JP7043988B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムおよび燃料電池車両に関する。
近年、燃料電池車両の開発において燃料電池車両を構成するシステムの配置が検討されている。
特許文献1には、燃料電池スタックの積層方向における一端側に配置され、補機類を内部に収納する補機ケースと、燃料電池スタックの出力電圧を昇圧して電力を出力する昇圧コンバータとを備える燃料電池システムについて次のように記載されている。すなわち、燃料電池システムにおいて、昇圧コンバータは、積層方向において、燃料電池スタックと補機ケースとを含めた全体形状の略中央となる位置であり、且つ燃料電池スタックの一側面に隣接する位置に配置されている。
特開2013-247083号公報
水素ガスを用いる燃料電池車両において、事故等により水素ガスが漏えいする可能性を抑えることは重要である。よって、事故等により燃料電池システムに対して外力が印加された場合であっても単セルの破壊を抑制するために燃料電池ケースの変形を抑制する構造が求められる。しかしながら、特許文献1に記載の配置を採用した燃料電池車両が外部から衝撃を受けた場合には、昇圧コンバータから燃料電池スタックに衝撃が伝わる。この場合、昇圧コンバータから受けた衝撃により、スタックケース内の単セルが破壊されるおそれがある。すなわち、燃料電池車両は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの一側面に隣接して配置される補機との構成について課題を有している。
本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、外力を受けた場合に燃料電池ケースの変形を抑制する燃料電池システムおよび燃料電池車両を提供することを目的とするものである。
一実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池を収容する燃料電池ケースと、当該燃料電池ケースの側面に固定される補機と、を備え、補機は、燃料電池ケースに固定される第1支持部と、第1支持部と離間した位置で燃料電池ケースに固定される第2支持部と、第1支持部および第2支持部により燃料電池ケースと離間して支持される本体部と、を有し、第1支持部は、本体部に対して燃料電池ケースに近づく方向に外力が加えられた場合に第2支持部より先に破断する。
これにより、外部から受けた衝撃が補機に伝わった場合には、まず第1支持部が破壊する。そのため、燃料電池ケースの直接的な変形を抑制することができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記本体部は、燃料電池ケースに離間して配置され、外力により第1支持部が破断した場合に燃料電池ケースに当接する当接部を含み、燃料電池ケースは、外力により第1支持部が破断した場合に当接部と接触する接触部を有し、当該接触部は、上記側面の中央部より上記側面の縁部に近い位置に設けられているのが好ましい。これにより、燃料電池ケースにおいて相対的に高い剛性を有する部分で当接部と接触するため、燃料電池ケースが収容する燃料電池へのダメージを低減させることができる。
また、上記当接部は、第2支持部より第1支持部に近い位置に設けられているのが好ましい。このような構成により、第1支持部が破断した後に、好適に上記当接部を燃料電池ケースに当接させることができる。
また、上記燃料電池システムにおいて、第1支持部および上記当接部は、上記側面と燃料電池ケースの上面とにより形成される稜線に沿って配置されてもよい。このような構成により、燃料電池ケースにおいて相対的に剛性が高い位置に、第1支持部と上記当接部とを配置することができる。
また、上記燃料電池システムにおいて、接触部は、稜線に沿ってリブ状に形成されるのが好ましい。このような構成により、上記接触部の剛性を相対的に高めることができる。
上記燃料電池システムにおいて、補機は、第1支持部が上記側面の中央部より上側に固定され、第2支持部が上記側面の中央部より下側に固定されてもよい。このような構成により、燃料電池ケースにおいて相対的に剛性の高い位置で補機を固定することができる。
また、上記燃料電池システムにおいて、補機は、燃料電池を冷却する冷却水を制御するためのバルブであって、当接部は、本体部の内部圧力を調整するための圧力調整部であってもよい。バルブの圧力調整部は比較的剛性が高く、且つ周囲から突出しているため、別途当接部を設定することなく、燃料電池ケースの変形を抑制することができる。
上記燃料電池システムにおいて、第1支持部は、外力により破断する場合に応力集中を受ける破断誘導部を有してもよい。これにより、好適に第1支持部を破断させることが可能となる。
第2支持部は、上記側面に直交する方向に延伸し、本体部と燃料電池ケースとを接続する接続部を有してもよい。これにより、第1支持部が破断した後に好適に当接部を燃料電池ケースに当接させることができる。
一実施の形態における燃料電池車両は、上記のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載する燃料電池車両であって、当該燃料電池システムは、当該側面が当該燃料電池車両の側面と平行になるように配置された燃料電池車両である。これにより、側面衝突を受けた場合に燃料電池のダメージを抑制する燃料電池車両を提供することができる。
本発明により、外力を受けた場合に燃料電池ケースの変形を抑制する燃料電池システムおよび燃料電池車両を提供することができる。
燃料電池車両の内部構成を平面から見た説明図である。 実施の形態1にかかる燃料電池システムの外観斜視図である。 実施の形態1にかかる燃料電池システムの分解斜視図である。 実施の形態1にかかる燃料電池システムの背面図である。 外力によりバルブ装置の第1支持部に亀裂が入った状態を説明する図である。 補機が外力を受け支持部が破断した状態を示す図である。 補機が外力を受け当接部が燃料電池ケースに当接した状態を示す図である。 支持部の形状を説明するための図である。 支持部の形状の別の例を示した図である。 支持部の形状のさらに別の例を示した図である。 実施の形態2にかかる燃料電池システムの外観斜視図である。 実施の形態2にかかる燃料電池システムの背面図である。
<実施の形態1>
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
まず、図1を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を説明する。図1は、燃料電池車両の内部構成概略を平面から見た説明図である。燃料電池車両1は、水素と酸素を化学反応させることにより発電し、発電した電気によりモータを駆動して走行する自動車である。
燃料電池車両1は、主な構成として車両駆動システム11、昇圧インバータ12、燃料電池システム13、水素タンク17、バッテリ18を有している。なお、以降の図には構成要素の位置関係を説明するための右手系XYZ座標が付されている。図においてXY平面は水平面でありZ軸は鉛直方向を示す。また、X軸プラス方向は燃料電池車両1の右方向を示し、Y軸プラス方向は燃料電池車両1の前方を示している。
車両駆動システム11は燃料電池車両1の前方に配置され、車両を駆動する役目を担っている。車両駆動システム11は、主な機能として、昇圧インバータ12から供給される電流を受け取り、車輪FWを回転するための交流モータを駆動する。また、車両駆動システム11は、減速時に電気を回収しバッテリ18に供給する。
昇圧インバータ12は車両駆動システム11の後方に配置され、燃料電池システム13が発生させた電気の電圧を昇圧させ車両駆動システム11に供給する役目を担っている。
燃料電池システム13は、水素タンク17から受け取った水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電し、発生させた電流を昇圧インバータ12に供給する。燃料電池システム13は、昇圧インバータ12の後方であって座席STの下方に配置されている。燃料電池システム13は、燃料電池スタック14とバルブ装置15とを有している。なお、図において、燃料電池スタック14は説明の便宜上一部を透過して示している。
図に示すように、燃料電池スタック14は複数の単セルがY軸方向に積層された燃料電池16を収容している。燃料電池16は、水素ガスと空気とを電気化学反応させることにより電気と水を生成している。
バルブ装置15は、燃料電池スタック14の左側側面(YZ面)に配置された燃料電池システム13の補機である。バルブ装置15はロータリーバルブであり、不図示のラジエータと燃料電池スタック14との間を循環する冷却水のうち、ラジエータを通過させる量とラジエータを通過させずバイパスさせる量との流量比を調整する機能を担っている。
水素タンク17は、燃料電池システム13の後方に配置され、水素を貯留している。水素タンク17は、貯留している水素ガスを燃料電池システム13に供給する。水素タンク17の後方にはバッテリ18が配置されている。バッテリ18は、車両駆動システム11が回収した電気を貯蔵し、貯蔵した電気を必要に応じて車両駆動システム11に供給する。
次に、図2および図3を参照しながら燃料電池システムの詳細について説明する。図2は、実施の形態1にかかる燃料電池システムの外観斜視図である。図3は、実施の形態1にかかる燃料電池システムの分解斜視図である。
図に示すとおり、燃料電池スタック14は、ケース140とフレーム143とを構成とする。ケース140とフレーム143とは不図示のボルトにより螺合されている。また、フレーム143は燃料電池車両1のシャシーに不図示のボルトにより螺合される。これにより燃料電池システム13は燃料電池車両1に固定されている。
ケース140のX軸マイナス側の側面は、バルブ装置15を固定するための固定面140Aである。固定面140Aには、固定面140と上面とによって形成される稜線R1に沿って2つの第1ボス141が立設されている。またこれと固定面140Aの下方部には第2ボス142が第1ボス141と離間して立設されている。第1ボス141および第2ボス142の頂部にはそれぞれネジ孔が加工されており、ボルト20が螺合される。第1ボス141はバルブ装置15の第1支持部151が螺合される。また第2ボス142はバルブ装置15の第2支持部152が螺合される。第1ボス141を側面の中央部より上側に設け、第2ボス142を側面の中央部より下側に設けることにより、バルブ装置15は相対的に剛性の高い領域に固定される。
バルブ装置15は、本体部153、2つの第1支持部151、および第2支持部152により構成されている。本体部153はパイプ90に接続されて冷却水を受け入れる流入口、冷却水をパイプ91に供給する流出口、流量調整用のロータ、ロータ駆動モータ155等を有している。なお、ロータ駆動モータ155は、第2支持部152が延出する側に設けられている。換言すると、第2支持部152は、ロータ駆動モータ155の近傍から延出している。
また、本体部153の上部には、ケース140に対向する面であって、第2支持部152より第1支持部151に近い位置に、内部圧力調整用の呼吸キャップ154が立設されている。呼吸キャップ154は、固定面140Aと離間して配置され、後述するように、第1支持部151が破断した場合にケース140に当接するように構成されている。呼吸キャップ154は、呼吸弁またはブリーザバルブと称されても良い。
2つの第1支持部151は本体部153の上部側において呼吸キャップ154を挟んで離間した位置からYZ面に沿って外方へそれぞれ延出しており、ボルト20を挿通させるための貫通孔をそれぞれ有している。第1支持部151は2つの第1ボス141にそれぞれ対応した位置に配置され、ボルト20によりケース140にそれぞれ固定される。
第1支持部151および呼吸キャップ154は、燃料電池スタック14の側面と上面により形成される稜線R1に沿って配置されている。
第2支持部152は、第1支持部と離間した本体部153の下部側からZ軸マイナス側に延出し、X軸プラス側に折れ曲がった後に再びZ軸マイナス側に延出し、ここにボルト20を挿通させるための貫通孔を有している。第2支持部152は第2ボス142に対応した位置に配置され、ボルト20によりケースに固定される。
次に、図4を参照しながら燃料電池スタック14とバルブ装置15との位置関係についてさらに説明する。図4は、実施の形態1にかかる燃料電池システムの背面図である。なお、理解を容易にするため、第1支持部151および第1ボス141は点線により示している。
図示のとおり、バルブ装置15は第1支持部151が第1ボス141に螺合され、第2支持部152が第2ボス142に螺合されることにより、固定面140Aに固定されている。すなわち本体部153は、第1支持部151および第2支持部152によりケース140と離間して支持されている。ここで、本体部153とケース140(固定面140A)との距離はD2である。一方、本体部153からケース140側に突出する呼吸キャップ154もまた、ケース140(固定面140A)と離間した状態であり、その距離は、D2より小さいD1である。
次に、外力によりバルブ装置15が破壊する状態について説明する。図5は、外力によりバルブ装置の第1支持部に亀裂が入った状態を説明する図である。外力F1は、燃料電池車両1の外部から任意の物体が衝突した場合に生じる押圧力である。外力F1はX軸マイナス側からX軸プラス方向にバルブ装置15の本体部153をケース140側に近付けるように働いている。
外力F1が本体部153に加わると、外力F1の分力が第1支持部151と第2支持部152とにそれぞれ伝達される。第1支持部151は、外力F1が印加された場合に第2支持部より先に破壊するように予め設定されている。そのため、外力F1の分力が第1支持部151に印加され、これが降伏応力を超えると、第1支持部151は亀裂BRを生じる。
図6および図7は、いずれもバルブ装置15に外力F1が印加され、第1支持部151が破壊した状態を示しており、説明の便宜上、第1支持部151の状態と、呼吸キャップ154の状態とを別の図に分けて示している。図6は、補機であるバルブ装置15が外力を受け支持部が破断した状態を示す図である。図7は、補機であるバルブ装置15が外力を受け当接部が燃料電池ケースに当接した状態を示す図である。
図に示すように、第1支持部151は亀裂を生じた後に、破断に至る。第1支持部151が破断した後に、さらに外力F1がかかり続けると、第2支持部152が変形し、本体部153の上部側がケース140に近づくように移動する。そして、本体部153から突出する呼吸キャップ154がケース140の接触部P1に当接する。なお、この場合の第2支持部152の変形は弾性変形であっても塑性変形であってもよい。
このように、予め設定された呼吸キャップ154がケース140の接触部P1に当接することにより、本体部153のその他の部分がケース140に接触するのを防ぐことができる。よって、このような構成により、燃料電池システム13は、意図しない燃料電池の破壊を抑制することができる。
また、ケース140の変形を抑えるためには、接触部P1の剛性が高いことが好ましい。図7に示すとおり、接触部P1は、固定面140Aの中央部C1より縁部C2に近い位置に設けられている。このように構成することで、接触部P1の剛性を相対的に高めることができる。なお、接触部P1の剛性を相対的に高めるために、ケース140における接触部P1の板厚を厚くしてもよい。また、ケース140に対して別の補強部材を付加することにより接触部P1の剛性を高めても良い。
次に、第1支持部151および第2支持部152の形状のバリエーションについて説明する。外力F1が本体部153に印加された場合、第1支持部151は第2支持部152より先に破断するように設定されている。これを実現する具体的な構成例を以下に示す。
図8は、支持部の形状を説明するための図である。図8は、第1支持部151および第2支持部152の形状を示すために燃料電池システム13の一部を切り出して示している。図示のとおり、第2支持部152は、ケース140と本体部153とを接続する接続部152bを有している。接続部152bは、固定面140Aに直交する方向に延伸している。
第2支持部152が接続部152bを有することにより、第1支持部151が破断した後に、接続部152bが変形するため本体部153には回転モーメントMが生じる。これにより、燃料電池システム13は、接触部P1の位置を設定しやすくなる。
図9は、支持部の形状の別の例を示した図である。図9に示す燃料電池システム13は、第1支持部151に破断誘導部251を有する点が図8の燃料電池システム13と異なる。破断誘導部251は、第1支持部151においてケース140と本体部153とを接続する領域に設けられるU字状またはV字状の溝である。
バルブ装置15に外力F1が印加された場合に、破断誘導部251の底部251bに応力集中が生じる。よって、第1支持部151が破断する際に、底部251bから亀裂が生じる。このような構成により、燃料電池システム13は、第1支持部151の破断位置を制御することが容易となる。
図10は、支持部の形状のさらに別の例を示した図である。図10に示す燃料電池システム13は、第2支持部152が接続部152bを有さず、さらに厚さ方向の寸法が図8の例と異なる。図示のとおり、第1支持部151の厚さ方向の寸法はD3である。また、第2支持部152の厚さ方向の寸法はD3より厚いD4である。厚さ方向の寸法がD3より厚いD4であることにより、第2支持部152のせん断方向の剛性は第1支持部151のせん断方向の剛性より高いものとなっている。このような構成により、燃料電池システム13は、外力F1が印加された場合に好適に第1支持部151を破断させることができる。
なお、厚さ方向の寸法に代えて、第2支持部152の幅方向の寸法を第1支持部151の幅方向の寸法より広くすることにより第2支持部152のせん断方向の剛性を第1支持部151のせん断方向の剛性より高いものとしてもよい。すなわち、図10の例は、第2支持部152のせん断方向の断面二次モーメントが第1支持部151のせん断方向の断面二次モーメントより大きくなるように設定されている。これにより第2支持部152のせん断方向の剛性を第1支持部151のせん断方向の剛性より高くすることができる。
以上、実施の形態1について説明したが、実施の形態1にかかる燃料電池システム13は上述した構成に限られない。例えば、バルブ装置15の第1支持部151が固定面140Aの中央部より下側であってフレーム143の近傍に位置し、第2支持部152が固定面140Aの中央部より上側であって固定面140Aと上面とにより形成される稜線の近傍に位置していてもよい。この場合、当接部である呼吸キャップ154は第1支持部151の近傍に位置する。このような構成により、呼吸キャップ154と接触する接触部P1はフレーム143の近傍に設定される。そのため、燃料電池システム13は、外力F1に起因する押圧力を高い剛性を有する位置で受けることができ、収容している燃料電池の破壊を抑制することができる。
また、バルブ装置15は第1支持部151を1つ有し、第2支持部152を2つ有する構成であってもよい。また、固定面140Aに固定される補機はバルブ装置15に代えて他の種類の補機であってもよい。本体部153が有する当接部は本体部153の一部であれば呼吸キャップ154でなく、ケース140に離間して配置され、外力F1により第1支持部151が破断した場合に140ケースに当接する他の構成であってもよい。
<実施の形態2>
次に、実施の形態2について説明する。実施の形態2にかかる燃料電池システムは、ケースが第1支持部151を固定するためのリブを有する点において実施の形態1と異なる。
図11は、実施の形態2にかかる燃料電池システムの外観斜視図である。図11に示す燃料電池システム23は燃料電池システム13のケース140に代えてケース240を有する。ケース240は、固定面140Aの上側において、固定面140Aと上面とにより形成される稜線R1に沿って(Y軸に平行に)リブ241を有している。リブ241を有することにより、燃料電池システム13は、ケース240の剛性を高めることができる。リブ241は、バルブ装置15の第1支持部151を螺合するためのネジ孔を有している。リブ241に第1支持部151を固定することにより、燃料電池システム13は、外力F1を受けた場合にケース240の変形を抑制することができる。
次に、図12を参照しながら燃料電池スタック14とバルブ装置15との位置関係についてさらに説明する。図12は、実施の形態2にかかる燃料電池システムの背面図である。なお、図4同様に、第1支持部151は点線により示している。
図示のとおり、バルブ装置15は第1支持部151がリブ241に螺合され、第2支持部152が第2ボス142に螺合されることにより、固定面140Aに固定されている。ここで、本体部153とケース140(固定面140A)との距離はD4である。一方、呼吸キャップ154とケース140(リブ241)との距離は、D4より小さいD5である。また、呼吸キャップ154とリブ241との距離であるD5は、実施の形態1における呼吸キャップ154と固定面140Aとの距離であるD1より小さい。このような構成にすることにより、実施の形態1の場合と比較して本体部153をよりケース240側に近付けることができる。すなわちD4はD2より小さく設定することができる。
ケース240において、呼吸キャップ154が当接する接触部P2は、リブ241上に設けられている。すなわち、接触部P2は、固定面140Aとケース240の上面とにより形成される稜線R1に沿ってリブ状に形成されている。このような構成にすることにより、固定面140Aにおける接触部P2の剛性を相対的に高めることができる。したがって、燃料電池システム13は、外力F1が印加され第1支持部151が破壊された場合に、ケース240の変形を抑制する構造になっている。
以上、実施の形態2について説明したが、実施の形態2の構成は上述したものに限られず、例えば、リブ241は、第1支持部151を固定する部分と、接触部P2に相当する部分とが別のリブ形状として構成されていてもよい。
なお、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、図1に示した燃料電池車両において、燃料電池システム13は車両の中央部床下に配置されていたが、これに限らない。例えば、燃料電池システム13は、車両のフロントルーム内に配置されていてもよい。
1 燃料電池車両
11 車両駆動システム
12 昇圧インバータ
13 燃料電池システム
14 燃料電池スタック
15 バルブ装置
16 燃料電池
17 水素タンク
18 バッテリ
20 ボルト
23 燃料電池システム
140 ケース
140A 固定面
141 第1ボス
142 第2ボス
143 フレーム
151 第1支持部
152 第2支持部
152b 接続部
153 本体部
154 呼吸キャップ
155 ロータ駆動モータ
240 ケース
241 リブ
251 破断誘導部
251b 底部

Claims (10)

  1. 燃料電池を収容する燃料電池ケースと、
    当該燃料電池ケースの側面に固定される補機と、を備え、
    前記補機は、
    前記燃料電池ケースに固定される第1支持部と、
    前記第1支持部と離間した位置で前記燃料電池ケースに固定される第2支持部と、
    前記第1支持部および前記第2支持部により前記燃料電池ケースと離間して支持される本体部と、を有し、
    前記第1支持部は、前記本体部に対して前記燃料電池ケースに近づく方向に外力が加えられた場合に前記第2支持部より先に破断する
    燃料電池システム。
  2. 前記本体部は、前記燃料電池ケースに離間して配置され、前記外力により前記第1支持部が破断した場合に前記燃料電池ケースに当接する当接部を含み、
    前記燃料電池ケースは、前記外力により前記第1支持部が破断した場合に前記当接部と接触する接触部を有し、
    前記接触部は、前記側面の中央部より前記側面の縁部に近い位置に設けられている
    請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記当接部は、前記第2支持部より前記第1支持部に近い位置に設けられている
    請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第1支持部および前記当接部は、前記側面と前記燃料電池ケースの上面とにより形成される稜線に沿って配置されている
    請求項2または3に記載の燃料電池システム。
  5. 前記接触部は、前記稜線に沿ってリブ状に形成される
    請求項4に記載の燃料電池システム。
  6. 前記補機は、前記第1支持部が前記側面の中央部より上側に固定され、前記第2支持部が前記側面の中央部より下側に固定される
    請求項2~5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記補機は、前記燃料電池を冷却する冷却水を制御するためのバルブであって、
    前記当接部は、前記本体部の内部圧力を調整するための圧力調整部である
    請求項2~6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第1支持部は、前記外力により破断する場合に応力集中を受ける破断誘導部を有する
    請求項1~7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第2支持部は、前記側面に直交する方向に延伸し、前記本体部と前記燃料電池ケースとを接続する接続部を有する
    請求項1~8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 請求項1~9のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載する燃料電池車両であって、
    前記燃料電池システムは、前記側面が前記燃料電池車両の側面と平行になるように配置された燃料電池車両。
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