DE10033989A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Tragen einer Fahrzeug-Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

In einer Tragvorrichtung und einem Tragverfahren für Fahrzeug-Brennstoffzellen, mit denen eine Brennstoffzelle getragen wird, die mehrere Einheitszellen umfaßt, wovon jede eine Anode, eine Katode und einen Elektrolytfilm umfaßt, wobei die mehreren Einheitszellen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs laminiert sind und zwischen ihnen Trenneinrichtungen vorgesehen sind, wird eine Relativbewegung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs des an der vordersten Position der Brennstoffzelle in bezug auf das Fahrzeug befindlichen Zellenelements blockiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tragen einer Fahrzeug-Brennstoffzelle und insbeson­ dere eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Ver­ fahren, die auf eine Verbesserung der Dichtigkeit der Brennstoffzelle zielen.

In den letzten Jahren ist versucht worden, eine elektro­ chemische Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen, d. h. mit Wasserstoff stark angereicherten Gas und einem sauerstoffhaltigen Gas in Gegenwart eines Katalysators hervorzurufen, um die elektrische Leistung, die auf diese Weise erzeugt wird, als Stromversorgung für den Antrieb eines Fahrzeugs zu nutzen.

JP H5-82157-A schlägt eine Technologie vor, bei der eine verschiebbare obere Tragplatte und ein Federmechanismus vorgesehen sind, um eine Brennstoffzelle festzuhalten, um dadurch eine Verschlechterung der Dichtigkeit der Brenn­ stoffzelle durch Vibrationen, die durch das Anlassen, das Anhalten und das Fahren des Fahrzeugs bedingt sind, zu verhindern.

Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß in dem Fall, in dem ein Brennstoffzellensystem als mobile Stromversor­ gung verwendet wird, im Vergleich zu einer immobilen Installation wie etwa in einer chemischen Anlage im Hinblick auf die folgenden Punkte zusätzliche Betrachtun­ gen erforderlich sind.

Zunächst muß die Sicherheit betrachtet werden. Da insbe­ sondere eine Brennstoffzelle als Reaktionsgas ein wasser­ stoffhaltiges, d. h. mit Wasserstoff stark angereichertes Gas verwendet, ist es wünschenswert, die Dichtigkeit der Brennstoffzelle während der Fahrt des Fahrzeugs oder dergleichen zu verbessern. Falls ferner ein Leck eines Elektrolyten im Zellenstapel auftritt, nimmt die Leistung der Brennstoffzelle ab. Daher ist es auch von diesem Standpunkt aus wünschenswert, die Dichtigkeit der Brenn­ stoffzelle zu verbessern.

Zweitens muß die Vibrationsfestigkeit berücksichtigt werden. Insbesondere in dem Fall, in dem eine Brennstoff­ zelle als mobile Stromversorgung, die in einem Fahrzeug angebracht ist, verwendet wird, wirken auf die Brenn­ stoffzelle wiederholt Lasten und Stoßlasten, da ein Anlassen, ein Beschleunigen, ein Fahren, ein Verzögern, ein Anhalten oder dergleichen des Fahrzeugs häufig auf­ treten, d. h. da durch diese Ereignisse häufig Erschütte­ rungen und Vibrationen entstehen. Falls daher die Vibra­ tionsfestigkeit unzureichend ist, können sich in ver­ schiedenen Teilen der Brennstoffzelle Zwischenräume entwickeln, insbesondere zwischen Einheitszellen und Abstandshaltern, die den Zellenstapel bilden, ferner kann auf die Trenneinrichtungen, die aus Kohlenstoff herge­ stellt sind und für die Stoßlast empfindlich sind, ein Stoß ausgeübt werden.

In dem Fall, in dem eine Brennstoffzelle in einem Fahr­ zeug angebracht ist, ist eine große und häufige Einwir­ kung auf die Brennstoffzelle durch eine Beschleunigung gegeben, die in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs wirkt, etwa wenn das Fahrzeug plötzlich abgebremst wird oder wenn das Fahrzeug einen Frontalzusammenstoß erfährt. Um daher die Dichtigkeit der Brennstoffzelle zu verbessern, wird es für notwendig erachtet, die Tragstruktur der Brennstoffzelle in Vorwärtsrichtung stärker als in ande­ ren Richtungen des Fahrzeugs zu betrachten.

Für Tragstrukturen von Brennstoffzellen gab es jedoch in der Vergangenheit im Hinblick auf diesen Punkt keine spezifischen Vorschläge.

Genauer besteht bei der Anbringung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug der Wunsch nach einer Konfiguration, in der die Verbesserung der Dichtigkeit der Brennstoffzelle ausreichend berücksichtigt wird und der Raum, der zwi­ schen Einheitszellen und Trenneinrichtungen, die die Brennstoffzelle bilden, selbst im Fall eines plötzlichen Abbremsens oder eines Frontalzusammenstoßes reduziert wird.

Die Erfindung ist nach den obengenannten Untersuchungen gemacht worden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tragen einer Fahrzeug- Brennstoffzelle zu schaffen, mit denen die Dichtigkeit der Brennstoffzelle wirksam verbessert werden kann und mit denen der Raum, der zwischen Einheitszellen und Trenneinrichtungen, die die Brennstoffzelle bilden, selbst bei einem plötzlichen Abbremsen oder bei einem Frontalzusammenstoß reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Tragvorrichtung nach Anspruch 1 bzw. durch ein Tragverfahren nach Anspruch 12. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und in dem weiteren Nebenanspruch angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht der Konfiguration einer Tragvorrichtung für eine Fahrzeug-Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1B eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1A in X- Richtung;

Fig. 2 eine Teilquerschnittsansicht einer beispielhaften Einheitszelle, aus denen die Brennstoffzelle ge­ mäß dieser Ausführungsform der Erfindung gebildet ist;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der schematischen Konfiguration einer Tragvorrichtung für Fahrzeug- Brennstoffzellen gemäß einer zweiten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 4A eine Querschnittsansicht längs der Linie IVA-IVA in Fig. 3;

Fig. 4B eine Querschnittsansicht längs der Linie IVB-IVB in Fig. 3;

Fig. 5A eine perspektivische Ansicht der schematischen Konfiguration einer Tragvorrichtung für Fahrzeug- Brennstoffzellen gemäß einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung; und

Fig. 5B die Beziehung zwischen dem resultierenden Rück­ prallzentrum eines ersten Tragelements und dem Schwerpunkt von Einheitszellen, die die Brenn­ stoffzelle bilden.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 1A bis 2 eine erste Ausführungsform einer Tragvorrichtung und eines Tragverfahrens für Fahrzeug-Brennstoffzellen im einzelnen beschrieben. In Fig. 1a gibt der Pfeil FR die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs an, während der Pfeil UPR die Aufwärtsrichtung des Fahrzeugs angibt.

Zunächst wird die Konfiguration einer Tragvorrichtung für Fahrzeug-Brennstoffzellen gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, hat die erfindungsgemäße Tragvorrichtung 2 die Aufgabe der Anbringung einer Fahrzeug-Brennstoffzelle an einer Fahrzeugkarosserie B beispielsweise eines Elek­ trofahrzeugs oder dergleichen, für das die Brennstoff­ zelle als Antriebsquellenversorgung dient, und umfaßt eine Brennstoffzelle 4 sowie ein Tragelement 6, das die Bewegung in Vorwärtsrichtung einer Einheitszelle 42, die sich an der vordersten Position der Brennstoffzelle 4 befindet, blockiert.

Als Brennstoffzelle 4 wird in einer sogenannten Stapel­ struktur eine Festkörper-Hochpolymer-Elektrolyt-Brenn­ stoffzelle verwendet. Diese Stapelstruktur besitzt meh­ rere dünne Lagen aus Einheitszellen 42, die die Brenn­ stoffzelle 4 bilden, wobei sich dazwischen Trenneinrich­ tungen 44 befinden, ferner ist die Brennstoffzelle zwi­ schen eine Metallplatte 46, die zur Vorderseite des Fahrzeugs weist, und eine Metallplatte 48, die zur Rück­ seite des Fahrzeugs weist, sandwichartig eingefügt. Selbstverständlich können die Platten 46 und 48 auch aus einem Kunstharz oder dergleichen, das die Festigkeitsan­ forderungen erfüllt, hergestellt sein. Die Brennstoff­ zelle 4 ist im Fahrzeug in der Weise installiert, daß die Richtung, in der die dünnen Lagen angeordnet sind, der Vorwärts/Rückwärts-Richtung des Fahrzeugs entspricht.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist jede Einheitszelle 42 aus einem Elektrolytfilm 422 sowie aus einem Paar aus einer Anode 424 und einer Katode 426, zwischen denen der Elek­ trolytfilm 422 sandwichartig angeordnet ist, hergestellt.

Jeder Elektrolytfilm 422 ist aus einem Festkörper-Hochpo­ lymer-Werkstoff wie etwa einen Ionenaustauschfilm mit Protonenleitfähigkeit, der durch ein Harz auf Fluorbasis gebildet ist, hergestellt. Selbstverständlich kann auf die Oberfläche des Elektrolytfilms 422 eine Platinlegie­ rung oder eine Legierung aus einem anderen Metall als Katalysator aufgebracht werden.

Die Anode 424 und die Katode 426 sind Gasdispersionselek­ troden, die eine Struktur bilden, die den Elektrolytfilm auf seinen beiden Seiten sandwichartig umgibt. Genauer sind die Anode 424 und die Katode 426 durch einen Kohlen­ stoffmantel gebildet, der aus Kohlenstoffasern oder einem Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffpappe oder dergleichen, die aus Kohlenstoffasern gebildet sind, hergestellt ist.

Jede Trenneinrichtung 44 ist schichtweise so angeordnet, daß zwischen einer Anode 424 und einer Katode 426, die einander gegenüberliegen und benachbart sind, Strömungs­ wege 442 für ein wasserstoffhaltiges Gas und Strömungs­ wege 444 für ein sauerstoffhaltiges Gas geschaffen wer­ den. Diese Trenneinrichtung 44 ist aus einem elektrisch leitenden Element, das für Gas undurchlässig ist, etwa aus dichtem Kohlenstoff, der aufgrund seiner Verdichtung für Gas undurchlässig ist, hergestellt.

Genauer besitzt die Trenneinrichtung 44 auf ihren beiden Oberflächen Rippen. Die Rippen auf einer Oberfläche bilden Strömungswege 442 für wasserstoffhaltiges Gas zwischen der Trenneinrichtung 44 und der Anode 424, während die Rippen auf der anderen Oberfläche Strömungs­ wege 444 für sauerstoffhaltiges Gas zwischen der Trenn­ einrichtung 44 und der Katode 426 bilden. Dies ist selbstverständlich keine besondere Beschränkung, wobei es möglich ist, zwei Elemente zu verwenden, die jeweils nur auf einer Oberfläche Rippen besitzen, um dadurch Strö­ mungswege für eine Elektrode zu bilden, und diese Ele­ mente so zu stapeln, daß Strömungswege zur anderen Elek­ trode gebildet werden. Es ist ferner möglich, eine Kombi­ nation hiervon zu verwenden. Außerdem ist es ausreichend, daß die an den Enden der Stapelstruktur angeordneten Trenneinrichtungen 44 nur auf einer ihrer Oberflächen Rippen besitzen, wobei es sich in diesem Fall um die Oberfläche handelt, die mit der Gasdispersionselektrode in Kontakt ist (siehe die in Fig. 2 gezeigten Endab­ schnitte).

In jedem der obenerwähnten Fälle bildet die Trenneinrich­ tung 44 Gasströmungswege in bezug auf ein Paar Gasdisper­ sionselektroden und dient außerdem dazu, die Ströme von wasserstoffhaltigem Gas und von sauerstoffhaltigem Gas zwischen benachbarten Einheitszellen zu trennen. Wenn auf beiden Oberflächen der Trenneinrichtung Rippen gebildet sind, besteht kein besonderer Bedarf an einer parallelen Ausbildung von Rippen auf den beiden Oberflächen, so daß es möglich ist, sie unter einem vorgegebenen Winkel zu bilden. Die Form der Rippen muß auch nicht die Form paralleler Rillen ergeben, sondern kann hiervon verschie­ den sein, sofern sie die Zufuhr von wasserstoffhaltigem Gas und von sauerstoffhaltigem Gas an die Gasdispersions­ elektroden ermöglicht.

Das Tragelement 6 ist durch ein erstes Tragelement 62, das die Platte 46 trägt, die in bezug auf die Fahrzeugka­ rosserie B zur Vorderseite des Fahrzeugs gerichtet ist, und durch ein zweites Tragelement 64, das die Platte 48 trägt, die in bezug auf die Fahrzeugkarosserie B zur Rückseite des Fahrzeugs gerichtet ist, gebildet.

Das erste Tragelement 62 nimmt beispielsweise bei einem plötzlichen Abbremsen oder einem Frontalzusammenstoß effektiv die Kraft auf, die auf die Brennstoffzelle 4 wirkt und deren Relativbewegung in Vorwärtsrichtung hervorrufen würde, so daß es diese Bewegung blockiert.

Genauer umfaßt das erste Tragelement 62 ein Tragteil 622, durch das die Brennstoffzelle in Vorwärtsrichtung im wesentlichen unbeweglich und in Aufwärts- und Abwärts­ richtung des Fahrzeugs beweglich ist, ein Isolationsteil 624, das ein Stromleck verhindert, und ein Stoßabsorpti­ onsteil 626, das Vibrationen der Fahrzeugkarosserie in Aufwärts- und Abwärtsrichtung absorbiert. Das Isolations­ teil 624 ist eine ebene Platte, die zwischen einem inne­ ren vertikalen Abschnitt 622a des Tragteils 622 und der Brennstoffzelle 4 vorgesehen ist. Das Stoßabsorptionsteil 626 ist eine ebene Platte, die zwischen einem inneren horizontalen Abschnitt 622b des Tragteils 622 und der Brennstoffzelle 4 vorgesehen ist.

Das zweite Tragelement 64 ist ein Element, durch das die Brennstoffzelle 4 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bei einem plötzlichen Abbremsen, einem plötzlichen Anhalten, einer plötzlichen Beschleunigung oder einer plötzlichen Verzögerung beweglich ist, und umfaßt ein Tragteil 642, das eine Vorwärtsbewegung, eine Rückwärtsbewegung, eine Aufwärtsbewegung und/oder eine Abwärtsbewegung der Brenn­ stoffzelle 4 zuläßt, sowie ein Stoßabsorptionselement 646, das Vibrationen des Fahrzeugs in Aufwärts- und Abwärtsrichtung absorbiert.

Die Tragteile 622 und 642 sind aus Metall hergestellt, obwohl sie selbstverständlich aus einem Kunstharz herge­ stellt sein könnten, solange dieses Kunstharz die Festig­ keitsanforderungen oder dergleichen erfüllt. Das Isolati­ onselement 624 ist aus Kunstharz hergestellt, obwohl es auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein könnte, solange dieser Werkstoff die Isolationseigenschaften und dergleichen erfüllt. Die Stoßabsorptionselemente 626 und 646 sind aus Gummi hergestellt, obwohl diese auch aus ei­ nem anderen Werkstoff hergestellt sein könnten, solange dieser die Stoßabsorptionsanforderungen oder dergleichen erfüllt.

Nun wird die Funktionsweise der Tragvorrichtung 2 für Fahrzeug-Brennstoffzellen gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Wenn ein Fahrzeug, in dem die Tragvorrichtung 2 für Fahrzeug-Brennstoffzellen angebracht ist, fährt und beispielsweise plötzlich abgebremst wird, wirkt auf die im Fahrzeug angebrachte Brennstoffzelle 4 und somit auch auf die verschiedenen konstitutiven Elemente der Brenn­ stoffzelle 4, d. h. auf die Einheitszellen 42 und die Trenneinrichtungen 44, in der gleichen Weise wie auf die Fahrzeuginsassen eine Beschleunigung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs. Dies ist auch dann der Fall, wenn das Fahrzeug einen Frontalzusammenstoß erfährt.

Das heißt, daß sich bei einer plötzlichen Abbremsung des Fahrzeugs die Brennstoffzelle 4 in bezug auf das Fahrzeug nach vorn bewegt.

In diesem Fall ermöglicht das zweite Tragelement 64, das am hinteren Ende der Brennstoffzelle 4 in bezug auf das Fahrzeug angeordnet ist, daß sich die Brennstoffzelle 4 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegt, so daß eine Bewegung in Vorwärtsrichtung im wesentlichen ohne Wider­ stand möglich ist.

Im Gegensatz dazu ermöglicht das erste Tragelement 62, das am vorderen Ende der Brennstoffzelle 4 in bezug auf das Fahrzeug angeordnet ist, daß sich die Brennstoffzelle 4 aufwärts und abwärts bewegt, es ermöglicht jedoch im wesentlichen keine Bewegung der Brennstoffzelle 4 in Vorwärtsrichtung, so daß sie der dieser Beschleunigung entsprechenden Kraft einen Widerstand entgegensetzt, der auf den vorderen Teil der Brennstoffzelle 4 in bezug auf das Fahrzeug wirkt. Somit bleibt die Position des vorde­ ren Teils der Brennstoffzelle 4 im wesentlichen unverän­ dert.

Daher wirkt bezüglich der Einheitszellen 42 und der Trenneinrichtungen 44, die die Brennstoffzelle 4 bilden, eine Kraft, die bestrebt ist, den Zwischenraum zwischen ihnen zu verengen, so daß der Zwischenraum zwischen den Einheitszellen 42 und den Trenneinrichtungen 44 verengt wird. Das heißt, daß die Dichtigkeit der Brennstoffzelle 4 wirksam verbessert wird.

Wenn das Fahrzeug fährt, werden außerdem Vibrationen in Aufwärts- und Abwärtsrichtungen ausgeübt. Die Stoßabsorp­ tionselemente 626 und 646 reduzieren jedoch in wirksamer Weise die Vibrationen, die an die Einheitszellen 42 und die Trenneinrichtungen 44 der Kraftstoffzelle 4 übertra­ gen werden.

Da ferner die Brennstoffzelle 4 in bezug auf das erste Tragelement 62 durch das Isolationsteil 624 getragen wird, wird ein Stromleck wirksam verhindert.

In der Konfiguration dieser Ausführungsform, die oben beschrieben worden ist, widersteht in dem Fall, in dem ein Fahrzeug plötzlich gebremst wird oder dergleichen, das Tragelement 6 der Kraft, die einer Beschleunigung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs entspricht, so daß der vordere Teil der Brennstoffzelle 4 im wesentlichen nicht bewegt wird, ferner wird der Kraft, die auf den hinteren Teil der Brennstoffzelle 4 wirkt, kein wesentlicher Widerstand entgegengesetzt, so daß eine Bewegung des hinteren Teils der Brennstoffzelle 4 in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs möglich ist. Im Ergebnis wirkt daher eine Kraft, die den Zwischenraum zwischen den Einheitszellen 42 und den Trenneinrichtungen 44, die die Brennstoffzelle 4 bilden, verengt, wodurch die Dichtigkeit der Brenn­ stoffzelle 4 wirksam verbessert wird.

Da sowohl das erste Tragelement 62 als auch das zweite Tragelement 64 Stoßabsorptionselemente 626 und 646 ver­ wenden, können die Vibrationen in Aufwärts- und Abwärts­ richtung, die an die Brennstoffzelle 4 während der Fahrt des Fahrzeugs übertragen werden, verringert werden so daß auch ein Zerfallen in die konstitutiven Elemente, die für Stoßlasten empfindlich sind, insbesondere die Trennein­ richtungen 44, wirksam verringert wird.

Weiterhin wird die Brennstoffzelle 4 durch das erste Tragelement 62 durch das Isolationselement 624 getragen, so daß es möglich ist, ein Stromleck wirksam zu verhin­ dern.

Nun werden mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zum Tragen einer Fahrzeug-Brenn­ stoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung erläutert, wobei der Pfeil FR die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs angibt und der Pfeil UPR die Aufwärtsrich­ tung des Fahrzeugs angibt.

In dieser Ausführungsform ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, ein Tragelement 6 vorgesehen, das eine Bewegung der Einheitszellen 42, insbesondere eine Bewegung der an der vordersten Position der Brennstoffzelle 4 befindlichen Einheitszelle 42, blockiert. Das Tragelement 6 umfaßt ein erstes Tragelement 62, das die Platte 46, die zur Vorder­ seite des Fahrzeugs gerichtet ist, trägt, und ein zweites Tragelement 64, das die Platte 48, die zur Rückseite des Fahrzeugs gerichtet ist, trägt. Dies ist ähnlich wie im Fall der ersten Ausführungsform.

In dieser Ausführungsform besitzt jedoch im Gegensatz zur ersten Ausführungsform das erste Tragelement 62 eine hohe Starrheit wenigstens in bezug auf die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs und ist mit zwei Stoßab­ sorptionselementen 626a versehen, die aus hartem Gummi oder Kunstharz hergestellt sind. Das zweite Tragelement 64 besitzt eine geringe Starrheit wenigstens in bezug auf die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und ist mit zwei Stoßabsorptionselementen 646a versehen, die aus weichem Gummi oder Kunstharz hergestellt sind.

Genauer ist jedes der Stoßabsorptionselemente 626a und 646a, obwohl in Fig. 3 nicht deutlich gezeigt, eine zylindrische Buchse mit einem Durchgangsloch, das im wesentlichen in ihrem Mittelabschnitt ausgebildet ist, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Außerdem besitzt jedes von ihnen eine Federkonstante in radialer Richtung, die der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung entspricht, die kleiner ist als die Federkonstante in axialer Richtung, die der Aufwärts- und Abwärtsrichtung entspricht. Außer­ dem ist die Federkonstante des Stoßabsorptionselements 626a in radialer Richtung größer als die Federkonstante des Stoßabsorptionselements 646a in radialer Richtung. Diese Eigenschaften können durch geeignete Wahl der Werkstoffe und/oder der Querschnittsformen erhalten werden.

Die Stoßabsorptionselemente 626a und 646a sind an der Fahrzeugkarosserie B über ein Durchgangsloch beispiels­ weise unter Verwendung eines Befestigungselements 66 wie etwa eines Schraubbolzens, einer Mutter oder dergleichen befestigt.

Was weiterhin das Stoßabsorptionselement 646a des zweiten Tragelements 64, das sich in bezug auf das Fahrzeug hinten befindet, betrifft, ist der Durchmesser eines Durchgangslochs 68 größer als der Durchmesser des Befe­ stigungselements 66, um einen Zwischenraum in bezug auf das Befestigungselement 66 zu schaffen. Durch Schaffung dieses Zwischenraums ist das Stoßabsorptionselement 646a im wesentlichen ohne Störung mit dem Befestigungselement 66 verformbar, wenn eine einer Beschleunigung der Brenn­ stoffzelle 4 in Vorwärtsrichtung entsprechende Kraft wirkt. Das heißt, daß auch bei der Konfiguration des zweiten Tragelements 64 gemäß dieser Ausführungsform eine zuverlässige Bewegung des hinteren Teils der Brennstoff­ zelle 4 in Vorwärtsrichtung möglich ist.

In den Fig. 3 und 4 bezeichnen die Bezugszeichen 624a und 644a Isolationselemente, die eine Verbindung mit ausrei­ chender mechanischer Festigkeit schaffen und dabei eine elektrische Isolation zwischen der Brennstoffzelle 4 und dem Stoßabsorptionselement 626a bzw. zwischen der Brenn­ stoffzelle 4 und dem Stoßabsorptionselement 646a schaf­ fen.

Wenn ein Fahrzeug, das die Tragvorrichtung 2 für Fahr­ zeug-Brennstoffzellen mit der obenbeschriebenen Konfigu­ ration enthält, plötzlich gebremst wird, tritt eine Beschleunigung in Vorwärtsrichtung auf, so daß die Brenn­ stoffzelle 4 bestrebt ist, sich in Vorwärtsrichtung relativ zur Fahrzeugkarosserie zu bewegen.

In dieser Ausführungsform ist das Stoßabsorptionselement 646a des Tragelements 64, das die rückseitige Platte 48 der Brennstoffzelle 4 trägt, so konfiguriert, daß es eine geringe Starrheit wenigstens in Vorwärtsrichtung besitzt, ferner ist der Durchmesser des im Stoßabsorptionselement 646a vorgesehenen Durchgangslochs größer als der Durchmesser des Befestigungselements 66. Daher wird eine Verformung des Stoßabsorptionselements 646a nicht wesent­ lich eingeschränkt, so daß sich der hintere Abschnitt der Brennstoffzelle 4 in Vorwärtsrichtung bewegen kann.

Im Gegensatz dazu ist das Stoßabsorptionselement 646a des ersten Unterstützungselements 62, das die vorderseitige Platte 46 der Brennstoffzelle 4 trägt, so konfiguriert, daß es eine hohe Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung besitzt. Daher ist die Bewegung des vorderen Teils der Brennstoffzelle 4 nach vorn im Ver­ gleich zu der für den hinteren Teil zugelassenen Bewegung ausreichend gering.

Daher werden in der wie oben beschrieben konfigurierten Tragvorrichtung 2 für Fahrzeug-Brennstoffzellen in dem Fall, in dem das Fahrzeug plötzlich gebremst wird, die Zwischenräume zwischen den Einheitszellen 42 und den Trenneinrichtungen, die die Brennstoffzelle 4 bilden, verengt, wodurch eine wirksame Verbesserung der Dichtig­ keit der Brennstoffzelle 4 erzielt wird.

Da sowohl das erste Unterstützungselement 62 als auch das zweite Unterstützungselement 64 die Stoßabsorptionsele­ mente 626a und 646a besitzen, können die Aufwärts- und Abwärtsvibrationen, die an die Brennstoffzelle 4 übertra­ gen werden, wenn das Fahrzeug fährt, verringert werden, so daß eine Zersplitterung der Trenneinrichtungen 44 wirksam verhindert wird.

Da weiterhin die Brennstoffzelle 4 durch die Isolations­ elemente 624a und 644a des ersten Tragelements 62 bzw. des zweiten Tragelements 64 getragen wird, kann ein Stromleck wirksam verhindert werden.

In dieser Ausführungsform besteht selbstverständlich keine besondere Einschränkung hinsichtlich der Anzahl der Stoßabsorptionselemente 626a und 646a.

Nun werden mit Bezug auf die Fig. 5A und 5B eine Tragvor­ richtung und ein Tragverfahren für Fahrzeug-Brennstoff­ zellen gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei der Pfeil FR die Vor­ wärtsrichtung des Fahrzeugs angibt und der Pfeil UPR die Aufwärtsrichtung des Fahrzeugs angibt.

In dieser Ausführungsform ist, wie in Fig. 5A gezeigt ist, ein Tragelement 6 vorgesehen, das eine Bewegung der Einheitszellen 42, insbesondere der Einheitszelle 42, die sich an der vordersten Position der Brennstoffzelle 4 befindet, blockiert. Das Tragelement 6 ist mit einem ersten Tragelement 62, das die nach vorn weisende Platte 46 trägt, und mit einem zweiten Tragelement 64, das die nach hinten weisende Platte 48 trägt, versehen. Dieser Aufbau stimmt mit demjenigen der ersten und zweiten Ausführungsformen überein. Das erste Tragelement 62 besitzt ein Stoßabsorptionselement 626a mit einer hohen Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, während das zweite Tragelement 64 ein Stoßabsorptionsele­ ment 646a mit einer niedrigen Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung besitzt. Dieser Aufbau stimmt mit demjenigen der zweiten Ausführungsform über­ ein.

Somit ist die Unterstützungsbeziehung der Brennstoffzelle 4 durch das erste Tragelement 62 und durch das zweite Tragelement 64 in dieser Ausführungsform derart, daß sich das hintere Ende der Brennstoffzelle 4 in bezug auf das Fahrzeug nach vorn bewegen kann.

In dieser Ausführungsform umfaßt jedoch, wie schematisch in Fig. 5B gezeigt ist, insbesondere das erste Tragelement 62 mehrere Stoßabsorptionselemente 626a. Was die mehreren Stoßabsorptionselemente 626a betrifft, stimmen das sogenannte resultierende Rückprallzentrum P der mehreren Stoßabsorptionselemente 626a in bezug auf die Vorwärtsrichtung und der Gesamtschwerpunkt Q der die Brennstoffzelle 4 bildenden Einheitszellen 42 (der aus den einzelnen Schwerpunkten der Einheitszellen 42 zusam­ mengesetzt ist) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung mit­ einander überein. Dadurch ist die dritte Ausführungsform von den vorhergehenden Ausführungsformen unterschieden.

Weiterhin sind auch in dieser Ausführungsform ähnlich wie in der zweiten Ausführungsform, obwohl in den Fig. 5A und 5B weggelassen, die Stoßabsorptionselemente 626a und 646a am Fahrzeug durch ein Durchgangsloch beispielsweise unter Verwendung eines Befestigungselements befestigt, ferner ist der Durchmesser des Durchgangslochs am zweiten Trag­ element 64, das nach hinten weist, größer als das Be­ festigungselement.

In Fig. 5a bezeichnen die Bezugszeichen 644a und 646a Isolationselemente.

Wenn daher in der Tragvorrichtung 2 für Fahrzeug-Brenn­ stoffzellen gemäß dieser Ausführungsform ein Fahrzeug, in dem die Tragvorrichtung 2 für Fahrzeug-Brennstoffzellen angebracht ist, plötzlich gebremst wird und beispiels­ weise eine Beschleunigung in Vorwärtsrichtung wirkt, bewegt sich die Brennstoffzelle 4, die eine dieser Be­ schleunigung entsprechende Kraft aufnimmt, relativ zu dem Fahrzeug, das gebremst wird, nach vorn. Da jedoch das erste Tragelement 62 ein Stoßabsorptionselement 626a mit einer hohen Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rück­ wärtsrichtung besitzt und das zweite Tragelement 64 ein Stoßabsorptionselement 646a mit niedriger Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung besitzt, werden die Zwischenräume zwischen den Einheitszellen 42 und den Trenneinrichtungen 44, die die Brennstoffzelle 4 bilden, verengt, wodurch eine Verbesserung der Dichtig­ keit der Brennstoffzelle 4 wirksam erzielt wird.

Da weiterhin das erste Tragelement 62 mit mehreren Stoß­ absorptionselementen 626a versehen ist und die mehreren Stoßabsorptionselemente 626a in der Weise angeordnet sind, daß das resultierende Rückprallzentrum P in bezug auf die Vorwärtsrichtung und der Gesamtschwerpunkt der die Brennstoffzelle 4 bildenden Einheitszellen 42 wenig­ stens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung miteinander übereinstimmen, wirkt eine Kraft, die einer auf die Brennstoffzelle 4 in Vorwärtsrichtung wirkenden Beschleu­ nigung entspricht, im wesentlichen auf das resultierende Rückprallzentrum P der mehreren Stoßabsorptionselemente 626a in bezug auf die Vorwärtsrichtung, so daß ein über­ mäßiges Moment, das in der Brennstoffzelle 4 ansonsten aufträte, wirksam unterdrückt wird.

Aus diesem Grund wird die Kraft auf die die Brennstoff­ zelle 4 bildenden Einheitszellen 42 im wesentlichen gleichmäßig ausgeübt, so daß das Auftreten eines übermä­ ßigen Zwischenraums zwischen mehreren dünnen Lagen aus Einheitszellen 42 und Trenneinrichtungen 44 wirksam unterdrückt wird und eine Verbesserung der Dichtigkeit der Brennstoffzelle 4 erzielt werden kann.

Da weiterhin der Durchmesser des in dem Stoßabsorptions­ element 646a auf der Rückseite vorgesehenen Durchgangs­ lochs größer als das Befestigungselement (in den Fig. 5A und 5B nicht gezeigt) ist und da sich das brennstoffzel­ lenseitige Ende des Stoßabsorptionselements 646a zusammen mit dem fahrzeugseitigen Ende des Stoßabsorptionselements 646a, das an der Fahrzeugkarosserie befestigt ist, in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegen kann, bewegt sich das hintere Ende der Brennstoffzelle 4 zuverlässig nach vorn, wodurch das Auftreten eines Zwischenraums an den Endabschnitten zwischen den Einheitszellen 42 und den Trenneinrichtungen 44 wirksam unterdrückt werden kann.

Obwohl diese Ausführungsform für das Beispiel beschrieben wird, in dem die mehreren Stoßabsorptionselemente 626a des ersten Tragelements 62 so angeordnet sind, daß das resultierende Rückprallzentrum P der mehreren Stoßabsorp­ tionselemente 626a in bezug auf die Vorwärtsrichtung und der Gesamtschwerpunkt Q der die Brennstoffzelle 4 bilden­ den Einheitszellen 42 wenigstens in Vorwärts- und Rück­ wärtsrichtung übereinstimmen, ist dies selbstverständlich nicht als Beschränkung zu verstehen.

Beispielsweise ist es möglich, daß die mehreren Stoßab­ sorptionselemente 626a des ersten Tragelements 62 so angeordnet sind, daß der Gesamtschwerpunkt Q der Ein­ heitszellen 42 auf der Innenseite eines von den mehreren Stoßabsorptionselementen 626a umgebenen Bereichs (eines durch die unterbrochene Linie in Fig. 5B umgebenen Be­ reichs) liegt, wenn das erste Tragelement 62 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung betrachtet wird. Auch in dieser Konfiguration ist der Angriffspunkt einer Kraft, die einer Beschleunigung entspricht, die in Vorwärtsrichtung auf die Brennstoffzelle 4 ausgeübt wird, in dem Bereich enthalten, der von den mehreren Stoßabsorptionselementen 626a umgeben ist, so daß es möglich ist, das Auftreten eines übermäßigen Moments, das auf die Brennstoffzelle 4 wirkt, wirksam zu unterdrücken.

Ferner ist ohne weiteres klar, daß auch in dieser Ausfüh­ rungsform keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der Stoßabsorptionselemente 626a und 646a besteht.

Obwohl die obigen Beschreibungen auf das Beispiel gerichtet waren, in dem die Schichtungsrichtung der Einheits­ zellen und die Richtung der Beschleunigung die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung sind, stellt dies für die obigen Ausführungsformen selbstverständlich keine Beschränkung dar, so daß die Richtungen je nach Anforderung geeignet ausgebildet werden können.

Die gesamten Inhalte von JP 11-202546-A, eingereicht am 16. Juli 1999 in Japan, sind hiermit durch Literaturhin­ weis eingefügt.

Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf bestimmte Ausfüh­ rungsformen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt. Abwandlungen und Änderungen an diesen Ausführungsformen, die dem Fachmann angesichts der obigen Lehren deutlich werden, sollen im Umfang der Erfindung liegen, der durch die folgenden Ansprüche angegeben wird.

Claims (12)

1. Tragvorrichtung für Fahrzeug-Brennstoffzellen, die eine Brennstoffzelle (4) eines Fahrzeugs trägt, wobei die Brennstoffzelle (4) mehrere Einheitszellen (42) umfaßt, wovon jede eine Anode (424), eine Katode (426) und einen Elektrolytfilm (422) umfaßt, wobei die Ein­ heitszellen (42) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs laminiert sind und zwischen ihnen Trenneinrich­ tungen (44) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch ein erstes Tragelement (62), das eine Relativbewegung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs des an der vordersten Position der Brennstoffzelle (4) in bezug auf das Fahrzeug befindlichen Zellenelements (42) bloc­ kiert.

2. Tragvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Tragelement (64), das eine Relativbewe­ gung der Brennstoffzelle (4) in Vorwärts- und Rückwärts­ richtung des Fahrzeugs zuläßt und näher am hinteren Ende des Fahrzeugs als das erste Tragelement (62) angeordnet ist.

3. Tragvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Tragelement (62) einen Tragab­ schnitt (622), ein Isolationselement (624), das zwischen dem Tragabschnitt (622) und der Brennstoffzelle (4) vorgesehen ist, sowie ein Stoßabsorptionselement (626), das zwischen dem Tragabschnitt (622) und der Brennstoff­ zelle (4) vorgesehen ist, umfaßt.

4. Tragvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Isolationselement (624) zwischen einem inneren aufrechten Abschnitt (622a) des Tragabschnitts (622) und der Brennstoffzelle (4) vorgesehen ist und das Stoßabsorptionselement (626) zwischen einem inneren hori­ zontalen Abschnitt (622b) des Tragabschnitts (622) und der Brennstoffzelle (4) vorgesehen ist.

5. Tragvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Tragelement (64) einen Tragab­ schnitt (642) sowie ein Stoßabsorptionselement (646), das zwischen dem Tragabschnitt (642) und der Brennstoffzelle (4) vorgesehen ist, umfaßt.

6. Tragvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Tragelement (62) ein Stoßabsorp­ tionselement (626) mit einer relativ hohen Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahr­ zeugs besitzt.

7. Tragvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Tragelement (64) ein Stoßabsorp­ tionselement (646) mit einer relativ niedrigen Starrheit wenigstens in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahr­ zeugs besitzt.

8. Tragvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stoßabsorptionselement (646) des zwei­ ten Tragelements (64) ein Durchgangsloch (68) besitzt, durch das ein Befestigungselement (66) verläuft, wobei der Durchmesser des Durchgangslochs (68) größer als derjenige des Befestigungselements (66) ist.

9. Tragvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Tragelement (62) mehrere Stoßab­ sorptionselemente (626a) besitzt und ein resultierendes Rückprallzentrum (P) der mehreren Stoßabsorptionselemente (626a) mit einem Schwerpunkt (Q) der mehreren Schichten von Einheitszellen (42) der Brennstoffzelle (4) in bezug auf die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs übereinstimmt.

10. Tragvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Tragelement (62) mehrere Stoßabsorpti­ onselemente (626a) besitzt, die so angeordnet sind, daß der Schwerpunkt (Q) der mehreren Schichtungen von Ein­ heitszellen (42) der Brennstoffzelle (4) in einem Bereich liegt, der von den mehreren Stoßabsorptionselementen (626a) umgeben ist.

11. Fahrzeug-Brennstoffzelle, die mehrere Einheits­ zellen (42) umfaßt, wovon jede mit einer Anode (424), einer Katode (426) und einem Elektrolytfilm (422) versehen ist, wobei die Einheitszellen (42) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs laminiert sind und zwischen ihnen Trenneinrichtungen (44) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (62) zum Blockieren einer Rela­ tivbewegung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs des an der vordersten Position der Brennstoffzelle (4) in bezug auf das Fahrzeug befindlichen Zellenelements (42).

12. Tragverfahren für Fahrzeug-Brennstoffzellen, bei dem eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs getragen wird,
wobei die Brennstoffzelle (4) mehrere Einheitszellen (42) umfaßt, wovon jede eine Anode (424), eine Katode (426) und einen Elektrolytfilm (422) umfaßt, wobei die mehreren Einheitszellen (42) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs laminiert sind und zwischen ihnen Trennein­ richtungen (44) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt:
Blockieren einer Relativbewegung in Vorwärtsrich­ tung des Fahrzeugs des an der vordersten Position der Brennstoffzelle (4) in bezug auf das Fahrzeug befindli­ chen Zellenelements (42).