特開 2025-6218 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025006218

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20250109BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20250109BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20250109BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20250109BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20250109BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/02

H01M8/04537

H01M8/04 Z

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023106881

(22)【出願日】2023-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河村 周治

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA15

5H126AA28

5H126BB06

5H127AA06

5H127BA02

5H127BB02

5H127DB55

5H127EE03

5H127EE26

5H127EE27

(57)【要約】

【課題】終端抵抗の有効又は無効を選択できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体３を含む燃料電池スタックであって、セル積層体３の電圧を監視するセルモニタ４と、セルモニタ４に接続される通信ワイヤハーネス５と、燃料電池スタック１の外部から通信ワイヤハーネス５に接続可能なＩＦコネクタ６とを備える。通信ワイヤハーネス５は終端抵抗７を有する。ＩＦコネクタ６は、終端抵抗７と電気的に接続可能な接続ピンを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタックであって、
前記セル積層体の電圧を監視するセルモニタと、
前記セルモニタに接続される通信ワイヤハーネスと、
前記燃料電池スタックの外部から前記通信ワイヤハーネスに接続可能なコネクタと、
を備え、
前記通信ワイヤハーネスは、終端抵抗を有し、
前記コネクタは、前記終端抵抗と電気的に接続可能な接続ピンを有することを特徴とする燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、このような技術分野として、例えば特許文献１に記載されるものがある。特許文献１に記載の燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体と、セル積層体をモニタリングするセルモニタと、通信ワイヤハーネスを介してセルモニタと通信する制御装置と、セル積層体を収容する第１ケースと、制御装置を収容する第２ケースと、を備える。この燃料電池スタックでは、制御装置とセルモニタとを接続する通信ワイヤハーネスの通信コネクタを第２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接続することにより、セルモニタと制御装置との接続を容易にできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－２２４４０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池スタックを販売する場合において、燃料電池スタックとの間で１対１のＣＡＮ通信を希望するユーザもいれば、複数のＣＡＮ通信を希望するユーザもいる。ユーザの通信希望に合わせて、燃料電池スタック側の終端抵抗を有効又は無効に自由に選択できることが求められている。しかし、上述の燃料電池スタックでは、セルモニタに終端抵抗が実装され、燃料電池スタックとして終端抵抗ありと固定されているので、上述のような選択に適用できない問題がある。

【0005】

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、終端抵抗の有効又は無効を選択できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタックであって、前記セル積層体の電圧を監視するセルモニタと、前記セルモニタに接続される通信ワイヤハーネスと、前記燃料電池スタックの外部から前記通信ワイヤハーネスに接続可能なコネクタと、を備え、前記通信ワイヤハーネスは、終端抵抗を有し、前記コネクタは、前記終端抵抗と電気的に接続可能な接続ピンを有することを特徴としている。

【0007】

本発明に係る燃料電池スタックでは、通信ワイヤハーネスは終端抵抗を有し、コネクタは終端抵抗と電気的に接続可能な接続ピンを有するので、ユーザが燃料電池スタック側の終端抵抗を有効にしたい場合は、コネクタにおける終端抵抗と電気的に接続される接続ピンに接続することでそれを実現できる。このようにすることで、例えば燃料電池スタック側の終端抵抗とユーザ側のシステムに備え付けられた終端抵抗とを用いることが可能になり、燃料電池スタックとの間で１対１の通信を行える。一方、ユーザが燃料電池スタック側の終端抵抗を無効にしたい場合は、コネクタにおける終端抵抗と電気的に接続される接続ピンに接続しないことで、例えばユーザ側のシステムに備え付けられた終端抵抗を用いることで、燃料電池スタックとの間で複数の通信を実現できる。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、燃料電池スタック側の終端抵抗の有効又は無効を選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る燃料電池スタックの構造を示す模式図である。

【図2A】１対１のＣＡＮ通信を示す模式図である。

【図2B】１対１のＣＡＮ通信の接続を説明するための模式図である。

【図3A】複数のＣＡＮ通信を示す模式図である。

【図3B】複数のＣＡＮ通信の接続を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複説明を省略する。また、以下の説明で述べるＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信では、高電位側信号線及び低電位側信号線を備える差動伝送路が用いられており、高電位側信号線の電位を「ＣＡＮＨ」、低電位側信号線の電位を「ＣＡＮＬ」でそれぞれ示す。

【0011】

図１は実施形態に係る燃料電池スタックの構造を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１は、箱状のスタックケース２と、該スタックケース２の内部に収容されたセル積層体３、セルモニタ４及び通信ワイヤハーネス５と、スタックケース２の側壁に取り付けられたＩＦ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）コネクタ６とを備えている。

【0012】

セル積層体３は、複数の燃料電池セルを積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。図示しないが、燃料電池セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体と、該膜／電極接合体を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。そして、燃料電池セルは、カソード電極側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガスと、アノード電極側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。

【0013】

スタックケース２は、例えばアルミニウムなどの金属材料によって矩形箱状に形成されている。セルモニタ４は、セル積層体３の電圧を監視するためのものである。本実施形態では、セルモニタ４を、２つ（第１セルモニタ４ａ，第２セルモニタ４ｂ）有する。各セルモニタには、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が配置されている。そして、各セルモニタ内のＥＣＵには、終端抵抗が実装されていない。

【0014】

通信ワイヤハーネス５は、例えばコネクタを介して、第１セルモニタ４ａのＥＣＵ及び第２セルモニタ４ｂのＥＣＵとそれぞれ電気的に接続されている。また、通信ワイヤハーネス５の一端部は、スタックケース２の側壁まで延在し、ＩＦコネクタ６と電気的に接続されている。本実施形態において、通信ワイヤハーネス５は終端抵抗７を有するように構成されている。

【0015】

ＩＦコネクタ６は、燃料電池スタック１の外部から通信ワイヤハーネス５に接続できるように、スタックケース２の側壁を貫通した状態でスタックケース２の側壁に固定されている。このＩＦコネクタ６は、通信ワイヤハーネス５とユーザ側のシステムとを接続するために設けられるコネクタであり、電源接続ピン、ＧＮＤ（Ｇｒｏｕｎｄ）接続ピン、各セルモニタのＣＡＮ通信接続ピン、及び、終端抵抗接続ピンを有するように構成されている。

【0016】

より具体的には、図２Ｂ及び図３Ｂに示すように、ＩＦコネクタ６は、電源接続ピン、ＧＮＤ接続ピン、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ接続ピン、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ接続ピン、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ接続ピン、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＬ接続ピン、終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピン、終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピンといった８本の接続ピンを有する。これらのピンはＩＦコネクタ６の外方に向かって突設されている。

【0017】

電源接続ピンの末端部（すなわち、ＩＦコネクタ６の外方に突設する端部とは反対側の端部）は、通信ワイヤハーネス５を介して第１セルモニタ４ａの電源及び第２セルモニタ４ｂの電源とそれぞれ電気的に接続されている。ＧＮＤ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５を介して第１セルモニタ４ａのＧＮＤ、及び第２セルモニタ４ｂのＧＮＤとそれぞれ電気的に接続されている。更に、このＧＮＤ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５の終端抵抗７のＧＮＤとも電気的に接続されている。

【0018】

ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５を介して第１セルモニタ４ａのＥＣＵのＣＡＮＨ（図２Ｂ及び３Ｂにおいて「ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ」で表示する）と電気的に接続されている。ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５を介して第１セルモニタ４ａのＥＣＵのＣＡＮＬ（図２Ｂ及び３Ｂにおいて「ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ」で表示する）と電気的に接続されている。

【0019】

ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５を介して第２セルモニタ４ｂのＥＣＵのＣＡＮＨ（図２Ｂ及び３Ｂにおいて「ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ」で表示する）と電気的に接続されている。ＥＣＵ（２）ＣＡＮＬピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５を介して第２セルモニタ４ｂのＥＣＵのＣＡＮＬ（図２Ｂ及び３Ｂにおいて「ＥＣＵ（２）ＣＡＮＬ」で表示する）と電気的に接続されている。

【0020】

終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５の終端抵抗７のＣＡＮＨと電気的に接続されており、終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピンの末端部は、通信ワイヤハーネス５の終端抵抗７のＣＡＮＬと電気的に接続されている。

【0021】

以下、図２Ａ～図３Ｂを基に本実施形態の燃料電池スタック１が１対１のＣＡＮ通信及び複数のＣＡＮ通信にそれぞれ対応できることを説明する。

【0022】

［１対１のＣＡＮ通信］
図２Ａは１対１のＣＡＮ通信を示す模式図であり、図２Ｂは１対１のＣＡＮ通信の接続を説明するための模式図である。図２Ａに示すように、例えば燃料電池スタック１のユーザ側のシステムにおいて、燃料電池スタック１との間で１対１のＣＡＮ通信を行う場合、ユーザがＣＡＮ通信バス８を介して燃料電池スタック１のＩＦコネクタ６とユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０のＥＣＵ１１とを電気的に接続する。なお、ユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０のＥＣＵ１１には、終端抵抗１２が備え付けられている。ＣＡＮ通信バス８は、例えばＩＦコネクタ６と嵌合可能なコネクタ（図示せず）を介してＩＦコネクタ６と電気的に接続できる。

【0023】

図２Ｂに示すように、ユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０のＥＣＵ１１には、例えば電源、ＧＮＤ、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＬ、終端抵抗ＣＡＮＨ、終端抵抗ＣＡＮＬ等が配置されている。

【0024】

このとき、ユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０のＥＣＵ１１の電源、ＧＮＤ、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ、及びＥＣＵ（２）ＣＡＮＬは、ＣＡＮ通信バス８を介し、それぞれＩＦコネクタ６の電源接続ピン、ＧＮＤ接続ピン、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ接続ピン、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ接続ピン、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ接続ピン、及びＥＣＵ（２）ＣＡＮＬ接続ピンとそれぞれ電気的に接続されている。

【0025】

更に、ユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０側の終端抵抗ＣＡＮＨ及び終端抵抗ＣＡＮＬも、ＩＦコネクタ６の終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピン及び終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピンとそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、このとき、燃料電池スタック１側の終端抵抗７は有効と選択されている。これによって、燃料電池スタック１とユーザ側のシステムとの間で１対１のＣＡＮ通信を行うことが可能となる。

【0026】

なお、ＣＡＮ通信では、通信エラーの防止等の観点から、終端抵抗は必ず２つで構成する必要がある。上述したように、燃料電池スタック１側の終端抵抗７及びユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０の終端抵抗１２をともに用いることで、燃料電池スタック１とユーザ側のシステムとの間のＣＡＮ通信の品質等を保つことができる。

【0027】

［複数のＣＡＮ通信］
図３Ａは複数のＣＡＮ通信を示す模式図であり、図３Ｂは複数のＣＡＮ通信の接続を説明するための模式図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、例えば燃料電池スタック１のユーザ側のシステムにおいて、燃料電池スタック１との間で複数のＣＡＮ通信を行う場合、ユーザがＣＡＮ通信バス８を介して燃料電池スタック１のＩＦコネクタ６とユーザ側のＥＣＵアッセンブリ１０のＥＣＵ１１とを電気的に接続する際に、ユーザ側のＥＣＵ１１の電源、ＧＮＤ、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ、及びＥＣＵ（２）ＣＡＮＬは、ＣＡＮ通信バス８を介し、ＩＦコネクタ６の電源接続ピン、ＧＮＤ接続ピン、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＨ接続ピン、ＥＣＵ（１）ＣＡＮＬ接続ピン、ＥＣＵ（２）ＣＡＮＨ接続ピン、及びＥＣＵ（２）ＣＡＮＬ接続ピンとそれぞれ電気的に接続されている。しかし、ユーザ側のＥＣＵ１１の終端抵抗ＣＡＮＨ及び終端抵抗ＣＡＮＬと、ＩＦコネクタ６の終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピン及び終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピンとはそれぞれ電気的に接続されていない。すなわち、燃料電池スタック１側の終端抵抗７は無効と選択されている。

【0028】

これによって、燃料電池スタック１とユーザ側のシステムとの間で複数のＣＡＮ通信を行うことができる。このとき、ユーザ側のＥＣＵ１１の終端抵抗１２は２つであるので、これらの終端抵抗１２を用いることで、燃料電池スタック１とユーザ側のシステムとの間のＣＡＮ通信の品質等を保つことができる。

【0029】

本実施形態に係る燃料電池スタック１では、通信ワイヤハーネス５は終端抵抗７を有し、ＩＦコネクタ６は終端抵抗７と電気的に接続可能な接続ピン（終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピン、終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピン）を有するので、ユーザが燃料電池スタック１側の終端抵抗７を有効にしたい場合は、ユーザ側のＥＣＵ１１の終端抵抗ＣＡＮＨ及び終端抵抗ＣＡＮＬをＩＦコネクタ６の終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピン及び終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピンと接続することでそれを実現できる。従って、燃料電池スタック１側の終端抵抗７とユーザ側のＥＣＵ１１の終端抵抗１２とを用いることが可能になり、燃料電池スタック１との間で１対１のＣＡＮ通信を行える。一方、ユーザが燃料電池スタック１側の終端抵抗７を無効にしたい場合は、ＥＣＵ１１の終端抵抗ＣＡＮＨ及び終端抵抗ＣＡＮＬをＩＦコネクタ６の終端抵抗ＣＡＮＨ接続ピン及び終端抵抗ＣＡＮＬ接続ピンと接続せず、例えばユーザ側の終端抵抗１２を２つ用いることにより、燃料電池スタック１との間で複数のＣＡＮ通信を実現できる。

【0030】

また、このような同一構造を有する燃料電池スタック１を用いて、ユーザ側の１対１又は複数のＣＡＮ通信にそれぞれ対応できるので、例えば専ら１対１のＣＡＮ通信に適合する終端抵抗ありの燃料電池スタックと、専ら複数のＣＡＮ通信に適合する終端抵抗なしの燃料電池スタックとをそれぞれ開発する場合と比べて、原価低減を図ることができる。

【0031】

更に、本実施形態に係る燃料電池スタック１では、セルモニタ４（第１セルモニタ４ａ及び第２セルモニタ４ｂ）には終端抵抗がそれぞれ実装されておらず、すなわちセルモニタに終端抵抗を設けていない。これによって、燃料電池スタック内の第１セルモニタ４ａから第２セルモニタ４ｂまでの配線を枝線扱いにできるので、ユーザが自由に主線を設定でき、部品搭載などに必要な配線のロバスト性を向上することができる。

【0032】

具体的には、主線としては、配線可能長さが１５ｍ未満を目安にして配置する必要があり、枝線としては、配線可能長さが５ｍ未満を目安にして配置する必要がある。燃料電池スタックでは、終端抵抗を持っている部品（例えば終端抵抗を有する第１セルモニタ４ａ）から終端抵抗を持っている部品（例えば終端抵抗を有する第２セルモニタ４ｂ）までの配線が主線、終端抵抗を持っていない部品からＣＡＮ通信バスに接続されるまでの配線が枝線とされている。

【0033】

そして、例えば従来のようにセルモニタに終端抵抗を設ける場合、燃料電池スタック内において、２つのセルモニタ（第１セルモニタ４ａ及び第２セルモニタ４ｂ）間の配線が主線を構成する。このため、ユーザ側のシステムの配線は枝線扱いになり、５ｍ未満の配線しかできなくなる。一方、本実施形態のようにセルモニタに終端抵抗を設けておらず、通信ワイヤハーネス５に終端抵抗を設ける場合、燃料電池スタック１からユーザ側のシステムまでの配線を主線、又はユーザ側のシステム内の配線を主線としてそれぞれ構成できるので、ユーザは自分のシステムに合わせて主線を自由に設定できる。その結果、部品搭載などに必要な配線のロバスト性を向上することができる。

【0034】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

【符号の説明】

【0035】

１：燃料電池スタック、２：スタックケース、３：セル積層体、４：セルモニタ、４ａ：第１セルモニタ、４ｂ：第２セルモニタ、５：通信ワイヤハーネス、６：ＩＦコネクタ、７：終端抵抗、８：ＣＡＮ通信バス、１０：ユーザ側のＥＣＵアッセンブリ、１１：ＥＣＵ、１２：終端抵抗

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】