DE102020109999A1

DE102020109999A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020109999A1
Application number: DE102020109999.1A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Itou; Hiroshi Arisawa; Atsushi Hayashi; Shinsuke Aoyagi; Keita KINOSHITA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-12-10
Also published as: US20200388872A1; US11431017B2; JP2020202063A; JP7136014B2; CN112054233A

Abstract

Eine Brennstoffzelleneinheit umfasst: einen Brennstoffzellenstapel mit: einem Zellenstapel; einem ersten Anschluss, der entsprechend an einem ersten Ende des Zellenstapels in der ersten Richtung angeordnet ist; und einem zweiten Anschluss, der an einem zweiten Ende des Zellenstapels in der ersten Richtung angeordnet ist; eine Endplatte, die auf einer in Bezug auf den ersten Anschluss gegenüberliegenden Seite des Zellenstapels angeordnet ist; einen Leistungswandler, der die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels umwandelt; ein Stapelgehäuse, das den Brennstoffzellenstapel aufnimmt; ein Leistungswandlergehäuse, das den Leistungswandler aufnimmt und an dem Stapelgehäuse befestigt ist; eine erste Sammelschiene, die den ersten Anschluss und den Leistungswandler in dem Stapelgehäuse und dem Leistungswandlergehäuse elektrisch verbindet; und eine zweite Sammelschiene, die den zweiten Anschluss und den Leistungswandler in dem Stapelgehäuse und dem Leistungswandlergehäuse elektrisch verbindet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelleneinheit.
HINTERGRUND
Es wird ein Leistungswandler wie z.B. ein Wandler zur Umwandlung der Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels verwendet. Es ist z.B. eine Brennstoffzelleneinheit bekannt, bei der ein Stapelgehäuse, das den Brennstoffzellenstapel umfasst, mit einem Leistungswandlergehäuse verbunden ist, das den Leistungswandler umfasst, und bei der der Brennstoffzellenstapel mit dem Leistungswandler über Sammelschienen im Stapelgehäuse und im Leistungswandlergehäuse elektrisch verbunden ist (siehe z.B. die japanische Patentanmeldung JP 2017- 073 199 A ).
In der japanischen Patentanmeldung JP 2017- 073 199 A ist eine Seitenwand des Stapelgehäuses senkrecht zu einer Bodenwand des Stapelgehäuses. Im Hinblick auf die Herstellbarkeit des Stapelgehäuses kann eine Entformungsschräge bzw. ein Entformungswinkel (EN: draft angle) definiert werden, indem die Seitenwand des Stapelgehäuses in Bezug auf die Bodenwand geneigt wird. Wenn jedoch die Seitenwand des Stapelgehäuses in Bezug auf die Bodenwand geneigt wird, kann sich die Brennstoffzelleneinheit vergrößern.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Größenzunahme einer Brennstoffzelleneinheit zu unterdrücken.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit: einem Zellenstapel, in dem Einheitszellen in einer ersten Richtung gestapelt sind; einem ersten Anschluss, der entsprechend an einem ersten Ende des Zellenstapels in der ersten Richtung angeordnet ist; und einem zweiten Anschluss, der an einem zweiten Ende des Zellenstapels in der ersten Richtung angeordnet ist; eine Endplatte, die auf einer in Bezug auf den ersten Anschluss gegenüberliegenden Seite des Zellenstapels angeordnet ist; einen Leistungswandler, der die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels umwandelt; ein Stapelgehäuse, das den Brennstoffzellenstapel aufnimmt; ein Leistungswandlergehäuse, das den Leistungswandler aufnimmt und an dem Stapelgehäuse befestigt ist; eine erste Sammelschiene, die den ersten Anschluss und den Leistungswandler in dem Stapelgehäuse und dem Leistungswandlergehäuse elektrisch verbindet; und eine zweite Sammelschiene, die den zweiten Anschluss und den Leistungswandler in dem Stapelgehäuse und dem Leistungswandlergehäuse elektrisch verbindet, wobei der erste Anschluss einen ersten vorstehenden Abschnitt umfasst, der aus dem Zellenstapel ragt und mit der ersten Sammelschiene verbunden ist, der zweite Anschluss einen zweiten vorstehenden Abschnitt umfasst, der aus dem Zellenstapel ragt und mit der zweiten Sammelschiene verbunden ist, wobei das Stapelgehäuse umfasst: einen rahmenförmig ausgebildeten Flansch, der an seiner Innenseite eine erste Öffnung definiert und an der Endplatte befestigt ist, so dass der Brennstoffzellenstapel in dem Stapelgehäuse untergebracht ist; eine erste Bodenwand, wobei der Brennstoffzellenstapel sandwichartig zwischen der ersten Bodenwand und der Endplatte in der ersten Richtung angeordnet ist; eine erste Seitenwand, die zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Leistungswandler angeordnet ist, zwischen dem Flansch und der ersten Bodenwand verbunden ist und eine zweite Öffnung umfasst, die es ermöglicht, die erste und zweite Sammelschiene entsprechend mit dem ersten und zweiten Anschluss zu verbinden; und eine zweite Seitenwand, die zwischen dem Flansch und der ersten Bodenwand verbunden ist, wobei der Brennstoffzellenstapel zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung angeordnet ist, wobei die erste Seitenwand in Bezug auf die erste Bodenwand so geneigt ist, dass ein Abstand zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand auf einer Seite des Flansches größer ist als auf einer Seite der ersten Bodenwand, ein Winkel zwischen der ersten Seitenwand und der ersten Bodenwand auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels größer ist als ein Winkel zwischen der zweiten Seitenwand und der ersten Bodenwand auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels, und die erste Seitenwand den zweiten vorstehenden Abschnitt des zweiten Anschlusses in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung überlappt.
Der Winkel zwischen der zweiten Seitenwand und der ersten Bodenwand auf der Seite des Brennstoffzellenstapels kann ein rechter Winkel sein.
Das Leistungswandlergehäuse kann eine zweite Bodenwand umfassen, wobei der Leistungswandler zwischen der zweiten Bodenwand und der ersten Seitenwand in der zweiten Richtung angeordnet sein kann, Komponenten des Leistungswandlers können eine erste Komponente umfassen, von den Komponenten kann ein Endabschnitt der ersten Komponente auf einer Seite der ersten Seitenwand am weitesten von der zweiten Bodenwand entfernt sein, die erste Komponente kann in Bezug auf eine Mitte zwischen dem Flansch und der ersten Bodenwand in der ersten Richtung auf einer Seite der ersten Bodenwand angeordnet sein.
Die Komponenten können die erste Komponente, eine zweite Komponente und eine dritte Komponente umfassen, ein Abstand zwischen der zweiten Bodenwand und einem Endabschnitt der zweiten Komponente auf einer Seite der ersten Seitenwand kann kleiner sein als ein Abstand zwischen der zweiten Bodenwand und dem Endabschnitt der ersten Komponente, ein Abstand zwischen der zweiten Bodenwand und einem Endabschnitt der dritten Komponente auf einer Seite der ersten Seitenwand kann kleiner sein als der Abstand zwischen der zweiten Bodenwand und dem Endabschnitt der zweiten Komponente, und die dritte Komponente, die zweite Komponente und die erste Komponente können in dieser Reihenfolge vom Flansch aus angeordnet sein.
Eine Komponente der Komponenten des Leistungswandlers kann einen Endabschnitt an einer ersten Seitenwand umfassen, der die erste Seitenwand in der ersten Richtung überlappt.
Das Leistungswandlergehäuse kann eine dritte Seitenwand entlang der zweiten Richtung aufweisen, und die dritte Seitenwand kann eine Öffnung aufweisen, die den elektrischen Anschluss einer externen Vorrichtung an den Leistungswandler ermöglicht.
Der Flansch kann umfassen: eine ebene bzw. flache Fläche, an der die Endplatte befestigt ist, und eine äußere Umfangsfläche bzw. Außenumfangsfläche, die durchgehend bzw. fortlaufend von einer Kante der ebenen Fläche ist; die Außenumfangsfläche des Flansches kann von einem Ende zum anderen Ende in der ersten Richtung eben bzw. flach sein, und das Leistungswandlergehäuse kann an der Außenumfangsfläche des Flansches befestigt sein.
Die Höhe des Stapelgehäuses in der zweiten Richtung kann an einer Stelle, an der der Flansch angeordnet ist, maximal sein.
Eine Länge der ersten Öffnung in der zweiten Richtung kann größer sein als eine Länge des Brennstoffzellenstapels in der zweiten Richtung.
Ein Abstand zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand an einem Ende der zweiten Öffnung auf einer Seite des Flansches in der zweiten Richtung kann größer sein als eine Länge des Brennstoffzellenstapels in der zweiten Richtung.
EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Größenzunahme einer Brennstoffzelleneinheit zu unterdrücken.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Brennstoffzelleneinheit der ersten Ausführungsform;
3 ist eine Ansicht einer Schaltungskonfiguration der Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführungsform;
4A bis 4D sind Ansichten eines Herstellungsverfahrens einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel;
6 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Stapelgehäuses;
8 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;
9A ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform und 9B ist eine Querschnittsansicht der Komponenten eines in einem Wandlergehäuse aufgenommenen Aufwärtswandlers; und
10 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer vierten Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
1 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Brennstoffzelleneinheit der ersten Ausführungsform. Einige Elemente sind auf der Rückseite eines Blattes von 1 ohne Schraffur dargestellt. Dasselbe gilt für die 4B bis 10. Wie in den 1 und 2 dargestellt, besteht eine Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der ersten Ausführungsform aus einem Brennstoffzellenstapel 10, einer Endplatte 16, einem Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller oder Boost-Konverter 20, einem Stapelgehäuse 40, einem Wandlergehäuse 50 und den Sammelschienen 60 und 61. Der Aufwärtswandler 20 ist ein Beispiel für einen Leistungswandler. Das Wandlergehäuse 50 ist ein Beispiel für einen Leistungswandlergehäuse.
Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst einen Zellenstapel 12, die Anschlüsse 13a und 13b, die Isolatoren 14a und 14b und eine Druckplatte 15. Die Einheitszellen 11 des Zellenstapels 12 sind in X-Richtung gestapelt. Die Anschlüsse 13a und 13b sind jeweils an beiden Enden des Zellenstapels 12 in X-Richtung angeordnet. Die Anschlüsse 13a und 13b haben jeweils vorstehende Abschnitte 17a und 17b, die aus dem Zellenstapel 12 ragen.
Die Endplatte 16 ist auf einer dem Zellenstapel 12 über den Anschluss 13a und den Isolator 14a gegenüberliegenden Seite angeordnet. Was den Brennstoffzellenstapel 10 betrifft, so sind der Isolator 14a, der Anschluss 13a, der Zellenstapel 12, der Anschluss 13b, der Isolator 14b und die Druckplatte 15 in dieser Reihenfolge an einer Hauptfläche der Endplatte 16 gestapelt. Die Endplatte 16 ist mit Schrauben 71 an einem Flansch 42 des Stapelgehäuses 40 befestigt. Der Flansch 42 definiert an seiner Innenseite eine Öffnung 41. Die Endplatte 16 ist am Flansch 42 des Stapelgehäuses 40 so befestigt, dass der auf der Endplatte 16 angeordnete Brennstoffzellenstapel 10 im Stapelgehäuse 40 aufgenommen ist.
Die Anschlüsse 13a und 13b sind Platten, die z.B. aus einem Metall wie Kupfer, Aluminium oder einer diese enthaltenden Legierung, oder aus einem leitfähigen Material wie dichtem Kohlenstoff bestehen. Die Anschlüsse 13a und 13b sind für die Entnahme der von den Einheitszellen 11 erzeugten elektrischen Energie angeordnet. Die Isolatoren 14a und 14b sind Platten aus einem isolierenden Material wie Gummi oder Harz. Der Isolator 14a ist für die Isolierung des Anschlusses 13a von der Endplatte 16 angeordnet, die sich außerhalb des Isolators 14a befindet. Der Isolator 14b ist für die Isolierung des Anschlusses 13b von der Druckplatte 15 angeordnet, die sich außerhalb des Isolators 14b befindet. Die Druckplatte 15 besteht aus einem Material mit hoher Steifigkeit, wie z.B. einem Metallmaterial wie Edelstahl oder einer Aluminiumlegierung. Die Druckplatte 15 ist angeordnet, um, wie später beschrieben, mit einer Feder 70 eine Druckbelastung auf den Zellenstapel 12 aufzubringen. Die Endplatte 16 besteht aus einem Material mit hoher Steifigkeit, z.B. einem Metallmaterial wie Edelstahl oder einer Aluminiumlegierung.
Das Stapelgehäuse 40 ist mit dem Flansch 42 versehen, der, wie oben beschrieben, die Öffnung 41 an seiner Innenseite definiert und eine Rahmenform hat. Die Öffnung 41 ist auf einer Seite in X-Richtung angeordnet. Das Stapelgehäuse 40 ist mit einer Bodenwand 43 auf der anderen Seite in X-Richtung und auf der der Endplatte 16 über den Brennstoffzellenstapel 10 gegenüberliegenden Seite ausgebildet. Das Stapelgehäuse 40 umfasst die Seitenwände 44 bis 47, die zwischen dem Flansch 42 und der Bodenwand 43 verbunden sind. Das Stapelgehäuse 40 besteht aus einem hochsteifen Material, z.B. einem Metallmaterial wie einer Aluminiumlegierung.
Die Feder 70 ist zwischen der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 und der Druckplatte 15 angeordnet und zusammengedrückt. Konkret ist die Feder 70 so angeordnet, dass ihre Länge in X-Richtung kürzer ist als die der nicht zusammengedrückten Feder 70. Die Reaktionskraft der Feder 70 übt eine Druckbelastung auf den Zellenstapel 12 in Stapelrichtung aus. Das Bereitstellen der Feder 70 ermöglicht es, dass die Größe der Druckbelastung auf den Zellenstapel 12 in einen bestimmten Bereich fällt, was die Stromerzeugungsleistung und die Abdichtungsleistung verbessert. Zusätzlich braucht die Feder 70 nicht unbedingt angeordnet werden. In diesem Fall kann die Endplatte 16 am Flansch 42 des Stapelgehäuses 40 in einem Zustand befestigt werden, in dem der Zellenstapel 12 in Stapelrichtung zusammengedrückt wird, so dass die Endplatte 16 und die Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 eine Drucklast auf den Brennstoffzellenstapel 10 ausüben können, der auf der Endplatte 16 angeordnet ist.
Die Einheitszelle 11 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die durch Zufuhr von Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas) als Reaktionsgase Strom erzeugt. Die Einheitszelle 11 umfasst: eine Membran-Elektroden-Baugruppe, die ein Leistungserzeuger ist, bei dem Elektroden auf beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran angeordnet sind; und ein Paar Separatoren, die die Membran-Elektroden-Baugruppe sandwichartig zwischen sich halten. Die Elektrolytmembran ist eine feste Polymermembran, die aus einem Fluorharzmaterial oder einem Kohlenwasserstoffharzmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe besteht. Die Elektrolytmembran hat im feuchten Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit. Die Elektrode umfasst einen Kohlenstoffträger und ein Ionomer, das ein festes Polymer mit einer Sulfonsäuregruppe ist und im feuchten Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit aufweist. Der Kohlenstoffträger trägt einen Katalysator, z.B. Platin oder eine Platin-Kobalt-Legierung, zur Unterstützung einer Strom- bzw. Leistungserzeugungsreaktion. Jede Einheitszelle ist mit Sammelrohren für den Durchfluss der Reaktionsgase versehen. Die durch die Sammelrohre strömenden Reaktionsgase werden dem Stromerzeugungsbereich jeder Einheitszelle durch die in jeder Einheitszelle angeordneten Gasströmungswege zugeführt. Die Einheitszelle 11 kann eine andere Brennstoffzelle als die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle sein.
Es sind Sammelrohre wie z.B. ein Wasserstoffzufuhrsammelrohr 80, ein Wasserstoffabfuhrsammelrohr 81, ein Luftzufuhrsammelrohr 82, ein Luftabfuhrsammelrohr 83, ein Kühlmittelzufuhrsammelrohr 84 und ein Kühlmittelabfuhrsammelrohr 85 angeordnet.
Der Aufwärtswandler 20 ist im Wandlergehäuse 50 aufgenommen. Das Wandlergehäuse 50 besteht aus einem Material mit hoher Steifigkeit, z.B. aus einem Metallmaterial wie einer Aluminiumlegierung. Das Wandlergehäuse 50 umfasst eine Bodenwand 53 und Seitenwände 54 bis 57. Eine Öffnung, durch die die Sammelschienen 60 und 61 hindurchgehen, ist der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 zugewandt. Die Seitenwände 54 bis 57 des Wandlergehäuses 50 sind am Flansch 42, an der Bodenwand 43 und an den Seitenwänden 46 und 47 des Stapelgehäuses 40 mit Schrauben befestigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 und der Aufwärtswandler 20 sind in einem Gehäuse untergebracht, das aus dem Stapelgehäuse 40, dem Wandlergehäuse 50 und der Endplatte 16 besteht, die fest montiert sind, das den Brennstoffzellenstapel 10 und den Aufwärtswandler 20 nach außen isoliert.
Die Seitenwand 44 der Seitenwände 44 bis 47 des Stapelgehäuses 40 befindet sich zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Aufwärtswandler 20. Die Seitenwand 44 hat eine Öffnung 48, die den Anschluss der Sammelschienen 60 und 61 an die Anschlüsse 13a und 13b ermöglicht. Das heißt, die Sammelschienen 60 und 61 sind durch die Öffnung 48 mit den Anschlüsse 13a und 13b verbunden. Die Seitenwand 44 dient als Befestigungselement zur Aufrechterhaltung einer Drucklast auf den Zellenstapel 12. Die Seitenwand 45 befindet sich auf der über den Brennstoffzellenstapel 10 gegenüberliegenden Seite der Seitenwand 44. Das heißt, die Seitenwand 45 und die Seitenwand 44 umschließen den Brennstoffzellenstapel 10 in der Y-Richtung senkrecht zur X-Richtung sandwichartig. Die Seitenwände 46 und 47, die die Seitenwände 44 und 45 schneiden, sind mit dem Flansch 42, der Bodenwand 43 und der Seitenwand 45 verbunden. Die Seitenwände 45 bis 47, die nicht mit einer Öffnung versehen sind, decken den gesamten im Stapelgehäuse 40 untergebrachten Brennstoffzellenstapel 10 ab.
Der Aufwärtswandler 20 umfasst eine Drosselspule 21, einen Stromsensor 22, ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) 23, einen Kondensator 24, Anschlussleisten 25 und 26 sowie die leitfähige Elemente 31 bis 35, z.B. Sammelschienen oder Kabel. Der Stromsensor 22, das IPM 23 und der Kondensator 24 sind auf einer Leiterplatte 27 untergebracht. Eine Außenumfangsfläche einer Spule der Drosselspule 21 steht über ein Wärmeableitungsblech 28 mit einem Kühltank 29 in Kontakt. Somit kann der Aufwärtswandler 20 die Leiterplatte 27, das Wärmeableitungsblech 28 und den Kühltank 29 als Komponenten enthalten. Das Kühlmedium zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Kühltanks 29 innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zirkuliert im Kühltank 29. Dadurch wird die Drosselspule 21 gekühlt. Anstelle des Wärmeableitblechs 28 kann zwischen der Drosselspule 21 und dem Kühltank 29 ein wärmeableitendes Harzmaterial mit Isoliereigenschaften aufgebracht oder eingefüllt werden. Im IPM 23 ist ein Kühlmittelpfad 30 angeordnet, durch den das Kühlmedium fließt. Dieser kühlt die IPM 23. Der Aufwärtswandler 20 kann einen Temperatursensor enthalten.
Die Drosselspule 21 ist über das leitfähige Element 32 elektrisch mit dem Stromsensor 22 verbunden. Der Stromsensor 22 ist über das leitfähige Element 33 elektrisch mit dem IPM 23 verbunden. Der IPM 23 ist über das leitfähige Element 34 elektrisch mit dem Kondensator 24 verbunden. Das leitfähige Element 31, das elektrisch mit der Drosselspule 21 verbunden ist, ist an der Anschlussleiste 26 befestigt. Das leitfähige Element 35, das elektrisch mit dem Kondensator 24 verbunden ist, ist an der Anschlussleiste 25 befestigt. Die leitfähigen Elemente 31 bis 35 bestehen aus einem Metall mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand, wie z.B. Kupfer, Aluminium oder einer diese enthaltenden Legierung.
Ein Ende der Sammelschiene 60 ist mit einer Schraube elektrisch mit dem vorstehenden Abschnitt 17a des Anschlusses 13a des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden. Das andere Ende der Sammelschiene 60 ist elektrisch mit dem leitfähigen Element 35 mit einer Schraube 72 an der Anschlussleiste 25 verbunden. Ein Ende der Sammelschiene 61 ist mit einer Schraube elektrisch mit dem vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden. Das andere Ende ist elektrisch mit dem leitfähigen Element 31 mit einer Schraube 72 an der Anschlussleiste 26 verbunden. Die Sammelschienen 60 und 61 bestehen aus einem Metall mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand, wie Kupfer, Aluminium oder einer diese enthaltenden Legierung. Die Sammelschienen 60 und 61 befinden sich in dem Gehäuse, welches das Stapelgehäuse 40 und das Wandlergehäuse 50 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist über die Sammelschienen 60 und 61 elektrisch mit dem Aufwärtswandler 20 verbunden.
Der Aufwärtswandler 20 verstärkt bzw. erhöht die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10. Die verstärkte elektrische Leistung wird über eine Öffnung 58 in der Seitenwand 56 des Wandlergehäuses 50 entnommen. Das heißt, die Öffnung 58 ist für den Anschluss einer externen Vorrichtung an einen Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 20 ausgebildet.
3 ist eine Ansicht, die eine Schaltungskonfiguration der Brennstoffzelleneinheit der ersten Ausführungsform zeigt. Wie in 3 dargestellt, umfasst der Aufwärtswandler 20 die Drosselspulen 21a und 21b, Stromsensoren 22a und 22b, ein IPM 23a mit einem Schaltelement 36a und einer Diode 37a, ein IPM 23b mit einem Schaltelement 36b und einer Diode 37b und den Kondensator 24. Die Drosselspule 21a, der Stromsensor 22a und die Diode 37a sind in Reihe geschaltet. Die Drosselspule 21b, der Stromsensor 22b und die Diode 37b sind in Reihe geschaltet. Diese in Reihe geschalteten Teile sind parallel zueinander geschaltet. Eine solche Parallelschaltung reduziert einen elektrischen Stromwert, der jeweils durch die Drosselspulen 21a und 21b und die IPMs 23a und 23b fließt, wodurch die Wärmeentwicklung unterdrückt wird. Die Schaltung muss nicht unbedingt eine Parallelschaltung sein.
Die Stromsensoren 22a und 22b sind mit den Drosselspulen 21a und 21b auf der stromaufwärts bzw. stromabwärts gelegenen Seite verbunden. Die Schaltelemente 36a und 36b werden in Abhängigkeit von den von den Stromsensoren 22a und 22b erfassten Werten zum Öffnen und Schließen gesteuert, wodurch die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht wird. Die Steuerung eines Tastverhältnisses zum Öffnen und Schließen der Schaltelemente 36a und 36b steuert ein Anhebungsverhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung im Aufwärtswandler 20 und macht einen durch die Drosselspulen 21a und 21b fließenden Stromwert im Wesentlichen gleichmäßig bzw. homogen.
Der Aufwärtswandler 20 erhöht bzw. verstärkt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 und gibt die erhöhte Spannung an eine externe Vorrichtung 86 aus, die über die Öffnung 58 des Wandlergehäuses 50 mit dem Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 20 verbunden ist. Die externe Vorrichtung 86 ist z.B. ein Wechselrichter für einen Motor, der ein Fahrzeug antreibt, ein Wechselrichter einer Hilfsvorrichtung, z.B. eines Luftkompressors oder einer Kühlwasserpumpe, zum Antrieb einer Brennstoffzelle, ein Wechselrichter einer Hilfsvorrichtung zur Klimatisierung eines Fahrzeugs oder dergleichen.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, steht die Seitenwand 45 des Stapelgehäuses 40 senkrecht zur Bodenwand 43. Das heißt, ein Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 beträgt 90 Grad. Auf der anderen Seite ist die Seitenwand 44 in Bezug auf die Bodenwand 43 geneigt. Zum Beispiel beträgt ein Winkel θ2 zwischen der Seitenwand 44 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 etwa 96 Grad, was größer als 90 Grad ist. Mit anderen Worten, wenn man annimmt, dass sich die Seitenwand 44 bis zur Endplatte 16 erstreckt, beträgt ein Winkel θ3 zwischen der Seitenwand 44 und der Endplatte 16 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 etwa 84 Grad. Wie oben beschrieben, ist der Winkel θ2 größer als der Winkel θ1, und die Seitenwand 44 ist in Bezug auf die Bodenwand 43 so geneigt, dass ein Abstand H zwischen der Seitenwand 44 und der Seitenwand 45 in Y-Richtung auf der Seite des Flansches 42 größer ist als auf der Seite der Bodenwand 43. Die Seitenwände 46 und 47 sind ebenfalls in Bezug auf die Bodenwand 43 geneigt. Zum Beispiel beträgt ein Winkel zwischen der Seitenwand 46 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 und ein Winkel zwischen der Seitenwand 47 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 93 Grad.
In Bezug auf den Anschluss 13b der Anschlüsse 13a und 13b betrifft, der sich auf der Seite der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 befindet, reicht der vorstehende Abschnitt 17b in die in der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 angeordnete Öffnung 48 und überlappt die Seitenwand 44 in der Z-Richtung senkrecht zur X-Richtung und zur Y-Richtung. Entsprechend einem Neigungswinkel der Seitenwand 44 kann der vorstehende Abschnitt 17b des Anschlusses 13b von der Oberfläche der Seitenwand 44 auf der Seite des Aufwärtswandlers 20 in Richtung des Aufwärtswandlers 20 ragen.
Demgegenüber ist, in Bezug auf den Anschluss 13a, der sich auf der Seite des Flansches 42 des Stapelgehäuses 40 befindet, der vorstehende Abschnitt 17a, der nicht in die Öffnung 48 reicht, auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 in Bezug auf die Seitenwand 44 angeordnet. Entsprechend dem Neigungswinkel der Seitenwand 44 kann der vorstehende Abschnitt 17a des Anschlusses 13a in die Öffnung 48 reichen.
Die 4A bis 4D sind Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit der ersten Ausführungsform veranschaulichen. Das Stapelgehäuse 40 wird wie in 4A dargestellt vorbereitet. Das Stapelgehäuse 40 wird durch Entfernen einer Form vom Flansch 42 durch ein Gießverfahren oder ein Druckgussverfahren geformt. Ein solches Verfahren zur Herstellung des Stapelgehäuses 40 reduziert die Herstellungskosten.
Der Isolator 14a, der Anschluss 13a, der Zellenstapel 12, der Anschluss 13b, der Isolator 14b, die Druckplatte 15 und die Feder 70 werden auf der Endplatte 16 gestapelt. Danach werden diese gestapelten Elemente, wie in 4B dargestellt, im Stapelgehäuse 40 durch die Öffnung 41 aufgenommen. Danach wird die Endplatte 16 mit der Schraube 71 am Flansch 42 des Stapelgehäuses 40 befestigt.
Wie in 4C dargestellt, wird ein Ende der Sammelschiene 60 mit einer Schraube am vorstehenden Abschnitt 17a des Anschlusses 13a befestigt. Ein Ende der Sammelschiene 61 wird mit einer Schraube am vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b befestigt.
Wie in 4D dargestellt, wird das Wandlergehäuse 50, in dem der Aufwärtswandler 20 untergebracht ist, am Stapelgehäuse 40 befestigt. Danach wird das andere Ende der Sammelschiene 60 durch eine in der Seitenwand 54 des Wandlergehäuses 50 angeordnete Öffnung 59 (siehe 2) mit der Schraube 72 am leitfähigen Element 35 des Aufwärtswandlers 20 befestigt. Das andere Ende der Sammelschiene 61 wird mit der Schraube 72 durch die in der Seitenwand 55 des Wandlergehäuses 50 angeordnete Öffnung 59 am leitfähigen Element 31 des Aufwärtswandlers 20 befestigt (siehe 2). Nachdem die Sammelschienen 60 und 61 jeweils an den leitfähigen Elementen 31 und 35 befestigt sind, werden die Öffnungen 59 mit Deckeln oder ähnlichem verschlossen.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelleneinheit gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel zeigt. Wie in 5 dargestellt, steht bei einer Brennstoffzelleneinheit 1000 gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel die Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 senkrecht zur Bodenwand 43. Obwohl nicht dargestellt, stehen auch die Seitenwände 46 und 47 senkrecht zur Bodenwand 43. Der vorstehende Abschnitt 17b des Anschlusses 13b, der nicht in die in der Seitenwand 44 angeordnete Öffnung 48 reicht, befindet sich auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 in Bezug auf die Seitenwand 44. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie die der Brennstoffzelleneinheit 100 der ersten Ausführungsform, und ihre Beschreibung entfällt.
Im ersten Vergleichsbeispiel befinden sich die vorstehenden Abschnitte 17a und 17b der Anschlüsse 13a und 13b auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 in Bezug auf die Seitenwand 44. Der Grund dafür ist, dass der in 4B dargestellte Schritt, d.h. der Schritt zur Aufnahme der gestapelten Elemente des Zellenstapels 12, der Anschlüsse 13a und 13b und dergleichen, die auf der Endplatte 16 gestapelt sind, im Stapelgehäuse 40 durch die Öffnung 41 erleichtert werden soll.
Gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel stehen alle Seitenwände 44 bis 47 des Stapelgehäuses 40 senkrecht zur Bodenwand 43. In diesem Beispiel ist es bei der Herstellung des Stapelgehäuses 40 durch ein Gießverfahren oder ein Druckgussverfahren schwierig, die Form vom Flansch 42 zu entfernen.
6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Brennstoffzelleneinheit nach einem zweiten Vergleichsbeispiel zeigt. Wie in 6 dargestellt, sind bei einer Brennstoffzelleneinheit 1100 gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel die Seitenwände 44 und 45 des Stapelgehäuses 40 im gleichen Winkel zur Bodenwand 43 geneigt. Das heißt, ein Winkel θ1 und ein Winkel θ2 sind gleich. Der vorstehende Abschnitt 17b des Anschlusses 13b, der nicht in die in der Seitenwand 44 angeordnete Öffnung 48 reicht, befindet sich auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 in Bezug auf die Seitenwand 44. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie die der Brennstoffzelleneinheit 100 der ersten Ausführung, und ihre Beschreibung entfällt.
Gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel sind die Seitenwände 44 und 45 des Stapelgehäuses 40 im gleichen Winkel in Bezug auf die Bodenwand 43 geneigt. Aus diesem Grund erleichtert bei der Herstellung des Stapelgehäuses 40 im Gießverfahren oder Druckgussverfahren ein von den Seitenwänden 44 und 45 definierter Entformungswinkel das Entfernen der Form vom Flansch 42. Dies verbessert die Herstellbarkeit. Um die Entnahme der Form vom Flansch 42 zu erleichtern, sind die Seitenwände 44 und 45 im Allgemeinen im gleichen Winkel zur Bodenwand 43 geneigt. Weiterhin sind, wie im ersten Vergleichsbeispiel, zur Aufnahme der gestapelten Elemente des Zellenstapels 12, der Anschlüsse 13a und 13b und dergleichen, die auf der Endplatte 16 gestapelt sind, im Stapelgehäuse 40 durch die Öffnung 41, die vorstehenden Abschnitte 17a und 17b auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 in Bezug auf die Seitenwand 44 angeordnet. Dadurch vergrößert sich jedoch die Größe der Brennstoffzelleneinheit 1100 des zweiten Vergleichsbeispiels.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist, wie in den 1 und 2 dargestellt, die Seitenwand 44 gegenüber der Bodenwand 43 so geneigt, dass der Abstand zwischen den Seitenwänden 44 und 45 auf der Seite des Flansches 42 größer ist als auf der Seite der Bodenwand 43. Bei der Herstellung des Stapelgehäuses 40 durch ein Gießverfahren oder ein Druckgussverfahren wird die Form zwischen den Seitenwänden 44 und 45 durch die Öffnung 41 entfernt. Dadurch wird die Herstellbarkeit des Stapelgehäuses 40 verbessert. Außerdem ist der Abstand zwischen den Seitenwänden 44 und 45 auf der Seite des Flansches 42 größer als auf der Seite der Bodenwand 43, was die Aufnahme des Brennstoffzellenstapels 10, der auf der Endplatte 16 angeordnet ist, im Stapelgehäuse 40 durch dessen Öffnung 41 erleichtert. Wie in 1 dargestellt, ist der Winkel θ2 zwischen der Seitenwand 44 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 größer als der Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10. Da die Neigung der Seitenwand 45 gegenüber der Bodenwand 43 derart kleiner ist als die Neigung der Seitenwand 44 gegenüber der Bodenwand 43, wird die durch die Seitenwand 45 verursachte Vergrößerung der Brennstoffzelleneinheit 100 unterdrückt. Wie in den 1 und 2 ferner dargestellt, überlappt die Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 den vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b in Z-Richtung. Bei dem in 4 dargestellten Herstellungsverfahren muss, wenn das Stapelgehäuse 40 zur Aufnahme des Brennstoffzellenstapels 10 in dem Stapelgehäuse 40 geschoben wird, der vorstehende Abschnitt 17b des Anschlusses 13b nicht mit der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 interferieren. Da die Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 mit der Öffnung 48 versehen ist, vermeidet der vorstehende Abschnitt 17b selbst in einem Fall, in dem die Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 den vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b in Z-Richtung überlappt, ein Eingreifen in die Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 auf der Schiebeposition des Stapelgehäuses 40. Sogar in einem Fall, in dem die Seitenwand 44 in Bezug auf die Bodenwand 43 geneigt ist, überlappt die Seitenwand 44 den vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b in Z-Richtung, wodurch die vergrößerte Größe der Brennstoffzelleneinheit 100 in Y-Richtung aufgrund der Neigung der Seitenwand 44 die vergrößerte Größe der Brennstoffzelleneinheit 100 in Y-Richtung aufgrund des vorstehenden Abschnitts 17b des Anschlusses 13b überlappt. Dies unterdrückt eine Größenzunahme des Stapelgehäuses 40 in Y-Richtung, was eine Größenzunahme der Brennstoffzelleneinheit 100 unterdrückt. Zusätzlich wird eine Mutter verwendet, um die Sammelschiene 61 an dem vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b zu befestigen, was einen vorbestimmten Spalt zwischen der Mutter und dem Zellenstapel 12 erfordert. Es ist daher schwierig, die Höhe des vorstehenden Abschnitts 17b des Anschlusses 13b abzusenken. Dadurch wird die Größenzunahme der Brennstoffzelleneinheit 100 unterdrückt, wodurch die Montierbarkeit der Brennstoffzelleneinheit 100 an einem Fahrzeug oder ähnlichem verbessert wird.
Wie in 2 dargestellt, ist die in Y-Richtung angeordnete Seitenwand 56 des Wandlergehäuses 50 mit der Öffnung 58 zum elektrischen Anschluss einer externen Vorrichtung an den Aufwärtswandler 20 versehen. Um einen großen Strom zur externen Vorrichtung fließen zu lassen, neigt man dazu, einen groß dimensionierten Stecker durch die Öffnung 58 daran anzuschließen, und das Wandlergehäuse 50 neigt dazu, in Y-Richtung lang zu sein. Eine Verringerung der Länge des Stapelgehäuses 40 in Y-Richtung kann eine Vergrößerung der Höhe der Brennstoffzelleneinheit 100 in Y-Richtung unterdrücken. Um eine Zunahme der Höhe der Brennstoffzelleneinheit 100 in Y-Richtung zu unterdrücken, kann der Winkel θ2 zwischen der Seitenwand 44 und der Bodenwand 43 größer sein als der Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43, und die Seitenwand 44 kann den vorstehenden Abschnitt 17b des Anschlusses 13b in Z-Richtung überlappen.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der Flansch 42 des Stapelgehäuses 40: eine ebene Fläche 75, an der die Endplatte 16 befestigt ist; und eine Außenumfangsfläche 76, die durchgehend bzw. kontinuierlich vom Ende der ebenen Fläche 75 ist. Die Außenumfangsfläche 76 des Flansches 42 ist von einem Ende zum anderen Ende in X-Richtung eben. Das Wandlergehäuse 50 ist an der Außenumfangsfläche 76 des Flansches 42 befestigt. Wenn z.B. auf der Außenumfangsfläche 76 des Flansches 42 eine Stufe gebildet ist, und wenn das Wandlergehäuse 50 an einer oberen oder unteren Fläche der Stufe auf der Außenumfangsfläche 76 befestigt wird, könnte sich der Bereich, in dem das Wandlergehäuse 50 befestigt ist, verringern, und es könnte schwierig sein, die Komponenten des Aufwärtswandlers 20 im Wandlergehäuse 50 unterzubringen. Da jedoch die Außenumfangsfläche 76 des Flansches 42 von einem Ende zum anderen Ende in X-Richtung flach ist, wird das Wandlergehäuse 50 unter Verwendung der gesamten Länge des Flansches 42 in X-Richtung am Stapelgehäuse 40 befestigt. Auf diese Weise ist es möglich, viele Teile und große Teile im Wandlergehäuse 50 unterzubringen.
Wie in 1 dargestellt, kann die maximale Höhe des Stapelgehäuses 40 in Y-Richtung die Summe einer Länge L1 der Öffnung 41 in Y-Richtung, einer Länge L2 in Y-Richtung des Flansches 42, der sich auf der einen Seite der Öffnung 41 in Y-Richtung befindet, und einer Länge L2 in Y-Richtung des Flansches 42, der sich auf der anderen Seite der Öffnung 41 in Y-Richtung befindet, sein. Mit anderen Worten, eine Position des höchsten Punktes des Stapelgehäuses 40 in Y-Richtung kann der Flansch 42 sein. Daher ist die Höhe des Stapelgehäuses 40 in Y-Richtung die minimal notwendige Höhe, und die Vergrößerung des Stapelgehäuses 40 wird unterdrückt, wodurch die Vergrößerung der Brennstoffzelleneinheit 100 unterdrückt wird. Da die Unterdrückung der Größenzunahme des Stapelgehäuses 40 eine Größenzunahme der Fertigungsausrüstung für die Herstellung des Stapelgehäuses 40 unterdrückt, wird zudem eine Erhöhung der Ausrüstungskosten unterdrückt. Im Falle der Verbindung der Endplatte 16 mit dem Flansch 42 über eine Dichtung ist eine Oberseite der Länge des Flansches 42 in Y-Richtung annähernd die Summe einer Länge der Oberseite einer Nut für die Dichtung in Y-Richtung und einer Länge von ebenen Flächen an beiden Seiten über die Nut in Y-Richtung und einer Länge der Schraube in Y-Richtung. Im Falle der Verwendung einer Flüssigdichtung ist die Oberseite der Länge des Flansches 42 in Y-Richtung annähernd die Summe einer Länge in Y-Richtung einer ebenen Fläche, auf die die Flüssigdichtung aufgebracht wird, und der Länge der Schraube in Y-Richtung.
Wie in 1 dargestellt, ist die Länge L1 der Öffnung 41 in Y-Richtung größer als die Länge L3 des Brennstoffzellenstapels 10 in Y-Richtung. Somit ist der Brennstoffzellenstapel 10, in dem der Zellenstapel 12, die Anschlüsse 13a und 13b und dergleichen auf der Endplatte 16 gestapelt sind, durch die Öffnung 41 im Stapelgehäuse 40 untergebracht.
7 ist eine Querschnittsansicht des Stapelgehäuses. 7 zeigt einen Querschnitt an der Öffnung 48, die in der Seitenwand 44 angeordnet ist. Wie in 7 dargestellt, ist der Abstand H1 zwischen der Seitenwand 44 und der Seitenwand 45 am Ende der Öffnung 48 auf der Seite des Flansches 42 in Y-Richtung größer als die Länge L3 (siehe 1) des Brennstoffzellenstapels 10 in Y-Richtung. Daher wird der an der Endplatte 16 angeordnete Brennstoffzellenstapel 10 durch die Öffnung 41 linear in dem Stapelgehäuse 40 montiert. So ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel 10 problemlos im Stapelgehäuse 40 unterzubringen.
[Zweite Ausführungsform]
8 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform. Wie in 8 dargestellt, ist bei einer Brennstoffzelleneinheit 200 der zweiten Ausführungsform die Seitenwand 45 zusätzlich zur Seitenwand 44 gegenüber der Bodenwand 43 geneigt. Zum Beispiel ist der Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 größer als 90 Grad. Zum Beispiel beträgt der Winkel θ1 etwa 92 Grad. Mit anderen Worten, wenn man annimmt, dass sich die Seitenwand 45 bis zur Endplatte 16 erstreckt, beträgt der Winkel θ4 zwischen der Seitenwand 45 und der Endplatte 16 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 etwa 88 Grad. Ein Winkel zwischen der Seitenwand 46 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 beträgt etwa 93 Grad. Ein Winkel zwischen der Seitenwand 47 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 beträgt etwa 93 Grad. Der Winkel θ2 zwischen der Seitenwand 44 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 beträgt etwa 94 Grad. Mit anderen Worten, wenn man annimmt, dass sich die Seitenwand 44 bis zur Endplatte 16 erstreckt, beträgt der Winkel θ3 zwischen der Seitenwand 44 und der Endplatte 16 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 etwa 86 Grad. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform, und ihre Beschreibung entfällt.
Die erste Ausführungsform beschreibt exemplarisch die Seitenwand 45 des Stapelgehäuses 40 senkrecht zur Bodenwand 43. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt. Solange der Winkel θ2 zwischen der Seitenwand 44 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 größer ist als der Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10, kann die Seitenwand 45 gegenüber der Bodenwand 43, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, geneigt sein. Wenn beide Seitenwände 44 und 45 gegenüber der Bodenwand 43 geneigt sind, verbessert dies die Herstellbarkeit des Stapelgehäuses 40 weiter. Andererseits kann unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung einer Größenzunahme (Höhe) des Stapelgehäuses 40 der Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 10 ein rechter Winkel sein. Der rechte Winkel schließt einen von 90 Grad abweichenden Winkel ein, der durch einen Herstellungsfehler verursacht wurde.
Solange die Größe des Stapelgehäuses 40 auf der Seite des Flansches 42 in Y-Richtung größer ist als die des Stapelgehäuses 40 auf der Seite der Bodenwand 43 in Y-Richtung, und wenn der an der Endplatte 16 angeordnete Brennstoffzellenstapel 10 durch die Öffnung 41 in dem Stapelgehäuse 40 aufgenommen wird, kann der Winkel θ1 zwischen der Seitenwand 45 und der Bodenwand 43 kleiner als 90 Grad sein.
[Dritte Ausführungsform]
9A ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform. 9B ist eine Querschnittsansicht einiger Komponenten eines im Wandlergehäuse untergebrachten Aufwärtswandlers. Bezüglich einer in den 9A und 9B dargestellten Brennstoffzelleneinheit 300 gemäß der dritten Ausführungsform haben die Drosselspule 21, der Stromsensor 22, das IPM 23 und der Kondensator 24 des Aufwärtswandlers 20 jeweils Endabschnitte auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40. Zwischen der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 und dem Endabschnitt der Drosselspule 21 ist ein Abstand L1 definiert. Ein Abstand L2 ist zwischen der Bodenwand 53 und dem Endabschnitt des Stromsensors 22 definiert. Ein Abstand L3 ist zwischen der Bodenwand 53 und dem Endabschnitt des IPM 23 definiert. Ein Abstand L4 ist zwischen der Bodenwand 53 und dem Endabschnitt des Kondensators 24 definiert. Die Abstände L1 bis L4 sind voneinander verschieden. Zum Beispiel ist der Abstand L1 zwischen dem Endabschnitt der Drosselspule 21 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 größer als der Abstand L2 zwischen dem Endabschnitt des Stromsensors 22 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50. Der Abstand L2 zwischen dem Endabschnitt des Stromsensors 22 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 ist größer als der Abstand L3 zwischen dem Endabschnitt des IPM 23 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50. Der Abstand L3 zwischen dem Endabschnitt des IPM 23 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 ist größer als der Abstand L4 zwischen dem Endabschnitt des Kondensators 24 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50. Das heißt, in Bezug auf den Abstand zwischen dem Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 ist der Abstand L1 bezüglich der Drosselspule 21 am größten. Der Abstand L1 in Bezug auf die Drosselspule 21, der Abstand L2 in Bezug auf den Stromsensor 22, der Abstand L3 in Bezug auf das IPM 23 und der Abstand L4 in Bezug auf den Kondensator 24 nehmen in dieser Reihenfolge ab.
Die Drosselspule 21 befindet sich auf der Seite der Bodenwand 43 in Bezug auf eine virtuelle Fläche 73, die sich in der Mitte zwischen dem Flansch 42 und der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 in X-Richtung befindet. Beispielsweise sind der Kondensator 24, das IPM 23, der Stromsensor 22 und die Drosselspule 21 des Aufwärtswandlers 20 von der Seite des Flansches 42 aus in abnehmender Reihenfolge im Abstand zwischen dem Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 angeordnet. Von der Drosselspule 21, dem Stromsensor 22, dem IPM 23 und dem Kondensator 24 des Aufwärtswandlers 20 befindet sich die Drosselspule 21, die den längsten Abstand zwischen dem Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 hat, am nächsten an der Seite der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40.
Ferner ragt die Drosselspule 21 in Richtung der Seitenwand 44 über eine virtuelle Fläche 74 hinaus. Die virtuelle Fläche 74 erstreckt sich parallel zur X-Richtung und verläuft durch einen Punkt, an dem die Fläche der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 auf der Seite des Aufwärtswandlers 20 mit dem Flansch 42 verbunden ist. Mit anderen Worten, der Endabschnitt der Drosselspule 21 auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 überlappt die Seitenwand 44 in X-Richtung. Die übrigen Komponenten sind die gleichen wie bei der ersten Ausführung, und ihre Beschreibung entfällt.
Gemäß der dritten Ausführungsform befindet sich die Drosselspule 21, deren Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 von den Komponenten des Aufwärtswandlers 20 am weitesten von der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 entfernt ist, auf der Seite der Bodenwand 43 in Bezug auf die Mitte zwischen dem Flansch 42 und der Bodenwand 43 in X-Richtung. Damit ist der gewisse Abstand zwischen dem Endabschnitt der Drosselspule 21 und der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 gewährleistet, und ein durch die Neigung der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 in Bezug auf die Bodenwand 43 gebildeter Raum wird effektiv genutzt. Dadurch wird die Größenzunahme (hohes Profil) der Brennstoffzelleneinheit 300 unterdrückt. Der Drosselspule 21, deren Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 am weitesten von der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 entfernt ist, kann innerhalb eines von drei Bereichen auf der Seite der Bodenwand 43 liegen, in die ein Raum zwischen dem Flansch 42 und der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 gleichmäßig in X-Richtung aufgeteilt ist. Die Drosselspule 21 kann innerhalb eines von vier Bereichen, der der Bodenwand 43 am nächsten liegt, angeordnet sein, in die der Raum gleichmäßig unterteilt ist.
Der Grund dafür, dass ein bestimmter Raum zwischen der Drosselspule 21 und der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 gewährleistet wird, besteht darin, einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Drosselspule 21 und der Seitenwand 44 zu verhindern. Der Raum zwischen dem Drosselspule 21 und der Seitenwand 44 kann zwischen etwa 3 mm und etwa 7 mm betragen. Zusätzlich kann bis zu einem gewissen Grad ein Abstand zwischen jeder der Komponenten mit Ausnahme der Drosselspule 21 und der Seitenwand 44 gewährleistet werden, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Komponenten und der Seitenwand 44 zu verhindern. Zudem hat eine Komponente eine Fertigungstoleranz. So ist ein gewisser Abstand zwischen der Komponente des Aufwärtswandlers 20 und der Seitenwand 44 gewährleistet, wodurch verhindert wird, dass die Komponenten des Aufwärtswandlers 20 mit der Seitenwand 44 interferieren, wenn das Wandlergehäuse 50 mit dem Stapelgehäuse 40 zusammengebaut wird.
Wie in 9A dargestellt, kann der Endabschnitt der Drosselspule 21 auf der Seite der Seitenwand 44 die Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 in X-Richtung überlappen. Daher wird der Raum, der durch die Neigung der Seitenwand 44 gegenüber der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 gebildet wird, effektiv genutzt und die Größenzunahme (hohes Profil) der Brennstoffzelleneinheit 300 wird unterdrückt. Die dritte Ausführungsform beschreibt beispielhaft die Drosselspule 21, deren Endabschnitt auf der am weitesten von der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 entfernten Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 die Seitenwand 44 in X-Richtung überlappt. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 von anderen Komponente des Aufwärtswandlers 20 kann die Seitenwand 44 in X-Richtung überlappen.
Wie in den 9A und 9B dargestellt, umfasst der Aufwärtswandler 20: die Drosselspule 21, deren Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 am weitesten von der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 entfernt ist; den Stromsensor 22, wobei der Abstand zwischen dessen Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 kleiner ist als der Abstand zwischen dem Endabschnitt der Drosselspule 21 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53; und das IPM 23, wobei der Abstand zwischen dessen Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53 kleiner ist als der Abstand zwischen dem Endabschnitt des Stromsensors 22 auf der Seite der Seitenwand 44 und der Bodenwand 53. Das IPM 23, der Stromsensor 22 und die Drosselspule 21 können in dieser Reihenfolge von der Seite des Flansches 42 des Stapelgehäuses 40 aus angeordnet sein. Auf diese Weise wird der Raum zwischen dem Aufwärtswandler 20 und der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 effektiv genutzt.
Bei zumindest einer der Komponenten des Aufwärtswandlers 20 kann deren Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 entlang der Seitenwand 44 geneigt sein.
[Vierte Ausführungsform]
10 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer vierten Ausführungsform. Wie in 10 dargestellt, unterscheiden sich bei einer Brennstoffzelleneinheit 400 der vierten Ausführungsform die Positionen der Drosselspule 21, des Stromsensors 22, des IPM 23 und des Kondensators 24 des Aufwärtswandlers 20 von denen der ersten bis dritten Ausführungsform. In der vierten Ausführungsform sind die Drosselspule 21, der Stromsensor 22, das IPM 23 und der Kondensator 24 in dieser Reihenfolge vom Flansch 42 des Stapelgehäuses 40 bis zur Bodenwand 43 angeordnet. Der Kondensator 24 ist im Vergleich zur ersten bis dritten Ausführungsform vergrößert. Im Vergleich zu den Bauteilen des Aufwärtswandlers 20 ist der Abstand zwischen dem Endabschnitt des Kondensators 24 auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 und der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 am längsten. Der Kondensator 24 befindet sich auf der Seite der Bodenwand 43 in Bezug auf die virtuelle Fläche 73, die sich in der Mitte zwischen dem Flansch 42 und der Bodenwand 43 des Stapelgehäuses 40 befindet. Ferner ragt der Kondensator 24 in Richtung der Seitenwand 44 über die virtuelle Fläche 74 hinaus, die sich parallel zur X-Richtung erstreckt und durch einen Punkt verläuft, an dem die Fläche der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 auf der Seite des Aufwärtswandlers 20 mit dem Flansch 42 verbunden ist. Mit anderen Worten, der Endabschnitt des Kondensators 24 auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 überlappt die Seitenwand 44 in X-Richtung. Die übrigen Bauteile sind die gleichen wie bei der ersten Ausführung, und ihre Beschreibung entfällt.
In der vierten Ausführungsform ist von den Komponenten des Aufwärtswandlers 20 die Komponente, deren Endabschnitt auf der Seite der Seitenwand 44 des Stapelgehäuses 40 am weitesten von der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 entfernt ist, der Kondensator 24. In diesem Fall ist der Kondensator 24 groß dimensioniert. Eine vom Kondensator 24 erzeugte Wärmemenge korreliert mit einer Kapazität des Kondensators 24. Die Wärmemenge nimmt mit zunehmender Größe des Kondensators 24 ab. Daher wird gemäß der vierten Ausführungsform die Wärmemenge des Kondensators 24 reduziert.
Wie bei der zweiten Ausführungsform kann auch bei der dritten und vierten Ausführungsform die Seitenwand 45 des Stapelgehäuses 40 in Bezug auf die Bodenwand 43 geneigt sein.
In der ersten bis vierten Ausführungsform kann die Brennstoffzelleneinheit am Fahrzeug oder dergleichen in einem Zustand montiert werden, in dem die Seite der Seitenwand 45 des Stapelgehäuses 40 in Richtung der Schwerkraft nach unten zeigt. Die Brennstoffzelleneinheit kann jedoch auch in einer anderen Richtung am Fahrzeug oder dergleichen montiert werden. Zum Beispiel kann die Brennstoffzelleneinheit am Fahrzeug oder dergleichen in einem Zustand montiert werden, in dem die Endplatte 16 in Schwerkraftrichtung nach unten zeigt. Die Brennstoffzelleneinheit kann am Fahrzeug oder dergleichen in einem Zustand montiert werden, in dem die Seite der Bodenwand 53 des Wandlergehäuses 50 in Schwerkraftrichtung nach unten zeigt.
Die erste bis vierte Ausführungsform beschreibt den Aufwärtswandler 20 als Beispiel für einen Leistungswandler, der die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 umwandelt. Der Leistungswandler ist jedoch nicht auf den Aufwärtswandler 20 beschränkt. Der Leistungswandler kann z.B. ein Abwärtswandler, ein Aufwärts-/Abwärtswandler zur Durchführung von sowohl einer Aufwärts- als auch einer Abwärtswandlung oder ein Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstromleistung in Wechselstromleistung sein.
Obwohl vorstehend einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen des beanspruchten Umfangs der Erfindung variiert oder geändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017073199 A [0002, 0003]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (100, 200, 300, 400), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (10) mit: einem Zellenstapel (12), in dem Einheitszellen in einer ersten Richtung gestapelt sind; einem ersten Anschluss (13a), der entsprechend an einem ersten Ende des Zellenstapels (12) in der ersten Richtung angeordnet ist; und einem zweiten Anschluss (13b), der an einem zweiten Ende des Zellenstapels (12) in der ersten Richtung angeordnet ist; eine Endplatte (16), die auf einer in Bezug auf den ersten Anschluss (13a) gegenüberliegenden Seite des Zellenstapels (12) angeordnet ist; einen Leistungswandler (20), der eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels (10) umwandelt; ein Stapelgehäuse (40), das den Brennstoffzellenstapel (10) aufnimmt; ein Leistungswandlergehäuse (50), das den Leistungswandler (20) aufnimmt und an dem Stapelgehäuse (40) befestigt ist; eine erste Sammelschiene (60), die den ersten Anschluss (13a) und den Leistungswandler (20) in dem Stapelgehäuse (40) und dem Leistungswandlergehäuse (50) elektrisch verbindet; und eine zweite Sammelschiene (61), die den zweiten Anschluss (13b) und den Leistungswandler (20) in dem Stapelgehäuse (40) und dem Leistungswandlergehäuse (50) elektrisch verbindet, wobei der erste Anschluss (13a) einen ersten vorstehenden Abschnitt (17a) umfasst, der aus dem Zellenstapel (12) ragt und mit der ersten Sammelschiene (60) verbunden ist, der zweite Anschluss (13b) einen zweiten vorstehenden Abschnitt (17b) umfasst, der aus dem Zellenstapel (12) ragt und mit der zweiten Sammelschiene (61) verbunden ist, das Stapelgehäuse (40) umfasst: einen rahmenförmig ausgebildeten Flansch (42), der an seiner Innenseite eine erste Öffnung (41) definiert und an der Endplatte (16) befestigt ist, so dass der Brennstoffzellenstapel (10) in dem Stapelgehäuse (40) untergebracht ist; eine erste Bodenwand (43), wobei der Brennstoffzellenstapel (10) sandwichartig zwischen der ersten Bodenwand (43) und der Endplatte (16) in der ersten Richtung angeordnet ist; eine erste Seitenwand (44), die zwischen dem Brennstoffzellenstapel (10) und dem Leistungswandler (20) angeordnet ist, zwischen dem Flansch (42) und der ersten Bodenwand (43) verbunden ist und eine zweite Öffnung (48) umfasst, die es ermöglicht, die erste und zweite Sammelschiene (60, 61) entsprechend mit dem ersten und zweiten Anschluss (13a, 13b) zu verbinden; und eine zweite Seitenwand (45), die zwischen dem Flansch (42) und der ersten Bodenwand (43) verbunden ist, wobei der Brennstoffzellenstapel (10) zwischen der ersten Seitenwand (44) und der zweiten Seitenwand (45) in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung angeordnet ist, die erste Seitenwand (44) in Bezug auf die erste Bodenwand (43) derart geneigt ist, dass ein Abstand zwischen der ersten Seitenwand (44) und der zweiten Seitenwand (45) auf einer Seite des Flansches (42) größer ist als auf einer Seite der ersten Bodenwand (43), ein Winkel zwischen der ersten Seitenwand (44) und der ersten Bodenwand (43) auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels (10) größer ist als ein Winkel zwischen der zweiten Seitenwand (45) und der ersten Bodenwand (43) auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels (10), und die erste Seitenwand (44) den zweiten vorstehenden Abschnitt (17b) des zweiten Anschlusses (13b) in einer dritten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und der zweiten Richtung überlappt.
Brennstoffzelleneinheit (100, 300, 400) nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen der zweiten Seitenwand (45) und der ersten Bodenwand (43) auf der Seite des Brennstoffzellenstapels (10) ein rechter Winkel ist.
Brennstoffzelleneinheit (300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Leistungswandlergehäuse (50) eine zweite Bodenwand (53) umfasst, wobei der Leistungswandler (20) zwischen der zweiten Bodenwand (53) und der ersten Seitenwand (44) in der zweiten Richtung angeordnet ist, Komponenten (21, 22, 23, 24) des Leistungswandlers (20) eine erste Komponente (21, 24) umfassen, von den Komponenten ein Endabschnitt der ersten Komponente (21, 24) auf einer Seite der ersten Seitenwand (44) am weitesten von der zweiten Bodenwand (53) entfernt ist, die erste Komponente (21, 24) in Bezug auf eine Mitte zwischen dem Flansch (42) und der ersten Bodenwand (43) in der ersten Richtung auf einer Seite der ersten Bodenwand (43) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit (300) nach Anspruch 3, wobei die Komponenten (21, 22, 23, 24) die erste Komponente (21), eine zweite Komponente (22) und eine dritte Komponente (23) umfassen, ein Abstand zwischen der zweiten Bodenwand (53) und einem Endabschnitt der zweiten Komponente (22) auf einer Seite der ersten Seitenwand (44) kleiner ist als ein Abstand zwischen der zweiten Bodenwand (53) und dem Endabschnitt der ersten Komponente (21), ein Abstand zwischen der zweiten Bodenwand (53) und einem Endabschnitt der dritten Komponente (23) auf einer Seite der ersten Seitenwand (44) kleiner ist als der Abstand zwischen der zweiten Bodenwand (53) und dem Endabschnitt der zweiten Komponente (22), und die dritte Komponente (23), die zweite Komponente (22) und die erste Komponente (21) in dieser Reihenfolge vom Flansch (42) aus angeordnet sind.
Brennstoffzelleneinheit (300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Komponente (21, 24) der Komponenten (21, 22, 23, 24) des Leistungswandlers (20) einen Endabschnitt an einer ersten Seitenwand (44) umfasst, der die erste Seitenwand (44) in der ersten Richtung überlappt.
Brennstoffzelleneinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Leistungswandlergehäuse (50) eine dritte Seitenwand (56) entlang der zweiten Richtung umfasst, und die dritte Seitenwand (56) eine Öffnung (58) umfasst, die den elektrischen Anschluss einer externen Vorrichtung an den Leistungswandler (20) ermöglicht.
Brennstoffzelleneinheit (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Flansch (42) umfasst: eine ebene Fläche, an der die Endplatte (16) befestigt ist, und eine Außenumfangsfläche, die fortlaufend von einer Kante der ebenen Fläche ist, die Außenumfangsfläche des Flansches (42) von einem Ende zum anderen Ende in der ersten Richtung eben ist, und das Leistungswandlergehäuse (50) an der Außenumfangsfläche des Flansches (42) befestigt ist.
Brennstoffzelleneinheit (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Höhe des Stapelgehäuses (40) in der zweiten Richtung an einer Position, an der der Flansch (42) angeordnet ist, maximal ist.
Brennstoffzelleneinheit (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Länge der ersten Öffnung (41) in der zweiten Richtung größer ist als eine Länge des Brennstoffzellenstapels (10) in der zweiten Richtung.
Brennstoffzelleneinheit (100, 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Abstand zwischen der ersten Seitenwand (44) und der zweiten Seitenwand (45) an einem Ende der zweiten Öffnung (48) auf einer Seite des Flansches (42) in der zweiten Richtung größer ist als eine Länge des Brennstoffzellenstapels (10) in der zweiten Richtung.