JP2018081921A

JP2018081921A - 燃料電池ユニット

Info

Publication number: JP2018081921A
Application number: JP2017243330A
Authority: JP
Inventors: 勝磨堤谷; Katsuma Tsutsumiya
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: JP6586987B2

Abstract

【課題】ファンの作動音を効果的に減衰させる。【解決手段】本発明は、セルを有する燃料電池５４と、一方の面に開口部が形成されているダクト部６２を有する吸気ダクト５２と、燃料電池５４とダクト部６２を仕切る位置に配置され、ダクト部６２の一方の面に形成された開口部を覆うフィルター５３と、を有する燃料電池ユニット５０において、吸気ダクト５２に設けられ、ダクト部６２の一方の面以外の面へ向けて開口し、ダクト部６２へと空気を導入するパイプ７０と、燃料電池５４を挟んでフィルター５３と反対側に配置されるファン５５と、を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池を有する燃料電池ユニットに関する。

従来、燃料電池が発生させる電力で走行する燃料電池自動二輪車が知られている。このような燃料電池自動二輪車には、化学反応に用いられる酸素を燃料電池に供給する目的や燃料電池を構成するセルスタックを冷却する目的で、空気を燃料電池に供給するための機構が設けられている。

例えば、特許文献１には、車両を走行させるための電力を発生させる燃料電池（特許文献１の「セルスタック体７」参照）と、燃料電池へと空気を導くための吸気ダクト（特許文献１の「空気入口ダクト１３ａ」参照）と、吸気ダクト内の空気を燃料電池へと向かわせるファン（特許文献１の「送風ファン２７」参照）と、を備えた燃料電池自動二輪車が開示されている。

特開２００１−１３０４６８号公報

特許文献１のようにファンを用いて燃料電池に空気を供給すると、ファンから作動音（風切音）が発生し、この作動音が乗員に聞こえてしまい、燃料電池自動二輪車の商品性が低下する問題がある。特に、燃料電池自動二輪車はモーターを駆動源としており、エンジンを駆動源とする一般的な自動二輪車と比較して静粛性が高いため、ファンの作動音が際立ちやすい。

そこで、本発明は上記の事情を考慮し、ファンの作動音を効果的に減衰させることを目的とする。

本発明の燃料電池ユニットは、セルを有する燃料電池と、一方の面に開口部が形成されているダクト部を有する吸気ダクトと、前記燃料電池と前記ダクト部を仕切る位置に配置され、前記ダクト部の前記一方の面に形成された前記開口部を覆うフィルターと、を有する燃料電池ユニットにおいて、前記吸気ダクトに設けられ、前記ダクト部の前記一方の面以外の面へ向けて開口し、前記ダクト部へと空気を導入するパイプと、前記燃料電池を挟んで前記フィルターと反対側に配置されるファンと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ファンの作動音を効果的に減衰させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の後部を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車において、燃料電池ユニットを示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車において、吸気ダクトを示す図２のＡ−Ａ断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車１（以下、単に「自動二輪車１」と称する）について説明する。本実施形態では、本発明をスクーター型の自動二輪車１に適用した場合について説明する。以下、上下、左右、前後等の方向を示す語は、自動二輪車１の運転者（乗員）から見た方向を基準として用いる。各図に適宜付される矢印Ｆｒ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｌｏは、それぞれ自動二輪車１の前方、後方、左方、右方、上方、下方を示している。

図１は、自動二輪車１を真横よりも僅かに後方から視た斜視図である。図１に示されるように、自動二輪車１は、車両の骨組を構成する車体フレーム２を備えている。車体フレーム２の外周は、外装カバー（図示略）によって覆われている。

車体フレーム２は、その前部上端に設けられるヘッドパイプ３と、ヘッドパイプ３の上下方向略中央部から後下方に向かって延びる上部ダウンフレーム４と、ヘッドパイプ３の下部から後下方に向かって延びる下部ダウンフレーム５と、下部ダウンフレーム５を左右両側から挟むように設けられる左右一対の下部メインフレーム６と、左右一対の下部メインフレーム６にそれぞれ接続される左右一対の上部メインフレーム７と、を備えている。

車体フレーム２のヘッドパイプ３には、ステアリング機構１０が左右に回転可能に支持されている。ステアリング機構１０は、左右一対のフロントフォーク１１と、左右一対のフロントフォーク１１の上端部に接続されるハンドル１２と、を備えている。左右一対のフロントフォーク１１の下端部には、前輪１３が回転可能に支持されている。

車体フレーム２の各下部メインフレーム６は、後下方に向かって延びる前側フレーム部１６と、前側フレーム部１６の下端部から後方に向かって延びる中央フレーム部１７と、中央フレーム部１７の後端部から後上方に向かって延びる後側フレーム部１８と、を備えている。前側フレーム部１６の上端部は、ヘッドパイプ３の下部に接続されている。前側フレーム部１６の上端部近傍には、電装品用バッテリー２１が設けられている。電装品用バッテリー２１は、メーターやランプなどの車載電装品（図示略）に電力を供給するためのバッテリーである。前側フレーム部１６の上下方向中央部の近傍には、電装品用ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が設けられている。前側フレーム部１６の下部には、運転者（乗員）が足を置くための前側フットレスト１９が設けられている。後側フレーム部１８の上部には、同乗者（乗員）が足を置くための後側フットレスト２０が設けられている。

車体フレーム２の各上部メインフレーム７の前部は、前後方向に沿って略水平に延びている。各上部メインフレーム７の後部は、後上方に傾斜している。各上部メインフレーム７の前端部は、各下部メインフレーム６の前側フレーム部１６の上下方向略中央部に接続されている。各上部メインフレーム７の前後方向略中央部には、各下部メインフレーム６の後側フレーム部１８の上端部が接続されている。

車体フレーム２の各上部メインフレーム７の後部にはピボット軸２９が架設されており、このピボット軸２９を介してスイングアーム２８が各上部メインフレーム７に揺動可能に支持されている。スイングアーム２８の後端部には、後輪３０（駆動輪）が回転可能に支持されている。

スイングアーム２８は、平面視略コ字状を成しており、後輪３０の前側と左右両側に配置されている。詳細には、スイングアーム２８は、後輪３０の左側（図１における奥側）及び前側に配置される第１アーム部３１と、後輪３０の右側（図１における手前側）に配置される第２アーム部３２と、を備えている。第１、第２アーム部３１、３２の後端部と車体フレーム２の各上部メインフレーム７の後端部の間には、それぞれショックアブソーバ３３が介装されている。

スイングアーム２８の第１アーム部３１は、後輪３０の左側から前後方向に沿って前方に延びる左壁部３４と、左壁部３４の前端部から左右方向（車幅方向）に沿って右方に延びる前壁部３５と、前壁部３５の右端部から前後方向に沿って後方に延びる連結壁部３６と、を備えている。左壁部３４の後部には、駆動モーター３７が一体的に取り付けられており、この駆動モーター３７から後輪３０に駆動力が伝達されることで、車両が走行する。つまり、駆動モーター３７は、車両を走行させるための駆動力を発生させるモーターである。

スイングアーム２８の第２アーム部３２は、後輪３０の右側から前後方向に沿って前方に延びている。第２アーム部３２の前端部は、第１アーム部３１の連結壁部３６の後端部に連結されている。これにより、第１アーム部３１と第２アーム部３２が一体化されている。第２アーム部３２の後上部には、ショックアブソーバ３３の前方にブレーキキャリパ（図示略）が取り付けられている。

車体フレーム２の左右一対の上部メインフレーム７の間には、駆動モーター用バッテリー４０が配置されている。駆動モーター用バッテリー４０は、後述する燃料電池５４が電力を発生させない時（例えば、イオン交換膜の加湿処理時）に、駆動モーター３７に電力を供給する補助的なバッテリーである。駆動モーター用バッテリー４０は、例えばリチウムイオンバッテリーによって構成されている。駆動モーター用バッテリー４０の下方には、水素タンク４１（燃料タンク）が配置されている。水素タンク４１には、水素（燃料）が充填されている。水素タンク４１の側方には、駆動モーター用ＤＣ−ＤＣコンバータ４２が設けられている。

車体フレーム２の各上部メインフレーム７の上方には、シート４５が設けられている。シート４５の前部には、運転者が座るための前側座席４６が設けられ、シート４５の後部には、同乗者が座るための後側座席４７が設けられている。

図２に示されるように、シート４５の下方には、燃料電池ユニット５０が後方に向かって上方に傾斜する姿勢で設けられている。以下、この燃料電池ユニット５０について詳細に説明する。なお、図２、図３に矢印Ｘで示されるように、本実施形態では、燃料電池ユニット５０内を前側から後側に向かって空気が流動するようになっている。以下、単に「上流側」又は「下流側」と記載する場合には、燃料電池ユニット５０内における空気の流動方向の「上流側」又は「下流側」を指すものとする。

図２、図３に示されるように、燃料電池ユニット５０は、前側（上流側）から後側（下流側）に向かって順番に、吸気ダクト５２と、フィルター５３と、燃料電池５４と、ファン５５と、排気ダクト５６と、を備えている。以下、これらの部材について順番に説明する。

図２に示されるように、吸気ダクト５２は、後輪３０の前上方に設けられている。吸気ダクト５２は、後輪３０とシート４５の間に設けられている。

図２〜図４に示されるように、吸気ダクト５２は、前側（上流側）の第１ダクト部６１と後側（下流側）の第２ダクト部６２を備えている。第１ダクト部６１と第２ダクト部６２は、第１ダクト部６１の後面（下流側の面）と第２ダクト部６２の前面（上流側の面）が接合されることで、一体化されている。

吸気ダクト５２の第１ダクト部６１は、左右方向（車幅方向）に長い略直方体の箱型形状を成している。第１ダクト部６１の内部には、第１空間Ｓ１が形成されている。第１ダクト部６１の前壁部６１Ｆｒ（上流側の壁部）の左側部には、取付穴６３が設けられている。

吸気ダクト５２の第２ダクト部６２は、後面（下流側の面）が開口された箱型形状を成している。第２ダクト部６２の内部には、第２空間Ｓ２が形成されている。第２ダクト部６２の下壁部６２Ｌｏの前側部分（上流側部分）は、後上側（第２空間Ｓ２側）に向かって凸となるように円弧状に湾曲している。第２ダクト部６２の下壁部６２Ｌｏの後側部分（下流側部分）は、平板状を成している。

吸気ダクト５２の前後方向略中央部には、隔壁６４が設けられている。隔壁６４は、第１ダクト部６１の後壁部６１Ｒｒ（下流側の壁部）と第２ダクト部６２の前壁部６２Ｆｒ（上流側の壁部）によって構成されている。隔壁６４は、燃料電池ユニット５０の長手方向Ｌ（本実施形態では、後方に向かって上方に傾斜する方向）に対して略垂直に設けられている。隔壁６４は、吸気ダクト５２の内部空間を前側（上流側）の第１空間Ｓ１と後側（下流側）の第２空間Ｓ２に分けている。隔壁６４の左右方向略中央部には、第１空間Ｓ１側から第２空間Ｓ２側まで貫通する貫通穴６５が設けられている。

吸気ダクト５２の前後方向略中央部には、バッフルパイプ７０が設けられている。バッフルパイプ７０は、左右方向に長い長円状の断面を有している。バッフルパイプ７０は、隔壁６４の左右方向略中央部に取り付けられている。バッフルパイプ７０は、隔壁６４の貫通穴６５を貫通しており、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２を連通させている。バッフルパイプ７０の前端部（上流側の端部）には、第１開口部７１（第１空間Ｓ１側の開口部）が設けられている。バッフルパイプ７０の前側部分（上流側部分）は、燃料電池ユニット５０の長手方向Ｌに沿って直線状に延びているため、第１開口部７１は前方を向いている。バッフルパイプ７０の後端部（下流側の端部）には、第２開口部７２（第２空間Ｓ２側の開口部）が設けられている。バッフルパイプ７０の後側部分（下流側部分）は、下方に向かって円弧状に湾曲しているため、第２開口部７２は下方を向いている。

吸気ダクト５２の前端部には、インテークパイプ７３が設けられている。インテークパイプ７３は、左右方向に長い長円状の断面を有している。インテークパイプ７３は、第１ダクト部６１の前壁部６１Ｆｒ（上流側の壁部）の左側部に固定されている。インテークパイプ７３は、第１ダクト部６１の前壁部６１Ｆｒに設けられた取付穴６３を貫通しており、第１ダクト部６１の第１空間Ｓ１と吸気ダクト５２の前方の空間（吸気ダクト５２の外部空間）を連通させている。

吸気ダクト５２のインテークパイプ７３の前端部（上流側の端部）には、吸気開口部７４（吸気ダクト５２の外部空間側の開口部）が設けられている。インテークパイプ７３の前側部分（上流側部分）は、下方に向かって円弧状に湾曲しているため、吸気開口部７４は下方を向いている。インテークパイプ７３の前側部分の外面（表面）には、干渉穴７６が設けられている。干渉穴７６は、インテークパイプ７３の内部空間と吸気ダクト５２の前方の空間（吸気ダクト５２の外部空間）を連通させている。

吸気ダクト５２のインテークパイプ７３の後端部（下流側の端部）には、通気開口部７５（第１空間Ｓ１側の開口部）が設けられている。インテークパイプ７３の後部（下流側部分）は、燃料電池ユニット５０の長手方向Ｌに沿って直線状に延びているため、通気開口部７５は後方を向いている。図４に示されるように、通気開口部７５は、バッフルパイプ７０の第１開口部７１よりも左方に位置している。即ち、通気開口部７５は、バッフルパイプ７０の第１開口部７１に対して左右方向にオフセットした位置に配置されている。そのため、通気開口部７５は、バッフルパイプ７０の第１開口部７１の延長領域Ｙに重なっていない。

図２、図３に示されるように、吸気ダクト５２の上面には、制振材７７が貼付（固定）されている。制振材７７は、吸気ダクト５２とシート４５の間に配置されている。制振材７７は、吸気ダクト５２の第１ダクト部６１及び第２ダクト部６２の上面を全体的に覆うように設けられている。制振材７７は、例えばゴムなどによって形成されており、吸気ダクト５２の振動を抑制する機能を備えている。

フィルター５３は、後輪３０の前上方に設けられている。フィルター５３は、吸気ダクト５２の第２ダクト部６２の後面の開口を覆うように設けられている。フィルター５３は燃料電池ユニット５０内を流動する空気（燃料電池５４に取り込まれる前の空気）から不純物を除去する機能を有している。

燃料電池５４は、後輪３０の前上方に設けられている。燃料電池５４は、複数のセルを積層させたセルスタック（図示略）によって構成されている。燃料電池５４は、水素タンク４１（図１参照）に接続されており、水素タンク４１から燃料電池５４に水素が供給されるようになっている。燃料電池５４は、水素タンク４１から供給される水素と燃料電池ユニット５０内を流れる空気に含まれる酸素を化学反応させて、電力を発生させる機能を有している。

図２に示されるように、ファン５５は、後輪３０の上方に設けられている。ファン５５は、例えば、回転軸８１と、この回転軸８１から放射状に延びる複数のフィン８２と、を備えている。ファン５５は、回転可能に設けられており、ファン５５の回転に伴って燃料電池ユニット５０内を前側（上流側）から後側（下流側）に向かって空気が流動し、吸気ダクト５２内の空気が燃料電池５４へと向かうようになっている。

排気ダクト５６は、後輪３０の上方に設けられている。排気ダクト５６の後端部には、後下方に向かって排気口８４が設けられている。

上記のように構成された自動二輪車１において、ファン５５が回転すると、燃料電池ユニット５０内を前側（上流側）から後側（下流側）に向かう空気の流れ（図２、図３の矢印Ｘ参照）が発生する。これに伴って、吸気ダクト５２のインテークパイプ７３の下側を漂う空気が吸気開口部７４を介してインテークパイプ７３に導入される。インテークパイプ７３に導入された空気は、インテークパイプ７３内を前側（上流側）から後側（下流側）へと流動し、通気開口部７５を介して第１空間Ｓ１に導入される。第１空間Ｓ１に導入された空気は、右側へと向きを変えながら第１空間Ｓ１内を前側（上流側）から後側（下流側）に向かって流動し、第１開口部７１を介してバッフルパイプ７０に導入される。バッフルパイプ７０に導入された空気は、バッフルパイプ７０内を前側（上流側）から後側（下流側）へと流動し、第２開口部７２を介して第２空間Ｓ２に導入される。第２空間Ｓ２に導入された空気は、第２空間Ｓ２を通過し、フィルター５３によって不純物を除去された後、燃料電池５４に取り込まれる。以上のように、吸気ダクト５２によって燃料電池５４へと空気が導かれる。

燃料電池５４は、上記のように取り込んだ空気に含まれる酸素を水素タンク４１から供給される水素と化学反応させて、電力を発生させる。このように燃料電池５４が発生させた電力は、駆動モーター３７に供給される。これにより、駆動モーター３７が駆動し、駆動モーター３７が後輪３０を回転させて、車両が走行する。

また、上記のようにファン５５の吸引力によって燃料電池５４に空気が取り込まれると、この空気によって燃料電池５４を構成するセルスタック（図示略）が冷却される。即ち、本実施形態の燃料電池５４は、空冷式である。燃料電池５４を通過した空気は、ファン５５及び排気ダクト５６を通過して、排気ダクト５６の排気口８４から車両後方に排出される。

本実施形態では、ファン５５を用いて燃料電池５４に空気を供給しているため、ファン５５の作動音が発生する。この作動音が乗員に聞こえると、自動二輪車１の商品性が低下する恐れがある。特に、本実施形態の自動二輪車１は駆動モーター３７を駆動源としており、エンジンを駆動源とする一般的な自動二輪車と比較して静粛性が高いため、ファン５５の作動音が際立ちやすい。

そこで、本実施形態では、隔壁６４によって吸気ダクト５２の内部空間を前側（上流側）の第１空間Ｓ１と後側（下流側）の第２空間Ｓ２に分けると共に、隔壁６４を貫通するバッフルパイプ７０によって第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２を連通させている。このような構成を採用することで、吸気ダクト５２の隔壁６４やバッフルパイプ７０によってファン５５の作動音を効果的に減衰させることが可能となる。そのため、ファン５５の作動音が乗員に聞こえにくくなり、自動二輪車１の商品性を向上させることができる。

また、隔壁６４によってその周囲の壁部を補強することで、吸気ダクト５２の剛性を高めて、吸気ダクト５２の振動を抑制することが可能となる。そのため、吸気ダクト５２の振動に伴って吸気ダクト５２から放射される音を効果的に抑制することが可能となり、自動二輪車１の商品性をより一層向上させることができる。

また、インテークパイプ７３の通気開口部７５（第１空間Ｓ１側の開口部）は、バッフルパイプ７０の第１開口部７１（第１空間Ｓ１側の開口部）に対して、左右方向にオフセットした位置に配置されている。このような構成を採用することで、第１開口部７１から第１空間Ｓ１内に放射されるファン５５の作動音は、図４に矢印Ｚで示されるように、通気開口部７５へと直接導入されることはなく、第１ダクト部６１の前壁部６１Ｆｒにぶつかって減衰される。そのため、ファン５５の作動音が吸気ダクト５２の外部空間に漏れ出すのを抑制することが可能となり、消音効果を向上させることができる。

また、吸気ダクト５２の上面には、制振材７７が固定されている。このような構成を採用することで、吸気ダクト５２の上面から上側（乗員側）に向かって放射される音を低減させることが可能となり、消音効果を向上させることができる。

また、インテークパイプ７３の吸気開口部７４は、下方を向いている。そのため、吸気開口部７４から漏れ出る音が乗員に聞こえにくくなり、消音効果を一層向上させることができると共に、インテークパイプ７３への埃の侵入を抑制することが可能となる。

また、インテークパイプ７３の前側部分の外面（表面）には、干渉穴７６が設けられている。そのため、インテークパイプ７３において発生する気柱共鳴音を低減させることが可能となり、消音効果を更に一層向上させることができる。

また、隔壁６４やバッフルパイプ７０等の消音用の機構が、吸気ダクト５２の内部空間に設けられている。そのため、消音用の機構が吸気ダクト５２の外部空間に設けられる場合（例えば、消音用のレゾネーターを吸気ダクト５２に接続する場合）よりも、省スペース化を図ることができる。そのため、自動車等と比較して部品の設置スペースが限られる自動二輪車においても、消音用の機構の設置スペースを容易に確保することができる。

本実施形態では、ファン５５と排気ダクト５６が直接接続される場合について説明した。一方で、他の異なる実施形態では、ファン５５と排気ダクト５６がルーバーを介して接続されていても良い。

本実施形態では、制振材７７が吸気ダクト５２の上面を全体的に覆う場合について説明した。一方で、他の異なる実施形態では、制振材７７が吸気ダクト５２の上面を部分的に覆っていても良い。

本実施形態では、ゴムなどによって形成される制振材７７を吸気ダクト５２の上面に固定する場合について説明した。一方で、他の異なる実施形態では、スポンジなどによって形成される吸音材を吸気ダクト５２の上面に固定しても良い。

本実施形態では、インテークパイプ７３の通気開口部７５がバッフルパイプ７０の第１開口部７１に対して左右方向にオフセットした位置に配置される場合について説明した。一方で、他の異なる実施形態では、インテークパイプ７３の通気開口部７５がバッフルパイプ７０の第１開口部７１に対して上下方向にオフセットした位置に配置されていても良い。

本実施形態では、インテークパイプ７３の外面（表面）に干渉穴７６が設けられる場合について説明した。一方で、他の異なる実施形態では、インテークパイプ７３の内面（裏面）に干渉穴７６が設けられていても良い。

本実施形態では、第１空間Ｓ１を有する第１ダクト部６１と第２空間Ｓ２を有する第２ダクト部６２を接合する場合について説明した。一方で、他の異なる実施形態では、箱型形状の部材（一体物）の内部空間に隔壁を固定することで、第１、第２空間Ｓ１、Ｓ２を形成しても良い。

本実施形態では、燃料電池５４が吸気ダクト５２の外部に設けられる場合について説明したが、他の異なる実施形態では、燃料電池５４が吸気ダクト５２の内部に設けられていても良い。

本実施形態では、燃料電池５４よりも後側（下流側）にファン５５が設けられる場合について説明したが、他の異なる実施形態では、燃料電池５４よりも前側（上流側）にファン５５が設けられていても良い。つまり、ファン５５は燃料電池ユニット５０内のどこに設けられていても良い。

本実施形態では、スクーター型の自動二輪車１に本発明の構成を適用する場合について説明したが、他の異なる実施形態では、スポーツ型やオフロード型などのスクーター型以外の自動二輪車に本発明の構成を適用しても良い。

５０燃料電池ユニット
５２吸気ダクト
５３フィルター
５４燃料電池
５５ファン
６２第２ダクト部
７０バッフルパイプ

Claims

セルを有する燃料電池と、
一方の面に開口部が形成されているダクト部を有する吸気ダクトと、
前記燃料電池と前記ダクト部を仕切る位置に配置され、前記ダクト部の前記一方の面に形成された前記開口部を覆うフィルターと、を有する燃料電池ユニットにおいて、
前記吸気ダクトに設けられ、前記ダクト部の前記一方の面以外の面へ向けて開口し、前記ダクト部へと空気を導入するパイプと、
前記燃料電池を挟んで前記フィルターと反対側に配置されるファンと、を有することを特徴とする燃料電池ユニット。
前記パイプは、長円状の断面を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。