DE112012005760B4

DE112012005760B4 - Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE112012005760B4
Application number: DE112012005760.0T
Authority: DE
Inventors: c/o SUZUKI MOTOR CORPORATION Ikeya Kengo; c/o SUZUKI MOTOR CORPORATION Matsumoto Shiro; c/o SUZUKI MOTOR CORPORATION Ozawa Naoki; c/o SUZUKI MOTOR CORPORATION Umezane Yuuichi
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: JP2013154691A; US20140335434A1; CN104024010B; DE112012005760T5; GB201413215D0; CN104024010A; WO2013111367A1; GB2512789B; GB2512789A

Abstract

Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfassend: einen luftgekühlten Brennstoffzellenstapel (10), der Außenluft als Reaktionsgas und Kühlmedium verwendet; und eine Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp (15), umfassend in dieser Reihenfolge in einem Kältemittelumlaufkanal zum Zirkulieren eines Kältemittels, einen Kompressor (17) zum Komprimieren des Kältemittels, einen inneren Wärmetauscher (18) zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und Luft in einer Fahrgastzelle, ein Expansionsventil (19) zum Expandieren des Kältemittels; und einen äußeren Wärmetauscher (20) zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und der Außenluft; wobei der Strom des Kältemittels zwischen einer Kühlrichtung und einer Heizrichtung umgeschaltet ist; der äußere Wärmetauscher (20) einen äußeren Wärmetauscher zum Kühlen (21), in dem das Kältemittel nur während des Kühlens zirkuliert, und einen äußeren Wärmetauscher zum Heizen (22) umfasst, in dem das Kältemittel nur während des Heizens zirkuliert; und der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel (10), der äußere Wärmetauscher zum Kühlen (21) und der äußere Wärmetauscher zum Heizen (22) an einem vorderen Teil des ...

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug und insbesondere ein Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel und eine Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp angebracht sind, und bei dem eine Verbesserung der Klimatisierungsleistung und Betriebsfähigkeit des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels realisiert ist.
[Hintergrundtechnik]
In einer Brennstoffzellenvorrichtung wird Elektrizität durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft erzeugt und gleichzeitig wird Wasser erzeugt.
Bei der Brennstoffzellenreaktion treten verschiedene Verluste auf, einschließlich Widerstandsüberspannung, die durch elektrischen Widerstand eines elektrolytischen Films oder einer Elektrode innerhalb des Brennstoffzellenstapels bedingt ist, Aktivierungsüberspannung zum Erzeugen einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, Diffusionsüberspannung infolge der Bewegung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Diffusionsschicht und dergleichen, und dadurch erzeugte Abwärme muss entfernt werden.
Die Brennstoffzellenfahrzeuge umfassen eine wassergekühlte Brennstoffzellenvorrichtung zum Abführen von Wärme, die bei der Leistungserzeugung erzeugt wird, mit Kühlwasser und eine luftgekühlte Brennstoffzellenvorrichtung zum Kühlen mit Luft.
[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technische Aufgabe]
Da ein Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzellenvorrichtung, die in einem Brennstoffzellenfahrzeug angebracht ist, eine Menge an Wärme erzeugt, die geringer ist als die eines Verbrennungsmotors, war es bisher ungünstig, wenn eine ausreichende Menge an Wärme nicht erhalten werden konnte, um das Innere einer Fahrgastzelle zu heizen.
Somit kann, wie in der JP 2000-301 935 A oder der JP 2004-42 759 A , eine Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp, die Wärme von der Außenluft pumpt, in einem Fahrzeug verwendet werden, bei dem eine Wärmequelle nicht zuverlässig gewährleistet werden kann.
Die JP 2000-301 935 A beschreibt eine Struktur, bei der zwei Einheiten eines äußeren Wärmetauschers der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp vorne und hinten in einer Luftströmungsrichtung einer wärmeerzeugenden Quelle angeordnet sind, und ein Kanal eines Kältemittels so geschaltet ist, dass das Kältemittel während eines Heizvorganges zu dem äußeren Wärmetauscher zirkuliert wird, der an der Rückseite der wärmeerzeugenden Quelle angeordnet ist, während das Kältemittel während des Kühlens zu dem äußeren Wärmetauscher zirkuliert wird, der an der Vorderseite der wärmeerzeugenden Quelle angeordnet ist.
Gemäß dieser Struktur von JP 2000-301 935 A kann ein Überziehen mit Frost an dem äußeren Wärmetauscher des Fahrzeuges unterdrückt werden, indem Außenluft mit einer vergleichsweise hohen Temperatur, die durch die Wärmeerzeugungsquelle geführt wurde während des Heizens, durch den äußeren Wärmetauscher des Fahrzeuges zu strömen erlaubt wird, während die Kühlleistung verbessert werden kann, indem man erlaubt, dass Außenluft mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur, bevor sie durch die Wärmequelle hindurchgeht, zu dem äußeren Wärmetauschers des Fahrzeuges während des Kühlens strömt.
Die JP 2004-42 759 A beschreibt, dass in einem Fahrzeug, das mit einem Antrieb oder einer Brennstoffzellenvorrichtung und einer Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp versehen ist, zwei Einheiten eines Kühlers zum Kühlen des Antriebs oder der Brennstoffzellenvorrichtung an der vorderen Seite und der hinteren Seite des äußeren Wärmetauschers der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp angeordnet sind, und man Kühlwasser zu dem Kühler an der vorderen Seite während des Heizens fließen lässt, während man das Kühlwasser zu dem Kühler an der hinteren Seite während des Kühlens fließen lässt, so dass die Mengen an zirkulierendem Kältemittel während des Kühlens und des Heizens ausgeglichen sind, während die Wirkungen ähnlich zu der in JP 2000-301 935 A erhalten werden.
Da jedoch die in JP 2000-301 935 A und JP 2004-42 759 A beschriebenen Strukturen drei Wärmetauscher aufweisen, die in der Längsrichtung des Fahrzeugs nebeneinander angeordnet sind, ist es ungünstig, dass eine Menge der Außenluft, die durch den Wärmetauscher hindurchgeht, durch eine Erhöhung des Ventilationswiderstandes verringert wird, und die Kühlleistung eines jeden Wärmetauschers verschlechtert.
Darüber hinaus ist bei den Strukturen, wie sie in JP 2000-301 935 A und JP 2004-42 759 A beschrieben sind, der Antrieb oder die Brennstoffzelle vom wassergekühlten Typ, bei dem Kühlwasser hindurchzirkuliert wird, und wenn der wassergekühlte Typ für die luftgekühlte Brennstoffzellenvorrichtung verwendet wird unter Verwendung der Außenluft als ein Reaktionsgas und Kühlmedium, wird eine Temperatur des Reaktionsgases während des Kühlens erhöht, was insoweit ungünstig werden kann, als dass die Menge an erzeugter Leistung schwankt.
Die deutsche Patentschrift DE 12 51 493 A offenbart eine Vorrichtung zum Heizen oder Kühlen eines Raumes wie bspw. eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges mit einem nach dem Prinzip der Wärmepumpe arbeitenden Kühlmittelkreislauf.
Die WO 2011/148 927 A1 offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug umfassend einen luftgekühlten Brennstoffzellenstapel, der Außenluft als Reaktionsgas und Kühlmedium verwendet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Klimatisierungsleistung und die Betriebsfähigkeit des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels in dem Brennstoffzellenfahrzeug zu verbessern, an dem der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel und die Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp befestigt sind.
[Lösung der Aufgabe]
Um die oben beschriebenen Unzulänglichkeiten zu überwinden, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt mit einem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel, der Außenluft als ein Reaktionsgas und ein Kühlmedium verwendet, und einer Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp, wobei die Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp, in dieser Reihenfolge, in einem Kältemittelumlaufkanal zum Zirkulieren eines Kältemittels einen Kompressor zum Komprimieren des Kältemittels, einen inneren Wärmetauscher zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und der Luft in einer Fahrgastzelle, ein Expansionsventil zum Expandieren des Kältemittels, und einen äußeren Wärmetauscher, der angeordnet ist zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und der Außenluft umfasst, wobei der Strom des Kältemittels zwischen einer Kühlrichtung und einer Heizrichtung umgeschaltet wird, der äußere Wärmetauscher einen äußeren Wärmetauscher zum Kühlen umfasst, in dem das Kältemittel nur während des Kühlens zirkuliert, und einen äußeren Wärmetauscher zum Heizen, in dem das Kältemittel nur während des Heizens zirkuliert, wobei der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel, der äußere Wärmetauscher zum Kühlen und der äußere Wärmetauscher zum Heizen an einem vorderen Teil des Fahrzeuges angeordnet sind, und der äußere Wärmetauscher zum Heizen durch die Außenluft erwärmt wird, die verwendet wird, um den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel zu kühlen, eine Einlassleitung und eine Auslassleitung an der Vorderseite beziehungsweise Hinterseite des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels angebracht sind, wobei die Einlassleitung und der äußere Wärmetauscher zum Kühlen an dem Frontteil des Fahrzeuges angeordnet sind, so dass sie nicht miteinander in der Fahrzeuglängsrichtung überlappen, wenn das Fahrzeug von vorne betrachtet ist, und der äußere Wärmetauscher zum Heizen an der Rückseite der Auslassleitung und über einem Fahrmotor angeordnet ist.
[Vorteilhafte Wirkung der Erfindung]
Wie oben im Detail beschrieben kann gemäß der vorliegenden Erfindung der äußere Wärmetauscher zum Heizen durch Außenluft erwärmt werden, deren Temperatur durch Wärmetausch mit dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel während des Heizens erhöht wurde, und die Heizleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp verbessert und das Überziehen mit Frost an dem äußeren Wärmetauscher zum Heizen verhindert werden.
Da die Einlassleitung und der äußere Wärmetauscher zum Kühlen an dem Frontteil des Fahrzeuges so angeordnet sind, dass sie sich nicht in der Fahrzeuglängsrichtung überlappen, kann in diesem Fall, wenn das Fahrzeug von vorne betrachtet wird, eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit der Außenluft, die zu dem äußeren Wärmetauscher zum Heizen durch die Einlassleitung strömt, infolge des Ventilationswiderstandes des äußeren Wärmetauschers zum Kühlen verhindert werden. Somit kann eine Kühlwirkung in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel und eine Heizwirkung in dem äußeren Wärmetauscher zum Heizen verbessert werden, und die Heizleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp verbessert werden.
Darüber hinaus kann während des Kühlens eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Außenluft, die durch den äußeren Wärmetauscher zum Kühlen strömt, infolge des Ventilationswiderstands des äußeren Wärmetauschers zum Erwärmen verhindert werden, und die Kühlleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp verbessert werden.
Darüber hinaus kann, da die Außenluft, deren Temperatur durch Kühlen des äußeren Wärmetauschers zum Kühlen erhöht wurde, während des Kühlens nicht in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel fließt, eine Temperaturänderung der Außenluft, die ein Reaktionsgas ist, unterdrückt werden.
Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Klimatisierungsleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp und die Betriebsfähigkeit des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels verbessert werden.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
1 ist eine Draufsicht eines vorderen Teils eines Brennstoffzellenfahrzeugs (Beispiel).
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Zustands, bei dem der vordere Teil des Brennstoffzellenfahrzeuges von rechts vorne betrachtet ist (Beispiel).
3 ist eine perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenfahrzeuges, wenn es von der rechten Seite betrachtet ist (Beispiel).
4 ist eine Frontansicht des vorderen Teils des Brennstoffzellenfahrzeugs (Beispiel).
5 ist ein Konfigurationsdiagramm eines luftgekühlten Brennstoffzellensystems (Beispiel).
6 ist ein Diagramm, das einen Kältemittelkanal einer Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp während des Heizens zeigt (Beispiel).
7 ist ein Diagramm, das den Kältemittelkanal einer Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp während des Kühlens (Beispiel) zeigt.
[Beschreibung von Ausführungsformen]
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
[Beispiel]
Die 1 bis 7 veranschaulichen ein Beispiel der vorliegenden Erfindung.
In den 1 bis 4 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Brennstoffzellenfahrzeug, Bezugszeichen 2 eine Fahrzeugkarosserieplatte (auch als „vordere Motorhaube” bezeichnet), Bezugszeichen 3 eine vordere Windschutzscheibe, Bezugszeichen 4 ein Armaturenbrett, Bezugszeichen 5L ein linkes Vorderrad, Bezugszeichen 5R ein rechtes Vorderrad, Bezugszeichen 6L eine linke Seitenplatte und Bezugszeichen 6R eine rechte Seitenplatte.
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 weist ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem 7 auf, welches darin angebracht ist.
Bei diesem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 wird, wie in 5 dargestellt, ein Hochdruckwasserstoffgas, das in einem Wasserstofftank 8 in einem komprimierten Zustand gespeichert ist, in einen Anodeneinlassteil eines luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 eingeführt, nachdem sein Druck durch ein Druckminderungsventil 9 verringert ist, während eine Einlassvorrichtung für eine Kathode im Unterschied zu einer üblichen Brennstoffzellenvorrichtung keinen Hochdruckkompressor aufweist, und die Außenluft wird durch einen Filter 11 gesogen und an dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 durch ein Niederdruckgebläse 12 bereitgestellt.
Die an diesem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellte Luft wird nicht nur in einer Leistungserzeugungsreaktion (Reaktionsgas) in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 verwendet, sondern spielt auch eine Rolle beim Abführen von Abwärme in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 und Kühlen des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10.
Ein Anodenauslasskanal des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 ist mit einem Kathodenauslasskanal des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 durch ein Entlüftungsventil 13 verbunden, und wenn ein Wasserstoffgas, das von der Anodenseite abgelassen wird, entlüftet werden soll, dann wird das abgelassene Wasserstoffgas verdünnt auf eine entflammbare Konzentration im unteren Bereich oder weniger, und wird in die Außenwelt durch den kathodenseitigen Auslass abgelassen.
Bei diesem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 wird eine elektrochemische Reaktion durchgeführt und dadurch Wasser erzeugt.
Der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 10 ist üblicherweise ausgebildet durch Laminieren einer großen Anzahl von Minimalbestandteileinheiten, die als „Zellen” bezeichnet werden.
Da dieses luftgekühlte Brennstoffzellensystem 7 keine Kühlwasserschleife wie eine wassergekühlte Brennstoffzellenvorrichtung aufweist, kann ein Kühlen durch Wasser nicht erfolgen.
Im Folgenden wird ein Heiz- und Kühlsystem 14 für ein Brennstoffzellenfahrzeug der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Das Heiz- und Kühlsystem 14 für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das in dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 angebracht ist, ist, wie in den 6 und 7 dargestellt, mit einer Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 (auch als „Heiz- und Kühlsystem vom Wärmepumpentyp” bezeichnet) versehen.
Diese Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 weist, wie in den 6 und 7 dargestellt, einen Kompressor 17 auf zum Komprimieren eines Kältemittels, einen inneren Wärmetauscher 18 zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und der Luft in einem Fahrgastraum, ein Expansionsventil 19 zum Expandieren des Kältemittels, und einen äußeren Wärmetauscher 20 zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und der Außenluft, angeordnet in dieser Reihenfolge, in einem Kältemittelumlaufkanal 16, in dem das Kältemittel zirkuliert und der Fluss des Kältemittels geschaltet ist zwischen einer Kühlrichtung und einer Heizrichtung.
Darüber hinaus umfasst der äußere Wärmetauscher 20 einen äußeren Wärmetauscher 21 zum Kühlen, in dem das Kältemittel nur während des Kühlens zirkuliert, und einen äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen, in dem das Kältemittel nur während des Heizens zirkuliert.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, weist hier das Brennstoffzellenfahrzeug 1 den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10, den äußeren Wärmetauscher 21 zum Kühlen und den äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen an einem vorderen Teil in dem Fahrzeug angeordnet auf und ist so konfiguriert, dass der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen durch die Außenluft erwärmt wird, die verwendet wird, um den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 zu kühlen.
Das heißt, dass während des Heizens der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15, wie in 6 dargestellt, der Kathodenauslass von dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 nur in dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen zirkuliert.
In diesem Fall ist eine Temperatur des Kathodenauslasses von dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 niedriger als eine Kühlwassertemperatur einer Verbrennungsmaschine, ist aber ausreichend höher als die Außenlufttemperatur während des Heizens.
Daher wird, indem der Kathodenauslass von dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 zu dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen geführt wird, das Kältemittel weiter erwärmt und ein Überziehen mit Frost an dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen verhindert und die Heizleistung verbessert.
Infolge der jüngsten Entwicklung auf dem Gebiet der Leistungselektroniktechnologie erzeugt ein elektrisches Fahrzeug einschließlich des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 eine extrem geringe Menge an Wärme infolge von Verlusten von einem Motor, einem Wechselrichter oder dergleichen, aber die Menge an Abwärme von dem Brennstoffzellensystem ist vergleichsweise größer und somit ist die Wirkung der Wiedergewinnung der Kathodenabwärme des luftgekühlten Brennstoffzellensystems 7 durch den äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen extrem groß.
Andererseits führt, während des Kühlens der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15, wie in 7 dargestellt, die Einführung des Kathodenauslasses von dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem mit einer Temperatur, die höher ist als die Außenlufttemperatur, an dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 zu einer Verschlechterung der Kühlleistung.
Somit wird, in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung, der Kältemittelumlaufkanal 16 während des Kühlens umgeschaltet durch erste bis dritte Schaltventile 23, 24 und 25, so dass das Kältemittel durch den äußeren Wärmetauscher 21 zum Kühlen zirkuliert.
In diesen äußeren Wärmetauscher 21 zum Kühlen wird die Außenluft (Fahrtluft) wie zuvor eingeführt.
Wie oben beschrieben kann, indem eine Vielzahl von äußeren Wärmetauschern, das heißt der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen und der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen bei der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 vorgesehen ist, und durch Schalten des Kältemittelumlaufkanals 16 gemäß dem Zustand des Kühlens und Heizens sowohl eine Verhinderung von Frostbildung und Verbesserung der Heizleistung in dem äußeren Wärmetauscher während des Heizens als auch eine Verbesserung der Kühlleistung während des Kühlens realisiert werden.
Im Folgenden ist eine Struktur des vorderen Teils des Brennstoffzellenfahrzeuges 1 beschrieben.
Zuerst ist, in dem vorderen Teil des Brennstoffzellenfahrzeuges 1, wie veranschaulicht in den 1 bis 4, der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen auf der linken Seite einer Mittellinie C in einer Richtung der Fahrzeugbreite dieses Brennstoffzellenfahrzeuges 1 und auch auf der Rückseite eines Stoßfängerelementes 26 an dem vorderen Teil angeordnet, und ein Kühler 27 (der auch als „Wasserkühlungswärmetauscher” bezeichnet wird) zum Kühlen elektrischer Bestandteile ist an der Rückseite dieses äußeren Wärmetauschers 21 zum Kühlen angeordnet.
An der Rückseite dieses Kühlers 27 sind ein Wechselrichter 28 und ein Fahrmotor 29 angeordnet.
Darüber hinaus ist der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 10 auf der rechten Seite des Wechselrichters 28 angeordnet.
In diesem Fall ist, wie in 3 dargestellt, der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 10 aus einer ersten Brennstoffzelleneinheit 10a und einer zweiten Brennstoffzelleneinheit 10b, die unter der ersten Brennstoffzelleneinheit 10a angeordnet ist, zusammengesetzt.
Sodann ist eine Einlassleitung 30 und eine Auslassleitung 31 an der Vorderseite beziehungsweise der Hinterseite des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 angebracht.
In diesem Fall besteht die Einlassleitung 30, wie in den 2 bis 4 dargestellt, aus einer ersten Einlassleitung 30a, die an der Vorderseite der ersten Brennstoffzelleneinheit 10a oberhalb angeordnet ist, und einer zweiten Einlassleitung 30b, die unter dieser ersten Einlassleitung 30a und auf der Vorderseite der zweiten Brennstoffzelleneinheit 10b angeordnet ist.
Darüber hinaus besteht, wie in 3 dargestellt, die Auslassleitung 31 aus einer ersten Auslassleitung 31a, die an der Rückseite der ersten Brennstoffzelleneinheit 10a oberhalb angeordnet ist, und einer zweiten Auslassleitung 31b, die unterhalb dieser ersten Auslassleitung 31a und an der Rückseite der zweiten Brennstoffzelleneinheit 10b angeordnet ist.
In diesem Fall sind, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 1 von vorne betrachtet ist, die Einlassleitung 30 und der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen an dem vorderen Seitenteil des Fahrzeugs angeordnet, so dass sie nicht miteinander in Fahrzeuglängsrichtung überlappen, und der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen ist an der Rückseite der Auslassleitung 31 bei dieser Konfiguration angeordnet.
Genauer ist, an dem vorderen Seitenteil des Brennstoffzellenfahrzeugs 1, wie dargestellt in den 1, 2 und 4, wenn der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen auf der linken Seite der Mittellinie C in Richtung der Fahrzeugbreite des Brennstoffzellenfahrzeuges 1 und auch an der Rückseite des Stoßfängerelementes 26 an dem vorderen Teil angeordnet ist, die Einlassleitung 30 auf der rechten Seite des äußeren Wärmetauschers 21 zum Kühlen angeordnet, das heißt auf der rechten Seite der Mittellinie C in der Richtung der Fahrzeugbreite des Brennstoffzellenfahrzeuges 1 und auch an der Rückseite des Stoßfängerelementes 26 an dem vorderen Teil, so dass die Einlassleitung 30 und der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen einander in Fahrzeuglängsrichtung nicht überlappen.
Darüber hinaus ist an der Rückseite der Auslassleitung 31 und in der Nähe der Anordnungsposition des Fahrzeugmotors 29, wie in den 1 bis 3 dargestellt, der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen angeordnet.
Deshalb kann, vermittels der oben beschriebenen Struktur, der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen erwärmt werden durch Außenluft, deren Temperatur erhöht worden ist durch Wärmetausch mit dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 während des Heizens, und die Heizleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 kann verbessert und das Überziehen mit Frost des äußeren Wärmetauschers 22 zum Heizen verhindert werden.
In diesem Fall, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 1 von vorne betrachtet ist, kann, da die Einlassleitung 30 und der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen an dem Frontteil des Fahrzeuges so angeordnet sind, dass sie in der Fahrzeuglängsrichtung nicht miteinander überlappen, eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Außenluft, die zu dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen durch die Einlassleitung 30 strömt, infolge des Ventilationswiderstandes des äußeren Wärmetauschers 21 zum Kühlen verhindert werden.
Somit ist die Strahlwirkung des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 und die Heizwirkung in dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen verbessert und die Heizleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 kann verbessert werden.
Darüber hinaus kann, während des Kühlens, eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Außenluft, die durch den äußeren Wärmetauscher 21 zum Kühlen hindurchgeht, infolge des Ventilationswiderstandes des äußeren Wärmetauschers 22 zum Heizen verhindert werden, und die Kühlleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 kann verbessert werden.
Darüber hinaus kann, da die Außenluft, deren Temperatur durch Kühlen des äußeren Wärmetauschers 21 zum Kühlen erhöht worden ist, nicht in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 während des Kühlens fließt, eine Temperaturänderung der Außenluft, die ein Reaktionsgas ist, unterdrückt werden.
Daher kann in dem Beispiel der vorliegenden Erfindung die Klimatisierungsleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 und gleichzeitig die Betriebsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 10 verbessert werden.
Darüber hinaus ist der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen an einer Position angeordnet näher zu einer Seite von dem mittleren Teil in Richtung der Fahrzeugbreite oder der vertikalen Richtung des Fahrzeuges, und die Einlassleitung 30 ist angeordnet an einer Position näher zu der anderen Seite von dem mittleren Teil in Richtung der Fahrzeugbreite oder der vertikalen Richtung des Fahrzeuges.
Das heißt, wenn der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen angeordnet ist wie in den 1 und 2 dargestellt, ist er angeordnet auf der linken Seite von der Mittellinie C in Richtung der Fahrzeugbreite des Brennstoffzellenfahrzeuges 1 und an einer hinteren Position des Stoßfängerelementes 26 des vorderen Teils und, beispielsweise, an einer Position näher zu der linken Seite, die eine Seite von dem mittleren Teil in Richtung der Fahrzeugbreite ist.
Darüber hinaus, wenn die Einlassleitung 30 angeordnet ist wie in den 1, 2 und 4 dargestellt, ist sie auf der rechten Seite von der Mittellinie C in Richtung der Fahrzeugbreite des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 und an einer hinteren Position des Stoßfängerelementes 26 auf der vorderen Seite angeordnet und, beispielsweise, an einer Position näher zu der rechten Seite, die die andere Seite von dem mittleren Teil in Richtung der Fahrzeugbreite ist.
Im Ergebnis, da der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen und die Einlassleitung 30 in die zueinander gegensätzlichen Richtungen von dem mittleren Teil in Richtung der Fahrzeugbreite oder in vertikaler Richtung des Fahrzeuges versetzt sind, oder gemäß der Erklärung dieses Beispiels, in Richtung der Fahrzeugbreite, kann ein Einströmen der Außenluft, deren Temperatur durch Kühlen des äußeren Wärmetauschers 21 zum Kühlen erhöht wurde, während des Kühlens in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 verhindert werden, ohne dass die Einlassleitung 30 in einer komplizierten Art und Weise gebogen ist.
Darüber hinaus ist ein Abluftgebläse 32 angeordnet zwischen dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 und dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen.
Das heißt, zwischen dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10, der an dem vorderen Teil des Fahrzeuges angeordnet ist, und dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen, der an der Seite näher zu der hinteren Seite des Fahrzeuges angeordnet ist als die Auslassleitung 31, die auf diesem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 befestigt ist, ist das Abluftgebläse 32 angeordnet wie in den 1 und 3 dargestellt.
In diesem Fall besteht das Abluftgebläse 32, wie in 3 dargestellt, aus ersten Abluftgebläsen 32a und 32a, die auf der Rückseite der ersten Auslassleitung 31a der Auslassleitung 31 angeordnet sind und parallel angeordnet sind in Richtung der Fahrzeugbreite, und einem zweiten Abluftgebläse 32b, das unterhalb der ersten Abluftgebläse 32a und 32a und auf der Rückseite der zweiten Auslassleitung 31b der Auslassleitung 31 angeordnet ist.
Im Ergebnis kann die Außenluft aus dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 durch das Abluftgebläse 32 gesogen werden und, gleichzeitig, die Außenluft, deren Temperatur erhöht worden ist, in den äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen eingespeist werden.
Somit können die Heizmerkmale des äußeren Wärmetauschers 22 zum Heizen und die Heizleistung des Brennstoffzellenfahrzeuges 1, in dem der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 10 angebracht ist, verbessert werden.
Darüber hinaus ist der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen oberhalb des Fahrmotors 29 angeordnet.
Das heißt, wenn der Fahrmotor 29 auf der Rückseite der Auslassleitung 31 angeordnet ist, ist der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen oberhalb des Fahrmotors 29 angeordnet, wie in 3 dargestellt.
Im Ergebnis kann der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen, der oberhalb angeordnet ist, während des Heizens erwärmt werden durch Wärme, die von dem Fahrmotor 29 erzeugt wird, und die Heizleistung der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 kann verbessert werden.
Darüber hinaus kann eine Erhöhung des Ventilationswiderstandes in dem Kanal, durch den die Außenluft zu dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen durch den Fahrmotor 29 zu strömen gezwungen wird, verhindert werden, und die Heizeigenschaften des äußeren Wärmetauschers 22 zum Heizen können verbessert werden.
Darüber hinaus weist der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 10 eine Struktur auf, bei der Brennstoffzelleneinheiten oder, beispielsweise, die erste und die zweite Brennstoffzelleneinheit 10a und 10b, was insgesamt zwei Einheiten ergibt, in vertikaler Richtung des Fahrzeuges angeordnet sind, und die Auslassleitung 31 und das Abluftgebläse 32 sind einzeln an Positionen in der vertikalen Fahrzeugrichtung angeordnet entsprechend der ersten und zweiten Brennstoffzelleneinheit 10a und 10b.
Das heißt, der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 10 besteht, wie in 3 dargestellt, aus der ersten Brennstoffzelleneinheit 10a und der zweiten Brennstoffzelleneinheit 10b, die unterhalb dieser ersten Brennstoffzelleneinheit 10a angeordnet ist, und die erste Auslassleitung 31a und die ersten Abluftgebläse 32a und 32a sind an Positionen angeordnet entsprechend dieser ersten und zweiten Brennstoffzelleneinheiten 10a und 10b, das heißt auf der Rückseite der ersten Brennstoffzelleneinheit 10a, wohingegen die zweite Auslassleitung 31b und das zweite Abluftgebläse 32b auf der Rückseite der zweiten Brennstoffzelleneinheit 10b angeordnet sind.
Im Ergebnis kann die Außenluft verlässlich zu dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen geleitet werden, wobei die Kühlwirkung der ersten und zweiten Brennstoffzelleneinheit 10a und 10b, die, beispielsweise, in der vertikalen Richtung des Fahrzeuges gestapelt sind, durch das Anordnen der Auslassleistung 31 und des Abluftgebläses 32 verbessert ist.
Zusätzlich ist das Brennstoffzellenfahrzeug 1 mit dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 des luftgekühlten Brennstoffzellensystems 7 und der Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp 15 versehen.
In dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 sind, bezüglich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10, der aus den zwei Brennstoffzelleneinheiten besteht, das heißt der ersten und zweiten Brennstoffzelleneinheit 10a und 10b, auf der oberen beziehungsweise unteren Seite die Einlassleitung 30, die aus der ersten und zweiten Einlassleitung 30a und 30b besteht, die Auslassleitung 31, die aus der ersten und zweiten Auslassleitung 31a und 31b besteht, und das Abluftgebläse 32, das aus dem ersten und zweiten Abluftgebläse 32a, 32a beziehungsweise 32b besteht, bereitgestellt.
In diesem Fall ist dieses Abluftgebläse 32 auf der Rückseite der ersten und zweiten Brennstoffzelleneinheit 10a und 10b des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 durch die Auslassleitung 31 hindurch bereitgestellt, und der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen ist an der Rückseite des ersten und zweiten Abluftgebläses 32a und 32a angeordnet, die auf der ersten Brennstoffzelleneinheit 10a befestigt sind, die auf einem oberen Teil angeordnet ist.
Andererseits ist der äußere Wärmetauscher 21 zum Kühlen befestigt auf der Seite der Einlassleitung 30 in dem vorderen Teil des Fahrzeuges und an einer Position, wo Fahrtluft auftrifft.
Während des Heizens wird Abwärme von dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 7 in dem äußeren Wärmetauscher 22 zum Heizen wiedergewonnen, während während des Kühlens der Kanal so geschaltet ist, dass das Kältemittel durch den äußeren Wärmetauscher 21 zum Kühlen hindurchströmt.
In diesem Fall ist der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen auf der Rückseite des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet und, in diesem Beispiel, ist seine seitliche Breite so festgelegt, dass sie im Wesentlichen gleich der Länge des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 ist, wie in 1 dargestellt.
Im Ergebnis kann Abwärme des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 wirksam wiedergewonnen werden.
Darüber hinaus ist der äußere Wärmetauscher 22 zum Heizen auf dem oberen Teil des Fahrmotors 29 im Bereich hinter dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet.
Im Ergebnis kann ein Raum an dem oberen Teil des Fahrmotors 29 wirksam verwendet und, da erwärmte Luft leicht gesammelt werden kann, eine wirksame Wärmerückgewinnung realisiert werden.
Die Anordnungsstruktur des äußeren Wärmetauschers 21 zum Kühlen und des äußeren Wärmetauschers 22 zum Heizen, wie in diesem Beispiel realisiert, kann auch selbst dann verwendet werden, wenn das Kühlverfahren des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 10 von der Art einer Wasserkühlung ist, aber diese ist besonders wirksam als ein Heizmittel für das luftgekühlte Brennstoffzellensystem 7, welches nicht Kühlwasser zum Heizen verwenden kann.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenfahrzeug
2: Fahrzeugkarosserieplatte (auch bezeichnet als ”vordere Motorhaube”)
3: vordere Windschutzscheibe
4: Armaturenbrett
5L/R: linkes/rechtes Vorderrad
6L/R: linke/rechte Seitenplatte
7: luftgekühltes Brennstoffzellensystem
8: Wasserstofftank
9: Druckminderungsventil
10: luftgekühlter Brennstoffzellenstapel
10a, b: erste und zweite Brennstoffzelleneinheit
11: Filter
12: Gebläse
13: Entlüftungsventil
14: Heiz/Kühlsystem für Brennstoffzellenfahrzeug
15: Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp (auch bezeichnet als „Heiz- und Kühlsystem vom Wärmepumpentyp”)
16: Kältemittelumlaufkanal
17: Kompressor
18: innerer Wärmetauscher
19: Expansionsventil
20: äußerer Wärmetauscher
21: äußerer Wärmetauscher zum Kühlen
22: äußerer Wärmetauscher zum Heizen
23, 24, 25: erstes bis drittes Schaltventil
26: Stoßfängerelement
27: Kühler (auch bezeichnet als „Wasserkühlungswärmetauscher”)
28: Wechselrichter
29: Fahrmotor
30: Einlassleitung
30a, b: erste und zweite Einlassleitung
31: Auslassleitung
32: Abluftgebläse
32a, b: erstes und zweites Abluftgebläse

Claims

Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfassend: einen luftgekühlten Brennstoffzellenstapel (10), der Außenluft als Reaktionsgas und Kühlmedium verwendet; und eine Klimatisierungsvorrichtung vom Wärmepumpentyp (15), umfassend in dieser Reihenfolge in einem Kältemittelumlaufkanal zum Zirkulieren eines Kältemittels, einen Kompressor (17) zum Komprimieren des Kältemittels, einen inneren Wärmetauscher (18) zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und Luft in einer Fahrgastzelle, ein Expansionsventil (19) zum Expandieren des Kältemittels; und einen äußeren Wärmetauscher (20) zum Wärmetauschen zwischen dem Kältemittel und der Außenluft; wobei der Strom des Kältemittels zwischen einer Kühlrichtung und einer Heizrichtung umgeschaltet ist; der äußere Wärmetauscher (20) einen äußeren Wärmetauscher zum Kühlen (21), in dem das Kältemittel nur während des Kühlens zirkuliert, und einen äußeren Wärmetauscher zum Heizen (22) umfasst, in dem das Kältemittel nur während des Heizens zirkuliert; und der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel (10), der äußere Wärmetauscher zum Kühlen (21) und der äußere Wärmetauscher zum Heizen (22) an einem vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet sind; und der äußere Wärmetauscher zum Heizen (22) durch die Außenluft erwärmt wird, die verwendet wird, um den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel (10) zu kühlen, wobei eine Einlassleitung (30) und eine Auslassleitung (31) an der Vorderseite bzw. Hinterseite des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels (10) angebracht sind; wobei die Einlassleitung (30) und der äußere Wärmetauscher zum Kühlen (21) an einem Frontteil des Fahrzeuges angeordnet sind, so dass sie nicht miteinander in einer Fahrzeuglängsrichtung überlappen, wenn das Fahrzeug von der Front betrachtet ist; der äußere Wärmetauscher zum Heizen (22) an der Rückseite der Auslassleitung (31) angeordnet ist; und der äußere Wärmetauscher zum Heizen (22) über einem Fahrmotor (29) angeordnet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, wobei der äußere Wärmetauscher zum Kühlen (21) an einer Position angeordnet ist, die näher zu einer Seite von einer Mittellinie (C) in einer Richtung in Fahrzeugbreite ist, und die Einlassleitung (30) angeordnet ist an einer Position näher zu der anderen Seite von der Mittellinie (C) in der Richtung in Fahrzeugbreite.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, wobei ein Abluftgebläse (32) zwischen dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel (10) und dem äußeren Wärmetauscher zum Heizen (22) angeordnet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, wobei der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel (10) eine Struktur aufweist, bei der eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten in der Vertikalrichtung des Fahrzeuges gestapelt sind, und die Auslassleitung (31) und das Abluftgebläse (32) einzeln an Positionen angeordnet sind entsprechend einer jeden der Brennstoffzelleneinheiten in Richtung der Vertikalrichtung des Fahrzeuges.