JP4585450B2 - 車両 - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池システムを用いた車両に関し、より特定的には、燃料電池に供給される燃料を冷却するための熱交換器を含む燃料電池システムを用いた車両に関する。
燃料と酸素との電気化学反応によって電力を生成する燃料電池は、電気化学反応によって発熱する。そこで、この発熱による燃料電池の温度上昇を抑えるために、燃料電池に供給すべき燃料を冷却する燃料電池システムが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2002−203587号公報
しかし、従来の燃料電池システムでは、燃料電池に供給すべき燃料を冷却しているにもかかわらず、燃料電池の温度が上昇し過ぎて電解質膜を損傷し効率良く発電できない場合がある。この場合には、燃料電池をさらに冷却する必要がある。
ここで、燃料電池を冷却する装置を別途設けると、燃料電池システムの構成が煩雑になるという問題がある。この問題は、燃料電池システムを二輪車等の車両に搭載しようとする場合に特に顕著になる。
それゆえに、この発明の主たる目的は、簡易な構成で燃料電池を効率良く冷却することができる燃料電池システムを用いた車両を提供することである。
この発明のある見地によれば、燃料電池システム、搭乗者が座るための座部、および座部の下側に設けられ、左右方向に幅広に形成されかつ少なくとも上下方向に延びる板状部材を備え、燃料電池システムは、燃料と酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成可能な燃料電池、燃料電池の近傍に設けられ、燃料電池内を通過する媒体を冷却する熱交換器、および燃料電池と熱交換器とを冷却するための空気の流れを生成する空気流生成手段を含み板状部材の前側に燃料電池が設けられ、板状部材の後側に熱交換器が設けられ、熱交換器の後側に空気流生成手段が設けられ、板状部材のうち燃料電池と熱交換器とで挟まれる位置に、空気流生成手段によって生成された空気流を通過させるための貫通孔が設けられる、車両が提供される。
この発明では、燃料電池の近傍に熱交換器を設ける。そして、燃料電池を外部から冷却するための燃料電池まわりの空気流と、燃料電池を通過する媒体を冷却する熱交換器を冷却するための空気流とを空気流生成手段で生成して、燃料電池を冷却する。したがって、簡易な構成で燃料電池を効率良く冷却することができる。また、この発明では、板状部材の前側に燃料電池を設け、後側に熱交換器を設けるので、燃料電池と熱交換器との位置決めが容易になる。また、板状部材に貫通孔が設けられているので、燃料電池から熱交換器へ空気が円滑に流れ、燃料電池の外部と熱交換器を通過する媒体とを効率良く冷却することができる。
好ましくは、燃料および媒体はメタノール水溶液であり、空気流生成手段は、燃料電池から熱交換器へ向かう方向または熱交換器から燃料電池へ向かう方向の空気の流れを生成するファンを含む。
このように、燃料としてメタノール水溶液を直接用いるので、燃料の改質器が不要となり燃料電池システムの構成が簡単になる。また、燃料電池に供給されるメタノール水溶液を、燃料電池を内部から冷却するための媒体(冷媒)として使用するので、別の冷媒を冷却し循環させる装置等を別途設ける必要がなく、燃料電池を簡単な構成で冷却できる。したがって、この燃料電池システムは、機器の設置スペースが限られている二輪車などの車両に好適に用いることができる。
また、ファンによって、たとえば、燃料電池から熱交換器へ向かう空気の流れを生成する。言い換えれば、空気の流れる方向に燃料電池と熱交換器とが並んでいる。したがって、燃料電池の外部周辺を通って燃料電池の冷却に使用された空気を熱交換器に供給して、メタノール水溶液の冷却に使用できる。このように、一方向の空気の流れによって、燃料電池の外部と熱交換器とを順に効率良く冷却することができる。
好ましくは、熱交換器が、燃料電池の冷却に使用された空気流で冷却されるとともに、ファンによって生成された空気流であって外気から直接熱交換器に向かう空気流によっても冷却され、燃料電池の冷却に使用された空気流の量が、外気から直接熱交換器に向かう空気流の量よりも多くなるように構成される。この場合、燃料電池を外部から確実に冷却することができるとともに、熱交換器によって媒体を効率良く冷却することができる。
また、好ましくは、後方斜め上方向に延びかつ左右方向に幅広に形成される板状の第1中央部と、それぞれ第1中央部の左右両端部に沿って延びかつ前後方向に幅広に形成される板状の左側部および右側部とを有するリヤフレームを備え、第1中央部が板状部材となる。この場合、リヤフレームは、軽量かつ簡単な形状でありながら、リヤフレームにかかる曲げモーメントに応じた適切な剛性を確保できる。また、リヤフレームの前側や後側に車両の補機類等を設置するためのスペースを容易に確保できる。
好ましくは、少なくとも前後方向に延びかつ上下方向に幅広に形成される板状の第2中央部と、それぞれ第2中央部の上下両端部に沿って延びかつ左右方向に幅広に形成される板状の上側部および下側部とを有するメインフレームを備え、メインフレームの後端部がリヤフレームに接続される。この場合、メインフレームの断面二次モーメントを容易に大きくすることができる。また、軽くかつ簡単な形状でありながら、従来よりも剛性を確保することが容易となる。
また、好ましくは、メインフレームの第2中央部に設けられるメインスイッチを備える。この場合、メインスイッチを別途取り付けるための部材が不要となる。これにより、ハンドルまわりのワイヤー類の取り回しが容易になる。
さらに、好ましくは、メインフレームの前端部に形成されるヘッドパイプ、ヘッドパイプに回動自在に係合されるフロントフォーク、およびメインスイッチに取り付けられる棒状体を備え、メインスイッチはヘッドパイプ近傍に設けられ、ヘッドパイプはその後側に孔を有し、棒状体は、孔を通ってヘッドパイプ内に出没可能に構成され、メインスイッチをオフしたとき、ヘッドパイプ内に突入しフロントフォークの回動を阻止する。この場合、メインスイッチのオフに伴って容易にフロントフォークの回動を阻止でき、ひいてはハンドルをロックできる。
好ましくは、メインフレームは、第2中央部、上側部および下側部のうちの少なくともいずれか1つを補強するために設けられるリブをさらに含む。この場合、メインフレームのねじり剛性を向上できる。
また、好ましくは、リブは複数設けられ、メインフレームの第2中央部と複数のリブとで囲まれた空間に配置される補機類を備える。この場合、メインフレームの余剰空間に効率良く補機類を設置することができ、車両の外形が大きくなることを抑制することができる。また、発熱素子を具備した補機類であっても、その近傍に、メインフレームおよびリブがある。したがって、これらの部材が放熱板として機能し、補機類を一層効率良く冷却することができる。
さらに、好ましくは、搭乗者の足を載せるために、メインフレームの下側部においてリブの近傍に設けられるフットレストをさらに備える。この場合、フットレストを十分な強度で保持し固定することができる。
好ましくは、発熱素子を内蔵した補機類を備え、当該補機類の外面の一部がメインフレームに密着される。これによって、発熱素子が発する熱を効率良くメインフレームに伝達することができ、補機類の温度上昇を抑制することができる。
また、好ましくは、メインフレームの第2中央部は貫通孔を有し、貫通孔を挿通する電気的信号線および/またはワイヤーを備える。このように貫通孔に電気的信号線やブレーキワイヤーを通すことによって、これらの電気的信号線等の曲率半径を容易に大きくできる。また、貫通孔を形成することによってメインフレームを軽くできる。
さらに、好ましくは、メインフレームおよびリヤフレームは軽合金からなる。この場合、軽くて剛性の高いフレームが得られる。
好ましくは、メインフレームおよびリヤフレームの少なくとも一部を覆うカバーを備え、メインフレームの上側部、リヤフレームの左側部およびリヤフレームの右側部のうちの少なくともいずれか1つがカバーと同一意匠面を構成する。この場合、カバーの一部を省略できる。
[図1]この発明の実施形態に係る二輪車の概略構成を示す全体図である。
[図2]車体フレームの概略構成を示す斜視図である。
[図3]車体フレームの概略構成を示す斜視図である。
[図4]図3におけるX2−X2断面を示す図であり、メインフレームの概略構成を示す図である。
[図5]図1におけるX1−X1断面におけるリヤフレーム近傍の概略構成を示す図である。
[図6]図3におけるX3−X3断面を示す図であり、メインフレームとリヤフレームとの接続状態を説明する図である。
[図7]メインフレームの前端部に二輪車のメインスイッチを設けた状態を示す斜視図である。
[図8]図7におけるX4−X4断面を示す図である。
[図9]図8におけるX5−X5断面を示す図である。
[図10]図1におけるP部を拡大した図であり、フットレストをメインフレームに取り付けた状態等を示す斜視図である。
[図11]燃料電池の概略構成を示すブロック図である。
符号の説明
10 二輪車
12 車体フレーム
14 メインフレーム
16 リヤフレーム
18 ヘッドパイプ
20 シートレール
22 フロントフォーク
24 ハンドル
34 シート
36,42 中央部
38 上側部
40 下側部
44 左側部
46 右側部
47 カバー
48 リブ
14c,16c,16d,50,52,86 貫通孔
58 メインスイッチ
62 棒状体
64,66,68 孔
72 ワイヤー
76 フットレスト
100 燃料電池システム
102 燃料電池
108,118 熱交換器
124 コントローラ
126 筐体
128 発熱素子
130 ファン
S1,S3 隙間
A9,A11 空気流
以下、図面を参照してこの発明の一実施形態について説明する。
ここでは、この発明を二輪車に適用した実施形態について説明する。
なお、この発明における左右、前後、上下とは、二輪車10のシート34に搭乗者がそのハンドル24に向かって着座した状態における左右、前後、上下の意味である(図1〜図3参照)。また、左右方向は車幅方向と同義であり、前後方向は車軸方向と同義である。
図1を参照して、この発明の一実施形態の二輪車10は、たとえばスクータとして構成され、車体フレーム12を含む。
図2および図3に示すように、車体フレーム12は、メインフレーム14と、メインフレーム14の後端部に連結されるリヤフレーム16と、メインフレーム14の前端部に設けられるヘッドパイプ18と、リヤフレーム16の後端部に設けられるシートレール20とを含む。車体フレーム12は、ヘッドパイプ18からシートレール20にかけて前後に延びかつ略「U」字状に形成されている。換言すれば、車体フレーム12は、アンダーボーン型のフレーム構造となっている。
ヘッドパイプ18は中空円筒状に形成され、ヘッドパイプ18にはフロントフォーク22の上半部が回動可能に挿入される。フロントフォーク22の上端部にはハンドル24が取り付けられる。フロントフォーク22の下端部は、前輪26を回転自在に支持する。
また、リヤフレーム16の下端部またはメインフレーム14の後端部には、前後方向に延びるリアアーム28の前端部が接続される。このとき、リヤアーム28はその接続部を支点として上下方向に回動自在に接続される。リヤアーム28の内側には電動モータ29が設けられる。また、リアアーム28の後端部は後輪30を回動自在に支持する。リヤアーム28の長さ方向の中間部とリヤフレーム16の後端部とはリアクッション32によって連結される。
シートレール20はリヤフレーム16の後端部にたとえば溶接によって一体的に設けられる。シートレール20上には搭乗者が座るための座部としてのシート(サドル)34等が取り付けられる。
ついで、車体フレーム12について詳しく説明する。
図2および図3を参照して、メインフレーム14は、それぞれ板状の中央部36と上側部38と下側部40とを含む。中央部36は、メインフレーム14の前端部から後ろ斜め下方向に延び続いて後ろ方向に略水平に延び、かつ上下方向に幅広に形成される。上側部38は、中央部36の上端部に沿って延びかつ左右方向(車幅方向)に幅広に形成される。下側部40は、中央部36の下端部に沿って延びかつ左右方向に幅広に形成される。したがって、メインフレーム14では、上側部38および下側部40が、中央部36よりも左右方向に幅広に形成される。すなわち、図4に示すように、メインフレーム14は、メインフレーム14の延伸方向に垂直な平面における断面形状が「I」字状に形成される。
リヤフレーム16は、それぞれ板状の中央部42と左側部44と右側部46とを含む。中央部42は、リアフレーム16の前端部から後方斜め上方向に延びかつ左右方向に幅広に形成される。左側部44は、中央部36の左側部に沿って延びかつ前後方向(車軸方向)に幅広に形成される。右側部46は、中央部36の右側部に沿って延びかつ前後方向に幅広に形成される。したがって、リヤフレーム16では、左側部44および右側部46が、中央部42よりも前後方向で幅広く形成される。すなわち、図5に示すように、リヤフレーム16では、メインフレーム14の延伸方向に垂直な平面における断面形状が「H」字状に形成される。
この実施形態では、メインフレーム14の上側部38、リヤフレーム16の左側部44および右側部46が、車体フレーム12を覆うカバー47と同一意匠面を構成している。すなわち、図3において斜線で示す部分が、カバー47とたとえば面一に配置され、外部に露出している。これによって、カバーの一部を省略できる。なお、カバー47は、メインフレーム14およびリヤフレーム16の少なくとも一部を覆っている。
フレーム14およびリヤフレーム16には、搭乗者の体重等によって、二輪車10の左右方向に延びた軸を中心とする曲げモーメントがかかる。この曲げモーメントは、メインフレーム14よりもリヤフレーム16の方が小さい。その主たる理由は、リアククッション32が搭乗者の体重等を吸収するからである。
また、メインフレーム14にはリブ48が形成される。
図2に示すように、メインフレーム14は、前端部と後端部とを結ぶ直線Lに対して湾曲している。メインフレーム14には、直線Lに対してほぼ直交しかつメインフレーム14の延伸方向で互いが離隔した複数のリブ48が設けられる。リブ48によって、メインフレーム14の中央部36、上側部38および下側部40を補強することができる。二輪車10が走行しているとき等においては、メインフレーム14には、直線Lを中心とする捻りモーメントがかかり、この捻りモーメントによってメインフレーム14が大きく捩れ変形することがある。リブ48によって、この捻りモーメントに対する剛性を高めることができる。
また、メインフレーム14の中央部36の前端部かつ上下方向の略中間部には、貫通孔50が形成される。貫通孔50には、後述するメインスイッチ58(図7等参照)が配置される。
さらに、メインフレーム14の中央部36のやや後端部寄りには、電気的信号線等を通しやすくするために前後方向に延びる長円状の貫通孔52が設けられる。
なお、メインフレーム14はその両端が固定されるいわゆる両端固定梁の構造を有しているので、メインフレーム14の前端部(ヘッドパイプ18との接合部近傍)には、メインフレーム14の延伸方向中間部よりも大きな曲げモーメントがかかる。そこで、メインフレーム14の前端部には補強部材54が形成される。補強部材54は、メインフレーム14の前端部の上側にメインフレーム14に一体的に設けられる。補強部材54の上端部には、上側部38と同じ幅を有する上側部56が形成される。
このような車体フレーム12は、たとえば、アルミニウム合金等の軽合金からなり、ダイキャストなどの鋳造によって形成される。メインフレーム14は左右方向に移動する複数の型(たとえば金型)を用いて形成される。リヤフレーム16は、左右方向とリヤフレーム16における延伸方向とを含む平面に直角な方向(斜め前後方向)に移動する複数の型(たとえば金型)を用いて形成される。したがって、メインフレーム14では、各型のパーティング面(合わせ面)が、たとえば、車体フレーム12の左右方向の中心を通りかつ車体フレーム12の上下方向および前後方向に延伸した平面で形成される。また、リヤフレーム16では、各型のパーティング面(合わせ面)が、リヤフレーム16の延伸方向および左右方向に延伸した平面で形成される。
つぎに、メインフレーム14とリヤフレーム16との接続について説明する。
図6を参照して、メインフレーム14の後端部には、左右方向に対して直角な各端面14a,14bが左右方向で所定の距離Dだけ離隔して設けられる。リヤフレーム16の前端部には、左右方向に対して直角な各端面16a,16bが左右方向で距離Dより僅かに長く離隔して設けられる。これによって、メインフレーム14の端面14a,14bが、リヤフレーム16の端面16a,16bの間に挿入可能となる。
メインフレーム14の端面14a,14b間には、円柱形状の貫通孔14cが設けられる。リヤフレーム16の端面16aには、端面16aに垂直な円柱形状の貫通孔16cが設けられ、リヤフレーム16の端面16bには、端面16bに垂直な円柱形状の貫通孔16dが設けられる。なお、各貫通孔14c,16cおよび16dの内径は略等しく、メインフレーム14とリヤフレーム16とを互いに組み付けた場合、各貫通孔14c,16cおよび16dは同軸上に位置する。
端面14aと端面16aとを互いに対向させ、端面14bと端面16bとを互いに対向させ、各貫通孔14c,16cおよび16dの軸心を互いに一致させる。この状態で、各貫通孔14c,16cおよび16dに、ボルト等の締結具B1を貫通させ、メインフレーム14を挟んでいるリヤフレーム16をナット等の締結具N1で締め付ける。すると、リヤフレーム16が僅かに撓んで、端面14aと端面16aとが互いに押圧されて接触し、端面14bと端面16bとが互いに押圧されて接触し、メインフレーム14とリヤフレーム16とが互いに結合される。
なお、ボルトB1の外径は、各貫通孔14c,16cおよび16dの内径よりも極僅かに小さくされている。ボルトB1と各貫通孔14c,16cおよび16dとの隙間が大きいと、メインフレーム14とリヤフレーム16との相対的な位置関係がばらついた状態で、メインフレーム14とリヤフレーム16とが互いに結合されるおそれがあるからである。図6に示すようなメインフレーム14とリヤフレーム16との結合は、少なくとも2箇所で行われている。
なお、メインフレーム14とリヤフレーム16とを鋳造で形成する代わりに、たとえば、「I」字状の型材を折り曲げ、この折り曲げたものにリブ48を溶接によって形成してもよい。また、貫通孔50および52を機械加工によって形成してもよい。
このような車体フレーム12において、メインフレーム14の貫通孔50にメインスイッチ58が設けられる。
図7〜図9を参照して、メインスイッチ58は、その回動中心軸が左右方向に延びるように貫通孔50を貫通する。たとえば、メインスイッチ58の一端部にキー60を挿入し、キー60を回動することによって、メインスイッチ58はオンオフされる。
メインスイッチ58には棒状体62が接続される。ヘッドパイプ18およびヘッドパイプ18に挿通されるフロントフォーク22には、棒状体62に対応する位置にそれぞれ孔64および66が形成される。棒状体62は、孔64を通りヘッドパイプ18内に出没可能に、すなわち孔64を通りフロントフォーク22の孔66内に出入可能に構成される。メインスイッチ58をオフしたとき、棒状体62は、孔64を通って孔66に入り、フロントフォーク22の回動を阻止する。これによって、ハンドル24をロックする。
なお、ヘッドパイプ18へ孔64を形成するとき、まず、ヘッドパイプ18の前側から後側に向かって孔68および64を形成し、その後、孔68に蓋70を詰める。このようにすれば所望の孔64を容易に形成できる。
また、図10に示すように、メインフレーム14の中央部36に形成された貫通孔52には、二輪車10を操作するために信号や動力を伝達するための電気的信号線やワイヤ等が挿通される。この実施形態では、二輪車10の後輪ブレーキを駆動するためのワイヤー72が挿通される。また、貫通孔52の形成により、メインフレーム14をより軽くできる。貫通孔52の近傍でワイヤー72の外皮をブラケット74を用いてメインフレーム14の中央部36に固定する。
図10を参照して、メインフレーム14の下側部40の下面には、二輪車10の搭乗者が足を載置するためのフットレスト76が設けられる。フットレスト76は、リブ48の近傍において、左右方向に延びかつメインフレーム14から突出するように設けられる。
フットレスト76は板状の支持部材78を用いてメインフレーム14に固定される。具体的には、フットレスト76は、支持部材78の中間部に形成される「U」字状の保持部80に保持され、メインフレーム14の下側部40と支持部材78との間に挟まれる。この状態で、支持部材78はメインフレーム14の下面に、たとえばボルト等の締結具B3,B5で固定される。
ここでは、支持部材78の後側には左右方向に並んだ2本のボルトB3が設けられ、前側には1本のボルトB5が設けられている。前側のボルトB5は、リブ48から離れているが、「I」字状のメインフレーム14の左右方向の中央部に設けられることによって十分な取り付け強度を有している。後側の2本のボルトB3は、リブ48の略真下に設けられることによって十分な取り付け強度を有している。
なお、フットレスト76の取り付けにおいて、前側を2本のボルトB3で固定し、後側を1本のボルトB5で固定するようにしてもよい。また、リブ48が一層細かいピッチで存在しているならば、前後とも各2本のボルトB3で固定するようにしてもよい。
図2および図3に戻って、シートレール20は、パイプ82や板状部材84からなり、シート34の他に、シートロック、ハンドルスタンディング、燃料タンク取り付けの座、灯火器を取り付けるための座として使用される。ハンドルスタンディングとは、搭乗者が二輪車10のスタンドを起立させるために、一時的に二輪車10を持ち上げるときに手をかける部分である。灯火器としては、たとえば、テールランプ、ウィンカー、ブレーキランプがある。
また、二輪車10は、図11に示すような燃料電池システム100を備える。
二輪車10は、燃料電池システム100で生成された電力を用いて、たとえばリヤアーム28の内側に設けられた電気モータ29を回転し後輪30を回転駆動する。
図11を参照して、燃料電池システム100は、メタノール(CHOH)水溶液を燃料とする直接メタノール型燃料電池システムであり、燃料電池102を含む。
燃料電池(燃料電池セルスタック)102は、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成可能な単電池セルを含む。生成される電気エネルギーの電圧を高めるために単電池セルを複数個積層(スタック)し、これらの単電池セルを筐体で囲むことによって燃料電池102が構成される。
燃料電池102の内部には、矢印A1で示すように、燃料として約4%(質量比)のメタノールを含むメタノール水溶液が供給されるとともに、矢印A3で示すように、空気ポンプ104から空気が供給される。燃料電池102では、供給されたメタノール水溶液と空気中の酸素との電気化学反応によって、電気エネルギーが発生する。燃料電池102の内部からは、矢印A5に示すように、電気エネルギーの発生によって生じた水分と、電気エネルギーの生成には使用されなかった空気とが排出されるとともに、矢印A7で示すように、電気エネルギーの発生によって生じた二酸化炭素と、電気エネルギーの生成によって濃度が低く(質量比で約2.5%に)なったメタノール水溶液とが排出される。
矢印A7で示す、燃料電池102の内部から排出されるメタノール水溶液は、メタノール水溶液タンク106に供給され蓄えられる。なお、二酸化炭素は、図示しない経路を通って大気に放出される。矢印A5に示す、燃料電池102の内部から排出された水分は、熱交換器108で冷却された後、水タンク110に供給され蓄えられる。なお、空気は、図示しない経路を通って大気に放出される。
水タンク110に蓄えられた水は、バルブ112を通ってメタノール水溶液タンク106に供給される。また、たとえば約50%(質量比)のメタノールを含む高濃度メタノール水溶液を蓄えている燃料タンク114から、高濃度メタノール水溶液がバルブ116を通って、メタノール水溶液タンク106に供給される。
メタノール水溶液タンク106から燃料電池102にメタノール水溶液を供給する経路中には、メタノール水溶液を冷却するための熱交換器118と、メタノール水溶液を燃料電池102へ送るためのポンプ120と、メタノール水溶液中のメタノールの濃度を検出するための濃度センサ122とが設けられる。
なお、燃料電池システム100が稼働し電気エネルギーを生成する際、燃料電池102は発熱し燃料電池102の内部は高温になる。それに伴って燃料電池102からメタノール水溶液タンク106には温度の高いメタノール水溶液が供給され、メタノール水溶液タンク106に蓄えられているメタノール水溶液の温度は大気の温度よりも高くなる。このような状況において燃料電池102を内部から冷却するために、メタノール水溶液タンク106から燃料電池102に供給すべき約4%のメタノール水溶液を熱交換器118で予め冷却し、冷却されたメタノール水溶液を燃料電池102内に供給する。この冷却されたメタノール水溶液が燃料電池102内を通過することによって燃料電池102を内部から冷却できる。
濃度センサ122で検出されたメタノールの濃度は、コントローラ124に入力される。コントローラ124は、入力された濃度値とメタノール水溶液タンク106に設けられた液面検出センサ(図示せず)から入力された値(メタノール水溶液タンク106に蓄えられているメタノール水溶液の量)とに基づいて、バルブ112およびバルブ116の開度を制御する。これによって、メタノール水溶液タンク106に蓄えられているメタノール水溶液の濃度(メタノールの濃度)が4%になりかつメタノール水溶液タンク106に蓄えられているメタノール水溶液が適量になるように制御される。
このような燃料電池システム100は車体フレーム12に沿って配置される。
メインフレーム14の中央部36、上側部38、下側部40およびリブ48によって囲まれる部分には補機類が設けられ、たとえばメインフレーム14の略中間部にはコントローラ124が配置される(図3、図4参照)。
補機類には、コントローラ124の他、各種センサ、各種ポンプ等が含まれる。
図4に示すように、コントローラ124は、筐体126と筐体126に内蔵される発熱素子128とを含む。筐体126の外面の一部をメインフレーム14に密着させる。たとえば、筐体126は中空直方体状に形成され、6つの外表面のうち面積が最大の一面をメインフレーム14に接触させる。このとき、当該一面の裏側に位置する内表面に発熱素子128を密着させる。このように、補機類のうち発熱する電子部品を内蔵する補機類については、その外面の一部をメインフレーム14に密着させることが好ましい。
また、図5に示すように、リヤフレーム16の中央部42の前側には燃料電池102が設けられ、後側には熱交換器118が設けられる。すなわち、燃料電池102はリヤフレーム16を挟んで熱交換器118の近傍に設けられる。また、燃料電池102および熱交換器118は、左側部44および右側部46より左右方向外方に出っ張らないように配置され、かつ二輪車10のシート34の下に位置している。さらに、燃料電池102および熱交換器118の周りにはカバー47が設けられている。リヤフレーム16のうち燃料電池102と熱交換器118との間に位置する部分には、ファン130によって生成された空気流が通過するための貫通孔86が設けられる。
燃料電池システム100は、燃料電池102と熱交換器118とを冷却するための空気の流れを生成する空気流生成手段としてのファン130を含む。図5に示すように、ファン130は、燃料電池102および熱交換器118よりも後側かつ熱交換器118近傍に設けられる。ファン130を囲むようにカバー132が設けられる。ファン130によって、燃料電池102から熱交換器118へ向かう方向の空気流を生成できる。すなわち、ファン130による吸引でリヤフレーム16の貫通孔86を通過する空気流を作ることによって、燃料電池102と熱交換器118とを冷却する。
なお、貫通孔86は図2に示すようにたとえば円形状に形成される。これによって、リヤフレーム16に応力が集中することを防止できる。また、貫通孔86の内径がファン130の羽の外形とほぼ等しく、貫通孔86の中心とファン130の羽の回転中心とはほぼ一致している。すなわち、ファン130の羽の回転中心軸の延長線上またはこの近傍に貫通孔86の中心が位置する。そして、ファン130によって、貫通孔86を介して、燃料電池102のまわりから効率良く空気を吸い出すことができる。
カバー47の僅かな隙間やシート34の下部等から空気がカバー47内に進入し、ファン130による吸引が可能となる。
また、熱交換器118は、燃料電池102の冷却に使用された空気流(図5において矢印A9で示す)で冷却されるとともに、ファン130によって生成された空気流であって、外気から直接熱交換器118に向かう空気流(図5において矢印A11で示す)によっても冷却される。
なお、燃料電池102の冷却に使用された空気流(矢印A9で示す)の量が、外気から直接熱交換器118に向かう空気流(矢印A11で示す)の量よりも多くなるように、燃料電池システム100は構成されている。
すなわち、たとえば、燃料電池102をリヤフレーム16の中央部42から僅かに離隔して設けることによって、燃料電池102と中央部42との間には隙間S1が形成される。また、熱交換器118を中央部42から僅かに離隔して設けられることによって、熱交換器118と中央部42との間には隙間S3が形成される。隙間S1および隙間S3のそれぞれの大きさ(たとえば、離隔距離)を適切に設定することによって、燃料電池102の冷却に使用された空気流の量と、外気から直接熱交換器118に向かう空気流の量とが調整される。
また、熱交換器118の中央部42側の外表面両端部にそれぞれ、中央部42側に突出した鍔状部134を設け、鍔状部134によって隙間S3の大きさを調整するようにしてもよい。
このような燃料電池システム100では、燃料電池102が稼動中において、ファン130で燃料電池102を外部から冷却する。それとともに、メタノール水溶液タンク106から燃料電池102に供給するメタノール水溶液を、熱交換器118とファン130とで冷却することによって、燃料電池102を内部から冷却する。
なお、燃料電池102の冷却に寄与している割合は、燃料電池102の外部からの冷却よりも、熱交換器118による内側からの冷却のほうが一般的に大きい。
上述のように、燃料電池システム100によれば、燃料電池102の近傍に熱交換器118を設ける。そして、燃料電池102を外部から冷却するための燃料電池102まわりの空気流と、燃料電池102を内部から冷却するための媒体(メタノール水溶液)を冷却可能な熱交換器118を冷却するための空気流とを1つのファン130で生成して、燃料電池102を冷却する。したがって、簡易な構成で燃料電池102を効率良く冷却することができる。
このとき、ファン130によって燃料電池102から熱交換器118へ向かう空気流を生成する。すなわち、空気の流れる方向に燃料電池102と熱交換器118とが並んでいる。そして、燃料電池102の外部の周辺を通って燃料電池102の冷却に使用された空気が、熱交換器118に供給されてメタノール水溶液の冷却に使用される。このように、一方向の空気の流れによって、燃料電池102の外部と熱交換器118とを順に効率良く冷却することができる。
特に、燃料電池102と熱交換器118とファン130とがほぼ直列に並んで配置されているので、燃料電池102と熱交換器118とを通過する空気の流れを、ファン130で効率良く生成できる。
また、リヤフレーム16の中央部42に貫通孔86が設けられているので、燃料電池102から熱交換器118へ空気が円滑に流れ、燃料電池102の外部と熱交換器118を通過するメタノール水溶液とを効率良く冷却することができる。
さらに、ファン130で生成された空気流によって、熱交換器118から奪われる熱量よりも、燃料電池102の外部から奪われる熱量のほうが少なく、燃料電池102の外部周辺を通過した直後の空気の温度は外気よりも僅かに上昇している程度である。したがって、燃料電池102の外部周辺を通過した空気が熱交換器118に供給されても、メタノール水溶液を十分に冷却することが可能であり、燃料電池102の外部と熱交換器118を通過するメタノール水溶液とを効率良く冷却することができる。
また、熱交換器118は、燃料電池102の冷却に使用された空気流で冷却されるととも、ファン130によって生成された空気流であって外気から直接熱交換器118に向かう空気流によっても冷却される。しかも、燃料電池102の冷却に使用された空気流の量が、外気から直接熱交換器118に向かう空気流の量よりも多くなる。したがって、燃料電池102を外部から確実に冷却することができるとともに、熱交換器118によってメタノール水溶液を効率良く冷却することができる。
さらに、ファン130によって、前側の燃料電池102から後側の熱交換器118へ向かう空気の流れ、すなわち、二輪車10の前側から後側に向う方向の空気の流れが形成される。したがって、ファン130によって形成された空気の流れ方向と、二輪車10が走行することによって発生する空気の流れ方向とがほぼ一致し、二輪車10が走行しているときに、燃料電池102の外部と熱交換器118内を通過するメタノール水溶液とを効率良く冷却することができる。
また、燃料電池102の後側に設けられている熱交換器118の後側に、ファン130が設けられている。この場合、ファン130を燃料電池102と熱交換器118との間に設置する場合に比べて、ファン130を設置し易くかつファン130の交換が容易になる。また、ファン130を燃料電池102の前側に設置する場合に比べて、二輪車10の搭乗者の脚を載せるスペースを広く確保することが容易となる。
さらに、隙間S1および隙間S3のそれぞれの大きさを調整することによって、燃料電池102の冷却に使用された空気流の量と、外気から直接熱交換器118に向かう空気流の量との割合を調整することができる。したがって、これらの空気流量の割合を適切に設定することが容易となる。
また、シート34の下側のリヤフレーム16の断面を「H」字状に形成することによって、二輪車10の左右方向(車幅方向)においてもリヤフレーム16と燃料電池102との間に隙間を形成できる。したがって、燃料電池102の外部近傍を効率良く空気が流れ、燃料電池102の冷却効果を高めることができる。
さらに、断面「H」字状のリヤフレーム16の左側部44および右側部46より内側に燃料電池102と熱交換器118とが設置される。したがって、燃料電池102と熱交換器118とが、二輪車10の転倒時に発生する外力から保護され破損しにくい。
また、燃料電池システム100によれば、燃料電池102にメタノール水溶液を直接供給するので、燃料の改質器が不要となり燃料電池システム100の構成が簡単になる。
さらに、燃料電池102に供給されるメタノール水溶液を、燃料電池102を内部から冷却するための媒体(冷媒)として使用する。したがって、別の冷媒を冷却し循環させる装置等を別途設ける必要がなく、燃料電池システム100の冷却構造を簡単にできる。
また、燃料電池システム100の構成を簡単にできるので、燃料電池システム100を、機器の設置スペースが限られている二輪車10に好適に用いることができる。
さらに、燃料電池システム100を構成するユニットのうちで比較的大きな燃料電池102と熱交換器118とを、比較的スペースの大きい二輪車10のシート34の下でありかつリヤフレーム16の中央部42の前後に設ける。したがって、燃料電池102と熱交換器118とを容易に設置できる。また、重量の大きい燃料電池102を二輪車10の中央付近に配置するので、二輪車10の重心に対する慣性モーメントを小さくできる。
リヤフレーム16は断面「H」字状に形成されている。すなわち、リヤフレーム16は、左右方向に幅広の中央部42と、それぞれ中央部42の左右両端部に沿って延びかつ中央部42よりも前後方向に幅広く形成される左側部44および右側部46とから構成される。したがって、軽くかつ簡素な形状でありながらリヤフレーム16にかかる曲げモーメントに応じた適切な剛性を確保できる。また、上述のようにリヤフレーム16の前側や後側に二輪車10の補機類等を配置するためのスペースを容易に確保できる。
一方、メインフレーム14は「I」字状に形成されている。すなわち、上側部38および下側部40が中央部36よりも左右方向に幅広く形成され、中央部36が上下方向に幅広に形成されている。したがって、メインフレーム14の断面二次モーメント(搭乗者や二輪車10の重量に対する断面二次モーメント;二輪車10の左右方向に伸びた軸に対する断面二次モーメント)を容易に大きくできる。また、簡素な形状でありながら従来よりも軽くできかつ剛性を容易に確保できる。
したがって、車体フレーム12全体を軽くでき、車体フレーム12の各部に応じた剛性と補機類等の設置スペースとを確保することができる。
また、メインフレーム14に二輪車10のメインスイッチ58が設けられている。したがって、メインスイッチ58を別途取り付けるための、たとえばヘッドパイプ18の側方に設けられるようなブラケットが不要となる。これにより、ハンドル24まわりのワイヤー類(ブレーキワイヤーやワイヤーハーネス等)の取り回しが容易になる。
また、メインスイッチ58は、ヘッドパイプ18の近傍であって、車体フレーム12の前端部における上下方向の中間部に設けられる。このように、搭乗者が操作しやすい位置にメインスイッチ58を設けることができる。また、メインスイッチ58の取り付けによる車体フレーム12の断面二次モーメント(二輪車10の左右方向に伸びた軸に対する断面二次モーメント)が小さくなることを極力防ぐことができる。
また、メインフレーム14は、左右方向に移動する各型を用いたダイキャストで容易に形成できる。リヤフレーム16は左右方向とリヤフレーム16における延伸方向とを含む平面に直角な方向に移動する各型を用いたダイキャストで容易に形成できる。このとき、各型のストロークを少なくし各型を小さくできる。
すなわち、メインフレーム14は、前端部から後端部にかけて湾曲して延伸しており、左右方向はほぼ一定の幅で形成されている。しかも、メインフレーム14の左右方向の幅は、前後方向の長さや上下方向の高さに比べて小さい。したがって、メインフレーム14を形成する各型のストロークを小さくできる。
また、リヤフレーム16においても、左右方向とリヤフレーム16における延伸方向とを含む平面に直角な方向の幅が、他の方向(たとえば左右方向)の幅に比べて小さい。したがって、リヤフレーム16を形成する各型のストロークを小さくできる。
さらに、メインフレーム14が「I」字状に形成され、かつメインフレーム14に設けられた各リブ48も左右方向に延伸している。したがって、メインフレーム14をリブ48とともに、左右方向に移動する型を用いてダイキャストで形成しても、アンダーカットが発生しにくい。メインスイッチ58を取り付けるための座や貫通孔をメインフレーム14に設ける場合も同様、アンダーカットは発生しにくい。
また、リヤフレーム16も、「H」字状に形成されているので、上述のように移動する型を用いてダイキャストで形成してもアンダーカットが発生しにくい。
したがって、各型の構成を簡素化することができ、メインフレーム14を容易に製造できる。
また、ヘッドパイプ18の孔64は、つぎのようにして形成するのが好ましい。
まず、ヘッドパイプ18とともにメインフレーム14をたとえばダイキャストによって同時にかつ一体的に形成する。その後、ヘッドパイプ18の前側から後側に向かってたとえばドリルの機械加工によって孔68および64を形成した後、孔68に蓋70を詰める。このように処理することによって、筒状のヘッドパイプ18の後側の孔64のみを形成する場合に比べ、孔64を容易に設けることができる。
ハンドルロックのための孔64を、メインフレーム14とともにダイキャストで形成しようとすると、アンダーカットが生じ型の構成が複雑になる。しかし、上述のように後工程で孔64を設ければ、型の構成を簡単にできる。
また、リヤフレーム16の後端部には、二輪車10のシート34を設置するためのシートレール20を、たとえば溶接によって一体的に設けることができる。これによって、ダイキャストで形成するとアンダーカットが生じてしまう形状のシートレール20を、リヤフレーム16に容易に設けることができる。また、比較的製造工数のかかる溶接工程を、最小限にとどめることができるので、車体フレーム12の製造コストを抑制することができる。
また、発熱する電子部品である発熱素子128を内蔵したコントローラ124については、その筐体126の外面の一部をメインフレーム14に密着させる。これによって、発熱素子128が発する熱を効率良くメインフレーム14に伝達することができ、コントローラ124の温度上昇を抑制することができる。さらに、メインフレーム14では、発熱素子128を具備したコントローラ124の近傍に、上側部38、下側部40およびリブ48がある。したがって、これらの部材が放熱板として機能し、コントローラ124を一層効率良く冷却することができる。発熱する電子部品を有するその他の機器についても同様である。
また、フットレスト76は、メインフレーム14の下側部40の下面においてリブ48の近傍に設けられているので、十分な強度でフットレスト76を保持し固定することができる。
また、メインフレーム14では、各リブ48によって形成された凹部に、二輪車10の補機類が設けられる。したがって、車体フレーム12の余剰空間に効率良く補機類を設置することができ、二輪車10の外形が大きくなることを抑制できる。
さらに、ブレーキワイヤー等は、二輪車10に用いられる場合、曲率半径をできるだけ大きくすることが望ましい。曲率半径が小さいと、たとえばワイヤーの外皮と心線とが大きな接触圧力によって接触し、ワイヤーの外皮と心線との間の摩擦力が大きくなり、ワイヤーの動力伝達効率や寿命が短くなるからである。
この実施形態では、メインフレーム14の中央部36には、貫通孔52が設けられており、貫通孔52を後輪ブレーキ用のワイヤー72が通っている。したがって、二輪車10のハンドル24の左側に設けられたブレーキレバーから、二輪車10の後輪30の左側に設けられた後輪ブレーキまでワイヤー72が延伸する場合、ワイヤー72のハンドル24まわりの曲率半径を容易に大きくできる。また、貫通孔52を設けることによって車体フレーム12を軽くできる。
また、貫通孔52が、メインフレーム14の上下方向の略中間部に設けられているので、断面二次モーメントの低下を極力抑えることができる。
さらに、貫通孔52の近傍でワイヤー72の外皮を、ブラケット74を用いてメインフレーム14に固定しているので、ワイヤー外皮とメインフレーム14とが貫通孔52のまわりで互いに擦れ合うことを防止することができる。
さらに、メインフレーム14およびリヤフレーム16を軽合金で形成することによって、軽くて剛性の高いフレームが得られる。
なお、図11に示す燃料電池システム100において、メタノール水溶液タンク106の出力側に設けられた熱交換器118に代えてまたは加えて、燃料電池102とメタノール水溶液タンク106との間の経路中(矢印A7で示す経路中)に、熱交換器118が設けられてもよい。
また、熱交換器118に代えてまたは加えて、図11に示す熱交換器108等の他の熱交換器を冷却するようにしてもよい。
ファン130によって、燃料電池102から熱交換器118へ向かう方向の空気流を生成しているが、熱交換器118から燃料電池102へ向かう方向の空気流を生成するようにしてもよい。ファン130は、燃料電池102および熱交換器118よりも後側に設けられているが、燃料電池102と熱交換器118との間、または燃料電池102および熱交換器118よりも前側に設けられてもよい。
さらに、リヤフレーム16の中央部42の前側に燃料電池102が設けられ後側に熱交換器118が設けられているが、前側に熱交換器118が設けられ後側に燃料電池102が設けられてもよい。
また、メインスイッチ58およびキー60の回動中心軸は必ずしも左右方向に延びている必要はない。キー60の回動が容易になるならば、たとえば左右方向とは交差する方向に回動中心軸が延びるようにメインスイッチ58およびキー60が設けられてもよい。
さらに、リヤフレーム16は、その断面形状がたとえば「コ」字を90・回転させた形状になるように形成されてもよい。
また、空気流生成手段はファンに限定されない。
さらに、カバー47は、リヤフレーム16の左側部44および右側部46を覆うように構成されてもよい。
この発明は、スクータ型車両以外の二輪車、たとえば、メインフレームの後端部が、リヤフレームの延伸方向の中間部でリヤフレームと接続されている形態の二輪車にも適用することができる。また、この発明は二輪車以外の車両にも適用できる。
また、この発明は、直接メタノール型燃料電池システム以外の燃料電池システムにも適用できる。
この発明が詳細に説明され図示されたが、それは単なる図解および一例として用いたものであり、限定であると解されるべきではないことは明らかであり、この発明の精神および範囲は添付された請求の範囲の文言のみによって限定される。

Claims (14)

  1. 料電池システム、
    搭乗者が座るための座部、および
    前記座部の下側に設けられ、左右方向に幅広に形成されかつ少なくとも上下方向に延びる板状部材を備え、
    前記燃料電池システムは、
    燃料と酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成可能な燃料電池、
    前記燃料電池の近傍に設けられ、前記燃料電池内を通過する媒体を冷却する熱交換器、および
    前記燃料電池と前記熱交換器とを冷却するための空気の流れを生成する空気流生成手段を含み、
    前記板状部材の前側に前記燃料電池が設けられ、
    前記板状部材の後側に前記熱交換器が設けられ、
    前記熱交換器の後側に前記空気流生成手段が設けられ、
    前記板状部材のうち前記燃料電池と前記熱交換器とで挟まれる位置に、前記空気流生成手段によって生成された空気流を通過させるための貫通孔が設けられる、車両。
  2. 前記媒体はメタノール水溶液であり、
    前記空気流生成手段は、前記燃料電池から前記熱交換器へ向かう方向または前記熱交換器から前記燃料電池へ向かう方向の空気の流れを生成するファンを含む、請求項1に記載の車両
  3. 前記熱交換器が、前記燃料電池の冷却に使用された空気流で冷却されるとともに、前記ファンによって生成された空気流であって外気から直接前記熱交換器に向かう空気流によっても冷却され、前記燃料電池の冷却に使用された空気流の量が、前記外気から直接前記熱交換器に向かう空気流の量よりも多くなるように構成される、請求項に記載の車両。
  4. 後方斜め上方向に延びかつ左右方向に幅広に形成される板状の第1中央部と、それぞれ前記第1中央部の左右両端部に沿って延びかつ前後方向に幅広に形成される板状の左側部および右側部とを有するリヤフレームを備え、前記第1中央部が前記板状部材となる、請求項に記載の車両。
  5. 少なくとも前後方向に延びかつ上下方向に幅広に形成される板状の第2中央部と、それぞれ前記第2中央部の上下両端部に沿って延びかつ左右方向に幅広に形成される板状の上側部および下側部とを有するメインフレームを備え、前記メインフレームの後端部が前記リヤフレームに接続される、請求項に記載の車両。
  6. 前記メインフレームの前記第2中央部に設けられるメインスイッチを備える、請求項に記載の車両。
  7. 前記メインフレームの前端部に形成されるヘッドパイプ、
    前記ヘッドパイプに回動自在に係合されるフロントフォーク、および
    前記メインスイッチに取り付けられる棒状体を備え、
    前記メインスイッチは前記ヘッドパイプ近傍に設けられ、
    前記ヘッドパイプはその後側に孔を有し、
    前記棒状体は、前記孔を通って前記ヘッドパイプ内に出没可能に構成され、前記メインスイッチをオフしたとき、前記ヘッドパイプ内に突入し前記フロントフォークの回動を阻止する、請求項に記載の車両。
  8. 前記メインフレームは、前記第2中央部、前記上側部および前記下側部のうちの少なくともいずれか1つを補強するために設けられるリブをさらに含む、請求項に記載の車両。
  9. 前記リブは複数設けられ、
    前記メインフレームの前記第2中央部と前記複数のリブとで囲まれた空間に配置される補機類を備える、請求項に記載の車両。
  10. 前記搭乗者の足を載せるために、前記メインフレームの前記下側部において前記リブの近傍に設けられるフットレストをさらに備える、請求項に記載の車両。
  11. 発熱素子を内蔵した補機類を備え、当該補機類の外面の一部が前記メインフレームに密着される、請求項に記載の車両。
  12. 前記メインフレームの前記第2中央部は貫通孔を有し、
    前記貫通孔を挿通する電気的信号線および/またはワイヤーを備える、請求項に記載の車両。
  13. 前記メインフレームおよび前記リヤフレームは軽合金からなる、請求項に記載の車両。
  14. 前記メインフレームおよび前記リヤフレームの少なくとも一部を覆うカバーを備え、
    前記メインフレームの前記上側部、前記リヤフレームの前記左側部および前記リヤフレームの前記右側部のうちの少なくともいずれか1つが前記カバーと同一意匠面を構成する、請求項に記載の車両。
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