燃料电池单元

技术领域

本发明涉及燃料电池单元。

背景技术

日本特开2021-128847中公开了一种燃料电池单元，在该燃料电池单元中，在燃料电池堆的上方配置电力转换器，将燃料电池堆和电力转换器在同一空间内收容于壳体。

发明内容

燃料电池单元在高负荷条件下工作时，电力转换器变得比燃料电池堆温度高。如果在燃料电池堆的上方配置电力转换器，则从电力转换器放出的热滞留在电力转换器附近，电力转换器的温度有可能变得比电力转换器的耐热上限温度高，因此存在改善的余地。

本发明提供一种燃料电池单元。

本发明的第一方面所涉及的燃料电池单元具备：燃料电池堆；电力转换器，其构成为转换所述燃料电池堆的电力；以及壳体，其构成为将所述燃料电池堆和所述电力转换器收容在同一空间内。其中，所述电力转换器构成为配置于所述燃料电池堆的下方。

根据这种构成，由电力转换器产生的热向上方散发，因此能够抑制在与燃料电池堆同一空间内收容于壳体的电力转换器的温度变得比电力转换器的耐热上限温度高。

上述第一方面所涉及的燃料电池单元可以构成为还具备多个电抗器。其中，也可以的是，所述多个电抗器设置于电力转换器，所述多个电抗器构成为沿着冷却所述燃料电池堆的冷却液的流动方向并排配置，在所述多个电抗器中，在所述冷却液的流动方向的上游侧的电抗器构成为与下游侧的电抗器相比被优先驱动。

根据这种构成，能够抑制由于设置于电力转换器的电抗器的热导致燃料电池堆的温度上升。

本发明的第一方面所涉及的燃料电池单元能够使由电力转换器产生的热向上方散发，能够抑制在与燃料电池堆同一空间内收容于壳体的电力转换器的温度变得比电力转换器的耐热上限温度高。

附图说明

参考附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术上和工业上的意义进行说明，附图中相同的标号表示相同部件。

图1是示出具备实施方式所涉及的燃料电池单元的燃料电池车辆的传动系统的示意图。

图2是示出燃料电池单元中的FC堆和FDC的配置的图。

图3是FC堆的俯视图。

图4是示出FC堆的温度梯度的一例的曲线图。

图5是FDC的俯视图。

图6是示出FC堆的电池以及FDC构成部件的耐热上限温度的一例的图。

图7是示出在FC堆的车辆前侧，位于冷却液流动方向的出口侧的电池的部分即区域A的图。

图8A是示出FC堆的输出电流和输出电压的关系的曲线图。

图8B是示出FDC的输入电流和电力转换效率的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，对本发明所涉及的燃料电池单元的实施方式进行说明。需要说明的是，本实施方式不是用于限定本发明。

图1示出具备实施方式所涉及的燃料电池单元1的燃料电池车辆的传动系统的示意图。实施方式所涉及的燃料电池车辆具备燃料电池单元1、逆变器2、电动发电机3、蓄电池4和蓄电池转换器5等各种构成部件、以及作为控制这些各种构成部件的控制装置的ECU。

燃料电池单元1构成为具备Fuel Cell(FC)堆10、FDC 20、壳体30、以及导通构件40等。

FC堆(燃料电池堆)10是具有将多个电池串联层叠而成的堆结构的发电装置。电池具备作为发电体的膜电极接合体。发电体通过燃料气体和氧化气体的电化学反应产生电力。需要说明的是，燃料电池系统具备用于使FC堆10作为发电装置而发挥作用的各种装置。各种装置包括燃料气体供给装置、氧化气体供给装置、冷却装置等。需要说明的是，省略了所述各种装置的图示和说明。

FDC(FC升压转换器)20是用于燃料电池(FC)的DC-DC转换器。FDC 20是将FC堆10的输出电压升压至电动发电机3能够利用的高电压的电力转换器。

壳体30是收容FC堆10和FDC 20的收容构件。壳体30例如由铝合金等金属制作成箱形状。壳体30内未设置将FC堆10和FDC 20隔开的隔壁。即，在壳体30内，FC堆10和FDC 20配置在同一空间内。

导通构件40例如由将FC堆10和FDC 20电连接的母线等构成。

逆变器2是将从FDC 20供给的直流电力转换为交流电力并向电动发电机3供给的驱动电路。电动发电机3接收来自逆变器2的交流电力以驱动车轮。需要说明的是，逆变器2将与电动发电机3所使用的电动机的种类相应的相数的交流电力供给至电动发电机3。例如，在电动发电机3是具备三相线圈的同步电动机的情况下，逆变器2将三相交流电力供给至电动发电机3。

蓄电池转换器5对由FDC 20升压的电压、在车辆制动时由电动发电机3发出的再生电力的电压进行降压。然后，蓄电池转换器5将所述降压后的电压供给至蓄电池4。此外，蓄电池转换器5对来自蓄电池4的直流电力的电压进行升压，并供给至逆变器2。蓄电池转换器5是双向DC-DC转换器。

蓄电池4能够蓄积FC堆10发出的电力、车辆制动时由电动发电机3发出的再生电力。蓄电池4用作向电动发电机3等供给电力的电源。本实施方式的蓄电池4是可充放电的二次电池，例如可以使用锂离子电池或镍氢电池等。需要说明的是，作为蓄电池4，可以是二次电池以外的可充放电的蓄电装置，例如可以使用电容器。

图2是示出燃料电池单元1中的FC堆10和FDC 20的配置的图。需要说明的是，图2中的“RH”表示车辆右侧。此外，图2中的“Upr”表示车辆上侧。如图2所示，在实施方式所涉及的燃料电池单元1中，FC堆10和FDC 20被收容在同一壳体30内。此外，FDC20配置于FC堆10的下方。

图3是FC堆10的俯视图。需要说明的是，图3中的“Fr”表示车辆前侧。如图3所示，在FC堆10的车辆前后方向的两端部设有P端子11和N端子12。P端子11和N端子12是用于获取由包括在FC堆10中的各电池的燃料电池反应发出的电的端子。

FC堆10具备FC堆10的内部冷却液流路。然后，通过具备散热器或泵等的液冷装置使冷却液流动，从而对各电池进行冷却。即，FC堆10是液冷式。此外，如图2和图3等所示，FC堆10中的冷却液的流动方向为从FC堆10的车辆左侧朝向车辆右侧的一方向。在FC堆10的车辆左侧设有冷却液的入口，在FC堆10的车辆右侧设有冷却液的出口。流过FC堆10的冷却液随着对FC堆10的各电池进行冷却而被加热。因此，在冷却液的流动方向上，随着从入口侧(上游侧)朝向出口侧(下游侧)，冷却液的温度变高。故而，FC堆10在冷却液的流动方向上，与入口侧相比，出口侧被液温更高的冷却液冷却。因而，在FC堆10中，如图4等所示，在冷却液的流动方向上，产生温度随着从入口侧朝向出口侧(从车辆左侧朝向车辆右侧)而变高的温度梯度。在FC堆10中，确定用于建立发电性能和耐久性的上限温度。通过液冷装置控制冷却液的流量等，以使冷却液的流动方向上的出口侧附近的温度不超过上限温度。

图5是FDC 20的俯视图。如图5所示，FDC 20是多相升压转换器，构成为至少具备P端子21、N端子22、IPM 201、电容器202、电流传感器203、第一电抗器204a、第二电抗器204b、第三电抗器204c、第四电抗器204d、分支盒205、端子台206、以及防共振滤波器207等。需要说明的是，在以下说明中，在不特别区分第一电抗器204a、第二电抗器204b、第三电抗器204c和第四电抗器204d时，仅记为电抗器204。此外，设置于FDC 20的电抗器204的数量不限于4个，可以设置多个电抗器204。

电抗器204配置于FDC 20中的车辆前侧。此外，第一电抗器204a、第二电抗器204b、第三电抗器204c和第四电抗器204d沿着FC堆10中的冷却液的流动方向并排配置。需要说明的是，第一电抗器204a、第二电抗器204b、第三电抗器204c和第四电抗器204d，从FC堆10中的冷却液的流动方向上的入口侧(车辆左侧)朝向出口侧(车辆右侧)，按照第一电抗器204a、第二电抗器204b、第三电抗器204c、第四电抗器204d的顺序并排配置。

P端子21和N端子22是用于将FDC 20与FC堆10电连接的端子。具体而言，P端子21与FC堆10的P端子11电连接，N端子47与FC堆10的N端子12电连接。

此外，4个电抗器204使用母线与P端子21并联连接。此外，4个电抗器204通过母线与IPM 201并联连接。在连接4个电抗器204和IPM 201的各条母线上安装有电流传感器203。IPM 201在与FC堆10中的冷却液的流动方向正交的方向上与电流传感器203并排配置。此外，平滑用电容器202通过母线连接到IPM 201的出侧。在FDC 20中，在FDC 20的俯视图中，IPM 201、电容器202和电流传感器203位于比FC堆10中的冷却液流动方向的中央更上游侧。此外，在FDC 20的俯视图中，IPM 201、电容器202和电流传感器203在与所述冷却液的流动方向正交的方向上并排配置成一列。

N端子22经由分支盒205、端子台206、以及防共振滤波器207等连接到电容器202。分支盒205、端子台206、以及防共振滤波器207相对于IPM 201和电容器202配置在所述冷却液的流动方向的下游侧。分支盒205、端子台206、以及防共振滤波器207与电容器202的连接使用母线。此外，分支盒205、端子台206、以及防共振滤波器207与N端子22的连接也使用母线。此外，分支盒205、端子台206、以及防共振滤波器207上连接有设置在壳体30的外侧的蓄电池4用的输出端子等。

图6是示出FC堆10的电池以及FDC构成部件的耐热上限温度的一例的图。如图6所示，FC堆10的电池的耐热上限温度一般设为100℃左右。另一方面，构成FDC 20的部件(FDC构成部件)的耐热上限温度均比FC堆10的电池的耐热上限温度高。特别是，电抗器204的耐热上限温度与FC堆10的电池的耐热上限温度之间存在约80℃的偏差。

在此，燃料电池单元1在高负荷条件下工作时，FDC 20的温度比FC堆10的温度高。故而，例如在燃料电池单元1的壳体30内，将FDC 20配置在FC堆10的上方的情况下，从FDC20放出的热滞留在壳体30内的上部即FDC 20附近。其结果，FDC 20的温度变得比FDC 20的耐热上限温度(FDC构成部件的耐热上限温度)高。

另一方面，在如实施方式所涉及的燃料电池单元1那样，在壳体30内将FDC 20配置在FC堆10的下方的情况下，如图2中箭头H所示，能够使FDC 20的热向壳体30内的比FDC 20更上方的空间放出。这样，在实施方式所涉及的燃料电池单元1中，能够使由FDC20产生的热向上方散发，从FDC 20放出的热难以滞留在FDC 20附近。因此，能够抑制在与FC堆10同一空间内收容于壳体30的FDC 20的温度变得比FDC 20的耐热上限温度(FDC构成部件的耐热上限温度)高。

需要说明的是，此时，在壳体30内配置在FDC 20的上方的FC堆10接收从FDC20向上方放出的热。具体而言，配置在电抗器204的正上方的FC堆10的电池的部分接收电抗器204放出的热。然后，在图7中虚线圆圈包围的区域A表示的、FC堆10的车辆前侧，位于冷却液的流动方向的出口侧的电池的部分的温度变得比位于冷却液的流动方向的入口侧的电池的部分的温度高。因此，如果由于来自电抗器204的热导致FC堆10的电池的温度超过电池的耐热上限温度，则可能导致FC堆10的发电能力降低或早期劣化等。

与此相对，在实施方式所涉及的燃料电池单元1中，通过利用液冷装置调整冷却FC堆10的电池的冷却液的温度或流量，能够抑制FC堆10的电池的温度超过电池的耐热上限温度。

图8A是示出FC堆10的输出电流和输出电压的关系的曲线图。图8B是示出FDC20的输入电流和电力转换效率的关系的曲线图。

在实施方式所涉及的燃料电池单元1中，FDC 20具有与FDC 20(电抗器204)的输入电流相适应的最佳电抗器驱动相数。根据FDC 20的输入电流，适当变更驱动的电抗器204的个数。进行选择并驱动电抗器204的控制，使得在FDC 20的输入电流小的情况下，减少电抗器驱动相数，在FDC 20的输入电流大的情况下，增加电抗器驱动相数。这种控制例如由燃料电池车辆所具备的ECU等控制装置进行。此外，在选择要驱动的电抗器204时，在4个电抗器204中，与所述冷却液的流动方向的出口侧(下游侧)的电抗器204相比，优先选择并驱动FC堆10中的冷却液的流动方向的入口侧(上游侧)的电抗器204。换言之，在4个电抗器204中，与配置在FC堆10的温度较高侧的下方的电抗器204相比，优先驱动配置在FC堆10的温度较低侧的下方的电抗器204。

具体而言，如图8A和图8B所示，在FDC 20的输入电流为单相驱动的范围内，驱动第一电抗器204a。此外，FDC 20的输入电流为二相驱动的范围内，驱动第一电抗器204a和第二电抗器204b。此外，在FDC 20的输入电流为三相驱动的范围内，驱动第一电抗器204a、第二电抗器204b和第三电抗器204c。此外，在FDC 20的输入电流为四相驱动的范围内，驱动第一电抗器204a、第二电抗器204b、第三电抗器204c和第四电抗器204d。

由此，在实施方式所涉及的燃料电池单元1中，能够抑制流过FC堆10的冷却液的流量的增加，并且能够抑制由于来自FDC 20的受热导致FC堆10的温度的过度上升。