JP2007015588A - 燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックを車室外側に配置しつつ、燃料電池スタックを保護することができる燃料電池自動車を提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック１２を車体のフロアパネルフロアパネル１下に配置した燃料電池自動車において、前記フロアパネル１を左右のフロントシート２０間で上方に膨出してセンターコンソール２３を形成し、このセンターコンソール２３内に燃料電池スタック１２を配置し、センターコンソール２３の側壁２５同士を接続するようにして、一方のフロントシート２０に作用する側方からの衝撃力を他方のフロントシート２０に伝達するクロスビード６３を設けた。
【選択図】 図７

Description

この発明は、燃料電池自動車に関する。

燃料電池自動車の中には、燃料電池スタックを車室空間内（乗員の居住空間内）に搭載することで、塵埃や汚水に晒されることを防止すると共にメンテナンスの便を考慮したものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１２２９７１号公報

しかしながら、燃料電池スタックを乗員の居住空間内に配置した場合には、乗員が容易に燃料電池スタックにアクセスできないようにこの燃料電池スタックを居住空間と隔絶するための部材が別途必要となってしまい、その結果、車体重量が増加してしまう。また、燃料電池自動車では、通常の自動車としての衝突安全対策に加えて、燃料電池スタックを保護するために様々な対策を施す必要があるが、燃料電池スタックが車室内に配置されていると、これを保護するための各種部材が必要となり、したがって、車室内空間を狭くしてしまう問題がある。

そこで、この発明は、燃料電池スタックを車室外側に配置しつつ、燃料電池スタックを保護することができる燃料電池自動車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック１２）を車体のフロアパネル（例えば、実施形態におけるフロアパネル１）下に配置した燃料電池自動車において、前記フロアパネルを左右のフロントシート（例えば、実施形態におけるフロントシート２０）間で上方に膨出してセンターコンソール（例えば、実施形態におけるセンターコンソール２３）を形成し、このセンターコンソール内に燃料電池スタックを配置し、センターコンソールの側壁（例えば、実施形態における側壁２５）同士を接続するようにして、一方のフロントシートに作用する側方からの衝撃力を他方のフロントシートに伝達する伝達手段（例えば、実施形態における、クロスメンバ部６１、クロスビード６３）を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記伝達手段は、前記センターコンソールの上壁（例えば、実施形態における第２上壁部３７）であって、前記フロントシートの座面（例えば、実施形態における座面Ｚ）よりも高い位置に車幅方向に延出して取り付けられることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記フロントシートのシートバック（例えば、実施形態におけるシートバック２０Ｂ）の側方に前記伝達手段（例えば、実施形態におけるクロスビード６３）を配置したことを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、前記伝達手段（例えば、実施形態におけるクロスビード６３）の配置位置は、側面視で前記燃料電池スタック後方にオフセットしていることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、車両側面衝突時に、車体側部から一方のフロントシートに衝撃力が作用すると、この衝撃力はフロントシートからセンターコンソールの一方の側壁に作用するが、センターコンソールの一方の側壁と他方の側壁を接続するように設けた伝達手段により衝撃力は他方の側壁に伝達され、更に他方のフロントシートに作用する。
したがって、燃料電池スタックをフロアレベル上側に位置させつつもフロアパネル下の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を燃料電池スタックを保護する部材として有効利用することができる。更に、車両側面衝突時の衝撃力を左右のフロントシートに分散させて作用させることで燃料電池スタック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を確実に保護することができる。
請求項２に記載した発明によれば、車両側面衝突時に、車体側部から一方のフロントシートに衝撃力が作用すると、下部が支持されたフロントシートには車室内側に向かって倒れるようにしてモーメントが作用するが、伝達手段の配置位置がフロントシートの座面よりも高い位置であるため、このモーメントを力学的に有利な高い位置で伝達手段により受けることにより、荷重を小さくすることが可能となる。
したがって、車両側面衝突時の衝撃力を伝達部材によって小さな荷重で受けることができ、伝達手段を小型化して車体重量の増加を最小限に抑えることができる。
請求項３に記載した発明によれば、車両側面衝突時に、車体側部から一方のフロントシートに衝撃力が作用すると、この衝撃力がフロントシートのシートバックから確実に伝達手段に作用し、更に伝達手段から他方のフロントシートのシートバックに作用する。
したがって、左右何れの方向から衝撃力が作用した場合でも、これを左右のフロントシートで荷重分担して確実に燃料電池スタックを保護することができる。
請求項４に記載した発明によれば、車両側面衝突時に、車体側部から一方のフロントシートに過大な衝撃力が作用した場合であっても、この部位に燃料電池スタックは存在せず、燃料電池スタックに損傷を与えることはない。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図４に示すように、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、該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。
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下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。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に空気を送給するコンプレッサ１３と走行用の駆動モータ１４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及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及び蓄電池１８が取り付けられている。
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の後端部は前記リヤサブフレーム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。そして、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４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５に示すように、サブフレーム４０は、前記アウトリガー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は前記サイドフレーム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。尚、図５中ＦＲはフロント側を示す。

各サブサイドフレーム４３の内側には前記センターフレーム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の後端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６に示すように前記補機類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。
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。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されている（図２参照）。

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、車体のサイドフレームの補強フレーム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、前記サブフレーム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６、図７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の上縁とほぼ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前記第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、側面視で前記燃料電池スタック１２の配置位置に重なるように配置されている。また、前記第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。

前記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。ここで、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、前記燃料電池スタック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，２１ＲＥ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６参照）とほぼ同等の高さに、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の積層方向の端部である後端部のエンドプレート１２ＲＥは前記シートレール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の積層方向の端部である前端部のエンドプレート１２ＦＥは側面視で重複する。

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における単セルの積層範囲に亘って車体前後方向に延出する補強フレーム５５がセンターコンソール２３の第１傾斜面３４の前端部下方からフロアトンネル２２の第２水平部３９ｂの前端部下方に至る範囲に設けられている。この補強フレーム５５はパネル材５６をセンターコンソール２３の側壁２５の内面に重合して形成したもので、具体的にはパネル材５６の上下に所定間隔を隔てて車体前後方向に延出する一対のビード５７を設けこのビード５７とセンターコンソール２３の側壁２５の内面との間に２条の閉断面構造部からなる補強フレーム５５を形成したものである。補強フレーム５５の上下方向中央は燃料電池スタック１２の重心Ｇの位置よりも高い位置に配置され、具体的には補強フレーム５５における下側の閉断面構造部の略中央部がフロアトンネル２２の第１水平部３９ａとほぼ同等の高さに設定され、上側の閉断面構造部の略中央部がフロアトンネル２２の第２水平部３９ｂ（すなわち窪み部３８の下面）とほぼ同等の高さに設定されている。

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の上部を覆い前記補強フレーム５５の前端部に重なるようにして、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い前記補強フレーム５５の後端部に重なるようにして、補強用の後部スティフナー５９が重合されている。

センターコンソール２３の第１上壁部３５の後端部から第２傾斜面３６、第２上壁部３７及びフロアトンネル２２の第２水平部３９ｂの手前に亘る位置にセンターコンソール２３の上壁２３Ｕから側壁２５の上部を覆い補強用の上部レインフォース６０が重合されている。この上部レインフォース６０は前記第２傾斜面３６との間に所定間隔を隔てて取り付けられ、センターコンソール２３との間にセンターコンソール２３の側壁２５同士を接続するように車幅方向に延出する閉断面構造のクロスメンバ部６１を形成している。また、上部レインフォース６０には車幅方向に延出する一対のビード６２が形成され、このビード６２とセンターコンソール２３との間にセンターコンソール２３の側壁２５同士を接続するように車幅方向に延出する２条の閉断面構造部からなるクロスビード６３が形成されている。前記クロスビード６３は、シートクッション２０Ｃの座面Ｚより高い位置であって、側面視でフロントシート２０のシートバック２０Ｂの側面２０Ｓと重なるように、シートバック２０Ｂの側方に配置されている。また、前記クロスビード６３の配置位置は、側面視で前記燃料電池スタック１２後方にオフセットしている。

上記実施形態によれば、図７に示すように、車両側面衝突時に車体側方から入力荷重（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、この側壁２５に作用する押圧力はクロスビード６３とクロスメンバ部６１により受け止められ、閉断面構造であって座屈に対して強度的に有利なため、座屈しないでセンターコンソール２３の左側の側壁２５を押圧するように伝達され、更に左側のフロントシート２０に作用する。

したがって、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を燃料電池スタック１２を保護する部材として有効利用し、燃料電池スタック１２を車室外側に位置させると共に車両側面衝突時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。

とりわけクロスビード６３はフロントシート２０のシートクッション２０Ｃの座面Ｚよりも高い位置に配置されていることにより、このクロスビード６３の側方に位置しているシートバック２０Ｂの側面２０Ｓから作用する荷重により下部が支持されたフロントシート２０には車室内側に向かって倒れるようにしてモーメントが作用するが、このモーメントを力学的に有利な高い位置でクロスビード６３により受けることができ、腕が長い分だけ荷重を小さくすることができる。その結果、車両側面衝突時の衝撃力をクロスビード６３が強度的に有利な座屈方向で、かつ小さな荷重で受けることができ、クロスビード６３を小型化して車体重量の増加を最小限に抑えることができる。

そして、クロスビード６３がフロントシート２０のシートバック２０Ｂの側面２０Ｓに対応する位置に配置されているため、車両側面衝突時に作用する荷重は、一方のフロントシート２０から確実にクロスビード６３に作用し、更にこのクロスビード６３から他方のフロントシート２０のシートバック２０Ｂを介して当該フロントシート２０に確実に作用する。よって左右何れの方向から衝撃力が作用した場合でも、これを左右のフロントシート２０で荷重分担して確実に燃料電池スタック１２を保護することができる。
また、車両側面衝突時に、車体側部から一方のフロントシート２０に過大な衝撃力が作用しクロスビード６３が座屈した場合であっても、このクロスビード６３の配置部位の側方には燃料電池スタック１２は存在せず、燃料電池スタック１２に損傷を与えることはない。

尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、センターコンソール２３の側壁２５同士を接続するのであれば、センターコンソール２３の第２上壁部３７の下面に設けてもよく、センターコンソール２３の上壁２３Ｕの下方で直接的にセンターコンソール２３の側壁２５同士を連結する突っ張り部材を設けてもよい。

この発明の実施形態の車両の側面説明図である。 この発明の実施形態の車両の平面説明図である。 この発明の実施形態の車両を裏面から見た斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿うフロアパネルの断面図である。 この発明の実施形態の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６のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ フロアパネル
１２ 燃料電池スタック
２０ フロントシート
２０Ｂ シートバック
２３ センターコンソール
２５ 側壁
３７ 第２上壁部（上壁）
６１ クロスメンバ部（伝達部材）
６３ クロスビード（伝達部材）
Ｚ 座面

Claims (4)

1. 燃料電池スタックを車体のフロアパネル下に配置した燃料電池自動車において、前記フロアパネルを左右のフロントシート間で上方に膨出してセンターコンソールを形成し、このセンターコンソール内に燃料電池スタックを配置し、センターコンソールの側壁同士を接続するようにして、一方のフロントシートに作用する側方からの衝撃力を他方のフロントシートに伝達する伝達手段を設けたことを特徴とする燃料電池自動車。
2. 前記伝達手段は、前記センターコンソールの上壁であって、前記フロントシートの座面よりも高い位置に車幅方向に延出して取り付けら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. 前記フロントシートのシートバックの側方に前記伝達手段を配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池自動車。
4. 前記伝達手段の配置位置は、側面視で前記燃料電池スタック後方にオフセットしていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池自動車。

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