JP5382553B2 - 燃料電池アセンブリ - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを搭載した車両に係り、特に、燃料電池やＤＣ／ＤＣコンバーター等の燃料電池の関連装置の搭載構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムから電力を供給して車両走行用モーターを駆動させて走行するよう構成された車両（以下「燃料電池車」ともいう。）が開発されている。燃料電池車では燃料電池システムの構成部材を車両中央のフロア下部に配置することによって、衝突時の安全性を確保している。
【０００３】
例えば、特開２００５−２０５９４５号公報には、燃料電池車の車両前後方向に設けられたフロアフレームと、車両幅方向に設けられたクロスメンバーとによって囲まれた車体フロア下部に、燃料電池ユニットと補機ユニットとを隣接して配置する車両搭載構造が開示されている。このような構造によって、配管長および配線長を短くし、かつ、衝突安全性を確保することができていた（特許文献１）。
【０００４】
特開２００７−２４５９５４号公報には、燃料電池と駆動モーターとを車両前部のモーター室内に搭載し、燃料電池を支持フレームの上側で支持し、駆動モーターをサイドフレームの下側に設け、前面衝突時に案内フレームに沿って駆動モーターを案内するように構成した技術が開示されている（特許文献２）。
【０００５】
特開２００７−２５８１６４号公報には、燃料電池スタックのエンドプレート間に掛け渡して梁形状の部材である荷重受け部材を設け、燃料電池に直接的に加わる衝撃荷重を受けるように構成した技術が開示されている（特許文献３）。
【０００６】
特開２００８−１００５８５号公報には、燃料電池スタックを車幅方向でスライド可能に貫通する補強部材を設け、座席を介して伝達される車両側面からの衝撃力を、補強部材を介して衝突側から非衝突側に伝達するように構成した技術が開示されている（特許文献４）。
【０００７】
燃料電池の出力電圧を昇圧したり降圧したりするＤＣ−ＤＣコンバーターについては、例えば、特開２００７−２０９１６１号公報や特開２００７−３１８９３８号公報に開示されている。これら公報は、ＤＣ−ＤＣコンバーターへの衝撃緩和構造を特に開示していない（特許文献５および特許文献６）。
【０００８】
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】特開２００５−２０５９４５号公報
【特許文献２】特開２００７−２４５９５４号公報
【特許文献３】特開２００７−２５８１６４号公報
【特許文献４】特開２００８−１００５８５号公報
【特許文献５】特開２００７−２０９１６１号公報
【特許文献６】特開２００７−３１８９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の技術における搭載構造では、燃料電池車の側面からの物体の衝突に対して、燃料電池ユニットを十分に保護することができなかった。
【００１０】
例えば、特許文献１の技術は、フロアフレームが側突の衝撃を一旦吸収し、燃料電池ユニットへの衝撃を緩和するものの、側突の衝撃の強さや物体の高さによっては、物体が燃料電池ユニットの設置位置まで進入する可能性がある。特許文献２の技術は、車両前面からの衝突について対応可能ではあるものの、車両側面からの衝撃に対して燃料電池スタックを保護することは考慮されていなかった。特許文献３および特許文献４の技術は、燃料電池スタックの機械的強度を補強する部材を付加する発明であるが、燃料電池に添えられる程度の補強部材で耐えられる衝撃には限度がある。逆に、衝撃耐性を高めるために補強部材の剛性を上げようとすれば部材の重量を増加させざるを得ないため、車両重量を増加に伴う燃費の悪化が避けられなかった。特許文献５および特許文献６に記載のＤＣ−ＤＣコンバーターは、燃料電池に近接して設けられる周辺装置であるため、その設置構造に不備があると、車両衝突時の衝撃によって燃料電池に突っ込んで燃料ガスの漏洩を引き起こす可能性があった。
【００１１】
そこで本発明は、車両重量の増加を抑制しながら燃料電池車の側面からの衝突に耐え得る燃料電池システムの搭載構造を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記課題を解決する本発明の燃料電池アセンブリは、燃料電池を収容する燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを設置する設置面を有する保護構造体と、を備え、保護構造体は、燃料電池ユニットの少なくとも１つの側面に対向する位置に、設置面に対して斜めに設けられた傾斜フレームを有し、燃料電池ユニットは、少なくとも１つの側面に、保護構造体へ設置される面に対して傾いている傾斜フランジが設けられており、保護構造体と燃料電池ユニットとは、保護構造体の傾斜フレームに燃料電池ユニットの傾斜フランジが設けられた側面が対向するように、かつ、傾斜フレームと傾斜フランジとが側面から見て交差するように設置されることを特徴とする。
【００１３】
燃料電池車に物体が側面から衝突する場合に衝突の衝撃が強すぎると、フロアフレームだけでは衝突の衝撃を吸収しきれず、燃料電池ユニットに物体が進入してくる。また、衝突した物体の形状や高さによっては、フロアフレームによる防御が機能せず、燃料電池ユニットに物体が進入してくる。かかる構成によれば、燃料電池ユニットが保護構造体に設置され、燃料電池ユニットの側面に傾斜フレームが設けられているので、燃料電池ユニットの高さに進入してきた物体は保護構造体または傾斜フレームのいずれかの位置に最初に当接する。よって、燃料電池ユニットに直接衝撃が加わることが抑制される。そして、衝撃が保護構造体または傾斜フレームに加わった場合には、燃料電池ユニットが保護構造体とともに物体の進入側とは反対側に向けて移動しながら、衝突の衝撃を吸収する。このため、燃料電池ユニットを保護しながら衝突の衝撃を効果的に吸収させることができる。特に、保護構造体は側面からの衝突の衝撃を受ける構造物を傾斜フレームとしたので、燃料電池ユニットの高さ全ての保護を最も軽量な構造物で実現している。このため燃費を悪化させることなく安全性を高めることに成功している。
【００１４】
また、かかる構成によれば、まず、燃料電池ユニットの側面に傾斜フランジが設けられているため、燃料電池ユニットの側面からのどのような高さに物体が衝突したとしても、燃料電池ユニット内に設けられた燃料電池を保護することが可能である。また、燃料電池ユニットの傾斜フランジが保護構造体の傾斜フレームと交差するように設置されているので、交差した梁構造が形成され、さらに側面からの衝撃に対する耐性を高めることが可能である。
【００１５】
本発明は、所望により、以下の態様を追加することが可能である。
【００１６】
（２）燃料電池ユニットの少なくとも一つの面には、起伏形状が設けられているように構成してもよい。
【００１７】
かかる構成によれば、起伏形状が設けられた面の機械的強度が一段と高まるので、さらに衝撃に高い耐性を有する燃料電池アセンブリを提供可能である。なお、起伏形状を設ける面に限定はなく、燃料電池ユニットの上面、底面、複数の側面のいずか一つ以上とすることができる。また、起伏形状に限定はなく、複数の突起構造、陥没構造、断面が鋸歯形状、波形形状等任意の形状を適用可能である。
【００１８】
（３）燃料電池アセンブリは、車両に搭載されており、車両の側面方向に、保護構造体の傾斜フレームが向くように車両に取り付けられているように構成することが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、車両の側面方向に保護構造体の傾斜フレームが位置するので、車両の側面からの衝突に対して傾斜フレームが進入してきた物体による衝撃を受けることになる。よって、燃料電池ユニットを衝撃から保護することが可能である。
【００２０】
（４）保護構造体は、車両のフレーム構造の一部を構成する補強フレームに締結されており、補強フレームと保護構造体とは、締結強度を増加させるブラケットにより締結されていることは好ましい。
【００２１】
かかる構成によれば、保護構造体がフレーム構造の一部である補強フレームにブラケットとともに高い強度で締結されている。このため、車両の側面から衝突の衝撃が保護構造体に加わったとしても、補強フレームとの締結部分を中心に移動しながら燃料電池アセンブリ全体が回転移動して衝突の衝撃を緩和し、燃料電池を衝撃から保護する。
【００２２】
（５）保護構造体には、車両の前進方向側とは反対側に、燃料電池の関連部品が設けられていることは好ましい。
【００２３】
かかる構成によれば、燃料電池の関連部品が車両前進方向とは反対側で保護構造体に取り付けられているため、車両の前方からの衝突の影響を受けず、車両の側面からの衝突が及んでも保護構造体とともに移動するよう構成されている。よって、衝撃に比較的弱く、水素供給系等水素漏れが心配な燃料電池の関連部品を衝突の衝撃から効果的に保護することができる。
【００２４】
（６）保護構造体の設置面には、パネルが設けられていることは好ましい。
【００２５】
かかる構成によれば、保護構造体の設置面に設けられたパネルが保護構造体の機械的強度を増加させるので、車両の側面からさらに高い衝撃が加わっても燃料電池ユニットを保護することが可能である。
【００２６】
（７）燃料電池ユニットは、さらに電源関連装置を収納するように構成してもよい。
【００２７】
かかる構成によれば、燃料電池ユニットが燃料電池の他に、電源関連装置、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバーターを収納するので、電源関連装置も含めて車両側面からの衝突の衝撃から保護することが可能である。
【００２８】
（８）本発明の態様の一つを、燃料電池を備えた車両とすることも可能である。この車両は、燃料電池を収容する燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットを設置する設置面を有する保護構造体と、を備える燃料電池アセンブリを有し、保護構造体は、設置面に対して斜めに設けられた傾斜フレームを有し、保護構造体と燃料電池ユニットとは、保護構造体の傾斜フレームに前燃料電池ユニットのいずれかの側面が対向するように設置され、かつ、車両の前進方向に対して横方向に、保護構造体の傾斜フレームが向くように車両に取り付けられていることを特徴とする。
【００２９】
かかる構成によれば、車両に設置される燃料電池アセンブリは、燃料電池ユニットが保護構造体に設置され、燃料電池ユニットの側面に傾斜フレームが設けられ、その傾斜フレームが車両の側面方向に配置される。このため、燃料電池ユニットの高さに進入してきた物体は保護構造体または傾斜フレームのいずれかの位置に最初に当接し、燃料電池ユニットに直接衝撃が加わることが抑制される。衝撃が保護構造体または傾斜フレームに加わった場合には、燃料電池ユニットが保護構造体とともに物体の進入側とは反対側に向けて移動しながら、衝突の衝撃を吸収する。このため、燃料電池ユニットを保護しながら衝突の衝撃を効果的に吸収させることができる。特に、保護構造体は側面からの衝突の衝撃を受ける構造物を傾斜フレームとしたので、燃料電池ユニットの高さ全ての保護を最も軽量な構造物で実現している。このため車両の燃費を悪化させることなく安全性を高めることに成功している。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、燃料電池ユニットが傾斜フレームを有する保護構造体に設置されているので、車両重量を増加させることなく車両の側面からの衝突による衝撃から燃料電池を保護することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図。
【図２】実施形態１における車両への燃料電池システムの各ユニット配置を説明する、側面図、平面図、および正面図。
【図３】実施形態１における燃料電池アセンブリの配置を説明する車両底面図。
【図４】実施形態１における燃料電池アセンブリの配置を説明する車両側面図。
【図５】実施形態１における燃料電池アセンブリおよびコンバーターアセンブリの斜視図。
【図６】実施形態１における燃料電池ユニットの構造を説明する斜視図。
【図７】実施形態１における燃料電池アセンブリの斜視図。
【図８】実施形態１における燃料電池アセンブリの組み立て説明図。
【図９】実施形態１における燃料電池の関連部品の配置説明図。
【図１０】燃料電池アセンブリにおける機能説明図であり、図１０（Ａ）は側面衝突時、図１０（Ｂ）は燃料電池ユニットの位置まで物体が進入してきた時の図。
【図１１】実施形態２における燃料電池アセンブリの斜視図。
【図１２】実施形態２における燃料電池アセンブリの配置を説明する車両側面図。
【図１３】実施形態２における燃料電池アセンブリの配置を説明する車両底面図。
【図１４】実施形態２における燃料電池ユニットの内部配置を説明する斜視図であり、図１４（Ａ）は燃料電池スタックを縦長に積層した形態、図１４（Ｂ）は燃料電池スタックを横長に積層した形態。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００３３】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、燃料電池スタックを単独で収納する燃料電池ユニットを保護構造体に設置した燃料電池アセンブリに関する。本実施形態１において、燃料電池アセンブリを含む燃料電池システムは車両に搭載される（燃料電池車）。以下、まず燃料電池システムの構成について説明してから、燃料電池アセンブリの詳細について説明する。
【００３４】
（システム構成）
図１は、本発明が適用された燃料電池システムの構成図である。
図１における燃料電池システム１０は、燃料ガス供給系統４、酸化ガス供給系統７、冷却液供給系統３、電力系統９を備えて構成されている。燃料ガス供給系統４は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための系統である。酸化ガス供給系統７は、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための系統である。冷却液供給系統３は、燃料電池２０を冷却するための系統である。電力系統９は、燃料電池２０からの発電電力を充放電するための系統である。
【００３５】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面に、アノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によって挟み込まれている。このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間には、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６が形成されている。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。燃料電池２０では、以下の式（１）〜（３）に示すような電気化学反応を生ずる。
【００３６】
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・（３）
【００３７】
アノード極２２側では、式（１）に示すような反応を生じる。カソード極２３側では、式（２）に示すような反応を生じる。燃料電池２０の全体としては、式（３）に示すような反応が生じている。このような電気化学反応を生じさせるために、燃料電池２０は、後述するようなハウジングに収納されて燃料電池ユニットという形態で車両に搭載される。
【００３８】
なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示している。実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。
【００３９】
燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却路３１、温度センサ３２および３５、ラジエータ３３、バルブ３４、並びに冷却液ポンプ３５を備える。冷却路３１は、冷却液を循環させる流路である。温度センサ３２は、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度検出手段である。ラジエータ３３は、冷却液の熱を外部に放熱する熱交換器である。バルブ３４は、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整する弁手段である。冷却液ポンプ３５は、図示しないモーターにより冷却液を加圧して循環させる駆動手段である。温度センサ３６は、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度検出手段である。
【００４０】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２、燃料ガス供給路４０、および循環経路５１を備えている。燃料ガス供給装置４２は、燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスを貯蔵する貯蔵手段である。燃料ガス供給路４０は、当該燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための流路手段である。循環経路５１は、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス供給路４０に循環させるための流路手段（循環経路）である。
【００４１】
燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。当該実施形態においては、燃料ガス供給装置４２として、第１燃料ガスタンク４２ａおよび第２燃料ガスタンク４２ｂを備える。
【００４２】
燃料ガス供給路４０には、元弁４３、圧力センサ４４、イジェクタ４５、および遮断弁４６が設置されている。元弁４３は、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁である。圧力センサ４４は、元弁４３の下流側であってイジェクタ４５の上流側の管路における比較的高い燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段である。イジェクタ４５は、循環経路５１の内部の燃料ガス圧力を調整する調整弁である。遮断弁４６は、燃料電池２０への燃料ガス供給の有無を制御する弁手段である。
【００４３】
循環経路５１には、遮断弁５２、気液分離器５３、排出弁５４、および水素ポンプ５５を備える。遮断弁５２は、燃料電池２０から循環経路５１への燃料オフガス供給の有無を制御する弁手段である。気液分離器５３は、燃料オフガスに含まれる水分を除去する分離手段である。排出弁５４は、気液分離器５３により分離された水分を外部に排出する弁手段である。水素ポンプ５５は、図示しないモーターを備えており、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス供給路４０に還流させる強制循環装置である駆動手段である。水素ポンプ５５の駆動によって、燃料ガス供給路４０と循環経路５１との合流点において、燃料オフガスが燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７および水素ポンプ５５前後の循環経路圧力を検出する圧力センサ５８・５９が設置されている。
【００４４】
さらに循環経路５１には、排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１には、パージ弁６３および希釈器６２が設けられている。排気流路６１は、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを車外に排気するための排出手段である。パージ弁６３は、燃料オフガスの排気を制御するための弁手段である。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環が繰り返されて不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。希釈器６２は、燃料オフガスを酸化オフガスで希釈して酸化反応の生じない濃度まで希釈する希釈手段であり、例えば水素濃度低減装置である。
【００４５】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、酸化ガス供給路７１、および酸化オフガス排出路７２が配管されている。酸化ガス供給路７１は、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための流路手段である。酸化オフガス排出路７２は、カソードガスチャンネル２６から排気される酸化オフガス（カソードオフガス）を排気するための流路手段である。
【００４６】
酸化ガス供給路７１には、エアクリーナ７４、およびエアコンプレッサー７５が設けられている。エアクリーナ７４は、大気からエアを取り込んでろ過し、酸化ガス供給路７１に供給する取り込み手段であり、かつ、ろ過手段である。エアコンプレッサー７５は、取り込んだエアを図示しないモーターにより圧縮し、圧縮したエアを酸化ガスとしてカソードガスチャンネル２６に送給する駆動手段である。エアコンプレッサー７５には、エアコンプレッサー７５のエア供給圧力を検出する圧力センサ７３が設置されている。
【００４７】
酸化ガス供給路７１と酸化オフガス排出路７２との間には加湿器７６が設けられている。加湿器７６は、酸化ガス供給路７１と酸化オフガス排出路７２との間で湿度を交換し、酸化ガス供給路７１の湿度を上昇させる。
【００４８】
酸化オフガス排出路７２には、調圧弁７７、およびマフラー６５が設けられている。調圧弁７７は、酸化オフガス排出路７２の排気圧力を調整するレギュレータとして機能する調圧手段である。マフラー６５は、酸化オフガスの排気音を吸収する消音手段である。調圧弁７７から排出された酸化オフガスは分流される。分流された酸化オフガスの一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈される。分流された酸化オフガスの他方は、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。
【００４９】
燃料電池システム１０の電力系統９には、電圧センサ８４、電流センサ８６、燃料電池用ＦＣコンバーター９０、バッテリー９１、バッテリーコンピューター９２、インバーター９３、車両走行用モーター９４、インバーター９５、高電圧補機９６、リレー９７、およびバッテリー用ＤＣ−ＤＣコンバーター９８が接続されている。これらは本実施形態における「関連装置」である。
【００５０】
ＦＣコンバーター９０は、一次側端子に接続された燃料電池２０の出力電圧を昇圧して、二次側端子に接続されたインバーター９３の入力端子に供給する。バッテリーコンバーター９８は、燃料電池２０の発電電力が不足している場合には、一次側端子に接続されたバッテリー９１の出力電圧を昇圧して、二次側端子に接続されたインバーター９３の入力端子に供給する。また、燃料電池２０に余剰電力が発生した場合には、燃料電池２０の余剰電力がＦＣコンバーター９０およびバッテリーコンバーター９８経由でバッテリー９１に充電される。さらに、車両走行用モーター９４への制動動作により回生電力が発生した場合には、回生電力がバッテリーコンバーター９８経由でバッテリー９１に充電される。 ＦＣコンバーター９０は、二次側端子にリレー９７を備えている。リレー９７は、通常状態では導通接続を維持するようになっている。しかし、ＦＣコンバーター９０に対して一定の衝撃が加えられると、リレー９７は遮断状態となり、ＦＣコンバーター９０の二次側端子を、インバーター９３、インバーター９５、およびバッテリーコンバーター９８から電気的に切り離すように構成されている。
【００５１】
またＦＣコンバーター９０の二次側端子は、後述する電源プラグ２８３を介して、インバーター９３およびインバーター９５の入力端子、並びに、バッテリーコンバーター９８の二次側端子に、電気的に接続されるように構成されている。
【００５２】
バッテリー９１は、二次電池として余剰電力や回生電力を充電する蓄電装置である。バッテリーコンピューター９２は、バッテリー９１の充電状況を監視する監視手段である。インバーター９３は、ＦＣコンバーター９０またはバッテリーコンバーター９８経由で供給された直流電流を三相交流電流に変換し、駆動対象となる車両走行用モーター９４に供給する直流−交流変換手段である。車両走行用モーター９４は、この燃料電池車の主たる駆動装置であり、インバーター９３からの三相交流電流によって駆動される駆動手段である。インバーター９５は、燃料電池システム１０を構成する各種の高電圧補機９６に交流電力を供給する直流−交流変換手段である。高電圧補機９６は、車両走行用モーター９４以外のモーターを利用した駆動手段の総称である。具体的には、冷却液ポンプ３５、水素ポンプ５５、エアコンプレッサー７５等のモーター類を表す。
【００５３】
電圧センサ８４は、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧検出手段であり、電流センサ８６は、燃料電池２０の出力電流を測定する電流検出手段である。電圧センサ８４および電流センサ８６は、燃料電池２０の出力電圧および出力電流を検出するために用いられる。
【００５４】
なお、車両走行用モーター９４には、車両走行用モーター９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。車両走行用モーター９４は、ディファレンシャルを介して車輪であるフロントタイヤ１０１が機械的に結合されており、車両走行用モーター９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。
【００５５】
さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池システム１０の発電全体を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、図示しない、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピューターで構成されている。制御部８０は、一つのコンピューターで構成されていても、協働する複数のコンピューターで構成されていてもよい。制御部８０は、例えば以下のような制御を行うが、これらに限られない。
【００５６】
（１）イグニッションスイッチ８２からのスイッチ信号を入力して、燃料電池システム１０を始動させたり停止させたりすること；
（２）図示しないガスペダル、シフトポジションの検出信号、回転数センサ９９からの回転数信号を取り込んで、必要な電力供給量であるシステム要求電力等の制御パラメーターを演算すること；
（３）圧力センサ７３が検出した酸化ガス供給路７１の圧力相対値に基づき、酸化ガス供給路７１への酸化ガス供給量が適正な量となるよう、エアコンプレッサー７５の回転数を制御すること；
（４）酸化オフガス排出路７２に排出される酸化オフガス量が適切になるように、調圧弁７７の開度を制御すること；
（５）圧力センサ４４、５８、５９が検出した圧力相対値に基づき、燃料ガス供給路４０に供給される酸化ガス供給量が適切な量となるように、元弁４３の開度やイジェクタ４５の調整圧力を調整すること；
（６）回転数センサ５７の値を監視しながら、循環経路５１に循環する燃料オフガス量が適切な量となるように、水素ポンプ５５の回転数を制御したりパージ弁６３の開度を制御したりすること；
（７）運転モードに応じて元弁４３、遮断弁４６、遮断弁５２等の開閉を制御すること；
（８）温度センサ３２、３６の検出した冷却液温度の相対値に基づき冷却液の循環量を演算し、冷却液ポンプ３５の回転数を制御すること；
（９）電圧センサ８４により検出された電圧値、電流センサ８６により検出された電流値に基づき、燃料電池２０の交流インピーダンスを算出し、電解質膜の含水量を推測演算し、車両停止時等の掃気量を制御すること；および
（１０）電力系統９の制御、例えば、ＦＣコンバーター９０、インバーター９３および９５、車両走行用モーター９４、高電圧補機９６等を制御すること。
【００５７】
（車両における燃料電池システムの配置）
次に図２〜図１０を参照しながら、本実施形態１における燃料電池アセンブリの構成について説明する。
【００５８】
図２に燃料電池車における燃料電池システムの主要な装置の配置を示す。図２では、側面図（Side View）、平面図（Plan View）、および正面図（Front View）が示されている。
【００５９】
以下の実施形態では、便宜上、車両１００が「ドライブ」（運転）にシフトチェンジされた場合に進行する方向（図２の側面図および平面図における右方向）を「前」（前方向、前側）とし、「後退」（バック）にシフトチェンジされた場合に進行する方向（図２の側面図および平面図における左方向）を「後」（後方向、後側）とする。さらに、前方向または後方向に対して水平面横の方向（図２の平面図で上方向または下方向、図２の正面図で右方向または左方向）を「横」または「横方向」と称する。また「横方向」のうち、「前方向」に向かって右側方向を「右」、左側方向を「左」と称する。また車両１００の高さ方向のうち、上向きの方向（図２の側面図および正面図の上方向）を「上」（上方向、上側）とし、下向きの方向（車両１００の路面方向、図２の側面図および正面図の下方向）を「下」（下方向、下側）とする。
【００６０】
図２の側面図および平面図に示すように、車両１００、フロントタイヤ１０１、リヤタイヤ１０２、フロントシート１０３、およびリヤシート１０４は、破線で外形が示されている。図２の側面図に示すように、搭乗者が乗り込むコンパートメントを仕切るダッシュボード１０５が太字破線により示されている。燃料電池システム１０の各構成装置は、実線で外形が示されている。図２では、燃料電池システム１０の各構成装置のうち、特に、燃料電池２０、ＦＣコンバーター９０、インバーター９３、車両走行用モーター９４、第１燃料ガスタンク４２ａ、および第２燃料ガスタンク４２ｂについての配置が例示されている。
【００６１】
図２の側面図に示すように、ダッシュボード１０５で仕切られた車両１００の底部に燃料電池システム１０の各構成要素が配置されている。燃料電池２０は、車両の前後方向における車両全長および左右方向における車両幅のほぼ中間部であって、フロントシート１０３の下側に配置されている。ＦＣコンバーター９０は、燃料電池２０の出力端子が直接接続されるため、燃料電池２０に隣接して、燃料電池２０の前側に配置されている。搭乗者の足下を広くするため、ダッシュボード１０５には、右側フロントシート１０３Ｒと左側フロントシート１０３Ｌとの間に前後方向に盛り上がったトンネル部１０９が設けられている。ＦＣコンバーター９０は、このトンネル部１０９に収容されている。車両走行用モーター９４は、フロントタイヤ１０１を駆動するために、フロントタイヤ１０１の近傍であって車両１００の前側に配置されている。インバーター９３は、車両走行用モーター９４に電力を供給するため、車両走行用モーター９４の近傍に配置されている。第１燃料ガスタンク４２ａは、燃料電池２０に燃料ガスを供給するため、燃料電池２０の後側に配置されている。第２燃料ガスタンク４２ｂは、第１燃料ガスタンク４２ａのさらに後側に設けられている。
【００６２】
上述したように、燃料電池２０およびＦＣコンバーター９０は、平面視では車両１００のほぼ中心付近であって、側面視ではダッシュボード１０５の下側に設けられている。車両１００の前後方向に延在するフレームや車両１００の幅方向に延在するクロスメンバーが、燃料電池２０およびＦＣコンバーター９０を取り囲むように配置されている。このため、車両１００の前方からの衝突の他、横方向からの衝突に対しても容易に破壊されない位置に設けられている。さらに燃料電池２０は、後述するように、本発明の燃料電池アセンブリとしての構成を備えているので、横方向からの衝突に対して極めて高い耐性を備えている。
【００６３】
なお、後述の説明において、燃料電池２０は、燃料電池アセンブリ２００の形態で、ＦＣコンバーター９０は、コンバーターアセンブリ２５０の形態で、それぞれ車両１００に配置される。
【００６４】
また以下に説明する各種部材は、一定の剛性を有する金属材料、例えば、アルミニウム、ＳＵＳ、鉄等で構成されるものとする。金属材料は、加工の容易さ、強度、耐性、重量、コスト等の観点から任意に選択可能である。金属材料に公知の硬化処理、例えば焼き入れや合金化を図ってもよい。
【００６５】
図３に本実施形態１における燃料電池アセンブリの配置を含む車両底面の底面図を示す。
図３に示すように、車両１００の底部全面にフロアパネル１１１が設けられている。車両１００の前部において、底部にフロントフレーム１１４および１１５が延在して設けられており、車両１００前部の骨格構造を形成している。フロントフレーム１１４および１１５の最前部には、フロントクロスメンバー１１０が設けられており、さらに図１で示したラジエータ３３が取り付けられている。フロントクロスメンバー１１０の後側には、フロントサスペンションメンバー１１２が設けられている。フロントサスペンションメンバー１１２は、フロントフレーム１１４および１１５に締結されている。フロントクロスメンバー１１０とフロントサスペンションメンバー１１２とで囲まれた領域には、図１および図２で示した車両走行用モーター９４が配置されるようになっている。
【００６６】
燃料電池アセンブリ２００は、車両前側においてフロントフレーム１１４およびフロントフレーム１１５に締結されており、車両後側において第３クロスメンバー１３６に締結されている。図３に示すように、フロントフレーム１１４および１１５のフロントサスペンションメンバー１１２の締結位置の後方から燃料電池アセンブリ２００にかけて、一対のサブフレーム１１８およびサブフレーム１１９が延在している。サブフレーム１１８および１１９の端部は、燃料電池アセンブリ２００の保護構造体２２０（図５以降で後述する）にブラケット１２２およびブラケット１２３と共に締結されている。一対のサブフレーム１１８および１１９の間には、コンバーターアセンブリ２５０（図５以降で後述する）が配置されている。コンバーターアセンブリ２５０は、サブフレーム１１８および１１９に締結されている。なお、図３では、保護構造体２２０の下面に設けられる保護パネル２４０（図７で後述する）の図示は省略してある。
【００６７】
車両１００の側面には、サイドロッカーメンバー１２８およびサイドロッカーメンバー１２９が設けられている。サイドロッカーメンバー１２８および１２９には、前側から後側にかけて、第１クロスメンバー１２６、第２クロスメンバー１３２、および第３クロスメンバー１３６が掛け渡されて締結されており、車両１００の横方向からの衝撃に対する剛性構造を提供している。燃料電池アセンブリ２００は、本願発明に係り、平面視において、前後方向においては第１クロスメンバー１２６と第３クロスメンバー１３６との間であって、幅方向においてはフロントフレーム１１４とフロントフレーム１１５との間に配置されている。
【００６８】
車両１００の後部において、サイドロッカーメンバー１２８および１２９の後側からリヤタイヤ１０２の周辺に掛けて、リヤロッカーメンバー１４６およびリヤロッカーメンバー１４７が延在している。リヤロッカーメンバー１４６および１４７には、前側から後側にかけて、第４クロスメンバー１３８、第５クロスメンバー１５０、およびリヤクロスメンバー１６０が掛け渡されて締結されており、車両後部の横方向からの衝撃に対する耐性構造を提供している。リヤロッカーメンバー１４６および１４７において、第４クロスメンバー１３８の後側には、サブクロスメンバー１４４が掛け渡されており、第４クロスメンバー１３８とサブクロスメンバー１４４との間に第１燃料ガスタンク４２ａが配置されている。第４クロスメンバー１３８とサブクロスメンバー１４４との間には、バインダ１４０およびバインダ１４１が設けられており、第１燃料ガスタンク４２ａを固定している。第５クロスメンバー１５０の後部には、サブクロスメンバー１５１が掛け渡されており、第５クロスメンバー１５０とサブクロスメンバー１５１との間に第２燃料ガスタンク４２ｂが配置されている。第５クロスメンバー１５０とサブクロスメンバー１５１との間には、バインダ１５２およびバインダ１５３が設けられており、第２燃料ガスタンク４２ｂを固定している。
なお、上記構成において、フロントサスペンションメンバー１１２の中央部後側には、切り欠き状の変形促進部１１３が設けられている。変形促進部１１３は、車両前方から衝突の衝撃が加わり、フロントサスペンションメンバー１１２がコンバーターアセンブリ２５０に当接すると、容易に変形して折れ曲がってエネルギーを吸収する。そのため、それ以上、コンバーターアセンブリ２５０が後退することを抑制可能になっている。
【００６９】
図４に本実施形態１における燃料電池アセンブリの配置を含む車両側面図を示す。
図４に示すように、車両走行用モータ−９４は、取付ゴム１３１を介して、フロントサスペンションメンバー１１２に設けられたモーターマウント１３０に締結されている。車両前方からの衝突の衝撃があると、車両走行用モーター９４が後退し、フロントサスペンションメンバー１１２が後退するような構造になっている。図２でも前述したように、ダッシュボード１０５の一部であってフロントシート１０３Ｒおよび１０３Ｌの間に設けられたトンネル部１０９の内部に、燃料電池アセンブリ２００およびコンバーターアセンブリ２５０が配置されている。サイドロッカーメンバー１２８および１２９の前方からはフロントピラー１０６が立設し、中央部からはセンターピラー１０７が立設している。リヤロッカーメンバー１４６の中央部からはリヤピラー１０８が立設している。図３で前述したように、サイドロッカーメンバー１２８および１２９は、第１クロスメンバー１２６、第２クロスメンバー１３２、第３クロスメンバー１３６により、燃料電池アセンブリ２００を囲む骨格構造が構成されている。
【００７０】
なお、上記構成において、各フレーム、メンバー、ピラーはいずれも、板金に起伏構造を設けた構造、または、そのような板金を複数組み合わせた剛性強化構造を備えている。このような構造を採用することによって、軽量で高い機械的強度を提供可能となっている。
【００７１】
（燃料電池アセンブリの構造）
次いで燃料電池アセンブリ２００の構造について詳細に説明する。
図５に、本実施形態１における燃料電池アセンブリ２００およびコンバーターアセンブリ２５０の斜視図を示す。図２〜図４に示す車両１００には、コンバーターアセンブリ２５０が前側、燃料電池アセンブリ２００が後側になるように設置される。以下の説明において「前側」または「後側」というときには、このような向きに設置された状態を前提としている。
【００７２】
図５に示すように、燃料電池アセンブリ２００は、保護構造体２２０に燃料電池ユニット２０１が設置されて構成されている。燃料電池ユニット２０１は、上側ハウジング２０２と下側ハウジング２０３とを上側フランジ２０４および下側フランジ２０６を整合させて締結することで構成される。保護構造体２２０は、枠構造体２２１の対向する二辺上に傾斜フレーム２３４および傾斜フレーム２３５が設けられている。枠構造体２２１の前側の角部には、取付部２２６および取付部２２７が設けられ、後側の角部には、取付部２２４および取付部２２５が設けられている。保護構造体２２０は、取付部２２６および２２７において、図３に示すフロントフレーム１１４および１１５に締結され、取付部２２４および２２５において、図３に示す第３クロスメンバー１３６に締結されるようになっている。
【００７３】
ここで、図５に示すように、保護構造体２２０は、傾斜フレーム２３４または２３５が車両幅方向を向くように、図２〜図４に示す車両１００に取り付けられる。燃料電池ユニット２０１も、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６のうち、傾斜している部分が車両幅方向を向くように保護構造体２２０に取り付けられる。このとき、図５に示すように、燃料電池ユニット２０１は、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６の傾斜方向が、保護構造体２２０の傾斜フレーム２３４および２３５の傾斜方向と反対向きになるように保護構造体２２０に取り付けられる。このような構成を採用することにより、本実施形態における燃料電池アセンブリ２００は、車両横方向からの衝撃に格段に強い構造となっている。詳しくは後述する。
【００７４】
図５に示すコンバーターアセンブリ２５０は、上側ハウジング２５１と下側ハウジング２５２とにより構成されている。ＦＣコンバーター９０の前側には、冷却液入口２５３および冷却液出口２５４が設けられている。ＦＣコンバーター９０の後側には電源ケーブル２５９が設けられており、端子コネクタ２６０によって燃料電池ユニット２０１内部に設けられる燃料電池２０と電気的に接続されるようになっている。またＦＣコンバーター９０の後部には先端にプラグ２８３が設けられた電源ケーブル２８２が接続されており、車両走行用モーター９４に電力を供給可能に構成されている。
ＦＣコンバーター９０には、下側ハウジング２５２の下面に底面保護プレート２６２が設けられており、下側ハウジング２５２の前方傾斜面２５６に前面保護プレート２７０が設けられている。底面保護プレート２６２により、車両１００の下側からの衝突（路面干渉）の衝撃からＦＣコンバーター９０を保護可能に構成されている。前面保護プレート２７０により、車両１００前方からの衝突により後退するフロントサスペンションメンバー１１２からＦＣコンバーター９０を保護可能に構成されている。また、コンバーターアセンブリ２５０は、底面保護プレート２６２に設けられた取付部２６３および取付部２６５により、図３に示すサブフレーム１１８および１１９に締結されるようになっている。
【００７５】
（燃料電池ユニット２０１）
図６に、実施形態１における燃料電池ユニット２０１の構造を説明する斜視図を示す。図６では、説明を簡単にするために、燃料電池２０からの酸化ガスや燃料ガスの供給／排出のための配管類、燃料電池２０の発電電力を取り出す端子類の図示を省略してある。
【００７６】
図６に示すように、燃料電池ユニット２０１は、上側を覆う上側ハウジング２０２と下側を覆う下側ハウジング２０３とを組み合わせた内部空間に、燃料電池２０を収納することにより構成されている。上側ハウジング２０２には、上面２１２を取り囲む４つの側面２１０を一周して上側フランジ２０４が設けられている。下側ハウジング２０３には、底面２１３を取り囲む４つの側面２１１を一周して下側フランジ２０６が設けられている。上側ハウジング２０２と下側ハウジング２０３とを図６に示すように組み合わせた場合に、上側フランジ２０４に設けられた締結穴２０５が、下側フランジに設けられた締結穴２０７に整合するようになっている。よって、燃料電池２０を内部に収納して、上側ハウジング２０２と下側ハウジング２０３とを組み合わせ、上側フランジ２０４と下側フランジ２０６とを締結部材で締結することにより、燃料電池ユニット２０１が組み立てられる。締結部材としては、例えば、図６に示すように、ボルト２０８およびナット２０９が用いられる。上側フランジ２０４の締結穴２０５と下側フランジ２０６の締結穴２０７とにボルト２０８を挿通させて、反対側からナット２０９を締結することで、上側ハウジング２０２と下側ハウジング２０３とが締結される。
【００７７】
燃料電池ユニット２０１の上面２１２には、複数の起伏形状２１４および換気窓２１５が設けられている。起伏形状２１４は図示しないが燃料電池ユニット２０１の底面２１３にも設けられている。起伏形状２１４を備えることにより、燃料電池ユニット２０１自体の機械的強度を向上している。燃料電池ユニット２０１の底面２１３の４つのコーナーには、後に説明する保護構造体２２０に取り付けるためのネジ穴が設けられている。
【００７８】
ここで、図６に示すように、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６は、２つの対向する側面２１０および２１１において傾斜している。すなわち燃料電池ユニット２０１の側面２１０および２１１を斜めに横断するように、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６が形成されている。一般的に、フランジが形成されている部分は機械的強度が増加する。このため、フランジを形成しない場合に比べ、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６が斜めに形成されている側面２１０および２１１の機械的強度が向上している。本実施形態では、この燃料電池ユニット２０１が以下の保護構造体２２０に設置されることにより、さらに横方向からの衝突に対する機械的強度を高められるように構成されている。
【００７９】
（保護構造体２２０）
図７に、本実施形態１における保護構造体２２０の斜視図を示す。図７に示すように、保護構造体２２０は、上記燃料電池ユニット２０１が設置されるフレーム構造を有しており、燃料電池ユニット２０１を取り囲む枠構造体２２１を有する。枠構造体２２１の車両後側の２つの角部には、それぞれ柱状部材２２２が立設している。枠構造体２２１の車両前側の２つの角部の各々からは、それぞれの柱状部材２２２の頂部に掛けて、前述した傾斜フレーム２３４および２３５が斜めに掛け渡されて設けられている。２つの柱状部材２２２の頂部の間には、補強フレーム２２３が掛け渡されている。
【００８０】
また枠構造体２２１のうち車両前側の辺部材には、図３に示すサブフレーム１１８および１１９の末端に締結するための締結穴２３２および締結穴２３３が複数ずつ設けられている。枠構造体２２１の前側の角部２つには、取付部２２６および取付部２２７が設けられており、締結穴２３０および締結穴２３１が形成されている。枠構造体２２１の後側の角部２つには、取付部２２４および取付部２２５が設けられ、締結穴２２８および締結穴２２９が形成されている。
【００８１】
また枠構造体２２１を構成する辺部材によって形成される各コーナーには、燃料電池ユニット２０１を締結するための取付座２３６が設けられている。取付座２３６には、締結穴２３７が形成されている。取付座２３６の下側（裏面）からは、図８に示す保護パネル２４０が取り付けられるようになっている。
【００８２】
（燃料電池アセンブリ２００の組み立て）
図８に、実施形態１における燃料電池アセンブリ２００の組み立て説明図を示す。図８に示すように、燃料電池アセンブリ２００は、上述した保護構造体２２０の上面に燃料電池ユニット２０１が設置され、下面に保護パネル２４０が設置されて構成される。
【００８３】
保護パネル２４０は、図２に示す車両底面からの衝突（路面干渉）から燃料電池ユニット２０１を保護するための保護手段である。保護パネル２４０の材料としては、軽量化のためアルミニウム等の軽量な金属を用いることが好ましいが、強い路面干渉の衝撃に耐えうるように強化処理を施した材料であってもよい。本実施形態では、アルミニウムのパネル本体２４１にカーボンクロスファイバー２４６を混入させて補強して構成されている。保護パネル２４０の４つの角には、保護構造体２２０に締結するための締結穴２４２〜２４５が設けられている。
【００８４】
図８に示すように、燃料電池ユニット２０１は、保護構造体２２０の上側から取り付けられ、保護パネル２４０は、保護構造体２２０の下側から取り付けられる。具体的には、燃料電池ユニット２０１は、保護構造体２２０の取付座２３６の上面側に燃料電池ユニット２０１の底面２１３が接するように載置される。保護パネル２４０は、枠構造体２２１の内側に取付座２３６の裏面に接するまで嵌め込まれる。保護パネル２４０の下側から、保護パネル２４０に設けられた締結穴２４２〜２４５のそれぞれ、および、取付座２３６に設けられた締結穴２３７に、締結部材であるボルト２０８を挿通させる。そして、燃料電池ユニット２０１の底面２１３に設けられたネジ穴にボルト２０８を螺合させて、燃料電池ユニット２０１および保護パネル２４０を保護構造体２２０と一体化させる。
【００８５】
このようにして一体化された保護構造体２２０は、図２〜４に示す車両１００に取付られる。まず、保護構造体２２０の車両前側の取付部２２６および２２７は、フロントフレーム１１４および１１５に取り付けられる。取付部２２６は、その締結穴２３０とフロントフレーム１１４の締結穴１１６とに、締結部材であるボルト２０８が一方側から挿通され、他方側からナット２０９が螺合されることにより締結される。取付部２２７は、その締結穴２３１とフロントフレーム１１５の締結穴１１７とにボルト２０８が一方側から挿通され、他方側からナット２０９が螺合されることにより締結される。
【００８６】
また図８に示すように、保護構造体２２０の車両前側の辺部材は、ブラケット１２２および１２３を補強部材として、サブフレーム１１８および１１９に強固に締結される。保護構造体２２０の車両前側の辺部材に設けられた締結穴２３２は、サブフレーム１１８の締結穴１２０、およびブラケット１２２の締結穴１２４と整合するよう位置決めされる。そして、締結部材であるボルト２０８が一方側から挿通されて、他方側からナット２０９が螺合されて、サブフレーム１１８の端部に締結される。また保護構造体２２０の車両前側の辺部材に設けられた締結穴２３３は、サブフレーム１１９の締結穴１２１、およびブラケット１２３の締結穴１２５と整合するよう位置決めされる。そして、ボルト２０８が一方側から挿通されて、他方側からナット２０９が螺合されて、サブフレーム１１９の端部に締結される。ブラケット１２２および１２３を補強部材として用いているので、サブフレーム１１８および１１９と保護構造体２２０との締結は極めて強固になっている。さらにブラケット１２２および１２３を、保護構造体２２０と溶接により固定してもよい。溶接による固定を適用することにより、ボルトやナットなどの締結部材により固定した場合より、さらに強固な締結が行える。
【００８７】
また保護構造体２２０の車両後側の角部に設けられた取付部２２４および２２５は、第３クロスメンバー１３６に締結される。すなわち、取付部２２４および２２５の締結穴２２８および２２９と第３クロスメンバー１３６の締結穴１３７とが位置決めされ、ボルト２０８が一方側から挿通されて、他方側からナット２０９が螺合されて締結される。
【００８８】
ここで、特に本実施形態では、燃料電池ユニット２０１は、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６のうち傾斜している部分が配置される側面２１０および２１１が、車両幅方向を向くように取付座２３６に取り付けられている。フランジが設けられた面が車両幅方向を向くことで、燃料電池ユニット２０１の横方向からの衝突に対する衝撃耐性を高めることができるからである。
【００８９】
また燃料電池ユニット２０１は、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６の傾斜している部分が、車両前側から車両後側に掛けて低くなっていくような向きで保護構造体２２０に締結されている。一方、保護構造体２２０の傾斜フレーム２３４および２３５は、車両前部から車両後部にかけて高くなるように配置されている。このため、燃料電池ユニット２０１におけるフランジの傾斜方向が、保護構造体２２０の傾斜フレーム２３４および２３５の傾斜方向と反対向きになるように、燃料電池ユニット２０１が保護構造体２２０に取り付けられている。このように、対向する位置に配置された傾斜構造体を互いに逆向きになるよう配置することで、燃料電池アセンブリ２００の機械的強度を一段と高めることが可能である。衝撃に対して極めて剛性の高い交差構造が生じているからである。
【００９０】
（燃料電池関連部品の配置）
図９に、本実施形態１における燃料電池の関連部品の配置説明図を示す。図９は、図３に示す車両の底面図のうち、燃料電池アセンブリ２００、コンバーターアセンブリ２５０、第１燃料ガスタンク４２ａ、および第２燃料ガスタンク４２ｂ抽出した図である。
【００９１】
図９に示すように、燃料電池アセンブリ２００の車両後側には、燃料電池２０に関連性の強い関連装置が配置されている。具体的に、このような関連装置は、燃料電池ユニット２０１の近くに配置することが好ましい部材であり、例えば、燃料電池２０との経路長を短くすることが好ましい装置である。例えば、図１に示すイジェクタ４５、遮断弁４６および５２、図示しないアキュムレータ等が関連装置の例となる。
【００９２】
図９では、イジェクタ４５およびアキュムレータ等の関連装置がバインダ２３８によって保護構造体２２０の後部に取り付けられている。これらの関連装置は燃料電池ユニット２０１の近傍に配置する必要があるため、燃料電池アセンブリ２００の一部として締結されているのである。逆に、第１燃料ガスタンク４２ａや第２燃料ガスタンク４２ｂは、燃料電池アセンブリ２００から離れていてもよい。このように燃料電池アセンブリ２００と離間して設けられる関連装置と燃料電池アセンブリ２００との燃料ガス、酸化ガス、または電力系統の接続には「余長」を設けることが好ましい。「余長」は、燃料ガス供給路、酸化ガス供給路、または電力供給線の一部に屈曲形状等を形成した冗長な部分をいう。余長が存在することにより、車両の衝突時における装置間の距離に変化を生じても、燃料ガス供給路、酸化ガス供給路、または電力供給線の破断を防止し、破断に伴う不都合を抑制可能となる。
図９の例では、燃料ガス供給路４０に破線で囲んだ余長部分Ａおよび余長部分Ｂが形成されている。車両１００に横方向から衝突の衝撃が加わったような場合、燃料電池アセンブリ２００は一体として移動し、燃料電池ユニット２０１の関連装置も燃料電池アセンブリ２００と共に移動する。一方、第１燃料ガスタンク４２ａや第２燃料ガスタンク４２ｂは衝突によって少ししか動かない。このため、燃料電池アセンブリ２００と上記燃料ガスタンクとの相対距離が変化する。しかしながら、このように相対距離が変化したとしても、本実施形態によれば、燃料ガス供給路４０に余長部分Ａおよび余長部分Ｂが形成されているので、相対距離の変化が余長によって吸収される。
【００９３】
（本実施形態１における構造の機能）
図１０を参照して、本実施形態１における燃料電池アセンブリ２００の機能を説明する。図１０（Ａ）は車両１００の側面に物体Ｐが衝突した時の模式図、図１０（Ｂ）は燃料電池ユニット２０１の位置まで物体Ｐが進入してきた時の模式図である。いずれも車両の底面側から観察した図である。保護パネル２４０の図示は省略してある。
【００９４】
図１０（Ａ）に示すように、車両１００の側面に物体Ｐが衝突すると、まずボディＳに当接する。衝突の衝撃が強いと、ボディＳは変形し、物体Ｐが内部に進入してくる。衝突の衝撃が強すぎると、フロントフレーム１１５だけでは衝突の衝撃を吸収しきれず、燃料電池ユニット２０１の位置にまで物体Ｐが進入してくる。衝突した物体Ｐの形状や高さによっては、フロントフレーム１１５による防御が機能せず、燃料電池ユニット２０１に直接物体が進入してくる場合もある。すなわち図１０（Ｂ）に示すように、フロントフレーム１１５が変形し、第３クロスメンバー１３６が変形するような場合である。
【００９５】
このとき、図１０（Ｂ）に示すように、本実施形態１の燃料電池アセンブリ２００は、燃料電池ユニット２０１が保護構造体２２０に設置されているので、進入してきた物体Ｐはまず保護構造体２２０に当接する。このため、燃料電池ユニット２０１に直接衝撃が加わることが抑制される。ここで、本実施形態によれば、燃料電池アセンブリ２００がフロントフレーム１１４および１１５並びにサブフレーム１１８および１１９の末端近くに固定されている。しかも、ブラケット１２２および１２３が利用されているので、サブフレーム１１８および１１９と燃料電池アセンブリ２００との結合は強固である。このため、衝撃が保護構造体２２０に加わった場合には、燃料電池アセンブリ２００は、サブフレーム１１８および１１９を軸とした振り子のように燃料電池アセンブリ２００が移動する（図１０（Ｂ）の斜線矢印）。つまり、燃料電池ユニット２０１が、周囲のフレームを変形させながら、自ら壊れることなく保護構造体２２０とともに物体Ｐの進入側とは反対側に向けて移動する。この過程で衝突の衝撃が吸収される。よって、燃料電池ユニット２０１の破損を防止しながら、衝突の衝撃を効果的に吸収させることができるのである。
【００９６】
特に、本実施形態１の保護構造体２２０によれば、傾斜フレーム２３４および２３５が設けられている。このため、燃料電池ユニット２０１の高さに物体Ｐが進入してきたとしても、傾斜フレーム２３４または２３５のいずれかの位置に物体Ｐが当たり、燃料電池ユニット２０１の横方向から直接物体Ｐが衝突することを防ぐことができる。
【００９７】
また、本実施形態１の燃料電池ユニット２０１によれば、側面２１０および２１１に、保護構造体２２０の傾斜フレーム２３４または２３５とは異なる傾斜の向きでフランジが設けられている。このため、万一、衝突の衝撃で傾斜フレーム２３４または２３５が変形したり物体Ｐが傾斜フレーム２３４または２３５に当接することなく進入してきたりしても、燃料電池ユニット２０１のフランジ自体に当接し、衝撃を緩和する。そのため、燃料電池２０への衝撃を水際で緩和することが可能である。
ｖ さらに、本実施形態１の燃料電池ユニット２０１によれば、その上面２１２および底面２１３に起伏形状２１４が設けられている。このため、起伏形状２１４が設けられた上面２１２および底面２１３の機械的強度が一段と高まるので、仮にフランジを変形させてさらに物体Ｐが進入してきたとしても、燃料電池ユニット２０１のハウジング自体の機械的強度により、内部の燃料電池２０への衝撃を緩和することができる。
【００９８】
さらに、本実施形態１の燃料電池アセンブリ２００によれば、保護構造体２２０の前部がブラケット１２２および１２３によりサブフレーム１１８および１１９に固く締結されている。このため、衝突の衝撃が保護構造体２２０に加わったとしても、保護構造体２２０とサブフレーム１１８および１１９との締結が解除されることがない。保護構造体２２０は、サブフレーム１１８および１１９の端末に締結されているので、衝突の衝撃が横方向から加わった保護構造体２２０は、図１０（Ｂ）に斜線矢印で示すように、外形を保ったまま振り子のように移動する。このような動きにより、フロントフレーム１１４および１１５、第３クロスメンバー１３６に捻りの変形を及ぼし、衝突のエネルギーを効果的に吸収することが可能である。
【００９９】
しかも、上記傾斜フレーム２３４および２３５や燃料電池ユニット２０１のフランジは、金属材料で厚い壁等の保護構造を形成することに比べて、極めて簡単かつ軽量な構造で、十分な燃料電池の保護構造を提供可能であり、コストパフォーマンスが高い。
【０１００】
また、本実施形態１の燃料電池アセンブリ２００によれば、保護構造体２２０の裏面に保護パネル２４０が設けられている。このため、保護パネル２４０が保護構造体２２０自体の機械的強度を増加させる他、車両の底面側からの路面干渉の衝撃から燃料電池ユニット２０１を保護することが可能である。
【０１０１】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、燃料電池アセンブリの変形例に関する。
図１１に本実施形態２における燃料電池アセンブリ３００の斜視図を示す。図１２に本実施形態２における燃料電池アセンブリ３００の配置を説明する車両側面図を示す。図１３に本実施形態２における燃料電池アセンブリ３００の配置を説明する車両底面図を示す。
【０１０２】
図１１および図１３に示すように、本実施形態２の燃料電池アセンブリ３００は、複数の燃料電池関連装置、ここでは、燃料電池ユニット２０１とＦＣコンバーター９０とが車両の幅方向に並べられて構成されている。但し、燃料電池関連装置はこの組み合わせに限られるものではなく、インバーターその他の関連装置を燃料電池ユニット２０１とともに設置するように構成してもよい。保護構造体３１０は、燃料電池ユニット２０１とＦＣコンバーター９０とを収容しうる大きさと形状に形成されている。保護構造体３１０は、後側に後側構造体３２０、前側に前側構造体３３０が、一体をなすように設けられている。
【０１０３】
図１１〜図１３に示すように、後側構造体３２０には、燃料電池ユニット２０１の関連装置を収納する収納部３２１が設置されている。前側構造体３３０には、図１に示す冷却液ポンプ３５、インバーター９５、関連装置収納部３３１が設置されている。ここで、図１２の側面図に示すように、本実施形態２では、後側構造体３２０が燃料電池ユニット２０１の後部に配置される。このため、ダッシュボード１０５のリヤシート１０４の脚置き部分が若干高くなるよう形成されている。
【０１０４】
図１１および図１２に示すように、保護構造体３１０には、上記実施形態１と同様の傾斜フレーム３１１が設けられている。またＦＣコンバーター９０には、上記実施形態１と同様の傾斜フランジ構造Ｆが設けられている。燃料電池ユニット２０１にも、図示しないが、上記実施形態１と同様に、上側フランジ２０４および下側フランジ２０６の組み合わせからなるフランジ構造が設けられている。ＦＣコンバーター９０は、その傾斜フランジ構造Ｆが保護構造体３１０の傾斜フレーム３１１と交差するように配置されている。燃料電池ユニット２０１は、そのフランジ構造が保護構造体３１０の傾斜フレーム３１１と交差するように配置されている。
【０１０５】
なお、上記実施形態２では、燃料電池ユニット２０１と、ＦＣコンバーター９０と、を別体として一つの保護構造体３１０に設置していた。しかし、燃料電池２０とＦＣコンバーター９０とを同じハウジングに収納して、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すような関連装置アセンブリ構造を採用してもよい。
【０１０６】
図１４（Ａ）は、ハウジングの長手方向にセルを積層して燃料電池スタックを構成した関連装置アセンブリ３０１ｂの例である。図１４（Ｂ）は、ハウジングの幅方向にセルを積層して燃料電池スタックを構成した関連装置アセンブリ３０１ｃの例である。
【０１０７】
図１４（Ａ）に示すスタック構造の燃料電池２０ｂでは、ハウジングの長手方向にセルを積層可能であるため積層数を多くし、比較的高い発電電圧を提供することが可能である。しかし、このような関連装置アセンブリ３０１ｂでは、燃料電池２０ｂへの酸化ガスの供給および酸化オフガスの排出、燃料ガスの供給および酸化オフガスの排出、冷却液の供給および排出を燃料電池２０ｂとＦＣコンバーター９０との間の空間３０２から行わなければならない。このため、配管構造体複雑となり、複雑な配管構造のためガス流通の圧損が相対的に高いという不都合もある。
【０１０８】
図１４（Ｂ）に示すスタック構造の燃料電池２０ｃでは、ハウジングの幅方向にしたセルを積層できないため、比較的低い発電電圧しか提供できず、ＦＣコンバーター９０による昇圧量が大きいという不都合がある。しかし、酸化ガス、酸化オフガス、燃料ガス、燃料オフガス、冷却液とも、ハウジングの側面のうち、供給／排出が必要な位置に配管すればよい。このため、このような関連装置アセンブリ３０１ｃでは、配管構造が簡単でありガス流通の圧損が相対的に低いという利点がある。双方の形態の利点と不都合とを勘案して燃料電池２０のスタック構造を定めればよい。
【０１０９】
なお、関連装置アセンブリ３０１ｂまたは３０１ｃにおいて、燃料電池２０とともにハウジング内に収納可能な関連装置は、ＦＣコンバーター９０に限定されるものではない。ＦＣコンバーター９０の代わりに、または、それに加えて、バッテリーコンバーター９８、インバーター９３、インバーター９５、その他の関連装置を燃料電池２０とともに収納するように構成してもよい。
【０１１０】
以上、本実施形態２によれば、図１３の車両幅方向から衝突の衝撃が加わっても燃料電池ユニット２０１の内部に設置される燃料電池２０に加えて、ＦＣコンバーター９０を衝突の衝撃から保護することが可能である。具体的には、衝突により進入してきた物体は保護構造体３１０の枠構造や傾斜フレーム３１１で進入が阻止される。そして、衝突してきた方向とは反対側に移動する過程で衝突の衝撃が緩和されていく。
また、本実施形態２によれば、燃料電池２０の関連装置が後側構造体３２０に設置され、冷却液ポンプ３５および関連装置が前側構造体３３０に設置されている。このため、衝突時には、これらの関連装置が保護構造体３１０と一緒に移動するので、関連装置間の配管等の断線を抑制することが可能である。
【０１１１】
さらに、本実施形態２によれば、燃料電池ユニット２０１の側面の特定の一点に物体が進入してきても、傾斜フレーム３１１により物体の進入を阻止可能である。さらに奥へ物体が進入してきたとしても、ＦＣコンバーター９０に設けられた傾斜フランジ構造ＦによりＦＣコンバーター９０を物体の進入から阻止可能である。また、燃料電池ユニット２０１に設けられたフランジ構造により燃料電池ユニット２０１を物体の進入から阻止可能である。
【０１１２】
すなわち、本実施形態２によれば、保護構造体３１０に複数の燃料電池関連装置を収納するように構成したので、それら複数の燃料電池関連装置を一体的に保護することが可能である。
【０１１３】
（その他の変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態１では、保護構造体２２０の傾斜フレーム２３４および２３５を左右幅方向に向く２つの側面に設けたが、これに限られない。側面のうち一方向からの衝突の衝撃に備えればよいなら、衝撃を受ける可能性のある側面にのみ傾斜フレームを設ければよい。逆に、燃料電池ユニット２０１の前側の側面や後側の側面に傾斜フレームを設けてもよい。
【０１１４】
また、保護構造体２２０の傾斜フレーム２３４および２３５の形態は、上記実施形態に限ることなく変形が可能である。例えば、重量制限が許容するなら、傾斜フレーム構造に代えて、交差構造（Ｘ構造）としたり、スリット構造（Ｉ構造）としたり、してもよい。
【産業上の利用の可能性】
【０１１５】
本発明の燃料電池アセンブリは、車両に燃料電池システムを搭載した燃料電池車のみならず、燃料電池を衝撃から保護する必要のあるあらゆる移動体に適用可能である。そのような移動体として、列車、船舶、航空機、潜水艇等に適用可能である。本発明の燃料電池アセンブリを備えていれば、どのような形態の移動体であっても、衝突の衝撃から心臓部である燃料電池を効果的に保護することが可能だからである。特に、重量に制限のある移動体であっても、本発明を適用することにより、軽量な構造により、燃料電池を衝撃から効果的に保護することが可能である。
【符号の説明】
【０１１６】
３…冷却液供給系統、４…燃料ガス供給系統、７…酸化ガス供給系統、９…電力系統、１０…燃料電池システム、２０、２０ｂ、２０ｃ…燃料電池、２１…高分子電解質膜、２２…アノード極、２３…カソード極、２４…膜・電極接合体、２５…アノードガスチャンネル、２６…カソードガスチャンネル、３１…冷却路、３２…温度センサ、３３…ラジエータ、３４…バルブ、３５…冷却液ポンプ、３６…温度センサ、４０…燃料ガス供給路、４２…燃料ガス供給装置、４２ａ…第１燃料ガスタンク、４２ｂ…第２燃料ガスタンク、４３…元弁、４４…圧力センサ、４５…イジェクタ、４６…遮断弁、５１…循環経路、５２…遮断弁、５３…気液分離器、５４…排出弁、５５…水素ポンプ、５７…回転数センサ、５８、５９…圧力センサ、６１…排気流路、６２…希釈器、６３…パージ弁、６５…マフラー、７１…酸化ガス供給路、７２…酸化オフガス排出路、７３…圧力センサ、７４…エアクリーナ、７５…エアコンプレッサー、７６…加湿器、７７…調圧弁、８０…制御部、８２…イグニッションスイッチ、８４…電圧センサ、８６…電流センサ、９０…燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバーター（ＦＣコンバーター）、９１…バッテリー、９２…バッテリーコンピューター、９３、９５…インバーター、９４…車両走行用モーター、９６…高電圧補機、９８…バッテリー用ＤＣ−ＤＣコンバーター（バッテリーコンバーター）、９９…回転数センサ、１００…車両、１０１…フロントタイヤ、１０２…リヤタイヤ、１０３…フロントシート、１０３Ｌ…左側フロントシート、１０３Ｒ…右側フロントシート、１０４…リヤシート、１０５…ダッシュボード、１０６…フロントピラー、１０７…センターピラー、１０８…リヤピラー、１０９…トンネル部、１１０…フロントクロスメンバー、１１１…フロアパネル、１１２…フロントサスペンションメンバー、１１３…変形促進部、１１４、１１５…フロントフレーム、１１６、１１７、１２０、１２１、１２４、１２５、１３７、２０５、２０７、２２８−２３３、２４２-２４５…締結穴、１１８、１１９…サブフレーム、１２２、１２３…ブラケット、１２６…第１クロスメンバー、１２８、１２９…サイドロッカーメンバー、１３０…モーターマウント、１３１…取付ゴム、１３２…第２クロスメンバー、１３６…第３クロスメンバー、１３８…第４クロスメンバー、１４０、１４１、１５２、１５３…バインダ、１４４、１５１…サブクロスメンバー、１４６、１４７…リヤロッカーメンバー、１５０…第５クロスメンバー、１６０…リヤクロスメンバー、２００…燃料電池アセンブリ、２０１…燃料電池ユニット、２０２…上側ハウジング、２０３…下側ハウジング、２０４…上側フランジ、２０６…下側フランジ、２０８…ボルト、２０９…ナット、２１０、２１１…側面、２１２…上面、２１３…底面、２１４…起伏形状、２１５…換気窓、２２０、３１０…保護構造体、２２１…枠構造体、２２２…柱状部材、２２３…補強フレーム、２２４−２２７…取付部、２３４、２３５…傾斜フレーム、２３６…取付座、２３８…バインダ、２４０…保護パネル、２４１…パネル本体、２４６…カーボンクロスファイバー、２５０…コンバーターアセンブリ、２５１、２５２…上側ハウジング、２５３、２５４、２６０…接続端子、２５６…前方傾斜面、２５７、２５９、２８２…電源ケーブル、２６２…底面保護プレート、２６３、２６５…取付部、２７０…前面保護プレート、２８３…電源プラグ、３００…燃料電池アセンブリ、３０１ｂ、３０１ｃ…関連装置アセンブリ、３０２…空間、３１１…傾斜フレーム、３２０…後側構造体、３２１…収納部、３３０…前側構造体、３３１…関連装置収納部、Ａ、Ｂ…余長部分、Ｆ…傾斜フランジ構造、Ｐ…物体、Ｓ…ボディ

Claims (7)

1. 燃料電池を収容する燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットを設置する設置面を有する保護構造体と、を備え、
   前記保護構造体は、前記燃料電池ユニットの少なくとも１つの側面に対向する位置に、前記設置面に対して斜めに設けられた傾斜フレームを有し、
   前記燃料電池ユニットは、前記少なくとも１つの側面に、前記保護構造体へ設置される面に対して傾いている傾斜フランジが設けられており、
   前記保護構造体と前記燃料電池ユニットとは、前記保護構造体の前記傾斜フレームに前記燃料電池ユニットの前記傾斜フランジが設けられた側面が対向するように、かつ、前記傾斜フレームと前記傾斜フランジとが側面から見て交差するように設置される、
   ことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
2. 前記燃料電池ユニットの少なくとも一つの面には、起伏形状が設けられている、
   請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
3. 前記燃料電池アセンブリは、車両に搭載されており、
   前記車両の側面方向に、前記保護構造体の前記傾斜フレームが向くように前記車両に取り付けられている、
   請求項１または２に記載の燃料電池アセンブリ。
4. 前記保護構造体は、前記車両のフレーム構造の一部を構成する補強フレームに締結されており、
   前記補強フレームと前記保護構造体とは、締結強度を増加させるブラケットにより締結されている、
   請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
5. 前記保護構造体には、前記車両の前進方向側とは反対側に、前記燃料電池の関連部品が設けられている、
   請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
6. 前記保護構造体の前記設置面には、パネルが設けられている、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ。
7. 前記燃料電池ユニットは、さらに電源関連装置を収納する、
   請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。

Images