JP2007317406A - 燃料電池の設置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの耐振動性及び耐衝撃性を向上させることができ、良好な発電性能を維持することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の発電用のセル１４を積層した燃料電池スタック１１を、緩衝装置によって設置場所に支持する。燃料電池スタック１１を、セル１４の積層方向が水平となるように車体フレーム３１に配置させ、燃料電池スタック１１を覆うスタックケース１２の前後に、緩衝装置である前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２を設置するとともに、スタックケース１２の左右に、緩衝装置である右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４を設置する。上下方向に作用する外力を前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２によって前後方向の力に変換し、左右方向に作用する外力を右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４によって後方へ向かう力に変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルを積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池の設置構造に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。このような燃料電池は、通常、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層したセル積層体を有する燃料電池スタックとして構成されている。そして、車両の走行時における振動や衝撃の燃料電池スタックへの影響を緩和すべく、各種の緩衝機構が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開平５−８２１５３号公報 特開平６−１３１０３号公報 特開２００３−２９７３７７号公報

燃料電池スタックは、そのセルの積層方向への振動、衝撃による影響は受けづらいが、積層方向と直交する方向への振動、衝撃による影響を受け易い。積層方向と直交する方向の耐振動性及び耐衝撃性を高めるためには、セルの圧縮荷重を大きくする必要があるが、セルの性能への影響を考慮すると、圧縮荷重はある程度しか大きくすることができない。このため、特に、積層方向と直交する方向の振動、衝撃による影響が抑えられた、耐振動性及び耐衝撃性に優れた構造が要求されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池スタックの耐振動性及び耐衝撃性を向上させることができ、良好な発電性能を維持することができる燃料電池の設置構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の発電用のセルを積層した燃料電池スタックが、緩衝装置によって設置場所に支持された燃料電池の設置構造であって、前記緩衝装置は、前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向と交差する方向の外力の方向を前記セルの積層方向へ変換する変換機能を有する。

この構成によれば、燃料電池スタックに対して振動や衝撃などの外力がセルの積層方向と直交する方向に作用すると、この外力の方向が、振動や衝撃に対して比較的耐久性を有するセルの積層方向に変換されるので、耐振動性及び耐衝撃性を向上させることができる。

また、前記燃料電池スタックは、その積層方向が水平となるように設置面上に配置され、前記緩衝装置は、前記設置面と前記燃料電池スタックの両端との間にそれぞれ設けられたリンク機構を有し、該リンク機構は、一端が前記設置面に対して水平方向の軸線を中心として回動可能に連結され、他端が前記燃料電池スタックに対して水平方向の軸線を中心として回動可能に連結されたリンクを有し、前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向と直交する上下方向の外力が前記燃料電池スタックに作用した際に、前記燃料電池スタックの両端のリンク機構の前記リンクがそれぞれ同一方向へ回動することにより、前記燃料電池スタックに作用する外力が前記セルの積層方向へ変換されるようにしてもよい。

また、前記燃料電池スタックは、その積層方向が水平となるように設置面上に配置され、前記緩衝装置は、前記燃料電池スタックの両側面と対向する壁面との間にそれぞれ設けられたリンク機構を有し、これらリンク機構は、一端が前記壁面に対して鉛直方向の軸線を中心として回動可能に連結され、他端が前記燃料電池スタックに対して鉛直方向の軸線を中心として回動可能に連結されたリンクを有し、前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向と直交する水平方向の外力が前記燃料電池スタックに作用した際に、前記燃料電池スタックの両側のリンク機構の前記リンクがそれぞれ反対方向へ回動することにより、前記燃料電池スタックに作用する外力が前記セルの積層方向へ変換されるようにしてもよい。

前記リンク機構は、前記燃料電池スタックの変位を吸収するダンパを備えていてもよい。

前記リンク機構の一端は、前記燃料電池スタックに対して相対変位可能に連結されていてもよい。

本発明によれば、燃料電池スタックの耐振動性及び耐衝撃性を向上させることができ、良好な発電性能を維持することができる。

次に、本発明に係る燃料電池の設置構造の一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池を燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、燃料電池スタック１１と、この燃料電池スタック１１の外側を覆うスタックケース１２とを有している。

燃料電池１０を構成する燃料電池スタック１１は、一対の矩形状のエンドプレート１３同士の間に、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電するセル１４を所要数積層してなるセル積層体１５が配置された構造とされている。この燃料電池スタック１１のセル積層体１５は、エンドプレート１３によってセル１４の積層方向に、所定の荷重によって挟持された状態に保持されている。

そして、この燃料電池スタック１１は、そのセル積層体１５のセル１４の積層方向を水平方向に配置した状態にてスタックケース１２内に収納されており、燃料電池１０は、セル１４の積層方向が車両の前後方向と一致するように車両に搭載されている。

上記燃料電池１０は、外力の方向を変換する変換機能を有する緩衝装置を備えており、この緩衝装置によって燃料電池スタック１１への振動、衝撃が緩衝される。この緩衝装置は、燃料電池１０の前後に設けられた前方リンク機構２１、後方リンク機構２２及び燃料電池１０の左右に設けられた右側リンク機構２３、左側リンク機構２４から構成されている。

前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２は、設置面である車体フレーム３１に設置されたもので、例えば、ゴム等の弾性材料から形成されたマウント３２を介して車体フレーム３１に支持されている。

前方リンク機構２１は、マウント３２に立設された支持リンク３３と、この支持リンク３３に、水平方向の軸線を中心として回動可能に連結された揺動リンク（リンク）３４とを有している。この前方リンク機構２１を構成する揺動リンク３４は、内部に油などの流体からなる緩衝材を有するシリンダ部３８と、このシリンダ部３８に対して進退可能なロッド３５とを備えたダンパからなるもので、ロッド３５の先端部が、スタックケース１２の前面板１２ａに、連結点３６にて水平方向の軸線を中心として回動可能に連結されている。

ここで、この前方リンク機構２１の揺動リンク３４は、支持リンク３３との連結箇所３７からスタックケース１２側へ向かって上方へ傾斜され、さらに、中間にて屈曲されてスタックケース１２側へ延在されている。

後方リンク機構２２は、マウント３２に立設された支持リンク４１と、この支持リンク４１に、水平方向の軸線を中心として回動可能に連結された揺動リンク（リンク）４２とを有している。この後方リンク機構２２を構成する揺動リンク４２は、内部に油などの流体からなる緩衝材を有するシリンダ部４６と、このシリンダ部４６に対して進退可能なロッド４３とを備えたダンパからなるもので、ロッド４３の先端部が、スタックケース１２の後面板１２ｂに、連結点４４にて水平方向の軸線を中心として回動可能に連結されている。

ここで、この後方リンク機構２２の揺動リンク４２は、支持リンク４１との連結箇所４５からスタックケース１２と反対側へ向かって上方へ傾斜され、さらに、中間にて屈曲されてスタックケース１２側へ延在されている。

右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４は、燃料電池１０と車体の側壁（壁面）５１との間に設置されている。これら右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４は、それぞれ内部に油などの流体からなる緩衝材を有するシリンダ部５７に対して進退可能なロッド５２を有するダンパからなる支持リンク５３と、ロッド５２の先端部に鉛直方向の軸線を中心として回動可能に連結された揺動リンク（リンク）５４と、を有している。

この右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４を構成する揺動リンク５４は、その先端部が、スタックケース１２の側面板１２ｃに設けられたスライドユニット５８に連結され、この連結箇所５５にて鉛直方向の軸線を中心として回動可能、かつ、スライドユニット５８内にて水平方向に相対移動可能とされている。

また、この揺動リンク５４は、支持リンク５３のロッド５２との連結箇所５６からスタックケース１２側へ向かって予めスタックケース１２の後端側へ向かって傾斜されている。なお、この揺動リンク５４の傾斜方向としては、スタックケース１２の前方側であっても良い。

次に、上記燃料電池１０に振動、衝撃などの外力が作用した場合の緩衝装置の動作について説明する。

（前後方向の外力）
燃料電池１０に前方へ向かう外力が作用すると、前方リンク機構２１では、揺動リンク３４のロッド３５が押し込まれ、後方リンク機構２２では、揺動リンク４２のロッド４３が引き出される。これにより、燃料電池１０の前方へ向かう外力が、前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２のダンパからなる揺動リンク３４，４２によって吸収される。

また、このとき、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４では、燃料電池１０の前方への変位とともに、揺動リンク５４が揺動してロッド５２に対する傾斜角度が小さくされ、各支持リンク５３のロッド５２が押し込まれる。これにより、燃料電池１０の前方へ向かう外力が、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４のダンパからなる支持リンク５３によっても吸収される。

燃料電池１０に後方へ向かう外力が作用すると、前方リンク機構２１では、揺動リンク３４のロッド３５が引き出され、後方リンク機構２２では、揺動リンク４２のロッド４３が押し込まれる。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう外力が、前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２のダンパからなる揺動リンク３４，４２によって吸収される。

また、このとき、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４では、燃料電池１０の後方への変位とともに、揺動リンク５４が揺動してロッド５２に対する傾斜角度が大きくされ、各支持リンク５３のロッド５２が引き出される。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう外力が、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４のダンパからなる支持リンク５３によっても吸収される。

（上下方向の外力）
燃料電池１０に上方へ向かう外力が作用すると、前方リンク機構２１では、支持リンク３３との連結箇所３７からスタックケース１２側へ向かって傾斜した揺動リンク３４が連結箇所３７を中心として図１中反時計回りへ回動され、後方リンク機構２２では、支持リンク４１との連結箇所４５からスタックケース１２と反対側へ向かって一旦傾斜した揺動リンク４２が連結箇所４５を中心として図１中反時計回りへ回動される。

これにより、上方へ向かう外力を受けた燃料電池１０は、その力の方向が前方へ向かう力に変換される。

そして、この前方へ向かう力によって前方リンク機構２１の揺動リンク３４のロッド３５がシリンダ部３８に押し込まれ、後方リンク機構２２の揺動リンク４２のロッド４３がシリンダ部４６から引き出されることより、これら揺動リンク３４，４２によって前方へ向かう力が吸収される。

また、このとき、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４では、燃料電池１０の前方への変位とともに、揺動リンク５４が揺動してロッド５２に対する傾斜角度が小さくされ、各支持リンク５３のロッド５２がシリンダ部５７へ押し込まれる。これにより、燃料電池１０の前方へ向かう外力が、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４の支持リンク５３によっても吸収される。

燃料電池１０に下方へ向かう外力が作用すると、前方リンク機構２１では、支持リンク３３との連結箇所３７からスタックケース１２側へ向かって傾斜した揺動リンク３４が連結箇所３７を中心として図１中時計回りへ回動され、後方リンク機構２２では、支持リンク４１との連結箇所４５からスタックケース１２と反対側へ向かって一旦傾斜した揺動リンク４２が連結箇所４５を中心として図１中時計回りへ回動される。

これにより、下方へ向かう外力を受けた燃料電池１０は、その力の方向が後方へ向かう力に変換される。

そして、この後方へ向かう力によって前方リンク機構２１の揺動リンク３４のロッド３５がシリンダ部３８から引き出され、後方リンク機構２２の揺動リンク４２のロッド４３がシリンダ部４６へ押し込まれることより、これら揺動リンク３４，４２によって後方へ向かう力が吸収される。

また、このとき、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４では、燃料電池１０の後方への変位とともに、揺動リンク５４が揺動してロッド５２に対する傾斜角度が大きくされ、各支持リンク５３のロッド５２がシリンダ部５７から引き出される。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう力が、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４の支持リンク５３によっても吸収される。

（左右方向の外力）
燃料電池１０に右側へ向かう外力が作用すると、右側リンク機構２３では、支持リンク５３との連結箇所５６からスタックケース１２側へ向かって後方へ傾斜した揺動リンク５４が連結箇所５６を中心として図２中反時計回りへ回動され、右側へ向かう外力を受けた燃料電池１０は、その力の方向が後方へ向かう力に変換される。また、左側リンク機構２４では、後方に変換された外力を受ける燃料電池１０によって、支持リンク５３との連結箇所５６からスタックケース１２側へ向かって後方へ傾斜した揺動リンク５４が連結箇所５６を中心として図２中時計回りへ回動される。

これにより、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４では、燃料電池１０の後方への変位とともに、ロッド５２に対する揺動リンク５４の傾斜角度が大きくされ、揺動リンク５４の先端部（連結箇所５５）がスライドユニット５８内にて前後方向に相対移動しつつ、各支持リンク５３のロッド５２がシリンダ部５７から引き出される。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう力が、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４の支持リンク５３によって吸収される。

また、このとき、前方リンク機構２１では、揺動リンク３４のロッド３５がシリンダ部３８から引き出され、後方リンク機構２２では、揺動リンク４２のロッド４３がシリンダ部４６へ押し込まれる。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう外力が、前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２の揺動リンク３４，４２によっても吸収される。

燃料電池１０に左側へ向かう外力が作用すると、左側リンク機構２４では、支持リンク５３との連結箇所５６からスタックケース１２側へ向かって後方へ傾斜した揺動リンク５４が連結箇所５６を中心として図２中時計回りへ回動され、左側へ向かう外力を受けた燃料電池１０は、その力の方向が後方へ向かう力に変換される。また、右側リンク機構２４では、後方に変換された外力を受ける燃料電池１０によって、支持リンク５３との連結箇所５６からスタックケース１２側へ向かって後方へ傾斜した揺動リンク５４が連結箇所５６を中心として図２中反時計回りへ回動される。

これにより、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４では、燃料電池１０の後方への変位とともに、ロッド５２に対する揺動リンク５４の傾斜角度が大きくされ、揺動リンク５４の先端部（連結箇所５５）がスライドユニット５８内にて前後方向に相対移動しつつ、各支持リンク５３のロッド５２がシリンダ部５７から引き出される。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう力が、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４の支持リンク５３によって吸収される。

また、このとき、前方リンク機構２１では、揺動リンク３４のロッド３５がシリンダ部３６から引き出され、後方リンク機構２２では、揺動リンク４２のロッド４３がシリンダ部４６へ押し込まれる。これにより、燃料電池１０の後方へ向かう外力が、前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２の揺動リンク３４，４２によっても吸収される。

このように、上記実施形態に係る燃料電池１０によれば、燃料電池スタック１１に対して振動や衝撃などの外力が上下・左右方向であるセル１４の積層方向と直交する方向に作用すると、この外力の方向が、振動や衝撃に対して比較的耐久性を有する前後方向であるセル１４の積層方向に変換される。

これにより、セル１４の締結荷重を必要以上に高めることなく、燃料電池１０の耐振動性及び耐衝撃性を向上させて安全性を高めることができ、良好な発電性能を維持することができる。

また、前方リンク機構２１及び後方リンク機構２２の揺動リンク３４，４２をダンパとし、右側リンク機構２３及び左側リンク機構２４の支持リンク５３をダンパとしたので、燃料電池１０の外力による変位を良好に吸収することができ、耐振動性及び耐衝撃性をさらに向上させることができる。

実施形態に係る燃料電池を説明する縦断面図である。 実施形態に係る燃料電池を説明する横断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料電池スタック、１４…セル、２１…前方リンク機構（リンク機構、緩衝装置）、２２…後方リンク機構（リンク機構、緩衝装置）、２３…右側リンク機構（リンク機構、緩衝装置）、２４…左側リンク機構（リンク機構、緩衝装置）、３１…車体フレーム（設置面）、３４，４２，５４…揺動リンク（リンク）、３５，４３，５２…ロッド（ダンパ）、３８，４６，５７…シリンダ部（ダンパ）、５１…側壁（壁面）。

Claims (5)

1. 複数の発電用のセルを積層した燃料電池スタックが、緩衝装置によって設置場所に支持された燃料電池の設置構造であって、
   前記緩衝装置は、前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向と交差する方向の外力の方向を前記セルの積層方向へ変換する変換機能を有する燃料電池の設置構造。
2. 前記燃料電池スタックは、その積層方向が水平となるように設置面上に配置され、前記緩衝装置は、前記設置面と前記燃料電池スタックの両端との間にそれぞれ設けられたリンク機構を有し、
   該リンク機構は、一端が前記設置面に対して水平方向の軸線を中心として回動可能に連結され、他端が前記燃料電池スタックに対して水平方向の軸線を中心として回動可能に連結されたリンクを有し、
   前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向と直交する上下方向の外力が前記燃料電池スタックに作用した際に、前記燃料電池スタックの両端のリンク機構の前記リンクがそれぞれ同一方向へ回動することにより、前記燃料電池スタックに作用する外力が前記セルの積層方向へ変換される請求項１に記載の燃料電池の設置構造。
3. 前記燃料電池スタックは、その積層方向が水平となるように設置面上に配置され、前記緩衝装置は、前記燃料電池スタックの両側面と対向する壁面との間にそれぞれ設けられたリンク機構を有し、
   これらリンク機構は、一端が前記壁面に対して鉛直方向の軸線を中心として回動可能に連結され、他端が前記燃料電池スタックに対して鉛直方向の軸線を中心として回動可能に連結されたリンクを有し、
   前記燃料電池スタックの前記セルの積層方向と直交する水平方向の外力が前記燃料電池スタックに作用した際に、前記燃料電池スタックの両側のリンク機構の前記リンクがそれぞれ反対方向へ回動することにより、前記燃料電池スタックに作用する外力が前記セルの積層方向へ変換される請求項１または請求項２に記載の燃料電池の設置構造。
4. 前記リンク機構は、前記燃料電池スタックの変位を吸収するダンパを備えた請求項２または請求項３に記載の燃料電池の設置構造。
5. 前記リンク機構の他端は、前記燃料電池スタックに対して相対変位可能に連結されている請求項３に記載の燃料電池の設置構造。
   
   
   

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