燃料電池システム

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料タンクからの燃料ガスを供給する高圧配管及び中圧配管を効率的に配置する。
【解決手段】燃料タンク１０は車体のクロスメンバ１４にバンドで固定される。クロスメンバ１４にはテーパ部１４ａが形成されており、高圧配管系のマニホールド１６−２をこのテーパ部１４ａに傾いて取り付ける。マニホールド１６−２を傾けて固定することで空間が生じ、この空間を用いてレギュレータ１８からの中圧配管２０を配置して中圧配管２０とマニホールド１６−１、１６−２との干渉を防止する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム、特に燃料配管の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車では、高圧水素等の燃料タンクを例えばリアフロント下側に搭載し、燃料配管を配設して燃料電池スタックに燃料ガスを供給する構成が提案されている。
【０００３】
下記の特許文献１には、車両の後面衝突時に燃料タンクが前方向にずれ動いて燃料配管が損傷するおそれがあることに鑑み、車体フロアの下側に燃料タンクを搭載し、この燃料タンクの搭載部分にフロア剛体を設ける一方、燃料タンク搭載部分の前側で車体フロアの下側に燃料消費部を搭載し、フロア剛体領域からその前方部位で燃料タンクと燃料消費部とを燃料配管で接続するとともに、燃料配管の中間部分に可撓部を設ける構成が開示されている。
【０００４】
後面衝突時に燃料タンクが多少前方へずれたとしても、ずれ動きを可撓部の弾性変形により吸収し、燃料配管が損傷するのを回避できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１２２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料タンクからの高圧燃料ガスを燃料配管を介して燃料電池スタックに供給する場合には、レギュレータを用いて高圧燃料ガスの圧力を調整して燃料電池スタックに供給するが、高圧燃料ガスが流れる高圧配管と、レギュレータにより圧力が調整された後の中圧燃料ガスが流れる中圧配管とが混在することになるので、高圧配管の配設位置によっては高圧配管と中圧配管が干渉してしまう場合が生じ、干渉を避けるために中圧配管を迂回させる必要が生じてしまう。
【０００７】
例えば、燃料タンクと燃料電池スタックとの間にマニホールドやレギュレータを配置し、高圧配管で燃料タンクとマニホールド間を連通するとともにマニホールドとレギュレータ間を連通し、さらにレギュレータと燃料電池スタック間を中圧配管で連通する場合を想定すると、燃料タンクと燃料電池スタックとの位置関係によっては中圧配管を配置すべき部位にマニホールドが存在することとなり、マニホールドを迂回するために中圧配管の配管長が必要以上に長くなってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、燃料配管系における干渉を防止し、効率的に燃料タンクから燃料電池スタックに燃料ガスを供給することができるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池システムであって、車両のクロスメンバに固定される燃料タンクと、前記燃料タンクからの高圧燃料ガスを供給する高圧配管に設けられるマニホールドと、前記高圧燃料ガスの圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータからの中圧燃料ガスを燃料電池スタックに供給する中圧配管とを備え、前記クロスメンバにはテーパ部が形成され、前記マニホールドは前記クロスメンバの前記テーパ部に傾いて固定され、前記中圧配管は、前記マニホールドの傾きにより形成された空間に配置されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の１つの実施形態では、前記中圧配管は、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースにゴムマウントを介して固定される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、配管系の干渉を防止し、空間を有効活用してコンパクトかつ効率的に燃料ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の基本配管配置説明図である。
【図２】中圧配管とマニホールドとの干渉を示す説明図である。
【図３】実施形態の配管配置説明図である。
【図４】実施形態の配管構成図である。
【図５】中圧配管の固定方法を示す説明図である。
【図６】中圧配管の他の固定方向を示す説明図である。
【図７】中圧ホースの配置説明図である。
【図８】中圧ホースの他の配置説明図である。
【図９】中圧ホースのさらに他の配置説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、燃料電池自動車に搭載する場合を例にとり説明する。
【００１４】
図１に、本実施形態における燃料電池システムの基本的な配置図を示す。燃料電池システムは、燃料タンク（燃料ガスタンク）１０と、燃料タンク１０内の高圧燃料ガスを供給する高圧配管１２と、マニホールド１６−１、１６−２と、レギュレータ（高圧レギュレータ）１８と、レギュレータ１８からの中圧燃料ガスを燃料電池スタックに供給する中圧配管２０を含んで構成される。
【００１５】
水素ガス等の燃料ガスを貯留する燃料タンク１０は、例えば燃料電池自動車のリアシート下部に搭載される。図中右方向は車両の車幅方向の右方向に対応し、図中左方向は車両の車幅方向の左方向に対応する。図中上方向は鉛直上方に対応する。
【００１６】
燃料タンク１０のガス排出口にはバルブ１１が設けられ、バルブ１１には高圧配管１２が接続される。高圧配管１２は車両後方に向けて延在し、その後車幅方向に屈曲してマニホールド１６−１に接続され、さらにマニホールド１６−２に接続される。マニホールド１６−１、１６−２はほぼ同一水平面上に配置され、かつ、車両前後方向にずらして配置される。マニホールド１６−２からの高圧配管１２はさらにレギュレータ１８に接続される。２つのマニホールド１６−１、１６−２が配置されているのは、燃料タンク１０として図示した燃料タンク以外にもう一つ存在し、この燃料タンクからの高圧配管が接続されることを考慮したものである。すなわち、図示した燃料タンク１０からの高圧配管１２はマニホールド１６−１に接続され、図示しない燃料タンクからの高圧配管１２はマニホールド１６−２に接続される。
【００１７】
レギュレータ１８は、高圧配管１２を介して供給された高圧燃料ガスの圧力を調整する。レギュレータ１８には中圧配管２０が接続される。中圧配管２０は、レギュレータ１８から車幅方向に延在し、さらに車両前方に向けて延在してバルブ１１の近傍を通過し、燃料タンク１０よりも車両前方側に搭載された燃料電池スタックに接続される。
【００１８】
一方、車両の車幅方向両側部には、車両前後方向に向けてサイドメンバが配置され、左右のサイドメンバに跨って車幅方向にクロスメンバ１４が配置される。車体フロアは、これらサイドメンバやクロスメンバにより補強されている。燃料タンク１０は、金属帯板材からなるバンドによってクロスメンバ１４に固定される。また、２つのマニホールド１６−１、１６−２も、ブラケットによりクロスメンバ１４に固定される。
【００１９】
このような基本的な配管構成において、燃料タンク１０のバルブ１１から供給される燃料ガスは、高圧配管１２を通ってマニホールド１６−１、１６−２に流れ、さらにマニホールド１６−１、１６−２の車幅方向右側に位置するレギュレータ１８に流れて圧力が調整される。圧力が調整された中圧燃料ガスは、車幅方向の右から左に向けて延在する中圧配管２０を通り、さらに車両前方方向に延在する中圧配管２０を通って燃料電池スタックに流れる。
【００２０】
したがって、中圧配管２０に着目すると、レギュレータ１８から燃料電池スタックに至る経路に高圧系のマニホールド１６−１、１６−２が存在するため、中圧配管２０とマニホールド１６−１、１６−２が干渉してしまうおそれがある。中圧配管２０とマニホールド１６−１、１６−２が干渉するおそれがある場合、図において中圧配管２０を例えばＵ字形に折り曲げてマニホールド１６−１、１６−２を迂回する必要が生じ、中圧配管２０の配管長が増大してしまう。
【００２１】
図２に、図１のＡ方向、すなわち車幅方向の左から見た配置説明図を示す。２つのマニホールド１６−１、１６−２はそれぞれブラケットを用いてクロスメンバ１４に固定される。マニホールド１６−１は図中手前側に存在し、マニホールド１６−２は図中奥側に存在するが（図１を参照）、２つのマニホールド１６−１、１６−２は近接して配置され、かつ、ほぼ同一水平面上に配置されているため、図中奥側に配置されたレギュレータ１８から図中手前側に配管される中圧配管２０は、２つのマニホールド１６−１、１６−２と干渉してしまう。すなわち、中圧配管２０を２つのマニホールド１６−１、１６−２間の空間に配置しようとしても、２つのマニホールド１６−１、１６−２と干渉して配置できず、結局、中圧配管２０を折り曲げる等して迂回する必要が生じる。
【００２２】
また、２つのマニホールド１６−１、１６−２はクロスメンバ１４に固定されるが、２つのマニホールド１６−１、１６−２の配置位置はクロスメンバ１４から比較的離れているため、マニホールド１６−１、１６−２をそれぞれ固定するためのブラケット長も増大してしまう。
【００２３】
そこで、本実施形態においては、マニホールド１６−１、１６−２を固定するクロスメンバ１４にテーパ面（傾斜面）を形成し、このテーパ面を利用してマニホールド１６−１、１６−２のいずれか、例えばマニホールド１６−２を固定することでマニホールド１６−２の配置位置をシフトさせ、中圧配管２０を配置するための空間を形成する。具体的には、クロスメンバ１４には、車体の中間ビームサスペンションと干渉することを避けるためのテーパ面１４ａが形成されており、このテーパ面１４ａを利用してマニホールド１６−２を固定する。
【００２４】
図３に、本実施形態における配置説明図を示す。クロスメンバ１４には、車両の後方に向けてテーパ面１４ａが形成されており、このテーパ面１４ａを利用してマニホールド１６−２をブラケットで固定する。マニホールド１６−２はテーパ面１４ａに固定されるため、マニホールド１６−２自体も図に示すように傾いて固定される。マニホールド１６−２の傾きの方向は、テーパ面１４ａの傾斜方向と同一方向である。また、マニホールド１６−１についても、クロスメンバ１４のテーパ面１４ａとは異なる非傾斜面に固定されるものの、ブラケットを用いて傾いて固定される。マニホールド１６−１の傾きの方向は、マニホールド１６−２の傾きの方向と逆向きである。すなわち、マニホールド１６−２がテーパ面１４ａを利用して図中反時計方向に傾いて固定される一方、マニホールド１６−１は図中時計方向に傾いて固定される。
【００２５】
このように、マニホールド１６−１、１６−２を傾いて配置してクロスメンバ１４に固定することで、マニホールド１６−１とマニホールド１６−２との間に隙間が形成され、この隙間を利用して中圧配管２０を配置することができる。図において、中圧配管２０は、図中奥側から手前側に配置される。中圧配管２０を迂回させる必要がないので、効率的な燃料ガス供給が可能となる。
【００２６】
また、マニホールド１６−２に着目すると、図２の場合にはマニホールド１６−２とクロスメンバ１４との間の距離が比較的離れているためブラケット長が増大してしまうが、図３に示すようにマニホールド１６−２を傾けて、すなわちテーパ面１４ａの傾斜方向と同一方向に傾けて固定するので、クロスメンバ１４とマニホールド１６−２との間の距離が小さくなり、その分だけマニホールド１６−２を固定するブラケット長も短くてすむ。
【００２７】
本実施形態では、マニホールド１６−２を傾けて固定するとともにマニホールド１６−１を傾けて固定しているが、マニホールド１６−２のみテーパ面１４ａに傾けて中圧配管２０を配置できるのであれば、マニホールド１６−１を必ずしも傾ける必要はない。
【００２８】
また、本実施形態では、クロスメンバ１４に別の理由で存在するテーパ面１４ａを利用してマニホールド１６−２を固定しているが、クロスメンバ１４にテーパ面が存在しない場合には、クロスメンバ１４の一部を切り取ってテーパ面を形成し、形成したテーパ面にマニホールド１６−２を傾けて固定すればよい。マニホールド１６−２の傾きは、中圧配管２０を配置するために必要な角度でよいので、テーパ面の角度もこれに応じて決定される。但し、通常はクロスメンバには上記のようにサスペンションとの干渉を避けるためのテーパ面１４ａが形成されているので、このテーパ面１４ａをそのまま援用するのが望ましい。
【００２９】
また、中圧配管２０は、既述したように燃料タンク１０よりも車両前方側に搭載された燃料電池スタックに接続されるが、その経路にインジェクタを配置して燃料ガスの流量を調整する場合、インジェクタの噴射脈動が生じる場合がある。インジェクタの噴射脈動は中圧配管２０を脈動させ、中圧配管２０の脈動は車体に伝達されてしまう。そこで、中圧配管２０を燃料電池スタックに接続する際には、この噴射脈動を抑制する構成とするのが望ましい。
【００３０】
図４に、中圧配管２０を燃料電池スタックに接続する場合の配置構成図を示す。燃料電池スタック２６はスタックケース５０に収容されており、中圧配管２０は、このスタックケース５０に固定されて燃料電池スタック２６に接続される。中圧配管２０の流路上であってスタックケース５０内にはインジェクタ２４が配置され、燃料ガスの流量や圧力、温度、モル濃度等が調整される。また、燃料電池スタック２６からのオフガスは、気液分離器に供給される。気液分離器は、オフガスから水分を分離し、オフガスの一部を水素ポンプ２８に供給して中圧配管２０に戻すことで循環させる。水分及び不純物を含むオフガスはパージ弁を介して排気管に排出される。
【００３１】
中圧配管２０は、ブラケット３０で車体ボディに固定されるとともに、ブラケット３２でスタックケース５０に固定されるが、スタックケース５０手前において可撓部材の中圧ホース２２で構成される。
【００３２】
スタックケース５０内に搭載されたインジェクタ２４が作動することで燃料ガスの脈動が生じ、この脈動により上流側の中圧配管２０が振動し、その振動がさらに車体に伝達され得るが、このようにスタックケース５０手前に可撓部材の中圧ホース２２を配置することで、インジェクタ２４の作動により生じた脈動を中圧ホース２２で吸収し、車体への伝達を抑制することができる。
【００３３】
また、中圧配管２０を車体ボディに固定するブラケット３０、及び中圧配管２０をスタックケース５０に固定するブラケット３２についても、ゴム等の弾性部材を用いて構成することで脈動をより確実に吸収できる。
【００３４】
図５及び図６に、ブラケット３０、３２の一例を示す。図５において、中圧配管２０はスタッドボルト３６でスタックケース５０に固定されるが、ゴムマウント３４、３８を介して中圧配管２０を取り付ける。また、図６において、中圧配管２０はボルト４２でスタックケース５０に固定されるが、同様にゴムマウント４０を介して中圧配管２０を取り付ける。
【００３５】
以上のように、中圧配管２０をスタックケース５０に固定する際に、スタックケース５０の手前、すなわちスタックケース５０内に収容されるインジェクタ２４の上流側に中圧ホース２２を配置することで、インジェクタ２４による脈動を抑制して車体への伝達を防止できる。また、車両衝突に伴ってスタックケース５０が変位したとしても、可撓性のある中圧ホース２２でスタックケース５０の変位を吸収することもできる。すなわち、スタックケース５０が変位すると、この変位に追従するように中圧ホース２２が変形して変位分を吸収し、中圧配管２０の切断が防止される。この際、中圧ホース２２には変形を許容するだけの余長が確保される必要があるのは言うまでもない。
【００３６】
以下、中圧ホース２２の配置について、より詳細に説明する。
【００３７】
図７〜図９には、中圧ホース２２の配置説明図を示す。車両を上から見た平面図であり、図中上方向（図における矢印ＦＲ方向）は車両の前方向を示す。
【００３８】
図７において、スタックケース５０の燃料ガス入口は、中圧配管２０に対して車両の車幅方向に沿って車両中央側に位置している。レギュレータ１８からの中圧配管２０をスタックケース５０の方向に延在させ、中圧ホース２２を車両の車幅方向、すなわちスタックケース５０に対して略平行に配置する。また、中圧ホース２２の上流側及び下流側の接続口における中圧配管２０の方向を傾けることで、中圧ホース２２を蛇行させてＳ字形状とする。中圧配管２０とスタックケース５０との接続、及び中圧配管２０とレギュレータ１８との接続は、中圧配管２０をＬ字形状とする。
【００３９】
中圧ホース２２を車幅方向に配置するとともにＳ字形状とすることで、Ｓ字形状の分だけ余長が確保され、車両の左側突時及び右側突時におけるスタックケース５０の変位にも対応できる。
【００４０】
すなわち、左側突時には、スタックケース５０が図中右方向に変位するが、中圧ホース２２はスタックケース５０の変位に伴って延びるため中圧配管２０の切断が防止される。また、右側突時には、スタックケース５０が図中左方向に変位するが、中圧ホース２２はＳ字の曲率が大きくなるように圧縮されるので中圧配管２０の切断が防止される。
【００４１】
図８において、スタックケース５０の燃料ガス入口は、車両の車幅方向に沿って車両中央側に位置している。レギュレータ１８からの中圧配管２０を燃料タンク１０の上部を跨ぐようにスタックケース５０の方向に延在させ、中圧ホース２２を車両の前後方向、すなわちスタックケース５０に対して略垂直に配置する。具体的には、燃料電池スタック２６からのオフガスを外部に排出する排気管（マフラー）の中央部を跨ぐように配置する。また、図７と同様に、中圧ホース２２を蛇行させてＳ字形状とする。中圧配管２０とスタックケース５０との接続、及び中圧配管２０とレギュレータ１８との接続は、中圧配管２０をＬ字形状とする。
【００４２】
中圧ホース２２を車両前後方向に配置するとともにＳ字形状とすることで、Ｓ字形状の分だけ余長が確保され、車両の左側突時及び右側突時におけるスタックケース５０の変位にも対応できる。
【００４３】
すなわち、左側突時には、スタックケース５０が図中右方向に変位するが、中圧ホース２２はスタックケース５０の変位に伴って延びるため中圧配管２０の切断が防止される。また、右側突時には、スタックケース５０が図中左方向に変位するが、中圧ホース２２はスタックケース５０の変位に伴って延びるため中圧配管２０の切断が防止される。
【００４４】
図９において、スタックケース５０の燃料ガス入口は、車両の車幅方向に沿って車両中央部に位置している。レギュレータ１８からの中圧配管２０を燃料タンク１０の右側からスタックケース５０の方向に延在させ、中圧ホース２２を車両の前後方向、すなわちスタックケース５０に対して略垂直に配置する。具体的には、マフラーの右側を跨ぐように配置する。また、図８と同様に、中圧ホース２２を蛇行させてＳ字形状とする。
【００４５】
中圧ホース２２を車両前後方向に配置するとともにＳ字形状とすることで、Ｓ字形状の分だけ余長が確保され、車両の左側突時及び右側突時におけるスタックケース５０の変位にも対応できる。
【００４６】
すなわち、左側突時には、スタックケース５０が図中右方向に変位するが、中圧ホース２２はスタックケース５０の変位に伴って延びるため中圧配管２０の切断が防止される。また、右側突時には、スタックケース５０が図中左方向に変位するが、中圧ホース２２はスタックケース５０の変位に伴って延びるため中圧配管２０の切断が防止される。
【００４７】
なお、図９の場合、中圧ホース２２はスタックケース５０に対して略垂直に配置しているため、図７の場合のように中圧ホース２２の上流側及び下流側の接続口における中圧配管２０の方向を傾ける必要がない。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００４９】
例えば、本実施形態において、マニホールド１６−１、１６−２を傾けて配置することで形成された空間、すなわちマニホールド１６−１とマニホールド１６−２の間の空間に中圧配管２０を通しているが、クロスメンバ１４のテーパ面１４ａを利用してマニホールド１６−２を傾けて配置したことにより生じる空間を利用するのであれば、中圧配管２０をマニホールド１６−１、１６−２の間に通す必要は必ずしもなく、マニホールド１６−２の任意の近傍を通すこともできる。要するに、マニホールド１６−２を傾けて配置した場合には干渉するが、傾けて配置した場合には干渉しない任意の空間を利用することができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、図１あるいは図７に示すように燃料タンク１０のバルブ１１に高圧配管１２が接続されるとともに、バルブ１１の近傍に中圧配管２０が配置される構成であるが、高圧配管１２と中圧配管２０を燃料タンク１０と車体フロアとの間の隙間であって、バルブ１１の上部に配置することができる。これにより、空間を有効活用できるとともに、側突時において車体フロアがバルブ１１に衝突して車体フロアと燃料タンク１０との間の空間が確保されるため、高圧配管１２及び中圧配管２０の切断が防止される。
【００５１】
また、高圧配管１２の径は中圧配管２０の径よりも相対的に小さいので、高圧配管１２を車体フロアと燃料タンク１０の間の空間の狭い方に配置し、中圧配管２０を広い方に配置することで、さらに空間の有効活用が図られる。
【符号の説明】
【００５２】
１０燃料タンク、１１バルブ、１２高圧配管、１４クロスメンバ、１６マニホールド、１８レギュレータ、２０中圧配管、２２中圧ホース。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
車両のクロスメンバに固定される燃料タンクと、
前記燃料タンクからの高圧燃料ガスを供給する高圧配管に設けられるマニホールドと、
前記高圧燃料ガスの圧力を調整するレギュレータと、
前記レギュレータからの中圧燃料ガスを燃料電池スタックに供給する中圧配管と、
を備え、
前記クロスメンバにはテーパ部が形成され、
前記マニホールドは前記クロスメンバの前記テーパ部に傾いて固定され、
前記中圧配管は、前記マニホールドの傾きにより形成された空間に配置される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記中圧配管は、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースにゴムマウントを介して固定される
ことを特徴とする燃料電池システム。

【図１】