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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit sowie ein Fahrzeug, in welchem die Brennstoffzelleneinheit verbaut ist.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Brennstoffzelleneinheit, die eine Brennstoffzelle sowie einen Wandler hat, ist bekannt. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Mehrzahl von Einzelzellen, welche gestapelt sind, und der Wandler hat eine Mehrzahl von Kombinationen aus Drosselspulen, die elektrisch mit der Brennstoffzelle verbunden sind, und Leistungsmodulen, die elektrisch mit den Drosselspulen verbunden sind (siehe die japanische Patentanmeldung
JP 2014-187831 A ). Die Brennstoffzelleneinheit ist beispielsweise als eine Motorantriebsleistungsquelle in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug montiert, das durch Motorantrieb zum Fahren gebracht wird.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei der in der
JP 2014-187831 A beschriebenen Brennstoffzelleneinheit schneidet eine Richtung, in welche die Drosselspulen und Leistungsmodule im Wandler angeordnet ist, eine Stapelrichtung, in welche die Mehrzahl von Einzelzellen in der Brennstoffzelle gestapelt ist, im Wesentlichen in eine horizontale Richtung. In einer derartigen Brennstoffzelleneinheit gibt es Fälle, wonach die Anzahl der Einzelzellen verändert wird, um eine Ausgabeleistung entsprechend dem Typ bzw. Modell des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, an welchem die Brennstoffzelleneinheit montiert ist, zu erzielen. Allgemein gilt, dass, wenn die Ausgangsleistung erhöht wird, die Anzahl der Drosselspulen und Leistungsmodule erhöht wird, und wenn die Ausgangsleistung verringert wird, die Anzahl der Drosselspulen und Leistungsmodule verringert wird. Wenn somit die Ausgangsleistung verändert wird, wird auch die Anzahl der Drosselspulen und Leistungsmodule verändert. In einem solchen Fall ist es jedoch notwendig, eine erhebliche Designänderung der Brennstoffzelleneinheit vorzunehmen, da eine Abmessungsänderungsrichtung der Brennstoffzelle mit der Mehrzahl von Einzelzellen sowie Abmessungsänderungsrichtungen der Drosselspulen und der Leistungsmodule einander im Wesentlichen senkrecht schneiden, und somit zueinander verschiedene Abmessungsänderungsrichtungen haben. Die vorliegende Erfindung schafft eine Brennstoffzelleneinheit sowie ein Fahrzeug mit der Brennstoffzelleneinheit, mit dem eine erhebliche Designveränderung einer Brennstoffzelleneinheit verhindert werden kann, wenn eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Ausgangsleistung, die dem Modell bzw. Typ des elektrisch betriebenen Fahrzeugs entspricht, entworfen wird.
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Es ist dabei möglich, die Erfindung entsprechend der folgenden Aspekte auszuführen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung schafft eine Brennstoffzelleneinheit. Die Brennstoffzelleneinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle und einen Wandler. Die Brennstoffzelle hat Einzelzellen, die in eine vorgegebene Richtung gestapelt sind. Der Wandler hat eine Mehrzahl von Kombinationen bestehend aus einer Drosselspule, die elektrisch mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und einem Leistungsmodul, das elektrisch mit der Drosselspule verbunden ist. Zumindest eine Richtung, in welche erste Drosselspulen der Drosselspulen angeordnet sind, oder eine Richtung, in welche erste Leistungsmodule der Leistungsmodule angeordnet sind, ist parallel zu einer Stapelrichtung der Einzelzellen.
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Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist bei der Brennstoffzelleneinheit eine Anordnungsrichtung der Drosselspulen und Leistungsmodule, die eine Größe haben, welche das Design der Brennstoffzelleneinheit deutlich beeinflusst, parallel zur Stapelrichtung, in welche die Einzelzellen gestapelt sind. Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei welcher eine Anordnungsrichtung der Drosselspule und des Leistungsmoduls, welche eine Größe haben, die das Design der Brennstoffzelleneinheit deutlich beeinflusst, im Wesentlichen eine Stapelrichtung, in welche die Einzelzellen gestapelt sind, senkrecht schneidet, ist eine Abmessungsänderungsrichtung der Brennstoffzelle mit der Mehrzahl von Einzelzellen parallel zu einer Abmessungsänderungsrichtung der Drosselspule und/oder des Leistungsmoduls, was bedeutet, dass die Abmessungsänderungsrichtung gleich ist. Es ist somit möglich, eine spürbare Designänderung der Brennstoffzelleneinheit zu vermeiden, wenn die Brennstoffzelleneinheit mit einer Ausgangsleistung entworfen wird, die dem Modell des elektrisch betriebenen Fahrzeugs entspricht. Das bedeutet, dass eine Designänderung der Brennstoffzelleneinheit, die durch die Einstellungen der Anzahl von Drosselspulen und Leistungsmodule sowie der Anzahl von Einzelzellen verursacht wird, nicht komplex ausfällt. Da eine Zunahme und Abnahme der Ausgangsleistung ferner einer Zunahme und Abnahme der Abmessungen der Brennstoffzelleneinheit entspricht, ist es überdies möglich, eine Brennstoffzelleneinheit in unterschiedlicher Größe genau entsprechend einer Zunahme und Abnahme der Ausgangsleistung herzustellen.
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Bei dem ersten Aspekt der Erfindung kann die Brennstoffzelle an einer oberen Seite des Wandlers in Schwerkraftrichtung oder einer unteren Seite des Wandlers in Schwerkraftrichtung angeordnet sein.
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Bei dem ersten Aspekt der Erfindung können die Richtung, in welche die ersten Drosselspulen angeordnet sind, und die Richtung, in welche die ersten Leistungsmodule angeordnet sind, parallel zur Stapelrichtung sein.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung schafft ein Fahrzeug, dass die Brennstoffzelleneinheit aufweist. Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Brennstoffzelle an den Wandler angrenzen.
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Beim zweiten Aspekt der Erfindung kann die Brennstoffzelle an einer oberen Seite des Wandlers in Auf-und-Ab-Richtung des Fahrzeugs oder einer unteren Seite des Wandlers in Auf-und-Ab-Richtung des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Beim zweiten Aspekt des Fahrzeugs kann die Stapelrichtung parallel zur Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs sein.
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Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird, selbst wenn sich eine Länge in Fahrzeugbreitenrichtung ändert, das Design der Brennstoffzelleneinheit leicht verändert, wodurch es einfacher wird, mit verschiedenen Modell- bzw. Entwicklungsvarianten des Fahrzeugs umzugehen. In anderen Worten: Da es möglich ist, die Brennstoffzelleneinheit in einer verschiedenen Größen entsprechend einer Zunahme und Abnahme der Ausgabeleistung zu entwerfen, wird es einfacher, mit verschiedenen Modell- bzw. Entwicklungsvarianten des Fahrzeugs umzugehen.
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Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Stapelrichtung parallel zur Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs sein.
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Entsprechend diesem Aspekt wird, selbst wenn eine sich Länge in Front-Heck-Richtung ändert, das Design der Brennstoffzelle leicht verändert, wodurch es einfacher wird, mit verschiedenen Modell- bzw. Entwicklungsvarianten des Fahrzeugs umzugehen. In anderen Worten: Da es möglich ist, die Brennstoffzelleneinheit in einer verschiedenen Größen entsprechend einer Zunahme und Abnahme der Ausgabeleistung zu entwerfen, wird es einfacher, mit verschiedenen Modell- bzw. Entwicklungsvarianten des Fahrzeugs umzugehen.
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Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung können eine der Einzelzellen an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung und eine der ersten Drosselspulen an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung in der gleichen Ebene senkrecht zur Stapelrichtung angeordnet sein. Die Richtung, in welche die ersten Drosselspulen angeordnet sind, kann parallel zur Stapelrichtung sein. Die ersten Drosselspulen können von der einen der ersten Drosselspulen an der äußersten Stelle in Stapelrichtung in eine Richtung hin zu einer anderen Einzelzelle an der äußersten Stelle in Stapelrichtung angeordnet sein. Eine der Einzelzellen an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung und eines der ersten Leistungsmodule an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung können in der gleichen Ebene senkrecht zur Stapelrichtung angeordnet sein. Die Richtung, in welche die ersten Leistungsmodule angeordnet sind, kann parallel zur Stapelrichtung sein. Die ersten Leistungsmodule können von dem einen der ersten Leistungsmodule an der äußersten Stelle in Stapelrichtung in eine Richtung hin zu einer anderen Einzelzelle an der äußersten Stelle in Stapelrichtung angeordnet sein.
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Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung kann eine Brennstoffzelle angrenzend an den Wandler in Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung kann eine Brennstoffzelle angrenzend an den Wandler in Fahrzeugbreitenrichtung des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Der dritte Aspekt der Erfindung schafft eine Brennstoffzelleneinheit. Bei dem dritten Aspekt der Erfindung kann der Wandler zumindest eine zweite Drosselspule oder ein zweites Leistungsmodul umfassen. Die zweite Drosselspule kann, gesehen von einer der ersten Drosselspulen, in eine Richtung zur Stapelrichtung geneigt sein. Das zweite Leistungsmodul kann, gesehen von einem der ersten Leistungsmodule, in eine Richtung zur Stapelrichtung geneigt sein.
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Der dritte Aspekt der Erfindung schafft eine Brennstoffzelleneinheit. Bei der Brennstoffzelleneinheit gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung können eine der Einzelzellen an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung und eine der ersten Drosselspulen an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung in der gleichen Ebene senkrecht zur Stapelrichtung angeordnet sein. Die Richtung, in welche die ersten Drosselspulen angeordnet sind, kann parallel zur Stapelrichtung sein. Die ersten Drosselspulen können von der einen der ersten Drosselspulen an der äußersten Stelle in Stapelrichtung in eine Richtung hin zu einer anderen Einzelzelle an der äußersten Stelle in Stapelrichtung angeordnet sein. Eine der Einzelzellen an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung und eines der ersten Leistungsmodule an einer äußersten Stelle in Stapelrichtung können in der gleichen Ebene senkrecht zur Stapelrichtung angeordnet sein. Die Richtung, in welche die ersten Leistungsmodule angeordnet sind, kann parallel zur Stapelrichtung sein. Die ersten Leistungsmodule können von dem einen der ersten Leistungsmodule an der äußersten Stelle in Stapelrichtung in eine Richtung hin zu einer anderen Einzelzelle an der äußersten Stelle in Stapelrichtung angeordnet sein.
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Die Aspekte der Erfindung sind nicht auf die Brennstoffzelleneinheit beschränkt und die Erfindung kann auch in verschiedenen anderen Aspekten ausgeführt werden, beispielsweise als eine Brennstoffzelleneinheit, die an einem Schiff verwendet wird, das elektrische Leistung als Leistungsquelle verwendet, als Brennstoffzelleneinheit für die Verwendung im Haushalt und dergleichen. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Aspekte beschränkt und es ist offensichtlich, dass die Erfindung anhand verschiedener anderer Aspekte ausgeführt werden kann, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
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1 eine Skizze des Aufbaus einer Brermstoffzelleneinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine erläuternde Darstellung der Brennstoffzelleneinheit von einer negativen Seite in Richtung der Z-Achse;
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3 eine erläuternde Ansicht der Brennstoffzelleneinheit von einer positiven Seite in Richtung der Z-Achse;
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4 eine erläuternde Darstellung eines Schaltungsaufbaus der Brennstoffzelleneinheit;
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5 eine erläuternde Ansicht von Änderungen, wenn das Design der Brennstoffzelleneinheit verändert wird.
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6 eine erläuternde Ansicht, die eine Skizze eines Fahrzeugs mit der Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
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7 eine erläuternde Ansicht, die eine Skizze eines Fahrzeugs mit der Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
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8 eine Skizze des Aufbaus einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer anderen Ausführungsform;
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9 eine erläuternde Darstellung, welche Änderungen zeigt, wenn das Design der Brennstoffzelleneinheit gemäß der anderen Ausführungsform verändert wird;
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10 eine Skizze des Aufbaus einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Erste Ausführungsform
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1 ist eine Skizze, die einen Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. 1 zeigt X-Y-Z-Achsen, die einander senkrecht schneiden. Die X-Y-Z-Achsen aus 1 entsprechen den X-Y-Z-Achsen in den übrigen Zeichnungen. Die Brennstoffzelleneinheit 100 ist als Stromquelle an einem Fahrzeug, das durch einen (Elektro-)Motor angetrieben wird, montiert. Die Brennstoffzelleneinheit 100 hat ein Brennstoffzellengehäuse 200 sowie ein Wandlergehäuse 300.
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2 ist eine erläuternde Darstellung der Brennstoffzelleneinheit 100, gesehen von einer negativen Seite in Richtung der Z-Achse. Das Brennstoffzellengehäuse 200 ist ein kastenförmiges Element, das auf der negativen Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich des Wandlergehäuses 300 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist die Größe des Brennstoffzellengehäuses 200 kleiner als die des Wandlergehäuses 300. Eine Brennstoffzelle 210 ist im Brennstoffzellengehäuse 200 aufgenommen.
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Die Brennstoffzelle 210 hat eine Mehrzahl von Einzelzellen 220, die Leistung bzw. Strom vermittels einer elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgasen erzeugen. Die Einzelzellen 220 werden befestigt, indem eine Drucklast auf diese in einem Zustand aufgebracht wird, wenn sie in Stapelrichtung D1 gestapelt sind. In dieser Ausführungsform ist die Stapelrichtung D1 der Einzelzellen 220 die X-Achsenrichtung bzw. Richtung in X-Achse. In dieser Ausführungsform wird die Brennstoffzelle 210 mit Wasserstoffgas und Luft versorgt und erzeugt Strom vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.
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3 ist eine erläuternde Darstellung der Brennstoffzelleneinheit 100, gesehen von der positiven Seite in Richtung der Z-Achse. Das Wandlergehäuse 300 ist ein kastenförmiges Element, das auf der positiven Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich des Brennstoffzellengehäuses 200 angeordnet ist. Ein Mehrphasenwandler 310 ist im Wandlergehäuse 300 aufgenommen.
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Der Mehrphasenwandler 310 regelt eine von der Brennstoffzelle 210 zugeführte Spannung und gibt diese aus. In der Ausführungsform regelt der Mehrphasenwandler 310 eine von der Brennstoffzelle 210 zugeführte Spannung in eine Spannung, die für einen Motorantrieb geeignet ist, und gibt diese aus. Der Mehrphasenwandler 310 umfasst Wandler für vier Phasen, d. h. einen U-Phasen-Wandler DC1, einen V-Phasen-Wandler DC2, einen W-Phasen-Wandler DC3 sowie einen X-Phasen-Wandler DC4. Der U-Phasen-Wandler DC1, der V-Phasen-Wandler DC2, der W-Phasen-Wandler DC3 und der X-Phasen-Wandler DC4 sind parallel zueinander angeordnet.
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Der U-Phasen-Wandler DC1 hat eine Drosselspule L1, einen Stromsensor I1 sowie ein Leistungsmodul IPM1.
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Die Drosselspule L1 ist elektrisch mit der Brennstoffzelle 210 verbunden. Die Drosselspule L1 besteht aus einem kreisförmigen Kernabschnitt und einer um einen Außenumfang des Kernabschnitts gewickelten Spule. Die Drosselspule L1 kann Leistung speichern und die gespeicherte Leistung ausgeben. Die Leistungsspeicherung sowie die Leistungsausgabe durch die Drosselspule L1 werden für einen Spannungsverstärkungsbetrieb und einen Spannungsabsenkungsbetrieb durch den U-Phasen-Wandler DC1 genutzt.
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Der Stromsensor I1 ist zwischen der Drosselspule L1 und dem Leistungsmodul IPM1 angeordnet. Der Stromsensor I1 erfasst den Strom, der von der Drosselspule L1 zum Leistungsmodul IPM1 strömt.
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4 ist eine erläuternde Darstellung, die den Schaltungsaufbau der Brennstoffzelleneinheit 100 zeigt. Das Leistungsmodul IPM1 ist ein Schaltmodul, in welchem eine Mehrzahl von Halbleiterelementen enthalten ist. Das Leistungsmodul IPM1 hat ein Schaltelement SW1 sowie eine Diode Di1.
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Das Schaltelement SW1 veranlasst die Drosselspule L1 durch Ausführen einer periodischen Schaltsteuerung, wenn die Spannung von der Brennstoffzelle 210 eingegeben wird, periodisch Leistung zu speichern und auszugeben. Die von der Drosselspule L1 ausgegebene Leistung wird durch die Diode Di1 ausgegeben. Die Diode Di1 ist eine sogenannte Schaltdiode.
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Der U-Phasen-Wandler DC1 stellt die eingegebene Spannung durch Einstellen eines Tastverhältnisses (ein Verhältnis zwischen dem An-Zustand und dem Aus-Zustand) im Schaltelement SW1 ein und gibt diese aus.
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Ähnlich zum U-Phasen-Wandler DC1 umfassen der V-Phasen-Wandler DC2, der W-Phasen-Wandler DC3 und der X-Phasen-Wandler DC4 entsprechende Drosselspulen L2, L3 und L4, Stromsensoren I2, I3 und I4 und Leistungsmodule IPM2, IMP3 und IMP4. Ähnlich wie das Leistungsmodul IPM1 umfassen die Leistungsmodule IPM2, IPM3 und IPM4 entsprechende Dioden Di2, Di3 und Di4 sowie Schaltelemente SW2, SW3 und SW4. In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Bezugszeichen „L” jeweils als Sammelbegriff für die Drosselspulen verwendet, und ein Bezugszeichen „IPM” wird als Sammelbegriff für die Leistungsmodule verwendet.
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In dieser Ausführungsform ist das Leistungsmodul IPM beidseitig gekühlt, wobei das Halbleiterelement von beiden Seiten gekühlt wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Leistungsmodul IPM einseitig gekühlt sein, sodass ein Halbleiterelement von einer einzelnen Seitenfläche her gekühlt wird.
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Der V-Phasen-Wandler DC2, der W-Phasen-Wandler DC3 und der X-Phasen-Wandler DC4 regeln die von der Brennstoffzelle 210 ausgegebenen Spannung nach dem gleichen Prinzip der U-Phasen-Wandler DC1 und geben diese aus. Die Schaltelemente SW1, SW2, SW3 und SW4 führen eine Schaltsteuerung durch Einstellen des Tastverhältnisses der Schaltelemente SW1, SW2, SW3 und SW4 aus, sodass Stromwerte, die durch die Stromsensoren I1, I2, I3 und I4 gemessen werden, gleich werden.
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Erneut bezugnehmend auf 3 sind die Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM in eine Richtung D2 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Richtung der X-Achse ist. Die Einzelzellen 220 in der Brennstoffzelle 210 sind in Richtung der X-Achse als Stapelrichtung D1 gestapelt. Das bedeutet, dass bei dieser Ausführungsform die Richtung, in welche die Drosselspulen L angeordnet sind, und die Richtung, in welche die Leistungsmodule IPM angeordnet sind, der Richtung D2 entsprechen, und im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung D1 der Einzelzellen 220 sind. In dieser Ausführungsform beeinflussen sowohl die Größe der Drosselspulen L als auch die Größe der Leistungsmodule IPM das Design der Brennstoffzelleneinheit 100 spürbar.
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Die Bedeutung von „eine Richtung parallel zu einer anderen Richtung” in dieser Ausführungsform bedeutet, dass ein Winkel zwischen zwei Richtungen, die miteinander verglichen werden, in einem Bereich mit einer Abweichung von 5 Grad liegt, und vorzugsweise in einem Bereich mit einer Abweichung von 3 Grad liegt.
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Gemäß der bis hierhin beschriebenen Ausführungsform sind bei der Brennstoffzelleneinheit 100 die Richtung D2, in welche die Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM angeordnet sind, und die Stapelrichtung D1, in welche die Einzelzellen gestapelt sind, im Wesentlichen parallel zueinander. Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei welcher die Richtung, in welche die Drosselspule und Leistungsmodule angeordnet sind, und die Stapelrichtung, in welche die Einzelzelle gestapelt sind, einander senkrecht schneiden, ist eine Abmessungsänderungsrichtung der Brennstoffzelle 210 mit den Einzelzellen 220 im Wesentlichen parallel zu einer Abmessungsänderungsrichtung der Drosselspulen L und/oder der Leistungsmodule IPM. Die Abmessungsänderungsrichtungen sind somit gleich. Wenn somit die Brennstoffzelleneinheit 100 derart ausgebildet wird, dass ihre Ausgangsleistung dem Typ bzw. Modell des elektrisch betriebenen Fahrzeugs entspricht, ist es somit möglich, eine erhebliche Designänderung der Brennstoffzelleneinheit 100 zu vermeiden. Dies bedeutet, das eine Designänderung der Brennstoffzelleneinheit 100 aufgrund von Einstellungen der Anzahl der Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM sowie der Anzahl der Einzelzellen 220 nicht komplex ausfällt. Da eine Zunahme und Abnahme der Ausgangsleistung einer Zunahme und Abnahme der Abmessung der Brennstoffzelleneinheit 100 entspricht, ist es zudem möglich, die Brennstoffzelleneinheit 100 genau in unterschiedlicher Größe Größen entsprechend einer Zunahme und Abnahme der Ausgangsleistung herzustellen.
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Wenn beispielsweise versucht wird, das Design einer Brennstoffzelleneinheit mit einer vorgegebenen Ausgangsleistung zu verändern, dass diese in ein kompaktes elektrisch betriebenes Fahrzeug passt, das mit einer Brennstoffzelleneinheit mit einer niedrigen Ausgangsleistung ausgebildet ist, ist es notwendig, die Anzahl der Drosselspulen und Leistungsmodule zu senken, um die Ausgangsleistung zu verringern, und es ist auch notwendig, die Größe der Brennstoffzelleneinheit zu verringern, dass diese in dem kompakten elektrisch betriebenen Fahrzeug montiert werden kann. Bei der Ausgestaltung, bei welcher die Anordnungsrichtung der Drosselspulen und Leistungsmodule sowie die Stapelrichtung, in welcher Einzelzellen gestapelt sind, einander im Wesentlichen senkrecht schneiden, führt das bloße Verringern der Anzahl an Drosselspulen und Leistungsmodule nicht zu einer Größenverringerung der Brennstoffzelleneinheit. Daher ist es notwendig, um die Größe der Brennstoffzelleneinheit zu verringern, das Design der Brennstoffzelleneinheit erheblich zu verändern. Bei der Brennstoffzelleneinheit 100 der ersten Ausführungsform dagegen, sind die Abmessungsänderungsrichtung der Brennstoffzelle 210 mit der Mehrzahl von Einzelzellen 220 sowie die Abmessungsänderungsrichtungen der Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM im Wesentlichen parallel zueinander, was bedeutet, dass die Abmessungsänderungsrichtungen gleich sind. Wenn somit die Brennstoffzelleneinheit 100 mit einer Ausgangsleistung entsprechend dem Typ bzw. Modell des elektrischen Fahrzeugs entworfen wird, ist es möglich, eine erhebliche Änderung des Designs der Brennstoffzelleneinheit 100 zu vermeiden.
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5 ist eine erläuternde Darstellung, die Änderungen zeigt, wenn das Design der Brennstoffzelleneinheit 100 verändert wird. Im oberen Abschnitt von 5 ist die Brennstoffzelleneinheit 100 dargestellt. Im unteren Abschnitt der 5 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100a gezeigt, welche der Brennstoffzelleneinheit 100 nach der Designänderung entspricht. In 5 sind die Komponenten des Mehrphasenwandlers 310 jeweils durch Bezugszeichen dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen.
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Die Brennstoffzelleneinheit 100a hat eine Ausgangsleistung, die niedriger ist als die der Brennstoffzelleneinheit 100. Die Designänderung von der Brennstoffzelleneinheit 100 zur Brennstoffzelleneinheit 100a erfolgt durch Verringern der Anzahl der Drosselspulen L und der Leistungsmodule IPM sowie der Anzahl an Einzelzellen 220 im Vergleich zu jenen der Brennstoffzelleneinheit 100. Bei der Brennstoffzelleneinheit 100 sind die Richtung D2, in welche die Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM angeordnet sind und die Stapelrichtung D1, in welche die Einzelzellen gestapelt sind, im Wesentlichen parallel zueinander. Daher ist im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei welcher die Anordnungsrichtung der Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM sowie der Stapelrichtung, in welche die Einzelzelle 220 gestapelt sind, einander im Wesentlichen senkrecht schneiden, die Abmessungsänderungsrichtung der Brennstoffzelle 210 mit der Mehrzahl von Einzelzellen 220 im Wesentlichen parallel zur Abmessungsänderungsrichtung der Drosselspulen L oder der Leistungsmodule IPM, was bedeutet, dass die Abmessungsänderungsrichtungen gleich sind. Es ist somit möglich, eine komplexe Änderung des Designs der Brennstoffzelleneinheit 100 zu vermeiden.
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B. Die zweite Ausführungsform
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6 ist eine erläuternde Darstellung, die eine Skizze eines Fahrzeugs 20 mit einer Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Das Fahrzeug 20 ist ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, das durch einen (Elektro-)Motor angetrieben wird. Der vordere Teil des Fahrzeugs 20 ist zur positiven Seite in Richtung der Y-Achse gerichtet. Das Fahrzeug 20 hat Sitze 22, 24, 26 sowie einen Bodenteil 28.
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Die Sitze 22, 24 und 26 sind derart ausgestaltet, dass sich ein Passagier darauf setzen kann. Der Sitz 22 ist an der positiven Seite in Richtung der X-Achse des Fahrzeugs 20 angeordnet. Der Sitz 24 ist an der negativen Seite in Richtung der X-Achse des Fahrzeugs 20 angeordnet. Der Sitz 26 ist an der negativen Seite in Richtung der Y-Achse bezüglich des Sitzes 22 und des Sitzes 24 angeordnet. Der Bodenteil 28 ist an der negativen Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich der Sitze 22, 24 und 26 angeordnet, und definiert die negative Seite in Richtung der Z-Achse im Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs 20.
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Ein Raum im Fahrzeug 20 zur Montage der Brennstoffzelleneinheit 100 ist ein Innenbereich R1 des Fahrzeugs 20, der auf der negativen Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich des Bodenteils 28 liegt.
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Bei der Brennstoffzelleneinheit 100 sind die Richtung D2, in welche die Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM angeordnet sind, sowie die Stapelrichtung D1, in welche die Einzelzellen 220 angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zueinander entlang der Fahrzeugbreitenrichtung des Fahrzeugs 20. Selbst bei einem Fahrzeug 20 mit dem Innenbereich R1, der relativ schmal in Fahrzeugbreitenrichtung ist, ist es somit möglich, die Brennstoffzelleneinheit 100 am Fahrzeug 20 durch Ändern des Designs der Brennstoffzelleneinheit 100 zu montieren. In anderen Worten: Es ist möglich, die Brennstoffzelleneinheit 100 in einer Vielzahl von Größen entsprechend der Zunahme und Abnahme der Ausgangsleistung zu entwerfen, wodurch es einfacher ist, mit verschiedenen Modell- bzw. Entwicklungsvarianten des Fahrzeugs 20 umzugehen.
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C. Dritte Ausführungsform
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7 ist eine erläuternde Darstellung, die eine Skizze eines Fahrzeugs 30 mit einer Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Das Fahrzeug 30 ist ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, das durch einen (Elektro-)Motor angetrieben wird. Die Vorderseite des Fahrzeugs 30 ist zur positiven Seite in Richtung der X-Achse gerichtet. Ein Raum im Fahrzeug 30 zur Montage der Brennstoffzelleneinheit 100 ist ein Innenbereich R2 des Fahrzeugs 30 auf der negativen Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich einer Motorhaube 32 auf der Vorderseite des Fahrzeugs 30.
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In der Brennstoffzelleneinheit 100 sind die Anordnungsrichtung D2 der Drosselspulen L und der Leistungsmodule IPM sowie die Stapelrichtung D1, in welche die Einzelzellen 220 gestapelt sind, im Wesentlichen parallel zueinander entlang der Front-Heck-Richtung des Fahrzeugs 30. Selbst bei einem Fahrzeug 30, bei welchem der Innenbereich R2 relativ eng in Front-Heck-Richtung ist, ist es somit möglich, die Brennstoffzelleneinheit 100 am Fahrzeug 30 zu montieren, indem das Design der Brennstoffzelleneinheit 100 verändert wird. In anderen Worten: Es ist möglich, die Brennstoffzelleneinheit 100 in verschiedenen Größen entsprechend einer Zunahme und Abnahme der Ausgangsleistung zu entwerfen, wodurch es möglich ist, mit verschiedenen Modell- bzw. Entwicklungsvarianten des Fahrzeugs 30 umzugehen.
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D. Vierte Ausführungsform
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8 zeigt eine Skizze des Aufbaus einer Brennstoffzelleneinheit 100b gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Brennstoffzelleneinheit 100b hat den gleichen Aufbau wie die Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der ersten Ausführungsform abgesehen davon, dass die Positionsbeziehung zwischen dem Brennstoffzellengehäuse 200 und einem Wandlergehäuse 300 in Richtung der Z-Achse verschieden ist. Bei der Brennstoffzelleneinheit 100b ist das Brennstoffzellengehäuse 200 auf der positiven Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich des Wandlergehäuses 300 angeordnet.
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E. Fünfte Ausführungsform
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9 ist eine erläuternde Darstellung, die Änderungen zeigt, wenn das Design der Brennstoffzelleneinheit 100c gemäß einer weiteren Ausführungsform verändert wird. Im oberen Abschnitt von 9 ist die Brennstoffzelleneinheit 100c dargestellt. Im unteren Abschnitt von 9 ist eine Brennstoffzelleneinheit 100d dargestellt, welche die Brennstoffzelleneinheit 100c nach der Designänderung zeigt.
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Die Brennstoffzelleneinheit 100c ist gleich der Brennstoffzelleneinheit 100 abgesehen davon, dass ein zusätzlicher Wandler zum Vierphasen-Wandler vorgesehen ist, der in der Brennstoffzelleneinheit 100 enthalten ist. Der in der Brennstoffzelleneinheit 100c zusätzlich vorgesehene Wandler hat eine Drosselspule L5 sowie ein Leistungsmodul IPM5. In 9 sind nur die Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM als Komponenten im Wandlergehäuse 300 in der Brennstoffzelleneinheit 100c sowie der Brennstoffzelleneinheit 100d dargestellt, um das Verständnis zu erleichtern. Zudem werden in 9 die Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM nur durch ihr Bezugszeichen dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen.
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In der Brennstoffzelleneinheit 100c sind die Drosselspulen L1, L2, L3 und L4 sowie die Leistungsmodule IPM1, IPM2, IPM3 und IPM4 in die Richtung D2 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Richtung der X-Achse ist. Die Drosselspule L5 ist auf der positiven Seite in Richtung der Y-Achse bezüglich der Drosselspule L4 angeordnet. Das Leistungsmodul IPM5 ist auf der negativen Seite in Richtung der Y-Achse bezüglich des Leistungsmoduls IPM4 angeordnet.
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Die Brennstoffzelleneinheit 100d hat eine Ausgangsleistung, die niedriger ist als die der Brennstoffzelleneinheit 100c. In einem Fall, bei welchem das Design der Brennstoffzelleneinheit 100c hin zu dem Design der Brennstoffzelleneinheit 100d verändert wird, die eine niedrigere Ausgangsleistung hat, erfolgt die Designänderung durch Verringerung der Anzahl an Drosselspulen L1, L2 und L3 und der Leistungsmodule IPM1, IPM2 und IPM3 sowie der Anzahl der Einzelzellen 220 im Vergleich zu jenen der Brennstoffzelleneinheit 100c. Dies bedeutet, dass die Abmessungsänderungsrichtung der Brennstoffzelle 210 gleich der Abmessungsänderungsrichtung der Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM ist und es somit möglich ist, eine komplexe Änderung des Designs der Brennstoffzelleneinheit 100c zu vermeiden.
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F. Abwandlung
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Bei der ersten Ausführungsform ist das Brennstoffzellengehäuse 200 auf der negativen Seite in Richtung der Z-Achse bezüglich des Wandlergehäuses 300 angeordnet, die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Beispielsweise können das Brennstoffzellengehäuse 200 und das Wandlergehäuse 300 nebeneinander in Richtung der Y-Achse angeordnet sein.
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In der ersten Ausführungsform ist die Größe des Brennstoffzellengehäuses 200 kleiner als die des Wandlers 300, die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Die Größe des Brennstoffzellengehäuses 200 kann beispielsweise größer als oder gleich der des Wandlergehäuses 300 sein.
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Bei der ersten Ausführungsform ist die Richtung D2, in welche die Drosselspulen L und die Leistungsmodule IPM angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung D1 der Einzelzellen 220, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Wenn beispielsweise die Größe der Drosselspule L größer ist als die des Leistungsmoduls IPM, und nur die Größe der Drosselspule L Einfluss auf das Design der Brennstoffzelleneinheit 100 hat, braucht nur die Anordnungsrichtung der Drosselspulen L im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung D1 der Einzelzellen 220 sein. Wenn überdies die Größe des Leistungsmoduls IPM größer ist als die der Drosselspule L und nur die Größe des Leistungsmoduls IPM Einfluss auf das Design der Brennstoffzelleneinheit 100 hat, braucht nur die Anordnungsrichtung der Leistungsmodule IPM im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung der Einzelzellen 220 sein.
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Bei der ersten Ausführungsform ist die Richtung D2, in welche die Drosselspulen L und die Leistungsmodule IPM angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung D1 der Einzelzellen 220, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Beispielsweise kann die Richtung D2, in welche die Drosselspulen L und die Leistungsmodule IPM angeordnet sind, parallel zur Stapelrichtung D1 der Einzelzellen 220 sein.
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In der fünften Ausführungsform ist eine Drosselspule L5 an einer in Richtung der Y-Achse von den Drosselspulen L1, L2, L3 und L4, die in Richtung D2 angeordnet sind, versetzten Position vorgesehen, und ein Leistungsmodul IPM5 ist an einer in Richtung der Y-Achse von den Leistungsmodulen IPM1, IPM2, IPM3 und IPM4, die in Richtung D2 angeordnet sind, versetzten Position vorgesehen, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Drosselspulen an Stellen angeordnet sein, die von den Drosselspulen L1, L2, L3 und L4, die in Richtung D2 angeordnet sind, in Richtung der Y-Achse versetzt sind, und eine Mehrzahl von Leistungsmodulen kann an Stellen angeordnet sein, die von den Leistungsmodulen IPM1, IPM2, IPM3 und IPM4, die in Richtung D2 angeordnet sind, in Richtung der Y-Achse versetzt sind. Bei einer derartigen Ausführungsform erfolgt eine Designänderung der Brennstoffzelleneinheit entsprechend der Ausgangsleistung für das Modell des elektrisch betriebenen Fahrzeugs durch Einstellen der Drosselspulen L und Leistungsmodule IPM, die in Richtung D2 angeordnet sind.
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Die Erfindung kann beispielsweise auf folgende Art und Weise ausgeführt werden.
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Es wird eine Brennstoffzelleneinheit geschaffen, die einen Brennstoffzellenkörper mit einer Mehrzahl von Einzelzellen aufweist, die in eine vorgegebene Richtung gestapelt sind, sowie eine Mehrphasen-Verstärkungswandler, der parallel zum Brennstoffzellenkörper entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet ist und eine Mehrzahl von Wandlern aufweist, die eine vom Brennstoffzellenkörper ausgegebene Spannung verstärken. Der Mehrphasen-Verstärkungswandler hat eine Mehrzahl von Drosselspulen, die elektrisch mit dem Brennstoffzellenkörper verbunden und parallel zueinander geschaltet sind, sowie eine Mehrzahl von Schaltelementen, die den Drosselspulen entsprechend vorgesehen sind. Zumindest die Mehrzahl von Drosselspulen oder die Mehrzahl von Schaltelementen sind im Wesentlichen parallel zu der vorgegebenen Richtung angeordnet, und die erste Drosselspule oder das Schaltelement in der Anordnung befindet sich an der gleichen Stelle wie die erste Einzelzelle von der Mehrzahl von gestapelten Einzelzellen.
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10 zeigt eine Skizze, die den Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit 100e gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt. Die Brennstoffzelleneinheit 100e entspricht der Brennstoffzelleneinheit 100 abgesehen von der unterschiedlichen Ausgestaltung des Mehrphasen-Wandlers 310.
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Der Mehrphasen-Wandler 310 der Brennstoffzelleneinheit 100e ist derart angeordnet, dass ein Endabschnitt der Drosselspule L1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse im Wesentlichen an der gleichen Stelle in Richtung der X-Achse liegt, wie ein Endabschnitt der gestapelten Einzelzellen 220 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse. Die Bedeutung von „im Wesentlichen an der gleichen Stelle” bezeichnet hierbei nicht nur, dass der Endabschnitt der Drosselspule L1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse und der Endabschnitt der gestapelten Einzelzellen 220 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse an der gleichen Stelle in Richtung der X-Achse liegen, sondern auch, dass in Richtung der X-Achse der Endabschnitt der Drosselspule L1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse in einem Bereich der Länge der ersten Einzelzelle 220 in Richtung der X-Achse auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse von den gestapelten Einzelzellen 220 ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist der Endabschnitt der Drosselspule L und der Endabschnitt der gestapelten Einzelzellen 220 im Wesentlichen auf der gleichen Stelle auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse, und das Design der Brennstoffzelleneinheit 100e wird verändert, indem die Anzahl an Drosselspulen L und die Anzahl der Einzelzellen 220 auf der negativen Seite in Richtung der X-Achse verändert wird. Wenn die Brennstoffzelleneinheit 100e somit mit einer Ausgangsleistung entsprechend dem Typ bzw. Modell des elektrisch betriebenen Fahrzeugs entworfen wird, ist es möglich, die Größe der Brennstoffzelleneinheit 100e in Richtung der X-Achse zu verringern.
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Bei der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelleneinheit 100e befindet sich zudem der Endabschnitt der Drosselspule L1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse im Wesentlichen an der gleichen Stelle in Richtung der X-Achse wie der Endabschnitt der gestapelten Einzelzellen 220 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Beispielsweise können der Endabschnitt des Schaltelements SW1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse, oder der Endabschnitt der Drosselspule L1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse und der Endabschnitt des Schaltelements SW1 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse derart angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen an der gleichen Stelle wie der Endabschnitt der gestapelten Einzelzellen 220 auf der positiven Seite in Richtung der X-Achse liegen.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und Abwandlungen beschränkt, und kann anhand verschiedener Gestaltungen ausgeführt werden, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen. Die technischen Merkmale der Ausführungsformen, Beispiele und Abwandlungen, welche den technischen Merkmale einer jeden in der Zusammenfassung der Erfindung beschriebenen Ausführungsform entsprechen, können je nach Bedarf ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Effekte zu erzielen. Sofern nicht als wesentlich für die Erfindung dargestellt, können technische Merkmale bei Bedarf auch weggelassen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-187831 A [0002, 0003]
