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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge und insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge, die Luft als Reaktionsgas und Kühlmittel verwendet.
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RELEVANTER STAND DER TECHNIK
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Es gibt Fahrzeuge, die einen Satz von Brennstoffzellenstapeln aufweisen, die an denselben als Energiequelle angebracht sind, zum Beispiel Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge. Es gibt bekannte Strukturen zum Anbringen von Brennstoffzellenstapeln, einschließlich einer Struktur, die Brennstoffzellenstapel hat, die in einem Raum zwischen einer unteren Abdeckung und einer Bodenplatte unter einem hinteren Fahrgastsitz angeordnet sind (siehe die Japanische Patentanmeldungsauslegeschrift
JP 2010-234992 A ), und einer Struktur, die Brennstoffzellenstapel hat, die in einem Motorraum angeordnet sind (siehe die Japanische Patentanmeldungsauslegeschrift
JP 2012-25294 A ).
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Brennstoffzellenstapel sind jeweils als eine Kombination aus einem Satz von einem oder mehreren Einzelstapeln und einem Stapelgehäuse, das eine äußere Abdeckung des Einzelstapelsatzes darstellt, hergestellt. Jeder Einzelstapel ist aus mehrlagigen Brennstoffzellen und einer Brennstoffzellenhülle, welche die Brennstoffzellen integral umhüllt, zusammengesetzt. Die Brennstoffzellenhülle hat eine Lufteinleitungsöffnung zum Einleiten von Luft in innere Luftzufuhrkanäle (manchmal als Kathodenendkanäle bezeichnet), eine Luftausleitungsöffnung zum Ausleiten von nicht verwendeter Luft aus Luftablasskanälen, die mit den Luftzufuhrkanälen in Verbindung stehen, einen Brenngaskanal-Verbindungsteil zum Zuführen von Brenngas, das Wasserstoff ist, zu inneren Brenngaskanälen (manchmal als Anodenendkanäle bezeichnet) und einen Spülgaskanal-Verbindungsteil zum Ausleiten eines gespülten Gases (hierin als Spülgas bezeichnet), das Wasserstoffgas enthält, aus Spülgaskanälen, die mit den Brenngaskanälen verbunden sind.
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Für das Brenngas wird in einen Hochdruck-Wasserstoffbehälter gefüllter gasförmiger Wasserstoff an einem Druckminderungsventil im Druck auf einen wünschenswerten Druck gemindert und dem Brenngas-Leitungsverbindungsteil in einer Menge nach Bedarf zugeführt. Luft wird von außerhalb eines Fahrzeugs genommen, durch einen Wärmeaustauscher und einen Befeuchter zu einer Kombination von Temperatur und Feuchtigkeit aufbereitet, die für eine Energieerzeugung mit hohem Wirkungsgrad benötigt wird, und der Lufteinleitungsöffnung zugeführt. Brennstoffzellen haben ihre Brennstoffelektroden und Luftelektroden, die mit zugeordneten Öffnungen oder Kanalverbindungsteilen durch einzelne Netze von Kanälen verbunden sind in der Brennstoffzellenhülle geformt.
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An jedem Brennstoffzellenstapel weist das Stapelgehäuse „Verbindungsöffnungsbereiche” (hierin manchmal einfach als „Öffnungsbereiche” bezeichnet) auf, die mit Öffnungen, die nach Notwendigkeit in den Brennstoffzellenhüllen des einen oder der mehreren Einzelstapel geformt sind, in Verbindung stehen.
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Die Energieerzeugungsreaktionen in den Brennstoffzellen erzeugen als Nebenprodukt Wasser an ihren Brennstoffelektroden, wobei sie Feuchtigkeitsdampf in Kanälen verteilen, die Brenngas führen. Einige Kanäle können kondensierten Dampf oder Tau oder angesammeltes Wasser aufweisen, was sie einer gelegentlichen Blockierung unterwirft.
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In dieser Hinsicht haben Brennstoffzellenvorrichtungen eine Spülfunktion zum Spülen von Brenngaskanälen, wobei Wasser und Dampf ausgespült werden, zur Verhinderung einer Blockierung, und sind dafür eingerichtet, eine solche Spülung ungeachtet des Fahrzeug-Fahrtzustandes vorzunehmen. Solche Brennstoffzellenvorrichtungen sind dafür eingerichtet, eine Spülung selbst bei einem normalen Betrieb vorzunehmen, wie es für eine Einstellung des Stapelinnendrucks oder dergleichen notwendig ist. Auf eine Spülung an einem Brennstoffzellenstapel hin werden die sich ergebenden Spülgase aus Spülgaskanal-Verbindungsteilen, die an Brennstoffzellenhüllen von Einzelstapeln bereitgestellt werden, ausgeleitet und miteinander vereint, um aus einem Spülgas-Leitungsverbindungsteil, der an einem Stapelgehäuse des Brennstoffzellen bereitgestellt wird, zu einer zugeordneten Spülgasleitung abgelassen zu werden.
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Solche Spülgase enthalten Brenngas (Wasserstoffgas) und werden verdünnt, um in die Umgebung entlüftet zu werden. In dieser Hinsicht sind Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, entflammbar und haben Neigungen, zu entflammen, falls die Wasserstoffkonzentration 4 Volumen-% überschreitet. Ferner haben Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, Neigungen, sofort zu entflammen, falls die Wasserstoffkonzentration 18 Volumen-% überschreitet. Dementsprechend sollten zur Umgebung zu entlüftende Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, Wasserstoffkonzentrationen aufweisen, die 4 Volumen-% nicht überschreiten.
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Aus der
WO 2011/148 927 A1 , die der
DE 11 2011 101 825 T5 entspricht, ist eine Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs bekannt. Die Abgasungsvorrichtung hat einen Abgaskanal, durch den Wasserstoff und Luft, die, ohne in einem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel verbraucht zu werden, abgegeben und zur Außenseite des Fahrzeugs hin geleitet werden. Der Abgaskanal ist zusammengesetzt aus einem unterseitigen Abgaskanal und einem oberseitigen Abgaskanal, die vertikal verzweigt sind. Darin erstreckt sich der unterseitige Abgaskanal von einem Abgasauslassbereich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels her zur unteren Seite des Fahrzeugs hin. Der stromabwärtige Endbereich des unterseitigen Abgaskanals ist an einem unteren Bereich des Frontraumes geöffnet, während der oberseitige Abgaskanal sich von einem oberen Bereich einer äußeren Wand des unterseitigen Abgaskanals her zur Oberseite des Fahrzeugs hin erstreckt. Die äußere Wand erstreckt sich zur unteren Seite des Fahrzeugs hin. Der stromabwärtige Endbereich des oberseitigen Abgaskanals ist zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube und dem vorderen Endbereich der Frontscheibe geöffnet.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Bei der in der Veröffentlichung
JP 2010-234992 A offenbarten Anbringungsstruktur für Brennstoffzellenstapel neigt das aus einem Brennstoffzellenstapel entlüftete Brenngas (Wasserstoffgas) dazu, in Bereichen unter einer Bodenplatte zu stagnieren, wo natürliche Lüftungsluftströme (manchmal einfach als Luftströme bezeichnet) verminderte Neigungen zum Strömen haben. Diese Anbringungsstruktur ist folglich begleitet von Besorgnissen über das unter der Bodenplatte stehende Brenngas mit einem möglichen Austreten in einen Fahrgastraum.
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Bei der in der Veröffentlichung
JP 2012-25294 A offenbarten Anbringungsstruktur für Brennstoffzellenstapel kann das aus einem Brennstoffzellenstapel entlüftete Brenngas (Wasserstoffgas) entlang einiger Entlüftungsbahnen strömen, mit Besorgnissen über ein mögliches Stehen in einem Motorraum.
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Die vorliegende Erfindung ist im Blick auf solche Probleme erdacht worden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge bereitzustellen, die es ermöglicht, dass das aus einem Brennstoffzellenstapel entlüftete Brenngas (Wasserstoffgas) einer sichergestellten Verdünnung mit einer verbesserten Vollständigkeit unterworfen wird.
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Um die beschriebene Aufgabe zu lösen, wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge bereitgestellt, die einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der in einem Motorraum, der in einer vorderen Fahrzeugsektion angeordnet und durch eine Trennwand im Verhältnis zu einem Fahrgastraum abgeteilt ist, angeordnet und dafür eingerichtet ist, Luft durch einen Luftaufnahme-Öffnungsbereich aufzunehmen, um sie als Reaktionsgas und Kühlmittel zu verwenden, und Luft durch einen Luftablass-Öffnungsbereich, der mit einem Innenraum einer Luftablassleitung in Verbindung steht, abzulassen. Diese Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge umfasst ein oberes Stirnwandelement und einen Verdünner. Das obere Stirnwandelement umfasst eine röhrenförmige, periphere Wand, die oberhalb der Trennwand bereitgestellt wird, wobei sich ein oberer Abschnitt derselben entlang einer unteren Kante einer vorderen Windschutzscheibe erstreckt, und einen Satz von Verbindungsöffnungen, die für eine Luftverbindung zwischen der Umgebung und einem Innenraum der röhrenförmigen, peripheren Wand durch den oberen Abschnitt der röhrenförmigen, peripheren Wand geformt sind. Der Verdünner umfasst einen Lufteinlass-Öffnungsbereich, der mit dem Innenraum der Luftablassleitung in Verbindung steht, einen Luftauslass-Öffnungsbereich, der mit dem Innenraum der röhrenförmigen, peripheren Wand in Verbindung steht, und eine Verdünnungskammer, die so aufgebaut ist, dass sie aus dem Brennstoffzellenstapel abgelassenes Brenngas einleitet, das eingeleitete Brenngas mit durch den Lufteinlass-Öffnungsbereich eingeleiteter Luft verdünnt und das verdünnte Brenngas durch den Luftauslass-Öffnungsbereich ablässt. Der Satz von Verbindungsöffnungen umfasst eine hintere Verbindungsöffnung, die dafür konfiguriert ist, Ströme von atmosphärischer Luft um das Fahrzeug nach einem Zusammentreffen mit der vorderen Windschutzscheibe zu dem Innenraum der peripheren Wand einzulassen, und eine vordere Verbindungsöffnung, die in der Fahrzeuglängsrichtung mit Zwischenraum vor der hinteren Verbindungsöffnung angeordnet und dafür konfiguriert ist, Brenngas, das zusätzlich mit Luft verdünnt ist, zur Umgebung abzulassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Seitenriss einer vorderen Sektion eines Fahrzeugs, das eine Brennstoffzellenvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
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2 ist eine Draufsicht der vorderen Fahrzeugsektion.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Abschnitts der Brennstoffzellenvorrichtung.
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4 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines wesentlichen Abschnitts der Brennstoffzellenvorrichtung.
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5 ist eine Draufsicht eines wesentlichen Abschnitts der Brennstoffzellenvorrichtung.
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6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI von 5.
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7 ist ein Blockdiagramm der Brennstoffzellenvorrichtung.
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8 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, ausführlich eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge (im Folgenden manchmal einfach als Brennstoffzellenvorrichtung bezeichnet) nach einer jeweiligen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Es ist zu bemerken, dass die Zeichnungen illustrativ sind, wobei sie Abweichungen von Praktiken, wie beispielsweise diejenigen in Größen oder Proportionen von Abmessungen oder Formen, umfassen. Die Zeichnungen können ebenfalls Unterschiede untereinander, wie beispielsweise diejenigen in Verhältnissen oder Beziehungen von Abmessungen oder Formen, umfassen. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass die Zeichnungen, der Zweckmäßigkeit bei der Beschreibung halber, Koordinatensysteme haben, die durch Pfeile als Legenden definiert werden, um Fahrzeuglängsrichtungen, -querrichtungen und -vertikalrichtungen zu identifizieren.
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(Erste Ausführungsform)
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1 und 2 zeigen, in einem Seitenriss beziehungsweise einer Draufsicht, eine vordere Sektion 100F eines Fahrzeugs 100, das eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist in einem Motorraum 101 angeordnet, der sich an der vorderen Sektion 100F eines Fahrzeugs 100 befindet. Der Motorraum 101 ist rundherum mit einer Motorhaube 102, Seitenwänden 103, einer Trennwand 104 und einem Stirnwandoberteil 7 definiert. Der Motorraum 101 ist durch die Trennwand 104 im Verhältnis zu einem Fahrgastraum 106 abgetrennt. Der Motorraum 101 nimmt in demselben, neben der Brennstoffzellenvorrichtung 1, nicht gezeigte Antriebsmotoren, Wechselrichter, einen Kühler usw. auf.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst eine Luftansaugleitung 2, ein Paar von Brennstoffzellenstapeln 3, zwei Paare von Luftablassleitungen 4, die paarweise für einen Brennstoffzellenstapel 3 angeordnet sind, Luftablassgebläse 5, die jeweils als Luftgebläse für eine der Luftablassleitungen 4 angeordnet sind, einen Verdünner 6 und das Stirnwandoberteil 7. Jedes Luftablassgebläse 5 wird an einer Ablassöffnung einer zugeordneten Luftablassleitung 4 bereitgestellt. Es ist zu bemerken, dass das Innere des Verdünners 6 mit dem Inneren des Stirnwandoberteils 7 in Verbindung steht.
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(Luftansaugleitung)
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Wie in 3 gezeigt, weist die Luftansaugleitung 2 einen ersten Leitungsabschnitt 210, einen zweiten Leitungsabschnitt 220 und einen dritten Leitungsabschnitt 230 auf. Der erste Leitungsabschnitt 210 hat eine Kastenstruktur, die im Wesentlichen in einer würfelförmigen Gestalt umrissen ist. Der erste Leitungsabschnitt 210 umfasst eine vordere Seitenwand 211 auf der in der Fahrzeuglängsrichtung vorderen Seite. Diese Wand 211 hat ein Paar von ersten Luftaufnahmeschlitzen 212, die an zwei mit Zwischenraum in Vertikalrichtung angeordneten Positionen geformt sind. Die ersten Luftaufnahmeschlitze 212 haben ihre Verschlüsse 213. Diese Verschlüsse 213 werden mit drehenden Antriebskräften angetrieben, die von einem Verschlussantrieb 213A übertragen werden, damit ihre Drehungen die ersten Luftaufnahmeschlitze 212 öffnen oder schließen. Darüber hinaus hat der erste Leitungsabschnitt 210, wie in 6 gezeigt, eine hintere Seitenwand 214 gegenüber der vorderen Seitenwand 211 und geformt mit einer Öffnung 214A.
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Wie in 6 gezeigt, ist der zweite Leitungsabschnitt 220 hergestellt als ein röhrenförmiger Korpus, der in einer Richtung, senkrecht zu der Axialrichtung, rechteckig ist. Der zweite Leitungsabschnitt 220 ist an der hinteren Seitenwand 214 des ersten Leitungsabschnitts 210 befestigt, so dass das Innere dieses mit dem Inneren der Öffnung 214A in der hinteren Seitenwand 214 in Verbindung steht. Darüber hinaus hat der zweite Leitungsabschnitt 220, wie in 4 gezeigt, einen rechteckigen Filter 221, der in demselben aufgenommen wird. Es ist zu bemerken, dass der zweite Leitungsabschnitt 220 eine verhältnismäßig kurze axiale Länge hat, nahezu gleich der Dicke des Filters 221.
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Wie in 4 und 6 gezeigt, ist der dritte Leitungsabschnitt 230 in der Form eines hohlen Kasten hergestellt, der im Wesentlichen in einer trapezförmigen prismatischen Form umrissen wird. Der dritte Leitungsabschnitt 230 hat eine vordere Seitenwand 231, die an der in der Fahrzeuglängsrichtung vorderen Seite angeordnet ist, ein Paar von seitlichen Seitenwänden 232, die jeweils auf einer der in der Fahrzeugquerrichtung gegenüberliegenden zwei Seiten angeordnet sind, eine Oberseitenwand 233 und eine Unterseitenwand 234. Die vordere Seitenwand 231 ist mit einer stromaufwärts gelegenen Öffnung 231A geformt, und der zweite Leitungsabschnitt 220 ist an seinem stromabwärts gelegenen Ende an der vorderen Seitenwand 231 befestigt.
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Wie in 6 gezeigt, hat der dritte Leitungsabschnitt 230 einen in der Fahrzeuglängsrichtung hinteren Abschnitt, der mit einem Paar aus einer oberen und einer unteren stromabwärts gelegenen Öffnung 235 geformt ist. Die stromabwärts gelegenen Öffnungen 235 haben ihre Öffnungsbereiche 235A so ausgerichtet, dass sie im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. An der oberen stromabwärts gelegenen Öffnung 235 des dritten Leitungsabschnitts 230 ist eine nach hinten gerichtete Verlängerung ihrer Mittelachse nach oben diagonal im Verhältnis zu der Fahrzeuglängsrichtung geneigt. An der unteren stromabwärts gelegenen Öffnung 235 des dritten Leitungsabschnitts 230 ist eine nach hinten gerichtete Verlängerung ihrer Mittelachse nach unten diagonal im Verhältnis zu der Fahrzeuglängsrichtung geneigt.
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Wie in 3 und 5 gezeigt, hat jede seitliche Seitenwand 232 einen zweiten Luftaufnahmeschlitz 232A, der in derselben geformt ist. Der zweite Luftaufnahmeschlitz 232A ist in einer rechteckigen Gestalt, länglich in der Fahrzeugvertikalrichtung, geformt. Der zweite Luftaufnahmeschlitz 232A ist von außen mit einem Haubenelement 232B abgedeckt, das sich nach hinten öffnet, um Luft von der in der Fahrzeuglängsrichtung hinteren Seite aufzunehmen. Das heißt, der zweite Luftaufnahmeschlitz 232A wird durch das Bereitstellen des zweiten Haubenelements 232B so bereitgestellt, dass er sich im Wesentlichen in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten öffnet. Darüber hinaus hat das Haubenelement 232B einen Verschluss 232C, der in demselben untergebracht ist, um den zweiten Luftaufnahmeschlitz 232A zu öffnen oder zu schließen.
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Wie in 6 gezeigt, ist der Verschluss 232C betriebsfähig für Öffnungs- und Schließoperationen mit von einem Verschlussantrieb 232D übertragenen Antriebskräften. Der Verschlussantrieb 232D ist an der Innenwand einer zugeordneten seitlichen Seitenwand 232 befestigt. Der Verschluss 232C ist dafür eingerichtet zu öffnen, wenn die Temperatur der Umgebung niedriger ist als eine vorgeschriebene Temperatur (als eine untere Grenztemperatur eines Temperaturbereichs, der gewährleistet, dass die Brennstoffzellenstapel 3 nach Notwendigkeit arbeiten), um warme Luft aus dem Inneren des Motorraums 101 in den dritten Leitungsabschnitt 230 einzuleiten. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsform ein Paar von einzeln steuerbaren Verschlussantrieben 232D einsetzt, die an einem Paar von seitlichen Seitenwänden 232 befestigt sind, um ein Paar von Verschlüssen 232C anzutreiben, die an einem Paar von zweiten Luftaufnahmeschlitzen 232A bereitgestellt werden. Stattdessen kann ein gemeinsamer Verschlussantrieb 232D, der an einer der seitlichen Seitenwände 232 eingebaut ist, eingesetzt werden, um das Paar von Verschlüssen 232C anzutreiben.
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(Brennstoffzellenstapel)
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Die Brennstoffzellenstapel 3 haben eine Konfiguration, die gestapelte (d. h., mehrlagige) Brennstoffzellen umfassen. Jede Brennstoffzelle umfasst eine Elektrolytfolie, eine Brennstoff-(Wasserstoff-)Elektrode, eine Luft-(Sauerstoff-)Elektrode und einen Separator. Im Einzelnen sind die Brennstoffzellenstapel 3 jeweils als eine Kombination aus einem Satz von einem oder mehreren Einzelstapeln 3U (siehe 7) und einem Stapelgehäuse 3C (siehe 3, 4, 5 und 6), das eine äußere Abdeckung des Einzelstapelsatzes darstellt, hergestellt. Jeder Einzelstapel 3U ist aus mehrlagigen Brennstoffzellen FC und einer Brennstoffzellenhülle 3E, welche die Brennstoffzellen FC integral umhüllt, zusammengesetzt, wie in 7 gezeigt ist. An jedem Einzelstapel 3U hat die Brennstoffzellenhülle 3E eine Lufteinleitungsöffnung 3E1 zum Einleiten von Luft in innere Luftzufuhrkanäle 311, eine Luftausleitungsöffnung 3E2 zum Ausleiten von nicht verwendeter Luft aus Luftablasskanälen 321, die mit den Luftzufuhrkanälen 311 in Verbindung stehen, einen Brenngaskanal-Verbindungsteil 3E3 zum Einleiten von Brenngas, das Wasserstoff ist, in innere Brenngaskanäle 351 und einen Spülgaskanal-Verbindungsteil 3E4 zum Ausleiten eines Spülgases, das Wasserstoffgas enthält, aus Spülgaskanälen 361, die mit den Brenngaskanälen 351 verbunden sind.
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Wie in 3 und 4 gezeigt, hat an jedem Brennstoffzellenstapel 3 das Brennstoffzellengehäuse 3C im Umriss eine in der Fahrzeugquerrichtung längliche rechtwinklige Quaderform. Wie in 6 gezeigt, hat an jedem Brennstoffzellenstapel 3 das Brennstoffzellengehäuse 3C einen Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31, der die vordere von zwei in der Fahrzeuglängsrichtung gegenüberliegenden zueinander parallelen Seiten der rechtwinkligen Quaderform darstellt, und einen Luftablass-Öffnungsbereich 32, der die hintere dieser zwei Seiten darstellt. Jeder Brennstoffzellenstapel 3 nimmt Luft durch den Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 des Stapelgehäuses 3C auf, um sie als Reaktionsgas und Kühlmittel in jedem Einzelstapel 3U zu verwenden.
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Wie in 6 gezeigt, hat an jedem Brennstoffzellenstapel 3 das Brennstoffzellengehäuse 3C einen Filterhalter 33, der vor dem Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 angeordnet ist und in der Gestalt eines kurzen rechteckigen Kanals geformt ist. Der Filterhalter 33 hat einen rechteckigen ebenen Filter 34, der in demselben aufgenommen wird. An jedem Brennstoffzellenstapel 3 ist das Brennstoffzellengehäuse 3C an dem Ende des Luftaufnahme-Öffnungsbereichs 31 mit einer zugeordneten stromabwärts gelegenen Öffnung 235 des dritten Leitungsteils 230 verbunden, so dass deren Innenräume miteinander in Verbindung stehen.
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An jedem Brennstoffzellenstapel 3 wird Luft durch den Filter 34 hindurchgelassen und läuft durch den Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 in das Stapelgehäuse 3C, wo die ankommende Luft in jeden Einzelstapel 3U eingeleitet wird. Wie in 7 gezeigt, wird an jedem Einzelstapel 3U die eingeleitete Luft von einer Lufteinleitungsöffnung 3E1 der Brennstoffzellenhülle 3E entlang von inneren Luftzufuhrkanälen 311 geleitet, wobei sie gleichzeitig wirkt, um zugeordnete Regionen in dem Einzelstapel 3U zu kühlen, folglich erhitzt wird, und an Luftelektroden AE von Brennstoffzellen FC in dem Einzelstapel 3U verteilt, wo sie für Reaktionen zum Erzeugen von Elektrizität verwendet wird. Nicht verwendete Luft strömt entlang von Luftablasskanälen 321, die mit den Luftzufuhrkanälen 311 in Verbindung stehen, und wird von dem Einzelstapel 3U durch eine Luftausleitungsöffnung 3E2 der Brennstoffzellenhülle 3E hinausgeleitet, um als Luft mit erhöhter Temperatur durch den Luftablass-Öffnungsbereich 32 des Stapelgehäuses 3C aus dem Brennstoffzellenstapel 3 abgelassen zu werden.
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Wie in 6 gezeigt, hat an jedem Brennstoffzellenstapel 3 das Stapelgehäuse 3C einen Brenngas-Leitungsverbindungsteil 35, das zur Zufuhr mit einem stromabwärts gelegenen Ende einer Brenngasleitung 51 verbunden ist. Die Brenngasleitung 51 dient dazu, Brenngas unter einem geregelten Druck dem Brenngas-Leitungsverbindungsteil 35 zuzuführen. Wenn es dem Brenngas-Leitungsverbindungsteil 35 zugeführt wird, wird das Brenngas in jeden Einzelstapel 3U eingeleitet. Wie in 7 gezeigt, wird an jedem Einzelstapel 3U eingeleitetes Brenngas von einem Brenngaskanal-Verbindungsteil 3E3 der Brennstoffzellenhülle 3E entlang von inneren Brenngaskanälen 351 geleitet und an Brennstoffelektroden FE von Brennstoffzellen FC in dem Einzelstapel 3U verteilt, wo es für Reaktionen zum Erzeugen von Elektrizität verbraucht wird. Da diese Reaktionen als Nebenprodukt Wasser erzeugen, wird die Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach Bedarf so betrieben, dass ein Spülventil 10 geöffnet wird, zur Verwendung des Gasdrucks, um die Brenngaskanäle 351 zu spülen. Dann wird ein Gemisch aus Brenngas (Wasserstoffgas), Feuchtigkeit oder dergleichen als Spülgas entlang von Spülgaskanälen 361, die mit den Brenngaskanälen 351 in Verbindung stehen, strömen gelassen und durch einen Spülgaskanal-Verbindungsteil 3E4 der Brennstoffzellenhülle 3E aus dem Einzelstapel 3U hinausgeleitet, um durch einen Spülgas-Leitungsverbindungsteil 36 des Stapelgehäuses 3C aus dem Brennstoffzellenstapel 3 in eine zugeordnete Spülgasleitung 52 abgelassen zu werden.
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Wie in 2 und 5 gezeigt, gibt es paarige Luftablassleitungen 4, die an einer Rückseite jedes Brennstoffzellenstapels 3 an in der Fahrzeugquerrichtung zueinander benachbarten Positionen angebracht sind. Wie in 3 und 4 gezeigt, ist jede Luftablassleitung 4 in einer röhrenförmigen, rechtwinkligen kegelstumpfförmigen Gestalt geformt, mit einer Bodenseite, die ein stromaufwärts gelegenes Ende der Leitung 4 darstellt, und einer Oberseite, die ein stromabwärts gelegenes Ende der Leitung 4 darstellt. Das stromaufwärts gelegene Ende ist geöffnet, während, wie in 2 und 5 gezeigt, das stromabwärts gelegene Ende auf eine Weise geschlossen ist, die eine Mittelöffnung als eine offene Luftablassöffnung 42 lässt. Wie in 6 gezeigt, ist an jedem Brennstoffzellenstapel 3 das Stapelgehäuse 3C an dem stromabwärts gelegenen Ende, d. h., an dem Ende des Luftablass-Öffnungsbereichs 32, mit dem stromaufwärts gelegenen Ende einer zugeordneten Luftablassleitung 4 verbunden, wobei ihre Innenräume miteinander in Verbindung stehen. An jeder Luftablassleitung 4 ist das stromabwärts gelegene Ende durch das Bereitstellen einer kreisförmigen röhrenförmigen Gebläseabdeckung 41 gerichtet verlängert, so dass die Gebläseabdeckung 41 als ein stromabwärts gelegenes Ende derselben dient, um eine eigenständige Luftablassöffnung der Luftablassleitung 4 darzustellen. Wie in 2 und 5 gezeigt, hat jede Gebläseabdeckung 41 ein Luftablassgebläse 5, das innerhalb derselben eingebaut ist.
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(Verdünner)
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Wie in 2 und 5 gezeigt, besteht der Verdünner 6 aus einem röhrenförmigen Element 6T, das in einer rechteckigen würfelförmigen Kastengestalt geformt ist, d. h., einem hohlen rechteckigen Korpus. Wie in 6 gezeigt, hat der Verdünner eine rechteckige würfelförmige Verdünnungskammer 61, die durch den Abschnitt einer Wand des röhrenförmigen Elements 6T aufgebaut wird. Der Verdünner 6 hat einen Lufteinlass-Öffnungsbereich 62, der eine in der Fahrzeuglängsrichtung vordere Seite des röhrenförmigen Elements 6T darstellt, und einen Luftauslass-Öffnungsbereich 63, der eine in der Fahrzeuglängsrichtung hintere Seite des röhrenförmigen Elements 6T darstellt. Der Lufteinlass-Öffnungsbereich 62 ist so angeordnet, dass er dem stromabwärts gelegenen Ende einer Gebläseabdeckung 41 eines zugeordneten Luftablassgebläses 5, das Luft in die Verdünnungskammer 61 bläst, gegenüberliegt.
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Wie in 6 gezeigt, hat der Verdünner 6 zwei Spülgas-Leitungsverbindungsteile 64, die an seitlichen Seiten der Verdünnungskammer 61 bereitgestellt werden, wobei zwei Spülgasleitungen 52 jeweils an stromabwärts gelegenen Enden derselben angeschlossen sind. Stromaufwärts gelegene Enden der zwei Spülgasleitungen 52 sind mit Spülgas-Leitungsverbindungsteilen 36 verbunden, die jeweils an Stapelgehäusen 3C des Paares von Brennstoffzellenstapeln 3 bereitgestellt werden. An dem Verdünner 6 lässt die Verdünnungskammer 61 Spülgase, die Wasserstoff enthalten, von den zwei Spülgasleitungen 52 in dieselbe strömen und Luft durch das zugeordnete Luftablassgebläse 5 von einer spezifischen Luftablassleitung 4 zu derselben blasen. Daher sind an der Verdünnungskammer 61 ankommende Strömungsgase, ebenso wie das darin enthaltene Wasserstoffgas, zu verdünnen.
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In der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann der Verdünner 6 in Betrieb genommen werden, nachdem eine Spülung durchgeführt ist, ungeachtet des Fahrzeug-Fahrtzustandes, um kondensierten Dampf oder Tau oder Wasser in Brenngaskanälen (manchmal als Anodenendkanäle bezeichnet) in einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 3 auszuspülen, um ein Blockieren derselben zu verhindern. Der Verdünner 6 lässt Luft durch ein zugeordnetes Luftablassgebläse 5 von einer spezifischen Luftablassleitung 4 in die Verdünnungskammer 61 blasen, um Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, zu verdünnen. In dieser Hinsicht ist es nicht erforderlich, dass der Lufteinlass-Öffnungsbereich 62 des Verdünners 6 den beiden Luftablassgebläsen 5, die in der Fahrzeugquerrichtung in einem Paar an einem Stapelgehäuse 3C eines spezifischen Brennstoffzellenstapels 3 gruppiert sind, gegenüberliegt. Daher ist, wie in 2 und 5 gezeigt, ein Lufteinlass-Öffnungsbereich 62 des Verdünners 6 so angeordnet, dass er einfach einem von solchen paarigen Luftablassgebläsen 5 gegenüberliegt. Bei dieser Ausführungsform wird, wie in 2 gezeigt, zwischen den Luftablassgebläsen 5, die in der Fahrzeugquerrichtung in einem Paar an einem Stapelgehäuse 3C eines spezifischen Brennstoffzellenstapels 3 gruppiert sind, das eine, das einer in der Fahrzeugquerrichtung mittigen Position der vorderen Fahrzeugsektion 100F näher ist, als ein Gegenstück ausgewählt, dem der Lufteinlass-Öffnungsbereich 62 des Verdünners 6 gegenüberliegt.
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Wie in 6 gezeigt, ist das Stirnwandoberteil 7 ein aufgebautes Element, das eine röhrenförmige, periphere Wand 71 umfasst, die oberhalb der Trennwand 104 bereitgestellt wird, wobei sich ein oberer Abschnitt derselben entlang einer unteren Kante einer vorderen Windschutzscheibe 105 erstreckt. Die röhrenförmige, periphere Wand 71 besteht aus einem rinnenförmigen unteren Element 72, das einen unteren Abschnitt derselben darstellt, und einem an dem unteren Element 72 angebauten oberen Element 73, das den oben angegebenen oberen Abschnitt bildet. Der obere Abschnitt und der untere Abschnitt der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 definieren zusammenwirkend einen Innenraum 74 der peripheren Wand 71. Der untere Abschnitt der peripheren Wand 71, der aus dem unteren Element 72 besteht, hat einen ebenen unteren Bereich 72A, der sich an einem vorderen Teil desselben in der Fahrzeuglängsrichtung von gerade oberhalb der Trennwand 104 (d. h., von der Position einer Oberkante derselben) aus nach vom erstreckt. Das untere Element 72 hat eine untere Öffnung 72B, die in demselben für eine Luftverbindung zwischen dem Innenraum 74 der peripheren Wand 71 und der Verdünnungskammer 61 des Verdünners 6 geformt ist. Der obere Abschnitt der peripheren Wand 71, der aus dem oberen Element 73 besteht, hat an einem oberen Teil desselben einen Satz von Verbindungsöffnungen, einschließlich einer vorderen Verbindungsöffnung 75 und einer hinteren Verbindungsöffnung 76, die für eine Luftverbindung zwischen der Umgebung und dem Innenraum 74 der peripheren Wand 71 in demselben geformt sind. Die vordere Verbindungsöffnung 75 ist mit Zwischenraum in der Fahrzeuglängsrichtung vor der hinteren Verbindungsöffnung 76 angeordnet. Die vordere Verbindungsöffnung 75 ist so aufgebaut, dass sie Brenngas (Wasserstoffgas) enthaltende Spülgase, die zusätzlich in dem Innenraum 74 der peripheren Wand 71 mit Luft verdünnt werden, zur Umgebung ablässt. Wie in 6 gezeigt, ist die hintere Verbindungsöffnung 76 so aufgebaut, dass sie natürliche Lüftungsluftströme (dargestellt durch eine Pfeillegende F7) nach einem Zusammentreffen mit der vorderen Windschutzscheibe 105 zu dem Innenraum 74 der peripheren Wand 71 einlässt. Es ist zu bemerken, dass sich der Begriff „natürliche Lüftungsluftströme” auf Durchflüsse oder Ströme von atmosphärischer Luft um ein Fahrzeug, ob es fährt oder nicht, bezieht.
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Im Übrigen umfasst in einem Aspekt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge einen Brennstoffzellenstapel 3, der in einem Motorraum 101, der in einer vorderen Fahrzeugsektion 100F angeordnet und durch eine Trennwand 104 im Verhältnis zu einem Fahrgastraum 106 abgeteilt ist, angeordnet und dafür eingerichtet ist, Luft durch einen Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 aufzunehmen, um sie als Reaktionsgas und Kühlmittel zu verwenden, und Luft durch einen Luftablass-Öffnungsbereich 32, der mit einem Innenraum einer Luftablassleitung 4 in Verbindung steht, abzulassen. Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge umfasst ein oberes Stirnwandelement 7 und einen Verdünner 6. Das obere Stirnwandelement 7 umfasst eine röhrenförmige, periphere Wand 71, die um die Trennwand 104 bereitgestellt wird, wobei sich ein oberer Abschnitt 73 derselben entlang einer unteren Kante einer vorderen Windschutzscheibe 105 erstreckt, und einen Satz von Verbindungsöffnungen 75 und 76, die für eine Luftverbindung zwischen der Umgebung und einem Innenraum 74 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 durch den oberen Abschnitt 73 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 geformt sind. Und der Verdünner 6 umfasst einen Lufteinlass-Öffnungsbereich 62, der mit dem Innenraum der Luftablassleitung 4 in Verbindung steht, einen Luftauslass-Öffnungsbereich 63, der mit dem Innenraum 74 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 in Verbindung steht, und eine Verdünnungskammer 61, die so aufgebaut ist, dass sie aus dem Brennstoffzellenstapel 3 abgelassenes Brenngas einleitet, das eingeleitete Brenngas mit durch den Lufteinlass-Öffnungsbereich 62 eingeleiteter Luft verdünnt und das verdünnte Brenngas durch den Luftauslass-Öffnungsbereich 63 ablässt.
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Stattdessen kann es einen Verdünner 6 geben, der aufgebaut ist mit einem Lufteinlass-Öffnungsbereich 62, der dafür angeordnet ist, Luft aufzunehmen, die von einer Ablassöffnung der Luftablassleitung 4 abgelassen wird, einem Luftauslass-Öffnungsbereich 63, der dafür angeordnet ist, Luft abzulassen, und einem Verdünnungsraum (in der Verdünnungskammer 61), der dafür angeordnet ist, aus dem Brennstoffzellenstapel 3 abgelassenes Brenngas einzuleiten und Luft und Brenngas zur Verdünnung zu mischen, wobei der Verdünnungsraum durch den Luftauslass-Öffnungsbereich 63 mit dem Innenraum 74 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 des oberen Stirnwandelements 7 in Verbindung steht.
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In einem anderen Aspekt umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Brenngassammler, der dafür aufgebaut ist, aus dem Brennstoffzellenstapel 3 abgelassenes Brenngas aufzufangen, und einen Brenngaseinleiter, der dafür aufgebaut ist, durch den Brenngassammler aufgefangenes Brenngas in die Verdünnungskammer 61 des Verdünners 6 einzuleiten.
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In einem anderen Aspekt umfasst der Brenngassammler eine Spülgasleitung 52 ein, die mit dem Brennstoffzellenstapel 3 verbunden ist, und der Brenngaseinleiter umfasst einen Leitungsverbindungsteil 64, das zwischen der Spülgasleitung 52 und der Verdünnungskammer 61 des Verdünners 6 bereitgestellt wird.
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Wie in 6, in einer Seitenansicht des Fahrzeugs 100, gezeigt, hat die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Kombination aus einer ersten Bezugslinie A, eingerichtet als eine Mittellinie, die eine Mitte des Lufteinlass-Öffnungsbereichs 62 und eine Mitte des Luftauslass-Öffnungsbereichs 63 des Verdünners 6 passiert, und einer zweiten Bezugslinie B, eingerichtet als eine Mittellinie, die einen geometrischen Mittelpunkt C der Verdünnungskammer 61 und eine in der Fahrzeuglängsrichtung mittige Position der vorderen Verbindungsöffnung 75 passiert derart, dass die erste Bezugslinie A in Bezug auf eine Fahrzeughorizontalebene H, die eine in der Fahrzeuglängsrichtung horizontale Linie umfasst, in einem ersten Winkel θ1 geneigt ist, der kleiner ist als ein zweiter Winkel θ2, in dem die zweite Bezugslinie B im Verhältnis zu der Fahrzeughorizontalebene H geneigt ist, und die hintere Verbindungsöffnung 76 innerhalb eines Winkelbereichs zwischen der ersten Bezugslinie A und der zweiten Bezugslinie B liegt.
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Die hintere Verbindungsöffnung 76 ist in einem ansteigenden ebenen Teil 77 des oberen Elements 73, das den oberen Abschnitt der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 darstellt, geformt. Die hintere Verbindungsöffnung 76 hat folglich eine Öffnung, die der unteren Kante der vorderen Windschutzscheibe 105 gegenübersteht. Das obere Element 73 ist mit einem ebenen Führungsteil 78 in einer Position, die der hinteren Verbindungsöffnung 76 gegenüberliegt, geformt. Der ebene Führungsteil 78 ist mit Zwischenraum in der Fahrzeuglängsrichtung vor der hinteren Verbindungsöffnung 76 angeordnet. Der ebene Führungsteil 78 ist so eingerichtet, dass er Ströme von Luft, die von der hinteren Verbindungsöffnung 76 eingeleitet werden, zu dem Luftauslass-Öffnungsbereich 63 des Verdünners 6 hin führt.
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7 zeigt Ströme von Luft und Wasserstoff in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Blockdiagramm, teilweise in einer Art Schnitt eines Brennstoffzellenstapels 3. Wie in 7 gezeigt, wird jeder Brennstoffzellenstapel 3 mit einem aufbereiteten Brenngas, das Wasserstoff(-gas) enthält, und aufbereiteter Luft, die Sauerstoff(-gas) enthält, gespeist und lässt ein Spülgas, wenn gespült wird, und nicht verwendete Luft ab. Zur Brenngaszufuhr wird in einem Wasserstoffbehälter 8 gespeichertes komprimiertes Hochdruck-Wasserstoffgas an einem Druckminderungsventil 9 im Druck gemindert und durch eine Brenngasleitung 51 einem Brenngas-Leitungsverbindungsteil 35 eines Stapelgehäuses 3C zugeführt. Wenn der Brennstoffzellenstapel 3 mit einem geöffneten Spülventil 10 gespült wird, wird ein Spülgas aus einem Spülgas-Leitungsverbindungsteil 36 des Stapelgehäuses 3C zu der Spülgasleitung 52 abgelassen. Zur Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 3 wird Luft aus der Umgebung durch die Filter 221 und 34 angesaugt und in einen Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 des Stapelgehäuses 3C eingeleitet, und nicht verwendete Luft wird aus einem Luftablass-Öffnungsbereich 32 des Stapelgehäuses 3C ausgeleitet und durch ein Luftablassgebläse 5 abgelassen. Die Spülgase werden bei dem Verdünner 6 aufgefangen, wo sie mit durch ein Luftablassgebläse 5 gesendeter Luft verdünnt werden.
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Bei dem Verdünner 6 werden die Spülgase unter eine untere Grenze einer entflammbarem Wasserstoff-Konzentration verdünnt, um sie nach außen freizusetzen.
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(Operationen und Wirkungen der Brennstoffzellenvorrichtung)
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Es wird nun eine Beschreibung von Operationen und Wirkungen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach dieser Ausführungsform vorgenommen. Auf eine Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 hin werden Wasserstoffgas und Luft zu den Brennstoffzellenstapeln 3 in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eingeleitet. Im Einzelnen wird, wie in 7 gezeigt, in dem Wasserstoffbehälter 8 gespeichertes komprimiertes Hochdruck-Wasserstoffgas an einem Druckminderungsventil 9 im Druck gemindert und als Brenngas zu einem Brenngas-Leitungsverbindungsteil 35 an jedem Brennstoffzellenstapel 3 eingeleitet. Andererseits wird Luft aus der Umgebung durch die Filter 221 angesaugt und in den Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 an jedem Brennstoffzellenstapel 3 eingeleitet. Es ist zu bemerken, dass an jedem Brennstoffzellenstapel 3 die zugeführte Luft nicht nur für Reaktionen zum Erzeugen von Elektrizität verwendet wird, sondern ebenfalls als Kühlmittel zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 3 funktionsfähig ist. Nicht verwendete Luft wird aus dem Luftablass-Öffnungsbereich 32 an jedem Brennstoffzellenstapel 3 abgelassen. Danach dienen, wie in 6 gezeigt, spezifische Luftablassgebläse 5 dazu, Ströme von Luft F5 in den Lufteinlass-Öffnungsbereich 62 des Verdünners 6 zu treiben.
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Wenn ein Spülventil 10 betätigt wird, um an einem willkürlichen Brennstoffzellenstapel 3 zu öffnen, liefert der Spülgas-Leitungsverbindungsteil 36 ein Spülgas, das Brenngas (Wasserstoffgas) enthält, das durch eine zugeordnete Spülgasleitung 52 geleitet und durch einen zugeordneten Spülgas-Leitungsverbindungsteil 64 des Verdünners 6 in die Verdünnungskammer 61 eingeleitet wird. In der Verdünnungskammer 61 werden Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, mit Luftströmen F5, die von den spezifischen Luftablassgebläsen 5 gesendet werden, gemischt und verdünnt. Danach trifft das gasförmige Gemisch aus Luft und in der Verdünnungskammer 61 verdünnten Spülgasen durch den Luftauslass-Öffnungsbereich 63 des Verdünners 6 in den Innenraum 74 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils. Die röhrenförmige, periphere Wand 71 lässt folglich gasförmige Mischungen in den Innenraum 74 einleiten, die durch die vordere Verbindungsöffnung 75 des oberen Elements 73 nach außen (in die Umgebung) freigesetzt werden.
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Wie in 6 gezeigt, hat, beispielsweise, wenn das Fahrzeug fährt, der Innenraum 74 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils negative Drucke auf Grund der Wirkungen der natürlichen Lüftungsluftströme F1. In dieser Situation haben die natürlichen Lüftungsluftströme F1 nach dem Zusammentreffen mit der vorderen Windschutzscheibe 105 Neigungen, durch die hintere Verbindungsöffnung 76 in den Innenraum 74 zu strömen. Dann hat der Innenraum 74 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils Spülgase, die an demselben ankommen (von dem Verdünner 6, wo sie einmal verdünnt worden sind) und zusätzlich mit Luftströmen F7 und F8, die durch die hintere Verbindungsöffnung einströmen, gemischt und verdünnt werden. Daher ist das sich ergebende Gemisch, wenn es nach außerhalb des Fahrzeugs freigesetzt wird, mit der aus einem spezifischen Brennstoffzellenstapel 3 abgelassenen Luft auf eine Wasserstoffkonzentration verdünnt, die gegenüber der Ziel-Wasserstoffkonzentration, die 4 Volumen-% beträgt, deutlich gemindert ist. Mit anderen Worten, Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, werden vor ihrer Freisetzung zur Umgebung (in räumlichen Regionen, die durch die Motorhaube 102 und das obere Element 73 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils und zwischen denselben definiert werden) durch die Kombination einer Mischungsverdünnung unter Verwendung von innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 abgelassener Luft und einer zusätzlichen Mischungsverdünnung, die von natürlichen Lüftungsluftströmen Gebrauch macht, behandelt. Die Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, sind gut verdünnt, wenn sie in durch die Motorhaube 102 und das obere Element 73 der röhrenförmigen, peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils eingeschlossenen räumlichen Regionen freigesetzt werden, so dass sie frei durch Lücken zwischen der Motorhaube 102 und dem oberen Element 73 entweichen. Daher ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach dieser Ausführungsform dafür eingerichtet, Gase mit einer sichergestellten Sicherheit abzulassen, selbst wenn Brenngas (Wasserstoffgas) durch eine Spülgasleitung 52 eines Brennstoffzellenstapels 3 abgelassen wird. Da dies der Fall ist, ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eingerichtet zur Verwendung von Luft von einem Luftablassgebläse 5 und natürlichen Lüftungsluftströmen zum schrittweisen Verdünnen von Spülgasen, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, ohne einen Verdünner mit hoher Kapazität zu benötigen, was folglich ein leichtes Fahrzeug mit einem verkleinerten Verdünner 6 ermöglicht.
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Nach dieser Ausführungsform ist die hintere Verbindungsöffnung 76 entlang der unteren Kante der vorderen Windschutzscheibe 105 geformt, wodurch die natürlichen Lüftungsluftströme nach dem Zusammentreffen mit der vorderen Windschutzscheibe 105 verstärkte Neigungen haben, durch die hintere Verbindungsöffnung 76 in den Innenraum 74 der peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils zu strömen. Im Ergebnis können Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, unverzüglich zur Verdünnung mit Luft vermischt werden. Darüber hinaus ist bei dieser Ausführungsform die vordere Verbindungsöffnung 75 in einer Position angeordnet, um gasförmige Gemische, die Luft und Brenngas (Wasserstoffgas) umfassen, die in den Innenraum 74 der peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils eingeleitet werden, mit gesteigerten Neigungen zum Strömen nach außen zu versehen. Das heißt, die vordere Verbindungsöffnung 75 ist in einer Position in der Fahrzeuglängsrichtung mit Zwischenraum vor der hinteren Verbindungsöffnung 76 angeordnet, wobei es wesentlich ist, dass natürliche Lüftungsluftströme nach dem Zusammentreffen mit der vorderen Windschutzscheibe 105 einströmen, wenn das Fahrzeug fährt. Dementsprechend werden, wenn das Fahrzeug fährt, Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, vermischt mit Luft zur Verdünnung, vorangetrieben, unter anderem mit Strömen von Luft, die durch ein Luftablassgebläse 5 geblasen werden, und natürlichen Lüftungsluftströmen, die durch die hintere Verbindungsöffnung 76 hereinkommen, um auf eine problemlose Weise durch die vordere Verbindungsöffnung 75 in die Umgebung auszuströmen. Da dies der Fall ist, ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 dafür eingerichtet, Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, problemlos in einem sicher verdünnten Zustand abzulassen, was folglich eine gesicherte Steigerung der Integrität ermöglicht.
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Nach dieser Ausführungsform hat die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einer Seitenansicht des Fahrzeugs 1 die Kombination aus einem ersten Winkel θ1, hergestellt durch die erste Bezugslinie A, die eine Mittellinie ist, die eine Mitte des Lufteinlass-Öffnungsbereichs 62 und eine Mitte des Luftauslass-Öffnungsbereichs 63 des Verdünners 6 passiert, im Verhältnis zu der Fahrzeughorizontalebene H, die eine in der Fahrzeuglängsrichtung horizontale Linie umfasst, und einem zweiten Winkel θ2, hergestellt durch die zweite Bezugslinie B, die eine Mittellinie ist, die einen geometrischen Mittelpunkt C der Verdünnungskammer 61 und eine in der Fahrzeuglängsrichtung mittige Position der vorderen Verbindungsöffnung 75 passiert, im Verhältnis zu der Fahrzeughorizontalebene H derart, dass der erste Winkel θ1 kleiner ist als der zweite Winkel θ2. Der erste Winkel θ1 entspricht der Ausrichtung einer senkrechten Linie an dem Luftauslass-Öffnungsbereich 63 der Verdünnungskammer 61, während der zweite Winkel θ2 dem Erhöhungswinkel beim Aufsuchen der mittigen Position der vorderen Verbindungsöffnung 75 von dem geometrischen Mittelpunkt C der Verdünnungskammer 61 aus entspricht. Mit anderen Worten, die Verdünnungskammer 61 ist in einer solchen Stellung geneigt, dass sie einer in der Fahrzeuglängsrichtung hinteren räumlichen Position in Bezug auf die mittige Position der vorderen Verbindungsöffnung 75 gegenüberliegt. Die wie oben beschrieben angeordnete Verdünnungskammer 61 ist folglich dafür eingerichtet, Zusammenstöße zwischen von dem Verdünner 6 abgelassenen Spülgasen, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, und durch die hintere Verbindungsöffnung 76 ankommenden natürlichen Lüftungsluftströmen sicherzustellen. Dementsprechend ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 dafür eingerichtet, Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, sicher verdünnt, auf eine problemlose Weise in die Umgebung freizusetzen.
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Nach dieser Ausführungsform ist das obere Element 73 der peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils mit einem ebenen Führungsteil 78 versehen, der in einer Position angeordnet ist, um durch die hintere Verbindungsöffnung 76 ankommende Ströme von Luft zu dem Luftauslass-Öffnungsbereich 63 des Verdünners 6 hin zu führen. Daher kann der ebene Führungsteil 78 dazu dienen, durch die hintere Verbindungsöffnung 76 ankommende natürliche Lüftungsluftströme so zu leiten, dass sie veranlasst werden, problemlos zu dem Verdünner 6 hin zu strömen, für ein erfolgreiches Zusammentreffen zwischen natürlichen Lüftungsluftströmen und aus dem Verdünner 6 abgelassenen Strömen von Spülgasen, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, im Wesentlichen parallel zu der ersten Bezugslinie A. Dies gewährleistet, dass die Luftströme mit gesteigerten Neigungen zum Mischen mit Spülgasen, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, in dem Innenraum 74 der peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils bereit gestellt werden, was folglich ermöglicht, dass Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, sicher verdünnt werden.
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(Situationen, die ein Aufwärmen erfordern)
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Unter einer vorgeschriebenen Niedrigtemperaturumgebung wird der Verschlussantrieb 213A betätigt, um die Verschlüsse 213 an den ersten Luftaufnahmeschlitzen 212 zu schließen. Gleichzeitig mit der Betätigung des Verschlussantriebs 213A werden die Verschlussantriebe 232D betätigt, um die Verschlüsse 232C anzutreiben, um die zweiten Luftaufnahmeschlitze 232A zu öffnen. Hier bezieht sich die vorgeschriebene Niedrigtemperaturumgebung auf eine Situation, in der die Außenlufttemperatur niedriger ist als eine untere Grenze eines angemessenen Temperaturbereichs, damit die Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeiten.
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In dieser Situation werden die Luftablassgebläse 5 alle zur Drehung angetrieben. Folglich wird, zusammen mit einer Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1, erwärmte Luft aus der Luftablassöffnung 42 an jeder Gebläseabdeckung 41 geblasen. Dann strömen, wie in 3 gezeigt, Ströme von erwärmter Luft F11 durch die zweiten Luftaufnahmeschlitze 232A in die Luftansaugleitung 2. Folglich wird die aufgenommene warme Luft in der Luftansaugleitung 2 durch den Luftaufnahme-Öffnungsbereich 31 an jedem Brennstoffzellenstapel 3 in die Einzelstapel 3U in dem Brennstoffzellenstapel 3 eingeleitet, wo sie für Reaktionen zum Erzeugen von Elektrizität und frühen Aufwärmen der Stapel 3U verwendet wird. Daher können selbst in Situationen, die ein Aufwärmen erfordern, Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, sicher für die Verdünnung mit Luft vermischt werden. Darüber hinaus ist bei dieser Ausführungsform der Lufteinlass-Öffnungsbereich 63 des Verdünners 6 so angeordnet, dass er einer spezifischen Luftablassleitung 4 gegenüberliegt, was gewährleistet, dass warme Luft, welche die Luftablassleitung 4 passiert, ansonsten als Luft zum Aufwärmen in dem Motorraum 101 stehenbleibt.
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(Situationen, die kein Aufwärmen erfordern)
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In Situationen, die kein Aufwärmen der Brennstoffzellenstapel 3 erfordern, das heißt, wenn die Außenlufttemperatur in dem angemessenen Temperaturbereich liegt, damit die Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeiten, sind die Verschlussantriebe 232D betriebsfähig, um die Verschlüsse 232C anzutreiben, um die zweiten Luftaufnahmeschlitze 232A zu schließen. Da die zweiten Luftaufnahmeschlitze 232A nahe den Luftablassöffnungen 42 der Luftablassleitungen 4 geschlossen sind, werden Ströme von warmer Luft aus den Luftablassöffnungen 42 daran gehindert, in die Luftansaugleitung 2 einzutreten. In dieser Situation sind die Verschlüsse 213 an den ersten Luftaufnahmeschlitzen 212 offen. Es ist zu bemerken, dass die Hauben 232B der zweiten Luftaufnahmeschlitze 232A in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten offen sind, wodurch natürliche Lüftungsluftströme um die Luftansaugleitung 2 verringerte Neigungen haben, in dieselben zu treffen.
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In der oben angegebenen Situation, die mit sich bringt, dass die Verschlüsse 213 an dem ersten Leitungsabschnitt 210 offen sind, üben die Luftablassgebläse 5 Ansaugdrücke (Unterdrücke) aus, die bis zu dem Inneren des ersten Leitungsabschnitts 210 vorherrschen, wodurch, wie in 6 gezeigt, natürliche Lüftungsluftströme F1 gegen den ersten Leitungsabschnitt 210 sowie Umgebungsluft um den ersten Leitungsabschnitt 210 durch die paarigen ersten Luftaufnahmeschlitze 212 des ersten Leitungsabschnitts 210 angesaugt werden. Solche Luftströme verbinden sich an dem zweiten Leistungsabschnitt 220 miteinander, wobei sie Luftströme F2 darstellen, und teilen sich an dem dritten Leitungsabschnitt 230 in Luftströme F3 und F4, um jeweils in die Brennstoffzellenstapel 3 eingeleitet zu werden. Dann wird die Luft in jeden Brennstoffzellenstapel 3 geleitet, und erwärmte Luft strömt aus, die durch zugeordnete Luftablassleitungen 4 abgelassen wird. An einer spezifischen Luftablassleitung 4 strömt die abgelassene Luft in den Verdünner 6. Daher können selbst in Situationen, die kein Aufwärmen erfordern, Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, sicher für die Verdünnung mit Luft vermischt werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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8 zeigt, in einer Schnittansicht, eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Verhältnis zu der ersten Ausführungsform werden gleiche Bestandteile der zweiten Ausführungsform in 8 durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, wobei eine redundante Beschreibung weggelassen wird. Bei dieser Ausführungsform hat ein oberes Element 73 einer peripheren Wand 71 eines Stirnwandoberteils einen ebenen Führungsteil 78A. Dieser Teil 78 des oberen Elements 73 ist in der Fahrzeuglängsrichtung geneigt, um eine Vorderseite 78B desselben als eine in der Fahrzeuglängsrichtung vordere Führungsseite bereitzustellen, die eine in der Fahrzeuglängsrichtung hintere Seite einer vorderen Verbindungsöffnung 75 derart definiert, dass, wenn sie an dem unteren Ende verlängert wird, die vordere Seite 78B eine imaginäre Verlängerung als eine Ebene, die einen geometrischen Mittelpunkt C einer Verdünnungskammer 61 in einem Verdünner 6 umfasst, hat. Der ebene Führungsteil 78A ist folglich dafür eingerichtet, natürliche Lüftungsluftströme, die durch eine hintere Verbindungsöffnung 76 ankommen, in einen Innenraum 74 der peripheren Wand 71 des Stirnwandoberteils zu leiten, wobei sicher veranlasst wird, dass sie mit Strömen von Spülgasen, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, zusammentreffen, die an der Verdünnungskammer 61 verdünnt worden sind. Daher können nach dieser Ausführungsform Spülgase, die Brenngas (Wasserstoffgas) enthalten, sicherer für die Verdünnung mit Luft vermischt werden.
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(Andere Ausführungsformen)
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Es sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, einschließlich von Erörterungen und Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung darstellen, die als illustrativ, nicht einschränkend für die Erfindung ausgelegt werden sollten. Es kann verschiedene Ersatzausführungsformen, -beispiele und -anwendungstechniken geben, die dem Fachmann durch die Offenlegung offensichtlich gemacht wurden.
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Zum Beispiel haben die beschriebenen Ausführungsformen eine Konfiguration, die ein Paar aus einem oberen und einem unteren Brennstoffzellenstapel 3, die an einem dritten Leitungsabschnitt 230 angebracht sind, umfasst. Es kann jedoch eine Struktur eingesetzt werden, die einen einzelnen Brennstoffzellenstapel 3 umfasst, wie es ebenfalls anwendbar ist. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf eine beliebige Konfiguration, die im Wesentlichen einen Brennstoffzellenstapel 3, eine Luftablassleitung 4, ein Luftablassgebläse 5, einen Verdünner 6, ein Stirnwandoberteil 7 und eine Spülgasleitung 52 umfasst. Darüber hinaus umfassen beschriebene Ausführungsformen eine Luftansaugleitung 2 und Luftablassleitungen 4, wobei deren Strukturen ebenfalls nicht einschränkend für diese Erfindung sind. Ferner haben beschriebene Ausführungsformen eine Konfiguration, die Luftablassgebläse 5 umfasst, die stromabwärts von den Brennstoffzellenstapeln 3 eingebaut sind, die durch eine Konfiguration ersetzt werden kann, die Luftablassgebläse 5 umfasst, die stromaufwärts von den Brennstoffzellenstapeln 3 eingebaut sind.
