JP3792640B2 - 燃料電池システムの車体配置構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの車体配置構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
走行駆動用の電動モータに電力を供給するために燃料電池システムを搭載した燃料電池車においても、他の種々の車両と同様、車両衝突時に生じる衝突エネルギを吸収する衝突エネルギ吸収構造が採用されている。その一例として、サイドメンバを上方凸に屈曲変形しやすい形状にするとともに、サイドメンバ上に配置される燃料電池を保持する燃料電池ボックスも上方凸に屈曲変形しやすい形状とすることで、車両衝突時に、サイドメンバを屈曲変形させるとともに燃料ボックスを屈曲変形させさらに燃料電池を破断させることで衝撃エネルギを吸収するものがある(例えば、特許文献1)。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−192639号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記の衝突エネルギ吸収構造では、高価な燃料電池を破断させることによって衝突エネルギを吸収するため、衝突後の修復コストが膨大なものになってしまう。
【0005】
したがって、本発明は、車両衝突後の修復コストを抑えることができる燃料電池システムの車体配置構造の提供を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、燃料電池(例えば実施の形態における燃料電池38)を保持する燃料電池ボックス(例えば実施の形態における燃料電池ボックス39)と、水素タンク(例えば実施の形態における水素タンク29,30)を保持するサブフレーム(例えば実施の形態におけるサブフレーム22)とを前後に並べて配置するとともに、前記燃料電池ボックスの前記燃料電池よりも前記サブフレーム側に燃料ガス希釈ボックス(例えば実施の形態における希釈ボックス53)を配置してなり、前記燃料ガス希釈ボックスは、アノードに溜まった水や水素ガスに混入した窒素のパージを行う際に同時に排出される水素ガスをカソードから排出される空気と混合することで水素濃度を低減してから大気に排出するもので、前記サブフレームは、矩形枠状に形成された部材であって、前記水素タンクがバンド(例えば実施の形態におけるバンド31,32)により締め付け固定されるとともに、リヤフレーム(例えば実施の形態におけるリヤフレーム13,14)に固定され、さらに前面に平坦面(例えば実施の形態における平坦面26a)が形成されていて、フロア(例えば実施の形態におけるフロントフロア1)下には、前記リヤフレームに接続される左右のフロアフレーム(例えば実施の形態におけるフロアフレーム5,6)に跨るようにして前記燃料電池ボックスが配置され、前記燃料電池ボックスの後面には平坦面(例えば実施の形態における平坦面39c)が形成され、該平坦面が、前記サブフレームの前面の平坦面に対向するようにして両者が前後に近接して配置され、前記燃料ガス希釈ボックスは、前記燃料電池ボックスの後側の壁部(例えば実施の形態における壁部39e)との間に隙間がないように該壁部に突き当てられた状態で前記燃料電池ボックスに固定されていることを特徴としている。
【0007】
これにより、燃料電池ボックスの燃料電池と、燃料ガスタンクを保持するサブフレームとの間に燃料ガス希釈ボックスが配置されることから、車両衝突時にサブフレームに導入された衝突エネルギは燃料ガス希釈ボックスが変形することで十分に吸収されることになる。
【0008】
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明において、前記燃料電池希釈ボックスに固定されたステー(例えば実施の形態におけるステー56)は、根元部(例えば実施の形態における根元部54)が脆弱構造とされていることを特徴としている。
【0009】
これにより、車両衝突時に、燃料電池希釈ボックスに対しこれに固定されたステーに支持された部品が相対的に変位することになっても、ステーの根元部が脆弱構造とされていることから、ステーが破断または変形して変位を吸収することになる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造を図面を参照して以下に説明する。なお、以下における前後左右は、車両の進行方向に対する前後左右である。
【0011】
燃料電池システムに設けられる燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに供給される水素ガス(燃料ガス)とカソードに供給される酸素を含む空気(酸化剤ガス)との酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出する。そして、燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素ガスを貯留させる水素タンク(燃料ガスタンク)と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサとを有しており、さらに、アノードに溜まった水や水素ガスに混入した窒素のパージを行う際に同時に排出される水素ガスをカソードから排出される空気と混合することで水素濃度を低減してから大気に排出する希釈ボックス(燃料ガス希釈ボックス)を有している。
【0012】
図1〜図3に示すように、フロントフロア1の後縁に、後方に立ち上がるように有段成形されたリヤフロア2が接合されている。リヤフロア2の段差部3の裏側には車体骨格部を形成するクロスメンバ4が車幅方向にわたって接合されている。フロントフロア1の下面には外側寄りに車体前後方向に沿って車体骨格部を形成するフロアフレーム5,6が左右に各々接続されている。
【0013】
フロントフロア1の両側縁には左右にインサイドシル7,8が各々接続され、各インサイドシル7,8の後端部にはインサイドシルイクステンション9,10が設けられている。そして、これらインサイドシル7,8にアウトサイドシル7’,8’が接合され車体骨格部であるサイドシル70,80が形成されている。
【0014】
図4に示すように各インサイドシルイクステンション9,10の内側面には各々フロントブラケット11,12が接合されている。なお、図4においては左側のインサイドシルイクステンション9、フロントブラケット11のみを示し、右側は番号のみをかっこ内に示す。
【0015】
フロントブラケット11(12)の後壁上縁のフランジ部11f(12f)には後述するリヤフレーム13(14)の底壁が接続され、前壁上縁のフランジ部11g(12g)にはクロスメンバ4の下面が接続され、前壁11b(12b)は内壁11a(12a)とともに前方に延びてフロントフレーム接続部11h(12h)となりフロアフレーム5(6)に接続されている。また、底壁にはカラーナット15(16)が立設されている。ここで、リヤフレーム13(14)はリヤフロア2の下面に接合され車体骨格部を形成する部材である。
【0016】
したがって、リヤフレーム13(14)の前端部が、フロントブラケット11(12)を介して、サイドシル70(80)とフロアフレーム5(6)に接続されることとなる。
【0017】
図2に示すように各リヤフレーム13,14の後端部下面には、上に開いた断面形状のリヤブラケット17,18が取り付けられている。このリヤブラケット17,18はその側壁がリヤフレーム13,14の両側壁外面に接合され、前部の底壁にはカラーナット19,20が立設されている。
【0018】
ここで、図1に示すように左右のリヤフレーム13,14間には前後に2つのクロスメンバ4A,4Bが接合され、各々の後端部、具体的にはリヤブラケット17,18の後端にバンパビーム21が取り付けられている。
【0019】
そして、フロントブラケット11,12とリヤブラケット17,18の各カラーナット15,16、19,20に下方からサブフレーム22がボルト23により固定されている。
【0020】
サブフレーム22は、左右のフレーム部材24,25と前後のフレーム部材26,27とにより矩形枠状に形成された部材で車幅方向にクロスビーム28を備え、このクロスビーム28により振り分けたスペースに2つの水素タンク(燃料ガスタンク)29,30が各々バンド31,32により締め付け固定されている。また、サブフレーム22にはサスペンションユニット33が取り付けられ、このサスペンションユニット33に図示しないタイヤが取り付けられている。ここで、水素タンク29,30は略両端が球面形状で閉塞された円筒状をなしている。
【0021】
そして、左右のフレーム部材24,25の前端と前部のフレーム部材26の両端との角部には前記カラーナット15,16に挿入されるボルト23の挿通部34,35が設けられ、左右のフレーム部材24,25の後端と後部のフレーム部材27の両端との角部には前記カラーナット19,20に挿入されるボルト23の挿通部36,37が設けられている。
【0022】
このようにして構成されたサブフレーム22の各挿通部34,35、36,37にボルト23を挿通して、このボルト23をリヤフレーム13,14のフロントブラケット11,12とリヤブラケット17,18とに取り付けたカラーナット15,16、19,20に挿入して締め付け固定することで、サブフレーム22をリヤフレーム13,14に固定している。ここで、上記サブフレーム22の前部のフレーム部材26の前面には平坦面26aが形成されている。
【0023】
図3に示すように、フロントフロア1下には、前後左右のフロアフレーム5,6に跨るようにして上記した燃料電池38等を収納状態で保持する燃料電池ボックス39が配置されている。
【0024】
燃料電池ボックス39は、図5にも示すように、燃料電池38を底板39d上に載置させるとともにこれらの横方向の四方を覆う形状をなしている。燃料電池ボックス39は開口を上側に向けた状態で、図3に示すようにフロアフレーム5,6の底壁5a,6aにボルト40およびナット41で固定されることになる。なお、図2に示すように、燃料電池ボックス39の後面には平坦面39cが形成されている。このように構成された燃料電池ボックス39の後面の平坦面39cが、前記サブフレーム22(前部のフレーム部材26)の前面の平坦面26aに対向するようにして両者が前後に近接して配置されている。
【0025】
前後方向において燃料電池ボックス39の後部とサブフレーム22の前部とを跨ぐ位置にセンタピラー71,81が配置されている。具体的には、図3に左側のみを示すように(右側は番号のみをかっこ内に示す)、インサイドシル7(8)とアウトサイドシル7’(8’)とは、上下部でフランジ部78f,78f’により接合され閉断面構造部としてのサイドシル70(80)を形成しているが、上部のフランジ部78fには、インサイドピラー71a(81a)が接合され、アウトサイドシル7’(8’)の外側面にアウトサイドピラー71b(81b)が接合され、これらインサイドピラー71a(81a)とアウトサイドピラー71b(81b)とが車体骨格部としてのセンターピラー71(81)を構成している。
【0026】
ここで、左右のフロアフレーム5,6と左右のインサイドシル7,8との間には、片側で3カ所、両側で6カ所にブラケット42が接合されている。このブラケット42はフロアフレーム5,6とインサイドシル7,8とフロントフロア1の裏面に接合されるフランジ部42aを備えたものである。
【0027】
以上により、燃料電池38を保持する燃料電池ボックス39と、水素タンク29,30を保持するサブフレーム22とが前後に並べて配置されることになり、具体的には、燃料電池ボックス39が前側にサブフレーム22が後側に配置されることになる。
【0028】
そして、図1および図2に示すように、本実施形態においては、燃料電池ボックス39の底板39d上に、前側から順に、燃料電池38用の周辺機器群51、燃料電池38、燃料電池38用の周辺機器群52、上記した希釈ボックス(燃料ガス希釈ボックス)53が固定されている。これにより、燃料電池ボックス39内の燃料電池38よりもサブフレーム22側に希釈ボックス53が配置されることになる。
【0029】
燃料電池38は略直方体形状をなしており、車幅方向に長手方向を配置した状態で燃料電池ボックス39の底板39dに固定されている。
【0030】
希釈ボックス53も、略直方体形状をなしており、車幅方向に長手方向を配置した状態で燃料電池ボックス39の底板39dに固定されている。しかも、希釈ボックス53は、図5に示すように、燃料電池ボックス39の後側の壁部39eとの間に隙間がないように該壁部39eに突き当てられた状態で燃料電池ボックス39に固定されている。希釈ボックス53は、前側の壁部53aおよび車幅方向における一側の壁部53bが凹凸形状をなしている。
【0031】
希釈ボックス53の車幅方向における一側の壁部53bには、燃料電池38を制御するECU等の電装部品ボックス55がステー56を介して取り付けられている。このステー56は、希釈ボックス53への取付側の図6および図7に示す根元部54が脆弱構造とされており、特に車体前後方向に傾倒変形しやすい形状となっている。
【0032】
具体的に、ステー56は、希釈ボックス53の壁部53bに面当たり状態で溶接等により固定される固定板部56aと、この固定板部56aの水平方向の一端縁部から折り起こされた略三角形状をなす側板部56bと、この側板部56bの上端縁部から固定板部56aと同側に水平に折り曲げられた取付板部56cと、この取付板部56cの側板部56bに対し反対側から下方に折り曲げられた略三角形状をなす側板部56dと、この側板部56dの固定板部56a側の端縁部の上下2カ所から固定板部56a側に突出してこの固定板部56aに当接する突出片部56eとを有している。ここで、取付板部56cには穴部57が、側板部56bおよび側板部56dには穴部58が、それぞれ板厚方向に貫通するように形成されている。ここで、ステー56は、金属板から上記形状に打ち抜きおよび折り曲げ加工により形成されている。
【0033】
そして、固定板部56aに当接する突出片部56eが固定板部56aに溶接されている。また、取付板部56cは、固定板部56aに対し間に空間を形成するように離間している。ここで、固定板部56aと側板部56bとの境界の折曲部59と、固定板部56aと突出片部56eとの当接状態で溶接される当接部60とがステー56の上記した根元部54を構成している。なお、ステー56には、取付板部56cの上面に電装部品ボックス55が、取付板部56cの穴部57を介したボルト止め等で取り付けられることになるが、この電装部品ボックス55は、燃料電池ボックス39側にステーで支持される(図示略)とともに希釈ボックス53側にもステー56で支持され、狭い空間内にコンパクトに配置される。
【0034】
以上により、ステー56は、固定板部56aと取付板部56cとの間に取付板部56cを相対的に当接部60から折曲部59の方向に移動させるように設定以上の荷重が加わると、固定板部56aに溶接されることで接合強度が抑えられた突出片部56eが固定板部56aから容易に外れる(つまり根元部54の一方が破断する)。その結果、ステー56は固定板部56aに対し一体の側板部56b側においてのみ接合状態が維持されることになることから、この側板部56bの固定板部56aとの間の折曲部59のみで支持される状態となって、この折曲部59を中心として、固定板部56aに対し残りの側板部56b、取付板部56c、側板部56dおよび突出片部56eが容易に全体的に傾倒する(つまり根元部54の他方が折れ曲がる)。
【0035】
このような破断および変形に方向性のあるステー56は、固定板部56aにおいて希釈ボックス53の壁部53bに固定される際に、後方からの車両衝突で前方に移動する希釈ボックス53を介して固定板部56aに前方の力が加わる一方で取付板部56cの移動が規制されたときに、固定板部56aと突出片部56eとの当接部60が離間容易な姿勢とされる。つまり、車両衝突時における希釈ボックス53および固定板部56aの相対変位方向に対し上流側に折曲部59が下流側に当接部60がそれぞれ配置される姿勢で設けられている。なお、ステー56は、根元部54も含んで通常の走行時に加わる荷重に対しては変形しない強度を有しており、上記形状とすることで特に上下方向および左右方向に関しては高い強度を有している。
【0036】
以上の構成の本実施形態において、図8〜図10にそれぞれ(a)で示す通常の状態から、車両の後部衝突時に水素タンク29,30を保護するサブフレーム22が前方に変位しても、サブフレーム22の前部のフレーム部材26の平坦面26aが燃料電池ボックス39の壁部39eの平坦面39cに全体にわたって均一に押圧力を作用させることになり、荷重が面全体に分散して、燃料電池ボックス39の変形を防止することになる。
【0037】
そして、さらに大きな衝突エネルギをもってサブフレーム22が前方に変位した場合であっても、サブフレーム22は、図8(b)および図9(b)に示すように、燃料電池ボックス39の壁部39eを変形させさらに希釈ボックス53を変形させることになり、これら壁部39eおよび希釈ボックス53の変形で衝突エネルギが吸収されることになる。特に希釈ボックス53は密閉されておりしかも変形しても容積変化は生じるものの密閉状態が維持されることになって、衝突エネルギを良好に吸収する。これにより、サブフレーム22が希釈ボックス53の前方の燃料電池38にまで至ることを防止できる。
【0038】
また、このようにサブフレーム22が希釈ボックス53を変形させるように変位する際に、希釈ボックス53が衝撃で前方に移動すると、側方に設けられた電装部品ボックス55は希釈ボックス53に対し相対的に後方に変位することになり、この電装部品ボックス55を希釈ボックス53に取り付けているステー56も電装部品ボックス55が取り付けられている取付板部56cが、希釈ボックス53に固定されている固定板部56aに対して相対的に後方に変位しようとする。すると、ステー56は、図10(a)に示すように当接状態で溶接された固定板部56aおよび突出片部56eの当接部60が、図10(b)に示すように離間、つまり固定板部56aから突出片部56eが容易に外れ、側板部56bおよび固定板部56aの境界の折曲部59を中心として、固定板部56aに対し残りの側板部56b、取付板部56c、側板部56dおよび突起片部56eが容易に、相対的に後方に傾倒して取付板部56cを後方に変位させることになる。つまり、希釈ボックス53が衝撃で前方に移動しても、取付板部56cの位置はそのまま維持した状態で固定板部56aが容易に前方に移動することになる。その結果、希釈ボックス53に接合された固定板部56aは希釈ボックス53に対する変位量が抑えられる。したがって、希釈ボックス53のステー56の取付位置に局部的に力が加わることがなくなり、希釈ボックス53の破れを防止することができる。
【0039】
以上に述べたように、本実施形態によれば、燃料電池ボックス39の燃料電池38と、水素タンク29,30を保持するサブフレーム22との間に希釈ボックス53が配置されることから、後方からの車両衝突時にサブフレーム22に導入された衝突エネルギは希釈ボックス53が変形することで十分に吸収されることになる。したがって、燃料電池38を破損させずに済むため、車両衝突後の修復コストを抑えることができる。
【0040】
また、車両衝突時に、希釈ボックス53に対しこれに固定されたステー56に支持された電装部品ボックス55に上記のような相対変位があっても、ステー56の根元部54が脆弱構造とされていることから、ステー56が部分的に破断および変形して、この変位を吸収することになり、希釈ボックス53のステー56の取付位置に局部的に力が加わることを防止でき、希釈ボックス53の破れを防止することができる。
【0041】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1に係る発明によれば、燃料電池ボックスの燃料電池と、燃料ガスタンクを保持するサブフレームとの間に燃料ガス希釈ボックスが配置されることから、車両衝突時にサブフレームに導入された衝突エネルギは燃料ガス希釈ボックスが変形することで十分に吸収されることになる。したがって、燃料電池を破損させずに済むため、車両衝突後の修復コストを抑えることができる。
【0042】
請求項2に係る発明によれば、車両衝突時に、燃料電池希釈ボックスに固定されたステーに支持された部品が変位することになっても、ステーの根元部が脆弱構造とされていることから、ステーが破断または変形して変位を吸収することになり、希釈ボックスのステー取付位置に局部的に力が加わることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造を示す平面図である。
【図2】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造を示す側面図である。
【図3】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造を示す図1におけるA−A線に沿う断面図である。
【図4】 フロントブラケットの斜視図である。
【図5】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造の要部を示す斜視図である。
【図6】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造に使用されるステーを示す斜視図である。
【図7】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造に使用されるステーを示す別の角度から見た斜視図である。
【図8】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造の要部を示す側面図で、(a)は車両衝突前の状態を、(b)は車両衝突後の状態をそれぞれ示すものである。
【図9】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造の要部を示す平面図で、(a)は車両衝突前の状態を、(b)は車両衝突後の状態をそれぞれ示すものである。
【図10】 本発明の一実施形態の燃料電池システムの車体配置構造のステーを示す平断面図で、(a)は車両衝突前の状態を、(b)は車両衝突後の状態をそれぞれ示すものである。
【符号の説明】
22 サブフレーム
29,30 水素タンク(燃料ガスタンク)
38 燃料電池
39 燃料電池ボックス
53 希釈ボックス(燃料ガス希釈ボックス)
54 根元部
56 ステー
Claims (2)
- 燃料電池を保持する燃料電池ボックスと、水素タンクを保持するサブフレームとを前後に並べて配置するとともに、前記燃料電池ボックスの前記燃料電池よりも前記サブフレーム側に燃料ガス希釈ボックスを配置してなり、
前記燃料ガス希釈ボックスは、アノードに溜まった水や水素ガスに混入した窒素のパージを行う際に同時に排出される水素ガスをカソードから排出される空気と混合することで水素濃度を低減してから大気に排出するもので、
前記サブフレームは、矩形枠状に形成された部材であって、前記水素タンクがバンドにより締め付け固定されるとともに、リヤフレームに固定され、さらに前面に平坦面が形成されていて、
フロア下には、前記リヤフレームに接続される左右のフロアフレームに跨るようにして前記燃料電池ボックスが配置され、
前記燃料電池ボックスの後面には平坦面が形成され、該平坦面が、前記サブフレームの前面の平坦面に対向するようにして両者が前後に近接して配置され、
前記燃料ガス希釈ボックスは、前記燃料電池ボックスの後側の壁部との間に隙間がないように該壁部に突き当てられた状態で前記燃料電池ボックスに固定されていることを特徴とする燃料電池システムの車体配置構造。 - 前記燃料ガス希釈ボックスに固定されたステーは、根元部が脆弱構造とされていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの車体配置構造。
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