JP2009057035A - 燃料電池車両のシャーシフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】上部のアッパーボディ(既存モノコックボディ)とフレームを組合わせた加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンクの重量に耐える高強度で耐久性のある燃料電池車両のプラットホーム用シャーシフレームを提供する。
【解決手段】本発明は、上部のアッパーボディと共に車体を形成する燃料電池車両の車体下部構造であって、車体前後方向に配置される縦部材である２つのサイドメンバーと、前記２つのサイドメンバー間に横方向に設置される複数のクロスメンバーと、上部にアッパーボディが結合されるボディマウント部と、を含んで構成され、前記各サイドメンバーは、フロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーの３つのメンバーが縦方向に長く連結された３分割フレーム構造となっていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池車両のシャーシフレームに係り、更に詳しくは、燃料電池車両の車体下部を構成する燃料電池車両プラットホーム用シャーシフレームに関する。

世界の自動車産業は１００年以上もガソリンおよびディーゼル内燃機関を中心に急速な成長を遂げてきたが、最近になり環境および化石燃料の枯渇などのエネルギー問題から非常に大きな変化に直面している。
そこで、先進国を中心とした世界の自動車製造業者は、環境に優しく高度の先端技術を必要とする高効率の未来型自動車の技術開発のために熾烈な競争を繰り広げている。
特に、直面している化石燃料の枯渇問題を解決しながら、より環境に優しい製品の開発を要請する時代背景から、最近、各自動車製造者は電気モータを動力源として使用する電気自動車の研究を活発に進めている。

現在最も活発に研究されている電気自動車の分野としては、燃料電池システムを搭載した車両を挙げることができる。
燃料電池システムが搭載された車両では、燃料として使用される水素を燃料電池スタックに供給して電気を生産し、燃料電池スタックにより生産された電気で電気モータを作動させて車両を駆動させる。
ここで、燃料電池システムは、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えるのではなく、燃料電池スタック内で電気化学的に直接電気エネルギーに変換させる一種の発電システムである。

燃料電池システムは、大きく、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に排出し、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱および水管理システムから構成される。
このような構成の燃料電池システムでは、燃料である水素と空気中の酸素による電気化学反応により電気を発生させ、反応副産物として熱と水を排出させる。
現在、自動車用として多く使用されている燃料電池スタックは、出力密度が高い固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。

従来の燃料電池車両では、モノコックボディーと呼ばれるボックスタイプの車体が使用されているが、これはフレームのような骨組みを持たない構造となっている。
モノコックボディーは、エンジンルーム、キャビンスペース、トランクルームなどが形成される薄いパネルと、補強メンバーを適切に組み合わせて構成した構造であり、外部の力をボディー全体に分散させる構造となっている。
このような従来の車体構造では、燃料電池スタックに供給される空気を加湿するための加湿器、燃料である水素と空気中の酸素による電気化学反応により電気を発生させる燃料電池スタック、燃料タンクである水素タンクから供給される水素の圧力を調節し、燃料電池スタックに供給するＦＰＳなどをモノコックボディーのエンジンルーム内部に搭載し、複数の水素タンクはボディのリアフロア下側に搭載する。

しかし、燃料電池車両に搭載される加湿器および燃料電池スタックなどは相当な重量を持つ高重量部品である。
従って、これらの高重量部品をモノコックボディーのエンジンルーム内部に装着する場合、成形された厚さの薄いパネルを組み合わせて構成したボディーが強度に耐えられないため、十分な強度を与えるためにボディーの構造が複雑になるなど多くの問題がある。
特開２００２−１８７５７７号公報 特開２００４−０３４８０８号公報

本発明は、前記のような点を考慮してなされたものであり、本発明は、上部のアッパーボディ(既存モノコックボディ)とフレームを組合わせた加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンクの重量に耐える高強度で耐久性のある燃料電池車両のプラットホーム用シャーシフレームの提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、上部のアッパーボディと共に車体を形成する燃料電池車両の車体下部構造であって、車体前後方向に配置される縦部材である２つのサイドメンバーと、前記２つのサイドメンバー間に横方向に設置される複数のクロスメンバーと、上部にアッパーボディが結合されるボディマウント部と、を含んで構成され、前記各サイドメンバーは、フロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーの３つのメンバーが縦方向に長く連結された３分割フレーム構造となっていることを特徴とする。

前記各サイドメンバーを構成するフロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーに沿って加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンクが順にマウントされることを特徴とする。

前記両側サイドメンバーを構成するフロントメンバーを横方向に連結する第２クロスメンバーと第３クロスメンバーとの間に加湿器がマウントされ、前記第３クロスメンバーと、両側サイドメンバーを構成するリアメンバーを横方向に連結する第４クロスメンバーとの間に燃料電池スタックがマウントされ、前記ＦＰＳと第１および第２水素タンクからなる前記水素タンクは、前記第４クロスメンバーの後方で、前記第４クロスメンバーおよび両側サイドメンバーのリアメンバーに各々マウントされることを特徴とする。

本発明の燃料電池車両のシャーシフレームは、両サイドメンバーが３つのメンバーを連結した３分割フレーム構造であるため、分割区間毎に搭載される機器の重量に対応する断面を形成することで重量増加を抑制しながら高強度で耐久性がある車体構造とすることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。

本発明は、上部のアッパーボディと共に燃料電池車両の車体を形成し、加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンクがマウントされる車体下部を構成する燃料電池車両のプラットホーム用シャーシフレームに関するものである。
本発明の燃料電池車両用シャーシフレームは、縦部材と横部材から構成されており、各サイドメンバーは、フロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーの３つのメンバーが縦方向に長く連結された３分割フレーム構造からなり、各サイドメンバーを構成するフロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーに沿って加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンクが順にマウントされる。
にマウントされるようになっている。

図１は本発明の燃料電池車両の車体構造を図示した概略図であり、図２は図１の車体構造のシャーシフレームを図示した側面図であり、図３は図２のシャーシフレームが３分割フレーム構造となっていることを説明するための側面概略図である。
図に示す通り、本発明による燃料電池車両の車体は、エンジンルーム、乗客ルーム、トランクルームなどを形成する薄いパネルと補強メンバーを適切に組合せたボックスタイプのアッパーボディ１００と、縦部材である２つのサイドメンバー２１０に複数のクロスメンバー（横部材）２２１〜２２４、バンパー補強メンバー２３１，２３２などを溶接結合したシャーシフレーム２００から構成される。

アッパーボディ１００は、既存の内燃機関車両のモノコックボディと同様に、ルーフ１０１、フィラー１０２、フェンダー１０３、フード１０４、トランクリッド（図示せず）、ダッシュパネル（図示せず）、センターフロア１０５、リアフロア１０６などからなり、これらは薄いパネルを成形して製作される。
このようなアッパーボディ１００は、シャーシフレーム２００の上に載せられて組み立てられるが、アッパーボディ１００がマウントされ、締結されるシャーシフレーム２００には、アッパーボディと結合される複数のボディマウント部２１７が形成されている。

シャーシフレーム２００は、車体の前後方向に長く配置される縦部材である２つのサイドメンバー２１０と、２つのサイドメンバー２１０の間に横方向に設置される横部材である第１〜４クロスメンバー２２１〜２２４、フロントバンパー補強メンバー２３１およびリアバンパー補強メンバー２３２、その他の追加的な補強メンバーから構成される。
シャーシフレーム２００において、各サイドメンバー２１０は、フロントメンバー２１１、センターメンバー２１２、リアメンバー２１３で構成され、これらの３つのメンバー２１１，２１２，２１３を縦方向に連結させて各サイドメンバー２１０が製作される。

ここで、各サイドメンバー２１０を構成するフロントメンバー２１１、センターメンバー２１２、リアメンバー２１３は、断面が四角形の管構造となっており、四角管構造のフロントメンバー２１１、センターメンバー２１２、リアメンバー２１３の端部を相互溶接して長く形成された１つのサイドメンバー２１０が製作される。
この時、各メンバーの管の厚さを変えて、メンバーごとに剛性および重量を調節することができる。例えば、図３に示すように、フロントメンバー２１１とセンターメンバー２１２は厚さ２．６ｍｍ（２．６ｔ）の四角管形状に、リアメンバー２１３は管の厚さを相対的に小さくし、厚さ２．３ｍｍ（２．３ｔ）の四角管形状に製作した後、これらを一つの長さ部材となるように端部を溶接して１つのサイドメンバー２１０に製作する。

このように、本発明のシャーシフレーム２００は、各サイドメンバー２１０が３つのメンバーを連結した３分割フレーム構造であり、このように製作された２つのサイドメンバー２１０に横方向に配置される第１、第２、第３、第４クロスメンバー２２１〜２２４などを溶接することでシャーシフレーム２００が構成される。
本発明のシャーシフレームのように、両側のサイドメンバー２１０が３つのメンバー２１１，２１２，２１３が連結された３分割フレーム構造の場合、分割された区間別にフレーム剛性、フレームをなす四角管の厚さおよび断面の形状、断面の寸法、重量などを変えることが出来る。

このようにメンバー２２１〜２２４を連結したサイドメンバー２１０からなるシャーシフレーム２００には、上に組立てられるアッパーボディ１００をマウントするためにボディマウント部２１７が多数の位置に形成される。更に、各サイドメンバー２１０のリアメンバー２１３にはリアサスペンションアームが締結されるサスペンションアームブラケット２１９が設置される。
更に、シャーシフレーム２００の各サイドメンバー２１０には、アッパーボディのセンターフロア部分を低くするためにキックアップ部２１４，２１５が形成されているが、これは図２と図３に示すように、センターメンバー２１２が連結されるフロントメンバー２１１の後端部とリアメンバー２１３の前端部を下向きに傾けて成形させた部分であり、フロントおよびリアメンバー２１１，２１３とセンターメンバー２１２との間の高さの差によりキックアップ部が形成される。

図２と図３に示す通り、サイドメンバー２１０のフロントメンバー２１１とセンターメンバー２１２との高さの差により前側キックアップ部２１４が形成され、サイドメンバーのセンターメンバー２１２とリアメンバー２１３との高さの差により後側キックアップ部２１５が形成されている。
ここで、各サイドメンバー２１０を構成するフロントメンバー２１１、センターメンバー２１２、リアメンバー２１３の高さは車両レイアウトによって決定され、フロントメンバー２１１およびリアメンバー２１３はサスペンション装置の構造などにより高さが決定され、センターメンバー２１２はアッパーボディのセンターフロアとの十分な間隔確保を考慮して高さが決定される。

そして、本発明が適用される燃料電池車両では、従来、モノコックボディのエンジンルーム内部に装着されていた高重量部品がシャーシフレーム２００に支持されるように装着され、両側サイドメンバー２１０を構成するフロントメンバー２１１、センターメンバー２１２、リアメンバー２１３に沿って加湿器１１、燃料電池スタック１２、ＦＰＳ１３、水素タンク１４が順にマウントされる。
即ち、加湿器１１は、両側サイドメンバー２１０のフロントメンバー２１１間に溶接された第２クロスメンバー２２２と第３クロスメンバー２２３との間に配置され、燃料電池スタック１２は、第３クロスメンバー２２３と両側サイドメンバー２１０のリアメンバー２１３間に溶接された第４クロスメンバー２２４との間に配置され、ＦＰＳ１３と第１および第２水素タンク１４ａ，１４ｂは第４クロスメンバー２２４の後側に配置される。

図面に図示はしていないが、加湿器１１は、第２および第３クロスメンバー２２２，２２３にマウントして支持させ、燃料電池スタック１２は、その前後側の第２および第３クロスメンバー２２２，２２３と両側サイドメンバー２１０のセンターメンバー２１２に、ＦＰＳ１３は第４クロスメンバー２２４に、第１および第２水素タンク１４ａ，１４ｂは両側サイドメンバー２１０のリアメンバー２１３に各々マウントさせて支持させる。

このようにして、本発明によるシャーシフレームでは３分割フレーム構造のサイドメンバーが適用されることで、これに搭載される部品（例：加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンク）の重量および要求される強度を考慮してフロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーの剛性、管壁の厚さ、断面形状および寸法、重量などを変えることができるため、フレームの最適断面の設定が可能となることにより車体重量の低減が可能となる。

本発明による燃料電池車両の車体構造を図示した概略図である。 図１の車体構造においてのシャーシフレームを図示した側面図である。 図２のシャーシフレームが３分割フレーム構造となっていることを説明するための側面概略図である。

符号の説明

１００ アッパーボディ
２００ シャーシフレーム
２１０ サイドメンバー
２１１ フロントメンバー
２１２ センターメンバー
２１３ リアメンバー

Claims (3)

1. 上部のアッパーボディと共に車体を形成する燃料電池車両の車体下部構造であって、
   車体前後方向に配置される縦部材である２つのサイドメンバーと、
   前記２つのサイドメンバー間に横方向に設置される複数のクロスメンバーと、
   上部にアッパーボディが結合されるボディマウント部と、
   を含んで構成され、
   前記各サイドメンバーは、フロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーの３つのメンバーが縦方向に長く連結された分割フレーム構造となっていることを特徴とする燃料電池車両のシャーシフレーム。
2. 前記各サイドメンバーを構成するフロントメンバー、センターメンバー、リアメンバーに沿って加湿器、燃料電池スタック、ＦＰＳ、水素タンクが順にマウントされることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両のシャーシフレーム。
3. 前記両側サイドメンバーを構成するフロントメンバーを横方向に連結する第２クロスメンバーと第３クロスメンバーとの間に加湿器がマウントされ、
   前記第３クロスメンバーと、両側サイドメンバーを構成するリアメンバーを横方向に連結する第４クロスメンバーとの間に燃料電池スタックがマウントされ、
   前記ＦＰＳと第１および第２水素タンクからなる前記水素タンクは、前記第４クロスメンバーの後方で、前記第４クロスメンバーおよび両側サイドメンバーのリアメンバーに各々マウントされることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池車両のシャーシフレーム。
   

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