JP4383327B2 - 燃料電池自動車およびガス燃料自動車の放出管取付構造 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池自動車およびガス燃料自動車の放出管取付構造に関する。
高圧の水素を使用する燃料電池自動車においては、高圧水素を貯蔵する水素タンクが高温になった場合に、水素を逃がして圧力の降下を図る安全弁が使用されている（特許文献１参照）。安全弁は、水素タンク近傍に設けられ、弁動作が融点の低い金属で封じられ、通常は作動しないが、水素タンクが高温になるとともにその金属が溶融すると、高圧ガスによって弁体が押されて開弁し、水素ガスを放出させて水素タンクの内圧の増加を防止する。
また、水素ガスを大気中に放出する際に、水素ガスが高圧のため噴射時のエネルギーが大きいとして、外部への影響を抑えるために放出口に水素ガスを分散させる遮蔽部材を設けた技術が知られている（特許文献２参照）
特開２００２−２０６６９６号公報（段落００１６） 特開２００４−２０４９５６号公報（特許請求の範囲）
しかしながら、自動車はさまざまな条件下で使用されることが考えられる。例えば積雪などの低温環境下で燃料電池自動車を使用した場合、雪や水などによる凍結によって安全弁の放出口が塞がれることが考えられるが、前記従来の技術では、これについての技術開示がなされていない。このため、安全弁を設けても放出口の設置位置によっては機能しないことが予想される。
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、低温環境下でも安全弁の放出口が塞がれることなく、安全弁の機能を確保できる燃料電池自動車およびガス燃料自動車の放出管取付構造を提供することを課題とする。
このため、請求項１に記載の発明は、燃料ガスである水素を貯蔵する水素タンクと、前記水素タンクからの水素供給を受けて発電する燃料電池とを備え、車両の前後方向に延びる左右のメインフレームの内側であって前記車両の床下に燃料電池、水素タンクの順に車両の前から配置された燃料電池自動車において、異常時に前記燃料ガスを放出させる放出管を設け、前記放出管における少なくとも放出口は、前記左右のメインフレームの内側であって、かつ前記燃料電池および前記水素タンクとの間の床下領域に配置され、前記左右のメインフレームに固定されて前記水素タンクを支持するサブフレームが設けられ、前記放出管の前記放出口は、前記サブフレームによって支持されたものとした。
燃料電池自動車における左右のメインフレームの内側であって、かつ燃料電池および前記水素タンクとの間の床下領域は、電気配線や他の容器などを設けない領域のため、放出口からそれらに向かって水素を放出することがない。また、この領域は燃料電池の発熱が伝達しやすい領域であるため、燃料電池の排熱で放出口を加熱することができる。
請求項２に記載の発明は、少なくとも前記燃料電池を収納した燃料電池ボックスと、前記燃料電池ボックス内の水素を換気する換気手段とをさらに備え、前記換気手段は前記燃料電池ボックスの後方であって、前記放出口に向けて換気風を送風するものとした。
これによって、燃料電池から漏れた水素も、燃料電池ボックス内に滞留されることなく排出され、かつその送風で放出口を強制的に加熱することができる。
請求項３に記載の発明は、前記放出口が、前記水素タンクにおける中心軸より高い位置に設けられているものとした。
これによって、換気手段が水素タンクの中心軸のうえに向けて送風するとき、放出口を効率よく加熱することができる。
請求項４に記載の発明は、燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵容器と、前記ガス貯蔵容器からの燃料ガスの供給を受けて動力を発生する動力発生装置とを備え、車両の前後方向に延びる左右のメインフレームの内側の前記車両の床下に前記動力発生装置及び前記ガス貯蔵容器を配置したガス燃料自動車において、異常時に前記燃料ガスを放出させる放出管を設け、前記放出管における少なくとも放出口は、前記動力発生装置によって加熱された部位に配置され、前記左右のメインフレームに固定されて前記ガス貯蔵容器を支持するサブフレームが設けられ、前記放出管の前記放出口は、前記サブフレームによって支持されたものとした。
これによって、放出管の放出口を動力発生装置の発熱で加熱することができる。
本発明によれば、異常時に水素ガスなどの燃料ガスを放出する放出管の放出口を燃料電池または動力発生装置の発熱で加熱することができるので、放出口が雪や水凍結などで凍結して塞がれることを防止することができる。
以下、本発明を燃料電池自動車に適用した一実施形態について説明する。
図１は、燃料電池自動車における燃料電池システムの取付構造を示す上面図で、図２はその側面図である。図３は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
この取付構造では、燃料電池および水素タンクはフロア下にフロント（前方）方向からの順で取り付けられている。フロアは図１および図２に示すように、フロントフロア１の後縁に、後方に立ち上がるように有段成形された（図２参照）リヤフロア２が接合されて形成されている。
リヤフロア２の下には前後方向に沿って左右一対のリヤフレーム１３，１４が接合され、このリヤフレーム１３，１４の前端に、フロントフロア１の側縁に取り付けたサイドシル７０，８０と、このサイドシル７０，８０の内側に前後方向に沿って配置されたフロアフレーム５，６が各々のフロントブラケット１１，１２を介して接続され、フロア下に左右一対のＹ字状フレーム４３，４３が形成されている。なお、リヤフロア２の段差部３の裏側にはクロスメンバ４（図１参照）が車幅方向に渡って接合されている。
ここで、リヤフレーム１３，１４とフロアフレーム５，６で本発明におけるメインフレームを構成する。
ここで、フロントフロア１の両側縁には左右にインサイドシル７，８が各々接続され、各インサイドシル７，８の後端部はインサイドシルイクステンション９，１０が設けられ、インサイドシル７，８にアウトサイドシル７'，８'（図１参照）が接合され前記サイドシル７０，８０が形成されている。
各リヤフレーム１３，１４の後端部下面には、上に開いた断面形状のリヤブラケット１７，１８（図２参照）が取り付けられている。このリヤブラケット１７，１８はその側壁がリヤフレーム１３，１４の両側壁外面に接合され、前部の底壁にはカラーナット１９，２０（図２参照）が立設されている。
ここで、図１に示すように左右のリヤフレーム１３，１４の間には前後に２つのクロスメンバ４Ａ，４Ｂが接合され、各々の後端部、具体的にはリヤブラケット１７，１８の後端にバンパビーム２１（図１参照）が取り付けられている。
そして、フロントブラケット１１，１２とリヤブラケット１７，１８の各カラーナット１５，１６、１９，２０に下方からサブフレーム２２がボルト２３，２３，２３，２３により固定されている。
サブフレーム２２は、左右のフレーム部材２４，２５と前後のフレーム部材２６，２７とにより略矩形枠状に形成された部材で車幅方向にクロスビーム２８を備え、このクロスビーム２８により振り分けたスペースに２つの水素タンク２９，３０が各々バンド３１，３２により締め付け車体に固定されている。
車幅方向と平行に配置された水素タンク２９、３０は、リヤフロア２とは一定の隙間を形成するように上下方向の位置が設定されている。
サブフレーム２２にはサスペンションユニット３３が取り付けられ、このサスペンションユニット３３に図示しないタイヤが取り付けられている。
そして、左右のフレーム部材２４，２５の前端と前部のフレーム部材２６の両端との角部には前記カラーナット１５，１６に挿入されるボルト２３の挿通部３４，３５（図１参照）が設けられ、前記した左右のフレーム部材２４，２５の後端と後部のフレーム部材２７の両端との角部には前記カラーナット１９，２０に挿入されるボルト２３の挿通部３６，３７が設けられている。
このようにして構成されたサブフレーム２２の各挿通部３４，３５、３６，３７にボルト２３を挿通して、このボルト２３をリヤフレーム１３，１４のフロントブラケット１１，１２とリヤブラケット１７，１８とに取り付けたカラーナット１５，１６、１９，２０に挿入して締め付け固定することで、サブフレーム２２をフロアフレーム５，６に固定している。
フロントフロア１の下には前記左右のフロアフレーム５，６に跨るようにして燃料電池３８とガス配管などの周辺機器を含む燃料電池ユニットＮＵが収納された燃料電池ボックス３９が配置されている。燃料電池３８は前記水素タンク２９，３０から供給される水素ガスと、図示しないコンプレッサーから供給される空気中の酸素との電気化学反応で発電を行い、図示しない車体前部に配置した駆動用モータ（図示せず）に発電電力を供給することで、燃料電池自動車を駆動する。
燃料電池ボックス３９は、図３のＡ−Ａ断面図で示すように、燃料電池ユニットＮＵを覆うケース本体３９ａと蓋３９ｂを備え、フロアフレーム５，６の底壁５ａ，６ａに下方からボルト４０をナット４１に締め付けて、ケース本体３９ａと蓋３９ｂとを固定するようになっている。なお、サイドシル７０（８０）にはセンターピラー７１（８１）が取り付けられ、左右のフロアフレーム５，６と左右のサイドシル７０（８０）との間には、片側で３箇所、両側で６箇所にブラケット４２が取り付けられている。
水素タンク２９，３０は右側で集合配管４６により接続され、この集合配管４６に接続された高圧配管４７がサブフレーム２２のフレーム部材２５の内側に沿って前側の水素タンク２９の前部に回り込み、フレーム部材２６，２４の内側に沿って左側の両水素タンク２９，３０間に配置されたレギュレータ４８に接続され、このレギュレータ４８から前側に延びる中圧配管４９が図４に示すようにフレーム部材２４に取り付けられるリリーフ弁５０と接続されている。このリリーフ弁５０に接続される中圧配管４９の下流側部分がサブフレーム２２と燃料電池ボックス３９との幅寸法内で両者に跨り両者を横断するようにして、左側のＹ字状フレーム４３に形成された空間部である股部４４に挿通されて配索され、燃料電池ボックス３９の左後部裏側から内部の燃料電池ユニットＮＵ内に挿通されている。一方、リリーフ弁に接続される放出管５１は、サブフレーム２２を構成するフレーム部材２６の外側に沿って燃料電池ボックス３９とサブフレーム２２の間に形成された空間に配索される。
燃料電池ボックス３９には外気を導入する換気構造が設けられ、外気によって燃料電池ボックス３９内が換気されながら、燃料電池３８に対して冷却が行われる。
水素タンク２９、３０には加圧された水素が貯蔵され、高圧配管４７および中圧配管４９を介して燃料電池ユニットＮＵ内に供給される。高圧配管４７の水素ガスはレギュレータ４８によって所定の圧力（例えば０．５ＭＰａ）に減圧される。このとき、例えばレギュレータ４８内の弁の異常により、高圧配管４７の水素ガスが十分に減圧されていない状態で中圧配管４９に導入され、中圧配管４９の水素ガス圧力が前記した所定の圧力よりも高い圧力（例えば０．８ＭＰａ）に達することがある。中圧配管４９の圧力が例えば２ＭＰａ以上になるような異常時には、リリーフ弁５０が作動し、放出管５１、放出口５２から水素ガスが排出されることになる。
次に、図５を用いて発明に係るリリーフ弁５０の放出管５１および放出口５２の配置について説明する。
図５は、リリーフ弁の放出管の配置位置および燃料電池ボックスの換気構造を示す図である。
図５に示すように、燃料電池ボックス３９の前壁１２０には、車幅方向右側部に導入口１３０が設けられている。導入口１３０は、図示しない外気導入経路を介してファン１８０と連結されている。燃料電池ボックス３９の後壁１４０には、車幅方向両側部に燃料電池ボックス３９内を流通した換気流の送出口１５０，１５０が設けられている。そして、燃料電池ボックス３９の後壁１４０の外側には、送出口１５０，１５０と各々接続されて車幅方向内側に向かって延びる排気ダクト１６０，１６０が設けられている。各排気ダクト１６０の車幅方向中央付近には、後方に向かって換気流を排出する排出口１７０が各々設けられている。
排気ダクト１６０の排出口１７０は、図５の（ｂ）に示すように水素タンク２９,３０の軸線Ｃよりも高い位置に設けられている。排出口１７０から排出される熱風に加熱されるように、リリーフ弁５０の放出管５１は、図５の（ａ）に示すように燃料電池ボックス３９の後壁１４０に面したフレーム部材２６の外側に沿って、排気ダクト１６０の排出口１７０の近傍まで延びるように配置される。放出管５１の放出口５２は、図５の（ｂ）に示すように排出口１７０とほぼ同じ高さ、すなわち、水素タンク２９,３０の軸線Ｃより高い位置に位置され図４に示すように斜め下向けになっている。
燃料電池３８が発電する際には、ファン１８０の送風により、外気導入経路を介して導入口１３０から燃料電池ボックス３９内に外気が導入される。この外気が換気流となって、図５の（ａ）の破線矢印Ａで示すように、燃料電池ボックス３９の後壁１４０両側に設けられた送出口１５０，１５０に向かって流れるため、燃料電池３８の左右の間隙を縫うように流通することとなる。また、 上下方向において、導入口１３０が送出口１５０，１５０より下方にあるため、換気流が図５の（ｂ）の破線矢印Ｂで示すように、燃料電池３８の上下の間隙をも縫うように流通する。
この換気流によって、燃料電池ボックス３９内が換気されるとともに、熱交換で燃料電池３８が冷却される。燃料電池３８から熱を奪った換気流が温かい排気となって、排出口１７０,１７０から後方に排出される。二つの排出口１７０は、図５の（ｂ）に示すように水素タンク２９,３０の軸線Ｃよりも高い位置に設けられているため、排出口１７０からの排気が水素タンク２９,３０の上部に向かって流れるため、水素の滞留しやすい水素タンク２９、３０とリヤフロア２の間も換気される。
リリーフ弁５０の放出管５１は燃料電池ボックス３９とサブフレーム２２におけるフレーム部材２６の間の空間に設けられているため、燃料電池ボックス３９からの放射熱によって加熱されるとともに、排出口１７０から排気が排出される際には、排気によって加熱される。したがって、低温環境下で放出管５１および放出口５２が雪などで凍りついて塞がった場合も、燃料電池自動車を起動すれば、燃料電池３８の熱で閉塞を解消することができる。これによって、燃料電池自動車を低温環境下で使用しても、雪や凍結でリリーフ弁５０が機能しないことを有効に防止することができる。
さらに、燃料電池自動車の走行中に雪を巻き上げた場合にでも、放出管５１の放出口５２は燃料電池ボックス３９とサブフレーム２２におけるフレーム部材２６の間の空間に設けられているため、その空間が雪による閉塞が発生しにくい部位であると、燃料電池ボックス３９の熱で放出口５２が加熱されることから、雪や凍結による放出口５２の閉塞を有効に防止することができる。
燃料電池自動車においては、水素の使用に関して、技術基準が設けられている。この技術基準によって例えば水素の放出口は客室／荷室へ直接に開放しないこと、ホイールハウスへ開放しないこと、他容器へ向けないこと、電気端子へ向けないこと、前方へ向けないことなどが要求されている。本実施形態によれば、リリーフ弁５０の放出管５１および放出口５２が燃料電池ボックス３９とサブフレーム２２の間の空間に配索されるため、それらの条件を満たしながら、凍結対策が取られる効果が得られる。
すなわち、放出管５１の一部および放出口５２の配置位置はメインフレームを構成するフロアフレーム５、６およびリヤフレーム１３、１４の内側であって、かつ燃料電池３８と水素タンク２９，３０との間の床下領域に設定され、この床下領域は電気配線や他の容器などを設けない領域のため、放出口から技術基準で規制された部品に向かって水素を放出することはない。
前記実施の形態では、リリーフ弁の放出管および放出口について説明したが、水素タンク２９、３０の異常時、例えば高温時に水素タンク内の水素ガスを緊急放出する緊急放出弁を設けた場合は、緊急放出弁の放出管および放出口を前記実施の形態と同様に設定することによって、同様に技術基準を満たしながら凍結対策をとることができる。
なお、本実施の形態では、放出管および放出口の凍結対策として燃料電池自動車について説明したが、これに限らず、例えば高圧水素を使用する水素エンジンのガス燃料自動車にも適用できる。この場合は、燃料電池は水素エンジンに代わるが、水素エンジンの発熱を冷却するために、同様に水素エンジンまたはその冷却機構に外気を流通させるが、その外気が流通する通路にリリーフ弁または緊急放出弁の放出管および放出口を設ければ本実施の形態と同様の効果が得られる。
燃料電池自動車における燃料電池システムの取付構造を示す上面図である。 図１の側面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明にかかる放出管および放出口の配置位置を示す斜視図である。 リリーフ弁の放出管の配置位置および燃料電池ボックスの換気構造を示す図である。
符号の説明
１ フロントフロア
２ リヤフロア
５,６ フロアフレーム
２４〜２７ フレーム部材
２９,３０ 水素タンク
３８ 燃料電池
３９ 燃料電池ボックス
４６ 集合配管
４８ レギュレータ
４９ 中圧配管
５０ リリーフ弁
５１ 放出管
５２ 放出口
１３,１４ リヤフレーム
１６０ 排気ダクト
１７０ 排出口
１８０ ファン（換気手段）

Claims (4)

  1. 燃料ガスである水素を貯蔵する水素タンクと、前記水素タンクからの水素供給を受けて発電する燃料電池とを備え、車両の前後方向に延びる左右のメインフレームの内側であって前記車両の床下に燃料電池、水素タンクの順に車両の前から配置された燃料電池自動車において、
    異常時に前記燃料ガスを放出させる放出管を設け、前記放出管における少なくとも放出口は、前記左右のメインフレームの内側であって、かつ前記燃料電池および前記水素タンクとの間の床下領域に配置され、
    前記左右のメインフレームに固定されて前記水素タンクを支持するサブフレームが設けられ、
    前記放出管の前記放出口は、前記サブフレームによって支持されることを特徴とする燃料電池自動車の放出管取付構造。
  2. 少なくとも前記燃料電池を収納した燃料電池ボックスと、前記燃料電池ボックス内の水素を換気する換気手段とをさらに備え、前記換気手段は前記燃料電池ボックスの後方であって、前記放出口に向けて換気風を送風することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車の放出管取付構造。
  3. 前記放出口は、前記水素タンクにおける中心軸より高い位置に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池自動車の放出管取付構造。
  4. 燃料ガスを貯蔵するガス貯蔵容器と、前記ガス貯蔵容器からの燃料ガスの供給を受けて動力を発生する動力発生装置とを備え、車両の前後方向に延びる左右のメインフレームの内側の前記車両の床下に前記動力発生装置及び前記ガス貯蔵容器を配置したガス燃料自動車において、
    異常時に前記燃料ガスを放出させる放出管を設け、前記放出管における少なくとも放出口は、前記動力発生装置によって加熱された部位に配置され、
    前記左右のメインフレームに固定されて前記ガス貯蔵容器を支持するサブフレームが設けられ、
    前記放出管の前記放出口は、前記サブフレームによって支持されることを特徴とするガス燃料自動車の放出管取付構造。
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