JP2013004211A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気配線の劣化を抑制することを目的とする。
【解決手段】本発明は、複数枚の単セル１１を重ね合わせた燃料電池スタック１を有する燃料電池システムであって、単セル１１又は単セル１１を複数含む単セル群の起電力を検出する電圧検出装置２と、単セル１１又は単セル群のそれぞれと電圧検出装置２とを電気的に接続する電気配線３１と、電気配線３１に設けられ、電気配線間で短絡が生じたときに、その電気配線間に流れる電流を制限する制限抵抗３２と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、各燃料電池の起電力を検出する電圧検出手段と、各燃料電池及び電圧検出手段を連結して各燃料電池の起電力を電圧検出手段へと導く電気配線と、を備えるものがある（特許文献１参照）。

特開２００９−２３０９５４号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムのように電気配線が剥き出しになっているものは、車両衝突時などに特に電気配線間で短絡が生じやすく、短絡が生じた電気配線に大電流が流れて電気配線等を劣化させるという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、電気配線間で短絡が生じた場合の電気配線等の劣化を抑制することを目的とする。

本発明は、複数枚の単セルを重ね合わせた燃料電池スタックを有する燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、単セル又は単セルを複数含む単セル群の起電力を検出する電圧検出装置と、単セル又は単セル群のそれぞれと電圧検出装置とを電気的に接続する電気配線と、電気配線に設けられ、電気配線間で短絡が生じたときにその電気配線間に流れる電流を制限する制限抵抗と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電気配線間で短絡が生じたときに、その電気配線間に流れる電流を制限する制限抵抗を各電気配線に設けた。そのため、電気配線間で短絡が生じた場合であっても、その電気配線に大電流が流れるのを抑制できる。よって、電気配線等の劣化を抑制することができる。

第１実施形態によるセル電圧監視装置を備える燃料電池スタックの斜視図である。 第１実施形態によるセル電圧監視装置の詳細を示す図である。 第２実施形態によるセル電圧監視装置の詳細を示す図である。 第３実施形態によるセル電圧監視装置の詳細を示す図である。 第５実施形態によるセル電圧監視装置の詳細を示す図である。 第５実施形態によるセル端子と接続線との接続部分の概略拡大図である。 第６実施形態によるセル端子と接続線との接続部分の概略拡大図である。 フレキシブル基板を内部に納めるハウジングについて説明する図である。 フレキシブル基板上の接続線の途中にチップ抵抗を実装しなかった場合の問題点について説明する図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

このとき、燃料電池スタックを構成する各燃料電池（以下「単セル」という。）の１つにでも異常が発生し、通常の起電力が発生できない状態になると、他の正常な単セルにも影響を及ぼして燃料電池スタックを劣化させるおそれがある。そのため、各単セルの起電力（以下「セル電圧」という。）を個別に検出し、各単セルのセル電圧を監視しておく必要がある。

図１は、本実施形態によるセル電圧監視装置２を備える燃料電池スタック１の斜視図である。

燃料電池スタック１は、積層された数百枚の燃料電池（以下「単セル」という）１１（図２参照）を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。単セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）の表裏両面に、セパレータが配置されて構成される。

単セル１１のセパレータには、燃料電池スタック１の一方の側面（図中右側）から突出するセル端子１２が設けられる。

セル電圧監視装置２は、複数のフレキシブル基板３を介して各セル端子１２と電気的に接続される。セル電圧監視装置２は、隣接する２つのセル端子１２の電位差を検出することで、各単セル１１のセル電圧を個別に検出する。

図２は、本実施形態によるセル電圧監視装置２の詳細を示す図である。

セル電圧監視装置２は、単セル１１と同数のオペアンプ２１と、同じ抵抗値（１００［ｋΩ］）を持つ複数の内部抵抗体２２と、複数のアナログデジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ変換器」という。）２３と、１つのマイクロコンピュータ２４と、を回路基板上に配置して構成される。

図２に示すように、フレキシブル基板３上には、燃料電池スタック１の各セル端子１２に接続される接続線３１が複数実装される。これらの接続線３１のうち、各単セル１１の高電位側のセル端子１２と接続される接続線３１は、内部抵抗体（入力抵抗）２２を介してオペアンプ２１の非反転入力端子２１１に接続される。一方で、各単セル１１の低電位側のセル端子１２と接続される接続線３１は、内部抵抗体２２を介してオペアンプ２１の反転入力端子２１２に接続される。

これにより、各オペアンプ２１の出力端子２１３からは、非反転入力端子２１１に入力された電圧と反転入力端子２１２に入力された電圧との電位差、すなわち各単セル１１のセル電圧が出力される。各オペアンプ２１の出力端子２１３から出力された各単セル１１のセル電圧は、Ａ／Ｄ変換器２３に入力される。

Ａ／Ｄ変換器２３は、オペアンプ２１の出力端子２１３から出力された各単セル１１のセル電圧をデジタルデータに変換し、変換したデジタルデータをアイソレータ２５を介してマイクロコンピュータ２４に入力する。

マイクロコンピュータ２４は、デジタルデータに変換した各単セル１１のセル電圧を、燃料電池システムを制御する燃料電池コントローラ４に送信する。

ここで本実施形態では、図２に示すように、フレキシブル基板３上の接続線３１の途中に、それぞれ同じ抵抗値（１［ｋΩ］）を持つチップ抵抗３２を実装している。チップ抵抗３２は、各セル端子１２からの距離が同じ距離となるように、セル端子１２の近傍のフレキシブル基板３上に実装される。以下、このようにチップ抵抗３２を実装した理由について説明する。

図９は、フレキシブル基板３上の接続線３１の途中にチップ抵抗３２を実装しなかった場合の問題点について説明する図である。

図９に示すように、フレキシブル基板３上の接続線３１の途中にチップ抵抗３２を実装しなかった場合は、例えば車両衝突時などに金属部材５がフレキシブル基板３上に接触したときに、隣接する接続線３１間で短絡が生じるおそれがある。そうすると、フレキシブル基板３上の接続線３１に設計値を超える大電流が流れ、接続線３１、ひいてはフレキシブル基板３を劣化させるおそれがある。

そこで本実施形態では、図２に示すように、フレキシブル基板３上の接続線３１の途中にチップ抵抗３２を実装したのである。これにより、隣接する接続線３１間で短絡が生じた場合であっても、チップ抵抗３２によってフレキシブル基板３上の接続線３１に流れる電流を制限することができる。

このとき、チップ抵抗３２の抵抗値を大きくするほど、隣接する接続線３１間で短絡が生じた場合にフレキシブル基板３上の接続線３１に流れる電流を制限することができる。

しかしながら、チップ抵抗３２の抵抗値を大きくするほど、チップ抵抗３２での電圧降下が大きくなる。オペアンプ２１の非反転入力端子２１１及び反転入力端子２１２には、チップ抵抗３２及び内部抵抗体２２で電圧降下した電圧が入力されるので、チップ抵抗３２の抵抗値が大きくなるほど、以下の（３）式に示すように、オペアンプ２１から出力される各単セル１１のセル電圧と、実際のセル電圧との間に剥離が生じる。その結果、セル電圧監視装置２で検出するセル電圧の制度が低下する。

（３）式は、オペアンプ２１の出力端子２１３から出力される電圧Ｖｏｕｔを、単セル１１のセル電圧Ｖ、内部抵抗体２２の抵抗値Ｒ、チップ抵抗３２の抵抗値ｒで表した式である。

〔数１〕

そこで本実施形態では、チップ抵抗３２の抵抗値を、オペアンプ２１から出力される各単セル１１のセル電圧の精度が確保できる程度に設定している。具体的には、チップ抵抗３２の抵抗値を内部抵抗体２２の抵抗値の約１００分の１に設定し、内部抵抗体２２での電圧降下に対してチップ抵抗３２での電圧降下が無視できる程度、すなわち、チップ抵抗３２の抵抗値が内部抵抗体２２の抵抗値に対して十分小さいと言える程度に設定する。

このように、チップ抵抗３２の抵抗値の上限は、オペアンプ２１から出力される各単セル１１のセル電圧の精度を考慮して決定される。

なお、チップ抵抗３２の抵抗値の下限については、隣接する接続線３１間で短絡が生じたときに、接続線３１及びフレキシブル基板３が劣化しない程度、具体的には１００［Ω］程度に設定すれば良い。

以上説明した本実施形態によれば、各単セル１１のセル端子１２と、セル電圧監視装置２と、を電気的に接続するフレキシブル基板３上の接続線３１の途中にチップ抵抗３２を実装した。

これにより、隣接する接続線３１間で短絡が生じた場合であっても、チップ抵抗３２によってフレキシブル基板３上の接続線３１に流れる電流を制限することができる。したがって、フレキシブル基板３上の接続線３１に大電流が流れるのを抑制でき、発熱等によって接続線３１やフレキシブル基板３が劣化するのを抑制できる。

また、本実施形態では、チップ抵抗３２をセル端子１２の近傍のフレキシブル基板３上に実装した。これにより、チップ抵抗３２よりもセル電圧監視装置２側で短絡が生じたときに、確実にチップ抵抗３２によって接続線３１に流れる電流を制限することができる。

また、本実施形態では、内部抵抗体２２での電圧降下に対してチップ抵抗３２での電圧降下が無視できるように、チップ抵抗３２の抵抗値を内部抵抗体２２の抵抗値に対して十分小さい値に設定した。これにより、オペアンプ２１から出力される各単セル１１のセル電圧の精度を確保することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、フレキシブル基板３上の接続線３１の途中に実装するチップ抵抗３２の配置が第１実施形態と相異する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図３は、本発明の第２実施形態によるセル電圧監視装置２の詳細を示す図である。

フレキシブル基板３上の接続線３１の途中にチップ抵抗３２を実装する場合、隣接する接続線３１間の間隔が狭くなると、各セル端子１２からの距離が同じ距離となるようにチップ抵抗３２を実装できないことがある。

そこで、本実施形態では、図３に示すように、各セル端子１２からチップ抵抗３２までの距離を、隣接するチップ抵抗３２の間で交互に異ならせた。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、チップ抵抗３２を実装するために隣接する接続線３１の間隔を拡げる必要がなくなるので、セル電圧監視装置２の小型化を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、フレキシブル基板３上の接続線３１の途中に実装するチップ抵抗３２の配置が第１実施形態と相異する。以下、その相違点について説明する。

図４は、本発明の第３実施形態によるセル電圧監視装置２の詳細を示す図である。

図４に示すように、本実施形態では、隣接するチップ抵抗３２をフレキシブル基板３の表面と裏面に交互に実装した。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、チップ抵抗３２を実装するために隣接する接続線３１の間隔を拡げる必要がなくなるので、セル電圧監視装置２の小型化を図ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、セル電圧監視装置２のマイクロコンピュータ２４で、入力された各単セル１１のセル電圧を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

前述した（３）式に示すように、オペアンプ２１の出力端子２１３から出力される電圧Ｖｏｕｔは、実際の単セル１１のセル電圧に対して誤差を持っている。そこで本実施形態では、この誤差をセル電圧監視装置２のマイクロコンピュータ２４で補正する。

具体的には、オペアンプ２１の出力端子２１３から出力される電圧Ｖｏｕｔに、（Ｒ＋２ｒ）／Ｒを掛けて、チップ抵抗３２及び内部抵抗体２２の影響を排除する。

これにより、セル電圧監視装置２のマイクロコンピュータ２４から燃料電池コントローラ４に送信される各単セル１１のセル電圧のデータが、実際の単セル１１のセル電圧となるので、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、セル電圧監視装置２のセル電圧の検出精度を向上させることができる。

また、チップ抵抗３２の影響を排除できるので、チップ抵抗３２の抵抗値の上限を上げることができる。したがって、隣接する接続線３１間で短絡が生じた場合にフレキシブル基板３上の接続線３１に流れる電流を第１実施形態よりも制限することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、単セル１１のセル端子１２とセル電圧監視装置２とを、フレキシブル基板３を用いずに、単純に接続線３１だけで電気的に接続した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図５は、本発明の第５実施形態によるセル電圧監視装置２の詳細を示す図である。

図５に示すように、本実施形態では、単セル１１のセル端子１２とセル電圧監視装置２とを、フレキシブル基板を用いずに、単純に接続線３１だけで電気的に接続している。

そのため、本実施形態では、隣接する接続線３１間で短絡が生じた場合に接続線３１に流れる電流を制限するための抵抗体としてチップ抵抗を用いることができない。

そこで本実施形態では、セル端子１２と接続線３１とを接続するコネクタ端子３３を抵抗体として使用する。

図６は、本実施形態によるセル端子１２と接続線３１との接続部分の概略拡大図である。

図６に示すように、セル端子１２と接続線３１とは、コネクタ端子３３をそれぞれにかしめて圧着させることで接続される。本実施形態では、このコネクタ端子３３として、所望の抵抗値を持つものを使用する。

これにより、セル端子１２と接続線３１とを接続するためにもともと必要なコネクタ端子３３を、短絡時に接続線３１を流れる電流を制限するための抵抗体として使用することができるので、部品点数の増加を抑制することができる。よって、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、コスト及び製造工数の増加を抑制することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、単セル１１のセル端子１２とセル電圧監視装置２とを、フレキシブル基板３を用いずに、単純に接続線３１だけで電気的に接続した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図７は、本発明の第６実施形態によるセル端子１２と接続線３１との接続部分の概略拡大図である。

本実施形態でも第５実施形態と同様に、単セル１１のセル端子１２とセル電圧監視装置２とを、フレキシブル基板を用いずに、単純に接続線３１だけで電気的に接続している。そのため、本実施形態でも、隣接する接続線３１間で短絡が生じた場合に接続線３１に流れる電流を制限するための抵抗体としてチップ抵抗を用いることができない。

そこで本実施形態では、図７に示すように、セル端子１２とコネクタ端子３３との間に、所望の抵抗値を持つ金属などの抵抗体３４を挟んだ状態で、セル端子１２とコネクタ端子３３とをかしめて圧着させる。なお、本実施形態のコネクタ端子３３は、抵抗体としては機能していない。

これにより、接続線３１の途中に抵抗体を挿入する必要がないので、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、本数が多量となる接続線３１の取り回しの自由度を向上させることができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本発明の第７実施形態は、フレキシブル基板３をハウジング６の内部に配置する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。

図８は、フレキシブル基板３を内部に納めるハウジング６について説明する図である。

図８に示すように、本実施形態では、セル端子１２と、セル端子１２に接続されるとともにセル電圧監視装置２に接続されるフレキシブル基板３とを、それぞれ内部に納めるハウジング６を設ける。

燃料電池スタック１の側面と対向するハウジング６の側面には、セル端子１２を挿入するためのスリットが設けられており、セル端子１２を含めてフレキシブル基板３をハウジング６内に収めることができるようになっている。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、セル端子１２及びフレキシブル基板３をハウジング６で覆うことができるので、車両衝突時などにおいてフレキシブル基板３を保護することができる。したがって、金属部材などがフレキシブル基板３上に接触する確率を小さくできるので、隣接する接続線３１間で短絡が生じるのを抑制できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記各実施形態では、各単セル１１のセル電圧をセル電圧監視装置２によって検出していたが、単セル１１を複数含む単セル群の電圧をセル電圧監視装置２によって検出しても良い。

また、上記第２実施形態では、セル端子１２からチップ抵抗３２までの距離を交互に変更していたが、必ずしも交互である必要はない。

１ 燃料電池スタック
２ 電圧監視装置
３ フレキシブル基板
６ ハウジング
１１ 単セル
２２ 内部抵抗（入力抵抗）
３１ 接続線（電気配線）
３２ チップ抵抗体（制限抵抗）
３３ コネクタ端子（制限抵抗）
３４ 抵抗体（制限抵抗）（金属体）

Claims (10)

1. 複数枚の単セルを重ね合わせた燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
   前記単セル又は前記単セルを複数含む単セル群の起電力を検出する電圧検出装置と、
   前記単セル又は前記単セル群のそれぞれと前記電圧検出装置とを電気的に接続する電気配線と、
   前記電気配線に設けられ、前記電気配線間で短絡が生じたときに、その電気配線間に流れる電流を制限する制限抵抗と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制限抵抗は、前記電圧検出装置よりも前記単セル側の前記電気配線に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制限抵抗の抵抗値は、前記電圧検出装置の入力抵抗に比べて十分小さい、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電圧検出装置は、
   その電圧検出装置の入力抵抗と前記制限抵抗の抵抗値との比に基づいて、検出した前記単セル又は前記単セル群の起電力が、実際の前記単セル又は前記単セル群の起電力に合致するように補正する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記電気配線は、フレキシブル基板上に実装された配線であり、
   前記制限抵抗は、前記フレキシブル基板上に実装されたチップ抵抗である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記チップ抵抗は、隣接するチップ抵抗の前記単セルからの距離が互いに異なるように、前記フレキシブル基板上に実装される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記チップ抵抗は、隣接するチップ抵抗が交互に前記フレキシブル基板の表面及び裏面に配置される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記制限抵抗は、前記単セルと前記電気配線とを接続するコネクタ端子である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記単セルと前記電気配線とを接続するコネクタ端子をさらに備え、
   前記制限抵抗は、前記単セルと前記コネクタ端子との間に挿入される金属体である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記電気配線を内部に納めるハウジングをさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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