JP5099680B2 - 燃料電池二輪車 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両に係り、特に、燃料電池への反応ガスの供給効率を高め、過給機を大型化せずとも十分な量の反応ガスを吸入させることができる構成を有した燃料電池二輪車に関する。

従来から、水素と酸素の化学反応によって電気を発生する燃料電池を積載し、この燃料電池からの供給電力で走行する燃料電池車両が知られている。そして、例えば、水素を含む燃料ガスと酸素を含む反応ガスとを供給する固体高分子膜型の燃料電池において、その燃料ガスおよび反応ガスの吸入口は、発電時に生じる生成水が重力によって燃料電池の下方に流れるため、燃料電池の上部側に設けられることが好ましい。

特許文献１には、直接メタノール型燃料電池を適用する燃料電池車両において、反応ガスの供給口を燃料電池の上方に設けた構成が開示されている。
特開２００５−１１２０９４号公報

前記したような反応ガスを燃料電池により多く供給する手法として、反応ガスを燃料電池に供給する過給機の能力を上げることが考えられる。そこで、これまでは、過給機を大型化することにより、上記課題を解決していた。しかしながら、過給機を大型化せずとも、燃料電池への供給効率を高めることで発電反応に十分な量の反応ガスの供給を可能とする構成に関しては、未だ工夫の余地があった。特許文献１では、このような構成は検討されていなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、燃料電池への反応ガスの供給効率を高め、過給機を大型化せずとも十分な量の反応ガスを吸入させることができる構成を有した燃料電池二輪車を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む反応ガスとが供給されることで発電し、未反応ガスと生成水とを排出する燃料電池を備えた燃料電池車両において、前記燃料電池には、積層された複数枚のセルを収納するケースと、該ケースの上部側から前記反応ガスを供給するための反応ガス吸入口と、前記ケースの下部側から未反応ガスを排出する未反応ガス排出口とが備えられ、前記反応ガス吸入口は、前記セル面に対して略垂直で前記ケースを両側から挟み込むように２つ設けられている点に第１の特徴がある。

また、前記２つの反応ガス吸入口を前記ケースの外側で連結する吸入側マニホールドと、前記反応ガスを強制的に供給するための過給機と、該過給機と前記吸入側マニホールドとを連結する反応ガス管とが備えられている点に第２の特徴がある。

さらに、前記未反応ガス排出口は、前記セル面に対して略垂直で前記ケースの両側から挟み込むように２つ設けられており、前記２つの未反応ガス排出口を前記ケースの外側で連結する排出側マニホールドが備えられている点に第３の特徴がある。

第１の発明によれば、燃料電池には、積層された複数枚のセルを収納するケースと、該ケースの上部側から反応ガスを供給するための反応ガス吸入口と、ケースの下部側から未反応ガスを排出する未反応ガス排出口とが備えられ、反応ガス吸入口は、セル面に対して略垂直でケースを両側から挟み込むように２つ設けられているので、反応ガスの吸入量を増大しやすくなり、反応ガスの供給効率を高めることができるようになる。これにより、過給機を大型化することなく、燃料電池が必要とする十分な量の反応ガスを供給することが可能となる。また、ケースの両側部から反応ガスが導入されるため、例えば、どちらか一方側から吸入される方式に比して、セルスタックの積層方向に対して反応ガスを均一に供給することができ、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。

第２の発明によれば、２つの反応ガス吸入口をケースの外側で連結する吸入側マニホールドと、反応ガスを強制的に供給するための過給機と、該過給機と吸入側マニホールドとを連結する反応ガス管とが備えられているので、１本の反応ガス管で２つの反応ガス吸入口から同時に反応ガスを供給できるようになる。また、吸気側マニホールドとの接続位置の変更によって反応ガス管の配設位置を変更できるので、２つの反応ガス吸入口が設けられていても反応ガス管のレイアウトが制限されることがなく、車体等の設計自由度を高めることが可能となる。

第３の発明によれば、未反応ガス排出口は、セル面に対して略垂直でケースの両側から挟み込むように２つ設けられており、２つの未反応ガス排出口をケースの外側で連結する排出側マニホールドが備えられているので、未反応ガスの排出抵抗を低減し、これに伴い、より多くの反応ガスの吸入を可能とすることで燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。

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、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両１の斜視図である。また、図２は、燃料電池車両１の右側面図である。鞍乗型自動二輪車としての燃料電池車両１は、複数のセルが積層されたセルスタック（電極、セパレータ、電解質膜等を含む）と、該セルスタックに燃料の水素ガスを供給する燃料（水素）ガス供給系と、該セルスタックに酸素を含む反応ガス（空気）を供給する反応ガス供給系とから構成される燃料電池発電システムを備えており、以下では、セルスタックが収納される略直方体のケーシング全体を燃料電池３０と呼称する。

燃料電池車両１は、操向ハンドル５のハンドルポスト４を回動自在に軸支するヘッドパイプが接合されるメインフレーム２と、ヘッドパイプに接合されて車体下方かつ後方に延びるアンダーフレーム６と、車体の略中央に配設される燃料電池３０を覆うガードパイプ７と、ガードパイプ７の上方に配設されるアッパーパイプ８と、ガードパイプ７の後端部から上方に延びてアッパーパイプ８と連結される連結パイプ２８と、アッパーパイプ８の後方で２本の水素ボンベ１５を支持するリヤフレーム９とからなる骨格を有する。ハンドルポスト４の下方には、前輪ＷＦを回転自在に軸支する左右一対のフロントフォーク３が取り付けられており、操向ハンドル５の回動により前輪ＷＦの操舵角を変更することができる。

アンダーフレーム６の後端部に設けられたピボット軸１３には、リヤクッション１２によって車体に吊り下げられたスイングアーム１１が揺動自在に軸支されている。スイングアーム１１には、燃料電池車両１の動力源としての駆動モータ（不図示）が内蔵されており、後輪ＷＲはこの駆動モータで駆動される。

メインフレーム２とアンダーフレーム６とで囲まれた空間には、反応ガスを強制的に圧送する過給機としてのスクロール型圧縮機５２、反応ガスの湿度を調整する加湿機５３、略直方体形状を有する燃料電池３０、該燃料電池３０の発電電圧を昇圧または降圧することにより所定の電圧に変換する電圧変換器（ＶＣＵ）５０、燃料電池３０から供給される電力を蓄積する二次電池５１とが配設されている。また、メインフレーム２の車体前方側には、燃料電池３０の冷却水を冷却する左右一対のラジエータ６０Ｌ，６０Ｒが取り付けられており、該ラジエータ６０Ｌ，６０Ｒの背面部には冷却効果を高めるための電動の冷却ファン６１が配設されている。

側面視長方形の燃料電池３０は、その長方形を縦長とし、かつ車体後方側に傾けられて車体に取り付けられている。燃料電池３０には、水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス管４５と、酸素を含む反応ガスを供給する配管である吸入側マニホールド３３と、セルスタックを通過した未反応ガスおよび生成水を排出する配管である排出側マニホールド３６とが取り付けられている。略円柱状の水素ボンベ１５は、水素ボンベレギュレータ１６と接続されるバルブ側を車体前方側に向けて、後輪（駆動輪）ＷＲの上方でリヤフレーム９およびガイドパイプ１０に支持されている。水素ボンベ１５に充填された水素は、各種センサ等からの情報に基づいて電気的に制御される水素ボンベレギュレータ１６によって降圧された後、燃料ガス管４５を介して燃料電池３０に供給される。なお、リヤフレーム９の上方には、外装部品の一部としてのリヤカウル１４が、水素ボンベ１５を覆うようにして配設されている。

前記ハンドルポスト４の車体前方側には、外気を濾過するエアクリーナボックス５４が設けられており、該エアクリーナボックス５４から導入された空気は、スクロール型圧縮機５２によって加湿機５３に圧送される。そして、加湿機５３によって適切な湿度が与えられた反応ガスは、反応ガス管３４およびこれに接続される吸入側マニホールド３３を介して、燃料電池３０に圧送される。

前記ラジエータ６０Ｌ，６０Ｒの下方には、樹脂の薄板等で形成されて車体を覆う外装部品（不図示）の内側、すなわち、車体の内部へ積極的に外気を導入するための左右一対の電動ファン７０が取り付けられている。また、スクロール型圧縮機５２の車幅方向右側には、燃料電池３０の冷却水の温度を所定値に保つためのサーモスタット５２ａが取り付けられている。

図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の取付状態を示す斜視図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。スクロール型圧縮機５２によって圧送された空気は、加湿器５３を通過することによって所定の湿度を有する反応ガスとなる。この反応ガスは反応ガス管３４によって車体後方かつ上方に導かれ、燃料電池３０の上部側に取り付けられた吸入側マニホールド３３に供給される。なお、燃料電池３０の周囲は、アンダーフレーム６、ガードパイプ７、アッパーパイプ８、連結パイプ２８によって囲まれており、万一、外部から衝撃を受けた際にも燃料電池３０に極力衝撃が伝達されないように構成されている。

図４は、燃料電池３０の斜視図である。また、図５は、燃料電池の内部構成を示す斜視図であり、図６は、セルスタックを構成するセルの正面図である。燃料電池３０は、積層された複数枚（例えば、５０枚）のセル４０からなるセルスタックを、車両前後方向に積層して箱状のケース３１に収納した構成を有している。薄板状のセル４０は、セパレータ、燃料ガス流路溝、電解質膜、反応ガス流路溝を含む反応部４２を中央に配し、この反応部４２を支持するベース部４１の四隅に、反応ガス吸入孔３２ａ、燃料ガス吸入孔３８ａ、未反応ガスおよび生成水を排出する未反応ガス排出孔３５ａ、残燃料ガス出口３７ａをそれぞれ形成した構成を有している。このそれぞれの孔は、セル４０を積層することによって互いに連通し、その積層方向に所定の通路（反応ガス吸入通路、燃料ガス吸入通路、未反応ガスおよび生成水排出通路、残燃料ガス出口通路）をそれぞれ形成する。なお、本実施形態に係る燃料電池３０は、燃料ガスの導入を燃料ガス吸入口３８の車両前方側から行うように構成されている。

燃料電池３０には、セル４０の積層方向において、ケース３１を挟むように２つの反応ガス吸入口３２が設けられている。そして、吸入側マニホールド３３は、２つの反応ガス吸入口３２を燃料電池３０の外側で連結しているので、２つの吸入口から同時に反応ガスを供給できることとなる。これにより、反応ガスの吸入量を増大しやすくなり、反応ガスの供給効率を高めることが可能となる。また、このような反応ガス吸入口３２の配置によれば、セル４０の積層方向の両側から反応ガスが導入されるため、例えば、どちらか一方側から導入する方式に比して、反応ガスをセルスタックの積層方向に均等に供給することができ、反応部４２との反応効率を高めることが可能となる。なお、反応ガス管３４は、吸入側マニホールド３３に対して、その中央部や端部等の任意の箇所に接続できるので、２つの反応ガス吸入口３２が設けられていても、反応ガス管３４のレイアウトや取り回し等が制限されることがなく、車体等の設計自由度が高められる。

また、本実施形態においては、未反応ガス排出口３５も、セル４０の積層方向においてケース３１を挟むように２つ設けられている。そして、排出側マニホールド３６は、２つの未反応ガス排出口３５を燃料電池３０の外側で連結しているので、２つの排出口から同時に未反応ガスが排出されることとなり、未反応ガスの排出抵抗を低減できると共に、反応ガスの吸入量を増大させやすくなる。

なお、セルスタックに吸入される反応ガスは、図６に示すように、反応ガス吸入通路３２ａから未反応ガス排出通路３５ａに向かって流れることとなる。燃料電池の上部側から供給される反応ガスは、下方に向かって流れる過程で徐々に消費されるので、反応ガスの供給量が不足すると、反応部４２の下方側において化学反応の機会が減少して発電効率が低下する可能性がある。しかし、本発明に係る燃料電池車両においては、燃料電池の反応ガス吸入口を、セルの積層方向においてケースを両側から挟み込むように２つ設けたので、燃料電池への反応ガスの供給効率を高め、過給機を大型化せずとも十分な量の反応ガスを吸入することができるようになる。また、未反応ガス排出口を、セルの積層方向においてケースを両側から挟み込むように２つ設けたので、燃料電池からの未反応ガスの排出抵抗を低減し、反応ガスの吸入量の増大に対応することが可能となる。

なお、燃料電池のケース、セルおよびセルスタックの形状、反応ガス吸入口、未反応ガス排出口、吸入側マニホールド、排出側マニホールド等の形状や配設位置等は、上記した実施形態に限られず、種々の変更が可能である。例えば、吸入側マニホールドを燃料電池の上方で連結されるように形成したり、吸入側マニホールドの端部等に反応ガス管を接続するようにしてもよい。

また、燃料電池車両の形態は、自動二輪車のほか３／４輪車等であってもよく、燃料電池、過給機、加湿機、電圧変換器、二次電池、ラジエータ等の構成部品の形態や配置も種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の右側面図である。 燃料電池の取付状態を示す拡大斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の内部構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池に内装されるセルの正面図である。

符号の説明

１…燃料電池車両、１５…水素ボンベ、３０…燃料電池、３１…ケース、３２…反応ガス吸入口、３３…吸入側マニホールド、３４…反応ガス管、３５…未反応ガス排出口、３６…排出側マニホールド、４０…セル、５０…電圧変換器、５１…二次電池、５２…スクロール型圧縮機（過給機）、５３…加湿機

Claims (3)

1. 水素を含む燃料ガスと酸素を含む反応ガスとが供給されることで発電し、未反応ガスと生成水とを排出する燃料電池（３０）を備えた燃料電池二輪車において、
   前記燃料電池（３０）には、積層された複数枚のセル（４０）を収納するケース（３１）と、該ケース（３１）の上部側から前記反応ガスを供給するための反応ガス吸入口（３２）と、前記ケース（３１）の下部側から未反応ガスを排出する未反応ガス排出口（３５）とが備えられ、
   前記反応ガス吸入口（３２）は、前記セル面に対して略垂直で前記ケース（３１）を両側から挟み込むように２つ設けられ、
   前記２つの反応ガス吸入口（３２）を前記ケース（３１）の外側で連結する吸入側マニホールド（３３）と、前記反応ガスを強制的に供給するための過給機（５２）と、該過給機（５２）と前記吸入側マニホールド（３３）とを連結する反応ガス管（３４）とがさらに備えられ、
   前記吸入側マニホールド（３３）および前記反応ガス管（３４）が、前記燃料電池（３０）の側面と該燃料電池（３０）の車幅方向外側に配設される車両のフレーム部材（６，７，８，２８）との間に配置されており、
   前記吸入側マニホールド（３３）が、前記ケース（３１）を車両の前後方向から挟んで設けられていることを特徴とする燃料電池二輪車。
2. 前記未反応ガス排出口（３５）は、前記セル面に対して略垂直で前記ケース（３１）の両側から挟み込むように２つ設けられており、
   前記２つの未反応ガス排出口（３５）を前記ケース（３１）の外側で連結する排出側マニホールド（３６）が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池二輪車。
3. 前記反応ガス管（３４）が車両のフレーム部材（６，７，８，２８）に対して車幅方向内側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池二輪車。

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