JP4843438B2

JP4843438B2 - 燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の配置構造

Info

Publication number: JP4843438B2
Application number: JP2006263911A
Authority: JP
Inventors: 渉中田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008084711A

Description

本発明は、燃料電池自動車に燃料電池のセル電圧監視装置を配置するのに有用な配置構造に関する。

通常、燃料電池自動車に配置される燃料電池スタックは、高電圧を確保するため、多くの各セルを積層して構成されている。各セルは、電圧検出用のセル端子を備え、各セル端子は、各セルのセル電圧を計測する処理回路の基板を配置したセル電圧監視装置に接続されている。また、このセル電圧監視装置は、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の車載ＬＡＮ（Local Area Network）を介して、他のＥＣＵなどの上位装置に接続されている。そして、セル電圧監視装置では、各セルのセル電圧の計測結果が常時監視され、各セルの発電状態や故障の有無を判定し、故障の発生の際には故障箇所を特定するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１２７７７６号公報

ところで、近年の燃料電池自動車では、車両のセンターコンソール内に燃料電池を収容する構造が知られている。この構造では、運転席と助手席との間に燃料電池が配置されるため、その間の限られたスペースに配置できるように燃料電池スタックの幅も設計されている。一方、セル電圧監視装置にはセル端子からの多くの配線が集線されているため、セル電圧監視装置は自らの体積もさることながら多くの配線によっても多くの設置スペースを必要としている。

そこで、本発明は、処理回路やコネクタ部を有するセル電圧監視装置が、運転席や助手席の乗員に邪魔にならないように、前記センターコンソール内に収容できるようにすることを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、燃料電池スタックのセル電圧の出力信号を処理する処理回路と、前記燃料電池スタックのセパレータに設けられたセル端子からの配線を前記処理回路に接続するコネクタ部とを有する、燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の配置構造において、車両前後方向に積層された前記セパレータの一端面から延在する前記セル端子の各々に対して接続する接続部と、前記セパレータの積層方向に延ばして設けられ一端側を前記接続部に電気的に接続すると共に他端側を前記コネクタ部に電気的に接続する前記配線としてのハーネス部とを備え、前記接続部と前記ハーネス部と前記コネクタ部とを介して、前記セル端子と前記処理回路とを電気的に接続し、前記処理回路を、前記燃料電池スタックの上面に配置させ、前記ハーネス部の少なくとも一部と前記コネクタ部とを、前記燃料電池スタックの上面に配置させ、前記処理回路と前記コネクタ部とを、前記燃料電池自動車の車両のセンターコンソールの上部後側に形成された上部膨出部内に配置させて、前記燃料電池自動車に配置させる構成にした。

この構成によれば、設置スペースを必要とする処理回路とコネクタ部が、車両のセンターコンソールの上部後側に形成された上部膨出部内に配置されるため、運転席や助手席の乗員に邪魔になることもない。また、処理回路が燃料電池スタックの上面に配置されるため、燃料電池スタックからの水滴に対して被水防止効果が期待できる。

なお、コネクタ部を、燃料電池スタックの車両前後方向に沿って設置することが好ましい。このようにすると、コネクタ部の接続ピン数が非常に多くても、燃料電池スタックの側方（車両左右方向）のスペースの設計に負担を掛けず、センターコンソールを幅狭に設計することができる。

また、乗員用の肘掛を、センターコンソールに支持させ、又は、センターコンソールの脇に設置される座席シートに支持させて、上部膨出部よりも上方に配置させることが好ましい。このようにすると、処理回路等を内蔵したセンターコンソールの上部膨出部よりも高い位置に、乗員の肘掛が配置されるため、上部膨出部が運転席や助手席の乗員等の邪魔にならない車両内居住空間を提供することができる。

したがって、本発明によれば、処理回路やコネクタ部を有するセル電圧監視装置が、運転席や助手席の乗員に邪魔にならないように、前記センターコンソール内に収容できる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

[燃料電池自動車]
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池自動車の斜視図である。図１に示すように、燃料電池自動車２００は、燃料電池システム１００を搭載している。燃料電池システム１００は、金属パネル（図示省略）で覆われた燃料電池スタック２と、この燃料電池スタック２の後方に配置される水素タンク１０１と、燃料電池スタック２よりも前方に配置されるコンプレッサ１０２と、燃料電池スタック２よりも後方に配置される、加湿器や希釈ボックスを含む空気排出補機１０３と、燃料電池スタック２よりも前方に配置されるラジエータ１０４（放熱器）と、燃料電池スタック２よりも後方に配置されるレギュレータやエゼクタを含む水素供給補機１０５と、ＥＣＵ（Electric Control Unit）とを主に備えている。

なお、ＥＣＵには、燃料電池スタック２のセル電圧を測定して出力するＥＣＵとしてのセル電圧監視装置１９や、ＦＣ制御ＥＣＵ３等がある。特に、セル電圧監視装置１９とＦＣ制御ＥＣＵ３は、後記するように、ＥＣＵ構造体１として一体化されている。なお、ＥＣＵ構造体１の構造と、セル電圧監視装置１９とＦＣ制御ＥＣＵ３との機能については、後記する。

また、燃料電池スタック２の出力端子には、電動式の走行モータ（図示しない）が接続されており、燃料電池スタック２が発電すると、前記走行モータが駆動し、これを動力として、燃料電池自動車２００が走行するようになっている。

燃料電池スタック２、空気排出補機１０３及び水素供給補機１０５は、燃料電池自動車２００のフロアパネル下のセンターコンソール内に配置されると共に、クロスメンバ等のサブフレームに固定されており、低床化が図られている。

≪燃料電池スタック≫
なお、燃料電池スタック２は、その外形が略直方体である。燃料電池スタック２は、複数の図示しない各セルと、剛性の高い図示しないフロントプレート及び図示しないリアプレートと、を主に備えている。複数の各セルは、その厚み方向に積層されており、フロントプレートとリアプレートとに挟まれている。フロントプレートとリアプレートとは、ボルト等によって締結されており、これにより、各セルの積層状態が維持されている。なお、各セルの積層方向と、燃料電池自動車２００の前後方向（走行方向）とは、一致している。

＜燃料電池スタックのセル電圧＞
また、直列に接続された複数の各セルの積層体（スタック）は、例えば、フロントプレート側で電力取出用のプラス極が、リアプレート側に電力取出用のマイナス極が設けられている。これにより、発生した電力が外部に取り出され、モータや各種電子機器に供給される。その一方で、各セルには、電圧測定用の図示しない一対のセル端子が設けられている。

このセル端子は、図示しない端子を配線した接続部２ｃに電気的に接続している。この接続部２ｃは、燃料電池スタック２の側面から上面に向けて這わせた、多芯フラットハーネス（以下、単に「ハーネス（第１ハーネス部２ａ及び第２ハーネス部２ｂ（図２参照））」と呼ぶ）の各配線に、複数の帯状ケーブル（ハーネス内の一つの芯に相当）２ｄを介して接続している。

なお、このハーネスは、燃料電池スタック２の幅方向で邪魔にならない程度に薄く形成されている。そして、このセル端子は、そのハーネスの各配線を介して、燃料電池スタック２の上面側で、セル電圧監視装置１９のコネクタ部２０ｂに接続されている。これにより、燃料電池スタック２の各セルのセル電圧である電圧信号が、セル電圧監視装置１９に入力される。

なお、各セル５１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟んでいる板状のアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を主に備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜である固体高分子膜と、これを挟んでいるアノード及びカソードとを主に備えている。アノードは固体高分子膜の前方に配置され、カソードは固体高分子膜の後方に配置されている。なお、一対のセル端子のうち、一つはアノードに接続され、もう一つはカソードに接続されている。

≪ＥＣＵ≫
次に、セル電圧監視装置１９とＦＣ制御ＥＣＵ３との機能について説明する。

＜ＦＣ制御ＥＣＵ＞
ＦＣ制御ＥＣＵ３は、コンプレッサモータの駆動制御及び背圧制御弁の駆動制御を行う。また、燃料電池スタック２の状態（圧力、流量、温度）の監視を行う。また、燃料電池スタック２の発電電流制限値の計算を行う。また、各センサから、空気圧力、空気流量、水素圧力、水素流量、冷却水温度（燃料電池スタック２の冷却水出口温度）を入力する。また、セル電圧監視装置１９からセル電圧の計測結果の信号を入力する。また、背圧制御弁に背圧制御弁駆動指令値を送信する。

＜セル電圧監視装置＞
このセル電圧監視装置１９は、燃料電池スタック２の各セルのセル電圧の出力信号を処理するものである。例えば、このセル電圧監視装置１９は、そのセル電圧が所定値以上か否かを判定し所定値よりも低い場合にはエラー信号をＦＣ制御ＥＣＵ３等の上位装置に出力し、各セルに異常が発生していることを報知する。また、そのセル電圧が所定値以上の場合には、正常であることを示す信号をＦＣ制御ＥＣＵ３等の上位装置に出力し、各セルが正常に作動していることを報知する。

[ＥＣＵ構造体の構造]
次に、ＥＣＵ構造体１の構造について説明する。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）の一点鎖線円部分の拡大図である。図１の（ｂ）に示すように、ＥＣＵ構造体１は、燃料電池スタック２の上部に、ボルト等によって取り付けられている。このＥＣＵ構造体１には、下側に位置する板体５ｂの上にセル電圧監視装置１９が配置されている。このセル電圧監視装置１９のコネクタ部２０ｂから延びるケーブルは、燃料電池スタック２の上面に這わせられた第２ハーネス部２ｂの配線に接続され、この第２ハーネス部２ｂを介して、燃料電池スタック２の側面に這わせられた第１ハーネス部２ａに接続されている。また、上側に位置する板体５ａの上には、水素センサ４とＦＣ制御ＥＣＵ３とがボルト等によって取り付けられている。なお、板体５ｂと板体５ａとは接続具５ｄによって一体に接続されている。

[セル電圧監視装置の配置構造]
次に、セル電圧監視装置１９の配置構造について説明する。図２は、本発明の実施形態の燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の燃料電池自動車への配置構造を説明するための車両のセンターコンソール部分の断面を示す図である。

図２に示すように、ダッシュロア３７の下端部からリアシート３４の直前まで至るフロアパネル３５の車幅方向中央部には、これを上方に膨出させて前後方向に延びるセンターコンソール３９が形成されている。センターコンソール３９は、下方に開放する断面コの字状とされており、その下端の空間にセンタートンネル６０を形成する。センタートンネル６０は、センターコンソール３９の前端部がダッシュロア３７の下端部に突き当たることで、モータルームＭＲ内に開放されている。また、センタートンネル６０の後端部は、リアシート３４下から車体後部へ至るリアフロア３６下に開放されている。

そして、フロアパネル３５を上方に膨出させたセンターコンソール３９の下側の空間内（センタートンネル６０内）に、サブフレーム５０上に配置された燃料電池スタック２及び空気排出補機１０３が配置され、その空気排出補機１０３の上部に水素供給補機１０５が収容され、その上方であって上部膨出部３９ａ内にＥＣＵ構造体１が収容されている。その上部膨出部３９ａは、センターコンソール３９の上壁部分が第二傾斜部３８ｄを介してさらに上方に膨出することで、乗員用の肘掛Ｒ等を支持するように形成され、ＥＣＵ構造体１を収容している。

このＥＣＵ構造体１は、燃料電池スタック２の後端部上から水素供給補機１０５上に跨るように設けられている。このＥＣＵ構造体１には、板体５ａと板体５ｂとを接続具５ｄで接続した支持ブラケットが備えられている。板体５ａは、燃料電池スタック２の上面側の金属パネルに一体に取り付けられた固定具５ｃに、ボルト等によって取り付けられている。そのため、ＥＣＵ構造体１と燃料電池スタック２とはスタックパッケージとして一体化されている。したがって、燃料電池自動車２００の製造やメンテナンス時には、燃料電池スタック２と共にＥＣＵ構造体１も同時に燃料電池自動車２００に取り付けられる。

板体５ａ上には、セル電圧監視装置１９がボルト等によって取り付けられている。このセル電圧監視装置１９から出るコネクタ部２０ｂは、第２ハーネス部２ｂに電気的に配線されている。また、セル電圧監視装置１９のコネクタ部２０ａ（図２）は、ＣＡＮの図示しない集線装置に接続されている。

また、板体５ｂ上には、前方側に水素センサ４、後方側にＦＣ制御ＥＣＵ３が、ボルト等によって取り付けられている。水素センサ４は、燃料電池スタック２及びその補機のいずれかから生じた水素を検知するものである。この水素センサ４及びＦＣ制御ＥＣＵ３も集線装置に接続されている。

このように、セル電圧監視装置１９やＦＣ制御ＥＣＵ３を含むＥＣＵ構造体１が、路面側から遠く離れて配置されるため、路面から跳ね上がった水や泥等に対して弱い電子部品の高い防水、防塵効果を期待できる。また、セル電圧監視装置１９を含むＥＣＵ構造体１が肘掛Ｒよりも低い位置の上部膨出部３９ａ部分に収容されているため、運転席や助手席の乗員、さらには、後部座席の乗員の邪魔にならない車両内居住空間を提供することができる。また、セル電圧監視装置１９、ＦＣ制御ＥＣＵ３及び水素センサ４をＥＣＵ構造体１として一体化しているため、配線の効率化を図ることができる。

このセル電圧監視装置１９は、燃料電池スタック２の幅方向の寸法内に収まるように形成されている。また、第２ハーネス部２ｂとセル電圧監視装置１９とを接続するコネクタ部２０ｂを車両前後方向に設置したため、コネクタ部２０ｂの接続ピン数が非常に多くても、燃料電池スタック２の側方（車両左右方向）のスペースの設計に負担を掛けず、センターコンソール３９を幅狭に設計することができる。また、ＥＣＵ構造体１がセンターコンソール３９の上部膨出部３９ａに収容されているため、車両前後方向のスペースにも負担を掛けないため、後車席の足元スペースを広く設計することもできるようになる。また、燃料電池スタック２とＥＣＵ構造体１とがスタックパッケージとして一体化されているため、センターコンソール３９のスリム化による車載性を向上させることができる。

また、サブフレーム５０は、図示しない左右サイドフレーム下においてこれらに沿って（前後方向に沿って）おおむね燃料電池スタック２の全長に渡るように延びる左右サブサイドフレーム５１と、左右センターフレーム４３下においてこれらに沿って（前後方向に沿って）サブサイドフレーム５１よりも後方に長く延びる図示しない左右サブセンターフレームと、左右サブサイドフレーム５１及びその左右サブセンターフレームを結合する前後サブクロスフレーム５３，５４とを有している。

また、サブフレーム５０の下面側には、少なくともセンターコンソール３９の下方を覆うアンダーカバー５９が取り付けられる。そして、フロアパネル３５下には、センターコンソール３９、左右センターフレーム４３、図示しない両サブセンターフレーム内に開放すると共に後端部がリアフロア３６下に開放するセンタートンネル６０が形成される。このようにセンタートンネル６０の前後端が開放することで、その内部の燃料電池２及びその補機類の周辺が自然換気される。

ここで、センターコンソール３９の上壁部分は、フロントシート３３に着座する乗員の足元付近に位置する第一水平部３８ａから斜め上後方に向けて立ち上がる第一傾斜部（車両前方に向けて前下がりに傾斜する傾斜部）３８ｂを連続形成し、かつその後方にフロントシート３３のシートクッション３３ａの上面近くに位置するほぼ水平な第一上壁部３８ｃを連続形成する。また、センターコンソール３９の上壁部分は、第一上壁部３８ｃの後方に、フロントシート３３のシートバック３３ｂの前面手前で斜め上後方に向けて立ち上げる第二傾斜部３８ｄを連続形成し、かつ後方にシートクッション３３ａ上面よりも高い位置にてシートバック３３ｂを前後に横断するほぼ水平な第二上壁部３８ｅを連続形成した後、下方に垂下する垂下壁部３８ｆを介してリアシート３４下のリアフロア３６に連なる。前記隔壁６１は、第一傾斜部３３ｂの下側に設けられ、センタートンネル６０内に生じた水素ガスのモータルームＭＲ内への移動を遮断する。

ここで、センタートンネル６０内の前端側（燃料電池２の前方かつ第一傾斜部３３ｂの下方）には、コンタクタボックス１８が配置されている。

最後に、板体５ａ，５ｂと上部膨出部３９ａの内壁面との位置関係について説明する。図３は、図２のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。図３に示すように、ＥＣＵ構造体１は、燃料電池スタック２の上部に固定具５ｃによって取り付けられている。このＥＣＵ構造体１では、ＦＣ制御ＥＣＵ３と水素センサ４とを配置した板体５ａとセル電圧監視装置１９を配置した板体５ｂとが、接続具５ｄによって一体化されている。そして、板体５ａ及び板体５ｂの端面（図３中左右方向の両側面）は、上部膨出部３９ａの内壁面に近接するように配置されている。このようにすると、板体５ａ，５ｂの水平方向（図３中左右方向（車両側突方向））の移動（振動）を抑止することができる。なお、図３中、コネクタ部２０ａとコネクタ部３ａが表れている

なお、上部膨出部３９ａの内壁面には、板体５ａや板体５ｂの端部が嵌る溝を形成して、接触させてもよい。このようにすると、板体５ａと板体５ｂが、上部膨出部３９ａ内で所定の場所に位置決めされる。また、上部膨出部３９ａの内壁面に板体５ａ及び５ｂを固定具によって固定させるようにしてもよい。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
前記実施形態では、第２ハーネス部２ｂとセル電圧監視装置１９とを接続するコネクタ部２０を前後方向に設置した場合を説明したが、セル電圧監視装置１９の側方に設置するようにしてもよい。

また、前記実施の形態では、下側の板体５ｂにセル電圧監視装置１９を取り付け、上側の板体５ａに水素センサ４とＦＣＥＣＵ３とを取り付けた構造を説明したが、これらはＥＣＵ構造体１として一体になっていれば、どのように取り付けた構造であってもよい。例えば、水素センサ４を板体５ｂに取り付けてもよい。また、一枚の板体にすべての電子部品を取り付けるようにしてもよい。前記実施形態では、水素センサ４、ＦＣＥＣＵ３について説明したが、センサやＥＣＵはこれに限ったものではなく、燃料電池自動車用に備えられる電子ユニット類であればよく、これらをまとめて配置することにより、高い防水性、防塵効果と配線の効率化が図れる。

また、前記実施形態のハーネスは、第１ハーネス部２ａ及び第２ハーネス部２ｂに分け、接続部２ｃや第１ハーネス部２ａを燃料電池スタック２の側面に這わせた構造として説明したが、燃料電池スタック２の各セルのセル端子からの配線を取り出せる構造であれば、これに限らない。例えば、燃料電池スタック２の上面に、接続部とすべてのハーネスとを配置してもよい。この場合、ＥＣＵ構造体１の下方に位置するセル端子については、ＥＣＵ構造体１の下面と燃料電池スタック２の上面との間に形成した空間に、接続部やハーネスを配置して電気的に接続するようにすればよい。

また、前記実施形態では、上部膨出部３９ａが乗員用の肘掛Ｒを支持する構成として説明したが、上部膨出部３９よりも上方に肘掛Ｒを配置させる構造であれば、これに限らず、運転席や助手席のフロントシート３３の脇で肘掛Ｒを支持させるようにしてもよい。

したがって、本実施の形態によれば、セル電圧監視装置１９やコネクタ部２０ｂを有するＥＣＵ構造体１が、運転席や助手席の乗員に邪魔にならないように、前記センターコンソール３９の上部膨出部３９ａ内に収容できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池自動車の斜視図である。本発明の実施携帯の燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の燃料電池自動車への配置構造を説明するための車両のセンターコンソール部分の断面を示す図である。図２のＸ−Ｘ方向から見た断面図である。

符号の説明

１ＥＣＵ構造体
２燃料電池スタック
２ａ第１ハーネス部（ハーネス部）
２ｂ第２ハーネス部（ハーネス部）
２ｃ接続部
３ＦＣ制御ＥＣＵ
４水素センサ
５ａ板体
５ｂ板体
５ｃ固定具
５ｄ接続具
１９セル電圧監視装置
２０ｄコネクタ部

Claims

燃料電池スタックのセル電圧の出力信号を処理する処理回路と、前記燃料電池スタックのセパレータに設けられたセル端子からの配線を前記処理回路に接続するコネクタ部とを有する、燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の配置構造において、
車両前後方向に積層された前記セパレータの一端面から延在する前記セル端子の各々に対して接続する接続部と、前記セパレータの積層方向に延ばして設けられ一端側を前記接続部に電気的に接続すると共に他端側を前記コネクタ部に電気的に接続する前記配線としてのハーネス部とを備え、
前記接続部と前記ハーネス部と前記コネクタ部とを介して、前記セル端子と前記処理回路とを電気的に接続し、
前記処理回路を、前記燃料電池スタックの上面に配置させ、
前記ハーネス部の少なくとも一部と前記コネクタ部とを、前記燃料電池スタックの上面に配置させ、
前記処理回路と前記コネクタ部とを、前記燃料電池自動車の車両のセンターコンソールの上部後側に形成された上部膨出部内に配置させて、前記燃料電池自動車に配置させること、
を特徴とする燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の配置構造。
請求項１において、
前記コネクタ部を、前記燃料電池スタックの車両前後方向に沿って設置したこと
を特徴とする燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の配置構造。
請求項１又は請求項２において、
乗員用の肘掛を、
前記センターコンソールに支持させ、前記上部膨出部よりも上方に配置させること、
を特徴とする燃料電池自動車用燃料電池のセル電圧監視装置の配置構造。