JP2021044163A - 燃料電池ユニット支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタック等の高温部品が配置される高温側から低温側への伝熱の抑制と耐振性の向上の両立を図る。【課題を解決するための手段】燃料電池スタック１を含む高温部品１，２からなる高温ユニットＵｈｔを断熱材５を介して筐体３で包囲して車体骨格部材に支持する燃料電池ユニット支持構造が提供される。この燃料電池ユニット支持構造は、高温ユニットＵｈｔを筐体３内に支持するマウント装置Ｍと、筐体３を車体骨格部材に取り付けるための取り付け構造９０と、を有する。そして、取り付け構造９０は、マウント装置Ｍが固定される平面部よりも高い熱抵抗を有し車体骨格部材への伝熱を抑制する伝熱抑制手段９３と、高温ユニット、マウント装置、及び該取り付け構造からなる振動系の共振周波数を増加させ車体振動を抑制する振動抑制手段９３と、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池スタックを含む高温部品を断熱ケースに収容してなる高温ユニットを車体に支持する燃料電池ユニット支持構造に関する。

特許文献１には、固体電解質型燃料電池を積層する燃料電池スタックに対してその積層方向に締付荷重を働かせる荷重付与機構が設けられた燃料電池システムが開示されている。特に、特許文献１では、燃料電池スタックと荷重付与機構との間に断熱部材が設けられ、この断熱部材により、燃料電池スタック側の空間から荷重付与機構側（低温側）への熱の伝達を制限している。

特許第４５９８５１０号公報（段落００１８）

固体電解質型燃料電池などの動作温度が高い燃料電池により構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムの場合、燃料電池スタックを含む高温ユニット（高温側）から低温側への伝熱を抑制することが要求される。

一方で、燃料電池スタックを搭載する用途によっては、当該燃料電池スタック及び改質器等の周辺の装置を支持する構造において一定の耐振性を確保することも要求される。しかしながら、耐振性を確保するための構造を採用すると当該構造自体が高温側から低温側への伝熱経路となり、伝熱抑制効果が十分でなくなるという事態が生じ得る。すなわち、高温側から低温側への伝熱を抑制しつつ、耐振性の向上を図ることが容易ではないという問題があった。

特に、燃料電池システムを車両に搭載する場合には、高温側から低温側への伝熱の抑制は勿論のこと、車両走行時に想定される外力に対する耐振性の向上に対する工夫も重要である。しかしながら、特許文献１においてはこのような耐振性の向上に対する工夫は提案されていない。

本発明は、このような実情に鑑み、燃料電池スタック等の高温部品が配置される高温側から低温側への伝熱の抑制と耐振性の向上の両立を可能とする燃料電池ユニット支持構造を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池スタックを含む高温部品からなる高温ユニットを断熱材を介して筐体で包囲して車体骨格部材に支持する燃料電池ユニット支持構造が提供される。この燃料電池ユニット支持構造は、高温ユニットを筐体内に支持するマウント装置と、筐体を車体骨格部材に取り付けるための取り付け構造と、を有する。そして、取り付け構造は、マウント装置が固定される平面部よりも高い熱抵抗を有し車体骨格部材への伝熱を抑制する伝熱抑制手段と、高温ユニット、マウント装置、及び該取り付け構造からなる振動系の共振周波数を増加させ車体振動を抑制する振動抑制手段と、を含む。

本発明によれば、燃料電池スタック等の高温部品が配置される高温側から低温側への伝熱の抑制と耐振性の向上の両立を図ることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る支持構造が適用された燃料電池システムの、車両における設置状態を示す概略図である。 図２は、同上実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を破断平面視により示す概略図である。 図３は、同上実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造の、取り付け構造の配置を示す概略図である。 図４は、同上実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を、図３に示すＡ−Ａ線に沿う断面により示す概略図である。 図５は、同上実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を、図４に示すＢ−Ｂ線に沿う断面により示す概略図である。 図６は、燃料電池ユニット支持構造の要部斜視図である。 図７は、燃料電池ユニット支持構造の要部分解斜視図である。 図８は、同上実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造に適用可能な可動マウント装置の構成を示す概略図である。 図９は、第１実施形態の第１変形例に係る燃料電池ユニット支持構造の構成を説明する図である。 図１０は、第１実施形態の第２変形例に係る燃料電池ユニット支持構造の要部斜視図である。 図１１は、第１実施形態の第２変形例に係る燃料電池ユニット支持構造の要部分解斜視図である。 図１２は、第２実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。 図１３は、第２実施形態の変形例に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。 図１４は、第３実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。 図１５は、第３実施形態の変形例に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。 図１６は、第４実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。 図１７は、第５実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造の、取り付け構造および低熱伝導接続体の配置を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
（全体構成の説明）
図１は、本発明の一実施形態に係る支持構造が適用された燃料電池システムＳの車上での設置状態を、車体上方からの平面視により示す概略図である。

本実施形態に係る燃料電池システム（以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある）Ｓは、燃料電池スタック１と、燃料処理ユニット２と、を備える。

燃料電池スタック１は、発電ユニットである複数の燃料電池ないし燃料電池セルを積み重ねて構成され、個々の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。燃料処理ユニット２は、原燃料を処理し、燃料電池ないし燃料電池セルにおける発電反応に用いられる燃料ガスを生成する。

燃料処理ユニット２は、燃料電池スタック１に対し、生成された燃料ガスをそれぞれの燃料電池に供給可能に接続されている。本実施形態では、燃料電池の原燃料として、含酸素燃料水溶液、具体的には、エタノール水溶液が用いられる。燃料処理ユニット２は、改質器により具現され、原燃料中の燃料成分であるエタノールの改質により、燃料ガスである水素を生成する。燃料電池スタック１は、燃料処理ユニット２から水素の供給をアノード側で受けるとともに、図示しないカソードガス供給ユニットから、酸化剤ガスである酸素の供給をカソード側で受け、水素と酸素との電気化学反応により、発電を行う。還元剤ガスの供給は、例えば、エアコンプレッサにより大気中から取り込んだ空気を燃料電池スタック１に供給することにより達成可能である。発電により得られた電気は、走行用の電動モータに供給して、車両の推進力を得るのに用いたり、バッテリに供給して、その充填に充てたりすることが可能である。

燃料電池スタック１のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式(１．１）、（１．２）により表され、燃料処理ユニット２における改質反応は、エタノールの水蒸気改質による場合に、次式（２）により表される。

アノード極： ２Ｈ₂＋４Ｏ^2- → ２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- …（１．１）
カソード極： Ｏ₂＋４ｅ^- → ２Ｏ^2- …（１．２）
Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋３Ｈ₂Ｏ → ６Ｈ₂＋２ＣＯ₂ …（２）

そして、本実施形態の燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２は燃料電池システムＳの作動時に発熱が問題となり得る高温部品として断熱ケース５に収容されることで、全体として高温ユニットＵｈｔを構成する。さらに、本実施形態の高温ユニットＵｈｔは、燃料電池システムＳが搭載される車体の構成部品である筐体３に収容された状態で設けられている。なお、図１には、筐体３に収容された状態にある高温ユニットＵｈｔを、二点鎖線により模式的に示している。特に、高温ユニットＵｈｔは、筐体３の内部で、本実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造により筐体３の内壁に、具体的には、筐体３内部の底面に固定されている。そして、この筐体３は車体のフレーム構造に支持されている。これにより、高温ユニットＵｈｔが車体に対して支持される構造が実現される。なお、燃料電池ユニット支持構造の詳細については後述する。

図１では、車両の後輪１１ｒ、１１ｌを示すとともに、後輪１１ｒ、１１ｌと、車体のフレーム構造および筐体３等の燃料電池システムＳの主要部品と、の相対的な位置関係を示している。フレーム構造は、車体の骨格をなすものであり、モノコック式またはラダーフレーム式等、その形式を問わない。後輪１１ｒ、１１ｌは、回転軸１２を介して互いに連結されるとともに、フレーム構造に対して図示しない後輪マウント機構により支持されている。

特に、本実施形態において、筐体３は、車両の進行方向（Ｙ軸正方向）に対して後輪１１ｒ、１１ｌの後方に配置される。なお、車体のフレーム構造に対する支持は、筐体３を足回りの骨格部分であるシャシーフレームのサイドメンバ２１ｒ、２１ｌに対して支持することによる。また、筐体３の支持のため、筐体３とサイドメンバ２１ｒ、２１ｌとの間に複数の固定点ないし接続点３１ａ〜３１ｃを形成する筐体マウント機構が設けられている。すなわち、本実施形態の高温ユニットＵｈｔ及び燃料電池ユニット支持構造は、車両の進行方向に対して後輪１１ｒ、１１ｌの後方に配置されることとなる。

（支持構造の説明）
図２〜図７は、本実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。特に、図２および図３は、燃料電池ユニット支持構造を車体上方からの破断平面視により概略的に示す。図４は、燃料電池ユニット支持構造を車体側方からの破断側面視により概略的に示す。特に、図４は、当該燃料電池ユニット支持構造を図３に示すＡ−Ａ線に沿う断面により示している。さらに、図５は、燃料電池ユニット支持構造を、図４に示すＢ−Ｂ線に沿う断面により示している。また、図６は、燃料電池ユニット支持構造の要部斜視図である。また、図７は、燃料電池ユニット支持構造の要部分解斜視図である。なお、図６及び図７においては図面の簡略化のため、後述する取り付け構造９０を一つのみ示している。

以下、図２〜図７を参照して、燃料電池システムＳのより具体的な構成および燃料電池ユニット支持構造について説明する。

本実施形態では、筐体３の内面全体に断熱材４が施され、筐体３に断熱性が付与されている。さらに、筐体３の内部に高温ユニットＵｈｔが設置されている。そして、高温ユニットＵｈｔの断熱ケース５により、筐体３の内部が高温室Ｒｈと低温室Ｒｌとに隔てられている。すなわち、断熱ケース５に囲まれた空間が高温室Ｒｈであり、その外側の空間が低温室Ｒｌである。

本実施形態の高温ユニットＵｈｔでは、燃料電池スタック１と燃料処理ユニット２とが、車両の横方向（Ｘ軸方向）に並べて配置されており、断熱ケース５によりそれらの全周に亘って包囲されている。すなわち、燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２は、いずれも高温室Ｒｈに配置されており、本実施形態に係る「高温部品」を構成する。

なお、本実施形態では、説明の簡略化のため、燃料処理ユニット２が改質器であることを想定して説明を行う。しかしながら、燃料処理ユニット２には、改質器以外の燃料を処理する装置であってその作動時に一定の発熱が懸念されるもの（例えば液体の原燃料を改質前に気化させる燃料蒸発器）が含まれていても良い。例えば、燃料処理ユニット２に燃料蒸発器が含まれる場合には、燃料蒸発器、改質器、及び燃料電池スタック１が「高温部品」となり、これらを断熱ケース５で包囲することで高温ユニットＵｈｔが構成される。なお、本実施形態では、燃料電池システムＳの作動中に、高温室Ｒｈは、６００℃〜８００℃ほどの温度にまで上昇し、低温室Ｒｌは、断熱ケース５により、高温室Ｒｈよりも低い温度に維持される。

また、筐体３には、原燃料供給管６が貫通して挿入されている。この原燃料供給管６は、筐体３の内部で断熱ケース５をさらに貫通して、燃料処理ユニット２に接続されている。他方で、原燃料供給管６は、筐体３の外部で図示しない原燃料タンクに接続されており、原燃料タンクに貯蔵されている原燃料、具体的には、エタノール水溶液が、原燃料供給管６を介して燃料処理ユニット２に供給可能な状態にある。

さらに、断熱ケース５内において燃料処理ユニット２及び燃料電池スタック１が相互にアノードガス供給管７により接続されている。したがって、燃料処理ユニット２により生成された燃料ガス（すなわち水素）は、アノードガス供給管７を介して燃料電池スタック１に供給される。

また、筐体３には、複数のバスバー８ａ、８ｂが貫通して挿入されている。このバスバー８ａ、８ｂは、断熱ケース５を貫通して燃料電池スタック１の周辺電気機器（電子制御基盤等）に接続されている。

図示を省略するが、燃料電池システムＳの構成部品として、上記以外に、燃料電池スタック１に還元剤ガス（具体的には、酸素）を供給するカソードガス供給管、燃料電池スタック１における発電後のオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）を、アノード極およびカソード極からそれぞれ排出するオフガス排出管等が設けられる。

そして、本実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造は、高温ユニットＵｈｔを、車体の構成部品である筐体３の内部で当該筐体３に対して支持するものである。特に、燃料電池ユニット支持構造は、高温ユニットＵｈｔを支持するマウント装置Ｍと、マウント装置Ｍを介して高温ユニットＵｈｔを筐体３に取り付けるための取り付け構造９０を有する。

本実施形態では、複数の取り付け構造９０（９０−１〜９０−３）が設けられ、取り付け構造９０−１〜９０−３は、いずれも筐体３と高温ユニットＵｈｔとの間に介装され、高温ユニットＵｈｔと筐体３とを連結する（図３及び図４参照）。

本実施形態では、車体構成部品である筐体３に、３つの取り付け構造９０−１〜９０−３が設けられている。特に、３つの取り付け構造９０−１〜９０−３は、高温部品である燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２が並ぶ方向（Ｘ軸方向）において、高温ユニットＵｈｔを支持する観点から適切な間隔を空けて配置されている。本実施形態では、取り付け構造９０−１〜９０−３は、いずれも同様な基本構成を有する。なお、取り付け構造９０の数は、３つに限定されるものではなく、２または４等、高温ユニットＵｈｔの重量等に応じて適宜に選択することが可能である。

また、図４において、本実施形態の燃料電池ユニット支持構造における各部の温度ＴのＸ軸方向における温度分布を示している。図４に示すように、本実施形態では、温度Ｔは、Ｘ軸方向における燃料電池スタック１と燃料処理ユニット２との間の位置で最も高くなり、点線Ｃに沿って（Ｘ軸方向に沿って）この最高点から離れるに従って低下する傾向にある。そして、温度Ｔは、断熱ケース５の内外（つまり、高温室Ｒｈと低温室Ｒｌとの境界）および筐体３（断熱材４）の内外で、不連続な変化を示す。

先に述べたように、本実施形態では、取り付け構造９０（９０−１〜９０−３）は、いずれも、高温部品である燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２が収容された断熱ケース５の外、すなわち低温室Ｒｌに配置されている。

図５及び図６に示すように、本実施形態の取り付け構造９０は、主な要素として、平面部としてのマウントステージ９１と、ブラケット９２と、低熱伝導接続体９３と、を有する。

マウントステージ９１は、マウント装置Ｍを介して高温ユニットＵｈｔが取り付けられる座面を形成する。特に、マウントステージ９１は略板状体に形成され、その長手方向が車両の進行方向（Ｙ軸方向）と略平行となるようにブラケット９２の上面に固定されている。特に、マウントステージ９１は、高温ユニットＵｈｔからの輻射熱が筐体３に伝達されることを抑制するように、当該高温ユニットＵｈｔと筐体３の底面との間を遮蔽するように伸張する平面形状を有する。

ブラケット９２は、マウントステージ９１を筐体３に支持する。より詳細には、ブラケット９２は、筐体３の内部で図上のＸ軸方向に沿って一定長さ延在し、且つＹ軸方向における断面が略コ字状に形成されている。さらに、ブラケット９２は、マウントステージ９１の長手方向における両端のそれぞれを支えるように、当該両端のそれぞれに配置されている。なお、図７に示すように、一対のブラケット９２におけるそれぞれの上面には、Ｘ軸方向における略中央位置においてマウントステージ９１の両端が適切な固定手段（図７ではねじ止め）により固定される。

特に、本実施形態では、一対のブラケット９２は、マウントステージ９１の伸展方向（より詳細には図上のＹ軸方向）に関して低熱伝導接続体９３よりも外側に設けられる。

低熱伝導接続体９３は、マウントステージ９１と筐体３を接続するように図上のＺ軸方向に延在して設けられる。特に、本実施形態の低熱伝導接続体９３は、中実体であって、円環状（例えば、真円形または楕円形）の断面を有する棒状体に形成され、一対のブラケット９２よりも高い熱抵抗を有する。特に、低熱伝導接続体９３は、マウントステージ９１よりも低い熱伝導率（より好ましくはマウントステージ９１及びブラケット９２よりも低い熱伝導率）を持ち、高温ユニットＵｈｔの荷重の少なくとも一部を支える観点から好適な強度（剛性）を有する材料により構成される。

上記取り付け構造９０では、高温ユニットＵｈｔ、マウント装置Ｍ、及び取り付け構造９０を含む振動系（以下、単に「支持構造振動系」とも称する）の共振周波数が、低熱伝導接続体９３の付設により増大される。すなわち、低熱伝導接続体９３が存在する場合にはこれが存在しない場合と比べて、マウントステージ９１のＸ軸方向に定められる取り付け構造９０の梁長Ｌが振動モードを評価する際の見かけ上、短縮される。

特に、本実施形態では、マウントステージ９１のＹ軸方向における両端部が一対のブラケット９２により車体構成部品である筐体３に対して固定されつつ、低熱伝導接続体９３がマウントステージ９１のＹ軸方向における略中央位置に配置されている。このため、取り付け構造９０の梁長Ｌを、実質的に半分のＬ１（＝Ｌ／２）とみなすことが可能である。

次に、上述した本実施形態の燃料電池ユニット支持構造の一部であるマウント装置Ｍ（Ｍ１〜Ｍ３）について説明する。

本実施形態では、マウントステージ９１に高温ユニットＵｈｔ（より詳細には燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２）を支持するマウント装置Ｍ（Ｍ１〜Ｍ３）が設けられている。特に、本実施形態では、１つの取り付け構造９０に設けられた一対のマウント装置Ｍが、上記３つの取り付け構造９０−１〜９０−３のそれぞれに設けられている。すなわち、本実施形態では、合計で６つのマウント装置Ｍ（Ｍ１〜Ｍ３）を用いる例を説明するが、いずれのマウント装置Ｍも同様の構成のものである。なお、マウント装置Ｍの設置数は、これに限定されるものではなく、高温ユニットＵｈｔの重量等に応じて適宜に選択することが可能である。

（マウント装置の構成）
図８は、本実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造に適用されるマウント装置Ｍの構成を示しており、図８（ａ）は、マウント装置Ｍを正面視により、図８（ｂ）は、側面視により、それぞれ示している。

マウント装置Ｍは、筐体３に固定される固定部１０１と、固定部１０１に対して変位可能に支持され、燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２の荷重を受ける可動部１０２と、を備える。マウント装置Ｍは、可動部１０２の、固定部１０１に対する単位量の相対変位を第１方向、例えば、特定の一方向に生じさせるのに要する力が、第１方向とは異なる第２方向、例えば、一方向以外の他方向に同じ単位量の相対変位を生じさせるのに要する力よりも小さくなるように構成される。

本実施形態では、固定部１０１および可動部１０２は、いずれも平板状をなす。可動部１０２は、固定部１０１に対する不動点を形成する基部１０２ａと、燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２の荷重を受ける座部１０２ｂと、基部１０２ａと座部１０２ｂとを連結し、可動部１０２の固定部１０１に対する変位方向を定める腕部１０２ｃと、を有する。腕部１０２ｃの材料力学的な特徴により、固定部１０１に対する可動部１０２の相対的な変位の方向が規制される。

具体的には、腕部１０２ｃは、図８（ａ）に示すように、基部１０２ａから外方に延びる水平部ｃ１と、水平部ｃ１に対し、座部１０２ｂに向けて垂直な方向に延びる鉛直部ｃ２と、を有する。このような構成により、本実施形態では、水平部ｃ１に基部１０２ａを基点とする捩れが生じる方向にのみ、可動部１０２の実質的な変位が許容され、これ以外の方向、特に水平部ｃ１に対して平行な方向への変位が禁止される。微視的には、変位が許容されるのは、水平部ｃ１の軸を中心とする回転方向であるが、図８（ｂ）は、この回転による変位量が小さく、線形的な変位とみなせるものとして、変位方向Ｄを矢印付きの線分により示している。

本実施形態では、可動部１０２の変位が許容される方向が、燃料電池システムＳの運転時における燃料電池スタック１および燃料処理ユニット２の熱膨張による変位の方向に設定されている。ここで、この熱膨張による変位は、高温室Ｒｈのうち、最も温度が高くなる部位を基点として、この基点から離れる方向に生じる。

さらに、本実施形態では、可動部１０２に一対の腕部１０２ｃが設けられているが、可動部１０２の構成は、これに限定されるものではなく、図８（ａ）に示す正面視において、左右いずれか一方の腕部１０２ｃのみが設けられた構成であってもよいし、腕部１０２ｃの捩りにより変位を付与する構成に代え、基部１０２ａと座部１０２ｂとを接続する部材の撓みまたは曲げにより変位を付与する構成や、基部１０２ａと座部１０２ｂとの間に、摺動式の変位要素を介装した構成が採用されてもよい。部材の撓み等により変位を付与する場合は、厚さの違い等により部材の弾性率を方向に応じて異ならせることで、変位が許容される方向を設定することが可能である。

そして、このマウント装置Ｍをマウントステージ９１に固定して高温ユニットＵｈｔを支持する構造を採用したことで、路面からの加振等に対し、高温ユニットＵｈｔの不要な方向への変位を抑制することができる。このため、取り付け構造９０に過度な負担がかかるのを回避しながら、高温ユニットＵｈｔにおける高温部品の熱膨張による変位を吸収することができる。

（作用効果の説明）
本実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造により得られる効果について、以下に説明する。

本実施形態の燃料電池ユニット支持構造は、燃料電池スタック１を含む高温部品（燃料電池スタック１及び燃料処理ユニット２）からなる高温ユニットＵｈｔを断熱材（断熱ケース５）を介して筐体３で包囲して車体骨格部材（サイドメンバ２１ｒ、２１ｌ）に支持する。そして、この燃料電池ユニット支持構造は、高温ユニットＵｈｔを筐体３内に支持するマウント装置Ｍと、筐体３をサイドメンバ２１ｒ、２１ｌに取り付けるための取り付け構造９０と、を有する。そして、取り付け構造９０は、マウント装置Ｍが固定される平面部としてのマウントステージ９１よりも高い熱抵抗を有しサイドメンバ２１ｒ、２１ｌへの伝熱を抑制する伝熱抑制手段と、高温ユニットＵｈｔ、マウント装置Ｍ、及び該取り付け構造９０からなる振動系の共振周波数を増加させ車体振動を抑制する振動抑制手段と、を含む。

これによれば、伝熱抑制手段によって燃料電池スタック１を含む高温ユニットＵｈｔから車体骨格部材であるサイドメンバ２１ｒ、２１ｌを介して車体への伝熱を抑制しつつ、振動抑制手段により上記振動系における共振を抑制して車体振動を抑制することができる。

特に、伝熱抑制手段及び振動抑制手段は、マウントステージ９１と筐体３を接続するように延在して設けられマウントステージ９１よりも高い熱抵抗を有する低熱伝導接続体９３により構成される。

これにより、低熱伝導接続体９３でマウントステージ９１と筐体３が接続されることで、当該低熱伝導接続体９３が設けられている部分を支持構造振動系の振動における定点とすることができる。すなわち、マウントステージ９１と筐体３を相互に接続する低熱伝導接続体９３を設けることで支持構造振動系の共振周波数を増加させることができ、耐振性を高めることができる。その一方で、低熱伝導接続体９３の熱抵抗がマウントステージ９１の熱抵抗よりも高く構成されていることで、当該低熱伝導接続体９３がマウントステージ９１と筐体３の間における伝熱経路としての機能を抑制することができる。このため、高温ユニットＵｈｔからの熱が低熱伝導接続体９３に伝導して、低温室Ｒｌ又は筐体３の外の低温空間に輻射されるという事態の発生を抑制することができる。すなわち、高温側の高温ユニットＵｈｔ（より詳細には、断熱ケース５内）から低温側（低温室Ｒｌ又は筐体３の外の低温空間）への伝熱を抑制しつつ、耐振性の向上も図ることができる。

また、取り付け構造９０は、マウントステージ９１を筐体３に支持するブラケット９２をさらに含む。そして、ブラケット９２は、低熱伝導接続体９３と比べ、マウントステージ９１におけるマウント装置Ｍが固定される位置から離れた位置に設けられる（図５等参照）。

これにより、マウントステージ９１の筐体３への支持状態をより安定させることができる。その上で、ブラケット９２は低熱伝導接続体９３と比べ、マウント装置Ｍから離れた位置に設けられることで、高温ユニットＵｈｔからの熱が当該高温ユニットＵｈｔを支持するマウント装置Ｍを介してブラケット９２に伝導されることを好適に抑制することができる。

そして、低熱伝導接続体９３は、マウントステージ９１及びブラケット９２よりも低い熱伝導率を持つように構成される。

すなわち、上述のように低熱伝導接続体９３に求められる上述の高い熱抵抗をマウントステージ９１及びブラケット９２よりも低い熱伝導率の材料で構成するという簡易な態様で実現することができる。特に、低熱伝導接続体９３の熱伝導率をブラケット９２よりも低くすることで、低熱伝導接続体９３とブラケット９２の伝熱経路の断面積（Ｘ軸方向に沿った断面積）を略同じにしつつ、低熱伝導接続体９３の熱抵抗（より詳しくはＺ軸方向に沿った経路における熱抵抗）をブラケット９２に比べて小さくすることができる。すなわち、マウントステージ９１と筐体３の間の伝熱を抑制する機能を維持しつつ、上記支持構造振動系の共振周波数を増加させる観点から望ましい剛性をより確実に実現することができる。

さらに、本実施形態では、高温ユニットＵｈｔは、高温部品として、燃料電池スタック１及び該燃料電池スタック１に供給される燃料ガスを生成する燃料処理ユニット２と、を含む。そして、燃料電池ユニット支持構造は、燃料電池スタック１と燃料処理ユニット２とが並ぶ方向に複数設けられる（図４等参照）。

これにより、燃料電池スタック１とこれに並べて配置された燃料処理ユニット２からなる高温ユニットＵｈｔを、荷重分布バランスを好適に整えつつ筐体３に支持することができる。

なお、本実施形態では、マウントステージ９１に一対のブラケット９２を設けて筐体３に支持する例について説明した。しかしながら、ブラケット９２の構成は、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、マウントステージ９１の長手方向（Ｘ軸方向）の一端がブラケット９２を介することなく筐体３に支持可能である場合には、当該部分におけるブラケット９２の設置を省略することが可能である。この場合も、他側のブラケット９２と筐体３に対する固定点との間に低熱伝導接続体９３を設けることで、振動モードを評価する際の見かけ上、取り付け構造９０の梁長を、全長Ｌよりも短い長さＬ１に短縮させることが可能である。

また、本実施形態では、低熱伝導接続体９３が略棒状に形成される例について説明した。しかしながら、これに限られず、上述した必要な熱抵抗の維持と高温ユニットＵｈｔの筐体３への支持状態の安定化のバランスを考慮して、低熱伝導接続体９３の形状を適宜変更しても良い。例えば、図１０及び図１１に示すように、低熱伝導接続体９３を、マウントステージ９１の短辺の両縁部のそれぞれに設けられ、筐体３に接触する部分にフランジ９３ａ，９３ａが形成された形状としても良い。これにより、上述した低熱伝導接続体９３の熱抵抗を維持しつつ、高温ユニットＵｈｔの筐体３への支持状態をより安定化させることができる。

［第２実施形態］
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１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１２は、第２実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。

図１２に示すように、本実施形態では、第１実施形態の図５等に示す例に加え、低熱伝導接続体９３にさらに遮熱板９４が設けられている。遮熱板９４は、断熱性を有する平板状に形成されている。特に、本実施形態の遮熱板９４は、低熱伝導接続体９３を中心にマウントステージ９１における筐体３との対向面の略全域を覆うようにＸ軸方向及びＹ軸方向において伸張して設けられている。すなわち、遮熱板９４は、マウントステージ９１においてブラケット９２の内側の平面領域（より詳細には筐体３と対向する平面領域）の略全域に亘って伸展する。

このように、遮熱板９４を設け、これにより、高温ユニットＵｈｔを熱源とするマウントステージ９１からの輻射による筐体３の加熱を抑制することで、筐体３への熱の入力をさらに抑制することが可能となる。特に、遮熱板９４は、マウントステージ９１においてブラケット９２の内側の平面領域略全域に亘って伸展するので、マウントステージ９１からの熱の輻射をより好適に抑制することができる。

なお、図１２で説明した構成に代えて、遮熱板９４の少なくとも一端をブラケット９２にまで延設させ、ブラケット９２に接続させる構成を採用してもよい。

例えば、図１３に示すように、遮熱板９４の両端をブラケット９２にまで延設させ、ブラケット９２に接続させる構成を採用することができる。この図１３に示す構成では、マウントステージ９１の長手方向（Ｘ軸方向）の両端で、遮熱板９４をブラケット９２に接続させている。特に、図１３に示す例では、遮熱板９４を筐体３に向けて屈曲または湾曲させることで、遮熱板９４を、ブラケット９２の筐体３に対する固定部、つまり、ブラケット９２の根本に接続させている。これにより、マウントステージ９１の前面からの熱の輻射をより確実に抑制することが可能となり、筐体３への熱の入力をより確実に抑制することができる。

［第３実施形態］
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態又は第２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１４は、第３実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。図示のように、本実施形態の燃料電池ユニット支持構造では、マウントステージ９１が複数の部分に分割されている。具体的には、マウントステージ９１は、その長手方向（Ｘ軸方向）に並ぶ複数の部分に分割され、高温ユニットＵｈｔの第１部分を受ける第１座面を形成する部分９１−１と、高温ユニットＵｈｔの、第１部分とは異なる第２部分を受ける第２座面を形成する部分９１−２と、に分割されている。そして、第１および第２座面を形成するそれぞれの部分に対し、低熱伝導接続体９３が接続されている。

このように、マウントステージ９１を分割することで、マウントステージ９１の梁長Ｌを短縮することができ（Ｌ１）、振動モードをより容易に調整することが可能となる。

また、図１５には、本実施形態の変形例に係る燃料電池ユニット支持構造を示す。図１５に示す燃料電池ユニット支持構造は、図１４に示す構成に対してさらに、マウントステージ９１と筐体３の間に熱の輻射を抑制する遮熱板９４が設けられている。特に、遮熱板９４は、低熱伝導接続体９３と一体に形成される。

これにより、双方の部分９１−１、９１−２に対して共通の低熱伝導接続体９３が設けられ、各部分９１−１、９１−２の向かい合う端部が、この共通の低熱伝導接続体９３により連結されている。さらに、低熱伝導接続体９３は、異方性弾性体により構成され、マウントステージ９１の座面の伸展方向のうち、高温ユニットＵｈｔを熱源としてマウントステージ９１に変位が生じる第１伸展方向に、これとは異なる（例えば、垂直な）第２伸展方向よりも低い弾性を有する。なお、弾性の異方性は、低熱伝導接続体９３の寸法を方向に応じて異ならせることにより付与することが可能である。例えば、低熱伝導接続体９３の寸法を、変位を許容する方向に薄く、変位を抑制する方向に長くするのである。

これにより、低熱伝導接続体９３の剛性を極力維持しながら、熱膨張による変位を吸収することが可能となる。

［第４実施形態］
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１〜第３実施形態の何れか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１６は、第４実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造を説明する図である。先ず、図１６（ａ）に示すように、本実施形態において、遮熱板９４は、マウントステージ９１の座面の伸展方向に対して垂直な方向に積層された複数の層９４ａ〜９４ｃを有する。特に、図１６（ｂ）に示すように、遮熱板９４は、３つの層９４ａ〜９４ｃを有する。

具体的に、遮熱板９４は、中間の第１層９４ｂと、第１層９４ｂよりもマウントステージ９１に近い側に積層された第２層９４ａと、第１層９４ｂよりも筐体３に近い側に積層された第３層９４ｃと、を有する。ここで、本実施形態では、第１層９４ｂは、第２層９４ａよりも高い断熱性を有することで特徴付けられ、第３層９４ｃは、第１層９４ｂよりも高い剛性を有することで特徴付けられる。なお、図１６（ａ）に示す遮熱板９４において、図１３に示すような、マウントステージ９１の長手方向（Ｘ軸方向）の両端でブラケット９２に接続させる構成を採用しても良い。

このように、遮熱板９４を複数の層９４ａ〜９４ｃにより構成し、中央の第１層９４ｂに、よりマウントステージ９１に近い第２層９４ａよりも高い断熱性を持たせることで、マウントステージ９１からの熱を受ける第２層９４ａからの熱の輻射を第１層９４ｂにより抑え、筐体３への熱の入力をさらに抑制することが可能となる。

さらに、第１層９４ｂよりも筐体３に近い第３層９４ｃに、第１層９４ｂよりも高い剛性を持たせたことで、第１層９４ｂにより高温ユニットＵｈｔからの熱の伝達を抑制しながら、遮熱板９４全体の剛性を確保することが可能となる。

［第５実施形態］
以下、第５実施形態について説明する。なお、第１〜第４実施形態の何れか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１７は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池ユニット支持構造の、取り付け構造および低熱伝導接続体９３の配置を示す概略図である。

本実施形態では、複数の取り付け構造９０−１〜９０−３のうち、燃料電池システムＳの作動時により低温となる高温ユニットＵｈｔの部分に近い取り付け構造（図１０に示す例では、両端の取り付け構造９０−１、９０−３）に設けられる低熱伝導接続体９３の数が、より高温となる高温ユニットＵｈｔの部分に近い取り付け構造（中央の取り付け構造９０−２）に設けられる低熱伝導接続体９３の数よりも多い。これに限定されるものではないが、例えば、低温部に近い取り付け構造９０−１、９０−３に、２つの低熱伝導接続体９３が、高温部に近い取り付け構造９０−２に、１つの低熱伝導接続体９３が、それぞれ設けられる。

このように、複数の取り付け構造９０−１〜９０−３のうち、より温度が低くなる取り付け構造９０−１、９０−３ほど、換言すれば、熱膨張が小さい高温ユニットＵｈｔの部分に近い取り付け構造ほど多くの低熱伝導接続体９３を設けることで、低熱伝導接続体９３に対する熱膨張の影響を抑えながら、低熱伝導接続体９３による振動モードの調整を積極的に活用し、振動を抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、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、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

Ｓ…燃料電池システム
１…燃料電池スタック
２…燃料処理ユニット
３…筐体
４…断熱材
５…隔壁
６…原燃料供給管
７…アノードガス供給管
８ａ、８ｂ…バスバー
１１ｒ、１１ｌ…後輪
２１ｒ、２１ｌ…シャシーフレーム（サイドメンバ）
９０（９０−１〜９０−３）…取り付け構造
Ｍ（Ｍ１〜Ｍ３）…可動マウント装置

Claims (13)

1. 燃料電池スタックを含む高温部品からなる高温ユニットを断熱材を介して筐体で包囲して車体骨格部材に支持する燃料電池ユニット支持構造であって、
   当該燃料電池ユニット支持構造は、
   前記高温ユニットを前記筐体内に支持するマウント装置と、
   前記筐体を前記車体骨格部材に取り付けるための取り付け構造と、を有し、
   前記取り付け構造は、前記マウント装置が固定される平面部よりも高い熱抵抗を有し前記車体骨格部材への伝熱を抑制する伝熱抑制手段と、
   前記高温ユニット、前記マウント装置、及び該取り付け構造からなる振動系の共振周波数を増加させ車体振動を抑制する振動抑制手段と、を含む、
   燃料電池ユニット支持構造。
2. 請求項１に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記伝熱抑制手段及び前記振動抑制手段は、前記平面部と前記筐体を接続するように延在して設けられ、前記平面部よりも低い熱伝導率を持つ低熱伝導接続体により構成される、
   燃料電池ユニット支持構造。
3. 請求項２に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記取り付け構造は、前記平面部を前記筐体に支持するブラケットをさらに含み、
   前記ブラケットは、前記低熱伝導接続体と比べ、前記平面部における前記マウント装置が固定される位置から離れた位置に設けられる、
   燃料電池ユニット支持構造。
4. 請求項３に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記低熱伝導接続体は、前記ブラケットよりも低い熱伝導率を持つように構成される、
   燃料電池ユニット支持構造。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記高温ユニットは、前記高温部品として、前記燃料電池スタック及び該燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する燃料処理ユニットと、を含み、
   前記燃料電池スタックと前記燃料処理ユニットとが並ぶ方向に複数設けられる、
   燃料電池ユニット支持構造。
6. 請求項５に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   複数の前記取り付け構造のうち、前記燃料処理ユニットの作動時により低温となる前記高温ユニットの部分に近い前記取り付け構造に設けられる前記低熱伝導接続体の数が、より高温となる前記高温ユニットの部分に近い前記取り付け構造に設けられる前記低熱伝導接続体の数よりも多い、
   燃料電池ユニット支持構造。
7. 請求項３〜６の何れか１項に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記低熱伝導接続体には、
   前記高温ユニットから前記筐体への熱の輻射を抑制する遮熱板がさらに設けられる、
   燃料電池ユニット支持構造。
8. 請求項７に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記遮熱板は、前記平面部において前記ブラケットの内側の平面領域の略全域に亘って伸展する、
   燃料電池ユニット支持構造。
9. 請求項７又は８に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
   前記遮熱板は、前記平面部から前記筐体へ向かう方向に沿って積層された複数の層により構成され、
   前記複数の層は、第１層と、前記第１層よりも前記平面部に近い第２層と、を含み、
   前記第１層は、前記第２層よりも高い断熱性を有する、
   燃料電池ユニット支持構造。
10. 請求項９に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
    前記遮熱板は、前記第１層よりも前記筐体に近い第３層をさらに有し、
    前記第３層は、前記第１層よりも高い剛性を有する、
    燃料電池ユニット支持構造。
11. 請求項３〜１０の何れか１項に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
    前記平面部は、前記高温ユニットの第１部分を受ける第１座面を形成する部分と、前記高温ユニットの、前記第１部分とは異なる第２部分を受ける第２座面を形成する部分と、に分割され、
    前記第１および前記第２座面を形成するそれぞれの部分に対し、前記低熱伝導接続体が接続された、
    燃料電池ユニット支持構造。
12. 請求項３〜１１の何れか１項に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
    前記低熱伝導接続体は、異方性弾性体により構成され、前記平面部の伸展方向のうち、前記高温部品の熱膨張による生じる変位が相対的に大きい第１伸展方向に、前記変位が相対的に小さい第２伸展方向よりも低い弾性を有する、
    燃料電池ユニット支持構造。
13. 請求項３〜１２の何れか１項に記載の燃料電池ユニット支持構造であって、
    前記マウント装置は、前記高温ユニットを前記平面部の伸展方向に変位可能に支持する可動マウント装置として構成され、
    前記可動マウント装置は、
    前記平面部に固定された固定部と、
    前記固定部に対して前記平面部の伸展方向に変位可能に支持され、前記高温ユニットの荷重を受ける可動部と、を備え、
    前記可動部の、前記固定部に対する単位量の相対変位を第１方向に生じさせるのに要する力が、前記単位量の相対変位を前記第１方向とは異なる第２方向に生じさせるのに要する力よりも小さい、
    燃料電池ユニット支持構造。

Images