JP5382325B2

JP5382325B2 - 燃料電池を搭載した小型車両

Info

Publication number: JP5382325B2
Application number: JP2009096677A
Authority: JP
Inventors: 浩一田村
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP2010247574A; US8215431B2; US20100258374A1; EP2242139B1; EP2242139A1; ES2631511T3

Description

この発明は燃料電池を搭載した小型車両に係り、特に、燃料電池を冷却した空気や燃料電池から放出された水素を外部に排出するための排気ダクトの通気抵抗の低減を図った燃料電池を搭載した小型車両に関する。

自動二輪車などの小型車両においては、ガソリン等の化石燃料に代わるエネルギ源として、燃料電池を搭載した小型車両が開発されている。この小型車両は、搭載した燃料電池の発生する電力によりモータを駆動し、駆動輪を回転させて走行する。

このような燃料電池を搭載した小型車両としては、燃料電池を後車輪よりも前部に配置し、モータを備えたパワーユニットをフレームに対して上下方向に揺動自在に枢支し、前記燃料電池の内部で生成された水を外部に排出するための排水管を前記パワーユニット内に貫通させて後車輪よりも後方に延長し、排水管の後端に排水口を設けることで、排水が乗員や車輪に飛散することを防止するものがある。

特開２００８−２１３７４２号公報

前記燃料電池を搭載した小型車両においては、燃料電池に空気を導入している。燃料電池に導入される空気には、燃料電池で水素と反応させる酸化剤としての機能と、燃料電池を冷却する冷媒としての機能との、双方の機能がある。空気は、ファンにより燃料電池に導入される。燃料電池を制御する燃料電池システムでは、システム効率を上げるため、消費電力の少ないファンを用い、空気を燃料電池に導入しているものがある。

この場合、従来型である小径の円筒配管では、排気ダクトの通路断面積が狭く、ダクト通路の圧力損失が大きくなってしまったため、消費電力の少ない低出力のファンでは送風能力が低く、十分な空気量を送ることができない欠点があった。また、排気ダクトには、必要に応じて燃料電池から水素がパージされるため、この水素を適切に希釈して車両外部に排出する必要があった。さらに、排気ダクト内の空気には、燃料電池で生成された水（水蒸気）が含まれるため、この水蒸気が凝縮した場合に生成する水を、燃料電池ヘ逆流することなく、外部に排出する必要があった。

この発明は、排気ダクトの圧力損失を小さくして通気抵抗を低くし、低出力の消費電力が少ないファンでも十分な空気量を送ることができて、燃料電池からパージされた水素や排気ダクト内の水を外部に排出することができるシステム効率のよい燃料電池を搭載した小型車両を実現することを目的とする。

この発明は、駆動輪を回転させるモータの電力を発生する燃料電池を搭載した小型車両において、前記小型車両の車体を構成するフレーム上に前記燃料電池を搭載し、前記燃料電池に空気を導入するファンを備えたファンボックスを設け、前記ファンにより導入されて前記燃料電池を冷却した後の空気を排出する排気ダクトを設け、前記排気ダクトは、前記ファンボックスの後側に接続されて前記燃料電池を冷却した空気を導入する第１排気ダクトと、前記第１排気ダクトの後側に接続されて前記第１排気ダクトの空気を車両後部から排出する第２排気ダクトとに分割し、前記第２排気ダクトは、第１排気ダクトの空気を車両幅方向中央において上側に導く上側第２分岐部と車両幅方向両側に広がり下側に導く下側第２分岐部とに分岐し、前記上側第２分岐部には車両幅方向中央において車両後方に向かい開口する上側第２出口部を備え、前記下側第２分岐部には車両幅方向両側に広がり車両後方に向かい開口する下側第２出口部を備えることを特徴とする。

この発明の燃料電池を搭載した小型車両は、フレームを避けて接続するように排気ダクトを分割しているので、複雑なフレーム構造でも組付け性を向上することができ、車両形状の制約の中で最大限の排気ダクトの通路容積を確保することができる。
また、この発明の燃料電池を搭載した小型車両は、排気ダクトに大きな通路容積を確保することができるので、排気ダクトの圧力損失を小さくして通気抵抗を低くすることができ、ファンの低出力化が可能で、ファンの消費電力を少なくして燃料電池システムのシステム効率向上を図ることができる。

小型車両のテールボディを外した状態の側面図である。（実施例）小型車両のテールボディを外した状態の平面図である。（実施例）燃料電池及び排気ダクトの一部破断した側面図である。（実施例）燃料電池及び排気ダクトの背面図ある。（実施例）小型車両の背面図である。（実施例）燃料電池システムのブロック図ある。（実施例）燃料電池を搭載した小型車両の側面図である。（実施例）

この発明の燃料電池を搭載した小型車両は、排気ダクトの圧力損失を小さくして通気抵抗を低くし、ファンの消費電力を少なくして燃料電池システムのシステム効率向上を図るものである。
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図７は、この発明の実施例を示すものである。図６において、１は燃料電池システムである。燃料電池システム１は、燃料タンク２に貯められた水素とファン３で吸引した外部の空気とを燃料電池４に供給し、電気化学反応で電力を発生する。発生した電力は、電力制御装置５により電力変換分配装置６に供給され、電力変換分配装置６により燃料電池４の発生した電力を二次電池７に供給して充電するとともに、燃料電池４の電力及び／又は二次電池７の電力をモータコントローラ８を介してモータ９に供給して駆動する。
また、燃料電池システム１は、水素と空気中の酸素との反応で昇温した燃料電池４に、ファン３により導入した空気の一部を流通させて冷却している。燃料電池４を冷却した空気は、排気ダクト１０により排出される。排気ダクト１０には、燃料電池４からパージされる水素が水素パージ管１１により排出される。水素パージ管１１によりパージされる水素は、パージバルブ１２により流量、時期を調整される。

この燃料電池システム１は、図７に示すように、小型車両（例えば、自動二輪車）１３に搭載されている。小型車両１３は、車体を構成する左右一対のメインフレーム１４を備えている。メインフレーム１４は、前後に延びた下側フレーム部１５と、この下側フレーム部１５の前側から急な斜め上方に延びた前側フレーム部１６と、下側フレーム部１５の後側から急な斜め上方に延びて途中で折曲して緩やかな斜め上方に延びた後側フレーム部１７とによって、略Ｕ字形状に形成している。
前記左右一対のメインフレーム１４は、急な斜め上方に延びた前側フレーム部１６の前端をそれぞれヘッドパイプ１８に取り付け、ヘッドパイプ１８にフロントフォーク１９を左右操向可能に支持し、フロントフォーク１９の下端に前輪２０を軸支するとともに、フロントフォーク１９の上端に操向用のハンドル２１を取り付け、ヘッドパイプ１８をフロントカバー２２で覆っている。
また、前記左右一対のメインフレーム１４は、前側フレーム部１６の途中と後側フレーム部１７の途中との間をそれぞれアッパフレーム２３で接続し、後側フレーム部１７の後端にそれぞれリヤフレーム２４を接続している。リヤフレーム２４は、後側に向かい次第に急になるような斜め上方に湾曲して延びてから、後端近傍で僅かに緩やかな斜め上方に直線状に延びる形状に形成している。メインフレーム１４は、後側フレーム部１７にスイングアーム２５の前端を枢支し、スイングアーム２５の後端に駆動輪である後輪２６を軸支し、スイングアーム２５をリヤサスペンション２７により前記リヤフレーム２４に支持している。メインフレーム１４には、下側フレーム部１５の後側にセンタスタンド２８を設け、下側フレーム部１５の左側にサイドスタンド２９を設けている。
前記アッパフレーム２３及びリヤフレーム２４の上側には、メインボディ３０を取り付け、フロントシート３１及びリヤシート３２を搭載している。また、リヤフレーム２４には、テールボディ３３を取り付け、テールボディ３３の下部にリヤコンビネーションランプ３４を取り付け、リヤコンビネーションランプ３４の下部にリヤフェンダ３５を取り付けている。リヤフェンダ３５には、図５に示すように、番号表示版３６が取り付けられ、この番号表示版３６を照明する番号表示灯３７を設けている。なお、図５において、符号３８は、左右のサイドフェンダである。

この小型車両１３は、左右一対のメインフレーム１４の下側フレーム部１５と前側フレーム部１６及び後側フレーム部１７に接続したアッパフレーム２３との間に、前記燃料電池システム１の燃料タンク２を搭載している。燃料タンク２には、水素充填口３９を備えている。また、メインフレーム１４の後側フレーム部１７とアッパフレーム２３との上側であってメインボディ３０の下側には、前記電力変換分配装置６と二次電池７とを搭載している。リヤフレーム２４の上側であってメインボディ３０の下側には、前記ファン３と燃料電池４と排気ダクト１０とを搭載している。燃料電池４の上側であってメインボディ３０の下側には、水素センサ４０を備えている。スイングアーム２５には、前記モータ９を搭載している。
この小型車両１３は、燃料電池４の電力及び／又は二次電池７の電力によりモータ９を駆動して、駆動輪である後輪２６を回転させて走行する。

この小型車両１３は、図１・図２に示すように、車体を構成するリヤフレーム２４上に燃料電池４を搭載している。燃料電池４は、車両幅方向に長い四角箱形状に形成され、下部に同形状のファンボックス４１を取り付けてリヤフレーム２４上に前側に下降傾斜するように取り付けている。ファンボックス４１には、前記燃料電池４に空気を導入するファン３を備えている。ファンボックス４１のファン３よりも後側には、空気出口部４２を設けている。
小型車両１３は、ファン３により導入されて燃料電池４を冷却した後の空気を排出する前記排気ダクト１０を設けている。排気ダクト１０は、ファンボックス４１の後側に接続されて燃料電池４を冷却した空気を導入する第１排気ダクト４３と、第１排気ダクト４３の後側にリヤフレーム２４を避けて接続されて第１排気ダクト４３の空気を車両後部から排出する第２排気ダクト４４とに分割している。
前記第１排気ダクト４３は、車両幅方向に延びる箱形状の第１本体４５を備え、第１本体４５の前側に前記ファンボックス４１の空気出口部４２に接続される第１入口部４６を備え、第１本体４５の長手方向中央の後側に中央第１出口部４７を備え、第１本体４５の長手方向両端の後側やや下方にそれぞれ各端第１出口部４８を備えている。
前記第２排気ダクト４４は、車両幅方向に延びて両端が前側に湾曲する箱形状の第２本体４９を備え、第２本体４９の長手方向中央の前側に前記第１排気ダクト４３の中央第１出口部４７に接続される中央第２入口部５０を備え、第２本体４９の長手方向両端の前側下方に前記第１排気ダクト４３の各端第１出口部４８に接続される各端第２入口部５１をそれぞれ備えている。
第２排気ダクト４４は、図３に示すように、中央第２入口部５０及び各端第２入口部５１を第１排気ダクト４３の中央第１出口部４７及び各端第１出口部４８に、シーリング５２を介して接続している。

このように、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、リヤフレーム２４を避けて接続するように排気ダクト１０を第１排気ダクト４３と第２排気ダクト４４とに分割しているので、複雑なフレーム構造でも組付け性を向上することができ、車両形状の制約の中で最大限の通路容積を確保することができる。
即ち、前記排気ダクト１０は、第１排気ダクト４３と第２排気ダクト４４とに分割し、第１排気ダクト４３を燃料電池４及びファンボックス４１に一体としてモジュール化して先に車体へ組み込み、その後で第２排気ダクト４４を後方より第１排気ダクト４３に差し込むことで、図２に示されるよう、リヤフレーム２４をよけるために、第１排気ダクト４３の中央第１出口部４７及び２つの各端第１出口部４８と第２排気ダクト４４の中央第２入口部５０及び２つの各端第２入口部５１とに分岐して接続したダクト形状でも、車体への組み込みが可能になり、より大きな通路面積を確保できる。
また、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、排気ダクト１０に大きな通路容積を確保することができるので、排気ダクト１０の圧力損失を小さくして通気抵抗を低くすることができ、ファン３の低出力化が可能で、ファン３の消費電力を少なくして燃料電池システム１のシステム効率向上を図ることができる。
さらに、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、第１排気ダクト４３と第２排気ダクト４４とをシーリング５２により接続しているので、接続部分の気密性を確保すことができ、冷却後の空気が車体内部に戻ることがない。

前記第１排気ダクト４３には、図３・図４に示すように、第１本体４５の長手方向両端の最下部に、第１本体部４５に溜まった水を排出する各側第１排水孔部５３をそれぞれ備えている。また、第１排気ダクト４３には、図３に示すように、ファン３の空気出口部４２に接続される第１入口部４６の近傍に、燃料電池４からパージされる水素を排出する前記水素パージ管１１を開口させている。水素パージ管１１からパージされる水素は、空気出口部４２から第１入口部４６に流入する空気４によって第１排気ダクト４３内に送り込まれる。
これにより、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、燃料電池システム１よりパージされた水素を排気ダクト１０内の空気の流れにより速やかに拡散することができ、パージされた水素を車両後部から空気とともに外部に排出することができるので、走行風でパージされた水素が車両内部に戻ることを防止できる。

前記第２排気ダクト４４は、図３・図４に示すように、第２本体４９の後側を、第１排気ダクト４３の空気を車両幅方向中央において上側に導く上側第２分岐部５４と、車両幅方向両側に広がり下側に導く下側第２分岐部５５とに分岐している。上側第２分岐部５４には、車両幅方向中央において車両後方に向かい開口する上側第２出口部５６を備えている。下側第２分岐部５５には、車両幅方向両側に広がり車両後方に向かい開口する下側第２出口部５７を備えている。第２排気ダクト４４は、上側第２分岐部５４を後側に向かって水平線Ｈに対して上昇傾斜するように形成している。
第２排気ダクト４４は、上側第２分岐部５４と下側第２分岐部５５とに分岐し、燃料電池４を冷却した空気を排気している。これは、リヤコンビネーションランプ３４を避け、かつ、上下に分岐することで、より大きな通路面積を確保するためである。また、燃料電池４の運転が停止した場合等でファン３が停止し、排気ダクト１０内に水素が混入している場合でも、排気ダクト１０内の最高部位である上側第２分岐部５４の上側第２出口部５６が開放されていることにより、空気の流れに頼らず、空気より比重の軽い水素自身の浮力により、速やかに水素を排出することができる。
このように、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、第２排気ダクト４４を上下に分岐して後方に向かい開口させたので、車両後部の車両部品であるリヤコンビネーションランプ３４を上下に避けた上で、排気口としてより大きい開口面積を確保することができ、圧力損失を少なくできる。
また、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、ファン３の停止後に排気ダクト１０内の空気に水素が混入していた場合でも、排気ダクト１０内の最高部である上側第２分岐部５４が上側第２出口部５６で開放されていることにより、空気より比重の軽い水素が浮力により上方に昇り、排気ダクト１０内における水素の滞留を防ぐことができる。
さらに、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、ファン３の停止後でも、上側第２分岐部５４が後方に向かって上昇傾斜しているので、空気より比重の軽い水素が排気ダクト１０内に滞留することを防ぐことができる。

また、第２排気ダクト４４は、図３・図４に示すように、上側第２分岐部５４を後側に向かって上昇傾斜するように形成している。第２排気ダクト４４は、車両幅方向両側に広がる下側第２分岐部５５の最下部に貯水部５８を設けるとともに、この貯水部５８に溜まった水を排出する第２排水孔部５９を駐車時における傾斜方向下側、この実施例においてサイドスタンド２９による駐車時における傾斜方向下側である左側に設けている。
第２排気ダクト４４の貯水部５８には、燃料電池４の反応で発生した水蒸気が凝縮してできる水滴、及び外部から浸入した雨水等が貯えられる。貯水部５８に貯まった水は、第２排水孔部５９より外部へ排出される。この第２排水孔部５９は、貯水部５８の左側に設けられている。これは、小型車両１を駐車後、左側のサイドスタンド２９を立てた状態においては、車体が左側に傾くことにより、溜まった水が自然に左側より抜けることができるからである。なお、第１排気ダクト４３のように、レイアウト上において十分な貯水部を設けることができない場合においては、左右にそれぞれ各側第１排水孔部５３を設けることにより、速やかな水の排出を行うことができる。
このように、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、燃料電池４の反応で発生した水蒸気が凝縮した水や、外部より第２排気ダクト４４内に浸入した水を、貯水部５８に貯めて第２配水孔部５９で車両外部に排出することができるので、水が燃料電池４ヘ逆流することを防ぐことができ、駐車時に車両が傾いている状態においても、傾斜下方側に設けた第２排水孔部５９から速やかに水を排出することができる。また、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、水を車両内に貯めないことにより、重量を軽減することができる。

さらに、前記第２排気ダクト４４は、図１に示すように、上側第２分岐部５４及び下側第２分岐部５５を前記リヤコンビネーションランプ３４及びリヤフェンダ３５の形状に沿わせて形成している。
これにより、第２排気ダクト４４は、上側第２分岐部５４及び下側第２分岐部５５とリヤコンビネーションランプ３４及びリヤフェンダ３５との合わせ面６０・６１の形状を一致させ、シールすることにより、第２排気ダクト４４の大きさを小さくでき、重量低減・価格低減を図ることができる。また、第２排気ダクト４４は、重量軽減によりダクト肉厚を薄くした分だけ、排気口の開口面積を大きくすることができ、肉厚及外壁により空気通路が制限されないため、より大きい通路面積を確保することができる。
また、前記リヤフェンダ３５は、図５に示すように、番号表示灯３７の配設位置を避けながら、下側第２分岐部５５の下側第２出口部５７の形状に沿うように形成している。
このように、この燃料電池４を搭載した小型車両１３は、リヤフェンダ３５の形状を、下側第２出口部５７の開口形状に合わせ、図５の斜線で示される部分について開口することにより、番号表示版３６及び番号表示灯３７の位置を変更することなく、下側第２出口部５７の開口面積を拡大することができ、番号表示灯３７の作用に影響を与えず、通気抵抗を減らすことができる。

この発明は、燃料電池を搭載した小型車両の車両形状の制約の中で最大限の排気ダクトの通路容積を確保することができ、排気ダクトの圧力損失を小さくして通気抵抗を低くすることができ、ファンの消費電力を少なくして省電力を図ることができるものであり、空冷式の二次電池を用いてモータで走行する電動二輪乗用車の前記二次電池の冷却ダクトにも利用することができる。

１燃料電池システム
２燃料タンク
３ファン
４燃料電池
９モータ
１０排気ダクト
１１水素パージ管
１３小型車両
１４メインフレーム
２３アッパフレーム
２４リヤフレーム
２６後輪
２９サイドスタンド
３４リヤコンビネーションランプ
３５リヤフェンダ
３６番号表示版
３７番号表示灯
４１ファンボックス
４２空気出口部
４３第１排気ダクト
４４第２排気ダクト
４６第１入口部
４７中央第１出口部
４８各端第１出口部
５０中央第２入口部
５１各端第２入口部
５２シーリング
５４上側第２分岐部
５５下側第２分岐部
５６上側第２出口部
５７下側第２出口部
５８貯水部
５９第２排水孔部

Claims

駆動輪を回転させるモータの電力を発生する燃料電池を搭載した小型車両において、
前記小型車両の車体を構成するフレーム上に前記燃料電池を搭載し、
前記燃料電池に空気を導入するファンを備えたファンボックスを設け、
前記ファンにより導入されて前記燃料電池を冷却した後の空気を排出する排気ダクトを設け、
前記排気ダクトは、前記ファンボックスの後側に接続されて前記燃料電池を冷却した空気を導入する第１排気ダクトと、前記第１排気ダクトの後側に接続されて前記第１排気ダクトの空気を車両後部から排出する第２排気ダクトとに分割し、
前記第２排気ダクトは、第１排気ダクトの空気を車両幅方向中央において上側に導く上側第２分岐部と車両幅方向両側に広がり下側に導く下側第２分岐部とに分岐し、
前記上側第２分岐部には車両幅方向中央において車両後方に向かい開口する上側第２出口部を備え、前記下側第２分岐部には車両幅方向両側に広がり車両後方に向かい開口する下側第２出口部を備えることを特徴とする燃料電池を搭載した小型車両。
前記第１排気ダクトは、前記ファンボックスの空気出口部に接続される第１入口部を備え、
この第１入口部近傍に前記燃料電池からパージされる水素を排出する水素パージ管を開口させたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した小型車両。
前記排気ダクトは、第１排気ダクトと第２排気ダクトとをシーリングを介して接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した小型車両。
前記第２排気ダクトは、上側第２分岐部を後側に向かって上昇傾斜するように形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した小型車両。
前記第２排気ダクトは、下側第２分岐部に貯水部を設けるとともに、この貯水部に溜まった水を排出する第２排水孔部を駐車時における傾斜方向下側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した小型車両。
前記第２排気ダクトは、上側第２分岐部及び下側第２分岐部をリヤコンビネーションランブ及びリヤフェンダの形状に沿わせて形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した小型車両。
前記リヤフェンダは、番号表示灯の配設位置を避けながら、下側第２分岐部の下側第２出口部の形状に沿うように形成したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池を搭載した小型車両。