(57)【要約】【課題】燃料電池システムの配管経路を簡素化する。【解決手段】水素と酸素と用いて発電するとともに、発電時に生成された純水を排出する燃料電池５０と、駆動用モータを含む少なくとも２つのモータ２、３とを備えた燃料電池車両において、前記燃料電池から排出された純水を燃料電池５０に戻す配管経路を備え、この配管経路に前記複数のモータを純水の流れ方向に沿って直列に配置し、それぞれのモータ内に純水を供給してモータ内に収装されたロータ２ａ、３ａ及びステータ２ｂ、３ｂを冷却する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素と用いて発電するとともに、発電時に生成された純水を排出する燃料電池と、
駆動用モータを含む少なくとも２つのモータとを備えた燃料電池車両において、
前記燃料電池から排出された純水を燃料電池に戻す配管経路を備え、この配管経路に前記複数のモータを純水の流れ方向に沿って直列に配置し、それぞれのモータ内に純水を供給してモータ内に収装されたロータ及びステータを冷却することを特徴とする燃料電池車両用モータの冷却システム。
【請求項２】
前記配管経路に純水の流れを制御する制御弁を備え、制御弁の開閉を制御することにより、前記複数のモータに純水を供給する経路が切り換えられて、前記複数のモータの冷却の順序が変更されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用モータの冷却システム。
【請求項３】
前記モータのうち少なくとも一つは、純水の流れを促進する羽根をロータに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両用モータの冷却システム。
【請求項４】
前記モータの下流に熱交換器を設置し、純水の温度を所定温度に低下後に前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池車両用モータの冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両用モータの冷却システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池車両用モータの冷却に関する従来技術として、モータのステータとロータとを気液二相冷媒により冷却する技術がある（特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３３６９６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池システムにおいては、液相の冷媒としてモータを冷却するＬＬＣの冷媒系統と、燃料電池の冷却のための純水及びから燃料電池排出される純水の冷媒系統の２系統をシステム中に設置する必要があり、配管経路が複雑になり、配管レイアウトの自由度が制限されるという問題がある。
【０００５】
また、燃料電池システムには車両駆動用モータと燃料電池に空気を供給するコンプレッサ用のモータが設置されており、それぞれを冷却する必要がある。燃料電池車両がアイドル停止時には、駆動用モータは停止しているがコンプレッサ用モータは運転を継続し、フル加速時や登坂時には駆動用モータ、コンプレッサ用モータとも最大出力で運転するなど、車両の運転状態や燃料電池の要求負荷に応じて駆動用モータ、コンプレッサ用モータの負荷は常に変化しており、要求される冷却条件も異なる。しかしながら冷媒の冷却系統は、駆動用モータとコンプレッサ用モータとに共通する一つの冷却系統しかなく、それぞれのモータの負荷状態に応じて最適な冷却条件とすることができず、過冷却や冷却不足が生じ熱効率が悪化するという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明は、このような課題を鑑みて、モータの冷媒に燃料電池で生じた純水を用いることにより冷却系統を簡素化しつつ、各モータに要求される冷却条件を提供できる燃料電池車両用モータの冷却システムを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池から排出された純水を燃料電池に戻す配管経路を備え、この配管経路に複数のモータを純水の流れ方向に沿って直列に配置し、それぞれのモータ内に純水を供給してモータ内に収装されたロータ及びステータを冷却する。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池車両に設置されたモータを燃料電池から排出された純水により冷却でき、モータを冷却する冷媒の流通する配管経路を簡素化することができる。このため配管レイアウトの自由度が向上し、配管のコスト低減や重量低減を図ることができる。燃料電池から排出された純水によりモータの温度制御することができ、またモータ内に収装されたステータとロータは純水と直接熱交換することができるため、熱交換の効率を高くできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池用モータの詳細構成を説明するための断面図である。このモータの構成は、一つのハウジング１の中に二つの第１、第２モータ２、３の構成を配置した構成である。
【００１０】
その内部に空間を備えた円筒形のハウジング１内に、例えば燃料電池で発電時に生成された純水が供給される。ハウジング１内には、同軸上に第１モータ２の第１ロータ２ａと第１ステータ２ｂ、及び第２モータ３の第２ロータ３ａと第２ステータ３ｂとが設置される。
【００１１】
第２ロータ３ａはハウジング１の一方の平面１ａに回転自在に支持され、第２出力軸５に接続する。また、第１ステータ２ｂは第１ロータ２ａの内側に配置され、その一端はハウジング１の他方の平面１ｂに固定され、他端側は第１ロータ２ａに回転自在に支持される。
【００１２】
第１ステータ２ｂの内側には第２ステータ３ｂが配置され、その一端は平面１ｂに固定され、他端は第１ロータ２ａに回転自在に支持される。さらに第２ロータ３ｂの内側には第２出力軸５が、第２ステータ３ｂと平面１ｂに回転自在に支持され、第２出力軸５は外部に接続される。第２出力軸５の外周には第２ロータ３ａが同軸に固定される。第１ロータ２ａの外周部に充填された純水を第１ステータ２ｂと第２ステータ３ｂとの間に供給するための配管１ｄが設置され、かつ第２ロータ３ｂには半径方向に貫通する貫通孔７が形成されることにより、純水は第１ステータ２ｂと第２ステータ３ｂとの間から貫通孔７を通って第２ステータ３ｂの内側、及び第２ロータ３ａの周囲に供給される。第２ロータ３ａ周辺に供給された純水は平面１ｂに設けられた配管１ｅから外部に排出される。
【００１３】
このようにして、燃料電池から排出された純水は、ハウジング１の配管１ｃからハウジング内に流入して、まず第１モータ２の第１ロータ２ａと第１ステータ２ｂと熱交換してこれらを冷却し、次に第２モータ３の第２ロータ２ａと第２ステータ２ｂとを冷却する。
【００１４】
図２は図１で説明したモータを燃料電池システムに適用した構成図である。燃料電池５０から排出された冷媒としての純水は、燃料電池５０の純水出口とハウジング１の配管１ｃとを接続する配管５１を通じてハウジング１内に供給される。配管５１にはポンプ５２が設置され、またインバータ等の熱負荷５３が設置されてもよい。モータから排出された純水はハウジング１の配管１ｅと燃料電池５０とを接続する配管５４を通じて燃料電池５０に戻される。配管５４の途中には、熱交換器５５が設置され、第１、第２モータ２、３との熱交換により昇温した純水の熱を奪い、純水の温度を低下させて燃料電池５０の供給され、燃料電池５０の冷却に用いられる。
【００１５】
このように、冷媒としての純水が直列的に配置された燃料電池５０と、ハウジング１内の第１モータ２及び第２モータ３と、熱交換器５５とを流れ、これらの構成と各構成を接続する配管は１本の閉じた冷媒流路として構成される。
【００１６】
これにより第１、第２モータ２、３を燃料電池から排出された純水により冷却でき、モータを冷却する冷媒の流通する配管経路１つとして簡素化することができる。このため配管レイアウトの自由度が向上し、配管のコスト低減や重量低減を図ることができる。燃料電池５０から排出された純水によりモータの温度制御することができ、モータ内に収装された第１、第２モータ２、３のそれぞれのステータとロータは純水と直接熱交換することができるため、熱交換の効率が高い。また、システム中に熱交換器５５を設置したことにより、モータ等の熱を奪って昇温した純水の温度を低下させて、燃料電池５０に供給し、燃料電池５０を所定温度に維持することができる。
【００１７】
図３に示す第２の実施形態は、第１の実施形態の第１モータ２と第２モータ３とを別体とした構成である。
【００１８】
第３モータ１０の円筒形のハウジング１１の内部には第３ロータ１０ａと第３ステータ１０ｂが同軸上に設置される。第３ロータ１０ａは、ハウジング１１の一方の平面部１１ａに回転自在に支持され、外部の第１出力軸４に接続する。第３ロータ１０ａの内部に位置する第３ステータ１０ｂは他方の平面部１１ｂに固定される。
【００１９】
第４モータ１２のハウジング１３内にも同様に第４ロータ１２ａと第４ステータ１２ｂが同軸上に設置される。第４ステータ１２ｂが、ハウジング１３の外周壁に固定され、第４ステータ１２ｂの内側に設置される第４ロータ１２ａは第２出力軸５に固定される。第２出力軸５は、ハウジング１３に回転自在に支持される。
【００２０】
第３モータ１０のハウジング１１には、ハウジング１１内に純水を供給する配管１１ｃとハウジング内の純水を外部に排出する配管１１ｄとが設置され、また第４モータ１２のハウジング１３にも、ハウジング１３内に純水を供給するための配管１３ｃとハウジング１３内の純水を外部に排出するための配管１３ｄが設置され、第３モータ１０の配管１１ｄと第４モータ１２の配管１３ｃとが接続する。
【００２１】
図４は、本実施形態のモータの構成を燃料電池システムに適用した構成図である。モータの構成を除き、図２に示す第１の実施形態で説明した燃料電池システムの構成と同様であり、配管１１ｃは熱負荷５３に接続し、配管１３ｄは熱交換器５５に接続し、第３モータ１０から排出された純水は第４モータ１２に導入される。
【００２２】
このように第２の実施形態の構成であっても、冷媒としての純水が直列的に配置された燃料電池５０と、第３モータ１０及び第４モータ１２と、熱交換器５５とを流れ、これらの構成と各構成を接続する配管は１本の閉じた冷媒流路として構成される。したがって、第１の実施形態と同様に効果を生じることができる。
【００２３】
図５は、冷媒流路の他の実施形態を示す構成であり、第１の実施形態のハウジング１に純水が流入、流出するための配管経路に特徴を備えた第３の実施形態である。具体的に第１の実施形態の純水の配管を基にして説明すると、熱負荷５３とハウジング１の配管１ｃとを接続する配管５１の分岐点５６で分岐してハウジング１の配管１ｅに接続する配管５７が設けられる。また配管５１の途中の分岐点５６より上流側に位置する分岐点５８で分岐してハウジング１の配管１ｄに接続する配管５９が設けられる。更に配管５９と配管１ｄとの分岐点６０の配管１ｄの上流側から分岐する配管６１がハウジング１の配管１ｅと熱交換器５５とを接続する配管５４に接続する。
【００２４】
また、分岐点５６と５８の間の配管５１の熱負荷５３の上流側に第１制御弁７１を設置し、配管５７に第２制御弁７２を設置し、配管５９に第３制御弁７３を設置し、配管６１に第４制御弁７４を、配管１ｄと配管６１の分岐点の下流に第５制御弁７５を設置する。さらに配管５４に第６制御弁７６を設置する。これら制御弁７１から制御弁７６は図示しないコントローラによりその開度を制御される。
【００２５】
このように構成され、コントローラの指令により、第１、第５、第６制御弁７１、７５、７６を開き、第２、第３、第４制御弁７２、７３、７４を閉じた状態について説明すると、この制御弁の開閉状態は図２に示す純水の流れと同じ状態となり、純水は第１モータ２から第２モータ３へと流通する。
【００２６】
図６は、第３の実施形態の制御弁の開閉状態を変更したものであり、第１、第５、第６制御弁７１、７５、７６を閉じて、第２、第３、第４制御弁７２、７３、７４を開いた状態である。このような制御弁の開閉状態で純水の流れは、ポンプ５２から配管５９に流れ、配管１ｄを経由してハウジング１内の第２モータ３に純水が供給される。そしてハウジング１の配管１ｅから排出された純水は、配管５７を通過してハウジング１の配管１ｃから第１モータ２内に供給される。その後，純水は配管６１及び配管５４を通過して熱交換器５５に供給される。
【００２７】
この制御弁の開閉状態では、純水はまず第２モータ３のロータ３ａとステータ３ｂの冷却に用いられ、その後、第１モータ２のロータ２ａとステータ２ｂの冷却に使用される。
【００２８】
このように第３の実施形態では、制御弁の開閉状態を制御することにより、冷媒の流れる経路を切り替えて、第１、第２モータ２、３の冷却順序を切り換えることができるため、モータの運転状態に応じて冷却順序を設定することで、効率良くモータを冷却することができる。
【００２９】
具体的に第１モータ２を駆動用モータ、第２モータ３をコンプレッサ用モータとして使用しているとすると、燃料電池車両においては、アイドリング時であれば、駆動用モータは停止し、コンプレッサ用モータのみ動作している状態であるので、加熱したコンプレッサ用モータを先に冷却すると効率がよい。つまり、第２モータ３、第１モータ２の順に冷却を行うことが必要である。
【００３０】
また、フル加速時であれば、駆動用モータ・コンプレッサ用モータともに発熱しているが、駆動用モータの方がより発熱しているので駆動用モータを先に冷却すると効率がよい。つまり、第１モータ２、第２モータ３の順に冷却を行うことが必要である。
【００３１】
このように、燃料電池車両の走行状況に起因する第１モータ２と第２モータ３の各モータの発熱状況に応じて、冷却順序を切り換えることで効率のよい冷却を行うことができる。
【００３２】
図７は、図４に示した第２の実施形態の冷媒流路を変更した第４の実施形態である。ここで、図４に示すハウジング１１の配管１１ｃと燃料電池５０とを接続する配管を８０とし、ハウジング１３の配管１３ｄと熱交換器５５とを接続する配管を８１とする。
【００３３】
熱負荷５３の下流の配管８０の分岐点８３で分岐してハウジング３の配管１３ｃに接続する配管８４と、分岐点８３の下流の配管８０の分岐点８５で分岐して配管８１に接続する配管８６と、配管１１ｄから分岐して配管８１と配管８６の合流点８７の下流の配管８１に接続する配管８８とを設ける。配管８１と配管８８の合流点を８９とする。
【００３４】
そして、分岐点８３と分岐点８５の間の配管８０に第７制御弁９０を設置し、分岐点８７と分岐点８９の間の配管８６に第８制御弁９１を、分岐点８５と分岐点８７の間の配管８６に第９制御弁９２を、また配管８４に第１０制御弁９３を、配管１１ｄと配管１３ｃの間に第１１制御弁９４を、さらに配管８８に第１２制御弁９５を設置し、これら制御弁は図示しないコントローラによりその開度を制御される。
【００３５】
たとえばこれら制御弁の開閉状態を、図７に示すように第７、第８および第１１制御弁９０、９１、９４を開状態として、第９、第１０及び第１２制御弁９２、９３、９５を閉状態に制御すると、ポンプ５２から吐出した純水は熱負荷５３を通過して第３モータ１０に流入して、第３モータ１０のロータ１０ａ、ステータ１０ｂと熱交換してこれらを冷却し、続いて第４モータ１２に流入して第４モータ１２のロータ１２ａ、ステータ１２ｂを冷却する。冷却後、純水は熱交換器５５に送られて放熱し、燃料電池５０の供給される。
【００３６】
図８は別の制御弁の開閉状態を示しており、開閉状態を第７、第８および第１１制御弁９０、９１、９４は閉状態として、第９、第１０及び第１２制御弁９２、９３、９５は開状態に制御したものである。この制御弁の開閉状態では、純水はまず、配管８４を通って第４モータ１２内に流入して第４モータ１２のロータ１２ａ、ステータ１２ｂを冷却する。その後配管８１と配管８６を通過して第３モータ１０内に流入して第３モータ１０のロータ１０ａ、ステータ１０ｂを冷却し、冷却後配管８８を通過して熱交換器５５に排出される。
【００３７】
このような配管及び制御弁の構成とすることにより、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
図９、図１０は、図１に示した第１の実施形態の第１モータ２のロータ２ａにスクリュー状の羽根１００を設けた第５の実施形態としてのモータの構成および燃料電池システム図である。この羽根１００の回転によりハウジング１内の純水は下流方向への流れが促進され、別置されたポンプ５２を廃止または要求性能を低下することができる。したがって、システムの小型化や低コスト化を図ることができる。
【００３９】
図１１、図１２は、図３に示した第２の実施形態の第３モータ１０のロータ１０ａにスクリュー状の羽根１０１を設けた第６の実施形態としてのモータの構成および燃料電池システム図である。この羽根１０１の回転によりハウジング１１内の純水は下流方向への流れが促進され、別置されたポンプ５２を廃止または要求性能を低下することができる。これにより、システムの小型化や低コスト化を図ることができる。
【００４０】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータの詳細構成図である。
【図２】図１のモータを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図３】第２の実施形態のモータの詳細構成図である。
【図４】図３のモータを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図５】第３の実施形態としての図１のモータを適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【図６】同じく第３の実施形態としての図１のモータを適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【図７】第４の実施形態としての図３のモータを適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【図８】同じく第４の実施形態としての図３のモータを適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【図９】第５の実施形態のモータの詳細構成図である。
【図１０】図９のモータを適用した燃料電池システムの構成図である。
【図１１】第６の実施形態のモータの詳細構成図である。
【図１２】図１１のモータを適用した燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
１ｃ、１ｄ、１ｅ  ハウジングの純水配管
２  第１モータ
２ａ  ロータ
２ｂ  ステータ
３  第２モータ
３ａ  ロータ
３ｂ  ステータ
４  第１出力軸
５  第２出力軸
５０  燃料電池
５２  ポンプ
５３  熱負荷
５５  熱交換器
【図１】
2004327283.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004327283.tif 000008
【図７】
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【図８】
2004327283.tif 000010
【図９】
2004327283.tif 000011
【図１０】
2004327283.tif 000012
【図１１】
2004327283.tif 000013
【図１２】
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