JP2013180643A - 燃料電池ユニット及び燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池車両の床下空間に燃料電池ユニットを配置する場合において、燃料電池の発電領域を確保して発電性能を維持する。
【解決手段】複数積層された燃料電池セル１１を有する燃料電池１０と、各燃料電池セル１１の状態を監視するためのセルモニタ２０と、を備え、燃料電池車両の床下空間に配置される燃料電池ユニット１であって、燃料電池１０の側方領域にセルモニタ２０を配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池ユニット及び燃料電池車両に関する。
従来より、燃料電池とその周辺機器（セルモニタや制御回路等）とから構成される燃料電池ユニットが、車両等の各種構造体に搭載されて使用に供されている。燃料電池ユニットを構造体に搭載する際には、燃料電池ユニットを所定のケースに収納することにより、燃料電池や周辺機器を外部の水分や電磁波から保護するとともに電気絶縁を実現させるのが一般的である。
現在においては、周辺機器と燃料電池とを電気的に接続するためのケーブルと、燃料電池ユニットを収納するためのケースと、の間に保護シートを配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような技術を採用すると、ケースへのケーブルの接触を防いでケーブルの破損を抑制することができる、とされている。
特開２００９−１６３９０９号公報
ところで、特許文献１に記載されたような従来の燃料電池ユニット１００（図４参照）においては、セルモニタ１１０を燃料電池１２０の上方に配置していた。このようにセルモニタ１１０を燃料電池１２０の上方に配置すると、燃料電池ユニット１００の高さ寸法が大きくなってしまう。従って、例えば車両の床下空間のように高さ寸法に制約がある空間に燃料電池ユニット１００を配置する場合には、燃料電池１２０自体の高さを抑える必要がある。このように燃料電池１２０自体の高さを抑えるには、燃料電池１２０を構成する燃料電池セル１２１の発電領域を縮小させる必要があり、この結果、燃料電池１２０の発電性能が低下してしまうという問題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池車両の床下空間に燃料電池ユニットを配置する場合において、燃料電池の発電領域を確保して発電性能を維持することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池ユニットは、複数積層された燃料電池セルを有する燃料電池と、各燃料電池セルの状態を監視するためのセルモニタと、を備え、燃料電池車両の床下空間に配置される燃料電池ユニットであって、セルモニタが、燃料電池の側方領域に配置されているものである。
かかる構成を採用すると、燃料電池の側方領域（燃料電池の高さ方向最上部に接する仮想平面と燃料電池の高さ方向最下部に接する仮想平面との間の領域）にセルモニタを配置しているので、燃料電池車両の床下空間に燃料電池を配置する際に、その空間の高さ方向の寸法を燃料電池で最大限占有することができる。従って、燃料電池車両の床下空間の高さ寸法に制約がある場合においても、燃料電池を構成する燃料電池セルの発電領域を確保することができ、燃料電池の発電性能を維持することができる。４つの側面を有する略直方体形状を呈する燃料電池を採用した場合には、燃料電池の少なくとも一つの側面にセルモニタを配置することができる。
本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、燃料電池セルの積層方向を略水平方向とすることができる。かかる場合には、燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックの積層面（燃料電池スタックの側面のうち燃料電池セルが積層されることにより形成される側面）にセルモニタを配置するとともに、各燃料電池セルのコネクタを燃料電池スタックの積層面に配置することができる。
かかる構成を採用すると、燃料電池スタックの積層面にセルモニタが配置されるとともに、この積層面に各燃料電池セルのコネクタが配置されているため、セルモニタのコネクタと各燃料電池セルのコネクタとを接続するケーブルの長さを短くすることができる。
また、本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、セルモニタは、燃料電池セルの積層方向に対して略平行に延在する少なくとも一つの側面を有することができる。そして、これら側面のうち各燃料電池セルのコネクタに最も近い位置にある側面にセルモニタのコネクタを配置することが好ましい。
かかる構成を採用すると、セルモニタのコネクタが、燃料電池セルの積層方向に対して略平行に延在しかつ各燃料電池セルのコネクタに最も近い位置にある側面に配置されているため、セルモニタのコネクタと各燃料電池セルのコネクタとを電気的に接続するケーブルの折曲が不要となる。
また、本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、セルモニタが燃料電池セルの積層方向に対して略平行に延在する少なくとも一つの側面を有する場合に、これら側面のうち鉛直方向下側にある側面にセルモニタのコネクタを配置することが好ましい。この際、燃料電池スタックの積層面の鉛直方向下側領域に各燃料電池セルのコネクタを配置することができる。
かかる構成を採用すると、セルモニタのコネクタが、鉛直方向下側にある側面に配置されているため、セルモニタの上方から結露水が滴下するような状況においても、セルモニタのコネクタが結露水に接触し難くなる。従って、防滴用プロテクタ等を設けたり防水コネクタを採用したりする必要がなくなるので、部品点数の増大を抑制してユニットの低廉化を達成することができるとともに、部品増大に伴うユニットの大型化を抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池ユニットにおいて、燃料電池は、発電用の反応ガスを排出させるための貫通孔を有することができる。かかる場合において、各燃料電池セルのコネクタの少なくとも何れか一つを、貫通孔付近に配置することが好ましい。
かかる構成を採用すると、発電用の反応ガスを排出させるための貫通孔付近に燃料電池セルのコネクタが配置されているため、電圧低下が発生し易い部位をモニタリングすることができる。従って、燃料電池セルの電圧低下を迅速に検出することができる。
また、本発明に係る燃料電池車両は、前記燃料電池ユニットを備えるものであって、燃料電池ユニットが床下空間に配置されているものである。
本発明によれば、燃料電池車両の床下空間に燃料電池ユニットを配置する場合において、燃料電池の発電領域を確保して発電性能を維持することが可能となる。
本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットを搭載した燃料電池車両の側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットのコネクタ近傍部分の拡大図である。 従来の燃料電池ユニットの分解斜視図である。 従来の燃料電池ユニットのコネクタ近傍部分の拡大図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態においては、図１に示すように、燃料電池車両ＣのフロアＦの下方空間（以下、「床下空間」という）ＳFに配置される燃料電池ユニット１に本発明を適用した例について説明する。
本実施形態に係る燃料電池ユニット１は、図２に示すように、複数積層された燃料電池セル（単電池）１１を有する燃料電池１０と、各燃料電池セル１１の状態を監視するためのセルモニタ２０と、燃料電池１０及びセルモニタ２０を収納する燃料電池ケース３０と、を備えている。
燃料電池１０は、膜・電極接合体とセパレータとからなる平面視略矩形状を呈する板状の燃料電池セル１１を複数積層して構成した積層体と、この積層体のセル積層方向両端に配置された（図示されていない）エンドプレートと、を有している。そして、両エンドプレートで積層体を挟持してセル積層方向に圧縮力を作用させ積層体の外側でセル積層方向に沿って延在する（図示されていない）テンションプレートを両エンドプレートに固定することにより、４つの側面を有する略直方体形状の燃料電池スタック１２を構成している。燃料電池１０は、燃料電池セル１１の積層方向が略水平方向（燃料電池車両Ｃの車幅方向）となるようにケース３０内に収納された状態で床下空間ＳFに配置されている。なお、本実施形態においては、１列の燃料電池スタック１２を採用しているが、２列以上の燃料電池スタック１２を並べて配置することもできる。
各燃料電池セル１１は、図３に示すように、ケーブル接続用のコネクタ１１ａを有している。各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａは、ケーブル４０を介して、セルモニタ２０のコネクタ２１に電気的に接続されることとなる。各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａは、図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１２の積層面（燃料電池スタック１２の側面のうち燃料電池セル１１が積層されることにより形成される側面）１３の鉛直方向下側の領域に配置されている。また、燃料電池１０は、発電用の反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を排出するための貫通孔１４を有しており、セル積層方向端部に配置された燃料電池セル１１のコネクタ１１ａは、この貫通孔１４付近に配置されている。
セルモニタ２０は、各燃料電池セル１１の状態（電圧、電流、温度等）を監視するための電子機器であり、図２及び図３に示すように、燃料電池１０の側方領域に配置されている。ここで、燃料電池１０の「側方領域」とは、燃料電池１０の高さ方向最上部に接する仮想平面と、燃料電池１０の高さ方向最下部に接する仮想平面と、の間の領域を意味している。セルモニタ２０が燃料電池１０の上方ではなく側方領域に配置されることにより、床下空間ＳFの高さ方向の寸法を燃料電池１０で最大限占有することができるので、燃料電池セル１１の発電領域を確保することができ、燃料電池１０の発電性能を維持することができることとなる。
本実施形態においては、セルモニタ２０を、燃料電池スタック１２の積層面１３（燃料電池１０の側方領域の一例）に配置している。なお、本実施形態においては、燃料電池車両Ｃの車幅方向に沿って燃料電池セル１１を積層していることから、燃料電池スタック１２の積層面１３は、燃料電池車両Ｃの車両前方側と車両後方側に形成されることとなる。セルモニタ２０は、これら二つの積層面１３のうち何れか一方に配置することができる。なお、セルモニタ２０は、燃料電池スタック１２の積層面１３に密着していてもよく、積層面１３から若干離隔した状態で配置されていてもよい。
セルモニタ２０は、図２及び図３に示すように、燃料電池セル１１の積層方向（略水平方向）に対して略平行に延在する二つの側面（下方側面２１及び上方側面２２）を有している。そして、図３に示すように、各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａに最も近い位置にある鉛直方向下側の側面（下方側面２１）にコネクタ２１ａが配置されている。セルモニタ２０のコネクタ２１ａは、このようにセルモニタ２０の下方側面２１に配置されて下向きとされているため、セルモニタ２０の上方から結露水が滴下するような状況においても、コネクタ２１ａが結露水に接触し難くなる。
燃料電池ケース３０は、図２に示すように、上方に配置されるアッパケース３１と、アッパケース３１の下方開口部に取り付けられる下部カバー３２と、から略直方体状に構成されており、高い電磁シールド性、気密性及び液密性を有している。燃料電池ケース３０は、床下空間ＳFに配置された状態で、（図示していない）固定部材によって固定されることとなる。
以上説明した実施形態に係る燃料電池ユニット１においては、燃料電池１０の側方領域（燃料電池スタック１２の積層面１３）にセルモニタ２０を配置しているので、燃料電池車両Ｃの床下空間ＳFに燃料電池１０を配置する際に、床下空間ＳFの高さ方向の寸法を燃料電池１０で最大限占有することができる。従って、高さ寸法に制約がある床下空間ＳFに配置した場合においても、燃料電池１０を構成する燃料電池セル１１の発電領域を確保することができ、燃料電池１０の発電性能を維持することができる。
なお、従来は、図４に示すように、セルモニタ１１０のコネクタ１１１の並ぶ方向と、燃料電池１２０を構成する燃料電池セル１２１のコネクタ１２２の並ぶ方向と、が直交している場合があり、かかる場合には、コネクタ同士を接続するケーブル３００を延長したり折曲したりする必要があり、組み付け作業が困難となるという問題があった。
また、従来は、セルモニタ１１０を燃料電池１２０の上方に配置していたため、図５に示すように、セルモニタ１１０のコネクタ１１１が上方に露出していた。すると、図４に示すような燃料電池収納用ケース２００（筐体２１０及び上部カバー２２０）の内部で生成された結露水が、セルモニタ１１０のコネクタ１１１に滴下して接触してしまう可能性がある。このため、防滴用プロテクタや防水コネクタを採用する必要があることから、部品点数が増大し、ユニットの大型化やコストアップ等の問題が発生していた。
これに対し、以上説明した実施形態に係る燃料電池ユニット１においては、燃料電池スタック１２の積層面１３にセルモニタ２０が配置されるとともに、この積層面１３に各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａが配置されているため、セルモニタ２０のコネクタ２１ａと各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａとを接続するケーブル４０の長さを短くすることができる。そして、本燃料電池ユニット１においては、セルモニタ２０のコネクタ２１ａが、燃料電池セル１１の積層方向に対して略平行に延在しかつ各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａに最も近い位置にある下方側面２１に配置されているため、セルモニタ２０のコネクタ２１ａと各燃料電池セル１１のコネクタ１１ａとを電気的に接続するケーブル４０の折曲が不要となる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池ユニット１においては、セルモニタ２０のコネクタ２１ａが、鉛直方向下側の側面（下方側面２１）に配置されているため、セルモニタ２０の上方から結露水が滴下するような状況においても、セルモニタ２０のコネクタ２１ａが結露水に接触し難くなる。従って、防滴用プロテクタ等を設けたり防水コネクタを採用したりする必要がなくなるので、部品点数の増大を抑制してユニットの低廉化を達成することができるとともに、部品増大に伴うユニットの大型化を抑制することができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池ユニット１においては、発電用の反応ガスを排出させるための貫通孔１４付近に燃料電池セル１１のコネクタ１１ａが配置されているため、電圧低下が発生し易い部位をモニタリングすることができる。従って、燃料電池セル１１の電圧低下を迅速に検出することができる。
なお、以上の実施形態においては、燃料電池車両Ｃの床下空間ＳFに燃料電池ユニット１を配置した例を示したが、燃料電池ユニット１を配置する空間はこれに限られるものではない。例えば、図１に示すように、燃料電池車両ＣのダッシュパネルＰの前方の空間（車両前方空間）ＳPや、座席Ｄの後方の空間（車両後方空間）ＳDに燃料電池ユニット１を配置することもできる。燃料電池車両Ｃの形状や大きさによってはこれら車両前方空間ＳP及び車両後方空間ＳDの高さ方向の寸法が制約されることがあるが、本発明に係る燃料電池ユニットを採用することにより、これら空間ＳP・ＳDの高さ方向の寸法を燃料電池で最大限占有することができ、燃料電池セルの発電領域を確保して燃料電池の発電性能を維持することができる。
また、以上の実施形態においては、平面視略矩形状を呈する板状の燃料電池セル１１を複数積層して略直方体形状を呈する燃料電池セル１２（燃料電池１０）を構成した例を示したが、燃料電池セル１１の形状や燃料電池セル１２（燃料電池１０）の形状はこれに限られるものではない。また、以上の実施形態においては、燃料電池車両Ｃの車幅方向に沿って燃料電池セル１１を積層した例を示したが、燃料電池車両Ｃの車両前後方向に沿って燃料電池セル１１を積層することもできる。
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池ユニットを燃料電池車両Ｃに搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池ユニットを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池ユニットを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１…燃料電池ユニット、１０…燃料電池、１１…燃料電池セル、１１ａ…コネクタ、１２…燃料電池スタック、１３…積層面、１４…貫通孔、２０…セルモニタ、２１…下方側面、２１ａ…コネクタ、Ｃ…燃料電池車両、ＳF…床下空間。

Claims (8)

  1. 複数積層された燃料電池セルを有する燃料電池と、前記各燃料電池セルの状態を監視するためのセルモニタと、を備え、燃料電池車両の床下空間に配置される燃料電池ユニットであって、
    前記セルモニタは、前記燃料電池の側方領域に配置されている、
    燃料電池ユニット。
  2. 前記燃料電池は、４つの側面を有する略直方体形状を呈しており、
    前記セルモニタは、前記燃料電池の少なくとも一つの前記側面に配置されている、
    請求項１に記載の燃料電池ユニット。
  3. 前記燃料電池セルの積層方向は、略水平方向とされており、
    前記セルモニタは、前記燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタックの積層面に配置されており、
    前記各燃料電池セルのコネクタは、前記積層面に配置されている、
    請求項１又は２に記載の燃料電池ユニット。
  4. 前記セルモニタは、前記燃料電池セルの積層方向に対して略平行に延在する少なくとも一つの側面を有しており、
    前記セルモニタのコネクタは、前記各燃料電池セルの前記コネクタに最も近い位置にある前記側面に配置されている、
    請求項３に記載の燃料電池ユニット。
  5. 前記セルモニタは、前記燃料電池セルの積層方向に対して略平行に延在する少なくとも一つの側面を有しており、
    前記セルモニタのコネクタは、鉛直方向下側にある前記側面に配置されている、
    請求項３又は４に記載の燃料電池ユニット。
  6. 前記各燃料電池セルのコネクタは、前記積層面の鉛直方向下側の領域に配置されている、
    請求項５に記載の燃料電池ユニット。
  7. 前記燃料電池は、発電用の反応ガスを排出させるための貫通孔を有し、
    前記各燃料電池セルの前記コネクタの少なくとも何れか一つは、前記貫通孔付近に配置されている、
    請求項３から６の何れか一項に記載の燃料電池ユニット。
  8. 請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを備える燃料電池車両であって、
    前記燃料電池ユニットは、床下空間に配置されている、
    燃料電池車両。
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