燃料電池搭載構造

【課題】燃料電池を車体フロア下方に搭載する車両において、フロア高を低く抑えることができ、かつ乗員空間を狭めることなく燃料電池を配置できる燃料電池搭載構造を提供する。
【解決手段】フロアパネル１のフロアトンネル２２に開口部２３を設け、開口部２３にこれを閉塞して上方へ突出する膨出部を有する炭素繊維強化樹脂のカバー２５を設け、カバー２５内に燃料電池スタック１２がサブフレーム４０を介して収納されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池搭載構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池などを車体フロアの下方に搭載する際に、燃料電池を燃料電池ボックスに収納した後に、車体フロア下部へ締結するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２９１８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述の特許文献１ように車体フロア下方に燃料電池ボックスを配置すると、フロア高が高くなってしまう。フロア高を高くしないためには、フロアトンネル部に燃料電池ボックスを縦方向に収納することで問題が解消できる。しかしながら、その場合はフロアパネルと燃料電池ボックスとの二重構造によりフロアトンネル部の横幅が大きくなり、車幅方向の乗員空間を狭めてしまうという新たな問題があった。また、フロアトンネル部が高くなるため、ブレス成形が困難になるという問題もあった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池を車体フロア下方に搭載する車両において、フロア高を低く抑えることができ、かつ乗員空間を狭めることなく容易に燃料電池を配置できる燃料電池搭載構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、フロアパネル（例えば、実施形態におけるフロアパネル１）のフロアトンネル（例えば、実施形態におけるフロアトンネル２２）に開口部（例えば、実施形態における開口部２３）を設け、該開口部にこれを閉塞して上方へ突出する膨出部を有する炭素繊維強化樹脂のカバー（例えば、実施形態におけるカバー２５）を設け、該カバー内に燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池スタック１２）がサブフレーム（例えば、実施形態におけるサブフレーム４０）を介して収納されていることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載した発明は、前記カバーは、前記開口部の周縁に沿って繊維が配向され、前記開口部の周縁に対応する部位には車幅方向にリブ（例えば、実施形態におけるリブ３２Ｌ）が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載した発明は、前記サブフレームに前記燃料電池を固定し、該燃料電池を前記カバーで覆って前記開口部へ挿入し、前記燃料電池を車体へ搭載することを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載した発明は、前記リブは、その左右端部においてレインフォース（例えば、実施形態におけるレインフォース２６）を介してクロスメンバ（例えば、実施形態におけるクロスメンバ３７）と連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載した発明によれば、燃料電池ボックスが不要となるため、車幅方向の乗員空間を狭めることがない。また、フロア高さを低く抑えることができる。更に、カバーがフロアトンネル部を形成するため、縦方向に高くなっても成形が容易であり、容易に燃料電池を配置することができる。
【００１０】
請求項２に記載した発明によれば、フロアトンネルの一部を構成することとなるカバーの車幅方向の強度・剛性を向上することができるため、フロアトンネルで覆わなくても燃料電池を保護することができる効果がある。
【００１１】
請求項３に記載した発明によれば、簡便な方法で燃料電池を搭載することができ、車体開口部のシールも容易になるため、製造工程を複雑化させることなく実現することができる効果がある。
【００１２】
請求項４に記載した発明によれば、側突エネルギを分散することができるため、衝突安全性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第一実施形態）
次に、本発明の第一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
なお、本実施形態における各装置の取付方向や位置を示す定義は、車両進行方向を前方とし、車両進行方向に向かって右方向及び左方向を定義するものとする。なお、図中ＦＲは車両進行方向前方を示す。（以降の実施形態においても同様。）
燃料電池自動車は、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を車体のフロア下に搭載するもので、燃料電池により生じた電力で駆動モータを駆動して走行する。燃料電池は、単位電池（単位燃料電池）を多数積層してなる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を生成すると共に水を生成する。
【００１４】
図１、図２に示すように、燃料電池自動車には車体前部から車体後部に亘りフロアパネル１下に車体骨格部材を形成する左右一対のサイドフレーム２が設けられている。左右のサイドフレーム２の外側壁３にはアウトリガー４を介してサイドシル５が接合されている。サイドシル５の後端部はイクステンション６を介してサイドフレーム２の後部に合流するように接続されている。
サイドフレーム２には車幅方向に車体骨格部材であるクロスメンバ７，８，９が接続されている。
【００１５】
車体前部のモータルーム１０にはフロントサブフレーム１１が設けられ、ここに燃料電池スタック１２に空気を供給するコンプレッサ１３と、走行用の駆動モータ１４とからなるポンプモータユニット１５が配置されている。
車体後部にはサイドフレーム２に下側から図示しない車輪及びサスペンションを一体で備えたリヤサブフレーム１６が取り付けられ、このリヤサブフレーム１６には燃料電池スタック１２の燃料である水素を貯留する水素タンク１７及び蓄電池１８が取り付けられている。
【００１６】
このように構成されたサイドフレーム２上であって、サイドシル５，５間に亘る部位にフロアパネル１が接合されている。フロアパネル１の前端部は前側に立ち上がりダッシュロア１ａへと連なり、フロアパネル１の後端部はリヤサブフレーム１６の水素タンク１７上部を覆う位置まで延出している。
【００１７】
フロアパネル１にはダッシュロア１ａの下端部から車体後部に向かう左右のフロントシート２０、リヤシート２１間に、上方に膨出するフロアトンネル２２が形成されている。そして、フロアトンネル２２の下方にはサブフレーム４０が取り付けられ、燃料電池スタック１２および補機類１９などがサブフレーム４０上に設置されている。
本実施形態において、このフロアトンネル２２には左右のフロントシート２０，２０間で車体前後方向に沿って開口部２３が形成されている。そして、開口部２３を覆い、更に上方へ膨出したカバー２５が取り付けられている。カバー２５は、炭素繊維強化樹脂（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ、以下ＣＦＲＰと呼ぶ。）で形成されている。また、カバー２５はサブフレーム４０上に設置された燃料電池スタック１２および補機類１９などを覆うように構成されている。
【００１８】
次に図３に示すように、サブフレーム４０は、アウトリガー４に対応した位置に配置され、車幅方向に延出する前サブクロスフレーム４１と後サブクロスフレーム４２を備えている。前後サブクロスフレーム４１，４２間には、これら前後サブクロスフレーム４１，４２の左右の端部同士を接合するサブサイドフレーム４３，４３が設けられ、このサブサイドフレーム４３，４３はサイドフレーム２の内側壁に沿って補強フレーム２８下に配置されるものである。なお、図３中、ＦＲはフロント側を示す。
【００１９】
各サブサイドフレーム４３の内側にはセンターフレーム２７の下側に位置するサブセンターフレーム４４が車体前後方向に沿って配置されている。このサブセンターフレーム４４の前端部は前サブクロスフレーム４１に接続され、サブセンターフレーム４４の後端部は後サブクロスフレーム４２に接合され、サブセンターフレーム４４は更に後サブクロスフレーム４２よりも後方に延出している。左右のサブセンターフレーム４４の後端部は車幅方向に配置されたエンドパイプ４５によって連結され、エンドパイプ４５の左右の端部と後サブクロスフレーム４２の左右の端部は斜めに配置されたガセットパイプ４６により接合されている。
【００２０】
各サブセンターフレーム４４とサブサイドフレーム４３との間には、前側と後側に中間パイプ４７，４７が所定間隔をもって接続されている。
サブフレーム４０の前後サブクロスフレーム４１，４２間であって、左右のサブセンターフレーム４４間に燃料電池スタック１２が配置されている。この燃料電池スタック１２は前後サブクロスフレーム４１，４２に固定したブラケット４８，４９を介してサブフレーム４０に固定されている。また、エンドパイプ４５と後サブクロスフレーム４２との間にはサブセンターフレーム４４間に燃料電池スタック１２の補機類１９が配置されている。更に、左側の前後中間パイプ４７，４７間にはＤＣ−ＤＣコンバータ５１が、右側の前後中間パイプ４７，４７間にはヒータ５０が各々載置されている。
【００２１】
そして、サブサイドフレーム４３と前後サブクロスフレーム４１，４２との取付部には、車体のサイドフレーム２の補強フレーム２８に対する取付点Ｐが設定され、サブセンターフレーム４４と前後サブクロスフレーム４１，４２との取付部には車体のセンターフレーム２７に対する取付点Ｐが設定され、エンドパイプ４５とガセットパイプ４６とサブセンターフレーム４４との取付部には車体のセンターフレーム２７に対する取り付け点Ｐが設定されている。これら１０箇所の取付点Ｐにおいて、サブフレーム４０が車体のセンターフレーム２７および補強フレーム２８に下方からボルト、ナットにより締め付け固定され、サイドフレーム２の上下幅寸法内に収まるようになっている。
【００２２】
図４、図５に示すように、フロアトンネル２２の左右の立ち上がり部２４の下面部位には略三角形状の断面を形成するレインフォース２６が接合され、フロアトンネル２２を補強している、レインフォース２６の下面には車体前後方向に沿って閉断面構造のセンターフレーム２７が接合され、サイドフレーム２の内側壁とフロアパネル１とのコーナー部分には車体前後方向に沿って閉断面構造の補強フレーム２８が接合されている。そして、これらセンターフレーム２７と補強フレーム２８との下面にはサブフレーム４０が取り付けられ、このサブフレーム４０に燃料電池スタック１２および補機類１９が搭載されている。
【００２３】
本実施形態において、フロアトンネル２２には前後方向に長い四角形状の開口部２３が形成されている。開口部２３を覆い、フロアトンネル２２の上方へ膨出した形状のカバー２５が取り付けられている。フロアトンネル２２とカバー２５とで形成された空間３０に燃料電池スタック１２および補機類１９が収まるように構成されている。
【００２４】
また、カバー２５には、フロアトンネル２２とカバー２５との接合箇所、具体的には開口部２３の周縁のうち両側縁に対応する位置に、カバー２５の強度・剛性を向上させるための補強部３１が形成されている。補強部３１はカバー２５の前端から後端まで延設されている。更に、補強部３１はカバー２５と一体成形されており、ＣＦＲＰで形成されている。そして、補強部３１は車体前後方向に繊維配向されている。また、補強部３１はカバー２５が折れ曲がる箇所において肉厚に形成されている。これにより、車体前後方向の強度を更に向上することができる。
フロアトンネル２２とカバー２５とは、接合箇所において合せ面シーラーおよびボルト若しくはリベット加締めにより接合する。
【００２５】
図６に示すように、カバー２５には、フロアトンネル２２とカバー２５との接合箇所、具体的には開口部２３の周縁のうち前後縁に対応する位置に、車体左右方向にカバー２５の強度・剛性を向上させるための補強部３２が形成されている。補強部３２はカバー２５と一体成形されており、ＣＦＲＰで構成されている。また、補強部３２はリブ３２Ｌを有しており、車体左右方向の強度を更に向上することができる。更に、補強部３２はカバー２５の左端から右端まで延設されており、補強部３１と連結されている。そして、補強部３２は車体左右方向に繊維配向されている。したがって、補強部３１と補強部３２とは、開口部２３の周縁に沿って環状に形成され、カバー２５を補強している。
【００２６】
また、カバー２５前方の補強部３２、特にリブ３２Ｌは、その左右端部において左右のクロスメンバ３７（図５参照）とレインフォース２６を介して連結されており、側突エネルギを分散できるように構成されている。つまり、一方のサイドシル５からの入力荷重は、一方のクロスメンバ３７、レインフォース２６から補強部３２のリブ３２Ｌを介して、他方のレインフォース２６に伝達され、他方のクロスメンバ３７に荷重分担されるのである。
また、フロアトンネル２２とカバー２５との接合箇所にはスティフナー３３が挟持されており、フロアトンネル２２とカバー２５との接合箇所の強度・剛性を向上している。
【００２７】
図７に示すように、フロアトンネル２２は、フロントシート２０に着座する乗員の足元付近の第１水平部３９を備え、第一水平部３９の後端に開口部２３が形成されている。開口部２３には、カバー２５が取り付けられている。カバー２５は、センターコンソール５３を形成し、センターコンソール５３は第一水平部３９から後方上部に向かって立ち上がる第一傾斜面３４を備え、フロントシート２０のシートクッション２０Ｃの上縁位置で水平に延出する第一上壁部３５が第一傾斜面３４に連続して形成されている。
ここで、第１上壁部３５の高さはシートクッション２０Ｃの上縁と略同一の高さに設定されている。そして、センターコンソール５３はシートバック２０Ｂを経て後方に下がりフロアトンネル２２の第二水平部５５に連なっている。
【００２８】
ここで、フロントシート２０のシートクッション２０Ｃは、側面視で燃料電池スタック１２の配置位置に重なるように配置されている。
センターコンソール５３の第一上壁部３５下方には燃料電池スタック１２が配置され、残りの第一上壁部３５の後部からフロアトンネル２２の第二水平部５５に亘る部位の下方に燃料電池スタック１２の補機類１９が配置されている。
ここで、第一上壁部３５の後部直下には燃料電池スタック１２の後方及び補機類１９の上方に空間部５７が形成され、ここに燃料電池スタック１２の図示しないＥＣＵ及び水素センサが配置されている。なお、センターコンソール５３の上部には第一上壁部３５の後部上方でこれらを覆う位置にアームレスト５４が配置されている。
【００２９】
ここで、燃料電池スタック１２は車体前後方向に沿って単セル（単位燃料電池）を多数積層した構造のものであって、積層方向の端部である前端部と後端部には金属製のエンドプレート１２ＦＥ，１２ＲＥが取り付けられ、このエンドプレート１２ＦＥ，１２ＲＥによって積層された単セルを挟み込んで締め付け固定されている。したがって、燃料電池スタック１２は車体前後方向に配置されたシートレール５９と略平行となるように配置され、シートレール５９は、燃料電池スタック１２の上下方向略中央部付近、つまり燃料電池スタック１２の重心Ｇの位置と略同等の高さに、前側がやや上方に傾斜した姿勢で配置されることとなる。
【００３０】
本実施形態によれば、フロアトンネル２２に開口部２３を形成し、開口部２３を覆い、かつ上方へ膨出した形状を有するカバー２５を取り付けたので、車室内へ膨出するセンターコンソール５３をカバー２５のみで構成することができる。したがって、車室内側へ膨出するセンターコンソール５３の形状を小さく抑えることができ、車室内スペースを広く確保することができる。また、部品が少なくなることもあり、シール箇所が減少し、生産効率が向上する効果もある。更に、樹脂製のカバーにすることにより大量生産が容易となり、プレス金型投資を抑えることができる効果もある。
【００３１】
また、カバー２５をＣＦＲＰにより形成し、かつカバー２５内に補強部３１，３２を一体成形した。更に、補強部３１は車体前後方向に繊維配向するように形成し、補強部３２はリブを有した形状とした。このように構成することで、カバー２５の前後方向および左右方向の強度・剛性を向上することができる。
そして、カバー２５をＣＦＲＰに形成したことにより、軽金属よりも軽量化することができるため、車体の軽量化につながり、燃費の向上にも寄与する。また、フロアトンネル２２の開口部２３が電着塗装時のエアポケット防止用孔として機能するため、この孔を閉塞するグロメットが不要となる。更に、カバー２５は電着塗装が必要ないので、エアポケット防止用孔が不要となり、車室内外の遮断を確実なものとすることができる。
【００３２】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態を図８〜図１１に基づいて説明する。
なお、第一実施形態と同じ構成の箇所には、同一部分に同一符号を付して詳細な説明を省略する。
ここで、第一実施形態と第二実施形態とで異なる点は、第一実施形態ではカバー２５とサブフレーム４０とを個別に形成し、それぞれを接合する構成であったが、本実施形態では、カバーとサブフレームとをＣＦＲＰで一体成形する構成であり、それ以外の構成は略同一である。
【００３３】
図８に示すように、カバー部材６１は車体フレームと接合可能に構成されたサブフレーム４０と、サブフレーム４０の上部に設けられたカバー２５とで構成されている。カバー２５およびサブフレーム４０は、ＣＦＲＰで一体成形されている。カバー２５内には、燃料電池スタック１２などが収納可能に構成されている。
図９に示すように、カバー部材６１をフロアパネル１に取り付けた状態は第一実施形態と略同一のため詳細な説明を省略する。
図１０、図１１に示すように、カバー部材６１はカバー２５とサブフレーム４０とが一体成形されている。カバー部材６１とセンターフレーム２７並びにレインフォース２６とは、サブセンターフレーム４４の下方からボルト締付などにより接合される。
【００３４】
本実施形態によれば、カバー２５とサブフレーム４０とをＣＦＲＰで一体成形したので、第一実施形態と同様の効果が得られる上に、更に生産効率を向上することができる。
【００３５】
尚、この発明は上述した実施形態に限られるものではなく、以下の態様を採用してもよい。
上記実施形態では、カバー内に燃料電池スタックを収容できる形状としたが、他の部品を同時に収容できるような形状としてもよい。
上記実施形態において、カバーの補強部は第一実施形態にのみ形成しているが、第二実施形態において補強部を一体成形してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第一実施形態における車両の側面説明図である。
【図２】本発明の第一実施形態における車両の平面説明図である。
【図３】本発明の第一実施形態におけるサブフレームの平面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線に沿うフロアパネルの断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態におけるフロアパネルにカバーを取り付けた状態の斜視図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ線に沿う要部断面図である。
【図７】図１の要部拡大断面図である。
【図８】本発明の第二実施形態におけるカバー部材の斜視図である。
【図９】本発明の第二実施形態におけるフロアパネルにカバー部材を取り付けた状態の斜視図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ線に沿う要部断面図である。
【図１１】図９のＤ−Ｄ線に沿う要部断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…フロアパネル１２…燃料電池スタック（燃料電池）２２…フロアトンネル２３…開口部２５…カバー３２Ｌ…リブ４０…サブフレーム

【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロアパネルのフロアトンネルに開口部を設け、該開口部にこれを閉塞して上方へ突出する膨出部を有する炭素繊維強化樹脂のカバーを設け、該カバー内に燃料電池がサブフレームを介して収納されていることを特徴とする燃料電池搭載構造。
【請求項２】
前記カバーは、前記開口部の周縁に沿って繊維が配向され、前記開口部の周縁に対応する部位には車幅方向にリブが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載構造。
【請求項３】
前記サブフレームに前記燃料電池を固定し、該燃料電池を前記カバーで覆って前記開口部へ挿入し、前記燃料電池を車体へ搭載することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池搭載構造。
【請求項４】
前記リブは、その左右端部においてレインフォースを介してクロスメンバと連結されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池搭載構造。

【図１】