JP7207346B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池ユニットに関し、詳しくは、燃料電池スタックと昇圧コンバータとが1つのケースに収容された燃料電池ユニットに関する。
例えば特許文献1に開示されているように、燃料電池スタックと昇圧コンバータとが1つのケースに収容された燃料電池ユニットが知られている。電気自動車に搭載される燃料電池ユニットは、車両上の搭載スペースの空間的な制約により、一層の小型化が求められている。
一方、燃料電池スタックは発熱体であるため、燃料電池ユニットを小型化するほど、昇圧コンバータは燃料電池スタックの熱に晒されやすくなる。昇圧コンバータの構成部品には耐熱温度が低いものが含まれる。特に電流センサとコンデンサは他の構成部品に比較して耐熱温度が低く、且つ、特許文献1に記載されている冷媒による冷却を行うことも困難である。
特開2018-163861号公報
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、昇圧コンバータの構成部品のうち特に耐熱温度が低い電流センサとコンデンサの少なくとも一方を燃料電池スタックの熱から保護しつつ、燃料電池スタックと昇圧コンバータとが1つのケースに収容された燃料電池ユニットを小型化することを目的とする。
本発明に係る燃料電池ユニットは、燃料電池スタックと、昇圧コンバータと、燃料電池スタックと昇圧コンバータとを同一空間に収容するケースとを備える。燃料電池スタックは、冷却水が一方向に流れる冷却水流路を内部に備え、冷却水流路の伸長方向に平行な第1表面を有する。昇圧コンバータは、燃料電池スタックの第1表面から遮熱部材で隔てられることなく隙間を開けて配置されている。昇圧コンバータは、第1表面に沿って配置された電流センサとコンデンサとを含む。電流センサとコンデンサの少なくとも一方は、冷却水流路の伸長方向において冷却水流路の中央よりも上流側に配置されている。
上記の構成によれば、燃料電池スタックと昇圧コンバータとを遮熱部材で隔てることなく同一空間に収容することで、燃料電池ユニットの小型化が可能になる反面、昇圧コンバータは燃料電池スタックの輻射熱に晒されやすくなる。しかし、昇圧コンバータの構成部品のうち特に耐熱温度が低い電流センサとコンデンサの少なくとも一方は、冷却水流路の伸長方向において冷却水流路の中央よりも上流側、すなわち、相対的に低温となる領域に配置されている。これにより、電流センサとコンデンサの少なくとも一方を燃料電池スタックの熱から保護しつつ、燃料電池ユニットを小型化することができる。
電流センサとコンデンサとは、冷却水流路の中央よりも上流側において、冷却水流路の伸長方向に対して直交する方向に並んで配置されてもよい。これによれば、電流センサとコンデンサの両方を相対的に低温の領域に配置することができ、その両方を燃料電池スタックの熱から保護することができる。
昇圧コンバータは、リアクトルとパワーモジュールとを含む。これらは、電流センサとコンデンサとともに、冷却水流路の伸長方向に対して直交する方向に並んで配置されてもよい。これによれば、冷却水による冷却を要するリアクトルとパワーモジュールについても相対的に低温の領域に配置することができる。
電流センサは、リアクトルとパワーモジュールとを接続するライン上に設けられてもよい。また、リアクトルとパワーモジュールのそれぞれには、冷却水流路とは別系統の冷却水が流れる冷却器が設けられてもよい。そして、電流センサは、冷却水流路とリアクトルの冷却器とパワーモジュールの冷却器とに周囲を囲まれていてもよい。これによれば、電流センサを周囲から冷却することができる。
電流センサとコンデンサの少なくとも一方が配置される場所、好ましくは、電流センサとコンデンサの両方が配置される場所は、燃料電池スタックの運転中における周囲雰囲気温度が90℃以上100℃以下となる場所であってもよい。電流センサやコンデンサの耐熱温度は110~120℃程度であるので、周囲雰囲気温度が上記温度範囲に収まる場所であれば、昇圧コンバータを燃料電池ユニットから不必要に遠ざけて燃料電池ユニットの小型化を妨げることなく、許容される温度上昇幅を確保することができる。
なお、燃料電池スタックの小型化の観点では、燃料電池スタックと昇圧コンバータとはバスバで直結されていてもよい。
以上述べたように、本発明に係る燃料電池ユニットによれば、燃料電池スタックと昇圧コンバータとを同一空間に収容することで、燃料電池ユニットの小型化が可能になる。また、昇圧コンバータの構成部品のうち特に耐熱温度が低い電流センサとコンデンサの少なくとも一方は、相対的に低温となる領域に配置されるので、それらを燃料電池スタックの熱から保護することができる。
燃料電池車のパワートレーン系の概略図である。 燃料電池ユニットの構造と燃料電池スタックの表面温度の温度分布を示す図である。 昇圧コンバータの構成部品の耐熱温度を説明する図である。 燃料電池システムの冷却系の概略図である。 燃料電池スタックと昇圧コンバータの位置関係を示す図である。 燃料電池ユニットの構造を詳細に示す各層の上面視図である。 燃料電池ユニットの構造を詳細に示す図6のA-A断面矢視図である。 燃料電池スタックと昇圧コンバータの位置関係の変形例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に示す各実施形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に本発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本発明に必ずしも必須のものではない。
図1は、燃料電池車のパワートレーン系の概略図である。燃料電池車は、燃料電池スタック20で発電された電気により電動機2を動かし、電動機2が発生させる駆動力によって走行する車両である。電動機2は、発電機として動作可能なモータジェネレータである。燃料電池スタック20と電動機2には、バッテリ6が接続されている。バッテリ6は、燃料電池スタック20で十分な電気を発電できない場合に電動機2に電気を供給し、回生運転時には電動機2で発電された電気を蓄える。電動機2は交流電動機であるので、燃料電池スタック20とバッテリ6は、直流電流を交流電流に変換するインバータ4を介して電動機2に接続されている。
燃料電池スタック20には、燃料電池スタック20が発電した電気を昇圧する昇圧コンバータ40が取り付けられている。燃料電池車に搭載される燃料電池スタック20では、コストの低減と小型化が課題となっている。この課題はセルの枚数を削減することで解決することができる。しかし、セルの枚数を減らすと、燃料電池スタック20全体の合計電圧は低下する。このため、出力電圧を必要電圧まで上昇させるために、燃料電池スタック20の出力部には昇圧コンバータ40が必要となる。車両の限られたスペースへの効率的な配置を可能にするため、燃料電池スタック20と昇圧コンバータ40とは1つの燃料電池ユニット10として提供される。
以下、本明細書では、燃料電池ユニットはFCユニットと表記され、燃料電池スタックはFCスタックと表記される。また、昇圧コンバータは、燃料電池用のDC-DCコンバータであるので、以下ではFDCと表記される。
FCユニット10の構造の概要は図2に示される。FCユニット10は、FCスタック20とFDC40とを1つのケース30に収容して構成される。ケース30をできる限り小型化するため、FCスタック20とFDC40との間には隔壁は設けられておらず、両者は同一空間に収められている。FDC40はFCスタック20の上方にFCスタック20と重なるように配置されている。ただし、FDC40とFCスタック20とは接触しておらず、FCスタック20で発生する熱からFDC40を保護できる程度の隙間がFDC40とFCスタック20の上端面との間に設けられている。
図2には、FCスタック20の内部構造を示す拡大断面図が示されている。FCスタック20を構成するセルは、MEA(Membrane Electrode Assembly)25を一対のセパレータ24で挟み、その一方の側に水素流路21を設け、他方の側に酸素流路22を設けることで構成される。このように構成されるFCスタック20の各セルでは、水素と酸素との化学反応によって電気と水が生じる。この化学反応により運転時には高熱が発生するため、FCスタック20の内部には、冷却水が流れる冷却水流路23が設けられている。冷却水は、例えばエチレングリコールを主成分として含む。冷却水流路23は、水素流路21及び酸素流路22と平行に設けられ、冷却水を一方向に流している。冷却水が流れる方向は、車両のフロント(FR)からリアへ向かう方向とされている。
冷却水は、冷却水流路23を流れる過程でFCスタック20から熱を吸収し、次第に高温になっていく。このため、冷却水によるFCスタック20の冷却効果は、冷却水流路23の入口に近い側ほど高く、冷却水流路23の出口に近い側ほど低い。その結果、FCスタック20の表面温度には、冷却水流路23の入口側から出口側に向けて図2に示すような温度分布が生じる。図2では、表面温度の違いがFCスタック20の上面及び側面に描かれたドットパターンのドットの密度で表現されている。冷却水流路23の入口により近い領域ほどドット密度は相対的に低く、これは当該領域の表面温度が相対的に低いことを意味している。一方、冷却水流路23の出口により近い領域ほどドット密度は相対的に高く、これは当該領域の表面温度が相対的に高いことを意味している。
上記のように冷却水流路23によって内部から冷却されているものの、FCスタック20は発熱体である。ケース30内の同一空間にFCスタック20とFDC40とを近接配置する場合、FDC40は、FCスタック20で発生した熱に晒されることになる。FDC40は、少なくとも、リアクトル、IPM(Intelligent Power Module)、電流センサ、コンデンサ、バスバ、端子台、及び分岐BOXを備えて構成される。FCスタック20とFDC40とを同一空間に近接配置する上では、これらの構成部品のうち、特に耐熱温度が低い一部の構成部品について如何にFCスタック20の熱から保護するかが重要となる。
FDC40の構成部品の耐熱温度の一例を図3に示す。耐熱温度は構成部品によって異なるが、電流センサとコンデンサの耐熱温度は110~120℃程度で他の構成部品と比較して特に低い。ただし、図3に示す例では、コンデンサの方が電流センサよりも耐熱温度が低いが、製品によっては電流センサの方がコンデンサよりも耐熱温度が低い場合もある。運転中のFCスタック20の上端面の表面温度は95~105℃程度であり、FDC40内の雰囲気温度はそれよりも数℃低い温度であるので、電流センサとコンデンサに関しては、許容される温度上昇幅が極めて小さいと言える。また、リアクトルやIPMのP/C(Power Card)は冷却水による水冷が可能であるのに対し、電流センサとコンデンサについては水冷することは困難である。よって、FCユニット10の小型化をはかるべく、FDC40とFCスタック20とを近接して配置するためには、電流センサとコンデンサのうち少なくとも耐熱温度が低い方、耐熱温度が同等であるなら両方をFCスタック20の熱から保護する必要がある。
ここで、FCシステムの冷却系の概略について図4を用いて説明しておく。上記の通り、FCユニット10では、FCスタック20とFDC40のそれぞれが冷却水による冷却の対象である。FCスタック20は、ラジエータ71によって冷却された冷却水がポンプ72によって循環される第1の冷却水循環系に配置されている。FDC40は、ラジエータ73によって冷却された冷却水がポンプ74によって循環される第2の冷却水循環系に配置されている。第2の冷却水循環系には、図示しないPCU(Power Control Unit)も配置されている。車両上の搭載位置に関して言えば、エアコンコンデンサ75の後方にFDC40用のラジエータ73が配置され、その後方にFCスタック20用のラジエータ71が配置されている。FCスタック20及びFDC40は、ラジエータ71の後方に、冷却水の入口側を車両の前方に向けて配置されている。
これまで述べたように、FCスタック20の運転時、FCスタック20の表面温度には冷却水の流れ方向に向けて温度分布が生じる。冷却水の入口側と出口側とでは、例えば、10℃程度の温度差が生じる場合がある。電流センサとコンデンサをFCスタック20熱から保護するためには、できる限り低温の領域にそれらを配置したい。そこで、本実施形態のFCユニット10では、図5に示す位置関係でFCスタック20とFDC40とが配置される。
図5(A)に示すように、FDC40は、FCスタック20と共通のケース30に収容され、FCスタック20の上方にFCスタック20の上端面27に近接して配置されている。FDC40とFCスタック20との間には隔壁などは設けられていない。本実施形態では、FCスタック20の上端面27が、冷却水流路の伸長方向に平行な第1表面に該当する。
FDC40の部品である電流センサ43とコンデンサ45は、FDC40を配置可能な領域の中でも、特に冷却水の入口に近い側に配置される。具体的には、図中に模式的に示す冷却水流路23の流れの方向において、電流センサ43とコンデンサ45は、冷却水流路23の中央よりも上流側に配置されている。
FDC40は、FCスタック20から放射される輻射熱によって直接熱せられるとともに、FCスタック20で熱せられた高温の空気によって周囲の雰囲気を満たされる。しかし、図5(B)に示すように、FCスタック20の上端面温度及び内部の雰囲気温度は、FCスタック20の冷却水の入口に近い側ほど低い。このため、図5(A)に示す配置によれば、電流センサ43及びコンデンサ45がFCスタック20の上端面27から受ける輻射熱は相対的に低く抑えられ、電流センサ43及びコンデンサ45の周囲の雰囲気温度も相対的に低く抑えられる。
FCスタック20の発電中における周囲雰囲気温度との関係で言えば、電流センサ43及びコンデンサ45は、周囲雰囲気温度が90℃以上100℃以下となる場所に配置してもよい。図3を用いて説明したように、電流センサ43及びコンデンサ45の耐熱温度は110~120℃程度である。このため、周囲雰囲気温度が90℃以上100℃以下となる場所であれば、FDC40をFCスタック20から不必要に遠ざけてFCユニット10の小型化を妨げることがないし、許容される温度上昇幅を確保することもできる。
それでは、次に、FCユニット10の詳細な構造を図6及び図7を用いて説明する。FCユニット10は、FCスタック20とFDC40からなる2層構造であり、さらに、FDC40はそれ自体が2層構造を有している。よって、FCユニット10の全体としては、3層構造を有している。図6は、FCユニット10の各層の上面視図である。
図6(A)は、FCスタック20の上面視図である。前述のように、FCスタック20内には一方向に延びる冷却水流路23が形成されている。冷却水流路23は、セルの積層方向と直交する方向に形成されている。FCスタック20のセルの積層方向の両端部には、各セルの燃料電池反応により発電された電気を取り出すための端子として、バスバ28,29が取り付けられている。図6(A)では、図面上側のバスバ28がP極であり、図面下側のバスバ28がN極である。
図6(B)は、FDC40の一階部分の上面視図である。FDC40の一階部分には、Pターミナル41、リアクトル42A~42D、電流センサ43、IPM44、コンデンサ45、分岐BOX及び端子台46、及び、Nターミナル47が配置されている。このうち、Pターミナル41とNターミナル47は、FCスタック20と接続するための端子である。Pターミナル41は、Pバスバ28の直上に位置し、Pバスバ28と直結されている。Nターミナル47は、Nバスバ29の直上に位置し、Nバスバ29と直結されている。
FDC40は、多相昇圧コンバータであって、複数(図では4つ)のリアクトル42A~42Dを備える。上面視において、リアクトル42A~42Dは、冷却水流路23の伸長方向に沿って、FCスタック20の冷却水入口側の端部から冷却水出口側の端部までの範囲に均等に並べられている。各リアクトル42A~42Dは、バスバを用いてPターミナル41に並列接続されている。
各リアクトル42A~42Dは、IPM44にバスバによって並列接続されている。IPM44は水冷式であり、ラジエータ73(図4参照)で冷却された第2の冷却水循環系の冷却水は、最初にIPM44に通される。各リアクトル42A~42DとIPM44とを接続するそれぞれのバスバには、電流センサ43が取り付けられている。電流センサ43は、例えば、バスバが貫通する磁気コアと磁気コアのギャップに挿入されたホール素子とを備えるホール素子方式電流センサである。電流センサ43は、FDC40の構成部品の中で特に耐熱温度の低い部品であるので、電流センサ43は、上面視において、FCスタック20の冷却水入口側の端部の上方に配置されている。
IPM44は、冷却水流路23の伸長方向に対して直交する方向に、電流センサ43と並んで配置されている。IPM44の出力側には、平滑用のコンデンサ45がバスバによって接続されている。コンデンサ45もまた、FDC40の構成部品の中で特に耐熱温度の低い部品であるので、コンデンサ45は、上面視において、FCスタック20の冷却水入口側の端部の上方に配置されている。このように各部品が配置されることで、FDC40の一階部分では、リアクトル42A、電流センサ43、IPM44、及びコンデンサ45が、上面視において冷却水流路23の中央よりも上流側に位置し、冷却水流路23の伸長方向に対して直交する方向に一列に並んでいる。
コンデンサ45には、分岐BOX及び端子台46を介してNターミナル47が接続されている。分岐BOX及び端子台46は、IPM44及びコンデンサ45の後ろ側、つまり、IPM44及びコンデンサ45に対して冷却水流路23の下流側に配置されている。コンデンサ45と分岐BOX及び端子台46との接続にはバスバが用いられ、Nターミナル47と分岐BOX及び端子台46との接続にもバスバが用いられている。分岐BOX及び端子台46には、ケース30の外側に設けられたバッテリ用の出力端子50、PCU用の出力端子51、エア・コンプレッサのインバータ用の出力端子52、及びエアコンコンプレサ用の出力端子53が接続されている。このうち高電圧が出力される出力端子50,51については、衝突時の安全性を考慮して車両の後方側となる面に設けられている。
図6(C)は、FDC40の2階部分の上面視図である。FDC40の2階部分には、水冷式のリアクトル冷却器48とIPM・ECU基板60とが配置されている。リアクトル冷却器48には、IPM44を通過した冷却水が通される。リアクトル42A~42Dは、リアクトル冷却器48の底面に取り付けられている。IPM・ECU基板60は、IPM44のスイッチング素子を制御する基板である。IPM・ECU基板60は、IPM44の上方に配置されている。ただし、他の構成部品とは異なり、IPM・ECU基板60は、ケース30上に設けられた別室に収容されている。
図7は、図6のA-A断面矢視図である。A-A断面は、冷却水流路23の伸長方向において冷却水流路23の中央よりも上流側の領域、つまり、相対的に低温となる領域でのFCユニット10の断面である。ケース30は、FCスタック20を収容するロアケース31と、FDC40を収容するアッパーケース32と、IPM・ECU基板60を収容するアッパーカバー33とから構成される。IPM44とリアクトル冷却器48とは、アッパーケース32の天井部に取り付けられている。ロアケース31とアッパーケース32とは、隔壁のない1つの空間を形成している。この1つの空間内において、FCスタック20とFDC40とはPバスバ28とNバスバ29とによって直結されている。
A-A断面に現れていることからも分かるように、FDC40の構成部品のうち特に耐熱温度が低い電流センサ43とコンデンサ45は、相対的に低温となる領域に配置されている。このため、FCユニット10を小型化しつつ、電流センサ43とコンデンサ45をFCスタック20の熱から保護することができる。また、同断面に示されるように、リアクトル42BとIPM44も、電流センサ43及びコンデンサ45と並んで配置されている。冷却水による冷却を要するリアクトル42BとIPM44についても相対的に低温の領域に配置されることで、それらの過熱を防ぐこともできる。
図8は、FCスタックとFDCの位置関係の変形例を示す図である。この変形例のFCユニット110でも、FDC140は、FCスタック120と共通のケース130に収容されている。FDC140とFCスタック120との間には隔壁などは設けられておらず、FDC140は、FCスタック120の側面127に近接して配置されている。FDC140が近接して配置されるFCスタック120の側面127は、冷却水の入口又は出口が設けられておらず、且つ、Pバスバ又はNバスバも設けられていない側面である。この変形例では、FCスタック120の上記側面127が、冷却水流路の伸長方向に平行な第1表面に該当する。
FDC140の部品である電流センサ143とコンデンサ145は、FDC140を配置可能な領域の中でも、特に冷却水の入口に近い側に配置される。具体的には、冷却水流路の伸長方向において、電流センサ143とコンデンサ145は、冷却水流路の中央よりも上流側に配置されている。この変形例では、電流センサ143とコンデンサ145は、上下方向に並ぶことになる。
以上説明した実施形態及びその変形例では、電流センサとコンデンサの両方が、冷却水流路の伸長方向において冷却水流路の中央よりも上流側に配置されている。しかし、電流センサとコンデンサのうち少なくとも耐熱温度が低い方が、冷却水流路の伸長方向において冷却水流路の中央よりも上流側に配置されているのでもよい。この場合、燃料電池ユニットを小型化しつつ、電流センサとコンデンサのどちらか一方については燃料電池ユニットの熱から保護することができる。
10 燃料電池ユニット(FCユニット)
20 燃料電池スタック(FCスタック)
23 冷却水流路
28 Pバスバ
29 Nバスバ
30 ケース
40 昇圧コンバータ(FDC)
41 Pターミナル
42A~42D リアクトル
43 電流センサ
44 IPM
45 コンデンサ
46 分岐BOX及び端子台
47 Nターミナル
48 リアクトル冷却器
60 IPM・ECU基板
110 燃料電池ユニット(FCユニット)
120 燃料電池スタック(FCスタック)
130 ケース
140 昇圧コンバータ(FDC)
143 電流センサ
145 コンデンサ

Claims (5)

  1. 冷却水が一方向に流れる冷却水流路を内部に備え、前記冷却水流路の伸長方向に平行な第1表面を有する燃料電池スタックと、
    前記第1表面から遮熱部材で隔てられることなく隙間を開けて配置された昇圧コンバータと、
    前記燃料電池スタックと前記昇圧コンバータとを同一空間に収容するケースと、を備え、
    前記昇圧コンバータは、前記第1表面に沿って配置された電流センサとコンデンサとを含み、
    前記電流センサと前記コンデンサの少なくとも一方は、前記冷却水流路の伸長方向において前記冷却水流路の中央よりも上流側に配置されている
    ことを特徴とする燃料電池ユニット。
  2. 前記電流センサと前記コンデンサとは、前記冷却水流路の中央よりも上流側において、前記冷却水流路の伸長方向に対して直交する方向に並んで配置されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池ユニット。
  3. 前記昇圧コンバータは、リアクトルとパワーモジュールとを含み、
    前記リアクトルと前記パワーモジュールとは、前記電流センサと前記コンデンサとともに前記冷却水流路の伸長方向に対して直交する方向に並んで配置されている
    ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池ユニット。
  4. 前記リアクトルと前記パワーモジュールのそれぞれには、冷却水流路とは別系統の冷却水が流れる冷却器が設けられ、
    前記電流センサは、前記冷却水流路と前記リアクトルの冷却器と前記パワーモジュールの冷却器とに周囲を囲まれている
    ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池ユニット。
  5. 前記燃料電池スタックと昇圧コンバータとは、バスバで直結されている
    ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池ユニット。
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