JP4422579B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスと燃料ガスとを燃料電池へ供給して得られる電力で走行する燃料電池車両に関し、特に、外気を取り込み清浄化するエアクリーナ及び清浄化された空気を圧縮して反応ガスを生成するコンプレッサを有する燃料電池車両に関する。

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。前記の燃料電池システムでは、燃料電池スタック（以下、単に燃料電池という）において、燃料ガスとしての水素及び反応ガスとしての酸素の化学反応により発電が行われる。

ところで、燃料ガスは燃料ボンベに高圧で蓄えられているが、反応ガスは外気を取り込み、高圧となるように圧縮して生成しなければならない。また、反応ガスを燃料電池へ供給するためには、反応ガスに不純物が混入していないことが好ましい。このため、外気をエアクリーナを介して不純物を除去した後、コンプレッサで圧縮することにより反応ガスを生成し、該反応ガスを燃料電池へ供給する加給機構が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２１６９８６号公報

前記のように燃料電池システムの加給機構は、エアクリーナとコンプレッサとを有するが、これらのエアクリーナ、コンプレッサ及び燃料電池の間は配管によって接続されており、これらの機器の配置によっては配管が長大化して重量増となり、また配管の通気抵抗増大により燃料電池システムの発電効率が低下することが懸念される。特に、燃料電池二輪車は機器の搭載スペースが限られているため、加給機構に用いられる配管を短縮して省スペース化することが望まれる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池システムの加給機構を軽量化、省スペース化するとともに、加給機構の通気抵抗を低減して燃料電池システムの発電効率を向上させることのできる燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両は、反応ガスと燃料ガスを燃料電池へ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、
外気を取り込み清浄化するエアクリーナと、
前記エアクリーナで清浄化された空気を圧縮して前記反応ガスを生成し、前記燃料電池へ供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサで圧縮された反応ガスを冷却するインタークーラと、前記燃料電池に供給する反応ガスと使用済み反応ガスとの間で水分の交換を行う加湿器とを有し、前記エアクリーナ、前記コンプレッサ、前記インタークーラ、前記加湿器及び前記燃料電池は、この順に直線状に配置されていることを特徴とする。

このように、エアクリーナ、コンプレッサ、インタークーラ、加湿器及び燃料電池をこの順で直線状に配置することにより、機器間の配管が短縮され、軽量化及び省スペース化が図られる。また、空気の流れの経路が短く、しかも直線的となることから、通気抵抗が低減されて燃料電池システムの発電効率が向上する。

この場合、前記燃料電池は車体の略中央部分に配置され、前記エアクリーナは後輪の上方に配置されているとよい。このように、エアクリーナを車体中央の燃料電池よりも後方に配置することにより、前方を走行する車両の排気ガスを直接的に吸い込むことが防止され、しかも後輪の上方に配置することにより該後輪の跳ねた泥等を吸い込むことが防止される。

また、前記エアクリーナに接続される吸気口は、前記エアクリーナより上方で且つ後方に開口しているとよい。これにより、前方を走行する車両の排気ガスを直接的に吸い込むことが一層防止される。さらに、吸気口はエアクリーナより上方に配置されることから、後輪の跳ねた泥等はエアクリーナ本体下面に懸かることはあっても、吸気口に吸い込まれることがない。

さらにまた、前記エアクリーナは、車体の一側方に配置されていると、エアクリーナのメンテナンスを行いやすい。

本発明に係る燃料電池車両によれば、エアクリーナ、コンプレッサ、インタークーラ、加湿器及び燃料電池をこの順で直線状に配置することにより、機器間の配管が短縮され、軽量化及び省スペース化が図られる。また、空気の流れの経路が短く、しかも直線的となることから、通気抵抗が低減されて燃料電池システムの発電効率が向上する。

さらに、エアクリーナを車体中央の燃料電池よりも後方に配置することにより、前方を走行する車両の排気ガスを直接的に吸い込むことが防止され、しかも後輪の上方に配置することにより該後輪の跳ねた泥等を吸い込むことが防止される。

以下、本発明に係る燃料電池車両について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図７を参照しながら説明する。以下、燃料電池二輪車１０において左右に１つずつ設けられた機構については、左のものの番号符号に「Ｌ」を付し、右のものの番号符号に「Ｒ」を付すことにより区別して説明する。

図１〜図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池車両としてのスクータ式の燃料電池二輪車１０は、燃料電池１２を搭載しており該燃料電池１２から得られる電力を用いて走行する。燃料電池１２は、アノード電極に供給される燃料ガス（水素ガス）とカソード電極に供給される反応ガス（空気）とを反応させることで電力を発生する。本実施の形態において、燃料電池１２は公知のものを採用しているので、その詳細な説明は省略する。燃料電池二輪車１０は、操舵輪である前輪１４と、駆動輪である後輪１６と、前輪１４を操舵するハンドル１８と、フレーム２０と、運転者及び同乗者が着座するシート２２とを有する。

フレーム２０は、前方部でフォーク式のフロントサスペンション２３を軸支するヘッドパイプ２４と、前方部が該ヘッドパイプ２４に接続されて車体後方に向かって後下がりに傾斜した一対の上部ダウンフレーム２６Ｒ、２６Ｌ及び一対の下部ダウンフレーム２８Ｒ、２８Ｌとを有する。フレーム２０は、さらに上部ダウンフレーム２６Ｒ、２６Ｌから連続的に車体後方に向かって後上がりに延在する上部フレーム３０Ｒ、３０Ｌと、下部ダウンフレーム２８Ｒ、２８Ｌから連続的に後輪１６へ向かって延在する下部フレーム３２Ｒ、３２Ｌと、該下部フレーム３２Ｒ、３２Ｌの後方端部と上部フレーム３０Ｒ、３０Ｌの略中間部を接続する縦フレーム３４Ｒ、３４Ｌとを有する。

燃料電池１２は、車体の略中央部分に設けられており、具体的には、上部フレーム３０Ｒ、３０Ｌ、下部フレーム３２Ｒ、３２Ｌ及び縦フレーム３４Ｒ、３４Ｌで区画される領域の後方部に搭載され、やや後上がりに配置されている。燃料電池１２は、燃料電池二輪車１０を構成するパーツの中で比較的大重量のパーツであって、車体の略中央部分に設けることにより燃料電池二輪車１０の好適な重量バランスが得られる。

また、上部フレーム３０Ｒ、３０Ｌ、下部フレーム３２Ｒ、３２Ｌ及び縦フレーム３４Ｒ、３４Ｌで区画される領域における燃料電池１２より前方部分には、後述する電動ポンプ９０等が設けられている。上部フレーム３０Ｒ、３０Ｌの上部にはシート２２が設けられており、後方端には図示しないテールランプが設けられている。

前輪１４は、フロントサスペンション２３の下端部に回転自在に軸支されている。フロントサスペンション２３の上部にはハンドル１８が接続されており、該ハンドル１８の中央部にメータ３８が設けられている。後輪１６は、縦フレーム３４Ｒ、３４Ｌに設けられたピボット４０を中心に回転可能なスイングアーム４２に支持されており、インホイールモータ４４と該インホイールモータ４４を駆動するモータドライバ４６が設けられている。インホイールモータ４４及びモータドライバ４６は水冷式であって高効率且つ高出力である。燃料電池１２の下方部分にはリアサスペンション４８が車長方向に延在して設けられており、その両端部は下部フレーム３２Ｒ、３２Ｌ及びスイングアーム４２に対して回動可能に接続されている。この場合、リアサスペンション４８は燃料電池１２の下方部に設けられているので、燃料電池１２と地面との間の領域を有効に用いることができ、また燃料電池二輪車１０の低重心化を図ることができる。

次に、燃料電池二輪車１０は、燃料電池１２において発電を行うための燃料電池システムとして、燃料電池１２に供給する燃料ガスを高圧状態で貯蔵する燃料ボンベ５０と、後方に向かって開口する吸気口５２からの吸気音を低減させる機能を有するレゾネータ５４と、該レゾネータ５４を介して外気を取り込むエアクリーナ５６とを有する。吸気口５２は、レゾネータ５４の前方部上面に設けられており、緩やかに略９０°屈曲して後方に開口している。

燃料電池二輪車１０は、さらにエアクリーナ５６で清浄化された空気を圧縮して反応ガスとするコンプレッサ（スーパチャージャ、ポンプ又は加給機とも呼ばれる）５８と、該コンプレッサ５８で圧縮された反応ガスを冷却するインタークーラ５９と、燃料電池１２に供給される反応ガスと燃料電池１２から排出される使用済み反応ガスとの間で水分の交換を行う加湿器６０と、燃料電池１２内部の圧力を調整するために加湿器６０の排出側に設けられた背圧弁６２と、使用済み反応ガスを使用済み酸素ガスで希釈する希釈ボックス６４と、希釈された反応ガスを排気ガスとして、消音して大気に排出するサイレンサ６６とを有する。このような燃料電池システムにおいて、レゾネータ５４、エアクリーナ５６、コンプレッサ５８、インタークーラ５９及び加湿器６０は、燃料電池１２に反応ガスを供給するための加給機構６７（図６参照）として分類することができる。なお、前記希釈ボックス６４は、燃料電池に対して下方に設置されている。そのため、該燃料電池１２から排出される排出物（水）を効率的に希釈ボックス６４に集めることができる。

また、燃料電池二輪車１０は、燃料電池システムの補助電源として二次バッテリ（図示せず）を備える。この場合、前記二次バッテリはフロントフォーク近傍に設けられている。

燃料ボンベ５０は両端半球の円柱形状であって、車体後方部において中心から右寄りにオフセットした位置に設けられている。具体的には、燃料ボンベ５０は上面視（図３参照）で車長方向に延在しており、側面視（図１参照）でシート２２及び上部フレーム３０Ｒに沿って後上がりとなるように設けられている。燃料ボンベ５０は燃料電池二輪車１０を構成するパーツの中で比較的大きいパーツであるが、中心線からオフセットした位置に設けられていることにより、上面視で後輪１６とほとんど重なることがなく、後輪１６の上下方向サスペンションストロークを十分に確保することができる。これにより、路面からの衝撃を緩和しやすくなり、燃料電池二輪車１０の乗り心地の向上を図ることができる。

希釈ボックス６４は、一対の下部ダウンフレーム２８Ｒ、２８Ｌの間における下端部に設けられており、燃料電池１２よりも低い位置に配置されている。したがって、希釈ボックス６４には燃料電池１２で発生した水分を集積させやすく、集積した水分は希釈ボックス６４の下面部から排出される。

希釈ボックス６４には第１排気パイプ７０が接続されており、該第１排気パイプ７０から排気ガスが排出される。第１排気パイプ７０は下部フレーム３２Ｌにおける中央よりやや前方部から下部フレーム３２Ｌの内部を通り後方に延在し、その後端部が第２排気パイプ７２の一端に連通している。第２排気パイプ７２は下部フレーム３２Ｌの後端部よりやや上方で屈曲して後方斜め上方に指向し、サイレンサ６６に接続されている。

サイレンサ６６は、略四角の縦扁平形状であって、車体後方部において中心から左寄りにオフセットしており、後輪１６よりも高い位置において車長方向に延在して設けられている。サイレンサ６６から排気ガスを排出する排出口６６ａは、サイレンサ６６の後端部下方に設けられている。該排出口６６ａは車長方向で後輪１６の車軸１６ａよりもやや後方に位置している。

このように、排出口６６ａが後輪１６よりも高い位置であって、しかも前後方向で車軸１６ａよりも後方に位置していることから、排出口６６ａから排出される排気ガスは走行風によって後方に拡散され、図４の二点鎖線ハッチング部７４で示す範囲に排出される。したがって、排気ガスに含まれる水蒸気（又は水分）が後輪１６に降り懸かることがない。また、燃料電池二輪車１０が小さい旋回半径で走行する場合であっても、水蒸気は斜め後方に飛散することとなり後輪１６に降り懸かることがない。

レゾネータ５４は、略四角の縦扁平形状であって、燃料ボンベ５０の右側方に設けられている。レゾネータ５４の後端部とエアクリーナ５６の後端部は樹脂パイプ７５で接続されている。

エアクリーナ５６は、やや扁平な形状であって燃料ボンベ５０の後部下方において後上がりとなるように配置されている。エアクリーナ５６を通過した空気は短い樹脂パイプ７６を通ってコンプレッサ５８の右端部へ導入される。コンプレッサ５８は、車幅方向に延在するように設けられており右端部は燃料ボンベ５０の中央部下方に位置している。加湿器６０は車幅方向に長尺な形状であって、コンプレッサ５８と燃料電池１２との間に設けられている。

インタークーラ５９は、燃料ボンベ５０の前部下方に設けられており、その空気流入口及び空気流出口がそれぞれコンプレッサ５８及び加湿器６０と接続されている。前記のとおり、インタークーラ５９はコンプレッサ５８で圧縮された外気を冷却して加湿器６０に供給するが、冷寒始動時においてはバイパス弁７８を切換駆動することにより、インタークーラ５９及び加湿器６０を経由することなく圧縮した外気を燃料電池１２に供給することができる。

図５に示すように、第１ラジエータ８０は、略正方形の板状であってヘッドパイプ２４の前面に設けられており、第１ラジエータ８０の裏面には冷却ファン８４が設けられている。第２ラジエータ８２は、高さ及び面積が第１ラジエータ８０の略２倍の板状であって、下部ダウンフレーム２８Ｒ及び２８Ｌに沿うように該下部ダウンフレーム２８Ｒ及び２８Ｌの直前部に設けられている。第２ラジエータ８２の裏面上部には冷却ファン８６が設けられ、裏面下部には冷却ファン８８が設けられている。電動ポンプ９０は、冷却ファン８８と燃料電池１２との間に設けられている。

第１ラジエータ８０及び第２ラジエータ８２は、車長方向正面視で重複することがないため燃料電池二輪車１０の走行時に走行風を受けやすく、内部を通過する冷却水を放熱させて冷却することができる。また、冷却ファン８４、８６及び８８は、第１ラジエータ８０及び第２ラジエータ８２から空気を吸い込んで後方に送風するように作用し、第１ラジエータ８０及び第２ラジエータ８２の冷却フィンに対する通気を促進させて、冷却水をより確実に冷却することができる。

このように構成される燃料電池二輪車１０では、図２に示すように、燃料電池システムの加給機構６７を構成するレゾネータ５４、エアクリーナ５６、コンプレッサ５８、インタークーラ５９及び加湿器６０は後輪１６の上方部にまとめて配置されている。

右側面視で、エアクリーナ５６、コンプレッサ５８、インタークーラ５９、加湿器６０及び燃料電池１２は、この順で後方から前方に向かって配列されており、緩やかに前下がりに傾斜した仮想直線Ｌ上に略沿ってコンパクトに配置されている。エアクリーナ５６、コンプレッサ５８、インタークーラ５９及び加湿器６０が直線状に配置されるため、燃料電池二輪車１０の後方部が挟幅に設定され、シート２２の後部座席の同乗者が着座しやすい。また、コンプレッサ５８、インタークーラ５９及び加湿器６０は、レゾネータ５４及びエアクリーナ５６と比較して大重量であるが、このような大重量の機器を軽量なレゾネータ５４及びエアクリーナ５６よりも車体中央寄りに配置することにより好適な重量バランスが得られ、走行性能がより向上する。

エアクリーナ５６とコンプレッサ５８との距離、及びインタークーラ５９と加湿器６０との距離は非常に短く、これらの機器間の樹脂パイプ７６及び樹脂パイプ８１は短く設定される。また、コンプレッサ５８とインタークーラ５９は接しており、所定のフランジ部によって直接的に接続することができる。

このように、加給機構６７を構成する機器間の接続に用いられる樹脂パイプ７６及び８１は短く、又は接続用のパイプが一部不要であるため、軽量化及び省スペース化が図られる。また、空気の流れの経路が短く、しかも直線状となることから、通気抵抗が低減されて燃料電池システムの発電効率が向上する。

さらに、エアクリーナ５６は、燃料電池二輪車１０の比較的後方に配置されているため、前方を走行する車両の排気ガスは前方のシート２２やフレーム２０及び図示しないカウリング等で遮られ、エアクリーナ５６が排ガスを直接的に吸い込むことが防止される。特に、吸気口５２は後方に開口していることから、前方から流れてくる排気ガスは吸い込まれにくい。

また、エアクリーナ５６及び吸気口５２は、後輪１６の上方に配置されているため該後輪１６の跳ねた泥等を吸い込むことが防止される。つまり、跳ねた泥等は、図６の二点鎖線ハッチング部１２０の範囲で示すように後方及び後上方方向に排出されるため、エアクリーナ５６や吸気口５２に吸い込まれることがない。特に、吸気口５２は、後輪１６の車軸１６ａよりも車長方向で前方に位置しているため、跳ねた泥が吸い込まれることが一層防止される。

吸気口５２は、レゾネータ５４の上部に設けられていることから、後輪１６の跳ねた泥等はエアクリーナ５６の下面やレゾネータ５４の下面に懸かることはあっても、吸気口５２に吸い込まれることがない。ここで、吸気口５２がエアクリーナ５６の上部に設けられていても同様の効果を奏する。

後輪１６に泥よけカバー１２２を設けることにより、エアクリーナ５６及び吸気口５２に対する泥の吸い込みをより一層防止することができる。

このように、エアクリーナ５６及び吸気口５２には前方を走行する車両の排気ガスや後輪１６の跳ねた泥等を吸い込むことが防止されるため、エアクリーナ５６内のフィルタが目詰まりしにくく、フィルタ交換の頻度は少なくて足りる。

また、エアクリーナ５６は車体の右側方に配置されているため、カウリングを取り外した状態においては、見やすく且つ触りやすく、フィルタ交換等のメンテナンスを容易に行うことができる。具体的には、エアクリーナ５６の下面カバー５６ｂを固定しているボルト５６ａに対して工具を当てやすいため、特殊工具が不要である。また、メンテナンスを行う者は、車体の側方に自然な姿勢で起立したまま、ボルト５６ａが抜かれた下面カバー５６ｂを下方に向かって取り外す作業及び内部に設けられたフィルタの着脱作業を容易に行うことができる。

燃料電池二輪車１０はスクータ式であることから、オンロードスポーツタイプ二輪車のように燃料タンクを足で挟む姿勢で搭乗する必要はなく、搭乗者は両足をできるだけ閉じた姿勢で搭乗可能であることが好ましい。したがって、足元部分に相当する燃料電池１２と第２ラジエータ８２との間の車幅を狭くするとよい。本実施の形態に係る燃料電池二輪車１０では、加給機構６７を車体後部右側方の位置に設けていることから、搭乗者の足元部分の車幅を狭く設定することができる。また、この足元部分のスペースに余裕が得られることから、加給機構６７以外の機器、例えば、燃料電池１２の冷却システムを構成する電動ポンプ９０やサーモスタット９２を適切な位置及び向きに配置させることができる。

なお、図１〜図４及び図６では、レバー及びカウリング等を省略して図示している。また、図３においては、フレーム２０等が視認しやすいようにハンドル１８及びメータ３８を省略して図示している。

本発明に係る燃料電池車両は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る燃料電池二輪車の右側面図である。 本実施の形態に係る燃料電池二輪車を左下後方から見た斜視図である。 本実施の形態に係る燃料電池二輪車の平面図である。 燃料電池二輪車の左後方部の側面図である。 本実施の形態に係る燃料電池二輪車の正面図である。 加給機構を本実施の形態に係る燃料電池二輪車後部を右下方から見た要部斜視図である。

符号の説明

１０…燃料電池二輪車 １２…燃料電池
２０…フレーム ２４…ヘッドパイプ
２６Ｒ、２６Ｌ…上部ダウンフレーム ２８Ｒ、２８Ｌ…下部ダウンフレーム
３０Ｒ、３０Ｌ…上部フレーム ３２Ｒ、３２Ｌ…下部フレーム
３４Ｒ、３４Ｌ…縦フレーム ３８…メータ
４２…スイングアーム ５０…燃料ボンベ
５２…吸気口 ５４…レゾネータ
５６…エアクリーナ ５８…コンプレッサ
５９…インタークーラ ６０…加湿器
６６…サイレンサ ６７…加給機構
７５、７６、８１…樹脂パイプ ８０…第１ラジエータ
８２…第２ラジエータ ８４、８６、８８…冷却ファン
９０…電動ポンプ

Claims (4)

1. 反応ガスと燃料ガスを燃料電池へ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、
   外気を取り込み清浄化するエアクリーナと、
   前記エアクリーナで清浄化された空気を圧縮して前記反応ガスを生成し、前記燃料電池へ供給するコンプレッサと、
   前記コンプレッサで圧縮された反応ガスを冷却するインタークーラと、
   前記燃料電池に供給する反応ガスと使用済み反応ガスとの間で水分の交換を行う加湿器と、
   を有し、
   前記エアクリーナ、前記コンプレッサ、前記インタークーラ、前記加湿器及び前記燃料電池は、この順に直線状に配置されていることを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池は車体の略中央部分に配置され、前記エアクリーナは後輪の上方に配置されていることを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両において、
   前記エアクリーナに接続される吸気口は、前記エアクリーナより上方で且つ後方に開口していることを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、
   前記エアクリーナは、車体の一側方に配置されていることを特徴とする燃料電池車両。

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