JP7139940B2

JP7139940B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP7139940B2
Application number: JP2018243323A
Authority: JP
Inventors: 大祐石川; 弘章西海
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN111384420A; US20200207224A1; JP2020104598A; EP3675260A1; US11225152B2

Description

本開示は、燃料電池車両に関し、例えば、スタックがスタックフレームを介して車体に固定される燃料電池車両に関する。

一般的な燃料電池車両は、特許文献１に開示されているように、複数のセルが積層されたスタックを搭載している。そして、燃料電池車両に衝突力が入力された際に、スタックが損傷しないように、剛強なスタックフレームを介してスタックが車体に固定されている。このとき、スタックフレームの強度は、スタックに入力される当該スタックが損傷する衝突力よりも大きく設定されている。

特開２００７－３３５１８４号公報

本出願人は、以下の課題を見出した。一般的な燃料電池車両においては、燃料電池車両が剛体に衝突した際にスタックに外傷がない場合、スタックのセルに横ずれなどが生じて、スタックのセルの積層方向と直交する方向で当該スタックが損傷しているか否かを、スタックを目視しただけでは判定することができない。

そこで、一般的な燃料電池車両は、スタックのセルの積層方向と直交する方向で当該スタックに損傷が生じる衝突力がスタックに入力されたか否かを判定するために、車体に加速度センサや圧力センサなどを搭載しているが、コストが嵩む課題を有していた。

本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池車両が剛体に衝突した際にスタックのセルの積層方向と直交する方向で当該スタックが損傷しているか否かを、目視により、安価に判定可能な燃料電池車両を実現する。

本開示の一態様に係る燃料電池車両は、スタックがスタックフレームを介して車体に固定される燃料電池車両であって、
前記スタックフレームに前記スタックが固定された状態で前記スタックフレームにおける前記スタックのセルの積層方向と直交する側面と接触するように配置され、予め設定されたスタックが損傷する衝突力が入力された場合に変形する脆弱部と、
前記車体の一部を成し、前記車体に衝突力が入力した場合に変形して前記脆弱部に接触する変形部と、
を備える。
このような構成により、脆弱部を目視すれば、スタックのセルの積層方向と直交する方向で当該スタックが損傷しているか否かを判定することができ、一般的な燃料電池車両に搭載されている、スタックに入力される衝突力を検出するための加速度センサや圧力センサを省略することができる。
そのため、燃料電池車両が剛体に衝突した際にスタックのセルの積層方向と直交する方向で当該スタックが損傷しているか否かを、目視により、安価に判定することができる。

上述の燃料電池車両において、前記脆弱部は、前記スタックフレームにおける前記スタックのセルの積層方向と直交する側面から突出する突起部であることが好ましい。
このような構成により、脆弱部をスタックフレームと一体的に形成することができる。

上述の燃料電池車両において、前記脆弱部の厚さは、前記スタックフレームの外方に向かうに従って薄くなることが好ましい。
このような構成により、脆弱部に衝突力が入力された際に当該脆弱部の先端を大きく変形させることができ、脆弱部の変形を目視し易くすることができる。

本開示によれば、燃料電池車両が剛体に衝突した際にスタックのセルの積層方向と直交する方向で当該スタックが損傷しているか否かを、目視により、安価に判定可能な燃料電池車両を実現できる。

実施の形態１の燃料電池車両を模式的に示す図である。実施の形態１の燃料電池車両のフロントルームの内部を簡略化して示す平面図である。実施の形態１の燃料電池車両のスタック本体を簡略化して示す断面図である。実施の形態１の燃料電池車両のスタックフレームを模式的に示す斜視図である。実施の形態１の燃料電池車両のスタックフレームを模式的に示す正面図である。実施の形態１の燃料電池車両において、スタックフレームにスタックが搭載された状態を模式的に示す斜視図である。実施の形態１の燃料電池車両において、スタックフレームにスタックが搭載された状態を模式的に示す平面図である。スタックとスタックフレームとの固定部を拡大して示す斜視図である。図５のIX部分の拡大図である。実施の形態２の燃料電池車両における脆弱部周辺を模式的に示す拡大図である。実施の形態３の燃料電池車両における脆弱部周辺を模式的に示す拡大図である。

以下、本開示を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本開示が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態の燃料電池車両の基本構成を簡単に説明する。図１は、本実施の形態の燃料電池車両を模式的に示す図である。図２は、本実施の形態の燃料電池車両のフロントルームの内部を簡略化して示す平面図である。図３は、本実施の形態の燃料電池車両のスタック本体を簡略化して示す断面図である。

ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、三次元（ＸＹＺ）座標系を用いて説明する。なお、Ｘ軸＋側が燃料電池車両の前側であり、Ｘ軸－側が燃料電池車両の後側であり、Ｙ軸＋側が燃料電池車両の左側であり、Ｙ軸－側が燃料電池車両の右側であり、Ｚ軸＋側が燃料電池車両の上側であり、Ｚ軸－側が燃料電池車両の下側である。

本実施の形態の燃料電池車両１は、例えば、図１及び図２に示すように、スタック２がスタックフレーム３に搭載された状態でボデー４のフロントルーム４１の内部に収容されている。

このとき、図２に示すように、少なくともスタックフレーム３のＸ軸＋側の端部は、車体の一部であるフロントメンバー５によって保護されている。そして、少なくともスタックフレーム３のＹ軸方向の両端部は、車体の一部であるサイドメンバー６によって保護されている。

つまり、Ｚ軸方向から見て、少なくともスタックフレーム３のＸ軸＋側の端部、及びスタックフレーム３のＹ軸方向の両端部を囲むように、フロントメンバー５及びサイドメンバー６が略コの字状に配置されている。

このとき、サイドメンバー６は、燃料電池車両１のＸ軸＋側の面が剛体に衝突した際に、図２に示すように、折れ曲がるように変形して衝撃を吸収する変形部として機能する。なお、図２では、サイドメンバー６が変形した状態を二点鎖線で示している。

スタック２は、図１に示すように、スタック本体２１及びパワーコントロールユニット２２を備えており、車体の一部であるサスペンションフレーム７にスタックフレーム３を介して固定されている。スタック本体２１は、図３に示すように、Ｘ軸方向に積層された複数のセル２１ａが筐体２１ｂの内部に収容されている。

セル２１ａは、イオン交換膜から成る電解質膜をアノードとカソードとでＸ軸方向から挟み込み、さらに電解質膜を挟み込んだアノード及びカソードを一対のセパレータでＸ軸方向から挟み込んで構成されている。

セル２１ａの積層体は、ゴムなどの弾性体から成るスペーサ２１ｃによって筐体２１ｂの内部で保持されている。なお、図３では、セル２１ａに形成されている、空気や水素、冷却水が流れる複数の貫通孔などを省略し、スタック本体２１を簡略化して示している。

このようなスタック本体２１は、スタック２のカソードに供給された空気に含まれる酸素と、水素タンク８からスタック２のアノードに供給された水素と、を化学反応させて発電し、モータ９を駆動する。モータ９の駆動力は車輪１０に伝達され、これにより、燃料電池車両１が走行する。このようなスタック本体２１及びモータ９は、パワーコントロールユニット２２によって制御される。

次に、本実施の形態の燃料電池車両のスタックフレームの構成を説明する。図４は、本実施の形態の燃料電池車両のスタックフレームを模式的に示す斜視図である。図５は、本実施の形態の燃料電池車両のスタックフレームを模式的に示す正面図である。

スタックフレーム３は、図４及び図５に示すように、平板形状を基本形態としており、予め設定されたスタック２が損傷する衝突力よりも高い強度を有する。詳細には、スタックフレーム３は、Ｚ軸＋側の第１の平板３１とＺ軸－側の第２の平板３２とがリブ部３３で連結されて補強されており、例えば、アルミニウムの押し出し成形品である。つまり、スタックフレーム３は、Ｘ軸方向に貫通する空洞部３４がＹ軸方向に複数列並んだ構成である。

ちなみに、図示例のスタックフレーム３は、一体成形品であるが、成形型の大きさなどに応じて、複数に分割された構成でもよい。この場合、分割された成形品同士を溶接などの手段で接合することで、スタックフレーム３を形成することができる。なお、スタックフレーム３の形状は、特に限定されず、Ｚ軸方向から見てスタック２を囲むことが可能な広さを有し、且つスタック２を搭載可能な形状であればよい。

図６は、本実施の形態の燃料電池車両において、スタックフレームにスタックが搭載された状態を模式的に示す斜視図である。図７は、本実施の形態の燃料電池車両において、スタックフレームにスタックが搭載された状態を模式的に示す平面図である。図８は、スタックとスタックフレームとの固定部を拡大して示す斜視図である。

スタックフレーム３のＺ軸＋側の面には、スタック２が配置され、図６及び図７に示すように、スタック２がスタックフレーム３にボルト接合されている。詳細には、図４に示すように、スタックフレーム３の最もＹ軸＋側及びＹ軸－側に配置された空洞部３４から第１の平板３１をＺ軸方向に貫通する貫通孔３１ａが形成されている。

また、スタックフレーム３の最もＹ軸＋側及びＹ軸－側に配置された空洞部３４には、図８に示すように、第１の補強プレート１１が挿入されている。第１の補強プレート１１は、矩形状の平板であり、第１の補強プレート１１をＺ軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。

このような第１の補強プレート１１の貫通孔が第１の平板３１の貫通孔３１ａと同軸上に配置された状態で、第１の補強プレート１１が第１の平板３１にリベット１２によって固定されている。

そして、スタック本体２１の筐体２１ｂの固定片２１ｄに形成された貫通孔が第１の平板３１の貫通孔３１ａ及び第１の補強プレート１１の貫通孔と同軸上に配置された状態で、スタック本体２１の貫通孔、第１の平板３１の貫通孔３１ａ及び第１の補強プレート１１の貫通孔にボルト１３が通され、当該ボルト１３にナット１４がねじ込まれることで、スタック２がスタックフレーム３に固定されている。

このようにスタック２が固定されたスタックフレーム３は、図示を省略するが、サスペンションフレーム７にボルト接合されている。詳細には、スタックフレーム３の最もＹ軸＋側及びＹ軸－側に配置された空洞部３４から第２の平板３２をＺ軸方向に貫通するように貫通孔が形成されている。

また、スタックフレーム３の最もＹ軸＋側及びＹ軸－側に配置された空洞部３４には、図４に示すように、第２の補強プレート１５が挿入されている。第２の補強プレート１５は、矩形状の平板であり、第２の補強プレート１５をＺ軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。このような第２の補強プレート１５の貫通孔が第２の平板３２の貫通孔と同軸上に配置された状態で、第２の補強プレート１５が第２の平板３２に固定されている。

そして、第２の平板３２の貫通孔及び第２の補強プレート１５の貫通孔がサスペンションフレーム７に形成された貫通孔と同軸上に配置された状態で、第２の平板３２の貫通孔、第２の補強プレート１５の貫通孔及びサスペンションフレーム７の貫通孔にボルトが通され、当該ボルトにナット１６がねじ込まれることで、スタック２が固定されたスタックフレーム３がサスペンションフレーム７に固定されている。これにより、スタック２は、スタックフレーム３を介してサスペンションフレーム７に固定されている。

このようなスタックフレーム３におけるスタック２のセル２１ａの積層方向と直交する側面、即ち、スタックフレーム３の各々のＹ軸＋側の側面３ａ及びＹ軸－側の側面３ｂに接触するように、脆弱部１７が配置されている。例えば、脆弱部１７は、図５に示すように、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂから突出する突起部であり、スタックフレーム３と一体的に成形されている。なお、脆弱部１７は、スタックフレーム３におけるスタック２のセル２１ａの積層方向と直交する側面に接触するように配置されていればよい。

図９は、図５のIX部分の拡大図である。なお、図８及び図９では、スタックフレーム３と脆弱部１７との境界を二点鎖線で示している。脆弱部１７は、図５及び図９に示すように、ＹＺ断面が略矩形状であり、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂのＺ軸＋側の部分からスタックフレーム３の外方に向かって突出している。そして、脆弱部１７は、Ｘ軸方向に延在しており、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂのＸ軸方向の略全域に配置されている。

このような脆弱部１７は、予め設定されたスタック２が損傷する衝突力が入力された場合に変形する。つまり、脆弱部１７の強度は、予め設定されたスタック２が損傷する衝突力よりも低い。

スタック２が損傷する衝突力は、スタック２の耐力と等しく、スタック２の耐力は、隣接するセル２１ａ同士の摩擦力とスペーサ２１ｃの反力（即ち、スペーサ２１ｃがセル２１ａを拘束する力）との和で求めることができる。これらの隣接するセル２１ａ同士の摩擦力及びスペーサ２１ｃの反力は、解析などによって予め導き出すことができ、その結果、スタック２が損傷する衝突力を予め設定することができる。

脆弱部１７が変形する荷重は、スタックフレーム３の材料強度と脆弱部１７のＸＺ断面積との積で求めることができる。スタックフレーム３の材料強度は、スタックフレーム３を成す材質として予め公表されている。

ここで、上述のように燃料電池車両１が剛体に衝突した場合、図２に示すように、サイドメンバー６が折れ曲がるように変形するが、予め解析などによって、サイドメンバー６が折れ曲がった際に当該サイドメンバー６が接触する、脆弱部１７のＸ軸方向の範囲を推定することができる。言い換えれば、脆弱部１７のＸ軸方向の他の範囲からは、サイドメンバー６から衝突力が入力されない。

そのため、脆弱部１７のＸＺ断面積としては、推定した脆弱部１７のＸ軸方向の範囲の長さと、当該範囲のＺ軸方向の高さと、の積で求めるとよい。このように予め設定したスタック２が損傷する衝突力と、予め公表されているスタックフレーム３の材料強度と、予め推定した脆弱部１７のＸ軸方向の範囲の長さと、に基づいて、当該脆弱部１７のＸ軸方向の範囲でのＺ軸方向の高さを設定すれば、予め設定されたスタック２が損傷する衝突力が脆弱部１７に入力された場合に当該脆弱部１７が変形する構成を実現できる。

このような本実施の形態の燃料電池車両１においては、燃料電池車両１のＸ軸＋側の面が剛体に衝突してサイドメンバー６が折れ曲がるように変形して脆弱部１７に接触し、サイドメンバー６を介して脆弱部１７に衝突力が入力される。つまり、スタック２のセル２１ａが横ずれを生じるＹ軸方向の衝突力が脆弱部１７に入力される。

脆弱部１７に入力される衝突力が、予め設定されたスタック２が損傷する衝突力以上の場合、脆弱部１７は変形する。このとき、スタックフレーム３を介してスタック２には、スタック２が損傷する衝突力以上の衝突力がＹ軸方向から入力されるので、例えば、セル２１ａに横ずれなどが生じるが、スタック２に外傷が生じていない場合、スタック２を目視するだけでは、セル２１ａに横ずれなどが生じて当該セル２１ａの積層方向と直交するＹ軸方向でスタック２が損傷していることを認識できない。

しかしながら、本実施の形態では、上述のように脆弱部１７が変形するので、スタック２に外傷が生じていなくても、脆弱部１７を目視すれば、スタック２のセル２１ａの積層方向と直交するＹ軸方向で当該スタック２が損傷しているか否かを判定することができる。

このように本実施の形態の燃料電池車両１は、脆弱部１７を目視すれば、スタック２のセル２１ａの積層方向と直交するＹ軸方向で当該スタック２が損傷しているか否かを判定することができるので、一般的な燃料電池車両に搭載されている、スタック２に入力される衝突力を検出するための加速度センサや圧力センサを省略することができる。

そのため、本実施の形態の燃料電池車両１は、燃料電池車両１が剛体に衝突した際にスタック２のセル２１ａの積層方向と直交するＹ軸方向で当該スタック２が損傷しているか否かを、目視により、安価に判定することができる。しかも、脆弱部１７を目視するだけで、スタック２が損傷しているか否かを簡単に判定することができる。

＜実施の形態２＞
図１０は、本実施の形態の燃料電池車両における脆弱部周辺を模式的に示す拡大図である。なお、図１０では、スタックフレームと脆弱部との境界を二点鎖線で示している。実施の形態１では、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂのＺ軸＋側の部分から脆弱部１７をスタックフレーム３の外方に向かって突出させているが、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂから突出させるＺ軸方向の位置は限定されない。例えば、図１０に示すように、スタックフレーム３の側面３ａ（３ｂ）におけるＺ軸方向の略中央から当該スタックフレーム３の外方に向かって突出させてもよい。

＜実施の形態３＞
図１１は、本実施の形態の燃料電池車両における脆弱部周辺を模式的に示す拡大図である。なお、図１１では、スタックフレームと脆弱部との境界を二点鎖線で示している。実施の形態１の脆弱部１７のＹＺ断面は、略矩形状であるが、脆弱部１７のＹＺ断面形状は、限定されない。このとき、例えば、図１１に示すように、脆弱部１７のＺ軸方向の高さ（厚さ）がスタックフレーム３の外方に向かうに従って薄くなるように、ＹＺ断面が略三角形状であるとよい。

ここで、脆弱部１７が変形する荷重を求める際の当該脆弱部１７のＸＺ断面積は、例えば、脆弱部１７のＹ軸方向の幅中央でのＸＺ断面積でよい。これにより、脆弱部１７に衝突力が入力された際に当該脆弱部１７の先端を大きく変形させることができ、脆弱部１７の変形を目視し易くすることができる。

なお、脆弱部１７が変形する荷重を求める際の当該脆弱部１７のＸＺ断面積は、脆弱部１７の先端以外のＸＺ断面であればよい。

本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態では、脆弱部１７をスタックフレーム３と一体的に成形しているが、例えば、脆弱部１７を樹脂などで形成して、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂに取り付けてもよい。要するに、脆弱部１７は、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂに接触するように配置されていればよい。

上記実施の形態の脆弱部１７は、スタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂのＸ軸方向の略全域に配置しているが、少なくともサイドメンバー６が折れ曲がった際に当該サイドメンバー６が接触する範囲に脆弱部１７が配置されていればよい。但し、脆弱部１７をスタックフレーム３の各々の側面３ａ及び側面３ｂのＸ軸方向の略全域に配置すると、簡単にスタックフレーム３と共に脆弱部１７を成形することができる。

１燃料電池車両
２スタック
２１スタック本体、２１ａセル、２１ｂ筐体、２１ｃスペーサ、２１ｄ固定片
２２パワーコントロールユニット
３スタックフレーム、３ａ、３ｂ側面、
３１第１の平板、３１ａ貫通孔
３２第２の平板
３３リブ部
３４空洞部
４ボデー、４１フロントルーム
５フロントメンバー
６サイドメンバー
７サスペンションフレーム
８水素タンク
９モータ
１０車輪
１１第１の補強プレート
１２リベット
１３ボルト
１４ナット
１５第２の補強プレート
１６ナット
１７脆弱部

Claims

スタックがスタックフレームを介して車体に固定される燃料電池車両であって、
前記スタックフレームに前記スタックが固定された状態で前記スタックフレームにおける前記スタックのセルの積層方向と直交する側面と接触するように配置され、予め設定されたスタックが損傷する衝突力が入力された場合に変形し、目視によって前記スタックが損傷しているか否かを判定するための脆弱部と、
前記車体の一部を成し、前記車体に衝突力が入力した場合に変形して前記脆弱部に接触する変形部と、
を備え、
前記スタックが損傷する衝突力は、前記スタックのセルの積層方向で隣接するセル同士の摩擦力と、前記スタックにおける前記セルの積層体をスペーサが拘束する力と、に基づいて設定される、燃料電池車両。
前記脆弱部は、前記スタックフレームにおける前記スタックのセルの積層方向と直交する側面から突出する突起部である、請求項１に記載の燃料電池車両。
前記脆弱部の厚さは、前記スタックフレームの外方に向かうに従って薄くなる、請求項１又は２に記載の燃料電池車両。