JP4523362B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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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、燃料電池を冷却水で冷却して、加温された冷却水をラジエータで放熱する液冷式の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。ここで、酸素は空気中からコンプレッサを介して取り込まれ、水素は高圧の燃料ボンベから供給される。
ところで、燃料電池は化学反応によって発熱するが、効率的な発電を行うためには余分となる熱を放熱して冷却し、燃料電池を適切な温度範囲に維持することが必要となる。効率的な放熱を行うためには、例えば特許文献1に示される燃料電池車両のように、水冷式の冷却システムを用いて燃料電池を冷却し、加温された冷却水をラジエータで放熱するとよい。
特開平8−192639号公報
一般的な水冷式の冷却システムでは、冷却対象である発熱体とラジエータの間を冷却水が循環可能なように管路が接続されており、該管路の途中に設けられたポンプにより冷却水が循環駆動される。また、ラジエータの放熱効率を向上させるためにラジエータのフィンに送気する冷却ファンが設けられることがある。
ところで、ポンプを駆動する方式としてはモータを内蔵した電動式を挙げることができるが、このような電動ポンプはモータが発熱することによりモータ及び電動ポンプ自体の効率が低下し、これにより冷却システムの効率が低下することが懸念される。循環駆動される冷却水を電動ポンプのモータ部に導いて冷却することも考えられるが、このようにすると管路構成が複雑となってしまうとともに冷却システムの熱負荷が増大する。
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、燃料電池を冷却する冷却システムに電動ポンプを用いる場合に、簡便な構成で電動ポンプの発熱を抑制す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(10)は、反応ガスと燃料ガスを燃料電池(12)へ供給して得られる電力で走行し、前記燃料電池を冷却する液冷式の冷却システム(79)と、前方部がヘッドパイプ(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ダウンフレーム(26R、26L、28R、28L)とを備える二輪車の燃料電池車両(10)において、前記燃料電池(12)により加温された冷却液を放熱させて冷却する、前記ヘッドパイプ(24)の前面に配置された第1ラジエータ(80)、及び前記ダウンフレーム(28R、28L)の近傍に配置された第2ラジエータと、前記第1ラジエータ(80)の冷却フィンに対して空気を通気させる第1冷却ファン(84)と、前記第2ラジエータ(82)の冷却フィンに対して空気を通気させる第2冷却ファン(86、88)と、前記冷却システム(79)の管路の途中に設けられて、冷却液を循環駆動する電動ポンプ(90)とを有し、前記第2ラジエータ(82)は、前記第1ラジエータ(80)の下流側に配置され、前記第1ラジエータ(80)と前記第2ラジエータ(82)との間を管路を介して接続しており、前記電動ポンプ(90)は、前記第2冷却ファン(86、88)によって発生する風を受ける位置に配置されており、且つ、車長方向正面視で、前記第2ラジエータ(82)の投影面内における下部に配置されていることを特徴とする。
このように、第2冷却ファンによって発生する風を受ける位置に電動ポンプを配置することにより、簡便な構成で電動ポンプの発熱を抑制することができる。しかも、冷却液は電動ポンプの冷却に関与しないことから、冷却システムの熱負荷が増大することがない。
また、車長方向正面視で、前記電動ポンプは前記第2ラジエータの投影面内における下部に配置されているので、走行時にラジエータを通過した空気が電動ポンプに当てられ、電動ポンプの発熱をより確実に抑制することができる。
また、ダウンフレーム近傍においては前輪以外に走行風を遮るものがなく、第2ラジエータは多量の走行風を受けることができ、放熱効率が向上する。
前記第2冷却ファン(86、88)は、前記第2ラジエータ(82)の上部及び下部にそれぞれ設けられ、前記電動ポンプ(90)は、2つの前記第2冷却ファン(86、88)のうち下側のものの車体後方側に配置されていてもよい。
前記電動ポンプ(90)は、前記第1ラジエータ(80)と前記燃料電池(12)との間に管路で接続されていてもよい。
本発明に係る燃料電池車両は、液冷式の冷却システムとしてラジエータの冷却フィンに対して通気する冷却ファンと、冷却液を循環駆動する電動ポンプとを有し、冷却ファンによって発生する風を受ける位置に電動ポンプを配置している。これにより、簡便な構成で電動ポンプの発熱を抑制して冷却システムの冷却効率の向上を図ることができ、しかも冷却システムの熱負荷が増大することがない。
また、電動ポンプをラジエータの正面投影面内に配置することにより、走行時にラジエータを通過した空気が電動ポンプに当てられ、電動ポンプの発熱をより確実に抑制することができる。
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。本実施の形態では、燃料電池12としては公知のものを採用しているので、ここでは詳細には説明しない。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。
また、燃料電池二輪車10は、効率的に発電を行うことができるように燃料電池12を冷却して適切な温度範囲に維持するための水冷式の冷却システム79(図5参照)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、走行性能が向上する。
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。燃料電池12は、設計上、最低地上高が設定されているが、リアサスペンション48を燃料電池12の下方部に設けることにより、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ためのレゾネータ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、前記レゾネータ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。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フロントフォーク近傍に設けられた二次バッテリ(図示せず)を備える。
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。前記レゾネータ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。前記の通り、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。
次に、燃料電池12を冷却して適切な温度範囲に維持するための水冷式の冷却システム79について、図5を参照しながら説明する。
冷却システム79は、燃料電池12により加温された冷却水を冷却フィンで放熱させて冷却する第1ラジエータ80及び第2ラジエータ82と、第1ラジエータ80の冷却フィンに対して空気を通気させる冷却ファン(第1冷却ファン)84と、第2ラジエータ82の冷却フィンに対して空気を通気させる2つの冷却ファン(第2冷却ファン)86及び88と、冷却水を循環させる電動ポンプ90と、暖機運転時及び過冷却時に冷却水の循環経路を切り換えるサーモスタット92と、冷却水中のイオンを除去して燃料電池12の地絡を防ぐイオン交換機94とを有する。図1及び図2から諒解されるように、前記電動ポンプ90は冷却ファン88の下流側に配置されている。
各冷却ファン84、86及び88は、第1ラジエータ80及び第2ラジエータ82の裏面で第1ラジエータ80及び第2ラジエータ82から空気を吸い込み、矢印Aで示すように空気が流れる。このうち、冷却ファン88によって発生する風は、電動ポンプ90に当たるように設定されている。
電動ポンプ90はモータ90aを備え、該モータ90aを電気的に回転駆動することによってポンプ部分が運転されて、冷却水を冷却システム79内で循環駆動することができる。電動ポンプ90の吸入口90bと燃料電池12の冷却水排出口12aは管路96aで接続されており、電動ポンプ90の吐出口90cと燃料電池12の冷却水排出口12aは管路96bで接続されている。
第1ラジエータ80の下部と第2ラジエータ82の上部は左右二本の管路96c、96dで接続されている(図6参照)。サーモスタット92の一端部は管路96eにより第2ラジエータ82の下部と接続されており、他端部は管路96fにより燃料電池12の冷却水吸入口12bと接続されている。電動ポンプ90と第1ラジエータ80との間における管路96aは分岐して管路96gとなり、サーモスタット92に接続されている。燃料電池12と電動ポンプ90との間における管路96aは分岐して管路96hとなり、イオン交換機94を経由してサーモスタット92に接続されている。燃料電池12、イオン交換機94には図示しないガス抜き部が設けられており、管路96aには図示しない水素センサが設けられている。
暖機運転時及び過冷却時においては、サーモスタット92は管路96gと管路96fとを連通させ、管路96eを遮断する。これにより、電動ポンプ90から吐出した冷却水は管路96gに流れ込み、第1ラジエータ80、第2ラジエータ82を経由することがない。したがって、冷却水が不必要に冷却されることがなく、迅速に暖機を行うことができる。
一方、通常運転時においては、サーモスタット92は管路96eと管路96fとを連通させ、管路96gを遮断する。これにより、電動ポンプ90から吐出した加温された冷却水は、第1ラジエータ80、第2ラジエータ82で放熱、冷却された後、サーモスタット92を通り燃料電池12の冷却水吸入口12bに導かれる。燃料電池12内の発電セル(図示せず)を冷却することにより加温された冷却水は、冷却水排出口12aから排出されて電動ポンプ90に導かれて循環駆動される。また、冷却水の一部はイオン交換機94を通り循環する。
図6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においては、図6に示すように、車長方向正面視で、電動ポンプ90が第2ラジエータ82の投影面内に配置されており、燃料電池二輪車10の走行時には第2ラジエータ82を通過した空気が電動ポンプ90に当たることとなる。電動ポンプ90はモータ90aを備えており、該モータ90aが発熱するとモータ90a及び電動ポンプ90の効率が低下するが、本実施の形態に係る燃料電池二輪車10においては、第2ラジエータ82を通過した空気が電動ポンプ90に対する冷却作用を奏することから、モータ90aの温度上昇が抑制される。これにより、モータ90a及び電動ポンプ90の効率低下が抑制されて、冷却水の循環量が確保される。したがって、冷却システム79の効率が低下することが防止される。
電動ポンプ90は第2ラジエータ82の投影面内に配置されていることから、いわゆる前方投影面積が増加することがなく、燃料電池二輪車10の走行空気抵抗が増加することがない。
また、電動ポンプ90は、冷却ファン88によって発生する風を受ける位置に配置されていることから、いわゆる強制空冷となり、モータ90a及び電動ポンプ90の効率低下が一層抑制される。
電動ポンプ90は、主に近傍の冷却ファン88によって発生する風を受けることになるが、実際には、燃料電池二輪車10にはカウリングが装着されていることから、冷却ファン84及び86によって発生する風の少なくとも一部はカウリング内を通って電動ポンプ90に当たって冷却が促進される。
さらに、電動ポンプ90を冷却した風は後方の燃料電池12に当たることとなり、該燃料電池12も強制空冷されて発電効率の向上を図ることができる。
なお、電動ポンプ90は第2ラジエータ82から見て風下方向に配置されていることから第2ラジエータ82が正面から受ける風には影響がなく、電動ポンプ90を空気冷却することによって第2ラジエータ82の放熱効率が低下することはない。電動ポンプ90は空冷であって水冷ではないため、冷却水による冷却システム79の熱負荷が増大することはない。
図6から明らかなように、第2ラジエータ82は下部ダウンフレーム28R、28Lの近傍に配置されていることから、前輪14以外に走行風を遮るものがなく、第2ラジエータ82は多量の走行風を受けることができ、冷却システム79の放熱効率が向上する。
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。
上記の説明では、冷却システム79は水冷式として説明したが、油冷式等の他の液冷式であってもよい。冷却ファン84、86及び88については、第1ラジエータ80及び第2ラジエータ82の裏面で空気を吸い込む方式として説明したが、例えば、第1ラジエータ80及び第2ラジエータ82の前面から空気を送り出す方式としてもよい。
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。 燃料電池二輪車における冷却システムのブロック図である。 本実施の形態に係る燃料電池二輪車の正面図である。
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
56…エアクリーナ 58…コンプレッサ
60…加湿器 64…希釈ボックス
66…サイレンサ 79…冷却システム
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
90a…モータ

Claims (3)

  1. 反応ガスと燃料ガスを燃料電池(12)へ供給して得られる電力で走行し、前記燃料電池(12)を冷却する液冷式の冷却システム(79)と、前方部がヘッドパイプ(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ダウンフレーム(26R、26L、28R、28L)とを備える二輪車の燃料電池車両(10)において、
    前記燃料電池(12)により加温された冷却液を放熱させて冷却する、前記ヘッドパイプ(24)の前面に配置された第1ラジエータ(80)、及び前記ダウンフレーム(28R、28L)の近傍に配置された第2ラジエータ(82)と、
    前記第1ラジエータ(80)の冷却フィンに対して空気を通気させる第1冷却ファン(84)と、
    前記第2ラジエータ(82)の冷却フィンに対して空気を通気させる第2冷却ファン(86、88)と、
    前記冷却システム(79)の管路の途中に設けられて、冷却液を循環駆動する電動ポンプ(90)と、
    を有し、
    前記第2ラジエータ(82)は、前記第1ラジエータ(80)の下流側に配置され、
    前記第1ラジエータ(80)と前記第2ラジエータ(82)との間を管路を介して接続しており、
    前記電動ポンプ(90)は、前記第2冷却ファン(86、88)によって発生する風を受ける位置に配置されており、且つ、車長方向正面視で、前記第2ラジエータ(82)の投影面内における下部に配置されていることを特徴とする燃料電池車両(10)
  2. 請求項1記載の燃料電池車両(10)であって、
    前記第2冷却ファン(86、88)は、前記第2ラジエータ(82)の上部及び下部にそれぞれ設けられ、前記電動ポンプ(90)は、2つの前記第2冷却ファン(86、88)のうち下側のものの車体後方側に配置されることを特徴とする燃料電池車両(10)
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池車両(10)において、
    前記電動ポンプ(90)は、前記第1ラジエータ(80)と前記燃料電池(12)との間に管路で接続されていることを特徴とする燃料電池車両(10)
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