JP6740889B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に関する。

燃料電池車両として、乗員室の前方に設けられた収容室に燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールが収容され、乗員室の床下に設けられた水素タンク室に水素ガスが貯蔵されたタンクが収容された構造の燃料電池車両が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の燃料電池車両において、燃料電池モジュールは、サスペンションメンバに固定部材（マウント部品）を介して取り付けられている。この固定部品が衝突発生時に破壊されることにより、燃料電池モジュールは、水素タンク室もより下方の退避空間に移動してタンクとの衝突を免れる。

特開２０１５−２３１３１９号公報

しかし、特許文献１の燃料電池車両では、衝突に伴う外力が燃料電池モジュールおよび固定部材に加えられた際に、燃料電池モジュールと固定部材との接続部が塑性変形するに留まり、固定部材が破壊されないことが起こり得る。この場合、衝突に伴う外力によってサスペンションメンバが下方に移動すると、サスペンションメンバと共に燃料電池モジュールも下方に移動するものの、退避空間までは移動できず、タンクと衝突するおそれがある。このような問題は、サスペンションメンバに限らずサイドメンバやクロスメンバなど、車体フレームの任意の部分に燃料電池モジュールが固定部材により固定されている構成において生じ得る。このため、燃料電池車両の衝突発生時に、燃料電池モジュールとタンクとの衝突を抑制可能な技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］燃料電池車両であって、燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに供給されるガスを貯蔵するタンクと、前記燃料電池モジュールを収容する燃料電池収容室と、前記燃料電池車両の床下において前記燃料電池収容室に対して前記燃料電池車両の車両長さ方向における後方側に形成され、前記タンクを収容するタンク収容室と、前記燃料電池収容室に自身の一部が配置された車体フレームと、前記燃料電池モジュールに接続され、前記燃料電池モジュールを前記車体フレームに固定する固定部材と、を備え、前記燃料電池モジュールと前記固定部材との接続部の剛性は、前記固定部材の剛性に比べて高く、前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックを支持する支持フレームであって、互いに鉛直方向に離れて配置され互いに鉛直方向に対応する穴が設けられた上面壁部および下面壁部を有する支持フレームを、さらに含み、前記接続部は、前記下面壁部の前記穴を貫き、前記固定部材を前記下面壁部に押し付けて取り付けるボルトと、前記ボルトに螺合し、前記上面壁部に直接的または間接的に接続されるナットと、を有する、燃料電池車両。

本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと；前記燃料電池スタックに供給されるガスを貯蔵するタンクと；前記燃料電池モジュールを収容する燃料電池収容室と；前記燃料電池車両の床下において前記燃料電池収容室に対して前記燃料電池車両の車両長さ方向における後方側に形成され、前記タンクを収容するタンク収容室と；前記燃料電池収容室に自身の一部が配置された車体フレームと；前記燃料電池モジュールに接続され、前記燃料電池モジュールを前記車体フレームに固定する固定部材と；を備え；前記燃料電池モジュールと前記固定部材との接続部の剛性は、前記固定部材の剛性に比べて高い。

この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池モジュールと固定部材との接続部の剛性は、固定部材の剛性に比べて高いので、燃料電池車両の衝突が発生した場合に、接続部が塑性変形するよりも前に固定部材の破壊が生じる可能性を高めることができ、燃料電池モジュールの車体フレームへの固定を解除する可能性を高めることができる。このため、衝突に伴う外力により車体フレームが下方に移動する場合であっても、本体フレームと共に燃料電池モジュールが下方に移動することを抑制でき、燃料電池モジュールとタンクとの衝突の発生を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両の製造方法、燃料電池車両における燃料電池モジュールと車体フレームとの固定方法、燃料電池モジュールを車体フレームに固定するための固定部材等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池車両の概略構成を示す断面図である。 燃料電池車両に搭載されている燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 燃料電池モジュールの概略構成を示す断面図である。 ケースおよび支持フレームの構成を示す斜視図である。 図４に示す５−５断面を拡大して示す断面図である。 燃料電池車両の衝突発生時の取付機構近傍の様子を模式的に示す説明図である。 比較例における衝突発生時の取付機構近傍の様子を模式的に示す説明図である。 第２実施形態の取付機構近傍を拡大して示す断面図である。 第３実施形態の取付機構近傍を拡大して示す断面図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．車両全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池車両５００の概略構成を示す断面図である。図１では、衝突が発生していない平常時における、燃料電池車両５００の車両幅方向ＬＨの中央位置での、車両の前方方向ＦＤおよび後方方向ＲＤに沿った断面を表している。以降では、前方方向ＦＤと後方方向ＲＤとを、合せて「車両長さ方向」と呼ぶ。燃料電池車両５００は、燃料電池モジュール１００を電力源として搭載し、動力源であるモータＭが駆動することにより、後輪ＲＷが駆動される。なお、図１では、車両幅方向ＬＨ、前方方向ＦＤ、および後方方向ＲＤに加えて、重力方向、すなわち、鉛直下方Ｇを図示している。図１における各方向を示す符号および矢印は、他の図における各方向を示す符号および矢印に対応する。

燃料電池車両５００には、乗員室５１０と、燃料電池収容室５２０と、タンク収容室５３０が形成されている。

乗員室５１０は、乗員が乗る部屋であり、図１において破線で示すように、複数の座席が設けられている。乗員室５１０は、一対の前輪ＦＷと一対の後輪ＲＷとに挟まれた領域にほぼ位置している。

燃料電池収容室５２０は、サスペンションメンバ５５０と、燃料電池モジュール１００を含む燃料電池システム（後述の燃料電池システム２００）の少なくとも一部の構成要素とを収容する。サスペンションメンバ５５０は、図示しないサイドメンバに固定されている。燃料電池モジュール１００は、燃料電池スタック１０１および支持フレーム１５０を備える。なお、後述するように燃料電池モジュール１００は、さらにケース（後述のケース１３０）を備えているが、図１では省略されている。燃料電池スタック１０１は、積層された複数の単セル（後述の単セル１１）を含む積層体である。支持フレーム１５０は、燃料電池スタック１０１を下方から支える板状の部材である。なお、燃料電池スタック１０１および支持フレーム１５０を含む燃料電池モジュール１００の詳細構成は、後述する。図１に示すように、燃料電池モジュール１００は、車両長さ方向において、タンク２０に向かう側へと下方に傾斜して配置されている。換言すると、燃料電池モジュール１００は、後方方向ＲＤに向かうにつれて下方に位置するように、水平方向に対して傾斜して配置されている。このように燃料電池モジュール１００が傾斜して配置されているのは、燃料電池スタック１０１内の水を、重力を利用して後方方向ＲＤに集めて燃料電池スタック１０１から容易に排出するためである。

燃料電池モジュール１００は、マウントブラケットおよびマウント部材により、サスペンションメンバ５５０に固定されている。具体的には、フロントマウント部材４３０およびフロントマウントブラケット４１０により、燃料電池モジュール１００の前方方向ＦＤの端部がサスペンションメンバ５５０に固定されている。また、リアマウント部材４４０およびリアマウントブラケット４２０により、燃料電池モジュール１００の後方方向ＲＤの端部がサスペンションメンバ５５０に固定されている。フロントマウント部材４３０およびリアマウント部材４４０は、サスペンションメンバ５５０に接続されている。フロントマウントブラケット４１０は、フロントマウント部材４３０と燃料電池モジュール１００（より正確には支持フレーム１５０）とに接続されている。リアマウントブラケット４２０は、リアマウント部材４４０と燃料電池モジュール１００（より正確には支持フレーム１５０）とに接続されている。

タンク収容室５３０は、水素ガスを貯蔵するタンク２０を収容する。タンク収容室５３０は、燃料電池車両５００の床下において燃料電池収容室５２０に対して後方方向ＲＤに形成されている。また、タンク収容室５３０は、車両幅方向ＬＨの略中央において車両長さ方向に沿って形成されている。タンク収容室５３０の天井部分は、乗員室５１０のフロアパネルにより形成されている。乗員室５１０の床においてタンク収容室５３０に対応する部分は、かかる床の他の部分に比べて鉛直上方に突出している。このように、タンク収容室５３０は、エンジンを搭載した車両におけるドライブシャフトが配置されたセンタートンネルと同様な構造を有している。なお、タンク収容室５３０には、タンク２０に加えて、図示しないワイヤーハーネスなどが収容されている。

Ａ２．燃料電池システムの構成：
図２は、燃料電池車両５００に搭載されている燃料電池システム２００の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム２００は、上述の燃料電池スタック１０１に加えて、気液分離器２９と、タンク２０と、エアコンプレッサ３０と、遮断弁２４と、インジェクタ２５と、排気排水弁２６と、循環ポンプ２７と、三方弁３３と、圧力調整弁３４と、燃料ガス供給路２１と、燃料ガス循環路２２と、燃料ガス排出路２３と、酸化剤ガス供給路３１と、酸化剤ガス排出路３２と、バイパス流路３５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０とを備える。その他、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１０１を介して冷却媒体を循環させる図示しない機構を備えている。

燃料電池スタック１０１は、積層された複数の単セル１１を備え、また、その積層方向の両端部に一対のエンドプレート１１０，１２０を備える。各単セル１１は、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガスと、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する。第１実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。燃料電池スタック１０１は、エンドプレート１１０が前方方向ＦＤに位置し、エンドプレート１２０が後方方向ＲＤに位置するように設置されている。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル１１において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池スタック１０１の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させるためのマニホールド（図示省略）が単セル１１の積層方向ＳＤに沿って形成されている。なお、単セル１１は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池など任意の種類の燃料電池であってもよい。

一対のエンドプレート１１０，１２０は、複数の単セル１１を含む積層体を挟持する機能を有する。一対のエンドプレート１１０，１２０のうち、エンドプレート１２０は、燃料電池スタック１０１内に形成されたマニホールドに、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を供給する機能、および、これらの媒体を排出するための流路を提供する機能を有する。これに対して、エンドプレート１１０は、かかる機能を有しない。エンドプレート１１０およびエンドプレート１２０は、いずれも厚さ方向が、積層方向ＳＤと一致する略板状の外観形状を有する。

タンク２０は、高圧水素を貯蔵しており、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料ガス供給路２１を介して燃料電池スタック１０１に供給する。図１に示すように、タンク２０は、略円筒形の外観形状を有し、長手方向が車両長さ方向と一致するようにタンク収容室５３０に収容されている。循環ポンプ２７は、燃料ガス循環路２２に配置されており、気液分離器２９から排出された燃料ガス（水が分離された後の燃料ガス）を燃料ガス供給路２１に送る。遮断弁２４は、タンク２０における燃料ガスの排出口近傍に配置され、タンク２０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。インジェクタ２５は、燃料ガス供給路２１に配置され、燃料電池スタック１０１への水素ガスの供給量（流量）および圧力を調整する。気液分離器２９は、燃料電池スタック１０１内の燃料ガス排出用マニホールドと接続され、かかるマニホールドから排出されるオフガスに含まれる水を分離して排出すると共に、水が分離された後のガス（燃料ガス）を排出する。排気排水弁２６は、燃料ガス排出路２３に配置されており、気液分離器２９からの水およびオフガスの排出の実行と停止とを切り替える。エアコンプレッサ３０は、燃料電池スタック１０１に対して酸化剤ガスとしての空気を供給する。三方弁３３は、酸化剤ガス供給路３１に配置されており、エアコンプレッサ３０から供給される空気の全体量のうち、酸化剤ガス供給路３１に供給する量と、バイパス流路３５に供給する量とを調整する。圧力調整弁３４は、酸化剤ガス排出路３２に配置されており、燃料電池スタック１０１におけるカソード排出側の圧力（いわゆる背圧）を調整する。

燃料電池システム２００における燃料ガスの流通について説明する。タンク２０から供給される水素ガスは燃料ガス供給路２１を介して燃料電池スタック１０１に供給される。燃料電池スタック１０１から排出されるオフガス（アノード側オフガス）は、気液分離器２９に供給され、オフガスに含まれる水の少なくとも一部が分離される。水が分離された後のオフガス（すなわち、燃料ガス）は燃料ガス循環路２２および循環ポンプ２７を介して燃料ガス供給路２１に戻され、再び燃料電池スタック１０１に供給される。なお、気液分離器２９からは、オフガスから分離された水に加えて、気液分離器２９に供給されるオフガスのうちの一部のオフガスが排気排水弁２６を介して燃料ガス排出路２３に排出される。燃料ガス排出路２３は酸化剤ガス排出路３２と接続されており、燃料ガス排出路２３に排出された水およびアノード側オフガスは、燃料電池スタック１０１から排出される水およびカソード側オフガスと共に酸化剤ガス排出路３２を介して大気へと排出される。燃料ガス排出路２３は、大気開放されている酸化剤ガス排出路３２と連通しているのに対して、気液分離器２９の内部には、大気圧よりも高い背圧が加えられているため、排気排水弁２６を挟んで圧力差が存在する。したがって、排気排水弁２６が開けられた場合に、上述の圧力差によって、気液分離器２９から燃料ガス排出路２３へとオフガスが排出される。

燃料電池システム２００における酸化剤ガスの流通について説明する。エアコンプレッサ３０から供給される空気（圧縮空気）は、酸化剤ガス供給路３１を介して燃料電池スタック１０１に供給される。このとき、三方弁３３の開度を調整することにより燃料電池スタック１０１への供給量を調整できる。燃料電池スタック１０１から排出されるオフガス（カソード側オフガス）および水は、圧力調整弁３４を介して酸化剤ガス排出路３２に排出される。酸化剤ガス排出路３２は、上述のように燃料ガス排出路２３と接続されており、また、バイパス流路３５とも接続されている。したがって、燃料電池スタック１０１から排出されたカソード側オフガスは、燃料ガス排出路２３を通って排出されるアノード側オフガスおよび水と、バイパス流路３５を通って排出される空気と共に、大気へと排出される。

ここで、上述のように、燃料電池スタック１０１は、後方方向ＲＤに向かうにつれて下方に位置するように、水平方向に対して傾斜して配置されているため、燃料電池スタック１０１においてエンドプレート１２０が最も鉛直下方Ｇに位置することとなる。したがって、燃料電池スタック１０１内の水は、各種マニホールドを通って重力にしたがってエンドプレート１２０へと向かうこととなり、燃料電池スタック１０１内からの排水が促される。

燃料電池スタック１０１における一対の集電板１０３Ｆ，１０３Ｒは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と電気的に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、モータＭと電気的に接続されており、燃料電池スタック１０１の出力電圧を昇圧してモータＭに供給する。

上述した排気排水弁２６、エアコンプレッサ３０、循環ポンプ２７、およびその他の各弁の動作は、図示しない制御部により制御される。この制御部は、例えば、制御用プログラムが記憶されているＲＯＭ（Read Only Member）と、かかるＲＯＭを読み出して実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵのワークエリアとして利用されるＲＡＭ（Random Access Memory）とを有する構成としてもよい。

Ａ３．燃料電池モジュールの構成：
図３は、燃料電池モジュール１００の概略構成を示す断面図である。図３では、図１と同様な位置での燃料電池モジュール１００の断面を示している。燃料電池モジュール１００は、上述の燃料電池スタック１０１および支持フレーム１５０に加えて、ケース１３０を備える。

燃料電池スタック１０１は、上述した積層された複数の単セル１１と、一対のエンドプレート１１０，１２０と、一対の集電板１０３Ｆ，１０３Ｒとに加えて、一対の絶縁板１０２Ｆ，１０２Ｒとを備える。一対の集電板１０３Ｆ，１０３Ｒは、総合電極として機能する。集電板１０３Ｆは、複数の単セル１１のうち、最も前方に位置する単セル１１の前方方向ＦＤ側において、かかる単セル１１に接して配置されている。集電板１０３Ｒは、複数の単セル１１のうち、最も後方に位置する単セル１１の後方方向ＲＤ側において、かかる単セル１１に接して配置されている。一対の絶縁板１０２Ｆ，１０２Ｒは、絶縁性材料により形成された板状部材である。絶縁板１０２Ｆは、エンドプレート１１０と集電板１０３Ｆとに挟まれており、エンドプレート１１０と集電板１０３Ｆとの間の電気的接続を抑制する。同様に、絶縁板１０２Ｒは、エンドプレート１２０と集電板１０３Ｒとに挟まれており、エンドプレート１２０と集電板１０３Ｒとの間の電気的接続を抑制する。

ケース１３０は、燃料電池スタック１０１のうちのエンドプレート１２０を除く他の部分を収容する。換言すると、ケース１３０は、エンドプレート１２０が露出した状態で燃料電池スタック１０１を収容する。第１実施形態において、ケース１３０は、アルミニウム（Ａｌ）により形成されている。なお、アルミニウムに限らず、ステンレス（ＳＵＳ）や、チタン（Ｔｉ）や、これらの金属の合金により形成されてもよい。また、金属に限らず、樹脂等により形成されてもよい。

図４は、ケース１３０および支持フレーム１５０の構成を示す斜視図である。図４において、上側は燃料電池スタック１０１を収容した状態のケース１３０の外観斜視図を表し、下側は支持フレーム１５０の外観斜視図を表している。また、図４では、支持フレーム１５０に接続されているフロントマウントブラケット４１０およびリアマウントブラケット４２０も表されている。

ケース１３０は、後方方向ＲＤの端が開口して、内部が空洞となった筒状の外観形状を有する。ケース１３０の内部の空間には、燃料電池スタック１０１のうちのエンドプレート１２０を除くその他の部分が収容される。ケース１３０の後方方向ＲＤの端には、上方に折り曲げられたように形成された鍔部１３２が形成されている。かかる鍔部１３２を含むケース１３０の端面には、図示しない複数のネジ孔が形成されている。また、エンドプレート１２０において上述の複数のネジ孔と対応する位置にはそれぞれ図示しないネジ孔が形成されている。したがって、エンドプレート１２０とケース１３０とが接した状態で、上述のエンドプレート１２０のネジ孔とケース１３０のネジ孔とが連通する。この連通したネジ孔にネジ１６０が挿入されて螺合することにより、エンドプレート１２０とケース１３０とは、互いに締結される。

ケース１３０の底部の四隅には、それぞれ固定部１３１が形成されている。固定部１３１は、略水平方向に突出し、中央部分に厚さ方向に貫く貫通孔が形成されている。

支持フレーム１５０は、板状の外観形状を有する。支持フレーム１５０は、６つの壁部からなる中空の六面体の内部空間に、図示しない補強用の支柱が配置された構造を有する。支持フレーム１５０には、厚さ方向に貫く４つの貫通孔１５９が形成されている。これらの貫通孔１５９は、上述のケース１３０の固定部１３１の貫通孔と鉛直下方Ｇに対応する位置に形成されている。支持フレーム１５０の上面にケース１３０が載置され、固定部１３１の貫通孔と支持フレーム１５０の貫通孔１５９とに図示しないボルトが挿入され、かかるボルトが支持フレーム１５０の底面に配置された図示しないナットと螺合することにより、ケース１３０が支持フレーム１５０に締結される。

図４に示すように、支持フレーム１５０の上面には、４つの連結カラー部材４５０が露出している。連結カラー部材４５０は、支持フレーム１５０をフロントマウントブラケット４１０およびリアマウントブラケット４２０に取り付けるための取付機構（後述の取付機構４９０）の一部を構成する。

Ａ４．取付機構の詳細構造：
図５は、図４に示す５−５断面を拡大して示す断面図である。図５では、支持フレーム１５０およびリアマウントブラケット４２０の一部を省略している。図５に示すように、支持フレーム１５０は、自身の上面を形成する上面壁部１５１と、自身の下面を形成する下面壁部１５２と、支柱部１５３とを備える。上面壁部１５１と下面壁部１５２とはいずれも薄板状の形状を有し、支持フレーム１５０の厚さ方向ＴＤに沿って所定の距離だけ離れて互いに平行に配置されている。支柱部１５３は、細長い板状の外観形状を有し、上面壁部１５１と下面壁部１５２とで挟まれた内部空間１５４に配置されている。支柱部１５３は、上面壁部１５１と下面壁部１５２とにそれぞれ接続され、内部空間１５４を複数の空間に仕切る。支柱部１５３により支持フレーム１５０の強度を向上させている。

上面壁部１５１および下面壁部１５２には、互いに厚さ方向ＴＤに対応する位置にそれぞれ４つの貫通孔が形成され、各貫通孔が形成された部分に取付機構４９０が配置されている。図５では、上面壁部１５１に形成されている貫通孔１５５と、下面壁部１５２に形成されている貫通孔１５６とが、厚さ方向ＴＤにおいて対応しており、これらの貫通孔１５５，１５６が形成された部分に取付機構４９０が配置されている。

リアマウントブラケット４２０は、屈曲した薄板状の部材であり、本実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）により形成されている。リアマウントブラケット４２０は、第１台座部４２１と、第２台座部４２２と、傾斜部４２３とを備える。第１台座部４２１は、支持フレーム１５０の下面壁部１５２と平行に配置され、取付機構４９０により支持フレーム１５０に接続される。第１台座部４２１には、貫通孔４２５が形成されている。リアマウントブラケット４２０は、貫通孔４２５が支持フレーム１５０の貫通孔１５６と連通するように配置された状態で、支持フレーム１５０と接続される。第２台座部４２２は、図１に示すリアマウント部材４４０と接続されている。なお、リアマウントブラケット４２０は、請求項における固定部材の下位概念に相当する。傾斜部４２３は、第１台座部４２１と第２台座部４２２とを接続する。図４，５に示すように、傾斜部４２３は、鉛直下方Ｇに向かうにつれて車両幅方向ＬＨおよび鉛直下方Ｇに向かうように配置されている。

取付機構４９０は、ボルト３１０と、ナット３２０と、上述の連結カラー部材４５０とを備える。ボルト３１０は、下方から上方に向かってリアマウントブラケット４２０の貫通孔４２５および下面壁部１５２の貫通孔１５６に挿入されている。ボルト３１０の軸部３１１の先端は、内部空間１５４内に位置している。ナット３２０は、内部空間１５４内に配置され、ボルト３１０と螺合している。ナット３２０の下面における中央部分、すなわち、ナット３２０のネジ孔の近傍部分は下方に突出しており、貫通孔１５６に嵌め込まれている。図５に示すように、ボルト３１０の鍔部分とナット３２０における底面とで、下面壁部１５２と第１台座部４２１とが挟み込まれ、互いに接合される。本実施形態において、ボルト３１０およびナット３２０は、いずれも鉄により形成されている。

連結カラー部材４５０は、有底円筒状の外観形状を有する。連結カラー部材４５０は、円筒部４５２と、蓋部４５１とを有する。円筒部４５２は、円筒状の外観形状を有し、貫通孔１５５に上方から挿入されている。円筒部４５２は、ナット３２０の上方の端部を環状に覆う。ナット３２０において円筒部４５２により覆われた重なり部３２１は、円筒部４５２に溶接されている。円筒部４５２の内側の空間には、ボルト３１０の先端が収容されている。蓋部４５１は、薄い円柱状の外観形状を有し、平面視形状における直径は、貫通孔１５５の直径よりも大きい。蓋部４５１の中央部分は、円筒部４５２の上端に連なり、円筒部４５２の内側の空間を上方において閉塞している。蓋部４５１の周縁部分は、上面壁部１５１の上面における貫通孔１５５の周囲部分と接している。本実施形態において、連結カラー部材４５０は、アルミニウムにより形成されている。

このような取付機構４９０は、以下のようにして支持フレーム１５０およびリアマウントブラケット４２０に組み付けられる。先ず、ナット３２０と連結カラー部材４５０とを溶接して複合部材を得て、かかる複合部材を上面壁部１５１の上面側から貫通孔１５５に挿入する。その後、ボルト３１０を、リアマウントブラケット４２０の貫通孔４２５および下面壁部１５２の貫通孔１５６に挿入して、ナット３２０と螺合させる。

取付機構４９０によりリアマウントブラケット４２０が支持フレーム１５０に接続されることにより、リアマウントブラケット４２０と支持フレーム１５０との接続部ＣＰ１の剛性は、リアマウントブラケット４２０自体の剛性に比べて高められている。これは、支持フレーム１５０（下面壁部１５２）とリアマウントブラケット４２０（第１台座部４２１）とを挟み込んで固定するボルト３１０およびナット３２０が、連結カラー部材４５０を介して上面壁部１５１に接しているため、接続部ＣＰ１に外力が加えられた場合に、かかる力を下面壁部１５２に加えて上面壁部１５１にも伝えることができるからである。

図６は、燃料電池車両５００の衝突発生時の取付機構４９０近傍の様子を模式的に示す説明図である。図６では、図５と同じ位置での断面を示している。例えば、燃料電池車両５００の前方衝突が発生し、その衝撃によりサスペンションメンバ５５０が下方に移動した場合、図６に示すように、リアマウントブラケット４２０には、下向きの外力Ｆが加えられる。このとき、取付機構４９０にも下向きの力が伝わることとなる。具体的には、まず、リアマウントブラケット４２０に接しているボルト３１０に下向き力が伝わり、かかる力の一部は、ボルト３１０と螺合するナット３２０に伝わる。ナット３２０に伝わった力のうちの一部は、ナット３２０と接している下面壁部１５２に伝わると同時に、重なり部３２１を介して連結カラー部材４５０にも伝わることとなる。連結カラー部材４５０に伝えられた下向きの力は、蓋部４５１から上面壁部１５１に伝わることとなる。このように、衝突に伴って取付機構４９０に伝えられる下向きの力のうちの一部は、下面壁部１５２と上面壁部１５１とにそれぞれ伝わることとなる。このため、接続部ＣＰ１の塑性変形、例えば、下面壁部１５２においてナット３２０と接している部分およびその近傍部分が塑性変形することが抑制される。

これに対して、リアマウントブラケット４２０の剛性は、接続部ＣＰ１の剛性よりも低いので、接続部ＣＰ１の塑性変形が生じる前に、図６に示すように、リアマウントブラケット４２０が破断する。なお、図６では、リアマウントブラケット４２０において、傾斜部４２３が破断しているが、傾斜部４２３に代えて、また、傾斜部４２３に加えて、第１台座部４２１または第２台座部４２２が破断する場合もある。このようにリアマウントブラケット４２０が破断することにより、支持フレーム１５０は、サスペンションメンバ５５０への間接的な固定状態から開放される。したがって、サスペンションメンバ５５０の下方の移動に伴って、換言すると、サスペンションメンバ５５０に引きずられて、燃料電池モジュール１００が下方に移動することが抑制される。このため、衝突時の衝撃によりタンク２０が固定部材から外れて慣性力により前方方向ＦＤに移動した場合であっても、燃料電池モジュール１００とタンク２０との衝突が抑制される。例えば、衝突時の衝撃によってサスペンションメンバ５５０が車両長さ方向に潰される（圧縮される）場合、平常時におけるサスペンションメンバ５５０の形状にしたがって、サスペンションメンバ５５０の前方側が上方に移動し、後方側が下方に移動することが想定される。この場合、サスペンションメンバ５５０の後方側において支持フレーム１５０とサスペンションメンバ５５０との固定が解かれるため、燃料電池モジュール１００は、サスペンションメンバ５５０の前方側の移動に伴って上方に移動する。このような場合には、燃料電池モジュール１００とタンク２０との衝突がより確実に抑止されることとなる。

図７は、比較例における衝突発生時の取付機構近傍の様子を模式的に示す説明図である。比較例の取付機構８９０は、ボルト８１０とナット８２０とのみから構成されている。ボルト８１０およびナット８２０の配置位置は、第１実施形態のボルト３１０およびナット３２０の配置位置と同じである。すなわち、リアマウントブラケット４２０は、取付機構８９０により、下面壁部１５２に取り付けられている。比較例の取付機構８９０は、支持フレーム１５０のうち、下面壁部１５２のみに接しているため、外力が加えられた場合に上面壁部１５１には力が伝えられない。このため、接続部ＣＰ１０の剛性は低く、リアマウントブラケット４２０の剛性よりも低い。

このような比較例の構成において、衝突が発生してリアマウントブラケット４２０に下向きの外力Ｆが加えられた場合、接続部ＣＰ１０の剛性はリアマウントブラケット４２０の剛性よりも低いため、リアマウントブラケット４２０が破断するよりも前に、接続部ＣＰ１０の塑性変形が発生する。具体的には、取付機構８９０に伝えられた下向きの力のうち、多くの部分がナット８２０を介して下面壁部１５２に伝えられる。このため、下面壁部１５２において、ナット３２０と接する部分およびその近傍部分が下方に移動するように塑性変形し、リアマウントブラケット４２０に加えられた力は、かかる変形により吸収される。したがって、リアマウントブラケット４２０の破断は生じず、サスペンションメンバ５５０の後方側と燃料電池モジュール１００との固定状態は維持されることとなる。このため、燃料電池モジュール１００の後方側は、サスペンションメンバ５５０の後方側の移動に伴って下方に移動し、タンク２０と衝突するおそれがある。

これに対して、上述のように、第１実施形態における接続部ＣＰ１は、リアマウントブラケット４２０よりも高い剛性を有するため、衝突発生時に、接続部ＣＰ１の塑性変形が生じる前にリアマウントブラケット４２０の破断が生じる。このため、燃料電池モジュール１００における少なくとも後方側は、サスペンションメンバ５５０への間接的な固定が解かれ、サスペンションメンバ５５０の後方側の移動に伴って下方に移動せず、燃料電池システム２００と衝突することが抑制される。

以上説明した第１実施形態の燃料電池車両５００によれば、燃料電池モジュール１００とリアマウントブラケット４２０との接続部ＣＰ１の剛性は、リアマウントブラケット４２０の剛性に比べて高いので、燃料電池車両５００の衝突が発生した場合に、接続部ＣＰ１が塑性変形するよりも前にリアマウントブラケット４２０の破壊が生じる可能性を高めることができ、燃料電池モジュール１００のサスペンションメンバ５５０への固定を解除する可能性を高めることができる。このため、衝突に伴う外力によりサスペンションメンバ５５０が下方に移動する場合であっても、かかる移動に従って燃料電池モジュール１００が移動することを抑制でき、燃料電池モジュール１００とタンク２０との衝突の発生を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態の取付機構４９０ａ近傍を拡大して示す断面図である。図８では、第１実施形態の図６と同じ位置での断面を示している。第２実施形態の燃料電池車両は、支持フレーム１５０に代えて支持フレーム１５０ａを備える点、および取付機構４９０に代えて取付機構４９０ａを備える点において、第１実施形態の燃料電池車両５００と異なる。第２実施形態の燃料電池車両におけるその他の構成は、第１実施形態の燃料電池車両５００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態の支持フレーム１５０ａは、上面壁部１５１および下面壁部１５２に代えて、上面壁部１５１ａおよび下面壁部１５２ａを備える点において、第１実施形態の支持フレーム１５０と異なる。支持フレーム１５０ａにおけるその他の構成は、支持フレーム１５０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上面壁部１５１ａには、貫通孔１５５に代えて、貫通孔１５５ａが形成されている。貫通孔１５５ａの内周面には、ネジ山が形成されている。下面壁部１５２ａは、貫通孔１５６に代えて貫通孔１５６ａを備える点において、第１実施形態の下面壁部１５２と異なる。貫通孔１５６ａは、直径が小さく、後述するボルト３１０ａの軸部３１１ａの直径よりも若干大きい程度である。

第２実施形態の取付機構４９０ａは、ボルト３１０に代えてボルト３１０ａを備える点と、ナット３２０に代えてナット３２０ａを備える点と、連結カラー部材４５０が省略されている点とにおいて、第１実施形態の取付機構４９０と異なる。第２実施形態の取付機構４９０ａにおけるその他の構成は、第１実施形態の取付機構４９０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ボルト３１０ａは、軸部３１１に代えて軸部３１１ａを備える点において、第１実施形態のボルト３１０と異なり、その他の構成は、ボルト３１０と同じである。軸部３１１ａは、第１実施形態の軸部３１１に比べて長く、その先端は、支持フレーム１５０ａの外部（上面壁部１５１ａよりも上方）に露出している。

ナット３２０ａは、下面におけるネジ孔近傍が突出していない点と、上方側の端部（後端部３２２）の直径が下方側の端部の直径よりも大きい点と、後端部３２２の外周面は支持フレーム１５０ａの外部に露出している点と、後端部３２２の内周面には、支持フレーム１５０ａの貫通孔１５５ａに形成されたネジ山と螺合するネジ山３２３が形成されている点とにおいて、第１実施形態のナット３２０と異なり、その他の構成は、ナット３２０と同じである。ナット３２０ａの下面（先端面）は下面壁部１５２ａに接している。

このような構造を有する取付機構４９０ａにおいて、接続部ＣＰ２の剛性は、第１実施形態の接続部ＣＰ１と同様に、リアマウントブラケット４２０の剛性に比べて高い。これは、接続部ＣＰ２に外力が加えられた場合に、かかる力を上面壁部１５１ａと下面壁部１５２ａとに伝えることができるからである。具体的には、第１実施形態と同様に、リアマウントブラケット４２０に対して下向きの外力が加えられた場合、まず、リアマウントブラケット４２０に接しているボルト３１０ａに下向きの力が伝わり、かかる力の一部は、ボルト３１０ａと螺合するナット３２０ａに伝わる。ナット３２０ａに伝わった力のうちの一部は、ナット３２０ａと接している下面壁部１５２ａに伝わると同時に、ナット３２０ａと螺合している上面壁部１５１ａにも伝わることとなる。このように接続部ＣＰ２に伝えられる下向きの力が取付機構４９０ａにより上面壁部１５１ａおよび下面壁部１５２ａに分散されるため、接続部ＣＰ２の塑性変形が生じるよりも前にリアマウントブラケット４２０の破断が生じることとなる。このため、第１実施形態と同様に、衝突時の衝撃によりタンク２０が固定部材から外れて慣性力により前方に移動した場合であっても、燃料電池モジュール１００とタンク２０との衝突が抑制される。

以上説明した第２実施形態の燃料電池車両は、第１実施形態の燃料電池車両５００と同様な効果を有する。

Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態の取付機構４９０ｂ近傍を拡大して示す断面図である。図９では、第１実施形態の図６と同じ位置での断面を示している。第３実施形態の燃料電池車両は、支持フレーム１５０ａに代えて支持フレーム１５０ｂを備える点、および取付機構４９０ａに代えて取付機構４９０ｂを備える点において、第２実施形態の燃料電池車両と異なる。第３実施形態の燃料電池車両におけるその他の構成は、第２実施形態の燃料電池車両と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第３実施形態の支持フレーム１５０ｂは、上面壁部１５１ａに代えて、第１実施形態の上面壁部１５１を備える点において、第２実施形態の支持フレーム１５０ａと異なる。第３実施形態の支持フレーム１５０ｂにおけるその他の構成は、第２実施形態の支持フレーム１５０ａと同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第３実施形態の取付機構４９０ｂは、ナット３２０ａに代えてナット３２０ｂを備える点と、溶接部４６０を追加して備える点とにおいて、第２実施形態の取付機構４９０ａと異なる。第３実施形態の取付機構４９０ｂにおけるその他の構成は、第２実施形態の取付機構４９０ａと同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ナット３２０ｂは、後端部３２２に代えて後端部３２２ａを備える点において第２実施形態のナット３２０ａと異なり、その他の構成は、第２実施形態のナット３２０ａと同じである。したがって、ナット３２０ｂの下面（先端面）は、下面壁部１５２ａに接している。後端部３２２ａは、上面壁部１５１と螺合していない点と、上面壁部１５１と接しておらず、上面壁部１５１との間に所定の空隙ｇが形成されている点とにおいて、第２実施形態の後端部３２２と異なる。

溶接部４６０は、後端部３２２ａの外径方向端部と接して囲むように配置され、上面壁部１５１の上面と接している。溶接部４６０は、後端部３２２ａと上面壁部１５１とを、空隙ｇが生じた状態で接合する。溶接部４６０は、ナット３２０ｂおよび上面壁部１５１とは異なる部材を後端部３２２ａの外径方向端部近傍に配置し、かかる部材を上面壁部１５１および後端部３２２ａにそれぞれレーザー溶接することにより形成してもよい。また、例えば、後端部３２２ａおよび上面壁部１５１のうちの少なくとも一方に対してレーザー光を照射して溶解させ、他方と接合させてもよい。

このような構造を有する取付機構４９０ｂでは、接続部ＣＰ３の剛性は、第１実施形態の接続部ＣＰ１と同様に、リアマウントブラケット４２０の剛性に比べて高い。これは、接続部ＣＰ３に外力が加えられた場合に、かかる力を上面壁部１５１と下面壁部１５２ａとに伝えることができるからである。具体的には、第１実施形態および第２実施形態と同様に、リアマウントブラケット４２０に対して下向きの外力が加えられた場合、まず、リアマウントブラケット４２０に接しているボルト３１０ａに下向きの力が伝わり、かかる力の一部は、ボルト３１０ａと螺合するナット３２０ｂに伝わる。ナット３２０ｂに伝わった力のうちの一部は、ナット３２０ｂと接している下面壁部１５２ａに伝わると同時に、ナット３２０ｂと接している溶接部４６０を介して上面壁部１５１にも伝わることとなる。このように接続部ＣＰ３に伝えられる下向きの力が取付機構４９０ｂにより上面壁部１５１および下面壁部１５２ａに分散されるため、接続部ＣＰ３の塑性変形が生じるよりも前にリアマウントブラケット４２０の破断が生じることとなる。このため、第１実施形態および第２実施形態と同様に、衝突時の衝撃によりタンク２０が固定部材から外れて慣性力により前方に移動した場合であっても、燃料電池モジュールとタンク２０との衝突が抑制される。

以上説明した第３実施形態の燃料電池車両は、第１実施形態の燃料電池車両５００および第２実施形態の燃料電池車両と同様な効果を有する。

Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
各実施形態では、燃料電池モジュール１００は、フロントマウントブラケット４１０、リアマウントブラケット４２０、フロントマウント部材４３０、およびリアマウント部材４４０を介してサスペンションメンバ５５０に固定されていたが、サスペンションメンバ５５０に限らず、車体フレームを構成する任意の部材（メンバ）に、固定されていてもよい。例えば、燃料電池モジュール１００は、サイドメンバまたはクロスメンバに、間接的に固定されていてもよい。

Ｄ２．変形例２：
各実施形態においてタンク収容室５３０は、車両長さ方向に延びて形成されていたが、本発明はこれに限定されない。車両幅方向ＬＨに延びて形成されていてもよい。また、タンク収容室５３０を車両長さ方向および車両幅方向ＬＨのいずれの方向にも延びる空間として構成してもよい。また、収容されるタンク２０は、タンク収容室５３０においてどのような向きで収容されてもよい。

Ｄ３．変形例３：
各実施形態では、取付機構４９０，４９０ａ，４９０ｂが上面壁部１５１，１５１ａと、下面壁部１５２，１５２ａとに接するように構成されることにより、接続部ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３の剛性を、リアマウントブラケット４２０の剛性よりも高くなるようにしていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、下面壁部１５２，１５２ａを、上面壁部１５１，１５１ａに比べて剛性の高い材料により形成する方法や、貫通孔１５６，１５６ａの近傍に支柱部１５３を多数設ける方法等により、接続部ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３の剛性を、リアマウントブラケット４２０の剛性よりも高くなるようにしてもよい。

Ｄ４．変形例４：
各実施形態において、支持フレーム１５０，１５０ａ，１５０ｂは、厚さ方向ＴＤに２つの壁部（上面壁部１５１，１５１ａと、下面壁部１５２，１５２ａ）を有していたが、３つ以上の壁部を有してもよい。このような構成においても、厚さ方向ＴＤに並んだ複数の壁部のうちの２以上の壁部に接するように取付機構４９０，４９０ａ，４９０ｂが配置されることにより、接続部ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３の剛性を、リアマウントブラケット４２０の剛性よりも高くすることができる。

Ｄ５．変形例５：
各実施形態における燃料電池車両５００の構成は、あくまでも一例であり、種々変更可能である。例えば、取付機構４９０，４９０ａ，４９０ｂの数は４つに限らず任意の数としてもよい。燃料電池モジュール１００からケース１３０を省略してもよい。モータＭに加えて、ガソリンエンジン等の内燃機関を動力源として備えてもよい。燃料電池モジュール１００は、車両長さ方向において、タンク２０に向かう側へと下方に傾斜して配置されていなくてもよく、例えば、水平に配置されていてもよい。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１１…単セル
２０…タンク
２１…燃料ガス供給路
２２…燃料ガス循環路
２３…燃料ガス排出路
２４…遮断弁
２５…インジェクタ
２６…排気排水弁
２７…循環ポンプ
２９…気液分離器
３０…エアコンプレッサ
３１…酸化剤ガス供給路
３２…酸化剤ガス排出路
３３…三方弁
３４…圧力調整弁
３５…バイパス流路
１００…燃料電池モジュール
１０１…燃料電池スタック
１０２Ｆ，１０２Ｒ…絶縁板
１０３Ｆ，１０３Ｒ…集電板
１１０，１２０…エンドプレート
１３０…ケース
１３１…固定部
１３２…鍔部
１５０，１５０ａ，１５０ｂ…支持フレーム
１５１，１５１ａ…上面壁部
１５２，１５２ａ…下面壁部
１５３…支柱部
１５４…内部空間
１５５，１５５ａ…貫通孔
１５６，１５６ａ…貫通孔
１５９…貫通孔
１６０…ネジ
２００…燃料電池システム
２１０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
３１０，３１０ａ…ボルト
３１１，３１１ａ…軸部
３２０，３２０ａ，３２０ｂ…ナット
３２１…重なり部
３２２，３２２ａ…後端部
３２３…ネジ山
４１０…フロントマウントブラケット
４２０…リアマウントブラケット
４２１…第１台座部
４２２…第２台座部
４２３…傾斜部
４２５…貫通孔
４３０…フロントマウント部材
４４０…リアマウント部材
４５０…連結カラー部材
４５１…蓋部
４５２…円筒部
４６０…溶接部
４９０，４９０ａ，４９０ｂ…取付機構
５００…燃料電池車両
５１０…乗員室
５２０…燃料電池収容室
５３０…タンク収容室
５５０…サスペンションメンバ
８１０…ボルト
８２０…ナット
８９０…取付機構
ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３，ＣＰ１０…接続部
Ｆ…外力
ＦＤ…前方方向
ＦＷ…前輪
Ｇ…鉛直下方
ＬＨ…車両幅方向
Ｍ…モータ
ＲＤ…後方方向
ＲＷ…後輪
ＳＤ…積層方向
ＴＤ…方向
ｇ…空隙

Claims (1)

1. 燃料電池車両であって、
   燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池スタックに供給されるガスを貯蔵するタンクと、
   前記燃料電池モジュールを収容する燃料電池収容室と、
   前記燃料電池車両の床下において前記燃料電池収容室に対して前記燃料電池車両の車両長さ方向における後方側に形成され、前記タンクを収容するタンク収容室と、
   前記燃料電池収容室に自身の一部が配置された車体フレームと、
   前記燃料電池モジュールに接続され、前記燃料電池モジュールを前記車体フレームに固定する固定部材と、
   を備え、
   前記燃料電池モジュールと前記固定部材との接続部の剛性は、前記固定部材の剛性に比べて高く、
   前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックを支持する支持フレームであって、互いに鉛直方向に離れて配置され互いに鉛直方向に対応する穴が設けられた上面壁部および下面壁部を有する支持フレームを、さらに含み、
   前記接続部は、
   前記下面壁部の前記穴を貫き、前記固定部材を前記下面壁部に押し付けて取り付けるボルトと、
   前記ボルトに螺合し、前記上面壁部に直接的または間接的に接続されるナットと、
   を有する、
   燃料電池車両。

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