JP2020119861A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】予期しない部位に高温部品の熱による膨張応力がかかることを抑制可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２及び改質器３の少なくとも一方を含む高温部品を収納する筐体１を備える燃料電池システム１００が提供される。この燃料電池システム１００では、筐体１には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウント９が固定され、筐体１に収納される高温部品は、複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定され、複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点または所望の位置近傍の複数の点で交わるように配置される。一軸性マウント９は、支持部９２と荷重受部材９１と、支持部９２と荷重受部材９１との間に配置され荷重負担を担う第１バネ９７または荷重受部材９１の傾きを規制する第２バネ９８の少なくとも一方からなる弾性機構１２とを備える。【選択図】図１０

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、改質器を用いて炭化水素系燃料を水蒸気改質処理した燃料ガスにより発電を行う固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。固体酸化物型燃料電池は、天然ガスやエタノール等の入手容易な燃料で発電できるという利点がある。しかし、固体酸化物型燃料電池は反応温度が高いため、稼働時に燃料電池スタックや改質器等の部品が高温になる。

燃料電池システムを車両に搭載する場合、防水性や耐チッピング性の観点から、金属等の筐体内に燃料電池や改質器などの部品を締結して配置することが好ましい。しかし筐体内に締結された固体酸化物型燃料電池のスタックや改質器などの部品が高温になると、熱による膨張応力により筐体や高温になった部品が変形し、締結部分の緩みや部品の破損、劣化を引き起こす恐れがある。また、燃料電池スタックや改質器などの部品が高温になると、高温部位に接続される配管等に過大な膨張応力がかかってしまい、応力吸収構造がないと、配管等が変形や破損、もしくは亀裂発生等により気密性が劣化してしまうという問題もある。

特許文献１には、筐体内に配置された改質器を筐体に固定する改質器の支持構造が開示されている。この支持構造では、改質器の熱膨張による応力を緩和するため、改質器をブラケットによりゴム材等の弾性マウントを介して筐体の内壁に固定している。

特開２００２−２８４５０６号公報

特許文献１に記載された改質器の支持構造では、弾性マウントを設けた部分の膨張応力を緩和することはできるものの、その他の部分には依然として熱による膨張応力がかかる。そのため、改質器の一部や、改質器に燃料を供給するための配管等、予期しない部位に熱による膨張応力がかかってしまう。

本発明の目的は、予期しない部位に高温部品の熱による膨張応力がかかることを抑制可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、燃料電池及び燃料電池に燃料を供給する改質器の少なくとも一方を含む高温部品を収納する筐体を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムでは、筐体には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントが固定され、筐体に収納される高温部品は、複数の一軸性マウントを介して筐体に固定され、複数の一軸性マウントは、各一軸性マウントの変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点で交わるように配置される。そして、一軸性マウントは、筐体に固定される支持部と、支持部に支持され、かつ高温部品の荷重が作用する荷重受部材と、支持部と荷重受部材との間に配置され荷重負担を担う第１バネまたは一軸性マウントの変位可能な方向に対する荷重受部材の傾きを規制する第２バネの少なくとも一方からなる弾性機構とを備える。

本発明によれば、筐体には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントが固定され、筐体に収納される燃料電池及び改質器などの高温部品は、複数の一軸性マウントを介して筐体に固定される。また、複数の一軸性マウントは、各一軸性マウントの変位可能な方向に伸ばしたマウントの軸線どうしが一点または所望の位置近傍の複数の点で交わるように配置される。これにより、高温部品の熱膨張による変位方向を制御できるため、予期しない部位に膨張応力がかかることを防止でき、システム構成部品の劣化を抑制し、部品の破損を回避することができる。さらに、支持部は弾性機構を介して荷重受部材を支持するので、一軸性マウントの変位可能な方向に対する荷重受部材の傾きが生じた場合でも噛み込みは生じず、車両走行に伴う振動を抑制することもできる。

図１は、燃料電池システムの筐体内部を示す図である。 図２ａは、一軸性マウントを正面から見た模式図である。 図２ｂは、一軸性マウントを側面から見た模式図である。 図３ａは、変形例による一軸性マウントの模式図である。 図３ｂは、変形例による一軸性マウントの組立模式図である。 図４ａは、変形例による一軸性マウントの模式図である。 図４ｂは、変形例による一軸性マウントの組立模式図である。 図５は、一軸性マウントを設置した際の筐体内部を示す図である。 図６は、一軸性マウントの配置の第１変形例を示す図である。 図７は、一軸性マウントの配置の第２変形例を示す図である。 図８は、一軸性マウントの配置の第３変形例を示す図である。 図９は、弾性機構を有する一軸性マウントを側面から見た模式図である。 図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図１１は、共振周波数とバネ定数との関係を示す図である。 図１２は、筐体内の温度分布を示す図である。 図１３は、弾性係数と温度との関係を示す図である。 図１４は、共振周波数と温度との関係を示す図である。 図１５は、摺動抵抗と温度との関係を示す図である。 図１６は、温度分布及び質量分布が及ぼす影響についてまとめた表である。 図１７は、一軸性マウントが有する課題と、その解決要素を示す表である。 図１８は、共振周波数とバネ定数との関係を示す図である。 図１９は、第１バネ及び第２バネの各パラメータについてまとめた表である。 図２０は、実験結果を示す表である。 図２１は、一軸性マウントの変形例を示す図である。 図２２は、第１変形例による一軸性マウントの模式図である。 図２３は、第１変形例による一軸性マウントを設置した際の筐体内部を示す図である。 図２４は、第１変形例による燃料電池システムの筐体内部を示す図である。 図２５ａは、第２変形例による一軸性マウントを設置した際の筐体内部を示す図である。 図２５ｂは、第２変形例による一軸性マウントを正面から見た模式図である。 図２５ｃは、第２変形例による一軸性マウントを側面から見た模式図である。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２に対して発電に必要となる燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）を供給し、燃料電池スタック２を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。

燃料電池システム１００の筐体１内には、燃料電池スタック２と、燃料を改質して燃料電池スタック２にアノードガスを供給する改質器３とが配置されている。燃料電池スタック２と改質器３とは、改質された燃料ガスを改質器３から燃料電池スタック２に供給するアノードガス供給管４（配管）と、燃料電池スタック２から排出される排出ガスが流れる第１排気管５とにより連結されている。また、改質器３は、それぞれ改質器３に燃料を供給する燃料供給管６、空気を供給する吸気管７、及び改質器３から排出ガスを排出する第２排気管８を介して外部の補機類と連結されている。なお、この他に燃料電池システム１００には、カソードガス供給管が配設されるが、本発明の効果の説明においては、アノードガス供給管と同様なので省略する。

筐体１は金属等からなり、燃料電池スタック２及び改質器３を収納する。筐体１の内側には、反応温度の高い燃料電池スタック２や改質器３の熱が放熱されることによる熱損失を抑制するために断熱材１１が設けられている。断熱材１１は、燃料電池スタック２及び改質器３を収容可能な状態で筐体１内に設けられている。

燃料電池スタック２は高温で稼働する高温部品であり、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック２は複数の燃料電池又は燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

改質器３は高温で稼働する高温部品であり、改質前燃料を燃料電池スタック２に供給するために適切な状態とすべく改質する。例えば、改質器３は、燃料供給管６から供給される燃料を触媒反応により水素を包含する燃料ガス（アノードガス）に改質する。

また、改質器３には図示しない排気燃焼器が備えられている。排気燃焼器は、燃料電池スタック２から排出された排出ガスを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成する。排気燃焼器で生成された燃焼ガスは、熱交換により改質器３を加熱する。

アノードガス供給管４は、改質器３で改質されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給する配管であり、改質器３と燃料電池スタック２とを連結する。アノードガス供給管４は、一端が改質器３に、他端が燃料電池スタック２に、溶接等によって接合されている。また、アノードガス供給管４は、配管の一部または全部に柔軟性を有するフレキシブル部４１を備えるフレキシブル配管である。

第１排気管５は、燃料電池スタック２から排出される排出ガスを改質器３内の排気燃焼器へ送る配管であり、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する。第１排気管５は、一端が改質器３に、他端が燃料電池スタック２に、溶接等によって接合されている。また、第１排気管５は、配管の一部または全部に柔軟性を有するフレキシブル部５１を備えるフレキシブル配管である。

燃料供給管６は改質器３と筐体１外部の補機とを連結する連結部材であり、改質器３に改質前燃料を供給する配管である。燃料供給管６は溶接等によって一端が改質器３に接合され、他端は例えばバルブ等の補機に連接している。

吸気管７は改質器３と筐体１外部の補機とを連結する連結部材であり、例えばシステム起動時に改質器３を暖機する際、燃料を燃焼させるための空気を供給するなど、必要に応じて改質器３に空気を供給する配管である。吸気管７は溶接等によって一端が改質器３に接合され、他端は例えばバルブ等の補機に連接している。

第２排気管８は改質器３と筐体１外部の補機とを連結する連結部材であり、排気燃焼器により生成された燃焼ガスを筐体１外部に排出する配管である。第２排気管８は溶接等によって一端が改質器３に接合され、他端は例えばバルブ等の補機に連接している。

このように構成された燃料電池システム１００では、燃料供給管６から供給される燃料が改質器３によりアノードガスに改質され、改質されたアノードガスがアノードガス供給管４から燃料電池スタック２に供給される。なお、燃料電池スタック２には、図示しないカソードガス供給管を介して、筐体１外部からカソードガスが供給される。

一方、燃料電池スタック２から排出された排出ガスは第１排気管５を介して改質器３内の排気燃焼器に送られ、排気燃焼器は排出ガスを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成する。排気燃焼器で生成された燃焼ガスは、熱交換により改質器３を加熱した後、第２排気管８を介して筐体１外部に排出される。

なお、改質器３とともに、液体燃料を加熱して改質前燃料ガスを生成する蒸発器や、排気燃焼器で生成された燃焼ガスと改質前燃料ガスを熱交換させて改質前燃料ガスを過熱する過熱器などを筐体１内に配置する構成にしてもよい。

また、燃費の観点から、燃料電池スタック２と改質器３とを排気管で連結してオフガスを利用することが好ましいが、必ずしもこれに限られず、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する排気管を設けない構成にしてもよい。

次に、燃料電池スタック２及び改質器３の支持構造について説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック２及び改質器３は、それぞれ複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定されている。

一軸性マウント９は、一方向（マウント軸線方向）のみに変位可能に構成されている。一軸性マウント９は、筐体１と燃料電池スタック２及び改質器３とが一軸性マウント９の変位方向に相対移動可能なように、下面が筐体１に固定され、上面が燃料電池スタック２及び改質器３に固定されている。このようにして、複数の一軸性マウント９は燃料電池スタック２及び改質器３を筐体１に固定している。なお、一軸性マウント９の構造の詳細は後述する。

燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点で交わるように、即ち、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置されている。例えば、図１に示すように、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしが一点Ｘで交わるように放射状に６個配置される。

同様に、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点で交わるように、即ち、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置されている。例えば、図１に示すように、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしが一点Ｙで交わるように放射状に４個配置される。

複数の一軸性マウント９の軸線が交わる点は、筐体内部の高温部品が熱膨張した場合にも筐体１に対して相対変位しない点、即ち膨張中心を形成する。

このように各マウント軸線が一点（膨張中心）で交わるように複数の一軸性マウント９を配置すると、高温部品は熱膨張する際、膨張中心から放射状に膨張変位する。従って、膨張変位の方向と一軸性マウント９の変位可能な方向（マウント軸線方向）とが一致し、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。

また、筐体１内部の高温部品を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置されるため、筐体１内部の高温部品が水平方向に移動することが規制される。従って、筐体１に収納される高温部品が筐体１に対して水平方向に揺動することが抑制される。

次に、図２及び図３を用いて、一軸性マウント９の構造を説明する。

図２ａ及び図２ｂは一軸性マウント９の模式図であり、図２ａは一軸性マウント９を正面から見た模式図、図２ｂは一軸性マウント９を側面から見た模式図である。

図２ａ及び図２ｂに示すように、一軸性マウント９は、荷重受部材としてのシャフト９１、支持部としての軸受（可動軸受）９２、部品固定部材９３、筐体固定部材９４から構成される。

シャフト９１は耐熱性の金属材料から成り、円柱状に構成される。シャフト９１は、筐体１に収納される高温部品の底面に平行な方向に延びる平行部９１１と、平行部９１１の両端から平行部９１１に対して垂直な方向に屈曲して延びる垂直部９１２を有する。平行部９１１は軸受９２により支持され、シャフト９１の両端（垂直部９１２の端部）は、溶接等により高温部品を支持する部品固定部材９３に接合される。なお、垂直部９１２の端部をフランジ状にして、ボルト等の締結部材により部品固定部材９３に締結してもよい。

軸受９２は耐熱性の金属材料から成り、底面においてボルト等の締結部材により筐体固定部材９４に固定される。軸受９２は、シャフト９１の平行部９１１において、筐体１に収納される高温部品の底面に平行な方向に変位可能な状態でシャフト９１を支持する。このように軸受９２は、高温部品の底面に平行な方向に変位可能な状態でシャフト９１を支持するとともに、一軸性マウント９を介して筐体１に固定される高温部品が筐体１に対して底面に平行な方向以外の方向に相対変位することを規制する。

部品固定部材９３は、例えばステンレス系の耐熱性材料等から成る板状の部材で、シャフト９１の両端（垂直部９１２の端部）においてシャフト９１に接合される。部品固定部材９３はシャフト９１の平行部９１１に平行な載置面９３１を有し、載置面９３１上には筐体１に収納される高温部品が載置され、高温部品はボルト等の締結部材により載置面９３１に固定される。

筐体固定部材９４は、例えばステンレス系の耐熱性材料等から成る板状の部材で、上面においてボルト等の締結部材により軸受９２が締結される。なお、後述するとおり、筐体固定部材９４の底面はボルト等の締結部材により筐体１に締結される。

このように、一軸性マウント９は、部品固定部材９３を介して筐体１内の高温部品に固定されるシャフト９１と、シャフト９１を一方向に変位可能な状態で支持する軸受９２と、から構成される。また、軸受９２は、筐体固定部材９４を介して筐体１に固定される。これにより、一軸性マウント９は一方向にのみ変位可能な状態で筐体１内の高温部品を筐体１に固定する。

なお、一方向にのみ変位可能な状態で筐体１内の高温部品を固定できれば一軸性マウント９は上記の構成に限らない。例えば図３（ａ）に示すように、シャフト９１の平行部９１１は一端のみに垂直部９１２を有する構成としてもよい。この場合、シャフト９１が軸受９２から脱落しないように、平行部９１１の長さを高温部品の膨張による変位の最大量よりも長めにとればよい。また、平行部９１１の他端に例えばフランジ状のストッパを設けてもよい。このような構成にすることで、図３（ｂ）に示すように、シャフト９１及び部品固定部材９３と、軸受９２及び筐体固定部材９４とをそれぞれ分離して製造して組み立てることが可能となり、一軸性マウント９をより容易に構成できる。

また、例えば図４（ａ）のように、一軸性マウント９をシャフト９１の平行部９１１に対して垂直な方向に延びる第２部品固定部材９３ｂと、シャフト９１の平行部９１１に対し平行な載置面９３１を有する第１部品固定部材９３ａとを備える構造にしてもよい。この場合、まず、第２部品固定部材９３ｂの上端において第２部品固定部材９３ｂと第１部品固定部材９３ａとをボルト等の締結部材により締結する。次に、第２部品固定部材９３ｂに貫通孔を設けて貫通孔にシャフト９１を貫通させてからシャフト９１と第２部品固定部材９３ｂを接合する。このような構成にすることで、図４（ｂ）に示すように、シャフト９１と、部品固定部材９３と、軸受９２及び筐体固定部材９４とをそれぞれ分離して製造して組み立てることが可能となり、一軸性マウント９をより容易に構成できる。

図５は一軸性マウント９を設置した際の筐体内部を示す図であり、筐体１の側面方向から見た図である。

図５に示すように、一軸性マウント９は、断熱材１１を介して筐体固定部材９４が筐体１にボルト等により締結されることで筐体１に固定される。なお、断熱材１１に貫通孔を設け、一軸性マウント９を、貫通孔を通して直接筐体１に固定してもよい。部品固定部材９３には、載置面９３１においてボルト等により筐体１内の高温部品（燃料電池スタック２及び改質器３）が固定される。

このような構成により、一軸性マウント９は、高温部品の底面と平行な方向に変位可能に高温部品を筐体１に固定する。また、軸受９２によって、シャフト９１に固定される高温部品が軸受９２の可動方向以外の方向に変位することが規制される。これにより、例えば高温部品の底面に対し垂直な方向等、軸受９２の可動方向以外の方向に筐体１が加振された場合に、筐体１に収納される高温部品が揺動することを抑制できる。

上記した第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、高温部品（燃料電池スタック２及び改質器３の少なくとも一方）を収納する筐体１に一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウント９が固定され、筐体１に収納される高温部品は、複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定される。そして複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点（膨張中心）で交わるように配置される。高温部品は膨張中心から放射状に熱膨張するため、膨張変位の方向と一軸性マウント９の変位可能な方向（マウント軸線方向）とが一致し、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。このように、一軸性マウント９の配置によって高温部品の熱膨張による変位方向を制御できるため、予期しない部位に膨張応力がかかることを防止できる。その結果、システム構成部品の劣化を抑制し、部品の変形や破損を回避することができる。

また、一軸性マウント９の配置のみによって筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができるため、特許文献１のようにゴム材等の弾性マウントを用いる必要が無い。ゴム材等の容易に入手可能な材料からなる弾性マウントでは、マウントの耐熱性を確保できないため、システムに熱交換器等を設けて、ゴム材等の弾性マウントを冷却する必要がある。このように熱交換器を追加すると、システム構成が大型化してしまうという問題がある。しかし燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９を冷却する必要が無いため、熱交換器を用いる必要が無く、システムの小型化、低コスト化を実現できる。

また、筐体１に収納される高温部品の熱膨張を許容することができるため、筐体１に断熱材１１等を設けることにより筐体１と高温部品との間に温度差が生じ、高温部品との間の熱膨張に膨張差が生じても、筐体１及び高温部品に熱応力が発生しない。これにより、筐体１や高温部品の変形、筐体１と高温部品の締結部の緩みを抑制することができる。

また、筐体１に収納される高温部品は、複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定され、各一軸性マウント９は、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置される。これにより、筐体１内部の高温部品が水平方向に移動することが規制されるため、高温部品が筐体１に対して水平方向に揺動することを抑制できる。

燃料電池システム１００においては、筐体１に収容される高温部品としての燃料電池スタック２と改質器３とが、改質器３から燃料電池スタック２へ燃料を供給するためのアノードガス供給管４（配管）により連結される。そして、それぞれ各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置された複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定される。従って、燃料電池スタック２及び改質器３のそれぞれが、水平方向に移動することが規制されるため、燃料電池スタック２及び改質器３が筐体１に対して水平方向に揺動することを抑制できる。

燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９の軸線どうしと、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９の軸線どうしとが、異なる一点で交わる。従って、燃料電池スタック２と改質器３とは、それぞれ膨張中心を形成する。これにより、燃料電池スタック２と改質器３とは、個々に熱膨張が許容され、筐体１と燃料電池スタック２及び改質器３との間の熱膨張に膨張差が生じても熱応力が発生しない。これにより、筐体１や燃料電池スタック２及び改質器３の変形、筐体１と燃料電池スタック２及び改質器３の締結部の緩みを抑制することができる。

燃料電池システム１００においては、筐体１に収納される燃料電池スタック２と改質器３とを連結する改質器３から燃料電池スタック２へ燃料を供給するためのアノードガス供給管４（配管）が、柔軟性を有するフレキシブル部４１を備えるフレキシブル配管により構成される。これにより、配管にかかる燃料電池スタック２及び改質器３の熱膨張による膨張応力を緩和することができ、配管の変形や破損、もしくは亀裂発生による気密性の劣化等を防止できる。

燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９は、筐体１に収納される燃料電池スタック２及び改質器３に固定されるシャフト９１と、シャフト９１を一方向に変位可能な状態で支持する軸受９２とから構成され、軸受９２は筐体１に固定される。このように、軸受９２はシャフト９１を一方向に変位可能な状態で支持するため、シャフト９１に固定される燃料電池スタック２及び改質器３が筐体１に対し軸受９２の可動方向以外に相対変位することを規制できる。また、筐体１に収納される燃料電池スタック２及び改質器３は、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置された複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定されるため、燃料電池スタック２及び改質器３が水平方向に移動することも規制される。このため、水平方向や垂直方向を含むすべての方向への燃料電池スタック２及び改質器３の揺動を防止できる。従って、燃料電池スタック２及び改質器３の周囲に、揺動を許容するための空隙を設ける必要がなく、システムを小型化することができる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック２を筐体１に固定する一軸性マウント９を６個、改質器３を筐体１に固定する一軸性マウント９を４個配置する構成としたがこれに限らない。筐体１に対する高温部品の揺動をより確実に防止する観点から、一軸性マウント９は放射状に４個以上設けることが好ましいが、軸線方向の異なる一軸性マウント９が少なくとも２個以上あれば膨張中心が形成され、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。

（一軸性マウント９の配置の第１変形例）

図６を参照して、一軸性マウント９の配置の変形例について説明する。なお、先に述べた実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６は、一軸性マウント９の配置の第１変形例による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。本変形例においては、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の構成及び複数の一軸性マウント９の軸線により形成される膨張中心の位置が先に述べた実施形態と異なる。

図６に示すように、燃料電池スタック２と改質器３とは、改質器３から燃料電池スタック２にアノードガスを供給するアノードガス供給管４’及び燃料電池スタック２から排出される排出ガスを改質器３内の排気燃焼器へ送る第１排気管５’により連結される。

アノードガス供給管４’及び第１排気管５’は、第１実施形態と異なり、フレキシブル部を備えていない金属製の配管であり、例えば一端が燃料電池スタック２に溶接され、他端が改質器３に溶接されることで燃料電池スタック２と改質器３とを連結している。

図６に示すように、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしがアノードガス供給管４’及び第１排気管５’と燃料電池スタック２との接合部分近傍の一点Ｘ’で交わるように配置される。即ち、燃料電池スタック２の膨張中心が、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。

同様に、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしがアノードガス供給管４’及び第１排気管５’と改質器３との接合部分近傍の一点Ｙ’で交わるように配置される。即ち、改質器３の膨張中心が、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。

このように、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、いずれも燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。これにより、燃料電池スタック２と改質器３との連結部位における膨張変位が抑制され、配管に高温部品の膨張応力がかかることが抑制される。このため、高温部品を連結する配管にフレキシブル部を設ける必要がない。

上記した一軸性マウント９の配置の第１変形例による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、いずれも燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。従って、燃料電池スタック２と改質器３との連結部位における膨張変位が抑制され、配管に高温部品の膨張応力がかかることが抑制される。このため、高温部品を連結する配管にフレキシブル部を設ける必要がなく、連結配管を短くすることができ、燃料電池システム１００をより小型化、低コスト化できる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の近傍に形成されるように一軸性マウント９を配置しているが、各膨張中心が配管上に形成されるように一軸性マウント９を配置してもよい。

（一軸性マウント９の配置の第２変形例）

図７を参照して、一軸性マウント９の配置の第２変形例による燃料電池システム１００を説明する。なお、先に述べた実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７は、一軸性マウント９の配置の第２変形例による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。変形例においては、複数の一軸性マウント９の軸線により形成される膨張中心の数及び位置が先に述べた実施形態と異なる。

図７に示すように、複数の一軸性マウント９は、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９のマウント軸線どうしと、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９のマウント軸線どうしとが、同一の一点Ｘ’’で交わるように配置される。即ち、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが一致するように一軸性マウント９が配置される。

また、複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしが交わる点Ｘ’’が燃料供給管６、吸気管７及び第２排気管８と改質器３との接合部近傍に位置するように配置される。

このように、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、改質器３と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材近傍における同一の一点Ｘ’’に形成されるように、一軸性マウント９が配置される。

筐体１内部の高温部品と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材に膨張応力がかかる場合、例えば連結部材にホース類を介在させるなどして応力を吸収する必要がある。しかし、本実施形態においては、筐体１内部の高温部品と外部の補機類とを連結する連結部材近傍に膨張中心が形成されるため、高温部品の熱膨張による連結部材の変位が抑制される。従って、連結部材に吸収機構を設けることを省略できる。

なお、本変形例のように燃料電池スタック２と改質器３とを連結し、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが同一の一点Ｘ’’に形成されるように一軸性マウント９を配置することで、燃料電池スタック２、改質器３及び燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管を一つの剛体と見なすことができる。従って、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管にかかる膨張応力が抑制されるため、アノードガス供給管４’及び第１排気管５’にフレキシブル部を設ける必要が無い。従って、図８７に示すように、燃料電池スタック２と改質器３とを連結するアノードガス供給管４’及び第１排気管５’は、第１実施形態の変形例と同様に、フレキシブル部を備えていない。

上記した第２変形例による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、筐体１内部の高温部品と外部の補機類とを連結する連結部材近傍における同一の一点Ｘ’’に形成されるように一軸性マウント９が配置される。このように膨張中心が筐体１内部の改質器３と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材近傍に形成されるため、高温部品の熱膨張による連結部材の変位が抑制される。従って、補機類に連結される連結部材に吸収機構を設けることが不要になり、システムの小型化、低コスト化が可能となる。

また、燃料電池スタック２と改質器３とが連結され、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが同一の一点Ｘ’’に形成されるため、燃料電池スタック２及び改質器３を一つの剛体と見なすことができる。従って、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管にかかる膨張応力が抑制される。これにより、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管にフレキシブル部を設ける必要がなく、連結配管を短くすることができるため、燃料電池システム１００をより小型化、低コスト化できる。

なお、本変形例では、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心が、筐体１内部の改質器３と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材近傍の一点Ｘ’’に形成されるように一軸性マウント９を配置しているが、膨張中心が連結部材上の一点に形成されるように一軸性マウント９を配置してもよい。

（一軸性マウント９の配置の第３変形例）

図８を参照して、一軸性マウント９の配置の第３変形例による燃料電池システム１００を説明する。なお、先に述べた実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図８は、一軸性マウント９の配置の第３変形例による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。本変形例においては、連結部材の配置が第２実施形態と異なる。

図８に示すように、燃料供給管６、吸気管７及び第２排気管８は一箇所に集中的に配置され、複数の一軸性マウント９は、これらの連結部材が集中的に配置される箇所の近傍に膨張中心Ｘ’’が形成されるように配置される。

上記した第３変形例による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、筐体１内部の高温部品と外部の補機類とを連結する複数の連結部材が一箇所に集中的に配置され、複数の一軸性マウント９は、連結部材が集中的に配置される箇所の近傍に膨張中心が形成されるように配置される。これにより、各連結部材と膨張中心との距離が近くなり、連結部材にかかる筐体１内部の高温部品の熱膨張による応力がより抑制される。

また、複数の連結部材が一箇所に集中的に配置されるため、連結部材が貫通する断熱材１１の貫通孔を一箇所のみに設ければよく、断熱材１１の加工が容易になる。

また、一箇所に集中的に配置される連結部材の管径が小さい場合、各連結部材と膨張中心との距離がより近くなり、連結部材にかかる筐体１内部の高温部品の熱膨張による応力がさらに抑制される。

ところで、図２〜図４に示した一軸性マウント９は、シャフト９１の実際の変位方向と、設計上で軸受９２が許容する変位方向とにずれが生じたり、シャフト９１が熱膨張したりすると、いわゆる噛み込みが生じて、シャフト９１が軸受９２に対して動かなくなるおそれがある。

一方、噛み込みを防止するためにシャフト９１と軸受９２とのクリアランスを大きくすると、車両走行中に発生する振動や、当該振動により発生するシャフト９１と軸受９２との打音を抑制できなくなるおそれがある。

そこで本実施形態では、軸受９２が弾性機構１２を介してシャフト９１を支持する構成とする。

図９、図１０を参照して、弾性機構１２について説明する。図９は、一軸性マウント９の軸受９２とシャフト９１とを図２ｂと同様に側面から見た図である。図１０は、図９のＸ−Ｘに沿った断面を図９の矢印方向から見た図である。なお、図１０のシャフト９１は、組み立て工程において軸受９２に組み付けた状態を示しており、図中の破線は、燃料電池システム稼働中に熱膨張したシャフト９１を示している。

弾性機構１２は、荷重分担を担う複数の第１バネ９７と、一軸性マウント９の変位可能な方向に対するシャフト９１の傾き（以下、「シャフト９１の傾き」ともいう）を規制する複数の第２バネ９８と、で構成される。本実施形態では、１つの一軸性マウント９に設ける弾性機構１２は、４個の第１バネ９７と８個の第２バネ９８で構成される。

図９に示す通り、第１バネ９７及び第２バネ９８は、軸受９２に設けた貫通孔の壁面に、周方向に等間隔で配置される。図１０に示す通り、第１バネ９７は軸受９２に設けた貫通孔の軸方向中央に配置され、第２バネ９８は第１バネ９７を軸方向両側から挟むように配置される。ここでいう軸方向とは、シャフト９１の軸方向である。

なお、第１バネ９７と第２バネ９８は、貫通孔の壁面に溶接またはロウ付けにより固定してもよいし、貫通孔の壁面に溝を設け、当該溝に嵌め込むことにより固定してもよい。

第１バネ９７と第２バネ９８は、いずれもシャフト９１と接触する部分が滑らかな凸曲面形状となっている板バネである。板バネの材質は、耐熱性を有する金属材料、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金等である。なお、金属材料に代えてセラミック材料を用いてもよい。

図１０に示す通り、組み立て工程において軸受９２にシャフト９１を組み付けた状態で、第１バネ９７はシャフト９１と接触するが、第２バネ９８はシャフト９１と接触しない。そして、燃料電池システム稼働中にシャフト９１が熱膨張すると、第２バネ９８はシャフト９１と接触する。

上記のような構成の弾性機構１２は、第１バネ９７がシャフト９１との接触を確保し、かつシャフト９１の振動を抑制する機能を果たし、第２バネ９８がシャフト９１の傾きを規制する機能を果たす。なお、シャフト９１が傾いたり、熱膨張したりして第２バネ９８とシャフト９１とが接触した場合は、接触した第２バネ９８も振動を抑制する機能を果たす。

次に、一軸性マウント９のバネ定数について説明する。

一軸性マウント９に弾性機構１２を設けることで、上記の通りシャフト９１の振動を抑制することができる。シャフト９１の振動は、例えば本燃料電池システムを搭載した車両が走行する際に燃料電池スタック２及び改質器３からなる高温部品が振動することにより生じる。そして、車両設計の観点から、高温部品の振動が共振周波数になることを回避する必要がある。そこで、弾性機構１２により抑制されたシャフト９１の振動の周波数が、高温部品の共振周波数より高くなるように、弾性機構１２のバネ定数を設定する。ここでいう弾性機構１２のバネ定数とは、複数の第１バネ９７と、複数の第２バネ９８のバネ定数のうちシャフト９１に弾性力を作用させるものの合成バネ定数のことをいう。

共振周波数とバネ定数との関係は、式（１）で表される。

ｆｎ＝（１/２π）×（ｋ/ｍ）^1/2 ・・・（１）

ただし、ｆｎ：共振周波数、ｋ：バネ定数、ｍ：質量とする。

図１１は、式（１）の関係をグラフにしたものである。縦軸は共振周波数、横軸はバネ定数である。図示する通り、バネ定数が大きくなるほど共振周波数は高くなるという特性がある。

本実施形態では、複数の一軸性マウント９で高温部品を支持するので、式（１）におけるバネ定数ｋは、複数の一軸性マウント９のバネ定数の合成値であり、質量ｍは燃料電池スタック２の質量と改質器３の質量との合算値である。

ところで、一軸性マウント９が配置される領域、つまり筐体１の内部には、温度分布及び質量分布がある。

図１２は、筐体１内の温度分布を示す図である。ここでは、図１２の下図に示す構成の燃料電池システムを用いて説明する。図１２の下図の構成では、燃料電池スタック２と改質器３とがアノードガス供給管４及び第１排気管５を介さずに直接的に接続されている。また、上述した一軸性マウント９の配置の第３変形例（図８）と同様の技術思想により、各一軸性マウント９の軸線の交点Ｘ´´、つまり膨張中心が一点となり、その膨張中心が燃料電池スタック２と改質器３との境界面上に位置する。一軸性マウント９は、境界面の両端に２個、燃料電池スタック２の境界面とは反対側の端面の角に２個、改質器３の境界面とは反対側の端面の角に２個、の合計６個である。

燃料電池システムの稼働中は、燃料電池スタック２は反応熱により温度上昇し、改質器３は燃料電池スタック２から受熱して温度上昇する。したがって、筐体１内の温度分布は、図１２の上図に示す通り、燃料電池スタック２側がほぼ一定温度かつ改質器３側より高温になり、境界面付近で温度が低下し、改質器３側は燃料電池スタック２から離れるほど低温になる。また、燃料電池スタック２は改質器３よりも質量が大きい。

このように、一軸性マウント９ごとに、温度及び担う荷重が異なる。担う荷重が大きくなるほど、要求されるバネ定数も大きくなる。したがって、燃料電池スタック２を支持する一軸性マウント９は、改質器３を支持する一軸性マウント９よりも要求されるバネ定数が大きくなる。また、膨張中心からの距離が大きいほど、シャフト９１が傾いたときに弾性機構１２に作用する力は大きくなるので、同一温度領域であれば、膨張中心からの距離が大きくなるほど、要求されるバネ定数が大きくなる。すなわち、図１２の下図においては、境界部に設置される一軸性マウント９よりも、図面左端に設置される一軸性マウント９の方が、バネ定数が大きい。

また、図１３に示す通り、温度が上昇すると金属材料の弾性係数は低下する。弾性係数はバネ定数と比例関係にあるため、一軸性マウント９のバネ定数は高温になるほど低下する。すなわち、図１４に示す通り、温度が高くなるほど共振周波数は低下する。これは、式（１）においてバネ定数ｋが小さくなれば共振周波数が低くなることからも明らかである。このように、温度が高くなるほど共振周波数が低下するという特性を考慮し、燃料電池システム稼働中の温度状態で共振周波数になることを回避し得るバネ定数を設定する必要がある。

そして、図１５に示す通り、温度が高くなるほどシャフト９１と弾性機構１２との間の摺動抵抗は小さくなる。これは、温度が高くなるほどバネ定数が低下すれば、バネがシャフト９１を押さえつける力が弱くなるからである。

図１６は、上述した温度分布及び質量分布が及ぼす影響についてまとめた表である。図１６における質量の大小、温度の高低は、いずれも燃料電池スタック２と改質器３との相対的な関係を意味する。

燃料電池スタック２は相対的に質量が大きいので、共振周波数が相対的に低くなる。また、燃料電池スタック２は燃料電池システム稼働中に高温になるため、非稼働状態（室温状態）に比べて一軸性マウント９に設けた弾性機構１２のバネ定数及びバネの圧縮量の変化が相対的に大きくなる。バネ定数の変化が大きければ、共振周波数の変化量が大きくなる。バネ定数及び圧縮量の変化が大きければ、シャフト９１と軸受９２との間の摺動抵抗の変化量も大きくなる。これらの影響は、いずれも一軸性マウント９の弾性機構１２にとって望ましくないものである。

改質器３は相対的に質量が小さいので、共振周波数が相対的に高くなる。また、改質器３は燃料電池システム稼働中も相対的に低温なので、一軸性マウント９に設けた弾性機構１２のバネ定数及びバネの圧縮量の変化が相対的に小さい。バネ定数の変化が小さければ、共振周波数の変化量も小さい。これらの影響は一軸性マウント９の弾性機構１２にとって望ましいものである。ただし、バネ定数及び圧縮量の変化が小さいということは、シャフト９１と軸受９２との間の摺動抵抗が大きいということである。摺動抵抗が大きいということは、一軸性マウント９の機能の観点からは望ましくない。

一軸性マウント９に設けた弾性機構１２のバネ定数を設定する際には、上記の影響を考慮したうえで、振動が入力された際の打音の発生、シャフト９１の変位が生じた際の一軸性マウント９への過大な入力、シャフト９１を軸受９２に組み付ける際の一軸性マウント９への過大な入力、といった課題が生じないようにする必要がある。

図１７は上述した課題と、その解決要素を示す表である。

車両走行中に振動が入力された際の打音は、シャフト９１と弾性機構１２との間にガタつきがあることが主な要因であり、また、共振が生じるとさらに打音は大きくなる。ガタつきを抑制する要素としては、第１バネ９７の圧縮量が挙げられる。シャフト９１を組み付けた状態での第１バネ９７の圧縮量を、公差を含めて適切に設定すれば、ガタつきを抑制できる。ただし、圧縮量が大きくなるほど摺動抵抗が増加してしまうので、圧縮量は極力小さい方が望ましい。そこで、例えば、公差を含めた圧縮量の最小値がゼロ以上になるよう設定する。

また、シャフト９１が傾いて第２バネ９８に接触することもあるので、第２バネ９８の圧縮量及びバネ定数もガタつきを抑制する要素として挙げられる。第２バネ９８の圧縮量及びバネ定数は、組み付け公差からなるシャフト９１の許容回転角度に基づいて選定する。選定の際には、摺動抵抗の増加とのバランスを考慮する。

共振を回避する主な要素としては、第１バネ９７のバネ定数が挙げられる。燃料電池スタック２と改質器３とからなる高温部品の質量（以下、ユニット質量ともいう）に基づいて、共振周波数が車両走行中に生じ得る振動数より高くなるバネ定数を選定する。これについて図１８を参照して具体的に説明する。

図１８は、４種類のユニット質量についての、バネ定数と共振周波数との関係を示す図である。ｍａ〜ｍｄのユニット質量には、ｍａ＜ｍｂ＜ｍｃ＜ｍｄという関係がある。

図示する通り、いずれのユニット質量でもバネ定数が大きくなるほど共振周波数が高くなる。また、ユニット質量が大きいほど共振周波数は低くなる。これらについては既に述べた通りである。本実施形態のユニット質量をｍｄとし、車両走行中に生じ得る振動数をｆｎ１とした場合、バネ定数をｋ１より大きくすれば共振を回避できる。ここでのバネ定数ｋ１は、使用するすべての一軸性マウント９に設けた第１バネ９７の合成バネ定数である。図１７の説明に戻る。

シャフト９１の変位が生じた際に一軸性マウント９への入力が過大になるのは、シャフト９１と第１バネ９７との間の摺動抵抗が主な要因である。これを解決する要素としては、第１バネ９７のバネ定数及び圧縮量が挙げられる。摺動抵抗を小さくするには、締結部材に対する許容曲げ入力に基づいて、バネ定数が小さく、かつ圧縮量が極力小さくなるように選定する。ここでいう締結部材とは、軸受９２、部品固定部材９３、筐体固定部材９４等の部材のことをいう。

シャフト９１を軸受９２に組み付ける際に一軸性マウント９への入力が過大になるのは、シャフト９１の傾きが主な要因である。組み付けの際にシャフト９１と接触するのは、第１バネ９７である。第１バネ９７のシャフト９１と接触する部位が平面の場合や接触部位が一軸性マウント９の変位可能な方向に複数ある場合には、シャフト９１が少しでも傾いた状態で組み付けようとすると、摺動抵抗が過大になり、結果として一軸性マウント９への入力が過大になる。そこで、既に述べた通り、第１バネ９７はシャフト９１と接触する部分が滑らかな凸曲面形状となっている。

次に、第１バネ９７及び第２バネ９８の最適組み合わせについて説明する。

発明者らは、図１６に示した特性と図１７に示した課題及び解決要素とに基づいて以下に説明する実験を行なうことにより、第１バネ９７及び第２バネ９８の最適組み合わせを選定した。

当該実験では、第１バネ９７及び第２バネ９８の、バネ定数、自由長、及び形状をパラメータとした。

図１９は、各パラメータが与える影響についてまとめた表である。

第１バネ９７のバネ定数は、共振と摺動抵抗に影響を与える。例えば、バネ定数が大きくなるほど共振周波数が高くなることは既に説明した通りである。また、バネ定数が大きくなるほど摺動抵抗が大きくなる。すなわち、バネ定数を大きくするほど共振を回避し易くなるが、軸受９２に対するシャフト９１の動きが阻害されることになる。

第１バネ９７の自由長は摺動抵抗に影響を与える。ここでいう自由長とは、荷重が掛かっていない状態における第１バネ９７の、貫通孔との接合部からシャフト９１と接触する凸部の先端までの長さである。自由長が長いほど、シャフト９１を組み付けた場合の圧縮量が大きくなる。圧縮量が大きくなるほど弾性エネルギは大きくなってシャフト９１を押さえつける力が大きくなるので、摺動抵抗も大きくなる。

第１バネ９７の形状は、シャフト９１の傾きに影響を与える。これについては図１７で説明した通りである。

第２バネ９８のバネ定数は、摺動抵抗と、シャフト９１の傾きと、に影響を与える。第２バネ９８は、シャフト９１が熱膨張した場合及びシャフト９１が傾いた場合にシャフト９１と接触する。したがって、第１バネ９７の場合と同様に、第２バネ９８のバネ定数も摺動抵抗に影響を与える。また、第２バネ９８は、第１バネ９７との接点を軸として傾くシャフト９１の傾きを抑制するものなので、そのバネ定数が大きいほどシャフト９１の傾きを抑制する効果が大きくなる。

第２バネ９８の自由長は、摺動抵抗とシャフト９１の傾きに影響を与える。ここでいう自由長とは、第１バネ９７の場合と同様である。自由長が長いほど、シャフト９１が接触した場合の圧縮量が大きくなる。圧縮量が大きくなるほど弾性エネルギは大きくなってシャフト９１を押さえつける力が大きくなるので、摺動抵抗は大きくなり、シャフト９１の傾きを抑制する効果も大きくなる。

図２０は、ハイ（Ｈ）とロー（Ｌ）の２種類のバネ定数と、ハイ（Ｈ）とロー（Ｌ）の２種類の圧縮量（自由長の逆数）と、図１０に示した凸形状と他の形状の２種類の形状とを用意し、高温部と低温部の２箇所でそれぞれの組み合わせについて評価する実験を行なった結果をまとめた表である。

ここでいう高温部とは、相対的に高温になる燃料電池スタック２側の領域であり、低温部とは相対的に低温になる改質器３側の領域である。また、本実験では、他の形状としてシャフト９１と接触する部分が平面な形状を用いた。

バネ定数に関し、第１バネ９７のハイ及びローと、第２バネ９８のハイ及びローとは同じである必要はない。本実験では、第１バネ９７のバネ定数のハイ及びローはそれぞれ第２バネ９８のバネ定数のハイ及びローよりも大きい値とする。

圧縮量に関しても、第１バネ９７のハイ及びローと、第２バネ９８のハイ及びローとはそれぞれ同じではなく、第１バネ９７のローは第２バネ９８のハイよりも大きい。

本実験の評価項目は、ガタつきが抑制されているか否か、共振が回避されているか否か、摺動抵抗が過大になっていないか否か、シャフト９１の傾きが抑制されているか否か、である。

共振については、共振が回避されていれば合格（〇）、回避されていなければ不合格（×）とした。

シャフト９１の傾きについては、予め設定した基準値以下に抑制されていれば合格（〇）、されていなければ不合格（×）とした。

ガタつきと摺動抵抗については、予め設定した基準値以下に抑制されていれば合格（〇）、基準値よりは大きいが予め設定した許容範囲内であれば準合格（△）、許容範囲よりも大きければ不合格（×）とした。

なお、表中の「-」は、複数の評価をとり得ることを示している。例えば、組み合わせ番号４では、第２バネ９８のバネ定数及び圧縮量がそれぞれ２つの値をとり得るので、バネ定数及び圧縮量の組み合わせによってガタつき及び共振の項目の評価が異なる。このため、評価は「-」となっている。

本実施形態では、全評価項目が合格となる組み合わせを採用する。すなわち、高温部に使用する一軸性マウント９には組み合わせ番号６、７のいずれかを、低温部に使用する一軸性マウント９には組み合わせ番号２０、２１のいずれかを採用する。採用する組み合わせを見ると、高温部に使用する一軸性マウント９の第１バネ９７のバネ定数はハイ、低温部に使用する一軸性マウント９の第１バネ９７のバネ定数はローである。

高温部と低温部との境界部に使用する一軸性マウント９の第１バネ９７のバネ定数は、境界部の温度及び作用する荷重を考慮し、上述したハイとローとの間の大きさとする。

なお、本実施形態では第１バネ９７と第２バネ９８とを備える６個の一軸性マウント９を、図１２のように高温部に２個、低温部に２個、境界部に２個、配置した場合について説明したが、これに限られるわけではない。例えば、図１２の高温部の一軸性マウント９と境界部の一軸性マウント９との間にさらに複数の一軸性マウント９を配置し、低温部の一軸性マウント９と境界部の一軸性マウント９との間にさらに複数の一軸性マウント９を配置してもよい。この場合でも、温度分布や荷重分布に応じて弾性機構１２のバネ定数を選定する。

また、図１のように高温部と低温部のそれぞれに膨張中心がある場合でも、高温部の一軸性マウント９に用いる弾性機構のバネ定数と、低温部の一軸性マウント９に用いる弾性機構のバネ定数との関係は上述したものと同様である。

また、使用するすべての一軸性マウント９の合成バネ定数が共振を回避できる大きさになっていればよいのであって、すべての一軸性マウント９が第１バネ９７と第２バネ９８の両方を備える必要はない。例えば、シャフト９１の傾きをより抑制するために、図１２の下図に示した６個の一軸性マウント９の他に、補助的な一軸性マウント９を追加してもよい。その際に、補助的な一軸性マウント９は、シャフト９１の傾きを抑制することが主目的なので、第２バネ９８のみで構成してもよい。

上記した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態の燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９が、筐体１に固定される軸受（支持部）９２と、軸受９２に支持され、かつ高温部品２、３の荷重が作用するシャフト（荷重受部材）９１と、を備える。一軸性マウント９は、さらに、軸受９２とシャフト９１との間に配置され荷重負担を担う第１バネ９７または一軸性マウント９の変位可能な方向に対するシャフト９１の傾きを規制する第２バネ９８の少なくとも一方からなる弾性機構１２を備える。これにより、シャフト９１が軸受９２に対してスライドするという一軸性マウント９の機能を確保しつつ、シャフト９１の傾きの抑制、及び高温部品の共振の回避、という効果を得ることができる。

本実施形態では、各一軸性マウント９の弾性機構１２のバネ定数が、筐体１内の温度分布に応じて設定されている。具体的には、高温部に配置される一軸性マウント９が備える弾性機構１２のバネ定数は、低温部に配置される一軸性マウント９が備える弾性機構１２のバネ定数よりも大きい。これにより、温度によるバネ定数の変化に応じたバネ定数が設定されるので、摺動抵抗を必要以上に大きくすることなく、共振周波数を制御することが可能となる。

本実施形態では、弾性機構１２のバネ定数は、同一温度領域内では膨張中心（つまりマウント軸線どうしの交点）からの距離が大きい方が大きい。これにより、一軸性マウント９に作用する力の大きさに応じたバネ定数になる。

本実施形態では、弾性機構１２のバネ定数は、第１バネ９７と第２バネ９８の組み合わせに基づいて設定される。これにより、使用するバネの数でバネ定数を変更し、共振周波数を制御することが可能となる。

本実施形態では、第１バネ９７のバネ定数は第２バネ９８のバネ定数より大きい。また、軸受９２にシャフト９１が支持された状態で、第２バネ９８の方が第１バネ９７より圧縮量が小さい。また、第１バネ９７及び第２バネ９８は、シャフト９１と接触する部分が滑らかな凸曲面形状となっている。これらにより、第１バネ９７とシャフト９１とが確実に接触し、組み付け時等にシャフト９１が傾いたときには第２バネ９８がシャフト９１と接触するので、シャフト９１の傾きを抑制することができる。

本実施形態では、燃料電池システム１００が稼働することによりシャフト９１が熱膨張すると、シャフト９１と第２バネ９８とが接触する。これにより、高温時にシャフト９１に接触するバネの数が増えるので、高温時の共振周波数の低下をより抑制することができる。

なお、上記説明では、バネ定数及び圧縮量について具体的な数値は用いることなく、大小関係について説明したが、これは、使用する燃料電池スタック２及び改質器３の発熱量や質量、車両走行中にとり得る振動数等の各条件によって具体的な数値が変わるからである。

また、第１バネ９７、第２バネ９８は、弾性力をもってシャフト９１と接触し、シャフト９１と接触する部分が滑らかな凸形状を有するという条件を満たすのであれば、図１０に示した形態に限られない。例えば、弾性力を有する複数のバネ片またはスプリングワイヤが、軸受９２内で周方向に所定間隔をあけて筒状をなすよう保持されたものを第１バネ９７、第２バネ９８としてもよい。

また、本実施形態では、高温部品が燃料電池スタック２と改質器３の場合について説明したが、高温部品に熱交換器１０を含む場合も同様である。この場合、図２１に示す通り、熱交換器１０は燃料電池スタック２に対して改質器３と並列に接続される。つまり、改質器３と熱交換器１０が併せて低温部となる。

（一軸性マウント９の第１変形例）

図２２及び図２３を参照して、一軸性マウント９の第１変形例を説明する。なお、既に述べた実施形態または変形例と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２２は、本変形例による一軸性マウント９’の模式図である。本変形例においては、一軸性マウント９´の変位方向が他の実施形態または変形例と異なる。なお、本変形例における一軸性マウント９´も弾性機構１２を備えるが、弾性機構１２については上述した実施形態と同様なので説明を省略する。

図１０に示すように、一軸性マウント９’は、シャフト９１’、軸受９２’、部品固定部材９３’及び筐体固定部材９４’から構成される。

シャフト９１’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した方向に延びる第１傾斜部９１３と、第１傾斜部９１３の両端から第１傾斜部９１３に対して垂直な方向に屈曲して延びる第２傾斜部９１４とを有する。シャフト９１’は、第１傾斜部９１３において軸受９２’により支持され、シャフト９１’の両端（第２傾斜部９１４の端部）は、溶接等により高温部品を支持する部品固定部材９３’に接合される。

軸受９２’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して垂直な方向に延びる垂直部９２１と、垂直部９２１の上部からシャフト９１’の第１傾斜部９１３に対して垂直な方向に屈曲して延びる傾斜部９２２を有している。

軸受９２’は、底面においてボルト等の締結部材により筐体固定部材９４’に固定される。軸受９２’は、シャフト９１’の第１傾斜部９１３において、筐体１に収納される高温部品の底面に対し傾斜した方向に変位可能な状態でシャフト９１’を支持する。

このように軸受９２’は、高温部品の底面に対し傾斜した方向に変位可能な状態でシャフト９１’を支持するとともに、部品固定部材９３を介してシャフト９１’に固定される高温部品が、シャフト９１’の第１傾斜部９１３に平行な方向以外の方向に変位することを規制する。

部品固定部材９３’は、耐熱性材料から成る部材であり、筐体１に収納される高温部品を載置する面であって高温部品の底面に平行な平面としての載置面９３２、載置面９３２と垂直な方向に延びる側面９３３及びシャフト９１’の第１傾斜部９１３に平行な傾斜面９３４を有する。部品固定部材９３’の傾斜面９３４には、シャフト９１’の端部が接合される。部品固定部材９３’の載置面９３２上には筐体１に収納される高温部品が載置され、高温部品はボルト等の締結部材により部品固定部材９３’に固定される。

筐体固定部材９４’は、耐熱性材料から成る板状の部材で、上面において軸受９２’が締結され、底面はボルト等により筐体１に締結される。

このように、一軸性マウント９’は、部品固定部材９３’を介して筐体１内の高温部品に固定されるシャフト９１’と、シャフト９１’を高温部品の底面に対して傾斜した一方向に変位可能な状態で支持する軸受９２’と、から構成される。また、軸受９２’は、筐体固定部材９４’を介して筐体１に固定される。これにより、一軸性マウント９’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した一方向にのみ変位可能に構成される。

図２３は一軸性マウント９’を設置した際の筐体１内部を示す図であり、筐体１の側面方向から見た図である。

図２３に示すように、一軸性マウント９’は、筐体固定部材９４’が断熱材１１を介して筐体１にボルト等により締結されることで筐体１に固定される。なお、断熱材１１に貫通孔を設け、貫通孔を通して一軸性マウント９’を直接筐体１に固定してもよい。部品固定部材９３’には、載置面９３２においてボルト等により高温部品が固定される。

燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９’は、各マウント軸線どうしが一点Ｘ’’’で交わるように配置される。一軸性マウント９’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した一方向にのみ変位可能に構成されているため、各マウント軸線どうしが交わる点（膨張中心）Ｘ’’’は、燃料電池スタック２の底面よりも上方に形成される。

同様に、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９’は、各マウント軸線どうしが一点Ｙ’’’で交わるように配置され、各マウント軸線どうしが交わる点（膨張中心）Ｙ’’’は、改質器３の底面よりも上方に形成される。

このように、本変形例においては、一軸性マウント９’の変位方向と配置を設定することによって、高さ方向にも任意の位置に膨張中心を形成させることができる。

上記した本変形例の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９’が筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した方向に変位可能に構成される。従って、高温部品を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９’の各マウント軸線どうしが交わる点（膨張中心）を高温部品の底面よりも上方に形成させることができる。即ち、高さ方向にも任意の位置に膨張中心を形成させることができる。従って、高温部品を連結する配管や高温部品と補機類とを連結する連結部材を設置する位置と同一の高さに膨張中心を形成させることで、配管や連結部材が筐体１に対して高さ方向に変位することを抑制することができる。従って、配管や連結部材、さらには連結部材に連結する補機類の変位を許容する空隙を設ける必要がなく、システムの小型化が可能となる。

また、高さ方向にも任意の位置に膨張中心を形成させることができるため、補機類を任意の位置に配置して連結部材により補機類と高温部品とを連結し、連結部材を設置する位置と同一の高さに膨張中心を形成させることができる。即ち、補機類を自由な位置に配置することができ、システム全体のレイアウト自由度が増す。

なお、上述した説明においては、燃料電池スタック２の膨張中心及び改質器３の膨張中心がそれぞれ異なる点に形成されるように一軸性マウント９を配置しているが、これに限られない。即ち、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心が同一の一点に形成されるように一軸性マウント９を配置する構成としてもよい。

また、第２実施形態及び第２実施形態の変形例においては、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心が同一の一点に形成されるように一軸性マウント９を配置することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。即ち、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心がそれぞれ連結部材近傍の異なる点に形成されるように一軸性マウント９を配置する構成としてもよい。

また、いずれの実施形態または変形例においても、高温部品を筐体に固定する一軸性マウント９のマウント軸線どうしが一点（膨張中心）で交わる構成としたが、必ずしもこれに限られず、マウント軸性どうしが所望の位置近傍で交わる構成としてもよい。例えば、図１２２４に示すように、各マウント軸性どうしが所望の位置ＸやＹの近傍の複数箇所に交点を有するような構成にしてもよい。このような構成であっても、膨張変位の方向と一軸性マウント９の変位可能な方向（マウント軸線方向）とがほぼ一致し、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。従って、一軸性マウント９の配置によって高温部品の熱膨張による変位方向を制御できるため、予期しない部位に膨張応力がかかることを防止でき、システム構成部品の劣化を抑制し、部品の破損を回避することができる。

（一軸性マウント９の第２変形例）

図２５ａ〜図２５ｃを参照して、一軸性マウント９の第２変形例を説明する。なお、既に述べた実施形態または変形例と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２５ａ〜図２５ｃは、本変形例による一軸性マウント９の模式図である。なお、本変形例においても、後述するガイド９５とレール９６との間に弾性機構１２を設けるが、第１バネ９７と第２バネ９８とで構成される弾性機構１２の構成は上述した実施形態と同様なので、図２５ａ〜図２５ｃでは弾性機構１２を省略している。

高温部品の底面と平行な方向に変位可能に高温部品を筐体１に固定できれば、一軸性マウント９は上記のようなシャフト９１と軸受９２を備える構成にしなくてもよい。例えば図２５ａに示すように、一軸性マウント９を高温部品の底面に固定されるガイド９５と、筐体１に固定されるレール９６とによる構成とし、ガイド９５をレール９６に嵌合してレール方向に自由変位可能な構造にしてもよい。この場合、図２５ｂ及び図２５ｃに示すようにガイド９５でレール９６を抱え込むような構造にすることで、垂直方向の振動に対してガイド９５がレール９６から外れないように構成することができる。弾性機構１２は、ガイド９５のレール９６を抱え込む面に設置する。このように、ガイド９５及びレール９６を用いて一軸性マウント９を構成することで、より簡易な構成で、高温部品の底面と平行な方向に変位可能に高温部品を筐体１に固定することができる。

以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、これらは本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態及びその変形例の具体的構成に限定する趣旨ではない。

また、上述した各実施形態及び変形例は、それぞれ単独の実施形態及び変形例として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

１ 筐体
２ 燃料電池スタック
３ 改質器
４ アノードガス供給管
６ 燃料供給管
９ 一軸性マウント
１２ 弾性機構
９１ シャフト
９２ 軸受
９７ 第１バネ
９８ 第２バネ
１００ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 燃料電池及び前記燃料電池に燃料を供給する改質器の少なくとも一方を含む高温部品を収納する筐体を備える燃料電池システムであって、
   前記筐体には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントが固定され、
   前記筐体に収納される高温部品は、複数の前記一軸性マウントを介して前記筐体に固定され、
   複数の前記一軸性マウントは、各一軸性マウントの変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点または所望の位置近傍の複数の点で交わるように配置されると共に、
   前記一軸性マウントは、
   前記筐体に固定される支持部と、
   前記支持部に支持され、かつ前記高温部品の荷重が作用する荷重受部材と、
   前記支持部と前記荷重受部材との間に配置され荷重負担を担う第１バネまたは前記一軸性マウントの変位可能な方向に対する前記荷重受部材の傾きを規制する第２バネの少なくとも一方からなる弾性機構と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   各一軸性マウントの前記弾性機構のバネ定数が前記筐体内の温度分布に応じて設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   高温部に配置される前記一軸性マウントが備える前記弾性機構のバネ定数は、低温部に配置される前記一軸性マウントが備える前記弾性機構のバネ定数よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弾性機構のバネ定数は、同一温度領域内では前記マウント軸線どうしの交点からの距離が大きい方が大きいことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弾性機構のバネ定数は、前記第１バネと前記第２バネの組み合わせに基づいて設定されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２から５いずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１バネのバネ定数は前記第２バネのバネ定数より大きいことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項２から６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記支持部に前記荷重受部材が支持された状態で、前記第２バネの方が前記第１バネより圧縮量が小さいことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項２から７のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１バネ及び前記第２バネは、前記荷重受部材と接触する部分が滑らかな凸曲面形状となっていることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムが稼働することにより前記荷重受部材が熱膨張すると、前記荷重受部材と前記第２バネとが接触することを特徴とする燃料電池システム。

Images