(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に駆動電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池を覆うケースと、
前記ケース外部の負荷と接続した第１の導通体と、
前記燃料電池に接続した第２の導通体と、
前記ケースの外部から手動操作され、前記第１の導通体と前記第２の導通体を遮断する電流遮断器であって、
前記電流遮断器が、前記第１の導通体に接続した第１の端子と、前記第２の導通体に接続した第２の端子と、前記第１の端子および前記第２の端子それぞれと接点を有するとともに、いずれの接点とも断続可能な第３の導通体と、を備えたことを特徴とする車両用燃料電池モジュール
【請求項２】
請求項１記載の車両用燃料電池モジュールにおいて、
前記電流遮断器は、前記燃料電池の正負両極を同時に遮断可能であること、を特徴とする車両用燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１または２記載の車両用燃料電池モジュールにおいて、
前記第３の導通体は、前記ケース外部にあることを特徴とする車両用燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用燃料電池モジュールにおいて、
前記第１の端子と前記第２の端子とは、前記ケースに固定されていることを特徴とする車両用燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用燃料電池モジュールにおいて、
前記電流遮断器と前記ケースとの間にリレーを有することを特徴とする車両用燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の車両用燃料電池モジュールにおいて、
スタックの積層方向は、車両左右方向であることを特徴とする車両用燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の車両用燃料電池モジュールを搭載した燃料電池自動車において、
前記車両用燃料電池モジュールは、車両の前方部に搭載され、
前記電流遮断器は、前記車両用燃料電池モジュールの車両側方向きの側面に配置されること、を特徴とする燃料電池自動車。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池自動車において、
前記電流遮断器は、前記側面の車両後方寄りの位置に配置されること、を特徴とする燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池モジュール及びこれを搭載した燃料電池自動車に関し、特に、燃料電池モジュール外への電流出力を遮断して車両保守時等における安全を確保する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題への取り組みの一つとして、燃料電池を駆動エネルギー源に用いた自動車が注目を浴び、試作がなされている。例えば、車両の重量バランスや配置スペース等を考慮して、燃料電池を座席下のスペースなど車両中心位置付近に搭載した燃料電池自動車が試作されている。また最近では燃料電池を車両前方部に搭載することも検討されている。燃料電池自動車は、近い将来の実用化・普及に向けた開発が進展している状況下にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
車両を駆動し得る燃料電池は比較的高電圧であるので、保守作業時等において燃料電池モジュール外に電圧が出力されると安全上問題がある。また、燃料電池モジュールとラジエータとの間では冷却水が循環され、この冷却水は燃料電池の内部に流通されるため、燃料電池の正極及び負極の中間電位を取り得る。つまり冷却水によって燃料電池モジュールの外部に当該中間電位が取り出される。すなわち、燃料電池においては、この冷却水と正極との間、及び冷却水と負極との間の両方にそれぞれ高電圧が発生し得る特徴を有している。従来の漏電等に対する安全対策では、このような燃料電池の特徴は考慮されていなかった。また、車両が物体に衝突し燃料電池モジュールが破損した場合における漏電等に対する安全対策が十分でないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、保守作業等において燃料電池の高電圧出力に対する安全が確保される燃料電池モジュール及び燃料電池自動車を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車両用燃料電池モジュールは、車両に駆動電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池を覆うケースと、前記ケース外部の負荷と接続した第１の導通体と、前記燃料電池に接続した第２の導通体と、前記ケースの外部から手動操作され、前記第１の導通体と前記第２の導通体を遮断する電流遮断器であって、前記電流遮断器が、前記第１の導通体に接続した第１の端子と、前記第２の導通体に接続した第２の端子と、前記第１の端子および前記第２の端子それぞれと接点を有するとともに、いずれの接点とも断続可能な第３の導通体とを備える。
【０００６】
本発明によれば、燃料電池はケースによって覆われる。ケースは燃料電池の全体を包囲するものであってもよいし、燃料電池を臨む立体角の一部において燃料電池を外部から遮蔽するものであってもよい。燃料電池の出力端子とケースより外の空間に配置されるモータや回路等との間は電流遮断器を経由して接続される。ここで燃料電池の出力端子と電流遮断器との間は、配線がケース外部の空間を経由することなく接続される。これにより、電流遮断器を断状態とした場合には、ケースにより燃料電池から遮られた外部空間には燃料電池の出力電圧が印加される部分がなくなり、燃料電池からケース外部空間への電流の漏れ出しが好適に防止される。
【０００７】
他の本発明に係る車両用燃料電池モジュールにおいては、前記電流遮断器が、前記燃料電池の正負両極を同時に遮断可能である。
【０００８】
本発明によれば、電流遮断器は、燃料電池の正極とケース外の配線との間を断状態とすることができると共に、それと同時に燃料電池の負極とケース外の配線との間も断状態とすることができる。冷却水を介してケース外部には正極及び負極の中間電位が出力されるが、電流遮断器が正極と外部との間及び負極と外部との間を遮断するので、ケース外部には中間電位に対して正極の正の高電位が印加される部分、負極の負の高電位が印加される部分のいずれもなくなる。
【０００９】
別の本発明に係る車両用燃料電池モジュールは、前記第３の導通体は、前記ケース外部にある。
【００１０】
本発明によれば、電流遮断器は必ずしもケースに取り付けられる必要はない。この場合には、正負両極を同時に遮断できることにより、中間電位に対する正の高電位、負の高電位が印加される部分が燃料電池から電流遮断器までの部分に限定される。
本発明に係る車両用燃料電池モジュールは、前記第１の端子と前記第２の端子とは、前記ケースに固定されている。
本発明に係る車両用燃料電池モジュールは、前記電流遮断器と前記ケースとの間にリレーを有する。
本発明に係る車両用燃料電池モジュールは、スタックの積層方向は、車両左右方向である。
【００１１】
本発明に係る燃料電池自動車は、上記車両用燃料電池モジュールを搭載したものであって、前記車両用燃料電池モジュールは車両の前方部に搭載され、前記電流遮断器は、前記車両用燃料電池モジュールの車両側方向きの側面に配置される。本発明の好適な態様は、前記電流遮断器が、前記側面の車両後方寄りの位置に配置されることを特徴とする燃料電池自動車である。
【００１２】
車両が物体に衝突した場合には、車両前方部には前後方向に大きな衝撃力が発生する。そのため、車両前方部に搭載された車両用燃料電池モジュールの前後面は、隣接部にぶつかり大きな圧力を受け得る。本発明によれば、電流遮断器は車両用燃料電池モジュールの車両側方向きの側面に設けられる。この位置は、衝突時に隣接部がぶつかる可能性が比較的低く、またぶつかってもその衝撃力は比較的弱いので、電流遮断器が破損するおそれが低い。よって、衝突後においても電流遮断器の機能が維持され、修理等の作業における高電圧に対する安全が図られる。特に、電流遮断器を側面の車両後方寄りに配置した場合には、衝突により車両前方部がつぶれた場合にも、電流遮断器の破損が回避され得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールを搭載した燃料電池自動車の車両前方部の模式的な上面図である。図において、燃料電池モジュール２０が車両前方部のエンジンルーム内に配置される。燃料電池モジュール２０は燃料電池スタックケース２２（以下、単にケース２２と称する）内に燃料電池スタック２４を有している。なお、ケース２２は本来燃料電池スタック２４を密閉収納するが、ここでは説明の都合上、ケース２２の上面を取り除いて、内部の燃料電池スタック２４等の構造が分かるように図示している。
【００１５】
燃料電池スタック２４は、それぞれ板状の単電池２５の積層体である第１のスタック２６と第２のスタック２８とが並列配置されて構成される。スタック２６，２８は互いに同数の単電池からなり、それぞれ同じ電圧を発生するように構成される。ここで第１のスタック２６及び第２のスタック２８の積層方向は共に車両左右方向であり、その左右端に配置された比較的厚め（例えば厚さ１５ｍｍ程度）の金属のエンドプレート３０，３２によってスタック２６，２８は積層方向に押さえ付けられている。スタック２６とスタック２８とは単電池の極性が互いに反対向きに積層され、例えば、スタック２６は図において左側が正極、右側が負極であり、スタック２８は図において左側が負極、右側が正極である。スタック２６及びスタック２８のエンドプレート３２側の端部は互いに電気的に接続されて、これにより両スタック２６，２８は一つの単電池直列接続体を構成し、所望の高電圧が得られる。
【００１６】
スタック２６及びスタック２８のエンドプレート３０側の端部には、スタック２６，２８が構成する共通の単電池直列接続体の端部電極３４，３６が積層される。例えば、上述の単電池の配列方向によれば、スタック２６に積層される電極３４は正電極となり、スタック２８に積層される電極３６は負電極となる。電極３４，３６は、スタック２６とスタック２８との境界の位置（すなわち、燃料電池スタック２４の車両前後方向に関し中央部）にてスタックの積層方向に曲げられたＬ字形状を有する。電極３４，３６のスタック積層方向を向いた部分は、エンドプレート３０の車両前後方向中央位置に開けられた穴を通ってエンドプレート３０から車両側方に向けて突出され、端子３８として用いられる。
【００１７】
なお、エンドプレート３０，３２はケース２２に固定されるが、スタック２６，２８は温度による膨張、収縮等によって積層方向の寸法が変化し得る。そこで、エンドプレート３０と電極３４との間、及びエンドプレート３０と電極３６との間には皿バネの積層体（図示せず）が配置され、スタック２６，２８を構成する単電池が常に適度な力で互いに圧接されるように構成される。
【００１８】
エンドプレート３０にはリレー４０のほか電気回路や分配器（図示せず）が配置される。リレー４０は、正極、負極それぞれの端子３８との間を、柔軟性を有したバスバー（フレキシブルバスバーと称する）４２で電気的に接続される。ちなみに、フレキシブルバスバー４２は端子３８及びリレー４０の端子にそれぞれボルト止めされる。
【００１９】
一方、ケース２２の車両側方向きの側面（エンドプレート３０側の側面）の車両後方寄りの位置にサービスプラグ５０が取り付けられている。サービスプラグ５０は、ケース２２に固定された固定部５２と、ケース２２の外側に設けられ固定部５２から分離可能なプラグ部５４とからなる。エンドプレート３０上においてサービスプラグ５０に近い位置に端子台６０が取り付けられ、この端子台６０を中継点として、サービスプラグ５０の固定部５２とリレー４０との間が電気的に接続される。すなわち、固定部５２に接続されたハーネス６２と、リレー４０に接続されたバスバー６４とが端子台６０で互いに電気的に接続される。これにより、リレー４０とサービスプラグ６０の固定部との間が正極、負極毎に電気的に接続される。
【００２０】
また、サービスプラグ５０の固定部５２からはケース２２の外側へ電源出力ケーブル６６が引き出される。固定部５２に接続されたハーネス６２と電源出力ケーブル６６との間はプラグ部５４によって電気的に接続される。
【００２１】
以上のように燃料電池モジュール２０で発生した電力は、リレー４０及びサービスプラグ５０を経由して電源出力ケーブル６６から出力される構成であり、この出力はリレー４０及びサービスプラグ５０によって遮断可能である。リレー４０は外部からの制御信号に応じて、正極、負極それぞれについてフレキシブルバスバー４２が接続された端子とバスバー６４が接続された端子との間の電気的断続を行う。例えば、リレー４０は車両走行時等の通常時にはＯＮ状態に保たれ、燃料電池モジュール２０からの出力が可能とされるが、一方、衝突センサ（図示せず）が自車の衝突を検知した場合などに発せられる制御信号に応じてＯＦＦ状態に切り替えられ、燃料電池モジュール２０からの出力が遮断される。
【００２２】
また、サービスプラグ５０に関しては、プラグ部５４が固定部５２に装着されている状態では、燃料電池モジュール２０からの出力が可能とされるが、プラグ部５４が固定部５２から引き抜かれると、電源出力ケーブル６６とハーネス６２との間が電気的に切断状態となる。この切断はケース２２の内部で行われ、燃料電池モジュール２０の外部には燃料電池スタック２４の出力電圧が印加される部分がなくなる。このように、サービスプラグ５０はケース２２の外部から手動で操作される電流遮断器として機能し、例えば、メンテナンス時に作業者がサービスプラグ５０を断状態とすることにより、燃料電池モジュール２０の高電圧に対する安全が確保される。
【００２３】
なお、燃料電池モジュール２０とラジエータ（図示せず）との間には、配管が設けられ、冷却水が循環される。ラジエータにて空冷された冷却水は注入口７０から燃料電池スタック２４内に流れ込み、スタック内に設けられた隙間を流通して、水素の燃焼により発生した熱を奪って、排出口７２から流れ出て、再びラジエータへ戻される。冷却水は燃料電池スタック２４内で単電池の電極に接しながら流通するため、その電極の電位の影響を受け、電極３４の正電位（＋Ｖ）と電極３６の負電位（−Ｖ）との間の電位を帯びる。例えば、エンドプレート３２に注入口７０及び排出口７２を設けた場合、冷却水には基本的にエンドプレート３２近傍の電位（およそゼロ電位）を有することとなる。
【００２４】
以下、サービスプラグ５０に関してさらに説明する。図２は、サービスプラグ５０の模式的な縦断面図である。ケース２２に取り付けられた固定部５２には、導電部材で形成された４本の雄端子８０が例えば縦一列に立設される。これらは正極、負極に対応して２対を構成する。例えば雄端子８０ａ，８０ｂは正極に対応し、雄端子８０ａにはハーネス６２、雄端子８０ｂには電源出力ケーブル６６がそれぞれ接続され、雄端子８０ｃ，８０ｄは負極に対応し、雄端子８０ｃにはハーネス６２、雄端子８０ｄには電源出力ケーブル６６がそれぞれ接続される。プラグ部５４には、対を成す雄端子８０同士を電気的に接続する雌端子８２が設けられる。プラグ部５４が固定部５２に装着された状態では、雄端子８０ａ，８０ｂは雌端子８２ａにより互いに電気的に接続され、同時に雄端子８０ｃ，８０ｄは雌端子８２ｂにより互いに電気的に接続される。一方、図２に示すように、プラグ部５４が固定部５２から引き抜かれた状態では、雄端子８０ａ，８０ｂの間は電気的に切断され、同時に雄端子８０ｃ，８０ｄの間も電気的に切断される。
【００２５】
図３は、サービスプラグ５０の機能を説明する簡略化した燃料電池モジュール２０の回路図である。この回路図では、単電池のスタックとサービスプラグ５０とが示され、リレー４０などの他の回路要素は省略している。サービスプラグ５０のプラグ部５４を引き抜くことによって、燃料電池スタック２４の正極及び負極とケース２２外の部分との間が同時に遮断される。ここで、燃料電池モジュール２０からは、冷却水に与えられた中間電位がケース２２外に取り出されている（図３の端子８４がこれを表している）。
【００２６】
もし、サービスプラグが一方のみ、例えば正極側のみを切断状態とするものであった場合には、電源出力ケーブル６６の正極側と負極側とを結ぶ回路には電流は流れない。しかし、負極と端子８４で表される冷却水との間には電流が流れ得る。つまり、電源出力ケーブル６６の負極側と冷却水とを結ぶ回路が成立すると、そこに漏洩電流が流れるおそれがある。これに対して、燃料電池モジュール２０ではサービスプラグ５０が両極を切断状態とするので、そのような事態が防止される。
【００２７】
図２に矢印９０で示すように、サービスプラグ５０を抜く場合には、操作者はプラグ部５４の上部に設けられたハンドル９２を上に引き上げる。プラグ部５４はハンドル９２を上に引き上げる動作に連動して、雌端子８２を水平方向（矢印９４方向）に移動させる機構を内蔵している。サービスプラグ５０は上述のように燃料電池モジュール２０の側面に取り付けられ、本来ならば操作者はプラグ部５４の側方に手を差し入れ、これを水平方向に引っ張る動作を行わなければならないが、エンジンルームには各種装置が配置され、手を入れるスペースの確保が難しく、また上方から差し入れた手で水平方向に引っ張る動作ではプラグ部５４に力を及ぼしにくい。これらの困難を解決し、容易に電流遮断を行うために、上述のようにハンドル９２をプラグ部５４の上部に設け、これを上に引き上げる動作によってプラグ部５４が固定部５２から引き抜かれるように構成している。また、操作者がハンドル９２を引くと、雌端子８２ａと雌端子８２ｂとが同時に引き抜かれる。つまり、一つの動作で、正極側の接続と負極側の接続とが同時に切断されるので、操作忘れによって片方の極の接続が切断されないということが起こらない。
【００２８】
なお、上述の構成ではケース２２は燃料電池スタック２４の全体を覆うものであったが、燃料電池スタック２４の一部を覆うケースを設けることもできる。例えば、ケース２２は、ボンネットを開けたときに見える部分を主として覆うもの、すなわち燃料電池スタック２４の上面、又は上面及び側面を覆い、一方、下側が開放されたものとすることができる。
【００２９】
また、サービスプラグ５０の断続がケース２２の開閉と連動するように構成することができる。例えば、サービスプラグ５０を断状態としてからでなければケース２２が開けられないような構成や、またケース２２を開ける動作に連動してサービスプラグ５０が断状態となる構成とすることができる。そのような構成により、例えば作業者が燃料電池モジュール２０のメンテナンス等のためにケース２２を開ける場合において、燃料電池スタック２４の発生する高電圧に対する安全性が向上し得る。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の燃料電池モジュールによれば、外部から手動操作される電流遮断器によって、燃料電池のケース外への出力が遮断されるので、保守作業等における安全が確保される。また、正負両極を同時に遮断することによって、冷却水に与えられる中間電位と正極との間、また中間電位と負極との間の漏電が防止され、作業時等の安全が確保される。さらに、この手動操作される電流遮断器をケースの車両側方向きの側面（特にその後方寄り）に配置することにより、衝突時における当該電流遮断器の破損の可能性が低減され、その機能の確保が図られるので、衝突後における保守作業等の安全が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る燃料電池モジュールを搭載した燃料電池自動車の車両前方部の模式的な上面図である。
【図２】  サービスプラグの模式的な縦断面図である。
【図３】  サービスプラグの機能を説明する簡略化した燃料電池モジュールの回路図である。
【符号の説明】
２０  燃料電池モジュール、２２  ケース、２４  燃料電池スタック、３０，３２  エンドプレート、３４，３６  端部電極、３８  端子、４０  リレー、４２  フレキシブルバスバー、５０  サービスプラグ、６２  ハーネス、６４  バスバー。
【図１】
0003767423.tif 000002
【図２】
0003767423.tif 000003
【図３】
0003767423.tif 000004