JP2024007745A - 燃料電池車 - Google Patents

Abstract

【課題】車両前方のスペース内に燃料電池モジュールのみならず駆動装置や電動モータが配置される場合における衝突対策が施された燃料電池車を提供する。
【解決手段】本開示の一形態における燃料電池車は、燃料電池と、前記燃料電池の電力によって駆動される駆動用モータと、前記駆動用モータからの駆動力を伝達する駆動装置と、を車両の前部空間に備え、前記燃料電池は、ボディにつながる第１フレームでマウントされてなり、前記駆動用モータ及び前記駆動装置は、前記ボディにつながり且つ前記第１フレームとは異なる第２フレームでマウントされてなる。
【選択図】 図１

Description

本開示は、燃料電池を搭載する燃料電池車に関する。

現代社会において移動手段として自動車はもはや不可欠であり、日常において様々な車両が路上を移動している。近年、環境負荷が比較的小さい燃料電池を搭載する燃料電池車の開発が進められている。

かような燃料電池車には、水素タンクと、この水素タンクから水素の供給を受けて発電する燃料電池モジュールなどが搭載される。例えば特許文献１に例示されるように、車両長さ方向に荷重が加えられた場合に、燃料電池モジュールと水素タンクとの衝突が回避可能な衝突対策が提案されている。

特開２０１８－９９９１８号公報

上述した各特許文献に限らず現在の技術では市場のニーズを適切に満たしているとは言えず以下に述べる課題が存在する。
すなわち燃料電池車には、上記した水素タンクや燃料電池モジュールの他に、この燃料電池の電力によって駆動される電動モータや、この電動モータの駆動力を車輪に伝達するギアボックスなどの駆動装置なども搭載される。

特許文献１で提案された配置形態では電動モータが車両後方に配置される後輪駆動を前提とした構造であるが、例えば前輪駆動又は４輪駆動を想定した場合には必ずしも最適な配置を提案するものではない。このように前輪駆動又は４輪駆動を想定した燃料電池車においては、燃料電池モジュールに加えて電動モータや駆動装置まで含めた配置形態に関する改善の余地は未だに大きい。

本開示は、上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、車両前方のスペース内に燃料電池モジュールのみならず駆動装置や電動モータが配置される場合における衝突対策が施された燃料電池車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本開示の一実施形態における燃料電池車は、燃料電池と、前記燃料電池の電力によって駆動される駆動用モータと、前記駆動用モータからの駆動力を伝達する駆動装置と、を車両の前部空間に備え、前記燃料電池は、ボディにつながる第１フレームでマウントされてなり、前記駆動用モータ及び前記駆動装置は、前記ボディにつながり且つ前記第１フレームとは異なる第２フレームでマウントされてなる。

本開示によれば、車両長さ方向に荷重が加えられた場合にも、車両前方にそれぞれ配置された燃料電池モジュール、電動モータおよび駆動装置への損傷を最小限に抑制できる。

実施形態の燃料電池車におけるボディ前部と保持機構の斜視図である。 実施形態の燃料電池車におけるボディ前部と保持機構を側面から見た模式図である。 実施形態に係る保持機構を上方から模式的に示した上面図である。 前方衝突時における保持構造の状態遷移を示す模式図（その１）である。 前方衝突時における保持構造の状態遷移を示す模式図（その２）である。 前方衝突時における保持構造の状態遷移を示す模式図（その３）である。

次に本開示を実施するための好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、それぞれ便宜的に燃料電池車の車高方向をＺ方向、車長方向をＸ方向、これらＺ方向及びＸ方向と直交する車幅方向をＹ方向として定義して説明する。しかしながら本開示は上述した方向の規定に左右されるものではなく、特許請求の範囲を不当に減縮するものでないことは言うまでもない。また、以下で詳述する以外の構成については、上記した特許文献を含む公知の燃料電池車に関するフレーム構造及び車載装備並びにその要素技術を適宜補完してもよい。

［燃料電池車１００］
実施形態の燃料電池車１００の構成について、図１～図３を参照しながら説明する。
図１に示すように、燃料電池車１００は、ボディ１０のうち車両前方のボンネット（不図示）内に配置された前部空間ＦＳを有して構成されている。かような前部空間ＦＳ内には、燃料電池２０、駆動用モータ３０、駆動装置４０、高電圧部品５０および補機類６０などが、ボディ１０に連結されたそれぞれのフレーム部材（後述）を介して搭載されている。

なお燃料電池車１００は、上記の他にも、例えば燃料電池２０に燃料ガスを供給する公知の水素タンク（不図示）や、燃料電池２０などで発生した電力を必要に応じて貯蔵する公知の車載バッテリー（不図示）など種々の装備が搭載される。
以下では、本実施形態の燃料電池車１００として駆動装置４０から前輪に駆動力が伝達される前輪駆動車が例示される。しかしながら燃料電池車１００は、上記した前輪駆動車に限られず、後輪に駆動力が伝達される後輪駆動車や、車両前後にそれぞれ駆動装置が設けられる４輪駆動車であってもよい。

燃料電池２０は、例えば公知のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の単セルが複数積層された燃料電池スタック及びその冷却回路などが配備された公知の燃料電池モジュールとして構成されてもよい。かような燃料電池２０は、図１及び図２などに示すように、車両のボディ１０につながる第１フレーム１１でマウントされている。第１フレーム１１は、同図から理解されるとおり、公知の固定手段を介してボディ１０の両サイドに端部がつながるクロスメンバとして構成されている。

＜第１フレーム１１の詳細構造＞
図２及び図６などに示すように、燃料電池２０は、第１フレーム１１のうち車長方向に関して前方に配置された第１クロスメンバ１１Ａと、この第１クロスメンバ１１Ａよりも後方に配置された第２クロスメンバ１１Ｂと、によって支持されている。より具体的に図６から理解されるとおり、燃料電池２０のうちフロント側は、第１クロスメンバ１１Ａのフロントマウント１１Ａｍ上に設けられた前方ブラケット１１Ａｂを介して固定されると共に、第２クロスメンバ１１Ｂのリアマウント１１Ｂｍ上に設けられた後方ブラケット１１Ｂｂを介して固定されていてもよい。

なお本実施形態のフロントマウント１１Ａｍやリアマウント１１Ｂｍの構造や材質は、燃料電池２０を搭載可能である限りにおいて特に制限はなく、上記した特許文献にも例示されるごとき公知のマウント機構を適用してもよい。

一方で図６に示すように、本実施形態では、燃料電池２０を固定する前方ブラケット１１Ａｂ及び後方ブラケット１１Ｂｂは、燃料電池２０を固定する強さが互いに異なるように構成されていてもよい。すなわち前方衝突時などで第１フレーム１１が衝撃を受けたとき、前方ブラケット１１Ａｂが燃料電池２０の固定を維持しつつ後方ブラケット１１Ｂｂによる燃料電池２０の固定が優先して解除されるように、前方ブラケット１１Ａｂ及び後方ブラケット１１Ｂｂが燃料電池２０を固定していてもよい。

かような後方ブラケット１１Ｂｂの優先破断を実現する一例として、例えば前方ブラケット１１Ａｂにおいては鉛直方向にボルトを締結して燃料電池２０を固定する一方で、後方ブラケット１１Ｂｂにおいては上記衝撃の時にボルトが抜けるように車長方向に沿ってボルト締めを行ってもよい。あるいは、上記優先破断を実現する他の一例として、後方ブラケット１１Ｂｂで用いるボルトの強度や剛性を、前方ブラケット１１Ａｂよりも低く設定してもよい。これにより、前方衝突時などで第１フレーム１１が衝撃を受けたとき後方ブラケット１１Ｂｂが前方ブラケット１１Ａｂに優先して破断することが可能となる。

また、図６に示すように、互いに車幅方向に沿って平行に延びる第１クロスメンバ１１Ａと第２クロスメンバ１１Ｂは、その間に介在する連結片１１Ｃによって接続されている。なお、連結片１１Ｃは、第１クロスメンバ１１Ａ及び第２クロスメンバ１１Ｂに対して、例えば溶接や締結など公知の固定手段で連結されてもよい。

第１クロスメンバ１１Ａ及び第２クロスメンバ１１Ｂは、公知の鋼材で構成されていてもよい。一方で本実施形態における連結片１１Ｃの剛性は、上記した第１クロスメンバ１１Ａ及び第２クロスメンバ１１Ｂの剛性よりも低くなるように設定されていてもよい。あるいは上記に代えて、本実施形態の連結片１１Ｃは、車長方向に対して交差するように折れ曲がる変曲領域を有していてもよい。これにより、後述するように、前方衝突時などで第１フレーム１１が衝撃を受けたときに、後方ブラケット１１Ｂｂが破損して車両の長さ方向に関して第１フレーム１１が全体として縮小変形することが可能となっている。

燃料電池の電力によって駆動される駆動用モータ３０と、この駆動用モータ３０からの駆動力を伝達する駆動装置４０は、図１及び図２などに示すように、前部空間ＦＳにおいて燃料電池２０よりも車長方向に関して後方に配置されている。より具体的に本実施形態の駆動用モータ３０及び駆動装置４０は、前記した車両のボディ１０につながり且つ第１フレーム１１とは異なる第２フレーム１２でマウントされていてもよい。

＜第２フレーム１２の詳細構造＞
この第２フレーム１２は、図１～図３などから理解されるとおり、車長方向において第１フレーム１１よりも後方に配置されて、公知の固定手段を介してボディ１０の両サイドに端部がつながるクロスメンバを含んで構成されている。

より具体的に第２フレーム１２は、車幅方向に延びてボディ１０の両サイドに端部がつながる第３クロスメンバ１２Ａおよび第４クロスメンバ１２Ｂと、この第３クロスメンバ１２Ａおよび第４クロスメンバ１２Ｂと両端がそれぞれ接続されて車長方向に延びる第１サイドメンバ１２Ｃ及び第２サイドメンバ１２Ｄと、を有して構成されていてもよい。

このうち第３クロスメンバ１２Ａは、図２に示されるように、第４クロスメンバ１２Ｂに対して車長方向に関してフロント側に配置され且つ鉛直方向に関して上側となるように配置されていてもよい。換言すれば、同図から理解されるように、第１サイドメンバ１２Ｃ及び第２サイドメンバ１２Ｄは前方側が鉛直上方に位置するように斜めに傾斜して配置されていてもよい。すなわち前部空間ＦＳの後方は車室のフロア（床下）と区分けされているが、図２などに示すように、本実施形態の第２フレーム１２は、上記したフロアのうち中央に位置するフロアトンネル１４下において傾斜のついた状態で配置されていてもよい。

かような第１サイドメンバ１２Ｃと第２サイドメンバ１２Ｄの間には、上記した駆動用モータ３０及び駆動装置４０が介在するようにそれぞれ固定されている。なお上記したサイドメンバに対する駆動用モータ３０及び駆動装置４０の固定手法としては、特に制限されず、例えばボルトを介した締結手段や溶接あるいは接着剤を介した固着手段を適用してもよい。

図１などから理解されるとおり、後述する衝突時退避動作を実現するため、本実施形態における燃料電池２０、駆動装置４０及び駆動用モータ３０は、車両前方から後方へこの順で配列されている。

なお、上記した駆動用モータ３０の具体例としては、特に制限されず、燃料電池車に搭載される公知の種々の電動モータを適用してもよい。また、上記した駆動装置４０の具体例としては、車輪に上記駆動用モータ３０からの駆動力を伝達するギアボックスなど公知の駆動力伝達機構が例示できる。

＜第３フレーム１３の詳細構造＞
図１及び図２などに示すように、本実施形態の燃料電池車１００は、前記した第２フレーム１２上に固定手段Ｆｘを介して固定される第３フレーム１３をさらに含んで構成されていてもよい。第３フレーム１３は、前記した駆動用モータ３０を駆動する高電圧部品５０を搭載する。本実施形態の高電圧部品５０としては、公知のインバータが例示できるが、燃料電池車に必要な他の公知の高電圧部品を適用してもよい。なお本実施形態では高電圧部品５０はインバータであることから、この第３フレーム１３はインバータ専用フレームとも言える。

固定手段Ｆｘの具体例としては、例えば締結用ボルトなど公知の留め具が例示できる。第２フレーム１２に対する第３フレーム１３の固定態様としては、図３に示すように、第１サイドメンバ１２Ｃ及び第２サイドメンバ１２Ｄに上記した締結用ボルトを挿入可能な固定孔ＦＨが設け、上記した固定手段Ｆｘを介して第３フレームの底面を第１サイドメンバ１２Ｃ及び第２サイドメンバ１２Ｄに固定してもよい。

なお、第１サイドメンバ１２Ｃの上面側及び第２サイドメンバ１２Ｄの上面側に設けられる固定孔ＦＨは、車長方向に対して長軸が並行となる楕円状もしくは長穴状であってもよい。これにより、後述する衝突時において燃料電池２０に追突された第３フレーム１３が固定孔ＦＨ内をスライド移動することが可能となっている。

＜補機類６０の配置形態＞
図１及び図２などに示すように、燃料電池２０の駆動に必要な補機類６０は、上記した第１フレーム１１の下方に公知のマウント機構を介して固定されていてもよい。かような補機類６０は、コンバータや電動ポンプなど衝突時に保護が必要な電気系補機６０Ａと、インタークーラなど衝突時に保護が必ずしも必要でない非電気系補機６０Ｂが含まれる。

そして図４から理解されるとおり、本実施形態の補機類６０においては、衝突時に保護が必要な電気系補機６０Ａは、車長方向に関して上記した駆動装置４０に重ならないように第１フレーム１１の車幅方向における左右側に配置されていてもよい。一方で上記した非電気系補機６０Ｂは、車長方向に関して上記した駆動装置４０に重なるように第１フレーム１１の車幅方向における中央側に配置されていてもよい。

このように本実施形態の燃料電池車１００では、第１フレーム１１のうち燃料電池２０の下方側には補機類６０が搭載されて、この補機類のうち電気系補機は、車幅方向における設置位置が駆動装置４０の車幅方向における設置位置と車長方向に関して重ならないようにずれて配置されていてもよい。これにより、例えば後述する衝突時において燃料電池２０と同様に第１フレーム１１を介して補機類６０が後方にスライドするように移動するが、電気系補機６０Ａと駆動装置４０とが車長方向で重ならず衝突が回避できる。

＜車長方向の衝撃を受けたときの燃料電池車１００における状態遷移＞
次に図４～図６も参照しつつ、本実施形態の燃料電池車１００が車長方向の衝撃を受けたときの状態遷移について説明する。なお以下では「車長方向の衝撃」として、燃料電池車１００が前方に存在する何らかの障害物に追突する前方衝突を例にして説明する。しかしながら本実施形態は、この例に限られず、車長方向の衝撃には燃料電池車１００が後方側の障害物と衝突する後方衝突も含んでもよい。

すなわち燃料電池車１００が前方衝突した場合には、その衝撃がボディ１０を介して第１フレーム１１に伝達されると共に、この衝撃に基づく慣性力が燃料電池２０にも作用する。上述したとおり、本実施形態では、衝撃時に前方ブラケット１１Ａｂが燃料電池２０の固定を維持しつつ後方ブラケット１１Ｂｂによる燃料電池２０の固定が優先して破断する。また、連結片１１Ｃの剛性は、上記した第１クロスメンバ１１Ａ及び第２クロスメンバ１１Ｂの剛性よりも低くなるように設定されている。

すると図６に示すように、まず燃料電池２０を支持する後方ブラケット１１Ｂｂによる燃料電池２０の固定が優先して破断する。次いで、上記慣性力の作用で燃料電池２０が車両後方側へ移動すると共に第１フレーム１１の一部（本例では連結片１１Ｃ）が車長方向に関して縮小変形する。これにより、まず前方衝突時における燃料電池２０への損傷や変形を抑制することが可能となっている。

このとき図４に示すように、本実施形態の電気系補機６０Ａは、車長方向に関して駆動装置４０に重ならないように第１フレーム１１の車幅方向における左右側に配置されている。また同図に示すように、第３フレーム１３に搭載された高電圧部品５０は、鉛直方向に関して補機類６０よりも上方側に配置されていてもよい。これにより、衝突時における高電圧部品５０と補機類６０との接触も可能な限り抑制することが可能となっている。

車長方向の衝撃に連動して燃料電池２０が車両後方側へ移動すると、図５に示すように、高電圧部品５０を搭載する第３フレーム１３に燃料電池２０が接触する。このように本実施形態の第３フレーム１３は、燃料電池２０と高電圧部品５０との間に介在する前面板１３Ｈを備えて構成されてもよい。これにより衝突時における燃料電池２０と高電圧部品５０とが直接接触することが避けられて、上記衝突時において過大な損傷が誘発されることも抑制できる。

そして第３フレーム１３に燃料電池２０が接触すると、高電圧部品５０を搭載する第３フレーム１３の固定手段Ｆｘが破損することで第３フレーム１３が車両後方側へ移動する。すると、同図に示すように、車両後方側へ移動した第３フレーム１３が駆動用モータ３０に接触し、この第３フレーム１３の接触による衝撃などに起因して第２フレーム１２のうち第４クロスメンバ１２Ｂのボディ１０に対する接続部位１２ｆｘｂが破断する。これにより第２フレーム１２は、前方衝突時に車両後方側のボディ１０との接続部位１２ｆｘｂが破損し、車両前方のボディ１０との接続部位１２ｆｘａを基点に旋回可能となる。

このように本実施形態では、駆動用モータ３０及び駆動装置４０は、駆動装置４０、駆動用モータ３０の順で車長方向における前方から順に配置される。また駆動用モータ３０及び駆動装置４０は、前部空間ＦＳの後方に存する車両のフロアトンネル下に傾斜がついた状態で少なくとも一部が配置されていてもよい。

燃料電池２０、駆動用モータ３０及び駆動装置４０は、それぞれボディ１０につながる専用フレーム（本例では第１フレーム１１と第２フレーム１２）にそれぞれマウント機構を介して固定されていてもよい。さらに本実施形態では駆動装置４０の上方には、専用の第３フレーム１３に固定された高電圧部品５０（インバータ）が配置されていてもよい。この第３フレーム１３は、第２フレーム１２に設けられた車長方向に沿った固定孔ＦＨ（長穴など）に固定手段Ｆｘを介して固定されていてもよい。

そして前方衝突などによって車長方向の衝撃を受けた際、第３フレーム１３は、後方に移動してきた燃料電池２０に押し出されて、第２フレーム１２の傾斜に沿ってフロアトンネル下に少なくとも一部が潜り込むように移動が許容される。そして第３フレーム１３が駆動装置４０に接触するほど後退する場合には、第３フレーム１３から駆動装置４０に衝突荷重が加わることで第２フレーム１２のうち車両前方のボディ１０との接続部位１２ｆｘｂが破損する。

すると駆動用モータ３０は、車両前方のボディ１０との接続部位１２ｆｘａを基点とした片持ち状態となり、この接続部位１２ｆｘａを起点に車両後方側が自重で下方に落ちる（接続部位１２ｆｘａを起点に旋回する）。これにより駆動用モータ３０とフロアトンネル１４の間には所定の隙間が形成されて、この隙間へ高電圧部品５０が潜り込む形で燃料電池２０との衝突を避けることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、上述した実施形態に対して更なる修正を試みることは明らかであり、これらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ ボディ
２０ 燃料電池
３０ 駆動用モータ
４０ 駆動装置
５０ 高電圧部品
６０ 補機類
１００ 燃料電池車

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の電力によって駆動される駆動用モータと、
   前記駆動用モータからの駆動力を伝達する駆動装置と、を車両の前部空間に備え、
   前記燃料電池は、ボディにつながる第１フレームでマウントされてなり、
   前記駆動用モータ及び前記駆動装置は、前記ボディにつながり且つ前記第１フレームとは異なる第２フレームでマウントされてなる、
   燃料電池車。
2. 前記燃料電池、前記駆動装置および前記駆動用モータは、車両前方から後方へこの順で配列され、
   前記第１フレームは、前方衝突時に後方ブラケットが破損して車両の長さ方向に関して縮小変形可能に配置され、
   前記第２フレームは、前記前方衝突時に車両後方側の前記ボディとの接続部位が破損して車両前方の前記ボディとの接続部位を基点に旋回するように配置されてなる、
   請求項１に記載の燃料電池車。
3. 前記第２フレーム上に固定手段を介して固定されるとともに、前記駆動用モータを駆動する高電圧部品が搭載される第３フレームをさらに備える、
   請求項１に記載の燃料電池車。
4. 前記第１フレームのうち前記燃料電池の下方側には補機類が搭載され、
   前記補機類のうち電気系補機は、車幅方向における設置位置が前記駆動装置の前記車幅方向における設置位置と車長方向に関して重ならないようにずれて配置されている、
   請求項１に記載の燃料電池車。
5. 前記第２フレームは、前記ボディのうちフロアトンネル下において傾斜のついた状態で配置されてなる、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池車。