CN100344476C - 燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

提供一种仅利用唯一的空气供给装置就能够有效地冷却燃料电池组，并且向燃料电池组供给反应气体的燃料电池车辆。在送风通路(71)上设置有两个旁通阀(73、74)，从上游的旁通阀(73)分出吹扫气体供给通路(72)，用于将外部气体作为吹扫气体导入燃料电池箱(42)内。下游的旁通阀(74)内置的三通电磁阀，送风通路(71)在下游的旁通阀(74)处分成反应气体供给通路(75)及冷却气体供给通路(79)。从上述反应气体供给通路(75)，将通过送风通路(71)供给的外部气体作为反应气体(氧)供给到燃料电池组(48)内。由上述冷却气体管道(79)，将通过送风通路(71)供给的外部气体作为冷却气体供给到燃料电池组(48)内。

Description

燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及一种以燃料电池作为动力能源而行驶的燃料电池车辆，特别是涉及导入外部气体作为反应气体及冷却气体提供给燃料电池的配管系统的构造简洁的燃料电池车辆。
背景技术
过去，一种将燃料电池发出的电供给电机，通过该电机驱动后轮的燃料电池式的自动二轮车已被周知。在这种燃料电池系统中，利用作为燃料气体的氢与作为反应气体的氧发生电化学反应进行发电，而这种电化学反应需要有适宜的温度，温度过低或过高都会使反应效率降低，尤其是温度过高，会使燃料电池的寿命缩短。因此，在利用燃料电池的发电系统中，为了把燃料电池在发电过程中产生的热量，排放到燃料电池外部，以及使燃料电池的运转温度保持在所规定的温度范围内，还需要配备冷却装置。
一般的燃料电池组，都是由多个单个电池组成的层叠式构造，各单个电池上，均需配备有冷却板。在冷却板上形成冷却气体的流动通路，让冷却气体在冷却通路中流动，从而达到使燃料电池组冷却的目的。
在特开平2001-130468号公报中，公开了一项利用外部空气作为冷却气体和反应气体的技术。这项技术的空气供给装置，设置有用于冷却燃料电池组的送风扇27，和在燃料电池组中把空气作为反应气体供入的送风机46。
发明内容
在上述现有技术中，需要用于冷却燃料电池组的第一空气供给装置(送风扇)，和将空气作为反应气体供给到燃料电池组的空气供给装置(送风机)。这样，不仅使部件的数量、车重增加、成本上升，而且，还要在二轮车有限空间的限制下，必须设置2种空气供给装置，所以，存在其设计的自由度受到制约的技术课题。
本发明的目的是，提供一种可以解决传统课题的、有效冷却燃料电池组、且能够向燃料电池组供给足够反应气体的燃料电池车辆。
为达到上述目的，本发明在利用反应气体和燃料气体进行化学反应所得到的电力而行驶的燃料电池车辆中，具有下述的特征。
(1)具有贮存燃料气体的燃料箱；构成包含燃料气体通路、反应气体通路以及冷却气体通路的燃料电池的燃料电池组；向上述冷却气体通路供给冷却气体的冷却气体供给通路；向上述反应气体通路供给反应气体的反应气体供给通路；分为上述冷却气体供给通路和反应气体供给通路的送风通路；以及导入外部气体并压送到上述送风通路中的空气供给装置。
(2)含有用于控制向上述反应气体供给通路供给反应气体的旁通阀。
(3)上述燃料电池车辆为二轮车，具备头管，用于将手把和前叉支撑于车体前方并自由操纵；上述空气供给装置，具有用于净化空气的空气滤清器，并被安装在上述头管的前方。
(4)上述空气供给装置的外部气体导入口朝向车体的横方向。
(5)上述冷却气体供给通路及反应气体供给通路被分开设置在车宽方向上的一侧和另一侧。
(6)具备用于容纳上述燃料电池组的燃料电池箱，和向上述燃料电池箱内供给吹扫气体的吹扫气体供给通路，上述吹扫气体供给通路是从上述送风通路中分出来的。
根据上述特征(1)所述，由于利用空气供给装置将外部空气导入，并压送进冷却气体供给通路及反应气体供给通路，所以只用唯一的空气供给装置即可冷却燃料电池组，又能供给反应气体。
根据上述特征(2)所述，仅用唯一的空气供给装置，就可以一边继续给冷却气体供给通路供给外部空气，一边停止向反应气体供给通路供给外部空气。
根据上述特征(3)所述，能够导入干净的空气而不受飞溅起来的泥浆及雨水的影响。
根据上述特征(4)所述，能够按空气供给装置能力的大小，稳定地向燃料电池组导入一定量的外部空气，可不受行驶速度等的动压力的左右。
根据上述特征(5)所述，因冷却气体供给通路及反应气体供给通路受行驶风吹拂，所以，冷却气体及反应气体均能保持较低的温度。
根据上述特征(6)所述，仅用唯一的空气供给装置，不仅可以供给冷却气体及反应气体，还可供给吹扫气体。
附图说明
图1是表示本发明燃料电池二轮车的主要构造部分的局部切除侧面图。
图2是表示本发明燃料电池二轮车的主要构造部分的局部切除透视图。
图3是表示车体框架的示意图。
图4是表示由上部框架支撑燃料箱的状态的正面图。
图5是由车体右斜前方看到的送风单元的图。
图6是由车体左斜前方看到的送风单元的图。
图7是表示空气滤清器的结构的图。
图8是表示与送风单元后段相连的配管系统的结构的侧面图。
图9是表示与送风单元后段相连的配管系统的结构的俯视图。
图10是图8中所示燃料电池箱的A-A线断面图。
图11是图8中所示燃料电池箱的B-B线断面图。
图12是燃料电池组的透视图。
图13是单个电池的俯视图。
图14是图13的A-A线断面图。
具体实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的优选实施例。
图1是表示本发明燃料电池二轮车的主要部分的结构的局部切除侧剖面图。图2为其斜视图，图3为表示车体框架的示意图。
车体框架10包括：头管11；以该头管11为始点，向斜下方延伸的左右为一对的上部斜梁13(L、R)；在上述上部斜梁13下方，以上述头管11为始点，向下方延伸的左右为一对的下部斜梁12(L、R)；从上述下部斜梁12的大致中央部位斜向上方延伸，在途中与上述上部斜梁13的另一端连接的左右为一对的上部车架14(L、R)；在上述上部车架14下方，从上述下部斜梁12的下端向后方延伸的左右为一对的下部车架15(L、R)。
上述车体框架10还进一步具备：略呈正方形的环状构造、四角支撑上述上部车架14及下部车架15后端的环形架16；从上述下部车架15后端斜向上方延伸的后挡板17；在与上述上部车架14及下部车架15连接的位置，与上述左右一对的下部斜梁12(L、R)连接的上连接架18及下连接架19。
上述头管11支撑用于支撑前轮FW的前叉32，及与上述前叉32相连的可用来操作方向的车把30。在上述后挡板17的下方，安装有以轴21为支点、左右一对的摇动自如的悬架20，该悬架20的后端支撑作为驱动轮的后轮RW。
本发明的二轮车的燃料电池系统，包含有内设燃料电池组(48)的燃料电池箱42；贮藏有向上述燃料电池箱42内的燃料电池组供给燃料气体(氢)的燃料箱41；和导入外部气体并作为吹扫气、反应气体及冷却气体供给燃料电池箱42内的配管系统43，另外，作为辅助电源还配有多个二次电池81、83及燃料电池82。
上述燃料箱41，设置在上述左右的上部车架14的中间并支撑在此，以截止阀44朝后设置，而且截止阀侧的一端要比另一端略高倾斜横卧的状态，沿上部车架14较鞍座31靠前设置。
图4所示为表示上部车架14支撑燃料箱41的状态的正面图。由于左右上部车架14(L、R)之间的间隔，由上到下逐渐变窄，所以可以支撑燃料箱41为横卧的状态。在上述上部车架14和上述燃料箱41的接触面上，安装有冲击吸收部件45。上述燃料箱41与上述上部车架14，通过后面详述的紧固带24、25等适宜的紧固件，被牢牢地固定住。
在上述燃料箱41的下方，燃料电池箱42由安装在上述左右的上部车架14(L、R)上的2处(共4处)的支架38、39使之下垂并固定，以便该燃料电池箱位于上述左右各一个的下部车架15的中间，并且，沿与前轮FW的旋转轴和后轮RW的旋转轴所连的直线，进而与该直线重合。
这样，在本实施方式中，由于燃料箱41和燃料电池箱42设置为，将上述燃料箱41设置在燃料电池箱42的大约正上方位置，并且其后方是鞍座31，所以紧凑集中，使得车的易操作性能大大地提高。另外，由于将燃料箱41和燃料电池箱42设置在鞍座位置的前方，因此，一方面可以减轻以往过重的后轮的承重负担，另一方面，还可以增加以往过少的前轮的承重负担，从而可以使前后轮承重负担合理化。由于燃料箱41和燃料电池组较近配置，燃料气体的供给通路长度缩短。
作为辅助电源的二次电池81、83及燃料电池82，分别被分散安装在车辆的前方、鞍座31的下方及车辆的后面。另外，在鞍座31的后面，装有将燃料电池系统的输出电压转换为辅机用的电压(例如：12V)的变压器84及其外围电路。在车体的前方，导入外部气体并将其作为吹扫气、反应气体和冷却气体而强行供给到上述燃料电池箱42内的送风单元60，安装在从上述头管11向前延伸的前车架22上。
图5为从车体的右斜前方看上述送风单元60的示意图，图6是从左斜前方看的示意图。图中使用的与上述相同的编号表示的是同一部分。
送风单元60，主要由内设了送风电机及送风机(均无图示)的送风主体61、空气滤清器63和连接上述送风主体61及空气滤清器63的吸气管62构成。如图7所示，上述空气滤清器63是由在右壳体63a、左壳体63b组成的壳体内，内置空气过滤器63c构成。在右壳体63a的下端面上开有用于导入外部气体的吸气口64，在左壳体63b的正面上设有排气口65。在上述排气口65连接上述吸气管62。
如图5所示，将上述空气滤清器63以其吸气口64朝向车体的右斜下方的状态安装在车体上。在上述空气滤清器63的侧面开设凹槽63d，上述送风主体61的送风电机部件61a安装在该凹槽63d内。
送风主体61一动作，吸气管62内即为负压，外部气体通过空气滤清器63的吸气口64被吸入。被吸入的外部气体在空气滤清器63内通过过滤器63c过滤后，由上述排气口65吸入吸气管62，然后，经由送风电机61供给送风通路71。
这样，在本实施方式中，因采用送风单元60将外部气体进行压缩后供给燃料电池箱42，所以可提高燃料电池的发电效率。另外，在本实施方式中，因为是将空气滤清63设置在送风主体61的上游侧，所以能够通过空气滤清器63将送风主体61产生的吸气噪音降低。更进一步，在本实施方式中，又因为是将空气滤清器63的吸气64朝向车体的下方，因此可以防止雨水的侵入。
图8、9为表示与上述送风单元60的后段连接的配管系统43的结构的侧面图(图8)及俯视图(图9)，图中使用的与上述相同的编号表示同一部分。
在上述送风通路71上设有2个旁通阀73、74，从上游的旁通阀73处分出吹扫气体供给通路72，用于将外部气体作为吹扫气体而导入燃料电池箱42内用。上游的旁通阀73为电磁阀，只有在该阀打开时，才能由上述吹扫气体供给通路72供给外部气体。下游旁通阀74内置三通电磁阀，将上述送风通路71在上述下游旁通阀74处，分成反应气体供给通路75和冷却气体供给通路79。上述上游及下游的各旁通阀73、74，由负责控制车辆的ECU(发动机控制器)等控制其开闭。
上述反应气体供给通路75，将从送风通路71供给的外部气体作为反应气体(氧气)供给燃料电池组48。上述冷却气体供给通路79，将从送风通路71供给的外部气体作为冷却气体供给燃料电池组48。由于上述反应气体供给通路75及冷却气体供给通路79被行驶风吹拂，为使其内部气体(空气)得到冷却，将它们一左(冷却气体供给通路79)一右(反应气体供给通路75)分设在车体的两侧。
在本实施方式中，一打开点火开关，上述送风单元60就趋向开始吸入及压送外部气体，所以，外部气体从送风通路71上游的旁通阀73，经由吹扫气体供给通路72而作为吹扫气体被导入燃料电池箱42内。
与此同时，在本实施方式中，因为上述下游旁通阀74是打开的，所以，外部气体经由反应气体供给通路75供给到燃料电池组48的同时，也经由冷却气体供给通路79供给到燃料电池组48。
另一方面，在本实施方式中，燃料电池组48的温度Tbatt通常是用未图示的温度传感器来测量，一打开点火开关，就将上述电池组的温度Tbatt与规定的标准温度Tref1进行比较。当Tbatt＜Tref1时，上述下游旁通阀74控制无论是反应气体供给通路75，还是冷却气体供给通路79均不供给外部气体。当Tbatt≥Tref2时，停止向反应气体供给通路75供气，仅继续向冷却气体供给通路79供气。
上述燃料电池箱42又与用于排出上述吹扫气体的吹扫气体排出通路76及用于排出净化后的燃料气体(氢气)的氢气出口通路77相连，两通路的另一端与消音器70连接。上述吹扫气及净化后的氢气在上述消音器70中混合后排到外部。这样，在本实施方式中，由于吹扫气及净化后的氢气经由消音器70排出，因此可以降低排气噪音。
上述燃料箱41和燃料电池组42与燃料气体供给通路78相连，经由该燃料气体供给通路78，从燃料箱41向燃料电池箱42内的燃料电池组48内供给燃料气体(氢气)。在本实施方式中，监控构成燃料电池组的各电池的电压，即使其中一个未达到标准电压，也进行氢气净化。
图10、11为上述燃料电池箱42(图8)的A-A线断面图及B-B线断面图。图中使用的与上述相同的编号表示同一部分。
在燃料电池箱42内支撑有略呈长方体状的燃料电池组48，使得该燃料电池组的6个面和箱体外壳42a、42b之间确保有吹扫气体用的空间。从上述吹扫气体供给通路72向燃料电池箱42内作为吹扫气体导入的外部气体，将滞留在箱体外壳42a、42b和燃料电池组48之间的气体，经由上述吹扫气体出口通路76吹扫排出。
图12为上述燃料电池组48的透视图，其主要部分即层叠体90，是由多个电池50沿箭头A的方向层叠，再在其两侧配置集电电极58构成的。图13为上述电池的平面图，图14是其A-A线断面图。
如图14所示，电池50由负极侧隔板51、负电极52、燃料电池用离子交换膜53、正电极54及正电极侧隔板55重叠构成。同时，如图13所示，还设有贯通它们的冷却气体歧管56及反应气体歧管57。上述负电极52及正电极54是由触媒层及多孔支持层等构成的，具有扩散功能。
在负极侧隔板51的外侧主面上形成有冷却气体流路槽51a，在其内侧主面，即与上述离子交换膜53相对的面，设有氢气流路槽51b。在正极侧隔板52和上述离子交换膜53的相对面设有空气流路槽55b。上述冷却气体流路槽51a与上述冷却气体歧管56相通，上述空气流路槽55b与反应气体歧管57相连。另外，省略图示，而从上述燃料箱41流经燃料气体供给通路78供给的燃料气体，供给到上述负极侧隔板51上形成的氢气流路槽51b。
回到图12，上述层叠体90由设置在层叠方向两侧的端面板93、设置在侧面的侧面板94、设置在上部的顶端板95和设置在底部的底端板96覆盖，被加压保持，以便弹性力总是作用在其层叠方向。
在端面板93侧的端部上设置反应气体导入口91和冷却气体导入口92。上述反应气体导入口91与上述反应气体歧管57连通，将来自上述反应气体供给通路75的外部气体作为发电用的反应气体而导入。该反应气体经由反应气体歧管57被供给到空气流路槽55b。上述冷却气体导入口92与上述冷却气体歧管56连通，导入来自上述送风通路71端部的冷却气体。该冷却气体经由上述冷却气体歧管56被供给到冷却气体流路槽51a。
另外，在上述实施方式中，虽然说明了将本发明适用于二轮车，但本发明不仅限于此种用途，同样也适用于三轮车及四轮车。
利用本发明，可达到以下效果。
(1)根据权利要求1的发明，由于利用空气供给装置导入外部气体，并压送到冷却气体供给通路及反应气体供给通路双方，所以仅利用空气供给装置就可向燃料电池组内供给冷却气体及反应气体。
(2)根据权利要求2的发明，仅利用唯一的空气供给装置，就可以一边继续向冷却气体供给通路供给外部气体，一边仅停止向反应气体供给通路供给外部气体。因此，可以在停止运转后也继续燃料电池组的冷却。
(3)根据权利要求3的发明，可以不受飞溅起来的泥浆及雨水的影响，导入干净的空气。
(4)根据权利要求4的发明，可不受行驶速度等的动压力的左右，按空气供给装置的能力，稳定地向燃料电池组导入一定量的外部空气。
(5)根据权利要求5的发明，因冷却气体供给通路及反应气体供给通路被行驶风吹拂，所以，冷却气体及反应气体均能保持较低的温度，故此，可以提高燃料电池组的发电效率。
(6)根据权利要求6的发明，仅用唯一的空气供给装置，不仅可以供给冷却气体及反应气体，还可供给吹扫气体。

Claims (4)

1.一种燃料电池车辆，利用使反应气体和燃料气体进行化学反应而得到的电力来行驶，其具有：
贮存上述燃料气体的燃料箱；
构成包含燃料气体通路、反应气体通路及冷却气体通路的燃料电池的燃料电池组；
向上述冷却气体通路供给冷却气体的冷却气体供给通路；
向上述反应气体通路供给反应气体的反应气体供给通路；和
分成上述冷却气体供给通路及反应气体供给通路的送风通路，
上述燃料电池车辆为二轮车，具备头管，用于将手把和前叉支撑于车体前方并自由操纵，
其特征在于，
还具有吸入外部气体并压送到上述送风通路的空气供给装置，该空气供给装置，具有用于净化空气的空气滤清器，并被安装在上述头管的前方。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，上述空气供给装置的外部气体导入口朝向车体的横方向。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆，其特征在于，上述冷却气体供给通路及反应气体供给通路被分开设置在车宽方向上的一侧和另一侧。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆，其特征在于，具备用于容纳上述燃料电池组的燃料电池箱，和向上述燃料电池箱内供给吹扫气体的吹扫气体供给通路，上述吹扫气体供给通路是从上述送风通路中分出来的。
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