DE112011105442T5

DE112011105442T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112011105442T5
Application number: DE112011105442.4T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hotta; Michitaro ITOGA; Makoto Takeyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JPWO2013008315A1; CN103563151B; CN103563151A; US20130017470A1; WO2013008315A1; DE112011105442B4; CA2836554A1; CA2836554C; JP5354026B2; US9172100B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das an einem elektrischen Fahrzeug wie beispielsweise einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug montiert werden kann. Kühlwasser wird von einem Kühlwassereinlass (22) eines Stapelanschlussstücks (14) eingespeist, fließt durch einen Brennstoffzellenstapel (10) und kehrt zu dem Stapelanschlussstück (14) zurück. Eine Nut ist an der rückwärtigen Seite des Stapelanschlussstücks (14) ausgebildet, die zusammen mit einem Anschluss (12) einen Kühlwasserkanal bildet. Das Kühlwasser strömt durch den Kühlwasserkanal und wird aus einem Kühlwasserauslass (24) nach außen ausgegeben. Der Kühlwasserkanal ist vom Fahrzeugheck zur Fahrzeugfront hin verlaufend ausgebildet und wärmt eine Endplatte (16). Eine Leitungslänge des Kühlwasserkanals bis zu einem in einem Frontbereich des Fahrzeugs montierten Radiator ist verkürzt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere einen Aufbau eines Kühlwasserkanals.
STAND DER TECHNIK
Bei einer Brennstoffzelle, die Strom durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas erzeugt, ist eine Endplatte an einem Endteil eines Brennstoffzellenstapels in Zellstapelrichtung angeordnet, und die Temperatur der Endplatte steigt aufgrund der über die Endplatte abgegebenen Wärme. Dies führt zu Kondensation in einer Zelle aufgrund der Temperaturdifferenz, so dass sich Wasser in einer Zelle niederschlägt, was zu einer problematischen Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung führt.
Das untenstehend angegebene Patentdokument 1 beschreibt das Ausbilden eines Kühlmittelkanals an zumindest einer der Druckplatten, die paarweise eine Mehrzahl von Zellen sandwichartig zwischen sich aufnehmen, um den Kühlmittelfluss darin zu ermöglichen, um dadurch die Druckplatte aufzuwärmen.
Druckschriften aus dem Stand der Technik
Patentschriften

Patentdokument 1: JP 2001-68141 A

Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Das Ausbilden eines Kühlmittelkanals an einer Druckplatte oder einer Endplatte zum Erwärmen der Druckplatte oder der Endplatte ist wirksam, um Kondensation in einer Endzelle zu vermeiden. Gleichwohl ist es nötig, da das in die Druckplatte oder die Endplatte geflossene Kühlmittel einer Wärmeabgabevorrichtung, wie beispielsweise einem Radiator oder dergleichen, zugeführt werden muss, einen Kühlmittelkanal in der Druckplatte oder der Endplatte unter Berücksichtigung eines Pfades zum Radiator auszubilden. Der vorstehend angeführte Stand der Technik berücksichtigt diesen Punkt nicht, so dass, abhängig von der Montageposition eines Radiators, ein langer Kühlmittelkanal das Ergebnis sein kann, was zu einer Zunahme der Leitungslänge im gesamten System führt.
Bei der Ausbildung eines Kühlmittelkanals in einer Druckplatte oder einer Endplatte können die Druckplatte oder die Endplatte bei hoher Spannung, abhängig von der Leitfähigkeit des Kühlmittels, das gleiche Potential bekommen wie der Stapel. Dementsprechend muss, wenn die Druckplatte oder die Endplatte durch ein Stapelgehäuse abgedeckt und an einem elektrischen Fahrzeug, beispielsweise einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, montiert ist, die elektrische Isolierung zwischen dem Fahrzeugrahmen und dem Stapelgehäuse sichergestellt werden. Dies vergrößert das System.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das geeignet ist, die Kondensation in einer Zelle zu vermeiden und das System kompakt hält.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Mittel zum Lösen des Problems
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung hat: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von gestapelten Zellen; einen Anschluss, der an einem Endteil des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung angeordnet ist; ein Stapelanschlussstück, das an den Anschluss angrenzt; und eine Endplatte, die an das Stapelanschlussstück angrenzt, wobei eine Nut auf einer Fläche des Stapelanschlussstücks ausgebildet ist, wobei die Fläche dem Anschluss gegenüber liegt, die Nut, der Anschluss und die Endplatte zusammen einen Kanal für Kühlwasser bilden, das in den Brennstoffzellenstapel einströmt und aus dem Brennstoffzellenstapel nach außen zirkuliert, und der Kanal derart ausgebildet ist, dass, wenn das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug montiert ist, das Kühlwasser von einer Rückseite des Fahrzeugs zu einer Vorderseite des Fahrzeugs fließt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein stromabwärtiger Endteil eines Kühlwasserkanals das Stapelanschlussstück und die Endplatte durchdringen und mit einem an der Endplatte ausgebildeten Kühlwasserauslass verbunden sein, und das Kühlwasser kann von der Endplatte nach außen abgegeben werden, ohne die Endplatte zu berühren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Rippe entlang der Nut auf der Fläche des Stapelanschlussstücks ausgebildet sein, wobei die Fläche dem Anschluss gegenüber liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Katodengaseinlass und ein Katodengasauslass am Stapelanschlussstück ausgebildet sein, und eine Rippe zum Einstellen der Strömungsmenge des Katodengases kann in dem Katodengaseinlass und/oder dem Katodengasauslass ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Öffnung zum Ausgeben von in dem Kühlwasser enthaltener Luft an einem Endteil des Stapelanschlussstücks an einer Stelle in einer Höhe, die gleich oder höher ist als ein stromaufwärtiger Endteil des Kühlwasserkanals, ausgebildet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Kühlwasserauslass zum Ausgeben von Kühlwasser nach außen, ein Katodengaseinlass und ein Katodengasauslass an der Endplatte ausgebildet sein, und der Kühlwasserauslass, der Katodengaseinlass und der Katodengasauslass können an der Vorderseite eines Fahrzeugs konzentriert ausgebildet sein, wenn das Brennstoffzellensystem am Fahrzeug montiert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System durch elektrisches Verbinden der Endplatte mit einem Rahmen des Fahrzeugs am Fahrzeug montiert werden. Es sei angemerkt, dass ein Fall, bei dem die Endplatte mit einem Rahmen des Fahrzeugs verbunden ist, neben einem Fall, bei welchem die Endplatte direkt am Rahmen des Fahrzeugs befestigt ist, einen Fall einschließt, bei welchem eine Endplatte am Rahmen des Fahrzeugs über ein nicht-isolierendes Element (z. B. einen Stapelrahmen oder dergleichen) befestigt ist.
Vorteil der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, da Kühlwasser, das den Brennstoffzellenstapel gekühlt hat, in das Stapelanschlussstück fließt, einen Abfall der Endzellentemperatur zu verringern und dadurch die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung aufgrund der Kondensation in einer Endzelle zu vermeiden. Zudem ist ein Kühlwasserkanal im Stapelanschlussstück von einer Rückseite zu einer Vorderseite des Fahrzeugs ausgebildet, die Länge einer zu einem an einem Vorderteil des Fahrzeugs montierten Radiator führenden (Rohr-)Leitung ist verringert, so dass das System kompakt ausgebildet werden kann. Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Kühlwasser nicht in direktem Kontakt mit der Endplatte steht ist die Endplatte zuverlässig isoliert. Dies ermöglicht die elektrische Verbindung des Brennstoffzellensystems mit einem Fahrzeugrahmen unter Verwendung der Endplatte, was ein kompaktes System ermöglicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt eine Draufsicht auf das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform;
3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang einer Linie A-A in 2;
4 zeigt eine Schnittdarstellung entlang einer Linie B-B in 2;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes eines Stapelanschlussstücks gemäß dieser Ausführungsform;
6 zeigt eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes des Stapelanschlussstücks gemäß dieser Ausführungsform;
7 zeigt einen Graph, der eine Änderung der Endzellentemperatur über den Verlauf der Zeit bei dieser Ausführungsform darstellt;
8 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Leitungssystems des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform;
9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des an einem Fahrzeug montierten Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform;
10 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines herkömmlichen, an einem Fahrzeug montierten, Brennstoffzellensystems; und
11 zeigt eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Basis der Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem hat einen Brennstoffzellenstapel 10 mit einer Mehrzahl einzelner Zellen, die aufeinander gestapelt sind, eine Stromsammelplatte oder einen Anschluss 12 zum Sammeln von durch die jeweiligen Zellen erzeugtem Strom, ein Stapelanschlussstück 14 und eine Endplatte 16. Der Brennstoffzellenstapel 10, eine Endplatte und das Stapelgehäuse sind einstückig bzw. integral ausgebildet. Das Stapelgehäuse hat an der anderen Seite des Brennstoffzellenstapels eine offene Endseite und das Stapelanschlussstück 14 und die Endplatte 16 sind an der offenen Endseite angeordnet.
Das äußere Erscheinungsbild des Brennstoffzellenstapels 10 ist ein im Wesentlichen rechteckiges Parallelepiped und der Brennstoffzellenstapel 10 wird derart an einem elektrischen Fahrzeug, wie beispielsweise einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, montiert, dass seine Längsrichtung entlang der Links-Rechts-Richtung oder Breitenrichtung des Fahrzeugs verläuft. Das bedeutet, der Brennstoffzellenstapel 10 wird derart montiert, dass seine kürzere Seite entlang der Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs verläuft. In der Abbildung sind, in Relation zu dem Brennstoffzellenstapel 10, die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs (Vorderseite des Fahrzeugs) und die Richtung des Fahrzeugs nach oben (Oberseite des Fahrzeugs) durch Pfeile dargestellt.
Das Stapelanschlussstück 14 ist zwischen dem Anschluss 12 und der Endplatte 16 montiert und hat drei Kühlwassereinlässe 22, die in Richtung des Fahrzeugs von oben nach unten daran ausgebildet sind. Ein (nicht dargestellter) Radiator ist in einem Vorderteil des Fahrzeugs montiert, so dass Kühlwasser vom Radiator über den am Stapelanschlussstück 14 ausgebildeten Kühlwassereinlass 22 den Zellen im Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
An der Endplatte 16 sind ein Katodengaseinlass 18, ein Katodengasauslass 20, ein Kühlwasserauslass 24 ein Anodengaseinlass 26 und ein Anodengasauslass 28 ausgebildet. Genauer gesagt sind insgesamt zwei Katodengaseinlässe 18 ausgebildet, von denen einer auf der Vorderseite relativ zum Fahrzeug und der andere auf der Rückseite relativ zum Fahrzeug, also der Vorderseite gegenüberliegend, liegt, wobei es auch akzeptabel sein kann, nur einen Katodengaseinlass 18 an der Vorderseite bezüglich des Fahrzeugs auszubilden. Der Katodengaseinlass 18, der Katodengasauslass 20, der Kühlwasserauslass 24 und der Anodengaseinlass 26 sind alle konzentriert an der Vorderseite der Endplatte 16 des Fahrzeugs angeordnet. Der Anodengasauslass 28 dagegen ist an der Rückseite der Endplatte 16 bezüglich des Fahrzeugs ausgebildet. Gas- oder Kühlwassereinlässe und -auslässe sind konzentriert an der nach vorne gerichteten Seite des Fahrzeugs angeordnet, wie vorstehend beschrieben. Dies dient zum Gewährleisten eines Raums zu Montage von Hilfsaggregaten bzw. Zubehör wie einer Wasserstoffpumpe, einem Gas-Flüssigkeit-Abscheider und einem Injektor an der Endplatte 16. Wenn die Hilfsaggregate, beispielsweise eine Wasserstoffpumpe, an der hinteren Seite der Endplatte 16 des Fahrzeugs montiert sind, kann das gesamte System kompakt gehalten werden.
Kühlwasser wird über den Kühlwassereinlass 22 des Stapelanschlussstücks 14 zugeführt bzw. eingespeist, strömt durch die Zellen des Brennstoffzellenstapels 10, erreicht das Stapelanschlussstück 14, fließt durch den Kühlwasserkanal im Stapelanschlussstück 14 und wird durch den Kühlwasserauslass 24 ausgegeben.
2 zeigt eine Draufsicht des Brennstoffzellenstapels 10 gesehen von der Seite der Endplatte 16. Legt man den Fokus auf den Kühlwasserfluss, wird das Kühlwasser über den Kühlwassereinlass 22 des Stapelanschlussstücks 14 eingespeist, in den Brennstoffzellenstapel 10 von der Vorderseite zur Rückseite des Zeichnungsblattes gespeist, durchströmt die jeweiligen Zellen während es kühlt, fließt danach in ein Zellendurchdringendes Anschlussstück von der Rückseite zur Vorderseite des Zeichnungsblattes und fließt durch den Auslass 23 in das Stapelanschlussstück 14. Das bedeutet, das Zellendurchdringende Anschlussstück ist mit dem Auslass 23 verbunden, so dass das Kühlwasser, das die Zellen gekühlt hat, durch das Zellendurchdringende Anschlussstück fließt und dann aus dem Auslass 23 ausgegeben wird. An der Rückseite, also der Seite des Anschlusses 12, des Stapelanschlussstücks 14 sind eine Nut und eine Rippe 25 ausgebildet, so dass die Nut im Stapelanschlussstück 14 und der Anschluss 12 zusammen einen internen Stapelanschlussstückkühlwasserkanal bilden. Das durch den Auslass 23 zum Stapelanschlussstück 14 geflossene Kühlwasser, also das die Wärme aufgrund der Kühlung der Zellen enthaltende Kühlwasser, fließt in den internen Stapelanschlussstückkühlwasserkanal in der durch einen Pfeil in der Zeichnung gezeigten Richtung, also von der Rückseite zur Vorderseite des Fahrzeugs, und wird dann aus dem Kühlwasserauslass 24 aus dem Stapelanschlussstück 14 und der Endplatte 16 nach außen abgegeben.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird, bei dieser Ausführungsform, das Kühlwasser nicht aus dem mit der Zelle durch das Anschlussstück verbundenen Auslass 23 ausgegeben. Stattdessen ist ein Kühlwasserauslass 24 an einer anderen Stelle als der Auslass 23 ausgebildet, und der Auslass 23 ist mit dem Kühlwasserauslass 24 über den internen Stapelanschlussstückkühlwasserkanal verbunden. Der interne Stapelanschlussstückkühlwasserkanal ist im Stapelanschlussstück 14 ausgebildet, das von der Rückseite zur Vorderseite des Fahrzeugs verläuft, so dass Kühlwasser aus dem Kühlwasserauslass 24, der konzentriert an der Vorderseite des Fahrzeugs ausgebildet ist, ausgegeben wird. Demgemäß kann Kühlwasser, das die Zellen gekühlt hat, das Stapelanschlussstück 14 und die Endplatte 16 er- bzw. aufwärmen, so dass eine Kondensation in der Endzelle wirksam unterdrückt werden kann. Darüber hinaus nutzt dieser Aufbau eine kürzere Leitung zum Zuführen von Kühlwasser, das aus dem Stapelanschlussstück 14 und der Endplatte 16 ausgegeben wird, zum Radiator, der an einem Vorderteil des Fahrzeugs montiert ist.
3 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 2. 4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 2. Auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels 10 sind eine Endplatte oder eine Druckplatte und ein Stapelgehäuse integral bzw. einstückig ausgebildet, während auf der anderen Seite das Stapelanschlussstück 14 und die Endplatte 16 angeordnet sind. Am Stapelanschlussstück 14 zwischen dem Anschluss 12 und der Endplatte 16 ist eine Mehrzahl von Nuten in Richtung von oben nach unten ausgebildet. Durch Abdecken dieser Nuten mit der Oberfläche des Anschlusses 12 wird ein interner Stapelanschlussstückkühlwasserkanal 30 gebildet. Die Nut innerhalb des Stapelanschlussstücks 14 ist auf der näher am Anschluss 12 liegenden Oberfläche des Stapelanschlussstücks 14 ausgebildet, nicht jedoch an der näher an der Endplatte 16 liegenden Oberfläche. Der interne Stapelanschlussstückkühlwasserkanal 30 berührt daher den Anschluss 12 aber nicht die Endplatte 16. Dies stellt die elektrische Isolierung der Endplatte 16 unabhängig von der Leitfähigkeit des Kühlwassers sicher.
Wie in 4 gezeigt ist, ist eine Kunststoffleitung 32 jeweils mit dem Katodengaseinlass 18, dem Katodengasauslass 20 und dem Kühlwasserauslass 24 verbunden. Das stromabwärtige Ende des internen Stapelanschlussstückkühlwasserkanals 30, das bedeutet, ein Ende in Richtung zur Fahrzeugfront, durchdringt das Stapelanschlussstück 14 und die Endplatte 16 und ist mit dem Kühlwasserauslass 24 verbunden, und leitet von der Kunststoffleitung 32 zum Radiator. Dementsprechend wird das in das Stapelanschlussstück 14 strömende Kühlwasser von der Kunststoffleitung 32 zum Radiator geführt, ohne dabei die Endplatte 16 zu berühren. Es sei angemerkt, dass, wie aus 4 ersichtlich ist, nicht nur der Kühlwasserauslass 24 sondern auch der Katodengaseinlass 18 und der Katodengasauslass 20 nicht in direktem Kontakt zur Endplatte 16 stehen.
Die 5 und 6 zeigen Ansichten des äußeren Erscheinungsbildes des Stapelanschlussstücks 14. 5 ist eine perspektivische Darstellung des Stapelanschlussstücks 14 von dessen Vorderseite, also von Seiten der Endplatte 16, und 6 ist eine perspektivische Darstellung des Stapelanschlussstücks 14 von dessen Endseite, also von Seiten des Anschlusses 12.
Am Stapelanschlussstück 14 sind der Katodengaseinlass 18, der Katodengasauslass 20, der Kühlwassereinlass 22, der Kühlwasserauslass 24, der Anodengaseinlass 26 und der Anodengasauslass 28 ausgebildet. In der Nähe des Auslasses 23 des Stapelanschlussstücks 14, das bedeutet, in der Nähe des stromaufwärtigen Endes des internen Stapelanschlussstückkühlwasserkanals, ist eine Kühlwasserentlüftungsöffnung 34 ausgebildet, so dass im Kühlwasser enthaltene Luft aus der Öffnung 34 nach außen abgegeben werden kann. Es sei angemerkt, dass die Öffnung 34 im Detail auf der gleichen Höhe oder höher als die Position der oberen Fläche bzw. Oberfläche des Auslasses 23 ausgebildet ist, also der Position der Oberfläche des zellendurchdringenden Anschlussstücks.
Wie in 6 gezeigt ist, sind an der Oberfläche des Stapelanschlussstücks 14, die dem Anschluss 12 gegenüber liegt, eine Nut und eine Rippe 25 von der Rückseite zur Vorderseite des Fahrzeugs (von hinten nach vorne) verlaufend ausgebildet. Die Nut und die Rippe 25 und der Anschluss 12 bilden den internen Stapelanschlussstückkühlwasserkanal 30. Zwei oder mehr Nuten sind vorgesehen. Beispielsweise sind fünf Nuten in Richtung von oben nach unten ausgebildet, wie in der Zeichnung dargestellt. Die jeweiligen Nuten werden durch die Rippe 25 getrennt und verlaufen von der Rückseite zur Vorderseite des Fahrzeugs (von hinten nach vorne). Die jeweiligen Enden der Mehrzahl von Nuten sind alle mit dem Kühlwasserauslass 24 verbunden. Die Rippe 25 dient zum Definieren der Nut und zum Aufnehmen einer Last, die beim Befestigen des Brennstoffzellenstapels 10 durch Befestigen der Endplatte 16 am Brennstoffzellenstapels 10 mittels einer Bolzens bzw. einer Schraube, aufgebracht wird.
Im Katodengaseinlass 18 ist eine Rippe 18a in Richtung von oben nach unten ausgebildet, um den Einlass in Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs zu unterteilen. Zudem sind im Katodengasauslass 20 zwei Rippen 20a, 20b ausgebildet, um den Auslass in Richtung von oben nach unten und in Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs zu unterteilen. Katodengas, das über den Katodengaseinlass 18 zugeführt wird, wird durch das Zellendurchdringende Anschlussstück an die jeweiligen Zellen geliefert, während Abgas aus den jeweiligen Zellen durch das Zellendurchdringende Anschlussstück aus dem Katodengasauslass 20 abgegeben wird. Mit den im Einlass und Auslass jeweils vorgesehenen Rippen 18a, 20a und 20b kann der Fluss des Katodengases eingestellt werden, um den Fluss des Katodengases im zellendurchdringenden Anschlussstück zu steuern, so dass das Katodengas auf eine gewünschte Strömungsmenge vereinheitlicht oder aufgeteilt wird.
7 zeigt die Änderung der Endzellentemperatur über den Verlauf der Zeit bei dieser Ausführungsform. Zu Vergleichszwecken ist zudem die Änderung der Endzellentemperatur über den Verlauf der Zeit ohne einen im Stapelanschlussstück 14 ausgebildeten Kühlwasserkanal dargestellt. In der Zeichnung gibt der Graph a die Ausführungsform wieder, und der Graph b zeigt das Vergleichsbeispiel. Bei dem Vergleichsbeispiel steigt die Endzellentemperatur einmal und fällt dann allmählich aufgrund der Ausgabe aus der Endplatte 16. Daneben wird, bei dieser Ausführungsform, da das Kühlwasser, das die Zellen gekühlt hat, in das Stapelanschlussstück 14 strömt, um dadurch die Endplatte 16 zu erwärmen, die Temperatur der Endzelle auf einem relativ hohen Wert gehalten. Bei dieser Ausführungsform wird, durch Aufwärmen der Endplatte 16, das Absinken der Temperatur der Endzellen verringert und die Kondensation aufgrund des Temperaturabfalls der Endzellen wird verhindert. Dementsprechend kann die gewünschte Stromerzeugungsleistung der Endzelle beibehalten werden.
8 zeigt den Aufbau eines Leitungssystems dieser Ausführungsform. Das aus dem Kühlwasserauslass 24 ausgegebene Kühlwasser fließt durch die Auslassleitung 100 bevor es dem Radiator 60 zugeführt wird, der in einem Vorderteil des Fahrzeugs montiert ist. Ferner strömt aus der Entlüftungsöffnung 34, die in einem oberen Teil des Stapelanschlussstücks 14 an der Rückseite des Fahrzeugs ausgebildet ist, ausgegebene Luft durch die Luftleitung 200, um ausgegeben zu werden. Die Luftleitung 200 ist mit der Leitung 100 an einem Verbindungspunkt P verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist der Verbindungspunkt P an einer Stelle angeordnet, die höher liegt, als die Höhe der Position 300 der oberen Fläche des zellendurchdringenden Anschlussstücks. Die obere Fläche bzw. Oberfläche des zellendurchdringenden Anschlussstücks für das Kühlwasser, das bedeutet, die Oberfläche des Auslasses 23 aus 2, liegt auf der gleichen Höhe wie die Oberfläche bzw. obere Fläche der Zellen des Brennstoffzellenstapels. Unter Berücksichtigung der Natur der Luftfreigabe ist es daher nötig, dass die Stelle, an der Kühlwasser aus dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, höher liegt, als die Oberfläche des zellendurchdringenden Anschlussstücks. Wenn die Entlüftungsöffnung 34 jedoch an einer Stelle ausgebildet ist, die auf gleicher Höhe wie oder über der Oberfläche des zellendurchdringenden Anschlussstücks liegt, und die Luftleitung bzw. Entlüftungsleitung 200 mit der Auslassleitung 100 an einer Stelle verbunden ist, die höher liegt, als die Stelle 300 der Oberfläche des zellendurchdringenden Anschlussstücks, kann der Kühlwasserauslass 24 an einer Stelle ausgebildet werden, die tiefer liegt als die Höhe der Stelle 300 des zellendurchdringenden Anschlussstücks.
Bei dieser Ausführungsform steht, obwohl das Kühlwasser im Stapelanschlussstück 14 fließt, um die Endplatte 16 zu erwärmen, das Kühlwasser nicht in direktem Kontakt mit der Endplatte 16. Dementsprechend kann die Endplatte 16 elektrisch isoliert werden. Dies vereinfacht den Aufbau zur Verwendung beim Montieren eines Brennstoffzellensystems an einem Fahrzeug.
9 zeigt einen Aufbau zum Montieren eines Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform an einem elektrischen Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem wird beispielsweise unter einem Bodenblech eines Fahrzeugs montiert. Da die Endplatte 16 elektrisch isoliert (nichtleitend) ist, kann die Endplatte 16 direkt am Stapelrahmen 58 des Fahrzeugs montiert werden, der wiederum am Rahmen des Fahrzeugs befestigt ist. Anders ausgedrückt: die Endplatte 16, die elektrisch isoliert ist, kann direkt (das bedeutet, ohne ein separates Isolationsteil) elektrisch mit dem Rahmen des Fahrzeugs verbunden werden. In einer ein Fahrzeug darstellenden Zeichnung ist die Endplatte 16 mit einem daran montierten Hilfsaggregat 50 dargestellt. Das Hilfsaggregat 50 wird durch eine Hilfsaggregatabdeckung 52, die separat vom Stapelgehäuse ausgebildet ist, abgedeckt, und die Hilfsaggregatabdeckung 52 ist an der Endplatte 16 montiert.
Daneben zeigt 10 einen Aufbau, bei welchem die Endplatte 16 das gleiche Potential hat wie der Brennstoffzellenstapel 10, da die Endplatte 16 nicht isoliert ist. In diesem Fall müssen, da die Endplatte 16 das gleiche Potential hat wie der Brennstoffzellenstapel 10, der Brennstoffzellenstapel 10, die Endplatte 16 und die Hilfsaggregate 50 alle im Stapelgehäuse 11 aufgenommen werden. Der Kühlwasserauslass oder dergleichen ist über eine Metallleitung 52 mit einer Kunststoffleitung 54 verbunden, und das Stapelgehäuse 11 ist am Stapelrahmen 58 des Fahrzeugs befestigt. Um die Isolierung zwischen dem Stapelgehäuse 11 und der Endplatte 16 zu gewährleisten, wird die Endplatte 16 von einer isolierten Halterung 56 gelagert.
Wie vorstehen beschrieben kann, wenn die Endplatte 16 nicht isoliert ist, die Endplatte nicht mit dem Stapelrahmen 58 des Fahrzeugs verbunden werden, so dass es nötig ist, die Isolierung zwischen dem Stapelgehäuse 11 und der Endplatte 16 vor der Befestigung des Stapelgehäuses 11 am Stapelrahmen 58 des Fahrzeugs über das Stapelgehäuse 11 sicherzustellen. Dies erhöht die Zahl und Größe der Teile. Daneben kann, bei dieser Ausführungsform, das Stapelgehäuse 11 am Fahrzeug montiert werden, während die Isolierung mit einem einfachen Aufbau gewährleistet werden kann, und die Größe kann reduziert werden.
Obgleich vorstehend eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend Beschriebene beschränkt sondern kann verschiedenartig modifiziert werden.
Beispielsweise kann, obgleich die Nut und die Rippe 25 an der hinteren Fläche des Stapelanschlussstücks 14 ausgebildet sind, so dass die Rippe 25 eine Befestigungslast bei dieser Ausführungsform aufnimmt, ein runder oder ovaler Vorsprung als die Rippe 25 entlang der Nut ausgebildet sein, um eine Befestigungslast aufzunehmen.
Obgleich der Kühlwasserauslass 24, der Katodengaseinlass 18 und der Katodengasauslass 20, wie in 4 gezeigt, nicht in direktem Kontakt mit der Endplatte 16 stehen, und die Isolierung der Endplatte 16 bei dieser Ausführungsform gewährleistet ist, ist es wünschenswert, einen Aufbau zu haben, bei dem auch der Anodengaseinlass 26 und der Anodengasauslass 28 nicht in direktem Kontakt mit der Endplatte 16 stehen, und eine Kunststoffleitung als Verbindungsleitung verwendet wird.
Obgleich, wie vorstehend beschrieben und in 1 gezeigt, bei der vorliegenden Ausführungsform zwei Katodengaseinlässe 18 an einer unteren Seite der Endplatte 16 in Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs ausgebildet sind, ist es ausreichend, wenn nur ein Katodengaseinlass 18 an der Vorderseite des Fahrzeugs ausgebildet ist. 11 zeigt eine perspektivische Darstellung des äußeren Erscheinungsbildes in diesem Fall. Es ist klar, dass der Raum zum Montieren von Zubehör bzw. Hilfsaggregaten wie beispielsweise einer Wasserstoffpumpe, einem Gas-Flüssigkeit-Abscheider und dergleichen an der einen Endplatte 16 auf der Rückseite des Fahrzeugs gewährleistet ist.
Obgleich bei dieser Ausführungsform ferner die Rippen 18a, 20a und 20b jeweils am Katodengaseinlass 18 und am Katodengasauslass 20 ausgebildet sind, um die Strömungsmenge des Katodengases einzustellen, wie in 6 gezeigt ist, kann eine Strömungsmengen-Einstellrippe auch nur am Katodengaseinlass 18 oder am Katodengasauslass 20 ausgebildet sein.
Kurze Liste der Bezugszeichen

10 Brennstoffzellenstapel, 12 Anschluss, 14 Stapelanschlussstück, 16 Endplatte, 18 Katodengaseinlass, 20 Katodengasauslass, 22 Kühlwassereinlass, 24 Kühlwasserauslass, 26 Anodengaseinlass, 28 Anodengasauslass, 30 interner Stapelanschlussstückkühlwasserkanal

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von gestapelten Zellen; einen Anschluss, der an einem Endteil des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung angeordnet ist; ein Stapelanschlussstück, das an den Anschluss angrenzt; und eine Endplatte, die an das Stapelanschlussstück angrenzt, wobei eine Nut auf einer Fläche des Stapelanschlussstücks ausgebildet ist, wobei die Fläche dem Anschluss gegenüber liegt, die Nut, der Anschluss und die Endplatte zusammen einen Kanal für Kühlwasser bilden, das in den Brennstoffzellenstapel einströmt und aus dem Brennstoffzellenstapel nach außen zirkuliert, und der Kanal derart ausgebildet ist, dass, wenn das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug montiert ist, das Kühlwasser von einer Rückseite des Fahrzeugs zu einer Vorderseite des Fahrzeugs fließt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein stromabwärtiger Endteil eines Kühlwasserkanals das Stapelanschlussstück und die Endplatte durchdringt und mit einem an der Endplatte ausgebildeten Kühlwasserauslass verbunden ist, und das Kühlwasser von der Endplatte nach außen abgegeben wird, ohne die Endplatte zu berühren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Rippe entlang der Nut auf der Fläche des Stapelanschlussstücks ausgebildet ist, wobei die Fläche dem Anschluss gegenüber liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Katodengaseinlass und ein Katodengasauslass am Stapelanschlussstück ausgebildet sind, und eine Rippe zum Einstellen der Strömungsmenge des Katodengases in dem Katodengaseinlass und/oder dem Katodengasauslass ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Öffnung zum Ausgeben von in dem Kühlwasser enthaltener Luft an einem Endteil des Stapelanschlussstücks an einer Stelle in einer Höhe, die gleich oder höher ist als ein stromaufwärtiger Endteil des Kühlwasserkanals, ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Kühlwasserauslass zum Ausgeben von Kühlwasser nach außen, ein Katodengaseinlass und ein Katodengasauslass an der Endplatte ausgebildet sind, und der Kühlwasserauslass, der Katodengaseinlass und der Katodengasauslass konzentriert an der Vorderseite eines Fahrzeugs ausgebildet sind, wenn das Brennstoffzellensystem am Fahrzeug montiert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das System durch elektrisches Verbinden der Endplatte mit einem Rahmen des Fahrzeugs am Fahrzeug montiert wird.