DE102015119230A1

DE102015119230A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015119230A1
Application number: DE102015119230.6A
Authority: DE
Inventors: Shuji Nagano; Makoto Takeyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2035-11-10
Also published as: CN105609858A; JP6206376B2; KR101886481B1; KR20160057985A; DE102015119230B4; US20160141657A1; US10270109B2; JP2016096064A; CA2911594C; CA2911594A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, die eine elektrochemische Reaktion von Anodengas und Kathodengas verursacht, ein Brennstoffzellensystemgehäuse, welches die Brennstoffzelle aufnimmt, sowie einen Rahmen, der unter dem Brennstoffzellensystemgehäuse angeordnet ist und das Brennstoffzellensystemgehäuse fixiert. Eine Rippe ist an einer oberen Fläche des Rahmens ausgebildet. Ein Wassersammelabschnitt ist derart im Boden des Brennstoffzellensystemgehäuses ausgebildet, dass der Wassersammelabschnitt an einer Innenseite des Brennstoffzellensystemgehäuses konkav ausgestaltet ist, und an der Außenseite des Brennstoffzellensystemgehäuses konvex ausgestaltet ist. Der Wassersammelabschnitt befindet sich an einer Stelle, an der zumindest ein Teil des konvexen Abschnitts vertikal mit der Rippe überlappt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. November 2014 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2014-232034 , deren Inhalt hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Bei der elektrochemischen Reaktion, wenn eine Brennstoffzelle Strom bzw. Leistung erzeugt, wird Wasser erzeugt. Der Stand der Technik offenbart in der JP 2009-289426 A etc., dass, da Wasser aus der Brennstoffzelle austreten kann, ein vertiefter Abschnitt (ein Wassersammelabschnitt) zum Aufnehmen des erzeugten Wassers in einem Teil eines Innenbodens eines Gehäuses, in welchem die Brennstoffzelle aufgenommen ist, ausgebildet ist.
Wenn jedoch der vertiefte Abschnitt in dem Teil des Innenbodens des Gehäuses zum Aufnehmen der Brennstoffzelle ausgebildet ist, nimmt die gesamte vertikale Größe des Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Gehäuse zu.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und kann gemäß der nachfolgend dargestellten Aspekte ausgeführt werden.

(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das eine Brennstoffzelle enthält, die eine elektrochemische Reaktion von Anodengas und Kathodengas verursacht, ein Brennstoffzellensystemgehäuse, welches die Brennstoffzelle aufnimmt, sowie einen Rahmen, der unter dem Brennstoffzellensystemgehäuse angeordnet ist und das Brennstoffzellensystemgehäuse fixiert. Eine Rippe ist an einer oberen Fläche des Rahmens ausgebildet. Ein Wassersammelabschnitt ist derart im Boden des Brennstoffzellensystemgehäuses ausgebildet, dass der Wassersammelabschnitt an einer Innenseite des Brennstoffzellensystemgehäuses konkav ausgestaltet ist, und an der Außenseite des Brennstoffzellensystemgehäuses konvex ausgestaltet ist. Der Wassersammelabschnitt befindet sich an einer Stelle, an der zumindest ein Teil des konvexen Abschnitts vertikal mit der Rippe überlappt. Gemäß diesem Aspekt kann Wasser in dem Wassersammelabschnitt gespeichert werden, ohne die Höhe des Brennstoffzellensystems zu vergrößern.
(2) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann ferner eine Mehrzahl von Hilfsaggregaten enthalten sein, die für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden. Das Brennstoffzellensystemgehäuse kann ein Hilfsaggregatgehäuse umfassen, in welchem die Mehrzahl von Hilfsaggregaten aufgenommen ist. Der Wassersammelabschnitt kann am Boden des Hilfsaggregatgehäuses vorgesehen sein. Gemäß diesem Aspekt kann der Wassersammelabschnitt im Hilfsaggregatgehäuse ausgebildet werden, ohne die Höhe des Brennstoffzellensystems zu vergrößern.
(3) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Wassersammelabschnitt eine Mehrzahl von Wassersammelabschnitten umfassen. Gemäß diesem Aspekt kann Wasser, das in dem Brennstoffzellensystemgehäuse existiert, in aufgeteilt in einer Mehrzahl von Wassersammelabschnitten gespeichert werden.

Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Art und Weise, beispielsweise einem Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellensystems, einem Computerprogramm zum Ausführen des Herstellungsverfahrens, und einem Speichermedium zum Speichern dieses Computerprogramms ausgeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht, die das Innere eines Hilfsaggregatgehäuses zeigt;
3 ist eine Ansicht, die schematisch das Hilfsaggregatgehäuse des Brennstoffzellensystems von oben zeigt; und
4 ist eine Schnittansicht, die das Hilfsaggregatgehäuse des Brennstoffzellensystems entlang einer Linie A-A in 3 zeigt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Ausführungsform
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 1 bezeichnet eine positive X-Achsenrichtung die Vorderseite bzw. Front eines Fahrzeugs, eine positive Y-Achsenrichtung bezeichnet die obere Seite bzw. Oberseite des Fahrzeugs und eine positive Z-Achsenrichtung bezeichnet die rechte Seite des Fahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem 10 hat ein Brennstoffzellensystemgehäuse 140 und einen Rahmen 200. Das Brennstoffzellensystem 10 ist am Fahrzeug montiert. Bei dieser Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 10 unter einer Fahrgastzelle angeordnet.
Das Brennstoffzellensystemgehäuse 140 umfasst ein Brennstoffzellengehäuse 100 und ein Hilfsaggregatgehäuse 130. Eine Dichtung dichtet zwischen Elementen des Brennstoffzellensystemgehäuses 140 ab, so dass Fremdstoffe wie Wasser oder Staub nicht hinein gelangen.
Das Brennstoffzellengehäuse 100 nimmt eine Brennstoffzelle auf, die eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoffgas als Anodengas und Sauerstoffgas als Kathodengas verursacht. Die Brennstoffzelle besteht aus Einzelzellen, welche gestapelt sind, und ist so ausgerichtet, dass eine Stapelrichtung parallel zur Fahrzeugbreitenrichtung ist.
Das Brennstoffzellengehäuse 100 hat Sammelrohre 120 zum Abdecken einer Seitenfläche der Brennstoffzelle auf der rechten Seite des Fahrzeugs (positive Seite in Z-Achsenrichtung), ein Stapelgehäuse zum Abdecken der anderen Seitenflächen und einer Oberfläche sowie eine untere Abdeckung (nicht dargestellt) zum Abdecken einer unteren Fläche der Brennstoffzelle. Die Sammelrohre 120 bilden Strömungspfade für Wasserstoffgas, Sauerstoffgas und Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle. Die Sammelrohre 120 haben ferner die Funktion zum Sicherstellen einer Isolierung vor Hochspannungskomponenten im Brennstoffzellengehäuse 100 und zum Zusammendrücken der Einheitszellen.
2 ist eine schematische Ansicht, die das Innere des Hilfsaggregatgehäuses 130 zeigt. Das XYZ-Koordinatensystem aus 2 entspricht dem XYZ-Koordinatensystem aus 1. Das gleiche gilt für die anderen Zeichnungen.
Das Hilfsaggregatgehäuse 130 nimmt mehrere Hilfsaggregate (nicht dargestellt) auf, die für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden. Die Mehrzahl von Hilfsaggregaten umfasst hierbei eine Wasserstoffpumpe, Injektoren, Entlüftungs- und Auslassventile, Ventile, Sensoren, etc. Leitungen für Kühlwasser, Kabel zum Zuführen von Strom zu den Hilfsaggregaten etc. sind zusätzlich zu den Hilfsaggregaten am Hilfsaggregatgehäuse 130 vorgesehen.
Eine Mehrzahl von Öffnungen 132 (132A bis 132E) ist im Hilfsaggregatgehäuse 130 ausgebildet. Die Öffnung 132 dient als Kabelöffnung, durch welche die Kabel reichen, als Leitungsöffnung, durch welche die Leitungen für Gas und Kühlwasser, die für die Brennstoffzelle verwendet werden, reichen, und als Serviceöffnung für die Verbindung der Kabel etc. Das Hilfsaggregatgehäuse 130 hat Wassersammelabschnitte 131A, 131B und 131C, welche später im Detail beschrieben werden. Bei dieser Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Hilfsaggregaten an den Sammelrohren 120 angebracht. Ferner ist eine Seitenfläche des Hilfsaggregatsgehäuses 130 auf der linken Seite des Fahrzeugs (negative Seite in Z-Achsenrichtung) mit den Sammelrohren 120 abgedeckt.
Um Vibrationen und Geräusche, die durch die Hilfsaggregate erzeugt werden, nicht nach außen zu übertragen, ist die Fläche des Hilfsaggregatgehäuses 130 mit Abdeckungen 141 und 142 aus natürlichem oder künstlich synthetischem Harz bzw. Kunststoff (siehe 1) abgedeckt. Bei dieser Ausführungsform haben die Kunststoffabdeckungen 141 und 142 eine Innenschicht aus Urethan und eine Außenschicht aus hartem Kunststoff bzw. Hartharz.
Der Rahmen 200 ist unter dem Brennstoffzellensystemgehäuse 140 angeordnet und trägt das Brennstoffzellensystemgehäuse 140 vermittels einer vibrationssicheren Montagestruktur. Das bedeutet, um Vibrationen zu verringern, ist ein Gummivibrationsisolator zwischen dem Brennstoffzellensystemgehäuse 140 und dem Rahmen 200 angeordnet. Der Rahmen 200 fixiert das Brennstoffzellensystemgehäuse 140 durch Einsetzen von Schrauben 112A und 112B in Augen 111A und 111B, die im Brennstoffzellengehäuse 100 des Brennstoffzellensystemgehäuses 140 ausgebildet sind. Andere Augen und Schrauben (nicht dargestellt) sind ferner an der Vorderseite des Fahrzeugs (positive X-Achsenrichtung) vorgesehen. Der Rahmen 200 ist an einer Fahrzeugkarosserie (nicht dargestellt) angebracht.
3 ist eine schematische Darstellung des Hilfsaggregatgehäuses 130 des Brennstoffzellensystems 10 gesehen von oberhalb des Fahrzeugs (aus der positiven Y-Achsenrichtung betrachtet).
4 ist eine Schnittansicht, welche das Hilfsaggregatgehäuse 130 des Brennstoffzellensystems 10 entlang einer Linie A-A aus 3 zeigt. Es sei angemerkt, dass auf die Darstellung der Hilfsaggregate in diesen Zeichnungen verzichtet wurde. Der Rahmen 200 wird durch Verschweißen eines unteren Elements 210 mit einem oberen Element 220 gebildet. Rippen 221A und 221B sind an der oberen Fläche des Rahmens 200 ausgebildet. In diese Richtung verlaufen die Rippen 221A und 221B in Fahrzeugbreitenrichtung (Z-Achsenrichtung). Die Festigkeit des Rahmens 200 kann durch die Rippen 221 gewährleistet werden.
Wassersammelabschnitte 131 (131A bis 131C) sind im Boden des Hilfsaggregatgehäuses 130 ausgebildet, die nach unten oder in negative Y-Achsenrichtung relativ zu den anderen Bodenabschnitten vertieft sind. Insbesondere ist jeder Wassersammelabschnitt von der Innenseite des Hilfsaggregatgehäuses 130 gesehen ein konkaver Abschnitt und von der Außenseite gesehen ein konvexer Abschnitt. Die nach unten gerichteten konvexen Abschnitte der Wassersammelabschnitte 131A, 131B und 131C überlappen zumindest teilweise mit den Rippen 221A und 221B des Rahmens 200 in vertikale Richtung (Y-Achsenrichtung). Die nach unten gerichteten konvexen Abschnitte der Wassersammelabschnitte 131A, 131B und 131C überlappen nicht mit den Rippen 221A und 221B des Rahmens 200 in horizontale Richtung (X-Achsenrichtung). Da das Hilfsaggregatgehäuse 130 an den Sammelrohren 120 verschraubt ist, gibt es einen Raum zwischen dem Hilfsaggregatgehäuse 130 und dem Rahmen 200, wie in 4 dargestellt.
Wenn üblicherweise (ein) Wassersammelabschnitt(e) in einem Brennstoffzellengehäuse ausgebildet ist/sind, nimmt die gesamte vertikale Größe des Brennstoffzellensystems zu. Bei dieser Ausführungsform dagegen sind die Wassersammelabschnitte 131 derart ausgestaltet, dass zumindest Teile von nach unten gerichteten konvexen Abschnitten der Wassersammelabschnitte 131 mit den Rippen 221 in vertikale Richtung überlappen (Y-Achsenrichtung). Daher kann das Wasser in den Wassersammelabschnitten 131 gesammelt werden, ohne dass die Größe des Brennstoffzellensystems 10 zunimmt. Darüber hinaus sind die Wassersammelabschnitte 131 derart ausgebildet, dass Spitzen der nach unten gerichteten konvexen Abschnitte der Wassersammelabschnitte nicht mit den Rippen 221 in horizontale Richtung (X-Achsenrichtung) überlappen.
Möglicherweise gelangt Wasser von außerhalb in das Hilfsaggregatgehäuse 130. Bei dieser Ausführungsform jedoch wird, da die Wassersammelabschnitte 131 am Boden des Hilfsaggregatgehäuses 130 ausgebildet sind, das Wasser daran gehindert, mit den Hilfsaggregaten, die im Hilfsaggregatgehäuse 130 aufgenommen sind, in Kontakt zu gelangen.
B. Abwandlungen
B1. Abwandlung 1
Bei dieser Ausführungsform sind die Wassersammelabschnitte 131 im Hilfsaggregatgehäuse 130 ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Die Wassersammelabschnitte 131 können im Brennstoffzellengehäuse 100 ausgebildet sein, oder können sowohl im Brennstoffzellengehäuse 100 als auch Hilfsaggregatgehäuse 130 ausgebildet sein.
B2. Abwandlung 2
Das Hilfsaggregatgehäuse 130 ist bei dieser Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Wassersammelabschnitten 131 ausgestaltet. Durch diesen Aufbau kann Wasser, das im Hilfsaggregatgehäuse existiert, aufgeteilt in der Mehrzahl von Wassersammelabschnitten 131 gesammelt werden. Da das Wasser aufgeteilt in den Wassersammelabschnitten 131 gesammelt wird, wird verhindert, dass sich das Wasser im Hilfsaggregatgehäuse 130 bewegt, beispielsweise wenn das Fahrzeug, an dem das Brennstoffzellensystem angebracht ist, einen Kavaliersstart ausführt, plötzlich verzögert oder eine scharfe Kurve etc. fahrt. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt, sondern kann auch mit einem einzelnen Wassersammelabschnitt 131 ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform und die vorstehend beschriebenen Abwandlungen beschränkt und kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsform und der Abwandlungen, welche den technischen Merkmalen eines jeden Aspekts gemäß der „KURZFASSUNG” entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt und/oder kombiniert werden, um einige oder alle der vorstehend genannten Probleme zu adressieren, oder um einige oder alle der vorstehend beschriebenen Aspekte zu erzielen. Die technischen Merkmale können in geeigneter Weise weggelassen werden, solange sie in dieser Beschreibung nicht als wesentlich bezeichnet sind.
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

JP 2014-232034 [0001]
JP 2009-289426 A [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die eine elektrochemische Reaktion von Anodengas und Kathodengas verursacht; ein Brennstoffzellensystemgehäuse, welches die Brennstoffzelle aufnimmt; und einen Rahmen, der unter dem Brennstoffzellensystemgehäuse angeordnet ist und das Brennstoffzellensystemgehäuse fixiert; wobei eine Rippe an einer oberen Fläche des Rahmens ausgebildet ist; ein Wassersammelabschnitt derart im Boden des Brennstoffzellensystemgehäuses ausgebildet ist, dass der Wassersammelabschnitt an einer Innenseite des Brennstoffzellensystemgehäuses konkav ausgestaltet ist, und an der Außenseite des Brennstoffzellensystemgehäuses konvex ausgestaltet ist; und der Wassersammelabschnitt sich an einer Stelle befindet, an der zumindest ein Teil des konvexen Abschnitts vertikal mit der Rippe überlappt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Mehrzahl von Hilfsaggregaten, die für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden, wobei das Brennstoffzellensystemgehäuse ein Hilfsaggregatgehäuse umfasst, in welchem die Mehrzahl von Hilfsaggregaten aufgenommen ist, und der Wassersammelabschnitt am Boden des Hilfsaggregatgehäuses vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wassersammelabschnitt eine Mehrzahl von Wassersammelabschnitten umfasst.