JP4886737B2 - 燃料電池車両の車体構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を搭載する車両に関連する技術分野に属し、特に、この燃料電池の構成単位である単セルの起電力を個別に検出する機能を搭載した燃料電池車両の車体構造に関する。

燃料電池を搭載する車両は、燃料ガス（水素）と空気（酸素）とを単セルに供給して電気化学反応により動力源となる起電力を得ている。
この燃料電池は、数十から数百の単セルを積層し直列に配列して構成された組電池の一種であって、全体として数百Ｖの起電力を出力する。

この燃料電池は、発電中に単セルの一つに異常が発生し発電が滞ると、この単セルを破損させる場合があり、さらにこの破損による被害は他の正常な単セルにも拡大する場合がある。このため、燃料電池は、それぞれの単セルについて個別に起電力（以下、「セル電圧」という）を検出するセル電圧検出手段を備えている。そして、いずれか一つの単セルに異常が発見された場合は、被害が周囲に広がる前に復旧を図り、復旧できないときは燃料電池の発電を停止するようになっている。

このようなセル電圧検出手段は、燃料電池の筐体に固定され、単セルの電極（実際にはセパレータ）の側面の出力端子から延びる複数のリード線（分岐線）が合流して束状になったハーネス（信号配線）の先端に接続される。
さらに、このセル電圧検出手段は、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の車載ＬＡＮの共通回路に接続されて、検出した各セルのセル電圧の結果をメッセージ化してＣＡＮバスに送信し、燃料電池の発電状態の監視や故障の有無やその位置を特定するのに利用される（例えば、特許文献１〜２参照）。

そして、このような燃料電池は、機械剛性の高い直方体の筐体に収納され、車両の一対の前部座席の間に位置するセンターコンソールに配置される燃料電池車両が提案されている。
特開２０００−２２３１４１号公報 特開平１１−３３９８２８号公報

ところで、セル電圧検出手段と単セルの出力端子とを連結するハーネス（信号配線）は、電流は循環していないもののグランドレベルに対して数十から数百ボルトの高電位を有するものである。このために、燃料電池車両が交通事故を起こした場合、ハーネスの損傷を回避することは、重要な課題である。
具体的に、燃料電池車両が側面衝突を受けた場合のシミュレーションを行うと、側面衝突された側の座席を構成する補強ロッドが、この衝突に乗じて長手方向に変位してその先端がハーネスを突く可能性がある。

本発明は、前記した問題を解決することを課題とし、燃料電池車両が側面衝突を受けた場合であっても、セル電圧検出手段を連結するハーネス（信号配線）が損傷しない車体構造を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために本発明の燃料電池車両の車体構造は、水素及び酸素を電気化学反応させて起電力を発生する複数の単セルが積層配列してなる燃料電池と、前記燃料電池を狭むようにその両側に配置されるとともに補強ロッドの両端で固定して車幅方向の剛性が補強されている一対の座席と、前記燃料電池を収納しいずれか一方の前記座席に対向する開口から前記単セルの電位を検出する出力端子が露出する筐体と、一端が複数の前記出力端子に連結し他端がこれら出力端子に隣り合うもの同士の電位差を個別に検出するセル電圧検出手段に連結する信号配線と、を含む燃料電池車両において、前記補強ロッドの両端の延長線が前記信号配線の配置されていない前記筐体表面の無配線領域に交わることを特徴とする。

かかる構成により、燃料電池車両が側面衝突を受けて、座席の構成部品である補強ロッドがその長手方向に変位して燃料電池の筐体に突きをしても信号配線（ハーネス）から外れるために、補強ロッドの先端がこの信号配線を損傷させることがない。

さらに本発明は、燃料電池車両の車体構造において、前記信号配線は、前記単セルの積層方向に配列する複数の前記出力端子にそれぞれ装着される装着部材と、前記装着部材から伸びるそれぞれの分岐線が束状に一体化してなる束状体と、前記束状体が前記出力端子の配列幅に対して幅狭方向に集束してなる集束体と、前記集束体から延出して前記セル電圧検出手段に連結する延長結線とを備え、前記補強ロッドの両端の延長線が交わる前記無配線領域は、前記座席が自在に位置調整される全範囲において、前記束状体及び前記集束体の縁端で区画される領域に含まれることを特徴とする。

かかる構成により、密集した信号配線を平面状に燃料電池の筐体表面に密着して配置することができる。これにより、座席が調整自在に大きく変位する場合であっても、前記無配線領域を充分に確保することができる。

さらに本発明は、燃料電池車両の車体構造において、前記筐体は、前記燃料電池の天地方向の上面及び下面にそれぞれ対向配置される上面フレーム及び下面フレームと、前記燃料電池を積層方向に対向する一対の端面フレームと、前記上面フレーム及び下面フレーム並びに前記一対の端面フレームの対向方向と直交する方向に対向するとともに前記出力端子を露出する前記開口が形成される側面フレームとを、備えることを特徴とする。

かかる構成により、電気化学反応により大電力を発電する燃料電池は、極めて剛性の高い筐体により外周が保護されることになる。これにより、燃料電池車両が側面衝突を受けて座席の補強ロッドの先端が筐体を突いても収容されている燃料電池の損傷を防止できる。

さらに本発明は、燃料電池車両の車体構造において、前記前記補強ロッドは、その中央部分が湾曲した状態で前記座席を両端で固定することを特徴とする。

かかる構成により、燃料電池車両が側面衝突を受けて、座席の補強ロッドがその両端を結ぶ方向に外力を受けても、湾曲部分で座屈して運動エネルギーが吸収される。このために、補強ロッドの先端が燃料電池を突いても損傷を与えにくくなる。

さらに本発明は、燃料電池車両の車体構造において、前記補強ロッドは、少なくとも二本以上がたすきがけに交差した状態で前記座席を両端で固定することを特徴とする。

かかる構成により、燃料電池車両が側面衝突を受けて、座席の補強ロッドがその両端を結ぶ方向に外力を受けても、運動エネルギーが分散する。このために、補強ロッドの先端が燃料電池を突いても損傷を与えにくくなる。

本発明により、側面衝突を受けた場合であっても、セル電圧検出手段を連結するハーネス（信号配線）が損傷しない燃料電池車両の車体構造が提供される。

以下、図面を参照して本発明の燃料電池車両の車体構造を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池車両の車体構造に適用される燃料電池スタック４０の外観斜視図である。ここで、座標軸Ｘは燃料電池車両の正面方向（進行方向）、座標軸Ｙは燃料電池車両の側面方向（車幅方向）、座標軸Ｚは燃料電池車両の天地方向を示している。

燃料電池スタック４０は、図示されない燃料電池と、セル電圧検出手段１０と、信号配線２０と、筐体３０とから構成されている。このように構成される燃料電池スタック４０は、燃料電池車両を駆動させるのに必要な電力を供給するものである。

（燃料電池の説明）
燃料電池（図示略）は、複数の単セル（図示略）が直列に配列してなり、その側面に配列されている各出力端子２６を、開口３５から露出させて筐体３０に収納されている。
単セル（図示略）は、複数（例えば、２００〜４００）が厚み方向に積層されて、その四方を高剛性の板状の筐体３０（上面フレーム３１、下面フレーム３２、端面フレーム３３，３３、側面フレーム３４（３４Ａ，３４Ｂ））で狭持される構成を備えている。

また、単セル（図示略）は、それぞれ電解質膜と、その両面にそれぞれ配置されるアノード極及びカソード極と、燃料ガス（水素）の流路及び酸化ガス（空気（酸素））の流路が設けられているセパレータとを、構成要素とする。
このように構成される単セルは、燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との電気化学反応により０．７Ｖ程度の起電力を発生するとともに、積層する単セルが直列に配列してなる燃料電池スタック４０は、全体として数百Ｖの起電力を出力する。

出力端子２６は、単セル（図示略）の境界に位置する前記セパレータに設けられ、隣接する二つの出力端子の電位差を検出することにより、単セルの起電力を個別に検出できるようになっている。
また、この出力端子は、燃料電池スタック４０の一方の側面に分離して設けられている側面フレーム３４Ａ，３４Ｂの隙間に設けられた開口３５から露出するように配置され、信号配線２０の装着部材２１が装着するように構成されている。

（セル電圧検出手段の説明）
セル電圧検出手段１０は、入力端子１１と、信号処理基板１２と、回線端子１３とから構成されている。
このように構成されるセル電圧検出手段１０は、入力端子１１に接続される信号配線２０を経由して、それぞれの単セル（図示略）のセル電圧信号を検出するものである。なお、検出されるセル電圧は、一つの単セルのみに限定されず、隣接する数個の単セルの起電力をまとめて検出する場合もある。
さらに、セル電圧検出手段１０は、回線端子１３において図示略の車内通信ネットワーク（ＣＡＮ；Controller Area Network）に接続されて、燃料電池車両の制御に必要な情報を提供するものである。

信号処理基板１２は、入力端子１１から入力した複数（出力端子２６の個数に相当する数）のセル電圧信号をスキャンして計測するとともに、この計測値をデジタル化してセル電圧検出手段１０の固有の識別子を付加し、回線端子１３からパケット出力するものである。

なおＣＡＮ通信では、パケットに含まれる識別子（ＩＤ）により通信の優先度を定義し、通信回線において衝突が発生した場合は、優先度の低い識別子（ＩＤ）で定義されたモジュールは送信を止め、優先度の高い識別子（ＩＤ）で定義されたモジュールが送信を続けるようになっている。

この信号処理基板１２及び回線端子１３は、図示略とするが、ＣＡＮ通信に必要なＣＡＮ＿Ｈｉ信号の伝送ライン、ＣＡＮ＿Ｌｏ信号の伝送ライン、及び基準電位のＧＮＤ信号ライン、並びにセル電圧検出手段１０の動作に必要な電力供給ラインを備えている。なおこの電力供給ラインは、図示しない１２Ｖの車載バッテリに連絡している。

（信号配線の説明）
信号配線２０は、装着部材２１と、分岐線２２と、束状体２３と、集束体２４と、延長結線２５とを備え、それぞれの単セルの出力端子２６及びセル電圧検出手段１０の入力端子１１に連結し単セルの個別の起電力を導くものである。
このように信号配線２０が構成されることにより、天地方向の上面にセル電圧検出手段１０が配置され、側面の開口３５に出力端子２６が配列する燃料電池スタック４０の構造において、筐体３０の表面に大部分を密着させて配置することができるようになる。
そして、図示しない面ファスナや、その他固定手段により、信号配線２０は、筐体３０の表面に密着して固定される。

装着部材２１は、信号配線２０の末端に位置するものであって、筐体３０の側面の開口３５から露出する出力端子２６に装着される信号接点である。
分岐線２２は、それぞれの装着部材２１から伸びる信号リード線であり、装着部材２１が出力端子２６に装着されている状態でたわみを有し、信号配線２０が筐体３０に支持されている状態で装着部材２１及び出力端子２６の着脱を容易にしている。

束状体２３は、装着部材２１から伸びる複数の分岐線２２が束状に一体化してなるものであって、出力端子２６の配列方向に長手方向が揃う帯状の形態を有し、ほぼ全面が筐体３０の側面に接するように構成されている。

集束体２４は、束状体２３からその長手方向と直交する方向に延出するものであって、分岐線２２及び束状体２３から連続する信号リード線が、出力端子２６の配列幅に対して幅狭方向に集束してなるものである。
そして、集束体２４は、束状体２３側の一部が、筐体３０の側面に接し、他の部分が筐体３０の上面に接するように構成されている。

延長結線２５は、その末端が、集束体２４から連続する信号リード線がセル電圧検出手段１０の入力端子１１に連結するように構成されている。
なお図面において延長結線２５は、集束体２４から３つが一層分だけ分岐しているものが例示されているが、信号リード線及び入力端子１１の数に応じてさらに多くの延長結線２５が多層に分岐している場合もある。

（筐体の説明）
筐体３０は、上面フレーム３１と、下面フレーム３２と、端面フレーム３３，３３と、側面フレーム３４Ａ，３４Ｂとから構成されている。このように構成される筐体３０は、その内部に燃料電池（図示略）を収納するとともに、側面に横方向に一条設けられた開口３５から燃料電池に設けられた出力端子２６を露出させている。また、筐体３０は、その上部にセル電圧検出手段１０を固定配置している。
これにより、筐体３０は、出力端子２６が露出する開口３５を除き、燃料電池（図示略）をほぼ隙間無く包容する直方体となり、信号配線２０の表面の大部分を筐体３０に密着させることができる。

上面フレーム３１は、燃料電池の天地方向の上面に配置されるものであって、断面逆Ｕ字形状の上面は燃料電池スタック４０の上面を形成し、断面逆Ｕ字形状の側面は燃料電池スタック４０の側面の一部を形成する。
また、係止ピン４２が、上面フレーム３１の断面逆Ｕ字形状の側面の縁端に設けられ、側面フレーム３４Ａの上方の縁端に設けられている係止穴４１を係止して、上面フレーム３１及び対向配置する側面フレーム３４Ａを一体化させている。
なお、図１中、死角側に配置されている側面フレーム３４は、出力端子２６を露出させるための開口３５が不要であるために、手前側の側面フレーム３４Ａ，３４Ｂのように分離されておらず一体ものである。

また固定片４３が、上面フレーム３１の断面逆Ｕ字形状の上面の縁端に設けられ、端面フレーム３３の縁端に設けられている固定片４３と交互に係合して、さらに貫通軸４４が水平方向に貫いて、上面フレーム３１及び対向配置する端面フレーム３３を一体化させている。

下面フレーム３２は、上面フレーム３１と上下対称に対向配置され、同様にして対向配置する側面フレーム３４Ｂ及び対向配置する端面フレーム３３と一体化している。
側面フレーム３４Ａ，３４Ｂは、対になって燃料電池スタック４０の片側側面を形成し、両者の境界部分に設けた隙間が開口３５を形成している。そして、固定片４３が、側面フレーム３４Ａ，３４Ｂの側方の縁端に設けられ、端面フレーム３３の縁端に設けられている固定片４３と交互に係合して、さらに貫通軸４４が垂直方向に貫いて、側面フレーム３４Ａ，３４Ｂ及び対向配置する端面フレーム３３を一体化させている。

（座席の説明）
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ本発明に係る燃料電池車両の車体構造に適用される座席の骨格を示す正面図、側面図、上面図である。
座席５０は、人体の臀部を保持するシートクッション５１と、人体の背中部分を保持するシートバック５２と、人体の頭部を保持するヘッドレスト５３とから構成され、燃料電車両の進行方向前側の運転席及び助手席を構成するものである。
さらに座席５０，５０は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、燃料電池スタック４０を狭むようにその両側に配置されている。

シートクッション５１は、図２（ｃ）に示されるように、その内側の周縁部分に平面視でＵ字形状の第１フレーム５４が設けられることによりその輪郭が形成されている。そして、補強ロッド５７の両端が、第１フレーム５４の両側の切片にそれぞれ固定されて座席５０の車幅方向の剛性の向上に貢献している。
そして、シートクッション５１は、図３に示されるように、キャビンＣにおいて座席５０が進行方向（Ｘ方向）又は天地方向（Ｚ方向）に調整自在に変位できるように、スライダ７０を介してフロアパネル６２に固定されている。

シートバック５２は、図２（ａ）に示されるように、その内側の周縁部分に平面視で逆Ｕ字形状の第２フレーム５５が設けられることによりその輪郭が形成されている。そして、第２フレーム５５の両側の切片の先端は、ヒンジ部５６，５６を介して、第１フレーム５４の両側の切片の先端にそれぞれ回動自在に固定されている。これにより、シートバック５２は、シートクッション５１に対して任意の角度で傾斜させることができる（図２（ｂ）適宜参照）。さらに、第２フレーム５５の上部には、ヘッドレスト５３が固定されている。

（燃料電池車両の車体構造の説明）
図３（ａ）（ｂ）は、燃料電池車両のキャビン内部の正面断面図及び上面図を示している。ここで、燃料電池スタック４０は、サブフレーム６３上に固定された状態で、燃料電池車両の基本骨格を成す車体フレーム６１の下側から設置される。そして、フロアパネル６２は、図示しないルーフパネル等とともに乗員空間となるキャビンＣを形成するものである。そして、フロアパネル６２には、スライダ７０を介して位置調整がなされる一対の座席５０，５０が固定されている。また、このフロアパネル６２の一対の座席５０，５０に挟まれる部分は、燃料電池スタック４０の収納スペースとなるセンターコンソール６４が設けられている。なお、このセンターコンソール６４の内部には、その他、空気排出補機６５、水素供給補機６６、及びＥＣＵ６７（Electronic control unit；図４参照）等が収納されている。

図４にキャビンＣ内部の側面図が示されるように、補強ロッド５７は、その両端の延長線が信号配線２０の配置されていない筐体３０の表面の無配線領域Ｓに交わるように配置されている。
このように補強ロッド５７が構成されることにより、燃料電池車両が側面衝突を受けて、補強ロッド５７がその長手方向に変位してその先端が筐体３０を突いても信号配線２０から外れるために、補強ロッド５７の先端がこの信号配線２０を損傷させることがない。

なお、座席５０は、燃料電池車両の乗員の意思によりＸ方向及びＺ方向に自在に位置調整されることから、その位置調整される全範囲において、補強ロッド５７の先端位置が信号配線２０に重複しないことが望まれる。
具体的には、位置調整される全範囲において、補強ロッド５７の両端の延長線が束状体２３（図１適宜参照）及び集束体２４の縁端で区画される無配線領域Ｓに交差することが望まれる。すなわち、座席５０を位置調整した場合、図４における補強ロッド５７の軌跡が、無配線領域Ｓの範囲内に収まることが望ましい。

これにより、燃料電池車両が側面衝突を受けて座席５０の補強ロッド５７が筐体３０を突いても、この筐体３０は極めて剛性が高いために、内部に収容されて保護されている燃料電池はびくともしない。また、補強ロッド５７が筐体３０を突く構成を有することにより、側面衝突を受けてもキャビンＣの空間が確保されるので乗員スペースが保持される。
さらに、座席が調整自在に大きく変位する場合であっても、信号配線２０は、密集して平面状に筐体３０表面に密着しているために、無配線領域Ｓを充分に確保することができる。

（補強ロッドの他の実施形態）
図２に戻って説明を続ける。
図２（ｄ）（ｅ）は座席を構成する補強ロッドの他の実施形態を示す上面図である。
図２（ｄ）においては、補強ロッド５７’は、その中央部分が湾曲した状態で座席５０’の第１フレーム５４を両端で固定している。
このように補強ロッド５７’が構成されることにより、燃料電池車両が側面衝突を受けて、座席５０’の補強ロッド５７’がその両端を結ぶ方向に外力を受けても、湾曲部分で座屈して運動エネルギーが吸収される。このために、補強ロッド５７’の先端が燃料電池スタック４０（図１参照）を突いても損傷を与えにくくなる。
なお図２（ｄ）中、補強ロッド５７’の湾曲の突起する方向は、進行方向（Ｘ軸方向）を向いているが、特に限定はなく任意方向でよい。

図２（ｅ）においては、補強ロッド５７”は、二本がたすきがけに交差した状態で座席５０の第１フレーム５４を両端で固定している。
このように補強ロッド５７”が構成されることにより、燃料電池車両が側面衝突を受けて、座席５０”の補強ロッド５７”がその両端を結ぶ方向に外力を受けても、運動エネルギーが分散する。このために、補強ロッド５７”の先端が燃料電池スタック４０（図１参照）を突いても損傷を与えにくくなる。
なお図２（ｅ）中、補強ロッド５７”は、二本で構成されているが、本数に限定は特になく少なくとも二本以上がたすきがけに構成されていればよい。

本発明に係る燃料電池車両の車体構造に適用される燃料電池スタックの外観斜視図である。 本発明に係る燃料電池車両の車体構造に適用される座席の骨格を示す（ａ）正面図であり、（ｂ）側面図であり、（ｃ）上面図である。（ｄ）（ｅ）はそれぞれ他の実施形態を示す座席の骨格の上面図である。 燃料電池車両のキャビン内部の（ａ）正面断面図であり、（ｂ）上面図である。 燃料電池車両のキャビン内部の側面図である。

符号の説明

１０ セル電圧検出手段
２０ 信号配線
２１ 装着部材
２２ 分岐線
２３ 束状体
２４ 集束体
２５ 延長結線
２６ 出力端子
３０ 筐体
３１ 上面フレーム
３２ 下面フレーム
３３ 端面フレーム
３４，３４Ａ，３４Ｂ 側面フレーム
３５ 開口
４０ 燃料電池スタック
５０，５０’，５０” 座席
５７，５７’，５７” 補強ロッド
６１ 車体フレーム
６２ フロアパネル
６３ サブフレーム
６４ センターコンソール
７０ スライダ
Ｃ キャビン
Ｓ 無配線領域

Claims (5)

1. 水素及び酸素を電気化学反応させて起電力を発生する複数の単セルが積層配列してなる燃料電池と、
   前記燃料電池を狭むようにその両側に配置されるとともに補強ロッドの両端で固定して車幅方向の剛性が補強されている一対の座席と、
   前記燃料電池を収納し、いずれか一方の前記座席に対向する開口から前記単セルの電位を検出する出力端子が露出する筐体と、
   一端が複数の前記出力端子に連結し他端がこれら出力端子に隣り合うもの同士の電位差を個別に検出するセル電圧検出手段に連結する信号配線と、を含む燃料電池車両において、
   前記補強ロッドの両端の延長線が前記信号配線の配置されていない前記筐体表面の無配線領域に交わることを特徴とする燃料電池車両の車体構造。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両の車体構造であって、
   前記信号配線は、
   前記単セルの積層方向に配列する複数の前記出力端子にそれぞれ装着される装着部材と、
   前記装着部材から伸びるそれぞれの分岐線が束状に一体化してなる束状体と、
   前記束状体が前記出力端子の配列幅に対して幅狭方向に集束してなる集束体と、
   前記集束体から延出して前記セル電圧検出手段に連結する延長結線とを備え、
   前記補強ロッドの両端の延長線が交わる前記無配線領域は、
   前記座席が自在に位置調整される全範囲において、前記束状体及び前記集束体の縁端で区画される領域に含まれることを特徴とする燃料電池車両の車体構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池車両の車体構造であって、
   前記筐体は、
   前記燃料電池の天地方向の上面及び下面にそれぞれ対向配置される上面フレーム及び下面フレームと、
   前記燃料電池を積層方向に対向する一対の端面フレームと、
   前記上面フレーム及び下面フレーム並びに前記一対の端面フレームの対向方向と直交する方向に対向するとともに前記出力端子を露出する前記開口が形成される側面フレームとを、備えることを特徴とする燃料電池車両の車体構造。
4. 請求項１から請求項３に記載の燃料電池車両の車体構造であって、
   前記補強ロッドは、その中央部分が湾曲した状態で前記座席を両端で固定することを特徴とする燃料電池車両の車体構造。
5. 請求項１から請求項３に記載の燃料電池車両の車体構造であって、
   前記補強ロッドは、少なくとも二本以上がたすきがけに交差した状態で前記座席を両端で固定することを特徴とする燃料電池車両の車体構造。

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