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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist. Das Brennstoffzellensystem enthält einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildet ist. Jede der Brennstoffzellen erzeugt Elektrizität durch elektrochemische Reaktionen, die zwischen einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas stattfinden.
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Beschreibung der relevanten Technik:
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Zum Beispiel verwendet eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran. Die Elektrolytmembran ist eine Polymer-Ionen-Austauschmembran. In der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran zwischen einer Anode und einer Kathode eingefügt, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen einem Paar von Separatoren geschichtet, um hierdurch eine Stromerzeugungszelle zu bilden. Allgemein sind, während die Brennstoffzelle in Gebrauch ist, eine vorbestimmte Anzahl von Stromerzeugungszellen zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der zum Beispiel in einem Brennstoffzellenfahrzeug (elektrisches Brennstoffzellenauto oder dergleichen).
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Insbesondere ist es in dem Fall, dass der Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug angebracht ist, wünschenswert, dass Brenngas(z. B. wasserstoffhaltiges Gas)-Systemvorrichtungen und Sauerstoffhaltiges-Gas-(z. B. Luft)-Systemvorrichtungen effizient und räumlich kompakt angeordnet werden. Wenn das Fahrzeug einer Kollision ausgesetzt ist, ist es in dieser Hinsicht erforderlich, vorzugsweise die Brenngas-Systemvorrichtungen zu schützen.
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Hierzu ist ein Brennstoffzellensystem zum Beispiel aus der
JP 2006-221915 A bekannt. Wie in
7 gezeigt, enthält ein solches Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle
1 zum Erzeugen von Elektrizität durch Verbrauch von wasserstoffhaltigem Gas und sauerstoffhaltigem Gas, die der Brennstoffzelle
1 zugeführt werden. Die Brennstoffzelle
1 enthält zwei Brennstoffzellenstapel
2a,
2b, sowie eine Endplatte
3, die an einem Ende der Brennstoffzellenstapel
2a,
2b befestigt ist.
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Ein Träger 4 ist an der Endplatte 3 angebracht, und die Wasserstoffsystemkomponenten 5 zum Zuführen von Wasserstoffgas zu den Brennstoffzellenstapeln 2a, 2b sind an dem Träger 4 angebracht. Die Wasserstoffsystemkomponenten 5 enthalten ein Wasserstoffzuführrohr 6a und ein Wasserstoffabführrohr 6b. Ferner enthalten, obwohl nicht gezeigt, die Wasserstoffsystemkomponenten 5 ein Wasserstoffeinlassventil, einen Regler, eine Wasserpumpe, einen Gasflüssigkeitsseparator, ein Wasserstoffabführrohr, ein Verteilerrohr, ein Verbindungsrohr etc. Zumindest die Brennstoffzellenstapel 2a, 2b und die Wasserstoffsystemkomponenten 5 sind in einem Stapelgehäuse 7 angeordnet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In der
JP 2006-221915 A sind die Brennstoffzellenstapel
2a,
2b und die Wasserstoffsystemkomponenten
5 in dem Stapelgehäuse
7 angeordnet. Daher hat das Stapelgehäuse
7 eine große Abmessung und es ist nicht möglich, eine Verkleinerung der Gesamtabmessung des Brennstoffzellensystems zu erlangen. Da ferner keine Rücksicht auf das Layout der Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemkomponenten gegeben ist, ist es schwierig, die Leistungsfähigkeit während der Handhabung und Montage des Brennstoffzellensystems insgesamt zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung dieser Probleme erdacht worden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer einfachen und kompakten Struktur anzugeben, worin es möglich ist, die Brenngassystemelemente zuverlässig zu schützen, und die Leistungsfähigkeit während des Betriebs des Brennstoffzellensystems insgesamt zu verbessern.
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Ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Brenngaseinheit und eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit enthält. Der Brennstoffzellenstapel ist durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung und durch das Vorsehen von Endplatten an in der Stapelrichtung beiden Enden gebildet. Jeder der Brennstoffzellenstapel erzeugt Elektrizität durch elektrochemische Reaktionen, die zwischen einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas stattfinden. Die Brenngaseinheit führt das Brenngas dem Brennstoffzellenstapel zu, und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit führt das sauerstoffhaltige Gas dem Brennstoffzellenstapel zu.
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In der Brenngaseinheit sind, unter den Brenngassystemelementen, die ein Brenngasrohr und eine Brenngashilfsvorrichtung enthalten, mindestens zwei der Brenngassystemelemente zusammengebaut. In der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit sind, unter den Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelementen, die ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohr und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Hilfsvorrichtung enthalten, zumindest zwei der Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelemente zusammengebaut.
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Darüber hinaus sind der Brennstoffzellenstapel, die Brenngaseinheit und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit derart aneinander befestigt, dass die Brenngaseinheit zumindest teilweise zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit eingefügt ist.
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In der vorliegenden Erfindung sind, im Vergleich zu den Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelementen, die Brenngassystemelemente näher an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Wenn bei dieser Struktur eine externe Last auf das Brennstoffzellenfahrzeug einwirkt, ist es möglich, die Brenngassystemelemente vor der externen Last zuverlässig zu schützen.
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Ferner werden die Brenngaseinheit und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit vorab zusammengebaut, und dann werden der Brennstoffzellenstapel, die Brenngaseinheit und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit aneinander befestigt. Daher kann Verbesserung der Leistungsfähigkeit beim Zusammenbau des Brennstoffzellensystems erzielt werden. Ferner kann mit einer solchen einfachen und kompakten Struktur eine Verkleinerung der Gesamtabmessung des Brennstoffzellensystems erzielt werden.
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Darüber hinaus sind der Brennstoffzellenstapel, die Brenngaseinheit und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit aneinander befestigt und sind insgesamt gemeinsam bewegbar. Wenn daher eine externe Last auf diese Komponenten einwirkt, wird es möglich, eine Beschädigung des Brennstoffzellensystems soweit wie möglich zu vermeiden.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der Erfindung als illustratives Beispiel gezeigt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht, die schematisch ein Brennstoffzellenfahrzeug in seiner Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine schematische Erläuterungsansicht des Brennstoffzellenfahrzeugs;
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3 ist eine Teilexplosions-Perspektivansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
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4 ist eine Teilexplosions-Perspektivansicht, die einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
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5 ist eine Vorderansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellensystems zeigt, bei Betrachtung von der Vorderseite des Fahrzeugs;
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6 ist eine Seitenansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellensystems zeigt, bei Betrachtung von einer Querseite des Fahrzeugs; und
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7 ist eine Ansicht, die schematisch das Brennstoffzellensystem der
JP 2006-221915 A zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Wie in 1 gezeigt, ist ein Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung z. B. ein elektrisches Brennstoffzellenautomobil. In dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 ist ein Brennstoffzellenstapel 14 eines Brennstoffzellensystems 12 in einem vorderen Raum (Motorraum) 18 des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 vorgesehen, der benachbart Vorderrädern 16f an einer Vorderseite der Spritzwand 17 angeordnet ist. Ein Wasserstofftank 17, der später beschrieben wird, ist zwischen den Hinterrädern 16r vorgesehen.
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Wie in 2 gezeigt, enthält das Brennstoffzellenfahrzeug 10 einen Brennstoffzellenstapel 14, eine Brenngaszuführvorrichtung 20 zum Zuführen von Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel 14 sowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas zu dem Brennstoffzellenstapel 14. Obwohl nicht dargestellt, enthält das Brennstoffzellenfahrzeug 10 auch eine Kühlmittelzuführvorrichtung zum Zuführen von Kühlmittel zu dem Brennstoffzellenstapel 14.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, wird der Brennstoffzellenstapel 14 gebildet, indem eine Vielzahl von Brennstoffzellen 22 in Breitenrichtung des Fahrzeugs gestapelt werden, wie mit dem Pfeil B angegeben. Wie in 4 gezeigt, ist eine erste Anschlussplatte 24a am in der Stapelrichtung einen Ende der Brennstoffzelle 22 angeordnet. Eine erste Isolierplatte 26a ist an der Außenseite der ersten Anschlussplatte 24a angeordnet, und eine erste Endplatte 28a (eine eines Paars von Endplatten) ist an der Außenseite der ersten Isolierplatte 26a vorgesehen. Eine zweite Anschlussplatte 24b ist am in der Stapelrichtung anderen Ende der Brennstoffzelle 22 angeordnet. Eine zweite Isolierplatte 26b ist an der Außenseite der zweiten Anschlussplatte 24b angeordnet, und eine zweite Endplatte 28b ist an der Außenseite der zweiten Isolierplatte 26b angeordnet. Die erste Endplatte 28a und die zweite Endplatte 28b sind, in der Breitenrichtung des Fahrzeugs, an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 14 angeordnet.
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Die Außenabmessungen der ersten Endplatte 28a und der zweiten Endplatte 28b sind größer als die Außenabmessungen der Brennstoffzelle 22, der ersten Isolierplatte 26a und der zweiten Isolierplatte 26b. Ein erster Stromausgangsanschluss 30a erstreckt sich von der Mittelposition der ersten Endplatte 28a. Der erste Stromausgangsanschluss 30a ist mit der ersten Anschlussplatte 24a verbunden. Ein zweiter Stromausgangsanschluss 30b erstreckt sich von einer Mittelposition der zweiten Endplatte 28b. Der zweite Stromausgangsanschluss 30b ist mit der zweiten Anschlussplatte 24b verbunden.
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Entgegengesetzte Enden von Koppelstangen 32 sind jeweils an Seiten der ersten Endplatte 28a und der zweiten Endplatte 28b mittels einer Mehrzahl von Schrauben 34 befestigt. Wie hier mit dem Pfeil B angegeben, wird eine Dichtziehlast auf die Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen 22 in der Stapelrichtung ausgeübt.
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Wie in 2 gezeigt, wird jede der Brennstoffzellen 22 gebildet, indem eine Membranelektrodenanordnung 36 zwischen einem ersten Separator 38 und einem zweiten Separator 40 geschichtet wird. Der erste Separator 38 und der zweite Separator 40 sind aus Metallseparatoren oder Kohlenstoffseparatoren aufgebaut.
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Wie in 4 gezeigt, sind, am einen Ende der Brennstoffzellen 22 in Richtung des Pfeils A, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a, ein Kühlmittelzuführdurchgang 43a sowie ein Brenngasabführdurchgang 44b in der vertikalen Richtung angeordnet, wie mit dem Pfeil C angegeben. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a, der Kühlmittelzuführdurchgang 43a und der Brenngasabführdurchgang 44b erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 22 in der Stapelrichtung, wie mit dem Pfeil B angegeben. Ein sauerstoffhaltiges Gas (nachfolgend auch einfach als Luft bezeichnet) wird durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a zugeführt. Ein Kühlmittel wird durch den Kühlmittelzuführdurchgang 43a zugeführt. Ein Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltiges Gas (nachfolgend auch als Wasserstoffgas bezeichnet) wird durch den Brenngasabführdurchgang 44b abgeführt.
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Am anderen Ende der Brennstoffzellen 22 in der Richtung von Pfeil A sind ein Brenngaszuführdurchgang 44a zum Zuführen des Brenngases, ein Kühlmittelabführdurchgang 43b zum Abführen des Kühlmittels sowie ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases in Richtung von Pfeil C angeordnet. Der Brenngaszuführdurchgang 44a, der Kühlmittelabführdurchgang 43b und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 22 in der Richtung von Pfeil B.
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Wie in 2 gezeigt, hat der erste Separator 34 an seiner Oberfläche, die zur Membranelektrodenanordnung 36 weist, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b verbunden. Der zweite Separator 40 hat an seiner Oberfläche, die zu der Membranelektrodenanordnung 36 weist, ein Brenngasfließfeld 50. Das Brenngasfließfeld 50 ist mit dem Brenngaszuführdurchgang 44a und dem Brenngasabführdurchgang 44b verbunden.
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Ein Kühlmittelfließfeld 52 ist zwischen dem ersten Separator 38 und dem zweiten Separator 40 der benachbarten Brennstoffzellen 22 ausgebildet. Das Kühlmittelfließfeld 52 ist mit dem Kühlmittelzuführdurchgang 43a und dem Kühlmittelabführdurchgang 43b verbunden. Obwohl nicht gezeigt, sind jeweilige Dichtungselemente integriert mit dem ersten Separator 38 und dem zweiten Separator 40 ausgebildet. Alternativ können Elemente, die sich von dem ersten Separator 38 und dem zweiten Separator 40 unterscheiden, jeweils als Dichtungselemente auf dem ersten Separator 38 und dem zweiten Separator 40 vorgesehen werden.
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Die Membranelektrodenanordnung 36 enthält eine Festpolymer-Elektrolytmembran 58, die gebildet wird, indem z. B. eine dünne Perfluorsulfonsäuremembran mit Wasser imprägniert wird. Die Festpolymer-Elektrolytmembran 58 ist zwischen eine Kathode 60 und eine Anode 62 eingefügt. Die Kathode 60 und die Anode 62 haben jeweils eine Gasdiffusionsschicht, die aus einem Material, wie etwa Kohlepapier hergestellt ist, sowie eine Elektrodenkatalysatorschicht, die aus Platinlegierung hergestellt ist, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig abgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 60 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 62 sind jeweils an beiden Oberflächen der Festpolymer-Elektrolytmembran 58 befestigt.
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Wie in 4 gezeigt, sind der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b, der Brenngaszuführdurchgang 44a und der Brenngasabführdurchgang 44b in der ersten Endplatte 28a ausgebildet, die als eine der Endplatten dient. Der Kühlmittelzuführdurchgang 43a und der Kühlmittelabführdurchgang 43b sind in der ersten Endplatte 28b ausgebildet.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind Komponenten des Brennstoffzellenstapels 14, außer die erste Endplatte 28a und die zweite Endplatte 28b, die in Stapelrichtung an beiden Enden vorgesehen sind, mit einem Brennstoffzellenabdeckelement 64 abgedeckt. Wie in 4 gezeigt, enthält das Brennstoffzellenabdeckelement 64 eine Frontseitenplatte 64a, eine Rückseitenplatte 64b, eine obere Platte 64c und eine untere Platte 64d. Die Komponenten des Brennstoffzellenabdeckelements 64 sind zusammen an der ersten Endplatte 28a und an der zweiten Endplatte 28b mittels Schrauben 69 befestigt. Die Schrauben 69 durchsetzen Löcher 66 und sind in jeweilige Schraublöcher 68 geschraubt.
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Wie in 2 gezeigt, enthält die Brenngaszuführvorrichtung 20 einen Wasserstofftank 70 zum Speichern von Hochdruckwasserstoff. Der Wasserstofftank 70 ist durch einen Wasserstoffzuführkanal 72 mit dem Brenngaszuführdurchgang 44a des Brennstoffzellenstapels 14 verbunden. In dem Wasserstoffzuführkanal 72 sind ein Druckreduzierventil 73, ein Unterbrechungsventil 74 und ein Ejektor 76 vorgesehen. Ein Injektor 78 ist in einem Bypassströmungsweg 72a vorgesehen, der den Ejektor 76 umgeht. Der Injektor 78 dient zum Einstellen der Strömungsrate, Feuchtigkeit und Temperatur des Brenngases.
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Ein Abgaskanal 80 ist mit dem Brenngasabführdurchgang 44b des Brennstoffzellenstapels 14 verbunden. Der Abgaskanal 80 ist mit einem Gasflüssigkeitsseparator 82 verbunden, und ein Ablaufkanal 84 zum Abführen einer flüssigen Komponente ist in dem Gasflüssigkeitsseparator 82 angeordnet. Ein Ablaufventil 86 ist in dem Ablaufkanal 84 angeordnet. Ein Spülventil 88 ist mit dem Abgaskanal 80 verbunden. Ein Ende eines Zirkulatiosdurchgangs 90 ist mit dem Abgaskanal 80 an einer Position stromauf von dem Spülventil 88 verbunden. Das andere Ende des Zirkulationskanals 90 ist mit dem Ejektor 76 verbunden. Eine Brenngaszirkulationspumpe 92 und ein Rückschlagventil 94 sind in mittigen Positionen in dem Zirkulationskanal 90 angeordnet.
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Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 21 enthält einen Luftkompressor (Luftpumpe) 96, um Atmosphärenluft zu komprimieren und dann die komprimierte Luft zuzuführen. Die Luftpumpe 96 ist in einem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 98 angeordnet. Ein Befeuchter 100 zum Austauschen von Wassergehalt und Wärme zwischen dem zugeführten Gas (zugeführten sauerstoffhaltigem Gas) und dem abgeführten Gas (abgeführtem sauerstoffhaltigem Gas) ist in dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 98 angeordnet. Ein Verschlussventil 101 ist zwischen der Luftpumpe 96 und dem Befeuchter 100 angeordnet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 98 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a des Brennstoffzellenstapels 14 verbunden. Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 21 enthält einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 102, der mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b verbunden ist. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 102 ist mit einem Befeuchtungsmittelkanal (nicht gezeigt) des Befeuchters 100 verbunden. In dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 102 sind ein Verschlussventil 103 und ein Gegendruckventil 104 an Positionen stromab von dem Befeuchter 100 angeordnet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 98 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 102 sind zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und dem Befeuchter 100 vorgesehen und sind durch einen Rücklaufkanal 106 verbunden. Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zirkulationspumpe 108 und ein Rückschlagventil 110 sind in dem Rücklaufkanal 106 angeordnet.
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Wie in den 3 und 5 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 12 einen Brennstoffzellenstapel 14, eine Brenngaseinheit 112 und eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114. Wie in 3 gezeigt, ist die Brenngaseinheit 112 an der ersten Endplatte 28a des Brennstoffzellenstapels 14 angebracht. Ein Brenngaseinheit-Abdeckelement 118 ist an der ersten Endplatte 28a so angebracht, dass sie Brenngaseinheit 112 umgibt. Eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 ist an dem Brenngaseinheit-Abdeckelement 118 befestigt.
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Ferner sind, in der Brenngaseinheit 112, unter den Brenngassystemelementen, die die Brenngasrohre und die Brenngashilfsvorrichtung enthalten, zumindest zwei der Brenngassystemelemente zusammengebaut. Zum Beispiel enthalten die Brenngasrohre den Sauerstoffzuführkanal 172, den Abgaskanal 80 und den Zirkulationskanal 90, und diese Komponenten werden direkt zusammengebaut, oder sie werden mittels eines Beschlags zusammengebaut. Zum Beispiel enthalten die Brenngashilfsvorrichtungen das Druckreduzierventil 73, das Unterbrechungsventil 74, den Ejektor 76, den Injektor 78, den Gasflüssigkeitsseparator 82, das Ablaufvenitl 86, das Spülventil 88, die Brenngaszirkulationsvorrichtung 92 und das Rückschlagventil 94, und zumindest zwei dieser Komponenten werden direkt zusammengebaut, oder sie werden mittels eines Beschlags zusammengebaut.
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In der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 werden, unter den Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelementen, die die Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohre und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Hilfsvorrichtungen enthalten, zumindest zwei der Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelemente zusammengebaut. Zum Beispiel enthalten die Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohre den Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 98, den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 102 und den Rücklaufkanal 106, und diese Komponenten werden direkt zusammengebaut, oder sie werden mittels eines Beschlags zusammengebaut. Ferner enthalten z. B. die Sauerstoffhaltiges-Gas-Hilfsvorrichtungen die Luftpumpe 96, den Befeuchter 100, die Verschlussventile 101, 103, das Gegendruckventil 104, die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zirkulationspumpe 108 und das Rückschlagventil 110, und diese Komponenten werden, mit Ausnahme der Luftpumpe 96, direkt zusammengebaut, oder sie werden mittels eines Beschlags zusammengebaut.
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Die Brenngaseinheit 112 wird an der ersten Endplatte 28a mittels einer Mehrzahl von Schrauben 120 befestigt. Wie in 6 gezeigt, ist die Brenngaseinheit 112 bevorzugt innerhalb eines Bereichs angeordnet, der durch einen vorderen Vorsprung der ersten Endplatte 28a gebildet ist.
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Wie in 3 gezeigt, ist ein erstes Kabelelement 122a mit einem ersten Stromausgangsanschluss 30a verbunden, und ist ein zweites Kabelelement 122b mit einem zweiten Stromausgangsanschluss 30b verbunden. Das erste Kabelelement 122a verläuft zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Brenngaseinheit 112 in der Breitenrichtung des Fahrzeugs, wie mit Pfeil B angegeben (siehe 5).
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Wie in 3 gezeigt, ist, mittels einer Mehrzahl von Schrauben 124, das Brenngaseinheit-Abdeckelement 118 an der ersten Endplatte 28a befestigt, um die Brenngaseinheit 112 abzudecken. Die Außenform des Brenngaseinheit-Abdeckelements 118 entspricht der Form eines Abschnitts, wo die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 angebracht ist. Das Brenngaseinheit-Abdeckelement 118 enthält ferner einen Montageabschnitt 126. Der Montageabschnitt 126 ist an einem nicht dargestellten Fahrzeugrahmen des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 befestigt.
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Wie in 5 gezeigt, ist der Befeuchter 100 benachbart einer unteren Position der Brenngaseinheit 112 angeordnet, die an dem Brennstoffzellenstapel 14 angebracht ist. Insbesondere ist ein Zwischenraum 128 zwischen einem unteren Abschnitt der ersten Endplatte 28a des Brennstoffzellenstapels 14 und einer Bodenfläche der Brenngaseinheit 112 ausgebildet. Der Befeuchter 100 ist innerhalb des Zwischenraums 128 an einer Position benachbart dem Boden der Brenngaseinheit 112 angeordnet. Bevorzugt ist der Befeuchter 100 so nahe wie möglich an der ersten Endplatte 28a angeordnet.
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Die Luftpumpe 96 der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 ist von den anderen Komponenten der Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelemente getrennt, und ist an einer Position mit Abstand unterhalb von dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Brenngaseinheit 112 in der vertikalen Richtung vorgesehen.
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Wie in 6 gezeigt, sind die Achse der Brenngaszirkulationspumpe 92 und die Achse des Sauerstoffhaltiges-Gas-Zirkulationspumpe 108 in Richtung der Fahrzeugachse voneinander versetzt. Die Brenngaszirkulationspumpe 92 ist innerhalb einer Oberfläche der ersten Endplatte 28a angeordnet, und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zirkulationspumpe 108 ist in der vertikalen Richtung unterhalb der Brenngaszirkulationspumpe 92 angeordnet.
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Wie in 5 gezeigt, ist ein Montageelement 130 an der zweiten Endplatte 28b angebracht. Das Montageelement 130 ist an einem Fahrzeugrahmen (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 befestigt.
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Nachfolgend werden die Betriebsweisen des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 beschrieben.
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Zuerst wird, wie in 2 gezeigt, während das Brennstoffzellenfahrzeug 10 in Betrieb ist, das Unterbrechungsventil 74 in der Brenngaszuführvorrichtung 20 geöffnet, woraufhin Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 70 abgegeben wird. Nachdem der Druck des Wasserstoffgases durch das Druckreduzierventil 73 reduziert worden ist, wird das Wasserstoffgas dem Wasserstoffzuführkanal 72 zugeführt. Das Wasserstoffgas fließt durch den Wasserstoffzuführkanal 72, und danach wird das Wasserstoffgas dem Brenngaszuführdurchgang 44a des Brennstoffzellenstapels 14 zugeführt.
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Das Wasserstoffgas fließt von dem Brenngaszuführdurchgang 44a in das Brenngasfließfeld 50 des zweiten Separators 40. Das Wasserstoffgas wird entlang der Anode 62 der Membranelektrodenanordnung 36 zugeführt, um an der Anode 62 eine elektrochemische Reaktion einzuleiten.
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Unterdessen wird in der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 21 das sauerstoffhaltige Gas (Luft) dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 98 durch die Luftpumpe 96 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas fließt durch den Befeuchter 100, und nachdem das sauerstoffhaltige Gas vom Befeuchter 100 befeuchtet worden ist, wird das sauerstoffhaltige Gas dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a des Brennstoffzellenstapels 40 zugeführt. Das sauerstoffhaltige Gas fließt von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a in das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 48 des ersten Separators 38. Das sauerstoffhaltige Gas wird entlang der Kathode 60 der Membranelektrodenanordnung 36 zugeführt, um an der Kathode 60 eine elektrochemische Reaktion einzuleiten.
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Somit werden in der Membranelektrodenanordnung 36 das der Anode 62 zugeführte Wasserstoffgas und die der Kathode 60 zugeführte Luft in elektrochemischen Reaktionen verbraucht, die zwischen den Katalysatorschichten der Anode 62 und der Kathode 60 stattfinden, um hierdurch Elektrizität zu erzeugen.
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Das verbrauchte Wasserstoffgas wird von dem Brenngasabführdurchgang 44b in den Abgaskanal 80 abgegeben, und fließt dann in den Gasflüssigkeitsseparator 82. In dem Gasflüssigkeitsseparator 82 wird Wasser, das im flüssigen Zustand ist, vom Wasserstoffgas getrennt, und das verbleibende Wasserstoffgas wird durch den Zirkulationskanal 90 in den Ejektor 76 gesaugt. Das Wasserstoffgas wird dem Brennstoffzellenstapel 14 erneut als Brenngas zugeführt. Unterdessen wird die verbrauchte Luft als Abluft von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b in den Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 102 abgegeben. Die Abluft wird zum Befeuchter 100 geschickt. In dem Befeuchter 100 bewegen sich der Wasseranteil und die Wärme von der Abluft durch die wasserpermeable Membran, um hierdurch die neuerlich zugeführte Luft zu befeuchten. Danach wird die Abluft nach außen abgegeben.
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Ferner wird das Kühlmittel von der nicht dargestellten Kühlmittelzuführvorrichtung in den Kühlmittelzuführdurchgang 43a geleitet. Das Kühlmittel fließt in das Kühlmittelfließfeld 52 zwischen dem ersten Separator 38 und dem zweiten Separator 40, um hierdurch die Membranelektrodenanordnung 36 zu kühlen. Danach fließt das Kühlmittel durch den Kühlmittelabführdurchgang 43b und wird in das Kühlmittelzirkulationssystem abgegeben.
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In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, wie in den 3 und 5 gezeigt, die Brenngaseinheit 112 an der ersten Endplatte 28a des Brennstoffzellenstapels 14 angebracht. Ferner ist die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 an der Brenngaseinheit 112 an einer Position an der von der ersten Endplatte 28a entgegengesetzten Seite angebracht. In dieser Struktur sind, im Vergleich zu den Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelementen, die Brenngassystemelemente näher an dem Brennstoffzellenstapel 14 angeordnet.
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Wenn eine externe Last auf das Brennstoffzellenfahrzeug 10 einwirkt, können, da die Brenngassystemelemente mit Abstand entfernt von der externen Last angeordnet sind, die Brenngassystemelemente zuverlässig durch die Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelemente geschützt werden.
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Ferner werden in der Brenngaseinheit 112, unter den Brenngassystemelementen, welche die Brenngasrohre und die Brenngashilfsvorrichtungen enthalten, zumindest zwei der Brenngassystemelemente vorab zusammengebaut. Ähnlich werden in der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114, unter den Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelementen, die die Sauerstoffhaltiges-Gas-Rohre und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Hilfsvorrichtungen enthalten, zumindest zwei der Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelemente vorab zusammengebaut.
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Danach werden der Brennstoffzellenstapel 14, die Brenngaseinheit 112 und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 mittels des Brenngaseinheit-Abdeckelements 118 zusammengebaut. Daher kann eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit beim Zusammenbau des Brennstoffzellensystems 12 erzielt werden. Darüber hinaus kann mit der einfachen und kompakten Struktur eine Verkleinerung der Gesamtabmessung des Brennstoffzellensystems 12 vorteilhaft erreicht werden.
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Ferner sind der Brennstoffzellenstapel 14, die Brenngaseinheit 112 und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 aneinander befestigt, und können insgesamt gemeinsam bewegt werden. Wenn daher eine externe Last auf die Komponenten einwirkt, ist es möglich, eine Beschädigung am Brennstoffzellensystem 12 soweit wie möglich zu vermeiden.
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Ferner sind der Brenngaszuführdurchgang 44a, der Brenngasabführdurchgang 44b, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführdurchgang 42a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführdurchgang 42b in der ersten Endplatte 28a angeordnet. Ferner sind die Brenngaseinheit 112 und die Sauerstoffhaltigas-Gas-Einheit 114 an der ersten Endplatte 28a angeordnet. Daher können Rohre des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases soweit wie möglich gekürzt werden, und kann eine Reduktion der Gesamtabmessung des Brennstoffzellensystems 12 leicht erreicht werden.
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Ferner werden Komponenten der Sauerstoffhaltigen-Gas-Einheit 114 vorab zusammengebaut, und in diesem zusammengebauten Zustand wird die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 an dem Brennstoffzellenstapel 14 angebracht. Daher kann eine Verbesserung in der Leistungsfähigkeit während des Zusammenbaus des Brennstoffzellensystems 12 erreicht werden.
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Darüber hinaus ist die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 mit dem Befeuchter 100 ausgestattet. Wie in 5 gezeigt, ist der Befeuchter 100 so nahe wie möglich an dem Brennstoffzellenstapel 14 angeordnet. Mit dieser Struktur kann, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 kippt, die Höhe im Hinblick auf eine Flüssigkeitsbrücke leicht bestimmt werden, und kann eine Verkleinerung der Gesamtabmessung des Brennstoffzellensystems 12 erreicht werden.
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Ferner sind in dem Brennstoffzellenstapel 14 andere Komponenten als die erste Endplatte 28a und die zweite Endplatte 28b von dem Brennstoffzellenabdeckelement 64 abgedeckt. Dementsprechend ist das Brenngasabdeckelement 118, das einen Abschnitt der Brenngaseinheit 112 abdeckt, zwischen der Brenngaseinheit 112 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 angeordnet.
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Insbesondere sind das Brennstoffzellenabdeckelement 64 und das Brenngasabdeckelement 118 als separate Elemente vorgesehen. Daher kann eine Verbesserung in der Leistungsfähigkeit erreicht werden, wenn Wartungsarbeiten an der Brenngaseinheit 112 und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 durchgeführt werden, und kann eine Verbesserung in der Leistungsfähigkeit während des Zusammenbaus des Brennstoffzellenstapels 14 erreicht werden.
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Ferner ist das erste Kabelelement 122a zum Sammeln von elektrischem Strom von dem Brennstoffzellenstapel 14 vorgesehen, und das erste Kabelelement 122a verläuft zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Brenngaseinheit 112 in der Breitenrichtung des Fahrzeugs (siehe 3 und 5). Daher kann die Abmessung des Brennstoffzellensystems 12 verkleinert werden, während das erste Kabelelement 122a zuverlässig verkürzt werden kann.
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Darüber hinaus ist, wie in 5 gezeigt, die Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 mit der Luftpumpe 96 ausgestattet. Die Luftpumpe 96 ist an einer Position mit Abstand unterhalb in der vertikalen Richtung von dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Brenngaseinheit 112 angeordnet. In dieser Struktur kann die Luftpumpe 96, die bei einer Kollision nicht leicht kollabiert, an einer Position angeordnet werden, wo die Luftpumpe 96 den Brennstoffzellenstapel 14 und die Brenngaseinheit 112 nicht stört. Daher können der Brennstoffzellenstapel 14 und die Brenngaseinheit 112 geeignet geschützt werden, wenn eine externe Last auf das Brennstoffzellenfahrzeug 10 einwirkt. Ferner ist es möglich, den Einfluss von Vibration in der Luftpumpe 96 auf den Brennstoffzellenstapel 14 zu vermeiden.
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Ferner sind, wie in 6 gezeigt, die Achse der Brenngaszirkulationspumpe 92 der Brenngaseinheit 112, und die Achse der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zirkulationspumpe 108 der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit 114 in der Breitenrichtung des Fahrzeugs voneinander versetzt. Daher überlappen die Brenngaszirkulationspumpe 92 und die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zirkulationspumpe 108, die große Breiten haben, nicht miteinander, und daher kann eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels 14 durch die jeweiligen Achsen verhindert werden.
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Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Brenngaseinheit und eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit enthält. In der Brenngaseinheit sind zwei oder mehr Brenngassystemelemente zusammengebaut. In der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit sind zwei oder mehr Sauerstoffhaltiges-Gas-Systemelemente zusammengebaut. Diese Komponenten werden in einem Zustand zusammengebaut, in dem die Brenngaseinheit zwischen dem Brennstoffzellenstapel der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einheit eingefügt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006-221915 A [0004, 0006, 0021]
