JP2004328914A

JP2004328914A - 燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置

Info

Publication number: JP2004328914A
Application number: JP2003121543A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nakamoto; 紳二中本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】電力変換装置および燃料電池の冷却系統に好適な燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置を得る。
【解決手段】車両のモータを駆動するためのスイッチング素子９Ａを含む電力変換装置の発熱電子部品９を内部に収容し、前記循環する冷却水が内部を流通するよう燃料電池１の冷却水系統２に配置した防水ケース（冷却水タンク４）と、冷却水タンク４内に流通する冷却水の温度を制御する温度制御手段（１２、１５、１７）と、からなり、循環する冷却水により前記電子部品９を冷却するようにした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から電気自動車等における電力変換装置を循環する冷却液により冷却するものが提案されている（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
特許文献１は、ダイオード、サイリスタ、トランジスタ等の電力用半導体素子とコンデンサ、リアクトル、トランス、抵抗等の電子部品を組合せてなるスイッチングによる電力変換回路を絶縁基板上に銅箔パターンとボンデイングワイヤ、ハンダ付等により構成してなる電力変換装置において、絶縁基板上に水密容器による水密空間を設け、かつ特に発熱する半導体素子の表面を狭隘空間としてこの水密空間に絶縁性の高い冷却液を強制循環させるようにしている。また、特許文献２では、さらに、回路基板上に配した導体パターン上にワイヤボンディング装置によって複数の柱状のワイヤフィンを配設し、半導体チップで発生した熱はチップ下面のはんだ及びチップ上面に配設した電力供給用ワイヤ線を通じて導体パターンに伝導し、導体パターン内で拡散し、導体パターン上に配設したワイヤフィンで冷却流体へ放熱されるようにしている。
【０００４】
特許文献３では、交流モータにそれを駆動するインバータ装置が固定され、インバータ装置冷却装置を冷却した冷却水は、ホースを通ってフレームのモータ側冷却水路に入り、交流モータを冷却する。これにより、許容温度の低い回路素子（図示しない）を有するインバータ装置とこれより許容温度の高い交流モータの双方を適切に水冷することができ、また交流モータの回転数が低いときでも効率よく冷却でき、小型軽量化を図るようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−３６８７８号公報
【特許文献２】
特開２００１−５３２０７号公報
【特許文献３】
特開２００１−３４６３６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、いずれも循環させる冷却液にクーラント（ＬＬＣ）等の不凍液を用いるものであり、燃料電池搭載車両に適用する場合には、これらの電力変換装置の冷却系統と燃料電池の冷却水系統とが独立して存在することとなり、配管が複雑となりレイアウトが難しく、コスト高となる不具合があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、電力変換装置および燃料電池の冷却系統に好適な燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車両のモータを駆動するためのスイッチング素子を含む電力変換装置の発熱電子部品を内部に収容し、前記循環する冷却水が内部を流通するよう燃料電池の冷却水系統に配置した防水ケースと、前記防水ケース内に流通する冷却水の温度を制御する温度制御手段と、からなり、循環する冷却水により前記電子部品を冷却するようにした。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、車両のモータを駆動するためのスイッチング素子を含む電力変換装置の発熱電子部品を内部に収容し、前記循環する冷却水が内部を流通するよう燃料電池の冷却水系統に配置した防水ケースと、前記防水ケース内に流通する冷却水の温度を制御する温度制御手段と、からなり、循環する冷却水により前記電子部品を冷却するため、燃料電池の冷却水配管のみでよく配管が簡素化でき、レイアウトも容易となり、安価に構成できる。
【００１０】
しかも、冷却水は燃料電池の発電反応で生成される絶縁流体である純水であるため、素子を直接冷却する事ができ、アルミニウムやその接合部の熱抵抗の影響を強く受けることなく、効率的に冷却することができる。また、冷却水の比熱は、空気等の気体に対して略４倍程度と高いため、前記発熱部品の温度上昇を効果的に抑制し、しかも、それ自身の温度上昇も抑制される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置を各実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１および図２は、本発明を適用した燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置の第１実施形態を示し、図１は第１実施例の概略構成図、図２は第２実施例の概略構成図である。
【００１３】
図１において、電子部品冷却装置は、燃料ガス、酸化剤ガス、および、冷却水が供給される燃料電池本体１と、燃料電池本体１に供給する冷却水を制御する冷却水系統２とから構成している。
【００１４】
燃料電池本体１は、具体的には図示しないが、燃料極と酸化剤極との間に高分子電解質膜を挾持して単セルを構成し、燃料極の外側に冷却板を層着したものを１ユニットとして複数積層することにより構成している。冷却板は、純水空間としての冷却通路３を備える構成体と燃料極の外面側に配置される多孔質体の加湿水透過板とにより構成している。冷却通路３の構成体の背面には、酸化剤極を接して隣の単セルを積層する。燃料極には、燃料源の燃料を燃料処理装置で改質するか、若しくは、燃料貯蔵部よりの水素に富んだ燃料ガスを供給し、酸化剤極には、酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスが供給される。冷却通路３には、冷却水系統２から冷却水を供給し、冷却水の一部は、燃料極に供給されて高分子電解質膜を加湿するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガス中に蒸発して蒸発潜熱により電池反応熱の一部を取り除く。残りの冷却水は、顕熱により残りの電池反応熱を取り除き、冷却水系統２に排出される。
【００１５】
前記冷却水系統２は、燃料電池本体１に冷却水タンク４の冷却水を供給する供給管路５と燃料電池本体１から冷却水タンク４に冷却水を戻す戻り管路６を備える。供給管路５には、冷却水タンク４の冷却水を燃料電池本体１に供給するポンプ７を配置して備える。戻り管路６には、図示しないが、燃料電池本体１の冷却通路３の圧力を設定した圧力となるよう調圧作動する背圧制御弁と、通過する冷却水を冷却する図示しない熱交換器とを備える。前記背圧制御弁の調圧圧力および設定した開放状態は、外部から設定し且つ変更できる。
【００１６】
前記冷却水系統２の冷却水タンク４は、そのタンク表面を断熱材８で覆って構成され、冬季・寒冷地におけるタンク４内の冷却水の凍結を防止している。冷却水タンク４内には、燃料電池搭載車両のモータを駆動するためのＩＧＢＴ等のスイッチング素子９Ａ、トランスや抵抗・コンデンサ等の発熱部品９Ｂおよび発熱するＣＰＵ等の電子部品９Ｃをスイッチング素子基板９Ａ１、電子回路基板９Ｂ１を含めてこれらが冷却水に浸って配置・設置される。
【００１７】
前記冷却水系統２の供給管路５および戻り管路６は、その表面を断熱材１０で覆って構成され、冬季・寒冷地における管路内の冷却水の凍結を防止している。また、冷却水系統２の供給管路５および戻り管路６の外周部には、温度制御手段としての電熱器１１若しくは放熱器が設置され、電熱器１１若しくは放熱器は、燃料電池１の冷却通路３に設けた冷却水の水温を検出する温度センサ１２よりの検出温度に応じて作動される。
【００１８】
以上の構成になる燃料電池搭載車両の電子部品の冷却装置の作動について説明する。
【００１９】
燃料電池本体１の運転時には、ポンプ７により冷却水タンク４の冷却水が燃料電池本体１に供給され、図示しない背圧制御弁により燃料電池本体１内の冷却通路３の圧力が一定に調圧される。背圧制御弁を通過した冷却水は熱交換器により冷却された後に冷却水タンク４に戻される。
【００２０】
燃料電池本体１の冷却板の冷却流路３に供給され冷却水は、その温度が電熱器１１若しくは放熱器により設定した温度に調節されている。冷却通路３では、背圧制御弁により調圧された圧力に応じて、その一部が多孔質体の加湿水透過板を透過して燃料極に供給されて高分子電解質膜を加湿し、次いで、燃料ガスおよび酸化剤ガス中に蒸発して蒸発潜熱により電池反応熱の一部を取り除く。多孔質体の加湿水透過板を透過しなかった残りの冷却水は、顕熱により残りの電池反応熱を取り除き、冷却水系統２の戻り管路６に排出される。戻り管路６から冷却水タンク４に戻される冷却水は、燃料電池１での熱交換により温度上昇しているが、熱交換器を経由することで温度降下されてタンク４内に戻される。
【００２１】
前記タンク４内に配置された、モータを駆動するためのＩＧＢＴ等のスイッチング素子９Ａ、トランスや抵抗・コンデンサ等の発熱部品９Ｂおよび発熱するＣＰＵ等の電子部品９Ｃをスイッチング素子基板９Ａ１、電子回路基板９Ｂ１は、車両の走行に応じて発熱するが、タンク４内を循環する冷却水により直接的に冷却される。冷却水には、燃料電池１の発電反応で生成される絶縁流体である純水が使用されるため、素子を直接冷却する事ができ、アルミニウムやその接合部の熱抵抗の影響を強く受けることなく、効率的に冷却することができる。また、冷却水の比熱は、空気等の気体に対して略４倍程度と高いため、前記発熱部品の温度上昇を効果的に抑制し、しかも、それ自身の温度上昇も抑制される。また、この防水ケースである冷却水タンク４と配管５、６は断熱材８、１０等により凍結から保護され、且つ燃料電池１の冷却通路３に設定した温度センサ１２の信号に基づいて凍結の可能性を検知し、電熱器１１等の加熱手段を作動させる凍結防止構造として作動させることができる。
【００２２】
図２に示す第２実施例は、冷却水タンク４内に配置する電気部品９の発熱量が大きい場合に適用するものである。図２においては、冷却水タンク４から燃料電池１の冷却通路３に到る供給管路５を切換え弁１５を介して分岐させてバイパス管路１６を設け、バイパス管路１６に熱交換器１７を配置したものである。バイパス管路１６への分岐部に設けた切換え弁１５は、電磁バルブ等により構成し、燃料電池１の冷却通路３に設けた温度センサ１２よりの温度信号が設定温度を超える場合に、供給流路５をバイパス管路１６側へ切換えて、燃料電池１の冷却通路３に供給する冷却水を熱交換器１７により冷却して、その温度が上昇し過ぎるのを抑制するようにしたものである。
【００２３】
なお、上記実施形態では、防水ケースを冷却水タンク４により構成したものについて説明しているが、図示しないが、冷却水タンク６とは別体として冷却水系統２に配置してもよい。
【００２４】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２５】
（ア）車両のモータを駆動するためのスイッチング素子９Ａを含む電力変換装置の発熱電子部品９を内部に収容し、前記循環する冷却水が内部を流通するよう燃料電池１の冷却水系統２に配置した防水ケース（冷却水タンク４）と、前記防水ケース４内に流通する冷却水の温度を制御する温度制御手段（１１、１２、１７）とからなり、循環する冷却水により前記電子部品９を冷却するため、燃料電池１の冷却水配管５、６のみでよく配管が簡素化でき、レイアウトも容易となり、安価に構成できる。
【００２６】
（イ）しかも、冷却水は燃料電池１の発電反応で生成される絶縁流体である純水であるため、素子９を直接冷却する事ができ、アルミニウムやその接合部の熱抵抗の影響を強く受けることなく、効率的に冷却することができる。また、冷却水の比熱は、空気等の気体に対して略４倍程度と高いため、前記発熱部品９の温度上昇を効果的に抑制し、しかも、それ自身の温度上昇も抑制される。
【００２７】
（ウ）温度制御手段として、図２に示すように、冷却水系統２を分岐したバイパス管路１６と、バイパス管路１６に配置した熱交換手段１７と、分岐部に配置した流路切換え手段としての切換え弁１５と、冷却水系統２を流通する冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１２とからなり、温度センサ１２よりの検出信号に応じて前記切換え弁１５を作動して防水ケース４中を流通する冷却水の温度を制御するため、電力変換装置での過剰な温度上昇にも燃料電池１側に悪影響を与えることのないように冷却水の温度を調整することができる。
【００２８】
（エ）温度制御手段として、図１に示すように、冷却水系統２に配置した加熱手段としての加熱器１１と、冷却水系統２を流通する冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１２とからなり、温度センサ１２よりの検出信号に応じて前記加熱手段１１を作動させて防水ケース４中を流通する冷却水の温度を制御するため、純水を使用しても、その凍結を回避することができる。
【００２９】
（オ）防水ケース４および冷却水系統２の各管路５、６を、断熱材８、１０で被覆して保温することにより、上記（エ）の効果をより一層高めることができる。
【００３０】
（第２実施形態）
図３は、本発明を適用した燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置の第２実施形態を示すシステム構成図である。本実施形態においては、冷却水によって駆動用モータの冷却も可能としたものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００３１】
図３には、内部に回転子２２を内蔵した駆動用モータ２０のモータケース２１が概略的に図示され、モータケース２１には、回転子２２を取囲むステータ２１Ａを冷却するよう設けたステータ冷却通路２３と、タンク空間２４と、を設けている。前記タンク空間２４には、モータ２０を駆動するための電力変換装置９だけでなく、バッテリ等の蓄電手段と燃料電池との電圧差を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ等の高電圧発熱部品２５を収容している。燃料電池１からの戻り管路６は、切換え弁２６を介してステータ冷却通路２３とタンク空間２４とに分岐し、これらを経由後にモータケース２１外に到り、再びポンプ７により燃料電池１の冷却通路３に供給されるよう構成している。供給管路５のポンプ７とステータ冷却通路２３およびタンク空間２４との間には、切換え弁２７、２８を介してバイパス管路１６が分岐され、バイパス管路１６には、熱交換器１７が配置されている。
【００３２】
この構成においては、交流モータ２０のケース２１内に冷却水タンク２４を形成することで、ステータ冷却通路２３とタンク空間２４との２系統の冷却系統を備えるも、冷却系統の配管が簡素化できる。また、タンク空間２４の冷却と駆動用モータ２０のステータ２１Ａ冷却とを切換え弁２６により切換え供給する冷却水により行うため、電気部品９、２５とモータ２０との熱がお互いに影響しないように設定できる。
【００３３】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（オ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００３４】
（カ）防水ケース（タンク空間２４）を駆動用モータ２０のモータケース２１に配置して内部に蓄電手段と燃料電池との電圧差を制御する高電圧発熱部品であるＤＣ／ＤＣコンバータ２５を収容して備え、モータケース２１は防水ケース（タンク空間２４）の上流側の冷却水系統２から切換え弁２６を介してモータケース２１のステータ冷却流路２３を分岐して備えるため、モータ２０の冷却系統を付加するも冷却のための配管を簡素化でき、また、防水ケース（タンク空間２４）の冷却と駆動用モータ２０の冷却を、電気部品９、２５とモータ２０の熱がお互いに影響しないように設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置における第１実施例の概略構成図。
【図２】同じく第１実施形態の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置における第２実施例の概略構成図。
【図３】本発明の第２実施形態の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置の概略構成図。
【符号の説明】
１燃料電池
２冷却水系統
３冷却通路
４防水タンクとしての冷却水タンク
５供給管路
６戻り管路
７ポンプ
８、１０断熱材
９電子部品
１１温度制御手段としての加熱器
１２温度検出手段としての温度センサ
１５、２６、２７、２８流路切換え手段としての切換え弁
１６バイパス管路
１７温度制御手段としての熱交換器
２０モータ、駆動モータ
２１モータケース
２３ステータ冷却通路
２４防水タンクとしてのタンク空間
２６ＤＣ／ＤＣコンバータ等の高電圧発熱部品

Claims

多孔質体の燃料極、酸化剤極集電板を介して冷却通路に供給された冷却水の一部を高分子電解質膜に供給して高分子電解質膜を加湿するようにした燃料電池本体と、前記燃料電池本体の冷却通路にポンプにより冷却水タンクの冷却水を供給配管および戻り配管を経由して循環させ、発電中に生じる熱を除去する冷却水系統と、を具備する燃料電池搭載車両において、
車両のモータを駆動するためのスイッチング素子を含む電力変換装置の発熱電子部品を内部に収容し、前記循環する冷却水が内部を流通するよう前記冷却水系統に配置した防水ケースと、
前記防水ケース内に流通する冷却水の温度を制御する温度制御手段と、からなり、
循環する冷却水により前記電子部品を冷却することを特徴とする燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置。
前記温度制御手段は、冷却水系統を分岐したバイパス管路と、バイパス管路に配置した熱交換手段と、分岐部に配置した流路切換え手段と、冷却水系統を流通する冷却水の温度を検出する温度検出手段とからなり、温度検出手段よりの検出信号に応じて前記流路切換え手段を作動して防水ケース中を流通する冷却水の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置。
前記温度制御手段は、冷却水系統に配置した加熱手段と、冷却水系統を流通する冷却水の温度を検出する温度検出手段とからなり、温度検出手段よりの検出信号に応じて前記加熱手段を作動させて防水ケース中を流通する冷却水の温度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置。
前記防水ケースは、駆動用モータのモータケースに配置され、内部に蓄電手段と燃料電池との電圧差を制御する高電圧発熱部品であるＤＣ／ＤＣコンバータを収容して備え、
前記モータケースは、防水ケースの上流側の冷却水系統から流路切換え手段を介してモータケースのステータ冷却流路を分岐して備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置。
前記防水ケースおよび冷却水系統の各管路は、断熱材で被覆されて保温されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置。