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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug, das einen Brennstoffzellenstapel enthält, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen in Fahrzeugbreitenrichtung gebildet ist. Jede der Brennstoffzellen erzeugt durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas elektrische Energie.
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Technischer Hintergrund
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Zum Beispiel verwendet eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Polymerionenaustauschermembran als Elektrolytmembran, und die Elektrolytmembran ist zwischen eine Anode und eine Kathode eingefügt, um einen Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Membranelektrodenanordnung und ein Paar von die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmenden Separatoren stellen eine Stromerzeugungszelle dar. In der Brennstoffzelle dieses Typs werden im Gebrauch typischerweise eine vorbestimmte Anzahl der Stromerzeugungszellen zusammengestapelt, um einen in einem Fahrzeug angebrachten Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Wenn in einem mit dem Brennstoffzellenstapel ausgestatteten Brennstoffzellenfahrzeug zum Beispiel ein Aufprall (eine externe Last) von der Vorderseite auf den Brennstoffzellenstapel einwirkt, ist es erforderlich, die Komponenten des Brennstoffzellenstapels oder dergleichen zu schützen.
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Zu diesem Zweck ist zum Beispiel ein elektrisches Fahrzeug bekannt, dass in der
JP 2009 -
137 443 A offenbart ist. In dem elektrischen Fahrzeug ist, wie in
10 gezeigt, der Platz innerhalb eines Motorraums
1 durch eine Basisplatte in einen oberen Raum und einen unteren Raum unterteilt. Obwohl nicht gezeigt, sind ein Traktionsmotor, wie etwa eine elektrische Umlaufmaschine und ein Luftkompressor, in dem unteren Raum des Motorraums
1 angeordnet, und ein Brennstoffzellenstapel
3 und eine Leistungssteuereinheit (PCU)
4 sind im oberen Raum des Motorraums
1 angeordnet.
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Ferner enthält der Motorraum 1 eine Spritzwand 5a, die an einer zwischenliegenden Position in Längsrichtung des Fahrzeugs vorgesehen ist, sowie ein Paar von Kotflügelseiteninnenblechen 5b, die an beiden Seiten in der Fahrzeugbreitenrichtung des Fahrzeugs vorgesehen sind, und der Motorraum 1 ist insgesamt rahmenförmig ausgebildet.
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Die Basisplatte 2 enthält einen flachen Plattenabschnitt 2a, der in horizontaler Richtung eine angenähert flache Plattenform hat, und einen gekrümmten Plattenabschnitt 2b, der mit dem vorderen Ende mit dem flachen Plattenabschnitt 2a verbunden ist und gekrümmt ist, um zur Vorderseite hin nach unten zu gehen, um einem Kühler 6 Platz zu lassen, der an der oberen Seite angeordnet ist.
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Eine obere vordere Endoberfläche, die eine Ende des gekrümmten Plattenabschnitts 2b an der entgegengesetzten Seite des Fahrzeuginnenraums ist, ist mit dem unteren Rand eines vorderen unteren Rahmens 5c durch Schweißung oder dergleichen direkt verbunden/fixiert. Der vordere untere Rahmen 5c ist am vorderen Ende des Fahrzeugs vorgesehen, und der vordere untere Rahmen 5c ist mit den unteren vorderen Enden des Paars von Kotflügelseiteninnenblechen 5b verbunden, um einen Raum zwischen den unteren vorderen Enden in der Fahrzeugbreitenrichtung zu überbrücken. Ferner sind obere vordere Enden des Paars von Kotflügelseiteninnenblechen 5b durch ein oberes vorderes Blech (nicht gezeigt) verbunden, die am vorderen Ende des Fahrzeugs vorgesehen sind.
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Ferner ist ein hinteres Ende des flachen Plattenabschnitts 2a (d. h. ein in Längsrichtung des Fahrzeugs dem Fahrzeuginnenraum näheres Ende) mit der Vorderseite der Spritzwand 5a durch Schweißen oder dergleichen in der horizontalen Richtung direkt verbunden/fixiert. Beide Enden des flachen Plattenabschnitts 2a in der Breitenrichtung des Fahrzeugs sind mit jeweiligen Innenoberflächen des Paars von Kotflügelseiteninnenblechen 5b in der Breitenrichtung durch Schweißung oder dergleichen in der horizontalen Richtung direkt verbunden/fixiert. Das hintere Enden und beide Enden in der Breitenrichtung des flachen Plattenabschnitts 2a sind mit der Spritzwand 5a und den Kotflügelseiteninnenblechen 5b im Wesentlichen ohne jegliche Lücken dazwischen, oder mit einigen Lücken dazwischen, direkt verbunden.
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Gemäß der
JP 2009 -
137 443 A kann in dem elektrischen Fahrzeug mit der oben beschriebenen Struktur, z. B. in dem Fall, wo eine externe Kraft durch eine Kollision oder dergleichen von der Außenseite in der mit Pfeil α angegebenen Richtung einwirkt, die externe Kraft gemeinsam von den Elementen aufgenommen werden, welche die Basisplatte
2 enthalten. Daher lässt sich leicht verhindern, dass eines exzessive Kraft auf die Elemente der Fahrzeugkarosserie einwirkt. Selbst in dem Fall, wo die Basisplatte
2 kollabiert, ist es möglich, leicht zu verhindern, dass eine starke Kraft extern auf Komponenten im Motorraum einwirkt, wie etwa Komponenten, die auf der Basisplatte
2 angeordnet sind (z. B. der Brennstoffzellenstapel
3 oder dergleichen), und eine Beschädigung der Komponenten effizient zu verhindern.
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Die
JP 2007 -
258 164 A zeigt, die Endplatten eines Brennstoffzellenstapels mittels zweier Dichtziehelemente zu verbinden, wobei im Falle eines Unfalls die Kräfte von dem Dichtziehelement auf die Endplatte und dann über die Verbindung auf die Karosserie übertragen werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Wenn jedoch in der
JP 2009 -
137 443 A ein Aufprall von der Vorderseite des elektrischen Fahrzeugs auf den Kühler
6 in der mit Pfeil β angegebenen Richtung einwirkt, könnte sich der Kühler
6 nach hinten bewegen/verformen, um direkt mit dem Brennstoffzellenstapel
3 zu kollidieren. Demzufolge könnte unerwünscht eine beträchtlich große externe Last direkt auf den Brennstoffzellenstapel
3 einwirken.
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Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung des Problems dieses Typs gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer einfachen Struktur anzugeben, mit der es möglich ist, direkte Einwirkung einer externen Last auf Brennstoffzellen geeignet zu verhindern und die Brennstoffzellen zuverlässig zu schützen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 1 angegeben.
Das Brennstoffzellenfahrzeug enthält einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen in Fahrzeugbreitenrichtung gebildet ist. Jede der Brennstoffzellen erzeugt durch elektrochemische Reaktionen von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas elektrische Energie.
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Der Brennstoffzellenstapel enthält Endplatten, die an in der Stapelrichtung beiden Enden der Brennstoffzellen vorgesehen sind. Zumindest eines von Dichtziehelementen, welche die Endplatten koppeln, ist an einer Vorderseite des Brennstoffzellenstapels in Fahrzeugfahrtrichtung mit Abstand von den Brennstoffzellen angeordnet.
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Der Reihe nach von der Vorderseite zur Rückseite in der Fahrzeugfahrtrichtung sind innerhalb des Fahrzeugs ein Brennstoffzellenkühler, ein Lastaufnahmeelement und das Dichtziehelement vorgesehen. Die Endplatten sind an einem Fahrzeugkarosserierahmen befestigt.
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Wenn somit eine externe Last an der Vorderseite in der Fahrzeugfahrtrichtung einwirkt, wird die externe Last auf den Fahrzeugkarosserierahmen übertragen, nachdem die externe Last von zumindest dem Brennstoffzellenkühler und dem Lastaufnahmeelement auf die Endplatten übertragen worden ist.
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Nachdem die externe Last von dem Brennstoffzellenkühler, dem Lastaufnahmeelement und dem Dichtziehelement auf die Endplatten übertragen worden ist, sollte die externe Last auf den Fahrzeugkarosserierahmen übertragen werden.
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Das den Brennstoffzellenstapel enthaltende Gehäuse in der Fahrzeugrichtung teilweise an der Vorderseite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sein sollte, um das Lastaufnahmeelement zu bilden.
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Wenn in der vorliegenden Erfindung die externe Last von der Vorderseite in der Fahrzeugfahrtrichtung auf das Brennstoffzellenfahrzeug einwirkt, wird, nachdem die externe Last von dem Brennstoffzellenkühler, dem Lastaufnahmeelement und dem Dichtziehelement auf die Endplatten übertragen worden ist, die externe Last von dem Brennstoffzellenrahmen auf den Fahrzeugkarosserierahmen übertragen.
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In der Struktur wird keine externe Last direkt auf die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ausgeübt, und die externe Last kann zuverlässig auf den Fahrzeugkarosserierahmen freigesetzt werden. Demzufolge wird es mit der einfachen Struktur möglich, eine direkte Einwirkung der externen Last auf die Brennstoffzellen geeignet zu verhindern und die Brennstoffzelle zuverlässig zu schützen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht, die ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist eine Perspektivansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
- 3 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten eines Brennstoffzellenstapels und eines Gehäuses des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
- 4 ist eine quergeschnittene Seitenansicht, die den Brennstoffzellenstapel und das Gehäuse zeigt;
- 5 ist eine Explosionsperspektivansicht, die Hauptkomponenten einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zeigt;
- 6 ist eine Seitenansicht, die das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 7 ist eine Perspektivansicht, die einen Brennstoffzellenstapel und ein Gehäuse des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
- 8 ist eine Seitenansicht, die ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 9 ist eine Perspektivansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt; und
- 10 ist eine Draufsicht, die Hauptkomponenten eines elektrischen Fahrzeugs zeigt, das in der JP 2009-137443 A offenbart ist.
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Beschreibung der Ausführung
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, enthält ein Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenstapel 14, der in einem Frontkasten (sogenannten Motorraum) (Innenseite einer Fahrzeugkarosserie) 12 angeordnet ist.
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Der Brennstoffzellenstapel 14 ist in einem Gehäuse 16 angeordnet, und der Brennstoffzellenstapel 14 ist, wie in 3 gezeigt, durch Stapeln einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 18 in Fahrzeugbreitenrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 gebildet, die mit Pfeil H angegeben ist, welche eine Fahrzeuglängsrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 schneidet, die mit Pfeil L angegeben ist.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind in dem Brennstoffzellenstapel 14 die Mehrzahl von Brennstoffzellen 18 aufrecht in der horizontalen Richtung, die mit Pfeil H angegeben ist, zusammengestapelt. Am einen Ende der Brennstoffzellen 18 in der Stapelrichtung ist eine erste Anschlussplatte 20a vorgesehen. Ein erste Isolierplatte 22a ist außerhalb der ersten Anschlussplatte 20a vorgesehen, und eine erste Endplatte 24a ist außerhalb der ersten Isolierplatte 22a vorgesehen. Am in der Stapelrichtung anderen Ende der Brennstoffzellen 18 ist eine zweite Anschlussplatte 20b vorgesehen. Eine zweite Isolierplatte 22b ist außerhalb der zweiten Anschlussplatte 20b vorgesehen, und eine zweite Endplatte ist außerhalb der zweiten Isolierplatte 22b vorgesehen.
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Ein erster Stromausgangsanschluss 26a erstreckt sich von einer Mittelposition der ersten Endplatte 21a. Der erste Stromausgangsanschluss 26a ist mit der ersten Anschlussplatte 20a verbunden. Ein zweiter Stromausgangsanschluss 26b erstreckt sich von einer Mittelposition der zweiten Endplatte 24b. Der zweite Stromausgangsanschluss 26b ist mit der zweiten Anschlussplatte 20b verbunden.
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Die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b haben eine in seitlicher Richtung langgestreckte, im Wesentlichen rechteckige Form, und die Ecken der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b sind abgeschnitten. Jedoch sind die Formen der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b nicht auf diese Formen beschränkt. Zum Beispiel können die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b auch eine rechteckige oder quadratische Form haben.
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Beide Enden von Koppelstangen (Dichtziehelementen) 28a sind an zwischenliegenden Positionen der jeweiligen langen Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b mittels Schrauben 30 befestigt. Beide Enden jeder Koppelstange (Dichtziehelemente) 28b sind an zwischenliegenden Positionen von jeweiligen kurzen Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b mittels Schrauben 30 befestigt. Eine Dichtziehlast wird auf die gestapelten Brennstoffzellen 18 des Brennstoffzellenstapels 14 in der mit dem Pfeil H angegebenen Stapelrichtung durch die Koppelstangen 28a, 28b ausgeübt.
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Wie in 3 gezeigt, sind Enden der Koppelstangen 24a, 24b benachbart der ersten Endplatte 24a in Vertiefungen 32 eingesetzt, die in den jeweiligen Seiten der ersten Endplatte 24a ausgebildet sind.
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Enden der Koppelstangen 28a, 28b benachbart der zweiten Endplatte 24b sind in Vertiefungen 34 eingesetzt, die in den jeweiligen Seiten der zweiten Endplatte 24b ausgebildet sind.
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Die Außenoberfläche der Koppelstange 28a ist in der gleichen Ebene mit den langen Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b ohne jede Lücke vorgesehen. Jede Koppelstange 28b steht auswärts über die kurzen Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b vor. Eine der Koppelstangen 28b ist an der Vorderseite in der mit Pfeil L angegebenen Fahrtrichtung des Fahrzeugs mit Abstand von den Brennstoffzellen 18 angeordnet. Die Koppelstange 28b hat die gleiche Dicke wie die Koppelstange 28a, und zumindest ein Teil der Koppelstange 28b, z. B. der mittlere Abschnitt in der Dickenrichtung, kann auswärts gewölbt sein, so dass er auswärts über die kurzen Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b vorsteht.
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Wie in 5 gezeigt, hat die Brennstoffzelle 18 eine seitlich langgestreckte rechteckige Form und ist durch Einfügen einer Membranelektrodenanordnung 40 zwischen einem ersten Separator 42 und einem zweiten Separator 44 gebildet. Der erste Separator 42 und der zweite Separator 44 sind Metallseparatoren, die z. B. aus Metallblechen, wie etwa Stahlblechen, rostfreien Stahlblechen, Aluminiumblechen, galvanisierten Stahlblechen, hergestellt sind, oder Kohlenstoffseparatoren.
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Am einen Ende der Brennstoffzelle 18 in der mit Pfeil L in 5 angegebenen horizontalen Richtung sind ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrkanal 46a zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases sowie ein Brenngasabführkanal 48b zum Abführen von Brenngas wie etwa wasserstoffhaltiges Gas in der mit Pfeil T angegebenen vertikalen Richtung angeordnet. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrkanal 46a und der Brenngasabführkanal 48b erstrecken sich durch die Brennstoffzelle 18 in der mit dem Pfeil H angegebenen Stapelrichtung.
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Am anderen Ende der Brennstoffzelle 18 in der mit Pfeil L angegebenen Richtung sind ein Brenngaszuführkanal 48a zum Zuführen des Brenngases und ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b zum Abführen des sauerstoffhaltigen Gases in der mit Pfeil T angegebenen Richtung angeordnet. Der Brenngaszuführkanal 48a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b erstrecken sich durch die Brennstoffzelle 18 in der mit dem Pfeil H angegebenen Richtung.
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Am oberen Ende der Brennstoffzelle 18 in der mit Pfeil T angegebenen Richtung sind ein Paar von Kühlmittelzuführkanälen 50a zum Zuführen eines Kühlmittels vorgesehen. Am unteren Ende der Brennstoffzelle 18 in der mit Pfeil T angegebenen Richtung sind ein Paar von Kühlmittelabführkanälen 50b zum Abführen des Kühlmittels vorgesehen.
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Der erste Separator 42 hat auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 40 weisenden Oberfläche 42a ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 52. Das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 52 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a und dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b verbunden.
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Der zweite Separator 44 hat auf seiner zur Membranelektrodenanordnung 40 weisenden Oberfläche 44a ein Brenngasfließfeld 54. Das Brenngasfließfeld 54 ist mit dem Brenngaszuführkanal 48a und dem Brenngasabführkanal 48b verbunden.
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Ein Kühlmittelfließfeld 56 ist zwischen einer Oberfläche 42b des ersten Separators 42 von einer der benachbarten Brennstoffzellen 18 und einer Oberfläche 44b des zweiten Separators 44 der anderen der benachbarten Brennstoffzellen 18 ausgebildet. Das Kühlmittelfließfeld 56 ist mit den Kühlmittelzuführkanälen 50a und den Kühlmittelabführkanälen 50b verbunden.
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Dichtungselemente 58, 60 sind jeweils integriert mit dem ersten Separator 42 und dem zweiten Separator 44 ausgebildet. Alternativ sind die Dichtungselemente 58, 60 jeweils auf dem ersten Separator 42 und dem zweiten Separator 44 separat von dem ersten Separator 42 und dem zweiten Separator 44 vorgesehen. Jedes der Dichtungselemente 58, 60 ist aus Dichtungsmaterial, Dämpfmaterial oder Packungsmaterial hergestellt, wie etwa EPDM, NBR, Fluorgummi, Silikongummi, Fluorsilikongummi, Butylgummi, Naturgummi, Styrolgummi, Chloroprengummi, Acrylgummi oder dergleichen.
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Die Membranelektrodenanordnung 40 enthält eine Festpolymerelektrolytmembran 62 sowie eine Kathode 64 und eine Anode 66, die die Festpolymerelektrolytmembran 62 zwischen sich aufnehmen. Die Festpolymerelektrolytmembran 62 wird gebildet, indem z. B. eine dünne Perfluorsulfonsäuremembran mit Wasser imprägniert wird.
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Die Kathode 64 und die Anode 66 haben jeweils eine Gasdiffusionsschicht wie etwa Kohlepapier und eine Elektrodenkatalysatorschicht aus Platinlegierung, die auf porösen Kohlenstoffpartikeln getragen ist. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig auf die Oberfläche der Gasdiffusionsschicht aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 64 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 66 sind jeweils auf beiden Oberflächen des Festpolymerelektrolytmembran 62 ausgebildet.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält das Gehäuse 16 eine Mehrzahl von z. B. zwei Teilelementen 70a, 70b, die Trennflächen an den langen Seiten der Brennstoffzellen 18 haben, in der mit dem Pfeil H angegebenen Längsrichtung. Die Teilelemente 70a, 70b sind z. B. durch Pressformung von Aluminiumblechen oder Pressformung von Stahlblechen (rostfreien Stahlblechen) ausgebildet. In dem Zustand, wo die Teilelemente 70a, 70b von beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels 14 (in der horizontalen Richtung) miteinander verbunden sind, bilden die Teilelemente 70a, 70b gemeinsam eine rohrartige Form, insbesondere eine polygonale rohrartige Form entsprechend der Außenform des Brennstoffzellenstapels 14.
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Die Teilelemente 70a, 70b enthalten jeweilige Vorsprungsabschnitte 71a, 71b an ihren Seitenoberflächen (vertikalen Oberflächen), die sich in der mit dem Pfeil T angegebenen Richtung erstrecken. Die Vorsprungsabschnitte 71a, 71b stehen an Positionen entsprechend der jeweiligen Koppelstange 28b nach außen vor. Einer der Vorsprungsabschnitte 71b fungiert als Lastaufnahmeelement. Es sollte angemerkt werden, dass das Gehäuse 16 bei Bedarf auch in drei oder mehr Teile aufgeteilt werden könnte.
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Flansche 72a, 72a, die zu der Außenseite (den oberen und unteren Seiten) vorstehen, sind an den offenen Enden des Teilelements 70a vorgesehen, die sich in der Längsrichtung des Teilelements 70a erstrecken. Jeder der Flansche 72a bildet eine Trennfläche. Eine Mehrzahl von Löchern 74a sind mit vorbestimmten Intervallen in jedem der Flansche 72a ausgebildet.
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Ähnlich sind an der Außenseite vorstehende Flansche 72b an den offenen Enden des Teilelements 70b vorgesehen, die sich in der Längsrichtung des Teilelements 70b erstrecken. Jeder der Flansche 72b bildet eine Trennfläche.
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Jeder der Flansche 72b hat mehrere Löcher 74b, die koaxial zu den jeweiligen Löchern 74a angeordnet sind. Jeder der Bolzen 76 ist in beide Löeher 74a, 74b eingesetzt, die koaxial angeordnet sind, und die Bolzen 76 sind in Muttern 77 geschraubt, um die Teilelemente 70a, 70b miteinander zu verbinden.
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Ein erstes Dichtungselement 78a ist um und in engem Kontakt mit dem Außenumfang der ersten Endplatte 24a angeordnet, und ein zweites Dichtungselement 78b ist um und in engem Kontakt mit dem Außenumfang der zweiten Endplatte 24b angeordnet.
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In dem Zustand, wo die Teilelemente 70a, 70b aneinander befestigt sind, ist das erste Dichtungselement 78a zwischen einer Innenoberfläche 16a des Gehäuses 16 und dem Außenumfang der ersten Endplatte 24a aufgenommen, und ist das zweite Dichtungselement 78b zwischen der Innenoberfläche 16a des Gehäuses 16 und dem Außenumfang der zweiten Endplatte 24b aufgenommen, um hierdurch das Gehäuse 16 luftdicht zu halten.
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Wie in 3 gezeigt, sind an der ersten Endplatte 24a angebracht ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführ-Verteiler 80a, ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 80b, ein Brenngas-Zuführ-Verteiler 82a und ein Brenngas-Abführsammler 82b. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführ-Verteiler 80a ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a verbunden, der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 80b ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b verbunden, der Brenngas-Zuführ-Verteiler 82a ist mit dem Brenngas-Zuführkanal 48a verbunden, und der Brenngas-Abführsammler 82b ist mit dem Brenngas-Abführkanal 48b verbunden.
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Ein Ende von jedem eines Paars von Halterungselementen 84a ist an der ersten Endplatte 24a befestigt, und ein anderes Ende davon ist an einem Brennstoffzellenrahmenelement 86 befestigt. Die erste Endplatte 24a ist direkt an dem Rahmenelement 86 befestigt.
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Wie in 2 gezeigt, sind ein Paar von Kühlmittelzuführverteilern 88a und ein Paar von Kühlmittelabführsammlern 88b an der zweiten Endplatte 24b angebracht. Die Kühlmittelzuführverteiler 88a sind mit dem Paar von Kühlmittelzuführkanälen 50a verbunden, und die Kühlmittelabführsammler 88b sind mit dem Paar von Kühlmittelabführkanälen 50b verbunden. Ein Paar von Kühlmittelzuführverteilern 88a mündet in eine einzelne Versorgungsrohrstruktur und ähnlich mündet das Paar von Kühlmittelabführsammlern 88b in eine einzelne Abführrohrstruktur.
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Ein Ende von jedem eines Paars von Halterungselementen 84b ist an der zweiten Endplatte 24b befestigt, und ein anderes Ende davon ist an dem Rahmenelement 86 befestigt. Die zweite Endplatte 24b ist direkt an dem Rahmenelement 86 befestigt.
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Anstelle der Verwendung der obigen Struktur könnten alle Verteiler/ Sammler (der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführ-Verteiler 80a der Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 80b, der Brenngas-Zuführ-Verteiler 82a, der Brenngas-Abführsammler 82b, das Paar von Kühlmittel-Zuführverteilern 88a und das Paar von Kühlmittel-Abführsammlern 88b) an der ersten Endplatte 24a vorgesehen sein.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist das Rahmenelement 86 an Seitenrahmen 90, die Teile des Fahrzeugs sind, mittels Trägern 91 befestigt. Die Seitenrahmen 90 sind Teile eines Fahrzeugkarosserierahmens 92. Zusätzlich zu einem Traktionsmotor 94 sind bei Bedarf verschiedene Ausrüstungsgegenstände zwischen dem Rahmenelement 86 und dem Fahrzeugkarosserierahmen 92 vorgesehen.
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Wie in 1 gezeigt, sind, der Reihe nach von der Vorderseite zur Rückseite in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, ein Brennstoffzellenkühler 96, Vorsprungsabschnitt 71b (Lastaufnahmeelement) des Gehäuses 16 und die Koppelstange 28b (Dichtziehelement) des Brennstoffzellenstapels 14 in dem Frontkasten 12 angeordnet.
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Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 in dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 mit der obigen Struktur beschrieben.
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Zuerst wird, wie in den 3 und 5 gezeigt, sauerstoffhaltiges Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführ-Verteiler 80a dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a zugeführt. Brenngas wie etwa wasserstoffhaltiges Gas wird von dem Brenngas-Zuführ-Verteiler 82a dem Brenngas-Zuführkanal 48a zugeführt. Ferner wird, wie in den 2 und 5 gezeigt, Kühlmittel wie etwa reines Wasser, Ethylenglykol, Öl oder dergleichen von den Kühlmittel-Zuführ-Verteilern 88a den Kühlmittel-Zuführ-Kanälen 50a zugeführt.
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Daher fließt, wie in 5 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal 46a in das Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 52 des ersten Separators 42. Das sauerstoffhaltige Gas fließt in der mit dem Pfeil L angegebenen Richtung, und das sauerstoffhaltige Gas wird der Kathode 64 der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt.
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Unterdessen fließt das Brenngas von dem Brenngas-Zuführkanal 48a in das Brenngas-Fließfeld 54 des zweiten Separators 44. Das Brenngas bewegt sich in der mit dem Pfeil L angegebenen Richtung, und das Brenngas wird der Anode 66 der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt.
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Somit werden in der Membranelektrodenanordnung 40 das der Kathode 64 zugeführte sauerstoffhaltige Gas und das der Anode 66 zugeführte Brenngas in elektrochemischen Reaktionen an Katalysatorschichten der Kathode 64 und der Anode 66 verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen. Im Ergebnis wird dem Traktionsmotor 94 Elektrizität zugeführt, um die Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 zu erlauben.
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Dann fließt das an der Kathode 64 verbrauchte sauerstoffhaltige Gas entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal 46b in der mit Pfeil H angegebenen Richtung, und wird das sauerstoffhaltige Gas von dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführsammler 80b abgeführt (siehe 3). Unterdessen fließt das an der Anode 66 verbrauchte Brenngas entlang dem Brenngas-Abführkanal 48b in der mit dem Pfeil H angegebenen Richtung und wird das Brenngas von dem Brenngas-Abführsammler 82b abgeführt.
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Ferner fließt das dem Paar von Kühlmittel-Zuführkanälen 50a zugeführte Kühlmittel in das Kühlmittelfließfeld 56, das zwischen dem ersten Separator 42 und dem zweiten Separator 44 ausgebildet ist, und fließt das Kühlmittel in der mit dem Pfeil T angegebenen Richtung. Nachdem das Kühlmittel die Membranelektrodenanordnung 40 gekühlt hat, fließt das Kühlmittel durch das Paar von Kühlmittel-Abführkanälen 50b, und das Kühlmittel wird von den Kühlmittel-Abführsammlern 88b abgeführt (siehe 2).
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Wie oben beschrieben, wird von dem Brennstoffzellenstapel 14 dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 Elektrizität zugeführt, womit das Brennstoffzellenfahrzeug fährt. Wenn hierbei, wie in 1 gezeigt, eine externe Last F wie etwa Aufprall von der Vorderseite auf das Brennstoffzellenfahrzeug 10 einwirkt, verformt sich der vordere Abschnitt des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 einwärts, um den Kühler 96 in Fahrtrichtung zur Rückseite (mit Pfeil LB angegeben) zu verformen/zu bewegen. Daher kollidiert der Kühler 96 mit dem Vorsprungsabschnitt 71b des Teilelements 70b des Gehäuses 16.
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Die Koppelstange 28b des Brennstoffzellenstapels 14 ist an der Rückseite des Vorsprungsabschnitts 71b vorgesehen. Die Koppelstange 78b steht über die kurzen Seiten der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b nach außen vor, und die Koppelstange 28b hat Abstand von den Brennstoffzellen 18. In der Struktur wird, nachdem die auf den Vorsprungsabschnitt 71b ausgeübte externe Last F auf die Koppelstange 28b übertragen worden ist, die externe Last auf die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b übertragen, an der die Koppelstange 28b befestigt ist. Hierbei wird die externe Last F nicht auf die Brennstoffzellen 18 übertragen.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, sind die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b durch die Halterungselemente 84a, 84b direkt an dem Rahmenelement 86 befestigt. Nachdem die externe Last F von der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b auf das Rahmenelement 86 übertragen worden ist, wird daher die externe Last durch die Seitenrahmen 90, an denen das Rahmenelement 86 befestigt ist, auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 übertragen.
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Wenn in der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung die externe Last F von der Vorderseite in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs einwirkt, wird, nachdem die externe Last F von dem Kühler 96, dem Vorsprungsabschnitt 71b des Gehäuses 16 und der Koppelstange 28b auf die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b übertragen worden ist, die externe Last F von dem Rahmenelement 86 durch die Seitenrahmen 90 auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 übertragen.
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Daher wirkt die externe Last F nicht direkt auf die Brennstoffzellen 18 des Brennstoffzellenstapels 14, und die externe Last F kann zuverlässig auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 beigesetzt werden. Dementsprechend wird es mit der einfachen Struktur möglich, eine direkte Einwirkung der externen Last F auf die Brennstoffzellen 18 zuverlässig zu verhindern und die Brennstoffzellen 18 vorteilhaft zuverlässig zu schützen.
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Es kann eine Lücke zwischen der Koppelstange 28b und dem Vorsprungsabschnitt 71b des Gehäuses 16 ausgebildet sein. In diesem Fall wird, nachdem die externe Last F von dem Kühler 96 und dem Vorsprungsabschnitt 71b des Gehäuses 16 auf die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b übertragen worden ist, die externe Last F von dem Rahmenelement 86 durch die Seitenrahmen 90 auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 übertragen.
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6 ist eine Querschnittsansicht, die Hauptkomponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs 100 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. Jene Bauelemente, die mit denen des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 gemäß der ersten Ausführung identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine Beschreibung davon wird weggelassen. Ferner sind auch in einer später beschriebenen dritten Ausführung jene Bauelemente, die mit denen des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 gemäß der ersten Ausführung identisch sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
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Wie in den 6 und 7 gezeigt, enthält das Brennstoffzellenfahrzeug 100 ein Gehäuse 102, das den Brennstoffzellenstapel 14 aufnimmt. Das Gehäuse 102 hat eine Mehrzahl von z. B. zwei Teilelementen 104a, 104b, die Trennflächen an den kurzen Seiten der Brennstoffzellen 18 haben, in der mit dem Pfeil H angegebenen Längsrichtung. In dem Zustand, wo die Teilelemente 104a, 104b von den oberen und unteren Richtungen des Brennstoffzellenstapels 14 miteinander verbunden sind, bilden die Teilelemente 104a, 104b gemeinsam eine rohrartige Form, insbesondere eine polygonale rohrartige Form entsprechend der Außenform des Brennstoffzellenstapels 14.
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Die Teilelemente 104a, 104b haben die Trennflächen an Positionen, wo die Koppelstangen 28b vorgesehen sind. An den offenen Enden des Teilelements 104a, die sich in der Längsrichtung erstrecken, sind Flansche 106a vorgesehen, die sich in der horizontalen Richtung auswärts erstrecken. Die Flansche 106a bilden die Trennflächen.
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In der gleichen Weise wie im Falle des Teilelements 104a sind an den offenen Enden des Teilelements 104b, die sich in der Längsrichtung erstrecken, Flansche 106b vorgesehen, die in der horizontalen Richtung auswärts vorstehen. Die Flansche 106b bilden die Trennflächen.
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Die Flansche 106a, 106b sind mittels Bolzen 76 und Muttern 77 befestigt, um Teilelemente 104a, 104 b miteinander zu verbinden. In dem Gehäuse 102 bildet ein Paar der Flansche 106a, 106b, die von dem Brennstoffzellenstapel 14 zur Vorderseite in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorstehen, ein Lastaufnahmeelement.
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In der zweiten Ausführung mit der obigen Struktur sind, der Reihe nach von der Vorderseite zur Rückseite in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs ein Kühler 96, die Flansche 106a, 106b (Lastaufnahmeelement) des Gehäuses 102, und die Koppelstange 28b (Dichtziehelement) des Brennstoffzellenstapels 14 in dem Frontkasten angeordnet.
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Wenn in der Struktur die externe Last F von der Vorderseite in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs her einwirkt, wird, nachdem die externe Last F vom Kühler 96 den Flanschen 106a, 106b des Gehäuses 16 und der Koppelstange 28b der ersten Endplatte 24a und der zweiten Endplatte 24b übertragen worden ist, die externe Last F von dem Rahmenelement 86 durch die Seitenrahmen 90 auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 übertragen.
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Daher wirkt die externe Last F nicht direkt auf die Brennstoffzellen 18 des Brennstoffzellenstapels 14, und die externe Last F kann zuverlässig auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 freigesetzt werden.
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Dementsprechend hält man mit der einfachen Struktur die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung. Z. B. wird es möglich, das direkte Einwirken der externen Last F auf den Brennstoffzellenstapel 14 geeignet zu verhindern, und den Brennstoffzellenstapel 14 vorteilhaft zu schützen.
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Wie in den 8 und 9 gezeigt, ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug 110 gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung der Brennstoffzellenstapel 14 in einem Gehäuse 16 angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel 14 ist, ohne Verwendung des Rahmenelements 86, direkt an den Seitenrahmen 90a befestigt.
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Ein Ende von jedem eines Paars von Halterungselementen 112a ist an der ersten Endplatte 24a befestigt, und ein anderes Ende davon ist an dem Seitenrahmen 90a befestigt. Ein Ende von jedem eines Paars von Halterungselementen 112b ist an der zweiten Endplatte 24b befestigt, und ein anderes Ende davon ist an dem Seitenrahmen 90a befestigt. Der Seitenrahmen 90a enthält einen festigkeitsreduzierten Abschnitt 114 mit reduzierter Festigkeit, der gebildet wird, indem, in der Höhenrichtung, ein Abschnitt des Seitenrahmens 90a an einer vorbestimmten Position in der mit Pfeil L angegebenen Richtung ausgeschnitten wird.
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Wenn in der dritten Ausführung mit der obigen Struktur die externe Last F von der Vorderseite in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs einwirkt, wird, nachdem die externe Last F von dem Kühler 96, dem Vorsprungsabschnitt 71b des Gehäuses 16 (und bei Bedarf der Koppelstange 28b) auf die erste Endplatte 24a und die zweite Endplatte 24b übertragen worden ist, die externe Last F durch die Seitenrahmen 90a auf den Fahrzeugkarosserierahmen 92 übertragen. Daher wirkt die externe Last nicht direkt auf die Brennstoffzellen 18 des Brennstoffzellenstapels 14. Somit wird es möglich, eine durch Spannungskonzentration hervorgerufene Beschädigung der Brennstoffzellen 18 zu verhindern.
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Ferner ist der festigkeitsreduzierte Abschnitt 114 in dem Seitenrahmen vorgesehen. Wenn somit die externe Last F einwirkt, verbiegt sich der Seitenrahmen 90a an dem festigkeitsreduzierten Abschnitt 114. Daher wird es möglich, die externe Last F zuverlässig zu absorbieren und Brennstoffzellen 18 vorteilhaft geeignet zu schützen.
