DE112009004806T5

DE112009004806T5 - Brennstoffzellensystem und -fahrzeug

Info

Publication number: DE112009004806T5
Application number: DE112009004806T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Ohashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: CN102481831A; US9283838B2; US20120021301A1; JPWO2010137150A1; DE112009004806B4; JP5077611B2; CN102481831B; WO2010137150A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug, die einen wirksamen Schutz einer Brennstoffzelle und zugeordneter Vorrichtungen vor Stoßeinwirkungen von unten ermöglichen, werden geschaffen. Das Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelleneinheit (201), in der eine Brennstoffzelle (20) und eine zugeordnete Vorrichtung (90), die neben der Brennstoffzelleneinheit (201) angeordnet ist, aufgenommen sind. Die Brennstoffzelleneinheit (201) und die zugeordnete Vorrichtung (90) sind an jeweiligen schützenden Strukturkörpern (220, 260) angeordnet. Der schützende Strukturkörper (220), an dem die Brennstoffzelleneinheit (201) angeordnet ist, und/oder der schützende Strukturkörper (260), an dem die zugeordnete Vorrichtung (90) angeordnet ist, enthält ein Unterblech (240, 270) auf der unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem daran montierten Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Schutzstruktur für eine Brennstoffzelle oder eine verwandte bzw. zugeordnete Vorrichtung der Brennstoffzelle, wie z. B. einen Gleichstromwandler.
Technischer Hintergrund
Ein Fahrzeug, das so konfiguriert ist, dass es sich fortbewegt, wenn von einem Brennstoffzellensystem Leistung zugeführt und ein Fahrzeugfahrmotor angetrieben wird, (und das nachstehend als „Brennstoffzellenfahrzeug” bezeichnet wird) ist offenbart worden. In dem Brennstoffzellenfahrzeug wird im Fall einer Kollision dadurch Sicherheit gewährleistet, dass die Strukturelemente des Brennstoffzellensystems an dem unteren Bereich des Bodens in der Mitte des Fahrzeugs angeordnet sind.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung 2005-205945 offenbart z. B. eine an einem Fahrzeug montierte Struktur, in der eine Brennstoffzelleneinheit und eine Hilfseinheit an dem unteren Bereich des Fahrzeugbodens nebeneinander angeordnet sind, der von einem in der von vorne nach hinten verlaufenden Fahrzeugrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordneten Bodenrahmen und einer in der Breitenrichtung des Fahrzeugs verlaufenden Querstrebe umgeben ist. Bei einer solchen Struktur kann die Länge einer Leitung und die Länge einer Verdrahtung verkürzt sowie im Kollisionsfall Sicherheit gewährleistet werden (Patentschrift 1).
Die japanische offengelegte Patentanmeldung 2004-161092 offenbart eine Struktur, in der ein Brennstoffzellenkasten, der ein Brennstoffzelle enthält, und ein Brennstoffzellenverdünnungskasten und ein Teilrahmen, der einen Brenngastank enthält, nebeneinander in der von vorne nach hinten verlaufenden Richtung angeordnet sind. Die Besonderheit der Struktur ist, dass der Brenngasverdünnungskasten auf der Seite des Teilrahmens der Brennstoffzelle im Inneren des Brennstoffzellenkastens angeordnet ist. Bei einer solchen Konfiguration wird die durch den Teilrahmen im Fall einer Fahrzeugkollision aufgenommene Kollisionsenergie durch eine Verformung des Brenngasverdünnungskastens aufgenommen (Patentschrift 2).
Ein Gleichstromwandler, der die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle erhöht und senkt, ist beispielsweise in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 2007-209161 und der japanischen offengelegten Patentanmeldung 2007-318938 offenbart. In diesen Schriften ist im Speziellen keine Aufprallminderungsstruktur für den Gleichstromwandler offenbart (Patentschrift 3 und Patentschrift 4).
Liste der Entgegenhaltungen
Patentschriften

Patentschrift 1: JP 2005-205945 A
Patentschrift 2: JP 2004-161092 A
Patentschrift 3: JP 2007 209161 A
Patentschrift 4: JP 2007-318938 A

Kurzfassung der Erfindung
Aufgabenstellung
Bei den fahrzeugseitigen Strukturen gemäß dem vorstehend erwähnten Stand der Technik kann die Brennstoffzelleneinheit vor Kollisionen mit Objekten von Seiten der Seite der unteren Oberfläche des Brennstoffzellenfahrzeugs nicht ausreichend geschützt werden.
Auch wenn bei der in der Patentschrift 1 beschriebenen Technik der Bodenrahmen den seitlichen Kollisionsaufprall absorbiert und den Aufprall auf bzw. die Stoßeinwirkung auf die Brennstoffzelleneinheit mäßigt, kann die Brennstoffzelleneinheit nicht vor Stoßeinwirkungen von der Bodenoberfläche geschützt werden. Bei der in der Patentschrift 2 geschilderten Technik kann die Aufprallenergie von der Bodenoberfläche nicht absorbiert werden, auch wenn die Kollisionsenergie aus der Querrichtung durch Verformung des Brenngasverdünnungskastens absorbiert wird. In den Patentschriften 3 und 4 sind keine speziellen Aufprall- bzw. Stoßeinwirkungsabsorptionsstrukturen offenbart.
Insbesondere ist bei der in der Patentschrift 1 offenbarten Struktur der Abstand zwischen der Brennstoffzelle oder einer zugeordneten Vorrichtung und der Bodenoberfläche unweigerlich gering, da das Brennstoffzellensystem auf der Unterseite der Fahrgastzelle angeordnet ist. Wenn die untere Oberfläche des Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem vorstehenden Teil auf der befahrenen Oberfläche kollidiert (wobei dieses Ereignis nachstehend auch als eine „Fahrbahnoberflächen-Störbeeinflussung” bezeichnet werden kann), kann eine starke Stoßeinwirkung auf die Brennstoffzelle oder die zugeordnete Vorrichtung direkt ausgeübt werden.
Es ist eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug zu schaffen, die ermöglichen, dass eine Brennstoffzelle oder eine zugeordnete Vorrichtung vor Kollisionen von unten mit einer verhältnismäßig leichtgewichtigen Struktur wirksam geschützt werden können.
Lösung
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das enthält: eine Brennstoffzelleneinheit, in der eine Brennstoffzelle aufgenommen ist; und eine zugeordnete Vorrichtung, die neben der Brennstoffzelleeinheit angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordnete Vorrichtung an entsprechenden schützenden Strukturkörpern angeordnet sind; und zumindest der eine schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und/oder der schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, ein Unterblech auf einer unteren Oberfläche von einem der schützenden Strukturkörper enthält.
Das Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, das so konfiguriert ist, dass es sich auf einer befahrenen Oberfläche fortbewegen kann, wobei das Fahrzeug eine Brennstoffzelleneinheit, in der eine Brennstoffzelle aufgenommen ist; und eine zugeordnete Vorrichtung enthält, die neben der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sind, wobei die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordnete Vorrichtung an entsprechenden schützenden Strukturkörpern angeordnet sind; und zumindest entweder der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und/oder schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, ein Unterblech auf einer unteren Oberfläche von einem der schützenden Strukturkörper enthält.
Bei einer solchen Konfiguration sind die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordnete Vorrichtung auf jeweiligen schützenden Strukturkörpern angeordnet ist, und ein Unterblech ist an der unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers angeordnet. Da durch den schützenden Strukturkörper zwischen der Brennstoffzelleneinheit oder der zugeordneten Vorrichtung und dem Unterblech ein Zwischenraum ausgebildet ist, ist eine Belüftung von Brenngas und ähnlichem möglich. Zudem kann eine Stoßeinwirkung von der befahrenen Oberfläche durch das an der alleruntersten Oberfläche angeordnete Unterblech aufgenommen werden, und die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordnete Vorrichtung können geschützt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können auf Wunsch folgenden Merkmale hinzugefügt werden.

(1) Das Unterblech kann so konfiguriert sein, dass es einen Verstärkungsrahmen enthält.

Bei einer solchen Konfiguration kann dadurch, dass der Verstärkungsrahmen enthalten ist, die Steifigkeit des gesamten Blechs auch dann erhöht werden, wenn ein verhältnismäßig leichtgewichtiges Material bzw. ein solches, das eine verhältnismäßig geringe Steifigkeit aufweist, als das Hauptmaterial für das Unterblech verwendet wird.

(2) Das Unterblech kann so konfiguriert sein, dass es Kohlefasern enthält.

Bei einer solchen Konfiguration kann dadurch, dass Kohlefasern enthalten sind, das Unterblech so bereitgestellt werden, dass es eine hervorragende Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit, thermische Ausdehnungs-Kontraktionsfähigkeit, Säurebeständigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber Zugbeanspruchung aufweist. Insbesondere sind die Kohlefasern als eine an einem Fahrzeug zu montierende Schutzstruktur geeignet, da Kohlefasern leichter als Metall, wie z. B. Aluminium, sind.

(3) Es kann zumindest entweder der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und/oder der schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, einen Stoßeinwirkungs-Verhinderungsbereich enthalten, der Stoßeinwirkungen aus einer Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs verhindern kann.

Da der Stoßeinwirkungs-Verhinderungsbereich bei einer solchen Konfiguration Stoßeinwirkungen aus der Vorwärtsrichtung verhindert, können Stoßeinwirkungen aus der Vorwärtsrichtung, deren Auftreten angenommen werden kann, im Fall einer Montage an einem sich fortbewegenden Fahrzeug wirksam gemäßigt werden.

(4) Das Brennstoffzellensystem kann an einem Fahrzeug montiert sein, und der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und der schützenden Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, können an einem das Fahrzeug ausbildenden Rahmen befestigt sein.

Bei einer solchen Konfiguration nehmen die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordneten Vorrichtungen keine Spannungen aus dem Bereich der Befestigung an dem Fahrzeug auf, da die schützenden Strukturkörper an dem Rahmen befestigt sind, bei dem es sich um eine Strukturkomponente des Fahrzeugs handelt. Daher können die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordneten Vorrichtungen, die eine verhältnismäßig geringe Steifigkeit aufweisen, wirksam vor Kollisionsstoßeinwirkungen geschützt werden.

(5) Der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, ist vorzugsweise an einer Position, von einer befahrenen Oberfläche des Fahrzeugs, auf einer Höhe angeordnet, die höher ist als die des schützenden Strukturkörpers, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist.

Bei einer solchen Konfiguration werden Kollisionsstoßeinwirkungen von der befahrenen Oberfläche durch den schützenden Strukturkörper der zugeordneten Vorrichtung aufgenommen, bevor sie durch den schützenden Strukturkörper der Brennstoffzelleneinheit aufgenommen werden. Somit kann die Brennstoffzelleneinheit, die eine besonders geringe Beständigkeit gegenüber Kollisionsstoßeinwirkungen von der befahrenen Oberfläche aufweist, wirksam geschützt werden. Somit breiten sich die Kollisionsstoßeinwirkungen von der befahrenen Oberfläche auf den Fahrzeugkörper über den schützenden Strukturkörper der zugeordneten Vorrichtung aus, die Kollisionsenergie wird aufgenommen, und die Wahrscheinlichkeit, dass die Stoßeinwirkung die Brennstoffzelleneinheit erreicht, kann verringert werden.

(6) Eine elektrische Systemkomponente ist zwischen der Brennstoffzelle und dem schützenden Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, aufgenommen.

Bei einer solchen Konfiguration wirkt der schützende Strukturkörper als eine Barriere, die die Kollisionsstoßeinwirkung aufnimmt, und wenn die Stoßeinwirkung aufgenommen ist, erfolgt eine integrale Fortbewegung der schützenden Strukturkörper und der Brennstoffzelleneinheit. Dabei ist es höchst unwahrscheinlich, dass der Raum auf der Rückseite des schützenden Strukturkörpers, d. h. zwischen der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers und der Brennstoffzelleneinheit, unter der Wirkung der Kollisionsstoßeinwirkung kollabiert. Dabei können die elektrischen Systemkomponenten, die eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen und leicht brechen können, vorteilhafterweise in diesem Raum aufgenommen werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelleneinheit oder die zugeordnete Vorrichtung an einem schützenden Strukturkörper angeordnet, der an der unteren Oberfläche mit einem Unterblech ausgestattet ist. Daher können die Brennstoffzelle und die zugeordnete Vorrichtung mit einer verhältnismäßig leichtgewichtigen Struktur vor Kollisionsstoßeinwirkungen von der befahrenen Oberfläche geschützt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Systemkonfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Vorderansicht, die die Anordnung der Einheiten des Brennstoffzellensystems in dem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform 1 darstellen.
3 ist eine Unteransicht des Fahrzeugs, das die Anordnung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform 1 enthält.
4 ist eine Seitenansicht des Fahrzeugs, das die Anordnung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform 1 enthält.
5 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzellenanordnung 200 und der Wandleranordnung 250 gemäß der Ausführungsform 1.
6 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß der Ausführungsform 1.
7 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Oberfläche, die die Struktur der Wandleranordnung 250 gemäß der Ausführungsform 1 darstellt.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Struktur des Unterblechs 240 in der Ausführungsform 1 darstellt, und 8B ist eine Querschnittansicht des Unterblechs 240 (270) in dem Querschnitt VIIIb von 8A.
9 ist eine schematische Querschnittansicht der Brennstoffzelleneinheit 201, die den Aufnahmeraum für die elektrischen Systemkomponenten gemäß der Ausführungsform 1 darstellt.
10 ist eine erläuternde Zeichnung, welche die Höhe darstellt, bei der der schützende Strukturkörper 260, wo der Wandler 90 in der Ausführungsform 1 angeordnet ist, und der schützende Strukturkörper 220, wo die Brennstoffzelleneinheit 201 angeordnet ist, vorgesehen sind.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur des Unterblechs 240b gemäß der Ausführungsform 2 darstellt, 11A ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur des Unterblechs 240b darstellt, und 11B ist eine Querschnittsansicht des Unterblechs 240b in dem Querschnitt XIb in 11A.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die besten Vorgehensweisen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche beschrieben.
In der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung werden identische oder gleichartige Komponenten mit identischen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen. Bei der Zeichnung handelt es sich um schematische Darstellungen. Daher sind spezifische Abmessungen oder dergleichen unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung zu verstehen. Weiterhin versteht es sich von selbst, dass Komponenten enthalten sind, die in ihrer dimensionalen Beziehung und Übertragung von Figur zu Figur verschieden sind.
Ausführungsform 1
Die Ausführungsform 1 gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das an einem Fahrzeug (Brennstoffzellenfahrzeug) montiert ist, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Brennstoffzelleneinheit und ein DC-DC- bzw. Gleichstromwandler, bei dem es sich um eine zugeordnete Vorrichtung handelt, an einem schützenden Strukturkörper angeordnet sind, der mit einem Unterblech versehen ist, das einen Verstärkungsrahmen enthält. In der Ausführungsform 1 wird zunächst die Konfiguration des Brennstoffzellensystems erläutert und dann auf die Struktur der Brennstoffzelle eingegangen.
Definitionen der Begriffe
Die in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendeten Begriffe sind nachstehend definiert.
„Fahrzeug” (Brennstoffzellenfahrzeug): ein Strukturkörper, der durch Verwendung einer durch eine Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung ungeachtet des Bewegungsprinzips bewegt werden kann. Diese Definition enthält Fahrzeuge, in denen die Bewegung dadurch erfolgt, dass bewirkt wird, dass eine Kraft auf eine befahrene Oberfläche wirkt (Autos und Eisenbahnzüge), und Fahrzeuge, in denen die Bewegung dadurch erfolgt, dass bewirkt wird, dass eine Kraft auf ein Medium einwirkt (Flugzeuge, Schiffe, Unterseeboote etc.). Das Fahrzeug kann für die Beförderung von Personen verwendet werden, muss aber nicht.
„Vorne”: die Seite, zu der sich das Fahrzeug bewegt, wenn der Gang in den Fahrmodus (Betrieb) geschaltet wird; wird auch als „Vorwärtsrichtung” oder „Vorderseite” bezeichnet.
„Hinten”: die Seite, zu der sich das Fahrzeug bewegt, wenn der Gang rückwärts (hinten) geschaltet wird; wird auch als „Rückwärtsrichtung” oder „Rückseite” bezeichnet.
„Quer”: die Querrichtung in der horizontalen Ebene in Bezug die vorstehend erwähnte vordere Richtung oder hintere Richtung; auch bezeichnet als „Querrichtung” oder „Breitenrichtung”.
„Oben”: die in Bezug auf die Fortbewegungsoberfläche vertikale Richtung, wobei die Fortbewegungsoberfläche des Fahrzeugs als eine Referenz herangezogen wird (wird auch als „Hähenrichtung” bezeichnet) (die Aufwärtsrichtung in der Seitenansicht und der Draufsicht in 2), wird als die „Aufwärtsrichtung” oder „Oberseite” bezeichnet, und die Abwärtsrichtung (Richtung zur Fahrbahnoberfläche des Fahrzeugs 100; Abwärtsrichtung in der Seitenansicht und der Draufsicht in 2) wird als die Abwärtsrichtung” oder „Unterseite” bezeichnet.
„Zugeordnete Vorrichtung”: ein anderes Bestandteil als die Brennstoffzelle, aus der das Brennstoffzellensystem zusammengesetzt ist, ungeachtet der Art des Bestandteils. Die „zugeordneten Vorrichtungen” enthalten einen Wandler, einen Hilfsinverter, einen Fahrzeugfahrbetriebs-Inverter, eine Kühlpumpe, eine Antriebspumpe, einen Kompressor und eine Batterie. Die zugeordnete Vorrichtung ist nicht notwendigerweise mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden.
„Benachbart”: bedeutet, dass der Abstand zwischen der Brennstoffzelle und der zugeordneten Vorrichtung gering ist, ist aber nicht als Einschränkung des Abstands aufzufassen. Der Abstand ist dabei jedoch so beschaffen, dass, wenn die vorliegende Erfindung nicht verwendet wird, die zugeordnete Vorrichtung einen physikalischen Effekt auf die Brennstoffzelle erzeugen kann, wenn eine Kollisionsstoßeinwirkung ausgeübt wird.
Systemkonfiguration
1 ist ein Konfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der vorliegenden Erfindung.
Ein Brennstoffzellensystem 10 in 1 besteht aus einem Brenngaszuführsystem 4, einen Oxidationsgaszuführsystem 7, einem Kühlflüssigkeitszuführsystem 3 und einem Leistungssystem 9. Das Brenngaszuführsystem 4 ist ein System zum Zuführen eines Brenngases (Wasserstoffgas) zu einer Brennstoffzelle 20. Das Oxidationsgaszuführsystem 7 ist ein System zum Zuführen eines Oxidationsgases (Luft) zu der Brennstoffzelle 20. Das Kühlflüssigkeitszuführsystem 3 ist ein System zum Kühlen der Brennstoffzelle 20. Das Leistungssystem 9 ist ein System zum Laden und Entladen der erzeugten Leistung von der Brennstoffzelle 20.
Die Brennstoffzelle 20 ist mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 24 versehen, die durch Siebdrucken auf einer Anodenelektrode 22 und einer Kathodenelektrode 23 auf beiden Oberflächen einer Polymerelektrolytmembran 21 erzeugt wird, die aus einer aus einem Fluorharz oder ähnlichem gebildeten protonenleitfähigen Ionenaustauschmembran besteht. Die Membranelektrodenanordnung 24 ist von Separatoren umgeben (die in der Figur nicht gezeigt sind), die Strömungskanäle für das Brenngas, das Oxidationsgas und Kühlwasser aufweisen. Der in der Art einer Aussparung bzw. Rille ausgebildete Anodengaskanal 25 und Kathodengaskanal 26 sind zwischen dem Separator und der Anodenelektrode 22 bzw. zwischen dem Separator und der Kathodenelektrode 23 ausgebildet. Die Anodenelektrode 22 entsteht dadurch, dass eine Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen Tragschicht vorgesehen wird, und die Kathodenelektrode 23 entsteht dadurch, dass eine Luftelektrodenkatalysatorschicht auf der porösen Tragschicht vorgesehen wird. Diese Elektrodenkatalysatorschichten werden beispielsweise dadurch ausgestaltet, dass Platinpartikel an ihnen angebracht werden. Die elektrochemischen Reaktionen, wie sie z. B. durch die nachfolgenden Gleichungen (1) bis (3) dargestellt sind, laufen in der Brennstoffzelle 20 ab. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Die beispielsweise durch die Gleichung (1) dargestellte Reaktion läuft auf der Seite der Anodenelektrode 22 ab. Die durch die Gleichung (2) dargestellte Reaktion läuft auf der Seite der Kathodenelektrode 23 ab, Die Reaktion, wie sie durch die Gleichung (3) dargestellt wird, läuft in der gesamten Brennstoffzelle 20 ab. Um diese elektrochemischen Reaktionen induzieren zu können, wird die Brennstoffzelle 20 an dem Fahrzeug in Form einer Brennstoffzelleneinheit montiert, in der die Brennstoffzelle in dem Gehäuse aufgenommen ist, wie nachstehend beschrieben ist.
Der Einfachheit halber ist in 1 die Struktur einer aus der Membranelektrodenanordnung 24, dem Anodengaskanal 25 und dem Kathodengaskanal 26 bestehenden Einheitszelle schematisch gezeigt. Genau genommen ist eine Stapelstruktur vorgesehen, in der eine Mehrzahl von Einheitszellen (eine Zellengruppe) in Reihe geschaltet ist, wobei die vorstehend erwähnten Separatoren dazwischen angeordnet sind.
Das Kühlflüssigkeitszuführsystem 3 des Brennstoffzellensystems 10 ist mit einem Kühlkanal 31, Temperatursensoren 32 und 35, einem Radiator bzw. Strahlkörper 33, einem Ventil 34 und einer Kühlflüssigkeitspumpe 35 versehen. Der Kühlkanal 31 ist ein Strömungskanal zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit. Der Temperatursensor 32 ist eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur der Kühlflüssigkeit, die aus der Brennstoffzelle 20 abgeführt wird. Der Strahlkörper 33 ist ein Wärmetauscher zum Abgeben der Wärme der Kühlflüssigkeit nach außen. Das Ventil 34 ist eine Ventileinrichtung zum Anpassen der Menge der Kühlflüssigkeit, die in den Strahlkörper 33 strömt. Die Kühlflüssigkeitspumpe 35 ist eine Antriebseinrichtung, um die Kühlflüssigkeit durch einen Motor (der in der Figur nicht gezeigt ist) mit Druck zu beaufschlagen und zirkulieren zu lassen. Der Temperatursensor 36 ist eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur der der Brennstoffzelle 20 zugeführten Kühlflüssigkeit.
Eine Brenngaszuführvorrichtung 42, ein Brenngaszuführkanal 40 und ein Zirkulationsweg 51 sind in dem Brenngaszuführsystem 4 des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet. Die Brenngaszuführvorrichtung 42 ist eine Speichereinrichtung zum Speichern des Brenngases (Anodengases), beispielsweise des Wasserstoffgases. Der Brenngaszuführkanal 40 ist eine Strömungskanaleinrichtung zum Zuführen des Brenngases aus der Brenngaszuführvorrichtung 42 zu dem Anodengaskanal 25. Der Zirkulationsweg 51 ist eine Strömungskanaleinrichtung (Zirkulationsweg) zum Zirkulieren des Brennstoffabgases, das aus dem Anodengaskanal 25 in den Brenngaszuführkanal 40 abgeführt wird.
Der Brenngaszuführkanal 42 besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstoffbehälter, einer Wasserstoffspeicherlegierung und einer Reformationseinrichtung. In der vorliegenden Ausführungsform sind ein erster Brenngasbehälter 42a und ein zweiter Brenngasbehälter 42b als die Brenngaszuführvorrichtung 42 vorgesehen.
Ein Hauptventil 43, ein Drucksensor 44, ein Ejektor 45 und ein Sperrventil 46 sind in dem Brenngaszuführkanal 40 angeordnet. Bei dem Hauptventil 43 handelt es sich um ein Sperrventil, das das aus der Brenngaszuführvorrichtung 42 ausströmende Brenngas steuert. Der Drucksensor 44 ist eine Druckerfassungseinrichtung, die stromabwärts des Hauptventils 43 angeordnet ist und zum Erfassen eines verhältnismäßig hohen Drucks eines Brenngases in einer Leitung stromauf des Ejektors 45 dient. Bei dem Ejektor 45 handelt es sich um ein Stellventil, das den Brenngasdruck im Inneren des Zirkulationsweges 51 einstellt. Das Sperrventil 46 ist eine Ventileinrichtung zum Steuern der Zuführ des Brenngases zu der Brennstoffzelle 20.
In dem Zirkulationsweg 51 sind ein Sperrventil 52, ein Gas-Flüssigkeitsabscheider 53, ein Abführventil 54 und eine Wasserstoffpumpe 55 angeordnet. Das Sperrventil 52 ist eine Ventileinrichtung zum Steuern der Zufuhr des Brennstoffabgases aus der Brennstoffzelle 20 zu dem Zirkulationsweg 51. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 53 ist eine Abscheideinrichtung zum Beseitigen einer in dem Brennstoffabgas enthaltenen Feuchtigkeit. Das Abführventil 54 ist eine Ventileinrichtung zum Abführen einer durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 53 abgeschiedenen Feuchtigkeit. Die Wasserstoffpumpe 55 ist mit einem Motor versehen (der in der Figur nicht gezeigt ist). Die Wasserstoffpumpe 55 ist eine Antriebseinrichtung, bei der es sich um eine Zwangszirkulationsvorrichtung handelt zum Komprimieren des Brennstoffabgases, das beim Durchströmen des Anodengaskanals 25 einem Druckverlust ausgesetzt ist, zum Erhöhen des Drucks desselben auf den entsprechenden Gasdruck und zum Bewirken, das selbiges zu dem Brenngaszuführweg 40 zurückströmt. Wenn die Wasserstoffpumpe 55 angetrieben wird, strömt das Brennstoffabgas mit dem von der Brenngaszuführvorrichtung 42 zugeführten Brenngas am Zusammenströmungspunkt des Brenngaszuführkanals 40 und des Zirkulationswegs 51 zusammen und wird dann der Brennstoffzelle 20 zugeführt und wiederverwendet. In der Wasserstoffpumpe 55 sind ein Drehzahlsensor 57, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 55 erfasst, und Drucksensoren 58, 59, die einen Zirkulationswegdruck vor und nach der Wasserstoffpumpe 55 erfassen, angeordnet.
In den Zirkulationsweg 51 zweigt ein Abführströmungskanal 61 ab. Ein Ableitventil 63 und ein Verdünner 62 sind in dem Abführströmungskanal 61 angeordnet. Bei dem Abführströmungskanal 61 handelt es sich um eine Abführeinrichtung zum Abführen des aus der Brennstoffzelle 20 nach außerhalb des Fahrzeugs abgeführten Brennstoffabgases. Das Ableitventil 63 ist eine Ventileinrichtung zum Steuern der Abführung des Brennstoffabgases. Wenn das Ableitventil 63 geöffnet und geschlossen wird, wird die Zirkulation im Inneren der Brennstoffzelle 20 wiederholt, das Brennstoffabgas mit einer erhöhten Konzentration von Verunreinigungen nach außen abgeführt, und die Verringerung der Zellenspannung kann durch Einführen von frischem Brenngas verhindert werden. Der Verdünner 62 ist eine Verdünnungseinrichtung zum Verdünnen des Brennstoffabgases mit dem Oxidationsabgas auf eine Konzentration, die so beschaffen ist, dass keine Oxidationsreaktion bewirkt wird. Bei dem Verdünner handelt es sich beispielsweise um eine Wasserstoffkonzentrations-Reduktionsvorrichtung.
Ein Oxidationsgaszuführkanal 71 und eine Oxidationsabgasabführkanal 72 sind in dem Oxidationsgaszuführsystem 7 des Brennstoffzellensystem 10 angeordnet. Der Oxidationsgaszuführkanal 72 ist eine Strömungskanaleinrichtung zum Zuführen des Oxidationsgases (Kathodengases) zu dem Kathodengaskanal 26. Der Oxidationsabgasabführkanal 72 ist eine Strömungskanaleinrichtung zum Abführen des aus dem Kathodengaskanal 26 abgeführten Oxidationsabgases (Kathodenabgas).
Ein Luftfilter 74 und ein Luftkompressor 75 sind in dem Oxidationsgaszuführkanal 71 angeordnet. Bei dem Luftfilter 74 handelt es sich um eine Einführ- und Filtereinrichtung zum Einführen der Luft aus der Atmosphäre und Zuführen der gefilterten Luft zu dem Oxidationsgaszuführkanal 71. Der Luftkompressor 75 ist eine Antriebseinrichtung zum Komprimieren der eingeführten Luft mit einem Motor (der in der Figur nicht gezeigt ist) und zum Pumpen der komprimierten Luft bzw. Druckluft als das Oxidationsgas zu dem Kathodengaskanal 26. Ein Drucksensor 73 zum Erfassen eines Luftzuführdrucks des Luftkompressors 75 ist in dem Luftkompressor 75 angeordnet.
Ein Befeuchter 76 ist zwischen dem Oxidationsgaszuführkanal 71 und dem Oxidationsabgas-Abführkanal 72 angeordnet. Der Befeuchter 76 führt einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Oxidationsgaszuführkanal 71 und dem Oxidationsabgasabführkanal 72 aus und erhöht die Feuchtigkeit in dem Oxidationsgaszuführkanal 71.
In dem Oxidationsabgasabführkanal 72 sind ein Druckregulierventil 77 und ein Schalldämpfer 76 angeordnet. Das Druckregulierventil 77 ist eine Druckreguliereinrichtung, die als ein Regler funktioniert, der den Abführdruck des Oxidationsabgasabführkanals 72 reguliert. Der Schalldämpfer 65 ist eine schalldämpfende Einrichtung zum Dämpfen der Abführgeräusche des Oxidationsabgases. Das aus dem Druckreglerventil 77 abgeführte Oxidationsabgas wird abgezweigt. Das Oxidationsabgas von einer Abzweigung strömt in den Verdünner 62 und wird durch Mischen mit dem in dem Verdünner 62 einbehaltenen Brenngasabgas verdünnt. Das Oxidationsabgas der anderen Abzweigung gelangt durch den Schalldämpfer 65, wo die Geräusche absorbiert werden, und wird dann mit dem durch Mischen in dem Verdünner 62 verdünnten Gas vermischt und nach außerhalb des Fahrzeugs abgeführt.
Ein Spannungssensor 84, ein Stromsensor 86, ein Brennstoffzellen-Wandler bzw. BZ-Wandler 90, eine Batterie 91, ein Batteriecomputer 92, ein Inverter 93, ein Fahrzeugfahrmotor 94, ein Inverter 95, eine Hochspannungs-Hilfsvorrichtung 96, ein Relais 97 und ein Batterie-Gleichstromwandler 98 sind mit dem Leistungssystem 9 des Brennstoffzellensystems 10 verbunden.
Der Brennstoffzellen-Gleichstromwandler 90 (der nachstehend als der „BZ-Wandler” bezeichnet wird) ist eine Spannungsumwandlungseinrichtung zum Umwandeln der Spannung zwischen primärseitigen Anschlüssen und sekundärseitigen Anschlüssen. Insbesondere handelt es sich bei diesem Wandler um eine Spannungsumwandlungseinrichtung zum Umwandeln einer Spannung zwischen einer Primärseite und einer Sekundarseite, in der die Ausgangsanschlüsse der Brennstoffzelle 20 mit den primärseitigen Anschlüssen des Wandlers verbunden sind, die Anschlüsse des Ausgangsinverters 93 der Batterie 91 mit den primärseitigen sekundärseitigen Anschlüssen verbunden sind und die Ausgangsanschlüsse der Brennstoffzelle 20 mit den sekundärseitigen Anschlüssen verbunden sind. Der Batterie-Gleichstromwandler 98 (der nachstehend als „Batteriewandler” bezeichnet wird), ist gleichfalls eine Spannungsumwandlungseinrichtung zum Umwandeln einer Spannung zwischen den primärseitigen Anschlüssen und den sekundärseitigen Anschlüssen. Insbesondere sind die primärseitigen Anschlüsse mit den Ausgangsanschlüssen der Batterie 91 verbunden, und die sekundärseitigen Anschlüsse sind mit den Eingangsanschlüssen des Inverters 93 verbunden und mit dem BZ-Wandler 90 parallel geschaltet.
Insbesondere verstärkt der BZ-Wandler 90 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20, die mit den primärseitigen Anschlüssen verbunden ist, und führt die verstärkte Spannung den Eingangsanschlüssen des Inverters 93 zu, der mit den sekundärseitigen Anschlüssen verbunden ist. Wenn die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugte Leistung unzureichend ist, verstärkt der Batteriewandler 98 die Ausgangsspannung der Batterie 91, die mit den primärseitigen Anschlüssen verbunden ist, und führt die verstärkte Spannung den Eingangsanschlüssen des Inverters 93 zu, der mit den sekundärseitigen Anschlüssen verbunden ist. Wenn in der Brennstoffzelle 20 zu viel Leistung erzeugt wird, wird die Batterie 91 mit der überschüssigen Leistung der Brennstoffzelle 20 über den BZ-Wandler 90 und den Batteriewandler 98 aufgeladen. Wenn durch den Bremsbetrieb des Fahrzeugfahrmotors 94 eine Regenerationsleistung erzeugt wird, wird die Batterie 91 über den Batteriewandler 98 durch die Regenerationsleistung aufgeladen. Die umgewandelte Spannung wird zum Aufladen der Batterie 91 zugeführt. Um den Fehlbetrag der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten Leistung in Bezug auf die für den Fahrzeugfahrmotor 94 benötige Leistung auszugleichen, führt der BZ-Wandler 90 eine Spannungsumwandlung der Abführleistung von der Batterie 91 aus und gibt die umgewandelte Leistung an die sekundärseitigen Anschlüsse aus. Der BZ-Wandler 90 ist mit dem Relais 97 versehen, und wenn eine vorbestimmte Stoßeinwirkung ausgeübt wird, schließen die Ausgangsanschlüsse desselben kurz.
Somit ist der BZ-Wandler 90 an den sekundärseitigen Anschlüssen mit dem Relais 97 versehen. Das Relais 97 hält im Normalzustand die Stromflussverbindung aufrecht. Wenn jedoch die vorbestimmte Stoßeinwirkung auf den BZ-Wandler 90 ausgeübt wird, geht das Relais 97 in einen Ausschaltzustand über, und die sekundärseitigen Anschlüsse des BZ-Wandlers 90 werden von dem Inverters 93, dem Inverter 95 und dem Batteriewandler 98 elektrisch getrennt.
Die sekundärsseitigen Anschlüsse des BZ-Wandlers 90 sind mit den Eingangsanschlüssen des Inverters 93 und des Inverters 95 und mit den sekundärseitigen Anschlüssen des Batteriewandlers 98 durch den nachstehend beschriebenen Leistungsquellenstecker bzw. Netzstecker 283 elektrisch verbunden.
Bei der Batterie 91 handelt es sich eine Speichervorrichtung, die, als eine Sekundärbatterie, eine überschüssige Leistung sowie eine Regenerationsleistung speichert. Der Batteriecomputer 92 ist eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen des Ladezustands der Batterie 91. Der Inverter 93 ist eine Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln des durch die Brennstoffzelle 20 ausgegebenen und über den BZ-Wandler 90 oder einen Batteriewandler 98 zugeführten Gleichstroms in einen Drehstrom und zum Zuführen des erhaltenen Stroms zu dem Fahrzeugfahrmotor 94, bei dem es sich um eine Last bzw. einen Verbraucher oder eine Antriebsvorgabe der Brennstoffzelle 20 handelt. Der Fahrzeugfahrmotor 94 ist eine Antriebseinrichtung, bei der es sich um eine Hauptantriebsvorrichtung für das Brennstoffzellenfahrzeug handelt, die für einen Antrieb unter Verwendung des Drehstroms vom Inverter 93 dient. Der Inverter 95 ist eine Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlungseinrichtung zum Zuführen der Wechselstromleistung zu den verschiedenen Hochspannungs-Hilfsvorrichtungen 96, aus denen das Brennstoffzellensystem 10 besteht. Der Begriff Hochspannrings-Hilfsvorrichtung 96 steht allgemein für eine Antriebseinrichtung, bei der ein anderer Motor als der Fahrzeugfahrmotor 94 verwendet wird. Insbesondere sind mit diesem Begriff die Motoren der Kühlflüssigkeitspumpe 35, der Wasserstoffpumpe 75 und des Inverters 95 gemeint.
Der Spannungssensor 84 ist eine Spannungserfassungseinrichtung zum Messen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20. Der Stromsensor 86 ist eine Stromerfassungseinrichtung zum Messen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20. Der Spannungssensor 84 und der Stromsensor 86 werden zum Erfassen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20 und zum Schätzen der in der Brennstoffzelle 20 enthaltenen Feuchtigkeitsmenge verwendet.
Die Inverter 93 und 95 wandeln den Gleichstrom in einen Drehstrom um und führen den umgewandelten Strom dem Fahrzeugfahrmotor 94 und der Hochspannungs-Hilfsvorrichtung 96 zu. Ein Drehzahlsensor 99, der die Drehzahl des Fahrzeugfahrmotors 94 erfasst, ist an dem Fahrzeugfahrmotor 94 angeordnet. Die Vorderreifen 101, bei denen es sich um Räder handelt, sind mittels eines Differentials mit dem Fahrzeugfahrmotor 94 mechanisch gekoppelt, und die Rotationsleistung des Fahrzeugfahrmotors 94 kann in die Antriebsleistung des Fahrzeugs umgewandelt werden.
Eine Steuerungseinheit 80 zum Steuern der gesamten Leistungserzeugungskonfiguration des Brennstoffzellensystem 10 ist in dem Brennstoffzellensystem 10 angeordnet. Die Steuerungseinheit 80 besteht aus einem allgemein gebräuchlichen Computer, der mit einer CPU (zentralen Verarbeitungseinheit), einem RAM, einem ROM, einer Schnittstellenschaltung und dergleichen (die in der Figur nicht gezeigt sind) ausgestattet ist. Die Steuerungseinheit 80 kann aus einem Computer oder einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Computer bestehen. Die Steuerungseinheit 80 führt beispielsweise die nachstehend aufgezählten Steuerungsabläufe aus, wobei diese Aufzählung nicht erschöpfend ist.

(1) Ein Schaltsignal von dem Zündschalter 82 wird eingegeben, und das Brennstoffzellensystem 10 wird gestartet oder gestoppt.
(2) Die Erfassungssignale eines Gaspedals (das in der Figur nicht gezeigt ist) und eine Schaltposition und das Drehzahlsignal von dem Drehzahlsensor 99 werden aufgenommen, und ein Steuerparameter, wie z. B. eine vom System angeforderte Leistung, bei der es sich um den notwendigen Leistungszuführbetrag handelt, wird berechnet.
(3) Die Drehzahl des Luftkompressor 75 wird auf der Basis des relativen Werts des Drucks des Oxidationsgaszuführkanals 71, der durch den Drucksensor 73 erfasst wird, gesteuert, so dass die Oxidationsgaszuführmenge zu dem Oxidationsgaszuführkanal 71 einen geeigneten Wert annimmt.
(4) Der Öffnungswinkel des Druckstellventils 77 wird so gesteuert, dass die Menge des Oxidationsabgases, das in den Oxidationsabgasabführkanal 72 abgeführt wird, einem angemessenen Wert entspricht.
(5) Der Öffnungswinkel des Hauptventils 43 oder der angepasste Druck der Einspritzdüse 45 wird auf der Basis der relativen Werte des durch die Drucksensoren 44, 58, 59 erfassten Drucks angepasst, so dass die Oxidationsgaszuführmenge, die dem Brenngaszuführkanal 40 zugeführt wird, einen angemessenen Wert annimmt.
(6) Die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 55 oder der Öffnungswinkel des Ableitventil 63 wird gesteuert, während der Wert des Drehzahlsensors 57 überwacht wird, so dass die zu dem Zirkulationsweg 51 zirkulierende Brennstoffabgasmenge einen angemessenen Wert annimmt.
(7) Das Öffnen und Schließen des Hauptventils 43, des Sperrventils 46, des Sperrventils 52 oder dergleichen wird dem Betriebsmodus entsprechend gesteuert.
(8) Die Zirkulationsmenge der Kühlflüssigkeit wird berechnet, und die Drehzahl der Kühlflüssigkeitspumpe 35 wird auf Basis des durch die Temperatursensoren 32, 36 erfassten relativen Werts der Kühlflüssigkeitstemperatur gesteuert.
(9) Der Wechselstromwiderstand der Brennstoffzelle 20 wird auf der Basis des durch den Spannungssensor 84 erfassten Spannungswerts und des durch den Stromsensor 86 erfassten Stromwerts berechnet, der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran wird geschätzt und berechnet, und eine Spülmenge zum Zeitpunkt des Fahrzeug stillstands wird gesteuert.
(10) Das Leistungssystem 9 wird gesteuert. Der BZ-Wandler 90, der Batterie-Wandler 98, die Inverter 93 und 95, der Fahrzeugfahrmotor 94 und die Hochspannungs-Hilfsvorrichtung 96 werden gesteuert.

Anordnung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug
Die Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß Ausführungsform 1 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 10 erläutert. 2 zeigt die Anordnung der grundlegenden Einheiten des Brennstoffzellensystems in dem Brennstoffzellenfahrzeug. In 2 sind eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Vorderansicht gezeigt.
Wie in der Seitenansicht und der Draufsicht in 2 zu erkennen ist, sind die Umrisse eines Fahrzeugs 100, eines Vorderreifens 101, eines Hinterreifens 102, eines Vordersitzes 103 und eines Rücksitzes 104 durch gestrichelte Linien gezeigt. Wie in der Seitenansicht von 2 gezeigt ist, ist ein Armaturenbrett 105, das einen Raum (der nachstehend als eine „Fahrgastzelle” bezeichnet wird), der durch einen Insassen besetzt wird, unterteilt, durch eine groß gestrichelte Linie gezeigt. Die Umrisse der grundlegenden Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 sind durch durchgezogene Linien gezeigt. In 2 ist von den grundlegenden Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 die Anordnung der Brennstoffzelle 20, des BZ-Wandlers 90, des Inverters 93, des Fahrzeugfahrmotors 94, des ersten Brenngasbehälters 42a und des zweiten Brenngasbehälters 42b beispielhaft gezeigt.
Wie in der Seitenansicht von 2 gezeigt ist, sind die Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 in der Unterseite des Fahrzeugs 100 angeordnet, das durch das Armaturenbrett 105 unterteilt ist. Der Raum über dem Armaturenbrett 105 ist die Fahrgastzelle. Die Brennstoffzelle 20 befindet sich unter dem Vordersitz 103 in einem fast mittigen Bereich bezogen auf die Gesamtlänge des Fahrzeugs in der von vorne nach hinten verlaufenden Richtung des Fahrzeugs und die Fahrzeugbreite in der von links nach rechts verlaufenden Richtung. Der BZ-Wandler 90 ist vor der Brennstoffzelle 20 benachbart zur Brennstoffzelle 20 angeordnet, so dass er direkt mit den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle 20 verbunden ist. Ein Tunnelbereich 109, der in der von vorne nach hinten verlaufenden Richtung ansteigt, ist zwischen einem rechten Vordersitz 103R und einem linken Vordersitz 103L in dem Armaturenbrett 105 angeordnet, um den für die Füße des Fahrzeuginsassen vorgesehenen Raum zu vergrößern. Der BZ-Wandler 90 ist in dem Tunnelbereich 109 aufgenommen. Der Fahrzeugfahrmotor 94 ist an der Vorderseite des Fahrzeugs 100 in der Nähe der Vorderreifen 101 angeordnet, um die Vorderreifen 101 anzutreiben. Der Inverter 93 ist in der Nähe des Fahrzeugfahrmotors 94 angeordnet, um dem Fahrzeugfahrmotor 94 elektrische Leistung zuzuführen. Da der erste Brenngasbehälter 42a der Brennstoffzelle 20 Brenngas zuführt, befindet sich dieser Behälter an der Rückseite der Brennstoffzelle 20.
Wie vorstehend erwähnt sind die Brennstoffzelle 20 und der BZ-Wandler 90 in der Draufsicht nahe der Mitte des Fahrzeugs 100 und in der Seitenansicht unter dem Armaturenbrett 105 in der Seitenansicht angeordnet. Ein sich von vorne nach hinten erstreckender Rahmen des Fahrzeugs 100 und eine Querstrebe, die sich in der Breitenrichtung des Fahrzeugs 100 erstreckt, sind so angeordnet, dass sie die Brennstoffzelle 20 und den BZ-Wandler 90 umgeben. Somit sind die Brennstoffzelle und der BZ-Wandler an Positionen angeordnet, in denen eine Beschädigung derselben in Reaktion auf Stoßeinwirkungen von der Vorderseite des Fahrzeugs 100 und auch aus der Querrichtung unwahrscheinlich ist. Da die Brennstoffzelle 20 gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem als eine Komponente bzw. ein Bestandteil des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, wie vorstehend beschrieben wurde, ist in Bezug auf eine Störbeeinflussung durch die Fahrbahnoberfläche, d. h. eine Stoßeinwirkung von unten, eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit gewährleistet.
In der nachstehenden Erläuterung ist die Brennstoffzelle 20 in dem Fahrzeug 100 in Form eine Brennstoffzellenanordnung 200 angeordnet, und der BZ-Wandler 90 ist in dem Fahrzeug in Form einer Wandleranordnung 250 angeordnet. Der BZ-Wandler 90 ist ein Beispiel für die zugeordnete Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Ansicht des Fahrzeugs von unten, in der die Anordnung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform 1 enthalten ist. Elemente, wie z. B. nachstehend beschriebener Rahmen, Elemente und Säulen, bestehen aus Metallmaterialen mit einer vorbestimmten Steifigkeit, z. B. Aluminium, rostfreier Stahl und Eisen. Die Metallmaterialien können unter dem Standpunkt der Verarbeitbarkeit, Festigkeit, Dauerhaltbarkeit, Gewicht und Kosten nach Belieben ausgewählt werden. Die Metallmaterialien können einer hinreichend bekannten Härtungsverarbeitung, z. B. dem Abschrecken und Legieren, unterzogen werden.
Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Bodenblech 111 über der gesamten Oberfläche des unteren Bereichs des Fahrzeugs 100 angeordnet. Die vorderen Rahmen 114 und 115 sind in überstehender Weise an der Unterseite im vorderen Bereich des Fahrzeugs 100 angeordnet und bilden am vorderen Bereich des Fahrzeugs 100 eine Gerüststruktur. Eine vordere Querstrebe 110 ist in den allervordersten Bereichen des vorderen Rahmens 114 und 115 angeordnet, und außerdem ist der in 1 gezeigte Strahlkörper 33 daran befestigt. Ein vorderes Aufhängungselement 112 ist an der Rückseite der vorderen Querstrebe 110 angeordnet. Das vordere Aufhängungselement 112 ist an den vorderen Rahmen 114 und 115 befestigt. Der in 1 und 2 gezeigte Fahrzeugfahrmotor 94 ist in dem Bereich angeordnet, der durch die vordere Querstrebe 110 und das vordere Aufhängungselement 112 umgeben ist.
Die Brennstoffzellenanordnung 200 ist an dem vorderen Rahmen 114 und dem vorderen Rahmen 115 an der Vorderseite des Fahrzeugs sowie an einer dritten Querstrebe 136 auf der Fahrzeugrückseite befestigt. Wie in 3 gezeigt ist, erstrecken sich ein Paar von Teilrahmen 118 und 119 von einer Stelle hinter der Befestigungsposition des vorderen Aufhängungselements 112 an den vorderen Rahmen 114 und 115 in Richtung der Brennstoffzellenanordnung 200. Die Endbereiche der Teilrahmen 118 und 119 sind mit einer Klammer 122 und einer Klammer 123 zusammen an dem schützenden Strukturkörper 220 (der nachstehend unter Bezugnahme auf 5 etc. beschrieben wird) der Brennstoffzellenanordnung 200 befestigt. Eine Wandleranordnung 250 (die nachstehend unter Bezugnahme auf 5 etc. beschrieben wird) ist zwischen dem Paar von Teilrahmen 118 und 119 angeordnet. Die Wandleranordnung 250 ist an den Teilrahmen 118 und 119 befestigt. Ein Unterblech 240 ist an der unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet, der die Brennstoffzellenanordnung 200 darstellt. Ein Unterblech 270 ist an der unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 260 angeordnet, der die Wandleranordnung 250 darstellt.
Ein seitliches Schwellerelement 128 und ein seitliches Walzenelement 129 sind an der seitlichen Oberfläche des Fahrzeugs 100 angeordnet. Eine erste Querstrebe 126, eine zweite Querstrebe 132 und eine dritte Querstrebe 136 sind quer zur vorderen und zur hinteren Seite angeordnet und an den seitlichen Schwellerelementen 128 und 129 befestigt. Diese Querstreben bilden eine starre Struktur, die gegen Kollisionskräfte aus der Querrichtung des Fahrzeugs 100 wirkt. Gemäß der Erfindung der vorliegenden Anmeldung ist die Brennstoffzellenanordnung 200 zwischen der ersten Querstrebe 126 und der dritten Querstrebe 136 in der von vorne nach hinten verlaufenden Richtung und zwischen dem vorderen Rahmen 114 und dem vorderen Rahmen 115 in der Breitenrichtung, in der Draufsicht derselben, angeordnet.
Ein hinteres Schwellerelement 146 und ein hinteres Schwellerelement 147 erstrecken sich von den hinteren Seiten der seitlichen Schwellerelemente 128 und 129 in Richtung des Umfangs der Hinterreifen 102 im hinteren Bereich des Fahrzeugs 100, Eine vierte Querstrebe 138, eine fünfte Querstrebe 150 und eine hintere Querstrebe 160 sind von der vorderen Seite zur hinteren Seite quer angeordnet und an den hinteren Schwellerelementen 146 und 147 befestigt. Diese Querstreben bilden eine starre Struktur, die gegen Kollisionskräften aus der Querrichtung des hinteren Bereichs des Fahrzeugs wirkt. In den hinteren Schwellerelementen 146 und 147 ist eine Teilquerstrebe 144 auf der Rückseite der vierten Querstrebe 138 quer angeordnet, und der erste Brenngasbehälter 42a ist zwischen der vierten Querstrebe 138 und der Teilquerstrebe 144 angeordnet. Ein Verbinder 140 und ein Verbinder 141 sind vorgesehen, und der erste Brenngasbehälter 42a ist zwischen der vierten Querstrebe 138 und der Teilquerstrebe 144 befestigt. Eine Teilquerstrebe 151 ist am hinteren Bereich der fünften Querstrebe 150 quer angeordnet, und der zweite Brenngasbehälter 42b ist zwischen der fünften Querstrebe 150 und der Teilquerstrebe 151 angeordnet. Ein Verbinder 152 und ein Verbinder 153 sind vorgesehen, und der zweite Brenngasbehälter 42b ist zwischen der fünften Querstrebe 150 und der Teilquerstrebe 151 befestigt.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist ein kerbenförmiger Verformungsverstärkungsbereich 113 an der Rückseite des mittleren Bereichs des vorderen Aufhängungselements 112 angeordnet. Wenn eine Kollisionsstoßeinwirkung auf die Fahrzeugvorderseite ausgeübt wird, und ein vorderes Aufhängungselement 112 an der Wandleranordnung 250 anstößt, wird der Verformungsverstärkungsbereich 113 sogleich verformt und eingeknickt, wodurch Energie absorbiert wird. Dabei kann verhindert werden, dass die Wandleranordnung 250 sich weiter nach hinten bewegt.
4 ist eine Seitenansicht des Fahrzeugs, das die Anordnung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform 1 enthält.
Wie in 4 gezeigt ist, ist der Fahrzeugfahrmotor 94 an einer Motorhalterung 130, die an dem vorderen Aufhängungselement 112 angeordnet ist, mit einem dazwischen angeordneten Montagegummi 131 befestigt. Wenn bei einer solchen Konfiguration eine Kollisionsstoßeinwirkung auf die Fahrzeugvorderseite ausgeübt wird, bewegt sich der Fahrzeugfahrmotor 94 nach hinten, und das vordere Aufhängungselement 112 wird ebenfalls nach hinten bewegt. Wie bereits vorstehend unter Bezugnahme auf 2 erwähnt wurde, sind die Brennstoffzellenanordnung 200 und die Wandleranordnung 250 im Inneren des Tunnelbereichs 109 angeordnet, der Teil des Armaturenbretts 105 und zwischen den Vordersitzen 103R und 103L angeordnet ist. Die Brennstoffzellenanordnung 200 ist so konfiguriert, dass die Brennstoffzelleneinheit 201 an dem schützenden Strukturkörper 220 angeordnet ist, bei dem das Unterblech 240 an der unteren Oberfläche desselben angeordnet ist. Die Wandleranordnung 250 ist so konfiguriert, dass der BZ-Wandler 90 an dem schützenden Strukturkörper 260 angeordnet ist, der mit dem Unterblech 270 versehen ist. Vordere Säulen bzw. Frontsäulen 106 sind aufrecht an der Vorderseite der seitlichen Schwellerelemente 128 und 129 angeordnet, und eine mittlere Säule 107 ist aufrecht an einem mittleren Bereich der seitlichen Schwellerelemente 128 und 129 angeordnet. Eine hintere Säule 108 ist aufrecht an dem mittleren Bereich des hinteren Schwellerelements 146 angeordnet. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 erwähnt wurde, bilden die seitlichen Schwellerelemente 128 und 129 eine Gerüststruktur, in der die Brennstoffzellenanordnung 200 von der ersten Querstrebe 126, der zweiten Querstrebe 132 und der dritten Querstrebe 136 umgeben ist.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind die Rahmen, Elemente und Säulen allesamt in einer Struktur vorgesehen, in der auf einem Metallblech oder einer starren verstärkten Struktur, in der eine Mehrzahl von solchen Metallblechen miteinander kombiniert ist, Erhöhungen und Vertiefungen ausgebildet sind. Durch Verwendung dieser Strukturen kann eine leichtgewichtige Konfiguration mit einer hohen mechanischen Festigkeit geschaffen werden.
Strukturen der Brennstoffzellenanordnung 200 und der Wandleranordnung 250 Die Strukturen der Brennstoffzellenanordnung 200 und der Wandleranordnung 250 werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
5 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzellenanordnung 200 und der Wandleranordnung 250 gemäß Ausführungsform 1. In dem in 2 bis 4 gezeigten Fahrzeug sind die Wandleranordnung 250 und die Brennstoffzellenanordnung 200 so angeordnet, dass sie sich jeweils an der Vorderseite und der Rückseite befinden.
Brennstoffzellenanordnung 200
Wie in 5 gezeigt ist, ist die Brennstoffzellenanordnung 200 so ausgebildet, dass die Brennstoffzelleneinheit 210 auf der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet ist. Das Unterblech 240 ist auf der Seite der unteren Oberfläche (untere Oberfläche/hintere Oberfläche) des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 201 ist so ausgestaltet, dass ein oberes Gehäuse 202 und ein unteres Gehäuse 203 so aneinander befestigt sind, dass ein oberer Flansch 204 und ein unterer Flansch 206 zueinander ausgerichtet sind. Der schützende Strukturkörper 220 weist einen geneigt ausgeführten Rahmen 234 und einen geneigt ausgeführten Rahmen 235 auf, die an zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Rahmenstrukturkörpers 221 angeordnet sind. Ein Befestigungsbereich 226 und ein Befestigungsbereich 227 sind in den Ecken auf der Vorderseite des Rahmenstrukturkörpers 221 vorgesehen, und ein Befestigungsbereich 224 und ein Befestigungsbereich 225 sind in den Ecken der Rückseite vorgesehen. Die in 3 gezeigten vorderen Rahmen 114 und 115 sind an den Befestigungsbereichen 226 und 227 befestigt, und die in 3 gezeigte dritte Querstrebe 136 ist an den Befestigungsbereichen 224 und 225 befestigt.
Wie in 5 gezeigt ist, ist der schützende Strukturkörper 220 so an dem Fahrzeug 100, das in 2 bis 4 gezeigt ist, befestigt, dass der geneigt ausgeführte Rahmen 234 oder 235 in die Breitenrichtung des Fahrzeugs gerichtet ist. Die Brennstoffzelleneinheit 201 ist gleichfalls an dem schützenden Strukturkörper 220 befestigt, so dass die geneigt ausgeführten Bereiche des oberen Flansches 204 und des unteren Flansches 206 in der Breitenrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet sind. Wie in 5 gezeigt ist, ist in diesem Fall die Brennstoffzelleneinheit 201 an dem schützenden Strukturkörper 220 so befestigt, dass die Neigungsrichtung des oberen Flansches 204 und des unteren Flansches 206 entgegensetzt zur Neigungsrichtung der geneigt ausgeführten Rahmen 234 und 235 des schützenden Strukturkörpers 220 ist. Bei einer solchen Konfiguration weist die Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Struktur auf, die in Bezug auf Stoßeinwirkungen aus der Querrichtung des Fahrzeugs außergewöhnlich fest ist.
6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzellenanordnung 200 gemäß der Ausführungsform 1.
Wie in 6 gezeigt ist, ist die Brennstoffzellenanordnung 200 so ausgestaltet, dass die Brennstoffzelleneinheit 201 auf der Seite der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet ist und das Unterblech 240 auf der Seite der unteren Oberfläche (Bodenoberfläche) angeordnet ist.
Das Unterblech 240 ist eine Schutzeinrichtung zum Schützen der Brennstoffzelleneinheit 201 vor Stoßeinwirkungen (Störbeeinflussungen der Fahrbahnoberfläche) von der unteren Oberfläche des in 2 gezeigten Fahrzeugs. Die Befestigungslöcher 241 für eine Befestigung an der unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 sind in vier Ecken des Unterblechs 240 angeordnet ist. Einzelheiten der Struktur des Unterblechs 240 werden nachstehend unter Bezugnahme auf 8 erläutert.
Wie in 6 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelleneinheit 201 auf der Oberseite des schützenden Strukturkörpers 220 befestigt, und das Unterblech 240 ist auf der Unterseite des schützenden Strukturkörpers 220 befestigt. Insbesondere ist die Brennstoffzelleneinheit 201 so angeordnet, dass eine untere Oberfläche 213 der Brennstoffzelleneinheit 201 die Seite der oberen Oberfläche eines Befestigungssitzes 236 berührt, der auf der Innenseite des Rahmenstrukturkörpers 221 des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet ist. Das Unterblech 240 ist auf die hintere Oberfläche des Befestigungssitzes 236 gepasst, der auf der Innenseite des Rahmenstrukturkörpers 221 angeordnet ist. Zudem werden Schrauben 208, bei denen es sich um Befestigungselemente handelt, von unterhalb des Unterblechs 240 in die jeweiligen in dem Unterblech 240 vorgesehenen Befestigungslöcher 241 eingefügt. Die Schrauben 208 werden ferner in die in dem Befestigungssitz 236 vorgesehenen Befestigungslöcher 237 eingefügt und in die in der unteren Oberfläche 213 der Brennstoffzelleneinheit 201 vorgesehenen Schraublöchern geschraubt. Durch diese Art des Befestigen werden die Brennstoffzelleneinheit 201 und das Unterblech 240 in den schützenden Strukturkörper 220 integriert und somit die Brennstoffzellenanordnung 200 ausgebildet.
Der in der vorstehend beschriebenen Art und Weise integrierte schützende Strukturkörper 220 ist an dem in 2 bis 4 gezeigten Fahrzeug 100 befestigt.
Zunächst werden die Befestigungselemente 226 und 227 an der Fahrzeugvorderseite des schützenden Strukturkörpers 220 an den vorderen Rahmen 114 und 115 befestigt, wie in 3 gezeigt ist. Der Befestigungsbereich 226 wird durch Einfügen der Schraube 208, bei der es sich um ein Befestigungselement handelt, von einer Seite in das Befestigungsloch 230 des Befestigungselements und das Befestigungsloch 116 des vorderen Rahmens 114 und Verschrauben der Mutter 209 mit der Schraube von der anderen Seite befestigt. Der Befestigungsbereich 227 wird durch Einfügen der Schraube 208 von der einen Seite in das Befestigungsloch 231 des Befestigungselements und das Befestigungsloch 117 des vorderen Rahmens 115 und Verschrauben der Mutter 209 mit der Schraube von der anderen Seite befestigt.
Wie in 6 gezeigt ist, ist das seitliche Element an der Fahrzeugvorderseite des schützenden Strukturkörpers 220 durch Verwendung der Halterungen 122 und 123 als Verstärkungselemente fest an den Teilrahmen 118 und 119 befestigt, die in 3 gezeigt sind. Das Befestigungsloch 232 ist in dem seitlichen Element auf der Fahrzeugvorderseite des schützenden Strukturkörpers 220 so positioniert, dass es mit dem Befestigungsloch 120 des Teilrahmens 118 und dem Befestigungsloch 124 der Halterung 122 ausgerichtet ist. Dann wird die Schraube 208, bei der es sich um ein Befestigungselement handelt, von einer Seite eingefügt, und die Mutter 209 wird auf die Kugel bzw. den Kopf (ball) von der anderen Seite geschraubt, wodurch eine Befestigung des Endabschnitts des Teilrahmens 118 sichergestellt wird. Zudem ist das Befestigungsloch 233, das in dem seitlichen Element auf der Vorderseite des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet ist, so positioniert, dass es mit dem Befestigungsloch 121 des Teilrahmens 119 und dem Befestigungsloch 125 der Halterung 123 ausgerichtet ist. Dann wird die Schraube 208 von einer Seite eingefügt, und die Mutter 209 wird auf die Kugel bzw. den Kopf (ball) von der anderen Seite geschraubt, wodurch ein Befestigen des Endbereichs des Teilrahmens 119 sichergestellt wird. Da die Halterungen 122 und 123 als Verstärkungselemente dienen, sind die Teilrahmen 118 und 119 und der schützende Strukturkörper 220 besonders gut befestigt. Die Halterungen 122 und 123 können auch durch Schweißen an dem schützenden Strukturkörper 220 befestigt werden. Wenn das Befestigen durch Schweißen erfolgt, ist die Befestigung stärker als in dem Fall, in dem die Befestigung durch Befestigungselemente, wie z. B. Schrauben und Muttern, ausgeführt wird.
Wie in 3 gezeigt ist, sind die in den Ecken der Fahrzeugrückseite des schützenden Strukturkörpers 220 vorgesehenen Befestigungsbereiche 224 und 225 an der dritten Querstrebe 136 befestigt. Somit sind die Befestigungslöcher 228 und 229 der Befestigungsbereiche 224 und 225 und das Befestigungsloch 137 der dritten Querstrebe 136 ausgerichtet, wird die Schraube 208 von einer Seite eingefügt und ein Befestigen durch Verschrauben der Mutter 209 mit der Schraube von der anderen Seite vorgenommen.
Die seitlichen Oberflächen 210 und 211 der Brennstoffzelleneinheit 201 sind dort, wo die geneigt ausgeführten Bereiche des oberen Flansches 204 und des unteren Flansches 206 angeordnet sind, an den Befestigungssitzen 236 so befestigt, dass sie in die Fahrzeugbreitenrichtung gerichtet sind. Dies geschieht deshalb, weil, dort, wo die mit den Flanschflächen versehene Oberfläche in die Breitenrichtung des Fahrzeugs gerichtet ist, der Widerstand der Brennstoffzelleneinheit 201 gegenüber Stoßeinwirkungen, die im Fall einer Kollision aus der Querrichtung auftreten, erhöht werden kann.
Die Brennstoffzelleeinheit 201 ist an dem schützenden Strukturkörper 220 in einer Ausrichtung befestigt, so dass die geneigt ausgeführten Bereiche des oberen Flansches 204 und des unteren Flansches 206 bei einem Übergang von der Fahrzeugvorderseite auf die Fahrzeugrückseite niedriger werden. Demgegenüber sind die geneigt ausgeführten Rahmen 234 und 235 des schützenden Strukturkörpers 220 so angeordnet, dass sie mit bei einem Übergang von dem vorderen Bereich des Fahrzeugs auf den hinteren Bereich des Fahrzeugs höher werden. Somit ist die Brennstoffzelleneinheit 201 an dem schützenden Strukturkörper 220 so befestigt, dass die Neigungsrichtung der Flansche in der Brennstoffzelleneinheit 201 entgegengesetzt zur Neigungsrichtung der geneigten Rahmen 234 und 235 des schützenden Strukturkörpers 220 ist. Dadurch, dass die geneigten Strukturkörper, die in den zueinander entgegengesetzten Positionen so angeordnet sind, dass sie einander in entgegengesetzten Richtungen gegenüberliegen, kann die mechanische Festigkeit der Brennstoffzellenanordnung 200 weiter erhöht werden. Dies ist darin begründet, dass eine andersartige Struktur erzeugt wird, die gegenüber den Stoßeinwirkungen eine sehr hohe Steifigkeit aufweist.
Wandleranordnung 250
Die Struktur der Wandleranordnung 250 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die vorstehend erwähnte 5 sowie 7 ausführlicher beschrieben. 7 ist eine perspektivische Ansicht der unteren Oberfläche, die die Struktur der Wandleranordnung 250 darstellt.
Wie in 5 und 7 gezeigt ist, ist in der Wandleranordnung 250 der BZ-Wandler 90 auf der Seite der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 260 angeordnet, und das Unterblech 270 ist auf der Seite der unteren Oberfläche angeordnet.
Der BZ-Wandler 90 besteht aus einem oberen Gehäuse 251 und einem unteren Gehäuse 252. Ein Kühlflüssigkeitseinlass 253 und ein Kühlflüssigkeitsauslass 254 sind in einer vorderen Oberfläche 255 des BZ-Wandlers 90 angeordnet. Ein Stromkabel 256 ist an der Rückseite des BZ-Wandlers 90 vorgesehen und durch einen Anschlussverbinder 257 mit der im Inneren der Brennstoffzelleneinheit 201 angeordneten Brennstoffzelle 20 elektrisch verbunden. Eine Relaiseinheit 258 ist an der unteren Oberfläche auf der Rückseite des BZ-Wandlers 90 vorgesehen, und in ihr ist ein Relais 97 aufgenommen, das in 1 gezeigt ist. Wenn eine einen vorbestimmten Wert überschreitende Kollisionsstoßeinwirkung ausgeübt wird, unterbricht die Relaiseinheit 258 die elektrische Verbindung zwischen den sekundärseitigen Anschlüssen, die im Inneren des BZ-Wandlers 90 angeordnet sind, und den sekundärseitigen Anschlüssen des Batteriewandlers 98.
Ein mit einem Netzstecker 283 an seinem distalen Ende versehenes Stromkabel 282 ist mit dem hinteren Bereich des BZ-Wandlers 90 verbunden, um die Leistungszufuhr bzw. Stromzufuhr zu dem Fahrzeugfahrmotor 94 zu ermöglichen.
Der schützende Strukturkörper 260 ist eine Schutzeinrichtung zum Schützen des BZ-Wandlers 90 vor einer Störbeeinflussung durch die Fahrbahnoberfläche, d. h. vor Stoßeinwirkungen von Kollisionen von der Seite der unteren Oberfläche des Fahrzeugs. in dem schützenden Strukturkörper 260 ist ein Unterblech 270 an der unteren Oberfläche eines Rahmenstrukturkörpers 261, der mit Befestigungsbereichen 263 und 265 versehen ist, angeordnet.
Der Befestigungsbereich 263 ist auf der Fahrzeugrückseite des schützenden Strukturkörpers 260 angeordnet, und der Befestigungsbereich 265 ist an der Fahrzeugvorderseite angeordnet. Bei den Befestigungsbereichen 263 und 265 handelt es sich um Elemente, die den schützenden Strukturkörper 260 an vier Punkten von Diagonalen halten, und es wird somit eine gekrümmte Struktur, wie sie in der Figur gezeigt ist, geschaffen. Der Befestigungsbereich 263 auf der Fahrzeugrückseite weist an seinem distalen Ende eine Befestigungsnut 264 auf, die sich in der Breitenrichtung des Fahrzeugs öffnet. Bei dem Befestigungsbereich 265 auf der Fahrzeugvorderseite ist an dem distalen Ende desselben eine Befestigungsnut 266 vorhanden, die sich in die vordere Richtung des Fahrzeugs öffnet. Durch das Paar von Befestigungsbereichen 263 und das Paar von Befestigungsbereichen 263 werden Schrauben 281 in die jeweiligen Befestigungsnuten 264 und 266 eingefügt, um mit den Befestigungslöchern der Teilrahmen 118 und 119 verschraubt zu werden. Die Befestigungsnut 266 des Befestigungsbereichs 265 an der Fahrzeugvorderseite öffnet sich in der der vorderen Richtung des Fahrzeugs, wohingegen sich die Befestigungsnut 264 des Befestigungsbereichs 263 auf der Rückseite des Fahrzeugs in der Breitenrichtung des Fahrzeugs öffnet. Wenn dabei eine Stoßeinwirkung von der Vorderseite des Fahrzeugs auf die Wandleranordnung 250 ausgeübt wird, ist es wahrscheinlicher, dass die Befestigungsnut 266 des Befestigungsbereichs 265 auf der Fahrzeugvorderseite sich lockert und von der Schraube 281 löst als die Befestigungsnut 264 des Befestigungsbereichs 263 auf der Fahrzeugrückseite. Die jeweiligen Befestigungssitze 262 sind in den vier inneren Ecken des Rahmenstrukturkörpers 261 vorgesehen. Ein Befestigungsloch 267 ist in jedem der Befestigungssitze 262 vorgesehen.
Das Unterblech 270 ist eine Schutzeinrichtung zum Schützen des BZ-Wandlers 90 vor einer Kollision (Störbeeinflussung durch die Fahrbahnoberfläche) von der unteren Oberfläche des in 2 gezeigten Fahrzeugs. Die Befestigungslöcher 271 zum Befestigen an dem Befestigungssitz 262 des schützenden Strukturkörpers 260 sind in den vier Ecken des Unterblechs 270 vorgesehen. Einzelheiten zu der Struktur des Unterblechs 270 werden nachstehend unter Bezugnahme auf 8 erläutert.
Ein Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich 268, der so vorsteht, dass er nach hinten gebogen ist, ist an der Vorderseite des schützenden Strukturköpers 260 vorgesehen. Der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich 268 ist mit dem Rahmenstrukturkörper 261 einstückig ausgebildet. Der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich 268 kann auch als eine von dem Rahmenstrukturkörper 261 getrennte Struktur ausgestaltet sein, so dass er an dem BZ-Wandler 90 befestigt werden kann. Der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich 268 ist so ausgebildet, dass die Normale der vorstehenden Oberfläche nach unten sowie nach vorne ausgerichtet ist. Aufgrund einer solchen Ausgestaltung können Stoßeinwirkungen von vorne und hinten wirksam aufgenommen werden.
Unterbleche 240 und 270
Die Strukturen der Unterbleche 240 und 270 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden nachstehend erläutert. Das Unterblech 240, das an dem schützenden Strukturkörper 220 angeordnet ist, und das Unterblech 270, da an dem schützenden Strukturkörper 260 angeordnet ist, weisen zwar ähnliche Innenstrukturen, aber unterschiedliche Außenstrukturen auf. In der nachstehende Erläuterung wird auf beide Strukturen zusammen Bezug genommen. Die unten stehende Zahl in Klammern verweist auf das Bezugszeichen der Struktur in der Wandleranordnung 250.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Struktur des Unterblechs 240 (270) in Ausführungsform 1 darstellt. 8A ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Struktur des Unterblechs 240 (270) und des Rahmenstrukturkörpers 221 (261) darstellt. 8B ist eine Querschnittansicht des Unterblechs 240 (270) in dem Querschnitt VIII-b von 8A.
Wie in 8 gezeigt ist, wird das Unterblech 240 (270) von unterhalb des Rahmenstrukturkörpers 221 (261) des schützenden Strukturkörpers 220 (260) zusammengebaut und an der Brennstoffzelleneinheit (201) befestigt (siehe 6) (BZ-Wandler 90 (siehe 7)).
Bei einer solchen Konfiguration ist durch das Vorhandensein des Rahmenstrukturkörpers 221 (261) ein Zwischenraum zwischen der Brennstoffzelleneinheit 201 (BZ-Wandler 90) und dem Unterblech 240 (270) gewährleistet. Dieser Zwischenraum ermöglicht ein Hindurchströmen der Gasströmung und stellt einen Strömungskanal zum Austauschen des Gases, wie z. B. des Brenngases, bereit. Ferner werden Stoßeinwirkungen (Störbeeinflussung der Fahrbahnoberfläche) von der befahrenen Oberfläche des Fahrzeugs 100 durch das an der alleruntersten Oberfläche angeordnete Unterblech 240 (270) aufgenommen und absorbiert. Daher kann die Brennstoffzelleneinheit 201 (BZ-Wandler 90) vor der direkten Stoßeinwirkung der Störbeeinflussung durch die Fahrbahnoberfläche geschützt werden.
Wie in 8 gezeigt ist, ist das Unterblech 240 (270) so konfiguriert, dass es einen Verstärkungsrahmen 243 enthält. Im Inneren ist die Rahmenstruktur des Verstärkungsrahmens 243 mit Kohlefasern befüllt. Bei den Kohlefasern handelt es sich beispielsweise um eine Anhäufung von Fasern, die durch Calcinieren von Acrylfasern oder dergleichen hergestellt werden. Das Unterblech 240 (270) entsteht dadurch, dass der Rahmenstrukturkörper des Verstärkungsrahmens 243 im Inneren mit den Kohlefasern 240 befüllt wird. Diese Kohlefasern weisen eine hervorragende Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit, Wärmeausdehnungs- und Kontraktionsfähigkeit, Säurebeständigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit gegenüber Zugbeanspruchung auf. Insbesondere sind die Kohlefasern leichter als Metalle, wie z. B. Aluminium, und sind als eine an Fahrzeugen zu montierende Schutzstruktur geeignet, bei der die Reduktion des Gewichts ein wichtiges Ziel darstellt. Da das Unterblech 240 (270) den Verstärkungsrahmen 243 enthält, kann die Steifigkeit des gesamten Blechs erhöht werden, während das Gewicht des gesamten Blechs im Vergleich zu der aus Metallblechen bestehenden Konfiguration beträchtlich verringert ist.
Es können Kohlefasern 244 mit einer Anordnung der Faserausrichtung verwendet werden, jedoch wird die Verwendung eines durch kreuzweises Verweben der Fasern erstelltes Kohlegewebe mehr bevorzugt. Dies hat den Grund, dass die Festigkeit weiter erhöht werden kann, wenn das Kohlegewebe durch Verweben von Kohlefasern erhalten wird.
Aufnahme der elektrischen Systemkomponenten in der Brennstoffzelleeinheit 201 In 9 ist eine schematische Querschnittansicht der Brennstoffzelleneinheit 201 gezeigt, die den Aufnahmeraum für elektrische Systemkomponenten darstellt. 9 ist eine entlang dem Schnitt IX in 6 erstellte schematische Querschnittansicht der Brennstoffzellenanordnung 200.
Wie in 9 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle 20 in der Brennstoffzelleneinheit 201 an Schenkeln 207 befestigt. Genauer gesagt sind die Schenkel 207 an Positionen angeordnet, die mit den in dem Befestigungssitz 236 des Rahmenstrukturkörpers 221 angeordneten Befestigungslöchern 237 und den in dem Unterblech 240 angeordneten Befestigungslöchern 241 korrespondieren. Die von der hinteren Oberfläche des Unterblechs 204 in die Befestigungslöcher 241 und 237 eingefügten Schrauben 208 werden in die Schenkel 207 eingefügt, um die Brennstoffzelle 20 zu befestigen.
Im vorliegenden Zusammenhang ist die Brennstoffzelleeinheit 201 in einer Größe vorgesehen, dass ein oberer Raum Aa über der Brennstoffzelle 20 gebildet wird, und ein unterer Raum Ab unter der Brennstoffzelle 20 gebildet wird. Die auf die Brennstoffzelle 20 bezogenen elektrischen Schaltungskomponenten sind in diesem oberen Raum Aa und unterem Raum Ab aufgenommen.
Da das Unterblech 240 in der vorliegenden Ausführungsform auf der Seite der unteren Oberfläche angeordnet ist, weist der schützende Strukturkörper 220 mit der darin angeordneten Brennstoffzelleneinheit 201 eine sehr feste Struktur auf. Somit kann von dem Raum auf der Seite der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220, der durch den schützenden Strukturkörper 220 geschützt wird, behauptet werden, dass er vor Stoßeinwirkungen von unten ausreichend geschützt ist. Dementsprechend sind in der vorliegenden Ausführungsform elektrische Systemkomponenten, von denen man annimmt, dass sie eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen, auf der Seite der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 angeordnet. Genauer gesagt beinhalten die elektrischen Systemkomponenten Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren 32 und 36 (siehe 1), die die Innentemperatur der Brennstoffzelle 20 messen, und eine Zellenüberwachungseinrichtung, die die Brennstoffzellenspannung misst.
Die elektrischen Systemkomponenten können auch auf der Seite der oberen Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 260 vorgesehen sein, wo der BZ-Wandler 90 angeordnet ist. Die in dem hinteren Bereich des BZ-Wandlers 90 angeordnete Relaiseinheit 258 wird z. B. durch den schützenden Strukturkörper 260 vor Störbeeinflussungen von der Fahrbahnoberfläche geschützt.
Höhenanpassung der schützenden Strukturkörper 220 und 260
10 ist eine schematische Seitenansicht, die die Höhe darstellt, auf der der schützende Strukturkörper 260 mit dem darin angeordneten Wandler 90 und der schützende Strukturkörper 220 mit der darin angeordneten Brennstoffzelleneinheit 201 angeordnet sind. Wie in 10 gezeigt ist, ist das Unterblech 201, das als eine untere Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 mit der darin angeordneten Brennstoffzelleneinheit 201 dient, an einer Position angeordnet, die höher als das Unterblech 270 ist, das als eine untere Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 260 mit dem darin angeordneten BZ-Wandler 90 dient. Somit ist die untere Oberfläche der Brennstoffzellenanordnung 200 an einer Position angeordnet, die um einen Höhenunterschied Δh höher ist als die untere Oberfläche der Wandleranordnung 250.
Durch Vorsehen des Höhenunterschieds Δh kann die Brennstoffzelleneinheit 201 wirksam vor Stoßeinwirkungen (Störbeeinflussung von der Fahrbahnoberfläche) einer Kollision vor der Seite der unteren Oberfläche geschützt werden. Wie in 10 gezeigt ist, wird beispielsweise von dem Bodenblech 111 angenommen, dass es ein Hindernis R berührt, während das Fahrzeug 100 sich fortbewegt. Die durch eine Kollision mit dem Hindernis R hervorgerufene Stoßeinwirkung wird durch die Verformung des Bodenblechs 111 teilweise absorbiert, doch erreicht aufgrund der Verformung des Bodenblechs 111 ein Teil der Stoßeinwirkung die darüber angeordneten Vorrichtungen. Da in diesem Fall das Unterblech 270 der Wandleranordnung 250 an einer niedrigen Position angeordnet ist, berührt das Unterblech 270 das verformte Bodenblech 111 und nimmt die Stoßeinwirkung der Kollision auf. Das Unterblech 270 dient aufgrund des Verstärkungsrahmens 243 und der Kohlefasern 244 als eine starke Schutzbarriere. Zudem ist der schützende Strukturkörper 260 mit dem an der unteren Oberfläche desselben angeordneten Unterblech 270 an den Teilrahmen 118 und 119 befestigt, wie in 3 gezeigt ist. Daher wird die durch das Unterblech 270 aufgenommene Stoßeinwirkung der Kollision über den schützenden Strukturkörper 260 auf die Teilrahmen 118 und 119 überragen und durch Vibrationen oder Verformung der Teilrahmen 118 und 119 absorbiert. Dabei kann die Wirkung der Stoßeinwirkung der Kollision auf die Brennstoffzelleneinheit 201 verhindert werden, und die Brennstoffzelle 20, die einen geringen Widerstand gegenüber Kollisionsstoßeinwirkungen hat, kann wirksam geschützt werden.
Welcher Höhenunterschied Δh zwischen der unteren Oberfläche der Brennstoffzellenanordnung 200 und der unteren Oberfläche der Wandleranordnung 250 vorzusehen ist, kann unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen dem Volumen der Fahrgastzelle und dem Ausmaß der Stoßeinwirkungen, vor denen Schutz zu schaffen ist, bestimmt werden. Durch einen größeren Höhenunterschied Δh kann die Brennstoffzelle 20 vor stärkeren Stoßeinwirkungen geschützt werden. Wenn der Höhenunterschied Δh jedoch zunimmt, sollte die Höhe des Tunnelbereichs 109 oder des vorderen Blechs 103 erhöht und daher das Volumen der Fahrgastzelle verringert werden.
Vorzüge der Ausführungsform 1

(1) In dem Brennstoffzellensystem nach der Ausführungsform 1 ist die Brennstoffzelleneinheit 201 an dem schützenden Strukturkörper 220 mit dem auf der unteren Oberfläche desselben angeordneten Unterblech 240 angeordnet, und der BZ-Wandler 90 ist auf dem auf der schützenden Strukturkörper 260 mit dem auf der unteren Oberfläche desselben angeordneten Unterblech 270 angeordnet. Somit wird zwischen der Brennstoffzelleeinheit 201, dem BZ-Wandler 90 und den Unterblechen 240 und 260 der Zwischenraum sichergestellt, und eine Belüftung des Brenngases wird ermöglicht. Da außerdem die Unterbleche 240 und 270 auf der alleruntersten Oberfläche angeordnet sind, können die Brennstoffzelleneinheit 201 und der BZ-Wandler 90 vor Stoßeinwirkungen von der unteren Oberfläche wirksam geschützt werden.
(2) Da bei dem Brennstoffzellensystem nach der Ausführungsform 1 die Unterbleche 240 und 260 den Verstärkungsrahmen 243 beinhalten, kann die Steifigkeit des gesamten Blechs erhöht werden.
(3) Da bei dem Brennstoffzellensystem nach der Ausführungsform 1 die Unterbleche 240 und 260 so ausgestaltet sind, dass sie Kohlefasern 244 beinhalten, können Unterbleche mit einer hervorragenden Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit, thermischen Ausdehnungs-Kontraktionsfähigkeit, Säurebeständigkeit, geringen elektrischen Leitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber Zugbeanspruchung bereitgestellt werden. Da Kohlefasern insbesondere leichter sind als Metalle, wie z. B. Aluminium, ist diese Konfiguration als eine an einem Fahrzeug zu befestigende Schutzstruktur geeignet.
(4) Bei dem Brennstoffzellensystem nach Ausführungsform 1 ist das Stoßeinwirkungsverhinderungssystem 268, das Stoßeinwirkungen aus der Vorwärtsbewegungsrichtung verhindert, an dem schützenden Strukturkörper 260 angeordnet, der für den BZ-Wandler 90 vorgesehen ist. Dabei verhindert der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich 268 Stoßeinwirkungen aus der Vorwärtsbewegungsrichtung, und somit können Stoßeinwirkungen von vorne und von unten, von denen man annimmt, dass sie auftreten, wenn das Brennstoffzellensystem auf dem sich fortbewegenden Fahrzeug 100 angeordnet ist, effektiv gemäßigt werden.
(5) Bei dem Brennstoffzellensystem nach der Ausführungsform 1 wird der schützende Strukturkörper 220, der für die Brennstoffzelleneinheit 201 vorgesehen ist, an den vorderen Rahmen 114 und 115, den Teilrahmen 118 und 119 und auch an der dritten Querstrebe 136 befestigt. Der für den BZ-Wandler 90 vorgesehene schützende Strukturkörper 260 ist an den Teilrahmen 118 und 119 befestigt. Da somit die schützenden Strukturkörper 220 und 260 an der Fahrzeugstruktur befestigt sind, können die Brennstoffzelleneinheit 201 und der BZ-Wandler 90, die eine verhältnismäßig geringe Steifigkeit aufweisen, wirksam vor Kollisionsstoßeinwirkungen geschützt werden.
(6) Bei dem Brennstoffzellensystem nach der Ausführungsform 1 ist die untere Oberfläche der Brennstoffzellenanordnung 200 an einer Position angeordnet, die um den Höhenunterschied Δh höher ist als die untere Oberfläche der Wandleranordnung 250. Daher werden Kollisionsstoßeinwirkungen von der befahrenen Oberfläche durch den schützenden Strukturkörper 260 des BZ-Wandlers 90 aufgenommen, und somit kann die Brennstoffzelle 20, die einen geringen Widerstand gegenüber Kollisionsstoßeinwirkungen von der befahrenen Oberfläche aufweist, wirksam geschützt werden.
(7) Der obere Raum Aa ist über der Brennstoffzelle 20 angeordnet, und der untere Raum Ab ist unter der Brennstoffzelle im Inneren der Brennstoffzelleneinheit 201 angeordnet, und die elektrischen Systemkomponenten, die eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen und leicht kaputt gehen können, sind in den vorstehen erwähnten Räumen aufgenommen. Somit kann der vor den Stoßeinwirkungen von der Unterseite durch den schützenden Strukturkörper 220 geschützte Raum wirksam verwendet werden.

Ausführungsform 2
Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung betrifft ein Variationsbeispiel für das Unterblech.
Die Struktur eines Unterblechs 240b nach der Ausführungsform 2 wird in 11 beschrieben. 11A ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur des Unterblechs 240b darstellt. 11B ist eine Querschnittansicht des Unterblechs 240b im Querschnitt XIb in 11A.
Das Unterblech 240b gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann an dem schützenden Strukturkörper 220 oder an dem schützenden Strukturkörper 260 angeordnet sein. Zudem kann einer der schützenden Strukturkörper 220 und 260 als das Unterblech 240b nach der Ausführungsform 2 verwendet werden, und der andere kann als das Unterblech 240 (270) nach der vorstehend erwähnten Ausführungsform 1 verwendet werden.
Wie in 11B gezeigt ist, entsteht das Unterblech 240b durch Beschichten eines Blechs 245 mit einer Kohlefaserlage 246. Das Blech 245 besteht aus einem Metallmaterial mit einer vorbestimmten Steifigkeit, z. B. Aluminium, rostfreiem Stahl und Eisen. Die Kohlefaserschicht 246 kann durch Beschichten eine Oberfläche oder beider Oberflächen des Blechs 245 mit durch Calcinieren von Acrylfasern oder dergleichen hergestellten Kohlefasern gebildet werden.
Die Festigkeit des gesamten Unterblechs 240b wird durch die kombinierte Festigkeit des Blechs 245 und der Kohlefaserschicht 246 bestimmt. Daher kann die Dicke des Blechs 245 entsprechend auf die Dicke der darauf ausgebildeten Kohlefaserschicht 246 reduziert werden.
Da das Unterblech 240b gemäß der Ausführungsform 2 mit der Kohlefaserschicht 246 ausgestattet ist, die durch Beschichten mit Kohlefasern gebildet wird, kann ein Blech geschaffen werden, das eine hervorragende Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit, thermische Ausdehnungs- und Kontraktionsfähigkeit, Säurebeständigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen Zugbeanspruchung aufweist.
Durch Erhöhen der Dicke der Kohlefaserschicht 246, die leichter als Metall, wie z. B. Aluminium, ist, und Verringern der Dicke des Blechs 245, kann das Gewicht des Blechs verringert werden, während die Festigkeit des gesamten Blechs beibehalten werden kann.
Durch Anordnen des Unterblechs 240b gemäß der Ausführungsform 2 auf der unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers 220 oder 260 kann das Gewicht des Fahrzeugs 100 verringert werden, während die Brennstoffzelleneinheit 201 oder der BZ-Wandler 90 vor Kollisionsstoßeinwirkungen von der unteren Seite geschützt wird.
Die Kohlefaserschicht 246 kann aus Kohlegewebe gebildet sein. Durch Verwendung von Kohlegewebe kann die Festigkeit weiter erhöht werden.
Andere Variationsbeispiele
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend angeführten Ausführungsformen begrenzt und kann in unterschiedlicher Weise abgeändert werden.

(1) Zum Beispiel wird in den vorstehend angeführten Ausführungsformen der BZ-Wandler 90 beispielhaft als eine zugeordnete Vorrichtung dargestellt, die geschützt werden soll, doch können auch andere Vorrichtungen in ähnlicher Weise geschützt werden. Die Bestandteile des elektrischen Systems 9, wie z. B. der Batteriewandler 98, der Inverter 93, der Inverter 95 und die Batterie 91, und auch Bestandteile des Kühlflüssigkeitszuführsystems 3, des Brenngaszuführsystems 4 und des Oxidationsgaszuführsystems 7 können als zu schützende Objekte in Betracht gezogen werden.
(2) Die Struktur der schützenden Strukturkörper 220 und 260 und die Strukturen der Unterbleche 240, 240b und 270 in der vorstehend erwähnten Ausführungsformen sind lediglich exemplarisch, und es können viele verschiedene, hinreichend bekannte Strukturen verwendet werden, die die mechanische Festigkeit erhöhen können, während sie gleichzeitig eine Gewichtsreduktion ermöglichen.
(3) In den vorstehend erwähnten Ausführungsformen ist der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich 268 an dem schützenden Strukturkörper 260 vorgesehen, wo der BZ-Wandler 90 angeordnet ist, doch kann der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich auch an dem schützenden Strukturkörper 220 vorgesehen sein, wo die Brennstoffzelleneinheit 201 angeordnet ist. Dies ist darin begründet, dass, wenn der Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich an dem schützenden Strukturkörper vorgesehen ist, der an einer Position angeordnet ist, auf die die Stoßeinwirkungen von vorne oder unten ausgeübt werden, die Stoßeinwirkungen von vorne und unten wirksam gemäßigt werden können.
(4) In den vorstehend erwähnten Ausführungsformen sind die Räume Aa und Ab, in denen die elektrischen Systemkomponenten aufgenommen sind, im Inneren der Brennstoffzelleneinheit 201 angeordnet, doch können die elektrischen Systemkomponenten auch außerhalb der Brennstoffzelleneinheit 201 aufgenommen sein. Außerdem kann eine Konfiguration verwendet werden, in der die elektrischen Systemkomponenten zwischen dem BZ-Wandler 90 und dem schützenden Strukturkörper 260 oder über dem BZ-Wandler 90 aufgenommen sind. Die aufzunehmenden Komponenten sind nicht auf elektrische Systemkomponenten beschränkt. Jede Komponente, die einen geringen Widerstand gegenüber Stoßeinwirkungen aufweist, kann zum Schutz in dem durch den schützenden Strukturkörper 220 oder 260 geschützten Raum aufgenommen werden.

Industrielle Anwendbarkeit
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann nicht nur bei Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden, in denen das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug montiert ist, sondern auch auf jeden beweglichen Körper, bei dem Brennstoffzellenzellen vor Stoßeinwirkungen geschützt werden müssen. Beispiele für geeignete mobile Körper sind Eisenbahnzüge, Schiffe, Flugzeuge und Unterseeboote. Wird die Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, können die Brennstoffzelle, die die wichtigste Komponente desselben darstellt, und zugeordnete Vorrichtungen wirksam vor Kollisionsstoßeinwirkungen von unten, ungeachtet der Art des mobilen Körpers, geschützt werden. Selbst bei mobilen Körpern mit Gewichtseinschränkungen können durch Anwendung der vorliegenden Erfindung insbesondere die Brennstoffzelle und zugeordnete Vorrichtungen bei Verwendung einer leichtgewichtigen Struktur vor Stoßeinwirkungen wirksam geschützt werden.
Bezugszeichenliste

3 ... Kühlflüssigkeitszuführsystem, 4 ... Brenngaszuführsystem, 7 Oxidationsgaszuführsystem, 9 ... Leistungssystem, 10 ... Brennstoffzellensystem, 20, 20b, 20c ... Brennstoffzellen, 21 ... Polymerelektrolytmembran, 22 Anodenelektrode, 23 ... Anodenelektrode, 23 ... Kathodenelektrode, 24 ... Membranelektrodenanordnung, 25 ... Anodengaskanal, 26 ... Kathodengaskanal, 31 ... Kühlkanal, 32 ... Temperatursensor, 33 ... Strahlkörper, 34 ... Ventil, 35 ... Kühlflüssigkeitspumpe, 36 ... Temperatursensor, 40 ... Brenngaszuführkanal, 42 ... Brenngaszuführvorrichtung, 42a ... erster Brenngasbehälter, 42b, zweiter Brenngasbehälter, 43 ... Hauptventil, 44 ... Drucksensor, 45 ... Ejektor, 46 ... Sperrventil, 51 ... Zirkulationskanal, 52 ... Sperrventil, 53 ... Gas-Flüssigkeitsabscheider, 54 ... Abführventil, 55 Wasserstoffpumpe, 57 ... Drehzahlsensor, 58, 59 ... Drucksensoren, 61 ... Abgasströmungskanal, 62 ... Verdünner, 63 ... Ableitventil, 65 ... Schalldämpfer, 71 ... Oxidationsgaszuführkanal, 72 ... Oxidationsabgasabführkanal, 73 ... Drucksensor, 74 ... Luftreiniger, 75 ... Luftkompressor, 76 ... Befeuchter, 77 ... Druckregulierventil, 80 ... Steuerungseinheit, 82 ... Zündschalter, 84 ... Spannungssensor, 86 ... Stromsensor, 90 ... Brennstoffzellen-Gleichstromwandler (BZ-Wandler), 91 ... Batterie, 92 ... Batteriecomputer, 93, 95 ... Inverter, 94 ... Fahrzeugfahrmotor, 96 .. Hochspannungs-Hilfsinverter, 97 ... Relais, 98 ... Batterie-Gleichstromwandler (Batteriewandler), 9 Hochspannungs-Hilfsvorrichtung, 9 ... Drehzahlsensor, 100 ... Fahrzeug, 101 ... Vorderreifen, 102 ... Hinterreifen, 103 ... Vordersitz, 103L ... linker Vordersitz, 103R rechter Vordersitz, 104 ... Rücksitz, 105 ... Armaturenbrett, 106 ... vordere Säule, 107 ... mittlere Säule, 108 ... hintere Säule, 109 ... Tunnelbereich, 110 ... vordere Querstrebe, 111 ... Bodenblech, 112 ... vorderes Aufhängungselement, 113 ... Verformungsverstärkungsbereich, 114, 115 ... vordere Rahmen, 116, 117, 120, 121, 124, 125, 137, 205, 207, 228 bis 233, 242, bis 245 ... Befestigungslöcher, 118, 119 ... Teilrahmen, 1122, 1123 ... Halterungen, 126 ... erste Querstrebe, 128, 129 ... seitliches Schwellenelement, 130 ... Motorhalterung, 131 ... Befestigungsgummi, 132 ... zweite Querstrebe, 136 ... dritte Querstrebe, 138 ... vierte Querstrebe, 140, 141, 152, 153 ... Verbinder, 144, 151 ... Querstreben, 146, 147 ... hintere Schwellerelemente, 150 ... fünfte Querstrebe, 160 ... hintere Querstrebe, 200 ... Brennstoffzellenanordnung, 201 ... Brennstoffzelleneinheit, 202 ... oberes Gehäuse, 203 ... unteres Gehäuse, 204 ... oberer Flansch, 206 ... unterer Flansch, 207 ... Schenkel, 220, 260 ... schützende Strukturkörper, 221, 261 ... Rahmenstrukturkörper, 224 bis 227 ... Befestigungsbereiche, 234, 235 ... geneigte Rahmen, 236, 262 ... Befestigungssitze, 237, 267 ... Befestigungslöcher, 240, 240b, 270 ... Unterblech, 241, 271 ... Befestigungslöcher, 243 ... Rahmenstrukturkörper, 244 ... Kohlefaser, 245 ... Blech, 246 ... Kohlefaserbeschichtungsschicht, 250 ... Wandleranordnung, 251, 252 ... obere Gehäuse, 253 ... Kühlflüssigkeitseinlass, 254 ... Kühlflüssigkeitsauslass, 255 ... vordere Oberfläche, 256, 282 ... Stromkabel, 257 ... Anschlussverbinder, 258 ... Relaiseinheit, 263, 265 ... Befestigungsbereiche, 264, 266 ... Befestigungsnuten, 268 Stoßeinwirkungs-Verhinderungsbereich, 283 ... Leistungsquellenstecker bzw. Netzstecker, Aa, Ab ... Aufnahmeraum, R ... Hindernis, Δh ... Höhenunterschied zwischen unteren Oberflächen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-205945 [0003]
JP 2004-161092 [0004]
JP 2007-209161 [0005]
JP 2007-318938 [0005]
JP 2005-205945 A [0006]
JP 2004-161092 A [0006]
JP 2007209161 A [0006]
JP 2007-318938 A [0006]

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelleneinheit, in der eine Brennstoffzelle aufgenommen ist; und einer zugeordneten Vorrichtung, die neben der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordnete Vorrichtung an jeweiligen schützenden Strukturkörpern angeordnet sind, und der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und/oder der schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, ein Unterblech auf einer unteren Oberfläche von einem der schützenden Strukturkörper enthalten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Unterblech so ausgestaltet ist, dass es einen Verstärkungsrahmen enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Unterblech so ausgestaltet ist, dass es Kohlefasern enthält.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und/oder der schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, einen Stoßeinwirkungsverhinderungsbereich enthalten, der Stoßeinwirkungen aus einer Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs unterdrückt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug installiert ist, und der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und der schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, an einem das Fahrzeug bildenden Rahmen befestigt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, an einer Position auf einer Höhe, von einer zu befahrenden Oberfläche des Fahrzeugs, angeordnet ist, die höher als die des schützenden Strukturkörpers ist, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine elektrische Systemkomponente zwischen der Brennstoffzelle und dem schützenden Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, aufgenommen ist.
Fahrzeug, das so konfiguriert ist, dass es sich auf einer zu befahrenden Oberfläche fortbewegen kann, wobei das Fahrzeug aufweist: eine Brennstoffzelleneinheit, in der eine Brennstoffzelle aufgenommen ist; und eine zugeordnete Vorrichtung, die neben der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelleneinheit und die zugeordnete Vorrichtung an jeweiligen schützenden Strukturkörpern angeordnet sind, und der schützende Strukturkörper, an dem die Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, und/oder der schützende Strukturkörper, an dem die zugeordnete Vorrichtung angeordnet ist, ein Unterblech auf einer unteren Oberfläche des schützenden Strukturkörpers enthalten.