JP2007116811A - 回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 如何なる場合にも、高電圧電源からの電流を遮断できる、または遮断できる可能性を従来に比べて増大させた、回路の提供。
【解決手段】（１）移動体に搭載される、高電圧電源４から負荷５への回路であって、回路１に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置２、３が、複数箇所、直列に設けられている回路１。
（２）電源４を収容する電源ケース９を有し、電流遮断装置２、３が、電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されている。
（３）互いに離れた部位は、電源ケース９の互いに異なる面の外面にある。
（４）移動体５０は人間を収容する空間５１を有し、複数の電流遮断装置２、３のうち少なくとも１つは人間を収容する空間５１からアクセスおよび遮断操作可能である。
（５）高電圧電源４が燃料電池である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回路に関し、とくに燃料電池スタックなどの高電圧（４２ボルト以上を高電圧という）電源から負荷への回路に関する。

特開２００２−３６７６６６号公報は、燃料電池自動車に搭載した、高電圧電源としての燃料電池スタックと負荷とを結ぶ回路に、保守点検時に電流遮断ができるように、電源リレーの他に、人が機械的に外して電流を遮断できる、マニュアル操作の電流遮断装置としてのサービスプラグを１つ設けた回路を開示している。サービスプラグは保守点検時の電流遮断を目的としているので、１つ設けられれば十分であり、複数設けられる必要性はない。
特開２００２−３６７６６６号公報

しかし、上記の従来の回路には、車両衝突などにより、サービスプラグまわりの機器の変形などによりサービスプラグまわりのスペースが狭くなってサービスプラグへのアクセスが困難になり、サービスプラグのマニュアル操作が不可能となって燃料電池スタックからの高電圧電流を遮断することができなくなるという課題がある。

本発明の目的は、如何なる場合にも、たとえば回路を搭載した車両の衝突などにより遮断装置まわりの機器が変形した場合でも、高電圧電源からの電流を遮断できる、または遮断できる可能性を従来に比べて増大させた、回路を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１） 移動体に搭載された、高電圧電源から負荷への回路であって、前記回路に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置が、複数箇所、直列に設けられている回路。
（２） 前記電源を収容する電源ケースを有し、複数箇所に設けられる前記電流遮断装置が、前記電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されている（１）記載の回路。
（３） 前記互いに離れた部位は、前記電源ケースの互いに異なる面の外面にある（２）記載の回路。
（４） 前記移動体は人間を収容する空間を有し、複数の前記電流遮断装置のうち少なくとも１つは前記人間を収容する空間からアクセスおよび遮断操作可能である（１）〜（３）の何れかに記載の回路。
（５） 前記高電圧電源が燃料電池である（１）〜（４）の何れかに記載の回路。

上記（１）の回路によれば、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置が、複数箇所、直列に設けられているので、複数箇所のうち何れか１つの電流遮断装置をマニュアルで遮断することにより高電圧電源からの電流を遮断でき、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合に比べて、高電圧電源からの電流を遮断できる可能性が増大する。
また、回路が移動体（たとえば、車両）に搭載されているので、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合における、移動体の衝突などにより高電圧電源まわりの機器が変形して電流遮断装置にアクセス困難となり、その結果、高電圧電流を遮断できなくなるという問題が生じることを、無くすか、または、少なくすることができる。
上記（２）の回路によれば、複数箇所に設けられる直列接続された電流遮断装置が、電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されているので、電流遮断装置へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形は、電流遮断装置が設けられた複数箇所の全部に同時に生じることは少なく、少なくとも１つの電流遮断装置へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合に比べて、高電圧電源からの電流を遮断できる可能性が増大する。
上記（３）の回路によれば、電流遮断装置が設置される互いに離れた部位は、電源ケースの互いに異なる面の外面にあるので、電流遮断装置へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形が、異なるケース面に対向する部位で同時に生じることは少なく、電源ケースの同じ一面に設けられるよりは、少なくとも１つの電流遮断装置へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合に比べて、複数の電流遮断装置が電源ケースの異なる面に設けられている場合の方が、高電圧電源からの電流を遮断できる可能性が増大する。
上記（４）の回路によれば、移動体は人間を収容する空間（移動体が車両の場合は車室）を有し、複数の電流遮断装置のうち少なくとも１つは人間を収容する空間からアクセスおよび遮断操作可能であるので、電流遮断を容易に行うことができ、安全である。
上記（５）の回路によれば、高電圧電源が燃料電池であるので、燃料電池スタックは反応ガスを供給する限り発電を続け、セル積層数が大きいと高電圧となる。本発明の回路において、電流遮断装置をオフとすることにより、負荷へ高電圧電流が流れることを防止することができる。

以下に、本発明の回路を図１〜図６を参照して説明する。
図１〜図３に示すように、本発明の回路１は、高電圧電源４から負荷５への回路であって、回路１に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置２、３が、複数箇所、直列に設けられている回路である。ここで、高電圧とは、４２ボルト以上の電圧をいう。また、電流遮断装置２、３はサービスプラグともいう。電流遮断装置２、３はマニュアル操作によりオンオフ可能なものであり、自動で遮断する電源リレー６（ＥＣＵ等の制御手段から送信される、接続または遮断を指示する信号に応じて、オン、オフする電源リレー）とは別に設けられたものである。電気回路１は、たとえばインバータなどの電力変換装置を介して、移動用の推進力を生成する負荷５（たとえば、電動機）に電力を供給する回路である。負荷５と電源４との間には複数のマニュアル遮断装置２、３が設けられている。

回路１は、移動体に搭載されていてもよいし、定置型のものであってもよい。移動体は自動車５０、船、ロボットなどである場合を含む。
また、高電圧電源４は、燃料電池スタック２３であってもよいし、それ以外の電源であってもよい。
以下では、回路１が、移動体に搭載されている場合で、高電圧電源４が、燃料電池スタック２３である場合を、例にとって説明する。ただし、回路１は、移動体に搭載されていなくてもよく、たとえば定置型でもよいし、、高電圧電源４は、燃料電池スタックでなくてもよく、バッテリなどであってもよい。

高電圧電源４が燃料電池スタックである場合、燃料電池スタックが含む燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池（セルともいう）１０である。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車５０に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４〜図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９とセパレータ１８とを積層したものである。
膜−電極アッセンブリ１９は、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からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリ１９とセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、セル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体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、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付けて、燃料電池スタック２３を構成する。

セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。

各セル１９の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

各種流体は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等のガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤、またはガスケットから構成されてもよい。

図１では、高電圧電源４が、並列に配置され、電気的に直列に接続された、２つの燃料電池スタック２３を含む。第１スタック２３の一端のターミナル２０を２スタックからなる高電圧電源４のプラスのターミナルとし、第２スタック２３の一端のターミナル２０を２スタックからなる高電圧電源４のマイナスのターミナルとし、第１スタック２３の他端のターミナル２０を第２スタック２３の他端のプラスのターミナル２０に接続して、２スタックを直列接続してある。各セル１０の電圧は約１ボルトであり、約２００セルを積層して各スタックとすることにより各燃料電池スタック２３の電圧は２００ボルトであり、２スタックの直列接続からなる高電圧電源４の電圧は約４００ボルトであり、４２ボルト以上であるため、高電圧電源となる。

図１〜図３に示すように、電源４は、電源ケース９内に収容されている。
高電圧電源４からの回路１は、自動の電源リレー６、マニュアル操作の互いに直列の電流遮断装置２、３を経た後、負荷５に接続されている。電流遮断装置２、３の数は、図示例では２つの場合を示しているが、３以上であってもよい。
電源リレー６は、たとえば、電源ケース９内にある。負荷５は、たとえば、車輪駆動モータであり、電源ケース９外にある。
マニュアル電流遮断装置２、３は、負荷側に電気的に接続された第１の端子と、電源側に電気的に電気的に接続された第２の端子と、第１および第２の端子間を導通させる導電体とを含む。この導電体は、人の機械的な操作に応じて、第１および第２の端子間を導通する位置と、両端子間を導通させない位置との間で変位する。

図１、図３は、電流遮断装置２、３の一例の構造を示す。ただし、同様の機能を果たすものであれば、構造は図１、図３の例に限る必要はない。
図１、図３では、電流遮断装置２、３は、固定部７と、固定部７に対して可動な可動部８を有している。
固定部７には固定接点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが設けられ、接点Ａは、第１スタック２３の総プラスのターミナル２０に接続しており、接点Ｃは第２スタック２３の総マイナスのターミナル２０に接続している。接点Ｂは負荷５のプラス側に接続し、接点Ｄは負荷５のマイナス側に接続している。
可動部８には、可動接点ａ、ｂ、ｃ、ｄが設けられ、それぞれ固定接点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに、同時に、差し込み、抜き外し可能である。可動接点ａ、ｂは電気的に導通しており、可動接点ｃ、ｄは電気的に導通している。
したがって、可動部８を固定部７に接近させて可動接点ａ、ｂ、ｃ、ｄを固定接点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに差し込むと、固定接点Ａ、Ｂが導通し、固定接点Ｃ、Ｄが導通して、電流遮断装置２、３はオン（回路に電流が流れる状態）となる。
可動部８を固定部７から離反させて可動接点ａ、ｂ、ｃ、ｄを固定接点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから抜くと、固定接点Ａ、Ｂが遮断され、固定接点Ｃ、Ｄが遮断されて、電流遮断装置２、３はオフ（回路に電流が流れない状態）となる。
電流遮断装置２、３のオン、オフ操作は、人が手動にて行う。たとえば、人が可動部８を移動させて電流遮断装置２、３のオン、オフ操作を行う。

電流遮断装置２、３は、電源ケース９の外面に設けられている。たとえば、固定部７が電源ケース９の外面に固定されている。電流遮断装置２、３は、互いに離れた部位に設置されている。
図示例では、マニュアル遮断装置２、３は、電源の両極性を遮断する構成を示しているが、電源の極性のうち少なくとも一方の極性について複数のマニュアル遮断装置２、３を設けても、同様の遮断効果が得られる。

互いに離れた部位は、電源ケース９の互いに異なる面の外面にある。たとえば、電源ケース９が平面視で矩形状で、４つの側面９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを有している場合、電流遮断装置２が側面９ａにある場合は、電流遮断装置３は側面９ａとは異なる側面９ｂ、９ｃ、９ｄの何れかにあることが望ましい。電流遮断装置２が側面９ａに設けられている場合、電流流遮断装置３は側面９ａに直交する側面９ｂ、９ｄに設けられてもよいし、あるいは、電流流遮断装置３は側面９ａに対向する側面９ｃに設けられてもよい。
図２は、スタック２３のセル積層方向を車両の左右方向に向けて車両に搭載した場合を示しいるが、電源ケース９の車両前方に対応する側面９ｂには車両衝突の場合にまわりの部材が変形してくるので側面９ｂには電流遮断装置２、３を設けず、電源ケース９の車両前方に対応する側面９ｂ以外の側面９ａ、９ｃ、９ｄに電流遮断装置２、３を設けるようにする。図２は、電流遮断装置２を、電源ケース９の車両前方に対応する側面９ｂに直交する側面９に設け、電流遮断装置３を、電源ケース９の車両前方に対応する側面９ｂに対向する側面９ｄ（車室５１に近い側の側面）に設けた場合を示す。ただし、電流遮断装置３を、電源ケース９の車両前方に対応する側面９ｂに直交し、電流遮断装置２を設けた側面９ａに対向する側面９ｃに設けてもよい。

移動体５０は人間を収容する空間５１（移動体５０が燃料電池自動車の場合は、空間５１は車室）を有し、複数の電流遮断装置２、３のうち少なくとも１つは人間を収容する空間５１からアクセスおよび遮断操作可能としておくことが望ましい。図２の例では、電流遮断装置３の少なくとも一部が車室のダッシュボード５２を挿通して車室５１内に入っており、フロントコンパートメント内の機器が車両衝突などにより変形しても、電流遮断装置３を車室５１にて人が操作できるようになっている。

つぎに、本発明の回路の作用、効果を説明する。
上記回路１では、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置２、３が、複数箇所に設けられ、かつ、互いに電気的に直列に接続されているので、複数箇所のうち何れか１つの電流遮断装置をマニュアルで遮断することにより高電圧電源４からの電流を遮断でき、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合に比べて、高電圧電源４からの電流を遮断できる確率が増大する。

また、回路１が移動体（たとえば、車両）５０に搭載されている場合は、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合における、移動体の衝突などにより高電圧電源４まわりの機器が変形して電流遮断装置２、３にアクセス困難となり、その結果、高電圧電流を遮断できなくなるという問題が生じることを、無くすか、または、少なくすることができる。これは、複数の電流遮断装置２、３へのアクセスが同時に困難になることは確率的に少ないからである。

また、複数箇所に設けられる直列接続された電流遮断装置２、３が、電源ケース９の外面で、互いに離れた部位に設置されている場合は、電流遮断装置へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形は、電流遮断装置２、３が設けられた複数箇所の全部に同時に生じることは少なく、少なくとも１つの電流遮断装置２、３へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合に比べて、高電圧電源４からの電流を遮断できる可能性が増大する。

電流遮断装置２、３が設置される互いに離れた部位が、電源ケース９の互いに異なる面の外面にある場合は、電流遮断装置２、３へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形が、異なるケース面９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに対向する部位で同時に生じることは少なく、電源ケースの同じ一面に設けられるよりは、少なくとも１つの電流遮断装置へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が１つしかない場合に比べて、複数の電流遮断装置２、３が電源ケース９の異なる面９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに設けられている場合の方が、高電圧電源４からの電流を遮断できる可能性が増大する。

移動体５０は人間を収容する空間５１（移動体が車両の場合は車室）を有し、複数の電流遮断装置２、３のうち少なくとも１つは人間を収容する空間５１からアクセスおよび遮断操作可能である場合は、移動体５０に衝突などによる機器の変形が生じても、人間を収容する空間５１から電流遮断を容易に行うことができ、安全である。燃料電池自動車の場合は、内燃機関と異なり、車両衝突時においても、燃料電池スタック２３からの電力供給が続くおそれがあるので、人間を収容する空間５１から電流遮断を容易に行うことができる意義は大きい。また、衝突時などにおいては、ボンネットをあけて電流遮断装置２、３のオフ操作を行う余裕がないことも考えられるので、人間を収容する空間５１から電流遮断を容易に行うことができる意義は大きい。

高電圧電源４が燃料電池である場合、燃料電池スタックは反応ガスが供給されている間は発電が続き、しかもセル積層数が大きいと高電圧である。本発明の回路１において、複数の電流遮断装置２、３を設けて確実に、電流遮断装置２、３をオフとすることにより、負荷５へ高電圧電流が流れ続けることを防止することができる意義は大きい。

本発明の回路の回路図である。 図１の回路を燃料電池自動車のフロントコンパートメントに配置した場合の平面図である。 電流遮断装置の概略断面図である。 本発明の回路が接続される燃料電池スタックの側面図である。 図４の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。 図４の燃料電池スタックのセルの正面図である。

符号の説明

１ 回路
２、３ マニュアル操作の電流遮断装置
４ 高電圧電源（たとえば、燃料電池スタック）
５ 負荷（たとえば、モータ）
６ 自動の電源リレー
７ 電流遮断装置の固定部
８ 電流遮断装置の可動部
９ 電源ケース
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 電源ケースの互いに異なる側面
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３、１６ 拡散層
１４ アノード
１７ カソード
１８ セパレータ
１９ ＭＥＡ
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 第１のシール部材
３３ 第２のシール部材
５０ 移動体（たとえば、燃料電池自動車）
５１ 移動体の人間を収容する空間（たとえば、車室）
５２ ダッシュボード

Claims (5)

1. 移動体に搭載された、高電圧電源から負荷への回路であって、前記回路に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置が、複数箇所、直列に設けられている回路。
2. 前記電源を収容する電源ケースを有し、複数箇所に設けられる前記電流遮断装置が、前記電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されている請求項１記載の回路。
3. 前記互いに離れた部位は、前記電源ケースの互いに異なる面の外面にある請求項２記載の回路。
4. 前記移動体は人間を収容する空間を有し、複数の前記電流遮断装置のうち少なくとも１つは前記人間を収容する空間からアクセスおよび遮断操作可能である請求項１〜請求項３の何れか一項記載の回路。
5. 前記高電圧電源が燃料電池である請求項１〜請求項４の何れか一項記載の回路。

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