JP2005145359A - 燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料ボンベを搭載した燃料電池車両において、燃料ボンベから圧力制御バルブを介して外気に対して放出された高圧の燃料ガスを効率よく拡散して車外へ放出する。
【解決手段】燃料ボンベ14の圧力制御バルブ58は、ガス放出口59を備え、このガス放出口59を、アッパフレーム22Rに設けられた拡散ガイド102に対向配置している。ガス放出口59から放出された燃料ガスは、拡散ガイド102の凹面部104に当たりこれに沿って放射状に拡散されるとともに、開口部106を通じ凹面部104を通り抜けた一部のガスがアッパフレーム22Rの壁面に当たって整流され、さらに壁面に沿って拡散されて放射状に外気に放出される。
【選択図】図13

Description

この発明は、燃料ボンベと燃料電池スタックとを備え、反応ガスと前記燃料ボンベからの燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給して得られる電力で走行する燃料電池車両に関し、例えば、自動二、三輪車あるいは四輪自動車等に適用して好適な燃料電池車両に関する。
近時、燃料電池システム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車輪を駆動する燃料電池車両が知られている。前記の燃料電池システムでは、燃料電池スタックにおいて、燃料ガスとしての水素と反応ガスとしての酸素との化学反応により発電が行われる。ここで、酸素は空気中からエアコンプレッサを介して取り込まれるが、水素は燃料ボンベから流量調整バルブを通じて供給される(特許文献1参照)。
燃料電池車両に搭載される燃料ボンベには、1回の燃料ガスの補給による走行距離を延ばすこと等を目的として、高圧の水素ガスが充填される。そして、高圧の水素ガスが充填された燃料ボンベには、前記の流量調整バルブの他、内部ガス圧が一定以上のガス圧力になることを防止するために圧力制御バルブが設けられている。
特開2001−130468号公報(図1)
ところで、燃料ボンベを搭載した燃料電池車両において、前記の圧力制御バルブが作動して水素ガスが燃料ボンベから外気へ放出される場合には、その放出圧力が弱められ、かつ拡散されて外気、すなわち車両外へ放出されることが望ましい。
しかしながら、上記従来技術に係る文献には、圧力制御バルブ自体及びこの作動による水素ガスの放出の仕方については何も記載されていない。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料ボンベを搭載した燃料電池車両において、燃料ボンベから外気に対して放出された燃料ガスを効率よく拡散して車外へ放出することを可能とする燃料電池車両を提供することを目的とする。
この発明に係る燃料電池車両は、燃料ボンベと燃料電池スタックとを備え、反応ガスと前記燃料ボンベからの燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給して得られる電力で走行する燃料電池車両において、平面視的に見て、前記燃料ボンベを囲み、かつ支持する車体フレームと、前記燃料ボンベに設けられ、かつガス放出口を有し、前記燃料ボンベ内の前記燃料ガスを前記ガス放出口を通じて外気に放出するガス放出器とを備え、前記ガス放出口が、前記車体フレームに対向配置されたことを特徴とする(請求項1記載の発明)。
この発明によれば、ガス放出口を車体フレームに対向配置しているので、燃料ボンベから放出された燃料ガスを車体フレームに当てることで効率よく拡散させて車外へ放出することができる。
この場合、さらに、前記ガス放出口に対向配置される前記車体フレームに、前記ガス放出口から放出された前記燃料ガスを複数の方向へ拡散させる拡散ガイドを設けることにより、燃料ガスを拡散ガイドにより効率よく拡散させることができる(請求項2記載の発明)。
また、前記拡散ガイドに、前記ガス放出口に対向する凹面部を形成し、前記凹面部に前記燃料ガスの一部を通過させる複数の開口部を設けることで、放出された燃料ガスが凹面部を通じて拡散されるともに、開口部を通じて車体フレームに当たりさらに車体フレームによっても拡散されるので、より効率よく拡散させることができる(請求項3記載の発明)。
なお、前記燃料ボンベを囲んで支持する車体フレームを覆う車体カバーを備え、前記車体フレームあるいは前記拡散ガイドにより拡散された前記燃料ガスを前記車体カバーの外の前記外気に放出するための開口部を、前記車体カバー中、前記燃料ガスが当たる車体フレームあるいは前記拡散ガイドの近くに設けることで、車体フレームにより拡散された燃料ガス、拡散ガイドにより拡散された燃料ガス、又は拡散ガイド及び車体フレームにより拡散された燃料ガスを車体カバーの開口部から効率よく車外へ放出することができる(請求項4記載の発明)。
ここで、前記ガス放出器は、前記燃料ボンベ内の燃料ガス圧力が所定値を超えたときに、前記放出口が自動的に開いて前記燃料ガスを放出する圧力制御バルブとすることが好ましい(請求項5記載の発明)。圧力制御バルブは、例えば弁体にバネ力と内部の燃料ガス圧力とを対抗させ、燃料ガス圧力がバネ力を超えると弁体が開き、余分な圧力を外気へ放出する機能を有する。これにより、燃料ボンベ内の圧力が必要以上に大きくなることを防止することができる。
この発明によれば、燃料ボンベを搭載した燃料電池車両において、燃料ボンベからガス放出器のガス放出口を通じて放出された燃料ガスを車体フレームあるいは拡散ガイドに当てることで効率よく拡散して車外へ放出することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の燃料電池車両の一実施形態が適用された燃料電池二輪車10の構成を示す一部省略側面図、図2は、燃料電池二輪車10の斜視図、図3は、燃料電池二輪車10の車体フレーム12の骨格を示す模式図、図4は、車体フレーム12が燃料ボンベ14を支持する状態を示す説明図である。
主に、図3に示すように、車体フレーム12は、基本的には、ヘッドパイプ16と、このヘッドパイプ16を始点(一端)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18L、18Rと、この上部ダウンフレーム18L、18Rよりも下方で、ヘッドパイプ16を始点(上端)として下方に延びた左右一対の下部ダウンフレーム20L、20Rと、下部ダウンフレーム20L、20Rの略中央部から斜め上方に延び、その途中に上部ダウンフレーム18L、18Rの他端が連結された左右一対のアッパフレーム22L、22Rと、このアッパフレーム22L、22Rよりも下方で下部ダウンフレーム20L、20Rの下端から後方に延びた左右一対のロアフレーム24L、24Rと、略四角形の環状構造であって、その四隅でアッパフレーム22L、22R及びロアフレーム24L、24Rの後端を支持する環状フレーム26と、下部ダウンフレーム20L、20Rを、アッパフレーム22L、22R及びロアフレーム24L、24Rが連結される位置でそれぞれ連結する上部連結フレーム30及び下部連結フレーム32とから構成される。
車体フレーム12は、さらに、ロアフレーム24L、24Rの後端から斜め上方に延びるリアプレート28を備える。
主に図1に示すように、ヘッドパイプ16には、ブリッジ17を介して前輪FWを回転可能に支える左右一対のフロントフォーク34が連結され、このフロントフォーク34には、ブリッジ17を介して操行ハンドル36が操舵可能に連結されている。リアプレート28の下方には、左右一対の揺動フレーム38が軸40を支点として揺動自在に支持され、揺動フレーム38の後端に駆動輪としての後輪RWが支持されている。なお、後輪RWには、図示はしないが、燃料電池システムで発生された電気により駆動されるモータが一体的に組み込まれている。
燃料電池二輪車10には、燃料電池システムが組み込まれ、この燃料電池システムは、基本的には、アノード電極に供給される燃料ガス(水素ガス)とカソード電極に供給される反応ガス(酸素ガス)とを反応させることで電気(電流)を発生する燃料電池スタック42と、この燃料電池スタック42を内蔵した燃料電池ボックス44と、この燃料電池ボックス44内の燃料電池スタック42に供給する燃料ガスを高圧状態で貯蔵する燃料ボンベ(水素ボンベ)14と、外気(大気)を取り込んで反応ガス、掃気ガス及び冷却ガスとして燃料電池ボックス44内へ供給する配管システム46とを含み、さらに補助電源として複数の二次バッテリ47、48と燃料電池49を備える。
燃料ボンベ14は、左右のアッパフレーム22L、22Rにより間に支持されるように、バルブアセンブリ50(図2参照)側を後方に向け、かつバルブアセンブリ50側の端(前端)が他端(後端)よりも高くなるように傾斜した横臥姿勢で、アッパフレーム22L、22Rに沿って着座用のシート52の前側に搭載されている。なお、燃料ボンベ14に設けられているバルブアセンブリ50は、水素燃料ステーション等で高圧水素が供給される閉止バルブ54と、燃料電池スタック42に供給する燃料ガスの流量を調整する流量調整バルブ56と、内部ガス圧が一定以上のガス圧力になると自動的に開放されるガス放出口59を有するガス放出器としての圧力制御バルブ58とから構成される。
図4に示すように、左右のアッパフレーム22L、22Rは、両者の間隔が上部から下部に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14を横臥姿勢で支持することができる。アッパフレーム22L、22Rの当接面には衝撃吸収部材45が装着されている。なお、アッパフレーム22L、22Rの燃料ボンベ14を支持している面は略平板状になっている。燃料ボンベ14は、金属の結束バンド60、62(図1及び図2参照)によってアッパフレーム22L、22Rに強固に拘束されている。
燃料ボンベ14がアッパフレーム22L、22Rに拘束されている状態において、燃料ボンベ14は、図3に点線で示すように、平面視的にみれば、車軸方向に配置され、燃料ボンベ14の前後方向がそれぞれ環状フレーム26の上辺と上部連結フレーム30により保護され、かつ左右方向がアッパフレーム22L、22Rにより保護される配置にされている。すなわち、燃料ボンベ14は、平面視的にみて、車体フレーム12を構成する環状フレーム26の上辺、上部連結フレーム30及びアッパフレーム22L、22Rからなる厚みのある帯状の枠(フレーム)により囲まれて保護されており、かつアッパフレーム22L、22Rに結束バンド60、62(図1、図2参照)を介して強固に支持されている。
燃料ボンベ14の下方には、燃料電池ボックス44が、ロアフレーム24L、24R間に位置し、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、この直線と重なるように、アッパフレーム22L、22Rのそれぞれ前後2箇所(合計4箇所)に設けたブラケット64、66によりつり下げ固定されている。
補助電源としての二次バッテリ47、48及び燃料電池49は、それぞれ車両の前方、後方及びシート52の下方に分散配置されている。シート52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12[V]に変換するダウンバータ、及び燃料電池二輪車10全体を制御するECU(Electric Control Unit:制御部)を含む電装部品68が搭載されている。
また、車体の前方には、外気を取り込んで燃料電池ボックス44に掃気ガス、反応ガス及び冷却ガスとして強制的に供給するエアコンプレッサとして機能するブロアモジュール70がヘッドパイプ16から前方に延びたフロントパイプ72に装着されている。
図5は、ブロアモジュール70を車体の右斜め前方から見た図であり、図6は、左斜め前方から見た図である。
ブロアモジュール70は、基本的には、電装部品68により制御されるブロアモータ74及びブロアファン(不図示)を内蔵するブロア本体75と、エアクリーナ78と、ブロア本体75とエアクリーナ78とを連結する吸気パイプ80とから構成されている。
図7に示すように、エアクリーナ78は、右ケース78a及び左ケース78bからなるケース内にエアフィルタ78cを内蔵する。右ケース78aの下側端面には外気を取り込む吸気口81が設けられ、左ケース78bの主面には出力口82が設けられている。出力口82には吸気パイプ80が連結されている。
図5に示すように、エアクリーナ78は、吸気口81が車体の右側斜め下方に指向する姿勢で車体に取り付けられている。エアクリーナ78の側面には切欠部78dが設けられ、この切欠部78dにブロア本体75のブロアモータ74が収容される。
ブロア本体75が作動すると吸気パイプ80内が負圧となり、外気がエアクリーナ78の吸気口81から吸引される。この外気はエアクリーナ78内でエアフィルタ78cにより濾過された後、出力口82から吸気パイプ80内に吸引され、その後、ブロアモータ74を介して送風通路76に供給される。
図示していないイグニッションスイッチがオン状態にされると、ブロアモジュール70が駆動されて外気の吸引及び圧送が開始される。
この場合、図8に示すように、外気が送風通路76の上流側バイパスバルブ84から掃気ガス供給通路87を経由して燃料電池ボックス44内へ掃気ガスとして導入される。これと同時に、下流側バイパスバルブ86が開くので、外気が反応ガス供給通路88(図9も参照)を経由して燃料電池スタック42へ供給されるとともに、冷却ガス供給通路90を経由して燃料電池スタック42へ供給される。
このとき、図示しない温度センサによって燃料電池スタック42のスタック温度Tbatが常時計測され、イグニッションスイッチがオフ状態にされると、スタック温度Tbatが所定の基準温度Trefと比較される。下流側バイパスバルブ86は、Tbat<Trefであれば、送風通路76から供給された外気が反応ガス供給通路88及び冷却ガス供給通路90のいずれにも供給されず、Tbat≧Trefであれば、反応ガス供給通路88側への供給が停止され、冷却ガス供給通路90への供給のみが継続されるように制御される。
燃料電池ボックス44には、さらに掃気ガスを排気するための掃気出口通路92及びパージされた燃料ガス(水素ガス)を排出するための水素出口通路94が接続され、各通路の他端は、水素の希釈ボックスとしても機能するサイレンサ96に連結されている。掃気ガス及びパージされた水素ガスは、サイレンサ96で混合されて外気へ排気される。
図8に示すように、燃料ボンベ14と燃料電池ボックス44とは燃料ガス供給通路98で接続され、この燃料ガス供給通路98を経由して、燃料ボンベ14から燃料電池ボックス44内の燃料電池スタック42へ燃料ガスが供給される。燃料電池スタック42を構成する各セルの電圧は常時監視され、そのうち、1つでも基準電圧を下回ったときには発電効率を一定以上に確保するための水素パージを行う。
図10、図11は、それぞれ燃料電池ボックス44のX−X線断面図、及びXI−XI線断面図である。
燃料電池ボックス44内では、略直方体状の燃料電池スタック42が、その6つの面とボックスケース44a、44b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。掃気ガス供給通路87から燃料電池ボックス44内へ掃気ガスとして導入された外気は、ボックスケース44a、44bと燃料電池スタック42との間のスペースに滞留するガスを掃気して掃気出口通路92から排気される。
図12は、燃料ボンベ14を構成するバルブアセンブリ50と車体フレーム12中、アッパフレーム22L、22Rとを含むガス拡散機構100の斜視構成模式図を示している。
図13は、ガス拡散機構100を説明するための模式的平面図である。
ガス拡散機構100は、圧力制御バルブ58と拡散ガイド102と車体フレーム12を構成するアッパフレーム22Rとから構成される。ここで、燃料ボンベ14のバルブアセンブリ50に取り付けられているガス放出器としての圧力制御バルブ58は、ガス放出口59を備え、このガス放出口59は、アッパフレーム22Rに設けられた拡散ガイド102に対向配置されている。
拡散ガイド102は椀形状をしており、ガス放出口59に対向する面が凹面部104に形成され、この凹面部104の4箇所に開口部106が設けられている。開口部106は、アッパフレーム22Rに沿う方向及びこれと直交する方向に開けられている。ここで、拡散ガイド102の径L2は、ガス放出口59の開口径より大きな径となっており、より具体的には、拡散ガイド102の大きさは、すり鉢状のガス放出口59から放出される高圧の燃料ガスが必ず拡散ガイド102に当たってから拡散される大きさに設定されている。アッパフレーム22Rの拡散ガイド102の取り付け面の幅L1は、拡散ガイド102の最大径L2より大きな値となっている。
なお、拡散ガイド102は、例えばアッパフレーム22Rに設けられたボスに対して椀形状の底部を通じてネジ止めされる。ボスを2つにして2つのネジで止め、回り止めを行う構成にしてもよい。また、アッパフレーム22Rに頭部が四角形等の異形ビス状の突起を設け、このビス状の突起に拡散ガイド102の底部に設けた異形ビスに対応する形状の凹部を圧入してワンタッチで固定する構成とすることもできる。
圧力制御バルブ58は、燃料ボンベ14の最高圧力を限定する圧力制御弁であり、例えば弁体にバネ力と内部燃料ガス圧力を対抗させ、内部燃料ガス圧力がバネ力を超えると弁体が開き、余分な圧力分の燃料ガスがガス放出口59を通じて矢印110に示すように放出する機能を有する。
ガス放出口59から矢印110の方向に放出された高圧の燃料ガスは、拡散ガイド102の凹面部104に当たって圧力が弱められ、かつこの凹面部104に沿って矢印111で示すように放射状に拡散されることでさらに圧力が弱められて外気に放出されるとともに、開口部106を通じて拡散ガイド102を通り抜けた一部のガスがアッパフレーム22Rの略平板状の壁面に当たってさらに減衰かつ整流され、壁面に沿って矢印112に示すように拡散されて放射状に外気に放出される。このようにして、アッパフレーム22R及び拡散ガイド102に当たった高圧の燃料ガスは、勢いが減衰されて、かつ各方向に速やかに効率よく拡散される。
実際上、図14に示すように、燃料電池二輪車10は、フロントカウル120と、センタカウル122と、左右のサイドカウル124L、124Rからなる車体カバー126により覆われているので、左右のサイドカウル124L、124Rの拡散ガイド102近傍の燃料ガスが拡散される箇所に開口部128L、128Rを設けることで、拡散ガイド102及びアッパフレーム22Rにより拡散された燃料ガスを効率よく速やかに車外へ放出することができる。
なお、図15に示すように、拡散ガイド102を設けることなく、圧力制御バルブ58のガス放出口59を、アッパフレーム22Rの壁面に直接的に対向配置するガス拡散機構100Aの構成としても、ガス放出口59から放出された燃料ガスがアッパフレーム22Rに当たって矢印に示すように全方向に拡散されるので、一定の拡散効果を得ることができる。この場合において、アッパフレーム22Rの幅L1は、ガス放出口59から放出される高圧の燃料ガスが必ずアッパフレーム22Rに当接してから拡散される幅に設定される。
また、図16に示すように、開口部106を設けない全面凹面部の拡散ガイド113をガス放出口59に対向配置するガス拡散機構100Bの構成としても、ガス放出口59から放出された燃料ガスが拡散ガイド113に当たって全方向に拡散されるので、一定の拡散効果を得ることができる。
この場合、ガス拡散機構100、100A、100Bの優劣を述べると、車体フレーム(アッパフレーム22R)に開口部106を有する拡散ガイド102を設けた図12例のガス拡散機構100により最も効率よく拡散することが可能であり、以下、車体フレーム(アッパフレーム22R)に開口部を有しない拡散ガイド113を設けた図16例のガス拡散機構100B、及び車体フレーム(アッパフレーム22R)のみで放出ガスを拡散させる図15例のガス拡散機構100Aの順で効率よく拡散することができる。どのガス拡散機構100、100A、100Bを用いるかはガス放出口59からの放出圧力、アッパフレーム22Rの形状等を考慮して決定することができる。
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば燃料電池二輪車10以外に、燃料電池三輪車及び燃料電池四輪車へも同様に適用する等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
この発明の一実施例に係る燃料電池二輪車の一部省略側面図である。 図1例の燃料電池二輪車の一部省略斜視図である。 車体フレーム構造の模式図である。 燃料ボンベと、これを支持するアッパフレームを示す正面図である。 ブロアモジュールを車体の右斜め前方から見た一部省略斜視図である。 ブロアモジュールを車体の左斜め前方から見た一部省略斜視図である。 エアクリーナの分解斜視図である。 燃料電池システムの構成を示す側面図である。 燃料電池システムの構成を示す平面図である。 図8に示した燃料電池ボックスのX−X線断面図である。 図8に示した燃料電池ボックスのXI−XI線断面図である。 ガス拡散機構の配置及び動作説明に供される斜視図である。 ガス拡散機構の配置説明に供される平面図である。 車体カバーで覆われた燃料電池車両の斜視図である。 他の実施形態のガス拡散機構の配置及び動作説明に供される斜視図である。 さらに他の実施形態のガス拡散機構の配置及び動作説明に供される斜視図である。
符号の説明
12…車体フレーム 14…燃料ボンベ
22L、22R…アッパフレーム 50…バルブアセンブリ
58…圧力制御バルブ 59…ガス放出口
100、100A、100B…ガス拡散機構
102、113…拡散ガイド 104…凹面部
106…開口部

Claims (5)

  1. 燃料ボンベと燃料電池スタックとを備え、反応ガスと前記燃料ボンベからの燃料ガスを前記燃料電池スタックへ供給して得られる電力で走行する燃料電池車両において、
    平面視的に見て、前記燃料ボンベを囲み、かつ支持する車体フレームと、
    前記燃料ボンベに設けられ、かつガス放出口を有し、前記燃料ボンベ内の前記燃料ガスを前記ガス放出口を通じて外気に放出するガス放出器とを備え、
    前記ガス放出口が、前記車体フレームに対向配置された
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 請求項1記載の燃料電池車両において、
    さらに、
    前記ガス放出口に対向配置される前記車体フレームに、前記ガス放出口から放出された前記燃料ガスを複数の方向へ拡散させる拡散ガイドを設けた
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  3. 請求項2記載の燃料電池車両において、
    前記拡散ガイドは、前記ガス放出口に対向する面に凹面部が形成され、前記凹面部に前記燃料ガスの一部を通過させる複数の開口部を設けた
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池車両において、
    前記燃料ボンベを囲んで支持する車体フレームを覆う車体カバーを備え、前記車体フレームあるいは前記拡散ガイドにより拡散された前記燃料ガスを前記車体カバーの外の前記外気に放出するための開口部を、前記車体カバー中、前記燃料ガスが当たる車体フレームあるいは前記拡散ガイドの近くに設けた
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池車両において、
    前記ガス放出器は、前記燃料ボンベ内の燃料ガス圧力が所定値を超えたときに、前記ガス放出口が自動的に開いて前記燃料ガスを放出する圧力制御バルブである
    ことを特徴とする燃料電池車両。

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