JP5130823B2

JP5130823B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5130823B2
Application number: JP2007206537A
Authority: JP
Inventors: 圭一佐藤; 玄道加藤; 伸二宮内; 昌彦山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: JP2009043521A

Description

本発明は、燃燃料電池システム、特にその冷却構成に関するものである。

燃燃料電池システムは良く知られているように、燃料電池と、この燃料電池で発生した直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、このＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータとを備えた構成となっている。（例えば下記特許文献１）
特開２００６−３１０１１６号公報

上記燃燃料電池システムにおいて、燃料電池で発生した直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータは大電流が流れるものであるので、高温になり、よって冷却が必ず必要となる。

このためこのＤＣ−ＤＣコンバータは冷却ファンの下流に配置されることになるのであるが、従来はこのＤＣ−ＤＣコンバータの下流にさらにＤＣ−ＡＣコンバータを配置してその冷却を図ろうとしている。

つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータの方が、ＤＣ−ＡＣコンバータに比べるとはるかに温度上昇が高くなるので、上述のごとくＤＣ−ＤＣコンバータを冷却風の上流に配置し、その下流にＤＣ−ＡＣコンバータを配置していたのである。

しかしながらこのようにＤＣ−ＤＣコンバータを冷却風の上流に配置し、その下流にＤＣ−ＡＣコンバータを配置すると、ＤＣ−ＡＣコンバータはＤＣ−ＤＣコンバータの冷却後の温度上昇した風で冷却されることになり、必ずしも冷却効果が高いものとはならなかった。

そこで本発明は、冷却効果を高めることを目的とするものである。

そしてこの目的を達成するために本発明は、
燃料電池と、
この燃料電池で発生した直流電圧を昇圧する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、
この第１のＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータと、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第３のＤＣ−ＤＣコンバータで電力変換された前記燃料電池の余剰発生電力を消費するヒータと、
を備え、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは第一の基板上に第一の電子部品を搭載して構成し、
前記ＤＣ−ＡＣコンバータは第二の基板上に第二の電子部品を搭載して構成し、
前記第３のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第二の基板上に配置され、
前記第一の基板の導体パターンの厚さを、前記第二の基板の導体パターンの厚さよりも厚くし、前記第一の基板を前記第二の基板よりも冷却ファンの下流に配置し、これにより初期の目的を達成するものである。

以上のごとく本発明は、
燃料電池と、
この燃料電池で発生した直流電圧を昇圧する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、
この第１のＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータと、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第３のＤＣ−ＤＣコンバータで電力変換された前記燃料電池の余剰発生電力を消費するヒータと、
を備え、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは第一の基板上に第一の電子部品を搭載して構成し、
前記ＤＣ−ＡＣコンバータは第二の基板上に第二の電子部品を搭載して構成し、
前記第３のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第二の基板上に配置され、
前記第一の基板の導体パターンの厚さを、前記第二の基板の導体パターンの厚さよりも厚くし、前記第一の基板を前記第二の基板よりも冷却ファンの下流に配置したものであり、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する第一の基板の導体パターンの厚さを、前記ＤＣ−ＡＣコンバータを構成する第二の基板の導体パターンの厚さよりも厚くすることにより、大電流が第一の基板の導体パターンに流れた場合でもＤＣ−ＤＣコンバータを構成する第一の基板の温度上昇が抑制されることになる。

したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する第一の基板を、ＤＣ−ＡＣコンバータを構成する第二の基板よりも冷却ファンの下流に配置したとしてもＤＣ−ＤＣコンバータは十分に冷却されることとなり、またＤＣ−ＡＣコンバータは冷却ファンで先ず初めに冷却されることになるので、これも十分に冷却されることとなり、これらの結果から冷却効果の高いものとなる。

以下本発明の実施形態を添付図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１において、燃料電池１１の正負の出力間に図示しない平滑コンデンサを介して第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２が接続されている。第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２は例えばＭＯＳＦＥＴなどからなるフルブリッジ回路を構成しており、燃料電池１１の直流電圧を高周波スイッチングすることで昇圧するものである。

すなわちこの第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、図示しないトランス、ダイオードおよびコンデンサ等により、燃料電池１１の出力電圧（例えば数十ボルト）を数百ボルトまで昇圧する。その後、整流および平滑動作を経て、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３により、例えば直流の４００Ｖ程度まで昇圧する。

次にＤＣ−ＡＣコンバータ１４により例えばＡＣ２００Ｖに変換し、家庭内負荷１６に最大１ｋＷの電力を供給する。

家庭内負荷１６の消費電力が１ｋＷ以上のときは、１ｋＷ分は燃料電池１１より供給され、１ｋＷを超える消費電力分は電力会社電源（ＡＣ１００ボルト）１５から供給される。また、消費電力が１ｋＷ以下のときは、燃料電池１１の出力電力は、家庭内負荷１６の消費電力に追従して、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３、およびＤＣ−ＡＣコンバータ１４で順に電力変換されて出力される。

家庭内負荷１６の消費電力の急激な低下時や、電力会社電源（ＡＣ１００ボルト）１５において停電が発生した場合、ＤＣ−ＡＣコンバータ１４からの出力を速やかに低下させなければならないが、燃料電池１１の出力電力の低下する時定数が、ＤＣ−ＡＣコンバータ１４の出力電力低下する時定数に比べて大きいため、燃料電池１１の出力が低下するまでの間、電力会社電源（ＡＣ１００ボルト）１５へ出力電力が逆流してしまう事態が想定される。

そこで逆流を防止するために、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７を動作させることで、燃料電池１１からの発生電力余剰分を、燃料電池システム内部に設けているヒータ１８で消費させ、余剰発生電力を消費（回収）させる。

つまり、家庭内負荷１６に電力を供給する通常動作時は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３、およびＤＣ−ＡＣコンバータ１４で順に電力変換動作を行い、余剰電力をヒータ１８で消費させる動作時は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３、および第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７で順に電力変換動作を行う。

このとき電力損失（発熱として）の大部分を占める、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３、ＤＣ−ＡＣコンバータ１４、および第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７は、冷却される構成となっている。

図２において、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、第１の基板２０に実装されており、これらの第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３を構成する複数の半導体は、ともに第１のヒートシンク２２に固定されている。

なお、第１のヒートシンク２２の図２における上側に第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２が実装され、下側に第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３が実装されている。

また、ＤＣ−ＡＣコンバータ１４、および第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７は、第２の基板２１に実装されており、これらのＤＣ−ＡＣコンバータ１４、および第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７を構成する複数の半導体は、ともに第２のヒートシンク２３に固定されている。第２のヒートシンクの図２における上側にＤＣ−ＡＣコンバータ１４が実装され、下側に第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７が実装されている。

上記の基板実装状態においては、第１の冷却ファン２４から送風によって、先ずは上流側のＤＣ−ＡＣコンバータ１４が、次に第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２が冷却される。

また、第２の冷却ファン２５からの送風によって、先ずは第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７が、次に第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３が冷却される。

図２の第１の基板２０の大電流領域５０（図３に記載）に実装されている第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２には最大約６０Ａの大電流が流れる。このため比較的大電流パターンに通常使用される銅箔厚さ７０μｍの導体パターンでは、発熱が大きく対応できないため、第１の基板２０の第１の導体パターン６１（図４（ａ））は銅箔厚さ約２００μｍとしている。

また第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３についても、第１の基板２０に同じく第１の導体パターン６１（図４（ａ））として、銅箔厚さ約２００μｍとし、これにより第１の導体パターン６１の温度上昇を抑制している。

また、第２の基板２１については、ＤＣ−ＡＣコンバータ１４および第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７が実装されるが、いずれもパターンには数Ａの電流が流れる程度であるため、第２の導体パターン６２は図４（ｂ）に示すように銅箔厚さ７０μｍの基板とし、これによりコストダウンを図っている。

つまり、本実施形態の特徴として、第１の基板２０の第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３用の第１の導体パターン６１（図４（ａ）に示すように銅箔厚さ約２００μｍ）は、第２の基板２１のＤＣ−ＡＣコンバータ１４および第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７用の第２の導体パターン６２（図４（ｂ）に示すように銅箔厚さ７０μｍ）よりも厚さを厚くしている。

そしてこのように第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３を構成する第１の基板２０の導体パターン６１の厚さを、前記ＤＣ−ＡＣコンバータ１４を構成する第２の基板２１の導体パターン６２の厚さよりも厚くすることにより、大電流が第１の基板２０の導体パターン６１に流れた場合でも、上述のごとくこの第１の基板２０の温度上昇が抑制されることになる。

したがって、この第１の基板２０を、ＤＣ−ＡＣコンバータ１４を構成する第２の基板２１よりも冷却ファン２４，２５からの送風の下流に配置したとしても、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１３は十分に冷却されることとなり、またＤＣ−ＡＣコンバータ１４と第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７は冷却ファン２４，２５で先ず初めに冷却されることになるので、これも十分に冷却されることとなり、これらの結果から冷却効果の高いものとなる。

なお、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７は常時駆動されるものではないので、その点からも温度上昇は大きくないものである。

以上のように本発明は、燃料電池と、この燃料電池で発生した直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、このＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータとを備え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは第一の基板上に第一の電子部品を搭載して構成し、前記ＤＣ−ＡＣコンバータは第二の基板上に第二の電子部品を搭載して構成し、前記第一の基板の導体パターンの厚さを、前記第二の基板の導体パターンの厚さよりも厚くし、第一の基板を第二に基板よりも冷却ファンの下流に配置したものであり、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する第一の基板の導体パターンの厚さを、前記ＤＣ−ＡＣコンバータを構成する第二の基板の導体パターンの厚さよりも厚くすることにより、大電流が第一の基板の導体パターンに流れた場合でもＤＣ−ＤＣコンバータを構成する第一の基板の温度上昇が抑制されることになる。

そしてこれらのことから、家庭用業務用の燃料電池システムとして大いに活用されるものとなる。

本発明の実施の形態１の回路図本発明の実施の形態１の実装構成を示す平面図本発明の実施の形態１の実装構成を示す平面図（ａ）は図３のＡ−Ｂ断面図、（ｂ）は図３のＣ−Ｄ断面図

符号の説明

１１燃料電池
１２第１のＤＣ−ＤＣコンバータ
１３第２のＤＣ−ＤＣコンバータ
１４ＤＣ−ＡＣコンバータ
１５電力会社電源（ＡＣ１００ボルト）
１６家庭内負荷
１７第３のＤＣ−ＤＣコンバータ
１８ヒータ
２０第１の基板
２１第２の基板
２２第１のヒートシンク
２３第２のヒートシンク
２４第１の冷却ファン
２５第２の冷却ファン
６１第１の導体パターン
６２第２の導体パターン

Claims

燃料電池と、
この燃料電池で発生した直流電圧を昇圧する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、
この第１のＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータと、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第３のＤＣ−ＤＣコンバータで電力変換された前記燃料電池の余剰発生電力を消費するヒータと、
を備え、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは第一の基板上に第一の電子部品を搭載して構成し、
前記ＤＣ−ＡＣコンバータは第二の基板上に第二の電子部品を搭載して構成し、
前記第３のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第二の基板上に配置され、
前記第一の基板の導体パターンの厚さを、前記第二の基板の導体パターンの厚さよりも厚くし、前記第一の基板を前記第二の基板よりも冷却ファンの下流に配置した、
燃料電池システム。
前記第一の基板上に第一のヒートシンクを設け、
前記第二の基板上に第二のヒートシンクを設け、
前記第一のヒートシンクには第一の電子部品を設け、第二のヒートシンクには第二の電子部品を設けた請求項１に記載の燃料電池システム。
前記第二の基板を、前記冷却ファンの下流側に前記第一の基板と直線的に配置した請求項１、または２に記載の燃料電池システム。