DE102017120940A1 - Brennstoffzellensystem und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Das Brennstoffzellensystem beinhaltet: einen Brennstoffzellenstapel, einen Wasserstoffeinlass, einen Wasserstoffauslass, einen Lufteinlass und einen Luftauslass; einen Wasserstoffzuführströmungspfad; einen Wasserstoffzirkulationsströmungspfad zum Zirkulieren von Gas vom Wasserstoffauslass zu einem Zusammenführungspunkt des Wasserstoffzuführströmungspfades; eine Wasserstoffpumpe auf dem Wasserstoffzirkulationsströmungspfad; und einen Gas-Flüssigkeitsseparator auf dem Wasserstoffzirkulationsströmungspfad. Der Wasserstoffeinlass ist oberhalb des Wasserstoffauslasses positioniert, der Lufteinlass ist auf einer oberen Seite des Luftauslasses positioniert, und eine Verbindungsrichtung zwischen dem Wasserstoffeinlass und dem Wasserstoffauslass und eine Verbindungsrichtung zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass schneiden einander. Ein oberes Ende der Wasserstoffpumpe ist unterhalb des Stapels positioniert. Der Gas-Flüssigkeitsseparator ist an der untersten Stelle des Wasserstoffzirkulationsströmungspfades vorgesehen.

Description

  • HINTERGRUND
  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug.
  • VERWANDTER STAND DER TECHNIK
  • Ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel beinhaltet, ist mit einem Wasserstoffgaszirkulationssystem zum Zirkulieren von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel sowie einem Oxidationsgaszuführsystem zum Zuführen von Oxidationsgas (z.B. Luft) zu dem Brennstoffzellenstapel ausgestattet. Das Wasserstoffgaszirkulationssystem beinhaltet eine Wasserstoffpumpe und einen Gas-Flüssigkeitsseparator, welche von relativ großer Größe sind. Daher wird in JP 2014-123457 A das folgende Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, um die Größe des Brennstoffzellensystems zu verringern. In diesem Brennstoffzellensystem sind die Wasserstoffpumpe und der Gas-Flüssigkeitsseparator an Positionen derart angeordnet, dass sichtbare Konturen der Wasserstoffpumpe und des Gas-Flüssigkeitsseparators bei Betrachtung in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels innerhalb einer sichtbaren Kontur einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels enthalten sind.
  • Bei dem in JP 2014-123457 A beschriebenen Brennstoffzellensystem besteht leider die Möglichkeit, dass bei Einwirken einer Erschütterung in der Stapelrichtung des Brennstoffzellensystems auf die Wasserstoffpumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator die Wasserstoffpumpe oder der Gas-Flüssigkeitsseparator und das Brennstoffzellensystem miteinander kollidieren können und dadurch eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels hervorgerufen wird. Um derartige Probleme zu vermeiden, ist es denkbar, die Wasserstoffpumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator entfernt von dem Brennstoffzellenstapel anzuordnen. Jedoch kann in einem solchen Fall die Ableiteffizienz in dem Wasserstoffgaszirkulationssystem unzureichend werden. Demgemäß besteht der Wunsch nach einer Technik, die es ermöglicht, eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels bei einer auf die Wasserstoffpumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator einwirkenden Erschütterung zu verhindern und gleichzeitig einen Anstieg der Ableiteffizienz des Wasserstoffgaszirkulationssystems im Inneren des Brennstoffzellensystems zu realisieren.
  • Die vorliegende Offenbarung, die getätigt wurde, um zumindest einen Teil der oben beschriebenen Probleme zu beheben, kann in den folgenden Aspekten implementiert werden.
  • KURZFASSUNG
  • In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet: einen Brennstoffzellenstapel, der einen gestapelten Körper aufweist, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung gestapelt sind, einen Wasserstoffgaseinlass, einen Wasserstoffgasauslass, einen Lufteinlass und einen Luftauslass; einen Wasserstoffgaszuführströmungspfad, der konfiguriert ist, um es Gas zu erlauben, aus einer Wasserstoffgaszuführeinheit, die zum Zuführen von Wasserstoffgas dient, zu dem Wasserstoffgaseinlass zu zirkulieren; einen Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad, der konfiguriert ist, um es Gas zu erlauben, aus dem Wasserstoffgasauslass zu einem Zusammenführungspunkt des Wasserstoffgaszuführströmungspfades zu zirkulieren; eine Wasserstoffzirkulationspumpe, die inmitten des Wasserstoffzirkulationsströmungspfades vorgesehen ist, um Wasserstoffabgas, das aus dem Wasserstoffgasauslass abgeführt wird, mit Druck zu beaufschlagen und in Richtung des Wasserstoffgaszuführströmungspfades zu befördern; und einen Gas-Flüssigkeitsseparator, der inmitten des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades vorgesehen ist, um einen Gehalt an Wasser von dem Wasserstoffabgas zu trennen. Der Brennstoffzellenstapel besitzt eine Konfiguration derart, dass bei Betrachtung entlang der Stapelrichtung der Wasserstoffgaseinlass oberhalb des Wasserstoffgasauslasses positioniert ist und eine Verbindungsrichtung zwischen dem Wasserstoffgaseinlass und dem Wasserstoffgasauslass und eine Verbindungsrichtung zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass einander schneiden. Ein oberes Ende der Wasserstoffzirkulationspumpe ist auf einer unteren Seite eines unteren Endes des Brennstoffzellenstapels positioniert. Eine Position, an welcher der Gas-Flüssigkeitsseparator auf dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad vorgesehen ist, ist die unterste Stelle des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades.
  • Da gemäß dem Brennstoffzellensystem in diesem Aspekt die Position, an welcher der Gas-Flüssigkeitsseparator auf dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad vorgesehen ist, die unterste Stelle des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades ist, ist der Gas-Flüssigkeitsseparator unterhalb der Wasserstoffzirkulationspumpe positioniert. Mithin sind das obere Ende der Wasserstoffzirkulationspumpe und das obere Ende des Gas-Flüssigkeitsseparators beide unterhalb des Brennstoffzellenstapels positioniert. Somit kann eine Möglichkeit unterbunden werden, dass die Wasserstoffzirkulationspumpe oder der Gas-Flüssigkeitsseparator mit dem Brennstoffzellenstapel kollidieren kann, wenn eine Erschütterung auf die Wasserstoffzirkulationspumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator in einer zu der Aufwärts-/Abwärts-Richtung senkrechten Richtung aufgebracht wird. Auch ist der Gas-Flüssigkeitsseparator an der untersten Stelle des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades vorgesehen. Mithin strömt der Gehalt an Wasser, der in dem Wasserstoffabgas enthalten ist, welches durch den Wasserstoffgasauslass des Brennstoffzellenstapels abgeführt wird, nach unten zu dem Gas-Flüssigkeitsseparator und sammelt sich nicht im Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad an. Somit kann gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels bei einer auf die Wasserstoffzirkulationspumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator aufgebrachten Erschütterung verhindert werden, und überdies kann die Ableiteffizienz in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad gesteigert werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann der Gas-Flüssigkeitsseparator ein Wasserreservoir zum Trennen eines Gehalts an flüssigem Wasser von dem Wasserstoffabgas und Vorhalten von Wasser darin beinhalten, und ein oberes Ende des Wasserreservoirs kann auf einer unteren Seite einer Verbindungsposition des Gas-Flüssigkeitsseparators mit dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad positioniert sein. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts kann das Wasserreservoir des Gas-Flüssigkeitsseparators auf sichere Weise unterhalb irgendeiner Position des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades positioniert sein. Mithin kann die Ableiteffizienz in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad auf sichere Weise gesteigert werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts können bei Betrachtung in einer Richtung, in welcher der Wasserstoffgasauslass und der Luftauslass miteinander verbunden sind, die Wasserstoffzirkulationspumpe und der Gas-Flüssigkeitsseparator jeweils an Positionen angeordnet sein, die dem Luftauslass näher sind als dem Wasserstoffgasauslass. Wenn gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts ein Gehalt an flüssigem Wasser, der aus dem Gas-Flüssigkeitsseparator abgeführt wird, mit der Kathodenabgasrohrleitung zusammengeführt wird, welche mit dem Luftauslass gekoppelt ist, dann kann eine Rohrleitung, die von dem Gas-Flüssigkeitsseparator bis zu dem Zusammenführungspunkt reicht, verkürzt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts können der Wasserstoffgaseinlass, der Zusammenführungspunkt, die Wasserstoffzirkulationspumpe und der Gas-Flüssigkeitsseparator so angeordnet sein, dass sie in einer Aufwärts-/Abwärts-Richtung aufgereiht sind. Da gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts Wasser, das an einer Rohrleitung zwischen der Wasserstoffzirkulationspumpe und dem Gas-Flüssigkeitsseparator anhaftet, durch die Schwerkraft vertikal nach unten fällt, kann eine Möglichkeit unterbunden werden, dass bei Anhalten des Brennstoffzellensystems der Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad durch verbleibendes Wasser blockiert werden kann.
  • In dem Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann ein Abschnitt des Wasserstoffgaszuführströmungspfades auf einer stromabwärtigen Seite des Zusammenführungspunktes kürzer sein als ein Abschnitt des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades auf einer stromabwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe. Da gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts der Zusammenführungspunkt des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades mit dem Wasserstoffgaszuführströmungspfad näher an den Wasserstoffgaseinlass gebracht werden kann, können Druckverlust und Gefrierblockade in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad unterbunden werden.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeug vorgesehen. Das Fahrzeug beinhaltet das Brennstoffzellensystem gemäß den oben beschriebenen Aspekten. Gemäß dem Fahrzeug dieses Aspekts kann eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels bei einer auf die Wasserstoffzirkulationspumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator aufgebrachten Erschütterung verhindert werden und überdies kann die Ableiteffizienz in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad gesteigert werden.
  • Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen anderen Ausführungsformen als Vorrichtungen (Systemen) und Fahrzeugen implementiert werden. Beispielsweise kann die Offenbarung auch als ein von Fahrzeugen verschiedener beweglicher Körper, wie etwa ein Schiff und Flugzeug, auf denen ein Brennstoffzellensystem montiert ist, und als ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, ein Computerprogramm zum Implementieren des Steuerungsverfahrens, ein temporäres Aufzeichnungsmedium, auf dem das Computerprogramm aufgezeichnet ist, und dergleichen implementiert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Strömungspfadkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Ausführung von Hauptbestandteilen eines Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitts relativ zu dem Brennstoffzellenstapel zeigt;
    • 3 ist eine Seitenansicht, welche eine Ausführung von Hauptbestandteilen des Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitts relativ zu dem Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug 1 zeigt;
    • 4 ist eine erläuternde Ansicht, welche den Innenaufbau und die Ausführung einer Wasserstoffzirkulationspumpe zeigt;
    • 5 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Modifikation 3 zeigt; und
    • 6 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Modifikation 4 zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Allgemeine Konfiguration:
  • 1 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Strömungspfadkonfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist an einem Fahrzeug montiert, um elektrische Leistung auszugeben, die als Reaktion auf eine Anforderung eines Fahrers als Antriebskraft zu verwenden ist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein vierrädriges Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 20, einen Luftzuführ-/abführabschnitt 30, einen Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitt 50 und einen Kältemittelzirkulationsabschnitt 70.
  • Der Brennstoffzellenstapel 20 ist eine Einheit zum Erzeugen elektrischer Leistung durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas (Wasserstoffgas in dieser Ausführungsform) und Oxidationsgas (Luft in dieser Ausführungsform). Der Brennstoffzellenstapel 20 ist durch schichtweises Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildet. Jede Brennstoffzelle ist ein leistungserzeugendes Element, das befähigt ist, Leistung sogar eigenständig zu erzeugen. Jede Brennstoffzelle beinhaltet eine MEA (Membrane Electrode Assembly bzw. Membranelektrodenanordnung), die ein Leistungsgenerator mit Elektroden (Kathode und Anode) auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran und Separatoren auf beiden Seiten der MEA ist. Die Elektrolytmembran ist aus einem Festpolymer-Dünnfilm gebildet, der in seinem feuchten Zustand mit im Inneren enthaltenem Wassergehalt eine erfolgreiche Protonenleitfähigkeit aufweist. Zwar können verschiedene Arten von Brennstoffzellenstapeln als der Brennstoffzellenstapel 20 gewählt werden, doch wird in dieser Ausführungsform ein Brennstoffzellenstapel vom Festpolymertyp verwendet.
  • Der Luftzuführ-/abführabschnitt 30 besitzt eine Funktion des Zuführens von Luft als das Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel 20 sowie eine Funktion des Abführens von Abwasser und Kathodenabgas, welche aus der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 20 zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 10 abgeführt werden.
  • Der Luftzuführ-/abführabschnitt 30 beinhaltet auf der stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 eine Luftzuführrohrleitung 31, einen Luftreiniger 32, einen Luftkompressor 33, einen Ladeluftkühler 34 zum Absenken von Einlasslufttemperaturen, welche durch Aufladung erhöht werden, ein Strömungsteilerventil 35 und eine Luftstromteilerrohrleitung 37.
  • Die Luftzuführrohrleitung 31 ist eine mit einem kathodenseitigen Einlass Ain des Brennstoffzellenstapels 20 verbundene Rohrleitung. Auf der Luftzuführrohrleitung 31 sind bei Betrachtung stromabwärts der Einlassöffnungsseite zum Einlassen von Außenluft der Luftreiniger 32, der Luftkompressor 33, der Ladeluftkühler 34 und das Strömungsteilerventil 35 in dieser Reihenfolge vorgesehen.
  • Der Luftreiniger 32 ist auf der Einlassöffnungsseite der Luftzuführrohrleitung 31 vorgesehen, um Einlassluft zu reinigen. Der Luftkompressor 33 nimmt Luft auf und führt der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels komprimierte Luft zu. Der Ladeluftkühler 34 senkt Einlasslufttemperaturen, die von dem Luftkompressor 33 erhöht wurden.
  • Das Strömungsteilerventil 35 ist zwischen dem Ladeluftkühler 34 und dem Brennstoffzellenstapel 20 vorgesehen, um den Luftstrom, der von dem Luftkompressor 33 komprimiert und von dem Ladeluftkühler 34 gekühlt wurde, in einen Strom in Richtung der Seite des Brennstoffzellenstapels 20 und einen Strom in Richtung der Seite der Kathodenabgasrohrleitung 41 aufzuteilen. Die in Richtung der Seite der Kathodenabgasrohrleitung 41 verteilte Luft wird veranlasst, über die Luftstromteilerrohrleitung 37 zu strömen. Auf die Kathodenabgasrohrleitung 41 wird später im Einzelnen eingegangen.
  • Der Luftzuführ-/abführabschnitt 30 beinhaltet auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 die Kathodenabgasrohrleitung 41, ein Druckregelventil 43 und einen Schalldämpfer 46. Die Kathodenabgasrohrleitung 41 ist eine mit einem kathodenseitigen Auslass Aot des Brennstoffzellenstapels 20 verbundene Rohrleitung. Die Kathodenabgasrohrleitung 41 ist befähigt, erzeugtes Wasser und Kathodenabgas zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 10 abzuführen.
  • Das Druckregelventil 43 ist in der Kathodenabgasrohrleitung 41 vorgesehen, um einen Druck des Kathodenabgases (kathodenseitigen Gegendruck des Brennstoffzellenstapels 20) zu regulieren. Eine Öffnung, welche ein Zielort eines geteilten Stroms der Luftstromteilerrohrleitung 37 ist, ist zwischen das Druckregelventil 43 und den Schalldämpfer 46 auf der Kathodenabgasrohrleitung 41 geschaltet.
  • Der Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitt 50 besitzt eine Funktion des Zuführens von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel 20, eine Funktion des Abführens von Anodenabgas (Wasserstoffabgas), das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführt wird, zum Äußeren des Brennstoffzellensystems 10 und eine Funktion des Zirkulierens des Anodenabgases im Inneren des Brennstoffzellensystems 10.
  • Der Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitt 50 beinhaltet eine Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 und einen Wasserstofftank 52 auf der stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20. Der Wasserstofftank 52 ist mit Hochdruckwasserstoff gefüllt, welcher dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist. Der Wasserstofftank 52 ist über die Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 mit einem anodenseitigen Einlass Hin des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden.
  • Ferner sind auf der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 ein öffnendes/schließendes Ventil 53, ein Regler 54 und eine Wasserstoffzuführeinheit 55 in dieser Reihenfolge ausgehend von der stromaufwärtigen Seite (Seite des Wasserstofftanks 52) vorgesehen. Das öffnende/schließende Ventil 53 reguliert einen Zustrom von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 52 zu der Wasserstoffzuführeinheit 55. Der Regler 54 ist ein Druckregelventil zum Regulieren eines Drucks von Wasserstoff auf der stromaufwärtigen Seite der Wasserstoffzuführeinheit 55. Die Wasserstoffzuführeinheit 55 ist beispielsweise aus einem Injektor gebildet, der ein elektromagnetisch angesteuertes öffnendes/schließendes Ventil ist. Ein Bereich von der Wasserstoffzuführeinheit 55 zu dem anodenseitigen Einlass Hin auf der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 entspricht dem „Wasserstoffgaszuführströmungspfad“ in einem Aspekt der Offenbarung.
  • Der Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitt 50 beinhaltet auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 eine Anodenabgasrohrleitung 61, einen Gas-Flüssigkeitsseparator 62, eine Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63, eine Wasserstoffzirkulationspumpe 64, eine Anodenableitrohrleitung 65 und ein Ableitventil 66.
  • Die Anodenabgasrohrleitung 61 ist eine Rohrleitung zum Verbinden eines anodenseitigen Auslasses Hot des Brennstoffzellenstapels 20 mit dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62.
  • Der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 ist mit der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 und der Anodenableitrohrleitung 65 verbunden. Anodenabgas, welches über die Anodenabgasrohrleitung 61 in den Gas-Flüssigkeitsseparator 62 geströmt ist, wird durch den Gas-Flüssigkeitsseparator 62 in gasförmige Bestandteile und flüssige Bestandteile (in diesem Fall flüssiges Wasser) getrennt. Die gasförmigen Bestandteile des Anodenabgases werden innerhalb des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 zu der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 geführt, während die flüssigen Komponenten (in diesem Fall flüssiges Wasser) erst einmal in einem Wasserreservoir 62a vorgehalten und dann aus dem Wasserreservoir 62a zu der Anodenableitrohrleitung 65 geführt werden.
  • Die Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 ist mit einem Punkt P1 (nachstehend als ,Zusammenführungspunkt P1' bezeichnet) auf der stromabwärtigen Seite der Wasserstoffzuführeinheit 55 in der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 verbunden. Eine Wasserstoffzirkulationspumpe 64 ist in der Wasserstoffzirkulationsrohrleitung 63 vorgesehen. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 fungiert als eine Zirkulationspumpe zum Herausbefördern von Wasserstoff, der in den gasförmigen Komponenten enthalten ist, welche in dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 abgetrennt werden, zu der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51. Die Anodenabgasrohrleitung 61 und die Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 stellen in einem Aspekt der Offenbarung einen ,Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad‘ dar.
  • Ein Ableitventil 66 ist in der Anodenableitrohrleitung 65 vorgesehen. Das Ableitventil 66, das normalerweise geschlossen ist, wird zu einem voreingestellten Ableitzeitpunkt oder einem Abführzeitpunkt von Inertgas in dem Anodenabgas geöffnet. Ein stromabwärtiges Ende der Anodenableitrohrleitung 65 ist mit der Kathodenabgasrohrleitung 41 so zusammengeführt, dass anodenseitiges Abwasser und das Anodenabgas abgeführt werden können, so dass sie mit dem kathodenseitigen Abwasser und dem Kathodenabgas vermischt werden.
  • Der Kältemittelzirkulationsabschnitt 70 beinhaltet eine Kältemittelrohrleitung 71, einen Radiator 72 und eine Kältemittelzirkulationspumpe 74. Die Kältemittelrohrleitung 71, welche eine Rohrleitung zum Zirkulieren eines Kältemittels zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 20 ist, besteht aus einer stromaufwärtsseitigen Rohrleitung 71a und einer stromabwärtsseitigen Rohrleitung 71b. Die stromaufwärtsseitige Rohrleitung 71a verbindet einen Auslass Cot eines Kältemittelströmungspfades in dem Brennstoffzellenstapel 20 und einen Einlass des Radiators 72 miteinander. Die stromabwärtsseitige Rohrleitung 71b verbindet einen Einlass Cin des Kältemittelströmungspfades in dem Brennstoffzellenstapel 20 und einen Auslass des Radiators 72 miteinander.
  • Der Radiator 72 weist ein Gebläse zum Aufnehmen von Außenluft auf und tauscht Wärme zwischen dem Kältemittel der Kältemittelrohrleitung 71 und Außenluft aus, um das Kältemittel zu kühlen. Die Kältemittelzirkulationspumpe 74 ist in der stromabwärtsseitigen Rohrleitung 71b vorgesehen. Das Kältemittel strömt anhand von Antriebskraft der Kältemittelzirkulationspumpe 74 in der Kältemittelrohrleitung 71.
  • Die oben beschriebenen Teilelemente des Luftzuführ-/abführabschnitts 30, des Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitts 50 und des Kältemittelzirkulationsabschnitts 70 werden von einem Steuerungsabschnitt (in 1 nicht gezeigt, um das Verständnis von Techniken zu erleichtern) gesteuert, der von einem Mikrorechner implementiert wird. Infolgedessen werden solche Steuerungsprozesse als (i) Zuführsteuerung von Wasserstoffgas und Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 20, (ii) Ableitsteuerung des Brennstoffzellenstapels 20, und (iii) Kühlungssteuerung von Abwärme, die in dem Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, verwirklicht.
  • Hauptbestandteile des wie oben beschrieben konfigurierten Brennstoffzellenstapels 20, d.h. der Brennstoffzellenstapel 20 und Hilfskomponenten, wie etwa die Wasserstoffzuführeinheit 55, der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 und die Wasserstoffzirkulationspumpe 64, sind innerhalb des Maschinenraums des Fahrzeugs vorgesehen. Der Begriff ,Maschinenraum‘ bezieht sich auf einen Raum, in dem die Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug montiert ist, das mit einer herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine ausgestattet ist. Ein ähnlicher Raum ist in einem Fahrzeug vorgesehen, an dem das Brennstoffzellensystem 10 zu montieren ist. Der Raum wird der Einfachheit halber als ,Maschinenraum‘ bezeichnet. Der Erfinder dieser Anmeldung hat durch Beleuchten der Ausführung der einzelnen Komponenten im Hinblick auf unterschiedliche Arten des Aufnehmens des Brennstoffzellenstapels 20 und der Hilfskomponenten in dem Maschinenraum die folgende Ausführung konzipiert.
  • Ausführung:
  • 2 ist eine Ansicht, die eine Ausführung von Hauptkomponenten des Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitts 50 in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel 20 zeigt.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Ausführung von Hauptkomponenten des Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitts 50 in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel 20 in einem Fahrzeug 1 zeigt, das mit dem Brennstoffzellensystem 10 und Rädern WL ausgestattet ist. 2 ist eine perspektivische Ansicht, und 3 ist eine Seitenansicht. Wie in 2 und 3 gezeigt, ist der Brennstoffzellenstapel 20 gegenüber dem Fahrzeug derart angeordnet, dass eine Stapelrichtung L der Brennstoffzellen 120 (nachstehend einfach als ,Stapelrichtung‘ bezeichnet) um einen bestimmten Winkel θ relativ zu einer Vorwärts-RückwärtsRichtung (Vorwärtsrichtung FR und Rückwärtsrichtung RR) des Fahrzeugs geneigt ist. Infolgedessen ist der Teil der Brennstoffzellen 120 auf der Seite der Vorwärtsrichtung FR oberhalb des Teils der Brennstoffzellen 120 auf der Seite der Rückwärtsrichtung RR positioniert.
  • Wie in 2 gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 20 bei Betrachtung entlang der Stapelrichtung L eine rechteckige Form auf. Der Brennstoffzellenstapel 20 ist derart an dem Fahrzeug montiert, dass eine Richtung einer Seite dieser rechteckigen Form mit der Links-/Rechts-Richtung (Linksrichtung LH und Rechtsrichtung RH) des Fahrzeugs übereinstimmt (siehe 2). Die Buchstaben ,UPR‘ und ,LOR‘ in der Figur bezeichnen die Aufwärtsrichtung bzw. Abwärtsrichtung des Fahrzeugs. Die Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR stimmt mit der vertikalen Richtung überein, wenn das Fahrzeug auf einer horizontalen Ebene abgestellt ist. Die Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR, die Links-/Rechts-Richtung LH, RH sowie die Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR sind zueinander senkrecht.
  • An einem Ende einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 20 (Endabschnitt in der Rückwärtsrichtung RR) ist eine erste Endplatte 110 vorgesehen, während eine zweite Endplatte 115 an dem anderen Ende der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 20 (Endabschnitt in der Vorwärtsrichtung FR) vorgesehen ist (siehe 3). Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 120 sind in Schichten zwischen der ersten Endplatte 110 und der zweiten Endplatte 115 gestapelt. Das heißt, der Brennstoffzellenstapel 20 besitzt einen Aufbau derart, dass ein gestapelter Körper 120s mehrerer in der Stapelrichtung gestapelter Brennstoffzellen 120 zwischen der ersten Endplatte 110 und der zweiten Endplatte 115 gehalten wird.
  • In der ersten Endplatte 110 sind der oben beschriebene anodenseitige Einlass Hin, anodenseitige Auslass Hot, kathodenseitige Einlass Ain und kathodenseitige Auslass Aot des Brennstoffzellenstapels 20 sowie ein Kältemittelströmungspfadeinlass Cin und ein Kältemittelströmungspfadauslass Cot vorgesehen. Wie in 2 gezeigt, sind in dieser Ausführungsform bei Betrachtung entlang der Stapelrichtung L die folgenden konfigurativen Elemente an einzelnen Positionen auf der Oberfläche der ersten Endplatte 110 angeordnet. Und zwar ist der anodenseitige Einlass Hin an einer oberen linken Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen. Der anodenseitige Auslass Hot ist an einer unteren rechten Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen. Der kathodenseitige Einlass Ain ist an einer oberen rechten Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen. Der kathodenseitige Auslass Aot ist an einer unteren linken Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen. Der Kältemittelströmungspfadeinlass Cin ist mittig in einer Aufwärts-/Abwärts-Richtung in einem linken Teil der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen. Der Kältemittelströmungspfadauslass Cot ist mittig in einer Aufwärts-/Abwärts-Richtung in einem rechten Teil der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen. Eine Richtung Ch einer virtuellen Linie, welche den anodenseitigen Einlass Hin und den anodenseitigen Auslass Hot miteinander verbindet, und eine Richtung Ca einer anderen virtuellen Linie, welche den kathodenseitigen Einlass Ain und den kathodenseitigen Auslass Aot miteinander verbindet, schneiden einander. In diesem Fall bezieht sich der Begriff ,links' auf die Linksrichtung LH. Der Begriff ,rechts' bezieht sich auf die Rechtsrichtung RH. Der Begriff ,ober(e)‘ bezieht sich auf die Aufwärtsrichtung UPR. Der Begriff ,unter(e)‘ bezieht sich auf die Abwärtsrichtung LOR.
  • In dieser Ausführungsform ist der Kältemittelströmungspfadeinlass Cin mittig in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung auf der linken Seite der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen, während der Kältemittelströmungspfadauslass Cot mittig in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung auf der rechten Seite der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen ist. Jedoch kann der Kältemittelströmungspfadeinlass Cin stattdessen mittig in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung auf der rechten Seite der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen sein, während der Kältemittelströmungspfadauslass Cot mittig in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung auf der linken Seite der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen sein kann.
  • Jede Brennstoffzelle 120 weist einen Aufbau auf, bei dem auf einer Seite ein Luftströmungspfad (zellinterner Luftströmungspfad) zwischen der MEA und einem Separator gebildet ist, während auf der anderen Seite ein Wasserstoffgasströmungspfad (zellinterner Wasserstoffströmungspfad) zwischen der MEA und einem Separator gebildet ist. Der zellinterne Luftströmungspfad und der zellinterne Wasserstoffströmungspfad sind so ausgebildet, dass sie sich entlang einer zu der Stapelrichtung der Brennstoffzellen 120 senkrechten Ebene erstrecken (siehe 2).
  • Wasserstoffgas, das durch den anodenseitigen Einlass Hin zugeführt wird, wird über einen Wasserstoffgas-Zuführverteiler 101 (siehe 1) in der Stapelrichtung befördert, so dass es von dem Wasserstoffgas-Zuführverteiler 101 auf die zellinternen Wasserstoffströmungspfade der einzelnen Brennstoffzellen 120 verteilt wird. Wasserstoff (Anodenabgas), der nach seinem Durchtritt durch die zellinternen Wasserstoffströmungspfade der einzelnen Brennstoffzellen 120 verbleibt, wird von einem Wasserstoffgas-Abführverteiler 102 (siehe 1) gesammelt und durch den anodenseitigen Auslass Hot zum Äußeren des Brennstoffzellenstapels 20 abgeführt. Luft, die durch den kathodenseitigen Einlass Ain zugeführt wird, wird über einen Luft-Zuführverteiler 103 (siehe 1) in der Stapelrichtung befördert und von dem Luft-Zuführverteiler 103 auf die zellinternen Luftströmungspfade der einzelnen Brennstoffzellen 120 verteilt. Luft (Kathodenabgas), die nach ihrem Durchtritt durch die zellinternen Luftströmungspfade der einzelnen Brennstoffzellen 120 verbleibt, wird von einem Luft-Abführverteiler 104 (siehe 1) gesammelt und durch den kathodenseitigen Auslass Aot zum Äußeren des Brennstoffzellenstapels 20 abgeführt.
  • Wie oben beschrieben, ist der anodenseitige Einlass Hin in der oberen linken Ecke vorgesehen, der anodenseitige Auslass Hot ist in der unteren rechten Ecke vorgesehen, der kathodenseitige Einlass Ain ist in der oberen rechten Ecke vorgesehen und der kathodenseitige Auslass Aot ist in der unteren linken Ecke vorgesehen (siehe 2). Aufgrund dieser Anordnung stehen eine Strömungsrichtung von Wasserstoffgas und eine Strömungsrichtung von Luft innerhalb der Brennstoffzellen 120 in einer zueinander entgegengesetzten Kreuzstrombeziehung. Mithin ist die Wasserstoffgas- und Luft-Zuführeffizienz sowie die Leistungserzeugungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 20 hoch. Da ferner der anodenseitige Einlass Hin auf der oberen Seite vorgesehen ist und der anodenseitige Auslass Hot auf der unteren Seite vorgesehen ist, besitzt der Brennstoffzellenstapel 20 eine hohe Ableitleistung zum Abführen von Wasser, das in den Brennstoffzellen 120 erzeugt wird.
  • Was einen Separator angeht, auf dem der zellinterne Luftströmungspfad gebildet ist, so ist auf einer Seite des Separators, die dessen MEA-Seite gegenüberliegt, ein Kältemittelströmungspfad (zellinterner Kältemittelströmungspfad) gebildet. Das durch den Kältemittelströmungspfadeinlass Cin (siehe 1) zugeführte Kältemittel wird in der Stapelrichtung über einen Kältemittelzuführ-Verteiler 105 (siehe 1) befördert und von dem Kältemittelzuführ-Verteiler 105 auf die zellinternen Kältemittelströmungspfade der einzelnen Brennstoffzellen 120 verteilt. Das Kältemittel, das durch die zellinternen Kältemittelströmungspfade der einzelnen Brennstoffzellen 120 hindurchgetreten ist, wird von einem Kältemittelabführ-Verteiler 106 (siehe 1) gesammelt und durch den Kältemittelströmungspfadauslass Cot zum Äußeren des Brennstoffzellenstapels 20 abgeführt.
  • Wie zuvor bei 1 beschrieben, ist die Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 mit dem anodenseitigen Einlass Hin gekoppelt, und die Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 ist mit dem vorbestimmten Zusammenführungspunkt P1 auf der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 gekoppelt. Wie in 2 und 3 gezeigt, ist der Zusammenführungspunkt P1 nahe der ersten Endplatte 110 positioniert. Konkret ist eine Länge L1 eines Abschnitts der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 auf der stromabwärtigen Seite des Zusammenführungspunktes P1 kürzer als eine Länge L2 eines Abschnitts der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 auf der stromabwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 (siehe 2). Da der Zusammenführungspunkt P1 nahe der ersten Endplatte 110 positioniert ist, kann ein Druckverlust in dem Wasserstoffgaszuführ-/abführabschnitt 50 sowie dessen Blockierung aufgrund von Gefrieren unterbunden werden. Darüber hinaus ist in 1 die Länge L1 zwar länger dargestellt als die Länge L2, doch liegt dies daran, dass 1 eine Konfigurationsansicht ist, und in Wirklichkeit ist L1 kürzer als L2.
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, ist die Wasserstoffzuführeinheit 55 inmitten der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 vorgesehen. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 ist inmitten der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 vorgesehen. An einem Endabschnitt der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 auf der Seite, welche der Seite des Zusammenführungspunktes P1 gegenüberliegt, ist der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 mit dieser gekoppelt (siehe auch 1). Konkret ist die Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 mit einer Gasabführöffnung 62b des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 gekoppelt (siehe 2 und 3).
  • In dieser Ausführungsform sind der anodenseitige Einlass Hin, der Zusammenführungspunkt P1 der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 auf der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51, die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 so angeordnet, dass sie bei Betrachtung entlang der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs entlang der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR aufgereiht sind (siehe 2). Überdies ist ein Rohrleitungspfad von dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 zu dem anodenseitigen Einlass Hin so geformt, dass er sich bei Betrachtung entlang der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs linear in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung erstreckt. Konkret sind (i) ein Abschnitt der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 auf der stromaufwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe 64, (ii) ein Abschnitt der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 auf der stromabwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe 64, und (iii) ein Abschnitt der Wasserstoffgaszuführrohrleitung 51 auf der stromabwärtigen Seite des Zusammenführungspunktes P1 so geformt, dass sie sich bei Betrachtung entlang der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs linear in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung erstrecken. Auch ist der Abschnitt der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 auf der stromabwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 in einer zu der Oberfläche der ersten Endplatte 110 parallelen Form angeordnet (siehe 3).
  • Der Ausdruck ,in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung aufgereiht angeordnet“ bezieht sich auf eine Anordnung, in der einzelne Teile so angeordnet sind, dass sie in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR zumindest zum Teil auf einer Linie positioniert sind. In dieser Ausführungsform sind einzelne Komponenten so angeordnet, dass ihre mittleren Positionen auf einer Linie in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR angeordnet sind. Jedoch können einzelne Komponente stattdessen so angeordnet sein, dass sie zum Teil auf einer Linie in der Aufwärts-/Abwärtsrichtung UPR, LOR positioniert sind.
  • Die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 ist unterhalb eines unteren Endes 20a des Brennstoffzellenstapels 20 (auf der Seite der Abwärts-Richtung LOR relativ zu dem unteren Ende 20a des Brennstoffzellenstapels 20) in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR positioniert (siehe 3). Im Einzelnen ist ein oberes Ende 64a der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 unterhalb des unteren Endes 20a des Brennstoffzellenstapels 20 positioniert.
  • Da der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 stromaufwärts der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 positioniert ist, ist der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 unterhalb der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 positioniert (der Seite der Abwärts-Richtung LOR) (siehe 3). Konkret ist ein oberes Ende 62c des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 unterhalb eines unteren Endes 64b der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 positioniert. Darüber hinaus kann anstelle dieser Konfiguration das obere Ende 62c des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 oberhalb des unteren Endes 64b der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 positioniert sein, d.h. ein Teil der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und ein Teil des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 überlappen einander in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR. Das heißt, es ist auch zulässig, dass eine Volumenmitte des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 unterhalb einer Volumenmitte der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 positioniert ist, während sich diese beiden Elemente teilweise überlappen.
  • Wie zuvor bei 1 beschrieben, ist die Anodenabgasrohrleitung 61 mit dem anodenseitigen Auslass Hot gekoppelt, während der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 mit einem Endabschnitt der Anodenabgasrohrleitung 61 auf seiner Seite verbunden ist, welche der Seite des anodenseitigen Auslasses Hot gegenüberliegt. Konkret ist die Anodenabgasrohrleitung 61 mit einer Einströmöffnung 62d des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 verbunden.
  • Der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 ist an der untersten Stelle des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades vorgesehen, welcher aus der Anodenabgasrohrleitung 61 und der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 besteht (siehe auch 1). Konkret ist ein oberes Ende des Wasserreservoirs 62a, das in dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 beinhaltet ist, unterhalb eines jeden Teils der Anodenabgasrohrleitung 61 und der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 (d.h. auf der Seite der Abwärtsrichtung LOR relativ zu jener Rohrleitung) (siehe 2) positioniert. Das obere Ende des Wasserreservoirs 62a ist unterhalb der Einströmöffnung 62d und der Gasabführöffnung 62b positioniert, welche in dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 beinhaltet sind (d.h. auf der Seite der Abwärtsrichtung LOR der Einströmöffnung 62 und der Gasabführöffnung 62b) (siehe 2). Das Wasserreservoir 62a, welches ein Bauteil zum Ansammeln von flüssigem Wasser ist, ist in dieser Ausführungsform auf der Seite der Abwärtsrichtung LOR der Einströmöffnung 62d positioniert.
  • In dieser Ausführungsform ist die Anodenabgasrohrleitung 61, welche den anodenseitigen Auslass Hot und die Einströmöffnung 62d des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 miteinander verbindet, so geformt, dass sie sich abgesehen von Kopplungsteilen an beiden Enden mit dem anodenseitigen Auslass Hot und dem Kopplungsteil mit der Einströmöffnung 62d linear erstreckt (siehe 2). Damit ein Winkel α des linearen Abschnitts der Anodenabgasrohrleitung 61 relativ zu der horizontalen Richtung größer wird als ein Fahrzeugstoppwinkel β, wird die Position des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 relativ zu dem Brennstoffzellenstapel 20 bestimmt. Der Fahrzeugstoppwinkel β ist ein Winkel des Fahrzeugs relativ zu der horizontalen Richtung, der generell beim Stoppen des Fahrzeugs auftreten kann, wobei sein Wert ein experimentell vorbestimmter Wert ist. Wenn mithin das Fahrzeug bei einem Winkel kleiner oder gleich dem Fahrzeugstoppwinkel β gestoppt wird, strömt ein Gehalt an flüssigem Wasser, der in dem Anodenabgas enthalten ist, über einen Bereich von dem anodenseitigen Auslass Hot zu dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 innerhalb der Anodenabgasrohrleitung 61 in einer Richtung, welche gegenüber der horizontalen Richtung geneigt ist, zur Seite der Abwärtsrichtung LOR, so dass er in dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 vorgehalten wird.
  • Die Anodenableitrohrleitung 65 ist mit einer Flüssigkeitsabführöffnung 62e des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 gekoppelt (siehe 3). Ein stromabwärtiges Ende der Anodenableitrohrleitung 65 ist mit der Kathodenabgasrohrleitung 41 zusammengeführt. Die Kathodenabgasrohrleitung 41 ist mit dem kathodenseitigen Auslass Aot gekoppelt, der in der unteren linken Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110 vorgesehen ist. Darüber hinaus ist in 2 das in der Kathodenabgasrohrleitung 41 vorgesehene Druckregelventil 43 weggelassen (siehe 1).
  • 4 ist eine erläuternde Ansicht, die den Innenaufbau und die Ausführung der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 zeigt. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 ist eine Pumpe vom Roots-Typ mit zwei zweiflügeligen (peritrochoidartigen) Rotoren RT innerhalb einer Pumpenkammer 201. Ein Motor 202 ist mit einem Antriebszahnrad (nicht gezeigt) verbunden, welches an einem Wellenende jedes zweiflügeligen Rotors RT vorgesehen ist, und die beiden zweiflügeligen Rotoren RT werden durch den Motor 202 in zueinander entgegengesetzten Richtungen synchron gedreht. Gas, das durch eine Einlassöffnung 203 eingelassen wurde, wird in Zwischenräumen zwischen der Pumpenkammer 201 und den zweiflügeligen Rotoren RT eingefasst und mit Druck beaufschlagt, wobei es schließlich durch eine Auslassöffnung 204 abgeführt wird. Die Einlassöffnung 203 ist auf der Rückseite der Pumpenkammer 201 vorgesehen und mit einer Rohrleitung auf der stromaufwärtigen Seite der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 verbunden (siehe 3). Die Auslassöffnung 204 ist auf der Oberseite der Pumpenkammer 201 vorgesehen und ist mit einer Rohrleitung auf der stromabwärtigen Seite der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 verbunden (siehe 3). Ein Kommunikationspfad 205, der auf die Einlassöffnung 203 folgt, verläuft parallel zu einer Bodenfläche 201a der Pumpenkammer 201.
  • Was die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 anbelangt, so ist bei Betrachtung in der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs der Motor 202 auf der Seite der Vorwärtsrichtung FR vorgesehen, während die Pumpenkammer 201 auf der Seite der Rückwärtsrichtung RR vorgesehen ist. Überdies ist die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 so platziert, dass ihr Teil auf der Seite der Vorwärtsrichtung FR oberhalb des Teils auf der Seite der Rückwärtsrichtung RR um einen Winkel θ relativ zu der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs geneigt ist. Der Winkel θ ist gleich einem bestimmten Winkel θ, welcher der Neigungswinkel des Brennstoffzellenstapels 20 ist. Darüber hinaus sind jene Winkel in dieser Ausführungsform zwar zueinander gleich festgelegt, doch müssen sie nicht notwendigerweise gleich sein und können irgendein Winkel sein, sofern dieser ein Neigungswinkel ist, der es erlaubt, dass die Vorwärtsrichtung FR nach oben weist.
  • Da die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 mit einer Neigung wie oben beschrieben platziert ist, ist auch der Kommunikationspfad 205, der mit der Einlassöffnung 203 kommuniziert, um den Winkel θ relativ zu der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs geneigt, so dass der Teil auf der Seite der Vorwärtsrichtung FR aufwärts des Teils auf der Seite der Rückwärtsrichtung RR positioniert ist. Somit kann eine Ansammlung von Wasser innerhalb der Pumpenkammer 201 unterbunden werden.
  • Funktionelle Wirkungen:
  • Da gemäß dem wie oben beschrieben konfigurierten Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 beide unterhalb der unteren Seite des unteren Endes 20a des Brennstoffzellenstapels 20 positioniert sind, d.h. auf der Seite der Abwärtsrichtung LOR (siehe 3), können Kollisionsmöglichkeiten der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 mit dem Brennstoffzellenstapel 20 bei Einwirken einer Erschütterung auf die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 oder den Gas-Flüssigkeitsseparator 62 in der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs unterbunden werden. Da ferner der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 an der untersten Stelle des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades vorgesehen ist, welcher aus der Anodenabgasrohrleitung 61 und der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 besteht (siehe 2), strömt ein Gehalt an flüssigem Wasser, der in dem Anodenabgas enthalten ist, welches durch den anodenseitigen Auslass Hot des Brennstoffzellenstapels 20 abgeführt wird, nach unten zu dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 und sammelt sich nicht in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad an. Mithin kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels 20 bei Einwirken von Erschütterungen auf die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 oder den Gas-Flüssigkeitsseparator 62 verhindert werden, und überdies kann die Ableiteffizienz in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad gesteigert werden.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform sind der anodenseitige Einlass Hin, der Zusammenführungspunkt P1, die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 so angeordnet, dass sie bei Betrachtung entlang der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR aufgereiht sind (siehe 2). Da mithin Wasser, das an einer Rohrleitung zwischen der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und dem Gas-Flüssigkeitsseparator 62 in der Wasserstoffgaszirkulationsrohrleitung 63 anhaftet, durch die Schwerkraft vertikal nach unten fällt, kann eine Blockierung des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades aufgrund von Wasser, das beim Stoppen des Brennstoffzellensystems 10 verbleibt, unterbunden werden.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform sind die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 bei Betrachtung in einer Richtung Co einer zu der Links-/Rechts-Richtung LH, RH parallelen virtuellen Linie, die den kathodenseitigen Auslass Aot und den anodenseitigen Auslass Hot miteinander verbindet, jeweils auf der Seite der Linksrichtung LH angeordnet, d.h. auf einer Seite, die dem kathodenseitigen Auslass Aot näher ist als dem anodenseitigen Auslass Hot (siehe 2). Mithin kann die Länge der Anodenableitrohrleitung 65, welche die Flüssigkeitsabführöffnung 62e des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 und die Kathodenabgasrohrleitung 41 miteinander verbindet, verkürzt werden, so dass das Gefrieren von Abwasser in der Anodenableitrohrleitung 65 unterbunden werden kann. Darüber hinaus dient erzeugtes Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel 20 dazu, die Temperatur zu erhöhen, so dass das Gefrieren unterbunden werden kann, obwohl die Rohrleitung, welche den anodenseitigen Auslass Hot und die Einströmöffnung 62d des Gas-Flüssigkeitsseparators 62 miteinander verbindet, verlängert ist.
  • Modifikationen:
  • D1. Modifikation 1:
  • In der vorangehenden Ausführungsform sind in dem Brennstoffzellenstapel 20 bei Betrachtung der ersten Endplatte 110 entlang der Stapelrichtung L der anodenseitige Einlass Hin in der oberen linken Ecke, der anodenseitige Auslass Hot in der unteren rechten Ecke, der kathodenseitige Einlass Ain in der oberen rechten Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110 und der kathodenseitige Auslass Aot in der unteren linken Ecke vorgesehen (siehe 2). Im Gegensatz dazu können als eine Modifikation der vorangehenden Ausführungsform, bei der links und rechts miteinander vertauscht sind, der kathodenseitige Einlass Ain in der oberen linken Ecke der Oberfläche der ersten Endplatte 110, der kathodenseitige Auslass Aot in der unteren rechten Ecke, der anodenseitige Einlass Hin in der oberen rechten Ecke und der anodenseitige Auslass Hot in der unteren linken Ecke vorgesehen sein. In diesem Fall sind bei Betrachtung entlang der Vorwärts-/RückwärtsRichtung FR, RR des Fahrzeugs der anodenseitige Einlass Hin, welcher in der oberen rechten Ecke vorgesehen ist, der Zusammenführungspunkt P1, die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 und der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 so platziert, dass sie in der Aufwärts-/Abwärts-Richtung UPR, LOR aufgereiht sind. Selbst mit der Konfiguration einer solchen Modifikation 1 kann, wie in der vorangehenden Ausführungsform, eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels 20 bei Einwirken von Erschütterungen auf die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 oder den Gas-Flüssigkeitsseparator 62 verhindert werden, und überdies kann die Ableiteffizienz in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad gesteigert werden.
  • D2. Modifikation 2:
  • In der vorangehenden Ausführungsform sind der Brennstoffzellenstapel 20 sowie Hilfskomponenten wie etwa die Wasserstoffzuführeinheit 55, der Gas-Flüssigkeitsseparator 62 und die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 innerhalb des Maschinenraums des Fahrzeugs vorgesehen. Im Gegensatz dazu können als eine Modifikation der vorangehenden Ausführungsform der Brennstoffzellenstapel und die Hilfskomponenten unter dem Boden des Fahrzeugs platziert sein.
  • D3. Modifikation 3:
  • In der vorangehenden Ausführungsform ist die Wasserstoffzirkulationspumpe 64 so angeordnet, dass sie relativ zu der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR des Fahrzeugs geneigt ist, so dass der Kommunikationspfad 205 innerhalb der Pumpenkammer 201 relativ zu der horizontalen Richtung geneigt ist (siehe 3 und 4). Im Gegensatz dazu ist es als eine Modifikation der vorangehenden Ausführungsform auch zulässig, dass, wie in 5 gezeigt, bei Anordnung des Fahrzeugs auf einer horizontalen Ebene eine Wasserstoffzirkulationspumpe 364 selbst parallel zu der horizontalen Richtung (Richtung einer von der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR und der Links-/RechtsRichtung LH, RH gebildeten Ebene) angeordnet ist, während ein auf die Einlassöffnung 203 folgender Kommunikationspfad 305, der in der Pumpenkammer vorgesehen ist, so geneigt ist, dass die Seite der Vorwärtsrichtung FR um einen Winkel θ relativ zu der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR nach oben geneigt ist. Bezugnehmend auf 5 sind die gleichen Komponenten wie in der vorangehenden Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen. Gemäß dieser Modifikation 3 kann, wie in der vorangehenden Ausführungsform, eine Ansammlung von Wasser innerhalb einer Pumpenkammer 301 unterbunden werden.
  • D4. Modifikation 4:
  • Als eine andere Modifikation der vorangehenden Ausführungsform ist es auch zulässig, dass, wie in 6 gezeigt, bei Anordnung des Fahrzeugs auf einer horizontalen Ebene eine Wasserstoffzirkulationspumpe 464 selbst parallel zu der horizontalen Richtung (Richtung einer von der Vorwärts-/Rückwärts-Richtung FR, RR und der Links-/Rechts-Richtung LH, RH gebildeten Ebene) angeordnet ist, während eine in der Pumpenkammer vorgesehene Einlassöffnung 403 zu der Abwärtsrichtung LOR geöffnet ist und eine Stirnfläche 405, welche auf die Einlassöffnung 403 folgt, so verjüngt ist, dass sie um den bestimmten Winkel θ relativ zu der horizontalen Richtung geneigt ist. Bezugnehmend auf 6 sind die gleichen Komponenten wie in der vorangehenden Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen. Gemäß dieser Modifikation 4 kann, wie in der vorangehenden Ausführungsform und Modifikation 3, eine Ansammlung von Wasser innerhalb einer Pumpenkammer 401 unterbunden werden.
  • D5: Modifikation 5:
  • Zwar ist das Brennstoffzellensystem 10 in der vorangehenden Ausführungsform an einem Fahrzeug montiert, doch kann das Brennstoffzellensystem stattdessen an einem von Fahrzeugen verschiedenen beweglichen Körper wie etwa Schiffen und Flugzeugen montiert sein. Ferner muss das Brennstoffzellensystem nicht notwendigerweise an einem beweglichen Objekt montiert sein und kann an einer festen Position installiert sein. In diesem Fall kann eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels verhindert werden, wenn eine externe Kraft auf die Wasserstoffzirkulationspumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator einwirkt, so dass auf die Wasserstoffzirkulationspumpe oder den Gas-Flüssigkeitsseparator Erschütterungen einwirken. In dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem an einer festen Position installiert ist, beziehen sich ,Oberseite‘, ,Unterseite‘, ,oberhalb‘ und ,unterhalb‘ auf Richtungen, die entlang der vertikalen Richtung verlaufen.
  • Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Ausführungsform und Modifikationen beschränkt, welche oben beschrieben sind, und kann in verschiedenen Konfigurationen realisiert werden, sofern diese Konfigurationen nicht vom Kern der Offenbarung abweichen. Beispielsweise können technische Merkmale in der Ausführungsform und den Modifikationen, die technischen Merkmalen in den einzelnen Aspekten entsprechen, welche in dem Abschnitt KURZFASSUNG beschrieben sind, gegebenenfalls ersetzt oder miteinander kombiniert werden, um alle oder einen Teil der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder alle oder einen Teil der oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen. Ferner sind aus den Bauelementen in der Ausführungsform und den Modifikationen, welche oben beschrieben sind, andere Elemente als jene, die im unabhängigen Anspruch beschrieben sind, zusätzliche Elemente und können somit gegebenenfalls entfallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2014123457 A [0002, 0003]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (120s), welcher beinhaltet: einen gestapelten Körper (120s), in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (120) in einer Stapelrichtung (L) gestapelt sind; einen Wasserstoffgaseinlass (Hin); einen Wasserstoffgasauslass (Hot); einen Lufteinlass (Ain); und einen Luftauslass (Aot); einen Wasserstoffgaszuführströmungspfad (51), der konfiguriert ist, um es Gas zu erlauben, aus einer Wasserstoffgaszuführeinheit (55), die zum Zuführen von Wasserstoffgas dient, zu dem Wasserstoffgaseinlass (Hin) zu zirkulieren; einen Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad (63), der konfiguriert ist, um es Gas zu erlauben, aus dem Wasserstoffgasauslass (Hot) zu einem Zusammenführungspunkt (P1) des Wasserstoffgaszuführströmungspfades (51) zu zirkulieren; eine Wasserstoffzirkulationspumpe (64), die inmitten des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades (63) vorgesehen ist, um Wasserstoffabgas, das aus dem Wasserstoffgasauslass (Hot) abgeführt wird, mit Druck zu beaufschlagen und in Richtung des Wasserstoffgaszuführströmungspfades (51) zu befördern; und einen Gas-Flüssigkeitsseparator (62), der inmitten des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades (63) vorgesehen ist, um einen Gehalt an flüssigem Wasser von dem Wasserstoffabgas zu trennen, wobei der Brennstoffzellenstapel (20) eine Konfiguration derart aufweist, dass bei Betrachtung entlang der Stapelrichtung (L) der Wasserstoffgaseinlass (Hin) oberhalb (UPR) des Wasserstoffgasauslasses (Hot) positioniert ist, der Lufteinlass (Ain) oberhalb (UPR) des Luftauslasses (Aot) positioniert ist und eine Verbindungsrichtung (Ch) zwischen dem Wasserstoffgaseinlass (Hin) und dem Wasserstoffgasauslass (Hot) und eine Verbindungsrichtung (Ca) zwischen dem Lufteinlass (Ain) und dem Luftauslass (Aot) einander schneiden, und wobei ein oberes Ende (64a) der Wasserstoffzirkulationspumpe (64) auf einer unteren Seite eines unteren Endes des Brennstoffzellenstapels (20) positioniert ist, und eine Position, an welcher der Gas-Flüssigkeitsseparator (62) auf dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad (63) vorgesehen ist, eine unterste Stelle des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades (63) ist.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Gas-Flüssigkeitsseparator (62) ein Wasserreservoir (62a) zum Trennen eines Gehalts an flüssigem Wasser von dem Wasserstoffabgas und Vorhalten von Wasser darin beinhaltet, und ein oberes Ende (62c) des Wasserreservoirs (62a) unterhalb einer Verbindungsposition (62b, 62d) des Gas-Flüssigkeitsseparators (62) mit dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad (63) positioniert ist.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei Betrachtung in einer Richtung (Co), in welcher der Wasserstoffgasauslass (Hot) und der Luftauslass (Aot) miteinander verbunden sind, die Wasserstoffzirkulationspumpe (64) und der Gas-Flüssigkeitsseparator (62) jeweils an Positionen angeordnet sind, die beide dem Luftauslass (Aot) näher sind als dem Wasserstoffgasauslass (Hot).
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wasserstoffgaseinlass (Hin), der Zusammenführungspunkt (P1), die Wasserstoffzirkulationspumpe (64) und der Gas-Flüssigkeitsseparator (62) so angeordnet sind, dass sie in einer Aufwärts-/Abwärtsrichtung (UPR, LOR) aufgereiht sind.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Abschnitt des Wasserstoffgaszuführströmungspfades (51) auf einer stromabwärtigen Seite des Zusammenführungspunktes (P1) kürzer ist als ein Abschnitt des Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfades (63) auf einer stromabwärtigen Seite der Wasserstoffzirkulationspumpe (64).
  6. Fahrzeug (1), beinhaltend das Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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