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TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit.
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2. Beschreibung von für den Sachverhalt relevantem Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine Zelle, die eine elektrische Energie durch eine chemische Reaktion zwischen einem sauerstoffhaltigen Oxidationsgas und einem wasserstoffhaltigen Brenngas erzeugt. Eine Zelle (einzelne Zelle), die eine Basiseinheit für eine Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel) ist, enthält gewöhnlich eine Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly, MEA), bei der Elektrodenkatalysatorschichten auf den gegenüberliegenden Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran ausgebildet sind. Eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer, GDL) ist außerhalb der MEA angeordnet. Ein Abscheider, bzw. eine Trenneinrichtung (engl. separator), die mit einem Gasströmungsweg bereitgestellt ist, ist außerhalb der Gasdiffusionsschicht angeordnet.
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Die Brennstoffzelleneinheit enthält mindestens einen Brennstoffzellenstapel und einen Leistungswandler, bzw. Umrichter (engl. power converter). Zusätzlich enthält die Brennstoffzelleneinheit normalerweise eine Hilfsvorrichtung, die den Betrieb der Brennstoffzelle unterstützt. Beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
2017-135093 (
JP 2017-135093 A ) offenbarte Brennstoffzelleneinheit ist ein Konverter, bzw. Wandler (engl. converter) mit Reaktoren, die im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung der einzelnen Zellen sind, über oder unter dem Brennstoffzellenstapel angeordnet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wenn die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise an einem elektrischen Brennstoffzellenfahrzeug (fuel cell electric vehicle, FCEV) montiert ist, ist es wünschenswert, dass die Brennstoffzelleneinheit eine gute Montierbarkeit (Installierbarkeit) aufweist. Die vorliegende Offenbarung stellt eine Brennstoffzelleneinheit mit einer guten Montierbarkeit bereit.
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Eine Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält einen Brennstoffzellenstapel, einen Leistungswandler, bzw. Umrichter (engl. power converter), der dazu eingerichtet ist, um eine elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels umzuwandeln, bzw. umzurichten, und mindestens eine erste Hilfsvorrichtung als eine Hilfsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, um einen Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu unterstützen, bzw. zu assistieren. Der Leistungswandler ist an einer ersten Oberfläche des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Die Hilfsvorrichtung ist mit einer zweiten Oberfläche des Brennstoffzellenstapels über einen Stapelverteiler (engl. stack manifold) verbunden. Eine Normalenrichtung der ersten Oberfläche und eine Normalenrichtung der zweiten Oberfläche schneiden sich. In einer Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit, gesehen von der Seite der Hilfsvorrichtung, wird ein Gebiet, das von einer Außenkante, bzw. einem Außenrand der ersten Hilfsvorrichtung umgeben ist, als ein Gebiet A bezeichnet, wird ein Gebiet, das von einer Außenkante des Brennstoffzellenstapels umgeben ist, als ein Gebiet B1 bezeichnet, wird ein Gebiet, das von einer Außenkante des Leistungswandlers umgeben ist, als ein Gebiet B2 bezeichnet, und wird ein Gebiet, das durch Zusammenaddieren, bzw. Zusammenfügen des Gebiets B1 und des Gebiets B2 erhalten wird, als ein Gebiet B3 bezeichnet. Das Gebiet A überlappt mindestens einen Abschnitt des Gebiets B1 und mindestens einen Abschnitt des Gebiets B2, und eine Gesamtheit des Gebiets A ist innerhalb des Gebiets B3 enthalten.
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Die Brennstoffzelleneinheit kann eine zweite Hilfsvorrichtung als die Hilfsvorrichtung enthalten. In der Draufsicht, wenn ein Gebiet, das von einer Außenkante der zweiten Hilfsvorrichtung umgeben ist, als ein Gebiet C bezeichnet wird, kann eine Gesamtheit des Gebiets C entweder innerhalb des Gebiets B1 oder des Gebiets B2 enthalten sein.
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Die Brennstoffzelleneinheit kann nicht mit, als die Hilfsvorrichtung, einer Hilfsvorrichtung bereitgestellt sein, die aus dem Gebiet B3 hervorsteht.
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Die erste Hilfsvorrichtung kann mindestens ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider (engl. gas-liquid separator), ein Verdunster (engl. humidifier), oder ein Ejektor (engl. ejector) sein.
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Die Brennstoffzelleneinheit kann mit, als der Leistungswandler, einem Konverter, bzw. Wandler (engl. converter) und einem Inverter, bzw. Wechselrichter (engl. inverter) bereitgestellt sein. Der Konverter und der Inverter können in dieser Reihenfolge von der Seite der ersten Oberfläche angeordnet sein.
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In der Brennstoffzelleneinheit kann ein Anteil, bzw. eine Proportion eines Abschnitts des Gebiets A, der das Gebiet B1 überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets A 50% oder mehr sein.
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Bei der Brennstoffzelleneinheit kann ein Anteil eines Abschnitts des Gebiets A, der das Gebiet B2 überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets A 50% oder mehr sein.
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Die vorliegende Offenbarung weist die Wirkung auf in der Lage zu sein eine Brennstoffzelleneinheit mit einer guten Montierbarkeit bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale, Vorteile und eine technische sowie industrielle Signifikanz von beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung sind im Folgenden mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
- 1A eine schematische Draufsicht einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, betrachtet von einer Seite einer Hilfsvorrichtung im Grundriss (engl. in plan);
- 1B eine schematische Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, betrachtet aus der Rechts-Links-Richtung des Zeichenblatts aus 1A;
- 2A eine schematische Draufsicht einer Brennstoffzelleneinheit eines Vergleichsbeispiels zeigt, betrachtet von einer Seite einer Hilfsvorrichtung im Grundriss;
- 2B eine schematische Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit des Vergleichsbeispiels zeigt, betrachtet aus der Rechts-Links-Richtung des Zeichenblatts aus 2A;
- 3 eine schematische Draufsicht zeigt, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 4 eine schematische Draufsicht zeigt, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 5A eine schematische Draufsicht zeigt, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 5B eine schematische Draufsicht zeigt, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 6A eine schematische Schnittansicht zeigt, die einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 6B eine schematische Schnittansicht zeigt, die eine einzelne Zelle gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 7A eine schematische Draufsicht zeigt, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
- 7B eine schematische Draufsicht zeigt, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Eine Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung ist im Folgenden im Detail beschrieben. Jede im Folgenden gezeigte Figur ist schematisch gezeigt und die Größe und Form eines jeden Abschnitts, bzw. Teils sind entsprechend übertrieben für ein einfaches Verständnis. In der vorliegenden Spezifikation, wenn ein Modus ausgedrückt wird, in dem ein anderes Element, bzw. Bauteil in Bezug auf ein bestimmtes Element angeordnet ist, enthält ein einfaches Beschreiben von „über“ oder „unter“, soweit nicht anderweitig spezifiziert, beide Fälle, in denen das andere Element direkt über oder direkt unter dem bestimmten Element in einer solchen Art und Weise angeordnet ist, dass das andere Element in Kontakt mit dem bestimmten Element ist, und einen Fall, in dem das andere Element über oder unter dem bestimmten Element angeordnet ist, mit einem unterschiedlichen Element dazwischen.
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1A und 1B zeigen schematische Draufsichten, die die Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. 1A zeigt eine Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit, betrachtet von einer Seite einer Hilfsvorrichtung im Grundriss. 1B zeigt eine Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit, betrachtet aus der Rechts-Links-Richtung des Zeichenblatts aus 1A. Wie in 1A und 1B gezeigt, enthält die Brennstoffzelleneinheit 100 einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Leistungswandler, bzw. Umrichter (engl. power converter) 20, der eine elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 umwandelt, bzw. umrichtet, und eine Hilfsvorrichtung 30, die den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 unterstützt. Ferner, wie in 1A und 1B gezeigt, ist der Leistungswandler 20 an einer ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet. Die Hilfsvorrichtung 30 ist mit einer zweiten Oberfläche Y des Brennstoffzellenstapels 10 über einen (nicht gezeigten) Stapelverteiler (engl. stack manifold) verbunden. Wie in 1B gezeigt, schneiden sich die Normalenrichtung M der ersten Oberfläche X und die Normalenrichtung N der zweiten Oberfläche Y. Die Brennstoffzelleneinheit 100 enthält, als die Hilfsvorrichtung 30, eine erste Hilfsvorrichtung 30A. Ferner, wie in 1A gezeigt, in einer Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit 100, betrachtet von der Seite der Hilfsvorrichtung 30, wenn ein Gebiet, das von der Außenkante, bzw. dem Außenrand der ersten Hilfsvorrichtung 30A umgeben ist, als ein Gebiet A bezeichnet wird, ein Gebiet, das von der Außenkante des Brennstoffzellenstapels 10 umgeben ist, als ein Gebiet B1 bezeichnet wird, ein Gebiet, das von der Außenkante des Leistungswandlers 20 umgeben ist, als ein Gebiet B2 bezeichnet wird, und ein Gebiet, das durch Zusammenaddieren, bzw. Zusammenfügen des Gebiets B1 und des Gebiets B2 erhalten wird, als ein Gebiet B3 bezeichnet wird, überlappt das Gebiet A zumindest einen Abschnitt des Gebiets B1 und zumindest einen Abschnitt des Gebiets B2, und die Gesamtheit des Gebiets A ist innerhalb des Gebiets B3 enthalten.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung, in einer Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit 100, betrachtet von der Seite der Hilfsvorrichtung 30, überlappt das Gebiet A, das von der Außenkante der ersten Hilfsvorrichtung 30A umgeben ist, zumindest einen Abschnitt des Gebiets B1, das von der Außenkante des Brennstoffzellenstapels 10 umgeben ist, und mindestens einen Abschnitt des Gebiets B2, das von der Außenkante des Leistungswandlers 20 umgeben ist, und die Gesamtheit des Gebiets A ist innerhalb des Gebiets B3 enthalten, das durch Zusammenaddieren des Gebiets B1 und des Gebiets B2 erhalten wird. Somit kann die Brennstoffzelleneinheit 100 eine gute Montierbarkeit aufweisen.
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Die Wirkung des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist unter Verwendung von 2A und 2B beschrieben. 2A zeigt eine Draufsicht entsprechend zu 1A, und 2B zeigt eine Draufsicht entsprechend zu 1B. Wie in 2A und 2B gezeigt, wenn die Hilfsvorrichtung 30 aus dem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Leistungswandler 20 herausragt, bzw. hervorsteht, wird ein extra Raum zum Montieren des Brennstoffzellenstapels für das Gebiet benötigt, das durch die gestrichelten Linien in der Figur umgeben ist. Somit verschlechtert sich die Montierbarkeit. Andererseits ist in der Brennstoffzelleneinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie in 1A gezeigt, die Gesamtheit des Gebiets A, das von der Außenkante der ersten Hilfsvorrichtung 30A umgeben ist, innerhalb des Gebiets B3 enthalten, das durch Zusammenaddieren des Gebiets B1, das von der Außenkante des Brennstoffzellenstapels 10 umgeben ist, und des Gebiets B2, das von der Außenkante des Leistungswandlers 20 umgeben ist, erhalten wird. Somit kann die Montierbarkeit der Brennstoffzelleneinheit 100 verbessert werden.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 und der Leistungswandler 20 sind hier gewöhnlich jeweils in einem Brennstoffzellengehäuse und einem Leistungswandlergehäuse untergebracht. Somit kann in der vorliegenden Offenbarung das Gebiet B1 als ein Gebiet betrachtet werden, das von der Außenkante des Brennstoffzellengehäuses umgeben ist. Auf ähnliche Art und Weise kann das Gebiet B2 als ein Gebiet betrachtet werden, das von der Außenkante des Leistungswandlergehäuses umgeben ist. Ebenfalls umfasst in der vorliegenden Offenbarung „innerhalb“ eines Gebiets den Außenkantenabschnitt des Gebiets.
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Wie in 1A und 1B gezeigt, ist der Leistungswandler 20 in der vorliegenden Offenbarung an der ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet. Die Normalenrichtung M der ersten Oberfläche X kann parallel zu der Stapelrichtung D (6A) der später beschriebenen Brennstoffzelle (einzelne Zelle) sein oder kann orthogonal zu der Stapelrichtung D der einzelnen Zelle sein. Darüber hinaus ist die erste Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10 bevorzugt die untere Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 10 in der Gravitationsrichtung. In der vorliegenden Offenbarung umfasst „parallel“ sein nicht nur ein striktes parallel sein, sondern ebenfalls einen Fall, in dem der Winkel, der durch zwei Richtungen ausgebildet wird, 10° oder weniger ist. Der Winkel kann 5° oder weniger sein. In der vorliegenden Offenbarung umfasst „orthogonal“ sein nicht nur ein strenges orthogonal sein, sondern ebenfalls einen Fall, in dem der Winkel, der durch zwei Richtungen ausgebildet wird, 80° oder mehr und 100° oder weniger ist. Der Winkel kann 85° oder mehr und 95° oder weniger sein.
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Wie in 1A und 1B gezeigt, ist die Hilfsvorrichtung 30 in der vorliegenden Offenbarung mit der zweiten Oberfläche Y des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden. Die Normalenrichtung N der zweiten Oberfläche Y kann parallel zu der Stapelrichtung D der später beschriebenen Brennstoffzelle (einzelne Zelle) sein, oder kann orthogonal zu der Stapelrichtung D der einzelnen Zelle sein. „Parallel“ sein und „orthogonal“ sein sind wie oben beschrieben. Ferner schneiden sich die Normalenrichtung M der ersten Oberfläche X und die Normalenrichtung N der zweiten Oberfläche Y. Die Normalenrichtung M und die Normalenrichtung N können orthogonal sein oder nicht, sind aber bevorzugt orthogonal. „Orthogonal“ sein ist wie oben beschrieben.
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Die Brennstoffzelleneinheit 100 in der vorliegenden Offenbarung enthält, als die Hilfsvorrichtung 30, die erste Hilfsvorrichtung 30A. In Bezug auf die erste Hilfsvorrichtung 30A überlappt das Gebiet A zumindest einen Abschnitt des Gebiets B1 und zumindest einen Abschnitt des Gebiets B2. Beispielsweise, wie in 1A gezeigt, kann der Anteil des Abschnitts des Gebiets A, der das Gebiet B1 überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets A 50% oder mehr sein. Inzwischen, wie in 3 gezeigt, kann der Anteil des Abschnitts des Gebiets A, der das Gebiet B2 überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets A 50% oder mehr sein. Darüber hinaus ist der Anteil des Abschnitts des Gebiets B1, der das Gebiet A überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets B1 beispielsweise 5% oder mehr und kann 10% oder mehr sein. Inzwischen ist der Anteil des Abschnitts des Gebiets B1, der das Gebiet A überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets B1 100% oder weniger und kann 70% oder weniger sein oder kann 50% oder weniger sein. Der Anteil des Abschnitts des Gebiets B2, der das Gebiet A überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets B2 ist das gleiche wie der des Gebiets B1.
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In Anbetracht der ersten Hilfsvorrichtung 30A in der vorliegenden Offenbarung, ist die Gesamtheit des Gebiets A innerhalb des Gebiets B3 enthalten. Der Anteil des Abschnitts des Gebiets B3, der das Gebiet A überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets B3 ist beispielsweise 5% oder mehr und kann 10% oder mehr oder 30% oder mehr sein. Inzwischen ist der Anteil des Abschnitts des Gebiets B3, der das Gebiet A überlappt, zu der Gesamtheit des Gebiets B3 beispielsweise 90% oder weniger und kann 70% oder weniger sein oder kann 50% oder weniger sein.
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Ferner, wie in 1A gezeigt, kann sich die erste Hilfsvorrichtung 30A in der Normalenrichtung M der ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10 in der Draufsicht erstrecken. Inzwischen, wie in 4 gezeigt, kann sich die erste Hilfsvorrichtung 30A in der Richtung erstrecken, die sich mit der Normalenrichtung M der ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10 in der Draufsicht schneidet. Der Schnittpunkt, bzw. die Kreuzung kann orthogonal sein oder nicht. Orthogonal sein ist wie oben beschrieben. In der Draufsicht kann die Form der ersten Hilfsvorrichtung 30A (die planare Form des Gebiets A) eine rechteckige Form wie beispielsweise ein Quadrat und ein Rechteck sein, eine polygonale Form wie beispielsweise ein Dreieck, eine Kreisform wie beispielsweise ein Kreis und eine Ellipse, oder eine Kombination der polygonalen Form und der Kreisform. Die „polygonale Form“ enthält nicht nur ein strenges Polygon, sondern ebenfalls eine Form, bei der ein Abschnitt, der der Ecke des Polygons entspricht, in einer Bogenform ausgebildet ist.
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5A und 5B zeigen schematische Draufsichten, die die Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen, die die Brennstoffzelleneinheit 100 von der Seite der (nicht gezeigten) Hilfsvorrichtung im Grundriss betrachten. Wie in 5A gezeigt, kann in der Brennstoffzelleneinheit 100 die Breite W1 des Gebiets B1 und die Breite W2 des Gebiets B2 die gleiche sein. Inzwischen, wie in 5B gezeigt, kann in der Brennstoffzelleneinheit 100 die Breite W1 des Gebiets B1 und die Breite W2 des Gebiets B2 unterschiedlich sein. „Die gleiche“ bedeutet, dass W2/W1, was später beschrieben ist, 0,95 oder mehr und 1,05 oder weniger ist. Wenn die Breite W1 und die Breite W2 unterschiedlich sind, ist das Verhältnis von W2 zu W1 (W2/W1) beispielsweise 0,5 oder mehr und kann 0,7 oder mehr sein oder kann 0,9 oder mehr sein. Inzwischen ist W2/W1 beispielsweise 1,2 oder weniger. Hier betrifft die „Breite W1“ die Länge der ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10, wenn die Brennstoffzelleneinheit 100 von der Seite der Hilfsvorrichtung im Grundriss betrachtet wird, wie in 5A und 5B gezeigt. Die „Breite W2“ betrifft die Länge einer Oberfläche Z des Leistungswandlers 20, die der ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10 zugewandt ist, wenn die Brennstoffzelleneinheit 100 von der Seite der Hilfsvorrichtung im Grundriss betrachtet wird.
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Wie in 5A und 5B gezeigt, kann die Form (planare Form) des Gebiets B1 und des Gebiets B2 jeweils ein Quadrilateral, bzw. Viereck sein. Das „Viereck“ enthält nicht nur ein striktes Viereck, sondern ebenfalls eine Form, bei der ein Abschnitt, der der Ecke des Vierecks entspricht, in einer Bogenform ausgebildet ist. Ferner kann die planare Form des Gebiets B3 ein wie in 5A gezeigtes Viereck sein, oder kann eine wie in 5B gezeigte hervorstehende Form sein. Die „hervorstehende Form“ enthält nicht nur eine strikte hervorstehende Form, wie in 5B gezeigt, sondern ebenfalls eine Form, bei der ein Abschnitt, der der Ecke der hervorstehende Form entspricht, in einer Bogenform ausgebildet ist.
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1. Brennstoffzellenstapel
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6A und 6B zeigen schematische Schnittansichten, die den Brennstoffzellenstapel 10 und die Brennstoffzelle (einzelne Zelle 40) gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. Wie in 6A gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 10 in der vorliegenden Offenbarung gewöhnlicher Weise eine Stapelstruktur auf, in der mehrere einzelne Zellen 40 gestapelt sind. Die Anzahl von einzelnen Zellen 40 (die Anzahl von Stapeln) ist gewöhnlicher Weise zwei oder mehr, und kann fünf oder mehr sein oder kann 10 oder mehr sein. Wie oben beschrieben kann die Stapelrichtung D der einzelnen Zellen 40 parallel sein oder kann orthogonal sein zu der Normalenrichtung M der ersten Oberfläche X des Brennstoffzellenstapels 10, das in 1A und dergleichen gezeigt ist. Die Stapelrichtung D der einzelnen Zellen 40 kann parallel sein oder kann orthogonal sein zu der Normalenrichtung N der zweiten Oberfläche Y des Brennstoffzellenstapels 10, das in 1B und dergleichen gezeigt ist. Wie in 6A gezeigt, ist die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels 10 an dem Ende der Stapelrichtung D der einzelnen Zellen 40 bevorzugt die zweite Oberfläche Y.
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Wie in 6A gezeigt, ist der Brennstoffzellenstapel 10 in der vorliegenden Offenbarung gewöhnlicher Weise in einem Brennstoffzellengehäuse 50 untergebracht. Das Brennstoffzellengehäuse 50 ist gewöhnlicher Weise mit einer Öffnung zum elektrischen Verbinden des Brennstoffzellenstapels 10 (1A, usw.) und des Leistungswandlers 20 (1A, usw.) bereitgestellt. Das Material des Brennstoffzellengehäuses 50 ist nicht besonders beschränkt und verschiedene Materialien können verwendet werden.
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Die Form des Brennstoffzellenstapels 10 ist bevorzugter Weise eine Form eines rechteckigen Parallelepipeds als ein Ganzes. Die „Form des rechteckigen Parallelepipeds“ enthält nicht nur ein striktes rechteckiges Parallelepiped, sondern ebenfalls eine Form, die die Form des rechteckigen Parallelepipeds approximieren kann. Es gilt zu beachten, dass die Form des Brennstoffzellenstapels 10 auch als die Form des Brennstoffzellengehäuses 50 betrachtet werden kann.
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Wie in 6B gezeigt, enthält die Brennstoffzelle (einzelne Zelle) 40 eine Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly, MEA) 46, bei der eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 41, eine Kathodenkatalysatorschicht 42, eine Elektrolytmembran 43, eine Anodenkatalysatorschicht 44 und eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht 45 in dieser Reihenfolge gestapelt sind, und zwei Abscheider, bzw. Trenneinrichtungen (engl. separator) 47, 48, die die MEA 46 sandwichartig umgeben.
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Beispiele der Elektrolytmembran 43 umfassen eine Elektrolytmembran auf Fluorbasis, wie beispielsweise eine Perfluorosulfonsäure-Membran, und eine Elektrolytmembran auf einer Nicht-Fluorbasis. Beispiele der Elektrolytmembran auf der Nicht-Fluorbasis umfassen eine Elektrolytmembran auf einer Kohlenwasserstoffbasis. Die Dicke der Elektrolytmembran 43 ist beispielsweise 5 µm oder mehr und 100 µm oder weniger.
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Die Kathodenkatalysatorschicht 42 und die Anodenkatalysatorschicht 44 enthalten beispielsweise ein Katalysatormetall, das eine elektrochemische Reaktion fördert, ein Basismaterial, das das Katalysatormetall unterstützt, bzw. trägt, einen Elektrolyten mit einer Protonenleitfähigkeit, und Kohlenstoffpartikel mit einer Elektronenleitfähigkeit. Beispiele des Katalysatormetalls umfassen einfache Metalle, wie beispielsweise Platin (Pt) und Ruthenium (Ru), und Legierungen, die Pt enthalten. Beispiele des Elektrolyten umfassen Harze auf Fluorbasis. Beispiele des Basismaterials und eines elektrisch leitfähigen Materials umfassen Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Kohlenstoff (engl. carbon). Die Dicken der Kathodenkatalysatorschicht 42 und der Anodenkatalysatorschicht 44 sind jeweils beispielsweise 5 µm oder mehr und 100 µm oder weniger.
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Die anodenseitige Gasdiffusionsschicht 45 und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht 41 können elektroleitfähige, bzw. elektrisch leitfähige Elemente sein, die eine Gaspermeabilität aufweisen. Beispiele des elektroleitfähigen Elements umfassen poröse Kohlenstoffkörper, wie beispielsweise Kohlenstoffgewebe (engl. carbon cloth) und Kohlenstoffpapier (engl. carbon paper), und poröse Metallkörper, wie beispielsweise ein Metallgeflecht und einen Metallschaum. Die Dicken der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht 45 und der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht 41 sind jeweils beispielsweise 5 µm oder mehr und 100 µm oder weniger.
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Der Abscheider 47 kann einen Gasweg auf der Oberfläche aufweisen, die der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht 41 zugewandt ist. Der Abscheider 48 kann einen Gasweg auf der Oberfläche aufweisen, die der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht 45 zugewandt ist. Beispiele von Materialien der Abscheider 47, 48 umfassen Metallmaterialien, wie beispielsweise rostfreien Stahl, und Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Kohlenstoffverbundmaterialien. Die Abscheider 47, 48 weisen eine Elektronleitfähigkeit auf und fungieren ebenfalls als Stromkollektoren für erzeugte Elektrizität.
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2. Leistungswandler
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Die Position des Leistungswandlers 20 in der vorliegenden Offenbarung ist wie oben beschrieben. Der Leistungswandler 20 in der vorliegenden Offenbarung ist gewöhnlicher Weise ebenfalls in einem Leistungswandlergehäuse untergebracht. Das Leistungswandlergehäuse ist gewöhnlicher Weise mit einer Öffnung für ein elektrisches Verbinden des Brennstoffzellenstapels 10 und des Leistungswandlers 20 bereitgestellt. Das Material des Leistungswandlergehäuses ist nicht besonders beschränkt und verschiedene Materialien können verwendet werden.
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Der Leistungswandler 20 ist nicht besonders beschränkt, solange es ein Element ist, das die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 umwandelt, bzw. umrichtet. Der Leistungswandler 20 kann ein Konverter, bzw. Wandler (engl. converter) sein, wie beispielsweise ein Aufwärtswandler, ein Abwärtswandler, ein Buck-Boost-Wandler, der zu beidem in der Lage ist, Spannungen hoch zu setzen und herunter zu setzen, oder ein Inverter, bzw. Wechselrichter (engl. inverter), der Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt. Ferner kann die Brennstoffzelleneinheit 100 einen Typ der oben aufgezeigten Vorrichtungen als den Leistungswandler 20 aufweisen, oder kann zwei oder mehr Typen der oben aufgezeigten Vorrichtungen als den Leistungswandler 20 aufweisen. Beispielsweise, wenn die Brennstoffzelleneinheit 100 einen Konverter und einen Inverter als den Leistungswandler 20 aufweist, ist es wünschenswert, dass der Konverter und der Inverter in dieser Reihenfolge von der Seite der ersten Oberfläche X angeordnet sind. Elektrizität, die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wird, kann zu dem Konverter und dem Inverter fließen, ohne umgeleitet zu werden, und die Montierbarkeit der Brennstoffzelleneinheit 100 wird verbessert.
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3. Hilfsvorrichtung
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Die Hilfsvorrichtung 30 in der vorliegenden Offenbarung ist über den Stapelverteiler an den Brennstoffzellenstapel 10 angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinheit 100 in der vorliegenden Offenbarung umfasst, als die Hilfsvorrichtung 30, mindestens die erste Hilfsvorrichtung 30A. Die Positionen der Hilfsvorrichtung 30 und der ersten Hilfsvorrichtung 30A sind wie oben beschrieben. Der Stapelverteiler ist eine Rohrleitungskomponente, die den Brennstoffzellenstapel 10 beispielsweise mit Oxidationsmittelgas, Brenngas und Kühlmittel versorgt. Die Form und das Material des Stapelverteilers sind nicht besonders beschränkt und können entsprechend, bzw. geeignet angepasst werden.
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Obwohl der Typ, bzw. die Bauart der ersten Hilfsvorrichtung 30A nicht besonders beschränkt ist, umfassen Beispiele davon Vorrichtungen in Verbindung mit einem Wasserkreislauf des Brennstoffzellenstapels 10, wie beispielsweise einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider (engl. gas-liquid separator), ein Verdunster (engl. humidifier) und einen Ejektor (engl. ejector). Ferner kann die Brennstoffzelleneinheit 100 nur eine erste Hilfsvorrichtung 30A umfassen oder kann zwei oder mehr erste Hilfsvorrichtungen 30A umfassen.
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Die Brennstoffzelleneinheit 100 in der vorliegenden Offenbarung kann, als die Hilfsvorrichtung 30, eine zweite Hilfsvorrichtung 30B enthalten. Wie in 7A und 7B gezeigt, in der Draufsicht, ist die Gesamtheit des Gebiets C, das von der Außenkante der zweiten Hilfsvorrichtung 30B umgeben ist, entweder innerhalb des ersten Gebiets B1 oder des zweiten Gebiets B2 enthalten, die oben beschrieben sind. Wie in 7A gezeigt, kann die Gesamtheit des Gebiets C innerhalb des Gebiets B1 enthalten sein. Inzwischen, wie in 7B gezeigt, kann die Gesamtheit des Gebiets C innerhalb des Gebiets B2 enthalten sein.
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Die Form der zweiten Hilfsvorrichtung 30B und die Richtung einer Erstreckung der zweiten Hilfsvorrichtung 30B in der Draufsicht kann die gleiche wie die Form und Richtung sein, die für die erste Hilfsvorrichtung 30A beschrieben sind.
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Beispiele der zweiten Hilfsvorrichtung 30B umfassen Vorrichtungen in Verbindung mit einem Wasserkreislauf des Brennstoffzellenstapels 10, wie beispielsweise einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider, einem Verdunster und einem Ejektor. Ferner kann die Brennstoffzelleneinheit 100 nur eine zweite Hilfsvorrichtung 30B aufweisen oder kann zwei oder mehr zweite Hilfsvorrichtungen 30B aufweisen.
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Es ist wünschenswert, dass die Brennstoffzelleneinheit 100 in der vorliegenden Offenbarung als die Hilfsvorrichtung 30 nicht eine Hilfsvorrichtung 30 aufweist, die aus dem Gebiet B3 herausragt. Die Montierbarkeit der Brennstoffzelleneinheit 100 wird dadurch verbessert.
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4. Brennstoffzelleneinheit
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Anwendungen der Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen beispielsweise Fahrzeuge, wie beispielsweise elektrische Brennstoffzellenfahrzeuge (fuel cell electric vehicles, FCEVs). Zusätzlich kann die Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung in bewegten, bzw. beweglichen Körpern verwendet werden, die sich von Fahrzeugen unterscheiden (beispielsweise Züge, Schiffe und Flugzeuge), und kann in einem Objekt verwendet werden, das sich von beweglichen Körpern unterscheidet.
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben aufgezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die oben aufgezeigten Ausführungsbeispiele sind veranschaulichender Natur und alles, das im Wesentlichen die gleiche Konfiguration aufweist wie, und ähnliche Funktionen und Wirkungen aufweist wie die technische Idee, die in den Ansprüchen der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist, ist in dem technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung enthalten.
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In einer Draufsicht der Brennstoffzelleneinheit (100), betrachtet von einer Seite einer Hilfsvorrichtung (30), wird ein Gebiet, das von einer Außenkante einer ersten Hilfsvorrichtung (30A) umgeben ist, als ein Gebiet A bezeichnet, wird ein Gebiet, das von einer Außenkante eines Brennstoffzellenstapels (10) umgeben ist, als ein Gebiet B1 bezeichnet, wird ein Gebiet, das von einer Außenkante eines Leistungswandlers (20) umgeben ist, als ein Gebiet B2 bezeichnet, und wird ein Gebiet, das durch ein Zusammenfügen des Gebiets B1 und des Gebiets B2 erhalten wird, als ein Gebiet B3 bezeichnet. Das Gebiet A überlappt zumindest einen Abschnitt des Gebiets B1 und zumindest einen Abschnitt des Gebiets B2. Eine Gesamtheit des Gebiets A ist innerhalb des Gebiets B3 enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2017135093 [0003]
- JP 2017135093 A [0003]
