JP2016153288A

JP2016153288A - 燃料電池スタックの搭載構造

Info

Publication number: JP2016153288A
Application number: JP2015032116A
Authority: JP
Inventors: 達彦清水; Tatsuhiko Shimizu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2016-08-25

Abstract

【課題】車両重衝突時に燃料電池スタックが乗員室内に侵入するのを確実に抑制する。【解決手段】電動車両１の乗員室２の前方に形成された収容室３内に燃料電池スタック５が搭載される。燃料電池スタックは、収容室内に定置された定置フレーム６に対し、前方スタック支持部材７Ｆ及び回転スタック支持部材７Ｒにより支持される。前方スタック支持部材の前方に可動部材１１が配置される。車両重衝突により後向きの衝撃荷重が生じると、可動部材１１が後向きに移動し、前方スタック支持部材が破断される。次いで、可動部材の傾斜面１１Ｓにより燃料電池スタックの前端が持ち上げられる方向に燃料電池スタックが回転される。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池スタックの搭載構造に関する。

電動車両の乗員室の車両長さ方向前方に形成された収容室内にコントロールユニットを搭載するための構造が公知である（例えば、特許文献１参照）。この搭載構造では、収容室内に定置された定置フレームの上方において、コントロールユニットを定置フレームに対し支持する支持部材が設けられる。車両衝突により後向きの衝撃荷重がコントロールユニットに作用すると、支持部材により、コントロールユニットの前端が持ち上げられる方向にコントロールユニットが回転される。

特開平９−０５２５３４号公報

ところで、収容室内に燃料電池スタックを収容した電動車両では、車両衝突時に燃料電池スタックが後方に移動して乗員室内に侵入するおそれがある。このため、車両衝突時に燃料電池スタックが乗員室内に侵入するのを確実に抑制できる技術が求められている。

この点、特許文献１に記載の搭載構造を、収容室内に燃料電池スタックを搭載するための構造に適用すれば、車両衝突時に燃料電池スタックの前端が持ち上げられる方向に燃料電池スタックが回転されるので、燃料電池スタックが後方に、すなわち乗員室に向けて移動するのが抑制されると考えられる。

ところが、特許文献１に記載の搭載構造では、車両衝突が生じた後にも、コントロールユニットは支持部材により定置フレームに接続され続けるので、コントロールユニットの回転が支持部材により妨げられ、燃料電池スタックが後方に、すなわち乗員室に向けて移動するおそれがある。このため、特許文献１に記載の搭載構造を燃料電池スタックの搭載構造にただ単に適用しても、車両衝突時に燃料電池スタックが後方に移動するのを、すなわち乗員室内に侵入するのを確実に阻止できるとは限らない。

本発明によれば、電動車両の乗員室の車両長さ方向外方に形成された収容室内に燃料電池スタックを搭載するのに適した燃料電池スタックの搭載構造であって、前記燃料電池スタックは概ね直方体形状をなすと共に高さが長さ及び幅よりも小さい扁平状をなしており、前記収容室内に定置された定置フレームの上方において、前記燃料電池スタックの幅方向軸線又は長さ方向軸線がほぼ車両幅方向に延びると共に前記燃料電池スタックの車両長さ方向外端が前記燃料電池スタックの車両長さ方向内端とほぼ同じ高さ位置にあるか又は該内端よりも高く位置するように、前記燃料電池スタックを前記定置フレームに対し支持するスタック支持部材であって、前記燃料電池スタックの車両長さ方向外端周りにおいて前記燃料電池スタックを支持する外方スタック支持部材と、前記外方スタック支持部材よりも車両長さ方向内方において前記燃料電池スタックを、ほぼ車両幅方向に延びる回転軸線回りに回転可能に支持する回転スタック支持部材と、を含むスタック支持部材と、前記外方スタック支持部材に対面するように前記外方スタック支持部材よりも車両長さ方向外方に配置された可動部材であって、車両長さ方向外方に向けて上向きに拡がる傾斜面を有する可動部材と、を備え、車両重衝突により車両長さ方向内向きの衝撃荷重が生じると、前記衝撃荷重が前記可動部材に作用して前記可動部材が車両長さ方向内向きに移動し、それにより前記可動部材が前記外方スタック支持部材に衝突して前記外方スタック支持部材を破断し、次いで前記可動部材の前記傾斜面が前記燃料電池スタックに当接しつつ前記可動部材が車両長さ方向内向きに更に移動し、それにより前記燃料電池スタックの車両長さ方向外端が持ち上げられる方向に前記燃料電池スタックを前記回転軸線回りに回転させるようにした、燃料電池スタックの搭載構造が提供される。

車両重衝突時に外方スタック支持部材が可動部材により破断されるので、燃料電池スタックの車両長さ方向外端が持ち上げられる方向に燃料電池スタックが十分に回転することが可能となり、したがって車両重衝突時に燃料電池スタックが車両長手方向内向きに移動するのを確実に抑制でき、したがって乗員室内に侵入するのを確実に抑制することができる。

電動車両の部分側面図である。電動車両の部分平面図である。燃料電池スタックの概略斜視図である。移動制限部材の部分拡大断面図である。本発明による実施例を説明する電動車両の部分側面図である。本発明による実施例を説明する電動車両の部分側面図である。本発明による実施例を説明する電動車両の部分側面図である。

図１及び図２において、ＶＬは車両長さ方向、ＶＷは車両幅方向、ＶＨは車両高さ方向をそれぞれ示している。ここで、車両長さ方向ＶＬ及び車両幅方向ＶＷは水平方向にそれぞれ一致し、車両高さ方向ＶＨは鉛直方向に一致する。

図１及び図２を参照すると、１は電動車両、２は乗員室、３は収容室、４は乗員室２と収容室３とを互いに分離するダッシュボード、をそれぞれ示している。本発明による実施例では、収容室３は乗員室２の前方に形成される。図示しない別の実施例では、収容室３は乗員室２の後方に形成される。したがって、包括的に表現すると、収容室３は乗員室２の車両長さ方向ＶＬの外方に形成されるということになる。また、本発明による実施例における前方及び後方は車両長さ方向ＶＬの外方及び内方に対応し、上述の別の実施例における前方及び後方は車両長さ方向ＶＬの内方及び外方に対応する。

また、図１及び図２において、１Ｆは車両１の前端、１Ｈはフード、１Ｓはサイドボディ、をそれぞれ示している。したがって、収容室３は車両前端１Ｆ、フード１Ｈ、サイドボディ１Ｓ、及びダッシュボード４により画定される。

収容室３内には燃料電池スタック５が収容される。燃料電池スタック５は電気エネルギを発生し、この電気エネルギは車両１を駆動するのに用いられる。燃料電池スタック５は、複数の燃料電池単セルを積層した積層体と、この積層体を収容するケーシングとから形成される。図３に示されるように、燃料電池スタック５は概ね直方体状をなしている。また、燃料電池スタック５の高さＳＨは燃料電池スタック５の長さＳＬ及び幅ＳＷよりも小さく、したがって燃料電池スタック５は扁平状をなしている。なお、燃料電池スタック５の各面は必ずしも平坦でなく、多少の凹凸を含む場合もある。なお、図１から図３において、ＡＳＬは燃料電池スタック５の長さ方向軸線、ＡＳＷは燃料電池スタック５の幅方向軸線、ＡＳＨは燃料電池スタック５の高さ方向軸線をそれぞれ示している。図３に示される実施例では、燃料電池単セルは燃料電池スタック５の長さ方向軸線ＡＳＬに沿って積層される。

一方、収容室３の例えば底部には、車両幅方向ＶＷに離間しつつ車両長さ方向ＶＬにそれぞれ延びる一対の定置フレーム６が定置される。上述の燃料電池スタック５は、定置フレーム６の上方において、一対のスタック支持部材７により定置フレーム６に対し支持される。各スタック支持部材７は、燃料電池スタック５の前端５Ｆ周りにおいて燃料電池スタック５を支持する前方スタック支持部材７Ｆと、前方スタック支持部材７Ｆよりも後方において燃料電池スタック５を、ほぼ車両幅方向ＶＷに延びる回転軸線ＡＲＳ，ＡＲＦ回りに回転可能に支持する回転スタック支持部材７Ｒと、を含む。

すなわち、本発明による実施例では、燃料電池スタック５は板状の支持プレート８上に固定され、燃料電池スタック５と支持プレート８とは一体をなしている。燃料電池スタック５の前端５Ｆ周りの支持プレート８には、連結部９Ｆにおいて前方スタック支持部材７Ｆが連結される。前方スタック支持部材７Ｆは支持プレート８から下方に延び、連結部１０Ｆにおいて定置フレーム６に連結される。また、前方スタック支持部材７Ｆはステンレス鋼のような金属から形成される。本発明による実施例では、支持プレート８と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部９Ｆにおいて、車両幅方向ＶＷ方向に延びる回転軸線回りに互いに相対回転可能であり、定置フレーム６と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部１０Ｆにおいて、車両幅方向ＶＷ方向に延びる回転軸線回りに互いに相対回転可能である。図示しない別の実施例では、支持プレート８と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部９Ｆにおいて互いに固定され、定置フレーム６と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部１０Ｆにおいて互いに固定される。

また、支持プレート８には、前方スタック支持部材７Ｆよりも後方の連結部９Ｒにおいて、回転スタック支持部材７Ｒが連結される。回転スタック支持部材７Ｒは支持プレート８から下方に延び、連結部１０Ｒにおいて定置フレーム６に連結される。本発明による実施例では、支持プレート８と回転スタック支持部材７Ｒとは連結部９Ｒにおいて、車両幅方向ＶＷ方向に延びる回転軸線ＡＲＳ回りに互いに相対回転可能であり、定置フレーム６と回転スタック支持部材７Ｒとは連結部１０Ｒにおいて、車両幅方向ＶＷ方向に延びる回転軸線ＡＲＦ回りに互いに相対回転可能である。図示しない別の実施例では、支持プレート８と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部９Ｆにおいて互いに相対回転可能であり、定置フレーム６と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部１０Ｆにおいて互いに固定される。図示しない更に別の実施例では、支持プレート８と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部９Ｆにおいて互いに固定され、定置フレーム６と前方スタック支持部材７Ｆとは連結部１０Ｆにおいて互いに相対回転可能である。

また、本発明による実施例では、回転軸線ＡＲＳ，ＡＲＦが車両長さ方向ＶＬに関し、燃料電池スタック５の重心５ＧＣの近傍に位置するように、回転スタック支持部材７Ｒが位置決めされる。図１及び図２に示されるように、回転軸線ＡＲＳ，ＡＲＦは車両長さ方向ＶＬに関し、互いに重なった位置にある。

本発明による実施例では、燃料電池スタック５の幅方向軸線ＡＳＷがほぼ車両幅方向ＶＷに延びると共に、平面視において燃料電池スタック５の長さ方向軸線ＡＳＬがほぼ車両長さ方向ＶＬに延びるように、燃料電池スタック５が支持される。図示しない別の実施例では、燃料電池スタック５の長さ方向軸線ＡＳＬがほぼ車両幅方向ＶＷに延びると共に、平面視において燃料電池スタック５の幅方向軸線ＡＳＷがほぼ車両長さ方向ＶＬに延びるように、燃料電池スタック５が支持される。

本発明による実施例では更に、燃料電池スタック５の前端５Ｆが燃料電池スタック５の後端５Ｒよりも高く位置するように、燃料電池スタック５が支持される。この場合、図１に示されるように、連結部１０Ｆと連結部１０Ｒとはほぼ高さ位置にあり、前方スタック支持部材７Ｆの長さが回転スタック支持部材７Ｒの長さよりも長くなっている。図示しない別の実施例では、前方スタック支持部材７Ｆの長さと回転スタック支持部材７Ｒの長さとは互いにほぼ等しく、連結部９Ｆは連結部９Ｒよりも高い位置にある。図示しない更に別の実施例では、燃料電池スタック５の前端５Ｆが燃料電池スタック５の後端５Ｒとほぼ同じ高さ位置にあるように、燃料電池スタック５が支持される。

また、収容室３内には、ステンレス鋼のような金属から形成された可動部材１１が収容される。この可動部材１１は上方において傾斜面１１Ｓを有し、この傾斜面１１Ｓは前方に向けて上向きに傾斜している。水平方向に対する傾斜面１１Ｓの傾斜角θは２０度から６０度に設定される。また、可動部材１１は、後端において破断部１１Ｂを有する。本発明による実施例では、破断部１１Ｂは鋭角をなしている。したがって、本発明による実施例の可動部材１１は全体としてくさび状をなしている。更に、可動部材１１は前方スタック支持部材７Ｆに対面するように前方スタック支持部材７Ｆよりも前方に配置される。したがって、上述の破断部１１Ｂは前方スタック支持部材７Ｆを指向する。更に、可動部材１１は保持具１２に離脱可能に連結され、保持具１２は定置フレーム６に固定される。なお、可動部材１１はその前端が定置フレーム６の前端よりも前方に位置しかつ燃料電池スタック５の前端５Ｆよりも後方に位置するように保持具１２に保持される。

更に図１及び図２を参照すると、支持プレート８と定置フレーム６とが一対の移動制限部材１３により互いに接続される。移動制限部材１３と支持プレート８とは、燃料電池スタック５の後端５Ｒ周りの連結部１４において、車両幅方向ＶＷ方向に延びる回転軸線回りに互いに相対回転可能に連結される。また、移動制限部材１３と定置フレーム６とは、定置フレーム６の後端周りの連結部１５において、車両幅方向ＶＷ方向に延びる回転軸線回りに互いに相対回転可能に連結される。

本発明による実施例では、移動制限部材１３は移動制限部材１３の長さ方向に伸縮可能になっている。すなわち、例えば図４に示されるように、各移動制限部材１３は、支持プレート８に接続されたスタック側部分１３Ｓと、定置フレーム６に接続されたフレーム側部分１３Ｆとを含む。これらスタック側部分１３Ｓ及びフレーム側部分１３Ｆにはそれぞれの長さ方向に延びる長穴１６がそれぞれ形成されており、これら長穴１６を貫通する留め具１７によりスタック側部分１３Ｓ及びフレーム側部分１３Ｆが相対移動可能に互いに連結される。なお、長穴１６の長さは留め具１７の直径よりも大きく設定される。留め具１７は例えばボルト及びナットから形成される。

なお、連結部９Ｒでは、例えば、回転スタック支持部材７Ｒ及び支持プレート８のうち一方に設けられたピンが他方に設けられた受容孔内に受容され、それにより回転スタック支持部材７Ｒ及び支持プレート８が相対回転可能になっている。他の連結部９Ｆ，１０Ｆ，１０Ｒ，１４，１５でも同様である。

さて、電動車両１の前端１Ｆにおいて車両重衝突が生ずると、車両長さ方向ＶＬ内向き、すなわち後向きの衝撃荷重が可動部材１１に作用する。すなわち、上述したように可動部材１１が燃料電池スタック５よりも前方に配置されているので、後向きの衝撃荷重が燃料電池スタック５に直接的に作用しない。したがって、燃料電池スタック５が乗員室２内に侵入するリスクが低減される。なお、本発明による実施例では、車両重衝突が発生したと判断されたときには乗員室２に設けられているエアバッグが展開され、車両重衝突が発生していないと判断されたときにはエアバッグは展開されない。

可動部材１１に車両重衝突による衝撃荷重が作用すると、図５に示されるように可動部材１１は保持具１２から離脱し、後方に移動する。その結果、可動部材１１の破断部１１Ｂが前方スタック支持部材７Ｆに衝突し、前方スタック支持部材７Ｆが破断される。この点、車両重衝突時に可動部材１１が前方スタック支持部材７Ｆを破断可能なように、可動部材１１及び前方スタック支持部材７Ｆの形状、剛性等があらかじめ決められている。図示しない別の実施例では、車両重衝突時に可動部材１１が衝突する前方スタック支持部材７Ｆの部分に脆弱部が設けられる。このようにすると、車両重衝突時に前方スタック支持部材７Ｆが確実に破断する。脆弱部は例えば切り欠きから形成される。

次いで、可動部材１１が更に後向きに移動すると、可動部材１１の傾斜面１１Ｓが支持プレート８、特に支持プレート８の底面８Ｂに当接する。その後、可動部材１１は、傾斜面１１Ｓが支持プレート８の底面８Ｂに当接しつつ後向きに更に移動する。その結果、図６に矢印Ｄで示されるように、燃料電池スタック５の前端５Ｆが燃料電池スタック５の後端５Ｒに対し持ち上げられる方向に、回転軸線ＡＲＳ回りに、燃料電池スタック５が回転される。燃料電池スタック５の重量は比較的大きいので、このように燃料電池スタック５を回転させることにより、後向きすなわち乗員室２に向かう衝撃荷重を低減又は吸収することができる。したがって、燃料電池スタック５が乗員室２内に侵入するリスクが更に低減される。なお、図６では、前方スタック支持部材７Ｆの図示が省略されている。

この場合、燃料電池スタック５がどの程度回転するかは可動部材１１の傾斜面１１Ｓの傾斜角θに依存する。上述したように、傾斜角θは２０度から６０度が好ましい。傾斜角θが２０度よりも小さいと、燃料電池スタック５の前端５Ｆが持ち上げられる方向に燃料電池スタック５を回転させるのが困難となる。一方、傾斜角θが６０度よりも大きいと、燃料電池スタック５が回転軸線ＡＲＳ，ＡＲＦ回りにほとんど回転することなく後向きに移動するおそれがある。

次いで、図７に示されるように、燃料電池スタック５は回転軸線ＡＲＳ回りに回転しながら回転軸線ＡＲＦ回りにも回転する。その結果、燃料電池スタック５の前端５Ｆが燃料電池スタック５の後端５Ｒに対し持ち上げられる。したがって、燃料電池スタック５が乗員室２内に侵入するリスクが更に低減される。また、このように燃料電池スタック５が回転すると、燃料電池スタック５の前方に空間ＳＰが形成される。その結果、燃料電池スタック５よりも前方の収容室３内に配置された要素、例えばラジエータなどが車両重衝突時に後向きに移動したときに、ラジエータなどがこの空間ＳＰ内に受容される。したがって、ラジエータなどにより燃料電池スタック５が後向きに移動されるのが更に抑制される。なお、図７では、前方スタック支持部材７Ｆ及び可動部材１１の図示が省略されている。

本発明による実施例では、車両重衝突時に前方スタック支持部材７Ｆが破断されるので、前方スタック支持部材７Ｆが燃料電池スタック５の回転を妨げることがない。すなわち、燃料電池スタック５の前端５Ｆが持ち上げられる方向に燃料電池スタック５が十分に回転することができる。したがって、燃料電池スタック５が後方に移動するリスク、すなわち乗員室２内に侵入するリスクを確実に低減することができる。しかも、車両重衝突が生じるまでは、前方スタック支持部材７Ｆによって燃料電池スタック５が確実に支持される。また、回転軸線ＡＲＳ，ＡＲＦが燃料電池スタック５の重心５ＧＣ近傍に設けられるので、燃料電池スタック５が容易に回転することができる。

一方、車両重衝突が生じたときに、燃料電池スタック５が定置フレーム６から離脱するのは好ましくない。そこで本発明による実施例では、移動制限部材１３を設け、燃料電池スタック５が定置フレーム６に接続され続けるようにしている。すなわち、燃料電池スタック５が定置フレーム６から離脱するのが阻止されている。

燃料電池スタック５が回転軸線ＡＲＳ，ＡＲＦ回りに回転すると、連結部１４と連結部１５との間の距離が変動する。このため、移動制限部材１３の長さが一定であると、移動制限部材１３が変形し又は破断するおそれがある。移動制限部材１３が破断すると、燃料電池スタック５が定置フレーム６から離脱するおそれがある。そこで本発明による実施例では、移動制限部材１３を伸縮可能に形成している。その結果、移動制限部材の変形又は破断が抑制され、したがって燃料電池スタック５が定置フレーム６から離脱するのが確実に阻止される。

なお、図６及び図７に示される例では、上述したように、燃料電池スタック５は可動部材１１が支持プレート８に当接したときに、まず回転軸線ＡＲＦ回りにほとんど回転することなく回転軸線ＡＲＳ回りに回転し、次いで回転軸線ＡＲＳ回りに回転しながら回転軸線ＡＲＦ回りに回転する。図示しない別の実施例では、燃料電池スタック５は可動部材１１が支持プレート８に当接したときに、まず回転軸線ＡＲＳ回りにほとんど回転することなく回転軸線ＡＲＦ回りに回転し、次いで回転軸線ＡＲＦ回りに回転しながら回転軸線ＡＲＳ回りに回転する。図示しない更に別の実施例では、燃料電池スタック５は可動部材１１が支持プレート８に当接したときに、まず回転軸線ＡＲＦ回りに回転しながら回転軸線ＡＲＳ回りに回転する。

１電動車両
１Ｆ前端
２乗員室
３収容室
５燃料電池スタック
６定置フレーム
７スタック支持部材
７Ｆ前方スタック支持部材
７Ｒ回転スタック支持部材
１１可動部材
１１Ｓ傾斜面

Claims

電動車両の乗員室の車両長さ方向外方に形成された収容室内に燃料電池スタックを搭載するのに適した燃料電池スタックの搭載構造であって、
前記燃料電池スタックは概ね直方体形状をなすと共に高さが長さ及び幅よりも小さい扁平状をなしており、
前記収容室内に定置された定置フレームの上方において、前記燃料電池スタックの幅方向軸線又は長さ方向軸線がほぼ車両幅方向に延びると共に前記燃料電池スタックの車両長さ方向外端が前記燃料電池スタックの車両長さ方向内端とほぼ同じ高さ位置にあるか又は該内端よりも高く位置するように、前記燃料電池スタックを前記定置フレームに対し支持するスタック支持部材であって、
前記燃料電池スタックの車両長さ方向外端周りにおいて前記燃料電池スタックを支持する外方スタック支持部材と、
前記外方スタック支持部材よりも車両長さ方向内方において前記燃料電池スタックを、ほぼ車両幅方向に延びる回転軸線回りに回転可能に支持する回転スタック支持部材と、
を含むスタック支持部材と、
前記外方スタック支持部材に対面するように前記外方スタック支持部材よりも車両長さ方向外方に配置された可動部材であって、車両長さ方向外方に向けて上向きに拡がる傾斜面を有する可動部材と、
を備え、
車両重衝突により車両長さ方向内向きの衝撃荷重が生じると、前記衝撃荷重が前記可動部材に作用して前記可動部材が車両長さ方向内向きに移動し、それにより前記可動部材が前記外方スタック支持部材に衝突して前記外方スタック支持部材を破断し、次いで前記可動部材の前記傾斜面が前記燃料電池スタックに当接しつつ前記可動部材が車両長さ方向内向きに更に移動し、それにより前記燃料電池スタックの車両長さ方向外端が持ち上げられる方向に前記燃料電池スタックを前記回転軸線回りに回転させるようにした、
燃料電池スタックの搭載構造。
前記燃料電池スタックの車両長さ方向内端周りと前記定置フレームとを互いに接続する移動制限部材を更に備える、請求項１に記載の燃料電池スタックの搭載構造。
前記移動制限部材が前記移動制限部材の長さ方向に伸縮可能である、請求項２に記載の燃料電池スタックの搭載構造。
前記回転軸線が前記車両長さ方向に関し前記燃料電池スタックの重心近傍に位置するように前記回転スタック支持部材が位置決めされる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックの搭載構造。
前記回転スタック支持部材の前記燃料電池スタック側の端部において前記燃料電池スタックが前記回転軸線回りに回転可能に支持される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックの搭載構造。
前記回転スタック支持部材の前記定置フレーム側の端部において前記燃料電池スタックが別の回転軸線回りに回転可能に支持される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックの搭載構造。