JP7065752B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池車両に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルを積層することによりセル積層体が構成され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に搭載されている。

セル積層体の隙間等から水素ガスが漏れ出た場合でも、モータルーム内への水素ガスの拡散を防止するため、セル積層体をスタックケースで覆う構成が採用されている（例えば、特許文献１を参照）。スタックケースには換気機構が接続され、スタックケース内の水素ガスの濃度が一定濃度以下となるように換気される。

特開２００４－１８６０２９号公報

スタックケースは、セル積層体を衝撃から保護するとともに燃料電池スタックを車体に搭載するためのマウント締結部等を含む強度部材としての機能が要求される。このため、スタックケースは、十分な強度・剛性を有する部品として構成されている。一方、燃料電池スタックは、車体の衝撃吸収ストロークを確保するために、荷重入力時においても車体側ハード部品と干渉しないような形状・レイアウトが求められる。特に、スタックケース内に補機等のデバイス類が収容される場合には、このような要求を満たすことが容易ではない。

そこで、本発明は、スタックケース内にデバイス類が収容された燃料電池スタックへの荷重入力時に衝撃吸収ストロークを有効に確保することができる燃料電池スタック及び燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体を収容したスタックケースとを備えた燃料電池スタックであって、前記スタックケースは、第１カバー部と、前記第１カバー部よりも低剛性に構成された第２カバー部とを有し、前記スタックケース内に配置されたデバイス類の一部が、前記第２カバー部によって覆われており、前記第２カバー部は、外部荷重の入力に伴い前記スタックケースが車体フレームに対し移動する際に車体側ハード部品に干渉する位置に設けられている、燃料電池スタックである。

本発明の第２の態様は、車体フレームと、前記車体フレームに搭載された燃料電池スタックとを備え、前記燃料電池スタックは、電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体を収容したスタックケースとを備える、燃料電池車両であって、前記スタックケースは、第１カバー部と、前記第１カバー部よりも低剛性に構成された第２カバー部とを有し、前記スタックケース内に配置されたデバイス類の一部が、前記第２カバー部によって覆われており、前記第２カバー部は、外部荷重の入力に伴い前記スタックケースが前記車体フレームに対し移動する際に車体側ハード部品に干渉する位置に設けられている、燃料電池車両である。

本発明の燃料電池スタック及び燃料電池車両によれば、燃料電池スタックへの荷重の入力に伴って燃料電池スタックが車体に対して変位した際、車体側ハード部品が当たる部位は、第１カバー部よりも柔軟な第２カバー部で構成されている。このため、第２カバー部が車体側ハード部品に当たった際には第２カバー部が変形又は破損することで、衝撃吸収ストロークは阻害されない。従って、燃料電池車両の衝撃吸収ストロークを有効に確保することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両の斜視図である。 スタックケースの分解斜視図である。 補機ケースの、第２カバー部を含む断面図である。 燃料電池車両（荷重未力時）の前部の側面図である。 燃料電池車両（荷重入力時）の前部の側面図である。 燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略図である。

以下の説明において、上方（上部）とは、鉛直方向の上方（上部）を意味する。図１に示す燃料電池車両１０は、燃料電池システム１１を備える。燃料電池車両１０は、例えば、燃料電池電気自動車である。燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池車両１０はさらに、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）６２（図６参照）や、燃料電池システム１１で発電した電力を電源として動作する走行用モータ等の電装品を備える。

燃料電池スタック１２が、ダッシュボード１６の前方（矢印Ａｆ方向）に形成されたフロントルーム（モータルーム）１８内に配設されている。燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１２ｃが車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層されてなるセル積層体１２ｓｔと、セル積層体１２ｓｔを覆うスタックケース１３とを有する。

各発電セル１２ｃは、電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の両面にそれぞれアノード電極及びカソード電極が配置されて構成された電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を両側から挟持する一対のセパレータとを有する。アノード電極と一方のセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される。カソード電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成される。

セル積層体１２ｓｔには、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔と、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス入口連通孔と、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔と、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔とが、セル積層体１２ｓｔの積層方向に沿って形成されている。

複数の発電セル１２ｃは、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層されてもよい。複数の発電セル１２ｃは、車両前後方向（矢印Ａ方向）に積層されてもよい。セル積層体１２ｓｔの積層方向一端（矢印ＢＲ方向側）には、第１ターミナルプレート２２ａ及び第１絶縁プレート２４ａが外方に向かって順次配設される。セル積層体１２ｓｔの積層方向他端（矢印ＢＬ方向側）には、第２ターミナルプレート２２ｂ及び第２絶縁プレート２４ｂが外方に向かって順次配設される。

スタックケース１３は、平面視で略四角形状（長辺が車両幅方向に沿って延在する長方形状）である。スタックケース１３は、セル積層体１２ｓｔを収容するメインケース１４と、燃料電池用補機７０を収容する補機ケース１５とを備える。メインケース１４（具体的には、後述する右サイドパネル７８）には、不図示のマウント部が設けられており、当該マウント部が、車体フレーム１１Ｆの右側のフロントサイド部材１１Ｆａに固定されている。

図２に示すように、メインケース１４は、平面視で四角形状のケース本体７６を有する。ケース本体７６は、左側（矢印ＢＬ方向側）に形成された四角形状の左開口部７６ａと、右側（矢印ＢＲ方向側）に形成された四角形状の右開口部７６ｂと、後側（矢印Ａｒ方向側）に形成された四角形状の後方開口部７６ｃとを有し、箱型に構成されている。

ケース本体７６の上部（図示例では、ケース本体７６の鉛直方向の上面７６ｓ）の、補機ケース１５が接合される側とは反対側の２つの角部には、メインケース１４を外部に連通する孔部１４ｈが形成されている。孔部１４ｈは、ケース本体７６の上記２つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部１４ｈは、メインケース１４の鉛直方向の上面７６ｓ以外の側面の上部に設けられていてもよい。

メインケース１４は、さらに、ケース本体７６の右開口部７６ｂを閉じる右サイドパネル７８と、ケース本体７６の後方開口部７６ｃを閉じる後方サイドパネル８０とを備える。右サイドパネル７８は、四角形状のパネルであり、ケース本体７６の右端にボルト８２により接合される。

右サイドパネル７８は、セル積層体１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する一方のエンドプレートを兼ねている。ケース本体７６と右サイドパネル７８との間には、弾性材料からなるシール部材８１が、ケース本体７６と右サイドパネル７８との接合面の全周に亘って配置される。

後方サイドパネル８０は、四角形状のパネルであり、ケース本体７６の後端にボルト８２により接合される。ケース本体７６と後方サイドパネル８０との間には、弾性材料からなるシール部材８３が、ケース本体７６と後方サイドパネル８０との接合面の全周に亘って配置される。なお、後方サイドパネル８０は、ケース本体７６とは別部品ではなく、ケース本体７６と一体であってもよい。

図１に示すように、補機ケース１５は、燃料電池用補機７０を保護するための保護ケースであり、メインケース１４の水平方向に隣接してメインケース１４に接合されている。補機ケース１５内には、燃料電池用補機７０として、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂ及び燃料ガス系デバイス７０Ａが収容されている。

補機ケース１５内に収容されている酸化剤ガス系デバイス７０Ｂは、エアポンプ４８、加湿器５０、バルブ５１等である。補機ケース１５内に収容されている燃料ガス系デバイス７０Ａは、インジェクタ３２、エジェクタ３４、水素ポンプ４２、不図示のバルブ類等である。

補機ケース１５は、第１カバー部８８と、第１カバー部８８よりも低剛性に構成された第２カバー部９１とを有する。第１カバー部８８は、メインケース１４に隣接して設けられた凹形状の第１ケース部材８９と、第１ケース部材８９に接合された凹形状の第２ケース部材９０とを有し、第１ケース部材８９内に燃料電池用補機７０の少なくとも一部が収容されている。第１カバー部８８は、車両前方からの荷重Ｆ（図５参照）の入力に伴いスタックケース１３が車体フレーム１１Ｆに対し移動する際に車体側ハード部品１１Ｈに干渉しない部位に設定されている。

本実施形態では、第１ケース部材８９に、燃料ガス系デバイス７０Ａが収容されており、第２ケース部材９０に、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂが収容されている。第１ケース部材８９及び第２ケース部材９０は、燃料ガス系デバイス７０Ａを荷重Ｆから保護する機能、及びスタックケース１３を車体フレーム１１Ｆに固定する機能を実現するのに十分な強度・剛性をもたせるために金属材料（例えば、アルミ合金）により構成されている。

図２に示すように、メインケース１４と第２ケース部材９０との間に第１ケース部材８９が配置されている。第１ケース部材８９は、ケース本体７６の左端にボルト８２により接合される。ケース本体７６と第１ケース部材８９との間には、弾性材料からなるシール部材７９が、ケース本体７６と第１ケース部材８９との接合面の全周に亘って配置される。これにより、ケース本体７６と第１ケース部材８９との間に気密シールが形成されている。

第１ケース部材８９は、燃料電池スタック１２に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレート部８９ａを一体に有する。エンドプレート部８９ａは、凹形状の第１ケース部材８９の底壁部である。すなわち、第１ケース部材８９の一部が、セル積層体１２ｓｔに積層方向の締付荷重を付与する他方のエンドプレートを兼ねている。第１ケース部材８９は、例えば、鋳造により成形されている。

第１ケース部材８９は、メインケース１４に接合された上記エンドプレート部８９ａと、エンドプレート部８９ａの周縁部全周からエンドプレート部８９ａの厚さ方向（メインケース１４から離れる方向）（矢印ＢＬ方向）に延出した周壁部（第１周壁部）８９ｂとを有する。エンドプレート部８９ａと周壁部８９ｂとは、別々の部品を接合したものではなく、連続した一体の第１ケース部材８９を構成している。

第１ケース部材８９のエンドプレート部８９ａは、メインケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを区画する。周壁部８９ｂの突端（第２ケース部材９０側の端部）には外方に突出した第１フランジ部８９ｃが設けられている。

エンドプレート部８９ａの上部には、メインケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを互いに連通させる複数の換気用連通孔９４が設けられている。換気用連通孔９４は、エンドプレート部８９ａを厚さ方向（矢印Ｂ方向）に貫通する孔であり、ケース本体７６の左開口部７６ａに臨む。上記のシール部材７９は、換気用連通孔９４よりも外側に配置される。

第１ケース部材８９のエンドプレート部８９ａは、メインケース１４の内部空間と補機ケース１５の内部空間とを区画する。第１ケース部材８９のエンドプレート部８９ａには、燃料電池スタック１２に設けられた酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔にそれぞれ接続される不図示の接続配管を通すための配管用開口部９６ａ、９６ｂが形成されている。

第２ケース部材９０は、第１ケース部材８９を閉じるカバー部材であり、第１ケース部材８９にボルト８２により接合される。第２ケース部材９０は、燃料電池スタック１２から離れる方向（矢印ＢＬ方向）に凹んだ凹形状を有する。

周壁部９０ｂの突端（第１ケース部材８９側の端部）には外方に突出した第２フランジ部９０ｃが設けられている。第２ケース部材９０は、第１ケース部材８９にボルト８２により接合される。第１ケース部材８９の第１フランジ部８９ｃと第２ケース部材９０の第２フランジ部９０ｃとの間には、弾性材料からなるシール部材９３が、第１ケース部材８９と第２ケース部材９０との接合面の全周に亘って配置される。これにより、第１フランジ部８９ｃと第２フランジ部９０ｃとの間に気密シールが形成されている。

図１において、第２ケース部材９０には、不図示のマウント部が設けられており、当該マウント部が、車体フレーム１１Ｆの左側のフロントサイド部材１１Ｆｂに固定されている。補機ケース１５の上部（図示例では鉛直方向の上面７２ｓ）の、メインケース１４が接合される側とは反対側の２つの角部には、補機ケース１５を外部に連通する孔部１５ｈが形成されている。具体的に、孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の上部の２つの角部に形成されている。孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の上部の２つの角部のうちいずれか一方のみに設けられていてもよい。孔部１５ｈは、第２ケース部材９０の鉛直方向の上面７２ｓ以外の側面の上部に設けられていてもよい。

図３に示すように、第２カバー部９１は、第１カバー部８８（第２ケース部材９０）にボルト９７により接合されている。具体的に、第２カバー部９１は、凹状に凹んだ内面を有するカップ状部９１ａと、第２カバー部９１の開口部に沿って全周に亘って設けられたフランジ部９１ｂとを有する。第２カバー部９１のフランジ部９１ｂは、第１ケース部材８９に設けられた孔部８９ｄを囲む部位８９ｅと、挟持プレート９５との間に、全周に亘って挟持されている。挟持プレート９５は、第２カバー部９１のフランジ部９１ｂに沿った枠形状に構成されている。第２カバー部９１のフランジ部９１ｂと挟持プレート９５とが複数のボルト９７により第１カバー部８８に共締めされている。第２カバー部９１は、第１カバー部８８よりも低強度・低剛性（脆弱）に構成されている。

図４及び図５において、第２カバー部９１は、荷重Ｆ（本実施形態では、前方から後方に向かう荷重Ｆ）の入力に伴いメインケース１４が車体フレーム１１Ｆ（図１参照）に対し移動する際に車体側ハード部品１１Ｈに干渉（接触）する位置に設けられている。車両前後方向（矢印Ａ方向）から見て、第２カバー部９１は、車体側ハード部品１１Ｈの少なくとも一部に重なる位置に設けられている。すなわち、第２カバー部９１は、車両前後方向において、車体側ハード部品１１Ｈの少なくとも一部と対向している。

車体側ハード部品１１Ｈは、第２カバー部９１よりも高強度・高剛性に構成された部品であり、例えば、ブレーキ系部品である。第２カバー部９１は、第１カバー部８８よりも小さい。第２カバー部９１は、第１カバー部８８の下部に設けられている。第２カバー部９１は、第１カバー部８８から突出している。第２カバー部９１は、下方に突出している。第２カバー部９１の下端は、車体側ハード部品１１Ｈの上端よりも下方に位置する。なお、第２カバー部９１は、第１カバー部８８の下部以外の箇所（上部、後部、側部等）に設けられてもよい。

メインケース１４内に配置されたデバイス類の一部が、第２カバー部９１によって覆われている。第２カバー部９１は、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂの一部を覆っている。本実施形態では、第２カバー部９１は、酸化剤ガス系デバイス７０Ｂの一部であるバルブ５１を部分的に覆っている。第２カバー部９１によって覆われているデバイス類の一部（バルブ５１）は、前方から後方に向かう荷重Ｆの入力に伴って燃料電池スタック１２が車体フレーム１１Ｆに対して変位した際に車体側ハード部品１１Ｈに接触しない位置に配置されている。第２カバー部９１によって覆われているデバイス類の一部（バルブ５１）の下端は、車体側ハード部品１１Ｈの上端よりも上方に位置する。

なお、第２カバー部９１によって覆われるデバイスは、バルブ５１以外のデバイスであってもよい。第２カバー部９１によって覆われるデバイスは、燃料ガス系デバイス７０Ａの一部であってもよい。

本実施形態において、第２カバー部９１は、ラバー素材により構成されている。ラバー素材としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有する素材が挙げられる。第２カバー部９１は、比較的硬質な樹脂により構成されてもよい。従って、第２カバー部９１は、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、環状ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ－（４－メチルペンテン－１）、ポリカーボネート、アクリル樹脂等により構成されもよい。

図２において、外部からメインケース１４内に空気を導入してメインケース１４内を換気するために、メインケース１４には換気用空気導入孔９９が設けられている。換気用空気導入孔９９は、メインケース１４の下部（図示例では、右サイドパネル７８の下部及び後方サイドパネル８０の下部）に複数設けられている。また、補機ケース１５の下部（図示例では、第１ケース部材８９の下部及び第２ケース部材９０の下部）にも換気用空気導入孔９９が設けられている。

図１に示すように、燃料電池システム１１は、さらに、スタックケース１３（メインケース１４及び補機ケース１５）から燃料ガスを排出するための排気装置９８を備える。セル積層体１２ｓｔ又は燃料電池用補機７０（燃料ガス系デバイス７０Ａ及び酸化剤ガス系デバイス７０Ｂ）から燃料ガスが漏出した場合に、燃料ガスが排気装置９８を介して車外に排出されるようになっている。排気装置９８は、メインケース１４に接続された第１換気用ダクト１００ａと、補機ケース１５に接続された第２換気用ダクト１００ｂとを有する。

第１換気用ダクト１００ａの２つの接続管部１０２ａ、１０２ｂが、メインケース１４の２つの孔部１４ｈに接続されている。第１換気用ダクト１００ａの合流管部１０２ｃが、右側フェンダー部１０８Ｒに設けられた右側排気口１１０Ｒに接続されている。第２換気用ダクト１００ｂの２つの接続管部１０４ａ、１０４ｂが、補機ケース１５の２つの孔部１５ｈに接続されている。第２換気用ダクト１００ｂの合流管部１０４ｃが、左側フェンダー部１０８Ｌに設けられた左側排気口１１０Ｌに接続されている。第１換気用ダクト１００ａと第２換気用ダクト１００ｂとは、連結配管１１２を介して相互に接続されている。

図６に示すように、燃料電池システム１１は、さらに、燃料電池スタック１２に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置２５と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給装置２６と備える。図示は省略するが、燃料電池システム１１はさらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリと、燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを備える。

燃料ガス供給装置２５は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する燃料ガスタンク２８と、燃料ガスを燃料電池スタック１２へと導く燃料ガス供給ライン３０と、燃料ガス供給ライン３０に設けられたインジェクタ３２と、インジェクタ３２よりも下流側に設けられたエジェクタ３４とを有する。燃料ガス供給ライン３０は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口２０ａに接続されている。インジェクタ３２とエジェクタ３４とにより燃料ガス噴射装置が構成されている。

燃料電池スタック１２の燃料ガス出口２０ｂには、燃料ガス排出ライン３６が接続されている。燃料ガス排出ライン３６は、燃料電池スタック１２のアノードで少なくとも一部が使用された燃料ガスであるアノード排ガス（燃料オフガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。燃料ガス排出ライン３６には、循環ライン４０が連結されている。循環ライン４０は、アノード排ガスをエジェクタ３４に導く。循環ライン４０には、水素ポンプ４２（循環ポンプ）が設けられている。なお、水素ポンプ４２は設けられなくてもよい。

燃料ガス排出ライン３６には、気液分離器３８が設けられる。気液分離器３８の液体排出口３８ｂには、接続ライン３７が接続されている。接続ライン３７には、ＥＣＵ６２によって開閉制御される排水バルブ３９が設けられている。

酸化剤ガス供給装置２６は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口２０ｃに接続された酸化剤ガス供給ライン４４と、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口２０ｄに接続された酸化剤ガス排出ライン４６と、燃料電池スタック１２に向けて空気を送給するエアポンプ４８と、燃料電池スタック１２に供給する空気を加湿する加湿器５０とを有する。

エアポンプ４８は、空気を圧縮するコンプレッサ４８ａと、コンプレッサ４８ａを回転駆動するモータ４８ｂと、コンプレッサ４８ａに連結されたエキスパンダ４８ｃ（回生機構）とを有する。エアポンプ４８は、ＥＣＵ６２により制御される。コンプレッサ４８ａは、酸化剤ガス供給ライン４４に設けられている。酸化剤ガス供給ライン４４において、コンプレッサ４８ａよりも上流側にはエアクリーナ５２が設けられている。空気は、エアクリーナ５２を介してコンプレッサ４８ａに導入される。

エキスパンダ４８ｃは、酸化剤ガス排出ライン４６に設けられている。エキスパンダ４８ｃのインペラは、連結シャフト４８ｄを介して、コンプレッサ４８ａのインペラに連結されている。コンプレッサ４８ａのインペラと、連結シャフト４８ｄと、エキスパンダ４８ｃのインペラとは、回転軸を中心に一体に回転する。エキスパンダ４８ｃのインペラにはカソード排ガスが導入されて、カソード排ガスから流体エネルギを回生する。回生エネルギは、コンプレッサ４８ａを回転させるための駆動力の一部を賄う。

加湿器５０は、水分が透過可能な多数の中空糸膜を有し、中空糸膜によって、燃料電池スタック１２に向かう空気と、燃料電池スタック１２から排出された多湿のカソード排ガスとの間で水分交換させて、燃料電池スタック１２に向かう空気を加湿する。

酸化剤ガス供給ライン４４において、加湿器５０と燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口２０ｃとの間に、気液分離器５４が設けられている。気液分離器５４に接続ライン３７が接続されている。気液分離器５４の液体排出口５４ａにはドレイン管５５の一端が接続されている。ドレイン管５５の他端は排気管６０に接続されている。ドレイン管５５にはオリフィス５６が設けられている。なお、気液分離器５４は設けられなくてもよい。気液分離器５４が設けられない場合、接続ライン３７は酸化剤ガス供給ライン４４に直接接続されてもよい。

排気管６０はエキスパンダ４８ｃの出口４８ｅに接続されている。排気管６０は、エキスパンダ４８ｃの出口４８ｅから延出し、車体底部に沿って、車体後部まで延在している。

次に、上記のように構成された燃料電池システム１１の作用を説明する。

燃料電池システム１１は、通常運転時において、以下のように動作する。図６において、燃料ガス供給装置２５では、燃料ガスタンク２８から燃料ガス供給ライン３０に燃料ガスが供給される。このとき、燃料ガスは、インジェクタ３２によりエジェクタ３４に向けて噴射され、エジェクタ３４を介して、燃料ガス入口２０ａから燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路へと導入され、アノードに供給される。

一方、酸化剤ガス供給装置２６では、エアポンプ４８（コンプレッサ４８ａ）の回転作用下に、酸化剤ガス供給ライン４４に酸化剤ガスである空気が送られる。空気は、加湿器５０にて加湿された後、酸化剤ガス入口２０ｃから燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路に導入され、カソードに供給される。各発電セル１２ｃでは、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

アノードで消費されなかった燃料ガスは、アノード排ガスとして燃料ガス出口２０ｂから燃料ガス排出ライン３６に排出される。気液分離器３８にはアノード排ガスとともにアノードから排出された液水が導入される。アノード排ガスは気液分離器３８にて液水から分離され、気液分離器３８の気体排出口３８ａを介して循環ライン４０へ流入する。気液分離器３８内の液量は、ＥＣＵ６２の指示に基づく排水バルブ３９の開閉により調整される。なお、燃料電池スタック１２の運転停止時に排水バルブ３９は開弁され、気液分離器３８内の液水は、重力により、接続ライン３７を介して、酸化剤ガス供給ライン４４に設けられた気液分離器５４へ排出される。液水は、気液分離器５４からドレイン管５５及び排気管６０を介して車外へと排出される。

アノード排ガスは、燃料ガス排出ライン３６から循環ライン４０を介してエジェクタ３４に導入される。エジェクタ３４に導入されたアノード排ガスは、インジェクタ３２により噴射された燃料ガスと混合されて、燃料電池スタック１２へと供給される。

燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口２０ｄからは、カソードで消費されなかった酸素を含む多湿のカソード排ガスと、カソードでの反応生成物である水とが、酸化剤ガス排出ライン４６へと排出される。カソード排ガスは、加湿器５０にて、燃料電池スタック１２へと向かう空気と水分交換を行った後、エアポンプ４８のエキスパンダ４８ｃに導入される。エキスパンダ４８ｃでは、カソード排ガスからエネルギ回収（回生）を行い、回生エネルギがコンプレッサ４８ａの駆動力の一部となる。カソード排ガス及び水は、エキスパンダ４８ｃから排気管６０へと排出され、排気管６０を介して車外へと放出される。

燃料電池システム１１の運転開始時に、ＥＣＵ６２が燃料電池スタック１２の暖機が必要と判断した場合には、通常運転に先行して暖機運転を行う。暖機運転では、ＥＣＵ６２の指示により、気液分離器３８に接続された接続ライン３７に設けられた排水バルブ３９が開けられる。そして、通常運転と同様に、燃料ガス供給装置２５により燃料電池スタック１２のアノードに燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給装置２６により燃料電池スタック１２のカソードに酸化剤ガスが供給されて、発電が行われる。

排水バルブ３９は開弁しているため、接続ライン３７を介して燃料ガスが酸化剤ガス供給ライン４４に導入される。従って、燃料電池スタック１２のカソードには、酸化剤ガスとともに燃料ガスも供給される。その結果、酸化剤ガスと燃料ガスとにより、カソード触媒で発熱反応（触媒燃焼）が生じる。この発熱反応に伴う熱と上記の発電反応に伴う熱とによって、燃料電池スタック１２が迅速に加熱される。そして、暖機完了温度に到達したと判断された場合には、排水バルブ３９が閉じられて、上述した通常運転に移行する。

本実施形態に係る燃料電池スタック１２及び燃料電池車両１０は、以下の効果を奏する。

図１に示すように、燃料電池スタック１２のスタックケース１３は、第１カバー部８８と、第１カバー部８８よりも低剛性に構成された第２カバー部９１とを有する。スタックケース１３内に配置されたデバイス類（燃料電池用補機７０）の一部が、第２カバー部９１によって覆われている。そして、図５に示すように、第２カバー部９１は、荷重Ｆの入力に伴いスタックケース１３が車体フレーム１１Ｆに対し移動する際に車体側ハード部品１１Ｈに干渉する位置に設けられている。

このように、燃料電池スタック１２への荷重Ｆの入力に伴って燃料電池スタック１２が車体に対して変位した際、車体側ハード部品１１Ｈが当たる部位は、第１カバー部８８よりも柔軟な（低強度・低剛性の）第２カバー部９１で構成されている。このため、図５に示すように、第２カバー部９１が周辺構造である車体側ハード部品１１Ｈに当たった際には第２カバー部９１が変形又は破損することで、衝撃吸収ストロークは阻害されない。従って、燃料電池車両１０の衝撃吸収ストロークを有効に確保することができる。

すなわち、荷重Ｆの入力時、第２カバー部９１が車体側ハード部品１１Ｈに衝突して、第２カバー部９１が破損することで、燃料電池スタック１２が目標ストロークまで到達することができる。これにより、エネルギが効果的に吸収され、衝撃を効率的に緩和することができる。

第２カバー部９１は、ラバー素材により構成されている。この構成により、第１カバー部８８と第２カバー部９１との接続部のガスシール性を容易に確保することができる。従って、通常時（第２カバー部９１の破損前）において、セル積層体１２ｓｔ又は燃料電池用補機７０から燃料ガスが漏れ出た場合でも、モータルーム１８内に燃料ガスが拡散することを効果的に防止することができる。

第２カバー部９１は、第１カバー部８８よりも小さい。この構成により、第２カバー部９１の範囲が比較的小さく設定されるため、第１カバー部８８に必要とされる強度を十分に確保することができる。

第２カバー部９１は、第１カバー部８８から突出している。このように第２カバー部９１は、車体側ハード部品１１Ｈと干渉しやすい位置に設けられているが、第２カバー部９１の剛性を比較的低く設定しているため、衝撃吸収ストロークを有効に確保することができる。

第２カバー部９１によって覆われているデバイス類の一部は、前方から後方に向かう荷重Ｆの入力に伴って燃料電池スタック１２が車体フレーム１１Ｆに対して変位した際に車体側ハード部品１１Ｈに接触しない位置に配置されている。この構成により、衝撃吸収ストロークを一層有効に確保することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

１０…燃料電池車両 １１…燃料電池システム
１１Ｆ…車体フレーム １１Ｈ…車体側ハード部品
１２…燃料電池スタック １２ｃ…発電セル
１２ｓｔ…セル積層体 １３…スタックケース
１４…メインケース １５…補機ケース
８８…第１カバー部 ９１…第２カバー部

Claims (9)

1. 発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体を収容したスタックケースとを備えた燃料電池スタックであって、
   前記スタックケースは、第１カバー部と、前記第１カバー部よりも低剛性に構成された第２カバー部とを有し、
   前記スタックケース内に配置されたデバイス類の一部が、前記第２カバー部によって覆われており、
   前記第２カバー部は、燃料電池車両の前方から後方に向かう外部荷重の入力に伴い前記スタックケースが車体フレームに対し移動する際に車体側ハード部品に干渉する位置に設けられている、燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２カバー部は、ラバー素材により構成されている、燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記スタックケースは、前記セル積層体を収容するメインケースと、燃料電池用補機を収容する補機ケースとを備え、
   補機ケースは、前記第１カバー部と前記第２カバー部とを有する、燃料電池スタック。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２カバー部は、前記第１カバー部よりも小さい、燃料電池スタック。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２カバー部は、前記第１カバー部から突出している、燃料電池スタック。
6. 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２カバー部は、下方に突出している、燃料電池スタック。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２カバー部は、酸化剤ガス系デバイスの一部を覆っている、燃料電池スタック。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記第２カバー部によって覆われている前記デバイス類の一部は、前方から後方に向かう荷重の入力に伴って前記燃料電池スタックが前記車体フレームに対して変位した際に前記車体側ハード部品に接触しない位置に配置されている、燃料電池スタック。
9. 車体フレームと、前記車体フレームに搭載された燃料電池スタックとを備え、前記燃料電池スタックは、電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体を収容したスタックケースとを備える、燃料電池車両であって、
   前記スタックケースは、第１カバー部と、前記第１カバー部よりも低剛性に構成された第２カバー部とを有し、
   前記スタックケース内に配置されたデバイス類の一部が、前記第２カバー部によって覆われており、
   前記第２カバー部は、前記燃料電池車両の前方から後方に向かう外部荷重の入力に伴い前記スタックケースが前記車体フレームに対し移動する際に車体側ハード部品に干渉する位置に設けられている、燃料電池車両。

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