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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Montagestruktur zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Der Brennstoffzellenstapel ist durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen zur Erzeugung einer elektrischen Energie durch elektrochemische Reaktionen von einem Brennstoffgas und einem sauerstoffhaltigem Gas ausgebildet.
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Zum Beispiel verwendet eine Festkörperpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle eine Membran-Elektrode-Anordnung (MEA), welche eine Elektrolytmembran einer Polymer-Ionen-Austauschmembran, eine Anode, welche an einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehen ist, und eine Kathode, welche an der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehen ist, enthält. Die Membran-Elektrode-Anordnung ist zwischen einem Paar Separatoren in einer Sandwichbauart angeordnet, um eine Leistungserzeugungszelle auszubilden. Im Einsatz wird in der Brennstoffzelle im Allgemeinen eine vorbestimmte Anzahl von Leistungserzeugungszellen zusammengestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, welcher beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug (Brennstoffzellen-Elektroautomobil, etc.) eingebaut ist.
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In dem Brennstoffzellenfahrzeug ist es notwendig, die Brennstoffzellen angemessen zu schützen, wenn eine externe Last aufgrund von Vibrationen, Kollisionen etc. während einer Fahrt des Fahrzeuges an den Brennstoffzellen appliziert wird. Als eine Technik, die auf diesen Punkt zielt, ist zum Beispiel eine, in der
JP H08-192 639 A offenbarte, Brennstoffzellensystem-Fahrzeugbefestigungsstruktur bekannt. In der Brennstoffzellensystem-Fahrzeugbefestigungsstruktur ist ein Aussparungsteilabschnitt ausgebildet, welcher in einem Rahmenseitenelement in einem Frontteilabschnitt (Motorraum) eines elektrischen Fahrzeugs vorgesehen ist. Wenn eine Kompressionslast an dem Rahmenseitenelement appliziert wird, wird das Rahmenseitenelement einer Kompressionsdeformation ausgesetzt, während es so gebogen wird, dass es aufwärts an dem Aussparungsteilabschnitt hervorspringt. Das heißt, es ist ein energieabsorbierender Teilabschnitt zum Absorbieren von Kollisionsenergie durch Verformung bereitgestellt.
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Eine Behälterummantelung, welche Brennstoffzellen enthält, ist an den energieabsorbierenden Teilabschnitt angebracht. Ein Aussparungsteilabschnitt und eine Rille sind in der Behälterummantelung ausgebildet, so dass die Behälterummantelung so gebogen wird, um aufwärts hervorzuspringen, wenn eine Kompressionslast an der Behälterummantelung appliziert wird. Zum Kollisionszeitpunkt wird der energieabsorbierende Teilabschnitt des Rahmenseitenelements gebogen und verformt, um aufwärts hervorzuspringen und die Behälterummantelung wird verformt, um in dieselbe Richtung gebogen zu werden wie der energieabsorbierende Teilabschnitt. Weiter wird die Brennstoffzelle entlang der Stapelfläche an ihrem Zentrum in zwei Teile separiert (geteilt) und somit gebrochen, um einen Teil der Kollisionsenergie zu absorbieren.
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Jedoch ist es in der
JP H08-192 639 A schwierig, zuverlässig die Brennstoffzellen zu teilen, welche in der Behälterummantelung platziert sind, um die Stöße zu absorbieren, wenn eine Kollision auftritt. Weiter ist es zum Kollisionszeitpunkt ökonomisch wünschenswert die gesamten Brennstoffzellen zu schützen, ohne die Brennstoffzellen zu beschädigen.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Art von Problemen zu lösen und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und ökonomische Montagestruktur für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, in welcher es möglich ist, den Brennstoffzellenstapel angemessen vor einer externen Last zu schützen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Montagestruktur zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 1.
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Der Brennstoffzellenstapel ist durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, zur Erzeugung einer elektrischen Energie durch elektrochemische Reaktionen von einem Brennstoffgas und einem sauerstoffhaltigem Gas, ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel enthält Seitenhalterungen an beiden Enden in einer Fahrzeugbreitenrichtung und eine Heckhalterung an einer Heckseite in einer Fahrzeuglongitudinalrichtung.
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Das Brennstoffzellenfahrzeug weist erste Fahrzeugrahmen, an welchen die Seitenhalterungen fixiert sind, und einen zweiten Fahrzeugrahmen auf, welcher unterhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist und an welchem die Heckhalterung fixiert ist. Die Festigkeit der Seitenhalterungen ist geringer als die Festigkeit der Heckhalterung, so dass vor einem Bruch der Heckhalterung die Seitenhalterungen gebrochen sind, wenn eine externe Last an dem Brennstoffzellenfahrzeug appliziert wird.
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In der vorliegenden Erfindung sind die Seitenhalterungen an dem ersten Fahrzeugrahmen fixiert und die Heckhalterung ist an dem zweiten Fahrzeugrahmen fixiert. Im Brennstoffzellenstapel ist es in der Struktur möglich, den stabil fixierten Zustand des Brennstoffzellenstapels zu erhalten und die Anzahl von Komponenten angemessen und ökonomisch zu reduzieren.
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Weiter können, wenn eine externe Last an dem Brennstoffzellenfahrzeug appliziert wird, die Seitenhalterungen vor einem Bruch der Heckhalterung gebrochen sein. Daher kann sich, in einem Zustand, in dem der Brennstoffzellenstapel an dem zweiten Fahrzeugrahmen fixiert ist, der Brennstoffzellenstapel leicht in der Horizontalrichtung bewegen.
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Dementsprechend ist es möglich, mit einer einfachen und ökonomischen Struktur den Brennstoffzellenstapel angemessen zu schützen, wenn eine externe Last an dem Brennstoffzellenstapel appliziert wird.
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Die oben genannte und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im stärkeren Maße ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als ein erläuterndes Beispiel gezeigt ist.
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1 ist eine schematische Frontseitenansicht, welche ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug zeigt, welches mit einem Brennstoffzellenstapel ausgestattet ist, an dem eine Montagestruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung appliziert ist;
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2 ist ein schematischer Grundriss, welcher ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug zeigt;
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3 ist eine partielle perspektivische Explosionsansicht, welche ein Gehäuse zeigt, das den Brennstoffzellenstapel enthält;
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4 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zeigt;
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5 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Seitenhalterung der Montagestruktur zeigt;
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6 ist eine Querschnittsansicht, welche Hauptkomponenten der Seitenhalterung zeigt;
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7 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem die Seitenhalterung durch die Applikation einer externen Last an dem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug gebrochen ist;
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8 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem eine Heckhalterung und ein Motorträger gebrochen sind;
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9 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem der Brennstoffzellenstapel gegen ein Trennwandelement stößt; und
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10 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug geneigt ist.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein Brennstoffzellenstapel 12, an welchem eine Montagestruktur 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung appliziert ist, in einem Motorraum (Frontkasten) 13f eines Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs (Brennstoffzellenfahrzeug) 13 montiert. Der Motorraum 13f ist von einem Fahrzeugabteil 13ca durch ein Trennwandelement (Armaturenbrett) 13W isoliert.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, enthält der Brennstoffzellenstapel 12 eine Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellen 14 und ein Gehäuse 16, welches die Brennstoffzellen 14 enthält. Das Gehäuse 16 kann verwendet werden wie erforderlich. Das Gehäuse 16 muss nicht verwendet werden. Wie in 3 gezeigt, sind die Elektrodenflächen der Brennstoffzellen 14 aufwärts orientiert und die Brennstoffzellen 14 sind in einer Fahrzeugbreitenrichtung des Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs 13 gestapelt, angegeben durch einen Pfeil B, welcher sich mit einer Fahrzeuglängenrichtung (Fahrzeuglongitudinalrichtung) davon schneidet, angegeben durch einen Pfeil A.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, erstrecken sich im Motorraum 13f erste Fahrzeugrahmen (z. B. Seitenrahmen) 13R, 13L, welche einen Teil eines Fahrzeugkarosserierahmens ausmachen, in die Richtung, welche durch den Pfeil A angegeben wird. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist an den ersten Fahrzeugrahmen 13R, 13L und an einem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF, welcher später beschrieben wird, montiert. Der Brennstoffzellenstapel 12 muss nicht notwendigerweise in dem Motorraum 13f platziert sein. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel 12 unter dem Fahrzeugboden an einen zentralen Teilabschnitt des Fahrzeugs oder benachbart zu einem Heck-Kofferraum platziert sein.
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Wie in 3 gezeigt, ist an einem Ende der Brennstoffzellen 14 in der Stapelrichtung eine Anschlussplatte 20a vorgesehen. Eine erste Isolierplatte 22a ist außerhalb der ersten Anschlussplatte 20a vorgesehen und eine erste Endplatte 24a ist außerhalb der ersten Isolierplatte 22a vorgesehen. An dem anderen Ende der Brennstoffzellen 14 in der Stapelrichtung ist eine zweite Anschlussplatte 20b vorgesehen. Eine zweite Isolierplatte 22b ist außerhalb der zweiten Anschlussplatte 20b vorgesehen und eine zweite Endplatte 24b ist außerhalb der zweiten Isolierplatte 22b vorgesehen.
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Ein erster Leistungsausgangsanschluss 26a erstreckt sich nach außen von einer im Wesentlichen zentralen Position (oder einer Position abweichend von der zentralen Position) der lateral gestreckten (rechteckigen) ersten Endplatte 24a. Der erste Leistungsausgangsanschluss 26a ist mit der ersten Anschlussplatte 20a verbunden. Ein zweiter Leistungsausgangsanschluss 26b erstreckt sich nach außen von einer im Wesentlichen zentralen Position der lateral gestreckten (rechteckigen) zweiten Endplatte 24b. Der zweite Leistungsausgangsanschluss 26b ist mit der zweiten Anschlussplatte 20b verbunden.
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Koppelstangen 28, von welchen jede eine konstante Länge aufweist, sind an zentralen Positionen von Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b zwischen der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b vorgesehen. Beide Enden der Koppelstangen 28 sind jeweils an der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b durch Schrauben 30 fixiert, um eine Anzugslast an den gestapelten Brennstoffzellen 14 in der Stapelrichtung, angegeben durch Pfeil B, zu applizieren.
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Wie in 4 gezeigt, enthält die Brennstoffzelle 14 eine Membran-Elektrode-Anordnung 32 und einen ersten Metallseparator 34 sowie einen zweiten Metallseparator 36, welche die Membran-Elektrode-Anordnung 32 in Sandwichbauart umschließen.
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Zum Beispiel sind der erste Metallseparator 34 und der zweite Metallseparator 36 Metallplatten wie beispielsweise Stahlplatten, Edelstahlplatten, Aluminiumplatten, plattiertes Stahlblech oder Metallplatten, die eine Anti-Korrosions-Fläche durch Flächenbehandlung aufweisen. Der erste Metallseparator 34 und der zweite Metallseparator 36 weisen rechteckige plane Flächen auf und sind durch Pressformen, durch gerippte dünne Metallplatten ausgebildet, um eine gerippte Form im Querschnitt und eine gewellte oder gewundene Form an der Fläche aufzuweisen. Anstelle des ersten Metallseparators 34 und des zweiten Metallseparators 36 können zum Beispiel Kohlenstoffseparatoren verwendet werden.
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Der erste Metallseparator 34 und der zweite Metallseparator 36 weisen eine lateral gestreckte Form auf, welche lange Seiten, die sich in einer Horizontalrichtung erstrecken, angegeben durch Pfeil A, und kurze Seiten, welche sich in einer Gravitationsrichtung erstrecken, angegeben durch einen Pfeil C, enthält. Alternativ können sich die kurzen Seiten in der Horizontalrichtung erstrecken und sich die langen Seiten in der Gravitationsrichtung erstrecken.
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An einem Ende von jeder der Brennstoffzellen 14 sind in einer Lang-Seiten-Richtung, angegeben durch Pfeil A, ein Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas und ein Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a vorgesehen. Der Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas und der Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 14 in der Richtung, welche durch den Pfeil B angegeben wird. Ein sauerstoffhaltiges Gas ist den Brennstoffzellen 14 durch den Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und ein Brennstoffgas, wie zum Beispiel wasserstoffhaltiges Gas, ist den Brennstoffzellen 14 durch den Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a zugeführt.
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An dem anderen Ende von jeder der Brennstoffzellen 14 in der Lang-Seiten-Richtung sind ein Brennstoffgasabgabedurchgang 40b und ein Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen.
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Der Brennstoffgasabgabedurchgang 40b und der Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 14 in die Richtung, welche durch den Pfeil B angegeben wird. Das Brennstoffgas wird von den Brennstoffzellen 14 durch den Brennstoffgasabgabedurchgang 40b abgegeben und das sauerstoffhaltige Gas wird von den Brennstoffzellen 14 durch den Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas abgegeben.
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An gegenüberliegenden Enden der Brennstoffzelle 14 sind, in der Kurz-Seiten-Richtung, angegeben durch den Pfeil C, zwei Kühlmittelzufuhrdurchgänge 42a an einer Seite (d. h. an einer Endseite in der Horizontalrichtung) vorgesehen, d. h. an einer Seite näher zu dem Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas und dem Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a. Die zwei Kühlmittelzufuhrdurchgänge 42a erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 14 in der Richtung, welche durch den Pfeil B angegeben wird, um ein Kühlmittel zuzuführen. Die Kühlmittelzufuhrdurchgänge 42a sind jeweils an oberen und unteren gegenüberliegenden Seiten vorgesehen.
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An gegenüberliegenden Enden der Brennstoffzelle 14 sind, in der Kurz-Seiten-Richtung zwei Kühlmittelabgangsdurchgänge 42b an der anderen Seite (d. h. an der anderen Endseite in der Horizontalrichtung) vorgesehen, d. h. an einer Seite näher zu dem Brennstoffgasabgabedurchgang 40b und dem Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas. Die zwei Kühlmittelabgabedurchgänge 42b erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 14 in der Richtung, welche durch den Pfeil B angegeben ist, um das Kühlmittel abzugeben. Die Kühlmittelabgabedurchgänge 42b sind jeweils an oberen und unteren gegenüberliegenden Seiten vorgesehen.
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Die Membran-Elektrode-Anordnung 32 enthält eine Kathode 46 und eine Anode 48 und eine Festkörperpolymer-Elektrolyt-Membran 44, welche zwischen die Kathode 46 und die Anode 48 eingefügt ist. Die Festkörperpolymer-Elektrolyt-Membran 44 ist zum Beispiel durch Imprägnieren einer dünnen Membran aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser ausgebildet.
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Jede aus der Kathode 46 und der Anode 48 weist eine Gasdiffusionsschicht (nicht dargestellt), wie zum Beispiel ein Kohlenstoffpapier oder ähnliches, und eine Elektrode-Katalysator-Schicht (nicht dargestellt) aus Platinlegierung, welche von porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist, auf. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig an der Fläche der Gasdiffusionsschicht abgelagert. Die Elektrode-Katalysator-Schicht der Kathode 46 und die Elektrode-Katalysator-Schicht der Anode 48 sind jeweils an beiden Flächen der Festkörperpolymer-Elektrolyt-Membran 44 ausgebildet.
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Der erste Metallseparator 34 weist ein Strömungsfeld 50 für sauerstoffhaltiges Gas an seiner Fläche 34a auf, welche der Membran-Elektrode-Anordnung 32 zugewandt ist. Das Strömungsfeld 50 für sauerstoffhaltiges Gas ist mit dem Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas und dem Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas verbunden. Das Strömungsfeld 50 für sauerstoffhaltiges Gas enthält eine Mehrzahl von gewellten Strömungsrillen (oder geraden Strömungsrillen), welche sich in der Richtung erstrecken, die durch den Pfeil A angegeben ist.
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Der zweite Metallseparator 36 weist ein Brennstoffgasströmungsfeld 52 an seiner Fläche 36a auf, welche der Membran-Elektrode-Anordnung 32 zugewandt ist. Das Brennstoffgasströmungsfeld 52 ist mit dem Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a und dem Brennstoffgasabgabedurchgang 40b verbunden. Das Brennstoffgasströmungsfeld 52 enthält eine Mehrzahl von gewellten Strömungsrillen (oder geraden Strömungsrillen), welche sich in der Richtung erstrecken, die durch den Pfeil A angegeben ist.
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Ein Kühlmittelströmungsfeld 54 ist zwischen den benachbarten ersten und zweiten Metallseparatoren 34, 36 ausgebildet, d. h. zwischen einer Fläche 36b des zweiten Metallseparators 36 und einer Fläche 34b des ersten Metallseparators 34. Das Kühlmittelströmungsfeld 54 ist mit dem Kühlmittelzufuhrdurchgang 42a und dem Kühlmittelabgabedurchgang 42b verbunden. Das Kühlmittelströmungsfeld 54 erstreckt sich in der Horizontalrichtung und in dem Kühlmittelströmungsfeld 54, strömt das Kühlmittel über den Elektrodenbereich der Membran-Elektrode-Anordnung 32.
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Ein erstes Dichtungselement 56 ist zusammenhängend mit den Flächen 34a, 34b des ersten Metallseparators 34 rund um das äußere umlaufende Ende des ersten Metallseparators 34 ausgebildet. Ein zweites Dichtungselement 58 ist zusammenhängend mit den Flächen 36a, 36b des zweiten Metallseparators 36 rund um das äußere umlaufende Ende des zweiten Metallseparators 36 ausgebildet.
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Jedes aus dem ersten Dichtungselement 56 und dem zweiten Dichtungselement 58 ist ein elastisches Dichtungselement, welches aus Dichtungsmaterial, Kissenmaterial, Packungsmaterial oder ähnlichem gefertigt ist, wie beispielsweise einem EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), einem NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk), einem Fluorkautschuk, einem Silikonkautschuk, einem Fluorsilikonkautschuk, einem Butylkautschuk, einem Naturkautschuk, einem Styrolkautschuk, einem Chloropren-Kautschuk, einem Acrylkautschuk oder Ähnlichem.
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Wie in 3 gezeigt, sind ein Zufuhr-Anschlussstückelement 60a für sauerstoffhaltiges Gas, ein Abgabe-Anschlussstückelement 60b für sauerstoffhaltiges Gas, ein Brennstoffgaszufuhr-Anschlussstückelement 62a und ein Brennstoffgasabgabe-Anschlussstückelement 62b mit der ersten Endplatte 24a verbunden. Das Zufuhr-Anschlussstückelement 60a für sauerstoffhaltiges Gas ist mit dem Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas verbunden, das Abgabe-Anschlussstückelement 60b für sauerstoffhaltiges Gas ist mit dem Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas verbunden, das Brennstoffgaszufuhr-Anschlussstückelement 62a ist mit dem Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a verbunden und das Brennstoffgasabgabe-Anschlussstückelement 62b ist mit dem Brennstoffgasabgabedurchgang 40b verbunden.
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Wie in 2 gezeigt, sind ein aus Harz/Kunststoff gefertigtes Kühlmittelzufuhr-Anschlussstückelement 64a und ein aus Harz/Kunststoff gefertigtes Kühlmittelabgabe-Anschlussstückelement 64b an der zweite Endplatte 24b angebracht. Das Kühlmittelzufuhr-Anschlussstückelement 64a ist mit dem Paar von Kühlmittelzufuhrdurchgängen 42a verbunden und das Kühlmittelabgabe-Anschlussstückelement 64b ist mit dem Paar von Kühlmittelabgabedurchgängen 42b verbunden.
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Wie in 3 gezeigt, sind zwei Seiten (zwei Flächen) an beiden Enden des Gehäuses 16 in der Fahrzeugbreitenrichtung, welche durch den Pfeil B angegeben ist, die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b. Zwei Seiten (zwei Flächen) an beiden Enden des Gehäuses 16 in der Fahrzeuglängenrichtung, welche durch den Pfeil A angegeben wird, sind ein Frontseitenpaneel 66 und ein Heckseitenpaneel 68. Das Frontseitenpaneel 66 und das Heckseitenpaneel 68 sind lateral gestreckte Platten. Zwei Seiten (zwei Flächen) an beiden Enden des Gehäuses 16 in der Fahrzeughöhenrichtung, welche durch den Pfeil C angegeben ist, sind ein Oberseitenpaneel 70 und ein Unterseitenpaneel 72. Das Oberseitenpaneel 70 und das Unterseitenpaneel 72 sind lateral gestreckte Platten.
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Das Frontseitenpaneel 66, das Heckseitenpaneel 68, das Oberseitenpaneel 70 und das Unterseitenpaneel 72 sind an der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b unter Verwendung von Schrauben 78 fixiert, welche durch Löcher 76 in Schraubenlöcher 74, welche an den Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b ausgebildet sind, geschraubt sind.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, enthält die Montagestruktur 10 Seitenhalterungen 80a, 80b die den Brennstoffzellenstapel 12 unterstützen. Die Seitenhalterungen 80a, 80b sind an den ersten Fahrzeugrahmen 13L, 13R fixiert. Die Seitenhalterung 80a enthält ein Plattenelement 82a, welches in einer L-Form im Querschnitt gebogen ist. Das Plattenelement 82a ist an der Frontseite der ersten Endplatte 24a in einer Richtung, die durch einen Pfeil Af angegeben ist, unter Verwendung einer eine Mehrzahl von Schrauben 84 fixiert.
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Wie in 5 gezeigt, enthält die Seitenhalterung 80a einen Stoßpuffer (Flüssigkeitsdichtungshalterung/Flüssigkeitsverschlusshalterung) 86a, welcher an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 12 in der Fahrzeugbreitenrichtung unter Verwendung des Plattenelements 82a fixiert ist. Eine Kuppelplatte 88a ist unter Verwendung von Schrauben 84 an dem Plattenelement 82a fixiert und, wie in 6 gezeigt, ist die Kuppelplatte 88a an einem säulenförmigen Körper 90a fixiert.
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Der Stoßpuffer 86a enthält ein Stoßpufferelement (z. B. ein Kautschukelement 92a), welches den säulenförmigen Körper 90a umgibt, und eine Flüssigkeitsdichtung/ein Flüssigkeitsverschluss 93a ist unter dem Kautschukelement 92a vorgesehen. Der Stoßpuffer 86a weist zwei oder mehr (in der Ausführungsform zwei) Anbringungsabschnitte 94a, 96a auf, um die Stoßpuffer 86a an dem ersten Fahrzeugrahmen 13L anzubringen. Die Anbringungsabschnitte 94a, 96a weisen unterschiedliche Längen auf. Zum Beispiel ist der Anbringungsabschnitt 94a länger als der Anbringungsabschnitt 96a.
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Ein Ende eines Trägers 97a ist an der Seitenhalterung 80a an einer Position oberhalb einer Bruchposition, welche später beschrieben wird, fixiert, z. B. unter Verwendung einer Schraube 84 oberhalb des Stoßpuffers 86a. Der Träger 97a ist eine gestreckte Platte, welche einen gebogenen Teilabschnitt aufweist, und das andere Ende des Trägers 97a ist unter Verwendung einer Schraube 84 an einer Fahrzeugkarosserie 13BL fixiert. Vorzugsweise weist der Träger 97a eine reduzierte Festigkeit auf, z. B. an zu beiden Enden des Trägers 97a benachbarten und zu der zentralen Position (gebogener Teilabschnitt) des Trägers 97a benachbarten Positionen, um dem Träger 97a zu erlauben, in einer gewünschten Position zu brechen.
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Wie in 2 gezeigt, weist die Seitenhalterung 80b dieselbe Struktur wie die Seitenhalterung 80a auf. Die konstituierenden Elemente der Seitenhalterung 80b, welche identisch mit denen der Seitenhalterung 80a sind, sind mit derselben Referenznummer (mit Suffix b anstatt a) beschriftet und eine detaillierte Beschreibung davon ist ausgelassen. Die Seitenhalterung 80b ist unter Verwendung von Schrauben an dem ersten Fahrzeugrahmen 13R fixiert und ein Träger 97b ist an der Fahrzeugkarosserie 13BR fixiert.
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Die Steifigkeit des Gehäuses 16 des Brennstoffzellenstapels 12 ist höher, als die Kautschuk-Steifigkeit der Seitenhalterungen 80a, 80b. Die Festigkeit des Gehäuses 16 ist höher als die Kautschuk-Festigkeit der Seitenhalterungen 80a, 80b.
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Wie in 1 gezeigt, enthält die Montagestruktur 10 einen zweiten Fahrzeugrahmen (z. B. einen Querträger) 13SF, welcher unterhalb des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen ist. Ein Paar von Heckhalterungen 98 ist an dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF (siehe 2) fixiert. Ein Fahrmotor 100 ist vertikal unterhalb des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen. Der Fahrmotor 100 ist durch eine elektrische Energie, welche durch den Brennstoffzellenstapel 12 generiert ist, angetrieben. Die Frontseite des Fahrmotors 100 ist an dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF fixiert, wobei Schrauben durch einen Motorträger 101 (siehe 1) verwendet werden.
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Die Montagestruktur 10 enthält eine Motorhalterung 102, um die Heckseite des Fahrmotors 100 an dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF zu fixieren. Die Motorhalterung 102 enthält einen Brennstoffzellenfixierungsabschnitt 104 an seiner oberen Position und einen Motorfixierungsabschnitt 106 an seiner unteren Position. Anbringungsabschnitte 108a, 108b sind unterhalb des Motorfixierungsabschnitts 106 vorgesehen. Die Anbringungsabschnitte 108a, 108b sind unter Verwendung von Schrauben an dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF fixiert. Die Anbringungsabschnitte 108a, 108b weisen unterschiedliche Längen auf.
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Ein Kautschukelement 109 ist an dem Brennstoffzellenfixierungsabschnitt 104 vorgesehen und das Paar von Heckhalterungen 98 ist unter Verwendung von Schrauben an dem Brennstoffzellenfixierungsabschnitt 104 fixiert. Ein Träger 110, welcher an dem Fahrmotor 100 befestigt ist, ist an dem Motorfixierungsabschnitt 106 fixiert. Die Heckhalterungen 98 sind zusammenhängend mit der Motorhalterung 102 vorgesehen. Die Festigkeit der Seitenhalterungen 80a, 80b ist geringer als die Festigkeit der Heckhalterungen 98, so dass die Seitenhalterungen 80a, 80b vor dem Bruch der Heckhalterungen 98 brechen können.
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Die Heckhalterungen 98 und die Motorhalterung 102 sind voneinander separiert, wodurch die Heckhalterungen 98 mit dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF unzusammenhängend sind. Die Seitenhalterungen 80a, 80b und die Heckhalterungen 98 sind zum Beispiel aus Aluminiumlegierung, etc. gebildet.
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Wie in 1 gezeigt, weisen die ersten Fahrzeugrahmen 13L, 13R Stoßdämpfer 112a, 112b auf, welche eine geringe Festigkeit in Vergleich zu anderen Teilabschnitten aufweisen. Zum Beispiel sind die Stoßdämpfer 112a, 112b durch Reduzierung der Dicke der Rahmenelemente ausgebildet, und an der Frontseite relativ zu den Seitenhalterungen 80a, 80b in der Longitudinalrichtung des Fahrzeugs angeordnet.
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Ein dünner Stoßdämpfer 114 ist in der Mitte des zweiten Fahrzeugrahmens 13SF vorgesehen. Ein Brennstoffzellenkühlungsradiator 116 ist an dem Frontende des zweiten Fahrzeugrahmens 13SF positioniert. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist benachbart zu der Rückseite des Radiators 116 vorgesehen. Ein Bewegungsbereich 118 ist zwischen einem Heckende 12e des Brennstoffzellenstapels 12 in der Longitudinalrichtung des Fahrzeugs und einem Trennwandelement 13W vorgesehen. Wenn eine externe Last F an dem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug 13 appliziert wird, kann sich der Brennstoffzellenstapel 12 rückwärts in der Horizontalrichtung innerhalb des Bewegungsbereichs 118 bewegen, um dem Ende 12e des Brennstoffzellenstapels 12 zu erlauben, gegen das Trennwandelement 13W zu stoßen.
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Nachfolgend wird unten ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 in diesem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug 13 beschrieben.
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Zuerst, wie in 3 gezeigt, ist ein sauerstoffhaltiges Gas von dem Zufuhr-Anschlussstückelement 60a für sauerstoffhaltiges Gas an der ersten Endplatte 24a zu dem Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas, ist von dem Brennstoffgaszufuhr-Anschlussstückelement 62a an der ersten Endplatte 24a zu dem Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a zugeführt.
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Weiter, wie in 2 gezeigt, ist ein Kühlmittel, wie beispielsweise reines Wasser, Ethylenglycol, Öl, oder ähnliches von dem Kühlmittelzufuhr-Anschlussstückelement 64a an der zweiten Endplatte 24b zu dem Paar von Kühlmittelzufuhrdurchgängen 42a zugeführt.
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So dass, wie in 4 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas von dem Zufuhrdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas in das Strömungsfeld 50 für sauerstoffhaltiges Gas des ersten Metallseparators 34 strömt. Das sauerstoffhaltige Gas strömt entlang des Strömungsfelds 50 für sauerstoffhaltiges Gas in der Richtung, welche durch den Pfeil A angegeben ist, und das sauerstoffhaltige Gas ist der Kathode 46 der Membran-Elektrode-Anordnung 32 zugeführt, um eine elektrochemische Reaktion an der Kathode 46 herbeizuführen.
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Währenddessen ist das Brennstoffgas von dem Brennstoffgaszufuhrdurchgang 40a zu dem Brennstoffgasströmungsfeld 52 des zweiten Metallseparators 36 zugeführt. Das Brennstoffgas bewegt sich entlang des Brennstoffgasströmungsfeldes 52 in der Richtung, welche durch den Pfeil A angegeben ist, und das Brennstoffgas ist der Anode 48 der Membran-Elektrode-Anordnung 32 zugeführt, um eine elektrochemische Reaktion an der Anode 48 herbeizuführen.
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Somit wird in der Membran-Elektrode-Anordnung 32 das, der Kathode 46 zugeführte, sauerstoffhaltige Gas und das, der Anode 48 zugeführte, Brennstoffgas in den elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten der Kathode 46 und der Anode 48 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen.
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Dann ist das sauerstoffhaltige Gas, welches an der Kathode 46 der Membran-Elektrode-Anordnung 32 verbraucht ist, entlang des Abgabedurchgangs 38b für sauerstoffhaltiges Gas in der Richtung, die durch den Pfeil B angegeben ist, abgegeben. Währenddessen ist das Brennstoffgas, welches an der Anode 48 der Membran-Elektrode-Anordnung 32 verbraucht ist, entlang des Brennstoffgasabgabedurchgangs 40b in der Richtung, die durch den Pfeil B angegeben ist, abgegeben.
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Weiter strömt das Kühlmittel, welches durch das Paar von Kühlmittelzufuhrdurchgängen 42a zugeführt ist, in das Kühlmittelströmungsfeld 54 zwischen dem ersten Metallseparator 34 und dem zweiten Metallseparator 36. Das Kühlmittel strömt zeitweise nach innen in der Richtung, die durch den Pfeil C angegeben ist, und dann bewegt sich das Kühlmittel in der Richtung, die durch den Pfeil A angegeben ist, um die Membran-Elektrode-Anordnung 32 zu kühlen. Nachdem das Kühlmittel sich nach außen in die Richtung bewegt, die durch den Pfeil C angegeben ist, wird das Kühlmittel entlang des Paares von Kühlmittelabgabedurchgängen 42b in der Richtung, die durch den Pfeil B angegeben ist, abgegeben.
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Wie oben beschrieben, ist elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel 12 zu dem Fahrmotor 100 zugeführt, um das Fahren des Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs 13 zu erlauben.
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Wenn zu diesem Zeitpunkt, wie in 1 gezeigt, eine externe Last F (Stoß) von der Frontseite an dem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug 13 rückwärts in der Fahrzeuglängenrichtung, angegeben durch Pfeil Ab, appliziert wird, tendiert der Frontteilabschnitt des Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs 13 dazu, leicht nach innen verformt zu werden.
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Somit bewegt sich, wie in 7 gezeigt, der Radiator 116 rückwärts in der Richtung, die durch den Pfeil Ab angegeben ist, um gegen den Brennstoffzellenstapel 12 zu stoßen und die Last wird rückwärts an dem Brennstoffzellenstapel 12 appliziert. In diesem Zusammenhang enthält die Montagestruktur 10 die Seitenhalterungen 80a, 80b, welche an den ersten Fahrzeugrahmen 13L, 13R fixiert sind, und die Heckhalterungen 98, welche an dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF fixiert sind.
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In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Festigkeit der Seitenhalterungen 80a, 80b geringer als die Festigkeit der Heckhalterungen 98. Somit sind, wenn eine externe Last F oberhalb eines vorgegebenen Niveaus an dem Brennstoffzellenstapel 12 in der Horizontalrichtung appliziert ist, die ersten Fahrzeugrahmen 13L, 13R an den Stoßdämpfern 112a, 112b gebogen und die Seitenhalterungen 80a, 80b sind vor dem Bruch der Heckhalterungen 98 gebrochen.
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Insbesondere weisen, wie in 1 und 5 gezeigt, die Stoßpuffer 86a der Seitenhalterung 80a zwei Anbringungsabschnitte 94a, 96a auf, welche an dem ersten Fahrzeugrahmen 13L angebracht sind. Die Anbringungsabschnitte 94a, 96a weisen unterschiedliche Längen auf. Somit tritt eine Belastungskonzentration an dem kürzeren Anbringungsabschnitt 96a auf, und der Anbringungsabschnitt 96a ist vor dem Bruch des Anbringungsabschnitts 94a gebrochen. Es sollte beachtet werden, dass die Seitenhalterung 80b in derselben Weise betrieben ist, wie die Seitenhalterung 80a. Dann ist der Anbringungsabschnitt 94a gebrochen.
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Deshalb ist der Brennstoffzellenstapel 12 nicht beschränkt, zusammenhängend mit beiden aus den ersten Fahrzeugrahmen 13R, 13L und dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF, welche zwei voneinander separierte Elemente sind, und ist von den ersten Fahrzeugrahmen 13R, 13L (siehe 7) separiert. Somit ist der Brennstoffzellenstapel 12 durch die Fahrzeugkarosserie 13BL, 13BR durch obere Teilabschnitte der Seitenhalterungen 80a, 80b unter Verwendung der Träger 97a, 97b unterstützt.
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Der zweite Fahrzeugrahmen 13SF beginnt an dem Stoßdämpfer 114 gebogen zu werden. Wenn der Brennstoffzellenstapel 12 sich weiter rückwärts bewegt, wie in 8 gezeigt, ist die Heckhalterung 98 gebrochen und der Brennstoffzellenstapel 12 ist von dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF separiert. Der Brennstoffzellenstapel 12 fährt fort, sich rückwärts in der Horizontalrichtung unter der Führung der Träger 97a, 97b zu bewegen. Zu dieser Zeit sind die Träger 97a, 97b an den entsprechend gewünschten Teilabschnitten gebrochen und behindern eine Bewegung des Brennstoffzellenstapels 12 nicht.
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In dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF ist, wie in 8 gezeigt, ein Motorträger 101 zum Fixieren der Frontseite des Fahrmotors 100 gebrochen. Deshalb bewegt sich der Fahrmotor 100 rückwärts. Der zweite Fahrzeugrahmen 13SF ist an dem Stoßdämpfer 114 gebrochen.
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Wie in 9 gezeigt, bewegt sich der Fahrmotor 100 dann rückwärts in einer Schräg-Abwärts-Richtung. Zu dieser Zeit ist der Brennstoffzellenstapel 12 nicht nach unten gefallen, sondern bewegt sich rückwärts entlang des Bewegungsbereichs 118 in der Horizontalrichtung und dann stößt das Ende 12e des Brennstoffzellenstapels 12 gegen das Trennwandelement 13W.
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Deshalb wird es in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der einfachen und ökonomischen Struktur möglich, wenn eine externe Last F an dem Brennstoffzellenstapel 12 appliziert wird, den Brennstoffzellenstapel 12 angemessen zu schützen. Weiter sind in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Seitenhalterungen 80a, 80b an den ersten Fahrzeugrahmen 13L, 13R fixiert, und die Heckhalterungen 98 sind an dem zweiten Fahrzeugrahmen 13SF fixiert. In der Struktur ist es möglich, den stabil fixierten Zustand des Brennstoffzellenstapels 12 zu erhalten und die Anzahl der Komponenten angemessen und ökonomisch zu reduzieren.
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Weiter ist in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Steifigkeit des Gehäuses 16 des Brennstoffzellenstapels 12 höher als die Kautschuk-Steifigkeit (Steifigkeit des Kautschukelements 92a) der Seitenhalterungen 80a, 80b. Somit ist, in dem Fall, wenn das Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug 13 vertikal vibriert wird, das Kautschukelement 92 kollabiert (elastisch verformt) und es wird möglich, die Stöße der Vibrationen, die an dem Brennstoffzellenstapel 12 appliziert werden, zu reduzieren.
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Wie in 10 gezeigt, ist, wenn die rechte Seite des Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs 13 in der Richtung, die durch den Pfeil BR angegeben ist, relativ zu einer horizontalen Linie H nach unten geneigt ist, das Kautschukelement 92a der Seitenhalterung 80a kollabiert und komprimiert (elastisch verformt). Auf diese Weise wird es möglich, bei Auftreten von Vibrationen, die horizontale Stellung des Brennstoffzellenstapels 12 zu erhalten und den Brennstoffzellenstapel 12 in dem fixierten Zustand angemessen zu halten.
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Weiter ist die Festigkeit des Gehäuses 16 des Brennstoffzellenstapels 12 höher als die Kautschuk-Festigkeit der Seitenhalterungen 80a, 80b. Deshalb wird es möglich, wenn eine externe Last F an dem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug 13 von der Frontseite oder in einer Richtung versetzt von der Frontseite appliziert wird, die Seitenhalterungen 80a, 80b zuverlässig zu brechen.
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Somit wird es möglich, den Brennstoffzellenstapel 12 rückwärts zu bewegen, um so einen ausreichenden Hub für die Kollision zu sichern.
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Eine Montagestruktur (10) enthält Seitenhalterungen (80a, 80b), um einen Brennstoffzellenstapel (12) zu halten, um so den Brennstoffzellenstapel (12) an ersten Fahrzeugrahmen (13R, 13L) zu fixieren und Heckhalterungen (98), um den Brennstoffzellenstapel (12) an einem zweiten Fahrzeugrahmen (13SF) zu fixieren. Die Festigkeit der Seitenhalterungen (80a, 80b) ist geringer als die Festigkeit der Heckhalterungen (98). In der Struktur sind, wenn eine externe Last an dem Brennstoffzellenfahrzeug appliziert ist, die Seitenhalterungen (80a, 80b) vor dem Bruch der Heckhalterungen (98) gebrochen.
