JP2020129450A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧コンバータ及び電気部品を効果的に冷却すると共に、小型化を実現することである。【解決手段】複数の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの上方に設置され、燃料電池スタックからの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ（４０）と、昇圧コンバータの上方に設置され、昇圧コンバータよりも耐熱性が低い電気部品（４６）と、燃料電池スタック、昇圧コンバータ及び電気部品を収容する収容ケースとを備えた燃料電池ユニットであって、収容ケースには電気部品の設置室（５０ｂ）と昇圧コンバータの設置室（５０ａ）が隔壁（２６）を挟んで形成されており、隔壁に冷却通路（５１）が形成された構成にした。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

燃料電池スタックの出力電圧によってモータを駆動する燃料電池システムを採用した燃料電池車両が知られている。燃料電池車両には、レイアウトの都合上、燃料電池スタック、燃料電池スタックからの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ、その他の燃料電池システム用の電気部品が分散して配置されている。近年では、燃料電池システムの小型化の観点から部品の一体化が推進されており、燃料電池スタック、昇圧コンバータ、リレー回路等を一体化して、燃料電池車両のフロントコンパートメント内に設置した燃料電池ユニットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−１６３８６１号公報

燃料電池システムでは更なる小型化が求められており、リレー回路以外の他の燃料電池システム用の電気部品についても燃料電池ユニットに集約することが検討されている。しかしながら、この電気部品の使用環境温度の上限値は昇圧コンバータの使用環境温度の上限値よりも低く、昇圧コンバータの発熱によって、電気部品の環境温度が使用環境温度の上限値以上に上昇するおそれがある。このため、昇圧コンバータと電気部品が使用環境温度の範囲で動作するように燃料電池ユニットを冷却する必要があった。

本発明では、昇圧コンバータ及び電気部品を効果的に冷却すると共に、小型化を実現することができる燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池ユニットは、複数の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの上方に設置され、前記燃料電池スタックからの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの上方に設置され、前記昇圧コンバータよりも耐熱性が低い電気部品と、前記燃料電池スタック、前記昇圧コンバータ及び前記電気部品を収容する収容ケースとを備えた燃料電池ユニットであって、前記収容ケースには前記電気部品の設置室と前記昇圧コンバータの設置室が隔壁を挟んで形成されており、前記隔壁に冷却通路が形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却通路に冷却水が流れることで、電気部品と昇圧コンバータが効果的に冷却される。また、耐熱性が低い電気部品の設置室と耐熱性が高い昇圧コンバータの設置室が、冷却された隔壁によって分離されているため、昇圧コンバータの環境温度の上昇に起因する電気部品の環境温度の上昇が抑えられる。よって、耐熱性が異なる昇圧コンバータと電気部品を一体化することができ、燃料電池ユニットの小型化を実現することができる。

本実施形態に係る燃料電池ユニットを搭載した燃料電池車両の概略図である。 本実施形態に係る燃料電池ユニットの概略斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池ユニットの模式断面図である。 昇圧コンバータ及び高電圧部品の模式断面図である。 上部ケースの模式下面図である。 上部ケースの模式上面図である。 冷却系システムのシステム構成図である。

以下、添付の図面を参照して、燃料電池ユニットの実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池ユニットを搭載した燃料電池車両の概略図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池ユニットの概略斜視図である。図３は、本実施形態に係る燃料電池ユニットの模式断面図である。

［燃料電池ユニットを搭載した燃料電池車両について］
先ず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池ユニットを搭載した燃料電池車両について説明する。図１に示すように、燃料電池車両１は、燃料電池の電力によってモータ１０を駆動し、モータ１０の駆動力を前輪１１及び／又は後輪１２に伝えて走行する。燃料電池車両１の後部座席１３の下部及び車室１４の後方には、燃料ガスが充填された高圧タンク１５、１６が設置されている。燃料電池車両１の車室１４の前方には、ダッシュパネル１７とトーボード１８によって車室１４から仕切られたフロントコンパートメント１９が形成されている。フロントコンパートメント１９内には、モータ１０と、モータ１０に対して電力を供給する燃料電池ユニット２０とが設置されている。

［燃料電池ユニットについて］
燃料電池ユニット２０は、燃料電池スタック２１上に燃料電池用パワーコントロールユニット２２（以下、ＦＣＰＣ２２と称する）を設けて、燃料電池スタック２１とＦＣＰＣ２２を一体化したものである。より具体的には、この燃料電池ユニット２０は、電池スタック２１と、燃料電池スタック２１の上方に設置される昇圧コンバータ４０と、昇圧コンバータ４０の上方に設置される高電圧部品（電気部品）４６と、燃料電池スタック２１、昇圧コンバータ４０及び電気部品等を収容するユニットケース（収容ケース）２３とを備える。

燃料電池スタック２１は、複数の燃料電池単セルが積層されることによって形成されている。各燃料電池単セルは、高圧タンク１５、１６から供給された燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素とに電気化学反応を起こさせて電力を生じさせている。ＦＣＰＣ２２は、ポンプインバータ等の高電圧部品４６や昇圧コンバータ４０（図３参照）等を一体化したコントロールユニットである。

［ユニットケースの構成］
図２及び図３を参照して、燃料電池ユニットの各種部品を集約するユニットケースについて説明する。図２及び図３に示すように、燃料電池ユニット２０はユニットケース２３に各種部品を設置することで構成されている。燃料電池ユニット２０のユニットケース２３は、下部ケース２４に対して上部ケース２５が組み付けられ、さらに上部ケース２５に対してその上面の一部を覆うようにカバー３０が組み付けられて形成されている。下部ケース２４は上面を開放した箱状に形成されており、下部ケース２４に燃料電池スタック２１が設置されている。上部ケース２５は下面を開放した箱状に形成されており、上部ケース２５の上面を形成する横壁（隔壁）２６に燃料電池スタック２１からの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ４０が設置されている。昇圧コンバータ４０の詳細については後述する。

上部ケース２５の横壁２６の一部は窪んでおり、この横壁２６の窪み箇所を覆うように上部ケース２５にカバー３０が組み付けられている。カバー３０は、天井面が比較的低いカバー本体３１と、カバー本体３１から膨出して天井面が比較的高い膨出部３２とを有している。カバー３０の内側には、高電圧で動作する各種の高電圧部品４６が設置されている。本実施形態では、電気部品として高電圧部品４６を例示しているが、高電圧部品４６以外の電気部品がカバー３０の内側に設置されていてもよい。なお、本実施形態の高電圧部品４６は、例えばウォータポンプ６１（図７参照）用のインバータ４７、水素ポンプ用のインバータ４８、リレー回路４９である。各インバータ４７、４８のインバータカバー３３、３４は、カバー本体３１の表面から部分的に突出している。なお、各高電圧部品４６の詳細については後述する。

このように、ユニットケース２３には、燃料電池スタック２１の上方に昇圧コンバータ４０が設置され、昇圧コンバータ４０の上方に高電圧部品４６が設置されている。この場合、下部ケース２４と上部ケース２５によって燃料電池スタック２１と昇圧コンバータ４０の共通の設置室５０ａが形成され、上部ケース２５とカバー３０によって高電圧部品４６の設置室５０ｂが形成されている。設置室５０ａ及び設置室５０ｂは上部ケース２５の横壁２６によって仕切られており、横壁２６の下側に昇圧コンバータ４０が設けられ、横壁２６の上側に高電圧部品４６が設けられて、昇圧コンバータ４０と高電圧部品４６がユニット化されている。

燃料電池ユニット２０は、燃料電池スタック２１、昇圧コンバータ４０、高電圧部品４６を一体化してフロントコンパートメント１９（図１参照）に設置することによって小型化が実現される。しかしながら、昇圧コンバータ４０の使用環境温度の上限は９０［℃］であり、高電圧部品４６の使用環境温度の上限は８５［℃］である。昇圧コンバータ４０よりも高電圧部品４６は耐熱性が低く、昇圧コンバータ４０の環境温度につられて高電圧部品４６の環境温度が高くなると、高電圧部品４６の動作が不安定になるおそれがある。なお、環境温度とは、部品周辺の平均温度をいう。

そこで、本実施形態では、上部ケース２５の横壁２６に昇圧コンバータ４０を冷却する冷却通路５１（図４参照）が形成され、この横壁２６によって昇圧コンバータ４０の設置室５０ａと高電圧部品４６の設置室５０ｂが分けられている。これによって、昇圧コンバータ４０の設置室５０ａから高電圧部品４６の設置室５０ｂに向かう熱が横壁２６で吸収されるため、昇圧コンバータ４０の環境温度の上昇に起因する高電圧部品４６の環境温度の上昇が抑えられる。従って、耐熱性が異なる昇圧コンバータ４０と高電圧部品４６をユニット化することができる。

［各部品の設置構成及び冷却通路について］
以下、図４から図６を参照して、各部品の設置構成及び冷却通路について説明する。図４は、昇圧コンバータ及び高電圧部品の模式断面図である。図５は、上部ケースの模式下面図である。図６は上部ケースの模式上面図である。なお、図６は上部ケースからカバーを外した状態を示している。

図４及び図５に示すように、上部ケース２５は、底面視略矩形状の横壁２６と横壁２６を囲む４つの側壁２７ａ−２７ｄとを有している。上部ケース２５の横壁２６の下面２８には昇圧コンバータ４０が設置されている。昇圧コンバータ４０は、複数のリアクトル４１と、インテリジェントパワーモジュール４３（以下、ＩＰＭ４３と称する）と、コンデンサ４４と、その他の駆動回路（不図示）とを含んでいる。昇圧コンバータ４０は、ＩＰＭ４３のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦして、各リアクトル４１の磁気エネルギーの蓄積／放出を繰り返すことで、燃料電池スタック２１（図３参照）からの出力電圧を昇圧する。

複数のリアクトル４１は上部ケース２５の側壁２７ａに沿って横一列に並んでおり、各リアクトル４１は冷却部材４２を介して上部ケース２５の横壁２６の下面２８に設置されている。各リアクトル４１の下部は上部ケース２５の側壁２７ａ−２７ｄよりも下方に食み出しているが、上部ケース２５に下部ケース２４（図３参照）が組み付けられることで各リアクトル４１が全体的に収容されている。ＩＰＭ４３及びコンデンサ４４は、それぞれ冷却部材（不図示）を介して上部ケース２５の横壁２６の下面中央に設置されている。また、上部ケース２５の横壁２６の下面２８には、バスバーや各種回路が設置されているが、ここでは説明を省略する。

図４及び図６に示すように、上部ケース２５の横壁２６の上面２９にはカバー３０が組み付けられて、上部ケース２５とカバー３０によって高電圧部品４６の設置室５０ｂが形成されている。カバー３０のカバー本体３１からはインバータカバー３３、３４が突出しているが、カバー本体３１とインバータカバー３３、３４は気密に接触している。すなわち、高電圧部品４６の設置室５０ｂは、上部ケース２５、カバー３０、インバータカバー３３、３４によって密閉構造になっている。各インバータカバー３３、３４のそれぞれにはインバータ４７、４８が収容され、カバー３０の膨出部３２にはリレー回路４９が収容されている。

インバータ４７、４８及びリレー回路４９は、横壁２６を挟んで複数のリアクトル４１の逆側において、上部ケース２５の側壁２７ａ（図５参照）に沿って横一列に並んでいる。インバータ４７は、二次電池（不図示）又は燃料電池スタック２１からの直流電圧を交流電圧に変換して、冷却系システムのウォータポンプ６１（図７参照）に出力する。インバータ４８は、二次電池（不図示）又は燃料電池スタック２１からの直流電圧を交流電圧に変換して、燃料電池システム用の水素ポンプ（不図示）に出力する。リレー回路４９は、外部給電用のリレー回路である。なお、リレー回路４９は、昇圧コンバータ４０とモータ１０（図１参照）に接続され、昇圧コンバータ４０とモータ１０を電気的に接続又は切断するように構成されてもよい。

このように、ユニットケース２３（図２参照）には、昇圧コンバータ４０の設置室５０ａと高電圧部品４６の設置室５０ｂとが上部ケース２５の横壁２６を挟んで上下に形成されている。この横壁２６には、昇圧コンバータ４０及び高電圧部品４６を冷却する冷却通路５１が形成されている。冷却通路５１を通る冷却水によって設置室５０ａの昇圧コンバータ４０及び設置室５０ｂの高電圧部品４６が冷却される。設置室５０ｂが密閉構造であるため、冷却通路５１を通る冷却水の冷却効果が燃料電池ユニット２０の外部に逃げることが抑えられる。ここでは、最大６８［℃］の冷却水によって昇圧コンバータ４０及び高電圧部品４６の環境温度が使用環境温度の上限値以下に抑えられる。

図４から図６に示すように、冷却通路５１は、横壁２６の内部に形成された複数の内部通路５２、５３と、横壁２６の外部に設置されたＵ字パイプ５４及びストレートパイプ５５、５６とによって蛇行するように形成されている。より詳細には、冷却通路５１は、上部ケース２５の側壁２７ａと側壁２７ｄの間の角部付近を入口とし、この入口から側壁２７ａに沿って側壁２７ｂに向かうように横壁２６に内部通路５２が形成されている。内部通路５２の真下には内部通路５２に沿って複数のリアクトル４１が一列に並んでおり、内部通路５２の真上には内部通路５２に沿ってインバータ４７、４８及びリレー回路４９が一列に並んでいる。

内部通路５２の出口には、上部ケース２５の側壁２７ｂの外側面に設けられたＵ字パイプ５４の入口が接続されている。Ｕ字パイプ５４の出口には、側壁２７ｂを貫通するストレートパイプ５５を介して横壁２６の内部通路５３の入口が接続されている。内部通路５３はコンデンサ４４及びＩＰＭ４３を回り込むように横壁２６に形成されており、内部通路５３の出口には側壁２７ｂを貫通するストレートパイプ５６が接続されている。ストレートパイプ５６によって側壁２７ｂと側壁２７ｃの角部側に冷却通路５１の出口が形成されている。このように形成された冷却通路５１は、後述する燃料電池車両の冷却系システムの一部を構成しており、冷却系システム内を循環する冷却水が冷却通路５１を通過することによって上部ケース２５が全体的に冷却される。

横壁２６の内部通路５２を流れる冷却水によって、横壁２６の下面２８側の複数のリアクトル４１が冷却部材４２を介して冷却されると共に、横壁２６の上面２９側のインバータ４７、４８及びリレー回路４９とが冷却される。このとき、冷却水に冷却された横壁２６によって複数のリアクトル４１の設置室５０ａとインバータ４７、４８及びリレー回路４９の設置室５０ｂとが隔てられているため、設置室５０ａの環境温度の上昇に伴って設置室５０ｂの環境温度が過度に上昇することがない。よって、昇圧コンバータ４０よりも耐熱性が低い高電圧部品４６の設置室５０ｂの環境温度が使用環境温度以上になることが抑えられている。

横壁２６の上面２９には、内部通路５２（冷却通路５１）の上流側から下流側に向かって自己発熱性が高い順番に部品が設置されている。すなわち、内部通路５２の上流側からウォータポンプ６１用のインバータ４７、水素ポンプ用のインバータ４８、リレー回路４９の順に横壁２６の上面２９に部品が設置されている。これにより、自己発熱性が高い部品から順に冷却されるため、冷却水による冷却効果を最大限に発揮させることができる。さらに、設置室５０ｂがカバー３０によって密閉されているため、設置室５０ｂと外気の間の空気の移動を抑えて冷却効果を維持することができる。

また、内部通路５３を流れる冷却水によって、横壁２６の下面２８側のコンデンサ４４及びＩＰＭ４３が冷却部材（不図示）を介して冷却される。この場合、内部通路５３によってコンデンサ４４及びＩＰＭ４３が側壁２７ｂ側を除いて囲まれているため、コンデンサ４４及びＩＰＭ４３が効果的に冷却される。このように、上部ケース２５には、冷却効果が最も高い冷却通路５１の上流側に複数のリアクトル４１の設置領域と、インバータ４７、４８、リレー回路４９の設置領域とが形成されている。さらに、冷却通路５１の下流側にコンデンサ４４及びＩＰＭ４３の設置領域が形成されている。

［燃料電池車両の冷却系システムについて］
図７を参照して、燃料電池車両の冷却系システムについて説明する。図７は、冷却系システムのシステム構成図である。

図７に示すように、燃料電池車両の冷却系システムは、ウォータポンプ６１と、エアコンプレッサ用のモータ６２と、モータ６２に付属のオイルクーラ６３と、ラジエータ６４と、パワーコントロールユニット６５（以下、ＰＣＵ６５と称する）と、燃料電池ユニット２０（図２参照）のＦＣＰＣ２２と、水温センサ６６とを備えている。ウォータポンプ６１は、冷却系システムにおいて冷却水を循環させる。エアコンプレッサ用のモータ６２は、外部から空気を取り込んで圧縮して、圧縮空気を酸化剤ガスとして燃料電池スタック２１（図３参照）に供給する。

オイルクーラ６３は、エアコンプレッサ内の油路を循環するオイルを冷却する。ラジエータ６４は、冷却系システムを流れる冷却水と外気の熱交換によって冷却水を冷却する。なお、ラジエータ６４は、冷却ファンからの送風によって冷却水を冷却してもよい。ＰＣＵ６５は、燃料電池車両の電力制御を実施する。ＦＣＰＣ２２は、上記したように燃料電池スタック２１（図３参照）とユニット化されており、ＦＣＰＣ２２にはインバータ４７、４８、リレー回路４９、複数のリアクトル４１、ＩＰＭ４３、コンデンサ４４が設置されている。水温センサ６６は、冷却水の温度に応じてウォータポンプ６１の回転数を制御する。

このような冷却系システムでは、ウォータポンプ６１が駆動すると、エアコンプレッサ用のモータ６２に向けて冷却水が送られ、冷却水がモータ６２及びオイルクーラ６３を通過することでモータ６２及びオイルクーラ６３が冷却される。また、冷却水がラジエータ６４を通過することで冷却水の温度が下げられて、温度低下後の冷却水がＰＣＵ６５を通過することでＰＣＵ６５が冷却される。ＦＣＰＣ２２に形成された冷却通路５１を冷却水が通過することで、インバータ４７、４８、リレー回路４９等の高電圧部品４６と、リアクトル４１、ＩＰＭ４３、コンデンサ４４等の昇圧コンバータ４０が冷却される。

そして、ＦＣＰＣ２２を通過した冷却水の温度が水温センサ６６によって測定され、測定結果に応じてウォータポンプ６１の回転数が制御される。冷却水の水温が高い測定結果の場合には、ウォータポンプ６１の回転数が増加されて、ラジエータ６４に送られる冷却水の流量が増えることで、冷却系システムを循環する冷却水の温度が下げられる。冷却水の水温が低い測定結果の場合には、ウォータポンプ６１の回転数が減少されて、ラジエータ６４に送られる冷却水の流量が抑えられる。冷却系システムを循環する冷却水の流量を変えることによって、冷却系システム全体が効果的に冷却されている。

以上のように、本実施形態の燃料電池ユニット２０では、冷却通路５１に冷却水が流れることで、高電圧部品４６と昇圧コンバータ４０が効果的に冷却される。また、耐熱性が高い昇圧コンバータ４０の設置室５０ａと耐熱性が低い高電圧部品４６の設置室５０ｂが冷却された横壁２６によって分離されているため、昇圧コンバータ４０の環境温度の上昇に起因する高電圧部品４６の環境温度の上昇が抑えられている。よって、耐熱性が異なる昇圧コンバータ４０と高電圧部品４６を一体化することができ、燃料電池ユニット２０の小型化を実現することができる。また、燃料電池ユニット２０に複数の部品が集約されるため、部品同士を繋ぐ配線を短縮する分だけ、低コスト化を実現することができる。

［冷却効果の評価］
本願発明者は、上述した燃料電池ユニット２０に基づき、設置室５０ａ（図４参照）が９０［℃］以上でかつ複数のリアクトル４１が動作した状態にて、設置室５０ｂ（図４参照）の各高電圧部品４６の周辺の環境温度を測定して評価した。下記表１は、高電圧部品４６毎の評価結果を示している。ウォータポンプ６１用のインバータ４７、水素ポンプ用のインバータ４８、リレー回路４９の環境温度が、それぞれ７９．０［℃］、８１．９［℃］、８３．０［℃］以下となり、いずれの高電圧部品４６も８５［℃］以下に抑えられることが確認された。このとき、冷却通路５１の上流から下流に向かって自己発熱性が高い順番に部品が並んでいるため、自己発熱性が高いウォータポンプ６１用のインバータ４７に対する冷却効果が最も高くなっている。よって、高電圧部品４６の設置室５０ｂの温度上昇が効果的に抑えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態では、電気部品として、インバータ４７、４８、リレー回路４９等の高電圧部品４６を例示して説明したが、この構成に限定されない。電気部品は、昇圧コンバータ４０よりも耐熱性が低いものであればよく、高電圧部品以外の部品が燃料電池ユニット２０に設置されて一体化されてもよい。

また、本実施形態について説明したが、他の実施形態として実施形態および変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。さらに、本開示の技術は本実施形態に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩または派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

２０：燃料電池ユニット、２１：燃料電池スタック、２３：ユニットケース（収容ケース）、２６：横壁（隔壁）、４６：高電圧部品（電気部品）、４０：昇圧コンバータ、５０ａ：昇圧コンバータの設置室、５０ｂ：高電圧部品の設置室、５１：冷却通路

Claims (1)

1. 複数の燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの上方に設置され、前記燃料電池スタックからの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの上方に設置され、前記昇圧コンバータよりも耐熱性が低い電気部品と、前記燃料電池スタック、前記昇圧コンバータ及び前記電気部品を収容する収容ケースとを備えた燃料電池ユニットであって、
   前記収容ケースには前記電気部品の設置室と前記昇圧コンバータの設置室が隔壁を挟んで形成されており、前記隔壁に冷却通路が形成されたことを特徴とする燃料電池ユニット。
   

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