JP2023083959A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to fuel cell systems.
燃料電池システムは、防水性等を確保するために燃料電池スタックを筐体に収めた状態で使用されることが多い。特許文献1には、筐体内に収容した燃料電池が熱により膨張することで予期しない部位に膨張応力が掛かることを抑制するために、燃料電池の熱膨張/収縮の方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントを介して燃料電池が筐体に支持される構成が開示されている。
A fuel cell system is often used with a fuel cell stack housed in a housing in order to ensure waterproofness and the like. In
上記文献の構成では、全ての支持部に一軸性マウントが用いられている。換言すると、全ての支持部において、一軸性マウントが変位可能な方向については固定されていない。このため、燃料電池システムに外部からの入力があった場合に、変位可能な方向に微振動が生じて、一軸性マウントにフレッティング摩耗が生じる可能性がある。例えば、車両等の移動体に搭載した燃料電池システムは、移動体の加減速や上下振動による入力を受ける。また、定置用の燃料電池システムであっても地震による入力があり、ポータブルタイプの燃料電池システムであっても搬送中に外部からの入力がある。 In the configuration of the above document, uniaxial mounts are used for all supports. In other words, the direction in which the uniaxial mount can be displaced is not fixed at any of the supports. Therefore, when there is an external input to the fuel cell system, there is a possibility that microvibrations will occur in the displaceable direction and fretting wear will occur in the uniaxial mount. For example, a fuel cell system mounted on a mobile object such as a vehicle receives input from acceleration/deceleration and vertical vibration of the mobile object. In addition, even a stationary fuel cell system receives input from an earthquake, and even a portable fuel cell system receives input from the outside during transportation.
そこで本発明では、燃料電池を筐体内に確実に保持し、かつ上述したような外部からの入力によるマウントの摩耗を抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of reliably holding a fuel cell in a housing and suppressing wear of the mount due to the above-described external input.
本発明のある態様によれば、単セルが積層されてなる少なくとも一個の燃料電池スタックと、燃料電池スタックとの間でガスの授受を行う補機を含む補機構造体とが接続されて一体化した発電構造体と、発電構造体を収容する発電構造体ケースと、を備える燃料電池システムが提供される。このシステムにおいて、補機構造体は発電構造体ケースに締結され、燃料電池スタックは、積層方向の一方の端部が補機構造体に締結され補機構造体とは反対側が積層方向に変位可能なマウントを介して発電構造体ケースに締結されている。 According to one aspect of the present invention, at least one fuel cell stack formed by stacking unit cells and an accessory structure including accessories for exchanging gas between the fuel cell stack and the fuel cell stack are connected and integrated. A fuel cell system is provided that includes an integrated power generating structure and a power generating structure case that houses the power generating structure. In this system, the accessory structure is fastened to the power generation structure case, and the fuel cell stack has one end in the stacking direction fastened to the accessory structure, and the side opposite to the accessory structure is displaceable in the stacking direction. It is fastened to the power generation structure case via a mount.
上記態様によれば、燃料電池を筐体内に確実に保持し、かつ外部からの入力によるマウントの摩耗を抑制し得る燃料電池システムを提供することができる。 According to the above aspect, it is possible to provide a fuel cell system that can reliably hold the fuel cell in the housing and suppress wear of the mount due to input from the outside.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[第1実施形態]
図1は、本実施形態にかかる車載用燃料電池システム(以下、「燃料電池システム」ともいう)1の分解斜視図である。図2は、後述する前方部材5を車体前後方向の斜め後ろから見た図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an in-vehicle fuel cell system (hereinafter also referred to as "fuel cell system") 1 according to this embodiment. FIG. 2 is a view of the
本実施形態では、駆動モータにより走行する電動車両に搭載される燃料電池システム1を例に挙げて説明する。また、本実施形態では、固体酸化物形の燃料電池を想定している。
In this embodiment, a
燃料電池システム1は、発電構造体Aと、発電構造体Aを収容する発電構造体ケースBとを備える。
The
発電構造体Aを発電構造体ケースBに収容する理由は主に次の3つである。 There are mainly three reasons for housing the power generating structure A in the power generating structure case B as follows.
第1に、衝突や他部品との干渉等による発電構造体Aの破損を防止しつつ、車体に確実に固定するためである。第2に、使用する燃料は主に可燃性かつ無臭であるため、燃料電池スタックや補機構造体からの漏れを可燃限界以下のレベルに抑制する必要があるからである。なお、漏れを検知し易いように燃料に付臭剤を混入させるが、付臭剤による触媒の被毒劣化を抑制するため、付臭剤は改質器に投入される前に除去される。第3に、固体酸化物形燃料電池は、発電温度が高く(500℃以上)、システム運転中はこの温度を維持する必要がある。一方、原動機室に収容される他の補機や車載部品はこのような高温への耐性がない。そこで、放熱による温度低下を抑制するための断熱と、他の補機等の保護のための遮熱が必要となる。 Firstly, it is intended to prevent the power generating structure A from being damaged due to collision, interference with other parts, etc., and to securely fix the power generating structure A to the vehicle body. Secondly, since the fuel used is mainly combustible and odorless, it is necessary to suppress leakage from the fuel cell stack and the accessory structure to a level below the flammability limit. An odorant is mixed in the fuel so that leakage can be easily detected, but the odorant is removed before it is introduced into the reformer in order to suppress poisoning and deterioration of the catalyst due to the odorant. Third, the solid oxide fuel cell has a high power generation temperature (500° C. or higher), and this temperature must be maintained during system operation. On the other hand, other accessories and on-vehicle components housed in the motor compartment are not resistant to such high temperatures. Therefore, heat insulation for suppressing temperature drop due to heat dissipation and heat shielding for protection of other auxiliary equipment and the like are required.
発電構造体Aは、第1燃料電池スタック2Aと第2燃料電池スタック2Bの間に補機構造体3が配置され、下から第2燃料電池スタック2B、補機構造体3、第1燃料電池スタック2Aの順に積層された積層構造となっている。補機構造体3は、第1燃料電池スタック2A、第2燃料電池スタック2Bとガスの授受を行う補機(熱交換器、燃焼器等)を包含する筐体である。なお、以下の説明において、特に区別する必要がない場合には、第1燃料電池スタック2Aと第2燃料電池スタック2Bをまとめて燃料電池スタック2と称する。燃料電池スタック2は、単セルが車体上下方向に積層されたものである。
In the power generation structure A, the
補機構造体3の車体左右方向の左側側面には、後述する第2マウント9Aを介して空気供給管(不図示)、バイパス空気供給管(不図示)及び起動時用空気供給管(不図示)が接続される流路の開口部が形成されている。また、補機構造体3の車体左右方向の左側側面には、燃料供給管(不図示)と燃焼用燃料供給管(不図示)がそれぞれ接続される流路の開口部が形成されている。空気供給管は、補機としての熱交換器に外部から空気を供給するための配管である。空気供給管から供給された空気は、熱交換器により加熱されてから燃料電池スタック2に供給される。バイパス空気供給管は、補機としての熱交換器を通さずに燃料電池スタックに供給する空気を供給するための配管である。起動時用空気供給管は、燃料電池システムの起動時にアノード極に供給する空気を供給するための配管である。燃料供給管は燃料電池スタック2に燃料ガスを供給するための配管である。燃焼用燃料供給管は、燃料電池システム1の起動時に、燃料ガスを補機としての燃焼器に供給するための配管である。
An air supply pipe (not shown), a bypass air supply pipe (not shown), and a start-up air supply pipe (not shown) are mounted on the left side surface of the
また、補機構造体3の車体前後方向の後側側面には、排気管13が接続される排気通路の開口部3Aが設けられている。
Further, an opening 3A of an exhaust passage to which an exhaust pipe 13 is connected is provided on the rear side surface of the
発電構造体ケースBは、車体前後方向前側に配置される前方部材5と、車体前後方向後側に配置される後方部材6とで構成される、分割構造となっている。前方部材5は、例えば金属鋳造により成形され、後方部材6は、例えば鋼板をプレス加工することにより成形される。
The power generation structure case B has a split structure including a
前方部材5は、車載状態で車体前後方向の先端部となる前面5Aと、前面5Aの車体左右方向の両側から車体後方に延びる2つの側面5Bと、前面5Aの車体上下方向の両側から車体後方に延びる上面5C及び下面5Dと、からなる箱形状を有する。そして、発電構造体Aは、第1燃料電池スタック2Aに設けた第1マウント10A、10Bと、補機構造体3に設けた第2マウント9A、9Bと、第2燃料電池スタック2Bに設けた第3マウント11A、11Bと、を介してボルト(不図示)により前方部材5の側面5Bにのみ固定されている。第1マウント10A、10B及び第3マウント11A、11Bの構造については後述する。なお、車体左右方向右側の第3マウント11Bは図示していない。
The
車体左右方向左側の第2マウント9Aは、発電構造体Aに作動流体を供給する作動流体導入部材(より具体的には空気マニホールド)を兼ねる。そして、第2マウント9Aには、上述した補機構造体3の各開口部と、空気供給管(不図示)、燃料供給管(不図示)、燃焼用燃料供給管(不図示)及びバイパス空気供給管(不図示)をそれぞれ連通する通路が設けられている。
The
側面5Bは、第2マウント9A、9Bが取り付けられる部分を車体前後方向前側、車体上下方向上側及び車体上下方向下側から囲む補強部14を有する。この補強部14は、側面5Bの他の部位から前方部材5の内側に向けて突出している。なお、補強部14は前方部材5と一体として形成してもよいし、別部材として成形したものを前方部材5に取り付けてもよい。
The
後方部材6は、発電構造体Aと発電構造体ケースBの外部にある電装ユニット7とを接続する配線4が通る開口部8及び開口部8を囲むシール部8Aを有するシール面6Aを有する。なお、電装ユニット7には、コントローラ、コンバータ等が含まれる。そして、シール面6Aには他の面に比べて面剛性を高める補強が施されている。補強方法としては、シール面6Aの板厚を他の部位に比べて厚くする、または開口部8を囲む額縁上の補強材を取り付ける等、種々の方法を採り得る。
The
開口部8は、車体前後方向後方に向けて開口しており、かつ、電装ユニット7がシール部8Aに取り付けられることで塞がれる。また、後方部材6は、電装ユニット7が取り付けられる部分の下方に、車体前後方向後方に向けて延びる庇形状の突出部7Bを備える。
The
前方部材5と後方部材6は、前方部材5の合わせ面(前方合わせ面)5Eと、後方部材6の合わせ面(後方合わせ面)6Cとが接続されることにより一体化する。そして、前方合わせ面5Eと後方合わせ面6Cはいずれも平面である。つまり、前方部材5と後方部材6の接続部は平面になっている。そして、この平面は、車体左右方向に沿っており、かつ上端が下端に比べて車体前後方向後側に位置する(つまり、車体上下方向を基準として後傾している)。
The
前方部材5と後方部材6とを比較すると、発電構造体Aを収容する容積は前方部材5の方が後方部材6より大きく、発電構造体Aの大部分は前方部材5に収容されている。
Comparing the
次に、補強部14について図3、図4を参照して説明する。
Next, the reinforcing
図3は、図2の領域IIIを前方部材5の内側から見た図である。図4は、発電構造体Aを発電構造体ケースBに収容する工程における、補強部14に対する第2マウント9Aの動きを示す図である。
FIG. 3 is a view of the region III in FIG. 2 viewed from the inside of the
補強部14は、所定間隔をあけて同じ方向に延びる二本のガイド部14Aと、ガイド部14Aの車体前方側の端部同士を繋ぐストッパ部14Bとを備える。ここでの所定間隔は、第2マウント9Aの、側面5Bの内面と対向する部分の車体上下方向寸法と同じか、それよりもわずかに大きい。
The reinforcing
ボルト孔15は、発電構造体ケースBに第2マウント9Aを固定するためのボルトが貫通する孔である。
The
なお、車体左右方向右側の補強部14も上記と同様の構造である。ただし、二本のガイド部14Aの所定間隔は、車体左右方向右側の第2マウント9Bの側面5Bの内面と対向する部分の車体上下方向寸法と同じか、それよりもわずかに大きい。
The reinforcing
補強部14は、発電構造体Aを発電構造体ケースBに収容する工程において、ガイド及び位置決め用ストッパとしての機能を果たす。当該工程では、まず、発電構造体Aの車体上下方向の位置を調整して、図4の(A)に示すように、二本のガイド部14Aとストッパ部14Bとからなるコの字状のガイドレールで囲まれることで形成された溝状凹部19に発電構造体Aから車体左右方向に突出した凸部である第2マウント9Aを嵌合させる。このとき、車体左右方向右側の第2マウント9Bについても同様である。なお、ボルト16は、第2マウント9Aを補機構造体3に固定するためのものである。
In the step of housing the power generating structure A in the power generating structure case B, the reinforcing
そして、図4の(B)に示すように、第2マウント9Aの車体前方側の端部がストッパ部14Bに当接するまで(図4(B)の領域Cを参照のこと)、発電構造体Aを車体前方(図4(A)の矢印の方向)にスライドさせる。ストッパ部14Bの寸法、第2マウント9Aの形状及びボルト孔17の位置等は、第2マウント9Aがストッパ部14Bに当接した状態で側面5Bのボルト孔15と第2マウント9Aのボルト孔17の位置が合うように設定しておく。これにより、第2マウント9Aがストッパ部14Bに当接した状態で発電構造体ケースBの外側から側面5Bのボルト孔15にボルト18を挿通させることで、発電構造体ケースBと第2マウント9Aをボルトにより剛結することができる。
Then, as shown in FIG. 4B, until the end of the
第2マウント9Bについても基本的には第2マウント9Aと同様であるが、第2マウント9Bについては、例えばスペーサ等を介することによって、剛結ではなく車体左右方向の変位を許容し得る締結構造にしてもよい。
The
次に、第1マウント10A、10B及び第3マウント11A、11Bについて説明する。図5は、発電構造体Aが前方部材5に支持された状態を車体後方から見た図である。
Next, the
上述した通り、発電構造体Aは、第1マウント10A、10Bと、第2マウント9A、9Bと、第3マウント11A、11Bを介して発電構造体ケースBの前方部材5に支持されている。これらの支持部のうち、車体左方の第2マウント9Aは剛結され、車体右方の第2マウント9Bは車体左右方向にのみ変位可能な自由度をもって締結されている。これらに対して第1マウント10A、10B及び第3マウント11A、11Bは、単セルの積層方向、つまり車体上下方向に変位可能な構造を有する。その理由は以下の通りである。
As described above, the power generating structure A is supported by the
発電構造体Aを発電構造体ケースBに収容する場合、外部からの入力に耐えるために確実に支持する必要がある。その一方、燃料電池スタック2は、停止時にはほぼ外気温度と同じ温度であるが、運転時には500℃以上にまで温度上昇する。このように燃料電池スタック2は停止時と運転時で温度が大きく、かつ構成部品点数が多いので、運転時と停止時でスタック長(車体上下方向寸法)が大きく変化する。このため、スタック長の変化を吸収する必要がある。そこで、第2マウント9A、9Bで補機構造体3を発電構造体ケースBに確実に固定し、第1マウント10A、10B及び第3マウント11A、11Bで燃料電池スタック2のスタック長の変化を吸収する。もちろん、第1マウント10A、10B及び第3マウント11A、11Bも車体前後方向及び車体左右方向については発電構造体Aを確実に固定する機能を果たす。
When housing the power generating structure A in the power generating structure case B, it is necessary to reliably support the power generating structure A in order to withstand external input. On the other hand, the temperature of the fuel cell stack 2 is approximately the same as the outside air temperature when the vehicle is stopped, but the temperature rises to 500° C. or more during operation. As described above, the temperature of the fuel cell stack 2 is high when it is stopped and when it is in operation, and the number of constituent parts is large. Therefore, it is necessary to absorb the change in stack length. Therefore, the
次に、第1マウント10A、10B及び第3マウント11A、11Bの構造について説明する。これらは燃料電池スタック2への取り付け方に違いはあるものの、車体上下方向の変位を可能にする構造は同じなので、本実施形態では、第1マウント10Bを例に挙げて説明する。
Next, the structures of the
図6は、図1から第1燃料電池スタック2A及び第1マウント10A、10Bを抽出した図である。
FIG. 6 is a diagram of the first
第1マウント10A、10Bは、それぞれ異なる形状のステー20を介して第1燃料電池スタック2Aに固定されている。ステー20は第1燃料電池スタック2Aの上側エンドプレート21にボルトで固定されている。なお、ステー20が上側エンドプレート21と一体に形成されていても構わない。
The first mounts 10A and 10B are fixed to the first
図7は、第1マウント10Aの分解斜視図である。第1マウント10は、車体上下方向に延びる筒状のガイド部22Aを有し発電構造体ケースBに固定される筒部22と、ガイド部22Aの内側に摺動可能に配置される摺動部23A及び燃料電池スタック2に固定される固定部23Bを有する摺動子23を備える。ガイド部22Aの車体上下方向の端部は上蓋24Aと下蓋24Bにより閉塞される。以下の説明において、注意書きがない場合には、筒部22といったら上蓋24A及び下蓋24Bも含むこととする。
FIG. 7 is an exploded perspective view of the
また、第1マウント10は、ガイド部22Aと摺動部23Aとの隙間に配置されて摺動部23Aの車体上下方向と直交する方向への変位を吸収する第3弾性部材26を備える。車体上下方向と直交する方向への変位とは、例えば、車両の加減速に伴う車体前後方向の入力による変位及び車両の旋回に伴う車体左右方向の入力による変位である。第3弾性部材26を配置することで、車体上下方向以外の方向の変位があっても第3弾性部材26のストロークの範囲内であれば変位を吸収できる。
The first mount 10 also includes a third
さらに第1マウント10は、上蓋24A及び下蓋24Bと摺動部23Aとの隙間に配置されて摺動部23Aの車体上下方向の変位を吸収する第4弾性部材25A、25Bを備える。車体上下方向の変位とは、上述した燃料電池スタック2の膨張/収縮による変位の他に、車両走行中の路面の凹凸に起因する上下振動による変位も含む。なお、上側の第4弾性部材25Aと下側の第4弾性部材25Bを区別する必要がない場合には、両者をまとめて第4弾性部材25という。
Further, the first mount 10 includes fourth
これら第3弾性部材26及び第4弾性部材25を備えることで、摺動子23を筒部22内の所定の位置に保持可能して、筒部22内での摺動子23のガタツキを抑制できる。
By providing the third
第3弾性部材26及び第4弾性部材25は、それぞれバネ定数の異なる2種類の弾性体からなる。本実施形態では、弾性体として、板バネ(板状のバネ材)を波形に曲げた波形バネを用いる。
The third
第3弾性部材26は、摺動部23Aと筒部22(上蓋24Aと下蓋24Bを含まず)との隙間を埋めるように波形バネをガイド部22Aの形状に沿って曲げ加工したものであり、上端の波形バネ26Aと下端の波形バネ26Cが同じバネ定数である。すなわち、第3弾性部材26は、2種類の波形バネのうち一方(ここでは波形バネ26A、26C)が車体上下方向に2分割され、2分割された波形バネ26A、26Cが2種類の波形バネのうち他方(ここでは波形バネ26B)を車体上下方向の両側から挟む構成となっている。
The third
なお、波形バネ26A、26Cのバネ定数と波形バネ26Bのバネ定数は、どちらが大きくても構わない。上側の第4弾性部材25Aとしての波形バネのバネ定数と下側の第4弾性部材25Bとしての波形バネのバネ定数についても同様である。
It does not matter which of the spring constants of the wave springs 26A and 26C and the spring constant of the
各波形バネ26A-26Cの車体上下方向の寸法は任意であるが、本実施形態では、2分割されていない方の波形バネ26Bの車体上下方向の寸法が、2分割された波形バネ26A、26Cのそれぞれの車体上下方向の寸法を足したもの以上とする。
The vertical dimension of each of the wave springs 26A to 26C in the vehicle body vertical direction is arbitrary, but in this embodiment, the vertical dimension of the
なお、第3弾性部材26は、本実施形態のように1つの波形バネを、摺動部23Aを囲む形状に曲げ加工したものに限られるわけではない。例えば、車体左右方向及び車体前後方向の各隙間に独立した波形バネを配置してもよい。
In addition, the third
上記のように弾性体として波形バネを用いることで、つるまきバネ等を用いる場合に比べて、筒部22と摺動部23Aとの隙間を小さくでき、これにより第1マウント10Bをコンパクトな構成にすることができる。さらに、波形バネにすることで、摺動部23Aと筒部22のそれぞれに接触させることができ、これにより筒部22内で摺動部23Aの姿勢を保持し易くなる。
By using the wave spring as the elastic body as described above, the gap between the
また、バネ定数の異なる2種類の波形バネにすることで、仮に一方の波形バネが共振しても、他方の波形バネで摺動子23を保持できる。さらに、仮に一方の波形バネが何らかの理由により弾性力を失ったとしても、他方の波形バネで摺動子23を保持できる。特に本実施形態では、第3弾性部材26を、車体上下方向の寸法が相対的に大きい波形バネ26Bを中央に、相対的に小さい波形バネ26A、26Cをその両端に配置する構成にすることで、一方の波形バネに共振等が生じた場合の摺動子23の保持性能をより高めることができる。
Further, by using two types of wave springs having different spring constants, even if one wave spring resonates, the other wave spring can hold the
次に、第3弾性部材26について図8、図9を参照してより詳細に説明する。図8は、第1マウント10Bの、車体上下方向に直交しかつ波形バネ26Bの車体上下方向のいずれかの部分を通過する平面に沿った断面図である。図9は、第1マウント10Bと燃料電池スタック2及び前方部材5との接続部付近を示す図である。
Next, the third
本実施形態では、例えば波形バネをステンレス鋼で形成し、筒部22は波形バネよりも熱伝導率の高い材料(例えばアルミニウム)で形成されている。そして、摺動子23は、固定部23Bが固定される燃料電池スタック2の部位よりも熱伝導率が低い素材(例えばセラミック)で形成されている。当該燃料電池スタック2の部位は、本実施形態ではステー20になるが、これはエンドプレート21と同じ材質で形成されている。
In this embodiment, for example, the wave spring is made of stainless steel, and the
また、波形バネ26Bは摺動部23A及びガイド部22Aのいずれとも接触する。波形バネ26Bと摺動部23Aとの接触部をC1(図中のクロスハッチを施した部分)、波形バネ26Bとガイド部22Aとの接触部をC2とすると、全ての接触部C1(図8では15か所)の接触面積の合計は、全ての接触部C2(図8では12か所)の接触面積の合計よりも大きい。
Also, the
波形バネ26C及び図示していない波形バネ26Aについても同様である。また、第4弾性部材25を構成する波形バネと上蓋24A、下蓋24Bとの接触面積と波形バネと摺動部23Aとの接触面積についても上記と同様であって、波形バネと上蓋24A、下蓋24Bとの接触面積の方が波形バネと摺動部23Aとの接触面積よりも大きい。
The same applies to the
燃料電池スタック2の熱は、ステー20を介して摺動子23へと伝達され、そこから波形バネ26等を介して筒部22へ伝達され、筒部22と前方部材5との接触部を介して前方部材5へと伝達され、前方部材5から外部へと放出される。
The heat of the fuel cell stack 2 is transmitted to the
燃料電池スタック2は運転中に高温になり、良好な電気分解反応のためには高温状態を維持することが望ましい。換言すると、燃料電池スタック2から発電構造体ケースBの外部への放熱は抑制されることが望ましい。また、第3弾性部材26及び第4弾性部材25A、25Bを構成する波形バネ(以下、「波形バネ26等」という)は、温度が過剰に上昇すると高温クリープにより弾性が消失するおそれがあるので、波形バネ26等の温度上昇も抑制されることが望ましい。
The fuel cell stack 2 becomes hot during operation and it is desirable to maintain the high temperature for good electrolysis reaction. In other words, it is desirable that heat radiation from the fuel cell stack 2 to the outside of the power generation structure case B is suppressed. In addition, if the temperature of the wave springs constituting the third
この点、摺動子23はステー20よりも熱伝導率が低い素材で形成されているので、燃料電池スタック2から摺動子23への伝熱を抑制することができる。すなわち、燃料電池スタック2の放熱が抑制されるとともに、摺動子23からの伝熱による波形バネ26等の温度上昇も抑制される。
In this regard, since the
また、筒部22は波形バネ26等より熱伝導率が高い素材で形成されているので、波形バネ26等から筒部22へ熱が逃げ易くなっている。上記の通り摺動子23から波形バネ26等への伝熱は抑制されるものの、伝熱を完全に遮断することはできない。しかし、波形バネ26等から筒部22へ熱が逃げ易くなっているので、波形バネ26等の温度上昇を抑制できる。また、波形バネ26等は、それぞれ1枚板を折り曲げて形成されたものなので、複数の部材の組み合わせからなる構成に比べて伝熱性に優れる。このことも、波形バネ26等の温度上昇の抑制に寄与する。
In addition, since the
さらに、波形バネ26等は、筒部22との接触面積の方が摺動子23との接触面積よりも大きい形状をしているので、摺動子23から波形バネ26等への伝熱が抑制されるとともに、波形バネ26等に伝わった熱は筒部22へ逃げ易くなっている。
Furthermore, since the
なお、波形バネ26等を、1枚板を折り曲げて形成することで、上記の効果の他に、部品点数の低減による取り付け工数の削減及びコストの削減の効果も得られる。
By forming the
また、波形バネ26等を、筒部22との接触面積の方が摺動子23との接触面積よりも大きい形状にすると、上記の効果の他に、筒部22と波形バネ26等との接触部の面圧を低下させて、筒部22の摩耗を低減させることもできる。また、摺動子23と波形バネ26等の摺動抵抗を低減することもできる。
Further, if the
次に、本実施形態による効果についてまとめる。 Next, the effects of this embodiment will be summarized.
本実施形態の燃料電池システム1は、単セルが積層されてなる少なくとも一個の燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2との間でガスの授受を行う補機を含む補機構造体3とが接続されて一体化した発電構造体Aと、発電構造体Aを収容する発電構造体ケースBと、を備える。補機構造体3は発電構造体ケースBに締結され、燃料電池スタック2は、積層方向の一方の端部が補機構造体3に締結され、補機構造体3とは反対側が、積層方向に変位可能なマウント10A、10B、11A、11Bを介して発電構造体ケースBに締結されている。補機構造体3が発電構造体ケースBに締結されているので、発電構造体Aのガタつきが抑制される。これによりマウント部分の摩耗や破損を抑制できる。さらに、燃料電池スタック2の補機構造体3とは反対側が、積層方向に変位可能なマウント10A、10B、11A、11Bを介して発電構造体ケースBに締結されているので、燃料電池スタック2の膨張/収縮による変位を吸収できる。
The
本実施形態では、各マウント10A、10B、11A、11Bは、積層方向に延びかつ両端が蓋24A、24Bで閉塞されている筒状のガイド部22Aを有し発電構造体ケースBに固定される筒部22と、ガイド部22Aの内側に摺動可能に配置される摺動部23A及び燃料電池スタック2に固定される固定部23Bを有する摺動子23を備える。さらに、ガイド部22Aと摺動部23Aとの隙間に配置されて摺動部23Aの積層方向と直交する方向への変位を吸収する第3弾性部材26を備える。これにより、例えば燃料電池スタック2内の温度分布のバラツキ等により積層方向以外の方向に変位が生じても、第3弾性部材26のストローク範囲内で吸収できる。また、摺動部23Aを筒部22内に遊びがない状態で保持できるので、フレッティング摩耗を抑制できる。
In this embodiment, each of the
本実施形態では、燃料電池システム1は蓋24A、24Bと摺動部23Aとの隙間に配置されて摺動部23Aの積層方向への変位を吸収する第4弾性部材25をさらに備え、第3弾性部材26材及び第4弾性部材25は、それぞれバネ定数の異なる2種類の弾性体からなる。これにより、一方の弾性体が共振しても他方で摺動子23を保持できる。また、一方の弾性体の弾性が消失しても他方で摺動子23を保持できる。
In this embodiment, the
本実施形態では、第3弾性部材26及び第4弾性部材25は、板バネを波形に曲げた波形バネである。これにより、つるまきバネ等を用いる場合に比べて筒部22と摺動部23Aとの隙間を詰めることができ、第1マウント10、第3マウント11を小型軽量化できる。また、筒部22内でも摺動子23の姿勢を一定に保持できる。
In this embodiment, the third
本実施形態では、第3弾性部材26及び第4弾性部材25は、ガイド部22Aとの接触面積の方が摺動部23Aとの接触面積より大きい形状を有する。これにより、第3弾性部材26及び第4弾性部材25から筒部22への放熱を促進し、かつ摺動部23Aからの熱伝導を抑制できるので、第3弾性部材26及び第4弾性部材25の劣化を抑制できる。また、筒部22との接触面圧を低減できるので、筒部22の摩耗を低減できる。また、第3弾性部材26及び第4弾性部材25摺動部23Aとの摺動抵抗を低減できるので、摺動子23の動きを滑らかにできる。
In this embodiment, the third
本実施形態では、第3弾性部材26を構成する2種類の弾性体は、それぞれ、1つの波形バネを、摺動部23Aを囲む形状に加工したものである。これにより、複数の部材で構成するよりも伝熱性が高まり、第3弾性部材26の温度上昇を抑制できる。また、部品点数が少なくて済むので、コストを削減できる。
In this embodiment, each of the two types of elastic bodies forming the third
本実施形態では、第3弾性部材26は、2種類の弾性体のうちの一方の弾性体26A、26Cが積層方向に2分割され、2分割された弾性体26A、26Cが2種類の弾性体のうちの他方の弾性体26Bを積層方向の両側から挟む構成を有する。そして、2分割されていない弾性体26Bの積層方向の寸法は、2分割された弾性体26A、26Cのそれぞれの積層方向の寸法を足したもの以上である。すなわち、積層方向の寸法が大きい弾性体26Bで摺動部23Aの中央部分を支え、積層方向の寸法が小さい弾性体26A、26Cでその両側を支える。これにより、一方の弾性体に共振や破損が生じた際でも摺動子23を安定的に保持できる。
In the present embodiment, the third
本実施形態では、筒部22は、第3弾性部材26及び第4弾性部材25よりも熱伝導率が高い素材で形成されている。これにより、摺動部23Aから第3弾性部材26及び第4弾性部材25に伝わった熱が筒部22に逃げ易くなるので、第3弾性部材26及び第4弾性部材25の温度上昇を抑制して第3弾性部材26及び第4弾性部材25の信頼性を向上させることができる。
In this embodiment, the
本実施形態では、摺動子23は、固定部23Bが固定される燃料電池スタック2の部位(本実施形態ではステー20)よりも熱伝導率が低い素材で形成されている。
これにより、燃料電池スタック2から摺動子23への熱伝導を抑制し、ひいては摺動子23から第3弾性部材26及び第4弾性部材25への熱伝導を抑制できる。また、燃料電池スタック2から摺動子23への熱伝導が抑制されることで、燃料電池スタック2の温度低下が抑制されるので、燃料電池スタック2の効率向上を図ることができる。
In this embodiment, the
Thereby, heat conduction from the fuel cell stack 2 to the
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
本実施形態の燃料電池システム1は、筒部22と摺動部23Aとの車体上下方向の隙間に、上述した第4弾性部材25に換えて、または第4弾性部材25とともに、第1弾性部材27及び第2弾性部材28を備える。
In the
第1弾性部材27は、燃料電池スタック2の膨張時に間隔が狭くなる方の隙間、つまり上蓋24Aと摺動部23Aの上面との間に配置される。
The first
図10に示す通り、第1弾性部材27は、自由長X1が上蓋24Aと燃料電池スタック2が最収縮状態のときの摺動部23Aの上面との間隔Y1以上である。これにより、第1弾性部材27が摺動部23Aと上蓋24Aの間で遊ぶことがなくなる。
As shown in FIG. 10, the free length X1 of the first
そして、第1弾性部材27は、第1バネ定数k1の部分(以下、第1部分という)27Aと、第1バネ定数k1より大きい第2バネ定数k2の部分(以下、第2部分という)27Bとからなる。第1部分27A及び第2部分27Bは、いずれも第1実施形態で説明したものと同様の波形バネである。第1弾性部材27は、例えば図10に示すように、第1部分27Aの山部と第2部分27Bの谷部とが接するように、これらの波形バネを積層方向に重ねたものである。
The first
第1バネ定数k1は、燃料電池スタック2の膨張に伴う摺動部23Aの変位を吸収可能なバネ定数である。なお、第1部分27Aのストロークは、燃料電池スタック2の膨張/収縮に伴う摺動部23Aの変位幅以上である。
The first spring constant k1 is a spring constant capable of absorbing the displacement of the sliding
第2バネ定数k2は、燃料電池スタック2が最膨張状態で車体上下方向(つまり積層方向)の入力があった場合でも当該入力による摺動部23Aの変位を吸収可能なバネ定数である。換言すると、第2バネ定数k2は、燃料電池スタック2が最膨張状態で車体上下方向の重力があった場合に、摺動部23Aの車体上下方向の変位を許容できる範囲に抑えられるバネ定数である。
The second spring constant k2 is a spring constant capable of absorbing displacement of the sliding
第2弾性部材28は、燃料電池スタック2の収縮時に間隔が狭くなる方の隙間、つまり下蓋24Bと摺動部23Aの下面との間に配置される。
The second
図11に示す通り、第2弾性部材28は、自由長X2が下蓋24Bと燃料電池スタック2が最膨張状態のときの摺動部23Aの下面との間隔Y2以上である。これにより、第2弾性部材28が摺動部23Aと下蓋24Bの間で遊ぶことがなくなる。
As shown in FIG. 11, the free length X2 of the second
そして、第2弾性部材28は、第3バネ定数k3の部分(以下、第3部分という)28Aと、第3バネ定数k3より大きい第4バネ定数k4の部分(以下、第4部分という)28Bとからなる。第3部分28A及び第4部分28Bは、いずれも第1実施形態で説明したものと同様の波形バネである。第2弾性部材28は、例えば図11に示すように、第3部分28Aの谷部と第4部分28Bの谷部とが接するように、これらの波形バネを積層方向に重ねたものである。
The second
第3バネ定数k3は、燃料電池スタック2の収縮に伴う摺動部23Aの変位を吸収可能なバネ定数である。なお、第3部分28Aのストロークは、燃料電池スタック2の膨張/収縮に伴う摺動部23Aの変位幅以上である。
The third spring constant k3 is a spring constant capable of absorbing the displacement of the sliding
第4バネ定数k4は、燃料電池スタック2が最収縮状態で車体上下方向の入力があった場合でも当該入力による摺動部23Aの変位を吸収可能なバネ定数である。換言すると、第4バネ定数k4は、燃料電池スタック2が最収縮状態で車体上下方向の重力があった場合に、摺動部23Aの車体上下方向の変位を許容できる範囲に抑えられるバネ定数である。
The fourth spring constant k4 is a spring constant capable of absorbing the displacement of the sliding
なお、本実施形態では、第1バネ定数k1と第3バネ定数k3が等しく、第2バネ定数k2と第4バネ定数k4が等しい。また、第1弾性部材27及び第2弾性部材28を第4弾性部材25とともに用いる場合には、例えば、第1弾性部材27を上側の2つの第4弾性部材25Aで挟み、第2弾性部材28と下側の2つの第4弾性部材25Bで挟むように配置すればよい。この場合、第4弾性部材25が遊ばないように第4弾性部材25の自由長を設定する。
In this embodiment, the first spring constant k1 and the third spring constant k3 are equal, and the second spring constant k2 and the fourth spring constant k4 are equal. When the first
上記構成により、燃料電池スタック2の膨張/収縮による変位を第1部分27Aと第3部分28Aで許容しつつ、燃料電池スタック2を変位とは反対方向に押し付けることで確実に保持できる。そして、車体外部から大きな入力があった場合でも、第2部分27Bと第4部分28Bにより当該入力を緩和して燃料電池スタック2を確実に保持できる。
With the above configuration, displacement due to expansion/contraction of the fuel cell stack 2 is allowed by the
なお、第1弾性部材27及び第2弾性部材28は、第3弾性部材26及び第4弾性部材25と同様の素材で形成されている。また、第1弾性部材27又は第2弾性部材28のいずれか一方のみを備える構成としてもよい。
The first
以上の通り本実施形態では、各マウント10A、10B、11A、11Bは、積層方向に延びかつ両端が蓋24A、24Bで閉塞されている筒状のガイド部22Aを有し発電構造体ケース3Bに固定される筒部22と、ガイド部22Aの内側に摺動可能に配置される摺動部23A及び燃料電池スタック2に固定される固定部23Bを有する摺動子23を備える。さらに、蓋24A、24Bと摺動部23Aとの隙間のうち、燃料電池スタック2の膨張時に間隔が狭くなる方の隙間に配置される第1弾性部材27を備える。これにより、燃料電池スタック2の膨張による変位を許容しつつ、燃料電池スタック2に圧縮荷重を掛けることができるので、燃料電池スタック2を確実に保持することができる。
As described above, in the present embodiment, each of the
本実施形態では、第1弾性部材27は、自由長X1が上蓋24Aと燃料電池スタック2が最収縮状態のときの摺動部23Aとの間隔Y1以上であり、かつ燃料電池スタック2の膨張に伴う摺動部23Aの変位を吸収可能な第1バネ定数k1の部分と、第1バネ定数k1より大きく、燃料電池スタック2が最膨張状態で積層方向の入力があった場合でも当該入力による摺動部23Aの変位を吸収可能な第2バネ定数k2の部分とからなる。これにより、上蓋24Aと摺動部23Aの間での第1弾性部材27の遊びがなくなるので、フレッティング摩耗を抑制できる。さらに、第1バネ定数k1の部分で燃料電池スタック2の膨張/収縮による変位を吸収し、第2バネ定数k2の部分で外部からの入力を緩和して、燃料電池スタック2を確実に保持できる。
In the present embodiment, the free length X1 of the first
本実施形態では、各マウント10A、10B、11A、11Bは、蓋24A、24Bと摺動部23Aとの隙間のうち、燃料電池スタックの収縮時に間隔が狭くなる方の隙間に配置される第2弾性部材28を備える。これにより、燃料電池スタック2の収縮による変位を許容しつつ、燃料電池スタック2に圧縮荷重を掛けることができるので、燃料電池スタック2を確実に保持することができる。
In this embodiment, each of the
本実施形態では、第2弾性部材28は、自由長X2が下蓋24Bと燃料電池スタック2が最膨張状態のときの摺動部23Aとの間隔Y2以上であり、かつ燃料電池スタック2の収縮に伴う摺動部23Aの変位を吸収可能な第3バネ定数k3の部分と、第3バネ定数k3より大きく、燃料電池スタック2が最収縮状態で積層方向の入力があった場合でも当該入力による摺動部23Aの変位を吸収可能な第4バネ定数k4の部分とからなる。これにより、下蓋24Bと摺動部23Aの間での第2弾性部材28の遊びがなくなるので、フレッティング摩耗を抑制できる。さらに、第3バネ定数k3の部分で燃料電池スタック2の膨張/収縮による変位を吸収し、第4バネ定数k4の部分で外部からの入力を緩和して、燃料電池スタック2を確実に保持できる。
In this embodiment, the free length X2 of the second
なお、上記各実施形態では本発明を車載用の燃料電池システム1に適用する場合について説明したが、定置用またはポータブルタイプにも同様に適用可能である。
In addition, although the case where the present invention is applied to the vehicle-mounted
また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。 Moreover, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
1 車載用燃料電池システム、 2 燃料電池スタック、 3 補機構造体、 4 配線、 5 前方部材、 6 後方部材、 7 電装ユニット、 10A,10B 第1マウント、 11A、11B 第3マウント、 13 排気管、 14 補強部、 15 ボルト穴、 16 ボルト、 22 筒部、 23 摺動子、 24 蓋、 25A、25B 第4弾性部材、 26 第3弾性部材、 27 第1弾性部材、 28 第2弾性部材
Claims (13)
前記発電構造体を収容する発電構造体ケースと、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記補機構造体は前記発電構造体ケースに締結され、
前記燃料電池スタックは、積層方向の一方の端部が前記補機構造体に締結され前記補機構造体とは反対側が前記積層方向に変位可能なマウントを介して前記発電構造体ケースに締結されていることを特徴とする燃料電池システム。 a power generation structure in which at least one fuel cell stack formed by stacking single cells and an accessory structure including accessories for exchanging gas with the fuel cell stack are connected and integrated;
a power generating structure case that houses the power generating structure;
In a fuel cell system comprising
The accessory structure is fastened to the power generation structure case,
The fuel cell stack is fastened to the accessory structure at one end in the stacking direction, and is fastened to the power generation structure case via a mount displaceable in the stacking direction at the side opposite to the accessory structure. A fuel cell system characterized by:
前記マウントは、
前記積層方向に延びかつ両端が蓋で閉塞されている筒状のガイド部を有し前記発電構造体ケースに固定される筒部と、
前記ガイド部の内側に摺動可能に配置される摺動部及び前記燃料電池スタックに固定される固定部を有する摺動子と、
前記蓋と前記摺動部との隙間のうち、前記燃料電池スタックの膨張時に間隔が狭くなる方の前記隙間に配置される第1弾性部材と、
を備える、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1,
The mount is
a cylindrical portion that extends in the stacking direction and has a cylindrical guide portion that is closed at both ends with lids and is fixed to the power generating structure case;
a slider having a sliding portion slidably disposed inside the guide portion and a fixed portion fixed to the fuel cell stack;
a first elastic member disposed in a gap between the lid and the sliding portion that narrows when the fuel cell stack expands;
a fuel cell system.
前記第1弾性部材は、自由長が前記蓋と前記燃料電池スタックが最収縮状態のときの前記摺動部との間隔以上であり、かつ前記燃料電池スタックの膨張に伴う前記摺動部の変位を吸収可能な第1バネ定数の部分と、前記第1バネ定数より大きく、前記燃料電池スタックが最膨張状態で前記積層方向の入力があった場合でも当該入力による前記摺動部の変位を吸収可能な第2バネ定数の部分と、からなる、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 2,
The first elastic member has a free length equal to or greater than the distance between the lid and the sliding portion when the fuel cell stack is in the most contracted state, and displacement of the sliding portion due to expansion of the fuel cell stack. and a first spring constant larger than the first spring constant that absorbs the displacement of the sliding portion caused by the input even when there is an input in the stacking direction when the fuel cell stack is in the most expanded state. and a portion of a possible second spring constant.
前記マウントは、
前記積層方向に延びかつ両端が蓋で閉塞されている筒状のガイド部を有し前記発電構造体ケースに固定される筒部と、
前記ガイド部の内側に摺動可能に配置される摺動部及び前記燃料電池スタックに固定される固定部を有する摺動子と、
前記蓋と前記摺動部との隙間のうち、前記燃料電池スタックの収縮時に間隔が狭くなる方の前記隙間に配置される第2弾性部材と、
を備える、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1,
The mount is
a cylindrical portion that extends in the stacking direction and has a cylindrical guide portion that is closed at both ends with lids and is fixed to the power generating structure case;
a slider having a sliding portion slidably disposed inside the guide portion and a fixed portion fixed to the fuel cell stack;
a second elastic member disposed in a gap between the lid and the sliding portion, the gap being narrower when the fuel cell stack is contracted;
a fuel cell system.
前記第2弾性部材は、自由長が前記蓋と前記燃料電池スタックが最膨張状態のときの前記摺動部との間隔以上であり、かつ前記燃料電池スタックの収縮に伴う前記摺動部の変位を吸収可能な第3バネ定数の部分と、前記第3バネ定数より大きく、前記燃料電池スタックが最収縮状態で前記積層方向の入力があった場合でも当該入力による前記摺動部の変位を吸収可能な第4バネ定数の部分と、からなる、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 4,
The second elastic member has a free length equal to or greater than the distance between the lid and the sliding portion when the fuel cell stack is in the most expanded state, and displacement of the sliding portion due to contraction of the fuel cell stack. and a third spring constant larger than the third spring constant that absorbs the displacement of the sliding portion caused by the input even when there is an input in the stacking direction when the fuel cell stack is in the most contracted state. A possible fourth spring constant portion.
前記マウントは、
前記積層方向に延びかつ両端が蓋で閉塞されている筒状のガイド部を有し前記発電構造体ケースに固定される筒部と、
前記ガイド部の内側に摺動可能に配置される摺動部及び前記燃料電池スタックに固定される固定部を有する摺動子と、
前記ガイド部と前記摺動部との隙間に配置されて前記摺動部の前記積層方向と直交する方向への変位を吸収する第3弾性部材と、
を備える燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1,
The mount is
a cylindrical portion that extends in the stacking direction and has a cylindrical guide portion that is closed at both ends with lids and is fixed to the power generating structure case;
a slider having a sliding portion slidably disposed inside the guide portion and a fixed portion fixed to the fuel cell stack;
a third elastic member arranged in a gap between the guide portion and the sliding portion to absorb displacement of the sliding portion in a direction orthogonal to the stacking direction;
a fuel cell system.
前記蓋と前記摺動部との隙間に配置されて前記摺動部の前記積層方向への変位を吸収する第4弾性部材をさらに備え、
前記第3弾性部材及び前記第4弾性部材は、それぞれバネ定数の異なる2種類の弾性体からなる、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 6,
further comprising a fourth elastic member arranged in a gap between the lid and the sliding portion to absorb displacement of the sliding portion in the stacking direction;
The fuel cell system, wherein the third elastic member and the fourth elastic member are composed of two types of elastic bodies having different spring constants.
前記第3弾性部材及び前記第4弾性部材は、板バネを波形に曲げた波形バネである、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 7,
The fuel cell system, wherein the third elastic member and the fourth elastic member are wavy springs obtained by bending a leaf spring into a wavy shape.
前記第3弾性部材及び前記第4弾性部材は、前記ガイド部との接触面積の方が前記摺動部との接触面積より大きい形状を有する、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 8,
The fuel cell system, wherein the third elastic member and the fourth elastic member have a shape in which a contact area with the guide portion is larger than a contact area with the sliding portion.
前記第3弾性部材を構成する2種類の前記弾性体は、それぞれ、1つの前記波形バネを、前記摺動部を囲む形状に加工したものである、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 8 or 9,
The fuel cell system, wherein each of the two types of elastic bodies constituting the third elastic member is obtained by processing one wave spring into a shape surrounding the sliding portion.
前記第3弾性部材は、前記2種類の弾性体のうちの一方の弾性体が前記積層方向に2分割され、2分割された前記弾性体が前記2種類の弾性体のうちの他方の弾性体を前記積層方向の両側から挟む構成を有し、
2分割されていない前記弾性体の前記積層方向の寸法は、2分割された前記弾性体のそれぞれの前記積層方向の寸法を足したもの以上である、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 7,
In the third elastic member, one of the two types of elastic bodies is divided into two in the stacking direction, and the divided elastic body is the other of the two types of elastic bodies. is sandwiched from both sides in the stacking direction,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the dimension in the stacking direction of the elastic body that is not divided into two is equal to or greater than the sum of the dimensions in the stacking direction of each of the elastic bodies that have been divided into two.
前記筒部は、前記第3弾性部材よりも熱伝導率が高い素材で形成されている、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 6,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the cylindrical portion is made of a material having higher thermal conductivity than the third elastic member.
前記摺動子は、前記固定部が固定される前記燃料電池スタックの部位よりも熱伝導率が低い素材で形成されている、燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 2, 4 or 6,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the slider is formed of a material having a lower thermal conductivity than a portion of the fuel cell stack to which the fixing portion is fixed.
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