JP5445789B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
多数の単セルを積層したスタック構造を有する燃料電池では、各単セルの電圧が、スタック内部の燃料ガス密度や湿度、温度の分布によってばらつくことがある。それゆえに、燃料電池の各単セルの状態を監視し、その状態に基づいて発電電流を制御する必要がある。下記特許文献１には、燃料電池と電圧変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータとを一体化させることによって、燃料電池の各単セルの状態に応じて発電電流を制御する際の制御性を向上させる燃料電池システムが開示されている。
特開２００７−２０７５８２号公報
例えば、燃料電池を車両の床下に配置する燃料電池車両では、室内空間をできる限り犠牲にせずに、燃料電池を配置するスペースを設けることが要求される。しかしながら、室内空間を確保しつつ床下に燃料電池を配置するスペースを設けることには種々の制限があり、容易ではない。したがって、燃料電池と電圧変換部とを一体化させて床下に配置する場合には、その困難性がさらに高まる。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池システムを搭載する物体の室内空間をできる限り確保することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して電力消費装置に出力する電圧変換部と、を備え、前記電圧変換部に含まれるリアクトル部、昇圧制御部およびコンデンサ部が、それぞれの厚み方向において互いに重ならないように一体化されていることを特徴とする。
この発明によれば、電圧変換部に含まれるリアクトル部、昇圧制御部およびコンデンサ部を平積み状態にして一体化することができるため、電圧変換部全体としての厚みを最小限に抑えることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を配置した状態で、前記電圧変換部を前記燃料電池の上方に配置することとしてもよい。
これにより、厚みを最小限に抑えた電圧変換部を燃料電池の上方に配置することができるため、燃料電池と電圧変換部とを一体化させたときの厚みを抑えることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を配置した状態で、前記電圧変換部を前記燃料電池の下方に配置することとしてもよい。
これにより、厚みを最小限に抑えた電圧変換部を燃料電池の下方に配置することができるため、燃料電池と電圧変換部とを一体化させたときの厚みを抑えることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を配置した状態で、前記電圧変換部を前記燃料電池の後方に配置することとしてもよい。
これにより、厚みを最小限に抑えた電圧変換部を燃料電池の後方に配置することができるため、燃料電池と電圧変換部とを一体化させたときの厚みを、燃料電池の厚みに抑えることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に冷却水を循環供給する冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路に冷却水を循環させる冷却水ポンプと、をさらに備え、上記冷却水ポンプは、前記燃料電池および前記電圧変換部を配置した状態で、当該燃料電池および当該電圧変換部の前方に配置されることとしてもよい。
これにより、前方からの衝突時に、冷却水ポンプを、衝突時の衝撃を和らげる緩衝材として機能させることが可能となり、燃料電池や電圧変換部を衝突時の衝撃から保護することが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、冷却水に含まれる不純物を除去するイオン交換器をさらに備え、上記イオン交換器は、前記燃料電池および前記電圧変換部を配置した状態で、当該燃料電池および当該電圧変換部の前方に配置されることとしてもよい。
これにより、前方からの衝突時に、イオン交換器を、衝突時の衝撃を吸収する緩衝材として機能させることが可能となり、燃料電池や電圧変換部を衝突時の衝撃から保護することが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記前記燃料電池を保護するための保護部材をさらに備え、前記保護部材の一部は、前記燃料電池および前記電圧変換部を配置して側面から見たときに、前記燃料電池に形成される溶接部と交差するように配置されることとしてもよい。
これにより、強度の高い溶接部と、保護部材の一部とを略Ｘ字状に配置させることができるため、側面からの衝撃に対する強度を増大させることが可能となる。
本発明によれば、燃料電池システムを搭載する室内空間をできる限り確保させることができる。
実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの外観を模式的に示す斜視図である。 実施形態における燃料電池システムの外観を概略して示す斜視図である。 保護フレームの外観を示す斜視図である。 第１変形例における燃料電池システムの外観を概略して示す斜視図である。 第２変形例における燃料電池システムの外観を概略して示す斜視図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを、燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
まず、図１を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７とを有する。
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれる空気を圧縮し、圧縮した空気を酸化ガスとして送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための酸化ガス供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路３３とを有する。酸化オフガス排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧弁３４が設けられている。
燃料ガス配管系４は、高圧の燃料ガスを貯留した燃料供給源としての燃料タンク４０と、燃料タンク４０の燃料ガスを燃料電池２に供給するための燃料ガス供給流路４１と、燃料電池２から排出された燃料オフガスを燃料ガス供給流路４１に戻すための燃料循環流路４２とを有する。燃料ガス供給流路４１には、燃料ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧する調圧弁４３が設けられている。燃料循環流路４２には、燃料循環流路４２内の燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給流路４１側へ送り出す燃料ポンプ４４が設けられている。
燃料循環流路４２には、気液分離器４５及び排気排水弁４６を介して排出流路４７が接続されている。気液分離器４５は、燃料オフガスから水分を回収する。排気排水弁４６は、制御部７からの指令に従って、気液分離器４５で回収された水分と燃料循環流路４２内の不純物を含む燃料オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された燃料オフガスは、希釈器（不図示）によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。
冷却系５は、冷却水を冷却するラジエータ５１およびラジエータファン５２と、冷却水を燃料電池２およびラジエータ５１に循環供給する冷却水循環流路５３と、冷却水循環流路５３に冷却水を循環させる冷却水ポンプ５４と、冷却水に含まれるイオン性の不純物を除去することで冷却水を浄化するイオン交換器５５とを有する。
電力系６は、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ６１（以下「ＦＣコンバータ」という。）と、二次電池であるバッテリ６２と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ６３（以下「バッテリコンバータ」という。）と、トラクションインバータ６４と、トラクションモータ６５（電力消費装置）と、図示しない各種の補機インバータとを有する。
ＦＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から出力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６４に出力する機能を有する。このＦＣコンバータ６１によって燃料電池２の出力電圧が制御される。
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池２の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。
バッテリコンバータ６３は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から出力される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６４側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ６５側から出力される直流電圧を降圧してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。このようなバッテリコンバータ６３の機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。
トラクションインバータ６４は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６５に供給する。トラクションモータ６５は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。
制御部７は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６５等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ６５の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１、燃料ポンプ４４、冷却水ポンプ５４およびラジエータファン５２のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置および懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明およびオーディオ等が含まれる。
図２は、ＦＣコンバータ６１の外観を模式的に示す斜視図である。図２に示すように、ＦＣコンバータ６１は、リアクトル部６１ａと、昇圧制御部６１ｂと、コンデンサ部６１ｃとを有する。リアクトル部６１ａ、昇圧制御部６１ｂおよびコンデンサ部６１ｃの外形は、それぞれ略直方体状に形成されている。
リアクトル部６１ａ、昇圧制御部６１ｂおよびコンデンサ部６１ｃは、それぞれの直方体の厚み方向において互いに重なり合わないように一体化されている。すなわち、ＦＣコンバータ６１は、リアクトル部６１ａ、昇圧制御部６１ｂおよびコンデンサ部６１ｃを平積み状態にして一体化されている。これにより、ＦＣコンバータ６１全体としての厚みを最小限に抑えることができる。
リアクトル部６１ａは、リアクトルを含んで構成される。昇圧制御部６１ｂは、例えばトランジスタおよびダイオードを含み、いわゆるＩＰＭ（Intelligent Power Module）を構成する。コンデンサ部６１ｃは、コンデンサを含んで構成される。
昇圧制御部６１ｂは、制御部７からの制御信号に従ってトランジスタのオン／オフ制御を行うことで、燃料電池２から出力される直流電圧を、リアクトル部６１ａのリアクトルを用いて昇圧し、コンデンサ部６１ｃに供給する。コンデンサ部６１ｃのコンデンサは、昇圧制御部６１ｂから供給される直流電圧を平滑化してトラクションインバータ６４に供給する。
図３は、図２に示すＦＣコンバータを含む燃料電池システムの外観を概略して示す斜視図である。なお、本明細書において用いる前方、後方、上方、下方、側方は、燃料電池２を車両に搭載したときの状態を基準にして定めることができる。例えば、車両に搭載されたときの燃料電池２を基準にした場合には、車両の前進方向が燃料電池２の前方となり、車両の後進方向が燃料電池２の後方となり、車両の天面方向が燃料電池２の上方になり、路面方向が燃料電池２の下方となり、車両の側面方向が燃料電池２の側方となる。
図３に示すように、ＦＣコンバータ６１は、燃料電池２を車両に搭載した状態で、燃料電池２の上方に配置される。燃料電池２の前方には、燃料電池２側から順に、冷却水ポンプ５４のインバータ５４ｉ、イオン交換器５５、冷却水ポンプ５４が配置されている。燃料電池２の後方には、燃料系非発電部ユニット４ｕが配置されている。燃料系非発電部ユニット４ｕとしては、例えば、気液分離器４５、希釈器（不図示）、インジェクタ（不図示）等が該当する。なお、イオン交換器５５と冷却水ポンプ５４の配置位置を入れ替えてもよい。
図３に示すＦＣコンバータ６１および燃料電池２は、車両のフロントシートの下方側に配置される。冷却水ポンプ５４のインバータ５４ｉ、イオン交換器５５および冷却水ポンプ５４は、車両のセンタートンネルのフロントフロア部内に配置される。燃料系非発電部ユニット４ｕは、車両のセンタートンネルのセンターフロア部内に配置される。
ここで、従来のＦＣコンバータには、リアクトル部と昇圧制御部とコンデンサ部とが、それぞれの厚み方向に積層された状態（非平積み状態）で構成されているものがある。このような従来のＦＣコンバータに加えてさらに燃料電池を積層した状態で車両のフロントシートの下方側に配置する場合には、フロントシートの位置を上方側に移動させることとなり、乗員の居住空間が犠牲になってしまう。これに対し、本願発明では、ＦＣコンバータ６１の各部を平積み状態にして一体化したことで（図２参照）、ＦＣコンバータ６１の厚みを最小限に抑えることができるため、燃料電池２とＦＣコンバータ６１を積層した状態であっても、乗員の居住空間を犠牲にすることなく、車両のフロントシートの下方に配置することが可能となる。
また、冷却水ポンプ５４のインバータ５４ｉ、イオン交換器５５および冷却水ポンプ５４を燃料電池２の前方側に配置することで、車両が前方衝突したときに、衝突時の衝撃を和らげる緩衝材として機能させることができる。これにより、燃料電池２やＦＣコンバータ６１を前方衝突時の衝撃から保護することが可能となる。
具体的に説明すると、例えば、燃料電池システムの前方側にフロントサスペンションメンバ（以下、「サスメン」という。）が配置されている車両では、前方衝突すると、サスメンが後方側、つまり燃料電池２側に向かって侵入する。一般に、サスメンは、自軸を中心にして回動可能に取り付けられており、サスメンの下方（路面）側には、他の部品が配置されていない。したがって、サスメンに対して自軸を中心にして下方側に回動するきっかけを付与することができれば、サスメンが燃料電池２側に向かってくる力を下方に逃すことができる。
本実施形態では、図３に示すように、サスメンと対向する位置に冷却水ポンプ５４を配置している。冷却水ポンプ５４は、その表面が丸みを帯びているため、前方からサスメンが侵入してきた場合には、サスメンに対して自軸を中心にして下方側に回動するきっかけを付与することが可能となる。したがって、燃料電池２の前方側に冷却水ポンプ５４を配置することで、前方衝突時に、サスメンの侵入によって燃料電池２やＦＣコンバータ６１が破壊される事態を回避させることが可能となる。なお、冷却水ポンプの表面が丸みを帯びていない場合には、冷却水ポンプの表面にサスメンを斜め下方側に誘導可能な誘導部材を設けることとしてもよい。
また、イオン交換器５５は、樹脂性のフィルタと水分とで構成されているため、衝突等したときには衝撃を吸収しながら潰れることになる。したがって、燃料電池２の前方側にイオン交換器５５を配置することで、車両が前方衝突したときに、衝突時の衝撃を吸収する緩衝材として機能させることができる。これにより、燃料電池２やＦＣコンバータ６１を前方衝突時の衝撃から保護することが可能となる。
また、冷却水ポンプ５４のインバータ５４ｉ、イオン交換器５５および冷却水ポンプ５４を燃料電池２の前方側に配置し、燃料系非発電部ユニット４ｕを燃料電池２の後方側に配置したことで、車両のフロントシートの下方に配置する部材をできる限り減らすことが可能となる。
また、図４に示すような保護フレーム９０（保護部材）を設けることで、側面衝突時の衝撃や路面干渉による衝撃から燃料電池２およびＦＣコンバータ６１を保護することができる。図４に示す保護フレーム９０は、側面衝突時の衝撃および路面干渉による衝撃から燃料電池２およびＦＣコンバータ６１を保護するメインフレーム部９０ａと、路面干渉による衝撃から燃料系非発電部ユニット４ｕを保護するサブフレーム部９０ｂとを有する。
メインフレーム部９０ａの一部を構成する側面用フレーム９０ｗは、保護フレーム９０に収容されている燃料電池２を側方から見たときに、燃料電池２に形成されるケース溶接部分２ｗと交差する位置に配置される。ケース溶接部分２ｗは、燃料電池２の上部ケースと下部ケースとを溶接したときにフランジ状に形成されるため、他の部分よりも高い強度を有する。したがって、ケース溶接部分２ｗと側面用フレーム９０ｗとを略Ｘ字状に交差させることで、側面からの衝撃に対する強度を増大させることができる。これにより、車両が側面衝突したときに、保護フレーム９０と燃料電池２およびＦＣコンバータ６１の形状を維持させたままスライド移動させることができるため、側面衝突時の衝撃から燃料電池２およびＦＣコンバータ６１を保護することが可能となる。
上述した実施形態における燃料電池システムによれば、ＦＣコンバータ６１に含まれるリアクトル部６１ａ、昇圧制御部６１ｂおよびコンデンサ部６１ｃを平積み状態にして一体化することができるため、ＦＣコンバータ６１全体としての厚みを最小限に抑えることが可能となる。また、厚みを最小限に抑えたＦＣコンバータ６１を燃料電池２の上方に配置することができるため、燃料電池２とＦＣコンバータ６１とを一体化させたときの厚みを抑えることが可能となる。これにより、燃料電池車両の室内空間をできる限り確保させることが可能となる。
なお、上述した実施形態では、ＦＣコンバータ６１を燃料電池２の上方に配置しているが、ＦＣコンバータ６１と燃料電池２を配置する位置関係はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、ＦＣコンバータ６１を燃料電池２の下方に配置することとしてもよい。この第１変形例では、上述した実施形態と同様に、燃料電池２の前方には、燃料電池２側から順に、冷却水ポンプ５４のインバータ５４ｉ、イオン交換器５５、冷却水ポンプ５４が配置され、燃料電池２の後方には、燃料系非発電部ユニット４ｕが配置されている。この第１変形例における燃料電池システムは、上述した実施形態における燃料電池システムと同様の効果を有する。
また、図６に示すように、ＦＣコンバータ６１を燃料電池２の後方に配置することとしてもよい。この第２変形例では、上述した実施形態と同様に、燃料電池２の前方には、燃料電池２側から順に、冷却水ポンプ５４のインバータ５４ｉ、イオン交換器５５、冷却水ポンプ５４が配置されている。一方、第２変形例では、燃料電池２の後方にＦＣコンバータ６１が配置されるため、燃料系非発電部ユニット４ｕは、燃料電池２側に収納することとなる。
このように、燃料系非発電部ユニット４ｕを燃料電池２側に収納することとしても、ＦＣコンバータ６１を燃料電池２の後方に配置するため、乗員の居住空間を犠牲にすることなく、燃料電池２および燃料系非発電部ユニット４ｕを車両のフロントシートの下方に配置することができる。また、ＦＣコンバータ６１は、車両のセンタートンネルのセンターフロア部付近に配置することになるが、上述したように、ＦＣコンバータ６１の厚みを最小限に抑えているため、センターフロアの空間を犠牲にすることなくＦＣコンバータ６１を配置することが可能となる。
第２変形例における構成は、例えば、フロントシート下方側のスペースが限られていて、燃料電池２とＦＣコンバータ６１を積層して配置することが困難な場合に特に有効となる。上述した実施形態や第１変形例のように燃料電池２とＦＣコンバータ６１を積層して配置する場合には、ＦＣコンバータ６１を積層する分のスペースを、フロントシート下方側に確保する必要がある。しかしながら、フロントシート下方側のスペースが限られていて配置スペースを確保できない場合には、例えば燃料電池２の出力容量を減らす等して燃料電池２の性能を低下させることとなる。これに対して、第２変形例における燃料電池システムでは、フロントシートの下方側に、燃料電池を配置するためのスペースが確保できればよいため、燃料電池２の性能を低下させることなく、燃料電池を配置することが可能となる。
第２変形例における保護フレームでは、図４に示す保護フレーム９０のうちのサブフレーム部９０ｂの形状を、メインフレーム部９０ａの形状と同様の形状にすることが好ましい。この場合には、メインフレーム部９０ａのサイズを燃料電池２のサイズに合わせ、サブフレーム部９０ｂのサイズをＦＣコンバータ６１のサイズに合わせることとなる。これにより、サブフレーム部に収容されるＦＣコンバータ６１を、路面干渉による衝撃から保護することに加えて、側面衝突時の衝撃からも保護することが可能となる。
最後に、上述した実施形態および各変形例では、本発明に係る燃料電池システムを、燃料電池車両に適用した場合について説明しているが、これに限定されない。本発明に係る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）にも適用することができ、さらに、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も適用することができる。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムを搭載する室内空間をできる限り確保させることに適している。
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２ｗ…ケース溶接部分、３…酸化ガス配管系、４…燃料ガス配管系、４ｕ…燃料系非発電部ユニット、４５…気液分離器、４６…排気排水弁、５…冷却系、５３…冷却水循環流路、５４…冷却水ポンプ、５４ｉ…冷却水ポンプのインバータ、５５…イオン交換器、６…電力系、６１…ＦＣコンバータ、６１ａ…リアクトル部、６１ｂ…昇圧制御部、６１ｃ…コンデンサ部、６２…バッテリ、６３…バッテリコンバータ、６４…トラクションインバータ、６５…トラクションモータ、７…制御部、９０…フレーム部、９０ａ…メインフレーム部、９０ｂ…サブフレーム部、９０ｗ…側面用フレーム。

Claims (5)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して電力消費装置に出力する電圧変換部と、を備え、
    前記電圧変換部を前記燃料電池の上方、下方または側方のいずれかに配置したときの状態を基準にして、前記電圧変換部の上下方向の厚みが最小となるように、前記電圧変換部に含まれるリアクトル部、昇圧制御部およびコンデンサ部が、それぞれの厚み方向において互いに重ならないように一体化されていることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池および前記電圧変換部を移動体に配置した際に、前記電圧変換部を前記燃料電池の後方に配置した状態を基準にすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池に冷却水を循環供給する冷却水循環流路と、
    前記冷却水循環流路に冷却水を循環させる冷却水ポンプと、をさらに備え、
    前記冷却水ポンプは、前記燃料電池および前記電圧変換部を移動体に配置した際に、当該燃料電池および当該電圧変換部の前方に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
  4. 冷却水に含まれる不純物を除去するイオン交換器をさらに備え、
    前記イオン交換器は、前記燃料電池および前記電圧変換部を移動体に配置した際に、当該燃料電池および当該電圧変換部の前方に配置されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池を保護するための保護部材をさらに備え、
    前記保護部材の一部は、前記燃料電池および前記電圧変換部を移動体に配置した際に、側面から見たときに、前記燃料電池に形成される溶接部と交差するように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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