DE112009005091B4

DE112009005091B4 - Brennstoffsystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE112009005091B4
Application number: DE112009005091.3T
Authority: DE
Inventors: Chihiro Uchimura; Takehisa Tsubokawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: DE112009005091T5; CN102470749A; US20110174562A1; DE112009005091B8; US8464818B2; JP5041066B2; WO2011010367A1; JPWO2011010367A1; CN102470749B

Abstract

Diese Erfindung schafft ein Brennstoffsystem und ein Fahrzeug, das die Leckageprüfung erleichtern kann. Das Brennstoffsystem umfaßt: eine Mehrzahl von Brennstoffspeichern; ein Befüllungsleitungssystem, das die Brennstoffspeicher in Parallelschaltung mit einer Befüllungsöffnung verbindet und ein Versorgungsleitungssystem, das die Brennstoffspeicher in Parallelschaltung mit einem Ziel der Brennstoffversorgung verbindet. Eine integrierte Verzweigung wird durch Zusammenfassung einer an einem Verzweigungspunkt der Rohre des Befüllungsleitungssystems angeordneten Befüllungsrohrverzweigung und einer an einem Verzweigungspunkt der Rohre des Versorgungsleitungssystems angeordneten Versorgungsrohrverzweigung mit einander ausgebildet. Die integrierte Verzweigung besitzt eine Leckageprüfmündung, die derart gestaltet ist, daß sie die Einleitung eines Strömungsmittels zur Leckageprüfung in das Befüllungsleitungssystem und das Versorgungsleitungssystem gestattet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffsystem, das eine Mehrzahl von Brennstoffspeichern umfaßt, sowie ein die Brennstoffspeicher in Parallelschaltung mit einer Befüllungsöffnung verbindendes Befüllungsleitungssystem und ein Versorgungsleitungssystem, das in Parallelschaltung die Brennstoffspeicher mit einem Ziel der Brennstoffversorgung verbindet.
Stand der Technik
Ein bekanntes Brennstoffsystem dieser Art besitzt vier Wasserstofftanks, die in Parallelschaltung durch ein Befüllungsleitungssystem mit einer Befüllungsöffnung und durch ein Versorgungsleitungssystem mit einer Brennstoffzelle verbunden sind (siehe Patentdokument 1). Das Befüllungsleitungssystem, das die Befüllungsöffnung mit den Wasserstofftanks verbindet, umfaßt ein einziges Befüllungsrohr und vier Zweigauslaßrohre. Das Versorgungsleitungssystem, das die Wasserstofftanks mit der Brennstoffzelle verbindet, umfaßt vier Einlaßrohre und ein einziges vereinigtes Auslaßrohr.
Die Überprüfung der Wasserstoffleckage vom Verzweigungs- oder Vereinigungsteil der Rohre, von den Rohren selbst oder dergleichen, d. h. eine Leckageprüfung, ist für das Brennstoffsystem unerläßlich. Das im Patentdokument 1 beschriebene System leitet ein inertes Gas durch die Befüllungsöffnung, um die Leckageprüfung des Befüllungsleitungssystems durchzuführen. Das System leitet außerdem ein inertes Gas durch einen auf dem Versorgungsleitungssystem vorgesehenen Leckageprüfpunkt (Ventil) ein, um eine Leckageprüfung des Versorgungsleitungssystems durchzuführen.
Zitatenliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1 japanische Patentoffenlegung Nr. 2002-372197 (1 und Absätze 0022 bis 0025)

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Gemäß dem oben beschriebenen Leckageprüfverfahren muß jedoch das inerte Gas getrennt in das Befüllungsleitungssystem und das Versorgungsleitungssystem eingeleitet werden. Deshalb erfordert das Verfahren wenigstens zwei Leckageprüfaktionen, was ineffizient ist. Um zu einer Zeit eine ausreichende Menge des inerten Gases einzuleiten, muß das inerte Gas temporär über die Befüllungsöffnung in die Wasserstofftanks eingeleitet und dann von den Wasserstofftanks in das Versorgungsleitungssystem abgegeben werden. Somit erfordert die Leckageprüfung eine große Menge des inerten Gases und nimmt Ziel Zeit in Anspruch.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffsystem und ein Fahrzeug zu schaffen, das die Leckageprüfung erleichtern kann.
Mittel zur Lösung des Problems
Um die Aufgabe zu bewältigen, umfaßt ein Brennstoffsystem eine Mehrzahl von Brennstoffspeichern sowie ein Befüllungsleitungssystem, das die Brennstoffspeicher in Parallelschaltung mit einer Befüllungsöffnung verbindet, ein Versorgungsleitungssystem, das die Brennstoffspeicher in Parallelschaltung mit dem Ziel der Brennstoffversorgung verbindet, und eine integrierte Verzweigung, die durch die Vereinigung einer am Verzweigungspunkt von Leitungen des Befüllungsleitungssystems angeordneten Befüllungsrohrverzweigung und einer am Verzweigungspunkt von Leitungen des Versorgungsleitungssystems angeordneten Versorgungsrohrverzweigung gebildet ist. Die integrierte Verzweigung besitzt eine Leckageprüfmündung, die derart gestaltet ist, daß sie die Einleitung eines Strömungsmittels zur Leckageprüfung in das Befüllungsleitungssystem und das Versorgungsleitungssystem gestattet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet die integrierte Verzweigung die gleichzeitige Einleitung des Strömungsmittels zur Leckageprüfung in das Befüllungsleitungssystem und das Versorgungsleitungssystem, weshalb das Strömungsmittel zur Leckageprüfung nicht getrennt in das Befüllungsleitungssystem und das Versorgungsleitungssystem eingeleitet werden muß. Deshalb kann die Anzahl der für die Leckageprüfung erforderlichem Schritte verringert werden. Zudem kann die Leckageprüfung durchgeführt werden, ohne das Strömungsmittels zur Leckageprüfung in die Brennstoffspeicher einzuleiten. Des weiteren können mehr Komponenten gemeinsam genutzt oder ihre Anzahl verringert werden als im Falle der Verwendung getrennter Verzweigungen, und deshalb wird die Leitungsanordnung vereinfacht.
Vorzugsweise kann das Befüllungsleitungssystem ein gemeinsames Füllrohr besitzen, das sich von der Befüllungsöffnung zur Befüllungsrohrverzweigung erstreckt, und eine Mehrzahl von getrennten Füllrohren, die sich von der Befüllungsrohrverzweigung zu den jeweils zugeordneten Brennstoffspeichern erstrecken. Vorzugsweise besitzt das Versorgungsleitungssystem ein gemeinsames Versorgungsrohr, das sich vom Ziel der Brennstoffversorgung bis zur Versorgungsrohrverzweigung erstreckt, und eine Mehrzahl von getrennten Versorgungsrohren, die sich von der Versorgungsrohrverzweigung zu den entsprechenden, zugeordneten Brennstoffspeichern erstrecken.
Noch bevorzugter besitzt die integrierte Verzweigung einen mit diesem gemeinsamen Füllrohr und den getrennten Füllrohren verbundenen Befüllungsströmungskanal; einen mit dem gemeinsamen Versorgungsrohr und den getrennten Versorgungsrohren verbundenen Versorgungsströmungskanal; einen Verbindungsströmungskanal, der den Befüllungsströmungskanal und den Versorgungsströmungskanal mit einander verbindet; und ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Verbindungsströmungskanals. Vorzugsweise kann das Strömungsmittel von der Leckageprüfmündung in den Befüllungsströmungskanal und den Versorgungsströmungskanal eingeleitet werden, wenn das Ventil geöffnet ist.
Mit dieser Gestaltung wird, wenn die Leckageprüfung durchgeführt wird, durch das Öffnen des Ventils das Strömungsmittel zur Leckageprüfung über den Befüllungsströmungskanal und den Versorgungsströmungskanal in die gemeinsamen und getrennten Füllrohre und Versorgungsrohre eingeleitet. Andererseits können, wenn eine Leckageprüfung nicht erforderlich ist (beispielsweise beim normalen Betrieb), durch das Schließen des Ventils das Befüllungsleitungssystem und das Versorgungsleitungssystem von einander getrennt werden.
Besonders bevorzugt kann die Leckageprüfmündung auf dem Ventil ausgebildet sein.
Durch diese Gestaltung kann die Leckageprüfmündung durch vorteilhaften Gebrauch des Ventils zur Verfügung gestellt werden, und die Zahl der Komponenten kann verringert werden.
Bevorzugter kann das Ventil ein von Hand zu betätigendes Ventil mit einem von Hand zu betätigenden Bedienteil sein und die Leckageprüfmündung kann auf dem von Hand zu betätigenden Bedienteil ausgebildet sein.
Durch diese Gestaltung kann das Ventil im Vergleich mit einem elektromagnetischen Ventil verkleinert werden und die Komponenten, die für Aktionen benutzt werden, die mit der Leckageprüfung verbunden sind (Aktion zur Verbindung einer externen Vorrichtung mit der Leckageprüfmündung) können mit einander verbunden werden, so daß der für diese Aktionen benötigte Raum verringert werden kann.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Befüllungsrohrverzweigung und die Versorgungsrohrverzweigung in der integrierten Verzweigung einander benachbart angeordnet.
Durch diese Gestaltung kann der Zusammenbau des Rohrleitungssystems zur Befüllungsrohrverzweigung und der Versorgungsrohrverzweigung erleichtert werden.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise die Brennstoffspeicher Brenngas speichernde Hochdrucktanks sein, und das Ziel der Brennstoffversorgung ist eine Brennstoffzelle.
Ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Brennstoffsystem gemäß der oben beschriebenen Erfindung, bei welchem die integrierte Verzweigung zwischen der Mehrzahl von Brennstoffspeichern angeordnet ist.
Bei einem so gestalteten Fahrzeug ist die Rohrleitungsanordnung vereinfacht und der Abstand zwischen dem Brennstoffsystem und anderen Komponenten kann leicht eingehalten werden.
Vorzugsweise kann das Fahrzeug zwei Querträger aufweisen, die zwischen der Mehrzahl von Brennstoffspeichern angeordnet sind. Vorzugsweise ist die integrierte Verzweigung an einem der Querträger angebracht und ein im Versorgungsleitungssystem vorgesehener Regler am anderen der Querträger.
Durch diese Gestaltung können im Vergleich mit dem Falle, in welchem die integrierte Verzweigung und der Regler an einem Querträger angebracht sind, die Komponenten leicht auf Abstand von einander gehalten werden, was den leichten Zusammenbau verbessern kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltbild, das eine Gestaltung des Brennstoffsystems gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Schaltbild, das die Gestaltung einer integrierten Verzweigung und ihrer Umgebung in dem in 1 gezeigten Brennstoffsystem zeigt;
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Gestaltung der in 2 gezeigten integrierten Verzweigung im normalen Betrieb darstellt, in dem ein Ventil geschlossen ist;
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Gestaltung der in 2 gezeigten integrierten Verzweigung bei der Leckageprüfung darstellt, in dem das Ventil geöffnet ist;
5 ist eine Abbildung, die einen Teil eines Fahrzeugs mit dem in 1 gezeigten Brennstoffsystem darstellt;
6 ist eine Abbildung, die die Gestaltung eines Brennstoffsystems gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt;
7 ist eine Abbildung, die einen Teil eines Fahrzeugs mit dem in 6 gezeigten Brennstoffsystem darstellt;
8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Gestaltung einer integrierten Verzweigung eines Brennstoffsystems gemäß einer anderen Ausführungsform im normalen Betrieb mit einem geschlossenen Ventil zeigt; und
9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Gestaltung einer integrierten Verzweigung des Brennstoffsystems gemäß der anderen Ausführungsform bei der Leckageprüfung mit einem geöffneten Ventil zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden ein Brennstoffsystem und ein Fahrzeug gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Als ein Beispiel für das Brennstoffsystem wird nachfolgend ein Brennstoffzellensystem beschrieben. Das Brennstoffzellensystem kann in einem Fahrzeug, wie einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV = fuel cell hybrid vehicle), einem Elektrofahrzeug und einem Hybridfahrzeug eingebaut sein. Jedoch kann das Brennstoffzellensystem auch in verschiedenen anderen beweglichen Körpern als Fahrzeugen (wie etwa Schiffe, Flugzeuge und Roboter) oder einer stationären Leistungsversorgung eingesetzt sein.
Wie in 1 gezeigt, umfaßt ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2, ein Brenngassystem 3 und ein Oxidansgassystem. Ein Brenngas und ein Oxidansgas werden kollektiv als Reaktansgas bezeichnet. Beispielsweise ist das Brenngas Wasserstoffgas und das Oxidansgas Luft.
Die Brennstoffzelle 2 ist von der Bauform mit Festpolymer-Elektrolyt und besitzt eine Stapelstruktur, bei der eine große Anzahl von Zelleneinheiten gestapelt sind. Zur Vereinfachung der Erläuterung zeigt die 1 schematisch die Struktur der Zelleneinheiten der Brennstoffzelle 2. Die Zelleneinheit besitzt eine Membran-Elektrode-Anordnung (MEA), die eine Elektrolytmembran 10, eine Brennstoffelektrode 11 und eine Luftelektrode 12 umfaßt. Die Elektrolytmembran 10 ist eine Ionenaustauschmembran, die beispielsweise aus einem Harz auf Fluorbasis besteht. Die Brennstoffelektrode 11 und die Luftelektrode 12 sind auf von einander abgewandten Oberflächen der Elektrolytmembran 10 angeordnet. Die Zelleneinheit besitzt ein Paar von Separatoren 14 und 15, die an der Brennstoffelektrode 11 bzw. der Luftelektrode 12 anliegen. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem in einen Brenngasströmungskanal 16 des Separators 14 zugeführten Brenngas und dem in einen Oxidansgasströmungskanal 17 des Separators 15 zugeführten Oxidansgas. Die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Leistung wird der Last, wie einem Traktionsmotor, zugeführt.
Das Brenngassystem 3 umfaßt zwei Brennstofftanks 21a und 21b, ein Befüllungsleitungssystem 22 mit einem einzigen Einlaßrohr und einer Mehrzahl Auslaß-Zweigrohren, und ein Versorgungsleitungssystem 23 mit einer Mehrzahl von Einlaßrohren und einem einzigen geeinsamen Auslaßrohr. Die Brennstofftanks 21a und 21b können ein Hochdrucktank sein, der Hochdruckwasserstoffgas speichert, oder ein Wasserstoffabsorptionstank, der eine Wasserstoff absorbierende Legierung aufnimmt, die in der Lage ist, reversibel Wasserstoff zu absorbieren oder abzugeben. Im Falle des Hochdrucktanks speichert der Hochdrucktank Wasserstoffgas bei beispielsweise 35 MPa oder 70 MPa. Die Anzahl der Brennstofftanks muß gleich oder größer sein als 2, und so können beispielsweise vier Tanks benutzt werden. Obwohl nicht dargestellt, kann von der Brennstoffzelle 2 abgegebenes Brennstoffabgas in das Versorgungsleitungssystem 23 eingeleitet und im Kreislauf der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden.
Die Brennstofftanks 21a und 21b sind über das Befüllungsleitungssystem 22 parallel zu einer Befüllungsöffnung 24 geschaltet und parallel zur Brennstoffzelle 2 angeschlossen, die über das Versorgungsleitungssystem 23 ein Ziel der Brennstoffversorgung ist. Die Befüllungsöffnung 24 ist mit einer Fülldüse einer Brenngasfüllvorrichtung (beispielsweise eine Brenngasstation) zur Befüllung mit Brenngas verbunden. Die Befüllungsöffnung 24 besitzt ein Steuerventil 25, das das zurückfließende Brenngas daran hindert, über die Befüllungsöffnung 24 nach außen zu entweichen.
Verschiedene Bauformen von Ventilen, Sensoren und dergleichen enthaltende Ventilanordnungen 26a bzw. 26b sind in die Brennstofftanks 21a und 21b eingeschraubt. Die Brennstofftanks 21a und 21b werden über die Ventilanordnungen 26a bzw. 26b gefüllt und führen über sie das Brenngas ab. Die Ventilanordnungen 26a bzw. 26b schließen auf einem mit dem Befüllungsleitungssystem 22 und Absperrventilen 28a, 28b verbundenen, mit dem Versorgungsleitungssystem 23 verbundenen Kanal von Hand zu betätigende Ventile 27a, 27b ein. Die Absperrventile 28a und 28b sind beispielsweise elektromagnetische Absperrventile und sperren das aus den zugeordneten Brennstofftanks 21a und 21b abgeführte Brenngas. Die Ventilanordnungen 26a und 26b können einen Regler oder dergleichen enthalten.
Das Befüllungsleitungssystem 22 umfaßt ein mit der Befüllungsöffnung 24 verbundenes einziges, gemeinsames Füllrohr 30 und zwei separate Füllrohre 31a und 31b, die mit den Brennstofftanks 21a und 21b verbunden sind. Das Befüllungsleitungssystem 22 besitzt eine Befüllungsrohrverzweigung 32, die mit je einem Ende der Rohre 30, 31a und 31b an deren Verzweigungspunkt verbunden ist. Das an der Befüllungsöffnung 24 zugeführte Brenngas wird an der Befüllungsrohrverzweigung 32 zur Befüllung auf die Brennstofftanks 21a und 21b aufgeteilt.
Das Versorgungsleitungssystem 23 umfaßt ein einziges, gemeinsames, mit der Brennstoffzelle 2 verbundenes Versorgungsrohr und zwei getrennte Versorgungsrohre 41a und 41b, die mit den Brennstofftanks 21a und 21b verbunden sind. Das Versorgungsleitungssystem 23 besitzt eine Versorgungsrohrverzweigung 42, die mit einem der Enden eines jeden der Rohre 40, 41a und 41b an deren Verzweigungspunkt verbunden ist. Das vom Brennstofftank 21a abgegebene Brenngas und das vom Brennstofftank 21b abgegebene Brenngas werden an der Rohrverzweigung 42 zusammengeführt und der Druck des vereinigten Brenngases wird durch einen am Rohr 40 angebrachten Druckregler 43 eingestellt und das Gas dann der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Falls nur eines der Absperrventile 28a und 28b geöffnet ist, wird das Brenngas nur aus einem der Brennstofftanks 21a und 21b entnommen und deshalb wird das Brenngas der Brennstoffzelle 2 zugeführt, ohne an der Versorgungsrohrverzweigung 42 mit einer anderen Strömung des Brenngases vereinigt zu werden.
Wie in 2 gezeigt, sind die Befüllungsrohrverzweigung 32 und die Versorgungsrohrverzweigung 42 einstückig verbunden, um eine integrierte Verzweigung 50 zu bilden. In der integrierten Verzweigung 50 sind die Befüllungsrohrverzweigung 32 und die Versorgungsrohrverzweigung 42 einander benachbart angeordnet. Die integrierte Verzweigung 50 besitzt Verbindungsöffnungen 51, 52a und 52b, mit welchen die einen Enden der Rohre 30, 31a und 31b auf der Befüllungsseite verbunden sind, und Verbindungsöffnungen 61, 62a und 62b, mit welchen die einen Enden der Rohre 41, 42a und 42b auf der Versorgungsseite verbunden sind. Die integrierte Verzweigung 50 besitzt außerdem eine Leckageprüfmündung 65, die für die Leckageprüfung verwendet wird.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfaßt die integrierte Verzweigung 50 einen Verzweigungskörper 71, in dem Gasströmungskanäle ausgebildet sind und ein an den Verzweigungskörper 71 angefügtes Ventil 72. Der Verzweigungskörper 71 besteht beispielsweise aus einem gegen Versprödung widerstandsfähigen Material (wie etwa SUS 316L). Der Verzweigungsköper 71 weist die Verbindungsöffnungen 51, 52a und 52b auf der Befüllungsseite im unteren Halbteil der Zeichnungen und die Verbindungsöffnungen 61, 62a und 62b auf der Versorgungsseite im oberen Halbteil der Zeichnungen auf. Somit sind in der integrierten Verzweigung 50 die Befüllungsrohrverzweigung 32 und die Versorgungsrohrverzweigung 42 einander benachbart. Der Verzweigungskörper 71 weist zudem die Leckageprüfmündung 65 im unteren Halbteil der Zeichnungen auf einer von der Verbindungsöffnung 52b auf der Befüllungsseite abgewandten Seite auf.
Im Verzweigungskörper 71 sind ein mit den Rohren 30, 31a und 31b verbundener Befüllungsströmungskanal 74 und ein mit den Rohren 30, 31a und 31b verbundener Versorgungsströmungskanal 75 ausgebildet. Der Befüllungsströmungskanal 74 umfaßt drei sich von einem Verzweigungspunkt 74a aus in drei Richtungen erstreckende Strömungskanäle, der mit der Befüllungsöffnung 24 verbundene Strömungskanal erstreckt sich abwärts, die zwei mit den Tanks 21a und 21b verbundenen Strömungskanäle erstrecken sich in der gleichen Ebene, einer der zwei Strömungskanäle erstreckt sich vertikal aufwärts in Bezug auf die Blättern der 3 und 4, und die anderen erstrecken sich in den Zeichnungen nach rechts. Der Versorgungsströmungskanal 75 umfaßt drei Strömungskanäle die sich von einem Verzweigungspunkt 75a aus in drei Richtungen erstrecken, wobei der mit dem Regler 43 verbundene Strömungskanal sich aufwärts erstreckt und die beiden mit den Tanks 21a und 21b verbundenen Strömungskanäle sich in der gleichen Ebene nach links und nach rechts erstrecken. Bei einer solchen Gestaltung können die Rohre (31a, 31b, 41a, 41b), die sich von den Tanks 21a und 21b aus erstrecken und mit der integrierten Verzweigung 50 verbunden sind, in vertikaler Richtung unterteilt werden in die Befüllungsseite und die Versorgungsseite und in der gleichen Ebene eingesetzt werden. Dadurch kann der Zusammenbau des Leitungssystems erleichtert werden.
Zusätzlich ist im Verzweigungskörper 71 ein den Verzweigungspunkt 74a des Befüllungsströmungskanals 74 und den Verzweigungspunkt 75a des Versorgungsströmungskanals 75 mit einander verbindender Bypass-Strömungskanal 76 (Verbindungsströmungskanal) ausgebildet. Der Bypass-Strömungskanal 76 wird durch das Ventil 72 geöffnet und geschlossen. Wenn, wie in 3 gezeigt, das Ventil 72 geschlossen ist, sind der Befüllungsströmungskanal 74 und der Versorgungsströmungskanal 75 von einander isoliert. Andererseits kommunizieren, wenn, wie in 4 gezeigt, das Ventil 72 geöffnet ist, der Befüllungsströmungskanal 74 und der Versorgungsströmungskanal 75 mit einander und zwischen den Strömungskanälen kann ein Fluid strömen.
Das Ventil 72 ist beim normalen Betrieb (einschließlich der Zeit zur Befüllung mit Brenngas und der Versorgung mit Brenngas) geschlossen und wird hauptsächlich bei der Durchführung der Leckageprüfung geöffnet. Das Ventil 72 ist in eine Öffnung des Verzweigungskörpers 71 eingeschraubt und kann in der Öffnung vorwärts oder rückwärts bewegt werden, um den Bypass-Strömungskanal 76 zu schließen oder zu öffnen. Das Ventil 72 kann von jeder beliebigen Ventilbauart sein, wie etwa ein handbetätigtes Ventil und ein elektrisch betätigtes Ventil (wie ein elektromagnetisches oder ein elektrisches Ventil). Bei diesem Beispiel ist das Ventil 72 ein handbetätigtes Ventil. Falls das Ventil 72 elektrisch betätigbar ist, kann es entweder von der direkt wirkenden Bauart oder ein Pilotventil sein.
Das Ventil 72 besitzt einen von Hand betätigbaren Teil 80, einen Ventilkörper 82 und einen Leckageprüfkanal 83. Der von Hand betätigbare Teil 80 ist ein auf der Außenseite des Verzweigungskörpers 71 zugänglicher Teil, wenn das Ventil geschlossen ist, und besteht aus einem Sechskantschraubenkopf 80a und einer daran angebrachten Leckageprüfmündung 65. Jedoch ist es nur wesentlich, daß der von Hand betätigbare Teil den Benutzer in die Lage versetzt, das Ventil 72 manuell zu betätigen, und somit ist die Struktur des von Hand betätigbaren Teils 80 nicht auf die oben beschriebene Bauform beschränkt. Der von Hand betätigbare Teil 80 ist mit dem Ventilkörper 82 gekuppelt und manuell durch den Benutzer zu betätigen, um den Ventilkörper 82 gegenüber einem Ventilsitz 84 in axialer Richtung zu bewegen.
Der Ventilkörper 82 schließt den Bypass-Strömungskanal 76, wenn der Ventilkörper 82 am Ventilsitz 84 anschlägt, und der Ventilkörper 82 öffnet den Bypass-Strömungskanal 76, wenn der Ventilkörper 82 vom Ventilsitz 84 gelöst wird. Der Ventilkörper 82 besitzt eine konische Dichtfläche 86 an seinem axialen Spitzenende als ein Teil, das mit dem Ventilsitz 84 in Kontakt gelangt. Der Ventilsitz 84 ist als ein Teil des Verzweigungskörpers 71 ausgebildet. Alternativ kann jedoch der Ventilsitz 84 als ein Dichtungselement, wie eine Metalldichtung, ausgebildet sein, und das Dichtungselement kann an der Innenseite des Verzweigungskörpers 71 an einer vorgegebenen Position angebracht werden. Ein O-Ring 87 und ein Stützring 88 können am äußeren Umfang des Ventilkörpers in einer mittleren Position seiner axialen Richtung angebracht sein, und der O-Ring 87 verhindert, daß Strömungsmittel aus dem Bypass-Strömungskanal 76 zur Außenseite auf der Seite des manuell betätigbaren Teils 80 fließt.
Der Leckageprüfkanal 83 ist so ausgebildet, daß er das Zentrum des manuell betätigbaren Teils 80 und den Ventilkörper 82 in axialer Richtung durchdringt. Der Leckageprüfkanal 83 ist an seinen entgegengesetzten Enden geöffnet und eines seiner offenen Enden ist in der flachen Oberfläche des Spitzenendes des Ventilkörpers 82 ausgebildet und öffnet sich in den Bypass-Strömungskanal 76, wenn das Ventil 72 geöffnet ist. Das andere der offenen Enden ist in der Endoberfläche der Leckageprüfmündung 65 vorgesehen. Das letztere offene Ende wird beim normalen Betrieb durch einen Pfropfen 90 verschlossen. Wenn eine Leckageprüfung vorgenommen wird, wird der Pfropfen 90 entfernt, um das offene Ende nach außen zu öffnen, und ein Strömungsmittel zur Leckageprüfung wird von außen eingeführt.
Die 5 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Anordnung des Brenngassystems 3 und seiner Umgebung bei einem Fahrzeug 100 zeigt, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestattet ist.
Beispielsweise ist in dem Falle, in dem das Fahrzeug 100 eine Art eines gewöhnlichen Fahrzeugs ist, die Befüllungsöffnung 24 an der Rückseite des Fahrzeugaufbaus angeordnet und die Brennstofftanks 21a und 21b sind an einem unteren Teil der Rückseite des Fahrzeugaufbaus angebracht und befestigt. Ein Aufbaurahmen 102 des Fahrzeugaufbaus umfaßt zwei Querträger 104a und 104b, die sich in der seitlichen Richtung des Fahrzeugs erstrecken, und einen Seitenträger 105, der sich in Längsrichtung des Fahrzeugs erstreckt. Der Seitenträger 105 wirkt mit einem anderen (nicht gezeigten) Seitenträger zusammen, um die Enden der Querträger 104a und 104b aufzunehmen. In einem vorderen Teil des Fahrzeugaufbaus sind nicht nur verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 (wie die Brennstoffzelle 2) angeordnet, sondern auch ein Traktionsmotor (Last 18), der eine Antriebskraft für das Fahrzeug 100 erzeugt, eine Leistungssteuerungseinheit und der gleichen.
Die Brennstofftanks 21a und 21b sind Seite an Seite in der Längsrichtung des Fahrzeugs in der horizontalen Position montiert, wobei die Ventilanordnungen 26a und 26b auf der gleichen Seite wie die Befüllungsöffnung 24 angeordneten sind. Die Brennstofftanks 21a und 21b sind unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Auflagers oder Sockels am Aufbaurahmen 102 in einer Position innerhalb der Seitenträger 105 fixiert. Die Querträger 104a und 104b sind zwischen den Brennstofftanks 21a und 21b positioniert. Der Regler 43 ist am Querträger 104a angebracht und die integrierte Verzweigung 50 am Querträger 104b. Das Ventil 72 der integrierten Verzweigung 50 ist derart positioniert, daß die Leckageprüfmündung 65 dem Querträger 104a zugewandt ist, während ein Abstand zwischen der Leckageprüfmündung 65 und dem Querträger 104a verbleibt, der den Zugang zum von Hand betätigbaren Teil 80 (Leckageprüfmündung 65) gestattet.
Nun werden die Vorteile dieser Ausführungsform unter dem Gesichtspunkt der Leckageprüfung und der Bequemlichkeit des Zusammenbaus des Leitungssystems beschrieben. Zunächst wird ein in den 6 und 7 gezeigtes Vergleichsbeispiel beschrieben. In den 6 und 7 werden Komponenten, die mit jenen dieser Ausführungsform identisch oder ähnlich sind, durch die gleichen Bezugszahlen mit einem halben Anführungszeichen „'” gekennzeichnet. Das Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von dieser Ausführungsform dadurch, daß die Verzweigungsteile nicht zusammengefaßt sind, daß jeder Verzweigungsteil eine Leckageprüfmündung besitzt und durch die Position der Verzweigung im Fahrzeug.
Insbesondere sind, wie in 6 gezeigt, eine Befüllungsrohrverzweigung 32' und eine Versorgungsrohrverzweigung 42' nicht zusammengefaßt. Zusätzlich besitzen die Befüllungsrohrverzweigung 32' und die Versorgungsrohrverzweigung 42' jeweils eine Leckageprüfmündung 65'. Zudem ist, wie in 7 gezeigt, die Befüllungsrohrverzweigung 32' an einem Querträger 104b' und die Versorgungsrohrverzweigung 42' an einem Querträger 104a' angebracht.
1. Leckageprüfung
Die Leckageprüfung des Brenngassystems wird durchgeführt, um die Dichtheit einer Kupplung nach dem Zusammenbau des Rohrsystems zu prüfen. Bei der Leckageprüfung wird ein zur Leckageprüfung geeignetes Strömungsmittel unter hohem Druck (Beispielsweise 5 bis 80 MPa) in das Brenngassystem eingebracht und ein Detektor wird nahe an ein auf Leckage zu prüfendes Teil herangebracht, um zu prüfen, ob das Strömungsmittel leckt oder nicht. Das Strömungsmittel für die Leckageprüfung ist vorzugsweise Gas und kann ein inertes Gas sein, wie Helium. In der folgenden Beschreibung wird das Strömungsmittel für die Leckageprüfung als ein Gas für die Leckageprüfung bezeichnet. Das Konzept für die Einleitung des Strömungsmittels für die Leckageprüfung schließt ein Konzept für die Druckeinleitung zur Leckageprüfung mit ein.
Entsprechend der Gestaltung des in 6 gezeigten Vergleichsbeispiels wird die Leckageprüfung getrennt für die Befüllungsseite und die Versorgungsseite durchgeführt. Insbesondere wird zunächst das Gas für die Leckageprüfung über die Leckageprüfmündung 65' in die Befüllungsrohrverzweigung 32' eingebracht, um festzustellen, ob das Gas an den Kupplungsstellen (61', 62a', 62b') der Versorgungsrohrverzweigung 42' leckt oder nicht. Bei diesem Schritt sind die von Hand zu betätigenden Ventile 27a, 27b der Ventilanordnungen 26a', 26b' geschlossen. Dann wird das Gas für die Leckageprüfung in die Versorgungsrohrverzweigung 42' über die Leckageprüfmündung 65' eingeleitet, um festzustellen, ob das Gas aus den Kupplungstellen (61', 62a', 62b') der Versorgungsrohrverzweigung 42' austritt oder nicht. Bei diesem Schritt sind die Absperrventile 28a', 28b' der Ventilanordnungen 26a' bzw. 26b' geschlossen.
Im Gegensatz dazu kann bei dieser Ausführungsform die Leckageprüfung der Befüllungsseite und der Versorgungsseite gleichzeitig durchgeführt werden. Insbesondere werden zunächst die von Hand zu betätigenden Ventile 27a, 27b und die Absperrventile 28a, 28b der in 1 gezeigten Ventilanordnungen 26a, 26b geschlossen, um den Raum in den Brennstofftanks 21a, 21b gegenüber dem anderen Raum im Brenngassystem 3 zu isolieren. Dann wird, wie in 4 gezeigt, das Ventil 72 geöffnet, um die Verbindung zwischen dem Befüllungssystem (das Befüllungsleitungssystem 22 und der Befüllungsströmungskanal 74) und dem Versorgungssystem (das Versorgungsleitungssystem 23 und der Versorgungsströmungskanal 75) herzustellen. Dann wird mit der Leckageprüfmündung 65 ein Rohr zur Leckageprüfung verbunden, um Gas für die Leckageprüfung in den Leckageprüfkanal 83 einzuleiten. Dann strömt das Gas für die Leckageprüfung, wie durch den Pfeil 110 und eine strichpunktierte Linie in 4 angezeigt, und wird zugleich in das Befüllungssystem (das Befüllungsleitungssystem 22 und der Befüllungsströmungskanal 74) und das Versorgungssystem (das Versorgungsleitungssystem 23 und der Versorgungsströmungskanal 75) eingeleitet.
Deshalb kann gemäß dieser Ausführungsform die Gegenwart oder Abwesenheit einer Gasleckage an all den Kupplungsstellen (51, 52a, 52b, 61, 62a, 62b) und dergleichen der Befüllungsrohrverzweigung 32 und der Versorgungsrohrverzweigung 42 festgestellt werden. Deshalb kann, im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, bei dem das Gas für die Leckageprüfung wiederholt eingeleitet wird, die Anzahl der Schritte bei der Leckageprüfung im wesentlichen halbiert werden. Zusätzlich kann durch diese Ausführungsform vor der Entfernung des Befüllungsleitungssystems 22 durch Öffnen des Ventils 72 der Druck im Befüllungsleitungssystem 22 in das Versorgungsleitungssystem 23 abgegeben werden. Deshalb ist diese Ausführungsform vorteilhaft für die zeitliche Koordinierung der Wartung des Fahrzeugs, insbesondere für den Zeitpunkt der Abnahme des Befüllungsleitungssystem 22.
2. Bequemlichkeit des Zusammenbaus des Leitungssystems
Bei der Gestaltung des in 7 gezeigten Vergleichsbeispiels ist das Leitungssystem um die Brennstofftanks 21a', 21b' kompliziert. Das liegt daran, daß sich viele Leitungen kreuzen (einander überqueren). Beispielsweise kreuzt das Rohr 31a' auf der Befüllungsseite die Rohre 41a' und 41b' auf der Versorgungsseite. Zusätzlich sind in der Nähe des Querträgers 104' Leitungskomponenten konzentriert, so daß es schwierig ist, den Abstand zwischen den Komponenten einzuhalten. Beispielsweise ist es schwierig, den Abstand einzuhalten, der für das Einführen eines Werkzeugs zur Verbindung des Versorgungsleitungssystems 23' mit der Versorgungsrohrverzweigung 42' benötigt wird.
Im Gegensatz dazu kreuzt bei dieser Ausführungsform, wie in 5 gezeigt ist, das Rohr 31a auf der Befüllungsseite nicht die Rohre 41a und 41b auf der Versorgungsseite. Die Konfigurierung des Leitungssystems kann auf diese Weise vereinfacht werden, weil die Befüllungsrohrverzweigung 32 und die Versorgungsrohrverzweigung 42 mit einander vereinigt sind. Zudem wird durch die Anwendung der integrierten Verzweigung 50 die Anzahl der am Fahrzeug zu montierenden Teile verringert, so daß Montageplatz am Fahrzeug eingespart werden kann. Außerdem ist der Regler 43 am Querträger 104a und die integrierte Verzweigung 50 am Querträger 104b angebracht. Somit können der Regler 43 und die integrierte Verzweigung 50 leicht auf Abstand von einander gehalten werden, so daß nicht nur die Bequemlichkeit bei der Montage dieser Komponenten, sondern auch die Bequemlichkeit des Zusammenbaus des Befüllungsleitungssystems 22 und des Versorgungsleitungssystems 23 mit der integrierten Verzweigung 50 gefördert wird.
Insbesondere ergibt die oben beschriebene Lagebeziehung zwischen der Befüllungsrohrverzweigung 32 und der Versorgungsrohrverzweigung 42, genauer die Lagebeziehung zwischen den Mündungen (51, 52a, 52b, 61, 62a, 62b, 65) der integrierten Verzweigung, eine Verbesserung hinsichtlich der Bequemlichkeit des Zusammenbaus des Befüllungsleitungssystems 22 und des Versorgungsleitungssystem 23. Beispielsweise kann, wie in 5 gezeigt, die Leckageprüfmündung 65 so positioniert werden, daß sie dem relativ breiten Zwischenraum zwischen den Brennstofftanks 21a und 21b zugewandt ist, um die Bequemlichkeit des Anschlusses eines Rohrs an die Leckageprüfmündung 65 zu verbessern.
<Andere Ausführungsform>
Als nächstes wird eine integrierte Verzweigung nach einer anderen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben. Die folgende Beschreibung konzentriert sich hauptsächlich auf den Unterschied gegenüber der integrierten Verzweigung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. Der hauptsächliche Unterschied ist, daß die Leckageprüfmündung 65 und der Leckageprüfkanal 83 nicht im Ventil 72 ausgebildet sind. In der folgenden Beschreibung und den 8 und 9 werden die gleichen Elemente wie jene gemäß der oben beschriebenen, in 2 gezeigten Ausführungsform und dergleichen durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und ihre Beschreibungen entfallen.
Die Leckageprüfmündung 65 ist in den Zeichnungen im oberen Halbteil des Verzweigungskörpers 71 und in der gleichen Ebene wie die Verbindungsöffnungen 62a, 62b auf der Versorgungsseite angeordnet und erstreckt sich aus der Zeichnungsebene der 8 und 9 nach oben, Der Leckageprüfkanal 83 ist in der Leckageprüfmündung 65 und dem Verzweigungskörper 71 ausgebildet und kommuniziert mit dem Verzweigungspunkt 75a des Versorgungsströmungskanals 75 an dessen einem offenen Ende,
Gemäß dieser Ausführungsform sind, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, der Befüllungsströmungskanal 74 und der Versorgungsströmungskanal 75 von einander isoliert, wenn das Ventil 72 geschlossen ist, während der Befüllungsströmungskanal 74 und der Versorgungsströmungskanal 75 mit einander kommunizieren, so daß das Strömungsmittel zwischen ihnen fließen kann, wenn das Ventil 72 zwischen ihnen geöffnet ist. Deshalb hat diese Ausführungsform die gleichen Vorteile wie die oben beschriebene Ausführungsform.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das Brennstoffsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur auf das oben beschriebene Brennstoffzellensystem angewandt werden, sondern auch auf ein System, das Erdgas als Brennstoff verwendet und auf ein mit dem System verbundenes Fahrzeug.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem (Brennstoffsystem)
2: Brennstoffzelle
21a, 21b: Brennstofftank
22: Befüllungsleitungssystem
23: Versorgungsleitungssystem
24: Befüllungsöffnung
30: gemeinsames Füllrohr
31a, 31b: getrenntes Füllrohr
32: Befüllungsrohrverzweigung
40: gemeinsames Versorgungsrohr
41a, 41b: getrenntes Versorgungsrohr
42: Versorgungsrohrverzweigung
43: Regler
50: integrierte Verzweigung
65: Leckageprüfmündung
72: Ventil
74: Befüllungsströmungskanal
75: Versorgungsströmungskanal
76: Bypass-Strömungskanal (Verbindungsströmungskanal)
80: von Hand betätigbarer Teil
83: Leckageprüfkanal
100: Fahrzeug
104a, 104b: Querträger

Claims

Brennstoffsystem (1), das eine Mehrzahl von Brennstoffspeichern (21a, 21b) umfaßt sowie ein Befüllungsleitungssystem (22), das die Brennstoffspeicher in Parallelschaltung mit einer Befüllungsöffnung (24) verbindet, und ein Versorgungsleitungssystem (23), das die Brennstoffspeicher (21a, 21b) in Parallelschaltung mit dem Ziel der Brennstoffversorgung verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffsystem (1) weiter umfaßt: eine integrierte Verzweigung (50), die durch Vereinigung einer am Verzweigungspunkt von Leitungen des Befüllungsleitungssystems (22) angeordneten Befüllungsrohrverzweigung (32) und einer am Verzweigungspunkt von Leitungen des Versorgungsleitungssystems (23) angeordneten Versorgungsrohrverzweigung (42) gebildet ist, wobei die integrierte Verzweigung (50) eine Leckageprüfmündung (65) besitzt, die derart gestaltet ist, daß sie die Einleitung eines Strömungsmittels zur Leckageprüfung in das Befüllungsleitungssystem (22) und das Versorgungsleitungssystem (23) gestattet.
Brennstoffsystem (1) nach Anspruch 1, bei welchem das Befüllungsleitungssystem (22) ein gemeinsames Füllrohr (30) besitzt, das sich von der Befüllungsöffnung (24) zur Befüllungsrohrverzweigung (32) erstreckt, und eine Mehrzahl von getrennten Füllrohren (31a, 31b), die sich von der Befüllungsrohrverzweigung (32) zu den jeweils zugeordneten Brennstoffspeichern (21a, 21b) erstrecken, und dieses Versorgungsleitungssystem (23) ein gemeinsames Versorgungsrohr (40) besitzt, das sich vom Ziel der Brennstoffversorgung bis zur Versorgungsrohrverzweigung (42) erstreckt, und eine Mehrzahl von getrennten Versorgungsrohren (41a, 41b), die sich von der Versorgungsrohrverzweigung (42) zu den entsprechenden, zugeordneten Brennstoffspeichern (21a, 21b) erstrecken.
Brennstoffsystem (1) nach Anspruch 2, bei welchem die integrierte Verzweigung (50) besitzt: einen mit diesem gemeinsamen Füllrohr (30) und den getrennten Füllrohren (31a, 31b) verbundenen Befüllungsströmungskanal (74); einen mit dem gemeinsamen Versorgungsrohr (40) und den getrennten Versorgungsrohren (41a, 41b) verbundenen Versorgungsströmungskanal (75); einen Verbindungsströmungskanal (76), der den Befüllungsströmungskanal (74) und den Versorgungsströmungskanal (75) mit einander verbindet; und ein Ventil (72) zum Öffnen und Schließen des Verbindungsströmungskanals (76), und wobei das Strömungsmittel in den Befüllungsströmungskanal (74) und den Versorgungsströmungskanal (75) von der Leckageprüfmündung (65) eingeleitet wird, wenn das Ventil (72) geöffnet ist.
Brennstoffsystem (1) nach Anspruch 3, bei welchem die Leckageprüfmündung (65) auf dem Ventil (72) ausgebildet ist.
Brennstoffsystem (1) nach Anspruch 4, bei welchem das Ventil (72) von Hand zu betätigen ist und einen von Hand zu betätigenden Bedienteil (80) aufweist, und die Leckageprüfmündung (65) auf dem von Hand zu betätigenden Bedienteil (80) ausgebildet ist.
Brennstoffsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Befüllungsrohrverzweigung (32) und die Versorgungsrohrverzweigung (42) in der integrierten Verzweigung (50) einander benachbart angeordnet sind.
Brennstoffsystem (1) nach eine der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Brennstoffspeicher (21a, 21b) Brenngas speichernde Hochdrucktanks sind, und das Ziel der Brennstoffversorgung eine Brennstoffzelle (2) ist.
Fahrzeug (100) gekennzeichnet durch ein Brennstoffsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die integrierte Verzweigung (50) zwischen der Mehrzahl von Brennstoffspeichern (21a, 21b) angeordnet ist.
Fahrzeug (100) nach Anspruch 8, bei welchem im Fahrzeug (100) zwei Querträger (104a, 104b) zwischen der Mehrzahl von Brennstoffspeichern (21a, 21b) angeordnet sind, die integrierte Verzweigung (50) an einem der Querträger (104a, 104b) angebracht ist, und ein im Versorgungsleitungssystem (23) vorgesehener Regler (43) am anderen der Querträger (104a, 104b) angebracht ist.