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回路 - トヨタ自動車株式会社
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発明の名称 回路
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−116811(P2007−116811A)
公開日 平成19年5月10日(2007.5.10)
出願番号 特願2005−304792(P2005−304792)
出願日 平成17年10月19日(2005.10.19)
代理人 【識別番号】100083091
【弁理士】
【氏名又は名称】田渕 経雄
発明者 鈴木 稔幸 / 青砥 晃 / 紺野 周重 / 松原 淳一 / 田中 秀幸
要約 課題
如何なる場合にも、高電圧電源からの電流を遮断できる、または遮断できる可能性を従来に比べて増大させた、回路の提供。

解決手段
(1)移動体に搭載される、高電圧電源4から負荷5への回路であって、回路1に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置2、3が、複数箇所、直列に設けられている回路1。
特許請求の範囲
【請求項1】
移動体に搭載された、高電圧電源から負荷への回路であって、前記回路に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置が、複数箇所、直列に設けられている回路。
【請求項2】
前記電源を収容する電源ケースを有し、複数箇所に設けられる前記電流遮断装置が、前記電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されている請求項1記載の回路。
【請求項3】
前記互いに離れた部位は、前記電源ケースの互いに異なる面の外面にある請求項2記載の回路。
【請求項4】
前記移動体は人間を収容する空間を有し、複数の前記電流遮断装置のうち少なくとも1つは前記人間を収容する空間からアクセスおよび遮断操作可能である請求項1〜請求項3の何れか一項記載の回路。
【請求項5】
前記高電圧電源が燃料電池である請求項1〜請求項4の何れか一項記載の回路。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、回路に関し、とくに燃料電池スタックなどの高電圧(42ボルト以上を高電圧という)電源から負荷への回路に関する。
【背景技術】
【0002】
特開2002−367666号公報は、燃料電池自動車に搭載した、高電圧電源としての燃料電池スタックと負荷とを結ぶ回路に、保守点検時に電流遮断ができるように、電源リレーの他に、人が機械的に外して電流を遮断できる、マニュアル操作の電流遮断装置としてのサービスプラグを1つ設けた回路を開示している。サービスプラグは保守点検時の電流遮断を目的としているので、1つ設けられれば十分であり、複数設けられる必要性はない。
【特許文献1】特開2002−367666号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかし、上記の従来の回路には、車両衝突などにより、サービスプラグまわりの機器の変形などによりサービスプラグまわりのスペースが狭くなってサービスプラグへのアクセスが困難になり、サービスプラグのマニュアル操作が不可能となって燃料電池スタックからの高電圧電流を遮断することができなくなるという課題がある。
【0004】
本発明の目的は、如何なる場合にも、たとえば回路を搭載した車両の衝突などにより遮断装置まわりの機器が変形した場合でも、高電圧電源からの電流を遮断できる、または遮断できる可能性を従来に比べて増大させた、回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
(1) 移動体に搭載された、高電圧電源から負荷への回路であって、前記回路に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置が、複数箇所、直列に設けられている回路。
(2) 前記電源を収容する電源ケースを有し、複数箇所に設けられる前記電流遮断装置が、前記電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されている(1)記載の回路。
(3) 前記互いに離れた部位は、前記電源ケースの互いに異なる面の外面にある(2)記載の回路。
(4) 前記移動体は人間を収容する空間を有し、複数の前記電流遮断装置のうち少なくとも1つは前記人間を収容する空間からアクセスおよび遮断操作可能である(1)〜(3)の何れかに記載の回路。
(5) 前記高電圧電源が燃料電池である(1)〜(4)の何れかに記載の回路。
【発明の効果】
【0006】
上記(1)の回路によれば、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置が、複数箇所、直列に設けられているので、複数箇所のうち何れか1つの電流遮断装置をマニュアルで遮断することにより高電圧電源からの電流を遮断でき、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合に比べて、高電圧電源からの電流を遮断できる可能性が増大する。
また、回路が移動体(たとえば、車両)に搭載されているので、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合における、移動体の衝突などにより高電圧電源まわりの機器が変形して電流遮断装置にアクセス困難となり、その結果、高電圧電流を遮断できなくなるという問題が生じることを、無くすか、または、少なくすることができる。
上記(2)の回路によれば、複数箇所に設けられる直列接続された電流遮断装置が、電源ケースの外面で、互いに離れた部位に設置されているので、電流遮断装置へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形は、電流遮断装置が設けられた複数箇所の全部に同時に生じることは少なく、少なくとも1つの電流遮断装置へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合に比べて、高電圧電源からの電流を遮断できる可能性が増大する。
上記(3)の回路によれば、電流遮断装置が設置される互いに離れた部位は、電源ケースの互いに異なる面の外面にあるので、電流遮断装置へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形が、異なるケース面に対向する部位で同時に生じることは少なく、電源ケースの同じ一面に設けられるよりは、少なくとも1つの電流遮断装置へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合に比べて、複数の電流遮断装置が電源ケースの異なる面に設けられている場合の方が、高電圧電源からの電流を遮断できる可能性が増大する。
上記(4)の回路によれば、移動体は人間を収容する空間(移動体が車両の場合は車室)を有し、複数の電流遮断装置のうち少なくとも1つは人間を収容する空間からアクセスおよび遮断操作可能であるので、電流遮断を容易に行うことができ、安全である。
上記(5)の回路によれば、高電圧電源が燃料電池であるので、燃料電池スタックは反応ガスを供給する限り発電を続け、セル積層数が大きいと高電圧となる。本発明の回路において、電流遮断装置をオフとすることにより、負荷へ高電圧電流が流れることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下に、本発明の回路を図1〜図6を参照して説明する。
図1〜図3に示すように、本発明の回路1は、高電圧電源4から負荷5への回路であって、回路1に、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置2、3が、複数箇所、直列に設けられている回路である。ここで、高電圧とは、42ボルト以上の電圧をいう。また、電流遮断装置2、3はサービスプラグともいう。電流遮断装置2、3はマニュアル操作によりオンオフ可能なものであり、自動で遮断する電源リレー6(ECU等の制御手段から送信される、接続または遮断を指示する信号に応じて、オン、オフする電源リレー)とは別に設けられたものである。電気回路1は、たとえばインバータなどの電力変換装置を介して、移動用の推進力を生成する負荷5(たとえば、電動機)に電力を供給する回路である。負荷5と電源4との間には複数のマニュアル遮断装置2、3が設けられている。
【0008】
回路1は、移動体に搭載されていてもよいし、定置型のものであってもよい。移動体は自動車50、船、ロボットなどである場合を含む。
また、高電圧電源4は、燃料電池スタック23であってもよいし、それ以外の電源であってもよい。
以下では、回路1が、移動体に搭載されている場合で、高電圧電源4が、燃料電池スタック23である場合を、例にとって説明する。ただし、回路1は、移動体に搭載されていなくてもよく、たとえば定置型でもよいし、、高電圧電源4は、燃料電池スタックでなくてもよく、バッテリなどであってもよい。
【0009】
高電圧電源4が燃料電池スタックである場合、燃料電池スタックが含む燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池(セルともいう)10である。燃料電池10は、たとえば燃料電池自動車50に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池10は、図4〜図5に示すように、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )19とセパレータ18とを積層したものである。
膜−電極アッセンブリ19は、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜11の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層13、16が設けられる。
膜−電極アッセンブリ19とセパレータ18を重ねてセル10を構成し、セル10を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、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24)、ボルト・ナット25にて固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付けて、燃料電池スタック23を構成する。
【0010】
セパレータ18には、発電領域において、アノード14に燃料ガス(水素)を供給するための燃料ガス流路27が形成され、カソード17に酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための酸化ガス流路28が形成されている。また、セパレータ18には冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26も形成されている。セパレータ18には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド30、酸化ガスマニホールド31、冷媒マニホールド29が形成されている。燃料ガスマニホールド30は燃料ガス流路27と連通しており、酸化ガスマニホールド31は酸化ガス流路28と連通しており、冷媒マニホールド29は冷媒流路26と連通している。
【0011】
各セル19の、アノード14側では、水素を水素イオン(プロトン)と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜11中をカソード17側に移動し、カソード17側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2
【0012】
各種流体は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル10のMEAを挟む2つのセパレータ18間は、第1のシール部材32によってシールされており、隣接するセル19同士の間は、第2のシール部材33によってシールされている。
第1のシール部材32は、たとえば接着剤(シール接着剤)からなり、第2のシール部材33は、たとえば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)等のガスケットからなる。ただし、第1のシール部材32、第2のシール部材33とも、接着剤、またはガスケットから構成されてもよい。
【0013】
図1では、高電圧電源4が、並列に配置され、電気的に直列に接続された、2つの燃料電池スタック23を含む。第1スタック23の一端のターミナル20を2スタックからなる高電圧電源4のプラスのターミナルとし、第2スタック23の一端のターミナル20を2スタックからなる高電圧電源4のマイナスのターミナルとし、第1スタック23の他端のターミナル20を第2スタック23の他端のプラスのターミナル20に接続して、2スタックを直列接続してある。各セル10の電圧は約1ボルトであり、約200セルを積層して各スタックとすることにより各燃料電池スタック23の電圧は200ボルトであり、2スタックの直列接続からなる高電圧電源4の電圧は約400ボルトであり、42ボルト以上であるため、高電圧電源となる。
【0014】
図1〜図3に示すように、電源4は、電源ケース9内に収容されている。
高電圧電源4からの回路1は、自動の電源リレー6、マニュアル操作の互いに直列の電流遮断装置2、3を経た後、負荷5に接続されている。電流遮断装置2、3の数は、図示例では2つの場合を示しているが、3以上であってもよい。
電源リレー6は、たとえば、電源ケース9内にある。負荷5は、たとえば、車輪駆動モータであり、電源ケース9外にある。
マニュアル電流遮断装置2、3は、負荷側に電気的に接続された第1の端子と、電源側に電気的に電気的に接続された第2の端子と、第1および第2の端子間を導通させる導電体とを含む。この導電体は、人の機械的な操作に応じて、第1および第2の端子間を導通する位置と、両端子間を導通させない位置との間で変位する。
【0015】
図1、図3は、電流遮断装置2、3の一例の構造を示す。ただし、同様の機能を果たすものであれば、構造は図1、図3の例に限る必要はない。
図1、図3では、電流遮断装置2、3は、固定部7と、固定部7に対して可動な可動部8を有している。
固定部7には固定接点A、B、C、Dが設けられ、接点Aは、第1スタック23の総プラスのターミナル20に接続しており、接点Cは第2スタック23の総マイナスのターミナル20に接続している。接点Bは負荷5のプラス側に接続し、接点Dは負荷5のマイナス側に接続している。
可動部8には、可動接点a、b、c、dが設けられ、それぞれ固定接点A、B、C、Dに、同時に、差し込み、抜き外し可能である。可動接点a、bは電気的に導通しており、可動接点c、dは電気的に導通している。
したがって、可動部8を固定部7に接近させて可動接点a、b、c、dを固定接点A、B、C、Dに差し込むと、固定接点A、Bが導通し、固定接点C、Dが導通して、電流遮断装置2、3はオン(回路に電流が流れる状態)となる。
可動部8を固定部7から離反させて可動接点a、b、c、dを固定接点A、B、C、Dから抜くと、固定接点A、Bが遮断され、固定接点C、Dが遮断されて、電流遮断装置2、3はオフ(回路に電流が流れない状態)となる。
電流遮断装置2、3のオン、オフ操作は、人が手動にて行う。たとえば、人が可動部8を移動させて電流遮断装置2、3のオン、オフ操作を行う。
【0016】
電流遮断装置2、3は、電源ケース9の外面に設けられている。たとえば、固定部7が電源ケース9の外面に固定されている。電流遮断装置2、3は、互いに離れた部位に設置されている。
図示例では、マニュアル遮断装置2、3は、電源の両極性を遮断する構成を示しているが、電源の極性のうち少なくとも一方の極性について複数のマニュアル遮断装置2、3を設けても、同様の遮断効果が得られる。
【0017】
互いに離れた部位は、電源ケース9の互いに異なる面の外面にある。たとえば、電源ケース9が平面視で矩形状で、4つの側面9a、9b、9c、9dを有している場合、電流遮断装置2が側面9aにある場合は、電流遮断装置3は側面9aとは異なる側面9b、9c、9dの何れかにあることが望ましい。電流遮断装置2が側面9aに設けられている場合、電流流遮断装置3は側面9aに直交する側面9b、9dに設けられてもよいし、あるいは、電流流遮断装置3は側面9aに対向する側面9cに設けられてもよい。
図2は、スタック23のセル積層方向を車両の左右方向に向けて車両に搭載した場合を示しいるが、電源ケース9の車両前方に対応する側面9bには車両衝突の場合にまわりの部材が変形してくるので側面9bには電流遮断装置2、3を設けず、電源ケース9の車両前方に対応する側面9b以外の側面9a、9c、9dに電流遮断装置2、3を設けるようにする。図2は、電流遮断装置2を、電源ケース9の車両前方に対応する側面9bに直交する側面9に設け、電流遮断装置3を、電源ケース9の車両前方に対応する側面9bに対向する側面9d(車室51に近い側の側面)に設けた場合を示す。ただし、電流遮断装置3を、電源ケース9の車両前方に対応する側面9bに直交し、電流遮断装置2を設けた側面9aに対向する側面9cに設けてもよい。
【0018】
移動体50は人間を収容する空間51(移動体50が燃料電池自動車の場合は、空間51は車室)を有し、複数の電流遮断装置2、3のうち少なくとも1つは人間を収容する空間51からアクセスおよび遮断操作可能としておくことが望ましい。図2の例では、電流遮断装置3の少なくとも一部が車室のダッシュボード52を挿通して車室51内に入っており、フロントコンパートメント内の機器が車両衝突などにより変形しても、電流遮断装置3を車室51にて人が操作できるようになっている。
【0019】
つぎに、本発明の回路の作用、効果を説明する。
上記回路1では、マニュアル操作により遮断可能な電流遮断装置2、3が、複数箇所に設けられ、かつ、互いに電気的に直列に接続されているので、複数箇所のうち何れか1つの電流遮断装置をマニュアルで遮断することにより高電圧電源4からの電流を遮断でき、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合に比べて、高電圧電源4からの電流を遮断できる確率が増大する。
【0020】
また、回路1が移動体(たとえば、車両)50に搭載されている場合は、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合における、移動体の衝突などにより高電圧電源4まわりの機器が変形して電流遮断装置2、3にアクセス困難となり、その結果、高電圧電流を遮断できなくなるという問題が生じることを、無くすか、または、少なくすることができる。これは、複数の電流遮断装置2、3へのアクセスが同時に困難になることは確率的に少ないからである。
【0021】
また、複数箇所に設けられる直列接続された電流遮断装置2、3が、電源ケース9の外面で、互いに離れた部位に設置されている場合は、電流遮断装置へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形は、電流遮断装置2、3が設けられた複数箇所の全部に同時に生じることは少なく、少なくとも1つの電流遮断装置2、3へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合に比べて、高電圧電源4からの電流を遮断できる可能性が増大する。
【0022】
電流遮断装置2、3が設置される互いに離れた部位が、電源ケース9の互いに異なる面の外面にある場合は、電流遮断装置2、3へのアクセスが困難になるようなまわりの機器の変形が、異なるケース面9a、9b、9c、9dに対向する部位で同時に生じることは少なく、電源ケースの同じ一面に設けられるよりは、少なくとも1つの電流遮断装置へアクセスすることが可能となる確率が大きい。したがって、従来のように電流遮断装置が1つしかない場合に比べて、複数の電流遮断装置2、3が電源ケース9の異なる面9a、9b、9c、9dに設けられている場合の方が、高電圧電源4からの電流を遮断できる可能性が増大する。
【0023】
移動体50は人間を収容する空間51(移動体が車両の場合は車室)を有し、複数の電流遮断装置2、3のうち少なくとも1つは人間を収容する空間51からアクセスおよび遮断操作可能である場合は、移動体50に衝突などによる機器の変形が生じても、人間を収容する空間51から電流遮断を容易に行うことができ、安全である。燃料電池自動車の場合は、内燃機関と異なり、車両衝突時においても、燃料電池スタック23からの電力供給が続くおそれがあるので、人間を収容する空間51から電流遮断を容易に行うことができる意義は大きい。また、衝突時などにおいては、ボンネットをあけて電流遮断装置2、3のオフ操作を行う余裕がないことも考えられるので、人間を収容する空間51から電流遮断を容易に行うことができる意義は大きい。
【0024】
高電圧電源4が燃料電池である場合、燃料電池スタックは反応ガスが供給されている間は発電が続き、しかもセル積層数が大きいと高電圧である。本発明の回路1において、複数の電流遮断装置2、3を設けて確実に、電流遮断装置2、3をオフとすることにより、負荷5へ高電圧電流が流れ続けることを防止することができる意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の回路の回路図である。
【図2】図1の回路を燃料電池自動車のフロントコンパートメントに配置した場合の平面図である。
【図3】電流遮断装置の概略断面図である。
【図4】本発明の回路が接続される燃料電池スタックの側面図である。
【図5】図4の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。
【図6】図4の燃料電池スタックのセルの正面図である。
【符号の説明】
【0026】
1 回路
2、3 マニュアル操作の電流遮断装置
4 高電圧電源(たとえば、燃料電池スタック)
5 負荷(たとえば、モータ)
6 自動の電源リレー
7 電流遮断装置の固定部
8 電流遮断装置の可動部
9 電源ケース
9a、9b、9c、9d 電源ケースの互いに異なる側面
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
13、16 拡散層
14 アノード
17 カソード
18 セパレータ
19 MEA
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 燃料電池スタック
24 締結部材(テンションプレート)
25 ボルト
26 冷媒流路(冷却水流路)
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29 冷媒マニホールド
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 第1のシール部材
33 第2のシール部材
50 移動体(たとえば、燃料電池自動車)
51 移動体の人間を収容する空間(たとえば、車室)
52 ダッシュボード




 

 


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