JP2007335184A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池車両の車両衝突に対する安全対策をより低コストで実現する。
【解決手段】燃料電池車両１０は、複数の単セルを積層してなるセルスタックの締結荷重を検出する荷重センサ４１を有する燃料電池スタック２０と、車両衝突による衝撃から車両を保護するための安全装置と、荷重センサ４１の出力値に基づいて車両衝突が生じたか否かを判定し、車両衝突が生じたと判定したときに安全装置を作動させるコントローラ３５を備える。安全装置として、燃料電池スタック２０に燃料供給を遮断する手段として機能する遮断弁４２、燃料電池スタック内の未反応ガスをパージするための手段として機能する遮断弁４３、電源系統を遮断するための手段として機能するリレー４４、エアバックシステム作動手段４５及びシートベルト緊締手段４６がある。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池スタックを車載電源として搭載する燃料電池車両に関し、特に、車両衝突に対する安全対策をより低コストで実現するための技術に関する。

近年、環境問題に対する取り組みの一環として、低公害車の開発が進められており、その中の一つに燃料電池スタックを車載電源とする燃料電池車両がある。燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化ガスを電解質・電極触媒複合体に供給することで、電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車両の電力源としての用途が期待されている。

ところで、水素リッチな燃料ガスは、所定濃度において空気と反応する性質を有することから、不慮の事故等に対する安全配慮が必要となる。例えば、特開２００１−１８９１６１号公報には、車両衝突などの衝撃を検出する衝撃検出センサからの出力に基づいてエアバックシステムなどの安全装置を作動させる技術が提案されている。
特開２００１−１８９１６１号公報

衝撃検出センサとして、例えば、加速度センサや歪みセンサなどが用いられているが、これらのセンサは何れも高価である。燃料電池車両の普及を実現するには、価格低下が求められている。

そこで、本発明は燃料電池車両の車両衝突に対する安全対策をより低コストで実現することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池車両は、複数の単セルを積層してなるセルスタックの締結荷重を検出する荷重センサを有する燃料電池スタックと、車両衝突による衝撃から車両を保護するための安全装置と、荷重センサの出力値に基づいて車両衝突が生じたか否かを判定し、車両衝突が生じたと判定したときに安全装置を作動させる制御手段とを備える。

セルスタックの締結荷重を検出する荷重センサを衝突センサとして利用することにより衝撃検出センサが不要となり、車両衝突に対する安全措置をより低コストで実現することができる。

燃料電池スタックの車載位置としては、例えば、単セルの積層方向と車両前後方向とが略平行となるように燃料電池スタックを車載するのが好適である。燃料電池車両が前方衝突すると、車両前後方向（単セルの積層方向）に急激な車速変化が生じるため、荷重センサに比較的大きな慣性力が瞬間的に作用する。このため、荷重センサの出力値がある一定値を超えたときに、前方衝突が生じたものと判定することができる。

荷重センサを前方衝突判定用の衝撃検出センサとして利用する場合、燃料電池スタックは、セルスタックの両端を挟持する一対のエンドプレートを含み、荷重センサは、一対のエンドプレートのうち車両前方に位置するエンドプレートとセルスタックとの間に介挿されるのが好ましい。

尚、燃料電池スタックの車載位置としては、上記の例に限られるものではなく、例えば、単セルの積層方向と車両幅方向とが略平行となるように、燃料電池スタックを車載してもよい。燃料電池車両が側面衝突すると、車両幅方向（単セルの積層方向）に急激な車速変化が生じるため、荷重センサに比較的大きな慣性力が瞬間的に作用する。このため、荷重センサの出力値がある一定値を超えたときに、側面衝突が生じたものと判定することができる。

また、安全装置としては、燃料電池スタックへの反応ガスの供給を停止するガス供給停止手段、燃料電池スタック内に残留している未反応ガスを外部へ排気するためのパージ手段、燃料電池スタックの電源系統を遮断する電源遮断手段、エアバックシステムを作動させるためのエアバックシステム作動手段、又はシートベルトを緊締するためのシートベルト緊締手段のうち何れかが好ましい。これらの安全装置を作動させることで、車両衝突時に車両安全を確保できる。

本発明によれば、燃料電池車両の車両衝突に対する安全措置をより低コストで実現することができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。同一要素には同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。また、図面上の寸法比率はあくまでも説明の便宜上のものであり、図示の例に限られるものではない。

図１は本実施形態に係る燃料電池スタック２０の構造及び車載位置を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック２０は、燃料電池車両１０の車載電源として機能する発電システムである。燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれアノード極とカソード極を対向配置し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セル５１を複数積層してなるスタック構造を有する。

複数の単セル５１を積層してなるセルスタック５２の両端は、一対のエンドプレート５４ａ，５４ｂによって、単セル５１の積層方向に所定の締結荷重が加えられた状態で挟持固定されている。一対のエンドプレート５４ａ，５４ｂは、ボルト等の締結手段によってロッド５５に締結される。一対のエンドプレート５４ａ，５４ｂとセルスタック５２との間には、それぞれ一対のプレッシャープレート５３ａ，５３ｂが介挿されており、エンドプレート５４ａ，５４ｂに加えられた締結荷重がプレッシャープレート５３ａ，５３ｂを介して単セル５１の積層方向に作用する。

燃料電池スタック２０は、小型に設計できるので、車載の自由度が高く、車載位置を任意に選択できる。ここでは、燃料電池スタック２０の車載位置の一例として、単セル５１の積層方向と車両前後方向とが略平行となるように配置した例を示す。尚、同図において符号１１は、燃料電池車両１０のボディフレームを示し、符号１２は、燃料電池車両１０の前輪を示す。

一対のエンドプレート５４ａ，５４ｂのうち車両前方に位置するエンドプレート５４ａとプレッシャープレート５３ａとの間には、締結荷重を検出するための荷重センサ（ロードセル）４１が更に介挿されている。一般的に、荷重センサ４１は、燃料電池スタック２０の製造工程において、セルスタック５２の締結荷重を適切な圧力範囲内に調整するために用いられる。荷重センサ４１の他の一般的な用途として、例えば、経年劣化等によりセルスタック５２の締結荷重が緩くなると、電解質膜と拡散層との間の接触抵抗が増大し、発電効率が低下する虞があるので、セルスタック５２の締結荷重を荷重センサ４１によりモニタリングし、締結荷重が緩くなった時点で、電動アクチュエータ（図示せず）などを用いてセルスタック５２の締結荷重を加重させるために用いられることもある。

ここで、単セル５１の積層方向と車両前後方向とが略平行となるように燃料電池スタック２０を車載することの作用効果について説明する。荷重センサ４１は、上述の如く、本来的にセルスタック５２の締結加重を検出するものではあるが、燃料電池車両１０が前方衝突すると、車両前後方向（単セル５１の積層方向）に急激な車速変化が生じるため、荷重センサ４１に比較的大きな慣性力が瞬間的に作用する。この慣性力は、燃料電池スタック２０の質量と、単位時間あたりの車速変化とを乗算した値である。前方衝突による急激な車速変化により、荷重センサ４１が受ける荷重は、瞬間的に大きな値を示す。通常走行時においては、セルスタック５２の締結荷重は大きく変動することはないので、荷重センサ４１の出力値がある一定値を超えたときに、前方衝突が生じたものと判定することができる。

燃料電池スタック２０の車載位置は、上述の例に限られるものではない。例えば、図２に示すように、単セル５１の積層方向と車両幅方向とが略平行となるように燃料電池スタック２０を車載してもよい。燃料電池車両１０が側面衝突すると、車両幅方向（単セル５１の積層方向）に急激な車速変化が生じるため、荷重センサ４１に比較的大きな慣性力が瞬間的に作用する。このため、荷重センサ４１の出力値がある一定値を超えたときに、側面衝突が生じたものと判定することができる。

このように、荷重センサ４１を車両衝突の有無を判定するための手段として用いることにより、車両衝突の有無を判定するための専用の衝撃検出センサ（加速度センサなど）は不要となる。前方衝突を判定するためには、単セル５１の積層方向と車両前後方向とが略平行となるように燃料電池スタック２０を車載すればよく、また側面衝突を判定するためには、単セル５１の積層方向と車両幅方向とが略平行となるように燃料電池スタック２０を車載すればよい。複数の燃料電池スタック２０を車載する場合には、そのうちの一つを前方衝突判定用として利用し、他の一つを側面衝突判定用として利用してもよい。

次に、図３を参照しながら本実施形態に係る燃料電池車両１０の安全装置について説明する。燃料電池車両１０は、燃料電池スタック２０、酸化ガス供給源３１、燃料ガス供給源３２、不活性ガス供給源３３、負荷３４、コントローラ３５、荷重センサ４１、遮断弁４２、遮断弁４３、リレー４４、エアバックシステム作動手段４５、及びシートベルト緊締手段４６を備える。

燃料電池２０は、燃料ガス供給源３２から燃料ガスの供給を受けるとともに酸化ガス供給源３１から酸化ガスの供給を受けて発電し、電力を負荷３４に供給する。

酸化ガス供給源３１は、燃料電池スタック２０のカソード極に酸化ガスを供給するための装置（エアコンプレッサなど）及びその補機類（遮断弁、レギュレータ、加湿器など）を含む。

燃料ガス供給源３２は、燃料電池スタック２０のアノード極に燃料ガスを供給するための装置（水素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンク、又は原燃料を水素リッチガスに改質する改質器など）及びその補機類（遮断弁、レギュレータ、加湿器など）を含む。燃料ガス供給源３２から燃料電池スタック２０に燃料ガスを供給するためのガス通路には、燃料ガス供給を強制停止するための遮断弁４３が配設されている。遮断弁４３は、燃料ガス供給停止手段として機能する。

不活性ガス供給源３３は、燃料電池スタック２０に不活性ガス（窒素ガス、炭酸ガス、ヘリウムガス、又はアルゴンガスなど）を供給し、残留未反応ガスを排気するためのものである。不活性ガスを燃料電池スタック２０に供給するためのガス通路には、遮断弁４３が配設されている。不活性ガス供給源３３及び遮断弁４３は、燃料電池スタック２０内の残留未反応ガスを排気するためのパージ手段として機能する。

負荷３４は、燃料電池車両１０の駆動輪を駆動するためのトラクションモータ、燃料電池スタック２０から出力される直流電力を交流電力に電力変換してトラクションモータに交流電力を供給するトラクションインバータ、酸化ガスを加圧するためのコンプレッサモータ、加湿モジュールに純水を供給するためのポンプ駆動モータ、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却水ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータなどの各種電力負荷である。燃料電池スタック２０と負荷３４との間には、両者の接続を開閉制御するためのリレー４４が配設されている。リレー４４は、電源遮断手段として機能する。

コントローラ３５は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）などを備えるマイクロコンピュータであり、要求負荷に応じて、燃料電池スタック２０の運転制御を実施する制御手段として機能する。

エアバックシステム作動手段４５は、エアバックを作動させて、運転手を車両衝突から保護するための安全手段である。シートベルト緊締手段４６は、弛緩気味のシートベルトを車両衝突時に強制緊締することにより、運転手を車両衝突から保護するための安全手段である。

さて、上記の構成において、車両衝突が発生すると、荷重センサ４１は、車両衝突時に生じる慣性力の作用を受けるので、荷重センサ４１の出力値が大きく変化する。コントローラ３５は、荷重センサ４１の出力変化を読み取って、車両衝突の有無を判定する。コントローラ３５は、荷重センサ４１の出力値がある一定値を超えたことを検出することにより、車両衝突が生じたものと判定し、以下の（１）〜（５）の安全措置を実施する。

（１）遮断弁４２を閉弁して、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を強制停止する。
（２）遮断弁４３を開弁して、燃料電池スタック２０に不活性ガスを導入し、未反応ガスを強制排気する。未反応ガスは、所定濃度で空気と反応する虞があるので、希釈化した上で車外に排気するのが好ましい。
（３）リレー４４を開いて、燃料電池スタック２０の電源系統を強制遮断する。車両衝突時には、ボディフレームの歪み等により、電源系統が短絡する虞があるので、電源系統を遮断するのが好ましい。
（４）エアバックシステム作動手段４５を起動して、エアバックシステムを作動させる。
（５）シートベルト緊締手段４６を起動して、シートベルトを緊締させる。

本実施形態によれば、荷重センサ４１を車両衝突の有無を判定するための手段として用いることにより、車両衝突の有無を判定するための専用の衝撃検出センサは不要となり、車両衝突に対する安全対策をより低コストで実現することができる。

本実施形態に係る燃料電池スタックの構造及び車載位置を模式的に示す説明図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックの構造及び車載位置を模式的に示す説明図である。 本実施形態に係る燃料電池車両の安全装置のシステム構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池車両 ２０…燃料電池スタック ３１…燃料ガス供給源 ３３…酸化ガス供給源 ３３…不活性ガス供給源 ３４…負荷 ４１…荷重センサ ４２…遮断弁 ４３…遮断弁 ４４…リレー ４５…エアバック作動手段 ４６…シートベルト緊締手段 ５１…単セル ５２…セルスタック ５３ａ，５３ｂ…プレッシャープレート ５４ａ，５４ｂ…エンドプレート

Claims (5)

1. 複数の単セルを積層してなるセルスタックの締結荷重を検出する荷重センサを有する燃料電池スタックと、
   車両衝突による衝撃から車両を保護するための安全装置と、
   前記荷重センサの出力値に基づいて車両衝突が生じたか否かを判定し、車両衝突が生じたと判定したときに前記安全装置を作動させる制御手段と、
   を備える燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両であって、
   前記燃料電池スタックは、前記単セルの積層方向と車両前後方向とが略平行となるように車載されている、燃料電池車両。
3. 請求項２に記載の燃料電池車両であって、
   前記燃料電池スタックは、前記セルスタックの両端を挟持する一対のエンドプレートを含み、前記荷重センサは、前記一対のエンドプレートのうち車両前方に位置するエンドプレートと前記セルスタックとの間に介挿されている、燃料電池車両。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池車両であって、
   前記安全装置は、前記燃料電池スタックへの反応ガスの供給を停止するガス供給停止手段、前記燃料電池スタック内に残留している未反応ガスを外部へ排気するためのパージ手段、又は前記燃料電池スタックの電源系統を遮断する電源遮断手段のうち何れかを含む、燃料電池車両。
5. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池車両であって、
   前記安全装置は、エアバックシステム作動手段、又はシートベルト緊締手段のうち何れかを含む、燃料電池車両。

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