JP6191381B2 - 燃料電池二輪車 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスの断熱膨張を利用して吸気空気を冷却し、燃料電池の効率的発電が可能な燃料電池二輪車に関する。

近年、燃料電池が発電した電力をモータに供給し、このモータによって駆動輪（後輪）を駆動させる燃料電池二輪車が開発されている。燃料電池二輪車には燃料電池システムが備えられる。燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素と反応ガスとしての酸素との電気化学反応により発電が行なわれる。燃料電池二輪車に用いられる燃料電池システムには水冷式と空冷式とがある。

水冷式燃料電池システムは、比較的大電力が発電可能であるが、その冷却システムにラジエータ、冷却水ポンプ、リザーバタンク、配管類が必要であり、システム構成が複雑となる。

また、空冷式燃料電池システムは、発生する電力が数ｋＷという比較的に小電力であるものの、水冷式燃料電池システムの冷却システムに備えられるラジエータ、冷却水ポンプ、リザーバタンク、配管類が不要であり、発電に伴い発生する熱を反応ガスとしての空気で冷却することができる。

さらに、空冷式燃料電池システムは、空気流路の圧力損失が小さいため、補機としてコンプレッサに換えて低消費電力の冷却（送風）ファンで足りるシンプルなシステム構成とすることができる。四輪車両に比べて低出力で走行可能な燃料電池二輪車では、水冷式燃料電池システムに代り、空冷式燃料電池システムが用いられることがある。

従来の燃料電池二輪車では、燃料電池への供給空気配管を車両左右に振り分けて走行風に晒すことで配管内部の供給空気を冷却する技術が特許文献１に記載されている。また、特許文献２には、電動ファンにより外気を燃料電池に供給する燃料電池二輪車が記載されているが、この燃料電池二輪車は、ラジエータを備えた水冷式燃料電池システムを設けたもので、燃料電池の車体後方側に燃料貯蔵手段（水素ボンベ）が配設されている。

特開２００５−２８９８７号公報 特開２００８−２４７３２４号公報 特開２０１２−０５４０３３号公報

特許文献１および２に記載の燃料電池二輪車には、外気である空気を燃料電池スタックに供給する技術は記載されているが、特許文献１は空気供給配管を走行風に晒すことで燃料電池を自然冷却させるものである。また、特許文献１および２には燃料電池に供給される空気を外部動力源を用いることなく、積極的にかつ強制的に冷却する技術を示すものではない。しかも、特許文献２に記載の技術は、水冷式燃料電池システムを備えたもので、システム構成が複雑である。

また、特許文献３には、水素ガスの断熱膨張による水素供給系部品の低温化を防止し、燃料電池への供給空気を冷却する燃料電池システムが記載されているが、この燃料電池システムを二輪車両に適用させる具体的技術を示したものではない。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、外部動力源が不要で、燃料ガスの断熱膨張を利用して燃料電池への供給空気を冷却し、燃料電池の発電効率を向上させ、燃料電池の長寿命化が図れるようにした燃料電池二輪車を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池二輪車は、駆動輪を駆動する電動機と、この電動機に電力を供給する空冷式の燃料電池と、この燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとを備えた燃料電池二輪車において、前記燃料電池に反応用兼冷却用の空気を供給する吸気通路を設け、前記吸気通路の途中に前記燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料タンクを配置し、前記燃料タンクは車両の中心軸線と平行に搭載して後端部に燃料ガス取出し配管および燃料ガス遮断弁を配置し、前記燃料電池から前方に延びる吸気ダクトは、その吸気取入口の開口が前記燃料タンクの燃料ガス取出し配管および燃料ガス遮断弁を上側から覆うように配置され、前記燃料タンクから前記燃料電池に燃料ガスを供給する際、前記燃料ガスの断熱膨張により、前記吸気通路を通る空気を冷却したことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池二輪車においては、外部の動力源を用いることなく、高圧の燃料タンクに貯蔵された燃料ガスの断熱膨張を利用して、燃料電池への反応用兼冷却用の供給空気を積極的かつ強制的に冷却し、燃料電池の発電効率を向上させ、燃料電池の長寿命化が図れるようにした発電技術を提供するものである。

本発明の実施の形態に係る燃料電池二輪車の車両全体を示す左側外観図。 燃料電池二輪車の車両外装を部分的に切欠いて内部構造を示す左側面図。 燃料電池二輪車から車体外装を取り除いて示す斜視図。 燃料電池二輪車に備えられる燃料電池を右側前方から見た斜視図。 燃料電池二輪車に備えられる燃料電池を左側後方から見た斜視図。 図２のＶＩ−ＶＩ線に沿う平面図。 燃料電池二輪車に備えられる燃料電池の配置構成を車両後方側から見た図。 燃料電池システムに備えられる燃料電池の発電原理を示す図。 燃料電池二輪車に備えられる空冷式燃料電池システムの配置構成例を示す図。

以下、本発明に係る燃料電池二輪車の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１ないし図３は、本発明に係る燃料電池二輪車の実施形態を全体的に示す図である。図１は、燃料電池二輪車１０の外観を示す左側面図であり、図２は、燃料電池二輪車１０の車両外装を部分的に切欠き、もしくは除去し、内部構造を示した左側面図、図３は、燃料電池二輪車１０の車両外装を取り除いて示す車両左前上方から見た斜視図である。

また、説明を容易にするため、燃料電池二輪車１０は車両前方側を符号「Ｆ」、車両後方側を符号「Ｒ」でそれぞれ表わす。

図１から図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池二輪車１０は、燃料電池から得られる電力を用いて走行する自動二輪車である。

［車両本体の構成］
燃料電池二輪車１０は、スクータ型の自動二輪車である。燃料電池二輪車１０は、車両本体１１（車体）と、操舵輪である前輪１２と、前輪１２を操舵する操向ハンドル１３と、駆動輪である後輪１４と、後輪１４を駆動させるモータ１５と、を備える。モータ１５は駆動輪を駆動する車両駆動モータの電動機として機能する。

車両本体１１は、主構造部材（メインフレーム）である車体フレーム１７と、車体フレーム１７を覆う車両外装１８と、車体フレーム１７の上方に配置されたシート１９と、を備える。また、車両本体１１は、空冷式の燃料電池２０と、燃料電池２０の発電に用いられる燃料を貯蔵する燃料タンク２１と、燃料電池２０の電力を補助する二次電池２２と、燃料電池２０の出力電圧を調整し、燃料電池２０および二次電池２２の電力分配制御を行う電力管理装置２３と、電力管理装置２３から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、モータ１５の運転制御を行うモータコントローラ（図示せず）と、を備える。すなわち、燃料電池二輪車１０のパワートレインは、燃料電池２０および二次電池２２を有するハイブリッドシステムである。

車体フレーム１７は、ヘッドパイプ２６と、上部ダウンフレーム２７と、左右一対の下部ダウンフレーム２８と、左右一対のアッパーフレーム２９と、左右一対のロアーフレーム３０と、を備え、メインフレームを構成している。

ヘッドパイプ２６は、車両本体１１の前方部にフォーク式のフロントフォーク３２を軸支する。

上部ダウンフレーム２７は、ヘッドパイプ２６の上部に接続され、車両本体１１の後方に向かって後下がりに傾斜される。

下部ダウンフレーム２８は、ヘッドパイプ２６の下部からほぼ真下あるいは後下方に向かって延在される。

アッパーフレーム２９は、車両本体１１の前半部において下部ダウンフレーム２８の下端から上部ダウンフレーム２７の下端を経て車両本体１１の後方向に延在され、車両本体１１の後半部において車両本体１１の後方に後上がりに滑らかに傾斜される。アッパーフレーム２９の後半部の上方には、シート１９が配置される。

また、アッパーフレーム２９は、車両本体１１の後半部にピボット３３を備える。このピボット３３廻りにスイングアーム３４が揺動自在に設けられる。スイングアーム３４の後端部に後輪１４が軸支される一方、スイングアーム３４はリアクッションユニット３５により昇降自在に弾力的に支持される。リアクッションユニット３５はスイングアーム３４の下端部と車体フレーム１７の後部との間に支持される。

ロアーフレーム３０は、下部ダウンフレーム２８の下端から車両本体１１の下方に向かって延在され、車両本体１１の下端に達する位置で屈曲され、車両本体１１の前後方向に延在され、さらに車両本体１１の中央部分に達する位置で屈曲され、車両本体１１の後上方向に延在されてアッパーフレーム２９に接続される。それぞれのロアーフレーム３０は、その前方側にライダーのためのフットレスト３６を備える。車両本体１１の左側に位置されたロアーフレーム３０は、サイドスタンドブラケット３７を備える。サイドスタンドブラケット３７には、燃料電池二輪車１０を左傾状態で自立させるサイドスタンド３８が揺動自在に設けられる。符号３６ａは同乗者のためのフットレストである。

前輪１２は、フロントフォーク３２に回動自在に軸支される。フロントフォーク３２は、弾性的に伸縮自在なテレスコピック構造に構成されるとともに、前輪１２の上方にフロントフェンダ４１を支持する。操向ハンドル１３は、フロントフォーク３２の上端部に接続される。前輪１２、フロントフォーク３２、および操向ハンドル１３は、ヘッドパイプ２６周りに回動自在に軸支され、燃料電池二輪車１０のステアリング機構４２を構成する。

モータ１５は、後輪１４を駆動させる燃料電池二輪車１０の電動機である。モータ１５は、スイングアーム３４に一体的に取り付けられ、ユニットスイング式スイングアーム３４を構成する。モータ１５は、変速機（図示省略）を介して後輪１４に接続される。モータ１５が発生させた駆動力は、変速機を介して後輪１４に伝達される。

また、車体フレーム１７は、ロアーフレーム３０の後方側の屈曲部に架設されたガードフレーム３９を備える。ガードフレーム３９には、燃料電池二輪車１０を自立させるセンタースタンド４０が揺動自在に設けられる。

このように構成された車体フレーム１７によって車両本体１１は、左右一対のアッパーフレーム２９および左右一対のロアーフレーム３０で囲まれたセンタートンネル領域４４に燃料タンク２１を備え、アッパーフレーム２９の後半部、車両外装１８およびシート１９で囲まれた機器搭載領域４５（機器搭載空間）に燃料電池２０、二次電池２２、電力管理装置２３、およびモータコントローラ（図示せず）を備える。機器搭載領域４５には、車両本体１１の前方側から二次電池２２、電力管理装置２３、燃料電池２０、の順に配置される。モータコントローラは、電力管理装置２３の側方、例えば車両本体１１の左側（右側）に併設される。また、車体フレーム１７のセンタートンネル領域４４の後方で、かつ機器搭載領域４５の下方のタイヤハウス領域４６は、後輪１４が配置される。機器搭載領域４５とタイヤハウス領域４６との間には、それぞれの領域を区画する隔壁部材４８が設けられる。

車両外装１８は、車両本体１１の前半部を覆う前部ボディカバーのフロントレッグシールドカバー５０と、車両本体１１の中央上部に位置され、アッパーフレーム２９を上方から覆う中央ボディカバーのフロントフレームカバー５１と、車両本体１１の後半部に位置され、車両本体１１の側面のうちシート１９の下方部分を覆う後部ボディカバーのリアーフレームカバー５２と、を備える。リアーフレームカバー５２は、シート１９とともに燃料電池２０、二次電池２２、電力管理装置２３、およびモータコントローラが収容された機器搭載領域４５を区画する。

したがって、機器搭載領域４５は、シート１９とリアーフレームカバー５２と隔壁部材４８とで囲まれた密閉的な空間であり、リアーフレームカバー５２、もしくは隔壁部材４８の適宜の箇所に通気孔（図示省略）を設けることで、燃料電池２０に供給される反応ガスとしての空気の流れを容易、かつ確実に制御できるとともに、冷却の必要な電気部品に冷却風としての空気の流れを容易、かつ確実に制御できる。なお、機器搭載領域４５は、完全な密閉空間である必要はない。

シート１９は、車両本体１１の後半上部に位置される。シート１９は、タンデム式であり、運転者が着座する前方部１９ａと、同乗者が着座する後方部１９ｂとが一体的に形成される。

［燃料電池の配置構成］
燃料電池二輪車１０に備えられる燃料電池２０は、車両本体１１のメインフレーム後方にレイアウトされ、燃料電池２０は、シート１９の下方に区画された機器搭載領域４５の後側に偏倚して配置される。具体的には、燃料電池２０は、パッセンジャーが着座するシート１９の後方部１９ｂ下方に配置される。燃料電池２０は、扁平な直方体形状に形成され、反応ガス（空気）の導入口を有する吸気面２０ａを前下方に斜め下向きに傾斜して位置される。具体的には、燃料電池２０の吸気面２０ａは、シート１９の前方部１９ａと下方部１９ｂとの段差部分の下方に位置され、車両前方側に斜め下向きに傾斜して設けられる。

また、燃料電池２０の前部には斜め下向き（前下方）に傾斜した吸気ダクト５４が備えられ、燃料電池反応および冷却のため、反応ガスとして反応用兼冷却用空気は、吸気ダクト５４を通り、吸気から燃料電池２０に導かれる。燃料電池２０は吸気面の反対側に排気面が対向して形成される。

燃料電池２０は吸気面の前側に、図４に示すようにフィルタ５５が設けられ、燃料電池２０の排気面側に、図５に示すように、排気圧力を均一化する排気プレナム５６を介してファン５７が設置される。燃料電池２０は、吸気面から反応ガスとして空気が吸い込まれる。この空気に含まれる酸素が、燃料タンク２１から供給される水素ガスと電気化学反応して発電に供され、発電後に、排気口５８から湿潤な余剰ガスを排気プレナム５６からファン５７により排出している。この過程で、燃料電池２０は反応ガスとしての空気によって冷却される。燃料電池２０の排気口５８は排気ダクト５９に連通している。その際、吸気ダクト５４は流路の圧損低減のため、燃料電池２０の吸気面２０ａの断面積とほぼ等しい断面積を持つように設計されている。

排気ダクト５９は、燃料電池２０の後方に配置され、車両本体１１の後端に開口された排気口６０に燃料電池２０の排気を導き、排出している。排気ダクト５９は、その前端部が燃料電池２０の排気面側に排気プレナム５６を介して連通される。排気ダクト５９の後方端部に形成される排気口６０は燃料電池２０の排気口５８の連通位置よりも上方、望ましくは後方上端部に設けられる。排気ダクト５９は、燃料電池２０の排気口５８の連通位置よりも上方に配置された排気口６０を有することで、未反応の水素ガスを含む湿潤な余剰ガスを確実に車両本体１１の外に排気できる。

燃料電池２０は、図４および図５に示すように、単位セルを複数積層して構成された燃料電池スタック６１を備えており、前面に除塵を行なうフィルタ５５が、背面に反応用兼冷却用空気を強制的に送り出す（吸引する）ファン５７が備えられ、燃料電池スタック６１とファン５７の間に、空気の圧力を均圧化するための排気プレナム５６が備えられる。また、排気ダクト５９も、吸気ダクト５４と同様に、流路の圧損低減のために、断面積を大きく保つ設計が行なわれている。

［燃料タンクの配置］
燃料タンク２１は、図２，図３，図６および図７に示すように、燃料電池２０の燃料としての水素ガスを貯蔵する。燃料タンク２１は、例えば約７０ＭＰａの高圧圧縮水素貯蔵システムである。燃料タンク２１は、車両本体１１の略中央下部のセンタートンネル領域４４に、中央ボディカバー５１で覆われて、その長手軸方向を車両本体１１の前後方向に沿わせて横臥状態で設けられる。したがって、燃料タンク２１は、その周囲を一対のアッパーフレーム２９および一対のロアーフレーム３０によって囲まれ、燃料電池二輪車１０の転倒や衝突などの事象に対し、堅牢に保護される。また、燃料タンク２１は、ロアーフレーム３０に設けられた左右のフットレスト３６の間に挟まれる。

また、燃料タンク２１は、車両本体１１の一方側の側部に配置されたアッパーフレーム２９、例えば車両本体１１の右側に配置されたアッパーフレーム２９と、車両本体１１の他方側の側部に配置されたロアーフレーム３０、例えば車両本体１１の左側に配置されたロアーフレーム３０と、の間に架設されたクランプバンド６３によってセンタートンネル領域４４に固定される。なお、クランプバンド６３は、車両本体１１の左側に配置されたアッパーフレーム２９と、車両本体１１の右側に配置されたロアーフレーム３０と、の間に架設しても良い。

さらに、図６に示すように、燃料タンク２１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）あるいはアルミライナ製複合容器で構成された圧力容器６５と、電磁弁を用いた遮断弁（元弁）６６とレギュレータ（図示省略）とを一体的に有する弁部６７（燃料供給元弁）と、燃料充填口６８を有する燃料充填用継手６９と、を備える。圧力容器６５は両端に半球状の鏡板を有する円柱形状の容器である。

燃料充填用継手６９は、圧力容器６５に連通され、燃料としての水素ガスを燃料充填口６８から圧力容器６５内に導く。燃料充填口６８は、二次電池２２から十分に離間して配置される。具体的には、燃料充填口６８は、多数の機器が収容された機器搭載領域４５の外側であり、上部ダウンフレーム２７の近傍に配置され、中央ボディカバー５１に覆われる。さらに具体的には、燃料充填口６８は、圧力容器６５の前方側鏡板の上方近傍に配置される。

また、燃料充填口６８は、車両本体１１の上方に指向される。燃料タンク２１に燃料を充填するに際し、フロントフレームカバーの中央ボディカバー５１を開放した状態において、燃料充填口６８の上方は、開放された空間になる。したがって、燃料の充填作業において仮に燃料が漏洩しても、漏洩燃料が滞留することはない。さらに、燃料充填口６８は、通常のガソリンエンジンを備えたスクータ型の自動二輪車における燃料給油口と配置を同じくするので、違和感を生じることがない。なお、図２および図７において、符号７０は、車両本体１１の底部側を覆うアンダーカバーである。

一方、燃料電池二輪車１０の車両本体１１を覆う車両外装１８は、中央ボディカバー５１に、外気を取り入れる吸気取入口７３が形成される。吸気取入口７３は、図２に示すように、前輪１２後方であって、中央ボディカバー５１の前側であるカウリング前面に備えられる。車両走行に伴い走行風の外気を強制的に吸い込み、吸気通路７４を経て燃料電池２０に導かれるようになっている。

吸気通路７４は、吸気取入口７３から吸い込まれ、中央ボディカバー５１とアンダーカバー７０の車両外装１８（図７参照）で囲まれたセンタートンネル領域４４を経て吸気ダクト５４内に導かれ、燃料電池２０の吸気面に至る。吸気通路７４は、センタートンネル領域４４では燃料タンク２１の周辺に沿って車両長手（前後）方向に導かれ、続いて、隔壁部材４８により車両の斜め後上方に向きが変えられて吸気ダクト５４に案内される。

ところで、燃料電池２０の燃料である燃料ガス（水素ガス）を貯蔵する燃料タンク２１は、車体フレーム１７のメインフレーム２９，３０に囲まれたセンタートンネル領域４４の車両中央に横臥状態で配置される。燃料電池２０に用いられる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料である水素ガスは、内燃機関車両の燃料であるガソリンや軽油の液体燃料に比べ、ガス燃料のエネルギ密度が低い。このため、燃料電池車両では航続距離延長のために、燃料である水素ガスを高圧状態に圧縮して燃料電池車両に搭載される。本実施形態の燃料電池二輪車１０では、例えば、７０ＭＰａの高圧燃料タンク２１が使用される。燃料タンク２１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製でタンク本体が製造される。

また、燃料タンク２１には、後端部に弁部６７が設けられ、この弁部６７により燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料取出配管である水素供給配管７５が接続される。水素供給配管７５への水素の供給は、後端部の弁部６７に一体に搭載された燃料ガス遮断弁６６により水素供給を遮断することができる。

さらに、燃料タンク２１から燃料電池２０の燃料電池スタック６１に至る水素供給配管７５の途中には、燃料タンク２１の圧力制御を行なう圧力レギュレータ７７および圧力測定のための圧力センサ７８などの水素系部品が備えられる。燃料取出配管である水素供給配管７５および水素系部品（７６，７７，７８）は車体フレーム１７の左右対をなすメインフレーム２９，３０の左右方向内側に配管・配置され、保護される。符号７９は、燃料タンク２１に燃料（水素ガス）を充填させる水素充填配管である。

燃料電池二輪車１０においては、燃料電池２０、燃料タンク２１、二次電池２２、電力管理装置２３、車両モータコントローラ（図示せず）等の車両構成部品が、中央ボディカバー５１、後部ボディカバー５２、アンダーカバー７０およびシート１９に囲まれたスペースに搭載されている。

［二次電池］
二次電池２２は、燃料電池２０の吸気ダクト５４の前方に備えられ、箱状のリチウムイオン電池で構成される。二次電池２２は、シート１９の下方に区画された機器搭載領域４５の前側に偏倚させて配置されるとともに、燃料タンク２１の圧力容器６５の後方側鏡板の上方に配置される。さらに具体的には、二次電池２２は、ライダーが着座するシート１９の前方部１９ａの下方に配置され、燃料電池二輪車１０の仮想的な水平面に略直立される。この燃料電池二輪車１０は、燃料電池２０と二次電池２２を電源に持つハイブリッド車両である。二次電池２２は燃料電池２０と並列にモータコントローラ（負荷）に接続され、交流電力に変換してモータ１５の駆動用電力を供給するとともに、減速時の回生エネルギを吸収している。

なお、燃料電池二輪車１０は、二次電池２２の他に、メータ類（図示省略）、ランプ類（図示省略）用の電源として、例えば１２Ｖ系の電力を供給できる二次電池２２を備える。二次電池２２は、燃料タンク２１の圧力容器６１の側方、例えば車両本体１１の右側部に配置される。二次電池２２は、燃料充填口６８よりも下方であるとともに、燃料タンク２１の弁部６７よりも車両本体１１の前方に配置される。仮に燃料である水素ガスが燃料充填口６８から漏洩しても、水素ガスは燃料電池二輪車１０の上方に向かって上昇するので、車内に滞留することなく、車外に拡散する。また、仮に燃料である水素ガスが弁部６７から漏洩しても、水素ガスはタイヤハウス領域４６に向かって移動するので、車内に滞留することなく、車外に拡散する。

電力管理装置２３は、二次電池２２と燃料電池２０とに挟まれて配置される。また、電力管理装置２３は、二次電池２２と燃料電池２０との間隙に設けて保持される。電力管理装置２３に並設されたモータコントローラも、電力管理装置２３と同様に、二次電池２２と燃料電池２０とに挟まれるとともに、二次電池２２と燃料電池２０との間隙に設けられて保持される。

このように、二次電池２２と、電力管理装置２３と、モータコントローラ（図示せず）と、燃料電池２０とを配置することによって、電気的接続が隣り合う装置を極力近接させて配置することが可能であり、装置間の配線長を短く、配線に係る重量を軽くすることができる。

電力管理装置２３は、モータコントローラと並設される。具体的には、モータコントローラ１８は、車両本体１１の左側に配置され、電力管理装置２３は車両本体１１の右側に配置される。

［燃料電池の発電原理］
本実施形態に備えられる燃料電池二輪車１０は、燃料電池２０を車両駆動モータ１５の電力源として用いたものである。

燃料電池二輪車１０に搭載される燃料電池２０は、燃料である水素ガスと反応ガスである空気（酸素）とを電気化学反応により発電し、この発電に付随して水が生成される燃料電池システムである。

燃料電池システムの燃料電池２０は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して燃料電池スタック６１を構成している。通常の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）において、図８に示すように、セル１００は、水素および空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極１０１とカソード極１０２に挟まれて拡散層１０３，１０４および反応活性化のための触媒層１０５，１０６、そして中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜１０７を配している。

アノード極１０１に供給された水素分子は、アノード極１０１の電解質膜１０７の表面にある触媒層１０５において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。

アノード極（陽極）１０１におけるこの反応は（式１）で表わされる。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ……（式１）

（式１）により発生した水素イオンは、電解質膜１０７に含まれる水分を伴ってアノード極１０１側からカソード極１０２側へと電解質膜１０７中を移動し、また電子は外部回路１０８を通じてカソード極１０２に移動する。この電子の移動により、外部回路１０８に介装された負荷（例えば、車両駆動モータ）１０９には、電流が流れる。

一方、カソード極１０２に供給された空気中の酸素分子は、触媒層１０６において外部回路１０８から供給された電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜１０７を移動してきた水素イオンと結合して水となる。カソード極（陰極）１０２におけるこの反応は、（式２）で表される。
１／２０_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２０ ……（式２）

このようにして生成された水分の一部は、濃度拡散によりカソード極１０２からアノード極１０１へと移動する。（式１）と（式２）の電気化学反応において、セル１００内部では電解質膜１０７や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層１０３，１０４中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。

燃料電池２０には、発生した廃熱を冷却するものとして、水冷式と空冷式の燃料電池システムがある。

水冷式燃料電池システムは、比較的に大電力を発電可能であるが、冷却システムにラジエータ、冷却水ポンプ、リザーバタンク、配管類が必要であり、燃料電池スタックの出力密度を向上させるために、吸気空気を圧縮するコンプレッサを始めとして多くの補機類が備えられる。このため、水冷式燃料電池システムは、システムの複雑化、大型化、重量化、高コスト化を招いている。

これに対し、コンプレッサやラジエータ、冷却水ポンプ等の補機類を極力廃し、燃料電池２０の冷却に空冷方式を採用し、システム構成を簡素化した空冷式の燃料電池システムが用いられる。本実施形態の燃料電池２０は、燃料に水素ガスを用いたシンプルな空冷式燃料電設置システムが用いられる。

図９は、燃料に水素ガスを用いた空冷式燃料電池システム１１０を示している。空冷式燃料電池システム１１０は、最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池スタック６１を備え、燃料電池スタック６１に水素ガスを供給する水素ガス供給装置１１１を備えている。水素ガス供給装置１１１は、燃料タンク２１として高圧の燃料タンク（水素タンク）２１に貯蔵した圧縮水素ガスを、水素供給配管７５により減圧弁７７を介して燃料電池スタック６１のアノード吸気部１１２に導入する。その際、燃料（水素）ガスの断熱膨張による温度低下で、燃料タンク（水素タンク）２１、水素供給配管７５、減圧弁７７を始めとする水素系部品が積極的に冷却される。

また、カソード吸気部１１３に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池スタック６１内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、冷却媒体として燃料電池スタック６１における廃熱を奪い、燃料電池スタック６１を冷却する役割を有している。

水素との反応後の余剰空気及び燃料電池スタック６１を冷却後の空気は、図９に示すように、燃料電池スタック６１のカソード排気部１１４からカソード排気として排気ダクト５９に排出され、外気に放出される。燃料電池スタック６１で発電に使用されなかった余剰水素ガスは、アノード排気部１１５からアノード排気として水素パージ配管１１６に排出される。水素パージ配管１１６は、排気ダクト５９の途中に接続されている。水素パージ配管１１６に排出されたアノード排気は、パージ弁１１７を経て排気ダクト５９のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出する。

このように、低圧のブロアファン１１８により反応ガス兼冷却媒体としての空気の供給を行う空冷式の燃料電池システム２０においては、消費電力の低下やシステムの小型・軽量・簡素化が図られる一方で、空気流量の制限により水冷式の燃料電池システムに比べて冷却能力が相対的に低く、故に燃料電池スタック６１の運転可能な温度範囲が狭いことがある。このため、夏季などの高温時に燃料電池スタック６１のオーバーヒートに繋がる懸念がある。

本実施形態では、図２および図９に示すように、燃料電池二輪車１０の車両前面の吸気取入口７３から取り入れられた空気（外気）は吸気通路７４を通って燃料電池２０に導かれる。その際、吸気取入口７３は車両前面に備えられているために、車両走行時の正圧が、吸気取入口７３から取り入れられる空気（外気）に作用して、空気は吸気通路７４を経て燃料電池２０側に押し込まれる。これにより、燃料電池２０のファン５７の回転数を低減させることができ、ファン５７の消費電力を低減させることができる。ファン５７は図９に示されたブロア（送風）ファン１１８のように燃料電池２０の上流側に設置してもよい。

また、燃料電池２０へ燃料を供給する燃料タンク２１から燃料である水素を放出する際の断熱膨張効果により燃料タンク２１は冷却され、温度が下がる。その結果、燃料タンク２１の周りを通過する反応用兼冷却用の空気は積極的に冷却され、燃料電池２０の冷却効果が向上するとともに、要求風量を節約することができる。結果的にファン５７の負荷を減らすことができるので使用電力の節約に効果がある。

燃料タンク２１は車両の中心軸線と平行に搭載して後端部に燃料ガス取出し（水素供給）配管７５および燃料ガス遮断弁７６を配置している。また、燃料電池二輪車１０は、空冷式燃料電池２０から前方に延びる吸気ダクト５４が、吸気取入口７３を下向きに開口してこの開口が燃料タンク２１の燃料ガス取出し（水素供給）配管７５および燃料ガス遮断弁７６を上側から覆うように配置される。

燃料タンク２１の本体はＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で形成されており、断熱膨張による燃料ガスの熱が伝わり難く温度が下がり難い。これに対して燃料タンク２１の後端部（弁部６７）に設けられて内部の燃料ガスを出し入れする燃料取出配管７５を接続部分はアルミ合金で形成されていて燃料ガスの熱が伝わり易くかつ温度が下がり易く、燃料タンク２１の中で最も温度が低くなる箇所である。これにより、最も温度が低くなる箇所と吸気ダクト５４の吸気取入口７３を接近して配置すれば、より温度の低い空気を供給することが可能になる。

空冷式の燃料電池がより大きな起電力を得るにはより大量の水素ガス燃料を消費して燃料電池２０の温度が上昇してより大量の冷却空気で冷却する必要がある。燃料タンク２１が水素ガス燃料を多く供給すれば、燃料タンク２１は燃料ガス（水素）の断熱膨張により、より温度が下がる、この燃料タンク２１によって吸入空気の温度が下がるので、燃料電池２０の起電力の増減にも効果を発揮することができる。

さらに、燃料電池二輪車１０は、車両本体１１の後部に配置されたシート１９と共に左右上下から覆う後部ボディカバー５２と、シート１９より前方でフットレスト３６が備えられた車体中央部を左右上下から覆う中央ボディカバー５１と、車両本体１１の前部を前方から覆う前部ボディカバー５０とから、車両本体１１を覆う車両外装１８が構成される。

中央ボディカバー５１で吸気通路７４を構成したので、吸気通路７４を形成する専用の部品が不要となり、配設のためのスペースも不要になる。したがって、部品の削減により重量およびコストの低減を図ることができ、燃料電池二輪車１０がコンパクトになる効果が期待できる。

その上、燃料電池二輪車１０は、燃料タンク２１を中央ボディカバー５１で覆われた車体中央部に配置する一方、燃料電池２０は燃料タンク２１よりも後方のシート１９および後部ボディカバー５２で覆われた車体後部に配置される。そして、中央ボディカバー５１の前部に車両前方に開口する吸気取入口７３を設けて燃料タンク２１の周囲に空気が流れる吸気通路７４に形成され、この吸気通路７４は燃料タンク２１の後端部（弁部）６７から燃料電池２０に向って後上方に、斜めに延びる吸気ダクト５４を設けられる。

このため、吸気通路７４の吸気取入口７３を車両の進行方向前方に向けて形成することができ、車両走行による走行風を取り入れることができるので送風（吸入）ファンの負荷を減らすことができ、使用電力の節約に効果がある。

さらに、車両外装１８で取り囲まれたセンタートンネル領域４４の吸気通路７４内に設けられた燃料タンク２１および水素系部品は、メインフレーム（２９，３０）の内側に配置される。したがって、燃料タンク２１や水素系部品は外部からの機械的・物理的ダメージから保護される一方、吸気通路７４に案内される吸入空気は、燃料タンク２１や水素系部品の搭載部を通過するために、吸入空気は、燃料である水素ガスの断熱膨張による冷却作用により、積極的に冷却され、吸入温度の温度低減に寄与される。

また、中央ボディカバー５１、後部ボディカバー５２、シート１９およびアンダーカバー７０からなる車両外装１８で囲まれた車両内部を、吸気取入口７３から燃料電池２０に至る吸気パスとすることができ、複雑な狭いスペースに吸気ダクト５４を構築することによる吸気の圧力損失の上昇を回避することができ、部品点数削減やコスト低減を図ることができる。

さらに、吸気通路７４を通り、燃料タンク２１および水素系部品を通過して冷却された冷却空気と吸気ダクト５４により燃料電池２０に積極的に導くことができるので、燃料電池２０は有効的に効率よく冷却される。

燃料電池二輪車１０は、車体中央部の上下高さが前記車体後部に配置されたシート１９の座面よりも低く形成されて左右にフットレスト３６を設けると共にこの左右のフットレスト３６の間が上向きに膨らんで車体中央部を前後に亘って延びるセンタートンネル領域４４を形成し、このセンタートンネル領域４４に燃料タンク２１が配置される。

吸気通路７４を形成する中央ボディカバー５１の横断面積が燃料タンク２１の大きさに合わせて形成できるので、通過する空気と燃料タンク２１との接触確率が高まり、空冷式燃料電池２０に供給する吸入空気と燃料タンク２１との間の熱交換率が向上して、吸入空気全体の温度を低下させることができる。

一方、燃料電池２０は、燃料ガスとしての水素と反応ガスとしての酸素との電気化学反応により発電が行なわれるが、この電気化学反応には適切な反応温度が存在する。低温下や高温下では反応効率が低下し、特に高温になり過ぎると、燃料電池２０の電子寿命が損なわれる。

しかし、本実施形態の燃料電池二輪車１０では、燃料電池２０に供給される反応ガスとしての流入空気を、燃料タンク２１やその水素系部品廻りを通すことで、燃料としての水素ガスの断熱膨張作用により積極的に冷却するので、燃料電池２０への吸入空気が、周囲環境によって異常な値になるのを確実かつ有効的に防止することができる。したがって、燃料電池スタック６１は効率的に冷却され、長寿命化を図ることができる。

本実施形態においては、空冷式燃料電池システムの燃料電池２０が、大きな起電力を行なうためには、大量に水素ガス燃料を消費すると、燃料電池２０の温度が上昇するために、燃料電池２０はより大量の冷却空気で冷却する必要がある。この燃料電池二輪車１０では、燃料タンク２１から燃料電池２０に水素ガス燃料を多く供給すれば、燃料ガスの断熱膨張効果が大きくなり、燃料タンク２１および水素系部品は冷却され、より温度が低下する。吸気通路７４に配置された燃料タンク２１や水素系部品により燃料電池２０の吸入空気の温度が下がるので、燃料電池２０の起電力が増減する双方で、燃料電池２０の効率的な発電に寄与することができる。

本発明の実施形態においては、スクータ型自動二輪車の燃料電池二輪車に適用した例を説明したが、燃料電池を搭載した自動二・三輪車やバギー車両等の鞍乗型車両に適用することもできる。

１０…燃料電池二輪車、１１…車両本体、１２…前輪、１３…操向ハンドル、１４…後輪、１５…モータ（車両駆動モータ）、１７…車体フレーム、１８…車両外装、１９…シート（運転シート）、２０…燃料電池（空冷式燃料電池システム）、２１…燃料タンク、２２…二次電池、２３…電力管理装置、２６…ヘッドパイプ、２７…上部ダウンフレーム、２８…下部ダウンフレーム、２９…アッパーフレーム、３０…ロアーフレーム、３２…フロントフォーク、３３…ピボット、３４…スイングアーム、３５…リアクッションユニット、３６…フットレスト、３７…サイドスタンドブラケット、３８…サイドスタンド、３９…ガードフレーム、４０…センタースタンド、４１…フロントフェンダ、４２…ステアリング機構、４４…センタートンネル領域、４５…機器搭載領域、４６…タイヤハウス領域、４８…隔壁部材、５０…前部ボディカバー（フロントレッグシールドカバー）、５１…中央ボディカバー（フロントフレームカバー）、５２…後部ボディカバー（リアーフレームカバー）、５４…吸気ダクト、５５…フィルタ、５６…排気プレナム、５７…ファン、５８…排気口、５９…排気ダクト、６０…排気口、６１…燃料電池スタック、６３…クランプバンド、６５…圧力容器、６６…遮断弁（元弁）、６７…弁部、６８…燃料充填口、６９…燃料充填用継手、７０…アンダーカバー、７３…吸気取入口、７４…吸気通路、７５…水素供給配管（燃料取出配管）、７７…圧力レギュレータ、７８…圧力センサ、７９…水素充填配管、１００…セル、１０１…アノード極（陽極）、１０２…カソード極（陰極）、１０３，１０４…拡散層、１０５，１０６…触媒層、１０７…電解質膜、１０８…外部回線、１０９…負荷（車両駆動モータ）、１１０…空冷式燃料電池システム、１１１…水素ガス機器装置、１１２…アノード吸気部、１１３…カソード吸気部、１１４…カソード排気部、１１５…アノード排気部、１１６…水素パージ配管、１１７…パージ弁、１１８…ブロアファン。

Claims (5)

1. 駆動輪を駆動する電動機と、この電動機に電力を供給する空冷式の燃料電池と、この燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとを備えた燃料電池二輪車において、
   前記燃料電池に反応用兼冷却用の空気を供給する吸気通路を設け、
   前記吸気通路の途中に前記燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料タンクを配置し、
   前記燃料タンクは車両の中心軸線と平行に搭載して後端部に燃料ガス取出し配管および燃料ガス遮断弁を配置し、
   前記燃料電池から前方に延びる吸気ダクトは、その吸気取入口の開口が前記燃料タンクの燃料ガス取出し配管および燃料ガス遮断弁を上側から覆うように配置され、
   前記燃料タンクから前記燃料電池に燃料ガスを供給する際、前記燃料ガスの断熱膨張により、前記吸気通路を通る空気を冷却したことを特徴とする燃料電池二輪車。
2. 車両本体の前部を覆う前部ボディカバーと、前記車両本体の中央部を覆う中央ボディカバーと、前記車両本体の後部をシートと共に覆う後部ボディカバーとにより、前記車両本体を覆う車両外装が構成され、
   前記燃料タンクは、前記中央ボディカバーで覆われて前記車両本体の中央部に配置され、
   前記燃料電池は、前記燃料タンクより後上方に位置して、前記シートおよび後部ボディカバーで覆われ、前記車両本体の後部に配置された請求項１に記載の燃料電池二輪車。
3. 前記中央ボディカバーの前部に、車両前方に開口する吸気取入口が設けられ、
   前記吸気通路は、前記吸気取入口から前記燃料タンクの周囲を流れる吸入空気が前記燃料電池に案内される構成を備えた請求項２に記載の燃料電池二輪車。
4. 前記燃料タンクから前記燃料電池に向って車両後方の斜め上方に吸気ダクトが延設された請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池二輪車。
5. 前記車両本体の中央部の上下高さが前記車両本体の後部に配置されたシートの底面より低く形成されて左右にフットレストが設けられるとともに、前記左右のフットレスト間が上向きに膨らんで前記車両本体の中央部と車両前後方向に延びるセンタートンネル領域が形成され、
   前記センタートンネル領域に前記燃料タンクが横臥状態で配置された請求項２に記載の燃料電池二輪車。

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