JP2019096479A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池またはバッテリとともに冷却器がケースに収容されている電源装置に関し、結露の水滴が燃料電池またはバッテリに落下しないようにケースの内部の構造を工夫する技術を提供する。【解決手段】燃料電池ユニット２は、燃料電池４を収容しているケース３と、ケース内に設けられている小部屋１５と、冷却器１２を備えている。小部屋１５は、燃料電池４の上方に設けられており、燃料電池４が収容されている主空間１８から仕切られている。冷却器１２は、小部屋１５の床１３に配置されている。リアクトル５ａ−５ｄが冷却器１２と対向するように床１３の下面１３ｂに接触している。電気部品１４ａ−１４ｃが冷却器１２と対向するように床１３の上面１３ａに接触している。電気部品１４ａ−１４ｃは、リアクトル５ａ−５ｄよりも発熱量が小さい。床１３に、主空間１８と小部屋１５を連通する貫通孔１６が設けられている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池またはバッテリと電気部品を備えている電源装置に関する。

燃料電池またはバッテリと電気部品を一つのケース、あるいは、連結した複数のケースに収容した電源ユニットが知られている。特許文献１には、電源として燃料電池を備えた電源装置の例が開示されている。特許文献１は、燃料電池を収容したロアケースと、ロアケースの上に連結されており電気部品を収容したアッパーケースを備える燃料電池装置を開示している。電気部品のいくつかは、アッパーケースの天板の裏に取り付けられている。

特開２０１７−１５２２８６号公報

燃料電池やバッテリは重いので、ケースの下方に配置されることが多い。電気部品は燃料電池やバッテリの上方に配置される。ケースに収容されている電気部品の中には発熱量の大きい部品があり、そのような部品を冷却する冷却器もケースに収容されている場合がある。ケースの下方に燃料電池やバッテリが配置されるため、電気部品を冷却する冷却器は、燃料電池やバッテリの上方に位置する場合がある。冷却器が動作している間、発熱量の大きい電気部品から離れた場所では結露を生じることがある。本明細書は、燃料電池またはバッテリとともに冷却器がケースに収容されている電源装置に関し、結露の水滴が燃料電池またはバッテリに落下しないようにケースの内部の構造を工夫する技術を提供する。

本明細書が開示する電源装置は、燃料電池またはバッテリを収容しているケースと、ケース内に設けられている小部屋と、冷却器を備えている。小部屋は、燃料電池またはバッテリが収容されている主空間から仕切られている。冷却器は、小部屋の床に配置されている。第１電気部品が冷却器と対向するように床の下面に接触している。第２電気部品が冷却器と対向するように床の上面に接触している。第２電気部品として、発熱量が第１電気部品よりも小さい部品が選定される。そして、ケースは、主空間と小部屋を連通する貫通孔を有している。

上記した電源装置では、主空間と小部屋が連通している。小部屋には、発熱量が第１電気部品よりも小さい第２電気部品が配置されている。冷却器は、発熱量の大きい第１電気部品を冷却するのに十分な冷却能力を有している。発熱量の小さい第２電気部品が配置されている小部屋の中が、第１電気部品が配置されている主空間よりも冷える。従って、小部屋の中で結露が生じる。小部屋の中で結露を生じさせ、主空間では結露が生じ難くなる。その結果、燃料電池またはバッテリの上に結露の水滴が落下することを防止できる。

結露は小部屋の床上に生じる場合がある。それゆえ、貫通孔が小部屋の床に設けられている場合、貫通孔を囲むとともに上方へ延びる円筒状のリブを小部屋の床に設けるとよい。小部屋の床上に生じた結露が貫通孔へ落ちることを防止することができる。さらに、小部屋の床の上に、非発熱部品を配置するとよい。床上の温度が上がらないようすれば、床上に結露が生じ易くなる。非発熱部品は、円筒状のリブの隣に配置されているとなおよい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

燃料電池ユニット（電源装置）の断面図である。 燃料電池ユニットのアッパーケースを斜め下からみた斜視図である。 アッパーケースを斜め上側からみた斜視図である。 アッパーケースの底面図である。

図面を参照して実施例の電源装置を説明する。実施例の電源装置は、電源として燃料電池を備える燃料電池ユニット２である。燃料電池ユニット２は、走行用モータの電源として用いられ、自動車に搭載される。

図１に燃料電池ユニット２の断面図を示す。図中の座標系の＋Ｚ方向が上に相当する。燃料電池ユニット２のケース３は、ロアケース３ａ、アッパーケース３ｂ、カバー３ｃに分割されている。アッパーケース３ｂは、ロアケース３ａの上に連結される。複数の燃料電池セルの積層体（燃料電池４）は重いのでロアケース３ａに収容される。アッパーケース３ｂには種々の電気部品が収容される。必然的に、種々の電気部品は、燃料電池４の上方に配置されることになる。電気部品のいくつかは、アッパーケース３ｂに収容される。ロアケース３ａにも残りの電気部品が収容されるが、それらの図示は省略した。複数の電気部品をロアケース３ａとアッパーケース３ｂに分散して配置することで、ケース３の内部空間を効率よく使うことができる。

図１に、アッパーケース３ｂを斜め下からみた斜視図を示し、図３にアッパーケース３ｂを斜め上からみた斜視図を示す。図１におけるアッパーケース３ｂの断面は、図２、図３におけるI−I線でカットした断面である。図２は、アッパーケース３ｂを逆さまにした斜視図であることに留意されたい。即ち、図２において底板のように見える板は、燃料電池ユニット２で最も上に位置する天板３９である。図３に、アッパーケース３ｂの底面図を示す。図２において積層ユニット２０（後述）の手前側、及び、図３において積層ユニット２０の下側にも別の電気部品が収容されている。しかし本実施例では、それら別の電気部品の図示は省略してある。

アッパーケース３ｂにおける部品レイアウトを説明する。アッパーケース３ｂに収容される電気部品は、燃料電池セルの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路を構成する。昇圧コンバータ回路は、チョッパタイプであり、いくつかのスイッチング素子とリアクトル５ａ−５ｄを主たる部品とする。燃料電池４の出力は大きく変動するため、燃料電池ユニット２は、多相コンバータを備えている。それゆえ、燃料電池ユニット２は、多相コンバータの夫々の相に対応した複数のリアクトル５ａ−５ｄを備えている。

多相コンバータの主要部品であるスイッチング素子は、カードタイプの複数のパワーモジュール２１のそれぞれに収容されている。複数のパワーモジュール２１は、カードタイプの複数の冷却器２２と１個ずつ交互に積層され、積層ユニット２０を構成する。隣接する冷却器２２は、２個の連結管２５で連結されている。それぞれの冷却器２２は、内部を冷媒が通る冷媒流路であり、連結管２５によって、２個の冷却器２２の冷媒流路は連通する。全ての冷却器２２の冷媒流路が連結管２５によって連通する。なお、図２の斜視図では、最も手前のパワーモジュール２１と手前の２個の冷却器２２のみに符号を付し、残りのパワーモジュールと冷却器には符号を省略した。図４の底面図では、最も下方のパワーモジュール２１と下側の２個の冷却器２２と２個の連結管２５のみに符号を付し、残りのパワーモジュールと冷却器と連結管には符号を省略した。

積層ユニット２０もアッパーケース３ｂに収容される。積層ユニット２０は、アッパーケース３ｂの天板３９の裏側に固定されている。積層ユニット２０の一方の端の冷却器２２に供給管２３と排出管２４が接続されている。供給管２３は、複数の冷却器２２の積層方向で一方の連結管２５と一例に並ぶように配置されている。排出管２４は、複数の冷却器２２の積層方向で他方の連結管２５と一例に並ぶように配置されている。供給管２３は、アッパーケース３ｂの側面に開口している流路口３３につながっており、排出管２４は、アッパーケース３ｂの側面に開口している流路口３４につながっている。

アッパーケース３ｂには、後述する別の冷却器１２が備えられている。冷却器１２は、アッパーケース３ｂの側面に開口している流路口３２と、別の側面に開口している流路口３１につながっている。流路口３２と流路口３３は、Ｕ字管３５でつながっている。

流路口３１と流路口３４は、不図示の冷媒循環装置に接続される。冷媒は、流路口３１から冷却器１２に供給される。冷却器１２を通過している間に冷媒は後述するリアクトル５ａ−５ｄと電気部品１４ａ−１４ｃから熱を吸収する。冷却器１２を通過した冷媒は、流路口３２、Ｕ字管３５、流路口３３、供給管２３、一方の連結管２５を通じて複数の冷却器２２に分配される。冷媒は、夫々の冷却器２２を通過する間に隣接するパワーモジュール２１の熱を吸収する。リアクトル５ａ−５ｄやパワーモジュール２１から熱を吸収した冷媒は、他方の連結管２５と排出管２４を通じて流路口３４から排出され、不図示の冷媒循環装置に戻される。冷媒は液体であり、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life coolant）である。

ケース３は、燃料電池４とリアクトル５ａ−５ｄと積層ユニット２０が収容される主空間１８から仕切られている小部屋１５を有している。小部屋１５は、アッパーケース３ｂの天板３９に設けられている。小部屋１５は燃料電池４の上方に設けられている。小部屋１５はカバー３ｃにより上方が閉じられる。小部屋１５は、主空間１８から仕切られてはいるが、後に説明する貫通孔１６により、主空間１８と連通している。小部屋１５には、電気部品１４ａ−１４ｃが収容される。電気部品１４ａ、１４ｂは、例えばコネクタであり、電気部品１４ｃは、例えば、インバータなどである。

先に述べた冷却器１２は、小部屋１５の床１３に設けられている。詳しくは、冷却器１２は、小部屋１５の床１３に埋設されており、床１３の上面１３ａが冷却器１２の上面にも相当し、床１３の下面１３ｂは冷却器１２の下面にも相当する。冷却器１２は、床１３の上面１３ａと下面１３ｂの夫々に接している部品を冷却することができる。なお、冷却器１２は、冷媒が通過する流路であり、流路の下面には複数のフィン１９が設けられている。冷却器１２の下面、別言すれば、小部屋１５の床１３の下面１３ｂにリアクトル５ａ−５ｄが接している。冷却器１２の上面、別言すれば、小部屋１５の床１３の上面１３ａに、電気部品１４ａ−１４ｃが接している。

電気部品１４ａ−１４ｃも通電すれば発熱するが、リアクトル５ａ−５ｄの方が電気部品１４ａ−１４ｃよりも発熱量ははるかに大きい。リアクトル５ａ−５ｄと電気部品１４ａ−１４ｃはいずれも冷却器１２で冷却される。冷却器１２の下面は、フィン１９が設けられており、フィンが設けられていない上面よりも冷却効率が高く、その下面に発熱量の大きいリアクトル５ａ−５ｄが接している。

先に述べたように、リアクトル５ａ−５ｄは発熱量が大きく、それゆえ、冷却器１２には、高い冷却能力が求められる。冷却器１２の冷却能力が高いと、リアクトル５ａ−５ｄから離れた場所では主空間１８の温度が下がり、結露し易くなる。主空間１８において燃料電池４の上方で結露が生じると、結露の水分が燃料電池４の上に落下するおそれがある。燃料電池４への水滴の付着は回避できる方がよい。そこで、燃料電池ユニット２では、燃料電池４への水滴の落下を防止すべく、小部屋１５の床１３には、主空間１８に通じる貫通孔１６が設けられている。貫通孔１６によって、小部屋１５の内空間と主空間１８が連通する。主空間１８の湿度と小部屋１５の湿度が同じになる。そして、小部屋１５の床１３には、冷却能力の高い冷却器１２が配置されており、冷却器１２の上面（小部屋１５の床１３の上面１３ａ）には、発熱しないか、あるいは、主空間１８に収容されているリアクトル５ａ−５ｄよりも発熱量の小さい電気部品１４ａ−１４ｃが配置されている。それゆえ、結露が生じるほどの湿度と温度の場合、結露は最初に小部屋１５の内部で生じる可能性が高くなる。小部屋１５で結露が生じれば、相対的に主空間１８で結露が生じる可能性が低くなる。燃料電池ユニット２は、燃料電池４が収容されている主空間１８から仕切られている小部屋１５に主空間１８とつながる貫通孔１６を設けることによって、主空間１８での結露を防止する。

なお、小部屋１５の床１３には、貫通孔１６を囲むとともに上方へ延びる筒状のリブ１７が設けられている。リブ１７は、床１３に生じた結露の水滴が貫通孔１６を通じて落下することを防止する。

筒状のリブ１７に隣り合うように小部屋１５の床１３の上に配置されている電気部品１４ａ、１４ｂは、コネクタであり、発熱しない。筒状のリブ１７に隣り合うように小部屋１５の床１３の上に非発熱部品（電気部品１４ａ、１４ｂ）を配置することで、筒状のリブ１７の周囲で床１３の上に、結露が生じ易くなる。床１３の上に積極的に結露を生じさせることで、主空間１８で結露が生じる可能性をより一層低くすることができる。床１３の上には、リアクトル５ａ−５ｄよりも発熱量の小さい電気部品１４ｃ（インバータ）も配置されている。発熱量の小さい電気部品１４は、非発熱部品である電気部品１４ａ、１４ｂよりもリブ１７から遠い箇所に配置される。この構成も、リブ１７の周囲の床１３の上に積極的に結露を生じさせることに貢献する。

実施例で説明した燃料電池ユニット２のいくつかの特徴をまとめると以下の通りである。燃料電池ユニット２のケース３は、ロアケース３ａ、アッパーケース３ｂ、カバー３ｃの３個の分割されている。重量物でありサイズも大きい燃料電池４は、ロアケース３ａの下部に収容されている。燃料電池４に付随する複数の電気部品は、ロアケース３ａとアッパーケース３ｂに分散して配置される。アッパーケース３ｂには、燃料電池４の上方に位置する小部屋１５が設けられている。小部屋１５は、燃料電池４が収容されている主空間１８（ケース３の内部の主空間１８）から仕切られている。小部屋１５は、主空間１８から仕切られてはいるが、小部屋１５の床１３に、小部屋１５と主空間１８を連通する貫通孔１６が設けられている。また、小部屋１５の床１３には、液体冷媒が通る冷却器１２が一体的に設けられている。冷却器１２の上面、即ち、床１３の上面１３ａには、電気部品１４ａ−１４ｃが接している。冷却器１２の下面、即ち、床１３の下面１３ｂ（主空間１８に晒されている面）には、別の電気部品（リアクトル５ａ−５ｄ）が接している。上面１３ａに接している電気部品１４ａ−１４ｃの発熱量は、下面１３ｂに接している電気部品（リアクトル５ａ−５ｄ）の発熱量よりも小さい。即ち、小部屋１５には、発熱しないか、あるいは、リアクトル５ａ−５ｄに対して相対的に発熱量の小さい部品だけが収容される。

先に述べたように、小部屋１５の床１３には、主空間１８と連通する貫通孔１６が設けられているので、主空間１８と小部屋１５の湿度は等しい。そして、小部屋１５には、相対的に発熱量の小さい部品のみが収容されているため、結露は小部屋１５で最初に生じる。小部屋で最初に結露が生じるので、相対的に主空間１８では結露が生じ難くなる。その結果、結露の水滴が燃料電池４の上に落下することが防止される。

小部屋１５の床１３には貫通孔１６を囲む筒状のリブ１７が設けられている。よって、床１３に生じた結露の水滴が貫通孔１６を通じて主空間１８に落下することはない。なお、小部屋１５と主空間１８を連通する貫通孔は、小部屋１５の床１３以外に設けられていてもよい。小部屋１５と主空間１８は、貫通孔以外で連通していてもよい。

リブ１７に隣り合うように、小部屋１５の床１３の上に、非発熱部品（電気部品１４ａ、１４ｂ）が配置される。リブ１７の周囲で床１３の温度が上がらないようにすることで、床１３の上に結露が生じ易くなる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のリアクトル５ａ−５ｄが第１電気部品の一例に相当する。電気部品１４ａ−１４ｃが、第２電気部品の一例に相当する。第１電気部品は、第２電気部品よりも発熱量が大きければよい。別言すると、第２電気部品は第１電気部品よりも発熱量が小さければよい。複数の第１電気部品が冷却器１２に接しており、複数の第２電気部品が冷却器１２に接している場合、複数の第１電気部品の総発熱量が、複数の第２電気部品の総発熱量よりも小さければよい。

実施例の電源装置は、燃料電池４を備えた燃料電池ユニット２である。本明細書が開示する技術は、燃料電池４の代わりにバッテリを収容した電源装置に適用してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池ユニット（電源装置）
３：ケース
３ａ：ロアケース
３ｂ：アッパーケース
３ｃ：カバー
４：燃料電池
５ａ−５ｄ：リアクトル
１２：冷却器
１３：床
１３ａ：上面
１３ｂ：下面
１４ａ−１４ｃ：電気部品
１５：小部屋
１６：貫通孔
１７：リブ
１８：主空間
１９：フィン
２０：積層ユニット
２１：パワーモジュール
２２：冷却器
２３：供給管
２４：排出管
２５：連結管
３１、３２、３３、３４：流路口
３５：Ｕ字管
３９：天板

Claims (4)

1. 燃料電池またはバッテリを収容しているケースと、
   前記ケース内に設けられており、前記燃料電池または前記バッテリが収容されている主空間から仕切られている小部屋と、
   前記小部屋の床に配置されている冷却器と、
   前記冷却器と対向するように前記床の下面に接触している第１電気部品と、
   前記冷却器と対向するように前記床の上面に接触しており、発熱量が前記第１電気部品よりも小さい第２電気部品と、を備えており、
   前記ケースは、前記主空間と前記小部屋を連通する貫通孔を備えている、電源装置。
2. 前記貫通孔は前記床に設けられているとともに、前記床に、前記貫通孔を囲むとともに上方へ延びる筒状のリブが設けられている、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記床の上に非発熱部品が配置されている、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記非発熱部品は、前記リブの隣に配置されている、請求項３に記載の電源装置。

Images