(57)【要約】【課題】燃料電池ユニットにおいてバスバーが配設される空間を小さくすることができる。【解決手段】燃料電池ユニットであって、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックと電気的に接続されたリアクトルと、バスバーを介して前記リアクトルとの間を電気的に接続されたパワーモジュールと、前記リアクトルと前記パワーモジュールとの間とは異なる位置に配され、複数の前記単セルの発電状態を監視するセルモニタと、を備える燃料電池ユニット。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池ユニットであって、
積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックと電気的に接続されたリアクトルと、
バスバーを介して前記リアクトルとの間を電気的に接続されたパワーモジュールと、
前記リアクトルと前記パワーモジュールとの間とは異なる位置に配され、複数の前記単セルの発電状態を監視するセルモニタと、を備える燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池ユニットには、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、単セルの発電状態を監視するセルモニタと、燃料電池スタックが生成した電力が供給される高電圧部品と、を備えたものがある。高電圧部品には、例えば、リアクトルおよびパワーモジュールなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２８７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の燃料電池ユニットでは、燃料電池スタックの外側に２つのケースを配設し、その中にセルモニタと高電圧部品とがそれぞれ収容されている。このような燃料電池ユニットにおけるサイズの縮小化を考えた場合、２つのケースを配設することなく、セルモニタおよび高電圧部品を燃料電池スタックに近接した位置に配置して一体化させる態様が考えられる。しかし、このような場合、セルモニタおよび高電圧部品をどのように配置するかについては十分に考慮されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池ユニットが提供される。この燃料電池ユニットは、積層された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックと電気的に接続されたリアクトルと、バスバーを介して前記リアクトルとの間を電気的に接続されたパワーモジュールと、前記リアクトルと前記パワーモジュールとの間とは異なる位置に配され、複数の前記単セルの発電状態を監視するセルモニタと、を備える。このような態様とすれば、リアクトルとパワーモジュールとの間にセルモニタを配した態様と比べて、セルモニタがバスバーの配設に対する障害となることを防止できる。このため、バスバーを単純な形状にできることによって、燃料電池ユニットにおいてバスバーが配設される空間を小さくすることができる。
【０００７】
本発明の形態は、燃料電池ユニットに限るものではなく、例えば、電力を動力源とする船舶などに搭載された燃料電池ユニットや、家庭用燃料電池ユニットなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池ユニットの配置構成を示した概念図である。
【図２】図１における燃料電池ユニットをＹ軸方向の−側から見た概念図である。
【図３】参考例における燃料電池ユニットを示した説明図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池ケースの配置構成を示した概念図である。
【図５】第２実施形態における燃料電池ケースをＺ軸方向の＋側から見た説明図である。
【図６】第２実施形態における燃料電池ケースが車両に搭載されたときの状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池ユニット１００の配置構成を示した概念図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。図１は、燃料電池ユニット１００をＺ軸方向の＋側から見た図である。図２は、図１における燃料電池ユニット１００をＹ軸方向の−側から見た概念図である。燃料電池ユニット１００は、モーターで駆動する車両の電源として搭載される。燃料電池ユニット１００は、燃料電池スタック１１０と、リアクトルユニット１２０と、バスバー１２５と、パワーモジュール１３０と、セルモニタ１４０とを備える。
【００１０】
燃料電池スタック１１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セル１１２を有する。単セル１１２は、積層方向Ｄに積層された状態で圧縮荷重を加えられつつ締結されている。本実施形態では、単セル１１２の積層方向Ｄは、Ｙ軸方向である。本実施形態では、燃料電池スタック１１０は、水素ガスおよび空気の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。
【００１１】
リアクトルユニット１２０と、バスバー１２５と、パワーモジュール１３０と、セルモニタ１４０とは、燃料電池スタック１１０のＺ軸方向の＋側の位置に配され、Ｘ軸に沿って並んだ位置に配されている。
【００１２】
リアクトルユニット１２０は、燃料電池スタック１１０と電気的に接続されている。リアクトルユニット１２０は、環状のコア部と、コア部の外周に巻き付けられたコイルとによって構成されるリアクトルを有する。本実施形態では、リアクトルユニット１２０は、Ｙ軸方向に並んで配された４つのリアクトルを有する。リアクトルは、電力の蓄積および蓄積した電力の放出を行うことができる。リアクトルによる電力の蓄積作用および放出作用は、電圧の昇圧動作に利用される。
【００１３】
バスバー１２５は、電気導電性を有する材料で形成されるとともにＸ軸に沿って延びた棒状部材である。バスバー１２５は、リアクトルユニット１２０とパワーモジュール１３０との間に配され、リアクトルユニット１２０におけるリアクトルとパワーモジュール１３０とを電気的に接続している。本実施形態では、リアクトルユニット１２０におけるリアクトルとパワーモジュール１３０とは、互いに略平行に配置された４本のバスバー１２５によって、電気的に接続されている。
【００１４】
パワーモジュール１３０は、リアクトルユニット１２０のＸ軸方向の＋側の位置に配される。パワーモジュール１３０は、複数の半導体素子を組み込んだ回路モジュールである。パワーモジュール１３０は、スイッチング素子と、ダイオードとによって構成される。
【００１５】
パワーモジュール１３０は、燃料電池スタック１１０から電圧が入力された際にスイッチング素子において周期的なスイッチング制御を行うことによって、リアクトルに電力の蓄積および放出を周期的に繰り返させる。パワーモジュール１３０は、スイッチング素子におけるデューティー比（オン状態とオフ状態との比）を調整することで、入力された電圧を調整して出力する。
【００１６】
セルモニタ１４０は、パワーモジュール１３０のＸ軸方向の＋側の位置に配される。セルモニタ１４０は、単セル１１２の電位、電流、温度等、単セル１１２の発電状態を監視するための装置である。
【００１７】
本実施形態では、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０およびセルモニタ１４０は、Ｘ軸方向の−側から＋側に向かって、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０、セルモニタ１４０の順で配されている。すなわち、セルモニタ１４０は、リアクトルユニット１２０におけるリアクトルとパワーモジュール１３０との間とは異なる位置に配されている。
【００１８】
本明細書における「リアクトルとパワーモジュールとの間とは異なる位置」とは、例えば、本実施形態におけるＸＹＺ軸を基準とすると、以下のように説明できる。すなわち、「リアクトルとパワーモジュールとの間とは異なる位置」は、リアクトルユニット１２０のＸ軸方向の−側の位置である第１の位置と、パワーモジュール１３０のＸ軸方向の＋側の位置である第２の位置と、を含む。また、リアクトルユニット１２０およびパワーモジュール１３０が配された位置からＹ軸方向の位置である第３の位置と、リアクトルユニット１２０およびパワーモジュール１３０が配された位置からＺ軸方向の位置である第４の位置と、も含む。さらに、第１の位置および第２の位置からＹ軸方向およびＺ軸方向にずれた第５の位置と、第３の位置からＸ軸方向およびＺ軸方向にずれた第６の位置と、第４の位置からＸ軸方向およびＹ軸方向にずれた第７の位置と、も含む。本実施形態におけるＸＹＺ軸を基準とすると、「リアクトルとパワーモジュールとの間とは異なる位置」とは、上記したいずれかの位置のことをいう。
【００１９】
以上説明した実施形態によれば、リアクトルとパワーモジュールとの間にセルモニタを配した態様と比べて、セルモニタ１４０がバスバー１２５の配設に対する障害となることを防止できる。このため、バスバー１２５を単純な形状にできることによって、燃料電池ユニット１００においてバスバー１２５が配設される空間を小さくすることができる。
【００２０】
Ｂ．参考例：
図３は、参考例における燃料電池ユニット１００ａを示した説明図である。燃料電池ユニット１００ａは、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０およびセルモニタ１４０の配置が異なる点と、バスバー１２５とは異なる形状のバスバー１２５ａを備える点と、を除き、燃料電池ユニット１００と同じである。
【００２１】
燃料電池ユニット１００ａでは、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０およびセルモニタ１４０は、Ｘ軸方向の−側から＋側に向かって、リアクトルユニット１２０、セルモニタ１４０、パワーモジュール１３０の順で、Ｘ軸に沿って並んだ位置に配されている。
【００２２】
バスバー１２５ａは、Ｘ軸に沿って延びた棒状部分と棒状部分の両端部からＹ軸方向の−側に屈曲した屈曲部分とから構成される部材である。バスバー１２５ａは、リアクトルユニット１２０とパワーモジュール１３０とを電気的に接続している。
【００２３】
燃料電池ユニット１００ａでは、リアクトルユニット１２０とパワーモジュール１３０との間にセルモニタ１４０が配されているため、セルモニタ１４０がバスバーの配設に対する障害となっている。このため、燃料電池ユニット１００ａでは、Ｘ軸に沿って延びたバスバー１２５ではなく、屈曲部分を含むバスバー１２５ａを用いることで、セルモニタ１４０を避けながらリアクトルユニット１２０におけるリアクトルとパワーモジュール１３０とを電気的に接続している。
【００２４】
一方、第１実施形態である燃料電池ユニット１００では、Ｘ軸に沿って延びたバスバー１２５を用いて、リアクトルユニット１２０におけるリアクトルとパワーモジュール１３０とを電気的に接続している。セルモニタ１４０を避けるために設計された形状であるバスバー１２５ａと比べて、棒状部材であるバスバー１２５は単純な形状である。
【００２５】
このため、燃料電池ユニット１００では、バスバー１２５を単純な形状にできることによって、燃料電池ユニット１００においてバスバー１２５が配設される空間を小さくすることができる。
【００２６】
また、リアクトルユニット１２０とパワーモジュール１３０との間にセルモニタ１４０を配した参考例と比べて、第１実施形態である燃料電池ユニット１００では、リアクトルユニット１２０とパワーモジュール１３０との間における距離を短くできる傾向にあることから、バスバー１２５の長さを短くできる場合がある。そのため、燃料電池ユニット１００においてバスバー１２５が配設される空間を小さくすることができるともいえる。
【００２７】
Ｃ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態である燃料電池ユニット１００ｂを収容した燃料電池ケース２００の配置構成を示した概念図である。燃料電池ケース２００は、モーターで駆動する車両の電源として搭載される。燃料電池ケース２００は、燃料電池ユニット１００ｂを収容する直方体状の部材である。燃料電池ケース２００は、それぞれＸＹＺ軸の＋側および−側を向いた面から構成される。
【００２８】
燃料電池ユニット１００ｂは、燃料電池ユニット１００の構成に加え、冷却器１５０と、ポンプインバータ１６０と、ＦＤＣ−ＥＣＵ１７０とを備える。
【００２９】
冷却器１５０は、リアクトルユニット１２０のＺ軸方向の＋側に配される。冷却器１５０は、リアクトルユニット１２０とポンプインバータ１６０とを冷却する。また、冷却器１５０は、冷媒を循環させる冷媒循環路（図示しない）を介して、燃料電池ユニット１００ｂを構成する各部品を冷却する。本実施形態では、冷却器１５０に冷却される燃料電池ユニット１００ｂの部品には、パワーモジュール１３０が含まれる。
【００３０】
冷媒循環路は、冷媒を流入させる冷媒入口１５２から、冷媒を流出させる冷媒出口１５４へ向けて冷媒を流す間において、燃料電池ユニット１００ｂを構成する各部品を冷却する。冷媒入口１５２および冷媒出口１５４は、パワーモジュール１３０のＹ軸方向の−側から突出して設けられている。
【００３１】
ポンプインバータ１６０は、冷却器１５０のＺ軸方向の＋側に配される。ポンプインバータ１６０は、燃料電池スタック１１０や２次バッテリーから出力された直流電力を３相の交流電力へと変換し、冷却器１５０にある冷媒を循環させるための冷媒ポンプ（図示しない）に供給する。
【００３２】
冷却器１５０は、リアクトルユニット１２０とポンプインバータ１６０との間に挟まれている。このため、冷却器１５０は、冷却器１５０のＺ軸方向の−側における面によってリアクトルユニット１２０を冷却するとともに、冷却器１５０のＺ軸方向の＋側における面によってポンプインバータ１６０を冷却できる。
【００３３】
ＦＤＣ−ＥＣＵ１７０は、パワーモジュール１３０のＺ軸方向の＋側に配される。ＦＤＣ−ＥＣＵ１７０は、燃料電池スタック１１０からの出力電圧を昇圧するコンバータの動作を制御する。
【００３４】
ＦＤＣ−ＥＣＵ１７０は、燃料電池ケース２００上にある貫通孔を挿通して燃料電池ケース２００の外部と信号のやり取りを行う配線（図示しない）を有することから、燃料電池ユニット１００ｂの内側より燃料電池ユニット１００ｂの外縁寄りに配されていた方が好ましい。このため、燃料電池ユニット１００ｂにおいて、ＦＤＣ−ＥＣＵ１７０は、パワーモジュール１３０のＺ軸方向の＋側に配されている。
【００３５】
また、ＦＤＣ−ＥＣＵ１７０は、セルモニタ１４０と燃料電池ケース２００の外部との間における信号のやり取りを仲介する。このため、セルモニタ１４０と燃料電池ケース２００の外部との信号のやり取りを仲介する配線を挿通させるための貫通孔を、燃料電池ケース２００上に別途設けることを回避できる。
【００３６】
燃料電池ユニット１００ｂにおいて、リアクトルユニット１２０の重量は、ポンプインバータ１６０の重量より約３倍重い。このため、冷却器１５０のＺ軸方向の＋側にポンプインバータ１６０を配するとともに、冷却器１５０のＺ軸方向の−側にリアクトルユニット１２０を配することによって、燃料電池ユニット１００ｂ全体としての重心の位置をＺ軸方向の−側寄りにしている。
【００３７】
図５は、第２実施形態における燃料電池ケース２００内に収容された燃料電池ユニット１００ｂをＺ軸方向の＋側から見た説明図である。図５では、理解を容易にするために、燃料電池ユニット１００ｂの構成は、燃料電池スタック１１０、リアクトルユニット１２０、バスバー１２５、パワーモジュール１３０、セルモニタ１４０、冷媒入口１５２および冷媒出口１５４のみを図示した。燃料電池ユニット１００ｂにおいて、リアクトルユニット１２０は、燃料電池スタック１１０のＺ軸方向の＋側の位置であって、かつ、燃料電池スタック１１０のＹ軸方向における中央から＋側寄りの位置に配されている。
【００３８】
燃料電池ユニット１００ｂにおいて、パワーモジュール１３０は、燃料電池スタック１１０のＺ軸方向の＋側の位置であって、かつ、燃料電池スタック１１０のＹ軸方向における中央から−側寄りの位置に配されている。このため、冷媒入口１５２および冷媒出口１５４と、燃料電池ケース２００のＹ軸方向の−側における面との間における間隔を小さくできる。よって、パワーモジュール１３０からＹ軸方向の＋側における燃料電池ケース２００内の空間を広くとることができる。
【００３９】
図６は、第２実施形態である燃料電池ユニット１００ｂを収容した燃料電池ケース２００が車両３００に搭載されたときの状態を示す説明図である。図６では、理解を容易にするために、燃料電池ケース２００内には、燃料電池スタック１１０、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０、冷媒入口１５２および冷媒出口１５４のみを図示した。
【００４０】
車両３００は、モーターで駆動する電動車両である。車両３００の前方は、Ｙ軸方向の−側方向からＺ軸方向の−側に傾いた水平方向Ｆを向いている。図６のＸＹＺ軸におけるＺ軸は、重力方向の下側から上側に向かう座標軸Ｇから、Ｙ軸方向の＋側に傾斜した軸である。車両３００において燃料電池ケース２００が搭載されるための空間は、車両３００前方のフード３０２から重力方向下側における車両３００の内部領域Ｒである。
【００４１】
燃料電池ケース２００は、Ｙ軸方向の−側を向いた面が、Ｙ軸方向の＋側を向いた面より重力方向上側に位置するよう車両３００の前後方向から重力方向において傾斜した状態で、車両３００に搭載される。「Ｙ軸方向の−側を向いた面がＹ軸方向の＋側を向いた面より重力方向上側に位置する」状態とは、Ｙ軸方向の−側を向いた面におけるＺ軸方向の＋側における端部が、Ｙ軸方向の＋側を向いた面におけるＺ軸方向の＋側における端部より、重力方向上側に位置している状態のことである。
【００４２】
このとき、リアクトルユニット１２０は、燃料電池スタック１１０のＺ軸方向の＋側の位置であって、かつ、燃料電池スタック１１０のＹ軸方向における中央から＋側寄りの位置に配されているため、燃料電池ユニット１００ｂ全体としての重心の位置をＹ軸方向の＋側寄りにしている。よって、燃料電池ユニット１００ｂの重心は、重力方向下側に下がることから、燃料電池ユニット１００ｂが重力方向において安定する。
【００４３】
このとき、冷媒入口１５２および冷媒出口１５４は、水平方向Ｆより重力方向上側に傾いた方向を向いている。よって、冷媒入口１５２および冷媒出口１５４が水平方向Ｆもしくは重力方向下側に傾いた方向を向いている形態と比べて、冷媒に含まれる空気が冷媒循環路内から抜けやすい。
【００４４】
Ｄ．変形例：
第１実施形態では、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０およびセルモニタ１４０は、Ｘ軸方向の−側から＋側に向かって、リアクトルユニット１２０、パワーモジュール１３０、セルモニタ１４０の順で配されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、セルモニタ１４０は、リアクトルユニット１２０におけるリアクトルとパワーモジュール１３０との間とは異なる位置として、上記した第１の位置から第７の位置までのいずれの位置に配されていてもよい。
【００４５】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１００…燃料電池ユニット
１００ａ…燃料電池ユニット
１００ｂ…燃料電池ユニット
１１０…燃料電池スタック
１１２…単セル
１２０…リアクトルユニット
１２５…バスバー
１２５ａ…バスバー
１３０…パワーモジュール
１４０…セルモニタ
１５０…冷却器
１５２…冷媒入口
１５４…冷媒出口
１６０…ポンプインバータ
１７０…ＦＤＣ−ＥＣＵ
２００…燃料電池ケース
３００…車両
３０２…フード
Ｄ…積層方向
Ｆ…水平方向
Ｇ…座標軸
Ｒ…内部領域
【図１】
2017174631.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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