JP6631378B2

JP6631378B2 - 車両

Info

Publication number: JP6631378B2
Application number: JP2016082946A
Authority: JP
Inventors: 村田　成亮; 成亮村田; 泰司西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: JP2017193198A

Description

本発明は、燃料電池を搭載した車両に関する。

特許文献１には、エンジンコンパートメント（フロントコンパートメント）内に配置されたモータと、モータの上方に配置され、モータに電力を供給する燃料電池と、燃料電池を支持する支持部であって、燃料電池を車両の高さ方向に回転可能に支持する支持部と、を備える車両が記載されている。

特開２０１１−１６２１０８号公報

しかしながら、上記従来技術では、支持部に強靱な構造を採用し、衝撃の入力方向を変換させて、燃料電池を車両の高さ方向に回転させる。その結果、支持部の質量が増加し、高コストとなるという問題があった。したがって、支持部を強靱な構造とすること無く、燃料電池への衝撃を緩和する構造が要望されている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池を搭載した車両が提供される。この車両は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのための補機と、前記燃料電池スタックを搭載するアッパーフレームと、前記アッパーフレームの鉛直下方に配置されて前記補機を搭載するロワーフレームと、を有するスタックフレームと、前記アッパーフレームと前記ロワーフレームとを締結する第１の締結部と、前記スタックフレームを支持するためのマウントブラケットを有する車体フレーム部材と、前記ロワーフレームと前記マウントブラケットとを締結する第２の締結部と、を備える。前記第１の締結部と前記第２の締結部は、前記車両の前方から前記アッパーフレームに衝撃が加えられたとき、前記第１の締結部が前記第２の締結部よりも小さな衝撃で破断するか、又は、前記アッパーフレームに一定以上の衝撃が加えられると、前記アッパーフレームが前記ロワーフレームに対して前記車両の後方にスライドするように、構成されている。
この形態によれば、燃料電池車両の前方からアッパーフレームに衝撃が掛かったとき、第１の締結部は、第２の締結部よりも小さな衝撃で破断するか、又は、アッパーフレームがロワーフレームに対して車両の後方にスライドするので、燃料電池スタックを後方に逃すことができ、燃料電池スタックに掛かる衝撃を緩和できる。また、燃料電池スタックの移動方向は、衝撃の入力方向と平行な方向であるため、燃料電池スタックの移動のために向きを変える必要が無く、スタックフレームは、衝撃の向きを変えるための強靱な構造を有していなくても良い。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両の他、燃料電池スタックの搭載方法等の形態で実現することができる。

燃料電池車両の概略平面図。フロントコンパートメントに配置される燃料電池スタック及びその搭載部の正面図。フロントコンパートメントに配置される燃料電池スタック及びその搭載部の側面図。燃料電池車両の前部の側面図。スタックフレームの締結構造の一例を示す説明図。正突（ポール前突）時の状態を示す説明図。アンダーライド衝突時の状態を示す説明図。第２の実施形態のスタックフレームの構造の一例を示す説明図。第３の実施形態におけるアッパーフレームとロワーフレームの第１の締結部の構成を示す説明図。第４の実施形態におけるアッパーフレームとロワーフレームの第１の締結部の構成を示す説明図。

・第１の実施形態：
図１は、燃料電池車両１０（以下「車両１０」とも呼ぶ。）の概略平面図である。車両１０は、車両１０の進行方向前部にフロントコンパートメント２０を備え、フロントコンパートメント２０の後方に燃料タンク収納部３０を備える。フロントコンパートメント２０は、燃料電池スタック及び燃料電池スタックを動作させるための補機や、駆動モータ等を格納する。燃料タンク収納部３０は、燃料タンクが収納される場所であり、本実施形態では、運転席４０と助手席４２の間の、いわゆるセンタートンネルに設けられている。なお、本実施形態では、右ハンドル車を例に取っており、左ハンドル車では、運転席４０と助手席４２の位置は、入れ替わる。

図２は、フロントコンパートメント２０に配置される燃料電池スタック１００及びその搭載部の正面図である。図３は、フロントコンパートメント２０に配置される燃料電池スタック１００及びその搭載部の側面図である。フロントコンパートメント２０には、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００のための補機２００、２１０と、スタックフレーム３００と、サスペンションメンバー４００と、が収納される。燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電力を取り出すための装置である。燃料電池スタック１００は、複数の単セル（図示せず）が積層されているので、「燃料電池スタック」と呼ばれる。補機２００、２１０には、燃料電池スタック１００の電力を交流に変換するインバータ、燃料電池スタック１００の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバーター、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスや燃料ガスや冷却水を供給するためのポンプ等が含まれる。

スタックフレーム３００は、アッパーフレーム３１０と、アッパーフレーム３１０の鉛直下方に設置されたロワーフレーム３２０とを備える。なお、本明細書において、「上方」「下方」は、車両１０が水平な路面に停車している状態における鉛直方向の上方、下方を意味する。また、「前方」「後方」とは、車両１０の前進方向と後退方向をそれぞれ意味し、「右方向」「左方向」は、車両１０の前進方向に向かって見たときの右方向と左方向をそれぞれ意味する。アッパーフレーム３１０は、金属製の略平板形状の部材であり、その左右方向（図２でも左右方向）の両端部が、ロワーフレーム３２０に向けて下方に折れ曲がっている。ロワーフレーム３２０も、金属製の略平板形状の部材であり、その両端部が、アッパーフレーム３１０に向けて上方に折れ曲がっている。燃料電池スタック１００は、アッパーフレーム３１０の水平部分に載置されている。補機２００、２１０は、それぞれ吊り下げブラケット３３０、３４０により、ロワーフレーム３２０の水平部分に吊り下げられている。アッパーフレーム３１０と、ロワーフレーム３２０とは、第１の締結部であるボルト３５０とナット３５１により締結されている。アッパーフレーム３１０の前方側の中央には、ロワーフレーム３２０より車両１０の前方に突出する衝撃吸収部材３６０が配置されている。衝撃吸収部材３６０は、ゴムなどの弾性体で形成されており、アッパーフレーム３１０に例えば接着剤で接着されている。なお、衝撃吸収部材３６０は、板バネやコイルばねであってもよい。また、衝撃吸収部材３６０を省略しても良い。

サスペンションメンバー４００は、車両１０のフレームの一部を為す車体フレーム部材であり、本実施形態では、燃料電池スタック１００や補機２００、２１０を支持する部材としても使用される。サスペンションメンバーの左右方向の両端部には、スタックフレーム３００を支持するためのマウントブラケット４１０が、鉛直上方に延びる部材として設けられている。マウントブラケット４１０の頂部には、マウント４２０が設けられており、第２の締結部であるボルト３５６とナット３５７により、スタックフレーム３００のロワーフレーム３２０がマウント４２０に締結されている。マウントブラケット４１０の側面には、マウントブラケット４１０の鉛直立設部分を左右方向から支持するマウントブラケット強化板４１２が設けられている。マウントブラケット４１０の為す面とマウントブラケット強化板４１２が為す面とは、ほぼ垂直である。

図４は、燃料電池車両１０の前部の側面図である。燃料電池車両１０の前部のフロントコンパートメント２０に、図２、３で説明した燃料電池スタック１００、補機２００、２１０、スタックフレーム３００、サスペンションメンバー４００等が収納されている。

フロントコンパートメント２０の後方の燃料タンク収納部３０には、燃料タンク５００が収納されている。燃料タンク５００は、ブラケット４５２及び第３の締結部であるボルト３５８によって、車体フレーム部材の一部としてのクロスメンバー４５０に固定されている。燃料タンク５００の高さ方向の位置は、補機２００、２１０の高さとほぼ同じ位置であり、燃料電池スタック１００の高さよりも低い。すなわち、燃料タンク５００は、補機２００、２１０の後方に搭載されている。

図５は、スタックフレーム３００の締結構造の一例を示す説明図である。この例では、スタックフレーム３００のアッパーフレーム３１０の上部に燃料電池スタック１００が配置され、燃料電池スタック１００の左右方向の側面には、スタックブラケット１０２が接合されている。スタックブラケット１０２は、ボルト３５２とナット３５３により、アッパーフレームに締結されている。補機２００は、吊り下げブラケット３３０に取り付けられ、吊り下げブラケット３３０は、ボルト３５４とナット３５５によりロワーフレーム３２０の下部に締結されている。ロワーフレーム３２０の左右方向の端部は、上方に折り曲げられており、ボルト３５６とナット３５７により、マウント４２０に締結されている。アッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０とは、第１の締結部としてのボルト３５０とナット３５１により締結されている。アッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０との間には、スリーブ３７０が設けられ、スリーブ３７０の中にボルト３５０の軸が通っている。スリーブ３７０は、アッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０との間隔を一定にするスペーサーの役割を有している。なお、スリーブ３７０とナット３５１の代わりに内側に雌ねじを切ったボスをロワーフレーム３２０の上面に形成した構成を採用しても良い。

アッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０とを締結するボルト３５０の軸の太さは、ロワーフレーム３２０とマウント４２０とを締結するボルト３５６の軸の太さよりも細く形成されている。その結果、アッパーフレーム３１０に衝撃が掛けられたとき、第１の締結部としてのボルト３５０が第２の締結部としてのボルト３５６よりも小さな衝撃で破断する。

なお、ボルト３５０、３５６の軸の太さを互いに異なるものとする代わりに、ボルト３５０、３５６の材質を互いに異なるものとすることによって、第１の締結部としてのボルト３５０が第２の締結部としてのボルト３５６よりも小さな衝撃で破断するようにしてもよい。或いは、ボルト３５０、３５６の軸の太さと材質を同一としつつ、ボルト３５０、３５６の本数を互いに異なるものとすることによって、第１の締結部としてのボルト３５０が第２の締結部としてのボルト３５６よりも小さな衝撃で破断するようにしてもよい。これらの説明から理解できるように、ボルト３５０、３６０の軸の太さと材質と本数とのうちの１つ以上を互いに異なるものとすることによって、第１の締結部としてのボルト３５０が第２の締結部としてのボルト３５６よりも小さな衝撃で破断することが可能である。なお、図５に示したその他のボルト３５２、３５４も、第２の締結部としてのボルト３５６と同様に、第１の締結部としてのボルト３５０よりも大きな衝撃に耐えうるように構成されていることが好ましい。

図６は、正突（ポール前突）時の状態を示す説明図である。正突時には、外部の衝突バリア６００と、車両１０の前面のほぼ全部が衝突する。なお、実際の衝突では、
（ｉ）車両１０が移動して衝突バリア６００が移動しない場合（自車が衝突バリア６００に衝突する場合）と、
（ｉｉ）車両１０が移動せず衝突バリア６００が移動する場合（自車が衝突バリア（例えば他車）に衝突される場合）と、
（ｉｉｉ）車両１０と衝突バリア６００（例えば他車）の両方が互いに近づくように移動して衝突する場合と、
がある。なお、図６に示す矢印は、サスペンションメンバー４００に対する相対的な移動方向を示している。

正突（ポール前突）時には、車両１０の前方から衝突バリア６００が侵入する。この時の衝撃の一部は、車両１０の前方のオーバーハング部５０が潰れることにより吸収される。そして、吸収しきれなかった衝撃は、衝撃吸収部材３６０により吸収される。それでも吸収できない衝撃は、衝撃吸収部材３６０を介してアッパーフレーム３１０を車両１０の後方に押す。このとき、衝撃により予め定められた大きさ以上の荷重がボルト３５０に掛かると、ボルト３５０が破断し、アッパーフレーム３１０は、燃料電池スタック１００を載置したまま後方に移動する。その結果、燃料電池スタック１００への衝撃を緩和できる。

また、車両１０に前方より衝撃が加わると、燃料タンク５００は、慣性により前方に移動しようとする。ここで、燃料タンク５００がクロスメンバー４５０から離脱して補機２００、２１０に当たると、第２の締結部であるボルト３５２が一定以上の衝撃で破断して、ロワーフレーム３２０及び補機２００、２０５が前方に移動する。その結果、燃料タンク５００に過大な荷重が掛かることを抑制できる。なお、燃料タンク５００がクロスメンバー４５０から離脱せず、補機２００、２１０に当たらなければ、ボルト３５２は破断しない。

図７は、アンダーライド衝突時の状態を示す説明図である。アンダーライド衝突時には、車両１０の上部には衝突バリア６００が侵入するが、下部には侵入しない。すなわち、アンダーライド衝突時には、車両１０の前方から車両１０の上部に衝突バリア６００が侵入する。この時の衝撃は、車両１０の前方のオーバーハング部５０の上部が潰れることにより吸収される。そして、吸収しきれなかった衝撃は、衝撃吸収部材３６０により吸収される。それでも吸収できない衝撃は、衝撃吸収部材３６０を介してアッパーフレーム３１０を車両１０の後方に押す。このとき、予め定められた大きさ以上の衝撃がボルト３５０に掛かると、ボルト３５０が破断し、アッパーフレーム３１０は、燃料電池スタック１００を載置したまま後方に移動する。その結果、燃料電池スタック１００への衝撃を緩和できる。

一方、衝突バリア６００が侵入しない車両１０の下部では、燃料タンク５００と補機２００、２１０とは、同じ程度の加速度で減速し、燃料タンク５００が、補機２００、２１０に当たることは無い。

以上、本実施形態によれば、燃料電池車両１０の前から衝撃が掛かったとき、燃料電池スタック１００は、アッパーフレーム３１０とともに後方に移動するため、燃料電池スタック１００に過大な荷重が掛からない。また、燃料電池スタック１００の移動方向は、衝撃の入力方向と平行な方向であるため、移動のために燃料電池スタック１００の向きを変える必要が無く、スタックフレーム３００は、これらに向きを変えるための強靱な構造を有していなくても良い。

・第２の実施形態：
図８は、第２の実施形態におけるスタックフレーム３００の構造の一例を示す説明図である。図５で説明した第１の実施形態では、第１の締結部としてのボルト３５０とナット３５１が、アッパーフレーム３１０の水平な板状部分と、ロワーフレーム３２０の水平な板状部分とを締結するように配置されていたが、第２の実施形態では、ボルト３５０とナット３５１は、アッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０の上下方向に延びる側面で、両者を締結している。なお、図８では、マウント４２０とロワーフレーム３２０との締結部（図５のボルト３５６とナット３５７）の図示を省略している。こうしても、第１の実施形態と同様に、第１の締結部としてのボルト３５０が第２の締結部としてのボルト３５６（図５）よりも小さな衝撃で破断することで、燃料電池スタック１００への衝撃を緩和できる。

・第３の実施形態：
図９は、第３の実施形態におけるアッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０との第１の締結部を示す説明図である。第３の実施形態では、ロワーフレーム３２０の側面に、車両１０の前後方向に長い長穴３２２が形成されており、長穴３２２に、ボルト３５０の軸が貫通している点で第２の実施形態と異なり、その他の構成は、第２の実施形態と同じである。このようにすれば、アッパーフレーム３１０に一定以上の衝撃が加えられると、長穴３２２をボルト３５０の軸が滑ることで、アッパーフレーム３１０がロワーフレーム３２０に対して、車両１０の後方に相対的にスライドできる。この結果、燃料電池スタック１００への衝撃を緩和できる。

・第４の実施形態：
図１０は、第４の実施形態におけるアッパーフレーム３１０とロワーフレーム３２０との第１の締結部を示す説明図である。図９に示す第３の実施形態との違いは、ロワーフレーム３２０の側面に、長穴３２２の代わりにＵ字穴３２４が形成されている点であり、他の構成は、第２の実施形態、第３の実施形態と同じである。この第４の実施形態においても、第３の実施形態と同様に、アッパーフレーム３１０に一定以上の衝撃が加えられると、Ｕ字穴３２４をボルト３５０の軸が滑ることで、アッパーフレーム３１０がロワーフレーム３２０に対して、車両１０の後方に相対的にスライドできる。この結果、燃料電池スタック１００への衝撃を緩和できる。

・変形例１：
上記実施形態では、ナット３５１、３５３、３５５、３５７について、特に言及していなかったが、ナット３５１、３５３、３５５、３５７は、他の部材に溶接された溶接ナットでもよく、溶接されていない普通のナットでもよい。

・変形例２：
本実施形態では、スタックフレーム３００は、サスペンションメンバー４００に接続されたマウント４２０に締結されているが、サスペンションメンバー以外のクロスメンバー等の他の車体フレーム部材に接続されていてもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池車両（車両）
２０…フロントコンパートメント
３０…燃料タンク収納部
４０…運転席
４２…助手席
５０…オーバーハング部
１００…燃料電池スタック
１０２…スタックブラケット
２００…補機
２１０…補機
３００…スタックフレーム
３１０…アッパーフレーム
３２０…ロワーフレーム
３２２…長穴
３２４…Ｕ字穴
３３０…吊り下げブラケット
３４０…吊り下げブラケット
３５０、３５２、３５４、３５６、３５８…ボルト
３５１、３５３、３５５、３５７…ナット
３６０…衝撃吸収部材
３７０…スリーブ
４００…サスペンションメンバー
４１０…マウントブラケット
４１２…マウントブラケット強化板
４２０…マウント
４５０…クロスメンバー
４５２…ブラケット
５００…燃料タンク
６００…衝突バリア

Claims

燃料電池を搭載した車両であって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのための補機と、
前記燃料電池スタックを搭載するアッパーフレームと、前記アッパーフレームの鉛直下方に配置されて前記補機を搭載するロワーフレームと、を有するスタックフレームと、
前記アッパーフレームと前記ロワーフレームとを締結する第１の締結部と、
前記スタックフレームを支持するためのマウントブラケットを有する車体フレーム部材と、
前記ロワーフレームと前記マウントブラケットとを締結する第２の締結部と、
鉛直方向の高さが、前記燃料電池スタックの高さよりも低い位置であって、前記車両において前記補機よりも後方に配置された燃料タンクと、
を備え、
前記第１の締結部と前記第２の締結部は、前記車両の前方から前記アッパーフレームに衝撃が加えられたとき、前記第１の締結部が前記第２の締結部よりも小さな衝撃で破断するか、又は、前記アッパーフレームに一定以上の衝撃が加えられると、前記アッパーフレームが前記ロワーフレームに対して前記車両の後方にスライドするように、構成されている、車両。