JP2020121656A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクの破損を抑制する燃料電池車両を提供する。【解決手段】燃料電池車両１０は、前後方向に延伸する円筒部を有する燃料タンク１５を支持する燃料電池車両であって、車体フレーム１１、１２と、タンクフレーム１６とを有する。車体フレーム１１、１２は、フロントタイヤとリアタイヤの間で前後方向に延伸する。タンクフレーム１６は、車体フレーム１１、１２に固定される固定部１６０と、車体フレーム１１、１２の外側かつ下側の方向に延伸して車体フレーム１１、１２の下端部よりも下方かつ円筒部の最下部よりも上方で燃料タンク１５に接することにより燃料タンク１５を支持する支持部１６２と、を少なくとも有する。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池車両に関する。

燃料ガスと酸化ガスを混合することによって発電する燃料電池を搭載した燃料電池車両が開発されている。燃料電池車両には、燃料ガスとして水素を主成分とするガスを使用するため、水素を充てんした燃料タンクを搭載するものが存在する。

荷台を装備するトラックタイプの車両に燃料タンクを装備する場合、荷台のスペースを犠牲にしないように燃料タンクを配置することが望まれる。一般に、トラックタイプの車両は、車体フレームの前後方向の剛性を高めるため、車両の前後方向に延びるフレームが直線状であることが望ましい。また荷台のスペースを確保するため、車体フレームはなるべく下方に配置されることが望ましい。このような条件の下、例えば特許文献１には、車体フレームにガス燃料用の容器を配置し、車両の前後方向が燃料容器の軸方向となるように固定する構造が記載されている。

特開平１０−０１６５７８号公報

特許文献１に記載の技術を燃料電池車両に応用した場合には、フレームの内側の部品収容スペースが限られてしまい、ＦＣトラックの燃料タンクをフレームの内側に配置することができない。そのため燃料タンクは車体フレームの外側側面に配置することになる。しかしながら、燃料タンクを車体フレームの外側側面に配置した場合、車両側面から他車に衝突された場合に自車の車体フレームと他車との間に燃料タンクが挟まれてしまい、燃料タンクが破損してしまう虞がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクの破損を抑制する燃料電池車両を提供するものである。

本発明にかかる燃料電池車両は、前後方向に延伸する円筒部を有する燃料タンクを支持する燃料電池車両であって、車体フレームと、タンクフレームとを有する。車体フレームは、フロントタイヤとリアタイヤの間で前後方向に延伸する。タンクフレームは、車体フレームに固定される固定部と、車体フレームの外側かつ下側の方向に延伸して車体フレームの下端部よりも下方かつ円筒部の最下部よりも上方で燃料タンクに接することにより燃料タンクを支持する支持部と、を少なくとも有する。

このような構成により、燃料電池車両は、車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクを車体フレームの下方側へ移動させることができる。

上記燃料電池車両において、タンクフレームが有する支持部は、燃料タンクの最下部と車体フレームの下端部との間で燃料タンクを支持するのが好ましい。これにより、燃料電池車両は、車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクが受けた力を車体フレームの下方側へ移動させることができる。

上記燃料電池車両において、タンクフレームが有する固定部は、車体フレームの側面に接触する接触面を有し、タンクフレームは接触面で車体フレームに固定されるのが好ましい。これにより、燃料電池車両は、確実にタンクフレームを車体フレームに固定することができる。

上記燃料電池車両において、固定部は、接触面と車体フレームの側面とが第１締結部材と、第１締結部材より下方に位置する第２締結部材とにより固定されてもよい。また、第１締結部材および第２締結部材はいずれもボルトであって、第１締結部材のネジ部の呼び径は第２締結部材のネジ部の呼び径より小さいことが好ましい。これにより、燃料電池車両は、確実にタンクフレームを車体フレームに固定することができるとともに、車体側面から衝撃を受けた際に、第１締結部材および第２締結部材が順次破壊するように設定しておけば、燃料タンクが受けた力を車体フレームの下方側へ好適に移動させることができる。

上記燃料電池車両において、タンクフレームは、固定部から下方に延伸する第１梁と、第１梁の下端から車体フレームの外側に向かって水平方向に延伸する第２梁とをさらに有し、支持部は、第１梁と第２梁とを繋ぐように設けられているのが好ましい。このような構成により、燃料電池車両は、燃料タンクを安定して支持する一方で、車両側面から衝撃を受けた際には、燃料タンクが受けた力を車体フレームの下方側へ移動させることができる。

上記燃料電池車両は、一端が上記固定部に係合し、他端が上記第２梁に係合し、中間部が燃料タンクの上側に接触して、燃料タンクを支持部に当接させる押し当て部材をさらに備えていてもよい。これにより燃料電池車両は、上記支持部が確実に燃料タンクを支持することができる。

本発明により、車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクの破損を抑制する燃料電池車両を提供することができる。

実施の形態にかかる燃料電池車両の上面図である。 実施の形態にかかる燃料電池車両の側面図である。 実施の形態にかかる燃料電池車両における燃料タンク支持構造の断面図である。 燃料電池車両の側方から燃料タンクに外力が印加された状態の一例を示す第１の図である。 燃料電池車両の側方から燃料タンクに外力が印加された状態の一例を示す第２の図である。 燃料電池車両の側方から燃料タンクに外力が印加された状態の一例を示す第３の図である。

説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる燃料電池車両の上面図である。図２は、実施の形態にかかる燃料電池車両の側面図である。なお、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、図１および図２には、右手系の直交座標系が付されている。図に示す直交座標系は、Ｘ軸が車両の前後方向と一致し、Ｙ軸が車両の左右方向と一致し、Ｚ軸が車両の上下方向と一致している。またＸ軸マイナス側が車両の前方、Ｘ軸プラス側が車両の後方、Ｙ軸マイナス側が車両の左方向、Ｙ軸プラス側が車両の右方向、Ｚ軸マイナス側が車両の下方、Ｚ軸プラス側が車両の上方と一致している。以降の図において、直交座標系が付されている場合、図１および図２のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向と、これらの直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向はそれぞれ一致している。

実施の形態にかかる燃料電池車両１０は運転席を含むキャビン１０１の後方に荷台１０２が接続されたトラックである。なお、理解を容易にするため、荷台１０２は二点鎖線で示されている。燃料電池車両１０は、キャビン１０１の後側かつ荷台１０２の下側に、車体フレームとして車体右フレーム１１および車体左フレーム１２を有している。車体右フレーム１１は、右側のタイヤのやや内側かつフロントタイヤとリアタイヤとの間で前後方向に延伸している。車体左フレーム１２は、左側のタイヤのやや内側かつフロントタイヤとリアタイヤとの間で前後方向に延伸している。車体右フレーム１１および車体左フレーム１２は左右方向において互いに離間し、高さ方向は同じ位置で平行に延伸している。

燃料電池車両１０は、車体右フレーム１１と車体左フレーム１２との間に、クロスメンバとして、フロントクロスメンバ１３およびリアクロスメンバ１４を有している。フロントクロスメンバ１３およびリアクロスメンバ１４は、車体右フレーム１１と車体左フレーム１２との間に左右方向に延伸し、車体右フレーム１１と車体左フレーム１２とを接続している。車体フレームとクロスメンバとは例えば溶接により接合されている。

燃料電池車両１０は、荷台１０２の下側かつ車体フレームの外側に、２つの燃料タンク１５を有している。燃料タンク１５には、水素ガスが充填されている。燃料タンク１５は、半球状の両端部を円筒部が接続している形状を呈している。図に示すように、燃料タンク１５は、円筒部が前後方向に延伸する姿勢で、荷台１０２の下側かつ車体右フレーム１１の右側と、荷台１０２の下側かつ車体左フレーム１２の左側とのそれぞれに、固定されている。

燃料電池車両１０は、車体フレームとクロスメンバとの各接合部の近傍にタンクフレーム１６をそれぞれ有している。タンクフレーム１６は、燃料タンク１５を支持するための部材である。

図３を参照しながらタンクフレーム１６の詳細および燃料タンク１５の支持構造について説明する。図３は、実施の形態にかかる燃料電池車両における燃料タンク支持構造の断面図である。図３は、図１に示した燃料電池車両１０における左側の燃料タンク部分の断面IIIを後方から観察した状態を示している。なお、ここでは車両の左側を例に本実施の形態の構造を説明するが、車両の右側の構造は対称形状であり、同様の構成および構造を有している。図に示すように、燃料電池車両１０は、燃料タンク１５を支持するための主な構成として、車体左フレーム１２、タンクフレーム１６およびタンクバンド１７を有している。

車体左フレーム１２は、主面が左右方向に直交する長尺状の縦板１２１と当該縦板１２１の上下端からそれぞれ車両の内側に向かって水平に延びる横板１２２および１２３により構成されている。縦板１２１には、タンクフレーム１６が、第１締結部材１８１および第２締結部材１８２により螺合されている。

第１締結部材１８１は第２締結部材１８２より上方で縦板１２１に挿通するとともに、縦板１２１を挟み込むようにタンクフレーム１６に螺合している。同様に、第２締結部材１８２は第１締結部材１８１より下方で縦板１２１に挿通するとともに、縦板１２１を挟み込むようにタンクフレーム１６に螺合している。

タンクフレーム１６は、略Ｌ字状の中空金属部材を基材とし、燃料タンク１５を支持するように加工された部材である。タンクフレーム１６は主な構成要素として、固定部１６０、本体１６１、支持部１６２および凸部１６３を有している。

固定部１６０は、車体左フレーム１２の縦板１２１に接触する接触面を含む。タンクフレーム１６は接触面が縦板１２１に当接して第１締結部材１８１および第２締結部材１８２により固定されている。第１締結部材１８１および第２締結部材１８２は例えばボルトである。

本体１６１は、固定部１６０から下方へ延伸し、車体左フレーム１２の下端よりも下方で折れ曲がり、車体左フレーム１２から離れる方向に水平に延伸している。ここで本体１６１において、固定部１６０から下方に延伸する部分を第１梁と称し、第１梁の下端から車体フレームの外側に向かって水平方向に延伸する部分を第２梁と称する。本体１６１が第１梁および第２梁を有する構成となっていることにより、タンクフレーム１６は燃料タンク１５を安定して支持することができる。

また本体１６１において車体左フレーム１２から離れる方向に延伸した最も遠い部分を本体１６１の先端部と称する。本体１６１の先端部には、凸部１６３が設けられている。凸部１６３には、ネジ１７２が螺合するためのネジ孔が設けられている。一方、本体１６１の上端部にはヒンジ部１７１が設けられている。ヒンジ部１７１は、回転軸が前後方向に平行に設けられており、タンクバンド１７と係合している。

支持部１６２は、車体フレームの下端部より下方で燃料タンクを支持する。支持部１６２の上端は、本体１６１の垂直に延伸する第１梁に接合している。そして支持部１６２は、上端から車体フレームの外方向かつ下方向に斜めに延伸している。そして斜めに延伸した支持部１６２は、本体１６１の水平に延伸する第２梁に接合している。

このように、斜めに延伸する支持部１６２は、水平面に対して角度θの斜面を有しており、第１梁と第２梁とを繋ぐように設けられている。したがって、Ｌ字状の本体１６１と支持部１６２とにより構成される部分は、トラス構造となっている。

タンクフレーム１６は、支持部１６２の斜面における接点Ｐ１で燃料タンク１５を支持するとともに、本体１６１の先端部に配置された凸部１６３の接点Ｐ２で燃料タンク１５を支持する。このとき接点Ｐ１は車体左フレーム１２の下端よりも下方に位置している。また接点Ｐ１は、燃料タンク１５の最下部よりも上方に位置している。すなわち支持部１６２は、燃料タンク１５の最下部と車体フレームの下端部との間で燃料タンク１５を支持する構成となっている。

なお本体１６１の垂直に延伸する部分と燃料タンク１５とは接しておらず、隙間が空いている。すなわち、燃料電池車両１０は、燃料タンク１５とタンクフレーム１６の第１梁との間に、空間Ｇ１を有している。

タンクバンド１７は、燃料タンク１５をタンクフレーム１６に押圧することにより燃料タンク１５を固定するための部材である。タンクバンド１７は長尺状の金属板により構成されており、中間部が燃料タンク１５の円筒部に沿って当該円筒部の所定の範囲に接触する。円筒部に接触している部分は、燃料タンク１５に当接し、燃料タンク１５を押圧する。

ここで所定の範囲は、燃料タンク１５がタンクフレーム１６との接点Ｐ１および接点Ｐ２に押し付けられることができる範囲である。かかる所定の範囲は、燃料タンク１５の円筒部に対して局部的に応力集中を与えないように広い範囲であることが好ましい。

またタンクバンド１７が燃料タンク１５に対して押圧する力の合力Ｆｒを円筒部の中心Ｃ１から延びるベクトルで示した場合に、ベクトルの方向が接点Ｐ１と接点Ｐ２との間に向いていることが好ましい。このような構成により、タンクフレーム１６は好適に燃料タンク１５を支持することができる。

タンクバンド１７の長尺状の一端側は、本体１６１の上端に設けられたヒンジ部１７１に係合し、Ｘ軸に平行な軸周りに回動可能に設置されている。またタンクバンド１７の長尺状の他端側は、本体１６１の先端部の凸部１６３においてネジ１７２およびコイルばね１７３により係止されている。ネジ１７２は、コイルばね１７３およびタンクバンド１７を挿通し、本体１６１の先端に設けられたネジ孔に螺合している。図に示すように、ネジ１７２は、直線Ｌ１に平行な角度で螺合している。コイルばね１７３はネジ１７２の頭部とタンクバンド１７との間に介在し、タンクバンド１７を略下方へ付勢する圧縮コイルばねである。コイルばね１７３がタンクバンド１７を略下方へ付勢することにより、タンクバンド１７は好適に燃料タンク１５をタンクフレーム１６に押圧することができる。

なお、タンクバンド１７は可撓性を有していてもよい。タンクバンド１７は可撓性を有することにより、燃料タンク１５の支持構造は、円筒に沿って好適に燃料タンク１５に当接することができ、燃料タンク１５に加えられる押圧力を分散することができる。

次に、図４〜図６を参照しながら、燃料電池車両１０の側方から外力が印加された場合の燃料タンク１５支持構造の挙動について説明する。図４は、燃料電池車両の側方から燃料タンクに外力が印加された状態の一例を示す第１の図である。図において、外力Ｆ１は、燃料タンク１５に対して横方向に印加される力を示している。外力Ｆ１の方向は、Ｙ軸プラス方向である。外力Ｆ１の大きさは、燃料タンク１５の支持構造を破壊することができる程度の大きさである。したがって外力Ｆ１が印加された燃料電池車両１０の燃料タンク１５の支持構造は、外力Ｆ１により破壊されるという状況である。

このような状況において、燃料タンク１５を支持している支持部１６２は、外力Ｆ１の分力として分力Ｆ２を受ける。分力Ｆ２は支持部１６２の傾斜に対して直角な方向、換言すると、燃料タンク１５を車両の下方且つ内側へ移動させる方向の力である。また外力Ｆ１と分力Ｆ２との関係は、以下に示す式（１）の関係となっている。

ここで、ｎは任意の整数であり、Ｆ２（ｎ）は任意の状態ｎにおける分力Ｆ２を示し、θ_ｎは任意の状態ｎにおいて支持部１６２が水平面と成す角度を示している。ここでは図４に示した状態を状態０とする。したがって状態０における分力Ｆ２（０）はＦ１ｃｏｓθ_０である。

支持部１６２の接点Ｐ１に分力Ｆ２（０）が働くことにより、タンクフレーム１６は分力Ｆ２（０）の方向に移動しようとする力が働く。分力Ｆ２（０）の方向は、支持部１６２を下方かつ車両の内側へ押圧する方向である。一方で、タンクフレーム１６は、固定部１６０により車体左フレーム１２に固定されている。そのため、タンクフレーム１６は、車体左フレーム１２との接触面の下端部の仮想支点Ｖｘを瞬間中心として反時計回りに回転しようとする。

続いて図５を参照しながら燃料タンク１５の支持構造の挙動についてさらに説明する。図５は、燃料電池車両の側方から燃料タンクに外力が印加された状態の一例を示す第２の図である。ここでは図５の状態を状態１とする。状態１における支持部１６２と水平面とが成す角度はθ_１であり、分力Ｆ２（１）はＦ１ｃｏｓθ_１である。

タンクフレーム１６は、仮想支点Ｖｘを瞬間中心とした反時計回りの力が働いた結果、固定部１６０において第１締結部材１８１および第２締結部材１８２の締結から解除される。より具体的には、例えば、第１締結部材１８１および第２締結部材１８２に働く引張力により、第１締結部材１８１および第２締結部材１８２が破断してもよい。あるいは、固定部１６０が任意の状態に破壊されてもよい。いずれにせよ分力Ｆ２によりタンクフレーム１６は、車体左フレーム１２から離脱する。

燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は車体左フレーム１２からの離脱を開始し、仮想支点Ｖｘを中心に反時計回りに回転する。燃料タンク１５およびタンクフレーム１６の回転に伴い、図に示した状態１において支持部１６２が受ける分力Ｆ２（１）はＦ１ｃｏｓθ_１となる。支持部１６２が受ける分力Ｆ２（１）の方向は、支持部１６２を下方かつ車両の内側へ押圧する方向である。そのため燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は仮想支点Ｖｘを中心として反時計回りに回転する運動を継続する。

続いて図６を参照しながら燃料タンク１５の支持構造の挙動についてさらに説明する。図６は、燃料電池車両の側方から燃料タンクに外力が印加された状態の一例を示す第３の図である。ここでは図６の状態を状態２とする。状態２における支持部１６２と水平面とが成す角度はθ_２であり、分力Ｆ２（２）はＦ１ｃｏｓθ_２である。

図に示すように、外力Ｆ１により、燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は、車体左フレーム１２から完全に離脱する。車体左フレーム１２から離脱した燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は引き続き外力Ｆ１を受けている。燃料タンク１５が受けた外力Ｆ１は燃料タンク１５を介して支持部１６２に分力Ｆ２（２）として伝達される。そのため燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は自重による下方への力と、分力Ｆ２（２）との合力を受ける。これにより燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は、仮想支点Ｖｘを瞬間中心として反時計回りに回転しつつ下方へも移動する。その結果、燃料タンク１５およびタンクフレーム１６は車体フレームの下方側へ潜り込む方向に移動する。

以上、実施の形態について説明したが、実施の形態にかかる燃料電池車両１０の構成は上述したものに限られない。例えば、タンクフレーム１６は中空フレームに代えてハット型の構造材を直角に曲げ加工した部材を基材として構成してもよい。

また第１締結部材１８１のネジ部の呼び径は第２締結部のネジ部の呼び径より小さいものであってもよい。このように構成することにより、外力を受けた場合に第１締結部材１８１が相対的に破壊しやすい構造となる。このように、車両側面から外力を受けた際に、第１締結部材１８１および第２締結部材１８２が順次破壊するように設定しておけば、燃料タンクが受けた力を車体フレームの下方側へ好適に移動させることができる。なお、第１締結部材１８１および第２締結部材１８２はボルトに代えて、リベットや溶接などの固定手段であってもよい。

上述した実施の形態において、燃料タンク１５とタンクフレーム１６とは、接点Ｐ１より上側では接触しておらず、燃料タンク１５とタンクフレーム１６の固定部近傍ないし垂直に延伸している部分とは所定の空間が確保されていることが好ましい。所定の空間が確保されていることにより、燃料タンク１５が外力を受けた場合に、分力を確実に支持部１６２に伝達することができる。

以上のような構成により、実施の形態にかかる燃料電池車両は、車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクを車体フレームの下方側へ移動させることができる。よって本実施の形態によれば、車体側面から衝撃を受けた際に、燃料タンクの破損を抑制する燃料電池車両を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態にかかる燃料タンクの支持構造は、上述のトラック車両に限らず、トレーラをけん引するトラクタ車両等の商用車に適用してもよい。また当然ながら燃料タンクは両側に支持されていなくとも、いずれか一方の側支持されているものであってもよい。

１０ 燃料電池車両
１１ 車体右フレーム
１２ 車体左フレーム
１３ フロントクロスメンバ
１４ リアクロスメンバ
１５ 燃料タンク
１６ タンクフレーム
１７ タンクバンド
１０１ キャビン
１０２ 荷台
１２１ 縦板
１２２、１２３ 横板
１６０ 固定部
１６１ 本体
１６２ 支持部
１６３ 凸部
１７１ ヒンジ部
１７２ ネジ
１７３ コイルばね
１８１ 第１締結部材
１８２ 第２締結部材

Claims (7)

1. 前後方向に延伸する円筒部を有する燃料タンクを支持する燃料電池車両であって、
   フロントタイヤとリアタイヤの間で前後方向に延伸する車体フレームと、
   前記車体フレームに固定される固定部と、前記車体フレームの外側かつ下側の方向に延伸して前記車体フレームの下端部よりも下方かつ前記円筒部の最下部よりも上方で前記燃料タンクに接することにより前記燃料タンクを支持する支持部と、を少なくとも有するタンクフレームと、を備える
   燃料電池車両。
2. 前記タンクフレームが有する前記支持部は、前記燃料タンクの最下部と前記車体フレームの前記下端部との間で前記燃料タンクを支持する、
   請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記タンクフレームが有する前記固定部は、前記車体フレームの側面に接触する接触面を有し、
   前記タンクフレームは前記接触面で前記車体フレームに固定される、
   請求項１または２に記載の燃料電池車両。
4. 前記固定部は、前記接触面と前記車体フレームの側面とが第１締結部材と、前記第１締結部材より下方に位置する第２締結部材とにより固定される、
   請求項３に記載の燃料電池車両。
5. 前記第１締結部材および前記第２締結部材はいずれもボルトであって、
   前記第１締結部材のネジ部の呼び径は前記第２締結部材のネジ部の呼び径より小さい
   請求項４に記載の燃料電池車両。
6. 前記タンクフレームは、前記固定部から下方に延伸する第１梁と、前記第１梁の下端から前記車体フレームの外側に向かって水平方向に延伸する第２梁とをさらに有し、
   前記支持部は、前記第１梁と前記第２梁とを繋ぐように設けられている、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池車両。
7. 一端が前記第１梁に係合し、他端が前記第２梁に係合し、中間部が前記燃料タンクの上側に接触して、前記燃料タンクを前記支持部に当接させる押し当て部材をさらに備える、
   請求項６に記載の燃料電池車両。

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