JP2011019339A - 電力変換装置、電力変換システム及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータにおいて、冷却水による漏電や破損を防止する。
【解決手段】コンバータ１４は、電子素子６０、６１、６２が設けられた上段部５０、中段部５１及び下段部５２が積層されており、上段部５０と中段部５１同士の接合面７２には、冷却水を流す冷却水路８０が形成され、上段部５０と中段部５１同士を連通させる連通孔８１が開口している。接合面７２内の冷却水路８０と連通孔８１との間には、冷却水路８０から漏れた冷却水が入り込む溝９１が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置、電力変換システム及び燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料電池により出力された電圧を昇圧させるコンバータが設けられている。コンバータは、コンデンサ、ＩＰＭ、リアクトル等の多数の電子素子を有している。これらの電子素子は、発熱するため、コンバータに冷却機能を設ける必要がある（特許文献１参照）。

特開２００４−１６４９５２号公報

コンバータの構造として、例えば図５に示すようなものある。コンバータ２００には、電子素子Ａ、Ｂ、Ｃが設けられた構成部２１０、２１１、２１２が積層され、所定の隣り合う構成部２１０、２１１の接合面Ｓに、冷却水を流す冷却水路２１３が形成されている。また、接合面Ｓには、構成部２１０、２１１同士を連通する連通孔２１４が開口している。この連通孔２１４を通じて構成部２１０の電子素子Ａと、構成部２１１の電子素子Ｂとを電気線２１５により接続している。

接合面Ｓの冷却水路２１３の周りには、ＦＩＰＧ（Form in Place Gasket）などのシール剤が塗布されるが、何らかの原因でシール機能が低下し、冷却水がシール剤から漏れると、連通孔２１４内に冷却水が入り込む可能性がある。連通孔２１４に冷却水が入り込むと、連通孔２１４を通る電気線２１５やその電気線２１５の高電圧の端子が濡れるだけでなく、下層の構成部２１２内が浸水する恐れがある。電気線２１５やその端子が濡れたり、下層の構成部２１２内が浸水すると、漏電や破損を招く恐れがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、上述のコンバータなどの電力変換装置において、構成部同士の接合面の冷却水路から連通孔に冷却水が入り込むことを防止することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、電子素子が設けられた構成部が積層されており、 所定の隣り合う構成部同士の接合面には、冷却水を流す冷却水路が形成され、少なくとも当該接合面を挟んだ両側の構成部同士を連通させる連通孔が開口し、前記接合面内の前記冷却水路と前記連通孔との間には、前記冷却水路から漏れた冷却水が入り込む溝が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水路から冷却水が漏れても溝に入り込むので、冷却水が連通孔に入り込むことが防止できる。これにより、構成部内の浸水や、連通孔を通る電気線やその端子が濡れることを防止し、電力変換装置の冷却水による漏電や破損を防止できる。

前記溝は、前記連通孔と連通しない前記接合面内の排水部に連通していてもよい。かかる場合、溝に溜まった冷却水を適正に排水できる。

前記排水部には、排水を検出するセンサが設けられていてもよい。かかる場合、冷却水路からの冷却水の漏水を検出できるので、当該漏水に対し迅速に対応できる。

別の観点による本発明によれば、上記センサを有する電力変換装置と、前記センサにより排水を検出した際に電力変換装置を停止させる制御部と、を有することを特徴とする電力変換システムが提供される。本発明によれば、冷却水路から冷却水の漏水があった場合に電力変換装置を迅速に停止して、電力変換装置の漏電や破損を防止できる。

別の観点による本発明によれば、上記電力変換装置を有し、前記電力変換装置は、燃料電池により発電された電力を変換することを特徴とする燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、電力変換装置の電気線やその端子が濡れたり電子素子が浸水することを防止できるので、冷却水による漏電や破損を防止できる。

燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。 コンバータの構成の概略を示す縦断面の説明図である。 （ａ）は、上段部の底板の接合面の平面図であり、（ｂ）は、中段部の天井板の接合面の平面図である。 センサを有する中段部の天井板の接合面の平面図である。 改良前のコンバータの構成の概略を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置としてのコンバータを備えた燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。 燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電圧を変圧するコンバータ１４や、発電された電力を制御するパワーコントロールユニット１５が接続されている。

酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送るガス排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出するガス排気流路２３を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４等が設けられている。

水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。

循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。

コンバータ１４は、例えば図２に示すように複数、例えば３つの構成部である上段部５０、中段部５１及び下段部５２が積層されて構成されている。上段部５０、中段部５１及び下段部５２の内部には、それぞれ電子素子が設けられている。例えば上段部５０の内部には、リアクトル、電流センサなどの電子素子６０が設けられ、中段部５１の内部には、ＩＰＭなどの電子素子６１が設けられている。下段部５２の内部には、コンデンサ、リレー、サービスプラグなどの電子素子６２が設けられている。

例えば上段部５０の底面には、底板７０が形成され、中段部５１の天井面には、天井板７１が形成されている。図３（ａ）、（ｂ）に示すように上段部５０の底板７０と中段部５１の天井板７１には、それぞれ対応する冷却水溝８０ａが形成され、図２に示すようにそれらを合わせることによって、底板７０と天井板７１との接合面７２に、冷却水の冷却水路８０が形成されている。なお、冷却水路８０には、図示しない外部の冷却水供給源から冷却水が供給される。また、底板７０と天井板７１には、上段部５０内と中段部５１内同士を連通する連通孔８１が形成されている。図３（ａ）、（ｂ）に示すように連通孔８１は、複数個所に形成され、底板７０と天井板７１の接合面７２にそれぞれ開口している。

例えば図２に示すように例えば上段部５０、中段部５１及び下段部５２の連通孔８１に対応する位置には、各段の電子素子と電気的に接続されるターミナル８２、８３、８４が設けられている。上段部５０のターミナル８２と中段部５１のターミナル８３は、連通孔８１内を通るバスバーなどの電気線８５によって接続されている。中段部５１のターミナル８３と下段部５２のターミナル８４も電気線８６によって接続されている。これにより、上段部５０、中段部５１及び下段部５２同士間の電子素子６０、６１、６２が電気的に接続される。

接合面７２の冷却水路８０の周囲には、ＦＩＰＧなどのシール剤９０が塗布されている。図３（ｂ）に示すように中段部５１の接合面７２内の冷却水溝８０ａと複数の連通孔８１との間には、冷却水溝８０ａ及びシール剤９０を囲むような溝９１が形成されている。これにより、底板７０と天井板７１を貼り合わせることにより、図２に示すように底板７０により閉鎖された溝９１が形成される。溝９１は、図３（ｂ）に示すように天井板７１の接合面７２に凹状に設けられた排水部９２に連通している。よって、溝９１内に溜まった冷却水は、溝９１を通って排水部９２に排出される。なお、溝９１は、平坦であってもいいし、排水部９２に向けて次第に低くなるように傾斜していてもよい。また、連通孔８１の周りにも、シール９３が形成されている。

以上の実施の形態によれば、冷却水路８０から冷却水が漏れても溝９１に入り込むので、冷却水が連通孔８１に入り込むことが防止できる。これにより、連通孔８１を通じた下段部５２内の浸水や、連通孔８１を通る電気線８５、８６やその端子が濡れることを防止し、冷却水による漏電や破損を防止できる。

溝９１は、連通孔８１と連通しない接合面７２内の排水部９２に連通しているので、溝９１に溜まった冷却水を適正に排水できる。また、溝９１から排水部９２に冷却水を排水することにより、冷却水路８０における冷却水の漏水許容量を増やすことができる。

上記実施の形態で記載した燃料電池システム１は、燃料電池１０により高電圧の電力が出力され、燃焼ガスの水素ガス等が使用されるため、燃料電池システム１におけるコンバータ１４の漏電を防止し安全性を向上するメリットは大きい。

上記実施の形態における中段部５１の接合面７２の排水部９２には、図４に示すように排水を検出するセンサ１００が設けられていてもよい。かかる場合、例えばセンサ１００の出力は、コンバータ１４の動作を制御する制御部１０１に行われ、当該制御部１０１は、センサ１００により排水が検出された際にコンバータ１４を停止させてもよい。こうすることにより、冷却水路８０から冷却水の漏水があった場合にコンバータ１４を迅速に停止して、コンバータ１４における漏電や破損を防止できる。なお、制御部１０１には、燃料電池システム１の各種装置を制御する制御装置を用いてもよいし、それとは別に設けたものを用いてもよい。また、本実施の形態においては、センサ１００を有するコンバータ１４と制御部１０１により、本発明に係る電力変換システムが構成されている。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態において、必ずしも排水部９２は必要なく、溝９１だけであってもよい。また、以上の実施の形態における上段部５０、中段部５１及び下段部５２に設けられる電子素子は、任意に選択できる。また、以上の実施の形態では、構成部が３つであったが、その数はこれに限られない。また、以上の実施の形態では、電力変換装置がコンバータ１４であったが、本発明はインバータなどの他の電力変換装置にも適用できる。燃料電池システム１は、燃料電池車両以外の電気自動車、ハイブリット自動車などの車両のほか、各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）や、定置設備（住宅、ビル等）に対するものであってもよい。さらに、本発明は、燃料電池システム以外に用いられる電力変換装置にも適用できる。

本発明は、電力変換装置において、冷却水による漏電や破損を防止する際に有用である。

１ 燃料電池システム
１４ コンバータ
５０ 上段部
５１ 中段部
５２ 下段部
６０、６１、６２ 電子素子
７２ 接合面
８０ 冷却水路
８１ 連通孔
９１ 溝

Claims (5)

1. 電子素子が設けられた構成部が積層されており、
   所定の隣り合う構成部同士の接合面には、冷却水を流す冷却水路が形成され、少なくとも当該接合面を挟んだ両側の構成部同士を連通させる連通孔が開口し、
   前記接合面内の前記冷却水路と前記連通孔との間には、前記冷却水路から漏れた冷却水が入り込む溝が形成されていることを特徴とする、電力変換装置。
2. 前記溝は、前記連通孔と連通しない前記接合面内の排水部に連通していることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記排水部には、排水を検出するセンサが設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置と、
   前記センサにより排水を検出した際に電力変換装置を停止させる制御部と、を有することを特徴とする、電力変換システム。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置を有し、前記電力変換装置は、燃料電池により発電された電力を変換することを特徴とする、燃料電池システム。

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