JP2016088160A - 燃料電池二輪車 - Google Patents

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啓太 長屋
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Abstract

【課題】極めて簡素な構成により有効且つ効果的に吸気効率を高めて発電効率を向上する燃料電池二輪車を提供する。【解決手段】駆動輪13を駆動する電動機27と、電動機27に電力を供給する空冷式の燃料電池26と、燃料電池26に供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンク28とを備える。シート14の前部下方に設けた吸気取入口41と吸気ダクト38の間であって、シート14と車体カバー11Cに囲まれた空間にバッテリパック29を配置する。【選択図】図5

Description

本発明は、燃料電池が発電した電力で走行する、特にスクータ型燃料電池自動二輪車に関する。
燃料、例えば水素ガスを貯蔵する燃料タンクと、燃料と空気、具体的には空気中の酸素との化学反応により発電する燃料電池スタック(以下、単に燃料電池という)と、二次電池と、駆動輪を駆動させる電動モータと、を備えた燃料電池車両が開発されている。
この種の燃料電池システムでは、発電に伴いその発電電力に応じて相当程度の熱量を発生させる。四輪車用の燃料電池システムおいては、冷却効率の高い水冷式の冷却システムや、大電力を発生させるために、燃料電池システムに大量の空気を送り込むコンプレッサを備える。また、燃料電池二輪車でも、比較的に大電力を発電可能な水冷式燃料電池システムを備えるものがある。一方、発生電力を数kW程度の比較的に小電力とした空冷式燃料電池システムでは、水冷式燃料電池システムの冷却システムに係る多数の補機類等不要であり、低出力で走行可能な燃料電池二輪車等の車両に用いられる例が有る。
例えば、特許文献1に開示されるように電子部品の冷却のためにフィンを設け、フレームカバーに添わせるように流通させた走行風を当てることで、DC/DCコンバータを冷却する配置構造が採用される。
また、特許文献2に開示されるようにライダーが着座するシートの下方に各種の冷却を必要とする電子部品を配置することで、燃料電池を保護することができ、且つ走行風をフレームカバー内に取り入れることで、電子部品の冷却と空冷式燃料電池の冷却風の取込みを図る構造が採用される。
また、特許文献3に開示されるように空冷式燃料電池の吸気に対して雨や泥はねの影響を与えないようにするために、フレーム上部に燃料電池を配置する車両構造が採用される。
特開2002−187587号公報 特開2010−274714号公報 特開2009−78623号公報
ところで、燃料電池二輪車に搭載される空冷式燃料電池は、内部で燃料の水素及び酸素から発電を行うため、ファンによって強制吸気を行っており、その吸気効率が発電出力に影響する。また、バッテリ等の電子系部品は、一般に高温になって性能低下等が誘発されるのを防止するために、水冷やファンによる強制空冷構造が採用される。
しかしながら、上述のような従来技術において、空冷式燃料電池の吸気ダクト前方に他部品が配置されると、その部品により吸気圧損失のために発電効率が低下し、発電出力の低下を招来する。また、電子部品の冷却に水冷や強制空冷構造を追加すると、新たにラジエータや冷却ファンが必要になり、それらを含め部品のレイアウトの制約や部品点数の増加による車両重量の増加等の原因になる。
本発明はかかる実情に鑑み、極めて簡素な構成により有効且つ効果的に吸気効率を高めて発電効率を向上する燃料電池二輪車を提供することを目的とする。
本発明による燃料電池二輪車は、駆動輪を駆動する電動機と、この電動機に電力を供給する空冷式の燃料電池と、この燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクとを備え、シートの前後左右を下方から覆う車体カバーの内部で、前記駆動輪の上方であって前記シートの下方に前記燃料電池が前傾配置されると共に、前記燃料電池の前方に設けた吸気ダクトと、反応用兼冷却用の空気を前記燃料電池に導入する吸気ファンと、この吸気ファンの後方に設けた排気ダクトとを連設し、前記排気ダクトを通った空気を該排気ダクトの排出口から前記車体カバーの下面側へ排出する燃料電池二輪車において、前記シートの前部下方に設けた吸気取入口と前記吸気ダクトの間であって、前記シートと前記車体カバーに囲まれた空間にバッテリパックを配置したことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池二輪車において、前記バッテリパックの上面に車両前後方向に沿って冷却フィンを設けたことを特徴とする。
また、本発明の燃料電池二輪車において、前記冷却フィンは車両側面視にて、前記バッテリパックの上面と略平行に配置され、該上面の後部は前記吸気ダクトの底面と略同一角度で後下方に傾斜し、当該後部における前記冷却フィンの上部と前記吸気ダクトの底面が略同一面上に連接されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池二輪車において、前記バッテリパックは車両前面視において、車両中心線に対して略左右対称に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、吸気取入口から吸入された空気が冷却風として、空気流路の途中適所に配置されたバッテリパックの周辺を流通する。その周囲を冷却風が流れるバッテリパックを強制的に空冷することができるため、バッテリパック内の二次電池の冷却を図ることができる。
本発明の実施形態における車両カバーに覆われた燃料電池二輪車の左側面図である。 本発明の実施形態に係る図1の燃料電池二輪車の上面図である。 本発明の実施形態における車体カバーを取り外した車体内部の要部構造を示す左側面図である。 本発明の実施形態に係る図3の燃料電池二輪車の上面図である。 本発明の実施形態における燃料電池二輪車の後部まわりの内部構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池二輪車における駆動制御系等を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池二輪車における主要機器類が車体カバー内側に搭載された状態を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池二輪車における主要機器類が車体カバー内側に搭載された状態を示す図5のI−I線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池二輪車におけるバッテリパックまわりを示す側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池二輪車におけるバッテリパックまわりを示す正面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池二輪車におけるバッテリパックまわりを示す上面図である。
以下、図面に基づき、本発明による燃料電池二輪車における好適な実施の形態を説明する。
図1は車体カバーに覆われた燃料電池二輪車10の左側面図、図2はその燃料電池二輪車10の上面図である。図3は車体カバーを取り外した車体内部の要部構造を示す左側面図、図4はその上面図である。なお、図1を含め、以下の説明で用いる図においては、必要に応じて車両の前方を矢印Frにより、車両の後方を矢印Rrにより示し、また、車両の側方右側を矢印Rにより、車両の側方左側を矢印Lにより示す。
本発明の実施形態に係る燃料電池車両としての燃料電池二輪車10は、後述する燃料電池を備え、この燃料電池から得られる電力を用いて走行する自動二輪車である。燃料電池は、その燃料に水素ガスを用いた空冷式燃料電池システムが採用される。本例では燃料電池二輪車10は図1及び図2のようにスクータ型の自動二輪車であり、車体全体が外装部材である車体カバー11によって覆われ、内部構造は基本的に外部に露出しない。車体カバー11として、車体前部を前方から覆う前部ボディカバー11Aと、車体下方のフットレストが備えられた車体中央部を左右上下から覆う中央部ボディカバー11Bと、後述のシートの前後左右を下方から覆う後部ボディカバー11Cとを含む。車両前後には操舵輪である前輪12と駆動輪である後輪13が配され、シート14に着座したライダーがハンドルバー15により前輪12を操舵することができる。
車体カバー11の内側には車体の骨格構造を形成する車体フレームを備え、この車体フレームとして図3及び図4に示すようにヘッドパイプ16から後斜め下方へ延出する上部ダウンフレーム17と、上部ダウンフレーム17の下側にてヘッドパイプ16から後斜め下方へ二又状に分岐して延出する下部ダウンフレーム18と、左右一対のアッパフレーム19と、アッパフレーム19の略下側に配置された左右一対のアンダフレーム20とを含む。これらのフレーム部材が所定部位で相互に結合し、立体的な車体の骨格構造が形成される。
ヘッドパイプ16によって左右に回動可能に支持された、図示しない左右一対のフロントフォークが設けられ、このフロントフォークの上端にハンドルバー15が固定され、ハンドルバー15の両端にはライダーが把持するハンドルグリップを有している。フロントフォークの下部には前輪12が回転可能に支持されると共に、前輪12の上部を覆うようにフロントフェンダ21が固定される。アッパフレーム19は図5も参照して、車両後部まで延設され、その途中で後斜め上方へ向けて湾曲し、その後端部付近でリヤフェンダ22を支持する。アッパフレーム19における車両前後方向の略中央部にはピボット軸23(図3、図5)が左右方向に横架され、このピボット軸23を介してスイングアーム24が上下方向に揺動可能に支持される。アッパフレーム19とスイングアーム24の間にリヤショックアブソーバ25が装架され、スイングアーム24の後端に支持された後輪13から伝わる衝撃をリヤショックアブソーバ25によって吸収することができる。
燃料電池二輪車10はその動力源である原動機として後述の電動モータ(図5において一点鎖線により電動モータ27が略記される)を搭載し、この電動モータ27はスイングアーム24に一体的に取り付けられ、これによりユニットスイング式スイングアームが構成される。電動モータ27の出力軸が、変速機(図示せず)を介して後輪13の車軸に接続され、電動モータ27が発生した駆動力が後輪13に伝達される。
ここで、図6は燃料電池二輪車10における駆動制御系等を示すブロック図である。燃料電池二輪車10はこの駆動制御系を構成する主要な機器類として、燃料電池26と、電動機としての電動モータ27と、本例では燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する燃料ガスタンクである水素タンク28と、二次電池を構成するバッテリパック29と、電力制御装置30と、モータコントローラ31と、この駆動制御系全体を制御する車両コントローラ32と、を備える。また、この駆動制御系の制御に必要な各種情報を得るためのセンサ類33や水素タンク28から燃料電池26への水素供給を制御する制御弁34等を有する。センサ類33として、ライダーによるハンドルグリップを介してのスロットル操作を検出するスロットルセンサ、水素タンク28から燃料電池26に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ、水素タンク28から燃料電池26に供給される水素ガスの温度を検出する温度センサ等を含む。
これらの機器類について概説すると、電力制御装置30は燃料電池26の発電電力を制御すると共に、燃料電池26から送られる電力を12V電源に変換し、バッテリパック29に蓄電する。モータコントローラ31は、電動モータ27の駆動制御に加えて、燃料電池二輪車10の減速時や、下り坂走行時等に電動モータ27に発生する負のトルクを電力に変換する回生制御を行う。
また、車両コントローラ32は、上述のスロットルセンサで検出されたライダーによるアクセル操作量、上述の圧力センサ及び温度センサの検出値を入力として受けると共に、燃料電池26、バッテリパック29、電力制御装置30及びモータコントローラ31と双方向に状態量の入力及び制御信号の出力を行い、燃料電池二輪車10の運転制御を行う。具体的には燃料電池二輪車10の走行に必要なエネルギーが比較的に小さい巡航時や平坦路走行等の際、車両コントローラ32は、燃料電池26が発電した電力を電力制御装置30からモータコントローラ31を経由して、電動モータ27に供給すると共に、電力制御装置30からバッテリパック29に供給し、電動モータ27の駆動に不要な余剰電力をバッテリパック29に蓄える。
また、燃料電池自動二輪車1の走行に必要なエネルギーが比較的に大きい加速時や、上り坂走行等の際、車両コントローラ32は、燃料電池26が発電した電力を電力制御装置30からモータコントローラ31を経由して、電動モータ27に供給すると共に、バッテリパック29に蓄えられた電力も電力制御装置30からモータコントローラ31を経由して、電動モータ27に供給する。更に、車両コントローラ32は減速時や、下り坂の走行の際、電動モータ27を発電機として使用し、電動モータ27が発電した回生電力を電力制御装置30からバッテリパック29に供給し、これに蓄電する。
上述した駆動制御系の主要な機器類等は車体カバー11内側に搭載され、その主だったものの配置構成につき説明する。図3に示すように、それぞれ左右対をなすアッパフレーム19とアンダフレーム20により囲まれた内部スペース35には、図5のように水素タンク28が搭載される。なお、水素タンク28の具体的な支持構造の説明は省略するが、ブラケット等を介して車体フレームにより支持することができる。燃料電池26の燃料としての高圧圧縮水素ガスを貯蔵する水素タンク28は、車両の略中央下部の内部スペース35にてその長手軸方向を車両前後方向に沿わせて配置される。水素タンク28は堅固なアッパフレーム19及びアンダフレーム20により囲まれることで、衝撃等から有効に保護され、外観的には周囲を中央部ボディカバー11Bによって覆われる。
また、図5に示されるように、左右一対のアッパフレーム19の後部19a(図3参照)とシート14(図5斜線部参照)により囲まれた内部スペース36には、燃料電池26やバッテリパック29等が搭載される。この場合、シート14はライダーシート14A及びタンデムシート14Bが前後に連設されてなり、それぞれの略下方に位置してバッテリパック29及び燃料電池26が前後に所定間隔おいて配置される。なお、燃料電池26及びバッテリパック29等の具体的な支持構造の説明は省略するが、ブラケット等を介して車体フレームにより支持することができる。内部スペース36に配置された燃料電池26及びバッテリパック29の周囲は、後部ボディカバー11Cによって覆われる。このように主要な機器類等が車体カバー11内側に搭載された状態を図7及び図8にも示す。
更に、左右のアッパフレーム19の後部19a相互間まわりを塞ぐように、図5のように燃料電池26の下方にはカバー部材37が宛がわれ、内部スペース36の後下部まわりはこのカバー部材37によって、リヤフェンダ22の下方に形成される後輪13のタイヤハウスから隔絶される。燃料電池26やバッテリパック29が配置される内部スペース36は、シート14、後部ボディカバー11C及びカバー部材37により覆われることで実質的に密封構造となっている。
上記の他の機器類、即ち電力制御装置30、モータコントローラ31、車両コントローラ32等は、車体カバー11内側の有効スペースを利用して車体フレームの適所に支持することができる。
このように外装部材としての車体カバー11内側に複数の機器類が搭載配置されるが、同時に車体カバー11特に後部ボディカバー11C内は空気流路として機能する。つまり後述する吸気取入口から後部ボディカバー11C内に空気を取り込んで、燃料電池26に供給される反応ガスとしての空気が流通され、あるいは後部ボディカバー11C内の冷却を要する機器類等に対して冷却風としての空気が流通される。この車体カバー11、特に後部ボディカバー11C内に形成される典型的な空気流路を図5において矢印Aにより示す(以下では適宜、空気流路Aという)。反応ガスあるいは冷却風が供給される燃料電池26やバッテリパック29等は空気流路Aの途中適所に配置され、本例では燃料電池26は図5のように駆動輪である後輪13の上方であって、シート14(タンデムシート14B)の下方に前傾して配置される。ここで、燃料電池26は箱型もしくは直方体形状のケーシング内に燃料電池スタックが配列された積層構造を有し、該箱型の前面側に図5に示すように反応ガスとしての空気が供給される吸気部26aを持つ。より具体的には吸気部26aは前傾して前下方を指向し、後述する吸気ダクトからの空気により形成される空気流路Aに対向配置される。
燃料電池26の前方には図3あるいは図5のように吸気ダクト38が配置される。吸気ダクト38は図9のように車両側面視では概して変形三角形状等をなし、周囲の外装板により画成される典型的には断面矩形形状の内部空間に空気流路Aが形成される中空構造を有する。吸気ダクト38は前端部の流入口38a(図10A参照)及び後端部の流出口38b(図10B参照)を有し、流入口38aは前後方向を指向して開口し、流出口38bは後上向を指向して開口する。図9のように後上向を指向する吸気ダクト38の流出口38bと前下方を指向する燃料電池26の吸気部26aのそれぞれ指向角度が整合するように、吸気ダクト37及び燃料電池26が連設される。
また、図5に示すように燃料電池26はその箱型の後面側に、反応用兼冷却用の空気を燃料電池26に導入するための吸気ファン39と、この吸気ファン39の後方に設けた排気ダクト40とが更に連設される。排気ダクト40を通った空気を、該排気ダクト40の排出口40aから車体カバー11(後部ボディカバー11C)の下面側へ排出するようにしている。燃料電池26は、水素タンク28から供給された水素ガスと吸気ダクト38を介して供給される空気に含まれる酸素との化学反応により発電し、この後、湿潤な余剰ガスを排気口40aから排出する。この過程で燃料電池26は、反応ガスとしての空気によって冷却される。
ここで、図5に示されるように後部ボディカバー11C内に空気を取り込むための吸気取入口41が、シート14(ライダーシート14A)の前部下方に設けられる。本発明において特にバッテリパック29は、吸気取入口41と吸気ダクト37の間であって、シート14と車体カバー11(後部ボディカバー11C)に囲まれた空間、内部スペース36に配置される。吸気取入口41はシート14の前部直下に配置され、吸気取入口41には図5のようにルーバー42が装着される。
また、バッテリパック29は図9、図10A及び図10Bに示されるように概して箱型状のケーシング内にバッテリを内蔵し、その上面43に車両前後方向に沿って冷却フィン44が立設されている。この場合、冷却フィン44はバッテリパック29の典型的にはアルミニウム合金製上部カバー29Aと一体形成され、複数の冷却フィン44が車幅方向に所定間隔おいて配置され、隣接する冷却フィン44の相互間に隙間が形成される。また、図10Aのように冷却フィン44は車両正面視で、吸気ダクト38の流入口38aの略中央に位置し、上下方向及び左右方向とも流入口38aの領域内に配置される。
図9のように冷却フィン44は車両側面視にて、バッテリパック29の上面43と略平行に配置され、つまりバッテリパック29の上面43において車両前後方向に沿って形成される。バッテリパック29の上面43の後部43aは、吸気ダクト38の底面45と略同一角度で後下方に傾斜する。このためバッテリパック29の上面43の後部43aに形成された冷却フィン44の上部44aと、吸気ダクト38の底面45とが図9の一点鎖線により示すように略同一面上に連接されている。
また、図8に示されるようにバッテリパック29は車両前面視において、車両中心線Mに対してセンター一致で略左右対称に配置されている。また、燃料電池26や水素タンク28についても同様に、実質的に車両中心線Mに対して略左右対称に配置される。
本発明の燃料電池二輪車10では、吸気ファン39の作動により燃料電池26に対して反応用兼冷却用が導入されるが、その空気は吸気取入口41から後部ボディカバー11C内に取り込まれ、空気流路A(図5参照)に沿って流通し、燃料電池26へと供給される。燃料電池26は、前述のように水素タンク28から供給された水素ガスと吸気ダクト38を介して供給される空気に含まれる酸素との化学反応により発電し、この過程で反応ガスとしての空気によって冷却される。
本発明において特にバッテリパック29は、吸気取入口41と吸気ダクト37の間であって、シート14と車体カバー11を構成する後部ボディカバー11Cに囲まれた空間、即ち内部スペース36内に配置される。
つまりバッテリパック29は空気流路Aの途中適所に配置され、これによりシート14下方の吸気取入口41から吸入された空気が冷却風として、バッテリパック29の上面43、及びバッテリパック29の周辺を流通する。このようにバッテリパック29の周囲を冷却風が流れることで、バッテリパック29を強制的に空冷することができるためバッテリパック29内の二次電池の冷却を図ることができる。
この場合、外気から空気を取り入れるための吸気取入口41は、シート14の前部の高い位置であって、しかもシート14の下方で奥まった隠れた位置に配置されると共に、ルーバー42が装着される。
吸気取入口41の配設位置の工夫やルーバー42により、吸気取入口41に砂塵や雨滴が入り難くなり、これによりフィルタの劣化に伴う燃料電池の性能劣化を防止できる。
また、シート14の前部に設けた吸気取入口41によれば、走行風も一部利用できるので、ラム圧の利用による使用電力の節約も可能となる。
また、冷却フィン44は、バッテリパック29の上面43において車両前後方向に沿って形成される。
このようにバッテリパック29の上面43に設けた冷却フィン44によって、吸気取入口41から空気流路Aに沿って流れる空気が整流され、燃料電池26内へ取り込むための吸気圧損を低減させることができる。
燃料電池26に供給される空気の流れを整流することで、燃料電池26の吸気効率が上がり、結果として燃料電池26の発電効率を上昇させることができる。
また、冷却フィン44の整流作用により、空気流路Aを流れる空気の燃料電池26に対する指向性を高め、これにより燃料電池26の前方に配置される吸気ダクト38のダクト長(主に前後方向)をより短く設置することができる。そして、限られた狭小スペースにおいて、省スペース化を実現する部材配置が可能となる。
この場合、バッテリパック29の上面43に設けた冷却フィン44を空気流路Aに平行に突出させることで、冷却フィン44相互間の溝構造に沿って冷却風が流れる。これによりバッテリパック29に対する冷却性能が向上し、バッテリパック29に内蔵された発熱部品(二次電池)を効果的に冷却させることができる。
また、バッテリパック29における上面43の後部43aに形成された冷却フィン44の上部44aと、吸気ダクト38の底面45とが略同一面上に連接される。
これによりバッテリパック29の上面43を流れた冷却風が、その後部43aの傾斜面に沿って吸気ダクト38の下面にも流れ込むことができる。このように燃料電池26の前方領域全域を使って吸気できるので、吸気効率の低減を抑えることができ、実質的に吸気効率が向上する。
更にバッテリパック29、吸気ダクト38、燃料電池26及び水素タンク28等の複数の構成部材が、車両中心線M上に配置されるため、車両の左右バランスが向上し、走行安定性が向上する。
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
上記実施形態における冷却フィン44の枚数や相互間の隙間等は必要に応じて適宜変更することができる。
10 燃料電池二輪車、11 車体カバー、11A 前部ボディカバー、11B 中央部ボディカバー、11C 後部ボディカバー、12 前輪、13 後輪、14 シート、14A ライダーシート、15 ハンドルバー、16 ヘッドパイプ、17 上部ダウンフレーム、18 下部ダウンフレーム、19 アッパフレーム、20 アンダフレーム、21 フロントフェンダ、22 リヤフェンダ、23 ピボット軸、24 スイングアーム、25 リヤショックアブソーバ、26 燃料電池、27 電動モータ、28 水素タンク、29 バッテリパック、30 電力制御装置、31 モータコントローラ、32 車両コントローラ、33 センサ類、34 制御弁、35,36 内部スペース、37 カバー部材、38 吸気ダクト、39 吸気ファン、40 排気ダクト、41 吸気取入口、42 ルーバー、43 上面、44 冷却フィン、45 底面。

Claims (4)

  1. 駆動輪を駆動する電動機と、この電動機に電力を供給する空冷式の燃料電池と、この燃料電池に供給される燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクとを備え、
    シートの前後左右を下方から覆う車体カバーの内部で、前記駆動輪の上方であって前記シートの下方に前記燃料電池が前傾配置されると共に、前記燃料電池の前方に設けた吸気ダクトと、反応用兼冷却用の空気を前記燃料電池に導入する吸気ファンと、この吸気ファンの後方に設けた排気ダクトとを連設し、前記排気ダクトを通った空気を該排気ダクトの排出口から前記車体カバーの下面側へ排出する燃料電池二輪車において、
    前記シートの前部下方に設けた吸気取入口と前記吸気ダクトの間であって、前記シートと前記車体カバーに囲まれた空間にバッテリパックを配置したことを特徴とする燃料電池二輪車。
  2. 前記バッテリパックの上面に車両前後方向に沿って冷却フィンを設けたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池二輪車。
  3. 前記冷却フィンは車両側面視にて、前記バッテリパックの上面と略平行に配置され、該上面の後部は前記吸気ダクトの底面と略同一角度で後下方に傾斜し、当該後部における前記冷却フィンの上部と前記吸気ダクトの底面が略同一面上に連接されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池二輪車。
  4. 前記バッテリパックは車両前面視において、車両中心線に対して略左右対称に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池二輪車。
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