CN101423015B - 带有燃料电池的车辆 - Google Patents

Abstract

在带有燃料电池的车辆(10)中，燃料电池(20)被集合配置在前座椅(14)的下方区域(15)，蓄电池(40)被集合配置在后座椅(17)的下方区域(18)。这样，由于燃料电池(20)和蓄电池(40)被分开地集合配置在各座椅(14、17)的下方区域(15、18)，所以使用环境不同的燃料电池(20)和蓄电池(40)能性能良好地工作。而且，能有效利用死角多的各座椅(14、17)的下方区域(15、18)来配置燃料电池(20)和蓄电池(40)。该车辆还具有驱动电动机，其中，所述燃料电池的辅机的至少一部分设置在中间隧道的内部。该中间隧道为从车辆地板水平面隆起的中空形状的中间隧道。

Description

带有燃料电池的车辆

本申请是申请日为2003年3月17日、申请号为03812854.3、发明创造名称为：“带有燃料电池的车辆”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种具有驱动电动机(马达)、燃料电池和蓄电装置的带有燃料电池的车辆(燃料电池车辆)。

背景技术

以前，作为带有燃料电池的车辆，已知的是具有驱动电动机、燃料电池和蓄电池(二次电池)，并设有乘员可乘坐的前座椅及后座椅。例如，在日本专利特开2001-113960号公报中，公开了一种在车辆地板下沿车体前后方向设置蓄电池和燃料电池的带有燃料电池的车辆。

但是，由于使用环境不同的蓄电池和燃料电池靠近设置，所以对两电池的运转性能不是很好。而且，在蓄电池和燃料电池被设置在车辆地板下的情况中，在车辆地板下难以得到足够的空间，存在难以适用于轿车、双门小轿车等离地间隙(离地高度)低的车辆的问题。

本发明就是鉴于这种问题提出的，本发明的一个目的是提供一种能确保使用环境不同的蓄电装置和燃料电池良好运转的带有燃料电池的车辆。而且，本发明的又一个目的是提供一种能有效利用死角配置蓄电装置和燃料电池的带有燃料电池的车辆。另外，本发明的又一目的是提供一种即使离地间隙低也可适用的带有燃料电池的车辆。

发明内容

为了实现上述至少一个目的，本发明采用以下手段。即，本发明提供了一种具有驱动电动机和燃料电池及蓄电装置、并设有乘员可乘坐的前座椅及后座椅的带有燃料电池的车辆，其中所述燃料电池被集合(集中，整体)配置在所述前座椅及所述后座椅中一个的下方区域；所述蓄电装置被集合配置在所述前座椅及所述后座椅中另一个的下方区域。

在这种带有燃料电池的车辆中，不是将燃料电池既配置在前座椅的下方区域又配置在后座椅的下方区域，将蓄电装置既配置在前座椅的下方区域又配置在后座椅的下方区域，而是将燃料电池集合配置在前座椅的下方区域，将蓄电装置集合配置在后座椅的下方区域，或者，将燃料电池集合配置在后座椅的下方区域，将蓄电装置集合配置在前座椅的下方区域。这样，由于燃料电池和蓄电装置被分别地集合配置在各座椅的下方区域，所以使用环境不同的燃料电池和蓄电装置能良好地工作。而且，能有效利用死角多的座椅下方区域。

这里，所谓“前座椅”是指车辆前侧的座椅，“后座椅”是指车辆后侧的座椅，例如在沿车辆前后方向设有三排座椅的情况下，当最前排的座椅作为前座椅时，中排或最后排的座椅作为后座椅；当中排的座椅作为前座椅时，最后排的座椅则成为后座椅。而且，对于“驱动电动机”，虽然可以将燃料电池及蓄电装置两者作为驱动源，但是也可以将燃料电池和蓄电装置中的任一个作为驱动源。而且，所谓“蓄电装置”，只要是可充电和放电的装置就不作特别限定，例如可以是蓄电池(二次电池)，也可以是电容器。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，与所述燃料电池及所述蓄电装置相关的机器设置在所述前座椅的下方区域、所述后座椅的下方区域、前轮附近的车辆前方室及后轮附近的车辆后方室中的任一个中，这些机器可以集合配置，也可以分散配置。因此，对于和燃料电池及蓄电装置相关的机器，能有效利用死角多的座椅下方区域，并能有效利用空间相对充裕的车辆前方室和车辆后方室。

这里，所谓“与所述燃料电池及所述蓄电装置相关的机器”，例如有将燃料电池及蓄电装置的至少一个作为驱动源的驱动电动机、进行驱动电动机的驱动力控制的控制单元、用于操作燃料电池的各种辅机(例如燃气供给装置、氧化气体供给装置、冷却装置等)等。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，所述各座椅的下方区域最好是不与乘员的脚部空间干涉的区域。因此，不会损害乘员的脚部空间的活动性(舒适性)。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，所述前座椅的下方区域形成在所述前座椅的下方，并由包含乘员坐在所述前座椅上时的膝关节位置的假想垂直面和包含所述前座椅的座椅靠背的下端的假想垂直面包围；所述后座椅的下方区域形成在所述后座椅的下方，并位于比包含乘员坐在所述后座椅上时的膝关节位置的假想垂直面靠后的位置。因此，设置在前座椅下方区域的电池不会损害坐在前座椅上的乘员的脚部空间活动性，而且，配置在前座椅下方区域的电池和配置在后座椅下方区域的电池也不会损害坐在后座椅上的乘员的脚部空间活动性。另外，在后座椅为最后排座椅的情况下，没有必要专门限定后座椅下方区域的后侧边界，但是，在后座椅不是最后排座椅的情况(例如，中排座椅的情况)下，最好考虑坐在最后排座椅上的乘员的置脚空间，并将后座椅的下方区域的后侧边界设为包含后座椅的座椅靠背的下端的假想垂直面。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，所述燃料电池的辅机的至少一部分设置在配置所述燃料电池的座椅下方区域。这样，由于燃料电池和燃料电池的辅机的一部分或全部被设置在同一座位的下方区域，所以比起设置在其它场所的情况，能使气体管道布置等的布置简单化。这时，所述燃料电池的辅机的至少一部分也可以与所述燃料电池一起沿车辆宽度方向并排设置在配置所述燃料电池的座椅下方区域。这样，比起沿车辆前后方向的尺寸，各座椅的下方区域沿车辆的宽度方向一般具有较大的尺寸，所以燃料电池和其辅机的一部分或全部易于被收容在座椅的下方区域。而且，在本发明的带有燃料电池的车辆中，所述燃料电池的辅机的至少一部分可以设置在中间隧道的内部。这样，在存在中间隧道的情况下，能有效地利用所述中间隧道的内部来配置辅机，所以不会损害乘员的活动空间。

这里，所谓“燃料电池的辅机类”表示燃料电池工作所必需的机器，例如有将氧化气体供给燃料电池的氧化气体供给装置、将燃气供给燃料电池的燃气供给装置、加湿供给燃料电池的燃气的加湿器、调节供给燃料电池的燃气的压力和流量的质量流量控制器、将来自燃料电池的未反应而直接排出的燃气再次供给燃料电池的燃气循环泵、为了冷却燃料电池而使冷却水在燃料电池中循环的水泵等。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，在所述前座椅的下方区域和所述后座椅的下方区域之间可以竖直设置有中柱。这样，由于在侧面碰撞时，中柱接收碰撞载荷，所以燃料电池和蓄电装置被中柱保护。

本发明还提供了一种具有驱动电动机、燃料电池和蓄电装置的带有燃料电池的车辆，其中从车辆前后方向的前方开始顺次设置有所述驱动电动机、所述燃料电池、所述蓄电装置。这样，比起从车辆前后方向的前方开始顺次设置驱动电动机、蓄电池、燃料电池的情况，能缩短连接驱动电动机和燃料电池的较大直径配线的长度，进而使装置整体的结构紧凑化。

本发明又提供了一种具有驱动电动机、燃料电池和蓄电装置的带有燃料电池的车辆，其中从车辆前后方向的前方顺次设置有所述燃料电池的冷却装置、所述燃料电池、所述蓄电装置。这样，比起从车辆前后方向的前方顺次设置燃料电池的冷却装置、蓄电池、燃料电池的情况，燃料电池和其冷却装置之间的距离变短，从而能使结构紧凑化。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，优选的是，所述驱动电动机设置在前轮附近的车辆前方室内，给所述燃料电池提供燃气的燃气供给源设置在后轮附近的车辆后方室内。这样，能优化车辆前后方向的重量分配。这时，可以将一控制单元和所述驱动电动机一起设置在前轮附近的车辆前方室内，该控制单元通过控制所述燃料电池及所述蓄电装置的输出电力来控制所述驱动电动机的输出。这样，能进一步优化车辆前后方向的重量分配。而且，燃气供给源可以是氢罐(氢气储气瓶、氢气吸藏合金等)，也可以是一种通过碳氢化合物燃料和水反应生成富氢气体的转化器。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，优选的是，所述燃料电池的至少一部分设置在车辆地板水平面的上方。这样，比起整个燃料电池设置在车辆地板水平面下方的情况，易于确保车辆的最低离地间隙。所谓“车辆地板水平面”是指包含与坐在驾驶席上的乘员驾驶车辆时的脚后跟接触的点之水平面。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，优选的是，所述蓄电装置的至少一部分设置在车辆地板水平面的上方。这样，比起整个蓄电装置设置在车辆地板水平面下方的情况，易于确保车辆的最低离地间隙。

在本发明的带有燃料电池的车辆中，尽管可以将所述燃料电池设置在车辆乘客舱外部(车辆前方室、车辆后方室或车辆地板下)，但是也可以设置在车辆乘客舱内(车辆地板上)。而且，这对于所述蓄电装置是一样的。

附图说明

图1为本实施例的带有燃料电池的车辆的平面图；

图2为本实施例的带有燃料电池的车辆的示意剖面图；

图3为本实施例的带有燃料电池的车辆的方框图。

具体实施方式

为了更清楚本发明，下面参照附图说明本发明的优选实施例。图1为本实施例的带有燃料电池的车辆的平面图，图2为带有燃料电池的车辆的示意剖面图，图3为带有燃料电池的车辆的方框图。

本实施例的带有燃料电池的车辆10为车架和车体一体制成的单壳体(整体)式车身结构，主要包括驱动电动机11、前座椅14、后座椅17、燃料电池20、蓄电池40和动力控制单元(以下称作PCU)50。另外，也可以采用车架式结构代替单壳体式车身结构。

驱动电动机11为三相同步电动机，并和逆变器12一起设置在前轮FW的附近，即设置在通过前围板与乘员室63隔开的车辆前方室61中。如图3所示，燃料电池20或蓄电池40输出的直流电流经过分配器(分电器)27后由逆变器12转换成三相交流电，而供给该驱动电动机11。驱动电动机11接收该电能而产生旋转驱动力，该旋转驱动力通过差速齿轮44传递给前轮FW的车轴46，成为使带有燃料电池的车辆10行驶的动力。

前座椅14为设置在乘员室63内的两排座椅中处于前排的座椅，由驾驶座椅和副驾座椅构成。而且，后座椅17为所述两排座椅中处于后排的座椅，也就是所谓的长条座椅。在带有燃料电池的车辆10的左侧面及右侧面，在前座椅14和后座椅17之间竖立设置有中柱60、60。

燃料电池20为公知的固体高分子电解质型燃料电池，具有将作为构成单位的多个单格电池叠置在一起的层叠结构。如图3所示，在构成燃料电池20的各单格电池中，来自氢气罐(容器)21的氢气(燃气)由质量流量控制器22调节压力、流量后由加湿器23加湿而被供给阳极，由空气压缩机13调节压力后的压缩空气(氧化气体)被供给阴极，通过进行一定的电化学反应产生电动势。即，氢气在阳极分离成质子和电子，在阳极分离后的质子通过固体高分子电解质膜传递而到达阴极，同时，在该阳极分离的电子经负载通过相连的电线到达阴极，在阴极，氧与质子和电子结合而生成水，通过进行这种电化学反应产生电动势。

如图2所示，所述燃料电池20被集合配置在前座椅14的下方区域15。具体地说，该下方区域15形成在前座椅14的下方，而且由包含乘员坐在前座椅14上时的膝关节位置16的假想垂直面15a和包含前座椅14的座椅靠背的下端的假想垂直面15b包围。而且，该燃料电池20的一部分设置在比包含与坐在前座椅14的驾驶席上的乘员驾驶车辆时的脚后跟接触的点之水平面(下面，称作车辆地板的水平面FL)靠下方的位置，其余部分设置在该车辆地板水平面FL的上方。在本实施例中，燃料电池20的一半以上设置在车辆地板水平面FL的上方。这里，如图2所示，使车辆地板在前座椅14的下方区域形成相对水平面FL隆起的形状，在该隆起部分的内侧配置燃料电池20，由此将燃料电池20的一部分配置在水平面FL的下方，将其余部分配置在水平面FL的上方。但是，也可以使车辆地板在前座椅14的下方区域形成相对水平面FL凹入的形状，在该凹入部分内配置燃料电池20，由此将燃料电池20的一部分配置在水平面FL的下方，将其余部分配置在水平面FL的上方。在这种情况下，燃料电池20被设置在车辆地板的上侧，即被设置在车辆乘客舱内。另外，膝关节位置16可以通过使三维人体模型(成人男子)坐在前座椅14上来确定。

燃料电池20的辅机30包括：前述空气压缩机13、前述氢气罐21、前述质量流量控制器22、前述加湿器23、使燃料电池20及蓄电池40的输出电压下降到规定电压的DC/DC转换器24、将来自燃料电池20的未反应而直接排出的氢气再次供给燃料电池20的氢气循环泵25、为了冷却燃料电池20而使冷却水在燃料电池20中循环的水泵26、分配燃料电池20及蓄电池40的输出的分配器27、使通过水泵26在燃料电池20中循环的液体致冷剂(冷却水)散热的散热器32等。分配器27为一种切换电路，用于从燃料电池20及蓄电池40的任一个或两者给辅机30及驱动电动机11供电，以及通过燃料电池20给蓄电池40充电。

从燃料电池20及蓄电池40输出的电力经过分配器27后由DC/DC转换器24降到规定的电压而供给这些辅机30。在这些辅机30中，空气压缩机13及散热器32设置在前轮FW附近的车辆前方室61中，多个氢气罐21设置在后轮FR附近的车辆后方室62中，而质量流量控制器22、加湿器23、DC/DC转换器24、氢气循环泵25、水泵26和分配器27在配置燃料电池20的前座椅14的下方区域15并列设置在燃料电池20的左侧(朝向车辆前进方向的左侧)。

蓄电池40具有将多个公知的镍氢蓄电池串联连接的结构。对于所述蓄电池40，通过PCU50的控制，在车辆起动时驱动该驱动电动机11，在减速再生时回收再生电能，在加速时协助驱动电动机11，并对应负载由燃料电池20充电。而且，该蓄电池40只要是可充电放电的电池就可以，并不限于镍氢蓄电池，例如也可以是镍镉蓄电池、锂氢蓄电池或铅(酸)蓄电池等，或者也可以为电容器。

所述蓄电池40被集合配置在后座椅17的下方区域18。具体地说，该下方区域18形成在后座椅17的下方，而且位于比包含乘员坐在后座椅17上时的膝关节位置19的假想垂直面18a靠后的位置。而且，该蓄电池40的一部分设置在比车辆地板水平面FL靠下方的位置，其余部分设置在比车辆地板水平面FL靠上方的位置。在本实施例中，蓄电池40的一半以上设置在车辆地板水平面FL的上方。这里，如图2所示，使车辆地板在后座椅17的下方区域形成相对水平面FL隆起的形状，在该隆起部分的内侧配置蓄电池40，由此将蓄电池40的一部分配置在水平面FL的下方，将其余部分配置在水平面FL的上方。但是，也可以使车辆地板在后座椅17的下方区域形成相对水平面FL凹入的形状，在该凹入部分内配置蓄电池40，由此将蓄电池40的一部分配置在水平面FL的下方，将其余部分配置在水平面FL的上方。在这种情况下，蓄电池40被设置在车辆地板的上侧，即被设置在车辆乘客舱内。另外，膝关节位置19可以通过使三维人体模型(成人男子)坐在后座椅17上来确定。在本实施例中，后座椅17的下方区域18的后侧和车辆后方室62重叠，但是下述情况也可以，即后座椅17的下方区域18形成在座椅17的下方，并由假想垂直面18a和包含后座椅17的座椅靠背的下端的假想垂直面包围，其后侧作为车辆后方室62。

PCU50用于控制驱动电动机11的驱动力，并被构造为以微计算机为中心的逻辑电路，由图中未示出的公知的CPU、ROM、RAM及输入/输出端口构成。该PCU50接受输入的加速踏板传感器的踏板位置、逆变器12的输出电流/输出电压、蓄电池40的剩余容量值、图中未示出的各种传感器的检测值，并根据输入的各值，输出用于控制供给质量流量控制器22和空气压缩机13的气体量的控制信号，并输出用于逆变器12和分配器27的控制信号。

在这里，燃料电池20的使用温度为80℃左右，而蓄电池40的使用温度为60℃以下。而且，燃料电池20为液冷的(例如水冷)，而蓄电池40不是液冷的而是空气冷却的。因此，燃料电池20和蓄电池40的使用温度和冷却方法等使用环境不同。

在如上构成的本实施例的带有燃料电池的车辆10中，燃料电池20不是配置在各座椅14、17的下方区域15、18两者中、蓄电池40不是配置在各座椅14、17的下方区域15、18两者中，而是将燃料电池20集合配置在前座椅14的下方区域15、蓄电池40集合配置在后座椅17的下方区域18。这样，由于燃料电池20和蓄电池40被分开地集合配置在各座椅14、17的下方区域15、18中，所以使用环境不同的燃料电池20和蓄电池40能性能良好地工作。而且，作为配置燃料电池20、蓄电池40及与它们相关的机器(周边设备)的空间，能有效地利用死角多的各座椅14、17的下方区域15、18。

配置在前座椅14下方区域15中的燃料电池20等不会损害坐在前座椅14上的乘员的脚的活动性(舒适空间)，而且，配置在前座椅14下方区域15中的燃料电池20等、配置在后座椅17的下方区域18中的蓄电池40等也不会损害坐在后座椅17上的乘员的脚的活动性。即，由于前座椅14的下方区域15及后座椅17的下方区域18为不与任何乘员的脚部空间干涉的区域，所以不会损害乘员的脚的活动性。

另外，由于驱动电动机11及PCU50配置在车辆前方室61中，给燃料电池20供给氢气的氢气罐21配置在车辆后方室52中，所以能优化车辆前后方向的重量平衡。由于本实施例的带有燃料电池的车辆10为前轮驱动车辆，所以从高效率地回收再生电力等的观点来看，车辆前方比车辆后方配置得稍重。

由于燃料电池20的辅机30的一部分(质量流量控制器22、加湿器23、DC/DC转换器24、氢气循环泵25、水泵26、分配器27)被设置在配置燃料电池20的前座椅14的下方区域15，所以比起将它们设置在其它场所的情况，能使气体管道等的布置简单化。而且，由于它们和燃料电池20一起以沿车辆宽度方向比沿车辆前后方向长的方式并列设置在前座椅14的下方区域15，所以易于和燃料电池20一起收容在前座椅14的下方区域15中。

而且，在本实施例中，由于从车辆前后方向的前方顺次设置散热器32、燃料电池20、蓄电池40，所以比起顺次设置散热器32、蓄电池40、燃料电池20的情况，燃料电池20和散热器32之间的距离变短，从而能使结构更紧凑化。

在本实施例中，由于从车辆前后方向的前方顺次设置驱动电动机11、燃料电池20、蓄电池40，所以比起顺次设置驱动电动机11、蓄电池40、燃料电池20的情况，能缩短连接驱动电动机11和燃料电池20的较大直径的配线的长度，进而能使装置整体的结构紧凑化。

由于燃料电池20及蓄电池40的一半以上设置在车辆地板水平面FL的上方，所以比起燃料电池20及蓄电池40整体设置在车辆地板水平面FL下方的情况，易于确保车辆的最低离地间隙。

另外，在侧面碰撞时，由于竖直设置在带有燃料电池的车辆10的左右侧面中的前座椅14的下方区域15和后座椅17的下方区域18之间的中柱60、60承受载荷，所以燃料电池20和蓄电池40能受中柱60、60保护。

本发明不限于上述实施例，在属于本发明的技术范围的前提下，可以进行各种变型。

例如，在上述实施例中，沿乘员室63的车辆前后方向设置两排座椅，但是也可以设置三排以上的座椅。例如，在设置三排座椅的情况下，当最前排的座椅作为前座椅时，中排或最后排的座椅成为后座椅；当中排的座椅作为前座椅时，最后排的座椅成为后座椅。这里，在后座椅为最后排座椅的情况下，没有必要专门限定后座椅下方区域的后侧边界，但是，在后座椅不是最后排座椅的情况下(例如，中排座椅的情况)，最好考虑坐在最后排座椅上的乘员的置脚空间，并将后座椅的下方区域的后侧边界设为包含后座椅的座椅靠背的下端的假想垂直面。

在上述实施例中，作为给燃料电池20供给氢气(燃气)的供给源，使用氢气罐21，但是代替氢气罐21可以使用氢气吸藏合金、或通过碳氢化合物燃料(例如，汽油或甲醇等)和水反应生成富氢气体的转化器。

在上述实施例中，由于以前轮驱动车作为例子，所以没有从车辆地板水平面FL隆起的中空形状的中间隧道，但是在具有中间隧道的车辆中，燃料电池20的辅机30的至少一部分可以配置在该中间隧道的内部。这样，能有效利用已有的中间隧道的内部配置辅机，所以不会损害乘员的活动空间。

在上述实施例中，尽管燃料电池20等设置在前座椅14的下方区域15，蓄电池40设置在后座椅17的下方区域18，但是也可以将燃料电池20等设置在后座椅17的下方区域18，将蓄电池40设置在前座椅14的下方区域15。

在上述实施例中，尽管辅机30的一部分(空气压缩机13和氢气罐21)分散配置在车辆前方室61和车辆后方室62中，但是它们也可以配置在前座椅14的下方区域15或后座椅17的下方区域18。

另外，在上述实施例中，采用将燃料电池20及蓄电池40两者作为驱动电动机11的可利用动力源的结构(控制上包括由燃料电池20及蓄电池40两者驱动该驱动电动机11的情况，和仅由燃料电池20及蓄电池40任一方驱动该驱动电动机11的情况)，但是也可以采用仅将燃料电池20及蓄电池40中的一个作为驱动电动机11的可利用驱动源的结构，例如一电池作为驱动电动机11的驱动源、另一电池作为其它机器(例如辅机)的电源。或者，可具有除两电池20、40以外的驱动电动机11的驱动源，两电池20、40的一个或两者用于辅助所述驱动源。这样，驱动电动机11可以被构成为使用燃料电池20及蓄电池40的至少一个作为可利用的驱动源。

本发明可应用在机动车(汽车)领域中。

Claims (1)

1.一种带有燃料电池的车辆，它具有驱动电动机和燃料电池，其中，所述燃料电池的辅机的至少一部分设置在中间隧道的内部，

该中间隧道为从车辆地板水平面隆起的中空形状的中间隧道，

该辅机为选自调节供给到燃料电池的燃气的压力和流量的质量流量控制器、将燃气加湿供给燃料电池的加湿器、使燃料电池的输出电压下降的DC/DC转换器、供给来自燃料电池的未反应而直接排出的燃气的燃气循环泵、为了冷却燃料电池而使冷却水在燃料电池中循环的水泵、分配该燃料电池的输出的分配器和气体管道中的至少一个。

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