JP4840541B1 - 燃料電池の搭載構造 - Google Patents

Abstract

所定の対象に燃料電池を搭載するための構造を提供する。この構造は、燃料電池スタック１００と、モータ２００と、ドライブシャフト３００と、を備える。燃料電池スタック１００は、両端に第１と第２のエンドプレート１１０，１２０を有する。モータ２００は、燃料電池スタック１００が生成する電力によって駆動され燃料電池スタック１００に対して固定されている。ドライブシャフト３００は、モータ２００の出力軸に接続され、モータ２００の両側に伸びる。燃料電池スタック１００は、第１のエンドプレート１１０に、ドライブシャフト３００を支持する支持部１１２を備える。ドライブシャフト３００は、支持部１１２と、モータ２００と、によって支持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の搭載構造に関するものである。

従来、燃料電池を搭載した車両が提案されている。たとえば、ある技術においては、ボンネットフードの傾斜に沿って燃料電池スタックを配するために、燃料電池スタックは、傾斜した状態で車両に搭載される。この従来技術においては、車両の幅方向の中央にモータおよびギアボックスを設置し、それらモータおよびギアボックスに対して左側に燃料電池スタックが配されている。車両の幅方向の中央にモータおよびギアボックスを配することにより、モータおよびギアボックスから左右の車輪までのドライブシャフトの長さを均等にすることができる。その結果、右に旋回するときの車両の挙動と、左に旋回するときの車両の挙動と、とほぼ等しいものにすることができ、商品性を向上させることができる。

しかし、上記の従来技術においては、ほぼ中央に配されたモータおよびギアボックスと、左の車輪と、の間の空間に燃料電池スタックを配さなければならず、大型の燃料電池を搭載することが難しい。このため、車両に高出力な燃料電池を搭載することが難しい。また、上記の従来技術においては、燃料電池スタックのために、車両の左側が重くなる。すなわち、上記の従来技術においては、車両の左右の重量配分を均等にすることが難しい。このような問題は、車両に限らず、全体としての大きさを小さくすることが好ましく、かつ重量のバランスを考慮する必要がある燃料電池の搭載構造について、広く存在する。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を取り扱うためになされたものであり、燃料電池の搭載構造において、大型の燃料電池を搭載することができ、しかも、重量配分を均等にすることが容易にすることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を取り扱うために以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
所定の対象に燃料電池を搭載するための構造であって
両端に第１と第２のエンドプレートを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックが生成する電力によって駆動され、前記燃料電池スタックに対して固定されているモータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータの両側に伸びるドライブシャフトと、を備え、
前記燃料電池スタックは、前記第１のエンドプレートに、前記ドライブシャフトを支持する支持部を備え、
前記ドライブシャフトは、前記支持部と、前記モータと、によって支持される、構造。

このような態様においては、ドライブシャフトは、燃料電池スタックのエンドプレートに設けられた支持部と、モータと、によって２点で支持される。このため、モータから、ドライブシャフトのそれぞれの端までの距離に拘束されることなく、燃料電池スタックとモータとを配置することができる。よって、ドライブシャフトの一方の端に近く他方の端から遠い位置にモータを配し、ドライブシャフトの他方の端に近く一方の端から遠い位置に燃料電池スタックを配することができる。その結果、燃料電池の搭載構造において、大型の燃料電池を搭載することができ、しかも、重量配分を均等に近づけることが容易である。

［適用例２］
適用例１の構造であって、
前記所定の対象は車両であり、
前記燃料電池スタックは、
前記第１および第２のエンドプレートが前記ドライブシャフトよりも上に位置するように配され、さらに、
前記第１のエンドプレートが、前記第２のエンドプレートよりも低い位置であって、かつ前記車両の進行方向の後方に位置するように、配される、構造。

このような態様においては、燃料電池スタックに設けられた流路内の液体を、傾斜に沿って効率的に排出することができる。また、上記の態様においては、各エンドプレートがドライブシャフトよりも上に位置するように配されているため、車両が走行する際に、燃料電池スタックが地面と干渉しにくい。そして、上記の態様においては、支持部が設けられているエンドプレートが、他方のエンドプレートよりも低い位置にあるように燃料電池スタックが配される。このため、支持部が設けられているエンドプレートが、他方のエンドプレートよりも高い位置にあるように燃料電池スタックが配される態様に比べて、支持部が設けられているエンドプレートをドライブシャフトに近い位置に配することができる。よって、支持部を小さくすることができ、その結果、構造全体を軽くすることができる。

［適用例３］
適用例１または２の構造であって、
前記燃料電池スタックと前記モータは、前記所定の対象に対して、前記第１のエンドプレートにおいて固定されている、構造。

このような態様とすれば、第１のエンドプレートを強固に設けることで、ドライブシャフトを高精度に支持することができ、同時に、燃料電池スタックとモータを、所定の対象に対して強固かつ高精度に固定することができる。そして、第１のエンドプレート以外の構造を通じて燃料電池スタックとモータを所定の対象に固定する態様に比べて、強固に設ける構成要素を減らすことができるため、構造全体を軽量化することができる。

［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかの構造であって、
前記モータは、前記第１と第２のエンドプレートに固定されている、構造。

このような態様においては、燃料電池スタックの両端のエンドプレートがともにモータに固定される。このため、外力によって燃料電池が変形される可能性を低減することができる。よって、燃料電池は、安定して発電を行うことができる。

［適用例５］
適用例２、適用例２を限定した適用例３、または適用例２もしくは３を限定した適用例４の構造であって、さらに、
前記燃料電池スタックが生成した電力を制御するための制御回路を備え、
前記燃料電池スタックは、
前記第１および第２のエンドプレートに挟まれ、２列に配された複数の発電セルを備え、
前記複数の発電セルのうち発電時の電位がもっとも高い電極を有する発電セルと、前記複数の発電セルのうち発電時の電位がもっとも低い電極を有する発電セルと、を前記第２のエンドプレート側の前記列の端に備え、
前記制御回路は、前記燃料電池スタックの上方であって、かつ、前記第１のエンドプレートよりも前記第２のエンドプレートに近い位置に配されている、構造。

このような態様においては、最も電位が異なる電極を、第２のエンドプレート近傍に配することができる。このため、制御回路は、燃料電池スタックが生成した電力を、第２のエンドプレート近傍において、効率的に制御することができる。また、上記の態様においては、制御回路は、第１のエンドプレートより高い位置にある第２のエンドプレートに近い位置に配されている。このため、たとえば、車両が水たまりや川を通過した場合など、車両が下方から水を浴びたときに、その水によって制御回路が濡れて破損する可能性が低い。このため、たとえば、制御回路に対して防水のための構造を設ける場合にも、制御回路が第１のエンドプレートに近い位置に配されている態様に比べて、防水のための構造を簡素なものとすることができる。すなわち、制御回路およびその防水のための構造を、軽く、小さく設けることができる。

［適用例６］
適用例２、適用例２を限定した適用例３、適用例２もしくは３を限定した適用例４、または適用例５の構造であって、さらに、
前記燃料電池スタックに流通させる冷却液を冷却するためのラジエータと、
前記ラジエータに風を送るラジエータファンを回転させるためのラジエータファンモータと、を備え、
前記ラジエータファンモータは、前記車両の進行方向について投影したときに前記第２のエンドプレートと重なる位置であって、前記車両の進行方向について前記第２のエンドプレートより前方の位置に設けられている、構造。

このような態様とすれば、車両が前方の障害物と衝突し前部の構造が破壊されたときに、ラジエータファンモータは、第２のエンドプレートに衝突する可能性が高い。一方で、燃料電池スタックのエンドプレートは、積層された発電セルを圧縮するために、一般に、強固に設けられる。このため、上記のような態様とすれば、ラジエータファンモータが第２のエンドプレートからはずれる位置にある態様に比べて、ラジエータファンモータが車両の他の構造物に衝突してその構造物を破壊する可能性を低減することができる。このため、ラジエータファンモータが車両の他の構造物を破壊する事態を防止するために、その構造物を保護する保護材を、別途、設ける必要がない。または、そのような保護材を設ける場合にも、その保護材を簡素なものとすることができる。

［適用例７］
適用例２、適用例２を限定した適用例３、適用例２もしくは３を限定した適用例４、または適用例５の構造であって、
前記第２のエンドプレートは、前記車両の進行方向について投影したときに、前記車両が備えるバンパービームと少なくとも一部が重なる位置に設けられる、構造。

このような態様とすれば、車両が前方の障害物と衝突しバンパービームが変形したときに、バンパービームは、第２のエンドプレートに衝突する可能性が高い。このため、上記のような態様とすれば、バンパービームが第２のエンドプレートからはずれる位置にある態様に比べて、バンパービームが車両の他の構造物に衝突してその構造物を破壊する可能性を低減することができる。このため、バンパービームが車両の他の構造物を破壊する事態を防止するために、その構造物を保護する保護材を、別途、設ける必要がない。または、そのような保護材を設ける場合にも、その保護材を簡素なものとすることができる。

［適用例８］
車両に燃料電池を搭載するための構造であって
第１および第２のエンドプレートと、前記第１および第２のエンドプレートに挟まれ２列に配された複数の発電セルと、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに流通させる冷却液を保持するリザーブタンクと、
前記燃料電池スタックが生成した電力を制御するための制御回路と、を備え、
前記燃料電池スタックは、
前記複数の発電セルのうち発電時の電位がもっとも高い電極を有する発電セルと、前記複数の発電セルのうち発電時の電位がもっとも低い電極を有する発電セルと、を前記第２のエンドプレート側の前記列の端に備え、
前記第１のエンドプレートが前記第２のエンドプレートよりも低い位置であって、かつ前記車両の進行方向の後方に位置するように、配されており、
前記制御回路は、前記燃料電池スタックの上方であって、かつ、前記第１のエンドプレートよりも前記第２のエンドプレートに近い位置に配され
前記リザーブタンクは、前記燃料電池スタックの上方であって、かつ、前記第２のエンドプレートよりも前記第１のエンドプレートに近い位置に配されている、構造。

このような態様においては、最も電位が異なる電極を、第２のエンドプレート近傍に配することができる。このため、制御回路は、燃料電池スタックが生成した電力を、第２のエンドプレート近傍において、効率的に制御することができる。また、リザーブタンクが燃料電池スタックよりも下方にある態様においては、リザーブタンクに冷却液を補充する際に、燃料電池スタックとの間の水頭圧により、リザーブタンクから冷却液が噴出する可能性がある。しかし、上記のような態様とすれば、リザーブタンクは燃料電池スタックよりも上方に位置するため、リザーブタンクに冷却液を補充する際に、リザーブタンクから冷却液が噴出する可能性を低減することができる。また、上記のような態様とすれば、限られた空間内において、リザーバタンクの厚みを、制御回路の厚みよりも大きくすることができる。その結果、大容量のリザーバタンクを配することができる。

［適用例９］
車両に燃料電池を搭載するための構造であって
両端に第１と第２のエンドプレートを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガスポンプと、
前記燃料電池スタックに冷却液を流通させるための冷却液ポンプと、
前記冷却液中のイオンを除去するためのイオン交換器と、を備え、
前記燃料電池スタックは、前記第１のエンドプレートが前記第２のエンドプレートよりも前記車両の進行方向の後方に位置するように、配され、
前記燃料ガスポンプと、前記冷却液ポンプと、前記イオン交換器とは、前記第１のエンドプレートの後方に配され、
前記イオン交換器は、前記車両の進行方向について、前記燃料ガスポンプと前記冷却液ポンプとの少なくとも一方が存在する範囲内に含まれるように配される、構造。

このような態様とすれば、車両が前方の障害物と衝突し前部が破壊されたときに、前後方向の圧縮荷重は、燃料ガスポンプおよび冷却液ポンプの少なくとも一方と、第１のエンドプレートと、によって受け止められる可能性が高い。このため、衝突によりイオン交換器が破壊される可能性を低減することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の搭載方法、燃料電池システム、燃料電池を搭載した車両などの形態で実現することが可能である。

以下では、図面を参照して、本願発明の好ましい実施例の詳細が説明され、本願発明の上述の目的およびその他の目的、構成、効果が明らかにされる。

燃料電池を備える駆動システムを車両に取りつけるための構造を示す概要図。 駆動システムを図１の矢印Ｄ２の方向から見たときの、燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、ドライブシャフト３００とを示す図。 駆動システムを図１の矢印Ｄ３方向から見たときの、燃料電池スタック１００の各構成と、制御回路ユニット４００の各構成と、分配管６１２とを示す図。 燃料電池スタック１００と、制御回路ユニット４００と、ステアリング機構９００と、水素ポンプ６１０と、冷却液ポンプ６２０と、イオン交換器６３０との位置関係を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、燃料電池を備える駆動システムを車両に取りつけるための構造を示す概要図である。この駆動システムは、燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、ドライブシャフト３００と、制御回路ユニット４００と、リザーバタンク５００と、ラジエータ６００と、ラジエータファンユニット７００と、を備える。また、図１には、バンパービーム８００も示されている。このバンパービーム８００は、駆動システムの構成要素ではない。

燃料電池スタック１００は、両端に配された第１および第２のエンドプレート１１０，１２０と、それらのエンドプレート１１０，１２０の間に配された複数の発電セル１３０と、を備えている。エンドプレート１１０，１２０は、ステンレス製の略板状の部材である。ただし、エンドプレート１１０，１２０の外側の面（エンドプレート１１０の右側の面と、エンドプレート１２０の左側の面）には、様々な部材を取りつけるための構造が設けられている。

複数の発電セル１３０は、第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０とを結ぶ方向に沿って、積層されている。第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０とは、締結部材（図１において示していない）によって締結されている。その結果、複数の発電セル１３０は、第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０とによって圧縮されている。なお、発電セル１３０の積層方向Ｄｓについて投影したときの複数の発電セル１３０の外形形状は、略同一である。また、発電セル１３０の積層方向Ｄｓについて投影したときの第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の外形形状は、略同一である。本実施例では、発電セル１３０の積層方向Ｄｓについて投影したときの発電セル１３０と第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０との外形形状は、略長方形である。

モータユニット２００は、第１のエンドプレート１１０に対して３箇所の部位Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３で、ボルトによって固定されている。このため、モータユニット２００と第１のエンドプレート１１０は、外力が加わっても相対的に変位しにくい。すなわち、モータユニット２００と第１のエンドプレート１１０は、実質的に一体で変位する。また、モータユニット２００は、第２のエンドプレート１２０に対して３箇所の部位Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３で、ボルトによって固定されている。このため、モータユニット２００と第２のエンドプレート１２０も、外力が加わっても相対的に変位しにくい。すなわち、モータユニット２００と第２のエンドプレート１２０も、実質的に一体で変位する。

外力や加速度を受けた場合に、モータユニットと燃料電池スタックとが独立に変位する態様においては、モータユニットと燃料電池スタックとの衝突や摩擦を防ぐために、モータユニットと燃料電池スタックとの間に空間を設ける必要がある。しかし、本実施例においては、燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０，１２０を介して、モータユニット２００に対して６点で固定されている。このため、モータユニット２００と燃料電池スタック１００は、実質的に一体で変位する。よって、モータユニット２００と燃料電池スタック１００との間に、空間を設ける必要がなく、駆動システムを小さく設けることができる。

また、燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０，１２０を介して、モータユニット２００に対して６点で固定されているため、燃料電池スタック１００の積層構造は、外力を受けても変形しにくい。その結果、燃料電池スタック１００は、加速度を受け、場合によっては外力を受けうる車両上において、安定して発電を行うことができる。

モータユニット２００は、その外殻の内部に、駆動モータ２１０と変速機２２０とを備えている（図１参照）。駆動モータ２１０は、燃料電池スタック１００が生成する電力によって駆動される。変速機２２０は、駆動モータ２１０が出力する回転の単位時間当たりの回転数を低下させる。変速機２２０の出力軸は、ドライブシャフト３００に接続されている。すなわち、ドライブシャフト３００は、変速機２２０を介して駆動モータ２１０によって回転される。ドライブシャフト３００は、変速機２２０に対して図１の手前側と奥に向かう側の２方向に伸びている。なお、駆動モータ２１０と変速機２２０とは、一体の外殻内に設けられている。

制御回路ユニット４００は、燃料電池スタック１００が生成する電力の電圧および電流を制御する。制御回路ユニット４００は、燃料電池スタック１００の上部において、複数の発電セル１３０の積層方向Ｄｓに沿って配されている（図１参照）。制御回路ユニット４００は、第１のエンドプレート１１０よりも第２のエンドプレート１２０に近い位置に配されている。制御回路ユニット４００は、燃料電池スタック１００に対して固定されている。

リザーバタンク５００は、燃料電池スタック１００に流通させる冷却液を保持している。リザーバタンク５００は、燃料電池スタック１００の上部に配されている（図１参照）。リザーバタンク５００が、燃料電池スタック１００よりも低い位置に配されている態様においては、リザーバタンク５００の供給口５１０を介して冷却液を補充する際に、水頭圧によって、供給口５１０を介して冷却液が噴出する可能性がある。しかし、本実施例のような態様とすれば、リザーバタンク５００の供給口５１０を介して冷却液を補充する際にも、供給口５１０を介して冷却液が噴出する可能性が低い。

リザーバタンク５００は、燃料電池スタック１００に対して固定されている。また、リザーバタンク５００は、第２のエンドプレート１２０よりも第１のエンドプレート１１０に近い位置に配されている。このため、制御回路ユニット４００とともに、燃料電池スタック１００上の空間を有効に活用することができる。

燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、ドライブシャフト３００と、制御回路ユニット４００と、リザーバタンク５００とは、燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０、および第２のエンドプレート１２０、ならびにモータユニット２００を介して、車両のボディに対して固定されている（図１参照）。より具体的には、第１のエンドプレート１１０は、車両のボディに設けられたマウントＭ３，Ｍ４，Ｍ５に接続されている第２のエンドプレート１２０は、車両のボディに設けられたマウントＭ１に接続されている。モータユニット２００は、車両のボディに設けられたマウントＭ２に接続されている。なお、マウントＭ３は、図１に現れていない。

異なる多数の構成要素を介して駆動システムがボディに取りつけられている態様においては、駆動システムを車両のボディに対して強固かつ高精度に取りつけるためには、それらの各構成要素を高い剛性を有するように設ける必要がある。そのような態様は、全体として重量が大きくなる。しかし本実施例においては、本来的な機能上の要請から強固に設けられる３個の構成要素、すなわち、エンドプレート１１０，１２０およびモータユニット２００（特に第１のエンドプレート１１０）を介して駆動システムがボディに取りつけられている。よって、駆動システムを車両のボディに対して強固かつ高精度に取りつけつつ、全体として駆動システムを軽量化できる。

燃料電池スタック１００は、車両が、人間および積荷を積載していない状態で、水平面上にあるときに、ドライブシャフト３００よりも上方に位置するように配される（図１参照）。このような態様とすることで、車両の走行中に燃料電池スタック１００が地面と干渉してしまう可能性を低減することができる。

また、燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、ドライブシャフト３００と、制御回路ユニット４００と、リザーバタンク５００とは、車両が、人間および積荷を積載していない状態で、水平面上にあるときに、複数の発電セル１３０の積層方向Ｄｓが水平面に対してθ（θは、０より大きく９０度より小さい角度）だけ傾いた向きとなる姿勢で、車両のボディに対して固定される（図１参照）。なお、積層方向Ｄｓは、車両の前後方向Ｄｔと上下方向Ｕとで張られる平面に含まれる方向である。その結果、第１のエンドプレート１１０は、その状態において、第２のエンドプレート１２０よりも低い位置に位置することになる。また、第１のエンドプレート１１０は、第２のエンドプレート１２０よりも、車両の進行方向の後方に位置する。なお、図１において、車両の進行方向を矢印Ｄｔで示し、鉛直上方を矢印Ｕで示す。

なお、発電セル１３０の積層方向Ｄｓについて投影したときの第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の外形形状は、略同一である。第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の位置は、発電セル１３０の積層方向Ｄｓについて投影したときの第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の外形形状が重複する範囲の重心位置であって、各エンドプレートの板状部分の厚み方向の中心位置を基準として測定される。

燃料電池スタック１００においては、積層方向Ｄｓに沿って発電セル１３０を貫通する流路部分を備えた燃料ガス流路、酸化ガス流路、および冷却液流路が設けられている。上記のように、燃料電池スタック１００を水平方向（図１においてＤｔと同じ）に対して傾けて配することで、それらの流路内の液体を、燃料電池スタック１００外部に効率的に排出することができる。特に、燃料電池スタック１００を車両に搭載する態様においては、車両は、傾斜地を通過することもあり、また、加速および減速をすることもある。よって、上記のように、燃料電池スタック１００を傾けて配することで、様々な状況下において、流路内の液体を燃料電池スタック１００外部に効率的に排出することができる。

なお、流路内の液体としては、冷却液流路内の冷却液のほか、燃料ガス流路および酸化ガス流路内において存在する水がある。燃料ガス流路および酸化ガス流路内において存在する水は、燃料ガスや酸化ガスを加湿するための投入された水や、発電によって生じた水である。

制御回路ユニット４００と、リザーバタンク５００とは、車両が上記の状態に置かれたときに、燃料電池スタック１００の上側に位置する（図１参照）。このため、上記のように燃料電池スタック１００を傾けて配し、第１のエンドプレート１１０側の位置にリザーバタンク５００を配することで、以下のような効果が得られる。すなわち、車両のボンネットの下の空間（以下、便宜的に「エンジン・コンパートメント」と呼ぶ）において、リザーバタンク５００の厚みを、制御回路ユニット４００の厚みよりも大きくすることができる。その結果、エンジン・コンパートメントを有効に活用して、大容量のリザーバタンク５００を配することができる。

また、制御回路ユニット４００は、車両が上記の状態に置かれたときに、燃料電池スタック１００の上側おいて、リザーバタンク５００よりもさらに高い位置に位置する（図１参照）。このため、車両が水たまりや川に進入したときなどにも、制御回路ユニット４００は、水に浸かりにくく、また、水たまりや川からはねた水を浴びにくい。そして、制御回路ユニット４００が水をかぶった場合にも、制御回路ユニット４００まわりの水は、早期に下部に落下し、内部に進入する可能性が低い。このため、制御回路ユニット４００が車両外部から進入する水によって短絡する可能性が低い。このため、制御回路ユニット４００の防水構造を簡素なものとすることができる。すなわち、制御回路ユニット４００の防水構造を、軽く、小さなものとすることができる。

エンジン・コンパートメント内において、燃料電池スタック１００およびモータユニット２００の前方には、ラジエータ６００が取りつけられている（図１参照）。ラジエータ６００は、燃料電池スタック１００内に流通させる冷却液の熱を大気中に放散させるための構造である。ラジエータ６００は、複雑に折りたたまれた冷却液の流路および多数の放熱フィンを備えており、全体として板状の形状を有する。

板状のラジエータ６００は、第２のエンドプレート１２０および発電セル１３０と平行に設けられている。すなわち、板状のラジエータ６００は、鉛直方向Ｕに対してθだけ傾いた向きに配されている。このため、本実施例によれば、ラジエータを鉛直方向に立てて配する態様に比べて、より表面積が大きくその結果、外形寸法が大きいラジエータを、限られた高さを有するエンジン・コンパートメント内に配することができる。すなわち、単位時間あたりに冷却液を冷却する性能が高いラジエータをエンジン・コンパートメント内に配することができる。

エンジン・コンパートメント内において、燃料電池スタック１００の第２のエンドプレート１２０と、ラジエータ６００との間には、ラジエータファンユニット７００が配されている（図１参照）。ラジエータファンユニット７００は、ラジエータ６００に風を送るためのファン７１０と、ファン７１０を回転させるためのファンモータ７２０とを備えている。ファンモータ７２０は、車両の進行方向Ｄｔに投影したときに、燃料電池スタック１００の第２のエンドプレート１２０と重なる位置に配される。なお、車両の進行方向Ｄｔに投影したときの燃料電池スタック１００の第２のエンドプレート１２０の範囲を図１において範囲Ｒｅｐ２として示す。

ファンモータ７２０は強固な外殻を有する。よって、車両が前方の障害物と衝突し前部の構造が破壊されたときに、ファンモータ７２０が他の脆弱な構成要素に衝突すると、その構成要素を破壊するおそれがある。しかし、上記のような態様とすれば、車両が前方の障害物と衝突し前部の構造が破壊されたときに、ファンモータ７２０は、第２のエンドプレート１２０に衝突する可能性が高い（図１の矢印Ａｃ１参照）。このため、ファンモータ７２０が第２のエンドプレート１２０からはずれる位置にある態様に比べて、ファンモータ７２０が車両の他の構成要素に衝突してその構造物を破壊してしまう可能性が低い。よって、ファンモータ７２０が車両の他の構造物を破壊する事態を防止するために、その構造物を保護する保護材を、別途、設ける必要がない。

燃料電池スタック１００の第２のエンドプレート１２０と、ラジエータ６００のさらに前方には、バンパービーム８００が設けられている（図１参照）。バンパービーム８００は、車両のバンパー（図１において示していない）を支持している。バンパービーム８００は、車両が前方の障害物と衝突したときに、バンパーとともに衝撃を受け止めるための構造である。エンジン・コンパートメント内において、燃料電池スタック１００の第２のエンドプレート１２０は、車両の進行方向Ｄｔについて投影したときに、バンパービーム８００と少なくとも一部が重なる位置に設けられている（図１の範囲Ｒｅｐ２参照）。

このような態様とすれば、車両が前方の障害物と衝突しバンパービーム８００が変形したときに、バンパービーム８００は、第２のエンドプレート１２０に衝突する可能性が高い（図１の矢印Ａｃ２および範囲Ｒｅｐ２参照）。このため、バンパービームがエンドプレートからはずれる位置にある態様に比べて、バンパービームが車両の他の構造物（たとえば、制御回路ユニット４００やリザーバタンク５００）に衝突してその構造物を破壊する可能性を低減することができる。

図２は、図１に示す駆動システムを図１の矢印Ｄ２の方向から見たときの、燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、ドライブシャフト３００とを示す図である。図２においては、技術の理解を容易にするため、図１に示した一部の構成を省略している。なお、図２において、車両の進行方向Ｄｔを基準としたときの左方向を矢印Ｌで示し、右方向を矢印Ｒで示す。また、車両の左右方向の中心線をＣで示す。

すでに述べたように、モータユニット２００の変速機２２０の出力軸は、ドライブシャフト３００に接続されている。このドライブシャフト３００は、変速機２２０に対して、車両の進行方向Ｄｔを基準として、左右両方向に伸びている。すなわち、ドライブシャフト３００は、一部をモータユニット２００に支持されている。一方、第１のエンドプレート１１０には、先端にメインベアリング１１４を有する支持部１１２が設けられている。ドライブシャフト３００は、その一部をメインベアリング１１４にも支持されている。

ドライブシャフト３００の両端は、ハブベアリングを介して車両の左右のホイールと接続されている。なお、ハブベアリングとホイールは、図２において示していない。ハブベアリングには、サスペンションアームが接続されている。路面の凹凸などのためにホイールおよびハブベアリングが動くと、それに連動して、サスペンションアームおよびドライブシャフト３００の一部が動く。ハブベアリングとともに動くドライブシャフト３００の一部を、延長シャフト３１０，３２０とよぶ。

本実施例においては、ドライブシャフト３００は、モータユニット２００と、メインベアリング１１４とによって、２点で支持されている（図２参照）。このため、ドライブシャフト３００のうちの支持されている部位から、左右のハブベアリングまでの距離をほぼ等しくすることができる。よって、車両が左に曲がるときの車両の挙動と、右に曲がるときの車両の挙動とを、ほぼ等しくすることができる。その結果、商品性を向上させることができる。

また、本実施例においては、ドライブシャフト３００は、１点ではなく２点で支持されている。このため、ドライブシャフト３００のうちの支持されている部位から、左右のハブベアリング（またはホイール）までの距離をほぼ等しくするために、モータユニット２００を車両の中央に配する必要がない。すなわち、モータユニット２００を車両の左右方向の中央Ｃから一方のホイールの側に寄った位置に配することができる。このため、モータユニット２００と他方のホイールとの間の空間を大きくすることができる。その結果、その空間に、大きな燃料電池スタック１００を設置することができる。すなわち、高出力の燃料電池スタック１００を車両に搭載することができる。

また、本実施例によれば、燃料電池スタック１００とモータユニット２００とを左右に並べて配することができるため、モータユニットを中央に配し、そのモータユニットとホイールの間に燃料電池スタック１００を配する態様に比べて、車両の左右の重量バランスを良好にすることができる。

さらに、本実施例においては、第１のエンドプレート１１０は第２のエンドプレート１２０よりも低い位置に位置する。このため、第１のエンドプレート１１０が第２のエンドプレート１２０よりも高い位置にある態様に比べて、ドライブシャフト３００を支持するための支持部１１２を短くすることができる。よって、第１のエンドプレート１１０、ひいては駆動システム全体を、軽量化することができる。

図３は、図１に示す駆動システムを図１の矢印Ｄ３方向から見たときの、燃料電池スタック１００の各構成と、制御回路ユニット４００の各構成と、分配管６１２とを示す図である。図３においては、技術の理解を容易にするため、図１に示した一部の構成を省略している。

燃料電池スタック１００において、第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０との間において、複数の発電セル１３０は、車両の進行方向Ｄｔの前方（第２のエンドプレート１２０の側）から後方（第１のエンドプレート１１０の側）に向かう向きに２列に配されている。ただし、図１に示すように、発電セル１３０の積層方向Ｄｓは、上下方向については、傾いている。なお、第１のエンドプレート１１０には、防水カバー１４０がかぶせられている（図１も参照）。

複数の発電セル１３０のうち、進行方向Ｄｔに向かって左前方の端に位置する発電セル１３１は、発電時において最も電位が高い電極を有する発電セルである。複数の発電セル１３０のうち、右前方の端に位置する発電セル１３２は、発電時において最も電位が低い電極を有する発電セルである。なお、発電時において最も電位が高い部位を、「総プラス」とも呼ぶ。発電時において最も電位が低い部位を、「総マイナス」とも呼ぶ。

左側の列の発電セル１３０については、左前方の端に位置する発電セル１３１から左後方の端に位置する発電セル１３３に向かう向きに、各発電セルの電位は順に低くなる。そして、右側の列の発電セル１３０については、右後方の端に位置する発電セル１３４から右前方の端に位置する発電セル１３２に向かう向きに、各発電セルの電位は順に低くなる。なお、発電セル１３３の陰極と発電セル１３４の陽極の電位は等しい。そして、発電セル１３３の陰極と発電セル１３４の陽極の電位は発電時において、燃料電池スタック１００内の中間の電位となる。

図２において破線で外形を示す制御回路ユニット４００は、燃料電池スタック１００からの電力を受け取るダイオード４１０と、ダイオードに接続されるスイッチング素子と、コイル等を備える。総プラスは、バスバー４５１を介してダイオード４１０に接続される。総マイナスは、バスバー４５２を介してダイオード４１０に接続される。本実施例においては、総プラスと総マイナスがともに第２のエンドプレート１２０の側に位置する（図２参照）。そして、制御回路ユニット４００は、第１のエンドプレート１１０よりも第２のエンドプレート１２０に近い位置に配されている。このため、燃料電池スタック１００から供給される電力は、途中で大幅に消費されることなく、第２のエンドプレート１２０の近傍において、制御回路ユニット４００によって効率的に制御される。また、総プラスとダイオード４１０を接続するバスバー４５１、ならびに総マイナスとダイオード４１０を接続するバスバー４５２を、短く設けることができる。このため、バスバー４５１，４５２の重量を小さくすることができる。

分配管６１２は、燃料電池スタック１００に対して燃料ガスを供給する配管である。分配管６１２は、２列に配される複数の発電セル１３０に対して、第１のエンドプレート１１０の側から、列ごとに燃料ガスを供給する。すなわち、分配管６１２は、強固に構成されボディに取りつけられた第１のエンドプレート１１０の後ろ側に位置する。このため、車両が前方の障害物と衝突し前部の構造が破壊されたときにも、他の強固な構成要素が分配管６１２にぶつかる可能性が低い。このため、車両が前方の障害物と衝突し前部の構造が破壊されたときにも、可燃性の燃料ガスが外部に漏出する可能性が低い。

また、分配管６１２は、燃料電池スタック１００以外の構成（たとえば、後述する水素ポンプ）にも接続される。一方、上述のように、燃料電池スタック１００において、分配管６１２が接続される第１のエンドプレート１１０の側は、中間電位を有する。このため、本実施例においては、分配管６１２が接続される他の構成と、第１のエンドプレート１１０との電位差は、少ないかまたはゼロである。このため、本実施例によれば、特別な装置を設けることなく、分配管６１２を伝って燃料電池スタック１００から外部に流れる電流を少なくすることができ、またはゼロにすることができる。言い換えれば、電位差または抵抗を考慮して分配管６１２を設計する必要がない。

なお、ここでは、燃料ガス（水素ガス）の分配管６１２のみについて、構成および効果を説明した。しかし、本実施例においては、燃料電池スタック１００の２列の発電セル１３０に酸化ガスを供給する分配管、および燃料電池スタック１００の２列の発電セル１３０に冷却水を供給する分配管も、第１のエンドプレート１１０側に取りつけられている。その結果、それらの分配管についても、衝突時の破壊の可能性および電位に関して、燃料ガスの分配管６１２と同様の効果が得られる。

図４は、燃料電池スタック１００と、制御回路ユニット４００と、ステアリング機構９００と、水素ポンプ６１０と、冷却液ポンプ６２０と、イオン交換器６３０との位置関係を示す図である。なお、図４においては、技術の理解を容易にするため、水素ガスの流路や冷却水の流路など一部の構成を省略している。

車両において、燃料電池スタック１００の後方には、水素ポンプ６１０と、冷却液ポンプ６２０と、イオン交換器６３０とが設けられている。水素ポンプ６１０と、冷却液ポンプ６２０と、イオン交換器６３０とは、いずれも略円柱形の外径を有している。これらはいずれも、燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０に取りつけられている。水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０とイオン交換器６３０とは、車両の左右方向Ｌ，Ｒ（幅方向）について、第１のエンドプレート１１０が存在する範囲内に存在する。水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０とイオン交換器６３０のさらに後方には、ステアリング機構９００が設けられている。

水素ポンプ６１０は、燃料電池スタック１００から排出されたガス中の水素ガスを、再度、燃料電池スタック１００に供給するためのポンプである。冷却液ポンプ６２０は、燃料電池スタック１００中において冷却液を循環させるためのポンプである。イオン交換器６３０は、燃料電池スタック１００を循環する冷却液からイオンを除去する。その結果、冷却液の絶縁値は一定範囲に保たれる。なお、イオン交換器は、一定の時間間隔で交換される必要がある。

水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０は、いずれもイオン交換器６３０の外殻よりも強固な外殻を有する。また、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０の外殻は、いずれもイオン交換器６３０よりも直径が大きい円柱状の外径を有する。なお、冷却液ポンプ６２０は、樹脂製のケースに覆われている。いずれも円柱状の外形を有する水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０、イオン交換器６３０の円の直径は、水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０、イオン交換器６３０の順に大きい。

イオン交換器６３０は、車両の進行方向Ｄｔに沿ってみたときに、第１のエンドプレート１１０の後方であって、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０が存在する範囲Ｒｐｓ内に配されている。また、イオン交換器６３０は、車両の進行方向Ｄｔに投影したときに、燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０と投影面積の半分以上が重なる位置に配される。なお、車両の進行方向Ｄｔに投影したときの燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０の範囲を図４において範囲Ｒｅｐ１として示す。

また、イオン交換器６３０は、車両の左右方向Ｌ，Ｒに沿ってみたときに、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０が存在する範囲内に配されている。すなわち、イオン交換器６３０は、第１のエンドプレート１１０と水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０とによって囲まれている。

ステアリング機構９００は、ステアリングホイール９１０と、ステアリングシャフト９２０と、ステアリングリンク９３０とを備えている。ステアリングホイール９１０とステアリングリンク９３０とは、ステアリングシャフト９２０によって接続されている。ステアリングリンク９３０は、ドライブシャフト３００（図２参照）とほぼ平行な向きに配されており、両端をステアリングナックルに接続されている。ステアリングホイール９１０がユーザによって回転され、それに応じてステアリングリンク９３０がドライブシャフト３００に対して左右方向にずらされることで、車輪の向きが変えられる。

車両が前方の障害物と衝突し、イオン交換器６３０が第１のエンドプレート１１０とステアリングシャフト９２０によって直接的に挟まれると、ステアリングシャフト９２０によってイオン交換器６３０が破壊されるおそれがある。しかし、本実施例においては、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０は、いずれもイオン交換器６３０の外殻よりも強固な外殻を有し、いずれもイオン交換器６３０よりも直径が大きい円柱状の外径を有する。さらに、イオン交換器６３０は、車両の進行方向Ｄｔに沿ってみたときに、第１のエンドプレート１１０の後方であって、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０が存在する範囲Ｒｐｓ内に配されている。

このため、第１のエンドプレート１１０とステアリングシャフト９２０とは、車両の衝突時にも、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０とによって接近を阻まれる。すなわち、第１のエンドプレート１１０とステアリングシャフト９２０との間には、車両の進行方向Ｄｔに沿ってみたときに、イオン交換器６３０よりも大きな空間が確保される。その結果、車両が前方の障害物と衝突したときにも、イオン交換器６３０が破壊される可能性が低い。

なお、本実施例における車両が「課題を解決するための手段」における「所定の対象」に相当する。モータユニット２００が「課題を解決するための手段」における「モータ」に相当する。支持部１１２が「課題を解決するための手段」における「支持部」に相当する。制御回路ユニット４００が「課題を解決するための手段」における「制御回路」に相当する。発電セル１３１が「課題を解決するための手段」における「発電時の電位がもっとも高い電極を有する発電セル」に相当する。発電セル１３２が「課題を解決するための手段」における「発電時の電位がもっとも低い電極を有する発電セル」に相当する。

Ｂ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例においては、燃料電池スタック１００は、２列に配された複数の発電セル１３０を有する。しかし、燃料電池スタックは、３以上の列状に配された複数の発電セルを備える態様とすることもできる。ただし、燃料電池スタックは、偶数本の列を構成するように配された複数の発電セルを備えることが好ましい。そのような態様とすれば、最も電位が高い電極と最も電位が低い電極とを、各列の同じ側の端に配することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例においては、燃料電池スタック１００は、モータユニット２００に対して６点Ｆ１１〜Ｆ１３，Ｆ２１〜Ｆ２３で固定されている。しかし、モータとエンドプレートとの固定の態様はこれに限られない。たとえば、モータと燃料電池スタックは、１箇所、２箇所または４箇所以上で固定されることもできる。ただし、モータと燃料電池スタックは、３箇所以上で固定されることが好ましい。そのような態様とすれば、３軸方向の変位および回転に関して、相対変位しにくいように、モータと燃料電池スタックとを固定することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例においては、モータユニット２００は、第１のエンドプレート１１０に対して３箇所の部位Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３で固定されている。また、モータユニット２００は、第２のエンドプレート１２０に対して３箇所の部位Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３で固定されている。しかし、モータとエンドプレートとの固定の態様はこれに限られない。

たとえば、モータと一つのエンドプレートは、１箇所、２箇所または４箇所以上で固定されることもできる。ただし、モータと一つのエンドプレートは、３箇所以上で固定されることが好ましい。そのような態様とすれば、３軸方向の変位および回転に関して、相対変位しにくいように、モータとエンドプレートとを固定することができる。なお、固定方法は、溶接、蝋付け、接着など、ボルト止め以外の他の方法とすることもできる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例においては、３個の構成要素、すなわち、エンドプレート１１０，１２０およびモータユニット２００（特に第１のエンドプレート１１０）を介して、駆動システムがボディに取りつけられている。しかし、燃料電池を備える駆動システムは、他の態様でボディに取りつけられることもできる。たとえば、駆動システムは、燃料電池の二つのエンドプレートおよびモータのうちの任意の１または２の要素を介して、ボディに取りつけられることができる。そのような態様においても、本来的な機能上の要請から強固に設けられる構成要素を介して駆動システムがボディに取りつけられる。このため、駆動システムを車両のボディに対して強固かつ高精度に取りつけつつ、全体として駆動システムを軽量化できる。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例においては、燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、ドライブシャフト３００と、制御回路ユニット４００と、リザーバタンク５００とは、発電セル１３０の積層方向Ｄｓが水平面に対してθだけ傾いた向きとなる姿勢で、車両のボディに対して固定される。このθは、０より大きく９０度より小さいことが好ましく、０より大きく６０度より小さいことがより好ましい。そして、０より大きく３０度より小さいことがさらに好ましい。

Ｂ６．変形例６：
上記実施例においては、燃料電池スタック１００において、発電セル１３０を貫通する燃料ガス流路、酸化ガス流路、および冷却液流路は、積層方向Ｄｓに沿って設けられている部分を有する。しかし、燃料電池スタック内の燃料ガス流路、酸化ガス流路、および冷却液流路は、他の方向に設けられることもできる。それらの流路が、発電セルの積層方向Ｄｓと車両の左右方向Ｌ，Ｒとで張られる面内に含まれる方向に沿って伸びる流路部分を含む場合には、燃料電池スタック１００を水平方向に対して傾けて配することで、流路内の液体の効率的な排出を行うことができる。

Ｂ７．変形例７：
上記実施例においては、イオン交換器６３０は、車両の進行方向Ｄｔに投影したときに、燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０と投影面積の半分以上が重なる位置に配される。また、イオン交換器６３０は、車両の進行方向Ｄｔに沿ってみたときに、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０が存在する範囲Ｒｐｓ内に配されている。そして、イオン交換器６３０は、車両の左右方向Ｌ，Ｒに沿ってみたときに、水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０が存在する範囲内に配されている。すなわち、イオン交換器６３０は、第１のエンドプレート１１０と水素ポンプ６１０と冷却液ポンプ６２０とによって囲まれている。しかし、イオン交換器６３０は、他の態様で配されることもできる。

ただし、イオン交換器６３０は、車両の進行方向Ｄｔに投影したときに、燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０と少なくとも一部が重なる位置に配されることが好ましい。

そして、イオン交換器は、車両の進行方向Ｄｔに沿ってみたときに、水素ポンプと冷却液ポンプの少なくとも一方が存在する範囲内に設けられることが好ましく、水素ポンプが存在する範囲内に設けられることがより好ましい。

また、イオン交換器は、車両の左右方向Ｌ，Ｒに沿ってみたときに、水素ポンプと冷却液ポンプの少なくとも一方が存在する範囲内に設けられることが好ましく、水素ポンプが存在する範囲内に設けられることがより好ましい。

そして、イオン交換器は、車両の進行方向Ｄｔに沿ってみたときに、水素ポンプと冷却液ポンプの少なくとも一方と、第１のエンドプレートとの間に設けられることが好ましく、水素ポンプと、第１のエンドプレートとの間に設けられることがより好ましい。

Ｂ８．変形例８：
上記実施例においては、車両に燃料電池を搭載する構造について説明した。しかし、本願発明は、建造物や地面など、他の対象に燃料電池を搭載する構造に適用することもできる。すなわち、本発明の少なくとも一部の態様は、据え置き型の原動機に適用することもできる。

Ｂ９．変形例９：
以上では、本願発明をその好ましい例示的な実施例を参照して詳細に説明した。しかし、本願発明は、以上で説明した実施例や構成に限定されるものではない。そして、本願発明は、様々な変形や均等な構成を含むものである。さらに、開示された発明の様々な要素は、様々な組み合わせおよび構成で開示されたが、それらは例示的な物であり、各要素はより多くてもよく、また少なくてもよい。そして、要素は一つであってもよい。それらの態様は本願発明の範囲に含まれるものである。

Claims (6)

1. 車両に燃料電池を搭載するための構造であって、
   両端に第１と第２のエンドプレートを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックが生成する電力によって駆動され、前記燃料電池スタックに対して固定されているモータと、
   前記モータの出力軸に接続され、前記モータから前記車両の左右方向に伸びるドライブシャフトと、を備え、
   前記モータは、前記車両の前記左右方向の中央から一方に寄った位置に配されており、
   前記燃料電池スタックは、前記左右方向の中央から他方に寄った位置に配されており、
   前記燃料電池スタックは、前記第１のエンドプレートに、前記ドライブシャフトを支持する支持部を備え、
   前記ドライブシャフトは、前記支持部と、前記モータと、によって支持され、
   前記燃料電池スタックは、
   前記第１および第２のエンドプレートが前記ドライブシャフトよりも上に位置するように配され、さらに、
   前記第１のエンドプレートが、前記第２のエンドプレートよりも低い位置であって、かつ前記車両の進行方向の後方に位置するように、配される、構造。
2. 請求項１記載の構造であって、
   前記燃料電池スタックと前記モータは、前記車両に対して、前記第１のエンドプレートにおいて固定されている、構造。
3. 請求項１または２に記載の構造であって、
   前記モータは、前記第１と第２のエンドプレートに固定されている、構造。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の構造であって、さらに、
   前記燃料電池スタックが生成した電力を制御するための制御回路を備え、
   前記燃料電池スタックは、
   前記第１および第２のエンドプレートに挟まれ、２列に配された複数の発電セルを備え、
   前記複数の発電セルのうち発電時の電位がもっとも高い電極を有する発電セルと、前記複数の発電セルのうち発電時の電位がもっとも低い電極を有する発電セルと、を前記第２のエンドプレート側の前記列の端に備え、
   前記制御回路は、前記燃料電池スタックの上方であって、かつ、前記第１のエンドプレートよりも前記第２のエンドプレートに近い位置に配されている、構造。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の構造であって、さらに、
   前記燃料電池スタックに流通させる冷却液を冷却するためのラジエータと、
   前記ラジエータに風を送るラジエータファンを回転させるためのラジエータファンモータと、を備え、
   前記ラジエータファンモータは、前記車両の進行方向について投影したときに前記第２のエンドプレートと重なる位置であって、前記車両の進行方向について前記第２のエンドプレートより前方の位置に設けられている、構造。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の構造であって、
   前記第２のエンドプレートは、前記車両の進行方向について投影したときに、前記車両が備えるバンパービームと少なくとも一部が重なる位置に設けられる、構造。

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