JP4771410B2 - 燃料電池自動二輪車 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池自動二輪車に関し、特に、寸法および重量が比較的大きい燃料電池を車両に対して容易に搭載できるようにし、かつ車両の運動性能を向上させることができ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燃料電池自動二輪車も知られるようになっている。例えば、特開２００５−１２５８４０号公報には、搭乗者が着座するシートの周辺、搭乗者の足元部の下側、あるいはヘッドパイプに上端が取り付けられたダウンチューブの途中に燃料電池を配置した燃料電池自動二輪車が提案されている。
特開２００５−１２５８４０号公報

大型の自動二輪車を駆動するためには大きい燃料電池を搭載する必要がある場合があり、運動性能つまり走行性能の観点からは上記特許文献１に一例として示されているようにシートの下方に燃料電池を配置することが考えられる。

しかし、幅や高さが一定である単調な外観の車体フレーム構造において大きな燃料電池を配置すると車体フレーム全体が幅方向に拡張することになり、搭乗者の乗り降りや、足回りの自由度を確保できない。また、車体フレームには重量が大きい燃料電池を搭載するのにも十分に耐え得るフレーム強度を与えなければならない。さらに、自動二輪車の製造時やメンテナンス時に大型の燃料電池を車体に組み付けたり取り外したりする工程は簡素化されなければならない。

本発明の目的は、車両の運動性能を維持しつつ、重量物であり、かつ横幅寸法が大きい燃料電池を車体に容易に組み付け・取り外しでき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、燃料電池自動二輪車において、ステアリング手段を支持するヘッドパイプから車両の後方左右に延びた上フレームおよび下フレームを有し、車両の横断面における前記各フレームが略矩形をなすように配置された籠型メインフレームを備え、前記上フレームおよび下フレームの、左右の配置間隔が、車両後方寄りで拡幅されており、かつ該左右に拡幅された上フレームおよび下フレームの後端部を含むメインフレームの後端部がクロス部材で縁取られて略矩形の開放部を形成しているとともに、前記上フレームの前記拡幅されている部分から上後方に延在して、前記開放部を形成している前記クロス部材の上辺部に接合されている補強部材をさらに備え、前記メインフレームの後端部に前記モータの保持部材を上下揺動自在に支持するピボット軸受が設けられ、前記燃料電池が、メインフレーム内の拡幅部で前記クロス部材に囲まれて前記ピボット軸受の前方に配置されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記拡幅部において、前記上下一対ずつのフレームのうち上下のフレーム同士がそれぞれ補強部材で連結されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記上下一対ずつ設けられたフレームのうち、上下フレームが後端で互いに会合し、該会合部に前記ピボット軸受が配置されているとともに、前記クロス部材が、前記ピボット軸受同士を連結する第１クロスパイプと、前記上下一対ずつのフレームのうち上フレーム同士を連結する第２クロスパイプとからなる点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、前記第１クロスパイプが、前記ピボット軸受に両端を接合されているとともに、中間部が前記ピボット軸受より下方に湾曲しており、該湾曲部に燃料電池の底部を固定するための取付部材が設けられている点に第４の特徴がある。

上記第１の特徴を有する発明によれば、燃料電池は籠型メインフレームに収容されるので外力の影響を直接受けない。籠型メインフレームに対する燃料電池の積み込みまたは積み降ろしは、駆動モータの保持部材をピボット軸受から取り外すことで大きく開口したメインフレームの開放部を通して行うことができるので、燃料電池の据え付けや取り外しが簡単である。また、重量物である燃料電池をピボット軸受の近傍つまり車両の重量中心部に位置させることができるので、自動二輪車の運動性能を向上できる。さらに、メインフレームの拡幅部に燃料電池を配置できるので容量の大きい燃料電池を搭載することができる。

第２の特徴を有する発明によれば、拡幅部を形成するフレームが補強部材で補強されるので、燃料電池に対する外力を確実に排除できる。

第３の特徴を有する発明によれば、ピボット軸受の間が第１クロスパイプでつながれ、左右一対の上フレーム間は第２クロスパイプでつながれるので、左右クレーム間の補強がなされ、ピボット軸受間の寸法精度を維持できる。

第４の特徴を有する本発明によればピボット軸受からさらに低い位置に燃料電池を取り付けることができる。

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分解側面図である。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）を燃料電池と呼ぶ。

図１において、燃料電池自動二輪車１は、ヘッドパイプ２に前部を接合されたメインフレーム３と、メインフレーム３の後部に接合されてさらに後方に延長されたリアフレーム４と、メインフレーム３の後部下方に設けられた軸受３０に揺動自在に枢支されたスイングアーム５とを有する。ヘッドパイプ２にはステアリングステム（図示せず）が回動自在に支持され、このステアリングステムの下端には前輪６を支持するフロントフォーク７が結合される。ステアリングステムの上端にはステアリングバー８が結合される。メインフレーム３には、上端が結合されて斜め後下方に延びたリアクッション９が設けられ、リアクッション９の下端はスイングアーム５に結合されている。スイングアーム５には自動二輪車１の原動機である電気モータ１０が設けられ、この電気モータ１０で駆動される後輪軸１１には後輪１２が結合される。メインフレーム３とリアフレーム４との上部にはケース１３に収容した制御装置つまりＥＣＵ１４が設けられる。乗員用のシート（図示せず）は、このケース１３を覆うように設けられる。

メインフレーム３は詳細を後述するように、全体形状がクレードル型つまり籠型に形成され、その籠型のメインフレーム３で囲まれた空間にはウォータポンプ１５、過給器１６、加湿器１７、燃料電池１８、およびＶＣＵ（電圧調節ユニット）１９が収容される。具体的には、メインフレーム３内の前上部にウォータポンプ１５が配置され、中央部下方に過給器１６および加湿器１７が配置され、過給器１６および加湿器１７の上方にＶＣＵ１９が配置される。そして、燃料電池１８は、メインフレーム３の最後部つまり軸受３０の直前部でＥＣＵ１４つまりシートの下方に収容される。燃料電池１８は側面視長方形のケースを有しており、この長方形が縦長になるように設置される。

燃料電池１８の下方にはキャッチタンク（気液分離器）２０と希釈ボックス２１が設けられる。また、メインフレーム３の前方には燃料電池１８の冷却水用ラジエータ２２が設けられ、ヘッドパイプ２の上方を囲むようにエアクリーナ２３とラジエータ２２のリザーブタンク２２Ａが設けられる。エアクリーナ２３に導入された空気はエアフローセンサ２４を経由して過給器１６に給送され、加湿器１７を経由して燃料電池１８に供給される。燃料電池１８に水素を供給する水素ボンベ２５がリアフレーム４の左右両側に一対搭載される。水素ボンベ２５内に充填された水素は後述するレギュレータで降圧された後、燃料電池１８に供給される。フロントフォーク７を間にしてその左右両側には、縦長に配置された一対のバッテリ（例えば、Ｎｉ−ＭＨ電池）２６が設けられる。

燃料電池１８では、燃料極（マイナス極）の働きにより、水素ボンベ２５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。燃料電池１８で発電した電力はバッテリ２６に一旦蓄えられ、ここからモータ１０に供給される。

次に、メインフレームの詳細な構造と燃料電池のより具体的な配置を説明する。図２はメインフレームの左上後方から見た斜視図であり、図３は燃料電池を積んだ状態で左上前方から見たメインフレームの斜視図であり、図４は同上面図である。これらの図において、メインフレーム３はヘッドパイプ２の上部に一端が接合された一対の上フレーム３１Ａ，３１Ｂを備える。上フレーム３１Ａ，３１Ｂの前部はヘッドパイプ２の下部に接合された一対の補強パイプ３２Ａ，３２Ｂと、上ブラケット３３Ａ、下ブラケット３３Ｂと、下ブラケット３３Ｂおよび上フレーム３１Ａ，３１Ｂに接合された補強パイプ３４Ａ，３４Ｂとで補強されている。 上フレーム３１Ａ，３１Ｂはヘッドパイプ２から左右にそれぞれ拡張して、全体として下後方に延びるように形成される。上フレーム３１Ａ，３１Ｂは、その中間部に水平部３１１，３１２を有し、この水平部３１１，３１２の後部は左右外方に屈曲された部分３１３，３１４を経て下方に延びている。

前記補強パイプ３２Ａ，３２Ｂには上端が接合された下フレーム３５Ａ，３５Ｂが設けられる。下フレーム３５Ａ，３５Ｂは垂直部３５１，３５２とそれにつづく水平部３５３，３５４とを有し、水平部３５３，３５４の後部は左右外方に屈曲された部分を経て、さらに後方に延びている。

上フレーム３１Ａ，３１Ｂと下フレーム３５Ａ，３５Ｂとが会合する後端部に、前記軸受３０（３０Ａ，３０Ｂ）が接合される。軸受３０Ａ，３０Ｂには下方に湾曲したピボットクロスパイプ３６の両端がそれぞれ接合される。上フレーム３１Ａ，３１Ｂの後部には、上方に湾曲した上フレームクロスパイプ３７の端部が接合される。また、上フレーム３１Ａ，３１Ｂと上フレームクロスパイプ３７とを接合する一対の補強パイプ３８Ａ，３８Ｂ、並びに上フレーム３１Ａ，３１Ｂと下フレーム３５Ａ，３５Ｂとを接合する２対の補強パイプ３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄが設けられる。さらに、下フレーム３５Ａ，３５Ｂを互いに連結する下フレームクロスパイプ４０Ａ，４０Ｂ が設けられる。

下フレーム３５Ａ，３５Ｂには、搭乗者が足を置くためのフロアを支持するための支持パイプ４１Ａ，４１Ｂがそれぞれ設けられる。支持パイプ４１Ａ，４１Ｂの前部と、ヘッドパイプ２から左右に延びる補助パイプ４２の両端とはそれぞれと前記バッテリ２６の下部および上部に結合され、バッテリ２６を支持する。

フロアの支持パイプ４１Ａ，４１Ｂの後端部は燃料電池１８の取り付け用クロスパイプ４３とともに、カラー４３Ａ、４３Ｂを介して下フレーム３５Ａ，３５Ｂに接続される。燃料電池１８の取り付け用クロスパイプ４３には、ステー４４Ａ，４４Ｂが溶接されていて、一方、前記ピボットクロスパイプ３６上にもステー４５Ａ，４５Ｂが溶接されている。これらステー４４Ａ，４４Ｂおよび４５Ａ，４５Ｂに燃料電池１８が載置されて固定される。さらに、上フレームクロスパイプ３７には、リアクッション９の上端を支持するステー４６やリアフレーム４を支持するステー４７，４８，４９，５０が溶接されている。ピボットクロスパイプ３６の下部にはメインスタンドを支持する一対のブラケット５１Ａ，５１Ｂが溶接される。

図５は、燃料電池１８の冷却系統図である。全体として直方体の燃料電池１８は下面には冷却水入口部材５２が、上面には冷却水出口部材５３が、それぞれ設けられる。冷却水入口部材５２には冷却水導入管５４が接続され、冷却水出口部材５３には冷却水排出管５５が接続される。なお、冷却水排出管５５は燃料電池１８の上部から車体前部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１５に接続される。ウォータポンプ１５はさらにラジエータ２２の上部に接続される。

冷却水導入管５４は、サーモスタット５７を経由してラジエータ２２の下部に接続される。前記冷却水排出管５５にはサーモスタット５７に至る分岐管５８が接続され、この分岐管５８にはイオン交換器５９が設けられる。なお、前記冷却水排出管５５に下り勾配部を設けているので、燃料電池１８で発生した気泡がこの勾配部上部に溜まりやすく、冷却水出口部材５２に設けられるガス抜き孔から気泡を排出させやすい。

図６は、図５の冷却系統図の模式図であり、図５と同符号は同一または同等部分を示す。ラジエータ２２は、ウォータポンプ１５を経由して導入された冷却水をサーモスタット５７に直送するバイパス経路２２Ａを有していて、冷却水温度が低い始動時等にはサーモスタット５７が開かれ、バイパス経路２２Ａを経由して燃料電池１８へ冷却水を供給できるようにしている。燃料電池１８は始動時など温度が低い状態では発電効率が低下するので、暖機運転ができるようにするためである。図６において、暖機運転時には、冷却水は点線矢印Ｂに沿って循環し、暖機終了後は冷却水は実線矢印Ａに沿って循環する。

図７は空気の供給系統図である。前記エアクリーナ２３から取り込まれた外気は前記エアフローセンサ２４を経由して、過給器１６に給送されて圧力を高められ、過給排気管６０を経由して点線矢印で示すように乾燥器６１に送り込まれる。乾燥器６１を鎖線矢印で示すように通過して乾燥された空気は加湿器１７で加湿される。加湿された空気は加湿排気管６２を経て連結管６３から排出される。連結管６３は乾燥空気を燃料電池１８に供給できるよう、燃料電池１８下面の空気導入管６４（図５参照）に接続される。乾燥器６１はバイパスバルブ６５を経由して乾燥前の空気を前記連結管６３に点線矢印の方向にバイパス給送するバイパス管６６を備える。加湿器１７を通した空気は温度低下して、燃料電池１８での発電効率が低下するので、例えば始動時にはバイパスバルブ６５を開いて乾燥器６１および加湿器１７を通さずに空気を直接燃料電池１８に供給する。

燃料電池１８から排出された使用済み空気は実線矢印で示すように空気戻り管６７を経由して希液分離器６９に導入される。燃料電池１８からの排気は排気口６８から希液分離器６９へ導入される。希液分離器６９で気液分離して抽出された水素は燃料電池１８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、時々排出する。排出される水素は希釈ボックス７１に導入され、燃料電池１８の排出空気で希釈される。希釈された水素はサイレンサ（後述）を経由して外気に放出される。燃料電池１８のドレイン配管７０から排出された水素も気液分離器６９に導入される。

図８は燃料つまり水素の供給系統図である。図８において、水素ボンベ（この例では２本のボンベ）２６には、逆止弁を有する水素充填口７４が設けられる。水素ボンベ２５内の水素はインタンク電磁弁７５を介して外部に取り出される。レギュレータユニット７６は水素ボンベ２５から供給された水素を降圧して適切な圧力に調整する複数のレギュレータ７７，７８を有する。レギュレータ７７で固定された圧力値に調整され、レギュレータ７８でさらに適正圧力値に調整する。レギュレータユニット７６内には緊急時に動作する電磁遮断弁７９および電磁弁７９の補助弁として手動弁８０を設けることができる。レギュレータユニット７６から排出された水素はエジェクタ８１で発生される負圧で吸引されて燃料電池１８に給送される。

燃料電池１８は電気化学反応後の排気を希液分離器６９に供給する。希液分離器６９で生じた水は希釈ボックス７１を経由して排出され、水素は循環パイプ８２を経由してエジェクタ８１に戻される。また、電磁排気弁８３を開いて純度の低下した水素を希釈ボックス７１に供給し、排出空気と混合希釈して排出する。

燃料電池１８を上記自動二輪車に搭載する手順を説明する。燃料電池１８はメインフレーム３に搭載されるすべての装置および部品、すなわち過給器１６、加湿器１７、希液分離器６９、および希釈ボックス７１等を搭載した後、最後に搭載する。上述のように構成されたメインフレーム３は、車体後部寄りで幅方向および高さ方向にサイズが広がるように屈曲されている。したがって、上フレーム３１Ａ，３１Ｂの屈曲部分３１３，３１４より後方は拡大された収容空間を構成している。そして、この収容空間の後方縁部、つまりピボットクロスパイプ３６、上フレーム３１Ａ，３１Ｂの後端部分および上フレームクロスパイプ３７とで形成される略矩形の部分は車体後方に向けてメインフレーム３を大きく開口している。この開口部に隣接する車体前方の収容空間は燃料電池１８を収容するのに好適な空間である。

したがって、燃料電池１８を搭載するときには、前記開口部を通して車体後方側から前記収容空間に燃料電池１８を押し入れる。このとき、燃料電池１８は、取り付け用クロスパイプ４３上のステー４４Ａ，４４Ｂと、ピボットクロスパイプ３６上のステー４５Ａ，４５Ｂとに底部が面するように置かれる。そして、これらのステー４４Ａ，４４Ｂ並びに４５Ａ，４５Ｂを通したボルトによって、燃料電池１８をメインフレーム３上に固定する。

燃料電池１８を搭載したならば、軸受３０Ａ，３０Ｂの間にスイングアーム５最前部に設ける連結部を位置合わせし、図示しない連結ロッド（ピボット軸）を軸受３０Ａ，３０Ｂとスイングアーム５の連結部を貫通させ、かつピボット軸の両端に、ピボット軸が軸受３０Ａ，３０Ｂから抜けないようにナット等を螺着させる。その後、上フレームクロスパイプ３７とスイングアーム５との間にリアクッション９を取り付ける。

こうして、メインフレーム３の後部つまり運転者が着座するシートの下方であって、ピボット軸受３０Ａ，３０Ｂの近傍に燃料電池１を収容することができる。メインフレーム３の後部は多くの補強パイプやフレームによって強度が増大されている部分であり、重量物である燃料電池１８を堅固に支持かつ保護することができる。

また、燃料電池１８のメンテナンス時には、スイングアーム５とリアクッション９とを取り外せばメインフレーム３の後部は大きく開口し、燃料電池１８の取り外しも容易である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の分解側面図である。 メインフレームの左上後方から見た斜視図である。 燃料電池を積んだ状態で左上前方から見たメインフレームの斜視図である。 燃料電池を積んだ状態で左上前方から見たメインフレームの上面図である。 燃料電池１８の冷却系統図である。 燃料電池の冷却系統を模式的に示した図である。 空気の供給系統図である。 水素の供給系統図である。

符号の説明

１…自動二輪車、 ２…ヘッドパイプ、 ３…メインフレーム、 ４…リアフレーム、 １０…モータ、 １４…ＥＣＵ、 １６…過給器、 １７…加湿器、 １８…燃料電池、 ２５…水素ボンベ、 ２６…バッテリ、 ３０…ピボット軸受、 ３１Ａ，３１Ｂ…上フレーム、 ３５Ａ，３５Ｂ…下フレーム、 ３６…ピボットクロスパイプ、 ３７…上フレームクロスパイプ

Claims (4)

1. 燃料電池（１８）で発生する電力を電源とするモータ（１０）で駆動される燃料電池自動二輪車において、
   ステアリング手段を支持するヘッドパイプ（２）から車両の後方左右に延びた上フレーム（３１Ａ、３１Ｂ）および下フレーム（３５Ａ、３５Ｂ）を有し、車両の横断面における前記各フレームが略矩形をなすように配置された籠型メインフレーム（３）を備え、
   前記上フレーム（３１Ａ、３１Ｂ）および下フレーム（３５Ａ、３５Ｂ）の、左右の配置間隔が、車両後方寄りで拡幅されており、かつ該左右に拡幅された上フレームおよび下フレームの後端部を含むメインフレーム（３）の後端部がクロス部材（３６、３７）で縁取られて略矩形の開放部を形成しているとともに、
   前記上フレーム（３１Ａ、３１Ｂ）の前記拡幅されている部分から上後方に延在して、前記開放部を形成している前記クロス部材（３６、３７）の上辺部に接合されている補強部材（３８Ａ、３８Ｂ）をさらに備え、
   前記メインフレーム（３）の後端部に前記モータ（１０）の保持部材を上下揺動自在に支持するピボット軸受（３０）が設けられ、
   前記燃料電池（１８）が、メインフレーム（３）内の拡幅部で前記クロス部材（３６、３７）に囲まれて前記ピボット軸受（３０）の前方に配置されていることを特徴とする燃料電池自動二輪車。
2. 前記拡幅部において、前記上フレームおよび下フレーム同士がそれぞれ補強部材（３９Ｃ、３９Ｄ）で連結され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。
3. 前記上フレームおよび下フレーム同士が後端で互いに会合し、該会合部に前記ピボット軸受（３０）が配置されているとともに、
   前記クロス部材が、前記ピボット軸受同士を連結する第１クロスパイプ（３６）と、
   前記上フレーム同士を連結する第２クロスパイプ（３７）とからな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。
4. 前記第１クロスパイプ（３６）が、前記ピボット軸受（３０Ａ、３０Ｂ）に両端を接合されているとともに、中間部が前記ピボット軸受（３０Ａ、３０Ｂ）より下方に湾曲しており、該湾曲部に燃料電池（１８）の底部を固定するための取付部材（４５Ａ、４５Ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池自動二輪車。

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