JP4868092B1 - 燃料電池スタックの搭載構造および燃料電池スタックの搭載方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタック１００は、車両の前後方向Ｄｔに対して複数のセル１３０の積層方向Ｄｓが傾いた姿勢であって、第１のエンドプレート１１０よりも車両の前方であってかつ上方に第２のエンドプレート１２０が位置する姿勢で、配される。放熱器６０２は、第２のエンドプレート１２０よりもさらに車両の前方の位置に、第２のエンドプレート１２０に沿って配される。第１のコンプレッサ８１０は、燃料電池スタック１００の下方において、第１と第２のエンドプレート１１０，１２０の両方に対して合計で３点以上の点で固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタック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、燃料電池の複数のセルの積層方向が車両の上下方向と一致するように、エンジン・コンパートメント内に燃料電池を配している。そして、燃料電池内部で冷却水が吸収した熱を外部に放出するラジエータは、エンジン・コンパートメント内において、燃料電池の前方に、やはり車両の上下方向に沿って配置されている。そして、燃料電池に供給する酸化ガスを圧縮する酸化ガス圧縮装置が、燃料電池の後ろ側において、燃料電池とは別に車体に取りつけられている。

しかし、上記の従来技術においては、車両の地上最低高と車両全体の大きさの制限から、その高さが限られているエンジン・コンパートメント内において、燃料電池のセルの数を増やすことができない。このため、車両に高出力の燃料電池を搭載することが難しい。また、同様に高さが限られているエンジン・コンパートメント内において、ラジエータの面積を大きくすることが難しい。このため、車両に冷却能力の高いラジエータを搭載することが難しい。さらに、上記の従来技術においては、たとえば車両が障害物に衝突した場合など、エンジン・コンパートメント内の構造が外部から力を受けた場合に、燃料電池の積層構造が、積層方向を軸としてねじれる可能性がある点については、考慮されていなかった。

このような問題は、全体としての大きさを小さくすることが好ましく、かつ高出力かつ高剛性の燃料電池および冷却能力が高い冷却装置を搭載することが望まれ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、限られた空間に、積層数が多くかつねじり剛性の高い燃料電池、および放熱面積の大きいラジエータを搭載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］
車両に燃料電池スタックを搭載するための構造であって、
積層された複数のセルと、前記複数のセルの積層方向の両端に配される第１および第２のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する第１のコンプレッサと、
前記燃料電池スタック内を循環する冷却媒体を冷却するための平板状の放熱器と、を備え、
前記燃料電池スタックは、前記車両の前後方向に対して前記複数のセルの前記積層方向が傾いた姿勢であって、前記第１のエンドプレートよりも前記車両の前方であってかつ上方に前記第２のエンドプレートが位置する姿勢で、配され、
前記放熱器は、前記第２のエンドプレートよりもさらに前記車両の前方の位置に、前記第２のエンドプレートに沿って配され、
前記第１のコンプレッサは、前記燃料電池スタックの下方において、前記第１と第２のエンドプレートの両方に対して合計で３点以上の点で固定される、構造。

このような態様とすれば、燃料電池スタックのセルの積層方向が斜めであるため、燃料電池スタックのセルの積層数がエンジン・コンパートメントの高さに直接、制限されることがない。また、第１のコンプレッサが、第１と第２のエンドプレートの両方に対して合計で３点以上の点で固定されるため、燃料電池スタックのねじり剛性が高められる。そして、放熱器が第２のエンドプレートに沿って斜めに配されるため、放熱器の面積が、エンジン・コンパートメントの高さに直接、制限されることがない。よって、上記のような態様とすれば、限られた空間に、積層数が多くかつねじり剛性の高い燃料電池、および放熱面積の大きいラジエータを搭載することができる。

なお、車両の前後方向に対するセルの積層方向の傾きは、９０度未満であることが好ましく、７５度以下であることがより好ましく、６０度以下であることがさらに好ましい。

また、第１のコンプレッサは、第１のエンドプレートに対して１点で固定され、第２のエンドプレートに対して２点以上の点で固定されることができる。そして、第１のコンプレッサは、第１のエンドプレートに対して２点以上の点で固定され、第２のエンドプレートに対して１点で固定されることもできる。

さらに、第１のコンプレッサは、第１のエンドプレートに対して２点以上の点で固定され、第２のエンドプレートに対して２点以上の点で固定されることができる。このような態様とすれば、燃料電池スタックのねじれ剛性をより高めることができる。

［適用例２］
適用例１の構造であって、さらに、
前記車両の室内の温度を調節するための第２のコンプレッサであって、上下方向の寸法が前記第１のコンプレッサより小さい第２のコンプレッサを備え、
前記第２のコンプレッサは、前記燃料電池スタックの下方であって、前記第１のコンプレッサよりも後方に配される、構造。

このような態様においては、傾けて配される燃料電池スタックの下方の空間において、より大きい第１のコンプレッサが前に配され、第１のコンプレッサより小さい第２のコンプレッサを後ろに配される。このため、傾けて配される燃料電池スタックの下方の空間を有効に活用して、構造全体を大きくすることなく、二つのコンプレッサを配することができる。

なお、第２のコンプレッサは、燃料電池スタックに固定されてもよいし、第１のコンプレッサに固定されてもよい。また、他の構成に固定されてもよい。すなわち、第２のコンプレッサは、固定される相手方によらず、上述の位置に固定されていればよい。

［適用例３］
適用例１または２の構造であって、さらに、
前記第１および第２のエンドプレートの少なくとも一方を覆う防水ケースを備え、
前記防水ケースは、
前記防水ケースが覆う前記エンドプレートと、前記第１のコンプレッサとを相互に固定する固定部材を通すための穴と、
前記穴の周りを囲み、前記防水ケースが覆う前記エンドプレートの側または前記第１のコンプレッサの側に突出する突出部であって、弾性を有し、前記防水ケースが覆う前記エンドプレートと、前記第１のコンプレッサとが前記固定部材によって固定された状態において、先端部が前記エンドプレートまたは前記第１のコンプレッサと接する突出部と、を備える、構造。

このような態様とすれば、外部から侵入する水がエンドプレートに達する事態を、防水ケースによって防止することができる。そして、上記の態様においては、エンドプレートと第１のコンプレッサとを固定する固定部材が貫通する穴の周りを突出部が囲み、その突出部の先端がエンドプレートまたは第１のコンプレッサと接している。このため、その穴を通じて水がエンドプレートに進入する可能性も低い。

［適用例４］
車両に燃料電池スタックを搭載する方法であって、
（ａ）積層された複数のセルと、前記複数のセルの積層方向の両端に配される第１および第２のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する第１のコンプレッサと、
前記燃料電池スタック内を循環する冷却媒体を冷却するための平板状の放熱器と、を準備する工程と、
（ｂ）前記燃料電池スタックと前記第１のコンプレッサと前記放熱器とを前記車両に取りつける工程であって、
前記燃料電池スタックが、前記車両の前後方向に対して前記複数のセルの前記積層方向が傾いた姿勢であって、前記第１のエンドプレートよりも前記車両の前方であって、かつ上方に前記第２のエンドプレートが位置するように、配され、
前記放熱器が、前記第２のエンドプレートよりもさらに前記車両の前方の位置に、前記第２のエンドプレートに沿って配され、
前記第１のコンプレッサが、前記燃料電池スタックの下方において、前記第１と第２のエンドプレートの両方に対して合計で３点以上の点で固定されるように、前記燃料電池スタックと前記第１のコンプレッサと前記放熱器とを前記車両に取りつける工程と、を備え、
前記工程（ａ）は、
直線状の１辺を少なくとも一部に有する前記複数のセル、ならびにそれぞれ直線状の１辺を少なくとも一部に有する前記第１および第２のエンドプレートを準備する工程と、
前記直線状の各辺がそれぞれ下になる姿勢で、前記第１および第２のエンドプレートを同一の平面の上に配しつつ、前記複数のセルと前記第１および第２のエンドプレートとを前記積層の順序で並べる工程と、
前記複数のセルならびに前記第１および第２のエンドプレートを結合して前記燃料電池スタックを構成する工程と、を備え、
前記工程（ｂ）は、
前記１辺とは異なる部位で前記燃料電池スタックを支持し、前記各１辺に接するように、前記第１のコンプレッサを前記第１および第２のエンドプレートに対して固定する工程を含む、方法。

このような態様とすれば、第１のコンプレッサは、第１のエンドプレートの直線状の１辺と、第２のエンドプレートの直線状の１辺と、において接して、第１および第２のエンドプレートに固定される。このため、第１のコンプレッサを第１および第２のエンドプレートに固定する際に、３次元的な位置ズレが生じにくい。

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。 車両の前方から後方に向かう向きに燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、エアコンプレッサ８１０とを見た図。 燃料電池スタック１００およびモータユニット２００が車両Ｖ０の車台Ｖｃに取付けられる箇所を模式的に示す平面図。 エンドプレート１１０，１２０、および複数の発電セル１３０の積層方法、ならびに燃料電池スタック１００へのエアコンプレッサ８１０の取付け方法を示す図。

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（図１に置いて示さず）と、ドライブシャフト３００と、制御回路ユニット４００と、ラジエータ６００と、水素ポンプ６１０と、冷却液ポンプ６２０と、エアコンプレッサ８１０，８２０と、インバータユニット８３０と、を備える。なお、図１において、車両の進行方向、すなわち前後方向を、矢印Ｄｔで示し、鉛直上方を矢印Ｕで示す。

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の左側の面と、エンドプレート１２０の右側の面）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。図１においては、技術の理解を容易にするため、それらの構成は図示を省略している。

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。

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とがそれぞれ長方形に設けられている結果として、燃料電池スタック１００は、全体として略直方体の系状を有する。燃料電池スタック１００は、略直方体の樹脂製の防水ケース１４０に覆われている。ただし、図１においては、技術の理解を容易にするため、防水ケース１４０の図示を省略している。

第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の長方形断面の１辺に相当する面（図１において右下側の面）には、エアコンプレッサ８１０が取りつけられている。エアコンプレッサ８１０は、エアクリーナ８１６およびダクト８１０ｉｄを介して大気を取り込んで、圧縮空気を酸化ガスとして燃料電池スタック１００に供給するためのコンプレッサである。なお、図１においては、技術の理解を容易にするため、エアクリーナ８１６およびダクト８１０ｉｄは、破線で示している。

エアコンプレッサ８１０は、第２のエンドプレート１２０の下端面の２点に、エアコンプレッサ８１０の脚部８１２Ｌ，８１４Ｌ２を介して固定されている。そして、エアコンプレッサ８１０は、第１のエンドプレート１１０の下端面の１点に、エアコンプレッサ８１０の脚部８１４Ｌ１を介して固定されている。

図２は、車両の前方から後方に向かう向きに燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、エアコンプレッサ８１０とを見た図である。なお、燃料電池スタック１００は、その外部を防水ケース１４０に覆われている。図２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の端面１２０ｅの角を破線で示す。

なお、燃料電池スタック１００と、モータユニット２００と、エアコンプレッサ８１０との前方（図２の手前側）には、ラジエータ６００が存在する（図１参照）。しかし、図２においては、技術の理解を容易にするため、ラジエータ６００を取り除いた状態を示している。

エアコンプレッサ８１０は、燃料電池スタック１００から供給される電力で駆動されるモータ部８１２と、モータによって駆動されて空気を圧縮する圧縮部８１４とを有する。モータ部８１２は略円柱形の外形形状を有しており、圧縮部８１４は、モータ部８１２よりも円形端面の直径が小さい略円柱形の外形形状を有している。その結果、エアコンプレッサ８１０は、中心を同じくする二つの円柱を重ねたような外形形状を有する。エアコンプレッサ８１０は、各円柱の軸が、燃料電池スタック１００のセル１３０の積層方向Ｄｓに垂直で、燃料電池スタック１００の下面に平行な方向となる姿勢で、燃料電池スタック１００に取りつけられている。

エアコンプレッサ８１０のモータ部８１２は発熱する。このため、モータ部８１２の外殻には冷却水の流路が設け得られている。モータ部８１２は、その冷却水によって冷却される。モータ部８１２と、第２のエンドプレート１２０の端面とは、脚部８１２Ｌを介してボルトで結合されている。このため、第２のエンドプレート１２０の熱は、モータ部８１２の外殻に伝導する。その結果、第２のエンドプレート１２０は、モータ部８１２の外殻を流通する冷却水によっても冷却される。

また、エアコンプレッサ８１０の圧縮部８１４と、第２のエンドプレート１２０の端面も、脚部８１４Ｌ２を介してボルトで結合されている。さらに、図２には示されていないが、エアコンプレッサ８１０の圧縮部８１４と、第１のエンドプレート１１０の端面も、脚部８１４Ｌ１を介してボルトで結合されている（図１参照）。すなわち、エアコンプレッサ８１０と第１のエンドプレート１１０および第２のエンドプレート１２０とは、合計３点で結合されている。

エアコンプレッサ８１０は、燃料電池スタック１００に対して３箇所の部位で、ボルトによって固定されている。このため、エアコンプレッサ８１０と燃料電池スタック１００は、外力が加わっても相対的に変位しにくい。すなわち、エアコンプレッサ８１０と燃料電池スタック１００は、実質的に一体で変位する。このため、エアコンプレッサ８１０と燃料電池スタック１００の間に、両者が相対変位した場合の両者の衝突を避けるための空間を設ける必要がない。よって、エアコンプレッサ８１０と燃料電池スタック１００とを近接して配することができ、その結果、エアコンプレッサ８１０と燃料電池スタック１００が全体として占有する空間を小さくすることができる。

また、図１に示すように、圧縮部８１４から空気を吐出するための吐出口８１４ｅが圧縮部８１４の円筒に対して燃料電池スタック１００側に位置する姿勢で、エアコンプレッサ８１０は燃料電池スタック１００に固定されている。より詳細には、エアコンプレッサ８１０（モータ部８１２）の断面の円に接し第１のエンドプレート１１０の端に至る直線Ｌ１と、エアコンプレッサ８１０（モータ部８１２）の断面の円に接し第２のエンドプレート１２０の端に至る直線Ｌ２と、燃料電池スタック１００と、エアコンプレッサ８１０とで囲まれる空間内に、吐出口８１４ｅが配される。その結果、吐出口８１４ｅは、それぞれ強固な構造を有する燃料電池スタック１００とエアコンプレッサ８１０の円筒部との間に位置することになる。

このような構成とすることで、図１の構成が外部から衝撃を受けた際に、吐出口８１４ｅがつぶされる可能性を低減することができる。また、圧縮空気を燃料電池スタック１００に供給するためのダクト８１０ｅｄを、上記のような位置に配される吐出口８１４ｅから後方に向かって配することで（図１参照）、圧縮空気を燃料電池スタック１００に供給するためのダクト８１０ｅｄが、前方に位置するラジエータ６００を通過する風を阻害する事態を避けることができる。なお、図１および図２においては、ダクト８１０ｅｄは、技術の理解を容易にするため、破線で示している。

さらに、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は、エアコンプレッサ８１０を介して相互に３点で結合されている。このため、車両の衝突などによって、燃料電池スタック１００に外力が加わった場合にも、燃料電池スタック１００は積層方向Ｄｓを軸にしてねじれる可能性が低い。

なお、図２に示すように、エアコンプレッサ８１０に外気を導入するための吸気口８１０ｉは、圧縮部８１４の円柱の端面に接続されている。そして、エアクリーナ８１６と吸気口８１０ｉとを結ぶダクト８１０ｉｄは、エアコンプレッサ８１０に対してモータユニット２００とは逆の側に設けられる。このような構成とすることで、モータユニット２００と干渉することなく、ダクト８１０ｉｄを配することができる。なお、図１および図２においては、ダクト８１０ｉｄは、技術の理解を容易にするため、破線で示している。

図２の左側に、脚部８１４Ｌ２と第２のエンドプレート１２０との固定構造の拡大断面図を示す。エンドプレート１２０は、弾性を有する樹脂で設けられた防水ケース１４０に覆われている。この防水ケース１４０は、穴１４２を備えている。穴１４２は、圧縮部８１４に設けられた脚部８１４Ｌ２と第２のエンドプレート１２０とを固定するボルトＢを通すための穴である。防水ケース１４０において、穴１４２の周りには、穴１４２を囲むように、圧縮部８１４（脚部８１４Ｌ２）の方に向かって突出する環状の突出部１４４が設けられている。

突出部１４４の先端部１４４ｐ（図２においては下端部）は、圧縮部８１４の脚部８１４Ｌ２に接している。そして、突出部１４４は、第２のエンドプレート１２０との脚部８１４Ｌ２との間で圧縮され、弾性変形している。その結果、突出部１４４の端部は、脚部８１４Ｌ２に密着している。

このような構成とすることにより、防水ケース１４０の穴１４２を通ったボルトＢで、防水ケース１４０に覆われた第２のエンドプレート１２０と圧縮部８１４とを、剛体的に結合することができる。そして、穴１４２を囲む環状の突出部１４４が圧縮部８１４の脚部８１４Ｌ２に密着しているため、穴１４２を通じて防水ケース１４０内（第２のエンドプレート１２０側）に外部からの水が進入する可能性が低い。

なお、ここでは、脚部８１４Ｌ２と第２のエンドプレート１２０との結合を例に説明したが、脚部８１２Ｌと第２のエンドプレート１２０との結合部分（図２参照）、および脚部８１４Ｌ１と第１のエンドプレート１１０との結合部分（図１参照）も、同様に構成されている。このため、エアコンプレッサ８１０を、燃料電池スタック１００に剛体的に結合されることができ、しかも、防水ケース１４０内に外部からの水が進入する可能性を低減することができる。なお、図２の例において、モータ部８１２に設けられた脚部８１２Ｌと第２のエンドプレート１２０との結合部分は、二つのボルト結合されている。

一方、図示しないが、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。

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。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（図１参照）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。

図１に示す制御回路ユニット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。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。

図３は、燃料電池スタック１００およびモータユニット２００が車両Ｖ０の車台Ｖｃに取付けられる箇所を模式的に示す平面図である。図３には、図１に示した一部の構造のほか、車両Ｖ０の車台Ｖｃ、ホイールＶｗが示されている。燃料電池スタック１００およびモータユニット２００は、車両Ｖ０の車台Ｖｃに対して固定されている。より具体的には、燃料電池スタック１００の第１のエンドプレート１１０は、車両Ｖ０の車台Ｖｃに設けられた１箇所のマウントＭ１１に接続されている。モータユニット２００は、車台Ｖｃに設けられた３箇所のマウントＭ２１，Ｍ２２，Ｍ２３に接続されている。

なお、車台におけるこれらのマウントの位置は、ガソリンエンジンとモータとにより走行するハイブリッド車両の車台におけるマウントと共通である。ハイブリッド車両においては、マウントＭ１１は、ガソリンエンジンを支持する。マウントＭ２１，Ｍ２２，Ｍ２３は、本実施例と同様にモータユニットを支持する。なお、技術の理解を容易にするため、各マウントは、図１に表示されていない。

図１に示すように、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、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、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。

このような構成においては、燃料電池スタック１００のセル１３０の積層方向Ｄｓが鉛直方向Ｕではなく斜めであるため、燃料電池スタック１００のセル１３０の積層数がエンジン・コンパートメントの高さに直接、制限されることがない。このため、燃料電池スタックのセルの積層方向が鉛直方向である態様に比べて、セルの積層数が多い大出力の燃料電池スタックを、エンジン・コンパートメントに搭載することができる。

図１に示すように、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の下方であって、コンプレッサ８１０の後方には、コンプレッサ８２０が配されている。より具体的には、コンプレッサ８２０は、コンプレッサ８１０に剛体的に取りつけられている。コンプレッサ８２０は、冷媒を圧縮または膨張させることにより、乗員等がいる車両の室内に供給する空気を冷やしまたは暖める。

コンプレッサ８２０は、モータ部８１２および圧縮部８１４よりも円形端面の直径が小さい略円柱形の外形形状を有している。そして、コンプレッサ８２０の上下方向の寸法Ｒ２は、エアコンプレッサ８１０の上下方向の寸法Ｒ１よりも小さい（図１参照）。一般に、室内の空調のためのコンプレッサ８２０に必要とされる出力は、燃料電池スタック１００に酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサに必要とされる出力よりも小さい。このため、室内の空調用のコンプレッサは、燃料電池用のエアコンプレッサよりも小さい。コンプレッサ８２０は、その円柱の軸が、燃料電池スタック１００のセル１３０の積層方向Ｄｓに垂直で、燃料電池スタック１００の下面に平行な方向となる姿勢で、燃料電池スタック１００に取りつけられている。

本実施例においては、傾斜して配される燃料電池スタック１００の下方において、車両の前方から後方に向かって、高さ方向の寸法が大きいエアコンプレッサ８１０と、高さ方向の寸法がより小さいコンプレッサ８２０とが、その順に並んで配されている。このため、燃料電池スタック１００の下方の略くさび形の空間を有効に活用することができる。言い換えれば、燃料電池スタック１００とエアコンプレッサ８１０，８２０とが全体として占有する空間を小さくすることができる。

また、本実施例においては、図１に示す構造のさらに後方に車室が位置する。本実施例においては、燃料電池スタック１００を挟んで車室とは逆の側にコンプレッサ８１０，８２０が位置する。このため、コンプレッサ８１０，８２０が運転時に発する音が車室に進入しにくい。

図１に示すように、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。ラジエータ６００は、第１のラジエータ６０２と、第２のラジエータ６０４と、第３のラジエータ６０６とを含む。第１のラジエータ６０２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。第２のラジエータ６０４は、制御回路ユニット４００およびインバータユニット８３０を冷却する冷却液の熱を大気中に放散させるための構造である。第３のラジエータ６０６は、ドライバーなどの乗員がいる車室の温度を制御するための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６０２，６０４，６０６は、それぞれ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、それぞれ全体として板状の形状を有する。図１に示すように、ラジエータ６０２は、発電セル１３０の積層方向Ｄｓに垂直な方向について、第２のエンドプレート１２０とエアコンプレッサ８１０が存在する範囲Ｒｆｃよりも広い範囲Ｒｒに存在する。ラジエータ６０２の前方かつ上方にラジエータ６０４，６０６が配されている。ラジエータ６０４は、ラジエータ６０６の上方かつ後方に位置する。

板状のラジエータ６０２，６０４，６０６は、第２のエンドプレート１２０に沿って設けられている。その結果、各ラジエータ６０２，６０４，６０６は、第２のエンドプレート１２０および発電セル１３０と平行である。すなわち、板状のラジエータ６０２，６０４，６０６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Ｕに沿って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。

水素ポンプ６１０は、燃料電池スタック１００から排出された燃料ガスを、再度、燃料電池スタック１００に流入させるためのポンプである。水素ポンプ６１０は、図１に示すように、第１のエンドプレート１１０に固定されている。

本実施例においては、水素ポンプ６１０とは、燃料電池スタック１００の後方において、第１のエンドプレート１１０に固定されている。このため、車両が前方の障害物と衝突した場合など、図１の燃料電池システムが前方からの衝撃を受けた場合にも、その衝撃は車両に固定された燃料電池スタック１００およびモータユニット２００によって受け止められ、水素ポンプ６１０がその衝撃力を受ける可能性が低い。よって、車両の衝突などにより、水素ポンプ６１０が破壊され、水素ガスが外部に流出する可能性が低い。

冷却液ポンプ６２０は、燃料電池スタック１００と、ラジエータ６００のうちの第１のラジエータ６０２とに冷却液を循環させるポンプである。冷却液ポンプ６２０は、図１に示すように、第１のエンドプレート１１０に固定されている。燃料電池スタック１００と第１のラジエータ６０２とを循環している冷却液は、帯電している場合がある。

本実施例においては、冷却液ポンプ６２０とは、燃料電池スタック１００の後方において、第１のエンドプレート１１０に固定されている。このため、車両が前方の障害物と衝突した場合など、図１の燃料電池システムが前方からの衝撃を受けた場合にも、その衝撃は車両に固定された燃料電池スタック１００およびモータユニット２００によって受け止められ、冷却液ポンプ６２０がその衝撃力を受ける可能性が低い。すなわち、車両の衝突などにより、冷却液ポンプ６２０が破壊され、冷却液が外部に流出する可能性が低い。よって、冷却液の流出によってユーザが感電する可能性を低減することができる。

インバータユニット８３０は、水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０、およびエアコンプレッサ８１０，８２０をそれぞれ駆動する３相交流モータを回転させるためのインバータを含む。インバータユニット８３０は、図１に示すように、燃料電池スタック１００の一方の側面において、中央よりも上方寄りの位置に配される。このインバータユニット８３０は、発熱する。このため、インバータユニット８３０は、第２のラジエータ６０４に接続されている図示しない冷却液回路によって冷却される。

本実施例のように、燃料電池スタック１００の補機である水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０、およびエアコンプレッサ８１０，８２０の各モータを制御するインバータを、１箇所にまとめて配することにより、以下のような効果が得られる。すなわち、それらのインバータと第２のラジエータ６０４とを結ぶ冷却液回路（図示せず）を短くすることができる。その結果、図１の構成全体の大きさを小さくすることができ、かつ重量を低減することができる。また、冷却液回路を短くすることができるため、冷却液漏れの可能性を低減することもできる。

また、本実施例においては、燃料電池スタック１００の後方に配される水素ポンプ６１０および冷却液ポンプ６２０のモータ、ならびに燃料電池スタック１００の下方に配されるエアコンプレッサ８１０，８２０のモータを制御するインバータユニット８３０が、燃料電池スタック１００の側面に配される。このため、各モータとインバータユニット８３０とを結ぶ電気の配線ｅｗを短くすることができる。その結果、図１の構成全体の大きさを小さくすることができ、かつ重量を低減することができる。また、電気配線ｅｗを短くするため、電気配線ｅｗが断線する可能性を低減することもできる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、車両に燃料電池を取りつける工程について、エンドプレート１１０，１２０、および複数の発電セル１３０の積層工程、ならびに燃料電池スタック１００へのエアコンプレッサ８１０の取付け工程を中心に説明する。

図４は、エンドプレート１１０，１２０、および複数の発電セル１３０の積層方法、ならびに燃料電池スタック１００へのエアコンプレッサ８１０の取付け方法を示す図である。なお、ステップＳ１０，Ｓ２０については、技術の理解を容易にするため、側面図と正面図とを示す。ステップＳ３０，Ｓ４０については、側面図を示す。

ステップＳ１０では、略長方形の外形形状を有する第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０とを積層すべき順番に並べて、平面Ｐ０上におく。その際、第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０とは、その長方形の外形のうちエアコンプレッサ８１０が取りつけられるべき側の辺であるＬｕを下にして、平面Ｐ０上に置かれる。このため、第１のエンドプレート１１０の下面と複数の発電セル１３０の下面と第２のエンドプレート１２０の下面は、平面Ｐ０の上で平らにそろえられる。

ステップＳ２０では、第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０とが締結部材１５０によって締結される。より具体的には、略長方形の形状を有する第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０の長方形の四隅の近傍に設けられた４個の穴Ｆｈに４本の締結部材１５０が通され、４本の締結部材１５０の両端がボルト止めされる。その結果、第１のエンドプレート１１０の下面と複数の発電セル１３０の下面と第２のエンドプレート１２０の下面とが同一平面を張る相対位置関係で、第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０は、相互に固定される。第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０とは、一体となり、略直方体形状の燃料電池スタック１００を形成する。

その後、第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の上側の端面には支持具１６０が取りつけられる。支持具１６０は、後に、燃料電池スタック１００に様々な構成要素を取付け、また、燃料電池スタック１００を車両に取りつける際に、燃料電池スタック１００をつり下げるために使用される。

ステップＳ３０では、支持具１６０を使って燃料電池スタック１００が平面Ｐ０からつり上げられる。そして、第１のエンドプレート１１０と第２のエンドプレート１２０の下面側にエアコンプレッサ８１０が取りつけられる（図１および図２参照）。ステップＳ１０〜Ｓ３０のような処理を行うことにより、第１のエンドプレート１１０の下面と第２のエンドプレート１２０の下面とが平面にそろっている状態で、エアコンプレッサ８１０を取りつけることができる。このため、燃料電池スタック１００に対するエアコンプレッサ８１０の取付け誤差を小さくすることができる。

ステップＳ４０として、エアコンプレッサ８１０が取りつけられた燃料電池スタック１００を示す。この後、燃料電池スタック１００には、さらに、ラジエータ６０２，６０４，６０６、水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０等が取りつけられ、その後、ステップＳ５０で、車両に取りつけられる（図１および図３参照）。なお、図３は、ステップＳ５０が完了した状態を示す。なお、図３においては、技術の理解を容易にするため、ラジエータ６０２，６０４，６０６、水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０等の図示を省略している。

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、エアコンプレッサ８１０と各エンドプレートとは、エアコンプレッサ８１０の脚部８１２Ｌ，８１４Ｌ１，８１４Ｌ２を各エンドプレートにボルトで固定することにより、相互に固定されている。しかし、コンプレッサと各エンドプレートとは、他の態様で固定されてもよい。たとえば、コンプレッサと各エンドプレートとは、コンプレッサと各エンドプレート以外の第３の部材を介して固定されてもよい。また、ボルト止め以外にも、接着や溶接など、他の方法で固定されてもよい。

ただし、コンプレッサと各エンドプレートを相互に固定する固定部材は、パッキンなどの弾性部材を介さずに、エンドプレートと第１のコンプレッサとを固定することが好ましい。そのような態様とすれば、エンドプレートと第１のコンプレッサとが別々に振動する可能性を低減することができる。このため、エンドプレートと第１のコンプレッサとを近接して配することができる。一方で、エンドプレートと第１のコンプレッサとの結合部分における防水性は、パッキン等を用いなくとも、上記実施例で説明した突出部によって確保され得る。

Ｂ２．変形例２：
上記第１実施例においては、突出部１４４は、エアコンプレッサ８１０の脚部８１２Ｌ，８１４Ｌ１，８１４Ｌ２の方に突出する態様で構成される。しかし、防水カバーにおいて穴の周りに配される突出部は、エアコンプレッサ側ではなく、燃料電池のエンドプレート側に突出する態様とすることもできる。そのような態様においては、突出部の端部は、燃料電池のエンドプレートに密着する。このような態様としても、燃料電池のエンドプレートとエアコンプレッサとの剛体的な結合と、防水とを両立させることができる。

なお、上記実施例においては、防水カバーは、弾性を有する樹脂で設けられていたが、他の素材で設けることもできる。ただし、突出部は、弾性を有する素材で設けることが好ましい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例においては、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。しかし、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、他の形状とすることができる。ただし、第１のエンドプレートと第２のエンドプレートとの外形形状は、それらを平面上に並べておくことができるような、直線状の１辺を、それぞれ含むことが好ましい。

なお、第１のエンドプレートと第２のエンドプレートとの少なくとも一方の外形形状は、直線状の辺を２以上含むこともできる。そのような態様においても、その２以上の直線状の辺のうちの少なくとも一方を下にしてエンドプレートを平面上に置いて燃料電池スタックを構成し、その平面に接した直線状の辺にコンプレッサを取りつけることができる。そのような方法で燃料電池スタックを構成し、コンプレッサと固定することにより、燃料電池スタックとコンプレッサとを少ない誤差で強固に固定することができる。

また、上記実施例においては、第１のエンドプレート１１０と複数の発電セル１３０と第２のエンドプレート１２０は、いずれも同一の平面Ｐ０上に配される（図４のＳ１０，Ｓ２０参照）。しかし、複数の発電セル１３０は、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とともに積層の順番に並べられる際に、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と同一の平面上に配されていなくともよい。また、積層の順番に並べられる際に、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は、連続する同一平面上に配されていなくともよい。すなわち、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は、連続しない別個の平面上に配されてもよい。ただし、第１のエンドプレート１１０がその上に置かれる平面と、第２のエンドプレート１２０がその上に置かれる平面とは、同一の仮想的な平面に含まれる平面であることが好ましい。

Ｂ４．変形例４：
第２実施例においては、車両に燃料電池を取りつける工程のうち、エンドプレート１１０，１２０、および複数の発電セル１３０の積層工程、ならびに燃料電池スタック１００へのエアコンプレッサ８１０の取付け工程が中心的に説明された。それらの各工程のうち、ラジエータ６０２，６０４，６０６、水素ポンプ６１０、冷却液ポンプ６２０等をそれぞれ取りつける工程は、ステップＳ１０〜Ｓ５０のうちの任意の工程の前であってもよいし、後であってもよい。また、１以上の構成要素がまとめて取りつけられてもよいし、異なるタイミングで取りつけられてもよい。

Ｂ５．変形例５：
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 (4)

1. 車両に燃料電池を搭載するための構造であって、
   積層された複数のセルと、前記複数のセルの積層方向の両端に配される第１および第２のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する第１のコンプレッサと、
   前記燃料電池スタック内を循環する冷却媒体を冷却するための平板状の放熱器と、を備え、
   前記燃料電池スタックは、前記車両の前後方向に対して前記複数のセルの前記積層方向が傾いた姿勢であって、前記第１のエンドプレートよりも前記車両の前方であってかつ上方に前記第２のエンドプレートが位置する姿勢で、配され、
   前記放熱器は、前記第２のエンドプレートよりもさらに前記車両の前方の位置に、前記第２のエンドプレートに沿って配され、
   前記第１のコンプレッサは、前記燃料電池スタックの下方において、前記第１と第２のエンドプレートの両方に対して合計で３点以上の点で固定される、構造。
2. 請求項１記載の構造であって、さらに、
   前記車両の室内の温度を調節するための第２のコンプレッサであって、上下方向の寸法が前記第１のコンプレッサより小さい第２のコンプレッサを備え、
   前記第２のコンプレッサは、前記燃料電池スタックの下方であって、前記第１のコンプレッサよりも後方に配される、構造。
3. 請求項１または２記載の構造であって、さらに、
   前記第１および第２のエンドプレートの少なくとも一方を覆う防水ケースを備え、
   前記防水ケースは、
   前記防水ケースが覆う前記エンドプレートと、前記第１のコンプレッサとを相互に固定する固定部材を通すための穴と、
   前記穴の周りを囲み、前記防水ケースが覆う前記エンドプレートの側または前記第１のコンプレッサの側に突出する突出部であって、弾性を有し、前記防水ケースが覆う前記エンドプレートと、前記第１のコンプレッサとが前記固定部材によって固定された状態において、前記突出する側の端部が前記エンドプレートまたは前記第１のコンプレッサと接する突出部と、を備える、構造。
4. 車両に燃料電池を搭載する方法であって、
   （ａ）積層された複数のセルと、前記複数のセルの積層方向の両端に配される第１および第２のエンドプレートと、を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する第１のコンプレッサと、
   前記燃料電池スタック内を循環する冷却媒体を冷却するための平板状の放熱器と、を準備する工程と、
   （ｂ）前記燃料電池スタックと前記第１のコンプレッサと前記放熱器とを前記車両に取りつける工程であって、
   前記燃料電池スタックが、前記車両の前後方向に対して前記複数のセルの前記積層方向が傾いた姿勢であって、前記第１のエンドプレートよりも前記車両の前方であって、かつ上方に前記第２のエンドプレートが位置するように、配され、
   前記放熱器が、前記第２のエンドプレートよりもさらに前記車両の前方の位置に、前記第２のエンドプレートに沿って配され、
   前記第１のコンプレッサが、前記燃料電池スタックの下方において、前記第１と第２のエンドプレートの両方に対して合計で３点以上の点で固定されるように、前記燃料電池スタックと前記第１のコンプレッサと前記放熱器とを前記車両に取りつける工程と、を備え、
   前記工程（ａ）は、
   それぞれ直線状の１辺を少なくとも一部に有する前記第１および第２のエンドプレートを準備する工程と、
   前記第１および第２のエンドプレートの前記１辺がそれぞれ下になる姿勢で、前記第１および第２のエンドプレートを同一の平面の上に配しつつ、前記複数のセルと前記第１および第２のエンドプレートとを前記積層の順序で並べる工程と、
   前記複数のセルならびに前記第１および第２のエンドプレートを結合して前記燃料電池スタックを構成する工程と、を備え、
   前記工程（ｂ）は、
   前記第１および第２のエンドプレートの前記１辺とは異なる部位で前記燃料電池スタックを支持し、前記第１および第２のエンドプレートの前記１辺に接するように、前記第１のコンプレッサを前記第１および第２のエンドプレートに対して固定する工程を含む、方法。

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