JP4082597B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、燃料電池へ反応ガスおよび冷却ガスとして外気を取り込んで供給する配管系統の構造が簡略化された燃料電池車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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電気化学反応により発電が行われるが、この電気化学反応には適切な反応温度があり、低温下や高温下では反応効率が低下し、特に高温になり過ぎると燃料電池の寿命が短くなる。したがって、燃料電池による発電システムにおいては、燃料電池の発電中に発生する熱を燃料電池の外に取り出し、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲に保つための冷却装置が必要となる。
【０００３】
一般的に、燃料電池スタックは複数の単電池の積層構造体であり、各単電池には冷却板が介装されている。冷却板には冷却ガス通路が形成されており、この冷却ガス通路に冷却ガスを流すことによりスタックが冷却される。
【０００４】
特開平２００１−１３０４６８号公報には、外気を冷却ガスおよび反応ガスとして利用する技術が開示されており、ここでは空気供給手段として、燃料スタック７を冷却するための送風ファン２７と、燃料スタック７に空気を反応ガスとして供給するためのブロア４６とが設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、燃料スタックを冷却するための第１の空気供給手段（送風ファン）と、燃料スタックに空気を反応ガスとして供給するための空気供給手段（ブロア）とが必要となる。このために、部品点数の増加、車重の増加およびコストの上昇を招くのみならず、二輪車の限られたスペースに２つの空気供給手段を配置しなけなければならないので、設計の自由度が制約されてしまうという技術課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、燃料スタックを効率的に冷却し、かつ燃料スタックへ十分な反応ガスを供給できる燃料電池車両を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、反応ガスと燃料ガスとを化学反応させ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。
【０００８】
(1)燃料ガスを貯蔵する燃料ボンベと、燃料ガス通路、反応ガス通路および冷却ガス通路を含む燃料電池スタックと、前記冷却ガス通路に冷却ガスを供給する冷却ガス供給通路と、前記反応ガス通路に反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路に分岐された送風通路と、外気を吸引して前記送風通路へ圧送する空気供給手段とを含むことを特徴とする。
【０００９】
(2)前記反応ガス供給通路への反応ガスの供給を制御するバイパスバルブを含むことを特徴とする。
【００１０】
(3)前記燃料電池車両が二輪車であって、そのハンドルおよびフロントホークを車体前方で操舵自在に支持するヘッドパイプを具備し、前記空気供給手段が前記ヘッドパイプの前方に取り付けられたことを特徴とする。
【００１１】
(4)前記空気供給手段の外気導入口が車体の横方向を指向したことを特徴とする。
【００１２】
(5)前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が車幅方向に関して一方側および他方側に振り分け配置されたことを特徴とする。
【００１３】
(6)前記燃料電池スタックを収容する燃料電池ボックスと、前記燃料電池ボックス内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給通路とを具備し、前記掃気ガス供給通路が前記送風通路から分岐されたことを特徴とする。
【００１４】
上記した特徴(1)によれば、外気が空気供給手段により取り込まれ、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路の双方へ圧送されるので、唯一の空気供給手段のみで燃料スタックを冷却し、かつ反応ガスを供給できるようになる。
【００１５】
上記した特徴(2)によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガス供給通路への外気供給を継続しながら、反応ガス供給通路への外気供給のみを停止できる。
【００１６】
上記した特徴(3)によれば、泥はねや降雨の影響を受けることなく綺麗な外気を導入することができる。
【００１７】
上記した特徴(4)によれば、走行速度などの動圧に左右されることなく、空気供給手段の能力に応じた一定量の外気を安定して導入することができる。
【００１８】
上記した特徴(5)によれば、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が走行風に晒されや易くなるので、冷却ガスおよび反応ガスの温度を低く保つことができる。
【００１９】
上記した特徴(6)によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガスおよび反応ガスのみならず、掃気ガスも供給できるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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横臥姿勢で、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。
【００２６】
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との当接面には衝撃吸収部材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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、マスの集中化によりドライバビリティが向上する。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、これまでは過剰であった後輪の荷重分担が減ぜられる一方、これまでは過少であった前輪の荷重分担が増加するので、前後輪の分担荷重が適正化される。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)請求項１の発明によれば、外気が空気供給手段により取り込まれ、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路の双方へ圧送されるので、空気供給手段のみで燃料電池スタックへの冷却ガスおよび反応ガスの供給が可能になる。
(2)請求項２の発明によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガス供給通路への外気供給を継続しながら、反応ガス供給通路への外気供給のみを停止できる。したがって、運転停止後も燃料電池スタックの冷却を継続させることができる。
(3)請求項３の発明によれば、泥はねや降雨の影響を受けることなく綺麗な外気を導入することができる。
(4)請求項４の発明によれば、走行速度などの動圧に左右されることなく、空気供給手段の能力に応じた一定量の外気を安定して燃料電池スタックへ導入することができる。
(5)請求項５の発明によれば、冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が走行風に晒されや易くなるので、冷却ガスおよび反応ガスの温度を低く保つことができ、その結果、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
(6)請求項６の発明によれば、唯一の空気供給手段のみで、冷却ガスおよび反応ガスのみならず掃気ガスも供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 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。
【図２】 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。
【図３】 車体フレームの骨格を模式的に示した図である。
【図４】 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。
【図５】 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。
【図６】 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。
【図７】 エアクリーナの構成を示した図である。
【図８】 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。
【図９】 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１０】 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１１】 図８に示した燃料電池ボックスのＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】 燃料電池スタックの斜視図である。
【図１３】 単電池の平面図である。
【図１４】 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. 反応ガスと燃料ガスとを化学反応させて得られる電力で走行する燃料電池車両において、
   前記燃料ガスを貯蔵する燃料ボンベと、
   燃料ガス通路、反応ガス通路および冷却ガス通路を含む燃料電池を構成するスタックと、
   前記冷却ガス通路に冷却ガスを供給する冷却ガス供給通路と、
   前記反応ガス通路に反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、
   前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路に分岐された送風通路と、
   外気を吸引して前記送風通路へ圧送する空気供給手段とを含み、
   前記冷却ガス供給通路および反応ガス供給通路が車幅方向に関して一方側および他方側に振り分け配置されたことを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記反応ガス供給通路への反応ガスの供給を制御するバイパスバルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記燃料電池車両が二輪車であって、そのハンドルおよびフロントホークを車体前方で操舵自在に支持するヘッドパイプを具備し、
   前記空気供給手段が前記ヘッドパイプの前方に取り付けら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. 前記空気供給手段の外気導入口が車体の横方向を指向した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. 前記燃料電池スタックを収容する燃料電池ボックスと、
   前記燃料電池ボックス内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給通路とを具備し、
   前記掃気ガス供給通路が前記送風通路から分岐された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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