JP4722569B2

JP4722569B2 - 燃料電池自動車

Info

Publication number: JP4722569B2
Application number: JP2005162396A
Authority: JP
Inventors: 周治郎野崎; 高士加藤; 将人中新井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-06-02
Also published as: JP2006335215A

Description

この発明は、燃料電池によって走行用モータを駆動し走行する燃料電池自動車に関するものである。

この種の燃料電池自動車においては、燃料電池やその補機類が搭載されたサブフレームを車体骨格メンバにその下方から締結し、車体フロア下に配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１８２６２４号公報

ところで、このように車体フロア下に燃料電池等を配置する場合には、車体フロアの低床化に課題があった。というのは、従来はサブフレームの上に燃料電池を設置しているため、サブフレームの下端から車体フロアまでの寸法として、少なくともサブフレームの高さ方向の部材寸法と燃料電池の高さ寸法とを加算した寸法が必要で、これが低床化の障害になっていた。
そこで、この発明は、車両を低床化することができる燃料電池自動車を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）を搭載した燃料電池用サブフレーム（例えば、後述する実施例における燃料電池用サブフレーム３０）を備えた燃料電池自動車（例えば、後述する実施例における燃料電池自動車１）であって、前記燃料電池用サブフレームは、車体の前後方向に延びる左右のサイドフレーム（例えば、後述する実施例におけるサイドフレーム３１）と、車幅方向に延び前記左右のサイドフレームを連結する複数のクロスメンバ（例えば、後述する実施例におけるクロスメンバ４０Ａ〜４０Ｅ）によって構成され、前記サイドフレームはアッパーサイドフレーム（例えば、後述する実施例におけるアッパサイドフレーム３２）とロアサイドフレーム（例えば、後述する実施例におけるロアサイドフレーム３３）とを結合して閉断面形状に構成されており、前記アッパーサイドフレームの車幅方向内側に形成された開口（例えば、後述する実施例における開口３５ａ）から前記クロスメンバの端部が挿入され、前記アッパーサイドフレームと前記ロアサイドフレームはカラー（例えば、後述する実施例におけるカラー５０）を介在させて前記クロスメンバの端部を挟持し、前記アッパーサイドフレームと前記ロアサイドフレームと前記クロスメンバの端部が、前記カラーを挿通する共通のボルト（例えば、後述する実施例におけるボルト５５）によって車体のフロアフレーム（例えば、後述する実施例におけるフロアフレーム１９）にその下方から一体的に締結されており、前記燃料電池は、互いに隣り合う一対の前記クロスメンバ（例えば、後述する実施例におけるクロスメンバ４０Ｂ，４０Ｃ）間に配置され、該燃料電池の下端（例えば、後述する実施例における下端２ａ）を該クロスメンバの上端と下端の間に位置させて、該燃料電池の前端部と後端部が該クロスメンバに締結されていることを特徴とする燃料電池自動車である。
このように構成することにより、サブフレームと燃料電池とを高さ方向に一部重複させて配置することができるので、サブフレームに燃料電池を搭載してなるユニットとしての全高を低くすることができるとともに、サイドフレームとクロスメンバの連結部の機械的強度を高めることができ、且つ、サイドフレームとクロスメンバとを一体的にフロアフレームに連結することができ、この連結部の機械的強度を高めることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記サイドフレームの下端は前後輪タイヤ（例えば、後述する実施例における前輪タイヤ１５Ａ，後輪タイヤ１５Ｂ）間における略中央部分がタイヤ接地面から最も高くなるように設定されていることを特徴とする。
このように構成することにより、前後のタイヤ間における中央部分において路面とサイドフレームの下端との間に必要最小限のクリアランスを確保しつつ、路面からサブフレームの上端までの高さを低くすることができる。

請求項１に係る発明によれば、サブフレームに燃料電池を搭載してなるユニットとしての全高を低くすることができるので、車両の低床化が可能になる。また、サイドフレームとクロスメンバの連結部の機械的強度を高めることができ、且つ、サイドフレームとクロスメンバとを一体的にフロアフレームに連結することができ、この連結部の機械的強度を高めることができる。
請求項２に係る発明によれば、路面とサイドフレームの下端との間に必要最小限のクリアランスを確保しつつ、路面からサブフレームの上端までの高さを低くすることができるので、車両の低床化が可能になる。

以下、この発明に係る燃料電池自動車の実施例を図１から図１４の図面を参照して説明する。なお、図中の前後左右の矢印は各々車体の前後左右を示す。
図１に示すように、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２を搭載したものであり、この発電により生じた電力で走行用モータ３を駆動して走行する。

図２を参照して燃料電池システムの概略を説明すると、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燃料電池２から排出され、加湿源として加湿器５を流通した後、圧力制御弁６を介して排出される。一方、水素タンク７の水素ガスはレギュレータ８によって減圧され、エゼクタ９を経由して燃料電池２の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、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。なお、以下の説明では、加湿器５や圧力制御弁６等の空気の給排に関わる機器類を給排気デバイス１０と総称し、レギュレータ８やエゼクタ９等の水素供給に関わる機器類を水素循環デバイス１１と総称する。

図１に示すように、走行用モータ３とコンプレッサ４はモータ用サブフレーム１６（図３参照）に搭載されて前輪タイヤ１５Ａの近傍に設置されており、直列接続された２つの燃料電池２，２と燃料電池２，２を制御する高圧電装装置１２，１２と給排気デバイス１０と水素循環デバイス１１は燃料電池用サブフレーム３０（図３参照）に搭載されて、フロントシートＳの下方であってフロントフロア１７の下の床下領域に設置され、水素タンク７はキャパシタ１３とともに水素タンク用サブフレーム９０（図３参照）に搭載されて、車体後部のリヤフロア１８の下の床下領域に設置されている。キャパシタ１３には、燃料電池自動車１の減速時などに走行用モータ３からの回生電力が蓄電される。なお、図１において符号１４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ターを示している。

図４に示すように、フロントフロア１７およびリヤフロア１８の下面の左右両側には、車体前後方向に延びるハット型断面形状のフロアフレーム１９がフランジ部１９ａにより接合され、このフロアフレーム１９とフロントフロア１７およびリヤフロア１８とで車体前後方向に車体骨格部２０が形成されている。そして、フロアフレーム１９の下壁１９ｂにその下方から燃料電池用サブフレーム３０がボルト５５およびナット５６により締結されており、同様に、図示を省略するがフロアフレーム１９の下壁１９ｂにその下方から水素タンク用サブフレーム９０がボルト・ナットにより締結されている。なお、燃料電池用サブフレーム３０と水素タンク用サブフレーム９０は互いに車体前後方向に若干離間して配置されている。

図５〜図７に示すように、燃料電池用サブフレーム３０は、車体前後方向に延びる左右１対のサイドフレーム３１、３１と、この左右のサイドフレーム３１，３１を連結し車幅方向に延びる５つのクロスメンバ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ（以下、特に区別する必要がない場合にはクロスメンバ４０と記す）と、隣接するクロスメンバ４０，４０間を塞ぐようにクロスメンバ４０の下部に取り付けられた４つのボトムプレート６０，６０・・・、を主要構成としている。

サイドフレーム３１は、図３および図４に示すように、アルミニウムをプレス成形またはハイドロフォームにより成形してなるハット型断面形状のアッパサイドフレーム３２とロアサイドフレーム３３とをフランジ部３４において溶接して略矩形閉断面形状に構成されている。また、図３に示すように、燃料電池用サブフレーム３０は前輪タイヤ１５Ａと後輪タイヤ１５Ｂの間であってその中央よりも若干前方寄りに配置されており、サイドフレーム３１の上面は車体前後方向のいずれの位置においてもタイヤ接地面Ｇからの高さが一定にされているが、サイドフレーム３１の下面は湾曲しており、前輪タイヤ１５Ａと後輪タイヤ１５Ｂの略中央部分Ｃにおいてタイヤ接地面Ｇからの高さが最も高くなっていて、該部位よりも車体前方あるいは後方に進むにしたがってサイドフレーム３１の下面の高さが徐々に低くなっている。なお、この実施例では、ロアサイドフレーム３３の高さ方向の部材寸法は車体前後方向の全長に亘って一定であり、アッパサイドフレーム３２の高さ方向の部材寸法が車体前後方向の位置に応じて変化している。

一方、クロスメンバ４０はアルミニウムを略矩形閉断面形状に押し出し成形してなり、下部にフランジ部４１を有している。そして、アッパーサイドフレーム３２における山部３５の内側には開口３５ａが形成されており、この開口３５ａからクロスメンバ４０の端部が挿入されている。
車体前側から３本目のクロスメンバ４０Ｃは、前述したサイドフレーム３１の下面の高さが最も高くなる部位Ｃの近傍に配置されており、このクロスメンバ４０Ｃの高さ方向の部材寸法は５本のクロスメンバ４０Ａ〜４０Ｅの中で最も小さくされている。最も車体前側に配置されたクロスメンバ４０Ａの高さ方向の部材寸法はクロスメンバ４０Ｃのそれよりも大きく、車体前側から２本目のクロスメンバ４０Ｂの高さ方向の部材寸法は、クロスメンバ４０Ａのそれよりも小さく且つクロスメンバ４０Ｃのそれよりも大きい。また、最も車体後側に配置されたクロスメンバ４０Ｅの高さ方向の部材寸法はクロスメンバ４０Ｃのそれよりも大きく、車体後側から２本目のクロスメンバ４０Ｄの高さ方向の部材寸法は、クロスメンバ４０Ｅのそれよりも小さく且つクロスメンバ４０Ｃのそれよりも大きい。

各クロスメンバ４０の端部はアッパサイドフレーム３２の開口３５ａからサイドフレーム３１内に挿入され、サイドフレーム３１とともにフロアフレーム１９に締結されている。詳述すると、図８および図９に示すように、クロスメンバ４０の端部であってサイドフレーム３１内に挿入される部分には、クロスメンバ４０の下壁４３から側壁４４、４４に渡って開口４５が形成されており、また、上壁４２にはボルト挿通孔４２ａが形成されている。また、ロアサイドフレーム３３には、クロスメンバ４０の開口４５に対向する部位に円形の孔３７が設けられており、孔３７の周囲はアッパサイドフレーム３２側に凹む凹部３８が形成されている。

そして、ロアサイドフレーム３３の下側から、段付き円筒状のカラー５０が孔３７に挿入されている。カラー５０はアルミニウム製で、外径がクロスメンバ４０の側壁４４，４４間寸法よりも大きい大径筒部５１と側壁４４，４４間に挿入可能な小径筒部５２が同軸上に連設され、大径筒部５１の下端にフランジ部５３が環状に形成されており、小径筒部５２を貫通する貫通孔５４を有している。大径筒部５１と小径筒部５２は孔３７からサイドフレーム３１内に挿入され、フランジ部５３がロアサイドフレーム３３の凹部３８に当接し、溶接固定されている。大径筒部５１は開口４５内に挿入され、大径筒部５１の上壁５１ａはクロスメンバ４０の側壁４４における開口４５の上縁４５ａに突き当てられ、クロスメンバ４０の側壁４４，４４間に挿入された小径筒部５２の上壁５２ａはクロスメンバ４０の上壁４２の内面に突き当てられている。そして、カラー５０の下側から座付きボルト５５が、カラー５０の貫通孔５４、クロスメンバ４０のボルト挿通孔４２ａ、アッパサイドフレーム３２のボルト挿通孔３５ｂに挿通され、さらにフロアフレーム１９のボルト挿通孔（図示せず）に挿通されて、フロアフレーム１９に溶接固定されたナット５６に螺合されている（図４参照）。これによりクロスメンバ４０はカラー５０によって上方に押し付けられ、クロスメンバ４０の上壁４２はアッパサイドフレーム３２の山部３５の上壁３６に圧接する。

各ボトムプレート６０は、サイドフレーム３１のフランジ部３４およびクロスメンバ４０のフランジ部４１にリベット止めされている。
このように構成された燃料電池用サブフレーム３０においては、アッパサイドフレーム３２とロアサイドフレーム３３はカラー５０を介在させてクロスメンバ４０の端部を挟持しており、アッパサイドフレーム３２とロアサイドフレーム３３とクロスメンバ４０の端部は共通のボルト５５によってフロアフレーム１９に一体的に締結されている。

図７に示すように、燃料電池２，２は、燃料電池用サブフレーム３０において車体前側から２本目と３本目のクロスメンバ４０Ｂ，４０Ｃの間に配置されており、図１０に示すように、燃料電池２，２の下端２ａをクロスメンバ４０Ｂ，４０Ｃの下端と上端の間に位置させている。そして、燃料電池２の前壁および後壁にボルト５７でブラケット５８，５８を固定し、これらブラケット５８，５８をクロスメンバ４０Ｂ，４０Ｃの上壁４２にボルト５９で固定することによって、燃料電池２，２は燃料電池用サブフレーム３０に取り付けられている。つまり、この実施例では、燃料電池２，２は、その後端部が前後輪タイヤ１５Ａ，１５Ｂ間の中央近傍に配置されたクロスメンバ４０Ｃに締結され、前後輪タイヤ１５Ａ，１５Ｂ間の中央よりも車体前側に配置されており、図１に示すようにフロントシートＳの下方に配置されている。
このように燃料電池２，２の下部をサブフレーム３０に埋没させた構造にし、燃料電池用サブフレーム３０と燃料電池２，２とを高さ方向に一部重複させて配置しているので、サブフレーム３０の下面から燃料電池２，２の上面までのユニットとしての高さ寸法を低く抑えることができ、その結果、フロントフロア１７の高さを低くして車両の低床化を図ることができる。
また、前述したようにサイドフレーム３１の下面を湾曲させているので、車両が上に凸に湾曲した路面を走行したときにも、前後輪タイヤ１５Ａ，１５Ｂ間における中央部分において路面とサイドフレーム３１の下端との間に必要最小限のクリアランスを確保しつつ、車両の低床化を図ることができる。

高圧電装装置１２，１２は燃料電池２，２よりも車体前側に配置されクロスメンバ４０Ａ，４０Ｂの間に取り付けられており、給排気デバイス１０と水素循環デバイス１１は燃料電池２，２よりも車体後側に配置されてクロスメンバ４０Ｄ，４０Ｅの上に取り付けられている。なお、図中符号２１はマニホールドなどが配置される配管スペースである。

また、図３に示すように、燃料電池用サブフレーム３０の直ぐ前方にはアンダーガード７０が設けられている。図１１はアンダーガード７０の側面図であり、図１２は燃料電池用サブフレーム３０に取り付けられたアンダーガード７０を斜め下方から見た斜視図である。
アンダーガード７０はアルミニウム製で、前端側が後端側よりも上位に配置されており、概ね車体後方に進むにしたがって下方に傾斜する形状に形成されている。詳述すると、アンダーガード７０は、前端側に配置されて車体後方に進むにしたがって下方に傾斜する平板状の取付フランジ部７１と、取付フランジ部７１の後端から鉛直下方に延びる鉛直部７２と、鉛直部７２の下端に連なり車体後方に進むにしたがって下方に傾斜する傾斜部７３と、傾斜部７３の後端から車体後方に水平に延びるオーバーハング部７４とを備えて構成されており、鉛直部７２と傾斜部７３との接続部には補強用の複数のリブ７９が車幅方向所定間隔で設けられ、傾斜部７３とオーバーハング部７４との接続部には、水平壁部７５ａを有する凹部７５が車幅方向所定間隔で設けられている。また、アンダーガード７０には、ラジエター１４と燃料電池２との間で冷却水を循環させる冷媒配管等の配管類を挿通させるための開口７６が、取付フランジ部７１から傾斜部７３に渡って形成されており、開口７６にはその全周に亘ってリブ８０が設けられ、リブ８０の所定部位には冷媒配管や電気配線などを止める取り付け孔８０ａが設けられている。

凹部７５の水平壁部７５ａは最も車体前側に配置されたクロスメンバ４０Ａのフランジ部４１の下側に配置されて、ボルト７７ａとナット７７ｂによりフランジ部４１に締結されており、オーバーハング部７４はクロスメンバ４０Ａの下壁４３の前端部の下側に被せられている。また、取付フランジ部７１はダッシュボードの骨格を構成するロアクロス（車体フレーム）１００にボルト７８ａとナット７８ｂによって締結されている。すなわち、アンダーガード７０の後端は最も車体の前側に配置されたクロスメンバ４０Ａに接続され、前端は車体フレームに接続されている。
このように燃料電池用サブフレーム３０の前方にアンダーガード７０を設けたことにより、車両の前進時に車体フロア下に障害物が存在した場合に、障害物をアンダーガード７０によって燃料電池用サブフレーム３０の下側に案内することができ、その結果、高圧電装装置１２や燃料電池２などの燃料電池用サブフレーム３０に搭載された機器が障害物と干渉するのを防止することができる。また、固定用のボルト７７ａは、傾斜部７３よりも内方に凹んだ凹部７５の水平壁部７５ａに設けているので、アンダーガード７０が障害物を下方に案内する際にボルト７７ａの頭部が妨げになることがない。また、アンダーガード７０は燃料電池用サブフレーム３０の前方の限られた領域に配置するだけであるので、構造が簡単になり、軽量にできる。

また、サブフレーム３０において最も車体後方側に配置されたクロスメンバ４０Ｅは、図１３，図１４に示すように、２つの連結アーム２２，２２を介して水素タンク用サブフレーム９０に連結されている。
水素タンク用サブフレーム９０はアルミニウム製で、６つのポスト９１，９１・・・と、隣り合うポスト９１，９１を連結するメンバ９２，９２・・・とを主要構成としており、ポスト９１，９１・・・がフロアフレーム１９の下壁１９ｂにその下方からボルト（図示略）により締結されている。水素タンク用サブフレーム９０には、中央に配置されたメンバ９２よりも車体前側にキャパシタ１３が取り付けられ、メンバ９２よりも車体後側に水素タンク７がバンド９３によって固定されている。水素タンク用サブフレーム９０に搭載される機器（水素タンク７およびキャパシタ１３）の総重量は、燃料電池用サブフレーム３０に搭載される機器（燃料電池２，２等）の総重量よりも十分に大きく、したがって、水素タンク用サブフレーム９０は燃料電池用サブフレーム３０よりも機械的強度を大きく設計されている。そのため、図１４に示すように、水素タンク用サブフレーム９０において最も車体前側に配置されたメンバ９２と燃料電池用サブフレーム３０において最も車体後側に配置されたクロスメンバ４０Ｅとを比較すると、メンバ９２の方がクロスメンバ４０Ｅよりも断面二次モーメントが極めて大きい。

この実施例では、クロスメンバ４０Ｅは、水素タンク用サブフレーム９０において最も車体前方側に配置されたメンバ９２に連結アーム２２によって連結されている。詳述すると、図１４に示すように、連結アーム２２は略Ｌ字形をなし、その一端がボルト２３ａとナット２３ｂによりクロスメンバ４０Ｅの後壁に固定され、他端がボルト２５ａとナット２５ｂによって、メンバ９２の下壁に溶接固定された台座９４に固定されている。このように燃料電池用サブフレーム３０のクロスメンバ４０Ｅを水素タンク用サブフレーム９０のメンバ９２に連結したことにより、クロスメンバ４０Ｅの荷重負担を軽減することができるので、クロスメンバ４０Ｅの強度軽減が可能になって軽量にでき、ひいては燃料電池用サブフレーム３０の強度軽減および軽量化が可能になる。例えば、この実施例ではクロスメンバ４０Ｅを他のクロスメンバ４０Ａ〜４０Ｄと同様に閉断面形状に形成したが、クロスメンバ４０Ｅを開断面形状にすることも可能になる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池用サブフレームのサイドフレームやクロスメンバの断面形状は実施例のものに限られるものではない。また、クロスメンバの数も実施例の５本に限られるものではない。

この発明に係る燃料電池自動車を側方見た機器配置図である。前記燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。前記燃料電池自動車における各サブフレームの配置図である。前記燃料電池自動車における燃料電池用サブフレームの車体への取り付け状態を車両後方から見て示す図である。前記燃料電池用サブフレームの外観斜視図である。前記燃料電池用サブフレームの平面図である。機器搭載状態における前記燃料電池用サブフレームの平面図である。前記燃料電池用サブフレームにおけるサイドフレームとクロスメンバの連結部の斜視図である。前記連結部の断面図である。前記燃料電池の燃料電池用サブフレームへの搭載状態を示す側面図である。前記燃料電池用サブフレームの前方に設けられたアンダーガードの側面図である。前記燃料電池用サブフレームに取り付けられた前記アンダーガードを斜め下方から見た斜視図である。燃料電池用サブフレームと水素タンク用サブフレームの連結部の平面図である。図１３のＸ−Ｘ断面図である。

符号の説明

１燃料電池自動車
２燃料電池
２ａ下端
１５Ａ前輪タイヤ
１５Ｂ後輪タイヤ
１９フロアフレーム
３０燃料電池用サブフレーム
３１サイドフレーム
３２アッパサイドフレーム
３３ロアサイドフレーム
４０，４０Ａ〜４０Ｅクロスメンバ
５５ボルト

Claims

水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池を搭載した燃料電池用サブフレームを備えた燃料電池自動車であって、
前記燃料電池用サブフレームは、車体の前後方向に延びる左右のサイドフレームと、車幅方向に延び前記左右のサイドフレームを連結する複数のクロスメンバによって構成され、
前記サイドフレームはアッパーサイドフレームとロアサイドフレームとを結合して閉断面形状に構成されており、
前記アッパーサイドフレームの車幅方向内側に形成された開口から前記クロスメンバの端部が挿入され、前記アッパーサイドフレームと前記ロアサイドフレームはカラーを介在させて前記クロスメンバの端部を挟持し、前記アッパーサイドフレームと前記ロアサイドフレームと前記クロスメンバの端部が、前記カラーを挿通する共通のボルトによって車体のフロアフレームにその下方から一体的に締結されており、
前記燃料電池は、互いに隣り合う一対の前記クロスメンバ間に配置され、該燃料電池の下端を該クロスメンバの上端と下端の間に位置させて、該燃料電池の前端部と後端部が該クロスメンバに締結されていることを特徴とする燃料電池自動車。
前記サイドフレームの下端は前後輪タイヤ間における略中央部分がタイヤ接地面から最も高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池自動車。