JP5210008B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池自動車に関する。

従来、燃料電池自動車では、水素タンクと、燃料電池および補機とを別々のサブフレームに搭載したうえで、シャーシ（メインフレーム）に組付けを行うことが一般的に行われていた。この場合、水素タンク側のサブフレームと、燃料電池および補機側のサブフレームとの間には、水素タンクから水素を供給するための水素供給ラインの接続部が最低1箇所必要になる。

また、水素タンク側のシステムと、燃料電池側のシステムは、それぞれ車両搭載前にサブフレーム上で圧検（気密試験）が行われるが、前記水素供給ラインにおける水素タンク側と燃料電池側との接続部は、車両搭載後に圧検が必要となり、組み付け不具合による水素漏れ有無の検出は、市場における不具合を防止する上で重要なものとなっている。

例えば、水素が漏れたときに車両外に広がる前に車両内で検出するためのパッケージ技術として、燃料電池システムを車両の中央に配置する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−１５６１２号公報（図５）

しかしながら、従来技術のように、単純に水素供給ラインの接続部を車両中央に配置した場合、車両搭載性が著しく損なわれ、また走行時のチッピング（路面にある砂利などを跳ね上げて車両に当たること）に対する耐久性が低下するという問題がある。

また、車両搭載性を優先して、水素供給ラインの接続部を接続し易い位置（例えば、工具が入り易い所）に設定すると、接続部から水素漏れが発生したときの検知性が大幅に悪化する可能性がある。そのための対策として、水素センサの設置数を増やさざるを得なくなり、また部品構成や組み付け時の圧検工程が煩雑化してコストアップにつながるという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、水素漏れが発生した場合に水素が直ちに車両外に漏れるのを防止でき、しかも車両搭載性を損なうことがない燃料電池自動車を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池と、前記燃料電池の補機と、前記燃料電池及び前記補機が固定されるサブフレームと、前記サブフレームが取り付けられる車両のフロアパネルと、を備え、前記燃料電池及び前記補機が前記フロアパネルの下方に取り付けられる燃料電池自動車において、前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、前記水素供給部から前記補機を通って前記燃料電池へ水素を供給する水素供給配管と、前記サブフレームの下方に着脱可能に設けられるアンダーカバーと、を備え、前記フロアパネルが凸形状で前記サブフレームとの間で上部に閉空間を構成し、前記燃料電池及び前記補機は、前記閉空間の内側に配置され、前記サブフレームは枠状に形成され、前記水素供給部に接続される前記水素供給配管としての第１水素供給配管と、前記補機に接続される前記水素供給配管としての第２水素供給配管とは、接続部において着脱可能に接続され、前記接続部は、凸形状の前記フロアパネルの内側で、前記車両の車幅方向において前記補機よりも外側かつ前記サブフレームの内側に位置し、前記接続部を構成する、前記第１水素供給配管と前記第２水素供給配管との接続端面は、前記車両の上下方向に設けられ、前記燃料電池及び前記補機が前記車両の前後方向にそれぞれ固定されたサブフレームが、前記フロアパネルの下方から取り付けられている。

請求項１に係る発明によれば、接続部が凸形状のフロアパネルの内側に位置している、すなわち接続部の上部にフロアパネルの凸形状が位置しているので、接続部から仮に水素漏れが発生したとしても、直ちに車両の外部に水素が漏れ出ることがない。しかも、アンダーカバーを取り外すと見える位置にできるので、取り付けが容易になる。

請求項２に係る発明は、前記水素供給配管は、前記サブフレームの上側と前記フロアパネルとの間を貫通していることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、アンダーカバー上に位置することになり、チッピングせず、取り付けも容易になる。

請求項３に係る発明は、前記閉空間の上部には、水素センサが設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、水素は空気よりも非常に軽い気体であり、水素が外部より先に内側（閉空間）に充満するため、水素漏れを直ちに検知することが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記水素供給配管は、前記水素供給部に直接に接続されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、水素供給配管における水素漏れの箇所を少なくでき、接続部がフロアパネルにあるため水素センサによる検知性を高めることができる。

請求項５に係る発明は、燃料電池と、前記燃料電池の補機と、前記燃料電池及び前記補機が固定されるサブフレームと、前記サブフレームが取り付けられる車両のフロアパネルと、を備え、前記燃料電池及び前記補機が前記フロアパネルの下方に取り付けられる燃料電池自動車において、前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、前記水素供給部から前記補機を通って前記燃料電池へ水素を供給する水素供給配管と、前記サブフレームの下方に着脱可能に設けられるアンダーカバーと、を備え、前記燃料電池および前記補機を前記フロアパネルのセンターコンソール内に収容し、前記サブフレームは枠状に形成され、前記水素供給部に接続される前記水素供給配管としての第１水素供給配管と、前記補機に接続される前記水素供給配管としての第２水素供給配管とは、接続部において着脱可能に接続され、前記接続部は、前記センターコンソールの内側で、前記車両の車幅方向において前記補機よりも外側かつ前記サブフレームの内側に位置し、前記接続部を構成する、前記第１水素供給配管と前記第２水素供給配管との接続端面は、前記車両の上下方向に設けられ、前記燃料電池及び前記補機が前記車両の前後方向にそれぞれ固定されたサブフレームが、前記フロアパネルの下方から取り付けられていることを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、接続部がセンターコンソールの内側に位置しているので、仮に接続部から水素が漏れたとしても、水素がセンターコンソール内に先に流れ、直ちに車両の外部に水素が漏れ出ることがない。しかも、接続部が例えばアンダーカバーを取り外すと見える位置にできるので、取り付けが容易になる。

請求項６に係る発明は、前記水素供給配管は、前記サブフレームの上側と前記フロアパネルとの間を貫通していることを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、アンダーカバー上に位置することになり、チッピングせず、取り付けも容易になる。

請求項７に係る発明は、前記センターコンソール内の上部には、水素センサが設けられていることを特徴とする。

請求項７に係る発明によれば、水素は空気よりも非常に軽い気体であり、水素が外部より先に内側（センターコンソール内）に充満するため、水素漏れを直ちに検知することが可能になる。

請求項８に係る発明は、前記水素供給配管は、前記水素供給部に直接に接続されていることを特徴とする。

請求項８に係る発明によれば、水素供給配管における漏れの箇所を少なくでき、接続部がフロアパネルにあるため水素漏れの箇所を少なくでき、水素センサによる検知性を高めることできる。

本発明によれば、水素漏れが発生した場合に水素が直ちに車両外に漏れるのを防止でき、しかも車両搭載性を損なうことがない燃料電池自動車を提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池自動車における主要部の配置を側面から見たときの透視図、図２は燃料電池自動車を車両下側から見たときの平面図、図３は水素供給配管の接続部およびその周辺の配置を後方から見たときの断面図、図４は水素供給配管の接続部を示す拡大図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池自動車１は、燃料電池システム２、水素ストレージシステム（水素供給部）３、水素供給配管５などを含んで構成されている。なお、本実施形態における燃料電池自動車１では、フロアパネル４の中央部を前後方向に延びるセンターコンソール４ａを有する車両を例に挙げて説明する。

前記燃料電池システム２は、燃料電池２０および補機２１がサブフレーム２２に搭載されて構成されている。

前記燃料電池２０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜、電極触媒層（アノード、カソード）、ガス拡散層を積層してなる膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を有し、さらに膜電極接合体の両面を導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを厚み方向（本実施形態では車両の前後方向）に複数積層した構造を有している。また、アノードに対向するセパレータには水素が流通する流路、カソードに対向するセパレータには空気が流通する流路がそれぞれ形成されるとともに、セパレータ同士を連通させる貫通孔などが形成されている。

このような燃料電池２０では、アノード側のセパレータに水素ストレージシステム３から供給された水素がガス拡散層によって拡散してアノードに供給され、カソード側のセパレータにエアコンプレッサから供給された空気（酸素）がガス拡散層によって拡散してカソードに供給される。アノードでは、触媒の作用によって水素が水素イオンと電子に分離して、水素イオンが電解質膜を介してカソードに透過し、カソードでは、触媒の作用によって透過した水素イオンと、外部負荷を通ってカソードに移動した電子と、供給された空気中の酸素との電気化学反応によって水が生成される。

前記補機２１は、アノード系（水素系）の補機であり、燃料電池２０の後方に位置し、例えば、図示しないレギュレータ（減圧弁）やエゼクタなどを含み、これらが組み合わされて集合体として構成されている。

なお、レギュレータは、水素ストレージシステム３から供給される水素の圧力を減圧する機能を有する。エゼクタは、水素ストレージシステム３から供給された水素を噴射するノズル部（図示せず）を有し、燃料電池２０から排出された未反応の水素を再循環させる循環配管と接続され、ノズル部から水素を噴射する際に発生する負圧によって循環配管側の未反応の水素が吸引されて燃料電池２０に供給されるように構成されている。

また、補機２１は、アノード系の排出側の弁や、カソード系の補機が組み合わされて構成されていてもよい。ちなみに、アノード系の排出側の弁は、水素循環系に蓄積した不純物を排出する際のパージ弁など、カソード系の補機は、加湿器、背圧弁などである。

燃料電池２０および補機２１は、サブフレーム２２上に固定された状態で、燃料電池自動車１における車体のフロアパネル４に対して下方から取り付けられる。このフロアパネル４は、車体の一部で車室内の床面を構成する板材であり、車幅方向の中央部に前後方向に延びるセンターコンソール（センタートンネル）４ａを有している。このセンターコンソール４ａ内には、前側に燃料電池２０、その後側に補機２１が位置した状態で収容され、サブフレーム２２が車体にマウント部材（図示せず）を介して取り付けられる。

なお、本実施形態における燃料電池２０は、単セルが車両の前後方向に積層されたものであり、例えば運転席と助手席との間に位置している。また、補機２１は、燃料電池２０の後側に隣接して配置され、燃料電池２０の後端面に形成された水素導入口と接続されている。

前記水素ストレージシステム３は、水素タンク３０、遮断弁３１、リアサスペンション（図示せず）などがリアサブフレーム３２に搭載されて構成されている。

前記水素タンク３０は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記遮断弁３１は、例えば、ソレノイドを有する電磁作動式のものであり、水素タンク３０と一体に構成されたインタンク式のものである。

このような遮断弁３１を備えた水素タンク３０は、リアサブフレーム３２上に固定され、燃料電池自動車１における車体のフロアパネル４に対してマウント部材（図示せず）を介して下方から取り付けられる。

図２に示すように、前記サブフレーム２２は、車両の前後方向に平行に延びる一対のフレーム部２２ａ，２２ｂ、車幅方向に延びるフレーム部２２ｃ，２２ｄなどが井桁状に組み合わされて構成されている。

燃料電池２０は、フレーム部２２ａ，２２ｂ，２２ｃで囲まれる領域のサブフレーム２２上において、フレーム部２２ａとフレーム部２２ｂとに跨るようにしてボルトなどで固定されている。

補機２１は、フレーム部２２ａ〜２２ｄで囲まれる領域のサブフレーム２２上において、車幅方向右寄りにボルトなどで固定される。

前記リアサブフレーム３２は、例えば井桁状に形成され、水素タンク３０が横置きされた状態でボルトなどによって固定されている。

前記した燃料電池システム２と水素ストレージシステム３とは、水素供給配管５を介して接続される。この水素供給配管５は、遮断弁３１を備えた水素タンク３０と補機２１とを接続するものであり、水素タンク３０から延びる水素供給配管５ａと、補機２１から延びる水素供給配管５ｂとが接続部５ｃを介して着脱できるように構成されている。本実施形態では、水素タンク３０と補機２１とは、接続部５ｃを除いて他に接続部分を持たないように構成されている。

また、水素供給配管５ａは、水素タンク３０から前方へ延び、補機２１の位置において、車幅方向内側（図示右側）に折り曲げられた折曲部５ａ１を有している。水素供給配管５ｂは、補機２１から下方に向けて延びて形成され（図３参照）、車幅方向外側（図３において左側）に延びて形成された折曲部５ｂ１を有している。そして、折曲部５ａ１と折曲部５ｂ１とが車幅方向（左右方向）に向いた状態で接続部５ｃを介して接続されている。

なお、接続部５ｃは、例えば、水素供給配管５ｂにねじ溝が形成され、水素供給配管５ａにナットが取り付けられて、Ｏリングを介して水素供給配管５ａ，５ｂ同士のシール性が確保されるようになっている。

図３に示すように、水素供給配管５は、サブフレーム２２（フレーム部２２ａ）の上部とフロアパネル４との間を貫通するように配置されている。なお、貫通させる手段としては、サブフレーム２２のフレーム部２２ａの上面に凹み部（左右方向に延びる凹条の切欠き）を形成して、この凹み部に水素供給配管５を通すことで貫通させることができる。また、接続部５ｃは、センターコンソール４ａの凸形状において、車幅方向の内側に位置するように構成されている。

前記フロアパネル４のセンターコンソール４ａ内の上部には、水素センサ４０が設けられている。この水素センサ４０は、水素漏れを検知するセンサであり、例えば接触燃焼式、半導体式のもので構成されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、センターコンソール４ａの一部が燃料電池２０と補機２１との境界付近においてさらに上方に突出する凸部４ａ１を有しており、その凸部４ａ１内に水素センサ４０が設けられている。つまり、水素センサ４０は、センターコンソール４ａ内における最も高い位置に設けられている。

図４に示すように、水素タンク３０から延びる水素供給配管５ａ（５）は、サブフレーム２２のフレーム部２２ａ上を通過して内側（図示右側）に延びて形成されている。接続部５ｃは、補機２１の左端面よりも車幅方向の外側に位置している。また、接続部５ｃは、符号Ｓ１の破線で示す接続部５ｃのジョイント端面（水素供給配管５ａと水素供給配管５ｂとが切り離されたときの境界面）が、符号Ｓ２の破線で示すセンターコンソール４ａの端面よりも内側に位置している。このようにジョイント端面Ｓ１がセンターコンソール４ａの端面から離れているのは、接続部５ｃに設けられたＯリングをＰ方向から目視するための角度α（例えば、６０度）を確保するためである。

なお、本実施形態における燃料電池自動車１では、サブフレーム２２上に燃料電池２０および補機２１を取り付けた燃料電池システム２の状態において圧検が行われ、また、リアサブフレーム３２上に水素タンク３０などが取り付けられた水素ストレージシステム３の状態において圧検が行われる。そして、それぞれの圧検が完了した後、水素ストレージシステム３のリアサブフレーム３２を車体に取り付け、水素ストレージシステム３と水素供給配管５ａ（５）とを接続する。そして、燃料電池システム２のサブフレーム２２を車体に取り付けた後、水素供給配管５ｂと水素供給配管５ａとを接続部５ｃを介して接続する。そして、このように接続部５ｃを接続した状態において、最終的な圧検が行われる。

このように構成された燃料電池自動車１では、発電時において、遮断弁３１が開放されて、水素タンク３０から水素供給配管５を介して補機２１に水素が供給される。補機２１では、供給された水素が図示しないレギュレータによって所定の圧力に減圧された後、エゼクタ（図示せず）を通って燃料電池２０のアノードに供給される。また、図示しないエアコンプレッサによって取り込まれた空気が加湿器（図示せず）で加湿された後、燃料電池２０のカソードに供給される。燃料電池２０によって発電された電力（電流）は、図示しない走行モータに供給されて、駆動輪（前輪）が駆動されるようになっている。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池自動車１によれば、水素ストレージシステム３に接続された水素供給配管５ａと、補機２１に接続された水素供給配管５ｂとを接続する接続部５ｃが、センターコンソール４ａの車幅方向の内側に位置しているので、接続部５ｃから仮に水素が漏れたとしても、漏れた水素は、先にセンターコンソール４ａに溜まり、直ちに車両の外部に漏れ出ることがない。したがって、水素センサの設置個数を増やすことがないので、コストアップを招くこともない。例えば、燃料電池２０や補機２１を覆うアンダーカバー（図示せず）が取り付けられるが、本実施形態のように接続部５ｃがサブフレーム２２の内側に位置しているので、そのアンダーカバーを取り外したときに接続部５ｃを容易に視認することができ、水素供給配管５ａと、水素供給配管５ｂとの接続（取り付け）を容易にできる。なお、サブフレーム２２の内側とは、フレーム部２２ａ〜２２ｄで囲まれる四角枠状の内側を意味している。

また、本実施形態によれば、水素供給配管５（５ａ）がサブフレーム２２（フレーム部２２ａ）の上部とフロアパネル４との間を貫通するように形成されているので、走行時のチッピングに対して、接続部５ｃがサブフレーム２２（フレーム部２２ａ）によって保護されるので、接続部５ｃおよびその周辺の配管の耐久性を向上できる。

しかも、本実施形態では、接続部５ｃが補機２１の端部（端面）よりも車幅方向の外側（図示左側）に位置しているので（図４参照）、水素供給配管５ａが先に固定された状態において、燃料電池システム２のみを着脱することが容易になる。つまり、燃料電池システム２を取り付ける際および取り外す際に、水素供給配管５ａの端部が補機２１に当たることなく、燃料電池システム２を車両に対して着脱できる。

また、本実施形態によれば、水素センサ４０がセンターコンソール４ａ内の上部に設けられているので、空気よりも非常に軽い水素がセンターコンソール４ａの上部に溜まり、水素センサ４０によって早期に水素漏れを検出できる。その結果、水素センサ４０による検知性を向上できる。

また、本実施形態によれば、水素供給配管５が接続部５ｃを除いて１本の配管で接続されているので、水素が漏れる箇所を最小限にすることができ、水素センサ４０による検知性を高めることができる。

なお、本実施形態では、センターコンソール４ａ内に燃料電池２０および補機２１を収容する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図５に示すような構成が可能である。すなわち、燃料電池自動車のフロアパネル４に凸部４ｃが形成され、燃料電池２０および補機２１が固定された井桁状のサブフレーム２２（２２ａ，２２ｂ）がフロアパネル４の下方にマウント部材（図示せず）を介して取り付けられている。また、水素ストレージシステム（図示せず）側に接続された水素供給配管５ａ（５）と補機２１側に接続された水素供給配管５ｂ（５）とが接続部５ｃを介して接続され、この接続部５ｃがフロアパネル４の凸部４ｃとフレーム部２２ａ，２２ｂとで囲まれる閉空間の内側に位置している。

図５に示す実施形態においても、前記した実施形態と同様に、接続部５ｃから仮に水素が漏れたとしても、漏れた水素は、先に凸部４ｃ内に溜まり、直ちに車両の外部に漏れ出ることがなく、しかも接続部５ｃがアンダーパネル（図示せず）を取り外して視認できる位置にあるので、水素供給配管５ａと水素供給配管５ｂとの接続を容易にできる。また、水素供給配管５ａ（５）がフレーム部２２ａ（２２）の上部とフロアパネル４との間を貫通しているので、接続部５ｃにおけるチッピングに対する耐久性を向上できる。

本実施形態の燃料電池自動車における主要部の配置を側面から見たときの透視図である。 燃料電池自動車を車両下側から見たときの平面図である。 水素供給配管の接続部およびその周辺の配置を後方から見たときの断面図である。 水素供給配管の接続部を示す拡大図である。 他の実施形態における水素供給配管の接続部およびその周辺の配置を後方から見たときの断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池自動車
２ 燃料電池システム
３ 水素ストレージシステム（水素供給部）
４ フロアパネル
４ａ センターコンソール
５，５ａ，５ｂ 水素供給配管
５ｃ 接続部
２０ 燃料電池
２１ 補機
２２ サブフレーム
３０ 水素タンク
３１ 遮断弁
４０ 水素センサ

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の補機と、
   前記燃料電池及び前記補機が固定されるサブフレームと、
   前記サブフレームが取り付けられる車両のフロアパネルと、
   を備え、前記燃料電池及び前記補機が前記フロアパネルの下方に取り付けられる燃料電池自動車において、
   前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、
   前記水素供給部から前記補機を通って前記燃料電池へ水素を供給する水素供給配管と、
   前記サブフレームの下方に着脱可能に設けられるアンダーカバーと、
   を備え、
   前記フロアパネルが凸形状で前記サブフレームとの間で上部に閉空間を構成し、
   前記燃料電池及び前記補機は、前記閉空間の内側に配置され、
   前記サブフレームは枠状に形成され、
   前記水素供給部に接続される前記水素供給配管としての第１水素供給配管と、前記補機に接続される前記水素供給配管としての第２水素供給配管とは、接続部において着脱可能に接続され、
   前記接続部は、凸形状の前記フロアパネルの内側で、前記車両の車幅方向において前記補機よりも外側かつ前記サブフレームの内側に位置し、
   前記接続部を構成する、前記第１水素供給配管と前記第２水素供給配管との接続端面は、前記車両の上下方向に設けられ、
   前記燃料電池及び前記補機が前記車両の前後方向にそれぞれ固定されたサブフレームが、前記フロアパネルの下方から取り付けられていることを特徴とする、燃料電池自動車。
2. 前記水素供給配管は、前記サブフレームの上側と前記フロアパネルとの間を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車。
3. 前記閉空間内の上部には、水素センサが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池自動車。
4. 前記水素供給配管は、前記水素供給部と直接に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池自動車。
5. 燃料電池と、
   前記燃料電池の補機と、
   前記燃料電池及び前記補機が固定されるサブフレームと、
   前記サブフレームが取り付けられる車両のフロアパネルと、
   を備え、前記燃料電池及び前記補機が前記フロアパネルの下方に取り付けられる燃料電池自動車において、
   前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、
   前記水素供給部から前記補機を通って前記燃料電池へ水素を供給する水素供給配管と、
   前記サブフレームの下方に着脱可能に設けられるアンダーカバーと、
   を備え、
   前記燃料電池および前記補機を前記フロアパネルのセンターコンソール内に収容し、
   前記サブフレームは枠状に形成され、
   前記水素供給部に接続される前記水素供給配管としての第１水素供給配管と、前記補機に接続される前記水素供給配管としての第２水素供給配管とは、接続部において着脱可能に接続され、
   前記接続部は、前記センターコンソールの内側で、前記車両の車幅方向において前記補機よりも外側かつ前記サブフレームの内側に位置し、
   前記接続部を構成する、前記第１水素供給配管と前記第２水素供給配管との接続端面は、前記車両の上下方向に設けられ、
   前記燃料電池及び前記補機が前記車両の前後方向にそれぞれ固定されたサブフレームが、前記フロアパネルの下方から取り付けられていることを特徴とする燃料電池自動車。
6. 前記水素供給配管は、前記サブフレームの上側と前記フロアパネルとの間を貫通していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池自動車。
7. 前記センターコンソール内の上部には、水素センサが設けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池自動車。
8. 前記水素供給配管は、前記水素供給部に直接に接続されていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池自動車。

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