-
GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelleneinheit.
-
HINTERGRUND
-
Die Brennstoffzelleneinheit umfasst einen Brennstoffzellenstapel und einen Leistungswandler, die ein Stapelgehäuse bzw. ein Leistungswandlergehäuse mit den darin enthaltenen erforderlichen Elementen umfassen. Wie aus 1 und 5 und dergleichen ersichtlich ist, offenbart Patentliteratur 1 den Aufbau eines Gehäuses, in dem ein Stapelgehäuse, eine Endplatte und ein Leistungswandlergehäuse jeweils gekoppelt sind. In diesem Gehäuse sind eine Brennstoffzelle und eine Leistungswandlerkomponente durch Stromschienen elektrisch verbunden.
-
In Patentliteratur 2 wird offenbart, dass ein Brennstoffzellengehäuse ein Stapelgehäuse zur Aufnahme eines Brennstoffzellenstapels und eines Hochsetzstellers sowie ein Paar Stapelstromschienen umfasst, die an beiden Endabschnitten in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind; und ferner eine erste Trennplatte und eine zweite Trennplatte umfasst, die das Innere des Stapelgehäuses in einen Raum, in dem der Brennstoffzellenstapel untergebracht ist, und einen Raum, in dem der Hochsetzsteller untergebracht ist, unterteilen. Die erste Trennplatte und die zweite Trennplatte haben Schlitze 14b bzw. 15b, in die die Stapelstromschienen eingeführt werden, und überlappende Abschnitte 14a und 15a, die sich gegenseitig überlappen.
-
Zitierliste
-
Patentliteratur
-
- Patentliteratur 1: JP 2017 - 073 199 A
- Patentliteratur 2: JP 2019 - 145 413 A
-
KURZFASSUNG
-
Technisches Problem
-
Wenn die Stromabgabe der Brennstoffzelle groß ist, sollte die Wärmeentwicklung durch Vergrößerung der Querschnittsfläche der Stromschiene unterdrückt werden. Um die Querschnittsfläche der Stromschiene zu vergrößern, ist es notwendig, mindestens eines von einer Blechdicke und einer Blechbreite der Stromschiene zu erhöhen. Allerdings verschlechtert sich die Formbarkeit der Stromschiene, wenn die Blechdicke erhöht wird, und es ist notwendig, die Breite der Öffnung (des Schlitzes) einer Wand des Stapelgehäuses zu vergrößern, um die Blechbreite zu erhöhen. Andererseits dient die Wand des Stapelgehäuses als Träger, um die Drucklast des Stapels der Brennstoffzelle zu halten. Wird die Breite der Öffnung der Wand vergrößert, wird die Funktion als Träger durch die Verringerung der Festigkeit der Wand gesenkt, und es wird schwierig, die Last geeignet zu halten.
-
In Anbetracht der vorstehend bezeichneten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinheit zu schaffen, die in der Lage ist, die Wärmeerzeugung in einer Stromschiene zu unterdrücken und gleichzeitig die Festigkeit eines Stapelgehäuses zu erhalten.
-
Lösung des Problems
-
Die vorliegende Anmeldung offenbart eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Leistungswandler und Stromschienen zum elektrischen Verbinden des Brennstoffzellenstapels und des Leistungswandlers, wobei der Brennstoffzellenstapel aufweist: ein Stapelgehäuse; gestapelte Brennstoffzellen, die eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen umfassen, die als Ganzes plattenförmig sind, wobei die gestapelten Brennstoffzellen in dem Stapelgehäuse angeordnet sind; Stromabnehmerplatten, die an beiden Enden der gestapelten Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung der Brennstoffzellen angeordnet sind; und Laschen bzw. Kontaktfahnen (EN: tabs), die sich von den Stromabnehmerplatten in Richtung des Leistungswandlers erstrecken, wobei der Leistungswandler ein mit dem Stapelgehäuse gekoppeltes Leistungswandlergehäuse und eine in dem Leistungswandlergehäuse angeordnete Leistungswandlerkomponente aufweist, wobei ein Teil der Stromschiene in einem Schlitz angeordnet ist, der an einer Wand des Stapelgehäuses ausgebildet ist, wobei die Stromschienen jeweils einen Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt zum Verbinden mit den Kontaktfahnen an einer ersten Oberfläche, einen Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt, der mit der Leistungswandlerkomponente an einer zweiten Oberfläche verbunden ist, die zu einer Ebene gehört, die eine Ebene schneidet, zu der die erste Oberfläche gehört, sowie eine Vielzahl von plattenförmigen Verbindungsabschnitten zum Verbinden des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts und des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts aufweisen, und wobei die Verbindungsabschnitte jeweils eine Plattenoberfläche aufweisen, wobei zumindest ein Teil der Plattenoberfläche die Ebene, die zu der ersten Oberfläche gehört, und die Ebene, die zu der zweiten Oberfläche gehört, schneidet.
-
Die Stromschienen können ferner jeweils einen Verbindungsabschnitt mit einer Plattenoberfläche aufweisen, wobei zumindest ein Teil der Plattenoberfläche parallel zu der zur ersten Oberfläche gehörenden Ebene verläuft.
-
Der Verbindungsabschnitt kann einen gebogenen Abschnitt aufweisen.
-
Vorteilhafte Effekte
-
Gemäß der Brennstoffzelleneinheit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den elektrischen Widerstand durch Vergrößerung der Querschnittsfläche, durch die der Strom fließt, zu verringern, ohne die Plattendicke oder die Breite der Stromschiene zu vergrößern. Es ist somit möglich, die Wärmeentwicklung der Stromschiene auch bei einem großen Strom zu unterdrücken, ohne die Festigkeit des Stapelgehäuses zu beeinträchtigen.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine perspektivische Außenansicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit von 1;
- 3 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelleneinheit von 1;
- 4 ist eine Querschnitts-Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit von 1;
- 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Stromschiene gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 6 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anordnung der Stromschienen aus 5;
- 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Stromschiene gemäß einer ersten Modifikation; und
- 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Stromschiene gemäß einer zweiten Modifikation.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1. Aufbau der Brennstoffzelleneinheit
-
Die 1 bis 4 zeigen Ansichten, die die Brennstoffzelleneinheit 10 veranschaulichen. 1 ist eine perspektivische Außenansicht der Brennstoffzelleneinheit 10, 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit 10, 3 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelleneinheit 10 (Querschnittsansicht entlang einer XZ-Ebene), und 4 ist eine Querschnitts-Explosionsansicht der Brennstoffzelleneinheit 10 (Querschnittsansicht entlang einer XZ-Ebene). In den Querschnittsansichten der 3 und 4 sind die Schnittflächen der Brennstoffzellen 23 nicht schraffiert, um die Lesbarkeit zu erhöhen. In jeder Zeichnung sind die Richtungen gemäß einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (X-, Y-, Z-Koordinatensystem) dargestellt.
-
Wie aus diesen Zeichnungen hervorgeht, umfasst die Brennstoffzelleneinheit 10 einen Brennstoffzellenstapel 20, einen Leistungswandler 30 und Stromschienen 40. Die einzelnen Konfigurationen werden im Folgenden beschrieben.
-
1.1. Brennstoffzellenstapel
-
Wie aus den 1 bis 4 ersichtlich ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 20 ein Stapelgehäuse 21, eine Endplatte 22, die Brennstoffzellen 23, Stromabnehmerplatten 24, Isolierplatten bzw. -folien oder -bahnen 25 und ein Vorspannelement 26.
-
[Stapelgehäuse]
-
Das Stapelgehäuse 21 ist ein Gehäuse zur Unterbringung einer Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen 23, der Stromabnehmerplatten 24, der Isolierplatten 25 und des Vorspannelements 26 darin. Das Stapelgehäuse 21 ist in dieser Ausführungsform ein rechteckiges, parallelepipedisches Gehäuse ohne eine Wand und mit einer Öffnung 21a. Der plattenförmige Teil entlang der Kante des Stapelgehäuses 21 des Abschnitts, in dem die Öffnung 21a ausgebildet ist, ragt auf der gegenüberliegenden Seite der Öffnung 21a hervor und bildet einen Flansch 21b. Die Endplatte 22 ist über den Flansch 21b mit dem Stapelgehäuse 21 verbunden.
-
Des Weiteren ist in dem Wandabschnitt des Stapelgehäuses 21, in dem der Leistungswandler 30 angeordnet ist, ein Schlitz 21c ausgebildet. In dem Schlitz 21c sind, wie später beschrieben wird, die Stromschienen 40 angeordnet, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den Stromabnehmerplatten 24 und einer Leistungswandlerkomponente 32 des Leistungswandlers 30 hergestellt wird.
-
Der Schlitz 21c dringt also in Richtung der Wandstärke (in dieser Ausführungsform in Z-Richtung) ein, so dass die Innen- und Außenseite des Stapelgehäuses 21 miteinander kommunizieren können. Der Schlitz 21c ist so langgestreckt, dass er sich in der Richtung erstreckt, in der die Brennstoffzellen 23 gestapelt sind (in dieser Ausführungsform in X-Richtung).
-
Die Breite des Schlitzes 21c (in dieser Ausführungsform die Größe in Y-Richtung) hat eine Größe, in die die Stromschiene 40 eingeführt werden kann, und beträgt vorzugsweise 10 % oder mehr und 40 % oder weniger in Bezug auf die Breite der Brennstoffzelle 23 (in dieser Ausführungsform die Größe in Y-Richtung). Eine geringere Breite des Schlitzes 21c führt dazu, dass eine kleinere Stromschiene erforderlich ist, was zu Problemen führen kann, wie z. B. einer erhöhten Wärmeentwicklung aufgrund eines erhöhten elektrischen Widerstands. Andererseits besteht bei einem breiteren Schlitz 21c die Möglichkeit, dass eine gleichmäßige Flächendruckbeaufschlagung auf die gestapelten Brennstoffzellen 23 aufgrund einer Durchbiegung der Brennstoffzellen 23 an einer Stelle des Schlitzes 21c schwierig ist.
-
Der Schlitz 21c entlang des Randes des Stapelgehäuses 21 der damit versehenen Wand ragt auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes 21c hervor und bildet einen Flansch 21d. Ein Leistungswandlergehäuse 31 des Leistungswandlers 30 ist mit dem Stapelgehäuse 21 an dem Flansch 21d durch einen Bolzen bzw. eine Schraube und dergleichen verbunden.
-
Unter dem Gesichtspunkt, dass es die Funktion hat, die Brennstoffzelle 23 von außen zu schützen, hat das Stapelgehäuse 21 eine vorbestimmte Stärke und ist vorzugsweise aus Metall mit einer Dicke von etwa 2 mm oder mehr und 5 mm oder weniger hergestellt.
-
[Endplatte]
-
Die Endplatte 22 ist ein plattenförmiges Element. Ein Teil ihres äußeren Umfangsendabschnitts ist so vorgesehen, dass er vorsteht und einen Flansch 22a bildet.
-
Die Endplatte 22 verschließt die Öffnung 21a des Stapelgehäuses 21. Der Flansch 22a ist so angeordnet, dass er den Flansch 21b des Stapelgehäuses 21 überlagert. Dann wird die Endplatte 22 beispielsweise mit dem Stapelgehäuse 21 mit einer Schraube, einer Mutter und dergleichen, die so angeordnet sind, dass sie den Flansch 21b und den Flansch 22a durchdringen, gekoppelt, um die Öffnung 21a des Stapelgehäuses 21 abzudecken.
-
Die Endplatte 22 fungiert somit als Deckel für das Stapelgehäuse 21. Es ist wünschenswert, dass die Endplatte 22 eine hohe Festigkeit aufweist, um eine Durchbiegung der Brennstoffzellen 23 zu verhindern. Daher ist es vorteilhaft, dass die Endplatte 22 aus Metall besteht und ihre Dicke gleich oder größer ist als die Dicke der Wand, die das Stapelgehäuse 21 bildet, und die Dicke des Flansches 21b. Die Dicke der Endplatte 22 beträgt z.B. 10 mm oder mehr und 30 mm oder weniger.
-
[Brennstoffzelle]
-
Die Brennstoffzellen 23 enthalten jeweils eine bekannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die sandwichartig zwischen zwei Separatoren gehalten ist. Die MEA ist ein Stapel aus einem Festpolymerfilm, einer negativen Elektroden-Katalysatorschicht, einer positiven Elektroden-Katalysatorschicht, einer negativen Elektroden-Gasdiffusionsschicht, einer positiven Elektroden-Gasdiffusionsschicht und dergleichen. In dem Brennstoffzellenstapel 20 werden dann mehrere solcher Brennstoffzellen 23 gestapelt, um gestapelte Brennstoffzellen zu bilden.
-
Jede der Brennstoffzellen 23 hat als Ganzes die Form einer Platte. In dieser Ausführungsform sind die Brennstoffzellen 23 so angeordnet, dass die Plattenoberflächen entlang der YZ-Ebene liegen und in X-Richtung übereinander angeordnet sind.
-
[Stromabnehmerplatten]
-
Die Stromabnehmerplatten 24 sind Stromabnehmerplatten zur Entnahme der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung und sind auf der einen Seite bzw. auf der anderen Seite in Stapelrichtung (X-Richtung) der Brennstoffzellen 23 in Bezug auf die gestapelten Brennstoffzellen angeordnet. Die Stromabnehmerplatte 24 auf der einen Seite ist eine Stromabnehmerplatte der + (plus) Seite, und die Stromabnehmerplatte 24 auf der anderen Seite ist eine Stromabnehmerplatte der - (minus) Seite. In dieser Ausführungsform ist die Stromabnehmerplatte 24, die sich näher an der Endplatte 22 befindet, eine Stromabnehmerplatte der - Seite, und die Stromabnehmerplatte 24 der +-Seite ist auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet.
-
Laschen bzw. Kontaktfahnen 24a erstrecken sich von den Stromabnehmerplatten 24 in Richtung des Schlitzes 21c und sind mit den Stromschienen 40 verbunden, wie später beschrieben. Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, sind die Kontaktfahnen 24a in dieser Ausführungsform so gebogen, dass ihre Spitzen parallel zur XY-Ebene verlaufen.
-
Das Material und die Form der Stromabnehmerplatten sind bekannt.
-
[Isolierplatten]
-
Die Isolierplatten 25 sind Bahnen bzw. Folien zur elektrischen Isolierung eines Stapels aus den gestapelten Brennstoffzellen und den Stromabnehmerplatten 24 sowie dem Stapelgehäuse 21 und der Endplatte 22. Die Isolierplatten 25 sind nicht besonders begrenzt, solange sie die erforderliche Isolierleistung aufweisen, und es kann eine bekannte Folie verwendet werden. Dementsprechend werden die Isolierplatten 25 auf die Seite der jeweiligen Stromabnehmerplatten 24 laminiert, die der Seite, auf der die Brennstoffzellen 23 angeordnet sind, gegenüberliegt.
-
[Vorspannelement]
-
Das Vorspannelement 26, eine Vielzahl der Brennstoffzellen 23, die Stromabnehmerplatten 24 und die Isolierplatten bzw. -folien oder -bahnen 25 sind zusammen im Inneren des Stapelgehäuses 21 untergebracht, um einen Stapel (gestapelte Zellen) durch eine Vielzahl der Brennstoffzellen 23, die Stromabnehmerplatten 24 und die Isolierplatten 25 in der Stapelrichtung (X-Richtung) zu pressen, um einen Oberflächendruck auf die Brennstoffzellen 23 auszuüben.
-
Die Form des Vorspannelements 26 ist nicht besonders begrenzt, solange das Vorspannelement einen Flächendruck auf die Brennstoffzellen 23 so gleichmäßig wie möglich ausüben kann, und Beispiele dafür umfassen eine Form, in der eine Vielzahl von Tellerfedern angeordnet sind.
-
1.2. Leistungswandler
-
Der Leistungswandler 30 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 20, beispielsweise ein Wandler oder ein Wechselrichter. Ein Wandler hebt oder senkt die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels, und ein Wechselrichter wandelt die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels von Gleichstrom in Wechselstrom um.
-
In dieser Ausführungsform besteht der Leistungswandler 30 aus dem Leistungswandlergehäuse 31 und der Leistungswandlerkomponente 32.
-
[Leistungswandlergehäuse]
-
Das Leistungswandlergehäuse 31 ist ein Gehäuse zur Aufnahme der Leistungswandlerkomponente 32 und der Stromschienen 40. Das Leistungswandlergehäuse 31 ist in dieser Ausführungsform ein Gehäuse aus einem rechteckigen Parallelepiped, ohne eine Wand, mit einer Öffnung 31a. Der plattenförmige Teil entlang der Kante des Leistungswandlergehäuses 31 des Abschnitts, in dem die Öffnung 31a ausgebildet ist, ragt auf der gegenüberliegenden Seite der Öffnung 31a hervor und bildet einen Flansch 31b. Der Leistungswandler 30 ist mit dem Stapelgehäuse 21 am Flansch 31b durch eine Schraube und dergleichen verbunden.
-
Ferner sind in den Wänden der Abschnitte, in denen die Stromschienen 40 im Leistungswandlergehäuse 31 angeordnet sind, Löcher 31c vorgesehen. Es ist möglich, die Stromschienen 40 von außen durch die Löcher 31c mit den Anschlüssen der Leistungswandlerkomponente 32 zu verbinden.
-
Ähnlich wie das Stapelgehäuse 21 hat das Leistungswandlergehäuse 31 vorzugsweise eine vorbestimmte Festigkeit und ist vorzugsweise aus Metall mit einer Dicke von etwa 2 mm oder mehr und 5 mm oder weniger hergestellt.
-
[Leistungswandlerkomponente]
-
Die Leistungswandlerkomponente 32 ist ein Abschnitt zur Umwandlung von Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 und ist ein Element, das eine Funktion als Wandler oder Wechselrichter hat. Für die Leistungswandlerkomponente 32 kann jede bekannte Komponente verwendet werden.
-
1.3. Stromschienen
-
Die Stromschienen 40 sind Elemente zur elektrischen Verbindung der Stromabnehmerplatten 24 des Brennstoffzellenstapels 20 und der Leistungswandlerkomponente 32 des Leistungswandlers 30. In dieser Ausführungsform werden die Stromschienen 40 in gleicher Form für die beiden Stromabnehmerplatten 24 verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Stromschiene 40 der vorliegenden Ausführungsform kann nur für eine der beiden Platten verwendet werden, während für die andere eine bekannte Stromschiene verwendet werden kann. Obwohl die Stromschienen 40 auch in den 2 bis 4 dargestellt sind, zeigt 5 eine perspektivische Ansicht der vergrößerten Stromschiene 40.
-
Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, umfassen die Stromschienen 40 jeweils einen Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41, einen Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42, erste Verbindungsabschnitte 43 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 44.
-
[Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt]
-
Der Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 ist ein Abschnitt, der mit der Lasche bzw. Kontaktfahne 24a der Stromabnehmerplatte 24 verbunden ist. Der Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 ist mit der Kontaktfahne 24a an einer ersten Oberfläche (XY-Ebene in dieser Ausführungsform) verbunden. Das heißt, die Spitze jeder der Kontaktfahnen 24a ist in dieser Ausführungsform so geformt, dass sie parallel zur XY-Ebene ist, und der Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 hat eine Plattenform mit einer Plattenoberfläche parallel zur XY-Ebene, um die Kontaktfahne 24a zu überlagern.
-
[Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt]
-
Der Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42 ist ein Abschnitt zum Verbinden mit einem beliebigen Anschluss (nicht dargestellt) der Leistungswandlerkomponente 32. Der Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42 ist mit der Leistungswandlerkomponente 32 auf einer Oberfläche verbunden, die zu einer Ebene (YZ-Ebene in dieser Ausführungsform) gehört, die die zur ersten Oberfläche gehörende Ebene (XY-Ebene in dieser Ausführungsform) schneidet.
-
Mit „zu ... gehörende Ebene“ ist hier eine Ebene gemeint, die eine interessierende Oberfläche einschließt.
-
In dieser Ausführungsform hat jeder Anschluss der Leistungswandlerkomponente 32 eine Oberfläche parallel zur YZ-Ebene, und der Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42 hat eine Plattenform mit einer Plattenoberfläche parallel zur YZ-Ebene, um den Anschluss zu überlagern.
-
[Verbindungsabschnitt]
-
Die Verbindungsabschnitte sind plattenförmige Abschnitte zum Verbinden und elektrischen Leiten des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts 41 und des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts 42. In dieser Ausführungsform sind zwei Arten von Verbindungsabschnitten, die erste Verbindungsabschnitte 43 und der zweite Verbindungsabschnitt 44, enthalten.
-
In mindestens einem Teil jedes der ersten Verbindungsabschnitte 43 sind die Plattenoberflächen ebene Flächen (XZ-Ebene in dieser Ausführungsform), die sowohl die Ebene, zu der die oben beschriebene erste Oberfläche gehört (XY-Ebene in dieser Ausführungsform), als auch die Ebene, zu der die zweite Oberfläche gehört (YZ-Ebene in dieser Ausführungsform), schneiden. Daher hat bei der vorliegenden Ausführungsform zumindest ein Teil jedes der ersten Verbindungsabschnitte 43 eine Plattenform mit einer Plattenoberfläche parallel zur XZ-Ebene und einer Plattendicke in Y-Richtung. Dadurch wird die Größe der Stromschiene 40 in Y-Richtung (Breitenrichtung) gering gehalten, während die Querschnittsfläche für die elektrische Leitung des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts 41 und des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts 42 vergrößert wird.
-
Hier kann die „Plattenoberfläche“ wie üblich betrachtet werden und ist jede andere Oberfläche als die Oberflächen, die die Plattendicke in dem plattenförmigen Element bilden.
-
Die ersten Verbindungsabschnitte 43 in dieser Ausführungsform verbinden die Endabschnitte in Y-Richtung des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts 41 und des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts 42. Daher sind in dieser Ausführungsform die beiden ersten Verbindungsabschnitte 43 insgesamt an den in Y-Richtung verlaufenden Endabschnitten des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts 41 bzw. des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts 42 vorgesehen. Die Anzahl der ersten Verbindungsabschnitte 43 kann unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung der Wärmeerzeugung durch Verringerung des elektrischen Widerstands durch Sicherstellung einer größeren Querschnittsfläche drei oder mehr betragen.
-
Zumindest in einem Teil des zweiten Verbindungsabschnitts 44 ist eine Plattenoberfläche eine Oberfläche (in dieser Ausführungsform die XY-Ebene), die parallel zu der Ebene liegt, zu der die oben beschriebene erste Oberfläche gehört.
-
In der vorliegenden Ausführungsform hat der zweite Verbindungsabschnitt 44 eine Plattenform mit einer Plattenoberfläche parallel zur XY-Ebene und einer Plattendicke in der Z-Richtung. Das heißt, der zweite Verbindungsabschnitt 44 ist so beschaffen, dass die Ebene, zu der die Plattenoberfläche des zweiten Verbindungsabschnitts 44 gehört, im Wesentlichen dieselbe oder parallel zu der Ebene ist, zu der die Plattenoberfläche des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts 41 gehört, und so, dass er eine Plattenoberfläche hat, die die Ebene schneidet, zu der die Plattenoberfläche des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts 42 gehört, und eine Plattendicke in der Z-Richtung hat.
-
[Herstellung von Stromschienen usw.]
-
Die ersten Verbindungsabschnitte 43 und der zweite Verbindungsabschnitt 44 haben in dieser Ausführungsform erste Abschnitte 43a und 44a, die mit dem Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 verbunden sind, zweite Abschnitte 43b und 44b, die mit dem Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42 verbunden sind, und dritte Abschnitte 43c und 44c, die die ersten Abschnitte 43a und 44a und die zweiten Abschnitte 43b und 44b verbinden. Bei einer solchen Struktur werden der Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 und der erste Abschnitt 43a durch Biegen hergestellt, der Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42 und die zweiten Abschnitte 43b und 44b werden durch Biegen hergestellt, und zwei Arten dieser Abschnitte werden durch die dritten Abschnitte 43c und 44c verbunden, wodurch es möglich ist, die Stromschiene 40 herzustellen. Dies ermöglicht die einfache Herstellung der Stromschienen 40 durch einfaches Biegen und Verbinden.
-
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das vorstehend Beschriebene beschränkt. Die Stromschienen 40 können einstückig ohne Verbindungsabschnitte durch Pressformen aus einer Platte, z. B. durch Tiefziehen oder dergleichen, hergestellt werden. Die Verbindungsabschnitte können einstückig mit dem Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 und dem Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt 42 verbunden sein, ohne in den ersten, zweiten und dritten Abschnitt unterteilt zu sein.
-
Die Plattendicke jedes Abschnitts, der die Stromschienen 40 bildet, ist nicht besonders begrenzt und kann im Hinblick auf die Größe des fließenden Stroms geeignet bestimmt werden, kann aber etwa 1 mm oder mehr und 5 mm oder weniger betragen. Obwohl es keine besondere Beschränkung für das Material der einzelnen Abschnitte der Stromschienen 40 gibt, ist es vorteilhaft, dass das Material ein Material ist, das aufgrund seiner Eigenschaften einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, und zum Beispiel kann Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder ähnliches verwendet werden.
-
1.4. Kombination von Elementen, die eine Brennstoffzelleneinheit bilden
-
Der Brennstoffzellenstapel 20, der Leistungswandler 30 und die Stromschienen 40, wie oben beschrieben, werden wie in den 1 bis 4 gezeigt kombiniert, um die Brennstoffzelleneinheit 10 zu bilden.
-
Mehrere Brennstoffzellen 23 sind in X-Richtung übereinander angeordnet, um gestapelte Brennstoffzellen zu bilden. Die Stromabnehmerplatten 24 sind jeweils an beiden Enden der Brennstoffzellen 23 in der Stapelrichtung der gestapelten Brennstoffzellen (X-Richtung) angeordnet. Darüber hinaus sind die Isolierplatten 25 auf den jeweiligen Außenseiten der Stromabnehmerplatten 24 überlagernd angeordnet. Somit bilden die gestapelten Brennstoffzellen, die Stromabnehmerplatten 24 und die Isolierplatten 25 einen Stapel (Stapelzellen).
-
Das Vorspannelement 26 ist auf einer Seite der gestapelten Zellen in Stapelrichtung (X-Richtung) platziert. Dann wird der Stapel, d.h. die gestapelten Zellen, bei denen das Vorspannelement 26 überlagert ist, in das Stapelgehäuse 21 eingebracht. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Vorspannelement 26 gegenüber der Öffnung 21a des Stapelgehäuses 21, und die Seite gegenüber der Seite, auf der das Vorspannelement 26 gestapelt ist, ist die Seite der Öffnung 21a des Stapelgehäuses 21. Ferner sind die Kontaktfahnen 24a der Stromabnehmerplatten 24 so angeordnet, dass sie sich in Richtung des Schlitzes 21c des Stapelgehäuses 21 (Leistungswandler 30) erstrecken.
-
Die Endplatte 22 verschließt die Öffnung 21a des Stapelgehäuses 21, und der Flansch 21b des Stapelgehäuses 21 ist so angeordnet, dass er den Flansch 22a der Endplatte 22 überlagert. Dann wird die Endplatte 22 beispielsweisemit einer Schraube, einer Mutter und dergleichen, die so angeordnet sind, dass sie den Flansch 21b und den Flansch 22a, durchdringen mit dem Stapelgehäuse 21 verbunden, um die Öffnung 21a des Stapelgehäuses 21 abzudecken. Zu diesem Zeitpunkt ist die Endplatte 22 so angeordnet, dass sie eine Oberfläche des Zellstapels berührt. In einer Stellung, in der die Endplatte 22 für das Stapelgehäuse 21 angeordnet ist, drückt das Vorspannelement 26 auf die gestapelten Zellen und übt eine Vorspannkraft auf die gestapelten Zellen aus, so dass der Oberflächendruck auf die Brennstoffzellen 23 ausgeübt wird. Diese Vorspannkraft muss nur dann aufgebracht werden, wenn die Endplatte 22 an dem Stapelgehäuse 21 befestigt ist (durch eine Schraube, eine Mutter und dergleichen).
-
Die Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitte 41 der Stromschienen 40 werden in das Innere des Schlitzes 21c des Stapelgehäuses 21 eingeführt, so dass die Stromschienen 40 auf den Laschen bzw. Kontaktfahnen 24a der Stromabnehmerplatten 24 aufliegen. Wie oben beschrieben, teilen sich beide die erste Oberfläche (in dieser Ausführungsform eine Oberfläche parallel zur XY-Ebene), so dass sie auf der Oberfläche aufliegen, und beide sind durch einen Bolzen bzw. eine Schraube und dergleichen gekoppelt. Somit sind die Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitte 42 der Stromschienen 40 so angeordnet, dass sie aus dem Stapelgehäuse 21 herausragen, und die Plattenoberfläche davon ist die zweite Oberfläche (in dieser Ausführungsform eine Oberfläche parallel zur YZ-Ebene). Somit sind die Plattenflächen der ersten Verbindungsabschnitte 43 der Stromschienen 40 so angeordnet, dass sie die Ebene, zu der die erste Oberfläche gehört (XY-Ebene), und die Ebene, zu der die zweite Oberfläche gehört (YZ-Ebene), schneiden. In dieser Ausführungsform ist die Plattenoberfläche parallel zur XZ-Ebene, und die Y-Richtung ist die Richtung der Plattendicke.
-
Der Leistungswandler 30 ist auf der Oberfläche des Stapelgehäuses 21, wo der Schlitz 21c vorgesehen ist, in einem Zustand angeordnet, in dem die Leistungswandlerkomponente 32 innerhalb des Leistungswandlergehäuses 31 angeordnet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Öffnung 31a des Leistungswandlergehäuses 31 zur Seite des Stapelgehäuses 21 gerichtet, und der Flansch 31b des Leistungswandlergehäuses 31 ist so angeordnet, dass er den Flansch 21d des Stapelgehäuses 21 überlagert. So wird die Öffnung 31a des Leistungswandlergehäuses 31 durch das Stapelgehäuse 21 verschlossen. Dann werden beispielsweise der Flansch 21d und der Flansch 31b durch eine Schraube und dergleichen verbunden, und der Leistungswandler 30 wird am Stapelgehäuse 21 befestigt.
-
Die Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitte 42 der Stromschienen 40 werden auf die Anschlüsse der Leistungswandlerkomponente 32 gelegt. Wie oben beschrieben, teilen sich beide die zweite Oberfläche (in dieser Ausführungsform eine Oberfläche parallel zur YZ-Ebene), so dass sie auf der Oberfläche aufliegen, und beide sind durch eine Schraube und dergleichen gekoppelt. Diese Kopplung kann durch die Löcher 31c erfolgen. Auf diese Weise sind die Stromabnehmerplatten 24 und die Leistungswandlerkomponente 32 elektrisch verbunden. Die Löcher 31c sind durch eine Abdeckung (nicht dargestellt) verschlossen.
-
2. Auswirkungen usw.
-
Die Brennstoffzelleneinheit 10 der vorliegenden Erfindung ist so an einem Fahrzeug montiert, dass die Z-Richtung die vertikale Richtung ist. Das heißt, die Brennstoffzelleneinheit 10 ist so angeordnet, dass die Stapelrichtung der Brennstoffzellen 23 im Wesentlichen horizontal ist. Die Ausrichtung der Brennstoffzelleneinheit 10 ist jedoch nicht besonders begrenzt.
-
6 zeigt zur Veranschaulichung eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzelleneinheit 10. Auf die Darstellung des Leistungswandlers 30 wird in 6 jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
-
Gemäß der Brennstoffzelleneinheit 10 der vorliegenden Erfindung sind die Stromschienen 40 jeweils mit einer Mehrzahl von ersten Verbindungsabschnitten 43 versehen. Im Vergleich zu dem Fall, in dem die Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitte 41 und die Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitte 42 nur durch die zweiten Verbindungsabschnitte 44 verbunden sind, ist somit eine Vielzahl der ersten Verbindungsabschnitte 43 angeordnet, so dass sich die leitende Querschnittsfläche der Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitte 41 und der Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitte 42 vergrößert, was es ermöglicht, den elektrischen Widerstand zu verringern und die Wärmeerzeugung zu unterdrücken.
-
Die Breite jeder der in 5 durch Y1 dargestellten Stromschienen 40 wird trotz der damit verbundenen Vergrößerung der Querschnittsfläche und der Verringerung des elektrischen Widerstands im Vergleich zu den Stromschienen nur durch die zweiten Verbindungsabschnitte 44 kaum verändert. Daher ist es möglich, den elektrischen Widerstand der Stromschienen 40 zu verringern, ohne die Breite des in 2 durch Y2 dargestellten Schlitzes 21c zu vergrößern. Da die Festigkeit des Stapelgehäuses 21 nicht abnimmt, werden die Brennstoffzellen 23 weniger verformt, so dass die Höhe der gleichmäßigen Flächendruckbeaufschlagung auf die Brennstoffzellen 23 beibehalten werden kann.
-
Darüber hinaus wird die Verarbeitbarkeit verbessert, da es nicht notwendig ist, die Dicke der einzelnen Abschnitte, die die Stromschienen bilden, zu erhöhen. Eine solche Konfiguration ist sehr produktiv.
-
Im Übrigen wurde das dreidimensionale kartesische Koordinatensystem (X, Y, Z) aus Gründen der Erklärung und des einfachen Verständnisses verwendet. Und das Beispiel so, dass die Ausrichtung und Beziehung jedes Elements (z.B. erste Oberfläche, zweite Oberfläche, Plattendicke usw.) mit der Achse (X, Y, Z) und Ebene (XY-Ebene, XZ-Ebene, YZ-Ebene) des Koordinatensystems übereinstimmt. Die Ausrichtung und Beziehung der einzelnen Elemente muss jedoch nicht exakt sein und kann einen Winkel in Bezug auf X, Y, Z, die XY-Ebene, die XZ-Ebene und die YZ-Ebene aufweisen. Kurz gesagt, in der Stromschiene ist es ausreichend, den elektrischen Widerstand durch Vergrößerung der Querschnittsfläche zu reduzieren, indem der erste Verbindungsabschnitt, der den Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt und den Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt verbindet, bereitgestellt wird, ohne die Breite der Stromschiene und die Plattendicke des Elements, das die Stromschiene bildet, stark zu verändern.
-
3. Modifikationen
-
3.1. Erste Modifikation
-
7 zeigt ein Beispiel, in dem der zweite Verbindungsabschnitt 44 nicht enthalten ist, sondern nur die beiden ersten Verbindungsabschnitte 43 in der oben beschriebenen Stromschiene enthalten sind. Dies hat ebenfalls den gleichen Effekt wie oben beschrieben. Andererseits können die drei oder mehr ersten Verbindungsabschnitte 43 unter dem Gesichtspunkt einer weiteren Reduzierung des elektrischen Widerstands vorgesehen werden.
-
3.2. Zweite Modifikation
-
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Stromschiene 40', die in der Brennstoffzelleneinheit der zweiten Modifikation enthalten ist. In der Stromschiene 40' werden dritte Abschnitte 43c', 44c' anstelle der dritten Abschnitte 43c, 44c jeder der oben beschriebenen Stromschienen 40 verwendet. Andere Abschnitte können in der gleichen Weise wie die Stromschienen 40 betrachtet werden und werden daher mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.
-
Die oben beschriebenen dritten Abschnitte 43c, 44c sind plattenförmig, so dass sich ihre Plattenoberflächen vom Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt 41 gerade in Richtung des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts 42 erstrecken. Die dritten Abschnitte 43c', 44c' haben jeweils eine Form mit einem gebogenen Abschnitt, so dass ein Teil davon in Richtung der Dicke vorsteht. Vorzugsweise sollte der Vorsprung des Elements durch den gebogenen Abschnitt in einer solchen Richtung liegen, dass sich die Breite der Stromschiene nicht verbreitert. Dementsprechend ist es vorteilhaft, dass die gebogenen Abschnitte, die in den beiden ersten Verbindungsabschnitten 43 enthalten sind, einander in ihrer Vorsprungsrichtung gegenüberliegen.
-
Wenn das Vorspannelement 26 wie in dieser Ausführungsform im Brennstoffzellenstapel 21 angeordnet ist und dadurch die Brennstoffzellen 23 drückt, variiert die Dicke der Brennstoffzellen 23 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen wie Feuchtigkeit und Temperatur, und während des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit kann sich jede der Stromabnehmerplatten 24 in X-Richtung (Stapelrichtung der Brennstoffzellen) bewegen. Die mit den dritten Abschnitten 43c', 44c' versehene Stromschiene 40' kann einer solchen Bewegung der Stromabnehmerplatte(n) 24 in Stapelrichtung der Brennstoffzellen leicht folgen, und es ist möglich, die Belastung des Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitts und des Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitts zu verringern.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennstoffzelleneinheit
- 20
- Brennstoffzellenstapel
- 21
- Stapelgehäuse
- 2
- Endplatte
- 23
- Brennstoffzelle
- 24
- Stromabnehmerplatte
- 25
- Isolierplatte
- 26
- Vorspannelement
- 30
- Leistungswandler
- 31
- Leistungswandlersgehäuse
- 32
- Leistungswandlerkomponente
- 40
- Stromschiene
- 41
- Stromabnehmerplatten-Verbindungsabschnitt
- 42
- Leistungswandlerkomponenten-Verbindungsabschnitt
- 43
- Erster Anschlussabschnitt
- 44
- Zweiter Anschlussabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2017 [0003]
- JP 073199 A [0003]
- JP 2019 [0003]
- JP 145413 A [0003]
