(57)【要約】【課題】放電抵抗の冷却効率を高めることができ、しかも装置の小型化を図ることができる燃料電池システムに搭載される電機接続箱を提供する。【解決手段】  燃料電池の開放端電圧を放電するプレート状の放電抵抗１３と、燃料電池の発電中に外部負荷回路の接続を行う配電部品１２と、配電部品１２を収納するケース１１と、を備えている。ケース１１の外壁である上面１１ａには、放電抵抗１３が密着して取り付けられている。放電しているときには、放電抵抗１３は、放電抵抗１３の筐体を介して冷却され、放電していないときには、配電部品１２は、放電抵抗１３の筐体が放熱板として機能して冷却される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の始動時および停止時の少なくとも一方において、前記燃料電池の開放端電圧を放電するプレート状の放電抵抗と、
前記燃料電池の発電中に外部負荷回路の接続を少なくとも行う配電部品と、
前記配電部品を収納するケースと、を備え、
前記ケースの外壁に前記放電抵抗を密着して取り付けることを特徴とする燃料電池システムに搭載される電気接続箱。
【請求項２】
前記放電抵抗は、前記配電部品の上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムに搭載される電気接続箱。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電抵抗を備えた燃料電池システムに搭載される電気接続箱に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車などに用いられている燃料電池システムは、一般に、電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）とで挟持してなる単セルを直列に接続して複数積層した構造が採用されている。この種の燃料電池システムでは、発電状態が所定レベルに至るまで外部負荷回路（走行モータなど）に接続しないような構成となっているため、そのままでは燃料電池が長時間高電位状態に曝されることになり、燃料電池を劣化させる原因となる。そこで、燃料電池が長時間高電位状態に曝されるのを防止するために、外部負荷回路に接続するまで抵抗体に接続して放電する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、燃料電池システムには、燃料電池と外部負荷回路との接続をＯＮ・ＯＦＦするためのコンタクタなどを備えた配電部品を収納するための電気接続箱が設けられている。図６は、従来の電気接続箱を示す平面図、図７は図６のＢ−Ｂ線での切断断面図である。従来の電気接続箱１００は、配電部品１０１を収容するケース１０２を備えている。このケース１０２は、その側面にプレート状の放電抵抗１１０が取付けられている。また、ケース１０２の上面には、複数の放熱フィン１０３が一体に形成されている。また、ケース１０２の上面には、放熱フィン１０３を覆うようにカバー１０４が設けられ、このカバー１０４には、放熱フィン１０３に対して冷却風を導入、排出するためのダクト１０５，１０６が設けられている。また、ダクト１０５の開口部近傍には、冷却風を送り込むための電動ファン１０７が設けられている。
【０００４】
前記した従来の電気接続箱１００では、燃料電池と外部負荷回路とを接続することにより配電部品１０１から熱が発生するが、この熱は、ケース１０２から放熱フィン１０３に伝達され、放熱フィン１０３を通る冷却風によって放熱されるようになっている。
【特許文献１】特開平１０−２８４１０４号公報（請求項１および請求項２、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムに搭載される電気接続箱では、放電抵抗を設置するためのスペース（図６の符号１１１参照）が別途必要になっていた。また、放電抵抗は、自然放熱であったため、放電抵抗が大型化するという問題もあった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、放電抵抗の冷却効率を高めることができ、しかも装置の小型化を図ることができる燃料電池システムに搭載される電機接続箱を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池の始動時および停止時の少なくとも一方において、前記燃料電池の開放端電圧を放電するプレート状の放電抵抗と、前記燃料電池の発電中に外部負荷回路の接続を少なくとも行う配電部品と、前記配電部品を収納するケースと、を備え、前記ケースの外壁に前記放電抵抗を密着して取り付けることを特徴とする燃料電池システムに搭載される。
【０００８】
これによれば、放電抵抗は、燃料電池と外部負荷回路とが接続されていない状態である、燃料電池の始動時および停止時の少なくとも一方のときに温度が高くなり、配電部品は、燃料電池と外部負荷回路とが接続された状態である、燃料電池の運転中に温度が高くなる。つまり、放電抵抗をケースに密着して取り付けることにより、放電抵抗を使用していないときには、放電抵抗がプレート状に構成されていることによって配電部品の冷却を図ることができる。また、放電抵抗を使用しているときには、放電抵抗への冷却風による直接冷却と、放電抵抗からケースへの放熱との双方の作用によって冷却が可能となるので、冷却効率を高めることが可能になる。さらに、放電抵抗を冷却用のプレートとして兼用できるので、放電抵抗用のスペースが不要になり、ケースの小型化が可能となる。
【０００９】
また、前記放電抵抗は、前記配電部品の上方に位置していることが好ましい。配電部品の真上が最も熱を受け易い位置となるので、この位置に放電抵抗を配置することで、燃料電池の運転中における冷却効率をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、放電抵抗の冷却効率を高めることができ、しかも装置の小型化を図ることができる電気接続箱を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本実施形態の電気接続箱を備えた燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態の電気接続箱を上方から見たときの平面図、図３は図２のＡ−Ａ線での切断断面図、図４（ａ）はプレート状の放電抵抗を示す外観斜視図、（ｂ）は放電抵抗とケースとの接合状態の一例を示す断面図、図５は放電抵抗と配電部品の温度推移を示すタイミングチャートである。なお、以下では、車両を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶、航空機、家庭用などに適用してもよい。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の電気接続箱１０は、燃料電池システム１に搭載されて使用される。この燃料電池システム１は、電気接続箱１０とともに、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、制御部４０などを備えている。
【００１３】
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜２を、触媒を含む電極層からなるアノード３と、触媒を含む電極層からなるカソード４とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成した単セル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｅｌｌ）が厚み方向に複数枚積層された構造を有している。また、各単セルは直列に接続されている。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。
【００１４】
前記アノード系２０は、水素（燃料ガス）を燃料電池ＦＣのアノード３に供給し、且つ、アノード３から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２１ａ，２１ｂ、アノードオフガス配管２１ｃ、循環配管２１ｄ、水素タンク２２、水素遮断弁２３、エゼクタ２４、パージ弁２５などで構成されている。
【００１５】
前記アノードガス供給配管２１ａは、一端が水素タンク２２に接続され、他端が水素遮断弁２３を介してエゼクタ２４に接続されている。アノードガス供給配管２１ｂは、一端がエゼクタ２４に接続され、他端が燃料電池ＦＣのアノード３側の流路入口に接続されている。
【００１６】
前記アノードオフガス配管２１ｃは、一端が燃料電池ＦＣのアノード３側の流路出口に接続され、他端がパージ弁２５に接続されている。
【００１７】
前記水素タンク２２は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器であり、近傍に電磁作動式の水素遮断弁２３を備えている。この水素遮断弁２３は、後記する制御部４０によって開閉制御される。
【００１８】
前記エゼクタ２４は、アノード３から排出された未反応の水素を、循環配管２１ｄを介して燃料電池ＦＣのアノード３に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。このように、水素を循環させることにより、水素が無駄に排出されることがなくなり、燃料としての水素を有効に活用することが可能になる。
【００１９】
前記パージ弁２５は、遮断弁などで構成され、発電中にアノード３に蓄積した不純物を排出する機能を有している。この不純物とは、カソード４から電解質膜２を介してアノード３に透過した空気に含まれる窒素、またカソード４で生成されて電解質膜２を介してアノード３に透過した水などであり、例えばパージ弁２５を定期的に開くことで、燃料電池ＦＣの発電性能が低下するのを防止するようになっている。
【００２０】
前記カソード系３０は、燃料電池ＦＣのカソード４に空気（酸素）を供給し、且つ、カソード４から空気を排出するものであり、カソードガス供給配管３１ａ、カソードオフガス配管３１ｂ、エアコンプレッサ３２、背圧制御弁３３などを備えている。
【００２１】
前記カソードガス供給配管３１ａは、一端がエアコンプレッサ３２に接続され、他端が燃料電池ＦＣのカソード４の流路入口に接続されている。
【００２２】
前記カソードオフガス配管３１ｂは、一端が燃料電池ＦＣのカソード４の流路出口に接続され、他端が背圧制御弁３３に接続されている。
【００２３】
前記エアコンプレッサ３２は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで加圧して燃料電池ＦＣのカソード４に供給するようになっている。
【００２４】
前記背圧制御弁３３は、例えばバタフライ弁などで構成され、カソード４に供給される空気の圧力を調整するようになっている。
【００２５】
なお、前記したパージ弁２５の下流および背圧制御弁３３の下流は、例えば、図示しない希釈器に接続されて、アノード３から排出された水素が、希釈された後に系外（車外）に排出されるようになっている。
【００２６】
前記電気接続箱１０は、ケース１１、配電部品１２、放電抵抗１３などを備えている。
【００２７】
前記ケース１１は、アルミなどの放熱性の高い金属製の材料で形成され、図３に示すように、内部に配電部品１２を収容することができる空間１１ｓを有している。
【００２８】
前記配電部品１２は、図１に示すように、コンタクタ１２ａ、スイッチ１２ｂ、ケーブル（図示せず）などで構成されている。コンタクタ１２ａは、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０との間に設けられ、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを断続する電磁開閉器である。スイッチ１２ｂは、後記する放電抵抗１３と、燃料電池ＦＣとを断続するスイッチであり、スイッチ１２ｂをオン（閉）にすることにより、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３とが接続されるようになっている。なお、外部負荷回路５０とは、車両であれば、走行モータ（電動機）、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置、各種補機などである。
【００２９】
前記放電抵抗１３は、プレート状のもので、燃料電池ＦＣの始動時や停止時に使用されるものであり、燃料電池ＦＣに対して並列に接続されている（図１参照）。また、放電抵抗１３は、図４（ａ）に示すように、アルミなどの放熱性の高い金属製の材料で形成されたプレート状の筐体１３ｓ内に、抵抗体（図示せず）が収容された抵抗器１３ａを複数枚備えて構成されている。各抵抗器１３ａは、図４（ｂ）に示すように、起立した状態で互いに間隔を開けて、ケース１１の上面（外壁）１１ａに、ケース１１の面１１ａ１と筐体１３ｓの面１３ａ１とが互いに密着するように、つまりケースと筐体１３ｓとの間で熱の伝達が効率的に行われるように固定されている。なお、ケース１１と筐体１３ｓとの固定手段については、ケース１１と筐体１３ｓとが密着して固定される構成であれば、特に限定されるものではない。
【００３０】
また、前記ケース１１の上面１１ａには、図３に示すように、放電抵抗１３を覆うようにカバー１４が設けられている。なお、このカバー１４についても、アルミなどの放熱性の高い材料で形成することができる。また、カバー１４は、図２に示すように、その一側面に冷却風を導入するための導入配管１４ａを有し、この導入配管１４ａと対向する面（側面）に冷却風を排出するための排出配管１４ｂを有している。また、導入配管１４ａの入口近傍には、電動ファン１５が設けられ、導入配管１４ａを介して放電抵抗１３に冷却風を吹き付けることができるようになっている。
【００３１】
なお、前記カバー１４をケース１１に固定したときに、各抵抗器１３ａの筐体１３ｓの面と、電動ファン１５による冷却風の流れ方向とが平行になるように、各抵抗器１３ａの向きが設定されている。これにより、各抵抗器１３ａに対する冷却風の接触面積が増えるので、各抵抗器１３ａに対する冷却効率を高めることができる。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池システム１には、図１に示すように、温度センサ１６，１７、電圧センサ１８が設けられている。
【００３３】
前記温度センサ１６は、放電抵抗１３の温度を測定するものであり、熱電対やサーミスタなどで構成することができる。温度センサ１７は、配電部品１２の温度を測定するものであり、配電部品１２に接触してまたは近傍に設けられ、熱電対やサーミスタなどで構成することができる。
【００３４】
前記電圧センサ１８は、例えば、燃料電池ＦＣの開回路電圧（ＯＣＶ；Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）、つまり、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続しない状態での燃料電池ＦＣの電圧を測定するものである。なお、開回路電圧は、開放端電圧ともいう。
【００３５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について、図１を参照しながら説明する。なお、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されて燃料電池システム１の運転が停止している場合には、水素遮断弁２３が閉じて、エアコンプレッサ３２が停止し、コンタクタ１２ａおよびスイッチ１２ｂが開いて（オフして）いる。また、この停止時には、パージ弁２５が閉じて、背圧制御弁３３が全開になっている。
【００３６】
燃料電池システム１の運転停止状態において、運転者によって車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオン（ＩＧ−ＯＮ）にされると、制御部４０は、水素遮断弁２３を開いて、燃料電池ＦＣのアノード３に水素を供給するとともに、エアコンプレッサ３２を駆動して、燃料電池ＦＣのカソード４に空気を供給する。これにより、アノード３では、触媒の作用によって、水素がプロトン（水素イオン）と電子に分解されて、プロトンが電解質膜２を介してカソード４に透過し、電子が後記する放電抵抗１３を介してカソード４に移動する。また、カソード４では、触媒の作用によって、プロトンおよび電子と、空気中の酸素とが反応して水が生成される。このようにして、燃料電池ＦＣ内において、水素と酸素とが反応することで、燃料電池ＦＣ内の電位が上昇し、電圧センサ１８から得られる開回路電圧が上昇する。
【００３７】
また、制御部４０は、ＩＧ−ＯＮを検知すると、コンタクタ１２ａはＯＦＦ（開）のままで、スイッチ１２ｂをＯＮ（閉）にして、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３とを接続する。これにより、燃料電池ＦＣから出力された電力（発電電流）は、放電抵抗１３を通ることにより放電（消費）される。このとき、各抵抗器１３ａ内に設けられた抵抗体（図示せず）が発熱するが、各抵抗器１３ａの筐体１３ｓが放熱板として機能するので、放電抵抗１３（各抵抗器１３ａの抵抗体）が冷却される。さらに、制御部４０は、ＩＧ−ＯＮを検知すると、電動ファン１５（図２参照）を駆動して、この電動ファン１５の回転によって発生する冷却風を放電抵抗１３に吹き付けることで、放電抵抗１３が直接に冷却されるので、冷却効率が高められる。なお、このとき放電抵抗１３の温度に応じて、電動ファン１５のモータの回転速度を変動、つまり、放電抵抗１３の温度上昇が低い場合には回転速度を低く設定し、放電抵抗１３の温度上昇が高い場合には回転速度を高く設定するようにしてもよい。
【００３８】
そして、制御部４０は、燃料電池ＦＣの発電状態が所定のレベルまで上昇して、電圧センサ１８からの開回路電圧が、外部負荷回路５０に接続することが可能な電圧値に至ったことを検知すると、スイッチ１２ｂをオフにして、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３との接続を遮断する。そして、スイッチ１２ｂのオフと同時にコンタクタ１２ａをオン（閉）にして、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続して、燃料電池ＦＣから外部負荷回路５０への電力の取り出しを開始する。
【００３９】
外部負荷回路５０への電力の取り出しが開始されると、配電部品１２が発熱して、このとき発生した熱によってケース１１が高温になるが、本実施形態では、放電抵抗１３の各筐体１３ｓが放熱板として機能するため、ケース１１が冷却されることになる。またこのとき、電動ファン１５を駆動させ、放電抵抗１３に冷却風を吹き付けることで、冷却効率が高められる。
【００４０】
さらに、本実施形態について、図５のタイミングチャートを参照しながら詳述する。まず、燃料電池システム１の始動時について説明する。すなわち、ＩＧ−ＯＮされると（時刻ｔ１）、スイッチ１２ｂがオン（閉）にされて、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３とが接続され、放電が開始される。これにより、放電抵抗１３の温度Ｔ１が上昇する。なお、このとき、配電部品１２のコンタクタ１２ａはオフ（ＯＦＦ）であるので、配電部品１２の温度Ｔ２は上昇することはない。
【００４１】
そして、開回路電圧が、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続することが可能な電圧値に至ると、放電抵抗１３のスイッチ１２ｂをオフ（ＯＦＦ）にして、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３との接続を遮断するとともに、コンタクタ１２ａをオン（閉）にして、燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０とを接続する（時刻ｔ２）。このとき、放電抵抗１３は、燃料電池ＦＣと遮断されるので、温度Ｔ１は徐々に低下し、逆にコンタクタ１２ａやケーブル（図示せず）などの配電部品１２が燃料電池ＦＣと接続されているので、温度Ｔ２が徐々に上昇する。
【００４２】
このように、放電抵抗１３は、放電時には、電動ファン１５によって直接に冷却される直接冷却と、筐体１３ｓとケース１１とが密着して取付けられていることによるケース１１への放熱との双方によって冷却されるので、従来のような自然放熱に比べて冷却効率を高めることができる。また、放電抵抗１３を利用していないときには、配電部品１２は、放電抵抗１３に設けられた筐体１３ｓによる放熱と、電動ファン１５による直接冷却とによって冷却される。
【００４３】
また、本実施形態の電気接続箱１０では、放電抵抗１３を冷却用のプレート（冷却板）として利用することができるので、従来のように、ケース１１の側面に設けられていた放電抵抗のスペースを不要にすることが可能になり、電気接続箱１０の小型化を図ることが可能になる。
【００４４】
また、本実施形態では、放電時に放電抵抗１３を電動ファン１５で直接に冷却することができるので、自然放熱に比べて放電抵抗１３に用いられる抵抗体の容量を小さくしたり、抵抗体の個数を少なくすることも可能になり、ひいては電気接続箱１０の小型化が可能になる。
【００４５】
また、本実施形態では、配電部品１２の冷却時の電動ファンと、放電抵抗１３の冷却時の電動ファンとを共通化できるので、部品点数を増やさずに、放電抵抗１３の冷却効率を従来よりも高めることができるようになる。
【００４６】
また、本実施形態の配電部品１２は、図２に示すように、放電抵抗１３の真下に位置するように配置されているので、配電部品１２からの熱をさらに効率的に冷却することが可能になる。
【００４７】
一方、燃料電池システム１の停止時には、運転者によってＩＧ−ＯＦＦされると（時刻ｔ３）、アノード３側では、水素遮断弁２３が閉じられると、燃料電池ＦＣへの水素の供給が停止され、水素がアノード３に残留した状態となる。一方、カソード４側では、例えば、エアコンプレッサ３２の運転が継続されて、カソード４に残留している水などを排出する処理（掃気処理）が行われる。よって、燃料電池ＦＣの停止時においても、残留水素と空気中の酸素とが反応して、燃料電池ＦＣが高電位状態にさられることになる。そこで、燃料電池ＦＣの停止時においても、ＩＧ−ＯＦＦ時に、スイッチ１２ｂをオン（閉）にして、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３とを接続して放電が行われるようになっている。
【００４８】
したがって、ＩＧ−ＯＦＦされると（時刻ｔ３）、スイッチ１２ｂがオンになることによって、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３とが接続されて、放電抵抗１３の温度Ｔ１が徐々に上昇する。一方、ＩＧ−ＯＦＦされると、コンタクタ１２ａがオフにされて燃料電池ＦＣと外部負荷回路５０との接続が遮断されるので、配電部品１２の温度Ｔ２は徐々に低下する。このとき、アノード３内の残留水素とカソード４内の空気中の酸素とが反応することで水素が消費されて、開回路電圧が徐々に低下するが、開回路電圧が所定電圧まで下がったときに、スイッチ１２ｂをオフにして、燃料電池ＦＣと放電抵抗１３との接続を遮断して、燃料電池システム１の運転を停止（システム停止）する（時刻ｔ４）。
【００４９】
このように、燃料電池ＦＣの停止時においても、放電中においては、放電抵抗１３が電動ファン１５による直接冷却によって冷却されるので、従来のような自然放熱と比べて冷却効率が高められる。
【００５０】
なお、前記した実施形態では、燃料電池ＦＣの始動時と停止時に適用した場合を例に挙げて説明したが、始動時と停止時のいずれか一方のときのみに適用するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施形態の電気接続箱を備えた燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】本実施形態の電気接続箱を上方から見たときの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線での切断断面図である。
【図４】（ａ）はプレート状の放電抵抗を示す外観斜視図、（ｂ）は放電抵抗とケースとの接合状態の一例を示す断面図である。
【図５】放電抵抗と配電部品の温度推移を示すタイミングチャートである。
【図６】従来の電気接続箱を示す平面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線での切断断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１      燃料電池システム
１１    ケース
１１ａ  上面（外壁）
１２    配電部品
１２ａ  コンタクタ
１２ｂ  スイッチ
１３    放電抵抗
５０    外部負荷回路
ＦＣ    燃料電池
【図１】
2007335126.tif 000003
【図２】
2007335126.tif 000004
【図３】
2007335126.tif 000005
【図４】
2007335126.tif 000006
【図５】
2007335126.tif 000007
【図６】
2007335126.tif 000008
【図７】
2007335126.tif 000009