(57)【要約】【課題】水素センサの検出精度を向上させることができる燃料電池自動車を提供することを目的とする。【解決手段】水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池３を収容し、少なくとも上部が蓋２２により閉塞された燃料電池システムボックス５を搭載した燃料電池自動車において、前記燃料電池システムボックス５内の水素濃度を検出する水素センサ４８を該燃料電池システムボックス５内の高所に配置すると共に前記蓋２２は下面が高低に変化を持たせて形成されていることを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池を収容し、少なくとも上部が上壁により閉塞された筐体を搭載した燃料電池自動車において、前記筐体内の水素濃度を検出する水素センサを該筐体内の高所に配置すると共に前記上壁は下面が高低に変化を持たせて形成されていることを特徴とする燃料電池自動車。
【請求項２】
前記上壁が蓋によって構成されると共に該蓋に設けた高さ調整用のスペーサにより筐体内のガスを前記水素センサに導くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車。
【請求項３】
前記筐体に換気風を送風する送風手段を設け、該換気風の下流に水素センサを配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池自動車。
【請求項４】
前記筐体は燃料電池の補機類を収容すると共に、該補機類は少なくとも水素ガスを燃料電池へ供給、または燃料電池から排出するための水素系補機類を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池自動車、特に燃料電池等を収納する筐体内の水素濃度を迅速に検出できる燃料電池自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池を搭載した燃料電池自動車が知られている。燃料電池を搭載するにあたっては、水素ガスを用いる関係で燃料電池を収納する筐体内の換気を行うために様々な換気構造が採用されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１６１０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池を収容する筐体内を換気する場合には、筐体内に水素センサを配置し、この水素センサの検出結果に基づいてこれを行う必要ある。ところが、水素センサの検出精度が低いと、必要以上に換気を行わなければならず煩雑であるという問題がある。
また、検出精度を高めるために複数の水素センサを設けるとコストアップにつながるという問題がある。
【０００４】
そこで、この発明は、水素センサの検出精度を向上させることができる燃料電池自動車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池３）を収容し、少なくとも上部が上壁（例えば、実施形態における蓋２２）により閉塞された筐体（例えば、実施形態における燃料電池システムボックス５）を搭載した燃料電池自動車において、前記筐体内の水素濃度を検出する水素センサ（例えば、実施形態における水素センサ４８）を該筐体内の高所に配置すると共に前記上壁は下面が高低に変化を持たせて形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、空気より比重の小さい水素ガスを検出精度上で有利な筐体内の高所で水素センサにより検出できる。上壁の下面が高い部位に水素センサを配置することができる。
【０００６】
請求項２に記載した発明は、前記上壁が蓋によって構成されると共に該蓋に設けた高さ調整用のスペーサ（例えば、実施形態における第１スペーサＳ１、第２スペーサＳ２、第３スペーサＳ３）により筐体内のガスを前記水素センサに導くことを特徴とする。
このように構成することで、高さ調整用のスペーサにより、蓋の下面、つまり筐体の実質的な高さを調整して徐々に高所へと水素ガスを導き、ここで水素センサによる検出を行うことができる。
【０００７】
請求項３に記載した発明は、前記筐体に換気風を送風する送風手段（例えば、実施形態における導入管３８、供給管４０、開口端４１）を設け、該換気風の下流に水素センサを配置したことを特徴とする。
このように構成することで、送風手段により筐体内の換気風を素早く水素センサで検出できる。
請求項４に記載した発明は、前記筐体は燃料電池の補機類を収容すると共に、該補機類は少なくとも水素ガスを燃料電池へ供給、または燃料電池から排出するための水素系補機類（例えば、実施形態における水素循環系６１）を含むことを特徴とする。
このように構成することで、他の補機器類に比べ水素濃度が高くなると考えられる燃料電池スタックや水素系補機類の近傍の水素濃度を共通の水素センサによって検知できる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載した発明によれば、空気より比重の小さい水素ガスを検出精度上で有利な筐体内の高所で水素センサにより検出できるため、検出精度を高めることができる効果がある。また、上壁の下面が高い部位に水素センサを配置することができるため、水素センサを複数設ける必要がなくコストダウンを図ることができる効果がある。
【０００９】
請求項２に記載した発明によれば、高さ調整用のスペーサにより、蓋の下面、つまり筐体の実質的な高さを調整して徐々に高所へと水素ガスを導き、ここで水素センサによる検出を行うことができるため、確実かつ正確に単一の水素センサで検出を行うことができる効果がある。
【００１０】
請求項３に記載した発明によれば、送風手段により筐体内の換気風を素早く水素センサで検出できるため、短時間で検出を行うことができる効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、他の補機器類に比べ水素濃度が高くなると考えられる燃料電池スタックや水素系補機類の近傍の水素濃度を共通の水素センサによって検知できるので、素早く短期間で水素センサによって検出を行うことができ、所定の保護動作を取ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、燃料電池自動車１は水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池３を搭載したものであり、この発電により生じた電力でモータ２を駆動して走行する。燃料電池３はフロントフロア４の下面に取り付けられる燃料電池システムボックス（筐体）５内に収容されていて、車体後部のリヤフロア６下に配置された水素タンク１９，２０から供給される水素ガスと、車体前部に設けたコンプレッサ８から供給される空気中の酸素により発電を行う。
【００１２】
図２、図３に示すように、フロントフロア４の下面の左右両側にはハット型断面形状のメインフレーム９がフランジ部１０により接合され、このメインフレーム９とフロントフロア４とで車体前後方向に車体骨格部１１が形成されている。メインフレーム９の外側壁にはハット型断面形状で車幅方向に延びるアウトリガ１２が３箇所に接合され、アウトリガ１２の外側端はサイドシル１３に接合されている。アウトリガ１２はメインフレーム９と同様にフロントフロア４の下面に接合されている。そして、メインフレーム９の下壁１４にボルト１５及びナット１６により燃料電池システムボックス５が締め付け固定されている。尚、図２中前後左右の矢印は各々車体の前後左右を示す。
【００１３】
そして、前記メインフレーム９とサイドシル１３とがサイドシル後端部を介して車体後部に前後方向に設けた左右のリヤフレーム１７（図１参照）に連接されている。図１に示すようにこのリヤフレーム１７に図示しないリヤサスペンションを備えたサブフレーム１８が下側から取り付けられている。このサブフレーム１８の前側と後側に水素タンク１９，２０が各々横向きに固定されている。
【００１４】
図４に示すように、燃料電池３が収容される前記燃料電池システムボックス５は矩形で箱形のボックス本体２１とこのボックス本体２１を上部から覆う蓋２２とで構成されている。
【００１５】
前記ボックス本体２１は前壁２３、後壁２４、両側壁２５，２５及び下壁２６とで箱型に形成されたもので、前記側壁２５の前部上縁と後部上縁には前記メインフレーム９への取付ブラケット２７が取り付けられている。前記側壁２５と下壁２６との間には骨格部２８を形成するサイドレインフォース２９が取り付けられている。下壁２６には車幅方向に亘って各サイドレインフォース２９間に前側スタックフレーム３１と後側スタックフレーム３２が接合されている。前側スタックフレーム３１はボックス本体２１の前端部からやや後側に、後側スタックフレーム３２はボックス本体２１の後端部からやや前側に各々取り付けられている。
【００１６】
これら前側スタックフレーム３１と後側スタックフレーム３２はハット型断面形状に形成され、前側スタックフレーム３１、後側スタックフレーム３２の各周縁フランジ部３４をボックス本体２１の下壁２６上面及び前記サイドレインフォース２９に溶接接合してボックス本体２１の下壁２６上面に閉断面構造の骨格部３５を形成している。
そして、前記前側スタックフレーム３１と後側スタックフレーム３２との間には左右２つに分割構成され電気的に直列に接続された燃料電池３，３がブラケット３６を介して各々固定されるようになっている。
【００１７】
図５は前述した燃料電池３が取り付けられた状態で、燃料電池３の補機類を模式的に示したものである。
前述したように燃料電池３には空気、水素ガス、及び燃料電池３の冷却液を供給排出する流通配管類が接続されている。これら流通配管類は前記前壁２３と後壁２４を貫通して燃料電池３や以下に説明する補機類に接続されている。
【００１８】
具体的には前壁２３の車幅方向略中央部分には燃料電池３に空気を供給する空気供給配管５０が貫通して設けられ、この空気供給配管５０は燃料電池３間に配置された加湿器５１に接続されている。この加湿器５１は前記燃料電池３に供給される反応ガスを排出ガスの水分を用いて湿度を確保した状態にして燃料電池３内に供給し固体高分子電解質膜のイオン交換機能を最適に維持するためのものである。燃料電池３に接続された空気排出配管５２は燃料電池３後方に配置された希釈ボックス６４を介して燃料電池３の後壁２４の車幅方向略中央部を貫通する排出配管５３に接続されている。
【００１９】
また、前壁２３の車幅方向右側に、車体前側に配置された図示しないラジエータに接続される冷却液供給配管５４が貫通して設けられ、この冷却液供給配管５４は燃料電池３の前側右寄りに配置されたワックスペレット型のサーモスタット５５に接続されている。この冷却液は燃料電池３と燃料電池３の給電系等の高圧電装部品類をも冷却するものであり、前記ラジエータにより放熱を行う。
【００２０】
また、前記サーモスタット５５は暖機運転時において燃料電池３の始動を優先するために、前記ラジエータ側への冷却液供給配管５４を閉じ、後述するウォーターポンプ５７側への連通配管５６を開くものであり、サーモスタット５５の下流側の冷却液供給配管５４は燃料電池システムボックス５の右側の側壁２５内を後方に配索され、各燃料電池３の後端部に接続されている。尚、サーモスタット５５の側部には電磁開閉器であるコンタクタが収容されたコンタクタボックス４９が配置されている。
そして、燃料電池３内の冷却通路を経て、各燃料電池３の後端部に接続された冷却液戻り配管５８が今度は燃料電池システムボックス５の左側の側壁２５内を前方に配索され、燃料電池３の前側左寄りに配置された冷却液供給用のウォーターポンプ５７に接続され、冷却液吐出配管５９となって前壁２３を貫通しラジエータに向かって配索されている。
【００２１】
後壁２４の車幅方向左側に、前記水素タンク１９，２０に接続された水素ガスの水素供給配管６０が貫通して設けられている。この水素供給配管６０は燃料電池３の後側左寄りに配置された水素循環系（水素系補機類）６１に接続されている。この水素循環系６１は供給配管６２から燃料電池３に水素ガスを供給すると共に、燃料電池３から排出された未反応水素ガスを環流配管６３から図示しない水素ポンプやエゼクタなどによって戻して循環再利用するものである。そして、燃料電池３内で発電に供された水素ガスの図示しない水素排出配管は前記希釈ボックス６４に接続されている。
【００２２】
ここで、前記燃料電池システムボックス５の前壁２３と後壁２４とには前述したように、空気供給配管５０、冷却液供給配管５４、排出配管５３、冷却液吐出配管５９、及び水素供給配管６０が貫通しているが、これらはボルト６５により固定されたブラケット６６を介して燃料電池システムボックス５の前壁２３と後壁２４に支持されている。      
【００２３】
図６、図７に模式的に示すように、燃料電池システムボックス５の上壁を構成する蓋２２には高さ調整用の第１〜第３スペーサＳ１〜Ｓ３が設けられている。この第１〜第３スペーサＳ１〜Ｓ３は蓋２２の裏面に取り付けられて蓋２２の下面に高低の変化が形成されるようにしたものである。つまり蓋２２の下面に第１〜第３スペーサＳ１〜Ｓ３を取り付けることで燃料電池システムボックス５の天井部分の高さが変化することとなる。ここで、蓋２２は側部よりも幅方向中央部がせり上がった幅方向山形断面に形成されている。
【００２４】
具体的に説明すると、燃料電池３よりも前側の補機類であるサーモスタット５５、コンタクタボックス４９、ウォーターポンプ５７の上方には燃料電池システムボックス５の幅方向に亘って厚さ寸法Ｄ１（その下面の下壁２６からの高さがＨ１）の樹脂製の第１スペーサＳ１が蓋２２の裏面に取り付けられ、燃料電池３及び加湿器５１の上方には厚さ寸法Ｄ２（その下面の下壁２６からの高さがＨ２（Ｈ２＞Ｈ１））の第２スペーサＳ２が燃料電池システムボックス５の幅方向に亘って蓋２２の下面に取り付けられている。ここで、厚さ寸法Ｄ１は厚さ寸法Ｄ２よりも大きく設定され、蓋２２の下面高さはＨ（Ｈ＞Ｈ２）に設定されている。
【００２５】
また、前記燃料電池３よりも後側の補機類である希釈ボックス６４、水素循環系６１の上方には燃料電池システムボックス５の幅方向に亘って厚さ寸法Ｄ２（その下面の下壁２６からの高さがＨ２）の樹脂製などの第３スペーサＳ３が蓋２２の裏面に取り付けられている。
ここで、前記第３スペーサＳ３は、燃料電池３及び加湿器５１の後端部近傍を平面視で略台形状に切り欠いた切除部Ｃを備えていて、この切除部Ｃでは蓋２２の下面が下方に露出して、燃料電池システムボックス５の中で最も高所に位置していることとなる。
【００２６】
そして、この切除部Ｃによって露出した蓋２２の下面であって、燃料電池システムボックス５の幅方向略中央部分には燃料電池システムボックス５内の水素濃度を検出する水素センサ４８が配置されている。したがって、前記第１スペーサＳ１、第２スペーサＳ２及び第３スペーサＳ３によって、燃料電池システムボックス５内の水素ガスは徐々に上側へ案内され水素センサ４８に導かれることとなる。
【００２７】
ところで、前記燃料電池３の後方に位置する水素循環系６１は燃料電池３へ水素ガスを供給する水素供給補機であり、希釈ボックス６４は燃料電池３から反応済み水素ガスが排出される水素排出補機である。したがって、これらの水素系補機類の配置部位である燃料電池３の後方部位は水素検出頻度が他の部分よりも高くなるであろうと考えられる。特に、水素循環系６１において顕著である。そのため、この部位にはその前後に縦壁として機能して、水素ガスを拡散させずにそのまま上方へ案内して水素センサ４８に検知させるべく前側の第４スペーサＳ４と後側の第５スペーサＳ５が配置されている。言い換えれば、前記第１スペーサＳ１〜第３スペーサＳ３が水平方向に水素ガスを導くのに対して、第４スペーサＳ４と第５スペーサＳ５は上方へ水素ガスを導くものとなる。
尚、図４、図５、図８では、第４スペーサＳ４、第５スペーサＳ５の図示を省略する。
【００２８】
図８に具体的に示すように、コンタクタボックス４９には、燃料電池システムボックス５の前壁２３を貫通する導入管（送風手段）３８が取り付けられている。この導入管３８は燃料電池システムボックス５前方の図示しないファンから供給される換気風を燃料電池システムボックス５内に導入するものである。前壁２３を貫通した導入管３８はコンタクタボックス４９の上部の接続ポート３９の左側壁３９ａに接続されている。そして、接続ポート３９の右側壁３９ｂにはコンタクタボックス４９内部を通過した換気風を燃料電池システムボックス５内へその前部右側から後方に向かって供給する供給管（送風手段）４０が接続されている。この供給管４０の開口端（送風手段）４１は右側の燃料電池３の前端部に向かって開口している。この供給管４０の開口端４１の下流に前記水素センサ４８が位置することとなる。
そして、燃料電池システムボックス５内の水素濃度が高まり、水素センサ４８によって水素を検知した場合には、燃料電池３への水素供給を遮断したり、また燃料電池３のコンタクタによって発電を停止したり、送風手段を用いて供給管４０からの送風量を増大するなどの所定の保護動作が取られる。
【００２９】
上記実施形態によれば、空気より比重の小さい水素ガスを検出精度上で有利な燃料電池システムボックス５内の最も高い位置で水素センサ４８により検出できるため、検出精度を高めることができる。とりわけ、蓋２２の下面のうちで最も高い部位に水素センサ４８を配置することができるため、単一の水素センサ４８を用いるだけでよくなり、複数の水素センサ４８を用いた場合に比較してコストダウンを図ることができる。
【００３０】
即ち、水素ガスがどの部位に存在したとしても、前記第１スペーサＳ１、第２スペーサＳ２、第３スペーサＳ３により、蓋２２の下面、つまり燃料電池システムボックス５の実質的な高さを調整して、高さＨ１、高さＨ２、高さＨへと徐々に高所へ水素ガスを導きここで水素センサ４８による検出を行うことができるため、確実かつ正確に水素濃度を検出できる。また、最も検出の必要がある水素循環系６１や希釈ボックス６４の部位においては、水平方向への水素ガスの拡散を防止する第４スペーサＳ４、第５スペーサＳ５が設けられているため、確実に上方へ水素ガスを導いて水素センサ４８において検出を行うことができる。とりわけ、この実施形態の蓋２２は幅方向の中央部が略山形に形成されているため、側部より高所の幅方向の中央部により効果的に水素ガスを導ける点で有利である。
【００３１】
そして、前記燃料電池システムボックス５前方の図示しないファンから供給される換気風が導入管３８を経てコンタクタボックス４９内に導入され、コンタクタボックス４９を冷却し、その後供給管４０の開口端４１から後方に向かって排出されるため、この供給管４０の開口端４１の下流に位置する水素センサ４８によって換気風を素早く短時間で水素センサ４８で検出できるので、所定の保護動作を取ることが可能となる。
【００３２】
尚、この発明は前記実施形態に限られるものではなく、例えば蓋２２の形状等は一例であって、実質的な燃料電池システムボックス５の天井部分の高さに変化を持たせることができれば、蓋２２の形状は上記実施形態に限定されない。また、前記各スペーサは模式的に別体で示したものであるが、各スペーサを一体形状として蓋２２の裏側に取り付ける等種々の態様が採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施形態の燃料電池自動車の側面透視図である。
【図２】この発明の実施形態の要部平面説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】この発明の実施形態の燃料電池システムボックスの分解斜視図である。
【図５】この発明の実施形態の燃料電池システムボックス流体配管接続状態を示す平面図ある。
【図６】この発明の実施形態のスペーサの配置状態を示す概略平面図である。
【図７】図６の側面図である。
【図８】要部斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
３  燃料電池
５  燃料電池システムボックス（筐体）
２２  蓋（上壁）
３８  導入管（送風手段）
４０  供給管（送風手段）
４１  開口端（送風手段）
４８  水素センサ
６１  水素循環系（水素系補機類）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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