JP2005205945A - 燃料電池システムの車両搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管長および配線長が過剰に長くなることを防止しつつ、衝突安全性を向上させる。
【解決手段】 燃料電池１１および燃料電池１１の補機ユニット４０およびキャパシタ３３を、車体骨格部を形成するフロアフレーム１０５，１０６および各クロスメンバクロスメンバ１０４，１４１，１４２，１４３によって周囲を囲まれるように配置し、車両前後方向に沿って、順次、水素タンク１４と、燃料電池１１の補機ユニット４０と、燃料電池１１と、キャパシタ３３とを配置した。
【選択図】 図４

Description

この発明は、燃料電池システムの車両搭載構造に関するものである。

従来、燃料電池を駆動用電源として搭載し、この燃料電池の発電電力によって走行用モータを駆動して走行する燃料電池車両が知られている。
このような燃料電池車両において、車体骨格部をなす車体フレームの各２つの縦方向フレームおよび横方向フレームによって囲まれた領域内の車体フロア下方の位置に燃料電池を配置し、燃料電池の補機類を、２つの横方向フレームによって挟み込まれた領域であって２つの縦方向フレームによって挟み込まれた領域外の車体フロア下方の位置に配置した燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第ＵＳ５６４１０３１号明細書

ところで、上記従来技術に係る燃料電池車両においては、車体フレームによって囲まれた領域内に燃料電池を配置し、この領域外に燃料電池の補機類を配置することから、燃料電池と補機類との間で反応ガスを流通させる配管の長さが過剰に長くなる場合がある。また、燃料電池および燃料電池の補機類をからなる高圧電装系の配線の長さが過剰に長くなることで伝送損失が増大する虞がある。
しかも、車体フレームによって囲まれた領域外に燃料電池の補機類が配置されることで、燃料電池の補機類に衝撃荷重が作用し易くなり、燃料電池の補機類が損傷し易いという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、配管長および配線長が過剰に長くなることを防止しつつ、衝突安全性を向上させることが可能な燃料電池システムの車両搭載構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムの車両搭載構造は、車体側部に車長方向に沿って設けられ車体骨格部を形成するフロアフレーム（実施の形態でのフロアフレーム１０５，１０６）と、車幅方向に沿って設けられ前記フロアフレームに接続されて車体骨格部を形成するクロスメンバ（実施の形態でのクロスメンバ１０４，第１クロスメンバ１４１，第２クロスメンバ１４２，第３クロスメンバ１４３）とによって囲まれた領域内の車体フロア下方の位置に、燃料電池ユニット（実施の形態での燃料電池１１）と燃料電池の補機ユニット（実施の形態での補機ユニット４０）とを車両前後方向に沿って隣り合うように配置し、各前記燃料電池ユニットおよび前記補機ユニットは、各２つの前記クロスメンバ（実施の形態でのクロスメンバ１０４および第１クロスメンバ１４１、第１クロスメンバ１４１および第２クロスメンバ１４２）によって車両前後方向の両側から挟み込まれてなることを特徴としている。

上記構成の燃料電池システムの車両搭載構造によれば、燃料電池ユニットおよび燃料電池の補機ユニットは、それぞれ車体骨格部を形成するフロアフレームおよびクロスメンバによって周囲を囲まれることから、車両衝突時等において燃料電池ユニットおよび燃料電池の補機ユニットが損傷してしまうことを抑制することができ、衝突安全性を向上させることができる。

さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムの車両搭載構造は、車両前後方向に沿って、順次、前記補機ユニットと、前記燃料電池ユニットと、蓄電装置（実施の形態でのキャパシタ３３）とを配置し、前記蓄電装置は、２つの前記クロスメンバ（実施の形態での第２クロスメンバ１４２および第３クロスメンバ１４３）によって車両前後方向の両側から挟み込まれてなることを特徴とする。

上記構成の燃料電池システムの車両搭載構造によれば、燃料電池ユニットと燃料電池の補機ユニットとの間に配設される反応ガスを流通させる配管や冷却媒体を流通させる配管等の長さが過剰に長くなることを防止することができると共に、燃料電池ユニットと蓄電装置との間に配設される高圧の電気配線の長さが過剰に長くなることを防止することができ、燃料電池システムを車両に搭載する際に要するスペースを削減することができる。

さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムの車両搭載構造は、高圧電装系の補機（実施の形態での補機ユニット５０）を、車幅方向にて前記フロアフレームよりも外側の位置に車長方向に沿って設けられたサイドシル（実施の形態でのインサイドシル１０７，１０８）と、前記フロアフレームとに挟み込まれた領域に配置したことを特徴とする。

上記構成の燃料電池システムの車両搭載構造によれば、燃料電池ユニットおよび蓄電装置から電力が供給される高圧電装系の補機を、サイドシルとフロアフレームとに挟み込まれた領域に配置することにより、燃料電池ユニットおよび蓄電装置と高圧電装系の補機との間に配設される電気配線の長さが過剰に長くなることを防止することができる。

本発明の燃料電池システムの車両搭載構造によれば、燃料電池ユニットおよび燃料電池の補機ユニットは、車体骨格部を形成するフロアフレームおよびクロスメンバによって周囲を囲まれることから、車両衝突時等において燃料電池ユニットおよび補機ユニットが損傷してしまうことを抑制することができ、衝突安全性を向上させることができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムの車両搭載構造によれば、燃料電池ユニットと燃料電池の補機ユニットとの間に配設される反応ガスを流通させる配管や冷却媒体を流通させる配管等の長さが過剰に長くなることを防止することができると共に、燃料電池ユニットと蓄電装置との間に配設される高圧の電気配線の長さが過剰に長くなることを防止することができ、燃料電池システムを車両に搭載する際に要するスペースを削減することができる。
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムの車両搭載構造によれば、燃料電池ユニットおよび蓄電装置と高圧電装系の補機との間に配設される電気配線の長さが過剰に長くなることを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの車両搭載構造について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、空気供給装置１２と、加湿器１３と、水素タンク１４と、燃料供給制御弁１５と、エゼクタ１６と、燃料ポンプ１７と、希釈ボックス１８と、パージ弁１９と、電流制御器２０と、中央制御装置（ＥＣＵ）２１とを備えて構成され、この燃料電池システム１０が搭載される燃料電池車両は、燃料電池システム１０と、走行用モータ３１と、出力制御器（ＰＣＵ）３２と、キャパシタ３３とを備えて構成されている。

燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成され、燃料電池セルの積層体は一対のエンドプレートによって積層方向の両側から挟み込まれている。
燃料電池１１のカソードには、酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が空気供給装置（Ｓ／Ｃ）１２から供給され、加湿器１３にて適宜に加湿された後に導入され、アノードには、水素からなる燃料ガス（反応ガス）が高圧の水素タンク１４から燃料供給制御弁１５およびエゼクタ１６を介して供給される。アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

エアーコンプレッサー等からなる空気供給装置（Ｓ／Ｃ）１２を駆動するモータ（図示略）の回転数は、ＥＣＵ２１から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ制御器１２ａによって制御され、Ｓ／Ｃ制御器１２ａは電流制御器２０およびキャパシタ３３に並列に接続されている。
加湿器１３は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成され、燃料電池１１の空気排出口１１ｂから排出される排出空気を、反応ガスとして空気供給装置（Ｓ／Ｃ）１２から空気供給口１１ａへ供給される空気に対する加湿ガスとして利用している。すなわち、水透過膜を介して空気と排出空気とを接触させると、排出空気に含まれる水分（特に、水蒸気）は水透過膜の膜穴を透過した後に水蒸気として空気に供給される。
また、加湿器１３から排出された排出空気は、後述する希釈ボックス１８へ導入されている。

燃料電池１１に対する燃料としての水素は、先ず、高圧の水素タンク１４から燃料供給制御弁１５へ供給される。
燃料供給制御弁１５は、例えば空気式の比例圧力制御弁であって、空気供給装置（Ｓ／Ｃ）１２から供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給制御弁１５を通過した水素が燃料供給制御弁１５の出口で有する圧力が信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように設定されている。
燃料供給制御弁１５を通過した水素はエゼクタ１６を流通して水素供給口１１ｃから燃料電池１１のアノードに供給される。
また、燃料電池１１の水素排出口１１ｄから排出された未反応の排出ガスの一部は、水素ポンプ１７を通じてエゼクタ１６へと導入されており、水素タンク１４から供給された水素と、燃料電池１１から排出された排出ガスとが混合されて燃料電池１１に再び供給されている。
エゼクタ１６は、内部を流通する高速の水素ガス流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１からの排出ガスの一部を吸い込み、この排出ガスを水素タンク１４から供給される水素と混合して燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出された排出ガスを循環させている。
また、燃料電池１１の水素排出口１１ｄから排出された排出ガスは、ＥＣＵ２１により開閉制御される排出制御弁１７ａを通じて希釈ボックス１８へ導入されている。
希釈ボックス１８は、燃料電池１１のアノードに溜まった水や水素に混入した窒素等を外部に排出する際に同時に排出される未反応の排出ガスの水素を、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所定濃度以下に低減してから、パージ弁１９を介して外部（大気中等）へ排出する。

燃料電池１１から取り出される発電電流は電流制御器２０に入力されており、この電流制御器２０には、蓄電装置をなす、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタ３３が接続されている。
電流制御器２０は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成され、ＥＣＵ２１から出力される電流指令値つまり燃料電池１１に対する発電指令に基づいて、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を制御する。
そして、燃料電池１１およびキャパシタ３３は、電流制御器２０を介して、走行用モータ３１を制御する出力制御器３２および空気供給装置（Ｓ／Ｃ）１２を駆動するモータ（図示略）を制御するＳ／Ｃ制御器１２ａ等の電気負荷に対して並列に接続されている。

以下に、上記構成を備える燃料電池システム１０の車両搭載構造について図２から図７を参照して説明する。
例えば図２に示すように、車体フロアをなすフロントフロア１０１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１０２が接合されている。リヤフロア１０２の段差部１０３の裏側には車体骨格部を形成するクロスメンバ１０４が接合されている。フロントフロア１０１の下面には外側寄りに車長方向に沿って左右に車体骨格部を形成するフロアフレーム１０５，１０６が各々接続されている。
フロントフロア１０１の両側縁には左右にインサイドシル１０７，１０８が各々接続され、各インサイドシル１０７，１０８の後端部はインサイドシルイクステンション１０９，１１０が設けられている。尚、インサイドシル１０７，１０８は図示しないアウトサイドシルに接合され車体骨格部を形成する部材である。

各インサイドシルイクステンション１０９，１１０の内側面には各々フロントブラケット１１１，１１２が接合されている。
フロントブラケット１１１，１１２は、リヤフロア１０２の下面に接合され車体骨格部を形成する部材であるリヤフレーム１１３，１１４およびクロスメンバ１０４の下面およびフロアフレーム１０５，１０６に接合されることにより、リヤフレーム１１３，１１４の前端部が、フロントブラケット１１１，１１２を介して、インサイドシル１０７，１０８とフロアフレーム１０５，１０６に接続されている。

各リヤフレーム１１３，１１４の後端部下面にはリヤブラケット１１７，１１８が取り付けられている。
ここで、左右のリヤフレーム１１３，１１４間には前後に２つのクロスメンバ１０４Ａ，１０４Ｂが接合され、各々の後端部、具体的にはリヤブラケット１１７，１１８にバンパビーム１２１が取り付けられている。

そして、フロントブラケット１１１，１１２とリヤブラケット１１７，１１８とに設けられた各カラーナット１１５，１１６，１１９，１２０に下方からサブフレーム１２２がボルト１２３，１２３，１２３，１２３により固定されている。
サブフレーム１２２は、図２に示すように左右のフレーム部材１２４，１２５と前後のフレーム部材１２６，１２７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１２８を備え、このクロスビーム１２８により振り分けたスペースに水素タンク１４としての２つの水素タンク１４Ａ，１４Ｂが各々バンド１３１，１３２により締め付け固定されている。また、サブフレーム１２２にはサスペンションユニット１３３が取り付けられている。
そして、左右のフレーム部材１２４，１２５の前端と前部のフレーム部材１２６の両端との角部には前記カラーナット１１５，１１６に挿入されるボルト１２３の挿通部１３４，１３５が設けられ、左右のフレーム部材１２４，１２５の後端と後部のフレーム部材１２７の両端との角部には前記カラーナット１１９，１２０に挿入されるボルト１２３の挿通部１３６，１３７が設けられている。

このようにして構成されたサブフレーム１２２の各挿通部１３４，１３５、１３６，１３７にボルト１２３を挿通して、このボルト１２３をリヤフレーム１１３，１１４のフロントブラケット１１１，１１２とリヤブラケット１１７，１１８とに取り付けたカラーナット１１５，１１６、１１９，１２０に挿入して締め付け固定することで、サブフレーム１２２をリヤフレーム１１３，１１４に固定している。

図４および図５に示すように、フロントフロア１０１の下方には左右のフロアフレーム１０５，１０６により両側から挟み込まれるようにして、車両前後方向の後方部から前方部に向かい順次、燃料電池１１の補機ユニット４０および燃料電池１１およびキャパシタ３３が配置されている。燃料電池１１の補機ユニット４０は、例えば加湿器１３とエゼクタ１６と燃料ポンプ１７と希釈ボックス１８とを単一のケース内に収容して構成されている。
そして、フロントフロア１０１の裏側には、左右のフロアフレーム１０５，１０６間に接合されて車体骨格部を形成する第１から第３クロスメンバ１４１，１４２，１４３が接合され、補機ユニット４０と燃料電池１１との間に第１クロスメンバ１４１が配置され、燃料電池１１とキャパシタ３３との間に第２クロスメンバ１４２が配置され、キャパシタ３３よりも車両前後方向前方に向かいずれた位置に第３クロスメンバ１４３が配置されている。

各補機ユニット４０および燃料電池１１およびキャパシタ３３には、例えば図６に示すように、各補機ユニット４０および燃料電池１１およびキャパシタ３３の底部を覆う各アンダーカバー１５１，１５２，１５３が装着され、各アンダーカバー１５１，１５２，１５３には、各クロスメンバ１４１，１４２，１４３の底面に接合される各フランジ部１５１ａ，１５２ａ，１５３ａと、フロアフレーム１０５，１０６の底面に接合される各フランジ部１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂが形成されている。
そして、断面視略Ｕ字状のクロスメンバ１０４および第１クロスメンバ１４１の各底壁１０４ａ，１４１ａおよびアンダーカバー１５１のフランジ部１５１ａに下方からボルト１６０をナット１６１に締め付けることによって、補機ユニット４０のアンダーカバー１５１をクロスメンバ１０４および第１クロスメンバ１４１に固定するようになっている。

同様にして、断面視略Ｕ字状の第１および第２クロスメンバ１４１，１４２の各底壁１４１ａ，１４２ａおよびアンダーカバー１５２のフランジ部１５２ａに下方からボルト１６０をナット１６１に締め付けることによって、燃料電池１１のアンダーカバー１５２を第１および第２クロスメンバ１４１，１４２に固定するようになっている。
同様にして、断面視略Ｕ字状の第２および第３クロスメンバ１４２，１４３の各底壁１４２ａ，１４３ａおよびアンダーカバー１５３のフランジ部１５３ａに下方からボルト１６０をナット１６１に締め付けることによって、キャパシタ３３のアンダーカバー１５３を第２および第３クロスメンバ１４２，１４３に固定するようになっている。
また、断面視略Ｕ字状のフロアフレーム１０５，１０６の各底壁１０５ａ，１０６ａおよび各アンダーカバー１５１，１５２，１５３の各フランジ部１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂに下方からボルト１６０をナット１６１に締め付けることによって、各アンダーカバー１５１，１５２，１５３をフロアフレーム１０５，１０６に固定するようになっている。

また、図４、図５に示すように左右のフロアフレーム１０５，１０６と左右のインサイドシル１０７，１０８との間には、片側で２箇所、両側で４箇所にブラケット１７２が接合されている。このブラケット１７２はフロアフレーム１０５，１０６とインサイドシル１０７，１０８とフロントフロア１０１の裏面に接合されるフランジ部１７２ａを備えたものである。
また、フロアフレーム１０５，１０６と左右のインサイドシル１０７，１０８とによって両側から挟み込まれた領域には、例えば電流制御器２０、出力制御器（ＰＣＵ）３２等をケース内に収容して構成された高圧電装系の補機ユニット５０が配置されている。
補機ユニット５０には底部を覆うアンダーカバー（図示略）が装着され、このアンダーカバーには、各フロアフレーム１０５，１０６および各インサイドシル１０７，１０８の底面に接合される各フランジ部（図示略）が形成されている。
そして、例えば図４に示すように、水素タンク１４と燃料電池１１の補機ユニット４０、補機ユニット４０と燃料電池１１とは、車両前後方向に沿って配設され、反応ガスである水素が流通する水素配管（図示略）により接続されている。
また、燃料電池１１とキャパシタ３３とは車両前後方向に沿って配設された高電圧線（図示略）により接続されている。

上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０の車両搭載構造によれば、、燃料電池１１および燃料電池１１の補機ユニット４０およびキャパシタ３３は車体骨格部を形成するフロアフレーム１０５，１０６および各クロスメンバクロスメンバ１０４，１４１，１４２，１４３によって周囲を囲まれることから、車両衝突時等において燃料電池１１および補機ユニット４０およびキャパシタ３３が損傷してしまうことを抑制することができ、衝突安全性を向上させることができる。
しかも、車両前後方向に沿って、順次、水素タンク１４と、補機ユニット４０と、燃料電池１１と、キャパシタ３３とを配置したことにより、水素タンク１４と燃料電池１１との間あるいは燃料電池１１と補機ユニット４０との間に配設される反応ガスを流通させる水素配管や冷却媒体を流通させる配管等の長さが過剰に長くなることを防止することができると共に、燃料電池１１とキャパシタ３３との間に配設される高電圧線の長さが過剰に長くなることを防止することができ、燃料電池システム１０を車両に搭載する際に要するスペースを削減することができる。

なお、上述した実施の形態においては、各補機ユニット４０および燃料電池１１およびキャパシタ３３の底部を覆う各アンダーカバー１５１，１５２，１５３をフロアフレーム１０５，１０６および各クロスメンバ１０４，１４１，１４２，１４３に接合するとしたが、これに限定されず、例えば矩形枠状等に形成した枠体に各補機ユニット４０および燃料電池１１およびキャパシタ３３を載置し、バンド等によって各補機ユニット４０および燃料電池１１およびキャパシタ３３を枠体に固定した状態で、フロアフレーム１０５，１０６によって枠体を車幅方向の両側から挟み込み、ボルト等の締結部材によって枠体をフロアフレーム１０５，１０６に接合してもよい。
また、高圧電装系の補機ユニット５０としては、上述した電流制御器２０、出力制御器（ＰＣＵ）３２等に限定されず、例えば高圧電装系を作動させるための各種補機類を備えて構成してもよく、具体的には、キャパシタ３３を冷却するための空気ファンやキャパシタ３３のための電流整流器、燃料電池１１の換気ファン等を備えて構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムの車両搭載構造の要部分解斜視図である。 図１に示す燃料電池システムの車両搭載構造の要部斜視図である。 図１に示す燃料電池システムの車両搭載構造の要部を車両上下方向の上方から下方に向かい見た平面図である。 図１に示す燃料電池システムの車両搭載構造の要部を車幅方向に沿って見た側面図である。 図４に示すＡ−Ａ線断面図である。 図４に示すＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
３３ キャパシタ（蓄電装置）
４０ 補機ユニット
５０ 補機ユニット（補機）
１０４ クロスメンバ（クロスメンバ）
１０５、１０６ フロアフレーム
１０７、１０８ インサイドシル（サイドシル）
１４１ 第１クロスメンバ（クロスメンバ）
１４２ 第２クロスメンバ（クロスメンバ）
１４３ 第３クロスメンバ（クロスメンバ）

Claims (3)

1. 車体側部に車両前後方向に沿って設けられ車体骨格部を形成するフロアフレームと、車幅方向に沿って設けられ前記フロアフレームに接続されて車体骨格部を形成するクロスメンバとによって囲まれた領域内の車体フロア下方の位置に、燃料電池ユニットと燃料電池の補機ユニットとを車両前後方向に沿って隣り合うように配置し、
   各前記燃料電池ユニットおよび前記補機ユニットは、各２つの前記クロスメンバによって車両前後方向の両側から挟み込まれてなることを特徴とする燃料電池システムの車両搭載構造。
2. 車両前後方向に沿って、順次、前記補機ユニットと、前記燃料電池ユニットと、蓄電装置とが配置され、前記蓄電装置は、２つの前記クロスメンバによって車両前後方向の両側から挟み込まれてなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの車両搭載構造。
3. 高圧電装系の補機を、車幅方向にて前記フロアフレームよりも外側の位置に車両前後方向に沿って設けられたサイドシルと、前記フロアフレームとに挟み込まれた領域に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの車両搭載構造。
   
   

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