JP2015157609A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両の運動性能を確保しつつ燃料電池スタックを安定に支持する。
【解決手段】燃料電池スタック１０と、モータジェネレータと、電気調整器ＥＡとを、乗員室２の車両長さ方向ＶＬ前方に形成された収容室３内に収容する。モータジェネレータ及び電気調整器ＥＡを共通の底部ケーシング５内に収容し、底部ケーシングを収容室の底部に配置する。底部ケーシングの頂部にほぼ水平方向に拡がる平坦なスタック支持面ＳＳが形成されている。燃料電池スタックをケーシングの上方に配置すると共にスタック支持面上に配置されたマウントＭＳを介して底部ケーシングにより支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動車両に関する。

電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからの電力により駆動される車両駆動用電気モータとを、乗員室の車両長さ方向前方に形成された収容室内に収容した電動車両が公知である（特許文献１参照）。この電動車両では電気モータの上方に燃料電池スタックが配置される。

特開２００３−１７３７９０号公報

特許文献１には、燃料電池スタックをどのように支持するかについて具体的な開示はない。しかしながら、電動車両の運動性能を確保しつつ燃料電池スタックを安定に支持することは必ずしも容易なことではない。

本発明によれば、電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからの電力により駆動される車両駆動用電気モータと、燃料電池スタックからの電圧もしくは電流又は電気モータへの電圧もしくは電流を調整する電気調整器とを、乗員室の車両長さ方向外方に形成された収容室内に収容した電動車両であって、前記電気モータ及び前記電気調整器を共通のケーシング内に収容すると共にケーシングを収容室の底部に配置し、ケーシングの頂部にほぼ水平方向に拡がる平坦なスタック支持面が形成されており、前記燃料電池スタックを前記ケーシングの上方に配置すると共に前記スタック支持面上に配置されたマウントを介して前記ケーシングにより支持するようにした、電動車両が提供される。

電動車両の運動性能を確保しつつ燃料電池スタックを安定に支持することができる。

電動車両の収容室内における各種要素のレイアウトを示す、側方から見た概略図である。 電動車両の収容室内における各種要素のレイアウトを示す、上方から見た概略図である。 電動車両の収容室内における各種要素のレイアウトを示す、後方から見た概略図である。 燃料電池システムの全体図である。

図１から図３を参照すると、電動車両１は乗員室２と、乗員室２の車両長さ方向ＶＬ前方に形成された収容室３とを備える。図面に示される実施例では、収容室３はダッシュボード４により乗員室２から分離される。あるいは、収容室３はフード３ａ、車両ボディ３ｂ及びダッシュボード４により画定されるという見方もできる。なお、図１から図３において、ＶＬは車両長さ方向、ＶＷは車両幅方向、ＶＨは車両高さ方向をそれぞれ示している。ここで、車両長さ方向ＶＬ及び車両幅方向ＶＷは水平方向であり、車両高さ方向ＶＨは鉛直方向である。一方、電動車両１は図４に示されるような燃料電池システムＡを備えており、燃料電池システムＡの要素の一部又は全部が収容室３内に収容されている。

図４を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。また、各燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列に接続することにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

燃料ガス通路３０の入口には燃料ガス供給路３１が連結され、燃料ガス供給路３１は燃料ガス源３２に連結される。本発明による実施例では燃料ガスは水素から形成され、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給路３１内には燃料ガス供給路３１内を流れる燃料ガスの量を制御する燃料ガス制御弁３３が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口にはアノードオフガス通路３４が連結される。燃料ガス制御弁３３が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給路３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路３４内に流入する。アノードオフガス通路３４内にはアノードオフガス通路３４内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁３５が配置される。

また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給路４１が連結され、酸化剤ガス供給路４１は酸化剤ガス源４２に連結される。本発明による実施例では酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源４２は大気から形成される。酸化剤ガス供給路４１内には、エアクリーナ４２ａと、酸化剤ガスを圧送する酸化剤ガス供給器ないしコンプレッサ４３とが順次配置される。また、コンプレッサ４３下流の酸化剤ガス供給路４１内にはコンプレッサ４３から燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４４が配置される。本発明による実施例では、インタークーラ４４は空気通路を有すると共に空気通路内に空気が流通することにより酸化剤ガスを冷却する空冷式インタークーラから構成される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス通路４５が連結される。コンプレッサ４３が駆動されると、酸化剤ガス源４２内の酸化剤ガスが酸化剤ガス供給路４１を介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路４５内に流入する。カソードオフガス通路４５内にはカソードオフガス通路４５内を流れるカソードオフガスの量を制御するカソードオフガス制御弁４６が配置される。

更に図４を参照すると、冷却水通路５０の入口には冷却水供給路５１の一端が連結され、冷却水供給路５１の出口には冷却水供給路５１の他端が連結される。冷却水供給路５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給路５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給路５１とはラジエータバイパス通路５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図４に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給路５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給路５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス通路５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

また、燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極は図４に示されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は一方ではインバータ１２を介してモータジェネレータ１３に電気的に接続され、他方ではＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して蓄電器１５に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３からの電圧を低くし、又はモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図４に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１５はバッテリから構成される。

更に、燃料電池システムＡはコンピュータを含む制御ユニット６０を備える。制御ユニット６０はモータジェネレータ１３や制御弁３３などに接続され、モータジェネレータ１３などは制御ユニット６０からの信号に基づいて制御される。

燃料電池スタック１０で発電すべきときには燃料ガス制御弁３３が開弁され、燃料ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４３が駆動され、酸化剤ガスがコンプレッサ４３から吐出される。この酸化剤ガスは次いでインタークーラ４４に送られて冷却され、次いで燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。あるいは、燃料電池スタック１０で発生された電気エネルギは蓄電器１５に送られ、蓄えられる。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１５に蓄えられる。

ここで、図面に示される実施例のインタークーラ４４について簡単に説明する。インタークーラ４４は、ケーシングと、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路と、空気が流通する空気通路と、を備える。酸化剤ガス通路は上述の酸化剤ガス供給路４１に連通される。一方、空気通路はケーシング内に配置された隔壁により画定される。この隔壁はハニカム構造をなしている。また、隔壁はその長さ方向に空気入口から空気出口まで延びており、空気入口及び空気出口は収容室３に連通される。上述の酸化剤ガス管は隔壁を貫通して延びている。空気入口に空気が導かれると、この空気は空気通路内を流通し、したがって酸化剤ガス通路内を流通する酸化剤ガスが空気により冷却される。

再び図１から図３を参照すると、収容室３の底部には底部ケーシング５が収容される。底部ケーシング５はトランスアクスル収容部分５ｔと、トランスアクスル収容部分５ｔの一側に設けられたモータ収容部分５ｍと、トランスアクスル収容部分５ｔの他側に設けられた調整器収容部分５ａとを有する。これらトランスアクスル収容部分５ｔ、モータ収容部分５ｍ、及び調整器収容部分５ａは一体的に形成される。トランスアクスル収容部分５ｔにはトランスアクスル７が収容され、モータ収容部分５ｍには上述のモータジェネレータ１３が収容される。また、調整器収容部分５ａには後述する電気調整器ＥＡが収容される。モータジェネレータ１３の入出力軸は上述のトランスアクスル７を介してフロントドライブシャフトＤＳに連結される。電動車両１のドライブシャフトＤＳはトランスアクスル収容部分５ｔを貫通して車両幅方向ＶＷに延びており、フロントドライブシャフトＤＳの両端には車輪Ｗが取り付けられる。特に、図２及び図３に示されるように、トランスアクスル収容部分５ｔは収容室３の車両幅方向ＶＷのほぼ中央に、車両長さ方向ＶＬにほぼ沿って配置される。したがって、モータ収容部分５ｍはトランスアクスル収容部分５ｔの車両幅方向ＶＷの一側に位置し、調整器収容部分５ａはトランスアクスル収容部分５ｔの車両幅方向ＶＷの他側に位置することになる。この場合、底部ケーシング５は例えばゴム製の底部マウントＭＢを介してサスペンションメンバ６により支持される。図面に示される実施例では、底部マウントＭＢは、トランスアクスル収容部分５ｔの下方でかつ車両長さ方向ＶＬ方向に離間した２つの位置と、モータ収容部分５ｍの下方との３箇所に配置される。

電気調整器ＥＡは燃料電池スタック１０からの電圧もしくは電流又はモータジェネレータ１３への電圧もしくは電流を調整するものである。図面に示される実施例では、電気調整器ＥＡはＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４から構成される。別の実施例では電気調整器ＥＡはＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４の少なくとも１つから構成される。

特に図１に示されるように、調整器収容部分５ａはドライブシャフトＤＳの車両高さ方向ＶＨ上方にほぼ水平方向に拡がる拡張部分５ａｅを有している。上述の電気調整器ＥＡはこの拡張部分５ａｅに収容される。更に、図面に示される実施例では、電気調整器ＥＡ下方の調整器収容部分５ａに上述の制御ユニット６０が収容される。

更に、底部ケーシング５の頂部にはほぼ水平方向に拡がる平坦なスタック支持面ＳＳが形成される。図面に示される実施例では、スタック支持面ＳＳはモータ収容部分と５ｍの頂部及び調整器収容部分５ａの頂部に形成される。この場合、拡張部分５ａｅの頂部にもスタック支持面ＳＳが形成される。別の実施例では、スタック支持面ＳＳはトランスアクスル収容部分５ｔの頂部、モータ収容部分と５ｍの頂部及び調整器収容部分５ａの頂部のうち少なくとも２つに形成される。

底部ケーシング５の車両高さ方向ＶＨ上方には上述の燃料電池スタック１０が配置される。この場合、燃料電池スタック１０はスタック支持面ＳＳ上に配置された例えばゴム製のスタックマウントＭＳを介して底部ケーシング５により支持される。図面に示される実施例では、スタックマウントＭＳは、モータ収容部分５ｍの頂面上と、調整器収容部分５ａの頂面上でかつ車両長さ方向ＶＬに離間した２つの位置との３箇所に配置される。また、燃料電池スタック１０の長さ方向が車両幅方向ＶＷを指向しかつ燃料電池スタック１０の幅方向が車両長さ方向ＶＬを指向するように燃料電池スタック１０が配置される。この場合、特に図２及び図３からわかるように、燃料電池スタック１０は車両幅方向ＶＷのほぼ中央に配置される。なお、図面に示される実施例では、燃料電池スタック１０の長さ方向は単セルの積層方向に一致する。

また、燃料電池スタック１０の車両長さ方向ＶＬ前方には、インタークーラ４４に加えて、上述のコンプレッサ４３及びエアクリーナ４２ａが配置される。これらコンプレッサ４３及びエアクリーナ４２ａは車両幅方向ＶＷに並べて配置される。エアクリーナ４２ａの空気入口には図示しない空気ダクトが設けられる。更に、インタークーラ４４、コンプレッサ４３及びエアクリーナ４２ａの車両長さ方向ＶＬ前方には、ラジエータ５３が配置される。

なお、図１から３は概略図であり、例えば図３においてドライブシャフトＤＳの図示が省略されている。

さて、上述した本発明による実施例では、比較的重量が大きいモータジェネレータ１３が収容室３の底部に配置され、燃料電池スタック１０が底部ケーシング５により直接的に支持されるので、車両１の重心が低くなる。その結果、車両１の運動性能ないし安定性が高められる。同時に、燃料電池スタック１０がほぼ水平方向に拡がるスタック支持面ＳＳ上に支持されるので、燃料電池スタック１０が安定に支持される。しかも、燃料電池スタック１０がスタックマウントＭＳを介して底部ケーシング５により支持されるので、燃料電池スタック１０を支持するための特別な構成を要しない。また、燃料電池スタック１０の取り付けが容易になる。

また、スタック支持面ＳＳが平坦であるので、燃料電池スタック１０と底部ケーシング５との間の隙間が小さくなる。したがって、収容室３を有効利用することができる。

更に、底部ケーシング５にドライブシャフトＤＳの車両高さ方向ＶＨ上方に拡がる拡張部分５ａｅが設けられ、この拡張部分５ａｅに電気調整器ＥＡが収容される。したがって、収容室３を更に有効利用することができる。

本発明による別の実施例では、収容室３は乗員室２の車両長さ方向ＶＬ後方に形成される。したがって、本発明では、収容室３が乗員室２の車両長さ方向ＶＬ外方に形成されるということになる。

本発明による更に別の実施例では、インタークーラ４４は水冷式インタークーラから構成される。すなわち、上述の空気通路は冷却水通路を構成し、冷却水通路の冷却水入口及び冷却水出口は上述の冷却水供給路５１に連結され、冷却水通路内を冷却水が流通する。

１ 電動車両
２ 乗員室
３ 収容室
５ 底部ケーシング
１０ 燃料電池スタック
１３ モータジェネレータ
ＥＡ 電気調整器
ＳＳ スタック支持面

Claims (4)

1. 電力を発生する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックからの電力により駆動される車両駆動用電気モータと、燃料電池スタックからの電圧もしくは電流又は電気モータへの電圧もしくは電流を調整する電気調整器とを、乗員室の車両長さ方向外方に形成された収容室内に収容した電動車両であって、
   前記電気モータ及び前記電気調整器を共通のケーシング内に収容すると共に該ケーシングを収容室の底部に配置し、
   該ケーシングの頂部にほぼ水平方向に拡がる平坦なスタック支持面が形成されており、
   前記燃料電池スタックを前記ケーシングの上方に配置すると共に前記スタック支持面上に配置されたマウントを介して前記ケーシングにより支持するようにした、
   電動車両。
2. 前記電動車両のトランスアクスルも前記ケーシング内に収容されており、前記ケーシングが、前記トランスアクスルを収容するトランスアクスル収容部分と、前記電気モータを収容するモータ収容部分とを、前記電気調整器を収容する調整器収容部分と備え、前記トランスアクスル収容部分が前記収容室の車両幅方向のほぼ中央に配置され、前記モータ収容部分が前記トランスアクスル収容部分の車両幅方向の一側に配置され、前記調整器収容部分が前記トランスアクスル収容部分の車両幅方向の他側に配置され、前記モータ収容部分の頂部及び前記調整器収容部分の頂部に前記スタック支持面が形成されている、請求項１に記載の電動車両。
3. 前記電動車両が前記ケーシングを貫通して前記収容室内を車両幅方向に延びるドライブシャフトを有しており、前記調整器収容部分が前記ドライブシャフトの上方をほぼ水平方向に拡がる拡張部分を含み、該拡張部分の頂部に前記スタック支持面が形成されている、請求項２に記載の電動車両。
4. 前記電気調整器が、前記燃料電池スタックで発生された電圧を高めるためのコンバータと、前記燃料電池スタックで発生された直流電流を交流電流に変換するためのインバータとの一方又は両方を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の電動車両。

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