JP5144087B2 - 燃料電池の保護構造 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃荷重等の外部入力荷重に対して、燃料電池セル層を保護するための燃料電池の保護構造に関するものである。

燃料電池は、アノードである水素極での水素の酸化反応及びカソードである酸素極での酸素の還元反応を利用した電池である。燃料電池を車両等に応用する場合、出力電圧を高くするために、複数の燃料電池の単位セルを直列接続させるように積層させた燃料電池スタックの形で用いられる。

図１５は、固体電解質型の燃料電池スタック内の燃料電池セル層の一例の構成を簡易的に示す断面図である。燃料電池スタックの燃料電池セル層は、図１５に示すようにアノード５１（水素極）、固体電解質層５３及びカソード５２（酸素極）からなる単位燃料電池セル５４を、セパレータ５５を介して複数個、直列接続となるように積層して、形成される。なお、セパレータ５５内には、水素ガス流路５６及びエア流路５７が形成されている。これらの流路により、アノード５１に水素ガス、またカソード５２にエアが供給されている。

燃料電池スタックは、従来からある内燃エンジンに比べ効率が高く、有害物質を排出しないので車両駆動用電源として開発応用が進んでいる。燃料電池スタックを車両駆動用電源として用いる場合、衝突等により強い衝撃荷重が燃料電池スタックに加わった場合の燃料電池スタックの耐衝撃性を考慮して、燃料電池スタックの保護構造が検討されている。

燃料電池スタックの保護構造に関する従来技術は以下のとおりである。

前記した燃料電池スタックは、内部抵抗となる積層された状態での単位セル間の接触抵抗を下げるため、またセパレータ中のガスシールをするために、積層された燃料電池セル層に予め、圧縮力を加えている。当該圧縮力は、積層された燃料電池セル層を挟持する一対のエンドプレートにより保持されている。この場合、エンドプレートは通常、金属等の剛性の高い材料で作られているので、セルの積層方向に衝撃荷重が加わっても、容易に変形しない。したがって、内部の燃料電池セル層は保護される。

また、特許文献１のように、車両の正面衝突により、燃料電池スタックの積層方向に引っ張り荷重が加わり、燃料電池スタックを構成するセル同士に隙間が生じたりしないように、スタックの車両前方方向にストッパーとして機能する支持部材を取り付けることもできる。

特許文献２に記載されている、燃料電池スタックの保護構造の場合、金属製のスタックパネルにより、燃料電池セルのスタック部分が箱状のケースに収容される。同ケースによる保持により、燃料電池のスタック部分を一定の圧縮荷重を与えた状態で保持している。この場合も、燃料電池スタックの両端には前記したエンドプレートが存在するため、燃料電池セルの積層方向の衝撃には、燃料電池セル層は十分に保護される。

しかし、燃料電池スタックに側面から衝撃荷重が加わった場合、スタックパネルは薄板の金属板製なので、変形し易く、内部に収容されている燃料電池セルのスタック部分がダメージを受ける場合がある。もちろんスタックパネルを厚くすれば、その剛性が高くなるので、側面からの衝撃に対しても耐衝撃性を高めることができる。しかし、燃料電池スタックの重量が増大し、燃費が低下するので、車両用としては望ましくない。

また、特許文献３は、燃料電池スタックを車両の揺れや振動から保護するため、燃料電池スタックの周囲に補強枠を設ける構造についてのものである。同様な構造を用いれば、側面からの衝撃荷重に対して、燃料電池セル層を保護することが可能である。しかし、当該構造はコンパクトでないため、利用できるスペースが通常限られる車両へ応用するのは困難である。
特開２００１−３０７７１号公報 特開２００５−４４６８８号公報 特開平５−８２１５７号公報

車両の側面衝突等により、十分な保護構造を備えていない燃料電池スタックが側面から衝撃荷重を受けた場合、積層された燃料電池セル層に積層ずれが生じ、水素ガスや空気等を各セルに分配・供給する分配器から水素ガス等が漏れ、燃料電池セルの発電機能が停止するおそれがある。しかしながら、従来技術では以上のように、車両搭載等用の燃料電池スタックの側面を、衝撃等の荷重入力に対して、簡便に保護する構造はなかった。

前記したように、従来、燃料電池スタックに側面から衝撃荷重が加わった場合、内部の燃料電池セル層を保護する簡便な構造がなかった。たとえば、高剛性の厚い金属製の板等により構成されるケースに入れれば、燃料電池スタックの燃料電池セル層を保護できるが、全体として重量増になり、燃料電池スタックを車両に搭載する場合に、燃費低下等の問題がある。そこで、本発明は、内部の燃料電池セル層を外方からの荷重から保護する機能を有する簡便な燃料電池の保護構造を提供することを課題とする。

また、燃料電池セル層の各セルには燃料（水素）が流れる流路が形成されているので、燃料電池スタックに側面から衝撃荷重が加わった場合、慣性力（燃料電池スタックの内部からの荷重）により、燃料電池セル層の各セルが水平方向（面方向）にずれて、流路がずれるという問題もある。そこで、本発明は、衝突時の慣性力によってセル同士がずれるのを防止する機能を有する燃料電池の保護構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、一対のエンドプレートおよび前記一対のエンドプレート間に挟持された複数の単位セルが積層された燃料電池セル層を有する燃料電池スタックと、前記一対のエンドプレート間に掛け渡される荷重受け部材とからなり、前記荷重受け部材は、梁形状の部材であり、前記燃料電池セル層との間に隙間ができるように、前記一対のエンドプレートと接する部分を除く部分の肉厚が薄く形成され、前記荷重受け部材の一端は、一端側の前記エンドプレートに固定され、前記荷重受け部材の他端は、他端側の前記エンドプレートに可動状態になるように固定され、前記荷重受け部材が燃料電池スタックの外方からの荷重を受け、かつ前記外方からの荷重の少なくとも一部を前記一対のエンドプレートが受けることにより、前記燃料電池セル層を保護することを特徴とする。

請求項２にかかる発明では、請求項１にかかる燃料電池の保護構造において、前記荷重受け部材と前記エンドプレート側面部の間に緩衝部材が設けられたことを特徴とする。

請求項３にかかる発明では、請求項１または２に記載の燃料電池の保護構造であって、前記燃料電池スタックが、前記一対のエンドプレートの各々に取り付けられた取り付けマウントを介して車両に取り付けられ、かつ前記燃料電池スタックが外方から荷重入力を受けたときに前記取り付けマウントが荷重入力方向に移動可能なように、前記取り付けマウントが車両に取り付けられていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、前記荷重受け部材の他端には、前記単位セルの積層方向に拡がる長孔が形成され、前記荷重受け部材の他端は、ボルトを前記長孔に通して他端側の前記エンドプレートに可動状態となるように螺着することにより固定されることを特徴とする。なお、長孔、ボルトは、それぞれ後記する実施形態での荷重受け部材長孔８、取り付けボルト５に対応します。

請求項１にかかる燃料電池の保護構造によれば、燃料電池スタックの側面に衝撃荷重が加わった場合、その荷重は、前記荷重受け部材とエンドプレートにより支持される。そのため、燃料電池スタックの燃料電池セル層に衝撃が加わることが防止され、前記した発電停止等の燃料電池スタックの不具合の発生を免れる。

請求項２にかかる燃料電池の保護構造によれば、緩衝部材により、燃料電池スタックの側面に衝撃荷重が加わった場合、荷重受け部材が受ける瞬間的な最大衝撃荷重が緩和される。その結果、荷重受け部材の弾性あるいは塑性曲げ変形が抑制されるので、燃料電池セル層に衝撃が加わることが防止される。その結果、燃料電池スタックの燃料電池セル層の保護がより確実になる。

請求項３にかかる燃料電池の保護構造によれば、燃料電池スタック側面に所定以上の衝撃荷重が加わった場合に当該燃料電池スタックが荷重方向に移動する。それによって荷重受け部材が受ける瞬間的な最大衝撃荷重が緩和される。その結果、荷重受け部材の弾性あるいは塑性曲げ変形が抑制されるので、燃料電池セル層に衝撃が加わることが防止される。請求項２にかかる発明と同時に実施された場合、請求項２にかかる発明の効果とあわせて、より効果的に燃料電池スタックの燃料電池セル層を保護できる。

＜第１実施形態＞
以下、図１乃至図３を参照して、第１実施形態の燃料電池の保護構造について説明する。図１は、燃料電池スタック及び荷重受け部材からなる燃料電池の保護構造の斜視図である。図２は、図１の燃料電池の保護構造のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１の燃料電池の保護構造を車両のセンターコンソール内に設置した場合の、当該センターコンソール内での当該燃料電池の保護構造の正面図である。図１乃至図３では、第１実施形態の実施に直接影響しない水素ガス、空気及び冷却媒の供給及び循環に関わる構造、燃料電池セル層に圧縮力を与えている構造並びに電源出力取り出し部等の燃料電池スタックの構成部分は省略して記載してある（以下図４乃至図９において同様な省略がなされている）。

第１実施形態の燃料電池の保護構造の構成は、以下のとおりである。図１の燃料電池の保護構造は、複数の単位セルが積層された燃料電池セル層２及び前記燃料電池セル層２を挟持している一対のエンドプレート３ａ、３ｂを有する燃料電池スタック１と、前記一対のエンドプレート３ａ、３ｂ間に掛け渡されている荷重受け部材４ａ、４ａにより、構成されている。

第１実施形態において、荷重受け部材４ａは梁形状の部材であり、燃料電池セル層２との間に隙間ができるように、エンドプレート３ａ、３ｂと接する部分を除く部分の肉厚が薄くなっている。荷重受け部材４ａは、金属あるいはＦＲＰ（繊維強化樹脂）等の比較的剛性（弾性率）の高い材料で作製されている。

荷重受け部材４ａ、４ａは図１及び図２のエンドプレート３ａ、３ｂに対して、以下に述べる半固定構造で結合されている。荷重受け部材４ａの一端には、通常の通し孔９が形成されており、取り付けボルト５が当該通し孔９を通っている。前記荷重受け部材４ａの一端は一方のエンドプレート３ｂの側面に、前記取り付けボルト５が螺着されることにより固定されている。

一方、荷重受け部材４ａの他端は、他方のエンドプレート３ａの側面に完全に固定されてはいない。また当該荷重受け部材４ａの他端には荷重受け部材長孔８が形成されている。この荷重受け部材長孔８は、燃料電池スタック１の積層方向に拡がっている形状になっている。図２からわかるように、荷重受け部材４ａの荷重受け部材長孔８を取り付けボルト５が通っている。当該取り付けボルト５は、エンドプレート３ａにねじ止めされて固定されるが、当該荷重受け部材４ａに対する締め付けトルクが適宜調整されているため、当該取り付けボルト５は荷重受け部材長孔８中で、燃料電池スタック１の積層方向に動くことができるようになっている。

したがって、エンドプレート３ａは、荷重受け部材４ａ、４ａに対して可動状態になっている。このような、半固定構造を採用することにより、荷重受け部材４ａ、４ａと燃料電池セル層２の線熱膨張率の差により、積層された燃料電池セル層２を押さえる圧縮力に局部的に差が生じないようにしている。

もちろん、一方のエンドプレート３ａを荷重受け部材４ａ、４ａの各々の一端に対して可動とするとともに、他方のエンドプレート３ｂを荷重受け部材４ａ、４ａの各々の他端に対して、前記同様に可動とすることも可能である。この場合、荷重受け部材４ａ、４ａと燃料電池セル層２の線熱膨張率の差により、積層された燃料電池セル層２を押さえる圧縮力に局部的に差が生じないようにする効果を、より確実に得られる。

次に、第１実施形態の燃料電池の保護構造を車両に設置した場合の作用及び効果について説明する。図３では、燃料電池スタック１は車両のセンターコンソール２１内に設置されている。燃料電池スタック１のエンドプレート３ａ、３ｂ上には、スタック固定ボルト１６でスタック取り付けマウント１１が固定されている。当該スタック取り付けマウント１１を介して、燃料電池スタック１はスタック保持フレーム１５上にスタックマウント取り付けボルト１４により、固定されている。スタック保持フレーム１５は、車両において車体フレームあるいは床パネル等に固定される。

図３の場合、当該車両が側面からの衝突事故等により、センターコンソール２１が図３の左方より衝撃荷重Ｗを受ける。前記衝撃荷重Ｗにより、センターコンソール２１が変形した場合には、荷重受け部材４ａが衝撃荷重を受けることになる。当該衝撃荷重を受ける荷重受け部材４ａをエンドプレート３ａ、３ｂが支持する。その結果、エンドプレート３ａ、３ｂは、荷重受け部材４ａが受ける衝撃荷重の全部あるいは少なくとも一部を受けることになる。ここで、エンドプレート３ａ、３ｂは通常ステンレス鋼等で製造されたものであり、材料自体の剛性が高いこと及び形状に起因して、側面からの荷重に対しての曲げ剛性（弾性定数×断面二次モーメント）は、極めて大きい。そのため、側面からの衝撃加重に対しエンドプレート３ａ、３ｂの前記衝撃荷重Ｗの方向の変形は、荷重受け部材４ａの変形に比べ無視できる。

したがって、図３の燃料電池スタック１が左方側面から衝撃荷重を受けた場合、荷重受け部材４ａの弾性あるいは塑性による曲げ変形が十分小さければ、燃料電池セル層２（図１及び図２参照）にダメージが及ぶことはなく、燃料電池セル層２は保護される。ここで、荷重受け部材４ａの曲げ変形が十分小さいとは、図１及び図２の例の燃料電池スタック１の場合、荷重受け部材４ａと燃料電池セル層２の隙間（図２参照）よりも、当該曲げ変形が小さいことである。

また、図３のように、第１実施形態の燃料電池の保護構造が側面から衝撃荷重Ｗを受けた場合、荷重受け部材４ａが、前記したような半固定構造でエンドプレート３ａ、３ｂと結合されているため、次のような効果がある。

図３の第１実施形態の燃料電池の保護構造に衝撃荷重Ｗが加わると、燃料電池スタック１の左側面の荷重受け部材４ａが、衝撃荷重Ｗの方向にたわむ。その際、もしも、図１乃至図３において、荷重受け部材４ａが両端を固定されているとしたら、衝撃荷重を受ける荷重受け部材４ａと固定されている部分である、エンドプレート３ａ、３ｂそれぞれの左側面部は（図２及び図３参照）、ともに燃料電池スタック１の内側に変形する。一方、衝撃荷重を受ける側の反対側に位置するエンドプレート３ａ、３ｂそれぞれの右側面部は、ともに燃料電池スタック１の外側に変形する。したがって、エンドプレート３ａ、３ｂのそれぞれの衝撃荷重を受ける側の側面とその反対側の側面が、内部の燃料電池セル層２の積層方向において互いに逆向きに変形する。その結果、内部の燃料電池セル層２は衝撃荷重を受ける側では積層方向の圧縮の力を受けるが、衝撃荷重を受ける側の反対側では積層方向の引っ張りの力を受けることになり、当該燃料電池セル層２の直列接続が断絶されるおそれがある。

しかし、第１実施形態では、荷重受け部材４ａがエンドプレート３ａと固定されていないので、荷重受け部材４ａが荷重を受けた場合に、エンドプレート３ａ、３ｂが、前記したような燃料電池セル層２の積層方向の変形をするおそれは少ない。もちろん、荷重受け部材４ａの両端を可動状態でエンドプレート３ａ、３ｂと結合する場合は、エンドプレート３ａ、３ｂが、前記したように、燃料電池セル層２の積層方向の変形をするおそれはいっそう少ない。

図３において、燃料電池スタック１をセンターコンソール２１内に配置した場合の効果について説明したが、第１実施形態の燃料電池の保護構造は、車両の他の部分に、たとえば、床下やボンネット内等に燃料電池スタック１を配置する場合にも効果的である。車両の場合、どの部分も衝突事故等により、車両の前後方あるいは側方からの衝撃を受ける可能性があるからである。

第１実施形態において、側面に配置する荷重受け部材４ａの形状は、図１乃至図３に示す形状に限られるものではなく、燃料電池スタック１の設置される場所におけるスペースが許す範囲で、幅、厚さ及び断面形状の変更が可能である。

＜第２実施形態＞
以下図４乃至図７を参照して、第２実施形態の燃料電池の保護構造について説明する。図４は、スタックパネルでケーシングした燃料電池スタックに荷重受け部材を結合した燃料電池の保護構造の斜視図である。図５は図４の燃料電池の保護構造のＢ−Ｂ断面図である。図６及び図７は、図４の燃料電池の保護構造において荷重受け部材の形状を変更した燃料電池の保護構造の斜視図である。

まず、図４及び図５に示す燃料電池の保護構造の構成について説明する。燃料電池スタック１ａは、エンドプレート３ｃ、３ｄで挟持した燃料電池セル層２の４つの側面にスタックパネル６ａ、６ａ及び６ｂ、６ｂを配置して、ケーシングしてある。さらに、スタックパネル６ｂの側面に荷重受け部材４ｂが結合されている。

前記したケーシングの概要は次のとおりである。エンドプレート３ｃ、３ｄのそれぞれには、前記したスタックパネル６ａ、６ｂがそれぞれヒンジ構造により結合されている。当該結合は、エンドプレート３ｃ、３ｄのそれぞれとスタックパネル６ａ、６ｂのそれぞれの各結合は、エンドプレート３ｃあるいは３ｄのタブ部３０ａとスタックパネル６ａあるいは６ｂのタブ部３０ｂが交互に組み合わされているヒンジ部に、連結ピン３１ａあるいは３１ｂを通すことにより形成されている。

また、スタックパネル６ａと６ｂは、当該６ａ及び６ｂが接するコーナ部において、Ｌアングル７により、結合されかつ固定されている。以上のようなスタックパネル６ａ及び６ｂによるケーシングにより、燃料電池スタック１ａにおいては、内部の燃料電池セル層２に均一な圧縮力を加えることが可能になっているとともに、内部燃料電池セル層２が容易にずれない構造になっている。しかし、スタックパネル６ａ及び６ｂ自体は、薄板パネル製であり、車両衝突等による衝撃に対して、内部の燃料電池セル層２を保護できるものではない。

図４及び図５の燃料電池スタック１ａに取り付けられた荷重受け部材４ｂについて説明する。荷重受け部材４ｂは、第１実施形態の荷重受け部材４ａ同様、梁形状の部材である。ただし、この場合、スタックパネル６ｂと燃料電池セル層２の間に隙間があるので、荷重受け部材４ｂの肉厚は一様なものになっている。

また、荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂが、エンドプレート３ｃ、３ｄと接する部分の構造は、図１及び図２の荷重受け部材４ａと同様である。そのため、荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂはエンドプレート３ｄとは取り付けボルト５により固定される、一方、前記した半固定構造で、エンドプレート３ｃと結合されている。すなわち、図４及び図５からわかるように、荷重受け部材４ｂのエンドプレート３ｃと接する部分には、荷重受け部材長孔８が形成されている。また、荷重受け部材４ｂの当該荷重受け部材長孔８の部分に接するスタックパネル６ｂの部分には、荷重受け部材長孔８と同形状の長孔が形成されている（図５参照）。前記荷重受け部材長孔８及びスタックパネル６ｂを貫通する取り付けボルト５の締め付けトルクが調整されることにより、エンドプレート３ｃが荷重受け部材４ｂに対して可動状態で結合されている。本実施形態では採用していないが、エンドプレート３ｃとともにエンドプレート３ｄも荷重受け部材４ｂに対して可動状態で結合させることが可能である。

次に第２実施形態の燃料電池の保護構造を車両に搭載した場合の作用及び効果について説明する。図４及び図５に示す第２実施形態の燃料電池の保護構造が、第１実施形態の図３のように設置され、車両の衝突等により燃料電池スタック１ａに側面から衝撃荷重が加えられた場合、当該衝撃荷重は、荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂが受ける。また、当該衝撃荷重を受けた荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂをエンドプレート３ｃ、３ｄが支持することになる。その結果、エンドプレート３ｃ、３ｄは、荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂが受ける衝撃荷重の全部あるいは少なくとも一部を受ける。

この場合、前記した第１実施形態の場合同様、エンドプレート３ｃ、３ｄの衝撃荷重の方向の変形は、他の荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂの曲げ変形に比べて無視できる。そのため、荷重受け部材４ｂ及びスタックパネル６ｂの弾性あるいは塑性曲げ変形が十分小さければ、内部の燃料電池セル層２は保護される。この場合、当該曲げ変形が十分小さいとは、図５におけるスタックパネル６ｂと燃料電池セル層２の隙間よりも小さいことである。

また、荷重受け部材４ｂは、前記したように、エンドプレート３ｃ、３ｄに対して、前記した半固定構造で結合されている。したがって、荷重受け部材４ｂが荷重を受けた場合、前記した第１実施形態と同様な効果がある。

第２実施形態においても、荷重受け部材の幅、厚さ及び形状を設置場所等の条件により変更することが可能である。たとえば、第２実施形態の荷重受け部材の形状を、図６の荷重受け部材４ｃあるいは図７の荷重受け部材４ｄのように変更することが可能である。図６の荷重受け部材４ｃの場合、Ｌアングルと荷重受け部材が一体化されており、これにより燃料電池スタック１ｂの比較的弱い燃料電池セル層のコーナ部を効果的に保護できる。図７の荷重受け部材４ｄの場合、断面がコ字形になっている。そのため、荷重受け部材の重量増を抑えながら、断面二次モーメントを大きくしている、すなわち荷重受け部材の曲げ剛性（弾性定数×断面二次モーメント）を大きくしている。したがって、図７の荷重受け部材４ｄは、比較的軽量の部材でありながら、効果的に燃料電池スタック１ｃの内部の燃料電池セル層を保護できるものである。

＜第３実施形態＞
以下、図８及び図９を参照して、第３実施形態の燃料電池の保護構造について説明する。図８は、荷重受け部材とエンドプレート間に緩衝部材を挿入し、かつ外方からの荷重に対して移動可能に車両のセンターコンソール２１内に支持され、かつスタックパネルでケーシングされた燃料電池スタックを含む燃料電池の保護構造の当該センターコンソール内の正面図である。図９は、図８の燃料電池の保護構造のＣ−Ｃ断面図である。エンドプレート等のヒンジ結合は便宜上省略して記載してある。

まず、第３実施形態の燃料電池の保護構造の構成について説明する。図８及び図９の第３実施形態の燃料電池の保護構造は、図４及び図５に示す第２実施形態の燃料電池スタック１ａと同一のスタックパネル６ａ、６ｂでケーシングされた燃料電池スタック１ｄを用いたものである。当該保護構造において、燃料電池スタック１ｄには荷重受け部材４ｅと緩衝部材１７ａ、１７ｂが、取り付けボルト５により取り付けられ、車両のセンターコンソール２１内に設置されている。ただし、この場合、側面からの荷重入力に対して、燃料電池スタック１ｄが移動可能な状態に取り付けられている。

図８及び図９の荷重受け部材４ｅは、図４及び図５の荷重受け部材４ｂと同一形状のものである。図８及び図９からわかるように、緩衝部材１７ａ、１７ｂは、中心部に当該緩衝部材１７ａ、１７ｂが接する荷重受け部材４ｂの端部と同一形状の孔（荷重受け部材長孔８あるいは通し孔９の形状）が形成されたものである。また、緩衝部材１７ａ、１７ｂは、ゴムあるいはスポンジ等の弾性材料製である。当該緩衝部材１７ａ、１７ｂは、衝撃吸収及び荷重受け部材４ｅの振動吸収の機能を有する。第２実施形態と同様に、図８及び図９において、エンドプレート３ｄは、荷重受け部材４ｅ、緩衝部材１７ｂ及びスタックパネル６ｂと取り付けボルト５により固定されている。一方、エンドプレート３ｃは、荷重受け部材長孔８、を通る取り付けボルト５の締め付けトルクが調整され、第２実施形態と同様に荷重受け部材４ｅに対して可動状態で結合されている。当該結合は、第１及び第２実施形態と同様な効果がある。第３実施形態では採用していないが、エンドプレート３ｃとともにエンドプレート３ｄも荷重受け部材４ｅに対して可動状態で結合させることが可能である。

図８及び図９で示す燃料電池スタック１ｂのエンドプレート３ｃ、３ｄ上には、スタック固定ボルト１６でスタック取り付けマウント１２が固定されている。当該スタック取り付けマウント１２を介して、燃料電池スタック１はスタック保持フレーム１５上にスタックマウント取り付けボルト１４により取り付けられている。ここで、スタック取り付けマウント１２のスタック保持フレーム１５に接する部分には、スタックマウント取り付けボルト１４が通る燃料電池スタック１ｄの図８及び図９の左右方向に拡がった長孔１３が設けられている。スタックマウント取り付けボルト１４は、燃料電池スタック１ｄが側方から所定以上の荷重を受けた場合、移動可能であるように、締め付けトルクが適宜調整されて、スタック保持フレーム１５にねじ止めされている。スタック保持フレーム１５は車両の車体フレームあるいは床パネル等に固定される。

次に、第３実施形態の燃料電池の保護構造の作用及び効果について説明する。まず、緩衝部材１７ａ、１７ｂの効果について説明する。図８及び図９に示す燃料電池スタック１ｄは、センターコンソール２１内に設置されているが、当該センターコンソール２１に左方から衝撃荷重Ｗが加わり、センターコンソール２１が変形した場合、荷重受け部材４ｅ並びに当該荷重受け部材４ｅに連結されている緩衝部材１７ａ、１７ｂ、エンドプレート３ｃ、３ｄ及びスタックパネル６ｂの構造に衝撃荷重がかかる。この場合も、エンドプレート３ｃ、３ｄは十分曲げ剛性が大きいので、その前記衝撃荷重Ｗの方向の変形は他部材の変形に比べて無視できる。したがって、荷重受け部材４ｅとスタックパネル６ｂの弾性あるいは塑性変形が内部の燃料電池セル層２の保護に関して問題となる。一方、図８及び図９に示す第３実施形態においては、緩衝部材１７ａ、１７ｂが存在する。当該緩衝部材１７ａ、１７ｂが荷重受け部材４ｅにかかる衝撃荷重のエネルギを一部吸収する。その結果、荷重受け部材４ｅにかかる最大衝撃荷重が緩和される。したがって、荷重受け部材４ｅの弾性あるいは塑性変形が抑制され、スタックパネル６ｂの変形も防止される。以上のように、緩衝部材１７ａ、１７ｂの効果により第２実施形態に比べて、より大きな衝撃荷重に対しても内部の燃料電池セル層２の保護が可能である。

次に、スタック取り付けマウント１２の長孔１３の効果について説明する。第３実施形態においては、前記したように、長孔１３を通るスタックマウント取り付けボルト１４の締め付けトルクが調整されていることにより、所定以上の荷重が燃料電池スタック１ｄの側面に加わった場合、スタック取り付けマウント１２が当該荷重入力方向に移動するとともに燃料電池スタック１ｄが移動する。その結果、荷重受け部材４ｅにかかる最大衝撃荷重が緩和される。したがって、荷重受け部材４ｅの変形が抑制され、スタックパネル６ｂの変形が防止される。以上のように、所定以上の荷重入力に対し、燃料電池スタック１ｄが移動可能としたことで、第２実施形態に比べて、より大きな衝撃荷重に対しても内部の燃料電池セル層２の保護が可能である。

第３実施形態の燃料電池の保護構造では、前記した、緩衝部材１７ａ、１７ｂと燃料電池スタック１ｄの可動支持構造を備えることにより、第２実施形態に比べて、より効果的に燃料電池セル層２を保護するものである。図８及び図９のように、衝撃荷重Ｗが加わった場合、前記した緩衝部材１７ａ、１７ｂの効果により、荷重受け部材４ｅは緩和された衝撃荷重を受ける。当該衝撃荷重が所定以上の場合、前記した長孔の効果により、それ以上の荷重が荷重受け部材４ｅにかからなくなり、荷重受け部材４ｅの変形が抑制され、内部の燃料電池セル層２が保護される。

緩衝部材１７ａ、１７ｂと燃料電池スタック１ｄの可動支持構造の一方のみを備える燃料電池の保護構造の場合でも、前記したように、第２実施形態に比べて効果的に内部の燃料電池セル層２を保護することができる。

また、第３実施形態では、スタックパネル６ａ、６ｂによりケーシングした燃料電池スタックについての例について説明したが、図１乃至図３に示す第１実施形態の燃料電池の保護構造にも、第３実施形態と同様な緩衝部材１７ａ、１７ｂ及び燃料電池スタック１の可動構造を付加することもできる。その場合、図１、図２及び図３に示す燃料電池の保護構造に比べて、より大きな外方からの側面荷重に対して、内部の燃料電池セル層２を保護できるようになる。

第１、第２及び第３実施形態の燃料電池の保護構造において、側面に配置する荷重受け部材（４ａ乃至４ｅ）は各側面に１本に限定されるものではない。たとえば、図１乃至図３において、第１、第２及び第３実施形態に２本の荷重受け部材４ａを結合させれば、内部の燃料電池セル層２の保護はより確実なものとなる。さらに、燃料電池スタック（１並びに１ａ乃至１ｄ）の配置場所あるいは固定方法によっては、燃料電池スタックの上側面あるいは下側面に荷重受け部材を結合させることも可能であるし、内部の燃料電池セル層を保護する上で効果的になる。また、燃料電池スタックの設置される場所において、特定の側面側に十分に剛性の高い外部保護構造が存在する場合がある。そのような場合には、燃料電池スタックの当該側面には必ずしも荷重受け部材を設ける必要はない。

＜第４実施形態＞
以下、図１０ないし図１２を参照して、第４実施形態の燃料電池の保護構造について説明する。図１０は第４実施形態の燃料電池の保護構造の斜視図、図１１は図１０の燃料電池の保護構造のＤ−Ｄ断面図、図１２は図１０の燃料電池の保護構造のＥ矢視図である。なお、図１２は、Ｌアングル７およびタブ３０ａ、３０ｂの図示を省略している。

まず、第４実施形態の燃料電池の保護構造の構成について説明する。図１０に示すように、燃料電池スタック１ｅは、エンドプレート３ｃ、３ｄ（３ｃ図示せず）で挟持した燃料電池セル層（複数の単位セル層）２の４つの側面にスタックパネル６ａ及び６ｂ（２面のみ図示）を配置して、ケーシングしてある。さらに、スタックパネル６ｂの側面に荷重受け部材４ｆが結合されている。

エンドプレート３ｃ、３ｄのそれぞれには、前記したスタックパネル６ａ、６ｂがそれぞれヒンジ構造により結合されている。当該結合は、エンドプレート３ｃ、３ｄのそれぞれとスタックパネル６ａ、６ｂのそれぞれの各結合は、エンドプレート３ｃあるいは３ｄのタブ部３０ａとスタックパネル６ａあるいは６ｂのタブ部３０ｂが交互に組み合わされているヒンジ部に、連結ピン３１ａあるいは３１ｂを通すことにより形成されている。また、スタックパネル６ａと６ｂは、当該スタックパネル６ａ及び６ｂが接するコーナ部において、Ｌアングル７により、結合されかつ固定されている。なお、スタックパネル６ａ及び６ｂ自体は、薄板パネル製であり、車両衝突等による衝撃に対して、内部の燃料電池セル層２を保護できるものではない。

図１１に示すように、スタックパネル６ｂは、その内壁６ｂ１が燃料電池セル層２の外面に対して面接触するように構成されている。つまり、スタックパネル６ｂが燃料電池セル層２の外面に密着するように形成されている。

荷重受け部材４ｆは、スタックパネル６ｂと対向する側に凹状の切欠部４ｆ１が形成され、スタックパネル６ｂと荷重受け部材４ｆとの間に隙間Ｓが形成されるように構成されている。また、この隙間Ｓは、燃料電池セル層２に対応する位置のみに、例えば積層方向に所定の間隔でスタックパネル６ｂに沿って形成されている。なお、隙間Ｓの間隔ｓ１は、車両の衝突等により燃料電池スタック１ｅに側面から衝撃荷重が加えられた場合に、荷重受け部材４ｆが弾性あるいは塑性曲げ変形したときに燃料電池セル層２を保護することができ、かつ、燃料電池セル層２が受ける慣性力によるセルずれを防止することができる間隔に設定される。この間隔ｓ１は、例えば、５〜１０ｍｍ程度に設定される。

なお、荷重受け部材４ｆ及びスタックパネル６ｂが、エンドプレート３ｃ、３ｄと接する部分の構造は、図１及び図２の荷重受け部材４ａと同様である。そのため、荷重受け部材４ｆの一端とスタックパネル６ｂとは、エンドプレート３ｄと取り付けボルト５により固定される一方、荷重受け部材４ｆの他端とスタックパネル６ｂとは、前記した半固定構造で、エンドプレート３ｃと結合されている。また、図１２に示すように、荷重受け部材４ｆは、燃料電池スタック１ｅの高さ方向の重心Ｇと一致する高さに設けられている。

次に第４実施形態の燃料電池の保護構造を車両に搭載した場合の作用及び効果について説明する。図１０乃至図１２に示す第４実施形態の燃料電池の保護構造が、第１実施形態の図３のように設置され、車両の衝突等により燃料電池スタック１ｅに側面から衝撃荷重が加えられた場合、当該衝撃荷重は、荷重受け部材４ｆ及びスタックパネル６ｂが受ける。また、当該衝撃荷重を受けた荷重受け部材４ｆ及びスタックパネル６ｂをエンドプレート３ｃ、３ｄが支持することになる。その結果、エンドプレート３ｃ、３ｄは、荷重受け部材４ｆ及びスタックパネル６ｂが受ける衝撃荷重の全部あるいは少なくとも一部を受ける。

この場合、エンドプレート３ｃ、３ｄの衝撃荷重の方向の変形は、他の荷重受け部材４ｆ及びスタックパネル６ｂの曲げ変形に比べて無視できる。そのため、荷重受け部材４ｆ及びスタックパネル６ｂの弾性あるいは塑性曲げ変形が十分小さければ、内部の燃料電池セル層２は保護される。ただし、荷重受け部材４ｆの曲げ変形が十分に小さいといっても、燃料電池セル層２とスタックパネル６ｂとのクリアランスを０（ゼロ）に設定し、かつ、荷重受け部材４ｆとスタックパネル６ｂとのクリアランスも０(ゼロ)にすると、燃料電池スタック１ｅに側面から衝撃荷重が加えられたときに、衝撃荷重がスタックパネル６ｂを介して燃料電池セル層２に直接に与えられることになる。そこで、第４実施形態では、荷重受け部材４ｆとスタックパネル６ｂとの間に所定間隔ｓ１の隙間Ｓを形成したので、荷重受け部材４ｆが受ける衝撃荷重がエンドプレート３ｃ、３ｄに分散されて、衝撃荷重が燃料電池セル層２に密着したスタックパネル６ｂに対して直接に与えられることがない。

また、車両の衝突等により燃料電池スタック１ｅに側面から衝撃荷重が加えられた場合、燃料電池セル層２が当該衝撃荷重を受けることによって、燃料電池セル層２に慣性力が働いて燃料電池セル層２の各セルが外側へ移動しようとする力が作用する。しかし、第４実施形態では、燃料電池セル層２とスタックパネル６ｂとのクリアランスがゼロに設定され、かつ、スタックパネル６ｂと荷重受け部材４ｆとのクリアランス（隙間Ｓ）がセルずれを生じさせないような間隔ｓ１で形成されているので、たとえ燃料電池セル層２が慣性力を受けて外側に移動するような力が働いたとしても、燃料電池セル層２の慣性力を、スタックパネル６ｂを介して荷重受け部材４ｆで受けることができ、燃料電池セル層２のセル同士のずれを防止できるようになる。このようにセル同士のずれを防止できることにより、燃料電池セル層２からの燃料（水素）漏れを確実に防止できる。

また、第４実施形態では、燃料電池スタック１ｅの重心Ｇの高さ位置に、荷重受け部材４ｆを配置したので、荷重受け部材４ｆが、最も大きな慣性力を受ける位置で荷重を受けることができ、燃料電池セル層２のセル同士のずれを効果的に防止することができる。

＜第５実施形態＞
以下、図１３及び図１４を参照して、第５実施形態の燃料電池の保護構造について説明する。図１３は第５実施形態の燃料電池の保護構造を荷重受け部材側から見たときの平面図、図１４は図１３の燃料電池の保護構造のＦ−Ｆ断面図である。

まず、第５実施形態の燃料電池の保護構造の構成について説明する。図１３に示す燃料電池スタック１ｆは、エンドプレート３ｃ、３ｄ（３ｃは図示せず）で挟持した燃料電池セル層（複数の単位セル層）２の４つの側面にスタックパネル６ａ及び６ｂを配置して、ケーシングしてある。さらに、スタックパネル６ｂの側面に荷重受け部材４ｇ，４ｇ，４ｇが高さ方向に互いに間隔を開けて配設されている。なお、スタックパネル６ａ、６ｂのヒンジ構造については第４実施形態と同様である。また、図示省略しているが、スタックパネル６ａ及び６ｂが接するコーナ部は、第４実施形態と同様に、Ｌアングル７により結合されかつ固定されているものとする。また、スタックパネル６ａ及び６ｂ自体は、薄板パネル製であり、車両衝突等による衝撃に対して、内部の燃料電池セル層２を保護できるものではない。

また、荷重受け部材４ｇは、スタックパネル６ｂと対向する側に凹状の切欠部４ｇ１が形成され、スタックパネル６ｂと荷重受け部材４ｇとの間に隙間Ｓが形成されるように構成されている。また、この隙間Ｓの間隔ｓ１は、第４実施形態と同様にして設定される（図１４参照）。

また、燃料電池セル層２の各セルは、図１４に示すように、セパレータＰを備え、このセパレータＰの周囲が、ゴムなどで形成された絶縁性を有する弾性部材１８によって被覆されている。この弾性部材１８は、隣接するセパレータＰとの短絡や、セパレータＰとスタックパネル６ａ，６ｂとの短絡を防止する機能を有している。また、弾性部材１８には、荷重受け部材４ｇと対向する位置に、剛性部材１９が埋め込まれている。この剛性部材１９は、剛性を有する樹脂など、容易に変形しない程度の硬度を有する材料で形成されている。また、弾性部材１８の周囲には、この弾性部材１８および剛性部材１９の外面に当接するようにスタックパネル６ａ，６ｂが設けられている。

次に第５実施形態の燃料電池の保護構造を車両に搭載した場合の作用及び効果について説明する。図１３及び図１４に示す第５実施形態の燃料電池の保護構造が、車両の衝突等により燃料電池スタック１ｆに側面から衝撃荷重が加えられた場合、当該衝撃荷重は、各荷重受け部材４ｇ及びスタックパネル６ｂが受ける。また、当該衝撃荷重を受けた荷重受け部材４ｇ及びスタックパネル６ｂをエンドプレート３ｃ、３ｄが支持することになる。その結果、エンドプレート３ｃ、３ｄは、荷重受け部材４ｇ及びスタックパネル６ｂが受ける衝撃荷重の全部あるいは少なくとも一部を受ける。

この場合、エンドプレート３ｃ、３ｄの衝撃荷重の方向の変形は、他の荷重受け部材４ｇ及びスタックパネル６ｂの曲げ変形に比べて無視できる。そのため、荷重受け部材４ｇ及びスタックパネル６ｂの弾性あるいは塑性曲げ変形が十分小さければ、内部の燃料電池セル層２は保護される。ただし、荷重受け部材４ｇの曲げ変形が十分に小さいといっても、燃料電池セル層２とスタックパネル６ｂとのクリアランスを０（ゼロ）に設定し、かつ、荷重受け部材４ｇとスタックパネル６ｂとのクリアランスも０(ゼロ)に設定すると、燃料電池スタック１ｆに側面から衝撃荷重が加えられたときに、衝撃荷重がスタックパネル６ｂを介して燃料電池セル層２に直接に与えられることになる。そこで、第５実施形態では、第４実施形態と同様に、荷重受け部材４ｇとスタックパネル６ｂとの間に所定間隔ｓ１の隙間Ｓを形成したので、荷重受け部材４ｇが受ける衝撃荷重がエンドプレート３ｃ、３ｄに分散されて、衝撃荷重がスタックパネル６ｂ及び燃料電池セル層２に対して直接に与えられることがない。また、剛性部材１９がセパレータＰの周囲の弾性部材１８内にセパレータＰと所定寸法の間隔ｓ２（図１４参照）を開けて埋め込まれているので、もし仮に荷重受け部材４ｇが曲げ変形して、その曲げ変形による衝撃荷重がスタックパネル６ｂに直接に働いたとしても、剛性部材１９がセパレータＰに衝突することなく、衝撃荷重が弾性部材１８によって吸収される。これによって、燃料電池セル層２のセル同士のずれをより効果的に防止できるようになる。

また、車両の衝突等により燃料電池スタック１ｆに側面から衝撃荷重が加えられた場合、燃料電池セル層２が当該衝撃荷重を受けることによって、燃料電池セル層２に慣性力が働いて燃料電池セル層２の各セルが外側へ移動しようとする力が作用する。しかし、第５実施形態では、燃料電池セル層２とスタックパネル６ｂとのクリアランスがゼロに設定され、かつ、スタックパネル６ｂと荷重受け部材４ｇとのクリアランス（隙間Ｓ）がセルずれを生じさせないような間隔ｓ１で形成されているので、たとえ燃料電池セル層２が慣性力を受けて外側に移動するような力が働いたとしても、剛性部材１９がスタックパネル６ｂを介して荷重受け部材４ｇに当たる。よって、燃料電池セル層２の慣性力を受けることができるので、燃料電池セル層２のセル同士のずれを防止できるようになる。したがって、セル同士のずれを防止できることにより、燃料電池セル層２からの燃料（水素）漏れを確実に防止できる。

また、第５実施形態では、荷重受け部材４ｇが高さ方向（上下方向）に複数（本実施形態では３本）設けられているので、燃料電池セル層２の変形を高さ方向（上下方向）において均一にすることができ、例えば、燃料電池セル層２の上下が中央よりも変形し易くなるのを防止できる。よって、燃料電池セル層２のセル同士のずれをより効果的に防止できる。

燃料電池スタック及び荷重受け部材からなる燃料電池の保護構造の斜視図である。 図１の燃料電池の保護構造のＡ−Ａ断面図である。 図１の燃料電池の保護構造を車両のセンターコンソール内に設置した場合の、当該センターコンソール内での当該燃料電池の保護構造の正面図である。 スタックパネルでケーシングした燃料電池スタックに荷重受け部材を結合した燃料電池の保護構造の斜視図である。 図４の燃料電池の保護構造のＢ−Ｂ断面図である。 図４の燃料電池の保護構造において荷重受け部材の形状を変更した燃料電池の保護構造の斜視図である。 図４の燃料電池の保護構造において荷重受け部材の形状を変更した燃料電池の保護構造の斜視図である。 荷重受け部材とエンドプレート間に緩衝部材を挿入し、かつ外方からの荷重に対して移動可能に車両センターコンソール２１内に支持され、かつスタックパネルでケーシングされた燃料電池スタックを含む、燃料電池の保護構造の当該センターコンソール内の正面図である。エンドプレート等のヒンジ結合は便宜上省略してある。 図８の燃料電池の保護構造のＣ−Ｃ断面図である。エンドプレート等のヒンジ結合は便宜上省略してある。 第４実施形態の燃料電池の保護構造の斜視図である。 図１０の燃料電池の保護構造のＤ−Ｄ断面図である。 図１０の燃料電池の保護構造のＥ矢視図である。 第５実施形態の燃料電池の保護構造を荷重受け部材側から見たときの平面図である。 図１３の燃料電池の保護構造のＦ−Ｆ断面図である。 固体高分子型の燃料電池スタックの燃料電池セル層の一例の構成を簡易的示す断面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル層
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ エンドプレート
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ 荷重受け部材
６ａ、６ｂ スタックパネル
７ Ｌアングル
８ 荷重受け部材長孔
１１、１２ スタック取り付けマウント
１３ 長孔
１５ スタック保持フレーム
１７ａ、１７ｂ 緩衝部材
１８ 弾性部材
１９ 剛性部材
２１ センターコンソール
３０ａ、３０ｂ タブ部
３１ａ、３１ｂ 連結ピン
Ｇ 重心
Ｓ 隙間

Claims (4)

1. 一対のエンドプレートおよび前記一対のエンドプレート間に挟持された複数の単位セルが積層された燃料電池セル層を有する燃料電池スタックと、
   前記一対のエンドプレート間に掛け渡される荷重受け部材とからなり、
   前記荷重受け部材は、梁形状の部材であり、前記燃料電池セル層との間に隙間ができるように、前記一対のエンドプレートと接する部分を除く部分の肉厚が薄く形成され、
   前記荷重受け部材の一端は、一端側の前記エンドプレートに固定され、
   前記荷重受け部材の他端は、他端側の前記エンドプレートに可動状態になるように固定され、
   前記荷重受け部材が燃料電池スタックの外方からの荷重を受け、かつ前記外方からの荷重の少なくとも一部を前記一対のエンドプレートが受けることにより、前記燃料電池セル層を保護することを特徴とする燃料電池の保護構造。
2. 前記荷重受け部材と前記エンドプレート側面部の間に緩衝部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載する燃料電池の保護構造。
3. 前記燃料電池スタックが、前記一対のエンドプレートの各々に取り付けられた取り付けマウントを介して車両に取り付けられ、かつ前記燃料電池スタックが外方から荷重入力を受けたときに前記取り付けマウントが荷重入力方向に移動可能なように、前記取り付けマウントが車両に取り付けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の保護構造。
4. 前記荷重受け部材の他端には、前記単位セルの積層方向に拡がる長孔が形成され、前記荷重受け部材の他端は、ボルトを前記長孔に通して他端側の前記エンドプレートに可動状態となるように螺着することにより固定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の保護構造。

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