CN113328119B - 燃料电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池组件。燃料电池组件包括：燃料电池组，在内部具备冷却液在一个方向上流动的冷却液流路，具有与所述冷却液流路的延长方向平行的第1表面；升压转换器，从所述第1表面不用隔热部件隔开而空开间隙地配置，其中，所述升压转换器包括沿着所述第1表面配置的电流传感器和电容器；以及壳体，将所述燃料电池组和所述升压转换器收纳于同一空间，其中，所述电流传感器和所述电容器的至少一方在所述冷却液流路的延长方向上被配置在比所述冷却液流路的中央靠上游侧。

Description

燃料电池组件
技术领域
本发明涉及燃料电池组件。
背景技术
例如如日本特开2018-163861公开那样，已知将燃料电池组和升压转换器收纳于1个壳体的燃料电池组件。
发明内容
搭载于电动汽车的燃料电池组件由于车辆上的搭载空间的空间上的限制而要求进一步的小型化。
另一方面，燃料电池组是发热体，所以使燃料电池组件越小型化，升压转换器越易于曝露在燃料电池组的热中。在升压转换器的结构零件中包括耐热温度低的零件。特别地，相比于其它结构零件，电流传感器和电容器的耐热温度低，并且日本特开2018-163861记载的利用制冷剂进行的冷却也困难。
本发明在保护升压转换器的结构零件中的耐热温度特别低的电流传感器和电容器的至少一方免受燃料电池组的热的影响的同时，使将燃料电池组和升压转换器收纳于1个壳体的燃料电池组件小型化。
本发明的方案所涉及的燃料电池组件具备燃料电池组、升压转换器、以及将燃料电池组和升压转换器收纳于同一空间的壳体。燃料电池组在内部具备冷却液在一个方向上流动的冷却液流路，具有与冷却液流路的延长方向平行的第1表面。升压转换器从燃料电池组的第1表面不用隔热部件隔开而空开间隙地配置。升压转换器包括沿着第1表面配置的电流传感器和电容器。电流传感器和电容器的至少一方在冷却液流路的延长方向上被配置在比冷却液流路的中央靠上游侧。
根据上述结构，通过不用隔热部件隔开而将燃料电池组和升压转换器收纳于同一空间，能够使燃料电池组件小型化。升压转换器易于曝露在燃料电池组的辐射热中，但升压转换器的结构零件中的耐热温度特别低的电流传感器和电容器的至少一方在冷却液流路的延长方向上被配置在比冷却液流路的中央靠上游侧、即相对低温的区域。由此，能够在保护电流传感器和电容器的至少一方免受燃料电池组的热的影响的同时，使燃料电池组件小型化。
也可以电流传感器和电容器在比冷却液流路的中央靠上游侧在相对冷却液流路的延长方向正交的方向上排列配置。由此，能够将电流传感器和电容器这两方配置到相对低温的区域，能够保护这两方免受燃料电池组的热的影响。
也可以升压转换器包括至少一个电抗器和功率模块。也可以它们与电流传感器和电容器一起在相对冷却液流路的延长方向正交的方向上排列配置。由此，关于需要利用冷却液进行冷却的电抗器和功率模块，也能够配置到相对低温的区域。
另外，也可以电流传感器设置于连接至少一个电抗器和功率模块的线上。另外，也可以为至少一个电抗器和功率模块分别设置冷却器，该冷却器流动与在冷却液流路中流动的冷却液不同的冷却液。而且，也可以电流传感器的周围被冷却液流路、至少一个电抗器的冷却器以及功率模块的冷却器包围。由此，能够从周围冷却电流传感器。
也可以配置电流传感器和电容器的至少一方的场所、优选配置电流传感器和电容器这两方的场所是燃料电池组运转过程中的周围环境温度为90℃以上100℃以下的场所。电流传感器、电容器的耐热温度是110～120℃左右，所以只要是周围环境温度处于上述温度范围的场所，则无需使升压转换器不必要地远离燃料电池组而妨碍燃料电池组件的小型化，能够确保被容许的温度上升幅度。
此外，从燃料电池组的小型化的观点来看，也可以将燃料电池组和升压转换器用汇流条直接连接。
如以上所述，根据本发明所涉及的燃料电池组件，通过将燃料电池组和升压转换器收纳于同一空间，能够使燃料电池组件小型化。另外，升压转换器的结构零件中的耐热温度特别低的电流传感器和电容器的至少一方配置于相对低温的区域，所以能够使它们免受燃料电池组的热的影响。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并随附：
图1是燃料电池车的传动系统的概略图。
图2是示出燃料电池组件的构造和燃料电池组的表面温度的温度分布的图。
图3是说明升压转换器的结构零件的耐热温度的图。
图4是燃料电池系统的冷却系统的概略图。
图5A是示出燃料电池组和升压转换器的位置关系的图。
图5B是示出燃料电池组的温度的图形。
图6A是详细地示出燃料电池组件的构造的层的俯视图。
图6B是详细地示出燃料电池组件的构造的层的俯视图。
图6C是详细地示出燃料电池组件的构造的层的俯视图。
图7是详细地示出燃料电池组件的构造的图6A、6B、6C的Ⅶ-Ⅶ剖面矢视图。
图8是示出燃料电池组和升压转换器的位置关系的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。但是，在以下所示的各实施方式中提及各要素的个数、数量、量、范围等数的情况下，除了特别明示的情况、原理上明显地能确定为该数的情况以外，本发明不限定于该提及的数。另外，在以下所示的实施方式中说明的构造等除了特别明示的情况、明显地原理上能确定于此的情况以外，在本发明中并非必须的。
图1是燃料电池车的传动系统的概略图。燃料电池车是通过由燃料电池组20发出的电使电动机2动作并通过电动机2产生的驱动力行驶的车辆。电动机2是可作为发电机动作的电动发电机。燃料电池组20和电动机2连接蓄电池6。蓄电池6在无法用燃料电池组20产生充分的电的情况下对电动机2供给电，在再生运转时积蓄由电动机2发出的电。电动机2是交流电动机，所以燃料电池组20和蓄电池6经由将直流电流变换为交流电流的逆变器4而与电动机2连接。
在燃料电池组20中，安装有使燃料电池组20发出的电升压的升压转换器40。在搭载于燃料电池车的燃料电池组20中，成本的降低和小型化成为课题。该课题能够通过削减电池单元的张数来解决。但是，在减少电池单元的张数时，燃料电池组20整体的合计电压降低。因此，为了使输出电压上升至必要电压，燃料电池组20的输出部需要升压转换器40。为了能够高效地配置到车辆的受限的空间，将燃料电池组20和升压转换器40作为1个燃料电池组件10来提供。
以下，在本说明书中，燃料电池组件被记载为FC组件，燃料电池组被记载为FC组。另外，升压转换器是燃料电池用的DC-DC转换器，所以以下被记载为FDC。
图2示出FC组件10的构造的概要。FC组件10是将FC组20和FDC40收纳于1个壳体30而构成的。为了使壳体30尽可能小型化，在FC组20与FDC40之间不设置隔壁，而将两者收纳于同一空间。FDC40在FC组20的上方以与FC组20重叠的方式配置。但是，FDC40和FC组20不接触，能够在FDC40与FC组20的上端面之间设置保护FDC40免受在FC组20中发生的热的影响的程度的间隙。
图2示出表示FC组20的内部构造的放大剖面图。构成FC组20的电池单元是通过用一对隔板24夹住MEA(Membrane Electrode Assembly，膜电极组件)25，在其一侧设置氢流路21并在另一侧设置氧流路22而构成的。在这样构成的FC组20的各电池单元中，通过氢和氧的化学反应，产生电和水。通过该化学反应，在运转时产生高热，所以在FC组20的内部设置有用于冷却液流动的冷却液流路23。在冷却液中，作为主成分包含例如乙二醇。冷却液流路23与氢流路21以及氧流路22平行地设置，使冷却液向一个方向上流动。冷却液流动的方向设为从车辆的前方(FR)朝向后方的方向。
冷却液在冷却液流路23中流动的过程中从FC组20吸收热，逐渐成为高温。因此，关于利用冷却液对FC组20进行冷却的效果，越接近冷却液流路23的入口的一侧效果越高，越接近冷却液流路23的出口的一侧效果越低。其结果，关于FC组20的表面温度，从冷却液流路23的入口侧朝向出口侧产生如图2所示的温度分布。在图2中，用在FC组20的上表面以及侧面描绘的点图案的点的密度表现表面温度的差异。越接近冷却液流路23的入口的区域，点密度相对越低，其意味着该区域的表面温度相对低。另一方面，越接近冷却液流路23的出口的区域，点密度相对越高，其意味着该区域的表面温度相对高。
如上所述通过冷却液流路23从内部冷却，但FC组20是发热体。在壳体30内的同一空间中将FC组20和FDC40接近配置的情况下，FDC40曝露在FC组20发生的热中。FDC40被构成为至少具备电抗器、IPM(Intelligent Power Module，智能电源模块)、电流传感器、电容器、汇流条、端子台、以及分支BOX。为了在同一空间中接近配置FC组20和FDC40，如何保护这些结构零件中的耐热温度特别低的一部分的结构零件免受FC组20的热的影响变得重要。
图3示出FDC40的结构零件的耐热温度的一个例子。耐热温度根据结构零件而不同，但电流传感器和电容器的耐热温度为110℃～120℃左右，与其它结构零件相比特别低。但是，在图3所示的例子中，电容器相比于电流传感器，耐热温度更低，而根据产品不同，还有时电流传感器相比于电容器，耐热温度更低。运转过程中的FC组20的上端面的表面温度是95℃～105℃左右，FDC40内的环境温度是比其低几℃的温度，所以关于电流传感器和电容器，可以说容许的温度上升幅度极其小。另外，电抗器、IPM的P/C(Power Card：电源卡)能够利用冷却液进行水冷，相对于此，电流传感器和电容器难以水冷。因此，为了实现FC组件10的小型化，将FDC40和FC组20接近配置，而为了将FDC40和FC组20接近配置，需要保护电流传感器和电容器中的至少耐热温度低的一方、如果耐热温度相同则需要保护双方免受FC组20的热的影响。
在此，使用图4，说明FC系统的冷却系统的概略。如上所述，在FC组件10中，FC组20和FDC40分别是利用冷却液进行冷却的对象。FC组20配置于由散热器71冷却的冷却液通过泵72循环的第1冷却液循环系统。FDC40配置于由散热器73冷却的冷却液通过泵74循环的第2冷却液循环系统。在第2冷却液循环系统中，还配置有未图示的PCU(Power Control Unit，电源控制单元)。说起车辆上的搭载位置，在空调器电容器75的后方配置有FDC40用的散热器73，在其后方配置有FC组20用的散热器71。在散热器71的后方，使冷却液的入口侧朝向车辆的前方而配置有FC组20以及FDC40。
如此前叙述，在FC组20的运转时，关于FC组20的表面温度，朝向冷却液的流动方向产生温度分布。在冷却液的入口侧和出口侧，例如，有时产生10℃左右的温度差。为了保护电流传感器和电容器免受FC组20热的影响，希望在尽可能低温的区域中配置它们。因此，在本实施方式的FC组件10中，以图5A所示的位置关系，配置FC组20和FDC40。
如图5A所示，FDC40被收纳于与FC组20共同的壳体30，在FC组20的上方接近FC组20的上端面27地配置。在FDC40与FC组20之间未设置隔壁等。在本实施方式中，FC组20的上端面27相当于与冷却液流路的延长方向平行的第1表面。
作为FDC40的零件的电流传感器43和电容器45被配置在能够配置FDC40的区域中还特别地接近冷却液的入口的一侧。具体而言，在图5A中示意地示出的冷却液流路23的流动的方向上，电流传感器43和电容器45被配置在比冷却液流路23的中央靠上游侧。
FDC40被从FC组20放射的辐射热直接加热，并且由在FC组20中加热了的高温空气充满周围的环境。但是，如图5B所示，越接近FC组20的冷却液的入口的一侧，FC组20的上端面温度以及内部的环境温度越低。因此，根据图5A所示的配置，电流传感器43以及电容器45从FC组20的上端面27接受的辐射热被抑制得相对低，电流传感器43以及电容器45的周围的环境温度也被抑制得相对低。
如果按FC组20发电过程中与周围环境温度的关系来说，电流传感器43以及电容器45也可以配置于周围气氛温度为90℃以上100℃以下的场所。如使用图3说明那样，电流传感器43以及电容器45的耐热温度是110～120℃左右。因此，如果是周围环境温度为90℃以上100℃以下的场所，则既无需使FDC40不必要地远离FC组20而妨碍FC组件10的小型化，也能够确保被容许的温度上升幅度。
那么，接下来使用图6A、6B、6C以及图7，说明FC组件10的详细构造。FC组件10是由FC组20和FDC40构成的2层构造，进而，FDC40其自身具有2层构造。因此，作为FC组件10的整体，具有3层构造。图6A、6B、6C是FC组件10的各层的俯视图。
图6A是FC组20的俯视图。如上所述，在FC组20内形成有在一个方向上延伸的冷却液流路23。冷却液流路23在与电池单元的层叠方向正交的方向上被形成。在FC组20的电池单元的层叠方向的两端部，安装有汇流条28、29作为用于取出通过各电池单元的燃料电池反应发出的电的端子。在图6A中，附图上侧的汇流条28是P极，附图下侧的汇流条29是N极。
图6B是FDC40的一层部分的俯视图。在FDC40的一层部分中配置有P终端(terminal)41、电抗器42A～42D、电流传感器43、IPM44、电容器45、分支BOX及端子台46、以及N终端47。其中，P终端41和N终端47是用于与FC组20连接的端子。P终端41位于P汇流条28的正上，与P汇流条28直接连接。N终端47位于N汇流条29的正上，与N汇流条29直接连接。
FDC40是多相升压转换器，具备多个(在图6B中4个)电抗器42A～42D。俯视时，电抗器42A～42D沿着冷却液流路23的延长方向，在FC组20的冷却液入口侧的端部至冷却液出口侧的端部的范围内均等地排列。各电抗器42A～42D使用汇流条而与P终端41并联连接。
各电抗器42A～42D与IPM44通过汇流条并联连接。IPM44是水冷式，由散热器73(参照图4)冷却后的第2冷却液循环系统的冷却液最初通到IPM44。在连接各电抗器42A～42D和IPM44的各个汇流条中，安装有电流传感器43。电流传感器43例如是具备汇流条贯通的磁芯和插入于磁芯的间隔的霍尔元件的霍尔元件方式电流传感器。电流传感器43是在FDC40的结构零件中耐热温度特别低的零件，所以，俯视时，电流传感器43配置于FC组20的冷却液入口侧的端部的上方。
IPM44在相对冷却液流路23的延长方向正交的方向上，与电流传感器43排列配置。在IPM44的输出侧，通过汇流条连接有平滑用的电容器45。另外，电容器45也是在FDC40的结构零件中耐热温度特别低的零件，所以，俯视时，电容器45被配置于FC组20的冷却液入口侧的端部的上方。通过这样配置各零件，在FDC40的一层部分中，电抗器42A、电流传感器43、IPM44以及电容器45在俯视时位于比冷却液流路23的中央靠上游侧，在相对冷却液流路23的延长方向正交的方向上排成一列。
对电容器45经由分支BOX以及端子台46连接N终端47。分支BOX以及端子台46被配置于IPM44以及电容器45的后侧、即相对IPM44以及电容器45配置于冷却液流路23的下游侧。在电容器45和分支BOX以及端子台46的连接中使用汇流条，在N终端47和分支BOX以及端子台46的连接中也使用汇流条。对分支BOX以及端子台46，连接设置于壳体30的外侧的蓄电池用的输出端子50、PCU用的输出端子51、空气压缩机的逆变器用的输出端子52、以及空调压缩机用的输出端子53。其中，关于输出高电压的输出端子50、51，考虑碰撞时的安全性而被设置于车辆的后方侧的面。
图6C是FDC40的2层部分的俯视图。在FDC40的2层部分中配置有水冷式的电抗器冷却器48和IPM·ECU基板60。在电抗器冷却器48中，流通通过IPM44后的冷却液。电抗器42A～42D安装于电抗器冷却器48的底面。IPM·ECU基板60是控制IPM44的开关元件的基板。IPM·ECU基板60配置于IPM44的上方。但是，与其它结构零件不同，IPM·ECU基板60被收纳于在壳体30上设置的其它腔室。
图7是图6A、6B、6C的Ⅶ-Ⅶ剖面矢视图。Ⅶ-Ⅶ剖面是在冷却液流路23的延长方向上比冷却液流路23的中央靠上游侧的区域、即相对低温的区域中的FC组件10的剖面。壳体30包括收纳FC组20的下壳体31、收纳FDC40的上壳体32以及收纳IPM·ECU基板60的上盖33。IPM44和电抗器冷却器48安装于上壳体32的顶棚部。下壳体31和上壳体32形成无隔壁的1个空间。在该1个空间内，FC组20和FDC40通过P汇流条28和N汇流条29直接连接。
根据Ⅶ-Ⅶ剖面所表现的情况还可知，FDC40的结构零件中的耐热温度特别低的电流传感器43和电容器45配置于相对低温的区域。因此，能够在使FC组件10小型化的同时，保护电流传感器43和电容器45免受FC组20的热的影响。另外，如该剖面所示，电抗器42B和IPM44也与电流传感器43以及电容器45排列配置。关于需要利用冷却液进行冷却的电抗器42B和IPM44，也配置于相对低温的区域，从而也能够防止它们的过热。
图8是示出FC组和FDC的位置关系的变形例的图。在该变形例的FC组件110中，FDC140也收纳于与FC组120共同的壳体130。在FDC140与FC组120之间未设置隔壁等，FDC140接近FC组120的侧面127地配置。接近地配置有FDC140的FC组120的侧面127是未设置冷却液的入口或者出口、且也未设置P汇流条或者N汇流条的侧面。在该变形例中，FC组120的上述侧面127相当于与冷却液流路的延长方向平行的第1表面。
作为FDC140的零件的电流传感器143和电容器145被配置在能够配置FDC140的区域中还特别地接近冷却液的入口的一侧。具体而言，在冷却液流路的延长方向上，电流传感器143和电容器145被配置在比冷却液流路的中央靠上游侧。在该变形例中，电流传感器143和电容器145在上下方向上排列。
在以上说明的实施方式及其变形例中，电流传感器和电容器这两方在冷却液流路的延长方向上被配置在比冷却液流路的中央靠上游侧。但是，也可以将电流传感器和电容器中的至少耐热温度低的一方在冷却液流路的延长方向上配置在比冷却液流路的中央靠上游侧。在该情况下，能够在使燃料电池组件小型化的同时，保护电流传感器和电容器的某一方免受燃料电池组件的热的影响。

Claims (7)

1.一种燃料电池组件，其特征在于，包括：
燃料电池组，在内部具备冷却液在一个方向上流动的冷却液流路，所述燃料电池组具有与所述冷却液流路的延长方向平行的第1表面；
升压转换器，从所述第1表面不用隔热部件隔开而空开间隙地配置，其中，所述升压转换器包括沿着所述第1表面配置的电流传感器和电容器；以及
壳体，将所述燃料电池组和所述升压转换器收纳于同一空间，
其中，所述电流传感器和所述电容器的至少一方在所述冷却液流路的延长方向上被配置在比所述冷却液流路的中央靠上游侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，
所述电流传感器和所述电容器在比所述冷却液流路的中央靠上游侧在相对所述冷却液流路的延长方向正交的方向上排列配置。
3.根据权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，
所述升压转换器包括至少一个电抗器和功率模块，
所述至少一个电抗器和所述功率模块与所述电流传感器和所述电容器一起在相对所述冷却液流路的延长方向正交的方向上排列配置。
4.根据权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，
为所述至少一个电抗器和所述功率模块分别设置冷却器，在所述冷却器中流动与在冷却液流路中流动的所述冷却液不同的冷却液，
所述电流传感器的周围被所述冷却液流路、所述至少一个电抗器的冷却器以及所述功率模块的冷却器包围。
5.根据权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，
所述电流传感器设置于连接所述至少一个电抗器和所述功率模块的线上。
6.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，
所述电流传感器和所述电容器的至少一方被配置于所述燃料电池组的运转过程中的周边环境温度为90℃以上且100℃以下的场所。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的燃料电池组件，其特征在于，
所述燃料电池组和所述升压转换器用汇流条直接连接。
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