DE112014004612B4

DE112014004612B4 - Brennstoffzellengehäuse und Belüftungsabdeckungsanordnung

Info

Publication number: DE112014004612B4
Application number: DE112014004612.4T
Authority: DE
Inventors: Michitaro ITOGA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: KR20150116890A; JP2015076152A; DE112014004612T5; WO2015052892A1; JP5900453B2; CN105103357B; US20160226084A1; US9761893B2; CN105103357A; KR101821029B1

Abstract

Brennstoffzellengehäuse, das eine Brennstoffzelle enthält, wobei das Brennstoffzellengehäuse aufweist,
ein Wandelement, das Öffnungen zur Belüftung aufweist; und
Belüftungsabdeckungen, die an den Öffnungen des Wandelements bereitgestellt sind, wobei
die Belüftungsabdeckungen aufweisen:
einen Rahmenkörper, der außerhalb des Gehäuses entlang einer Umgebung der Öffnung positioniert ist;
eine Lüftungsblende, die eine Mehrzahl von Lamellen aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und innerhalb des Rahmenkörpers fixiert sind; und einen Vorsprung, der derart bereitgestellt ist, dass er in einem vorbestimmten Bereich, der zumindest eine Region umfasst, die auf einer Gasströmungsrichtungsseite der Lüftungsblende in einem inneren umgebenden Abschnitt des Rahmenkörpers positioniert ist, von dem Gehäuse nach außen hervorsteht, wobei
die Mehrzahl der Öffnungen und die Mehrzahl der Belüftungsabdeckungen in einem Wandelement, welches das Gehäuse bildet, bereitgestellt sind, und zumindest eine der Belüftungsabdeckungen eine Lüftungsblende aufweist, die in einer anderen Richtung zu einer Richtung der Lüftungsblende in einer anderen Belüftungsabdeckung angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengehäuse, das eine Brennstoffzelle enthält, sowie eine Belüftungsabdeckung für das Brennstoffzellengehäuse.
Hintergrund der Erfindung
Eine vorgeschlagene Ausgestaltung des Brennstoffzellengehäuses weist eine Öffnung zur Belüftung auf und umfasst eine Lüftungsblende, die außerhalb der Öffnung angeordnet ist und eine Mehrzahl von Lamellen aufweist. Diese Ausgestaltung verhindert ein Eindringen von Regenwasser oder den Eintritt von umher fliegenden Steinen oder dergleichen in das Brennstoffzellengehäuse, das eine Öffnung zur Belüftung aufweist.
Zitierungsliste
Patentliteratur
PTL 1 : JP 2003-229150 A
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Der Aufbau im Stand der Technik beruht jedoch nicht auf der Annahme, dass ein gerades oder längliches Material, wie ein Draht (nachstehend als „längliches Material“ bezeichnet) durch einen Spalt der Lüftungsblende eintritt. In solchen Fällen besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass das längliche Material mit einem Hochspannungsbauteil in Kontakt kommt, das für die Brennstoffzelle innerhalb des Gehäuses relevant ist. Hinsichtlich des Brennstoffzellengehäuses umfassen andere Erfordernisse eine Kostenreduzierung, Ressourceneinsparung und eine leichte Herstellung.
Lösung des Problems
Um zumindest ein Teil der oben beschriebenen Probleme zu lösen, kann die Erfindung durch die folgenden Aspekte umgesetzt werden.

(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellengehäuse vorgeschlagen, das eine Brennstoffzelle enthält. Das Brennstoffzellengehäuse weist ein Wandelement auf, das eine Öffnung zur Belüftung aufweist; und eine Belüftungsabdeckung, die an der Öffnung des Wandelements bereitgestellt ist. Die Belüftungsabdeckung weist einen Rahmenkörper auf, der außerhalb des Gehäuses entlang einer Umgebung der Öffnung positioniert ist; eine Lüftungsblende, die eine Mehrzahl von Lamellen aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und innerhalb des Rahmenkörpers fixiert sind; und einen Vorsprung, der derart bereitgestellt ist, dass er in einem vorbestimmten Bereich, der zumindest eine Region umfasst, die auf einer Seite einer Gasströmungsrichtungsseite der Lüftungsblende in einem inneren umgebenden Abschnitt des Rahmenkörpers positioniert ist, von dem Gehäuse nach außen hervorsteht. Das Brennstoffzellengehäuse dieses Aspekts beschränkt die einsetzbare Richtung eines länglichen Materials durch die Richtung der Lamellen der Lüftungsblende. Zudem ist die einsetzbare Richtung des länglichen Materials durch den Vorsprung beschränkt, der an dem Gehäuse von dem inneren umgebenden Abschnitt des Rahmenkörpers nach außen hervorsteht. Demzufolge beschränkt das Brennstoffzellengehäuse dieses Aspekts die einsetzbare Richtung des länglichen Materials (beispielsweise ein Draht) auf den schmalen Bereich. Dies hat folglich die vorteilhafte Wirkung der Verringerung der Wahrscheinlichkeit, dass ein längliches Material von außen in das Gehäuse eintritt und mit einem Hochspannungsbauteil, das für die Brennstoffzelle innerhalb des Gehäuses relevant ist, in Kontakt gelangt.
(2) Bei dem Brennstoffzellengehäuse des oben stehenden Aspekts kann der Vorsprung von einem gesamten Umfang des inneren umgebenden Abschnitts des Rahmenkörpers hervorstehen. Bei diesem Aspekt ist der Vorsprung in dem vorbestimmten Bereich bereitgestellt, der zumindest die Region umfasst, die auf der Seite der Gasströmungsrichtung der Lüftungsblende durch den einfachen Aufbau positioniert ist. Dies vereinfacht demzufolge die Herstellung.
(3) Das Brennstoffzellengehäuse des oben stehenden Aspekts kann ferner aufweisen, eine wasserdichte, gasdurchlässige Membran, die in der Öffnung bereitgestellt ist. Dieser Aufbau verhindert ein Eindringen von Wasser oder von jeglichen fremden Substanzen in das Gehäuse während eine Belüftung bereitgestellt wird.
(4) Eine Mehrzahl der Öffnungen und eine Mehrzahl der Belüftungsabdeckungen sind in einem Wandelement, welches das Gehäuse bildet, bereitgestellt, und zumindest eine der Belüftungsabdeckungen weist eine Lüftungsblende auf, die in einer anderen Richtung zu einer Richtung der Lüftungsblende in einer anderen Belüftungsabdeckung angeordnet ist.
(5) Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Belüftungsabdeckung vorgeschlagen, die an einer Gehäuseöffnung eines Brennstoffzellengehäuses, das eine Brennstoffzelle enthält, angebracht ist. Die Belüftungsabdeckung kann aufweisen, einen Rahmenkörper, der außerhalb des Gehäuses entlang einer Umgebung der Gehäuseöffnung positioniert ist; und eine Lüftungsblende, die eine Mehrzahl von Lamellen aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und der innerhalb des Rahmenkörpers fixiert sind. Ein Vorsprung kann derart bereitgestellt sein, dass er in einem vorbestimmten Bereich, der zumindest eine Region umfasst, die auf einer Seite einer Gasströmungsrichtung der Lüftungsblende in einem inneren umgebenden Abschnitt des Rahmenkörpers positioniert ist, von dem Gehäuse nach außen hervorsteht. Ähnlich wie das Brennstoffzellengehäuse des Aspekts (1), das oben stehend beschrieben ist, weist das Belüftungsgehäuse dieses Aspekts die vorteilhafte Wirkung der Verringerung der Wahrscheinlichkeit auf, dass ein längliches Material, wie ein Draht, mit einem Hochspannungsbauteil, das für die Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellengehäuses relevant ist, in Kontakt gelangt.

Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellengehäuses gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Belüftungsabdeckung darstellt;
3 ist ein Diagramm, das einen Aspekt zur Anbringung der Belüftungsabdeckung des Brennstoffzellengehäuses darstellt;
4 ist ein Diagramm, das eine Seitenfläche des Brennstoffzellengehäuses darstellt;
5 ist ein Diagramm, das einen Zustand darstellt, in dem eine Lüftungsblende den Eintritt eines länglichen Materials blockiert;
6 ist ein Diagramm, das die Funktionen eines Vorsprungs der Belüftungsabdeckung darstellt;
7A ist ein Diagramm, das darstellt, dass ein Entfernen aus einer Gussform im Laufe der Herstellung möglich ist;
7B ist ein Diagramm, das eine Schwierigkeit beim Entfernen aus der Gussform im Laufe der Herstellung darstellt;
8 ist ein Diagramm, das eine andere Weise der Präzisierung der Neigung der Lüftungsblende darstellt; und
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Belüftungsabdeckung darstellt, die an einem Brennstoffzellengehäuse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Allgemeiner Aufbau
1 ist ein Diagramm, das den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellengehäuses gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. In der Darstellung der 1 ist ein äußerer Mantel des Brennstoffzellengehäuses zum Teil ausgeschnitten. Dieses Brennstoffzellengehäuse 10 ist ein Gehäuse, das einen Brennstoffzellenstapel 15 enthält, und ist unter dem Boden eines Brennstoffzellenfahrzeugs positioniert. Der Brennstoffzellenstapel 15 ist als ein Zellenstapel bereitgestellt, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten (Leistungserzeugungszellen als minimale Leistungserzeugungseinheiten) 17 gestapelt sind, und er ist beispielsweise von einem Polymerelektrolyt-Typ. Jede Leistungserzeugungszelle 17 erzeugt Elektrizität unter Verwendung eines Brennstoffgases, das von einem Brennstoffgastank (nicht dargestellt), der an dem Brennstoffzellenfahrzeug angebracht ist, zugeführt wird, und der Luft, die als ein Oxidationsgas aus der Umwelt um das Brennstoffzellenfahrzeug zugeführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird Wasserstoffgas als das Brennstoffgas eingesetzt. Das Brennstoffzellengehäuse 10 hat in etwa eine rechteckige parallelflächige Form und enthält den Brennstoffzellenstapel 15 in derartiger Anordnung, dass eine Längsrichtung der rechteckigen Parallelflächen zu der Stapelrichtung der Mehrzahl der Leistungserzeugungszellen 17 ausgerichtet ist. Das Brennstoffzellengehäuse 10 ist ein Metallguss (beispielsweise Aluminium).
Das Brennstoffzellengehäuse 10 ist an einem Stapelrahmen (nicht dargestellt) fixiert, der mit einem Fahrzeugkörper gekoppelt ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Brennstoffzellengehäuse 10 durch Einsetzen von Bolzen durch Anbringungsstrukturen 12 und ein Befestigen der Bolzen an dem Stapelrahmen an dem Stapelrahmen fixiert.
Eine erste, zweite und dritte Belüftungsabdeckung 20, 30 und 40 ist an einer Seitenfläche 10a angebracht, die aus einer von vier Seitenflächen des Brennstoffzellengehäuses 10 zu der Stapelrichtung senkrecht ist. Die Seitenfläche 10a ist ein Wandelement, das entlang einer vertikalen Richtung des Fahrzeugs steht. Die erste bis dritte Belüftungsabdeckung 20 bis 40 ist dazu angeordnet, drei Gehäuseöffnungen abzudecken, die zur Belüftung in dem Brennstoffzellengehäuse 10 ausgebildet sind, wie später beschrieben werden wird.
Ausgestaltung der Belüftungsabdeckung
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Ausgestaltung der Belüftungsabdeckung 20 darstellt, und 3 ist ein Diagramm, das einen Aspekt zur Anbringung der Belüftungsabdeckung an dem Brennstoffzellengehäuse darstellt. Die erste bis dritte Belüftungsabdeckung 20 bis 40 weist eine identische Ausgestaltung auf, so dass die nachfolgenden Beschreibungen der ersten Belüftungsabdeckung 20 als stellvertretendes Beispiel dienen. In der Beschreibung dieses stellvertretenden Beispiels wird die erste Belüftungsabdeckung 20 vereinfacht „Belüftungsabdeckung 20“ bezeichnet. Die Belüftungsabdeckung 20 aus 3 ist in einer Schnittansicht dargestellt, die in der Richtung eines Pfeils 3-3 aus 2 entnommen ist. 3 ist eine Schnittansicht, die entlang einer Ebene entnommen ist, die zu Lamellen 24a einer Lüftungsblende 24, die später beschrieben wird, senkrecht ist. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Belüftungsabdeckung 20 ein einteilig gegossenes Produkt, das einen Rahmenkörper 22 und die Lüftungsblende 24 umfasst und aus einem Kunstharz besteht. Der Rahmenkörper 22 hat in einer Draufsicht eine etwa dreieckige Außenform und weist in der Mitte eine kreisrunde Öffnung 22h auf. Die Lüftungsblende 24 ist innerhalb dieser Öffnung 22h bereitgestellt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, weist die Lüftungsblende 24 eine Mehrzahl von Lamellen 24a in einer langen plattenförmigen Form auf, die parallel zueinander in Abständen d angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Lüftungsblende 24 fünf Lamellen 24a auf. Die Lüftungsblende 24 kann jede Anzahl von Lamellen 24a aufweisen. Die Lüftungsblende 24 ist innerhalb der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 bereitgestellt. Die Lamellen 24a sind in einem Winkel θ angeordnet, der dazu geeignet ist, nicht in eine Gasströmung durch die Öffnung 22h einzugreifen, und ein Eindringen von fremden Substanzen effektiv zu verhindern. Der Winkel θ der Lamellen 24a bezeichnet die Größe eines Winkels zwischen einer Lufteinströmungsrichtung in Bezug zu den Lamellen 24a (Richtung der Länge oder kürzeren Weite in dieser Ausführungsform) und eine Aufreihungsrichtung der Lamellen 24a und ist als ein Wert definiert, der gleich oder kleiner als 90 Grad ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Winkel θ der Lamellen 24a 80 Grad. In Bezug auf die Aufreihungsrichtung der Lamellen 24a wird eine Richtung als die Basis des Winkels θ, oder genauer genommen, eine Richtung nach unten in 3 nachstehend als eine Richtung β der Belüftungsabdeckung bezeichnet. 4 zeigt einen Unterschied der Richtungen β der jeweiligen Belüftungsabdeckungen 20 bis 40. Der Abstand d zwischen benachbarten Lamellen 24a ist ein beliebiger Wert in dem Bereich von 1 mm bis 5 mm. Der Abstand d ist gleich oder weniger als 5 mm eingestellt, um das Eintreten von umher fliegenden Steinen oder dergleichen zu verhindern.
Die Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 definiert die Innenseite des Rahmenkörpers 22. Ein Vorsprung 26, der von dem Gehäuse nach außen hervorsteht, ist an einem Ende (genauer genommen einem inneren umgebenden Abschnitt) 22ha innerhalb des Rahmenkörpers 22 an einer Oberfläche 22s-Seite des Rahmenkörpers 22 bereitgestellt. Der Vorsprung 26 ist in einer kreisrunden Form entlang des Umfangs der Öffnung 22h ausgebildet. Eine Nut 27 ist an einem gegenüberliegenden Ende 22ha zu dem Vorsprung 26 innerhalb des Rahmenkörpers 22 ausgebildet. Die Nut 27 ist in einer kreisrunden Form entlang des Umfangs der Öffnung 22h ausgebildet. Eine wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 ist in der Nut 27 bereitgestellt, um die Öffnung 22h abzudecken. Die wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 ist eine Membran, die eine Durchgängigkeit eines Gases ermöglicht, jedoch eine Durchgängigkeit einer Flüssigkeit unterbindet, und besteht aus einem Kunstharz. Die wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 weist eine Struktur auf, wie beispielsweise ein Gewebe, ein Vlies, Schlingen oder ein Netz. Gemäß dieser Ausführungsform besteht die wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 aus Teflon (eingetragener Markenname). Die wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 ist an der Nut 27 des Kunstharzrahmenkörpers 22 thermo-verschweißt.
Wie in 3 gezeigt ist, ist eine Gehäuseöffnung 10h in der Innenfläche 10a des oben beschriebenen Brennstoffzellengehäuses 10 derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen dieselbe Form und dieselben Dimensionen aufweist wie diejenigen der Öffnung 22h der Belüftungsabdeckung 20. Die Belüftungsabdeckung 20 ist an der Innenfläche 10a des Brennstoffzellengehäuses 10 angebracht, so dass die Gehäuseöffnung 10h mit der Öffnung 22h der Belüftungsabdeckung 20 verbunden ist. Die Belüftungsabdeckung 20 ist mittels Bolzen (nicht dargestellt) angebracht, die in Montagelöcher 28 (in 2 gezeigt) eingesetzt und geschraubt sind, die an drei unterschiedlichen Positionen entlang der äußeren Umgebung der Belüftungsabdeckung 20 bereitgestellt sind. Die Montagerichtung ist derart bestimmt, dass der Vorsprung 26 zur Außenseite des Brennstoffzellengehäuses 10 gewandt ist. Die Gehäuseöffnung 10h entspricht der „Öffnung“, die in einer Kurzfassung beschrieben ist.
4 ist ein Diagramm, das die Seitenfläche 10h des Brennstoffzellengehäuses 10 darstellt. Die erste Belüftungsabdeckung 20, die in den 2 und 3 gezeigt ist, die zweite Belüftungsabdeckung 30 und die dritte Belüftungsabdeckung 40 sind an der Seitenfläche 10a des Brennstoffzellengehäuses 10 bereitgestellt, wie obenstehend beschrieben ist. Die erste bis dritte Belüftungsabdeckung 20 bis 40 weisen dieselben Ausgestaltungen auf, allerdings weisen sie unterschiedliche Montagerichtungen auf. Genauer genommen ist die erste bis dritte Belüftungsabdeckung 20 bis 40 jeweils in unterschiedlichen Richtungen β angebracht, wie dargestellt ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Hochspannungsbauteil HV, das mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist, der in dem Brennstoffzellengehäuse 10 enthalten ist, an einer unteren linken Seite der Zeichnung in der Draufsicht positioniert. Die zweite Belüftungsabdeckung 30, die an einer Position nahe dieses Hochspannungsbauteils HV bereitgestellt ist, ist derart angebracht, dass die Montagerichtung β der Belüftungsabdeckung in der Richtung des Hochspannungsbauteils HV liegt (Richtung von der rechten Seite zu der linken Seite in der Zeichnung). Diese Anordnung bewirkt, dass die einsetzbare Einsetzrichtung von einer Außenseite des Gehäuses zur Innenseite des Gehäuses in einer umgekehrten Richtung zu der Montagerichtung β (Richtung des Pfeils Y2 in der Zeichnung) in Bezug zu den Abständen der Lamellen der zweiten Belüftungsabdeckung 30 liegt. Dies beschränkt die einsetzbare Richtung eines länglichen Materials, wie eines Drahtes, auf die Richtung des Pfeils Y2 und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das längliche Material das Hochspannungsbauteil HV erreicht. Die einsetzbare Richtung eines länglichen Materials in Bezug auf die erste Belüftungsabdeckung 20 ist auf eine Richtung des Pfeils Y1 beschränkt, und die einsetzbare Richtung eines länglichen Materials in Bezug auf die dritte Belüftungsabdeckung 40 ist auf eine Richtung des Pfeils Y3 beschränkt. Eine Anordnung der ersten bis dritten Belüftungsabdeckung 20 bis 40 in der jeweiligen unterschiedlichen Richtung verringert auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit, dass ein längliches Material eine bestimmte Region (Hochspannungsbauteil HV in dieser Ausführungsform) in Bezug auf das gesamte Brennstoffzellengehäuse erreicht.
Funktionen und vorteilhafte Wirkungen
Eine Bereitstellung des Brennstoffzellengehäuses 10 zur Abdeckung über dem Brennstoffzellenstapel 15 verursacht aufgrund einer Durchlässigkeit von Wasserstoff an Dichtungsabschnitten des Brennstoffzellenstapels 15 in gewissem Maße eine Zunahme der Wasserstoffgaskonzentration in dem Gehäuse. Gemäß dieser Ausführungsform wird durch eine Bereitstellung der ersten bis dritten Belüftungsabdeckung 20 bis 40 in der Gehäuseöffnung 10a des Brennstoffzellengehäuses 10 die Wasserstoffkonzentration in dem Gehäuse gesteuert, so dass sie gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Referenzwert ist, während eine ausreichende Belüftungskapazität sichergestellt wird. Eine Bereitstellung der wasserdichten, gasdurchlässigen Membran 50 (in 3 gezeigt) an der Endinnenseite des Brennstoffzellengehäuses 10 von jeder Belüftungsabdeckung 20 bis 40 verhindert ein Eindringen von Wasser in das Gehäuse, während eine Belüftung sichergestellt wird. Zudem blockiert die Lüftungsblende 24, die in dem Brennstoffzellengehäuse 10 der ersten Ausführungsform in der Belüftungsabdeckung 20 bereitgestellt ist, das Eintreten eines länglichen Materials. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein längliches Material, wie ein Draht, von der Außenseite eintritt, selbst wenn die wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 eine geringe Festigkeit aufweist.
5 ist ein Diagramm, das einen Zustand darstellt, bei dem die Lüftungsblende 24 das Eintreten eines länglichen Materials blockiert. In Bezug auf ein längliches Material M1 mit der Einsetzungsrichtung, die mit der Gasströmungsrichtung aus den Lamellen 24a deckungsgleich ist, können die Lamellen 24a das Eintreten des länglichen Materials M1 in diesem Fall nicht blockieren. In Bezug auf ein längliches Material M2 mit der dargestellten Einsetzungsrichtung, stößt andererseits das längliche Material M2 gegen die Lamellen 24a, so dass die Lamellen 24a das Eintreten des länglichen Materials M2 in diesem Fall blockieren. Die Wahrscheinlichkeit des Blockierens des Eintritts hängt von dem Winkel θ der Lamellen 24a und der Position (Tiefe) der Lamellen 24a innerhalb der Öffnung 22h und der Gehäuseöffnung 10h ab. Wenn die Lamellen 24a an einer fixierten inneren Position bereitgestellt sind, erhöht der kleinere Winkel θ die Wahrscheinlichkeit des Blockierens des Eintritts. Eine Zunahme der Dicke der Belüftungsabdeckung oder des Stapelgehäuses führt hingegen zu einer Größenausdehnung der gesamten Ausgestaltung, und eine Abnahme des Winkels θ der Lüftungsblende 24 erhöht den Druckverlust und beeinträchtigt die Belüftungskapazität. In dem Brennstoffzellengehäuse 10 der ersten Ausführungsform ist ein Vorsprung 26 in dem Rahmenkörper 22 der Lüftungsblende 24 zusätzlich zu der oben genannten Struktur bereitgestellt. Hierdurch wird der Bereich des Blockierens des Eintritts eines länglichen Materials ausgedehnt, während eine Größenausdehnung der Vorrichtungsausgestaltung vermieden wird und die ausreichende Belüftungskapazität sichergestellt wird.
6 ist ein Diagramm, das die Funktionen des Vorsprungs 26 der Belüftungsabdeckung 20 darstellt. Ein Überhang des Vorsprungs 26 von der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 bewirkt, dass die Lamellen 24a an der inneren Position in Bezug zu der Öffnung angeordnet sind. Der Vorsprung 26 beschränkt den einsetzbaren Bereich eines länglichen Materials zu einem Bereich x. In einer Ausgestaltung ohne den Vorsprung 26 ist andererseits der einsetzbare Bereich des länglichen Materials ein Bereich y. Da der Bereich y schmaler als der Bereich x ist, dehnt die Ausgestaltung des Vorsprungs 26 den Bereich des Blockierens aus oder unterdrückt den Eintritt eines länglichen Materials im Vergleich zu der Ausgestaltung ohne den Vorsprung 26. Demzufolge weist das Brennstoffzellengehäuse 10 der ersten Ausführungsform den relativ großen Winkel θ (80 Grad in dieser Ausführungsform) der Lüftungsblende 24 auf, um eine ausreichende Belüftung sicherzustellen, allerdings weist es den Vorsprung 26 auf, der in der Belüftungsabdeckung 20 bereitgestellt ist, um den einsetzbaren Bereich eines länglichen Materials auf den schmaleren Bereich zu beschränken. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein längliches Material in das Gehäuse eintritt und mit einem Hochspannungsbauteil HV, das für die Brennstoffzelle relevant ist, in Kontakt gelangt, vorteilhaft verringert. Zudem begrenzt das Brennstoffzellengehäuse 10 die einsetzbare Richtung eines länglichen Materials durch den Winkel der Lamellen 24a. Eine angemessene Auswahl der Montagerichtungen der Belüftungsabdeckungen 20 bis 40 verkürzt den erforderlichen Abstand zwischen der Öffnung 10h des Brennstoffzellengehäuses 10 und dem Hochspannungsbauteil HV und stellt die zusätzliche Wirkung eines Unterbindens einer Zunahme der Gesamtabmessung des Brennstoffzellengehäuses 10 bereit.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Öffnung 22h der Belüftungsabdeckung 20 in einer kreisrunden Form ausgebildet. Dies stellt die zusätzliche Wirkung bereit, dass Wärme wahrscheinlich einheitlich übertragen, wird und ermöglicht dadurch, dass die wasserdichte, gasdurchlässige Membran 50 gleichmäßig an dem Rahmenkörper 22 thermo-verschweißt wird. Mit anderen Worten verursacht eine Öffnung, die in einer rechteckigen Form ausgebildet ist, leicht, dass sich Wärme an den Ecken konzentriert, und führt dadurch zu einer ungleichmäßigen Verschweißung, wohingegen diese Ausführungsform eine gleichmäßige Verschweißung sicherstellt.
Gemäß dieser Ausführungsform beträgt der Winkel θ der Lüftungsblende 24 80 Grad. Der Winkel θ der Lamellen 24a der Lüftungsblende 24 kann jedoch ein Winkel in dem Bereich von 30 Grad bis 80 Grad tragen. Eine Abnahme des Winkels θ erhöht die Wahrscheinlichkeit des Blockierens des Eintritts eines länglichen Materials, wohingegen der Druckverlust und eine Beeinträchtigung der Belüftungskapazität erhöht werden. Eine Steuerung des Winkels θ auf 30 Grad bis 80 Grad erzielt die gute Balance zwischen einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Blockierens des Eintritts eines länglichen Materials und einer Sicherstellung der Belüftungskapazität.
Der kleinere Winkel θ verursacht ein anderes Problem einer schlechteren Herstellbarkeit zusätzlich zu dem erhöhten Druckverlust. Unter Berücksichtigung einer Entnahme aus einer Gussform beim Herstellen der Belüftungsabdeckung 20 ist es vorzuziehen, dass eine hintere Endposition P2 einer unteren Lamelle 24a (in 7A gezeigt) an derselben Höhe oder in der vertikalen Richtung unter einer vorderen Endposition P1 einer Lamelle 24a in der Lüftungsblende 24 positioniert ist (in 7A gezeigt). In diesem Zustand erfordert der überaus kleine Winkel θ der Lüftungsblende 24, dass die Anzahl der Lamellen 24a verringert wird, um die Lamellen 24a in der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 zu positionieren. Aufgrund der Öffnung 22h, die in der kreisrunden Form ausgebildet ist, und dem kleinen Winkel der Lamellen 24a, besteht ein Erfordernis, die Lamellen 24a zu bearbeiten, um die jeweiligen Enden der Lamellen 24a entlang der Öffnung 22h anzupassen. Dies führt zu einer Abnahme der herstellungsfreundlichen Eigenschaften. Unter Berücksichtigung dieses Problems ist es vorzuziehen, den Winkel θ der Lüftungsblende 24 vorzugsweise auf 30 Grad oder größer einzustellen.
Die 7A und 7B sind Diagramme, die eine Schwierigkeit beim Entfernen aus einer Gussform im Laufe der Herstellung darstellen. Wie in 7A gezeigt ist, sind eine linke und eine rechte Form M1 und M2 jeweils nach links und nach rechts geöffnet, um ein einfaches Entfernen aus den Formen zu ermöglichen, wenn die hintere Endposition P2 einer unteren Lamelle 24a in der vertikalen Richtung auf derselben Höhe oder unterhalb der vorderen Endposition P1 einer Lamelle 24a positioniert ist. Wie andererseits in 7B gezeigt ist, können die Formen M1 und M2 nicht jeweils nach links und rechts geöffnet werden, wenn die hintere Endposition P2 einer unteren Lamelle 24a in der vertikalen Richtung oberhalb der vorderen Endposition P1 einer Lamelle 24a in der Lüftungsblende positioniert ist. Dies führt zu einem Fehler beim Entfernen aus den Formen. In 7B zeigt die Kreuzmarkierung, die über jedem Pfeil vermerkt ist, dass ein Entfernen aus der Form in der Richtung des Pfeils nicht erlaubt ist. Bei einer Ausgestaltung, in der die Lamellen 24 nicht an der inneren Position in Bezug auf die Öffnung 22h der Belüftungsabdeckung 20 positioniert sind, können die Formen M1 und M2 jeweils schräg nach unten links und schräg nach oben rechts geöffnet sein, um ein Entfernen aus den Gussformen zu ermöglichen. Bei der Ausgestaltung der Ausführungsform, die den Vorsprung 26 bereitstellt und die Lamellen 24a aufweist, die an der inneren Position in Bezug auf die Öffnung 22h positioniert sind, bleiben jedoch die Formen M1 und M2 an dem Vorsprung 26 oder dergleichen hängen, sodass ein Öffnen der Formen M1 und M2 schräg nach unten links und schräg nach oben rechts kein Entfernen aus den Gussformen ermöglicht. Demzufolge ist, unter Berücksichtigung eines Entfernens aus der Gussform beim Herstellen der Belüftungsabdeckung 20, das bevorzugte Positionsverhältnis zwischen P1 und P2 dasjenige, bei dem die hintere Endposition P2 einer unteren Lamelle 24a in der vertikalen Richtung auf derselben Höhe oder unterhalb der vorderen Endposition P1 der Lamelle 24a positioniert ist.
Zusätzlich zur Steuerung des Winkels θ der Lüftungsblende 24 in dem Bereich zwischen 30 Grad bis 80 Grad ist es unter Berücksichtigung der Belüftungsleistung und der Herstellungsfreundlichkeit ebenso zu bevorzugen, die Neigung der Lüftungsblende 24 durch den folgenden Winkel α zu präzisieren und den Bereich des Winkels θ der Lüftungsblende 24 zu bestimmen.
8 ist ein Diagramm, das einen anderen Modus zur Präzisierung der Neigung der Lüftungsblende darstellt. Wie dargestellt ist, ist das Verhältnis erfüllt, das der nachstehenden Gleichung (1) folgt, wobei c einen Abstand zwischen der vorderen Endposition P1 und der hinteren Endposition der Lamellen 24a darstellt, d einen Abstand (= Intervall) zwischen benachbarten Lamellen 24a darstellt, und α einen Winkel zwischen einem Liniensegment darstellt, das P1 mit P2 und die Oberfläche der Lamellen 24a verbindet. Gleichung (1) ist als Gleichung (2) geschrieben: $sin α = d / c$
$α = {sin}^{-} 1 (d / c)$
Der Abstand d ist 1 bis 5 mm, wie obenstehend beschrieben ist. Der Abstand c ist ein vorbestimmter Wert (beispielsweise 7 mm), der gemäß der Dicke der Belüftungsabdeckung 20 bestimmt ist. Der Winkel α ist durch eine nachstehende Gleichung (3) gegeben, wenn der Abstand d der untere Grenzwert von 1 mm ist, und ist dagegen durch die nachstehende Gleichung (4) gegeben, wenn der Abstand d die obere Grenze von 5 mm ist: $α = {sin}^{-} 1 (1 / c)$
$α = {sin}^{-} 1 (5 / c)$
Der Winkel α zwischen dem Liniensegment der Verbindung P1 mit P2 und der Oberfläche der Lamellen 24a liegt demzufolge in dem Bereich von sin^-1(1/c) bis sin^-1 (d/c). Eine Steuerung des Winkels α in diesem Bereich verhindert den Eintritt von umher fliegenden Steinen oder dergleichen. Das Verhältnis zwischen dem Winkel θ der Lüftungsblende 24 und des oben genannten Winkels α, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ist in der nachstehenden Gleichung (5) gegeben, wenn P1 und P2 in der vertikalen Richtung auf derselben Höhe positioniert sind: $θ = 90 ° - α$
Zweite Ausführungsform
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Belüftungsabdeckung darstellt, die an einem Brennstoffzellengehäuse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt ist. Eine Belüftungsabdeckung 120 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Belüftungsabdeckung 20 der ersten Ausführungsform durch die Form eines Vorsprungs 126. Die übrige Ausgestaltung der Belüftungsabdeckung 120 der zweiten Ausführungsform ist ähnlich zu der Ausgestaltung der Belüftungsabdeckung 20 der ersten Ausführungsform, so dass die gleichen Bauteile in 6 durch die gleichen Ziffern wie diejenigen aus 2 gezeigt werden und hier nicht im Einzelnen beschrieben werden.
Wie in 2 gezeigt ist, ist der Vorsprung 26 entlang des inneren umgebenden Abschnitts 22ha in der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 gemäß der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist anderenfalls der Vorsprung 126 entlang einer Hälfte des Umfangs der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 bereitgestellt. Eine Hälfte des Umfangs bedeutet hierbei einen Halbkreis, der auf der Gasströmungsrichtungsseite (untere Seite in 6) von der Außenseite der Lüftungsblende 24 des Gehäuses von zwei Halbkreisen, die durch Aufteilen des gesamten Umfangs der Öffnung 22h in zwei Hälften durch eine Linie parallel zu der Weite (längere Weite) der Lamellen 24a erhalten wird. Der Vorsprung 126 ist gemäß der zweiten Ausführungsform entlang dieses Halbkreises bereitgestellt. Dieser Halbkreis entspricht der „Region auf der Gasströmungsrichtungsseite der Lüftungsblende“, wie in einer Kurzfassung beschrieben ist.
Ein Brennstoffzellengehäuse der zweiten Ausführungsform mit der oben genannten Ausgestaltung weist den Vorsprung 126 in der Halbkreisform auf. Im Vergleich zu der Ausgestaltung der ersten Ausführungsform ermöglicht diese Ausgestaltung ein Einsetzen eines länglichen Materials entlang eines ausgeschnittenen Abschnitts des Vorsprungs, allerdings stößt das eingesetzte längliche Material an einer Lamelle 24a an. Hierdurch wird folglich der Eintritt eines länglichen Materials in das Gehäuse blockiert. Ebenso wie das Brennstoffzellengehäuse der ersten Ausführungsform verringert das Brennstoffzellengehäuse der zweiten Ausführungsform die Wahrscheinlichkeit, dass ein längliches Material in das Gehäuse eintritt und mit einem Hochspannungsbauteil, das für die Brennstoffzelle relevant ist, in Kontakt gelangt, und unterdrückt ebenso eine Zunahme der Abmessung des Brennstoffzellengehäuses.
Modifikationen
Modifikation 1
Der Vorsprung 26 ist entlang des gesamten Umfangs der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 in der ersten Ausführungsform bereitgestellt, und der Vorsprung 126 ist entlang einer Hälfte des Umfangs der Öffnung 22h des Rahmenkörpers 22 in der zweiten Ausführungsform bereitgestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt. Der Vorsprung kann entlang eines beliebigen Bereichs einschließlich zumindest des Halbkreises der zweiten Ausführungsform bereitgestellt sein. Der Vorsprung muss nicht notwendigerweise in der Halbkreisform sein, sondern es können punktähnliche Vorsprünge in vorbestimmten Abständen aufgereiht sein. Im letzteren Fall wird bevorzugt, dass dieser Abstand derart eingestellt wird, dass er kleiner als der Durchmesser eines erwarteten länglichen Materials ist. Der Vorsprung 26 oder 126 kann getrennt von dem Rahmenkörper 22 ausgebildet sein und kann nachträglich an dem Rahmenkörper 22 angepasst sein.
Modifikation 2
In den jeweiligen oben genannten Ausführungsformen ist die Belüftungsabdeckung an dem Brennstoffzellengehäuse durch Bolzen fixiert. Zur Fixierung kann eine andere Technik wie Nieten oder ein Klebstoff verwendet werden. Die Belüftungsabdeckung muss nicht getrennt von dem Brennstoffzellengehäuse bereitgestellt sein, sondern kann mit dem Brennstoffzellengehäuse einteilig sein.
Modifikation 3
In den jeweiligen oben genannten Ausführungsformen und Modifikationen ist die Brennstoffzelle die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Die Erfindung kann an verschiedenen Brennstoffzellen angewendet werden, wie einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle, einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle und einer Festoxid-Brennstoffzelle.
Es können die technischen Merkmale von einer der Ausführungsformen und Modifikationen, die den technischen Merkmalen der jeweiligen Aspekte entsprechen, die in einer Kurzfassung beschrieben sind, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der oben genannten Probleme zu lösen, so dass ein Teil oder alle der oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen erzielt werden. Andere Bauteile als diejenigen, die in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben sind, sind unter Bauteilen von einer der oben genannten Ausführungsformen und Modifikationen zusätzliche Bauteile, und können in angemessener Weise ausgelassen werden.
Die Erfindung kann auf das Brennstoffzellengehäuse, das die Brennstoffzelle enthält, sowie auf die Belüftungsabdeckung angewendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellengehäuse
10a: Seitenfläche
10h: Gehäuseöffnung
12: Montagestruktur
15: Brennstoffzellenstapel
17: Leistungserzeugungszelle
20: erste Belüftungsabdeckung
22: Rahmenkörper
22h: Öffnung
22s: Oberfläche
24: Lüftungsblende
24a: Lamelle
26: Vorsprung
27: Schlitz
28: Montageloch
30: zweite Belüftungsabdeckung
40: dritte Belüftungsabdeckung
50: wasserdichte, gasdurchlässige Membran
120: Belüftungsabdeckung
126: Vorsprung
M1: längliches Material
M2: längliches Material
HV: Hochspannungsbauteil

Claims

Brennstoffzellengehäuse, das eine Brennstoffzelle enthält, wobei das Brennstoffzellengehäuse aufweist, ein Wandelement, das Öffnungen zur Belüftung aufweist; und Belüftungsabdeckungen, die an den Öffnungen des Wandelements bereitgestellt sind, wobei die Belüftungsabdeckungen aufweisen: einen Rahmenkörper, der außerhalb des Gehäuses entlang einer Umgebung der Öffnung positioniert ist; eine Lüftungsblende, die eine Mehrzahl von Lamellen aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und innerhalb des Rahmenkörpers fixiert sind; und einen Vorsprung, der derart bereitgestellt ist, dass er in einem vorbestimmten Bereich, der zumindest eine Region umfasst, die auf einer Gasströmungsrichtungsseite der Lüftungsblende in einem inneren umgebenden Abschnitt des Rahmenkörpers positioniert ist, von dem Gehäuse nach außen hervorsteht, wobei die Mehrzahl der Öffnungen und die Mehrzahl der Belüftungsabdeckungen in einem Wandelement, welches das Gehäuse bildet, bereitgestellt sind, und zumindest eine der Belüftungsabdeckungen eine Lüftungsblende aufweist, die in einer anderen Richtung zu einer Richtung der Lüftungsblende in einer anderen Belüftungsabdeckung angeordnet ist.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung der Belüftungsabdeckungen von einem gesamten Umfang des inneren umgebenden Abschnitts des Rahmenkörpers hervorsteht.
Brennstoffzellengehäuse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner aufweisend, eine wasserdichte, gasdurchlässige Membran, die in den Öffnungen bereitgestellt ist.
Anordnung von Belüftungsabdeckungen, die an Gehäuseöffnungen eines Brennstoffzellengehäuses, das eine Brennstoffzelle enthält, angebracht sind, wobei die Belüftungsabdeckungen aufweisen: einen Rahmenkörper, der außerhalb des Gehäuses entlang einer Umgebung der Gehäuseöffnung positioniert ist; und eine Lüftungsblende, die eine Mehrzahl von Lamellen aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und innerhalb des Rahmenkörpers fixiert sind, wobei ein Vorsprung derart bereitgestellt ist, dass er in einem vorbestimmten Bereich, der zumindest eine Region umfasst, die auf einer Gasströmungsrichtungsseite der Lüftungsblende in einem inneren umgebenden Abschnitt des Rahmenkörpers positioniert ist, von dem Gehäuse nach außen hervorsteht, wobei die Mehrzahl der Öffnungen und die Mehrzahl der Belüftungsabdeckungen in einem Wandelement, welches das Gehäuse bildet, bereitgestellt sind, und zumindest eine der Belüftungsabdeckungen eine Lüftungsblende aufweist, die in einer anderen Richtung zu einer Richtung der Lüftungsblende in einer anderen Belüftungsabdeckung angeordnet ist.