JP2005112094A - 燃料電池搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セルスタックから排出された水蒸気の気液分離に優れた燃料電池搭載車両を提供する。
【解決手段】 ラジエター１５３は、車体フレームで囲まれた空間の後方に位置するリアキャリア３３内に設けられたので、当該空間に設けられた燃料電池セルスタックなどの発熱で気液分離能力が低下しない。また、ラジエター１５３に多量の走行風及び自然体流を当てることができ、それにより、気液分離が促進できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルスタックから排出された水蒸気の気液分離に優れた燃料電池搭載車両に関する。

燃料電池システムを搭載した燃料電池搭載車両は、その目的に応じた場所に部品を配置することで最適化されている。

例えば、特許文献１に記載された低床式の燃料電池搭載自動二輪車は、コンパクト化のために部品を床下に集中配置している。また、特許文献２に記載の燃料電池搭載自動二輪車は、メンテナンス性向上のために、二次電池を座席の下方、すなわち後輪の上方に配置している。また、特許文献３に記載の食料運搬用電動車両は、保温性能を向上させるために、改質器が発生する熱を保温ボックスへ導くように配置している。
特開２００１−３５４１７９号公報 特開２００２−４６６７９号公報 特開２０００−２３８５７２号公報

上記したように、燃料電池搭載車両では、目的に応じた部品配置がなされ、多くの場合は、部品を集中配置することに主眼が置かれている。例えば、特許文献１の燃料電池搭載自動二輪車における配置場所は「床下」である。

しかしながら、部品が集中配置された場所は、部品保護のためのカバー等で覆ていて通風が比較的悪いため、場合によっては、例えば燃料電池セルスタックから排出された水蒸気の気液分離を電動ファンなどで促進する必要がある。したがって、燃料電池搭載車両にあっては、電動ファンなどを用いずに、水蒸気の気液分離を促進したいという要望が強い。

そこで本発明は、上記の従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池セルスタックから排出された水蒸気の気液分離に優れた燃料電池搭載車両を提供することにある。

上記従来の課題を解決するために、本発明では、車体フレームで囲まれた空間に設けられた燃料電池セルスタックにおける電気化学反応により発生する電気エネルギーで走行し、当該燃料電池セルスタックから排出された水蒸気を気液分離器で気液に分離する燃料電池搭載車両において、前記気液分離器は、前記車体フレームで囲まれた空間以外の箇所に設けられたことを特徴とする燃料電池搭載車両をもって解決手段とする。

本発明によれば、気液分離器は、車体フレームで囲まれた空間以外の箇所に設けられたので、車体フレームで囲まれた空間に設けられた燃料電池セルスタックなどの発熱で気液分離能力が低下しない。また、気液分離器に多量の走行風及び自然体流を当てることができ、それにより、気液分離が促進できる。

本発明によれば、気液分離器は、車体フレームで囲まれた空間以外の箇所に設けられたので、気液分離器に多量の走行風及び自然体流を当てることができ、それにより、燃料電池セルスタックから排出された水蒸気の気液分離に優れた燃料電池搭載車両を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池搭載自動二輪車１の側面図である。燃料電池搭載自動二輪車１において、図示しないステアリング軸の上端にハンドル３が取り付けられており、ステアリング軸の下部には左右一対のフロントフォーク５が取り付けられている。各フロントフォーク５の下端には前輪７が回転可能に軸支されている。ハンドル３の中央部にはメータ９が配置され、該メータ９の前方には、ヘッドランプ１１が配置され、その両側にはフラッシャランプ１３がそれぞれ設けられている。

燃料電池搭載自動二輪車１では、上方に開いた円弧状の図示しない車体フレームがハンドルの下方から後方に設けられ、その後端部上方にはシート（座席）１５が配置されている。また、車体フレームにはリヤアーム１７の前端部が支持されてその後端部が上下揺動自在になっている。この後端部には駆動輪である後輪１９が回転自在に軸支されている。

また、車体フレームで囲まれた空間には燃料電池システム１００が配置されている。

車体フレームに囲まれた空間とは、例えば、車体フレームが、水平方向に配置された複数の棒材（パイプなど）を含む場合は、棒材の端部同士を結ぶことで形成される面の上方または下方の空間である。また、当該面の上端部と下端部とがはっきりしている場合は、さらに限定して当該上端部と下端部の間の空間としてもよい。また、例えば、車体フレームが、３本の棒材を含んでなる場合は、当該３本の棒材で囲まれた空間としてもよい。また、車体フレームが、それ自体で区間を形成している場合、例えばモノコック型のフレームの場合は、その内部空間を車体フレームに囲まれた空間としてもよい。

さて、燃料電池搭載自動二輪車１では、上記した車体フレームの後ろ半分に沿って燃料電池システム１００が円弧状に配置されている。一方、前記したリヤアーム１７内には、電動モータ、モータコントローラ及び駆動機構（共に図示せず）が設けられ、モータコントローラが燃料電池システム１００で発生した電気エネルギーを電動モータに供給して当該電動モータを回転させ、電動モータの回転力を駆動機構が後輪１９に伝達することで、燃料電池搭載自動二輪車１が走行するようになっている。

この燃料電池システム１００を上方からしかもハンドル近傍まで上カバー２１が覆っている。上カバー２１の前部には、乗員の足を保護するレッグシールド（泥よけ）２３が取り付けられている。

上カバー２１の両側端面にはそれぞれ左カバー２５と右カバー２７が連なっている。この左カバー２５と右カバー２７は共に透明な部材で構成されて、燃料電池システム１００を視認できるようになっている。

左カバー２５と右カバー２７の双方に下カバー２９が連なっている。この下カバー２９は、リヤアーム１７が突出するように切り欠れている。

下カバー２９の前端部は、前輪７の上方まで延びてフロントキャリア３１を構成している。また、下カバー２９の後端部は、後輪１９の上方まで延びてリアキャリア３３を構成している。

また、燃料電池搭載自動二輪車１にあっては、フロントキャリア３１からヘッドランプ１１へとフロントカバー３５が設けられている。フロントカバー３５は、左カバー２５と右カバー２７の双方に連なっている。

また、燃料電池搭載自動二輪車１にあっては、フロントキャリア３１からヘッドランプ１１へとフロントカバー３５が設けられている。フロントカバー３５は、左カバー２５と右カバー２７の双方に連なっている。

次に、燃料電池システム１００の構成を説明する。

図２は、燃料電池システム１００の構成図である。

燃料電池システム１００は、ダイレクトメタノール型燃料電池システムであり、アノード電極とカソード電極とで電解質を挟んでなる単電池セルが積層された燃料電池セルスタック１０１を備えている。この燃料電池セルスタック１０１で発生した電気エネルギーが電気配線１０１０を介して二次電池１０２に伝達され蓄積される。

燃料電池システム１００では、燃料タンク１０３に対しパイプを介して燃料ポンプ１０７が連通され、燃料ポンプ１０７は図示しないパイプを介して水溶液タンク１０９に連通されている。

燃料タンク１０３は、高濃度（約５０％程度）の液体メタノール（燃料という）を充填された燃料カートリッジ２００から燃料が供給されるようにこの燃料カートリッジ２００を取り付け可能でかつ取り外し可能になっている。具体的には、燃料タンク１０３に燃料カートリッジホルダー２２０が設けられ、この燃料カートリッジホルダー２２０が燃料カートリッジ２００を着脱可能にホールドする。

かかる構成を有するので、燃料電池搭載自動二輪車１は、複雑な燃料配管が不要でかつ供給所での燃料供給が不要である。なお、燃料カートリッジ２００以外からも燃料供給が可能なように、燃料タンク１０３に燃料供給口を設けてもよい。

水溶液タンク１０９は、図示しない水供給口を備えている。また水溶液タンク１０９は、パイプ１１１を介して、電動ファン１１３を備えたラジエター１１５に連通されている。ラジエター１１５は、パイプ１１７を介してラジエター１１９に連通されている。ラジエター１１９は、パイプ１２１を介して水溶液ポンプ１２３に連通されている。水溶液ポンプ１２３は、パイプ１２５及びパイプ１２７を介して、フィルタ１２９に連通されている。フィルタ１２９は、パイプ１３１を介して燃料電池セルスタック１０１のアノード側に連通されている。

一方、エアフィルタ１４１とエアポンプ１４３とがパイプで連通され、エアポンプ１４３がパイプ１４５を介して燃料電池セルスタック１０１のカソード側に連通されている。

また、燃料電池セルスタック１０１は、図ではパイプ１４５に隠れているパイプを介して水溶液タンク１０９に連通されている。

燃料電池セルスタック１０１は、パイプ１５１を介してラジエター１５３に連通されている。ラジエター１５３は、パイプ１５５を介して、ドレイン１５７を備えた水タンク１５９に連通されている。水タンク１５９は、パイプ１６１を介して、水ポンプ１６３に連通され、水ポンプ１６３は、パイプ１０５を介して、水溶液タンク１０９に連通されている。水溶液タンク１０９と水タンク１５９とはパイプ１６７を介して連通されている。

次に、燃料電池システム１００の動作を説明する。

燃料カートリッジ２００を燃料カートリッジホルダー２２０に装着して燃料タンク１０３に燃料を供給する。また、水溶液タンク１０９に水を供給する。そして、燃料ポンプ１０７、水溶液ポンプ１２３及び水ポンプ１６３を駆動する。

燃料ポンプ１０７が燃料タンク１０３から水溶液タンク１０９に燃料を供給し、水溶液タンク１０９に約３％のメタノール水溶液が生成される。

そして水溶液ポンプ１２３の駆動により、水溶液タンク１０９のメタノール水溶液がフィルタ１２９で浄化されて燃料電池セルスタック１０１のアノード側に供給される。このとき、ラジエター１１５と１１９がメタノール水溶液を冷却するが、電動ファン１１３の回転数調整により、その温度は６０度〜７０度になる。

一方、エアポンプ１４３を駆動することで、エアフィルタ１４１が周囲のエアを浄化し、浄化されたエアが燃料電池セルスタック１０１のカソード側に供給される。

燃料電池セルスタック１０１のアノード側では、メタノール水溶液のメタノールと水とが電気化学反応して二酸化炭素と水素イオンが生成され、生成された水素イオンは、単電池セルのカソード側に流入する。この水素イオンは、カソード側に供給されたエア中の酸素と電気化学反応し、水蒸気と電気エネルギーが生成され、生成された電気エネルギーは、二次電池１０２に供給されて蓄積される。

燃料電池セルスタック１０１のアノード側で生成された二酸化炭素は水溶液タンク１０９からパイプ１６７、水タンク１５９を通り、ドレイン１５７から排出される。

一方、燃料電池セルスタック１０１のカソード側で生成された水蒸気は気液分離器であるラジエター１５３で気液分離される。この気液分離で生成された乾いた空気は水タンク１５９を通り、ドレイン１５７から排出される。また、気液分離で生成された水は、水タンク１５９に回収され、水ポンプ１６３の駆動力により、水溶液タンク１０９に供給される。

ところで、燃料電池搭載自動二輪車１における重量物は、燃料電池セルスタック１０１、二次電池１０２、水溶液タンク１０９などである。これらは燃料電池搭載自動二輪車１の中央部に配置することで安定性が得られる。しかし、燃料電池搭載自動二輪車１は、例えばスリム化（横幅減少）を図るために、燃料電池システム１００の構成部品を全て中央部に配置できない。そこで、燃料電池搭載自動二輪車１では、ラジエター１５３を後輪１９の上方、つまりシート１５の後方に配置することでスリム化されている。

ラジエター１５３は、液体の温度管理のためのラジエター１１５や１１９とは異なり、水蒸気を、より多くの空気と水に分離することを目的とした部品である。燃料電池搭載自動二輪車１では、ラジエター１５３を、車体フレームで囲まれた空間の後方に位置するリアキャリア３３内に配置したので、燃料電池セルスタック１０１などの発熱によって気液分離能力が低下することを防止できる。また、リアキャリア３３の周囲には部品がないので、多量の走行風を当てることができ、気液分離をより促進できる。また、リアキャリア３３から熱が逃げることによっても気液分離を促進できる。また、ラジエター１５３のラジエターフィン以外の部分はステンレスで構成されているので高い強度が得られる。

なお、リアキャリア３３とラジエター１５３とを一体化すれば、ラジエター１５３の熱がリアキャリア３３に逃げるので、さらに気液分離を促進できる。また、一体化により構造材料を削減でき、それにより軽量化とコストダウンが図れる。

さて、燃料電池システム１００は車両が停止中のときにも発電しており、そのときには走行風による気液分離が行えないが、リアキャリア３３と後輪１９の間に空間が存在するので、停止中に多量の自然対流をラジエター１５３に当てることができ、よって気液分離が促進できる。

また、リアキャリア３３内にラジエター１５３を配置したので、不意の外力が加わったときに、リアキャリア３３でラジエター１５３を保護できる。

次に、ラジエター１５３におけるフィンの方向と空気の流れについて説明する。

燃料電池搭載自動二輪車１と比較して、例えば、ガソリンエンジンを搭載した自動二輪車においては、ラジエターのフィンの方向は水平であることが多い。これは、停止時にはエンジン出力が低下するので、高い気液分離能力が不要だからである。これに対して、燃料電池の出力は、走行時と停止時とで異なるものではないので、ラジエターのフィンの方向が水平であることが理想的ではない。そこで、燃料電池搭載自動二輪車１にあっては、燃料電池を搭載した自動二輪車に適するようにフィンの方向を定めている。

図３（ａ）に示すように、燃料電池搭載自動二輪車１のラジエター１５３は、燃料電池セルスタック１０１のカソード側で生成された水蒸気が通過する複数のラジエター管１５３１を備え、各ラジエター管１５３１にはラジエターフィン１５３２が形成されている。ラジエターフィン１５３２は、上方かつ後方に延びるフィンと下方かつ前方に延びるフィンとで構成されているので、図３（ａ）の矢印で示す走行時と、図３（ｂ）に示す停止時の両方において、フィンの間を空気が通ることになり、そのため、走行時と停止時の両方において十分な気液分離が可能である。

なお、図４に示すように、走行風をラジエター１５３に導くダクト３７をラジエター１５３の下方に設けることで、走行時の気液分離能力をより高めることができる。

また、図５のように、ラジエター１５３を、車体フレームで囲まれた空間の前方に位置するフロントキャリア３１内に設けた場合でも、リアキャリア３３に設けた場合と同様に、気液分離を促進できる。特に、フロントキャリア３１に設けた場合は、ラジエター１５３の前方に障害物がないので、より高い気液分離能力が得られる。また、ラジエターフィン１５３２の向きを前述のようにすることで、同様の作用効果を奏する。

また、図６には、燃料電池搭載自動二輪車１とは異なる燃料電池搭載自動二輪車を示すが、この燃料電池搭載自動二輪車では、乗員の足を保護するレッグシールド内に左右分割型のラジエター１５３が配置されている。レッグシールドは、車体フレームで囲まれた空間の側方に位置する部品であり、かかる部品にラジエター１５３が配置されているので、リアキャリア３３に設けた場合と同様に気液分離を促進できる。また、かかる場合においても、ラジエターフィン１５３２の向きを前述のようにすることで、同様の作用効果を奏する。

なお、ラジエター１５３をフロントキャリア３１内やレッグシールド内に設けた場合においても、リアキャリア３３内に設けた場合と同様に外力からラジエター１５３を保護できる。また、ラジエター１５３をフロントキャリア３１やレッグシールドと一体化すれば、リアキャリア３３と一体化した場合と同様に、気液分離の促進、構造材料の削減、軽量化及びコストダウンが図れる。

なお、この実施形態では、二輪車について説明したが、本発明は、３輪及び４輪を含むあらゆるタイプの車両に適用可能である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池搭載自動二輪車１の側面図である。 燃料電池システム１００の構成図である。 ラジエター１５３における空気の流れを説明するための図である。 ラジエター１５３の下方にダクト３７を設けた場合の空気の流れを説明するための図である。 フロントキャリア３１にラジエター１５３を設けた場合の空気の流れを説明するための図である。 レッグシールド内にラジエター１５３が配置された燃料電池搭載自動二輪車の斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池搭載自動二輪車
３…ハンドル
５…フロントフォーク
７…前輪
９…メータ
１１…ヘッドランプ
１３…フラッシャランプ
１５…シート
１７…リヤアーム
１９…後輪
２１…上カバー
２５…左カバー
２７…右カバー
２９…下カバー
３１…フロントキャリア
３３…リアキャリア
３５…フロントカバー
３７…ダクト
１００…燃料電池システム
１０１…燃料電池セルスタック
１０２…二次電池
１０３…燃料タンク
１０７…燃料ポンプ
１０９…水溶液タンク
１１３…電動ファン
１１５，１１９ ラジエター
１５３…ラジエター（気液分離器）
１２３…水溶液ポンプ
１２９…フィルタ
１４１…エアフィルタ
１４３…エアポンプ
１５７…ドレイン
１５９…水タンク
１６３…水ポンプ
２００…燃料カートリッジ
２２０…燃料カートリッジホルダー
１５３１…ラジエター管
１５３２…ラジエターフィン

Claims (5)

1. 車体フレームで囲まれた空間に設けられた燃料電池セルスタックにおける電気化学反応により発生する電気エネルギーで走行し、当該燃料電池セルスタックから排出された水蒸気を気液分離器で気液に分離する燃料電池搭載車両において、
   前記気液分離器は、前記車体フレームで囲まれた空間以外の箇所に設けられたことを特徴とする燃料電池搭載車両。
2. 前記気液分離器は、前記車体フレームで囲まれた空間の前方、後方及び側方のいずれか１以上の箇所に設けられたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池搭載車両。
3. 前記気液分離器は、前記箇所に設けられた部品内に設けられたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池搭載車両。
4. 前記気液分離器は、前記箇所に設けられた部品と一体化されたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池搭載車両。
5. 前記気液分離器は、上方かつ後方に延びるフィン、下方かつ前方に延びるフィンのうちの一方を少なくとも備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池搭載車両。
   

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