JP2018073718A - 燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池車両における衝突発生時の燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制する。
【解決手段】燃料電池車両は、燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、燃料電池スタックに供給されるガスを貯蔵するタンクと、燃料電池モジュールを収容する燃料電池収容室と、燃料電池車両の床下において燃料電池収容室に対して燃料電池車両の車両長さ方向における後方側に形成され、タンクを収容するタンク収容室と、を備え、燃料電池モジュールは、タンクよりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンクと重ならない。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に関する。
燃料電池車両として、乗員室の前方に設けられた収容室に燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールが収容され、乗員室の床下に設けられた水素タンク室に水素ガスを貯蔵するタンクが収容された構造の燃料電池車両が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1の燃料電池車両において、燃料電池スタックは、サスペンションメンバにマウント部品を介して取り付けられている。このマウント部品が衝突発生時に破壊されることにより、燃料電池スタックは、水素タンク室もより下方の退避空間に移動し、タンクとの衝突を免れる。
特開2015−231319号公報
しかし、特許文献1の燃料電池車両では、燃料電池スタックとタンクとは、水平方向に見たときに互いに重複して配置されている。このため、衝突発生時にマウント部品が破壊されないまま、燃料電池スタックが衝突の衝撃により水平方向に移動した場合や、タンクが慣性力により前方に移動した場合等には、燃料電池スタックがタンクに衝突し、水素タンクが損傷するおそれがある。このような問題は、燃料電池スタックに限らず、燃料電池モジュールを構成する他の構成部品がタンクと水平方向に見たときに互いに重複して配置されている場合にも発生し得る。このため、燃料電池車両の衝突発生時に、燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制可能な技術が望まれている。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は;燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと;前記燃料電池スタックに供給されるガスを貯蔵するタンクと;前記燃料電池モジュールを収容する燃料電池収容室と;前記燃料電池車両の床下において前記燃料電池収容室に対して前記燃料電池車両の車両長さ方向における後方側に形成され、前記タンクを収容するタンク収容室と;を備え;前記燃料電池モジュールは、前記タンクよりも鉛直上方に配置され、前記車両長さ方向に見たときに、前記タンクと重ならない。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池モジュールは、タンクよりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンクと重ならないので、燃料電池車両の衝突発生時に燃料電池モジュールが車両長さ方向に沿ってタンク側へと移動した場合や、タンクが慣性力により車両長さ方向に沿って燃料電池モジュール側へと移動した場合であっても、燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制できる。
(2)上記形態の燃料電池車両において、前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックを下方から支える板状の支持フレームを更に含み;前記支持フレームにおいて、前記支持フレームにおける前記車両長さ方向の後端の一部を含み前記車両長さ方向に見て前記タンクの上部と鉛直方向に対応する領域には、少なくとも鉛直下方および前記車両長さ方向における後方に開口した第1凹部が形成されていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、支持フレームに第1凹部が形成されているので、燃料電池車両の衝突発生時に、第1凹部に向かってタンクの鉛直上方の上部が近づくように燃料電池モジュールとタンクとが相対的に移動した場合であっても、第1凹部の下方にタンクの鉛直上方の上部が位置し(収容され)、燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制できる。また、このため、支持フレームに第1凹部が形成されていない構成に比べて、燃料電池モジュールをより鉛直下方に配置しても、燃料電池車両の衝突発生時における燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制できる。このように、燃料電池モジュールを、より鉛直下方に配置できるので、燃料電池収容室の高さを低くして燃料電池車両を小型化できる、或いは、燃料電池収容室の高さをそのままにして、燃料電池収容室において燃料電池モジュール以外の部品を収容するための空間をより大きくできる。また、燃料電池モジュールをより鉛直下方に配置できるので、燃料電池収容室内に収容されている物全体の重心を低くでき、走行安定性を向上できる。
(3)上記形態の燃料電池車両において、前記第1凹部は、前記支持フレームの厚さ方向に形成された切り欠きとして構成されていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、第1凹部は切り欠きとして構成されているので、切り欠きとして構成されない構成に比べて、燃料電池車両の衝突発生時における支持フレームとタンクとの衝突をより確実に抑制できる。このため、燃料電池モジュールを、より鉛直下方に配置できる。
(4)上記形態の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルの積層方向における前記車両長さ方向の後方側の端部に配置されたエンドプレートと、を有し;前記エンドプレートにおいて、前記エンドプレートにおける前記車両長さ方向の後端の一部を含み前記車両長さ方向に見て前記タンクの上部と鉛直方向に対応する領域には、少なくとも鉛直下方および前記車両長さ方向における後方に開口した第2凹部が形成されていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、エンドプレートに第2凹部が形成されているので、燃料電池車両の衝突発生時に第2凹部に向かってタンクの鉛直上方の上部が近づくように、燃料電池モジュールとタンクとが相対的に移動した場合であっても、第2凹部の下方にタンクの鉛直上方の上部が位置し(収容され)、燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制できる。また、このため、エンドプレートに第2凹部が形成されていない構成に比べて、エンドプレートをより鉛直下方に配置しても、燃料電池車両の衝突発生時におけるエンドプレートとタンクとの衝突を抑制できる。このように、エンドプレートをより鉛直下方に配置できるので、燃料電池収容室の高さを低くして燃料電池車両を小型化できる。また、エンドプレートをより鉛直下方に配置できるので、燃料電池収容室内に収容されている物全体の重心を低くでき、走行安定性を向上できる。
(5)上記形態の燃料電池車両において、前記エンドプレートが露出した状態で前記燃料電池スタックを収容するケースであって、前記エンドプレートを厚さ方向に貫く締結部材により、自身の前記タンク側の端面において前記エンドプレートに接合されているケースを、更に備え;前記エンドプレートの鉛直方向の最下部は、前記ケースの鉛直方向の最下部よりも、鉛直方向下方に位置し;前記エンドプレートが有する前記第2凹部は、前記燃料電池車両の車両幅方向において互いに隣り合う前記締結部材をそれぞれ収容する前記エンドプレートに設けられた2つの貫通孔の間に形成されていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、第2凹部は、車両幅方向において互いに隣り合う締結部材をそれぞれ収容するエンドプレートに設けられた2つの貫通孔の間に形成されているので、第2凹部を設けつつ、エンドプレートとケースとの結合力の低下を抑制できる。
(6)上記形態の燃料電池車両において、前記第2凹部は、前記エンドプレートの厚さ方向に形成された切り欠きとして構成されていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、第2凹部は切り欠きとして構成されているので、切り欠きとして構成されない構成に比べて、燃料電池車両の衝突発生時におけるエンドプレートとタンクとの衝突をより確実に抑制できる。このため、エンドプレートを含む燃料電池スタックを、より鉛直下方に配置できる。
(7)上記形態の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、車両長さ方向において、前記タンクに向かう側へと下方に傾斜して配置されていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池スタックは、車両長さ方向においてタンクに向かう側へと下方に傾斜して配置されているので、燃料電池スタック内の水を、重力を利用してタンクに向かう側へと移動させて、燃料電池スタック内から容易に排出させることができる。
(8)上記形態の燃料電池車両において、前記タンク収容室は、前記タンクの長手方向が車両長さ方向と一致するように前記タンクを収容してもよい。この形態の燃料電池車両によれば、タンク収容室は、タンクの長手方向が車両長さ方向と一致するようにタンクを収容するので、タンクの長手方向が車両幅方向と一致するようにタンクを収容する構成に比べて、より大きなタンクを収容できる。
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両の製造方法、燃料電池車両における燃料電池モジュールおよびタンクの配置方法、燃料電池モジュール、燃料電池スタック用の支持フレーム、燃料電池スタック用のエンドプレート等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての燃料電池車両の概略構成を示す断面図である。 燃料電池車両に搭載されている燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 燃料電池モジュールの概略構成を示す断面図である。 ケースおよび支持フレームの構成を示す斜視図である。 燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図である。 エンドプレートを示す正面図である。 衝突発生時における燃料電池スタック、支持フレームおよびタンクの動作を示す断面図である。 第2実施形態の支持フレームの概略構成を示す斜視図である。 第3実施形態における燃料電池車両の概略構成を示す断面図である。 第3実施形態の支持フレームの概略構成を示す斜視図である。
A.第1実施形態:
A1.車両全体構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池車両500の概略構成を示す断面図である。図1では、衝突が発生していない平常時における、燃料電池車両500の車両幅方向LHの中央位置での、車両の前方方向FDおよび後方方向RDに沿った断面を表している。以降では、前方方向FDと後方方向RDとを、合せて「車両長さ方向」と呼ぶ。燃料電池車両500は、燃料電池モジュール100を電力源として搭載し、動力源であるモータMが駆動することにより、後輪RWが駆動される。なお、図1では、車両幅方向LH、前方方向FD、および後方方向RDに加えて、重力方向、すなわち、鉛直下方Gを図示している。図1における各方向を示す符号および矢印は、他の図における各方向を示す符号および矢印に対応する。
燃料電池車両500には、乗員室510と、燃料電池収容室520と、タンク収容室530が形成されている。
乗員室510は、乗員が乗る部屋であり、図1において破線で示すように、複数の座席が設けられている。乗員室510は、一対の前輪FWと一対の後輪RWとに挟まれた領域にほぼ位置している。
燃料電池収容室520は、燃料電池モジュール100を含む燃料電池システム(後述の燃料電池システム200)の少なくとも一部の構成要素を収容する。燃料電池モジュール100は、燃料電池スタック101および支持フレーム150を備える。なお、後述するように燃料電池モジュール100は、さらにケース(後述のケース130)を備えているが、図1では省略されている。燃料電池スタック101は、積層された複数の単セル(後述の単セル11)を含む積層体である。支持フレーム150は、燃料電池スタック101を下方から支える板状の部材である。なお、燃料電池スタック101および支持フレーム150を含む燃料電池モジュール100の詳細構成は、後述する。燃料電池収容室520は、乗員室510の前方方向FDに位置する。乗員室510と燃料電池収容室520とは、ダッシュボードDBにより互いに隔てられている。ダッシュボードDBは、板状の部材からなり、その上方側部分は、前方側に屈曲している。ダッシュボードDBの下方側部分は鉛直方向とほぼ平行に配置されている。
タンク収容室530は、水素ガスを貯蔵するタンク20を収容する。タンク収容室530は、燃料電池車両500の床下において燃料電池収容室520に対して後方方向RDに形成されている。また、タンク収容室530は、車両幅方向LHの略中央において車両長さ方向に沿って形成されている。タンク収容室530の天井部分は、乗員室510のフロアパネルにより形成されている。乗員室510の床においてタンク収容室530に対応する部分は、かかる床の他の部分に比べて鉛直上方に突出している。このように、タンク収容室530は、エンジンを搭載した車両におけるドライブシャフトが配置されたセンタートンネルと同様な構造を有している。なお、タンク収容室530には、タンク20に加えて、図示しないワイヤーハーネスなどが収容されている。
図1に示すように、燃料電池収容室520に収容されている燃料電池モジュール100は、車両長さ方向において、タンク20に向かう側へと下方に傾斜して配置されている。換言すると、燃料電池モジュール100は、後方方向RDに向かうにつれて下方に位置するように、水平方向に対して傾斜して配置されている。このように燃料電池モジュール100が傾斜して配置されているのは、燃料電池スタック101内の水を、重力を利用して後方方向RDに集めて燃料電池スタック101から容易に排出するためである。
図示するように、支持フレーム150の鉛直下方の面には、第1凹部151が形成されている。また、燃料電池スタック101を構成するエンドプレート(後述のエンドプレート120)には、第2凹部125が形成されている。第1凹部151および第2凹部125の詳細構成は、後述する。
燃料電池モジュール100は、タンク20よりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンク20と重ならない。言い換えると、燃料電池モジュール100の最下面のいずれの部分も、車両長さ方向に見たときにタンク20の最上面における鉛直方向に対応する部分に対して、鉛直上方に位置する。上述の「燃料電池モジュール100がタンク20よりも鉛直上方に配置されている」とは、燃料電池モジュール100の鉛直方向の最上部が、タンク20の鉛直方向の最上部よりも鉛直上方に位置するように、燃料電池モジュール100が配置されていることを意味する。図1には、タンク20の鉛直方向の最上部を通り、水平面と平行な仮想線L1が破線で描かれている。この仮想線L1は、衝突が発生した場合に想定される燃料電池システム200の最上部の軌跡に相当する。燃料電池モジュール100の最上部は、この仮想線L1よりも鉛直上方に位置している。
A2.燃料電池システムの構成:
図2は、燃料電池車両500に搭載されている燃料電池システム200の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム200は、上述の燃料電池スタック101に加えて、気液分離器29と、タンク20と、エアコンプレッサ30と、遮断弁24と、インジェクタ25と、排気排水弁26と、循環ポンプ27と、三方弁33と、圧力調整弁34と、燃料ガス供給路21と、燃料ガス循環路22と、燃料ガス排出路23と、酸化剤ガス供給路31と、酸化剤ガス排出路32と、バイパス流路35と、DC−DCコンバータ210とを備える。その他、燃料電池システム200は、燃料電池スタック101を介して冷却媒体を循環させる図示しない機構を備えている。
燃料電池スタック101は、積層された複数の単セル11を備え、また、その積層方向の両端部に一対のエンドプレート110,120を備える。各単セル11は、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガスと、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する。第1実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。燃料電池スタック101は、エンドプレート110が前方方向FDに位置し、エンドプレート120が後方方向RDに位置するように設置されている。触媒電極層は、触媒、例えば、白金(Pt)を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル11において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池スタック101の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させるためのマニホールド(図示省略)が単セル11の積層方向SDに沿って形成されている。なお、単セル11は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池など任意の種類の燃料電池であってもよい。
一対のエンドプレート110,120は、複数の単セル11を含む積層体を挟持する機能を有する。一対のエンドプレート110,120のうち、エンドプレート120は、燃料電池スタック101内に形成されたマニホールドに、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を供給する機能、および、これらの媒体を排出するための流路を提供する機能を有する。これに対して、エンドプレート110は、かかる機能を有しない。エンドプレート110およびエンドプレート120は、いずれも厚さ方向が、積層方向SDと一致する略板状の外観形状を有する。
タンク20は、高圧水素を貯蔵しており、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料ガス供給路21を介して燃料電池スタック101に供給する。図1に示すように、タンク20は、略円筒形の外観形状を有し、長手方向が車両長さ方向と一致するようにタンク収容室530に収容されている。循環ポンプ27は、燃料ガス循環路22に配置されており、気液分離器29から排出された燃料ガス(水が分離された後の燃料ガス)を燃料ガス供給路21に送る。遮断弁24は、タンク20における燃料ガスの排出口近傍に配置され、タンク20からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。インジェクタ25は、燃料ガス供給路21に配置され、燃料電池スタック101への水素ガスの供給量(流量)および圧力を調整する。気液分離器29は、燃料電池スタック101内の燃料ガス排出用マニホールドと接続され、かかるマニホールドから排出されるオフガスに含まれる水を分離して排出すると共に、水が分離された後のガス(燃料ガス)を排出する。排気排水弁26は、燃料ガス排出路23に配置されており、気液分離器29からの水およびオフガスの排出の実行と停止とを切り替える。エアコンプレッサ30は、燃料電池スタック101に対して酸化剤ガスとしての空気を供給する。三方弁33は、酸化剤ガス供給路31に配置されており、エアコンプレッサ30から供給される空気の全体量のうち、酸化剤ガス供給路31に供給する量と、バイパス流路35に供給する量とを調整する。圧力調整弁34は、酸化剤ガス排出路32に配置されており、燃料電池スタック101におけるカソード排出側の圧力(いわゆる背圧)を調整する。
燃料電池システム200における燃料ガスの流通について説明する。タンク20から供給される水素ガスは燃料ガス供給路21を介して燃料電池スタック101に供給される。燃料電池スタック101から排出されるオフガス(アノード側オフガス)は、気液分離器29に供給され、オフガスに含まれる水の少なくとも一部が分離される。水が分離された後のオフガス(すなわち、燃料ガス)は燃料ガス循環路22および循環ポンプ27を介して燃料ガス供給路21に戻され、再び燃料電池スタック101に供給される。なお、気液分離器29からは、オフガスから分離された水に加えて、気液分離器29に供給されるオフガスのうちの一部のオフガスが排気排水弁26を介して燃料ガス排出路23に排出される。燃料ガス排出路23は酸化剤ガス排出路32と接続されており、燃料ガス排出路23に排出された水およびアノード側オフガスは、燃料電池スタック101から排出される水およびカソード側オフガスと共に酸化剤ガス排出路32を介して大気へと排出される。燃料ガス排出路23は、大気開放されている酸化剤ガス排出路32と連通しているのに対して、気液分離器29の内部には、大気圧よりも高い背圧が加えられているため、排気排水弁26を挟んで圧力差が存在する。したがって、排気排水弁26が開けられた場合に、上述の圧力差によって、気液分離器29から燃料ガス排出路23へとオフガスが排出される。
燃料電池システム200における酸化剤ガスの流通について説明する。エアコンプレッサ30から供給される空気(圧縮空気)は、酸化剤ガス供給路31を介して燃料電池スタック101に供給される。このとき、三方弁33の開度を調整することにより燃料電池スタック101への供給量を調整できる。燃料電池スタック101から排出されるオフガス(カソード側オフガス)および水は、圧力調整弁34を介して酸化剤ガス排出路32に排出される。酸化剤ガス排出路32は、上述のように燃料ガス排出路23と接続されており、また、バイパス流路35とも接続されている。したがって、燃料電池スタック101から排出されたカソード側オフガスは、燃料ガス排出路23を通って排出されるアノード側オフガスおよび水と、バイパス流路35を通って排出される空気と共に、大気へと排出される。
ここで、上述のように、燃料電池スタック101は、後方方向RDに向かうにつれて下方に位置するように、水平方向に対して傾斜して配置されているため、燃料電池スタック101においてエンドプレート120が最も鉛直下方Gに位置することとなる。したがって、燃料電池スタック101内の水は、各種マニホールドを通って重力にしたがってエンドプレート120へと向かうこととなり、燃料電池スタック101内からの排水が促される。
燃料電池スタック101における一対の集電板103F,103Rは、DC−DCコンバータ210と電気的に接続されている。DC−DCコンバータ210は、モータMと電気的に接続されており、燃料電池スタック101の出力電圧を昇圧してモータMに供給する。
上述した排気排水弁26、エアコンプレッサ30、循環ポンプ27、およびその他の各弁の動作は、図示しない制御部により制御される。この制御部は、例えば、制御用プログラムが記憶されているROM(Read Only Member)と、かかるROMを読み出して実行するCPU(Central Processing Unit)と、CPUのワークエリアとして利用されるRAM(Random Access Memory)とを有する構成としてもよい。
A3.燃料電池モジュールの構成:
図3は、燃料電池モジュール100の概略構成を示す断面図である。図3では、図1と同様な位置での燃料電池モジュール100の断面を示している。燃料電池モジュール100は、上述の燃料電池スタック101および支持フレーム150に加えて、ケース130を備える。
燃料電池スタック101は、上述した積層された複数の単セル11と、一対のエンドプレート110,120と、一対の集電板103F,103Rとに加えて、一対の絶縁板102F,102Rとを備える。一対の集電板103F,103Rは、総合電極として機能する。集電板103Fは、複数の単セル11のうち、最も前方に位置する単セル11の前方方向FD側において、かかる単セル11に接して配置されている。集電板103Rは、複数の単セル11のうち、最も後方に位置する単セル11の後方方向RD側において、かかる単セル11に接して配置されている。一対の絶縁板102F,102Rは、絶縁性材料により形成された板状部材である。絶縁板102Fは、エンドプレート110と集電板103Fとに挟まれており、エンドプレート110と集電板103Fとの間の電気的接続を抑制する。同様に、絶縁板102Rは、エンドプレート120と集電板103Rとに挟まれており、エンドプレート120と集電板103Rとの間の電気的接続を抑制する。
ケース130は、燃料電池スタック101のうちのエンドプレート120を除く他の部分を収容する。換言すると、ケース130は、エンドプレート120が露出した状態で燃料電池スタック101を収容する。第1実施形態において、ケース130は、アルミニウム(Al)により形成されている。なお、アルミニウムに限らず、ステンレス(SUS)や、チタン(Ti)や、これらの金属の合金により形成されてもよい。また、金属に限らず、樹脂等により形成されてもよい。なお、図3に示すように、エンドプレート120の最下部は、ケース130の最下部よりも鉛直下方Gに位置している。
図4は、ケース130および支持フレーム150の構成を示す斜視図である。図4において、上側はケース130の外観斜視図を表し、下側は支持フレーム150の外観斜視図を表している。
図4に示すように、ケース130は、後方方向RDの端が開口して、内部が空洞となった筒状の外観形状を有する。ケース130の内部の空間Ar1には、燃料電池スタック101のうちのエンドプレート120を除くその他の部分が収容される。ケース130の底部の四隅には、それぞれ固定部131が形成されている。固定部131は、水平方向に突出し、中央部分に厚さ方向に貫く貫通孔が形成されている。ケース130において後方方向RDの端部には、上方に折り曲げられた鍔部132が形成されている。鍔部132には、厚さ方向に延びる複数のネジ孔133が形成されている。また、ケース130における後方方向RDの端面(開口を囲む部分)には、積層方向に延びる複数のネジ孔134が形成されている。これらネジ孔133,134は雌ネジとして形成されている。
図4に示すように、支持フレーム150は、板状の外観形状を有し、四隅にネジ孔152が形成されている。これらのネジ孔152は、上述のケース130の4つの固定部131の貫通孔と対応する位置に形成されている。各ネジ孔152は、雌ネジとして形成されている。支持フレーム150の上面にケース130が載置され、固定部131の貫通孔を介して挿入される図示しない雄ネジが支持フレーム150のネジ孔152と螺合することにより、ケース130と支持フレーム150とが接合される。また、支持フレーム150の後方方向RDの端面には、複数のネジ孔153が形成されている。これらの複数のネジ孔153は、後述するように支持フレーム150とエンドプレート120との接合に利用される。支持フレーム150には、図示しないマウント部が設けられ、かかるマウント部により図示しないサスペンションメンバに取り付けられている。かかるサスペンションメンバは、燃料電池収容室520内に配置され、図示しないボディフレームに接合されている。なお、支持フレーム150は、サスペンションメンバを介さずに、図示しないボディフレームに直接取り付けられてもよい。
支持フレーム150の鉛直下方G側の面には、第1凹部151が形成されている。第1凹部151は、支持フレーム150において、車両長さ方向に見てタンク20の上部と鉛直方向に対応する領域に形成されている。言い換えると、第1凹部151は、支持フレーム150の鉛直下方G側の面において、後方方向RDの端部且つ車両幅方向LHにおける略中央に配置されている。第1凹部151は、少なくとも鉛直下方Gおよび後方方向RDに開口しており、支持フレーム150における他の部分に比べて厚みが小さい。但し、第1凹部151の厚みはゼロではなく、したがって、第1凹部151は、切り欠きとして構成されていない。このため、支持フレーム150を上方から見た場合には、第1凹部151は視認できない。このように第1凹部151の厚みがゼロでないことにより、支持フレーム150の剛性の低下が抑制される。第1実施形態において、第1凹部151の平面視形状、すなわち、下方から見たときの第1凹部151の平面視形状は、略矩形である。すなわち、第1凹部151は、略直方体状の窪みとして形成されている。また、前方方向FDに見たときの第1凹部151の形状は、略矩形である。
図5は、燃料電池スタック101の概略構成を示す斜視図である。図6は、エンドプレート120を示す正面図である。図6では、前方方向FDに見たときのエンドプレート120の正面図を示す。図6では、ケース130および支持フレーム150にエンドプレート120を取り付けるためのネジ(後述のネジ160)が省略されている。図6では、前方方向FDに見たときのタンク20の輪郭を破線で示している。
図6に示すように、エンドプレート120の外縁近傍には、かかる外縁に沿って複数のネジ孔が形成されている。これら複数のネジ孔には、エンドプレート120の鉛直下方の端面に近い位置において並ぶ3つのネジ孔122a,122b,122cが含まれる。2つのネジ孔122a,122bは互いに隣り合う。ネジ孔122cは、ネジ孔122bを挟んでネジ孔122aとは反対側に位置し、ネジ孔122bと隣り合う。2つのネジ孔122a,122bは、エンドプレート120における車両幅方向LHの略中央部分に位置する。
図6に示すように、第2凹部125は、2つのネジ孔122a,122bの間に形成された切り欠きとして構成されている。したがって、第2凹部125は、少なくとも鉛直下方Gおよび後方方向RDに開口している。また、第2凹部125は、エンドプレート120において、エンドプレート120における後方方向RDの端部を含み、車両長さ方向に見てタンク20の上部20aと鉛直方向に対応する領域に形成されている。エンドプレート120において、第2凹部125と対面する壁面122Wは、円弧状の平面視形状を有する。この壁面122Wの形状は、タンク20の上部20aの外周面の一部の平面視形状と略一致する。換言すると、第2凹部125は、壁面122Wの形状がタンク20の上部20aの外周面の一部の平面視形状に合わせるように形成されている。但し、壁面122Wは、タンク20の上部20aの外周面よりも若干鉛直上方に位置している。換言すると、壁面122Wのいずれの部分も、車両長さ方向に見たときにタンク20の外周面における鉛直方向に対応する部分よりも、若干鉛直上方に位置している。したがって、車両長さ方向に見たときに、壁面122Wは、タンク20の上部20aとは重なっていない。
第1実施形態において、2つのネジ孔122a,122bの間の距離は、エンドプレート120の鉛直下方の端面に近い位置に並んだ複数のネジ孔における他の隣り合う任意の2つのネジ孔の間の距離よりも長い。例えば、2つのネジ孔122a,122bの間の距離は、2つのネジ孔122b,122cの間の距離よりも長い。このように、第1実施形態では、第2凹部125が形成される部分を挟んで隣り合う2つのネジ孔122a,122bの間の距離をできるだけ大きくして、第2凹部125をより大きく形成するようにしている。
図5に示すように、エンドプレート120の外縁近傍に形成されている複数のネジ孔には、それぞれネジ160が挿入されている。ネジ160は、エンドプレート120のネジ孔を介して、図4に示すケース130の複数のネジ孔133および複数のネジ孔134と、図4に示す支持フレーム150の複数のネジ孔153とに挿入され、これらのネジ孔133,134,153に設けられた雌ネジと螺合する。これにより、エンドプレート120は、ケース130および支持フレーム150に接合されている。なお、ネジ160は、請求項における締結部材の下位概念に相当する。
A4.衝突発生時の動作:
図7は、衝突発生時における燃料電池スタック101、支持フレーム150およびタンク20の動作を示す断面図である。図7では、前方衝突発生時における燃料電池車両500の前方を表し、燃料電池車両500の後方は省略されている。また、図7では、図1と同様な位置での燃料電池車両500の断面を示している。なお、図7では、図示の便宜上、前輪FWを省略している。
燃料電池車両500が前方の衝突対象物900と衝突した場合、燃料電池モジュール100は、車体(ボンネットやフロントグリル等)を介して衝突対象物900と衝突し、前方への移動が止められる。このとき、タンク20は、未だ車体等を介して衝突対象物900と衝突していないため、慣性力により前方へ移動しようとする。このため、タンク20はタンク収容室530から前方方向FDに飛び出してくる。しかし、上述のように、燃料電池モジュール100は、タンク20よりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンク20と重ならないので、タンク20が前方方向FDに飛び出してきた場合でも、燃料電池モジュール100は、タンク20と衝突しない。このため、衝突発生時にタンク20が損傷を受けることを抑制できる。
なお、図7に示す衝突例は、燃料電池モジュール100の前方への移動が止められ、且つ、タンク20が前方方向FDへと移動する例であったが、他の衝突例でも、タンク20が損傷を受けることを抑制できる。例えば、燃料電池モジュール100が、タンク20が前方に移動する速度よりも遅い速度で前方方向FDに移動する例、燃料電池モジュール100が車体と衝突した反動で後方方向RDに移動する例などにおいても、燃料電池モジュール100は、タンク20と衝突しない。このため、タンク20が損傷を受けることが抑制される。つまり、燃料電池車両500の衝突に起因して燃料電池モジュール100とタンク20とのうちの少なくとも一方が移動することにより、燃料電池モジュール100とタンク20とが互いに近づいたとしても、燃料電池モジュール100とタンク20とが互いに衝突することが抑制され、タンク20が損傷を受けることが抑制される。
以上説明した第1実施形態の燃料電池車両500によれば、燃料電池モジュール100は、タンク20よりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンク20と重ならないので、燃料電池車両500の衝突発生時に燃料電池モジュール100が後方方向RDへと移動した場合や、タンク20が慣性力により前方方向FDへと移動した場合であっても、燃料電池モジュール100とタンク20との衝突を抑制できる。
また、第1実施形態の燃料電池車両500によれば、支持フレーム150に第1凹部151が形成されているので、燃料電池車両500の衝突発生時に、第1凹部151に向かってタンク20の鉛直上方の上部が近づくように燃料電池モジュール100とタンク20とが相対的に移動した場合であっても、第1凹部151の下方にタンク20の鉛直上方の上部が位置し(収容され)、燃料電池モジュール100とタンク20との衝突を抑制できる。また、このため、支持フレーム150に第1凹部151が形成されていない構成に比べて、燃料電池モジュール100をより鉛直下方Gに配置しても、燃料電池車両500の衝突発生時における燃料電池モジュール100とタンク20との衝突を抑制できる。このように、燃料電池モジュール100をより鉛直下方Gに配置できるので、燃料電池収容室520の高さを低くして燃料電池車両500を小型化できる、或いは、燃料電池収容室520の高さをそのままにして、燃料電池収容室520において燃料電池モジュール100以外の部品を収容するための空間をより大きくできる。また、燃料電池モジュール100をより鉛直下方Gに配置できるので、燃料電池収容室520内に収容されている物全体の重心を低くでき、走行安定性を向上できる。
また、第1実施形態の燃料電池車両500によれば、エンドプレート120に第2凹部125が形成されているので、燃料電池車両500の衝突発生時に第2凹部125に向かってタンク20の鉛直上方の上部が近づくように、燃料電池モジュール100とタンク20とが相対的に移動した場合であっても、第2凹部125の下方にタンク20の上部が位置し(収容され)、燃料電池モジュール100とタンク20との衝突を抑制できる。また、このため、エンドプレート120に第2凹部125が形成されていない構成に比べて、エンドプレート120をより鉛直下方Gに配置しても、燃料電池車両500の衝突発生時におけるエンドプレート120とタンク20との衝突を抑制できる。このように、エンドプレート120をより鉛直下方Gに配置できるので、燃料電池収容室520の高さを低くして燃料電池車両500を小型化できる。また、エンドプレート120をより鉛直下方Gに配置できるので、燃料電池収容室520内に収容されている物全体の重心を低くでき、走行安定性を向上できる。
また、第1実施形態の燃料電池車両500によれば、第2凹部125は、車両幅方向LHにおいて互いに隣り合うネジ160をそれぞれ収容する2つのネジ孔122a,122bの間に形成されているので、第2凹部125を設けつつ、エンドプレート120とケース130とを、また、エンドプレート120と支持フレーム150とを、それぞれしっかりと接合させることができる。加えて、第2凹部125が形成される部分を挟んで隣り合う2つのネジ孔122a,122bの間の距離を、エンドプレート120の鉛直下方の端面に近い位置に並んだ複数のネジ孔のうちの他の任意の隣り合う2つのネジ孔の間の距離よりも長くしているため、2つのネジ孔122a,122bの間の距離を大きくして、第2凹部125をより大きく形成できる。
また、第1実施形態の燃料電池車両500によれば、燃料電池スタック101は、車両長さ方向においてタンク20に向かう側へと下方に傾斜して配置されているので、燃料電池スタック101内の水を、重力を利用してタンク20に向かう側(後方方向RD側)へと移動させて、燃料電池スタック101内から容易に排出させることができる。
また、第1実施形態の燃料電池車両500によれば、タンク収容室530は、タンク20の長手方向が車両長さ方向と一致するようにタンク20を収容するので、タンク20の長手方向が車両幅方向LHと一致するようにタンク20を収容する構成に比べて、より大きなタンクを収容できる。
B.第2実施形態:
図8は、第2実施形態の支持フレーム150aの概略構成を示す斜視図である。第2実施形態の燃料電池車両は、支持フレーム150に代えて支持フレーム150aを備える点において、第1実施形態の燃料電池車両500と異なる。第2実施形態の燃料電池車両におけるその他の構成は、第1実施形態の燃料電池車両500と同じである。
第2実施形態の支持フレーム150aは、第1凹部151に代えて第1凹部151aを備える点において、第1実施形態の支持フレーム150と異なる。第2実施形態の支持フレーム150aのその他の構成は、第1実施形態の支持フレーム150と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
支持フレーム150aにおける第1凹部151aは、支持フレーム150aの厚さ方向に形成された切り欠きとして構成されている。第1凹部151aの平面視形状および平面視面積(上方または下方から見たときの形状および面積)は、第1実施形態の第1凹部151の平面視形状および平面視面積と同じである。支持フレーム150aは、少なくとも、鉛直下方G、鉛直上方および後方方向RDに開口している。
以上の構成を有する第2実施形態の燃料電池車両は、第1実施形態の燃料電池車両500と同様な効果を有する。加えて、第2実施形態の第1凹部151aは、支持フレーム150aの厚さ方向に切り欠かれている切り欠きとして構成されているので、切り欠きとして構成されない場合に比べて、衝突発生時における支持フレーム150aとタンク20との衝突をより確実に抑制できる。このため、支持フレーム150aおよび燃料電池スタック101を、より鉛直下方Gに配置できる。
C.第3実施形態:
図9は、第3実施形態における燃料電池車両の概略構成を示す断面図である。図9では、図1と同様に、衝突が発生していない平常時における、燃料電池車両500bの車両幅方向LHの中央位置での、車両の前方方向FDおよび後方方向RDに沿った断面を表している。
第3実施形態の燃料電池車両500bは、燃料電池モジュール100に代えて燃料電池モジュール100bを備える点と、燃料電池モジュール100bが水平と平行に配置されている点とにおいて、第1実施形態の燃料電池車両500と異なる。第3実施形態の燃料電池車両500bにおけるその他の構成は、第1実施形態の燃料電池車両500と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。燃料電池モジュール100bは、支持フレーム150に代えて支持フレーム150bを備える点において、第1実施形態の燃料電池モジュール100と異なる。第3実施形態の燃料電池モジュール100bにおけるその他の構成は、第1実施形態の燃料電池モジュール100と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
燃料電池モジュール100bが平行に配置されているとは、燃料電池スタック101の積層方向SDが水平方向(車両長さ方向)と平行となるように、燃料電池モジュール100bが配置されていることを意味する。このような構成を有する第3実施形態の燃料電池車両500bにおいても、燃料電池モジュール100bは、タンク20よりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンク20と重ならない。
図10は、第3実施形態の支持フレーム150bの概略構成を示す斜視図である。第3実施形態の支持フレーム150bは、第1凹部151に代えて第1凹部151bを備える点において、第1実施形態の支持フレーム150と異なる。第3実施形態の支持フレーム150bのその他の構成は、第1実施形態の支持フレーム150と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
第3実施形態の第1凹部151bは、積層方向SDに沿って支持フレーム150bの全体に亘って形成されている点において、第1実施形態の第1凹部151と異なる。第1凹部151bの平面視形状は、積層方向SDに沿って伸びる帯状の外観形状を有する。換言すると、第1凹部151bは、積層方向SDに沿って伸びる溝として構成されている。第1凹部151bは、少なくとも、鉛直下方G、後方方向RDおよび前方方向FDに開口している。
以上の構成を有する第3実施形態の燃料電池車両500bは、第1実施形態の燃料電池車両500と同様な効果を有する。例えば、第3実施形態の燃料電池モジュール100bは、タンク20よりも鉛直上方に配置され、車両長さ方向に見たときにタンク20と重ならないので、衝突発生時に燃料電池モジュール100bが後方方向RDへと移動した場合や、タンク20が慣性力により前方方向FDへと移動した場合であっても、燃料電池モジュール100bとタンク20との衝突を抑制できる。
D.変形例:
D1.変形例1:
各実施形態では、燃料電池モジュール100,100bは、支持フレーム150,150a,150bを備えていたが、これら支持フレーム150,150a,150bを省略してもよい。この構成においても、エンドプレート120が第2凹部125を有することにより、燃料電池モジュール100,100bをより鉛直下方に配置できる。なお、この構成では、ケース130をサスペンションメンバやボディフレーム等に結合させることで、燃料電池モジュール100,100bを固定してもよい。
D2.変形例2:
各実施形態の支持フレーム150,150a,150bにおいて、第1凹部151,151a,151bを省略してもよい。同様に、エンドプレート120において第2凹部125を省略してもよい。これらの構成においても、燃料電池モジュール100,100bがタンク20よりも鉛直上方に配置され、且つ、車両長さ方向に見たときにタンク20と重ならなければ、衝突発生時における燃料電池モジュール100,100bとタンク20との衝突を抑制できる。例えば、第1凹部151,151a,151bと、第2凹部125とのうち、第1凹部151,151a,151bのみを省略した構成では、燃料電池モジュールの傾斜角度が大きい場合には、タンク20は、衝突発生時にエンドプレート120の下方(第2凹部125の下方)を前方方向FDに通過しても支持フレーム150,150a,150bにぶつからないで前方方向FDを移動できる。また、例えば、第3実施形態においては、第1凹部151bおよび第2凹部125の両方を省略してもよい。
D3.変形例3:
各実施形態では、エンドプレート120は、ネジ160によりケース130および支持フレーム150,150a,150bに結合されていたが、ネジ160に限らず、ネジ山を有しないピン等の任意の締結部材により結合されてもよい。
D4.変形例4:
各実施形態においてタンク収容室530は、車両長さ方向に延びて形成されていたが、本発明はこれに限定されない。車両幅方向LHに延びて形成されていてもよい。かかる構成においても、前方衝突発生に伴い、タンク20が横向きのまま前方方向FDに相対的に移動したとしても、第2凹部125および第1凹部151,151a,151bの存在により、タンク20が燃料電池モジュール100,100bにぶつかることを抑制できる。なお、かかる構成においては、第2凹部125および第1凹部151,151a,151bの車両幅方向LHの長さをより大きく構成してもよい。また、タンク収容室530を、車両幅方向において略中央からずれて配置してもよい。この構成においても、支持フレーム150,150a,150bにおける第1凹部151,151a,151bの位置、およびエンドプレート120における第2凹部125の位置を、車両幅方向LHにおいて、タンク収容室530に収容されたタンク20の位置と一致するように設定することにより、各実施形態と同様な効果を奏する。また、タンク収容室530を車両長さ方向および車両幅方向LHのいずれの方向にも延びる空間として構成してもよい。また、収容されるタンク20は、どのような向きで収容されてもよい。なお、タンク20の前方側の一部は、燃料電池収容室520へと突出していてもよい。
D5.変形例5:
各実施形態において、エンドプレート120の第2凹部125は、いずれも、エンドプレート120の下方に並んだ複数のネジ孔のうちの車両幅方向LHの略中央部分の2つのネジ孔122a,122bの間に形成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、エンドプレート120の下方に並んだ複数のネジ孔よりもさらに下方に形成されていてもよい。また、各実施形態において第2凹部125は、厚さ方向の切り欠きとして構成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1実施形態の第1凹部151と同様に、エンドプレート120における他の部分よりも厚さが小さく且つ厚さがゼロではないように、第2凹部125を構成してもよい。
D6.変形例6:
第1実施形態において、前方方向FDに見たときの第1凹部151の形状は、矩形形状であったが、第2凹部125と同様に円弧状の形状であってもよい。
D7.変形例7:
各実施形態において、燃料電池車両500,500bは、いずれも動力源としてモータMのみを備える車両であったが、モータMに加えて、ガソリンエンジン等の内燃機関を動力源として備える車両であってもよい。
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
11…単セル
20…タンク
20a…タンクの上部
21…燃料ガス供給路
22…燃料ガス循環路
23…燃料ガス排出路
24…遮断弁
25…インジェクタ
26…排気排水弁
27…循環ポンプ
29…気液分離器
30…エアコンプレッサ
31…酸化剤ガス供給路
32…酸化剤ガス排出路
33…三方弁
34…圧力調整弁
35…バイパス流路
100,100b…燃料電池モジュール
101…燃料電池スタック
102F,102R…絶縁板
103F,103R…集電板
110,120…エンドプレート
122W…壁面
122a,122b,122c…ネジ孔
125…第2凹部
130…ケース
131…固定部
132…鍔部
133,134…ネジ孔
150,150a,150b…支持フレーム
151,151a,151b…第1凹部
152,153…ネジ孔
160…ネジ
200…燃料電池システム
210…DC−DCコンバータ
500,500b…燃料電池車両
510…乗員室
520…燃料電池収容室
530…タンク収容室
900…衝突対象物
Ar1…空間
DB…ダッシュボード
FD…前方方向
FW…前輪
G…鉛直下方
L1…仮想線
LH…車両幅方向
M…モータ
RD…後方方向
RW…後輪
SD…積層方向

Claims (8)

  1. 燃料電池車両であって、
    燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池スタックに供給されるガスを貯蔵するタンクと、
    前記燃料電池モジュールを収容する燃料電池収容室と、
    前記燃料電池車両の床下において前記燃料電池収容室に対して前記燃料電池車両の車両長さ方向における後方側に形成され、前記タンクを収容するタンク収容室と、
    を備え、
    前記燃料電池モジュールは、前記タンクよりも鉛直上方に配置され、前記車両長さ方向に見たときに前記タンクと重ならない、
    燃料電池車両。
  2. 請求項1に記載の燃料電池車両において、
    前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックを下方から支える板状の支持フレームを更に含み、
    前記支持フレームにおいて、前記支持フレームにおける前記車両長さ方向の後端の一部を含み前記車両長さ方向に見て前記タンクの上部と鉛直方向に対応する領域には、少なくとも鉛直下方および前記車両長さ方向における後方に開口した第1凹部が形成されている、
    燃料電池車両。
  3. 請求項2に記載の燃料電池車両において、
    前記第1凹部は、前記支持フレームの厚さ方向に形成された切り欠きとして構成されている、
    燃料電池車両。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池車両において、
    前記燃料電池スタックは、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルの積層方向における前記車両長さ方向の後方側の端部に配置されたエンドプレートと、を有し、
    前記エンドプレートにおいて、前記エンドプレートにおける前記車両長さ方向の後端の一部を含み前記車両長さ方向に見て前記タンクの上部と鉛直方向に対応する領域には、少なくとも鉛直下方および前記車両長さ方向における後方に開口した第2凹部が形成されている、
    燃料電池車両。
  5. 請求項4に記載の燃料電池車両において、
    前記エンドプレートが露出した状態で前記燃料電池スタックを収容するケースであって、前記エンドプレートを厚さ方向に貫く締結部材により、自身の前記タンク側の端面において前記エンドプレートに接合されているケースを、更に備え、
    前記エンドプレートの鉛直方向の最下部は、前記ケースの鉛直方向の最下部よりも、鉛直方向下方に位置し、
    前記エンドプレートが有する前記第2凹部は、前記燃料電池車両の車両幅方向において互いに隣り合う前記締結部材をそれぞれ収容する前記エンドプレートに設けられた2つの貫通孔の間に形成されている、
    燃料電池車両。
  6. 請求項4または請求項5に記載の燃料電池車両において、
    前記第2凹部は、前記エンドプレートの厚さ方向に形成された切り欠きとして構成されている、
    燃料電池車両。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の燃料電池車両において、
    前記燃料電池スタックは、前記車両長さ方向において、前記タンクに向かう側へと下方に傾斜して配置されている、
    燃料電池車両。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池車両において、
    前記タンク収容室は、前記タンクの長手方向が前記車両長さ方向と一致するように前記タンクを収容する、
    燃料電池車両。
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