JP7352479B2 - 燃料電池ユニット及びそれを搭載した燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニット及びそれを搭載した燃料電池車両に関し、特に燃料タンクを有する燃料電池ユニット及びそれを搭載した燃料電池車両に関する。

加圧燃料を貯留する燃料タンクを搭載した車両において、燃料タンクに接続された配管から燃料が漏出した場合に、燃料の漏出範囲を制限する構造として、例えば特許文献１に記載の燃料タンクの配管構造が知られている。この構造においては、燃料タンクに接続された燃料充填配管及び燃料供給配管をシールケースにより密閉することで、周囲への燃料の漏出を防止している。

特開平７－１９５９４８号公報

また、車両等に搭載される燃料電池ユニットには、燃料である水素が燃料タンクに接続された配管から漏出した場合に漏出した水素を検出するために、水素センサが設けられている。この漏出した水素は周囲の空気中に流出し拡散するため、精度よく水素の漏出を検出するためには、燃料電池ユニットの複数個所に水素センサを設置する必要がある。特許文献１の場合には、シールケース内に水素センサを設置することで、設置する水素センサの数を低減することができる。

しかしながら、特許文献１に記載のシールケースは、燃料充填配管及び燃料供給配管の両方全体を密閉して収容するために、大きな設置空間を要するという問題点を有していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、水素センサの設置に必要な空間を低減しつつ、漏出した水素の検出を好適に行うことができる燃料電池ユニット及びそれを搭載した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ユニットは、燃料充填系を備える燃料電池ユニットであって、水素を検出する水素センサと、燃料充填系に設けられ、水素センサによる水素漏れの検出対象である検出対象部材と、検出対象部材から漏れた水素を水素センサに導入する導入部と、燃料充填系の少なくとも一部を収容する筐体と、筐体の外壁に取り付けられる第１水素タンクとを有し、検出対象部材は、第１水素タンクに取り付けられるバルブを含み、検出対象部材よりも水素センサが上方に位置している。

また、検出対象部材は、バルブに取り付けられるホース、及びバルブとホースとの接続部とを含み、導入部は導入カバーを含み、導入カバーは、接続部を覆い且つ該接続部の上方に位置する下部と、水素センサに水素を導入する上部と、下部と上部とを接続する中部とを有し、導入カバーは筐体に対して脱着可能に構成されていてもよい。
また、筐体の内壁に取り付けられる第２水素タンクを有していてもよい。
また、筐体は係合部を有し、導入カバーはブラケットを有し、ブラケットは切欠部を有し、切欠部は係合部に係合可能に形成されていてもよい。
また、検出対象部材と、水素センサとは、鉛直方向に配置されていてもよい。
また、導入部の下方は開放されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池車両は上記燃料電池ユニットを搭載し、検出対象部材と水素センサとは、後退方向に傾斜して配置されていてもよい。

本発明によれば、検出対象部材から漏れた水素を上方に位置する水素センサに導入する導入部を有することで、水素センサの設置に必要な空間を低減しつつ、燃料電池ユニットにおいて漏出した水素の検出を好適に行うことができる。

実施の形態１に係る燃料電池ユニットの斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池ユニットの側面図である。 図１に示す第１ダクト及びその周辺構造の斜視図である。 図１に示す第１ダクトの第１の斜視図である。 図１に示す第１ダクトの第２の斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池ユニットの動作を説明する側面図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１について図面を参照して詳細に説明する。
図１に実施の形態１に係る燃料電池ユニットを示す。燃料電池ユニット１は、トーイングトラクター等の産業用車両に搭載されている。燃料電池ユニット１の筐体２０の内部には、図示しない燃料電池セルが設置されている。また、以下の説明において産業用車両の前進方向をＦ方向とし、後退方向をＲ方向として説明する。

筐体２０は、Ｆ方向側の上前壁２０ａと、下前壁２０ｇとＲ方向側の後壁２０ｂと、Ｆ方向に向かって左側の左壁２０ｃと、Ｆ方向に向かって右側の右壁２０ｄと、上方向の上壁２０ｅと、下方向の下壁２０ｆを有している。上前壁２０ａは上半分のみ形成され、下半分には下前壁２０ｇが形成されている。すなわち、筐体２０のＦ方向側は２つの前壁によって覆われている。

筐体２０内部において、上前壁２０ａ側の下壁２０ｆの上にメインタンク４０が設置されている。上前壁２０ａの外側に、サブタンク５０が取り付けられている。メインタンク４０及びサブタンク５０は、燃料である水素を貯留する燃料タンクを構成している。

メインタンク４０は水素の出入調節のためのメインタンクバルブ４１を有している。サブタンク５０は水素の出入調節のためのサブタンクバルブ５１を有している。メインタンク４０及びサブタンク５０から、燃料電池セルに水素が供給される。

サブタンクバルブ５１の近傍には、第１ダクト８０が取り付けられている。第１ダクト８０の詳細な構成は後述する。第１ダクト８０に対してＲ方向側の上壁２０ｅの上面に、燃料電池ユニット１の保守点検作業のために箱状のメンテナンススペース７０が設けられている。メンテナンススペース７０の下方の筐体２０内部には、鉛直方向に延びる第２ダクト８１が内側に開放されて設けられている。第２ダクト８１の詳細な構成は後述する。第１ダクト８０及び第２ダクト８１は、メンテナンススペース７０に、漏出した水素を導入する導入部を構成している。

図２は、燃料電池ユニット１を、左壁２０ｃ側から見た概略図である。なお、説明を容易にするために、左壁２０ｃのうちメインタンク４０及びサブタンク５０の近傍のものを一部記載省略し、また第１ダクト８０は破線により記載している。

メインタンク４０のメインタンクバルブ４１には、メインタンクホース４２が接続されている。サブタンク５０のサブタンクバルブ５１には、サブタンクホース５２が接続されている。メインタンクホース４２及びサブタンクホース５２は、三方弁４３に接続されている。三方弁４３は、メインタンク４０の上方かつメンテナンススペース７０の下方に設けられている。また、三方弁４３が設けられている空間は、内側に開放されている第２ダクト８１に接続されている。さらに、三方弁４３には、ホース４４が接続されている。ホース４４は、三方弁４３の上方に設けられた水素充填口４５に接続されている。メインタンクバルブ４１と、メインタンクホース４２と、三方弁４３と、ホース４４と、水素充填口４５と、サブタンクバルブ５１と、サブタンクホース５２は燃料充填系を構成している。

水素充填口４５は、燃料電池ユニット１の外部に設けられた図示しない水素供給設備からメインタンク４０及びサブタンク５０に水素を充填するための充填口である。水素充填口４５の外周は充填口カバー４５ａにより覆われている。水素充填口４５から水素が充填されると、水素はホース４４を経由し三方弁４３へ流れる。そして、三方弁４３からメインタンクホース４２及びメインタンクバルブ４１を経由してメインタンク４０へ水素が充填される。また、三方弁４３からサブタンクホース５２及びサブタンクバルブ５１を経由してサブタンク５０へ水素が充填される。すなわち、三方弁４３は、メインタンク４０へ水素を充填するか、又はサブタンク５０へ水素を充填するかを切り替えるために設けられている。なお、メインタンクバルブ４１と、メインタンクホース４２と、三方弁４３と、ホース４４と、サブタンクバルブ５１と、サブタンクホース５２は検出対象部材を構成している。

メンテナンススペース７０の内部には、水素センサ７２と、サービスプラグ７３と、ダイアグコネクタ７４とが設けられている。水素センサ７２は漏出した水素を検出するためのセンサであり、メインタンク４０のメインタンクバルブ４１のほぼ直上且つ三方弁４３の上方に配置されている。すなわち、メインタンクバルブ４１と水素センサ７２とは、鉛直方向に配置されている。また、水素センサ７２はサブタンク５０のサブタンクバルブ５１に対して、上方且つＲ方向側に配置されている。すなわち、水素センサ７２は、サブタンクバルブ５１に対して、産業用車両の後退方向であるＲ方向側に傾斜して配置されている。サービスプラグ７３は作業者が燃料電池ユニット１の保守点検を行う際の感電防止用電源遮断プラグであり、ダイアグコネクタ７４は作業者が診断ツールを接続し燃料電池ユニット１の状態の診断を行うためのコネクタである。また、メンテナンススペース７０は、作業者が内部のサービスプラグ７３及びダイアグコネクタ７４に対して作業するときに開くことのできる扉７１（図３参照）を有している。

メンテナンススペース７０の下部は、上壁２０ｅに形成された上壁開口部２０ｈにより、筐体２０内部の第２ダクト８１に接続されている。第２ダクト８１は、左壁２０ｃの内面に沿って側壁が形成された角柱状の空間である。そして、第２ダクト８１は、第２ダクト８１の側壁内面に沿って上昇した漏出水素が、上壁２０ｅの上壁開口部２０ｈを経由してメンテナンススペース７０へ流入可能であるように形成されている。また、第２ダクト８１の側壁と筐体２０の上壁２０ｅとは一体に形成されていてもよいし、別の部材として形成されていてもよい。

図３は、燃料電池ユニット１の第１ダクト８０及びその周辺部分を説明する図である。また、図４及び図５は、第１ダクト８０を示す図である。第１ダクト８０は、薄板曲げ鋼板により形成されている。また、第１ダクト８０は、ダクト上部８６と、ダクト中部８７と、ダクト下部８８とを有している。Ｒ方向側に位置するダクト上部８６及びＦ方向側に位置するダクト下部８８は、水平方向に形成されている。ダクト中部８７は、ダクト上部８６とダクト下部８８との間に傾斜して形成されている。さらに、第１ダクト８０は、筐体２０の左壁２０ｃ側に形成されたダクト左壁８０ａと、右壁２０ｄ（図１参照）側にダクト左壁８０ａに対向するように形成されたダクト右壁８０ｂとを有している。

第１ダクト８０のダクト下部８８は、サブタンク５０のサブタンクバルブ５１とサブタンクホース５２との接続部を覆うようにこれらの上方に取り付けられている。ダクト上部８６は、メンテナンススペース７０へ、漏出した水素が流入可能に上壁２０ｅに取付けられている。すなわち、第１ダクト８０は、サブタンクバルブ５１，サブタンクバルブ５１とサブタンクホース５２との接続部及びサブタンクホース５２から、ダクト下部８８と、ダクト中部８７と、ダクト上部８６とを介して、漏出した水素がメンテナンススペース７０へ流入可能に取り付けられている。また、サブタンクバルブ５１とサブタンクホース５２との接続部の鉛直方向の上方には、ダクト中部８７が位置している。さらに、第１ダクト８０は、ダクト左壁８０ａ及びダクト右壁８０ｂを有しているため、側方に漏出した水素が流出することが防止され、確実に漏出した水素をメンテナンススペース７０へ流入させることができる。

第１ダクト８０は、ダクト左壁８０ａから側方に突出する第１ブラケット８２を有している。第１ブラケット８２は、下側に切欠部８３を有している。切欠部８３は、筐体２０の取付ピン２１に係合している。また、ダクト下部８８のダクト左壁８０ａには取付部８４が形成されており、取付部８４の取付穴８５が筐体２０のサブタンクバルブ５１の取付位置近傍に形成された取付ピン２２に嵌合している。さらに、ダクト上部８６のダクト右壁８０ｂの側には貫通穴を有し側方へ突出する第２ブラケット９０が形成されており、第２ブラケット９０は筐体２０の上壁２０ｅに図示しないボルトでボルト止めされている。これにより、第１ダクト８０は筐体２０に着脱可能に取り付けられている。なお、取付ピン２１は係合部を構成している。

第１ダクト８０の下方には、周辺空気に対して開放された下部開口部８９が形成されている。すなわち、第１ダクト８０は流路の下方が密閉されていないカバー状の構造であり、漏出した水素をメンテナンススペース７０へ導入する導入カバーを構成している。

次に、実施の形態１に係る燃料電池ユニット１の動作について、左壁２０ｃ（図２参照）側から見た第１ダクト８０付近を拡大して示す図６を参照して説明する。
サブタンク５０のサブタンクバルブ５１において水素漏れが発生した場合には、水素は第１ダクト８０のダクト下部８８に漏出する。漏出水素は周囲の空気に対して比重が軽いため、第１ダクト８０の下部開口部８９から外部に流出することなく、ダクト下部８８、ダクト中部８７、ダクト上部８６を経てＡ方向へ流通し、メンテナンススペース７０へ流入する。

また、サブタンクバルブ５１とサブタンクホース５２との接続部、及びサブタンクホース５２のうち、少なくとも一箇所において水素漏れが発生した場合には、漏出水素は水素漏れ位置に対して鉛直方向の、ダクト中部８７の傾斜部に接触する。そして、漏出水素は下部開口部８９から外部に流出することなく、ダクト中部８７からダクト上部８６を経てＡ方向へ流通し、メンテナンススペース７０へ流入する。

メンテナンススペース７０へ流入した漏出水素は水素センサ７２により検出される。これにより、水素センサ７２はサブタンクバルブ５１、サブタンクバルブ５１とサブタンクホース５２との接続部及びサブタンクホース５２における水素漏れを検出することができる。

次に、メインタンク４０（図２参照）のメインタンクバルブ４１、メインタンクバルブ４１とメインタンクホース４２との接続部、及びメインタンクホース４２のうち、少なくとも一箇所において水素漏れが発生した場合には、漏出水素は上昇し第２ダクト８１へ流入する。第２ダクト８１に流入した漏出水素は上昇してＢ方向へ流通し、上壁開口部２０ｈを経由してメンテナンススペース７０に流入する。メンテナンススペース７０へ流入した漏出水素は、水素センサ７２により検出される。これにより、メインタンクバルブ４１、メインタンクバルブ４１とメインタンクホース４２との接続部及びメインタンクホース４２における水素漏れを検出することができる。

次に、三方弁４３、三方弁４３とメインタンクホース４２との接続部、三方弁４３とサブタンクホース５２との接続部、三方弁４３とホース４４との接続部、及びホース４４のうち、少なくとも一箇所において水素漏れが発生した場合には、漏出水素は三方弁４３の位置から充填口カバー４５ａに沿って上昇してＣ方向へ流通し、第２ダクト８１へ流入する。第２ダクト８１に流入した漏出水素はさらに上昇し、上壁開口部２０ｈを経由してメンテナンススペース７０に流入する。メンテナンススペース７０へ流入した漏出水素は水素センサ７２により検出される。これにより水素センサ７２は、三方弁４３、三方弁４３とメインタンクホース４２との接続部、三方弁４３とサブタンクホース５２との接続部、三方弁４３とホース４４との接続部及びホース４４を含む水素充填系における水素漏れを検出することができる。

以上のように、実施の形態１の燃料電池ユニット１は、設置する水素センサ７２の数を１個に低減しても、メインタンクバルブ４１、メインタンクホース４２、三方弁４３、ホース４４、サブタンクバルブ５１及びサブタンクホース５２の複数個所における水素漏れの発生を検知することができる。これにより、燃料電池ユニット１の部品点数及び製造コストを低減することができる。

また、特許文献１に記載されている燃料流出防止のためのシールケースに対し、実施の形態１の、漏出水素を水素センサ７２へ導入する導入部の一方である第１ダクト８０（図４又は図５参照）は、薄板曲げ鋼板により形成されるとともに下部開口部８９を有しており、流路が密閉されていない構造である。このため、シールケースと比較して構成が簡単であり、第１ダクト８０を形成するための加工は容易である。また、シールケースよりも、実施の形態１の第１ダクト８０の方が小型であり、設置に必要な空間の広さが小さいという利点を有している。さらに、導入部の他方である第２ダクト８１（図２参照）は、筐体２０内に設けられているため、設置に必要な空間の広さが小さいという利点を有している。

このように、実施の形態１の燃料電池ユニット１は、メインタンク４０及びサブタンク５０に水素を充填する燃料充填系を備える。また、燃料電池ユニット１は、水素を検出する水素センサ７２と、水素センサ７２により水素漏れを検出する対象であるメインタンクバルブ４１、メインタンクホース４２、三方弁４３、ホース４４、サブタンクバルブ５１及びサブタンクホース５２と、メインタンクバルブ４１、メインタンクホース４２、三方弁４３、ホース４４、サブタンクバルブ５１及びサブタンクホース５２から漏れた水素を水素センサ７２に導入する第１ダクト８０及び第２ダクト８１とを備えている。そして、水素センサ７２がメインタンクバルブ４１、メインタンクホース４２、三方弁４３、ホース４４、サブタンクバルブ５１及びサブタンクホース５２よりも上方に位置しているため、設置に必要な空間を低減しつつ、漏出した水素の検出を好適に行うことができる。

また、実施の形態１の燃料電池ユニット１は、燃料充填系の少なくとも一部を収容する筐体２０を有し、第１ダクト８０を含み、この第１ダクト８０は、燃料電池ユニット１の筐体２０に対して脱着可能に構成されているため、燃料電池ユニット１の整備性を向上することができる。

また、筐体２０は取付ピン２１を有し、第１ダクト８０は第１ブラケット８２を有し、第１ブラケット８２は切欠部８３を有し、切欠部８３が取付ピン２１に係合可能に形成されているため、簡単な構成で第１ダクト８０を筐体２０に位置決めし、脱着可能に取り付けることができる。

また、メインタンクバルブ４１と、水素センサ７２とは、鉛直方向に配置されているため、メインタンクバルブ４１及びメインタンクバルブ４１とメインタンクホース４２との接続部からの漏出水素が上昇して水素センサ７２の設置位置に到達しやすくなり、水素漏れの検出精度を向上することができる。

また、第１ダクト８０の下方は開放されているため、第１ダクト８０を簡単に形成することができ、第１ダクト８０の生産工数及び生産費用を低減することができる。

また、実施の形態１に係る燃料電池ユニット１は、トーイングトラクター等の燃料電池車両に搭載される。燃料電池ユニット１のサブタンクバルブ５１と水素センサ７２とは、トーイングトラクターの後退側であるＲ方向側に傾斜して配置されているため、トーイングトラクターが前進して走行風を受けている場合に走行風によってＦ方向側からＲ方向側に漏出水素が流れ水素センサ７２により精度よく水素漏れを検出することができる。

なお、実施の形態１においては導入カバーを構成する第１ダクト８０が燃料電池ユニット１の筐体２０に対して着脱可能に設けられていたが、第１ダクト８０と筐体２０とが一体に形成されていてもよい。

また、実施の形態１においては第１ダクト８０が薄板曲げ鋼板で形成されていたが、水素を透過しない材料で形成されていればよい。例えば、第１ダクト８０は樹脂による成形品等であってもよい。これにより、第１ダクト８０を大量生産する場合に生産費用を低減することができる。

また、第１ダクト８０のダクト下部８８は、サブタンクバルブ５１とサブタンクホース５２（図２参照）との接続部を覆うように取り付けられていたが、ダクト下部８８とサブタンクバルブ５１の間隙にシール材を設けてもよい。これにより、漏出水素が第１ダクト８０の外部へ流出することを防止し、水素センサ７２がより精度よく漏出水素を検出することができる。

また、第１ダクト８０は下部開口部８９を有していたが、第１ダクト８０に下部開口部８９を形成せず、全体的に筒状に形成してもよい。これにより、ダクト下部から漏出水素が第１ダクト８０の外部へ流出することを防止し、水素センサ７２がより精度よく漏出水素を検出することができる。

また、燃料電池ユニット１は１個のサブタンク５０とこれに対応する１個の第１ダクト８０を有していたが、燃料電池ユニット１は複数のサブタンク５０とこれに対応する複数の第１ダクト８０とを有してもよい。

また、燃料電池ユニット１はトーイングトラクター等の産業用車両に搭載されていたが、燃料電池自動車等の産業用車両以外の車両に搭載されていてもよい。

１ 燃料電池ユニット、２０ 筐体、２１ 取付ピン（係合部）、４０ メインタンク（燃料タンク）、４１ メインタンクバルブ（検出対象部材）、４２ メインタンクホース（検出対象部材）、４３ 三方弁（検出対象部材）、４４ ホース（検出対象部材）、５０ サブタンク（燃料タンク）、５１ サブタンクバルブ（検出対象部材）、５２ サブタンクホース（検出対象部材）、７２ 水素センサ、８０ 第１ダクト（導入部、導入カバー）、８１ 第２ダクト（導入部）、８２ 第１ブラケット（ブラケット）、８３ 切欠部。

Claims (4)

1. 燃料充填系を備える燃料電池ユニットであって、
   水素を検出する水素センサと、
   前記燃料充填系に設けられ、前記水素センサによる水素漏れの検出対象である検出対象部材と、
   前記検出対象部材から漏れた水素を前記水素センサに導入する導入部と、
   前記燃料充填系の少なくとも一部を収容する筐体と、
   前記筐体の外壁に取り付けられる第１水素タンクと
   を有し、
   前記検出対象部材は、前記第１水素タンクに取り付けられるバルブを含み、
   前記検出対象部材よりも前記水素センサが上方に位置している燃料電池ユニット。
2. 前記検出対象部材は、前記バルブに取り付けられるホース、及び前記バルブと前記ホースとの接続部とを含み、
   前記導入部は導入カバーを含み、
   前記導入カバーは、前記接続部を覆い且つ該接続部の上方に位置する下部と、前記水素センサに水素を導入する上部と、前記下部と前記上部とを接続する中部とを有し、前記導入カバーは、前記筐体に対して脱着可能に構成されている請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記筐体の内壁に取り付けられる第２水素タンクを有する、請求項１又は２に記載の燃料電池ユニット。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池ユニットを搭載し、
   前記検出対象部材と前記水素センサとは、後退方向に傾斜して配置されている燃料電池車両。

Images