JP4860426B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池自動車に関するものである。
従来から、燃料電池発電装置を車両後部に搭載し、この燃料電池発電装置の周囲を囲む帯状の衝撃吸収用梁を設けると共に、燃料電池発電装置の上部および側部を覆う防護隔壁を設ける構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平5−77648号公報
ところで、特許文献1は大型バスをイメージした構造であり、同様の構造を小型燃料電池車に採用すると、車両の形状における設計の自由度が低下し、車両の後部が画一的なものとなってしまうという問題があった。そこで、小型燃料電池車の車体フロア下方に燃料電池システムを配置するものが知られるようになった。しかしながら、フロアパネルのフロアトンネル内に燃料電池システムを配置すると、衝突安全性を確保するためにフロアトンネルの補強を一般自動車の場合よりもより強固に補強しなければならないという問題があり、フロアトンネルを補強するために板厚を厚くすると、車両の重量増加を招き、かつ乗員空間を狭めてしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池システムを車体フロア下方に搭載する車両において、車両の重量を増加させず、かつ乗員空間を狭めることなく衝突安全性を確保することができる燃料電池自動車を提供するものである。
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、サブフレーム(例えば、実施形態におけるサブフレーム40)に燃料電池システム(例えば、実施形態における燃料電池スタック12)を固定しフロアパネル(例えば、実施形態におけるフロアパネル1)と前記サブフレームとが車幅方向に異なる動きをした際に、前記燃料電池システムは前記サブフレームとともに車幅方向にスライド可能に構成され、前記燃料電池システムを車幅方向でスライド可能に貫通する補強部材(例えば、実施形態における補強部材57)を設け、該補強部材の両端をセンターコンソール側壁(例えば、実施形態における側壁25)に連結し、車両の側面方向から衝撃力が作用した際、座席(例えば、実施形態におけるフロントシート20)を介して伝達される前記衝撃力を、前記補強部材を介して衝突側から非衝突側へ伝達可能に構成したことを特徴とする。
請求項2に記載した発明は、前記補強部材は、その両端に係合片(例えば、実施形態における係合片56)を有するロッド(例えば、実施形態におけるロッド61)を備え、前記センターコンソール側壁内側に設けられたフック(例えば、実施形態におけるフック55)に係合されることを特徴とする。
請求項3に記載した発明は、サブフレーム(例えば、実施形態におけるサブフレーム40)に燃料電池システムを固定し、前記サブフレームに前記燃料電池システムを取り囲む枠状フレーム(例えば、実施形態における枠体66)を設け、該枠状フレームには、左右の座席に対応する位置に係合片(例えば、実施形態における係合片69)を備えたロッド(例えば、実施形態におけるロッド67)を設け、前記係合片をセンターコンソール側壁内側に設けられたフックに係合し、車両の側面方向から衝撃力が作用した際、前記座席を介して伝達される前記衝撃力を、前記枠状フレームを介して衝突側から非衝突側へ伝達可能に構成したことを特徴とする。
請求項1に記載した発明によれば、補強部材を設けることで、車両の側面方向から衝撃力が作用した際、座席を介して伝達される衝撃力を衝突側から非衝突側へ確実に伝達することができるため、燃料電池システムに与える影響を減少させることができると共に、衝突側と非衝突側とで衝撃力を分担することができるため、車両重量を増加させず、かつ乗員空間を狭めることなく衝突安全性を確保することができる効果がある。
請求項2に記載した発明によれば、補強部材を簡易な構造でセンターコンソールに係合することができるため、製造工程を複雑化させることなく実現できると共に、確実に補強部材を安定支持することができる効果がある。
請求項3に記載した発明によれば、枠状の補強部材を設けることで、車両の側面方向から衝撃力が作用した際、座席を介して伝達される衝撃力を衝突側から非衝突側へ確実に伝達することができるため、燃料電池システムに与える影響を減少させることができると共に、衝突側と非衝突側とで衝撃力を分担することができるため、車両重量を増加させず、かつ乗員空間を狭めることなく衝突安全性を確保することができる効果がある。また、燃料電池システムの構造に影響を与えることがないため、燃料電池システムの構造を複雑化させることなく、かつ車体の製造工程を複雑化させることなく実現することができる効果がある。
(第一実施形態)
次に、本発明の第一実施形態を図1〜図8に基づいて説明する。
なお、本実施形態における各装置の取付方向や位置を示す定義は、車両進行方向を前方とし、車両進行方向に向かって右方向及び左方向を定義するものとする。なお、図中FRは車両進行方向前方を示す(以降の実施形態においても同様)。
燃料電池自動車は、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スタックを車体のフロア下に搭載するもので、燃料電池により生じた電力で駆動モータを駆動して走行する。燃料電池は、単位電池(単位燃料電池)を多数積層してなる周知の固体高分子膜型燃料電池(PEMFC)であり、そのアノード側に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給することで、電気化学反応により電力を生成すると共に水を生成する。
図1、図2に示すように、燃料電池自動車には車体前部から車体後部に亘りフロアパネル1の下方に車体骨格部材を形成する左右一対のサイドフレーム2が設けられている。左右のサイドフレーム2の外側壁3にはアウトリガー4を介してサイドシル5が接合されている。サイドシル5の後端部はイクステンション6を介してサイドフレーム2の後部に合流するように接続されている。
また、サイドフレーム2には車幅方向に車体骨格部材であるクロスメンバ7,8,9が接続されている。
車体前部のモータルーム10にはフロントサブフレーム11が設けられ、ここに燃料電池スタック12に空気を供給するコンプレッサ13と、走行用の駆動モータ14とからなるポンプモータユニット15が配置されている。
車体後部にはサイドフレーム2に下側から図示しない車輪およびサスペンションを一体で備えたリヤサブフレーム16が取り付けられ、このリヤサブフレーム16には燃料電池スタック12の燃料である水素を貯留する水素タンク17および蓄電池18が配置されている。
このように構成されたサイドフレーム2上であって、サイドシル5,5間に亘る部位にフロアパネル1が接合されている。フロアパネル1の前端部は前側に立ち上がりダッシュロア1aへと連なり、フロアパネル1の後端部はリヤサブフレーム16の水素タンク17上部を覆う位置まで延出している。
フロアパネル1にはダッシュロア1aの下端部から車体後部に向かう左右のフロントシート20、リヤシート21間に、上方に膨出するフロアトンネル22が形成されている。このフロアトンネル22には左右のフロントシート20,20間に車体前後方向に延出し更に上方に膨出するセンターコンソール23が形成されている。
図3に示すように、フロアトンネル22の左右の立ち上がり部24から、センターコンソール23の側壁25に至る下面部位には三角形状の断面を形成するレインフォース26が接合され、フロアトンネル22及びセンターコンソール23を補強している。レインフォース26の下面には車体前後方向に沿って閉断面構造のセンターフレーム27が接合され、前記サイドフレーム2の内側壁とフロアパネル1とのコーナー部分には車体前後方向に沿って閉断面構造の補強フレーム28が接合されている。そして、これらセンターフレーム27と補強フレーム28との下面にはサブフレーム40が取り付けられ、このサブフレーム40に搭載された燃料電池スタック12及び補機類19がセンターコンソール23内、つまり車室外側であるフロアパネル1下に配置されている。このように構成することによって、燃料電池を乗員の居住空間とフロアパネル1(センターコンソール23)によって隔絶することができる。
図4に示すように、サブフレーム40は、アウトリガー4に対応した位置に配置され車幅方向に延出する前サブクロスフレーム41と後サブクロスフレーム42を備えている。前後サブクロスフレーム41,42間には、これら前後サブクロスフレーム41,42の左右の端部同士を接合するサブサイドフレーム43,43が設けられ、このサブサイドフレーム43,43はサイドフレーム2の内側壁に沿って補強フレーム28下に配置されるものである。
左右のサブサイドフレーム43の内側にはセンターフレーム27の下側に位置するサブセンターフレーム44が車体前後方向に沿って配置されている。このサブセンターフレーム44の前端部は前サブクロスフレーム41に接続され、サブセンターフレーム44の後部は後サブクロスフレーム42に接合され、サブセンターフレーム44は更に後サブクロスフレーム42よりも後方に延出している。左右のサブセンターフレーム44の後端部は車幅方向に配置されたエンドパイプ45によって連結され、エンドパイプ45の左右の端部と後サブクロスフレーム42の左右の端部は斜めに配置されたガセットパイプ46により接合されている。
各サブセンターフレーム44とサブサイドフレーム43との間には前側と後側に中間パイプ47,47が所定間隔をもって接続されている。
サブフレーム40の前後サブクロスフレーム41,42間であって左右のサブセンターフレーム44間に燃料電池スタック12が配置されている。この燃料電池スタック12は前後サブクロスフレーム41,42に固定したブラケット48,49を介してサブフレーム40に固定されている。また、エンドパイプ45と後サブクロスフレーム42との間には左右のサブセンターフレーム44間に燃料電池スタック12の補機類19が配置されている。
具体的には、図5に示すように補機類19は下側から酸素系補機類19a、その上に水素系補機類19b、更に上に燃料電池スタック12のシステムを管理するECU19cの順に配置されている。
図4に戻り、左側の前後中間パイプ47,47間にはDC−DCコンバータ51が、右側の前後中間パイプ47,47間にはヒーター50が各々載置されている。燃料電池スタック12の前方、つまりセンターコンソール23内の前端側には、コンタクタボックス52が配置されている(図2参照)。このコンタクタボックス52は、例えばサブフレーム40上には搭載されず、サブフレーム40の直前の両センターフレーム27間に渡って設けられた図示しない支持フレームに直接固定してもよい。
そして、サブサイドフレーム43と前後サブクロスフレーム41,42との取付部には、車体の補強フレーム28に対する取付点Pが設定され、サブセンターフレーム44と前後サブクロスフレーム41,42との取付部には車体のセンターフレーム27に対する取付点Pが設定され、エンドパイプ45とガセットパイプ46とサブセンターフレーム44との取付部には車体のセンターフレーム27に対する取付点Pが設定されている。これら10箇所の取付点P,P,…において、サブフレーム40が車体のセンターフレーム27及び補強フレーム28に下方からボルト、ナットにより締め付け固定され、サイドフレーム2の上下幅寸法内に収まるようになっている。
図5、図6に示すように、フロントシート20下のフロアパネル1には上方に膨出するシート支持部29が左右に形成され、各々に山形断面形状の前側シートブラケット30が取り付けられ、シート支持部29の後方に位置するフロアパネル1面には後方に下がるクランク形状の後側シートブラケット31が取り付けられている。一方、フロントシート20のシートクッション20C裏面にはシートフレーム32が設けられ、このシートフレーム32の両側部下面に、フロントシート20を車体前後方向に移動可能にするシートレール33が取り付けられている。そして、シートレール33の前端部が前側シートブラケット30に取り付けられ、シートレール33の後端部が後側シートブラケット31に取り付けられ、フロントシート20がフロアパネル1に固定されている。
フロアトンネル22はフロントシート20に着座する乗員の足元付近の第1水平部39aからセンターコンソール23を連続形成し、センターコンソール23は第1水平部39aから後方上部に向かって立ち上がる第1傾斜面34を備え、フロントシート20のシートクッション20Cの上縁位置で水平に延出する第1上壁部35が第1傾斜面34に連続して形成されている。ここで、第1上壁部35の高さはシートクッション20Cの上縁と略同一の高さに設定されている。そして、センターコンソール23はシートバック20Bの前面の手前で更に立ち上がりシートクッション20Cの座面Zよりも高い位置に第2傾斜面36を形成し、更にシートバック20Bを前後方向で横断する水平な第2上壁部37に連続し、この第2上壁部37を経て後方に下がり第1上壁部35よりもやや低い位置に形成されたフロアトンネル22の第2水平部39bに連なっている。尚、図中38は窪み部を示す。
ここで、フロントシート20のシートクッション20Cは、側面視で燃料電池スタック12の配置位置に重なるように配置されている。また、第2上壁部37はシートバック20Bの前面から後面を跨ぐ位置に配置されている。
センターコンソール23の第1上壁部35下方から第2上壁部37の前部下方に亘って燃料電池スタック12が配置され、残りの第2上壁部37の後部からフロアトンネル22の第2水平部39bに亘る部位の下方に燃料電池スタック12の補機類19のうち酸素系補機類19a、水素系補機類19bが配置されている。また、第2上壁部37の直下には、燃料電池スタック12及び水素系補機類19bの上方に空間部53が形成され、ここに燃料電池スタック12のECU19c及び図示しない水素センサが配置されている。尚、センターコンソール23の上部には第1上壁部35の後半部、第2傾斜面36及び第2上壁部37の上方でこれらを覆う位置にアームレスト54が配置されている。
ここで、燃料電池スタック12は車体前後方向に沿って単セル(単位燃料電池)を多数積層した構造のものであって、積層方向の端部である前端部と後端部には金属製のエンドプレート12FE、12REが取り付けられ、このエンドプレート12FE,12REによって積層された単セルを挟み込んで締め付け固定されている。したがって、燃料電池スタック12は車体前後方向に配置されたシートレール33とほぼ平行となるように配置され、シートレール33は、燃料電池スタック12の上下方向略中央部付近、つまり燃料電池スタック12の重心Gの位置(図5参照)と略同等の高さに、前側がやや上方に傾斜した姿勢で配置されることとなる。
また、燃料電池スタック12の積層方向の後端部であるエンドプレート12REはシートレール33の延在範囲に配置されており、シートレール33の後端とエンドプレート12REとは側面視で重複する位置となっている。尚、破線はシートレール33の前端移動位置を示し、このときにシートレール33の前端と燃料電池スタック12の積層方向の前端部であるエンドプレート12FEとは側面視で重複する。
フロアトンネル22の第1水平部39aと、センターコンソール23の第1傾斜面34の前端部に亘る位置には、センターコンソール23の上壁23Uから側壁25の上部を覆うようにして、補強用の前部スティフナー58が重合されている。また、フロアトンネル22の第2水平部39bにもその上壁から側壁の上部を覆うようにして、補強用の後部スティフナー59が重合されている。
ここで、センターコンソール23の両側壁25内面には、燃料電池スタック12の重心Gの車体前後方向のやや後方で、シートフレーム32と略同等の高さに、下向きに開口しているフック55が各々取り付けられている。
図6、図7に示すように、このフック55は、略半円形状のフランジ部55aと、フランジ部55aから連なるように形成されている断面略半円形上の受け部55bと、受け部55bの側面に形成されたつば部55cとで構成されている。フランジ部55aは、センターコンソール23の側壁25の内面に溶接により接合されている。
燃料電池スタック12には重心Gの車体前後方向のやや後方で、シートフレーム32と略同等の高さに断面円形状の貫通孔Hが車幅方向に形成されている。ここで、燃料電池スタック12は単セルが車体前後方向に多数積層されたものであるが、貫通孔Hが形成されている領域は、単セルが積層されず、図示しないスペーサプレートが介装され、ここに貫通孔Hが絶縁された状態で形成されている。そして、貫通孔Hには係合片56を両端に備えた補強部材57が挿通されている。係合片56は略円形に形成されている。また、係合片56はフック55の受け部55bに係合する大きさに形成されている。また、左右の係合片56,56の間には円柱状のロッド61が形成されている。ここで、補強部材57は、例えば炭素繊維強化樹脂または金属により形成されている。
燃料電池スタック12をサブフレーム40にブラケット48,49を介して固定した状態で、サブフレーム40をフロアパネル1に下方から接合すると、補強部材57の係合片56は、フック55の下部開口に嵌合され、係合片56と受け部55bとが接触するように係合される。また、フック55のつば部55cが、係合片56の車幅方向の抜け止めを防止するように構成されている。
貫通孔Hの直径は、係合片56の直径よりも小さく、ロッド61の直径よりも大きく形成されている。また、燃料電池スタック12とつば部55cとの間には若干の隙間が形成されている。つまり、フロアパネル1とサブフレーム40とが左右方向に異なる動きをした際に、燃料電池スタック12はサブフレーム40と共に左右方向にスライド可能に構成されている。
上記実施形態によれば、図8に示すように、車両に対して側面からの衝突などにより側方からの入力荷重(矢印で示す)が作用し、この荷重が右側のフロントシート20に作用すると、右側のフロントシート20がシートフレーム32ごと車体幅方向中央部に移動してセンターコンソール23の右側の側壁25を外側から押圧する。ところが、センターコンソール23の右側の側壁25に作用する押圧力は補強部材57の右端の係合片56により受け止められ、ロッド61を介して補強部材57の左端の係合片56からセンターコンソール23の左側の側壁25に伝達され、更に左側のフロントシート20に作用する。したがって、補強部材57によりセンターコンソール23が座屈することなく、入力荷重を衝突側および非衝突側に分散することができる。
また、燃料電池スタック12をポジション的にはフロアレベル上側であって車室空間内のフロントシート20,20間に位置させつつもフロアパネル1下である車室外側に配置することで、乗員の居住空間と隔絶し、かつセンターコンソール23が燃料電池スタック12を保護する部材として有効利用することができる。更に、補強部材57を設けることにより車両の側面からの衝撃力を左右のフロントシート20に分散させて作用させることで、燃料電池スタック12に直接的に作用する荷重を小さくして燃料電池スタック12を確実に保護することができる。
また、本実施形態によれば、補強部材57を設けるだけであるため、車室内の居住空間を狭めることなく、かつ車体重量の増加も最小限に抑えることができつつ、衝撃安全性を確保することができる。
また、補強部材57はフック55の下方から係合する構造のため、取り付け・取り外しが容易であり、燃料電池スタック12のメンテナンスも容易に行うことができる。
また、フック55にはつば部55cが設けられているため、係合片56の車幅方向の抜け止めを確実に防止することができる。
(第二実施形態)
次に、本発明の第二実施形態を図9〜図12に基づいて説明する。
なお、第一実施形態と同じ構成の箇所には、同一部分に同一符号を付して詳細な説明を省略する。
ここで、第一実施形態と第二実施形態とで異なる点は、補強部材の形状およびそれに関連する一部の部材である。
図9〜図11に示すように、サブフレーム40に燃料電池スタック12がブラケット48,49を介して固定されている。サブセンターフレーム44は車体幅方向に横長の閉断面構造を有しており、左右のサブセンターフレーム44の上面外側でセンターフレーム27と接合される。また、左右のサブセンターフレーム44の上面内側で、燃料電池スタック12の重心Gの車体前後方向のやや後方に対応した位置に、左右のサブセンターフレーム44,44間を連結し、燃料電池スタック12を囲うように枠状の補強部材65が設けられている。
補強部材65は、枠体66が備えられている。枠体66は、左右両下端部がサブセンターフレーム44の上面内側に接合されており、燃料電池スタック12の左右両側面および上面を囲うように形成されている。枠体66の左右の側枠66aには円柱状のロッド67が取り付けられ、ロッド67の先端には円形状の係合片69が取り付けられている。係合片69は、シートフレーム32と略同等の高さで、センターコンソール23の両側壁25内面に設けられたフック55に係合される位置に形成されている。左右の側枠66aは燃料電池スタック12の上部に配された上枠66bにより接続されている。
ここで、補強部材65は、例えば炭素繊維強化樹脂または金属により形成されている。補強部材65が炭素繊維強化樹脂により形成されている場合には、枠体66とサブセンターフレーム44とはボルト・ナットにより接合する。また、補強部材65がサブセンターフレーム44と同じ金属の材質で形成されている場合には、ボルト・ナットによる接合や溶接接合などが採用される。
燃料電池スタック12をサブフレーム40に固定した状態で、サブフレーム40をフロアパネル1に下方から接合すると、補強部材65の係合片69は、フック55の下部開口に嵌合され、係合片69と受け部55bとが接触するように係合される。また、フック55のつば部55cが、係合片69の車幅方向の抜け止めを防止するように構成されている。
上記実施形態によれば、図12に示すように、車両に対して側面からの衝突などにより側方からの入力荷重(矢印で示す)が作用し、この荷重が右側のフロントシート20に作用すると、右側のフロントシート20がシートフレーム32ごと車体幅方向中央部に移動してセンターコンソール23の右側の側壁25を外側から押圧する。ところが、センターコンソール23の右側の側壁25に作用する押圧力は、補強部材65の右端の係合片69により受け止められ、右側のロッド67から枠体66を介して左側のロッド67から補強部材65の左端の係合片69に伝達され、その後センターコンソール23の左側の側壁25から左側のフロントシート20に作用する。したがって、補強部材65によりセンターコンソール23が座屈することなく、入力荷重を分散することができる。
したがって、本実施形態は、上記第一実施形態の効果に加えて、補強部材65が燃料電池スタック12の構造に直接影響を与えることがないため、燃料電池スタック12の構造を複雑化させることなく、かつ車体の製造工程を複雑化させることなく実現することができる。
また、補強部材65はサブフレーム40と接合されているため、サブセンターフレーム44を介して、前後サブクロスフレーム41,42にも衝撃力を分散させて作用させることができる。更に、枠体66により燃料電池スタック12の転倒を防止することができ、更なる安全性を確保することができるという効果もある。
尚、この発明は上述した実施形態に限られるものではなく、以下の態様を採用してもよい。
上記実施形態では、補強部材を一つだけ設けた場合の説明をしたが、複数設けてもよい。
上記実施形態では、補強部材の係合片やロッドを円形や円柱形状としたが、機能を満たせば形状は拘らない。
上記実施形態では、フックの形状を下向き開口形状としたが、それに限らず側面を開口させたフックなど機能を満たせば形状は拘らない。
上記実施形態では、燃料電池スタックに貫通孔を形成する説明をしたが、燃料電池スタックを前後に二分割にして、その間に補強部材を配置するようにしてもよい。
本発明の実施形態における車両の側面説明図である。 本発明の実施形態における車両の平面説明図である。 図2のA−A線に沿う断面図であり、第一実施形態におけるフロアパネルの断面図である。 本発明の第一実施形態におけるサブフレームの平面図である。 図1の要部拡大断面図である。 図5のB−B線に沿う断面図であり、第一実施形態におけるサブフレーム取付前の断面図である。 本発明の第一実施形態におけるフロアトンネルの要部斜視図である。 本発明の第一実施形態における側面衝突時の説明図である。 図2のA−A線に沿う断面図であり、第二実施形態におけるフロアパネルの断面図である。 図5のB−B線に沿う断面図であり、第二実施形態におけるサブフレーム取付前の断面図である。 本発明の第二実施形態におけるフロアトンネルの要部斜視図である。 本発明の第二実施形態における側面衝突時の説明図である。
符号の説明
12…燃料電池スタック(燃料電池システム) 20…フロントシート(座席) 23…センターコンソール 25…側壁(センターコンソール側面) 40…サブフレーム 55…フック(開口フック) 56…係合片 57…補強部材 61…ロッド 66…枠体 67…ロッド 69…係合片

Claims (3)

  1. サブフレームに燃料電池システムを固定しフロアパネルと前記サブフレームとが車幅方向に異なる動きをした際に、前記燃料電池システムは前記サブフレームとともに車幅方向にスライド可能に構成され、
    前記燃料電池システムを車幅方向でスライド可能に貫通する補強部材を設け、該補強部材の両端をセンターコンソール側壁に連結し、
    車両の側面方向から衝撃力が作用した際、座席を介して伝達される前記衝撃力を、前記補強部材を介して衝突側から非衝突側へ伝達可能に構成したことを特徴とする燃料電池自動車。
  2. 前記補強部材は、その両端に係合片を有するロッドを備え、前記センターコンソール側壁内側に設けられたフックに係合されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池自動車。
  3. サブフレームに燃料電池システムを固定し、前記サブフレームに前記燃料電池システムを取り囲む枠状フレームを設け、
    該枠状フレームには、左右の座席に対応する位置に係合片を備えたロッドを設け、
    前記係合片をセンターコンソール側壁内側に設けられたフックに係合し、
    車両の側面方向から衝撃力が作用した際、前記座席を介して伝達される前記衝撃力を、前記枠状フレームを介して衝突側から非衝突側へ伝達可能に構成したことを特徴とする燃料電池自動車。
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