタンク５０の底面から下方に延びており、リザーブタンク５０とメイン流路３４とを接続する配管（バイパス流路３６ｃ）が接続される。

また、リザーブタンク５０は、支持ブラケット６２および補助ブラケット６４を介して、スタックケース１６の前端面に固定されている。補助ブラケット６４は、リザーブタンク５０とスタックケース１６の前端面とを接続するもので、リザーブタンク５０の左右に一つずつ、合計、二つ設けられている。この補助ブラケット６４は、ボルトにより、スタックケース１６に締結される。

また、支持ブラケット６２は、リザーブタンク５０の底面とスタックケース１６の前端面とを接続する。図４に示すように、リザーブタンク５０の底面からは、この支持ブラケット６２が取り付けられる取付リブ６０が延びている。取付リブ６０は、下方に突出した管状のリブであり、その末端は、後述するマウントゴム７２が容易に嵌められるように、先細り形状になっている。

支持ブラケット６２は、図２、図４に示すように、リザーブタンク５０の底面に取り付けられるタンク側端部６６と、スタックケース１６の前端面に取り付けられるケース側端部６８と、タンク側端部６６およびケース側端部６８を接続する中間部７０と、を有している。

タンク側端部６６には、マウントゴム７２が嵌合可能な嵌合孔６６ａが一つ、形成されている。また、ケース側端部６８には、スタックケース１６の前端面に螺合する締結ボルト８０が挿通可能な締結孔が二つ、形成されている。

この支持ブラケット６２は、マウントゴム７２を介してリザーブタンク５０の底面に取り付けられる。マウントゴム７２は、振動を吸収可能な弾性材料からなり、上部の外径が下部の外径より大きい段付き形状となっている。マウントゴム７２は、その中央に貫通孔が形成された略管状である。このマウントゴム７２の上部の外径は、嵌合孔６６ａの内径より十分に大きく、下部の外径は、嵌合孔６６ａの内径とほぼ同じか僅かに小さい。

支持ブラケット６２を、リザーブタンク５０に取り付ける際には、マウントゴム７２を取付リブ６０に嵌め込むとともに、嵌合孔６６ａにマウントゴム７２の下部を嵌め込む。これにより、支持ブラケット６２とリザーブタンク５０との間にマウントゴム７２が介在することとなり、ＦＣスタック１２とリザーブタンク５０との間の振動伝達が抑制される。

支持ブラケット６２を、リザーブタンク５０およびスタックケース１６に取り付けたとき、ケース側端部６８は、タンク側端部６６よりも、下方かつ後方に位置する。中間部７０は、このケース側端部６８とタンク側端部６６とをほぼ一直線に結ぶように、後ろ下がりに傾斜している。このように中間部７０を、一直線形状（傾斜形状）にすることで、中間部７０の設置距離を短くでき、ひいては、支持ブラケット６２に要する材料を低減できる。

ところで、これまでの説明から明らかな通り、本例では、リザーブタンク５０は、支持ブラケット６２を介してＦＣアセンブリ１８に機械的に連結されている。かかる構成とすることで、リザーブタンク５０が、ＦＣアセンブリ１８のマスダンパのように機能し、ＦＣアセンブリ１８の振動を抑制できる。

すなわち、ＦＣアセンブリ１８には、電動バルブ４８をはじめとして、様々な電子部品が取り付けられる。こうした電子部品の駆動に伴い振動、ひいては、騒音が生じる。この騒音は、スタックケース１６からボディを経て、車室に伝わり、乗員の快適性を損なう。特に、車両の走行動力源として、エンジンを有さず、モータのみを有する電動車両の場合、エンジン音がないため、こうした電子部品の駆動音も目立ち、大きな問題となる。

リザーブタンク５０は、その内部に冷却液が貯留された重量物である。かかるリザーブタンク５０をブラケットを介してＦＣアセンブリ１８の周面に固定することで、リザーブタンク５０が、マスダンパのように機能し、電動バルブ４８等の駆動に伴い生じる共振を抑制することができる。そして、これにより、各種電子部品の駆動に伴い生じる騒音を低減できる。

ここで、ＦＣアセンブリ１８に取り付けられている電子部品の中でも、電動バルブ４８は特に、振動が生じやすい。本例では、リザーブタンク５０による制振効果をより高めるために、支持ブラケット６２をリザーブタンク５０のうち、電動バルブ４８からの伝達が伝わりやすい箇所に取り付けている。

具体的に説明すると、本例では、支持ブラケット６２を、リザーブタンク５０の幅方向中心よりも、正面向かって右側、換言すれば、第一連結部５４に近い位置に取り付けている。第一連結部５４は、電動バルブ４８とリザーブタンク５０とを接続する配管が接続される部位であり、電動バルブ４８の振動は、当該第一連結部５４の周辺に伝わりやすい。本例では、この第一連結部５４に比較的近い位置に、支持ブラケット６２を取り付けることで、リザーブタンク５０による制振効果をより向上できる。

なお、ここまで説明した構成は一例であり、リザーブタンク５０を、ＦＣアセンブリ１８に対して水平方向に隣接配置するのであれば、その他の構成は、適宜変更されてもよい。例えば、上述の説明では、リザーブタンク５０を、ＦＣアセンブリ１８の前方に配置しているが、リザーブタンク５０は、ＦＣアセンブリ１８に対して水平方向に隣接するのであれば、他の箇所に配置されてもよい。例えば、リザーブタンク５０は、ＦＣアセンブリ１８の右側、または、左側、または、車両前後方向後側に配されてもよい。

また、上述の説明では、リザーブタンク５０をマスダンパとして機能させるために、ＦＣアセンブリ１８に支持ブラケット６２を介して固定している。しかし、ＦＣアセンブリ１８の制振性が担保できるのであれば、リザーブタンク５０は、ＦＣケースとは独立した別部材、例えば、ベース部材２０等に固定されてもよい。また、リザーブタンク５０やブラケットの形状、サイズは、適宜、変更されてもよい。

１０ 燃料電池システム、１２ ＦＣスタック、１４ コントロールユニット、１６ スタックケース、１８ ＦＣアセンブリ、１９ 意匠カバー、２０ ベース部材、３０ 冷却機構、３２ 冷却流路、３８ ラジエータ、４０ ラジエータファン、４２ ウォータポンプ、４４ インタークーラ、４６ イオン交換機、４８ 電動バルブ、５０ リザーブタンク、５２ キャップ、５４ 第一連結部、５６ 第二連結部、５８ 第三連結部、６０ 取付リブ、６２ 支持ブラケット、６４ 補助ブラケット、６６ タンク側端部、６８ ケース側端部、７０ 中間部、７２ マウントゴム、８０ 締結ボルト、１００ フード。

Claims (6)

1. 車両のフードの下側空間に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを制御するコントロールユニットと、を有したＦＣアセンブリと、
   前記燃料電池スタックを完全密閉式の冷却流路を用いて冷却する冷却機構と、
   前記冷却流路の途中に設けられ、冷却液を貯留するリザーブタンクであって、ラジエータとの間で前記冷却液を送受し、その上部にダンパとして機能する空気が溜まっているリザーブタンクと、
   を備え、前記リザーブタンクは、前記ＦＣアセンブリに対して水平方向に隣接して配置され、
   前記リザーブタンクは、前記ＦＣアセンブリに対して車両前方に隣接して配置されており、
   前記リザーブタンクの上端高さは、前記ＦＣアセンブリの前端面の上端高さより低い、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 車両のフードの下側空間に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを制御するコントロールユニットと、を有したＦＣアセンブリと、
   前記燃料電池スタックを完全密閉式の冷却流路を用いて冷却する冷却機構と、
   前記冷却流路の途中に設けられ、冷却液を貯留するリザーブタンクと、
   を備え、前記リザーブタンクは、前記ＦＣアセンブリに対して水平方向に隣接して配置され、
   前記リザーブタンクは、支持ブラケットを介して前記ＦＣアセンブリの周面に固定されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記リザーブタンクは、配管を介して、電動バルブに連結されるバルブ連結部を有しており、
   前記支持ブラケットは、前記リザーブタンクのうち、幅方向中心よりも前記バルブ連結部に近い位置に取り付けられる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
   前記支持ブラケットは、前記リザーブタンクの底面と、前記ＦＣアセンブリの周面と、を連結する、ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記支持ブラケットは、前記リザーブタンクの底面に取り付けられるタンク側端部と、前記ＦＣアセンブリの周面に取り付けられるケース側端部と、前記タンク側端部および前記ケース側端部とを接続する中間部と、を有しており、
   前記中間部は、前記タンク側端部と前記ケース側端部とをほぼ一直線に結ぶ形状である、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記支持ブラケットは、マウントゴムを介して前記リザーブタンクに取り付けられている、ことを特徴とする燃料電池システム。

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