JP6740933B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池自動車に搭載された高電圧電動部品の保護に関する。
特許文献1に開示された燃料電池自動車は、キャビン前方の空間であって、キャビンからダッシュボードによって分離された空間に、燃料電池スタックを搭載している。この燃料電池自動車は、センタートンネル内に水素タンクを搭載している。
特開2015−231319号公報
衝突事故などによって、水素タンクと、燃料電池自動車に搭載された他の部品の何れかとが衝突する場合がある。他の部品には、高電圧電動部品が含まれる。高電圧電動部品とは、高電圧によって作動する電動部品のことである。高電圧電動部品は、高電圧電動部品以外の構成部品よりも、水素タンクとの衝突から高度に保護されることが好ましい。
高電圧電動部品を保護する手法として、水素タンクと高電圧電動部品との搭載位置を大きく離すことが考えられる。しかし、この手法では、自動車をコンパクトに設計することが難しくなる。
他の手法としては、高電圧電動部品を保護する専用の保護部材を設けることが考えられる。しかし、この手法では、コストが嵩んでしまう。
本開示は、上記を踏まえ、水素タンクとの衝突から高電圧電動部品を保護することを、コンパクト且つ安価な手法で実現することを解決課題とする。
本開示の一形態は、中心軸線が自動車の前後方向に対して略平行になるように搭載された水素タンクと;前記水素タンクの前方および後方の何れかに位置し、高電圧によって作動する高電圧電動部品と;前記水素タンクと前記高電圧電動部品との間に配置され、圧縮空気を冷却するアフタクーラと;前記冷却された圧縮空気の供給を受ける燃料電池スタックと;を備え、前記アフタクーラは、水平面上で前記自動車の前後方向において前記水素タンクと前記高電圧電動部品との間に設置されている、燃料電池自動車である。この形態によれば、水素タンクとの衝突から高電圧電動部品を保護することを、コンパクト且つ安価な手法で実現できる。アフタクーラが、水素タンクとの衝突から高電圧電動部品を保護する保護部材として機能するので、水素タンクと高電圧電動部品との搭載位置を大きく離す必要が無くなる。このため、燃料電池自動車をコンパクトに設計できる。そして、アフタクーラは、高電圧電動部品を保護する専用の部材ではないので、コストアップを回避できる。
上記形態において、キャビンの前方に形成されたフロントルームを更に備え;前記高電圧電動部品は、前記フロントルームに収容され;前記水素タンクは、前記高電圧電動部品の後方に位置してもよい。この形態によれば、フロントルームに高電圧電動部品を搭載する場合に、高電圧電動部品を保護することができる。
上記形態において、前記高電圧電動部品は、前記アフタクーラに圧縮空気を送り込むエアコンプレッサであり;前記燃料電池スタックは、前記フロントルームに収容され;前記燃料電池スタックの後方面に接続され、前記冷却された圧縮空気が流れる酸化剤ガス供給路を更に備えてもよい。この形態によれば、酸化剤ガス供給路の流れ方向の長さを短くすることができる。エアコンプレッサの後方にアフタクーラが位置しているので、アフタクーラから流出した圧縮空気が流れる管は、アフタクーラから後方に延びるように配置するのが合理的である。さらに、燃料電池スタックがフロントルームに収容されているため、アフタクーラから後方に延びる管は、燃料電池スタックの後方面よりも後方に向かう。このため、酸化剤ガス供給路を燃料電池スタックの後方面に接続することで、酸化剤ガス供給路を短くすることができる。
上記形態において、前記エアコンプレッサは、前記燃料電池スタックの下方に配置されてもよい。この形態によれば、水素タンクを低めの位置に搭載できるので、前後方向に沿うように搭載するために適した配置になる。
上記形態において、前記高電圧電動部品は、前記アフタクーラに圧縮空気を送り込むエアコンプレッサであってもよい。この形態によれば、エアコンプレッサを保護することができる。
上記形態において、前記アフタクーラは、自身の底面が前記前後方向と交差するように、傾斜した姿勢で搭載されていてもよい。この形態によれば、高電圧電動部品の保護が更に効果的になる。アフタクーラが傾斜した姿勢で搭載されているため、アフタクーラと水素タンクとの衝突は、アフタクーラに対する回転方向の力を発生させる。この回転によって、アフタクーラと水素タンクとの衝突による衝撃が緩和されるため、上記効果を得ることができる。
上記形態において、キャビンの床が盛り上がることによって、床下に形成された空間であるセンタートンネルを更に備え;前記水素タンクは、前記センタートンネル内に配置されていてもよい。この形態によれば、燃料電池自動車をコンパクトに設計できる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、燃料電池自動車の製造方法等の形態で実現できる。
燃料電池システムの概略構成図。 燃料電池自動車の概略構成を示す側面図。 燃料電池自動車の概略構成を示す底面図。 4−4断面図。 アフタクーラの底面図。 アフタクーラ付近の拡大図。 水素タンクとアフタクーラとが衝突した様子を示す図。 破断したアフタクーラが移動した様子を示す図。
図1は、燃料電池システム200の概略構成を示す。燃料電池システム200は、燃料ガス系2と、酸化剤ガス系3と、冷却水系7と、制御部10と、燃料電池スタック100と、電気回路210と、を備える。
燃料電池スタック100は、積層方向SDに沿って積層された複数のセル11を備える。燃料電池スタック100は、積層方向SDの両端部に一対のエンドプレート110,120を備える。各セル11は、固体高分子形燃料電池である。各セル11は、燃料ガスと、酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する。本実施形態において、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100の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水の流路としてのマニホールド(図示省略)がセル11の積層方向SDに沿って形成されている。
燃料電池スタック100における一対の集電板103F,103Rは、電気回路210と電気的に接続されている。集電板103Fとエンドプレート110との間には、絶縁板102Fが配置されている。同様に、集電板103Rとエンドプレート120との間には、絶縁板102Rが配置されている。電気回路210は、周知のインバータやコンバータ等から構成される。電気回路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100の発電電力を変換してモータMに供給する。
燃料ガス系2は、補機類20と、水素タンク21と、水素タンク22と、水素タンク23と、燃料ガス排出路29とを備える。
水素タンク21,22,23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補機類20に供給する。補機類20は、周知のインジェクタや水素ポンプ、気液分離器などから構成される。補機類20は、燃料ガスを燃料電池スタック100に供給したり、燃料ガス排出路29を介して燃料ガスを排出したりする。
酸化剤ガス系3は、エアコンプレッサ30と、酸化剤ガス供給路31と、エアクリーナ32と、三方弁33と、吐出流路34、出口流路35、バイパス36と、吸入流路37、圧力調整弁38と、排出流路39と、アフタクーラ800と、入口部940と、出口部950とを備える。アフタクーラ800は、インタクーラとも呼ぶ。
エアクリーナ32は、自身を通過する空気に含まれる異物を捕集する。エアコンプレッサ30は、エアクリーナ32および吸入流路37を介して大気から吸入した空気を圧縮する。圧縮された空気は、高温になる。エアコンプレッサ30によって圧縮された空気は、吐出流路34および入口部940を介して、アフタクーラ800に流入する。アフタクーラ800に流入した圧縮空気は、アフタクーラ800によって冷却される。
アフタクーラ800によって冷却された圧縮空気は、出口部950および出口流路35を介して、三方弁33に流入する。三方弁33に流入した圧縮空気は、三方弁33の開度に応じて、酸化剤ガス供給路31およびバイパス36の少なくとも何れか一方に流入する。
酸化剤ガス供給路31に流入した圧縮空気は、燃料電池スタック100に流入する。燃料電池スタック100に流入した圧縮空気は、燃料電池スタック100内を通過し、圧力調整弁38に流入する。圧力調整弁38によって圧力が調整された空気は、排出流路39を介して、大気に排出される。バイパス36に流入した圧縮空気は、排出流路39を介して、大気に排出される。
冷却水系7は、ウォータポンプ710と、冷却水供給流路720と、アフタクーラ用供給流路730と、アフタクーラ用排出流路740と、冷却水排出流路750と、バイパス760と、三方弁770と、ラジエータ780とを備える。
ウォータポンプ710は、冷却水を循環させる。ウォータポンプ710から流出した冷却水の一部は、冷却水供給流路720を介して燃料電池スタック100に流入する。燃料電池スタック100に流入した冷却水は、燃料電池スタック100を冷却した後、燃料電池スタック100から排出される。燃料電池スタック100から排出された冷却水は、冷却水排出流路750に流入する。冷却水排出流路750に流入した冷却水は、三方弁770の開度に応じて、バイパス760およびラジエータ780の少なくとも何れか一方に流入する。
ラジエータ780に流入した冷却水は、ラジエータ780によって冷却された後、ラジエータ780から排出される。ラジエータ780から排出された冷却水は、ウォータポンプ710に流入する。バイパス760に流入した冷却水は、殆ど冷却されることなくウォータポンプ710に流入する。
ウォータポンプ710から流出した冷却水のうち、燃料電池スタック100に流入しない分は、アフタクーラ用供給流路730を介してアフタクーラ800に流入する。アフタクーラ800に流入した冷却水は、アフタクーラ800を通過する圧縮空気を冷却した後、アフタクーラ用排出流路740を介して、冷却水排出流路750に流入する。
上述した各種の動作は、制御部10によって制御される。制御部10は、1つ以上のECUによって構成されている。
エアコンプレッサ30、ウォータポンプ710、補機類20に含まれる水素ポンプ、及びモータMは何れも高電圧電動部品である。高電圧電動部品とは、高電圧によって作動する部品のことである。高電圧とは、後述する燃料電池自動車500が走行する場所に適用される法規によって規定された所定電圧値以上の電圧のことである。本実施形態におけるエアコンプレッサ30は、約650Vの電圧で作動する。上記の所定電圧値は、650Vよりも小さい値である。
所定電圧値は、12Vよりも大きい。このため、12Vで作動する部品は、高電圧電動部品ではない。例えば、後述する圧力センサ827および温度センサ829は、12Vで作動するので高電圧電動部品ではない。
図2は、燃料電池自動車500の概略構成を示す側面図である。図3は、燃料電池自動車500の概略構成を底面視によって示す。図2及び図3は、適宜、ボディーの一部等の図示を省略している。
燃料電池自動車500は、先述した燃料電池システム200とモータMとを搭載している。モータMのトルクによって、後輪RWが駆動する。図2および図3は、図1に示された燃料電池システム200の構成要素の一部について図示を省略している。
本実施形態では、前方方向FDと後方方向RDとを総称して前後方向と呼ぶ。燃料電池自動車500には、フロントルーム510と、センタートンネル520と、キャビン530とが形成されている。
フロントルーム510は、燃料電池自動車500における前方方向FD側に位置し、一対の前輪FWに挟まれた領域を含む空間として構成されている。図2および図3に示すように、フロントルーム510は、エアコンプレッサ30と、酸化剤ガス供給路31と、エアクリーナ32と、吐出流路34と、アフタクーラ800と、入口部940と、出口部950とを収容する。
図2および図3に示すように、エアコンプレッサ30およびアフタクーラ800は、燃料電池スタック100の直下に配置されている。
センタートンネル520は、フロントルーム510よりも後方方向RD側であって、キャビン530の床下に位置している。フロントルーム510とセンタートンネル520との境界は明確に定まる訳ではなく、フロントルーム510およびセンタートンネル520は連続した空間である。
キャビン530は、フロントルーム510よりも後方方向RD側であって、センタートンネル520の上方側に位置している。キャビン530には前方座席FSおよび後方座席RSが収容されている。フロントルーム510およびキャビン530は、ダッシュボードDBによって区画されている。センタートンネル520およびキャビン530は、フロアパネル610によって区画されている。
図2に示すように、燃料電池スタック100は、前後方向において、後方方向RD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、燃料電池スタック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、前後方向に対して傾斜して配置されている。
酸化剤ガス供給路31は、エンドプレート120に接続されている。詳細には、酸化剤ガス供給路31は、エンドプレート120に設けられた開口部に接続されている。開口部とは、上記したマニホールドの開口部のことである。
エンドプレート120は、燃料電池スタック100が燃料電池自動車500に搭載された姿勢において、燃料電池スタック100の構成要素のうち、最も後方方向RD側に位置する。このため、酸化剤ガス供給路31は、燃料電池スタック100の後方面に接続されていることになる。つまり、酸化剤ガス供給路31は、燃料電池スタック100の後方面と、エアコンプレッサ30の出口流路である出口部950とを繋ぐ流路管である。
先述したように、エアコンプレッサ30は燃料電池スタック100の直下に配置されている。このため、エアコンプレッサ30から燃料電池スタック100への圧縮空気は、おおまかに言って、おおよそ後方方向RDに向かって流れた後、鉛直上方に流れ、その後、おおよそ前方方向FDに流れる。
アフタクーラ800は、上記おおよそ後方方向RDに向かって流れる流路を形成する。酸化剤ガス供給路31は、上記の鉛直上方に向かって流れる流路、および、おおよそ前方方向FDに向かって流れる流路を形成する。酸化剤ガス供給路31は、燃料電池スタック100の直下に配置されたアフタクーラ800から流出した圧縮空気を、燃料電池スタック100の後方面から供給するため、流路の長さが短い。
水素タンク21,22,23は、略円筒形の外観形状を有する。水素タンク22および水素タンク23は、各々の中心軸線が幅方向LHに対して略平行になるように収容されている。水素タンク22および水素タンク23は、後方座席RSよりも後方方向RDに配置されている。なお、水素タンク22および水素タンク23は、図3には示されていない。
水素タンク21は、図2および図3に示すように、中心軸線Oが前後方向に対して略平行になるように収容されている。センタートンネル520は、水素タンク21を収容する。センタートンネル520は、幅方向LHの略中央において前後方向に沿って形成されている。センタートンネル520の天井部分とキャビン530の床部分とは、フロアパネル610によって形成されている。
図4は、図2に示す4−4断面を示す断面図である。センタートンネル520は、周知のエンジン車においてプロペラシャフトを収容するセンタートンネルと同様な形状を有している。プロペラシャフトは、ドライブシャフトとも呼ばれる。センタートンネル520は、鉛直上方のフロアパネル610と、側壁部620と、下方カバー630とによって形成されている。キャビン530の床においてセンタートンネル520に対応する部分は、他の部分に比べて鉛直上方に盛り上がっている。
水素タンク21は、第1取付部材310と第2取付部材320とによって側壁部620に取り付けられている。第1取付部材310および第2取付部材320のそれぞれは、バンド部と、取り付け部とを含む。バンド部は、水素タンク21を外周方向に囲む。取り付け部は、バンド部を側壁部620に取り付ける。
図5は、アフタクーラ800の底面図である。アフタクーラ800は、入口フランジ810と、入口接続部815と、出口フランジ820と、出口接続部825と、圧力センサ827と、温度センサ829と、冷却水入口流路830と、冷却水出口流路840と、本体880とを備える。
入口フランジ810は、入口部940に接続される。出口フランジ820は、出口部950に接続される。圧縮空気は、入口フランジ810から流入し、入口接続部815を介して本体880に流入する。
一方、冷却水入口流路830は、アフタクーラ用供給流路730に接続される。冷却水出口流路840は、アフタクーラ用排出流路740に接続される。ウォータポンプ710から排出された冷却水は、アフタクーラ用供給流路730を介して本体880に流入する。本体880に流入した冷却水は、本体880に流入した圧縮空気を冷却する。圧縮空気を冷却した冷却水は、冷却水出口流路840を介して、アフタクーラ用排出流路740に流入する。
本体880において冷却された圧縮空気は、出口接続部825および出口フランジ820を介して、出口部950に流入する。
圧力センサ827は、出口接続部825に取り付けられている。圧力センサ827は、冷却後の圧縮空気の圧力を測定する。温度センサ829は、出口接続部825に取り付けられている。温度センサ829は、冷却後の圧縮空気の温度を測定する。
本体880の底面を底面881と呼ぶ。図5は、本体880として底面881を示している。なお、冷却水入口流路830および冷却水出口流路840は、本体880の正面に接続されている。
図6は、アフタクーラ800付近の拡大図である。アフタクーラ800は、傾斜した姿勢で搭載されている。具体的には、アフタクーラ800は、出口部950が入口部940よりも上方に位置するように、傾斜した姿勢で搭載されている。このため、底面881は、前後方向と交差する。交差する角度は、図6に示されるように、直角よりも小さい角度である。さらに、底面881は、図3および図6に示されるように、中心軸線Oと交差する。底面881と中心軸線Oとがなす角度は、角度θである。角度θは、底面881と前後方向とがなす角度と同じである。
図7は、水素タンク21と、アフタクーラ800とが衝突した様子を示す。この衝突は、燃料電池自動車500の衝突事故などによって引き起こされる。この衝突によって、水素タンク21とエアコンプレッサ30との少なくとも何れか一方が移動する結果、水素タンク21とエアコンプレッサ30とが接近する。
この衝突は、アフタクーラ800を破断させる場合がある。破断が発生する場合、初めに、出口接続部825において破断が発生することが多い。その理由は、出口接続部825は、水素タンク21に近い位置にあるので衝突直後に力を受ける場合が多いこと、および、出口接続部825は、断面積が小さい部位があるため、その部位に応力が集中することである。図7は、出口接続部825の破断面を破断面F1として示す。
図8は、破断したアフタクーラ800が移動した様子を示す。出口接続部825に破断が生じた後、さらに、水素タンク21とエアコンプレッサ30とが接近すると、アフタクーラ800は回転する。この回転は、幅方向LHを中心とする回転である。この回転は、底面881が傾斜していることによって、引き起こされる。
回転角が大きくなると、入口接続部815が破断する。入口接続部815は、出口接続部825同様、断面積が小さい部位があるからである。図8は、入口接続部815の破断面を破断面F2として示す。
水素タンク21とエアコンプレッサ30とを接近させる力は、出口接続部825および入口接続部815の破断、並びに、アフタクーラ800の回転によって減衰する。この結果、エアコンプレッサ30が保護される。
本開示は、本明細書の実施形態や実施例、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、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先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、組み合わせができる。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、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
アフタクーラ800によって保護する高電圧電動部品は、エアコンプレッサ30でなくてもよい。例えば、ウォータポンプ710、水素ポンプ及びモータMの少なくとも何れか1つでもよい。燃料電池自動車500が空調装置を備える場合、アフタクーラ800によって保護する高電圧電動部品は、空調のために冷媒を圧縮するコンプレッサでもよい。また、作動に用いられる電圧が高電圧か否かについては、法規によらず任意に決定してもよい。
燃料電池スタックと保護対象の高電圧電動部品との少なくとも何れか一方は、後方座席RSよりも後方に配置してもよい。例えば、モータMを保護する場合には、モータMをフロントルームに配置してもよいし、アフタクーラ800を後方座席RSよりも後方に配置してもよい。
エアコンプレッサ30は、燃料電池スタック100の上方に配置してもよい。
アフタクーラ800は、傾斜していない姿勢で搭載されていてもよい。つまり、底面881が水平になるように搭載されていてもよい。
水素タンク21を搭載するスペースは、センタートンネル520として形成されていなくてもよい。例えば、キャビン530の床をフラットに形成し、水素タンク21を床下に吊り下げて搭載してもよい。
アフタクーラ800は、圧力センサ827と温度センサ829との少なくとも何れか一方を備えなくてもよい。
2…燃料ガス系
3…酸化剤ガス系
7…冷却水系
10…制御部
11…セル
20…補機類
21…水素タンク
22…水素タンク
23…水素タンク
29…燃料ガス排出路
30…エアコンプレッサ
31…酸化剤ガス供給路
32…エアクリーナ
33…三方弁
34…吐出流路
35…出口流路
36…バイパス
37…吸入流路
38…圧力調整弁
39…排出流路
100…燃料電池スタック
102F…絶縁板
102R…絶縁板
103F…集電板
103R…集電板
110…エンドプレート
120…エンドプレート
200…燃料電池システム
210…DC−DCコンバータ
310…第1取付部材
320…第2取付部材
500…燃料電池自動車
510…フロントルーム
520…センタートンネル
530…キャビン
610…フロアパネル
620…側壁部
630…下方カバー
710…ウォータポンプ
720…冷却水供給流路
730…アフタクーラ用供給流路
740…アフタクーラ用排出流路
750…冷却水排出流路
760…バイパス
770…三方弁
780…ラジエータ
800…アフタクーラ
810…入口フランジ
815…入口接続部
820…出口フランジ
825…出口接続部
827…圧力センサ
829…温度センサ
830…冷却水入口流路
840…冷却水出口流路
880…本体
881…底面
940…入口部
950…出口部
DB…ダッシュボード
FS…前方座席
FW…前輪
M…モータ
O…中心軸線
RS…後方座席
RW…後輪

Claims (7)

  1. 中心軸線が自動車の前後方向に対して略平行になるように搭載された水素タンクと、
    前記水素タンクの前方および後方の何れかに位置し、高電圧によって作動する高電圧電動部品と、
    前記水素タンクと前記高電圧電動部品との間に配置され、圧縮空気を冷却するアフタクーラと、
    前記冷却された圧縮空気の供給を受ける燃料電池スタックと、
    を備え
    前記アフタクーラは、水平面上で前記自動車の前後方向において前記水素タンクと前記高電圧電動部品との間に設置されている、燃料電池自動車。
  2. キャビンの前方に形成されたフロントルームを更に備え、
    前記高電圧電動部品は、前記フロントルームに収容され、
    前記水素タンクは、前記高電圧電動部品の後方に位置する
    請求項1に記載の燃料電池自動車。
  3. 前記高電圧電動部品は、前記アフタクーラに圧縮空気を送り込むエアコンプレッサであり、
    前記燃料電池スタックは、前記フロントルームに収容され、
    前記燃料電池スタックの後方面に接続され、前記冷却された圧縮空気が流れる酸化剤ガス供給路を更に備える
    請求項2に記載の燃料電池自動車。
  4. 前記エアコンプレッサは、前記燃料電池スタックの下方に配置される
    請求項3に記載の燃料電池自動車。
  5. 前記高電圧電動部品は、前記アフタクーラに圧縮空気を送り込むエアコンプレッサである
    請求項1又は請求項2に記載の燃料電池自動車。
  6. 前記アフタクーラは、自身の底面が前記前後方向と交差するように、傾斜した姿勢で搭載されている
    請求項1から請求項5までの何れか一項に記載の燃料電池自動車。
  7. キャビンの床が盛り上がることによって、床下に形成された空間であるセンタートンネルを更に備え、
    前記水素タンクは、前記センタートンネル内に配置されている
    請求項1から請求項6までの何れか一項に記載の燃料電池自動車。
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