-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Bei einer Brennstoffzelle mit Stapelstruktur, in der eine große Zahl von Einheitszellen gestapelt ist, können Spannungen der Einheitszellen zwischen den Einheitszellen aufgrund der Dichteverteilung, Feuchtigkeitsverteilung und Temperaturverteilung eines Brenngases im Stapel variieren. Es ist daher notwendig, den Zustand bzw. Status jeder Einheitszelle in der Brennstoffzelle zu überwachen und einen Leistungserzeugungsstrom auf Basis dieses Zustands zu steuern. Die nachfolgend genannte Patentschrift 1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das die Steuerbarkeit der Steuerung der Leistungsstromerzeugung gemäß dem Zustand jeder Einheitszelle in einer Brennstoffzelle durch Integrieren der Brennstoffzelle und eines DC/DC-Wandlers, der ein Spannungswandler ist, verbessert.
-
Stand der Technik Schriften
-
- Patentschrift 1: offengelegte japanische Patentanmeldung 2007-207582
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der Erfindung zu lösende Aufgabe
-
Ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer unter dem Fahrzeugboden angeordneten Brennstoffzelle macht es erforderlich, dass Einbauraum für die Brennstoffzelle bereitgestellt wird, wobei der hierfür geopferte Fahrgastraum möglichst gering gehalten werden soll. Es gibt jedoch verschiedene Einschränkungen hinsichtlich des Vorsehens des Einbauraums für die Brennstoffzelle unter dem Fahrzeugboden während ausreichend Fahrgastraum sichergestellt werden soll, weshalb es schwierig ist, diese Anforderung zu erfüllen. Dementsprechend ist es bei einer Konfiguration, bei der die Brennstoffzelle und der Spannungswandler integriert und unter dem Boden angeordnet sind, noch schwieriger, diese Anforderungen zu erfüllen.
-
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das aus dem Stand der Technik bekannte Problem zu lösen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellesystem zu schaffen, dass geeignet ist, den größtmöglichen Fahrgastraum bzw. das größtmögliche Raumangebot in einem Objekt zu gewährleisten, in dem das Brennstoffzellensystem installiert ist.
-
Mittel zur Lösung der Aufgabe
-
Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen schlägt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das aufweist: eine Brennstoffzelle; und einen Spannungswandler, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht und die resultierende Ausgangsspannung an eine Strom verbrauchende Vorrichtung ausgibt, wobei eine Reaktoreinheit, eine Steuereinheit zur Spannungserhöhung und eine Kondensatoreinheit, die im Spannungswandler enthalten sind, derart integriert sind, dass die Reaktoreinheit, die Steuereinheit zur Spannungserhöhung und die Kondensatoreinheit einander nicht in ihren Dickenrichtungen überlagern.
-
Da die Reaktoreinheit, die Steuereinheit zur Spannungserhöhung und die Kondensatoreinheit, die im Spannungswandler enthalten sind, in einem flachen Zustand integriert werden können kann die Gesamtdicke des Spannungswandlers minimiert werden.
-
Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem ist der Spannungswandler an einer oberen Seite der Brennstoffzelle bezüglich der angeordneten Brennstoffzelle angeordnet.
-
Bei einer derartigen Konfiguration kann der Spannungswandler an der oberen Seite der Brennstoffzelle angeordnet sein, wobei die Dicke des Spannungswandlers minimiert ist, und die Dicke der Brennstoffzelle und des Spannungswandlers, wenn diese integriert ausgebildet sind, kann minimiert werden.
-
Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem ist der Spannungswandler an einer unteren Seite der Brennstoffzelle bezüglich der angeordneten Brennstoffzelle angeordnet.
-
Bei einer derartigen Konfiguration kann der Spannungswandler an der unteren Seite der Brennstoffzelle angeordnet sein, wobei die Dicke des Spannungswandlers minimiert ist, und die Dicke der Brennstoffzelle und des Spannungswandlers, wenn diese integriert ausgebildet sind, kann minimiert werden.
-
Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem ist der Spannungswandler an einer hinteren Seite der Brennstoffzelle bezüglich der angeordneten Brennstoffzelle angeordnet.
-
Bei einer derartigen Konfiguration kann der Spannungswandler an der hinteren Seite der Brennstoffzelle angeordnet sein, wobei die Dicke des Spannungswandlers minimiert ist, und die Dicke der Brennstoffzelle und des Spannungswandlers, wenn diese integriert ausgebildet sind, kann minimiert werden.
-
Das vorstehende Brennstoffzellensystem weist ferner auf: einen Kühlwasser-Zirkulations-Strömungsweg, der Kühlwasser zirkuliert und der Brennstoffzelle zuführt; und eine Kühlwasserpumpe, die das Kühlwasser im Kühlwasser-Zirkulations-Strömungsweg zum Zirkulieren bringt, wobei die Kühlwasserpumpe an einer vorderen Seite der Brennstoffzelle und des Spannungswandlers bezüglich der angeordneten Brennstoffzelle und dem angeordneten Spannungswandler angeordnet ist.
-
Bei einer derartigen Konfiguration kann die Kühlwasserpumpe als Puffer dienen, um, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite passiert, einen aus dem Zusammenstoß resultierende Aufprall zu puffern bzw. zu milder, wodurch die Brennstoffzelle und der Spannungswandler vor dem aus dem Zusammenstoß resultierenden Aufprall geschützt werden können.
-
Das vorstehende Brennstoffzellensystem weist ferner einen Ionentauscher auf, der im Kühlwasser enthaltene Verunreinigungen entfernt, wobei der Ionentauscher an einer vorderen Seite der Brennstoffzelle und des Spannungswandlers bezüglich der angeordneten Brennstoffzelle und dem angeordneten Spannungswandler angeordnet ist.
-
Bei einer derartigen Konfiguration kann der Ionentauscher als Puffer dienen, um, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite passiert, einen aus dem Zusammenstoß resultierenden Aufprall zu milder, wodurch die Brennstoffzelle und der Spannungswandler vor dem aus dem Zusammenstoß resultierenden Aufprall geschützt werden können.
-
Das vorstehende Brennstoffzellensystem weist ferner ein Schutzelement auf, das die Brennstoffzelle schützt, wobei ein Teil des Schutzelements, gesehen von einer lateralen Seite der angeordneten Brennstoffzelle und des angeordneten Spannungswandlers, derart angeordnet ist, dass es einen an der Brennstoffzelle ausgebildeten Verbindungsabschnitt kreuzt.
-
Bei einer derartigen Konfiguration können der Verbindungsabschnitt, der eine hohe Festigkeit bzw. Stärke hat, und das Schutzelement im Wesentlichen X-förmig angeordnet sein, wodurch die Widerstandskraft gegen einen Seitenaufprall verbessert werden kann.
-
Effekt der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung kann das größtmögliche Raumangebot in einem Objekt gewährleisten, in dem das Brennstoffzellensystem installiert ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
-
2 zeigt eine perspektivische Darstellung, die schematisch die Außenansicht des DC/DC-Wandlers zeigt;
-
3 zeigt eine perspektivische Darstellung, die schematisch die Außenansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform zeigt;
-
4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Außenansicht eines Schutzrahmens;
-
5 zeigt eine perspektivische Darstellung, die schematisch die Außenansicht des Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Abwandlung zeigt; und
-
6 zeigt eine perspektivische Darstellung, die schematisch die Außenansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Abwandlung zeigt.
-
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
-
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsform beschreibt eine Konfiguration, bei der das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung als fahrzeuggestütztes Leistungserzeugungssystem in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (BZHF) verwendet wird.
-
Zunächst wird, unter Bezugnahme auf 1, die Konfiguration des Brennstoffzellensystems dieser Ausführungsform beschrieben. 1 zeigt eine schematische Darstellung, welche das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform zeigt.
-
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 1: eine Brennstoffzelle 2, die mit einem Oxidationsgas und einem Brenngas, die als Reaktionsgase dienen, gespeist wird, und die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt; ein Oxidationsgasleitungssystem 3, das Luft, die als Oxidationsgas dient, der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein Brenngasleitungssystem 4, das Wasserstoff, der als Brenngas dient, der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein Kühlsystem 5, das Kühlwasser zirkuliert und der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein Leistungssystem 6, welches zulässt, dass das System mit elektrischer Leistung geladen wird oder elektrische Leistung abgibt; sowie eine Steuereinheit 7, welche das gesamte System zentral steuert.
-
Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und hat eine Stapelstruktur mit einer großen Anzahl von darin gestapelten Einheitszellen. Die Einheitszelle hat eine Kathode (Luftelektrode) an einer Seite eines Elektrolyts, das von einer Ionenaustauschmembran gebildet wird, sowie eine Anode (Brennstoffelektrode) an der anderen Seite des Elektrolyts, und die Einheitszelle hat ferner ein Paar Separatoren, welche die Kathode und die Anode von beiden Seiten zwischen sich aufnehmen. Bei dieser Konfiguration wird das Brenngas einem Brenngasströmungsweg in dem einen Separator zugeführt, während das Oxidationsgas einem Oxidationsgasströmungsweg in dem anderen Separator zugeführt wird, und elektrische Leistung wird durch eine chemische Reaktion zwischen diesen Reaktionsgasen erzeugt.
-
Das Oxidationsgasleitungssystem 3 umfasst: einen Kompressor 31, der die über eine Filter eingebrachte Luft verdichtet und die verdichtete Luft als Oxidationsgas ausgibt; einen Oxidationsgaszufuhrströmungsweg 32 zum Zuführen des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 2; und einen Oxidationsabgasabgabeströmungsweg 33 zum Abgeben eines Oxidationsabgases, das aus der Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird. Der Oxidationsabgasabgabeströmungsweg 33 ist mit einem Gegendruckventil 34 zum Einstellen des Drucks des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle 2 ausgestattet.
-
Das Brenngasleitungssystem 4 umfasst: einen Brenngastank 40, der als Brennstoffzufuhrquelle dient, die Wasserstoffgas unter hohem Druck speichert; einen Brenngaszuführströmungsweg 41 zum Zuführen des Brenngases im Brennstofftank 40 zur Brennstoffzelle 2; und einen Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 zum Zurückführen eines Brenngasabgases, das aus der Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird, zum Brenngaszuführströmungsweg 41. Der Brenngaszuführströmungsweg 41 ist mit einem Druckregelventil 43 ausgestattet, das den Druck des Brenngases auf einen vorgegebenen Sekundärdruck regelt. Der Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 ist mit einer Kraftstoffpumpe 44 versehen, die das Brenngasabgas im Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 verdichtet und das resultierende Gas in Richtung zum Brenngaszuführströmungsweg 41 sendet.
-
Der Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 ist mit einem Abgabeströmungsweg 47 über einen Gas-Flüssigkeits-Separator 45 und ein Abgas-/Auslassventil 46 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 45 sammelt Feuchtigkeit aus dem Brenngasabgas. Das Abgas-/Auslassventil 46 entleert die vom Gas-Flüssigkeits-Separator 45 gesammelte Feuchtigkeit sowie die im Brenngasabgas enthaltenen Verunreinigungen im Brenngaszirkulationsströmungsweg 42 gemäß einem Befehl der Steuereinheit 7. Das aus dem Abgas-/Auslassventil 46 ausgegebene Brenngasabgas wird durch einen (nicht dargestellten) Verdünner verdünnt und mit dem Oxidationsgasabgas im Luftabgabeströmungsweg 33 vermischt.
-
Das Kühlsystem 5 umfasst: einen Kühler 51 sowie ein Kühlgebläse 52, die das Kühlwasser kühlen; einen Kühlwasserzirkulationsströmungsweg 53, der Kühlwasser zirkuliert und der Brennstoffzelle 2 sowie dem Kühler 51 zuführt; eine Kühlwasserpumpe 54, die das Kühlwasser in dem Kühlwasserzirkulationsflussweg 53 zum Zirkulieren bringt; sowie einen Ionentauscher 55, der das Kühlwasser durch Entfernen von ionischen Verunreinigungen, die im Kühlwasser enthalten sind, reinigt.
-
Das Leistungssystem 6 umfasst einen DC/DC-Wandler 61 für die Brennstoffzelle (nachfolgend als der „BZ-Wandler” bezeichnet), eine Batterie 62, die eine Sekundärzelle ist, einen DC/DC-Wandler 63 für die Batterie (nachfolgend als der „Batteriewandler” bezeichnet), einen Traktionsinverter 64, einen Traktionsmotor 65 (Leistungsverbrauchsvorrichtung) sowie unterschiedliche Arten von Hilfsinvertern (nicht dargestellt).
-
Der BZ-Wandler 61 ist ein Gleichstromspannungswandler, der zum Erhöhen der Gleichstromspannungsausgabe der Brennstoffzelle 2 und Ausgeben der resultierenden Spannung zum Traktionsinverter 64 auf der Seite der Leistungsverbrauchsvorrichtung dient. Der BZ-Wandler 61 steuert eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2.
-
Die Batterie 62 umfasst gestapelte Batteriezellen und stellt eine gewisse Hochspannung als Klemmenspannung zur Verfügung, wobei die Batterie 62 geeignet ist, mit überschüssiger Energie von der Brennstoffzelle 2 geladen zu werden und elektrische Leistung hilfsweise bzw. ergänzend unter Steuerung eines (nicht dargestellten) Batteriecomputers abzugeben.
-
Der Batteriewandler 63 ist ein Gleichstromspannungswandler, der zum Erhöhen der Gleichstromspannung, die von der Batterie 62 ausgegeben wird, und Ausgeben der resultierenden Spannung zum Traktionsinverter 64 dient; sowie zum Absenken der Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 2 oder dem Traktionsmotor 65 ausgegeben wird, und Ausgeben der resultierenden Spannung der Batterie 62 dient. Aufgrund dieser Funktionen des Batteriewandlers 63 kann die Batterie 62 geladen und entladen werden.
-
Der Traktionsinverter 64 wandelt einen Gleichstrom in einen Drei-Phasen-Wechselstrom um und speist diesen Drei-Phasen-Wechselstrom in den Traktionsmotor 65. Der Traktionsmotor 65 ist beispielsweise ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor, der als Hauptantriebsquelle für, zum Beispiel, ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug dient, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestattet ist. Die Hilfsinverter sind Motorsteuereinheiten, welche den Antrieb der jeweiligen Motoren steuern, wobei die Hilfsinverter jeweils einen Gleichstrom in einen Drei-Phasen-Wechselstrom umwandeln und den Drei-Phasen-Wechselstrom jedem Motor zuführen.
-
Die Steuereinheit 7 erfasst den Betätigungsbetrag eines Beschleunigungselements (zum Beispiel eines Gaspedals), das im Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug vorgesehen ist, empfängt Steuerinformationen wie zum Beispiel einen Beschleunigungsanfragewert (zum Beispiel die Menge an Leistungserzeugung, die von Leistungsverbrauchsvorrichtungen, wie dem Traktionsmotor 65, benötigt wird) und steuert den Betrieb von unterschiedlichen Vorrichtungen im System. Beispiele für die Leistungsverbrauchsvorrichtung können, zusätzlich zum Traktionsmotor 65, Hilfsvorrichtungen enthalten, die zum Betrieb der Brennstoffzelle 2 benötigt werden (zum Beispiel Motoren für den Kompressor 31, die Brennstoffpumpe 44, die Kühlwasserpumpe 54 und das Kühlgebläse 52); Aktuatoren, die in verschiedenen Vorrichtungen verwendet werden, die für das Fahren des Fahrzeugs von Bedeutung sind (zum Beispiel ein Getriebe, eine Reifensteuervorrichtung, ein Lenkgetriebe sowie eine Aufhängung); sowie Airconditioning-Vorrichtungen (Klimaanlagen), Beleuchtungsequipment, Audiosysteme, etc., die in einer Fahrgastzelle vorgesehen sind.
-
2 ist eine perspektivische Darstellung, die schematisch die Außenansicht des BZ-Wandlers 61 zeigt. Wie in 2 dargestellt, hat der BZ-Wandler 61 eine Reaktoreinheit 61a, eine Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b sowie eine Kondensatoreinheit 61c. Die Reaktoreinheit 61a, die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b und die Kondensatoreinheit 61c haben jeweils eine im Wesentlichen rechteckige, parallelepiped-förmige Außengestalt.
-
Die Reaktoreinheit 61a, die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b und die Kondensatoreinheit 61c sind derart integriert, dass sie einander nicht in Dickenrichtung der jeweiligen rechteckigen, parallelepiped-förmigen Gestalt überlagern. Mit anderen Worten: der BZ-Wandler 61 wird durch die Reaktoreinheit 61a, die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b und die Kondensatoreinheit 61c gebildet, die in flachem Zustand integriert sind. Mit einer derartigen Struktur kann die Dicke des gesamten BZ-Wandlers 61 minimiert werden.
-
Die Reaktoreinheit 61a umfasst einen Reaktor. Die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b umfasst beispielsweise einen Transistor sowie eine Diode, wobei die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b ein so genanntes IPM (Intelligent Power Module = Intelligentes Leistungsmodul) bildet. Die Kondensatoreinheit 61c umfasst einen Kondensator.
-
Die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b schaltet den Transistor gemäß einem Steuersignal von der Steuereinheit 7 an und aus, um dadurch eine Gleichstromspannung, welche von der Brennstoffzelle 2 ausgegeben wird, unter Verwendung des Reaktors in der Reaktoreinheit 61a zu erhöhen, und speist die resultierende Gleichstromspannung in die Kondensatoreinheit 61c. Der Kondensator in der Kondensatoreinheit 61c glättet die von der Steuereinheit zur Spannungserhöhung eingespeiste Gleichstromspannung und speist die resultierende Gleichstromspannung in den Traktionsinverter 64 ein.
-
3 zeigt eine perspektivische Darstellung, die eine Außenansicht des Brennstoffzellensystems zeigt, das den in 2 gezeigten BZ-Wandler enthält. Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe „Vorderseite”, „Rückseite”, „obere Seite” und „untere Seite” sowie „laterale Seite” können basierend auf dem Zustand, in dem die Brennstoffzelle im Fahrzeug montiert ist, bestimmt werden. Beispielsweise zeigt, basierend auf dem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 2 in einem Fahrzeug installiert ist, die Richtung, in welche das Fahrzeug vorwärts fährt die Vorderseite der Brennstoffzelle 2, die Richtung, in der das Fahrzeug rückwärts fährt, die Rückseite der Brennstoffzelle 2, die Richtung zur Dachverkleidung des Fahrzeugs die Oberseite der Brennstoffzelle 2, die Richtung zur Straßenoberfläche die Unterseite der Brennstoffzelle 2, und die Seitenflächen des Fahrzeugs die lateralen Seite der Brennstoffzelle 2.
-
Wie in 3 dargestellt, ist der BZ-Wandler 61 an der Oberseite der Brennstoffzelle 2 in einem Zustand angeordnet, in dem die Brennstoffzelle im Fahrzeug installiert ist. An der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 sind angeordnet, ausgehend von der Seite der Brennstoffzelle 2, ein Inverter 54i für die Kühlwasserpumpe 54, der Ionentauscher 55 und die Kühlwasserpumpe 54. An der Rückseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist eine keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems. Beispiele für die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems können den Gas-Flüssigkeits-Separator 54, den (nicht dargestellten) Verdünner und einen (nicht dargestellten) Injektor umfassen. Es sei angemerkt, dass die Positionen des Ionentauschers 55 und der Kühlwasserpumpe 54 miteinander vertauscht werden können.
-
Der BZ-Wandler 61 und die Brennstoffzelle 2, die in 3 dargestellt sind, sind unter einem Vordersitz des Fahrzeugs angeordnet. Der Inverter 54i für die Kühlwasserpumpe 54, der Ionentauscher 55 und die Kühlwasserpumpe 54 sind in einem Frontbodenteil eines Mitteltunnels des Fahrzeugs angeordnet. Die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems ist in einem Mittelbodenteil des Mitteltunnels des Fahrzeugs angeordnet.
-
Bei einigen BZ-Wandlern aus dem Stand der Technik sind eine Reaktoreinheit, eine Steuereinheit zur Spannungserhöhung und eine Kondensatoreinheit in Dickenrichtung (nicht im flachen Zustand) einander überlagert. Wenn darüber hinaus eine Brennstoffzelle bei einem derartigen BZ-Wandler aus dem Stand der Technik überlagert wird, und unter dem Vordersitz angeordnet wird, muss die Position des Vordersitzes nach oben verlagert werden, wodurch der Raum in der Fahrgastzelle geopfert wird. Da im Gegensatz dazu die den BZ-Wandler 61 bildenden Einheiten bei der vorliegenden Erfindung in einem flachen Zustand integriert sind (siehe 2), kann die Dicke des BZ-Wandlers 61 minimiert werden, und daher kann die Brennstoffzelle und der BZ-Wandler 61, selbst im überlagerten Zustand, unter einem Vordersitz des Fahrzeugs angeordnet werden ohne den Raum in der Fahrgastzelle zu opfern.
-
Durch Anordnen des Inverters 54i für die Kühlwasserpumpe 54, des Ionentauschers 55 und der Kühlwasserpumpe 54 an der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 können, wenn eine Frontalkollision bzw. ein Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite auftritt, diese Komponenten als Puffer dienen, die einen aus dem Zusammenstoß resultierenden Aufprall abmildern. Dementsprechend können die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 vor einem aus einem Fahrzeugzusammenstoß resultierenden Aufprall von der Vorderseite geschützt werden.
-
Insbesondere bewegt sich, beispielsweise in einem Fahrzeug mit einem Frontaufhängungselement an der Vorderseite des Brennstoffzellensystems, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite auftritt, das Frontaufhängungselement nach hinten, d. h. es bewegt sich in die Richtung hin zur Brennstoffzelle 2. Im Allgemeinen ist das Frontaufhängungselement derart befestigt, dass es um seine eigene Achse drehbar ist, und kein anderes Bauteil ist an der Unterseite (der Seite zur Straßenoberfläche) des Frontaufhängungselements befestigt. Dementsprechend kann, wenn das Frontaufhängungselement mit einem Auslöser versehen werden kann, der veranlasst, dass sich das Frontaufhängungselement um seine eigene Achse nach unten dreht, das Frontaufhängungselement die auf die Brennstoffzelle 2 gerichtete Kraft nach unten ableiten.
-
Bei dieser Ausführungsform ist die Kühlwasserpumpe 54 an einer Stelle angeordnet, die dem Frontaufhängungselement gegenüberliegt, wie in 3 dargestellt. Da die Kühlwasserpumpe 54 eine runde Oberfläche aufweist, kann, wenn sich das Frontaufhängungselement von der Vorderseite her in Richtung zur Kühlwasserpumpe 54 bewegt, die Kühlwasserpumpe 54 als Auslöser bzw. Trigger für das Frontaufhängungselement dienen, die verursacht, dass sich das Frontaufhängungselement um seine eigene Achse nach unten dreht. Durch Anordnen der Kühlwasserpumpe 54 an der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 kann somit verhindert werden, dass die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 durch das in Richtung auf diese sich zu bewegende Frontaufhängungselement beschädigt werden, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite auftritt. Wenn die Kühlwasserpumpe keine runde Fläche hat, kann die Oberfläche der Kühlwasserpumpe mit einem Führungselement ausgestattet sein, das das Frontaufhängungselement schräg bzw. geneigt nach unten leiten kann.
-
Der Ionentauscher 55 besteht aus einem Filter aus Resin und Feuchtigkeit bzw. Dampf, so dass, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß auftritt, der Ionentauscher 55 zusammengedrückt wird während er den Aufprall absorbiert. Durch Anordnen des Ionentauschers 55 an der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 kann der Ionentauscher 55 dementsprechend als Puffer dienen, der einen Aufprall absorbiert, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite auftritt. Mit einer derartigen Konfiguration können die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 vor einem aus einem Fahrzeugzusammenstoß von der Vorderseite resultierenden Aufprall geschützt werden.
-
Durch Anordnen des Inverters 54i für die Kühlwasserpumpe 54, des Ionentauschers 55 und der Kühlwasserpumpe 54 an der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 und Anordnen der keine Leistung erzeugenden Einheit 4u des Brennstoffsystems an der Rückseite der Brennstoffzelle 2 kann die Zahl der unter einem Vordersitz des Fahrzeugs anzuordnenden Bauteile weitestmöglich reduziert werden.
-
Darüber hinaus kann, durch Vorsehen eines Schutzrahmens 90 (Schutzteil), wie in 4 dargestellt, die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 vor einem aus einem Seitenaufprall bzw. Fahrzeugzusammenstoß von einer Seite resultierenden Aufprall oder einem Kontakt mit der Straßenoberfläche resultierenden Aufprall geschützt werden. Der Schutzrahmen 90 in 4 umfasst: eine Hauptrahmeneinheit 90a, welche die Brennstoffzelle 2 und den BZ-Wandler 61 vor einem von einem Fahrzeugseitenaufprall resultierenden Aufprall schützt, sowie einem Aufprall der aus einem Kontakt mit der Straßenoberfläche resultiert; sowie eine Seitenrahmeneinheit bzw. Unterrahmeneinheit 90b, welche die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brennstoffsystems vor einem Aufprall schützt, der aus einem Kontakt mit einer Straßenoberfläche resultiert.
-
Ein lateraler Seitenrahmen 90w, der einen Teil der Hauptrahmeneinheit 90a bildet, ist, gesehen von einer lateralen Seite der Brennstoffzelle 2, die im Schutzrahmen 90 aufgenommen ist, an einer Stelle ausgebildet, die einen Gehäuseverbindungsabschnitt 2w kreuzt, der an der Brennstoffzelle 2 ausgebildet ist. Der Gehäuseverbindungsabschnitt 2w ist derart ausgebildet, dass er eine flanschartige Form hat, wenn ein oberes Gehäuse und ein unteres Gehäuse der Brennstoffzelle 2 miteinander verbunden werden, wodurch der Gehäuseverbindungsabschnitt 2w eine hohe Festigkeit verglichen zu anderen Abschnitten hat. Durch Anordnen des Gehäuseverbindungsabschnitts 2w an dem lateralen Seitenrahmen 90w um einander im Wesentlichen X-förmig zu kreuzen, kann dementsprechend die Widerstandskraft gegen einen Aufprall von einer lateralen Seite verbessert werden. Mit einer derartigen Konfiguration können, wenn ein Fahrzeugzusammenstoß von einer lateralen Seite auftritt, der Schutzrahmen 90, die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 gleiten während sie ihre Formen behalten, und die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 können dadurch vor einem Aufprall geschützt werden, der aus einem Fahrzeugzusammenstoß von der lateralen Seite resultiert.
-
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorstehenden Ausführungsform kann, da die Reaktoreinheit 61a, die Steuereinheit zur Spannungserhöhung 61b und die Kondensatoreinheit 61c, welche im BZ-Wandler 61 enthalten sind, in einem flachen Zustand integriert werden können, die Dicke des gesamten BZ-Wandlers 61 minimiert werden. Da zudem der BZ-Wandler 61 an einer oberen Seite der Brennstoffzelle 2 bei minimierter Dicke des BZ-Wandlers 61 angeordnet werden kann, kann die Dicke der Brennstoffzelle 2 und des BZ-Wandlers 61, wenn diese miteinander integriert sind, unterdrückt werden. Dementsprechend kann der größtmögliche Raum in der Fahrgastzelle im Brennstoffzellenhybridfahrzeug sichergestellt werden.
-
Obgleich die vorgenannte Ausführungsform eine Konfiguration beschreibt, in der der BZ-Wandler 61 an der Oberseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist, ist die positionsbezogene Beziehung zwischen dem BZ-Wandler 61 und der Brennstoffzelle 2 nicht darauf beschränkt. Der BZ-Wandler 61 kann beispielsweise an der Unterseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet sein, wie in 5 gezeigt. Bei dieser ersten Modifikation sind, in gleicher Weise wie bei der vorgenannten Ausführungsform, der Inverter 54i für die Kühlwasserpumpe 54, der Ionentauscher 55 und die Kühlwasserpumpe 54, ausgehend von der Seite der Brennstoffzelle 2 an der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet, während die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems an der Hinterseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem der ersten Modifikation zeigt dabei die gleichen Effekte wie das Brennstoffzellensystem mit der vorgenannten Ausführungsform.
-
Der BZ-Wandler 61 kann an der Hinterseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet sein, wie in 6 gezeigt. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind, in gleicher Weise wie bei der vorgenannten Ausführungsform, der Inverter 54i für die Kühlwasserpumpe 54, der Ionentauscher 55 und die Kühlwasserpumpe 54, ausgehend von der Seite der Brennstoffzelle 2, an der Vorderseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet. Jedoch ist bei der zweiten Ausführungsform, da der BZ-Wandler 61 an der Rückseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist, die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems in einem Gehäuse aufgenommen, das die Brennstoffzelle 2 aufnimmt.
-
Selbst wenn die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems in einem Gehäuse aufgenommen ist, das die Brennstoffzelle 2 aufnimmt, wie vorstehend beschrieben, können, da der BZ-Wandler 61 an der Rückseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist, die Brennstoffzelle 2 und die keine Leistung erzeugende Einheit 4u des Brenngassystems unter einem Vordersitz des Fahrzeugs angeordnet werden, ohne den Raum in der Fahrgastzelle zu opfern. Darüber hinaus kann, obgleich der BZ-Wandler 61 in der Nähe des Mittelbodenabschnitts des Mitteltunnels im Fahrzeug angeordnet werden soll, da die Dicke des BZ-Wandlers 61 wie vorstehend beschrieben minimiert ist, der BZ-Wandler 61 ohne Opfern des Raumes des Mittelbodens angeordnet werden.
-
Die Konfiguration der zweiten Modifikation ist insbesondere effektiv wenn beispielsweise ein Raum unter dem Vordersitz begrenzt ist und es somit schwierig ist, die Brennstoffzelle 2 und den BZ-Wandler 61 in einem überlagerten Zustand anzuordnen. Falls die Brennstoffzelle 2 und der BZ-Wandler 61 im überlagerten Zustand angeordnet werden, wie bei der vorgenannten Ausführungsform der ersten Modifikation, muss der für den überlagernden BZ-Wandler 61 benötigte Raum unter dem Vordersitz sichergestellt werden. Wenn jedoch der unter dem Vordersitz verfügbare Raum beschränkt ist und somit der Raum zum Anordnen des BZ-Wandlers 61 und der Brennstoffzelle 2 nicht sichergestellt werden kann, muss die Leistung der Brennstoffzelle 2 gesenkt werden, beispielsweise durch Verringern der Ausgangskapazität der Brennstoffzelle 2. Dagegen kann, bei dem Brennstoffzellensystem der zweiten Modifikation, da lediglich ein Raum zum Anordnen der Brennstoffzelle unter dem Vordersitz notwendig ist, die Brennstoffzelle 2 ohne Absenken der Leistung der Brennstoffzelle 2 installiert werden.
-
Beim Schutzrahmen der zweiten Ausführungsform ist die Form der Unterrahmeneinheit 90b im Schutzrahmen 90, wie in 4 gezeigt, vorzugsweise die gleiche wie die Form der Hauptrahmeneinheit 90a. Bei einer derartigen Konfiguration wird die Größe der Hauptrahmeneinheit 90a derart bestimmt, um mit der Größe der Brennstoffzelle 2 übereinzustimmen, und die Größe der Unterrahmeneinheit 90b wird derart bestimmt, um mit der Größe des BZ-Wandlers 61 übereinzustimmen. Mit einer derartigen Konfiguration kann der BZ-Wandler 61, der in der Unterrahmeneinheit aufgenommen ist, vor einem Aufprall geschützt werden, der von der Kontakt mit der Straßenoberfläche resultiert, und kann zudem vor einem Aufprall geschützt werden, der von einem Fahrzeugzusammenstoß von der Seite resultiert.
-
Obgleich die vorstehend beschriebene Ausführungsform sowie deren Abwandlungen die Konfiguration beschrieben haben, bei denen das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann, zusätzlich zum Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, auf zahlreiche mobile Objekte (zum Beispiel Roboter, Schiffe und Flugzeuge) angewandt werden, Zudem kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf stationäre Stromerzeugungssysteme angewandt werden, die als Stromerzeugungsequipment für Gebäude (zum Beispiel Häuser und Bauwerke) verwendet werden.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist geeignet, um das größtmögliche Raumangebot in einem Objekt zu gewährleisten, in dem das Brennstoffzellensystem installiert ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1: Brennstoffzellensystem, 2: Brennstoffzelle, 2w: Gehäuseverbindungsabschnitt, 3: Oxidationsgasleitungssystem, 4: Brenngasleitungssystem, 4u: keine Leistung erzeugende Einheit des Brenngassystems, 45: Gas-Flüssigkeits-Separator, 46: Abgas-/Auslassventil, 5: Kühlsystem, 53: Kühlwasser-Zirkulations-Strömungsweg, 54 Kühlwasserpumpe, 54i Inverter für die Kühlwasserpumpe, 55: Ionentauscher, 6: Leistungssystem, 61: BZ-Wandler, 61a: Reaktoreinheit, 61b: Steuereinheit zur Spannungserhöhung, 61c: Kondensatoreinheit, 62: Batterie, 63: Batteriewandler, 64: Traktionsinverter, 65: Traktionsmotor, 7: Steuereinheit, 90: Rahmeneinheit, 90a: Hauptrahmeneinheit, 90b: Unterrahmeneinheit, 90w: lateraler Seitenrahmen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-