(57)【要約】【課題】制御用基板の高電圧領域における安全性を向上することが可能な燃料電池用セルモニタ装置、及びこれを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック２３のセルに接続され、セルの情報を制御用信号にする制御用基板２９を備え、制御用基板２９は、低電圧部品が配置された低電圧領域２９Ｌと、高電圧部品が配置された高電圧領域２９Ｈを有し、車両１００に搭載された際に、高電圧領域２９Ｈが低電圧領域２９Ｌよりも車両１００の内側に位置してなる燃料電池用セルモニタ装置１、及びこの燃料電池用セルモニタ装置１を備えた燃料電池システムである。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのセルに接続され、当該セルの情報を制御用信号にする制御用基板を備え、当該セルの情報をモニタする燃料電池用セルモニタ装置であって、
前記制御用基板は、低電圧部品が配置された低電圧領域と、高電圧部品が配置された高電圧領域とを有し、
車両に搭載された際に、前記高電圧領域が前記低電圧領域よりも当該車両の内側に位置してなる燃料電池用セルモニタ装置。
【請求項２】
前記車両の前方に搭載された際に、前記高電圧領域が前記低電圧領域よりも車両の後方に位置してなる請求項１記載の燃料電池用セルモニタ装置。
【請求項３】
前記車両の略中央部に搭載された際に、前記低電圧領域が、前記高電圧領域の車両の前後方向両側に位置してなる請求項１記載の燃料電池用セルモニタ装置。
【請求項４】
前記車両の後方に搭載された際に、前記高電圧領域が前記低電圧領域よりも車両の前方に位置してなる請求項１記載の燃料電池用セルモニタ装置。
【請求項５】
前記高電圧領域には、複数の高電圧部品が配設されてなり、当該複数の高電圧部品のうち、最低電圧となる最低電圧部品と、最高電圧となる最高電圧部品とを互いに離間した位置に配設してなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用セルモニタ装置。
【請求項６】
車両に搭載された際に、前記最高電圧部品が前記最低電圧部品よりも当該車両の内側に位置してなる請求項５記載の燃料電池用セルモニタ装置。
【請求項７】
燃料電池と、
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池用セルモニタ装置と、
を備え、車両に搭載される燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの各セルの情報（電圧または温度の情報）をモニタするための燃料電池用セルモニタ装置、及びこの燃料電池用セルモニタ装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な燃料電池の単セルは、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極（陰極）と、他方の面に配置されたカソード電極（陽極）と、を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）を備え、このＭＥＡの両側にセパレータを配設した構造を有している。そして、燃料電池では、この単セルを複数積層してセル積層体とし、当該セル積層体のセル積層方向両端に、集電板（ターミナルプレート）、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等が配置されている。
【０００３】
このような燃料電池では、各セル毎に、または複数のセル毎に、当該セルで正常な発電が行われていることを確認すると共に、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータにガードをかけるためにセル電圧をモニタするセルモニタ装置が接続されている。この燃料電池用セルモニタ装置は、通常、高電圧部品と低電圧部品が混在する制御用基板（セルモニタ基板）が配設されており、スタックケース内に燃料電池と共に収納されている。
【０００４】
このような燃料電池用セルモニタ装置として、例えば、燃料電池用セルモニタ装置に設けられたコネクタのセルへの取付位置を、並列配置された燃料電池スタック同士間側のセル端部に設定することで、衝突安全性を向上させたものが紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、車両電源に接続されるワイヤハーネスに接続され且つ車両に配置固定される車載ボックスとして、高い電源電圧の供給を受ける高圧用外部接続コネクタと、前記低い電源電圧の供給を受ける低圧用外部接続コネクタとが設けられると共に、前記高圧用外部接続コネクタを前記低圧用外部接続コネクタよりも前記ハーネスの固定位置側に配置することで、誤接続を防止する車載ボックスが紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
そしてまた、燃料電池を車両の床下に搭載し、この燃料電池と車両の一方の側部との間に、強電部品に接続する高電圧配線を、車両前後方向に向けて配索し、前記燃料電池と車両の他方の側部との間に、弱電部品に接続する低電圧配線を、車両前後方向に向けて配索することで、電気配線や流体の配管の配置を最適化し、地上高の確保及び高電圧配線による低電圧配線に流れる弱電信号へのノイズの影響の抑制する電線配索構造も紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６７６５６号公報
【特許文献２】特開２００４−２６８６１１号公報
【特許文献３】特開２００５−１２５９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、燃料電池と燃料電池用セルモニタ装置との間には、各セルを制御用基板に接続するためのケーブルが必要であり、また、前記セルの枚数が多いため、セルモニタ装置を多チャンネル化することが必要である。このため、装置が重く、大型化し、コストが高くなる傾向にある。また、セルモニタ装置による測定の対象となる燃料電池スタックがノイズ発生源となり、安定した送受信を行うことが困難となるため、無線通信機能を使用すると、部品の単価が上昇する。そこで、従来の燃料電池用セルモニタ装置に設けられている制御用基板では、基板単体の面積効率やノイズ等を最適化するための部品配置がなされており、例えば車両衝突時等に、基板の高電圧部品が安全に保たれるような設計はなされていない。
【０００８】
一方、制御用基板が、例えば仮に車両衝突等により破損した場合は、高電圧部品分が短絡する可能性が高い。また、セルモニタ装置やケーブルも高電圧となるため、例えば車両衝突時等にこれらがショートすることを阻止する必要がある。そこで、前述した従来技術のように、燃料電池用セルモニタ装置を、例えば車両衝突時等に破損し難い場所に配置することによって、制御用基板の高電圧部品が安全に保たれるよう対応している。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、仮に車両衝突等により制御用基板が破損したとしても、当該制御用基板の高電圧領域における安全性を向上することが可能な燃料電池用セルモニタ装置、及びこの燃料電池用セルモニタ装置を備えた燃料電池システム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】
【００１０】
この目的を達成するため本発明は、燃料電池スタックのセルに接続され、当該セルの情報を制御用信号にする制御用基板を備え、当該セルの情報をモニタする燃料電池用セルモニタ装置であって、前記制御用基板は、低電圧部品が配置された低電圧領域と、高電圧部品が配置された高電圧領域とを有し、車両に搭載された際に、前記高電圧領域が前記低電圧領域よりも当該車両の内側に位置してなる燃料電池用セルモニタ装置を提供するものである。
【００１１】
この構成を備えた燃料電池用セルモニタ装置は、車両に搭載された際に、制御用基板の高電圧領域が低電圧領域よりも当該車両の内側に位置している。すなわち、仮に、前記車両が衝突等により衝撃を受けた際に、クラッシャブルゾーンとなる車両の外側及びその周辺には、制御用基板の低電圧領域が位置することになる。したがって、仮に、車両衝突等により衝撃を受け、当該制御用基板が破損したとしても、制御用基板の高電圧領域に配置されている高電圧部品が短絡することを抑制でき、当該高電圧部品の安全性を確保することができる。
【００１２】
本発明にかかる燃料電池用セルモニタ装置の一実施態様としては、燃料電池用セルモニタ装置が車両の前方に搭載された際に、前記制御用基板の高電圧領域が、低電圧領域よりも車両の後方に位置するよう配置することができる。
【００１３】
また、他の態様としては、燃料電池用セルモニタ装置が車両の略中央部に搭載された際に、前記制御用基板の低電圧領域が、高電圧領域の車両の前後方向両側に位置するよう配置することができる。
【００１４】
そしてまた、他の態様としては、燃料電池用セルモニタ装置が車両の後方に搭載された際に、前記制御用基板の高電圧領域が、前記低電圧領域よりも車両の前方に位置するよう配置することができる。
【００１５】
また、本発明にかかる燃料電池用セルモニタ装置に配設された制御用基板は、高電圧領域に複数の高電圧部品が配設されてなり、当該複数の高電圧部品のうち、最低電圧となる最低電圧部品と、最高電圧となる最高電圧部品とを互いに離間して位置するよう配置することもできる。このように配置することで、高電圧部品が短絡することをさらに抑制することができる。
【００１６】
この構成の場合、燃料電池用セルモニタ装置が車両に搭載された際に、前記最高電圧部品が前記最低電圧部品よりも当該車両の内側に位置するよう配置することができる。このように配置することで、仮に、高電圧領域に衝撃が加えられたとしても、高電圧領域に配設されている高電圧部品のなかで電圧が低い部品が破損する（短絡する）にとどめることができる。
【００１７】
さらにまた、本発明は、燃料電池と、本発明にかかる燃料電池用セルモニタ装置と、を備え、車両に搭載される燃料電池システムを提供するものである。この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池用セルモニタ装置の構成要素である制御用基板の高電圧領域が低電圧領域よりも当該車両の内側に位置しているため、仮に、車両衝突等により衝撃を受け、当該制御用基板が破損したとしても、制御用基板の高電圧領域に配置されている高電圧部品が短絡することを抑制でき、当該高電圧部品の安全性を確保することができる。したがって、燃料電池システム全体の安全性を向上することができる。
【００１８】
なお、本発明でいう「低電圧部品」とは、入出力が補機に電力を供給する補機バッテリや補機バッテリに類する系とほぼ同じ電圧になる部品を示し、「高電圧部品」とは、入出力が燃料電池セルとほぼ同じ電圧になる部品を示す。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかる燃料電池用セルモニタ装置は、車両に搭載された際に、制御用基板の高電圧領域が低電圧領域よりも当該車両の内側に位置するため、仮に、車両衝突等により衝撃を受け、当該制御用基板が破損したとしても、制御用基板の高電圧領域に配置されている高電圧部品が短絡することを抑制できる。この結果、高電圧部品の安全性が確保された信頼性の高い燃料電池用セルモニタ装置を提供することができる。
【００２０】
また、本発明にかかる燃料電池システムは、構成要素である燃料電池用セルモニタ装置に配設された制御用基板の安全性が確保されている結果、燃料電池システム全体の安全性及び信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池用セルモニタ装置、及びこの燃料電池用セルモニタ装置を備えた燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池が収納されたスタックケースと、燃料電池用セルモニタ装置を車両に搭載した状態を模式的に示す側面図、図２は、図１に示す車両の底面図、図３は、図１に示すスタックケースに収納された燃料電池の全体を示す概略図、図４は、図３に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図、図５は、図３に示す燃料電池に接続された燃料電池用セルモニタ装置の側面図、図６は、図５に示すVI−VI線に沿った断面図、図７は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池用セルモニタ装置に配設された制御用基板を模式的に示す平面図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００２３】
図１〜図７に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用セルモニタ装置１は、燃料電池１０を収容したスタックケース２の上部に配設され、スタックケース２と共に車両１００の前方にあるエンジンコンパートメントに搭載されている。
【００２４】
燃料電池１０は、特に図３〜図６に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２及び拡散層１３からなるアノード１４（燃料極）及び電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５及び拡散層１６からなるカソード１７（空気極）とからなるＭＥＡと、アノード１４及びカソード１７に燃料ガス（水素）及び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料流路２７ａ及び空気流路２７ｂ）及び燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８と、を重ねてセルを形成し、当該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けて、スタック２３の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（例えば、テンションプレート、締結部材２４はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。なお、冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に設けられている。
【００２５】
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路２６や流体流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６や流体流路２７を形成したもの、または、冷却水流路２６及び流体流路２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。本実施の形態では、セパレータ１８がカーボン板からなる場合を示している。冷却水流路２６及び流体流路２７は、それぞれ、スタック２３内の冷却水マニホールド、ガスマニホールドを介して、エンドプレート２２に取り付けられた図示しない配管用部品（冷却水供給・排出用配管及びガス供給・排出用配管）に接続される。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画する。また、セパレータ１８は、導電性部材であり、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。そして、図６に示すように、１つのセルで、電解質膜１１を挟んでカソード側のセパレータが＋のセパレータであり、アノード側のセパレータが−のセパレータであり、電解質膜１１を挟んだ＋のセパレータと−のセパレータとの間にセル電圧（たとえば、約１Ｖ）が発生する。
【００２６】
燃料電池用セルモニタ装置１は、セル電圧を測定するものであり、特に図５及び図６に示すように、セルに接続されるコネクタ３０と、コネクタ３０からのアナログ電圧を制御用信号にする制御用基板２９と、コネクタ３０のアナログ電圧信号を制御用基板２９に伝達するワイヤハーネス（配線）３３と、を備えている。この燃料電池用セルモニタ装置１は、燃料電池１０のセルにコネクタ３０によって接続される。コネクタ３０のセルへの取付位置は、並列に配置されているスタック２３とスタック２３との間側（並列配置の複数スタック２３のセル積層方向と直交する方向に中央寄り側）に設定されている。燃料電池１０のセルにおけるセパレータ１８の＋−の順序は、車両１００の前側（フロント側）スタックにおいて右端から左端への順序と、後側（リア側）スタックにおける左端から右端への順序とが、互いに同じになるように設計されている。
【００２７】
コネクタ３０は、ハウジング３２と、ハウジング３２に着脱可能に保持された一対の端子３１を有しており、各セル毎に、または複数のセル毎に、コネクタ３０の端子３１が接続される。各端子３１は、それに対応するワイヤハーネス３３に接続されている。ワイヤハーネス３３は、各スタック２３のセル積層体の上下に位置する上下の締結部材２４のうち、上側テンションプレートの上面に固定されており、上側テンションプレートの幅方向端部位置で制御用基板２９側に接続されている。
【００２８】
制御用基板２９は、ワイヤハーネス３３からのアナログ信号をディジタル信号に変換するものであり、複数の高電圧部品と複数の低電圧部品が配置されている。この制御用基板２９は、図７に示すように、低電圧部品が配置された低電圧領域２９Ｌと、高電圧部品が配置された高電圧領域Ｈとを有しており、燃料電池用セルモニタ装置１が車両１００の前方（本実施の形態では、エンジンコンパートメント）に搭載された際に、高電圧領域２９Ｈが低電圧領域２９Ｌよりも車両１００の内側（すなわち、後方側）に位置するように配設されている。
【００２９】
ここで、仮に、衝突等により車両１００の前方から衝撃が加えられた場合、図２に一点鎖線で示す領域Ａが、前突の危険エリアであるクラッシャブルゾーンとなるが、制御用基板２９は、クラッシャブルゾーン側に低電圧領域２９Ｌが配設されているため、仮に車両衝突等により前方から衝撃を受けたとしても、制御用基板２９の高電圧領域２９Ｈに配置されている高電圧部品が短絡することを抑制でき、高電圧部品の安全性を確保することができる。
【００３０】
なお、本発明にかかる燃料電池用セルモニタ装置１は、図８及び図９に示すように、燃料電池１０を収容したスタックケース２の上部に配設され、スタックケース２と共に車両１００の略中央部に位置する床下に搭載してもよい。この構成の場合、衝突等により車両１００の側面側（車両の前後方向に略垂直な方向）から衝撃が加えられた際に、図９に一点鎖線で示す２つの領域Ｂが、側突の危険エリアであるクラッシャブルゾーンとなる。したがって、燃料電池用セルモニタ装置１を車両１００の略中央部に位置させる場合は、図１０に示すように、制御用基板２９の低電圧領域２９Ｌが、高電圧領域２９Ｈの車両前後方向両側（すなわち、内側）に位置するように配設する。制御用基板２９の高電圧領域２９Ｈと低電圧領域２９Ｌのレイアウトをこのようにすることで、仮に車両衝突等により側方から衝撃を受けたとしても、クラッシャブルゾーン（領域Ｂ）側には、低電圧領域２９Ｌが配設されているため、高電圧領域２９Ｈに配置されている高電圧部品が短絡することを抑制でき、高電圧部品の安全性を確保することができる。
【００３１】
また、本発明にかかる燃料電池用セルモニタ装置１は、車両１００の後方に配設してもよい。この場合、制御用基板２９は、前記と同様の理由から、高電圧領域２９Ｈを低電圧領域２９Ｌよりも車両１００の内側（すなわち、前方側）に位置するように配設すればよい。
【００３２】
そしてまた、制御用基板２９の高電圧領域２９Ｈは、複数の高電圧部品のうち、最低電圧となる最低電圧部品１２９Ｌと、最高電圧となる最高電圧部品１２９Ｈとを互いに離間した位置に配設することで、高電圧部品が短絡することをさらに抑制することができる。この構成の場合、図１１に示すように、燃料電池用セルモニタ装置１が車両に搭載された際に、最高電圧部品１２９Ｈが最低電圧部品１２９Ｌよりも車両１００の内側に位置するよう配置することで、仮に、高電圧領域２９Ｈに衝撃が加えられたとしても、高電圧領域２９Ｈに配設されている高電圧部品のなかでも電圧が低い部品が破損する（短絡する）にとどめることができる。
【００３３】
また、高電圧領域２９Ｈでは、高電圧部品のなかでも、電圧が高い部品を電圧が低い部品よりも車両１００の内側に位置するよう配置することが好ましい。
【００３４】
なお、スタック２３のセル積層体方向の中間部に配置したセルのセル電圧は、スタック２３のセル積層方向端部に配置したセルのセル電圧に比べて安定しているので、スタック２３のセル積層方向の中間部に配置したセルに対しては、例えば、複数個に１個の割合でセル電圧をモニタしてもよい。そうすることによって、セル積層体全体を一巡してセル電圧をモニタするに要する時間を短縮することができる。また、この場合、スタック２３の端部に比べてセル電圧が安定しているスタックの中間部分では、燃料電池用セルモニタ装置１が、複数個のセルに１個の割合で接続されるので、全セルに燃料電池用セルモニタ装置１を取付ける場合に比べて燃料電池用セルモニタ装置１の取付構造をコンパクトかつ簡素にすることができる。また、全燃料電池用セルモニタ装置１を走査する時間を短縮でき、セル電圧チェックの応答性がよくなる。
【００３５】
そしてまた、ワイヤハーネス３３が、上下の締結部材２４のうち上側テンションプレートの上面に固定されているので、上側テンションプレートの上面を利用して配線をコンパクトかつ簡素に固定することができる。また、上側テンションプレートの上面に固定されるので、スタック２３を車両に組付けた後に、ワイヤハーネス３３を固定でき、スタック２３の搭載とワイヤハーネス３３の組み付け、固定を別工程で行うことができ、燃料電池１０の車両への搭載上、有利となる。
【００３６】
また、本実施の形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池１０と、この燃料電池１０のセルに接続され、当該セルの電圧を測定する燃料電池用セルモニタ装置１との他、燃料電池１０に燃料ガスを供給する図示しない燃料ガス供給源、燃料電池１０に酸化ガスを供給する図示しない酸化ガス供給源、燃料電池１０から排出されたガスを循環させる図示しない循環部等、燃料電池１０を駆動するために必要な所望の装置を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池が収納されたスタックケースと、燃料電池用セルモニタ装置を車両に搭載した状態を模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示す車両の底面図である。
【図３】図１に示すスタックケースに収納された燃料電池の全体を示す概略図である。
【図４】図３に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。
【図５】図３に示す燃料電池に接続された燃料電池用セルモニタ装置の側面図である。
【図６】図５に示すVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかる燃料電池用セルモニタ装置に配設された制御用基板を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池が収納されたスタックケースと、燃料電池用セルモニタ装置を車両に搭載した状態を模式的に示す側面図である。
【図９】図８に示す車両の底面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池用セルモニタ装置に配設された制御用基板を模式的に示す平面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池用セルモニタ装置に配設された制御用基板を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…燃料電池用セルモニタ装置、  ２…スタックケース、  １０…燃料電池、  ２３…スタック、  ２９…制御用基板、  ２９Ｈ…高電圧領域、  ２９Ｌ…低電圧領域、  ３０…コネクタ、  ３３…ワイヤハーネス、  １００…車両、  １２９Ｈ…最高電圧部品、  １２９Ｌ…最低電圧部品
【図１】
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【図２】
2009148051.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009148051.tif 000008
【図７】
2009148051.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009148051.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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