CN104554558B - 以燃料电池为动力的两轮车 - Google Patents

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Abstract

诸如踏板型机动两轮车等的以燃料电池为动力的两轮车,其具有车辆本体、用于驱动驱动轮的电动机、用于向所述电动机供给电力的空气冷却式燃料电池、和用于储存向所述燃料电池提供的燃料气体的燃料罐。所述燃料电池形成有用于供给反应用兼冷却用空气的进气通路,在所述进气通路的中部配置有以高压储存所述燃料气体的所述燃料罐。在这种结构中,在从所述燃料罐向所述燃料电池供给燃料气体时,由所述燃料气体的绝热膨胀对通过所述进气通路的空气进行冷却。

Description

以燃料电池为动力的两轮车
技术领域
本发明涉及以燃料电池为动力的两轮车,其利用燃料气体的绝热膨胀(adiabaticexpansion)冷却吸入的空气以使得燃料电池能够有效地发电。
背景技术
近年来,开发了以燃料电池为动力的两轮车(其可被称作“燃料电池两轮车”),其中,将燃料电池产生的电力供给至马达并通过该马达驱动驱动轮(后轮)。燃料电池两轮车设置有燃料电池系统。在燃料电池系统中,通过作为燃料气体的氢与作为反应气体的氧之间的电化学反应产生电力。燃料电池两轮车中使用的燃料电池系统包括水冷式系统和空气冷却式系统。
水冷式燃料电池系统能够产生相对大的电力,但是该冷却系统需要散热器、冷却水泵、蓄水罐和配管,这使得系统的构造或结构复杂化。
另一方面,空气冷却式燃料电池系统产生数个kW的相对小的电力,但是不需要水冷式燃料电池系统的上述冷却系统中设置的散热器、冷却水泵、蓄水罐和配管,并且发电所产生的热能够由作为反应气体的空气冷却。
此外,空气冷却式燃料电池系统在空气流路中具有小压力损失,因而能够构造成取代作为辅助设备或机器的压缩机且仅需低耗电冷却(送风)风扇的简单系统。在能够以比四轮车辆的输出小的输出行驶的燃料电池两轮车中,在某些情况下能够使用空气冷却式燃料电池系统取代水冷式燃料电池系统。
在传统的燃料电池两轮车中,在专利文献1(日本特开2005-28987号公报)中,记载了通过将向燃料电池供给空气的供给空气配管分开至车辆左右并使供给空气配管暴露于行驶气流来冷却配管内部的供给空气的技术。
此外,专利文献2(日本特开2008-247324号公报)记载了通过电风扇将外部空气供给至燃料电池的燃料电池两轮车,但是在该燃料电池两轮车中,设置了设置有散热器的水冷式燃料电池系统,燃料储存手段(氢罐)布置在燃料电池的车体后方侧。
关于专利文献1和专利文献2中记载的燃料电池两轮车,记载了将作为外部空气的空气供给至燃料电池堆的技术,但是专利文献1是通过将空气供给配管暴露于行驶气流而自然冷却燃料电池。专利文献1和专利文献2未示出不使用外部动力源而积极且强制地冷却供给至燃料电池的空气的技术。此外,专利文献2中记载的技术是设置有水冷式燃料电池系统的技术,系统构构造复杂。
专利文献3(日本特开2012-054033号公报)记载了用于防止氢供给部件由于氢气的绝热膨胀而温度下降并用于冷却供给至燃料电池的供给空气的燃料电池系统。然而,专利文献3并未公开将该燃料电池系统应用于两轮车辆的具体技术。
发明内容
鉴于上述情况作出本发明,本发明的目的是提供一种燃料电池两轮车,其能够在不使用任何外部动力源的情况下利用燃料气体的绝热膨胀冷却供给至燃料电池的供给空气、改善燃料电池的发电效率并延长燃料电池的寿命。
通过提供如下以燃料电池为动力的两轮车能够实现以上目的,所述以燃料电池为动力的两轮车具有车辆本体、用于驱动驱动轮的电动机、用于向所述电动机供给电力的空气冷却式燃料电池、和用于储存向所述燃料电池提供的燃料气体的燃料罐,其中,所述燃料电池形成有用于供给反应用兼冷却用空气的进气通路,在所述进气通路的中部配置有以高压储存所述燃料气体的所述燃料罐,在从所述燃料罐向所述燃料电池供给燃料气体时,由所述燃料气体的绝热膨胀对通过所述进气通路的空气进行冷却。
在以上方面的优选实施方式中,提供了以下特征。
以燃料电池为动力的两轮车还可以设置有罩构件,所述罩构件包括覆盖所述车辆本体的前部的前部车体罩、覆盖所述车辆本体的中央部的中央车体罩和覆盖所述车辆本体的后部的后部车体罩,所述罩构件与所述车辆本体设置的座椅一起构成覆盖所述车辆本体的车辆外装,其中,所述燃料罐由所述中央车体罩覆盖并配置在所述车辆本体的中央部,所述燃料电池位于所述燃料罐的后上方且位于所述车辆本体的后部从而由所述座椅和后部车体罩覆盖。
更优选的是,所述中央车体罩在其前部形成有向车辆前方开口的进气口,所述进气通路构造成使得来自所述进气口且在所述燃料罐周围流动的吸入空气被引导至所述燃料电池。
期望的是,进气管设置成从所述燃料罐朝向所述燃料电池向车辆后上方延伸。
期望的是,所述车辆本体的中央部的高度低于所述车辆本体的后部的座椅的底面的高度,搁脚板在所述车辆本体的左右侧设置成使得左右搁脚板之间向上鼓出而形成所述车辆本体的中央部和沿车辆前后方向延伸的中央隧道区域,所述燃料罐以横卧状态配置在所述中央隧道区域。
期望的是,所述燃料罐平行于车辆中心轴线安装并且在所述燃料罐的后端部配置有燃料气体供给配管和燃料气体截止阀,从所述燃料电池向前方延伸的进气管具有进气口,该进气口具有形成在所述燃料罐的燃料气体供给配管和燃料气体截止阀上侧的开口。
所述以燃料电池为动力的两轮车可以是踏板型机动两轮车。
根据上述特征和结构的以燃料电池为动力的两轮车(燃料电池两轮车),能够提供一种发电技术,该技术通过利用存储在高压燃料罐中的燃料气体的绝热膨胀,在不使用外部动力源的情况下,能够积极且强制地冷却供给至燃料电池的既用于反应又用于冷却的供给空气,并且能够改善燃料电池的发电效率从而延长燃料电池的寿命。
在应用到踏板型机动两轮车时,尤其能够实现上述这些有利的特征地。
从参照附图的以下说明中,本发明的特质和进一步的特征将变得更清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式的以燃料电池为动力的两轮车的整个左侧外观的图。
图2是以燃料电池为动力的两轮车的通过局部切除车辆外部而示出内部结构的左侧视图。
图3是示出以燃料电池为动力的两轮车的移除了车体外部的立体图。
图4是示出从右侧前方观察的设置于以燃料电池为动力的两轮车中的燃料电池的立体图。
图5是示出从左侧后方观察的设置于燃料电池两轮车中的燃料电池的立体图。
图6是沿着图2中的VI-VI线观察的平面图。
图7是示出从车辆后方侧观察的设置于以燃料电池为动力的两轮车中的燃料电池的配置的图。
图8是说明设置于燃料电池系统中的燃料电池的发电原理的示意图。
图9是示出设置于以燃料电池为动力的两轮车中的空气冷却式燃料电池系统的配置示例的框图。
具体实施方式
以下将参照附图说明根据本发明的以燃料电池为动力的两轮车的实施方式。
图1至图3是示出根据本发明的以燃料电池为动力的两轮车10(为了简便,下文中称为“燃料电池两轮车”)的说明性实施方式。
注意,为了便于说明,在燃料电池两轮车10中,由附图标记“F”表示车辆前方侧,由附图标记“R”表示车辆后方侧,并且这里参照图面的示出状态或驾驶员在车辆上的驾驶状态来使用术语“左”、“右”、“上”、和“下”等指示方向的术语。
如图1至图3所示,根据本实施方式的燃料电池两轮车10是通过使用从燃料电池获得的电力行驶的机动两轮车。
下文中将说明本实施方式的燃料电池两轮车10、即踏板型(scooter-type)机动两轮车的车辆本体的结构或构造。
燃料电池两轮车10包括车辆本体11、作为转向轮的前轮12、用于使前轮12转向的方向把(steering handlebar)13、作为驱动轮的后轮14以及用于驱动后轮14的马达15。马达15起到驱动驱动轮的车辆用驱动马达单元的电动机的功能。
车辆本体11包括作为车辆的主结构构件即主框架的车体框架17、覆盖车体框架17的车辆外装18和配置在车体框架17上方的座椅19。
车辆本体11包括:空气冷却式燃料电池20;储存燃料电池20的发电用燃料的燃料罐21;用于辅助燃料电池20的电力的二次电池22;用于控制或管理燃料电池20的输出电压并且执行燃料电池20和二次电池22的电力分配控制的电力控制(管理)装置23;以及用于将从电力控制装置23供给的直流电力变换成三相交流电力并且执行马达15的运行控制的未示出的马达控制器。
即,燃料电池两轮车10的动力传动系是具有燃料电池20和二次电池22的混合系统。
车体框架17包括构成主框架的前立管26、上部尾部降低式车架27、左右一对下部尾部降低式车架28、左右一对上部车架29和左右一对下部车架30。
前立管26枢转地支撑位于车辆本体11前部的叉状的前叉32。
上部尾部降低式车架27连接至前立管26的上部、向车辆本体11的后下方倾斜。
下部尾部降低式车架28从前立管26的下部向大致直下方或后下方延伸。
上部车架29在车辆本体11的前半部从下部尾部降低式车架28的下端经由上部尾部降低式车架27的下端向车辆本体11的后方向延伸,并且在车辆本体11的后半部平滑地向车辆本体11的后上方倾斜。
座椅19配置在上部车架29的后半部的上方。
上部车架29设置有位于车辆本体11的后半部的枢轴33。摇臂34围绕枢轴33能够摆动地设置。后轮14枢转地支撑在摇臂34的后端部,摇臂34被弹性地支撑成能够由后缓冲单元35升降。后缓冲单元35支撑在摇臂34的下端部与车体框架17的后部之间。
各个下部车架30从下部尾部降低式车架28的下端向车辆本体11的下方延伸、在到达车辆本体11的下端的位置处弯曲、沿车辆本体11的前后方向延伸、并且在到达车辆本体11的中央部分的位置处再次弯曲、向车辆本体11的后上方向延伸并连接至上部车架29。
此外,各个下部车架30位于车辆本体11的左侧并且设置有位于各个下部车架30前方侧的驾驶员用的搁脚板36。左侧的下部车架30设置有侧支撑架37,用于使燃料电池两轮车10以左倾状态自支撑的侧支撑38能够摆动地设置于该侧支撑架37。附图标记36a表示同乘者用的搁脚板。
前轮12由前叉32枢转地支撑,该前叉32被构造成提供弹性的伸缩结构并且将前挡泥板41支撑在前轮12上方。方向把13连接至前叉32的上端部。前轮12、前叉32以及方向把13围绕前立管26枢转地支撑,并且构成燃料电池两轮车10的转向机构42。
马达15是燃料电池两轮车10的用于驱动后轮14的电动机,并且经由未示出的传动系连接至后轮14。马达15与摇臂34安装成一体,由此构成单元摆动式摇臂34。由马达15产生的驱动力经由传动系传递至后轮14。
车体框架17还设置有悬挂于下部车架30的后方侧的弯曲部的货架39。在货架39上能够摆动地设置有用于使燃料电池两轮车10自支撑的中央支撑40。
利用如上所述构成的车体框架17,车辆本体11在由左右一对上部车架29和左右一对下部车架30包围的中央隧道区域44设置有燃料罐21,在由上部车架29的后半部、车辆外装18和座椅19包围的设备安装区域45(设备安装空间)设置有燃料电池20、二次电池22、电力控制装置23和马达控制器。
在设备安装区域45,从车辆本体11的前方侧依次配置有二次电池22、电力控制装置23和燃料电池20。马达控制器安装在电力控制装置23的侧方、即例如在车辆本体11的左侧(或右侧)。在车体框架17的中央隧道区域44的后方且在设备安装区域45的下方的轮胎收纳区域46配置有后轮14。
在设备安装区域45与轮胎收纳区域46之间设置有将空间分隔为各个区域的分隔构件48。
车辆外装18包括前腿护罩50、中央车体罩的前车架罩51和后部车体罩的后车架罩52,其中,前腿护罩50覆盖车辆本体11的前半部的前部车体罩,中央车体罩的前车架罩51位于车辆本体11的中央上部并且从上方覆盖上部车架29,后部车体罩的后车架罩52位于车辆本体11的后半部并且覆盖车辆本体11的侧面中的在座椅19下方的部分。后车架罩52同座椅19一起分隔容纳燃料电池20、二次电池22、电力控制装置23和马达控制器的设备安装区域45。
因此,设备安装区域45是由座椅19、后车架罩52和分隔构件48包围的密闭的空间,通过在后车架罩52或分隔构件48的适当位置处设置未示出的通气孔,能够容易且可靠地控制作为供给至燃料电池20的反应气体的气流。此外,能够容易且可靠地控制作为用于需要冷却的电气部件的冷却气体的气流。此外,设备安装区域45不需要是完全密闭的空间。
座椅19位于车辆本体11的后半上部。座椅19是包括驾驶员就座的前部19a和同乘者就座的后部19b的串列式(tandem type),前部19a和后部19b形成为一体。
下文中,将参照附图说明燃料电池的结构和配置。
设置于燃料电池两轮车10的燃料电池20布置在车辆本体11的主框架后方,燃料电池20配置成偏向在座椅19的下方分隔的设备安装区域45的后侧。
更具体地,燃料电池20配置在乘员就座的座椅19的后部19b下方。燃料电池20形成为扁平的立方体形状,并且定位成使得具有反应气体(空气)的入口的进气面向前下方斜向下倾斜。即,燃料电池20的进气面位于座椅19的前部19a与后部19b之前的台阶部分的下方并且向车辆前方侧斜向下倾斜。
在燃料电池20的前部设置有斜向下倾斜的进气管54,既用于反应又用于冷却的空气通过进气管54并从进气面引导至燃料电池20,以作为用于燃料电池的反应的反应气体和用于冷却的气体。燃料电池20具有形成在进气面相反侧的排气面。
如图4所示,在燃料电池20的进气面的前侧设置有过滤器55,如图5所示,风扇57经由使排气压力均一化的排气增压室56安装在燃料电池20的排气面侧。作为反应气体的空气从进气面吸入到燃料电池20中。该空气中含有的氧与从燃料罐21供给的氢气发生电化学反应,以供发电,发电后,湿润的剩余气体经由排气增压室56从风扇57排出排气口58。
在该过程中,燃料电池20由作为反应气体的空气冷却。燃料电池20的排气口58与排气管59连通。此时,为了减少空气流路的压力损失,进气管54设计成具有与燃料电池20的进气面的截面积大致相等的截面积。
排气管59配置在燃料电池20的后方,将燃料电池20的排气引导排出至在车辆本体11的后端开口的排气口60。排气管59具有经由排气增压室56与燃料电池20的排气面侧连通的前端部。在排气管59的后方端部形成的排气口60设置在燃料电池20的排气口58的连通位置的上方,或优选在排气口58的连通位置的后方上端部。通过形成配置在燃料电池20的排气口58的连通位置上方的排气口60,排气管59能够可靠地将含有未反应的氢气的湿润剩余气体排至车辆本体11外部。
如图4和图5所示,燃料电池20具有通过堆叠多个单电池构造成的燃料电池堆61。用于除尘的过滤器55设置在燃料电池20的前面,用于将既用于反应又用于冷却的空气强制送出(吸出)的风扇57设置在燃料电池20的背面。此外,在燃料电池堆61和风扇57之间设置有用于使空气的压力均匀化的排气增压室56。
为了减小流路的压力损失,与进气管54类似,排气管59也设计成保持大的截面面积。
燃料罐21如下地配置。
也就是,如图2、图3、图6和图7所示,燃料罐21储存作为燃料电池20的燃料的氢气。燃料罐21例如是约70MPa的高压压缩氢储存系统。
燃料罐21以被中央车体罩51覆盖的方式设置在车辆本体11的大致中央下部的中央隧道区域44,燃料罐21具有沿着车辆本体11的前后方向的长轴方向从而设置为横卧状态。因此,燃料罐21由一对上部车架29和一对下部车架30包围,并被牢固地保护免受诸如燃料电池两轮车10的翻倒事故或碰撞等的事故的影响。
此外,燃料罐21处在设置于下部车架30的左右搁脚板36之间。
燃料罐21由夹圈63固定至中央隧道区域44,该夹圈63在配置于车辆本体11的一侧部的上部车架29、即配置于车辆本体11右侧的上部车架29和配置于车辆本体11的另一侧部的下部车架30、即配置于车辆本体11左侧的下部车架30之间延伸。
夹圈63可以配置成在配置于车辆本体11左侧的上部车架29和配置于车辆本体11右侧的下部车架30之间延伸。
此外,如图6所示,燃料罐21包括由碳纤维增强塑料(CFRP)或铝衬里制复合容器形成的压力容器65、一体地具有使用电磁阀的截止阀(主阀)66和未示出的调压器的阀部67(燃料供给主阀)、以及具有燃料充填口68的燃料充填用接头69。压力容器65是两端具有半球状镜板的圆柱形状的容器。
燃料充填用接头69(图7)与压力容器65连通,通过燃料充填口68将作为燃料的氢气引导至压力容器65内。燃料充填口68配置成足够远离二次电池22。
即,具体地,燃料充填口68位于容纳多数设备的设备安装区域45的外侧、上部尾部降低式车架27附近,并且由中央车体罩51覆盖。更具体地,燃料充填口68配置在压力容器65的前方侧镜板的上方附近。
燃料充填口68指向车辆本体11的上方,在将燃料充填进燃料罐21时,在前车架罩的中央车体罩51打开的状态下,燃料充填口68的上方构成(即,形成为)开放空间。因此,即使燃料在燃料充填作业过程中泄漏,泄漏的燃料也不会滞留。另外,由于燃料充填口68具有与设置有通常的汽油发动机的踏板型机动两轮车中的燃料供给口相同的配置,所以不会产生陌生或不舒服的感觉。
此外,在图2和图7中,附图标记70表示覆盖车辆本体11底部侧的底罩。
另一方面,如图2所示,覆盖燃料电池两轮车10的车辆本体11的车辆外装18具有形成在中央车体罩51上的用于吸入外侧空气的进气口73。进气口73设置在位于前轮12后侧、中央车体罩51的前侧的引擎罩前表面。在车辆行驶时作为行驶气流的外部空气被强制吸入,并且经由吸气通路74引导至燃料电池20。
在吸气通路74中,空气从进气口73吸入,经过由中央车体罩51和底罩70的车辆外装18(见图7)包围的中央隧道区域44引导至进气管54内,到达燃料电池20的进气面。
吸气通路74在中央隧道区域44引导成沿着燃料罐21的周边的车辆长度(前后)方向,接着,该方向由分隔构件48改变成朝向车辆的斜后上方,并引导至进气管54。
储存作为燃料电池20的燃料的燃料气体(氢气)的燃料罐21在由车体框架17的主框架29、30包围的中央隧道区域44的车辆中央配置为横卧状态。
与作为内燃机车辆的燃料的诸如汽油或轻油等的液体燃料相比,作为燃料电池20中使用的聚合物电解质燃料电池(PEFC)的燃料的氢气的气体燃料能量密度低。因此,为了延长燃料电池车辆的行驶距离,将作为燃料的氢气压缩为高压状态,并且在燃料电池车辆上安装燃料罐。例如,在本实施方式的燃料电池两轮车10中,使用70MPa的高压燃料罐21。在燃料罐21中,罐本体由碳纤维增强塑料(CFRP)制成。
在燃料罐21中,阀部67设置在后端部,由该阀部67连接作为将燃料气体(氢气)供给到燃料电池20的燃料供给配管的氢供给配管75。往氢供给配管75供给的氢能够由与后端部的阀部67安装成一体的燃料气体截止阀66切断。
此外,在从燃料罐21至燃料电池20的燃料电池堆61的氢供给配管75的中途,设置有包括进行燃料罐21的压力控制的压力调压器(即、减压阀)和用于测定压力的压力传感器78等氢系统部件。
作为燃料供给配管的氢供给配管75和氢系统部件(76,77,78)配设在形成车体框架17的左右一对部件的主框架29、30的左右方向内侧,因此保护氢供给配管75。附图标记79表示用于将燃料(氢气)充填在燃料罐21中的氢充填配管。
在燃料电池两轮车10中,包括燃料电池20、燃料罐21、二次电池22、电力控制(管理)装置23、车辆马达控制器等的车辆构成部件安装在由中央车体罩51、后部车体罩52、底罩70和座椅19包围的空间内。
接下来,将说明二次电池的结构。
二次电池22设置在燃料电池20的进气管54的前方,由箱状的锂离子电池构成。二次电池22配置成偏向在座椅19下方分割出的设备安装区域45的前侧,并且配置在燃料罐21的压力容器65的后方侧镜板的上方。
更具体地,二次电池22配置在驾驶员就座的座椅19的前部19a的下方,大致直立地安装在燃料电池两轮车10的假想水平面上。
该燃料电池两轮车10是以燃料电池20和二次电池22作为电源的混合车辆。二次电池22连接至与燃料电池20平行的马达控制器,起到将电力变换为交流电力并供给该交流电力以作为马达15的驱动用电力、并且吸收车辆减速时的再生能量的作用。
除了二次电池22以外,本实施方式的燃料电池两轮车10可以设置有作为均未示出的各个仪表、灯等用的电源的、能够供给例如12V的电力的另一个二次电池。该另一个二次电池可以配置在燃料罐21的压力容器61的侧方或者例如车辆本体11的右侧部。当该另一个二次电池22配置在燃料充填口68的下方并且比燃料罐21的阀部67靠近车辆本体11的前方时,即使作为燃料气体的氢气从燃料充填口68泄漏,由于氢气向燃料电池两轮车10的上方上升,所以氢气向车外扩散而不会滞留在车内。此外,即使氢气从阀部67泄漏,由于氢气向轮胎收纳区域46移动,所以氢气向车外扩散而不会滞留在车内。
电力控制(管理)装置23配置成处在二次电池22和燃料电池20之间,以保持二次电池22与燃料电池20之间的间隙。与电力控制装置23并设的马达控制器同电力控制装置23一样也处在二次电池22和燃料电池20之间,以保持二次电池22和燃料电池20之间的间隙。
根据二次电池22、电力控制装置23、未示出的马达控制器和燃料电池20的配置,通过电气连接彼此相邻的装置能够配置成尽可能彼此靠近,因此,能够使装置之间的配线长度缩短,并能够使用于配置配线的重量减轻。
电力控制装置23与马达控制器并设。具体地,马达控制器配置在车辆本体11的左侧,电力控制装置23配置在车辆本体11的右侧。
燃料电池基于以下原理发电。
根据本实施方式的燃料电池两轮车(以燃料电池为动力源的两轮车)10使用燃料电池20作为车辆驱动马达15的电源。
安装于燃料电池两轮车10的燃料电池20是通过作为燃料的氢气与作为反应气体的空气(氧)之间的电化学反应发电并且根据这种发电生成水的燃料电池系统。
在燃料电池系统的燃料电池20中,通常,通过堆叠大量被称为“元电池”的最小构成单元来构成燃料电池堆61。如图8所示意性示出的,在通常的聚合物电解质燃料电池(PEFC)中,元电池100具有扩散层103和104以及用于激活反应的触媒层105和106。用于选择性地透过氢离子的电解质膜107也设置在分别供给氢和空气(氧)和阳电极(阳极)101和阴电极(阴极)102之间的中央部。
供给至阳极101的氢分子在位于阳极101的电解质膜107的表面的触媒层105中变成活性氢原子,然后变成氢离子并放出电子。
在阳极101的该反应由以下式1表示。
H2→2H++2e-……[式1]
根据式1产生的氢离子随着电解质膜107中含有的水分从阳极101侧向阴极102侧移动通过电解质膜107,电子通过外部回路108移动至阴极102。根据电子的这种移动,电流流过插入外部回路108的负载(例如、车辆驱动马达)109。
另一方面,供给至阴极102的空气中的氧分子在触媒层106中接收从外部回路108供给的电子并变成氧离子,与移动通过了电解质膜107的氢离子结合而变成水。
在阴极102的该反应由以下式2表示。
1/2O2+2H++2e-→H2O……[式2]
以上述方式生成的水分的一部分通过浓度扩散从阴极102向阳极101移动。在[式1]和[式2]的电化学反应中,在元电池100内部产生诸如由电解质膜107和电极的电阻抗引起的阻抗过电压、用于使氢和氧进行电化学反应的激活过电压、由于扩散层103和104中氢和氧的移动引起的扩散过电压等的各种损失,需要冷却因此产生的废热。
燃料电池20个有用于冷却所产生的废热的水冷式和空气冷却式的燃料电池系统。
水冷式燃料电池系统能够产生相对大的电力。然而,冷却系统需要散热器、冷却水泵、蓄水罐和配管,为了改善燃料电池堆的输出密度,设置有包括用于压缩吸入空气的压缩机在内的许多辅助机器。因此,在水冷式燃料电池系统中,出现系统的复杂化、大型化、重量化和高成本化。
另一方面,采用尽可能地省略了诸如压缩机、散热器和冷却水泵等的辅助机器的空气冷却方法以用于燃料电池20的冷却,从而使系统的结构或构造简单化。在本实施方式的燃料电池20中,采用了使用氢气作为燃料的简单的空气冷却式燃料电池系统。
图9示出使用氢气作为燃料的空气冷却式燃料电池系统110。
空气冷却式燃料电池系统110设置有堆叠了多个最小构成单元的元电池的燃料电池堆61和用于将氢气供给至燃料电池堆61的氢气供给装置111。氢气供给装置111通过氢供给配管75经由减压阀77将储存在作为燃料罐21的高压燃料罐(氢罐)21中的压缩氢气导入燃料电池堆61的阳极吸入部112。此时,由于燃料(氢)气的绝热膨胀引起温度下降,包括燃料罐(氢罐)21、氢供给配管75和减压阀77在内的氢系统部件积极地冷却。
供给至阴极吸入部113的空气不仅为燃料电池堆61内堆叠的多个元电池中的发电反应提供作为与氢反应的反应气体,还具有作为冷却介质剥夺燃料电池堆61中的废热并冷却燃料电池堆61的作用。
如图9所示,与氢反应后的剩余空气以及冷却燃料电池堆61后的空气作为阴极排出气体从燃料电池堆61的阴极排气部114排出至排气管59,并排放至外部空气。
在燃料电池堆61中的未用于发电的剩余氢气作为阳极排出气体从阳极排气部115排出至氢净化配管116。氢净化配管116连接至排气管59的中间部。排出至氢净化配管116的阳极排出气体经由净化阀117混入排气管59的阴极排出气体。在进行阳极侧的氢气净化时,排出的氢气由阴极排出气体稀释至低于可燃极限浓度,然后排放至外部。
如上所述,在由低压通风扇118供给既作为反应气体又作为冷却介质的空气的空气冷却式燃料电池系统20中,促进了耗电量的降低以及系统的小型化、轻量化和简单化。另一方面,由于空气流量的限制,与水冷式燃料电池系统相比冷却能力相对较低,在某些情况下燃料电池堆61能够运行的温度范围小。因此,存在对夏季时节等的高温时燃料电池堆61过热的担心。
在本实施方式中,如图2和图9所示,从形成于燃料电池两轮车10的车辆前表面的进气口73吸入的空气(外部空气)通过吸气通路74引导至燃料电池20。此时,由于进气口73设置在车辆前表面,所以车辆行驶时的正压作用于从进气口73吸入的空气(外部空气),并且空气经由吸气通路74推送至燃料电池20侧。结果,能够降低燃料电池20的风扇57的转速,能够降低风扇57的耗电量。
风扇57可以像如图9所示的通风机(通风扇)118那样布置在燃料电池20的上游侧。
燃料罐21由于当作为燃料的氢从向燃料电池20供给燃料的燃料罐21放出时的绝热膨胀效果而冷却并且温度下降。结果,在燃料罐21的周围通过的既用于反应又用于冷却的空气积极地冷却,从而改善了燃料电池20的冷却效果并节省了所用的空气量。结果,能够降低风扇57的负载,能够有效地节省耗电量。
燃料罐21平行于车辆的中心轴线安装,在后端部配置有燃料气体供给(氢供给)配管75和燃料气体截止阀76。
燃料电池两轮车10配置成使得从空气冷却式燃料电池20向前方延伸的进气管54具有向下敞开的进气口,该敞开的进气口定位成从上侧覆盖燃料罐21的燃料气体供给配管75和燃料气体截止阀76。
由于燃料罐21的本体由CFRP(碳纤维增强塑料)形成,所以难以传递由于绝热膨胀引起的燃料气体的热,也难以降低燃料罐21的温度。另一方面,设置在燃料罐21的后端部(阀部67)并且供内部的燃料气体进出的燃料供给配管75的连接部分由铝合金形成,使得燃料气体的热容易传递,温度容易降低,也就是说,该连接部分是燃料罐21中温度变为最低的部分(位置)。因此,通过使温度变为最低的该位置与进气管54的进气口73彼此靠近配置,能够供给温度低的空气。
为了使空气冷却式的燃料电池获得大电动势,必须消耗大量的氢气燃料、升高燃料电池20的温度并利用大量冷却空气进行冷却操作。如果燃料罐21供给大量氢气燃料,则燃料罐21的温度由于燃料气体(氢)的绝热膨胀而降低。由于吸入空气的温度因燃料罐21的该功能而降低,所以这能够实现增减燃料电池20的电动势的效果。
此外,在燃料电池两轮车10中,覆盖车辆本体11的车辆外装18由与配置在车辆本体11的后部的座椅19一起在燃料电池两轮车10的左侧、右侧、上侧和下侧覆盖车辆本体11的后部车体罩52、覆盖位于座椅19前方的车体中央部并且在左侧、右侧、上侧和下侧设置有搁脚板36的中央车体罩51、以及在燃料电池两轮车10的前方侧覆盖车辆本体11的前部的前部车体罩50构成。
由于吸气通路74由中央车体罩51构成,所以不再需要用于形成吸气通路74的专用部件,也不需要用于配设这种部件的空间。因此,通过减少部件数量能够减小燃料电池两轮车10的重量和成本,能够期待燃料电池两轮车10的紧凑的结构。
此外,在燃料电池两轮车10中,燃料罐21配置在由中央车体罩51覆盖的车体中央部,燃料电池20配置在由后部车体罩52和位于燃料罐21后方的座椅19覆盖的车体后部。此外,在中央车体罩51的前部设置有向车辆前方开口的进气口73以形成吸气通路74,空气通过吸气通路74在燃料罐21周围流动,吸气通路74设置有从燃料罐21的后端部(阀部)67朝向燃料电池20向后上方倾斜延伸的进气管54。
因此,吸气通路74的进气口73能够形成为朝向车辆的行驶方向前方,由于能够吸入车辆行驶时产生的行驶气流,所以能够减小施加至送风机(吸气风扇)的负载,能够有效地节约使用的电力。
此外,设置在由车辆外装18包围的中央隧道区域44的吸气通路74内的燃料罐21和氢系统部件配置在主框架(29,30)的内侧。因此,能够保护燃料罐21和氢系统部件免受从外部施加的机械/物理损害。另外,由于引导至吸气通路74的吸入空气经过安装了燃料罐21和氢系统部件的部分,所以通过由作为燃料的氢气的绝热膨胀引起的冷却作用积极地冷却吸入空气,因此有助于降低吸入温度。
此外,通过由中央车体罩51、后部车体罩52、座椅19和底罩70构成的车辆外装18包围的车辆内部能够构成为从进气口73延伸至燃料电池20的吸气通路,使得能够避免在复杂的狭小空间内由进气管54的构造引起的吸入空气的压力损失的增加,能够实现部件数量的减少和成本的降低。
此外,由于通过吸气通路74的以及通过燃料罐21和氢系统部件并且被冷却的冷却空气能够由进气管54积极地引导至燃料电池20,所以有效地冷却了燃料电池20。
在本实施方式的燃料电池两轮车10中,使车体中央部的上下方向高度低于定位在车体后部的座椅19的表面高度,搁脚板36在车辆本体的左右侧设置成使得左右搁脚板36之间的空间向上鼓出而形成沿纵向在车辆本体中央部上方延伸的中央隧道区域44,燃料罐21配置在该中央隧道区域44。
此外,形成吸气通路74的中央车体罩51的横截面积可以根据燃料罐21的尺寸形成,通过的空气与燃料罐21的接触概率增加,因此,改善了供给至空气冷却式燃料电池20的吸入空气与燃料罐21之间的热交换率,能够降低吸入空气整体的温度。
另一方面,燃料电池20通过作为燃料气体的氢与作为反应气体的氧之间的电化学反应发电,在该电化学反应中存在适宜的反应温度。更具体地,在低温下或在高温下反应效率降低,相反,特别地,如果反应温度变得过高,则严重影响燃料电池20的电子寿命。
然而,在本实施方式的燃料电池两轮车10中,通过使供给至燃料电池20的作为反应气体的流入空气流经燃料罐2并围绕其氢系统部件,通过作为燃料的氢气的绝热膨胀作用使流入空气积极地进行冷却,因此能够可靠且有效地防止吸入到燃料电池20的吸入空气由于周围环境而变为异常值。因此,有效地冷却了燃料电池堆61,并且能够延长燃料电池堆61的使用寿命。
在本实施方式中,为了使空气冷却式燃料电池系统的燃料电池20产生大的电动势,如果消耗了大量氢气燃料,则燃料电池20的温度上升,燃料电池20需要由大量冷却空气冷却。在上述以燃料电池为动力的两轮车10中,通过从燃料罐21向燃料电池20供给大量氢气燃料,燃料气体的绝热膨胀效果变大,燃料罐21和氢系统部件被冷却,温度进一步降低,这是方便且有利的。
此外,由于燃料电池20的吸入空气的温度由配置于吸气通路74的燃料罐21和氢系统部件降低,所以燃料电池20的电动势的增减都有助于燃料电池20的有效率的发电。
还需要注意,在本发明的上述实施方式中,以踏板型机动两轮车作为燃料电池两轮车的一个示例进行了说明,但是本发明不限于这种示例,还能够应用于安装了燃料电池的诸如机动两轮车/机动三轮车和四轮车辆等的跨骑型车辆。

Claims (5)

1.一种以燃料电池为动力的两轮车,其具有车辆本体、用于驱动驱动轮的电动机、用于向所述电动机供给电力的空气冷却式燃料电池、和用于储存向所述燃料电池提供的燃料气体的燃料罐,
其中,所述燃料电池形成有用于供给反应用兼冷却用空气的进气通路,在所述进气通路的中部配置有以高压储存所述燃料气体的所述燃料罐,所述燃料电池位于所述燃料罐的后上方,所述燃料电池的进气面面向车辆的前方,所述燃料罐平行于车辆中心轴线安装并且在所述燃料罐的后端部配置有燃料气体供给配管和燃料气体截止阀,进气管设置成从所述燃料罐朝向所述燃料电池向车辆后上方倾斜延伸,从所述燃料电池向前方延伸的所述进气管具有进气口,该进气口具有形成在所述燃料罐的燃料气体供给配管和燃料气体截止阀上侧的开口,在从所述燃料罐向所述燃料电池供给燃料气体时,由所述燃料气体的绝热膨胀对通过所述进气通路的空气进行冷却。
2.根据权利要求1所述的以燃料电池为动力的两轮车,其特征在于,还设置有罩构件,所述罩构件包括覆盖所述车辆本体的前部的前部车体罩、覆盖所述车辆本体的中央部的中央车体罩和覆盖所述车辆本体的后部的后部车体罩,所述罩构件与所述车辆本体设置的座椅一起构成覆盖所述车辆本体的车辆外装,其中,所述燃料罐由所述中央车体罩覆盖并配置在所述车辆本体的中央部,所述燃料电池位于所述车辆本体的后部从而由所述座椅和后部车体罩覆盖。
3.根据权利要求2所述的以燃料电池为动力的两轮车,其特征在于,所述中央车体罩在其前部形成有向车辆前方开口的进气口,所述进气通路构造成使得来自所述进气口且在所述燃料罐周围流动的吸入空气被引导至所述燃料电池。
4.根据权利要求2所述的以燃料电池为动力的两轮车,其特征在于,所述车辆本体的中央部的高度低于所述车辆本体的后部的座椅的底面的高度,搁脚板在所述车辆本体的左右侧设置成使得左右搁脚板之间向上鼓出而形成所述车辆本体的中央部和沿车辆前后方向延伸的中央隧道区域,所述燃料罐以横卧状态配置在所述中央隧道区域。
5.根据权利要求1所述的以燃料电池为动力的两轮车,其特征在于,所述以燃料电池为动力的两轮车是踏板型机动两轮车。
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