JP2007015616A - 燃料電池自動車構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両のフロアパネル下に取り付けたサブフレーム上の燃料電池用補機に対する路面からの跳ね上げによる影響を抑えることができる燃料電池自動車構造を提供する。
【解決手段】 フロアパネル３５を上方に膨出させて車両の前後方向に延びるセンターコンソール３９の下側に形成されるセンタートンネル６０内に、前記燃料電池スタック２及びその補機を前後に並ぶように収容し、前記燃料電池スタック２の補機は、少なくとも前記燃料電池スタック２へ水素を供給するための水素供給補機Ｄと、前記燃料電池スタック２から空気を排出するための空気排出補機とを含み、前記水素供給補機Ｄを前記空気排出補機よりも上方に配置したことを特徴とする。
【選択図】 図７

Description

この発明は、燃料電池自動車構造に関する。

従来、フロアパネル下に燃料電池スタックを配置した燃料電池自動車において、フロアパネルの下側に形成したセンタートンネルの上部内側に水素センサを配置すると共に、該水素センサの下方には燃料電池スタックへの空気供給配管のサイレンサ等を配置したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２５２２５２号公報

上記従来の技術は、路面から跳ね上げられた水や泥等による水素センサに対する影響を抑えたものであるが、水素センサのみならず燃料電池システムにおける特に水素系補機や電気系補機に対しても前記路面からの跳ね上げによる影響を抑えることができれば、これら各部品のタフネス対策を軽減してコストダウンを図れるため好ましい。
他方で、燃料電池スタック及びその補機をサブフレーム上に搭載し、該サブフレームを車両のフロアパネル下に取り付けるような構成も検討されているが、このような構成においても、上述の如く水素系補機及び電気系補機のタフネス対策を軽減できることが望ましい。
そこでこの発明は、車両のフロアパネル下に取り付けたサブフレーム上の燃料電池スタック及びその補機に対する路面からの跳ね上げによる影響を抑えることができる燃料電池自動車構造を提供する。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、燃料電池スタック（例えば実施例の燃料電池スタック２）及び該燃料電池スタックのための補機をサブフレーム（例えば実施例のサブフレーム５０）に搭載し、該サブフレームを車両のフロアパネル（例えば実施例のフロアパネル３５）下に取り付けた燃料電池自動車構造において、前記フロアパネルを上方に膨出させて車両の前後方向に延びるセンターコンソール（例えば実施例のセンターコンソール３９）の下側に形成されるセンタートンネル（例えば実施例のセンタートンネル６０）内に、前記燃料電池スタック及び該燃料電池スタックのための補機を前後に並ぶように収容し、前記燃料電池スタックのための補機は、少なくとも前記燃料電池スタックへ水素を供給するための水素供給補機（例えば実施例の水素供給補機Ｄ）と、前記燃料電池スタックから空気を排出するための空気排出補機（例えば実施例の空気排出補機Ｅ）とを含み、前記水素供給補機を前記空気排出補機よりも上方に配置したことを特徴とする。

この構成によれば、より保護性を高めたい前記水素供給補機に対する路面から跳ね上げられた水や泥等による影響を抑えることができる。
また、燃料電池スタック及びその補機をサブフレームに搭載した状態で車両に取り付けることで、燃料電池システムの車両への取り付け作業工数を削減できると共に、サブフレームを車体のフレーム部材として機能させて車体剛性を高めることができる。
ここで、燃料電池スタック及びその補機が車幅方向中央部のセンタートンネル内に配置されることで、該燃料電池スタック及びその補機と車体側面との間のクリアランスを容易に確保でき、特に側突対応を考慮した車体レイアウトを容易に実現することができる。

請求項２に記載した発明は、前記燃料電池スタックのための補機は、さらに前記燃料電池スタックの電気出力を制御する制御装置（例えば実施例のＥＣＵ１９）を含み、該制御装置を前記水素供給補機よりも上方に配置したことを特徴とする。

この構成によれば、路面から跳ね上げられた水や泥等の前記制御装置に対する影響を抑えることができる。

請求項１に記載した発明によれば、水素供給補機に対する路面から跳ね上げられた水や泥等による影響を抑えることができ、燃料電池システムの取り付け作業工数を削減でき、車体剛性を高めることができ、側突対応の車体レイアウトを容易に実現できる。
請求項２に記載した発明によれば、路面から跳ね上げられた水や泥等の前記制御装置に対する影響を抑えることができる。

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、以下の説明における前後左右等の向きは、特に記載が無ければ車両における向きと同一とする。また、図中矢印ＦＲは車両前方を、矢印ＬＨは車両左方を、矢印ＵＰは車両上方をそれぞれ示す。

図１，２に示す燃料電池自動車１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（以下、単に燃料電池ということがある）２を車体のフロア下に搭載するもので、該燃料電池スタック２により生じた電力で駆動モータ３を駆動して走行する。燃料電池スタック２は、単位燃料電池（単位セル）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。

ここで、図３を参照して燃料電池自動車１における燃料電池システムの概略を説明すると、まずコンプレッサ４により昇圧された酸素を含む空気は、加湿器５で加湿されて燃料電池２のカソードに供給され、発電に供された後には燃料電池スタック２（図では単位燃料電池のみを示す）から排出され、加湿源として加湿器５を通過した後に圧力制御弁６を介して排出される。一方、水素タンク７内の水素ガスは、レギュレータ８により減圧されてエゼクタ９を経由してアノードに供給され、余った水素ガスは燃料電池２から排出されてエゼクタ９に吸引され、この水素ガスが水素タンク７から送り出された新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される一部の水素ガスは希釈ボックス１１（図４参照）に送られ、該希釈ボックス１１内で圧力制御弁６を介して排出された反応後の空気と希釈処理された後に排出される。

燃料電池スタック２は、単位燃料電池の積層方向を車両前後方向に沿わせるように配置されており、その縦方向（上下方向）の寸法が横方向（左右方向）の寸法よりも大きい縦置きレイアウトとされることで（図８参照）、その発電時における生成水の排出性を向上させている。
再び図１，２に示すように、例えばリヤシート３４の下方には、上下高さを抑えた長方体状をなすバッテリ１２が例えば左右に一対設けられる。このバッテリ１２は、燃料電池自動車１の減速時等に駆動モータ３からの回生電力を蓄電する等の用途に用いられる。また、円筒状の外観をなすガスボンベとしての水素タンク７は、その軸線を車幅方向に沿わせるようにしてリヤシート３４の斜め下後方に配置される。
以下、前記レギュレータ８及びエゼクタ９等を水素供給補機Ｄと総称し、加湿器５及び希釈ボックス１１等を空気排出補機Ｅと総称することがある。

駆動モータ３及びコンプレッサ４は、フロントサブフレーム５０Ｆに搭載された状態で車体前部のモータルームＭＲ内（エンジンルーム内、車両の前方領域Ａ）における左右前輪３１間に配置される。燃料電池２及び該燃料電池２のための補機（前記水素供給補機Ｄ及び空気排出補機Ｅ等）は、サブフレーム５０に搭載された状態でフロアパネル３５下（車両の床下領域Ｂ）における車幅方向中央部に配置される。水素タンク７は、前記各バッテリ１２と共にリアサブフレーム５０Ｒに搭載された状態で車体後部のリアフロア３６下（車両の後方領域Ｃ）に配置される。なお、リアサブフレーム５０Ｒにおける水素タンク７の両側には、懸架装置と共に左右後輪３２がそれぞれ支持されている。

駆動モータ３及びコンプレッサ４の前方には、燃料電池２等を循環する冷却水を冷却するためのラジエータ２１が配置される。
図４を併せて参照して説明すると、燃料電池２の前端部には、ラジエータ２１との間に渡る冷却水流出管２２及び冷却水流入管２３がそれぞれ接続される。冷却水流出管２２には冷却水循環用のウォータポンプ２４が配置され、冷却水流入管２３には燃料電池２の冷間始動時にヒータ循環経路２５を開閉する切り替え弁２６が配置される。ヒータ循環経路２５には例えば水素タンク７からの水素を燃焼させて発熱するヒータ２７が配置され、燃料電池２の冷間始動時にはヒータ循環経路２５を通過する冷却水が加温される。

燃料電池２は、その後端部から水素ガス及び空気が供給されると共に、該後端部から前記希釈ボックス１１に向けて反応済みガスが排出される。このように燃料電池２の後端部にガス供給口及び排出口を集約して配置すると共に、燃料電池２の前端部には冷却水の導出入口を集約して配置することで、燃料電池２に接続される各種配管設計の合理化を図っていると共に、燃料電池車両１としての冷却水の保有量を減少させて軽量化を図っている。

図５に示すように、駆動モータ３の駆動又は回生は、車両の走行状況及び燃料電池２やバッテリ１２からの電力量に応じてＰＤＵ１３（Power Drive Unit）により制御される。ＰＤＵ１３は、ＦＥＴ等のスイッチング素子からなるインバータを備えてなるもので、前記バッテリ１２や燃料電池２からの直流電力を所望の交流電力に変換したり電圧を調整したりする。燃料電池２とバッテリ１２との間、及びバッテリ１２と駆動モータ３との間においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４により電圧調整がなされる。

燃料電池２からの直流電力は、インバータ１５を介して交流電力に変換されて所定の電力駆動部品へ供給されると共に、ダウンバータ１６を介して降圧されて１２Ｖバッテリ１７へ供給される。ここで、前記所定の電力駆動部品とは、例えば前記コンプレッサ４、ウォータポンプ２４、及び車室内エアコンのコンプレッサ２８等である。また、１２Ｖバッテリ１７から電力を供給される１２Ｖ負荷部品１７ａとしては、例えば前記各弁６，２６、並びに各種灯火器等がある。ここで、図中符号１８は、必要に応じて燃料電池２からの電力供給を制限するコンタクタボックスを示す。

前記ＰＤＵ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、インバータ１５、ダウンバータ１６、及びコンタクタボックス１８等は、この燃料電池システム全体の運転制御を行うＥＣＵ１９（Electrical Control Unit、図７，８参照）に接続され、該ＥＣＵ１９がスロットル開度信号、ブレーキ信号、及び車速信号等に基づき前記各部品を駆動制御することで、燃料電池２における発電制御や駆動モータ３における回生電力制御等がなされる。

図７に示すように、ダッシュロア３７の下端部からリヤシート３４の直前まで至るフロアパネル３５の車幅方向中央部には、これを上方に膨出させて前後方向に延びるセンターコンソール３９が形成される。センターコンソール３９は、下方に開放する断面コの字状とされており、その下側の空間にセンタートンネル６０を形成する。センタートンネル６０は、センターコンソール３９の前端部がダッシュロア３７の下端部に突き当たることで、前記モータルームＭＲ内に開放する。また、センタートンネル６０の後端部は、リヤシート３４下から車体後部へ至るリアフロア３６下に開放されている。
そして、フロアパネル３５を上方に膨出させたセンターコンソール３９の下側の空間内（センタートンネル６０内）に、前記サブフレーム５０上に搭載された燃料電池スタック２及びその補機類が配置される。

このように、燃料電池スタック２やその補機類が車幅方向中央部のセンタートンネル６０内に配置されることで、燃料電池スタック２及びその補機類を車体側面から十分なクリアランスをもって配置することができ、特に側突対応を考慮した車体レイアウトを容易に実現することができる。また、燃料電池スタック２が、ポジション的にはフロアレベルよりも上側であって車室空間内のフロントシート３３間に配置される一方、乗員の居住空間とはセンターコンソール３９によって隔絶されているため、燃料電池スタック２を保護することができると共に、これに乗員が容易にアクセスできないようになっている。

図６，８を併せて参照して説明すると、サブフレーム５０は、例えば略水平に配された複数のビーム部材を一体に結合してなる。ここで、フロアパネル３５下であって車幅方向両側のサイドシル４１よりも車幅方向内側には左右サイドフレーム４２が前後に延び、該両サイドフレーム４２よりも車幅方向内側でかつセンターコンソール３９の両下縁部にはこれを支持する左右センターフレーム４３が前後に延びる。これら各サイドフレーム４２及びセンターフレーム４３に、サブフレーム５０が例えばボルトナットを用いて締結される。このとき、センターコンソール３９を上壁及び両側壁上部、センターフレーム４３を両側壁下部、サブフレーム５０を下壁部として、前後端を開放したセンタートンネル６０を形成している。

詳細には、サブフレーム５０は、左右サイドフレーム４２下においてこれらに沿って（前後方向に沿って）概ね燃料電池２の全長に渡るように延びる左右サブサイドフレーム５１と、左右センターフレーム４３下においてこれらに沿って（前後方向に沿って）サブサイドフレーム５１よりも後方に長く延びる左右サブセンターフレーム５２と、左右サブサイドフレーム５１の前端部間又は後端部間に渡って車幅方向に沿って配されて左右サブサイドフレーム５１及び左右サブセンターフレーム５２を結合する前後サブクロスフレーム５３，５４と、左右サブサイドフレーム５１後端部と左右サブセンターフレーム５２後端部との間に渡って斜めに配される左右ガセットパイプ５５と、左右サブセンターフレーム５２後端部間に渡って車幅方向に沿って配されるエンドパイプ５６と、左又は右のサブサイドフレーム５１及びサブセンターフレーム５２の各前後方向中間部間に渡って車幅方向に沿って配される前後中間パイプ５７とを有してなる。

左右サブサイドフレーム５１における前後端部（前後サブクロスフレーム５３，５４との結合部）は、サイドフレーム４２にボルトナット等を用いて結合される。一方、左右サブセンターフレーム５２における前後端部（前サブクロスフレーム５３及びエンドパイプ５６との結合部）及び後サブクロスフレーム５４との結合部は、センターフレーム４３にボルトナット等を用いて結合される。前後サブクロスフレーム５３，５４の左右両側方には、サイドフレーム４２とその車幅方向外側のサイドシル４１との間に渡って設けられてこれらを一体に連結するアウトリガー４４，４５が配されており、サブフレーム５０を取り付けた状態においては、車体における左右のサイドシル４１、サイドフレーム４２、及びセンターフレーム４３が、各アウトリガー４４，４５及び前後サブクロスフレーム５３，５４を介して一体的に連結される。

図７，８に示すように、サブフレーム５０の下面側には、少なくともセンターコンソール３９の下方を覆うアンダーカバー５９が取り付けられる。そして、フロアパネル３５下には、センターコンソール３９、両センターフレーム４３、両サブセンターフレーム５２、及びアンダーカバー５９により、車両前後方向に延びてその前端部がモータルームＭＲ内に開放すると共に後端部がリアフロア３６下に開放するセンタートンネル６０が形成される。このようにセンタートンネル６０の前後端が開放することで、その内部の燃料電池２及びその補機類の周辺が自然換気される。

ところで、燃料電池自動車１においては、フロアパネル３５（センターコンソール３９を含む）がダッシュロア３７に突き当たって前記センタートンネル６０がモータルームＭＲ内に開放しているが、このセンタートンネル６０の前端部には、センタートンネル６０内の燃料電池２等から生じた水素がモータルームＭＲ内に流入することを抑制するべく、センタートンネル６０内（床下領域Ｂ）の水素ガスのモータルームＭＲ内（前方領域Ａ）への移動を遮断する隔壁６１が設けられている。

ここで、センターコンソール３９の上壁部分は、フロントシート３３に着座する乗員の足元付近に位置する第一水平部３８ａから斜め上後方に向けて立ち上がる第一傾斜部（車両前方に向けて前下がりに傾斜する傾斜部）３８ｂを連続形成し、かつその後方にフロントシート３３のシートクッション３３ａの上面近くに位置する略水平な第一上壁部３８ｃを連続形成する。また、センターコンソール３９の上壁部分は、第一上壁部３８ｃの後方に、フロントシート３３のシートバック３３ｂの前面手前で斜め上後方に向けて立ち上がる第二傾斜部３８ｄを連続形成し、かつその後方にシートクッション３３ａ上面よりも高い位置にてシートバック３３ｂを前後に横断する略水平な第二上壁部３８ｅを連続形成した後、下方に垂下する垂下壁部３８ｆを介してリアシート３４下のリアフロア３６に連なる。前記隔壁６１は、第一傾斜部３３ｂの下側に設けられ、センタートンネル６０内に生じた水素ガスのモータルームＭＲ内への移動を遮断する。

ここで、センタートンネル６０内の前端側（燃料電池２の前方かつ第一傾斜部３３ｂの下方）には、前記コンタクタボックス１８が配置されている。このコンタクタボックス１８は、例えばサブフレーム５０上には搭載されず、サブフレーム５０の直ぐ前方において車体フレーム側に直接搭載されている。
図９を併せて参照して説明すると、センターコンソール３９内の前端部内には、コンタクタボックス１８の上部を覆うように例えば発泡材Ｐが充填されており、該コンタクタボックス１８及び発泡材Ｐをもって前記隔壁６１が構成されている。

図６に示すように、前記ヒータ２７は、センタートンネル６０内（車幅方向中央部）に位置する燃料電池２の右側におけるフロアパネル３５下に配置される。一方、燃料電池２の左側におけるフロアパネル３５下には前記ＤＣ−ＤＣコンバータ１４が配置される。
燃料電池２は、サブフレーム５０上における左右サブセンターフレーム５２間であって前後サブクロスフレーム５３，５４間に配置され、燃料電池２用の補機類は、左右サブセンターフレーム５２間であって後サブクロスフレーム５４とエンドパイプ５６との間に配置される。また、ヒータ２７及びＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、左又は右のサブサイドフレーム５１及びサブセンターフレーム５２間であって前後サブクロスフレーム５３，５４間に配置されて前後中間パイプ５７に支持される。

図７を併せて参照して説明すると、燃料電池２は、サブフレーム５０上に直接搭載された状態で、その前後端部がブラケット等を介してサブフレーム５０に固定される。また、燃料電池２の後方に位置する燃料電池２用の補機類の内、前記空気排出補機Ｅはサブフレーム５０上に直接搭載され、前記水素供給補機Ｄは空気排出補機Ｅ上に配置される。

センターコンソール３９の上部後側は、その上壁部分が前記第二傾斜部３８ｄを介してさらに上方に膨出することで、乗員用の肘掛等を支持する上部膨出部３９ａを形成しており、この上部膨出部３９ａ内には、燃料電池２の制御装置である前記ＥＣＵ１９が配置される。このＥＣＵ１９は、燃料電池２の後端部上から水素供給補機Ｄ上に跨るように設けられており、該ＥＣＵ１９上であってセンターコンソール３９の上部膨出部３９ａの上壁内面近傍（換言すればセンタートンネル６０内の最上部）には、センタートンネル６０内の水素を検知するための水素センサ６２が配置される。水素センサ６２は、車両前後方向では燃料電池２後端とその補機類前端との間の間隙の上方に位置している。このように燃料電池スタック２及びその補機の何れかから水素が生じた場合にも、これを共通の水素センサ６２によって良好に検知することができる。また、路面から跳ね上げられた水や泥等に対して、比較的耐久性の高い補機から順に下側から配置しているので、より保護性を高めたい補機類の路面からの影響を抑えることができる。

ここで、図５，８に示すように、燃料電池２の右側に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータ１４等の高電圧部品に接続される高圧配線６３は、センターコンソール３９内であって燃料電池２の下部右側と右センターフレーム４３との間の間隙内にて前後に延びるように配策される。一方、ダウンバータ１６を介して灯火器等の低電圧部品に接続される低圧配線６４は、同じくセンターコンソール３９内であって燃料電池２の下部左側と左センターフレーム４３との間の間隙内にて前後に延びるように配線される。

燃料電池２は、その外周が金属パネルで覆わることで電磁シールド性を有しており、このような燃料電池２を挟んで一側に高圧配線６３が、他側に低圧配線６４がそれぞれ配置されることで、高圧配線６３から発生したノイズが低圧配線６４に与える影響が抑制される。とりわけ、モータに対する高圧の電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１４と低圧配線６４とが燃料電池２を挟んで両側に配置されることで、低圧配線６４に対するノイズの影響がより一層抑制される。

以上説明したように、上記実施例における燃料電池自動車構造は、燃料電池スタック２及び該燃料電池スタック２のための補機をサブフレーム５０に搭載し、該サブフレーム５０を車両のフロアパネル３５下に取り付けた燃料電池自動車構造において、前記フロアパネル３５を上方に膨出させて車両の前後方向に延びるセンターコンソール３９の下側に形成されるセンタートンネル６０内に、前記燃料電池スタック２及び該燃料電池スタック２のための補機を前後に並ぶように収容し、前記燃料電池スタック２のための補機は、少なくとも前記燃料電池スタック２へ水素を供給するための水素供給補機Ｄと、前記燃料電池スタック２から空気を排出するための空気排出補機Ｅとを含み、前記水素供給補機Ｄを前記空気排出補機Ｅよりも上方に配置したことを特徴とする。

この構成によれば、より保護性を高めたい前記水素供給補機Ｄに対する路面から跳ね上げられた水や泥等による影響を抑えることができる。
また、燃料電池スタック２及びその補機をサブフレーム５０に搭載した状態で車両に取り付けることで、燃料電池システムの車両への取り付け作業工数を削減できると共に、サブフレーム５０を車体のフレーム部材として機能させて車体剛性を高めることができる。
ここで、燃料電池スタック２及びその補機が車幅方向中央部のセンタートンネル６０内に配置されることで、該燃料電池スタック２及びその補機と車体側面との間のクリアランスを容易に確保でき、特に側突対応を考慮した車体レイアウトを容易に実現することができる。

また、上記燃料電池自動車構造においては、前記燃料電池スタック２のための補機は、さらに燃料電池スタック２の電気出力を制御する制御装置としてのＥＣＵ１９を含み、該ＥＣＵ１９を前記水素供給補機Ｄよりも上方に配置したことで、路面から跳ね上げられた水や泥等のＥＣＵ１９に対する影響を抑えることができる。

この発明の実施例における燃料電池自動車の側面説明図である。 上記燃料電池自動車の上面説明図である。 上記燃料電池自動車における燃料電池システムの概略構成図である。 上記燃料電池システムに係る部品の配置を示す下面説明図である。 上記燃料電池システムに接続される部品を含む構成説明図である。 上記燃料電池自動車の車体下面図である。 図６のＳ１−Ｓ１断面図である。 図６のＳ２−Ｓ２断面図である。 図７のＳ３−Ｓ３断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池自動車
２ 燃料電池スタック
１９ ＥＣＵ（制御装置）
３５ フロアパネル
３９ センターコンソール
５０ サブフレーム
６０ センタートンネル
Ｄ 水素供給補機
Ｅ 空気排出補機

Claims (2)

1. 燃料電池スタック及び該燃料電池スタックのための補機をサブフレームに搭載し、該サブフレームを車両のフロアパネル下に取り付けた燃料電池自動車構造において、
   前記フロアパネルを上方に膨出させて車両の前後方向に延びるセンターコンソールの下側に形成されるセンタートンネル内に、前記燃料電池スタック及び該燃料電池スタックのための補機を前後に並ぶように収容し、
   前記燃料電池スタックのための補機は、少なくとも前記燃料電池スタックへ水素を供給するための水素供給補機と、前記燃料電池スタックから空気を排出するための空気排出補機とを含み、前記水素供給補機を前記空気排出補機よりも上方に配置したことを特徴とする燃料電池自動車構造。
2. 前記燃料電池スタックのための補機は、さらに前記燃料電池スタックの電気出力を制御する制御装置を含み、該制御装置を前記水素供給補機よりも上方に配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車構造。
   
   

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