JP6844400B2

JP6844400B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP6844400B2
Application number: JP2017084237A
Authority: JP
Inventors: 西海　弘章; 弘章西海; 有吾市田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: CN108725237B; JP2018177156A; DE102018108440B4; CN108725237A; US20180304929A1; DE102018108440A1; US10919576B2

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

燃料電池車両は、燃料電池セルの積層体である燃料電池スタックを搭載している。燃料電池スタックは、例えば特許文献１に記載されているように、セルが車両の前後方向に積層するように車両前方のフロントルームに配置される。

特開２０１５−２３１３１９号公報

燃料電池車両の前方向への衝突時（以下、車両前方向への衝突を「前突」という）において、燃料電池スタックの積層方向に発生する慣性力に起因して燃料電池スタックを構成する各セルの積層状態に粗密ができる場合、積層状態が粗となる箇所は燃料電池セルの締結荷重が低くなるため、冷却水や反応ガスが漏れるおそれがある。そのため、前突時において、冷却水や反応ガスが漏れることを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題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。
本発明の一形態によれば、前方にフロントルームを有する燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、前記フロントルーム内に配置された、該燃料電池車両の前後方向に複数のセルが積層されて形成されている燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前方に配置された緩衝部材と、を備え、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックを下方から支えるスタックフレームを有し、前記緩衝部材は、前記燃料電池スタックに取り付けられておらず、前記スタックフレームの前端に取り付けられており、前記燃料電池スタックおよび前記スタックフレームの前方に配置されている。また、本発明は、以下の形態としても実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、前方にフロントルームを有する燃料電池が提供される。この燃料電池車両は、前記フロントルーム内に配置された、前記燃料電池車両の前後方向に複数のセルが積層されて形成されている燃料電池スタックと；前記燃料電池スタックの前方に配置された緩衝部材と、を備える。この形態の燃料電池車両によれば、車両が前突した場合であっても、緩衝部材によって、燃料電池スタックの積層方向に加わる慣性力を低減することができるので、燃料電池スタックの積層状態に粗密が生じることを抑制することができる。そのため、冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池車両において、前記緩衝部材は、予め定められたレーティング速度での前突時における前記燃料電池スタックへの入力荷重を、前記レーティング速度での前突時における前記燃料電池スタックの耐久荷重よりも小さくしてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、前突時において、緩衝部材によって減ぜられた燃料電池スタックへの入力荷重が、燃料電池スタックの耐久荷重よりも小さくなるよう設定されているため、より効果的に冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池車両において、前記レーティング速度は、５６ｋｍ／ｈでもよい。この形態の燃料電池車両によれば、より効果的に冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

（４）上記形態の燃料電池車両において、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックを下方から支えるスタックフレームを有し；前記緩衝部材は、前記スタックフレームに取り付けられていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、前突時の衝撃がスタックフレームに加わるため、燃料電池スタックに直接的に衝撃が加わることを抑制できる。そのため、より効果的に冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

（５）上記形態の燃料電池車両において、前記スタックフレームと前記燃料電池車両とを固定するマウントを備えていてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、スタックフレームに加わる衝撃をマウントに逃がすことができるので、前突時の衝撃を分散させることができる。よって、燃料電池スタックに加わる衝撃をより低減できる。そのため、より効果的に冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、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スタックの配置方法等の形態で実現することが可能である。

燃料電池車両の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。燃料電池スタックの断面を示す参考図である。図３における燃料電池セルの位置と締結荷重との関係を示すグラフである。緩衝部材の概略構成を示す説明図である。燃料電池車両の前突における速度と燃料電池スタックへの入力荷重との関係を示すグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池車両１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池車両１００は、フロントルーム１０と車室１１とを有している。本実施形態では、フロントルーム１０は、一対の前輪ＦＷに挟まれた領域を含む、燃料電池車両１００の車室１１よりも前方（＋ｘ軸方向）にある空間として形成されている。フロントルーム１０と車室１１とは、ダッシュボードＤＢにより隔てられている。燃料電池車両１００は、後述する燃料電池スタック２０を電力源として搭載し、動力源であるモータ（図示せず）が駆動することにより、前輪ＦＷおよび後輪ＲＷのうち少なくとも一方が駆動される。図１には互いに直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。これらの軸は図２以降に示した軸に対応している。

フロントルーム１０内には、燃料電池スタック２０が配置されている。フロントルーム１０の車両後方（−ｘ軸方向）側には車室１１が形成されている。本実施形態では、車室１１は、一対の前輪ＦＷと一対の後輪ＲＷに挟まれた車両前後方向（ｘ軸方向）に広がる空間として形成されている。燃料電池スタック２０は、固体高分子型燃料電池であり、水素ガス供給系（図示せず）からの水素ガス供給と、空気供給系（図示せず）からの空気供給を受けて発電する。

本実施形態において、燃料電池スタック２０は、スタックフレーム３０を介してサスペンションメンバー４１に固定され、フロントルーム１０内に配置されている。燃料電池スタック２０の上部に、燃料電池車両１００が発電した直流電力を交流電力に変換する燃料電池用パワーコントロールユニット６０が配置、固定される。

スタックフレーム３０は、燃料電池スタック２０を下方から支持する金属部材である。スタックフレーム３０は、下方（＋ｙ軸方向）の前端（＋ｘ軸方向側）と後端（−ｘ軸方向側）とに設けられたマウント４０により、サスペンションメンバー４１に固定される。マウント４０は、スタックフレーム３０前端側のフロントマウント４０Ｆとスタックフレーム３０後端側のリアマウント４０Ｒとを含んでいる。マウント４０は、燃料電池車両１００の前突時において、燃料電池スタック２０が前方に移動することを抑制する。サスペンションメンバー４１は、燃料電池車両１００の車体フレームの一部を為す部材であり、本実施形態では、燃料電池スタック２０を支持する部材としても使用される。

本実施形態では、燃料電池スタック２０の前方に緩衝部材５０が配置されている。本実施形態では、緩衝部材５０は、スタックフレーム３０の前端に固定されている。また、燃料電池車両１００の前方側、より具体的には、緩衝部材５０の前方にラジエータ７０が配置されている。ラジエータ７０は、冷媒流路（図示せず）を介して燃料電池スタック２０から送られてくる冷媒を、ラジエータ７０の近傍に配置されたファンモータ（図示せず）からの風により冷却し、冷媒の熱を車外へと放出する。

図２は、燃料電池スタック２０の概略構成を示す断面図である。燃料電池スタック２０は、ケース２１を備える。燃料電池スタック２０は、車両の前後方向（ｘ軸方向）に積層された複数の燃料電池セル２２を有する。なお、「車両の前後方向（ｘ軸方向）に積層された複数の燃料電池セル２２」とは、燃料電池セル２２が燃料電池車両１００の前後方向（ｘ軸方向）に対して±３０°以内の方向となるように積層されていることを含む。

燃料電池セル２２をケース２１内に複数積層した積層体の積層方向（ｘ軸方向）の両端には、一対のエンドプレート２３が配置されている。エンドプレート２３は板状部材である。本実施形態において、ケース２１は、アルミニウム（Ａｌ）により形成されている。ケース２１は、例えば、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３は、燃料電池スタック２０の断面図の参考図である。図３における燃料電池スタック２０には、燃料電池車両１００の前突により、車両後方側から車両前方側（＋ｘ軸方向）へ慣性力が生じた場合を示す。図３に示すように、燃料電池スタック２０は、燃料電池セル２２の積層方向に慣性力が生じると、燃料電池セル２２の積層状態に粗密ができる。

図４は、図３における燃料電池セル２２の位置と締結荷重との関係を示すグラフである。縦軸は締結荷重（ｋＮ）を示しており、横軸は燃料電池スタック２０前方からの位置（ｍｍ）を示している。図４における破線は、燃料電池車両１００へ慣性力が生じていない場合の燃料電池スタック２０の締結荷重を示している。図４に示すように、燃料電池スタック２０の後方側において、燃料電池セル２２の積層状態が粗となる箇所は、燃料電池スタック２０の前方側において、燃料電池セル２２の積層状態が密となる箇所に比べて締結荷重が低くなるため、冷却水や反応ガスが漏れやすくなる。

図５は、緩衝部材５０の概略構成を示す説明図である。本実施形態において、緩衝部材５０は、アルミニウム合金を押し出し成形することによって形成されたクラッシュボックスである。本実施形態では、直方体状の部材に車両の前後方向（ｘ軸方向）に沿った断面矩形状の４つの貫通孔が形成されることでクラッシュボックスが形成されている。本実施形態では、クラッシュボックスが車両の幅方向（ｚ軸方向）に２つ配列されることで緩衝部材５０が構成されている。緩衝部材５０は、例えば、アルミニウム合金以外の金属や樹脂によって形成されてもよい。緩衝部材５０は、燃料電池車両１００の前突時にその軸方向（ｘ軸方向）へ荷重が加わると、軸方向へ繰り返し座屈して蛇腹状（アコーディオン状）に塑性変形することによって、衝突荷重を吸収する。

緩衝部材５０は、前突時における燃料電池スタック２０への入力荷重を、前突時における燃料電池スタック２０の耐久荷重よりも小さくするよう衝突荷重を吸収することが好ましい。緩衝部材５０によって吸収させる衝突荷重は、例えば、クラッシュボックスの数や、前後方向の長さ、材料などによって調整できる。なお、前突時における燃料電池スタック２０の耐久荷重とは、前突時において、燃料電池スタック２０に慣性力が生じても、冷却水や反応ガスが漏れない最大の荷重のことである。本実施形態における燃料電池スタック２０の耐久荷重は、例えば２００ｋＮである。

本実施形態において「前突」とは、燃料電池車両１００が予め定められた速度で車両前方向へ衝突する場合を示す。本実施形態において、予め定められた速度とは、各国の保険機構によって推奨されている試験速度であり、その推奨速度のことをレーティング速度という。本実施形態において、レーティング速度は、米国のＩＩＨＳ（米国道路安全保険協会）における推奨速度に従い、５６ｋｍ／ｈ（３５マイル／ｈ）とする。ただし、レーティング速度は上記に限定されず、例えば、欧州や中国、日本など各国の法規や政府の保険機関の推奨試験速度に従って定めてもよい。欧州や中国におけるレーティング速度は５５ｋｍ／ｈである。

図６は、燃料電池車両１００の前突における速度と燃料電池スタック２０への入力荷重との関係を示すグラフである。縦軸は入力荷重（ｋＮ）を示しており、横軸は燃料電池車両１００の前突における速度（ｋｍ／ｈ）を示している。図６における実線は、緩衝部材５０がある場合の燃料電池スタック２０への入力荷重を例示しており、破線は、緩衝部材５０がない場合の燃料電池スタック２０への入力荷重を例示している。

破線で示すように、緩衝部材５０がない場合、速度に比例して入力荷重が大きくなる。この場合、図３に示したように、燃料電池スタック２０は、燃料電池セル２２の積層状態に粗密ができる。本実施形態では、実線で示すように、緩衝部材５０は、少なくとも０〜５６ｋｍ／ｈの速度範囲において、車両の前突における速度にかかわらず、燃料電池スタック２０への入力荷重が予め定めた荷重以下、例えば１７０ｋＮ程度になるように設計されている。この荷重の大きさは、前突時における燃料電池スタック２０への入力荷重が、前突時における燃料電池スタック２０の耐久荷重よりも小さくなるような値を予め実験的に求めることで定めることができる。

なお、本実施形態において、燃料電池車両１００の前突時における燃料電池スタック２０への入力荷重は、緩衝部材５０により減ぜられた入力荷重と、燃料電池スタック２０へのマウント４０を介した入力荷重、より具体的には、フロントマウント４０Ｆおよびリアマウント４０Ｒにより減ぜられた入力荷重、とを合わせることで求めることができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池車両１００によれば、燃料電池スタック２０の前方に緩衝部材５０が配置されているため、緩衝部材５０が前突時の衝撃（荷重）を吸収する。本実施形態において、前突時における緩衝部材５０によって減ぜられた燃料電池スタック２０への入力荷重が、燃料電池スタック２０の耐久荷重よりも小さくなるよう設定されているため、燃料電池スタック２０の積層方向に加わる慣性力を低減することができるので、燃料電池スタック２０の積層状態に粗密が生じることを抑制することができる。そのため、冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

また、本実施形態では、燃料電池車両１００は、スタックフレーム３０を備えるため、前突の衝撃がスタックフレーム３０に加わり、燃料電池スタック２０に直接的に衝撃が加わることを抑制できる。従って、燃料電池スタック２０の積層状態に粗密が生じることが抑制され、より効果的に冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。

また、本実施形態では、燃料電池車両１００は、マウント４０を備えるため、スタックフレーム３０に加わる衝撃をマウント４０に逃がすことができるので、前突時の衝撃を分散させることができる。従って、燃料電池スタック２０の積層状態に粗密が生じることが抑制され、より効果的に冷却水や反応ガスが漏れることを抑制できる。また、緩衝部材５０によって吸収させる衝突荷重を小さく設定することができるので、緩衝部材５０の設計自由度を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、緩衝部材５０は、例えば衝撃吸収性を有するゲルを収納した容器によって構成されてもよい。また、ゴム板やバネによって形成されてもよい。

＜第２変形例＞
上記実施形態において、緩衝部材５０はスタックフレーム３０の前端に取り付けられている。これに対して、緩衝部材５０は燃料電池スタック２０の前端、より具体的にはケース２１の前端に取り付けられていてもよい。また、燃料電池車両１００はスタックフレーム３０を備えていなくてもよい。より具体的には、燃料電池車両１００は、燃料電池スタック２０が直接、マウント４０あるいはサスペンションメンバー４１に取り付けられていてもよい。

＜第３変形例＞
上記実施形態において、燃料電池車両１００はマウント４０を備えている。これに対して、燃料電池車両１００はマウント４０を備えていなくてもよい。より具体的には、燃料電池スタック２０あるいはスタックフレーム３０が直接、サスペンションメンバー４１に取り付けられていてもよい。なお、この場合、図６に実線で示した燃料電池車両１００の前突における燃料電池スタック２０への入力荷重は、マウント４０により減ぜられていた荷重分大きくなる。

本発明は、上述の実施形態や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、上述した課題を解決するために、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。

１０…フロントルーム
１１…車室
２０…燃料電池スタック
２１…ケース
２２…燃料電池セル
２３…エンドプレート
３０…スタックフレーム
４０…マウント
４０Ｆ…フロントマウント
４０Ｒ…リアマウント
４１…サスペンションメンバー
５０…緩衝部材
６０…燃料電池用パワーコントロールユニット
７０…ラジエータ
１００…燃料電池車両
ＤＢ…ダッシュボード
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪

Claims

前方にフロントルームを有する燃料電池車両であって、
前記フロントルーム内に配置された、該燃料電池車両の前後方向に複数のセルが積層されて形成されている燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前方に配置された緩衝部材と、を備え、
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックを下方から支えるスタックフレームを有し、
前記緩衝部材は、前記燃料電池スタックに取り付けられておらず、前記スタックフレームの前端に取り付けられており、前記燃料電池スタックおよび前記スタックフレームの前方に配置されている、燃料電池車両。
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記緩衝部材は、予め定められたレーティング速度での前突時における前記燃料電池スタックへの入力荷重を、前記レーティング速度での前突時における前記燃料電池スタックの耐久荷重よりも小さくする、燃料電池車両。
請求項２に記載の燃料電池車両であって、
前記レーティング速度は、５６ｋｍ／ｈである、燃料電池車両。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池車両であって、
前記スタックフレームと前記燃料電池車両とを固定するマウントを備える、燃料電池車両。