JP2018114893A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両が衝突した際、車内に荷重が加わるのを抑制する。
【解決手段】車両前方の燃料電池収容空間に配置された燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを構成する燃料電池から排出されたアノードオフガスを当該燃料電池に再度循環させる水素循環流路と、水素循環流路に設けられ、燃料電池モジュールの下方に固定された水素ポンプ２４と、を備える燃料電池車両である。水素ポンプ２４はブラケット８０により燃料電池モジュールに固定されており、ブラケット８０の変形強度は、車両が衝突した時に燃料電池収容空間の後方の壁部１０４からの入力荷重よりも小さく設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

燃料電池車両として、車両の前方にある燃料電池収容空間に燃料電池と水素ポンプが搭載されたものが一般的に多く利用されている（例えば、特許文献１参照）。水素ポンプは、例えば鉄ブラケットなどを用いて、スタックフレーム（燃料電池スタックを構成するフレーム）に取り付けられている。

特開２０１４−０８３８７５号公報

しかし、水素ポンプを燃料電池の下方に配置した構造の車両が正面衝突すると、燃料電池収容空間の後方の壁部（本明細書では「ダッシュ」ともいう）が水素ポンプに向けて移動し、水素ポンプからの反力を受けて当該壁部（ダッシュ）が後退する結果、車内に荷重が加わるという問題が生じ得た。

以上について詳述すれば以下のとおりである。すなわち、燃料電池車両の水素ポンプには生成水が循環するため、凍結やＮＶ（騒音、振動）を考慮し、排水性能を確保する必要があることから、水素ポンプからの配管をなるべく垂直に出し、Ｕ字状にならないような構造とされている。このような構造を実現するには、ブラケット等を用い、当該水素ポンプをスタックフレーム（燃料電池スタックを構成するフレーム）に対してダッシュ方向（ダッシュのある方向）へオーバーハングさせて搭載することが必要となっている（図３参照）。ところが、オーバーハングさせる背反として、ダッシュ後退量（車両衝突時にダッシュが後退する量）が増加してしまう。これらをふまえ、オーバーハングの必要性とダッシュ後退量の増加を両立させる手段の一つとして、車両衝突時にブラケットを変形させ、衝突の際に水素ポンプを車両前方に移動させることが試みられている。要は、車両衝突時におけるダッシュのトーボード後退量（乗員の足元における板部が乗員側へ向けて後退する量）を抑制するべく、衝突時の荷重で水素ポンプをダッシュと反対方向に移動するようにし、トーボードの許容量を満足することが試みられている。しかしながら、それでも水素ポンプの移動量が不足する場合があり、ダッシュ後退量の抑制が十分でない結果、車内に荷重が加わってしまうことがある。

そこで、本発明は、車両が衝突した際、車内に荷重が加わるのを抑制す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。

本発明の一態様に係る燃料電池車両は、車両前方の燃料電池収容空間に配置された燃料電池モジュールと、
燃料電池モジュールを構成する燃料電池から排出されたアノードオフガスを当該燃料電池に再度循環させる水素循環流路と、
水素循環流路に設けられ、燃料電池モジュールの下方に固定された水素ポンプと、
を備える燃料電池車両であって、
水素ポンプはブラケットにより燃料電池モジュールに固定されており、
ブラケットの変形強度は、車両が衝突した時に燃料電池収容空間の後方の壁部からの入力荷重よりも小さく設定されている、燃料電池車両である。

上記態様の燃料電池車両においては、車両が正面衝突した際、ブラケットに対して壁部から入力があると、当該ブラケットが変形するので水素ポンプの移動が妨げられない。水素ポンプが相当程度移動すれば壁部への反力が低減し、車内に荷重が加わることが抑制される。

燃料電池車両は、水素ポンプの前方に配置されたエアコンプレッサをさらに備えており、水素ポンプは、エアコンプレッサに対して傾斜して配置されているものであってもよい。

水素ポンプとエアコンプレッサとの摩擦係数は、水素ポンプと壁部との摩擦係数よりも低く設定されていてもよい。

水素ポンプは、壁部に向けて昇りとなる傾きで傾斜していてもよい。

ブラケットは、壁部近傍の第１ブラケットと、該第１ブラケットよりも壁部から遠い第２ブラケットと、を含み、第１ブラケットは第２ブラケットよりも変形強度が低くてもよい。

本発明によれば、車両が衝突した際、車内に荷重が加わるのを抑制することができる。

水素ポンプの取付態様の一例を示す図である。 燃料電池車両の正面衝突時における水素ポンプの挙動について説明する図である。 水素ポンプの排水性を考慮した好適な搭載位置について説明する、車両側方からみた図である。 ブラケットの変形をＣＡＥ解析した結果を示す図である。 他部品との摩擦係数と搭載角度の関係を示す表である。 燃料電池車両のフロント部とそこに搭載された燃料電池などを示す平面図である。 燃料電池システムの構成の概略を示す図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４を備える（図７参照）。燃料電池システム１は、車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。固体高分子電解質型の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。電解質膜は、一般にフッ素系の膜が用いられる。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される（図７参照）。供給された酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池２は発熱すると共に空気極側に水を生成する。

酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する（図７参照）。エアコンプレッサ１４は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２の酸化ガス流路２ａに圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。酸化オフガスは、酸化ガス流路２ａから排出路１２に排出され、エア調圧弁１６及び加湿器１５を経た後、図示省略したマフラーを経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する（図７参照）。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、水素循環経路２３、水素ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、レギュレータ２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガス（アノードオフガス）として水素循環経路２３に排出される。水素オフガスは、水素循環経路２３と供給路２２との合流点Ａ１に水素ポンプ２４によって圧送され、水素ガスに合流して再び燃料ガス流路２ｂに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、水素循環経路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。

燃料電池モジュール２Ｍは、燃料電池車両１００の燃料電池収容空間１０２に配置されている（図６参照）。本実施形態の燃料電池車両１００において、水素ポンプ２４は、燃料電池モジュール２Ｍの下方となる位置において、ブラケット８０により、当該燃料電池モジュール２Ｍのスタックフレーム２Ｆに、ダッシュ方向（ダッシュ１０４のある方向）へオーバーハングさせた状態で取り付けられ、搭載されている（図３等参照）。

燃料電池モジュール２Ｍにおける水素ポンプ２４の後段のガス循環方向は矢印で示すとおりである（図３参照）。すなわち、燃料電池車両１００の傾斜時、生成水がＵ字状にならないように、水素ポンプ２４からの配管はなるべく垂直に設けられていることが好適である。

ダッシュ１０４は、燃料電池収容空間１０２の後方に設けられ、燃料電池収容空間１０２と車室とを仕切る壁部を構成する。

ブラケット８０には、その変形強度が、燃料電池車両１００が衝突した時にダッシュ１０４からの入力荷重よりも小さく設定されたものが採用されている。つまり、ブラケット８０の強度は、車両衝突時にダッシュ１０４から受ける荷重で変形する程度の強度とされている（図１等参照）。

本実施形態のブラケット８０は、ダッシュ１０４の近傍（もっとも近い位置）に配置された第１ブラケット８０ａと、この第１ブラケット８０ａよりもダッシュ１０４から遠い、図中下側に配置された第２ブラケット８０ｂと、エアコンプレッサ１４の近傍（もっとも近い位置）に配置された第３ブラケット８０ｃを含む（図１、図２参照）。第１ブラケット８０ａは、第２ブラケット８０ｂよりも変形強度が低い。このため、燃料電池車両１００が衝突した際、水素ポンプ２４を、第２ブラケット８０ｂを軸に回転することで移動させることができる。

なお、参考として、荷重を受けて塑性変形するブラケット８０の変形についてＣＡＥ解析した結果の一例を示す（図４参照）。これは、ｔ＝2.0[mm]、フランジ高さ8[mm]であり、270材（または440材）からなるブラケット８０が、ダッシュ１０４からの荷重（10kN）を受けて塑性変形する場合の解析結果を示したものである。

また、本実施形態の燃料電池車両１００において、水素ポンプ以外の部品（本明細書と図面中では他部品ともいう）の一例であるエアコンプレッサ１４は、水素ポンプ２４の前方に配置されている。水素ポンプ２４は、このエアコンプレッサ１４に対して、例えば、ダッシュ１０４に向けて昇り（別言すれば、図２中Ｆｒで示す車両前方方向に向けて下り）となる傾きで傾斜して配置されている（図２参照）。このため、水素ポンプ２４は、車両衝突時、中心からずれた位置でエアコンプレッサ１４とぶつかりあい、モーメントを生じさせる外力を受け、エアコンプレッサ１４に対して相対的に滑りながら回転し、前方へと押し込まれる結果、ダッシュ１０４とは反対の方向へと移動する。このため、車両衝突の際のダッシュ１０４のトーボード後退量が抑制される。

さらに、本実施形態の燃料電池車両１００において、水素ポンプ２４とエアコンプレッサ１４との摩擦係数は、水素ポンプ２４とダッシュ（壁部）１０４との摩擦係数よりも低く設定されている。このため、車両衝突時、水素ポンプ２４はエアコンプレッサ１４に対して滑る。すなわち、車両衝突の際、水素ポンプ２４はエアコンプレッサ１４に干渉するものの、傾斜配置されていることも相まって、相対的に滑りながら上記のように回転する。

水素ポンプ２４の、エアコンプレッサ１４に対する摩擦係数および搭載角度θの例を示す（図５参照）。水素ポンプ２４のエアコンプレッサ１４に対する角度は、エアコンプレッサ１４との摩擦係数に応じて定められてもよい（例えば、摩擦係数μ＝0.4のとき26.7deg）。

続いて、燃料電池車両１００が正面衝突した際の水素ポンプ２４の挙動について説明する（図２等参照）。衝突時、水素ポンプ２４は、(1)ダッシュ１０４から受ける荷重で前方へと押される。このとき、(2)水素ポンプ２４はダッシュ１０４により、滑らずに保持される。水素ポンプ２４が荷重を受けると、ブラケット８０が変形し、水素ポンプ２４が車両前方に移動することを妨げない。水素ポンプ２４は、車両前方へと移動する途中でエアコンプレッサ１４に干渉し、滑りながら回転し、前方に押し込まれる。このとき、水素ポンプ２４がエアコンプレッサ１４に対して上記のように滑りながら回転するので当該水素ポンプ２４の前方への移動量が確保されやすい。この結果、車両衝突時におけるダッシュ１０４のトーボードの後退量が抑制され、車内に荷重が加わるのが抑制される。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状およびサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

本発明は、燃料電池モジュール、水素循環流路、水素ポンプ等を備えた燃料電池車両に適用して好適である。

２…燃料電池、２Ｆ…スタックフレーム、２Ｍ…燃料電池モジュール、１４…エアコンプレッサ、２３…水素循環経路、２４…水素ポンプ、８０…ブラケット、８０ａ…第１ブラケット、８０ｂ…
第２ブラケット、１００…燃料電池車両、１０２…燃料電池収容空間、１０４…ダッシュ（壁部）

Claims (5)

1. 車両前方の燃料電池収容空間に配置された燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを構成する燃料電池から排出されたアノードオフガスを当該燃料電池に再度循環させる水素循環流路と、
   前記水素循環流路に設けられ、前記燃料電池モジュールの下方に固定された水素ポンプと、
   を備える燃料電池車両であって、
   前記水素ポンプはブラケットにより前記燃料電池モジュールに固定されており、
   前記ブラケットの変形強度は、車両が衝突した時に前記燃料電池収容空間の後方の壁部からの入力荷重よりも小さく設定されている、燃料電池車両。
2. 前記水素ポンプの前方に配置されたエアコンプレッサをさらに備えており、
   前記水素ポンプは、前記エアコンプレッサに対して傾斜して配置されている、請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記水素ポンプと前記エアコンプレッサとの摩擦係数は、前記水素ポンプと前記壁部との摩擦係数よりも低く設定されている、請求項１または２に記載の燃料電池車両。
4. 前記水素ポンプは、前記壁部に向けて昇りとなる傾きで傾斜している、請求項２に記載の燃料電池車両。
5. 前記ブラケットは、前記壁部近傍の第１ブラケットと、該第１ブラケットよりも前記壁部から遠い第２ブラケットと、を含み、前記第１ブラケットは前記第２ブラケットよりも変形強度が低い、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池車両。