JP2005209468A - 燃料電池の車両搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池を搭載する際の所望の取り付け剛性を確保しつつ、燃料電池の搭載に要する構造部材の重量を軽減して小型化する。
【解決手段】 燃料電池ボックス１４０の骨格部を形成する燃料電池支持フレーム１４１および底部フレーム１４２および第１および第２サイドフレーム１４３，１４４および上部フレーム１４５を燃料電池１１の周囲を取り囲むようにして配置すると共に、燃料電池１１が載置される燃料電池支持フレーム１４１と上部フレーム１４５とを第１および第２サイドフレーム１４３，１４４を介して接続し、燃料電池１１のエンドプレート１１Ａの下部を下部固定部材１４７によって燃料電池支持フレーム１４１に固定し、燃料電池１１のエンドプレート１１Ａの上部を上部固定部材１４８によって上部フレーム１４５に固定した。
【選択図】 図５

Description

この発明は、燃料電池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、燃料電池スタックの端板を車体骨格部をなす車体フレームに一体に固定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）。
米国特許出願公開第２００３／００１２９９８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、燃料電池を搭載する際の所望の取り付け剛性を確保しつつ、燃料電池の搭載に要する構造部材の重量を軽減して小型化することが望まれている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池を搭載する際の所望の取り付け剛性を確保しつつ、燃料電池の搭載に要する構造部材の重量を軽減して小型化することが可能な燃料電池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の車両搭載構造は、燃料電池を内部に収容する燃料電池ボックス（実施の形態の燃料電池ボックス１４０）を備え、前記燃料電池が載置される燃料電池支持フレーム（実施の形態の燃料電池支持フレーム１４１）と上部フレーム（実施の形態の上部フレーム１４５）とを前記燃料電池の周囲を取り囲むようにして配置すると共に、前記燃料電池ボックスの骨格部を形成する側部フレーム（実施の形態の第１および第２サイドフレーム１４３，１４４）に前記燃料電池支持フレームおよび前記上部フレームを接続し、前記燃料電池の下部（実施の形態のエンドプレート１１Ａの下部）を下部固定部材（実施の形態の下部固定部材１４７）によって前記燃料電池支持フレームに固定し、前記燃料電池の上部（実施の形態のエンドプレート１１Ａの上部）を上部固定部材（実施の形態の上部固定部材１４８）によって前記上部フレームに固定してなることを特徴としている。

上記構成の燃料電池の車両搭載構造によれば、例えば単に下部固定部材によって燃料電池が燃料電池支持フレーム上に固定される場合に比べて、燃料電池支持フレームおよび上部フレームに加えて燃料電池自体を燃料電池ボックスの構造部材として機能させることができ、燃料電池の取り付け剛性および燃料電池ボックスの剛性を向上させることができる。
しかも、例えば上部フレームを設ける代わりに燃料電池ボックスの骨格部を形成する燃料電池支持フレームおよび側部フレーム等の重量を増大させて燃料電池ボックスの剛性を増大させる場合に比べて、燃料電池ボックスの重量が過剰に増大することを抑制することができる。

さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池の車両搭載構造では、前記燃料電池は複数の単位セル（実施の形態の燃料電池セル）が積層されてなる積層体が一対のエンドプレート（実施の形態のエンドプレート１１Ａ）によって積層方向に沿った両側から挟み込まれて構成され、前記下部固定部材は前記エンドプレートの下部を前記燃料電池支持フレームに固定し、前記上部固定部材は前記エンドプレートの上部を前記上部フレームに固定することを特徴とする。

上記構成の燃料電池の車両搭載構造によれば、燃料電池支持フレームおよび上部フレームに加えて燃料電池のエンドプレートを燃料電池ボックスの構造部材として機能させることができ、燃料電池の取り付け剛性および燃料電池ボックスの剛性を向上させることができる。

さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池の車両搭載構造では、前記一対のエンドプレートは、車両前後方向に沿った両側から前記積層体を挟み込むことを特徴とする。

上記構成の燃料電池の車両搭載構造によれば、車両の加速力および減速力等が作用する燃料電池を燃料電池ボックスに強固に固定することができる。

さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池の車両搭載構造では、前記側部フレームは車体骨格部を形成する車体フレーム（実施の形態のフロアフレーム１０５，１０６）に接続されてなることを特徴とする。

上記構成の燃料電池の車両搭載構造によれば、燃料電池ボックスを車体フレームに強固に固定することができる。

本発明の燃料電池の車両搭載構造によれば、燃料電池支持フレームおよび上部フレームに加えて燃料電池自体を燃料電池ボックスの構造部材として機能させることができ、燃料電池の取り付け剛性および燃料電池ボックスの剛性を向上させることができる。
しかも、例えば上部フレームを設ける代わりに燃料電池ボックスの骨格部を形成する燃料電池支持フレームおよび側部フレーム等の重量を増大させて燃料電池ボックスの剛性を増大させる場合に比べて、燃料電池ボックスの重量が過剰に増大することを抑制することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池の車両搭載構造によれば、燃料電池のエンドプレートを燃料電池ボックスの構造部材として機能させることができ、燃料電池の取り付け剛性および燃料電池ボックスの剛性を向上させることができる。
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池の車両搭載構造によれば、車両の加速力および減速力等が作用する燃料電池を燃料電池ボックスに強固に固定することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池の車両搭載構造によれば、燃料電池ボックスを車体フレームに強固に固定することができる。

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６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から図６に示すように、燃料電池１１および燃料電池１１の補機ユニット（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等）を内部に収容して固定する燃料電池ボックス１４０は、フロントフロア１０１の下方において左右のフロアフレーム１０５，１０６に接合されている。
燃料電池ボックス１４０は、骨格部を形成する燃料電池支持フレーム１４１および底部フレーム１４２および第１および第２サイドフレーム１４３，１４４および上部フレーム１４５を備えて構成されている。
例えば図６に示すように、互いに対向配置される各２つの底部フレーム１４２，１４２および第１サイドフレーム１４３，１４３の端部同士を接合するようにして略矩形状の枠体１４６が形成され、さらに、この枠体１４６内部の所定位置には、対向する２つの第１サイドフレーム１４３，１４３に接合される２つの燃料電池支持フレーム１４１，１４１が配置されている。

燃料電池１１を構成する複数の燃料電池セル（図示略）の積層方向は車両前後方向に設定され、燃料電池セルの積層体は一対のエンドプレート１１Ａ，１１Ａによって積層方向（つまり車両前後方向）の両側から挟み込まれている。
そして、例えば図５および図６に示すように、２つの第１サイドフレーム１４３，１４３が車両前後方向に沿って配置された枠体１４６において、各２つ燃料電池１１，１１が、２つの燃料電池支持フレーム１４１，１４１間を跨ぐようにして燃料電池支持フレーム１４１，１４１上に載置されている。
２つの燃料電池１１，１１は、例えば車幅方向の両側から加湿器１３を挟み込むように配置され、各燃料電池１１は、例えば断面視略Ｌ字型板状の下部固定部材１４７がボルト等の締結部材によってエンドプレート１１Ａの下部および燃料電池支持フレーム１４１の上面１４１Ａに緊締固定されることで、燃料電池支持フレーム１４１に固定されている。

また、車両前後方向に伸びる第１サイドフレーム１４３の両端部には、車両上下方向上方に向かい突出する突出部１４３ａ，１４３ａが形成されている。
第２サイドフレーム１４４は、例えば略矩形枠状に形成され、第１サイドフレーム１４３の突出部１４３ａが装着される嵌合孔１４４ａが設けられている。
そして、第１サイドフレーム１４３の突出部１４３ａが第２サイドフレーム１４４の嵌合孔１４４ａに装着されることで、第１サイドフレーム１４３と第２サイドフレーム１４４とが接続され、燃料電池支持フレーム１４１上に載置された２つの燃料電池１１，１１および加湿器１３の周囲を第２サイドフレーム１４４によって取り囲むようになっている。
なお、第１サイドフレーム１４３には車両上下方向に貫通するボルト装着孔１４３ｂが設けられ、第２サイドフレーム１４４には第１サイドフレーム１４３のボルト装着孔１４３ｂに連通する貫通孔１４４ｂが設けられている。

燃料電池支持フレーム１４１上に載置された２つの燃料電池１１，１１の車両上下方向上方の位置には、車幅方向に伸びる矩形筒状の２つの上部フレーム１４５，１４５が配置され、各上部フレーム１４５には車両前後方向に貫通する２つのボルト装着孔１４５ａ，１４５ａが形成されている。
また、燃料電池１１のエンドプレート１１Ａの上部には、車両上下方向上方に向かい燃料電池１１の上端部よりも突出する上部固定部材１４８が形成され、この上部固定部材１４８には、車両前後方向に貫通し、上部フレーム１４５のボルト装着孔１４５ａに臨んで連通する貫通孔１４８ａが形成されている。
さらに、車幅方向に伸びる上部フレーム１４５の両端部には、車両上下方向に貫通し、第２サイドフレーム１４４の貫通孔１４４ｂに臨んで連通する貫通孔１４５ｂ，１４５ｂが設けられている。

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には、車両上下方向に貫通し、上部フレーム１４５の貫通孔１４５ｂに臨んで連通する貫通孔１０５ｂ，１０６ｂが形成されている。
そして、例えば第１サイドフレーム１４３の下方からボルト１５１を、順次、第１サイドフレーム１４３のボルト装着孔１４３ｂと、第２サイドフレーム１４４の貫通孔１４４ｂと、上部フレーム１４５の貫通孔１４５ｂと、フロアフレーム１０５の貫通孔１０５ｂまたはフロアフレーム１０６の貫通孔１０６ｂとに装着し、ナット１５２に締め付けることによって、第１サイドフレーム１４３と第２サイドフレーム１４４と上部フレーム１４５とフロアフレーム１０５またはフロアフレーム１０６とを固定するようになっている。
さらに、車両前後方向に沿ってボルト１５３を、順次、上部フレーム１４５のボルト装着孔１４５ａと、エンドプレート１１Ａの上部に形成された上部固定部材１４８の貫通孔１４８ａとに装着し、ナット１５４に締め付けることによって、燃料電池１１を上部フレーム１４５に固定するようになっている。

上記構成を備える燃料電池システム１０の車両搭載構造において、燃料電池１１は車両上下方向の両側から燃料電池支持フレーム１４１と上部フレーム１４５とによって挟み込まれるようにして固定されることにより、例えば単に下部固定部材１４７によって燃料電池１１が燃料電池支持フレーム１４１上に固定される場合に比べて、燃料電池支持フレーム１４１および上部フレーム１４５に加えて燃料電池１１のエンドプレート１１Ａを燃料電池ボックス１４０の構造部材として機能させることができ、燃料電池１１の取り付け剛性および燃料電池ボックス１４０の剛性を向上させることができる。
しかも、上部フレーム１４５を筒状に形成することによって重量が過剰に増大することを抑制することができ、例えば上部フレーム１４５を設ける代わりに燃料電池ボックス１４０の骨格部を形成する燃料電池支持フレーム１４１および底部フレーム１４２および第１および第２サイドフレーム１４３，１４４等の重量を増大させて燃料電池ボックス１４０の剛性を増大させる場合に比べて、燃料電池ボックス１４０の重量が過剰に増大することを抑制することができる。
また、燃料電池ボックス１４０の剛性を増大させることに伴い、燃料電池ボックス１４０の固有振動数を増大させることができ、車両走行時に路面から受ける車体振動によって、相対的に低い振動数領域において共振が生じることを抑制することができる。

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。 燃料電池ボックスの分解斜視図である。 図５に示す燃料電池ボックスの枠体の斜視図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１１Ａ エンドプレート
１０５，１０６ フロアフレーム（車体フレーム）
１４１ 燃料電池支持フレーム
１４３ 第１サイドフレーム
１４４ 第２サイドフレーム
１４５ 上部フレーム

Claims (4)

1. 燃料電池を内部に収容する燃料電池ボックスを備え、
   前記燃料電池が載置される燃料電池支持フレームと上部フレームとを前記燃料電池の周囲を取り囲むようにして配置すると共に、前記燃料電池ボックスの骨格部を形成する側部フレームに前記燃料電池支持フレームおよび前記上部フレームを接続し、
   前記燃料電池の下部を下部固定部材によって前記燃料電池支持フレームに固定し、
   前記燃料電池の上部を上部固定部材によって前記上部フレームに固定してなることを特徴とする燃料電池の車両搭載構造。
2. 前記燃料電池は複数の単位セルが積層されてなる積層体が一対のエンドプレートによって積層方向に沿った両側から挟み込まれて構成され、
   前記下部固定部材は前記エンドプレートの下部を前記燃料電池支持フレームに固定し、
   前記上部固定部材は前記エンドプレートの上部を前記上部フレームに固定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の車両搭載構造。
3. 前記一対のエンドプレートは、車両前後方向に沿った両側から前記積層体を挟み込むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池の車両搭載構造。
4. 前記側部フレームは車体骨格部を形成する車体フレームに接続されてなることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかひとつに記載の燃料電池の車両搭載構造。
   
   

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