JP7095660B2

JP7095660B2 - 高圧タンク搭載構造

Info

Publication number: JP7095660B2
Application number: JP2019130360A
Authority: JP
Inventors: 聡山根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2039-07-12
Also published as: JP2021014206A

Description

本発明は、高圧タンク搭載構造に関する。

下記特許文献１には、車室の床部を形成するフロアパネルの車両下方側に設けられたケースの内側に複数のタンクが収容された高圧容器が開示されている。複数のタンクは、ケースの底壁部の上面に配置されている。また、ケースの前壁部分に車両前後方向に沿って貫通形成された孔部の車両後方側には、複数のタンクを連通させるマニホールドに設けられると共に車両前後方向に沿って円筒状に形成された管部が貫通配置されている。管部の車両前方側には、加熱により栓が作動する溶栓弁を備えたバルブが挿入されている。このため、ケースの底壁部が加熱された際には、底壁部へ加えられた熱はケースの前壁部分とバルブを経由して溶栓弁へ伝熱される。これにより、溶栓弁が解放され、タンク内部に収納された水素ガスが溶栓弁を経由して高圧容器の外側へ放出される。

特開２０１９－３５４４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された高圧容器では、ケースの底壁部において溶栓弁が設けられた側とは反対側となる車両後方側の部分が局所的に加熱された場合には、底壁部へ加えられた熱は溶栓弁へ伝熱されるよりも先にタンクの車両後方側の部分へ伝熱される可能性がある。このため、溶栓弁が作動する前にタンクの内圧が上昇する可能性がある。

本発明は、上記事実を考慮し、高圧タンクへの伝熱を遅延させることにより、車両が車両外側から加熱された際の高圧タンクの内圧の上昇を抑制できる高圧タンク搭載構造を得ることが目的である。

請求項１に記載の高圧タンク搭載構造は、車室の床部を形成するフロアパネルの車両下方側に設けられると共に高圧タンクが収容されるタンク収容部と、前記タンク収容部において前記高圧タンクの車両下方側に設けられると共に車両下方側の面が車両の底面の一部を形成するアンダカバーと、前記アンダカバーの車両水平方向の一端部に形成されると共に加熱により車両下方側へ向けて変形又は変位可能とされ、車両下方側へ向けて変形又は変位することにより前記高圧タンクの車両下方側の部分と前記アンダカバーとの間の空間を拡張する熱変形部と、を備えている。

請求項１に記載の高圧タンク搭載構造によれば、タンク収容部に収容された高圧タンクの車両下方側には、車両下方側の面が車両の底面の一部を形成するアンダカバーが設けられている。また、アンダカバーの車両水平方向の一端部には熱変形部が形成され、熱変形部は加熱により車両下方側へ向けて変形又は変位可能とされている。このため、例えば、アンダカバーにおいて熱変形部が加熱された場合には、熱変形部が車両下方側へ向けて変形又は変位し、高圧タンクの車両下側の部分とアンダカバーとの間の空間を拡張する。これにより、高圧タンクとアンダカバーとの間に断熱効果を生じさせることができ、車両が車両外側から加熱された際の高圧タンクの内圧の上昇を抑制することができる。

以上説明したように、本発明に係る高圧タンク搭載構造は、高圧タンクへの伝熱を遅延させることにより、車両が車両外側から加熱された際の高圧タンクの内圧の上昇を抑制できるという優れた効果を有する。

第１実施形態に係る高圧タンク搭載構造が適用された車両を示す概略的な側面図である。第１実施形態に係るタンク収容部の全体構成を示す平面図である。図２の３－３線で切断した状態を拡大して示す断面図である。図２の４－４線で切断した状態を拡大して示す断面図である。第１実施形態に係る熱変形部が変形した状態を示す概略的な側面図である。第１実施形態に係る熱変形部を車両後方側から見た背面図である。第１実施形態に係る熱変形部が加熱された状態を車両後方側から見た背面図である。第２実施形態に係る熱変形部を示す図４に対応する断面図である。第２実施形態に係る熱変形部が変形した状態を示す断面図である。

以下、図１～図６Ｂを用いて、本発明に係る高圧タンク搭載構造１０の第１実施形態について説明する。なお、以下の図において、矢印ＦＲは高圧タンク搭載構造１０が設けられる車両前方側を示し、矢印ＵＰは車両上方側を示し、矢印Ｗは車幅方向を示している。

（燃料電池車両１２）
高圧タンク搭載構造１０が適用された車両としての燃料電池車両１２（以下、車両１２と称する。）は、駆動手段としての駆動モータ１４を備えている。駆動モータ１４は、例えば、車両１２の車両後側部分に配置されている。また、駆動モータ１４は、直接又は減速ギヤ列等の変速手段を介して間接的に車両１２の駆動輪としての後輪１６へ機械的に接続されている。このため、駆動モータ１４から出力された駆動力を後輪１６へ伝達させることができる。

車両前部には、燃料電池スタック１８が設けられている。燃料電池スタック１８は、複数個の単位セルが直列に積層された構造体とされており、高電圧電源として機能する。燃料電池スタック１８は、アルミニウム合金製の複数の高圧タンク２０及びエアコンプレッサ（図示省略）に接続されている。なお、以下の説明において、複数の高圧タンク２０はアルミニウム合金製として説明するが、これに限らず、樹脂を主成分として高圧タンクが構成されてもよい。

燃料電池スタック１８を構成する各単位セルは、高圧タンク２０から供給される流体又は燃料ガスとしての水素ガスとエアコンプレッサから供給される圧縮空気の酸素との電気化学反応により発電を行う。また、車両１２には蓄電池（図示省略）が設けられている。蓄電池は、放充電可能な二次電池であり、例えば、ニッケル水素二次電池やリチウム水素二次電池などが用いられている。駆動モータ１４は、蓄電池から供給される電力によって駆動される。駆動モータ１４の駆動により発生した回生電力は、車両１２の制動時には蓄電池に回収されると共に充電される。

（タンク収容部２６）
車両１２において車室２２の床部を形成するフロアパネル２４の車両下方側には、高圧タンク２０を収容可能なタンク収容部２６が形成されている。タンク収容部２６は、前輪２８と後輪１６との間において車両１２の下部を形成している。

図２に示されるように、タンク収容部２６の車両前方側の端部には、車幅方向に沿って延在された前側ブラケット３０が配置され、タンク収容部２６の車両後方側の端部には、車幅方向に沿って延在された後側ブラケット３２が配置されている。また、前側ブラケット３０には、複数の高圧タンク２０を連通させるためのマニホールド３４が固定されている。高圧タンク２０は、前端がマニホールド３４に連結されると共に後端が後側ブラケット３２に固定されることによりタンク収容部２６に収容されている。

図３に示されるように、前側ブラケット３０は、２つの溝形鋼３６により構成されている。具体的には、車両前方側へ向けて開放された第１前側溝形鋼３６の溝部に車両前方側へ向けて開放された第２前側溝形鋼（図示省略）のフランジ部が接合されることにより構成されている。

図４に示されるように、後側ブラケット３２は、２つの溝形鋼３８、４０により構成されている。具体的には、車両後方側へ向けて開放された第１後側溝形鋼３８の溝部に車両後方側へ向けて開放された第２後側溝形鋼４０のフランジ部４０Ａ、４０Ｂが接合されることにより構成されている。

前側ブラケット３０と後側ブラケット３２の車幅方向両端部は、各々ロッカ等（図示省略）の車両骨格部材に接合されることにより車両１２に固定されている。また、図３及び図４に示されるように、前側ブラケット３０と後側ブラケット３２の上端部はフロアパネル２４にボルト締結されている。具体的には、前側ブラケット３０の車両上方側のフランジ部３０Ａと後側ブラケット３２を構成する第１後側溝形鋼３８の車両上方側のフランジ部３８Ａが、各々フロアパネル２４にボルト締結されている。

図２に示されるように、複数の高圧タンク２０の車両前方側の端部には各々口金４２が取り付けられている。複数の高圧タンク２０の口金４２は、各々マニホールド３４に接続されている。これにより、複数の高圧タンク２０の内部空間が連通されている。マニホールド３４は、車幅方向を長手方向として前側ブラケット３０に沿って延在されている。マニホールド３４の内部には複数の高圧タンク２０の内部空間を連通する一般流路３４Ａが形成されている。また、一般流路３４Ａは、前側ブラケット３０の車両前方側に設けられた図示しないバルブに連結されている。

複数の高圧タンク２０の車両後方側の端部は、高圧タンク２０の車両後方側の端部に設けられた口金４２を介して後側ブラケット３２に各々固定されている。これにより、高圧タンク２０は、車両１２に対して固定されている。

図３に示されるように、マニホールド３４は、一般流路３４Ａから分岐した放出流路３４Ｂを備えている。放出流路３４Ｂは、一般流路３４Ａから車両後方側へ向けて延在された横流路３４Ｂ１と横流路３４Ｂ１の後端部（放出流路３４Ｂとは反対側の端部）から車両下方側へ向けて延在された縦流路３４Ｂ２を含んで構成されている。また、マニホールド３４の下端部には、縦流路３４Ｂ２の下端に接続されると共に車幅方向に沿って延在された外部排出流路３４Ｃが形成されている。外部排出流路３４Ｃは、車両下方側に開口された溝形状に形成されると共にマニホールド３４の車幅方向両端部に亘って形成されている。

マニホールド３４の外部排出流路３４Ｃの車両下方側に開口された部分を塞ぐようにアダプタ４４が取り付けられている。このため、アダプタ４４は外部排出流路３４Ｃの車幅方向の全長に亘って延在されている。アダプタ４４は、一体成形された差込部４４Ａがマニホールド３４の外部排出流路３４Ｃよりも車両前方側の下端に形成された差込孔３４Ｄに挿入されることによりマニホールド３４に取り付けられている。

放出流路３４Ｂにおける横流路３４Ｂ１の後端部は、マニホールド３４の車両後方側の面に開口されている。この開口は、マニホールド３４の車両後方側に取り付けられた熱動作型圧力除去装置５０（以下、圧力除去装置５０と称する。）により閉塞されている。具体的には、圧力除去装置５０の車両上方側に設けられると共に全体形状が放出流路３４Ｂの横流路３４Ｂ１の内周形状と略同一に形成された水平軸５０Ａが、横流路３４Ｂ１に車両後方側から挿入されることにより閉塞されている。

水平軸５０Ａは、横流路３４Ｂ１と縦流路３４Ｂ２との接続部分よりも車両前方側まで横流路３４Ｂ１に挿入されている。このため、一般流路３４Ａを流れる水素ガスが、縦流路３４Ｂ２まで流入しないように横流路３４Ｂ１（放出流路３４Ｂ）が塞がれている。

圧力除去装置５０の水平軸５０Ａの車両後方側の端部には、車幅方向に延在された略軸状の係止部５０Ａ１が形成されている。また、係止部５０Ａ１の車両後方側には、車両上下方向に延在された縦軸５０Ｂが配置されている。縦軸５０Ｂの外周部には、車両上下方向に沿ってバネ５０Ｃが配置されている。

バネ５０Ｃが配置された縦軸５０Ｂの車両下方側には金属製の台座部５０Ｄが配置されている。台座部５０Ｄの上面には所定の温度を上回ると溶融する可溶合金５０Ｅが配置されている。縦軸５０Ｂの下端は、可溶合金５０Ｅの上面に配置されている。これにより、縦軸５０Ｂは、可溶合金５０Ｅに支持されると共にバネ５０Ｃの付勢力によって車両上方側に押し上げられている。このため、縦軸５０Ｂの上端部は、係止部５０Ａ１を軽視している。これにより、水平軸５０Ａは、横流路３４Ｂ１に安定して挿入されている。

可溶合金５０Ｅは、加熱されて所定の温度を上回ると溶融する。このため、圧力除去装置５０が加熱されて可溶合金５０Ｅが溶融することにより、縦軸５０Ｂがその自重で車両下方側へ下降する。横流路３４Ｂ１に挿入されている水平軸５０Ａは、その係止部５０Ａ１が係止されなくなることにより、横流路３４Ｂ１に流れ込んでいる水素ガスからの圧力を受けて車両後方側へ向けて移動される。これにより、横流路３４Ｂ１と縦流路３４Ｂ２とが連通されるため一般流路３４Ａを流れる水素ガスが外部排出流路３４Ｃを経由して車両１２外側の空間へ排出される。

図２に示されるように、前側ブラケット３０と後側ブラケット３２に固定された高圧タンク２０の車両下方側には、車両前後方向に延在された金属製のアンダカバー５６が配置されている。アンダカバー５６は、全体形状が略板状に形成されると共に車両下方側の面が車両１２の底面の一部を形成している。

アンダカバー５６の一端部としての車両後方側の端部には熱変形部６２が形成されている。本実施形態では、熱変形部６２は、アンダカバー５６の車両後方側の端部から前側ブラケット３０に固定されている部分にかけて車両前後方向に沿って形成されている。熱変形部６２は、線膨張係数の異なる２枚の金属板５８、６０を重ねあわせたバイメタル構造とされている。具体的には、熱変形部６２は、第１部材５８の下面に第１部材５８よりも線膨張係数の大きい第２部材６０が貼りあわされることにより構成されている。これにより、熱変形部６２は、加熱された際に車両下方側へ向けて変形するように構成されている。

アンダカバー５６の後端部は、後側ブラケット３２の車幅方向両端部において、車両下方側のフランジ部３８Ｂに接合されたウェルドナット６６を介してボルト締結されている。また、アンダカバー５６の車幅方向両端部は、ロッカ（図示省略）などの車両骨格部材に接合されることにより車両１２に固定されている。

（作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

本実施形態に係る高圧タンク搭載構造１０によれば、タンク収容部２６に収容された高圧タンク２０の車両下方側には、車両下方側の面が車両１２の底面の一部を形成するアンダカバー５６が設けられている。アンダカバー５６の車両後方側の部分を形成する熱変形部６２は、加熱により車両下方側へ向けて変形可能なバイメタル構造とされている。このため、熱変形部６２が車両外側から加熱された場合には、図５に示されるように、第１部材５８よりも線膨張係数の大きい第２部材６０が配置された車両下方側へ向けて変形する。具体的には、加熱されていない状態では、図６Ａに示されるように、アンダカバー５６は、後側ブラケット３２の下端部に沿って配置されている。熱変形部６２は、図６Ｂに示されるように、アンダカバー５６が車両外側から加熱された際にロッカや後側ブラケット３２に固定されていない車幅方向内側部分が車両下方側へ向けて変形する。

熱変形部６２が、車両下方側へ向けて変形することにより、アンダカバー５６と高圧タンク２０の車両下方側の部分との間の空間ＳＰが拡張される。このため、アンダカバー５６に加えられる熱が高圧タンク２０へ直接伝熱されることを防止又は抑制することができる。これにより、高圧タンク２０とアンダカバー５６との間に断熱効果を生じさせることができ、車両１２が車両外側から加熱された際の高圧タンク２０の内圧の上昇を抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る高圧タンク搭載構造１０によれば、図３に示されるように、マニホールド３４の車両後方側には圧力除去装置５０が設けられている。圧力除去装置５０に設けられた可溶合金５０Ｅは、加熱されて所定の温度を上回ると溶融する。可溶合金５０Ｅが溶融することにより縦軸５０Ｂは車両下方側へ移動し、縦軸５０Ｂに係止されなくなった水平軸５０Ａは車両後方側へ移動する。このため、横流路３４Ｂ１と縦流路３４Ｂ２とが連通されると共に水素ガスが外部排出流路３４Ｃを経由して車両１２外側の空間へ排出される。これにより、車両１２が車両外側から加熱された際の高圧タンク２０の内圧の上昇を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る高圧タンク搭載構造１０は、高圧タンク２０への伝熱を遅延させることにより、車両１２が車両外側から加熱された際の高圧タンク２０の内圧の上昇を抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る高圧タンク搭載構造１０によれば、加熱されたアンダカバー５６を車両下方側へ向けて変形させることができるため、高圧タンク２０の車両下方側の部分とアンダカバー５６との間に断熱材を配置することなくタンク収容部２６を構成するができる。このため、タンク収容部２６の高さ寸法（車両上下方向の寸法）を高圧タンク２０の車両下方側の部分とアンダカバー５６との間に断熱材を配置する場合と比べて低くすることができる。これにより、例えば、タンク収容部２６に断熱材を配置すると共にフロアパネル２４を車両上方側に配置することにより車室２２空間が狭くなることを抑制又は防止することができる。

（第２実施形態）
次に、図７及び図８を用いて、本発明に係る高圧タンク搭載構造７０の第２実施形態について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る高圧タンク搭載構造７０によれば、図７に示されるように、タンク収容部２６において高圧タンク２０の車両下方側には、底面部７２Ａが車両１２の底面の一部を形成するアンダカバー７２が設けられている。底面部７２Ａの後端には、車両上方側へ向けて延在された後面部７２Ｂが形成されている。ここでは、底面部７２Ａの車両後方側の部分と後面部７２Ｂにより熱変形部７６が形成されている。具体的には、熱変形部７６を形成する底面部７２Ａの車両後方側には、後側ブラケット３２（第１後側溝形鋼３８）の車両下方側のフランジ部３８Ｂに形成された取付孔７４と車両上下方向に重なる位置に取付孔７２Ｃが形成されている。熱変形部７６は、取付孔７２Ｃに挿通された樹脂クリップ７８により後側ブラケット３２に固定されている。

本実施形態に係る高圧タンク搭載構造７０によれば、図８に示されるように、熱変形部６２が車両外側から加熱されることにより樹脂クリップ７８が溶融され、後側ブラケット３２に固定されなくなった熱変形部７６は、自重により車両下方側へ向けて変形する。このため、アンダカバー７２と高圧タンク２０との間の空間ＳＰが拡張され、アンダカバー７２に加えられる熱が高圧タンク２０へ直接伝熱されることを防止又は抑制することができる。これにより、高圧タンク２０とアンダカバー７２との間に断熱効果を生じさせることができ、車両１２が車両外側から加熱された際の高圧タンク２０の内圧の上昇を抑制することができる。

なお、ここでは、熱変形部６２は、アンダカバー５６の車両後方側の端部から前側ブラケット３０に固定されている部分にかけて車両前後方向に沿って形成されているとして説明したが、これに限らず、熱変形部は、例えば、アンダカバーの車両後方側の端部だけに形成されてもよい。

また、ここでは、熱変形部６２は、アンダカバー５６の車両後方側に形成されるとして説明したが、これに限らず、熱変形部は、例えば、圧力除去装置の位置に対応してアンダカバーの車両前方側等に形成されてもよい。

なお、ここでは、熱変形部６２は、バイメタル構造を備えるあるいは樹脂クリップ７８を介して後側ブラケット３２に取り付けられているとして説明したが、これに限らず、熱変形部は、例えば、蛇腹状に形成されると共に加熱により車両上下方向に変位又は変形可能である等他の態様で構成されてもよい。

１０高圧タンク搭載構造
１２燃料電池車両（車両）
２０高圧タンク
２２車室
２４フロアパネル
２６タンク収容部
５６アンダカバー
６２熱変形部
７０高圧タンク搭載構造
７２アンダカバー
７６熱変形部
ＳＰ空間

Claims

車室の床部を形成するフロアパネルの車両下方側に設けられると共に高圧タンクが収容されるタンク収容部と、
前記タンク収容部において前記高圧タンクの車両下方側に設けられると共に車両下方側の面が車両の底面の一部を形成するアンダカバーと、
前記アンダカバーの車両水平方向の一端部に形成されると共に加熱により車両下方側へ向けて変形又は変位可能とされ、車両下方側へ向けて変形又は変位することにより前記高圧タンクの車両下方側の部分と前記アンダカバーとの間の空間を拡張する熱変形部と、
を備えた高圧タンク搭載構造。