JP2010235099A - 燃料電池車両の水素ボンベ取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】水素充填口から複数の水素ボンベに水素ガスを供給する水素供給系の構造を簡素化する。
【解決手段】水素充填口１２０から単一の配管１５２を延在させ、その先端部を連結部１５０に連通接続する。連結部１５０内に形成された連通路１５４からそれぞれの水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒに水素を供給するための第１チューブ１５６、第２チューブ１５８が接続される。連結部１５０は、電磁弁１７０と緊急開放弁１８０を固着する。これによって、部品点数が削減され、保守管理が容易化する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素を燃料として発電する燃料電池を備える燃料電池車両の水素ボンベ取付構造に関する。

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開発されている。この燃料電池システムでは、反応ガス（空気）と水素ガスを燃料電池（燃料電池スタック）に供給し、該燃料電池で電気化学反応を生じさせることで発電する。通常、反応ガスは空気中からコンプレッサ等を介して取り込まれ、水素ガスは燃料電池車両に搭載した燃料ボンベから供給される。

この種の燃料電池車両は、従来から開発されている四輪車に加えて、二輪車や三輪車についても開発が進められており、例えば、特許文献１は、車両後方に水素ボンベを並設した燃料電池二輪車を開示している。一方、特許文献２は、車両の前方にヘッドパイプを挟んで複数の水素ボンベを傾斜して立設した燃料電池三輪車を開示している。

特開２００８−６８７８９号公報 特開２００９−６９７１号公報

前記特許文献１及び２に記載の燃料電池車両では、可及的に走行距離を長くしたいために複数の水素貯留用ボンベを搭載している。特に、特許文献２は、燃料電池三輪車において、操向ハンドルの回転中心となるヘッドパイプの両側にそれぞれ一基ずつ水素ボンベを配設してなるものである。限られたスペースを有効に利用するための構造と言えよう。このような構造では、単一の水素充填口から高圧の水素をそれぞれの水素ボンベに供給するための配管が連結されている。この種の配管は、高圧な水素ガスを供給するためのものであるから比較的高価であり、燃料電池車両の製造価格に大きな影響を与えている。もちろん、それなりに高圧配管を可及的に短くするように工夫は施されているが、さらに好ましくは、廉価に配管構造を構成することが希求されている。また、水素ボンベにおいては、一般的に水素供給のための電磁弁と緊急開放弁が個々に取り付けられているので、複数の水素ボンベを備える燃料電池車両では部品点数が増大する。そこで、部品点数の削減と軽量化が望まれている。

本発明は、上記課題を考慮してなされたものであり、燃料電池車両において水素供給系の一層のコストダウンを図るとともに、それぞれ水素ボンベに設けられた水素ガスの供給をオンオフするための電磁弁と、水素ガスが所定圧力以上になったときにその水素ガスの一部を放出させる緊急開放弁とを連係して設け、一層のコストダウンと省スペース化を実現するとともに、その組み立ての容易性と軽量化も確保することが可能な燃料電池車両の水素ボンベ取付構造を提供することを目的をする。

本願の請求項１で特定される発明は、車両本体１０と、前記車両本体に複数基設けられる水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒと、前記水素ボンベから供給される水素に基づいて発電する燃料電池４０とを有し、前記複数の水素ボンベを連結してそれぞれの水素ボンベに対して水素を供給する水素供給系を有する連結部１５０を備え、前記連結部に水素の供給をオンオフする電磁弁１７０と、水素が所定圧力以上に上昇したときに一時的に該水素を放出する緊急開放弁１８０を備えることを特徴とする。

本願の請求項２で特定される発明は、請求項１記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、前記燃料電池車両が燃料電池二輪車又は燃料電池三輪車であり、前記複数の水素ボンベは、燃料電池二輪車又は燃料電池三輪車を構成するヘッドパイプ１６の両サイドに配置され、前記連結部１５０は、前記ヘッドパイプの下方に配置されていることを特徴とする。

本願の請求項３で特定される発明は、請求項１又は２記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、燃料電池車両は、前記複数の水素ボンベの間にフレーム２４、２４を備え、前記フレームで囲まれた領域内に前記電磁弁と緊急開放弁を備えた連結部を配設することを特徴とする。

本願の請求項４で特定される発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、前記連結部に前記水素ボンベを取り付けるための取付部５０２Ｌ、５０２Ｒを有し、前記水素ボンベ側に前記連結部を取り付ける締め付け部５０４Ｌ、５０４Ｒを備えたことを特徴とする。

本願の請求項５で特定される発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、前記連結部は、前記車両本体のシート４４前部下方に設けられるステップフロア５２近傍に設けられるとともに、前記緊急開放弁は、当該ステップフロアの下方に配置されることを特徴とする。

本願の請求項６で特定される発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、前記緊急開放弁と前記電磁弁は車幅方向で左右に並んで配置されたことを特徴とする。

本願の請求項７で特定される発明は、請求項６記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、前記緊急開放弁は、車両本体の進行方向右側に配置されたことを特徴とする。

本願の請求項８で特定される発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、前記連結部は水素を地面に対して略垂直に放出する構造を備えることを特徴とする。

本願の請求項１で特定される発明によれば、複数の水素ボンベを連結する連結部を設け、この連結部の中に水素供給系を形成するとともに、電磁弁と緊急開放弁を備えるように構成したので、長い配管系を有する構造に代えて簡単な構造であるためにより一層製造コストを低減させることができ、また、それぞれの水素ボンベに水素の供給をオンオフさせる電磁弁と緊急開放弁とを備える必要がなく、単一の電磁弁と緊急開放弁で済むことから一層部品点数の削減を図ることができる。

さらに、配管系にかわって金属製ブロック体の如きリジットな連結部を設けることから組み立ての容易性が確保される。

本願の請求項２で特定される発明によれば、ヘッドパイプの両側に設けられる水素ボンベのそれぞれの下端部を前記連結部によって連結するためにヘッドパイプ周りの省スペース化を図ることができる。

本願の請求項３で特定される発明によれば、フレームで囲まれた領域内に電磁弁と緊急開放弁を設けたので、当該フレームに大きな力が印加されたとしても、前記連結部を電磁弁、緊急開放弁とともに十分に保護することが可能である。

本願の請求項４で特定される発明によれば、水素ボンベ側に設けた締め付け部を介して水素ボンベを連結部に対し、強固に取り付けることが可能であり、締め付け部を弛緩すれば水素ボンベを容易に取り外すことが可能となり、維持管理がし易い。

本願の請求項５で特定される発明によれば、前記連結部が前記車両本体のシートの前部下方に設けられたステップフロア近傍に配設され、且つ前記緊急開放弁が当該ステップフロアの下方に配置されるので前記緊急開放弁が開放されても水素は地面方向へ指向する。

本願の請求項６で特定される発明によれば、前記緊急開放弁と前記電磁弁が車両本体の車幅方向で左右に並んで配置されるので、スペースが有効に活用され、維持管理も容易であり、しかもコンパクトに構成することが可能となる。

本願の請求項７で特定される発明によれば、前記緊急開放弁は、車両本体の進行方向右側に設けられるので左側走行中の燃料電池車両が前記緊急開放弁から水素を放出した際に第三者によって容易に確認することが可能である。

本願の請求項８で特定される発明によれば、前記連結部は水素を走行する地面に対して略垂直に放出するので、放出領域が可及的に少なくて済む効果が得られる。

図１は、本発明の一実施形態に係る水素ボンベ取付構造を備えた鞍乗型燃料電池三輪車の側面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る水素ボンベ取付構造を備えた鞍乗型燃料電池三輪車の平面図である。 図３は、図１及び図２に示す水素ボンベ取付構造を備えた鞍乗型燃料電池三輪車の後部側から見た要部斜視図である。 図４は、他の実施形態に係る水素ボンベ取付構造の要部拡大斜視図である。

以下、本発明に係る水素ボンベ取付構造について、それを組み込んだ燃料電池揺動三輪車との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る鞍乗型燃料電池三輪車１０の側面図及び平面図である。本実施形態に係る鞍乗型燃料電池三輪車１０は、操舵輪としての前輪１２を１本とするのに対して、駆動輪としての後輪１４を車幅方向に離間して２本取り付けた三輪車であり、操向ハンドルと着座シートとの間に、ステップフロアが設けられたスクータ型の車体構成を有している。この鞍乗型燃料電池三輪車１０は、複数のセルが積層されて燃料電池を構成するセルスタックと、該セルスタックに燃料の水素ガスを供給する燃料（水素）ガス供給系と、該セルスタックに酸素を含む反応ガス（空気）を供給する反応ガス供給系とから構成される燃料電池発電システムを備え、燃料電池による発電電力及び該電力を蓄積する二次電池からの供給電力によって駆動モータを駆動して走行する。

車体フレームの前端に位置するヘッドパイプ１６には、ボトムリンク式のフロントサスペンション１８を支持するステアリングステム２０が回動自在に軸支されている。フロントサスペンション１８の下端部には、操舵輪としての前輪１２が回転自在に軸支されている。前輪１２は、ステアリングステム２０に結合された操向ハンドル２２によって操舵することができる。左右一対のメインフレーム２４は、ヘッドパイプ１６に接続されて下部後方に延びた後、車体下部で大きく屈曲して車体後方側に延びる形状を有している。メインフレーム２４の下方には、該メインフレーム２４に沿った形状を有する左右一対のアンダフレーム２６が配設されている。このアンダフレーム２６も、メインフレーム２４と同様に、ヘッドパイプ１６に接続されて下方後方に延びた後、車体下部で大きく屈曲して車体後方側に延びる形状を有する。アンダフレーム２６の後端は、上方に大きく屈曲してメインフレーム２４と接続され、該メインフレーム２４は、車体後方側で立ち上がりフレーム２８に接続されている。立ち上がりフレーム２８は、荷台３０を支えるリヤフレーム３２に連結され、該荷台３０に、燃料電池４０の発電電力を蓄積する二次電池４２が積載されている。

直方体形状の燃料電池４０は、乗員３００が着座するシート４４の下方の位置に、車体後方側へ所定角度（例えば、３０度）傾斜した状態で取り付けられている。燃料電池４０の車幅方向左右には、この燃料電池４０を冷却するための水冷式のラジエータ４６Ｌ、４６Ｒが配設されている。また、燃料電池４０の後面側には、ラジエータの冷却水を圧送するための電動ポンプ４８が配設されており、他方、前面側には、前記燃料電池４０に供給する反応ガスを加湿するための略円筒形状の加湿器５０が、車幅方向略中央に取り付けられている。前記シート４４と操向ハンドル２２との間には、ステップフロア５２が設けられている。このステップフロア５２は、走行中に乗員３００の両足が置かれる平坦な床面を、樹脂板等によって構成したものであり、本実施形態では、車幅方向で左右対称の形状とされている。このステップフロア５２の前部下方で、メインフレーム２４とアンダフレーム２６とに囲まれた空間には、燃料電池４０に反応ガスを圧送するための過給機５４が配設されている。また、加湿器５０の車体前後のメインフレーム２４の上面には、ステップフロア５２を形成する樹脂板を支持するためのステー５６が取り付けられている。

後輪１４及びこれを駆動する駆動モータ５８は、車体後部の動力ユニット６０に取り付けられている。駆動モータ５８の動力は、減速機構を介して車軸６２によって２本の後輪１４に伝達される。動力ユニット６０は、連結機構６４でメインフレーム２４等の車体フレームに連結されるとともに、図示しない緩衝機構を介して車体側に吊り下げられている。連結機構６４には、ラバーダンパを使用したナイトハルトスイング機構が適用され、これにより、２本の後輪１４を路面に接地させたまま車体を左右に傾斜させて旋回走行することが可能となる。動力ユニット６０には、図示しない電圧変換器（ＶＣＵ）、駆動モータ５８のドライバ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、制御ユニットとしてのＥＣＵ等の電装部品が集中的に配置されている。

ヘッドパイプ１６の車幅方向左右には、メインフレーム２４及びアンダフレーム２６を左右から挟むようにして左右一対の水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒが取り付けられている。水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒの前方及び側方は、メインフレーム２４に連結されるとともに、外部から保護するガードパイプ７２（図２参照）で囲まれている。また、左側の水素ボンベ７０Ｌの前部上方には、反応ガスとなる外気（空気）を濾過するためのエアクリーナボックス７４が配設されている。

ラジエータ４６Ｌ、４６Ｒは、燃料電池４０を車幅方向左右から挟み込むように配置されている。このような構成によれば、ラジエータと燃料電池とを離れた位置に配設する場合に比して、冷却水の配管が短くて済むようになり、配管での圧力損失を低減することが可能となる。また、ラジエータ４６Ｌ、４６Ｒは、車体側面視において、その下部より上部が車体前方に位置するように傾けられ、車体平面視においては、走行風を受ける平面部を車体内側方向に傾けるようにして取り付けられている。さらに、ラジエータ４６Ｌ、４６Ｒは、後輪１４の車幅方向外側の端部より車体内側に配設されており、これにより、物等がラジエータに接近した場合でも、後輪が先に接触することでラジエータを保護することができる。燃料電池４０の後方上部には、電動ポンプ４８から圧送される冷却水を左右のラジエータ４６Ｌ、４６Ｒに分配する分配管８２が配置されている。

ところで、本実施の形態では、図３に示すように、操向ハンドル２２と一体的なステアリングステム２０の下方にパーキング機構１００を設ける。このパーキング機構１００は、パーキングレバー１０２を含む。パーキングレバー１０２を矢印方向に回動させることによって燃料電池三輪車１０をパーキングロックすることが可能である。前記のようにヘッドパイプ１６から下方へとメインフレーム２４、２４が延在している。そして、これらメインフレーム２４、２４の間に形成されたスペースに減圧調圧機構１１０が配設される。限られた空間を有効に使うためである。減圧調圧機構１１０については既に公知であることから、その詳細な構造についてはその説明を省略する。

減圧調圧機構１１０の上部には、水素充填口１２０が設けられ、この水素充填口１２０は、蓋１２２によってその開口部が開閉される。前記水素充填口１２０は、高圧水素に十分耐えうる金属製配管１５２を介して連結部１５０と連通する。連結部１５０は、耐圧製に富む金属製部材からなる直方体状（ブロック体）であり、その内部に連通路１５４が形成されている。実際、配管１５２と連通路１５４とが連通し、連通路１５４の一方の端部は第１チューブ１５６に連通するとともに、該連通路１５４の他方の端部は第２チューブ１５８に連通している。第１チューブ１５６、第２チューブ１５８は、ナットを含む接続部１６０によって連結部１５０と着脱自在である。さらに、連結部１５０の連通路１５４は、前記連結部１５０に装着された電磁弁１７０と緊急開放弁１８０に連通している。電磁弁１７０と緊急開放弁１８０とは連結部１５０の上面に車体の左右方向に、すなわち、車幅方向に並設されている。

この場合、電磁弁１７０は、水素充填口１２０から注入され、配管１５２を介して流入する水素ガスの供給遮断を行なうためのオンオフ弁であり、一方、緊急開放弁１８０は、水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒの内部圧力が所定の値以上になったときに、これを開放して減圧する作用を営む。緊急開放弁１８０の開放口は図３及び図４に示すように、地面に対し垂直方向に開口している。第１チューブ１５６は、水素ボンベ７０Ｌの頭部に装着された水素注入部２００Ｌに接続部２０２を介して連結される。一方、第２チューブ１５８は、水素ボンベ７０Ｒの水素注入部２００Ｒに接続部２０４を介して接続される。

そこで、前記のように構成される第１の実施の形態について、その動作及び作用効果について説明する。

図示しないメーターが、水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒにおいて所定の値よりも少なくなって、水素ガスの注入が必要であると乗員３００によって確認されると、乗員３００は水素充填口１２０の蓋１２２を開け、水素充填機構４００を前記水素充填口にしっかりと挿入する。水素充填機構４００から注入される高圧の水素ガスは、配管１５２を介して、連結部１５０へと流入する。ここで、連結部１５０で分岐された前記水素ガスは、第１チューブ１５６、水素注入部２００Ｌを介して、水素ボンベ７０Ｌへと注入される。一方、連結部１５０から第２チューブ１５８に至る水素ガスは水素ボンベ７０Ｒの水素注入部２００Ｒを介して当該水素ボンベ７０Ｒ側にと注入される。

所定の水素ガスが注入されたことによって、乗員３００は水素充填機構４００を水素充填口１２０から抜き取り、蓋１２２を閉める。乗員３００は、必要に応じて燃料電池三輪車１０を前記注入された水素ガスを利用して燃料電池４０によって電気を発生させ、且つ発生した電気は二次電池４２に蓄えて必要な走行に備える。

本実施の形態によれば、水素充填口１２０から注入される水素ガスは、単一の配管１５２を介して連結部１５０に到達して、ここで分岐されて水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒへと注入される。従って、連結部１５０をメインフレーム２４、２４間に所定の緊締機構を用いて固定するだけでよいために、配管１５２の取り回しが極めて簡素化する。しかも、連結部１５０に電磁弁１７０と緊急開放弁１８０を車幅方向に沿って固定することができるため、省スペース化が図られ減圧調圧機構１１０の構成そのものが簡素化するとともに、維持管理も容易である。そして、必要に応じて接続部１６０を緩めることによって第１チューブ１５６、第２チューブ１５８を取り外し、連結部１５０や電磁弁１７０、緊急開放弁１８０の維持管理を行うことができる。もちろん、第１チューブ１５６、第２チューブ１５８を連結部１５０に固着したままで接続部２０２を取り外せば、水素ボンベ７０Ｌを単独で取り外すこともできる。水素ボンベ７０Ｒ側も同様である。

本実施の形態によれば、電磁弁１７０と緊急開放弁１８０を備える連結部１５０がステップフロア５２の下方に配置されている。この場合、前記電磁弁１７０と緊急開放弁１８０とは該ステップフロア５２によって覆われていてもよい。このような構成によれば、緊急開放弁１８０の開放口が略垂直に地面に指向して開口しているので、前記緊急開放弁が所定の圧力以上の水素によって開放されるとき、前記水素は地面方向に指向して開放される。この本実施の形態において、前記のように緊急開放弁の１８０の開放口が連結部１５０を経て略垂直に開口させておけば、所定圧以上に水素圧力が上昇して開放口から水素を放出したとしても極めて狭い領域に限定される。しかも、前記緊急開放弁１８０は車両本体の進行方向に対して電磁弁１７０よりも右側に設けられている。従って、緊急開放弁１８０から水素が放出された場合には、左側走行中であっても容易に第三者によって視認することが可能である。

前記のように、水素供給系を簡素化することができるため、製造コストを低減させることができ、しかも、水素ボンベ７０Ｌ、７０Ｒのそれぞれに水素供給系をオンオフする電磁弁１７０や緊急開放弁１８０を設ける必要は無く、単一の電磁弁１７０、緊急開放弁１８０で十分な機能を営むことができる。従って、一層の部品点数の削減を図ることが可能である。

図４に、第２の実施形態を示す。この第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第２の実施形態では、第１の実施形態の連結部１５０、第１チューブ１５６、第２チューブ１５８、接続部１６０、２０２、２０４、水素注入部２００Ｌ、２００Ｒに代えて、単一の連結部５００を設けている。すなわち、連結部５００は前記配管１５２を介して水素充填口１２０に連通するとともに、この連結部５００は水素注入部５０２Ｌ、５０２Ｒをその内部に一体的に設けている。水素ボンベ７０Ｌと７０Ｒとは、それぞれ例えば、大径な内ねじを刻設した緊締部５０４Ｌ、５０４Ｒによって気密に緊締すればよい。

このような構成にすれば、より一層部品点数を削減することができるとともに維持管理も容易となる。

以上、本発明について好適な実施形態について、詳細に説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０…燃料電池三輪車 １６…ヘッドパイプ
２２…操向ハンドル ２４…メインフレーム
４０…燃料電池 １００…パーキング機構
１１０…減圧調圧機構 １２０…水素充填口
１２２…蓋 １５２…配管
１５４…連通路 １５６…第１チューブ
１５８…第２チューブ １７０…電磁弁
１８０…緊急開放弁
２００Ｌ、２００Ｒ、５０２Ｌ、５０２Ｒ…水素注入部
５００…連結部 ５０４Ｌ、５０４Ｒ…緊締部

Claims (8)

1. 車両本体（１０）と、前記車両本体に複数基設けられる水素ボンベ（７０Ｌ、７０Ｒ）と、前記水素ボンベから供給される水素に基づいて発電する燃料電池（４０）とを有する燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記複数の水素ボンベを連結してそれぞれの水素ボンベに対して水素を供給する水素供給系を有する連結部（１５０）を備え、
   前記連結部に水素の供給をオンオフする電磁弁（１７０）と、水素が所定圧力以上に上昇したときに一時的に該水素を放出する緊急開放弁（１８０）を備えることを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
2. 請求項１記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記燃料電池車両は燃料電池二輪車又は燃料電池三輪車であり、
   前記複数の水素ボンベは、燃料電池二輪車又は燃料電池三輪車を構成するヘッドパイプ（１６）の両サイドに配置され、
   前記連結部（１５０）は、前記ヘッドパイプの下方に配置されていることを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   燃料電池車両は、前記複数の水素ボンベの間にフレーム（２４、２４）を備え、前記フレームで囲まれた領域内に前記電磁弁と緊急開放弁を備えた連結部を配設することを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記連結部に前記水素ボンベを取り付けるための取付部（５０２Ｌ、５０２Ｒ）を有し、前記水素ボンベ側に前記連結部を取り付ける締め付け部（５０４Ｌ、５０４Ｒ）を備えたことを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記連結部は、前記車両本体のシート（４４）前部下方に設けられるステップフロア（５２）近傍に設けられるとともに、前記緊急開放弁は、当該ステップフロアの下方に配置されることを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記緊急開放弁と前記電磁弁は車幅方向で左右に並んで配置されたことを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
7. 請求項６記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記緊急開放弁は、車両本体の進行方向右側に配置されたことを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池車両の水素ボンベ取付構造において、
   前記連結部は水素を地面に対して略垂直に放出する構造を備えることを特徴とする燃料電池車両の水素ボンベ取付構造。

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