JP2018131043A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動ユニットが車両後部に配置された燃料電池車両において、モータ駆動ユニットの冷却性を向上させる。【解決手段】電動モータ１１と、電動モータ１１の駆動力を後輪車軸４０ａに伝達する機構とがトランスアクスルケース１０ａに収容されたトランスアクスル１０が、後輪車軸４０ａを跨ぐように車両後部１ｂに配置される燃料電池車両１である。水素タンク３と、トランスアクスル１０よりも車両前後方向前側における車両側部に設けられた走行風導入部５０と、を備えている。水素タンク３は、走行風導入部５０から導入された走行風をトランスアクスル１０へ案内するように、後端部３ｂがトランスアクスル１０の前方に位置し、且つ、前端部３ａが走行風導入部５０の近傍に位置するよう、車両前後方向に対して傾斜して配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車両に関し、特に、モータと当該モータの駆動力を後輪車軸に伝達する機構とがケースに収容されたモータ駆動ユニットが、後輪車軸を跨ぐように車両後部に配置される燃料電池車両に関するものである。

従来から、燃料電池の発電電力によって駆動されるモータと、当該モータの駆動力を後輪車軸に伝達する機構（減速ギヤや差動歯車装置等）と、を１つのケースに収容して一体化したモータ駆動ユニットを搭載した燃料電池車両が知られている。

このような燃料電池車両では、燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵する燃料タンクを搭載する必要があるところ、燃料タンクとモータ駆動ユニットとの位置関係に関しては、従来から様々なレイアウトが提案されている。

例えば特許文献１（特に図４）には、後輪車軸を跨ぐようにモータ駆動ユニットが車両後部に配置された燃料電池車両において、車両中央部に、長手方向が車両前後方向となるように１つの燃料タンクが配置されるとともに、モータ駆動ユニットの前後に、各々長手方向が車幅方向となるように２つの燃料タンクが配置されるレイアウトが開示されている。

国際公開ＷＯ２０１５／１８５１８４号公報

ところで、モータ駆動ユニットが前輪車軸を跨ぐように車両前部に配置された燃料電池車両では、例えば車両前端に設けられたグリルやバンパカバーの開口部を通じて導かれる、車両前方から車両後方に向かって流れる走行風によってモータ駆動ユニットの冷却を行うことが多い。

しかしながら、モータ駆動ユニットが後輪車軸を跨ぐように車両後部に配置された燃料電池車両では、車両前方からの走行風の当たりが弱いため、モータ駆動ユニットのケース表面からの放熱が促進されず、モータ駆動ユニットの冷却性が劣るという問題がある。

特に、上記特許文献１のもののように、モータ駆動ユニットの前側に長手方向が車幅方向となるように燃料タンクが配置されるレイアウトでは、唯でさえ当たりが弱い走行風が燃料タンクによって遮られるため、モータ駆動ユニットの冷却性がより一層劣るという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータ駆動ユニットが車両後部に配置された燃料電池車両において、モータ駆動ユニットの冷却性を向上させる技術を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池車両では、走行風導入部を車両側部に設けるとともに、燃料電池車両に通常搭載される燃料タンクを利用して、走行風導入部から導入される走行風をモータ駆動ユニットへ案内するようにしている。

具体的には、本発明は、燃料電池の発電電力によって駆動されるモータと、当該モータの駆動力を後輪車軸に伝達する機構とがケースに収容されたモータ駆動ユニットが、当該後輪車軸を跨ぐように車両後部に配置される燃料電池車両を対象としている。

そして、この燃料電池車両は、上記燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、上記モータ駆動ユニットよりも車両前後方向前側における車両側部に設けられた走行風導入部と、を備え、上記燃料タンクは、上記走行風導入部から導入された走行風を上記モータ駆動ユニットへ案内するように、長手方向の一端部が上記モータ駆動ユニットの前方に位置し、且つ、長手方向の他端部が上記走行風導入部の近傍に位置するよう、車両前後方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とするものである。

この構成によれば、長手方向の一端部がモータ駆動ユニットの前方に位置し、且つ、長手方向の他端部が走行風導入部の近傍に位置するよう、燃料タンクが傾斜して配置されていることから、走行風導入部から導入された走行風を、燃料タンクに沿うように長手方向他端部側から一端部側へ案内してモータ駆動ユニットへ当てることができる。これにより、燃料電池車両に通常搭載される燃料タンクを利用した簡単な構造で、車両後部に配置されたモータ駆動ユニットの冷却性を向上させることができる。

加えて、傾斜して配置された燃料タンクを用いて走行風を案内することで、走行風がモータ駆動ユニットに当たる際、モータ駆動ユニットに対して水平な（車幅方向の）成分と垂直な（車両前後方向の）成分とが加わり、流れが乱れることになる。これにより、温度境界層が攪拌されるので、モータ駆動ユニットのケース表面からの放熱を促進して、モータ駆動ユニットの冷却性を確実に向上させることができる。

また、上記燃料電池車両では、上記走行風導入部と上記モータ駆動ユニットとを結ぶ仮想線が、車体を構成する部材と上記燃料タンクとで囲まれる空間を通過していることが好ましい。

なお、本発明において「車体を構成する部材と燃料タンクとで囲まれる空間」とは、車体を構成する部材と燃料タンクとによって、走行風が逃げたり、拡散したりし難くなる程度に囲まれた空間を意味し、厳密な意味で全く隙間がない状態を意味するものではない。

この構成によれば、燃料タンクがその一部を構成する空間を走行風が通過することから、走行風が逃げたり、拡散したりし難くなるので、走行風導入部から導入された走行風を効率よくモータ駆動ユニットへ当てることができる。これにより、モータ駆動ユニットの冷却性をより一層向上させることができる。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池車両によれば、モータ駆動ユニットが車両後部に配置された燃料電池車両において、モータ駆動ユニットの冷却性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両を模式的に示す平面図である。 トランスアクスルの概略構成を説明するスケルトン図である。 燃料電池車両の車幅方向右側の側部を模式的に示す図である。 同図（ａ）は燃料電池車両の下面を模式的に示す図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のｂ−ｂ線の矢視断面図である。 その他の実施形態に係る燃料電池車両を模式的に示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、図１、図３、図４（ａ）および図５における黒塗り矢印は車両前方を示している。また、図１、図３および図５における白抜き矢印は走行風の流れ方向を示している。

−全体構成−
図１は、本実施形態に係る燃料電池車両１を模式的に示す平面図である。この燃料電池車両１は、後輪駆動の燃料電池車両であり、図１に示すように、車両前部１ａに配置される燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に供給される燃料ガス（水素）を貯蔵する燃料タンクとしての水素タンク３と、車両後部１ｂに配置されるトランスアクスル１０と、従動輪としての前輪３０と、駆動輪としての後輪４０と、を備えている。

燃料電池スタック（燃料電池）２は、ダッシュパネル（図示せず）によって車室と区画される、車両前部１ａに設けられた収容室内に収容されている。燃料電池スタック２は、水素タンク３から供給される水素と空気中の酸素との化学反応を利用して、燃料電池車両１を駆動させる電気エネルギーを発生させる発電装置であり、固体高分子電解質膜の両面に水素極触媒および酸素極触媒をそれぞれ塗布した電極複合体をセパレーターで挟んだセルを、複数積層することによって形成されている。

この燃料電池スタック２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）およびインバータ（図示せず）を介して後述する電動モータ１１に電気的に接続されている。これにより、燃料電池スタック２からの電圧が、ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された後、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電流がインバータによって交流電流に変換されて電動モータ１１へ供給されるようになっている。

水素タンク３は、図１で示すように、車両中央部において、平面視で車両前後方向に対して傾斜して配置されている。より詳しくは、水素タンク３は、その長手方向が車両前後方向に対して傾斜した姿勢で、支持バンド５９を介してフロアパネル５４に吊り下げられている（図４（ｂ）参照）。なお、支持バンド５９による吊り下げはあくまでも例示であり、水素タンク３を、例えば、ゴム等の弾性体を有するマウント（図示せず）を介して車体に取り付けてもよい。この水素タンク３は、高強度部品で構成されていて（例えば、金属や硬質樹脂などで形成された内壁層と、繊維強化プラスチック等を幾重にも巻回することで形成された外壁層とを備えていて）、ガス内圧や車両衝突時の外力によって容易に変形しないような高剛性を備えている。

図２は、トランスアクスル１０の概略構成を説明するスケルトン図である。トランスアクスル（モータ駆動ユニット）１０は、図２に示すように、駆動源としての電動モータ１１と、第１減速ギヤ対１９，２１と、第２減速ギヤ対２２，２６と、差動歯車装置２５と、を有していて、これらを例えばアルミダイキャスト製の１つのケース（トランスアクスルケース）１０ａに収容して一体化したものである。このトランスアクスル１０は、図１に示すように、後輪車軸４０ａを跨ぐように車両後部１ｂに配置されていて、電動モータ１１で発生した駆動力を、第１減速ギヤ対１９，２１、第２減速ギヤ対２２，２６および差動歯車装置２５を介して後輪車軸４０ａに伝達するように構成されている。

電動モータ１１は、ロータ軸１２と、当該ロータ軸１２の外周を囲むようにトランスアクスルケース１０ａに固定されたステータ１３と、を有している。ロータ軸１２は、その両端に装着された一対の軸受１４，１５を介してトランスアクスルケース１０ａに回転可能に支持されている。このロータ軸１２と接続された出力軸１６は、その両端に装着された一対の軸受１７，１８を介してトランスアクスルケース１０ａに回転可能に支持されており、ロータ軸１２と一体となって回転する。なお、電動モータ１１は、トランスアクスルケース１０ａ内において、図１の破線で示すように、車両前後方向前側寄りで且つ車幅方向右側寄りの位置に配置されている。

第１減速ギヤ対１９，２１は、出力軸１６の一端部（電動モータ１１と反対側の端部）に設けられた小径のカウンタドライブギヤ１９と、出力軸１６と平行なカウンタ軸２０の一端部（電動モータ１１と反対側の端部）に設けられ、当該カウンタドライブギヤ１９と噛み合う大径のカウンタドリブンギヤ２１と、で構成されている。なお、カウンタ軸２０は、その両端に装着された一対の軸受２３，２４を介してトランスアクスルケース１０ａに回転可能に支持されている。

第２減速ギヤ対２２，２６は、カウンタ軸２０の他端部（電動モータ１１側の端部）に設けられた小径のファイナルドライブギヤ２２と、デファレンシャルケース２５ａの外周部に一体的に固定され、当該ファイナルドライブギヤ２２と噛み合う大径のファイナルドリブンギヤ２６と、で構成されている。デファレンシャルケース２５ａおよびこれに一体的に固定されたファイナルドリブンギヤ２６は、デファレンシャルケース２５ａの軸方向両端部に装着された一対の軸受２７，２８を介してトランスアクスルケース１０ａに回転可能に支持されている。

差動歯車装置２５は、デファレンシャルケース２５ａと、当該デファレンシャルケース２５ａ内に収容された所謂傘歯車式の差動機構２５ｂと、を有していて、回転速度差を許容しつつ一対の後輪車軸４０ａに駆動力を伝達するように構成されている。

以上のように構成された燃料電池車両１では、水素タンク３から水素が供給されることで燃料電池スタック２が発電し、燃料電池スタック２からの電気エネルギーによって電動モータ１１が駆動し、電動モータ１１で発生した駆動力が、第１減速ギヤ対１９，２１および第２減速ギヤ対２２，２６を介して差動歯車装置２５へ伝達され、差動歯車装置２５から一対の後輪車軸４０ａを介して後輪４０に伝達されるようになっている。

−水素タンク等の配置位置−
ところで、トランスアクスルが前輪車軸を跨ぐように車両前部に配置された燃料電池車両では、例えば車両前端に設けられたグリルやバンパカバーの開口部を通じて導かれる、車両前方から車両後方に向かって流れる走行風によってトランスアクスルの冷却を行うことが多い。

しかしながら、本実施形態の燃料電池車両１のように、トランスアクスル１０が後輪車軸４０ａを跨ぐように車両後部１ｂに配置された燃料電池車両では、車両前方からの走行風の当たりが弱いため、トランスアクスルケース１０ａ表面からの放熱が促進されず、トランスアクスル１０の冷却性が劣るという問題がある。

そこで、本実施形態では、走行風を導入する走行風導入部５０を車両側部に設けるとともに、燃料電池車両１に通常搭載される水素タンク３を利用して、走行風導入部５０から導入される走行風をトランスアクスル１０へ案内するようにしている。

具体的には、本実施形態の燃料電池車両１では、図１に示すように、トランスアクスル１０よりも車両前後方向前側における車両右側側部に走行風導入部５０を設けるとともに、走行風導入部５０から導入された走行風を水素タンク３がトランスアクスル１０へ案内するように、後端部３ｂ（長手方向の一端部）がトランスアクスル１０の前方に位置し、且つ、前端部３ａ（長手方向の他端部）が走行風導入部５０の近傍に位置するよう、水素タンク３を車両前後方向に対して傾斜して配置するようにしている。以下、このような走行風導入部５０および水素タンク３の配置等について説明する。

図３は、燃料電池車両１の車幅方向右側の側部を模式的に示す図である。本実施形態の燃料電池車両１では、図３に示すように、例えば車両右側側部を構成するリヤドア５２の下端部に、車両右側側方から走行風を導入する走行風導入部５０（例えば開口部）が設けられている。この走行風導入部５０から導入された走行風は、支持バンド５９を介して水素タンク３が吊り下げられたフロアパネル５４（図４（ｂ）参照）の下側へ流れるようになっている。なお、図３に示す走行風導入部５０の位置は、あくまでも一例であり、燃料電池車両１における水素タンク３の車両前後方向位置や上下方向位置に応じて、例えばフロントドア５１の下端部やサイドシル５３等に走行風導入部５０を設けてもよい。

図４（ａ）は、燃料電池車両１の下面を模式的に示す図である。本実施形態の燃料電池車両１では、高電圧配線系統（図示せず）や燃料配管（図示せず）やトランスアクスル１０等が飛び石等によって損傷するのを抑えるべく、これら高電圧配線系統や燃料配管やトランスアクスル１０等を下側から覆うように、アンダーカバー５５，５６，５７がリベット５８等によってフロアパネル５４に取り付けられている。なお、水素タンク３は、上述の如く高強度部品で構成されていることから、飛び石等によって損傷し難いため、アンダーカバー５５，５６，５７で覆われていない。

そうして、水素タンク３は、走行風導入部５０（例えば走行風導入部５０の中央部）とトランスアクスル１０（例えば電動モータ１１の中央部）とを結ぶ仮想線ＶＬと平行で、且つ、その車幅方向外側の側面３ｃ（周面）が仮想線ＶＬに近接するように、アンダーカバー５５とアンダーカバー５６との間でフロアパネル５４に吊り下げられている。

このような構成により、図１の白抜き矢印で示すように、走行風導入部５０から導入された走行風を、水素タンク３の車幅方向外側の側面３ｃに沿うように前端部３ａ側から後端部３ｂ側へ案内してトランスアクスル１０へ当てることができる。これにより、燃料電池車両１に通常搭載される水素タンク３を利用した簡単な構造で、トランスアクスル１０の冷却性を向上させることができる。

ここで、相対的に高温のトランスアクスル１０と相対的に低温の走行風とには大きな温度差があるため、トランスアクスル１０の周りには層の厚い温度境界層が生じているが、傾斜して配置された水素タンク３に沿うように走行風を案内することで、走行風がトランスアクスル１０に当たる際、トランスアクスル１０に対して水平な（車幅方向の）成分と垂直な（車両前後方向の）成分とが加わり、流れが乱れる（渦流Ｓｃが生じる）ことになる。これにより、温度境界層が攪拌され、温度境界層の層厚が薄くなるので、トランスアクスルケース１０ａ表面からの放熱を促進して、トランスアクスル１０の冷却性を確実に向上させることができる。

しかも、本実施形態の燃料電池車両１では、図４（ｂ）に示すように、水素タンク３の車幅方向外側に、フロアパネル５４およびアンダーカバー５６（車体を構成する部材）と当該水素タンク３とで囲まれる空間Ｓが形成されているとともに、走行風導入部５０とトランスアクスル１０とを結ぶ仮想線ＶＬが、当該空間Ｓを通過している。それ故、走行風導入部５０から導入された走行風は、空間Ｓに入り易くなるとともに、当該空間Ｓに入ることによって、逃げたり、拡散したりし難くなるので、走行風導入部５０から導入された走行風を効率よくトランスアクスル１０へ当てることができる。これにより、トランスアクスル１０の冷却性をより一層向上させることができる。

なお、本実施形態において「フロアパネル５４およびアンダーカバー５６と水素タンク３とで囲まれる空間Ｓ」とは、フロアパネル５４およびアンダーカバー５６と水素タンク３とによって、走行風が逃げたり、拡散したりし難くなる程度に囲まれた空間を意味し、厳密な意味で全く隙間がない状態を意味するものではない。また、「空間Ｓ」は、水素タンク３の長手方向の全長に亘って設けられている必要はなく、少なくとも一部の区間に空間Ｓが形成されていればよい。

加えて、本実施形態の燃料電池車両１では、導風ダクトや冷却ファン等を追加することなく、燃料電池車両１に通常搭載される水素タンク３を利用して、レイアウトに工夫を凝らすことで、トランスアクスル１０の冷却性を向上させることから、車両スペースの有効利用、車体重量の低減および製造コストの低減を図ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、後端部３ｂがトランスアクスル１０の前方に位置し、且つ、前端部３ａが車両右側側部に設けられた走行風導入部５０の近傍に位置するように、水素タンク３を配置したが、これに限らず、例えば図５（ａ）に示すように、後端部４ｂがトランスアクスル１０の前方に位置し、且つ、前端部４ａが車両左側側部に設けられた走行風導入部６０の近傍に位置するように、水素タンク４を配置してもよい。

また、上記実施形態では、１つの水素タンク３を備える燃料電池車両１に本発明を適用したが、後端部がトランスアクスル１０の前方に位置し、且つ、前端部が走行風導入部５０の近傍に位置するように、少なくとも１つの水素タンクを配置するのであれば、これに限らず、２つ以上の水素タンクを備える燃料電池車両に本発明を適用してもよい。例えば図５（ｂ）に示すように、一の水素タンク５を、上記水素タンク３と同様に配置するとともに、他の水素タンク６をトランスアクスル１０の後方に配置してもよい。

さらに、上記実施形態では、その車幅方向外側の側面３ｃが仮想線ＶＬに近接するように、水素タンク３を配置したが、これに限らず、例えば図５（ｃ）に示すように、その車幅方向内側の側面７ｃ（周面）が仮想線ＶＬに近接するように、水素タンク７を配置してもよい。

また、上記実施形態では、走行風導入部５０とトランスアクスル１０とを結ぶ仮想線ＶＬが、フロアパネル５４およびアンダーカバー５６と水素タンク３とで囲まれる空間Ｓを通過するようにしたが、これに限らず、アンダーカバー５６乃至空間Ｓを省略した構成としてもよい。

さらに、上記実施形態では、水素と酸素との化学反応を利用して発電する燃料電池スタック２を備える燃料電池車両１に本発明を適用したが、これに限らず、水素以外の燃料ガスと酸素以外の酸化剤ガスとの化学反応を利用して発電する燃料電池を備える燃料電池車両に本発明を適用してもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明によれば、モータ駆動ユニットの冷却性を向上させることができるので、モータ駆動ユニットが車両後部に配置される燃料電池車両に適用して極めて有益である。

１ 燃料電池車両
１ｂ 車両後部
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
３ 水素タンク（燃料タンク）
３ａ 前端部（他端部）
３ｂ 後端部（一端部）
４ 水素タンク（燃料タンク）
５ 水素タンク（燃料タンク）
７ 水素タンク（燃料タンク）
１０ トランスアクスル（モータ駆動ユニット）
１０ａ トランスアクスルケース
１１ 電動モータ
１９，２１ 第１減速ギヤ対（機構）
２２，２６ 第２減速ギヤ対（機構）
２５ 差動歯車装置（機構）
４０ａ 後輪車軸
５０ 走行風導入部
５２ リヤドア（車両側部）
５４ フロアパネル（車体を構成する部材）
５６ アンダーカバー（車体を構成する部材）
６０ 走行風導入部
Ｓ 空間
ＶＬ 仮想線

Claims (2)

1. 燃料電池の発電電力によって駆動されるモータと、当該モータの駆動力を後輪車軸に伝達する機構とがケースに収容されたモータ駆動ユニットが、当該後輪車軸を跨ぐように車両後部に配置される燃料電池車両であって、
   上記燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、
   上記モータ駆動ユニットよりも車両前後方向前側における車両側部に設けられた走行風導入部と、を備え、
   上記燃料タンクは、上記走行風導入部から導入された走行風を上記モータ駆動ユニットへ案内するように、長手方向の一端部が上記モータ駆動ユニットの前方に位置し、且つ、長手方向の他端部が上記走行風導入部の近傍に位置するよう、車両前後方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両において、
   上記走行風導入部と上記モータ駆動ユニットとを結ぶ仮想線が、車体を構成する部材と上記燃料タンクとで囲まれる空間を通過していることを特徴とする燃料電池車両。

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