DE102019111063A1

DE102019111063A1 - Brennstoffzellensystem und brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102019111063A1
Application number: DE102019111063.7A
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Takasaki; Hirofumi Kanazawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2019-12-19
Also published as: CN110620255B; JP7043988B2; US11127962B2; JP2019220332A; US20190386324A1; CN110620255A

Abstract

Es werden ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug vorgeschlagen, die eine Verformung eines Brennstoffzellengehäuses verhindern, wenn von außen eine Kraft aufgebracht wird. Ein Brennstoffzellensystem beinhaltet ein Brennstoffzellengehäuse, das konfiguriert ist, um eine Brennstoffzelle aufzunehmen; und eine Hilfsvorrichtung, die an einer Seitenfläche des Brennstoffzellengehäuses befestigt ist. Die Hilfsvorrichtung beinhaltet: ein erstes Trägerteil, das am Brennstoffzellengehäuse befestigt ist; ein zweites Trägerteil, das am Brennstoffzellengehäuse an einer Position befestigt ist, die von dem ersten Trägerteil beabstandet ist; und ein Hauptkörperteil, das von dem ersten Trägerteil und dem zweiten Trägerteil von dem Brennstoffzellengehäuse beabstandet getragen wird. Das erste Trägerteil bricht bzw. gibt nach, bevor das zweite Trägerteil bricht bzw. nachgibt, wenn von außen eine Kraft auf das Hauptkörperteil in einer Richtung, die sich dem Brennstoffzellengehäuse nähert, aufgebracht wird.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Vor kurzem wurde die Platzierung eines Systems, das ein Brennstoffzellenfahrzeug bildet, bei der Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen untersucht.
Die japanische Patentanmeldung JP 2013-247083 A offenbart diesbezüglich ein Brennstoffzellensystem mit einem Hilfsgerätegehäuse, das an einer Stirnseite eines Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung angeordnet ist, und in dem Hilfsvorrichtungen gelagert sind, und einem Verstärkungswandler bzw. Hochsetzsteller, der eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels erhöht und elektrische Leistung ausgibt. Insbesondere im Brennstoffzellensystem ist der Hochsetzsteller etwa in der Mitte der gesamten Form des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoffzellenstapel und dem Hilfsgerätegehäuse in Stapelrichtung angeordnet, und ist auch an einer Position angrenzend an eine Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
KURZFASSUNG
Es ist wichtig, die Möglichkeit zu verringern, dass Wasserstoffgas austritt, z.B. durch einen Unfall in einem Brennstoffzellenfahrzeug, das Wasserstoffgas verwendet. Zu diesem Zweck ist eine Struktur erforderlich, die eine Verformung eines Brennstoffzellengehäuses wirksam verhindert, um zu verhindern, dass eine Einheitszelle bricht, auch wenn aufgrund eines Unfalls oder dergleichen eine Kraft von außen auf das Brennstoffzellensystem ausgeübt wird. Wenn jedoch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer in der japanischen Patentanmeldung JP 2013-247083 A beschriebenen Anordnung einen Aufprall von außen erfährt, wird der Aufprall vom Verstärkungswandler bzw. Hochsetzsteller auf den Brennstoffzellenstapel übertragen. In diesem Fall kann die Einheitszelle im Stapelgehäuse durch den Aufprall des Hochsetzstellers zerstört werden. Das heißt, das Brennstoffzellenfahrzeug hat ein Problem in der Struktur des Brennstoffzellenstapels und der Hilfsvorrichtung, die angrenzend an eine Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um ein solches Problem zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug zu schaffen, die eine Verformung eines Brennstoffzellengehäuses wirksam verhindern, wenn eine Kraft von außen darauf aufgebracht wird.
Ein beispielhafter Aspekt ist ein Brennstoffzellensystem, das Folgendes beinhaltet: ein Brennstoffzellengehäuse, das konfiguriert ist, um eine Brennstoffzelle aufzunehmen; und eine Hilfsvorrichtung, die an einer Seitenfläche des Brennstoffzellengehäuses befestigt ist. Die Hilfsvorrichtung umfasst: ein erstes Trägerteil, das am Brennstoffzellengehäuse befestigt ist; ein zweites Trägerteil, das am Brennstoffzellengehäuse an einer Position befestigt ist, die von dem ersten Trägerteil beabstandet ist; und ein Hauptkörperteil, das von dem ersten Trägerteil und dem zweiten Trägerteil von dem Brennstoffzellengehäuse beabstandet getragen wird. Das erste Trägerteil bricht bzw. gibt nach, bevor das zweite Trägerteil bricht bzw. nachgibt, wenn eine Kraft von außen auf das Hauptkörperteil in einer Richtung, die sich dem Brennstoffzellengehäuse nähert, aufgebracht wird.
Wenn dann ein von außen kommender Stoß auf die Hilfsvorrichtung übertragen wird, bricht zuerst das erste Trägerteil. Damit ist es möglich, eine direkte Verformung des Brennstoffzellengehäuses effektiv zu verhindern.
Bei dem obigen Brennstoffzellensystem ist das Hauptkörperteil vorzugsweise vom Brennstoffzellengehäuse beabstandet und beinhaltet ein an das Brennstoffzellengehäuse angrenzendes Teil bzw. Anschlagteil, das an das Brennstoffzellengehäuse angrenzt, wenn das erste Trägerteil durch die Kraft von außen gebrochen wird, das Brennstoffzellengehäuse beinhaltet vorzugsweise ein Kontaktteil, das mit dem angrenzenden Teil in Kontakt gebracht wird, wenn das erste Trägerteil durch die Kraft von außen gebrochen wird, und das Kontaktteil ist vorzugsweise an einer Position vorgesehen, die näher an einem Randteil der Seitenfläche als ein Mittelteil der Seitenfläche liegt. Da das Brennstoffzellengehäuse an einem Teil mit relativ hoher Steifigkeit mit dem angrenzenden Teil in Kontakt gebracht wird, ist es möglich, die Beschädigung der im Brennstoffzellengehäuse enthaltenen Brennstoffzelle zu reduzieren.
Weiterhin ist das angrenzende Teil an einer Position vorgesehen, die näher am ersten Trägerteil als am zweiten Trägerteil liegt. Eine solche Konfiguration ermöglicht es dem angrenzenden Teil, nach dem Bruch des ersten Trägerteils zufriedenstellend an dem Brennstoffzellengehäuse anzuliegen.
Bei dem obigen Brennstoffzellensystem können das erste Trägerteil und das angrenzende Teil entlang einer durch die Seitenfläche und eine Oberseite des Brennstoffzellengehäuses gebildeten Firstlinie angeordnet werden. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, das erste Trägerteil und das angrenzende Teil an Positionen des Brennstoffzellengehäuses mit relativ hoher Steifigkeit zu positionieren.
Bei dem obigen Brennstoffzellensystem wird das Kontaktteil vorzugsweise in Rippenform entlang der Firstlinie ausgebildet. Eine solche Konfiguration kann die Steifigkeit des Kontaktteils relativ verbessern.
Bei dem obigen Brennstoffzellensystem ist die Hilfsvorrichtung so befestigt, dass das erste Trägerteil an der Seitenfläche an einer Position oberhalb eines Mittelteils der Seitenfläche befestigt ist, und das zweite Trägerteil an der Seitenfläche an einer Position unterhalb des Mittelteils der Seitenfläche befestigt ist. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, die Hilfsvorrichtung an einer Position des Brennstoffzellengehäuses mit relativ hoher Steifigkeit zu befestigen.
Bei dem obigen Brennstoffzellensystem kann die Hilfsvorrichtung ein Ventil zum Steuern des Kühlwassers zum Kühlen der Brennstoffzelle sein, und das angrenzende Teil kann ein Druckeinstellungsteil zum Einstellen eines Innendrucks des Hauptkörperteils sein. Da das Druckeinstellteil des Ventils eine relativ hohe Steifigkeit aufweist und aus der Umgebung herausragt, ist es möglich, die Verformung des Brennstoffzellengehäuses effektiv zu verhindern, ohne das angrenzende Teil separat einzustellen.
Bei dem obigen Brennstoffzellensystem kann das erste Trägerteil ein Brucheinleitungsausgangsteil beinhalten, das konfiguriert ist, um die Spannungskonzentration aufzunehmen, wenn das erste Trägerteil durch die Kraft von außen gebrochen wird. Dann kann das erste Trägerteil zufriedenstellend gebrochen werden.
Das zweite Trägerteil kann einen Verbindungsteil beinhalten, das sich in einer Richtung orthogonal zur Seitenfläche erstreckt und das Hauptkörperteil mit dem Brennstoffzellengehäuse verbindet. Somit kann das angrenzende Teil nach dem Bruch des ersten Trägerteils zufriedenstellend an das Brennstoffzellengehäuse zur Anlage kommen.
Ein weiterer Beispielaspekt ist ein Brennstoffzellenfahrzeug, an dem eines der oben genannten Brennstoffzellensysteme montiert ist. Das Brennstoffzellensystem ist so angeordnet, dass die Seitenfläche parallel zu einer Seitenfläche des Brennstoffzellenfahrzeugs verläuft. So ist es möglich, ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, das bei einem Seitenaufprall die Schäden an der Brennstoffzelle reduziert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, die eine Verformung eines Brennstoffzellengehäuses wirksam verhindern, wenn eine Kraft von außen darauf ausgeübt wird.
Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen besser verstanden, die nur zur Veranschaulichung gegeben sind, und daher nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind.
Figurenliste

1 ist eine erklärende Ansicht einer internen Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs in Draufsicht;
2 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform;
4 ist eine Rückansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Ansicht zum Erklären eines Zustands, bei dem ein Riss in einem ersten Trägerteil einer Ventilvorrichtung durch eine Kraft von außen erzeugt wird;
6 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Kraft von außen auf eine Hilfsvorrichtung ausgeübt wird und das Trägerteil gebrochen ist;
7 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Kraft von außen auf die Hilfsvorrichtung wirkt und ein angrenzendes Teil mit einem Brennstoffzellengehäuse in Kontakt gebracht wird;
8 ist eine Ansicht zur Erklärung der Formen der Trägerteile;
9 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für die Formen der Trägerteile zeigt;
10 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel für die Formen der Trägerteile zeigt;
11 ist eine externe perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
12 ist eine Rückansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Obgleich die vorliegende Erfindung nachfolgend mit Bezug auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, ist die vorliegende Erfindung gemäß den Ansprüchen ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Darüber hinaus sind alle in der folgenden Ausführungsform beschriebenen Komponenten nicht unbedingt unerlässlich für die Lösung der Aufgabe.
Zunächst wird eine Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem darauf montierten Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Überblicks über eine interne Konfiguration des Brennstoffzellenfahrzeugs. Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 ist ein Automobil, das durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt und einen Motor mit der erzeugten Elektrizität antreibt, um zu fahren.
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 beinhaltet im Wesentlichen ein Fahrzeugantriebssystem 11, einen Verstärkungsumrichter bzw. Ladewandler 12, ein Brennstoffzellensystem 13, einen Wasserstofftank 17 und eine Batterie 18. In den folgenden Zeichnungen sind rechtshändige XYZ-Koordinaten zur Beschreibung einer Positionsbeziehung von Bauteilen angegeben. In den Zeichnungen ist eine XY-Ebene eine horizontale Ebene und eine Z-Achse ist eine vertikale Richtung. Weiterhin zeigt die positive Richtung der X-Achse die rechte Richtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 und die positive Richtung der Y-Achse die Vorderseite des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 an.
Ein Fahrzeugantriebssystem 11 ist an der Vorderseite des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 angeordnet und spielt eine Rolle beim Fahren des Fahrzeugs. Die Hauptfunktion des Fahrzeugantriebssystems 11 besteht darin, einen von einem Verstärkungsumrichter 12 gelieferten Strom zu empfangen und einen AC-Motor (Wechselstrommotor) zum Drehen der Räder FW anzutreiben. Weiterhin sammelt das Fahrzeugantriebssystem 11 zum Zeitpunkt der Verzögerung Strom und liefert ihn an die Batterie 18.
Der Verstärkungsumrichter 12 ist an der Rückseite des Fahrzeugantriebssystems 11 angeordnet und dient dazu, eine Spannung des vom Brennstoffzellensystem 13 erzeugten Stroms zu erhöhen und dem Fahrzeugantriebssystem 11 zuzuführen.
Das Brennstoffzellensystem 13 erzeugt Strom, indem es eine elektrochemische Reaktion zwischen dem aus dem Wasserstofftank 17 aufgenommenen Wasserstoff und dem Sauerstoff in der Luft bewirkt und den erzeugten Strom an den Verstärkungsumrichter 12 liefert. Das Brennstoffzellensystem 13 ist hinter dem Verstärkungsumrichter 12 und an einem unteren Teil der Sitze ST angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 13 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 14 und eine Ventilvorrichtung 15. In der Zeichnung ist ein Teil des Brennstoffzellenstapels 14 aus Gründen der Übersichtlichkeit transparent dargestellt.
Wie in der Zeichnung dargestellt, enthält der Brennstoffzellenstapel 14 eine Brennstoffzelle 16, in der eine Mehrzahl von Einheitszellen in Y-Achsrichtung gestapelt ist. Die Brennstoffzelle 16 erzeugt Strom und Wasser, indem sie eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoffgas und Luft bewirkt.
Die Ventilvorrichtung 15 ist eine Hilfsvorrichtung des Brennstoffzellensystems 13, die auf der linken Seitenfläche (einer YZ-Fläche) des Brennstoffzellenstapels 14 angeordnet ist. Die Ventilvorrichtung 15 ist ein Drehventil und hat eine Funktion zum Einstellen eines Durchflussverhältnisses einer Kühlwassermenge, die zwischen einem Kühler (nicht dargestellt) und dem Brennstoffzellenstapel 14 zirkuliert und durch den Kühler strömt, auf eine Kühlwassermenge, die zwischen dem Kühler und dem Brennstoffzellenstapel 14 zirkuliert und umgeleitet wird, ohne den Kühler zu passieren.
Der Wasserstofftank 17 ist hinter dem Brennstoffzellensystem 13 angeordnet und speichert Wasserstoff. Der Wasserstofftank 17 versorgt das Brennstoffzellensystem 13 mit dem gespeicherten Wasserstoffgas. Die Batterie 18 ist hinter dem Wasserstofftank 17 angeordnet. Die Batterie 18 speichert den vom Fahrzeugantriebssystem 11 gesammelten Strom und liefert den gespeicherten Strom bei Bedarf an das Fahrzeugantriebssystem 11.
Nachstehend wird das Brennstoffzellensystem anhand der 2 und 3 ausführlich beschrieben. 2 ist eine externe perspektivische Ansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, beinhaltet der Brennstoffzellenstapel 14 ein Gehäuse 140 und einen Rahmen 143. Das Gehäuse 140 und der Rahmen 143 sind mit Schrauben miteinander verschraubt (nicht dargestellt). Weiterhin ist der Rahmen 143 mit Schrauben (nicht dargestellt) an einem Chassis des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 verschraubt. Auf diese Weise wird das Brennstoffzellensystem 13 am Brennstoffzellenfahrzeug 1 befestigt.
Eine Seitenfläche des Gehäuses 140 auf einer negativen Seite der X-Achse ist eine Befestigungsfläche 140A zur Befestigung der Ventilvorrichtung 15. Auf der Befestigungsfläche 140A stehen zwei erste Naben 141 entlang einer Firstlinie R1, die durch die Befestigungsfläche 140 und eine Oberseite des Gehäuses 140 gebildet wird. Weiterhin steht eine zweite Nabe 142 auf einem unteren Teil der Befestigungsfläche 140A und ist von den ersten Naben 141 beabstandet. In den Oberteilen der ersten Naben 141 und der zweiten Nabe 142 sind Schraubenlöcher ausgebildet, in die Schrauben 20 eingeschraubt sind. Erste Trägerteile 151 der Ventilvorrichtung 15 werden in die jeweiligen ersten Naben 141 eingeschraubt. Ein zweites Trägerteil 152 der Ventilvorrichtung 15 wird in die zweite Nabe 142 eingeschraubt. Die ersten Naben 141, die an Positionen oberhalb eines Mittelteils der Seitenfläche der Befestigungsfläche 140A vorgesehen sind und die zweite Nabe 142, die unterhalb des Mittelteils der Seitenfläche der Befestigungsfläche 140A vorgesehen ist, ermöglichen es, die Ventilvorrichtung 15 an einem Bereich mit relativ hoher Steifigkeit zu befestigen.
Die Ventilvorrichtung 15 besteht aus einem Hauptkörperteil 153, den beiden ersten Trägerteilen 151 und dem zweiten Trägerteil 152. Das Hauptkörperteil 153 beinhaltet eine Einlassöffnung, die mit einem Rohr 90 zur Aufnahme des Kühlwassers verbunden ist, eine Auslassöffnung zur Zufuhr des Kühlwassers zu einem Rohr 91, einen Rotor zur Einstellung einer Durchflussmenge, einen Rotorantriebsmotor 155 und so weiter. Es sei angemerkt, dass der Rotorantriebsmotor 155 auf der Seite vorgesehen ist, auf der das zweite Trägerteil 152 verläuft. Mit anderen Worten, das zweite Trägerteil 152 erstreckt sich aus der Nähe des Rotorantriebsmotors 155.
Eine Entlüftungskappe 154 zur Innendruckeinstellung steht in einem oberen Teil des Hauptkörperteils 153 an einer dem Gehäuse 140 zugewandten Position und näher an den ersten Trägerteilen 151 als dem zweiten Trägerteil 152. Die Entlüftungskappe 154 ist von der Befestigungsfläche 140A beabstandet und so konfiguriert, dass sie beim Bruch des ersten Trägerteils 151, wie später beschrieben wird, am Gehäuse 140 anliegt. Die Entlüftungskappe 154 kann als Entlüftungsventil bezeichnet werden.
Die beiden ersten Trägerteile 151 verlaufen von Positionen die beabstandet voneinander angeordnet sind, und die Entlüftungskappe 154 dazwischen angeordnet ist, entlang einer YZ-Ebene nach außen im oberen Teil des Hauptkörperteils 153. Jedes der ersten Trägerteile 151 beinhaltet eine Durchgangsbohrung zum Einsetzen der Schraube 20. Die ersten Trägerteile 151 sind an Positionen angeordnet, die den beiden jeweils ersten Naben 141 entsprechen, und werden mit den entsprechenden Schrauben 20 am Gehäuse 140 befestigt. Die ersten Trägerteile 151 und die Entlüftungskappe 154 sind entlang der durch die Seitenfläche und die Oberseite des Brennstoffzellenstapels 14 gebildeten Firstlinie R1 angeordnet.
Das zweite Trägerteil 152 erstreckt sich vom unteren Teil des Hauptkörperteils 153, der von den ersten Trägerteilen zur negativen Seite der Z-Achse beabstandet ist, wird zur positiven Seite der X-Achse gebogen und verläuft dann wieder zur negativen Seite der Z-Achse, wo ein Durchgangsloch zum Einsetzen der Schraube 20 vorgesehen ist. Das zweite Trägerteil 152 ist an einer Position angeordnet, die der zweiten Nabe 142 entspricht, und wird mit der Schraube 20 am Gehäuse befestigt.
Anschließend wird die Positionsbeziehung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Ventilvorrichtung 15 unter Bezugnahme auf 4 näher beschrieben. 4 ist eine Rückansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform. Zum besseren Verständnis sind die ersten Trägerteile 151 und die ersten Naben 141 durch gestrichelte Linien dargestellt.
Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die Ventilvorrichtung 15 an der Befestigungsfläche 140A befestigt, indem die ersten Trägerteile 151 an die ersten Naben 141 und das zweite Trägerteil 152 an die zweite Nabe 142 eingeschraubt werden. Das heißt, das Hauptkörperteil 153 wird durch das erste Trägerteil 151 und das zweite Trägerteil 152 getragen, während es vom Gehäuse 140 beabstandet ist. Ein Abstand zwischen dem Hauptkörperteil 153 und dem Gehäuse 140 (der Befestigungsfläche 140A) beträgt D2. Andererseits ist die Entlüftungskappe 154, die vom Hauptkörperteil 153 zur Seite des Gehäuses 140 ragt, ebenfalls vom Gehäuse 140 (die Befestigungsfläche 140A) beabstandet, und ein Abstand zwischen der Entlüftungskappe 154 und dem Gehäuse 140 ist D1, der kleiner als D2 ist.
Als nächstes wird ein Zustand beschrieben, in dem die Ventilvorrichtung 15 durch eine Kraft von außen gebrochen bzw. zerstört wird. 5 ist eine Ansicht zur Erklärung eines Zustands, bei dem ein Riss bzw. Bruch im ersten Trägerteil der Ventilvorrichtung durch eine Kraft von außen erzeugt wird. Eine Kraft F1 von außen ist eine Druckkraft, die erzeugt wird, wenn ein Objekt von außen mit dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 kollidiert. Die Kraft F1 von außen bewirkt, dass das Hauptkörperteil 153 der Ventilvorrichtung 15 näher an das Gehäuse 140, von der negativen Seite der X-Achse zur positiven Richtung der X-Achse, heranrückt.
Wenn die Kraft F1 von außen auf das Hauptkörperteil 153 aufgebracht wird, werden die Kraftkomponenten der Kraft F1 von außen auf die ersten Trägerteile 151 und das zweite Trägerteil 152 übertragen. Die ersten Trägerteile 151 sind im Voraus so konfiguriert, dass sie vor dem zweiten Trägerteil brechen, wenn die Kraft F1 von außen auf das Hauptkörperteil 153 aufgebracht wird. Wenn daher die Kraftkomponenten der Kraft F1 von außen auf die ersten Trägerteile 151 aufgebracht werden und die Streckgrenze überschreiten, wird im ersten Trägerteil 151 ein Riss BR erzeugt.
Die 6 und 7 zeigen einen Zustand, in dem die Kraft F1 von außen auf die Ventilvorrichtung 15 wirkt und das erste Trägerteil 151 gebrochen ist. Der Zustand der ersten Trägerteile 151 und der Zustand der Entlüftungskappe 154 sind zur besseren Erläuterung in separaten Zeichnungen in den 6 und 7 dargestellt. 6 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem die als Hilfsvorrichtung dienende Ventilvorrichtung 15 die Kraft von außen aufnimmt und das Trägerteil gebrochen ist. 7 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem die als Hilfsvorrichtung dienende Ventilvorrichtung 15 die Kraft von außen aufnimmt und gegen ein an das Brennstoffzellengehäuse angrenzendes Teil stößt.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, wird nach der Erzeugung des Risses das erste Trägerteil 151 gebrochen. Wenn die Kraft F1 von außen nach dem Bruch des ersten Trägerteils 151 weiterhin aufgebracht wird, wird das zweite Trägerteil 152 verformt und der obere Teil des Hauptkörperteils 153 bewegt sich, um sich dem Gehäuse 140 zu nähern. Anschließend stößt die vom Hauptkörperteil 153 vorstehende Entlüftungskappe 154 an ein Kontaktteil P1 des Gehäuses 140. In diesem Fall kann die Verformung des zweiten Trägerteils 152 eine elastische Verformung oder eine plastische Verformung sein.
Wie vorstehend beschrieben, stützt sich die voreingestellte Entlüftungskappe 154 gegen das Kontaktteil P1 des Gehäuses 140, wodurch verhindert wird, dass andere Teile des Hauptkörperteils 153 als die Entlüftungskappe 154 mit dem Gehäuse 140 in Kontakt gebracht werden. Mit einer solchen Konfiguration kann das Brennstoffzellensystem 13 einen unbeabsichtigten Ausfall der Brennstoffzelle wirksam verhindern.
Die Steifigkeit des Kontaktteils P1 ist vorzugsweise hoch, um die Verformung des Gehäuses 140 wirksam zu verhindern. Wie in 7 dargestellt, ist das Kontaktteil P1 an einer Position vorgesehen, die näher an einem Randteil C2 als einem Mittelteil C1 der Befestigungsfläche 140A liegt. Eine solche Konfiguration kann die Steifigkeit des Kontaktteils P1 relativ erhöhen. Die Dicke des Kontaktteils P1 des Gehäuses 140 kann erhöht werden, um die Steifigkeit des Kontaktteils P1 relativ zu erhöhen. Alternativ kann die Steifigkeit des Kontaktteils P1 erhöht werden, indem dem Gehäuse 140 ein weiteres Verstärkungselement hinzugefügt wird.
Als nächstes werden die Formvariationen der ersten Trägerteile 151 und des zweiten Trägerteils 152 beschrieben. Wenn die Kraft F1 von außen auf das Hauptkörperteil 153 wirkt, sind die ersten Trägerteile 151 so konfiguriert, dass sie vor dem zweiten Trägerteil 152 nachgeben. Im Folgenden wird ein konkretes Konfigurationsbeispiel zur Erreichung dieses Ziels beschrieben.
8 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Formen der Trägerteile. 8 zeigt einen Teil des Brennstoffzellensystems 13, der ausgeschnitten ist, um die Formen der ersten Trägerteile 151 und des zweiten Trägerteils 152 zu zeigen. Wie in der Zeichnung dargestellt, beinhaltet das zweite Trägerteil 152 ein Verbindungsteil 152b, das das Gehäuse 140 mit dem Hauptkörperteil 153 verbindet. Das Verbindungsteil 152b erstreckt sich in einer Richtung orthogonal zur Befestigungsfläche 140A.
Das im zweiten Trägerteil 152 enthaltene Verbindungsteil 152b bewirkt im Hauptkörperteil 153 ein Kraftmoment M, da nach dem Bruch des ersten Trägerteils 151 das Verbindungsteil 152b verformt wird. Dies erleichtert dem Brennstoffzellensystem 13 die Einstellung der Position des Kontaktteils P1.
9 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel für die Formen der Trägerteile zeigt. Ein in 9 dargestelltes Brennstoffzellensystem 13 unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem 13 in 8 dadurch, dass im Brennstoffzellensystem 13 von 9 das erste Trägerteil 151 ein Brucheinleitungsausgangsteil 251 beinhaltet. Das Brucheinleitungsausgangsteil 251 ist eine U-förmige oder V-förmige Nut, die in einem Bereich vorgesehen ist, in dem das Gehäuse 140 mit dem Hauptkörperteil 153 im ersten Trägerteil 151 verbunden ist.
Wenn die Kraft F1 von außen auf die Ventilvorrichtung 15 wirkt, konzentriert sich die Spannung auf ein Unterteil 251b des Brucheinleitungsausgangsteils 251. Wenn dann das erste Trägerteil 151 nachgibt bzw. bricht, wird im Unterteil 251b ein Riss erzeugt. Eine solche Konfiguration erleichtert es dem Brennstoffzellensystem 13, eine Bruchposition des ersten Trägerteils 151 zu steuern.
10 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel für die Formen der Trägerteile zeigt. In dem in 10 dargestellten Brennstoffzellensystem 13 beinhaltet das zweite Trägerteil 152 nicht das Verbindungsteil 152b, und die Abmessung des Trägerteils in Dickenrichtung unterscheidet sich von derjenigen im Beispiel von 8. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Abmessung des ersten Trägerteils 151 in Dickenrichtung D3. Weiterhin ist die Abmessung des zweiten Trägerteils 152 in Dickenrichtung D4, was größer als D3 ist. Da die Abmessung des zweiten Trägerteils 152 in Dickenrichtung D4 ist, was größer als D3 ist, ist die Steifigkeit des zweiten Trägerteils 152 in Scherrichtung höher als die Steifigkeit der ersten Trägerteile 151 in Scherrichtung. Mit einer solchen Konfiguration ist es bei dem Brennstoffzellensystem 13 leicht möglich, dass das erste Trägerteil 151 zufriedenstellend nachgibt, wenn die Kraft F1 von außen auf die Ventilvorrichtung 15 ausgeübt wird.
Es sei angemerkt, dass die Steifigkeit des zweiten Trägerteils 152 in Scherrichtung höher als die Steifigkeit der ersten Trägerteile 151 in Scherrichtung gemacht werden kann, indem die Abmessung des zweiten Trägerteils 152 in Breitenrichtung breiter als die Abmessung der ersten Trägerteile 151 in Breitenrichtung gemacht wird, anstatt die Abmessung des zweiten Trägerteils 152 in Dickenrichtung in der vorstehend beschriebenen Weise einzustellen. Das heißt, im Beispiel von 10 ist das zweite Flächenmoment des zweiten Trägerteils 152 in Scherrichtung so eingestellt, dass es größer wird als das zweite Flächenmoment der ersten Trägerteile 151 in Scherrichtung. Dann kann die Steifigkeit des zweiten Trägerteils 152 in Scherrichtung höher gemacht werden als die Steifigkeit der ersten Trägerteile 151 in Scherrichtung.
Obwohl die erste Ausführungsform bereits oben beschrieben wurde, ist das Brennstoffzellensystem 13 gemäß der ersten Ausführungsform nicht auf die oben beschriebene Konfiguration beschränkt. So können beispielsweise die ersten Trägerteile 151 der Ventilvorrichtung 15 an Positionen unterhalb des Mittelteils der Befestigungsfläche 140A und in der Nähe des Rahmens 143 positioniert werden, und das zweite Trägerteil 152 kann an Positionen oberhalb des Mittelteils der Befestigungsfläche 140A und in der Nähe der durch die Befestigungsfläche 140A und die Oberseite des Gehäuses 140 gebildeten Firstlinie positioniert werden. In diesem Fall wird die Entlüftungskappe 154, die das angrenzende Teil ist, in der Nähe der ersten Trägerteile 151 positioniert. Bei einer solchen Konfiguration wird das Kontaktteil P1, das mit der Entlüftungskappe 154 in Kontakt gebracht wird, in der Nähe des Rahmens 143 platziert. So kann das Brennstoffzellensystem 13 die durch die Kraft F1 von außen verursachte Druckkraft an einer Position mit hoher Steifigkeit aufnehmen und es ist möglich, das Brechen der enthaltenen Brennstoffzelle wirksam zu verhindern.
Darüber hinaus kann die Ventilvorrichtung 15 konfiguriert werden, um ein erstes Trägerteil 151 und zwei zweite Trägerteile 152 zu umfassen. Weiterhin kann die an der Befestigungsfläche 140A befestigte Hilfsvorrichtung eine andere Art von Hilfsvorrichtung anstelle der Ventilvorrichtung 15 sein. Das im Hauptkörperteil 153 enthaltene angrenzende Teil braucht nicht die Entlüftungskappe 154 sein, solange es ein Teil des Hauptkörperteils 153 ist, sondern kann eine andere Konfiguration sein, die von dem Gehäuse 140 beabstandet ist und an dem Gehäuse 140 anliegt, wenn das erste Trägerteil 151 durch die Kraft F1 von außen gebrochen wird.
[Zweite Ausführungsform]
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass in dem Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform ein Gehäuse eine Rippe zur Befestigung der ersten Trägerteile 151 beinhaltet.
11 ist eine externe perspektivische Ansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform. Ein in 11 dargestelltes Brennstoffzellensystem 23 beinhaltet anstelle des Gehäuses 140 des Brennstoffzellensystems 13 ein Gehäuse 240. Das Gehäuse 240 beinhaltet eine Rippe 241 entlang einer Firstlinie R1 (parallel zur Y-Achse), die durch eine Befestigungsfläche 140A und eine Oberseite des Gehäuses 240 auf einer Oberseite der Befestigungsfläche 140A gebildet wird. Die im Gehäuse 240 enthaltene Rippe 241 ermöglicht es dem Brennstoffzellensystem 13, die Steifigkeit des Gehäuses 240 zu erhöhen. Die Rippe 241 beinhaltet Schraubenlöcher zum Verschrauben der ersten Trägerteile 151 der Ventilvorrichtung 15. Durch die Befestigung der ersten Trägerteile 151 an der Rippe 241 kann das Brennstoffzellensystem 13 die Verformung des Gehäuses 240 wirksam verhindern, wenn die Außenkraft F1 darauf wirkt.
Nachstehend wird die Positionsbeziehung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Ventilvorrichtung 15 unter Bezugnahme auf 12 näher beschrieben. 12 ist eine Rückansicht des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform. Es sei angemerkt, dass wie in 4 die ersten Trägerteile 151 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet sind.
Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die Ventilvorrichtung 15 an der Befestigungsfläche 140A befestigt, indem die ersten Trägerteile 151 mit der Rippe 241 verschraubt und das zweite Trägerteil 152 an der zweiten Nabe 142 eingeschraubt wird. Ein Abstand zwischen dem Hauptkörperteil 153 und dem Gehäuse 140 (der Befestigungsfläche 140A) beträgt D4. Andererseits ist ein Abstand zwischen der Entlüftungskappe 154 und dem Gehäuse 140 (der Rippe 241) D5, der kleiner als D4 ist. Der Abstand D5 zwischen der Entlüftungskappe 154 und der Rippe 241 ist kleiner als der Abstand D1, der der Abstand zwischen der Entlüftungskappe 154 und der Befestigungsfläche 140A in der ersten Ausführungsform ist. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, das Hauptkörperteil 153 näher an die Seite des Gehäuses 240 im Vergleich zum Gehäuse der ersten Ausführungsform zu bringen. Das heißt, D4 kann kleiner als D2 eingestellt werden.
Im Gehäuse 240 ist an der Rippe 241 ein Kontaktteil P2 vorgesehen, an dem die Entlüftungskappe 154 anliegt. Das heißt, das Kontaktteil P2 ist entlang der Firstlinie R1, die durch die Befestigungsfläche 140A und die Oberseite des Gehäuses 240 gebildet wird, in Rippenform ausgebildet. Eine solche Konfiguration kann die Steifigkeit des Kontaktteils P2 in der Befestigungsfläche 140A relativ erhöhen. Somit ist das Brennstoffzellensystem 13 konfiguriert, um die Verformung des Gehäuses 240 wirksam zu verhindern, wenn die Kraft F1 von außen darauf wirkt und das erste Trägerteil 151 bricht.
Obwohl die zweite Ausführungsform vorstehend beschrieben wurde, ist die Konfiguration der zweiten Ausführungsform nicht auf die oben beschriebene beschränkt. So kann beispielsweise die Rippe 241 separate Rippenformen für ein Teil, in dem die ersten Trägerteile 151 befestigt sind, und ein Teil, das dem Kontaktteil P2 entspricht, aufweisen.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und entsprechend geändert werden kann, ohne von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So ist beispielsweise bei dem in 1 dargestellten Brennstoffzellenfahrzeug das Brennstoffzellensystem 13 unter dem Boden im Mittelteil des Fahrzeugs angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So kann beispielsweise das Brennstoffzellensystem 13 im vorderen Raum des Fahrzeugs angeordnet werden.
Aus der vorstehenden Erfindung wird ersichtlich, dass die Ausführungsformen der Erfindung in vielerlei Hinsicht variieren können. Solche Abweichungen sind nicht als Abweichung von der Idee und dem Umfang der Erfindung zu verstehen, und alle Änderungen, die für einen Fachmann offensichtlich sind, gelten als vom Umfang der folgenden Ansprüche umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013247083 A [0003, 0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (13), aufweisend: ein Brennstoffzellengehäuse (140), das konfiguriert ist, um eine Brennstoffzelle aufzunehmen; und eine Hilfsvorrichtung (15), die an einer Seitenfläche des Brennstoffzellengehäuses befestigt ist, wobei die Hilfsvorrichtung umfasst: ein erstes Trägerteil (151), das an dem Brennstoffzellengehäuse befestigt ist; ein zweites Trägerteil (152), das an dem Brennstoffzellengehäuse an einer Position befestigt ist, die von dem ersten Trägerteil beabstandet ist; und ein Hauptkörperteil (153), das von dem ersten Trägerteil und dem zweiten Trägerteil von dem Brennstoffzellengehäuse beabstandet getragen wird, wobei das erste Trägerteil bricht, bevor das zweite Trägerteil bricht, wenn von außen eine Kraft auf das Hauptkörperteil in einer Richtung, die sich dem Brennstoffzellengehäuse nähert, aufgebracht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Hauptkörperteil vom Brennstoffzellengehäuse beabstandet ist und ein an das Brennstoffzellengehäuse angrenzendes Teil beinhaltet, das an das Brennstoffzellengehäuse angrenzt, wenn das erste Trägerteil durch die Kraft von außen gebrochen wird, das Brennstoffzellengehäuse ein Kontaktteil beinhaltet, das mit dem angrenzenden Teil in Kontakt gebracht wird, wenn das erste Trägerteil durch die Kraft von außen gebrochen wird, und das Kontaktteil an einer Position vorgesehen ist, die näher an einem Randteil der Seitenfläche als ein Mittelteil der Seitenfläche liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das angrenzende Teil an einer Position vorgesehen ist, die näher an dem ersten Trägerteil als dem zweiten Trägerteil liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste Trägerteil und das angrenzende Teil entlang einer durch die Seitenfläche und die Oberseite des Brennstoffzellengehäuses gebildeten Firstlinie angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Kontaktteil in einer Rippenform entlang der Firstlinie ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Hilfsvorrichtung so befestigt ist, dass das erste Trägerteil davon an der Seitenfläche an einer Position oberhalb eines Mittelteils der Seitenfläche befestigt ist, und das zweite Trägerteil an der Seitenfläche an einer Position unterhalb des Mittelteils der Seitenfläche befestigt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Hilfsvorrichtung ein Ventil zum Steuern des Kühlwassers zum Kühlen der Brennstoffzelle ist, und das angrenzende Teil ein Druckeinstellungsteil zum Einstellen eines Innendrucks des Hauptkörperteils ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Trägerteil ein Brucheinleitungsausgangsteil (251) umfasst, das konfiguriert ist, um eine Spannungskonzentration aufzunehmen, wenn das erste Trägerteil durch die Kraft von außen gebrochen wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Trägerteil ein Verbindungsteil umfasst, das sich in einer Richtung orthogonal zur Seitenfläche erstreckt und das Hauptkörperteil mit dem Brennstoffzellengehäuse verbindet.
Brennstoffzellenfahrzeug (1), auf dem das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 montiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem so angeordnet ist, dass die Seitenfläche parallel zu einer Seitenfläche des Brennstoffzellenfahrzeugs wird.