DE102020115193A1

DE102020115193A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020115193A1
Application number: DE102020115193.4A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Itou
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2021-02-11
Also published as: JP2021028884A; US11245128B2; US20210043960A1; CN112349944B; JP7136044B2; CN112349944A

Abstract

Ein zweiter Flansch (78a, 78b) ist von zumindest einer der Rippen getrennt, die sich an einem Ende und dem anderen Ende einer Mehrzahl von Rippen einer Mehrzahl von ersten Gehäusen befinden, die in einer zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, und ist an einer der Rippen mit Ausnahme der zumindest einen der Rippen befestigt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzelleneinheiten.
Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt Gehäuse, in denen ein Brennstoffzellenstapel integral mit einem Leistungswandler ausgestaltet ist, um die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels umzuwandeln, indem ein Gehäuse, das den Leistungswandler aufnimmt, an einem Gehäuse befestigt wird, das den Brennstoffzellenstapel aufnimmt, wobei der Brennstoffzellenstapel elektrisch mit dem Leistungswandler verbunden ist (siehe z.B. die japanische Patentanmeldung JP 2017 - 073 199 A ).
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Gehäuse, in dem der Brennstoffzellenstapel aufgenommen ist, hat eine Öffnung, so dass sich ein leitfähiges Element, das den Brennstoffzellenstapel und den Leistungswandler elektrisch verbindet, durch die Öffnung erstrecken kann. Der Brennstoffzellenstapel hat einen Stapel, in dem eine Mehrzahl von Einzelzellen gestapelt ist. Um z.B. eine zufriedenstellende elektrische Verbindung zwischen den Einzelzellen zu erhalten, wird durch das Gehäuse eine Druckbelastung auf den Stapel in der Richtung aufgebracht, in der die Einzelzellen gestapelt sind. Diese Druckbelastung wirkt daher als Zugbelastung auf das Gehäuse, das den Brennstoffzellenstapel aufnimmt. Mit anderen Worten, dieses Gehäuse hat die Funktion, die auf den Stapel ausgeübte Druckbelastung zu halten. Es wird daher eine hohe Steifigkeit des Gehäuses benötigt. Da ein solches Gehäuse jedoch wie oben beschrieben eine Öffnung hat, kann das Gehäuse eine geringere Steifigkeit aufweisen. Wenn das Gehäuse eine geringere Steifigkeit aufweist, wird möglicherweise keine ausreichende Druckbelastung auf den Stapel ausgeübt.
Die Anzahl der gestapelten Einzelzellen kann erhöht werden, um die Ausgangsleistung sicherzustellen. Wenn die Anzahl der gestapelten Einzelzellen zunimmt, nimmt das Gesamtgewicht des Stapels entsprechend zu, und es ist wahrscheinlicher, dass die Einzelzellen zueinander verschoben werden, wenn ein externer Stoß usw. in einer Richtung quer zur Stapelrichtung der Einzelzellen auf den Stapel einwirkt. Um eine solche Verschiebung der Einzelzellen ebenfalls zu verhindern, ist es wünschenswert, eine ausreichende Druckbelastung auf den Stapel aufzubringen. Wenn das Gehäuse jedoch eine verminderte Steifigkeit aufweist, kann keine ausreichende Druckbelastung auf den Stapel ausgeübt werden, wie oben beschrieben. Eine mögliche Lösung ist die Integration einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln mit dem Leistungswandler, anstatt die Anzahl der gestapelten Einzelzellen eines einzelnen Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. In diesem Fall kann die Gesamtgröße der Vorrichtung erhöht werden, wenn das Gehäuse, in dem der Leistungswandler aufgenommen ist, an Gehäusen befestigt wird, die die Brennstoffzellenstapel aufnehmen.
Die Erfindung schafft eine Brennstoffzelleneinheit, bei der ein Gehäuse, in dem ein Brennstoffzellenstapel aufgenommen ist, eine ausreichende Steifigkeit aufweist, und die eine reduzierte Größe hat während die Ausgangsleistung sichergestellt wird.
Eine solche Brennstoffzelleneinheit wird durch eine Brennstoffzelleneinheit erreicht, die umfasst: eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln; eine Mehrzahl von ersten Gehäusen, von denen jedes einen entsprechenden der Brennstoffzellenstapel aufnimmt; einen Leistungswandler, der die elektrische Leistung der Brennstoffzellenstapel umwandelt; ein zweites Gehäuse, das den Leistungswandler aufnimmt und an den ersten Gehäusen befestigt ist; und eine Einheit aus leitfähigen Elementen, die die Brennstoffzellenstapel mit dem Leistungswandler in den ersten Gehäusen und dem zweiten Gehäuse elektrisch verbindet, wobei jeder der Brennstoffzellenstapel einen Stapel enthält, der eine Mehrzahl von einzelnen Zellen enthält, die in einer ersten Richtung gestapelt sind, der Stapel mit einer Druckbelastung in der ersten Richtung beaufschlagt ist, die durch ein entsprechendes der ersten Gehäuse aufgebracht wird, jedes der ersten Gehäuse eine dem zweiten Gehäuse zugewandte Wand, einen ersten Flansch, der von der Wand, in Richtung des zweiten Gehäuses vorsteht, und eine erste Öffnung aufweist, die derart in der Wand ausgebildet ist, dass sie von dem ersten Flansch umgeben ist, das zweite Gehäuse einen zweiten Flansch aufweist, der derart an den ersten Flanschen der ersten Gehäuse befestigt ist, dass er die ersten Öffnungen der ersten Gehäuse umgibt, und eine zweite Öffnung, die derart ausgebildet ist, dass sie von dem zweiten Flansch umgeben ist und mit den ersten Öffnungen in Verbindung steht, die Einheit aus leitfähigen Elementen sich von jeder der ersten Öffnungen durch die zweite Öffnung in das zweite Gehäuse erstreckt, jeder der ersten Flansche zumindest drei Rippen aufweist, die sich in der ersten Richtung erstrecken und in einer die erste Richtung kreuzenden zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, die ersten Gehäuse so angeordnet sind, dass die zumindest drei Rippen jedes der ersten Gehäuse sich in der ersten Richtung erstrecken und in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, eine Länge des zweiten Gehäuses in der zweiten Richtung kleiner ist als eine Gesamtlänge der ersten Gehäuse in der zweiten Richtung, und der zweite Flansch von zumindest einer der Rippen getrennt ist, die sich von den zumindest drei Rippen der ersten Gehäuse, die in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, an einem ersten Ende und einem zweiten Ende befinden, und an zwei der zumindest drei Rippen mit Ausnahme der zumindest einen der Rippen befestigt ist. In dieser Beschreibung kann der Leistungswandler ein Wandler oder ein Wechselrichter sein.
Die zumindest drei Rippen können zumindest vier Rippen umfassen. Der zweite Flansch kann von den beiden Rippen getrennt sein, die sich von den zumindest vier Rippen der ersten Gehäuse, die in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, an dem ersten Ende und dem zweiten Ende befinden, und an zwei der zumindest vier Rippen mit Ausnahme der beiden Rippen befestigt ist.
Der zweite Flansch kann an der Rippe befestigt sein, die der ersten Öffnung in zumindest einem der ersten Gehäuse am nächsten liegt.
Der Stapel kann erste und zweite Endplatten enthalten, zwischen denen die Einzelzellen sandwichartig angeordnet sind und die in der ersten Richtung voneinander getrennt sind. Die erste Öffnung kann eine Form haben, die in der ersten Richtung länger ist als in der zweiten Richtung. Die Einheit aus leitfähigen Elementen kann erste und zweite leitfähige Elemente enthalten, die durch die erste Öffnung mit der ersten und der zweiten Endplatte verbunden sind.
Das zweite Gehäuse kann eine Mehrzahl der zweiten Flansche enthalten, die jeweils an einem entsprechenden der ersten Flansche der ersten Gehäuse befestigt sind, und eine Mehrzahl der zweiten Öffnungen, die jeweils von einem entsprechenden der zweiten Flansche umgeben sind.
Das zweite Gehäuse kann einen wannenförmigen Körper und einen am wannenförmigen Körper befestigten Deckel umfassen. Der wannenförmige Körper kann einen dritten Flansch und eine dritte Öffnung umfassen, die von dem dritten Flansch umgeben ist. Der Deckel kann die zweiten Flansche, die zweiten Öffnungen, einen vierten Flansch, der am dritten Flansch befestigt ist, und eine vierte Öffnung, die vom vierten Flansch umgeben ist, umfassen. Jeder von dem dritten und dem vierten Flansch kann größer als der zweite Flansch sein.
Die Erfindung schafft somit eine Brennstoffzelleneinheit, bei der ein Gehäuse, in dem ein Brennstoffzellenstapel untergebracht ist, eine ausreichende Steifigkeit aufweist, und die eine reduzierte Größe hat während die Ausgangsleistung sichergestellt wird.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit;
2 eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit;
3 eine Schnittdarstellung der Brennstoffzelleneinheit;
4 eine Schnittdarstellung der Brennstoffzelleneinheit;
5 eine perspektivische Ansicht, die das Erscheinungsbild einer Brennstoffzelleneinheit zeigt; und
6 eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Allgemeine Konfiguration der Brennstoffzelleneinheit 1
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit 1. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit 1. Die 3 und 4 sind Schnittdarstellungen der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst zwei Stapelgehäuse 10a, 10b, Brennstoffzellenstapel 100a, 100b, einen Boost-Konverter bzw. Hochsetzsteller oder Aufwärtswandler 500 und ein Wandlergehäuse 40. Die Brennstoffzellenstapel 100a, 100b sind jeweils in den Stapelgehäusen 10a, 10b untergebracht. Der Aufwärtswandler 500 ist elektrisch mit den Brennstoffzellenstapeln 100a, 100b verbunden. Der Aufwärtswandler 500 ist im Wandlergehäuse 40 untergebracht. Wie später ausführlich beschrieben wird, enthält das Wandlergehäuse 40 einen Körper 50 und einen Deckel 70. Eine X-Richtung, eine Y-Richtung und eine Z-Richtung, die orthogonal zueinander stehen, sind in den Figuren dargestellt. Die Z-Richtung ist ein Beispiel für eine Richtung, in der die Stapelgehäuse 10a, 10b nebeneinander angeordnet sind. Wie später ausführlich beschrieben wird, ist die X-Richtung ein Beispiel für eine Richtung, in der Einzelzellen 106 eines jeden Brennstoffzellenstapels 100a, 100b gestapelt sind. Die beiden Stapelgehäuse 10a, 10b und das Wandlergehäuse 40 überlappen sich in der Z-Richtung. 3 zeigt einen Schnitt der Brennstoffzelleneinheit 1 parallel zur XY-Ebene. 4 zeigt einen Schnitt der Brennstoffzelleneinheit 1 parallel zur YZ-Ebene. In den 3 und 4 ist der Aufwärtswandler 500 in vereinfachter Form durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
Die Stapelgehäuse 10a, 10b sind die gleichen Elemente, werden aber der Einfachheit halber mit unterschiedlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Brennstoffzellenstapel 100a, 100b sind ebenfalls die gleichen Elemente, werden aber der Einfachheit halber mit unterschiedlichen Bezugszeichen bezeichnet. Der im Wandlergehäuse 40 untergebrachte Aufwärtswandler 500 erhöht die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenstapel 100a, 100b und gibt die erhöhte Spannung an eine externe Vorrichtung aus. Der Aufwärtswandler 500 ist ein Beispiel für den Leistungswandler, der die Ausgangsleistung der Brennstoffzellenstapel 100a, 100b umwandelt. Der Leistungswandler ist nicht auf den Aufwärtswandler beschränkt und kann ein Buck-Konverter bzw. Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler, ein Abwärts-/Aufwärtswandler, der sowohl als Aufwärtswandler als auch als Abwärtswandler dienen kann, und ein Wechselrichter sein, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Bei dem Leistungswandler kann es sich um den anderen Wandler oder Wechselrichter handeln. Da die Brennstoffzelleneinheit 1 die beiden Brennstoffzellenstapel 100a, 100b umfasst, ist die Ausgangsleistung gewährleistet.
Allgemeine Konfiguration der Stapelgehäuse 10a, 10b
Das Stapelgehäuse 10a besteht aus einem hochsteifen Material, wie z.B. einem Metallwerkstoff wie einer Aluminiumlegierung. Das Stapelgehäuse 10a umfasst Seitenwände 11, 13 und 14, eine obere Wand 15 und eine untere Wand 16. Die Seitenwand 11 ist parallel zur YZ-Ebene. Die Seitenwände 13, 14 sind in Z-Richtung voneinander getrennt und im Wesentlichen parallel zur XY-Ebene. Die obere Wand 15 und die untere Wand 16 sind in Y-Richtung voneinander getrennt. Die untere Wand 16 ist parallel zur XZ-Ebene, aber die obere Wand 15 ist in Bezug auf die XZ-Ebene geneigt, wie später ausführlich beschrieben wird. Das Stapelgehäuse 10a hat an einer Stelle, die der Seitenwand 11 in -X-Richtung zugewandt ist, keine Wand sondern eine Öffnung. Eine Endplatte 12a, die später beschrieben wird, ist mit Schrauben (nicht abgebildet) am Stapelgehäuse 10a befestigt, um die Öffnung zu verschließen. Wie die Seitenwand 11 ist die Endplatte 12a parallel zur YZ-Ebene. Die obere Wand 15 ist in Bezug auf die XZ-Ebene so geneigt, dass das Ende der oberen Wand 15 auf der Seite der Endplatte 12a in Y-Richtung höher liegt als das Ende der oberen Wand 15 auf der Seite der Seitenwand 11. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In ähnlicher Weise umfasst der Stapelgehäuse 10b die Seitenwände 11, 13 und 14, eine obere Wand 15 und eine untere Wand 16, und eine Endplatte 12a ist an dem Stapelgehäuse 10b befestigt. Wie in den 1, 2 und 4 dargestellt, sind die Stapelgehäuse 10a, 10b und das Wandlergehäuse 40 so aneinander befestigt, dass die Seitenwand 14 des Stapelgehäuses 10a und die Seitenwand 13 des Stapelgehäuses 10b einander zugewandt sind und die an den Stapelgehäusen 10a, 10b befestigten Endplatten 12a in die gleiche Richtung weisen. Die Stapelgehäuse 10a, 10b sind ein Beispiel für die Mehrzahl von ersten Gehäusen.
Detaillierte Konfiguration des Flansches 18
Jedes der Stapelgehäuse 10a, 10b hat einen Flansch 18 an der oberen Wand 15. Der Flansch 18 ragt in der +Y-Richtung von der oberen Wand 15 heraus und hat eine vorbestimmte Höhe von der oberen Wand 15 in der +Y-Richtung. Mit anderen Worten, der Flansch 18 ragt in Richtung des Wandlergehäuses 40 vor. Die obere Endfläche des Flansches 18 ist parallel zur XZ-Ebene. Der Flansch 18 umfasst Querrippen 181, 182, äußere Längsrippen 183, 184 und innere Längsrippen 185, 186. Die Querrippen 181, 182 erstrecken sich in Z-Richtung und sind in X-Richtung voneinander getrennt. Die äußeren Längsrippen 183, 184 erstrecken sich in X-Richtung und sind in Z-Richtung voneinander getrennt. Die äußere Längsrippe 183 ist durchgehend mit einem Ende der Querrippe 181 und einem Ende der Querrippe 182. Die äußere Längsrippe 184 ist durchgehend mit dem anderen Ende der Querrippe 181 und dem anderen Ende der Querrippe 182. Die Querrippe 181, die Querrippe 182, die äußere Längsrippe 183 und die äußere Längsrippe 184 befinden sich jeweils in der Nähe der Seitenwand 11, der Endplatte 12a, der Seitenwand 13 und der Seitenwand 14.
Die inneren Längsrippen 185, 186 befinden sich zwischen den äußeren Längsrippen 183, 184 und erstrecken sich wie die äußeren Längsrippen 183, 184 in X-Richtung. Die inneren Längsrippen 185, 186 sind durchgehend mit den Querrippen 181, 182. Die inneren Längsrippen 185, 186 sind über die Querrippen 181, 182 durchgehend mit den äußeren Längsrippen 183, 184. Die äußere Längsrippe 183, die innere Längsrippe 185, die innere Längsrippe 186 und die äußere Längsrippe 184 liegen in dieser Reihenfolge in +Z-Richtung nebeneinander. Jede der Rippen, wie z.B. die Querrippen 181, ist wie folgt geformt. Jede der Rippen steht in +Y-Richtung von der oberen Wand 15 vor und hat eine vorbestimmte Höhe von der oberen Wand 15 in +Y-Richtung. Jede der Rippen erstreckt sich in einer vorbestimmten Richtung auf der oberen Wand 15, und die Dicke jeder Rippe in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der sich die Rippe erstreckt, ist kleiner als die Länge der Rippe in der Richtung, in der sich die Rippe erstreckt. Die Stapelgehäuse 10a, 10b sind so angeordnet, dass die äußeren Längsrippen 183, 184 und die inneren Längsrippen 185, 186 jedes Flansches 18 sich in X-Richtung erstrecken und in Z-Richtung nebeneinander liegen. Der Flansch 18 ist ein Beispiel für den ersten Flansch.
Der Flansch 18 ist ein nach innen gerichteter Flansch mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen, die von der inneren Seitenfläche des Flansches 18 nach innen ragen und in Umfangsrichtung des Flansches 18 im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Jeder der Vorsprünge hat eine Innengewindebohrung, nicht abgebildet. Insbesondere weist jede der Querrippen 181, 182 und der äußeren Längsrippen 183, 184 eine Mehrzahl von Vorsprüngen auf, die von ihrer inneren Seitenfläche nach innen ragen. Jede der inneren Längsrippen 185, 186 weist ebenfalls eine Mehrzahl von Vorsprüngen auf. Die Vorsprünge jeder der inneren Längsrippen 185, 186 ragen von ihrer Innenfläche in dem Bereich, der von den inneren Längsrippen 185, 186 und den Querrippen 181, 182 umgeben ist, nach innen, nämlich in Richtung der anderen inneren Längsrippe 185, 186, vor.
Die obere Wand 15 hat eine Öffnung 15a, die von dem Flansch 18 umgeben ist. Konkret hat die obere Wand 15 die Öffnung 15a zwischen den inneren Längsrippen 185, 186. Die Öffnung 15a ist in der X-Richtung länger als in der Z-Richtung. In 2 sind eine Anschlussplatte 101 und eine Mehrzahl von Einzelzellen 106, die einen Teil des Brennstoffzellenstapels 100a bilden, von der Öffnung 15a aus freigelegt. Die Öffnung 15a ist ein Beispiel für die erste Öffnung. Zwischen den Einzelzellen 106 und der Öffnung 15a kann eine Isolierplatte usw. vorgesehen werden, so dass die Einzelzellen 106 nicht direkt von der Öffnung 15a aus freigelegt sind.
Allgemeine Konfiguration der Brennstoffzellenstapel 100a, 100b
Wie in 3 dargestellt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 100a einen Stapel 107, in dem eine Mehrzahl von plattenförmigen Elementen gestapelt ist. Insbesondere umfasst der Stapel 107 die Mehrzahl von Einzelzellen 106, die Anschlussplatte 101, einen Isolator 103, eine Druckplatte 105, eine Anschlussplatte 102, einen Isolator 104 und die Endplatte 12a. Die Mehrzahl von Einzelzellen 106 ist in X-Richtung gestapelt. Die Anschlussplatte 101, der Isolator 103 und die Druckplatte 105 sind auf einer Endseite der Mehrzahl von Einzelzellen 106 angeordnet und in dieser Reihenfolge auf dem einen Ende der Mehrzahl von Einzelzellen 106 gestapelt. Die Anschlussplatte 102, der Isolator 104 und die Endplatte 12a sind auf der anderen Endseite der Mehrzahl von Einzelzellen 106 angeordnet und in dieser Reihenfolge auf dem anderen Ende der Mehrzahl von Einzelzellen 106 gestapelt. Da die Druckplatte 105 durch eine zwischen der Druckplatte 105 und der Seitenwand 11 angeordnete Feder 109 in Richtung der Endplatte 12a vorgespannt ist und die Endplatte 12a am Stapelgehäuse 10a befestigt ist, wird eine Druckbelastung in X-Richtung auf den Stapel 107 ausgeübt. Der Stapel 107 wird somit über die Feder 109 durch das Stapelgehäuse 10a mit einer Druckbelastung in X-Richtung beaufschlagt.
Die Einzelzelle 106 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die mit Oxidationsgas und Brenngas versorgt wird, um elektrische Leistung zu erzeugen. Das Oxidationsgas ist sauerstoffhaltige Luft, und das Brenngas ist Wasserstoffgas. Die Einzelzelle 106 enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung und ein Paar Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig zwischen sich einschließen. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist ein Stromerzeuger, der aus einer Elektrolytmembran und Elektroden besteht, die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordnet sind. Die Elektrolytmembran ist eine Festpolymermembran, die aus einem Kohlenwasserstoffharzmaterial mit einer Sulfonatgruppe oder einem Fluorharzmaterial mit einer Sulfonatgruppe hergestellt ist. Die Elektrolytmembran weist im feuchten Zustand eine zufriedenstellende Protonenleitfähigkeit auf. Jede der Elektroden enthält einen Kohlenstoffträger und ein Ionomer, das ein festes Polymer mit einer Sulfonatgruppe ist und im feuchten Zustand eine zufriedenstellende Protonenleitfähigkeit aufweist. Ein Katalysator zur Erleichterung einer Stromerzeugungsreaktion (z.B. Platin, eine Platin-Kobalt-Legierung usw.) ist auf dem Kohlenstoffträger aufgebracht. Jeder der Separatoren ist ein dünnes plattenförmiges Element aus einem leitfähigen Material mit Gasbarriereeigenschaften, nämlich aus einem Metall wie z.B. pressgeformtem rostfreiem Stahl, Titan oder einer Titanlegierung.
Die Anschlussplatten 101, 102 sind Platten aus einem leitfähigen Material wie einem Metall wie z.B. Kupfer, Aluminium oder einer Legierung, die Kupfer und Aluminium enthält, oder aus dichtem Kohlenstoff. Die Isolatoren 103, 104 sind Platten aus einem isolierenden Material wie Gummi oder Harz. Die Endplatte 12a und die Druckplatte 105 bestehen aus einem hochsteifen Material wie einem Metallmaterial wie rostfreiem Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Die Endplatte 12a hat Zufuhr- und Ableitungslöcher für die Zufuhr und Ableitung des Oxidationsgases, des Brenngases und des Kühlwassers zum und vom Brennstoffzellenstapel 100a. Zufuhr- und Ableitungsleitungen sind mit den Zufuhr- und Ableitungslöcher verbunden.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die beiden Endplatten 12a der Stapelgehäuse 10a, 10b auf der gleichen Seite angeordnet, die mit den Endplatten 12a verbundenen Zufuhr- und Ableitungsleitungen für die Zufuhr und Ableitung des Oxidationsgases, des Brenngases und des Kühlwassers können auf der gleichen Seite in Bezug auf die Brennstoffzelleneinheit 1 angeordnet sein. Die Brennstoffzelleneinheit 1 hat dadurch eine verbesserte Montierbarkeit.
Wie in 3 dargestellt, hat jede der Anschlussplatten 101, 102 des Brennstoffzellenstapels 100a einen vorstehenden Abschnitt, der in +Y-Richtung über die Mehrzahl von Einzelzellen 106 hinausragt und von der Öffnung 15a aus freiliegt. Wie in den 2, 3 und 4 gezeigt, ist die Mehrzahl von Einzelzellen 106 jedes Brennstoffzellenstapels 100a, 100b durch die Anschlussplatten 101, 102, eine Relais-Sammelschiene 111, Verbindungs-Sammelschienen 112, 113 elektrisch mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden. Die Relais-Sammelschiene 111 und die Verbindungs-Sammelschienen 112, 113 bestehen aus einem Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand, wie Kupfer, Aluminium oder einer Legierung, die Kupfer und Aluminium enthält. Das heißt, die Relais-Sammelschiene 111 und die Verbindungs-Sammelschienen 112, 113 sind leitfähig. Die Relais-Sammelschiene 111 und die Verbindungs-Sammelschienen 112, 113 sind ein Beispiel für die Einheit aus leitfähigen Elementen.
Die Relais-Sammelschiene 111 ist mit ihrem einen Ende mit dem vorstehenden Abschnitt der Anschlussplatte 102 des Brennstoffzellenstapels 100a verbunden. Die Relais-Sammelschiene 111 erstreckt sich von der Seite der Anschlussplatte 102 durch die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a und eine Öffnung 781a des Deckels 70, wie später beschrieben, und erstreckt sich oberhalb einer Bodenwand 73 des Deckels 70 von der Seite des Stapelgehäuses 10a zur Seite des Stapelgehäuses 10b. Das andere Ende der Relais-Sammelschiene 111 ist durch eine Öffnung 781b des Deckels 70, wie später beschrieben, und eine Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10b mit dem vorstehenden Abschnitt der Anschlussplatte 101 des Brennstoffzellenstapels 100b verbunden. Die Mehrzahl von Einzelzellen 106 des Brennstoffzellenstapels 100a und die Mehrzahl von Einzelzellen 106 des Brennstoffzellenstapels 100b sind somit durch die Relais-Sammelschiene 111 elektrisch in Reihe miteinander verbunden.
Ein Ende der Verbindungs-Sammelschiene 112 ist mit dem vorstehenden Abschnitt der Anschlussplatte 102 des Brennstoffzellenstapels 100b verbunden. Die Verbindungs-Sammelschiene 112 erstreckt sich von der Seite der Anschlussplatte 102 zur Seite des Wandlergehäuses 40 durch die Öffnungen 15a, 781b und eine Öffnung 56. Das andere Ende der Verbindungs-Sammelschiene 112 ist mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden. Ein Ende der Verbindungs-Sammelschiene 113 ist mit dem vorstehenden Abschnitt der Anschlussplatte 101 des Brennstoffzellenstapels 100a verbunden. Die Verbindungs-Sammelschiene 113 erstreckt sich von der Seite der Anschlussplatte 101 zur Seite des Wandlergehäuses 40 durch die Öffnungen 15a, 781a und 56. Das andere Ende der Verbindungs-Sammelschiene 113 ist mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden. Die Mehrzahl von Einzelzellen 106 des Brennstoffzellenstapels 100a und die Mehrzahl von Einzelzellen 106 des Brennstoffzellenstapels 100b sind somit über die Verbindungs-Sammelschienen 112, 113 elektrisch mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden. Die anderen Enden der Verbindungs-Sammelschienen 112,113 und des Aufwärtswandlers 500 sind durch ein nicht dargestelltes leitfähiges Element, wie z.B. eine Sammelschiene oder ein Kabel, verbunden. Der Aufwärtswandler 500 besteht aus einer Mehrzahl von elektronischen Komponenten wie einem Kondensator, einem intelligenten Leistungsmodul (IPM), einem Stromsensor und einer Drosselspule.
Detaillierte Konfiguration des Körpers 50 des Wandlergehäuses 40
Das Wandlergehäuse 40 umfasst den Körper 50 und den Deckel 70. Der Körper 50 und der Deckel 70 sind aus einem hochsteifen Material wie einem Metallwerkstoff, z.B. einer Aluminiumlegierung, hergestellt. Der Deckel 70 und der Körper 50 sind in dieser Reihenfolge in +Y-Richtung nebeneinander angeordnet. Der Körper 50 umfasst Seitenwände 51 bis 54 und eine obere Wand 55. Die Seitenwände 51, 52 sind in X-Richtung voneinander getrennt und parallel zur YZ-Ebene. Die Seitenwände 53, 54 sind in Z-Richtung voneinander getrennt und parallel zur XY-Ebene. Die obere Wand 55 ist parallel zur XZ-Ebene. Die Länge in Z-Richtung jeder der Seitenwände 51, 52 ist größer als die Länge in X-Richtung jeder der Seitenwände 53, 54. Die Seitenwände 51, 52 haben jeweils die später beschriebenen Servicelöcher 511, 521. Wie in den 1 und 4 gezeigt, ist die Länge in Z-Richtung jeder der Seitenwände 51, 52 kleiner als die Gesamtlänge in Z-Richtung der in Z-Richtung nebeneinander angeordneten Stapelgehäuse 10a, 10b. Die Länge in der X-Richtung jeder der Seitenwände 53, 54 ist im Wesentlichen gleich der Länge in der X-Richtung jeder der Seitenwände 13, 14 der Stapelgehäuse 10a, 10b.
Der Körper 50 hat keine Wand, die parallel zur oberen Wand 55 und dieser zugewandte ist, sondern hat die Öffnung 56. Mit anderen Worten, der Körper 50 hat eine Wannenform mit der oberen Wand 55 als Boden. Die Öffnung 56 ist den Stapelgehäusen 10a, 10b über den Deckel 70 zugewandt.
Der Körper 50 hat einen Flansch 59 um den Umfangsrand der Öffnung 56. Mit anderen Worten, der Flansch 59 umgibt die Öffnung 56. Der Flansch 59 ist ein nach außen gerichteter Flansch mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen, die von der äußeren Seitenfläche des Flansches 59 nach außen ragen und in Umfangsrichtung des Flansches 59 im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Jeder der Vorsprünge hat ein Schraubenloch, nicht abgebildet. Die untere Endfläche des Flansches 59 ist parallel zur XZ-Ebene. Der Flansch 59 hat eine andere Form als die Flansche 18 der oben beschriebenen Stapelgehäuse 10a, 10b. Dementsprechend können die Flansche 18 der Stapelgehäuse 10a, 10b nicht direkt am Flansch 59 des Körpers 50 befestigt werden. Das Wandlergehäuse 40 ist ein Beispiel für das zweite Gehäuse. Der Flansch 59 ist ein Beispiel für den dritten Flansch. Die Öffnung 56 ist ein Beispiel für die dritte Öffnung.
Detaillierte Konfiguration des Deckels 70 des Wandlergehäuses 40
Die Längen in X- und Z-Richtung des Deckels 70 entsprechen im Wesentlichen denen in X- bzw. Z-Richtung des Körpers 50. Der Deckel 70 umfasst eine Umfangswand 71, die Bodenwand 73 und die Flansche 78a, 78b und 79. Die Umfangswand 71 hat in der Y-Richtung eine vorbestimmte Höhe und hat eine im Allgemeinen rechteckige Rahmenform um die Y-Richtung. Jeder der Flansche 78a, 78b und 79 hat eine im Allgemeinen rechteckige Rahmenform. Der Deckel 70 hat die Öffnung 781a, die Öffnung 781b und eine Öffnung 791, die von den inneren Umfangsrändern der Flansche 78a, 78b bzw. 79 umgeben sind. Die Umfangswand 71 erstreckt sich durchgehend von den beiden Flanschen 78a, 78b bis zum Flansch 79. Mit anderen Worten, die beiden Flansche 78a, 78b sind an dem Ende auf der -Y-Richtungsseite der Umfangswand 71 ausgebildet. Die beiden Flansche 78a, 78b haben die gleiche Form und Größe, werden aber der Einfachheit halber mit unterschiedlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Flansche 78a, 78b sind in Z-Richtung voneinander getrennt. Die untere Wand 73 ist zwischen den benachbarten Flanschen 78a, 78b ausgebildet, ist durchgehend mit der Umfangswand 71 und verläuft parallel zur XZ-Ebene. Die Verbindungs-Sammelschiene 112 ist über die Öffnung 781b mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden, und die Verbindungs-Sammelschiene 113 ist über die Öffnung 781a mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden. Die Flansche 78a, 78b sind ein Beispiel für die Mehrzahl der zweiten Flansche. Die Öffnungen 781a, 781b sind ein Beispiel für die Mehrzahl der zweiten Öffnungen. Der Flansch 79 ist ein Beispiel für den vierten Flansch. Die Öffnung 791 ist ein Beispiel für die vierte Öffnung. Die Bodenwand 73 ist ein Beispiel für eine verlängerte Wand.
Die Flansche 78a, 78b sind nach innen gerichtete Flansche wie die Flansche 18 der Stapelgehäuse 10a, 10b. Der Flansch 79 ist ein nach außen gerichteter Flansch wie der Flansch 59 des Körpers 50. Die unteren Endflächen der Flansche 78a, 78b und die obere Endfläche des Flansches 79 sind parallel zur XZ-Ebene. Der Flansch 79 ist größer als die Gesamtgröße der Flansche 78a, 78b. Das heißt, die Öffnung 791 ist größer als die Gesamtgröße der Öffnungen 781a, 781b. Die Form und Größe des Flansches 79 entsprechen denen des Flansches 59 des Körpers 50, und der Flansch 79 ist wie der Flansch 59 ein nach außen gerichteter Flansch. Die Flansche 79, 59 sind durch Schrauben miteinander verbunden. Der Körper 50 und der Deckel 70 werden auf diese Weise aneinander befestigt.
Der Flansch 78a hat eine Mehrzahl von Schraubenlöchern, die in Umfangsrichtung des Flansches 78a im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Positionen der mehreren Schraubenlöcher des Flansches 78a entsprechen denen der mehreren Innengewindebohrungen, die in den inneren Längsrippen 185, 186 des Flansches 18 des Stapelgehäuses 10a, einem Teil der Querrippe 181, die sich zwischen den inneren Längsrippen 185, 186 befindet, und einem Teil der Querrippe 182, die sich zwischen den inneren Längsrippen 185, 186 befindet, ausgebildet sind. Der Flansch 78a und der Flansch 18 des Stapelgehäuses 10a sind durch Schrauben miteinander verbunden. Die untere Endfläche des Flansches 78a und die obere Endfläche des Flansches 18 stoßen somit aneinander und sind miteinander befestigt. Das heißt, der Flansch 78a entspricht nicht der Gesamtform und -größe der Querrippen 181, 182 und der äußeren Längsrippen 183, 184, die die äußerste Umfangswand des Flansches 18 bilden, sondern entspricht der Form und Größe der Umfangswand, die durch die inneren Längsrippen 185, 186, den Teil der Querrippe 181 und den Teil der Querrippe 182 definiert ist. Der Flansch 78a ist so am Flansch 18 befestigt, dass er die zwischen den inneren Längsrippen 185, 186 gebildete Öffnung 15a umgibt. Dasselbe gilt für den Flansch 78b und den Flansch 18 des Stapelgehäuses 10b. Wenn die Flansche 78a, 78b an den Flanschen 18 der Stapelgehäuse 10a, 10b befestigt sind, erstreckt sich die Bodenwand 73 so, dass sie den Zwischenraum zwischen den Stapelgehäusen 10a, 10b schließt.
Die Stapelgehäuse 10a, 10b, der Deckel 70 und der Körper 50 sind auf diese Weise miteinander verbunden, wobei die Brennstoffzellenstapel 100a, 100b mit dem Aufwärtswandler 500 integriert sind. Da die Umfangswand 71 und die Bodenwand 73 des Deckels 70 zwischen den Flanschen 78a, 78b und dem Flansch 79 durchgehend sind, bildet der Deckel 70 zusammen mit dem Körper 50 und den Stapelgehäusen 10a, 10b eine Außenwand eines Gehäuses für die gesamte Brennstoffzelleneinheit 1. Diese Gehäuse können so miteinander kombiniert und abgedichtet werden. Der Körper 50 und der Deckel 70 können als einteiliges Element ausgebildet werden. Im Hinblick auf eine einfache Montage der elektronischen Komponenten des Aufwärtswandlers 500, der Relais-Sammelschiene 111 usw. ist es jedoch vorzuziehen, dass der Körper 50 und der Deckel 70 getrennte Teile sind. Zur Verbesserung der Dichtungseigenschaften zwischen den Endflächen der aneinander befestigten Flansche ist es vorzuziehen, eine Gummidichtung oder eine Flüssigdichtung anzubringen.
Steifigkeit der Stapelgehäuse 10a, 10b
Wie in 3 dargestellt, sind die Einzelzellen 106 in X-Richtung gestapelt, und zwischen der Endplatte 12a und der Druckplatte 105 wird durch die Feder 109 eine Druckbelastung in X-Richtung ausgeübt. Die Endplatte 12a ist an dem Stapelgehäuse 10a befestigt, und die Feder 109 ist zwischen der Druckplatte 105 und der Seitenwand 11 des Stapelgehäuses 10a angeordnet. Dementsprechend wird die Mehrzahl von Einzelzellen 106 mit der Druckbelastung in X-Richtung beaufschlagt, aber das Stapelgehäuse 10a wird mit einer Zugbelastung in X-Richtung beaufschlagt. Mit anderen Worten, das Stapelgehäuse 10a dient als Element zur Aufnahme der Druckbelastung, die auf die Mehrzahl von Einzelzellen 106 wirkt. Wenn z.B. das Stapelgehäuse 10a eine geringe Steifigkeit aufweist, wird das Stapelgehäuse 10a in X-Richtung verlängert, und es kann keine ausreichende Druckbelastung auf die Mehrzahl von Einzelzellen 106 aufgebracht werden. In diesem Fall können die Leitfähigkeitseigenschaften zwischen den Einzelzellen 106 reduziert werden. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Flansch 18 des Stapelgehäuses 10a, wie in 2 gezeigt, vier in X-Richtung verlaufende Längsrippen auf, nämlich die äußeren Längsrippen 183, 184 und die inneren Längsrippen 185, 186. Dementsprechend weist das Stapelgehäuse 10a eine ausreichende Steifigkeit gegenüber der Last in X-Richtung auf. Auf die Mehrzahl von Einzelzellen 106 kann daher eine ausreichende Druckbelastung aufgebracht werden. Dasselbe gilt für das Stapelgehäuse 10b.
Insbesondere hat das Stapelgehäuse 10a in der vorliegenden Ausführungsform die Öffnung 15a, und die durch die Öffnung 15a bedingte Verringerung der Steifigkeit des Stapelgehäuses 10a wird durch die äußeren Längsrippen 183, 184 und die inneren Längsrippen 185, 186 kompensiert. Wie in 3 dargestellt, ist die Öffnung 15a in X-Richtung lang, um die Anschlussplatten 102, 103, die Relais-Sammelschiene 111 und die Verbindungs-Sammelschiene 113 nicht zu behindern. Da das Stapelgehäuse 10 eine so große Öffnung 15a hat, weist das Stapelgehäuse 10a tendenziell eine geringere Steifigkeit auf. Die äußeren Längsrippen 183, 184 und die inneren Längsrippen 185, 186 erhöhen jedoch die Steifigkeit des Stapelgehäuses 10a, so dass das Stapelgehäuse 10a die erforderliche Steifigkeit aufweist. Dasselbe gilt für das Stapelgehäuse 10b.
Der Flansch 78a ist mit den inneren Längsrippen 185, 186, die der Öffnung 15a von den äußeren Längsrippen 183, 184 und den inneren Längsrippen 185, 186 des Flansches 18 des Stapelgehäuses 10a am nächsten liegen, verbunden. Da die inneren Längsrippen 185, 186 mit dem Flansch 78a verbunden sind, werden die inneren Längsrippen 185, 186 und der Flansch 78a miteinander kombiniert, wodurch die Steifigkeit der inneren Längsrippen 185, 186 weiter erhöht wird. Da somit die Steifigkeit der inneren Längsrippen 185, 186, die sich am nächsten an der Öffnung 15a befinden, die eine Verringerung der Steifigkeit des Stapelgehäuses 10a bewirken kann, erhöht wird, wird die Steifigkeit des Stapelgehäuses 10a wirksamer erhöht.
In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich, wie in den 2 und 3 gezeigt, die Öffnung 15a in X-Richtung im Wesentlichen über die gesamte Länge der oberen Wand 15. Eine Möglichkeit, die Steifigkeit zu erhöhen, besteht zum Beispiel darin, in der oberen Wand 15 separate, zumindest erforderliche Öffnungen zu bilden, die die Anschlussplatten 102, 103 freilegen. In diesem Fall kann es jedoch schwierig sein, den Brennstoffzellenstapel 100a im Herstellungsprozess der Brennstoffzelleneinheit 1 in das Stapelgehäuse 10a einzusetzen. Insbesondere wird beim Herstellungsprozess der Brennstoffzelleneinheit 1 der vorab montierte Brennstoffzellenstapel 100a in +X-Richtung in das Stapelgehäuse 10a eingesetzt. In dem Fall jedoch, dass die obere Wand 15, wie oben beschrieben, nur zwei minimal erforderliche Öffnungen aufweist, können sich der vorstehende Abschnitt der Anschlussplatte 101 und die obere Wand 15 während des Einsetzens des Brennstoffzellenstapels 100a in das Stapelgehäuse 10a gegenseitig stören, was das Einsetzen des Brennstoffzellenstapels 100a in das Stapelgehäuse 10a erschwert. Das Stapelgehäuse 10a wird im Guss- oder Druckgussverfahren hergestellt. Dementsprechend erfordert die Ausbildung von zwei Öffnungen in der oberen Wand 15 des Stapelgehäuses 10a eine Form mit einer komplizierteren Struktur, was die Herstellungskosten des Stapelgehäuses 10a erhöhen kann. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Öffnung 15a in X-Richtung. Dementsprechend lässt sich der Brennstoffzellenstapel 100a leichter in das Stapelgehäuse 10a einsetzen, und die Herstellungskosten verringern sich.
Reduzierung der Größe des Wandlergehäuses 40
Wie in den 1 und 4 gezeigt, ist die Länge in Z-Richtung des Wandlergehäuses 40 kleiner als die Gesamtlänge in Z-Richtung der in Z-Richtung nebeneinander angeordneten Stapelgehäuse 10a, 10b. Das Wandlergehäuse 40 ist von der äußeren Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10a und der äußeren Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10b getrennt und an den inneren Längsrippen 185, 186 der Stapelgehäuse 10a, 10b befestigt. Mit anderen Worten, der Wandlergehäuse 40 befindet sich innerhalb der äußeren Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10a und innerhalb der äußeren Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10b. Die Gesamtgröße der Brennstoffzelleneinheit 1 wird dadurch reduziert.
Die Größe in der Y-Richtung des Wandlergehäuses 40 ist ebenfalls kleiner als die in der Y-Richtung jedes der Stapelgehäuse 10a, 10b, und die Größe in der X-Richtung des Wandlergehäuses 40 ist im Wesentlichen die gleiche wie die in der X-Richtung jedes der Stapelgehäuse 10a, 10b. Die Gesamtgröße der Brennstoffzelleneinheit 1 wird dadurch reduziert. Die äußere Längsrippe 183 des Stapelgehäusegehäuses 10a und die äußere Längsrippe 184 des Stapelgehäusegehäuses 10b befinden sich an einem Ende und am anderen Ende von allen der äußeren Längsrippen 183, 184 und der inneren Längsrippen 185, 186 der Flansche 18 der Stapelgehäusegehäuse 10a, 10b, die in Z-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Das heißt, die äußere Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10a und die äußere Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10b sind die beiden äußersten Rippen der Mehrzahl von Rippen der Stapelgehäuse 10a, 10b in einer zweiten Richtung, die die Stapelrichtung der Einzelzellen 106 kreuzt.
Verwendung desselben Stapelgehäuses 10a in einer anderen Brennstoffzelleneinheit
5 ist eine perspektivische Ansicht, die das Erscheinungsbild einer Brennstoffzelleneinheit 1a zeigt. 6 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit 1a. Bezüglich der Brennstoffzelleneinheit 1a werden gleiche oder ähnliche Konfigurationen wie die der Brennstoffzelleneinheit 1 durch die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Brennstoffzelleneinheit 1a umfasst das Stapelgehäuse 10a, das in der Brennstoffzelleneinheit 1 verwendet wird, den Brennstoffzellenstapel 100a, der im Stapelgehäuse 10a untergebracht ist, und ein Wandlergehäuse 50a, das sich vom Wandlergehäuse 40 unterscheidet, sowie einen Aufwärtswandler, nicht dargestellt, der im Wandlergehäuse 50a untergebracht ist. Das Wandlergehäuse 50a ist kleiner als das Wandlergehäuse 40, und der im Wandlergehäuse 50a aufgenommene Aufwärtswandler ist ebenfalls kleiner als der Aufwärtswandler 500. Der im Wandlergehäuse 50a aufgenommene Aufwärtswandler ist ein Aufwärtswandler für den einzelnen Brennstoffzellenstapel 100a, und die Größe der Komponenten des Aufwärtswandlers, wie z.B. einer Drosselspule, ist kleiner als beim Aufwärtswandler 500. Der Stapel 107 des Brennstoffzellenstapels 100a ist über die Anschlussplatten 101, 102 und die Verbindungs-Sammelschienen 112, 113 elektrisch mit dem Aufwärtswandler verbunden.
Eine Seitenwand 52a des Wandlergehäuses 50a und eine Seitenwand, nicht dargestellt, des Wandlergehäuses 50a, die der Seitenwand 52a zugewandt ist und die in X-Richtung von der Seitenwand 52a getrennt und parallel zu dieser ist, haben in Z-Richtung im Wesentlichen die gleiche Größe wie das Stapelgehäuse 10a. Eine Seitenwand 53a des Wandlergehäuses 50a und eine Seitenwand, nicht gezeigt, des Wandlergehäuses 50a, die der Seitenwand 53a zugewandt ist und die in der Z-Richtung von der Seitenwand 53a getrennt und parallel zu dieser ist, haben in X-Richtung im Wesentlichen die gleiche Größe wie das Stapelgehäuse 10a. Ein Flansch 59a des Wandlergehäuses 50a ist ein nach innen gerichteter Flansch und ist direkt an den Querrippen 181, 182 und den äußeren Längsrippen 183, 184 des Flansches 18 befestigt. Durch die Verwendung der äußeren Längsrippen 183, 184, die in der Brennstoffzelleneinheit 1 nicht verwendet werden, kann das Wandlergehäuse 50a, das den Aufwärtswandler für den einzelnen Brennstoffzellenstapel 100a aufnimmt, am einzelnen Stapelgehäuse 10a befestigt werden. Das für die Brennstoffzelleneinheit 1 verwendete Stapelgehäuse 10a kann somit auch für die Brennstoffzelleneinheit 1a verwendet werden. Die Herstellungskosten des Brennstoffzellenstapels 100a und der Brennstoffzelleneinheit 1a werden dadurch reduziert. Da das Stapelgehäuse 10b das gleiche Element wie der Stapelgehäuse 10a ist, wie oben beschrieben, reduzieren sich auch die Herstellungskosten der Brennstoffzelleneinheit 1.
Der Flansch 59a des Wandlergehäuses 50a ist nicht darauf beschränkt, mit den Querrippen 181, 182 und den äußeren Längsrippen 183, 184 verbunden zu werden. Zum Beispiel kann der Flansch 59a an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 184 und die innere Längsrippe 185 definiert ist, oder an einem rahmenförmigen Bereich, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 183 und die innere Längsrippe 186 definiert ist, so dass er die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a umgibt. Da das Stapelgehäuse 10a nicht nur die äußeren Längsrippen 183, 184, sondern auch die Mehrzahl von inneren Längsrippen 185, 186 aufweist, kann eine Mehrzahl von Wandlergehäusen mit unterschiedlichen Größen am Stapelgehäuse 10a befestigt werden.
Anderes
Das in den 1 bis 4 gezeigte Wandlergehäuse 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 kann an jeder der Rippen mit Ausnahme der äußeren Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10a befestigt werden. In diesem Fall kann der Flansch 78b des Wandlergehäuses 40 an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 184 und entweder die äußere Längsrippe 183 oder die innere Längsrippe 185 des Stapelgehäuses 10b definiert ist, so dass er die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10b umgibt. Das Wandlergehäuse 40 kann an jeder der Rippen mit Ausnahme der äußeren Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10b befestigt werden. In diesem Fall kann der Flansch 78a des Wandlergehäuses 40 an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 183 und entweder die äußere Längsrippe 184 oder die innere Längsrippe 186 des Stapelgehäuses 10a definiert ist, so dass er die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a umgibt.
Der Flansch 78a des Wandlergehäuses 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 ist an dem rahmenförmigen Bereich befestigt, der durch die Querrippen 181, 182 und die inneren Längsrippen 185, 186 des Flansches 18 des Stapelgehäuses 10a definiert ist. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Zum Beispiel kann der Flansch 78a an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 184 und die innere Längsrippe 185 des Stapelgehäuses 10a definiert ist. In ähnlicher Weise kann der Flansch 78b des Wandlergehäuses 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 183 und die innere Längsrippe 186 des Stapelgehäuses 10b definiert ist.
Die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a ist zwischen den inneren Längsrippen 185, 186 ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a kann z.B. zwischen der äußeren Längsrippe 184 und der inneren Längsrippe 186 ausgebildet werden, solange die Brennstoffzellenstapel 100a, 100b elektrisch mit dem Aufwärtswandler 500 verbunden werden können. In diesem Fall kann der Flansch 78a an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 184 und die innere Längsrippe 185 oder 186 definiert ist, so dass er die Öffnung 15a umgibt. In ähnlicher Weise kann die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10b z.B. zwischen der äußeren Längsrippe 183 und der inneren Längsrippe 185 gebildet werden. In diesem Fall kann der Flansch 78b an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 183 und die innere Längsrippe 185 oder 186 begrenzt wird, so dass er die Öffnung 15a umgibt.
Die Stapelgehäuse 10a, 10b sind nicht auf die Elemente beschränkt, welche die gleiche Form und Größe haben. Beispielsweise kann die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a zwischen der äußeren Längsrippe 184 und der inneren Längsrippe 186, wie oben beschrieben, ausgebildet werden, und die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10b kann zwischen den inneren Längsrippen 185, 186, wie in 2 dargestellt, oder zwischen der äußeren Längsrippe 183 und der inneren Längsrippe 185, wie oben beschrieben, ausgebildet werden. Die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10a kann, wie in 2 gezeigt, zwischen den inneren Längsrippen 185, 186 gebildet werden, und die Öffnung 15a des Stapelgehäuses 10b kann, wie oben beschrieben, zwischen der äußeren Längsrippe 183 und der inneren Längsrippe 185 gebildet werden.
Der Flansch 18 umfasst insgesamt vier Rippen, die sich in X-Richtung erstrecken, d.h. die äußeren Längsrippen 183, 184 und die inneren Längsrippen 185, 186. Der Flansch 18 braucht jedoch nur drei oder mehr in X-Richtung verlaufende Rippen zu enthalten. Zum Beispiel kann die innere Längsrippe 186 beim Flansch 18 des Stapelgehäuses 10a weggelassen werden. In diesem Fall kann der Flansch 78a des Deckels 70 der Brennstoffzelleneinheit 1 an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 184 und die innere Längsrippe 185 des Flansches 18 des Stapelgehäuses 10a definiert ist. Ebenso kann die innere Längsrippe 185 des Flansches 18 des Stapelgehäuses 10b weggelassen werden. In diesem Fall kann der Flansch 78b des Deckels 70 der Brennstoffzelleneinheit 1 an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die Querrippen 181, 182, die äußere Längsrippe 183 und die innere Längsrippe 186 des Flansches 18 des Stapelgehäuses 10b definiert ist.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellenstapel 100a, 100b durch die Relais-Sammelschiene 111 elektrisch in Reihe miteinander verbunden. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Zum Beispiel können die beiden Brennstoffzellenstapel 100a, 100b durch eine Verbindungs-Sammelschiene elektrisch parallel zum Aufwärtswandler, der ein Leistungswandler ist, verbunden werden.
Das Wandlergehäuse 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 besteht aus dem wannenförmigen Körper 50 und dem rahmenförmigen Deckel 70. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. So können z.B. die äußere Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10a und die äußere Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10b, die in Z-Richtung nebeneinander liegen, einander berühren, die gesamten oberen Endflächen der Flansche 18 der Stapelgehäuse 10a, 10b können auf derselben XZ-Ebene liegen, und diese oberen Endflächen können direkt an der unteren Endfläche des Flansches 59 des Körpers 50 befestigt werden. Diese Konfiguration reduziert die Anzahl der erforderlichen Bauteile. In diesem Fall muss der Flansch 59 des Körpers 50 in einen nach innen gerichteten Flansch geändert werden, so dass er dem Flansch 18 entspricht. Der Flansch 59 kann sowohl von der äußeren Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10a als auch von der äußeren Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10b nach innen angeordnet werden, braucht nicht an der äußeren Längsrippe 184 des Stapelgehäuses 10a und der äußeren Längsrippe 183 des Stapelgehäuses 10b befestigt werden und kann an einem rahmenförmigen Bereich befestigt werden, der durch die innere Längsrippe 185 des Stapelgehäuses 10a, die innere Längsrippe 186 des Stapelgehäuses 10b und die Querrippen 181, 182 der Stapelgehäuse 10a, 10b definiert ist. In diesem Fall ist die Öffnung 56 des Körpers 50 ein Beispiel für die zweite Öffnung.
Der Stapelgehäuse 10a bringt über die Feder 109 eine Druckbelastung in X-Richtung auf den Stapel 107 auf. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann eine Druckbelastung in X-Richtung auf den Stapel 107 aufgebracht werden, indem die Druckplatte 105 ohne einer dazwischenliegenden Feder 109 in direktem Kontakt mit der Seitenwand 11 des Stapelgehäuses 10a steht und die Endplatte 12a an dem Stapelgehäuse 10a befestigt ist. Alternativ kann eine Stellschraube an der Seitenwand 11 vorgesehen werden, und mit der Stellschraube kann eine Druckbelastung in X-Richtung auf den Stapel 107 aufgebracht werden. In diesem Fall variiert der Betrag, um den die Stellschraube von der Seitenwand 11 in Richtung der Druckplatte 105 vorsteht, je nachdem, wie weit die Stellschraube gedreht wird, und eine Druckbelastung in X-Richtung wird auf den Stapel 107 aufgebracht, indem die Druckplatte 105 mit der Stellschraube in Richtung der Endplatte 12a gedrückt wird, die am Stapelgehäuse 10a befestigt ist. In beiden Gehäusen wird eine Druckbelastung in X-Richtung auf den Stapel 107 durch das Stapelgehäuse 10a aufgebracht.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann in ein Fahrzeug usw. eingebaut werden, wobei die Bodenwände 16 der Stapelgehäuse 10a, 10b in Schwerkraftrichtung nach unten zeigen. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann jedoch auch in anderen Ausrichtungen an einem Fahrzeug usw. montiert werden. Zum Beispiel kann die Brennstoffzelleneinheit 1 in einem Fahrzeug usw. mit in Schwerkraftrichtung nach unten gerichteten Endplatten 12a der Stapelgehäuse 10a, 10b montiert werden. In diesem Fall kann flüssiges Wasser leichter aus den Brennstoffzellenstapeln 100a, 100b abgelassen werden, so dass ein Überfluten während der Stromerzeugung und ein Einfrieren des Restwassers in den Brennstoffzellenstapeln 100a, 100b nach Beendigung der Strom- bzw. Leistungserzeugung verhindert werden kann. Dementsprechend wird die Leistungserzeugungsfähigkeit der Brennstoffzellenstapel 100a, 100b weniger wahrscheinlich reduziert. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann in einem Fahrzeug usw. mit in Schwerkraftrichtung nach unten gerichteter oberer Wand 55 des Körpers 50 montiert werden. Dasselbe gilt für die Brennstoffzelleneinheit 1a.
Bei der Brennstoffzelleneinheit 1 wird das Wandlergehäuse 40 an den beiden Stapelgehäusen 10a, 10b befestigt. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Zum Beispiel kann ein einziges Wandlergehäuse an drei oder mehr Stapelgehäusen fixiert werden. In diesem Fall, bei dem die drei oder mehr Stapelgehäuse nebeneinander z.B. in Y-Richtung angeordnet sind, braucht das Wandlergehäuse nur innerhalb von zumindest einem Rippenbereich angeordnet zu sein, der an einem Ende einer Mehrzahl von Rippenbereichen dieser Stapelgehäuse, die sich in X-Richtung erstrecken, angeordnet ist, und einem Rippenbereich, der am anderen Ende der Mehrzahl von Rippenbereichen angeordnet ist.
Obwohl die Ausführungsformen der Erfindung vorstehend ausführlich beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017073199 A [0002]

Claims

Brennstoffzelleneinheit, aufweisend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (100a, 100b); eine Mehrzahl von ersten Gehäusen (10a, 10b), von denen jedes einen entsprechenden der Brennstoffzellenstapel (100a, 100b) aufnimmt; einen Leistungswandler (500), der die elektrische Leistung der Brennstoffzellenstapel (100a, 100b) umwandelt; ein zweites Gehäuse (40), das den Leistungswandler (500) aufnimmt und an den ersten Gehäusen (10a, 10b) befestigt ist; und eine Einheit (111, 112, 113) aus leitfähigen Elementen, die die Brennstoffzellenstapel mit dem Leistungswandler (500) in den ersten Gehäusen (10a, 10b) und dem zweiten Gehäuse (40) elektrisch verbindet, wobei: jeder der Brennstoffzellenstapel (100a, 100b) einen Stapel (107) enthält, der eine Mehrzahl von einzelnen Zellen enthält, die in einer ersten Richtung gestapelt sind; der Stapel (107) mit einer Druckbelastung in der ersten Richtung beaufschlagt ist, die durch ein entsprechendes der ersten Gehäuse (10a, 10b) aufgebracht wird; jedes der ersten Gehäuse (10a, 10b) eine dem zweiten Gehäuse (40) zugewandte Wand (15), einen ersten Flansch, der von der Wand (15) in Richtung des zweiten Gehäuses (40) vorsteht, und eine erste Öffnung (15a) aufweist, die derart in der Wand (15) ausgebildet ist, dass sie von dem ersten Flansch umgeben ist; das zweite Gehäuse (40) einen zweiten Flansch (78a, 78b) aufweist, der derart an den ersten Flanschen der ersten Gehäuse (10a, 10b) befestigt ist, dass er die ersten Öffnungen (15a) der ersten Gehäuse (10a, 10b) umgibt, und eine zweite Öffnung (781a, 781b), die derart ausgebildet ist, dass sie von dem zweiten Flansch (78a, 78b) umgeben ist und mit den ersten Öffnungen (15a) in Verbindung steht; die Einheit (111, 112, 113) aus leitfähigen Elementen sich von jeder der ersten Öffnungen (15a) durch die zweite Öffnung (781a, 781b) in das zweite Gehäuse (40) erstreckt; jeder der ersten Flansche zumindest drei Rippen (183, 184, 185, 186) aufweist, die sich in der ersten Richtung erstrecken und in einer die erste Richtung kreuzenden zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind; die ersten Gehäuse (10a, 10b) so angeordnet sind, dass die zumindest drei Rippen (183, 184, 185, 186) jedes der ersten Gehäuse (10a, 10b) sich in der ersten Richtung erstrecken und in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind; eine Länge des zweiten Gehäuses (40) in der zweiten Richtung kleiner ist als eine Gesamtlänge der ersten Gehäuse (10a, 10b) in der zweiten Richtung; und der zweite Flansch (78a, 78b) von zumindest einer der Rippen (183, 184) getrennt ist, die sich von den zumindest drei Rippen (183, 184, 185, 186) der ersten Gehäuse (10a, 10b), die in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, an einem ersten Ende und einem zweiten Ende befinden, und an zwei der zumindest drei Rippen mit Ausnahme der zumindest einen der Rippen (183, 184) befestigt ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, wobei die zumindest drei Rippen zumindest vier Rippen umfassen, und der zweite Flansch (78a, 78b) von den beiden Rippen (183, 184) getrennt ist, die sich von den zumindest vier Rippen (183, 184, 185, 186) der ersten Gehäuse (10a, 10b), die in der zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, an dem ersten Ende und dem zweiten Ende befinden, und an zwei der zumindest vier Rippen mit Ausnahme der beiden Rippen (183, 184) befestigt ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Flansch (78a, 78b) an der Rippe befestigt ist, die der ersten Öffnung in zumindest einem der ersten Gehäuse (10a, 10b) am nächsten liegt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Stapel (107) eine erste und eine zweite Anschlussplatte (101, 102) aufweist, zwischen denen die einzelnen Zellen sandwichartig angeordnet sind und die in der ersten Richtung voneinander getrennt sind; die erste Öffnung eine Form hat, die in der ersten Richtung länger ist als in der zweiten Richtung; und die Einheit (111, 112, 113) aus leitfähigen Elementen erste und zweite leitfähige Elemente enthält, die durch die erste Öffnung entsprechend mit der ersten und zweiten Anschlussplatte (101, 102) verbunden sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Gehäuse (40) eine Mehrzahl der zweiten Flansche (78a, 78b), die jeweils an einem entsprechenden der ersten Flansche der ersten Gehäuse (10a, 10b) befestigt sind, und eine Mehrzahl der zweiten Öffnungen (781a, 781b) enthält, die jeweils von einem entsprechenden der zweiten Flansche (78a, 78b) umgeben sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 5, wobei: das zweite Gehäuse (40) einen wannenförmigen Körper (50) und einen Deckel (70) umfasst, der an dem wannenförmigen Körper (50) befestigt ist; der wannenförmige Körper (50) einen dritten Flansch (59) und eine dritte Öffnung (56) umfasst, die von dem dritten Flansch (59) umgeben ist; der Deckel (70) die zweiten Flansche (78a, 78b), die zweiten Öffnungen (781a, 781b), einen vierten Flansch (79), der an dem dritten Flansch (59) befestigt ist, und eine vierte Öffnung (791), die von dem vierten Flansch (79) umgeben ist, umfasst; und jeder von dem dritten und dem vierten Flansch (59, 79) größer als der zweite Flansch (78a, 78b) ist.