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 4 PCU 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