CN103068611B - 空冷式燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明目的是增大燃料电池车辆的车辆座舱空间，通过直线延伸排气管减小气流阻力，通过增大引入到空冷式燃料电池堆中的空气量提高空冷式燃料电池堆的冷却性能。为此，一种空冷式燃料电池车辆在其后部包括：电动机，其用于驱动后轮；空冷式燃料电池堆，其包括用于引入用作反应气体并且也用作冷却介质的空气的进气部和用于排出包含空气和氢的过剩反应气体的排气部；进气管，其安装在进气部上；以及排气管，其安装在排气部上并且延伸到燃料电池车辆的后端部。其中，空冷式燃料电池堆设置在该空冷式燃料电池车辆的后地板下方并且在车辆纵向上的后轮轴的后方，而进气部定向为向上并且所述进气部设置为随向所述车辆的后侧延伸使其倾斜并逐渐靠近后地板。

Description

空冷式燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及空冷式燃料电池车辆的进气和排气系统。具体来说，本发明是与空冷式燃料电池车辆的进气和排气管的结构有关的技术。
背景技术
车辆燃料电池系统包括用冷却水冷却燃料电池堆的水冷式燃料电池系统和用空气冷却燃料电池堆的空冷式燃料电池系统。
由于空冷式燃料电池系统能够用反应空气冷却燃料电池堆，所以与水冷类型相比，冷却系统可以被简化。
同时，水冷式燃料电池系统一般向燃料电池堆提供由压缩机压缩的空气。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本特开2004-42828号公报
[专利文献2]日本特开2010-15845号公报
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1描述安装有水冷式燃料电池系统的车辆，其中燃料电池堆设置在后座后方，并且其中，用于排放空气的排气管设置在燃料电池堆下方。然而，如果水冷式燃料电池堆设置在后座后方，那么这会引起座舱空间减小的不便。
相反，在专利文献2中，当燃料电池堆安装在地板下方或者安装在车辆前部的发动机舱中时，可以增大座舱空间。
然而，用于排放来自设置在车辆前部的燃料电池堆的空气的排气管需要延伸到车辆前侧。
在此情况下，排气管中的压力损耗增大。因此，除非提供给燃料电池堆的空气被压缩机压缩，否则排气管内的空气不能排放到外部。因此，在将上述这种长排气管用于空冷式燃料电池堆的情况下，除非使用很大的压缩机，否则存在空冷式燃料电池堆的冷却性能下降的风险。
本发明的目的是通过安装风冷式燃料电池堆来增大燃料电池车辆的车辆座舱空间，并且通过增大流过空冷式燃料电池堆的空气的量来提高空冷式燃料电池堆的冷却性能。
用于解决问题的方案
因此，为了消除上述不便，本发明提供一种空冷式燃料电池车辆，在该燃料电池车辆的后部包括：电动机，其用于驱动所述燃料电池车辆的后轮；空冷式燃料电池堆，其被形成为盒状并且在其彼此相对的壁表面上分别包括用于引入作为反应气体并且也作为冷却介质的空气的进气部和用于排出包含空气和氢的过剩反应气体的排气部；进气管，其安装在所述进气部上；以及排气管，其安装在所述排气部上并且延伸到所述燃料电池车辆的后端部，所述空冷式燃料电池车辆的特征在于，所述空冷式燃料电池堆设置在所述空冷式燃料电池车辆的后地板下方并且在车辆纵向上的后轮轴的后方，而所述进气部定向为向上，并且所述进气部设置为随着向所述车辆的后侧延伸使其向前倾斜并逐渐靠近所述后地板，所述排气管包括在上游端部的废气入口和在下游端部的废气出口，将连通所述废气入口的上端部和所述废气出口的上端部的通道壁设置为水平或者以随着向所述车辆后侧延伸所述通道壁的高度增大的方式倾斜，所述排气管连接到设置在所述空冷式燃料电池堆的后方的后保险杠的开口。
发明效果
如上文详细描述的，根据本发明，所述空冷式燃料电池车辆在该燃料电池车辆的后部包括：电动机，其用于驱动所述燃料电池车辆的后轮；空冷式燃料电池堆，其被形成为盒状并且在其彼此相对的壁表面上分别包括用于引入作为反应气体并且也作为冷却介质的空气的进气部和用于排放包含空气和氢的过剩反应气体的排气部；进气管，其安装在所述进气部上；以及排气管，其安装在所述排气部上并且延伸到所述燃料电池车辆的后端部。在所述空冷式燃料电池车辆中，所述空冷式燃料电池堆设置在所述空冷式燃料电池车辆的后地板下方并且在车辆纵向上的后轮轴的后方，而所述进气 部定向为向上，并且所述进气部设置为随着向所述车辆的后侧延伸使其向前倾斜并靠近所述后地板，所述排气管包括在上游端部的废气入口和在下游端部的废气出口，将连通所述废气入口的上端部和所述废气出口的上端部的通道壁设置为水平或者以随着向所述车辆后侧延伸所述通道壁的高度增大的方式倾斜，所述排气管连接到设置在所述空冷式燃料电池堆的后方的后保险杠的开口。
因此，上述结构使得可以将空冷式燃料电池堆安装在燃料电池车辆的最后部且低于后地板的位置处，同时确保该燃料电池车辆的离去角，并且增大燃料电池车辆的车辆座舱空间。
此外，该结构使得排气管可以从空冷式燃料电池堆的排气部直线延伸到所述车辆后端部，从而减小排气管的气流阻力。
因此，通过进气管引入到该空冷式燃料电池堆中的空气量增大，以实现该空冷式燃料电池堆的冷却性能的提高。
因此，该空冷式燃料电池堆安装在该后轮驱动的燃料电池车辆中的最佳位置处，并且实现了该空冷式燃料电池堆的冷却性能的提高。
附图说明
图1是沿着图3中的A-A线取得的示出空冷式燃料电池堆与进气管和排气管的布置的主要部分的放大截面视图。(示例)
图2是还没有安装进气管和排气管的风冷式燃料电池车辆的示意性侧视图。(示例)
图3是该风冷式燃料电池车辆的后部的底视图。(示例)
图4是从后方看到的该风冷式燃料电池车辆的视图。(示例)
图5示出该风冷式燃料电池堆与进气管和排气管的左前侧的透视图。图5(a)是示出组装状态的透视图，图5(b)是示出组装之后进入气体和排出气体的流动的透视图。(示例)
图6是从下方看到的示出进入气体和排出气体的流动的该风冷式燃料电池堆与进气管和排气管的左前侧的透视图。(示例)
图7是风冷式燃料电池车辆系统的框图(示例)。
具体实施方式
下面基于附图详细描述本发明的示例。
[示例]
图1至图7示出本发明的示例。
在图2至图4中，附图标记1表示空冷式燃料电池车辆（其也可以简称为“车辆”）；附图标记2表示前轮；附图标记3L表示左后轮；附图标记3R表示右后轮；附图标记4表示前座；附图标记5表示后座；附图标记6表示前地板；以及附图标记7表示后地板。
如图2中所示，在空冷式燃料电池车辆1中，氢罐8设置在前地板6之下，前座4位于前地板6之上，并且二次电池9位于后座5下方。
此外，用于驱动左后轮3L、右后轮3R的电动机10、逆变器11和空冷式燃料电池堆12的电动机10安装在后地板7之下，即，安装在空冷式燃料电池车辆1的后部。
在此情况下，如图7中所示，在空冷式燃料电池系统13中，在压缩并存储在高压氢罐14中的氢气的压力被减压阀15减小之后，该氢气被引入到空冷式燃料电池堆12的阳极进气部中。同时，空冷式燃料电池系统13在用于向阴极进气部提供空气的通道中不具有用于以高压压缩空气的压缩机，而是由作为低压鼓风风扇的鼓风风扇17将通过过滤器16吸入的空气提供给空冷式燃料电池堆12。
提供给空冷式燃料电池堆12的空气不仅被用于空冷式燃料电池堆12中的发电反应，而且还通过从空冷式燃料电池堆12去除废热而起到冷却空冷式燃料电池堆12的作用。
从空冷式燃料电池堆12排出的阳极废气经由清除阀18被送出并且与从空冷式燃料电池堆12排放的阴极废气混合。阳极废气中的氢气被阴极废气稀释到最低可燃浓度或更低，并且被排放到外部。
在空冷式燃料电池系统13中，发生电化学反应，并且伴随该反应产生水。
空冷式燃料电池堆12正常情况下由大量的被称为电池元（cell）的最小构成单元彼此堆叠而构成。
现在描述该车辆中的诸如空冷式燃料电池堆12等部件的布局。
如图2中所示，在空冷式燃料电池堆1中，氢罐8设置在位于车辆前侧的前座4之下。
此外，空冷式燃料电池堆12以进气部21向前倾斜的姿态设置在车辆最后部的行李舱下方。空冷式燃料电池堆12的下部设置有用于 向燃料电池提供空气的作为低压鼓风风扇的吸气风扇19。
由吸气风扇19提供给燃料电池的空气被用于发电反应和空冷式燃料电池堆12的冷却，然后通过位于车辆后部的排气管20被引导到车辆外部。
用于驱动左后轮3L和右后轮3R的电动机10设置在空冷式燃料电池堆12的前方。逆变器11设置在电动机10上方。二次电池9设置在后座5下方。
在此情况下，在本发明的该示例中，空冷式燃料电池堆12安装在车辆最后部，并且电部件都一起设置在车辆后部。
从而，电配线、特别是高压电缆，能够以最小的长度制备，并且可以将噪声影响、重量和成本减小到最低。
另外，通过彼此相邻地设置电部件，可以用简单的方式捆扎配线，并且维护也简单。
此外，由于高压部件被组装在一处，所以改善了在处理事故或故障时的维护性。
此外，通过将所有部件设置在地板之下，可以在确保乘员和后备箱的空间的同时，实现车辆中的该布局。
安装在空冷式燃料电池车辆1的后部的空冷式燃料电池堆12被形成为盒状，并且在其彼此相对的壁表面上包括用于引入用作反应气体并且也用作冷却介质的空气的进气部21和用于排放包含空气和氢的过剩反应气体的排气部22。
此外，如图5中所示，进气管23安装在进气部21上，同时，延伸到燃料电池车辆1的后端部的排气管20安装在排气部22上。
另外，空冷式燃料电池堆12设置在空冷式燃料电池车辆1的后地板7下方并且在车辆纵向上的后轮轴24的后方，而进气部21定向为向上，并且所述进气部21设置为随着向车辆后侧延伸使其倾斜并逐渐靠近后地板7。
更具体来说，当空冷式燃料电池堆12如图1和图2中所示设置在空冷式燃料电池车辆1中时，进气部21在后地板7之下，在车辆纵向上在后轮轴24的后方，定向为向上，并且所述进气部21设置为随着 向车辆的后侧延伸使其倾斜并逐渐靠近后地板7。
因此，上述结构使得可以将空冷式燃料电池堆12安装在燃料电池车辆1的最后部，并且在低于后地板7的位置处，同时确保燃料电池车辆1的离去角（departure angle）θ，并且增大燃料电池车辆1的车辆座舱空间。
此外，该结构使得排气管20可以从空冷式燃料电池堆12直线延伸到车辆后端部，从而减小排气管20的气流阻力。 
因此，通过进气管23引入到空冷式燃料电池堆12中的空气的量增大，以实现空冷式燃料电池堆12的冷却性能的提高。
因此，空冷式燃料电池堆12安装在后轮驱动的燃料电池汽车1中的最佳位置处，并且实现了空冷式燃料电池堆12的冷却性能的提高。
此外，吸气风扇19设置在空冷式燃料电池堆12的排气部22侧。
具体来说，如图5中所示，吸气风扇19设置在排气部22侧，即，空冷式燃料电池堆12的下侧。吸气风扇19被排气管20覆盖。
因此，通过将空冷式燃料电池堆12上的吸气风扇19设置在不面对后地板7并且容易确保空间的排气部22侧，吸气风扇19从空冷式燃料电池堆12吸气的效果增大，从而实现空冷式燃料电池堆12的冷却性能的提高。
此外，排气管20包括在上游端部的废气入口25和在下游端部的废气出口26。将连通废气入口25的上端部和废气出口26的上端部的通道壁27设置为水平或者以随着向车辆后侧延伸通道壁27的高度增大的方式来倾斜设置。
具体来说，当排气管20安装在空冷式燃料电池车辆1中时，如图1和图5中所示，将连通废气入口25和废气出口26的通道壁27（上表面部）以随着向车辆后部延伸通道壁27的高度逐渐增大的方式倾斜。
因此，上述结构可以平稳地排放重量比空气轻的过剩氢气而不会使其停滞在排气管20内。
后保险杠28设置在空冷式燃料电池堆12的后方。排气管20的废 气出口26嵌入在后保险杠28中形成的开口29中。
具体来说，如图6中所示，废气出口26形成在排气管20的左右两侧中的每一侧上。
此外，如图4中所示，在后保险杠28中，在左右尾灯31L、31R的内侧，在牌照安装部30横向两侧的位置处开出开口29。每个开口29具有网罩32，用于防止外来物进入。
在此情况下，排气管20的废气出口26嵌入在开口29中。
从而排气管20的弯曲度和长度减小，以减小气流阻力。
此外，后保险杠28可以支撑排气管20的顶端。排气管20的保持结构可以简化，并且包含在废气中的过剩氢气可以防止停滞在后保险杠28内。
此外，设置在空冷式燃料电池堆12的上侧的进气管23包括在上游端部的空气入口33和在下游端部的空气出口34。空气入口33在竖直方向上开在比空气出口34低的位置处。在空气入口33和空气出口34之间形成有通道部35，空气在通道部35中向上流动。 
具体来说，如图1中的白箭头所指示的，进气管23的空气入口33以朝下的方式形成，并且在进气管23内流动的空气流从向上方向转为向车辆后侧向下倾斜的方向。
注意，如图3中所示，进气管23的空气入口33具有网罩36，用于防止外来物进入。
因此，利用上述结构，在进气管23内流动的空气流从向上方向转向向下倾斜方向，分离出与空气一起流入进气管23的水和灰尘。这可以防止水和灰尘吸入空冷式燃料电池堆12。
现在，进一步描述安装空冷式燃料电池堆12和进气管23、排气管20的方法。
图5和图6是安装在空冷式燃料电池堆12上的进气管23和排气管20的视图。包括在横向方向上延伸的空气入口33的进气管23安装在风冷式燃料电池堆12的进气部21上，该风冷式燃料电池堆12以进气部21向前倾斜的定向来设置。排气管20安装在排气部22和吸气风扇19上并且覆盖排气部22和吸气风扇19，并且连接到图4中所示的 后保险杠28的开口29。
在此情况下，通过以向前倾斜的方式设置空冷式燃料电池堆12，可以在考虑到离去角θ的同时确保大的进气空间，并且可以平稳地排放清除的氢而不会使其停滞在排气管内。
此外，如图1中所示，进气管23的空气入口33开在低于逆变器11的位置处。这可以避免直接吸入从逆变器11等电部件产生的热。
此外，空冷式燃料电池堆12设置在车辆的最后部，并且形成为如图5和图6中所示的排气管形状。因此，可以形成最短长度的简单排气通道，并且可以将压力损耗的增大和发电效率的降低抑制到最小值。
注意，本发明不局限于上述示例，各种应用和修改是可能的。
例如，本发明的该示例采用空冷式燃料电池。然而，该布局当然也适用于水冷式燃料电池系统。
此外，以下应用是可能的。例如，排气管的废气出口的形状不局限于本示例中公开的形状，而是该形状可被形成为大的尺寸。可选地，可以增大废气出口的数目，并且可以修改后保险杠的开口形状。
此外，对于进气管，可以根据与其它部件有关的布局来修改开口部的形状。
附图标记说明
1 空冷式燃料电池车辆（也可简称为“车辆”）
2 右前轮
3L 左后轮
3R 右后轮
4 前座
5 后座
6 前地板
7 后地板
8 氢罐
9 二次电池
10 电动机
11 逆变器
12 空冷式燃料电池堆
13 空冷式燃料电池系统
19 吸气风扇
20 排气管
21 进气部
22 排气部
23 进气管
24 后轮轴
25 废气入口
26 废气出口
27 通道壁
28后保险杠
29 开口
33 空气入口
34 空气出口
35 通道部

Claims (4)

1.一种空冷式燃料电池车辆，在该燃料电池车辆的后部包括：
电动机，其用于驱动所述燃料电池车辆的后轮；
空冷式燃料电池堆，其形成为盒状并且在其彼此相对的壁表面上分别包括
进气部，其用于引入用作反应气体并且也用作冷却介质的空气，以及
排气部，其用于排放包含空气和氢的过剩反应气体；
进气管，其安装在所述进气部上；以及
排气管，其安装在所述排气部上并且延伸到所述燃料电池车辆的后端部，所述空冷式燃料电池车辆的特征在于
所述空冷式燃料电池堆设置在所述空冷式燃料电池车辆的后地板下方并且在车辆纵向上的后轮轴的后方，而所述进气部定向为向上，并且所述进气部设置为随着向所述车辆的后侧延伸使其向前倾斜并逐渐靠近所述后地板，
所述排气管包括在上游端部的废气入口和在下游端部的废气出口，
将连通所述废气入口的上端部和所述废气出口的上端部的通道壁设置为水平或者以随着向所述车辆后侧延伸所述通道壁的高度增大的方式倾斜，
所述排气管连接到设置在所述空冷式燃料电池堆的后方的后保险杠的开口。
2.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆，其特征在于
吸气风扇设置在所述空冷式燃料电池堆的所述排气部侧。
3.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆，其特征在于
后保险杠设置在所述空冷式燃料电池堆的后方，并且
所述排气管的所述废气出口嵌入在所述后保险杠中形成的开口中。
4.根据权利要求1所述的空冷式燃料电池车辆，其特征在于
所述进气管包括在上游端部的空气入口和在下游端部的空气出口，
所述空气入口在竖直方向上开在低于所述空气出口的位置处，并且
在所述空气入口和所述空气出口之间形成有使空气流从向上方向转为向车辆后侧向下倾斜的方向的通道部。
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