JP2015231319A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両重衝突時に収容室の燃料電池スタックが乗員室に侵入することを防止する。【解決手段】電動車両は、乗員室２の前方に形成された収容室３内に配置されたボディフレーム６０と、収容室３内において後側締結構造６２ｒを介しボディフレーム６０に締結されたサスペンションメンバ６１と、後側締結構造よりも前方において後側マウント１１ｒを介しサスペンションメンバ上に支持された燃料電池スタック１０とを備える。車両重衝突時に、燃料電池スタックが後向きに移動されて締結構造に衝突することにより締結構造が破壊され、それによりサスペンションメンバがボディフレームから離脱して燃料電池スタックが下向きに移動しつつ、収容室と路面ＬＤとの間の退避空間６内に向かう。【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、乗員室の車両長さ方向前側に形成された収容室内に燃料電池スタックを収容した電動車両が公知である（特許文献１参照）。

特開２０１２−０１８７６１号公報

電動車両に用いられる燃料電池スタックは、一般に、重量が比較的大きい。このため、電動車両がその前端部において衝突し、それにより車両に内向きの衝突荷重が作用すると、収容室内に収容された燃料電池スタックが乗員室内に侵入するおそれがある。上述の特許文献１ではこの問題点について何ら言及されていない。

本発明によれば、乗員室の車両長さ方向外側に形成された収容室内に配置されたボディフレームと、収容室内において締結構造を介しボディフレームに締結された支持フレームと、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックであって、締結構造よりも車両長さ方向外側の収容室内においてマウントを介し支持フレーム上に支持された燃料電池スタックと、を備え、収容室と路面との間に燃料電池スタックを受容可能な退避空間が形成されており、車両に入力される車両長さ方向内向きの衝突荷重が予め設定された上限値よりも大きい車両重衝突時に、燃料電池スタック又はマウントが車両長さ方向内向きに移動されて締結構造に衝突することにより締結構造が破壊され、それにより支持フレームがボディフレームから離脱して燃料電池スタックが下向きに移動しつつ退避空間内に向かうようにした、電動車両が提供される。

車両重衝突時に収容室内の燃料電池スタックが乗員室に侵入することを防止できる。

電動車両の部分側面図である。 図１の収容室内の部分側面図である。 電動車両の部分平面図である。 燃料電池システムの構成図である。 電動車両の部分正面図である。 車両重衝突時における電動車両の部分側面図である。 別の実施例の電動車両の部分側面図である。

図１乃至図３は、それぞれ電動車両の部分側面図及び部分平面図である。ただし、図面において、ＶＬは車両長さ方向、ＶＷは車両幅方向、ＶＨは車両高さ方向をそれぞれ示している。この場合、車両長さ方向ＶＬ及び車両幅方向ＶＷは水平方向であり、車両高さ方向ＶＨは鉛直方向である。

図１乃至図３を参照すると、電動車両１は、乗員室２と、乗員室２の車両長さ方向ＶＬの外側、すなわち前側に形成された収容室３とを備える。図１乃至図３に示される実施例では、収容室３は、ダッシュボード４により乗員室２から分離される。この収容室３内には燃料電池システムＡの一部又は全部が収容される。

図４は、燃料電池システムＡの構成図である。燃料電池システムＡの燃料電池スタック１０は積層方向に沿って互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路、空気流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列に接続することにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源である水素タンク３２に連結される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、主止弁（遮断弁）３３と、水素ガス供給管３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素タンク３２からの水素ガスを調量しつつ燃料電池スタック１０に供給するための水素ガスインジェクタ３５とが配置される。一方、水素ガス通路３０の出口には、燃料電池スタック１０から余剰の水素ガスを取り出すための水素ガス排出管３６が連結される。主止弁３３が開弁され、水素ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。

また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源である大気４５に連結される。空気供給管４１内には上流側から順に、エアクリーナ４４と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４３と、コンプレッサ４３から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４２と、が配置される。一方、空気通路４０の出口には、燃料電池スタック１０から余剰の空気を取り出すための空気排出管４６が連結される。コンプレッサ４３が駆動されると、空気が空気供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。空気排出管４６内には空気排出管４６内を流れるガス量を制御する制御弁４７が配置される。

冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス通路５４により互いに連結される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス通路５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

再び図１乃至図３を参照すると、収容室３内には、収容室３の車両幅方向ＶＷの両側、すなわち左側及び右側にそれぞれボディフレーム６０が配置される。図１乃至図３に示されるように、ボディフレーム６０は車両長さ方向ＶＬに概ね延びている。図１乃至図３に示される実施例では、ボディフレーム６０は、車両長さ方向ＶＬの内側の部分、すなわち後側部分６０ｒと、車両長さ方向ＶＬの外側の部分、すなわち前側部分６０ｆと、これら後側部分６０ｒ及び前側部分６０ｆを互いに連結する中間部分６０ｉとを有する。後側部分６０ｒはほぼ水平方向に延びると共に、前側部分６０ｆは車両高さ方向ＶＨに関し後側部分６０ｒよりも高い位置においてほぼ水平方向に延びている。

また、収容室３の底部にはサスペンションメンバ６１が配置される。サスペンションメンバ６１の車両長さ方向ＶＬの外側の部分、すなわち前側部分６１ｆは、ボディフレーム６０の前側部分６０ｆの底面に前側締結構造６２ｆを介してそれぞれ締結される。前側締結構造６２ｆは、ボディフレーム６０の前側部分６０ｆ及びサスペンションメンバ６１の前側部分６１ｆにそれぞれ形成された孔を含み、これら孔をボルト６３ｆが通ることによって、ボディフレーム６０の前側部分６０ｆ及びサスペンションメンバ６１の前側部分６１ｆが互いに締結される。また、サスペンションメンバ６１の車両長さ方向ＶＬの内側の部分、すなわち後側部分６１ｒは、ボディフレーム６０の後側部分６０ｒの底面に後側締結構造６２ｒを介してそれぞれ締結される。後側締結構造６２ｒは、ボディフレーム６０の後側部分６０ｒ及びサスペンションメンバ６１の後側部分６１ｒにそれぞれ形成された孔を含み、これら孔をボルト６３ｒが通ることによって、ボディフレーム６０の後側部分６０ｒ及びサスペンションメンバ６１の後側部分６１ｒが互いに締結される。なお、図２において６４は例えばゴム製のブッシュを示している。図示しない別の実施例では、サスペンションメンバ６１は、締結構造を介してボディフレーム６０の側面に締結される。

サスペンションメンバ６１上には、上述した燃料電池システムＡの一部が支持される。配置される。具体的に説明すると、燃料電池スタック１０の車両長さ方向ＶＬの外側の部分、すなわち前側部分１０ｆは、前側マウント１１ｆを介してサスペンションメンバ６１の前側部分６１ｆに支持される。また、燃料電池スタック１０の車両長さ方向ＶＬの内側の部分、すなわち後側部分１０ｒは、後側マウント１１ｒを介してサスペンションメンバ６１の後側部分６１ｒに支持される。一方、図３に示されるように、燃料電池スタック１０は車両幅方向ＶＷのほぼ中央に位置するように、サスペンションメンバ６１上に支持される。更に、燃料電池スタック１０上には、インタークーラ４２、コンプレッサ４３、エアクリーナ４４などがマウント（図示しない）を介して支持される。

図示しない別の実施例では、サスペンションメンバ６１とは別に、上述の締結構造６２ｆ、６２ｒを介してボディフレーム６０に締結された支持部材が設けられ、その支持部材上に燃料電池スタック１０などがマウントを介して支持される。したがって、上述のサスペンションメンバ６１及び支持部材を支持フレームと総称すると、燃料電池スタック１０はマウントを介して支持フレーム上に支持されるということになる。

図１乃至図３からわかるように、燃料電池スタック１０は、後側締結構造６２ｒの車両長さ方向前側においてサスペンションメンバ６１上に支持される。

更に、図１乃至図３に示される実施例では、燃料電池スタック１０の前側部分１０ｆ及び後側部分１０ｒはそれぞれエンドプレートを含んでおり、上述の燃料電池単セルはこれらエンドプレート同士の間において互いに積層される。この場合、燃料電池単セルの積層方向１０ｓは前側部分１０ｆと後側部分１０ｒとを互いに結ぶ方向に一致する。また、燃料電池スタック１０の後側部分１０ｒには上述した水素ガス排出管３６、空気排出管４６、冷却水供給管５１が連結される。

更に図１乃至図３を参照すると、鉛直面内において燃料電池スタック１０の積層方向１０ｓが水平方向ＨＲに対し傾斜角ＳＡだけ傾斜するように、燃料電池スタック１０がサスペンションメンバ６１上に支持される。すなわち、燃料電池スタック１０の後側部分１０ｒが燃料電池スタック１０の前側部分１０ｆよりも低くなるように、燃料電池スタック１０がサスペンションメンバ６１上に支持される。図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０の後側部分１０ｒと燃料電池スタック１０の前側部分１０ｆとがほぼ同じ高さ位置になるように、燃料電池スタック１０が配置される。図示しない更に別の実施例では、燃料電池スタック１０の後側部分１０ｒが燃料電池スタック１０の前側部分１０ｆよりも高くなるように、燃料電池スタック１０が配置される。

図１乃至図３に加えて図５を参照すると、乗員室２の底部の車両幅方向ＶＷのほぼ中央には、車両長さ方向ＶＬに延びる水素タンク室５が形成され、水素タンク室５内には概ね円柱状の水素タンク３２が収容される。このようにすると、車両長さ方向ＶＬの前側の収容室３に燃料電池スタック１０を搭載し、後側の他の収容室（図示しない）にモータジェネレータを搭載した電動車両１において、極めて大きい容量の水素タンク室５を設けることができ、したがって極めて大きい容量の水素タンク３２を搭載することができる。

図１乃至図３及び図５に示されるように、水素タンク３２は、主止弁３３が車両長さ方向ＶＬの前側、すなわち収容室３側に位置するように、水素タンク室５内に配置される。その結果、水素タンク３２から水素ガスインジェクタ３５までの水素ガス供給管３１の長さを短くでき、したがって安全性が確保されると共に、コストが低減される。なお、図１乃至図３に示される実施例では、水素タンク３２は高圧ガス貯蔵タンクである。水素タンク３２は、図示しない別の実施例では液化水素タンクであり、更に別の実施例ではいわゆるクライオコンプレスド水素タンクである。

特に図１に示されるように、サスペンションメンバ６１の車両高さ方向ＶＨの上側には、ステアリングシャフト７２を介してステアリング７３に接続されたステアリングギア７４と、ホイール７１に接続された車輪軸７５と、フロントスタビライザ７６とが配置されている。この場合、燃料電池スタック１０は、これらステアリングギア７４、車輪軸７５及びフロントスタビライザ７６の直上に配置される。すなわち、燃料電池スタック１０は、収容室３における車両高さ方向ＶＨの低い位置に配置される。それにより、電動車両１が低重心になりスムーズな車両旋回性能や良好なドライバビリティを確保できる。

また、図３に示されるように、ステアリングシャフト７２が、車両幅方向ＶＷの中央を車両長手方向ＶＬに延びる中心線ＶＣに関し、燃料電池スタック１０の一側、例えば右側に配置される。言い換えると、図１乃至図３に示される実施例では、電動車両はいわゆる右ハンドル車である。

ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには主止弁３３及び水素ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４３が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ（図示しない）に送られる。その結果、モータジェネレータが車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータが回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器に蓄えられる。

なお、図１乃至図３に示される実施例では、モータジェネレータは収容室３内に収容されず、乗員室２の車両長さ方向ＶＬの後側に形成された他の収容室（図示しない）内に収容される。図示しない別の実施例では、モータジェネレータが収容室３内に収容される。

図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０は、乗員室２の車両長さ方向ＶＬの後側に形成された収容室内に収容される。したがって、包括的に表現すれば、燃料電池スタック１０は、乗員室２の車両長さ方向ＶＬの外側に形成された収容室内に収容されるということになる。

更に、図１乃至図３に示される実施例では、乗員室２及び収容室３と路面ＬＤとの間、すなわち水素タンク室５及び収容室３と路面ＬＤとの間に、燃料電池スタック１０が侵入可能な退避空間６が形成されている。

さて、電動車両１が、その前端部１ａにおいて衝突すると、電動車両１に車両長さ方向ＶＬ内向き、すなわち後向きの衝突荷重が作用する。図１乃至図３に示される実施例では、この後向きの衝突荷重が予め設定された上限値よりも大きいとき、すなわち車両重衝突が発生したときに、前側マウント１１ｆが燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１から離脱しないように、前側マウント１１ｆが燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１と連結され、後側マウント１１ｒが燃料電池スタック１０から離脱することなくサスペンションメンバ６１から離脱するように、後側マウント１１ｒが燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１と連結される。その結果、車両重衝突が発生すると、燃料電池スタック１０及び後側マウント１１ｒが車両長さ方向ＶＬ後向きに移動される。次いで、燃料電池スタック１０及び後側マウント１１ｒ、又は後側マウント１１ｒのみが後側締結構造６２ｒに衝突する。

一方、図１乃至図３に示される実施例では、車両重衝突により燃料電池スタック１０及び後側マウント１１ｒが後側締結構造６２ｒに衝突したときに、破壊されるように後側締結構造６２ｒが形成されている。すなわち、例えばボルト６３ｒが破断し、又は、ボルト６３ｒがボディフレーム６０の孔もしくはサスペンションメンバ６１の孔から外れることにより、後側締結構造６２ｒが破壊される。後側締結構造６２が破壊されると、サスペンションメンバ６１の後側部分６１ｒとボディフレーム６０とが互いに分離する。一方、車両重衝突が発生しても、前側締結構造６２ｆは破壊されない。したがって、車両重衝突が発生すると、サスペンションメンバ６１の前側部分６１ｆがボディフレーム６０に締結されたまま、サスペンションメンバ６１の後側部分６１ｒがボディフレーム６０から離脱する。その結果、燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１の自重により、燃料電池スタック１０の後側部分１０ｒがサスペンションメンバ６１の後側部分６１ｒと共に車両高さ方向ＶＨの下向きに移動する。したがって、図６に示されるように、燃料電池スタック１０はその全体が後向きに移動しながら、後側部分１０ｒが下向きに移動する。このようにして燃料電池スタック１０が退避空間６に向けて移動し、退避空間６内に侵入する。

その結果、車両重衝突時に燃料電池スタック１０がダッシュボード４に衝突するのが阻止され、したがって乗員室２内に侵入するのが阻止される。また、後向きの衝突荷重が更に大きかったとしても、燃料電池スタック１０は、水素タンク室５の下方の退避空間６内を進行し、したがって燃料電池スタック１０が乗員室２内に侵入するのが確実に阻止される。なお、図６に示される例では、車両重衝突により、車両長手方向ＶＬに短縮されるようにボディフレーム６０が変形されている。また、図１乃至図３に示される実施例では、車両重衝突が発生したと判断されたときに、乗員室２に設けられているエアバッグ（図示しない）が展開され、車両重衝突が発生していないと判断されたときにはエアバッグは展開されない。

また、車両重衝突時に燃料電池スタック１０が退避空間６内に侵入するので、燃料電池スタック１０が水素タンク３２及び主止弁３３に衝突するのが阻止される。その結果、水素タンク３２及び主止弁３３の破損による水素ガスのリークや、リークした水素ガスへの引火・爆発が防止される。

上述したように、図１乃至図３に示される実施例では、燃料電池スタック１０の積層方向１０ｓが水平方向ＨＲに対し傾斜角ＳＡだけ傾斜するように燃料電池スタック１０が配置される。そのため、燃料電池スタック１０の積層方向１０ｓがほぼ水平方向になるように燃料電池スタック１０が配置されている場合と比較して、車両重衝突時に燃料電池スタック１０は、より速やかに下向きに移動して退避空間６内に入り込むことができる。したがって、燃料電池スタック１０が乗員室２内に侵入し又は水素タンク３２等に衝突するのが更に確実に阻止される。この場合、燃料電池スタック１０の傾斜角ＳＡは、１〜３０°であるのが好ましく、１６〜２０°であるのがより好ましい。

なお、燃料電池スタック１０で発電作用が行われると、燃料電池スタック１０内で水が発生し、この水は水素ガス排出管３６及び空気排出管４６を介して燃料電池スタック１０から排出される。したがって、燃料電池スタック１０を上述のように傾斜させると、燃料電池スタック１０から水を良好に排出させることができる。また、燃料電池スタック１０を傾斜させると、燃料電池スタック１０を車両に搭載するときの作業や点検整備などにおいて、作業者が燃料電池スタック１０にアクセスし易くなる。

図示しない別の実施例では、車両重衝突時に、前側マウント１１ｆが燃料電池スタック１０又はサスペンションメンバ６１から離脱するように、前側マウント１１ｆが燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１と連結される。

また、図示しない別の実施例では、車両重衝突時に、後側マウント１１ｒがサスペンションメンバ６１から離脱することなく燃料電池スタック１０から離脱するように、後側マウント１１ｒが燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１と連結される。この場合、後側マウント１１ｒは後側締結構造６２ｒに衝突せず、燃料電池スタック１０が衝突することになる。図示しない更に別の実施例では、車両重衝突時に、後側マウント１１ｒがサスペンションメンバ６１及び燃料電池スタック１０から離脱するように、後側マウント１１ｒが燃料電池スタック１０及びサスペンションメンバ６１と連結される。

更に、図示しない別の実施例では、車両重衝突時に破壊されるように前側締結構造６２ｆが形成される。この場合、車両重衝突時に、燃料電池スタック１０がサスペンションメンバ６１と共にボディフレーム６０から分離されることになる。この点、図１乃至図３に示される実施例では、車両重衝突が発生しても燃料電池スタック１０がボディフレーム６０に連結され続けるということになる。

更に、図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０の例えば前側部分１０ｆと後側部分１０ｒとの間の中間部分において、燃料電池スタック１０がサスペンションメンバ６１上に支持される。

次に、図７を参照して、本発明による別の実施例について説明する。
図７に示される実施例では、ステアリングシャフト７２が、車両幅方向ＶＷの中央を車両長手方向ＶＬに延びる中心線ＶＣに関し、燃料電池スタック１０の他側、例えば左側に配置される。言い換えると、図７に示される実施例では、電動車両はいわゆる左ハンドル車である。上述したように、燃料電池スタック１０は、車両幅方向ＶＷのほぼ中央に位置するように、サスペンションメンバ６１上に支持される。その結果、ステアリングシャフト７２が右側に配置されても、左側に配置されても、燃料電池スタック１０はステアリングシャフト７２に干渉しない。その結果、ステアリングシャフト７２の配置位置をただ単に変更するだけで、右ハンドル車及び左ハンドル車を構成することができる。その結果、右ハンドル車と左ハンドル車との両方を開発ないし製造する際に、ドライバビリティ及び安全性の評価に要するコストを低減することができ、あるいは、右ハンドル車と左ハンドル車とで部品を共通化することができる。

２ 乗員室
３ 収容室
６ 退避空間
１０ 燃料電池スタック
１１ｒ 後側マウント
６０ ボディフレーム
６１ サスペンションメンバ
６２ｆ、６２ｒ 締結構造
ＬＤ 路面

Claims (5)

1. 乗員室の車両長さ方向外側に形成された収容室内に配置されたボディフレームと、
   前記収容室内において締結構造を介し前記ボディフレームに締結された支持フレームと、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックであって、前記締結構造よりも車両長さ方向外側の前記収容室内においてマウントを介し前記支持フレーム上に支持された燃料電池スタックと、
   を備え、
   前記乗員室及び前記収容室と路面との間に前記燃料電池スタックが侵入可能な退避空間が形成されており、
   車両に入力される車両長さ方向内向きの衝突荷重が予め設定された上限値よりも大きい車両重衝突時に、前記燃料電池スタック又は前記マウントが車両長さ方向内向きに移動されて前記締結構造に衝突することにより前記締結構造が破壊され、それにより前記支持フレームが前記ボディフレームから離脱して前記燃料電池スタックが下向きに移動しつつ前記退避空間内に向かうようにした、
   電動車両。
2. 前記乗員室の底部に燃料ガスタンク室が形成されると共に該燃料ガスタンク室内に燃料ガスタンクが収容されており、
   前記車両重衝突時に、前記燃料電池スタックが、前記収容室及び前記燃料ガスタンク室と路面との間に形成される前記退避空間内に向かうようにした、
   請求項１に記載の電動車両。
3. 前記燃料電池スタックの車両長さ方向内側部分が前記燃料電池スタックの車両長さ方向外側部分よりも低くなるように、前記燃料電池スタックが前記支持フレーム上に支持される、
   請求項１又は２に記載の電動車両。
4. 前記燃料電池スタックが、前記燃料電池スタックから余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスをそれぞれ取り出すための燃料ガス排出管及び酸化剤ガス排出管を備えており、これら燃料ガス排出管及び酸化剤ガス排出管の少なくとも一方が前記燃料電池スタックの車両長さ方向内側部分に連結されている、
   請求項３に記載の電動車両。
5. 前記燃料電池スタックの車両長さ方向内側部分が前記マウントを介して前記支持フレーム上に支持される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の電動車両。

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