JP6149517B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、水素を燃料として発電する燃料電池を備えた燃料電池車両に関する。

燃料電池車両には、燃料電池システムが備えられている。この燃料電池システムでは、水素ガスの燃料ガスと、空気等の反応ガスを燃料電池に供給し、燃料電池で電気化学反応を生じさせることで発電している。燃料電池システムにより発電された電力をモータに供給し、このモータ駆動により動力伝達機構を介して車輪を駆動させるようになっている。

この種の燃料電池車両の中に、燃料電池および燃料タンクからなる燃料電池システムを車体フレームに搭載した燃料電池二輪車および三輪車がある（特許文献１および２参照）。

特開２０１０−２３５０７１号公報 特開２００５−４７４８２号公報

特許文献１に記載の発明は、車体フレームの前側において、左右一対の燃料タンクを両側上部に露出させて配設するとともに、車体フレームの中央部に設けられた燃料電池の両側方に突出するようにラジエータを配置したものである。

しかし、ラジエータは、機械的、物理的強度が充分でないため、転倒時に燃料電池を保護する機能が必ずしも充分でなく、しかも、燃料タンクは、車体フレームの前方上部で両側方に露出しているために、転倒時に損傷を受け易い。

さらに、特許文献２に記載の燃料電池二輪車には、車体の前方下部に燃料電池および燃料タンクを搭載したものであるが、この搭載構造の場合には、走行時の飛石や転倒時の衝撃から精密機器である燃料電池や燃料タンクのバルブを保護させる必要がある。燃料電池や燃料タンクのバルブを保護するためには、車体下部を覆うカバー部材を大型で剛性の大きな強固なものとしなければならず、燃料電池二輪車の車両重量増に繋がる課題があった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、燃料電池や燃料タンク等の精密機器の保護機能を向上させるとともに、フレーム剛性を向上させて安定性や操縦安定性を高めた燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両は、上述した課題を解決するために、車体フレームの内側空間に配置され、水素を燃料として発電する燃料電池と、この燃料電池に供給する水素燃料を保持するタンク本体およびタンクバルブを備えた燃料タンクと、前記燃料電池からの電力で車両の駆動力を発生させる原動機と、所要の車両構成部品を収容し、剛性の高いボックス形状に構成された筺体と、を有し、前記筺体は、前記燃料電池の車体前方側直前に位置され、車体側面視において、前記燃料電池および燃料タンクの車体前方に設けられ、かつ車両前面視において、前記筐体のうち左右夫々において最も車体幅方向外側に位置する筐体の外側端プロフィールは、前記燃料電池の車体幅方向両外側面プロフィールより車体幅方向外側に突出され、しかも、前記燃料電池または燃料タンクと重ねるように位置されたことを特徴とするものである。

本発明においては、剛性の高い筺体により車体フレームの内側空間に配置された燃料電池や燃料タンクを保護することができ、フレーム剛性を向上させて燃料電池車両の安定性や操縦安定性を高めることができる。

本発明に係る燃料電池車両の実施形態として燃料電池二輪車の全体を示す左側面図。 前記燃料電池二輪車の車体フレームと燃料電池システム等の車載構成部品とのレイアウト関係を示す左側面図。 図２と同様、車体フレームと燃料電池システム等の車載構成部品とのレイアウト関係を示す左側面図。 前輪およびフロントフォークを取り外して示す燃料電池二輪車を示す車両前方から見た正面図。 前記燃料電池二輪車を左後方から見た車体フレームと車載構成部品とのレイアウト関係を示す斜視図。 前記燃料電池二輪車を左側方から見た左側面図。 前記燃料電池二輪車を車両前方の左側方から見た斜視図。 前記燃料電池二輪車を右側方から見た右側面図。 前記燃料電池二輪車をフロントフォークや前輪を取り外して車両前方から見た正面図。 図８のＸ−Ｘ線に沿う平断面図。 前記燃料電池二輪車の前半部を示す底面図。

本発明に係る燃料電池車両の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池車両として燃料電池二輪車に適用した左側面図である。

なお、本実施形態において、前後、上下、左右の表現は、燃料電池二輪車１０に乗車するライダーを基準にする。

図１に示すように、燃料電池二輪車１０は、燃料電池１１から供給される電力で車両の駆動力を発生させる駆動モータとしての原動機１２によって走行するものである。また、燃料電池二輪車１０は、例えば、不整地走行に好適な自動二輪車両であり、特にデュアルパーパスやモトクロッサーなどのオフロード車両に適する。

燃料電池１１は、酸化剤としての酸素を含む空気（反応ガス）と燃料タンク１３から供給される燃料としての水素ガスとを電気化学反応させて電力を発生させる発電装置であり、空冷式燃料電池システムを構成する。

また、燃料電池二輪車１０は、燃料電池１１、原動機１２、燃料タンク１３に加えて、車両の前後に延びる車体フレーム１５と、車体フレーム１５の前方に配置される操舵輪としての前輪１６と、車体フレーム１５の前方に配置されて前輪１６を回転自在に支持するステアリング機構１８と、車体フレーム１５の後方に配置される駆動輪としての後輪１９と、車体フレーム１５の後方に延びて後輪１９を回転自在に支持するスイングアーム２０と、車体フレーム１５を部分的に覆う外装２１と、車体フレーム１５に設けられて乗員を着座させる運転シート２２と、を備える。

車体フレーム１５は、燃料電池１１および原動機１２を支え、車体フレーム１５の内側空間に収容する燃料電池二輪車１０のセミダブルクレードルタイプのフレーム構造である。

ステアリング機構１８は、サスペンション機構（図示省略）を内装して前輪１６を回転自在に支持する左右一対のフロントフォーク２５と、前輪１６の上方を覆うフロントフェンダ２６と、フロントフォーク２５の頂部に接続するハンドル２７と、を備える。乗員は、ハンドル２７を介して前輪１６を車両の左右方向へ操舵して車両を旋回させる。車両の右側にあるハンドル２７はアクセルグリップ２７ａである。

左右一対のフロントフォーク２５は、弾性的に伸縮するテレスコピック構造を備える。また、左右一対のフロントフォーク２５は、前輪１６の上方を覆うフロントフェンダ２６を支持している。

車体フレーム１５には、スイングアーム２０が、ピボット軸２８を中心にして、後輪１９を上下方向へ揺動自在に支持する。スイングアーム２０と車体フレーム１５との間にリアクッションユニット２９が介在されて後輪１９から車体フレーム１５に伝わる力を緩衝している。

後輪１９は、ドリブンスプロケット３１を備える。原動機１２の出力軸に設けられたドライブスプロケット（図示せず）とドリブンスプロケット３１にドライブチェーン３２が巻掛けられて動力伝達機構を構成しており、ドライブチェーン３２は、駆動モータとしての原動機１２から後輪１９へ駆動力を伝達している。

さらに、燃料電池二輪車１０は、燃料電池１１の上方空間の左右を覆うサイドカバー３３と、運転シート２２の下方空間の左右を覆うフレームカバー３４と、を備える。

次に、燃料電池二輪車１０の車体フレーム１５について、図２ないし図６を参照して説明する。

図２から図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池二輪車１０の車体フレーム１５は、ヘッドパイプ４１と、左右一対のメインフレーム４２と、左右一対のセンターフレーム４３と、ダウンチューブ４４と、ダブルクレードル部を構成する左右一対のロアチューブ４５と、ブリッジ４６と、左右一対のクロスメンバ４７と、を備える。

ヘッドパイプ４１は車体フレーム１５の前側頂部に配置される。ヘッドパイプ４１はステアリング機構１８を左右方向へ旋回自在に支える。

左右一対のメインフレーム４２は、図３に示すようにヘッドパイプ４１に接続される前端部４２ａ、前端部４２ａから左右へ広がり後下方へ延びる中間部４２ｂ、下方へ折れ曲がる後端部４２ｃを備える。中間部４２ｂは前端部４２ａから後端部４２ｃへ向かって斜め下方へ下り傾斜して延びる。

なお、左右一対のメインフレーム４２は、左右それぞれに１本のフレームを有し、タンクフレームを構成しているが、メインフレーム４２は左右それぞれに複数のフレームを有していても良い。例えば、左右それぞれのフレームが、さらに上下に分岐し延びているものであっても良い。

左右一対のセンターフレーム４３は左右一対のメインフレーム４２の各後端部４２ｃの下端に接合される。左右一対のセンターフレーム４３はピボットブラケット４８を一体に備え、このピボットブラケット４８がピボット軸２８を介してスイングアーム２０を揺動自在に支持している。

ダウンチューブ４４はヘッドパイプ４１に接続されて下方に延びる。

ダウンチューブ４４の下端に左右一対のロアチューブ４５が分岐されて接続され、左右一対のロアチューブ４５はそれぞれの分岐端部から下方に延びて、車体フレーム１５全体の下端を呈しつつ後方に屈曲してさらに水平方向に延び、センターフレーム４３のそれぞれの下端部に接続される。このようにして、車体フレーム１５はセミダブルクレードル構造に構成される。

ブリッジ４６は左右一対のメインフレーム４２間に架設され、リアクッションユニット２９の上端を揺動自在に支える。

左右一対のクロスメンバ４７は、ダウンチューブ４４から左右一対のメインフレーム４２のそれぞれに接続され、車体フレーム１５の両側方部を補強している。

また、燃料電池二輪車１０の車体フレーム１５は、左右一対のメインフレーム４２（あるいはブリッジ４６）から後上方に延びる左右一対のシートレール５０と、センターフレーム４３から後上方に延びる左右対のシートピラーチューブ５１とを備える。シートレール５０とシートピラーチューブ５１の後端部は互いに接合されて補強される。

左右一対のシートレール５０は、左右対のメインフレーム４２のそれぞれに着脱自在に固定される前端部から後方へ延びて運転シート２２を支える。また、左右一対のシートレール５０は、運転シート２２の後方に延びて後輪１９の上方を覆うリアフェンダ４９を支える。

さらに、左右一対のシートレール５０は、図６、図７および図８に示すように、左右一対のシートレール５０の前端部にメインフレーム４２に接続され、左右一対のシートレール５０を連結するシートレールブリッジ５３と、シートレールブリッジ５３に設けられて運転シート２２を揺動自在に支持するシートヒンジ５４と、左右一対のシートレール５０の後端部に配置されて運転シート２２を着脱自在に引っ掛けるシートロック５５と、を備える。燃料電池二輪車１０は、運転シート２２を固定するためのシートレールブリッジ５３、シートヒンジ５４、シートロック５５を左右一対のシートレール５０に集中的に設けることによって、メインフレーム４２とシートレール５０とに分散させる場合に比べて運転シート２２の組付け時や開閉時の位置ずれを抑止でき、利便性を向上できる。

車体フレーム１５は、左右一対のシートレール５０およびシートピラーチューブ５１に挟まれる領域にモータコントローラ５７、インバータ５８が搭載される。具体的には、車体フレーム１５は、モータコントローラ５７を前側に、インバータ５８をその後ろ側に配置して左右一対のシートレール５０で挟み、支持している。

一方、車体フレーム１５は、図６ないし図８に示すように、左右一対のメインフレーム４２、左右一対のセンターフレーム４３、ダウンチューブ４４、左右一対のロアチューブ４５、ブリッジ４６および左右一対のクロスメンバ４７で囲まれた領域（以下、この領域を車体フレーム１５の内側空間という。）に、燃料電池１１、駆動モータとしての原動機１２、燃料タンク１３およびバッテリとしての二次電池６０等が搭載される。燃料電池１１は、ダウンチューブ４４の後側にダウンチューブ４４に沿って配置され、燃料電池１１の後側上方に燃料タンク１３が配置される。燃料電池１１および燃料タンク１３は長手方向が略立設状態で設けられる。燃料電池１１と燃料タンク１３の車体フレーム１５の内側空間への配置関係は、車体前後方向を逆にし、燃料タンク１３をダウンチューブ４４の後方直後に配置してもよい。

具体的には、車体フレーム１５は、車体フレーム１５の内側空間であって、セミダブルクレードル構造のダウンチューブ４４の上半部近傍にバッテリとして二次電池６０が搭載され、二次電池６０の下方であって、ダウンチューブ４４の下半部近傍からダブルクレードル部を構成するロアチューブ４５の垂下部分近傍にかけて燃料電池１１が搭載される。二次電池６０および燃料電池１１の後方に燃料タンク１３が搭載される。燃料電池１１や燃料タンク１３から燃料電池システムが構成される。二次電池６０は、ヘッドパイプ４１の近くに配置されることで、ハンドル２７近傍に集中的に設けられるメータなどの電装品に対して、図示を省略した中継ケーブルの短縮化と整備性の向上を図ることができる。

また、燃料タンク１３の下方であって、ロアチューブ４５の後端部およびセンターフレーム４３の近傍に原動機１２が搭載される。二次電池６０は、冷却風を案内する左右一対の吸気ダクト６２上に位置される。燃料タンク１３は水素燃料を貯蔵するタンク本体６３と、貯えられた水素ガスの燃料や燃料電池１１に供給する供給弁としてのタンクバルブ６４とから構成される。

さらに、車体フレーム１５には、ダウンチューブ４４の下半部両側方であって、ロアチューブ４５の分岐部分上方に左右一組の筺体６１が設けられる。左右一対の筺体６１は、剛性の高い金属材料あるいは硬質樹脂材料でボックス状に構成される。筺体６１は、例えば剛性が高く、機械的・物理的強度が大きく、軽量構造のアルミケース等で形成される。

筺体６１は燃料電池１１の車体前方側直前のダウンチューブ４４に左右一組あるいは左右いずれかの外側に設けられる。燃料電池１１はボックス状に構成され、ダウンチューブ４４に沿ってその後方に配置される。筺体６１は、車両コントローラなどの格納部品を収容しており、左右一組の筺体６１の車体幅方向外側面の側面プロフィールＡは、図５および図９に示すように、燃料電池１１の上半部において車体幅方向両側面の燃料電池１１の側面プロフィールＢより車体幅方向外側に突出している。燃料電池１１の下半部は、車体フレーム１５のダブルクレードル部分のロアチューブ４５で車体前方側および車体底部側が覆われる。ダブルクレードル部分のロアチューブ４５は、車体幅方向両外側端が、燃料電池１１の下半部の車体幅方向両外側端より車体幅方向外側に突出している。なお、図５および図９において、車体フレーム１５のセンターフレーム４３にブラケットを介して左右一対のステップ６６が開閉自在に設けられる。

燃料電池二輪車１０では、車両コントローラなどの格納部品を収容した剛性の高い筺体６１は、車体幅方向の幅が燃料電池１１の（車体幅方向）幅より広く、車体幅方向外側に突出するように配置される。このため、燃料電池二輪車１０の燃料電池１１より剛性の高い筺体６１が車体幅方向外側に出っ張っているため、転倒時にも先に地面に接触し、燃料電池１１や燃料タンク１３の損傷を未然に防ぎ、燃料電池１１や燃料タンク１３を保護している。筺体６１には、内部に収容される車両コントローラは燃料電池１１、燃料タンク１３のタンクバルブ６４、原動機１２あるいはその他の車両部品のうち、いずれかの作動を制御するコントローラが格納されるようにしてもよい。

また、筺体６１は剛性が高く、機械的・物理的強度が大きいため、外力の作用や衝撃に強く、大きな耐衝撃性を有する。筺体６１は燃料電池１１の車体前方側直前に位置して、燃料電池１１を効果的に保護し、安全性を高めている。

さらに、筺体６１を燃料電池１１や燃料タンク１３より前方に配置することで、走行時に前方から飛来する砂塵や飛石、泥水等を筺体６１が受け、燃料電池１１や燃料タンク１３のタンクバルブ６４等の精密機器を保護することができる。また、燃料電池１１を覆うカバー部材の軽量化を図ることができる。さらに、カバー部材は必ずしも必要としない。

加えて、左右一組の筺体６１は燃料電池１１の両外側に迫り出すように車体幅方向外側に突出させることで、筺体６１自身、走行風を受け易くなり、冷却性能を向上させることができる。その上、筺体６１には、熱伝導率の高い金属材料を用いることで、放熱性を向上させることができ、車両コントローラのように発熱部品を収納しても、冷却性能を良好に維持させることができる。さらに、燃料電池１１より剛性が高く、頑丈な筺体６１を迫り出させるように取り付けることで、車体側方からの転倒時のダメージを解消することができ、筺体６１が先に地面に接触して燃料電池１１を保護し、燃料電池１１へのダメージを効果的に防ぐことができる。

また、燃料電池１１の上半部分前方が左右一組の筺体６１で覆われているが、その下半部分には筺体６１は存在しない。しかし、燃料電池１１の下半部分および底部は、ダウンチューブ４４を左右に分岐させたダブルクレードル部分のロアチューブ４５で覆われ、保護される。ロアチューブ４５の車体幅方向外側端の幅は、燃料電池１１の車体幅方向の幅より広い車体フレーム１５のフレームラインとすることで、燃料電池１１を保護するとともに、車体フレーム１５は充分なフレーム剛性が得られ、最適な操縦安定性を安定的に得ることができる。

一方、左右一組の筺体６１は、車体中央部を避けるように車体幅方向左右に離間させて配置することで、前輪１６による泥や石などの跳上げによるダメージを払拭することができ、車体フレーム１５の前方に筺体６１、すなわち、車両構成部品（格納部品）を集約配置することができ、燃料電池二輪車１０の操作性・整備性が向上する。

また、左右一組の筺体６１は、図２〜図３、さらに図６や図８に示すように、後端がダウンチューブ４４の後端より、車体前方側に配置することで、ダウンチューブ４４の後方に、車体フレーム１５に囲まれた内側空間のスペースを阻害することなく確保でき、燃料電池１１や原動機１２および燃料タンク１３のレイアウト配置をスムーズに行なうことができる。例えば、縦長の燃料電池１１や燃料タンク１３の長手方向をダウンチューブ４４に沿わせるように配置でき、燃料電池二輪車１０の車体の前後方向長さを短縮させることができるとともに、重畳部品の集中化が図れ、燃料電池１１や燃料タンク１３をダウンチューブ４４やロアチューブ４５の車体フレーム１５に強固に固定させることができる。さらに、マスの集中化が図れ、操向安定性を向上させることができる。

さらに、燃料電池システムを構成する燃料電池１１や燃料タンク１３は、それらの長手方向が略車体上下方向あるいは上下斜めに傾斜した方向を向くように配置され、車両前方からの車体正面視において、燃料電池１１と燃料タンク１３は、図４，図５および図９ないし図１１に示すように、重なるように配置される。したがって、燃料電池１１および燃料タンク１３は、筺体６１の後方に車体前後方向を詰めて集中的に略立設状態に配置できる。しかも、燃料電池１１、燃料タンク１３および原動機１２は、筺体６１の後方に近付くように、車体フレーム１５の内側空間内に配置できる。その上、燃料電池１１、燃料タンク１３および原動機１２への前方からの飛石、泥水は、剛性の高い頑丈な左右一組の筺体６１や車体フレーム１５のダブルクレードル部のロアチューブ４５で覆われ、保護されるので、筺体６１等によってカバーされ、保護され、安全性を高めることができる。なお、図１０において、符号６７はクロスメンバ４７と一体に形成された機器支持部であり、符号６８は同じくクロスメンバ４７と一体に形成されたタンク側部支持部、符号６９はブリッジ４６に一体成形されたタンク後部支持部である。

他方、車体フレーム１５は、セミダブルクレードル構造に構成され、ヘッドパイプ４１から下方に延びるダウンチューブ４４の下端に分岐部を有し、このダブルクレードル部分の分岐部から下方に延びて折曲された後、後方に延びて後端がセンターフレーム４３の下端に接合される左右一対のダブルクレードル部分を備えたロアチューブ４５を備える。ヘッドパイプ４１からダウンチューブ４４の車体幅方向左右に取り付けられる一組の筺体６１は、図２ないし図４に示すように、下端がロアチューブ４５の分岐部まで延びて終端している。さらに、左右一組の筺体６１の下縁をロアチューブ４５の分岐部まで延ばすことで、燃料電池１１の上半部前面をより広く保護することができる。

本発明の実施形態においては、燃料電池二輪車を例示して燃料電池車両を説明したが、この燃料電池車両は、燃料電池二輪車以外に、三輪車や四輪車の小型車両に適用することができる。特に、車体構造が近い燃料電池三輪車や四輪車不整地路面走行車などの小型車両に適用することができる。

また、本発明の実施形態では、燃料電池二輪車の車体フレームに、セミダブルクレードル構造を採用した例を示したが、筺体に収容されるコントローラを小型化することができ、またレイアウト構成が許す場合には、ダウンチューブをヘッドパイプの直下から２本に分けてダブルクレードル構造とし、燃料電池の上から下までをダブルクレードル構造の左右２本のダウンチューブで保護することができる。この場合には、小型化したコントローラを収容した筺体は、ダブルクレードル化したダウンチューブの２本のフレーム間に配置してもよい。

１０ 燃料電池二輪車
１１ 燃料電池
１２ 原動機（駆動モータ）
１３ 燃料タンク
１５ 車体フレーム
１６ 前輪
１８ ステアリング機構
１９ 後輪
２０ スイングアーム
２１ 外装
２２ 運転シート
２５ フロントフォーク
２６ フロントフェンダ
２７ ハンドル
２７ａ アクセルグリップ
２８ ピボット軸
２９ リアクッションユニット
３１ ドリブンスプロケット
３２ ドライブチェーン
３３ サイドカバー
３４ フレームカバー
４１ ヘッドパイプ
４２ メインフレーム
４２ａ 前端部
４２ｂ 中間部
４２ｃ 後端部
４３ センターフレーム
４４ ダウンチューブ
４５ ロアチューブ
４６ ブリッジ
４７ クロスメンバ
４８ ピボットブラケット
４９ リアフェンダ
５０ シートレール
５１ シートピラーチューブ
５３ シートレールブリッジ
５４ シートヒンジ
５５ シートロック
５７ モータコントローラ
５８ インバータ
６０ 二次電池（バッテリ）
６１ 筺体
６２ 吸気ダクト
６３ タンク本体
６４ タンクバルブ
６６ ステップ

Claims (6)

1. 車体フレームの内側空間に配置され、水素を燃料として発電する燃料電池と、
   この燃料電池に供給する水素燃料を保持するタンク本体およびタンクバルブを備えた燃料タンクと、
   前記燃料電池からの電力で車両の駆動力を発生させる原動機と、
   所要の車両構成部品を収容し、剛性の高いボックス形状に構成された筺体と、を有し、
   前記筺体は、前記燃料電池の車体前方側直前に位置され、車体側面視において、前記燃料電池および燃料タンクの車体前方に設けられ、かつ車両前面視において、前記筐体のうち左右夫々において最も車体幅方向外側に位置する筐体の外側端プロフィールは、前記燃料電池の車体幅方向両外側面プロフィールより車体幅方向外側に突出され、しかも、前記燃料電池または燃料タンクと重ねるように位置されたことを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記車体フレームは、ヘッドパイプから下方に延びるダウンチューブを備え、
   前記ダウンチューブの車体幅方向左右いずれか一方、あるいは双方に筺体が設けられた請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記筺体は、その後端が前記ダウンチューブの後端より車体前方に位置される請求項２に記載の燃料電池車両。
4. 前記筺体は、内部に燃料電池、燃料タンクのタンクバルブ、原動機あるいはその他の車両部品のいずれかの作動を制御するコントローラが格納される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池車両。
5. 前記車体フレームは、セミダブルクレードル構造に構成され、
   前記燃料電池または燃料タンクは、前記車体フレームのメインフレーム、センターフレーム、ダウンチューブおよびロアチューブで囲まれた前記車体フレームの内側空間内に配置される請求項１または２に記載の燃料電池車両。
6. 前記燃料電池および燃料タンクは、それらの長手方向が略車体上下方向を向くように立設して配置され、車体前面視において、前記燃料電池と燃料タンクは車体前後方向に重なるように設けられる請求項５に記載の燃料電池車両。

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