TWI284609B - Fuel cell vehicle - Google Patents

Description

(1) 1284609 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於將燃料電池作爲動力能源來行駿的燃料 電池車輛，特別是關於能有效率地冷卻電機電路的構造的 燃料電池車輛。 【先前技術】 以往所習知的燃料電池式的機車，是將藉由燃料電池 所發電的電力供給到馬達，藉由該馬達來驅動後輪。在燃 料電池系統，是藉由作爲燃料氣體的氫氣與作爲反應氣體 的氧氣的電化學反應，來進行發電，可是，該電化學反應 有其適當的反應溫度，在低溫下或高溫下反應效率都會降 低，特別是太過局溫的話會縮短燃料電池的使用壽命。於 是，在燃料電池的發電系統，需要用來將燃料電池發電中 所產生的熱量散出到燃料電池外部，且用來將燃料電池的 運轉溫度保持在預定的溫度範圍的冷卻裝置。 一般來說，燃料電池組套是複數的單電池的積疊構造 體，在各單電池是中介安裝著冷卻板。在冷卻板形成有冷 卻氣體通路，藉由讓冷卻氣體流動於該冷卻氣體通路來冷 卻組套。 在曰本特開平200 1 — 3 5 1 65 2號公報中，是揭示了以 冷卻風扇導入外氣來冷卻燃料電池組套，並且讓冷卻燃料 電池組套的外氣通過燃料鋼瓶周圍後將其排出的冷卻構 造。 -4- (2) 1284609 【發明內容】 〔發明欲解決的課題〕 在上述習知技術中，燃料電池是配合驅動馬達的規格 電壓設計，爲了將其利用爲輔助機件用的電力需要降頻變 頻器。在降頻變頻器是將功率電晶體進行切換控制，其發 熱量很大所以需要設置冷卻裝置。 可是，在上述習知技術中，除了冷卻燃料電池組套或 燃料鋼瓶的機構之外，還必須另外設置降頻變頻器用的冷 卻機構。因此，會導致零件數量的增加、車重的增加及成 本上升，必須在機車有限的空間配置複數的冷卻機構，而 會有限制設計的自由度的技術課題。 本發明的目的，是爲了解決上述習知技術的課題，要 提供一種燃料電池車輛，其構造能有效率地冷卻降頻變頻 器等的電機電路。 〔用以解決課題的手段〕 爲了達成上述目的，本發明，是以使反應氣體與燃料 氣體進行電化學反應所得到的電力來行駛的燃料電池車 輛，其特徵如下。 (1 )是包含有：覆蓋儲存燃料氣體的燃料鋼瓶、在 與該燃料鋼瓶之間形成從車體前方朝向後方連通的通風路 的燃料鋼瓶外殼、以及在上述燃料鋼瓶的後方，是以與上 述通風路的後側開口部相對向的方式配置的電機電路。 -5- 1284609 (3) (2)包含有覆蓋上述電機電路的電機電路外殼。 (3 )是使上述電機電路外殻的前面部朝後上方傾 斜，讓上述通風路的後側開口部與上述傾斜的前面部的下 部相對向。 (4) 包含有：其中一端指向車體前方而開口 ’另一 端連結於上述通風路的前側開口部的進氣導管。 (5) 在燃料鋼瓶及電機電路包含有共通的通風路。 藉由上述特徵（1 )，由於可以將外氣僅集中供給到 燃料鋼瓶的周圍，所以能有效率地冷卻燃料鋼瓶。而以冷 卻燃料鋼瓶的外氣，也可以冷卻電機電路。 藉由上述特徵（2)，由於不是使電機電路直接暴露 於使燃料鋼瓶冷卻的外氣，所以即使燃料氣體從燃料鋼瓶 漏出混入到外氣，對電機電路也不會有不好的影響。 藉由上述特徵（3 )，使燃料鋼瓶冷卻的外氣，會從 電機電路外殼的前面下部沿著傾斜面上升，藉此增加電機 電路外殼暴露於外氣的表面積，所以可提高冷卻效率。 藉由上述特徵（4)，不用設置送風風扇就可將外氣 導入到通風路。 藉由上述特徵（5 )，僅以一個通風路，就可冷卻燃 料鋼瓶及電機電路雙方。 【實施方式】 以下’參照圖面針對本發明的較佳實施方式來詳細說 明。第1圖是顯示本發明的燃料電池機車的主要部分的構 - 6 - (4) 1284609 造的局部剖面側面圖，第2圖是其立體圖，第3圖是示意 性地顯示車體框架的骨架的圖面。 車體框架10，是包含：頭管11、以該頭管11作爲起 點朝斜下方延伸的左右的一對上部下框架1 3 ( L、R )、 在較上述上部下框架13更下方，以上述頭管丨丨爲起點朝 下方延伸的左右的一對下部下框架12(L、R)、從上述 下部下框架1 2的略中央部朝斜上方延伸，在其途中部連 結著上述上部下框架13的另一端的左右的一對上框架14 (L、R)、以及在較上述上框架14更下方，而從上述下 部下框架1 2的下端朝後方延伸的左右的一對低框架i 5 (L、R )。 上述車體框架10，是略四角形的環狀構造，在其四 個角落是具備有：用來支承上述上框架14及低框架15的 後端的環狀框架1 6、從上述低框架1 5的後端朝斜上方延 伸的後板1 7、以及在連結著上述上框架1 4及低框架1 5 的位置，將上述左右的下部下框架12(L、R)予以連結 的上部連結框架1 8及下部連結框架1 9。 在上述頭管1 1，是可轉向地支承著··用來軸支承前 輪WF的前叉32及連結在上述前叉32的轉向車把30。在 上述後板1 7的下方，是以軸部2 1爲支點，可自由擺動地 軸支承著左右的一對擺動框架20，在其後端支承著作爲 驅動輪的後輪RW。 本發明的機車，作爲燃料電池系統，是具備有：內置 有燃料電池組套4 8的燃料電池箱4 2、用來儲存供給到上 -7- (5) 1284609 述燃料電池箱42內的燃料電池組套的燃料氣體（氫氣） 的燃料鋼瓶4 1、以及吸入外氣作爲掃氣氣體與反應氣體 與冷卻氣體將其供給到燃料電池箱42內的配管系統43， 並且，搭載有作爲輔助電源的複數的二次電池8 1、8 3及 燃料電池8 2。 上述燃料鋼瓶4 1，是以在上述左右的上框架1 4之間 被支承在這些構造的方式，將其封閉閥44側朝向後方， 且以傾斜成讓其封閉閥的一端較另一端更高的橫臥姿勢， 沿著該上框架1 4被搭載於較乘坐座墊3 1更前方處。 第4圖是顯示藉由上框架14來支承上述燃料鋼瓶41 的情況的正面圖，左右的上框架1 4 ( L、R )，其兩者的 間隔從上部起朝向下部是越來越狹窄，所以能夠以橫臥姿 勢支承燃料鋼瓶4 1。在上述上框架丨4的上述燃料鋼瓶4 1 的抵接面安裝著衝擊吸收構件4 5。上述燃料鋼瓶4 1，相 對於左右的上框架14，如後詳述，是藉由捆束帶24、25 等的適當的綑束構件而堅固地被捆束著。 在上述燃料鋼瓶4 1的下方，燃料電池箱4 2，是位於 上述左右的一對低框架1 5之間，且沿著連結前輪f w的 旋轉軸與後輪RW的旋轉軸的直線，並且與該直線重疊 著，藉由設置在上述左右的上框架14(L、R)的兩處 (總計四處）位置的托架3 8、3 9被懸吊固定著。 在本實施方式中，是將燃料鋼瓶41及燃料電池箱4 2 配置成：讓上述燃料鋼瓶4 1位在燃料電池組套的略正上 方，且乘坐座墊3 1位於其構造後方，所以藉由質量的集 -8- (6) 1284609 中能提升駕駛性。而由於燃料鋼瓶4 1及燃料電池箱42是 配置在較乘坐位置更前方處，所以可減少以往過多的後輪 負荷分擔，另一方面能增加以往過少的前輪的負荷分擔， 能將前後輪的負荷分擔適當化。並且，能將燃料鋼瓶41 與燃料電池組套接近配置，所以能縮短燃料氣體供給通路 的長度。 作爲輔助電源的二次電池8 1、8 3及燃料電池8 2，是 分別分散配置在車輛的前方、座墊3 1的下方及車輛後 方。而在座墊3 1的後方，是搭載有將燃料電池系統的輸 出電壓變換成輔助機件用的電壓（例如1 2 V )的降頻變頻 器8 4及其周邊電路（以下也有表示爲作爲總稱的電機電 路84的情況）。在車體的前方，用來吸入外氣作爲掃氣 氣體、反應氣體或冷卻氣體將其強制供給到上述燃料電池 箱4 2的鼓風機模組6 0，是被安裝在從上述頭管1 1朝前 方延伸的前框架22。 第15圖，是在安裝著以外氣來將上述燃料鋼瓶41及 電機電路84予以冷卻的冷卻機構的狀態的局部剖面立體 圖，與上述相同的圖號則代表相同或同等部份。 燃料鋼瓶外殼6 6 ’是以其外表面與燃料鋼瓶之間形 成從車體則方連通到後方的通風路，且在外表面與燃料鋼 瓶之間確保預定的間隙的方式’覆蓋著燃料鋼瓶4 1。電 機電路外殼67，是覆蓋上述電機電路84、二次電池82及 電池8 3，其前面部6 7 a是朝後上方傾斜。排氣導管6 8， 是用來將從上述燃料鋼瓶4 1與燃料鋼瓶外殼6 6之間所形 -9 - (7) 1284609 成的連通路所排出的外氣朝向上述電機電路外殻6 7的 面部67a的下側導出。左右的一對進氣導管69 ( L、R 其進氣口是指向車體前方，排氣口則是與上述通風路 通。 藉由該構造，當從進氣導管69所吸入的外氣，被 給到形成於上述燃料鋼瓶4 1與燃料鋼瓶外殼66之間的 風路，而將燃料鋼瓶41冷卻之後，又會沿著電機電路 殻6 7的傾斜面朝後方流動，將電機電路外殻6 7內的電 電路84加以冷卻。於是，不用設置送風風扇或鼓風機 的送風手段，而能有效率地冷卻燃料鋼瓶4 1及電機電 84雙方。 藉由本實施方式，由於不是將電機電路84直接暴 於冷卻燃料鋼瓶4 1的外氣，所以即使燃料氣體從燃料 瓶4 1漏出混入到外氣，對電機電路8 4也不會有不好的 響。換言之’藉由本實施方式，冷卻了燃料鋼瓶41之 的外氣，也可以冷卻電機電路8 4，所以不需要分別吸 用來冷卻電機電路84的外氣與用來冷卻燃料鋼瓶4 1的 氣。 第5圖是從車體的右斜前方來看上述鼓風機模組 的視圖’第6圖則是從左斜前方來看的視圖，與上述相 的圖號是表示同一或同等部分。 鼓風機模組60，是以：內置有鼓風機馬達及鼓風 風扇（都沒有圖示）的鼓風機主體61、空氣濾淸器6 3 以及用來連結上述鼓風機主體6 1與空氣濾淸器6 3的進 刖 ) 連 供 通 外 機 等 路 露 鋼 影 後 入 外 60 同 機 氣 -10- (8) 1284609 管62爲主要構造。上述空氣濾淸器63，如第7圖所示， 是在由右盒體63a及左盒體63b所構成的盒體內，內置有 空氣過濾器63c。在右盒體63a的下側端面是開設有用來 吸入外氣的吸氣口 64，在左盒體6 3 b的正面是開設有排 氣口 65。在上述排氣口 65連結著上述吸引管62。 上述空氣濾淸器63，如第5圖所示，是以將其吸氣 口 64朝向車體右側的斜下方的姿勢被安裝在車體。在上 述空氣濾、淸器63的側面設置有缺口 63d，在該缺口 63d 是收容著上述鼓風機主體61的鼓風機馬達部61a。 鼓風機主體61作動時，進氣管62內會成爲負壓，會 從空氣濾淸器63的進氣口 64吸引外氣。該外氣在空氣濾 淸器63內藉由過濾器63c過濾之後，會從上述排氣口 65 被吸入到進氣管6 2內，經由鼓風機馬達6 1而被供給到送 風通路71。 在該實施方式，是使用鼓風機模組60來壓縮外氣將 其供給到燃料電池箱42，而可提升燃料電池的發電效 率。在本實施方式中，是藉由將空氣濾淸器63配置在較 鼓風機主體6 1更上流側，所以能以空氣濾淸器63來減低 鼓風機主體61所產生的進氣噪音。並且，在本實施方式 中，是讓空氣濾、淸器63的進氣口 64指向車體的下方，而 能防止雨水侵入到進氣口 6 4。 第8圖、第9圖，是顯示連結於上述鼓風機模組60 的後段的配管系統43的構造的側面圖（第8圖）及上面 圖（第9圖），與上述相同的圖號則表示相同或同等部 -11 - 、74， (9) 1284609 分。 在上述送風通路71，是設置有兩個旁流閥73 從上流側旁流閥7 3起，是分歧出了用來將外氣作 氣體導入到燃料電池箱42內的掃氣氣體供給通路 流側旁流閥7 3，是電磁式閥，僅當該閥開啓時， 氣供給到上述掃氣氣體供給通路7 2 °下流側旁流閥 內置有電磁式的三向閥，上述送風通路71 ’在上 側旁流閥74，是分歧成反應氣體供給通路7 5與冷 供給通路79。上述上流側及下流側的各旁流閥73 是藉由掌管車輛控制的ECU等來進行開閉控制。 上述反應氣體供給通路7 5，是將從送風通路Ί 給的外氣作爲反應氣體（氧氣）供給到燃料電： 48。上述冷卻氣體供給通路79，是將從送風通路7 給的外氣作爲冷卻氣體供給到燃料電池組套4 8。 應氣體供給通路75及冷卻氣體供給通路79，爲了 於行駛氣流讓內部的氣體（空氣）冷卻，而分開成 左側（冷卻氣體供給通路79 )及右側（反應氣體 路 7 5 ) 〇 在本實施方式中，點火開關啓動時，上述鼓風 60會開始作動而進行外氣的吸入及加壓輸送，外 風通路71的上流側旁流閥7 3經由掃氣氣體供 7 2 ’作爲掃氣氣體被供給到燃料電池箱4 2內。同 本實施方式中，上述下流側旁流閥7 4會開啓，外 由反應氣體供給通路7 5被供給到燃料電池組套4 8 爲掃氣 72。上 會將外 74則 述下流 卻氣體 、74， 1所供 池組套 1所供 上述反 要暴露 車體的 供給通 機模組 氣從送 給通路 時，在 氣會經 ，並且 - 12- (10) 1284609 經由冷卻氣體供給通路79被供給到燃料電池組套48 ° 另一方面，在本實施方式中，會藉由沒有圖示的溫度 感應器，經常測量燃料電池組套48的溫度Tbatt，當點火 開關啓動時，上述組套溫度Tbatt會與預定的基準溫度 Trefl比較。上述下流側旁流閥 74，是控制成：如果 Tbatt CTrefl的話，從送風通路71所供給的外氣則不會 供給到反應氣體供給通路75側或是冷卻氣體供給通路 79，如果Tbatt - Trefl的話，則停止對反應氣體供給通路 75側的供給，僅持續進行對冷卻氣體供給通路79的供 給。 在上述燃料電池箱42，又連接著：用來將上述掃氣 氣體排出的掃氣出口通路76及讓被淸掃的燃料氣體（氫 氣）排出的氫氣出口通路77，各通路的另一端是被連結 在滅音器70。上述掃氣氣體及被淸掃的氫氣，會在上述 滅音器7 0混合被排出到外部。在本實施方式中，由於是 將掃氣氣體及被淸掃的氫氣經由滅音器70排出，所以可 以使排氣噪音減低。 上述燃料鋼瓶4 1與燃料電池箱42是在燃料氣體供給 通路78被連接，是經由該燃料氣體供給通路78，從燃料 鋼瓶4 1將燃料氣體（氫氣）供給到燃料電池箱42內的燃 料電池組套4 8。在本實施方式中，會監測構成燃料電池 組套的各電池的電壓，即使其中一個低於基準電壓時，就 會進行氫氣淸掃動作。 第1 0圖、第1 1圖，是上述燃料電池箱42 (第8 -13- (11) 1284609 圖）的A— A線剖面圖及B — B線剖面圖，與上述 圖號則表示相同或同等部分。 在燃料電池箱42內，是支承著略長方體狀的 池組套4 8，讓其六個面與箱體盒體4 2 a、4 2 b之間 掃氣用的空間。從上述掃氣氣體供給通路72作爲 體被導入到燃料電池箱42內的外氣，會掃除滯留 盒體42a、42b與燃料電池組套48之間的空間的氣 上述掃氣出口通路76排出。 第1 2圖，是上述燃料電池組套4 8的立體圖， 部分也就是積疊體90，是將複數的電池50積疊在 方向，在其兩側配置集電電極5 8所構成。第1 3圖 電池的俯視圖，第1 4圖是其A — A線剖面圖。 電池50，如第14圖所示，是重疊著：負極 51、負電極52、燃料電池用離子交換膜53、正電韦 正極側隔板5 5所構成，並且如第1 3圖所示，是開 穿其構造的冷卻氣體歧管5 6及反應氣體歧管5 7。 電極52及正電極54，是以觸媒層或多孔支承層所 具有氣體擴散機能。 在負極側隔板5 1，在其外側正面形成有冷卻 路溝槽5 1 a，在內側正面也就是與上述離子交換膜 對向的面形成有氫氣流路溝槽5 1 b。在正極側隔板 與上述離子交換膜5 3相對向的面形成有空氣流 5 5b。上述冷卻氣體流路溝槽51a，是與上述冷卻 管56連通，上述空氣流路溝槽55b是與上述反應 相同的 燃料電 能確保 掃氣氣 在箱體 體而從 其主要 箭頭A 是上述 側隔板 ! 54及 設有貫 上述負 形成而 氣體流 53相 52的 路溝槽 氣體歧 氣體歧 -14- (12) 1284609 管5 7連通。而雖然省略圖示，從上述燃料鋼瓶$丨經由燃 料氣體供給通路7 8所供給的燃料氣體，會被供給到形成 於上述負極側隔板5 1的氫氣流路溝槽5〗匕。 回到第12圖，上述積疊體9〇，是藉由：配置在積疊 方向的兩側的端板93、配置在側面的側板94、配置在上 側的頂板9 5、及配置在底部的底板9 6所覆蓋，是被加壓 保持成經常有彈性力作用於其積疊方向。 在端板93側的端部’是設置有反應氣體導入口 9 1及 冷卻氣體導入口 92。上述反應氣體導入口 91是與上述反 應氣體歧管57連通，是從上述反應氣體供給通路75導入 外氣作爲發電用的反應氣體。該反應氣體會經由反應氣體 歧管5 7被供給到空氣流路溝槽5 5 b。該反應氣體會經由 反應氣體歧管5 7被供給到空氣流路溝槽5 5 b。上述冷卻 氣體導入口 92是與上述冷卻氣體歧管56連通，從上述送 風通路71的端部導入冷卻氣體。該冷卻氣體會經由上述 冷卻氣體歧管5 6被供給到上述冷卻氣體流路溝槽5 1 a。 在上述實施方式，雖然將本發明是用於機車，而本發 明並不限於此，也可適用於三輪車或四輪車。 〔發明效果〕 藉由本發明，可以達成如下的效果。 (1 )藉由第1發明，由於可以將外氣僅集中供給到 燃料鋼瓶的周圍，所以能有效率地冷卻燃料鋼瓶。而以冷 卻燃料鋼瓶的外氣，也可以冷卻電機電路。 -15- (13) 1284609 (2 )藉由第2發明，由於不是使電機電路直接暴露 於使燃料鋼瓶冷卻的外氣，所以即使燃料氣體從燃料鋼瓶 漏出混入到外氣，對電機電路也不會有不好的影響。換言 之，冷卻了燃料鋼瓶之後的外氣，也可以冷卻電機電路， 所以不需要分別吸入用來冷卻電機電路的外氣與用來冷卻 燃料鋼瓶的外氣。 (3 )藉由第3發明，使燃料鋼瓶冷卻的外氣，會從 電機電路外殼的前面下部沿著傾斜面上升，藉此增加電機 電路外殻暴露於外氣的表面積，所以可提高冷卻效率。 (4)藉由第4發明，不用設置送風風扇就可將外氣 導入到通風路。 (5 )藉由第5發明，僅以一個通風路，就可冷卻燃 料鋼瓶及電機電路雙方。 【圖式簡單說明】 第1圖是顯示本發明的燃料電池機車的主要部分的構 造的局部剖面側面圖。 第2圖是顯示本發明的燃料電池機車的主要部分的構 造的局部剖面立體圖。 第3圖是示意性地顯示車體框架的骨架的圖面。 第4圖是顯示藉由上框架來支承燃料鋼瓶的情況的正 面圖。 第5圖是從車體的右斜前方來看鼓風機模組的視圖。 第6圖是從車體的左斜前方來看鼓風機模組的視圖。 -16- (14) 1284609 第7圖是空氣濾淸器的構造的顯示圖。 第8圖是顯示連結於鼓風機模組的後段的配管系統的 構造的側面圖。 第9圖是顯示連結於鼓風機模組的後段的配管系統的 構造的上面圖。 第1 0圖是第8圖所示的燃料電池箱的A— A線剖面 圖。 第1 1圖是第8圖所示的燃料電池箱的B — B線剖面 圖。 第1 2圖是燃料電池組套的立體圖， 第1 3圖是單電池的俯視圖。 第1 4圖是第1 3圖的A — A線剖面圖。 第1 5圖是在安裝著以外氣來將燃料鋼瓶及電機電路 予以冷卻的冷卻機構的狀態的局部剖面圖。 〔主要元件符號說明〕 10 :車體框架 1 1 :頭管 1 2 :下部下框架 1 3 :上部下框架 1 4 :上框架 1 5 :低框架 1 6 :環狀框架 3 0 :轉向車把 -17- (15) (15)1284609 32 :前叉 4 1 :燃料鋼瓶 42 :燃料電池箱 4 8 :燃料電池組套 5 1 :負極側隔板 5 2 :負電極 5 3 :燃料電池用離子交換膜 5 4 :正電極 5 5 :正極側隔板 60 :鼓風機模組 6 1 :鼓風機主體 62 :進氣管 63 :空氣濾淸器 64 :進氣口 6 5 :排氣口 71 :送氣通路 72 :掃氣氣體供給通路 73、74 :旁流閥 75 :反應氣體供給通路 78 :燃料氣體供給通路 79 :冷卻氣體供給通路 81、8 3 :二次電池 -18-

Claims (1)

1. (1) 1284609 拾、申請專利範圍 1 · 一種燃料電池車輛，是針對以將燃料氣體與反應氣 體供給到燃料電池組套所得到的發電電力來行駿的燃料電 池機車，其特徵爲： 是包含有： 用來儲存上述燃料氣體的燃料鋼瓶、 覆盡上述燃料鋼瓶’在與該燃料鋼瓶之間形成從車體 前方朝向後方連通的通風路的燃料鋼瓶外殼、 以及在上述燃料鋼瓶的後方，是以與上述通風路的後 側開口部相對向的方式配置的電機電路。 2 ·如申請專利範圍第1項的燃料電池車輛，其中包含 有覆蓋上述電機電路的電機電路外殻。 3 ·如申請專利範圍第2項的燃料電池車輛，其中上述 電機電路外殻’其前面部是朝後上方傾斜，讓上述通風路 的後側開口部與上述傾斜的前面部的下部相對向。 4.如申請專利範圍第1或2項的燃料電池車輛，其中 包含有：其中一端指向車體前方而開口，另一端連結於上 述通風路的前側開口部的進氣導管。 5 . —種燃料電池車輛，是針對以將燃料氣體與反應氣 體供給到燃料電池組套所得到的發電電力來行駛的燃料電 池機車，其特徵爲： 是包含有： 用來儲存上述燃料氣體的燃料鋼瓶、 用來控制車輛的行駿的電機電路、 -19- 1284609 (2) 以及在上述燃料鋼瓶及電機電路所共通的通風路

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