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Eine
vorgeschlagene Kühlvorrichtung
für Brennstoffzellen
hat einen ersten Kühlmediumströmungspfad,
der die Strömung
eines ersten Kühlmediums
zum Abkühlen
der Brennstoffzelle bereitstellt, einen zweiten Kühlmediumströmungspfad,
der die Strömung
eines zweiten Kühlmediums
zum Abkühlen
einer exothermen Ausstattung (beispielsweise eines Antriebsmotors)
bereitstellt, einen Radiator, der sich in dem zweiten Kühlmediumströmungspfad
befindet und das zweite Kühlmedium
abkühlt,
und einen Wärmetauscher,
der einen Wärmeaustausch
zwischen dem ersten Kühlmedium
und dem zweiten Kühlmedium
bewirkt (siehe beispielsweise Japanische Patentoffenlegungsschrift
Nr. 2000-323146). Bei dieser vorgeschlagenen Kühlvorrichtung kühlt das
zweite Kühlmedium
die exotherme Ausstattung ab und ist einem Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlmedium
ausgesetzt. Das erste Kühlmedium kühlt die
Brennstoffzelle nach dem Wärmeaustausch. Der
Radiator entfernt Wärme
von dem zweiten Kühlmedium,
das sich im Prozess des Abkühlens
der exothermen Ausstattung aufgewärmt hat. Diese Kühlvorrichtung
aus dem Stand der Technik verwendet lediglich einen Radiator zum
Abkühlen
sowohl der Brennstoffzellen als auch der exothermen Ausstattung.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
in der zitierten Druckschrift offenbarte Kühlvorrichtung aus dem Stand
der Technik benötigt den
Wärmetauscher
zum Bewirken eines Wärmeaustauschs
zwischen dem ersten Kühlmedium
und dem zweiten Kühlmedium,
den beiden unabhängigen Strömungspfaden,
d.h. dem ersten Kühlmediumströmungspfad
und dem zweiten Kühlmediumströmungspfad,
sowie eine Zirkulationspumpe zum Zirkulieren lassen des Kühlmediums
in den jeweiligen Strömungspfaden.
Somit wird auf unerwünschte
Weise die Gesamtanzahl der zum Bilden eines Brennstoffzellensystems
erforderlichen Teile erhöht.
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Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung, den Nachteil des Stands der
Technik zu beseitigen und eine Kühlvorrichtung
für Brennstoffzellen
zu schaffen, die einen vereinfachten Aufbau zum effektiven Abkühlen eines
Brennstoffzellensystems hat. Die Aufgabe der Erfindung liegt auch
darin, ein mit einer solchen Kühlvorrichtung
für Brennstoffzellen
ausgestattetes Fahrzeug zu schaffen.
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Um
zumindest einen Teil der oben genannten und weiteren zugehörigen Aufgaben
zu lösen,
ist die vorliegende Erfindung auf eine Kühlvorrichtung für Brennstoffzellen
gerichtet, die folgendes aufweist: Brennstoffzellen, die elektrische
Energie über
eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases mit einem Oxidationsgas
erzeugen; eine exotherme Ausstattung, die sich von den Brennstoffzellen
unterscheidet und während
ihrem Betrieb Wärme
erzeugt; einen Kühlmediumströmungspfad,
der so angeordnet ist, dass er eine Zirkulation eines Kühlmediums hervorruft
und die Brennstoffzellen und die exotherme Ausstattung abkühlt; und
einen Radiator, der an dem Kühlmediumströmungspfad
angeschlossen ist, um Wärme
von dem Kühlmedium
zu beseitigen.
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Die
Kühlvorrichtung
der Erfindung verwendet lediglich einen Radiator bzw. Kühler zum
Beseitigen von Wärme
von dem gemeinsamen Kühlmedium, welches
durch die Brennstoffzellen und die exotherme Ausstattung zum Abkühlen sowohl
der Brennstoffzellen als auch der exothermen Ausstattung strömen gelassen
wird. Diese Anordnung vereinfacht wünschenswerter Weise den Aufbau
des effektiven Abkühlens
des Brennstoffzellensystems verglichen mit dem herkömmlichen
Aufbau, bei dem unterschiedliche Kühlmedien und separate Radiatoren
für die
Brennstoffzellen und für
die exotherme Ausstattung verwendet werden. Hier kann die „exotherme Ausstattung" jede zur Energieerzeugung
der Brennstoffzellen verwendete Hilfsmaschinerie sein (beispielsweise
eine Hilfsmaschinerie zum Zuführen
des Brenngases und des Oxidationsgases), oder sie kann eine zur
Umwandlung der durch die Brennstoffzellen erzeugten elektrischen
Energie verwendete Hilfsmaschinerie sein (beispielsweise eine Hilfsmaschinerie
für die
Spannungsumwandlung, die Gleichstrom-Wechselstromumwandlung, oder die Frequenzumwandlung,
oder eine Hilfsmaschinerie zum Umwandeln der elektrischen Energie
in Wärme
oder zum Umwandeln der elektrischen Energie in Antriebskraft). Der
Ausdruck „zum
Abkühlen
der exothermen Ausstattung" bedeutet
nicht nur, die exotherme Ausstattung direkt abzukühlen, sondern
auch ein vorbestimmtes Objekt abzukühlen, das durch die exotherme
Ausstattung verwendet wird (beispielsweise das durch einen Oxidationsgasversorger
zugeführte
Oxidationsgas).
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Kühlvorrichtung
der Erfindung hat die exotherme Ausstattung eine Vielzahl von exothermen Ausstattungsteilen,
und die Brennstoffzelle und die Vielzahl von exothermen Ausstattungsteilen
sind entsprechend der zulässigen
Betriebstemperaturen entlang des Kühlmediumströmungspfads angeordnet. Dieser
Aufbau ordnet die Brennstoffzellen und die exotherme Ausstattung
aufgrund ihrer zulässigen Betriebstemperaturen
an und hält
dementsprechend die Temperaturen der Brennstoffzellen und der exothermen
Ausstattung innerhalb der jeweiligen zulässigen Betriebstemperaturen.
In der Kühlvorrichtung von
diesem Ausführungsbeispiel
kann zumindest die Vielzahl von exothermen Ausstattungsteilen in
Reihe entlang des Kühlmediumströmungspfads
in einer Strömungsrichtung
des Kühlmediums
in einer ansteigenden Reihenfolge der zulässigen Betriebstemperatur angeordnet
sein. Die „zulässige Betriebstemperatur" kann die Temperatur
sein, die stabile Betriebe der Brennstoffzellen und der exothermen
Ausstattung ermöglicht.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Kühlvorrichtung
der Erfindung hat die exotherme Ausstattung eine Vielzahl von exothermen
Ausstattungsteilen und die Brennstoffzellen und die Vielzahl von
exothermen Ausstattungsteilen sind auf Grundlage ihrer Wärmeabgabemengen
entlang des Kühlmediumströmungspfads
angeordnet. Bei dieser Struktur sind die Brennstoffzellen und die
exotherme Ausstattung auf Grundlage ihrer Wärmeabgabemengen zum effektiven
Abkühlung
der Brennstoffzellen und der exothermen Ausstattung angeordnet.
Bei der Kühlvorrichtung
von diesem Ausführungsbeispiel
kann zumindest die Vielzahl von exothermen Ausstattungsteilen in
Reihe entlang des Kühlmediumströmungspfads
in einer Strömungsrichtung
des Kühlmediums
in einer ansteigenden Reihenfolge der Wärmeabgabemenge angeordnet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Anwendung der Kühlvorrichtung
der Erfindung hat der Kühlmediumströmungspfad
einen Brennstoffzellenströmungspfad,
der eine Zirkulation des Kühlmediums
von dem Radiator über
die Brennstoffzellen zu dem Radiator ermöglicht, und er hat zumindest
einen exothermen Ausstattungsströmungspfad,
der parallel zu dem Brennstoffzellenströmungspfad angeordnet ist und eine
Zirkulation des Kühlmediums
von dem Radiator über
die exotherme Ausstattung zu dem Radiator macht. Anders als die
Struktur, bei der die Brennstoffzellen und die exotherme Ausstattung
in Reihe entlang der Strömungsrichtung
des Kühlmediums
angeordnet sind, verhindert diese Anordnung auf effektive Weise,
dass die exotherme Ausstattung den durch die Brennstoffzellen laufenden
Kühlmittelstrom
aufwärmt
und verhindert gleichzeitig, dass die Brennstoffzellen den durch
die exotherme Ausstattung laufenden Kühlmediumstrom aufwärmen, wodurch
ein effektives und effizientes Kühlen
sowohl der Brennstoffzellen als auch der exothermen Ausstattung
erreicht wird.
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Bei
der Kühlvorrichtung
gemäß dieser
Anwendung hat die exotherme Ausstattung eine Vielzahl von exothermen
Ausstattungsteilen und die Vielzahl von exothermen Ausstattungsteilen
sind in Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads
in einer Strömungsrichtung
des Kühlmediums in
einer ansteigenden Reihenfolge der zulässigen Betriebstemperatur angeordnet.
Diese Anordnung kühlt
die exotherme Ausstattung, die eine niedrigere zulässige Betriebstemperatur
hat, zu einer früheren Zeit
ab, wodurch die Temperatur der exothermen Ausstattung effektiv auf
innerhalb der zulässigen
Betriebstemperatur gehalten wird.
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Bei
der Kühlvorrichtung
der vorgenannten Anwendung hat die exotherme Ausstattung eine Vielzahl
von exothermen Ausstattungsteilen und die Vielzahl von exothermen
Ausstattungsteilen sind in Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads
in einer Strömungsrichtung
des Kühlmediums in
einer ansteigenden Reihenfolge der Wärmeabgabemenge angeordnet.
Das heißt,
die exotherme Ausstattung mit der kleineren Wärmeabgabemenge ist in dem stromaufwärtigen Bereich
des Kühlmediumstroms
angeordnet. Diese Anordnung minimiert auf gewünschte Weise den Temperaturanstieg
des Kühlmediums
im Prozess des Abkühlens
eines jeden exothermen Ausstattungsteils und erreicht somit das
effektive und effiziente Kühlen
der jeweiligen exothermen Ausstattungsteile, die in der Strömungsrichtung des
Kühlmediums
angeordnet sind.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Kühlvorrichtung
der Erfindung hat die exotherme Ausstattung einen Stromrichter,
der zum Umwandeln der durch die Brennstoffzellen erzeugten elektrischen
Energie einen Halbleiterchip verwendet. Der Halbleiterchip des Stromrichters
(bspw. ein Drehrichter, ein Gleichspannungswandler oder ein Verstärkungskonverter)
ist normalerweise bei Temperaturen, die die zulässige Betriebstemperatur überschreiten,
nicht betriebsfähig.
Es ist dementsprechend erforderlich, die Temperatur des Stromrichters mit
Hilfe des Kühlmediums
und des Radiators zu regulieren. Die Technik der vorliegenden Erfindung wird
daher bevorzugter Weise auf Stromrichter angewendet.
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Bei
der Kühlvorrichtung
von diesem Ausführungsbeispiel
hat der Stromrichter bevorzugter Weise einen Dualkühlungsmechanismus,
der das Kühlmedium
die Wärme direkt
oder indirekt von beiden Flächen
des Halbleiterchips entfernen lässt,
um den Halbleiterchip abzukühlen.
Der Dualkühlungsmechanismus
kühlt beide
Flächen
des Halbleiterchips ab und erzielt verglichen mit der Struktur des
Abkühlens lediglich
einer einzigen Fläche
des Halbleiterchips ein zufriedenstellenderes Kühlen des Halbleiterchips. Selbst
der Kühlmediumstrom
bei einer relativ hohen Temperatur stellt somit die stabilen Betriebe
des Stromrichters sicher. Bei der Kühlvorrichtung des vorstehenden
Ausführungsbeispiels
hat der Stromrichter alternativ einen Siedekühlmechanismus, der ein verdampftes
Phasenänderungsmedium
verwendet, um die Wärme
von dem Halbleiterchip zu entfernen, und der das Kühlmedium
die Wärme
von dem verdampften Phasenänderungsmedium
entfernen lässt,
um den Halbleiterchip abzukühlen.
Der Siedekühlmechanismus
verwendet die latente Verdampfungswärme, die im Lauf des Siedens
des Phasenänderungsmediums
erzeugt wurde, um den Halbleiterchip zufriedenstellend abzukühlen. Somit
stellt sogar der Kühlmediumstrom
bei einer relativ hohen Temperatur die stabilen Betriebe des Stromrichters
sicher.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Kühlvorrichtung
der Erfindung hat die exotherme Ausstattung einen Oxidationsgasversorger,
der das Oxidationsgas zu den Brennstoffzellen zuführt. Der
Oxidationsgasversorger hat typischerweise einen Motor. Der Motor
hat während
dem Betrieb einen relativ hohen Wärmeabgabewert. Es ist dementsprechend
erforderlich, die Temperatur des Motors mit Hilfe des Kühlmediums
und des Radiators zu regulieren. Die Technik der vorliegenden Erfindung
wird somit bevorzugter Weise auf den Oxidationsgasversorger angewendet.
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Bei
der Kühlvorrichtung
von diesem Ausführungsbeispiel
hat der Oxidationsgasversorger bevorzugter Weise einen Wärmetauscher,
der das Kühlmedium
dazu bringt, Wärme
von dem Oxidationsgas zu entfernen, um das Oxidationsgas abzukühlen. Das
von dem Oxidationsgasversorger zugeführte Oxidationsgas kann komprimiert
sein, damit es eine hohe Temperatur hat. Die Zufuhr des heißen Oxidationsgases
zu den Brennstoffzellen kann einen thermischen Schaden an den inneren
Elementen der Brennstoffzellen hervorrufen. Es ist dementsprechend
erforderlich, die Temperatur des von dem Oxidationsgasversorger
zugeführten
Oxidationsgases mit Hilfe des Kühlmediums
und des Radiators zu regulieren. Die Technik der vorliegenden Erfindung wird
daher bevorzugter Weise auf den Wärmetauscher zum Abkühlen des
Oxidationsgases verwendet. Der Wärmetauscher
kann das Oxidationsgas durch mehrere Kreisläufe des Wärmetauschs zwischen dem Kühlmedium
und dem Oxidationsgas abkühlen.
Die Vielzahl von Kreisläufen
des Wärmetauschs
zwischen dem Oxidationsgas und dem Kühlmedium erzielen die zufrieden
stellende Abkühlung des
Oxidationsgases. Somit stellt der Kühlmediumstrom sogar bei einer
relativ hohen Temperatur zum Abkühlen
des Oxidationsgases die stabile Energieerzeugung der Brennstoffzellen
sicher.
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In
einem noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung
der Erfindung hat die exotherme Ausstattung einen Antriebsmotor,
der eine Antriebskraft erzeugt. Der Antriebsmotor (der an einem
Fahrzeug montiert sein kann), hat während des Betriebes einen relativ
hohen Wärmeabgabewert.
Es ist daher erforderlich, die Temperatur des Antriebsmotors mit
Hilfe des Kühlmediums
und des Radiators zu regulieren. Die Technik der vorliegenden Erfindung
wird daher bevorzugter Weise auf den Antriebsmotor angewendet.
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Bei
der Kühlvorrichtung
von diesem Ausführungsbeispiel
hat der Antriebsmotor bevorzugter Weise einen Ölkühlungsmechanismus, der das
Innere des Antriebsmotors durch Öl
kühlt.
Der Ölkühlungsmechanismus
kühlt das
Innere des Antriebsmotors durch Öl
und erzielt die zufrieden stellende Kühlung des Antriebsmotors. Somit
stellt selbst der Kühlmediumstrom
bei einer relativ hohen Temperatur die stabilen Betriebe des Antriebsmotors
sicher.
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Die
vorliegende Erfindung ist zudem auf eine andere Kühlvorrichtung
für Brennstoffzellen
gerichtet, die folgendes aufweist: Brennstoffzellen, die elektrische
Energie durch eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases mit
einem Oxidationsgas erzeugen; einen Stromrichter, der zum Umwandeln
der durch die Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Energie einen
Halbleiterchip verwendet; einen Oxidationsgasversorger, der das
Oxidationsgas zu den Brennstoffzellen zuführt; einen Antriebsmotor, der eine
Antriebskraft erzeugt; einen Kühlmediumströmungspfad,
der zum Zirkulieren lassen des Kühlmediums
durch die Brennstoffzellen, den Stromrichter, den Oxidationsgasversorger
und den Antriebsmotor ausgebildet ist und die Brennstoffzellen,
den Stromrichter, den Oxidationsgasversorger und den Antriebsmotor
abkühlt;
und einen Radiator, der an dem Kühlmediumströmungspfad
angeschlossen ist, um Wärme
von dem Kühlmedium
zu entfernen.
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Die
Kühlvorrichtung
der Erfindung verwendet lediglich einen Radiator zum Entfernen von
Wärme von
dem gemeinsamen Kühlmedium,
welches durch die Brennstoffzellen, den Stromrichter, den Oxidationsgasversorger
und den Antriebsmotor zum Abkühlen
der Brennstoffzellen, des Stromrichters, des Oxidationsgasversorgers
und des Antriebsmotors strömen
gelassen wird. Diese Anordnung vereinfacht wünschenswerter Weise den Aufbau
des effektiven Abkühlens
des Brennstoffzellensystems verglichen mit dem herkömmlichen
Aufbau, bei dem verschiedene Kühlmedien
und separate Radiatoren für
die Brennstoffzellen und für
eine solche exotherme Ausstattung verwendet werden. Der Stromrichter,
der Oxidationsgasversorger, der Antriebsmotor und der Kühlmediumströmungspfad
können
so sein, wie sie vorstehend beschrieben sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Fahrzeug gerichtet, das mit jeder
erdenklichen Modifikation, Änderung
und Alternative der vorstehend beschriebenen Erfindung ausgestattet
ist. Die Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung für Brennstoffzellen,
die einen vereinfachten Aufbau zum effektiven Abkühlen eines
Brennstoffzellensystems hat. Ein mit einer solchen Kühlvorrichtung
ausgestattetes Fahrzeug bringt somit die gleichen Effekte hervor
wie die Kühlvorrichtung
für Brennstoffzellen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines mit einem Brennstoffzellensystem
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ausgestattetes Brennstoffzellenfahrzeug 10 zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht, die einen dualen Kühlmechanismus 50 in
dem Ausführungsbeispiel zeigt;
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3 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 2;
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4 veranschaulicht
einen Luftkühlungsmechanismus 27a in
dem Ausführungsbeispiel;
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5 veranschaulicht
einen Ölkühlungsmechanismus 60 in
dem Ausführungsbeispiel;
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6 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 5;
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7 veranschaulicht
einen Siedekühlmechanismus
in dem Ausführungsbeispiel.
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BESTE ARTEN
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Nachstehend
ist eine Art zum Ausführen
der Erfindung als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines mit einem Brennstoffzellensystem ausgestatteten
Brennstoffzellenfahrzeugs 10 schematisch veranschaulicht.
Das an dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 montierte Brennstoffzellensystem
hat einen Stapel von Brennstoffzellen (im weiteren Verlauf als Brennstoffzellenstapel
bezeichnet) 20, der durch elektrochemische Reaktionen von
mit Hilfe einer Wasserstoffpumpe 24 von einem Wasserstofftank 22 zugeführtem Wasserstoff
(Brenngas) mit in von einem Luftversorger 26 zugeführter Luft
(Oxidationsgas) enthaltenen Sauerstoff elektrische Energie erzeugt,
es hat einen Akkumulator 34, der mit elektrischer Energie
aufladbar ist und der zum Zuführen
der angesammelten elektrischen Energie entladbar ist, es hat einen
Antriebsmotor 35, der zum Antreiben und Drehen der Antriebsräder 18, 18 mit
der elektrischen Energie aktiviert wird, es hat eine Stromsteuereinheit
(PCU) 30, die das gesamte Brennstoffzellensystem steuert,
und es hat eine Kühlvorrichtung 12,
die den Brennstoffzellenstapel 20 und eine exotherme Ausstattung 13 abkühlt, die
während
ihrer Betriebe Wärme
erzeugen. Die Kühlvorrichtung 12 hat einen
Radiator bzw. Kühler 40,
der von dem durch die exotherme Ausstattung 13 und den
Brennstoffzellenstapel 20 zirkulierenden Kühlwasserstrom
Wärme entfernt
und hat eine Kühlsteuerung 37,
die die Kühlvorgänge in dem
Brennstoffzellensystem steuert. Die Bestandteile der Kühlvorrichtung 12 sind
nachstehend ausführlich
beschrieben.
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Der
Radiator 40 befindet sich in einem vorderen Abschnitt des
Brennstoffzellenfahrzeugs 10 zum Lüften und dementsprechend zum
Entfernen der Wärme
von dem Kühlwasserstrom,
der durch den Brennstoffzellenstapel 20 und durch die exotherme Ausstattung 13 (einschließlich eines
Inverters 32 der PCU 30, des Luftversorgers 26,
eines Wärmetauschers 27 und
des Antriebsmotors 35) des Brennstoffzellensystems zirkuliert,
welche während
ihrer Betriebe Wärme
erzeugen. Der Radiator 40 ist mit einem Kühlwasserströmungspfad 41 verbunden,
durch den die Kühlwasserströmung zirkulieren
gelassen wird. Der Kühlwasserströmungspfad 41 hat
einen Brennstoffzellenströmungspfad 41a,
der die Zirkulation des Kühlwassers
von dem Radiator 40 über
den Brennstoffzellenstapel 20 zu dem Radiator 40 macht, und
hat einen exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b, der
die Zirkulation des Kühlwassers
von dem Radiator 40 über
die exotherme Ausstattung 13 zu dem Radiator 40 macht.
Der exotherme Ausstattungsströmungspfad 41b befindet
sich parallel zu dem Brennstoffzellenströmungspfad 41a. Der
Inverter 32 der PCU 30, der Wärmetauscher 27, der
Luftversorger 26 und der Antriebsmotor 35 sind
in Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
in dieser aufsteigenden Reihenfolge der Wärmeabgabemenge angeordnet.
Ein Drosselventil 43 befindet sich nahe an dem Einlass
des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b,
um eine feste Strömungsrate
des Kühlwassers
(beispielsweise 10 Liter pro Minute) durch den exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b laufen
zu lassen, während der
zirkulierende Kühlwasserstrom
bei einer voreingestellten Strömungsrate
(beispielsweise 100 Liter pro Minute) durch den Brennstoffzellenströmungspfad 41a läuft. In
dem Kühlwasserströmungspfad 41 ist
eine Zirkulationspumpe 42 vorgesehen, um den Kühlwasserstrom
zirkulieren zu lassen. Ein Kühlwassertemperatursensor 44 befindet
sich stromabwärts des
Radiators 40 in dem Kühlwasserströmungspfad 41,
um eine Kühlwassertemperatur
Tf zu messen. Der Kühlwassertemperatursensor 44 ist
mit dem Kühlsteuergerät 37 elektrisch
verbunden.
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Ein
aus Kunstharz gefertigtes Kühlgebläse 46 befindet
sich stromabwärts
des Radiators 40 zum Zwangseinblasen der Außenluft
in den Radiator 40 und dieses wird durch einen (nicht gezeigten)
Motor angetrieben und gedreht. Das Kühlgebläse 46 wird über die
PCU 30 durch das Kühlsteuergerät 37 gesteuert.
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Das
Kühlsteuergerät 37 hat
eine CPU, einen ROM und einen RAM zum Steuern der Kühlvorgänge des
Brennstoffzellenstapels 20. Ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 38 ist
mit dem Kühlsteuergerät 37 elektrisch
verbunden. Das Kühlsteuergerät 37 hat Eingangs-
und Ausgangsanschlüsse
(nicht gezeigt) und empfängt über den
Eingangsanschluss Signale von dem Kühlwassertemperatursensor 44 und
von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 38. Das Kühlsteuergerät 37 ist über den
Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss mit der PCU 30 elektrisch verbunden,
um eine Vielzahl von Steuersignalen und Daten zu und von der PCU 30 zu übertragen.
Das Kühlsteuergerät 37 gibt
die Vielzahl von Antriebssignalen, beispielsweise Antriebssignale
zum Antreiben des Kühlgebläses 46, über den
Ausgangsanschluss zu der PCU 30 aus. Das Kühlsteuergerät 37 empfängt die
Zufuhr von elektrischer Energie unter Steuerung der PCU 30,
um die in den Kühlvorgängen involvierten
relevanten Einheiten und Elemente anzutreiben und zu steuern.
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Die
PCU 30 hat ein Steuergerät 31, das als ein
mikrocomputerbasierter Logikschaltkreis aufgebaut ist, und sie hat
den Inverter 32, der den Hochspannungsgleichstrom des Brennstoffzellenstapels 20 und
des Akkumulators 34 in den Wechselstrom des Antriebsmotors 35 umformt.
Das Steuergerät 31 der
PCU 30 steuert die Zufuhr der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten
elektrischen Energie zu dem Antriebsmotor 35 und zu dem
Akkumulator 34 sowie die Zufuhr der in dem Akkumulator 34 gesammelten
elektrischen Energie zu dem Antriebsmotor 35 auf Grundlage
der Last an dem Antriebsmotor 35 und des Ladezustands des
Akkumulators 34. Das Steuergerät 31 der PCU 30 steuert
zudem die Zufuhr von regenerativer elektrischer Energie zu dem Akkumulator 34,
die während
des Abbremsens oder Verlangsamens durch den Antriebsmotor 35 erzeugt wird.
Die PCU 30 hat einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss
(nicht gezeigt). Eine Vielzahl von Steuersignalen, beispielsweise
jene von dem Kühlsteuergerät 37,
werden über
den Eingangsanschluss in das Steuergerät 31 der PCU 30 eingegeben.
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Der
Inverter 32 ist ein Energiewandler, der einen dreiphasigen
Brückenschaltkreis
verwendet, der Halbleiterchips 32a (beispielsweise IGBT-Elemente) als
Energietransistoren zum Umformen der Gleichspannung in die dreiphasige
Wechselspannung aufweist und der das Spannungsniveau der zuzuführenden
elektrischen Energie umwandelt. Der Inverter 32 ist mit
dem Steuergerät 31 der
PCU 30 elektrisch verbunden und wird durch das Steuergerät 31 gesteuert. 2 ist
eine Draufsicht, die ein Invertergehäuse 32b zeigt, das
in sich die Halbleiterchips 32a des Inverters 32 hält. 3 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 2.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, hat der Inverter 32 einen
dualen Kühlmechanismus 50,
der den Kühlwasserstrom
die Wärme
von beiden Flächen
der einzelnen Halbleiterchips 32a entfernen lässt und
dementsprechend die Halbleiterchips 32a abkühlt. Der
duale Kühlmechanismus 50 hat
ein Kühlwasserrohr 41,
das mit dem exothermen Ausstattungsströmungspfad 51b verbunden
ist, um den Kühlwasserstrom
zirkulieren zu lassen, es hat ein Paar Klemmplatten 54,
die zwischen sich das Kühlwasserrohr 51 klemmen,
das so angeordnet ist, dass es durch beide Flächen der einzelnen Halbleiterchips 32a läuft, es
hat Befestigungen 55, die das Paar Klemmplatten 54 befestigen,
und es hat Anschlusselemente 52, 53, die das Kühlwasserrohr 51 an
dem exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b anschließen. Auf
die Kontaktflächen
zwischen den Halbleiterchips 32a und dem Kühlwasserrohr 51 ist
ein Silikonfett zum Verbessern der thermischen Leitfähigkeit
aufgebracht. Das Kühlwasserrohr 51 hat innere
Stützwandelemente 51b,
die ein problemloses Zirkulieren des Kühlwassers durch Zirkulationslöcher 51a unter
dem Klemmdruck der Klemmplatten 54 ermöglichen. Der Inverter 32 hat
einen niedrigen Wärmeabgabewert
und hat eine relativ niedrige zulässige Betriebstemperatur. Die
zulässige
Betriebstemperatur ist als ein Temperaturniveau spezifiziert, bei
dem stabile Betriebe der exothermen Ausstattung 13 und des
Brennstoffzellenstapels 20 sichergestellt sind.
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Der
Akkumulator 34 hat eine Vielzahl von Nickelwasserstoffbatterien,
die in Reihe verbunden sind und die als eine Hochspannungsenergiequelle dienen
(mehrere Hundert V). Der Akkumulator 34 befindet sich unter
der Steuerung der PCU 30, um den Antriebsmotor 35 beim
Start des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 während der
Beschleunigung zum Unterstützen
des Antriebsmotors 35 zu aktivieren und um die elektrische
Energie zu der exothermen Ausstattung 13 zuzuführen. Der
Akkumulator 34 gewinnt die regenerative elektrische Energie
von dem Antriebsmotor 35 während der regenerativen Abbremsung
wieder und wird durch den Brennstoffzellenstapel 20 gemäß des Ladezustands
aufgeladen. Der Akkumulator 34 kann durch einen elektrischen
Doppelschichtkondensator ersetzt werden.
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Der
Brennstoffzellenstapel 20 hat einen Stapelaufbau einer
Vielzahl von Zelleinheiten 21 und wirkt als eine Hochspannungsenergiequelle
(mehrere hundert V). Die Zelleinheiten 21 sind bekannte
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen.
Jede Zelleinheit 21 des Brennstoffzellenstapels 20 erzeugt
eine elektromotorische Kraft durch vorbestimmte elektrochemische
Reaktionen von Wasserstoff (Brenngas) mit Sauerstoff (Luft), die
an einer Anode und an einer Katode stattfinden. Das Wasserstoffgas
von dem Wasserstofftank 22 wird durch die Wasserstoffpumpe 24 auf
einen geeigneten Druck und eine geeignete Strömungsrate geregelt und wird
als das Brenngas zu den Anoden der Zelleinheiten 21 zugeführt, während die
Luft durch den Luftversorger 26 auf einen geregelten Druck
komprimiert wird und zu den Katoden der Zelleinheiten 21 zugeführt wird.
Das nicht reagierte überschüssige Wasserstoffgas
wird zu der Wasserstoffpumpe 24 zurückströmen gelassen, so dass es als
ein Teil des Brenngases wieder verwendet wird. Um die hohe Energieerzeugungseffizienz des
Brennstoffzellenstapels 20 beizubehalten, sollte der durch
den Brennstoffzellenstapel 20 zirkulierende Kühlwasserstrom
auf oder auf unterhalb einer vorbestimmten Temperatur, beispielsweise
80°C, reguliert werden,
um den Brennstoffzellenstapel 20 zufrieden stellend abzukühlen. Die
voreingestellte Temperatur ist höher
als die Temperatur des durch die exotherme Ausstattung 13 ohne
den exothermen Ausstattungskühlmechanismus
einschließlich
des dualen Kühlmechanismus 50,
eines Luftkühlmechanismus 27a und eines Ölkühlmechanismus 60 (später beschrieben) strömenden Kühlwassers.
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Der
Luftversorger 26 ist ein Kompressor, der die Luft mittels
eines (nicht gezeigten) Motors komprimiert und die komprimierte
Luft bzw. Druckluft zu einer Luftzuführleitung 26a zuführt. Wie
in 4 gezeigt ist, ist der Wärmetauscher 27 in
der Luftzuführleitung 26a als
ein Durchlass für
die von dem Luftversorger 26 zugeführten komprimierten Luft vorgesehen.
Der Wärmetauscher 27 kühlt die
heiße
komprimierte Luft vor der Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 20 ab.
Der Wärmetauscher 27 hat
den Luftkühlmechanismus 27a,
der in der Strömungsrichtung der
komprimierten Luft angeordnet ist und der die Strömung des
Kühlwassers
mit einer Vielzahl von Wärmeaustauschzyklen
hervorruft. Die Zufuhr der heißen
komprimierten Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 20 kann
auf ungewünschte
Weise einen thermischen Schaden an den internen Elementen der Zelleinheiten 21 hervorrufen.
Dementsprechend hat die komprimierte Luft eine niedrige zulässige Betriebstemperatur.
Während
die komprimierte Luft eine relativ niedrige Wärmeabgabemenge hat, hat der
Motor des Luftversorgers 26 einen relativ hohen Wärmeabgabewert.
Der exotherme Ausstattungsströmungspfad 41b ist
außerhalb
des Motors ausgebildet, um den Kühlwasserstrom
zirkulieren zu lassen und die exotherme Ausstattung 13 abzukühlen. Der
Motor hat ein relativ hohes Niveau einer zulässigen Betriebstemperatur.
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Der
Antriebsmotor 35 ist ein dreiphasiger Synchronmotor und
empfängt
eine Zufuhr von elektrischer Energie, die durch Umwandlung der Gleichstromausgabe
von dem Brennstoffzellenstapel 20 in einen dreiphasigen
Wechselstrom durch die PCU 30 erhalten wird, um eine Antriebskraft
zu erzeugen. Die durch den Antriebsmotor 35 erzeugte Antriebskraft wird über eine
Antriebswelle 14 und ein Differenzialgetriebe 16 übertragen
und wird schließlich
auf die Antriebsräder 18, 18 ausgegeben,
um das Brennstoffzellenfahrzeug 10 anzutreiben. 5 ist
eine vertikale Schnittansicht entlang der Längsrichtung des Antriebsmotors 50. 6 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 5.
Wie in 5 und 6 gezeigt ist, hat der Antriebsmotor 35 einen
an einem Motorgehäuse 35a befestigten
Stator 35b und er hat eine Spulenwicklung daran, Spulenenden 35c als
beide Enden der an dem Stator 35b gewickelten Spule, eine
Motorwelle 35e, die im Inneren des Stators 35b in
der Radialrichtung angeordnet ist und die in einer drehbaren Art
und Weise an dem Motorgehäuse 35a gestützt ist,
einen Rotor 35d, der einstückig an dem Außenumfang
der Motorwelle 35e ausgebildet ist, und den Ölkühlmechanismus 60,
der das Isolieröl
zur Ölkühlung des
Inneren des Antriebsmotors 35 verwendet. An dem Außenumfang
des Rotors 35d sind Dauermagneten 35f eingesetzt,
so dass sie alternierende N- und S-Pole haben (siehe 5). Der Ölkühlmechanismus 60 des
Antriebsmotors 35 hat einen Ölströmungspfad 61 und bringt
den Ölstrom
mit dem Stator 35b in Kontakt, um den Stator 35b abzukühlen. Der Ölströmungspfad 61 hat
einen an der Oberseite des Motorgehäuses 35a ausgebildeten Ölzufuhreinlass 61a zum
Empfangen einer durch eine Ölpumpe 64 (siehe 1)
geförderten Ölzufuhr.
Der Ölströmungspfad 61 hat
eine im Inneren des Antriebsmotors 35 ausgebildete Ölummantelung 61c um
zu verhindern, dass der durch den Ölzufuhreinlass 61a eingebrachte Ölstrom mit
dem Rotor 35d in Kontakt kommt. Der Ölstrom läuft entlang der Ölummantelung 61c frei
von jeglichem Kontakt mit dem Rotor 35d und kommt mit den
Spulenenden 35c und dem Stator 35b in Kontakt.
Ein Ölabgabeauslass 61b ist
an dem Boden des Motorgehäuses 35a ausgebildet,
um das entlang der Ölummantelung 61c geströmte Öl auszulassen.
Der Ölstrom
wird durch den Ölzufuhreinlass 61a eingebracht,
um den Stator 35b abzukühlen
und wird von dem Ölabgabeauslass 61b zum
zirkulieren lassen abgegeben. Das Motorgehäuse 35a hat zudem
einen Wassermantel 35g, der an einer unteren Außenwand
des Motorgehäuses 35a ausgebildet
ist und der mit dem endothermen Ausstattungsströmungspfad 41b in Verbindung
ist, um das Kühlwasser
entlang der Längsrichtung
des Antriebsmotors 35 strömen zu lassen. Die in dem Stator 35b erzeugte
Wärme wird über den Ölstrom zu
dem Motorgehäuse 35a übertragen
und die Wärme
des Motorgehäuses 35a wird
mittels des Kühlwasserstroms
durch den Wassermantel 35a entfernt. Der zum Antreiben
des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 verwendete Antriebsmotor 35 hat
einen hohen Wärmeabgabewert
und hat ein relativ hohes Niveau einer zulässigen Arbeitstemperatur. Bei
dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels
kommt der Ölstrom
mit dem gesamten Stator 35b in Kontakt. Alternativ kann der Ölstrom lediglich
mit einem vorbestimmten Teil des Stators 35b (beispielsweise
mit den Spulenenden 35c) in Kontakt kommen.
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Die
Kühlvorrichtung 12 dieser
Struktur, die an dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 montiert
ist, führt
die nachstehend beschriebenen Betriebe durch. Beim Start des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 aktiviert das
Kühlsteuergerät 37 die
Zirkulationspumpe 42, um den zirkulierenden Kühlwasserstrom
bei einer voreingestellten Strömungsrate
(beispielsweise 100 Liter pro Minute) durch den Brennstoffzellenströmungspfad 41a laufen
zu lassen, und es aktiviert die Ölpumpe 64,
um den Ölstrom
im Inneren des Antriebsmotors 35 zirkulieren zu lassen.
Das Kühlsteuergerät 37 gibt
daraufhin die gegenwärtigen
Messwerte der Kühlwassertemperatur
Tf und der Fahrzeuggeschwindigkeit v ein. Wenn die eingegebene Kühlwassertemperatur
Tf ein vorbestimmtes Niveau (bspw. 80° C) überschreitet, setzt das Kühlsteuergerät 37 eine
Spannung V zum Drehenlassen des Kühlgebläses 46 auf Grundlage
der Kühlwassertemperatur
Tf und der Fahrzeuggeschwindigkeit v und treibt das Kühlgebläse 46 bei
der eingestellten Spannung V an und dreht es. Die höhere Spannung
V wird entsprechend der höheren
Kühlwassertemperatur
Tf und der höheren
Fahrzeuggeschwindigkeit v eingestellt. Dies erhöht die den Radiator 40 passierende Luftströmung mit
einer Erhöhung
des Wärmabgabewerts
des Brennstoffzellenstapels 20. Wenn die eingegebene Kühlwassertemperatur
Tf nicht höher
als das voreingestellte Niveau ist, besteht andererseits kein Bedarf
zum Abkühlen
des Kühlwasserstroms. Dementsprechend
wechselt das Kühlsteuergerät 37 die
Einstellung eines (nicht gezeigten) Ventils so, dass der Kühlwasserstrom
nicht durch den Radiator 40 laufen gelassen wird, sondern
dass der Kühlwasserstrom
in einen (nicht gezeigten) Bypassströmungspfad eingebracht wird.
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Während die
Zirkulationspumpe 42 aktiviert ist, um den zirkulierenden
Kühlwasserstrom
durch den Brennstoffzellenströmungspfad 41a bei
der voreingestellten Strömungsrate
(beispielsweise 100 Liter pro Minute) laufen zu lassen, läuft eine
fest eingestellte Kühlwasserströmungsrate
(beispielsweise 10 Liter pro Minute), die durch das Drosselventil 43 reguliert
wird, durch den exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b. Der
Kühlwasserstrom
läuft durch das
Kühlwasserrohr 51 des
dualen Kühlmechanismus 50,
um beide Flächen
der einzelnen Halbleiterchips 32a abzukühlen, die in dem Inverter 32 enthalten
sind. Die Halbleiterchips 32a haben einen relativ niedrigen
Wärmeabgabewert,
so dass ein relativ kleiner Temperaturanstieg des Kühlwassers
stromabwärts
des Halbleiterchips 32a vorhanden ist. Dann läuft der
Kühlwasserstrom
durch den Luftkühlmechanismus 27a des
Wärmetauschers 27 und
kühlt den Strom
der zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten komprimierten
Luft durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschzyklen
zwischen der komprimierten Luft und dem Kühlwasser ab. Daraufhin kühlt der Kühlwasserstrom
den Motor des Luftversorgers 26 ab, der die komprimierte
Luft zuführt.
Der Luftversorger 26 hat einen relativ hohen Wärmeabgabewert. Der
Kühlwasserstrom
läuft durch
den Wassermantel 35g des Antriebsmotors 35, um
den Antriebsmotor 35 abzukühlen. Der Ölstrom wird im Inneren des
Antriebsmotors 35 mit Hilfe der Ölpumpe 64 zirkulieren gelassen
und die in dem Stator 35b erzeugte Wärme wird über den Ölstrom zu dem Motorgehäuse 35a übertragen.
Die Wärme
des Motorgehäuses 35a wird durch
den Kühlwasserstrom
entfernt. Der Antriebsmotor 35 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 hat
einen hohen Wärmeabgabewert.
Der Kühlwasserstrom,
der in dem Prozess des Abkühlens
der exothermen Ausstattung 13 aufgewärmt wurde, vereint sich mit
dem Kühlwasserstrom,
der in dem Prozess des Abkühlens
des Brennstoffzellenstapels 20 aufgewärmt wurde. Der durch den Radiator 40 geblasene
Luftstrom entfernt die Wärme
von dem Kühlwasserstrom
und kühlt
dementsprechend das Kühlwasser
ab.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, lässt
die an dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 montierte Kühlvorrichtung 12 des
Ausführungsbeispiels
den gemeinsam zirkulierenden Kühlwasserstrom
durch den Brennstoffzellenstapel 20 und die exotherme Ausstattung 13 laufen,
um sowohl den Brennstoffzellenstapel 20 als auch die exotherme Ausstattung 13 abzukühlen und
verwendet einen (einzigen) Radiator 40 zum Entfernen der
Wärme von
dem Kühlwasserstrom.
Diese Anordnung vereinfacht wünschenswerter
Weise den Aufbau des Abkühlens
des Brennstoffzellensystems verglichen mit der herkömmlichen Kühlstruktur,
die unterschiedliche Kühlmedienströme und separate
Radiatoren für
den Brennstoffzellenstapel 20 und die exotherme Ausstattung 13 verwendet. Der
Kühlwasserströmungspfad 41 weist
den Brennstoffzellenströmungspfad 41a auf,
der die Zirkulation des Kühlwassers
von dem Radiator 40 über
den Brennstoffzellenstapel 20 zu dem Radiator 40 durchführt, und
er weist den exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b auf,
der eine Zirkulation des Kühlwassers
von dem Radiator 40 über
die exotherme Ausstattung 13 zu dem Radiator 40 durchführt. Anders
als die Struktur, bei der der Brennstoffzellenstapel 20 und
die exotherme Ausstattung 13 in Reihe entlang der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
angeordnet sind, verhindert die Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
effektiv, dass die exotherme Ausstattung 13 den durch den
Brennstoffzellenstapel 20 laufenden Kühlwasserstrom aufwärmt, und verhindert
gleichzeitig, dass der Brennstoffzellenstapel 20 den durch
die exotherme Ausstattung 13 laufenden Kühlwasserstrom
aufwärmt,
wodurch eine effektive und effiziente Kühlung des Brennstoffzellenstapels 20 und
der exothermen Ausstattung 13 erreicht wird.
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Unter
der exothermen Ausstattung 13 nimmt die Wärmeabgabemenge
in der Reihenfolge des Inverters 32 der PCU 30,
des Wärmetauschers 27,
des Luftversorgers 26 und des Antriebsmotors 35 zu.
Der Inverter 32 der PCU 30, der Wärmetauscher 27,
der Luftversorger 26 und der Antriebsmotor 35 unter
der exothermen Ausstattung 13 sind entlang des exothermen
Ausstattungsströmungspfads 41b in
Reihe in der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
in dieser aufsteigenden Reihenfolge der Wärmeabgabemenge angeordnet.
D. h. die exotherme Ausstattung 13, die die kleinere Wärmeabgabemenge
aufweist, ist an der oberen Strömung
des Kühlwasserstroms
angeordnet. Diese Anordnung minimiert wünschenswerter Weise den Temperaturanstieg
des Kühlwassers
im Prozess des Abkühlens
eines jeden Teils der exothermen Ausstattung 13 und erreicht
somit das effektive und effiziente Kühlen der jeweiligen Teile der exothermen
Ausstattung 13, die in der Strömungsrichtung des Kühlwassers
angeordnet sind.
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Die
exotherme Ausstattung 13 hat den Inverter 32,
der die Halbleiterchips 32a zum Umwandeln der durch den
Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten elektrischen Energie
verwendet. Die Halbleiterchips 32a des Inverters 32 sind
bei höheren
Temperaturen, die die zulässige
Betriebstemperatur überschreiten, nicht
betriebsfähig.
Dementsprechend ist es wichtig, die Temperatur des Inverters 32 zu
regulieren und den Inverter 32 mit Hilfe des Kühlmediumstroms
und des Radiators 40 abzukühlen. Die erfindungsgemäße Technik
wird daher bevorzugter Weise auf den Inverter 32 angewendet.
Der Inverter 32 hat den dualen Kühlmechanismus 50,
der den zirkulierenden Kühlwasserstrom
zum Entfernen der Wärme
von beiden Flächen
der einzelnen Halbleiterchips 32a hervorbringt und der
dadurch die Halbleiterchips 32a abkühlt. Diese Anordnung erreicht
das zufrieden stellende Kühlen
der Halbleiterchips 32a verglichen mit der Struktur, bei
der lediglich die einzelnen Flächen der
individuellen Halbleiterchips 32a gekühlt werden. Somit stellt sogar
der Kühlwasserstrom
bei einer relativ hohen Temperatur zum Abkühlen der Halbleiterchips 32a den
stabilen Betrieb des Inverters 32 sicher.
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Die
exotherme Ausstattung 13 weist zudem den Luftversorger 26 auf,
der die komprimierte Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zuführt. Der
Motor des Luftversorgers 26 hat während seines Betriebes einen
relativ hohen Wärmeabgabewert.
Es ist daher wichtig, die Temperatur des Motors des Luftversorgers 26 zu
regulieren und den Motor mit Hilfe des Kühlmediumstroms und des Radiators 40 abzukühlen. Die
erfindungsgemäße Technik
wird daher bevorzugter Weise auf den Motor des Luftversorgers 26 angewendet.
Der Luftversorger 26 ist mit dem Wärmetauscher 27 ausgestattet,
der den zirkulierenden Kühlwasserstrom
zum Entfernen der Wärme
von der komprimierten Luft hervorbringt und der dadurch die komprimierte
Luft abkühlt.
Die komprimierte Luft kann aufgewärmt sein, so dass sie eine
hohe Temperatur hat. Die Zufuhr der heißen komprimierten Luft zu dem
Brennstoffzellenstapel 20 kann einen thermischen Schaden
an den internen Elementen des Brennstoffzellenstapels 20 hervorrufen.
Daher ist es wichtig, die Temperatur der von dem Luftversorger 26 zugeführten komprimierten
Luft zu regulieren und die komprimierte Luft mit Hilfe des Kühlmediumstroms und
des Radiators 40 abzukühlen.
Die erfindungsgemäße Technik
wird daher bevorzugter Weise auf den Wärmetauscher 27 angewendet.
Diese Anordnung erreicht das zufrieden stellende Kühlen der
komprimierten Luft durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschzyklen zwischen
der komprimierten Luft und dem Kühlwasser
in dem Wärmetauscher 27.
Somit stellt sogar der Kühlwasserstrom
bei einer relativ hohen Temperatur zum Abkühlen der komprimierten Luft
die stabile Energieerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 sicher.
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Die
exotherme Ausstattung 13 weist ferner den Antriebsmotor 35 auf,
der die Antriebskraft des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 erzeugt.
Der Antriebsmotor 35 hat während seines Betriebes einen
relativ hohen Wärmeabgabewert.
Es ist dementsprechend wichtig, die Temperatur des Antriebsmotors 35 zu
regulieren und den Antriebsmotor 35 mit Hilfe des Kühlmediumstroms
und des Radiators 40 abzukühlen. Die erfindungsgemäße Technik
wird daher bevorzugter Weise auf den Antriebsmotor 35 angewendet.
Der Antriebsmotor 35 hat den Ölkühlmechanismus 50, der
das Innere des Antriebsmotors 35 mit Öl kühlt. Diese Anordnung erreicht
die zufrieden stellende Kühlung
des Antriebsmotors 35. Somit stellt sogar der Kühlwasserstrom
bei einer relativ hohen Temperatur die stabilen Betriebe des Antriebsmotors 35 sicher.
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Das
vorstehend erörterte
Ausführungsbeispiel
ist in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als beschränkend zu
betrachten. Daher können viele
Modifikationen, Änderungen
und Entwicklungen durchgeführt
werden, ohne von dem Umfang oder Wesen der Hauptcharakteristik der
vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise
ist bei der Struktur des Ausführungsbeispiels
der duale Kühlmechanismus 50 dazu
angepasst, den zirkulierenden Kühlwasserstrom
die Wärme
von beiden Flächen
der individuellen Halbleiterchips 32a entfernen zu lassen
und dadurch die Halbleiterchips 32a abzukühlen. Ein
Siedekühlmechanismus 70,
der als ein Phasenänderungsmedium
ein FCKW-Ersatz (beispielsweise HFC-134a) verwendet, kann alternativ
dazu angepasst sein, die Halbleiterchips 32a abzukühlen, wie
in 7 gezeigt ist. Der Siedekühlmechanismus 70 verwendet
Siedekühlbehälter 71,
die in einer wärmeübertragenden
Art und Weise an den Halbleiterchips 32a angebracht sind.
Jeder Siedekühlbehälter 71 hat ein
Mediumgefäß 71b,
das in sich den FCKW-Ersatz enthält
und hat ein Zirkulationsloch 71a, das mit dem exothermen
Ausstattungsströmungspfad 41b verbunden
ist und das ein Zirkulieren des Kühlwasserstroms hervorruft.
Von den Halbleiterchips 32a wird im Verdampfungsprozess
des FCKW-Ersatzes Wärme
entfernt. Der durch den exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b und
das Zirkulationsloch 71a laufende Kühlwasserstrom entfernt die
Wärme von
dem verdampften FCKW-Ersatz. Auf diese Weise kondensiert der Siedekühlmechanismus 70 den FCKW-Ersatz
und kühlt
die Halbleiterchips 32a ab. Diese Anordnung erreicht die
zufrieden stellende Kühlung
der Halbleiterchips 32a durch Verwendung der latenten Verdampfungswärme, die
im Lauf des Siedens des FCKW-Ersatzes erzeugt wird. Somit stellt
selbst der Kühlwasserstrom
bei einer relativ hohen Temperatur die stabilen Vorgänge des
Inverters 32 sicher. Bei diesem Siedekühlmechanismus 70 sind
die Siedekühlbehälter 71 an
jeweiligen einzelnen Seiten der Halbleiterchip 32a angebracht.
Dieser Siedekühlmechanismus 70 kann
durch einen zweiseitigen Siedekühlmechanismus
ersetzt werden, der die an beiden Flächen der jeweiligen Halbleiterchips 32a angebrachten
Siedekühlbehälter 71 verwendet. Eine
solche Modifikation verbessert die Kühleffizienz der Halbleiterchips 32a.
Das Phasenänderungsmedium
ist nicht auf den FCKW-Ersatz beschränkt sondern kann Wasser sein.
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In
dem Aufbau des Ausführungsbeispiels
ist der exotherme Ausstattungsströmungspfad 41b parallel
zu dem Brennstoffzellenströmungspfad 41a angeordnet
und jeweilige Teile der exothermen Ausstattung 13 befinden
sich entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b. Eine
mögliche
Modifikation kann darin liegen, den exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b auszulassen
und den Brennstoffzellenstapel 20 anzuordnen und die jeweiligen
Teile der exothermen Ausstattung 13 in Reihe entlang des
Brennstoffzellenströmungspfads 41a in der
Strömungsrichtung
des Kühlwassers
anzuordnen. Diese Modifikation vereinfacht den Aufbau des Abkühlens des
Brennstoffzellensystems weiter. Bei dieser modifizierten Struktur
können
die jeweiligen Teile der exothermen Ausstattung 13 entlang
des Kühlwasserströmungspfads 41 in
der Reihenfolge der zulässigen
Betriebstemperatur oder in der Reihenfolge der Wärmabgabe angeordnet sein.
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Bei
dem Aufbau des Ausführungsbeispiels ist
der exotherme Ausstattungsströmungspfad 41b parallel
zu einem Brennstoffzellenströmungspfad 41a vorgesehen
und die Vielzahl von Teilen der exothermen Ausstattung 13 sind
in Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
angeordnet. Gemäß einer
modifizierten Struktur sind die Vielzahl von exothermen Ausstattungsströmungspfaden 41b parallel
zu dem Brennstoffzellenströmungspfad 41a angeordnet
und jedes Teil der exothermen Ausstattung 13 befindet sich
ausschließlich
in einem entsprechenden exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b.
Anders als die Struktur, bei der die Vielzahl von Teilen der exothermen
Ausstattung 13 in Reihe entlang der Strömungsrichtung des Kühlwassers
angeordnet sind, verhindert diese Anordnung, dass jedes Teil der
exothermen Ausstattung 13 den Kühlwasserstrom aufwärmt, der
durch ein anderes Teil der exothermen Ausstattung 13 läuft und
erzielt somit die effiziente Kühlung
eines jeden Teils der exothermen Ausstattung 13. Anstatt
die Vielzahl von Teilen der exothermen Ausstattung 13 ausschließlich in
den entsprechenden exothermen Ausstattungsströmungspfaden 41b anzuordnen,
kann eine Teil oder mehrere Teile der exothermen Ausstattung 13 selektiv
allein oder in Reihe in jedem der Vielzahl von exothermen Ausstattungsströmungspfaden
angeordnet sein, wobei die Wärmeabgabemengen
und die zulässigen
Betriebstemperaturen der jeweiligen Teile der exothermen Ausstattung 13 berücksichtigt
werden.
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Bei
der Struktur des Ausführungsbeispiels sind
die vielen Teile der exothermen Ausstattung 13 in Reihe
entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
in einer aufsteigenden Reihenfolge der Wärmeabgabemenge angeordnet.
In einer möglichen Modifikation
kann die Vielzahl von Teilen der exothermen Ausstattung 13 in
Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
in der aufsteigenden Reihenfolge der zulässigen Betriebstemperatur angeordnet
sein. Unter der exothemen Ausstattung 13 ist anzunehmen,
dass die zulässige
Betriebstemperatur in der Reihenfolge des Wärmetauschers 27, des
Inverters 32 der PCU 30, des Luftversorgers 26 und
des Antriebsmotors 35 zunimmt. In diesem Fall können der
Wärmetauscher 27,
der Inverter 32 der PCU 30, der Luftversorger 26 und
der Antriebsmotor 35 unter der exothermen Ausstattung 13 in
Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
in dieser aufsteigenden Reihenfolge der zulässigen Betriebstemperatur angeordnet
sein. Das heißt, die
exotherme Ausstattung 13, die die niedrigere zulässige Betriebstemperatur
hat, wird zur früheren Zeitgebung
abgekühlt.
Diese modifizierte Anordnung hält
wünschenswerter
Weise die Temperaturen der jeweiligen Teile der exothermen Ausstattung 13 innerhalb
ihrer zulässigen
Betriebstemperaturen. Eine weitere Modifikation kann sowohl die
zulässigen
Betriebstemperaturen als auch die Wärmeabgabemengen der jeweiligen
Teile der exothermen Ausstattung 13 berücksichtigen. Bei dieser Modifikation
können die
Vielzahl von Teilen der exothermen Ausstattung 13 entlang
des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
angeordnet sein, um den Temperaturanstieg des Kühlwassers nach jedem Teil der
exothermen Ausstattung 13 zu minimieren und jedes Teil
der exothermen Ausstattung 13 auf innerhalb seiner zulässigen Betriebstemperatur
abzukühlen.
Diese modifizierte Anordnung erhält
zudem das zufrieden stellende Abkühlen der exothermen Ausstattung 13,
um die Temperaturen der jeweiligen Teile der exothermen Ausstattung 13 innerhalb
ihrer zulässigen
Betriebstemperaturen zu halten. Die Anordnung der exothermen Ausstattung 13,
bei der sowohl die zulässige
Betriebstemperatur als auch die Wärmeabgabemenge berücksichtigt
wird, ist identisch mit der Anordnung, bei der lediglich die Wärmeabgabemenge
berücksichtigt
wird, wie dies in dem Ausführungsbeispiel
angenommen wurde.
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Bei
der Struktur des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels hat die exotherme
Ausstattung 13 den Inverter 32 der PCU 30,
den Luftversorger 26, den Wärmetauscher 27 und
den Antriebsmotor 35. Die exotherme Ausstattung 13 kann
jede Vorrichtung und Einheit sein, die während ihrem Betrieb Wärme erzeugt
und kann den Akkumulator 34 und die Wasserstoffpumpe 24 sowie
einen Gleichspannungswandler und einen Verstärkungswandler zum Verstärken der
Spannung des Akkumulators 34 umfassen.
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In
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Kühlvorrichtung 12 an
dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 (Automobil) montiert. Die
erfindungsgemäße Technik
ist nicht auf solche Automobile beschränkt, sondern kann auf verschiedene
sich bewegende Körper
einschließlich
Züge, Boote
und Schiffe sowie Flugzeuge und auf Krafterzeugungssysteme in Häusern und
Kraftanlagen verwendet werden.
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr.
2004-172697, die am 10. Juni 2004 eingereicht wurde, deren Inhalt
hiermit unter Bezugnahme in diese Anmeldung eingegliedert ist.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Die
erfindungsgemäße Technik
wird bevorzugter Weise auf eine Vielzahl von Brennstoffzellen verwendenden
Industrien angewendet, beispielsweise auf fahrzeugbezogene Industrien
einschließlich sich
auf Automobile, Züge,
Schiffe und Boote sowie Flugzeuge, Häuser und Energieerzeugungsindustrien,
die Brennstoffzellen-Kraftwärmekopplungssysteme
verwenden, sowie sich auf Präzisionsausstattungen
beziehenden Industrien einschließlich Systemcomputer.
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Zusammenfassung
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Ein
Kühlwasserströmungspfad 41,
der mit einem Radiator 40 verbunden ist, hat einen Brennstoffzellenströmungspfad 41a,
der eine Zirkulation von Kühlwasser
von dem Radiator 40 über
einen Brennstoffzellenstapel 20 zu dem Radiator 40 macht,
und hat einen exothermen Ausstattungsströmungspfad 41b, der
sich parallel zu dem Brennstoffzellenströmungspfad 41a befindet
und eine Zirkulation von Kühlwasser
von dem Radiator 40 über
die exotherme Ausstattung 13 (einschließlich eines Inverters 32 einer
Leistungssteuereinheit (PCU) 30, eines Luftversorgers 26,
eines Wärmetauschers 27 und
eines Antriebsmotors 35) zu dem Radiator 40 macht.
Die Vielzahl von Teilen der exothermen Ausstattung 13 sind in
Reihe entlang des exothermen Ausstattungsströmungspfads 41b in
der Strömungsrichtung
des Kühlwassers
in einer aufsteigenden Reihenfolge der Wärmeabgabemenge angeordnet.
Der Inverter 32, der Wärmetauscher 27 und
der Antriebsmotor 35 sind jeweils mit einem dualen Kühlmechanismus,
einem Luftkühlmechanismus
und einem Ölkühlmechanismus
ausgestattet. Die Anordnung der Erfindung stellt stabile Betriebe
der jeweiligen Teile der exothermen Ausstattung 13 selbst
dann sicher, wenn das zum Abkühlen
der exothermen Ausstattung 13 verwendete Kühlwasser
eine höhere
Temperatur hat.