JPWO2006090922A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システム搭載車両 - Google Patents

Abstract

外部から回路基板に対する、あるいは回路基板から外部に対する電磁ノイズの影響を抑制し、燃料電池スタックの安定的な運転を実現するため、複数のセルが積層されてなる燃料電池スタック（４）と、該燃料電池スタック（４）のセル電圧を監視するセルモニタ基板（１１）とが燃料電池ケース（１４）内に収容され、この燃料電池スタック（４）にインバータ等の電力変換機器が接続された燃料電池システムにおいて、セルモニタ基板（１１）が電磁波シールド性の高いセルモニタカバー（２０）で覆われている。セルモニタカバー（２０）は、例えば、銅、鉄、アルミ等の導体より構成されている。

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システム搭載車両に関し、特に燃料電池スタックのセルモニタ用回路基板の電磁シールドに関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねて構成される。詳細には、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、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）とボルトにて固定して、燃料電池スタックが形成される。
燃料電池スタックを安定的に運転するために、セル電圧を監視するセルモニタが燃料電池スタックの例えば上方に固定される。このセルモニタは、例えば特開２００４−１２７７７９号公報に開示されているように、セルモニタ回路基板が防水性シールを有するケースで覆われた上で、燃料電池ケースの外面に取り付けられることもあれば、ケースプレートを介して燃料電池スタックの上方に固定され、この燃料電池スタックと共に燃料電池ケース内に収容されることもある。

ところで、燃料電池スタックがインバータ等の電力変換機器と接続されていると、電力変換機器からの電磁ノイズが燃料電池スタックから発せられる。この電磁波の影響により、セルモニタ（回路基板）が誤動作する可能性がある。また、セルモニタから放出される電磁ノイズが外部の電子機器の誤動作を招く可能性もある。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、外部から回路基板に対する、あるいは回路基板から外部に対する電磁ノイズの影響を抑制し、燃料電池スタックを安定的に運転することができる燃料電池システムと燃料電池システム搭載車両を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのセル電圧を監視する回路基板と、前記燃料電池スタックに接続された電力変換機器とを備えた燃料電池システムにおいて、前記回路基板が電磁波シールド性を有するカバーで覆われている。
ここで、電磁波シールド性を有するとは、少なくとも４０〜１２０ｄｂのシールド効果を有することをいう。また、セル電圧の監視には、セル電圧を検出することも含まれる。
この発明によれば、電力変換機器から燃料電池スタックを介して放出される電磁波等、回路基板の外部からの電磁ノイズがカバーにより遮蔽（シールド）される。また逆に、回路基板からの電磁ノイズが外部へ放出されることも抑制される。
好ましくはカバーを導体により構成する、あるいはカバー本体の表面に導体層を形成することで、高い電磁波シールド性を得ることができる。また、カバーは回路基板の略全面を覆うように設けることで、より高い電磁波シールド性を得ることができる。
さらに好ましくは、カバーを不透水性の素材により構成することで、回路基板の周辺（図１〜３に示す実施形態では、燃料電池ケース内）で生じた結露水が回路基板に付着することが抑制される。
本発明の燃料電池システム搭載車両は、上記いずれかの構成を有する燃料電池システムが搭載された車両において、前記カバーが導通部を介して車両側の導体部と導通している。ここで、導通部とは、カバーと車両側の導体部（例えば、車両ボディ、車両フレーム等）とを直接連結して両者を導通させるもの（例えば、導通ケーブル）でもよいし、カバーと車両側の導体部との間に配置された燃料電池システムの構成部品のうち導通性を有する部品（図２，３に示す実施形態では、金属製の燃料電池ケース等）を含むものでもよい。
この発明によれば、回路基板を覆うカバーを燃料電池システムが搭載されている車両側の導体部へ導通部を介して接地（アース）させることができので、電磁ノイズの影響を抑制する効果の向上、さらには安全性の向上を図ることができる。
回路基板は、例えば、燃料電池スタックのうち少なくとも一部のセルと、配線たるセルモニタケーブルによって電気的に接続されている。また、回路基板は、例えば、燃料電池スタックのフレームまたはその筐体に、ブラケット等を介して間接的に又は直接的に固定されている。ここで、フレームとは、セル積層体を支持する、またはセル積層体へ締結力を付与するものであり、例えば、エンドプレートやテンションプレート、テンションボルト等があげられる。一方、筐体には、セル積層体の保護を目的とした部材等も含まれる。
燃料電池スタックは、電力変換器（インバータ、コンバータ等）を介して、蓄電装置（バッテリやキャパシタ）や走行用モータに電力を供給する。これらの電力機器（燃料電池、電力変換器、蓄電装置、走行用モータ）は、電磁シールド性を有するケースで別個独立に覆われているのが好ましく、また、電力機器間で電力を授受するケーブルはシールドケーブルが好ましい。さらに、それらのケースおよびシールドケーブルのシールド線は、カバー（セルモニタカバー、セルモニタケース）と共通の車両の導体部と導通していることが望ましい。この構成により、セルモニタ（回路基板）を含む各電力機器間でのノイズによる影響がさらに低減される。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの要部を示す側面図。
図２は、同燃料電池システムの変形例の要部を示す側面図。
図３は、図２に示す燃料電池スタックを収容した燃料電池ケースが車両に搭載された状態の一例を示す断面図。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は燃料電池システムを示した側面図である。なお、以下においては固体高分子電解質型燃料電池を用いて説明するが、下記の例に限定されるものではない。
本実施形態において示す燃料電池スタックは固体高分子電解質型の燃料電池スタックであり、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねて構成される。詳細には、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、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）とボルトにて固定して、燃料電池スタックが形成される。
図１において、符号１はエンドプレート２Ａ、２Ｂにより両端から締結されたセル積層体であり、エンドプレート２Ａ、２Ｂ間がテンションプレート５で締結されて燃料電池スタック４が形成されている。燃料電池スタック４の上方には複数のカラー６を介してケースプレート１０が支持され、該ケースプレート１０の上方にはセル毎あるいは複数セル群毎のセル電圧を監視するセルモニタ１１（回路基板）が固定されている。
このように、本実施形態では、セルモニタ１１は、テンションプレート５にカラー６及びケースプレート１０を介して取り付けられている。
符号１３は燃料電池スタック４を支持するマウントであり、燃料電池スタック４は、マウント１３に支持された状態でセルモニタ１１と共に燃料電池ケース１４に収容されている。
また、燃料電池スタック４には、当該燃料電池スタック４と二次電池の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換（ＤＣ−ＡＣ変換）してトラクションモータ及び補機モータのそれぞれに交流電力を供給するトラクションインバータ（電力変換機器）及び補機インバータ（電力変換機器）が接続されている。
燃料電池スタック４からは微量の水素ガスが透過するため、燃料電池ケース１４内の換気の為に、燃料電池ケース１４には換気膜１５が設けられている。換気膜１５は液体や異物などの侵入を防ぐために気体のみを選択的に透過させる膜である。なお、この換気膜１５に代えて、換気口、ファン、ルーバー等を採用することも可能である。
符号２０は、セルモニタ１１を燃料電池スタック４とは別個独立に覆うセルモニタカバー（カバー）である。セルモニタカバー２０は、不透水性であって電磁波シールド性の高い素材、例えば、銅あるいは銅系合金、鉄あるいは鉄系合金、アルミあるいはアルミ系合金等の導体より構成されている。このような構成に限らず、セルモニタカバー２０は、樹脂製等のカバー本体の表面に導体層を形成する、あるいは導電性樹脂等により構成されていてもよい。
セルモニタカバー２０は、配線類の差し込み口等を除きセルモニタ１１の全体を囲って設けられている。
本実施形態の燃料電池システムは、以上のように構成されていることにより、燃料電池スタック４に接続されているインバータ等の電力変換機器から当該燃料電池スタック４を介して放出される電磁波等、セルモニタ１１の外部から該セルモニタ１１に向かって電磁ノイズが放出されても、この電磁ノイズをセルモニタカバー２０により遮蔽することができる。
またこれとは逆に、セルモニタ１１からの電磁ノイズが外部へ放出されることも抑制することができる。したがって、セルモニタ１１やその外部に配された電子機器の誤動作を抑えて、燃料電池スタック４の安定的運転を実現することができる。
ところで、燃料電池スタック４からは微量の水素ガスが透過するため、換気膜１５を設けて換気を行っている。したがって、換気口、ファン、ルーバー等を設けている場合と同様、換気膜１５から外気が取り込まれるために燃料電池ケース１４内に水蒸気が侵入し、結露水２５が発生する可能性がある。
本実施形態においては、セルモニタカバー２０が不透水性でもあるため、図のように燃料電池ケース１４の内壁上面に生じた結露水２５が落下した場合でも、結露水２５が直接セルモニタ１１に付着することが抑えられる。したがってセルモニタ１１の誤動作を防止して燃料電池スタック４をより安定的に運転することができる。
なお、結露を防ぐ方法としては、燃料電池ケース１４を２重構造とする、燃料電池ケース１４の上面を親水性とし、ケース１４上面を傾斜状態とすることで、セルモニタ１１上に結露水が落下することを防ぐ、または、燃料電池ケース１４内面に断熱材を設ける、等の方法を採用することができる。また、結露水がセルモニタ１１に付着することを防ぐ方法としては、セルモニタ１１を不透水性の材料でモールディングする、といった方法を採用することができる。
次に、本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態と、この燃料電池システムを搭載した車両の一実施形態について、図２及び図３を参照して説明する。以下では、図１に示した燃料電池システムとの相違点を中心に説明するものとする。
本実施形態の燃料電池システム及び車両１００では、図２及び図３に示すように、上記の不透水性であって電磁波シールド性の高い導体よりなるセルモニタカバー２０と、例えばステンレスやアルミニウム等の導体よりなる燃料電池ケース１４とが、導通ケーブル１２０を介して電気的に接続されている。
また、燃料電池ケース１４は、車両１００側の導体部の一つである金属製の車両フレーム１１０上に不図示の締結ボルト等により固定されている。以上により、本実施形態のセルモニタカバー２０は、導通ケーブル１２０と燃料電池ケース１４とを介して車両フレーム１１０に導通している。
このような構成により、本実施形態の燃料電池システム及びそれを搭載した車両１００によれば、セルモニタ１１を覆うセルモニタカバー２０を、車両１００側の導体部である車両フレーム１１０へ導通部である導通ケーブル１２０及び燃料電池ケース１４を介して接地（アース）させることができので、上記電磁ノイズの影響を抑制する効果の向上、さらには安全性の向上を図ることができる。
この実施形態では、セルモニタカバー２０は、車両１００側の車両フレーム１１０と導通しているが、車両１００側の導体部であれば他の部分、例えば車両ボディ１１１と導通していてもよい。また、セルモニタカバー２０と車両１００側の導体部との間には、燃料電池ケース１４の他に又は燃料電池ケース１４に代えて、燃料電池システ厶の構成部品のうち導通性を有する部品を介在させてもよい。
以上の実施形態では、燃料電池ケース（スタックケース）１４内にセルモニタ（回路基板）１１が設けられているが、燃料電池ケース１４外にセルモニタ（回路基板）１１およびセルモニタカバー（セルモニタケース）２０が設けられる構成にも本発明は適用可能である。

本発明によれば、電力変換機器から燃料電池スタックを介して放出される電磁波等、回路基板の外部からの電磁ノイズがカバーにより遮蔽されると共に、回路基板からの電磁ノイズが外部へ放出されることも抑制される。したがって、回路基板やその外部に配された電子機器の誤動作を抑えて、燃料電池スタックの安定的運転を実現することができる。
よって、本発明は、そのような要求のある燃料電池システム及び燃料電池システム搭載車両に広く利用することができる。

Claims (4)

1. 複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのセル電圧を監視する回路基板と、前記燃料電池スタックに接続された電力変換機器とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記回路基板が電磁波シールド性を有するカバーで覆われている。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カバーは、前記回路基板の略全面を覆うように設けられている。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カバーは、更に不透水性を有する。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムが搭載された車両において、
   前記カバーは、導通部を介して車両側の導体部と導通している。

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