JP5447533B2 - ガス消費システムと燃料電池システムおよび車両 - Google Patents
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Description
本発明は、供給を受けたガスを消費するガス消費機器を有するガス消費システム、供給を受けた燃料ガスと酸化ガスを消費しつつ発電する燃料電池を有する燃料電池システム、および、当該燃料電池システムを搭載した車両に関する。
供給を受けたガスを消費するガス消費機器の一例である燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極(アノードおよびカソード)にそれぞれ反応ガス(燃料ガスおよび酸化ガス、例えば空気)の供給を受ける。燃料電池は、供給を受けた反応ガスを消費しつつ電気化学反応を進行させ、発電する。この電気化学反応の進行には、発電負荷に応じてガス供給を継続する必要がある。また、電気化学反応は発熱反応であることから、円滑な反応継続を図る上から、一般に、燃料電池を水等の冷媒で冷却することが必要とされる。このため、外気を吸引加圧して供給するコンプレッサーと、水を圧送するウォーターポンプを、燃料電池に併設することが通常なされている。
近年では、環境保全の意識の向上から、いわゆるクリーンエネルギー源として燃料電池が注目されており、車両への燃料電池搭載、発電施設としての燃料電池設置が普及しつつある。しかしながら、車両への燃料電池搭載或いは発電施設としての燃料電池設置に際して、コンプレッサーやウォーターポンプとその駆動用のモーターの併用を考慮した上での小型化や搭載性・設置性の向上には、改善の余地が残されている。
なお、このような課題は、燃料電池を有するシステムに限らず、冷却が必要とするガス消費機器を含むシステムにおいても、指摘されている。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、コンプレッサーやウォーターポンプとその駆動用のモーターを併用する上での小型化を図ることを目的とする。
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
ガス消費機器にガスを供給するガス供給系と、前記ガス消費機器を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記ガス消費機器の冷却を図る冷却系とを有するガス消費システムであって、
前記ガス供給系に含まれ、ガスの供給ために回転駆動する回転駆動部材を有するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する回転駆動部材を有する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置すると共に、
前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達し、
前記伝達機構は、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器をガス供給に求められる回転駆動状況とする。
燃料電池システムとしては、供給を受けた燃料ガスと酸素含有の酸化ガスを消費しつつ発電する燃料電池と、それぞれのガスの供給系と、燃料電池を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記燃料電池の冷却を図る冷却系とを有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスの供給系である酸化ガス供給系に含まれ、前記酸化ガスの供給のために回転駆動する回転駆動部材を有するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する回転駆動部材を有する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置すると共に、
前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達し、
前記伝達機構は、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器を酸化ガス供給に求められる回転駆動状況とする。
この他、次の適用例としても良い。
ガス消費機器にガスを供給するガス供給系と、前記ガス消費機器を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記ガス消費機器の冷却を図る冷却系とを有するガス消費システムであって、
前記ガス供給系に含まれ、ガスの供給ために回転駆動する回転駆動部材を有するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する回転駆動部材を有する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置すると共に、
前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達し、
前記伝達機構は、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器をガス供給に求められる回転駆動状況とする。
燃料電池システムとしては、供給を受けた燃料ガスと酸素含有の酸化ガスを消費しつつ発電する燃料電池と、それぞれのガスの供給系と、燃料電池を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記燃料電池の冷却を図る冷却系とを有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスの供給系である酸化ガス供給系に含まれ、前記酸化ガスの供給のために回転駆動する回転駆動部材を有するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する回転駆動部材を有する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置すると共に、
前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達し、
前記伝達機構は、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器を酸化ガス供給に求められる回転駆動状況とする。
この他、次の適用例としても良い。
[適用例1:ガス消費システム]
ガス消費機器にガスを供給するガス供給系と、前記ガス消費機器を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記ガス消費機器の冷却を図る冷却系とを有するガス消費システムであって、
前記ガス供給系に含まれ、ガスの供給ために回転駆動するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置した。
ガス消費機器にガスを供給するガス供給系と、前記ガス消費機器を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記ガス消費機器の冷却を図る冷却系とを有するガス消費システムであって、
前記ガス供給系に含まれ、ガスの供給ために回転駆動するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置した。
[適用例2:燃料電池システム]
供給を受けた燃料ガスと酸素含有の酸化ガスを消費しつつ発電する燃料電池と、それぞれのガスの供給系と、燃料電池を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記燃料電池の冷却を図る冷却系とを有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスの供給系である酸化ガス供給系に含まれ、前記酸化ガスの供給のために回転駆動するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置した。
供給を受けた燃料ガスと酸素含有の酸化ガスを消費しつつ発電する燃料電池と、それぞれのガスの供給系と、燃料電池を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記燃料電池の冷却を図る冷却系とを有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスの供給系である酸化ガス供給系に含まれ、前記酸化ガスの供給のために回転駆動するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置した。
上記の構成を有するガス消費システムおよび燃料電池システムでは、モーターとガス供給機器とを、モーター駆動軸とガス供給機器の回転駆動部材とを向き合わせた上で、伝達機構を介在させて対向配置させる。こうした対向配置を採ることで、伝達機構の介在に要する分だけしか、モーターとガス供給機器の両者を離さないようにする。これに加え、冷媒供給機器の配置に当たっては、冷媒供給機器へのモーター駆動力伝達がモーター駆動軸から直接もしくは伝達機構を介してなされるようにした。このように、モーター駆動軸からその駆動力を直接伝達すれば、モーター駆動軸に冷媒供給機器の回転駆動部材を直接装着して、モーターと冷媒供給機器を近接配置できる。また、モーター駆動力を伝達機構を介して伝達すれば、冷媒供給機器を伝達機構に対してガス供給機器に並べて近接配置できる。この結果、上記構成のシステムによれば、ガス消費機器もしくは燃料電池にガス供給機器や冷媒供給機器とこれらに共用するモーターを併用するシステム構成において、両供給機器とモーター相互の近接配置が可能となり、システム小型化を図ることができる。
上記した燃料電池システムは、次のような形態とすることもできる。例えば、前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達する。ガス供給機器へのモーター駆動力伝達を図る伝達機構については、これを、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器を酸化ガス供給に求められる回転駆動状況とするものとできる。こうすれば、次の利点がある。なお、モーター回転数の加速調整は、速度調整機器を組み込むことで容易に達成できる。
一般に、冷媒の循環供給による機器冷却を図る場合には、冷媒の循環流量を冷却を受ける燃料電池の発熱の状況に応じて増減するとしても、冷媒循環流量を大きく変える必要は少ない。このため、冷媒供給機器にあっては、冷媒の循環供給に関与する回転駆動部材を冷媒循環に求められる回転駆動状況となるようにすれば足りる。その一方、ガス供給機器については、その供給対象がガスである都合上、通常、ガス供給に際してガスの圧縮が不可欠なため、ガスの圧縮と圧送に関与する回転駆動部材を比較的高速に回転駆動する必要がある。
上記形態の燃料電池システムでは、冷媒循環に求められる回転駆動状況となるようモーターを回転駆動するだけで、冷媒供給機器については、当該機器を冷媒循環に求められる回転駆動状況とできるほか、ガス供給機器については、加速調整を経て、酸化ガス供給に求められる回転駆動状況とできる。つまり、モーターを、比較的高速な回転駆動が求められるガス供給機器に合わせて高速回転駆動する必要がない。よって、モーター能力を不用意に大能力化する必要が無くなり、モーターの小型化のみならずモーター体格の小型化も可能となるので、システムとしてもその小型化を図ることができる。また、冷媒供給機器を冷媒循環に求められる回転駆動状況とすれば足りるので、冷媒供給機器自体は元より冷媒循環の経路におけるシール性の確保も簡便となり、シールの信頼性の低下も抑制できる。
また、更に、脚を有するケースを備えるものとした上で、このケースに、前記伝達機構を介在させて対向配置する前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記冷媒供給機器と共に収容し、前記ケースを前記脚を介して前記燃料電池に固定するようにできる。こうすれば、脚を経由した燃料電池の熱のケースへの伝播も可能となり、電池冷却の上で有益となる。しかも、ケースにて、その取扱ができるため、簡便となる。
また、前記モーターを取り囲む前記ケースのモーター包囲周壁に、前記冷媒供給機器を通過する冷媒のケース内流路を有するようにすれば、冷媒によりモーターについてもこれを外部から冷却できる。よって、モーターの能力維持の上から有益であると共に、モーター自体に放熱面積確保のための構成を簡略化でき、モーター体格の小型化も可能となる。
この他、前記ケース内流路に栓止めされた冷媒導出孔を形成し、該冷媒導出孔を、前記ケースがその固定箇所に固定された状況において、ケース上方側に位置するようにできる。こうすれば、冷却系の流路に入り込んだ気泡を、この冷媒導出孔から外部に排出した上で、この冷媒導出孔を栓止めすることで、できるだけ気泡が存在しない状態で、冷媒を循環供給できる。よって、冷媒供給に際しての残存気泡による圧損を抑制して、安定した冷媒供給を図ることができる。例えば、冷媒へのイオン溶解が進んで冷媒のイオン導電率が上がると、冷媒交換がなされ、こうした冷媒交換に伴って混入した気泡を、上記したように容易に冷媒から取り除くことができる。
[適用例3:車両]
車両であって、
上記したいずれかの形態の燃料電池システムを搭載するに当たり、前記モーターのモーター駆動軸と前記冷媒供給機器の回転駆動軸および前記ガス供給機器の回転駆動軸を車幅方向に沿って並べた上で、前記燃料電池と前記モーターと前記冷媒供給機器および前記ガス供給機器を車両のフードの下のフード下方領域に搭載する。
車両であって、
上記したいずれかの形態の燃料電池システムを搭載するに当たり、前記モーターのモーター駆動軸と前記冷媒供給機器の回転駆動軸および前記ガス供給機器の回転駆動軸を車幅方向に沿って並べた上で、前記燃料電池と前記モーターと前記冷媒供給機器および前記ガス供給機器を車両のフードの下のフード下方領域に搭載する。
上記の構成を有する車両は、既述したシステムやその構成部品の小型化、ケースでの取扱等により、高い搭載性を有するものとなる。加えて、フード下方領域に占めるスペースも小さくできるので、燃料電池に付属する制御装置等の付属機器の搭載スペースも広くなり、その搭載の自由度を高めることができる。
また、こうした車両において、前記フード下方領域の車両前方側を前記モーターの外郭が占めるよう前記燃料電池システムを搭載すれば、車両前方衝突の際には、その衝撃荷重を高剛性のモーターにて受けることができる。よって、他の部品の損傷抑制が可能となる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電施設や、燃料電池以外のガス消費機器を有するシステムとしての形態で実現することができる。
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図1は本発明の実施例としての燃料電池搭載車両10を概略的に平面視して示す説明図である。
図示するように、この燃料電池搭載車両10は、車体20に燃料電池システム40を搭載して備える。燃料電池システム40は、燃料電池100と、水素ガスタンク110を含む水素ガス供給系120と、コンプレッサー130を含む空気供給系140と、ラジエター150およびファン152とを含む冷却系160とを備える。燃料電池100は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた図示しない膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を備える発電モジュールを積層して構成され、車体20のフード下方領域に位置する。なお、この電池搭載位置については、コンプレッサー130等と併せて後述する。燃料電池100は、後述の水素ガス供給系120と空気供給系140から水素ガスと空気の供給を受け、これらガスを消費しつつ、詳しくはガス中の水素と酸素とを電気化学反応に供して発電し、その発電電力にて前後輪の図示しない駆動用モーター等の負荷を駆動する。
水素ガス供給系120は、水素ガスタンク110から燃料電池100に到る水素供給経路121と、未消費の水素ガス(アノードオフガス)を水素供給経路121に循環させる循環経路122とを備える。そして、この水素ガス供給系120は、水素供給経路121の流量調整バルブ123にて調整した流量と、循環経路122の循環ポンプ124にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池100のアノードに供給する。この水素ガス供給量は、アクセル310の操作に基づいて、後述の制御装置300にて定められ、燃料電池100に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系120は、循環経路122から分岐した排出管路125の開閉バルブ126の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを大気放出する。
空気供給系140は、コンプレッサー130を経て燃料電池100に到る酸素供給経路141と、未消費の空気(カソードオフガス)を大気放出する放出経路142とを備える。そして、この空気供給系140は、酸素供給経路141の開口端から取り込んだ空気を、エアクリーナー144にて除塵した上で、コンプレッサー130での圧縮および流量調整を経て、燃料電池100のカソードに供給する。また、空気供給系140は、放出経路142の排出流量調整バルブ143で調整された流量でカソードオフガスを放出経路142を経て大気放出する。このように空気供給系140にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系140は、排出流量調整バルブ143を所定開度にした上で、コンプレッサー130にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル310の操作に基づいて制御装置300にて定められ、燃料電池100に求められる負荷に応じた供給量となる。空気供給系140は、この負荷に応じた供給量を増量した供給量での空気供給(圧送供給)と、排出流量調整バルブ143の所定開度以上の開度調整とを行うことで、カソード側の電極に残留する残留水量を放出経路142から排出して電極の残留水量の低減を図る。なお、空気の増量供給による残留水量低減は、本発明と直接の関係はないのでその説明を省略する。
冷却系160は、ラジエター150から燃料電池100への冷媒の循環を図る循環経路161と、バイパス経路162と、経路合流点の三方流量調整弁163と、循環ポンプ170とを備える。そして、この冷却系160は、ラジエター150にて熱交換した冷媒を循環経路161を経て燃料電池100の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池100を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ170の駆動量、即ち冷媒の循環供給量や、三方流量調整弁163によるラジエータパイパス流量は、図示しない温度センサーで検出した燃料電池温度や図示しないセンサーで検出した発電状況に基づいて、制御装置300にて定められる。
空気供給系140に含まれるコンプレッサー130と、冷却系160に含まれる循環ポンプ170は、共にモーター駆動方式とされ、電池補機ユニット200に組み込まれている。この電池補機ユニット200は、コンプレッサー130および循環ポンプ170の共通の駆動源となるモーター210を備える他、循環ポンプ170を通過する冷媒のユニット内流路250を有し、当該流路を経て冷媒を循環経路161に流す。電池補機ユニット200の構成については、後述する。
制御装置300は、論理演算を実行するCPUやROM、RAM等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、燃料電池搭載車両10の種々の制御を司る。例えば、制御装置300は、アクセル310等のセンサー入力を受けて燃料電池100への水素・空気の供給量を定め、その定めた供給量での水素供給と空気供給ができるよう、流量調整バルブ123やコンプレッサー130を駆動制御する。
次に、電池補機ユニット200について説明する。図2は電池補機ユニット200を断面視してその内部構成を概略的に示す説明図である。
既述したように、電池補機ユニット200は、コンプレッサー130と、循環ポンプ170と、この両者の共通の駆動源となるモーター210に加え、モーター駆動力の伝達機構230とを、図2に示すように、ケース内に収容して備える。電池補機ユニット200のユニットケースは、上記の各パーツに対応して図における左方から、第1ケース201、ケースベース202、第2ケース203、第3ケース204、第4ケース205に区画されている。これらケースは、上記の各パーツの外郭をなす。
第1ケース201は、中空形状とされ、ケースベース202と接合してコンプレッサー130を収容する。コンプレッサー130は、図示するように二つの回転軸131を並んで備えたルーツ式或いはスクリュー式の2軸同期運転の構成とされ、第1ケース201の内部支持壁201aとケースベース202に組み込んだベアリング132にて、それぞれの回転軸131を両端で軸支する。ケースベース202は、第1シール部材133を介在させてベアリング132を組み込み、この第1シール部材133と第2シール部材134とで、第1ケース201のベース側を、その開口およびベアリング組み込み部でシールする。これにより、第1ケース201の内部支持壁201aとケースベース202との間の中空部が、エアー圧縮室として機能する。このエアー圧縮室へのエアー流入のため、内部支持壁201aには、等ピッチで貫通孔138が形成されている。
コンプレッサー130は、後述するようにモーター駆動力の伝達を受けると、それぞれの回転軸131を回転部材135と共に回転させる。コンプレッサー130は、この回転部材135の回転により、第1ケース201の吸入孔137からエアクリーナー144を経てエアーを吸引して、吸引エアーを圧縮する。圧縮されたエアーは、第1ケース201の側面に形成された通気孔139から圧送され、酸素供給経路141(図1参照)を経て燃料電池100のカソードに供給される。
第2ケース203は、中空形状とされ、第1ケース201の反対側でケースベース202と接合して伝達機構230を収容する。伝達機構230は、モーター210のモーターの駆動力をコンプレッサー130に伝達するギヤ群として、同期ギヤ231とモーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233とを有する。同期ギヤ231は、ケースベース202を貫通して第2ケース203まで延びたコンプレッサー130のそれぞれの回転軸131に装着される。それぞれの回転軸131の同期ギヤ231は、同じ歯数のギヤであり、図示するように第2ケース203において噛み合う。モーター駆動ギヤ232は、第2ケース203まで延びた後述のモーター駆動軸212に装着され、図における上側の回転軸131の軸端に装着された従動ギヤ233に第2ケース203において噛み合う。
伝達機構230は、こうしたギヤ構成を有することから、モーター駆動軸212の回転を、モーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233の噛み合いにより、従動ギヤ233を有する回転軸131に伝達する。この際の回転伝達は、モーター駆動ギヤ232のギヤ歯列の長さと従動ギヤ233のギヤ歯列の長さの比で定まり、回転軸131へは、加速調整を経てモーター駆動軸212の回転が伝達される。そして、同期ギヤ231の噛み合いにより、一方の回転軸131の回転は、同じ回転数で同期して他方の回転軸131に伝達される。回転軸131の回転は、コンプレッサー130の回転に他ならないことから、本実施例では、コンプレッサー130を、燃料電池100への空気供給に求められる回転駆動状況、例えば20,000rpm程度を上限とする回転数での回転駆動状況とするよう、モーター駆動軸212の回転数を考慮して、モーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233のギヤ比を定めた。その詳細については後述する。
第3ケース204は、第2ケース203の側で開口し他方側で閉塞した中空形状の内側ケース204aとこれを取り囲むケース外壁204bとを有し、このケース外壁204bにてモーター210の外郭をなす。この第3ケース204は、内側ケース204aとケース外壁204bの間を図1にて示したユニット内流路250とすると共に、第2ケース203と接合してモーター210を内側ケース204aに収容する。モーター210は、回転子213を有するモーター駆動軸212を、第2ケース203に組み込んだベアリング214と第3ケース204の閉塞壁204cに組み込んだベアリング215にて、両端で軸支する。モーター駆動軸212は、既述したように、一端側が第2ケース203にまで延び、他端側にあっても、後述の第4ケース205まで延ばしている。
第2ケース203と第3ケース204は、それぞれのベアリング組み込み箇所にモーターシール部材216を備え、当該シール部材により、第3ケース204の中空部、即ち回転子213の回転領域および第3ケース204の内壁に装着済みの誘導コイル217をシールする。この場合、第3ケース204は、その閉塞壁204cにおいて、ベアリング215とモーターシール部材216との間に保水性の環状体218を組み込み、当該環状体組み込み箇所からケース外壁までの間に、小径の排水孔219を備える。閉塞壁204cのモーターシール部材216の側は、後述するように循環ポンプ170が組み込まれているので、仮にモーターシール部材216を水が通過しても、その水は、環状体218にて保水された後、排水孔219から第3ケース204の外部に排出される。この場合、こうした水の排出が水の自重で起きるよう、排水孔219は、電池補機ユニット200が後述するように車両搭載された姿勢で、鉛直下方を向くようにされている。
第4ケース205は、中空形状とされ、第3ケース204のケース外壁204bおよび閉塞壁204cと接合して循環ポンプ170を収容する。この第4ケース205の接合に際しては、第3シール部材220が用いられるので、第4ケース205の内部は、第3ケース204のユニット内流路250と繋がった上で、モーター210の内側ケース204aとシールされる。循環ポンプ170は、多数枚のブレードを備えて冷媒の圧送のために回転する回転翼172を主要部材とし、この回転翼172を、第4ケース205まで延びたモーター駆動軸212に装着固定している。回転翼172がモーター210のモーター駆動軸212に直接装着されていることから、循環ポンプ170は、モーター210と同じ回転数で回転翼172を回転させ、回転するブレードにより冷媒を圧送する。つまり、循環ポンプ170は、この回転翼172の回転により、第4ケース205の冷媒吸入孔174から流れ込んだ冷媒をユニット内流路250に圧送する。こうして送り出された冷媒は、モーター210の外郭となる第3ケース204のユニット内流路250に行き渡ると共に、ユニット内流路250の底面側で第3ケース204のケース外壁204bに設けた冷媒通過孔178から循環経路161(図1参照)を経て燃料電池100に達し、循環経路161を循環する。また、第4ケース205には、孔内壁をテーパ雌ネジとする冷媒導出孔176が形成されている。この冷媒導出孔176は、テーパ雌ネジに螺合するテーパ雄ネジの栓176Sにて、通常は閉鎖され、冷媒交換等の際に、解放される。なお、冷媒導出孔176の形成位置については後述する。
以上説明した第1〜第4の各ケースとケースベース202は、いずれもアルミダイキャスト製であり、既述した各シール部材を介在させてボルトにて一体化されている。よって、電池補機ユニット200は、各ケースにコンプレッサー130等を収容した状態のまま、車両搭載や点検のための取り外しにおいてケースごと取り扱われる。
また、第1〜第4の各ケースとケースベース202を用いてコンプレッサー130やモーター210等を組み込んだ電池補機ユニット200では、モーター210とコンプレッサー130とを、モーター駆動軸212とコンプレッサー130の回転軸131とを向き合わせた上で、伝達機構230を介在させて対向配置させる。しかも、電池補機ユニット200は、循環ポンプ170については、モーター駆動軸212を回転翼172の回転駆動軸として共有することで、モーター駆動軸212からモーター駆動力を循環ポンプ170に直接伝達して、モーター210に循環ポンプ170を近接配置させた。これら配置は、既述したようなケースの接合でなされる。
次に、電池補機ユニット200の車両搭載の様子について説明する。図3は燃料電池搭載車両10への電池補機ユニット200の搭載の様子を車両側方から概略的に示す説明図、図4は燃料電池搭載車両10への電池補機ユニット200の搭載の様子を車両上方から概略的に示す説明図である。
電池補機ユニット200は、燃料電池100への酸素供給と冷媒の循環供給に関与する機器を有するので、供給管路の取り回しの簡便化、および管路の短縮化を図るため、燃料電池100の近くに設置することが望ましい。よって、本実施例では、図3に示すように、燃料電池100に電池補機ユニット200を直接固定することとした。ユニット固定には、電池補機ユニット200のケースから延びた二股の固定脚207を用いることとし、当該脚を、図4に示すように、モーター210の第3ケース204とコンプレッサー130の第1ケース201とから延ばして、燃料電池100の固定用部材、例えばエンドプレート等に図示しないボルトにて固定した。
そして、図3に示すように、車体20の前方に当たるフード20Fの下方領域に、燃料電池100と電池補機ユニット200とを搭載することとした。こうした搭載に当たっては、車体幅方向左右において車両前後に延びる図示しないサイドフレームに掛け渡された図示しないクロスフレームに、電池補機ユニット200を固定済みの燃料電池100を載置固定すればよい。本実施例では、燃料電池100および電池補機ユニット200が、左右の前輪FWの間に位置し、前輪駆動シャフトFWSと干渉しないよう、車両前方側に搭載した。
しかも、燃料電池100については、フード20Fの下方領域の有効利用を図るべく、斜めに傾けて搭載し、電池補機ユニット200については、燃料電池100よりも更に車両前方側に位置させた。その上で、燃料電池100は、電池補機ユニット200と反対側に、コンバーター等の損傷抑制が望まれる基幹部品102を装着させている。こうした搭載姿勢において、電池補機ユニット200は、固定脚207にて斜めに傾いて支えられ、その姿勢において、冷媒導出孔176を、ユニットケースの上方側、即ち図3における車両上下方向における第4ケース205の上方側に位置するようにした。また、電池補機ユニット200は、固定脚207の間に、冷媒通過孔178が形成されたケース外壁204bの一部を延ばすと共に、モーター210の電源供給ケーブルが接続されるケーブル台座209を有する。電池補機ユニット200が図3の姿勢で固定されている場合、冷媒通過孔178およびケーブル台座209は、車両前方側から見て電池補機ユニット200のケース、詳しくはモーター210の外郭をなす第3ケース204に隠れることになる。
この他、本実施例では、図4に示すように、燃料電池100および電池補機ユニット200をトランスミッションTMに並べてフード20Fの下方領域に載置すると共に、電池補機ユニット200については、循環ポンプ170の回転駆動軸でもあるモーター210のモーター駆動軸212とコンプレッサー130の回転軸131を車幅方向に沿って並べた。
以上説明した構成を有する本実施例の燃料電池搭載車両10によれば、次の利点がある。
本実施例の燃料電池搭載車両10では、燃料電池100や空気供給系140、冷却系160等を含む燃料電池システムを車体20に搭載するに当たり、空気供給系140に含まれるコンプレッサー130と、冷却系160に含まれる循環ポンプ170と、この両者の共通の駆動源であるモーター210とを、モーター駆動力をコンプレッサー130に伝達する伝達機構230を含んで、それぞれを第1ケース201等に収容して一体とした電池補機ユニット200として取り扱うようにした(図2参照)。よって、車体20への車体20の組み込み搭載、或いは保守点検や交換等の際の取り外しの際の取扱が簡便となる。
しかも、コンプレッサー130や循環ポンプ170、共通のモーター210および伝達機構230をそれぞれのケースに収容して電池補機ユニット200とするに当たり、モーター210の一方端側にコンプレッサー130を位置させた上で、モーター駆動軸212とコンプレッサー130の回転軸131とが向き合うようにして、モーター210とコンプレッサー130とを伝達機構230を介在させて対向配置させた(図2参照)。コンプレッサー130とモーター210のこうした対向配置を採ることで、伝達機構230の介在に要する分だけしか、モーター210とコンプレッサー130の両者を不用意に離さないようにできる。
この両者の配置のみならず、本実施例の電池補機ユニット200では、循環ポンプ170についても、モーター210の他方端側に配置させた上で、モーター駆動軸212に循環ポンプ170の回転翼172を直接装着することで、循環ポンプ170へのモーター駆動力伝達をモーター駆動軸212から直接行うようにした。よって、図2からも明らかなように、循環ポンプ170とモーター210を近接配置できる。この結果、本実施例の燃料電池搭載車両10によれば、燃料電池100に不可欠なコンプレッサー130や、循環ポンプ170およびモーター210の機器配置的な集約を図った上でこれらを電池補機ユニット200にてユニット化したので、システム小型化を図ることができる。しかも、電池補機ユニット200によるユニット化により、本実施例の燃料電池搭載車両10では、燃料電池100や電池補機ユニット200の搭載性を高めることができると共に、フード20Fの下方領域に占める搭載スペースも小さくできるので、燃料電池100に付属する制御装置やコンバーター等の基幹部品102の搭載スペースも広くなり、その搭載の自由度を高めることができる。
また、コンプレッサー130等を上記したように集約して収容した電池補機ユニット200については、これを固定脚207を介して燃料電池100に固定するようにした(図3参照)。よって、燃料電池100が運転中に発する熱を、固定脚207を経由して電池補機ユニット200の第1ケース201等のケースに伝播できるので、燃料電池100の放熱による冷却ができ、望ましい。しかも、本実施例では、第1ケース201〜第4ケース205の各ケースとケースベース202とをアルミダイキャスト製としたので、固定脚207を経由した燃料電池100の放熱冷却の効率が高まり、燃料電池100の運転維持の観点からも有益となる。
加えて、本実施例の燃料電池搭載車両10では、電池補機ユニット200に上記したように集約して収容したコンプレッサー130と循環ポンプ170とをモーター210にて運転させるに当たり、循環ポンプ170については、モーター210のモーター駆動軸212にてモーター回転で回転翼172を回転駆動し、コンプレッサー130にあっては、伝達機構230を介在させて、回転軸131を回転駆動させた。しかも、コンプレッサー130については、伝達機構230におけるモーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233のギヤ歯列の比で定まる割合でモーター210の回転を加速調整して、回転軸131を回転駆動させた。このため、次の利点がある。
燃料電池100のカソードでは、電気化学反応の進行に伴い水が生成する。このため、この生成水を電池外に持ち出すため、カソードには、発電に必要な空気量を上回る多流量の空気を圧縮して供給される。本実施例で採用したルーツ式或いはスクリュー式の2軸同期運転のコンプレッサー130では、こうした多流量での空気の圧縮供給に対処すべく、例えば20,000rpm程度を上限とする回転数での回転駆動が求められる。その一方、循環ポンプ170については、燃料電池100を含む循環経路161における冷媒循環の維持ができればよいことから、多流量での冷媒供給は必要とされない。
こうしたコンプレッサー130および循環ポンプ170について求められる運転状況(回転状況)の相違と、伝達機構230を介したコンプレッサー130へのモーター駆動力伝達、循環ポンプ170への直接のモーター駆動力伝達を考慮し、本実施例では、循環ポンプ170に冷媒循環を図る上で回転駆動状況、例えば8,000rpm程度を上限とする回転数での回転駆動となるようモーター210を回転駆動することとした。そして、モーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233を加速調整が可能なギヤ比とすることで、コンプレッサー130についても20,000rpm程度を上限とする回転数での回転駆動を図ることとした。つまり、冷媒循環に求められる回転駆動状況が循環ポンプ170にて得られるようにモーター210を回転駆動するだけで、コンプレッサー130についても加速調整を経て、多流量での空気の圧縮供給に求められる回転駆動状況とできる。この結果、モーター210を、比較的高速な回転駆動が求められるコンプレッサー130に合わせて高速回転駆動する必要となるので、モーター能力を不用意に大能力化する必要が無くなり、モーター210の小型化のみならずモーター体格の小型化も可能となるので、システム、具体的には電池補機ユニット200の小型化を図ることができる。また、循環ポンプ170を冷媒循環に求められる回転駆動状況とすれば足りるので、循環ポンプ170の外郭をなす第4ケース205の固定の際のシール性や、ユニット内のユニット内流路250および循環経路161におけるシール性の確保も簡便となり、シールの信頼性を確保できる。
また、コンプレッサー130等を上記したように集約して電池補機ユニット200に収容するに当たり、モーター210の外郭をなす第3ケース204を、内側ケース204aとこれを取り囲むケース外壁204bとで構成して、ケースの間を循環ポンプ170からの冷媒が通過するユニット内流路250とした。このため、モーター210についても、ユニット内流路250を通過する冷媒によりその外部から冷却できる。よって、モーター210の能力維持の実効性を高めることができると共に、モーター外郭をなす第3ケース204における放熱面積確保のための構成の簡略化或いは省略が可能となり、モーター体格の小型化、延いては電池補機ユニット200の小型化を図ることができる。
この他、コンプレッサー130等を上記したように集約して収容した電池補機ユニット200において、ユニット内流路250に冷媒導出孔176を形成し、当該導出孔を通常は栓176Sにて閉塞するようにした。その上で、図3に示すように、燃料電池100と電池補機ユニット200およびこれと反対側の基幹部品102をフード20Fの下方領域に斜めに傾けて搭載した搭載姿勢(以下、傾斜搭載姿勢と称する)において、冷媒導出孔176を、車両上下方向における第4ケース205の上方側に位置するようにした。よって、冷媒注入や冷媒交換に伴って循環経路161或いはユニット内流路250に気泡が混入しても、その混入気泡を、ケース上方の冷媒導出孔176から容易に外部に排出して、できるだけ気泡が存在しない状態で、冷媒を循環供給できる。このため、循環ポンプ170による冷媒の循環供給に際しての残存気泡による圧損を抑制して、安定した冷媒供給を図ることができる。
また、本実施例の燃料電池搭載車両10では、電池補機ユニット200に集約して収容したモーター210の第3ケース204において、循環ポンプ170の集約配置側に環状体218を組み込むと共に、当該環状体形成位置から延びる排水孔219を、傾斜搭載姿勢の電池補機ユニット200において鉛直下方を向くようにした。このため、モーター210に近接配置された循環ポンプ170の側から環状体218にまで水が浸入しても、その水を、環状体218にて保水した後に、排水孔219から第3ケース204の外部に水の自重により容易に排出できる。よって、水の浸入によるモーター210の損傷回避、延いては駆動不良を抑制できる。
加えて、本実施例の燃料電池搭載車両10では、燃料電池100や電池補機ユニット200をフード20Fの下方領域に搭載するに当たり、傾斜搭載姿勢の電池補機ユニット200については、燃料電池100よりも更に車両前方側に位置させた。このため、電池補機ユニット200と反対側の燃料電池100の側を広くできるので、フード20Fの下方領域の有効利用を図ることができ、損傷抑制が望まれる基幹部品102の搭載性が高まる。
また、本実施例の燃料電池搭載車両10では、電池補機ユニット200と燃料電池100をフード20Fの下方領域に搭載するに当たり、車両前方側にモーター210の外郭をなす第3ケース204が位置するようにした(図3〜4参照)。個のため、仮に燃料電池搭載車両10がその前方側で衝突したとすると、その衝撃荷重を車両前方側に位置する高剛性のモーター210にて受けることができるので、電池補機ユニット200におけるモーター以外の部品は元より、燃料電池100や基幹部品102等の他の部品の損傷を抑制できる。
また、本実施例の燃料電池搭載車両10では、電池補機ユニット200と燃料電池100をフード20Fの下方領域に搭載するに当たり、電池補機ユニット200の固定に用いる固定脚207の間に、冷媒通過孔178や電源供給ケーブル接続用のケーブル台座209を設け、その上で、車両前方側から見て電池補機ユニット200、詳しくはモーター210の外郭をなす第3ケース204に冷媒通過孔178やケーブル台座209が隠れるようにした。このため、仮に燃料電池搭載車両10がその前方側で衝突したとしても、高剛性のモーター210がその衝撃荷重を受けることと相まって、冷媒通過孔178やケーブル台座209の損傷を抑制でき、冷媒漏洩やケーブル接続部損傷を回避もしくは抑制できる。
次に、他の実施例について説明する。この第2実施例では、電池補機ユニットにおけるコンプレッサー130とモーター210の対向配置関係は同じであるものの、循環ポンプ170をコンプレッサー130の側に並べて設けて、モーター駆動力を伝達するようにした点に特徴がある。図5は第2実施例の電池補機ユニット200Aを断面視してその内部構成を概略的に示す説明図、図6は図5を6−6線で断面視して概略的にその構成を示す概略断面図、図7は図5を7−7線で断面視して概略的にその構成を示す概略断面図、図8は図5を8−8線で断面視して概略的にその構成を示す概略断面図、図9は図5を9−9線で断面視して概略的にその構成を示す概略断面図ある。なお、以下の説明に当たっては、既述した電池補機ユニット200と同一の機能を果たす部材についてはその説明を省略し、電池補機ユニット200の説明で用いた符号を用いることとする。
図5に示すように、この電池補機ユニット200Aにあっても、既述した電池補機ユニット200と同様、コンプレッサー130Aと、循環ポンプ170Aと、モーター210Aと、モーター駆動力の伝達機構230Aとをケース内に収容して備える。ユニットケースは、各パーツに対応して区画されているが、この実施例では、コンプレッサー130Aと循環ポンプ170Aを並べて配置して、これを第1ケース201とケースベース202に収容し、第2ケース203に伝達機構230Aを収容し、第3ケース204にモーター210Aを収容し、ケースで上記の各パーツの外郭をなす。
コンプレッサー130Aにあっても、図6〜図8に示すように、二つの回転軸131を並んで備えたルーツ式或いはスクリュー式の2軸同期運転の構成とされ、それぞれの回転軸131を両端で軸支する。この実施例では、循環ポンプ170Aとコンプレッサー130Aを、それぞれの回転軸が並ぶように並列配置する。こうした配置に対処すべく、第1ケース201は、コンプレッサー収容室201bと、循環ポンプ170Aの流路構成部材であるインタークーラー収納室201cとを備え、両収納室を連通孔201dで繋ぎ、インタークーラー収納室201cの外壁には通気孔139を備える。吸入孔137(図5参照)から吸入された空気は、コンプレッサー収容室201bにてコンプレッサー130Aにて圧縮された後、連通孔201dを経てインタークーラー収納室201cに入り込み、通気孔139から酸素供給経路141(図1参照)を経て燃料電池100のカソードに供給される。圧縮された空気は、通過面積が絞られた連通孔201dを通過した後、当該連通孔より拡張したインタークーラー収納室201cに入り込むので、空気通過時の脈動を抑制して、圧縮空気を酸素供給経路141に供給できる。また、通気孔139は、インタークーラー収納室201cにおいてその長手方向で連通孔201dと離れているので、上記した脈動抑制の実効性が高まる。
図5および図7に示すように、ケースベース202は、循環ポンプ170Aの回転翼172を組み込むポンプ室180を、第1ケース201のインタークーラー収納室201cに繋がるよう備え、その反対側に同期ギヤ231のギヤ収納室202aを備える。コンプレッサー収容室201bに収容されて隣り合うコンプレッサー130Aは、ギヤ収納室202aにおいて同一の同期ギヤ231を噛み合わせ、循環ポンプ170Aは、ポンプ回転軸171をポンプ室180に組み込まれた回転翼172から第2ケース203のギヤ収納室203aまで突出させている。ケースベース202は、このポンプ回転軸171をベアリング132で軸支すると共に、二つのモーターシール部材216でシールした上で、環状体218と排水孔219により既述した水排出を図っている。また、ケースベース202は、コンプレッサー130Aの二つの回転軸131についても、これをベアリング132で軸支し、第1シール部材133でシールを図る。第1ケース201とケースベース202は、既述したようにアルミダイキャスト製であり、機械加工を経てベアリング132や、第1シール部材133、モーターシール部材216等の収納孔を備える。つまり、ケースベース202での加工精度を確保すれば、回転軸131やポンプ回転軸171の回転軸支は達成できるので、組み付け工程での精度確保が容易となる。
コンプレッサー収容室201bに収容されて隣り合うコンプレッサー130Aの一方(図5に示すコンプレッサー130A)は、図7においては左方に位置し、当該コンプレッサー130Aは、ギヤ収納室202aまでしか回転軸131を延ばしていない。他方のコンプレッサー130A、即ち図7における右方のコンプレッサー130Aは、回転軸131を第2ケース203のギヤ収納室203aまで突出させ、当該ギヤ収納室内で従動ギヤ233を備える(図5、図8参照)。
循環ポンプ170Aは、インタークーラーパーツ190を第1ケース201のインタークーラー収納室201cに収容して備える。インタークーラーパーツ190は、先端側筒状体191の側で、第1ケース201に設置された硬質ゴム製のパッキン192とその外側の保持リング193でシール保持され、基部側においてはインタークーラー収納室201cの内壁で保持される。また、このインタークーラーパーツ190は、カバープレート194により、第1ケース201の端面に固定されている。つまり、インタークーラーパーツ190はいわゆる両持ち保持されて固定されていることから、冷媒の浸入に伴う不用意な振れが抑制されることになる。この場合、インタークーラーパーツ190を先端側が小径のテーパー形状とし、パッキン192の貫通孔をテーパー状の孔とすれば、保持シール性が高まり好ましい。インタークーラーパーツ190に流入した冷媒は、当該パーツ内の流路を通過した後に先端側筒状体191からケースベース202のポンプ室180に入り込む。ポンプ室180から第3ケース204のユニット内流路250までは、後述の冷媒連通路177が延びているので、ポンプ室180に入り込んだ冷媒は、回転翼172の回転によりユニット内流路250に圧送される。
この実施例の電池補機ユニット200Aにあっても、第1ケース201の反対側でケースベース202に接合する第2ケース203のギヤ収納室203aに伝達機構230Aを収容する。伝達機構230Aでは、図5と図8に示すように、モーター210Aのモーターの駆動力をコンプレッサー130Aに伝達するモーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233の他、ポンプ側従動ギヤ173とを有し、コンプレッサー130Aの同期ギヤ231については、ケースベース202のギヤ収納室202aに収容させる。つまり、ケースベース202では、ポンプ室180やポンプ回転軸171の軸支構成が必要なため、ケースベース202の厚み方向の有効利用(ギヤ収納室202aの形成・同期ギヤ231の収容)を図ることで、第2ケース203を薄肉化し、その分の省スペース化を図っている。
伝達機構230Aは、上記したギヤ構成を有することから、モーター駆動軸212の回転を、モーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233の噛み合いにより、従動ギヤ233を有する回転軸131に伝達する。この際は、電池補機ユニット200において既述したように定まる加速調整を経て、二つのコンプレッサー130Aにモーター駆動軸212の回転が伝達される。また、伝達機構230Aは、循環ポンプ170Aについても、モーター駆動軸212の回転を、モーター駆動ギヤ232とポンプ側従動ギヤ173の噛み合いにより、ポンプ回転軸171に伝達する。これにより、循環ポンプ170Aは、回転翼172を回転させて冷媒を圧送する。この実施例でも、モーター210Aの回転数は、循環ポンプ170Aに望まれる冷媒圧送状況に適合したものとされている。
第2ケース203は、既述したようにモーター駆動ギヤ232と従動ギヤ233およびポンプ側従動ギヤ173を収容する都合から、その外郭形状を、図8に示すように、モーター収容用の第3ケース204の一部の外郭と、ケースベース202の一部の外郭を繋げた形状とする。そして、この第2ケース203は、図8に示すようにケースベース202を下にして重なった状態において、冷媒連通路177をケースベース202から連続するように備える。
第3ケース204は、第2ケース203の側で開口し他方側で閉塞した中空形状の内側ケース204aとこれを取り囲むケース外壁204bとを有し、このケース外壁204bにてモーター210Aの外郭をなす。この第3ケース204は、内側ケース204aとケース外壁204bの間を図1にて示したユニット内流路250とすると共に、第2ケース203と接合してモーター210Aを内側ケース204aに収容する。モーター210Aは、回転子213を有するモーター駆動軸212を、第2ケース203に組み込んだベアリング214と第3ケース204の閉塞壁204cに組み込んだベアリング215にて、両端で軸支する。モーター駆動軸212は、一端側が第2ケース203のギヤ収納室203aにまで延び、当該収納室で、モーター駆動ギヤ232と固定されている。モーター210Aは、既述したモーター210とその構成において変わるものではないので、説明は省略する。
モーター210Aを収容する第3ケース204は、モーター外郭をなした上で、図9に示すように、第2ケース203を下にして重なり、この状態において、冷媒連通路177をケースベース202および第2ケース203から連続するように備える。この場合、第3ケース204は、ユニット内流路250を内側ケース204aに沿って図における下端側で離れた円弧状軌跡で備え、冷媒連通路177をこのユニット内流路250の一端側底部に備え、ユニット内流路250の他端側には、冷媒流出用の冷媒通過孔178を有する。この冷媒通過孔178は、図9における紙面手前側に位置し、図5では閉塞壁204cに形成されている。また、第3ケース204は、ケース外壁204bの段差部にケーブル台座209を備え、当該台座より奥側のケース内部を、ケーブル引き回し領域とする。なお、この電池補機ユニット200Aにあっても、第1〜第3の各ケースとケースベース202は、いずれもアルミダイキャスト製であり、シール部材介在の上でのボルト固定により一体化されている。
また、電池補機ユニット200Aにあっても、第1〜第3の各ケースとケースベース202を用いたコンプレッサー130Aやモーター210A等の組み込み、および、モーター駆動軸212とコンプレッサー130Aの回転軸131とを向き合わせた上でのモーター210Aとコンプレッサー130Aの対向配置、この際の伝達機構230Aの介在等にあっては、電池補機ユニット200と同様である。そして、この電池補機ユニット200Aでは、循環ポンプ170Aについては、コンプレッサー130Aの収容用の第1ケース201に、回転軸131とポンプ回転軸171とが並ぶようにして収容した上で、ポンプ側従動ギヤ173とモーター駆動ギヤ232の噛み合わせにより、モーター駆動力を循環ポンプ170Aに伝達する。これら配置は、既述したようなケースの接合でなされる。
次に、電池補機ユニット200の車両搭載の様子について説明する。図10は図3相当図であり電池補機ユニット200Aの搭載の様子を車両側方から概略的に示す説明図、図11は図4相当図であり電池補機ユニット200Aの搭載の様子を車両上方から概略的に示す説明図である。
図示するように、この実施例の電池補機ユニット200Aにあっても、燃料電池100に固定脚207を介して直接固定した上で、車体20の前方に当たるフード20Fの下方領域に、燃料電池100と共に傾斜搭載姿勢で燃料電池搭載車両10Aに搭載して、フード20Fの下方領域の有効利用を図った。また、燃料電池100よりも車両前方側に電池補機ユニット200Aを位置させた上で、電池補機ユニット200と反対側に基幹部品102を装着させた。こうした搭載姿勢における冷媒導出孔176のユニットケース上方配置、冷媒通過孔178およびケーブル台座209の配置等も、既述した電池補機ユニット200と同様である。
以上説明した構成を有する電池補機ユニット200Aにあっても、モーター210Aとコンプレッサー130Aの対向配置等の構成で電池補機ユニット200と共通することから、既述した効果を奏することができる。そして、電池補機ユニット200Aでは、循環ポンプ170Aを、コンプレッサー130Aの収容用の第1ケース201とケースベース202とに収容して、電池補機ユニット200における循環ポンプ170の収容用の第4ケース205を省略した。しかも、循環ポンプ170Aへのモーター駆動力伝達については、伝達機構230Aにおいて、コンプレッサー130Aへの動力伝達用の従動ギヤ233の噛み合わせ対象であるモーター駆動ギヤ232に、ポンプ側従動ギヤ173を噛み合わせた。これらの結果、電池補機ユニット200Aにおいては、向かい合う回転軸131とモーター駆動軸212の軸方向のユニット寸法を短寸化でき、ユニットの小型化を図ることができる。
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、コンプレッサー130とモーター210とを対向配置等した電池補機ユニット200を燃料電池100とともに車両に搭載する場合を例に挙げ説明したが、燃料電池100とガス供給用のコンプレッサーおよび電池冷却用の循環ポンプに加えてモーターを有する発電施設についても適用できる。この他、ガス供給と冷却が必要とするガス消費機器を含むシステムについても適用できる。
10〜10A…燃料電池搭載車両
20…車体
20F…フード
40…燃料電池システム
100…燃料電池
102…基幹部品
110…水素ガスタンク
120…水素ガス供給系
121…水素供給経路
122…循環経路
123…流量調整バルブ
124…循環ポンプ
125…排出管路
126…開閉バルブ
130〜130A…コンプレッサー
131…回転軸
132…ベアリング
133…第1シール部材
134…第2シール部材
135…回転部材
137…吸入孔
138…貫通孔
139…通気孔
140…空気供給系
141…酸素供給経路
142…放出経路
143…排出流量調整バルブ
144…エアクリーナー
150…ラジエター
152…ファン
160…冷却系
161…循環経路
162…バイパス経路
163…三方流量調整弁
170〜170A…循環ポンプ
171…ポンプ回転軸
172…回転翼
173…ポンプ側従動ギヤ
174…冷媒吸入孔
176…冷媒導出孔
176S…栓
177…冷媒連通路
178…冷媒通過孔
180…ポンプ室
190…インタークーラーパーツ
191…先端側筒状体
192…パッキン
193…保持リング
194…カバープレート
200〜200A…電池補機ユニット
201…第1ケース
201a…内部支持壁
201b…コンプレッサー収容室
201c…インタークーラー収納室
201d…連通孔
202…ケースベース
202a…ギヤ収納室
203…第2ケース
203a…ギヤ収納室
204…第3ケース
204a…内側ケース
204b…ケース外壁
204c…閉塞壁
205…第4ケース
207…固定脚
209…ケーブル台座
210〜210A…モーター
212…モーター駆動軸
213…回転子
214〜215…ベアリング
216…モーターシール部材
217…誘導コイル
218…環状体
219…排水孔
220…第3シール部材
230〜230A…伝達機構
231…同期ギヤ
232…モーター駆動ギヤ
233…従動ギヤ
250…ユニット内流路
300…制御装置
310…アクセル
TM…トランスミッション
FW…前輪
FWS…前輪駆動シャフト
20…車体
20F…フード
40…燃料電池システム
100…燃料電池
102…基幹部品
110…水素ガスタンク
120…水素ガス供給系
121…水素供給経路
122…循環経路
123…流量調整バルブ
124…循環ポンプ
125…排出管路
126…開閉バルブ
130〜130A…コンプレッサー
131…回転軸
132…ベアリング
133…第1シール部材
134…第2シール部材
135…回転部材
137…吸入孔
138…貫通孔
139…通気孔
140…空気供給系
141…酸素供給経路
142…放出経路
143…排出流量調整バルブ
144…エアクリーナー
150…ラジエター
152…ファン
160…冷却系
161…循環経路
162…バイパス経路
163…三方流量調整弁
170〜170A…循環ポンプ
171…ポンプ回転軸
172…回転翼
173…ポンプ側従動ギヤ
174…冷媒吸入孔
176…冷媒導出孔
176S…栓
177…冷媒連通路
178…冷媒通過孔
180…ポンプ室
190…インタークーラーパーツ
191…先端側筒状体
192…パッキン
193…保持リング
194…カバープレート
200〜200A…電池補機ユニット
201…第1ケース
201a…内部支持壁
201b…コンプレッサー収容室
201c…インタークーラー収納室
201d…連通孔
202…ケースベース
202a…ギヤ収納室
203…第2ケース
203a…ギヤ収納室
204…第3ケース
204a…内側ケース
204b…ケース外壁
204c…閉塞壁
205…第4ケース
207…固定脚
209…ケーブル台座
210〜210A…モーター
212…モーター駆動軸
213…回転子
214〜215…ベアリング
216…モーターシール部材
217…誘導コイル
218…環状体
219…排水孔
220…第3シール部材
230〜230A…伝達機構
231…同期ギヤ
232…モーター駆動ギヤ
233…従動ギヤ
250…ユニット内流路
300…制御装置
310…アクセル
TM…トランスミッション
FW…前輪
FWS…前輪駆動シャフト
Claims (7)
- ガス消費機器にガスを供給するガス供給系と、前記ガス消費機器を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記ガス消費機器の冷却を図る冷却系とを有するガス消費システムであって、
前記ガス供給系に含まれ、ガスの供給ために回転駆動する回転駆動部材を有するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する回転駆動部材を有する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置すると共に、
前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達し、
前記伝達機構は、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器をガス供給に求められる回転駆動状況とする
ガス消費システム。 - 供給を受けた燃料ガスと酸素含有の酸化ガスを消費しつつ発電する燃料電池と、それぞれのガスの供給系と、燃料電池を冷媒通過経路として冷媒を循環させ前記冷媒により前記燃料電池の冷却を図る冷却系とを有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスの供給系である酸化ガス供給系に含まれ、前記酸化ガスの供給のために回転駆動する回転駆動部材を有するガス供給機器と、
前記冷却系に含まれ、冷媒循環のために回転駆動する回転駆動部材を有する冷媒供給機器と、
前記ガス供給機器および前記冷媒供給機器の共通の駆動源となるモーターとを備え、
該モーターの駆動力を前記ガス供給機器に伝達する伝達機構を介在させて、前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記モーターのモーター駆動軸が前記ガス供給機器の前記回転駆動部材と向き合うように対向配置させ、
モーター駆動力を前記モーターのモーター駆動軸から直接もしくは前記伝達機構を介して前記冷媒供給機器に伝達するように、前記冷媒供給機器を配置すると共に、
前記冷媒供給機器が冷媒循環に求められる回転駆動状況となるよう前記モーターを回転駆動して、前記モーター駆動力を前記冷媒供給機器に伝達し、
前記伝達機構は、前記モーターの回転数の加速調整を経て、前記ガス供給機器を酸化ガス供給に求められる回転駆動状況とする
燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
更に、脚を有するケースを備え、
該ケースに、前記伝達機構を介在させて対向配置する前記モーターと前記ガス供給機器とを、前記冷媒供給機器と共に収容し、
前記ケースを前記脚を介して前記燃料電池に固定した、燃料電池システム。 - 前記モーターを取り囲む前記ケースのモーター包囲周壁に、前記冷媒供給機器を通過する冷媒のケース内流路を有する、請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記ケース内流路に栓止めされた冷媒導出孔を形成し、該冷媒導出孔は、前記ケースがその固定箇所に固定された状況において、ケース上方側に位置する請求項4に記載の燃料電池システム。
- 車両であって、
請求項2ないし請求項5のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載するに当たり、前記モーターのモーター駆動軸と前記冷媒供給機器の回転駆動軸および前記ガス供給機器の回転駆動軸を車幅方向に沿って並べた上で、前記燃料電池と前記モーターと前記冷媒供給機器および前記ガス供給機器を車両のフードの下のフード下方領域に搭載する、車両。 - 前記フード下方領域において、車両前方側を前記モーターの外郭が占めるよう前記燃料電池システムを搭載した請求項6に記載の車両。
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PCT/JP2010/003711 WO2011151863A1 (ja) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | ガス消費システムと燃料電池システムおよび車両 |
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