JP3870724B2

JP3870724B2 - 燃料電池の車両搭載構造

Info

Publication number: JP3870724B2
Application number: JP2001175674A
Authority: JP
Inventors: 弘章西海
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-06-11
Also published as: JP2002362165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を車両に搭載する構造に関し、特に、衝突時における燃料電池の電源取り出し部の保護に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題への取り組みの一つとして、燃料電池を駆動エネルギー源に用いた自動車が注目を浴び、試作がなされている。例えば、車両の重量バランスや配置スペース等を考慮して、燃料電池を座席下のスペースなど車両中心位置付近に搭載した燃料電池自動車が試作されている。また最近では燃料電池を車両前方部に搭載することも検討されている。燃料電池自動車は、近い将来の実用化・普及に向けた開発が進展している状況下にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池を車両の前方部に搭載する場合には、車両の衝突時における燃料電池の保護について配慮する必要がある。特に燃料電池の電源取り出し部は高電圧であること、及び電源取り出し部周辺には、電流遮断し安全を図るリレーや電気回路、また燃料電池内部に水素や空気等を供給する分配器が配置されることから、保護の必要性が高い。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、車両の衝突時において燃料電池に及ぶダメージが軽減される燃料電池の車両搭載構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池の車両搭載構造において、前記燃料電池は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに電気的に接続される電源取り出し部と、を有し、前記電源取り出し部は、前記燃料電池スタックに積層される端部電極と、端部電極の周縁に設けられる出力端子と、を備え、前記燃料電池スタックは、積層方向を同じくして並列配置された２列のスタックを備え、２列のスタックは、積層方向の一端側において互いに電気的に接続され、積層方向の他端側に各スタックごとに出力端子が設けられ、前記２列のスタックは、車両前方部において車両の前後方向に並べて配置され、２列のスタックのうちの一方のスタックの出力端子は端部電極の周縁のうちの他方のスタック側に設けられ、２列のスタックのうちの他方のスタックの出力端子は端部電極の周縁のうちの一方のスタック側に設けられる。
【０００６】
車両の走行時の衝突においては前後方向の衝撃力が大きい。よって、衝突時には燃料電池とその前後に配置された装置、部品とのぶつかり合いや、前後方向の圧力が特に燃料電池にダメージを与え得る。本発明によれば、電源取り出し部は車両の側方向きに配置されるので、上述のような前後方向の衝撃力を受けにくく、破損が回避され、または軽減される。
【０００７】
他の本発明に係る燃料電池の車両搭載構造においては、前記燃料電池が、積層方向両端を剛性を有したエンドプレートで支持された単電池の積層体からなり、前記積層方向が前記車両の左右方向であり、前記電源取り出し部が、前記単電池の積層体に電気的に接続され、前記エンドプレートに設けられた開口を貫通して当該エンドプレートより外側に突出した取り出し電極を有する。
【０００８】
本発明は、燃料電池の積層方向端部に設けられるエンドプレートが単電池の積層体に押圧力を及ぼすために、剛性を有する部材で比較的丈夫に作られることを利用する。つまり、エンドプレートはその面に平行な方向の圧縮力に対して強く、よって、エンドプレートの面が車両前後方向に沿うように配置することにより、その圧縮力に抗することが可能となる。特にエンドプレートに開けた開口を通して単電池積層体に接続された取り出し電極を外部に導く構成は、電源取り出し部がエンドプレート面の中央寄りに配置されるので、電源取り出し部がエンドプレートの車両前後方向端部にぶつかる隣接装置等の攻撃を受けにくい。
【０００９】
本発明の好適な態様は、外部からの制御信号に応じて前記燃料電池からの電流を遮断するリレーを、前記エンドプレートの外側面上に配置した車両搭載構造である。衝突時に破壊されにくいエンドプレート上にリレーを配置することにより、当該リレーの破損の回避が図られる。これにより衝突後にも漏電遮断等のリレーの動作が確保され、安全性が向上する。また、リレーが断状態となってもリレーと取り出し電極との間は高電圧が印加されるが、本発明によればリレーと取り出し電極との距離を短くできる。すなわち、リレーが断状態にて高電圧に保たれる部分が少ないので、その意味でも安全性が向上する。
【００１０】
さらに別の燃料電池の車両搭載構造は、前記リレーと前記取り出し電極とを柔軟性を有した配線部材で接続する。
【００１１】
単電池の積層体は、それ自体の発熱による温度変化に応じた膨張、収縮等によって積層方向の寸法が変化し、また製造時のばらつきによっても当該寸法が異なり得る。一方、エンドプレートは車体側に固定されている。そのため、取り出し電極はエンドプレートに対して進退し、突出量が異なり得る。本発明によれば、取り出し電極とリレーとを接続する配線が柔軟性を有するので、取り出し電極の進退に追随し、製造ばらつきによる突出量の差異を吸収することができ、取り出し電極とリレーとの接続が断線しにくい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池の車両搭載構造を採用した燃料電池自動車の車両前方部の模式的な上面図である。図において、燃料電池モジュール２０が車両前方部のエンジンルーム内に配置される。燃料電池モジュール２０は燃料電池スタックケース２２（以下、単にケース２２と称する）内に燃料電池スタック２４を有している。なお、ケース２２は本来燃料電池スタック２４を密閉収納するが、ここでは説明の都合上、ケース２２の上面を取り除いて、内部の燃料電池スタック２４等の構造が分かるように図示している。
【００１４】
燃料電池スタック２４は、それぞれ板状の単電池２５の積層体である第１のスタック２６と第２のスタック２８とが並列配置されて構成される。ここで第１のスタック２６及び第２のスタック２８の積層方向は共に車両左右方向であり、その左右端に配置された比較的厚め（例えば厚さ１５ｍｍ程度）の金属のエンドプレート３０，３２によってスタック２６，２８は積層方向に押さえ付けられている。スタック２６とスタック２８とは単電池の極性が互いに反対向きに積層され、例えば、スタック２６は図において左側が正極、右側が負極であり、スタック２８は図において左側が負極、右側が正極である。スタック２６及びスタック２８のエンドプレート３２側の端部は互いに電気的に接続されて、これにより両スタック２６，２８は一つの単電池直列接続体を構成し、所望の高電圧が得られる。
【００１５】
スタック２６及びスタック２８のエンドプレート３０側の端部には、スタック２６，２８が構成する共通の単電池直列接続体の端部電極３４，３６が積層される。例えば、上述の単電池の配列方向によれば、スタック２６に積層される電極３４は正電極となり、スタック２８に積層される電極３６は負電極となる。電極３４，３６は、スタック２６とスタック２８との境界の位置（すなわち、燃料電池スタック２４の車両前後方向に関し中央部）にてスタックの積層方向に曲げられたＬ字形状を有する。電極３４，３６のスタック積層方向を向いた部分は、エンドプレート３０の車両前後方向中央位置に開けられた穴を通ってエンドプレート３０から車両側方に向けて突出され、端子３８として用いられる。
【００１６】
図２は、エンドプレート３０に設けられた開口とそれを貫通して取り出される電極３４，３６とを含む電源取り出し部の構造を示す模式的な斜視図である。エンドプレート３０には車両前後方向の中央部に縦長形状の開口３９が２つ設けられる。そして、例えば、電極３４の端子３８ａが上の開口３９ａを通して外側に突出され、電極３６の端子３８ｂが下の開口３９ｂを通して外側に突出される。
【００１７】
なお、エンドプレート３０，３２はケース２２に固定されるが、スタック２６，２８は温度による膨張、収縮等によって積層方向の寸法が変化し得る。そこで、エンドプレート３０と電極３４との間、及びエンドプレート３０と電極３６との間には皿バネの積層体（図示せず）が配置され、スタック２６，２８を構成する単電池が常に適度な力で互いに圧接されるように構成される。
【００１８】
エンドプレート３０にはリレー４０のほか電気回路や分配器（図示せず）が配置される。リレー４０は、エンドプレート３０の開口３９から取り出された正極、負極それぞれの端子３８との間を、柔軟性を有したバスバー（フレキシブルバスバーと称する）４２で電気的に接続される。ちなみに、フレキシブルバスバー４２は端子３８及びリレー４０の端子にそれぞれボルト止めされる。リレー４０は外部からの制御信号に応じて、燃料電池モジュール２０からの出力を電気的に遮断するために設けられている。例えば、リレー４０は車両走行時等の通常時にはＯＮ状態に保たれ、燃料電池モジュール２０からの出力を可能とするが、一方、衝突センサ（図示せず）が自車の衝突を検知した場合などに発せられる制御信号に応じてＯＦＦ状態に切り替えられ、燃料電池モジュール２０からの出力を遮断する。
【００１９】
さて、車両の走行時の衝突においては通常、前後方向の衝撃力が大きい。そこで、このようにリレー４０等を車両側方を向いたエンドプレート３０の面上に配置することにより、前後方向の衝撃力を受けにくくし、それら部品の破損の回避、または軽減を図っている。特に、エンドプレート３０は上述のように燃料電池スタック２４に押圧力を及ぼすために、剛性を有する部材で比較的丈夫に作られるので、その面に平行な方向の圧縮力に対して強い。ここで、車両前後方向に沿うように配置されたエンドプレート３０は車両前後方向の圧縮力に耐え、変形、破壊されにくいので、このエンドプレート３０上にリレー４０等を配置することによりそれら部品が好適に保護される。特にリレー４０は上述のように、衝突時に遮断されて漏電を防ぐ等の役割を有しており、これが保護されることにより、安全性が向上する。
【００２０】
ここで、エンドプレート３０に配置されたリレー４０等と燃料電池スタック２４とを接続する構成としては、配線をエンドプレート３０の外側を迂回する構成が考えられるが、その構成では衝突時にエンドプレート３０とエンドプレート３０の車両前後方向の辺にぶつかる隣接装置等との間に配線が挟まれて断線するおそれがある。これに対して、本燃料電池モジュール２０のように、エンドプレート３０に開けた開口３９を通して燃料電池スタック２４に接続された取り出し電極の端子３８を外部に導く構成では、端子３８はエンドプレート面の中央寄りに配置され、車両衝突時に車両前後方向からエンドプレート３０にぶつかる隣接装置等の攻撃を受けにくい。
【００２１】
また、リレー４０が断状態となっても燃料電池スタック２４の出力取り出し電極とリレー４０との間の配線には高電圧が印加される。この点に関し、エンドプレート３０の中央の開口３９から端子３８を取り出しフレキシブルバスバー４２でリレー４０に接続する構成では、端子３８とリレー４０と間の配線長が短い。つまりリレーが断状態にて高電圧に保たれる部分が少ないので、安全性が高いと言える。
【００２２】
ケース２２の車両側方向きの側面（エンドプレート３０側の側面）の車両後方寄りの位置にサービスプラグ５０が取り付けられている。サービスプラグ５０は、ケース２２に固定された固定部５２と、ケース２２の外側に設けられ固定部５２から分離可能なプラグ部５４とからなる。エンドプレート３０上においてサービスプラグ５０に近い位置に端子台６０が取り付けられ、この端子台６０を中継点として、サービスプラグ５０の固定部５２とリレー４０との間が電気的に接続される。すなわち、固定部５２に接続されたハーネス６２と、リレー４０に接続されたバスバー６４とが端子台６０で互いに電気的に接続される。これにより、リレー４０とサービスプラグ５０の固定部との間が正極、負極毎に電気的に接続される。
【００２３】
さらに、サービスプラグ５０の固定部５２からはケース２２の外側へ電源出力ケーブル６６が引き出される。固定部５２に接続されたハーネス６２と電源出力ケーブル６６との間はプラグ部５４を装着すると電気的に接続され、プラグ部５４を引き抜くと切断される。例えば、作業者がプラグ部５４を引き抜いて保守作業を行うことにより、燃料電池モジュール２０外での漏電に対する安全が確保される。
【００２４】
なお、燃料電池モジュール２０にはラジエータ（図示せず）からの冷却水が循環される。エンドプレート３２に設けられた注入口７０及び排出口７２は、この冷却水の注入、排出のためのものである。
【００２５】
次にフレキシブルバスバー４２について説明する。上述のように、燃料電池スタック２４は、それ自体の発熱による温度変化に応じた膨張、収縮等によって積層方向の寸法が変化し、また製造時のばらつきによっても当該寸法が異なり得る。一方、エンドプレートは車体側に固定されている。そのため、端子３８はエンドプレート３０に対して進退し、突出量が異なり得る。フレキシブルバスバー４２は、この端子３８の進退に追随し、製造ばらつきによる突出量の差異を吸収するために、柔軟に構成されている。これにより、端子３８とリレー４０との接続が断線しにくい。
【００２６】
図３はフレキシブルバスバー４２の構造を示す模式的な斜視図である。フレキシブルバスバー４２は柔軟性を有したバスバー部分８０と両端の端子８２とから構成される。バスバー部分８０は例えば、銅細線等を編んだ網状の導体８４で構成され、柔軟性を有する。また、平らに構成された網状導体８４は曲げ方向に対して複数枚重ねられる。これにより、柔軟性を損なわずにバスバー部分８０の断面積を大きくすることができ、燃料電池スタック２４からの大電流出力を低損失で流すことができる。エンドプレート３０から垂直の突出した端子３８と、端子３８横に配置されるリレー４０とを接続するために、バスバー部分８０はＬ字型に曲げられる。端子８２はバスバー部分８０の端部を挟み込み、圧着される。端子８２にはボルト穴８６が開けられ、ここにボルトを通し、このボルトにより端子３８やリレー４０の端子にフレキシブルバスバー４２が固定される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池の車両搭載構造によれば、燃料電池の電源取り出し部を車両の側方向きに配置することにより、衝突時における電源取り出し部の破損の可能性が低減される。特に、エンドプレートに開口を設け、ここから電源取り出し部を構成する取り出し端子を突出させる構成により、衝突に対する取り出し端子の破損が防止される。またエンドプレートに漏電防止等のためにリレーを配置することにより、取り出し端子とリレーとが近接配置され、リレーが断状態にて高電圧に保たれる取り出し端子とリレーと間の配線の長さが短くなり、安全性が向上する効果が得られる。取り出し端子とリレーとの接続に柔軟性を有した配線部材を用いることにより、単電池の積層体の膨張、収縮に伴う取り出し端子の進退等を吸収し、取り出し端子とリレーとの接続が断線しにくいという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールを搭載した燃料電池自動車の車両前方部の模式的な上面図である。
【図２】エンドプレートに設けられた開口とそれを貫通して取り出される電極とを含む電源取り出し部の構造を示す模式的な斜視図である。
【図３】フレキシブルバスバーの構造を示す模式的な斜視図である。
【符号の説明】
２０燃料電池モジュール、２２ケース、２４燃料電池スタック、３０，３２エンドプレート、３４，３６端部電極、３８端子、４０リレー、４２フレキシブルバスバー、５０サービスプラグ、６２ハーネス、６４バスバー。

Claims

燃料電池を車両に搭載する構造であって、
前記燃料電池は、
燃料電池スタックと、
燃料電池スタックに電気的に接続される電源取り出し部と、
を有し、
前記電源取り出し部は、前記燃料電池スタックに積層される端部電極と、端部電極の周縁に設けられる出力端子と、を備え、
前記燃料電池スタックは、積層方向を同じくして並列配置された２列のスタックを備え、２列のスタックは、積層方向の一端側において互いに電気的に接続され、積層方向の他端側に各スタックごとに出力端子が設けられ、
前記２列のスタックは、車両前方部において車両の前後方向に並べて配置され、２列のスタックのうちの一方のスタックの出力端子は端部電極の周縁のうちの他方のスタック側に設けられ、２列のスタックのうちの他方のスタックの出力端子は端部電極の周縁のうちの一方のスタック側に設けられる、
ことを特徴とする燃料電池の車両搭載構造。
請求項１に記載の車両搭載構造において、
積層方向を同じくして並列配置された前記２列のスタックは、その積層方向の端に配置された共通のエンドプレートによって支持されており、２列のスタックの２つの出力端子は、エンドプレートに設けられた開口を通して積層方向の外側に突出される、
ことを特徴とする燃料電池の車両搭載構造。
請求項１または２に記載の車両搭載構造において、
外部からの制御信号に応じて前記燃料電池からの電流を遮断するリレーを、前記エンドプレートの外側面上に配置したことを特徴とする燃料電池の車両搭載構造。
請求項３記載の車両搭載構造において、
前記リレーと前記燃料電池の電源取り出し部とを柔軟性を有した配線部材で接続したことを特徴とする燃料電池の車両搭載構造。