(57)【要約】【課題】電子素子の数が増えた場合であっても、コンバータの大型化を抑制する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、複数の電子素子Ａ、Ｂ、Ｃと、電子素子Ａ、Ｂを制御可能な制御基板６０と、電子素子Ａ、Ｂ、Ｃが装着された基台６１と、基台６１に装着された冷却プレート６２と、を有している。基台６１は、冷却プレート６２の表面に沿って形成された平面部６１ａと、冷却プレート６２の表面に対し垂直方向に延びる垂直部６１ｂとを有している。電子素子Ａ、Ｂは平面部６１ａに装着され、電子素子Ｃは垂直部６１ｂに装着されている。【選択図】図２
2011010516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から出力された電圧を変圧するコンバータであって、
複数の電子素子と、
前記電子素子を制御可能な制御基板と、
前記電子素子が装着された基台と、
前記基台に装着された冷却プレートと、を有し、
前記基台は、前記冷却プレートの表面に沿って形成された平面部と、前記冷却プレートの表面に対し垂直方向に延びる垂直部とを有し、
前記電子素子は、前記平面部と前記垂直部に装着されていることを特徴とする、コンバータ。
【請求項２】
前記複数の電子素子のうち相対的に発熱の多い電子素子は、前記平面部に装着され、相対的に発熱の少ない電子素子は、前記垂直部に装着されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンバータ。
【請求項３】
前記制御基板は、前記平面部に対向配置され、
前記複数の電子素子のうち前記制御基板と信号線により接続される電子素子は、前記平面部に装着され、前記制御基板と信号線により接続されない電子素子は、前記垂直部に装着されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のコンバータ。
【請求項４】
前記基台の平面部の一部の前記電子素子が装着されている領域に、前記冷却プレートが装着されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項５】
前記垂直部の複数の垂直面に、前記電子素子が装着されていることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のコンバータを備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータ及びコンバータを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料電池により出力された電圧を昇圧させるコンバータが設けられている。コンバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオードなどの電子素子、電子素子を制御する制御基板、電子素子を冷却するための冷却部等を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０７５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年コンバータの電流容量を増大させたり、短周期でスイッチングさせたりする場合等には、電子素子の数を増やす必要がある。このため、電子素子が装着される部分や冷却部が大型して、コンバータの大型化を招く恐れがある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電子素子の数が増えた場合であっても、コンバータの大型化を抑制することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成させるための本発明は、燃料電池から出力された電圧を変圧するコンバータであって、複数の電子素子と、前記電子素子を制御可能な制御基板と、前記電子素子が装着された基台と、前記基台に装着された冷却プレートと、を有し、前記基台は、前記冷却プレートの表面に沿って形成された平面部と、前記冷却プレートの表面に対し垂直方向に延びる垂直部とを有し、前記電子素子は、前記平面部と前記垂直部に装着されていることを特徴とする。なお、制御基板は、複数の電子素子の総ての電子素子を制御可能である必要はなく、一部の電子素子を制御可能であってもよい。
【０００７】
本発明によれば、複数の電子素子の一部が垂直部に装着されるので、基台の平面面積の増大による大型化や、基台の平面面積増大による冷却プレートの大型化が抑制される。これにより、電子素子の数が増えても、コンバータの大型化を抑制することができる。
【０００８】
前記複数の電子素子のうち相対的に発熱の多い電子素子は、前記平面部に装着され、相対的に発熱の少ない電子素子は、前記垂直部に装着されていてもよい。かかる場合、冷却プレートによる電子素子の冷却を効率的に行うことができる。
【０００９】
前記制御基板は、前記平面部に対向配置され、前記複数の電子素子のうち前記制御基板と信号線により接続される電子素子は、前記平面部に装着され、前記制御基板と信号線により接続されない電子素子は、前記垂直部に装着されていてもよい。かかる場合、制御基板から電子素子に接続される信号線の配線方向が一方向になるので、例えば制御基板と電子素子とを接続する際の信号線の位置決めを簡単かつ精度よく行うことができる。
【００１０】
前記基台の平面部の一部の前記電子素子が装着されている領域に、前記冷却プレートが装着されていてもよい。かかる場合、電子素子の冷却を効率的に行いつつ、冷却プレートを小型化できる。
【００１１】
前記垂直部の複数の垂直面に、前記電子素子が装着されていてもよい。かかる場合、基台の平面面積を増加させることなく、装着可能な電子素子の数を増やすことができる。
【００１２】
別の観点による本発明によれば、上記コンバータを備えた燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電子素子の数が増えた場合にコンバータの大型化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。
【図２】ＤＣ−ＤＣコンバータの一部の構成の概略を示す説明図である。
【図３】基台の平面部の一部に冷却プレートが装着された場合のＤＣ−ＤＣコンバータの一部の構成の概略を示す説明図である。
【図４】基台の垂直部の両面に電子素子が装着された場合のＤＣ−ＤＣコンバータの一部の構成の概略を示す説明図である。
【図５】基台の垂直部の電子素子と制御基板が信号線により接続された場合のＤＣ−ＤＣコンバータの一部の構成の概略を示す説明図である。
【図６】基台の垂直部が複数ある場合のＤＣ−ＤＣコンバータの一部の構成の概略を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るコンバータを備えた燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００１６】
燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２等を備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。 燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電圧を変圧するＤＣ−ＤＣコンバータ１４や、発電された電力を制御するパワーコントロールユニット１５が接続されている。
【００１８】
酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送るガス排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出するガス排気流路２３を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４等が設けられている。
【００１９】
水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
【００２０】
ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。
【００２１】
循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。
【００２２】
例えば図２に示すようにＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、燃料電池１０に接続されたチョークコイル、スイッチング素子、ダイオード、コンデンサ、ＩＧＢＴなどの半導体素子を含む複数の電子素子Ａ、Ｂ、Ｃと、電子素子Ａ、Ｂを制御可能な制御基板６０と、電子素子Ａ、Ｂ、Ｃが装着された基台６１と、基台６１に装着された冷却プレート６２等を有している。
【００２３】
基台６１は、例えばＬ字型状に形成され、冷却プレート６１の表面に沿って形成された平面部６１ａと、冷却プレート６１の表面に対し垂直方向に延びる垂直部６１ｂとを有している。例えば電子素子Ａ、Ｂは、平面部６１ａに装着され、電子素子Ｃは、垂直部６１ｂに装着されている。
【００２４】
例えば電子素子Ａ、Ｂは、作動時に電子素子Ｃに比べて相対的に発熱の多いものであり、電子素子Ｃは、作動時に電子素子Ａ、Ｂに比べて相対的に発熱の少ないものである。したがって、平面部６１ａには、相対的に発熱の多い電子素子Ａ、Ｂが装着され、垂直部６１ｂには、相対的に発熱の少ないＣが装着されている。なお、発熱の多い電子素子と少ない電子素子は回路構成等により定まるため、例えば予め発熱量等が把握されている。
【００２５】
制御基板６０は、平面部６１ａの上方に対向配置されている。電子素子Ａ、Ｂは、制御基板６０と信号線７０により接続され、電子素子Ｃは、信号線によって制御基板６０に接続されていない。つまり、制御基板６０により直接制御される電子素子Ａ、Ｂは、平面部６１ａに装着され、信号線７０により制御基板６０に接続され、制御基板６０により直接制御されない電子素子Ｃは、垂直部６１ｂに装着され、信号線により制御基板６０に接続されない。なお、電子素子Ａ、Ｂと制御基板６０は、例えばワイヤーボンディングによる直線的な信号線７０により接続されている。
【００２６】
電子素子Ａ、Ｂと電子素子Ｃは、ワイヤーボンディング等による直線的な信号線７１により接続されている。
【００２７】
冷却プレート６２は、例えば基台６１の底面の全面にグリス８０を介して装着されている。冷却プレート６２の底面には、例えば放熱のためのフィン６２ａが形成されている。冷却プレート６２は、例えば空冷又は水冷により冷却されている。
【００２８】
以上の実施の形態によれば、一部の電子素子Ｃが基台６１の垂直部６１ｂに装着されるので、基台６１の平面面積の増大による大型化や、基台６１の平面面積の増大による冷却プレート６２の大型化が抑制される。これにより、電子素子の数を増やした場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の大型化を抑制することができる。また、電子素子がすべて同一平面に設けられている場合に比べて、電子素子同士を接続する信号線７１の長さが短くなるため、サージ電圧の発生を抑制できる。
【００２９】
また、相対的に発熱の多い電子素子Ａ、Ｂが、基台６１の平面部６１ａに装着され、相対的に発熱の少ない電子素子Ｃが、垂直部６１ｂに装着されているので、冷却プレート６２による電子素子の冷却を効果的に行うことができる。
【００３０】
制御基板６０は、平面部６１ａに対向配置され、制御基板６０と信号線７０により接続される電子素子Ａ、Ｂが、平面部６１ａに装着され、制御基板６０と信号線７０により接続されない電子素子Ｃが、垂直部６１ｂに装着されている。このため、制御基板６０から電子素子Ａ、Ｂに接続される信号線７０の配線方向が一方向になるので、例えば制御基板６０と電子素子Ａ、Ｂとを接続する際の信号線７０の位置決めを簡単かつ精度良く行うことができる。
【００３１】
以上の実施の形態における燃料電池システム１は、高精度化の上、小型化、軽量化も求められているため、本発明にかかるコンバータを燃料電池システム１に適用する効果は大きい。
【００３２】
以上の実施の形態では、基台６１の底面の全面に冷却プレート６２が装着されていたが、図３に示すように基台６１の平面部６１ａの一部の電子素子Ａ、Ｂが装着されている領域に、冷却プレート６２が装着されていてもよい。かかる場合、電子素子Ａ、Ｂの冷却効率を下げることなく、冷却プレート６２を小型化できる。
【００３３】
また、例えば図４に示すように上記実施の形態における垂直部６１ｂの複数の垂直面、例えば対向する両面に、電子素子Ｃ、Ｄが装着されていてもよい。かかる場合、基台６１の平面面積を増加させることなく、装着可能な電子素子の数を増やすことができる。また、図５に示すように垂直部６１ｂの上方まで、制御基板６０が形成され、制御基板６０と直接信号線７０により接続される電子素子Ｅを垂直部６１ｂに装着してもよい。かかる場合、制御基板６０から延びる配線方向を一方向のみに維持したまま、制御基板６０と信号線により接続される電子素子Ｅを垂直部６１ｂに設置できる。さらに、図６に示すように垂直部６１ｂが、複数設けられ、垂直部６１ｂの両面に電子素子Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを装着し、各電子素子Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉを信号線７０により制御基板６０に接続してもよい。
【００３４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３５】
以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、電子素子の数が増えた場合であっても、コンバータの大型化を抑制する際に有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池システム
１０  燃料電池
１４  ＤＣ−ＤＣコンバータ
６０  制御基板
６１  基台
６１ａ  平面部
６１ｂ  垂直部
６２  冷却プレート
Ａ、Ｂ、Ｃ  電子素子
【図１】
2011010516.tif 000003
【図２】
2011010516.tif 000004
【図３】
2011010516.tif 000005
【図４】
2011010516.tif 000006
【図５】
2011010516.tif 000007
【図６】
2011010516.tif 000008