JP4498856B2 - 燃料電池車両における水素充填口配置構造 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池車両において水素ボンベに水素ガスを充填するために用いられる水素充填口の配置構造に関する。

従来、燃料電池から供給される電力に基づいて車両駆動用モータを駆動させる燃料電池車両において、一般複合容器等の円筒形の水素ボンベを搭載する場合には、車両全幅の増加を抑えるべく、水素ボンベをその長手方向を車両前後方向に沿わせるようにして配置することが多い（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−３１３０５６号公報

ところで、高圧タンクとして構成される上記水素ボンベにおいては、その周辺の配管レイアウト性や水素ガス充填作業性を考慮した上で、該水素ボンベへの水素充填口等が配置された構成であることが望ましい。
そこでこの発明は、燃料電池への水素ガス供給用の水素ボンベを備える燃料電池車両において、水素ボンベ周辺の配管レイアウト及び水素ガス充填作業を容易にできる水素充填口配置構造を提供する。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、水素充填口（例えば実施例の水素充填口７２）より水素ガスを充填する水素ボンベ（例えば実施例の水素ボンベ５２）と、該水素ボンベから供給される水素ガスに基づいて電力を生成する燃料電池（例えば実施例の燃料電池５１）と、該燃料電池により生成された電力に基づいて駆動輪（例えば実施例の後輪３２）に対して供給する動力を生成するモータ（例えば実施例のモータ３１）とを備える燃料電池車両における水素充填口配置構造において、前記燃料電池車両は二輪車であって、サイドスタンド（例えば実施例のサイドスタンド３８）と、車両後部を覆うとともに前記水素ボンベを覆うカバー部材（例えば実施例の車体カバー４２）とを備え、前記水素充填口は、前記水素ボンベの元栓（例えば実施例の元栓７１）とは別体に構成され、車体後端部でかつ後輪（例えば実施例の後輪３２）の上方において前記元栓及び車両のテールランプ（例えば実施例のテールランプ４３）に近接して配置され、前記水素充填口と前記元栓とが、前記カバー部材において前記後輪を挟んで前記サイドスタンドとは反対側に配置されており、前記カバー部材には前記元栓及び前記水素充填口を外方に露出させる開口（例えば実施例の開口４４ａ）が形成され、該開口には開閉可能な蓋部（例えば実施例のリッド４４）が設けられることを特徴とする。

この構成によれば、水素充填口と元栓との間に配されるガス管等の短縮を図ることが可能となる。また、水素ガス充填作業時に元栓の確認及び操作を同時かつ容易に行うことが可能となる。さらに、水素充填口及び元栓の蓋を一つで共用することが可能となる。また、水素ガス充填作業時には作業者が水素充填口に近付き易く、かつ水素充填口が適度な高さに位置することでその操作が行い易くなる。さらに、例えば車体の側方に水素充填口が配置される場合の如く、空気抵抗への影響を考慮して車体カバーを新設するような必要がなく、したがって既存の車体構成部品を流用することが可能となる。さらには、カバー部材により水素ボンベが保護されると共に、通常走行時等には元栓及び水素充填口を蓋部で覆い、水素ガス充填時にのみ蓋部を開いて元栓及び水素充填口をカバー部材の外方に露出させることが可能となる。

請求項２に記載した発明は、前記水素充填口は、前記水素ボンベの軸方向視でその径内に配置されることを特徴とする。

この構成によれば、一般的に先端部が先細りに形成される水素ボンベにおいて、通常は前記先端部に設けられる元栓近傍の空きスペースが水素充填口の配置スペースとして有効利用される。しかも、水素充填口と元栓との間の距離、ひいてはこれらの間に配されるガス管等の長さがより一層短縮される。

請求項１に記載した発明によれば、水素充填口周辺の配管レイアウトを容易にできると共に、水素ガス充填作業を容易にできる。また、蓋を一つで共用できるため、コストダウン及びデザイン自由度の向上が可能となる。さらに、水素充填口のレイアウトの最適化により水素ガス充填作業をより一層容易にでき、また、既存の車体構成部品を流用することで車体設計を容易にし、かつコストダウンを図ることができる。
請求項２に記載した発明によれば、水素ボンベ先端部の空きスペースを有効利用して水素充填口を効率的に配置できると共に、水素充填口周辺の配管レイアウトをより一層容易にできる。

以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、以下の説明における前後左右等の向きは、特に記載が無ければ車両における向きと同一とする。また、図中矢印ＦＲは車両前方を、矢印ＬＨは車両左方を、矢印ＵＰは車両上方をそれぞれ示す。

図１〜３に示す自動二輪車１は、その車体略中央に搭載された燃料電池５１から供給される電力に基づいて、車両駆動用のモータ３１を駆動させて走行する燃料電池車両として構成される。また、自動二輪車１は、低床フロア部（以下、単にフロア部という）３を有するスクータ型車両でもあり、該フロア部３近傍には、直方体状を成す前記燃料電池５１が配置され、かつ自動二輪車１の駆動輪である後輪３２のホイール内には、所謂ホイールインモータとしての前記モータ３１が配置される。該モータ３１は、そのケーシング３１ａ内にモータ本体及び減速機構を有して一体のユニットとして構成されるもので、その出力軸が後輪車軸３２ａと同軸に配置された状態で、ホイール内に例えば左側から取り付けられる。

自動二輪車１の前輪１１は左右一対のフロントフォーク１２の下端部に軸支され、これら各フロントフォーク１２の上部はステアリングステム１３を介して車体フレーム４前端部のヘッドパイプ５に操舵可能に枢支される。ステアリングステム１３の上端部にはハンドル１４が取り付けられ、このハンドル１４の右グリップ部にはスロットルグリップ１５が配設されると共に、左右のグリップ部前方にはリア及びフロントブレーキレバー１６，１７がそれぞれ配設される。

車体フレーム４の後部には、車体上下方向に延在するピボットプレート８が設けられ、該ピボットプレート８の中間部よりもやや下方となる部位には、リアスイングアーム２１の前端部が、その後端側を車体上下方向に揺動可能とするべくピボット軸９を介して枢支される。リアスイングアーム２１は、その左アーム体２３がモータ３１の前端部まで延びて該モータ３１のケーシング３１ａを支持する一方、右アーム体２４は後輪３２の中心位置まで延びて後輪車軸３２ａを軸支する。このようなリアスイングアーム２１とモータ３１とを主として、自動二輪車１のスイングユニットとしてのモータユニット２０が構成される。

車体フレーム４の下部であって燃料電池５１の下方となる部位には、車体前後方向に延在するリアクッション３３が配置される。該リアクッション３３の後端部は車体フレーム４の下部に連結されると共に、リアクッション３３の前端部はリンク機構３４を介してモータユニット２０（リアスイングアーム２１）の下部に連結される。リンク機構３４は、モータユニット２０の上下方向の揺動に伴い、リアクッション３３を前後方向にストロークさせるもので、このようなリアクッション３３のストロークにより、モータユニット２０に入力された衝撃や振動が吸収されるようになっている。

車体フレーム４は、ヘッドパイプ５の上部から左右に分岐して斜め後下方に向けて延び、車体上下方向での略中間となる高さにおいて屈曲した後に後方に向けて延びるアッパチューブ６と、ヘッドパイプ５の下部から左右に分岐して斜め後下方に向けて延び、車体下端部において屈曲した後に後方に向けて延びるダウンチューブ７とを有し、各アッパチューブ６の後端部及びダウンチューブ７の後端部が、燃料電池５１よりも後方に位置する前記ピボットプレート８の上端部及び下端部にそれぞれ結合される。以下、ダウンチューブ７において、ヘッドパイプ５から車体下端部における屈曲部７ｃまでの部位を前辺部７ａ、前記屈曲部７ｃからピボットプレート８までの部位を下辺部７ｂとして説明する。

各アッパチューブ６は、車体後端部へ至るべくピボットプレート８からさらに後方に向けて延びており、このような各アッパチューブ６の後半部分が、乗員用のシート４１を支持するシートフレームとして用いられる。
自動二輪車１は、その車体が主として合成樹脂からなる車体カバー（カバー部材）４２により覆われる。この車体カバー４２は風防としても機能するもので、かつその一部が車体フレーム４と共に前記フロア部３を構成する。車体フレーム４の下部中央には、車体を直立状態で支持するメインスタンド３７が取り付けられると共に、車体フレーム４の下部左側には、車体を左側に傾斜させた起立状態で支持するサイドスタンド３８が取り付けられる。

ここで、図４を参照して自動二輪車１の燃料電池システムの概要について説明する。
燃料電池５１は単位電池（単位セル）を多数積層してなる周知の固体高分子膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、そのアノード側に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給することで、電気化学反応により電力を生成すると共に水を生成するものである。

前記燃料ガスとしての水素ガスは、水素ボンベ５２から遮断弁５３を介して所定圧力をもって燃料電池５１に供給され、かつ発電に供された後には水素循環流路５４内に導入される。この水素循環流路５４において、未反応の水素ガスは、水素ボンベ５２からの新鮮な水素ガスと共に燃料電池５１に繰り返し供給される。水素循環流路５４内を循環する水素ガスは、パージ弁５５を介して希釈装置５６内に導入可能とされる。

一方、前記酸化剤ガスとしての空気は、エアクリーナ装置５７を介して加給機５８内に導入された後に、所定圧力に加圧された状態で燃料電池５１に供給され、かつ発電に供された後には希釈装置５６内に導入される。なお、符号５８ａは燃料電池５１への供給空気（酸化剤ガス）を冷却するインタークーラを、符号５９は酸化剤ガスに水分を供給する加湿器を、符号５８ｂは燃料電池５１の低温時等にインタークーラ５８ａ及び加湿器５９を介さずに空気を供給するためのバイパスバルブを、符号５８ｃは燃料電池５１における酸化剤ガスの圧力を調整するための背圧弁をそれぞれ示す。

そして、水素循環流路５４に設けられたパージ弁５５が開作動することで、反応後の水素ガスが希釈装置５６内に導入され、該希釈装置５６において燃料電池５１からの排出空気と混合、希釈処理された後に、サイレンサ６１を介して大気に放出される。ここで、燃料電池５１からの生成水は、排出空気と共に加湿器５９内に導入された際に集積され、酸化剤ガスに供給する水分として再利用される。また、加湿器５９で集積されなかった水分（例えば水蒸気）は、希釈装置５６を経た後に反応済みガスと共に排出される。

燃料電池５１の運転はＥＣＵ（電子制御ユニット）６２により制御される。具体的には、ＥＣＵ６２には水素ガス及び酸化剤ガスの圧力及び温度に関する信号、車速及び加給機５８の回転数に関する信号、燃料電池５１及びその冷却水温に関する信号等が入力され、これら各信号に応じて加給機５８、バイパスバルブ５８ｂ、背圧弁５８ｃ、パージ弁５５、及び遮断弁５３等の作動が制御される。

また、ＥＣＵ６２にはスロットルグリップ１５からの加速要求信号が入力され、該信号に応じて後輪３２駆動用のモータ３１が駆動制御される。モータ３１は、燃料電池５１あるいは二次電池としてのバッテリ６３からの直流電流が、インバータユニットとしてのモータドライバ６４において三相の交流電流に変換された後に供給されて駆動する三相交流モータとして構成される。

上記燃料電池システムにおける冷却系は、燃料電池５１及びモータ３１のウォータジャケット、並びにインタークーラ５８ａ内及びモータドライバ６４に隣接する冷却板（冷却器）６５内の各水路を連通させる冷却水路６６を形成し、該冷却水路６６にウォータポンプ６７及びラジエータ６８を設けてなるものである。

このような冷却系において、ウォータポンプ６７の作動により冷却水路６６内を冷却水が流通、循環することで、燃料電池５１、モータ３１、酸化剤ガス、及びモータドライバ６４から吸熱されると共にこの熱がラジエータ６８にて放熱される。なお、符号６９は、燃料電池５１の低温時等にラジエータ６８を介さずに冷却水を循環させるためのサーモスタットを示す。

図１〜３を併せて参照して説明すると、水素ボンベ５２は、円筒形の外観を有する一般的な高圧ガスボンベであり、金属と繊維強化プラスチックとからなる一般複合容器とされ、車体後部右側において、その軸線Ｃが前後方向に沿うように、詳細には前記軸線Ｃがやや前下がりとなるように配置される。このときの水素ボンベ５２は、その右側端（外側端）が車体右側のアッパチューブ６の外側端よりもやや外側に位置し、かつ左側端（内側端）が後輪３２の外側端よりもやや外側に位置するように配置される。

水素ボンベ５２の前後端部は球状に（換言すれば先細りに）形成されており、その前端部がピボットプレート８の前方に位置すると共に後端部が車体後端部に位置するように配置される。このような水素ボンベ５２の後端部には、該水素ボンベ５２の元栓７１及び水素充填口７２が配設されている。

車体左側のアッパチューブ６は、やや後上がりとなるように傾斜して概ね直線的に後方に延びる一方、車体右側のアッパチューブ６は、車体左側のアッパチューブ６に対してピボットプレート８近傍において下方に向けて緩やかに変化するように設けられる。このような各アッパチューブ６は、ピボットプレート８近傍において車幅方向外側に緩やかに変化するように設けられる。

また、車体右側のアッパチューブ６は、その下側端が車体側面視で水素ボンベ５２の下側端とほぼ重なるように設けられると共に、車体後端部において上方に向けて屈曲し、水素ボンベ５２の元栓７１及び水素充填口７２を避けるようにして車体左側に向けて延びた後に、下方に向けて屈曲して車体左側のアッパチューブ６の後端部に結合される。

燃料電池５１は、車幅方向に幅広でかつ上下方向に扁平とされ、その前壁部には酸化剤ガス及び水素ガスの供給口及び排出口、並びに冷却水の導入口及び導出口がそれぞれ設けられる。燃料電池５１の上部後方には、車幅方向に長い筐体を有する加湿器５９が近接配置される。該加湿器５９左側部の斜め上後方には加給機５８が近接配置され、該加給機５８の斜め下後部には車幅方向に延在する導入ダクト５７ｂの左側部が接続される。また、加湿器５８左側部の上方には背圧弁５８ｃが近接配置される。

導入ダクト５７ｂの右側部は水素ボンベ５２の下方に位置するように設けられ、該右側部には同じく水素ボンベ５２の下方に位置するエアクリーナケース５７ａの前端部が接続される。エアクリーナケース５７ａの後端部には不図示の吸気ダクトが接続され、これら吸気ダクト、エアクリーナケース５７ａ、及び導入ダクト５７ｂを主として前記エアクリーナ装置５７が構成される。

加湿器５９右側部の後方にはバイパスバルブ５８ｂが近接配置され、該バイパスバルブ５８ｂの斜め下後方にはインタークーラ５８ａが近接配置される。これらバイパスバルブ５８ｂ及びインタークーラ５８ａは、車体前後方向で加湿器５９の右側部と導入ダクト５７ｂの右側部との間に位置するように配置されている。加給機５８の下流側は、不図示の導出ダクトを介してインタークーラ５８ａに接続される。

車体後部左側には、車幅方向に扁平なサイレンサ６１が、車体左側のアッパチューブ６よりも車幅方向外側に位置するように配置される。該サイレンサ６１は、車体側面視で概ね方形状を成し、後輪３２の斜め上左側において後上がりに傾斜した状態で配置される。サイレンサ６１は、後上がりに傾斜する排出管７７の後半部分に設けられるものであり、該サイレンサ６１（排出管７７）の後端部にはテールパイプ７５が後方に向けて突設され、該テールパイプ７５の後端には反応済みガスの排出口７６が形成される。

ラジエータ６８は、ヘッドパイプ５前方に位置する比較的小型の上段ラジエータ６８ａと、各ダウンチューブ７の前辺部７ａの前方に位置する比較的大型の下段ラジエータ６８ｂとに分割構成される。下段ラジエータ６８ｂの右側後方にはウォータポンプ６７が配置され、該ウォータポンプ６７の斜め下後方にはサーモスタット６９が配置される。また、下段ラジエータ６８ｂの両側方に位置する車体カバー４２の内側には、車幅方向に扁平なバッテリ６３がそれぞれ配置される。

各ダウンチューブ７の屈曲部７ｃ間には、下辺部７ｂの下側端よりも下方に突出するように希釈装置５６が配置される。希釈装置５６からは排出短管７８が導出され、該排出短管７８が車体左側のダウンチューブ７の下辺部７ｂ前側に接続されると共に、該下辺部７ｂ後側からは前記排出管７７が導出される。すなわち、車体左側のダウンチューブ７が反応済みガスの排出経路の一部を構成しており、したがって希釈装置５６からの排出ガスは、排出短管７８、ダウンチューブ７の下辺部７ｂ、及び排出管７７を介して大気に放出される。

図５を併せて参照して説明すると、モータドライバ６４は車体側面視で略方形状を成し、リアスイングアーム２１の左アーム体２３の車幅方向外側に冷却板６５を介して取り付けられる。モータドライバ６４の前端部には、燃料電池５１及びバッテリ６３からの電力供給用の高圧配線６４ａが接続される。また、冷却板６５の前端下部及び上部には、前記冷却水路６６の一部を成す給水管６５ａ及び排水管６５ｂがそれぞれ接続される。

モータドライバ６４の後端部からは三相の高圧配線６４ｂが導出され、これら各相の高圧配線６４ｂが、モータドライバ６４の直ぐ後方に位置するモータ３１前端部の給電端子に接続される。すなわち、モータドライバ６４は、モータ３１と車体側面視でラップしない程度にこれと近接配置されている。なお、図中符号６４ｃは、各相の高圧配線６４ｂに設けられてモータ３１への給電量を検出する電流センサ６４ｃを、図中符号６４ｄは、モータドライバ６４の一部としての電圧平滑コンデンサをそれぞれ示す。

モータユニット２０にはリアスイングアーム２１の一部としてのアームカバ−２１ａが装着される。該アームカバー２１ａは、リアスイングアーム２１及びモータ３１と共にモータドライバ６４、冷却板６５、電圧平滑コンデンサ６４ｄ、各高圧配線６４ａ，６４ｂ、給水管５６ａ及び排水管６５ｂ、並びに電流センサ６４ｃ等を覆いこれらを適宜保護するものである。なお、アームカバー２１ａには、その内部に外気を流通可能とするべく不図示の外気導入口及び導出口がそれぞれ設けられる。

ここで、図１，２，６に示すように、水素ボンベ５２後端部に位置する元栓７１は、該水素ボンベ５２の軸線Ｃ上において後方に突出するように設けられ、かつ該元栓７１の直ぐ下方には、これとほぼ平行を成して後方に突出する水素充填口７２が設けられる。水素充填口７２は、車体後端部であって後輪３２上方右側に位置しており、かつ先細りに形成された水素ボンベ５２後端部周辺の空きスペースを有効利用するべく、該水素ボンベ５２の軸方向視においてその直径内に配置されている。

また、車体後部を覆う車体カバー４２は、水素ボンベ５２の周囲を覆うことでこれを保護するものでもあり、このような車体カバー４２の後端部であって車幅方向中央部には、自動二輪車１のテールランプ４３が配設されている。
図６に示すように、テールランプ４３は、帯状の発光面４３ａを車体後面視で概ね楕円を描くように無端状に連ねてなるもので、例えばその両側部は左右のリアウインカとして構成され、上辺部分及び下辺部分はそれぞれブレーキランプ及び後部ポジションランプとして構成される。

そして、車体カバー４２における前記発光面４３ａで囲まれた部位の右側には、その内側に位置する水素ボンベ５２の元栓７１及び水素充填口７２への作業孔としての開口４４ａが設けられると共に、該開口４４ａを例えばヒンジを介して開閉可能なリッド（蓋部）４４が設けられる。このようなリッド４４は、その閉状態においては車体カバー４２の一部として元栓７１及び水素充填口７２を覆ってこれらを保護し、開状態においては元栓７１及び水素充填口７２を車体カバー４２の外部に露出させて水素ガス充填作業を可能とするものである。

以上説明したように、上記実施例における燃料電池車両（自動二輪車１）の水素充填口配置構造は、水素充填口７２より水素ガスを充填する水素ボンベ５２と、該水素ボンベ５２から供給される水素ガスに基づいて電力を生成する燃料電池５１と、該燃料電池５１により生成された電力に基づいて駆動輪である後輪３２に対して供給する動力を生成するモータ３１とを備えるものであって、水素充填口７２が、水素ボンベの元栓７１とは別体に構成され、かつ該元栓７１に近接して配置されるものである。

この構成によれば、水素充填口７２と元栓７１との間に配されるガス管等の短縮を図ることができ、水素充填口７２周辺の配管レイアウトを容易にできる。また、水素ガス充填作業時に元栓７１の確認及び操作を同時かつ容易に行うことができ、水素ガス充填作業を容易にできる。

また、上記水素充填口配置構造においては、水素充填口７２が、水素ボンベの軸方向視でその径内に配置されることで、水素ボンベにおける球状の後端部に配設される元栓周辺の空きスペースが水素充填口７２の配置スペースとして有効利用される。すなわち、水素充填口７２を効率的に配置することができる。しかも、水素充填口７２と元栓７１との間の距離、ひいてはこれらの間に配されるガス管等の長さがより一層短縮される。すなわち、水素充填口７２周辺の配管レイアウトをより一層容易にできる。

さらに、上記水素充填口配置構造においては、水素ボンベ５２を覆う車体カバー４２の元栓７１及び水素充填口７２に近接する部分にリッド４４が設けられることで、車体カバー４２により水素ボンベ５２が保護されると共に、通常走行時等には元栓７１及び水素充填口７２をリッド４４で覆い、水素ガス充填時にのみリッド４４を開いて元栓７１及び水素充填口７２を車体カバー４２の外方に露出させることが可能となる。すなわち、水素ボンベ５２の保護性を向上しつつ水素ガス充填作業を容易できる。

さらにまた、上記水素充填口配置構造においては、水素充填口７２が、車体後端部でかつ後輪３２の上方に配置されることで、水素ガス充填作業時には作業者が水素充填口７２に近付き易く、かつ水素充填口７２が適度な高さに位置することでその操作が行い易くなる。このような水素充填口７２のレイアウトの最適化により、水素ガス充填作業をより一層容易にできる。

しかも、上記水素充填口配置構造においては、水素充填口７２が、自動二輪車１のテールランプ４３近傍に配置されることで、例えば車体側部に水素充填口７２が配置される場合の如く、空気抵抗への影響を考慮して車体カバー４２を新設するといった必要がなく、したがって既存の車体構成部品を流用することが可能となるため、車体設計を容易にし、かつコストダウンを図ることができる。

なお、上記実施例における車体構成等はこの発明の一例であると共に、自動二輪車への適用に限定されないことはもちろん、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

この発明の実施例における燃料電池車両（自動二輪車）の左側面図である。 上記燃料電池車両の右側面図である。 上記燃料電池車両の下面図である。 上記燃料電池車両における燃料電池システムの主要構成図である。 図１における要部拡大図である。 図１におけるＡ矢視図である。

符号の説明

３１ モータ
３２ 後輪（駆動輪）
４２ 車体カバー（カバー部材）
４３ テールランプ
４４ リッド（蓋部）
５１ 燃料電池
５２ 水素ボンベ
７１ 元栓
７２ 水素充填口

Claims (2)

1. 水素充填口より水素ガスを充填する水素ボンベと、該水素ボンベから供給される水素ガスに基づいて電力を生成する燃料電池と、該燃料電池により生成された電力に基づいて駆動輪に対して供給する動力を生成するモータとを備える燃料電池車両における水素充填口配置構造において、
   前記燃料電池車両は二輪車であって、サイドスタンドと、車両後部を覆うとともに前記水素ボンベを覆うカバー部材とを備え、
   前記水素充填口は、前記水素ボンベの元栓とは別体に構成され、車体後端部でかつ後輪の上方において前記元栓及び車両のテールランプに近接して配置され、前記水素充填口と前記元栓とが、前記カバー部材において前記後輪を挟んで前記サイドスタンドとは反対側に配置されており、
   前記カバー部材には前記元栓及び前記水素充填口を外方に露出させる開口が形成され、該開口には開閉可能な蓋部が設けられることを特徴とする燃料電池車両における水素充填口配置構造。
2. 前記水素充填口は、前記水素ボンベの軸方向視でその径内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両における水素充填口配置構造。

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