JP6177429B2 - 潜水艇の直流電圧変換器並びに燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を適合化するための直流電圧変換器に関する。本発明はさらに、潜水艇の燃料電池装置に関する。

直流電圧変換器は、ＤＣ‐ＤＣ変換器とも称され、ここでは、入力側の直流電圧をこれとは異なる出力側の直流電圧へ適合化する、電気的な回路装置であると理解されたい。

直流電圧の変換時には変換損失が発生し、この損失が直流電圧変換器を加熱する。ここで発生する熱は、直流電圧変換器に生じうるオーバーヒートによる破壊を防止するため、放出されなければならない。

直流電圧変換器は、燃料電池セルで形成された直流電圧を適合化するために、特に、燃料電池セルと組み合わされて、例えば、潜水艇の搭載電源電圧への適合化のために潜水艇の駆動装置に組み込まれて、用いられる。この場合、通常、空冷式の直流電圧変換器が熱交換器及び空気循環ファンとともにキャビネットケーシング内で使用される。循環されるキャビネット内空気は廃熱を吸収し、これを熱交換器へ放出する。熱交換器の冷却媒体は、海水、又は、中間接続された２次回路からの冷却水である。使用される熱担体である空気の熱容量が小さいので、大きな流速で必要な規模の放熱を実現するには、大きな労力を傾注する必要がある。このために、一方で必要スペース及び電力消費が大きく、他方で大きな雑音も発生しやすい、大規模なファンが使用される。

独国特許出願公開第１９７１１０１６号明細書には、少なくとも２部分から成るモジュラー式構造を有するコンバータが開示されている。当該コンバータは、支持体モジュールと、この支持体モジュールに接続可能かつこの支持体モジュールから取り外し可能な少なくとも１つのモジュールとを備えている。

欧州特許出願公開第１８６５５６９号明細書には、燃料電池装置の熱を第１の冷却剤へ移行させ、第１の冷却剤の熱を、第２の冷却剤、例えば水、又は、第３の冷却剤、例えば空気、又は、第２の冷却剤及び第３の冷却剤の双方へ、選択的に移行させる方法が開示されている。なお、第２の冷却剤の熱容量と第３の冷却剤の熱容量とは異なる。
独国特許第１０２００４００４６２４号明細書には、潜水艇用の燃料電池装置であって、モジュラー状構造の複数のＨ _２ ‐Ｏ _２ 燃料電池セルを備えた装置が開示されている。
欧州特許出願公開第０２３５６５７号明細書には、パワーエレクトロニクス機器へ挿入可能なモジュール群のための水冷装置が開示されている。ここでは、水の通流する冷却体を、挿入型モジュールの接続構造体として機器へ挿入される各モジュール支持体に、ばね性エレメントの力によって熱伝導可能に結合することができる。

本発明の基礎とする課題は、複数の燃料電池セルを備えた、潜水艇用の改善された燃料電池装置を提供することである。

この課題は、本発明により、請求項１記載の特徴によって解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。

本発明の、直流電圧を適合化するための直流電圧変換器は、直流電圧変換器モジュールとして構成された少なくとも１つの挿入型電力ユニットと、少なくとも１つの冷却体を含む冷却装置とを含み、冷却体は、冷却媒体によって冷却されるように構成されており、かつ、少なくとも１つの挿入型電力ユニットに直接に熱接触している。

ここで、冷却体と挿入型電力ユニットとが直接に熱接触することにより、空冷部としての挿入型電力ユニットからの放熱が改善され、直流電圧変換器の冷却の効率が向上する。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの冷却体は、冷却媒体が通流するように構成される。

冷却媒体が冷却体を通流することにより、冷却体ひいては直流電圧変換器の特に良好な冷却が可能となる。

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも１つの冷却体は、冷却媒体としての冷却流体によって冷却されるように構成される。

このことは、例えばガス状の冷却媒体としての冷却流体によって良好な冷却を行えるので、有利である。

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも１つの冷却体は、少なくとも１つの挿入型電力ユニットに、力による結合によって接続される。好ましくは、少なくとも１つの冷却体は、少なくとも１つの挿入型電力ユニットに、ねじ止め及び／又は緊締される。

冷却体と挿入型電力ユニットとの力による結合は、冷却体と挿入型電力ユニットとの間の持続的かつ良好な熱接触が可能となるので、有利である。なお、冷却体を挿入型電力ユニットへねじ止め及び／又は緊締することにより、こうした冷却体と挿入型電力ユニットとの接続を簡単かつ有効に行うことができる。

本発明の、潜水艇の燃料電池装置は、少なくとも１つの燃料電池セルと、少なくとも１つの燃料電池セルに電気的に接続されており、少なくとも１つの燃料電池セルで形成される直流電圧を適合化するための、少なくとも１つの直流電圧変換器と、この少なくとも１つの直流電圧変換器の冷却装置に熱結合された１次冷却回路とを含み、この１次冷却回路は、冷却装置の少なくとも１つの冷却体を冷却するために、冷却媒体を供給する。

本発明の潜水艇の燃料電池装置は、本発明の直流電圧変換器を使用して、これを１次冷却回路へ結合することにより、直流電圧変換器の効率的な冷却を可能にしている。特に、直流電圧変換器を空冷する必要がなくなるので、空冷に必要な煩雑なファンを省略できる。よって、有利には、構造スペース及びエネルギを節約でき、ファンからの雑音放出も回避できる。

燃料電池装置の一実施形態では、少なくとも１つの冷却体は、１次冷却回路の一部であり、冷却媒体が通流するように構成される。

冷却媒体が冷却体を通流して１次冷却回路へ導入されることにより、冷却体ひいては直流電圧変換器の特に良好な冷却が達成される。

燃料電池装置の別の実施形態によれば、１次冷却回路は、冷却媒体として、海水を供給する。

このようにすれば、有利には、潜水艇を取り巻く海水を直流電圧変換器の冷却に使用できる。

燃料電池装置の代替的な実施形態によれば、１次冷却回路は、冷却媒体として、潜水艇の冷却水を供給する。この実施形態では、１次冷却回路は、好ましくは、熱交換器を介して、海水を供給する２次冷却回路に熱結合される。

したがって、この実施形態においても、有利には、潜水艇を取り巻く海水を、２次冷却回路において直流電圧変換器の冷却に使用できる。潜水艇の冷却水を１次冷却回路の冷却媒体として使用することにより、有利には、海水によって生じる腐食及び／又は付着物に起因する１次冷却回路の各要素の損傷が防止される。

上述した実施形態に代わる燃料電池装置の一実施形態によれば、１次冷却回路は、冷却媒体として、潜水艇の冷却水を供給し、この冷却水は、潜水艇に搭載されている固有の冷却装置によって温度調節される。

この実施形態では、冷却水がつねに一定の温度に維持されるので、燃料電池装置のための冷却装置の設計が容易となる。

上述した本発明の特性及び特徴及び利点、並びに、これらを達成する際の形式及び手法は、図に関連した以下の詳細な実施形態の説明により明瞭に理解されるであろう。

直流電圧変換器を示す図である。

唯一の図には、それぞれ直流電圧変換器モジュールとして構成された４つの挿入型電力ユニット２を含む直流電圧変換器１が示されている。さらに、直流電圧変換器１は、全ての挿入型電力ユニット２に対して、各挿入型電力ユニット２に直接に接続された冷却体３を１つずつ有する。

挿入型電力ユニット２と冷却体３とは、スイッチングキャビネットとして構成された共通のケーシング４内に配置されている。ケーシング４は、その内部に、全ての挿入型電力ユニット２に対し、これらを支持する少なくとも１つの水平補強部材５を有している。さらに、ケーシング４は、その内部に少なくとも１つの垂直補強部材６を有しており、この垂直補強部材６には冷却体支承部７によって冷却体３が固定されている。

各挿入型電力ユニット２は、対応する冷却体３に、ねじ止め接続部８での力結合によって接続されているか、又は、他の手法での力結合によって接続されている。さらに、各挿入型電力ユニット２は、少なくとも１つの水平熱伝導エレメント９及び／又は少なくとも１つの垂直熱伝導エレメント１０（いわゆるヒートパイプ）を介して、対応する冷却体３に熱接触しており、これにより、各挿入型電力ユニット２から冷却体３への熱伝導が改善される。挿入型電力ユニット２のケーシング４は、好ましくは、挿入型電力ユニット２から冷却体３への熱伝導をいっそう改善するために、少なくとも、対応する冷却体３に接する領域において、金属によって構成されている。

少なくとも１つの直流電圧変換器１は、詳細には図示されていない潜水艇の、少なくとも１つの燃料電池セルを含む燃料電池装置の構成要素である。ここで、少なくとも１つの直流電圧変換器１は、電気的に見て少なくとも１つの燃料電池セルと潜水艇の搭載電源との間に配置されているので、少なくとも１つの直流電圧変換器１により、少なくとも１つの燃料電池セルで形成された直流電圧を搭載電源電圧へ適合化することができる。

燃料電池装置は、さらに、冷却装置の少なくとも１つの冷却体を冷却するために冷却媒体を供給する１次冷却回路を含む。当該冷却媒体は、１次冷却回路の一部である冷却体３を通流する。冷却媒体は、好ましくは、海水又は潜水艇の冷却水である。冷却媒体が潜水艇の冷却水である場合、１次冷却回路は、熱交換器を介して、海水を供給する２次冷却回路に熱結合可能であるか、又は、潜水艇に搭載されている固有の冷却装置によって温度調節可能である。

本発明を有利な実施形態に即して詳細に図示及び説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されない。当業者であれば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、他のバリエーションを容易に導出できるはずである。

Claims (6)

1. 潜水艇の燃料電池装置であって、
   少なくとも１つの燃料電池セルと、
   前記少なくとも１つの燃料電池セルに電気的に接続されており、前記少なくとも１つの燃料電池セルで形成される直流電圧を適合化するための、少なくとも１つの直流電圧変換器（１）と、
   冷却媒体を供給する１次冷却回路と
   を含み、
   前記直流電圧変換器（１）は、直流電圧変換器モジュールとして構成された少なくとも１つの挿入型電力ユニット（２）と、前記１次冷却回路に熱結合された、少なくとも１つの冷却体（３）を有する冷却装置とを含み、
   前記冷却体（３）は、冷却媒体によって冷却されるように構成されており、かつ、前記少なくとも１つの挿入型電力ユニット（２）に直接に熱接触しており、
   前記少なくとも１つの冷却体（３）は、前記少なくとも１つの挿入型電力ユニット（２）に、力による結合によって、ねじ止め及び／又は緊締されており、
   前記直流電圧変換器（１）は、少なくとも１つの水平熱伝導エレメント（９）又は少なくとも１つの垂直熱伝導エレメント（１０）を含み、
   前記少なくとも１つの挿入型電力ユニット（２）は、前記少なくとも１つの水平熱伝導エレメント（９）又は前記少なくとも１つの垂直熱伝導エレメント（１０）を介して、対応する前記少なくとも１つの冷却体（３）に熱接触しており、これにより、前記挿入型電力ユニット（２）から前記冷却体（３）への熱伝導が改善される、
   ことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記少なくとも１つの冷却体（３）は、前記１次冷却回路の一部であり、前記冷却媒体が通流するように構成されている、
   請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記１次冷却回路は、前記冷却媒体として、海水を供給する、
   請求項１又は２記載の燃料電池装置。
4. 前記１次冷却回路は、前記冷却媒体として、前記潜水艇の冷却水を供給する、
   請求項１又は２記載の燃料電池装置。
5. 海水を供給する２次冷却回路が設けられており、
   前記２次冷却回路は、熱交換器を介して、前記１次冷却回路に熱結合されている、
   請求項４記載の燃料電池装置。
6. 前記１次冷却回路の冷却水は、前記潜水艇に搭載されている固有の冷却装置によって冷却される、
   請求項４記載の燃料電池装置。

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