JP2021041890A - 燃料電池の搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に移動エネルギーを効果的に吸収する。【解決手段】下部が車両側部材に固定され、上部に燃料電池１０を接続する前脚部５２を含む。前脚部５２は、下部から上方および後方に向けて伸び、少なくともその前端が後方に向けて傾斜している傾斜部５２ａと、傾斜部５２ａの上端から上方に向けて伸び、燃料電池１０の前方側に固定される上部固定部５２ｂと、傾斜部５２ａと上部固定部５２ｂとの間に位置し後方に向けて凹む屈曲部５２ｃと、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両に燃料電池を搭載する場合における、燃料電池の搭載構造に関する。

燃料電池を使用して走行する車両においては、燃料電池セルを積層した燃料電池のスタック（以下、ＦＣスタックという）からの電力を利用して走行用のモータを駆動することで走行する。このために、車両にはエネルギー発生源としてのＦＣスタックが搭載される。

ここで、車両の衝突時には、ＦＣスタックに掛かる荷重を軽減したいという要求がある。特許文献１では、ＦＣスタックを車両の前部のフロントサスペンションメンバに取り付ける構造において、衝突時においてＦＣスタックをサスペンションメンバから離脱させて、ＦＣスタックへの荷重を軽減する構造が示されている。

特許文献１では、ＦＣスタックを前方から一対の防振部材で支持する。一対の防振部材は、その下部において前後方向に配置される前側結合部と後側結合部によってサスペンションメンバに取り付けられる。そして、前側結合部と後側結合部のいずれか一方に脆弱部を設け、衝突時に脆弱部が破断することで、一方の結合部がサスペンションメンバから外れ、他方の結合部を軸として防振部材が回転することで、ＦＣスタックの移動を許容して荷重を低減する。

特開２０１８−１０３７８３号公報

ここで、特許文献１の構成では、ＦＣスタックの移動を許容するため、衝突エネルギーをあまり吸収することができず、そのエネルギー吸収の観点から改良の余地がある。

本発明は、衝突時において、ＦＣスタックの移動エネルギーの吸収量を高め、衝突時におけるＦＣスタックへの荷重を効果的に低減することを目的とする。

本発明は、燃料電池を車両に搭載する燃料電池の搭載構造であって、下部が車両側部材に固定され、上部に前記燃料電池を接続する前脚部を含み、前記前脚部は、下部から上方および後方に向けて伸び、少なくともその前端が後方に向けて傾斜している傾斜部と、前記傾斜部の上端から上方に向けて伸び、前記燃料電池の前方側に固定される上部固定部と、前記傾斜部と、前記上部固定部との間に位置し、後方に向けて凹む屈曲部と、を有する。

前記上部固定部は、左右方向を軸方向とする円筒状のマウント材を含むとよい。

前記マウント材が前記燃料電池に固定されるとよい。

前記マウント材は、弾性材料からなる緩衝材を含むとよい。

本発明によれば、固定部材が屈曲部を有し、燃料電池の前方への移動に際し固定部材の上部が屈曲部を起点として変形する。これによって、燃料電池の前方への移動のエネルギーを吸収しつつ、燃料電池を前方に移動させることができる。

車両における燃料電池の搭載構造を模式的に示す平面図である。 前方固定部材４０の構成を示す図であり、中央が正面図、左がＡ−Ａ断面図、右が右側面図、上が平面図である。 前方固定部材４０の前脚部５２とスタックフレーム２２のマウント取付部２４の接続部を説明する図である。 ＦＣスタック１０を搭載した状態を車幅方向左から見た図である。 衝突時における前方固定部材４０の前脚部５２の動きを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。なお、各図において矢印ＵＰを車体上方向、矢印ＦＲを車体前方向、矢印ＲＨを車体右方向、矢印ＬＨを車体左方向とする。

図１は、車両１００における燃料電池の搭載構造（車両前部の下部）を模式的に示す図である。ここで、車両１００は、水素ボンベを搭載し、ここからの水素ガスと、空気中の酸素を燃料電池１０に供給して、燃料電池１０で発電する。そして、燃料電池１０で発電された電力をバッテリに蓄積するとともに、バッテリからの電力で駆動モータを駆動して走行する。

燃料電池１０は、燃料電池セルが積層されたＦＣスタックおよびＦＣスタックに水素ガス、空気を供給するポンプ、これらを制御する機器などを含むが、ここでは燃料電池１０としてＦＣスタックを取り上げ、ＦＣスタック１０と称する。

この例において、ＦＣスタック１０は、車両前部の前部フード下の空間であるパワーユニット室（エンジン車のエンジンルームに対応する室）１２内に配置される。このパワーユニット室１２の底部には、左右車輪を支持するためのサスペンションメンバ１４が車両側部材として配置される。

サスペンションメンバ１４は、車両の両側において前後方向に伸びる一対のサイドレール１６と、一対のサイドレール１６の前端同士および後端同士をそれぞれ結ぶ、車両幅方向に伸びる一対のクロスメンバ１８を有しており、全体として四角枠状の形状を有する、車両側の骨格部材である。前後方向に伸びる左右サイドレール１６の下側に左右前輪がサスペンションを介しそれぞれ取り付けられる。

サスペンションメンバ１４の上側にＦＣスタック１０がスタックフレーム２２（図において砂地で示す）を介し、搭載される。この例において、スタックフレーム２２は、平面視においてＦＣスタック１０より少し大きな矩形の板状であり、ＦＣスタック１０の底部がスタックフレーム２２にボルト締めなどにより固定される。また、スタックフレーム２２は、左右前端には、スタックフレーム２２と前方固定部材４０とを取り付けるためのマウント取付部２４が設けられている。このマウント取付部２４は前方固定部材４０をボルトで固定するために前方固定部材４０の内側に伸びている。なお、スタックフレーム２２は、下方からＦＣスタック１０を支持することができ、ＦＣスタック１０を固定できれば、板状でなくてもよい。

スタックフレーム２２の前方は、マウント取付部２４、前方固定部材４０を介し、サスペンションメンバ１４のサイドレール１６に固定される。なお、前方固定部材４０がＦＣスタック１０の固定部材を構成する。

また、スタックフレーム２２の前後方向の中間部分（やや後方）の両側部は、下方に位置する一対の後方固定部材４２を介し、サスペンションメンバ１４における左右のサイドレール１６に固定される。

また、車両前部の前方側のクロスメンバ１８の前上方には、バンパリンフォース３０が設けられ、このバンパリンフォース３０の前方にバンパが取り付けられる。また、このバンパリンフォース３０の後方には、スタックフレーム２２の前端に取り付けられたクラッシュボックス３２が位置し、衝突時において、クラッシュすることでＦＣスタック１０の前方への移動エネルギーを吸収する。

なお、サイドレール１６は、車両の骨格部材であり、車両の両側において前後方向に伸びるフロントサイドメンバに固定される。

「前方固定部材（固定部材）」
図２は、前方固定部材４０の構成を示す図であり、中央が正面図、左がＡ−Ａ断面図、右が右側面図、上が平面図である。

まず、前方固定部材４０の底部には、全体として長方形状で板状の下金具５０が設けられている。この下金具５０は前後方向に伸び、その中間部分が隆起している。前方固定部材４０は、前脚部５２と後脚部５４とを有する。これら前脚部５２と後脚部５４は、両方とも板材を折り曲げて全体として中空の四角筒状としたものであり、その下端が下金具５０の前方側の平坦部および後方側平坦部上に溶接などで固定されている。また、下金具５０は、ボルトなどによって、サスペンションメンバ１４に固定される。

前脚部５２は、下端部から後方上方に向けて伸びている。そして、中間部において、伸びる方向が上方に変わり、正面から見て全体として後方に向けて凹む、くの字となっており、前端面も、くの字状となっている。前脚部５２は、斜め上方に伸びる下部が傾斜部５２ａ、上部が上部固定部５２ｂ、両者の境が屈曲部５２ｃを形成する。

上部固定部５２ｂは、上端の後側が円弧状にえぐられ、ここにマウント材５６が固定される。マウント材５６は全体として円筒型で、中心軸が車幅方向を向いている。中心に金属製で貫通するボルト孔５６ａが形成された円筒状のインナー金具５６ｂ、その外側にゴムなどの弾性材料からなるドーナツ状のブッシュ５６ｃ、その外側を金属製の外周リング５６ｄが取り囲むように配置されている。ブッシュ５６ｃには前後方向に横長の一対の開口５６ｅがインナー金具５６ｂの上下に離れて設けられており、ブッシュ５６ｃの変形量を確保している。車幅方向で見ると、インナー金具５６ｂの方が外周リング５６ｄより大きく、従ってブッシュ５６ｃは内側の方が肉厚になっている。

後脚部５４は、下端部から上方に向けて伸びており、上部が前方に向けて広がっている。後脚部５４は、下部が直線部５４ａ、上部が上部固定部５４ｂを形成し、上部固定部５４ｂは、上端の前側が円弧状にえぐられ、ここにマウント材５６が固定される。すなわち、円筒状のマウント材５６の下側および後側の一部が前方固定部材４０に固定される。これによって、マウント材５６の前下側は、前脚部５２の上端に支持され、後下側の一部（下側）が、後脚部５４の上端によって支持される。なお、前脚部５２、後脚部５４の上端とマウント材５６の外周リング５６ｄは、溶接などによって、固定される。

また、前脚部５２と後脚部５４の車幅方向外側の上下方向中間部には、前後方向横長の連結材５８が設けられ、両者が連結される。

図３は、前方固定部材４０の前脚部５２とスタックフレーム２２のマウント取付部２４の接続部を説明する図である。このように、ボルト孔５６ａには、ボルト６０が挿通され、この先端部がマウント取付部２４を貫通し、ここにナット６２が螺合されて、両者が結合される。ボルト６０の軸は、インナー金具５６ｂに設けられたボルト孔５６ａを貫通し、インナー金具５６ｂによって支持されている。従って、ＦＣスタック１０に対して、ブッシュ５６ｃが振動吸収用の緩衝材として機能する。

図４は、ＦＣスタック１０をサスペンションメンバ１４に搭載した状態を車幅方向左から見た図である。なお、ＦＣスタック１０の上側には、ＦＣスタック１０の動作を制御するパワーコントロールユニット２６が搭載されている。サスペンションメンバ１４のサイドレール１６は、後方側で低くなっており、スタックフレーム２２はほぼ水平方向に位置するので、後方固定部材４２は、上下方向の長さが大きくなっている。後方固定部材４２は、下端がサスペンションメンバ１４に固定され、上端がスタックフレーム２２に固定されている。これらの固定はボルト締めであってもよいし、溶接などによってもよい。なお、後方固定部材４２においても、スタックフレーム２２と固定される部分にゴムなどの弾性材を介在させることで、振動吸収を図るとよい。

「衝突時」
図５には、衝突時における前方固定部材４０の前脚部５２の動きを示す図である。車両の前突によって、ＦＣスタック１０を含む搭載物が前方に移動し、マウント材５６には、（ａ）に矢印で示すように、前方への力が掛かる。これによって、マウント材５６が前方に移動して、前脚部５２の上部固定部５２ｂに前方へ向けた力が掛かり変形する。ここで、前脚部５２は、屈曲部５２ｃを有し、ここにおいて折れ曲がりやすい構造になっている。そこで、（ｂ）に示すように、上部固定部５２ｂが屈曲部５２ｃを支点として前方に曲がる。そして、衝突時など印加される荷重が大きい場合には、（ｃ）に示すようにさらに上部固定部５２ｂが変形し、ＦＣスタック１０は、マウント材５６とともに、またはマウント材５６を乗り越えて、前方に移動する。前方には、クラッシュボックス３２が位置しており、衝撃が大きい場合には、ＦＣスタック１０がクラッシュボックス３２に衝突する。なお、マウント取付部２４も変形または破断して、ＦＣスタック１０が前方に移動する。

このように、本実施形態においては、前脚部５２が後方に向けて凹む、くの字型の形状をして、屈曲部５２ｃを有している。従って、この屈曲部５２ｃを支点として前脚部５２が変形し、ＦＣスタック１０についての前方への移動エネルギーの一部が吸収される。ＦＣスタック１０の移動を一部抑制しながら、その前方への移動をガイドできる。

なお、後方固定部材４２は本体が破断することで、ＦＣスタック１０の前方への移動エネルギーの一部を吸収する。

ここで、衝突の態様は各種あり、ＦＣスタック１０の動きは必ずしも同じにはならない。しかし、前突の場合、車両が大きな加速度で停止するため、ＦＣスタック１０には車両の骨格に対して相対的に前方に向かう大きな加速度が生じる。本実施形態によれば、前脚部５２が屈曲部を利用して変形することで、ＦＣスタック１０の移動エネルギーの吸収量を高め、衝突時におけるＦＣスタック１０への荷重を効果的に低減することができる。

１０ 燃料電池（ＦＣスタック）、１２ パワーユニット室、１４ サスペンションメンバ、１６ サイドレール、１８ クロスメンバ、２２ スタックフレーム、２４ マウント取付部、２６ パワーコントロールユニット、３０ バンパリンフォース、３２ クラッシュボックス、４０ 前方固定部材、４２ 後方固定部材、５０ 下金具、５２ 前脚部、５２ａ 傾斜部、５２ｂ 上部固定部、５２ｃ 屈曲部、５４ 後脚部、５４ａ 直線部、５４ｂ 上部固定部、５４ｃ ブッシュ、５６ マウント材、５６ａ ボルト孔、５６ｂ インナー金具、５６ｃ ブッシュ、５６ｄ 外周リング、５６ｅ 開口、５８ 連結材、６０ ボルト、６２ ナット、１００ 車両。

Claims (1)

1. 燃料電池を車両に搭載する燃料電池の搭載構造であって、
   下部が車両側部材に固定され、上部に前記燃料電池を接続する前脚部を含み、
   前記前脚部は、
   下部から上方および後方に向けて伸び、少なくともその前端が後方に向けて傾斜している傾斜部と、
   前記傾斜部の上端から上方に向けて伸び、前記燃料電池の前方側に固定される上部固定部と、
   前記傾斜部と、前記上部固定部との間に位置し、後方に向けて凹む屈曲部と、
   を有する、
   燃料電池の搭載構造。
   

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