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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge, und insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge, die Luft als Reaktionsgas und als Kühlmittel verwendet.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Als ein Problempunkt bei Brennstoffzellenfahrzeugen besteht das Problem, dass sie bei niedrigen Temperaturen eine herabgesetzte Startfähigkeit erfahren. Im Fall von Brennstoffzellenfahrzeugen, die nachts im Freien oder unter Niedrigtemperaturbedingungen wie etwa jenen in Gegenden mit kalter Witterung geparkt sind, können die Brennstoffzellen eine verringerte Stromerzeugungsleistung aufweisen, was zur Folge haben kann, dass der erforderliche Strom beim Starten oder Fahren nicht geliefert wird. Diesbezüglich wurde als Gegenmaßnahme ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer Heizvorrichtung oder eines Abgasgebläses erwärmt wird (siehe zum Beispiel
JP 2010 -
234 992 A ). Dieses Verfahren ist mit Problemen wie einem vermehrten Stromverbrauch durch die Heizvorrichtung oder einer erhöhten Anzahl von Einzelteilen wie etwa jenen aufgrund des hinzugefügten Abgasgebläses, dessen Zweck das Aufwärmen ist, verbunden. Überdies wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Abgase der Brennstoffzellen verwendet werden, um Geräte, die aufgewärmt werden sollen, zu erwärmen (siehe zum Beispiel
JP 2009 -
140 872 A ). Daneben wurden Aufwärmverfahren vorgeschlagen, die Wärmespeichermaterialien oder eine katalytische Verbrennung oder dergleichen verwenden. Doch alle Vorschläge sind von Problemen wie etwa der Komplexität des Systems als Brennstoffzellenvorrichtung und einer erhöhten Anzahl der Einzelteile begleitet.
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Die
DE 11 2011 102 498 T5 offenbart eine luftgekühlte Brennstoffzellenvorrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug, die einen Brennstoffzellenstapel enthält, der in einem Raum angeordnet ist, der von Fahrzeugkarosserieblechen umschlossen ist, und der so konfiguriert ist, dass er Luft als Reaktionsgas und ein Kühlmittel durch einen Lufteinlassöffnungsbereich in sein Inneres ansaugt, und aufgewärmte Luft durch einen Auslasskanal nach Außen auslässt. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Luftansaugkanal, der mit dem Lufteinlassöffnungsbereich verbunden ist, einen Luftauslasskanal, der mit dem Luftauslassöffnungsbereich verbunden ist, und ein Gebläse, das so konfiguriert ist, dass es Luft zu dem Lufteinlasskanal ansaugt. Der Luftauslasskanal weist eine Luftauslassöffnung auf, die in der Nähe des Lufteinlasskanals angeordnet ist. Der Lufteinlasskanal umfasst Öffnungen, die sich an einem stromaufwärtigen Endabschnitt des Lufteinlasskanals öffnen, und Lufteinlässe, die sich an einer Stelle öffnen, die näher an der Luftauslassöffnung angeordnet sind als die ersten Öffnungen.
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Die US 2008 / 0 241 619 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung, bei der ein Mechanismus zum Einstellen einr Zuluftmenge, wie z. B. eine sich öffnende oder schließende Klappe, die an einem Luftzufuhrpfad vorgesehen ist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aus diesem Grund wurde angesichts der beschriebenen Probleme die vorliegende Erfindung erdacht, wobei es ihre Aufgabe ist, eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge bereitzustellen, die so angepasst ist, dass ein Brennstoffzellenstapel unter Umständen, die mit Außenluft mit einer niedrigen Temperatur verbunden sind, eine verbesserte Betriebsfähigkeit aufweist, während eine verbesserte Anbringbarkeit an Fahrzeugen gestattet wird.
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Mittel zur Lösung der Aufgabe
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Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge, die einen Brennstoffzellenstapel, der in einem Raum angeordnet ist, welcher durch Fahrzeugkarosseriebleche umschlossen ist, und so gestaltet ist, dass er Luft als Reaktionsgas und als Kühlmittel durch einen Lufteinlassöffnungsbereich in sein Inneres einlässt und Luft, deren Temperatur angestiegen ist, durch einen Luftauslassöffnungsbereich nach außen auslässt; einen Luftansaugkanal, der mit dem Lufteinlassöffnungsbereich verbunden ist; einen Luftauslasskanal, der mit dem Luftauslassöffnungsbereich verbunden ist; und ein Gebläse, das zur Einbringung von Luft in den Luftansaugkanal gestaltet ist, wobei der Luftauslasskanal eine Luftauslassöffnung aufweist, und der Luftansaugkanal mit einem ersten Lufteinlassöffnungssatz, der sich an einem stromaufwärts befindlichen Endabschnitt des Luftansaugkanals öffnet, und einem zweiten Lufteinlassöffnungssatz ausgeführt ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Luftauslassöffnung so konfiguriert ist, dass sie erwärmte Luft nach außen in den von den Fahrzeugkarosserieblechen eingeschlossenen Raum abgibt; der zweite Lufteinlassöffnungssatz sich an einer Stelle öffnet, die näher an der Luftauslassöffnung liegt als der erste Lufteinlassöffnungssatz, der zweite Lufteinlassöffnungssatz so konfiguriert ist, dass er die von der Luftauslassöffnung in den von den Fahrzeugkarosserieblechen eingeschlossenen Raum abgegebene erwärmte Luft aufnimmt, und an dem zweiten Lufteinlassöffnungssatz ein Verschlusssatz bereitgestellt ist, um den zweiten Lufteinlassöffnungssatz zu öffnen oder zu schließen.
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Ein beschriebener Gesichtspunkt ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusssatz so eingerichtet ist, dass er sich öffnet, wenn die Außenluft eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine untere Grenztemperatur eines Temperaturbereichs ist, der dafür sorgt, dass der Brennstoffzellenstapel wie erforderlich arbeitet.
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Ein beschriebener Gesichtspunkt ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel so an einem Fahrzeug angebracht ist, dass sich der Lufteinlassöffnungsbereich an einer in der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne ausgerichteten Position befindet, und der zweite Lufteinlassöffnungssatz im Wesentlichen in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten offen ist.
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Ein beschriebener Gesichtspunkt ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lufteinlassöffnungssatz an beiden Seiten in der Fahrzeugquerrichtung des Luftansaugkanals eingerichtet ist.
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Ein beschriebener Gesichtspunkt ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lufteinlassöffnungssatz mit einem Verschlusssatz versehen ist, um den ersten Lufteinlassöffnungssatz zu öffnen oder zu schließen.
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Wirkungen der Erfindung
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Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge auszuführen, die so angepasst ist, dass ein Brennstoffzellenstapel unter Umständen, die mit Außenluft mit einer niedrigen Temperatur verbunden sind, eine verbesserte Betriebsfähigkeit aufweist, während eine verbesserte Anbringbarkeit an Fahrzeugen gestattet wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine erklärende Seitenansicht, die einen vorderen Abschnitt eines Fahrzeugs, woran eine Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist, zeigt.
- 2 ist eine erklärende Draufsicht, die den vorderen Abschnitt des Fahrzeugs, woran die Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist, zeigt.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Brennstoffzellenvorrichtung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von diagonal vorne her gesehen zeigt.
- 4 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach der Ausführungsform der Erfindung.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht, die die Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von diagonal hinten her gesehen zeigt.
- 6 ist eine Draufsicht auf die Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 7 ist eine Schnittansicht, die einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in 6 zeigt.
- 8 ist ein Blockdiagramm der Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Einzelheiten einer Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Diese Ausführungsform benutzt zur Bequemlichkeit bei der Beschreibung die Richtungssinne der Längs-, der Quer- und der senkrechten Richtung eines Fahrzeugs, die in den Zeichnungen durch Pfeile definiert sind.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, ist an einem vorderen Abschnitt eines Fahrzeugs 100 eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge angebracht. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge ist in einem Motorraum 104 angeordnet, der ein Raum in dem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs 100 ist, welcher von Fahrzeugkarosserieblechen umschlossen ist. Wie in 1 und 2 gezeigt, umfassen die Fahrzeugkarosseriebleche eine Motorhaube 101, Seitenwände 102 und eine Trennwand 103. Der Motorraum 104 ist neben der Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge mit einem Antriebsmotor 105, einem Inverter 106 und einem Kühler 107 ausgestattet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge besteht im Wesentlichen aus einem Luftansaugkanal 2, einem Paar von Brennstoffzellenstapeln 3, zwei Paaren von Luftauslasskanälen 4, die jeweils paarweise an den Brennstoffzellenstapeln 3 bereitgestellt sind, und Luftauslassgebläsen 5, die jeweils einzeln an den Luftauslasskanälen 4 bereitgestellt sind.
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(Der Luftansaugkanal)
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Wie in 3 gezeigt, umfasst der Luftansaugkanal 2 einen ersten Kanalabschnitt 210, einen zweiten Kanalabschnitt 220 und einen dritten Kanalabschnitt 230. Der erste Kanalabschnitt 210 weist einen im Wesentlichen quaderförmig umrissenen Kastenaufbau auf. An einer in der Fahrzeuglängsrichtung vorderen Seite des ersten Kanalabschnitts 210 befindet sich eine Vorderwand 211, die mit einem Paar von ersten Lufteinlassöffnungen 212 ausgeführt ist. Diese ersten Lufteinlassöffnungen 212 sind als zwei in der senkrechten Richtung beabstandete Stellen an der Vorderwand 211 ausgeführt. Die ersten Lufteinlassöffnungen 212 weisen Verschlüsse 213 auf. Die Verschlüsse 213 sind so ausgeführt, dass sie durch einen Verschlussantrieb 213A drehend angetrieben werden, um dadurch die ersten Luftansaugöffnungen 212 zu öffnen oder zu schließen.
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Wie in 7 gezeigt, weist der erste Kanalabschnitt 210 eine hintere Seitenwand 214 auf, die zu der vorderen Seitenwand 211 entgegengesetzt ist und mit einer Öffnung 214A ausgeführt ist. Die Öffnung 214A weist einen Umriss auf, der etwas kleiner als ein Umriss der hinteren Seitenwand 214 ist. Mit anderen Worten weist die Öffnung 214A eine Fläche auf, die einen großen Teil der hinteren Seitenwand 214 einnimmt. Der zweite Kanalabschnitt 220 ist als röhrenförmiger Körper ausgeführt, der senkrecht zu der Achsenrichtung einen rechteckigen Abschnitt bzw. Querschnitt aufweist. Der Umriss des senkrecht zu der Achsenrichtung verlaufenden Abschnitts des zweiten Kanalabschnitts 220 ist so festgelegt, dass er größer als die in der hinteren Seitenwand 214 gebildete Öffnung 214A ist. Der zweite Kanalabschnitt 220 ist so mit der hinteren Seitenwand 214 des ersten Kanalabschnitts 210 verbunden, dass er in einer Luftverbindung mit der in der hinteren Seitenwand 214 gebildeten Öffnung 214A steht. Überdies weist der zweite Kanalabschnitt 220, wie in 4 gezeigt, ein darin untergebrachtes rechteckiges, flaches Filter 221 auf. Es wird angemerkt, dass der zweite Kanalabschnitt 220 eine Länge in der Achsenrichtung aufweist, die so festgelegt ist, dass sie der Dicke des Filters 221 nahezu gleich und verhältnismäßig kurz ist.
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Wie in 4 gezeigt, ist der dritte Kanalabschnitt 230 in der Form eines innen hohlen Kastens ausgeführt, der einen im Wesentlichen trapezoid-prismatisch geformten Umriss aufweist. Wie in 7 gezeigt, weist der dritte Kanalabschnitt 230 eine vordere Seitenwand 231, die an der in der Fahrzeuglängsrichtung vorderen Seite angeordnet ist, und ein Paar von lateralen Seitenwänden 232, die an beiden Seiten in der Fahrzeugquerrichtung angeordnet sind, auf. Es wird angemerkt, dass der dritte Kanalabschnitt 230 in seinem in der Fahrzeuglängsrichtung hinteren Teil ein Paar von stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 aufweist. Es wird auch angemerkt, dass die Öffnungsflächen 235A dieser stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen rechtwinkelig zueinander verlaufen. Die Mittelachse einer der stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 des dritten Kanalabschnitts 230 ist in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten diagonal aufwärts ausgerichtet. Die Mittelachse der anderen der stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 des dritten Kanalabschnitts 230 ist in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten diagonal abwärts ausgerichtet. In der vorderen Seitenwand 231 ist eine stromaufwärts befindliche Öffnung 231A gebildet. Und die vordere Seitenwand 231 ist so mit einem stromabwärts befindlichen Ende des zweiten Kanalabschnitts 220 verbunden, dass sie in einer Luftverbindung mit dem zweiten Kanalabschnitt 220 steht.
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Wie in 5 und 6 gezeigt, weisen die lateralen Seitenwände 232 darin gebildete zweite Lufteinlassöffnungen 232A auf. Die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A sind entlang der senkrechten Richtung des Fahrzeugs gebildet. An den Außenseiten der zweiten Lufteinlassöffnungen 232A sind Haubenteile 232B gebildet, die sich nach hinten gerichtet öffnen, um abgegebene Luft von der Hinterseite in der Fahrzeuglängsrichtung aufzunehmen. Das heißt, die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A sind durch derartiges Bereitstellen der Haubenteile 232B ausgeführt, dass sich diese im Wesentlichen in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten öffnen. Überdies weisen die Haubenteile 232B darin untergebrachte Verschlüsse 232C auf, um die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A zu öffnen oder zu schließen. Wie in 7 gezeigt, werden die Verschlüsse 232C durch Verschlussantriebe 232D, die zur Vornahme der Öffnungs- und Schließtätigkeit dienen, angetrieben. Die Verschlussantriebe 232D sind an den Innenseiten der lateralen Seitenwände 232 bereitgestellt. Es wird angemerkt, dass die Verschlüsse 232C so eingerichtet sind, dass sie sich öffnen, wenn die Außenluft eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine bestimmte Temperatur (als untere Grenztemperatur eines Temperaturbereichs, der dafür sorgt, dass die Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeiten) ist.
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(Die Brennstoffzellenstapel)
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Die Brennstoffzellenstapel 3 sind so aufgebaut, dass sie nicht gezeigte Elektrolytfilme, Wasserstoffelektroden, Luftelektroden und Separatoren aufweisen, die in mehreren Schichten gestapelt sind. Wie in 7 gezeigt, weisen die Brennstoffzellenstapel 3 jeweils einen Lufteinlassöffnungsbereich 31, der eine Seite eines rechteckigen parallelflächigen Aufbaus bildet, und parallel zu dem Lufteinlassöffnungsbereich 31 einen Auslassöffnungsbereich 32, der die andere Seite bildet, auf. Bei den Brennstoffzellenstapeln 3 wird Luft als Reaktionsgas und als Kühlmittel verwendet. Überdies weisen die Brennstoffzellenstapel 3 wie in 4 und 7 gezeigt, jeweils Filterhalter 33 auf, die in einer kurzen rechteckigen Kanalform ausgeführt sind und an der Seite des Lufteinlassöffnungsbereichs 31 bereitgestellt sind. In den Filterhaltern 33 sind rechteckige flache Filter 34 untergebracht. Wie in 7 gezeigt, ist jeder Brennstoffzellenstapel 3 an der Seite des Lufteinlassöffnungsbereichs 31 so mit einer stromabwärts befindlichen Öffnung 235 des dritten Kanalabschnitts 230 verbunden, dass er damit in einer Luftverbindung steht.
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8 ist ein Blockdiagramm der Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform. Wie in 8 gezeigt, besteht ein Aufbau, der einen Wasserstofftank 6 umfasst, worin hoch komprimiertes Wasserstoffgas gespeichert ist, das an einem Druckminderungsventil 9 eine Druckverringerung erfährt, um in nicht dargestellte anodenseitige Ansaugteile der Brennstoffzellenstapel 3 eingebracht zu werden. Andererseits wird Außenluft, die in den Luftansaugkanal 2 gesaugt wurde, ohne Einsatz von hoch komprimierenden Kompressoren durch die Luftauslassgebläse 5 vorangetrieben, um durch die Filter 221 und 34 zu nicht dargestellten kathodenseitigen Luftansaugteilen der Brennstoffzellenstapel 3 geliefert zu werden. An den Brennstoffzellenstapeln 3 wird die zugeführte Luft nicht nur einfach für die Reaktionen zur Erzeugung von Strom verwendet, sondern dient sie auch zur Kühlung der Brennstoffzellenstapel 3. Eine nicht dargestellte Anodenluftauslassleitung ist über ein Spülventil 8 mit einer nicht dargestellten Kathodenluftauslassleitung verbunden und dient dem Zweck, das Wasserstoffgas bei der Abgabe von überschüssigem Wasserstoffgas an der Anodenseite zum Ausstoß nach außerhalb des Fahrzeugs unter Verwendung von Luft, die an der Kathodenseite abgegeben wird, für die Abgabe in die Atmosphäre unter einen unteren Grenzwert der Brennbarkeitskonzentration zu verdünnen. Ferner sind die Brennstoffzellenstapel 3 wie in 7 gezeigt, so ausgeführt, dass sie Luft durch die Lufteinlassöffnungsbereiche 31 einlassen und Luft, deren Temperatur angestiegen ist, durch die Luftauslassöffnungsbereiche 32 nach außen abgeben.
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(Die Luftauslasskanäle)
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Wie in 3 bis 6 gezeigt, ist an jedem Brennstoffzellenstapel 3 ein daran fixiertes Paar von Luftauslasskanälen 4 so angeordnet, dass sie zueinander in der Fahrzeugquerrichtung benachbart sind. Wie in 7 gezeigt, ist jeder Luftauslasskanal 4 als rechteckig prismenförmiger röhrenförmiger Kanal so mit der Seite des Luftauslassöffnungsbereichs 32 des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden, dass er damit in einer Luftverbindung steht. Außerdem weist jeder Luftauslasskanal 4 an dem stromabwärts befindlichen Ende eine daran fixierte Luftauslassgebläseabdeckung 41 mit einer runden röhrenförmigen Form auf. Wie in 5 und 6 gezeigt, ist in der Luftauslassgebläseabdeckung 41 ein Luftauslassgebläse 5 eingerichtet. Es wird bemerkt, dass die Luftauslassgebläseabdeckung 41 bei dieser Ausführungsform eine Luftauslassöffnung 42 aufweist, die in der Nähe des Luftansaugkanals 2 angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich die Luftauslassöffnung 42 in einer geringen Entfernung von einer zweiten Lufteinlassöffnung 232A, um daran angebunden zu werden.
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(Betrieb und Wirkungen der Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge)
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Nun werden der Betrieb und die Wirkungen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform beschrieben werden. Zuerst werden bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 Wasserstoffgas und Luft in die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eingebracht. Genauer wird wie in 8 gezeigt, hoch komprimiertes Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank 6 gespeichert ist, durch das Druckminderungsventil 7 einer Druckverringerung unterzogen, um in die dafür geeigneten nicht gezeigten Anodenluftansaugteile der Brennstoffzellenstapel 3 eingebracht zu werden. Andererseits wird Außenluft durch das Filter 221 in den Luftansaugkanal 2 gesaugt und unter Verwendung der Luftauslassgebläse 5 zu den nicht gezeigten Anodenluftansaugteilen der Brennstoffzellenstapel 3, die keinen hochkomprimierenden Kompressor aufweisen, geliefert. Es wird angemerkt, dass diese zugeführte Luft nicht nur einfach für die Reaktionen zur Erzeugung von Strom verwendet wird, sondern auch zum Kühlen der Brennstoffzellenstapel 3 dient. Überschüssiges Wasserstoffgas, das an der Anodenseite abgegeben wird, wird beim Ausstoß nach außerhalb des Fahrzeugs für die Abgabe in die Atmosphäre unter Verwendung von Luft, die an der Kathodenseite abgegeben wird, unter einen unteren Grenzwert der Brennbarkeitskonzentration verdünnt. Außerdem ist für eine derartige Abgabe der Luft, die von den Brennstoffzellenstapeln 3 abgegeben wird, gesorgt, dass diese durch die Luftauslasskanäle 4 geleitet und nach hinten in den Motorraum 104 abgegeben wird. Daher wirkt die von den Luftauslasskanälen 4 abgegebene Luft zur Erwärmung des Inneren des Motorraums 104.
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(Situationen, die ein Aufwärmen erfordern)
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In einer bestimmten Niedrigtemperaturumgebung wird der Verschlussantrieb 213A betätigt, um die Verschlüsse 213 an den ersten Lufteinlassöffnungen 212 zu schließen. Gleichzeitig mit dem Betrieb des Verschlussantriebs 213A werden die Verschlussantriebe 232D betätigt, damit die Verschlüsse 232C so betätigt werden, dass sie die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A öffnen. Hier bezieht sich die bestimmte Niedrigtemperaturumgebung auf eine Situation, in der die Außenlufttemperatur niedriger als eine untere Grenztemperatur in einem Temperaturbereich ist, der passend ist, damit die Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeiten.
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In diesem Zustand werden die Luftauslassgebläse 5 drehend angetrieben und gelangt daher, wie in 6 gezeigt, Luft A5 (in 6 durch Pfeile dargestellt), die zusammen mit der Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erwärmt wurde, von den Luftauslassöffnungen 42 zu den zweiten Lufteinlassöffnungen 232A, wo sie in den Luftansaugkanal 2 eingebracht wird. Daher wird eingebrachte warme Luft A4R (in 6 durch Pfeile dargestellt) in dem Luftansaugkanal 2 durch die Lufteinlassöffnungsbereiche 31 der Brennstoffzellenstapel 3 in das Innere der Brennstoffzellenstapel 3 eingebracht, wo sie für die Reaktionen zur Erzeugung von Strom und das frühe Aufwärmen der Brennstoffzellenstapel 3 dient.
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(Situationen, die kein Aufwärmen erfordern)
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Andererseits sind die Verschlussantriebe 232D so betriebsfähig, dass sie die Verschlüsse 232C, die an den zweiten Lufteinlassöffnungen 232A bereitgestellt sind, in Situationen, die kein Aufwärmen der Brennstoffzellenstapel 3 erfordern, das heißt, oberhalb des unteren Grenzwerts des Temperaturbereichs, der passend ist, damit die Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeiten, schließen. In diesem Fall können die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A, die sich in der Nähe der Luftauslassöffnungen 42 der Luftauslasskanäle 4 befinden, geschlossen werden, wodurch verhindert wird, dass warme Luft von den Luftauslassöffnungen 42 in den Luftansaugkanal 2 eingebracht wird. In diesem Zustand sind die ersten Lufteinlassöffnungen 212 offen. Es wird angemerkt, dass die Haubenteile 232B, die an den zweiten Lufteinlassöffnungen 232A bereitgestellt sind, in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten gerichtet offen sind, wodurch der in der Nähe des Luftansaugkanals 2 strömende Fahrtwind weniger zu einem direkten Einströmen neigt.
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Wie in 7 gezeigt, wird in Situationen, in denen nur die ersten Lufteinlassöffnungen 212 offen sind, Luft A1 (in 7 durch Pfeile dargestellt) durch die Saugwirkung der Luftauslassgebläse 5 oder während der Fahrt durch die ersten Lufteinlassöffnungen 212 in den ersten Kanalabschnitt 210 eingebracht. Luft A2 (in 7 durch Pfeile dargestellt), die in den ersten Kanalabschnitt 210 eingebracht wurde, wird durch das Filter 221 an dem zweiten Kanalabschnitt 220 in den dritten Kanalabschnitt 230 eingebracht. Luft A4, die in den dritten Kanalabschnitt 230 eingebracht wurde, wird an dem Paar von stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 zweigeteilt, um in das Innere der Brennstoffzellenstapel 3 eingebracht zu werden. Erwärmte Luft, die durch die Brennstoffzellenstapel 3 verlaufen ist, verläuft durch die Luftauslasskanäle 4 und bildet Luft A5 (in 7 durch Pfeile dargestellt), die von den Luftauslassöffnungen 42 abgegeben wird.
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Wie beschrieben ist nach einer Ausführungsform der Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge, die einen Brennstoffzellenstapel 3, der in einem Raum (als Motorraum 104) angeordnet ist, welcher durch Fahrzeugkarosseriebleche, umfassend eine Motorhaube 101, Seitenwände 102 und eine Trennwand 103, umschlossen ist, und so gestaltet ist, dass er Luft als Reaktionsgas und als Kühlmittel durch einen Lufteinlassöffnungsbereich 31 in das Innere einlässt, und Luft, deren Temperatur angestiegen ist, durch einen Luftauslassöffnungsbereich 32 nach außen auslässt; einen Luftansaugkanal 2, der mit dem Lufteinlassöffnungsbereich 31 verbunden ist; einen Luftauslasskanal 4, der mit dem Luftauslassöffnungsbereich 32 verbunden ist; und ein Luftauslassgebläse 5, das zur Einbringung von Luft in den Luftansaugkanal 4 gestaltet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftauslassöffnung 42 des Luftauslasskanals 4 in der Nähe des Luftansaugkanals 2 angeordnet ist, der Luftansaugkanal 2 mit einem ersten Satz von Lufteinlassöffnungen 212, die sich an einem stromaufwärts befindlichen Endabschnitt des Luftansaugkanals 2 öffnen, und einem Satz von zweiten Lufteinlassöffnungen 232A, die sich an einem Satz von Stellen öffnen, welche sich näher als der erste Lufteinlassöffnungssatz 212 an der Luftauslassöffnung 42 befinden, ausgeführt ist, und an dem zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A ein Satz von Verschlüssen 232C bereitgestellt ist, um den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A zu öffnen oder zu schließen.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge auszuführen, die so angepasst ist, dass ein Brennstoffzellenstapel 3 unter Umständen, die mit Außenluft mit einer niedrigen Temperatur verbunden sind, eine verbesserte Betriebsfähigkeit aufweist, während eine verbesserte Anbringbarkeit an einem Fahrzeug 100 gestattet wird. In diesem Fall macht die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform zum Aufwärmen von der Auslassluft des Brennstoffzellenstapels 3 Gebrauch, wodurch die Notwendigkeit einer gesonderten Bereitstellung etwa einer Wärmequelle wie einer Heizvorrichtung oder einer Wärmequelle, die von einer wärmeerzeugenden Reaktion einer Katalysatorreaktion Gebrauch macht, vermieden wird. Überdies benötigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform auch keine zweckbestimmte Kühlmittelleitung zur Verwendung für das Aufwärmen. Somit gestattet die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform, dass der Stromverbrauch auf das notwendige Mindestmaß beschränkt wird. Ferner kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform Probleme wie eine Erhöhung der Anzahl der Einzelteile oder die Komplexität des Systems lösen.
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Die wie oben beschrieben gestaltete Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform ist in Situationen, die mit Außenluft mit einer niedrigen Temperatur verbunden sind, so betriebsfähig, dass der an dem zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A bereitgestellte Verschlusssatz 232C geöffnet wird, wodurch gestattet wird, dass Luft (als Auslassluft), die an dem Brennstoffzellenstapel 3 erwärmt wurde und von der Luftauslassöffnung 42 nach außen abgegeben wurde, in den Luftansaugkanal 2 eingebracht wird, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist. Überdies kann diese Ausführungsform ein Verhältnis zwischen der Menge der Luft, die in den ersten Lufteinlassöffnungssatz 212 und in den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A eingebracht wird, steuern, wodurch gestattet wird, dass der Temperaturzustand des Brennstoffzellenstapels 3 stets passend gehalten wird.
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Bei der Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform ist der Luftansaugkanal 2 mit dem zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A versehen, was gestattet, dass Auslassluft mit einer hohen Temperatur an einer Stelle, die dicht an der Luftauslassöffnung 42 eingerichtet ist, eingebracht wird, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 innerhalb eines kürzeren Zeitraums so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Erfindung gestattet, dass Auslassluft (als Luft), die in den Motorraum 104 abgegeben wird, direkt von dem Luftauslasskanal 4 in den Luftansaugkanal 2 gesaugt wird, ohne dass der Luftauslasskanal 4 bis in die Nähe des Luftansaugkanals 2 verlängert wird. Daher kann diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge Fluidwiderstände beim Ansaugen der Luft durch den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A verringern, während ein vereinfachter Aufbau ausgeführt wird, der eine verbesserte Anbringbarkeit an dem Fahrzeug 100 gestattet.
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Bei der Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach dieser Ausführungsform sind die Haubenteile 232B, die an den zweiten Lufteinlassöffnungen 232A bereitgestellt sind, so bereitgestellt, dass sie sich in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten öffnen. Daher kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge verhindern, dass der Fahrtwind in die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A strömt. Dies gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 innerhalb eines kürzeren Zeitraums so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist. Überdies sind die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A in den lateralen Seitenwänden 232 an beiden Seiten in der Fahrzeugquerrichtung des dritten Kanalabschnitts 230 bereitgestellt, was gestattet, dass die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A an beiden Seiten des dritten Kanalabschnitts 230 Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel 3 in die Umgebung abgegeben wurde, aufnehmen. Daher kann erwärmte Luft effizient durch die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A an beiden Seiten eingebracht werden, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 innerhalb eines kürzeren Zeitraums so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist.
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Ferner ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 für Fahrzeuge nach dieser Ausführungsform in Situationen, die mit Außenluft mit einer niedrigen Temperatur verbunden sind, so betriebsfähig, dass ein Satz von Verschlüssen 213, die an dem ersten Lufteinlassöffnungssatz 212 bereitgestellt sind, geschlossen wird, wodurch die Menge der Luft, die durch den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A in den Brennstoffzellenstapel 3 eingebracht wird, erhöht wird, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 früher so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist.
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Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusssatz 232C so eingerichtet ist, dass er sich öffnet, wenn die Außenluft eine Temperatur aufweist, die niedriger als eine untere Grenztemperatur eines Temperaturbereichs ist, der dafür sorgt, dass der Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeitet. Daher ist es nach dieser Ausführungsform möglich, warme Luft in den Motorraum 104 einzubringen, wenn die Außenluft eine Temperatur aufweist, die niedriger als die untere Grenztemperatur des Temperaturbereichs ist, der dafür sorgt, dass der Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeitet, wodurch gestattet wird, dass der Brennstoffzellenstapel 3 wie erforderlich arbeitet.
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Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel so an dem Fahrzeug angebracht ist, dass sich der Lufteinlassöffnungsbereich 31 in einer in der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne ausgerichteten Position befindet und der zweite Lufteinlassöffnungssatz 232A im Wesentlichen in der Fahrzeuglängsrichtung nach hinten offen ist. Daher ist es nach dieser Ausführungsform möglich, zu verhindern, dass der Fahrtwind während der Fahrt des Fahrzeugs 100 in den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A eindringt, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 innerhalb eines kürzeren Zeitraums so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist.
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Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lufteinlassöffnungssatz an beiden Seiten in der Fahrzeugquerrichtung des Luftansaugkanals angeordnet ist. Diese Ausführungsform gestattet, dass die an beiden Seiten in der Fahrzeugquerrichtung des Luftansaugkanals 2 angeordneten zweiten Lufteinlassöffnungen 232A Luft einlassen, die von dem Brennstoffzellenstapel 3 in den umgebenden Raum abgegeben wurde, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 innerhalb eines kürzeren Zeitraums so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist.
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Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lufteinlassöffnungssatz 212 mit dem Verschlusssatz 213 zum Öffnen oder Schließen des ersten Lufteinlassöffnungssatzes 212 versehen ist. Nach dieser Ausführungsform ist es in Situationen, die mit Außenluft mit einer niedrigen Temperatur verbunden sind, möglich, den an dem ersten Lufteinlassöffnungssatz 212 bereitgestellten Verschlusssatz 213 zu schließen und dadurch die Menge an Luft, die durch den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A in den Brennstoffzellenstapel 3 eingesaugt wird, zu erhöhen, was gestattet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 früher so erhöht wird, dass sie für den Betrieb optimal ist.
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(Andere Ausführungsformen)
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Es wurden Ausführungsformen beschrieben, doch sollten die Besprechungen und Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden, nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Einem Fachmann werden aus der Offenbarung verschiedenste alternative Ausführungsformen, Beispiele und Anwendungstechniken offensichtlich sein.
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Zum Beispiel wird bei der beschriebenen Ausführungsform die Auslassluft, die von der Luftauslassöffnung 42 abgegeben wird, über einen freien Raum in dem Motorraum 104 in den zweiten Lufteinlassöffnungssatz 232A eingebracht, obwohl eine Gestaltung eingesetzt werden kann, die einen Übertragungspfad wie etwa einen Schlauch umfasst, um die Auslassluft von der Auslassöffnung 42 zu einer Position in der Nähe zu leiten. Es wird angemerkt, dass die zweiten Lufteinlassöffnungen 232A bei der beschriebenen Ausführungsform zwar jeweils in einer länglichen Form an den lateralen Seitenplwänden 232 an beiden Seiten gebildet sind, aber die Einrichtungsstellen, die Formen oder die Anzahl der zweiten Lufteinlassöffnungen 232A selbstverständlich wie erforderlich verändert werden können.
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Überdies sind bei der beschriebenen Ausführungsform die Luftauslassgebläse 5 stromabwärts von den Brennstoffzellenstapeln 3 angeordnet, doch können sie sehr gut durch eine Gestaltung ersetzt werden, die stromaufwärts von den Brennstoffzellenstapeln 3 angeordnete Luftauslassgebläse 5 umfasst. Außerdem ist bei der beschriebenen Ausführungsform ein Paar von stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 stromabwärts von dem Luftansaugkanal 2 bereitgestellt, obwohl die Anzahl der stromabwärts befindlichen Öffnungen 235 wie erforderlich verändert werden kann. Zudem sind die Aufbauten des Luftansaugkanals 2 und des Luftauslasskanals 4 bei dieser Erfindung ebenfalls nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt.
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Ferner umfasst die beschriebene Ausführungsform stromabwärts befindliche Öffnungen 235, deren Öffnungsbereiche so angeordnet sind, dass sie zueinander rechte Winkel bilden, doch sind sie nicht auf rechte Winkel beschränkt. Beschreibung der Bezugszeichen
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung für Fahrzeuge
- 2
- Luftansaugkanal
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Luftauslasskanal
- 5
- Luftauslassgebläse (Gebläse)
- 31
- Lufteinlassöffnungsbereich
- 32
- Luftauslassöffnungsbereich
- 41
- Luftauslassgebläseabdeckung
- 42
- Luftauslassöffnung
- 100
- Fahrzeug
- 101
- Motorhaube (Fahrzeugwand)
- 102
- Seitenwand (Fahrzeugwand)
- 103
- Trennwand (Fahrzeugwand)
- 104
- Motorraum (Raum)
- 210
- erster Kanalabschnitt (Luftansaugkanal)
- 220
- zweiter Kanalabschnitt (Luftansaugkanal)
- 230
- dritter Kanalabschnitt (Luftansaugkanal)
- 212
- erste Lufteinlassöffnung
- 213
- Verschluss
- 213A
- Verschlussantrieb
- 232
- laterale Seitenwand
- 232A
- zweite Lufteinlassöffnung
- 232B
- Haubenteil
- 232C
- Verschluss
- 232D
- Verschlussantrieb
