JP7003721B2

JP7003721B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP7003721B2
Application number: JP2018028024A
Authority: JP
Inventors: 雅裕片山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: DE102019103413A1; US11011771B2; JP2019145318A; CN110171303A; CN110171303B; US20190260057A1

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

従来、このような分野の技術として、例えば特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載の燃料電池車両は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容するスタックケースとを備えており、スタックケースの開口部には、スタックケース内部の圧力が設定値を超えるときに開放して圧力を逃がすための減圧手段が設けられている。また、減圧手段と燃料電池スタックとの間には、感電を防止するための絶縁部材が配置されている。

特開２００９－３０１９２３号公報

しかし、上述の燃料電池車両では、減圧手段として剛性の低い脆弱部を用いて該脆弱部を破損させることにより圧力を逃がす場合、破損によって生じた亀裂が脆弱部を越えて更に絶縁部材のない部分まで入る可能性がある。これによって、破損で生じた破片が飛散してスタックケース周辺に配置される他部品に影響を及ぼす可能性がある。このようなことを防止する方法として、スタックケースの全面にリブ等を設けてスタックケースを補強することも考えられるが、スタックケースの小型化を阻害する原因になってしまう。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、破片の飛散を抑制しつつ、スタックケースの小型化を図ることができる燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両は、燃料電池スタックを有する燃料電池車両であって、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースと、前記スタックケースと対向して配置されるとともに、バスバーを介して前記スタックケースに連結された重量構造物と、を備え、前記スタックケースにおける前記重量構造物と対向する壁面部には、該スタックケースの他の部分よりも剛性の低い脆弱部が設けられていることを特徴としている。

本発明に係る燃料電池車両では、スタックケースにおける重量構造物と対向する壁面部に脆弱部が設けられるので、仮にスタックケースの内部の圧力が高くなった場合、脆弱部を破損させることでスタックケースの内部の圧力を外部に逃がすことができる。そして、破損によって生じた破片は、対向する重量構造物とぶつかり、該重量構造物によって周辺への飛散が抑制される。また、これによって、脆弱部が設けられたスタックケースの壁面部にリブ等の補強部材を設ける必要がなくなるので、スタックケースの小型化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池車両において、前記スタックケース及び前記重量構造物の少なくとも一方は、更に車体に連結されていることが好ましい。このようにすれば、スタックケース又は／及び重量構造物の安定性を高めることができるとともに、破片の飛散を抑制する効果を更に向上することができる。

本発明に係る燃料電池車両において、前記重量構造物は、パワーコントロールユニットであることが好ましい。このように破片の飛散を抑制する部材としてパワーコントロールユニットを流用することにより、部品の増加及びコストアップを防止することができる。

本発明によれば、破片の飛散を抑制しつつ、スタックケースの小型化を図ることができる。

第１実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す斜視図である。第１実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す断面図である。第２実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す斜視図である。第３実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す正面図である。第３実施形態のスタックケースを示す斜視図である。第４実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す正面図である。解析モデルを示す概要図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池車両の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す斜視図であり、図２は第１実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す断面図である。本実施形態の燃料電池車両１は、主に、車両のフロントルームに搭載されるとともに内部に燃料電池スタック５が収容されたスタックケース２と、複数本のバスバー３を介してスタックケース２に連結されたパワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵという）４とを備えている。

図２に示すように、燃料電池スタック５は、複数の燃料電池セル５１を積層することにより構成されている。燃料電池セル５１の積層方向の両端には、ターミナルプレート５２がそれぞれ配置されている。ターミナルプレート５２は、燃料電池セル５１の積層方向の両端で燃料電池セル５１に接続され、燃料電池セル５１によって発電された電力を外部に取り出すための構造である。

そして、燃料電池セル５１と、燃料電池スタック５の両端に配置されたターミナルプレート５２とは、燃料電池スタック５による発電時に他の部分よりも高電位を有する高電圧部ＨＶになる。また、燃料電池スタック５は、スタックケース２と高電圧部ＨＶとの間に配置された絶縁シート５３と絶縁プレート５４とを有する。

絶縁シート５３と絶縁プレート５４とは、それぞれ電気絶縁性を有する樹脂材料等によって形成されている。絶縁シート５３は、燃料電池セル５１の積層方向に沿って燃料電池スタック５を覆うように、燃料電池セル５１とスタックケース２との間に配置されている。一方、絶縁プレート５４は、ターミナルプレート５２とスタックケース２との間、及び、ターミナルプレート５２と加圧プレート５５との間にそれぞれ配置されている。加圧プレート５５は、燃料電池セル５１をその積層方向に加圧するための構造である。

スタックケース２は、例えばアルミニウムなどの金属材料によって矩形箱状に形成されている。より具体的には、スタックケース２は、底面部２１、天面部２２及び一対の側面部２３，２３によって形成された角筒体と、該角筒体を閉塞するように配置された一対のエンドプレート２４，２５とを有する。

底面部２１、天面部２２及び側面部２３，２３は、それぞれスタックケース２の壁面部を構成する。これらの壁面部のうち、天面部２２及び側面部２３，２３の外表面には、外方に突出する複数の補強リブ２６が設けられている。図１に示すように、補強リブ２６は、底面部２１及び側面部２３，２３の外表面に沿って縦横に延びる格子状に形成されている。

一方、天面部２２には、補強リブ２６が設けられていない。天面部２２の中央位置には、燃料電池スタック５の通電及び制御用ケーブル等を通すための円形状の貫通穴２２ａが配置されている。天面部２２は、補強リブを有さずに且つ貫通穴２２ａの配置によって、スタックケース２の他の部分よりも剛性が低くなっている。すなわち、天面部２２は、特許請求の範囲に記載の「脆弱部」に相当するものである。

エンドプレート２４，２５は、底面部２１、天面部２２及び側面部２３，２３よりも厚く形成されている。エンドプレート２４，２５のうち、エンドプレート２４は、スタックケース２の角筒体の一方の開口端を閉塞する蓋であり、複数のボルト２７によってスタックケース２に締結固定されている。一方、エンドプレート２５は、スタックケース２の角筒体の他方の開口端を閉塞するように、底面部２１、天面部２２及び側面部２３，２３と一体的に形成されている。エンドプレート２５の外表面には、格子状の補強リブ２６が設けられている。

また、エンドプレート２５には、加圧プレート５５の位置を調節するための調節ボルト２８を螺合させるためのネジ孔２５ａが複数設けられている。そして、エンドプレート２５のネジ孔２５ａに螺合された調節ボルト２８を締め付けることによって、燃料電池スタック５を燃料電池セル５１の積層方向に加圧することができる。

ＰＣＵ４は、燃料電池スタック５の作動状況等を制御するものであり、特許請求の範囲に記載の「重量構造物」に相当するものである。このＰＣＵ４は、スタックケース２の上方に位置し、スタックケース２の天面部２２と対向して配置されている。好適には、ＰＣＵ４の上方から見たときに、該ＰＣＵ４は、天面部２２の貫通穴２２ａがＰＣＵ４の領域内に入るように配置されている。図１に示すように、ＰＣＵ４は、更に連結部材６を介して金属製の車体７と連結固定されている。連結部材６は、例えばＰＣＵ４を車体７に取り付けるための金属製のブラケット等である。

複数本（本実施形態では、８本）のバスバー３は、天面部２２の貫通穴２２ａを取り囲むように等間隔で配置されている。各バスバー３は、金属材料によって円柱状に形成されており、溶接等で一端がスタックケース２の天面部２２、他端がＰＣＵ４の底部と固定されている。

このように構成された燃料電池車両１では、スタックケース２におけるＰＣＵ４と対向する天面部２２に補強リブ２６が設けられておらず且つ貫通穴２２ａが設けられるので、該天面部２２はスタックケース２の他の部分よりも剛性の低い脆弱部となる。これによって、仮にスタックケース２の内部で水素の溜まり等によって圧力が上昇した場合、天面部２２を破損させることでスタックケース２の内部の圧力を外部に逃がすことができる。このとき、破損によって生じたスタックケース２の破片は、対向するＰＣＵ４にぶつかり、該ＰＣＵ４よって周辺への飛散が抑制される。すなわち、本実施形態では、ＰＣＵ４の慣性重量を利用して破片飛散の防止を実現することができる。また、このようにＰＣＵ４の慣性重量を利用して破片飛散の防止を実現できることにより、天面部２２にリブ等の補強部材を設ける必要がないので、スタックケース２の小型化を図ることができる。

また、仮に天面部２２が破損する場合、対向するＰＣＵ４によって、燃料電池スタック５の高電圧部ＨＶの外部への露出が防止されるので、高電圧部ＨＶの露出による感電の発生を防ぐことができ、安全性を保つことができる。更に、このように破片の飛散を抑制する部材としてＰＣＵ４を流用することで、部品の増加及びコストアップを防止する効果を期待できる。

更に、ＰＣＵ４は連結部材６を介して車体７と連結固定されているので、ＰＣＵ４の重量を車体７に分散させることにより、ＰＣＵ４を始めスタックケース２の安定性を高めつつ、車両走行時の耐久強度を確保することができる。更に、これによって、車体７の慣性重量が連結部材６を介してＰＣＵ４にかかるので、破片の飛散を抑制する効果を更に向上することができる。

＜第２実施形態＞
図３は第２実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す斜視図である。本実施形態の燃料電池車両１Ａは、スタックケース２Ａ及びＰＣＵ４の配置位置において上述の第１実施形態と異なるが、その他の構造は第１実施形態と同様である。

具体的には、ＰＣＵ４はスタックケース２Ａの下方に位置するとともに、スタックケース２Ａの底面部２１と対向して配置されている。底面部２１、天面部２２及び側面部２３，２３のうち、底面部２１以外は、格子状の補強リブ２６を有するように構成されている。

また、底面部２１の中央位置には、燃料電池スタック５の通電及び制御用ケーブル等を通すための円形状の貫通穴２１ａが配置されている。底面部２１は、補強リブを有さずに且つ貫通穴２１ａの配置によって、スタックケース２Ａの他の部分よりも剛性が低くなっている。すなわち、本実施形態では、底面部２１は、特許請求の範囲に記載の「脆弱部」に相当するものである。スタックケース２Ａは、連結部材６を介して車体７に連結固定されているが、ＰＣＵ４は車体７に連結固定されていない。

本実施形態に係る燃料電池車両１Ａによれば、上述の第１実施形態と同じ作用効果を得られるほか、ＰＣＵ４をスタックケース２Ａの下方に配置することにより、スタックケース２Ａ及びＰＣＵ４の搭載の自由度を高めることができ、スタックケース２Ａの自重を慣性重量として更に活用することができる。

＜第３実施形態＞
図４は第３実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す正面図であり、図５は第３実施形態のスタックケースを示す斜視図である。本実施形態の燃料電池車両１Ｂは、スタックケース２Ｂ及びＰＣＵ４の配置位置において上述の第１実施形態と異なるが、その他の構造は第１実施形態と同様である。

具体的には、ＰＣＵ４はスタックケース２Ｂの側方（図４においては、スタックケース２Ｂの右側）に位置し、スタックケース２Ｂの右側面部２３と対向して配置されている。そして、底面部２１、天面部２２及び側面部２３，２３のうち、右側面部２３以外は、格子状の補強リブ２６を有するように構成されている。

図５に示すように、右側面部２３の中央位置には、燃料電池スタック５の通電及び制御用ケーブル等を通すための円形状の貫通穴２３ａが配置されている。また、右側面部２３には、貫通穴２３ａを取り囲むように円環状の囲壁部２９が設けられている。右側面部２３は、補強リブを有さず、且つ貫通穴２３ａの配置によって、スタックケース２Ｂの他の部分よりも剛性が低くなっている。すなわち、本実施形態では、右側面部２３は、特許請求の範囲に記載の「脆弱部」に相当するものである。ＰＣＵ４は、連結部材６を介して車体７に連結固定されている。

本実施形態に係る燃料電池車両１Ｂは、上述の第１実施形態と同じ作用効果を得られるほか、ＰＣＵ４をスタックケース２Ｂの側方に配置することにより、スタックケース２Ｂ及びＰＣＵ４の搭載の自由度を高めることができ、スタックケース２Ｂの自重を慣性重量として更に活用することができる。なお、本実施形態の囲壁部２９は、必ずしも設ける必要がなく、必要に応じて省いても良い。

＜第４実施形態＞
図６は第４実施形態に係る燃料電池車両の要部を示す正面図である。本実施形態の燃料電池車両１Ｃは、ＰＣＵ４に加えて該ＰＣＵ４と異なった重量構造物８を更に備える点において、上述の第１実施形態と異なるが、その他の構造は第１実施形態と同様である。

具体的には、重量構造物８は、スタックケース２Ｃの天面部２２と対向して配置されるとともに、複数本のバスバー９を介してスタックケース２Ｃに連結されている。重量構造物８としては、例えばエアコンプレッサ、水素ポンプ、ウォーターポンプ、水加熱ヒータ等のようなある程度の重量を有する補機が挙げられる。

図６に示すように、スタックケース２Ｃの天面部２２には、貫通穴２２ａを取り囲む囲壁部２９が更に設けられている。そして、重量構造物８は、該重量構造物８の上方から見たときに、天面部２２の貫通穴２２ａが重量構造物８の領域内に入るように配置されている。この重量構造物８は、連結部材１０を介して車体７と連結固定されている。

本実施形態に係る燃料電池車両１Ｃによれば、上述の第１実施形態と同じ作用効果を得られるほか、ＰＣＵ４と異なった重量構造物８がスタックケース２Ｃと対向して配置されるので、ＰＣＵ４に加えて重量構造物８を慣性重量として更に活用することができ、破片の飛散を抑制する効果を更に高めることができる。また、これによって、スタックケース２Ｃ、ＰＣＵ４及び重量構造物８の搭載の自由度を高めることができる。

また、本願発明者は、第１実施形態に係る燃料電池車両の要部を基にモデル（図７参照）を作成し、表１に示す諸条件にて異常時の評価解析を行った。ここでの異常時とは、仮にスタックケースの内部圧力の上昇で天面部が破損したことを想定した状況を意味する。また、異常時の評価解析は、重量構造物と破片飛散の抑制率との関係性を簡易的に計算するものである。

用いられた解析法は有限要素法音響解析であり、入力は時刻と圧力（試験値）である。また、評価量は、スタックケースにおける重量構造物と対向する天面部の中央位置（図７の黒丸参照）のひずみ値である。

解析結果を表１に示す。なお、表１の重量構造物の倍率は、スタックケースにおける重量構造物と対向する天面部の蓋重量と重量構造物の重量倍率である。抑制率は、重量構造物の倍率１倍に対して、ひずみ値が抑制された割合である。

判断基準として、ひずみ値が小さいほど良いと判断した。そして、表１に示す解析結果から、天面部重量の５０倍以上（車体及び重量構造物の合計）から有効な抑制率（１０％以上）が得られることが分かった。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態では、重量構造物としてＰＣＵの例を挙げて説明したが、ＰＣＵに代えてエアコンプレッサ、水素ポンプ、ウォーターポンプ、水加熱ヒータ等の補機を用いても良い。また、上述の実施形態において、スタックケース及びＰＣＵのいずれか一方が車体７に連結固定される例を説明したが、スタックケース及びＰＣＵの双方が車体７に連結固定されても良い。この場合、スタックケース及びＰＣＵの安定性を更に高めることができ、車両走行時の耐久強度をより確保し易くなる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ燃料電池車両
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃスタックケース
３，９バスバー
４ＰＣＵ
５燃料電池スタック
６，１０連結部材
７車体
８重量構造物
２１底面部
２２天面部
２３側面部
２４，２５エンドプレート
２６補強リブ

Claims

燃料電池スタックを有する燃料電池車両であって、
前記燃料電池スタックを収容するスタックケースと、
前記スタックケースと対向して配置されるとともに、バスバーを介して前記スタックケースに連結された重量構造物と、
を備え、
前記スタックケース及び前記重量構造物の少なくとも一方は、更に車体に連結され、
前記スタックケースにおける前記重量構造物と対向する壁面部には、該スタックケースの他の部分よりも剛性の低い脆弱部が設けられていることを特徴とする燃料電池車両。
前記重量構造物は、パワーコントロールユニットである請求項１に記載の燃料電池車両。