JP4079433B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

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、車体フレームを利用して燃料ボンベを確実に搭載できるようにした燃料電池車両に関する。

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化学反応により発電が行われるが、水素の供給方法により、車両用の燃料電池は２種類に大別される。

一つは燃料としてメタノールを搭載し、このメタノールから改質器で水素を取り出す方法であり、もう一つは燃料ボンベに水素ガスを予め充填しておく方法である。このうち、積載重量に制約のある二輪車用の燃料電池システムとしては、質量の大きな改質器が不要な後者のシステムが採用されることが多い。

後者の燃料電池システムでは、燃料ガスが充填された燃料ボンベ、および燃料ガスを電気エネルギに変換する燃料電池スタック（あるいは、セルスタック）が主要な構成となるが、これらが車体側へ確実に保持されるように搭載されることが望ましい。

特許文献１あるいは特許文献２には、燃料電池式の自動二輪車において燃料ボンベを後輪の上方で車体フレーム上に搭載する技術が開示されている。
特開２００１−３１５６８０号公報 特開２００２−３７１６７号公報

上記した従来技術では、いずれも燃料ボンベが後輪の上方で支持されるので、車体の重心位置が高くなってしまうという技術課題があった。また、燃料ボンベの側面が車体側に支持されている構造になっていないので、より燃料ボンベを車体側に強固に支持させるためには、別部材を設けたり、あるいは燃料ボンベ自身を堅牢な構造としなければならず、いずれの場合も大幅な重量増加を招いてしまうという技術課題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、車重の増加を抑えながら、かつ車両の重心位置を低く保ちながら、燃料ボンベを確実に搭載できる燃料電池車両を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、燃料電池スタックへ燃料ガスおよび反応ガスを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、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
(1)本発明は、燃料ガスを蓄積する燃料ボンベと、車体を構成する左右の支持部を有する車体フレームとを具備し、前記燃料ボンベが、前記左右の支持部の間で、その周囲が前記左右の支持部によって挟まれることにより支持されるようにしたことを特徴とする。
(2)本発明はさらに、燃料ボンベを車体の略中心位置に配置し、その周囲を車体フレームにより支持したことを特徴とする。
(3)本発明はさらに、左右の支持部の最小間隔が前記燃料ボンベの幅よりも狭いことを特徴とする。
(4)本発明はさらに、燃料ボンベと当接する左右の支持部の当接面に緩衝部材が装着されたことを特徴とする。
(5)本発明はさらに、燃料ボンベを左右の支持部に固定する拘束具を含むことを特徴とする。
(6)本発明はさらに、燃料ボンベが、その閉止バルブ位置を後方にした、前記閉止バルブの一端が他の端よりも高くなるような姿勢で支持されることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)燃料ボンベの左右両側面が車体フレームを構成する左右一対の支持部（アッパフレーム）間で保持されるので、別部材を設けることなく、かつ重量増加を抑えながら、燃料ボンベを車体フレームへ確実に搭載できるようになる。しかも、重量物である燃料ボンベが左右一対の支持部間に配置されるので、燃料ボンベを従来のようにフレーム上に載置する場合に較べて車両の重心位置を低く保つことができる。
(2)重量物である燃料ボンベが車体の中心において、その側面を車体フレームにより支持されるので、重心を車両の略中央に集中させることができる。
(3)車体フレームを構成する支持部で燃料ボンベを保持できるので、燃料ボンベの支持部材を別途に設ける必要がない。
(4)燃料ボンベと当接する支持部の当接面に緩衝部材を装着したので、走行に伴って生じる振動を緩衝部材によって吸収させることができる。
(5)燃料ボンベを支持部に固定する拘束具を設けたので、燃料ボンベを車体フレームに対して、着脱容易でありながら強固に固定できるようになる。
(6)燃料ボンベが、その閉止バルブの位置を後部にして、かつ閉止バルブの位置を他の部分よりも高くして指示されるので、閉止バルブの調整が容易になる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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との当接面には緩衝部材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。

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。

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、マスの集中化を図ることができる。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、前後輪の分担荷重を容易に適正化することができる。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 車体フレームの骨格を模式的に示した図である。 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。 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。 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。 エアクリーナの構成を示した図である。 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。 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８に示した燃料電池ボックスのＡ−Ａ線断面図である。 図８に示した燃料電池ボックスのＢ−Ｂ線断面図である。 燃料電池スタックの斜視図である。 単電池の平面図である。 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 (5)

1. 燃料電池スタックへ燃料ガスおよび反応ガスを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、
   燃料ガスを蓄積する燃料ボンベと、
   車体の前後方向に延設された左右一対のロアフレーム、および当該ロアフレームの上方で車体の前後方向に延設された左右一対の支持部を有する車体フレームとを具備し、
   前記燃料ボンベが、前記左右の支持部の間で、その周囲を前記左右の支持部によって挟まれることにより着座シートの前方で支持され、
   前記支持部は、その断面が燃料ボンベの側面に沿った形状であることを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記左右の支持部の最小間隔が前記燃料ボンベの幅よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記左右の支持部の前記燃料ボンベと当接する面に緩衝部材が装着さ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. 前記燃料ボンベを前記左右の支持部に固定する拘束具を含む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. 前記燃料ボンベが、その閉止バルブ位置を後方にし、前記閉止バルブの一端が他の端よりも高くなるような姿勢で支持される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。

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