JP7035833B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池車両に関する。
近年、燃料電池を動力源とした燃料電池車両が開発されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を利用して電力を生成する装置であり、複数の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックを備える。
特許文献1には、フロントルームに燃料電池スタックと高電圧部品(FCPCやPCU)とが収容された燃料電池車両に関する技術が開示されている。
特開2017-190090号公報
特許文献1に開示されている技術では、燃料電池車両のフロントルームに燃料電池スタックと高電圧部品(FCPCやPCU)とを収容している。燃料電池スタックは発電時に熱が発生するため冷却液で冷却する必要がある。ここで、燃料電池スタックを冷却液で冷却すると冷却液中にイオンが発生するため、冷却液に含まれるイオンをイオン交換器を用いて除去する必要がある。イオン交換器は定期的にメンテナンスが必要な部品であるため、メンテナンス性の良い位置、具体的には燃料電池スタックおよび高電圧部品の前方に配置する必要がある。
しかしながら、イオン交換器は剛性の高い部品(キャップ部)を有するため、燃料電池車両の前突時にイオン交換器が後方に変位して、剛性の高いキャップ部が高電圧部品にぶつかり、この衝撃で高電圧部品が破損するという問題がある。
上記課題に鑑み本発明の目的は、前突時に高電圧部品が破損することを抑制することが可能な燃料電池車両を提供することである。
本発明の一態様にかかる燃料電池車両は、スタックフレームの上部に固定された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの上部に固定された高電圧部品と、前記燃料電池スタックおよび前記高電圧部品の前方に配置され、前記燃料電池スタックを冷却する冷却液に含まれるイオンを除去するイオン交換器と、がフロントルームに収容された燃料電池車両である。前記イオン交換器は、本体部と、当該本体部の上側に設けられ、前記本体部よりも剛性の高いキャップ部と、を備え、前記スタックフレームは前記燃料電池スタックよりも前方に突出するとともに、当該突出している部分の上側に傾斜部を備える。前記傾斜部の傾斜面は鉛直方向上側に対して後方に傾いており、前記燃料電池車両の前突時に前記イオン交換器が後方に変位した際に、前記イオン交換器の下端の後方部が前記傾斜部の傾斜面に沿ってスライドして前記イオン交換器が斜め上方向に変位することで、前記イオン交換器の前記キャップ部が前記高電圧部品よりも鉛直方向上側の位置となる。
上記の燃料電池車両では、スタックフレームの突出している部分の上側に傾斜部を設けている。このように傾斜部を設けることで、燃料電池車両の前突時にイオン交換器が後方に変位した際に、イオン交換器を斜め上方向に変位させることができる。したがって、イオン交換器のキャップ部の鉛直方向における位置を高電圧部品の鉛直方向における位置よりも上側にすることができ、前突時に高電圧部品が破損することを抑制することができる。
上記の燃料電池車両において、前記イオン交換器の下端の後方部には、前記傾斜部の傾斜面と平行な傾斜面が形成されていてもよい。
このようにイオン交換器の下端の後方部に傾斜面を形成することで、イオン交換器を斜め上方向に滑らかに変位させることができる。
上記の燃料電池車両において、前記イオン交換器の前記本体部は、前記燃料電池車両の前突時に前記イオン交換器の前記本体部が破損する荷重よりも強い耐荷重で前記燃料電池スタックの前方に固定されていてもよい。
このような構成とすることで、燃料電池車両の前突時に、イオン交換器が燃料電池スタックから離れることなく、イオン交換器が潰れてクッションとしての役割を果たすことができる。よって、前突時に燃料電池スタックおよび高電圧部品に働く衝撃を緩和させることができる。
上記の燃料電池車両において、前記イオン交換器の前記本体部は、前記本体部の前後方向における側壁の肉厚よりも前記本体部の左右方向における側壁の肉厚のほうが薄くなるように構成されていてもよい。
イオン交換器をこのように構成することで、イオン交換器の前方に応力が加わった際にイオン交換器が潰れやすくなるので、前突時のイオン交換器のクッション効果を高めることができる。
上記の燃料電池車両において、前記イオン交換器の前記本体部は、当該本体部の内部において前記冷却液を分流するセパレータを備えていてもよく、前記イオン交換器の前方にはラジエータが配置されていてもよく、前記ラジエータおよび前記イオン交換器は、前記ラジエータが備えるサイドプレート、ファンシュラウド、及びラジエータサポートアッパーの少なくとも一つの鉛直方向における位置が、前記イオン交換器の前記セパレータおよび前記キャップ部の少なくとも一つの鉛直方向における位置と重ならないように配置されていてもよい。
イオン交換器およびラジエータを上述のような配置とすることで、燃料電池車両の前突時にラジエータからイオン交換器に強い力が加わることを抑制することができる。したがって、イオン交換器から燃料電池スタックおよび高電圧部品に強い力が印加されて、燃料電池スタックおよび高電圧部品が破損することを抑制することができる。
本発明により、前突時に高電圧部品が破損することを抑制することが可能な燃料電池車両を提供することができる。
実施の形態にかかる燃料電池車両のフロントルーム付近の概要を説明するための上面図である。 実施の形態にかかる燃料電池車両の燃料電池スタック、高電圧部品、及びイオン交換器の配置を説明するための側面図である。 実施の形態にかかる燃料電池車両の前突時における燃料電池スタック、高電圧部品、及びイオン交換器の配置を説明するための側面図である。 イオン交換器の水平方向における断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池車両の燃料電池スタック等をサスペンションメンバーに取り付けた状態を示す側面図である。 イオン交換器およびラジエータの鉛直方向における位置関係を説明するための断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、実施の形態にかかる燃料電池車両のフロントルーム付近の概要を説明するための上面図である。図1に示すように、燃料電池車両1のフロントルーム10には、燃料電池スタック11、高電圧部品12、イオン交換器13、及びラジエータ14が収容されている。燃料電池車両1のフロントルーム10付近の左側および右側にはそれぞれ前輪19が配置されている。なお、図1では、本発明の説明に必要な構成要素のみを示しており、これ以外の構成要素については図示を省略している。
図2は、本実施の形態にかかる燃料電池車両の燃料電池スタック、高電圧部品、及びイオン交換器の配置を説明するための側面図である。図2に示すように、燃料電池スタック11は、スタックフレーム15の上部に固定されている。燃料電池スタック11は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を利用して電力を生成する。燃料電池スタック11には、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。また、燃料電池スタック11は発電時に熱が発生するため、冷却液を用いて冷却される。
高電圧部品12は、燃料電池スタック11の上部に固定されている。高電圧部品12は、例えば、FCコンバータ、モータ用インバータ、ポンプインバータ、バッテリコンバータなどである。例えば、FCコンバータは、燃料電池スタック11の出力電圧を駆動モータの駆動に適した高電圧に昇圧するDC-DCコンバータである。また、モータ用インバータは、FCコンバータで昇圧された直流電力を三相交流に変換して駆動モータに供給する回路である。例えば、FCコンバータ、及びポンプインバータは、FCPC(Fuel Cell Power Conditioner)と称される場合もある。また、モータ用インバータ、及びバッテリコンバータは、PCU(Power Control Unit)と称される場合もある。
なお、本実施の形態では、高電圧部品12はこれらの部品に限定されることはなく、高電圧を扱う部品であればこれ以外の部品であってもよい。
イオン交換器13は、燃料電池スタック11を冷却する冷却液に含まれるイオンを除去する。イオン交換器13は、燃料電池スタック11および高電圧部品12の前方に配置されている。イオン交換器13は定期的にメンテナンスが必要な部品であるため、このように燃料電池スタック11および高電圧部品12の前方に配置することで、メンテナンス性を向上させることができる。
イオン交換器13は、本体部21とキャップ部22とを備える。本体部21には、冷却液に含まれるイオンを吸着するためのイオン交換樹脂が収納されている。キャップ部22は本体部21に蓋をするための部材であり、本体部21の上側に設けられている。ここで、キャップ部22は本体部21よりも剛性が高い(つまり、硬くて変形しにくい)という性質を有する。すなわち、本体部21およびキャップ部22は金属材料などの強度の強い材料を用いて構成されているが、本体部21は内部にイオン交換樹脂を収容する空間を備えるので、水平方向における剛性が低い。一方、キャップ部22は本体部21に蓋をする部材であるので、内部に空間を備えないので本体部21と比べると剛性が高い。
イオン交換器13は、燃料電池スタック11の前方に固定されている。具体的には、イオン交換器13の本体部21には後方に伸びる取り付け部23、25が設けられており、これらの取り付け部23、25を燃料電池スタック11の締結部24、26に固定することで、イオン交換器13を燃料電池スタック11に固定することができる。例えば、イオン交換器13の本体部21は、燃料電池車両1の前突時にイオン交換器13の本体部21が破損する荷重よりも強い耐荷重で燃料電池スタック11の前方の締結部24、26に固定されている。
燃料電池スタック11が固定されているスタックフレーム15は、燃料電池スタック11よりも前方に突出する突出部16を備える。突出部16の更に前方にはクラッシュボックス17が設けられている。クラッシュボックス17は、衝突時に自身が変形することで衝突時のエネルギーを吸収して、車両への衝撃を低減させる部材である。
また、スタックフレーム15の突出部16の上側には傾斜部31が設けられている。傾斜部31には傾斜面32が形成されている。傾斜部31の傾斜面32は鉛直方向上側に対して後方に傾いている。
図3に示すように、傾斜部31を設けることで、燃料電池車両1の前突時にイオン交換器13が後方に変位した際に、イオン交換器13の下端の後方部27を傾斜部31の傾斜面32に沿ってスライドさせてイオン交換器13を斜め上方向に変位させることができる。したがって、イオン交換器13のキャップ部22の鉛直方向における位置h2(つまり、キャップ部22の下端の鉛直方向における高さh2)を高電圧部品12の鉛直方向における位置h1(つまり、高電圧部品12の上端の鉛直方向における高さh1)よりも上側にすることができる。よって、前突時に高電圧部品12が破損することを抑制することができる。
すなわち、本実施の形態にかかる燃料電池車両1では、メンテナンス性を考慮してイオン交換器13を燃料電池スタック11および高電圧部品12の前方に配置している。しかしながら、イオン交換器13はキャップ部22のように剛性の高い部品を有するため、燃料電池車両1の前突時にイオン交換器13が後方に変位して、剛性の高いキャップ部22が高電圧部品12にぶつかり、この衝撃で高電圧部品12が破損するという問題があった。
このような問題を解決するために本実施の形態にかかる燃料電池車両1では、スタックフレーム15の突出している部分(突出部16)の上側に傾斜部31を設けている。このように傾斜部31を設けることで、燃料電池車両1の前突時にイオン交換器13が後方に変位した際に、イオン交換器13を斜め上方向に変位させることができる。したがって、イオン交換器13のキャップ部22の鉛直方向における位置を高電圧部品12の鉛直方向における位置よりも上側にすることができ、前突時に高電圧部品12が破損することを抑制することができる。
なお、図2に示すように、イオン交換器13の下端の後方部27には、傾斜部31の傾斜面32と平行な傾斜面を形成してもよい。ここで、傾斜面32と平行とは、傾斜面32と平行である場合に加えて、傾斜面32と略平行である場合も含むものとする。このように、イオン交換器13の下端の後方部27に傾斜面を形成することで、イオン交換器13を斜め上方向に滑らかに変位させることができる。
また、本実施の形態では、イオン交換器13は、燃料電池車両1の前突時にイオン交換器13の本体部21が破損する荷重よりも強い耐荷重で燃料電池スタック11に固定されている。したがって、図3に示すように、燃料電池車両1の前突時に、イオン交換器13が燃料電池スタック11から離れることなく、イオン交換器13が潰れてクッションとしての役割を果たすことができる。よって、前突時に燃料電池スタック11および高電圧部品12に働く衝撃を緩和させることができる。このとき、図3に示すように、前突時にクラッシュボックス17も変形することで、前突時のエネルギーを吸収して、車両への衝撃を低減させることができる。
例えば、イオン交換器13の本体部21が破損する荷重を10kN以下とし、イオン交換器13を100kNの耐荷重で燃料電池スタック11に固定したとする。この場合、イオン交換器13に100kNよりも低い荷重がかかると、イオン交換器13が燃料電池スタック11から離れることなく、イオン交換器13が潰れてクッションとしての役割を果たすことができる。
図4は、イオン交換器の水平方向における断面図である。図4に示すように、イオン交換器13の本体部21の内部には、冷却液に含まれるイオンを吸着するためのイオン交換樹脂46が収納されている。本体部21の内部は、板状のメッシュステー47を用いて仕切られており、イオン交換樹脂46は、メッシュステー47で仕切られた各々の空間に配置されている。このとき、メッシュステー47が前後方向と平行にならないように配置することで、イオン交換器13の前方に応力が加わった際にイオン交換器13が潰れやすくすることができるので、前突時のイオン交換器13のクッション効果を高めることができる。なお、図4に示す例では、メッシュステー47が前後方向に対して45度ずれている例を示している。
また、図4に示すように、イオン交換器13の本体部21を構成する際に、イオン交換器13の本体部21の左右方向における側壁43、44の肉厚が、本体部21の前後方向における側壁41、42の肉厚よりも薄くなるようにしてもよい。イオン交換器13をこのように構成することで、イオン交換器13の前方に応力が加わった際にイオン交換器13が潰れやすくすることができるので、前突時のイオン交換器13のクッション効果を高めることができる。
図5は、本実施の形態にかかる燃料電池車両の燃料電池スタック等をサスペンションメンバーに取り付けた状態を示す側面図である。図5に示すように、燃料電池スタック11、高電圧部品12、及びイオン交換器13を搭載しているスタックフレーム15は、支持部材72、73を用いてサスペンションメンバー71に固定されている。なお、図5では、燃料電池車両の左側の側面図を示しているが、燃料電池車両の右側においても同様に、スタックフレーム15は、支持部材を用いてサスペンションメンバーに固定されている。すなわち、スタックフレーム15は、合計4箇所でサスペンションメンバー71に固定されている。
例えば、スタックフレーム15は、100kNの耐荷重でサスペンションメンバー71に固定されている。例えば、前突時に100kNよりも大きな荷重が加わると、サスペンションメンバー71の変形とスタックフレーム15の後退力により、支持部材72、73が破断してスタックフレーム15がサスペンションメンバー71から分離される。この場合は、燃料電池スタック11、高電圧部品12、及びイオン交換器13を搭載しているスタックフレーム15ごと後退するので、燃料電池スタック11および高電圧部品12に強い衝撃が働くことを抑制することができる。
上述の例では、スタックフレーム15が100kNの耐荷重でサスペンションメンバー71に取り付けられており、イオン交換器13の本体部21が破損する荷重を10kN以下とし、イオン交換器13を100kNの耐荷重で燃料電池スタック11に固定している。よって、前突時に加わる荷重が100kNよりも小さい場合は、イオン交換器13をクッションとして衝撃を吸収することができる。また、前突時に加わる荷重が100kNよりも大きい場合は、イオン交換器13をクッションとして衝撃を吸収するとともに、スタックフレーム15がサスペンションメンバー71から分離して、燃料電池スタック11等を搭載しているスタックフレーム15ごと後退させることで、燃料電池スタック11および高電圧部品12に強い衝撃が働くことを抑制することができる。
図6は、イオン交換器およびラジエータの鉛直方向における位置関係を説明するための断面図である。図6に示すように、ラジエータ14は、イオン交換器13の前方に配置されている(図1参照)。ラジエータ14は、ラジエータ本体51とファン52とを備えている。ラジエータ本体51は、燃料電池スタック11の冷却に用いられた冷却液の熱を放熱する。ファン52は、ラジエータ本体51に風を送って、ラジエータ本体51における放熱を促進させる。
ラジエータ本体51の上部にはサイドプレート53が配置されている。また、ファン52の周囲にはファンシュラウド54が配置さている。更に、ラジエータ本体51およびファン52の上部には、ラジエータサポートアッパー55が配置されている。ラジエータサポートアッパー55には衝撃を吸収するバリア57が取り付けられている。ここで、ラジエータ14を構成する部材のうち、サイドプレート53、ファンシュラウド54、及びラジエータサポートアッパー55は、剛性の高い部材である。
また、イオン交換器13の本体部21には、本体部21の内部において冷却液を分離するセパレータ62が設けられている。つまり、本体部21には供給口61から冷却液が供給されるが、この冷却液を本体部21の内部において分離するセパレータ62が設けられている。
ここでセパレータ62は、剛性の高い部材であるため、イオン交換器13の前方に配置されたラジエータ14を構成する部材のうち剛性の高い部材の鉛直方向における位置が、イオン交換器13のセパレータ62の鉛直方向における位置と重なると、燃料電池車両1の前突時に、ラジエータ14からイオン交換器13に強い力が加わる。このようにイオン交換器13に強い力が加わると、イオン交換器13から燃料電池スタック11および高電圧部品12に強い力が伝わり、燃料電池スタック11および高電圧部品12が破損するおそれがある。
すなわち、燃料電池車両1の前突時においてラジエータ14からイオン交換器13に強い力が加わるが、イオン交換器13およびラジエータ14を構成する部材のうち剛性の高い部材が水平方向において直線上に並ぶと、その部分において燃料電池スタック11および高電圧部品12に特に強い力が伝わり、燃料電池スタック11および高電圧部品12が破損するおそれがある。
本実施の形態ではこの点を考慮して、イオン交換器13およびラジエータ14を配置する際に、ラジエータ14が備えるサイドプレート53、ファンシュラウド54、及びラジエータサポートアッパー55の鉛直方向における位置が、イオン交換器13のセパレータ62およびキャップ部22の鉛直方向における位置と重ならないように配置している。
具体的に説明すると、図6に示すように、ラジエータ14が備えるサイドプレート53、ファンシュラウド54、及びラジエータサポートアッパー55の鉛直方向における位置58が、イオン交換器13のセパレータ62の鉛直方向における位置65と重ならないようにしている。また、図6に示すように、ラジエータ14が備えるサイドプレート53、ファンシュラウド54、及びラジエータサポートアッパー55の鉛直方向における位置58が、イオン交換器13のキャップ部22の鉛直方向における位置66と重ならないようにしている。
イオン交換器13およびラジエータ14を上述のような配置とすることで、燃料電池車両1の前突時にラジエータ14からイオン交換器13に強い力が加わることを抑制することができる。したがって、イオン交換器13から燃料電池スタック11および高電圧部品12に強い力が印加されて、燃料電池スタック11および高電圧部品12が破損することを抑制することができる。
なお、上記例では、ラジエータ14が備えるサイドプレート53、ファンシュラウド54、及びラジエータサポートアッパー55の全ての部品の鉛直方向の位置58が、イオン交換器13のセパレータ62及びキャップ部22の少なくとも一方の鉛直方向における位置と重ならないように配置している場合を示した。しかし本実施の形態では、ラジエータ14が備えるサイドプレート53、ファンシュラウド54、及びラジエータサポートアッパー55の少なくとも一つの鉛直方向における位置が、イオン交換器13のセパレータ62及びキャップ部22の少なくとも一方の鉛直方向における位置と重ならないように配置してもよい。
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
1 燃料電池車両
10 フロントルーム
11 燃料電池スタック
12 高電圧部品
13 イオン交換器
14 ラジエータ
15 スタックフレーム
16 突出部
17 クラッシュボックス
19 前輪
21 本体部
22 キャップ部
23、25 取り付け部
24、26 締結部
27 後方部
31 傾斜部
32 傾斜面
41、42、43、44 側壁
46 イオン交換樹脂
47 メッシュステー
51 ラジエータ本体
52 ファン
53 サイドプレート
54 ファンシュラウド
55 ラジエータサポートアッパー
57 バリア
71 サスペンションメンバー
72、73 支持部材

Claims (5)

  1. スタックフレームの上部に固定された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの上部に固定された高電圧部品と、
    前記燃料電池スタックおよび前記高電圧部品の前方に配置され、前記燃料電池スタックを冷却する冷却液に含まれるイオンを除去するイオン交換器と、がフロントルームに収容された燃料電池車両であって、
    前記イオン交換器は、本体部と、当該本体部の上側に設けられ、前記本体部よりも剛性の高いキャップ部と、を備え、
    前記スタックフレームは前記燃料電池スタックよりも前方に突出するとともに、当該突出している部分の上側に傾斜部を備え、
    前記傾斜部の傾斜面は鉛直方向上側に対して後方に傾いており、前記燃料電池車両の前突時に前記イオン交換器が後方に変位した際に、前記イオン交換器の下端の後方部が前記傾斜部の傾斜面に沿ってスライドして前記イオン交換器が斜め上方向に変位することで、前記イオン交換器の前記キャップ部が前記高電圧部品よりも鉛直方向上側の位置となる、
    燃料電池車両。
  2. 前記イオン交換器の下端の後方部には、前記傾斜部の傾斜面と平行な傾斜面が形成されている、請求項1に記載の燃料電池車両。
  3. 前記イオン交換器の前記本体部は、前記燃料電池車両の前突時に前記イオン交換器の前記本体部が破損する荷重よりも強い耐荷重で前記燃料電池スタックの前方に固定されている、請求項1または2に記載の燃料電池車両。
  4. 前記イオン交換器の前記本体部は、前記本体部の前後方向における側壁の肉厚よりも前記本体部の左右方向における側壁の肉厚のほうが薄くなるように構成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の燃料電池車両。
  5. 前記イオン交換器の前記本体部は、当該本体部の内部において前記冷却液を分流するセパレータを備え、
    前記イオン交換器の前方にはラジエータが配置されており、
    前記ラジエータおよび前記イオン交換器は、前記ラジエータが備えるサイドプレート、ファンシュラウド、及びラジエータサポートアッパーの少なくとも一つの鉛直方向における位置が、前記イオン交換器の前記セパレータおよび前記キャップ部の少なくとも一つの鉛直方向における位置と重ならないように配置されている、
    請求項1~4のいずれか一項に記載の燃料電池車両。
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