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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug, das einen in einem Frontabteil angeordneten Brennstoffzellenstapel sowie Hilfsmaschinen beinhaltet.
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Stand der Technik
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Üblicherweise beinhaltet ein Brennstoffzellenfahrzeug einen Brennstoffzellenstapel und seine Peripheriegeräte (Hilfsmaschinen) in einem Frontabteil auf einer Vorderseite des Fahrzeugs. Der Brennstoffzellenstapel ist auf einem am Frontabteil befestigten Stapelrahmen angeordnet, und die Hilfsmaschinen wie ein Kompressor und eine Brenngaspumpe sind an einem unteren Abschnitt des Stapelrahmens montiert (siehe z. B.
JP 2017 -
74 819 A ).
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Ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, einem Gas-Flüssigkeits-Separator und einer Brenngaspumpe, die an einem Stapelrahmen in einem Frontabteil des Fahrzeugs befestigt sind, ist aus der nachveröffentlichten US 2018 / 0 358 637 A1 bekannt. Ein weiteres Brennstoffzellenfahrzeug ist Gegenstand der ebenfalls nachveröffentlichten
DE 10 2018 103 081 A1 .
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KURZFASSUNG
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Hierbei sammelt die am unteren Teil des Stapelrahmens angebrachte Brenngaspumpe ein Brenngasabgas aus dem Brennstoffzellenstapel und führt einen Teil des gesammelten Brenngasabgases dem Brennstoffzellenstapel als Brenngas wieder zu. Da der Brennstoffzellenstapel auf dem Stapelrahmen angeordnet ist, wird beispielsweise davon ausgegangen, dass, um das Brenngas mit der Brenngaspumpe über eine kürzere Strecke zum Brennstoffzellenstapel zu leiten, die Brenngaspumpe derart am Stapelrahmen montiert ist, dass sie vom Stapelrahmen zu einer Seite eines Armaturenträgers vorsteht.
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Wenn in einem solchen Fall jedoch das Brennstoffzellenfahrzeug frontal kollidiert, bewegen sich der Brennstoffzellenstapel und die Hilfsmaschinen, die am Stapelrahmen montiert sind, mit dem Stapelrahmen zur Seite des Armaturenträgers, und die vom Stapelrahmen vorstehende Brenngaspumpe wird möglicherweise beschädigt.
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Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme gemacht und hat zur Aufgabe, ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, das konfiguriert ist, um Schäden an einer Brenngaspumpe zum Zeitpunkt einer Frontalkollision des Fahrzeugs zu reduzieren.
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Um diese Aufgabe zu lösen beinhaltet ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Brennstoffzellenstapel, einen Gas-Flüssigkeits-Separator, der Gas und Flüssigkeit von einem aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragenen Brenngasabgas abscheidet, und eine Brenngaspumpe, die das Brenngasabgas, von dem die Flüssigkomponente durch den Gas-Flüssigkeits-Separator abgeschieden wurde, zum Brennstoffzellenstapel zirkuliert. Das Brennstoffzellenfahrzeug beinhaltet ein Frontabteil und einen metallischen Armaturenträger an einer Vorderseite des Fahrzeugs. Im Frontabteil sind der Brennstoffzellenstapel, der Gas-Flüssigkeits-Separator und die Brenngaspumpe aufgenommen. Der Armaturenträger trennt das Frontabteil und eine Kabine. Der Brennstoffzellenstapel ist auf einem Stapelrahmen angeordnet. Der Stapelrahmen ist am Frontabteil befestigt. Die Brenngaspumpe ist an einem unteren Abschnitt des Stapelrahmens in einem Zustand montiert, bei dem sie vom Stapelrahmen zur Seite des Armaturenträgers vorsteht. Der Gas-Flüssigkeits-Separator ist an einem unteren Abschnitt der Brenngaspumpe in einem Zustand montiert, bei dem er vom Stapelrahmen und der Brenngaspumpe zur Seite des Armaturenträgers vorsteht. Die Brenngaspumpe ist besteht aus Metall. Der Gas-Flüssigkeits-Separator besteht aus Harz.
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Mit der vorliegenden Offenbarung bewegt sich der am Frontabteil angebrachte Stapelrahmen zum Zeitpunkt der Frontalkollision des Fahrzeugs zur Seite des Armaturenträgers. Da der Gas-Flüssigkeits-Separator derart an der Brenngaspumpe montiert ist, dass er vom Stapelrahmen und der Brenngaspumpe zur Seite des Armaturenträgers vorsteht, gelangt der Gas-Flüssigkeits-Separator zu diesem Zeitpunkt mit dem Armaturenträger in Kontakt, bevor die Brenngaspumpe mit dem Armaturenträger in Kontakt gelangt. Da der Armaturenträger aus Metall besteht und der Gas-Flüssigkeits-Separator aus Harz besteht, wird der Gas-Flüssigkeits-Separator beschädigt. Somit kann der Gas-Flüssigkeits-Separator eine Aufprallkraft auf die Brenngaspumpe zum Zeitpunkt der Kollision puffern. Der Gas-Flüssigkeits-Separator mit einer relativ einfachen Konfiguration zu niedrigen Kosten kann die Reparaturkosten reduzieren.
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Während eine Befestigungsstruktur der Brenngaspumpe am Stapelrahmen nicht spezifisch begrenzt ist, kann die Brenngaspumpe in einigen Aspekten über eine Halterung am Stapelrahmen befestigt werden, so dass eine Drehachsenlinie eines Motors, der die Brenngaspumpe antreibt, in Bezug auf eine Referenzlinie entlang einer Front-Heck-Richtung des Brennstoffzellenfahrzeugs in Draufsicht auf das Brennstoffzellenfahrzeug geneigt ist. Die Halterung kann einen Montageabschnitt haben, der sich in horizontaler Richtung erstreckt. Der Montageabschnitt kann ein Stützloch aufweisen, durch das ein Befestigungselement eingeführt ist. Das Befestigungselement kann die Halterung am Stapelrahmen befestigen. Die Brenngaspumpe kann in horizontaler Richtung um das Stützloch der Halterung drehbar befestigt sein.
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Wenn der Aufprall bei der Fahrzeugkollision groß ist, dreht sich gemäß diesem Aspekt die Brenngaspumpe in eine Richtung, die sich vom Armaturenträger weg bewegt, um das durch das Stützloch eingesetzte Befestigungselement herum, während die Brenngaspumpe mit dem Stapelrahmen weiter zurückweicht, um mit dem Armaturenträger in Kontakt zu gelangen. Daher kann der Aufprall der Brenngaspumpe gegen den Armaturenträger reduziert werden.
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Das Brennstoffzellenfahrzeug der vorliegenden Offenbarung kann den Schaden an der Brenngaspumpe zum Zeitpunkt der Frontalkollision des Fahrzeugs reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine Konzeptdarstellung einer Ausführungsform eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist ein Systemblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird;
- 3 ist eine schematische Hauptteildarstellung, die eine Seitenfläche eines Hauptteils des Brennstoffzellenfahrzeugs in der in 1 dargestellten Ausführungsform darstellt;
- 4 ist eine schematische Hauptteildarstellung, die eine Unterseite des in 3 dargestellten Hauptteils darstellt;
- 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 3 und 4 dargestellten Hauptteils;
- 6 ist eine perspektivische Hauptteilansicht einer Brenngaspumpe und eines Gas-Flüssigkeits-Separators, die in den 3 bis 5 dargestellt ist;
- 7 ist eine schematische Hauptteildarstellung, die ein Verhalten zum Zeitpunkt einer Kollision mit einem geringen Aufprall veranschaulicht; und
- 8 ist eine schematische Hauptteildarstellung, die ein Verhalten zum Zeitpunkt einer Kollision mit einem großen Aufprall darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenfahrzeugs der vorliegenden Offenbarung im Detail Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Konzeptdarstellung des Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der Ausführungsform, und 2 ist ein Systemblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird. 3 ist eine schematische Hauptteildarstellung, die eine Seitenfläche eines Hauptteils des Brennstoffzellenfahrzeugs der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform zeigt. 4 ist eine schematische Hauptteildarstellung, die eine Unterseite des in 3 dargestellten Hauptteils darstellt. 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 3 und 4 dargestellten Hauptteils.
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Zunächst wird das Brennstoffzellenfahrzeug der vorliegenden Offenbarung Bezug nehmend auf 1 beschrieben. In 1 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug 1 ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Personenkraftwagen, und weist auf einer Vorderseite des Fahrzeugs ein Frontabteil R auf. Das Frontabteil R haust einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Kompressor 22, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 37 und eine Brenngaspumpe 38, beispielsweise eine Wasserstoffpumpe. Der Kompressor 22, der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 und die Brenngaspumpe 38 bilden einen Teil der Hilfsmaschinen. Der Kompressor 22 ist Teil eines Oxidationsgasversorgungssystems 20, das dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Oxidationsgas zuführt. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 und die Brenngaspumpe 38 bilden einen Zirkulationskanal 36, der ein vom Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Brenngasabgas zum Brennstoffzellenstapel 10 zirkuliert (siehe 2).
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Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 beinhaltet einen Armaturenträger 40 zwischen dem Frontabteil R und einer Kabine C, in der ein Fahrgast fährt, um diese an der Vorderseite des Fahrzeugs zu trennen. Der Armaturenträger 40 ist eine metallische Platte, die beispielsweise aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung besteht und im Vergleich zum Gas-Flüssigkeits-Separator 37 eine hohe Steifigkeit aufweist. Der Armaturenträger 40 beinhaltet ein Bodenblech 41, die eine Bodenfläche der Kabine C bildet, und einen Pedalboden 42, der sich vom Bodenblech 41 schräg nach oben erstreckt. Der Armaturenträger 40 beinhaltet ein Verstärkungsmaterial (nicht abgebildet), um einen Raum für die Kabine C zu schaffen. Das Verstärkungsmaterial weist im Vergleich zur Brenngaspumpe 38 eine hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit auf.
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Wie in 3 dargestellt ist, ist der Brennstoffzellenstapel 10 auf einer Oberseite eines Stapelrahmens 2 angeordnet und der Stapelrahmen 2 ist am Frontabteil R befestigt. Der Kompressor 22 ist über eine Kompressorhalterung 3 im hängenden Zustand an einem unteren Abschnitt des Stapelrahmens 2 montiert und befestigt. Die Brenngaspumpe 38 ist über eine Halterung 4 am unteren Teil des Stapelrahmens 2 in einem Zustand montiert, in dem sie vom Stapelrahmen 2 zur Seite des Armaturenträgers 40 ragt und aufgehängt ist.
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Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 ist an einem unteren Abschnitt der Brenngaspumpe 38 in einem Zustand montiert, bei dem er vom Stapelrahmen 2 und der Brenngaspumpe 38 in Richtung zur Seite des Armaturenträgers 40 ragt bzw. vorsteht. Die Brenngaspumpe 38 ist eine metallische Vorrichtung aus einem metallischen Material, beispielsweise einem Material auf Eisenbasis und einem Material auf Aluminiumbasis, und der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 ist eine Vorrichtung aus Harz wie beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) und Polyamid (PA). Zudem hat das Brennstoffzellenfahrzeug 1 einen hinteren Abschnitt, an dem eine Brenngasversorgungsquelle 31 montiert ist, die ein Brenngasversorgungssystem 30 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit Wasserstoff bildet.
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Als nächstes wird die Systemkonfiguration des im Brennstoffzellenfahrzeug 1 der vorliegenden Offenbarung verwendeten Brennstoffzellensystems Bezug nehmend auf 2 beschrieben. Das in 2 dargestellte Brennstoffzellensystem beinhaltet beispielsweise eine Brennstoffzelle (einen Brennstoffzellenstapel) 10, das Oxidationsgasversorgungssystem 20 und das Brenngasversorgungssystem 30. Die Brennstoffzelle (der Brennstoffzellenstapel) 10 beinhaltet eine Mehrzahl von gestapelten Zellen für die Brennstoffzelle als Einheitszellen. Das Oxidationsgasversorgungssystem 20 versorgt die Brennstoffzelle 10 mit einem Oxidationsgas wie beispielsweise Luft. Das Brenngasversorgungssystem 30 versorgt die Brennstoffzelle 10 mit einem Brenngas wie beispielsweise Wasserstoff.
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Die Zelle für die Brennstoffzelle der Festpolymer-Brennstoffzelle 10 umfasst beispielsweise eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine ionenpermeable Elektrolytmembran, eine anodenseitige Katalysatorschicht (eine Anodenelektrode) und eine kathodenseitige Katalysatorschicht (eine Kathodenelektrode) beinhaltet. Diese Elektrolytmembran ist sandwichartig zwischen der anodenseitigen Katalysatorschicht und der kathodenseitigen Katalysatorschicht angeordnet. Die MEA hat zwei Seiten, auf denen Gasdiffusionsschichten (GDL) gebildet sind, um das Brenngas oder das Oxidationsgas zu liefern und den durch eine elektrochemische Reaktion erzeugten Strom zu sammeln. Die Membran-Elektroden-Anordnung mit den beiden Seiten, auf denen die GDLs angeordnet sind, wird als Membran-Elektroden-und-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) bezeichnet, und die MEGA ist sandwichartig zwischen einem Paar Separatoren angeordnet. Hierbei dient die MEGA als Stromerzeugungseinheit der Brennstoffzelle, und wenn keine Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, dient die MEA als Stromerzeugungseinheit der Brennstoffzelle.
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Das Oxidationsgasversorgungssystem 20 beinhaltet beispielsweise einen Oxidationsgaszufuhrkanal 25 und einen Oxidationsgasauslasskanal 29. Der Oxidationsgaszufuhrkanal 25 versorgt die (Kathodenelektrode der) Brennstoffzelle 10 mit dem Oxidationsgas. Der Oxidationsgasauslasskanal 29 leitet ein Oxidationsgasabgas, in dem das Oxidationsgas der Brennstoffzelle 10 zugeführt und für die elektrochemische Reaktion in jeder der Zellen für die Brennstoffzelle verwendet wurde, aus der Brennstoffzelle 10 ab. Darüber hinaus ist ein Bypasskanal 26 angeordnet, um das über den Oxidationsgaszufuhrkanal 25 zugeführte Oxidationsgas die Brennstoffzelle 10 umgehend in den Oxidationsgasauslasskanal 29 zu leiten. Die Strömungskanäle des Oxidationsgasversorgungssystems 20 können jeweils aus einem Rohr, wie beispielsweise einem Gummischlauch und einem Metallrohr, gebildet sein.
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Der Oxidationsgaszufuhrkanal 25 beinhaltet beispielsweise einen Luftfilter 21, den Kompressor 22 und einen Ladeluftkühler 23 von einer stromaufwärts gelegenen Seite, und der Oxidationsgasauslasskanal 29 beinhaltet beispielsweise einen Schalldämpfer 28.
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Der (Luftfilter 21 des) Oxidationsgaszufuhrkanal(s) 25 beinhaltet beispielsweise einen Atmosphärendrucksensor und einen Luftmassenmesser, die nicht dargestellt sind.
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Im Oxidationsgaszufuhrkanal 25 entfernt der Luftfilter 21 Staub aus dem aus der Atmosphäre bzw. Umgebung aufgenommenen Oxidationsgas (Luft und dergleichen). Der Kompressor 22 verdichtet das über den Luftfilter 21 aufgenommene Oxidationsgas und führt das verdichtete Oxidationsgas dem Ladeluftkühler 23 unter Druck zu. Der Ladeluftkühler 23 kühlt das Oxidationsgas, das vom Kompressor 22 unter Druck zugeführt und aufgenommen wurde, beispielsweise über einen Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, um die Brennstoffzelle 10 (die Kathodenelektrode) beim Durchtritt des Oxidationsgases zu versorgen. Der Oxidationsgaszufuhrkanal 25 beinhaltet ein Einlassventil 25V, um den Fluss des Oxidationsgases zwischen dem Ladeluftkühler 23 und der Brennstoffzelle 10 zu unterbrechen.
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Ein Ende des Bypasskanals 26 ist mit dem (Ladeluftkühler 23 oder seiner stromabwärtigen Seite des) Oxidationsgaszufuhrkanal(s) 25 gekoppelt, und das andere Ende ist mit dem mit dem Oxidationsgasauslasskanal 29 gekoppelt. Das vom Kompressor 22 mit Druck beaufschlagte und vom Ladeluftkühler 23 gekühlte und abgegebene Oxidationsgas strömt durch den Bypasskanal 26 zum Oxidationsgasauslasskanal 29, wobei die Brennstoffzelle 10 umgangen wird. Dieser Bypasskanal 26 beinhaltet ein Bypassventil 26V, das das zum Oxidationsgasauslasskanal 29 strömende Oxidationsgas unterbricht, um eine Durchflussmenge des durch diesen Bypasskanal 26 strömenden Oxidationsgases einzustellen.
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Am Oxidationsgasauslasskanal 29 trennt der Schalldämpfer 28 das in den Oxidationsgasauslasskanal 29 strömende Oxidationsgasabgas (Abgas) beispielsweise in eine Gasphase und eine Flüssigphase, um es nach außen abzugeben. Der Oxidationsgasauslasskanal 29 beinhaltet ein Druckregelventil 29V, um einen Gegendruck des der Brennstoffzelle 10 zugeführten Oxidationsgases zu regeln. Der oben beschriebene Bypasskanal 26 ist mit einer stromabwärts gelegenen Seite des Druckregelventils 29V gekoppelt.
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Daneben beinhaltet das Brenngasversorgungssystem 30 beispielsweise die Brenngasversorgungsquelle 31, wie beispielsweise einen Wasserstofftank, einen Brenngaszufuhrkanal 35, den Zirkulationskanal 36 und einen Brenngasauslasskanal 39. Die Brenngasversorgungsquelle 31 speichert ein Hochdruck-Brenngas wie beispielsweise Wasserstoff. Der Brenngaszufuhrkanal 35 versorgt die Brennstoffzelle 10 (die Anodenelektrode) mit dem Brenngas aus der Brenngasversorgungsquelle 31. Der Zirkulationskanal 36 führt das von der Brennstoffzelle 10 ausgetragene Brenngasabgas (unverbrauchtes Brenngas) in den Brenngaszufuhrkanal 35 zurück. Der Brenngasauslasskanal 39 ist verzweigt und mit dem Zirkulationskanal 36 gekoppelt, um das Brenngasabgas im Zirkulationskanals 36 nach außen abzuführen (atmosphärische Freisetzung). Die Strömungskanäle des Brenngasversorgungssystems 30 können jeweils aus einem Rohr, wie beispielsweise einem Gummischlauch und einem Metallrohr, gebildet sein.
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Der Brenngaszufuhrkanal 35 beinhaltet ein Absperrventil 35V, einen Regler 34 und einen Injektor 33. Das Absperrventil 35V öffnet und schließt den Brenngaszufuhrkanal 35, um das zur Brennstoffzelle 10 strömende Brenngas zu unterbrechen. Der Regler 34 regelt (dekomprimiert) einen Druck des durch den Brenngaszufuhrkanal 35 strömenden Brenngases. Der Injektor 33 führt das Brenngas, dessen Druck geregelt wurde, der Brennstoffzelle 10 zu. Das Öffnen des Absperrventils 35V bewirkt, dass das in der Brenngasversorgungsquelle 31 gespeicherte Hochdruck-Brenngas von der Brenngasversorgungsquelle 31 in den Brenngaszufuhrkanal 35 strömt, und das Hochdruck-Brenngas wird der (Anodenelektrode der) Brennstoffzelle 10 mit dem vom Regler 34 und dem Injektor 33 geregelten (dekomprimierten) Druck zugeführt.
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Der Zirkulationskanal 36 beinhaltet den Gas-Flüssigkeits-Separator 37, eine Umwälzpumpe (mit anderen Worten: eine Wasserstoffpumpe) 38 und eine ähnliche Einheit von einer stromaufwärts gelegenen Seite (Seite der Brennstoffzelle 10). Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 führt eine Gas-Flüssigkeits-Trennung durch, um das erzeugte Wasser zu speichern, das im Brenngas (z.B. Wasserstoff) enthalten ist, das durch den Zirkulationskanal 36 fließt. Der Brenngasauslasskanal 39 verzweigt sich von diesem Gas-Flüssigkeits-Separator 37. Die Umwälzpumpe 38 speist das durch die Gas-Flüssigkeits-Trennung durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 37 erzeugte Brenngasabgas druckbeaufschlagt zur Zirkulation in den Brenngaszufuhrkanal 35.
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Der Brenngasauslasskanal 39 beinhaltet ein Spülventil 39V, das den Brenngasauslasskanal 39 öffnet und schließt, um das erzeugte Wasser, das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 37 abgeschieden wurde, und einen Teil des aus der Brennstoffzelle 10 ausgetragenen Brenngasabgases auszustoßen. Das Brenngasabgas wird durch die Öffnungs-/Schließeinstellung durch das Spülventil 39V des Brenngasauslasskanals 39 ausgetragen, mit dem durch den Oxidationsgasauslasskanal 29 strömenden Oxidationsgasabgas vermischt und über den Schalldämpfer 28 nach außen an die Atmosphäre bzw. Umgebung abgegeben.
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Das Brennstoffzellensystem mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration führt die Stromerzeugung durch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Oxidationsgas, wie beispielsweise Luft, das der (Kathodenelektrode der) Brennstoffzelle 10 durch das Oxidationsgasversorgungssystem 20 zugeführt wird, und dem Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, das der (Anodenelektrode der) Brennstoffzelle 10 durch das Brenngasversorgungssystem 30 zugeführt wird, aus.
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Als nächstes werden die charakteristischen Konfigurationen des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 ausführlich beschrieben. Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 dieser Ausführungsform beinhaltet den Kompressor 22, den Gas-Flüssigkeits-Separator 37 und die Brenngaspumpe 38 im Frontabteil R. Der Kompressor 22 komprimiert und entlädt das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Oxidationsgas. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 trennt das Gas und die Flüssigkeit vom Brenngasabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt wird. Die Brenngaspumpe 38 ist beispielsweise eine Wasserstoffpumpe und zirkuliert das Brenngas, von dem die flüssige Komponente durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 37 abgeschieden wurde, zum Brennstoffzellenstapel 10.
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Genauer gesagt ist der Brennstoffzellenstapel 10 oben auf dem Stapelrahmen 2 montiert, und der Kompressor 22 ist am unteren Abschnitt des Stapelrahmens 2 über die Kompressorhalterung 3 an einer Fahrzeugvorderseite in Bezug auf die Brenngaspumpe 38 montiert.
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Die Brenngaspumpe 38 ist am unteren Abschnitt des Stapelrahmens 2 über die Halterung 4 an einer Fahrzeugrückseite in Bezug auf den Kompressor 22 in einem Zustand montiert, bei dem sie vom Stapelrahmen 2 zur Seite des Armaturenträgers 40 vorsteht. Darüber hinaus ist die Brenngaspumpe 38 über eine L-förmige Halterung 5 am Brennstoffzellenstapel 10 (insbesondere einem Stapelgehäuse) befestigt.
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Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 ist mit Befestigungselementen 37a, wie beispielsweise Schrauben, die durch Durchgangsbohrungen 37b eingeführt sind, an einem unteren Abschnitt der Brenngaspumpe 38 in einem Zustand montiert, bei dem er vom Stapelrahmen 2 und der Brenngaspumpe 38 zur Seite des Armaturenträgers 40 ragt.
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In einem solchen Montagezustand weist die Brenngaspumpe 38 eine Endfläche an der Fahrzeugrückseite auf, die in Bezug auf eine Endfläche des Brennstoffzellenstapels 10 an der Fahrzeugrückseite nach hinten ragt, und der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 weist eine Endfläche an der Fahrzeugrückseite auf, die in Bezug auf die Endfläche der Brenngaspumpe 38 an der Fahrzeugrückseite nach hinten ragt.
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Insbesondere erfüllen Räume S1 bis S3 zwischen dem Armaturenträger 40 und dem Gas-Flüssigkeits-Separator 37, der Brenngaspumpe 38 und dem Stapelrahmen 2 in Front-Heck-Richtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 die folgende Beziehung. Von diesen Räumen S1 bis S3 ist der Raum S1 zwischen dem Armaturenträger 40 und dem Gas-Flüssigkeits-Separator 37 am kleinsten, der Raum S2 zwischen dem Armaturenträger 40 und der Brenngaspumpe 38 ist größer als der Raum S1, und der Raum S3 zwischen dem Armaturenträger 40 und dem Stapelrahmen 2 ist noch größer als der Raum S2.
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Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37, der am nächsten am Armaturenträger 40 liegt, besteht im Wesentlichen aus Harz und weist im Vergleich zur Brenngaspumpe 38 eine geringe Steifigkeit auf. Darüber hinaus besteht die Brenngaspumpe 38 im Wesentlichen aus Metall und weist im Vergleich zum Gas-Flüssigkeits-Separator 37 eine hohe Steifigkeit auf.
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Wie in 4 und 5 dargestellt ist, ist die Brenngaspumpe 38 im Brennstoffzellenfahrzeug 1 über die Halterung 4 so am Stapelrahmen 2 befestigt, dass eine Drehachsenlinie L1 eines Motors M, der die Brenngaspumpe 38 antreibt, in Bezug auf eine Referenzlinie L2 entlang der Front-Heck-Richtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 in Draufsicht auf das Brennstoffzellenfahrzeug 1 geneigt ist.
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Daher ist die Brenngaspumpe 38 schräg angeordnet und in Bezug auf eine Fahrtrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 gesichert, ein hinterer Eckabschnitt der Brenngaspumpe 38 ist einer Vorderseite des Armaturenträgers 40 zugewandt, und dieser Eckabschnitt liegt nahe am Armaturenträger 40. Ein hinterer Eckabschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators 37 ist ebenfalls einer Vorderseite des Armaturenträgers 40 zugewandt, und dieser Eckabschnitt befindet sich näher am Armaturenträger 40.
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Die Eisenhalterung 4 zur Montage und Befestigung der Brenngaspumpe 38 am Stapelrahmen 2 weist einen Montageabschnitt 4a auf, der sich in horizontaler Richtung erstreckt. Darüber hinaus weist diese Halterung 4 Sandwichabschnitte 4b, 4b auf, die sich von beiden Seiten des Montageabschnitts 4a nach unten erstrecken, um die Brenngaspumpe 38 sandwichartig zwischen sich aufzunehmen, und außerdem weist diese Halterung 4 Montageabschnitte 4c, 4c auf, die sich von den Sandwichabschnitten 4b, 4b nach außen erstrecken, so dass diese Halterung 4 in einer etwa sattelförmigen Form ausgebildet ist. Anschließend werden zwei Schweißmuttern 4d an jedem der Montageabschnitte 4c, 4c, insgesamt also vier Schweißmuttern 4d, fest befestigt, um die Brenngaspumpe 38 zu befestigen.
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Darüber hinaus weist der Montageabschnitt 4a der Halterung 4 ein Stützloch 4e auf, das den Montageabschnitt 4a durchdringt. Das Stützloch 4e dient zur Befestigung (Abstützung) der Halterung 4 am Stapelrahmen 2. Durch dieses Stützloch 4e wird ein Befestigungselement 4f, wie beispielsweise eine Schraube, geführt, die in ein an einer Unterseite des Stapelrahmens 2 geöffnetes Schraubenloch mit Innengewinde eingeschraubt wird, so dass die Halterung 4 an der Unterseite des Stapelrahmens 2 befestigt werden kann. Mit diesem Stützloch 4e wird die Brenngaspumpe 38 in horizontaler Richtung um das Stützloch 4e der Halterung 4e drehbar befestigt (abgestützt).
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Die Brenngaspumpe 38 weist Flansche 38a, 38a auf, die von beiden Seitenflächen vorstehen und sich in horizontaler Richtung erstrecken, und die Flansche 38a, 38a haben vier Durchgangsbohrungen 38b, die den vier Schweißmuttern 4d entsprechen, die fest an den Montageabschnitten 4c, 4c der Halterung 4 befestigt sind. Durch diese vier Durchgangsbohrungen 38b werden Schrauben 38c und dergleichen eingeführt, so dass die Brenngaspumpe 38 an der Halterung 4 montiert werden kann, die an der Unterseite des Stapelrahmens 2 mit dem Befestigungselement 4f befestigt ist.
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Darüber hinaus befestigt die Montage der Brenngaspumpe 38 an der Halterung 4, die an der Unterseite des Stapelrahmens 2 befestigt ist, die Oberseite der Brenngaspumpe 38 an der L-förmigen Halterung 5, wie in 5 und 6 dargestellt ist. Das heißt, die L-förmige Halterung 5 weist einen L-förmigen Unterarm 5a auf, der mit einer Schraube und dergleichen an der Oberseite der Brenngaspumpe 38 befestigt ist, und einen L-förmigen Oberarm 5b, der am Stapelgehäuse des Brennstoffzellenstapels 10 befestigt ist, so dass die Brenngaspumpe 38 mit der Halterung 4 und der L-förmigen Halterung 5 am Brennstoffzellenstapel 10 befestigt ist. Die Montage der Brenngaspumpe 38 am Brennstoffzellenstapel 10 mit der Halterung 4 und der L-förmigen Halterung 5 stabilisiert den Montagezustand.
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Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 besteht aus leichtem Harz und ist mit den Befestigungselementen 37a montiert, wie beispielsweise Schrauben, die in zwei Schraubenlöcher mit Innengewinde geschraubt sind, die auf der Unterseite der Brenngaspumpe 38 ausgebildet sind. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 hat die Funktion, das Gas und die Flüssigkeit aus dem aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeleiteten Brenngasabgas zu trennen. Die abgeschiedene flüssige Komponente verbindet sich mit dem aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeleiteten Oxidationsgasabgas und wird aus dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 nach außen abgegeben.
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Die Effekte des Brennstoffzellenfahrzeugs der wie vorstehend beschrieben konfigurierten Ausführungsform werden Bezug nehmend auf 7 und 8 beschrieben. Wenn beispielsweise das Brennstoffzellenfahrzeug 1 mit einem Hindernis und dergleichen kollidiert, wird das Frontabteil R des Fahrzeugs gequetscht und verformt und der Brennstoffzellenstapel 10 und die zugehörigen Hilfsmaschinen werden durch das Hindernis nach hinten bewegt. Der Brennstoffzellenstapel 10, der Kompressor 22, die Brenngaspumpe 38 und der Gas-Flüssigkeits-Separator 37, die am Stapelrahmen 2 montiert sind, bewegen sich nach hinten und nähern sich dem Armaturenträger 40.
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Wenn ein Aufprall der Kollision gering ist, wie in 7 dargestellt, nähern sich der Brennstoffzellenstapel 10 und die Hilfsmaschinen nur dem Armaturenträger 40. Wenn der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 an den Armaturenträger 40 stößt, wird ein Raum zwischen der Brenngaspumpe 38 und dem Armaturenträger 40 zu (S2 - S1) und ein Raum zwischen dem Stapelrahmen 2 und dem Armaturenträger 40 wird zu (S3 - S1).
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Wenn der Aufprall der Kollision groß ist, kollidiert der am weitesten hinten gelegene Gas-Flüssigkeits-Separator 37 gegen den metallischen Armaturenträger 40 und bricht bzw. wird zerstört. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 aus Harz bricht leicht, um den Aufprall zu absorbieren. Im Falle eines noch größeren Aufpralls prallt die Brenngaspumpe 38 gegen den Armaturenträger 40.
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Wenn die Brenngaspumpe 38, wie in 8 dargestellt ist, gegen den Armaturenträger 40 kollidiert, stößt der hintere Eckabschnitt der Brenngaspumpe 38 auf den Armaturenträger 40 und eine Reaktionskraft tritt an diesem hinteren Eckabschnitt auf. Hierbei ist die Brenngaspumpe 38 mit der Halterung 4 und der L-förmigen Halterung 5 am Stapelrahmen 2 montiert, und die nach unten gerichtete Halterung 4 ist mit dem Befestigungselement 4f, beispielsweise mit einer Schraube, die durch das Stützloch 4e des Montageabschnitts 4a eingeführt ist, am Stapelrahmen 2 befestigt. Darüber hinaus ist die Brenngaspumpe 38 über die Halterung 4 so am Stapelrahmen 2 befestigt, dass die Drehachsenlinie L1 des Motors M, der die Brenngaspumpe 38 antreibt, in Bezug auf die Referenzlinie L2 entlang der Front-Heck-Richtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 geneigt ist. Daher wird eine Rotationskraft um das Befestigungselement 4f herum in einer Richtung erzeugt, in der sich die Brenngaspumpe 38 vom Armaturenträger 40 entfernt. Insbesondere dreht sich die Drehachsenlinie L1 der Brenngaspumpe 38 um das durch das Stützloch 4e eingesetzte Befestigungselement 4f gegen den Uhrzeigersinn (Richtung zur Außenseite des Fahrzeugs) in 8.
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Wenn sich die Brenngaspumpe 38 gegen den Uhrzeigersinn dreht, drückt die Brenngaspumpe 38 nicht mehr auf den Armaturenträger 40 und verhindert so das Anpressen der Brenngaspumpe 38 gegen den Armaturenträger 40. Dadurch wird sichergestellt, dass Schäden an der Brenngaspumpe 38 und dem Armaturenträger 40 vermieden werden. Mit der Drehung der Brenngaspumpe 38 wird die auf der Oberseite angeordnete L-förmige Halterung 5 verdreht und verformt und absorbiert so den Aufprall. Die Drehung der Brenngaspumpe 38 schafft einen Raum S4 zwischen dem Stapelrahmen 2 und dem Armaturenträger 40.
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Selbst wenn also das Frontabteil R durch die Kollision und dergleichen gequetscht wird und sich der Brennstoffzellenstapel 10 und die Hilfsmaschinen wie der Kompressor 22, die Brenngaspumpe 38 und der Gas-Flüssigkeits-Separator 37 mit dem Stapelrahmen 2 nach hinten bewegen, dreht sich die Brenngaspumpe 38 weg, um eine Reduzierung des Schadens an der Brenngaspumpe 38 zu gewährleisten. Die Schäden an einem Hochspannungskabel (nicht dargestellt), das die Brenngaspumpe 38 mit Strom versorgt, und an einer Niederdruckleitung, die den Zirkulationskanal 36 bildet (siehe 6), können ebenfalls begrenzt werden.
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Vorstehend wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben, die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann verschiedenen Arten von Designänderungen unterzogen werden, ohne von der Idee der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung abzuweichen. Während beispielsweise die Drehachsenlinie einer Antriebswelle des Motors, der die Pumpe antreibt, als Referenzlinie der Brenngaspumpe veranschaulicht wurde, ist die Konfiguration hierauf nicht beschränkt, und es kann eine Mittellinie in Längsrichtung verwendet werden, die durch den Schwerpunkt der Brenngaspumpe verläuft.
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Die Befestigungsschraube wurde exemplarisch als Drehmittelpunkt dargestellt, um den sich die Brenngaspumpe zum Zeitpunkt der Kollision vom Armaturenträger abwendet, es kann aber auch eine Konfiguration zur Anwendung kommen, bei der ein Wellenmaterial wie ein Stift zum Drehen der Brenngaspumpe verwendet wird.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Brennstoffzellenfahrzeug
- 2
- Stapelrahmen
- 4
- Halterung
- 4e
- Stützloch
- 4f
- Befestigungselement
- 5
- L-förmige Halterung
- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 22
- Kompressor
- 37
- Gas-Flüssigkeits-Separator
- 38
- Brenngaspumpe (Wasserstoffpumpe)
- 40
- Armaturenträger
- S1, S2, S3, S3, S4
- Raum
- L1
- Drehachsenlinie des Motors der Brenngaspumpe
- L2
- Referenzlinie in Front-Heck-Richtung des Brennstoffzellenfahrzeugs
- M
- Motor der Brenngaspumpe
