JP2022044289A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの保護の性能を高めることができる車両を提供する。
【解決手段】燃料電池システムを有する車両であって、複数の燃料電池セルを収納する筐体であるスタックケースと、スタックケースの開口を塞ぐ板状のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックを具備し、エンドプレートは、スタックケースのうち燃料電池セルが収納された部位に対して張り出して設けられることにより張出部を形成しており、燃料電池スタックは、フロントルーム又はリアルームに配置され、張出部の高さ位置は、張出部の少なくとも一部において、車両のフレームの高さ位置に一致する。
【選択図】図１

Description

本開示は燃料電池システムを備える車両に関する。

燃料電池スタックの小型化に伴い、燃料電池スタックを車両のフロントルーム（モータルーム）内に搭載することが考えられている。このとき、燃料電池スタックに具備される複数の発電セル（燃料電池セル）は鉛直方向に積層した態様で搭載される。
特許文献１には、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを含む燃料電池ユニットが、ダッシュボードの前方に形成されたフロントルームに配置された車両において、燃料電池セルが上下方向に積層されていることが開示されている。

特開２０１１－０５１３７９号公報

特許文献１では、フロントバンパーフレームの高さが、燃料電池スタックの燃料電池セル部分と一致しているため、車両の前方が障害物に衝突した場合に、フロントバンパーフレームが後方に移動し、フロントバンパーフレームやフロントルームに配置されたものが燃料電池セルにぶつかる可能性が高い構造となっている。燃料電池セルがこれらのものにぶつかった場合には、積層された複数の燃料電池セル間にずれが生じ、シール性能の低下や発電性能の低下が懸念される。

本開示は、以上の問題点に鑑み、燃料電池セルの保護の性能を高めることができる車両を提供することを目的とする。

本願は、燃料電池システムを有する車両であって、複数の燃料電池セルを収納する筐体であるスタックケースと、スタックケースの開口を塞ぐ板状のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックを具備し、エンドプレートは、スタックケースのうち燃料電池セルが収納された部位に対して張り出して設けられることにより張出部を形成しており、燃料電池スタックは、フロントルーム又はリアルームに配置され、張出部の高さ位置は、張出部の少なくとも一部において、車両のフレームの高さ位置に一致する、車両を開示する。

燃料電池スタックの外面に部材が配置されてもよく、この部材は、燃料電池スタックを挟んでフレームとは反対側の面に配置することができる。

張出部は、部位によって張出量が異なるように構成してもよい。

車両のフレームは、フロントバンパーフレーム、サイドフレーム、及び、リアバンパーフレームの少なくとも１つとすることができる。

本開示の車両によれば、衝突の際にも燃料電池セルの保護の性能を高めることができる。

第１形態の車両１０を説明する模式図であり、側面から見た図である。 第１形態の車両１０を説明する模式図であり、正面から見た図である。 燃料電池スタック２１の外観斜視図である。 燃料電池スタック２１とフロントバンパーフレーム１５との関係を説明する図である。 第２形態の車両１０’を説明する模式図であり、側面から見た図である。 第３形態の車両１０”を説明する模式図であり、側面から見た図である。

［第１形態］
１．車両の構造
車両は公知の通り多くの部材が組み合わされてなり、本形態においても以下に説明する事項以外については公知の部材を備えることができ、これについては説明を省略する。以下、必要な事項について説明する。
図１、図２には、第１形態にかかる車両１０のうちフロントルーム１１の内部を説明する図を示した。図１は側方から車両１０を見た図で紙面左方が前進方向である。また図２は正面から車両１０を見た図である。公知の通り、フロントルーム１１はダッシュパネル１２の前方に形成された空間であり、ここには車両を駆動するための各種機器が収められている。また、図１、図２にはフロントタイヤ１３及びフロントドライブシャフト１４を点線で表している。本形態の車両１０はさらに次の構成部材を備えている。

１．１．フロントバンパーフレーム
フロントバンパーフレーム１５は、車体のフレームを構成する部材の１つであり、前方側端部に設けられるフレームであるとともに緩衝機能も有する。従ってフロントバンパーフレーム１５は図１、図２からわかるように、フロントルーム１１のうち前方側端部に設けられ、フロントルーム１１（車両１０）の左右方向に延びるフレームである。
このようなフロントバンパーフレーム１５は公知のものでよく、特に限定されることはない。

１．２．サイドフレーム
サイドフレーム１６は、車体のフレームを構成する部材の１つであり、左右の両側部に設けられるフレームである。従ってサイドフレーム１６は図１、図２からわかるように、車両１０の左右両側部に配置されるとともに車両の前後方向に延びるフレームである。
このようなサイドフレーム１６は公知のものでよく、特に限定されることはない。

１．３．燃料電池システム
燃料電池システムは、燃料電池スタック２１、補機ユニット３０、コンバータ３１、水素タンク、空気取得手段を有して構成されている。これにより水素タンクから水素供給配管を通して燃料電池スタック２１に水素が供給されるとともに、空気取得手段から燃料電池スタック２１に空気が供給される。水素と空気が供給された燃料電池スタック２１により発電され、発電された電力によりフロントルーム１１に配置された電動モータが駆動する。
当該燃料電池システムのうち、図１、図２には燃料電池スタック２１、補機ユニット３０、コンバータ３１が表されており、他の部材については不図示である。これらの他の部材については公知のものを適用することができる。以下に図示した各部材について説明する。

１．３ａ．燃料電池スタック
図３には燃料電池スタック２１の外観斜視図を表した。図１乃至図３からわかるように、燃料電池スタック２１は、燃料電池セル２２、スタックケース２３、及び、エンドプレート２４を有している。

燃料電池セル２２は公知の通りであるが、膜－電極接合体（ＭＥＡ）が２つのセパレータで挟まれて構成されている。ＭＥＡは固体高分子膜、負極触媒層、正極触媒層、負極ガス拡散層、正極ガス拡散層等による積層体である。そして燃料電池スタック２１では、このような燃料電池セル２２が複数重ねられている。

スタックケース２３は、重ねられた複数の燃料電池セル２２をその内側に収納する筐体である。本形態でスタックケース２３は直方体の筐体で、その１つの壁部が無く、開口しているとともに、その開口の縁に沿って開口とは反対側に板状の片が張り出し、フランジ２３ａを形成している。この開口から燃料電池セル２２をスタックケース２３の内側に収納する。
スタックケース２３は燃料電池セル２２を外部から保護する機能を有する観点から、所定の強度を有していることが好ましく、厚さ３ｍｍ程度の金属により構成されていることが好ましい。
また、図３にＡで示したフランジ２３ａの張出量は特に限定されることないが、このフランジ２３ａでスタックケース２３とエンドプレート２４とをボルト及びナット等で接合するとともに、止水性を得る観点からある程度の量を有することが好ましい。かかる観点から張出量は１０ｍｍ以上であることが好ましい。

エンドプレート２４は、板状の部材であり、スタックケース２３の開口を塞ぐとともに、スタックケース２３のフランジ２３ａに重なるように配置される。そして例えばフランジ２３ａとエンドプレート２４とを貫通するように配置したボルト及びナット等によりスタックケース２３にフタをするようにエンドプレート２４がスタックケース２３に固定される。
これにより、フランジ２３ａとエンドプレート２４とが重なる部分には、スタックケース２３のうち燃料電池セル２２が収納された部位に対して張り出した張出部２１ａが形成される。
エンドプレート２４は、スタックケース２３のフタとして機能するとともに、後で説明するように張出部２１ａに強度を付与するため、エンドプレート２４は高い強度を有することが好ましい。そのため、エンドプレート２４は金属であるとともに、その板厚は少なくともスタックケース２３を構成する壁、フランジ２３ａの板厚よりも厚いことが好ましい。より好ましくは厚さが２０ｍｍ以上である。
本形態ではフランジ２３ａの端面とエンドプレート２４との端面が一致しているがこれに限定されることはなく、エンドプレート２４の端面がフランジ２３ａの端面より張り出してもよい。

１．３ｂ．補機ユニット
補機ユニット３０は、反応ガス供給・循環装置、冷却媒体供給・循環装置等を含むユニットである。
本形態で補機ユニット３０はエンドプレート２４の面のうちスタックケース２３が配置される面とは反対側の面に取り付けられている。

１．３ｃ．コンバータ
コンバータ３１は、燃料電池スタック２１の出力電圧を昇圧する機能を有する部材であり、公知のものを適用することができる。
本形態でコンバータ３１はスタックケース２３の外面のうち燃料電池セル２２が収納された部位の外面に取り付けられている。

１．４．燃料電池スタック等の配置
本形態で燃料電池スタック２１は、フロントルーム１１に次のように配置されることが好ましい。図４には図１のうちフロントバンパーフレーム１５及び燃料電池スタック２１に注目して拡大した図であり、その配置や位置関係を説明する図である。
図１、図２、図４からわかるように、燃料電池スタック２１は、エンドプレート２４が下となるとともに、燃料電池セル２２が上下方向に重ねられる向きである。

補機ユニット３０及びコンバータ３１はフロントバンパーフレーム１５及びサイドフレーム１６が存在しない側の面に配置される。すなわち本形態ではコンバータ３１は燃料電池スタック２１を挟んでフロントバンパーフレーム１５とは反対側に配置され、補機ユニット３０は燃料電池スタック２１の下面に配置されている。
ここでは燃料電池スタックの外面に配置される部材として、補機ユニット及びコンバータを例に説明したが、これに限らず燃料電池スタック２１の外面に配置される部材はこのようにフロントバンパーフレーム１５及サイドフレーム１６が存在しない側の面に配置される。

図１、図４からわかるように、燃料電池スタック２１の張出部２１ａのうち、張出方向がフロントバンパーフレーム１５に向いている張出部２１ａは、その少なくとも一部が、フロントバンパーフレーム１５が存在する高さ位置の範囲（図４にＢで示した範囲の高さ位置）に一致する高さ位置となるように配置される。張出方向がフロントバンパーフレーム１５に向いている張出部２１ａの全てが、当該Ｂの範囲に一致する高さ位置にあることが好ましい。

同様に、図２からわかるように、燃料電池スタック２１の張出部２１ａのうち、張出方向がサイドフレーム１６に向いている張出部２１ａは、その少なくとも一部が、サイドフレーム１６が存在する高さ位置の範囲に一致する高さ位置となるように配置される。張出方向がサイドフレーム１６に向いている張出部２１ａの全てが、当該範囲に一致する高さ位置にあることが好ましい。

２．効果
以上のような構成を備える車両は次のように作用する。
＜フロントバンパーフレームとの関係＞
車両１０が前方の障害物と衝突した際には、フロントバンパーフレーム１５が客室に対して相対的に後方に移動し、サイドフレーム１６の一部が収縮することにより、衝突の衝撃を吸収して客室の空間を維持、保護する。
ここで、衝突によるフロントバンパーフレームの後退量が大きい場合には、フロントバンパーフレーム又はフロントバンパーフレームと燃料電池スタックとの間に配置された部材が、燃料電池スタックにぶつかる場合がある。このような部材が、スタックケースのうち燃料電池セルが収納された部分、又は、燃料電池セルに直接当たった場合には、スタックケースの一部が破損し、積層された燃料電池セルがずれる虞がある。燃料電池セルがずれた場合には、セル間のシール性能が低下したり、燃料電池セルに適切な面圧が付与されずに発電性能が低下したりする場合がある。
これに対して本形態によれば、フロントバンパーフレーム１５が存在する高さ位置の範囲内に燃料電池スタック２１の張出部２１ａが位置付けられているため、フロントバンパーフレーム１５が後退した時には、まず張出部２１ａにぶつかる。上記のように張出部２１ａは剛性が高いため、ぶつかった場合にも直ちに破損することがない。また、張出部２１ａは、燃料電池セル２２よりも車両前方に突出しているため、確実に燃料電池セル２２が配置された部分よりも先に張出部２１ａがぶつかり、荷重を受け止めることができる。従って、これによれば、車両１０の衝突時にも燃料電池スタック２１が損傷を受け難いため、衝突後にも引き続き燃料電池スタック２１を使用することができる可能性が高くなる。

＜サイドフレームとの関係＞
サイドフレーム１６と燃料電池スタック２１との関係もフロントバンパーフレーム１５と燃料電池スタック２１との関係と同様に考えることができる。この場合は、車両１０のフロントルーム１１に側方から他の車両が衝突する等して、サイドフレーム１６がフロントルーム１１内側に侵入し、燃料電池スタック２１にぶつかるときにも、剛性の高い張出部２１ａで荷重を受け止めることができ、燃料電池スタック２１が損傷し難い。

＜燃料電池スタックの外面に配置された部材＞
本形態では、補機ユニット３０を燃料電池スタック２１の下面に配置し、コンバータ３１を燃料電池スタック２１の車両後方側（すなわち燃料電池スタック２１を挟んでフロントバンパーフレーム１５とは反対側）に備えることでフロントドライブシャフト１４が、補機ユニット３０の後方かつコンバータ３１の下方を、車両１０の左右方向を貫通して配置される。このレイアウトにより、これらの部材を車両１０のフロントルーム１１に高いスペース効率で収容できる。
また、補機ユニット３０及びコンバータ３１のこのような配置により、衝突時において補機ユニット３０及びコンバータ３１が、フロントバンパーフレーム１５及びサイドフレーム１６等にぶつかる可能性が低くなり、衝突時の水素安全、高電圧安全を担保することが可能となる。

３．その他
上記形態では、張出部２１ａの張出量は全ての部位で同じとした。ただしこれに限定されることはなく、部位によって張出量を変えてもよい。例えば、張出方向がフロントバンパーフレーム１５及びサイドフレーム１６である張出部２１ａは、他の張出部２１ａに比べて張出量を大きくしてもよい。これにより上記した効果をより顕著なものにすることができる。

［第２形態］
図５には、第２形態にかかる車両１０’を説明する図を示した。図５は図１に相当する図である。図５からわかるように、車両１０’では、燃料電池スタック２１の上方が後退し、張出部２１ａ側が前方に出るように傾斜している点が車両１０とは異なる。他の構成については上記第１形態の車両１０と同様に考えることができるので、同じ符号を付して説明は省略する。
フロントルーム１１の上面は、一般に前方が低く後方が高い。車両１０’では燃料電池スタック２１が傾いていることで、燃料電池スタック２１の上部を後方に位置付けられるため、フロントルーム１１の高さが低い場合であっても、燃料電池スタック２１を搭載可能である。また、燃料電池スタック２１の下部が車両前方に移動しているためフロントドライブシャフト１４との距離を確保しやすくなり、フロントルーム１１への燃料電池スタック２１の配置がさらにし易くなる。

［第３形態］
図６には、第３形態にかかる車両１０”を説明する図を示した。図６は図１に相当する図である。車両１０”では、燃料電池スタック２１は、車両１０”の客室よりも後方のリアルーム５１内に収容されている。
車両１０”においても、第１形態の車両１０と同様の考え方で燃料電池スタック２１を配置すればよい。このとき、フロントバンパーフレーム１５の代わりに車体のフレームを構成する１つであるリアバンパーフレーム５５を考えればよく、第１形態において正面衝突の代わりに後ろからの追突を考えればよい。すなわち、車両１０”が後方から追突された場合に、客室に対してリアバンパーフレーム５５が相対的に前方に移動し、サイドフレーム１６の一部が収縮することにより、衝突の衝撃を吸収し、客室の空間を維持、保護する。この構成の場合においても、衝突時にリアバンパーフレーム５５又はリアバンパーフレーム５５と燃料電池スタック２１との間に搭載される部材が、まず燃料電池スタック２１の張出部２１ａにぶつかる。これにより上記したものと同様の効果を奏するものとなる。

１０、１０’、１０” 車両
１１ フロントルーム
１２ ダッシュパネル
１３ フロントタイヤ
１４ フロントドライブシャフト
１５ フロントバンパーフレーム
１６ サイドフレーム
２０ 燃料電池システム
２１ 燃料電池スタック
２１ａ 張出部
２２ 燃料電池セル
２３ スタックケース
２４ エンドプレート
５１ リアルーム
５５ リアバンパーフレーム

Claims (4)

1. 燃料電池システムを有する車両であって、
   複数の燃料電池セルを収納する筐体であるスタックケースと、前記スタックケースの開口を塞ぐ板状のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックを具備し、
   前記エンドプレートは、前記スタックケースのうち前記燃料電池セルが収納された部位に対して張り出して設けられることにより張出部を形成しており、
   前記燃料電池スタックは、フロントルーム又はリアルームに配置され、
   前記張出部の高さ位置は、前記張出部の少なくとも一部において、前記車両のフレームの高さ位置に一致する、車両。
2. 前記燃料電池スタックの外面に部材が配置されており、前記部材は、前記燃料電池スタックを挟んで前記フレームとは反対側の面に配置されている、請求項１に記載の車両。
3. 前記張出部は、部位によって張出量が異なる、請求項１又は２に記載の車両。
4. 前記フレームは、フロントバンパーフレーム、サイドフレーム、及び、リアバンパーフレームの少なくとも１つである、請求項１乃至３のいずれかに記載の車両。

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