JP6552378B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、燃料電池を構成する燃料電池スタックを車両フロントボックス内の車体フレームに搭載する燃料電池車両に関する。

従来から、エンジンを搭載した車両について、エンジンの振動によって、車体前部が上下に首振り共振する現象への対策が行われている。
たとえば、特許文献１では、バネを介して補助的なウェイトマスを対象物に設置し、対象物の振動を抑制するダイナミックダンパーを応用した制振手段が提案されている。特許文献１では、ラジエータをウェイトマス、ラジエータを車体に支持するマウントラバーをバネと想定し、マウントラバーの上下方向の弾性係数を、ラジエータの重量と、エンジンのアイドル運転持における車体の上下方向振動数とから定まる、車体の共振を抑制する弾性係数に設定している。

実公昭６４−３３０号公報

ところで、燃料電池車両の場合、走行用モータを搭載するものの、エンジンのような自らが大きな振動源となる構成物は搭載されていないが、走行中の車体の振動によって、重量物である走行用モータと燃料電池スタックが上下に揺動し、この揺動が車体と共振することで、乗員に不快感を与えてしまうという問題を抱えている。
このような問題に対して、特許文献１の構成で共振を抑制できるのは、走行用モータ、または燃料電池スタックのどちらか一方に起因する共振のみであり、両方の共振を抑制することはできない。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、走行用モータと燃料電池スタックとに起因する走行中の共振現象の発生を抑制する燃料電池車両を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池車両は、車体に、隔壁部材によって車室と隔離されるモータルームと、該モータルーム内にスタックマウントを介して設置される燃料電池スタックと、該モータルーム内にモータマウントを介して設置される走行用モータと、を備え、走行中の該車体の振動に起因する該走行用モータによる揺動の共振周波数と、走行中の該車体の振動に起因する該燃料電池スタックによる揺動の共振周波数とが一致し、反共振となって互いに打ち消し合うように、該スタックマウントの弾性係数が設定されたことを特徴とする。

このような構成によれば、走行用モータの共振周波数と、燃料電池スタックの共振周波数とが一致し、反共振となって互いに打ち消し合うようにスタックマウントの弾性係数を設定することで、走行用モータと燃料電池スタックの両方に起因する走行中の共振現象の発生を抑制することができる。

また、前記燃料電池車両は、前記走行用モータと前記燃料電池スタックが上下方向に重なるように配置されることが好ましい。

このような構成によれば、走行用モータと燃料電池スタックが上下方向に重なるように配置することで、隔壁部材からの走行用モータの重心の距離と隔壁部材からの燃料電池スタックの重心の距離が揃うため、走行用モータと燃料電池スタックの振動周波数を近づけることができる。これによって、スタックマウントの弾性係数の設定を容易にできる。

また、前記燃料電池車両は、前記走行用モータの上方に、前記燃料電池スタックが配置されることが好ましい。

このような構成によれば、走行用モータの上方に、燃料電池スタックを配置することで、タイヤの中心軸と走行用モータの出力軸を連結するためのレイアウトを容易に行うことができる。

また、前記燃料電池車両は、前記モータルームは、前記隔壁から車両前後方向に沿って前方へ延設された一対のメインフレームと、車両前後方向に延設された一対の腕部と、該一対の腕部の後端を連結する連結部とで略Ｕ字形状を具備し、該メインフレームの下方に配置されるサブフレームと、該連結部から上方へ立設されたマウントブラケットと、を備え、前記走行用モータは、該サブフレームのＵ字形状内に配置されつつ、各腕部に１箇所ずつと、該マウントブラケットの計３箇所で、前記モータマウントを介して支持され、前記燃料電池スタックは、該一対のメインフレーム間に配置されつつ、各メインフレームに１箇所ずつと、該マウントブラケットの計３箇所で、前記スタックマウントを介して支持されることが好ましい。

このような構成によれば、走行用モータはサブフレームに支持され、燃料電池スタックがメインフレームに支持されつつ、マウントブラケットを介してサブフレームに支持されることで、燃料電池スタックと走行用モータとが別々に振動する。これにより、燃料電池スタックが走行用モータに設置されるダイナミックダンパを構成するウエイトマスとして機能し、走行用モータの振動を抑制することができる。

また、前記燃料電池車両において、前記スタックマウントの弾性係数は、２０Ｈｚ以下の周波数帯に存在する前記走行用モータの前記反共振周波数を対象に設定されることが好ましい。

このような構成によれば、２０Ｈｚ以下の周波数帯に存在する走行用モータの反共振周波数を対象にして、スタックマウントの弾性係数を設定することで、乗員が不快と感じやすい周波数の車体振動を抑制することができる。

本発明によれば、走行用モータと燃料電池スタックとに起因する走行中の共振現象の発生を抑制する燃料電池車両を提供することができる。

本発明の実施形態に係るマウント構造が適用される燃料電池スタックを搭載 する燃料電池電気自動車の前方側の概略側面説明図である。 前記燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記燃料電池スタックを収容するケーシングの一部分解斜視説明図である。 前記マウント構造を構成する側方マウント部の斜視説明図である。 前記側方マウント部の要部断面説明図である。 前記後方マウント部の断面説明図である。 本発明の実施形態に係る車両の振動特性を示すグラフである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池車両１３は、燃料電池１１を電力源とし、燃料電池１１から供給される電力によって駆動する走行用モータ１００を駆動源としている。燃料電池１１を構成する燃料電池スタック１２と、走行用モータ１００とは、モータルーム１３ｆ内に搭載され、燃料電池スタック１２の鉛直方向下方に、走行用モータ１００が配置されている。

モータルーム１３ｆは、図１及び図２に示すように、車室１３ｃａの前方に設けられ、隔壁部材（ダッシュボード）１３Ｗによって車室１３ｃａから隔離されている。また、モータルーム１３ｆには、車体フレームを構成する一対のメインフレーム１３Ｒ、１３Ｌが隔壁部材１３Ｗから車両前後方向に沿って前方へ（矢印Ａｆ方向に）略平行に延設されている。

モータルーム１３ｆには、矢印Ａ方向に沿って延設された一対の腕部１８と、一対の腕部１８の後端を連結する後側連結部１９ｒとで略Ｕ字形状を具備するサブフレーム１３ＳＦが、メインフレーム１３Ｒ、１３Ｌの下方に配置されている。そして、後側連結部１９ｒにおけるメインフレーム１３Ｒ、１３Ｌ間の中央に位置する部位、且つ一対の腕部１８間の中央に位置する部位には、略三角形を有するマウントブラケット１０２が上方に立設された状態でネジ止めされている。後側連結部１９ｒにネジ止めされる、マウントブラケット１０２の取り付け部１０８ａ、１０８ｂは、互いに異なる長さに設定される。また、サブフレーム１３ＳＦは、一対の腕部１８の中間部分が、車幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って配置される前側連結部１９ｆによって連結されている。

燃料電池スタック１２は、図１及び図２に示すように、一対のメインフレーム１３Ｒ、１３Ｌ間に配置されつつ、スタックマウント構造ＳＭを介して、車体１３ａに支持されている。
また、燃料電池スタック１２は、図３及び図４に示すように、セル１４と、積層された複数のセル１４を収容するケーシング１６とを備える。セル１４は、図３に示すように、電極面を立位姿勢にして燃料電池電気自動車１３の車両前後方向（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。

図３に示すように、セル１４の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが、外方に向かって、順次、配設される。セル１４の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長の長方形形状を有する第１エンドプレート２４ａの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１電力出力端子２６ａが外方に向かって延在する。また、第１エンドプレート２４ａと同様に横長の長方形形状を有する第２エンドプレート２４ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２電力出力端子２６ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとの各辺間には、それぞれ各辺の中央位置に対応して一定の長さを有する連結バー２８が配置される。連結バー２８の両端は、ねじ３０により第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとに固定され、複数の積層されたセル１４に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

ケーシング１６は、図３に示すように、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺（面）が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにより構成される。ケーシング１６の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺（面）は、横長プレート形状の前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８により構成される。ケーシング１６の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２により構成される。上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２は、横長プレート形状を有する。

前方サイドパネル６６、後方サイドパネル６８、上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの側部に設けられた各ねじ穴７４に、各孔部７６を介してねじ７８を螺入して固定される。また、下方サイドパネル７２の下面には、ケーシングブラケット９８が、車両後方に向かって延設されつつ、ネジ止めされている。

スタックマウント構造ＳＭは、図１及び図２に示すように、左右の各メインフレーム１３Ｒ、１３Ｌとの間に１箇所ずつ設定される一対の側部スタックマウント８０ａ、８０ｂと、マウントブラケット１０２との間に設定される後部スタックマウント１０４とで構成され、これら合計３箇所で、燃料電池１１を支持している。

側部スタックマウント８０ａ、８０ｂは、図４に示すように、断面Ｌ字状に屈曲する板部材８２ａ、８２ｂを有し、前記板部材８２ａ、８２ｂは、複数本のねじ８４を介して第１エンドプレート２４ａ、２４ｂの矢印Ａｆ方向前方側にねじ止めされる。図４及び図５に示すように、側部スタックマウント８０ａ、８０ｂは、燃料電池スタック１２の車幅方向一端に板部材８２ａ、８２ｂを介して固定される衝撃緩衝部（液封マウント）８６ａを備える。板部材８２ａ、８２ｂには、ねじ８４を介して連結板８８ａ、８８ｂが固定されるとともに、前記連結板８８ａ、８８ｂは、図５に示すように、柱体部９０ａに固定される。
側部スタックマウント８０ａは、衝撃緩衝部８６ａの上部に、ブラケット９７ａの一端がねじ８４を介して固定される。ブラケット９７ａは、屈曲する長尺板状を有し、他端がねじ８４を介して車体フレーム１３ＢＬに固定される。

衝撃緩衝部８６ａは、柱体部９０ａを囲繞する衝撃緩衝部材、例えば、弾性部材からなるゴム部材９２ａを有し、前記ゴム部材９２ａの下部側には、液封止部９３ａが形成される。衝撃緩衝部８６ａには、前記衝撃緩衝部８６ａをメインフレーム１３Ｌに取り付ける２本の取り付け部９４ａ、９６ａが設けられる。各取り付け部９４ａ、９６ａは、互いに異なる長さに設定され、例えば、前記取り付け部９４ａは、前記取り付け部９６ａよりも長尺に構成される。

側部スタックマウント８０ｂは、上記の側部スタックマウント８０ａと同様に構成される。同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。側部スタックマウント８０ｂは、メインフレーム１３Ｒにねじ止め固定されるとともに、ブラケット９７ｂが車体フレーム１３ＢＲに固定される。
側部スタックマウント８０ｂは、隔壁部材１３Ｗからの寸法、および地面からの寸法が、側部スタックマウント８０ａの各寸法と同一に設定されている。つまり、側部スタックマウント８０ａ、８０ｂは、後述する後部スタックマウント１０４からの距離が等しくなるように位置が設定されている。

後部スタックマウント１０４は、図１、図６に示すように、略三角形形状を有するマウントブラケット１０２の上端部分に配置され、ケーシングブラケット９８を介して、ケーシング１６の後部中央を支持している。後部スタックマウント１０４は、図６に示すように、マウントブラケット１０２を車幅方向（矢印Ｂ方向）に貫通する円形のスタック側支持孔１０２ＳＭと、スタック側支持孔１０２ＳＭ内に嵌挿されるスタック側ブッシュ１０９とを備えている。
スタック側ブッシュ１０９は、ゴム等の弾性材からなり、その中央部を、車幅方向に沿ってケーシングブラケット９８が貫通し、燃料電池スタック１２を支持している。スタック側ブッシュ１０９の各部の断面形状、および材質は、要求される弾性係数に応じて設定されている。

走行用モータ１００は、図１及び図２に示すように、サブフレーム１３ＳＦを構成する一対の腕部１８間に配置されつつ、モータマウント構造ＭＭを介して、車体１３ａに支持されている。
モータマウント構造ＭＭは、図１及び図２に示すように、前側連結部１９ｆの両端部分に１箇所ずつ設定される一対の側部モータマウント１０１と、マウントブラケット１０２との間に設定される後部モータマウント１０５とで構成され、これら合計３箇所で、走行用モータ１００を支持している。

後部モータマウント１０５は、図６に示すように、マウントブラケット１０２のスタック側支持孔１０２ＳＭ下方に、マウントブラケット１０２を車幅方向（矢印Ｂ方向）に貫通する円形のモータ側支持孔１０２ＭＭと、モータ側支持孔１０２ＭＭ内に嵌挿されるモータ側ブッシュ１０６とを備えている。
モータ側ブッシュ１０６は、ゴム等の弾性材からなり、その中央部を、車幅方向に沿って後部モータブラケット１１０が貫通し、走行用モータ１００を支持している。モータ側ブッシュ１０６の各部の断面形状、および材質は、要求される弾性係数に応じて設定されている。

側部モータマウント１０１は、後部モータマウント１０５と同様に、走行用モータ１００と前側連結部１９ｆとの間に、弾性材を介挿した状態で、走行用モータ１００を支持している。
モータマウント構造ＭＭは、側部モータマウント１０１と後部モータマウント１０５との間の車両前後方向の寸法が、側部スタックマウント８０ａ、８０ｂと後部スタックマウント１０４との間の車両前後方向の寸法とほぼ同じになるように、それぞれの位置が設定されている。

サブフレーム１３ＳＦの先端には、燃料電池冷却用ラジエータ１１６が配置されるとともに、燃料電池スタック１２は、前記ラジエータ１１６の後方に近接して配置される。燃料電池スタック１２の車両前後方向後方の端部１２ｅと隔壁部材１３Ｗとの間には、燃料電池電気自動車１３に外部荷重Ｆが付与された際、前記燃料電池スタック１２が水平方向後方に移動して前記端部１２ｅが前記隔壁部材１３Ｗに当接可能な可動領域１１８が設けられる。

次に、スタックマウント（側部スタックマウント８０ａ、８０ｂ、および後部スタックマウント１０４）の弾性係数の設定について説明する。
図７は、車両の振動特性を示すグラフである。実線は、従来からの手法で、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４とモータマウント（側部モータマウント１０１、後部モータマウント１０５）の弾性係数を個々に設定した場合の車両の振動特性を示し、破線は、本実施形態の手法で、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数を設定した場合の車両の振動特性を示している。
本実施形態の手法とは、走行中の車体１３ａの振動に起因する走行用モータ１００による揺動の共振周波数（反共振点）と、走行中の車体１３ａの振動に起因する燃料電池スタック１２による揺動の共振周波数とが一致するように、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数を設定する手法である。これは、同じ周波数上にある共振点と反共振点が重なることで、互いの振動が相殺され、振幅が小さくなる現象（反共振現象）を利用している。
なお、本実施形態では、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数が、２０Ｈｚ以下の周波数帯に存在する走行用モータ１００の反共振点を対象に設定されている。
また、走行用モータ１００による揺動の反共振周波数（反共振点）とは、共振周波数から１〜３Ｈｚ程度の周波数領域で共振する周波数で、共振周波数とは逆位相で振動する（図７参照）。

従来からの手法で、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４とモータマウント１０１、１０５の弾性係数を個々に設定した場合（図７の実線を参照）、燃料電池スタック１２と走行用モータ１００のそれぞれの共振周波数で、振動のピークが発生する。このため、たとえば加速時や減速時のように、車両の振動数が遷移するような走行条件では、何度も振動のピークが発生してしまうため、乗員が不快に感じてしまう。

本実施形態の手法を用いて、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数を設定した場合（図７）の破線を参照）、燃料電池スタック１２の共振点が、走行用モータ１００の反共振のピークの周波数に一致するように、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数が設定されることによって、反共振点での振動のピークが消えるとともに、反共振点のピーク近傍の振動の振幅が小さくなるため、乗員の不快感を解消できる。

本実施形態に係る燃料電池車両１３は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、燃料電池車両１３の作用効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池車両１３では、走行用モータ１００の共振周波数と、燃料電池スタック１２の共振周波数とが一致し、反共振となって互いに打ち消し合うようにスタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数が設定されることで、走行用モータ１００と燃料電池スタック１２の両方に起因する走行中の共振現象の発生を抑制することができる。

本実施形態に係る燃料電池車両１３では、走行用モータ１００と燃料電池スタック１２が上下方向に重なるように配置されることで、隔壁部材１３Ｗからの走行用モータ１００の重心の距離と隔壁部材１３Ｗからの燃料電池スタック１２の重心の距離を揃えることができる。これによって、走行用モータ１００と燃料電池スタック１２の振動周波数を近づけることができため、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数の設定を容易に行うことができる。

本実施形態に係る燃料電池車両１３では、走行用モータ１００の上方に、燃料電池スタック１２が配置されることで、タイヤ（図示せず）の中心軸（図示せず）と走行用モータ１００の出力軸（図示せず）を連結するためのレイアウトを容易に行うことができる。

本実施形態に係る燃料電池車両１３では、走行用モータ１００がサブフレーム１３ＳＦに支持されるとともに、燃料電池スタック１２がメインフレーム１３Ｒ、１３Ｌに支持されつつ、マウントブラケット１０２を介してサブフレーム１３ＳＦに支持されることで、燃料電池スタック１２と走行用モータ１００とが別々に振動する。これによって、燃料電池スタック１２が走行用モータ１００に設置されるダイナミックダンパを構成するウエイトマスとして機能し、走行用モータ１００の振動を抑制することができる。

本実施形態に係る燃料電池車両１３では、２０Ｈｚ以下の周波数帯に存在する走行用モータ１００の反共振点を対象にして、スタックマウント８０ａ、８０ｂ、１０４の弾性係数が設定されることで、乗員が不快と感じやすい周波数の車体振動を抑制することができる。

１２ 燃料電池スタック
１３ 燃料電池車両
１３ａ 車体
１３ｆ モータルーム
１３Ｒ、１３Ｌ メインフレーム
１３ＳＦ サブフレーム
１３Ｗ 隔壁部材
１８ 腕部
１９ｒ 後側連結部
８０ａ、８０ｂ スタックマウント（側部スタックマウント）
１００ 走行用モータ
１０１ モータマウント（側部モータマウント）
１０２ マウントブラケット
１０４ スタックマウント（後部スタックマウント）
１０５ モータマウント（後部モータマウント）

Claims (5)

1. 車体に、隔壁部材によって車室と隔離されるモータルームと、
   該モータルーム内にスタックマウントを介して設置される燃料電池スタックと、
   該モータルーム内にモータマウントを介して設置される走行用モータと、
   を備え、
   走行中の該車体の振動に起因する該走行用モータによる揺動の共振周波数と、
   走行中の該車体の振動に起因する該燃料電池スタックによる揺動の共振周波数とが一致し、反共振となって互いに打ち消し合うように、該スタックマウントの弾性係数が設定されたことを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記走行用モータと前記燃料電池スタックが上下方向に重なるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記走行用モータの上方に、前記燃料電池スタックが配置されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
4. 前記モータルームは、
   前記隔壁部材から車両前後方向に沿って前方へ延設された一対のメインフレームと、
   車両前後方向に延設された一対の腕部と、該一対の腕部の後端を連結する後側連結部とで略Ｕ字形状を具備し、該メインフレームの下方に配置されるサブフレームと、
   該後側連結部から上方へ立設されたマウントブラケットと、
   を備え、
   前記走行用モータは、
   該サブフレームのＵ字形状内に配置されつつ、各腕部に１箇所ずつと、該マウントブラケットの計３箇所で、前記モータマウントを介して支持され、
   前記燃料電池スタックは、
   該一対のメインフレーム間に配置されつつ、各メインフレームに１箇所ずつと、該マウントブラケットの計３箇所で、前記スタックマウントを介して支持されたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両。
5. 前記スタックマウントの弾性係数は、
   ２０Ｈｚ以下の周波数帯に存在する前記走行用モータによる揺動の共振周波数を対象に設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池車両。

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