(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの上に積層された少なくとも２つの層（１２）を有する燃料タンク（１０）であって、
前記層（１２）は、それぞれ、互いに平行に並んだ複数の個々のタンク（１４）を有し、
前記個々のタンク（１４）は、長尺の設計を有し、前記長尺の個々のタンク（１４）の長手方向延長部が、各層（Ｌ１，Ｌ２）の向き（Ｏ１，Ｏ２）を画定し、前記少なくとも２つの層（１２）が互いに異なる向き（Ｏ１，Ｏ２）を有しており、
前記層（１２）の向き（Ｏ１，Ｏ２）が、互いに関して９０度の角度である、燃料タンク（１０）。
【請求項２】
前記個々のタンク（１４）の少なくとも一つが接続部（１６）を有し、その接続部が、前記燃料タンク（１０）の端面かつそのタンクの構造体（１８）内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料タンク（１０）。
【請求項３】
前記燃料タンク（１０）の前記構造体（１８）が、前記個々のタンク（１４）の構造体（２０）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料タンク（１０）。
【請求項４】
前記燃料タンク（１０）の前記構造体（１８）が、前記個々のタンク（１４）とは別個の補助構造体（２６）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料タンク（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも一つの個々のタンク（１４）は、前記個々のタンク（１４）の長手方向延長部に前記構造体（１８）を通して横方向に案内された少なくとも１つの供給ライン（２４）を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料タンク（１０）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料タンク（１０）を備えた燃料電池車である、車両（１００）。
【請求項７】
前記車両（１００）がパッセンジャーセル（１０２）を備え、その下に前記燃料タンク（１０）が配置されることを特徴とする請求項６に記載の車両（１００）。
【請求項８】
前記車両の長手方向（ＦＬ）における一つの層（Ｌ１）の向き（Ｏ１）が、前記車両の横方向（ＦＱ）における別の層（Ｌ２）の向き（Ｏ２）に対応することを特徴とする請求項６または７に記載の車両（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料タンクおよび前記燃料タンクを有する車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気エネルギーを生成するために、燃料と酸素との、水を生成する化学変換を利用する。この目的のために、燃料電池は、コア成分として所謂膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、そのコア成分は、膜の両側に配置された、イオン伝導（主にプロトン伝導性の）膜と、触媒電極（アノードとカソード）の構造である。後者は主に、担持された貴金属、特に白金を備える。さらに、ガス拡散層（ＧＤＬ）は、膜電極アセンブリの両側、すなわち膜から離れる側を向いた電極の側に配置される。概して、燃料電池はスタックに配置された多数のＭＥＡによって形成され、その電気エネルギーが加えられる。一般に、バイポーラプレート（流れ場板またはセパレータプレートとしても知られる）が個々の膜電極アセンブリの間に配置され、個々のセルに作動媒体、すなわち反応物が供給されることを確実にし、これは通常冷却にも使用される。さらに、バイポーラプレートは膜電極アセンブリとの導電性接触を提供する。
【０００３】
燃料電池の作動中、燃料（アノード作動媒体）、特に水素Ｈ2または水素含有ガス混合物は、バイポーラプレートのアノード側のオープンフロー場を介してアノードに供給され、ここで電子の放出（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）を伴うＨ2のプロトンＨ+への電気化学的酸化が行われる。プロトンは、電解質または膜を介してアノードチャンバからカソードチャンバに輸送され（水結合または水なし）、反応チャンバを互いに気密に分離するとともに、電気的に分離する。アノードに設けられた電子は、電気ラインを介してカソードに導かれる。カソードには酸素または酸素含有ガス混合物（例えば、空気）が供給され、カソード作動媒体として、カソード側のバイポーラプレートの開放された流れ場を介して、電子が取り込まれる（１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-）一方、Ｏ2からＯ2-への還元が行われる。同時に、カソード空間内の酸素アニオンが膜を横切って輸送されるプロトンと反応しながら水を形成する（Ｏ2-＋２Ｈ+→Ｈ2Ｏ）。
【０００４】
これまで、最大圧力７００ｂａｒのＣＦＲＰ蓄圧器が、車両後部および構造的統合のないトランスミッショントンネルの燃料タンクとして使用されていた。ＣＦＲＰは、炭素繊維強化プラスチックの略である。金属水素化物貯蔵部の非構造的な組み込みも知られている。さらに、設置場所での構造的統合は、全体的な剛性に大きく影響しないことが知られている。それにより、内部容積が小さくなり、設置スペースが制限されるという点で不利になる。さらには、潜在的な構造的な節約が使われないままとなる。
【０００５】
これを補うために、これまでのところ、所望の容量と範囲を実現するために、単一のタンクの代わりにいくつかの小さなタンクが使用されているが、それ自体が大幅なコスト増加をもたらす。さらに、必要な組立スペースに対する有効容積が小さい小型のタンクの重量の欠点を補うために、炭素繊維タンクが配備された。
【０００６】
特許文献１は、フレームアセンブリを備えた自動車を開示しており、燃料の流体貯蔵容積は、フレームアセンブリの細長いレール部分に画定されている。
【０００７】
特許文献２は、支持構造のフレームを補強する役割を果たす、車両用の水素アキュムレーター（圧力アキュムレーター）を開示している。車両が障害物に衝突した場合、アキュムレータに過大な力が及ぶ前に連結部材が故障し、それによりアキュムレータにダメージが引き起こされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００５００３６６９号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１１０５１４３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、公知の燃料タンクよりも高い剛性を有する燃料タンクを提案する目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、独立請求項１の特徴を有する燃料タンクによって達成される。
【００１１】
本発明によれば、燃料タンクは、層毎に一列に並んだ複数の個々のタンクを有する少なくとも２つの互いに垂直に積み重ねられた層を備える。
【００１２】
燃料タンクが、２つの垂直に積み重ねられた層、すなわちその主面（最大面）が互いに面した２つの層を有することにより、タンクの剛性、特にその曲げ強度を著しく増加させる。特に、それらの層は互いに面平行に配置される。車両のパッセンジャーセルへの構造的統合、つまり、パッセンジャーセルの補強が可能である。複数の層が互いに垂直に積層されているという事は、依然として当てはまるだろうが、必ずしもそれらの層が空間的に互いの上に積層されていることを意味するものではない。寧ろ、これは少なくとも２つの層の主表面が互いに平らに並んでいることを意味する。特に、個々のタンクは、層が個々のタンクで最適に満たされるように、互いに平行に並んでいる。それらの層は、特に平面内に延在する、すなわち、平らな広がりを有する。
【００１３】
好ましくは、個々のタンクは長尺である（ものとして設計される）。個々のタンクが長尺であるということは、その長さがその幅、厚さ、または直径を超えていることを意味する。好ましくは、個々のタンクの長さは、それらの幅、厚さまたは直径のサイズの少なくとも５倍、特に少なくとも１０倍、特に好ましくは少なくとも２０倍である。個々のタンクは、矩形、特に正方形、または円形の断面を有する。個々のタンクは、独立したタンクとしても指定される。つまり、特に、互いに分離された容積を表す。細長い個々のタンクは、好ましくは、個々のタンクの側壁が一列に並べられ、それによりコンパクトな燃料タンクを形成するように並べられる。
【００１４】
特に、個々のタンクは金属水素化物エネルギー貯蔵器である。そのような個々のタンクは、水素の貯蔵に特に適している。
【００１５】
個々の層及び／又は個々のタンクは、全体として燃料タンクの剛性を更に高めるために、好ましくは力を伝達（force-conducting）するように相互に接続され、特に接着接合またはボルト締めされる。
【００１６】
長尺の個々のタンクの長手方向の延長部は、それぞれの層の向きを定義することが好ましく、その少なくとも２つの層は異なる向きを有する。したがって、層のうちの１つの個々のタンクは、少なくとも１つの他の層の個々のタンクに対して横方向に（斜めに）配置される。これにより、燃料タンクはさらに剛性が高くなり、特に第２の方向への曲げに対する抵抗力が増すため、パッセンジャーセルの補強（補剛）をさらに高めることができる。
【００１７】
層の向きは、互いに９０度の角度であることが好ましい。したがって、個々のタンクは、互いに関して９０度回転した複数の層に配置される。それにより、燃料タンクが相互に垂直な２つの方向で補強されるため、最適な燃料タンクの剛性が確保される。それにより、特に良好な構造的統合、すなわち車両のパッセンジャーセルの補強が可能となる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態は、個々のタンクの少なくとも一つが、その端面に配置された接続部を有することを提供し、その接続部は燃料タンク構造内に配置される。特に、その構造は、燃料タンクの外側から個々のタンクに作用する力を伝達するように設計される。特に、その構造は、接続部がそれらの力から保護されるように（強固に）設計されている。この接続部は、特に個々のタンクを充填および／または空にするために使用される。
【００１９】
接続部は、ボルト継手として設計されることが好ましく、これは接続部の特に単純な変形例を示す。特に、接続部はバルブを備えるか、バルブとして設計される。燃料電池の動作と比較すると、燃料タンクの燃料補給中の動作圧力が比較的高いため、これは特に有利である。
【００２０】
個々のタンクを燃料電池システムの燃料システムに接続するには、特に、個々のタンクへの内部接続（つまり、個々のタンクの構造内の接続であり、通常、個々のタンクの充填容量内の接続ではない）が使用される。したがって、接続は個々のタンクによって保護され、個々のタンク、特に燃料タンクは構造的に平らな接続面を有する。それにより、衝突時、つまり衝撃時のタンクを負荷経路（load path）として使用することを可能にする。
【００２１】
好ましくは、燃料タンクの構造は、個々のタンク（特に、個々のタンクのタンクキャップ）の構造を示す。特に、タンクキャップは個々のタンクの延長部として設計されており、したがって個々のタンクと一体化している。これにより、個々のタンクへの特に有利な力の伝達が保証され、したがって、特に有利な接続の保護が保証される。したがって、例えば車両支持構造におけるタンクキャップ（接続キャップ、特にバルブキャップ）による構造的接続が実現される。タンクキャップは特に、個々のタンクの前において開いているように設計されてもよく、それにより接続部へのアクセスを確実にする。したがって、個々のタンクは、個々のタンクの充填容積、ならびに一体形成された少なくとも１つのさらなる構造を囲む個々のタンクの一部を備えてもよい。その更なる個々のタンク構造により、特に上記のように接続が保護される。
【００２２】
燃料タンクの構造は、個々のタンクとは別個の補助構造体であることが好ましい。したがって、接続部は外部接続（個々のタンクの外側）を表し、追加の構造的手段、つまり補助構造体、特に補助フレームによって保護される。これにより、設計の労力が削減され、したがって個々のタンクのコストが削減される。補助構造体は、レールとして設計されることが好ましく、その中に、（層の）個々のタンクのいくつかの、特にすべての接続部が配置される。
【００２３】
タンクキャップ内の上記の接続部の統合（タンクの取り付け）により、追加の補助構造体（サブフレーム）は特に提供されない。
【００２４】
少なくとも一つの個々のタンクは、好ましくは、個々のタンクの長手方向延長部に構造体を通して横方向に案内された少なくとも１つの供給ラインを有する。特に、少なくとも一つの供給ラインは、互いに（層の）個々のタンクの接続部（特に、バルブ）に接続する、２つの供給ライン（特に、供給ライン及び排出ライン）を備える。タンクキャップとして設計された構造（つまり、個々のタンクの一体構造）の場合、（燃料）供給ラインはタンクキャップの横方向の開口部を通って、特に１つのタンクキャップから次のタンクキャップへと導かれる。構造体が補助構造体、特にレールとして設計される場合、供給ラインは、内部に引き回されるとともに、レールによって保護される。
【００２５】
好ましくは、個々のタンクの全てが端面に配置された上記の接続部を有し、それにより、特に全ての接続部が、上記の構造体内部に配置されるとともに、一つ以上の上記の構造体によって保護される。
【００２６】
さらに、本発明による燃料タンクを備えた車両が提供される。好ましくは、車両は燃料電池車である。一般に、車両の（電気）推進エンジンに電気エネルギーを供給するための燃料電池を含む。したがって、燃料タンクは、燃料電池用の燃料、特に水素を貯蔵するために搭載される。したがって水素は、燃料電池車用の燃料としての役割を果たす。よって本発明は、質量が低減されると同時に、特に事故の場合に、変形に対する抵抗が増大することを特徴とする、特に剛性の燃料電池車を提供する。
【００２７】
燃料タンクは、好ましくは、車両の支持構造体、例えば、そのシャーシ、そのパッセンジャーセル、またはそのフレームに構造的に組み込まれる。その結果、車両支持構造が補強される。言い換えれば、燃料タンクは車両支持構造の一部を形成する。
【００２８】
好ましくは、燃料タンクは、側面および正面衝撃の両方の衝突状況においての負荷経路として機能する。
【００２９】
燃料タンクは、積層された層が上下に配置されるように車両に配置されることが好ましく、それにより、燃料タンクのコンパクトな取り付け位置が確保される。
【００３０】
好ましくは、車両がパッセンジャーセルを備え、その下に燃料タンクが配置されることが提供される。したがって、燃料タンクは、特に車両のアンダーボディの支持構造に組み込まれる。それにより中間車両領域（即ち、パッセンジャーセル領域）が軽量化されるとともに、より大きな機能的車室がもたらされる。
【００３１】
好ましくは、車両の長手方向における層の一つの向きが、車両の横方向における燃料タンクの別の層の向きに対応することが提供される。したがって、車両は、車両の横方向だけでなく、車両の長手方向にも補強される。さらに、側面衝突と正面衝突の両方で、パッセンジャーセルは変形から良好に保護される。
【００３２】
好ましくは、車両の長手方向を向いた層の個々のタンクが、パッセンジャーセルの全長にわたって延在することが提供される。さらに、好ましくは、車両の横方向を向いた層の個々のタンクが、パッセンジャーセルの全幅（特に、車両のサイドスカートの間）に亘って延在することが提供される。したがって、パッセンジャーセルは、衝撃時に最適に強化（補強）され、保護される。
【００３３】
本発明の追加の好ましい実施形態は、従属請求項に記載された他の特徴に起因する。
【００３４】
この特許出願で言及される本発明の様々な実施形態は、個々の場合で特に明記しない限り、有利に互いに組み合わせてもよい。
【００３５】
本発明を、例示的な実施形態により、添付の図面を参照しながら以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】好ましい実施形態の燃料タンクを示す図である。
【図２】燃料タンクを詳細に示す図である。
【図３】更に好ましい実施形態の燃料タンクを示す図である。
【図４】好ましい実施形態による車両の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、本発明の好ましい実施形態による燃料タンク１０を示す。燃料タンク１０は、少なくとも２つの垂直に積層された層１２を有し、層１２の各々は、互いに平行に並ぶ複数の個々のタンク１４を有する。個々のタンク１４は、長尺であり、個々のタンク１４の長辺も並ぶように並べられる。個々のタンク１４は、例えば水素を貯蔵するための金属水素化物リザーバとして設計されてもよい。金属水素化物は、中空のロッドとして設計された個々のタンク１４に配置される。
【００３８】
細長い個々のタンク１４の長手方向の延長部は、それぞれの層Ｌ１またはＬ２の向きＯ１またはＯ２を規定する。２つの層Ｌ１とＬ２は異なる方向を有する。したがって、方向Ｏ１およびＯ２は角度を含み、図示のケースでは、角度は９０度である。個々の層が荷重方向に応じて異なる剛性を有することは明らかである。２つの層１２が互いに９０°回転しているため、燃料タンク１０は直交する２方向においてほぼ同じ剛性を有する。
【００３９】
個々のタンク１４は、端面に配置された接続部１６を有しており、接続部は、燃料タンク１０の構造体１８内に配置されたバルブ１６として設計されうる。構造体１８は、例えば衝撃時など、燃料タンク１０に作用する大きな力が発生した場合に、バルブ１６を保護する。さらに、構造体１８は、燃料タンク１０を隣接する（車両）構造体に接続することを可能にし、したがって（車両）構造体と個々のタンク１４との間で力を伝達するために使用される。
【００４０】
図１、特に図２に見られるように、構造体１８は個々のタンク１４の構造体２０である。したがって、構造体２０は個々のタンク１４の正面突出部として設計され、タンクと一体的に接続される。したがって、それらは、タンクキャップ２０、接続キャップ２０、またはバルブキャップ２０としても設計され得る。構造体２０は、バルブ１６へのアクセスを可能にするように端面で開いてもよい。
【００４１】
さらに、構造体２０は、燃料タンク１０の供給ライン２４のための通路を表す横方向開口部２２を有する。したがって、供給ライン２４は、構造体２０を通して案内され、それぞれの層１２（Ｌ１またはＬ２）の個々のタンク１４のすべてのバルブ１６を接続する。したがって、２つの供給ライン２４が、そのうち一方が流入ライン、他方が排出ラインとして、一つの層１２ごとに設けられうる。
【００４２】
しかしながら、構造体１８は個々のタンク１４の一部である必要はない。代替的に、燃料タンク１０の構造体１８は、個々のタンク１４とは別個の補助構造体２６として設計されてもよい。当然、個々のタンク１４とは別個の補助構造体２６は、個々のタンク１４への力を伝達（force-conducting）するような接続を排除しない。
【００４３】
寧ろ、このことは、コンポーネント２６が補助構造体として提供され、それらのコンポーネントが個々のタンク１４から独立して設計されていることを意味する。
【００４４】
燃料タンク１０の剛性をさらに向上させるように、個々の層１２（Ｌ１およびＬ２）を、力を伝達するように相互に接続する、例えば、接着接合またはボルト締めすることができる。
【００４５】
図４は、燃料電池車として設計され得る車両１００を示す。この場合、車両１００は、電気エネルギーを車両１００の駆動モータ（走行用モータ、図示せず）に供給するための燃料電池（図示せず）を含む。燃料タンク１０は水素を貯蔵するために使用され、その水素は、運転時に燃料電池により電気エネルギーに変換される。
【００４６】
車両１００は、車両１００の座席１０４を包囲し、したがって公知の方法により車両の乗員のための保護された空間を形成する、パッセンジャーセル１０２を有する。燃料タンク１０は、座席１０４およびパッセンジャーセル１０２の下に位置する。燃料タンク１０は、パッセンジャーセル１０２の下の全領域を実質的に占めることができる。したがって、第１の層Ｌ１の細長い個々のタンク１４は、実質的にパッセンジャーセル１０２の全長に亘って延在する一方、第２の層Ｌ２の個々のタンク１０は、実質的にパッセンジャーセル１０２の全幅に亘って延在する。しがたって、燃料タンク１０は、車両１００の前端と車両の後端との間の電力線を提供する。これは、主に第１の層Ｌ１によって行われる。さらに、２つのサイドスカート１１０もまた、燃料タンク１０により力を伝達するように接続されており、これは主に第２の層Ｌ２によって保証される。
【００４７】
第１の層Ｌ１の向きＯ１は、車両の長手方向に対応し、燃料タンクの第二層Ｌ２の向きＯ２は、車両の横方向ＦＱに対応する。当然ながら、第２の層Ｌ２が第１の層Ｌ１の上に位置するように、層Ｌ１およびＬ２の構成を逆にしてもよい。
【００４８】
さらに、図１〜図４による実施形態では、少なくとも１つのさらなる層１２を設けることができる。少なくとも１つのさらなる層の向きは、向きＯ１またはＯ２に対応してもよく、それと異なってもよい。
【００４９】
全体として、燃料タンク１０の剛性の増加は、本発明による燃料タンク１０によって達成される。この増加した剛性を利用して、本発明による車両１００を強化および／または軽量化することができる。これは、事故が発生した場合の車両１００の乗客の安全性を高めると同時に行われる。
【００５０】
さらに、実施形態の解決策は、互いに組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０…燃料タンク
１２…層
１４…個別タンク
１６…接続部／バルブ
１８…燃料タンク構造体
２０…単一タンク／タンクキャップ／接続キャップ／バルブキャップの構造
２２…開口部
２４…供給ライン
２６…補助構造体
Ｌ１…第１の層
Ｌ２…第２の層
Ｏ１…第１の向き／第１の層の向き
Ｏ２…第２の向き／第２の層の向き
１００…車両
１０２…パッセンジャーセル
１０４…座席
１０６…前端
１０８…後端
１１０…サイドスカート
【図１】
0006845374.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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