JP2004172057A - 燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】配管(圧縮空気供給管28)は、燃料電池15が内蔵された燃料電池収納ボックス15aと、燃料電池15に酸化剤を送るエアポンプ7とを接続する。配管(圧縮空気供給管28)は、少なくともその配管(圧縮空気供給管28)の一部分に設置した弾性を有する弾性管(継手部材26,27)と、その配管(圧縮空気供給管28)の一箇所に設置した吊り部(配管支持具29)とを有する。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を収納した燃料電池収納ボックスと、エアポンプとを接続するための燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発されていて、この燃料電池を自動車の動力源電池として使用されつつある(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この種の燃料電池は、例えば、メタノールの水蒸気改質により生成された水素ガス(燃料ガス)をアノード側電極に供給すると共に、酸化剤ガス(空気)をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質内を移動し、これにより燃料電池の外部に電気エネルギーが得られるように構成されている。
【0004】
図5は、従来の燃料電池を搭載した車両の燃料電池システムを示す概略構成図である。
図5に示すように、燃料電池を搭載した車両100の走行モータ101は、パワーコントロールユニット102を介して燃料電池としての燃料電池スタック103、および電源としてのバッテリ104に接続されている。
【0005】
パワーコントロールユニット102は、バッテリ104からの直流を交流に変換する電力変換装置であり、モータルーム内に設けられている。パワーコントロールユニット102は、図示しないスイッチング回路内に半導体部品等の発熱機器が実装されたものであり、パワーコントロールユニット102の下部には、水冷式のヒートシンク111が配設されている。
【0006】
ヒートシンク111は、冷媒の入り口側にウォータポンプ112が接続され、冷媒の出口側にラジエータ105が接続されている。ヒートシンク111内を流れる冷媒は、ラジエータ105により熱交換して冷却され、ウォータポンプ112、ラジエータ105を備えた冷却通路113を循環してヒートシンク111内を蛇行して流れることにより、前記発熱機器を冷却している。
【0007】
電流および熱は、水素と酸素を処理することによって燃料電池スタック103内で生成される。生成された電流は、例えば、前車輪に作動的に接続された走行モータ101にパワーを供給することができる。
【0008】
燃料電池スタック103は、燃料ガスを供給する水素供給部107に接続されると共に、酸化剤としての空気を供給する空気供給部108に接続されている。空気供給部108は、空気を吸気口109から取り入れ、その空気の音を消音するためのレゾネータ114と、塵埃を除去して送り込む塵埃捕集手段としてのエアクリーナ106と、空気を吸引圧縮し送出するエアポンプ110とを備えている。
【0009】
そして、吸気口109から吸入された空気は、エアクリーナ106を経てエアポンプ110により吸引・圧縮されて燃料電池スタック103に送出され、水素供給部107からの水素と共に発電に供される。
【0010】
【特許文献1】
米国特許第6223843号公報(第1頁、第2図)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、エアポンプ110は、作動時の周期的な振動を発生する。エアポンプ110の下に設置された走行モータ101は、回転することにより振動を発生する。それらの振動は、配管(空気供給部108)を介して燃料電池スタック103を収納した燃料電池収納ボックス(図示せず)に伝わる。その振動は、振動音となって共鳴することがある。
【0012】
また、エアポンプ110が衝撃力を受けると、その衝撃は、配管(空気供給部108)を介して前記燃料電池収納ボックスに伝わっていた。その衝撃力は、配管(空気供給部108)の接続部分に集中して、継手部材が破壊して空気が漏洩することもあった。
【0013】
このため、エアポンプ110と燃料電池収納ボックスとを接続する配管(空気供給部108)は、エアポンプ110からの振動および衝撃を吸収して燃料電池収納ボックスにその振動および衝撃を伝えず、燃料電池収納ボックス内の燃料電池スタック103で安定した化学変化を起こさせることが望まれる。
【0014】
本発明の課題は、エアポンプ等から伝わった振動や衝撃を吸収することができる燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項1に記載の燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造は、燃料電池が内蔵された燃料電池収納ボックスと、燃料電池に酸化剤を送るエアポンプとを接続する燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造であって、配管は、少なくともその配管の一部分に設置した弾性を有する弾性管と、その配管の一箇所に設置した吊り部と、を有することを特徴とする。
【0016】
請求項1に記載の発明によれば、配管の一部分に弾性を有する弾性管を設置したことにより、その配管の端部に設置したエアポンプが振動や衝撃で揺動したときに弾性管がその振動および衝撃を吸収する。このため、配管の接続箇所が破壊したり、その接続箇所から空気が漏洩することを防止することができる。
また、配管の一箇所に吊り部を設置したことにより、配管を一点支持することができるため、その吊り部を設置した箇所をしっかりと支持すると共に、配管の両端部を揺動可能に弾性的に支持することができる。
【0017】
請求項2に記載の燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造は、請求項1記載の燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造であって、配管を燃料電池収納ボックスへ設置する配管入口部分は、前後方向に移動自在な弾性部材で液密に支持されることを特徴とする。
【0018】
請求項2に記載の発明によれば、燃料電池収納ボックスへ設置する配管の配管入口部分を、前後方向に移動自在な弾性部材で液密に支持したことにより、配管を前後方向に弾性的に移動自在に支持できる。このため、配管の他端部に設置したエアポンプからの振動や衝撃を吸収することができる。
【0019】
本発明に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造は、配管を斜めに傾斜させて配設することが好ましい。
このような構成にすれば、配管を斜めに配置されたことにより、配管の長さを最短にして設置できるため、その配管が揺動したときの動く長さを抑制して、その周囲に設置されている他の配管やハーネスに配管が接触することを防止することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造の一実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明の実施の形態では、「前」は車両のフロント側、「後」は車両のリア側、「上」は鉛直上方側、「下」は鉛直下方側とする。
【0021】
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略側面図である。図2は、本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略背面図である。
【0022】
図1に示すように、燃料電池15を搭載した車両1には、前方(矢印F方向)の上方にフード2があり、このフード2内のモータルーム3に、パワーコントロールユニット4、レゾネータ5、エアクリーナ6、エアポンプ7、走行モータ8およびラジエータ9等を収納している。
【0023】
フード2は、モータルーム3を開閉する蓋体であり、例えば、圧延鋼板からなる。モータルーム3は、鋼製板材で形成された隔壁11により、車両1を乗員室1aから分離している。モータルーム3の後方(矢印R方向)には、そのモータルーム3の後方(矢印R方向)の内壁を形成する隔壁11が配設され、前方(矢印F方向)にはラジエータ9がそれぞれ配置されている。そのモータルーム3の中央部には、パワーコントロールユニット4が配置され、下方にはボディサイドフレーム12、エアポンプ7および走行モータ8が配設され、上方には空気調整器16、レゾネータ5(図2参照)およびエアクリーナ6がそれぞれ設置されている。
【0024】
パワーコントロールユニット4は、大電流を調整する制御装置であり、熱を発生する。このパワーコントロールユニット4は、幅および奥行きに比べて高さの低い扁平な箱型をした防水性および耐熱性を有するユニットボックス4aに収納されている。
【0025】
このユニットボックス4aには、燃料電池15用のVCU、走行モータ8用の駆動ユニット、冷却水循環用のインバータ、エアポンプ7の駆動用のインバータ等が内蔵され(図示せず)ていて、パワーコントロールユニット4を構成している。ユニットボックス4aの下方には、パワーコントロールユニット4で発生した熱を放熱するヒートシンク13が設置されている。そのヒートシンク13は、アルミニウム等の熱伝導率が良く、剛性のある厚板状の金属板からなる水冷式のもので、周囲の複数箇所をブラケット(図示せず)を介してボディフレーム(図示せず)にしっかりと固定される。
【0026】
前記パワーコントロールユニット4は、給水管14により冷却水が循環して冷却される前記ヒートシンク13を下面全体に配設して、発生した熱を冷却して所定の温度に抑制されている。パワーコントロールユニット4は、燃料電池15を搭載した車両1にとって重要な機能を有する部品であるため、衝突した場合であっても、パワーコントロールユニット4の機能を維持できるようにユニットボックス4aには剛性をもたせてある。ユニットボックス4aの剛性は、ヒートシンク13を下に設置したことにより、さらに向上して、衝突しても変形し難くなっている。
【0027】
図2に示すように、空気調整器16およびレゾネータ5は、燃料電池15のエア供給用部品であり、それぞれ調整器ケース16aおよびレゾネータケース5a内に収納されている。レゾネータケース5aおよび調整器ケース16aは、耐熱性樹脂またはアルミニウム等からなり、互いにユニットボックス4a上に並設されると共に、パワーコントロールユニット4のユニットボックス4a上に載置される。
【0028】
レゾネータ5は、酸化剤用の空気の吸入時に発生した周期的な空気の音を特定周波数の共鳴を利用し、吸気時騒音を抑制するものである。
【0029】
レゾネータケース5aおよび調整器ケース16aは、そのレゾネータケース5aの周囲の複数箇所にブラケット17を介して隔壁11(図1参照)、またはヒートシンク13にネジ止めされる。レゾネータケース5aの車幅方向の外側には、エアクリーナ6が設置されている。レゾネータ5とエアクリーナ6は、空気供給管20によって連結され、レゾネータ5内の空気は、空気供給管20によってエアクリーナ6に送られて浄化される。
【0030】
前記空気調整器16は、燃料電池システムに関する雰囲気空気の諸状態を調整するものであり、例えば、調湿器や圧力計、送風機などを含んでいて良い。空気調整器16は、調整器ケース16aに収納されている。
【0031】
前記エアクリーナ6は、外周部に設置したブラケット18により車体(図示せず)に固定され、下方には、エアポンプ7に浄化した空気を送るためのエアフロー管19を接続している。
【0032】
図1に示すように、そのエアフロー管19の中間位置の上側外周部には、エアフロー管19内に通じる設置孔(図示せず)を穿設して、その設置孔を穿設した位置にエアフローメータ10がネジ止めされる。エアフロー管19は、例えばアルミニウム等の金属管や樹脂管からなる配管であり、上方に設置したエアクリーナ6と、下方に位置をずらして設置したエアポンプ7とを傾斜させて接続している。そのエアフロー管19の傾斜角度は、例えば、45度から60度である。
【0033】
エアフロー管19の両端の接続部分には、ゴムダクト21,22が設置される。下側のゴムダクト22には、アルミニウム製のインレット23が連設され、そのインレット23をガスケット(図示せず)を介してエアポンプ7に接続することにより、エアフロー管19がエアポンプ7に固定される。
【0034】
図2に示すように、エアフローメータ10は、例えば、エアフロー管19内を流れる空気の流量を計測する質量流量計からなる。エアフローメータ10により計測したエアフロー管19内を流れる空気の流量は、コンピュータ(図示せず)に電気的に接続されたコネクタ(図示せず)をカプラ10aに接続していて、そのコンピュータ(図示せず)によってエアポンプ7(図1参照)の吸気を制御することにより、適正な流量にコントロールされる。
【0035】
エアポンプ7は、エアクリーナ6で浄化した酸化剤としての空気を圧縮する装置であり、シロッコ型、スクロール型および遠心型等のどのようなタイプのものであってもよく、その形式は特に限定しない。エアポンプ7は、エアクリーナ6の後方(矢印R方向)側の斜め下方に設置され、そのエアポンプ7の下方には走行モータ8が隣設されている。エアポンプ7は、圧縮した空気を燃料電池15側に送るための吐出管7aを一体形成している。
【0036】
図3は、本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、圧縮空気供給管の設置状態を示す要部拡大正面図である。
図3に示すように、前記吐出管7aは、例えば鉄管、ステンレス管またはアルミニウム管等の金属管からなり、エルボ形状に折り曲げて先端部の開口部が後方(矢印R)側を向いている。吐出管7aは、合成ゴム等からなる継手部材26,27と、アルミニウムからなる圧縮空気供給管28と、前後方向に移動自在な弾性部材36に挿入した前記継手部材27とを介して燃料電池収納ボックス15aの燃料電池内蔵管35に接続している。前記エアフロー管19や圧縮空気供給管28の周辺には、エアコン用等の外部配管類(図示せず)や各種電気装置のハーネス類(図示せず)が配設されている。
【0037】
図1に示すように、エアポンプ7の下方には、ボディサイドフレーム12にマウント部8aを弾性的にマウント支持される走行モータ8が設置されている。その走行モータ8の回転により、車輪(図示せず)が回転して車両1が走行する。
【0038】
図3に示すように、継手部材26は、シリコンゴム等の合成ゴム、天然ゴムまたは樹脂等の弾性を有する材料から形成された45度エルボまたは45度ベンドである。継手部材26のエアポンプ7側は、吐出管7aに嵌着し、バンドクリップ31でその接続部を緊縛している。継手部材26の燃料電池15側は、圧縮空気供給管28に嵌着し、バンドクリップ32でその接続部分を緊縛している。
なお、特許請求の範囲におけるところの「弾性管」は、「継手部材26,27」に相当する。
【0039】
圧縮空気供給管28は、少なくともその圧縮空気供給管28の一部分に設置した弾性を有する継手部材26,27と、その圧縮空気供給管28の一箇所に設置した配管支持具29とを有する。圧縮空気供給管28は、例えば、ステンレス管またはアルミニウム管からなり、約45度に斜めに下降して配設されている。圧縮空気供給管28の両端には、弾性材から形成されて弾性的に変形することができる継手部材26,27が接続されている。圧縮空気供給管28の略中央部分の一箇所には、圧縮空気供給管28を吊って支持する配管支持具29が設置されている。
【0040】
なお、特許請求の範囲におけるところの「配管」は、「圧縮空気供給管28」に相当する。
また、圧縮空気供給管28に配管支持具29を設置する位置は、圧縮空気供給管28が外力を受けて揺動するときの揺動中心となる重心部(中心部O)に設置すれば、圧縮空気供給管28の前後端部の動きの自由度を損ねることなく支持することができる。
【0041】
配管支持具29は、例えば、圧縮空気供給管28を略中央部を一点支持する金属製板材からなるブラケットである。配管支持具29は、下側の端部には圧縮空気供給管28を固定するクリップ状の固定部29aを有し、上側の端部には配管支持具29を座金33を介してボルト等の締付具34で隔壁11に固定するためのネジ止め部29bを有する。
なお、特許請求の範囲におけるところの「吊り部」は、「配管支持具29」に相当する。
【0042】
継手部材27は、前記継手部材26と同じ天然ゴム、合成ゴムまたは樹脂材料等の弾性材料からなる45度エルボである。継手部材27は、燃料電池収納ボックス15aの配管入口部分15bを通ったのち、燃料電池内配管35に接続される。
【0043】
この継手部材27は、燃料電池収納ボックス15a内で燃料電池内蔵管35に接続すると共に、その接続部分はバンドクリップ37により緊縛されている。その継手部材27の端部は、弾性部材36に密着した状態に圧入される。
【0044】
図4は、本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、圧縮空気供給管の設置状態を示す要部拡大斜視図である。
図3及び図4に示すように、弾性部材36は、前後方向(矢印F,R方向)に移動自在なグロメットやコルゲートチューブのような形状をした天然ゴムや合成ゴムや樹脂等からなる。
図3に示すように、その弾性部材36は、燃料電池収納ボックス15aの基体15cに穿設した孔15dに圧嵌して液密的に支持されている。
燃料電池収納ボックス15aは、所謂システムボックスであり、乗員室1a(図1参照)の床下等に設置される。
【0045】
次に本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造の作用を説明する。
図2に示すように、エアポンプ7が回転すると、吸気口から空気がレゾネータ5に吸入される。その吸入された空気は、レゾネータ5でエアポンプ7に起因する音を消したのち、空気供給管20からエアクリーナ6に送られる。その空気は、エアクリーナ6内で浄化されてエアフロー管19に流れる。
【0046】
エアフロー管19に入りエアフローメータ10で計測された際の流量データは、コンピュータに送信され、コンピュータによってエアポンプ7の吸気を制御してエアフロー管19を流れる空気の流量が調整される。
【0047】
その所定量の空気は、エアポンプ7に送られて圧縮され、吐出管7a、継手部材26,27、圧縮空気供給管28、および燃料電池内蔵管35を介して燃料電池15に送られて酸化剤として使用され、水素に化学反応を起こさせて電力を発生させる。その電力により走行モータ8が回転して車両1が走行する。
【0048】
図3に示すように、例えば、前記エアポンプ7および走行モータ8等からの振動または衝撃でエアポンプ7が矢印A,B方向に動いた場合、その動きは、継手部材26によって緩和されて矢印A,B方向の小さな動きとなって圧縮空気供給管28に伝達される。圧縮空気供給管28は、両端を弾性部材からなる継手部材26,27に保持され、中央部分を配管支持具29により一点支持されている。これにより、圧縮空気供給管28は、両側に設置した継手部材26,27によりエアポンプ7および走行モータ8等からの振動、衝撃または音が吸収されると共に、配管支持具29の固定部29aの中心部Oを中心として矢印C,D方向に緩やかに小さく揺動する。このため、振動および衝撃がエアポンプ7側または燃料電池15側からあった場合においても、圧縮空気供給管28は、配管支持具29の固定部29aがある付近が殆ど動かない状態で緩和されて揺動する。
【0049】
なお、圧縮空気供給管28を支持する配管支持具29は、一点で支持しているため、図3に図示した矢印C,D方向の揺動のみならず全方向の変位に対応できる。
【0050】
圧縮空気供給管28は、継手部材26,27間に斜めに配置されたことにより、圧縮空気供給管28の長さを最短にできるため、その圧縮空気供給管28が揺動したときの動く距離を抑制することができる。このため、圧縮空気供給管28は、その周囲に設置されている配管類やハーネス類に接触することを防止することができる。
【0051】
また、継手部材27の燃料電池収納ボックス15aの配管入口部分15bに、継手部材27を挿通させる弾性部材36を設けている。例えば、圧縮空気供給管28にエアポンプ7や走行モータ8等から前後方向(矢印F,R方向)の外力が加わると、継手部材26,27がその力を緩和する。すると、継手部材27の周囲に設置した弾性部材36が継手部材27に押圧または引っ張られて伸縮する。燃料電池収納ボックス15aは、弾性部材36が伸縮することにより、継手部材27から受ける押圧力および引張力等の衝撃力や振動が弾性部材36により吸収される。これにより、走行モータ8やエアポンプ7からの振動や衝撃や音が燃料電池収納ボックス15a内の燃料電池スタック(図示せず)に伝わることを緩和することができる。
【0052】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。
例えば、継手部材26,27および弾性部材36は、圧縮空気供給管28とエアポンプ7および燃料電池内蔵管35とを接続する弾性を有する管状のものであればよく、ゴムホースやチューブや蛇腹状の配管等でもよい。そして、圧縮空気供給管28は、傾斜させずに水平に設置してもよい。
【0053】
圧縮空気供給管28の吊り部としての配管支持具29は、圧縮空気供給管28の一箇所に設置した支持具であればよく、例えば、その一箇所を複数のワイヤで支持したものでもよい
そして、その配管支持具29を形成する材料は、金属製板材に限定されるものではなく、樹脂等であってもよく、特に材料は限定しない。
また、燃料電池15を搭載した車両1は、前輪駆動でも後輪駆動でも、四輪駆動であってもよい。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項1に記載の燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造によれば、配管の一部分に弾性を有する弾性管を設置したことにより、その配管の端部に設置したエアポンプが振動や衝撃で揺動したときに弾性管がその振動および衝撃を吸収する。このため、配管の接続箇所が破壊したり、その接続箇所から空気が漏洩することを防止することができる。
また、配管の一箇所に吊り部を設置したことにより、配管を一点支持することができるため、その吊り部を設置した箇所をしっかりと支持すると共に、配管の両端部を揺動可能に弾性的に支持することができる。
【0055】
請求項2に記載の燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造によれば、燃料電池収納ボックスへ設置する配管の配管入口部分を、前後方向に移動自在な弾性部材で液密に支持したことにより、配管を前後方向に弾性的に移動自在に支持できる。このため、配管の他端部に設置したエアポンプからの振動や衝撃を吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略側面図である。
【図2】本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、モータルーム内の状態を示す概略背面図である。
【図3】本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、圧縮空気供給管の設置状態を示す要部拡大正面図である。
【図4】本発明の実施形態に係る燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造を示す図で、圧縮空気供給管の設置状態を示す要部拡大斜視図である。
【図5】従来の燃料電池を搭載した車両の燃料電池システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 車両
7 エアポンプ
8 走行モータ
15 燃料電池
15a 燃料電池収納ボックス
15b 配管入口部分
26,27 継手部材(弾性管)
28 圧縮空気供給管(配管)
29 配管支持具(吊り部)
36 弾性部材
Claims (2)
- 燃料電池が内蔵された燃料電池収納ボックスと、前記燃料電池に酸化剤を送るエアポンプとを接続する燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造であって、
前記配管は、少なくともその配管の一部分に設置した弾性を有する弾性管と、その配管の一箇所に設置した吊り部と、を有することを特徴とする燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造。 - 前記配管を前記燃料電池収納ボックスへ設置する配管入口部分は、前後方向に移動自在な弾性部材で液密に支持されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池収納ボックス接続用配管の設置構造。
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