JP2008143463A - 燃料タンクの支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両衝突の際、燃料タンクに大きな衝撃が作用することを抑える。
【解決手段】車両に搭載される燃料タンク２１をタンクフレーム８を介して支持する支持装置１０であって、当該車両の衝突時にタンクフレーム８および燃料タンク２１が移動するのを許容しつつ当該燃料タンク２１が受ける衝撃を緩和する衝撃吸収部材９を備えている。衝撃吸収部材９は、例えばショックアブソーバ、衝撃吸収プレート、蛇腹状の変形部材などで構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料タンクの支持装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池車等の車両に燃料タンクを搭載するための構造に関する。

近年、発電装置としての燃料電池を搭載した車両に関する研究や開発が多く行われるようになっている。このように車両の発電装置として用いられる燃料電池としては例えば高分子電解質形燃料電池が搭載され、さらに該燃料電池に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給するための燃料タンクが搭載されている。

このような燃料電池車両としては、従来、複数の燃料タンクを車両の前後方向へと並列に配置したものが知られている。この場合、燃料タンクは、当該車両のフレームを形成しているメンバといった強度部材に対して例えば固定バンド等を用いて強固に固定されていることが一般的である（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００５−７５２２４号公報 特開２００２−２４８９４９号公報

しかしながら、車両衝突が生じると高圧である燃料タンクに大きな荷重が作用してしまう。

そこで、本発明は、車両衝突の際、燃料タンクに大きな衝撃が作用することを抑えるようにした燃料タンクの支持装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来の燃料タンク支持構造の場合、上述したように燃料タンクが車両フレーム（強度部材等のメンバ）に対していわば剛の状態で強固に固定されていることから、車両衝突時の大きな衝撃が十分に吸収されないまま、あるいは吸収される前に当該燃料タンクへと伝わり作用するおそれがあった。この点に着目して検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、車両に搭載される燃料タンクをタンクフレームを介して支持するための支持装置において、当該車両の衝突時に前記タンクフレームおよび前記燃料タンクが移動するのを許容しつつ当該燃料タンクが受ける衝撃を緩和する衝撃吸収部材を備えていることを特徴としている。

このような燃料タンクの支持装置においては、車両衝突時の衝撃を衝撃吸収部材が吸収して燃料タンクに作用しうる衝撃荷重を緩和する。しかも、例えば正面衝突時であればタンクフレームおよび燃料タンクが前方にスライド等して移動することができる。燃料タンクが例えば従来装置のように剛の状態で車両フレームに取り付けられていると剛性が高い一方で車両衝突時の衝撃を吸収・分散する機能に乏しく燃料タンクにまで大きな衝撃が伝わってしまうおそれがあるが、本発明の支持装置の場合には、上述のように衝撃吸収部材が衝撃を吸収し、尚かつタンクフレームおよび燃料タンクが移動する間に衝撃を吸収・分散することが可能である。

このような支持装置においては、前記衝撃吸収部材が、前記車両の衝突時に潰れて衝撃を吸収する蛇腹状の変形部材で構成されていてもよい。蛇腹状の変形部材が潰れながら衝撃を吸収することにより、燃料タンクに伝わりうる衝撃が緩和される。

あるいは、前記衝撃吸収部材がショックアブソーバで構成されていてもよいし、前記衝撃吸収部材が衝撃吸収プレートで構成されていてもよい。

また、本発明にかかる支持装置は、燃料ガスおよび酸化ガスの化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池へ供給される前記燃料ガスが充填された燃料タンクとを搭載した燃料電池車両に適用して好適である。

本発明によれば、車両衝突の際、燃料タンクに大きな衝撃が作用することをより抑えることが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図５に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる支持装置１０は例えば燃料電池車両Ｖに搭載される燃料タンク２１をタンクフレーム８を介して支持するための装置であって、当該燃料電池車両Ｖの衝突時にタンクフレーム８および燃料タンク２１が移動するのを許容しつつ当該燃料タンク２１が受ける衝撃を緩和する衝撃吸収部材９を備えているというものである。以下においては、燃料電池２などによって構成される燃料電池システム１の全体構成についてまず説明し、その後、この燃料電池システム１を搭載した燃料電池車Ｖを例示しつつ、支持装置１０の具体的な構成について説明することとする。

図１に燃料電池車両Ｖに搭載されている燃料電池システム１の概略構成を示す。なお、ここでは燃料電池システム１を燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）Ｖの車載発電システムとして用いる例を示すが、かかる燃料電池システム１は各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとしても用いることが可能である。

本実施形態における燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して当該燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は例えば高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有した構造となっている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が発生する。この燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。また、排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源としての燃料タンク２１と、燃料タンク２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

燃料タンク２１は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実施形態における燃料電池車両Ｖに複数搭載されているものであり、例えば３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、燃料タンク２１から水素供給流路２２へと水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧され、燃料電池２に供給される。なお、本実施形態ではこのような燃料タンク２１を水素供給源としているが、この他、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、によって水素供給源を構成することも可能である。

水素供給流路２２には、燃料タンク２１からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。さらに、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力および温度を検出する圧力センサおよび温度センサ（図示省略）が設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に関する情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。

レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。例えば本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階、多段階、または無段階に切り替えることができるようになっている。さらに、制御部７から出力される制御信号によって、インジェクタ２８のガス噴射時間およびガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。このように、インジェクタ２８は、弁（弁体および弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

本実施形態においては、このようなインジェクタ２８を、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側に配置している（図１参照）。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の燃料タンク２１が用いられている場合には、これら燃料タンク２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側に当該インジェクタ２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０および排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７の指令を受けて作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。この排気排水弁３１を開放すると、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）および下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３２および下流側圧力センサ３３が設けられている。

また、特に詳しく図示していないが、排気排水弁３１および排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、希釈器（図示省略）によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、モータ（図示省略）の駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、燃料電池２から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ４４と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ（図示省略）の駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。温度センサ４４で検出された冷媒の温度（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）は、後述するパージ制御に用いられる。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。このような高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両Ｖの主動力源を構成する。

補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、車両Ｖに設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両Ｖの走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。

このような制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。

続いて、以上のような燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両Ｖにおける燃料タンク２１の支持装置１０について説明する（図２〜図９参照）。なお、図２における符号Ｂは当該車両Ｖのボデー、符号１７は燃料となる水素の充填口をそれぞれ示している。

燃料タンク２１の支持装置１０は、燃料電池車両Ｖに搭載された複数の燃料タンク２１をタンクフレーム８を介して支持するための装置として設けられているもので、本実施形態の場合には衝撃吸収部材９を備えたものとなっている。

例えば本実施形態の燃料電池車両Ｖの場合、２個の燃料タンク２１が横向きの状態で車両前後方向に並べられ、支持装置１０によって支持されている（なお、図３中においては車両前方方向を符号Ｆで示している）。本実施形態の支持装置１０は例えばタンクフレーム８の底面に設けられたバンド等からなるベルト部材８１を含むもので、１個の燃料タンク２１を左右に並ぶ２本のベルト部材８１で吊り下げるようにして支持している（図３、図４参照）。ベルト部材８１の端部は、例えばボルトやナットを利用したクランプ装置などを介してタンクフレーム８に取り付けられている。

タンクフレーム８は、燃料タンク２１を支持するために利用されているフレームである。例えば本実施形態の燃料電池車両Ｖにおいては、ボデーＢ（または当該ボデーＢを構成しているフレーム）の一部に、下向きに凸形状となるように断面チャネル状の一対のフレーム部材１８が左右に並ぶように設けられており（図３、図４参照）、タンクフレーム８はこのようなフレーム部材１８を介してボデーＢに取り付けられた構造となっている。

また、本実施形態の場合には、左右の各フレーム部材１８の下部に、底面側が開口した断面略チャネル形状のガイド部材１９を設けている（図４参照）。このガイド部材１９の内部には例えば複数の衝撃吸収部材９が車両前後方向に配置されている（図３参照）。

衝撃吸収部材９は、燃料電池車両Ｖの衝突時にタンクフレーム８および燃料タンク２１がフレーム部材１８の長手方向に沿って移動するのを許容しつつ当該燃料タンク２１が受ける衝撃を緩和する部材である。本実施形態の衝撃吸収部材９は例えばオイルの流動抵抗を利用したショックアブソーバで構成されており、複数がそれぞれ各タンクフレーム８に対応して設置されている（図３、図５等参照）。これら衝撃吸収部材９は車両Ｖの前後方向へ動作するように設置されており、車両Ｖのいわゆる前方衝突の際にはタンクフレーム８および燃料タンク２１が前方へ、後方衝突の際にはタンクフレーム８および燃料タンク２１が後方へと慣性によって移動するのを許容する。また、このように車両衝突時においてタンクフレーム８や燃料タンク２１が慣性で移動する際には、衝撃吸収部材９が伸縮動作することによって衝撃を吸収し燃料タンク２１に作用しうる衝撃を緩和する。

ここまで説明したような本実施形態における燃料タンク２１の支持装置１０によれば、車両衝突時の衝撃を衝撃吸収部材９により吸収して燃料タンク２１に作用しうる衝撃荷重を緩和することができる。しかも、単に衝撃吸収部材９により衝撃を吸収するのみでなく、例えば前方衝突（正面衝突）時であればタンクフレーム８および燃料タンク２１が前方にスライド等して移動することが可能な構造としているため、これらタンクフレーム８および燃料タンク２１が移動する間に衝撃を吸収しあるいは分散することが可能となっている。つまり、燃料タンク２１が剛の状態で車両フレームに取り付けられていると剛性が高い一方で車両衝突時の衝撃を吸収・分散する機能が乏しいため燃料タンクにまで大きな衝撃が伝わってしまうおそれがあったが、いわば柔軟性のある構造とした本実施形態の支持装置１０によれば、一定以上の外力が作用した場合に燃料タンク２１を移動させながら衝撃を吸収して緩和することが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではオイルの流動抵抗を利用した部材（例えばオイルダンパ）を衝撃吸収部材９の一例として示したがこれは例示したものに過ぎず、要は、車両Ｖの衝突時にタンクフレーム８および燃料タンク２１が移動するのを許容しつつ当該燃料タンクが受ける衝撃を緩和しうるものであれば具体的な構造が特に限定されることはない。他例を示せば、車両衝突時に潰れて衝撃を吸収する蛇腹状の変形部材（例えばクラッシュボックスなど）で衝撃吸収部材９を構成することができる（図６、図７参照）。この他、特に図示はしていないが、コイルスプリング、リーフスプリング、空気ばねといったものを利用して衝撃吸収部材９を構成することも可能である。

あるいは、車両衝突時に壊れながら衝撃を吸収する衝撃吸収プレートのようなもので衝撃吸収部材９を構成することも可能である。例えば図８，図９に例示する衝撃吸収部材９は、２本のスリット９１ａ，９１ｂが車両前後方向に設けられた形状の第１の衝撃吸収プレート９１と、下側に凸形状の曲折部９２ａを含む第２の衝撃吸収プレート９２とが、当該曲折部９２ａがスリット９１ａ，９１ｂを通過するように組み合わされてなるものである（図８、図９参照）。第１の衝撃吸収プレート９１はボルト９３等でフレーム部材１８やガイド部材１９に取り付けられ、第２の衝撃吸収プレート９２にはボルト９４等でタンクフレーム８が取付けられている。このような衝撃吸収部材９の場合、車両衝突時に第１の衝撃吸収プレート９１におけるスリット９１ａ，９１ｂ付近が変形ないしは破断し、さらには第２の衝撃吸収プレート９２の曲折部９２ａ付近が変形することにより、タンクフレーム８および燃料タンク２１が移動するのを許容しつつ当該燃料タンク２１が受ける衝撃を緩和することができる。

燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの構成例を示す図である。 燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略図である。 本発明にかかる支持装置の構成例を示す車両の左側面からの図である。 支持装置の構成例を示す車両後方からの図である。 衝撃吸収部材の具体例であるショックアブソーバを示す図である。 車両衝突時に潰れて衝撃を吸収する蛇腹状の変形部材で構成された衝撃吸収部材を示す図である。 図６に示した衝撃吸収部材であって潰れた状態のものを示す図である。 衝撃吸収プレートで構成された衝撃吸収部材の一例を示す側面からの図である。 図８に示した衝撃吸収部材の底面図である。

符号の説明

２…燃料電池、８…タンクフレーム、９…衝撃吸収部材、１０…支持装置、２１…燃料タンク、９１…第１の衝撃吸収プレート（衝撃吸収プレート）、９２…第２の衝撃吸収プレート（衝撃吸収プレート）、Ｖ…燃料電池車両（車両）

Claims (5)

1. 車両に搭載される燃料タンクをタンクフレームを介して支持するための支持装置において、
   当該車両の衝突時に前記タンクフレームおよび前記燃料タンクが移動するのを許容しつつ当該燃料タンクが受ける衝撃を緩和する衝撃吸収部材を備えている
   ことを特徴とする燃料タンクの支持装置。
2. 前記衝撃吸収部材が、前記車両の衝突時に潰れて衝撃を吸収する蛇腹状の変形部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料タンクの支持装置。
3. 前記衝撃吸収部材がショックアブソーバで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料タンクの支持装置。
4. 前記衝撃吸収部材が衝撃吸収プレートで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料タンクの支持装置。
5. 燃料ガスおよび酸化ガスの化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池へ供給される前記燃料ガスが充填された燃料タンクとを搭載した燃料電池車両に適用されている請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料タンクの支持装置。

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