(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列配置される複数の高圧タンクを車両に搭載するための車載用フレームであって、
隣接する２つの高圧タンクの間に配置されると共に、前記車両に固定される平板状の共通フレームであって、前記車両に対する取り付けに用いられる取付孔を両端部に有する共通フレームと、
前記高圧タンク列の両端の高圧タンクにおいて、他の高圧タンクと隣接しない側に配置されると共に、前記車両に固定される平板状の端部フレームであって、前記車両に対する取り付けに用いられる取付孔を両端部に有する端部フレームと、
前記共通フレームおよび前記端部フレームを結合する結合フレームと、
前記各高圧タンクを前記共通フレーム、または前記共通フレームおよび前記端部フレームに固定する固定部材とを備える車載用フレーム。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用フレームにおいて、
前記高圧タンク列は、前記車両の前後方向に対して交差するように配置される車載用フレーム。
【請求項３】
請求項１に記載の車載用フレームにおいて、
前記固定部材は、前記高圧タンクを車両に搭載するための車載用フレームに対して高圧タンクを固定するための長尺状の固定バンドであり、
前記固定バンドは、
前記固定バンドの一端に形成され、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第１の取付孔と、
前記第１の取付孔との間隔が拡大可能であるように前記固定バンドの中央部と他端との間に形成され、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第２の取付孔とを備える、
車載用フレーム。
【請求項４】
請求項３に記載の車載用フレームにおいて、
前記第２の取付孔は、
組み付け時に用いられる組み付け時取付孔と、
前記組み付け時取付孔の近傍から他端にかけて形成されている長孔と、
前記組み付け時取付孔と前記長孔とを連通する、前記組み付け時取付孔および前記長孔の幅よりも狭い連通部とを備える車載用フレーム。
【請求項５】
請求項１に記載の車載用フレームにおいて、
前記固定部材は、前記高圧タンクを車両に搭載するための車載用フレームに対して高圧タンクを固定するための長尺状の固定バンドであり、
前記固定バンドは、
前記固定バンドの一端に形成されている、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第１の取付孔と、
前記固定バンドの中央部から他端にかけて形成されている長孔と、
前記長孔と前記第１の取付孔との間であって、前記固定バンドの略中央部に形成されると共に、前記長孔に向かって形成された切り欠き部を有する、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第２の取付孔とを備える、
車載用フレーム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の車載用フレームにおいて、
前記各高圧タンクは、タンク内にガスを充填するための充填バルブと、タンク内のガスを放出するための放出バルブとをそれぞれ備え、
前記高圧配管は、前記各高圧タンクの充填バルブを連通すると共に、その一旦に充填口を有する充填用配管と、前記各高圧タンクの放出バルブを連通する放出用配管とを備える車載用フレーム。
【請求項７】
車両であって、
並列配置される複数の高圧タンクと、
請求項１から６のいずれかに記載の車載用フレームとを備える、
車両。
【請求項８】
車両搭載用の高圧タンクアッセンブリであって、
車両搭載時における車両側の形状に合わせて、車両の左右方向に平行に並列配置された複数の高圧タンクと、
隣接する２つの高圧タンクの間に配置されると共に、前記車両に固定される平板状の共通フレームであって、前記車両に対する取り付けに用いられる取付孔を両端部に有する共通フレームと、
前記高圧タンク列の両端の高圧タンクにおいて、他の高圧タンクと隣接しない側に配置されると共に、前記車両に固定される平板状の端部フレームであって、前記車両に対する取り付けに用いられる取付孔を両端部に有する端部フレームと、
前記共通フレームおよび前記端部フレームを結合する結合フレームと、
前記各高圧タンクを前記共通フレーム、または前記共通フレームおよび前記端部フレームに固定する固定部材と、
前記高圧タンクと接続されていると共に、前記複数の高圧タンクの接地面よりも高い位置に配置されている高圧配管とを備える高圧タンクアッセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載の高圧タンクアッセンブリにおいて、
前記固定部材は、長尺状の固定バンドであって、
前記固定バンドの一端に形成された、前記固定バンドを前記共通フレームまたは前記端部フレームに取り付けるための第１の取付孔と、
前記固定バンドの略中央部から他端にかけて形成された長孔と、
前記長孔と前記第１の取付孔との間であって、前記固定バンドの中央部に形成されると共に、前記長孔に向かって形成された切り欠き部を有する、前記固定バンドを前記共通フレームに取り付けるための第２の取付孔とを備える高圧タンクアッセンブリ。
【請求項１０】
請求項８または請求項９のいずれかに記載の高圧タンクアッセンブリであって、
前記複数のフレームは、車両の床下面に固定される高圧タンクアッセンブリ。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０のいずれかに記載の高圧タンクアッセンブリにおいて、
前記各高圧タンクは、タンク内にガスを充填するための充填バルブと、タンク内のガスを放出するための放出バルブとをそれぞれ備え、
前記高圧配管は、前記各高圧タンクの充填バルブを連通すると共に、その一旦に充填口を有する充填用配管と、前記各高圧タンクの放出バルブを連通する放出用配管とを備える高圧タンクアッセンブリ。
【請求項１２】
車両であって、
並列配置される複数の高圧タンクと、
請求項８から１１のいずれかに記載の高圧アセンブリとを備える、
車両。
【請求項１３】
高圧タンクを車両に搭載する方法であって、
車両側形状に合わせて複数の高圧タンクを配置し、
前記配列された複数の高圧タンクを車載用フレームに固定し、
前記高圧タンクに接続されている高圧配管を車両搭載時における車両側形状に応じて配管して、請求項８〜１１のいずれかに記載の高圧タンクアッセンブリを組み上げ、
前記組み上げた高圧タンクアッセンブリを車両に搭載する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧タンクを車両に搭載する技術に関し、さらに詳細には、水素を貯蔵する高圧タンクを車両に搭載する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧縮天然ガスタンクを備える天然ガス車両、水素貯蔵タンクを備える燃料電池車両といった低公害車両が提案され、徐々に実用化されている。これらの車両には、例えば、図１１に示すようにして、１本、または、複数本の高圧タンクＴＮがパネル材ＰＭで覆われてトランク内に搭載されている。また、高圧タンクから供給される燃料ガスは高圧であるため、高圧タンクと、エンジンまたは燃料電池とは、高圧配管にて接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの車両は、未だ、試験導入的な段階、試験走行段階にあることから、高圧タンクを車両に搭載するにあたり、量産性は考慮されていないのが現状である。したがって、複数本の高圧タンクを車両に搭載する際には、各高圧タンクを車両に固定し、車両に固定された各高圧タンクを高圧配管にて接続しなければならなかった。また、車両に各高圧タンクを搭載し、各高圧タンクと高圧配管を接続した後でなければ、各高圧タンクと高圧配管との接続信頼性の検査を実行することができなかった。さらに、各車両毎に、複数の高圧タンクを精度良く搭載位置に固定することは容易な作業ではない。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高圧タンクを車両に搭載する際の工程数、部品数を低減することを目的とする。また、高圧タンクと高圧配管との接続信頼性、高圧タンク搭載位置の精度を向上させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、複数の高圧タンクを備える車両を提供する。本発明の第１の態様に係る車両は、車両側形状に合わせて配置され、車両に固定されている複数のフレームと、前記複数の高圧タンクを前記複数のフレームに対して固定する固定部材と、前記高圧タンクと接続されると共に車両側形状に応じて配管された高圧配管とを備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明の第１の態様に係る車両によれば、高圧タンクおよび高圧配管が車両側形状に応じて配置および配管されているので、高圧タンクおよび高圧配管と車両側との干渉を防止することができる。また、複数の高圧タンク、フレーム、固定部材、高圧配管をアッセンブリ化しておき、高圧タンクアッセンブリとして車両に搭載することによって、高圧タンクを車両に搭載する際の工程数、部品数を低減することができると共に、高圧タンクと高圧配管との接続信頼性、高圧タンク搭載位置の精度を向上させることができる。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る車両において、前記複数の高圧タンクは、並列に配置され、
前記複数のフレームは、
隣接する２つの高圧タンクの間に配置されると共に、前記車両に固定される共通フレームと、
前記高圧タンク列の両端の高圧タンクにおいて、他の高圧タンクと隣接しない側に配置されると共に、前記車両に固定される端部フレームと、
前記共通フレームおよび前記端部フレームを結合する結合フレームとを備え、
前記固定部材は、前記各高圧タンクを前記共通フレーム、または前記共通フレームおよび前記端部フレームに固定しても良い。
【０００８】
上記構成を備えることによって、高圧タンクを車載する際に必要なフレーム数を低減することが可能となり、高圧タンクアッセンブリの重量を軽減することができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る車両において、前記固定部材は、長尺状の固定バンドであって、前記固定バンドの一端に形成された、前記固定バンドを前記共通フレームまたは前記端部フレームに取り付けるための第１の取付孔と、前記固定バンドの略中央部から他端にかけて形成された長孔と、前記長孔と前記第１の取付孔との間であって、前記固定バンドの略中央部に形成されると共に、前記長孔に向かって形成された切り欠き部を有する、前記固定バンドを前記共通フレームに取り付けるための第２の取付孔とを備えるても良い。
【００１０】
上記構成を備えることによって、固定部材に張力が掛かった場合であっても、固定部材の破断を防止することができると共に、高圧タンクの落下を防止することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る車両において、前記各高圧タンクは、タンク内にガスを充填するための充填バルブと、タンク内のガスを放出するための放出バルブとをそれぞれ備え、前記高圧配管は、前記各高圧タンクの充填バルブを連通すると共に、その一旦に充填口を有する充填用配管と、前記各高圧タンクの放出バルブを連通する放出用配管とを備えても良い。かかる場合には、各配管数を低減することが可能となり、高圧タンクアッセンブリをコンパクトにまとめることができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、並列配置される複数の高圧タンクを車両に搭載するための車載用フレームを提供する。本発明の第２の態様に係る車載用フレームは、隣接する２つの高圧タンクの間に配置されると共に、前記車両に固定される共通フレームと、前記高圧タンク列の両端の高圧タンクにおいて、他の高圧タンクと隣接しない側に配置されると共に、前記車両に固定される端部フレームと、前記共通フレームおよび前記端部フレームを結合する結合フレームと、前記各高圧タンクを前記共通フレーム、または前記共通フレームおよび前記端部フレームに固定する固定部材とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る車載用フレームによれば、高圧タンクを車載する際に必要なフレーム数を低減することが可能となり、高圧タンクを車載するために必要な部材の重量を軽減することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様に係る車載用フレームにおいて、前記高圧タンク列は、前記車両の前後方向に対して交差するように配置されていても良い。かかる場合には、車載スペースを効率的に使用することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、高圧タンクを車両に搭載するための車載用フレームに対して高圧タンクを固定するための長尺状の固定バンドを提供する。本発明の第３の態様に係る固定バンドは、前記固定バンドの一端に形成され、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第１の取付孔と、前記第１の取付孔との間隔が拡大可能であるように前記固定バンドの略中央部と他端との間に形成され、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第２の取付孔とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第３の態様に係る固定バンドによれば、固定バンドに張力が掛かった場合であっても、固定バンドの破断を防止することができると共に、高圧タンクの落下を防止することができる。
【００１７】
本発明の第３の態様に係る固定バンドにおいて、前記第２の取付孔は、
組み付け時に用いられる組み付け時取付孔と、
前記組み付け時取付孔の近傍から他端にかけて形成されている長孔と、
前記組み付け時取付孔と前記長孔とを連通する、前記組み付け時取付孔および前記長孔の幅よりも狭い連通部とを備えても良い。かかる場合には、固定バンドの破断を容易に防止することができる。
【００１８】
本発明の第４の態様は、高圧タンクを車両に搭載するための車載用フレームに対して高圧タンクを固定するための長尺状の固定バンドを提供する。本発明の第４の態様に係る固定バンドは、前記固定バンドの一端に形成されている、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第１の取付孔と、前記固定バンドの略中央部から他端にかけて形成されている長孔と、前記長孔と前記第１の取付孔との間であって、前記固定バンドの略中央部に形成されると共に、前記長孔に向かって形成された切り欠き部を有する、前記固定バンドを前記車載用フレームに取り付けるための第２の取付孔とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第４の態様に係る固定バンドによれば、固定バンドに張力が掛かった場合であっても、固定バンドの破断を防止することができると共に、高圧タンクの落下を防止することができる。
【００２０】
本発明の第５の態様は、車両搭載用の高圧タンクアッセンブリを提供する。本発明の第５の態様に係る高圧タンクアッセンブリは、車両搭載時における車両側の形状に合わせて、車両の左右方向に平行に並列配置された複数の高圧タンクと、前記複数の高圧タンクの軸方向と平行に配置されていると共に、車両側に固定される複数のフレームと、前記複数の高圧タンクを前記複数のフレームに対して固定する固定部材と、前記高圧タンクと接続されていると共に、前記複数の高圧タンクの接地面よりも高い位置に配置されている高圧配管とを備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第５の態様に係る高圧タンクアッセンブリによれば、高圧タンクを車両に搭載する際の工程数、部品数を低減することができると共に、高圧タンクと高圧配管との接続信頼性、高圧タンク搭載位置の精度を向上させることができる。
【００２２】
本発明の第５の態様に係る高圧タンクアッセンブリは、この他にも、本発明の第１の態様に係る車両と同様にして、種々の態様にて実現可能であり、かかる場合には、本発明の第１の態様に係る車両と同様の作用効果を得ることができる。
【００２３】
本発明の第６の態様は、高圧タンクを車両に搭載する方法を提供する。本発明の第６の態様に係る方法は、車両側形状に合わせて複数の高圧タンクを配置し、前記配列された複数の高圧タンクを車載用フレームに固定し、前記高圧タンクに接続されている高圧配管を車両搭載時における車両側形状に応じて配管して高圧タンクアッセンブリを組み上げ、前記組み上げた高圧タンクアッセンブリを車両に搭載することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第６の態様に係る方法によれば、高圧タンクを車両に搭載する際の工程数、部品数を低減することができると共に、高圧タンクと高圧配管との接続信頼性、高圧タンク搭載位置の精度を向上させることができる
。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池車両における燃料電池システムの構成図である。また、図２は、車両における各部品の概略の配置を示す説明図、図３は、この車両の電気的な系統を動力系と共に示す説明図である。本実施例では、燃料電池搭載機器として、燃料電池車両を取り上げる。この車両における燃料電池システム１００は、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池２００と、その燃料電池２００に水素ガスを供給する高圧水素ガスタンク３００と、を備えている。
【００２６】
Ａ．燃料電池およびその周辺の構成：
燃料電池２００は、水素を含んだ水素ガスの他、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空気）が供給され、水素極と酸素極において、下記の反応式で示される電気化学反応を起こし、電力を発生する。
【００２７】
即ち、水素極には水素ガスが、酸素極には酸化ガスがそれぞれ供給され、水素極側では式（１）の反応が、酸素極側では式（２）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（３）の反応が起きたことになる。
【００２８】
Ｈ2 →  ２Ｈ+ ＋２ｅ-                               …（１）
２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →  Ｈ2 Ｏ            …（２）
Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 →  Ｈ2 Ｏ                      …（３）
【００２９】
燃料電池２００を車両の動力源として用いる場合、燃料電池２００が作り出した電力によって駆動モータ１１０を駆動し、その発生トルクをギア１２０によって車軸１３０に伝達して、車輪１４１ないし１４２を駆動し、車両の推進力を得る。
【００３０】
燃料電池２００は、周知の単セルを複数積層した燃料電池スタックとして構成されている。１つの単セルは、ナフィオン（デュポン社の商標）といった電解質膜、それを両側から挟み込む拡散電極である水素極及び酸素極（カーボンの不織布とし構成）、さらにそれらを両側から挟み込む２枚の焼結カーボンにより成形されたセパレータなどを備えている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極と酸素極との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された水素ガスが、一方、酸素極との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。なお、燃料電池スタックは、車両への搭載に際しては、スタックケース内に収納して、取り付けられている。
【００３１】
高圧水素ガスタンク３００は、内部に高圧の水素ガスを蓄えており、根本に取り付けられたシャットバルブ３０２を開くことにより、およそ２０〜３５ＭＰａの圧力を有する水素ガスが放出する。実施例の場合、図２に示すように、高圧水素ガスタンク３００は、車両後部床下に、計４本搭載されている。
【００３２】
その他、本実施例の燃料電池システム１００は、図１に示すように、システム内で水素ガスを流通させるための水素ガス流路（図１では実線で表示）と、酸化ガスを流通させるための酸化ガス流路（図１では一点鎖線で表示）と、酸素オフガスに含まれる水を循環させるための水循環流路６０１（図１では破線で表示）と、システム全体を制御するためのパワーコントロールユニット７００を備えている。
【００３３】
このうち、水素ガス流路は、高圧水素ガスタンク３００の放出口から燃料電池２００の供給口に至る本流流路４０１と、燃料電池２００の排出口からポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４０５と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０７，４０９と、水素ガス漏れをチェックする際に用いるリークチェック流路４１１と、水素ガス供給ポート４２８から高圧水素ガスタンク３００の充填口に至る供給流路４１３と、を備えている。本実施例では、水素ガスの供給源として高圧水素ガスタンク３００を用いており、高圧の水素ガスを放出することができる。
【００３４】
本流流路４０１には、高圧水素ガスタンク３００の放出口にシャットバルブ３０２および放出マニュアルバルブ３０４が配置されており、流路途中に減圧バルブ４１８，熱交換器４２０および減圧バルブ４２２がそれぞれ配置されており、燃料電池２００の供給口にシャットバルブ２０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃料電池２００の排出口にシャットバルブ２０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４０６，ポンプ４１０及び逆止弁４１９がそれぞれ配置されている。また、供給流路４１３には、高圧水素ガスタンク３００の充填口に逆止弁３０６および充填マニュアルバルブ３０８が配置されている。さらに、排出流路４０５にはシャットバルブ４１２および水素希釈器４２４が、リリーフ流路４０７にはリリーフバルブ４１４が、同じくリリーフ流路４０９にはリリーフバルブ４１６が、リークチェック流路４１１にはリークチェックボート４２６が、それぞれ配置されている。
【００３５】
次に酸化ガス流路について説明する。酸化ガス流路は、燃料電池２００に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路５０１と、燃料電池２００から排出された酸素オフガスを排出する酸素オフガス排出流路５０３と、水素希釈器４２４に酸素オフガスを導く酸素オフガス導入流路５０５とを備えている。
【００３６】
酸化ガス供給流路５０１には、エアクリーナ５０２と、コンプレッサ５０４と、加湿モジュール５０６とが配置されている。また、酸素オフガス排出流路５０３には、調圧弁５０８と、前述の加湿モジュール５０６と、気液分離器５１０と、消音器５１２と、オフガス排出口５１４が配されている。
【００３７】
また、水循環流路６０１には、ポンプ６０２，６０６と、加湿水タンク６０４と、インジェクタ６０８とが配されている。
【００３８】
さらに、パワーコントロールユニット７００は、図示せざる各種センサから得られた検出結果を入力すると共に、各バルブ２０２，２０４，３０２，４１２や、ポンプ４１０，６０２，６０６や、コンプレッサ５０４をそれぞれ制御する。制御線等は、図示の都合上省略した。ポンプ４１０や、コンプレッサ５０４、あるいはポンプ６０２，６０６などは、それぞれ、駆動用のモータが設けられているが、モータの図示は省略した。なお、放出マニュアルバルブ３０４および充填マニュアルバルブ３０８は、それぞれ、手動で開閉されるようになっている。
【００３９】
酸化ガスの流れについて簡略に説明する。パワーコントロールユニット７００によってコンプレッサ５０４を駆動すると、大気中の空気が、エアクリーナ５０２を介して酸化ガスとして取り込まれる。空気は、エアクリーナ５０２によって浄化され、さらに、コンプレッサ５０４によって加圧された後、酸化ガス供給流路５０１を通り、加湿モジュール５０６を介して燃料電池２００に供給される。
【００４０】
供給された酸化ガスは、燃料電池２００内において、上述した電気化学反応に使用された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、酸素オフガス排出流路５０３を通り、調圧弁５０８を介した後、再び、加湿モジュール５０６に流入される。
【００４１】
前述したように、燃料電池２００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2 Ｏ）が生成されるため、燃料電池２００から排出される酸素オフガスは、非常にウェットで、多くの水分を含んでいる。一方、大気中から取り入れて、コンプレッサ５０４によって加圧された酸化ガス（空気）は、湿度の低いガスである。本実施例では、酸化ガス供給流路５０１と酸素オフガス排出流路５０３を一つの加湿モジュール５０６を通過させ、両者の間で水蒸気交換を行なうことにより、非常にウェットな酸素オフガスからドライな酸化ガスへ水分を与えるようにしている。この結果、加湿モジュール５０６から流出され燃料電池２００へ供給される酸化ガスはある程度ウェットになり、加湿モジュール５０６から流出され車両外部の大気中へ排出される酸素オフガスはある程度ドライになる。
【００４２】
こうして、加湿モジュール５０６においてある程度ドライになった酸素オフガスは、次に、気液分離器５１０に流入される。気液分離器５１０では、加湿モジュール５０６からの酸素オフガスを気体分と液体分に気液分離し、酸素オフガスに含まれている水分を液体分としてさらに除去して、よりドライにしている。また、除去された水分は回収水として回収され、ポンプ６０２によって汲み上げられて、加湿水タンク６０４に蓄えられる。そして、この回収水はポンプ６０６によってインジェクタ６０８に送り出され、コンプレッサ５０４の流入口で、霧吹きされる。この結果、エアクリーナ５０２からの酸化ガスに、所望の水分（水蒸気）が混合される。こうして、酸化ガス供給流路５０１を通る酸化ガスは、加湿モジュール５０６による加湿に加えて、更にウェットにされる。
【００４３】
以上のようにして、気液分離器５１０においてさらにドライになった酸素オフガスは、その後、消音器５１２に導かれることで、圧力の変動が緩和されて消音作用を受け、オフガス排出口５１４から車両外部の大気中に排出される。
【００４４】
次に、水素ガスの流れについて説明する。高圧水素ガスタンク３００の放出マニュアルバルブ３０４は、通常時は、常に開いており、充填マニュアルバルブ３０８は、常に閉じている。また、高圧水素ガスタンク３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池２００のシャットバルブ２０２，２０４は、それぞれ、パワーコントロールユニット７００によって、燃料電池システムの運転時には開いているが、停止時には閉じている。その他、排出流路４０５のシャットバルブ４１２は、パワーコントロールユニット７００によって、運転時には、基本的に閉じている。なお、リリーフバルブ４１４，４１６は、通常は綴じており、圧力異常時などの場合に開いて、過剰な圧力を逃がす働きをなす。
【００４５】
運転時において、前述したとおり、パワーコントロールユニット７００がシャットバルブ３０２を開くと、高圧水素ガスタンク３００からは水素ガスが放出される。放出された水素ガスは、本流流路４０１を通って燃料電池２００に供給され、燃料電池２００内において前述の電気化学反応に使用される。使用後のガスは、水素オフガスとして排出され、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池２００に供給される。このとき、循環流路４０３の途中に設けられているポンプ４１０を駆動することによって、循環流路４０３を通る水素オフガスは加圧されて、本流流路４０１に送り出される。こうして、水素ガスは、本流流路４０１及び循環流路４０３を通って循環している。なお、循環流路４０３中において、本流流路４０１との接続点と、ポンプ４１０と、の間には、循環している水素オフガスが逆流しないようにするために、逆止弁４１９が設けられている。
【００４６】
このように、水素オフガスを本流流路４０１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池２００で使用される水素量は同じであっても、燃料電池２００に供給される水素ガスの見かけの流量が多くなり、流速も速くなるため、燃料電池２００に対する水素の供給という観点から、有利な条件を作り出している。この結果、燃料電池２００の出力電圧も上がる。
【００４７】
更に、水素ガスを循環させることで、電解質膜を透過して酸素極側から水素極側に漏れ出してくる空気中の窒素などの不純物が、水素極に溜まるということがない。従って、窒素などの不純物の滞留により、燃料電池２００が発電動作に支障を来し、出力電圧が落ちてしまうということもない。
【００４８】
もとより、水素ガスを循環して均一化させたとしても、燃料電池２００内において、酸素極側から水素極側には不純物が常時漏れ出してくるため、長時間経てば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は次第に上がり、それに連れて水素の濃度は低下する。そのため、循環流路４０３から分岐した排出流路４０５に、シャットバルブ４１２を設け、パワーコントロールユニット７００によって、このシャットバルブ４１２を定期的に開いて、循環している不純物を含む水素ガスの一部を排出している。シャットバルブ４１２を開くことで、不純物を含んだ水素ガスの一部は循環路から排出され、その分だけ、高圧水素ガスタンク３００からの純粋な水素ガスが導入される。これにより、水素ガス中の不純物の濃度は下がり、逆に水素の濃度は上がる。この結果、燃料電池２００は、発電を継続して適切に行なうことができる。シャットバルブ４１２を開く時間間隔は、運転条件や出力により異なるが、例えば５秒に１回程度としても良い。
【００４９】
なお、燃料電池２００の発電動作中にシャットバルブ４１２を開けたとしても、燃料電池２００の出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはならない。シャットバルブ４１２の開放時間としては、１秒以下が好ましく、例えば、５００ｍｓｅｃ程度がより好ましい。
【００５０】
シャットバルブ４１２から排出された水素ガスは、排出流路４０５を通って、水素希釈器４２４に供給される。水素希釈器４２４には、酸素オフガス排出流路５０３から分岐した酸素オフガス導入流路５０５を通って、酸素オフガスも供給されている。水素希釈器４２４では、これら供給された水素ガスと酸素オフガスとを混合することによって、シャットバルブ４１２から排出された水素ガスを希釈している。希釈された水素ガスは、酸素オフガス排出流路５０３に送り込まれ、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスとさらに混合される。そして、混合されたガスは、オフガス排出口５１４から車両外の大気中に排気される。
【００５１】
なお、ポンプ４１０は、パワーコントロールユニット７００によって、その駆動が制御されており、燃料電池２００の発生した電力の消費量に応じて、循環流路４０３を流れる水素オフガスの流速、即ち燃料としての水素ガスの供給量を変化させている。
【００５２】
また、高圧水素ガスタンク３００の出口近傍には、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２の２つ減圧バルブが設けられている。これらの減圧バルブは、高圧水素ガスタンク３００内の高圧の水素ガスを、２段階で減圧している。即ち、具体的には、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、およそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧し、さらに２次減圧用の減圧バルブ４２２によって、およそ０．８〜１ＭＰａからおよそ０．２〜０．３ＭＰａに減圧する。この結果、高圧の水素ガスを燃料電池２００に供給して、燃料電池２００を傷めるということがない。
【００５３】
なお、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、高圧の水素ガスをおよそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧される。高圧水素ガスタンク３００からの水素放出は、膨張を伴うために圧力、流量によって、放出温度が変化する。本実施例では、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２との間に、熱交換器４２０を配置して、減圧後の水素ガスに対して熱交換する仕組みを採用している。この熱交換器４２０には、図示していないが、燃料電池２００を循環した冷却水が供給されており、その冷却水と温度変化した水素ガスとの間で熱交換が行なわれる。水素ガスの温度は、この熱交換器４２０を通過することによって、ほぼ適正な温度範囲となり、燃料電池２００に供給することができる。従って、燃料電池２００内では、十分な反応温度が得られるため、電気化学反応が進み、適正な発電動作を行なうことができる。
【００５４】
また、前述したように、燃料電池２００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2 Ｏ）が生成され、その水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を通して水素極側にも入ってくる。従って、燃料電池２００から排出される水素オフガスは、ウェットで、かなり多くの水分を含んでいる。本実施例では、循環流路４０３の途中に気液分離器４０６を設け、この気液分離器４０６によって、水素オフガスに含まれる水分を気液分離し、液体分を除去して、気体（水蒸気）分のみを他の気体と共にポンプ４１０に送るようにしている。これにより、水素ガスに含まれる水分は気体分のみとなり、燃料電池２００には、水分が気液混合体として供給されることがなく、発電動作は良好に継続される。
【００５５】
一方、減圧バルブ４１８や４２２が故障するなどの異常が生じた場合には、燃料電池２００に供給される水素ガスの圧力が異常に高くなることがあり得る。本実施例では、本流流路４０１における減圧バルブ４１８の後段で分岐したリリーフ流路４０７に、リリーフバルブ４１４を設けると共に、減圧バルブ４２２の後段で分岐したリリーフ流路４０９に、リリーフバルブ４１６を設けている。この結果、減圧バルブ４１８から減圧バルブ４２２に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合に、リリーフバルブ４１４が開いて、また、減圧バルブ４２２から燃料電池２００に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合には、リリーフバルブ４１６が開いて、車両外の大気中に水素ガスを排気して、水素ガスの圧力がそれ以上過大になることを防止している。
【００５６】
高圧水素ガスタンク３００に水素ガスを充填する場合には、車両の側面に設けられている水素ガス供給ポート４２８に、水素ガス供給パイプ（図示せず）をつなぎ、高圧水素ガスタンク３００に取り付けられている充填マニュアルバルブ３０８を手動で開く。こうすることで、水素ガス供給パイプから供給される高圧の水素ガスは、供給流路４１３を介して高圧水素ガスタンク３００に充填される。なお、高圧水素ガスタンク３００の根本には逆止弁３０６が設けられており、ガス充填時の逆流事故を防止している。
【００５７】
図２は図１の燃料電池システムを搭載した車両の縦断面を模式的に示した断面図である。本実施例の燃料電池システム１００は、図２に示すように、車両１０全体にわたって配置されている。このうち、車両１０のフロント部１０ａには、主として、燃料電池２００や、パワーコントロールユニット７００や、コンプレッサ５０４などが配置され、床下部１０ｂには、水素ガス流路４０１，４０３やポンプ４１０などが配置され、リア部１０ｃには、高圧水素ガスタンク３００や水素ガス供給ポート４２８などが配置されている。
【００５８】
図１に示した燃料電池システムの他、フロント部１０ａには、燃料電池２００によって発生された電力により車両１０の推進力を生じさせる駆動モータ８００や、駆動モータ８００の発生したトルクを車軸に伝えるギヤ８１０や、駆動モータ８００を冷却させるためのラジエタ８２０や、エアコン用のコンデンサ８３０や、燃料電池２００を冷却するためのメインラジエタ８４０などが配置され、床下部１０ｂには、燃料電池２００を冷却するためのサブラジエタ８５０などが配置され、リア部１０ｃには、燃料電池２００を補助するための２次電池８６０などが配置されている。
【００５９】
次に、本実施例における高圧タンクアッセンブリについて図３〜図９を参照して説明する。本実施例では、４本の高圧水素ガスタンク３００は高圧タンクアッセンブリとして組み立てられた後に、車両に搭載（固定）される。図３は本実施例における高圧タンクアッセンブリの全体構成を示す説明図である。図４は一対の高圧水素ガスタンク３００が車載用フレームに固定される状態を示す説明図である。図５は図４に示す車載用フレームに固定された一対の高圧水素ガスタンク３００の平面図である。図６は図４に示す車載用フレームに固定された一対の高圧水素ガスタンク３００の正面図である。図７は車載時に車両最後部に配置される高圧水素ガスタンク３００を車載用フレームに固定する固定バンドの斜視図である。図８は車載時に車両最後部に配置される高圧水素ガスタンク３００が固定バンドによって固定されている様子を示す説明図である。図９は車両最後部に配置されている高圧水素ガスタンク３００が移動した場合における固定バンドの状態変化を示す説明図である。
【００６０】
図３に示すように、本実施例における高圧タンクアッセンブリ３０は、車載位置に従って配置される２つの高圧水素ガスタンクモジュール３１と、高圧水素ガスタンクモジュール３１の各高圧水素ガスタンク３００を連通する高圧配管３２とを備えている。高圧水素ガスタンクアッセンブリ３０は、この状態のまま、車両の所定位置に搭載される。
【００６１】
図４に示すように、高圧水素ガスタンクモジュール３１は、２つの高圧水素ガスタンク３００と、高圧水素ガスタンク３００を車体に取り付けるための共通フレーム３１０、端部フレーム３１１、結合フレーム３１２、高圧水素ガスタンク３００を各フレーム３１０、３１１に固定するための固定バンド３２０、３３０とを備えている。各高圧水素ガスタンク３００には、既述のように、水素ガス供給ポート４２８から供給される水素ガスを高圧水素ガスタンク３００内に充填するための充填マニュアルバルブ３０８、高圧水素ガスタンク３００内に充填されている水素ガスを放出するための放出マニュアルバルブ３０４が備えられている。
【００６２】
図５および図６に示すように、共通フレーム３１０は、隣接する２つの高圧水素ガスタンク３００の間に配置されるフレームであり、各高圧水素ガスタンク３００を固定する際に共有される。共通フレーム３１０を用いることによって、各高圧水素ガスタンク３００を近接させて（例えば、１０ｍｍ程度）配置することができるので、高圧水素ガスタンク３００の搭載に要求されるスペースを小さくすることができる。また、フレームの共有化により、フレーム数を１本減らすことができるので、高圧水素ガスタンクアッセンブリ３０の重量を低減することができる。
【００６３】
端部フレーム３１１は、２つの高圧水素ガスタンク３００によって形成される列の両端部、すなわち、隣の高圧水素ガスタンク３００と隣接しない側に配置されるフレームであり、各高圧水素ガスタンク３００によって占有される。両フレーム３１０、３１１は、結合フレーム３１２によって格子状に結合されている。両フレーム３１０、３１１には、車載時にボルト等の締結具を用いてフレームを固定するための取付孔３１３がそれぞれ２つずつ形成されている。また、共通フレーム３１０、および端部フレーム３１１には、結合フレーム３１２を取り付けると共に、固定バンドを取り付けるための取付孔３１４がそれぞれ４つ、および２つずつ形成されている。図面上では、各フレーム３１０、３１１取付孔３１３が図示されているので、各フレーム３１０、３１１が厚く表されているが、各フレーム３１０、３１１の厚さは、約１．６ｍｍ程度である。
【００６４】
固定バンド３２０、３３０は、厚さ約２．０ｍｍ程度の長尺状の金属製のバンドであり、高圧水素ガスタンク３００の外周形状に沿った形状を有している。固定バンド３２０は、フレーム３１０、３１１に変形のおそれがある部位に使用されるバンドであり、たとえば、車両搭載時に車両最後部に配置される高圧水素ガスタンク３００をフレーム３１０、３１１に固定するために用いられる。これに対して、固定バンド３３０は、固定バンド３２０が用いられない、一般的な部位にて高圧水素ガスタンク３００をフレーム３１０、３１１に固定するために用いられる固定バンドである。固定バンド３２０は、図７に示すような形状を有し、図８に示すように各フレーム３１０、３１１に対して取り付けられている。一方、固定バンド３３０は図１０に示すような形状を有している。
【００６５】
図７に示すように、固定バンド３２０は、端部フレーム３１１に固定される際に用いられる第１の取付孔３２１を一端に有し、共通フレーム３１０に固定される際に用いられる第２の取付孔３２２を略中央部に有している。また、固定バンド３２０は、略中央部から他端にかけて、スリット３２３を有している。
【００６６】
第２の取付孔３２２には、スリット３２３に向けて切り欠き部３２４が形成されており、固定バンド３２０が取付孔３２１へ向かって引っ張られた場合には、第２の取付孔３２２がスリット３２３に向かって切れ、スリット３２３が第２の取付孔３２２として機能する。この状態について図９を参照して説明する。例えば、後方から他の車両によって追突された場合には、端部フレーム３１１が固定されている車両のメインフレームが破線で示すように変形する。変形に伴って、固定バンド３２０には、矢印で示す方向に張力が加わり、第２の取付孔３２２を介して固定バンド３２０を共通フレーム３１０に対して結合しているボルトＢ１によって、第２の取付孔３２２は、切り欠き部３２２の方向に切り裂かれる。この結果、第２の取付孔３２２とスリット３２３とが連通状態となり、固定バンド３２０は破線で示す位置に移動する。すなわち、張力によって固定バンド３２０は破断せず、高圧水素ガスタンク３００は、依然として固定バンド３２０によって保持され、高圧水素ガスタンク３００の落下を防止することができる。
【００６７】
図１０に示すように、固定バンド３３０は、端部フレーム３１１に固定される際に用いられる第１の取付孔３３１を一端に有し、共通フレーム３１０に固定される際に用いられる第２の取付孔３３２を他端に有している。
【００６８】
高圧配管３２は、高圧水素ガスタンクモジュール３１を構成する各高圧水素ガスタンク３００の充填マニュアルバルブ３０８を接続（結合）する水素ガス充填管４１３、並びに各高圧水素ガスタンク３００の放出マニュアルバルブ３０４を接続する水素ガス放出管４０１ａを備える。水素ガス充填管４１３の一端には、水素ガス供給ポート４２８が備えられている。水素ガス放出管４０１ａの最下流には、減圧バルブ４１８が取り付けられている。
【００６９】
図３に示されているように、高圧配管３２、すなわち、水素ガス充填管４１３および水素ガス放出管４０１ａは、車載時における車両側の形状を考慮して配管されており、車両側の構造物との干渉を防止している。
【００７０】
以上、説明したように、本実施例に係る高圧タンクアッセンブリによれば、複数の高圧水素ガスタンクモジュール３１と高圧配管３２とを、高圧水素ガスタンクアッセンブリ３０の状態で車両に搭載することができる。したがって、高圧水素ガスタンクアッセンブリ３０を構成する高圧水素ガスタンク３００を初めとする各構成部品を個々に搭載、取り付けする場合と比較して、車載時における工程数を大幅に低減することができる。また、車載前に、高圧配管３２の結合状態、高圧配管３２と各バルブ３０４、３０８との接続状態を検査することができるので、高圧配管３２の結合信頼性を向上させることができる。仮に、高圧配管３２の結合不良が発見された場合であっても、車載前であるため、車載後と比較してその対応作業を容易に行うことができる。
【００７１】
また、本実施例に係る高圧タンクアッセンブリによれば、車載時の車両形状を考慮して、高圧水素ガスタンク３００が配置され、高圧配管３２が配管されているので、車載作業が容易である。また、予め、高圧水素ガスタンク３００の車載位置を考慮して組み立てるので、水素ガスタンク３００の搭載位置の精度を高くすることができる。
【００７２】
さらに、本実施例では、高圧タンクアッセンブリを車両の床下に搭載するので、客室、トランクルームスペースを犠牲にすることなく、高圧水素ガスタンク３００を車載することができる。また、重量物である高圧水素ガスタンク３００を床下に搭載することによって、高圧タンクを屋根上に搭載する場合と比較して車両の重心を低くすることが可能となり、車両の操舵性を向上させることができる。また、本実施例に係る高圧タンクアッセンブリが搭載される車両の後部床下スペースは、ガソリン車両における燃料タンクの搭載スペースとして利用されてきたスペースであるから、他の車両構成部品の再配置を必要とすることなく、高圧タンクアッセンブリを車両に搭載することができる。
【００７３】
本実施例では、共通フレーム３１０を隣接する２つの高圧水素ガスタンク３００で共有するので、高圧水素ガスタンクモジュール３１をコンパクト化することができると共に、軽量化することができる。また、部品点数を削減することが可能となり、製品コストも削減することができる。
【００７４】
本実施例では、車両最後部に位置する高圧水素ガスタンク３００をフレーム３１０、３１１に対して固定する固定バンド３２０の取付孔３２２に、スリット３２３に向かって形成されている切り欠き部３２４が形成されている。したがって、後方から他の車両によって追突される等して固定バンド３２０に張力が掛かった場合であっても固定バンド３２０は破断せず、高圧水素ガスタンク３００は、依然として固定バンド３２０によって保持され、高圧水素ガスタンク３００の落下を防止することができる。
【００７５】
本実施例では、高圧配管３２が同一側面であって、高圧水素ガスタンク３００の底面よりも高い位置に配管されているので、高圧水素ガスタンクアッセンブリ３０を床面に置く場合にも、高圧配管３２に荷重がかかり、変形、接続部位の信頼性の低下といった事態を防止することができる。したがって、アッセンブリ化した状態での取り扱い性を向上させることができる。
【００７６】
以上、実施例に基づき本発明に係る高圧タンクアッセンブリを説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【００７７】
上記実施例では、高圧水素ガスタンクモジュール３１が２つの高圧水素ガスタンク３００によって構成されているが、高圧水素ガスタンクモジュール３１は、３つ以上の高圧水素ガスタンク３００によって構成されていても良い。かかる場合には、２つの高圧水素ガスタンク３００が隣接する位置には、共通フレーム３１０が用いられ、水素ガスタンク３００の列の両端部に位置する水素ガスタンク３００の非隣接側に端部フレーム３１１が用いられる。
【００７８】
上記実施例では、高圧配管３２は、各高圧水素ガスタンク３００を連通するように接続されているが、各高圧水素ガスタンク３００を連通することなく、例えば、減圧バルブ４１８の手前に配管結合器を設け、各高圧水素ガスタンク３００と配管結合器とをそれぞれ独立して結合するようにしても良い。
【００７９】
上記実施例では、固定バンド３２０に張力が掛かった際に、切り欠き部３２４によって第２の取付孔３２２とスリット３２３との連通を容易化しているが、第２の取付孔３２２をスリット３２３とを予めスリット３２３よりも狭いスリットによって連通させておいても良い。かかる場合には、第２の取付孔３２２からスリット３２３へのボルトＢ１の移動をより容易化することができる。
【００８０】
上記実施例では、高圧配管３２を同一側に配管しているが、例えば、高圧水素ガスタンクモジュール単位にて、異なる側に配管しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高圧タンクアッセンブリを適用可能な車載用燃料電池システムの一実施例を示す構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムを搭載した車両の縦断面を模式的に示した断面図である。
【図３】本実施例における高圧タンクアッセンブリの全体構成を示す説明図である。
【図４】一対の高圧水素ガスタンク３００が車載用フレームに固定される状態を示す説明図である。
【図５】図４に示す車載用フレームに固定された一対の高圧水素ガスタンク３００の平面図である。
【図６】図４に示す車載用フレームに固定された一対の高圧水素ガスタンク３００の正面図である。
【図７】車載時に車両最後部に配置される高圧水素ガスタンク３００を車載用フレームに固定する固定バンド３２０の斜視図である。
【図８】車載時に車両最後部に配置される高圧水素ガスタンク３００が固定バンドによって固定されている様子を示す説明図である。
【図９】車両最後部に配置されている高圧水素ガスタンク３００が移動した場合における固定バンドの状態変化を示す説明図である。
【図１０】一般的に用いられる高圧水素ガスタンク３００を車載用フレームに固定する固定バンド３３０の斜視図である。
【図１１】従来例における高圧タンクの車載例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…車両
１０ａ…フロント部
１０ｂ…床下部
１０ｃ…リア部
３０…高圧水素ガスタンクアッセンブリ
３１…高圧水素ガスタンクモジュール
３２…高圧配管
１００…燃料電池システム
２００…燃料電池
２０２…シャットバルブ
２０４…シャットバルブ
３００…高圧水素ガスタンク
３０２…シャットバルブ
３０４…放出マニュアルバルブ
３０６…逆止弁
３０８…充填マニュアルバルブ
３１０…共通フレーム
３１１…端部フレーム
３１２…結合フレーム
３１３…取付孔
３１４…取付孔
３２０…固定バンド
３２１…第１の取付孔
３２２…第２の取付孔
３２３…スリット
３２４…切り欠き部
３３０…固定バンド
４０１…本流流路
４０１ａ…水素ガス放出管
４０３…循環流路
４０５…排出流路
４０６…気液分離器
４０７…リリーフ流路
４０９…リリーフ流路
４１０…ポンプ
４１１…リークチェック流路
４１２…シャットバルブ
４１３…供給流路（水素ガス充填管）
４１４…リリーフバルブ
４１６…リリーフバルブ
４１８…減圧バルブ
４１９…逆止弁
４２０…熱交換器
４２２…減圧バルブ
４２４…水素希釈器
４２６…リークチェックボート
４２８…水素ガス供給ポート
５０１…酸化ガス供給流路
５０２…エアクリーナ
５０３…酸素オフガス排出流路
５０４…コンプレッサ
５０５…酸素オフガス導入流路
５０６…加湿モジュール
５０６ａ…酸化ガス流入口
５０６ｂ…酸化ガス流出口
５０６ｃ…酸素オフガス流入口
５０６ｄ…酸素オフガス流出口
５０６ｅ…細孔
５０６ｆ…膜
５０６ｇ…酸化ガス管
５０８…調圧弁
５１０…気液分離器
５１２…消音器
５１４…オフガス排出口
６０１…水循環流路
６０２…ポンプ
６０４…加湿水タンク
６０６…ポンプ
６０８…インジェクタ
７００…パワーコントロールユニット
８００…駆動モータ
８１０…ギヤ
８２０…ラジエタ
８３０…コンデンサ
８４０…メインラジエタ
８５０…サブラジエタ
Ｂ１…ボルト
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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