JP6341232B2

JP6341232B2 - 燃料電池ユニット

Info

Publication number: JP6341232B2
Application number: JP2016117001A
Authority: JP
Inventors: 今西　雅弘; 雅弘今西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: CN107492671B; DE102017111374B4; CN107492671A; DE102017111374A1; US10243231B2; JP2017224403A; US20170358813A1

Description

本発明は、燃料電池ユニットに関する。

特許文献１には、燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）と、燃料電池に固定されたセルモニタと、セルモニタから車載ＥＣＵ（制御装置）に通信するケーブルと、を備える燃料電池ユニットが記載されている。

特開２０１４−２１６０８８号公報

上記燃料電池ユニットのセルモニタと通信する制御装置は、燃料電池ユニットの外部に設けられているため、セルモニタと制御装置とを接続するケーブル自体に高い防水性が要求され、装置のコスト増加につながるという問題がある。

そこで、発明者は、セルモニタと制御装置とを接続するケーブル自体への防水性の要求を低下させるために、セルモニタと通信する制御装置を燃料電池ユニットの筐体内に収容する構成を採用することとした。しかしながら、例えば、燃料電池と制御装置とを同じケース内に収容し、そのケースの上面の開口を覆うカバーの内側に制御装置を固定する構成とした場合、カバーをケースに取り付ける前に、セルモニタと制御装置との間をケーブルで接続しておくことが要求されるため、組み立ての困難性が高いという問題がある。なお、制御装置を、セルモニタと同様に、燃料電池に対して固定する構成も考えられるが、この場合、組み立ての容易性の問題は改善されるものの、燃料電池の発電に伴う燃料電池の熱膨張・熱収縮の応力によって制御装置の固定状態が不十分となること等の悪影響が懸念される。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池ユニットが提供される。この燃料電池ユニットは、複数のセルが積層されたセルスタックを有する燃料電池と；前記セルをモニタリングするセルモニタと；通信ケーブルを介して前記セルモニタと接続される制御装置と；前記燃料電池を収容する第１のケースと；前記制御装置を収容するとともに、前記第１のケースの上面に固定される第２のケースと；を備える。前記セルモニタは、前記第１のケースから突出するコネクタ部であって、前記通信ケーブルの通信コネクタが接続される接続コネクタが設けられたコネクタ部を有する。前記第２のケースは、前記第１のケースに固定された状態で前記コネクタ部が挿入される挿入空間を有するとともに、前記挿入空間に前記コネクタ部が挿入された状態で前記接続コネクタが向かい合う面にコネクタ開口を有する。
この形態の燃料電池ユニットによれば、第２のケースに収容された制御装置とセルモニタとを接続する通信ケーブルの通信コネクタを、第２のケースのコネクタ開口を通して、セルモニタのコネクタ部に設けられた接続コネクタに容易に接続することができる。また、制御装置は、第２のケースに収容されているので、第１のケースに収容されている燃料電池の熱膨張・熱収縮の応力による制御装置への悪影響を低減することができる。

（２）上記形態の燃料電池ユニットにおいて、さらに、前記第２のケース内に設けられた出力配線に接続されたソケット部と、前記燃料電池の電圧の外部への出力を遮断するために前記ソケット部に着脱可能に装着されるサービスプラグ部と、を有するサービスプラグユニットを備え、前記コネクタ開口は、前記サービスプラグ部のために前記第２のケースの上面に設けられたプラグ開口に連続して設けられている、としても良い。
この形態によれば、プラグ開口及びコネクタ開口を一か所にまとめて効率良く第２のケースに設けることができる。

（３）上記形態の燃料電池ユニットにおいて、前記サービスプラグ部は、前記サービスプラグ部が前記ソケット部に固定されるロック状態と前記サービスプラグ部の前記ソケット部からの取り外しが可能な非ロック状態とを切り替えるために回動するグリップを有し、前記グリップが回動して押し下げられた状態で前記ロック状態となり、前記ロック状態から前記グリップが回動して引き上げられた状態で前記非ロック状態となるように構成されており、前記コネクタ開口は、前記サービスプラグ部が前記ソケット部に装着されて前記ロック状態とされた場合において、押し下げられた状態の前記グリップの下方に配置される、としてもよい。
この形態によれば、ロック状態にあるグリップの下方は、通常は利用されないデッドスペースとなるので、その位置にコネクタ開口を設けることによって、コネクタ開口を効率良く第２のケースに設けることができる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、上述した燃料電池ユニットの他、これを備える燃料電池車両や燃料電池システム等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池ユニットの構成を示すブロック図である。燃料電池ユニットの構成を示す斜視図である。燃料電池ユニットのプラグ開口及びコネクタ開口の部分を拡大して示す斜視図である。変形例の燃料電池ユニットの構成を示す斜視図である。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池ユニット１０の構成を示すブロック図である。燃料電池ユニット１０は、例えば、燃料電池車等の移動体に搭載される燃料電池システムや定置式の燃料電池システムに利用される。燃料電池ユニット１０は、燃料電池部２０と高圧回路部３０とを備える。燃料電池部２０は、複数のセルが積層されたセルスタックを有する燃料電池２１０と、セルの電圧をモニタリングするセルモニタ２２０と、を備える。高圧回路部３０は、燃料電池２１０の出力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣコンバータ３１０と、ＦＣコンバータ３１０を制御する制御装置３２０と、を備える。また、高圧回路部３０は、出力コネクタ３５０と外部通信コネクタ３６０とを備える。出力コネクタ３５０は、ＦＣコンバータ３１０の出力を不図示の負荷装置（例えば、燃料電池車の動力源としてのモータの駆動用のインバータ）へ供給するための出力ケーブルを接続するコネクタである。外部通信コネクタ３６０は、制御装置３２０と、例えば、燃料電池車に搭載される不図示の他の制御装置との間で、通信を行なうための外部通信ケーブルを接続するコネクタである。燃料電池２１０の出力端子とＦＣコンバータ３１０の入力端子との間には、リレー３３０が設けられている。また、制御装置３２０には、通信コネクタ３２２が設けられた通信ケーブル３２４が接続されており、セルモニタ２２０には、通信コネクタ３２２が接続される接続コネクタ２２４が設けられている。制御装置３２０とセルモニタ２２０とは、通信ケーブル３２４及び通信コネクタ３２２と接続コネクタ２２４とを介して通信可能に接続される。また、ＦＣコンバータ３１０の出力と出力コネクタ３５０との間の出力配線３７０には、燃料電池２１０の電圧の外部への出力を遮断するためにサービスプラグユニット３４０が設けられている。サービスプラグユニット３４０は、出力配線３７０に接続されたソケット部３４２と、ソケット部３４２に着脱可能に装着されるサービスプラグ部３４４とを有する。

図２は、燃料電池ユニット１０の構成を示す斜視図である。図中で、Ｘ軸およびＺ軸は水平面と平行であり、＋Ｙ方向は鉛直上方向を示し、−Ｙ方向は鉛直下方を示す。燃料電池ユニット１０は、第１のケース２００と、第１のケース２００の上面に固定されて第１のケース２００を上方から覆うカバーとなる第２のケース３００と、を備える。

図２の左側に示すように、第１のケース２００には、燃料電池部２０の燃料電池２１０が収容され、燃料電池２１０の上方（＋Ｙ方向）の不図示のフレームにセルモニタ２２０が固定されている。燃料電池２１０の各セル２１２のモニタ端子とセルモニタ２２０とは不図示のケーブルにて接続されている。また、第１のケース２００の＋Ｚ方向側の側面には側面開口２０２が設けられている。

燃料電池２１０は、複数のセル２１２がＺ方向に沿って積層されたセルスタックを有している。セルスタックの両側には、不図示のターミナルプレート及びインシュレータが配置されており、セルスタックとその両側のターミナルプレート及びインシュレータとは、第１のエンドプレート２１４及び第２のエンドプレート２１６で挟持されている。燃料電池２１０は、第１のケース２００の＋Ｚ方向側の側面開口２０２から第１のケース２００に挿入され、第１のエンドプレート２１４が側面開口２０２を覆うように第１のケース２００に固定される。なお、第１のエンドプレート２１４には、燃料電池２１０の発電に利用される反応ガス及び冷却媒体の供給配管及び排出配管が接続される供給口及び排出口（不図示）が設けられている。

燃料電池２１０の上方に固定されたセルモニタ２２０は、第１のケース２００から上方に突出するコネクタ部２２２を有しており、コネクタ部２２２の上面２２６に接続コネクタ２２４が設けられている。なお、図２に示すように、本例では、コネクタ部２２２を含むセルモニタ２２０は、全体的に第１のケース２００から上方に突出する直方体状の形状を有している。この構成は、例えば、セルモニタ２２０の回路を実装した回路基板（不図示）をＹＺ平面に沿って立てて配置することにより実現される。

第２のケース３００には、高圧回路部３０のＦＣコンバータ３１０と制御装置３２０とリレー３３０（図２では不図示）とサービスプラグユニット３４０と出力配線３７０とが収容される。第２のケース３００の上面である蓋面３０２には、出力コネクタ３５０及び外部通信コネクタ３６０が設けられている。また、第２のケース３００には、ＦＣコンバータ３１０と制御装置３２０とサービスプラグユニット３４０の収容領域を除く収容空間に、セルモニタ２２０の第１のケース２００から上方に突出したコネクタ部２２２が挿入される予定の挿入空間３０８が設けられている。さらにまた、第２のケース３００の蓋面３０２には、挿入空間３０８にコネクタ部２２２が挿入された状態における接続コネクタ２２４の上方にコネクタ開口３０６が設けられており、サービスプラグユニット３４０の収容位置に対向する領域を開口したプラグ開口３０４が設けられている。図２の例では、コネクタ開口３０６は、プラグ開口３０４に連続して設けられている。プラグ開口３０４には、制御装置３２０に接続された通信ケーブル３２４が、コネクタ開口３０６へ向けて配線されており、通信ケーブル３２４の先端には接続コネクタ２２４に接続される通信コネクタ３２２が設けられている。

図２の左側に示した第１のケース２００に第２のケース３００を組み合わせて固定することにより、図２の右側に示したように、第１のケース２００及び第２のケース３００で構成されるケースに、燃料電池２１０とセルモニタ２２０とＦＣコンバータ３１０と制御装置３２０とリレー３３０（不図示）とサービスプラグユニット３４０とが収容されて一体化された燃料電池ユニット１０が構成される。

図３は、燃料電池ユニット１０のプラグ開口３０４及びコネクタ開口３０６の部分を拡大して示す斜視図である。図３の上側に示すように、コネクタ開口３０６の下方（−Ｙ方向）に配置されるセルモニタ２２０の接続コネクタ２２４に、通信ケーブル３２４の先端に設けられた通信コネクタ３２２を装着することにより、制御装置３２０とセルモニタ２２０とを通信ケーブル３２４を介して容易に接続することができる。これにより、制御装置３２０は、セルモニタ２２０と通信を行ない、セルモニタ２２０による燃料電池２１０のセル２１２の電圧をモニタリングした結果を取得することができる。

サービスプラグユニット３４０のソケット部３４２は、プラグ開口３０４の下方に配置されている。サービスプラグ部３４４は、ロック状態と非ロック状態とを切り替えるために回動するグリップ３４６を有する。図３の下側に示すように、サービスプラグ部３４４をソケット部３４２に装着し、グリップ３４６を回動させて押し下げることにより、サービスプラグユニット３４０をロック状態として固定し、ＦＣコンバータ３１０の出力端子と出力コネクタ３５０とを導通状態とすることができる。一方、ロック状態からグリップ３４６を回動させて引き上げることにより、サービスプラグユニット３４０を非ロック状態（図中破線の状態）として取り外し可能とし、サービスプラグ部３４４をソケット部３４２から引き抜くことにより、ＦＣコンバータ３１０の出力端子と出力コネクタ３５０とを遮断状態とすることができる。

コネクタ開口３０６は、図３の下側に示すように、サービスプラグユニット３４０がロック状態にあるときに、押し下げられた状態のグリップ３４６の下方の位置に配置されている。この場合、ロック状態において押し下げられた状態のグリップ３４６の下方のデッドスペースに、コネクタ開口３０６が配置されているので、デッドスペースを有効に利用してコネクタ開口３０６を効率良く第２のケース３００に設けることができる。また、プラグ開口３０４及びコネクタ開口３０６を一か所にまとめて効率良く第２のケース３００に設けることができる。なお、燃料電池ユニット１０は、プラグ開口３０４及びコネクタ開口３０６を不図示のカバーで覆って遮蔽することにより、防水を図ることができる。

以上説明したように、上記の燃料電池ユニット１０では、第１のケース２００に燃料電池２１０が収容されており、第２のケース３００に制御装置３２０が収容されている。従来技術において説明したように、仮にコネクタ開口３０６を設けないとすると、第１のケース２００と第２のケース３００とを組み合わせる前に、制御装置３２０に接続された通信ケーブル３２４の通信コネクタ３２２をセルモニタ２２０の接続コネクタ２２４に接続した後で、第１のケース２００と第２のケース３００とを組み合わせることが要求され、組み立ての困難性が高くなる。これに対して、上記の燃料電池ユニット１０では、第１のケース２００と第２のケース３００とを組み合わせた後で、第２のケース３００のコネクタ開口３０６を通して、通信ケーブル３２４の通信コネクタ３２２を、セルモニタ２２０の接続コネクタ２２４に容易に接続することができ、組み立ての困難性が緩和される。また、制御装置３２０は、燃料電池２１０を収容する第1のケース２００とは別の第２のケース３００に収容されているので、燃料電池２１０の熱膨張・熱収縮の応力による制御装置３２０への悪影響を低減することができる。

図４は、変形例の燃料電池ユニット１０Ｂの構成を示す斜視図である。変形例の燃料電池ユニット１０Ｂは、図２のセルモニタ２２０及び挿入空間３０８に代えて、以下に説明する構成を有するセルモニタ２２０Ｂ及び挿入空間３０８Ｂを備えている。

図２に示した燃料電池ユニット１０では、コネクタ部２２２を含むセルモニタ２２０の全体が第１のケース２００から上方に突出する直方体形状を有しており、第２のケース３００の挿入空間３０８がこれに対応する形状となっている。これに対して、変形例の燃料電池ユニット１０Ｂでは、セルモニタ２２０Ｂの本体部２２８からコネクタ部２２２Ｂが上方に突出する構成となっている。そして、第２のケース３００の挿入空間３０８Ｂが、セルモニタ２２０Ｂ及びコネクタ部２２２Ｂに対応する形状となっている。

変形例の燃料電池ユニット１０Ｂにおいても、実施形態の燃料電池ユニット１０と同様に、第１のケース２００と第２のケース３００とを組み合わせて一体化した後で、第２のケース３００のコネクタ開口３０６を通して、通信ケーブル３２４の通信コネクタ３２２を、セルモニタ２２０Ｂの接続コネクタ２２４に容易に接続することができる。また、制御装置３２０は、第２のケース３００に収容されているので、燃料電池２１０の熱膨張・熱収縮の応力による制御装置３２０への悪影響を低減することができる。

なお、上記実施形態及び変形例では、セルモニタ２２０，２２０Ｂは、セルの電圧をモニタリングするものとして説明したが、セルの電圧、電流及び温度等の種々のパラメータの少なくとも一つをモニタリングするものとしてもよい。

また、上記実施形態及び変形例では、接続コネクタ２２４の上方の第２のケース３００の蓋面３０２にコネクタ開口３０６を有する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、接続コネクタ２２４が第２のケース３００の側面と向かい合う構成とし、その側面にコネクタ開口３０６を有するようにしてもよい。すなわち、第２のケースは、挿入空間にコネクタ部が挿入された状態で接続コネクタが向かい合う面にコネクタ開口を有する構成としてもよい。

また、上記実施形態及び変形例では、第１のケース２００が下側で第２のケース３００が上側の配置の態様を例に説明したが、天地が逆の配置の態様や、横向きの配置の態様としてもよい。

また、上記実施形態及び変形例では、プラグ開口３０４に連続してコネクタ開口３０６が設けられており、また、コネクタ開口３０６は、サービスプラグユニット３４０のロック状態のグリップ３４６の位置（図３）の下方に設けられている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。コネクタ開口３０６はプラグ開口３０４から分離した状態で設けられるようにしてもよい。また、ロック状態のグリップ３４６の位置の下方とは異なる場所にコネクタ開口３０６が設けられるようにしてもよい。

また、上記実施形態及び変形例では、ＦＣコンバータ３１０を制御する制御装置３２０が、通信ケーブル３２４を介してセルモニタ２２０，２２０Ｂと接続されるものとして説明したが、これに限定されるものではない。ＦＣコンバータ３１０を制御する制御装置３２０とは異なる他の制御装置を第２のケース３００に収容し、この制御装置が通信ケーブル３２４を介してセルモニタ２２０，２２０Ｂと接続される構成としてもよい。

また、燃料電池ユニットに備えられる構成要素は、図１に示した構成要素に限定されるものではなく、少なくとも、燃料電池と、セルモニタと、セルモニタと通信を行なう制御装置と、を備える構成としてもよい。また、これ以外の種々の構成要素を備えるようにしてもよい。サービスプラグユニットを備えない場合、プラグ開口を省略し、コネクタ開口のみを設けるようにすればよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態または変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池ユニット
１０Ｂ…燃料電池ユニット
２０…燃料電池部
３０…高圧回路部
２００…第１のケース
２０２…側面開口
２１０…燃料電池
２１２…セル
２１４…第１のエンドプレート
２１６…第２のエンドプレート
２２０…セルモニタ
２２０Ｂ…セルモニタ
２２２…コネクタ部
２２２Ｂ…コネクタ部
２２４…接続コネクタ
２２６…上面
２２８…本体部
３００…第２のケース
３０２…蓋面
３０４…プラグ開口
３０６…コネクタ開口
３０８…挿入空間
３０８Ｂ…挿入空間
３１０…ＦＣコンバータ
３２０…制御装置
３２２…通信コネクタ
３２４…通信ケーブル
３３０…リレー
３４０…サービスプラグユニット
３４２…ソケット部
３４４…サービスプラグ部
３４６…グリップ
３５０…出力コネクタ
３６０…外部通信コネクタ
３７０…出力配線

Claims

燃料電池ユニットであって、
複数のセルが積層されたセルスタックを有する燃料電池と、
前記セルをモニタリングするセルモニタと、
通信ケーブルを介して前記セルモニタと接続される制御装置と、
前記燃料電池を収容する第１のケースと、
前記制御装置を収容するとともに、前記第１のケースの上面に固定される第２のケースと、
を備え、
前記セルモニタは、前記第１のケースから突出するコネクタ部であって、前記通信ケーブルの通信コネクタが接続される接続コネクタが設けられたコネクタ部を有し、
前記第２のケースは、前記第１のケースに固定された状態で前記コネクタ部が挿入される挿入空間を有するとともに、前記挿入空間に前記コネクタ部が挿入された状態で前記接続コネクタが向かい合う面にコネクタ開口を有する、燃料電池ユニット。
請求項１に記載の燃料電池ユニットであって、
さらに、前記第２のケース内に設けられた出力配線に接続されたソケット部と、前記燃料電池の電圧の外部への出力を遮断するために前記ソケット部に着脱可能に装着されるサービスプラグ部と、を有するサービスプラグユニットを備え、
前記コネクタ開口は、前記サービスプラグ部のために前記第２のケースの上面に設けられたプラグ開口に連続して設けられている、燃料電池ユニット。
請求項２に記載の燃料電池ユニットであって、
前記サービスプラグ部は、前記サービスプラグ部が前記ソケット部に固定されるロック状態と前記サービスプラグ部の前記ソケット部からの取り外しが可能な非ロック状態とを切り替えるために回動するグリップを有し、前記グリップが回動して押し下げられた状態で前記ロック状態となり、前記ロック状態から前記グリップが回動して引き上げられた状態で前記非ロック状態となるように構成されており、
前記コネクタ開口は、前記サービスプラグ部が前記ソケット部に装着されて前記ロック状態とされた場合において、押し下げられた状態の前記グリップの下方に配置される、燃料電池ユニット。