JP6468215B2

JP6468215B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP6468215B2
Application number: JP2016034453A
Authority: JP
Inventors: 康彦大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2036-02-25
Also published as: JP2017149316A

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

近年、水素と酸素とを燃料電池で化学反応させて発電し、モータ電源とする燃料電池車両が実用化されている。このような燃料電池車両には、水素を貯蔵するための水素タンクが搭載されるが、例えば、特許文献１の燃料電池車両は、長手方向が燃料電池車両の前後方向に配置された第１の水素タンクと、長手方向が燃料電池車両の左右方向に配置され、第１の水素タンクの後方に配置された第２の水素タンクと、を備えている。

独国特許出願公開第１０２００９０３９０７９号明細書

特許文献１のように第１の水素タンクと第２の水素タンクとを配置すると、燃料電池車両の前方衝突時に第１の水素タンクにおける燃料電池車両の後方側の端部が第２の水素タンクの腹の部分に接触し、第２の水素タンクに強い衝撃が加えられる可能性がある。そのため、第１の水素タンクにおける燃料電池車両の後方側の一部を燃料電池車両の下方に逃がして第２の水素タンクに強い衝撃が加えられることを抑制する場合があるが、第１の水素タンクが燃料電池車両から落下する可能性がある。

本発明は、上記を鑑みなされたものであって、燃料電池車両の前方衝突時に第２の水素タンクに強い衝撃が加えられることを抑制すると共に、第１の水素タンクの落下を防止することができる燃料電池車両を実現する。

本発明の一態様に係る燃料電池車両は、燃料電池車両において、
長手方向が前記燃料電池車両の前後方向に配置された第１の水素タンクと、
長手方向が前記燃料電池車両の左右方向に配置され、前記第１の水素タンクに対して前記燃料電池車両の後方に配置された第２の水素タンクと、
前記燃料電池車両のフロントルームに配置された燃料電池と、
前記第１の水素タンクの重心よりも前記燃料電池車両の後方で当該第１の水素タンクを保持し、前記燃料電池車両の前方衝突時の応力によって前記第１の水素タンクの保持を解除する保持部材と、
前記第１の水素タンクの重心よりも前記燃料電池車両の前方で前記第１の水素タンクを保持するタンクバンドと、を備え、
前記燃料電池車両が前方衝突して前記保持部材による前記第１の水素タンクの保持が解除されると、前記第１の水素タンクが前記燃料電池車両の後方にいくに従って低くなるように傾き、前記第１の水素タンクにおける前記タンクバンドより前記燃料電池車両の前方側の一部が前記燃料電池の下面（なお、前記燃料電池の下面とは、前記燃料電池がフレームなどを有する場合は当該フレームなどの下面をも含む意味である。）と接触し、前記第１の水素タンクにおける前記タンクバンドより前記燃料電池車両の後方側の一部が前記第２の水素タンクと接触する。

本発明によれば、燃料電池車両の前方衝突時に第２の水素タンクに強い衝撃が加えられることを抑制すると共に、第１の水素タンクの落下を防止することができる。

実施の形態の燃料電池車両の主要要素の配置を模式的に示す側面図である。実施の形態の燃料電池車両の主要要素の配置を模式的に示す平面図である。実施の形態の燃料電池車両における第１の水素タンク及び第２の水素タンクが保持された状態を模式的に示す図である。第１の保持機構の保持部材によって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す背面図である。第１の保持機構の保持部材によって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す側面図である。第１の保持機構の保持部材によって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す斜視図である。第１の保持機構のタンクバンドによって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す背面図である。実施の形態の燃料電池車両における第２の水素タンクが保持された状態を模式的に示す正面図である。実施の形態の燃料電池車両が前方衝突して燃料電池がダッシュパネルの前端部まで押し込まれた状態を模式的に示す図である。実施の形態の燃料電池車両が前方衝突して燃料電池がダッシュパネルを押し込んだ状態を模式的に示す図である。第１の保持機構の保持部材が第１の水素タンクの保持を解除した状態を模式的に示す図である。第１の保持機構の保持部材による第１の水素タンクの保持が解除されて当該第１の水素タンクにおける燃料電池車両の前方側の一部が燃料電池の下面に接触した状態を模式的に示す図である。第１の保持機構の保持部材の異なる形態を示す斜視図である。第１の保持機構の保持部材のさらに異なる形態を示す斜視図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

先ず、本実施の形態の燃料電池車両の構成を説明する。図１は、本実施の形態の燃料電池車両の主要要素の配置を模式的に示す側面図である。図２は、本実施の形態の燃料電池車両の主要要素の配置を模式的に示す平面図である。図３は、本実施の形態の燃料電池車両における第１の水素タンク及び第２の水素タンクが保持された状態を模式的に示す図である。図４は、第１の保持機構の保持部材によって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す背面図である。図５は、第１の保持機構の保持部材によって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す側面図である。図６は、第１の保持機構の保持部材によって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す斜視図である。図７は、第１の保持機構のタンクバンドによって第１の水素タンクを保持する様子を拡大して示す背面図である。図８は、本実施の形態の燃料電池車両における第２の水素タンクが保持された状態を模式的に示す正面図である。なお、図中、二点鎖線で車体の底面を示している。

本実施の形態の燃料電池車両１は、図１乃至図３に示すように、第１の水素タンク２、第２の水素タンク３、燃料電池４、第１の保持機構５及び第２の保持機構６を備えている。

第１の水素タンク２及び第２の水素タンク３は、燃料電池車両１の前後方向で前輪ＦＷと後輪ＲＷとの間に配置されている。第１の水素タンク２は、当該第１の水素タンク２の長手方向が燃料電池車両１の前後方向に配置されており、例えば、バルブ部２ａが燃料電池車両１の後方側に配置されている。

第２の水素タンク３は、当該第２の水素タンク３の長手方向が燃料電池車両１の左右方向に配置され、第１の水素タンク２に対して燃料電池車両１の後方に配置されている。つまり、燃料電池車両１の上下方向から見て、第１の水素タンク２と第２の水素タンク３とは略Ｔ字形に配置されている。なお、本実施の形態の燃料電池車両１は、第１の水素タンク２及び第２の水素タンク３を一個ずつ備えているが、個数は限定されない。

燃料電池４は、車体７のフロントルームＲ１内に配置されており、第１の水素タンク２又は第２の水素タンク３から供給された水素と空気中の酸素とを化学反応させて、モータ８を駆動させるための電源を発電する。

モータ８は、前輪ＦＷ又は後輪ＲＷを回転駆動させるための駆動源であり、例えば、車体７の後部に配置されている。但し、モータ８は、燃料電池４と共に車体７のフロントルームＲ１内に配置してもよい。

ここで、車体７のフロントルームＲ１内には、燃料電池４の前方にラジエータ９が配置されている。また、車体７には、フロントルームＲ１とキャビンＲ２とを区画するために、ダッシュパネル１０が設けられている。

第１の保持機構５は、図３に示すように、燃料電池車両１の前後方向に間隔を開けて第１の水素タンク２を保持する。第１の保持機構５は、保持部材５１及びタンクバンド５２を備えている。

保持部材５１は、第１の水素タンク２の重心Ｇよりも燃料電池車両１の後方で当該第１の水素タンク２を保持し、燃料電池車両１の前方衝突時の応力によって第１の水素タンク２の保持を解除する。

例えば、保持部材５１は、図３乃至図５に示すように、第１の水素タンク２を保持した状態で燃料電池車両１の左右方向から見て、逆Ｌ字形に形成されており、鉛直部５１ａ及び水平部５１ｂを備えている。

鉛直部５１ａには、貫通孔５１ｃが形成されており、当該貫通孔５１ｃに第１の水素タンク２のバルブ部２ａが通されて固定されている。

水平部５１ｂは、鉛直部５１ａの上端部から燃料電池車両１の後方に向かって延在しており（但し、燃料電池車両１の前方に向かって延在してもよい）、ボルト１１を介して車体７に固定されている。そのため、水平部５１ｂには、図６に示すように、ボルト孔５１ｄが形成されている。

ボルト孔５１ｄは、燃料電池車両１の前後方向に延在する長孔とされている。詳細には、ボルト孔５１ｄにおける燃料電池車両１の後方側の部分にボルト１１の頭が挿抜可能な拡径部５１ｅが形成されており、ボルト孔５１ｄは、例えば、鍵穴形状とされている。

タンクバンド５２は、第１の水素タンク２の重心Ｇよりも燃料電池車両１の前方で第１の水素タンク２を保持する。例えば、タンクバンド５２は、図７に示すように、アッパーバンド５２ａ、ロアーバンド５２ｂ、ボルト５２ｃ、弾性体５２ｄ、ワッシャー５２ｅ及びナット５２ｆを備えている。

アッパーバンド５２ａは、第１の水素タンク２の外周面に対応する内周面を有する略半円筒形を基本形態とし、一方の端部がロアーバンド５２ｂに固定されている。そして、アッパーバンド５２ａの他方の端部からフランジ部５２ｇが突出している。

ロアーバンド５２ｂは、第１の水素タンク２の外周面に対応する内周面を有する略半円筒形を基本形態とし、両端部からフランジ部５２ｈが突出している。

ボルト５２ｃは、アッパーバンド５２ａとロアーバンド５２ｂとで第１の水素タンク２を挟み込んだ状態で、アッパーバンド５２ａのフランジ部５２ｇに形成されたボルト孔に通され、さらにロアーバンド５２ｂにおける一方のフランジ部５２ｈに形成されたボルト孔に通されている。そして、ボルト５２ｃは、弾性体５２ｄ内に通され、当該ボルト５２ｃの端部にワッシャー５２ｅを介してナット５２ｆがねじ込まれている。

つまり、弾性体５２ｄは、ロアーバンド５２ｂのフランジ部５２ｈとワッシャー５２ｅとの間に圧縮した状態で配置されている。ちなみに、弾性体５２ｄは、例えば、コイルバネなどである。このようにロアーバンド５２ｂに固定されたアッパーバンド５２ａは、当該アッパーバンド５２ａの一方の端部を軸として、ロアーバンド５２ｂに対して開くように動作可能である。

アッパーバンド５２ａがロアーバンド５２ｂに対して開いて第２の水素タンク３の傾きを許容する間隔をタンクバンド５２と車体７との間に確保して、ロアーバンド５２ｂのフランジ部５２ｈが夫々車体７にボルト１２によって固定されている。但し、タンクバンド５２の車体７への固定手段は、ボルト固定に限らず、溶接などでも良い。

このような構成により、燃料電池車両１が前方衝突して車体７が変形（即ち、車体７が後方から前方に向かって縮むように変形）し、保持部材５１を固定するためのボルト１１の位置がタンクバンド５２側に近づくと、保持部材５１における水平部５１ｂのボルト孔５１ｄ内をボルト１１が移動して、燃料電池車両１の上下方向から見て、ボルト孔５１ｄの拡径部５１ｅ内にボルト１１の頭が配置される。

このとき、保持部材５１における水平部５１ｂのボルト孔５１ｄの拡径部５１ｅからボルト１１の頭が抜け、第１の水素タンク２の重心Ｇがタンクバンド５２より後方にある為、第１の水素タンク２における燃料電池車両１の後方側の端部が下へ下がり、タンクバンド５２を中心に後下がりに傾くことになる。

第２の保持機構６は、図８に示すように、燃料電池車両１の左右方向に間隔を開けて第２の水素タンク３を保持する。第２の保持機構６は、複数（例えば、２個）のタンクバンド６１を備えている。

タンクバンド６１は、第１の保持機構５のタンクバンド５２と等しい構成とされている。そのため、タンクバンド６１の詳細な説明は省略する。このようなタンクバンド６１は、アッパーバンド６１ａがロアーバンド６１ｂに対して開いて、第２の水素タンク３に燃料電池車両１の上方への力が作用した際に当該第２の水素タンク３の上方への移動を許容する。

次に、本実施の形態の燃料電池車両１が前方衝突した際の変化を説明する。図９は、本実施の形態の燃料電池車両が前方衝突して燃料電池がダッシュパネルの前端部まで押し込まれた状態を模式的に示す図である。図１０は、本実施の形態の燃料電池車両が前方衝突して燃料電池がダッシュパネルを押し込んだ状態を模式的に示す図である。図１１は、第１の保持機構の保持部材が第１の水素タンクの保持を解除した状態を模式的に示す図である。図１２は、第１の保持機構の保持部材による第１の水素タンクの保持が解除されて当該第１の水素タンクにおける燃料電池車両の前方側の一部が燃料電池の下面に接触した状態を模式的に示す図である。

ここで、図１、図９及び図１０に示すように、Ｌａをバリアからラジエータ９の後端部までの距離、Ｌｓを燃料電池４の全長、Ｌｄをバリアからダッシュパネル１０までの距離、Ｌｔ１をバリアから第１の水素タンク２における燃料電池車両１の前方側の端部までの距離、Ｌｇをバリアから第１の水素タンク２の重心までの距離、Ｌｔ２をバリアから第１の水素タンク２における燃料電池車両１の後方側の端部までの距離、Ｌｔ３をバリアから第２の水素タンク３における燃料電池車両１の前方側の端部までの距離、Ｌｘを車体７のボデー強度と衝突速度とにより決まる当該車体７の変形量、Ｌｔｘを第１の水素タンク２における燃料電池車両１の前方側の端部の前後方向の移動量、Ｌｔｘ２を第２の水素タンク３の中心軸の前後方向の移動量とする。なお、車体７の変形量は、衝突速度や車体７のボデー強度により変化する。

図９に示すように、燃料電池車両１がバリアに前方衝突すると、車体７が変形する。ここで、図１０のＬａ’は、衝突で潰れた後のラジエータ９における燃料電池車両１の後方側の端部までの距離（潰れ残り）である。また、燃料電池車両１がバリアに衝突後も燃料電池４の破損を防ぐ必要があり、燃料電池４が「変形潰れなし」になるように補強されているため、Ｌｓは図１と等しい。さらに、Ｌｄ’は、車体７の変形（前進量）分であり、図１のＬｄより短い。

このとき、ダッシュパネル１０の変形量はＬａ’＋Ｌｓ−Ｌｄ’で表すことができ、車体７におけるフロントルームＲ１よりも後方部分の移動量（第１の水素タンク２がフロントルームＲ１内の部品に接触しない場合）はＬｄ−Ｌｄ’で表すことができる。

そして、車体７の衝突時のスピード次第で、衝突後の車体７の変形量であるＬｘは、Ｌｘｌ（スピードが低速の時）、Ｌｘｍ（スピードが中速の時）、Ｌｘｈ（スピードが高速の時）と変化する。

Ｌｘｌ＝Ｌｄ−Ｌｄ’の場合、車体７におけるフロントルームＲ１より後方部分の変形はなく（図９の状態）、第１の水素タンク２とフロントルームＲ１内の部品（例えば、燃料電池４の補機など）との接触はない。

Ｌｘｍ≧Ｌｄ−Ｌｄ’（法規要件の速度など）の場合、車体７のキャビンＲ２への変形は乗員保護の観点で最小限になっており、車体７におけるフロントルームＲ１よりも後方部分の変形はなく、第１の水素タンク２とフロントルームＲ１内の部品との接触はない。

Ｌｔｘ＝Ｌｘｍ＞Ｌａ’＋Ｌｓ−Ｌｄ’の場合、車体７が変形してＬｔ１が短くなっても、第１の水素タンク２における燃料電池車両１の前方側の端部は、フロントルームＲ１内の部品に接触しない。このとき、燃料電池車両１は、保持部材５１を固定するためのボルト１１の位置がタンクバンド５２側に近づく程変形しない。そのため、ボルト１１の頭が保持部材５１における水平部５１ｂのボルト孔５１ｄの拡径部５１ｅから抜けることがなく、第１の水素タンク２は傾かない。

Ｌｘｈ≫Ｌａ’＋Ｌｓ−Ｌｄ’（実安全、高速衝突）の場合、燃料電池車両１が前方衝突して当該車体７が変形し、保持部材５１を固定するためのボルト１１の位置がタンクバンド５２側に近づく。つまり、車体７が後方から前方に向かって縮むように変形して、保持部材５１とタンクバンド５２との間隔が短くなると、保持部材５１における水平部５１ｂのボルト孔５１ｄ内をボルト１１が移動して、燃料電池車両１の上下方向から見て、ボルト孔５１ｄの拡径部５１ｅ内にボルト１１の頭が配置される。

このとき、バリアから第１の保持機構５のタンクバンド５２までの距離をＬＢとすると、上述のようにＬＢ＜Ｌｇとされている。そのため、第１の保持機構５のアッパーバンド５２ａがロアーバンド５２ｂに対して開き、図１１に示すように、保持部材５１における水平部５１ｂのボルト孔５１ｄの拡径部５１ｅからボルト１１の頭が抜けて、第１の水素タンク２は、燃料電池車両１の後方にいくに従って低くなるように傾く。ここで、Ｌｔ３−Ｌｔ２＞Ｌｔｘ２−Ｌｔｘの時に保持部材５１が車体７から外れるように設定される。

そして、第１の水素タンク２における燃料電池車両１の前方側の一部が、図１２に示すように、燃料電池４の下面に接触して、第１の水素タンク２を燃料電池４で支持することで、第１の水素タンク２における燃料電池車両１の後方側の一部が走行面に接触することを抑制する。これにより、燃料電池車両１の前方衝突による第１の水素タンク２の落下を抑制できる。

しかも、第１の水素タンク２は燃料電池車両１の後方にいくに従って低くなるように傾くので、第１の水素タンク２における燃料電池車両１の後方側の端部が第２の水素タンク３の腹の部分に強く接触せず、燃料電池車両１の前方衝突時に第２の水素タンク３に強い衝撃が加えられることを抑制できる。

ここで、車体７が変形した際の第２の水素タンク３のバリア側への移動距離（即ち、Ｌｔｘ２）が、Ｌｔｘ２＝Ｌｔ３−Ｌｔ２の場合、第１の水素タンク２は第２の水素タンク３の下方に潜り込み、第２の水素タンク３を押し上げる。これにより、第２の保持機構６におけるタンクバンド６１のアッパーバンド６１ａがロアーバンド６１ｂに対して開いて、第２の水素タンク３は、燃料電池車両１の上方に逃げる。そのため、第１の水素タンク２の後端部が第２の水素タンク３の腹の部分に強く接触することを一層、抑制できる。

本実施の形態では、第１の保持機構５が第１の水素タンク２の傾きを許容し、第１の水素タンク２が傾いた際に当該第１の水素タンク２における燃料電池車両１の前方側の一部が燃料電池４の下面に接触する。これにより、燃料電池車両１の前方衝突時に、第１の水素タンク２における燃料電池車両の後方側の端部が第２の水素タンク３の腹の部分に強く接触することを抑制できる。そのため、第２の水素タンク３に強い衝撃が加えられることを抑制できる。しかも、燃料電池車両１の前方衝突時に第１の水素タンク２の落下を抑制できる。

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、上記実施の形態の第１の保持機構５の保持部材５１は、ボルト１１の頭が保持部材５１における水平部５１ｂのボルト孔５１ｄの拡径部５１ｅから抜けることで、第１の水素タンク２における燃料電池車両１の後方側の保持を解除する構成とされているが、この限りでない。図１３に示すように、保持部材５１の鉛直部５１ａに予め設定された応力が作用すると、鉛直部５１ａが破断するように当該鉛直部５１ａに溝部（即ち、破断部）５１ｆが形成されていてもよい。

また、図１４に示すように、ボルト孔５１ｄから連続する切り欠き部５１ｉが水平部５１ｂに形成されていてもよい。要するに、燃料電池車両１が前方衝突し、車体７が後方から前方に向かって縮まるように変形して保持部材５１に予め設定された値より大きな応力が作用した際に、保持部材５１による第１の水素タンク２における燃料電池車両１の後方側の保持を解除できる構成であればよい。この場合も第１の水素タンク２が第２の水素タンク３に接触する前に、保持部材５１による第１の水素タンク２の保持が解除されるように当該保持部材５１の強度が調整される必要がある。

１燃料電池車両
２第１の水素タンク、２ａバルブ部
３第２の水素タンク
４燃料電池
５第１の保持機構
６第２の保持機構
７車体
８モータ
９ラジエータ
１０ダッシュパネル
１１、１２ボルト
５１保持部材、５１ａ鉛直部、５１ｂ水平部、５１ｃ貫通孔、５１ｄボルト孔、５１ｅ拡径部、５１ｆ溝部、５１ｉ切り欠き部
５２タンクバンド、５２ａアッパーバンド、５２ｂロアーバンド、５２ｃボルト、５２ｄ弾性体、５２ｅワッシャー、５２ｆナット、５２ｇ、５２ｈフランジ部
６１タンクバンド、６１ａアッパーバンド、６１ｂロアーバンド
ＦＷ前輪、ＲＷ後輪
Ｇ第１の水素タンクの重心

Claims

燃料電池車両において、
長手方向が前記燃料電池車両の前後方向に配置された第１の水素タンクと、
長手方向が前記燃料電池車両の左右方向に配置され、前記第１の水素タンクに対して前記燃料電池車両の後方に配置された第２の水素タンクと、
前記燃料電池車両のフロントルームに配置された燃料電池と、
前記第１の水素タンクの重心よりも前記燃料電池車両の後方で当該第１の水素タンクを保持し、前記燃料電池車両の前方衝突時の応力によって前記第１の水素タンクの保持を解除する保持部材と、
前記第１の水素タンクの重心よりも前記燃料電池車両の前方で前記第１の水素タンクを保持するタンクバンドと、を備え、
前記燃料電池車両が前方衝突して前記保持部材による前記第１の水素タンクの保持が解除されると、前記第１の水素タンクが前記燃料電池車両の後方にいくに従って低くなるように傾き、前記第１の水素タンクにおける前記タンクバンドより前記燃料電池車両の前方側の一部が前記燃料電池の下面と接触し、前記第１の水素タンクにおける前記タンクバンドより前記燃料電池車両の後方側の一部が前記第２の水素タンクと接触する、燃料電池車両。