JP2008213742A - 燃料電池自動二輪車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内で生成される水の排水が乗員に飛散したり、タイヤに飛散したりしないようにする排水管兼用排気管のレイアウトを提供する。
【解決手段】燃料電池２５から供給される湿潤な余剰ガスは希釈ボックス３２で燃料電池２５から排出され、加湿器３０で空気を加湿した後のオフガスで希釈される。希釈ボックス３２には排気管３８が連結され、希釈された水素ガスは排気管３８を経て排出される。水素ガスに混入される水蒸気は排気管３８内で凝縮されて水となり、パワーユニット１９内を貫通して車体後方に延長される排気管３８を通じて排出される。排気管３８の排気口（燃料電池の生成水の排水口でもある）は車体幅中央に位置するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池自動二輪車に関し、特に、燃料電池内で生成された水を車体外へ排出する排水装置を有する燃料電池自動二輪車に関する。

環境保護や化石燃料に代わるエネルギ資源の確保の見地から燃料電池が着目されるようになり、燃料電池で発生する電気エネルギを利用して駆動されるモータを動力源とする燃料電池自動二輪車が開発されている。燃料電池では発電の際に燃料である水素から水素イオンと電子を放出し、この水素イオンがカソードで酸素および前記水素から放出された電子と結合して水を生成する。特開２００１−３１３０５６号公報には、燃料電池の排水装置が開示されている。この排水装置では排出口を車体の側方に配設し、タイヤに排水がかからないように車体の側方に排水している。
特開２００１−３１３０５６号公報

特許文献１に記載された排水装置では、車体の側方に排水口を配設しているので、足つき時の運転者や同乗者の足に排水が飛散するおそれがある。これを回避しようとすると、排水口や同乗者用の足置きステップ等の自由なレイアウトが困難となる。また、排出口を車体側面に配置すると車幅が大きくなるし、車体側面に露出する排水口によって車体の美観をそこなうおそれがある。したがって、燃料電池自動二輪車では排水口のレイアウトが課題である。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、燃料電池内で生成された水を車体外に排出する排水口のレイアウトを工夫し、車輪や乗員の足等に水を飛散させることなく、かつ車幅の増大や美観の低下を回避することができる排水構造を有する燃料電池自動二輪車を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、燃料電池で発生する電力を電源とするモータで駆動される燃料電池自動二輪車において、前記燃料電池が後車輪よりも前部に配置されているとともに、前記モータを支承し、自動二輪車のフレームボディに対して上下方向に揺動自在に枢支されたパワーユニットと、前記燃料電池の内部で生成された水を外へ排出するため該燃料電池に連結され、かつ前記パワーユニット内を貫通して後車輪よりも後方に延長された排水管とを備え、前記排水管の後端部に排水口が設けられている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記排水管の途中に設けられ、前記パワーユニット内に収容されたサイレンサを備えている点に第２の特徴がある。

上記第１の特徴を有する本発明によれば、排水管の排水口を車体後方に開口させたので、排水が乗員の足にかかるおそれがなくなる。また、車体側方へ排水管が張り出すことがないので、バンク角への影響が小さくなるし、美観上も好ましいものとなる。さらに、排水管をパワーユニット内に配置したので、パワーユニット内のスペースを有効に利用できるし、より好ましい外観を提供することができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、サイレンサをパワーユニット内に設けたので、排気音の低減効果が増大する。特に、燃料電池の生成水と排気が混入して排気と共に排水管から排出されるときの雑音の低減効果もある。また、サイレンサがパワーユニット内に収容されるので、外観が良好である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の右側面図であり、図２は該燃料電池自動二輪車の左側面図、図３は同正面図、図４は同背面図である。これらの図において、燃料電池自動二輪車１の左右一対の部分については、左のものに符号「Ｌ」を付し、右のものに符号「Ｒ」を付する。燃料電池自動二輪車は電気化学反応で電気エネルギを発生させるための水素供給系、酸素供給系、およびセルスタック（電極、セパレータ、電解質等を含む）からなる燃料発電機システムを備える。本明細書では、セルスタックおよびこれを収容するケーシング（ケーシングに付属する部材を含む）を併せて燃料電池と呼ぶ。

燃料電池自動二輪車（以下、単に「自動二輪車」と呼ぶ）１のフレームボディ２は、ヘッドパイプ３と、ヘッドパイプ３に前端が接合されて車体後方（符号Ｒｒで示す方向）に延びている上部フレーム４Ｌ、４Ｒならびに下部フレーム５Ｌ、５Ｒと、上部フレーム４Ｌ、４Ｒに前端を接合された後部フレーム６Ｌ、６Ｒとを含んでいる。後部フレーム６Ｌ、６Ｒには後上部サブフレーム７Ｌ、７Ｒの前部が接合され、上部フレーム４Ｌ、４Ｒの後部には後下部フレーム８Ｌ、８Ｒの後端が接合されている。後上部サブフレーム７Ｌ、７Ｒおよび後下部サブフレーム８Ｌ、８Ｒ、ならびに後上部サブフレーム７Ｌ、７Ｒと後下部サブフレーム８Ｌ、８Ｒとに端部が接続されたバンド９によってガスボンベ１０Ｌ、１０Ｒを車体に保持するボンベ保持部を構成している。ヘッドパイプ３にはステアリングステム１１が回動自在に支持され、ステアリングステム１１の上端にはハンドル１２が結合され、下端には前車輪１３を支持するフロントフォーク１４が結合されている。

上部フレーム４Ｌ、４Ｒと下部フレーム５Ｌ、５Ｒとは後端部で互いに接合され、その接合部には、車幅歩行水平に延びている枢軸１５が設けられる。枢軸１５はスイングアーム１６の前部に連結されたスイングアーム１６をフレームボディ２に対して揺動自在に支持する。スイングアーム１６とスイングアーム１６に支持された自動二輪車１の原動機としてのモータ１７とモータドライバ１８とによってパワーユニット１９が構成されている。後部フレーム６Ｌ、６Ｒには、上端が結合されて斜め後下方に延びたリアサスペンション２０が設けられ、リアサスペンション２０の下端はスイングアーム１６に結合されている。モータ１７で駆動される軸２１には後車輪２２が結合されている。上部フレーム４Ｌ、４Ｒと後部フレーム６Ｌ、６Ｒとにまたがる領域の上部には電子制御装置（ＥＣＵ）を収容するＥＣＵケース２３が設けられる。乗員用のシート２４は、このＥＣＵケース２３を覆うように設けられる。

フレームボディ２は上述の各フレームによって全体がクレードル型つまり籠型に形成され、その籠型のボディフレーム２で囲まれた機器搭載領域には、燃料電池２５、電圧調整器（ＶＣＵ）２６、ウォータポンプ２７、イオン交換器２８、過給器２９、加湿器３０、気液分離器３１、および希釈ボックス３２、エアフローセンサ３３、およびサーモスタット３４が設けられる。過給器２９は過給器モータ２９ａで回転される。

具体的配置例としては、フレームボディ２内の前上部にウォータポンプ２７が配置され、中央部下方に過給器２９および加湿器３０が配置され、過給器２９および加湿器３０の上方にＶＣＵ２６が配置される。燃料電池２５は、フレームボディ２の最後部つまり枢軸１５の直前部でＥＣＵケース２３の下方に収容される。燃料電池２５は側面視長方形の外観を有しており、この長方形が縦長になるように設置される。燃料電池２５の下方には気液分離器３１と希釈ボックス３２が設けられる。

さらに、フレームボディ２の前方には燃料電池２５の冷却水用ラジエータ３５が設けられ、ヘッドパイプ３の上方を囲むようにエアクリーナ３６とラジエータ３５のリザーバタンク３７が設けられる。

ＶＣＵ２６は燃料電池２５で発電された電力の電圧調整を行い、ウォータポンプ２７は冷却システムの冷却液を循環させ、イオン交換器２８は冷却水中のイオンを除去して燃料電池２５の地絡を防ぐ。過給器２９は反応ガスつまり空気を圧縮し、加湿器３０は燃料電池２５に供給される反応ガスと燃料電池２５から排出される使用済み反応ガスとの間で水分の交換を行い、気液分離器３１は反応に使用されなかった余剰水素ガス中で所定の膨張作用等によって生成された水分を回収する。希釈ボックス３２はパージした水素ガスを使用済み反応ガスで希釈し、エアフローセンサ３３は流入空気量を検出し、サーモスタット３４は暖機運転時および過冷却時に冷却水の循環経路を切り換える。

希釈ボックス３２には、耐熱ゴム等の可撓性材料からなる排気管３８が連結されており、この排気管３８は斜め上後方に枢軸１５近傍まで立ち上がり、そこからやや下がり気味に車体後方に延長されている。排気管３８の途中にはサイレンサ３９が設けられる。排気管３８はパワーユニット１９のケーシング内を通り、出口３８ａはパワーユニット１９から車体幅方向中央部で後方に突出し、やや下方に向けて設けられている。なお、排気管３８は燃料電池２５の排気を車体外に放出するが、この排気管３８には燃料電池２５内で生成された水分も混入されて排気と共に排出されるので、排気管３８は排水管としても機能し、出口３８ａは排水口としても機能する。すなわち、排気管３８は燃料電池２５内で生成された水分の排水管を兼ねる管部材であり、本明細書では排気管３８は同時に排水管をも意味する。

エアクリーナ３６を取り囲むようにヘッドライト４０が配置されている。ヘッドライト４０は、エアクリーナ３６から空気を取り込むエア通路と同心で配置され、ヘッドパイプ３に接合された支持パイプ４１によって支持された環状の灯具４０ａと灯具４０ａに取り付けられた発光部４０ｂとを有している。発光部４０ｂは灯具４０ａの形状に沿って環状に配置された複数の発光ダイオードで構成することができる。

車体の後部には、ヘッドライトと同様の環状に形成されたテールライト４２が設けられる。テールライト４２は灯具４２ａと発光部４２ｂとからなり、発光部４２ｂは灯具４２ａの形状に沿って環状に配置された複数の発光ダイオードで構成することができる。

ガスボンベ１０Ｌ、１０Ｒを保持している後上部サブフレーム７Ｌ、７Ｒには、同乗者用の背もたれ４３が取り付けられている。背もたれ４３は後上部サブフレーム７Ｌ、７Ｒに結合された軸受け部４４によりシート２４に沿うように前倒し可能に設けられている。

次に、燃料電池による発電システムを説明する。図５は、燃料電池２５の冷却系統図である。冷却系統２００は燃料電池２５を冷却した冷媒をラジエータ３５に循環させる経路を構成する。燃料電池２５の下面には冷却水導入部を介して冷却水導入管５０が接続され、上面の冷却水出口部には冷却水排出管５１が接続される。冷却水排出管５１は燃料電池２５の上部から車体前部のラジエータ３５側に向かって設けられた下がり勾配部を有し、端部がウォータポンプ２７に接続される。ウォータポンプ２７はさらにラジエータ３５の上部でラジエータ３５の第１タンク３５ａに接続される。冷却水排出管５１には下り勾配部を設けているので、燃料電池２５で発生した気泡がこの勾配部上部に溜まりやすく、燃料電池２５の冷却水出口部に設けられるガス抜き孔から気泡を排出させやすいという利点がある。

冷却水導入管５０は、サーモスタット３４を経由してラジエータ３５の第２タンク３５ｂに接続される。サーモスタット３４は４つのポートを有していて、冷却水導入管５０が接続されていない二つのポートのうち一つはイオン交換器２８を介して冷却水排出管５１に接続され、他の一つはラジエータ３５の下部で第１タンク３５ａに接続されている。冷却水温度が低い始動時等には第１タンク３５ａを介してウォータポンプ２７にサーモスタット３４を接続し、ラジエータ３５をバイパスして冷却水を循環させ、暖機運転時の発電効率を向上させている。そして、暖機運転終了後の通常運転時はサーモスタット３４を経由して冷却水導入管５０をラジエータ３５の第２タンク３５ｂに接続し、ラジエータ３５で冷却された冷却水を燃料電池２５に循環させる。

図６は燃料電池への水素ガスの供給系統図である。水素ガス供給系統１００は、ガスボンベ１０Ｌ、１０Ｒに充填されている高圧水素ガスを燃料電池２５に供給する水素ガス供給部１１０と、燃料電池２５で発電に使用された後の余剰水素ガスを燃料電池２５へ循環して再使用するための余剰ガス循環部１２０とからなる。

水素ガス供給部１１０は、ガスボンベ１０Ｌ、１０Ｒと、調圧ユニット５３と、イジェクタユニット５４とを含む。余剰ガス循環部１２０は、過給器２９と、加湿器３０と、気液分離器３１と、希釈ボックス３２と、排気管３８に設けられたサイレンサ３９とを含む。

ガスボンベ１０Ｌ、１０Ｒに充填されている高圧水素ガスは、調圧ユニット５３に含まれる手動弁５３１、電磁遮断弁５３２、第１レギュレータ５３３、および第２レギュレータ５３４等でイジェクタユニット５４に対する供給圧力に調整される。圧力を調整された水素ガスはイジェクタユニット５４の熱交換器５４１で冷却される。イジェクタユニット５４は、イジェクタ５４２および差圧レギュレータ５４３を有していて、水素ガスは差圧レギュレータ５４３によって空気側の圧力に対して所定圧に調整される。イジェクタ５４２は新たな水素ガスだけでなく、気液分離器３１からの未反応水素ガスも負圧で吸い込んで燃料電池２５に導入する。

水素ガスは燃料電池２５で発電に供された後、湿潤な余剰ガスとして気液分離器３１に導入される。気液分離器３１では、供給された水素ガスから水分を分離抽出し、水分が抽出された未反応の水素ガスは戻り管路Ｐを介してイジェクタ５４２に循環される。

また、燃料電池２５における生成水の一部は、燃料電池２５から排出される空気（オフガス）と共に水蒸気として加湿器３０内に導入され、エアクリーナ３６から取り込まれて過給器２９で圧縮された新たな空気（酸化剤ガス）の加湿に供される。加湿された空気は燃料電池２５に導入される。
希液分離器３１で気液分離して抽出された水素ガスは燃料電池２５に循環して再使用されるが、再使用を続けると不純物濃度が高くなるので、電磁弁５５を開いて時々排出する。排出される水素ガスは希釈ボックス３２に導入され、加湿器３０を経て希釈ボックス３２に導入される燃料電池２５からのオフガスで希釈される。希釈された水素ガスはサイレンサ３９を経由して外気に放出される。

また、過給器２９で圧縮された空気を加湿器３０をバイパスして燃料電池２５に供給するためのバイパス５６を有する。低温始動時に燃料電池２５を迅速に暖めるためにバイパス弁５７を開いてバイパス５６から燃料電池２５へ空気を直接供給することができる。

上記構成により、燃料電池２５では、燃料極（マイナス極）の働きにより、ガスボンベ１０Ｌ、１０Ｒから供給された水素から電子が切り離され、電子が切り離された水素イオンは電解質を通り空気極（プラス極）に移動する。一方、水素から切り離された電子が空気極に戻るように回路が設けられ、空気極では空気中の酸素および戻ってきた電子が反応して水蒸気が発生する。この反応により、外部回路を継続的に電子が移動し、電流が流れる。モータ１７はこの外部回路中に設けられる。燃料電池２５で発電した電力は、例えばフロントフォーク１４を挟んで縦長に配置されるバッテリ４８（図３参照）に一旦蓄えられ、ここからモータ１７に供給される。

上述のように、本実施形態では、オフガスの排気管３８を車体の後方に延長して車体の幅方向中央部から排気するようにした。したがって、排気中に含まれる水分がタイヤや乗員の足にかかるのを防止できる。なお、排気管３８はパワーユニット１９の内部を通すものに限定されず、例えば、後車輪を片持ちのスイングアームで支持する形式のパワーユニットを備える自動二輪車では、パワーユニットを設けていない側で車体に沿って排気管３８を延長し、先端部つまり出口３８ａが車体幅中央に位置するように排気管３８を屈曲させてもよい。また、本発明は、排気管３８の出口３８ａが車体後方に突出していればよく、必ずしも車体幅中央に出口３８ａを配置するものに限定されない。

本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の右側面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の左側面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の正面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の背面図である。 燃料電池の冷却系統を示すブロック図である。 燃料電池の水素ガス供給系統図である。

符号の説明

１…自動二輪車、 ２…フレームボディ、 ３…ヘッドパイプ、 １０Ｌ、１０Ｒ…ガスボンベ、 １７…モータ、 １９…パワーユニット、 ２５…燃料電池、 ２７…ウォータポンプ、 ２８…イオン交換器、 ２９…過給器、 ３０…加湿器、 ３１…気液分離器、 ３２…希釈ボックス、 ３５…ラジエータ、 ３８…排気管（排水管）、 ３８ａ…排水口（排気口）、 １００…水素ガス供給系統

Claims (2)

1. 燃料電池で発生する電力を電源とするモータで駆動される燃料電池自動二輪車において、
   前記燃料電池が後車輪よりも前部に配置されているとともに、
   前記モータを支承し、自動二輪車のフレームボディに対して上下方向に揺動自在に枢支されたパワーユニットと、
   前記燃料電池の内部で生成された水を外へ排出するため該燃料電池に連結され、かつ前記パワーユニット内を貫通して後車輪よりも後方に延長された排水管とを備え、
   前記排水管の後端部に排水口が設けられていることを特徴とする燃料電池自動二輪車。
2. 前記排水管の途中に設けられ、前記パワーユニット内に収容されたサイレンサを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動二輪車。

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