JP4857306B2 - 車両の高圧タンク支持構造および燃料電池自動車 - Google Patents

Description

本発明は、車両の高圧タンク支持構造および燃料電池自動車に関するものである。

従来から、車両の固有振動に伴って共振するダイナミックダンパを設けて車両の固有振動を低減する方法が知られている。ここでダイナミックダンパとは、主振動系に副振動系を取り付けて振動を吸収させ、主振動系の振動抑制を行うものである。つまり、主振動系の固有振動数と略同一の共振周波数を有する副振動系（ダイナミックダンパ）を取り付けて、主振動系の振動を副振動系の振動で打ち消すことにより、主振動系の揺れが無くなるという現象を利用した制振方法である。

従来、車両において、ラジエータをマスとし、ゴムブッシュをダンパ（バネ）にしてダイナミックダンパを構成した手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、特許文献１のラジエータ支持構造は、車両の前部においてメインフレームに対して弾性体を介してサブフレームを取り付けるとともに、サブフレームに対して第１および第２の弾性体（ゴムブッシュ）を介してラジエータを取り付け、このラジエータをダイナミックダンパとして機能するように構成したものである。
また、車両において、弾性体とマス部材とで構成されたダイナミックダンパを別個取り付けたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−８２８９７号公報 特開２００２−８９６１８号公報

ところで、特許文献１のラジエータ支持構造では、ラジエータの重量は４０ｋｇ程度であり、それほど重くないため、ダイナミックダンパとしての共振周波数を低くすることができなかった。つまり、車体の振動などの低周波数の振動に起因する車体の固有振動を抑制することができなかった。また、車両の前部で発生した振動は、インパネなどが配置されているためにある程度吸収することができ、乗員にとって大きな問題とはならない。それに対して、車両の後部で発生した振動は、一般的な車両の構造上、車体などで吸収されることなく後部座席の乗員に対して伝播され、乗り心地が悪くなるという問題がある。ところが、ラジエータをダイナミックダンパとして機能させても、この問題は解消されなかった。
また、特許文献２のようにダイナミックダンパを車体に別個取り付けると車両の全体重量が重くなるため、燃費が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、燃費を悪化させることなく乗り心地を向上させることができる車両の高圧タンク支持構造および燃料電池自動車を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、気体燃料が充填され円筒の周面を備えた高圧タンク（例えば、実施形態における水素タンク９）が設置された車両（例えば、実施形態における燃料電池車両１）の高圧タンク支持構造において、前記高圧タンクの前記周面に沿って形成された円環部（例えば、実施形態における円環部２１）および該円環部から突出形成された接合部（例えば、実施形態における接合部２２）を備えた支持部材（例えば、実施形態における支持部材２０）と、該支持部材の前記接合部に対応して前記車両のリアサブフレーム（例えば、実施形態におけるリアサブフレーム１２）に取り付けられた接合部材（例えば、実施形態における接合部材２５）と、該接合部材と前記支持部材の前記接合部との間に介装された板状の弾性体（例えば、実施形態におけるゴム部材２４）と、を備え、前記高圧タンクが前記弾性体を介して該高圧タンクの重心（例えば、実施形態における重心Ｇ）を通る軸線より下方で前記リアサブフレームに支持され、前記弾性体における前記接合部と当接する表面が、水平面に対して傾斜することにより前記高圧タンクの重心を通る軸線側に指向し、かつ、該軸線と直交する方向に向いて配置されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記高圧タンクの重心が前記車両の側面視においてリアタイヤ（例えば、実施形態におけるリアタイヤ１５）の外形内に収まるように前記高圧タンクが配置されていることを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記高圧タンクがトランクルーム（例えば、実施形態におけるトランクルーム５０）内に配置されていることを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、前記弾性体はゴム材料で形成され、その厚さを変更することで弾性率を調節可能に構成されていることを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の高圧タンク支持構造により前記高圧タンクが燃料電池自動車に取り付けられていることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、高圧タンクを路面からの入力により車体に発生する固有振動（タイヤから伝わる振動）に対して共振させるダイナミックダンパとして機能させることで、車体の固有振動を低減させることができる。
また、燃料を保管する高圧タンクをダイナミックダンパとして利用するため、ダイナミックダンパを別個設置することなく、車両の重量を増やすことがない。したがって、車両の燃費を悪化させることなく、また、製造コストを増加させることがない。
また、高圧タンクには燃料となる気体が封入されているため、燃料の使用前後において全体重量の変化が少ない。したがって、高圧タンクを用いたダイナミックダンパでは、燃料となる気体の残量の如何にかかわらず共振周波数を略一定にすることができるため、車体の固有振動に対して確実に共振させて、車体の固有振動を低減させることができる。
さらに、路面入力に起因する振動現象は、低次のサス〜ボディ共振（数Ｈｚ）、ボディの弾性振動（１０数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）、ロードノイズ（数十Ｈｚ〜３００Ｈｚ程度）の様々な現象があり、路面からのロードノイズに起因して低周波数帯域で車体の固有振動が発生するが、高圧タンクは通常１００ｋｇ程度の重さがあるため、共振周波数を低周波数帯域に設定することができ、低周波数の車体の固有振動を確実に抑制することができる。
そして、高圧タンクを車体の後方に取り付けたため、車両の後部の振動をダイナミックダンパで効率よく吸収することができる。したがって、後部座席に乗員に対して伝播される振動を低減することができるため、乗り心地を改善することができる効果がある。
さらにまた、車体の振動方向（車両上下方向）にのみ弾性体の弾性率を下げて防振支持（高圧タンクをダイナミックダンパとして機能させる）とし、それ以外の方向については十分な剛性支持（高圧タンクの動きを抑える）を確保することができる。つまり、ゴム材料による防振で単に固有振動数を下げるためだけに高圧タンクの支持剛性を下げる（弾性体の弾性率を全方向について下げる）と、駆動反力や走行外力により高圧タンクが動きすぎることによる高圧タンクと他部品との接触や配管の破損が生ずる虞があるが、それを防止することができる。
また、ダイナミックダンパの効果を得るためには、通常、図８や図１３のように重心位置に対称となる位置で支持する必要がある。ただし、取り付けるフレームとの位置や、スペースの関係上、重心位置において取り付けることが困難な場合には、取り付け位置で弾性体の向きを傾斜させて振動方向が重心方向を向かせることで同様のダイナミックダンパの効果を得ることが可能となる。高圧タンクを重心位置より下方で支持する場合には、支持方向が重心を向くように弾性体の向きを傾斜させることでダイナミックダンパとしての効果を得ることができる。

請求項２に記載した発明によれば、車両のリアタイヤと車室内とは距離が近く、振動を吸収できる部材などが少ないが、リアサブフレームに取り付けた高圧タンクをダイナミックダンパとして使用することで、車両の後部の振動（リアタイヤから伝わるロードノイズなどに起因する車体の固有振動）を効果的に低減することができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、車両のリアタイヤと車室内とは距離が近く、振動を吸収できる部材などが少ないが、リアサブフレームに取り付け、トランクルーム内に配置された高圧タンクをダイナミックダンパとして使用することで、車両の後部の振動（リアタイヤから伝わるロードノイズなどに起因する車体の固有振動）を効果的に低減することができる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、弾性体の弾性率を調節できるようにすることで、ダイナミックダンパの共振周波数を車体の固有振動と略同一になるように微調整することができる。したがって、車体の固有振動を確実に低減することができ、乗り心地を向上させることができる効果がある。
具体的には、車体の曲げ振動モードに伴う上下方向振動を調整するには、弾性率を変化させる。弾性率は弾性体の厚さを変化させることで調整する。つまり、弾性体の厚さを厚くすることで柔らかくし、薄くすることで硬く設定することができる。

請求項５に記載した発明によれば、燃料電池自動車では燃料電池スタックの振動は少なく、路面からの振動（ロードノイズ）に限定して車体の固有振動を低減すれば足りる。ここで、重量のある高圧タンクをダイナミックダンパに用いるとダイナミックダンパの共振周波数を低周波数帯域に設定することができ、路面からのロードノイズに起因して発生する低周波数帯域での車体の固有振動に好適に低減することができる。結果として、燃料電池自動車の乗り心地を改善することができる効果がある。

次に、本発明の実施形態を図１〜図１０に基づいて説明する。なお、以下の説明における前後左右などの向きは、特に特記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に示すように、燃料電池車両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、燃料電池という）２を車体のフロア下に搭載し、この燃料電池２で生じた電力によりモータ３を駆動して走行する。燃料電池２は、単位電池（単位セル）を例えば車両前後方向に沿って多数積層してなる。この単位電池は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および水を生成する。

モータ３は、燃料電池２のカソード側へ供給する空気を圧縮するコンプレッサ４とともに、フロントサブフレーム５に搭載された状態で、車体前部のモータルーム（エンジンルーム）内に配置される。また、燃料電池２および燃料電池２のための補機６は、サブフレーム７に搭載された状態で、車体前後方向中間部のフロアパネル８の車室外側に配置される。さらに、燃料電池２のアノード側へ供給する水素ガスを蓄える水素タンク９は、モータ３からの回生電力を蓄電するバッテリ１１とともに、リアサブフレーム１２に搭載された状態で、車体後部のリアフロア１３の車室外側に配置されている。

なお、燃料電池２のための補機６とは、レギュレータやエゼクタなどの水素供給補機および加湿器や希釈ボックスなどの空気排出補機である。また、図１中符号１４，１５は燃料電池車両１の前後輪を、符号１６，１７は車室内の前後シートをそれぞれ示す。

また、水素タンク９は、その重心Ｇが燃料電池車両１の側面視においてリアタイヤ１５の外形内に収まるように配置されている。

図２に示すように、水素タンク９は、その軸線方向が燃料電池車両１の左右方向に向くように配置されている。また、水素タンク９には、リアサブフレーム１２に支持するための支持部材２０が水素タンク９の長手方向に沿って２箇所取り付けられている。なお、支持部材２０は、水素タンク９の周面に沿うように形成された円環部２１と、後述するゴム部材２４と接合する接合部２２とで構成されている。また、２個の支持部材２０は、水素タンク９の重心Ｇからそれぞれ等距離に配置されている（図４参照）。

図３、図４に示すように、リアサブフレーム１２には、支持部材２０の接合部２２に対応する位置に接合部材２５が取り付けられ、接合部材２５の上面２６にゴム部材２４が取り付けられている。そして、ゴム部材２４と支持部材２０の接合部２２とが当接して、水素タンク９はリアサブフレーム１２に支持されている。本実施形態においては、水素タンク９、支持部材２０およびゴム部材２４でダイナミックダンパ３０を構成するように調整されている。

なお、接合部２２とゴム部材２４とはボルト２８により連結されている。ただし、水素タンク９の振動力を利用してダイナミックダンパ３０として機能させるために、ずれ防止などの目的でボルト２８を取り付けており、ボルト２８は強固には締結されていない。

ここで、車体に生ずる振動モードは、図５に示すように、車体４１の前後方向の軸Ｌに対して回転する方向に発生するねじり振動と、車体４１の上下方向に撓むように発生する曲げ振動とがある。

それぞれの振動（ねじり振動および曲げ振動）をダイナミックダンパ３０で振動を抑制する際の構成について説明する。

図６は、車体の上下方向の曲げ振動を抑制する際のダイナミックダンパの構成である。図６に示すように、ダイナミックダンパ（バネマス系）３０を振動発生源の近傍に配置する。このダイナミックダンパ３０の共振周波数ｆは、（１）式のようになる。

ここで、バネ定数ｋ（本実施形態ではゴム部材２４の弾性係数）を調整して共振周波数ｆを調整することができる。つまり、本実施形態ではゴム部材２４の厚さや枚数を調整することで共振周波数ｆを調整することができる。なお、ｍはマスの重量（本実施形態では水素タンク９の重量）である。

図７は、車体のねじり振動を抑制する際のダイナミックダンパの構成である。図７に示すように、ダイナミックダンパ３０の支持部材２０およびゴム部材２４（バネ）を水素タンク９（マス）の重心Ｇから車体の左右方向（水平方向）にそれぞれ距離Ｌずつ離隔した位置に配置する。このダイナミックダンパ３０の共振周波数ｆｎは、（２）式のようになる。

ここで、距離Ｌを調整して共振周波数ｆｎを調整することができる。なお、Ｉ_０は水素タンク９の慣性モーメントである。

図８は、車体のねじり振動を抑制する際のダイナミックダンパの別の構成である。図８に示すように、ダイナミックダンパ３０の支持部材２０およびゴム部材２４（バネ）を水素タンク９の重心Ｇから車体の前後方向にそれぞれ距離Ｄずつ離隔した位置に配置する。このように構成すれば、距離Ｄを調整して共振周波数を調整することができる。なお、本実施形態においては、距離Ｄはリアサブフレーム１２の位置で決定（固定）されているため、調整はできない。したがって、本実施形態では、図７の構成を採用して車体のねじり振動を抑制するように調整をする。

図９は本実施形態のダイナミックダンパの構成を示す説明図である。
図９に示すように、リアサブフレーム１２とリアフレーム３３との間にゴム部材３５が設けられている。さらに、リアサブフレーム１２と水素タンク９との間にゴム部材２４が設けられている。このゴム部材２４および３５はともに、バネマス系のバネの役割を果たす。

図３，４に戻り、本実施形態においては、接合部材２５の表面２６およびゴム部材２４の表面２７が水素タンク９の重心Ｇ方向に指向するように配置されている。つまり、ゴム部材２４は高圧タンクの重心方向に向かって傾斜配置されている。

このように構成されたダイナミックダンパを燃料電池車両１に搭載する方法としては、まずリアサブフレーム１２上に水素タンク９を取り付ける。そして、ゴム部材２４の位置をリアサブフレーム１２上で調整するとともに、ゴム部材２４の厚み（枚数）を調整して、所望の共振周波数が得られるようにする。次に、水素タンク９が取り付けられたリアサブフレーム１２とリアフレーム３３とをゴム部材３５を介して連接する。そして、この状態で低周波数の車体の固有振動に対して効果的に振動を抑制できるように、ゴム部材３５を調整してダイナミックダンパ３０を構成する。

図１０は燃料電池車両１の周波数と振幅との関係を示す。図１０に示すように、ダイナミックダンパ３０を設けない場合（図１０の線分（ａ））と比較すると、ダイナミックダンパ３０を設けた場合（図１０の線分（ｂ））は、振幅が大きい低周波数帯域において、その振幅を抑制することができ、効果的に車体の固有振動（振幅）を抑制できることが分かる。この低周波数帯域はロードノイズのピーク周波数と略一致しており、ロードノイズの低減に効果的であることが分かる。

本実施形態によれば、水素タンク９およびゴム部材２４を路面Ｅからの入力により車体に発生する固有振動（タイヤ１４，１５から伝わる振動）に対して共振させるダイナミックダンパ３０として機能させることで、振動を低減させることができる。

また、燃料を保管する水素タンク９をダイナミックダンパ３０のマスとして利用するため、ダイナミックダンパ３０を別個設置することなく、燃料電池車両１の重量を増やすことがない。したがって、燃料電池車両１の燃費を悪化させることなく、また、製造コストを増加させることがない。

また、水素タンク９には燃料となる気体（水素）が封入されているため、燃料の使用前後において全体重量の変化が少ない。したがって、水素タンク９を用いたダイナミックダンパ３０では、燃料となる気体の残量の如何にかかわらず共振周波数を略一定にすることができるため、車体の固有振動に対して確実に共振させて、車体の固有振動を低減させることができる。

また、路面Ｅからのロードノイズに起因して、低周波数帯域で車体の固有振動が発生するが、水素タンク９は通常１００ｋｇ程度の重さがあるため、共振周波数を低周波数帯域に設定することができ、低周波数の車体の固有振動を確実に抑制することができる。

また、水素タンク９を車体の後方に取り付けたため、燃料電池車両１の後部の振動をダイナミックダンパ３０で効率よく吸収することができる。したがって、後部座席１７の乗員に対して伝播される振動を低減することができるため、乗り心地を改善することができる。

また、燃料電池車両１のリアタイヤ１５と車室内（後部座席１７）とは距離が近く、振動を吸収できる部材などが少ないが、リアサブフレーム１２に取り付けた水素タンク９をダイナミックダンパ３０として使用することで、燃料電池車両１の後部の振動（リアタイヤ１５から伝わるロードノイズなどに起因する車体の固有振動）を効果的に低減することができる。

また、ゴム部材２４の弾性率を調節できるようにすることで、ダイナミックダンパ３０の共振周波数を車体の固有振動と略同一になるように調整することができる。したがって、車体の固有振動を確実に低減することができ、乗り心地を向上させることができる。
具体的には、車体の曲げ振動モードに伴う上下方向振動を調整するには、弾性率を変化させる。弾性率はゴム部材２４の厚さを変化させることで調整する。つまり、ゴム部材２４の厚さを厚くすることで柔らかくし、薄くすることで硬く設定することができる。また、ゴム部材２４の材質を変更することで弾性率を調整してもよい。

さらに、車体の振動方向（車両上下方向）にのみゴム部材２４の弾性率を下げて防振支持（水素タンク９をダイナミックダンパ３０として機能させる）とし、それ以外の方向については十分な剛性支持（水素タンク９の動きを抑える）を確保することができる。つまり、ゴム部材２４による防振で単に固有振動数を下げるためだけに水素タンク９の支持剛性を下げる（ゴム部材２４の弾性率を全方向について下げる）と、駆動反力や走行外力により水素タンク９が動きすぎることによる水素タンク９と他部品との接触や配管の破損が生ずる虞があるが、それを防止することができる。
また、水素タンク９をリアサブフレーム１２に取り付ける際に、ゴム部材２４を傾斜させて、ゴム部材２４の表面２７が水素タンク９の重心Ｇを指向するようにすることで、確実にダイナミックダンパ３０としての機能を発揮させることができる。

そして、燃料電池車両１では燃料電池２の振動は少なく、路面Ｅからの振動（ロードノイズ）に限定して車体の固有振動を低減すれば足りる。ここで、重量のある水素タンク９をダイナミックダンパ３０に用いるとダイナミックダンパ３０の共振周波数を低周波数帯域に設定することができ、路面Ｅからのロードノイズに起因して発生する低周波数帯域での車体の固有振動を好適に低減することができる。結果として、燃料電池車両１の乗り心地を改善することができる。

尚、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、リアフレームとリアサブフレームとの間にゴム部材を設けてバネマス系のバネとして機能するように構成したが、図１１に示すように、リアサブフレーム１２を車体のビーム（リアフレーム３３）に固定し、リアサブフレーム１２と水素タンク９（支持部材）との間にのみゴム部材２４を設けてダイナミックダンパとして機能するように構成してもよい。また、図１２に示すように、水素タンク９はリアサブフレーム１２に強固に固定し、リアサブフレーム１２とリアフレーム３３との間にのみゴム部材３５を設けてダイナミックダンパとして機能するように構成してもよい。

また、本実施形態において、水素タンク９の重心Ｇがリアサブフレーム１２の位置（水素タンクを支持する位置）よりも側面視において高い位置に配置されるような構造であったため、ゴム部材を傾斜配置させたが、図１３，１４に示すように、水素タンク９の重心Ｇがリアサブフレーム１２の位置と側面視において略同一の高さに配置される構造を採用すれば、ゴム部材２４Ａを水平配置させてもダイナミックダンパとして確実に機能させることができる。

また、本実施形態において、水素タンクの重心が車両の側面視においてリアタイヤの外形内に収まるように配置したが、水素タンクを室内やトランクルーム５０内に配置しても同様の機能を発揮することができる（図１５参照）。
また、本実施形態において、水素タンクを横置きにした場合の説明をしたが、水素タンクを縦置きに配置してもよい。
また、本実施形態において、水素タンクの重心より下方側でゴム部材を介して車体のリアサブフレームに支持するように構成したが、水素タンクの重心より上方側から吊り下げるように水素タンクを支持してもよい。
さらに、本実施形態では水素タンクを搭載した燃料電池車両の場合について説明したが、水素タンクを利用する水素エンジン自動車、天然ガス自動車、およびＬＰガス自動車に同様の構造を採用してダイナミックダンパとして機能するようにしてもよい。

本発明の実施形態における燃料電池車両の概略構成図（側断面図）である。 本発明の実施形態における燃料電池車両の要部断面斜視図である。 本発明の実施形態における水素タンクの支持方法を示す側面図である。 本発明の実施形態における水素タンクの支持方法を示す正面図である。 車体の振動モードを示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイナミックダンパの構成（上下振動に対する構成）を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイナミックダンパの構成（ねじり振動に対する構成）を示す説明図である。 ダイナミックダンパの構成（ねじり振動に対する別の構成）を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイナミックダンパの配置構成を示す説明図である。 燃料電池車両の周波数と振幅との関係を示すグラフであり、（ａ）はダイナミックダンパを設けない場合、（ｂ）は本実施形態のダイナミックダンパを設けた場合である。 本発明の実施形態におけるダイナミックダンパの別の配置構成を示す説明図である。 本発明の実施形態におけるダイナミックダンパのさらに別の配置構成を示す説明図である。 本発明の実施形態における水素タンクの別の支持方法を示す側面図である。 本発明の実施形態における水素タンクの別の支持方法を示す正面図である。 本発明の実施形態における水素タンクの別の配置位置を示す側面図である。

符号の説明

１…燃料電池車両（車両） ９…水素タンク（高圧タンク） １２…リアサブフレーム１５…リアタイヤ ２４…ゴム部材（弾性体） ５０…トランクルーム Ｅ…路面 Ｇ…重心

Claims (5)

1. 気体燃料が充填され円筒の周面を備えた高圧タンクが設置された車両の高圧タンク支持構造において、
   前記高圧タンクの前記周面に沿って形成された円環部および該円環部から突出形成された接合部を備えた支持部材と、
   該支持部材の前記接合部に対応して前記車両のリアサブフレームに取り付けられた接合部材と、
   該接合部材と前記支持部材の前記接合部との間に介装された板状の弾性体と、を備え、
   前記高圧タンクが前記弾性体を介して該高圧タンクの重心を通る軸線より下方で前記リアサブフレームに支持され、
   前記弾性体における前記接合部と当接する表面が、水平面に対して傾斜することにより前記高圧タンクの重心を通る軸線側に指向し、かつ、該軸線と直交する方向に向いて配置されていることを特徴とする車両の高圧タンク支持構造。
2. 前記高圧タンクの重心が前記車両の側面視においてリアタイヤの外形内に収まるように前記高圧タンクが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の車両の高圧タンク支持構造。
3. 前記高圧タンクがトランクルーム内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の車両の高圧タンク支持構造。
4. 前記弾性体はゴム材料で形成され、その厚さを変更することで弾性率を調節可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両の高圧タンク支持構造。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の高圧タンク支持構造により前記高圧タンクが取り付けられていることを特徴とする燃料電池自動車。

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