JP2005028987A - 燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】唯一の空気供給手段のみで燃料スタックを効率的に冷却し、かつ燃料スタックへ十分な反応ガスを供給できる燃料電池車両を提供する。
【解決手段】送風通路71には2つのバイパスバルブ73、74が設けられ、上流側バイパスバルブ73からは、外気を燃料電池ボックス42内に掃気ガスとして導入する掃気ガス供給通路72が分岐している。下流側バイパスバルブ74は電磁式の3方弁を内蔵し、送風通路71は、下流側バイパスバルブ74において反応ガス供給通路75と冷却ガス供給通路79とに分岐している。前記反応ガス供給通路75は、送風通路71から供給される外気を反応ガス(酸素)として燃料電池スタック48へ供給する。前記冷却ガスパイプ79は、送風通路71から供給される外気を冷却ガスとして燃料電池スタック48へ供給する。
【選択図】 図9

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を動力エネルギ源として走行する燃料電池車両に係り、特に、燃料電池へ反応ガスおよび冷却ガスとして外気を取り込んで供給する配管系統の構造が簡略化された燃料電池車両に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池により発電した電力をモータに供給し、このモータによって後輪を駆動する燃料電池式の自動二輪車が知られている。燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素と反応ガスとしての酸素との電気化学反応により発電が行われるが、この電気化学反応には適切な反応温度があり、低温下や高温下では反応効率が低下し、特に高温になり過ぎると燃料電池の寿命が短くなる。したがって、燃料電池による発電システムにおいては、燃料電池の発電中に発生する熱を燃料電池の外に取り出し、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲に保つための冷却装置が必要となる。
【0003】
一般的に、燃料電池スタックは複数の単電池の積層構造体であり、各単電池には冷却板が介装されている。冷却板には冷却ガス通路が形成されており、この冷却ガス通路に冷却ガスを流すことによりスタックが冷却される。
【0004】
特開平2001−130468号公報には、外気を冷却ガスおよび反応ガスとして利用する技術が開示されており、ここでは空気供給手段として、燃料スタック7を冷却するための送風ファン27と、燃料スタック7に空気を反応ガスとして供給するためのブロア46とが設けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、燃料スタックを冷却するための第1の空気供給手段(送風ファン)と、燃料スタックに空気を反応ガスとして供給するための空気供給手段(ブロア)とが必要となる。このために、部品点数の増加、車重の増加およびコストの上昇を招くのみならず、二輪車の限られたスペースに2つの空気供給手段を配置しなけなければならないので、設計の自由度が制約されてしまうという技術課題があった。
【0006】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、燃料スタックを効率的に冷却し、かつ燃料スタックへ十分な反応ガスを供給できる燃料電池車両を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、反応ガスと燃料ガスとを化学反応させて得られる電力で走行する燃料電池車両において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【0008】
(1)燃料ガスを貯蔵する燃料ボンベと、燃料ガス通路、反応ガス通路および冷却ガス通路を含む燃料電池スタックと、前記冷却ガス通路に冷却ガスを供給する冷却ガス供給通路と、前記反応ガス通路に反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路に分岐された送風通路と、外気を吸引して前記送風通路へ圧送する空気供給手段とを含むことを特徴とする。
【0009】
(2)前記反応ガス供給通路への反応ガスの供給を制御するバイパスバルブを含むことを特徴とする。
【0010】
(3)前記燃料電池車両が二輪車であって、そのハンドルおよびフロントホークを車体前方で操舵自在に支持するヘッドパイプを具備し、前記空気供給手段が前記ヘッドパイプの前方に取り付けられたことを特徴とする。
【0011】
(4)前記空気供給手段の外気導入口が車体の横方向を指向したことを特徴とする。
【0012】
(5)前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が車幅方向に関して一方側および他方側に振り分け配置されたことを特徴とする。
【0013】
(6)前記燃料電池スタックを収容する燃料電池ボックスと、前記燃料電池ボックス内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給通路とを具備し、前記掃気ガス供給通路が前記送風通路から分岐されたことを特徴とする。
【0014】
上記した特徴(1)によれば、外気が空気供給手段により取り込まれ、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路の双方へ圧送されるので、唯一の空気供給手段のみで燃料スタックを冷却し、かつ反応ガスを供給できるようになる。
【0015】
上記した特徴(2)によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガス供給通路への外気供給を継続しながら、反応ガス供給通路への外気供給のみを停止できる。
【0016】
上記した特徴(3)によれば、泥はねや降雨の影響を受けることなく綺麗な外気を導入することができる。
【0017】
上記した特徴(4)によれば、走行速度などの動圧に左右されることなく、空気供給手段の能力に応じた一定量の外気を安定して導入することができる。
【0018】
上記した特徴(5)によれば、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が走行風に晒されや易くなるので、冷却ガスおよび反応ガスの温度を低く保つことができる。
【0019】
上記した特徴(6)によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガスおよび反応ガスのみならず、掃気ガスも供給できるようになる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃料電池二輪車の主要部の構成を示した一部破断側面図、図2は、その斜視図であり、図3は、車体フレームの骨格を模式的に示した図である。
【0021】
車体フレーム10は、ヘッドパイプ11と、このヘッドパイプ11を始点として斜め下方に延びた左右一対の上部ダウンフレーム13(L,R)と、前記上部ダウンフレーム13よりも下方で、前記ヘッドパイプ11を始点として下方に延びた左右一対の下部ダウンフレーム12(L,R)と、前記下部ダウンフレーム12の略中央部から斜め上方に延び、その途中に前記上部ダウンフレーム13の他端が連結された左右一対のアッパフレーム14(L,R)と、前記アッパフレーム14よりも下方で前記下部ダウンフレーム12の下端から後方に延びた左右一対のロアフレーム15(L,R)とを含む。
【0022】
前記車体フレーム10はさらに、略四角形の環状構造であって、その四隅で前記アッパフレーム14およびロアフレーム15の後端を支持する環状フレーム16と、前記ロアフレーム15の後端から斜め上方に延びるリヤプレート17と、前記左右の下部ダウンフレーム12(L,R)を、前記アッパフレーム14およびロアフレーム15が連結される位置で連結する上部連結フレーム18および下部連結フレーム19とを備える。
【0023】
前記ヘッドパイプ11には、前輪FWを軸支するフロントフォーク32および前記フロントフォーク32に連結される操向ハンドル30が操向可能に支承されている。前記リヤプレート17の下方には、左右一対の揺動フレーム20が軸21を支点として揺動自在に軸支され、その後端に駆動輪としての後輪RWが支持されている。
【0024】
本発明の二輪車両は、燃料電池システムとして、燃料電池スタック(48)を内蔵した燃料電池ボックス42と、前記燃料電池ボックス42内の燃料電池スタックに供給する燃料ガス(水素)を貯蔵する燃料ボンベ41と、外気を取り込んで掃気ガス、反応ガスおよび冷却ガスとして燃料電池ボックス42内へ供給する配管系統43とを含み、さらに、補助電源として複数の二次バッテリ81,83および燃料電池82を搭載している。
【0025】
前記燃料ボンベ41は、前記左右のアッパフレーム14の間でこれらに支持されるように、その閉止バルブ44側を後方に向け、かつ閉止バルブ側の一端が他端よりも高くなるなるように傾斜した横臥姿勢で、当該アッパフレーム14に沿って着座シート31よりも前に搭載されている。
【0026】
図4は、前記燃料ボンベ41がアッパフレーム14により支持される様子を示した正面図であり、左右のアッパフレーム14(L,R)は、両者の間隔が上部から下部へ向かって狭くなるように構成されているので、燃料ボンベ41を横臥姿勢で支持することができる。前記アッパフレーム14の前記燃料ボンベ41との当接面には衝撃吸収部材45が装着されている。前記燃料ボンベ41は左右のアッパフレーム14に対して、後に詳述するように、結束バンド24,25等の適宜の拘束具によって強固に拘束されている。
【0027】
前記燃料ボンベ41の下方では、燃料電池ボックス42が、前記左右一対のロアフレーム15の間に位置して、かつ前輪FWの回転軸と後輪RWの回転軸とを結ぶ直線に沿って、さらにこの直線と重なるように、前記左右のアッパフレーム14(L,R)の2箇所(計4箇所)に設けられたブラケット38,39により吊り下げ固定されている。
【0028】
このように、本実施形態では燃料ボンベ41および燃料電池ボックス42を、前記燃料ボンベ41が燃料電池スタックの略真上に位置し、かつこれらの後方に着座シート31が位置するように配置したので、マスの集中化によりドライバビリティが向上する。また、燃料ボンベ41および燃料電池ボックス42が着座位置よりも前方に配置されるので、これまでは過剰であった後輪の荷重分担が減ぜられる一方、これまでは過少であった前輪の荷重分担が増加するので、前後輪の分担荷重が適正化される。さらに、燃料ボンベ41と燃料電池スタックとを近接配置できるので、燃料ガス供給通路の長さを短くできる。
【0029】
補助電源としての二次バッテリ81,83および燃料電池82は、それぞれ車両の前方、シート31の下方および車両後方に分散配置されている。また、シート31の後方には、燃料電池システムの出力電圧を補機用の電圧(例えば、12V)に変換するダウンバータ84およびその周辺回路が搭載されている。車体の前方には、外気を取り込んで前記燃料電池ボックス42に掃気ガス、反応ガスあるいは冷却ガスとして強制的に供給するブロアモジュール60が、前記ヘッドパイプ11から前方へ延びたフロントフレーム22に装着されている。
【0030】
図5は、前記ブロアモジュール60を車体の右斜め前方から見込んだ図、図6は、左斜め前方から見込んだ図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0031】
ブロアモジュール60は、ブロアモータおよびブロアファン(いずれも、図示せず)を内蔵したブロア本体61、エアクリーナ63および前記ブロア本体61とエアクリーナ63とを連結する吸気パイプ62を主要な構成とする。前記エアクリーナ63は、図7に示したように、右ケース63aおよび左ケース63bからなるケース内にエアフィルタ63cを内蔵して構成される。右ケース63aの下側端面には外気を取り込む吸気口64が開設され、左ケース63bの主面には排気口65が開設されている。前記排気口65には前記吸引パイフ62が連結される。
【0032】
前記エアクリーナ63は、図5に示したように、その吸気口64が車体の右側斜め下方を指向する姿勢で車体に取り付けられている。前記エアクリーナ63の側面には切欠部63dが設けられ、当該切欠部63dに前記ブロア本体61のブロアモータ部61aが収容される。
【0033】
ブロア本体61が作動すると吸気パイプ62内が負圧になり、外気がエアクリーナ63の吸気口64から吸引される。この外気はエアクリーナ63内でフィルタ63cにより濾過された後、前記排気口65から吸気パイプ62内に吸引され、その後、ブロアモータ61を介して送風通路71へ供給される。
【0034】
このように、本実施形態ではブロアモジュール60を用いて外気を圧縮して燃料電池ボックス42へ供給するようにしたので、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、本実施形態ではエアクリーナ63をブロア本体61よりも上流側に配置したので、ブロア本体61が発生する吸気騒音をエアクリーナ63で低減させることができる。さらに、本実施形態ではエアクリーナ63の吸気口64が車体の下方を指向するので、吸気口64への雨水の浸入を防止できる。
【0035】
図8,9は、前記ブロアモジュール60の後段に連結される配管系統43の構成を示した側面図(図8)および上面図(図9)であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0036】
前記送風通路71には2つのバイパスバルブ73、74が設けられ、上流側バイパスバルブ73からは、外気を燃料電池ボックス42内に掃気ガスとして導入する掃気ガス供給通路72が分岐している。上流側バイパスバルブ73は電磁式バルブであり、当該バルブが開いている場合のみ、前記掃気ガス供給通路72に外気が供給される。下流側バイパスバルブ74は電磁式の3方弁を内蔵し、前記送風通路71は、前記下流側バイパスバルブ74において、反応ガス供給通路75と冷却ガス供給通路79とに分岐している。前記上流側および下流側の各バイパスバルブ73,74は、車両制御を司るECU等により開閉制御される。
【0037】
前記反応ガス供給通路75は、送風通路71から供給される外気を反応ガス(酸素)として燃料電池スタック48へ供給する。前記冷却ガス供給通路79は、送風通路71から供給される外気を冷却ガスとして燃料電池スタック48へ供給する。前記反応ガス供給通路75および冷却ガス供給通路79は、走行風に晒されることで内部のガス(空気)が冷却されるように、車体の左側(冷却ガス供給通路79)および右側(反応ガス供給通路75)に振り分けられている。
【0038】
本実施形態では、イグニッションスイッチがオンされると、前記ブロアモジュール60が付勢されて外気の吸引およびその圧送が開始されるので、外気が送風通路71の上流側バイパスバルブ73から掃気ガス供給通路72を経由して、燃料電池ボックス42内へ掃気ガスとして導入される。これと同時に、本実施形態では前記下流側バイパスバルブ74が開くので、外気が反応ガス供給通路75を経由して燃料電池スタック48へ供給されると共に、冷却ガス供給通路79を経由して燃料電池スタック48へ供給される。
【0039】
一方、本実施形態では、図示しない温度センサによって燃料電池スタック48の温度Tbattが常に計測され、イグニッションスイッチがオフされると、前記スタック温度Tbattが所定の基準温度Tref1と比較される。前記下流側バイパスバルブ74は、Tbatt<Tref1であれば、送風通路71から供給された外気が反応ガス供給通路75側および冷却ガス供給通路79のいずれにも供給されず、Tbatt≧Tref2であれば、反応ガス供給通路75側への供給が停止され、冷却ガス供給通路79への供給のみが継続されるように制御される。
【0040】
前記燃料電池ボックス42にはさらに、前記掃気ガスを排気するための掃気出口通路76およびパージされた燃料ガス(水素)を排出するための水素出口通路77が接続され、各通路の他端はサイレンサ70に連結されている。前記掃気ガスおよびパージされた水素は、前記サイレンサ70で混合されて外部へ排気される。このように、本実施形態では掃気ガスおよびパージされた水素がサイレンサ70を経由して排気されるので、排気騒音を低減させることができる。
【0041】
前記燃料ボンベ41と燃料電池ボックス42とは燃料ガス供給通路78で接続され、この燃料ガス供給通路78を経由して、燃料ボンベ41から燃料電池ボックス42内の燃料電池スタック48へ燃料ガス(水素)が供給される。本実施形態では、燃料電池スタックを構成する各セルの電圧を監視し、そのうち一つでも基準電圧を下回ると水素パージを行うようにしている。
【0042】
図10,11は、前記燃料電池ボックス42(図8)のA−A線断面図およびB−B線断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0043】
燃料電池ボックス42内では、略直方体状の燃料電池スタック48が、その6つの面とボックスケース42a,42bとの間に掃気用のスペースが確保されるように支持されている。前記掃気ガス供給通路72から燃料電池ボックス42内へ掃気ガスとして導入された外気は、ボックスケース42a,42bと燃料電池スタック48との間のスペースに滞留するガスを掃気して前記掃気出口通路76から排気される。
【0044】
図12は、前記燃料電池スタック48の斜視図であり、その主要部である積層体90は、複数のセル50を矢印A方向に積層し、さらに、その両側に集電電極58を配置して構成される。図13は、前記セルの平面図であり、図14は、そのA−A線断面図である。
【0045】
セル50は、図14に示したように、負極側セパレータ51、負電極52、燃料電池用イオン交換膜53、正電極54および正極側セパレータ55を重ね合わせて構成されると共に、図13に示したように、これらを貫通する冷却ガスマニホールド56および反応ガスマニホールド57が開設されている。前記負電極52および正電極54は、触媒層や多孔質支持層等で形成されてガス拡散機能を有する。
【0046】
負極側セパレータ51には、その外側主面に冷却ガス流路溝51aが形成され、内側主面であって前記イオン交換膜53と対向する面に水素流路溝51bが形成されている。正極側セパレータ52の前記イオン交換膜53との対向面には空気流路溝55bが形成されている。前記冷却ガス流路溝51aは前記冷却ガスマニホールド56と連通し、前記空気流路溝55bは前記反応ガスマニホールド57と連通している。なお、図示は省略されているが、前記燃料ボンベ41から燃料ガス供給通路78を経由して供給される燃料ガスは、前記負極側セパレータ51に形成された水素流路溝51bに供給される。
【0047】
図12に戻り、前記積層体90は、積層方向の両側に配置されたエンドプレート93と、側面に配置されたサイドプレート94と、上部に配置されたトッププレート95と、底部に配置されたボトムプレート96とにより覆われ、その積層方向に常時弾性力が作用するように加圧保持される。
【0048】
エンドプレート93側の端部には、反応ガス導入口91および冷却ガス導入口92が設けられている。前記反応ガス導入口91は前記反応ガスマニホールド57と連通し、前記反応ガス供給通路75から外気が発電用の反応ガスとして導入される。この反応ガスは反応ガスマニホールド57を経由して空気流路溝55bへ供給される。前記冷却ガス導入口92は前記冷却ガスマニホールド56と連通し、前記送風通路71の端部から冷却ガスが導入される。この冷却ガスは前記冷却ガスマニホールド56を経由して前記冷却ガス流路溝51aに供給される。
【0049】
なお、上記した実施形態では、本発明を二輪車に適用して説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、三輪車や四輪車へも同様に適用できることは明らかである。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)請求項1の発明によれば、外気が空気供給手段により取り込まれ、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路の双方へ圧送されるので、空気供給手段のみで燃料電池スタックへの冷却ガスおよび反応ガスの供給が可能になる。
(2)請求項2の発明によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガス供給通路への外気供給を継続しながら、反応ガス供給通路への外気供給のみを停止できる。したがって、運転停止後も燃料電池スタックの冷却を継続させることができる。
(3)請求項3の発明によれば、泥はねや降雨の影響を受けることなく綺麗な外気を導入することができる。
(4)請求項4の発明によれば、走行速度などの動圧に左右されることなく、空気供給手段の能力に応じた一定量の外気を安定して燃料電池スタックへ導入することができる。
(5)請求項5の発明によれば、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が走行風に晒されや易くなるので、冷却ガスおよび反応ガスの温度を低く保つことができ、その結果、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
(6)請求項6の発明によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガスおよび反応ガスのみならず掃気ガスも供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池二輪車の主要部の構成を示した一部破断側面図である。
【図2】本発明に係る燃料電池二輪車の主要部の構成を示した一部破断斜視図である。
【図3】車体フレームの骨格を模式的に示した図である。
【図4】燃料ボンベがアッパフレームにより支持される様子を示した正面図である。
【図5】ブロアモジュールを車体の右斜め前方から見込んだ図である。
【図6】ブロアモジュールを車体の左斜め前方から見込んだ図である。
【図7】エアクリーナの構成を示した図である。
【図8】ブロアモジュールの後段に連結される配管系統の構成を示した側面図である。
【図9】ブロアモジュールの後段に連結される配管系統の構成を示した上面図である。
【図10】図8に示した燃料電池ボックスのA−A線断面図である。
【図11】図8に示した燃料電池ボックスのB−B線断面図である。
【図12】燃料電池スタックの斜視図である。
【図13】単電池の平面図である。
【図14】図13のA−A線断面図である。
【符号の説明】10…車体フレーム,11…ヘッドパイプ,12…下部ダウンフレーム,13…上部ダウンフレーム,14…アッパフレーム,15…ロアフレーム,16…環状フレーム,30…操向ハンドル,32…フロントフォーク,41…燃料ボンベ,42…燃料電池ボックス,48…燃料電池スタック,51…負極側セパレータ,52…負電極,53…燃料電池用イオン交換膜,54…正電極,55…正極側セパレータ,60…ブロアモジュール,61…ブロア本体,62…吸気パイプ,63…エアクリーナ,64…吸気口,65…排気口,71…送風通路,72…掃気ガス供給通路,73、74…バイパスバルブ,75…反応ガス供給通路,78…燃料ガス供給通路,79…冷却ガス供給通路,81,83…二次バッテリ

Claims (6)

  1. 反応ガスと燃料ガスとを化学反応させて得られる電力で走行する燃料電池車両において、
    前記燃料ガスを貯蔵する燃料ボンベと、
    燃料ガス通路、反応ガス通路および冷却ガス通路を含む燃料電池を構成するスタックと、
    前記冷却ガス通路に冷却ガスを供給する冷却ガス供給通路と、
    前記反応ガス通路に反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、
    前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路に分岐された送風通路と、
    外気を吸引して前記送風通路へ圧送する空気供給手段とを含むことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 前記反応ガス供給通路への反応ガスの供給を制御するバイパスバルブを含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両。
  3. 前記燃料電池車両が二輪車であって、そのハンドルおよびフロントホークを車体前方で操舵自在に支持するヘッドパイプを具備し、
    前記空気供給手段が前記ヘッドパイプの前方に取り付けられ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。
  4. 前記空気供給手段の外気導入口が車体の横方向を指向したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池車両。
  5. 前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が車幅方向に関して一方側および他方側に振り分け配置されたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池車両。
  6. 前記燃料電池スタックを収容する燃料電池ボックスと、
    前記燃料電池ボックス内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給通路とを具備し、
    前記掃気ガス供給通路が前記送風通路から分岐されたことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池車両。
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