JPWO2015115321A1 - 燃料電池スタック及びそのマウント構造 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタック（１０）を構成する第２エンドプレート（２４ｂ）には、冷却媒体供給マニホールド部材（７２ａ）及び冷却媒体排出マニホールド部材（７２ｂ）が設けられる。第２エンドプレート（２４ｂ）には、燃料電池スタック（１０）を車体フレーム（１８Ｒ）に固定するとともに、冷却媒体排出マニホールド部材（７２ｂ）を覆ってマウント部材（８０）が設けられている。

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタック、及び前記燃料電池スタックを所定の設置部位に固定するためのマウント構造に関する。

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側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。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、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード電極に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。一方、互いに隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池では、さらに積層方向に貫通して燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔と、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔とが設けられた、所謂、内部マニホールド型燃料電池が採用されている。燃料ガス連通孔（反応ガス連通孔）は、燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔を有する。酸化剤ガス連通孔（反応ガス連通孔）は、酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔を有し、冷却媒体連通孔は、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔を有している。そして、少なくとも一方のエンドプレートには、各連通孔に連なって流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）を供給又は排出する流体マニホールド部材が設けられている。

上記の車載用燃料電池スタックでは、車両に搭載する際に、燃料電池を保護して効率的に取り付けるために、種々のマウント構造が提案されている。例えば、特開２００６−４０７５３号公報に開示されている車両搭載型燃料電池や、特開２００４−１２７７８７号公報に開示されている移動体用燃料電池システムが知られている。

また、車載用燃料電池スタックでは、車両走行時の振動や衝突等の外部荷重に対して、燃料電池を良好に保護する必要があり、例えば、特開２００７−３１７４０６号公報に開示されている燃料電池の設置構造が知られている。この燃料電池の設置構造では、複数の発電用のセルを積層した燃料電池スタックが、緩衝装置によって設置場所に支持されている。緩衝装置は、燃料電池スタックのセルの積層方向と交差する方向の外力の方向を前記セルの積層方向へ変換する変換機能を有している。

この構成によれば、燃料電池スタックに対して外力がセルの積層方向と直交する方向に作用すると、この外力の方向が、前記外力に対して比較的耐久性を有するセルの積層方向に変換されている。このため、耐振動性及び耐衝撃性を向上させることができる、としている。

ところで、上記の内部マニホールド型燃料電池では、流体マニホールド部材は、通常、樹脂部材で構成されている。このため、例えば、燃料電池に外部荷重が付与された際に、流体マニホールド部材に応力が発生して該流体マニホールド部材が損傷を受け易いという問題がある。従って、流体マニホールド部材を保護するために、専用の保護構造が必要になる。

しかも、エンドプレートには、反応ガス連通孔や冷却媒体連通孔が形成されており、前記エンドプレート自体の強度が低下し易い。このため、エンドプレートは、変形を抑制するために相当に肉厚に形成されており、前記エンドプレート自体が重量物となっている。

これにより、専用のマウント構造及び専用の保護構造を用いなければならず、構造が複雑化するとともに、燃料電池スタック全体が大型化且つ重量化する。

一方、上記の緩衝装置は、設置面と燃料電池スタックの両端との間にそれぞれ設けられたリンク機構を有しており、設置構造全体が前記燃料電池スタックの積層方向に沿って相当に大型化する。しかも、構造が複雑化し、経済的ではない。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、流体マニホールド部材を良好に保護するとともに、設置部位に確実に固定することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

また、本発明は、簡単且つ経済的な構成で、外部荷重に対して燃料電池スタックを良好に保護することが可能な燃料電池スタックのマウント構造を提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池が、複数積層され、積層方向両端にエンドプレートが配設されている燃料電池スタックに関するものである。少なくとも一方のエンドプレートには、冷却媒体、燃料ガス又は酸化剤ガスである流体を燃料電池内に流通させる流体マニホールド部材が設けられている。

そして、燃料電池スタックは、一方のエンドプレートに流体マニホールド部材を覆って取り付けられるとともに、前記燃料電池スタックを設置部位に固定するためのマウント部材を備えている。

また、本発明は、燃料電池スタックを、それぞれ別部材である第１設置部材及び第２設置部材に一体に固定する燃料電池スタックのマウント構造に関するものである。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されている。

このマウント構造では、燃料電池スタックを支持して第１設置部材に固定する第１ブラケット部材と、前記燃料電池スタックを支持して第２設置部材に固定する第２ブラケット部材と、を備えている。そして、第２ブラケット部材の一部には、該第２ブラケット部材の他の部位よりも強度が低いくびれ部が設けられている。

本発明によれば、マウント部材は、一方のエンドプレートに取り付けられ、燃料電池スタックを設置部位に固定する機能と、流体マニホールド部材を覆って前記流体マニホールド部材を保護する機能とを、有している。従って、燃料電池スタックをマウントする専用マウント構造と、流体マニホールド部材を保護する専用保護構造とを用いる必要がない。しかも、マウント部材は、エンドプレートに取り付けられるため、前記エンドプレートの強度を補強する機能を有することができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、流体マニホールド部材を良好に保護するとともに、燃料電池スタックを設置部位に対して確実に固定することが可能になる。

また、本発明によれば、燃料電池スタックに規定以上の外部荷重が付与されると、第２ブラケット部材の一部に設けられたくびれ部が優先的に破断される。このため、燃料電池スタックは、それぞれ別部材である第１設置部材及び第２設置部材に一体に拘束されることがなく、前記第２設置部材から分離されて外部荷重を確実に緩和させることができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、外部荷重に対して燃料電池スタックを良好に保護することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記燃料電池スタックを収容するケーシングの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの冷却媒体マニホールド部材側の一部分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの冷却媒体マニホールド部材側の側面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るマウント構造が適用される燃料電池スタックを搭載する燃料電池電気自動車の前方側の概略側面説明図である。 前記燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記マウント構造を構成する第２ブラケット部材の斜視説明図である。 前記燃料電池電気自動車に外部荷重が付与されて前記第２ブラケット部材が破断した際の説明図である。 前記燃料電池スタックがさらに後方に移動した際の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係るマウント構造が適用される燃料電池スタックを搭載する燃料電池電気自動車の前方側の概略側面説明図である。 前記燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池電気自動車（燃料電池車両）１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１２ｆに搭載される。

燃料電池スタック１０は、燃料電池１４と、積層された複数の前記燃料電池１４を収容するケーシング１６とを備える（図１及び図２参照）。なお、ケーシング１６は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。燃料電池１４は、図２に示すように、電極面を立位姿勢にして燃料電池電気自動車１２の車長方向（車両前後方向）（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。

図１に示すように、フロントボックス１２ｆには、車体フレームを構成する第１フレーム部材（設置部位）１８Ｒ、１８Ｌが矢印Ａ方向に延在しており、前記第１フレーム部材１８Ｒ、１８Ｌには、燃料電池スタック１０が搭載される。なお、燃料電池スタック１０の収容場所は、フロントボックス１２ｆに限定されるものではなく、例えば、車両中央部床下や後部トランク近傍であってもよい。

図２に示すように、燃料電池１４の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが、外方に向かって、順次、配設される。燃料電池１４の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長形状（長方形状）の第１エンドプレート２４ａの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１電力出力端子２６ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート２４ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２電力出力端子２６ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとの各辺間には、それぞれ各辺の中央位置に対応して一定の長さを有する連結バー２８が配置される。連結バー２８の両端は、ねじ３０により第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとに固定され、複数の積層された燃料電池１４に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図３に示すように、燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体３２と、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持する第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６とを備える。

第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板である。第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ａ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在する。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在してもよい。

燃料電池１４の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス供給連通孔４０ａが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス供給連通孔４０ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。

燃料電池１４の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとが設けられる。

燃料電池１４の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側（水平方向一端側）には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス供給連通孔４０ａ側には、２つの冷却媒体供給連通孔４２ａが設けられる。２つの冷却媒体供給連通孔４２ａは、冷却媒体を供給するために、矢印Ｂ方向にそれぞれ連通しており、対向する辺に上下に設けられる。燃料電池１４の短辺方向の両端縁部他方側（水平方向他端側）には、すなわち、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ側には、２つの冷却媒体排出連通孔４２ｂが設けられる。２つの冷却媒体排出連通孔４２ｂは、冷却媒体を排出するために、矢印Ｂ方向にそれぞれ連通しており、対向する辺に上下に設けられる。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４４と、前記固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４６及びアノード電極４８とを備える。

カソード電極４６及びアノード電極４８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４４の両面に形成される。

第１金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。酸化剤ガス流路５０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

第２金属セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。燃料ガス流路５２は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

第２金属セパレータ３６の面３６ｂと隣接する第１金属セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４２ａ、４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂ、４２ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。冷却媒体流路５４は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体３２の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

第１金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第１金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、この第２金属セパレータ３６の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。

第１シール部材５６及び第２シール部材５８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シール部材が用いられる。

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給マニホールド部材６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド部材６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材６２ｂが取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド部材６０ａと酸化剤ガス排出マニホールド部材６０ｂとは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとに連通する。燃料ガス供給マニホールド部材６２ａと燃料ガス排出マニホールド部材６２ｂとは、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとに連通する。

図１及び図２に示すように、第１エンドプレート２４ａには、燃料電池スタック１０を第１フレーム部材１８Ｌに固定するためのマウント部材６４が設けられる。マウント部材６４は、断面Ｌ字状を有する屈曲板部材により構成され、鉛直面６４ａは、複数の孔部６８ａを有する。孔部６８ａに挿入されるねじ６６を介して、マウント部材６４は、第１エンドプレート２４ａの中央下部側にねじ止めされる。マウント部材６４の水平面６４ｂには、複数の孔部６８ｂが形成され、前記孔部６８ｂに挿入されるねじ７０は、第１フレーム部材１８Ｌの図示しないねじ穴に螺合する。

図４に示すように、第２エンドプレート２４ｂには、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに連通する樹脂製の冷却媒体供給マニホールド部材（流体マニホールド部材）（冷却媒体マニホールド部材）７２ａが取り付けされる。第２エンドプレート２４ｂには、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに連通する樹脂製の冷却媒体排出マニホールド部材（流体マニホールド部材）（冷却媒体マニホールド部材）７２ｂが取り付けられる。

冷却媒体供給マニホールド部材７２ａは、上下の冷却媒体供給連通孔４２ａ、４２ａに連通する上下のフランジ部７４ａ、７４ａを有し、前記フランジ部７４ａ、７４ａは、供給本体部７６ａに一体化される。供給本体部７６ａの中間位置には、入口配管７８ａが接続される。フランジ部７４ａ、７４ａは、それぞれ複数のねじ６６を介して第２エンドプレート２４ｂに固定される。

冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂは、上下の冷却媒体排出連通孔４２ｂ、４２ｂに連通する上下のフランジ部７４ｂ、７４ｂを有し、前記フランジ部７４ｂ、７４ｂは、排出本体部７６ｂに一体化される。排出本体部７６ｂの中間位置には、出口配管７８ｂが接続される。フランジ部７４ｂ、７４ｂは、それぞれ複数のねじ６６を介して第２エンドプレート２４ｂに固定される。

第２エンドプレート２４ｂには、燃料電池スタック１０を第１フレーム部材１８Ｒに固定するとともに、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを覆ってマウント部材８０が設けられる。マウント部材８０は、第２エンドプレート２４ｂに対向する底部が略矩形状を有する立方体形状に設定される。

マウント部材８０の底部には、複数、例えば、３個（又は４個）の取り付け部８２が設けられ、前記取り付け部８２は、第２エンドプレート２４ｂのプレート面に平行な平坦面を構成する。各取り付け部８２には、水平方向に沿って孔部８２ａが形成される一方、第２エンドプレート２４ｂには、前記孔部８２ａに対応してねじ穴８４が形成される。ねじ穴８４は、第２エンドプレート２４ｂの冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂ側の端部上下近傍と、前記冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂの内側上部とに設定される。取り付け部８２と第２エンドプレート２４ｂとの間には、プレート（又は中間部材）８３が介装されてもよい。なお、以下に説明する第２以降の実施形態でも同様に、全ての取り付け部に用いてもよい。

取り付け部８２間には、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂの形状に対応して、例えば、出口配管７８ｂに対応して、逃げ部８５が形成される。逃げ部８５は、マウント部材８０の内方に切り欠いて設けられ、出口配管７８ｂとの干渉を避けている。取り付け部８２間には、その他、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂの形状、例えば、排出本体部７６ｂに対応して種々の逃げ部８５が必要に応じて設けられる。

マウント部材８０の底部（取り付け部８２側の端部）とは反対側の端部には、矩形状の固定部８６が設けられる。固定部８６には、鉛直方向に沿って複数個の孔部８６ａが形成される。第１フレーム部材１８Ｒには、孔部８６ａに対応して複数個のねじ穴８８が形成される。

マウント部材８０は、孔部８２ａに挿入されるねじ９０が、第２エンドプレート２４ｂのねじ穴８４に螺合されて前記第２エンドプレート２４ｂに取り付けられる。マウント部材８０は、孔部８６ａに挿入されるねじ９２が、第１フレーム部材１８Ｒのねじ穴８８に螺合されて前記第１フレーム部材１８Ｒに固定される。

ケーシング１６は、図２に示すように、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺（面）が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂである。ケーシング１６の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺（面）は、横長プレート形状の前方サイドパネル９６及び後方サイドパネル９８である。ケーシング１６の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル１００及び下方サイドパネル１０２である。上方サイドパネル１００及び下方サイドパネル１０２は、横長プレート形状を有する。

前方サイドパネル９６、後方サイドパネル９８、上方サイドパネル１００及び下方サイドパネル１０２は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの側部に設けられた各ねじ穴１０４に、各孔部１０６を介してねじ１０８を螺入して固定される。

この燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの酸化剤ガス供給マニホールド部材６０ａから酸化剤ガス供給連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート２４ａの燃料ガス供給マニホールド部材６２ａから燃料ガス供給連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図４に示すように、第２エンドプレート２４ｂでは、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａから一対の冷却媒体供給連通孔４２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第２金属セパレータ３６の燃料ガス流路５２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路５２に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４８に供給される燃料ガスとが、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。

次いで、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ３４及び第２金属セパレータ３６間の冷却媒体流路５４に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体３２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

上記のように、燃料電池電気自動車１２では、燃料電池スタック１０からの電力が走行駆動モータ（図示せず）に供給されて走行している。その際、図１に示すように、燃料電池電気自動車１２に前方から矢印Ａｂ方向（車長方向後方）に衝撃である外部荷重Ｆが加わると、前記燃料電池電気自動車１２の前方部分が内部に変形し易い。このため、特に冷却媒体供給マニホールド部材７２ａよりも前方に配置されている冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂに、破損が発生し易く、燃料電池スタック１０の液絡が惹起するおそれがある。

この場合、第１の実施形態では、図１及び図４に示すように、第２エンドプレート２４ｂには、燃料電池スタック１０を第１フレーム部材１８Ｒに固定するとともに、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを覆ってマウント部材８０が設けられている。すなわち、マウント部材８０は、燃料電池スタック１０を第１フレーム部材１８Ｒに固定する機能と、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを保護する機能とを、有している。

従って、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０をマウントする専用マウント構造と、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを保護する専用保護構造とを用いる必要がない。しかも、マウント部材８０は、第２エンドプレート２４ｂに取り付けられるため、前記第２エンドプレート２４ｂの強度を補強する機能を有することができる。このため、第２エンドプレート２４ｂの薄肉化が容易に遂行される。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを良好に保護するとともに、燃料電池スタック１０を設置部位である第１フレーム部材１８Ｒに対して確実に固定することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、マウント部材８０は、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを覆って第２エンドプレート２４ｂに取り付けられているが、これに限定されるものではない。例えば、冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを覆うマウント部材８０の他、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａを覆うマウント部材（図示せず）を用いてもよい。また、第１エンドプレート２４ａ側にも、マウント部材６４に代えて、所望のマニホールド部材を覆ってマウント部材を設けることができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の一部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図５及び図６に示すように、燃料電池スタック１２０は、第２エンドプレート２４ｂに取り付けられるマウント部材１２２を備える。マウント部材１２２は、燃料電池スタック１２０を第１フレーム部材１８Ｒに固定するとともに、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａ及び冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを一体に覆って配置される。マウント部材１２２は、第２エンドプレート２４ｂに対向する底部が略三角形状（又は略矩形状）を有する立方体形状に設定される。

マウント部材１２２の底部には、複数、例えば、３個（又は４個）の取り付け部１２４が設けられ、前記取り付け部１２４は、第２エンドプレート２４ｂのプレート面に平行な平坦面を構成する。各取り付け部１２４には、水平方向に沿って孔部１２４ａが形成される一方、第２エンドプレート２４ｂには、前記孔部１２４ａに対応してねじ穴１２６が形成される。ねじ穴１２６は、第２エンドプレート２４ｂの上部両角部と、下部中央部とに設定され、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａ及び冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂの外方に設けられる。

取り付け部１２４間には、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａ及び冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂの形状に対応して、逃げ部１２８が形成される。逃げ部１２８は、マウント部材１２２の内方に切り欠いて設けられ、他の部品との干渉を避けている。

マウント部材１２２の底部とは反対側の端部には、矩形状の固定部１３０が設けられる。固定部１３０には、鉛直方向に沿って複数個の孔部１３０ａが形成される。第１フレーム部材１８Ｒには、孔部１３０ａに対応して複数個のねじ穴１３２が形成される。マウント部材１２２は、孔部１２４ａに挿入されるねじ１３４が、第２エンドプレート２４ｂのねじ穴１２６に螺合されて前記第２エンドプレート２４ｂに取り付けられる。マウント部材１２２は、孔部１３０ａに挿入されるねじ１３６が、第１フレーム部材１８Ｒのねじ穴１３２に螺合されて前記第１フレーム部材１８Ｒに固定される。

この第２の実施形態では、マウント部材１２２は、燃料電池スタック１２０を第１フレーム部材１８Ｒに固定する機能と、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａ及び冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを一体に保護する機能とを、有している。これにより、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体供給マニホールド部材７２ａ及び冷却媒体排出マニホールド部材７２ｂを良好に保護することができる。しかも、燃料電池スタック１２０を第１フレーム部材１８Ｒに対して確実に固定することが可能になる。

なお、第２の実施形態では、第２エンドプレート２４ｂ側についてのみ説明したが、第１エンドプレート２４ａ側も、前記第２エンドプレート２４ｂ側と同様に構成してもよい。

図７及び図８に示すように、本発明の第３の実施形態に係るマウント構造１４０が適用される燃料電池スタック１４２は、燃料電池電気自動車１４３のフロントボックス１４３ｆに搭載される。

マウント構造１４０は、燃料電池スタック１４２を支持して第１フレーム部材（第１設置部位）１８Ｌ、１８Ｒに固定される第１ブラケット部材１４４ａ、１４４ｂを備える。第１ブラケット部材１４４ａ、１４４ｂは、マウント部材６４と同様に構成される。

図７に示すように、マウント構造１４０は、燃料電池スタック１４２を支持した状態で、車体フレームを構成する第２フレーム部材（第２設置部材）１８ＳＦに、走行用モータ１４６を介して固定される第２ブラケット部材１４８を備える。走行用モータ１４６は、燃料電池スタック１４２の発電電力で駆動可能であり、第１モータブラケット１５０ａを介して第２フレーム部材１８ＳＦにねじ止めされる。走行用モータ１４６には、第２モータブラケット１５０ｂが設けられ、前記第２モータブラケット１５０ｂが第２ブラケット部材１４８に連結される。

図７〜図９に示すように、第２ブラケット部材１４８は、燃料電池スタック１４２の底部、具体的には、下方サイドパネル１０２の矢印Ｂ方向略中央部に連結される平坦部１４８ａを有する。図９に示すように、平坦部１４８ａには、複数、例えば、２個の孔部１５２ａが形成される。孔部１５２ａには、ねじ１５４が挿入され、前記ねじ１５４が下方サイドパネル１０２のねじ穴（図示せず）に螺合して、第２ブラケット部材１４８が前記下方サイドパネル１０２に固定される。なお、孔部１５２ａの個数は、２個に限定されるものではなく、必要な結合強度に応じて数を設定すればよい。

平坦部１４８ａから下方に向かって一対の支持部１４８ｂが延在するとともに、各支持部１４８ｂには、水平方向に窪ませることによりくびれ部１４８ｂｋが設けられる。くびれ部１４８ｂｋは、水平方向の厚さが薄肉化されており、水平方向後方（矢印Ａｂ方向）に作用する力に対してのみ強度が弱くなるように構成される。くびれ部１４８ｂｋの水平方向（せん断方向）に対する強度は、第２ブラケット部材１４８の他の部位よりも低く設定される。なお、くびれ部１４８ｂｋの位置は、第３の実施形態に限定されるものではなく、水平方向の厚さが薄肉化されれば、どの位置でもよい。

すなわち、くびれ部１４８ｂｋは、車両前後方向に対して断面係数が低くなる構造を有する。また、くびれ部１４８ｂｋは、車両左右方向に対して断面係数が低くなる構造を有することができる。側面からの衝撃に対しても、くびれ部１４８ｂｋで良好に破断させることが可能となるからである。

各支持部１４８ｂの下端部から脚部１４８ｃが設けられる。脚部１４８ｃは、水平方向から下方に傾斜して延在しており、終端縁部には、水平方向に向かって孔部１５２ｂが形成される。脚部１４８ｃ間には、第２モータブラケット１５０ｂが配置される。第２モータブラケット１５０ｂには、孔部１５６が形成され、各脚部１４８ｃの孔部１５２ｂと前記孔部１５６とにシャフト１５８が一体に挿入され、前記シャフト１５８の先端に切られたねじ部がナット１６０に螺合する。第２ブラケット部材１４８と第２モータブラケット１５０ｂとは、互いに固定される。

図７に示すように、第２フレーム部材１８ＳＦには、燃料電池冷却用ラジエータ１６２が配置される。燃料電池スタック１４２は、ラジエータ１６２の後方に近接して配置される。

この燃料電池スタック１４２の動作について、以下に説明する。

燃料電池電気自動車１４３は、燃料電池スタック１４２からの電力が走行用モータ１４６に供給されて走行する。その際、図７に示すように、燃料電池電気自動車１４３に前方から矢印Ａｂ方向（車長方向後方）に衝撃である外部荷重Ｆが付与されると、前記燃料電池電気自動車１４３の前方部分が内部に変形し易い。

このため、図１０に示すように、ラジエータ１６２は、後方（矢印Ａｂ方向）に移動して燃料電池スタック１４２に当接し、前記燃料電池スタック１４２には、後方への荷重が付与される。その際、燃料電池スタック１４２は、マウント構造１４０によりそれぞれ個別の第１フレーム部材１８Ｒ、１８Ｌと第２フレーム部材１８ＳＦとに固定されている。

この場合、第３の実施形態では、マウント構造１４０を構成する第２ブラケット部材１４８は、一部に他の部位よりも強度が低いくびれ部１４８ｂｋを有している（図９参照）。具体的には、平坦部１４８ａから下方に一対の支持部１４８ｂが延在するとともに、各支持部１４８ｂには、水平方向に窪ませることによりくびれ部１４８ｂｋが設けられている。くびれ部１４８ｂｋは、水平方向後方（矢印Ａｂ方向）に作用する力に対してのみ強度が弱くなるように構成され、前記くびれ部１４８ｂｋの水平方向（せん断方向）に対する強度は、第２ブラケット部材１４８の他の部位よりも低く設定されている。

従って、燃料電池スタック１４２に水平方向に向かって規定以上の外部荷重Ｆが付与されると、第２ブラケット部材１４８は、くびれ部１４８ｂｋが優先的に破断される。これにより、燃料電池スタック１４２は、それぞれ別部材である第１フレーム部材１８Ｌ、１８Ｒ及び第２フレーム部材１８ＳＦに一体に拘束されることがなく、前記第２フレーム部材１８ＳＦから分離されている（図１０参照）。

すなわち、燃料電池スタック１４２は、第１ブラケット部材１４４ａ、１４４ｂを介して第１フレーム部材１８Ｌ、１８Ｒのみに支持されている。従って、第２フレーム部材１８ＳＦの変形に影響されることがなく、外部荷重Ｆを確実に緩和させることができる。このため、第３の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、外部荷重Ｆに対して燃料電池スタック１４２を良好に保護することが可能になる。

しかも、第３の実施形態では、燃料電池スタック１４２から走行用モータ１４６が分離されている。従って、走行用モータ１４６は、図１１に示すように、第１フレーム部材１８Ｌ、１８Ｒの下方に移動することができる。これにより、走行用モータ１４６は、例えば、ブレーキペダル（図示せず）付近に進入することを良好に抑制することが可能になる。

図１２及び図１３に示すように、本発明の第４の実施形態に係るマウント構造１７０は、燃料電池スタック１４２に適用される。なお、第３の実施形態に係るマウント構造１４０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

マウント構造１７０は、走行用モータ１４６の後方側を第２フレーム部材１８ＳＦに固定するモータマウント部１７２を備える。モータマウント部１７２は、燃料電池固定部１７４とモータ固定部１７６とを上下に配置し、前記モータ固定部１７６の下部には、クロスフレーム１７８にねじ止めされる取り付け部１８０ａ、１８０ｂが設けられる。

図１３に示すように、取り付け部１８０ａは、左右一対に設けられる一方、取り付け部１８０ｂは、幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って一対の前記取り付け部１８０ａ間を通る仮想線Ｓ上に設けられる。一対の取り付け部１８０ａと取り付け部１８０ｂとは、平面視で三角形状Ｔの各角部に対応して配置される。クロスフレーム１７８は、一対の第２フレーム部材１８ＳＦに固定される。

図１２に示すように、燃料電池固定部１７４には、ゴム部材（図示せず）を介装して一対の脚部１４８ｃがねじ止めされ、第２ブラケット部材１４８は、モータマウント部１７２に固定される。モータ固定部１７６には、走行用モータ１４６に装着された第２モータブラケット１５０ｂが、締結ピン１５６ｃを介して固定される。

この第４の実施形態では、マウント構造１７０を構成する第２ブラケット部材１４８は、一部に他の部位よりも強度が低いくびれ部１４８ｂｋを有している。これにより、簡単且つ経済的な構成で、外部荷重Ｆに対して燃料電池スタック１４２を良好に保護することが可能になる等、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１４）が、複数積層され、積層方向両端にエンドプレート（２４ａ、２４ｂ）が配設されるとともに、少なくとも一方のエンドプレート（２４ｂ）には、冷却媒体、燃料ガス又は酸化剤ガスである流体を前記燃料電池（１４）内に流通させる流体マニホールド部材が設けられる燃料電池スタック（１０、１２０）であって、
   前記一方のエンドプレート（２４ｂ）に前記流体マニホールド部材を覆って取り付けられるとともに、前記燃料電池スタック（１０、１２０）を設置部位（１８Ｒ）に固定するためのマウント部材（８０、１２２）を備えることを特徴とす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、前記流体マニホールド部材は、前記流体として前記冷却媒体を流通させる冷却媒体マニホールド部材であることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体マニホールド部材は、前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド部材（７２ａ）及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド部材（７２ｂ）を有し、
   前記マウント部材（１２２）は、冷却媒体供給マニホールド部材（７２ａ）及び前記冷却媒体排出マニホールド部材（７２ｂ）を一体に覆って配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１４）を備え、複数の前記燃料電池（１４）が積層される燃料電池スタック（１４２）を、それぞれ別部材である第１設置部材及び第２設置部材に一体に固定する燃料電池スタックのマウント構造であって、
   前記燃料電池スタック（１４２）を支持して前記第１設置部材に固定する第１ブラケット部材（１４４ａ、１４４ｂ）と、
   前記燃料電池スタック（１４２）を支持して前記第２設置部材に固定する第２ブラケット部材（１４８）と、
   を備え、
   前記第２ブラケット部材（１４８）の一部には、該第２ブラケット部材（１４８）の他の部位よりも強度が低いくびれ部（１４８ｂｋ）が設けられることを特徴とする燃料電池スタックのマウント構造。
5. 請求項４記載のマウント構造において、前記第２ブラケット部材（１４８）は、前記燃料電池スタック（１４２）の底部に連結される平坦部（１４８ａ）と、
   前記平坦部（１４８ａ）から下方に延在する支持部（１４８ｂ）と、
   を有するとともに、
   前記支持部（１４８ｂ）には、水平方向の厚さが薄肉化された前記くびれ部（１４８ｂｋ）が設けられることを特徴とする燃料電池スタックのマウント構造。
6. 請求項４記載のマウント構造において、前記燃料電池スタック（１４２）は、燃料電池車両に搭載され、
   前記第１設置部材は、車両フレームを構成する第１フレーム部材（１８Ｌ、１８Ｒ）であり、
   前記第２設置部材は、前記車両フレームを構成し、前記第１フレーム部材（１８Ｌ、１８Ｒ）とは個別の第２フレーム部材（１８ＳＦ）であるとともに、
   前記第２フレーム部材（１８ＳＦ）には、前記燃料電池スタック（１４２）の発電電力で駆動可能な走行用モータ（１４６）が固定されることを特徴とする燃料電池スタックのマウント構造。
7. 請求項６記載のマウント構造において、前記第２ブラケット部材（１４８）は、前記走行用モータ（１４６）に連結されることを特徴とする燃料電池スタックのマウント構造。
8. 請求項６記載のマウント構造において、前記走行用モータ（１４６）は、モータマウント部（１７２）を介して前記第２フレーム部材（１８ＳＦ）に固定されるとともに、
   前記第２ブラケット部材（１４８）は、前記モータマウント部（１７２）に固定されることを特徴とする燃料電池スタックのマウント構造。

Images