JP2019111976A - 燃料電池車両のスタックフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを締結するスタックフレームに外力が加わり、スタックフレームが破断した場合でも、燃料電池スタックへの外力の影響を抑えることができる燃料電池車両のスタックフレームを提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池スタック３が締結される燃料電池車両１のスタックフレーム１０であって、アルミニウムの押出により形成されたサブフレーム２１，２２，２３と、サブフレーム２１，２２，２３の押出方向が車両前後方向に沿った向きに配置して、サブフレーム２１，２２，２３が互いに接合した第１のフレーム１１と、アルミニウムの押出により形成されて第１のフレーム１１の端部で第１のフレーム１１に直交して設けられた第２のフレーム１２と、を備え、燃料電池スタック３の締結部が第１のフレーム１１のみに設けられていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックを締結する燃料電池車両のスタックフレームに関する。

この種の燃料電池車両のスタックフレームとして、燃料電池車両のサスペンションメンバーに複数のマウントを介して取り付けられ、燃料電池スタックを締結するものが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１７−７４８１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池車両のスタックフレームにおいては、耐荷重が高く、かつ割れないことが求められるため、スタックフレームをアルミニウムの押出材で形成することが想定される。また、スタックフレームに外力が加わっても、燃料電池スタックに亀裂が発生せず、スタックフレームと燃料電池スタックとの締結が維持されなければならないなどの製造上の要件により、複数のアルミニウムの押出材を接合してスタックフレームを構成することが想定される。このように構成されるスタックフレームは、燃料電池スタックを締結する締結部の配置によっては、スタックフレームに外力が加わった場合、燃料電池スタックに外力が作用して影響が及ぶおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、燃料電池スタックを締結するスタックフレームに外力が加わり、スタックフレームが破断した場合でも、燃料電池スタックへの外力の影響を抑えることができる燃料電池車両のスタックフレームを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池車両のスタックフレームは、燃料電池スタックが締結される燃料電池車両のスタックフレームであって、アルミニウムの押出により形成された複数のサブフレームを、該複数のサブフレームの押出方向が車両前後方向に沿った向きに配置して互いに接合した第１のフレームと、アルミニウムの押出により形成されて前記第１のフレームの端部で前記第１のフレームに直交して設けられた第２のフレームと、を備え、前記燃料電池スタックの締結部が前記第１のフレームのみに設けられていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池車両のスタックフレームは、複数のサブフレームをその押出方向が車両前後方向に沿った向きに配置して互いに接合することによって第１のフレームが構成され、第１のフレームの端部で第１のフレームに直交して第２のフレームが設けられており、燃料電池スタックの締結部が第１のフレームのみに設けられている。

本発明に係る燃料電池車両のスタックフレームは、車両前後方向の外力に対する曲げ剛性が高い第１のフレームのみに燃料電池スタックの締結部が設けられているので、車両前後方向から外力が加えられた場合に、第１のフレームの変形が抑制され、燃料電池スタックへの外力の影響が抑えられる。

そして、第２のフレームが第１のフレームの端部で第１のフレームに直交して設けられているので、スタックフレームに対して車両前後方向から外力が加わった場合に、第１のフレームと第２のフレームとの接合部分に積極的に破断を生じさせることができる。したがって、第１のフレームに破断が生ずることはなく、車両前後方向から加わる外力の燃料電池スタックへの影響が抑えられることになる。

本発明によれば、燃料電池スタックを締結するスタックフレームに外力が加わり、スタックフレームが破断した場合でも、燃料電池スタックへの外力の影響を抑えることができる燃料電池車両のスタックフレームを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両のスタックフレームが適用される燃料電池車両の概略構成図。 本発明の実施形態に係る燃料電池車両のスタックフレームおよび燃料電池スタックの分解斜視図。 本発明の実施形態に係る燃料電池車両のスタックフレームおよび燃料電池スタックの図であり、図３（ａ）は、燃料電池車両のスタックフレームおよび燃料電池スタックの平面図を示し、図３（ｂ）は、燃料電池車両のスタックフレームおよび燃料電池スタックの側面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池車両のスタックフレームの図であり、図４（ａ）は、スタックフレームの分解斜視図を示し、図４（ｂ）は、スタックフレームの斜視図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池車両のスタックフレームおよび燃料電池スタックの図であり、図５（ａ）は、スタックフレームに外力が加わる前の状態を示し、図５（ｂ）は、スタックフレームに外力が加わった後の状態を示す。 実施形態と異なる構造のスタックフレームおよび燃料電池スタックの図であり、図６（ａ）は、スタックフレームに外力が加わる前の状態を示し、図６（ｂ）は、スタックフレームに外力が加わった後の状態を示す。

本発明に係る燃料電池車両のスタックフレームを適用した実施形態に係る燃料電池車両１のスタックフレーム１０について図面を参照して説明する。まず、燃料電池車両１およびスタックフレーム１０の構成について説明する。

スタックフレーム１０は、燃料電池車両１を構成しており、図１に示すように、燃料電池車両１の前輪ＦＷ側に設けられたサスペンションメンバー２に支持され、燃料電池スタック３を搭載する構造で構成されている。燃料電池車両１は、燃料電池スタック３からなる燃料電池を搭載している。

また、燃料電池車両１は、後輪ＲＷの前方に配置された燃料ガス供給装置４と、燃料電池スタック３と燃料ガス供給装置４との間で燃料を流通させる燃料配管５と、燃料電池スタック３に接続された昇圧コンバータ６とを備えている。また、燃料電池車両１は、図２に示すように、燃料電池スタック３をスタックフレーム１０に締結する４本の締結ボルト７と、４個のスペーサ８と、図示しないインバータとを備えている。また、燃料電池車両１は、スタックフレーム１０の下部に装着されたウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）やエアコンプレッサ（ＡＣＰ）などの補機９を備えている。

サスペンションメンバー２は、図２に示すように、サスペンション本体２ａと、左右一対のフロントマウント２ｂと、左右一対のリヤマウント２ｃとを有している。各フロントマウント２ｂは、サスペンションメンバー２の前側に位置し、各リヤマウント２ｃは、サスペンションメンバー２の後側に位置している。各フロントマウント２ｂおよび各リヤマウント２ｃは、上端部分でスタックフレーム１０を支持している。なお、図２に矢印で示す上、前および右は、燃料電池車両１の運転席から見た方向を示している。

燃料電池スタック３は、複数積層された図示しない燃料電池セルの積層体により構成されており、燃料電池セルの積層体は、スタックケース３ａに収容されている。スタックケース３ａは、締結孔３ｂを有する前側締結部３ｃと、締結孔３ｂを有する後側締結部３ｄと、締結孔３ｂを有する前側締結部３ｅと、締結孔３ｂを有する後側締結部３ｆとを有している。

前側締結部３ｃは左側面の前側の底部から水平方向に突出して形成され、後側締結部３ｄは左側面の後側の底部から水平方向に突出して形成され、前側締結部３ｅは右側面の前側の底部から水平方向に突出して形成され、後側締結部３ｆは右側面の後側の底部から水平方向に突出して形成されている。

燃料電池セルは、燃料ガス供給装置４から燃料配管５を介して供給される燃料ガスとしての水素（Ｈ）と、図示しないエアコンプレッサから供給される酸化剤ガスとしての空気（Ｏ_２）とにより発電するように構成されている。燃料電池スタック３は、昇圧コンバータ６と接続されており、電力を昇圧コンバータ６に供給するように構成されている。

昇圧コンバータ６は、燃料電池スタック３の上部に取り付けられており、図示しないコイルと、ダイオードと、平滑コンデンサと、スイッチとを有している。昇圧コンバータ６は、昇圧コンバータ６に接続された高電圧配線の電圧を昇圧して図示しないインバータに接続された高電圧配線に出力する構成を有している。インバータは、直流の電力を負荷装置が必要とする電力、例えば３相交流の電力に変換して、負荷装置に供給する構成を有している。負荷装置は、例えば、燃料電池車両１を駆動するモータやエアコンプレッサを含んで構成されている。

スタックフレーム１０は、図２、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、第１のフレーム１１と、一対の第２のフレーム１２と、一対のフレーム金具１３とにより構成されている。

第１のフレーム１１は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、複数のサブフレーム２１，２２，２３により構成されている。サブフレーム２１，２２，２３は、それぞれ長手方向を車両前後方向に沿った向きに配置し、長手方向に直交する各側面が互いに突き合わされて、溶接などの接合手段により接合されている。第１のフレーム１１は、上面部に燃料電池スタック３が締結されるように構成されている。また、第１のフレーム１１は、下面部に図示しない補機取付部が設けられており、補機９が取り付けられるように構成されている。なお、第１のフレーム１１を、３個のサブフレーム２１，２２，２３で構成した場合について説明したが、サブフレームは複数個であればよく、例えば、２個でもよく、４個〜１０個程度のものであってもよい。

サブフレーム２１は、アルミニウム（Ａｌ）の素材を押出して成形された押出材からなる。サブフレーム２１は、方形の断面を有し長手方向の両端部で開口するパイプ状に形成されており、図４（ａ）に示すように、上面に、図２に示すスタックケース３ａの前側締結部３ｃに形成された締結孔３ｂおよび後側締結部３ｄに形成された締結孔３ｂと、中心を同一にするボルト締結孔２１ａ，２１ｂが形成されている。このボルト締結孔２１ａ，２１ｂには、締結ボルト７がそれぞれ挿入されてねじ結合し、燃料電池スタック３がスタックフレーム１０に締結されるように構成されている。

サブフレーム２１は、具体的には、厚みが３ｍｍ〜６ｍｍ程度で、断面が方形のパイプ、いわゆる閉断面形状で押出成形されている。サブフレーム２１は、このような閉断面形状で形成されているので、内部に生ずる曲げ応力の大きさの算出基準となる断面の形状から求める係数、いわゆる断面係数（ｃｍ^３）が大きい特質を有している。断面係数（ｃｍ^３）が大きいと、サブフレーム２１に生ずる最大曲げ応力（Ｎ／ｍｍ^２）を小さくすることができ、耐荷重（Ｎ）を大きくすることができる。また、サブフレーム２１の押出方向を外力が加わる車両前後方向に配置しているので、配置の点からも、外力が加わった場合に、外力に耐え得る高い耐荷重性を有している。

なお、アルミニウム板をプレス加工してサブフレーム２１と同様の形状にしても、プレス加工するアルミニウム板の厚みは２ｍｍ以下が一般的であり、アルミニウム板では実現し難い。また、アルミニウムダイカストでは、抜きの制約から閉断面形状に成形し難い。

また、サブフレーム２１は、アルミニウム（Ａｌ）を素材としているので、比較的に高い８％の伸び率を有しており、外力に対して割れが生じ難い特質を有している。また、サブフレーム２１の押出方向を外力が加わる車両前後方向に配置しているので、配置の点からも、外力に対して割れが生じ難い特質を有している。なお、アルミニウムダイカストは、伸び率が１％〜２％となっており、外力に対して割れが生じないことを担保することができない。

サブフレーム２２も、サブフレーム２１と同様に、アルミニウム（Ａｌ）の素材を押出して成形された押出材からなり、方形の断面を有し長手方向の両端部で開口するパイプ状に形成されている。サブフレーム２２は、図２、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、サブフレーム２１とサブフレーム２３との間に位置している。サブフレーム２２も、サブフレーム２１と同様に、アルミニウムの押出材で押出方向を外力が加わる車両前後方向に配置しているので、外力が加わった場合に、外力に耐え得る高い耐荷重性と、外力に対して割れることがない特質を有している。

サブフレーム２３も、サブフレーム２１と同様に、方形の断面を有し長手方向の両端部で開口するパイプ状に形成されている。サブフレーム２３は、上面に、図２に示すスタックケース３ａの前側締結部３ｅに形成された締結孔３ｂおよび後側締結部３ｆに形成された締結孔３ｂと中心を同一にするボルト締結孔２３ａ，２３ｂが形成されている。このボルト締結孔２３ａ，２３ｂには、締結ボルト７がそれぞれ挿入されてねじ結合し、燃料電池スタック３がスタックフレーム１０に締結されるように構成されている。なお、本実施形態のボルト締結孔２１ａ，２１ｂおよびボルト締結孔２３ａ，２３ｂは、燃料電池スタック３の締結部を構成している。

サブフレーム２３も、サブフレーム２１と同様に、アルミニウムの押出材で押出方向を外力が加わる車両前後方向に配置しているので、外力が加わった場合に、外力に耐え得る高い耐荷重性と、外力に対して割れることがない特質を有している。

一対の第２のフレーム１２は、サブフレーム２１と同様に、それぞれアルミニウム（Ａｌ）の素材を押出して成形された押出材からなり、方形の断面を有し長手方向の両端部で開口するパイプ状に形成されている。各フレーム１２は、第１のフレーム１１を構成するサブフレーム２１，２２，２３の長手方向に直交する車両左右方向、いわゆるクロス方向に沿った向きに配置され、サブフレーム２１，２２，２３の両端部に位置している。

一対の第２のフレーム１２は、クロス方向に沿った向きに配置されているので、例えばオフセット衝突のように、第１のフレーム１１を構成するサブフレーム２１，２２，２３の一部に外力が加わり、サブフレーム２１，２２，２３に対して剪断力（Ｎ）が作用し、サブフレーム２１，２２，２３の一部が接合部分で車両前後方向に剪断されてしまうことを阻止するように構成されている。

一対のフレーム金具１３は、図４（ａ）に示すように、サブフレーム２１と同様、それぞれアルミニウム（Ａｌ）の素材を押出して成形された押出材からなり、コの字状の断面を有し、第２のフレーム１２の長手方向に沿う側面部１３ａと、側面部１３ａの上側で側面部１３ａから車両の前方向に折り曲げられた上側折曲部１３ｂと、側面部１３ａの下側で側面部１３ａから車両の前方向に折り曲げられた下側折曲部１３ｃとを有している。上側折曲部１３ｂと下側折曲部１３ｃとの間には、サブフレーム２１，２２，２３の各端部が挿入されるように構成されている。

一対のフレーム金具１３は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、サブフレーム２１，２２，２３の各端部と、第２のフレーム１２の側面部１２ａとの間に配置され、サブフレーム２１，２２，２３の各端部と、第２のフレーム１２の側面部１２ａとが溶接などの接合手段で互いに接合されるように構成されている。

以上のように構成された本実施形態に係る燃料電池車両１のスタックフレーム１０の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池車両１のスタックフレーム１０においては、サブフレーム２１，２２，２３で構成される第１のフレーム１１が車両前後方向に沿った向きに配置され、第２のフレーム１２およびフレーム金具１３が第１のフレーム１１に直交して設けられている。第１のフレーム１１、第２のフレーム１２およびフレーム金具１３はアルミニウムの押出で形成され、第１のフレーム１１は、押出方向が車両前後方向に沿った向きになるように配置されている。さらに、燃料電池スタック３を締結するボルト締結孔２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂが第１のフレーム１１のみに設けられている。

この構成により、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、スタックフレーム１０に対して車両前方から外力Ｆが加わった場合に、第１のフレーム１１およびフレーム金具１３と第２のフレーム１２との接合部分ａ、ｂに破断が生ずる。接合部分ａ、ｂの破断により、第１のフレーム１１に破断が生ずることはなく、車両前方から加わる外力Ｆの第１のフレーム１１に対する影響を抑えることができるという効果が得られる。また、燃料電池スタック３を締結するボルト締結孔２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂが第１のフレーム１１のみに設けられているので、外力Ｆの燃料電池スタック３および第１のフレーム１１に取り付けられている補機９への影響を抑えることができるという効果が得られる。

したがって、燃料電池車両１の衝突時などで燃料電池車両１に外力が加わっても、燃料電池スタック３および補機９が亀裂してはならないという法規を満たすことができるという効果が得られる。また、燃料電池スタック３は外力が加わった後にスタックフレーム１０を介して燃料電池車両１のボディ、即ち、サスペンションメンバー２との締結が維持されていなければならないという法規を満たすことができるという効果が得られる。

本実施形態に係る燃料電池車両１のスタックフレーム１０においては、燃料電池スタック３は第１のフレーム１１のみに締結されているが、図６（ａ）に示すように、燃料電池スタック３を第１のフレーム１１と第２のフレーム１２に跨って締結した構造では、外力Ｆの燃料電池スタック３への影響を抑えることができないという問題がある。

即ち、図６（ｂ）に示すように、スタックフレーム１０に対して車両前方から外力Ｆが加わった場合に、実施形態と同様に、第１のフレーム１１およびフレーム金具１３と第２のフレーム１２との接合部分ａ、ｂに破断が生ずる。この破断により、燃料電池スタック３を締結している第２のフレーム１２と燃料電池スタック３に曲げモーメントＭが作用し、燃料電池スタック３の下部が変形し、燃料電池スタック３の前側締結部３ｃ，３ｅおよび後側締結部３ｄ，３ｆに亀裂が発生するおそれがある。本実施形態のスタックフレーム１０は、燃料電池スタック３のこのような亀裂の発生の問題を解消することができる。

本実施形態のスタックフレーム１０は、アルミニウムを素材としているので、比較的に高い８％の伸び率を有しており、外力に対して割れが生じ難い特質を有している。さらに、第１のフレーム１１は、アルミニウムの押出材で押出方向を外力が加わる車両前後方向に配置しているので、外力に耐え得る高い耐荷重性と、外力に対して割れることがない特質を有している。また、サブフレーム２１，２２，２３は、厚みが３ｍｍ〜６ｍｍ程度で閉断面形状で押出成形されているので、断面係数（ｃｍ^３）が大きい特質を有しており、サブフレーム２１，２２，２３に生ずる最大曲げ応力（Ｎ／ｍｍ^２）を小さくすることができ、耐荷重（Ｎ）を大きくすることができる。

このように、本実施形態のスタックフレーム１０は、機械的な強度の面からも、外力Ｆの燃料電池スタック３および第１のフレーム１１に取り付けられている補機９へ及ぼす影響を抑えることができるという効果が得られる。

本実施形態のスタックフレーム１０は、車両前後方向の外力に対する曲げ剛性が高い第１のフレーム１１のみに燃料電池スタック３の前側締結部３ｃ，３ｅおよび後側締結部３ｄ，３ｆが設けられているので、車両前後方向から外力が加えられた場合に、第１のフレーム１１の変形が抑制され、燃料電池スタック３への外力の影響が抑えられる。

そして、第２のフレーム１２が第１のフレーム１１の端部で第１のフレーム１１に直交して設けられているので、スタックフレーム１０に対して車両前後方向から外力が加わった場合に、第１のフレーム１１と第２のフレーム１２との接合部分に積極的に破断を生じさせることができ、第１のフレーム１１に破断が生ずることはなく、車両前後方向から加わる外力の燃料電池スタック３への影響が抑えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１・・・燃料電池車両、２・・・サスペンションメンバー、２ａ・・・サスペンション本体、２ｂ・・・フロントマウント、２ｃ・・・リヤマウント、３・・・燃料電池スタック、３ａ・・・スタックケース、３ｂ・・・締結孔、３ｃ，３ｅ・・・前側締結部、３ｄ，３ｆ・・・後側締結部、４・・・燃料ガス供給装置、５・・・燃料配管、６・・・昇圧コンバータ、７・・・ボルト、８・・・スペーサ、９・・・補機、１０・・・スタックフレーム、１１・・・第１のフレーム、１２・・・第２のフレーム、１２ａ，１３ａ・・・側面部、１３・・・フレーム金具、１３ｂ・・・上側折曲部、１３ｃ・・・下側折曲部、２１，２２，２３・・・サブフレーム、２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂ・・・ボルト締結孔

Claims (1)

1. 燃料電池スタックが締結される燃料電池車両のスタックフレームであって、
   アルミニウムの押出により形成された複数のサブフレームを、該複数のサブフレームの押出方向が車両前後方向に沿った向きに配置して互いに接合した第１のフレームと、
   アルミニウムの押出により形成されて前記第１のフレームの端部で前記第１のフレームに直交して設けられた第２のフレームと、を備え、
   前記燃料電池スタックの締結部が前記第１のフレームのみに設けられていることを特徴とする燃料電池車両のスタックフレーム。

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