DE112011101825B4

DE112011101825B4 - Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs

Info

Publication number: DE112011101825B4
Application number: DE112011101825.8T
Authority: DE
Inventors: Ryuji Ohtsuka; Tohru Otha; Yoshimasa Matsumoto; Kengo Ikeya
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: GB2493304A; WO2011148927A1; US8824876B2; GB2493304B; US20130094842A1; DE112011101825T5; CN102892610A; JP5664648B2; GB201219030D0; CN102892610B; JPWO2011148927A1

Abstract

In einer Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs hat die Abgasungsvorrichtung einen Abgaskanal, durch den Wasserstoff und Luft, die, ohne in einem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel verbraucht zu werden, abgegeben werden, zur Außenseite des Fahrzeugs hin geleitet werden, der zusammengesetzt ist aus einem unterseitigen Abgaskanal und einem oberseitigen Abgaskanal, die vertikal verzweigt sind, und darin erstreckt sich der unterseitige Abgaskanal von einem Abgasauslassbereich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels her zur unteren Seite des Fahrzeugs hin und der stromabwärtige Endbereich des unterseitigen Abgaskanals ist an einem unteren Bereich des Frontraumes geöffnet, während der oberseitige Abgaskanal sich von einem oberen Bereich einer äußeren Wand des unterseitigen Abgaskanals her zur Oberseite des Fahrzeugs hin erstreckt, wobei die äußere Wand sich zur unteren Seite des Fahrzeugs hin erstreckt, und der stromabwärtige Endbereich des oberseitigen Abgaskanals ist zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube und dem vorderen Endbereich der Frontscheibe geöffnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs, und speziell auf eine Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs, die die Abgasleistung eines luftgekühlten Brennstoffzellenstapels, der in einem Frontraum des Fahrzeugs angeordnet ist, verbessert, und die das Eindringen von Wasser und von Fremdkörpern in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel verhindert.
In Fahrzeugen, in denen ein Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellenzellen gebildet ist, als Antriebsenergiequelle verwendet wird, wird im Allgemeinen ein Wasserkühlungssystem zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels angewendet (wassergekühlter Brennstoffzellenstapel). In dem Fall, wenn ein wassergekühltes Brennstoffzellenfahrzeug, in dem ein wassergekühlter Brennstoffzellenstapel angewendet wird, wird für gewöhnlich Luft, die durch einen Hochdruckkompressor komprimiert worden ist, dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, und Abgas wird im Allgemeinen von einem Abgasrohr, das zur Rückseite des Fahrzeugs hin ausgedehnt ist, zur Außenseite des Fahrzeugs ausgelassen ( JP 2010-15845 A ).
5 zeigt eine allgemeine Systemanordnung eines herkömmlichen wassergekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs. In einem wassergekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystem 101, das in 5 gezeigt ist, wird Energieerzeugung durch eine Vielzahl von Brennstoffzellenzellen ausgeführt, die in einem wassergekühlten Brennstoffzellenstapel 104 gestapelt sind, auf die Weise, dass komprimiertes Wasserstoffgas, das in einem Hochdruckwasserstofftank 102 gelagert ist, in einen Anodenaufnahmebereich 105 des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 über ein Druckminderventil 103 eingeleitet wird, und dass auf der anderen Seite die Außenluft, die durch einen Filter 106 eingezogen wird und die als ein Reaktionsgas zum Reagieren mit dem Wasserstoff verwendet wird, durch einen Kompressor 107 komprimiert wird, um in einen Kathodeneinlassbereich 108 des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 eingeleitet zu werden. Nachdem ein Anteil von Feuchtigkeit im Kathodenabgas, das von einem Kathodenabgasungsbereich 109 des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 abgegeben wurde, mittels eines Gas-Flüssig-Abscheiders 110 abgeschieden worden ist, wird das Kathodenabgas über ein Gegendruckventil 111, das zum Kontrollieren des Drucks des Kathodensystems verwendet wird, in die Umgebungsluft abgegeben. Darüber hinaus wird in ähnlicher Weise Anodenabgas, das von einem Anodenabgasungsbereich 112 des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 abgegeben wird, ebenfalls durch einen Gas-Flüssig-Abscheider 113 geschickt und in das Kathodenabgas mittels eines Entlüftungsventils 114 eingemischt. Die Menge (Flussrate) des Spülwasserstoffs, der von dem Anodenabgasungsbereich 112 abgegast wird, ist hinreichend klein im Vergleich mit der Menge des Kathodenabgases. Aus diesem Grund kann der Spülwasserstoff, der von dem Anodenabgasungsbereich 112 abgegast wird, zur Außenluft abgegeben werden, nachdem die Konzentration des Spülwasserstoffs durch das Kathodenabgas auf höchstenfalls eine untere Explosionsgrenzenkonzentration von 4% vermindert worden ist. Es bleibt festzuhalten, dass es auch einige Systeme gibt, die derart eingerichtet sind, das Anodenabgas mittels einer Wasserstoffpumpe 115 wieder dem Anodeneinlassbereich 105 zuzuführen.
In einem Kühlsystem 116 des wassergekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystems 101 ist eine Wasserpumpe 117 in einer Stufe, die der Brennstoffzelle in dem Kühlkreislauf vorgelagert oder nachgelagert ist, bereitgestellt, um Kühlwasser mit Druck zuzuführen. Nach dem Kühlen des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 wird das Kühlwasser einem Wärmeaustausch mit der Atmosphäre in einem Kühlkörper 118 ausgesetzt, und wird daraufhin zu dem wassergekühlten Brennstoffzellenstapel 104 zurückgeführt. In dem Kühlsystem 116 werden in Parallelschaltung mit dem Kühlkörper 118 ein Heizkern 120 des Innenraums des Fahrzeugraumes und ein Regelventil 119, die in Serie miteinander geschaltet sind, bereitgestellt. Wenn der Fahrzeugraum geheizt werden muss, wird das Heizen durch Öffnen des Regelventils 119 zum Bereitstellen von hochtemperiertem Kühlwasser an den Heizkern 120 und durch Antreiben eines Luft blasenden Gebläses 121 durchgeführt. Allerdings ist die Menge von Restwärme des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 im Vergleich mit der Menge von Wärme, die von einem internen Verbrennungsmotor erzeugt wird, sehr klein, und deshalb wird für gewöhnlich eine andere unterstützende Wärmequelle, wie beispielsweise ein elektrischer Heizer, zusätzlich zu dem Heizkern 120 eingesetzt.
Das oben beschriebene wassergekühlte Brennstoffzellenfahrzeugsystem 101 ist mit vielen unterstützenden Einheiten einschließlich des Kompressors 107 zum Komprimieren der zugeführten Luft ausgestattet, um die Ausgabeenergiedichte des wassergekühlten Brennstoffzellenstapels 104 zu erhöhen. Aus diesem Grund ist in dem wassergekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystem 101 das System kompliziert und außerdem sind die Größe, das Gewicht und die Kosten des Systems erhöht.
Auf der anderen Seite existiert ein luftgekühltes Brennstoffzellenfahrzeug, in dem das System derart vereinfacht ist, dass unterstützende Einheiten, so wie ein Kompressor, weitestgehend eliminiert sind, und dass ein Luftkühlungssystem (luftgekühlter Brennstoffzellenstapel) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels verwendet wird. In dem Fall des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel eingesetzt wird, wird Luft, die als Reaktionsgas und gleichermaßen als Kühlmedium dient, bei einem verringerten Druck über ein Luftzuführungsgebläse anstelle eines Hochdruckkompressors zugeführt ( JP 2001-229948 A ).
Das US-Patent US 6 302 228 B1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, um Wärmeenergie aus einem Raum abzuleiten. Die Wärmeenergie wird aus einem Raum, der eine Wärmekraftmaschine enthält, entfernt, indem Luft aus dem Raum durch mindestens eine Öffnung eines sich durch den Raum erstreckenden Kanals eingesogen wird, wobei in dem Kanal Luft strömt, die von einer Seite in den Raum eintritt und nach außen zu einem Bereich mit verringertem Druck hin abgegeben wird.
Das US-Patent US 5 490 572 A beschreibt ein Batterietemperatursteuersystem in einem elektrischen Auto, das mit einer Klimaanlage ausgestattet ist, um einem Fahrgastraum kalte oder warme Luft zuzuführen und das unter Verwendung von Batterien als Energiequelle fährt, die in einer Batteriekammer untergebracht sind. Das System umfasst einen Batterietemperatursensor zum Erfassen der Temperatur einer Batterie, eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, die Klimaanlage in einem Luftkühlungsmodus zu betreiben, wenn die vom Temperatursensor erfasste Batterietemperatur höher als ein vorgegebener oberer Grenzwert ist, und in einem Lufterwärmungsmodus zu betreiben, wenn die vom Temperatursensor erfasste Batterietemperatur niedriger als ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist. In der Batteriekammer ist ein Lufteinlass vorgesehen, um der Batteriekammer die von der Klimaanlage bereitgestellte Luft zuzuführen. Um auch bei niedriger Umgebungstemperatur eine ausreichend warme Luft zu erhalten, wird außerdem ein zusätzlicher Wärmetauscher bereitgestellt, der durch das Verbrennungsheizgerät erwärmt wird.
Zitationsliste

Japanische Offenlegungsschrift JP 2010-15845 A
Japanische Offenlegungsschrift JP 2001-229948 A
US-Patent US 6 302 228 B1
US-Patent US 5 490 572 A

Allerdings ist in dem Fall eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel verwendet wird, bevorzugt, den Abgasdruckverlust so stark wie möglich zu reduzieren aus Gründen, wie beispielsweise dem Bedarf, den Energieverbrauch des Luftzuführungsgebläses zum Zuführen von Luft, die gleichermaßen als Reaktionsgas wie auch als Kühlmedium dient, so stark wie möglich zu reduzieren. Wie in vielen luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugen ist es notwendig, die Menge und den Druck der Luft, die über das Luftzuführungsgebläse zugeführt wird, signifikant zu erhöhen, was zu einem erhöhten Energiebedarf führt, um zu ermöglichen, dass das Abgasrohr bis zur hinteren Seite des Fahrzeugs hin verlängert werden kann.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein luftgekühltes Brennstoffzellenfahrzeug, das mit einem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel ausgestattet ist, zu dem Luft, die gleichermaßen als Reaktionsgas wie auch als Kühlmedium dient, zugeführt wird, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Abgasungsleistung eines Abgaskanals zum Auslassen von überschüssiger Luft und Wasserstoffgas aus dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel zu verbessern und zu verhindern, dass Wasser und Fremdkörper in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel eindringen.
Die vorliegende Erfindung ist, eine Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs bereitzustellen, in dem ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel, dem Luft, die gleichermaßen als Reaktionsgas wie auch als Kühlmedium dient, zugeführt wird, in einem Frontraum unter einer Fronthaube angeordnet ist und in welchem Wasserstoff und Luft, die, ohne in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel verbraucht zu werden, abgegeben werden, zur Außenseite des Fahrzeugs durch einen Abgaskanal geleitet werden, der mit einem hinteren Bereich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wobei die Abgasungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abgaskanal aus einem unterseitigen Abgaskanal und einem oberseitigen Abgaskanal, die vertikal verzweigt sind, zusammengesetzt ist, und darin, dass der unterseitige Abgaskanal von dem Abgasauslassbereich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels her sich in Richtung der unteren Seite des Fahrzeugs erstreckt, und der stromabwärtige Endbereich des unterseitigen Abgaskanals an einem unteren Bereich des Frontraumes geöffnet ist, während sich der oberseitige Abgaskanal von einem oberen Bereich einer äußeren Wand des unterseitigen Abgaskanals her zur oberen Seite des Fahrzeugs hin erstreckt, wobei sich die äußere Wand zur unteren Seite des Fahrzeugs hin erstreckt, und der stromabwärtige Endbereich des oberseitigen Abgaskanals zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube und dem vorderen Endbereich einer Frontscheibe geöffnet ist.
In der Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der Abgaskanal des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels zusammengesetzt aus dem unterseitigen Abgaskanal und dem oberseitigen Abgaskanal, die vertikal verzweigt sind, wodurch der Korridorquerschnittsbereich des Abgaskanals vergrößert ist, um den Lüftungsverlust zu verringern. Außerdem ist in der Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs entsprechend der vorliegenden Erfindung der unterseitige Abgaskanal von dem Abgasauslassbereich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels ausgehend zur unteren Seite des Fahrzeugs hin ausgedehnt, und der stromabwärtige Endbereich des unterseitigen Abgaskanals ist an einem unteren Bereich des Frontraumes geöffnet, während der oberseitige Abgaskanal von einem unteren Bereich einer äußeren Wand des unterseitigen Öffnungsbereichs ausgehend zur oberen Seite des Fahrzeugs hin ausgedehnt ist, wobei sich die äußere Wand zur unteren Seite des Fahrzeugs hin erstreckt und der stromabwärtige Endbereich des oberseitigen Abgaskanals zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube und dem vorderen Endbereich der Frontscheibe geöffnet ist. Aus diesem Grund kann in der Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs entsprechend der vorliegenden Erfindung der oberseitige Abgaskanal nach einer kürzesten Strecke aufwärts geöffnet werden. Dadurch kann die Abgasungsleistung von Wasserstoffgas, das ein spezifisches Gewicht aufweist, das kleiner ist als das von Luft, verbessert werden, und Wasser und Fremdkörper, die in den oberseitigen Abgaskanal von dem stromabwärtigen Endbereich des oberseitigen Abgaskanals hineinfließen, werden dazu gebracht, in Richtung des unterseitigen Abgaskanals zu fließen, sodass das Wasser und die Fremdkörper daran gehindert werden können, in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel einzudringen.
1 ist eine Querschnittsseitenansicht eines Frontbereichs eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs. (Beispiel)
2 ist eine Aufsicht des Frontbereichs eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs. (Beispiel)
3 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzellenzelle eines luftgekühlten Brennstoffzellenstapels.
4 ist ein Blockdiagramm eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystems. (Beispiel)
5 ist ein Blockdiagramm eines wassergekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystems. (nach Stand der Technik)
Im Folgenden wird ein Beispiel entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die 1 bis 4 zeigen ein Beispiel entsprechend der vorliegenden Erfindung. In den 1 und 2 beschreibt das Bezugszeichen 1 ein luftgekühltes Brennstoffzellenfahrzeug, das Bezugszeichen 2 eine Frontstoßstange, das Bezugszeichen 3 eine rechte Kotflügelschürze, das Bezugszeichen 4 eine linke Kotflügelschürze, das Bezugszeichen 5 ein Armaturenbrett, das Bezugszeichen 6 eine Fronthaube, das Bezugszeichen 7 einen Frontraum, das Bezugszeichen 8 eine Frontscheibe, das Bezugszeichen 9 eine Dachplatte, das Bezugszeichen 10 eine Bodenplatte, das Bezugszeichen 11 einen Fahrzeugraum und das Bezugszeichen 12 ein Vorderrad. In dem luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeug 1 ist der Frontraum 7 dadurch gebildet, dass er von der Frontstoßstange 2, den linken und rechten Kotflügelschürzen 3, 4 und dem Armaturenbrett 5 umgeben wird, und dadurch, dass er durch die Fronthaube 6 bedeckt wird. Der Fahrzeugraum 11, der umgeben wird von der Frontscheibe 8, der Dachplatte 9, der Bodenplatte 10 und rechten und linken Türen, ist auf der Rückseite des Armaturenbretts 5 gebildet.
In dem luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeug 1 ist in dem Frontraum 7 ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel 14 eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystems 13 angeordnet. Wie in 3 gezeigt ist, ist in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 der Stapel für gewöhnlich durch Stapeln vieler kleinster struktureller Einheiten, die als Brennstoffzellenzellen 15 bezeichnet werden, gebildet. In dieser Anordnung wird Elektrizität durch elektrochemische Reaktion erzeugt und bedingt durch die Erzeugung der Elektrizität wird Wasser produziert.
In einem herkömmlichen Festkörperpolymer-Brennstoffzellenstapel ist jede der Brennstoffzellenzellen 15 so eingerichtet, dass die Diffusionsschichten 18 und 19 sandwichartig zwischen einer Anodenelektrode 16 und einer Kathodenelektrode 17, die jeweils Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) als ein Reaktionsgas bereitstellen, angeordnet sind, und so, dass zwischen den Diffusionsschichten 18 und 19 Katalysatorschichten 20 und 21, zwischen denen eine Elektrolytmembran 22 zum selektiven Passierenlassen von Wasserstoffionen sandwichartig angeordnet ist, zum Aktivieren der Reaktion sandwichartig angeordnet sind.
Wasserstoffmoleküle, die der Anodenelektrode 16 zugeführt werden, wandeln sich in aktive Wasserstoffatome in der Katalysatorschicht 20, die auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 22 auf Seiten der Anodenelektrode 16 bereitgestellt ist, und wandeln sich weiter in Wasserstoffionen, indem sie Elektronen freisetzen. Die Reaktion, die durch (1) in 3 angedeutet wird, wird ausgedrückt durch die folgende chemische Formel 1. H₂ → 2H⁺ + 2e^– [Formel 1]
Die Wasserstoffionen, die gemäß der chemischen Formel 1 gebildet werden, werden durch die Elektrolytmembran 22 von Seiten der Anodenelektrode 16 zusammen mit der Feuchtigkeit, die in der Elektrolytmembran 22 enthalten ist, zur Seite der Kathodenelektrode 17 bewegt, während Elektronen von der Seite der Kathodenelektrode 17 durch einen äußeren Stromkreis 23 bewegt werden. Durch die Bewegung der Elektronen fließt ein Strom durch eine Last (im vorliegenden Beispiel durch einen Motor zum Fahren) 24, die in dem externen Stromkreis 23 zwischengeschaltet ist.
Auf der anderen Seite empfangen Sauerstoffmoleküle, die sich in der Luft, die der Kathodenelektrode 17 zugeführt wird, befinden, in der Katalysatorschicht 21 Elektronen, die von dem externen Stromkreis 23 zugeführt werden, sodass sie sich in Sauerstoffionen umwandeln und die Sauerstoffionen kombinieren sich mit den Wasserstoffionen, die sich durch die Elektrolytmembran 22 bewegt haben, sodass Wasser gebildet wird. Die Reaktion, die durch (2) in 3 angedeutet wird, wird ausgedrückt durch die folgende chemische Formel 2. ½O₂ + 2H⁺ + 2E^– → H₂O [Formel 2]
Ein Teil des Wassers, das auf diese Weise gebildet wird, wird mittels Konzentrationsdiffusion von der Kathodenelektrode 17 zur Anodenelektrode 16 bewegt.
In der oben beschriebenen chemischen Reaktion werden verschiedene Verluste in den Brennstoffzellenzellen 15 erzeugt, wie beispielsweise eine Widerstandsüberspannung, die von dem elektrischen Widerstand der Elektrolytmembran 22 und der Elektrode herrührt, eine Aktivierungsüberspannung, die notwendig ist, um die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff hervorzurufen, und eine Diffusionsüberspannung, die benötigt wird, um Wasserstoff und Sauerstoffionen durch die Diffusionsschichten 18 und 19 zu bewegen, und die Abwärme, die durch die Verluste erzeugt wird, muss entfernt werden.
Wie in 4 gezeigt ist, wird in dem luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystem 13, das mit einem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 ausgestattet ist, in dem eine Vielzahl von Brennstoffzellenzellen 15 gestapelt sind, ein komprimiertes Wasserstoffgas, das in einem Hochdruckwasserstofftank 25 aufbewahrt wird, in einen Anodenaufnahmebereich 27 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 eingeführt, nachdem der Druck des komprimierten Wasserstoffgases durch ein Druckminderventil 26 vermindert worden ist. Auf der anderen Seite wird in einem luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugsystem 13 im Allgemeinen kein Hochdruckkompressor zum Zuführen von Kathodenaufnahmeluft bereitgestellt, welcher in einem wassergekühlten Brennstoffzellenfahrzeug bereitgestellt wird, und die Außenluft, die durch einen Filter 28 eingezogen wird, wird an einen Kathodenaufnahmebereich 30 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 durch ein Niedrigdruck-Luftzuführungsgebläse 29 bereitgestellt. Die Luft, die dem Kathodeneinströmbereich 30 zugeführt wird, wird nicht nur als das Reaktionsgas, das mit Wasserstoff in der Energieerzeugungsreaktion in der Brennstoffzellenzelle 15 reagiert, verwendet, sondern spielt auch eine Rolle als das Kühlmedium zum Entfernen der Abwärme in der Brennstoffzellenzelle 15 und zum Kühlen des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14. Die Luft, die nach der Reaktion mit dem Wasserstoff verbleibt, und die Luft nach dem Abkühlen des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 werden von einem Kathodenabgasungsbereich 31 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 abgelassen. Das Anodenabgas, das von einem Anodenabgasungsbereich 32 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 abgelassen wird, wird dem Kathodenabgas über ein Entlüftungsventil 33 beigemischt. Wenn die Anodenseite gespült wird, wird das Wasserstoffabgas in die Umgebungsluft abgelassen, nachdem es durch das kathodenseitige Abgas auf die untere Explosionsgrenzenkonzentration oder darunter verdünnt worden ist.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist der luftgekühlte Brennstoffzellenstapel 14, dem Luft, die als Reaktionsgas und gleichermaßen als Kühlmedium dient, zugeführt wird, in einer derartigen Einstellung geneigt zur Frontunterseite des Frontraumes des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 angeordnet, dass die Rückseite des Brennstoffzellenstapels 14 höher angeordnet ist als die Frontseite des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14. Ein Luftkorridor 34 ist innenseitig des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 bereitgestellt, um Abwärme von den Brennstoffzellenzellen 15 zu entfernen. Der Luftkorridor 34 ist derart bereitgestellt, dass er sich von einem Frontluftaufnahmeeinlassbereich 35 ausgehend zu einem Abgasauslassbereich 36 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 hin erstreckt, und ist derart bereitgestellt, dass der Auslassbereich 36 sich höher befindet als der Einlassbereich 35. In dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 ist der Kathodenaufnahmebereich 30 mit dem Einlassbereich 35 des Luftkorridors 34 verbunden und der Kathodenabgasungsbereich 31 und der Anodenabgasungsbereich 32 sind mit dem Auslassbereich 36 des Luftkorridors 34 verbunden.
Ein Einlasskanal 37 ist mit dem Einlassbereich 35 des Luftkorridors 34 verbunden. Der stromaufwärtige Endbereich des Einlasskanals 37 ist zur Fahrzeugfrontseite hin geöffnet und das Luftzuführungsgebläse 29 ist an der Innenseite des Einlasskanals 37 angeordnet. Zudem ist der stromabwärtige Endbereich des Einlasskanals 37 mit dem Einlassbereich 35 des Luftkorridors 34 verbunden. Der Lufteinlasskanal 37 führt Luft, die als das Reaktionsgas dient, dem Kathodeneinlassbereich 30 zu und führt die Luft, die auch als Kühlmedium dient, dem Luftkorridor 34 zu. Außerdem ist ein Abgaskanal 39 einer Abgasungsvorrichtung 38 mit dem Auslassbereich 36 des Luftkorridors 34 verbunden. Der stromaufwärtige Endbereich des Abgaskanals 39 ist mit dem Auslassbereich 36 des Luftkorridors 34 verbunden und der stromabwärtige Endbereich des Abgaskanals 39 ist zur hinteren Seite des Fahrzeugs hin geöffnet. Der Abgaskanal 39 führt das Wasserstoffgas und die Luft als das Reaktionsgas, die ohne in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 verbraucht worden zu sein, abgelassen werden, und die Luft, nachdem sie als Kühlung für den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 verwendet worden ist, zur Außenseite des Fahrzeugs.
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Abgaskanal 39 in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 aus einem unterseitigen Abgaskanal 40 und einem oberseitigen Abgaskanal 41 zusammengesetzt, die in dem Frontraum 7 vertikal verzweigt sind. Der unterseitige Abgaskanal 40 der Abgasungsvorrichtung 38 erstreckt sich von dem Abgasauslassbereich 36 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 ausgehend zur unteren Seite des Fahrzeugs hin, und ein unterseitiger Öffnungsbereich 42 des stromabwärtigen Endbereichs des unterseitigen Abgaskanals 40 ist an einem unteren Bereich des Frontraumes 7 zur hinteren Seite des Fahrzeugs hin geöffnet. Auf der anderen Seite erstreckt sich der oberseitige Abgaskanal 41 der Abgasungsvorrichtung 38 zur Fahrzeugoberseite von einem oberen Bereich einer äußeren Wand 43 ausgehend, die sich zur unteren Seite des Fahrzeugs bei dem unterseitigen Abgaskanal 40 erstreckt, und ein oberseitiger Öffnungsbereich 44 des abstromseitigen Endbereichs des oberseitigen Abgaskanals 41 ist zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube 6 und dem Frontendbereich der Frontscheibe 8 geöffnet.
Entsprechend ist in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 der Abgaskanal 39 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 aus dem unterseitigen Abgaskanal 40 und dem oberseitigen Abgaskanal 41 zusammengesetzt, die vertikal verzweigt sind. Daraus folgt, dass die Korridorquerschnittsfläche des Abgaskanals 39 vergrößert ist, sodass der Lüftungsverlust reduziert sein kann.
Außerdem erstreckt sich in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 der unterseitige Abgaskanal 40 von dem Abgasauslassbereich 36 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 her zur unteren Seite des Fahrzeugs hin und der unterseitige Öffnungsbereich 42 des stromabwärts angeordneten Endbereichs des unterseitigen Abgaskanals 40 ist zu einem unteren Bereich des Frontraumes 7 hin geöffnet. Auf der anderen Seite erstreckt sich der oberseitige Abgaskanal 41 zur oberen Seite des Fahrzeugs hin von einem oberen Bereich der unteren Wand 43 des unterseitigen Abgaskanals 40 her, wobei sich die äußere Wand zur unteren Seite des Fahrzeugs hin erstreckt und der oberseitige Öffnungsbereich 44 des stromabwärts angeordneten Endbereichs des oberseitigen Abgaskanals 41 ist zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube 6 und dem vorderen Endbereich der Frontscheibe 8 geöffnet. Aus diesem Grund kann in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 der oberseitige Abgaskanal 41 nach einer kürzesten Strecke aufwärts geöffnet sein, um die Abgasungsleistung des Wasserstoffgases, das ein geringeres spezifisches Gewicht als Luft hat, zu verbessern. Außerdem wird erreicht, dass Wasser und Fremdkörper, die in den oberseitigen Abgaskanal 41 vom stromabwärtigen Endbereich des oberseitigen Abgaskanals 41 her einfließen, in Richtung des unterseitigen Abgaskanals 40 fließen, wodurch verhindert wird, dass Wasser und Fremdkörper in den luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 eindringen.
In dem oben beschriebenen luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 wird Luft, die als Reaktionsgas und gleichermaßen als Kühlmedium dient, durch das Luftzuführungsgebläse 29 zugeführt.
Deshalb kann in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1, indem der Lüftungswiderstand des Abgaskanals 39 vermindert wird, das Bedürfnis eliminiert werden, dass Luft, die gleichermaßen als Reaktionsgas und als Kühlmedium dient, dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 zugeführt werden muss, indem sie mittels eines Kompressors oder Ähnlichem auf einen hohen Druck gebracht wird. Dadurch kann der Aufbau zum Zuführen von Luft zu dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 vereinfacht werden.
Der oberseitige Öffnungsbereich 44, der am stromabwärtigen Endbereich des oberseitigen Abgaskanals 41 bereitgestellt ist, ist so ausgerichtet, zu ermöglichen, dass Abgas entlang der Frontscheibe 8 fließt. Dadurch kann in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 während der Fahrt des Fahrzeuges der Lüftungswiderstand des oberseitigen Abgaskanals 41 derart verringert werden, dass das Abgas im oberseitigen Abgaskanal 41 aus dem oberseitigen Öffnungsbereich 44 durch die Luft, die über die Frontscheibe 8 fließt, ausgesogen wird. Außerdem kann in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 das Beschlagen der Frontscheibe 8 im Winter oder während regnerischem Wetter durch Beheizen der Frontscheibe 8 mittels der Hitze des Abgases verhindert werden.
Ein bergförmiger Stromteilungsbereich 47, der zur Vorderseite des Fahrzeugs hin vorsteht, ist auf einer inneren Wand 46 eines Bereichs gebildet, der an einem Verzweigungsbereich 45 zwischen dem unterseitigen Abgaskanal 40 und dem oberseitigen Abgaskanal 41 bereitgestellt ist, und weist zum Abgasauslassbereich 36 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapel 14 hin.
Aufgrund dessen wird das Abgas in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1, das aus dem Abgasauslassbereich 36 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 herausfließt, zu gleichen Teilen mittels des Stromteilungsbereichs 47 auf den oberseitigen Abgaskanal 41 und den unterseitigen Abgaskanal 40 aufgeteilt, sodass der Lüftungswiderstand in dem Abgaskanal 39 weiter reduziert werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist, ist die Abmessung W1 des Abgaskanals 39 in Richtung der Fahrzeugbreite im Wesentlichen die gleiche wie die Abmessung W2 des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 in Richtung der Fahrzeugbreite. Aus diesem Grund kann in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 die Korridorquerschnittsfläche des Abgaskanals 39 signifikant vergrößert werden, und der Lüftungswiderstand des Abgaskanals 39 kann weiter reduziert werden.
Wie in 1 gezeigt ist, ist an einer inneren Wand 48 eines Bereiches des oberseitigen Abgaskanals 41 ein Rinnenbereich 49 bereitgestellt, der in Richtung der Rückseite des Fahrzeugs hervorsteht, wobei der Bereich auf der Fahrzeugfrontseite und in der Umgebung des Verzweigungsbereichs 45 angeordnet ist, der zu dem unterseitigen Abgaskanal 40 führt.
Dadurch können in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 Wasser und Fremdkörper, die durch den oberseitigen Öffnungsbereich 44 in den oberseitigen Abgaskanal 41 eingedrungen sind, durch den Rinnenbereich 49 in die entgegengesetzte Richtung des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels 14 geleitet werden, sodass diese von dem unterseitigen Öffnungsbereich 42 des unterseitigen Abgaskanals 40 abgeschieden werden können.
Wie in 2 gezeigt ist, ist auf dem oberseitigen Öffnungsbereich 44 des oberseitigen Abgaskanals 41 eine netzartige Abdeckung 50 befestigt.
Dadurch kann in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 die netzartige Abdeckung 50 verhindern, dass Wasser oder Fremdkörper in den oberseitigen Abgaskanal 41, der sich zur Oberseite des Fahrzeugs hin erstreckt, von dem oberseitigen Öffnungsbereich 44 des oberseitigen Abgaskanals 41 her eindringen.
Die Abdeckung 50 ist mit einer elektrischen Heizung 51 ausgestattet, um den oberseitigen Öffnungsbereich 44 des oberseitigen Abgaskanals 41 zu beheizen.
Dadurch können in der Abgasungsvorrichtung 38 des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs 1 Schnee und Eis, die an dem oberseitigen Öffnungsbereich 44 des oberseitigen Abgaskanals 41 in einer kalten Gegend anhängen, durch den elektrischen Heizer 51 geschmolzen werden, sodass das Verstopfen des oberseitigen Öffnungsbereichs 44 verhindert werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann die Abgasungsleistung des Brennstoffzellenstapels, der in dem Frontraum angeordnet ist, verbessern und kann verhindern, dass Wasser und Fremdkörper eindringen. Die vorliegende Erfindung kann außerdem an einer Abgasungsvorrichtung eines wassergekühlten Brennstoffzellenstapels angewendet werden, der in einer Brennstoffzelle enthalten ist, die in einem Frontraum eines Fahrzeugs befestigt ist und die Luft als Reaktionsgas verwendet.
Bezugszeichenliste

1: luftgekühltes Brennstoffzellenfahrzeug
5: Armaturenbrett
6: Fronthaube
7: Frontraum
8: Frontscheibe
14: luftgekühlter Brennstoffzellenstapel
29: Luftzuführungsgebläse
34: Luftkorridor
35: Einlassbereich
36: Auslassbereich
37: Einlasskanal
38: Abgasungsvorrichtung
39: Abgaskanal
40: unterseitiger Abgaskanal
41: oberseitiger Abgaskanal
42: unterseitiger Öffnungsbereich
44: oberseitiger Öffnungsbereich
45: Verzweigungsbereich
47: Stromteilungsbereich
49: Rinnenbereich
50: Abdeckung
51: elektrische Heizung

Claims

Abgasungsvorrichtung (38) eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs (1), in dem ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel (14), dem Luft, die gleichermaßen als Reaktionsgas wie auch als Kühlmedium dient, zugeführt wird, in einem Frontraum (7) unter einer Fronthaube (6) angeordnet ist, und in dem Wasserstoff und Luft, die, ohne in dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel (14) verbraucht zu werden, abgegeben werden, durch einen Abgaskanal (39), der mit einem hinteren Bereich des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels (14) verbunden ist, zu der Außenseite des Fahrzeugs geleitet werden, worin: der Abgaskanal (39) aus einem unterseitigen Abgaskanal (40) und einem oberseitigen Abgaskanal (41), die vertikal verzweigt sind, zusammengesetzt ist; der unterseitige Abgaskanal (40) sich von einem Abgasauslassbereich (36) des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels (14) her in Richtung der unteren Seite des Fahrzeugs erstreckt, und der stromabwärtige Endbereich des unterseitigen Abgaskanals (40) an einem unteren Bereich des Frontraumes (7) geöffnet ist; und der oberseitige Abgaskanal (41) sich von einem oberen Bereich einer äußeren Wand des unterseitigen Abgaskanals (40) her zur oberen Seite des Fahrzeugs hin erstreckt, wobei sich die äußere Wand zur unteren Seite des Fahrzeugs hin erstreckt, und der stromabwärtige Endbereich des oberseitigen Abgaskanals (41) zwischen dem hinteren Endbereich der Fronthaube (6) und dem vorderen Endbereich einer Frontscheibe (8) geöffnet ist.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 1, die ein Luftzuführungsgebläse umfasst, durch das Luft, die als das Reaktionsgas und das Kühlmedium dient, dem luftgekühlten Brennstoffzellenstapel (14) zugeführt wird.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 1, worin ein oberseitiger Öffnungsbereich (44), der an einem stromabwärtigen Endbereich des oberseitigen Abgaskanals (41) bereitgestellt ist, so ausgerichtet ist, dass ermöglicht wird, dass Abgas entlang der Frontscheibe (8) fließt.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 1, worin ein bergförmig geformter Stromteilungsabschnitt (47), der in Richtung der Frontseite des Fahrzeugs hervorsteht, auf einer inneren Wand (46) eines Bereichs, der an einem Verzweigungsbereich (45) zwischen dem unterseitigen Abgaskanal (40) und dem oberseitigen Abgaskanal (41) angeordnet ist, gebildet ist, und zum Abgasauslassbereich (36) des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels (14) hin gerichtet ist.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 1, worin die Ausdehnung des Abgaskanals (39) in Richtung der Fahrzeugbreite gleich der Ausdehnung des luftgekühlten Brennstoffzellenstapels (14) ist.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 1, worin ein Rinnenbereich (49), der in Richtung der Rückseite des Fahrzeugs hervorsteht, an einer inneren Wand eines Bereichs des oberseitigen Abgaskanals (41) bereitgestellt ist, wobei der Bereich auf der Vorderseite des Fahrzeugs und in der Umgebung des Verzweigungsbereichs (45), der zu dem unterseitigen Abgaskanal (40) führt, angeordnet ist.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 1, worin eine netzartige Abdeckung (50) an dem oberseitigen Öffnungsbereich (44) des oberseitigen Abgaskanals (41) angebracht ist.
Abgasungsvorrichtung des luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs nach Anspruch 7, die weiterhin einen elektrischen Heizer (51) zum Heizen des oberseitigen Öffnungsbereichs (44) des oberseitigen Abgaskanals (41) umfasst.