DE112004001832T5

DE112004001832T5 - Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE112004001832T5
Application number: DE112004001832T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Kusano; Toshikatsu Katagiri; Ryoichi Yoshitomi; Kenji Nagumo; Motohiro Suzuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-10-02
Also published as: US20070122669A1; WO2005034272A1; CA2540326C; US8048575B2; JP4686362B2; CA2540326A1; DE112004001832B4; US7906241B2; US20110129741A1; JPWO2005034272A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, umfassend: zumindest zwei Brennstoffzellenstapel, die konfiguriert sind, um zugeführte, ein Oxidationsgas und ein Brenngas aufweisende Reaktionsgase aufzunehmen, um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen; einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um zumindest eines der den Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgase zu befeuchten; sowie ein Reaktionsgaszufuhrrohr, das konfiguriert ist, um das Reaktionsgas von einer Reaktionsgasauslassöffnung des Befeuchters zu Reaktionsgaszufuhröffnungen von zwei der Brennstoffzellenstapel zu leiten,
worin der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist; und
worin das Reaktionsgaszufuhrrohr an einem Verzweigungspunkt in zwei Abschnitte verzweigt ist, die jeweils zu den zwei Brennstoffzellenstapeln hin ausgerichtet sind, wobei die Längen der Abschnitte von dem Verzweigungspunkt zu den Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen gleich sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und Brennstoffzellen-Kraftfahrzeuge, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug, das einen Befeuchter und zwei Brennstoffzellenstapel aufweist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In letzter Zeit haben Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolytbrennstoffzellen, als saubere und energieeffiziente Brennstoffe für verschiedene Anwendungen, wie z.B. beim Antrieb elektrischer Autos, Aufmerksamkeit erhalten. Die Brennstoffzelle ist im Wesentlichen ein Generator, der beim Erhalt eines Brenngases (Wasserstoff) und eines Oxidationsgases (Luft) elektrochemisch Elektrizität erzeugt. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist in ihrem Inneren mit einer Elektrolytmembrane versehen, die aus protonenleitfähigen Festpolymeren aufgebaut ist, wobei die Elektrolytmembrane in gut befeuchteten Bedingungen arbeitet. Daher ist in einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem ein Befeuchter vorgesehen, um ein einem Brennstoffzellenstapel zuzuführendes trockenes Oxidationsgas zu befeuchten (siehe z.B. Patentschrift 1).
Der vorgenannte Brennstoffzellenstapel ist eine Stromerzeugungskomponente mit einer Vielzahl einzelner Zellen, die in Schichten aufeinander gestapelt sind, und jede einzelne Zelle umfasst eine Festpolymermembrane, die zwischen Separatoren aufgenommen ist; die Anzahl und Größe der einzelnen Zellen kann gemäß der Spannung oder Leistung bestimmt werden, die für eine gewünschte Anwendung erforderlich ist, wie etwa ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug.
Der zuvor erwähnte Befeuchter ist z.B. so aufgebaut, dass darin eine Feuchtigkeitsdampf-Austauscher-Hohlfasermembrane vorgesehen ist, und ein von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenes Oxidationsgas (nachfolgend als "Abgas" bezeichnet) strömt außerhalb der Hohlfasermembrane und innerhalb des Befeuchters, während neu zugeführtes Oxidationsgas innerhalb der Hohlfasermembrane hindurchtritt, sodass in dem Abgas enthaltene Feuchtigkeitsdämpfe in das neu zugeführte Oxidationsgas überführt werden.
Patentschrift 1: JP 2002-75418 A (Absatz 0016, Figuren 1 und 3)
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem benötigt befeuchtetes Oxidationsgas, das möglicherweise eine Kondensation innerhalb eines Oxidationsgaskanals verursachen würde, insbesondere innerhalb der Hohlfasermembrane in dem Befeuchter, was wiederum die Strömung des Oxidationsgases behindern würde, was die Effizienz des Brennstoffzellensystems nachteilig beeinflusst. Ferner wäre es wünschenswert, einen Brennstoffzellenstapel in einem Gerät platzsparend vorzusehen, wenn das Brennstoffzellensystem in dem Gerät installiert ist.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf diese Umstände gemacht worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug mit stabilisierter Leistung der Brennstoffzellen sowie eine platzsparende Konstruktion bei der Installation des Systems in einem Gerät vorzusehen.
Mittel zur Lösung der Probleme
Zur Lösung der obigen Probleme umfasst ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung: zumindest zwei Brennstoffzellenstapel, die konfiguriert sind, um zugeführte, ein Oxidationsgas und ein Brenngas aufweisende Reaktionsgase aufzunehmen, um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen; einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um zumindest eines der den Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgase zu befeuchten; sowie ein Reaktionsgaszufuhrrohr, das konfiguriert ist, um das Reaktionsgas von einer Reaktionsgasauslassöffnung des Befeuchters zu Reaktionsgaszufuhröffnungen von zwei der Brennstoffzellenstapel zu leiten. Der Befeuchter ist zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet; und das Reaktionsgaszufuhrrohr ist an einem Verzweigungspunkt in zwei Abschnitte verzweigt, die jeweils zu den zwei Brennstoffzellenstapeln hin ausgerichtet sind, wobei die Längen der Abschnitte von dem Verzweigungspunkt zu den Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen gleich sind (erste Erfindung).
Gemäß diesem Brennstoffzellensystem erlauben die somit separat vorgesehenen zwei Brennstoffzellenstapel eine größere Auslegungsflexibilität und eine Verbesserung in der Gewichtsbalance der in einem Gerät zu installierenden Brennstoffzellen. Unterdessen würde das separate Vorsehen der zwei Brennstoffzellenstapel die Effizienz eines der Brennstoffzellenstapel beeinträchtigen, wenn die Zufuhr der Reaktionsgase zu den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln nicht angeglichen wäre. Jedoch sind in dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Reaktionsgasauslassöffnung des Befeuchters und die jeweiligen Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel durch ein verzweigtes Reaktionsgaszufuhrrohr verbunden, wobei die Längen der Abschnitte von dem Verzweigungspunkt zu den Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen gleich sind; daher wird die Zufuhr des Reaktionsgases zu den zwei Brennstoffzellenstapeln gleichmäßig ausgeglichen. Die Abschnitte des Reaktionsgaszufuhrrohrs, die zu den zwei Brennstoffzellenstapeln hin ausgerichtet sind, können bevorzugt die gleiche Dicke haben.
Da ferner in diesem Brennstoffzellensystem der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist, hebt die von den Brennstoffzellenstapeln erzeugte Wärme die Temperatur des Beuchters adäquat an. Daher steigt die Temperatur des Reaktionsgases während der Befeuchtung im Befeuchter, was somit die Bildung von Kondensat in den Kanälen innerhalb des Befeuchters, durch die das Reaktionsgas hindurchtritt, verhindert. Dementsprechend fließt das Reaktionsgas als stetiger Strom, sodass die Brennstoffzellen stabil arbeiten können.
Für die oben beschriebenen Brennstoffzellenstapel kann der Befeuchter als Befeuchter in Membranbauart konfiguriert sein, um Feuchtigkeit, die in von den Brennstoffzellenstapeln abgegebenen Abgas enthalten ist, durch eine wasserdurchlässige Membrane zu dem Reaktionsgas zu überführen (zweite Erfindung). In dieser Konfiguration kann Kondensat verhindert werden, das sich ansonsten auf den Oberflächen der wasserdurchlässigen Membrane bilden würde, was somit dazu dient, die Befeuchtungseffizienz beizubehalten; daher kann das erfindungsgemäße Merkmal mit großem Vorteil genutzt werden.
Für die Brennstoffzellenstapel, die mit einem solchen Befeuchter unter Verwendung der oben beschriebenen wasserdurchlässigen Membrane versehen sind, wäre es bevorzugt, dass die wasserdurchlässige Membrane in dem Befeuchter in einer Form vorliegt, die aus in einer Richtung fluchtenden Hohlfasern aufgebaut ist, wobei jeder Brennstoffzellenstapel aus Einzelzellen aufgebaut ist, die in einer Längsrichtung der rohrförmigen wasserdurchlässigen Hohlfasermembrane gestapelt sind, worin die Reaktionsgaszufuhröffnung in einer Endfläche des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist, die in eine Richtung weist, in der die Einzelzellen gestapelt sind, und worin die Reaktionsgasauslassöffnung zur gleichen Richtung hin orientiert ist, in der die zwei Reaktionsgaszufuhröffnungen weisen (dritte Erfindung).
Gemäß dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem öffnen sich sowohl die Reaktionsgasauslassöffnung des Befeuchters als auch die Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel zur gleichen Richtung hin, während der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist. Dementsprechend kann das Reaktionsgaszufuhrrohr, das die Reaktionsgasauslassöffnung und die Reaktionsgaszufuhröffnungen verbindet, so ausgestaltet werden, dass seine Länge kürzer ist. Dementsprechend kann der Druckverlust des Reaktionsgases reduziert werden, und die Wahrscheinlichkeit von Kondensation innerhalb des Reaktionsgaszufuhrrohrs kann minimiert werden.
In dem obigen Brennstoffzellensystem wäre es bevorzugt, dass die zwei Brennstoffzellenstapel relativ zur Horizontalen Seite an Seite angeordnet sind, während der Befeuchter zumindest zwei Sätze von im Wesentlichen zylindrischen Befeuchtern umfasst, die vertikal einander benachbart angeordnet sind, und ein Abgasauslassrohr, das konfiguriert ist, um das von dem Befeuchter abgegebene Abgas zu leiten, an einer Position angeordnet ist, die von zwei Sätzen der Befeuchter und einem der Brennstoffzellenstapel umgeben ist (vierte Erfindung).
In dieser Ausführung, wo das Abgasauslassrohr, wie oben beschrieben, in einer Position angeordnet ist, die von mehreren im Wesentlichen zylindrischen Befeuchtern und einem der Brennstoffzellenstapel umgeben ist, kann der Totraum effizient genutzt werden, sodass eine kompakte Konstruktion des Brennstoffzellensystems erleichtert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die als Brennstoffzellen-Kraftrfahrzeug verkörpert sein kann, um für eine Lösung der oben beschriebenen Probleme zu sorgen, wird ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug angegeben, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, welches umfasst: zwei Brennstoffzellenstapel; eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung, die konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln Wasserstoff zuzuführen; eine Luftzufuhrvorrichtung, die konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln Luft zuzuführen; sowie einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um die den Brennstoffzellenstapeln zuzuführende Luft zu befeuchten. In diesem Brennstoffzellen-Fahrzeug sind die Brennstoffzellenstapel und der Befeuchter unter einem Boden des Fahrzeugs, quer in Bezug auf das Fahrzeug, angeordnet, wobei die zwei Brennstoffzellenstapel jeweils links und rechts um den Befeuchter herum symmetrisch angeordnet sind, wobei die Luftzufuhrvorrichtung an der Vorderseite der Brennstoffzellenstapel und des Befeuchters angeordnet ist, und wobei die Wasserstoffzufuhrvorrichtung an der Rückseite der Brennstoffzellenstapel und des Befeuchters angeordnet ist, während der Befeuchter eine Versorgungslufteinführöffnung, die zur Vorderseite des Fahrzeugs weist, und eine Versorgungsluftauslassöffnung, die zur Rückseite des Fahrzeugs weist, umfasst, und wobei die Brennstoffzellenstapel jeweils eine Luftzufuhröffnung und eine Wasserstoffzufuhröffnung aufweisen, die beide zur Rückseite des Fahrzeugs weisen (fünfte Erfindung).
Da gemäß dem oben beschriebenen Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug die Luftzufuhrvorrichtung in dem Fahrzeug vorne angeordnet ist, während die Versorgungslufteinführöffnung des Befeuchters zur Vorderseite des Fahrzeugs weist, kann die sie verbindende Rohranordnung so gestaltet werden, dass sie eine kürzere Länge hat. Da auch die Wasserstoffzufuhrvorrichtung in dem Fahrzeug hinten angeordnet ist, während die Wasserstoffzufuhröffnung zur Rückseite des Fahrzeugs weist, kann die sie verbindende Rohranordnung so gestaltet werden, dass sie eine kürzere Länge hat. Weil darüber hinaus die Versorgungsluft-Auslassöffnung des Befeuchters zur Rückseite des Fahrzeugs weist, während die Luftzufuhröffnung der Brennstoffzellenstapel zur Rückseite des Fahrzeugs weist, kann auch die sie verbindende Rohranordnung so gestaltet werden, dass sie eine kürzere Länge hat.
In dem oben beschriebenen Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug ist bevorzugt ferner ein Kühlwasserzufuhrrohr vorgesehen, das konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln zuzuführendes Kühlwasser zu leiten, wobei ein Luftzufuhrrohr, das konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln zuzuführende Luft zu leiten, und ein Wasserstoffzufuhrrohr, das konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln zuzuführenden Wasserstoff zu leiten, sowie auch das Kühlwasserzufuhrrohr zur Bildung eines monolithischen Verteilers miteinander kombiniert sind (sechste Erfindung). In dieser Ausführung, wo das Reaktionsgaszufuhrrohr, das Wasserstoffzufuhrrohr und das Kühlwasserzufuhrrohr miteinander kombiniert sind, um einen monolithischen Verteiler zu bilden, kann die Rohrinstallation für diese Zufuhrrohre einfach erreicht werden, indem ein einziger Verteiler montiert wird, sodass die Herstellbarkeit verbessert wird.
Als eine alternative Ausführung des Brennstoffzellensystems wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, welches umfasst: zumindest zwei Brennstoffzellenstapel, die konfiguriert sind, um zugeführte, ein Oxidationsgas und ein Brenngas aufweisende Reaktionsgase aufzunehmen, um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen, sowie einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um zumindest eines der den Brennstoffzellenstapeln zuzuführende Reaktionsgase zu befeuchten, worin der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist (siebte Erfindung).
Da in diesem Brennstoffzellensystem der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist, hebt die von den Brennstoffzellen erzeugte Wärme die Temperatur des Befeuchters adäquat an. Daher steigt die Temperatur der Reaktionsgase während der Befeuchtung im Befeuchter an, was somit verhindert, dass sich in den Kanälen innerhalb des Befeuchters, durch die die Reaktionsgase hindurchtreten, Kondensat bildet. Demzufolge fließen die Reaktionsgase in einem stetigen Strom, sodass die Brennstoffzellen stabil arbeiten können. Ferner erhöhen die zwei Brennstoffzellenstapel, die separat vorgesehen sind, die Auslegungsflexibilität des Systems, das in einem Gerät zu installieren ist.
In dem Brennstoffzellensystem können bevorzugt die Brennstoffzellenstapel jeweils Endplatten aufweisen, die an beiden Enden gestapelter Einzelzellen vorgesehen sind, und der Befeuchter und die Endplatten der Brennstoffzellenstapel miteinander gekoppelt sind (achte Erfindung). In dieser Ausführung, wo die Brennstoffzellenstapel und der Befeuchter zu einer einzigen Einheit miteinander kombiniert sind, findet auch dann, wenn auf das Brennstoffzellensystem Vibrationen übertragen werden, keine besonderen Spannungskonzentrationen an der Rohranordnung statt, die die Brennstoffzellenstapel und den Befeuchter verbindet, und die Gasdichtheit kann erhalten bleiben.
Zusätzlich können die zwei Brennstoffzellenstapel und der Befeuchter bevorzugt innerhalb eines Brennstoffzellenkastens angeordnet sein, und die Endplatten der zwei Brennstoffzellenstapel an dem Brennstoffzellenkasten befestigt sein (neunte Erfindung). In dieser Ausführung, wo die Brennstoffzellenstapel und der Brennstoffzellenkasten zu einer einzigen Einheit miteinander kombiniert sind, wird die Stabilität des Brennstoffzellensystems verbessert und daher wird die Resonanzfrequenz angehoben, sodass Resonanz unterdrückt werden kann.
In den Brennstoffzellensystemen, die in den siebten bis neunten Erfindungen definiert sind, können bevorzugt die zwei Brennstoffzellenstapel relativ zur Horizontalen Seite an Seite angeordnet sein; und worin der Befeuchter zumindest zwei Sätze von im Wesentlichen zylindrischen Befeuchtern umfasst, die vertikal einander benachbart angeordnet sind (zehnte Erfindung). Mit diesem Aufbau kann der schmale Raum zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln effizient genutzt werden, sodass eine kompakte Konstruktion des Brennstoffzellensystems erleichtert werden kann.
Zusätzlich kann dieses Brennstoffzellensystem bevorzugt Reaktionsgasrohre aufweisen, die konfiguriert sind, um die Reaktionsgase zu leiten, und in einer Position angeordnet sind, die von zwei Sätzen der Befeuchter und einem der Brennstoffzellenstapel umgeben ist (elfte Erfindung). In dieser Ausführung kann ein Totraum effizient genutzt werden, sodass eine kompakte Konstruktion des Brennstoffzellensystems erleichter werden kann.
In einer alternativen Ausführung, wo der oben beschriebene Befeuchter als Befeuchter vom Membrantyp konfiguriert ist, um die Reaktionsgase durch eine wasserdurchlässige Hohlfasermembrane hindurch zu befeuchten, worin die wasserdurchlässige Hohlfasermembrane gebündelte Hohlfasern enthält, die jeweils eine rohrartige Form haben, deren Längsrichtung parallel zu einer Richtung ist, in der die Einzelzellen der Brennstoffzellenstapel gestapelt sind (zwölfte Erfindung), kann die Rohranordnung zwischen dem Befeuchter und den Brennstoffzellenstapeln so ausgestaltet werden, dass sie so kurz wie möglich ist.
Gemäß dem als die erste Erfindung definierten Brennstoffzellensystem wird die Zufuhr des Reaktionsgases von dem Befeuchter zu den zwei Brennstoffzellenstapeln gleichmäßig ausgeglichen, und der Befeuchter wird durch die Brennstoffzellenstapel erwärmt, was verhindert, dass in dem Reaktionsgaskanal innerhalb des Befeuchters eine Kondensation auftritt, um zu ermöglichen, dass die Brennstoffzellenstapel stabil arbeiten. Ferner macht es das Vorsehen zweier separater Stapel der Brennstoffzellen möglich, die Flexibilität in der Auslegung und/oder dem Gewichtsausgleich davon zu verbessern.
Gemäß dem als die zweite Erfindung definierten Brennstoffzellensystem können die vorteilhaften Wirkungen, die in dem Brennstoffzellensystem der Erfindung erwartet werden, noch effizienter erreicht werden.
Gemäß dem als die dritte Erfindung definierten Brennstoffzellensystem kann das Reaktionsgaszufuhrrohr kürzer gemacht werden, sodass die Wahrscheinlichkeit von Kondensation innerhalb des Reaktionsgaszufuhrrohrs minimiert werden kann.
Gemäß dem als die vierte Erfindung definierten Brennstoffzellensystems kann der Totraum effizient genutzt werden, und das Brennstoffzellensystem kann platzsparend ausgestaltet werden.
Gemäß dem als die fünfte Erfindung definierten Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug kann die Rohranordnung zur Zufuhr von Luft oder Wasserstoff zu den Brennstoffzellen kürzer gemacht werden.
Gemäß dem als die sechste Erfindung definierten Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug kann die Herstellbarkeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
Gemäß dem als die siebte Erfindung definierten Brennstoffzellensystem wird Kondensation in dem Reaktionsgaskanal innerhalb des Befeuchters verhindert, sodass die Brennstoffzellen stabil arbeiten können.
Gemäß dem als die achte Erfindung definierten Brennstoffzellensystem findet keine gesonderte Spannungskonzentration an der Rohranordnung statt, die die Brennstoffzellenstapel und den Befeuchter verbindet, und die Gasdichtheit kann erhalten bleiben.
Gemäß dem als die neunte Erfindung definierten Brennstoffzellensystem wird die Stabilität des Brennstoffzellensystems verbessert, und daher wird die Resonanzfrequenz angehoben, sodass Resonanz verhindert werden kann.
Gemäß dem als die zehnten bis zwölften Erfindungen definierten Brennstoffzellensystem kann eine kompakte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems erreicht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht, die eine Konstruktion eines Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs 1 mit einem darin installierten Brennstoffzellensystem 2 gemäß einer Ausführung darstellt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das einen Umriss des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einer Ausführung darstellt.
3(a) ist eine Explosionsperspektivansicht eines Befeuchters 20 und eines Brennstoffzellenstapels 30, betrachtet von der Rückseite eines Fahrzeugs; (b) ist eine Explosionsperspektivansicht einer Einzelzelle FC.
4 ist eine Seitenansicht des Befeuchters 20, betrachtet von der linken Seite des Fahrzeugs.
5 ist eine Seitenansicht des Befeuchters 20, betrachtet von der rechten Seite des Fahrzeugs.
6 ist ein Querschnitt eines Befeuchters 20a.
7 ist eine Perspektivansicht einer Rohranordnung des Befeuchters 20 und des Brennstoffzellenstapels 30, betrachtet von der Rückseite des Fahrzeugs.
8 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellenstapels 30 und eines Befeuchters 20, bei Betrachtung von oben.
BESTE ART(EN) ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Als Nächstes wird eine detaillierte Beschreibung von Ausführungen der vorliegenden Erfindung angegeben, wobei dort, wo es angemessen ist, auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. 1 ist eine Perspektivansicht, die eine Konstruktion eines Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs 1 mit einem darin installierten Brennstoffzellensystem 2 gemäß einer Ausführung darstellt; und 2 ist ein schematisches Diagramm, das einen Umriss des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einer Ausführung darstellt.
Wie in 1 gezeigt, ist das Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführung ein Kraftfahrzeug, in dem ein Brennstoffzellensystem 2 installiert ist. Das Brennstoffzellensystem 2 enthält grundlegend einen Hochdruckwasserstofftank 11, der als Wasserstoffzufuhrvorrichtung konfiguriert ist, um Wasserstoff als Brenngas zuzuführen, einen Kompressor 12, der als Luftzufuhrvorrichtung konfiguriert ist, um Luft als Oxidationsgas zuzuführen, einen Befeuchter 20 und einen Brennstoffzellenstapel 30. Der Brennstoffzellenstapel 30 ist aus einem Brennstoffzellenstapel 31 und einem zweiten Brennstoffzellenstapel 32 gebildet, die in dem Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug 1 (Fahrzeug) in Bezug auf die horizontale Seite an Seite angeordnet sind; der Befeuchter 20 ist zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 31 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 32 angeordnet. Der erste Brennstoffzellenstapel 31 und der zweite Brennstoffzellenstapel 32 sind symmetrisch zur Rechten und Linken des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs 1 angeordnet, sodass das Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug 1 seine seitliche Gewichtsbalance beibehält.
Wasserstoff, der von dem Hochdruckwasserstofftank 11 ausgegeben wird, und Luft, die befeuchtet wird, während sie durch den Befeuchter 20 hindurchtritt, werden dem Brennstoffzellenstapel 30 zugeführt, worin sie elektrochemisch miteinander reagieren, um eine elektromotorsiche Kraft zu erzeugen.
Das Brennstoffzellensystem 2 enthält auch einen Kühler 13 als Wärmeaustauscher unter Verwendung von Kühlwasser zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 30. Das in dem Kühler 13 gekühlte Kühlwasser zirkuliert durch Innenseiten des ersten Brennstoffzellenstapels 31 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 32 zurück zum Kühler 13.
Unter den vorgenannten Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 sind der Befeuchter 20, der erste Brennstoffzellenstapel 31 und der zweite Brennstoffzellenstapel 32 in einem Brennstoffzellenkasten 41 aufgenommen. Der Brennstoffzellenkasten 41 ist am Hauptrahmen befestigt, der sich in der Vorne-Hinten-Richtung des Fahrzeugs unter einer Bodenplatte 42 (unter dem Boden des Fahrzeugs) erstreckt.
Als Nächstes wird eine allgemeine Beschreibung des Brennstoffzellensystems 2, Komponente für Komponente, in Bezug auf 2 angegeben. Wasserstoff, der von dem Hochdruckwasserstofftank 11 ausgegeben wird, wird einer Anode A des Brennstoffzellenstapels 30 zugeführt. Ein Teil des Wasserstoffs, der nicht von der Anode A verbraucht wird, strömt durch eine Zirkulationsleitung 16 und wird der Anode A wieder zugeführt.
Von dem Kompressor 12 abgegebene Luft (nachfolgend als "Versorgungsluft" bezeichnet), wird in dem Befeuchter 20 befeuchtet und dann einer Kathode C des Brennstoffzellenstapels 30 zugeführt. Ferner ist darin ein Befeuchterbypass 27 vorgesehen, der konfiguriert ist, um einen Teil der Versorgungsluft von dem Verdichter 12 zu leiten und zu veranlassen, dass die um den Befeuchter 20 herum geleitet und der Kathode C zugeführt wird, sodass eine geeignete Versorgungsluftmenge durch den Befeuchterbypass 27 der Kathode C zugeführt wird, um die Feuchtigkeit der Versorgungsluft einzustellen. Die Menge der Versorgungsluft, die durch den Befeuchterbypass 27 hindurchtreten soll, wird mit einem Ventil 17 eingestellt.
Wenn die Anode A mit Wasserstoff als Brenngas versorgt wird und die Kathode C mit sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsgas versorgt wird, wandern die Wasserstoffionen, die durch eine katalytische Reaktion an der Anode A erzeugt werden, durch eine Festpolymermembrane ME zu der Kathode C, an der die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff in der Gegenwart eines Katalysators elektrochemisch reagieren, um Elektrizität zu generieren und Wasser zu erzeugen.
Von der Kathode C abgeführte Luft (Abgas) enthält Wasser, das in dem Brennstoffzellenstapel 30 erzeugt wird, und wird dem Befeuchter 20 zugeführt, um die Versorgungsluft zu befeuchten. In dem Befeuchter 20 wird Wasser (Feuchtigkeitsdämpfe) zwischen dem Abgas und der Versorgungsluft durch eine Hohlfasermembrane 21 hindurch ausgestauscht, die eine wasserdurchlässige Membrane ist. Das von dem Befeuchter 20 abgegebene Abgas wird in die Atmosphäre abgegeben.
Nun wird in Bezug auf die 3 bis 7 der Befeuchter 20 und der Brennstoffzellenstapel 30 in weiteren Details diskutiert.
3(a) ist eine Explosionsperspektivansicht eines Befeuchters 20 und eines Brennstoffzellenstapels 30 bei Betrachtung von der Rückseite eines Fahrzeugs; (b) ist eine Explosionsperspektivansicht einer Einzelzelle FC. 4 ist eine Seitenansicht des Befeuchters 20, bei Betrachtung von der linken Seite des Fahrzeugs, 5 ist eine Seitenansicht des Befeuchters 20 bei Betrachtung von der rechten Seite des Fahrzeugs; 6 ist ein Querschnitt eines Befeuchters 20a; und 7 ist eine Perspektivansicht einer Rohranordnung des Befeuchters 20 und des Brennstoffzellenstapels 30 bei Betrachtung von der Rückseite des Fahrzeugs.
Wie in 3(a) gezeigt, ist der Befeuchter 20 aus zwei Einheiten aufgebaut, die zwischen dem ersten Brennstoffzellenstapel 31 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 32 vertikal einander benachbart angeordnet sind.
Der erste Brennstoffzellenstapel 31 und der zweite Brennstoffzellenstapel 32 weisen jeweils mehrere Zehn oder Hundert von aufeinandergestapelten Einzelzellen FC auf, deren jede eine Einheit der Brennstoffzelle ist. Jede der Einzelzellen FC enthält, wie in 3(b) gezeigt, einen Anodenseparator AS und einen Kathodenseparator CS, die dünne Platten sind, hergestellt aus Kohlenstoff oder rostfreiem Stahl, sowie eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwischen dem Anodenseparator AS und dem Kathodenseparator CS angeordnet ist und aus einer Festpolymermembrane ME aufgebaut ist, an der eine Kathode C und eine Anode A ausgebildet sind. Der Anodenseparator AS und der Kathodenseparator CS sind mit Nuten 39 ausgebildet, sodass ein Wasserstoffkanal und ein Luftkanal zwischen dem Anodenseparator AS und der Festpolymermembrane ME bzw. zwischen dem Kathodenseparator CS und der Festpolymermembrane ME ausgebildet sind. Der Anodenseparator AS und der Kathodenseparator CS sind auch mit Nuten 39 ausgebildet, sodass ein Kühlwasserkanal zwischen den Separatoren (Anode oder Kathode) benachbarter Einzelzellen FC ausgebildet ist.
Jeder Anodenseparator AS und Kathodenseparator CS weist Öffnungen P1 – P6 auf, von denen drei entlang deren rechten Rand angeordnet sind, und die drei anderen entlang vom linken Rand angeordnet sind. Sobald die Einzelzellen FC gestapelt sind, werden einander entsprechende Öffnungen P1 – P6 jeweils zur Bildung von Kanälen kombiniert, d.h. die Öffnungen P1 bilden einen Luftzufuhrkanal, die Öffnungen P2 bilden einen Kühlwasserzufuhrkanal, die Öffnungen P3 bilden einen Wasserstoffauslasskanal, die Öffnungen P4 bilden einen Wasserstoffzufuhrkanal, die Öffnungen P5 bilden einen Kühlwasserauslasskanal, und die Öffnungen P6 bilden einen Luftauslasskanal. Die Öffnungen P1 und die Öffnungen P6 sind so verbunden, dass sie mit dem vorgenannten Luftkanal in Verbindung stehen, die Öffnungen P3 und die Öffnungen P4 sind so verbunden, dass sie mit einem Wasserstoffkanal in Verbindung stehen, und die Öffnungen P3 und P4 sind so verbunden, dass sie mit einem Kühlwasserkanal in Verbindung stehen.
Wie in 3(a) gezeigt, sind der erste Brennstoffzellenstapel 31 und der zweite Brennstoffzellenstapel 32 jeweils mit Endplatten 33 versehen, die die gleiche Kontur wie die Einzelzellen FC haben und an beiden Enden der Einzelzellen FC angeordnet sind; die beiden Endplatten 33 sind mit Bolzen oder dgl. aneinander befestigt, um einen integrierten Stapel von Einzelzellen FC zu bilden.
An einer Seite jeder Endplatte 33, die in Bezug auf das Fahrzeug die Innenseite ist, stehen Kupplungsstücke 34 vor, um eine Verbindung mit dem Befeuchter 20 herzustellen. Zwei Kupplungsstücke 34 sind für jede Endplatte 33 vorgesehen und sind an oberen und unteren Positionen davon angeordnet, während an vorderen und hinteren Enden jedes der ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 31, 32 die Endplatten 33 angeordnet sind, deren Anzahl insgesamt vier ist; somit sind die Kupplungsstücke 34 an insgesamt acht Positionen vorgesehen.
In dem Befeuchter 20 sind Kupplungsstücke 29 an Positionen ausgebildet, die den Kupplungsstücken 34 der Endplatten 33 entsprechen, d.h. an der oberen und unteren Position an den rechten und linken Seiten der vorderen und hinteren Enden davon.
Die Kupplungsstücke 34 der Endplatten 33 und die Kupplungsstücke 29 des Befeuchters 20 sind jeweils so konfiguriert, dass sie eine Befestigungsöffnung aufweisen, in die ein Bolzen eingesetzt und mit einer Mutter festgezogen wird, wodurch der erste Brennstoffzellenstapel 31, der Befeuchter 20 und der zweite Brennstoffzellenstapel 32 zu einer einzigen Einheit miteinander kombiniert werden. Es versteht sich, dass das Verfahren der Kupplung der Endplatten 33 und des Befeuchters 20 nicht auf dieses Verfahren beschränkt ist, sondern statt dessen auch z.B. Stapelbolzen/Muttern, Nieten, Schweißung etc. angewendet werden können.
Die vier Endplatten 33 sind jeweils an den Brennstoffzellenkasten 41 mit Befestigungsbeschlägen 30 von L-artigem Querschnitt befestigt (wobei nur die zwei hinten angeordneten dargestellt sind). Die Befestigungsbeschläge 30 und die Endplatten 33 sind mit Bolzen befestigt, und die Befestigungsbeschläge 30 und der Brennstoffzellenkasten 41 sind auch mit Bolzen befestigt. Obwohl nicht dargestellt, ist der Brennstoffzellenkasten 41 an einer Bodenplatte 42 (siehe 1) des Fahrzeugs befestigt.
Die Befestigungsbeschläge 35 sind an beiden Enden vorgesehen, die in beide Richtungen weisen, in denen die Brennstoffzellen gestapelt sind, sodass die Befestigungskraft des Brennstoffzellenblocks erhalten bleibt.
Wasserstoff, Luft und Kühlwasser, die den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln 31, 32 zuzuführen sind, werden durch Zufuhröffnungen oder Auslassöffnungen Q1 – Q6 diesen zugeführt und davon abgegeben. Für die Verteilung von Gasen zu den Zufuhröffnungen oder Auslassöffnungen Q1 – Q6 wird ein Verteiler 50 verwendet, der aus Aluminiumlegierung oder dgl. hergestellt ist. Der Verteiler 50 ist konfiguriert, um von dem Befeuchter 20 abgegebene Versorgungsluft in die ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 31, 32 einzuführen und um von den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln 31, 32 abgegebenes Abgas in den Befeuchter 20 einzuführen, und verbindet somit den Befeuchter 20 und die ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 31, 32 derart, dass sie diesen Zwecken dienen; weitere Details über die Gasverteilung in dem Verteiler 50 werden später beschrieben.
Da die ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 31, 32 beide mit dem Befeuchter 20 gekoppelt sind, um einen monolithischen Körper zu bilden, der wiederum an dem Brennstoffzellenkasten 41 befestigt ist, wie oben beschrieben, kann die Stabilität höher gemacht werden, und daher kann die Resonanzfrequenz ausreichend höher gemacht werden, um das Auftreten von Resonanz zu verhindern, im Vergleich zu einer Konfiguration, worin jede Komponente einzeln an dem Brennstoffzellenkasten 41 befestigt ist.
Ferner sind der Befeuchter 20 und die ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 31, 32 über die Kupplungsstücke 29, 34 miteinander kombiniert, sodass die relativen Positionen dieser Komponenten fixiert sind.
Dementsprechend findet, selbst wenn Vibrationen auf das Brennstoffzellensystem 2 übertragen werden, keine extra Spannungskonzentration an dem Verteiler 50 statt, und es kann an den Verbindungen zwischen dem Verteiler 50 und dem Befeuchter 20 oder den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln 31, 32 eine ausgezeichnete Gasdichtheit erhalten bleiben.
Die nächste Diskussion befasst sich mit den Details über den Befeuchter 20.
Wie in 4 gezeigt, ist der Befeuchter 20 als Befeuchter vom Membrantyp konfiguriert, der Hohlfasermembranen 21 verwendet (siehe 6) und ist aus zwei im Wesentlichen zylindrischen Befeuchtern 20a aufgebaut, die vertikal angeordnet sind. Jeder Befeuchter 20 enthält, wie in 6 gezeigt, ein Außenrohr 22, ein Innenrohr 23, das innerhalb des Außenrohrs 22 angeordnet ist, sowie Hohlfasermembranen 21, die wie Hohlfasern ausgestaltet sind, die aus einer wasserdurchlässigen Membran hergestellt sind, durch die Feuchtigkeit hindurchtreten kann, wobei die Hohlfasermembranen 21 in Längsrichtung des Außenrohrs 22 ausgerichtet und zwischen dem Außenrohr 22 und dem Innenrohr 23 gepackt sind. In Bezug auf den Brennstoffzellenstapel 30 sind die rohrförmigen Hohlfasermembranen 21 parallel zu einer Richtung ausgerichtet, in der die Einzelzellen FC gestapelt sind. Die Hohlfasermembranen 21 sind an ihren vorderen und hinteren Endabschnitten, die zur Bildung von Verbindungsabschnitten 21a aneinandergeklebt sind, gebündelt. Die Verbindungsabschnitte 21a sind auch an das Außenrohr 22 und das Innenrohr 23 geklebt, und daher sind die Bohrungen der Hohlfasermembranen 21 nur zu den Vorder- und Hinterenden des Außenrohrs 22 offen. An dem vorderen Endabschnitt des Außenrohrs 22 ist eine Kappe 24 vorgesehen, die ein Luftzufuhrrohr 24a bildet (Versorgungslufteinführöffnung), während an dem hinteren Endabschnitt davon eine Kappe 25 vorgesehen ist, die eine Luftauslassöffnung 25a bildet.
Eine Vielzahl von Poren 23a sind an einem Abschnitt ausgebildet, der von dem Außenrohr 22 abgedeckt ist und dem Hinterende näher ist (jedoch vor den Verbindungsabschnitten 21a angeordnet ist), und die Poren 23a verbinden die Innenseite des Innenrohrs 23 mit einem Raum, der angenähert mit den Hohlfasermembranen 21 gefüllt ist, jedoch außerhalb der Hohlfasermembranen 21 verbleibt. Eine Trennwand 23b, die die Bohrung des Innenrohrs 23 auf halbem Wege blockiert, ist innerhalb des Innenrohrs 23 an einer Position weiter vor den Poren 23a vorgesehen. Eine Mehrzahl von Abgaslüftungen 22a sind in einem Abschnitt, der dem Vorderende des Außenrohrs 22 näher ist, um dessen Umfang herum vorgesehen. Um die Abgaslüftungen 22a ist ein bandartiges Abgassammelrohr 22b über den gesamten Umfang herum ausgebildet, um das durch die Abgaslüftungen 22a abgegebene Abgas zu sammeln.
In diesem Befeuchter wird die Versorgungsluft, die durch das Luftzufuhrrohr 24a am Vorderende eingeführt wird, befeuchtet, während es durch die Bohrungen der Hohlfasermembranen 21 hindurchtritt und durch die Luftauslassöffnung 25a am Hinterende abgegeben wird. Andererseits wird das von dem Brennstoffzellenstapel 30 abgegebene Abgas vom Hinterende des Innenrohrs 23 her eingeführt, tritt durch die Poren 23a hindurch und fließt nach vorne durch den Raum, der angenähert mit den Hohlfasermembranen 21 gefüllt ist, jedoch außerhalb der Hohlfasermembranen 21 verbleibt. Dann tritt das Abgas, das aus dem Außenrohr 22 durch die Abgaslüftungen 22 hinaus gelangt, durch das Abgassammelrohr 22b hindurch und wird gesammelt.
Zurück zu 4, wird nachfolgend die Rohranordnung von dem Befeuchter 20 beschrieben.
An den Hinterenden der oberen und unteren Befeuchter 20a ist ein Abgaszufuhrrohr 23c vorgesehen, durch das Abgas, das von dem Brennstoffzellenstapel 30 abgegeben wird, eingeführt wird. Das Abgaszufuhrrohr 23c ist in zwei Abschnitte gegabelt, die zu den Innenrohren 23 (siehe 6) der oberen bzw. unteren Befeuchter 20a hin ausgerichtet und mit diesen verbunden ist. Die Abgassammelrohre 22b der oberen und unteren Befeuchter 20a sind an einer Seite, die zur linken Seite des Fahrzeugs weist (4 der Seite des Betrachters) zu einem Einzelrohr miteinander verbunden, das wiederum mit einem Abgasauslassrohr 26 verbunden ist (Reaktionsgasrohrleitung). Das Abgasauslassrohr 26 ist entlang einem Hohlraum angeordnet, der an einem Abschnitt ausgebildet ist, wo die oberen und unteren Befeuchter 20a miteinander in Kontakt stehen, um sich zur Rückseite des Fahrzeugs hin zu erstrecken. In anderen Worten, das Abgasauslassrohr 26 ist in einer Position angeordnet, die von den zwei Befeuchtern 20a und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 32 umgeben ist (siehe 3). Dementsprechend trägt diese Auslegung des Abgassammelrohrs 26 zur effektiven Raumnutzung und Miniaturisierung des Brennstoffzellensystems 2 bei.
Mit der oben beschriebenen Rohranordnung wird das Abgas, das von der Rückseite des Fahrzeugs durch das Abgaszufuhrrohr 23c und die Innenrohre 23 hindurchtritt, zur Außenseite der Hohlfasermembranen 21 in den Befeuchtern 20a geleitet, von den Abgassammelrohren 22b gesammelt und dann durch das Abgasauslassrohr 26 wieder zur Rückseite des Fahrzeugs ausgegeben (siehe 6).
Unterdessen ist, wie in 5 gezeigt, das Luftzufuhrrohr 24a vorne vorgesehen, d.h. an einer Position an der Vorderseite, die zur Vorderseite des Fahrzeugs weist. Das Luftzufuhrrohr 24a ist in drei Abschnitte verzweigt, von denen zwei zu den Kappen 24 hin ausgerichtet und damit verbunden sind, und der andere zu einem Befeuchterbypass 27 (Reaktionsgasrohrleitung) ausgerichtet und damit verbunden ist. Kanäle von diesen Kappen 25 an den Hinterenden und dem Befeuchterbypass 27 werden an einer Position an einer Rückseite zusammengefasst, die zur Rückseite des Fahrzeugs weist, und werden zusammen mit einem Luftauslassrohr 28 verbunden (zu einer Reaktionsgasauslassöffnung oder einer Versorgungsluftauslassöffnung). Der Befeuchterbypass 27 ist entlang einem Hohlraum angeordnet, der an einem Abschnitt ausgebildet ist, wo die oberen und unteren Befeuchter 20a miteinander in Kontakt stehen, um sich in der Vorne-Hinten-Richtung des Fahrzeugs zu erstrecken. Somit ist der Befeuchterbypass 27 an einer Position angeordnet, die von den zwei Befeuchtern 20a und dem ersten Brennstoffzellenstapel 31 umgeben ist (siehe 3); daher trägt diese Auslegung des Befeuchterbypasses 27 zu einer effektiven Raumnutzung und zur Miniaturisierung des Brennstoffzellensystems bei.
Mit der oben beschriebenen Rohranordnung wird die Versorgungsluft, die von der Vorderseite des Fahrzeugs durch das Luftzufuhrrohr 24a und die Kappen 24 hindurchtritt, in die Bohrungen der Hohlfasermembranen 21 eingeführt, worin sie befeuchtet wird, und wird durch die Kappen 25 und das Luftauslassrohr 28 zur Rückseite des Fahrzeugs ausgegeben (siehe 6).
Als Nächstes wird unten, in Bezug auf 7, die Rohranordnung für den Brennstoffzellenstapel 30 beschrieben.
In 7 ist der Verteiler 50 nicht dargestellt, und es sind nur die in dem Verteiler 50 vorgesehenen Kanäle darin gezeigt.
Wie in 7 gezeigt, ist das Luftauslassrohr 28 des Befeuchters 20 mit einem Luftzufuhrrohr 51 (Reaktionsgaszufuhrrohr) mit dem Verteiler 50 verbunden. Das Luftzufuhrrohr 51 ist in zwei Abschnitte gegabelt, die nach rechts und links ausgerichtet sind, und sind mit Luftzufuhröffnungen Q1 (Reaktionsgaszufuhröffnungen, AlRin) verbunden, die in einer oberen Reihe innerer Spalten für den (die) Brennstoffzellenstapel 30 angeordnet sind. Das Luftzufuhrrohr 51 ist an einem Verzweigungspunkt, der an einer Mittelposition zwischen den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) angeordnet ist, in zwei Abschnitte verzweigt, deren Längen von dem Verzweigungspunkt zu den Luftzufuhröffnungen Q1 gleich ausgebildet sind. Daher wird die Versorgungsluft den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) in gleichmäßig ausgeglichenen Proportionen zugeführt.
Luftauslassöffnungen Q6 (AlRout) sind in einer unteren Reihe äußerer Spalten für den (die) Brennstoffzellenstapel 30 vorgesehen. Kanäle zu den linken und rechten Luftauslassöffnungen Q6 sind in einer Abgasrohrleitung 52 zusammengefasst und sind gemeinsam mit einem Abgaszufuhrrohr 23c verbunden, das in der unteren Position des Befeuchters 20 angeordnet ist. Die Abgasrohrleitungen 52 sind in einer Mittelposition zwischen den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) zusammengefasst, und die Längen der Kanäle von den linken und rechten Luftauslassöffnungen Q6 zu einem Treffpunkt hin sind gleich ausgebildet. Daher wird das Abgas, das von den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) abgegeben wird, in gleichmäßig ausgeglichenen Proportionen dem Befeuchter 20 zugeleitet.
Wasserstoff wird von der Rückseite des Fahrzeugs zugeführt, tritt durch ein Wasserstoffzufuhrrohr 53 hindurch und wird in Wasserstoffzufuhröffnungen Q4 (H₂in) eingeführt, die in der oberen Reihe der äußeren Spalten für den (die) Brennstoffzellenstapel 30 vorgesehen ist. Das Wasserstoffzufuhrrohr 53 ist an einem Verzweigungspunkt, der in einer Mittelposition zwischen den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) angeordnet ist, in zwei Abschnitte verzweigt, deren Längen von dem Verzweigungspunkt zu den Wasserstoffzufuhröffnungen Q4 gleich ausgebildet sind. Daher wird der Wasserstoff den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) in gleichmäßig ausgeglichenen Proportionen zugeführt.
Wasserstoffauslassöffnungen Q3 (H₂out) sind in der untren Reihe der inneren Spalten für den Brennstoffzellenstapel 30 vorgesehen. Kanäle zu den linken und rechten Wasserstoffauslassöffnungen Q3 sind zusammengefasst und gemeinsam mit einem Wasserstoffauslassrohr 54 verbunden, durch das der Wasserstoff entlang einer Zentralleitung, die zwischen den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) angeordnet ist, zur Rückseite hin zirkuliert.
Kühlwasser wird von der Vorderseite des Fahrzeugs eingeführt, umgeht die rechte Seite der (des) Brennstoffzellenstapel(s) 30 und wird zur Rückseite des Fahrzeugs hin, geleitet. Das Kühlwasser, das durch ein Kühlwasserzufuhrrohr 55 hindurchtritt, wird an dem Verzweigungspunkt davon, der an einer Mittelposition zwischen den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) angeordnet ist, nach links und rechts aufgeteilt und in Kühlwasserzufuhröffnungen Q2 (COOLin) eingeführt, die in einer mittleren Reihe der inneren Spalten für den (die) Brennstoffzellenstapel 30 vorgesehen sind. Das Kühlwasser wird, nachdem es durch den (die) Brennstoffzellenstapel 30 hindurchgetreten ist, um für eine Kühlung zu sorgen, durch Kühlwasserauslassöffnungen Q5 ausgegeben, die in der mittleren Reihe der äußeren Spalten vorgesehen sind. Ein Kühlwasserauslassrohr 57, das mit den Kühlwasserauslassöffnungen Q5 verbunden ist, ist so konfiguriert, dass das von den linken und rechten Brennstoffzellenstapeln 30 abgegebene Kühlwasser sich an der linken Seite im Fahrzeug trifft, und zum Kühler 13 (siehe 1), der vorne im Fahrzeug angeordnet ist, zirkuliert.
Die Rohranordnung, die das Luftzufuhrrohr 51, die Abgasrohrleitung 52, das Wasserstoffzufuhrrohr 53, das Wasserstoffauslassrohr 54, das Kühlwasserzufuhrrohr 55, das Kühlwasserverbindungsrohr 56 und das Kühlwasserauslassrohr 57 enthält, wie oben beschrieben, sind miteinander kombiniert und als monolithischer Verteiler 50 konfiguriert. Daher kann die Rohrinstallation für den (die) Brennstoffzellenstapel 30 und den Befeuchter 20 fertiggestellt werden, indem lediglich eine einzige Einheit des Verteilers 50 an dem (den) Brennstoffzellenstapel(n) und dem Verteiler 20 befestigt wird.
Nun wird eine Beschreibung der Funktionsweisen und vorteilhafter Effekte des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs 1 und des Brennstoffzellensystems 2, die wie oben beschrieben konstruiert sind, angegeben.
Wasserstoff, der von dem Hochdruckwasserstofftank 11 als Wasserstoffzufuhrvorrichtung, wie in 1 gezeigt, zugeführt wird, wird zu einem in der Breite mittleren Abschnitt des Verteilers 50 zugeführt, wie in 7 gezeigt, nach links und rechts durch das Wasserstoffzufuhrrohr 53 verteilt und in die Wasserstoffzufuhröffnungen Q4 eingeführt. Da in dieser Stufe die Längen der Abschnitte von dem Verzweigungspunkt zu den Wasserstoffzufuhröffnungen Q4 so konfiguriert sind, dass sie gleich sind, wird der Wasserstoff auf sowohl den ersten Brennstoffzellenstapel 31 als auch den zweiten Brennstoffzellenstapel 32 in gleichmäßig ausgeglichenen Proportionen verteilt.
Somit ist der Hochdruckwasserstofftank 11 hinten im Fahrzeug angeordnet und der Wasserstoff wird den zwei Brennstoffzellenstapeln 30 (31, 32) von der Rückseite davon zuführt und wird von derselben Rückseite her abgegeben, sodass die Rohrleitung für Wasserstoff so kurz wie möglich ausgestaltet werden kann und eine Reduktion von Gewicht und Kosten des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs 1 erleichert werden kann.
Versorgungsluft, die von dem Kompressor 12 zugeführt wird, wie in 1 gezeigt, tritt in die Befeuchter 20 (20a) durch das Luftzufuhrrohr 24 ein, das an der Vorderseite davon angeordnet ist, wie in 3 gezeigt, sodass sie einer Befeuchtung unterzogen wird, und wird danach durch das Luftauslassrohr 28 abgegeben, das an der Rückseite davon angeordnet ist. Dann wird, wie in 7 gezeigt, die durch das Luftzufuhrrohr 21 hindurchtretende Versorgungsluft nach links und nach rechts aufgeteilt und durch die Luftzufuhröffnungen Q1 in den (die) Brennstoffzellenstapel 30 eingeführt.
Bei diesem Vorgang wird die Feuchtigkeit der im Befeuchter 20 befeuchteten Versorgungsluft allmählich angehoben, wobei aber auch wegen der Wärme, die von dem ersten Brennstoffzellenstapel 31 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 32, die an beiden Seiten des Befeuchters 20 angeordnet sind, ausgeht, deren Temperatur angehoben wird. Demzufolge kann eine Kondensation unterdrückt werden, die anderenfalls tendenziell aufgrund des Feuchtigkeitsanstiegs der Versorgungsluft auftreten würde.
Weil darüber hinaus die Längen des Luftzufuhrrohrs 51 von dem Verzweigungspunkt zu den rechten und linken Luftzufuhröffnungen Q1 so konfiguriert sind, dass sie gleich sind, kann die Versorgungsluft auf sowohl den ersten Brennstoffzellenstapel 31 als auch den zweiten Brennstoffzellenstapel 32 in gleichmäßig ausgeglichenen Proportionen verteilt werden.
Abgas, das durch die Luftauslassöffnungen Q6 abgegeben wird, die an rechten und linken Positionen des Brennstoffzellenstapels 30 angeordnet sind, wird durch die Abgasrohrleitung 52 zusammengefasst, wie in 7 gezeigt, und in das Abgaszufuhrrohr 23c des Befeuchters 20 eingeführt. Das Abgas, das in den Befeuchter 20 eingetreten ist, befeuchtet die Versorgungsluft durch die Hohlfasermembranen 21 in dem Befeuchter 20 und fließt dann durch das vorne angeordnete Abgassammelrohr 22b, sodass es aus dem Außenrohr 22 austritt. Das Abgas, das weiter durch das Abgasrohr 26 oberhalb des Verteilers 50 geleitet wird, wird durch eine Rohrleitung (nicht gezeigt) zur Rückseite des Fahrzeugs abgegeben.
Somit wird die Luft von dem Kompressor 12 zum Vorderende der (des) Befeuchter(s) 20 zugeführt und befeuchtet, während sie durch den (die) Befeuchter 20 nach hinten strömt. Vom Hinterende der (des) Befeuchter(s) 20 abgegeben, wird die Luft nach links und nach rechts in dem Verteiler 50 verteilt und den Brennstoffzellenstapeln 30 zugeführt. Abgas, das vom Hinterende der Brennstoffzellenstapel 30 abgegeben wird, wird zum Hinterende der (des) Befeuchter(s) 20 geleitet, und nachdem es durch den (die) Befeuchter 20 hindurchgetreten ist, wird es zur Rückseite des Fahrzeugs abgegeben. Weil der Kompressor 12, der vorne im Fahrzeug angeordnet ist, mit dem Vorderende der (des) Befeuchter(s) 20 verbunden ist, kann dementsprechend die Rohrleitung für die Luft kurz gemacht werden, und die Rohrleitung zwischen dem (den) Befeuchter(n) 20 und den Brennstoffzellenstapeln 30, durch Nutzung des Vorteils des Verteilers 50, so kurz wie möglich gemacht werden.
Kühlwasser, das in dem Kühler 13 gekühlt worden ist, der vorne im Fahrzeug angeordnet ist, läuft um die rechte Seite der Brennstoffzellenstapel 30 herum nach hinten und tritt in die zwei Brennstoffzellenstapel 30 (31, 32) ein; nachdem es darin zirkuliert ist, wird das Kühlwasser von der linken Seite des Hinterendes des zweiten Brennstoffzellenstapels 32 abgegeben und läuft um die linke Seite der Brennstoffzellenstapel 30 herum zurück zum Kühler 13, der vorne im Fahrzeug angeordnet ist.
Bei diesem Vorgang läuft die Rohrleitung für das Kühlwasser von dem Kühler 13, der vorne im Fahrzeug angeordnet ist, geht um die Brennstoffzellenstapel 30 herum, um die Rückseite der Brennstoffzellenstapel 30 zu erreichen, und ist daher lang. Da die Rohrleitung für Kühlwasser geerdet sein sollte, und je länger der Abstand von den Brennstoffzellen zu einer Masse der Rohrleitung ist, desto weniger wahrscheinlich eine Leckage auftreten würde, wäre die Umgehung auf ein gewisses Ausmaß wünschenswert.
Der Brennstoffzellenstapel 30 gemäß der vorliegenden Ausführung ist so konfiguriert, dass er zwei separate Einheiten hat, mit Zufuhr- und Auslassöffnungen Q1 – Q6 für Luft und Wasserstoff, die an einer gemeinsamen Endfläche davon konzentriert sind, und diese Konstruktion hat die folgenden Vorteile.
8 ist ein schematisches Diagramm des Brennstoffzellenstapels 30 und des Befeuchters 20, in Betrachtung von oben. Einzelzellen FC des ersten Brennstoffzellenstapels 31 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 32 sind alle in Serie geschaltet; d.h. die Verbindungsreihenfolge ist: das Vorderende und das Hinterende des ersten Brennstoffzellenstapels, und das Hinterende und das Vorderende des zweiten Brennstoffzellenstapels, wobei das Potenzial in dieser Folge zunimmt. Genauer gesagt, in Bezug auf die Bezugszeichen von 8, nimmt das Potenzial bei V₁, V₂, V₃ und V₄ in dieser Reihenfolge zu. Hierbei liegen das Potenzial V₂ und das Potenzial V₃ an elektrisch durchgehenden Einzelzellen FC an, und daher messen die beiden Potenziale im Wesentlichen das gleiche Potenzial. Dementsprechend sind die Rohrleitung für Wasserstoff, Luft und Kühlwasser an der Seite konzentriert, die im Wesentlichen dasselbe Potenzial hat, sodass die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Kurzschlusses minimiert werden kann.
Obwohl oben einige Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, und sie kann mit verschiedenen Modifikationen und Änderungen implementiert werden, die bei Bedarf durchgeführt werden. Z.B. kann der Befeuchter 20 mehr als zwei Sätze von Befeuchtern aufweisen, und/oder die Anordnung des Abgasauslassrohrs 26 und des Befeuchterbypasses 27 oder dgl. können von links nach rechts umgekehrt werden.
Obwohl die Einheiten des Brennstoffzellenstapels 30 relativ zur Horizontalen Seite an Seite benachbart angeordnet sind, können sie auch in der Vorne-Hinten-Richtung einander benachbart angeordnet werden. In einer Ausführung, wo drei oder mehr Brennstoffzellenstapel vorgesehen sind, kann der oder können die Befeuchter zwischen benachbarten Brennstoffzellenstapeln angeordnet werden.
In der dargestellten Ausführung sind die Brennstoffzellen durch solche exemplifiziert, die Wasserstoff als Brenngas verwenden, und Sauerstoffgas als Oxidationsgas; jedoch ist die vorliegende Erfindung darauf nicht eingeschränkt und es können auch andere Arten von Reaktionsgasen verwendet werden. Der Befeuchter ist nicht auf solche beschränkt, die zur Befeuchtung von Luft (Oxidationsgas) konfiguriert sind, sondern kann auch konfiguriert sind, um Brenngas zu befeuchten, oder sowohl Brenngas als auch Oxidationsgas.
Das Brennstoffzellensystem 2 kann nicht nur auf ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug angewendet werden, sondern auch auf eine Stromversorgung für Haushaltsanwendungen.
Zusammenfassung
Es wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, das kompakt ist und eine stabilisierte Leistung hat. Das Brennstoffzellensystem enthält zwei Brennstoffzellenstapel, oder einen ersten Brennstoffzellenstapel (31) und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (32), einen Hochdruckwasserstofftank (11) als Wasserstoffzufuhrvorrichtung zum Zuführen von Wasserstoff zu den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln (31, 32), einen Kompressor (12) als Luftzufuhrvorrichtung zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel sowie einen Befeuchter (20) zum Befeuchten von Luft, die den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln (31, 32) zuzuführen ist. Der Befeuchter (20) ist zwischen den ersten und zweiten Brennstoffzellenstapeln (31, 32) angeordnet; eine Versorgungsluftauslassöffnung des Befeuchters (20) und Luftzufuhröffnungen (Q1) der ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel (31, 32) sind durch Luftzufuhrrohre (51) verbunden, die die gleiche Länge haben.

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: zumindest zwei Brennstoffzellenstapel, die konfiguriert sind, um zugeführte, ein Oxidationsgas und ein Brenngas aufweisende Reaktionsgase aufzunehmen, um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen; einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um zumindest eines der den Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgase zu befeuchten; sowie ein Reaktionsgaszufuhrrohr, das konfiguriert ist, um das Reaktionsgas von einer Reaktionsgasauslassöffnung des Befeuchters zu Reaktionsgaszufuhröffnungen von zwei der Brennstoffzellenstapel zu leiten, worin der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist; und worin das Reaktionsgaszufuhrrohr an einem Verzweigungspunkt in zwei Abschnitte verzweigt ist, die jeweils zu den zwei Brennstoffzellenstapeln hin ausgerichtet sind, wobei die Längen der Abschnitte von dem Verzweigungspunkt zu den Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen gleich sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Befeuchter als Befeuchter vom Membrantyp konfiguriert ist, um Feuchtigkeit, die in von den Brennstoffzellenstapeln abgegebenem Abgas enthalten ist, durch eine wasserdurchlässige Membrane auf das Reaktionsgas zu überführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, worin die wasserdurchlässige Membrane in einer Form ist, die aus in einer Richtung ausgerichteten Hohlfasern gebildet ist, worin jeder Brennstoffzellenstapel aus Einzelzellen aufgebaut ist, die in einer Längsrichtung der rohrförmigen wasserdurchlässigen Hohlfasermembrane gestapelt sind, worin die Reaktionsgaszufuhröffnung in einer Endfläche des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist, die in eine Richtung weist, in der die Einzelzellen gestapelt sind, und worin die Reaktionsgasauslassöffnung zur gleichen Richtung hin orientiert ist, in der die zwei Reaktionsgaszufuhröffnungen weisen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, worin die zwei Brennstoffzellenstapel relativ zur Horizontalen Seite an Seite angeordnet sind, und worin der Befeuchter zumindest zwei Sätze von im Wesentlichen zylindrischen Befeuchtern umfasst, die vertikal einander benachbart angeordnet sind, und ein Abgasauslassrohr, das konfiguriert ist, um das von dem Befeuchter abgegebene Abgas zu leiten, an einer Position angeordnet ist, die von zwei Sätzen der Befeuchter und einem der Brennstoffzellenstapel umgeben ist.
Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, wobei das Brennstoffzellensytem umfasst: zwei Brennstoffzellenstapel; eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung, die konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln Wasserstoff zuzuführen; eine Luftzufuhrvorrichtung, die konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln Luft zuzuführen; sowie einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um die den Brennstoffzellenstapeln zuzuführende Luft zu befeuchten, worin die Brennstoffzellenstapel und der Befeuchter unter einem Boden des Fahrzeugs, quer in Bezug auf das Fahrzeug, angeordnet sind, wobei die zwei Brennstoffzellenstapel jeweils links und rechts um den Befeuchter herum symmetrisch angeordnet sind, wobei die Luftzufuhrvorrichtung an der Vorderseite der Brennstoffzellenstapel und des Befeuchters angeordnet ist, wobei die Wasserstoffzufuhrvorrichtung an der Rückseite der Brennstoffzellenstapel und des Befeuchters angeordnet ist, wobei der Befeuchter eine Versorgungslufteinführöffnung, die zur Vorderseite des Fahrzeugs weist, und eine Versorgungsluftauslassöffnung, die zur Rückseite des Fahrzeugs weist, umfasst, und wobei die Brennstoffzellenstapel jeweils eine Luftzufuhröffnung und eine Wasserstoffzufuhröffnung aufweisen, die beide zur Rückseite des Fahrzeugs weisen.
Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, das ferner ein Kühlwasserzufuhrrohr aufweist, das konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln zuzuführendes Kühlwasser zu leiten, wobei ein Luftzufuhrrohr, das konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln zuzuführende Luft zu leiten, und ein Wasserstoffzufuhrrohr, das konfiguriert ist, um den Brennstoffzellenstapeln zuzuführenden Wasserstoff zu leiten, sowie auch das Kühlwasserzufuhrrohr zur Bildung eines monolithischen Verteilers miteinander kombiniert sind.
Brennstoffzellensystem, umfassend: zumindest zwei Brennstoffzellenstapel, die konfiguriert sind, um zugeführte, ein Oxidationsgas und ein Brenngas aufweisende Reaktionsgase aufzunehmen, um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen, sowie einen Befeuchter, der konfiguriert ist, um zumindest eines der den Brennstoffzellenstapeln zuzuführende Reaktionsgase zu befeuchten, worin der Befeuchter zwischen den zwei Brennstoffzellenstapeln angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, worin die Brennstoffzellenstapel jeweils Endplatten aufweisen, die an beiden Enden gestapelter Einzelzellen vorgesehen sind, und der Befeuchter und die Endplatten der Brennstoffzellenstapel miteinander gekoppelt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, worin die zwei Brennstoffzellenstapel und der Befeuchter innerhalb eines Brennstoffzellenkastens angeordnet sind, und die Endplatten der zwei Brennstoffzellenstapel an dem Brennstoffzellenkasten befestigt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, worin die zwei Brennstoffzellenstapel relativ zur Horizontalen Seite an Seite angeordnet sind; und worin der Befeuchter zumindest zwei Sätze von im Wesentlichen zylindrischen Befeuchtern umfasst, die vertikal einander benachbart angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, das Reaktionsgasrohre aufweist, die konfiguriert sind, um die Reaktionsgase zu leiten, und in einer Position angeordnet sind, die von zwei Sätzen der Befeuchter und einem der Brennstoffzellenstapel umgeben ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, worin der Befeuchter als Befeuchter vom Membrantyp konfiguriert ist, um die Reaktionsgase durch eine wasserdurchlässige Hohlfasermembrane hindurch zu befeuchten; und worin die wasserdurchlässige Hohlfasermembrane gebündelte Hohlfasern enthält, die jeweils eine rohrartige Form haben, deren Längsrichtung parallel zu einer Richtung ist, in der die Einzelzellen der Brennstoffzellenstapel gestapelt sind.