JP2007207582A

JP2007207582A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2007207582A
Application number: JP2006025198A
Authority: JP
Inventors: Kenji Takeda; 賢治武田; Hiroshige Kawazoe; 裕成川添; Katsunori Nishimura; 勝憲西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16
Also published as: US20070178345A1

Abstract

【課題】燃料電池スタックに一体化した電力変換器での損失を低減する。
【解決手段】本発明の燃料電池モジュールの電力変換器は、燃料電池スタックと筐体を一体にしてあり、半導体スイッチ素子と燃料電池スタックとの間にプリント回路基板を配置して、燃料電池スタックから半導体スイッチ素子への熱の輻射を遮蔽して半導体スイッチ素子の導通損失を下げ、さらに、フェライト磁気コアを備えた高周波トランスをプリント回路基板の燃料電池スタック側に配置して、高周波トランスの鉄損を低減した。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学反応を利用して発電する燃料電池を用いた燃料電池モジュールに関する。

近年、環境負荷の少ないエネルギー源として燃料電池が検討されている。例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、その熱と電力を用いたコージェネレーションシステムのエネルギー源として、または電動車両の電源として利用が検討されている。燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、燃料電池セルの個別の起電力はせいぜい０.７Ｖ程度に過ぎない。このため一般的に数十から数百セルを積層して一つの燃料電池スタックが構成され使用される。スタック化した燃料電池各セルの電圧は、スタック内部での燃料ガス密度や湿度、温度の分布によってばらつき、セル毎に電圧劣化傾向は異なる。各セル電圧の低下はスタックの寿命や安全性に影響を及ぼす恐れがあるため、燃料電池スタックの発電電流は各セルの状態を監視しながら調整する必要がある。このように複数の燃料電池セルの各々の状態を監視するセル電圧判定ユニットが特許文献１に開示されている。

特開２００３−２９７４０７号公報（（００３８）段落から（００４２）段落の記載と、図２の記載。）

燃料電池スタックを用いたシステムの設計には燃料電池セルの発電特性ノウハウに基づく発電電流調整が必要であり、設計を困難にする原因となっていたため、燃料電池スタックは、セル電圧の判定機能だけでなく、燃料電池スタックに電気的に接続された電圧変換手段を同一の筐体内に納め、燃料電池セルの状態に基づき燃料電池スタックの発電電流を自動で増加および減少する燃料電池モジュールとして構成することが望ましい。

しかし、一般に電圧変換手段はスイッチング動作で制御を行うため、半導体スイッチを用いている。さらに、燃料電池スタックに固体高分子型の燃料電池を用いた場合は発電時の燃料電池スタックは６０℃〜８０℃程度の温度となる。半導体スイッチ素子は、温度上昇に伴いオン抵抗が増加する特性があり、燃料電池スタックと電圧変換手段を同一筐体に納めた場合に燃料電池スタックの温度により半導体スイッチ素子のオン抵抗が増加し、損失が増える可能性がある。

本発明は、前記の問題に対処し、半導体スイッチ素子への燃料電池スタックの温度の影響を抑制し、半導体スイッチ素子の損失を抑制できる電圧変換手段および燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

燃料電池スタックと同一筐体内に納められ、該燃料電池スタックの電気出力を制御する燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータの電気回路実装基板を、前記燃料電池スタックと該ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体スイッチ素子との間に配置する。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータでの損失が少ない燃料電池モジュールを提供できる。

以下、本発明の実施例の詳細について、図面を用いて説明する。

本実施例の燃料電池モジュールについて図２を用いて説明する。燃料電池モジュールの筐体１１内には、複数の燃料電池セルを積層して構成される燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の出力電圧を変換する電圧変換手段としての昇圧コンバータ２と、燃料電池セルのセル状態監視基板３と、接続ケーブル６とを納める。本実施例では図２に示すように筐体１１の形状が直方体であり、この中に概略直方体の昇圧コンバータ２を配置してある。ここで、筐体１１内部の昇圧コンバータ２の形状は、燃料電池スタック１を構成するセルの寸法に応じて、任意に選択すればよい。図２に示すように、筐体１１外面には、電圧出力手段としての端子台１３、および通信手段としての通信コネクタ１２を筐体１１の同じ面に設ける。

さらに筐体１１には、燃料電池スタック１の燃料ガスとなる水素リッチガスを通流する燃料供給手段８Ｉと、燃料供給手段８Ｉより供給された水素リッチガスの一部の水素が、燃料電池スタック１で消費された後の排ガスを排出する、排ガス排出手段８Ｏと、燃料電池スタック１の発熱を冷却するための熱媒体を循環するための熱媒体供給手段９Ｉおよび熱媒体排出手段９Ｏとが接続され、筐体１１の外部の燃料ガス系統、および伝熱系統との連系を行う。図２に示すように、燃料供給手段８Ｉと、排ガス排出手段８Ｏと、熱媒体供給手段９Ｉと、熱媒体排出手段９Ｏとは、筐体１１の同じ面に配置されており、端子台１３や通信コネクタ１２が配置された面と対向する面になっている。

燃料電池スタック１が例えば固体高分子型の燃料電池スタックである場合には、燃料電池スタック１の発電時の動作温度が約７０℃〜８０℃程度となる。そのため、本実施例では、燃料電池スタック１の全面を断熱手段５０１によって包むことによって、昇圧コンバータ２内部への熱の伝播を抑制する。

また、本実施例の燃料電池モジュールでは、昇圧コンバータ２内部で、燃料電池スタック１から離れた位置に放熱手段としての放熱フィン５０２を設け、さらに、昇圧コンバータ２に面した筐体１１の面の一部に通気口５０３を設けることで、昇圧コンバータ２に対する燃料電池スタック１の発熱の影響を軽減する。

次に、本実施例の昇圧コンバータ２の詳細について図３を用いて説明する。昇圧コンバータの入力端子Ｖ１には、燃料電池スタック１の両端の電位が接続される。また、入力端子Ｖ１に並列に、入力平滑コンデンサＣ１が接続される。また、入力平滑コンデンサＣ１には、入力平滑リアクトルＬ、高周波トランスＴＲの１次巻線、および半導体スイッチ素子ＳＷの直列回路が、図３に示すように並列に接続される。高周波トランスＴＲの２次巻線の両端は、出力整流手段ＤＢを介して出力平滑コンデンサＣ２に接続される。また、出力端子Ｖ２は出力平滑コンデンサＣ２に並列に接続される。ここで、出力端子Ｖ２から出力平滑コンデンサＣ２を充電する方向に電流を流さないようにするため、逆流防止手段Ｄ２を出力端子Ｖ２と出力平滑コンデンサＣ２との間に接続しても良い。出力端子Ｖ２は図２の端子台１３に電気的に接続される。

ここで、本実施例の昇圧コンバータ２には、入力平滑コンデンサＣ１および出力平滑コンデンサＣ２には、セラミックコンデンサ、電解コンデンサなどを、半導体スイッチ素子ＳＷにはパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを、出力整流手段ＤＢおよび逆流防止手段Ｄ２にはダイオードを用いても良い。また、図示は省略しているが、各種の電磁ノイズを吸収する目的のため、入力端子Ｖ１および出力端子Ｖ２の端子間や対地間に、直列または並列に、ノイズフィルタ回路を接続しても良い。また、図２では昇圧コンバータの例として、入力の電気回路構成をプッシュプル方式の電流型コンバータ、出力の整流回路構成をフルブリッジ型整流回路として示したが、半導体スイッチ素子ＳＷのスイッチングにより入出力の電圧を変換する昇圧コンバータの回路であればどのような回路構成でも構わない。

次に、本実施例の昇圧コンバータ２の内部の部品配置について図１を用いて説明する。図１は、図２に示す燃料電池モジュールの断面を示す。図３に示すように、燃料電池スタック１が断熱手段５０１で覆われ、昇圧コンバータ２が燃料電池スタック１に取り付けられ、断熱手段５０１と昇圧コンバータ２の外側とを筐体１１が覆っている。筐体１１のうち、昇圧コンバータ２の放熱フィン５０２に面した部分には通気口５０３が設けられている。昇圧コンバータ２の内部には、電気回路実装基板であるプリント回路基板ＫＩ、高周波トランスＴＲ２、入力平滑リアクトルＬ２、半導体スイッチ素子ＳＷ２、コンデンサＣ３が格納されている。図１のコンデンサＣ３は、図３に示した入力平滑コンデンサＣ１あるいは出力平滑コンデンサＣ２の何れかあるいは両方に相当する。また、必要に応じて昇圧コンバータ２の内部を換気するファンＦＡを設けて冷却媒体としての空気を供給しても良い。

本実施例の昇圧コンバータ２の内部の半導体スイッチ素子ＳＷ２は、プリント回路基板ＫＩに端子を接続する一方で、放熱フィン５０２に伝熱を行うよう、ネジ等で放熱フィン５０２に固定されている。本実施例の昇圧コンバータ２では、プリント回路基板ＫＩと燃料電池スタック１との最短間隔Ｗ１と、半導体スイッチ素子ＳＷ２のチップと燃料電池スタック１との最短間隔Ｗ２の関係がＷ２＞Ｗ１となる状態、すなわち燃料電池スタック１の表面からの距離に関して、半導体スイッチ素子ＳＷ２のチップがプリント回路基板ＫＩよりも遠い位置に固定されるよう配置する。さらに、半導体スイッチ素子ＳＷ２のチップと燃料電池スタック１とを結ぶ最短直線上にプリント回路基板ＫＩを配置する。この様に燃料電池スタック１とプリント回路基板ＫＩと半導体スイッチ素子ＳＷ２とを配置したので、燃料電池スタック１から半導体スイッチ素子ＳＷ２へ向けた輻射熱が、プリント回路基板ＫＩによって遮蔽され、半導体スイッチ素子ＳＷ２の温度上昇を抑制することが可能となる。

半導体スイッチ素子ＳＷで発生する損失として、スイッチのオン抵抗による導通損失が挙げられるが、このオン抵抗はチップ温度に対し依存性があり、チップ温度が上昇した場合に損失が増加する可能性がある。図４に示すグラフは、図３に示す回路構成における半導体スイッチ素子ＳＷの損失と、チップ温度との関係を示す。図４に示すように、チップ温度２０℃に比べチップ温度８０℃では損失が１.６倍程度まで増加しており、半導体スイッチ素子ＳＷはできるだけ温度を下げた方が、損失を低くできることが分かる。従って、図３で示す半導体スイッチ素子ＳＷを、図１で示す半導体スイッチ素子ＳＷ２のように燃料電池スタック１の表面からの距離に関してプリント回路基板ＫＩよりも遠い位置に配置することで、半導体スイッチ素子ＳＷの温度上昇を抑制し、半導体スイッチ素子ＳＷ２で発生する損失を低減して昇圧コンバータ２の変換効率を向上させることができる。

また、高周波トランスＴＲ２、入力平滑リアクトルＬ２は、プリント回路基板ＫＩ上の端子と電気的に接続されているものとする。このとき、高周波トランスＴＲ２または入力平滑リアクトルＬ２と燃料電池スタック１との最短間隔Ｗ３と、プリント回路基板ＫＩと電池スタック１との最短間隔Ｗ４との関係がＷ４＞Ｗ２となる状態、すなわち燃料電池スタック１の表面からプリント回路基板ＫＩへの距離が、燃料電池スタック１の表面から高周波トランスＴＲ２または入力平滑リアクトルＬ２への距離よりも遠い位置に固定されるよう配置する。言い換えれば、プリント回路基板ＫＩと燃料電池スタック１とを結ぶ平面上に高周波トランスＴＲ２または入力平滑リアクトルＬ２を配置する。この配置によれば、燃料電池スタック１から発生する輻射熱はプリント回路基板ＫＩにより遮蔽され、高周波トランスＴＲ２および入力平滑リアクトルＬ２の温度を上昇させることになる。

高周波トランスＴＲ２や入力平滑リアクトルＬ２などの巻き線素子が磁気コアを用いている場合、磁気コア内部では磁束密度変化に起因して鉄損が損失として発生する。磁気コア、特にフェライト鋼の鉄損特性はコア温度に対して依存性があり、鉄損が最低となるコア温度が存在する。図４に示すグラフは、図３に示す回路構成における高周波トランスＴＲ２の鉄損のコア温度による変化を示している。図４に示すように、コア温度２０℃に比べコア温度８０℃では２５％程度の損失が抑制されており、このことから、高周波トランスＴＲ２はできるだけ温度を上げたほうが発生する鉄損を低くできることが分かる。従って、図３で示す高周波トランスＴＲまたは入力平滑リアクトルＬを、図１で示す高周波トランスＴＲ２または入力平滑リアクトルＬ２のように、燃料電池スタック１の表面からの距離を、プリント回路基板ＫＩが高周波トランスＴＲ２または入力平滑リアクトルＬ２よりも遠い位置に固定されるよう配置を行うことで、磁気コアの温度上昇を促進し、高周波トランスＴＲ２または入力平滑リアクトルＬ２で発生する鉄損を低減して昇圧コンバータ２の変換効率を向上することができる。

実施例１の燃料電池モジュールの昇圧コンバータ内部配置構成を示す説明図。実施例１の燃料電池モジュールの概要を示す説明図。実施例１の燃料電池モジュールの昇圧コンバータ回路構成の説明図。実施例１の燃料電池モジュールの内部素子損失の温度特性の図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…昇圧コンバータ、８Ｉ…燃料供給手段、８Ｏ…排ガス排出手段、９Ｉ…熱媒体供給手段、９Ｏ…熱媒体排出手段、１１…筐体、１２…通信コネクタ、１３…端子台、５０１…断熱手段、５０２…放熱フィン、５０３…通気口、Ｃ１…入力平滑コンデンサ、Ｃ２…出力平滑コンデンサ、Ｃ３…コンデンサ、ＤＢ…出力整流手段、Ｄ２…逆流防止手段、ＦＡ…ファン、ＫＩ…プリント回路基板、Ｌ、Ｌ２…入力平滑リアクトル、ＳＷ、ＳＷ２…半導体スイッチ素子、ＴＲ、ＴＲ２…高周波トランス、Ｖ１…入力端子、Ｖ２…出力端子。

Claims

燃料電池スタックと同一筐体内に納められ、該燃料電池スタックの電気出力を制御する燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
該ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体スイッチ素子を搭載した電気回路実装基板を、前記燃料電池スタックと該半導体スイッチ素子との間に配置したことを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記半導体スイッチ素子が放熱手段を備え、前記半導体スイッチ素子を前記電気回路実装基板と該放熱手段との間に配置したことを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記半導体スイッチ素子が、パワーＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴのいずれかであることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記燃料電池モジュールが、固体高分子型燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１に記載の燃料電池モジュールを用いた発電システムにおいて、
前記放熱する手段に冷却媒体を供給する手段を設けたことを特徴とする燃料電池モジュールを用いた発電システム。
燃料電池スタックと同一筐体内に納められ、該燃料電池スタックの電気出力を制御する燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
該ＤＣ−ＤＣコンバータが、半導体スイッチ素子と、インダクタと、トランスと、該半導体スイッチ素子とインダクタとトランスとを搭載した電気回路実装基板とを備え、
該電気回路実装基板が、前記燃料電池スタックと半導体スイッチ素子との間に配置され、前記トランスとインダクタとを、前記燃料電池スタックと電気回路実装基板との間に配置したことを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項６に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記電気回路実装基板に搭載したインダクタとトランスとが、フェライト磁気コアを備えていることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項６に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記燃料電池モジュールが、固体高分子型燃料電池モジュールであることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項６に記載の燃料電池モジュールを用いた発電システムにおいて、
前記放熱する手段に冷却媒体を供給する手段を設けたことを特徴とする燃料電池モジュールを用いた発電システム。
燃料電池スタックと同一筐体内に納められ、該燃料電池スタックの電気出力を制御する燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
該ＤＣ−ＤＣコンバータが、半導体スイッチ素子と、平滑コンデンサと、該半導体スイッチ素子と平滑コンデンサとを搭載した電気回路実装基板とを備え、
該電気回路実装基板を前記燃料電池スタックと半導体スイッチ素子との間に配置し、該平滑コンデンサが前記半導体スイッチ素子と同じ側の前記電気回路実装基板の面に搭載されていることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１０に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記半導体スイッチ素子が、パワーＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴのいずれかであることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１０に記載の燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記平滑コンデンサが電解コンデンサであることを特徴とする燃料電池モジュールのＤＣ−ＤＣコンバータ。
請求項１０に記載の燃料電池モジュールを用いた発電システムにおいて、
前記放熱する手段に冷却媒体を供給する手段を設けたことを特徴とする燃料電池モジュールを用いた発電システム。