JP4641241B2 - 燃料電池車両の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスと水素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の冷却システムに関し、特に、燃料電池で加温された冷却液を放熱するラジエータを有する燃料電池車両の冷却システムに関する。

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、水素ガス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、水素ガス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。

また、特許文献１に示された燃料電池車両では、燃料電池の上方にリザーバタンクを設けるとともに、該リザーバタンクには冷却液内に混入する空気を自動的に抜くことのできるデガス機構が設けられている。

特開２００５−１１９６００号公報

前記の特許文献１のリザーバタンクでは、冷却システムにおける管路内に混入している空気を抜くことはできるが、燃料電池内に混入している空気は管路やリザーバタンクに抜け出しにくい。したがって、燃料電池内の空気は上部に長時間滞留することがあり、冷却効率が低下することになる。

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、燃料電池内に混入した空気を効率的に抜き出すことのできる燃料電池車量の冷却システム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の冷却システムは、反応ガスと水素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の冷却システムにおいて、前記燃料電池で加温された冷却液を放熱するラジエータと、前記燃料電池で加温された冷却液を前記ラジエータへ供給する第１管路と、前記ラジエータで放熱された冷却液を前記燃料電池へ供給する第２管路とを有し、前記第１管路の一端は前記燃料電池の上面に接続されていることを特徴とする。

このように、第１管路が燃料電池の上面に接続されていることにより、燃料電池内に混入した空気は上方に浮き上がることから第１管路へとスムーズに排出され、効率的に抜き出すことができる。これにより、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

また、前記第２管路の一端は前記燃料電池の下面に接続されていると、第２管路内に空気が混入している場合にも、燃料電池を介して第１管路へと排出される。

さらに、前記第１管路及び前記第２管路は、前記燃料電池の車幅方向外寄りに設けられていると、燃料電池の前方部又は後方部にスペースが確保されて他の機器のレイアウト上、第１管路及び第２管路が支障となることがない。

前記燃料電池と前記第１管路との接続部には、開閉可能なエア抜き孔が設けられていると、燃料電池内を浮き上がってきた空気を該エア抜き孔から抜くことができる。また、エア抜き孔が設けられている部分を局所的に高い位置に設けることにより第１管路内に空気を溜まることを防止できる。

本発明に係る燃料電池車両の冷却システムによれば、第１管路が燃料電池の上面に接続されていることにより、燃料電池内に混入した空気は上方に浮き上がることから第１管路へとスムーズに排出され、効率的に抜き出すことができる。これにより、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明に係る燃料電池車両の冷却システムについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１７を参照しながら説明する。本実施の形態に係る冷却システム２００は燃料電池二輪車１０に搭載されている。以下、本実施の形態に係る燃料電池二輪車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。また、理解を容易にするため、図面においても左を示す矢印に「Ｌ」、右を示す矢印に「Ｒ」を付すとともに、前を示す矢印に「Ｆｒ」、後を示す矢印に「Ｒｒ」を付して図示する。

図１〜図５に示すように、本実施の形態に係る燃料電池二輪車としての燃料電池二輪車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二輪車である。燃料電池１２は、アノード電極に供給される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、シート２２とを有する。シート２２はタンデム式であり、運転者が着座する前方部２２ａと、同乗者が着座する後方部２２ｂが一体的に形成されている。

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２００（図１２参照）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２３Ｌ、２３Ｒ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２６Ｌ、２６Ｒと、ヘッドパイプ２４からほぼ真下に向かって延在する下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒとを有する。上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒは、略水平な中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒ及び後下がりに傾斜した上部ピボットフレーム３２Ｌ、３２Ｒを介してピボット３４に接続されている。上部ダウンフレーム２６Ｌ、中央上部フレーム３０Ｌ及び上部ピボットフレーム３２Ｌと、上部ダウンフレーム２６Ｒ、中央上部フレーム３０Ｒ及び上部ピボットフレーム３２Ｒは、それぞれ１本のパイプを屈曲して形成されている。

下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒは、略水平な中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒ及び滑らかに後上がりに傾斜した下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒを介してピボット３４に接続されている。下部ダウンフレーム２８Ｌ、中央下部フレーム３６Ｌ及び下部ピボットフレーム３８Ｌと、下部ダウンフレーム２８Ｒ、中央下部フレーム３６Ｒ及び下部ピボットフレーム３８Ｒは、それぞれ１本のパイプを屈曲して形成されている。

フレーム２０は、さらに、下部ピボットフレーム３８Ｌと下部ピボットフレーム３８Ｒのそれぞれの略中央部を上に凸のアーチ状に接続する上アーチフレーム４０と、ピボット３４の左右両端部を接続し、やや下に凸のアーチ状に接続する下アーチフレーム４１と、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒと上アーチフレーム４０の上部とを接続する上部サブフレーム４２Ｌ、４２Ｒと、下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒの中央よりやや下方部と下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒとを接続するサイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒと、下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒの略中央部と上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒの下端部とを接続する前部サブフレーム４６Ｌ、４６Ｒと、サイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒと中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒとを接続するサブフレーム４８Ｌ、４８Ｒと、中央下部フレーム３６Ｌと３６Ｒとを下方から接続する下面フレーム５０とを有する。上アーチフレーム４０は上部ピボットフレーム３２Ｌ、３２Ｒと交差するように接続され、側面視で後傾するように後斜め上方に延在している。下アーチフレーム４１には、図示しないメインスタンド及びサイドスタンドが取り付けられる。

下面視（図４参照）で、下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒの中間より前部は前方に向かって間隔が狭まるように設定されて中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒと接続されている。下部ピボットフレーム３８Ｌと３８Ｒとの間の最大幅は、並行な中央下部フレーム３６Ｌと３６Ｒとの幅の略２倍幅である。

上面視（図３参照）で、中央上部フレーム３０Ｌと３０Ｒとの間隔は、中央下部フレーム３６Ｌと３６Ｒ（図４参照）との間隔とほぼ同じであって、運転者が跨ぐことのできる幅に設定されている。サイドフレーム４４Ｌ及び４４Ｒは、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒよりも外方に張り出している。サイドフレーム４４Ｌと中央上部フレーム３０Ｌとの間隔、及びサイドフレーム４４Ｒと中央上部フレーム３０Ｒとの間隔は、人の足幅よりも広く設定されており、運転者が足を置くステップ板（足着き部）５１Ｒ、５１Ｌが設けられる。該ステップ板５１Ｒ、５１Ｌは、フェアリング１４０（図１参照）と一体的に形成されている。

フレーム２０は、さらに、上アーチフレーム４０の上辺部から後方に向かって緩やかに後上がりに延在する一対の後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒと、略中間高さ部から後方に向かって後上がりに延在する一対の後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒとを有する。後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒは略直線状に延在している。後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒは、側面視（図１及び図２参照）で後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒに対して略並行であって、下面視（図４参照）では後輪１６よりも前の部分は下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒと同幅の間隔であり、それよりも後方の部分は挟幅間隔に設定されている。幅の広い前方と狭い後方部は、緩やかに幅が変化するように接続されている。後方上部フレーム５２Ｌと５２Ｒとの間隔及び、後方下部フレーム５４Ｌと５４Ｒとの間隔は、それぞれ後輪１６よりもやや広い幅の間隔に設定されている。後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒと後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒとは縦補助フレーム５６Ｌ、５６Ｒで接続されている。

このように構成されるフレーム２０によれば、上部ダウンフレーム２６Ｌ、２６Ｒ、中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒ、上部サブフレーム４２Ｌ、４２Ｒ、下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒ、中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒ、下部ピボットフレーム３８Ｌ、３８Ｒ及び上アーチフレーム４０で略囲まれる部分が機器搭載領域６０となっている。また、後方上部フレーム５２Ｌ、５２Ｒ及び後方下部フレーム５４Ｌ、５４Ｒで略囲まれる部分がタンク支持領域６２となっている。

機器搭載領域６０には、燃料電池１２と、電圧調整を行うＶＣＵ（Voltage Control Unit）６４と、冷却システムの冷却液を循環させるウォータポンプ６６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器６８と、反応ガス（空気）を圧縮する過給器（スーパチャージャ、ポンプ又はコンプレッサとも呼ばれる）７０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７２と、反応に使用されなかった余剰水素ガス中で所定の膨張作用等により生成された水分を回収する気液分離器（キャッチタンク）７４と、パージした水素ガスを使用済み反応ガスで希釈する希釈ボックス７６と、流入空気量を検出するエアフローセンサ７８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７９が設けられている。

気液分離器７４は、燃料電池１２において反応に使用されなかった余剰水素中の生成水が回収される。

図６に示すように、過給器７０及び加湿器７２の一部は、ステップ板５１Ｌ、５１Ｒよりも下に設けられている。過給器７０及び加湿器７２は機器搭載領域６０の中では比較的重い機器であって、ステップ板５１Ｌ、５１Ｒよりも下に設けられることにより、燃料電池二輪車１０が低重心化し、走行安定性が向上する。また、ステップ板５１Ｌ、５１Ｒの形状や幅を過給器７０及び加湿器７２に影響されることなく設計自由度が向上し、特にスクータ型の燃料電池二輪車に好適に適用される。

また、過給器７０は後述する冷却ファン１０９ｂの通風路に設けられており（図１及び図２参照）、過給器７０に対する空冷効果が促進される。同様に、ウォータポンプは後述する冷却ファン１０９ａの通風路に設けられており、ウォータポンプ駆動用モータに対する空冷効果が促進される。

過給器７０は、ＥＣＵ９２の作用下に回転するモータ７０ａを有する。モータ７０ａの回転方向は図２の矢印Ｂで示すように側面視の平面上で回転し、前輪１４及び後輪１６の回転方向（矢印Ｃ）と同じ方向（図２中で反時計方向）に設定されている。これにより、前輪１４及び後輪１６の回転のジャイロ効果にモータ７０ａの回転のジャイロ効果が加わり、走行安定性が向上する。また、モータ７０ａの回転速度が変化する際にも、燃料電池二輪車１０を左右に傾動するようなモーメントが発生することがない。この場合、モータ７０ａの回転方向は前輪１４、後輪１６の回転方向と逆であってもよい。

図１及び図２に戻り、燃料電池１２は、機器搭載領域６０における後方部で、左右を上部ピボットフレーム３２Ｌ、３２Ｒ及び上アーチフレーム４０で囲まれる部分に設けられている。また、燃料電池１２は長手方向面１２ｅと水平面とのなす傾斜角θ（図１３参照）は略７０°となるように後傾して配置されており、長手方向面１２ｅが略上下方向を指向している。なお、ここでいう長手方向面１２ｅは側面視で上面１２ａ及び下面１２ｂよりも長手側の面であって、奥行き方向（左右方向）には無関係である。

また、図１及び図２から明らかなように燃料電池１２はシート２２の下に配置され、一層詳細には、運転者が着座する前方部２２ａの下に配置されている。

このように、重量の重い燃料電池１２をシート２２における運転者が着座する前方部２２ａの下に配置することにより、図１３に示すように、燃料電池二輪車１０の全体の重心Ｇは、例えば、燃料電池１２の車長方向幅Ｌ内に含まれるように設定されている。また、側面視で長手方向面１２ｅが略上下を指向するように配置されていることにより、燃料電池１２の車長方向端部１２ｆ、も重心Ｇから近い位置に配置され、重心Ｇの近傍に重量が集中する。これにより、燃料電池二輪車１０の旋回やバンク等の運動性能が向上する。さらに、運転者は前方部２２ａに着座することから燃料電池１２の近くで運転をすることになり、一体感のある運転操作感覚が得られる。

なお、重心Ｇの車長方向位置は前輪１４と後輪１６の荷重の比から求めることができる。重心Ｇは冷却液、燃料等が充填されていない乾燥重量に対応するものでもよいし、冷却液、燃料等が充填された運転重量に対応するものであってもよい。

また、燃料電池１２の長手方向面１２ｅは後傾するように配置されていることから、側面視で同様に後傾している上アーチフレーム４０に沿って配置され、固定が容易である。また、後傾することにより燃料電池１２は後輪１６に対向するように配置され、レイアウト上のバランスがよく、機器搭載領域６０内のスペースが有効に用いられる。さらに、後傾することにより、燃料電池１２背面部にはスイングアーム１３０の揺動動作の支障とならず、且つ不必要に広くない適度な空間が確保される。

このように燃料電池１２をシート２２における前方部２２ａの下方に配置するとともに、後輪１６に対向する向きに適切に配置するためには、長手方向面１２ｅと水平面とのなす傾斜角θ（図１３参照）を４５°〜９０°となるように後傾又は直立して配置されているとよい。

図１及び図２に戻り、ＶＣＵ６４はやや扁平の箱形であって、機器搭載領域６０における中央上部で、左右を中央上部フレーム３０Ｌ、３０Ｒで囲まれる部分に設けられている。ウォータポンプ６６及びイオン交換器６８はＶＣＵ６４よりもやや前方で、左右を前部サブフレーム４６Ｌ、４６Ｒで囲まれる部分に設けられている。ウォータポンプ６６は、イオン交換器６８よりも上方に設けられている。

図６、図７及び図８に示すように、過給器７０、サーモスタット７９及び加湿器７２はＶＣＵ６４の下方で、左右を中央下部フレーム３６Ｌ、３６Ｒ及びサイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒで囲まれる部分に設けられている。過給器７０及びサーモスタット７９は加湿器７２よりも前方に設けられている。図８（下面視）に示すように、加湿器７２は中央下部フレーム３６Ｌと中央下部フレーム３６Ｒとの幅とほぼ同幅で配置されている。過給器７０の幅は中央下部フレーム３６Ｌと中央下部フレーム３６Ｒとの幅よりやや狭く、過給器７０の右側（図８中の上側）にはサーモスタット７９が配置されている。

気液分離器７４及び希釈ボックス７６は、燃料電池１２の下方に設けられており、気液分離器７４は、希釈ボックス７６よりも左方に設けられている（図１７参照）。なお、図示しないが、気液分離器７４は希釈ボックス７６よりも車体前方に設けられていてもよい。

タンク支持領域６２には、燃料電池１２に供給する水素ガスを高圧状態で貯蔵する左右一対の燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒと、該燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒに水素ガスを供給する燃料充填口８２と、各燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒに設けられたインタンク電磁弁８４Ｌ、８４Ｒと、中央部には調圧ユニット８６及び燃料充填口８２が設けられている（図１６参照）。

各燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒ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左右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８０Ｌ、８０Ｒ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に沿って後上がりとなるように配置されている。後方上部フレーム５２Ｌ及び後方下部フレーム５４Ｌは、燃料ボンベ８０Ｌの上端稜線部及び下端稜線部に略沿って延在している。燃料ボンベ８０Ｌは、両端が後方上部フレーム５２Ｌ及び後方下部フレーム５４Ｌに固定された２本のバンド９０によって支持されている。同様に、後方上部フレーム５２Ｒ及び後方下部フレーム５４Ｒは、燃料ボンベ８０Ｒの上端稜線部及び下端稜線部に略沿って延在している。燃料ボンベ８０Ｒは、両端が後方上部フレーム５２Ｒ及び後方下部フレーム５４Ｒに固定された２本のバンド９０によって支持されている。

燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒ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、中心線から左右に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。

燃料充填口８２は左右の燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒ略前端部中間位置であって、シート２２の下に設けられており、上方を指向している（図１６参照）。シート２２の下方には燃料電池二輪車１０の統括的な制御を行うＥＣＵ（Electric Control Unit）９２が設けられている。該ＥＣＵ９２は燃料電池１２の制御も行う。燃料充填口８２及びＥＣＵ９２は、上面及び側面がシート２２に覆われるように配置されており、該シート２２を前方のヒンジ２２ｃを中心として開くときには露呈され、燃料充填及び所定のメンテナンスを行うことができる。ＥＣＵ９２の上面には凹部９２ａが形成されており、収納スペースとして利用可能である。

下部ダウンフレーム２８Ｒ、２８Ｌの直前部には燃料電池１２を冷却するためのラジエータ１００が設けられている。該ラジエータ１００は高さが幅の略２倍の板状であって（図９参照）、両側部が下部ダウンフレーム２８Ｒ、２８Ｌに沿うように設けられている。ラジエータ１００は、燃料電池１２で加温された冷却水がウォータポンプ６６を介して供給される一次側の第１タンク１０２と、放熱して冷却された冷却水を排出する二次側の第２タンク１０４と、第１タンク１０２と第２タンク１０４の間に設けられ、外気と熱交換を行う冷却部１０６とを有する。第１タンク１０２は冷却部の左側、第２タンク１０４は冷却部の右側に設けられている。

図９に示すように、第１タンク１０２及び第２タンク１０４は、ラジエータ１００の左右側面部において上端部から下端部に沿った長尺形状である。第２タンク１０４の下端よりやや上方部には、放熱して冷却された冷却水を排出する第１排出口１０４ａが設けられ、上端部にはラジエータキャップ１０４ｂ及びリザーバタンク１１２に接続される補給口１０４ｃが設けられている。ラジエータキャップ１０４ｂは、冷却システム２００（図１２参照）の系統内圧力を一定に保つように作用し、圧力が上昇したときに内部のバルブを開いて、過剰な冷却液又は混入空気を補給口１０４ｃからリザーバタンク１１２に逃がし、圧力が低いときには不足する冷却液をリザーバタンク１１２から補給する。リザーバタンク１１２はラジエータキャップ１０４ｂよりも上方に配置されている。

第１タンク１０２の略上端部には、加温された冷却水が導入される導入口１０２ａが設けられ、略下端部にはサーモスタット７９に接続される第２排出口１０２ｂが設けられている。

冷却部１０６は、第１タンク１０２と第２タンク１０４とを連通させる多数の細管１０６ａと、これらの細管１０６ａの間に設けられた正面視波形の冷却フィン１０６ｂとからなる。この冷却部によれば、細管１０６ａを通過する冷却液は冷却フィン１０６ｂから放熱して冷却される。また、冷却フィン１０６ｂは通気しやすくしかも面積が大きいため冷却効果が高い。

ラジエータ１００の裏面上部には冷却ファン１０９ａが設けられ、裏面下部には冷却ファン１０９ｂが設けられている。これらの冷却ファン１０９ａ、１０９ｂの空気吸い込み作用により冷却フィン１０６ｂの通気が促進され、ラジエータ１００の放熱効果が向上する。

図５に示すように、フロントサスペンション２３Ｌ、２３Ｒの上部には、ヘッドパイプ２４を介してハンドル１８が接続されている。ハンドル１８は略Ｔ字形状であって、下端部がヘッドパイプ２４に挿入されている支軸部１８ａの左側には外気を取り込むエアクリーナ１１０が設けられ、右側にはラジエータ１００に冷却液を補充するリザーバタンク１１２が設けられている。エアクリーナ１１０とリザーバタンク１１２は、支軸部１８ａを中心とした略対象位置にバランスよく配置され、フレーム２０の一部に固定されている。

図１０に示すように、エアクリーナ１１０は方形の底部１１０ａと、該底部１１０ａの上面を覆う蓋部１１０ｂとからなり、底部１１０ａの下面が斜め下後方を指向する向きに設定されている。蓋部１１０ｂは中央部が膨出しており、該膨出部の上部に空気供給口１１０ｃが設けられてる。エアクリーナ１１０の内部には吸気空気を浄化するフィルターが設けられており、蓋部１１０ｂを取り外すことにより該フィルターを交換可能である。図１１に示すように、リザーバタンク１１２は一部に凹部１１２ａのある略長球形状であって、支軸部１８ａと同様に上方やや後方に向かうように配置されており、頂部の冷却水供給口１１２ｂは上方を指向している。

図１、図２及び図５に示すように、前輪１４と下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒとの間で、ラジエータ１００よりも外側には一対の二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒが設けられている。二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒは、縦方向に長尺な略角柱形状であって、前方に向かってやや凸となるように中央高さ部で緩やかに屈曲している。このような形状により、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒの下部背面は、所定のプレートを配設することにより運転者の走行時の足置き部として使用可能である。

また、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒは、サイドフレーム４４Ｌ、４４Ｒの前端部近傍から斜め前方に向かうように配置されており、下端部はステー１２２Ｌ、１２２Ｒによって下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒに接続され、上端部はステー１２４Ｌ、１２４Ｒによってヘッドパイプ２４に接続されている。このように、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒが下部ダウンフレーム２８Ｌ、２８Ｒに設けられていると、前輪１４及び後輪１６にかかる荷重が同等となり、走行状態での重量バランスが向上する。二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒは同機能であって、充放電とも１／２ずつの電流を分担する。

前輪１４は、フロントサスペンション２３Ｌ、２３Ｒの下端部に回転自在に軸支されている。後輪１６は、ピボット３４を中心に回転可能なスイングアーム１３０に支持されており、インホイールモータ１３２と該インホイールモータ１３２を駆動するモータドライバ１３４が設けられている。上アーチフレーム４０の上部とスイングアーム１３０の左側面上部との間にはリアサスペンション１３６が設けられている。インホイールモータ１３２及びモータドライバ１３４は水冷式であって高効率且つ高出力である。

また、図１及び図２から明らかなように、シート２２の前方部は下方に大きく窪んだ形状であることから、燃料電池二輪車１０はスクータ式二輪車に分類される。燃料電池二輪車１０は、仮想線で示すように略全体がフェアリング１４０により覆われている。

このような燃料電池二輪車１０では、始動時に二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒからインホイールモータ１３２や所定のヒータ等に電力が供給され、暖機運転が行われる。暖機後には、燃料電池１２で発電した電力がインホイールモータ１３２に供給され走行可能となる。

また、スロットル開度が増加した場合等で要求出力上昇の程度が比較的小さいときには、燃料電池１２の出力に対して二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒの出力を重畳的にインホイールモータ１３２に供給し、高いレスポンスが得られる。要求出力の程度がより大きいときには、二次バッテリ１２０Ｌ、１２０Ｒの出力を重畳的に供給するとともに、燃料電池１２の出力を増大させてスロットル開度に対する追従性が向上する。

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２００について、図１１〜図１４を参照しながら説明する。

図１１及び図１２に示すように、冷却システム２００は、ウォータポンプ６６、イオン交換器６８、サーモスタット７９、ラジエータ１００、リザーバタンク１１２を有する。冷却システム２００は、基本的に、熱源としての燃料電池１２で加温された冷却水を第１主管路２０２によりラジエータ１００に供給し、該ラジエータ１００で放熱して冷却された冷却水を第２主管路２０４により燃料電池１２へ供給して、冷却水を循環させている。ウォータポンプ６６は第１主管路２０２の途中に設けられており、冷却水を循環駆動させている。

図１３及び図１４に示すように、第１主管路２０２の一端は上継手（接続部）２０６を介して燃料電池１２の上面１２ａに接続されており、第２主管路２０４の一端は下継手２０８を介して燃料電池１２の下面１２ｂに接続されている。上継手２０６は、側面視（図１３参照）で上面１２ａの中央部で、背面視（図１４参照）で略左端部に設けられている。下継手２０８は、側面視（図１３参照）で下面１２ｂの中央部で、背面視（図１４参照）で略右端部に設けられている。

上継手２０６は、上方にやや突出しており、燃料電池１２に接続される下部２０６ａと、該下部２０６ａと第１主管路２０２とを接続する上部２０６ｂとからなる。下部２０６ａは下面が燃料電池１２の上面１２ａに整合するように傾斜しており、上面は略水平となっている。下部２０６ａの上面は燃料電池１２の前面上端部１２ｄと略同じ高さに設定されている。

上部２０６ｂは、内部流通路が略９０°の屈曲形状であって、第１主管路２０２が前方を指向するように設けられている。また、上部２０６ｂには、内部流通路と連通した短筒（エア抜き孔）２０６ｃと、該短筒２０６ｃの上面を塞ぐカバー２０６ｄが設けられている。短筒２０６ｃは、上部２０６ｂの屈曲部から斜め上方に向かって配設されている。カバー２０６ｄは短筒２０６ｃに対して開閉可能である。第１主管路２０２は、上部２０６ｂから前面上端部１２ｄまでは略水平であり、前面上端部１２ｄを越えて前下がりに傾斜している。

下継手２０８は下方にやや突出しており、下面１２ｂに対して垂直な筒部２０８ａと、該筒部２０８ａと第２主管路２０４とを接続するエルボ２０８ｂとからなる。第２主管路２０４は、エルボ２０８ｂから前方を指向するように配設されている。

このような第１主管路２０２及び第２主管路２０４の接続方法により、冷却液は第１主管路２０２から燃料電池１２内に導入されて内部の発電セルを冷却することにより加温されて第２主管路２０４から導出され、ウォータポンプ６６の作用下に循環する。

また、第１主管路２０２が燃料電池１２の上面１２ａに接続されていることにより、燃料電池１２内に混入した空気は上方に浮き上がることから第１主管路２０２へとスムーズに排出され、効率的に抜き出すことができる。これにより、燃料電池１２の発電効率の低下を抑制することができる。第１主管路２０２へ排出された空気は、やがてラジエータキャップ１０４ｂからリザーバタンク１１２へと排出される。

また、第２主管路２０４の一端は燃料電池１２の下面１２ｂに接続されていることから、第２主管路２０４内に空気が混入している場合にも、燃料電池１２を介して第１主管路２０２へと排出される。

さらに、図１４に示すように、第１主管路２０２及び第２主管路２０４は、燃料電池１２の上面１２ａ及び下面１２ｂにおける車幅方向外寄りに設けられていることから、燃料電池１２の前方部又は後方部にスペースが確保されて他の機器のレイアウト上、第１主管路２０２及び第２主管路２０４が支障となることがない。これにより、燃料電池１２の前方にはＶＣＵ６４が配置可能になっている（図１及び図２参照）。

なお、第１主管路２０２及び第２主管路２０４はできるだけ車幅方向外寄りに設けるとよいが、第１主管路２０２及び第２主管路２０４はそれぞれ所定の径を有しており、しかも上継手２０６及び下継手２０８を介して接続されることから、外側面１２ｈに対して多少の余裕Ａ（図１４参照）が必要である。該余裕Ａは、第１主管路２０２及び第２主管路２０４の径Ｒを基準として、Ｒ≦Ａ≦３Ｒに設定するとよい。これにより、燃料電池１２に対する第１主管路２０２及び第２主管路２０４の接続に無理がなく、第１主管路２０２及び第２主管路２０４が外側面１２ｈよりも外側に張り出すおそれがなく、しかも燃料電池１２の前方部又は後方部にスペースが確保される。

燃料電池１２と第１主管路２０２との接続部である上継手２０６には、カバー２０６ｄにより開閉可能な短筒２０６ｃが設けられていることから、燃料電池１２内を浮き上がってきた空気を該短筒２０６ｃから抜くことができる。つまり、冷却液交換後等にカバー２０６ｄを適量開くことにより、冷却システム２００の系統内に混入した空気を迅速且つ効率的に抜くことができる。

また、第１主管路２０２は、前面上端部１２ｄよりも前方の部分は前下がりに傾斜していることから、この部分に含まれる空気も上昇して短筒２０６ｃから抜くことができる。このように、短筒２０６ｃが局所的に高い位置に設けることから、第１主管路２０２内に空気を溜まることを防止できる。なお、短筒２０６ｃは、冷却水の導入にも用いることができる。

図１１及び図１２に示すように、サーモスタット７９は第２主管路２０４の途中に設けられている。サーモスタット７９は、４つのポート７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄを有しており、このうちポート７９ａ及び７９ｂが第２主管路２０４に接続され、通常時にはラジエータ１００で冷却された冷却水を燃料電池１２に供給するようにポート７９ａとポート７９ｂが連通している。ポート７９ｃはバイパス管路２１０を介して第１タンク１０２の第２排出口１０２ｂに接続されている。第２排出口１０２ｂは、第１タンク１０２及び導入口１０２ａを介して第１主管路２０２と接続されており、しかもこれらの連通部には絞りや弁となるようなものは存在しないことから、ポート７９ｃは第１主管路２０２と直接的に連通していることと等価な回路となっている。また、冷却水の一部はポート７９ｄからイオン交換器６８を通り第１主管路２０２に対して継手２０９を介して接続され、循環するように構成されている。

サーモスタット７９は、冷却液の温度によって連通路を切り替える機能を有し、暖機運転時にはポート７９ａが遮断されるとともにポート７９ｃが開放されて、ポート７９ｃとポート７９ｂが連通する。これにより、ウォータポンプ６６から吐出した冷却水は、導入口１０２ａ、第１タンク１０２、第２排出口１０２ｂ及びバイパス管路２１０を通り、ポート７９ａからサーモスタット７９に導入され、ポート７９ｂから燃料電池１２に戻される。したがって、冷却水は暖機運転時には冷却部１０６を通らずに循環するため不必要に冷却されることがなく、燃料電池１２が適温となるまで迅速に昇温させることができる。

このように、第１タンク１０２とサーモスタット７９とをバイパス管路２１０で接続することにより、回路上、サーモスタット７９は第１主管路２０２と接続されていることになる。つまり、第１タンク１０２が第１主管路２０２の流路の一部として作用することになり、バイパス管路２１０は第１タンク１０２までの短い管路として設定することができ、管路の取り回しが容易となるとともに構成部品のレイアウトの自由度が高まる。具体的には、図４及び図８（下面視）に示すように、バイパス管路２１０は車体の下面に沿って配設され、しかもその長さは短く設定される。

仮に、第１タンク１０２に接続しない場合には、図１１の仮想線で示すように、第１主管路２０２に分岐継手２１２を設けるとともに、バイパス管路２１０’を縦方向に長く、しかも左右に横断するように配設する必要があり、過給器７０、イオン交換器６８及びウォータポンプ６６のレイアウトが制限される。これに対して本実施の形態では、バイパス管路２１０を第１タンク１０２の低い位置に接続していることから、このような不都合がない。

また、第１タンク１０２は縦方向に長尺形状であって、第１主管路２０２とバイパス管路２１０は、第１タンク１０２における長尺方向の中心位置から見て対向する側に接続されていることから、第１タンク１０２の長さが有効に利用され、第１主管路２０２とバイパス管路２１０が離間して配置され、この間のスペースが確保されてレイアウトの自由度が一層高まる。

なお、第１タンク１０２からバイパス管路２１０を介して接続される切替弁はサーモスタット７９のように冷却液の温度に反応して切り替え動作を行うものに限らず、例えば、タイマー動作や所定の演算結果に基づいて切り替えを行うものであってもよい。

また、冷却システム２００おける冷却液の循環方向は、図１２の破線で示すように逆向きであってもよい。つまり、燃料電池１２で加温された冷却液をポート７９ｂからサーモスタット７９に導入し、切替作用によって第１排出口１０４ａ又は第２排出口１０２ｂ（この場合、それぞれ導入口として作用する。）に導出し、ラジエータ１００内で放熱し、又は冷却部１０６をバイパスして導入口１０２ａ（この場合、導出口として作用する。）からウォータポンプ６６に供給するようにしてもよい。ウォータポンプ６６を逆に回転させることことにより、冷却水は第１主管路２０２を通って燃料電池１２に返還される。このように、冷却液の循環方向は逆であってもバイパス管路２１０から第１タンク１０２を介して第１主管路２０２に連通する経路が形成されることから、前記の場合と同様に管路の取り回しが容易となるとともに構成部品のレイアウトの自由度が高まるという効果を奏する。

冷却システム２００では、ラジエータ１００で冷却する対象となる熱源は燃料電池１２に限らず、内燃機関やモータ等であってもよい。

次に、燃料電池１２を冷却して水素ガスを供給するための水素系統システム３００について、主に図１５〜図１７を参照しながら説明する。

図１５に示すように、水素系統システム３００は、燃料充填口８２と、燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒと、調圧ユニット８６と、イジェクタユニット３０４と、気液分離器７４と、希釈ボックス７６と、サイレンサ３０６とを有し、燃料電池１２に対して水素ガスを供給するとともに、反応後のガスを循環させ、又は排出する系統である。

図１５及び図１６に示すように、水素ガスは、燃料ボンベ８０Ｌに対して、燃料充填口８２からチェック弁３０８Ｌ及びインタンク電磁弁８４Ｌを介して高圧で充填される。また、燃料ボンベ８０Ｒに対しては、チェック弁３０８Ｌの二次側から分岐した管路３０７からチェック弁３０８Ｒ及びインタンク電磁弁８４Ｒを介して右側の燃料ボンベ８０Ｒと同時に高圧で充填される。燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒが不測の事態により高温又は高圧の状況下に置かれたときには、内部の水素ガスは排出管３１２Ｌ、３１２Ｒを通って放出される。

調圧ユニット８６は、上流側から手動弁３１４、電磁遮断弁３１６、第１レギュレータ３１８及び第２レギュレータ３２０が回路上直列的に接続されている。手動弁３１４は、燃料ボンベ８０Ｌ、８０Ｒに対する元閉めの弁であり、通常は開かれている。電磁遮断弁３１６は、燃料電池二輪車１０の運転、停止に応じて開閉される。第１レギュレータ３１８は高圧の水素ガスを所定の圧力まで降圧する。第２レギュレータ３２０は運転状況等に応じて、イジェクタユニット３０４に対する供給圧力を調整する。

イジェクタユニット３０４は、調圧ユニット８６から供給される水素ガスを冷却する熱交換器３２２と、該熱交換器３２２の下流側に並列配置されたイジェクタ３２４及び差圧レギュレータ３２６とを有する。イジェクタ３２４及び差圧レギュレータ３２６の二次側は燃料電池１２に接続されており、差圧レギュレータ３２６によって空気側の圧力に対して所定圧力に調整された水素ガスが供給される。イジェクタ３２４の吸気作用によって気液分離器７４から未反応の水素ガスが吸い込まれて再び燃料電池１２に導入されて循環経路を形成している。

燃料電池１２に供給された水素ガスは、反応ガスと化学反応を起こして発電した後、湿潤な余剰ガスとして排出され、管路３３０を通って気液分離器７４に供給される。

図１７に示すように、管路３３０を通って供給されるオフガスは、右端部から加湿器７２に導入され、内部の中空糸膜集合体において過給器７０から供給されるスイープガスと水分交換を行い、中央よりやや左側の下部から管路３３２に排出される。一方、過給器７０から供給される高温で乾燥したスイープガスは、管路３３４、管路３３８を通り、左端部から加湿器７２内に導入され、オフガスと水分交換を行って加湿された後、右端部から管路３４０に排出される。この後、加湿されたスイープガスは管路３４０を通って燃料電池１２に供給される。

また、低温始動時に燃料電池１２を迅速に暖めるためにバイパス弁３３６の切り替えにより管路３４２から直接に燃料電池１２に供給することができる。管路３４０と管路３４２は合流して燃料電池１２の供給継手３４４に接続されている。なお、各管路配置の理解が容易なように、図１７では燃料電池１２の本体の図示を省略している。

図１５に戻り、気液分離器７４では供給された湿潤な水素ガスから水分を分離抽出し、電磁弁３５０を介して希釈ボックス７６に供給、排出する。一方、分離された未反応の水素ガスは、返還管路３５２を介してイジェクタ３２４に返還され、又は運転状況に応じて電磁弁３５４を介して希釈ボックス７６に供給される。希釈ボックス７６で水素濃度が空気オフガスで希釈された排気ガスはサイレンサ３０６を介して排気される。

上述したように、本実施の形態に係る燃料電池車両の冷却システム２００によれば、第１主管路２０２が燃料電池１２の上面１２ａに接続されていることにより、燃料電池１２内に混入した空気は上方に浮き上がることから第１主管路２０２へとスムーズに排出され、効率的に抜き出すことができる。これにより、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

また、第２主管路２０４の一端は燃料電池１２の下面１２ｂに接続されていることから、第２主管路２０４内に空気が混入している場合にも、燃料電池１２を介して第１主管路２０４へと排出される。

本発明に係る燃料電池車両の冷却システムは、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。

燃料電池車両の右側面図である。 燃料電池車両の左側面図である。 燃料電池車両の平面図である。 燃料電池車両の下面図である。 燃料電池車両の正面図である。 機器搭載領域の下部の拡大側面図である。 機器搭載領域の下部の拡大平面図である。 機器搭載領域の下部の拡大下面図である。 ラジエータの背面図である。 エアクリーナ、過給器、加湿器及び燃料電池の接続を示す実態配置図である。 冷却システムの回路を示す実態配置図である。 冷却システムのブロック構成図である。 燃料電池の側面図である。 燃料電池の背面斜め下から見た図である。 水素系統システムのブロック構成図である。 水素系統システムの燃料ボンベ周りの回路を示す実態配置図である。 水素系統システムの加湿器周りの回路を示す実態配置図である。

符号の説明

１０…燃料電池二輪車 １２…燃料電池
１２ａ…上面 １２ｂ…下面
２２…シート ５１Ｌ、５１Ｒ…ステップ板
６４…ＶＣＵ ６６…ウォータポンプ
６８…イオン交換器 ７０…過給器
７０ａ…モータ ７２…加湿器
１００…ラジエータ １０２…第１タンク
１０２ａ…導入口 １０２ｂ、１０４ａ…排出口
１０４…第２タンク １２０Ｌ、１２０Ｒ…二次バッテリ
１３２…インホイールモータ １３４…モータドライバ
２００…冷却システム ２０２…第１主管路
２０４…第２主管路 ２０６…上継手（接続部）
２０６ｃ…短筒（エア抜き孔） ２０６ｄ…カバー
２０８…下継手 ２１０…バイパス管路

Claims (2)

1. 反応ガスと水素ガスを燃料電池（１２）へ供給して得られる電力で走行する燃料電池車両の冷却システムにおいて、
   前記燃料電池（１２）で加温された冷却液を放熱するラジエータ（１００）と、
   前記燃料電池（１２）で加温された冷却液を前記ラジエータ（１００）へ供給する第１主管路（２０２）と、
   前記ラジエータ（１００）で放熱された冷却液を前記燃料電池（１２）へ供給する第２主管路（２０４）と、
   を有し、
   前記第１主管路（２０２）の一端は、前記燃料電池（１２）の上面に接続され、
   前記第１主管路（２０２）は、前記燃料電池（１２）の上面の車幅方向外寄りに設けられ、
   前記第２主管路（２０４）は、前記燃料電池（１２）の下面の車幅方向外寄りに設けられ、
   前記燃料電池（１２）と前記第１主管路（２０２）との接続部には、開閉可能なエア抜き孔（２０６ｃ）が設けられていることを特徴とする燃料電池車両の冷却システム。
2. 請求項１記載の燃料電池車両の冷却システムにおいて、
   前記第２主管路（２０４）の一端は前記燃料電池（１２）の下面に接続されていることを特徴とする燃料電池車両の冷却システム。

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