JP2017081322A - 燃料電池車両の排気ダクト構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ダクト内に流れ込む水素を確実に希釈することができる燃料電池車両の排気ダクト構造を提案する。【解決手段】燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、車体５と、車体５に搭載され、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電する空冷式の燃料電池２と、燃料電池２の排気を車体５の後端部に導いて車外へ排気する排気ダクト５２と、排気ダクト５２内へ空気を導入して排気ダクト５２内の水素を希釈する希釈ファン７１と、を備えている。【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池車両の排気ダクト構造に関する。

燃料電池が発電する電力でモータを駆動し、走行する燃料電池車両が知られている。従来の燃料電池車両の排気ダクト構造は、燃料電池に空気を導入するファンを有するファンボックスの後側に接続される排気ダクトを備えている。この排気ダクトは、燃料電池を冷却した空気を導入する第一排気ダクトと、第一排気ダクトの後側に車体のフレームを避けて接続され、第１排気ダクトの空気を車体の後端部から排出する第二排気ダクトと、に分割されている。

排気ダクトは、発電にともなう燃料電池の湿潤な排気を車外へ排気する他に、燃料電池の安定的な発電を維持するためにアノード極から定期的に排気される水素を希釈して車外へ排気する。

特開２０１０−２４７５７４号公報

ところで、従来の燃料電池車両の排気ダクト構造は、車体の形状や車体フレームの形状の都合上、排気ダクトの全長に渡って風路の断面形状を同じにすることが難しい。

このように、流れの方向へ断面形状の変化する排気ダクト内では、部分的に流れが淀んで水素の希釈が不十分になる可能性がある。

そこで、本発明は、排気ダクト内に流れ込む水素を確実に希釈することができる燃料電池車両の排気ダクト構造を提案する。

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池車両の排気ダクト構造は、車体と、前記車体に搭載され、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電する空冷式の燃料電池と、前記燃料電池の排気を前記車体の後端部に導いて車外へ排気する排気ダクトと、前記排気ダクト内へ空気を導入して前記排気ダクト内の水素を希釈する希釈ファンと、を備えている。

本発明によれば、排気ダクト内に流れ込む水素（燃料電池の排気に含まれる余剰水素）を確実に希釈することができる燃料電池車両の排気ダクト構造を提供できる。

本発明の実施形態に係る排気ダクト構造が適用される電動車両としての燃料電池二輪車の左側面図。 本発明の実施形態に係る排気ダクト構造が適用される電動車両としての燃料電池二輪車の外装等を外した状態を示す左側面図。 本発明の実施形態に係る排気ダクト構造が適用される電動車両としての燃料電池二輪車の外装等を外した状態を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る排気ダクト構造の縦断面図。 本発明の実施形態に係る排気ダクトの正面図。 本発明の実施形態に係る排気ダクトの左側面図。 本発明の実施形態に係る排気ダクトの背面図。 本発明の実施形態に係る排気ダクトを左斜め前上方から見た斜視図。 本発明の実施形態に係る排気ダクトを左斜め前下方から見た斜視図。 本発明の実施形態に係る排気ダクトを左斜め後ろから見た斜視図。

以下、本発明に係る燃料電池車両の排気ダクト構造の実施の形態について、図１から図１０を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る排気ダクト構造が適用される燃料電池車両としての燃料電池二輪車の左側面図である。

図２は、本発明の実施形態に係る排気ダクト構造が適用される燃料電池車両としての燃料電池二輪車の外装等（カバーやシート）を外した状態を示す左側面図である。

図３は、本発明の実施形態に係る排気ダクト構造が適用される燃料電池車両としての燃料電池二輪車の外装等（カバーやシート）を外した状態を示す斜視図である。

なお、本実施形態における前後上下左右の表現は、燃料電池二輪車１の搭乗者を基準にする。図１から図３中の実線矢印Ｆは燃料電池二輪車１の前方を表し、実線矢印Ｒは燃料電池二輪車１の後方を表している。

図１から図３に示すように、本実施形態に係る電動車両としての燃料電池二輪車１は、燃料電池２で発電し、この電力でモータ３を駆動させて走行する。また、燃料電池二輪車１は、スクータ型の自動二輪車である。

燃料電池二輪車１は、前後に延びる車体５と、操舵輪としての前輪６と、前輪６を操舵自在に支えるステアリング機構７と、駆動輪としての後輪８と、後輪８を上下方向へ揺動自在に支えるスイングアーム９と、後輪８の駆動力を発生させるモータ３と、を備えている。

車体５は、車両の前後に延びるフレーム１１と、フレーム１１を覆う外装１２と、フレーム１１後半部の上方に配置されるシート１３と、を備えている。

また、車体５は、燃料電池２と、燃料電池２で発電に使用される燃料としての水素の高圧ガスを貯蔵する燃料タンク１５と、燃料電池２の電力を補助する二次電池１６と、燃料電池２の出力電圧の調整と燃料電池２および二次電池１６の電力の分配を制御する電力管理装置１７と、電力管理装置１７が出力する直流電力を三相交流電力に変換してモータ３へ出力し、モータ３を運転するインバータ１８と、これらを統括的に管理する車両コントローラ１９と、を備えている。

燃料電池二輪車１のパワートレインは、燃料電池２および二次電池１６を有し、車両の走行状態、燃料電池２の発電状態、二次電池１６の蓄電状態によって各電池の電力を適宜に使うシステムである。また、燃料電池二輪車１は、減速する際にモータ３で回生電力を発生させる。車両の電源である二次電池１６および燃料電池２は、インバータ１８に並列に接続されてモータ３へ電力を供給する。二次電池１６は、燃料電池二輪車１が減速する際にモータ３で発生する回生電力および燃料電池２が発電する電力を蓄える。

フレーム１１は、複数の鋼鉄製中空管を一体に組み合わせたものである。フレーム１１は、前端上部に配置されるヘッドパイプ２１と、ヘッドパイプ２１の中央部から後ろ下がりに傾斜して延びる上部ダウンフレーム２２と、ヘッドパイプ２１の下方に配置され、後ろ下がりに傾斜して延びる下部ダウンフレーム２３と、左右一対の下部フレーム２４と、左右一対の上部フレーム２５と、ピボット軸２６と、上ブリッジフレーム２７と、下ブリッジフレーム２８と、ガードフレーム２９と、搭載機器保護フレーム３０と、を備えている。

ヘッドパイプ２１は、ステアリング機構７を操舵自在、つまり車両の左右方向へ揺動自在に支持している。

左右一対の下部フレーム２４は、下部ダウンフレーム２３の左右に配置され、ヘッドパイプ２１の下部に接続されている。また、左右一対の下部フレーム２４は、ヘッドパイプ２１との接続部分から下部ダウンフレーム２３に沿って略平行に、かつ後ろ下がりに傾斜して延びる前側傾斜部分と、傾斜部分の下端で後方に向かって湾曲する前側の湾曲部分と、前側の湾曲部分の後端から略水平に車体５の後方へ向かって車体５の中央部分（車両の前後方向で中央部分）に達するまで直線状に延びる直線部分と、を有している。さらに、左右一対の下部フレーム２４は、直線部分の後端部から後上方に向けて湾曲する後ろ側の湾曲部分と、この後ろ側の湾曲部分の上端部から後ろ上がりに傾斜して延びる後側傾斜部分を経て上部フレーム２５に接続される上下フレーム接合部と、を有している。なお、左右の下部フレーム２４の間隔は、上部フレーム２５の間隔よりも広い。

また、左右それぞれの下部フレーム２４は、前側の湾曲部分の外側に搭乗者が足を置くフットボード３１を下方から支持するフットレストブラケット３１ａを備えている。

車体５の左側に配置される下部フレーム２４は、サイドスタンドブラケット（図示省略）を備えている。サイドスタンドブラケット（図示省略）には、燃料電池二輪車１を左側へ傾けた状態で自立させるサイドスタンド（図示省略）が設けられている。サイドスタンドは、燃料電池二輪車１を自立させる起立位置と、走行の妨げとならないよう車体５に添う収納位置との間を揺動する。

左右一対の上部フレーム２５は、車体５の前半部において下部フレーム２４の前側の傾斜部分の上下方向の中央部に接続されている。左右一対の上部フレーム２５は、下部フレーム２４の前側の傾斜部分との接続部分から車体５の後方に向かって略水平に延びる水平部分と、左右一対の上部フレーム２５の水平部分の後端であって、車体５の後半部、かつ後輪８の上方部分において後ろ上がりに大きく傾斜し、車体５の左右方向内側へ湾曲して後輪８の太さ（幅寸法）程度に接近する後端部と、を有している。

ピボット軸２６は、車体５の後半部において左右の上部フレーム２５間に架設されている。また、ピボット軸２６は、上部フレーム２５の下側、かつ上部フレーム２５と下部フレーム２４との合流部分（上下フレーム接合部）よりも後方であって、上部フレーム２５の水平部分と下部フレーム２４の後側傾斜部分とに接続されるブラケット２６ａに配置されている。

上ブリッジフレーム２７は、左右の上部フレーム２５の前端部に架設されている。上ブリッジフレーム２７は、左右の上部フレーム２５の間を実質的に車両の左右方向へ直線状に延びて、左右の上部フレーム２５を連結している。

下ブリッジフレーム２８は、左右の下部フレーム２４の前側の屈曲部分に架設されている。下ブリッジフレーム２８は、左右の下部フレーム２４の間を実質的に車両の左右方向へ直線状に延びて、左右の下部フレーム２４を連結している。

ガードフレーム２９は、左右の下部フレーム２４の後側の湾曲部分に架設されている。ガードフレーム２９は、左右の下部フレーム２４との接続部分から後下方に延びるとともに、フレーム１１の内部空間を拡大するように後ろ下がりのＵ字形状に延びている。ガードフレーム２９には、燃料電池二輪車１を直立状態で自立させるセンタースタンド３３が設けられている。センタースタンド３３は、燃料電池二輪車１を自立させる起立位置と、走行の妨げとならないよう車体５に添う収納位置との間を揺動する。

上部ダウンフレーム２２は、ヘッドパイプ２１と上ブリッジフレーム２７との間に架設されている。

下部ダウンフレーム２３は、左右の下部フレーム２４の上部の間で実質的に車両の左右方向へ直線状に延びて架設されるヘッドパイプ近傍ブリッジフレーム３４の車両の左右方向中央部に接続される上端部と、下ブリッジフレーム２８の車両の左右方向中央部に接続される下端部とを有している。

搭載機器保護フレーム３０は、上部フレーム２５の後半部の上部に設けられている。搭載機器保護フレーム３０は、燃料電池２を燃料電池二輪車１の車体に支持している。また、搭載機器保護フレーム３０は、その一部を上部フレーム２５に着脱できる。

シート１３は、フレーム１１の後半部上方を覆って前後に延びている。シート１３はタンデム式であり、搭乗者を着座させる前半部１３ａと、同乗者を着座させる後半部１３ｂとを一体的に備えている。また、シート１３は、前半部１３ａと後半部１３ｂとの間に傾斜部１３ｃを備えている。

ここで、左右の上部フレーム２５および左右の下部フレーム２４で囲まれる空間をセンタートンネル領域３５と呼び、上部フレーム２５の後半部、外装１２およびシート１３で囲まれる空間を機器搭載領域３６と呼び、センタートンネル領域３５の後方かつ機器搭載領域３６の下方の空間をタイヤハウス領域３７と呼ぶ。

センタートンネル領域３５は、燃料タンク１５を収容している。本実施形態に係るスクータ型の燃料電池二輪車１では、センタートンネル領域３５は、搭乗者が足を乗せる左右のフットボード３１の間で、車両の前後方向に沿って配置され、フットボード３１の足載せ領域を左右に分断するようにフットボード３１から上方に隆起している。換言すると、センタートンネル領域３５の左右には、足載せ領域となるフットボード３１が配置され、左右のフットボード３１の間に燃料タンク１５が配置されている。

機器搭載領域３６は、車体５の前側から順に二次電池１６、電力管理装置１７、燃料電池２を収容している。機器搭載領域３６は、搭載機器保護フレーム３０によって前端部、中央部、後端部、および中央部から後端部に渡る側部を保護されている。

搭載機器保護フレーム３０は、機器搭載領域３６を囲んで機器搭載領域３６に搭載される機器を保護している。搭載機器保護フレーム３０は、機器搭載領域３６の前端部に配置されて左右の上部フレーム２５の間で上に凸のアーチ状に架設される前保護フレーム３０ａと、機器搭載領域３６の中央部であって、上部フレーム２５と下部フレーム２４との合流箇所よりも後ろ側に配置されて左右の上部フレーム２５の間で上に凸のアーチ状に架設される中央保護フレーム３０ｂと、機器搭載領域３６の後端部に配置されて左右それぞれの上部フレーム２５が内側に湾曲する部分に接続され、この湾曲部分から後ろ斜め上方へ延びる左右一対の後保護フレーム３０ｃと、中央保護フレーム３０ｂの左右それぞれから後方へ延びて後保護フレーム３０ｃの上端部に接続され、さらに車体５の後端部へ到達する左右一対の側部保護フレーム３０ｄと、左右の側部保護フレーム３０ｄの後端部に架設されるブラケット３０ｅと、を備えている。左右の上部フレーム２５は、前保護フレーム３０ａの下端が接合される箇所で屈曲して車両の後方に向かって間隔を拡げ、中央保護フレーム３０ｂの下端が接合される箇所で屈曲して車両の後方に延びている。このため、中央保護フレーム３０ｂは、前保護フレーム３０ａよりも幅が広く、高さも高い。後保護フレーム３０ｃおよび左右一対の側部保護フレーム３０ｄは一体化されている。また、後保護フレーム３０ｃおよび左右一対の側部保護フレーム３０ｄは、中央保護フレーム３０ｂおよび上部フレーム２５に着脱自在に連結されて燃料電池２を支持している。

タイヤハウス領域３７には後輪８が配置されている。

機器搭載領域３６とタイヤハウス領域３７との間には、それぞれの領域を分断する隔壁部材としてのリアフェンダ３８が設けられている。

外装１２は、車体５の前半部を覆うフロントレッグシールドカバー４１と、車体５の中央上部に配置されてセンタートンネル領域３５などの上部フレーム２５の上方を覆うフロントフレームカバー４２と、車体５の後半部に配置されて機器搭載領域３６などの車体５の側面のうちシート１３の下方部分を覆うフレームカバー４３と、を備えている。

フレームカバー４３は、シート１３とともに機器搭載領域３６を囲んでいる。機器搭載領域３６は、シート１３、フレームカバー４３およびリアフェンダ３８に囲まれる閉鎖的な空間である。機器搭載領域３６は、フレームカバー４３、もしくはリアフェンダ３８の適宜の箇所に設けられる通気孔（図示省略）によって、燃料電池２への空気の流れを容易、かつ確実に制御し、また冷却が必要な装置へ冷却風としての空気の流れを容易、かつ確実に制御している。なお、機器搭載領域３６は、各カバーの継ぎ目などから空気が入り込むことを許容する。

ステアリング機構７は、車体５の前方に配置されて、フレーム１１のヘッドパイプ２１を中心に左右方向へ揺動し前輪６の操舵を可能にする。ステアリング機構７は、頂部に設けられるハンドル４５と、ハンドル４５と前輪６とを連結し、若干後傾して上下に延びる左右一対のフロントフォーク４６と、を備えている。左右のフロントフォーク４６は、弾性的に伸縮自在なテレスコピック構造を備えている。左右のフロントフォーク４６の下端部には、前輪６を回転自在に支持する車軸（図示省略）が架設されている。前輪６の上方には、フロントフェンダ４７が配置されている。フロントフェンダ４７は、左右のフロントフォーク４６の間にあって、フロントフォーク４６に固定されている。

前輪６は、左右のフロントフォーク４６の下端部に架設されている車軸の周りに回転自在な従動輪である。

スイングアーム９は、車体５の左右へ延びている回転中心としてのピボット軸２６の周りに上下方向へ揺動する。スイングアーム９は、車体５の左右で前後方向に延びる一対のアーム部の間に後輪８を回転自在に支持している。フレーム１１とスイングアーム９との間には、リアサスペンション４８が架設されている。リアサスペンション４８の上端部は、上部フレーム２５の後端部に揺動自在に支持されている。リアサスペンション４８の下端部は、スイングアーム９の後端部に揺動自在に取り付けられている。リアサスペンション４８は、スイングアーム９の揺動を緩衝する。

またスイングアーム９は、後輪８を回転駆動させるモータ３と、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３へ供給するインバータ１８と、を収容している。

モータ３は、燃料電池２または二次電池１６から供給される電力によって後輪８を回転駆動させる。モータ３は、スイングアーム９の後部に収容されて、後輪８の車軸と同軸に配置されている。モータ３はスイングアーム９に一体的に組み付けられてユニットスイング式スイングアームを構成している。

インバータ１８は、スイングアーム９の前部に収容されて、ピボット軸２６とモータ３との間に配置されている。

後輪８は、モータ３から駆動力が伝達される車軸（図示省略）によって支えられる駆動輪である。

燃料電池２は、燃料と酸化剤とを反応させて発電する。燃料電池２は、燃料として高圧ガス、例えば水素ガスを使用し、酸化剤として空気中の酸素を使用して発電し、空気を用いて冷却する空冷式燃料電池システムである。

燃料電池２は、機器搭載領域３６の後半側に配置されている。さらに具体的には、燃料電池２は、シート１３の前半部１３ａと後半部１３ｂとの間の傾斜部から後半部１３ｂの下方に渡って配置されている。つまり、車両の側面視で、燃料電池２は、同乗者を着座させるシート１３の後半部１３ｂと後輪８やスイングアーム９との間に配置されている。

燃料電池２は、車体５の前後方向に延びる長辺を有する直方体形状であって、吸気口２ａが配置される正面を前斜め下方へ向け、排気口２ｂが配置される背面を後ろ斜め上方へ向ける姿勢で機器搭載領域３６に配置されている。つまり、燃料電池２は、前方側が後方側よりも下方に位置する前傾姿勢でフレーム１１に固定されている。詳細には、燃料電池２の上部は搭載機器保護フレーム３０に固定され、燃料電池２の下部は上部フレーム２５に固定されている。

燃料電池２は、正面側から背面側へ向かって連結される扁平な複数のモジュールを含んでいる。具体的には、燃料電池２は、正面側から順に積層状態に重ねられて連結されるフィルタ（図示省略）、吸気シャッタ（図示省略）、セルスタック（図示省略）、ファン（図示省略）、排気シャッタ（図示省略）を有している。燃料電池２の天面には、燃料電池用制御部（図示省略）が設けられている。

吸気シャッタは、開閉自在な空気の吸気口２ａを有し、吸気口２ａを開閉してセルスタックへの空気の導入量を制御することができるとともに、吸気口２ａを閉じて燃料電池２内で空気を循環させる循環経路を形成することができる。排気シャッタは、開閉自在な空気の排気口２ｂを有し、排気口２ｂを閉じて燃料電池２内で空気を循環させる循環経路を形成することができる。換言すると、燃料電池２は、正面に開閉可能な吸気口２ａを有し、背面に開閉可能な排気口２ｂを有し、吸気口２ａと排気口２ｂを閉じることで燃料電池２内の空気を循環させることができる。

セルスタックは、吸気口から吸い込まれる空気に含まれる酸素と燃料タンク１５から供給される水素とを電気化学反応させて発電し、発電後に湿潤な余剰ガスを生成する。

ファンは、機器搭載領域３６内の空気を吸気口から燃料電池２内に吸い込むための吸込負圧を発生させる一方で、セルスタックから余剰ガスを吸い出して排気口から排気する。ファンが流動させる空気の流れは、セルスタックで発電に用いられる他に、燃料電池２の冷却に利用される。

燃料電池２の後方には、排気ダクト５２が設けられている。燃料電池２のファンは、余剰ガスをセルスタックから吸い出して排気ダクト５２へ排気する。排気ダクト５２の前端部は、燃料電池２の箱体（詳細には、排気シャッタの枠体）に気密に接続されている。排気ダクト５２は、車体５の後端で後下方と後上方に向かって開口される排気口５２ａ（後述する第一排気口７３、第二排気口９３）を有している。排気ダクト５２は、燃料電池２のファンから吐出される排気（余剰ガス）を、排気口５２ａへ導いて車体５の後方へ排出する。

排気ダクト５２の排気口５２ａは、燃料電池２の排気面（背面）よりも上方であって、望ましくは排気ダクト５２の後方上端部に配置されている。詳細には、燃料電池２の排気口よりも高い位置に排気口５２ａの上縁部が配置されている。排気ダクト５２は、燃料電池２の排気面（背面）よりも上方に配置される排気口５２ａを有することによって、未反応の水素ガスを含む湿潤な余剰ガスを排気口５２ａに導いて車体５から確実に排気することができる。

燃料タンク１５は高圧圧縮水素貯蔵システムである。燃料タンク１５は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の、あるいはアルミライナ製複合容器である圧力容器５５と、燃料充填口５６を有する燃料充填用継手５７と、燃料充填元弁５８と、遮断弁（図示省略）とレギュレータ（図示省略）とを一体的に有する燃料供給元弁５９と、を備えている。

圧力容器５５は、燃料電池２の燃料としての水素ガスを貯蔵するアルミライナ製複合容器である。燃料タンク１５は、例えば約７０ＭＰａの水素ガスを貯蔵する。圧力容器５５は、円筒形状の胴部と、胴部の前後の端面にドーム状の鏡板と、を有している。圧力容器５５は、円筒胴の中心線を車体５の前後方向へ沿わせてセンタートンネル領域３５内に配置されている。圧力容器５５は、一対の上部フレーム２５、一対の下部フレーム２４、下ブリッジフレーム２８、およびガードフレーム２９に周囲を囲まれて、燃料電池二輪車１の転倒や衝突による負荷に対して堅牢に保護されている。

また、圧力容器５５は、車体５の一方側の側部に配置される上部フレーム２５、例えば車体５の右側に配置される上部フレーム２５と、車体５の他方側の側部に配置される下部フレーム２４、例えば車体５の左側に配置される下部フレーム２４との間に架設されるクランプバンド６１によってセンタートンネル領域３５に支持されている。詳細には、圧力容器５５は、右側の上部フレーム２５と左側の下部フレーム２４との間に架設される下クランプバンド（クランプバンド６１の下半部）に載置され、上クランプバンド（クランプバンド６１の上半部）で締め付け挟持されている。なお、クランプバンド６１は、車体５の左側に配置される上部フレーム２５と、車体５の右側に配置される下部フレーム２４との間に架設されていても良い。

燃料充填用継手５７は、センタートンネル領域３５の外側、詳しくは後ろ上方であって、機器搭載領域３６の前端部に配置されている。燃料充填用継手５７は、二次電池１６よりも上方、あるいは真上に配置されている。燃料充填用継手５７は、搭載機器保護フレーム３０の前保護フレーム３０ａの上部と中央保護フレーム３０ｂの上部との間に架設される継手用ブラケット３０ｆに固定されている。燃料充填用継手５７は、燃料充填時に設備側の継手を車体の上方、かつ左側から差し込めるよう、車体５の上方、かつやや左側に向かって延びている。燃料充填用継手５７は、シート１３の前端部に設けられる燃料充填口用リッド６２によって覆い隠されている。燃料充填口用リッド６２は、ヒンジ機構（図示省略）を介してシート１３に支持されており、揺動することで開閉できる。燃料充填用継手５７は、燃料としての水素の高圧ガスを燃料タンク１５に導き入れる入口としての燃料充填口５６を有している。

燃料充填口５６は、燃料充填用継手５７の頂部に配置されている。また、燃料充填口５６は、車体５の左上方を向いている。燃料タンク１５に燃料を充填する際、燃料充填口用リッド６２を開放した状態において、燃料充填口５６の上方は、雰囲気に開放されている。したがって、高圧ガス（燃料、水素ガス）を燃料タンク１５に充填する際、仮に高圧ガス（燃料、水素ガス）が漏洩しても、漏洩燃料は滞留することなく燃料電池二輪車１の上方へ拡散する。

燃料充填元弁５８および燃料供給元弁５９は、一体化されて圧力容器５５の後方側の鏡板の頂部に設けられているタンクバルブ６３に内蔵されている。燃料供給元弁５９の遮断弁は、電磁弁を用いた開閉弁である。タンクバルブ６３は、ガードフレーム２９で囲まれた空間に配置されている。

二次電池１６は、箱状のリチウムイオン電池である。二次電池１６は、機器搭載領域３６の前端部であって、圧力容器５５の後半部、つまり円筒胴の後半部、および後方側の鏡板とシート１３の前半部１３ａとの間に配置されている。

なお、燃料電池二輪車１は、二次電池１６の他に、メータ類（図示省略）、ランプ類（図示省略）用の電源として、例えば１２Ｖ系の電力を供給する第２二次電池（図示省略）を備えている。第２二次電池は、ヘッドパイプ２１の周囲、例えば、ヘッドパイプ２１の右側の側方に配置されている。

また、仮に燃料充填口５６から燃料としての水素ガスが漏洩しても、空気より軽い水素ガスは上昇して、車内に滞留することなく車外に拡散する。また、仮に燃料充填元弁５８または燃料供給元弁５９から燃料としての水素ガスが漏洩しても、水素ガスはタイヤハウス領域３７に向かって移動して、車内に滞留することなく車外に拡散する。

電力管理装置１７は、機器搭載領域３６内で二次電池１６と燃料電池２との間に配置され、フレーム１１に固定されている。なお、電力管理装置１７は二次電池１６と同じ防水ケース内に配置されていても良い。

燃料電池二輪車１は、二次電池１６、電力管理装置１７、および燃料電池２を上述のように配置することによって、電気的な接続関係が隣り合う装置を極力近接する位置に配置することが可能であり、装置間の配線長を短く、配線に係る重量を軽くすることができる。

車両コントローラ１９は、燃料電池二輪車１内で比較的に高所となるヘッドパイプ２１の周囲、例えば、１２Ｖ系の電力を供給する第２二次電池の反対側にあたるヘッドパイプ２１の左側の側方に配置されている。

次いで、燃料電池二輪車１の排気ダクト構造について詳しく説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る排気ダクト構造の縦断面図である。

図５は、本発明の実施形態に係る排気ダクトの正面図である。

図６は、本発明の実施形態に係る排気ダクトの左側面図である。

図７は、本発明の実施形態に係る排気ダクトの背面図である。

図８は、本発明の実施形態に係る排気ダクトを左斜め前上方から見た斜視図である。

図９は、本発明の実施形態に係る排気ダクトを左斜め前下方から見た斜視図である。

図１０は、本発明の実施形態に係る排気ダクトを左斜め後ろから見た斜視図である。

図４から図１０に示すように、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、車体５と、車体５に搭載され、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電する空冷式の燃料電池２と、燃料電池２の排気を車体５の後端部に導いて車外へ排気する排気ダクト５２と、排気ダクト５２内へ空気を導入して排気ダクト５２内の水素を希釈する希釈ファン７１と、を備えている。

また、排気ダクト構造６９は、排気ダクト５２の内部に設けられ、希釈ファン７１に対向し、希釈ファン７１が生じさせる流れを排気ダクト５２内に分散させて水素の希釈を促進させる希釈促進壁７２を備えている。

さらに、排気ダクト構造６９は、車体５を覆って第一排気口７３に嵌合される第一継手部７５を有する外装１２を備えている。

先ず、燃料電池２は、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、PEFC）である。燃料電池２のセルスタックは、多数積層される単位セルを含んでいる。単位セルは、水素が供給されるアノード極、空気中の酸素が供給されるカソード極、およびアノード極とカソード極との間に挟み込まれ、拡散層／触媒層／水素イオンを選択的に透過する固体高分子電解質膜／触媒層／拡散層の積層体を含んでいる。燃料電池２は、燃料タンク１５から供給される水素と吸気口２ａから吸い込まれる空気に含まれる酸素との電気化学反応によって電力を発生するとともに、水を副成する電気化学システムである。

水素と反応した後の余剰空気、およびセルスタックを冷却した後の空気は、カソード極の排気として排気口２ｂから排出される。

他方、水素は、循環経路を含む水素供給配管（図示省略）を経由して、原則として燃料電池での消費量に応じてアノード極に供給される。ただし、燃料電池反応の継続にともない空気経路側（カソード極側）から不可避的にセルスタックを透過する窒素による水素濃度低下、ひいては水素濃度低下にともなう反応効率の低下を防止し、安定な発電をするため、および反応により生成する水分を排出するために、余剰水素排気管７６、および排気弁７７を経由し、アノード極から排気ダクト５２へ定期的な水素ガスパージが行われる。つまり、燃料電池２は、未反応の余剰水素を排気ダクト５２へ排気する余剰水素排気管７６、および排気弁７７を備えている。

排気ダクト５２は、燃料電池２の発電にともなう湿潤な排気を車外へ排気し、また、燃料電池２の安定的な発電を維持するために行われる水素ガスパージにともなって排気ダクト５２内へ排気される水素を希釈して車外へ排気する。排気ダクト５２は、導電性を有する樹脂の成形品である。

排気ダクト５２は、燃料電池２の排気口２ｂに連結され、車体５の後端部で外装１２に連結されている。排気ダクト５２は、燃料電池２に気密に接続される環状の接続部８１、および排気風路８２の一部を区画する第一区画壁８３を一体に有する第一ダクト部材８５と、排気風路８２を区画する側壁８５ａ、８５ｂ（底壁）、８５ｃのうち互いに対向する一対の側壁８５ａ、８５ｃに配置される分割面８６（分割箇所）で接続部８１の後部および第一区画壁８３（側壁８５ａ、８５ｃ）に連結されて排気風路８２の他部を区画する第二ダクト部材８７と、を備えている。

つまり、排気ダクト５２は、側壁８５ａ、８５ｃに形成された分割箇所で上下方向へ分割されている。

排気風路８２は、燃料電池２との接続部８１から車体５の後端部に延びる第一排気風路８９と、第一排気風路８９の途中から分岐して下方に延びる第二排気風路９１と、を含んでいる。

第一排気風路８９は、燃料電池２の排気口２ｂに繋がって車体５の後端部へ直線状、かつ後ろ上がりに延びている。第一排気風路８９は、燃料電池２の排気口２ｂに繋がる上流側から下流側へ向かって上下左右に狭まる楔形状を有し、略矩形の流路断面を有している。また、第一排気風路８９は、上流側から第二排気風路９１の分岐部までの部分に比べて、第二排気風路９１の分岐部から下流側の部分の方が流路断面積の減少が緩い。

第一排気風路８９は、車体５の後方へ向かって開口する第一排気口７３を有している。第一排気口７３は、車体５の後方へ向かって開口する左右一対の排気口７３ａ、７３ｂである。一対の排気口７３ａ、７３ｂは、第一排気風路８９が第二排気風路９１との分岐部の下流側（車両の後方側）でＶ字状に分岐され、排気ダクト５２内の排気を円滑に分流させる。

第一排気口７３には、導電性の第一メッシュフィルタ９２が設けられている。第一メッシュフィルタ９２は、第一排気口７３の排気の流れを円滑に保ちつつ、数ミリからセンチメートルオーダーの異物が排気ダクト５２内に入り込むことを阻止している。

第二排気風路９１は、斜め後ろ下方へ向かって垂れ下がり、リアフェンダ３８の接線方向に沿っている。第二排気風路９１は、第一排気風路８９との分岐部分から下端へ向かって略一様な筒形状を有し、車体５の後方側で狭くなる台形状の流路断面を有している。第二排気風路９１の幅寸法（車体５の左右方向における幅寸法）は、第一排気風路８９との接続部分において第一排気風路８９の横幅よりも狭く、第一排気風路８９の底面から突出するように延びている。

第二排気風路９１は、リアフェンダ３８を避けるようにリアフェンダ３８の後方で車体５の斜め後ろ下方へ向かって開口する第二排気口９３を有している。第二排気口９３は、車両の走行時にリアフェンダ３８の後方に生じる負圧領域に開口しており、効果的に排気を流出させることができる。第二排気口９３には、導電性の第二メッシュフィルタ９５が設けられている。第二メッシュフィルタ９５は、第二排気口９３の排気の流れを円滑に保ちつつ、数ミリからセンチメートルオーダーの異物が排気ダクト５２内に入り込むことを阻止している。

第一ダクト部材８５および第二ダクト部材８７は、協働して第一排気風路８９を区画する一方で、第一ダクト部材８５は、単独で第二排気風路９１を区画している。換言すると、第一ダクト部材８５は、第二排気風路９１の一部と第二排気風路９１とを区画し、第二ダクト部材８７は、第一排気風路８９の他部（第二排気風路９１の反対側にあたる上部）を区画している。

第一ダクト部材８５は、燃料電池２に接続される最上流部に切れ目のない環状の接続部８１と、接続部８１の下流側に連接し、第一排気風路８９の下半部を区画し後端部へ達する第一区画壁８３と、第二排気風路９１を区画する筒状の第二区画壁９６と、を有している。接続部８１は、燃料電池２の排気口２ｂに対応する矩形の筒体状であり、上下左右に略平坦な壁を有している。接続部８１は、第一排気風路８９の全長に比べて極めて短い。接続部８１と燃料電池２との間には、接続部８１と燃料電池２との隙間を気密に塞ぐシール材（図示省略）が挟み込まれている。

第一区画壁８３は、接続部８１の下半部後方に連接し、排気風路８２を区画する側壁８５ａ、８５ｂ、８５ｃを有している。側壁８５ａ、８５ｂ、８５ｃは、上向きに開放するトレイ形状を有している。また、第一区画壁８３は、後端部に第一排気口７３（つまり、左右一対の排気口７３ａ、７３ｂ）の下半部を区画している。

第一区画壁８３の側壁８５ｂは、第一排気風路８９の底面を区画する底壁である。接続部８１と側壁８５ｂとの境界部分には、フレーム１１との干渉を回避するために、排気ダクト５２内へ突出する適宜の形状の凸部９７（排気ダクト５２の外側から見れば凹形状）が設けられている。側壁８５ｂの中央部には、第二排気風路９１に通じる開口が設けられている。側壁８５ｂは、筒状の第二区画壁９６に連接している。第二区画壁９６は、側壁８５ｂから下方へ突出して延びている。

第二区画壁９６は、フレーム１１のダクト固定ブラケット１０５に結合部材１０６で固定されている。ダクト固定ブラケット１０５は、希釈ファン７１およびリアフェンダ３８の固定ブラケットを兼務し、上部フレーム２５の後端部に架設されている。

第二ダクト部材８７は、第一ダクト部材８５の接続部８１よりも後方に位置する部分に着脱自在に上方から組み合わされる蓋体である。第二ダクト部材８７は、第一排気風路８９のうち接続部８１よりも下流側の天面を区画する一方で、第一区画壁８３の側壁８５ａ、８５ｃと協働して第一排気風路８９のうち接続部よりも下流側の左右の側面を区画している。また、第二ダクト部材８７の後端部は、第一排気口７３（つまり、左右一対の排気口７３ａ、７３ｂ）の上半部を区画している。

第二ダクト部材８７は、分割箇所８６で第一ダクト部材８５の縁部に覆い被さるように嵌合される第二継手部９８を有している。第二ダクト部材８７と第一ダクト部材８５との間には、部材間の隙間を気密に塞ぐシール材（図示省略）が挟み込まれている。第二ダクト部材８７は、第二継手部９８に設けられる適宜の締結部１０１によって第一ダクト部材８５に着脱自在に固定されている。第二継手部９８の内面は、第二ダクト部材８７と第一ダクト部材８５とを実質的に面一に連結させる。

希釈ファン７１は、排気ダクト５２の下部に設けられ、車体５の後方へ向けて送風するよう配置されている。希釈ファン７１は、第二排気風路９１の横幅（車体５の左右方向における幅）よりも小さく、車体５の幅方向において排気ダクト５２の中央部に配置され、第二排気風路９１を区画する側壁のうち、正面側（車両の前方側）の壁面に設けられている。正面側の壁面は、第一ダクト部材８５の第二区画壁９６の一部であり、希釈ファン７１から排気ダクト５２内へ送風される空気を導く切り欠き部１０７を有している。

希釈ファン７１は、第一排気風路８９と第二排気風路９１との分岐部分の後縁部へ向けられている。つまり、希釈ファン７１は、リアフェンダ３８と排気ダクト５２の側壁８５ｂ（底壁）との間の空気を第二排気風路９１内に送り込む。詳細には、希釈ファン７１は、第二区画壁９６の前方の空気を、第二排気風路９１においてやや上流側に向く希釈促進壁７２に向けて送り込む。

希釈促進壁７２は、側壁８５ｂと第二区画壁９６との境界部分であって、第一排気風路８９と第二排気風路９１との分岐部分の後縁部に設けられている。希釈促進壁７２は、第二排気風路９１の第二区画壁９６を上方に延ばすように第二区画壁９６側から第一排気風路８９内へ突出している。希釈促進壁７２の上端部は、車体５の前方方向、つまり燃料電池２の排気口２ｂへ向かって湾曲している。

希釈促進壁７２は、車体５の幅方向において、第一排気風路８９および第二排気風路９１の幅寸法よりも狭く、排気ダクト５２の中央部に希釈ファン７１に対向する様に配置されている。希釈促進壁７２の左右両側方は、燃料電池２の排気が第一排気風路８９の下流側へ通過できるように、希釈促進壁７２の左右縁部と側壁８５ａ、８５ｃの間には距離が確保されている。

外装１２のうち、車体５の後端部を覆うフレームカバー４３は、排気ダクト５２の第一排気口７３の開口縁に覆い被さるように嵌合される第一継手部７５を備えている。第一継手部７５は、第一ダクト部材８５と第二ダクト部材８７との第二継手部９８と同様な構造を有している。フレームカバー４３は、一対の排気口７３ａ、７３ｂの間の部分で締結部材１０８によって排気ダクト５２に固定されている。第一継手部７５の内面は、排気ダクト５２とフレームカバー４３とを実質的に面一に連結させる。

また、排気ダクト構造６９は、第一排気風路８９の下方、かつ第二排気風路９１の後方に灯火装置１０９が配置されている。

灯火装置１０９は所謂テールランプであり、二股に分かれる第一排気風路８９と第二排気風路９１との間に挟まれて配置されている。排気ダクト構造６９は、灯火装置１０９を第一排気風路８９と第二排気風路９１との間に挟むようにして極力、車体５の前側へ配置することで車体５の全長を抑制する。

ところで、燃料電池２は、低温時に吸気シャッタおよび排気シャッタを閉じたままファンを運転することで燃料電池２の排気を循環させて暖気を行う。この暖機運転をリサーキュレーションと呼ぶ。リサーキュレーションの際、燃料電池２は、排気ダクト５２へ排気を放出しない一方で、水素ガスパージを継続的に行う。つまり、リサーキュレーション時は、燃料電池２から排気ダクト５２内へ排気が行われない一方で、排気よりも水素濃度が高い水素ガスパージが継続的に行われている。

そこで、排気ダクト５２は、余剰水素排気管７６から排気ダクト５２内に余剰水素を導いて希釈ファン７１の上方、かつ排気ダクト５２内における排気の流れの上流側へ余剰水素を案内する余剰水素案内路１１２を有している。詳細には、排気ダクト５２の上流部である接続部８１の下部に余剰水素案内路１１２を有している。そして、リサーキュレーション時は、希釈ファン７１を稼働させて余剰水素の希釈を確実に行う。

余剰水素案内路１１２は、排気ダクト５２を貫通し、余剰水素排気管７６に接続される複数の余剰水素導入孔１１３を通じて燃料電池２に接続されている。余剰水素導入孔１１３は、排気ダクト５２の接続部８１の底面の開口縁部に設けられている。余剰水素導入孔１１３は、接続部８１の底面の左右それぞれに設けられている。

余剰水素案内路１１２は、排気ダクト５２内に設けられ、複数の余剰水素導入孔１１３を通じて排気ダクト５２内に導入される余剰水素の流路である。余剰水素案内路１１２は、排気ダクト５２の内面と共働して余剰水素を排気ダクト５２の幅方向中央部に導くトンネルカバー１１５を備えている。トンネルカバー１１５は一対あり、左右それぞれの余剰水素導入孔１１３に覆い被さり、接続部８１の開口縁部に沿って配置され、排気ダクト５２の中央部に開口を有している。トンネルカバー１１５は、余剰水素導入孔１１３から流れ込む余剰水素（水素ガスパージに起因する余剰水素）を排気ダクト５２の中央部（幅方向における中央部）へ導き、排気ダクト５２内へ放出する。

また、トンネルカバー１１５は、車体５の幅方向へ並ぶ複数の排気孔１１６を有している。排気孔１１６は、トンネルカバー１１５の開口端、つまり排気ダクト５２の中央部のみならず、排気ダクト５２の全幅を有効に活用して排気ダクト５２内へ水素を拡散して放出させる。

このように構成される本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、排気ダクト５２内へ空気を導入して排気ダクト５２内の水素を希釈する希釈ファン７１を備えることで、水素の確実な攪拌と希釈とを行い、車外への排気の排出性能を高めることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、排気ダクト５２の下部に希釈ファン７１を設けることで、万一、希釈ファン７１が故障して停止してしまっても希釈ファン７１を通じて水素が車外へ流出することを防ぎ、水素を第一排気口７３から排気できる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、車体５の後方へ向けて送風するよう希釈ファン７１を配置することで、走行風と干渉することなく、排気ダクト５２へ空気を円滑に導入でき、かつ円滑に第一排気口７３へ空気を流すことができる。 さらにまた、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、排気ダクト５２内の希釈促進壁７２へ希釈ファン７１から空気を送風することによって、排気ダクト５２内に攪拌流を生じさせて水素の希釈を促進できる。

また、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、希釈ファン７１の上方、かつ排気ダクト５２内における排気の流れの上流側へ余剰水素を案内する余剰水素案内路１１２を備えることによって、水素ガスパージによって排気ダクト５２内へ排気される水素を希釈ファン７１が生じさせる空気の流れに巻き込ませて、水素の攪拌と希釈とを確実にできる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、トンネルカバー１１５を備えることによって、水素ガスパージによって排気ダクト５２内へ排気される水素を希釈ファン７１へ、より確実に導くことができる。

さらにまた、本実施形態に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、トンネルカバー１１５に複数の排気孔を有することによって、排気ダクト５２内へ排気される水素の拡散を促進できる。

したがって、本発明に係る燃料電池二輪車１の排気ダクト構造６９は、排気ダクト５２内に流れ込む水素を確実に希釈することができることができる。

１…燃料電池二輪車、２…燃料電池、２ａ…吸気口、２ｂ…排気口、３…モータ、５…車体、６…前輪、７…ステアリング機構、８…後輪、９…スイングアーム、１１…フレーム、１２…外装、１３…シート、１３ａ…前方部、１３ｂ…後方部、１３ｃ…傾斜部、１５…燃料タンク、１６…二次電池、１７…電力管理装置、１８…インバータ、１９…車両コントローラ、２１…ヘッドパイプ、２２…上部ダウンフレーム、２３…下部ダウンフレーム、２４…下部フレーム、２５…上部フレーム、２６…ピボット軸、２６ａ…ブラケット、２７…上ブリッジフレーム、２８…下ブリッジフレーム、２９…ガードフレーム、３０…搭載機器保護フレーム、３０ａ…前保護フレーム、３０ｂ…中央保護フレーム、３０ｃ…後保護フレーム、３０ｄ…側部保護フレーム、３０ｅ…ブラケット、３０ｆ…継手用ブラケット、３１…フットボード、３１ａ…フットレストブラケット、３３…センタースタンド、３４…ヘッドパイプ近傍ブリッジフレーム、３５…センタートンネル領域、３６…機器搭載領域、３７…タイヤハウス領域、３８…リアフェンダ、４１…フロントレッグシールドカバー、４２…フロントフレームカバー、４３…フレームカバー、４５…ハンドル、４６…フロントフォーク、４７…フロントフェンダ、４８…リアサスペンション、５２…排気ダクト、５２ａ…排気口、５５…圧力容器、５６…燃料充填口、５７…燃料充填用継手、５８…燃料充填元弁、５９…燃料供給元弁、６１…クランプバンド、６２…燃料充填口用リッド、６３…タンクバルブ、６９…排気ダクト構造、７１…希釈ファン、７２…希釈促進壁、７３…第一排気口、７３ａ、７３ｂ…排気口、７５…第一継手部、７６…余剰水素排気管、７７…排気弁、８１…接続部、８２…排気風路、８３…第一区画壁、８５…第一ダクト部材、８５ａ、８５ｂ、８５ｃ…側壁、８６…分割面、８７…第二ダクト部材、８９…第一排気風路、９１…第二排気風路、９２…第一メッシュフィルタ、９３…第二排気口、９５…第二メッシュフィルタ、９６…第二区画壁、９７…凸部、９８…第二継手部、１０１…締結部、１０５…ダクト固定ブラケット、１０６…結合部材、１０７…切り欠き部、１０８…締結部材、１０９…灯火装置、１１２…余剰水素案内路、１１３…余剰水素導入孔、１１５…トンネルカバー、１１６…排気孔。

Claims (5)

1. 車体と、
   前記車体に搭載され、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電する空冷式の燃料電池と、
   前記燃料電池の排気を前記車体の後端部に導いて車外へ排気する排気ダクトと、
   前記排気ダクト内へ空気を導入して前記排気ダクト内の水素を希釈する希釈ファンと、を備える燃料電池車両の排気ダクト構造。
2. 前記希釈ファンは、前記排気ダクトの下部に設けられ、前記車体の後方へ向けて送風するよう配置されている請求項１に記載の燃料電池車両の排気ダクト構造。
3. 前記排気ダクトの内部に設けられ、前記希釈ファンに対向し、前記希釈ファンが生じさせる流れを前記排気ダクト内に分散させて前記水素の希釈を促進させる希釈促進壁を備える請求項１または２に記載の燃料電池車両の排気ダクト構造。
4. 前記燃料電池は、未反応の余剰水素を排気する余剰水素排気管を有し、
   前記排気ダクトは、前記余剰水素廃棄管から前記排気ダクト内に前記余剰水素を導いて前記希釈ファンの上方、かつ前記排気ダクト内における排気の流れの上流側へ前記余剰水素を案内する余剰水素案内路を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池車両の排気ダクト構造。
5. 前記希釈ファンは、前記車体の幅方向において前記排気ダクトの中央部に配置され、
   前記余剰水素案内路は、前記排気ダクトを貫通し、前記余剰水素排気管に接続される複数の余剰水素導入孔を覆い、前記複数の余剰水素導入孔を通じて前記排気ダクト内に導入される前記余剰水素を集め、前記車体の幅方向において前記排気ダクトの中央部に集めるトンネルカバーを備え、
   前記トンネルカバーは、複数の排気孔を有する請求項４に記載の燃料電池車両の排気ダクト構造。

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