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JP6414021B2 - 燃料電池の搭載構造 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の搭載構造に関する。
燃料電池を搭載した車両として、特許文献1には、前席の下方に燃料電池が配置された構成が開示されている。また、特許文献1では、前輪を駆動させるための一対の駆動モータを備えており、この一対の駆動モータ間に水素ガス循環ポンプなどの振動の発生源となる補機類を配置することで、補機類から発生する振動を重量の大きいモータを介して減衰させている。
特開2006−89040号公報
ところで、上記特許文献1に記載された技術を後輪駆動の燃料電池車に適用する場合、駆動モータが車両後部に配置されることとなる。しかしながら、補機類を駆動モータと共に車両後部に移動させた場合、ラジエータやコンデンサなどの車両前部の部品と補機類との距離が長くなるため、補機類の配線及び配管に掛かるコストが増加する可能性がある。
本発明は、上記事実を考慮し、後輪駆動の燃料電池車において、補機類の配線及び配管に掛かるコストの増加を抑制しつつ、補機類の振動を減衰させることができる燃料電池の搭載構造を得ることを目的とする。
請求項1に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造は、後輪を駆動させる駆動モータが車両後部に配置された車両において、車両前部に設けられたサスペンションメンバの車両上方に配置され、複数の防振部材を介して前記サスペンションメンバに連結された燃料電池と、前記サスペンションメンバに対して非接触状態で前記燃料電池に直接的に又は前記燃料電池を支持するスタックフレームを介して取り付けられると共に、少なくともエアコンプレッサ及びポンプを含んで構成された補機類と、を有する。
請求項1に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造では、車両後部に配置された駆動モータによって後輪が駆動される。また、車両前部におけるサスペンションメンバの車両上方には燃料電池が配置されており、この燃料電池は、複数の防振部材を介してサスペンションメンバに連結されている。ここで、燃料電池には、エアコンプレッサ及びポンプを含んで構成された補機類が取り付けられており、この補機類は、サスペンションメンバに対して非接触状態とされている。このようにして、重量の大きい燃料電池に補機類を直接的に又は燃料電池を支持するスタックフレームを介して取り付けることにより、補機類から発生する振動を燃料電池を介して減衰させることができる。また、防振部材によって燃料電池の振動の少なくとも一部を吸収することができる。
さらに、補機類を車両前部に配置したことにより、補機類の配線及び配管を長くせずに済み、配線及び配管に掛かるコストの増加を抑制することができる。さらにまた、車両の衝突時には、衝突荷重の一部が防振部材によって吸収されるため、燃料電池へ衝突荷重が伝達されるのを抑制することができる。
請求項2に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造は、請求項1の発明において、前記燃料電池には、前記サスペンションメンバに対して非接触状態で空調装置用コンプレッサが直接的に又は前記燃料電池を支持するスタックフレームを介して取り付けられている。
請求項2に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造では、燃料電池車用の補機類に加えて、空調装置用コンプレッサを燃料電池に直接的に又は燃料電池を支持するスタックフレームを介して取り付けたことにより、この空調装置用コンプレッサから発生する振動を燃料電池を介して減衰させることができる。
請求項3に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造は、請求項1又は2に記載の発明において、前記サスペンションメンバに対して非接触状態でDC−DCコンバータ及びインバータの少なくとも一方が直接的に取り付けられている。
請求項3に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造では、燃料電池車用の補機類に加えて、DC−DCコンバータ及びインバータの少なくとも一方を燃料電池に直接的に取り付けることにより、燃料電池を介してDC−DCコンバータやインバータから発生する高周波に起因する車室内のノイズを低減させることができる。
請求項4に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造は、請求項1〜3の何れか1項に記載の発明において、前記防振部材は、前記燃料電池を支持するスタックフレームに連結されており、前記補機類は、前記スタックフレームを介して前記燃料電池に取り付けられると共に、車両上方から見て前記スタックフレームに隠れる位置に配置されている。
請求項4に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造では、車両上方から見て補機類がスタックフレームに隠れる位置に配置されている。このため、エンジンのみを駆動源とするコンベンショナル車のサスペンションメンバやシャシなどの部品を流用した場合でも、これらの部品と補機類とが干渉するのを抑制することができる。
以上説明したように、請求項1に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造によれば、後輪駆動の燃料電池車において、補機類の配線及び配管に掛かるコストの増加を抑制しつつ、補機類の振動を減衰させることができるという優れた効果を奏する。
請求項2及び請求項3に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造によれば、専用の防振部材を設ける必要なく、空調装置用コンプレッサから発生する振動や、DC−DCコンバータやインバータから発生する高周波に起因する車室内のノイズを低減することができるという優れた効果を奏する。
請求項4に記載の本発明に係る燃料電池の搭載構造によれば、コンベンショナル車との部品の共用化を図ることができるという優れた効果を奏する。
実施形態に係る燃料電池の搭載構造を示す斜視図である。 実施形態に係る燃料電池の搭載構造を示す平面図である。 実施形態に係る燃料電池の搭載構造を構成する補機類を説明するための斜視図である。 実施形態に係る燃料電池の搭載構造が適用された車両を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池の搭載構造について、図面を基に詳細に説明する。なお、各図において適宜示される矢印FRは、車両前方側を示しており、矢印UPは、車両上方側を示しており、矢印RHは、進行方向を向いた場合の車両右側を示している。また、以下の説明で特記なく前後、上下、左右の方向を用いる場合は、車両前後方向の前後、車両上下方向の上下、進行方向を向いた場合の左右を示すものとする。
(車両の全体構成)
図4に示されるように、本実施形態に係る燃料電池の搭載構造が適用された車両10は、駆動モータ12と、水素ボンベ14と、蓄電池16と、燃料電池としてのFCスタック18と、パワーコントロールユニット20とを含んで構成されている。
駆動モータ12は、車両後部13に配置されており、この駆動モータ12を駆動させることで、駆動モータ12からの出力が図示しない変速機構を介して後輪22へ伝達されるように構成されている。また、駆動モータ12よりも車両前方の車両下部には水素ボンベ14が設けられている。水素ボンベ14は、後述するFCスタック18へ供給するための水素ガスが圧縮されて充填された容器である。なお、図1では、1つの水素ボンベ14のみが図示されているが、これに限定されず、複数の水素ボンベ14を備えた構成としてもよい。
水素ボンベ14よりも車両前方には、蓄電池16が設けられている。蓄電池16は、放充電可能な電池であり、本実施形態では一例として、ニッケル水素二次電池が用いられている。そして、駆動モータ12へ電力を供給して駆動モータ12を駆動させたり、減速回生時に駆動モータ12から回生電力を回収する。なお、放充電可能な電池であれば、ニッケル水素二次電池に限らず、他の電池を用いてもよい。例えば、蓄電池16として、リチウム水素二次電池や鉛蓄電池などを用いてもよい。
FCスタック18及びパワーコントロールユニット20は、車両前部11のパワーユニット室に設けられている。FCスタック18は、構成単位である単セルが複数積層されたスタック構造とされており、高電圧電源として機能する。そしてFCスタック18を構成する各単セルは、水素ボンベ14から供給される水素ガスと、後述するエアコンプレッサ48から供給される圧縮空気との電気化学反応により発電を行う。
パワーコントロールユニット20は、制御装置であり、FCスタック18及び蓄電池16で扱われる高電圧直流電流と駆動モータ12を駆動させるための交流電流との変換を行うインバータを備えている。
(FCスタック18の搭載構造)
次に、FCスタック18の搭載構造について説明する。図1に示されるように、FCスタック18は、サスペンションメンバ24の車両上方に配置されている。サスペンションメンバ24は、車両前部11の下部に配置されており、車両前後方向に延在された左右一対の図示しないフロントサイドメンバよりも下方で該フロントサイドメンバに支持されている。
また、サスペンションメンバ24は、車両前後方向に沿って延在された左右一対のサイドレール部24Aを備えている。一対のサイドレール部24Aは、車両前方へ向かうにつれて互いに離間する方向へ延在されている。そして、一対のサイドレール部24Aの前端部同士が車両幅方向に延在された前側クロスメンバ24Bによって連結されており、一対のサイドレール部24Aの後端部同士が車両幅方向に延在された後側クロスメンバ24Cによって連結されている。このため、サスペンションメンバ24は、車両上方から見た平面視で略枠状に形成されている。
ここで、サイドレール部24Aには、複数の防振部材が取り付けられている。具体的には、一対のサイドレール部24Aの前部にそれぞれ、フロントマウント部材26が取り付けられており、一対のサイドレール部24Aの後部にそれぞれ、リヤマウント部材28が取り付けられている。
フロントマウント部材26は、サイドレール部24Aにおける前側クロスメンバ24Bとの連結部分に設けられており、車両幅方向を板厚方向としてサイドレール部24Aに立設されている。また、フロントマウント部材26の上部には、挿通孔26Aが形成されており、この挿通孔26Aにボルト30が挿通されている。
ボルト30は、後述するスタックフレーム38の前端部の立ち上がり部38Aに捩じ込まれており、このボルト30によってフロントマウント部材26がスタックフレーム38に締結されている。なお、ボルト30と挿通孔26Aの孔壁との間には弾性体32が設けられており、この弾性体32を介してボルト30がフロントマウント部材26に取り付けられている。このため、サスペンションメンバ24及びスタックフレーム38の一方から他方へ入力された振動が弾性体32の弾性変形によって減衰されるように構成されている。
フロントマウント部材26の車両後方には、リヤマウント部材28が配置されている。リヤマウント部材28は、サイドレール部24Aにおける後側クロスメンバ24Cとの連結部分よりも車両前方にオフセットされた位置に設けられており、車両上下方向を軸方向とする略円筒状に形成されている。また、リヤマウント部材28は、サイドレール部24Aに設けられた下側取付片34と、後述するスタックフレーム38に設けられた上側取付片36との間に配置されており、この下側取付片34と上側取付片36とを車両上下方向に連結している。
下側取付片34は、平面視で車両幅方向外側が凸となる略三角形状に形成されており、サイドレール部24Aから車両幅方向外側へ突出している。そして、この突出した部分にリヤマウント部材28の下端部が取り付けられている。一方、上側取付片36は、平面視で車両幅方向外側が凸となる略三角形状に形成されており、スタックフレーム38から車両幅方向外側へ突出している。そして、この突出した部分にリヤマウント部材28の上端部が取り付けられている。このため、リヤマウント部材28は、サイドレール部24A及びスタックフレーム38よりも車両幅方向外側に位置している。なお、リヤマウント部材28の内部には、弾性変形可能な防振ゴムが設けられており、サスペンションメンバ24及びスタックフレーム38の一方から他方へ入力された振動が減衰されるように構成されている。
一対のフロントマウント部材26及び一対のリヤマウント部材28には、FCスタック18を支持するスタックフレーム38が取り付けられている。スタックフレーム38は、車両上下方向を板厚方向として平面視で略矩形状に形成されている。また、スタックフレーム38の前端部には、車両上方へ突出された立ち上がり部38Aが設けられており、この立ち上がり部38Aにはボルト30が捩じ込まれるボルト孔(符号省略)が形成されている。さらに、上述したようにスタックフレーム38の後部には上側取付片36が取り付けられており、この上側取付片36にリヤマウント部材28の上端部が取り付けられている。
以上のように構成されたスタックフレーム38の上面にFCスタック18が固定されている。このため、FCスタック18は、一対のフロントマウント部材26及び一対のリヤマウント部材28を介してサスペンションメンバ24に連結されている。また、FCスタック18は略直方体状に形成されており、このFCスタック18の上面には、DC−DCコンバータ40が取り付けられている。DC−DCコンバータ40は、FCスタック18と電気的に接続されており、FCスタック18によって発電された直流電流の電圧値を異なる電圧値に変換させる。なお、本実施形態では、FCスタック18の上面にDC−DCコンバータ40のみが取り付けられているが、これに限定されない。例えば、DC−DCコンバータ40に替えて高電圧直流電流と交流電流との変換を行うインバータなどを取り付けた構成としてもよい。また、DC−DCコンバータ40及びインバータの両方を取り付けた構成としてもよい。
ここで、スタックフレーム38の下面には、補機類42が取り付けられている。以下、図3を参照して本実施形態の補機類42について説明する。図3には、FCスタック18及びサスペンションメンバ24を除いた状態が図示されており、説明の便宜上、スタックフレーム38が二点鎖線で図示されている。
図3に示されるように、本実施形態の補機類42は、空調装置用コンプレッサ44と、ポンプとしてのFC用ウォータポンプ46と、エアコンプレッサ48と、水素ポンプ50とを含んで構成されている。
空調装置用コンプレッサ44は、スタックフレーム38における前端部かつ左端部の下面に取り付けられており、エアコンなどの空調装置に用いられる冷媒を圧縮して液化させるためのコンプレッサである。そして、この空調装置用コンプレッサ44には、冷媒の流路を構成する図示しない配管が接続されている。
また、空調装置用コンプレッサ44には、複数(本実施形態では4つ)の締結部44Aが設けられている。各締結部44Aは、空調装置用コンプレッサ44から車両上方へ突出されており、図示しないボルトなどの締結具によってスタックフレーム38に締結されている。さらに、空調装置用コンプレッサ44は、サスペンションメンバ24には接触していない。換言すれば、空調装置用コンプレッサ44は、サスペンションメンバ24に対して非接触状態とされている。
空調装置用コンプレッサ44の車両右方には、FC用ウォータポンプ46が配置されている。FC用ウォータポンプ46は、スタックフレーム38における前端部かつ右端部の下面に取り付けられており、このFC用ウォータポンプ46には、冷却水の流路を構成する図示しない配管が接続されている。そして、FC用ウォータポンプ46が配管を流れる冷却水を循環させることで、FCスタック18が冷却されて所定の温度に維持されるように構成されている。
また、FC用ウォータポンプ46には、複数(本実施形態では4つ)の締結部46Aが設けられている。各締結部46Aは、FC用ウォータポンプ46から車両上方へ突出されており、図示しないボルトなどの締結具によってスタックフレーム38に締結されている。さらに、FC用ウォータポンプ46は、サスペンションメンバ24には接触していない。換言すれば、FC用ウォータポンプ46は、サスペンションメンバ24に対して非接触状態とされている。
空調装置用コンプレッサ44の車両後方には、エアコンプレッサ48が配置されている。エアコンプレッサ48は、スタックフレーム38における車両前後方向中間部分の下面に取り付けられており、このエアコンプレッサ48には、FCスタック18へ圧縮空気を供給するための配管が接続されている。
また、エアコンプレッサ48には、複数(本実施形態では4つ)の締結部48Aが設けられている。各締結部48Aは、エアコンプレッサ48から車両上方へ突出されており、図示しないボルトなどの締結具によってスタックフレーム38に締結されている。さらに、エアコンプレッサ48は、サスペンションメンバ24には接触していない。換言すれば、エアコンプレッサ48は、サスペンションメンバ24に対して非接触状態とされている。
エアコンプレッサ48の車両後方には、水素ポンプ50が配置されている。水素ポンプ50は、スタックフレーム38における後端部かつ左端部の下面に取り付けられており、この水素ポンプ50には、水素の流路を構成する図示しない配管が接続されている。そして、FCスタック18から未反応のまま排出された水素ガスが水素ポンプ50によって循環されることで、再びFCスタック18へ供給されるように構成されている。
また、水素ポンプ50には、複数(本実施形態では4つ)の締結部50Aが設けられている。各締結部50Aは、水素ポンプ50から車両上方へ突出されており、図示しないボルトなどの締結具によってスタックフレーム38に締結されている。さらに、水素ポンプ50は、サスペンションメンバ24には接触していない。換言すれば、水素ポンプ50は、サスペンションメンバ24に対して非接触状態とされている。
以上のように、本実施形態の補機類42は、サスペンションメンバ24に対して非接触状態でスタックフレーム38の下面に取り付けられている。また、図2に示されるように、補機類42を構成する空調装置用コンプレッサ44、FC用ウォータポンプ46、エアコンプレッサ48、及び水素ポンプ50は、車両上方から見てスタックフレーム38に隠れる位置に配置されている。すなわち、スタックフレーム38の外形線よりも内側に配置されている。なお、ここでいう「スタックフレーム38に隠れる位置に配置されている」とは、車両上方から見て補機類42を構成する各部品が完全に隠れて見えない状態に限定されるものではない。例えば、補機類42を構成する各部品の一部がサスペンションメンバ24と干渉しない範囲でスタックフレーム38の外形よりも僅かに外側に位置する構成を含む概念である。
(作用並びに効果)
次に、本実施形態の燃料電池の搭載構造の作用並びに効果について説明する。
本実施形態に係る燃料電池の搭載構造では、サスペンションメンバ24の車両上方にFCスタック18を支持するスタックフレーム38が配置されている。そして、このスタックフレーム38は、一対のフロントマウント部材26及び一対のリヤマウント部材28を介してサスペンションメンバ24に連結されている。また、スタックフレーム38の下面には、補機類42が取り付けられている。このように、スタックフレーム38を介して重量の大きいFCスタック18に補機類42を取り付けたことにより、補機類42から発生する振動がFCスタック18へ伝達されることで減衰され、補機類42から車両本体へ伝達される振動を抑制することができる。この結果、補機類42の振動に起因する車室内のノイズを低減することができる。
また、車両10の衝突時には、一対のフロントマウント部材26及び一対のリヤマウント部材28によってサスペンションメンバ24へ入力された衝突荷重の一部が吸収される。これにより、衝突荷重がFCスタック18へ伝達されるのを抑制することができる。
さらに、駆動モータ12が車両後部13に配置された後輪駆動の燃料電池車において、補機類42を駆動モータ12に取り付けて振動を減衰させる構成と比較して、補機類42の配線及び配管に掛かるコストの増加を抑制することができる。すなわち、補機類42を車両後部13の駆動モータ12に取り付けた比較例の構造では、車両前部に配置されたラジエータやコンデンサなどと補機類42とを接続する配線及び配管が長くなり、その分だけコストが増加する可能性がある。これに対して、本実施形態のように車両前部11にFCスタック18を配置し、このFCスタック18に補機類42を取り付けた構成を採用すれば、配線及び配管を長くせずに済む。すなわち、補機類42の配線及び配管に掛かるコストの増加を抑制しつつ、補機類42の振動を減衰させることができる。
また、本実施形態では、燃料電池車用の補機類(FC用ウォータポンプ46、エアコンプレッサ48、及び水素ポンプ50)の他に、空調装置用コンプレッサ44がスタックフレーム38の下面に取り付けられている。また、FCスタック18の上面には、DC−DCコンバータ40が取り付けられている。これにより、空調装置用コンプレッサ44やDC−DCコンバータ40から発生する振動を減衰させるための専用の防振部材が不要となる。換言すれば、専用の防振部材を用いることなく、空調装置用コンプレッサから発生する振動及びDC−DCコンバータ40から発生する高周波を減衰させることができ、これらの振動及び高周波に起因する車室内のノイズを低減することができる。
さらに、本実施形態では、図2に示されるように、車両上方から見て補機類42がスタックフレーム38に隠れる位置に配置されている。これにより、エンジンのみを駆動源とするコンベンショナル車のサスペンションメンバやシャシなどの部品を流用した場合でも、これらの部品に補機類42が干渉するのを抑制することができる。この結果、コンベンショナル車との部品の共用化を図ることができ、部品コスト及び製造コストを削減することができる。
以上、本発明の実施形態に係る燃料電池の搭載構造について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施形態では、空調装置用コンプレッサ44、FC用ウォータポンプ46、エアコンプレッサ48、及び水素ポンプ50の4つの部品がスタックフレーム38に取り付けられていたが、これに限定されない。エアコンプレッサ48及びFC用ウォータポンプ46のみがスタックフレーム38の下面に取り付けられた構成としてもよい。この場合であっても、エアコンプレッサ48及びFC用ウォータポンプ46から発生する振動をFCスタック18によって減衰させることができる。すなわち、補機類42を他の場所に取り付けた構成と比較して、補機類42の配線及び配管に掛かるコストの増加を抑制しつつ、補機類42の振動を減衰させる効果を得ることができる。
また、本実施形態では、スタックフレーム38を介して補機類42をFCスタック18に取り付けたが、これに限定されない。例えば、ブラケットなどを用いて補機類42を直接FCスタック18に取り付けてもよい。また、FCスタック18の外殻を構成するケースに予め補機類42を取り付けるための取付孔などが形成された構成を採用してもよい。
さらに、本実施形態では、一対のフロントマウント部材26及び一対のリヤマウント部材28の4つのマウント部材を介してサスペンションメンバ24にスタックフレーム38を連結したが、これに限定されない。例えば、3つのマウント部材によってスタックフレーム38をサスペンションメンバ24に連結してもよい。この一例として、一対のフロントマウント部材26に替えて、1つのフロントマウント部材26でスタックフレーム38の前端部が支持された構成としてもよい。この場合、スタックフレーム38の右側に作用する荷重と左側に作用する荷重とを考慮してフロントマウント部材26を配置すれば、3つのマウント部材でスタックフレーム38及びFCスタック18を支持することができる。
さらにまた、本実施形態で説明した空調装置用コンプレッサ44、FC用ウォータポンプ46、エアコンプレッサ48、及び水素ポンプ50の大きさや形状は特に限定されず、異なる大きさ及び異なる形状としてもよい。また、各部品に設けられた締結部の数や形状についても特に限定されない。
10 車両
11 車両前部
13 車両後部
12 駆動モータ
18 FCスタック(燃料電池)
24 サスペンションメンバ
26 フロントマウント部材(防振部材)
28 リヤマウント部材(防振部材)
38 スタックフレーム
40 DC−DCコンバータ
42 補機類
44 空調装置用コンプレッサ
46 FC用ウォータポンプ(ポンプ)
48 エアコンプレッサ

Claims (4)

  1. 後輪を駆動させる駆動モータが車両後部に配置された車両において、車両前部に設けられたサスペンションメンバの車両上方に配置され、複数の防振部材を介して前記サスペンションメンバに連結された燃料電池と、
    前記サスペンションメンバに対して非接触状態で前記燃料電池に直接的に又は前記燃料電池を支持するスタックフレームを介して取り付けられると共に、少なくともエアコンプレッサ及びポンプを含んで構成された補機類と、
    を有する燃料電池の搭載構造。
  2. 前記燃料電池には、前記サスペンションメンバに対して非接触状態で空調装置用コンプレッサが直接的に又は前記燃料電池を支持するスタックフレームを介して取り付けられている請求項1に記載の燃料電池の搭載構造。
  3. 前記燃料電池には、前記サスペンションメンバに対して非接触状態でDC−DCコンバータ及びインバータの少なくとも一方が直接的に取り付けられている請求項1又は2に記載の燃料電池の搭載構造。
  4. 前記防振部材は、前記燃料電池を支持するスタックフレームに連結されており、
    前記補機類は、前記スタックフレームを介して前記燃料電池に取り付けられると共に、車両上方から見て前記スタックフレームに隠れる位置に配置されている請求項1〜3の何れか1項に記載の燃料電池の搭載構造。
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