JP6414751B2 - 燃料電池車向け衝撃緩衝用バンパー - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は現在のガソリン車から水素を燃料とする燃料電池車への移行に伴い、燃料電池車本体からの水素漏洩に伴う災害を防止する安全手段に関する。

次世代のクリーンエネルギー源として期待される燃料電池は同電池を搭載した燃料電池車が既に市販され実用化の段階を迎えている。燃料電池の燃料として使用される水素は車内に搭載された高圧の水素ボンベに貯蔵され、ここから減圧弁を通して燃料電池に供給されて動力用の電気に変換される。

水素は従来の燃料であるガソリンに比べ極めて特異な性質を有している。即ち空気中に漏洩して何らかの着火源が存在すると空気中の水素濃度が４〜７５容量％の範囲で爆発し、かつその着火エネルギーは０．０２ｍＪと極めて小さく、ガソリンに比べ非常に着火し易い物質である。

一方で水素の比重は空気に比べ約１／１５と軽く空気中で容易に拡散する。水素を取り扱う際に安全上で重要なことは万一衝突事故等で水素が漏洩した場合、水素を車両の近傍に滞留させないようできるだけ速やかに大気へ拡散させることである。

更に安全対策の一つとして水素の組成を単独ではなく水素・窒素の混合ガスとして燃焼エネルギーを低下させる方法がある。例えば次の文献が公開されている。
特開２００４−１４６３１２号公報 特開２００４−２２０８０２号公報 特開２００６−２０７７８５号公報

文献１及び文献２には水素製造所から水素ステーションへ導管を用いて水素を単独ではなく水素・窒素の混合ガスとして輸送する方法が記載されている。文献３にはこの混合ガスを水素ステーションで簡便な方法により水素と窒素に分離して水素を燃料電池車に充填する方法が記載されている。

市販された燃料電池車には既に幾重の安全対策が実施されている。例えば炭素繊維を使用して７０ＭＰａ（＝メガパスカル）の超高圧に耐える水素ボンベを使用すること、座席空間は水素を取り扱う空間から完全に隔離すること、車両に水素ガス検知器を配置して水素の漏洩時に警報を発すること等である。

一方で将来に向けて更なる安全対策の強化も進行中である。中でも重要な課題の一つは現在の高圧貯蔵方式に替わる新たな水素貯蔵技術の開発である。水素を限られた車内スペース内で効率よく貯蔵するには現状は水素ボンベに水素を高圧のガス状で貯蔵する方法が本命とされ、市販車を含め試作車でも全てこの方式が採用されている。

しかし走行中に衝突や落盤等の事故に遭遇した場合、発生の確率は低いが、水素ボンベ本体やその関連部品、例えば水素ボンベから燃料電池へ通じる経路や部品等が破損し、水素が漏洩する潜在的な危険性は未だ完全には払拭されていない。

現状ではこの対策として該当する水素の配管や部品を更に外管で囲んで２重管とし、漏洩した水素を外気へ誘導する対策が取られている。しかし衝突時の衝撃で外管自体が破損すれば水素は燃料電池車の近傍に拡散し、何らかの着火源で爆発を起こす危険が生じる。

水素の漏洩を仮定した被害想定では例えば水素４ｋｇを搭載した燃料電池車が事故に遭遇し、水素の全量が漏洩して車の周囲に半球状に拡散、水素濃度で１０容量％の爆鳴気を生成して着火した場合、その燃焼熱により車を中心とする半径で約７ｍの範囲は５００度を超える高温に曝される との試算が報告されている。

上記のような事故は一般の地上道路で発生する確率は極めて低いが、地下トンネルや長大トンネルのような閉鎖空間で発生すると甚大な被害を引き起こす恐れがある。このため上記トンネル内での燃料電池車の走行に関し関係官庁から厳しい規制が行われており、該当するトンネルについては トンネル毎に通行の可否が認可されている。

更に近年、全く別の観点であるが、自動車業界では車の自動走行が本格化する動きが進行している。車の自動走行とは車の操縦を自動化して無人で目的地まで走行させることで、燃料電池車はこの分野でも次期エコカーの主力車種として期待されている。以上の背景の元で燃料電池車の安全対策を考える際は将来の自動走行にも適応できる手段を選択する必要がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、発明者が想定する形状を有する燃料電池車において、安全上の重要部品である衝撃緩衝用バンパーに着目し、これを改良して、万一事故に遭遇した場合でも人的被害を出来るだけ小さくする手段を提供する。

最初に本発明の全体の構成を記す。本発明は大別して衝撃緩衝用バンパー、水素ボンベと燃料電池を収納する貯蔵室（＝以下、貯蔵室と称す）及びそれ等の関連部品で構成される。この概略を図１に示す。

第一番目に窒素ガスを封入した衝撃緩衝用バンパー（＝以下、窒素バンパーと称す）の形状と配置場所について記す。窒素バンパーは形状が円筒状で燃料電池車本体の外周の全周に渡って帯状に取り付ける。図１では窒素バンパーは関連する機器との繋がりを解かり易くするため、車両の前後に円として表示されている。

従来のバンパーは全て車両の前部と後部に配置されているが、窒素バンパーは車両の外周の全周に取り付けることが本発明の大きな特徴である。車両の全周に設置した窒素バンパーは衝撃時の応力をその全周に分散できる。この際、車両の全ての車輪は窒素バンパーの内側に取り付けられる。窒素バンパーの内部には窒素ガス（＝以下、窒素と略す）が例えば０．１０〜１．００ＭＰａ程度の圧力を保つように充填される。

第二番目に窒素バンパーの材質とその付属品について記す。窒素バンパーの主たる材質は合成ゴムまたは合成樹脂で衝突等の衝撃で変形することが可能なように弾性を有す。窒素バンパーには貯蔵室に窒素を送り込む配管を取り付け、この配管上に窒素放出弁と放出量を制限するオリフィス（＝以下、制限オリフィスと称す）を取り付ける。更に同じ配管には窒素バンパー内部の圧力を検出できる圧力検出器を設置する。

窒素放出弁とは窒素バンパー内の圧力が設定値以上に達した時、開放する弁を指し、一般的なバネ式安全弁とは異なり、一旦作動すると開放状態をそのまま維持する構造になっている。窒素放出弁を開放する圧力の設定値は衝突等により窒素バンパーの圧力が充填圧力に対して例えば１．１〜２．０倍に上昇した値の中から選択する。

制限オリフィスとは窒素バンパー内の窒素の放出量を調整するために設けるものでその目的は窒素の放出時間を調整して万一の事故遭遇時に搭乗者が安全に車外に脱出する時間を確保すると共に窒素バンパーからの急激な窒素の放出により貯蔵室本体が破損することを防ぐためである。

窒素放出弁には上記の圧力検出器により作動する方式の他に貯蔵室に設置した水素検知器により水素濃度を検知して水素濃度が設定値以上に達した時に開放する窒素放出弁を別途取り付ける。この窒素放出弁の作動時の機構は前記の圧力検出方式と同じであるが、窒素放出弁を開放する設定値は水素濃度で例えば１．０〜４．０容量％から選択した値とする。前項の検出法と併せて２種類の検知方法と関連する機器の構成を図２に示す。

更に貯蔵室には貯蔵室に放出された窒素を貯蔵室内のガスと共に大気へ放出する配管、破裂板（＝ラプチュア デスク）及びベント配管を取り付ける。貯蔵室内は水素の爆発を防ぐため、平常時も常に窒素雰囲気に保つ。 この窒素雰囲気に保つため破裂板を取り付け、貯蔵室内の圧力を常時数百ｍｍ水柱程度に維持する。

衝突等で窒素バンパーから貯蔵室に窒素が放出されると貯蔵室内の圧力が上昇して破裂板が破れて室内のガスは窒素と共にベント配管を経由して大気にベントされる。ベント配管の口径は貯蔵室が過圧にならないよう十分に余裕を持つ口径とする。
尚、図２にはベント配管は記載されていない。

本発明では燃料電池車の安全部品の一つであるバンパーに着目し、従来のバンパーに替えて窒素ガスを封入した新型バンパー（＝窒素バンパー）を取り付けて衝突等の衝撃緩衝の役目を強化した。一方、自動車業界では新たな課題として車の自動走行が注目されている。 自動走行ではソフト面で無人運転による自動化を計ることに加えハード面でも車両本体の一層の強化が重要である。本発明はこの新たな分野においても燃料電池車本体の安全面の強化に繋がる効果が期待できる。

第一番目に窒素バンパーの窒素充填量について記す。現状の燃料電池車の水素ボンベに搭載される水素量はタンクの大きさや耐圧によるが、最大で約５０Ｎｍ_３前後である。従って衝突等で窒素を用いて燃料電池車から大気へ放出しなければならない水素量はこの５０Ｎｍ_３が対象となる。

水素中へ窒素を放出させる場合、窒素の混入率が大きくなれば、水素の燃焼熱は小さくなり安全である。安全工学では、水素中の窒素の混合率が５０％を越えればその混合ガスが空気中に漏洩して着火しても、燃焼の中でも最も危険な爆轟現象（＝衝撃波を伴う激しい爆発）は回避できると言われている。

従って上記の水素搭載量から判断すれば窒素充填量の目標値は上記の水素搭載量と同じ５０Ｎｍ３が一つの目安となる。 この数値に対し現状の燃料電池車の外周の全周に窒素バンパーを取り付けるケースを想定すると、例えば窒素バンパーの仕様を口径１０Ｂ、長さ１０ｍ、充填圧力１ＭＰａの場合、窒素充填量は約５．１Ｎｍ３となる。これは目標値の約１０％に過ぎない。

窒素の充填量を上げるためには窒素バンパーの充填圧力を上げる必要があるが、圧力を上げ過ぎれば窒素バンパーの弾力性が減少し、バンパー本来の機能を損ねる結果となる。上記の数値は現状では目標値に対し未達であるが、窒素バンパー導入の初期段階ではこの値でやむを得ない。将来新素材の開発により窒素バンパーの弾力性を向上させて窒素の充填量を増す、更に燃料電池車の燃費向上により水素の搭載量を減らす等の改善で、この比率を順次目標値に近づけることは可能である。

第二番目に窒素バンパーからの窒素の放出量について記す。窒素バンパーからの窒素の放出量は事故に遭遇した場合、搭乗者全員が安全に車から車外に脱出するために必要な放出時間を考慮して決定される。放出時間は窒素バンパーからの窒素の放出速度によるので、放出時間を決めるには窒素の放出速度を何等かの手段で調整する必要がある。このため窒素ガスの放出経路に制限オリフィスを取り付けて窒素の放出量を調整する。

例えば搭乗者が４人の場合、一人当たりの脱出時間を約３０秒と想定すれば、４人の搭乗者全員が車外に脱出するためには２分間は窒素を放出し続ける必要がある。 実際のオリフィス口径の計算では例えば窒素バンパー内の窒素保有量の８０％を２分間で放出できるように口径を決定する。更に前述したようにこの制限オリフィスは窒素バンパーからの急激な窒素の放出により貯蔵室が破損することを防ぐ役割も果たしている。

第三番目に窒素バンパーからの放出条件について記す。窒素バンパーからの窒素放出弁は前述した通り、窒素バンパーの圧力を検出して作動するタイプと貯蔵室の水素濃度を検知して作動するタイプの２種類を選定する。更に両タイプの作動要因は各々独立した要因とする。

窒素の放出条件を決めるソフト面（＝論理回路）の作成では、上記の作動要因を「ＡＮＤ回路」ではなく、「ＯＲ回路」で連結する。「ＯＲ回路」で連結することは作動要因のどちらか一方が働けば窒素が放出されることを意味する。この連結により水素が漏洩した場合、漏洩を見落す確率を非常に小さくすることができる。

第四番目に窒素バンパーの形状について記す。現在試作されている燃料電池車の形状は上部から見ると殆どが丸みを帯びた長方形である。窒素バンパーはこの外周に沿って取り付けられるので、その形状は自動車の形状に類似した長方形となる。

燃料電池車が従来のガソリン車と比べて際立った特徴の一つは車両デザインの自由性にある。即ち、燃料電池車はガソリン車には不可欠なエンジン動力を車輪に伝える機械的なトランスミッションが不要で、燃料電池からの動力を電気ケーブルを使って任意な位置の動力モーター（＝車輪）まで伝達することができる。

この特徴を活かせば車両の形状を従来の長方形から他の形状に容易に替えることが可能である。例えば力学上で外部からの衝撃により耐える形状は長方形より丸みを帯びた楕円形である。この形状を持つ窒素バンパーの配置を図３に示す。図中、上段は上部から見た座席の配置、中段は側面図、下段は下部から見た車輪の配置を示す。

更に形状を外部からの衝撃に最も耐える円形にすることも可能である。この形状を図４に示す。上段の座席は自動走行時にシートを回転させてお互い向かい合わせて座ることができる。下段の車輪はタイヤ車軸を左右１８０度回転させて車両を東西南北の任意の方向へ進めることができ車両の最小回転半径をゼロに近づけること が可能となる。また車輪の数は４輪は勿論のこと３輪でも十分走行が可能である。乗用車の車輪の数を上記のような３輪とするデザインは燃料電池車を含む電気自動車だけが可能であり、従来のガソリンを使用した乗用車では実現が不可能である。

このような円形の形状を擁する車両のバンパーに本発明の窒素バンパーを使用すれば車内の居住面積当たりの外周の長さは他の形状と比較して最小となる。その結果、窒素バンパーの長さが減少して窒素の充填量は減少するが、不足分は窒素バンパーの口径を大きくするか、窒素の封入圧力を高める等で対処は可能である。

車両の形状を円形構造とする場合、最大の長所は外部からの衝撃に対し車体の強度を最強にできることである。この形状を有する車両は将来の車の自動走行を想定した場合、搭乗者の安全確保に大きく貢献できる。尚、図３及び図４は窒素バンパーの配置を解かり易く示すためのもので、図の一部は簡略化されている。

本発明は燃料電池車の安全対策として、数多くの部品の中から衝撃緩衝用バンパーに着目し、併せて自動車業界で最近新たな話題となっている車の自動走行の時流にも対応すべく窒素を封入させた新型バンパー（＝窒素バンパー）を提案した。窒素バンパーを取り付ける車両の形状は楕円形または円形で、外観は一見して遊園地等で見かける「バンパーカー」に似ている。しかし外観の形状は類似しているが、本発明の新規性が損われることはない。何故なら窒素バンパーは水素を搭載する燃料電池車にのみ有効な発明だからである。

以上、本発明に関して明細書で詳説した補足内容を纏めると以下の４項目である。
（！）本発明の対象は燃料電池車で特に外周が円形の形状を有する燃料電池車である。
（２）本発明のバンパーの形状は円筒状で内部に空間を有し車外周の全周に設置する。
（３）バンパー内に窒素ガスを充填し衝突時に窒素を放出して車外に水素を追い出す。
（４）本発明の次期対象は車の自動走行に使われる燃料電池車向けのバンパーである。

本発明が産業上で利用されるか否かは今世紀前半の時流の動きに大きく影響される。燃料電池車は昨年度２０１４暮れに国内で世界に先駆けて実用車の発売が開始された。この車は炭酸ガスを一切排出しない「究極のエコカー」と呼ばれ、地球温暖化防止の有力な手段の一つとして世界から注目されている。

しかしこの車が本格的に普及するには未だ幾つかの難題がある。例えば燃料電池車へ水素を補給するための水素ステーションの整備、現状の超高圧ボンベに代わる新しい水素貯蔵法の開発、燃料電池に使われている白金に替る新触媒の開発等が挙げられる。

一方で今世紀の新しい課題として車の自動走行がある。本件に関しては近年は世界の自動車メーカーのみならず、ＩＴ企業も参画して熾烈な先陣争いが開始されている。この課題は早ければ５年以内に高速道路だけでなく、一般道でも試作車の走行が開始されると報道されている。まさに「自動運転で旅する日」の幕開けである。

更に明細書の背景技術の項で前述した通り水素は環境上でクリーンなガスであるが、安全上では極めて危険な物質でもある。過去に数多くの命が水素のよる事故で失われている。今後、新たな需要が喚起されれば、新たな災害が誘発される恐れがある。この防護策として経済的でかつ最も有効な手段は「窒素の採用」である。採用とは今まで見落としていたアイデアを導入するという意である。水素による火災爆発事故を防ぐには窒素の助けがどうしても必要となる。

世間では「２１世紀は水素の時代、その実現への鍵は水素インフラの構築にある」と言われている。この見通しは間違ってはいないが、やや片手落ちに見える。今世紀前半に水素時代の到来を本気で目指すのであれば水素インフラの構築と並行して、窒素インフラの構築が不可欠である。

更に本発明にも解決しなければならない課題が残されている。それは燃料電池車の窒素バンパーや貯蔵室に充填する窒素をどのような方法で補給するかである。窒素バンパーや貯蔵室内に蓄えられる窒素は必要時に何時でも何処でも簡単に補給できなければならない。前記の窒素インフラの構築はこの課題の解決にも繋がっている。

以上の環境の元で本発明は「燃料電池車の普及」と「車の自動走行の実現」という二つの課題に着目し、その適応策を提言している。 両方の課題に共通するキイ・ワードは安全である。２１世紀の第一四半期で自動車業界を取り巻く環境が発明者の思惑通り進展するならば、本発明がその効果を発揮できる可能性は十分に期待できる。

燃料電池車における新型バンパーの配置を示す概略図である。 燃料電池車における新型バンパーの作動要因を示す図である。 車の外周を楕円形とする燃料電池車の概略図である 車の外周を円形とする燃料電池車の概略図である。

１ 運転居住席
２ 衝撃緩衝用バンパー（＝窒素バンパー）
３ 水素ボンベ
４ 燃料電池
５ 水素ボンベと燃料電池の貯蔵室（＝貯蔵室）
６ 窒素放出弁
７ 制限オリフィス
８ 破裂板（＝ラプチュア デスク）
９ ベント配管
１０ 電動モーター
１１ 電気ケーブル
１２ タイヤ
１３ 圧力検出器
１４ 水素検知器
１５ タイヤ車軸

Claims (4)

1. 燃料電池車を衝突時の水素漏洩による火災爆発から護る安全手段であって、燃料電池車の座席部と完全に隔離された窒素雰囲気の貯蔵室に水素ボンベ、燃料電池及びその関連部品を収納し、更に車両本体の外周の全周に弾性を持つ円筒状のバンパーを取り付けて内部に窒素ガスを充填し、衝突等でバンパーから貯蔵室に通じる配管に設置した圧力検出器によりバンパー内の圧力が設定値以上に上昇したことを検出した場合、同配管に設置した窒素放出弁を開放させてバンパー内の窒素ガスを貯蔵室へ放出し、貯蔵室内のガスを貯蔵室から大気に通じるベント配管を通して窒素ガスと共に大気へ放出することを特徴とする燃料電池車向けの衝撃緩衝用バンパー。
2. 前記燃料電池車の貯槽室に設置した水素検知器により貯蔵室内の水素濃度が設定値以上に上昇したことを検知した場合、前記の窒素放出弁とは別に独立させて設置した窒素放出弁を開放させる機能を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の衝撃緩衝用バンパー。
3. 前記バンパーから貯蔵室へ至る配管に窒素放出弁と隣接して同バンパーから放出される窒素ガスの流量を調整できる制限オリフィスを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の衝撃緩衝用バンパー。
4. 前記衝撃緩衝用バンパーを車両の外周の形状が円形又は楕円形で、タイヤ車軸の回転により車両を任意の方向へ進めることができる燃料電池車の外周の全周に備えてなることを特徴とする請求項１に記載の衝撃緩衝用バンパー。

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