TWI293927B - Fuel-cell vehicle - Google Patents

Description

1293927 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明為關於對燃料電池供給反應氣體和燃料氣體 以所得到的電力來行駛之燃料電池車輛，特別是關於以 卻水冷卻燃料電池，再以散熱器（r a d i a t 〇 r )使被加溫的 卻水放熱之液冷式燃料電池車輛。 【先前技術】 近年來，已開發有使燃料電池系統所發電的電力而被 應至馬達，再藉此馬達而驅動車輪之燃料電池車輛。前 之燃料電池系統係在燃料電池組（s t a c k )(以下，簡稱為 料電池）中，藉燃料氣體之氫及反應氣體之氧的化學反 而實施發電。此處，氧氣為自空氣中藉由壓縮機所引入 而氫為自高壓的燃料高壓罐瓶（b 〇 m b )所供給。 然而燃料電池雖然是藉化學反應所發熱，為了有效率 實施發電則必須使多餘的熱發熱而冷卻，並將燃料電池 持於適宜的溫度範圍。為了有效地放熱，例如專利文獻 所示之燃料電池車輛，為使用水冷式之冷卻系統來使燃 電池冷卻，再以散熱器使被加溫的冷卻水放熱，如此即5 (專利文獻1 )日本專利特開平8 - 1 9 2 6 3 9號公報 【發明内容】 (發明所欲解決之問題） 一般的水冷式之冷卻系統係，在冷卻對象的發熱體和 熱器之間接續有冷卻水可循環之管路，而藉設在該管路 中之泵使冷卻水驅動循環。又，為了提高散熱器之放熱 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 而 冷 冷 供 述 燃 應 地 維 1 料 散 途 效 5

1293927 率有時也設有可送氣至散熱器的散熱片之冷卻風扇。 但是驅動泵之方式者雖然可列舉内藏有馬達之電動 者，但是此種電動泵係藉馬達發熱，馬達及電動泵本 效率較低，由此也會有使冷卻系統的效率降低之虞。 其可考慮將被循環驅動之冷卻水導入至電動泵的馬達 使其冷卻，但是此一管路構成會變成複雜且冷卻系統 負載也會增加。 本發明為考慮此一課題而所完成，其目的為提供一 燃料電池冷卻之冷卻系統使用電動泵之時，可以簡便 成而可抑制電動泵的發熱之燃料電池車輛。 (解決問題之手段） 本發明之燃料電池車輛係，供給反應氣體和燃料氣 燃料電池而藉其所得的電力來行駛，其具有可冷卻前 料電池的液冷式之冷卻系統的燃料電池車輛中，其特 為，具有：可使因前述燃料電池而被加溫的冷卻液予以 冷卻之散熱器；及，對前述散熱器之冷卻散熱片使空 通的冷卻風扇；及，被設在前述冷卻系統的管路之途 可使冷卻液驅動循環之電動泵，前述電動泵係被配置 接受前述冷卻風扇所發出的風之位置。 如此藉使電動泵配置在可接受前述冷卻風扇所發出 風之位置，而可以簡便之構成來抑制電動泵的發熱。雨 冷卻液不參與電動泵之冷卻，因此，冷卻系統之熱負 會增大。 在此情況下，在車長度方向正面觀看時，前述電動 312XP/發明說明書(補件)/94-09/941 ] 7428 式 身的 雖然 部而 之熱 種將 之構 體至 述燃 徵 放熱 氣流 中， 在可 的 且， 載不 果被 6 1293927 配置在前述散熱器的投影面内，在行駛中通過散熱器的空 氣會碰觸至電動泵，而其可更確實地抑制電動泵之發熱。 又前述燃料電池車輛為二輪車，其具備有前方部被接續 至頭管而朝車體後方傾斜為前高後低之下車架，前述散熱 器為配置在前述下車架之附近。在下車架附近中除了前輪 以外行駛風不會被遮蔽，而散熱器可接受多量之行駛風， 如此而可提高放熱效率。 (發明效果）

本發明之燃料電池車輛係具備有：作為液冷式冷卻系統 而對散熱器之冷卻散熱片可通氣之冷卻風扇；及，可使冷 卻液循環驅動之電動泵，並使電動泵配置在可接受前述冷 卻風扇發出的風之位置。由此，可以簡便的構成而抑制電 動泵的發熱並謀求冷卻系統之冷卻效率的提高，且不會使 冷卻系統的熱負載增加。 又，藉使電動泵配置於散熱器的正面投影面内，則在行 駛時通過散熱器的空氣會碰觸至電動泵，而可更確實地抑 制電動泵的發熱。 【實施方式】 以下，一面參照添附之圖1〜圖6 —面說明本發明之燃料 電池車輛之實施形態。以下，在燃料電池二輪車1 0中被設 在左右各1個的機構，左邊者被附以符號「L」，右邊者被 附以符號「R」以區別其說明。 如圖1〜圖3所示，本實施形態之燃料電池車輛的速克達 式之燃料電池二輪車1 0係，搭載有燃料電池1 2而利用自 7 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 該燃料電池1 2所得到的電力來行駛。燃料電池1 2係，使 被供給至陽電極之燃料氣體（氫氣）和被供給至陰電極之 反應氣體（空氣）反應而發生電力。本實施形態係，由於 採用眾所周知之燃料電池1 2 ’因此’在此處未再詳細說 明。燃料電池二輪車1 0係具有：操向輪之前輪1 4 ;及，驅 動輪之後輪1 6 ;及，可使前輪1 4操向之把手1 8 ;及，車 架20;及，駕駛者及同乘者可乘坐之座墊22。

又，燃料電池二輪車1 0，為了可有效率地實施發電而具 有可使燃料電池1 2冷卻且維持在適宜的溫度範圍之水冷 式的冷卻系統7 9 (參照圖5 )。 車架2 0係具有：前方部被軸支在叉（f 〇 r k )式前懸吊系統 (front suspension)23之頭管24;及，前方部被接續至該 頭管2 4而朝車體後方傾斜為前高後低之一對上部下車架 26R、26L及一對下部下車架28R、28L。車架20係更具有： 自上部下車架26R、26L連續朝車體後方延伸為前低後高之 上部車架30R、30L;及，自下部下車架28R、28L連續朝 後輪1 6延伸之下部車架3 2 R、3 2 L ;及，接續至該下部車 架32R、32L的後方端部和上部車架30R、30L之大略中間 部的縱車架34R、34L。 燃料電池1 2係被設在車體之大略中央部份，具體而言， 被搭載在以上部車架30R、30L，下部車架32R、32L及縱 車架3 4 R、3 4 L所被區劃之領域的後方部，而被配置為稍呈 前低後高。燃料電池1 2係構成燃料電池二輪車1 0的零件 中比較大重量的零件，而其藉設置在車體的大略中央部份 8 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 時則可得到燃料電池二輪車1 〇之適當的重量平衡，而可提 高其行駛功能。 又，在以上部車架30R、30L，下部車架32R、32L及縱 車架3 4 R、3 4 L所區劃之領域中在比燃料電池1 2之更前方 部份，設有後述之電動泵9 0等。在上部車架3 0 R、3 0 L的 上部設有座墊22，在後方端設有未圖示之尾燈。

前輪1 4係可旋轉自如地被軸支在前懸吊系統2 3之下端 部。在前懸吊系統2 3的上部接續有把手1 8，在該把手1 8 的中央部設有儀表板3 8。後輪1 6係被支持於以設在縱車 架3 4 R、3 4 L的樞軸4 0 ( p i ν 〇 t)為中心而可旋轉之搖臂4 2， 其設有輪内馬達（in-wheel type motor)44和可驅動該輪 内馬達4 4之馬達驅動器4 6。輪内馬達4 4和馬達驅動器4 6 為水冷式且具有高效率之輸出。在燃料電池1 2的下方部份 設有延伸至車長度方向之後懸吊系統4 8，其兩端部為可迴 動地對下部車架3 2 R、3 2 L及搖臂4 2被接續。燃料電池1 2 係，設計上雖然被設定在最低離地距離度（m i n i m u m g r 〇 u n d clearance)，但是其藉使後懸吊系統4 8設在燃料電池1 2 的下方部，則可有效地利用燃料電池1 2和地面之間之區 域，又可謀求燃料電池二輪車1 0之低重心化。 其次，燃料電池二輪車1 0係，在燃料電池1 2中作為發 電用之燃料電池系統，其具有：在高壓狀態可貯藏供給燃料 電池1 2的燃料氣體之燃料高壓罐（bomb ) 5 0 ;及，朝後方開 口可減低自進氣口 52的進氣音之共鳴器（resonator)54 ; 及，藉由該共鳴器5 4可引進外氣之空氣濾清器5 6。進氣 9 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 口 5 2係被設在前述共鳴器5 4之前方部上面，而緩緩以大 約9 0 °彎曲並在後方開口。

燃料電池二輪車1 0係，更具有：可將以空氣濾清器5 6 被清淨化後的空氣壓縮作為反應氣之壓縮機（也稱為增壓 器（s u p e r c h a r g e r )、泵或加給機）5 8 ;及，可將以該壓縮機 5 8被壓縮的反應氣冷卻之中間冷卻器（i n t e r c ο ο 1 e r ) 5 9 ; 及，可使被供給至燃料電池1 2的反應氣和自燃料電池所排 出之使用後的反應氣之間之水份交換的加濕器6 0 ;及，為 了調整燃料電池1 2内部的壓力而被設在加濕器6 0的排出 側之背壓閥6 2 ;及，將使用後的反應氣體以使用後的氧氣 稀釋之稀釋箱6 4 ;及，將稀釋後的反應氣體作為排氣而消 音排出至大氣之消音器6 6。又，燃料電池二輪車1 0係具 有被設在前叉附近之作為燃料電池系統的補助電源之二次 電池（未圖示）。 燃料高壓罐5 0係兩端半球之圓柱形狀，在車體後方部 被設在自中心偏右之位置。具體而言，燃料高壓罐5 0為被 設成自上面視（參照圖3 )在車長度方向延伸，而以側面視 (參照圖1 )則沿著座墊2 2及上部車架3 0 R而變成前低後 高。燃料高壓罐5 0雖然是構成燃料電池二輪車1 0之零件 中比較大的零件，但是因設在中心線的偏位時，則在上面 視其和後輪1 6大致不會重疊，而可充份確保後輪1 6的上 下方向懸吊系統之行程。由此，其可容易缓和來自路面的 衝擊，而可謀求燃料電池二輪車1 0乘騎感覺的提高。 稀釋箱6 4係被設在一對下部下車架2 8 R、2 8 L之間的下 10 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94 317428 1293927 端部，而被配置於比燃料電池1 2更低的位置。因此，在稀 釋箱6 4則可容易集積在燃料電池1 2所發生之水份，所集 積的水份則可自稀釋箱6 4之下面部而被排出。

在稀釋箱6 4接續有第1排氣管7 0，自該第1排氣管7 0 可使廢氣排出。第1排氣管7 0係在下部車架3 2 L中自中央 稍自前方部通過下部車架3 2 L的内部而在後方延伸，其後 端部則連通至第2排氣管7 2之一端。第2排氣管7 2為比 下部車架3 2 L的後端部之更稍向上方彎曲而指向後斜上 方，並接續有消音器6 6。 消音器6 6大略呈四角的縱扁平形狀，在車體後方部中 自中心偏左方，在比後輪1 6更高的位置中其被設成在車長 度方向延伸。可自消音器6 6來的廢氣排出之排出口 6 6 a 係被設在消音器6 6的後端部下方。該排出口 6 6 a在車長度 方向位於比後輪1 6的車軸1 6 a之稍後方。 如此，排出口 6 6 a在比後輪1 6之更高的位置，且由於 在前後方向位於比車軸1 6 a之更後方，因此，自排出口 6 6 a 所排出的廢氣係藉行駛風而被擴散至後方，並被排出至在 圖4二點鏈線之影線7 4所表示之範圍。因此，含在排氣之 水蒸氣（或水份）則不會落到後輪1 6。又，即使燃料電池 二輪車1 0以小的旋迴半徑行駛時，水蒸氣則飛散至斜後方 而不會落到後輪1 6上。 共鳴器5 4係大略呈四角的縱扁平形狀，其被設在燃料 高壓罐5 0的右側方。共鳴器5 4之後端部和空氣濾请器5 6 之後端部為以樹脂管7 5所連接。 11 312XP/發明說明書(補件)/94-09/9411742 8 1293927 空氣濾清器5 6係稍呈扁平之形狀，在燃料高壓罐5 0的 後部下方被配置成前低後高。通過空氣濾清器5 6之空氣再 - 通過短的樹脂管7 6而被導入壓縮機5 8的右端部。壓縮機 • 5 8係被設成在車寬度方向延伸且右端部位於燃料高壓罐 5 0之中央部下方。加濕器6 0為在車寬方向呈長尺的形狀， 而被設在壓縮機5 8和燃料電池1 2之間。 ‘ 中間冷卻器5 9係被設在燃料高壓罐5 0之前部下方，其 空氣流入口及空氣流出口各別被接續至壓縮機5 8及加濕 Φ 器6 0。如前所述，中間冷卻器5 9雖然可冷卻以壓縮機被 壓縮之外氣而供給至加濕器6 0，但是在寒冷起動時藉切換 驅動旁通閥（b y p a s s ν a 1 ν e ) 7 8，則不必經由中間冷卻器5 9 及加濕器6 0而可將壓縮之外氣供給至燃料電池1 2。 其次，一面參照圖5 —面說明可將燃料電池1 2冷卻而 維持在適宜的溫度範圍之水冷式的冷卻系統7 9。

冷卻系統7 9係具有以冷卻散熱片而可放熱使自燃料電 池1 2所被加溫之冷卻水冷卻的第1散熱器8 0及第2散熱 器8 2 ;及，對第1散熱器8 0之冷卻散熱片可使空氣流通 之冷卻風扇8 4 ;及，對第2散熱器8 2之冷卻散熱器可使 空氣流通的2個冷卻風扇8 6及8 8 ;及，可使冷卻水循環 之電動泵9 0 ;及，在暖機運轉時及過冷卻時可將冷卻水的 循環路徑切換之恆溫器9 2 ;及，可除去冷卻水中的離子而 防止燃料電池1 2接地故障（g r 〇 u n d f a u 1 t)之離子交換機 9 4。自圖1及圖2明顯可知，前述電動泵9 0係被配置在冷 卻風扇8 8的下流側。 12 312ΧΡ/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 各冷卻風扇84、86及88係在第1散熱器80及第2散 熱器8 2之裏面而可自第1散熱器8 0及第2散熱器8 2吸入 空氣，如箭頭A所示使空氣流動。其中，其被設定為藉冷 卻風扇8 8所發生的風可碰觸至電動泵9 0。

電動泵9 0具有馬達9 0 a，藉電氣使該馬達9 0 a旋轉驅動 而泵的部份被運轉，而可在冷卻系統7 9内使冷卻水可驅動 循環。電動泵9 0之吸入口 9 0 b和燃料電池1 2之冷卻水排 出口 1 2 a係以管路9 6 a所接讀，電動泵9 0之吐出口 9 0 c 和燃料電池1 2之冷卻水排出口 1 2 a則以管路9 6 b所接續。 第1散熱器8 0之下部和第2散熱器8 2之上部係以左右 二條管路9 6 c、9 6 d所接續（參照圖6 )。恆溫器9 2之一端 部為藉管路9 6 e被接續在第2散熱器8 2的下部，而另一端 部則藉管路9 6 f被接續在燃料電池1 2之冷卻水吸入口 1 2b。在電動泵90和第1散熱器80之間管路96b被分岐變 成管路9 6 g且被接續至恆溫器9 2。在燃料電池1 2和電動 泵90之間的管路96a分岐成管路96h且經由離子交換機 9 4而被接續至恆溫器9 2。在燃料電池1 2、離子交換機9 4 被設有未圖示之通氣部，而在管路9 6 a則設有未圖示之氫 氣感測器。 在暖機運轉時及過冷卻時，恆溫器9 2使管路9 6 g和管 路96f連通，而阻隔管路96e。由此，自電動泵90所吐出 之冷卻水則可流入管路9 6 g，不經過第1散熱器8 0、第2 散熱器8 2。因此，冷卻水不會有不必要的冷卻，而可迅速 地實行暖機。 13 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 一方面，在通常運轉時，恒溫器9 2則使管路9 6 e和管 路96f連通，而阻隔管路96g。由此，自電動泵90所吐出 之被加溫的冷卻水則以第1散熱器8 0、第2散熱器8 2而 被放熱、冷卻後，通過恆溫器9 2而被導入燃料電池1 2之 冷卻水吸入口 1 2 b。藉冷卻燃料電池1 2内的發電電瓶（未 圖示）而被加溫之冷卻水係自冷卻水排出口 1 2 a被排出而 導入電動泵9 0而被驅動循環。又，冷卻水之一部份則通過 離子交換機9 4而循環。

如圖6所示，第1散熱器8 0係大略呈正方形的板狀， 而被設在頭管2 4的前面，在第1散熱器8 0的裏面設有冷 卻風扇8 4。第2散熱器8 2其高度及面積有第1散熱器8 0 之大約2倍的板狀，沿著下部下車架2 8 R及2 8 L被設在該 下部下車架28R及28L的正前部。在第2散熱器82之裏面 上部設有冷卻風扇8 6，在裏面下部設有冷卻風扇8 8。電動 泵9 0係被設在冷卻風扇8 8和燃料電池1 2之間。 第1散熱器8 0及第2散熱器8 2係從車長度方向正面視 不會重複，因此在燃料電池二輪車1 0行駛時容易迎受行駛 風，並使其通過内部之冷卻水而放熱冷卻。又，冷卻風扇 8 4、8 6及8 8係以自第1散熱器8 0及第2散熱器8 2吸入 空氣而送風至後方之作用，對第1散熱器8 0及第2散熱器 8 2之冷卻散熱片可促進通氣，而可更確實地以冷卻水冷 卻。 在此一構成之燃料電池二輪車1 0中，如圖6所示，以 車長度方向正面視時，電動泵9 0被配置在第2散熱器8 2 14 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 之投影面内，而在燃料電池二輪車1 0行駛時通過第2散熱 器8 2之空氣則會碰觸至電動泵9 0。電動泵9 0具有馬達 9 0 a，該馬達9 0 a如發熱時則馬達9 0 a及電動泵9 0之效率 雖然會降低，但本實施形態之燃料電池二輪車1 0中，通過 第2散熱器8 2的空氣對電動泵9 0可有冷卻作用，因此， 可抑制馬達9 0 a之溫度上升。藉此，可抑制馬達9 0 a及電 動泵9 0效率之降低，而可確保冷卻水之循環量。因此，其 可防止冷卻系統7 9之效率降低。

由於電動泵9 0係被配置在第2散熱器8 2之投影面内， 因此，所謂前方投影面積並不會增加，而不會增加燃料電 池二輪車1 〇之行駛的空氣阻力。 又，電動泵9 0係被配置在可迎受冷卻風扇8 8所生的風 之位置，因此為所謂強制空氣冷卻式，而更可抑制馬達9 0 a 及電動泵9 0效率之降低。 電動泵9 0雖然被配置在主要可迎受藉附近的冷卻風扇 8 8所發生風的位置，但是實際上，由於在燃料電池二輪車 1 0上安裝有整流罩，因此，藉冷卻風扇8 4及8 6所發生的 風其至少一部份會通過整流罩内而碰觸至電動泵9 0而促 進其冷卻。 又，使電動泵9 0冷卻後的風則可碰觸至後方的燃料電 池1 2，該燃料電池1 2亦被強制空氣冷卻因此而可謀求發 電效率之提高。 又，由於電動泵9 0係自第2散熱器8 2觀看時被配置在 風的下方向，因此，第2散熱器8 2不會受到正面的風之影 15 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 1293927 響，電動泵90可藉空氣冷卻而不會減低第2散熱器82之 放熱效率。由於電動泵90為空冷式而不是水冷式，因此， 不會因冷卻水而增大冷卻系統7 9的熱負載。 由圖6明顯可知，由於第2散熱器8 2被配置在下部下 車架2 8 R、2 8 L之附近，除了前輪1 4以外並沒有遮住行駛 風之構件，因此第2散熱器8 2可迎受多量之行駛風而提高 冷卻系統7 9之放熱效率。

又，在圖1〜圖4及圖6中已省略槓桿（lever)及整流罩 等之圖示。又，在圖3中，為了容易辨認車架20等而省略 把手18及儀表板38之圖示。 在上述之説明中，雖然已說明冷卻系統7 9為水冷式者， 但其也可形成為油冷式等之其他的液冷式者。又關於冷卻 風扇8 4、8 6及8 8雖然以在第1散熱器8 0及第2散熱器 8 2的裏面可吸入空氣之方式加以說明，但例如，自第1散 熱器80及第2散熱器82的前面送出空氣之方式者亦可。 本發明之燃料電池二輪車並不限於上述實施形態者，只 要不脫離本發明之要旨，其可採用各種的構成。 【圖式簡單說明】 圖1為本實施形態之燃料電池二輪車的右側視圖。 圖2為自左下後方觀看本實施形態之燃料電池二輪車的 斜視圖。 圖3為本實施形態之燃料電池二輪車的平面圖。 圖4為燃料電池二輪車之左後方部的側視圖。 圖5為燃料電池二輪車中之冷卻系統的方塊圖。 16 312XP/發明說明書(補件)/94-09/9411742 8 1293927 電池二輪車的前視圖。 圖6為本實施形態之燃料 【主要元件符號說明】

- 10 - 12 12a 12b * 14 16 Φ 1 6a 18 20 22 23 24

26R 、 26L 28R > 28L 30R 、 30L 32R 、 32L 34R 、 34L 38 40 42 燃料電池車輛 燃料電池

冷卻水吸入口 前車輪 後車輪 車輪 把手 車架 座墊 前懸吊系統

上部下車架 下部下車架 上部車架 下部車架 縱車架 儀表板 樞軸 搖臂 44 輪内馬達 4 6 馬達驅動器 17 312XP/發明說明書(補件)/9109/94 η 7428 1293927

48 後 懸 吊 系 統 50 燃 料 高 壓 罐 52 進 氣 π 54 共 鳴 器 56 空 氣 濾 清 器 58 壓 縮 機 59 中 間 冷 卻 器 60 加 濕 器 62 背 壓 閥 64 稀 釋 箱 66 消 音 器 6 6a 排 出 口 70 第 1 排 氣 管 72 第 2 排 氣 管 74 剖 面 部 75 樹 脂 管 76 樹 脂 管 78 旁 通 閥 79 冷 卻 系 統 80 第 1 散 熱 器 82 第 2 散 熱 器 84 ^ 86 ^ 88 冷街 1 JS “扇 90 電 動 泵 90a 馬 達 312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428 18 1293927 90b 吸 入 V 90c 排 出 V 92 十亙 /m 器 94 離 子 交換機 9 6a、 96b 管 路 9 6c、 96d 管 路 9 6 e、 96 f 管 路 96g 管 路

312XP/發明說明書(補件)/94-09/94117428

Claims (1)

1293927 MAY 2 8 2007

十、申請專利範圍： 1. 一種燃料電池車輛，係對燃料電池供給反應氣體 料氣體，使用所得到的電力來行駛，並具有用以冷卻 燃料電池的液冷式之冷卻系統者，其特徵為，其具有： 用前述燃料電池而被加溫的冷卻液放熱，而進行冷卻 熱器； 對前述散熱器之冷卻散熱片（f i η )使空氣流通的冷名 扇；以及 被設在前述冷卻系統的管路之途中，使冷卻液循環 動之電動泵； 前述電動泵配置在接受前述冷卻風扇所發出的風之 置； 以車長度方向正面觀看，前述電動泵配置在前述散 之投影面内；

前述燃料電池車輛為二輪車， 其具有前方部被接續至頭管而朝車體後方傾斜為前 後低之下車架（down frame); 前述散熱器配置在車輛之前輪後方且前述下車架的 和燃 前述 使利 之散 P風 驅 位 熱器 附 近； 前述電動泵配置於上述下車架下端之附近。 2 ·如申請專利範圍第1項之燃料電池車輛，其中， 由側視觀察，前述電動泵配置於前述燃料電池之上 與下端部之間。 端部 326\總檔\94\94117428\94117428(替換)·2 20