本发明涉及具备燃料电池组和升压转换器的燃料电池单元。
背景技术：
已知有一种燃料电池单元，具备将多个燃料电池单电池层叠而成的燃料电池组、对从所述燃料电池组输出的电力进行升压的升压转换器、进行从所述燃料电池组输出的电力的通断的继电器等部件，例如，专利文献1等记载了具备这样的燃料电池单元的燃料电池车辆。
在专利文献1记载的燃料电池单元中，燃料电池组收容于1个燃料电池壳体，而升压转换器收容于另外的升压转换器壳体。并且，两者以拆装自如的状态被电连接。在燃料电池壳体内还收容有进行从燃料电池组输出的电力的通断的继电器等，在燃料电池壳体内还循环有用于对它们进行冷却的冷却水。另外，在升压转换器壳体收容有构成升压转换器的多个电抗器(线圈)、开关元件等。并且，燃料电池单元、升压转换器配置在燃料电池车辆的地板面板的下方。
还提出有将包含辅机类的燃料电池单元的整体不配置在车辆的地板面板的下方而是配置在发动机舱内的燃料电池车辆，其一例记载在专利文献2中。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2013-247083号公报
【专利文献2】日本特开2011-162108号公报
技术实现要素：
【发明要解决的问题】
燃料电池单元在其运转时会伴随来自燃料电池组和升压转换器等的发热。如专利文献1记载那样，在将燃料电池组收容于燃料电池壳体并将升压转换器收容于升压转换器壳体而将它们配置于车辆的地板面板的下方的方式的燃料电池单元中，来自升压转换器的发热对于继电器等造成影响的程度小，不会产生与发热相伴的特别的问题。
对于如专利文献2记载那样，将包含辅机类的燃料电池单元的整体配置在发动机舱内的方式的燃料电池车辆，本发明者继续进行了涉及其性能提高的较多的实验和研究，但是在此过程中，发现了如下的新课题。
即，(i)在将包含辅机类的燃料电池单元的整体配置于发动机舱内的情况下，由于空间之间的关系而希望将燃料电池组、升压转换器、进行从燃料电池组输出的电力的通断的继电器等收容于一个壳体内时，在将它们收容于一个壳体内的情况下，会产生该壳体内的气氛温度过度上升的情况，(ii)在壳体内配置有进行从燃料电池组输出的电力的通断的大电流继电器时，除了继电器自身的发热之外，伴随壳体内的气氛温度的上升而继电器的温度较大地上升，有时会产生继电器的温度上升至耐久极限温度的附近的情况。
本发明鉴于上述的情况而作出，目的在于提供一种能够解决本发明者在证实实验的过程中发现的上述的新课题的燃料电池单元。
【用于解决问题的手段】
本发明的燃料电池单元的特征在于，具备：燃料电池组；升压转换器，用于对从所述燃料电池组输出的电力进行升压，至少具备电抗器和开关元件；冷却部件，具备用于对所述开关元件进行冷却的制冷剂用水路；冷却管，包含向所述冷却部件的制冷剂用水路流入的制冷剂通过的第一冷却管和从该制冷剂用水路流出的制冷剂通过的第二冷却管；及继电器，进行从所述燃料电池组输出的电力的通断，所述燃料电池组、所述升压转换器、所述冷却管及所述继电器收容于一个壳体，所述继电器配置在距所述冷却管的距离比距所述开关元件的距离短的位置。
在该燃料电池单元中，具备为了对构成升压转换器的部件中的发热量大的开关元件进行冷却而使用的制冷剂流通的冷却管。并且，所述继电器配置在距所述冷却管的距离比距所述开关元件的距离短的位置。接近冷却管的位置的气氛温度由于制冷剂在冷却管内流通而比所述开关元件附近的气氛温度低。由此，能抑制所述继电器的温度的过度上升。由此，能够实现所述继电器的工作的稳定化及长寿命化。而且，对于尤其是用于将发热量大的开关元件冷却的冷却部件，使制冷剂通过冷却管来流通，由此也能够抑制升压转换器整体的发热。由此，能确保升压转换器的工作的稳定性，并且也能抑制所述壳体内的温度上升。
在本发明的燃料电池单元的一形态中，其特征在于，所述继电器配置在所述第一冷却管与所述第二冷却管之间的位置。
在该形态中，在2个冷却管之间，即在第一冷却管与第二冷却管之间配置继电器，由此对于继电器的制冷剂的冷却作用更大，能够可靠地抑制继电器的温度上升。
在所述形态的燃料电池单元中，更优选的是，所述继电器配置在相比所述第一冷却管更接近所述第二冷却管的位置。
其理由是，关于在冷却管内流通的制冷剂具有的冷热因所述继电器的冷却而消失的比例，由于作为被冷却体的继电器更接近第二冷却管侧，因此第二冷却管侧比第一冷却管侧大。即，在第一冷却管中流通的制冷剂能够几乎没有冷热的损失地到达冷却部件。因此，能够几乎可靠地避免因继电器的冷却而作为本来的功能的对升压转换器的冷却功能受到妨碍。
在本发明的燃料电池单元的一形态中，其特征在于，所述燃料电池单元具备将所述继电器与所述壳体内的其他部件电连接的一个以上的汇流条，至少一部分的汇流条沿着所述冷却管配置。
在该形态中，通过在冷却管中流通的制冷剂的冷热来抑制汇流条的温度上升，因此能够进一步抑制继电器的温度上升。
在本发明的燃料电池单元的一形态中，其特征在于，所述汇流条具有超过能够耐受在该汇流条流动的最大电流的截面积的截面积。
在该形态中，通过使汇流条的截面积大于本来所需的尺寸，能够使汇流条自身的散热性能更大，结果是能够抑制继电器的温度上升。
【发明效果】
根据本发明，在将燃料电池车等的运转所需的燃料电池组、对从燃料电池组输出的电力进行升压的升压转换器、及进行从燃料电池组输出的电力的通断的继电器等收容于1个壳体而构成的燃料电池单元中，能够抑制壳体内的气氛温度过度上升，并且也能够可靠地避免所述继电器过度发热而损伤。由此，能够实现燃料电池单元的运转的稳定性和长寿命化。
附图说明
图1是表示搭载有本发明的燃料电池单元的燃料电池车的一例的概略图。
图2是表示燃料电池单元的侧面的概略图。
图3是用于说明升压转换器等的工作的电路图。
图4是从上方观察燃料电池单元而示出的概略图。
【符号说明】
fcu…燃料电池单元，
ve…车辆，
m…驱动用电动机，
ec…发动机舱，
st…燃料电池组，
fcpc…燃料电池用动力控制单元，
电力变换器ipm…电力变换器，
pcu…动力控制单元，
bat…二次电池，
10…下部壳体，
20…上部壳体，
23…用于将制冷剂导入到上部壳体内的导入口，
24…用于将制冷剂从上部壳体排出的排出口，
30…下部壳体与上部壳体为一体的壳体，
40…电抗器，
41…半导体，
42…二极管，
43…电容器，
44…电抗器具备的冷却部件，
45…电力变换器具备的冷却部件，
46…在电抗器具备的冷却部件上形成的流入口，
47…在电抗器具备的冷却部件上形成的流出口，
48…在电力变换器具备的冷却部件上形成的流入口，
49…在电力变换器具备的冷却部件上形成的流出口，
50…继电器电路，
50a…继电器电路结构部件，
51…预充电电路，
51a…预充电电路结构部件，
52…预充电用汇流条，
60…冷却管，
61…位于上部壳体的周围壁之外的配管，
62…第一冷却管，
63…第二冷却管，
70…将继电器电路与电力变换器连接的汇流条。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
图1是表示搭载有燃料电池单元fcu的车辆ve的一例的概略图。车辆ve具备通过燃料电池发出的电力来驱动的驱动用电动机m，驱动用电动机m的旋转力向前轮fw及/或后轮rw传递而行驶。车辆ve具有车舱ca和发动机舱ec，两者由仪表板dp及踏脚板tb来分隔。燃料电池单元fcu具有构成燃料电池的燃料电池组st和包含升压转换器10的燃料电池用动力控制单元fcpc(以下，简称为fcpc)，如图1所示，以搭载于车辆ve的姿势，在燃料电池组st上载放有fcpc的状态下，两者组装成一体。虽然图1未示出，但是车辆ve还具备将燃料电池发出的电力蓄积的蓄电池。在图1中，fp是地板面板。
燃料电池组st具有例如将具有mea(membraneelectrodeassembly)的固体高分子型燃料电池(单电池)层叠多个的结构，作为燃料气体的纯氢与作为氧化剂气体的空气含有的氧在各单电池中产生电化学反应，由此能够得到电动势。
图2是表示燃料电池单元fcu的外观的侧视图。所述燃料电池组st收容在具有底11且上方开放的形状的下部壳体10内。所述fcpc收容于具有顶板21且在下方具备用于将后述的各部件等固定的支承用基板的上部壳体20内。
下部壳体10在上缘具有凸缘12，上部壳体20在下缘具有凸缘22。使凸缘彼此相对而通过紧固螺钉13等进行紧固，由此两者被组装成一体。在本说明书中，将这样组装成一体的状态的壳体称为1个壳体30。
收容在下部壳体10内的燃料电池组st通过壳体30内的配线或者在壳体30的外侧走线的配线而与收容在上部壳体20内的fcpc电连接。如后文说明那样，在上部壳体20形成有用于将制冷剂向上部壳体20内导入的导入口23，而且，形成有用于将制冷剂从上部壳体20排出的排出口24。
关于收容在上部壳体20内的fcpc，参照图3进行说明。fcpc具有作为构成升压转换器的部件的电抗器40、由半导体41、二极管42及电容器43构成的电力变换器ipm，还具备继电器电路50。构成升压转换器的开关元件存在于所述电力变换器ipm内。继电器电路50由frb和frg这2个继电器构成。该方式的继电器电路是以往公知的结构。
在该例子中，继电器电路50也包括预充电电路51。该预充电电路51由与继电器frg并联连接的继电器frp和限制电阻r1构成。并且，预充电电路51通过预充电用汇流条52而与继电器电路50连接。而且，电力变换器ipm与继电器电路50经由在维修时用于确保高电压电路的切断的部件即维修插头s/p而连接。
在图3中，st是收容在所述下部壳体10内的燃料电池组，与收容在上部壳体20内的fcpc电连接。燃料电池组st的电压通过所述的构成升压转换器的电抗器40及电力变换器ipm的开关元件的工作而升压。升压后的直流电压从继电器电路50的输出端子向负载(例如，车辆ve的驱动用电动机)m供给。
继电器电路50的输出端子与负载(驱动用电动机)m并联地连接于动力控制单元pcu，并经由该动力控制单元pcu而连接于二次电池bat。动力控制单元pcu是用于控制向车辆ve的电动机及空气压缩机供给的电力的装置。而且，所述预充电电路51在继电器frg关闭之前，将继电器frp关闭，在对电力变换器ipm内的电容器43进行了充电之后将继电器frg关闭，由此用于防止在起动时大电流流过继电器frb及frg。
在具备上述的电路结构的fcpc中，在工作时，构成升压转换器的电抗器40及电力变换器ipm的开关元件产生较多的热量。如图2所示，在1个壳体30内收容有燃料电池组st和fcpc的结构的燃料电池单元fcu中，升压转换器的结构构件直接受到燃料电池组st的发热的影响。而且，电抗器40及开关元件由于自己的发热和来自燃料电池组st的热量而被置于非常高温的环境下。由此，尤其是开关元件受到热损伤而工作可能会变得不稳定。而且，如果长时间地暴露在这样的高温环境下，则进行从燃料电池组st输出的电力的通断的所述继电器电路50的各继电器的动作也可能会变得不稳定。在图示的实施方式的燃料电池单元fcu中，能够有效地阻止该不稳定的状态的发生。
图4是在从上方观察图2中示出侧面的燃料电池单元fcu的的图，从上方观察示出收容在上部壳体20内的、图3示出了电路结构的fcpc的主要的结构部件的配置状态。需要说明的是，为了使图示便于理解，上部壳体20的顶板21省略图示。而且，除了后述的汇流条之外，各结构部件间的电气配线未图示。
在本实施方式中，构成升压转换器的电抗器40及电力变换器ipm具备冷却部件，该冷却部件具备制冷剂用水路。在图4中，44是设于电抗器40的冷却部件，45是设于电力变换器ipm的冷却部件。电抗器40与在其下部配置的冷却部件44成为一体构造，制冷剂在形成于该冷却部件44的制冷剂用水路内流动，由此电抗器40被冷却而抑制发热。而且，电力变换器ipm也同样地与在其下部配置的冷却部件45成为一体构造，制冷剂在形成于冷却部件45的制冷剂用水路内流动，由此电力变换器ipm被冷却，能抑制来自构成电力变换器ipm的开关元件的发热。
在电抗器40的冷却部件44连接有将上部壳体20的周围壁贯通的制冷剂导入口23(也参照图2)，从制冷剂导入口23导入的制冷剂从形成于冷却部件44的流入口46向制冷剂用水路内流入。流入的制冷剂在制冷剂用水路内进行了循环之后，从形成于冷却部件44的流出口47向冷却部件44之外流出。流出的制冷剂在位于上部壳体20的周围壁之外的配管61中通过，向配置在上部壳体20的内部的第一冷却管62内流入。需要说明的是，配管61也可以位于上部壳体20内，这种情况下，配管61成为所述第一冷却管62的一部分。
第一冷却管62与在电力变换器ipm的下部配置的冷却部件45上形成的流入口48连接，制冷剂从第一冷却管62向冷却部件45的制冷剂用水路内流入。流入的制冷剂在制冷剂用水路内进行了循环之后，从形成于冷却部件45的流出口49向冷却部件45之外流出。制冷剂在配置于电力变换器ipm的下部的冷却部件45的制冷剂用水路内循环，由此电力变换器ipm及构成电力变换器ipm的开关元件受到冷却，能抑制来自开关元件的发热。由此，能阻止开关元件的过度的升温。
通过在配置于电力变换器ipm的下部的冷却部件45的制冷剂用水路内循环而对开关元件进行了冷却后的制冷剂从形成于冷却部件45的流出口49向第二冷却管63内流出。第二冷却管63的另一端侧连接于在上部壳体20的周围壁形成的排出口24(也参照图2)，从该排出口24向装置外排出。需要说明的是，在本说明书中，将所述第一冷却管62和所述第二冷却管63一并称为冷却管60。
如图4所示，在该例子中，所述第一冷却管62与所述第二冷却管63隔出规定的间隔而大致平行地配置。并且，作为fcpc的结构的一部分的所述继电器电路结构部件50a配置在第一冷却管62与第二冷却管63之间的区域中的比较接近第二冷却管63的位置，即接近在上部壳体20的周围壁形成的所述排出口24的位置。而且，所述的电力变换器ipm配置在上部壳体20中的更接近所述排出口24所在一侧的周围壁的相反侧的周围壁的位置。换言之，所述继电器电路结构部件50a在上部壳体20内，位于比所述电力变换器ipm(构成所述电力变换器ipm的开关元件)更接近所述第二冷却管63的场所。此外，作为所述继电器电路结构部件50a的结构的一部分的预充电电路结构部件51a被置于隔着所述第二冷却管63而与继电器电路50面对的位置。
所述继电器电路结构部件50a与电力变换器ipm由作为电气配线的一部分的汇流条70连接，该汇流条70如图示那样沿着所述第二冷却管63配置。而且，将预充电电路结构部件51a与继电器电路结构部件50a电连接的所述预充电用汇流条52跨所述第二冷却管63，而且一部分沿着第二冷却管63配置。
在图示的例子中，所述汇流条70及汇流条52中的任一个或者全部在电路设计上，设计成具有超过能够耐受fcpc的工作中流动的最大电流的截面积的大小的截面积。
如上所述，在上述的燃料电池单元fcu中，燃料电池组st、升压转换器结构部件(电抗器40、构成电力变换器ipm的开关元件等)、及继电器电路结构部件50a等收容于由下部壳体10和上部壳体20构成的1个壳体30。因此，构成fcpc的各结构部件受到燃料电池组st的热量，而且，由于自己的发热，在运转中容易成为过度升温的状态。为了避免该情况，在该例子中，如上所述，使电抗器40及电力变换器ipm分别具备冷却部件44、45，使制冷剂经由冷却管向该冷却部件44、45流动，由此抑制电抗器40及构成电力变换器ipm的开关元件的发热。
另一方面，为了使燃料电池单元fcu稳定地运转，需要阻止进行从燃料电池组st输出的电力的通断的继电器(继电器电路50及预充电电路51)过度升温。为此，在图4所示的燃料电池单元fc中，将所述继电器(继电器电路结构部件50a及预充电电路结构部件51a)配置在距所述第一冷却管62及第二冷却管63的距离比距具备所述开关元件的电力变换器ipm的距离更短的位置。由此，抑制所述继电器由于来自作为发热源的开关元件的热量而被过度加热，并且在冷却管60(第一冷却管62及第二冷却管63)中通过的制冷剂的冷热从继电器夺走热量，由此抑制继电器的升温。
此外，在图4所示的例子中，将所述继电器电路结构部件50a配置在第一冷却管62与第二冷却管63之间的区域，由此继电器电路结构部件50a能够受到来自冷却管62、63这双方的制冷剂的影响，继电器电路结构部件50a的冷却效率进一步提高。
另外，继电器电路结构部件50a如上所述，在第一冷却管62与第二冷却管63之间的区域，被置于更接近第二冷却管63的位置。因此，关于在冷却管60内流通的制冷剂具有的冷热因所述继电器的冷却而消失的比例，在第一冷却管62内流通的制冷剂比在第二冷却管63内流通的制冷剂小。因此，在第一冷却管62内流通的制冷剂能够没有大的冷热的损失地到达电力变换器ipm的冷却部件45。因此，能够几乎可靠地避免在第一冷却管62内流通的制冷剂因对继电器的冷却作用而作为本来的功能的对于开关元件的冷却功能消失的情况。
此外，在图4所示的例子中，将继电器电路结构部件50a与其他的结构部件电连接的所述汇流条70及汇流条52的全部或一部分沿着冷却管(在该例子中，为第二冷却管63)配置。因此，通过在第二冷却管63中流通的制冷剂能抑制汇流条的温度上升。由此，也能更有效地抑制继电器的温度上升。
另外，在图4所示的例子中，所述汇流条70及汇流条52中的任一个或全部在电路设计上，设计成具有超过能够耐受在fcpc的工作中流动的最大电流的截面积的大小的截面积。这样，通过使汇流条的截面积大于本来所需的尺寸，能够使汇流条自身的散热性能更大。由此，也能够抑制继电器的温度上升。
如上所述，在上述实施方式的燃料电池单元fcu中，即便是将燃料电池车等的运转所需的燃料电池组、对于从燃料电池组输出的电力进行升压的升压转换器、及进行从燃料电池组输出的电力的通断的继电器等收容于1个壳体而构成的燃料电池单元，也能够抑制壳体内的气氛温度过度上升，并且也能够可靠地避免所述继电器过度发热而损伤。由此，能够实现燃料电池单元的运转的稳定性和长寿命化。
需要说明的是，在本发明者设计的燃料电池单元fcu的一例中，在运转时，在图4中的点x所示的电力变换器ipm的附近的温度为96.7℃时，点y所示的继电器电路结构部件50a的附近为89.1℃。89.1℃的温度是燃料电池单元fcu中通常使用的继电器不会蒙受热损伤而能够工作的温度范围。