JP6870603B2 - 燃料電池ユニット及び燃料電池車 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニット及び燃料電池車に関する。

複数の単セルが積層された積層体を備えた燃料電池スタックが知られている。このような積層体は、積層方向から一対のエンドプレートにより所定の圧力で挟持されており、積層方向に直交する方向での単セルの位置ずれが抑制されている。しかしながら、例えば燃料電池スタックが搭載された車両が衝突すると、燃料電池スタックに大きな慣性力が作用して複数の単セルの位置がずれる可能性がある。例えば特許文献１では、積層体と積層体を収納するケースとの隙間を調整する機構を設けて、複数の単セルの位置ずれを抑制している。

特開２００５−７１８６９号公報

このような積層体を含む燃料電池モジュールが、その重心から離れた位置で被固定部材に固定される場合がある。このような場合での単セルの位置ずれを効果的に抑制する機構については、特許文献１には開示されていない。

そこで本発明は、複数の単セルが積層された積層体を含む燃料電池モジュールがその重心から離れた位置で被固定部材に固定された場合に、複数の単セルの位置ずれを効果的に抑制できる燃料電池ユニット及びそれを備えた燃料電池車を提供することを目的とする。

本発明は、複数の単セルが積層された積層体、前記積層体を積層方向で挟持する一対のエンドプレート、前記積層体の前記積層方向に沿う外側面に対向した対向部材、及び前記対向部材と前記積層体との間に設置され前記外側面に接触することにより前記積層方向に直交する方向での前記積層体の位置を拘束する第１及び第２拘束部材、を含む燃料電池スタックを有した、燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを被固定部材に固定する複数の固定部材と、を備え、前記燃料電池モジュールの重心は、複数の前記固定部材の間の領域よりも前記積層方向の一方側にあり、前記第１拘束部材は、前記積層体の中心よりも前記積層方向の前記一方側を拘束し、前記第２拘束部材は、前記積層体の中心よりも前記積層方向の他方側を拘束し、前記第１及び第２拘束部材は、前記積層体の中心よりも前記積層方向の前記一方側を拘束する拘束力が、前記積層体の中心よりも前記積層方向の前記他方側を拘束する拘束力よりも大きくなるように設けられている、燃料電池ユニットによって達成できる。

燃料電池モジュールの重心は複数の固定部材の間の領域よりも積層方向の一方側にあるため、燃料電池モジュールに慣性力が作用した場合には、積層体には複数の固定部材の間の領域を支点として回転するような慣性力が作用する。このため、積層体はその中心よりも一方側の方が他方側よりも大きな慣性力が作用するが、第１及び第２拘束部材により積層体の一方側を拘束する拘束力が他方側を拘束する拘束力よりも大きいため、複数の単セルの位置ずれを効果的に抑制できる。

前記第２拘束部材は、前記積層体の前記他方側の端部にあり、前記第１拘束部材は、前記積層体の前記一方側の端部にあってもよい。

前記第１拘束部材の大きさは、前記第２拘束部材よりも大きくてもよい。

前記第１拘束部材の硬度は、前記第２拘束部材よりも高くてもよい。

少なくとも前記第１拘束部材は複数設けられており、前記第１拘束部材の数は、前記第２拘束部材よりも多くてもよい。

前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックに一体的に設けられた補機を含んでもよい。

上記目的は、前記燃料電池ユニットを備え、前記被固定部材は、車体構成部材である、燃料電池車によっても達成できる。

本発明によれば、複数の単セルが積層された積層体を含む燃料電池モジュールがその重心から離れた位置で被固定部材に固定された場合に、複数の単セルの位置ずれを効果的に抑制できる燃料電池ユニット及びそれを備えた燃料電池車を提供できる。

図１Ａ〜図１Ｃは、本実施例の燃料電池ユニットの内部構成を示した断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、積層体の角部周辺を示した断面図であり、図２Ｃ及び図２Ｄは、拘束部材の斜視図である。 図３Ａは、第１比較例であるユニットの説明図であり、図３Ｂは、第１比較例でのスタックに慣性力が作用した場合の説明図であり、図３Ｃは、第２比較例であるユニットの説明図であり、図３Ｄは、第２比較例でのスタックに慣性力が作用した場合の説明図である。 図４Ａは、第１変形例のユニットを側方から見た断面図であり、図４Ｂは、第２変形例のユニットを側方から見た断面図である。 図５Ａは、第３変形例のユニットを側方から見た断面図である。図５Ｂは、第３変形例のユニットを前方から見た断面図であり、図５Ｃは、拘束部材の斜視図である。 図６Ａは、第４変形例のユニットを側方から見た断面図であり、図６Ｂは、第５変形例のユニットを前方から見た断面図であり、図６Ｃは、拘束部材の斜視図である。 図７Ａは、車両を前方から見た場合のコンパートメントルーム内を示した図であり、図７Ｂは、車両の前方側を側方から見た場合のコンパートメントルーム内を示した図である。 図８は、第６変形例のユニットを前方から見た断面図である。

図１Ａ〜図１Ｃは、本実施例の燃料電池ユニット１の内部構成を示した断面図である。図１Ａは燃料電池ユニット（以下、単にユニットと称する）１を側方から見た断面図、図１Ｂはユニット１を前方から見た断面図、図１Ｃはユニット１を上方から見た断面図である。ユニット１は、燃料電池モジュール（以下、単にモジュールと称する）５、及びブラケット２４ａ〜２４ｃを有している。モジュール５は、燃料電池スタック（以下、単にスタックと称する）１０を有している。スタック１０は、積層体１２、エンドプレート１４ａ及び１４ｂ、ケース１６、及び拘束部材１８及び１９を有している。ブラケット２４ａ〜２４ｃは金属製の部材であって、ブラケット２４ａ〜２４ｃは被固定部材に固定するための固定部材の一例である。被固定部材とは、例えばモジュール５が車両に固定される場合には車体を構成する部材であり、モジュール５が家庭用又は業務用に用いられる据置型の場合には設置台等である。本実施例では、ブラケット２４ａ〜２４ｃは、スタック１０のエンドプレート１４ｂを被固定部材に固定する。

積層体１２は、複数の単セル１１が積層されて構成される。単セル１１のそれぞれは略矩形状であり、積層体１２は略角柱状である。本実施例では、積層体１２の積層方向が重力方向と略一致する姿勢でスタック１０が固定される場合を例に説明する。複数の単セル１１のうちの一端側の単セル１１ａは他端側の単セル１１ｂよりも積層方向ＬＤの上方Ｄ１、換言すれば重力方向の上方に位置している。

単セル１１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル１１は、１対のセパレータと膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）とを備える。１対のセパレータは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、ＭＥＧＡに供給する燃料ガスが流れる燃料ガス流路及び酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を形成する。

ＭＥＧＡは、電解質膜と電解質膜の両側に配置された１対の触媒層とを備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含む。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。１対の触媒層は、電気化学反応を進行させる触媒を担持したカーボン粒子と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。ＭＥＡの両側に１対のガス拡散層が配置されている。ＭＥＡと１対のガス拡散層とによってＭＥＧＡが形成される。１対のガス拡散層は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成される。

一対のエンドプレート１４ａ及び１４ｂは、積層体１２を積層方向ＬＤから挟持しており、複数の単セル１１を積層方向ＬＤで拘束することにより、ガスシール性や導電性等を良好に維持している。エンドプレート１４ａは、エンドプレート１４ｂよりも積層方向ＬＤの上方Ｄ１に位置している。エンドプレート１４ａ及び１４ｂは厚みが同じであるが、エンドプレート１４ｂはエンドプレート１４ａよりも大きく形成されている。エンドプレート１４ａ及び１４ｂは、例えば金属製である。

エンドプレート１４ｂには３つのブラケット２４ａ〜２４ｃが固定され、ブラケット２４ａ〜２４ｃが他の部材に固定されていることにより、スタック１０は他の部材に固定される。ここで、図１Ａ〜図１Ｃに示しているモジュール５の重心Ｇは、ブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域よりも上方Ｄ１に位置している。本実施例では、モジュール５はスタック１０のみを有しているため、モジュール５の重心Ｇは、スタック１０の重心を意味する。重心Ｇとブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域との位置関係については後述する。ブラケット２４ａ及び２４ｂは、スタック１０を両側から挟む位置にある。ブラケット２４ｃは、スタック１０の後方側に位置している。尚、エンドプレート１４ａ及び１４ｂと積層体１２との間には、積層体１２を挟持する複数の単セル１１の発電電力を外部に取り出すための一対のターミナルプレートや、積層体１２及び一対のターミナルプレートを挟持し単セル１１とエンドプレート１４ａ及び１４ｂとを絶縁させるインシュレータが設けられている。

ケース１６は、積層体１２の積層方向に沿う外側面１２ａを包囲するように角筒状に設けられている。ケース１６の積層方向ＬＤの上方Ｄ１の開口端は、エンドプレート１４ａにより閉塞され、ケース１６の積層方向ＬＤの下方Ｄ２の開口端は、エンドプレート１４ｂにより閉塞されている。ケース１６は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金などの金属製である。ケース１６は、積層体１２の積層方向に沿う外側面１２ａに対向した対向部材の一例である。

拘束部材１８及び１９は、積層体１２の外側面１２ａとケース１６との間に設けられており、積層体１２の外側面１２ａに接触することにより、積層体１２の積層方向ＬＤに直交する方向での位置を拘束する。詳しくは後述するが、これにより、積層方向ＬＤに直交する方向での単セル１１の位置ずれが抑制される。拘束部材１８は、積層体１２を積層方向で２等分した中心線Ｃよりも積層方向ＬＤの上方Ｄ１に設置され、拘束部材１９は、中心線Ｃの積層方向ＬＤの下方Ｄ２に設置されている。尚、重心Ｇは中心線Ｃよりも僅かに重力方向の下方Ｄ２に位置する。この理由は、上述したようにエンドプレート１４ｂはエンドプレート１４ａよりも大きく、重量も大きいからである。

図２Ａ及び図２Ｂは、積層体１２の角部周辺を示した断面図である。図２Ａは、積層体１２の角部のうちの拘束部材１８が設けられた領域での断面図であり、図２Ｂは、拘束部材１８が設けられていない領域での断面図である。図２Ａのように、拘束部材１８は、略Ｌ字状であり、積層体１２の外側面１２ａのうちの４つの角部に設けられている。拘束部材１９も同様である。

図２Ａ及び図２Ｂのように、ケース１６は、拘束部材１８が組み付けられた部分では他の部分に比べて外側に突出している。これにより、積層体１２の外側面１２ａとケース１６との間に拘束部材１８が設けられる空間が確保されている。拘束部材１８は、ケース１６に設けられたネジなどの締結部材１７によって積層体１２の外側面１２ａに押し付けられている。

図２Ｃは、拘束部材１８の斜視図である。拘束部材１８は、金属部１８１と弾性部１８３とを有している。金属部１８１は、例えばステンレス鋼などの金属製である。弾性部１８３は、例えばポリプロピレン等の合成樹脂製であるがこれに限定されず、ゴム製であってもよいし、合成樹脂にエラストマー成分を含有させることにより弾性を確保したものであってもよい。金属部１８１は、弾性部１８３の外側を覆うように設けられている。従って、積層体１２の外側面１２ａには弾性部１８３が当接する。金属部１８１の厚さｔ８１、及び弾性部１８３の厚さｔ８３は、例えば３ｍｍである。拘束部材１８の幅Ｗ８、及び高さＨ８は例えばそれぞれ３０ｍｍであり、長さＬ８は例えば６０ｍｍである。尚、拘束部材１８は金属部１８１及び弾性部１８３の一方のみで形成されていてもよいが、弾性部１８３を含むことで、ケース１６が変形したときの変位を弾性部１８３で吸収でき、積層体１２への影響を抑えることができる。

図２Ｄは、拘束部材１９の斜視図である。拘束部材１９も拘束部材１８と同様に、金属部１９１と弾性部１９３とを有している。金属部１９１の厚さｔ９１及び弾性部１９３の厚さｔ９３は、例えば３ｍｍである。拘束部材１９の幅Ｗ９、高さＨ９、及び長さＬ９は、例えばそれぞれ３０ｍｍである。尚、拘束部材１９は金属部１９１及び弾性部１９３の一方のみで形成されていてもよい。以上のように、拘束部材１８は拘束部材１９よりも長く形成されており、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、拘束部材１８及び１９の長さ方向が積層体１２の積層方向ＬＤとなるように拘束部材１８及び１９は設置されている。拘束部材１８は拘束部材１９よりも長く形成されているため、積層体１２との接触面積は拘束部材１８の方が拘束部材１９よりも大きく、この結果、拘束力は拘束部材１８の方が拘束部材１９よりも大きくなっている。

次に、比較例について説明する。比較例については、本実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図３Ａは第１比較例であるユニット１ｘの説明図である。図３Ａは図１Ａに対応している。図３Ａのようにユニット１ｘのモジュール５ｘが有したスタック１０ｘでは、積層体１２の外側面１２ａとケース１６との間に拘束部材１８及び１９は設けられていない。

図３Ｂは、第１比較例でのスタック１０ｘに慣性力が作用した場合の説明図である。例えばユニット１ｘが搭載された車両が急加速や急減速をした場合や衝突した場合や、その他ユニット１ｘが屋外に設定され地震などが発生した場合には、スタック１０ｘには慣性力が作用する。例えば図３Ｂに示すようにモジュール５ｘの正面側から後方側に向かう水平方向に慣性力が作用する場合を想定する。この場合、モジュール５ｘ、即ちスタック１０ｘはブラケット２４ａ〜２４ｃにより被固定部材に固定されているため、スタック１０ｘにはブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域を支点として回転方向ＲＤに回転するように慣性力が作用する。これにより、積層体１２を積層方向で２等分した中心線Ｃよりも上方Ｄ１に位置した単セル１１の方が、下方Ｄ２に位置した単セル１１よりも、元の位置からの変位量は大きくなる。

図３Ｃは、第２比較例である１ｙの説明図である。図３Ｃは図１Ａに対応している。１ｙの５ｙが有した１０ｘでは、重心Ｇがブラケット２４ａ〜２４ｃの間に位置するように、ブラケット２４ａ〜２４ｃはスタック１０ｘに固定されている。図３Ｄは、第２比較例でのスタック１０ｘに慣性力が作用する場合の説明図である。重心Ｇがブラケット２４ａ〜２４ｃの間に位置するため、スタック１０ｘには、第１比較例の場合と異なり直線方向ＤＤに慣性力が作用する。従って、第２比較例では、積層体１２は中心線Ｃを介して略対称に撓むように複数の単セル１１が変位する。このため、第１比較例と比較して第２比較例では、中心線Ｃの上方側での単セル１１の変位量と下方側での単セル１１の変位量との差は小さい。

以上のように、第１比較例のように重心Ｇがブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域から外れた位置にある場合、スタック１０ｘにはブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域を支点として回転するように慣性力が作用する。このため、第１比較例では、上述したように、中心線Ｃよりも上方Ｄ１に位置した単セル１１の方が、下方Ｄ２に位置した単セル１１よりも変位量が大きくなる。本実施例ではこのようにスタック１０が回転するように慣性力が作用することを考慮して、単セル１１の変位が比較的大きい中心線Ｃよりも上方Ｄ１に比較的大きい拘束部材１８が設置され、単セル１１の変位が比較的小さい中心線Ｃよりも下方Ｄ２に比較的小さい拘束部材１９が設置されている。これにより、積層体１２の中心線Ｃよりも上方Ｄ１の拘束力が、積層体１２の中心線Ｃよりも下方Ｄ２の拘束力よりも大きくなるように確保される。従って、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。このため、少ない点数の拘束部材により、単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できるため、部品点数の増大が抑制され、スタック１０の製造コストの増大も抑制される。また、図３Ｂに示したように、変位量が最も大きい単セル１１は、中心線Ｃと単セル１１ａとの間に位置している。本実施例では、拘束部材１８は少なくともこのように変位量が最も大きくなる単セル１１を拘束するように設置されている。このため、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。尚、拘束部材１９は、中心線Ｃと単セル１１ｂとの間に位置している。

次に複数の変形例について説明する。変形例については、上述した実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図４Ａは、第１変形例のユニット１ａを側方から見た断面図である。図４Ａは図１Ａに対応している。ユニット１ａのモジュール５ａのスタック１０ａには、上述した拘束部材１８の代わりに拘束部材１８ａが設置されている。拘束部材１８ａは、拘束部材１９と略同じ大きさであるが、拘束部材１９よりも高い硬度（例えば高いビッカース硬度）を有する。例えば、拘束部材１８ａの弾性部は、拘束部材１９の弾性部１９３よりも硬度の高い合成樹脂材料で形成されている。硬度が高い拘束部材１８ａの方が拘束部材１９よりもヤング率が大きくなり、拘束力は拘束部材１８ａの方が拘束部材１９よりも大きくなる。これにより、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。尚、拘束部材１８ａの弾性部及び拘束部材１９の弾性部１９３が共にゴム製の場合には、拘束部材１８ａの弾性部は弾性部１９３よりもヤング率が大きい材料により形成されていてもよい。拘束部材１８ａは金属製であって、拘束部材１９は合成樹脂製であってもよい。

図４Ｂは、第２変形例のユニット１ｂを側方から見た断面図である。図４Ｂは図１Ａに対応している。ユニット１ｂのモジュール５ｂのスタック１０ｂには、上述した拘束部材１８は設置されておらず全て同一の拘束部材１９が設置されているが、スタック１０やスタック１０ａの場合と比較して拘束部材１９が多く設置されている。具体的には、中心線Ｃより上方Ｄ１に設置された拘束部材１９の数は、中心線Ｃよりも下方Ｄ２に設置されている拘束部材１９の数よりも多い。中心線Ｃよりも上方Ｄ１において、積層体１２の角部を押さえる拘束部材１９は、２つ積層方向ＬＤに離れて設置されている。他の角部も同様に２つの拘束部材１９が設置されている。従って、第２変形例では、中心線Ｃよりも上方Ｄ１に８つの拘束部材１９が設置されている。このため、中心線Ｃよりも上方Ｄ１に設置された８つの拘束部材１９による拘束力は、中心線Ｃよりも下方Ｄ２に設置された４つの拘束部材１９による拘束力よりも大きくなり、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。

図５Ａは、第３変形例のユニット１ｃを側方から見た断面図である。図５Ｂは、第３変形例のユニット１ｃを前方から見た断面図である。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ図１Ａ及び図１Ｂに対応している。ユニット１ｃのモジュール５ｃのスタック１０ｃにおいて、拘束部材１８ｃは、最も上方Ｄ１の積層体１２の外側面１２ａとケース１６との間に設置され、拘束部材１９は、最も下方Ｄ２の積層体１２の外側面１２ａとケース１６との間に設置されている。図５Ｃは、拘束部材１８ｃの斜視図である。拘束部材１８ｃも拘束部材１８と同様に、金属部１８１ｃと弾性部１８３ｃとを有している。金属部１８１ｃの厚さｔ８１ｃ及び弾性部１８３ｃの厚さｔ８３ｃは、例えば３ｍｍである。拘束部材１８ｃの高さＨ８ｃ及び長さＬ８ｃは、例えばそれぞれ３０ｍｍである。拘束部材１８ｃの幅Ｗ８ｃは、例えば６０ｍｍである。以上のように、拘束部材１８ｃは、拘束部材１８よりも幅が広く形成されている。第３比較例では、拘束部材１８ｃの幅広に形成された部分が積層体１２の正面側に位置するように設置されている。

ここで、図３Ｂに示すように、中心線Ｃよりも上方Ｄ１に位置した単セル１１のうち、隣接する２つの単セル１１間の変位量の差が最も大きい単セルは、単セル１１ａとこれに隣接する単セル１１である。このため、ブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域を支点として回転するような慣性力が積層体１２に作用した場合には、複数の単セル１１のうちブラケット２４ａ〜２４ｃに囲まれた領域よりもモジュール５ｘの重心Ｇに近い側の積層体１２の端部に位置した単セル１１ａとこれに隣接する単セル１１に大きな回転モーメントが作用するからである。このため、拘束部材１８ｃは、少なくとも単セル１１ａとこれに隣接する単セル１１との位置を拘束することにより、単セル１１ａとその周辺の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。

また、図３Ｂに示すように、中心線Ｃよりも下方Ｄ２に位置した単セル１１のうち、隣接する２つの単セル１１間の変位量の差が最も大きい単セルは、単セル１１ｂとこれに隣接する単セル１１である。このため、拘束部材１９は、少なくとも単セル１１ｂとこれに隣接する単セル１１との位置を拘束することにより、単セル１１ｂとその周辺の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。以上のように、単セル１１ａ及び１１ｂとそれら周辺の単セル１１の位置ずれを抑制することにより、単セル１１ａ及び１１ｂの間に設置された複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。

尚、単セル１１のうち、単セル１１ａはブラケット２４ａ〜２４ｃに囲まれた領域よりもモジュール５の重心Ｇに近い側の積層体１２の端部に設置し、単セル１１ｂは他方側の端部に設置されている。単セル１１ａとこれに隣接する単セル１１間の変位量の差は、単セル１１ｂとこれに隣接する単セル１１間の変位量の差よりも大きい。単セル１１ａとこれに隣接する単セル１１とには、上述したように大きな回転モーメントを受けるからである。このため、拘束部材１８ｃは、拘束部材１９よりも大きく形成され、拘束部材１８ｃの拘束力は拘束部材１９よりも大きく確保されており、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。

図６Ａは、第４変形例のユニット１ｄを側方から見た断面図である。図６Ａは、図１Ａに対応している。ユニット１ｄのモジュール５ｄのスタック１０ｄでは、上述したように拘束部材１８ｄは拘束部材１９よりも硬度が高いため、中心線Ｃよりも上方Ｄ１側に設置された拘束部材１８ｄの拘束力は、中心線Ｃよりも下方Ｄ２側に設置された拘束部材１９の拘束力よりも大きくなる。この結果、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。また、第３変形例と同様に、拘束部材１８ｄ及び１９は、隣接する単セル１１間で変位量の差が大きくなりやすい箇所を押さえているため、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。

図６Ｂは、第５変形例のユニット１ｅを前方から見た断面図である。ユニット１ｅのモジュール５ｅのスタック１０ｅにおいて、拘束部材１９ａは平板状に形成され、積層体１２の角部ではなく、積層体１２の正面側の側面の平坦部とケース１６との間に設置されている。また、拘束部材１９ａは、少なくとも単セル１１ａの位置を拘束している。尚、図示はしていないが、積層体１２の後方側の外側面１２ａ、左側の外側面１２ａ、及び右側の外側面１２ａにも、それぞれ拘束部材１９ａが設置されている。このように、単セル１１ａの位置を拘束する拘束部材１９及び１９ａは、積層体１２の周方向に間隔を空けて複数設置されていることになる。従って、中心線Ｃよりも上方Ｄ１に設置された拘束部材１９及び１９ａとの合計数は８であり、中心線Ｃよりも下方Ｄ２に設置された拘束部材１９よりも数が多く設置されている。従って、中心線Ｃよりも上方Ｄ１に設置された拘束部材１９及び１９ａの拘束力は、中心線Ｃよりも下方Ｄ２に設置された拘束部材１９の拘束力よりも大きくなり、複数の単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。図６Ｃは、拘束部材１９ａの斜視図である。拘束部材１９ａの幅Ｗ９ａ及び長さＬ９ａは例えばそれぞれ３０ｍｍである。また、金属部１９１ａの厚さｔ９１ａ及び弾性部１９３ａの厚さｔ９３ａは、例えばそれぞれ３ｍｍである。

上記実施例及び変形例での拘束部材は、積層体１２の角部を拘束するように設けられているが、これに限定されず、上述した第５変形例での拘束部材１９ａのように、積層体１２の外側面１２ａの平坦な部分のみを拘束してもよい。

上記実施例及び変形例での拘束部材は、積層体１２の全ての角部を拘束しているが、これに限定されず、積層体１２の少なくとも1つの角部を拘束してもよいし、少なくとも一つの外側面１２ａを拘束していればよい。例えば、モジュールに作用する慣性力の方向が予め想定できる場合には、その慣性力の作用により単セルの位置ずれが生じやすい方向も想定できるため、このような位置ずれを規制する位置に拘束部材を設置してもよい。即ち、拘束部材により積層体１２に作用する拘束力の方向は、１つのみの方向であってもよい。

上記実施例及び変形例では、上方Ｄ１に設置された単一の拘束部材の拘束力は、下方Ｄ２に設置された単一の拘束部材の拘束力と同じ又はそれ以上であるが、これに限定されない。例えば、上方Ｄ１に設置された単一の拘束部材の拘束力は下方Ｄ２に設置された単一の拘束部材の拘束力よりも小さいが、上方Ｄ１に設置された拘束部材の数が下方Ｄ２に設置された拘束部材の数よりも多く、積層体１２の上方Ｄ１の拘束力が下方Ｄ２の拘束力よりも大きければよい。また、上方Ｄ１に設置された単一の拘束部材の拘束力は下方Ｄ２に設置された単一の拘束部材の拘束力よりも小さいが、上方Ｄ１に設置された拘束部材の硬度が下方Ｄ２に設置された拘束部材の硬度よりも高く、積層体１２の上方Ｄ１の拘束力が下方Ｄ２の拘束力よりも大きければよい。

拘束部材は、ケース１６の内側の壁面に設けられた凹部に一部が埋め込まれていてもよい。また、上記実施例や第１〜第５変形例では、対向部材の一例として角筒状のケース１６を例示したが、これに限定されない。即ち、対向部材は、角柱状の積層体の４つ外側面のうち少なくとも一つに対向していればよい。例えば対向部材は、エンドプレート１４ａ及び１４ｂ同士を接続して積層体１２に対して積層方向への荷重を確保し、外側面１２ａに対向した平板状のテンションプレート等であってもよい。この場合、拘束部材はテンションプレートと外側面１２ａとの間に設置される。

次に、第６変形例のユニット１ｆが車両に搭載された場合について説明する。図７Ａは、車両１００を前方から見た場合のコンパートメントルームＲ内を示した図である。図７Ｂは、車両１００の前方側を側方から見た場合のコンパートメントルームＲ内を示した図である。ユニット１ｆは、車両１００の前方側のコンパートメントルームＲ内に収納されている。コンパートメントルームＲ内には、フロントサスペンションメンバ５１が収納されており、フロントサスペンションメンバ５１上には、不図示のドライブシャフトを介して車輪８０を駆動するためのモータ７０が支持されている。フロントサスペンションメンバ５１上には３つの脚部材５３が固定されており、３つの脚部材５３の先端部にはそれぞれブラケット２４ａ〜２４ｃが固定されている。ブラケット２４ａ〜２４ｃは、スタック１０ｆのエンドプレート１４ｂｆに固定されているため、スタック１０ｆは、フロントサスペンションメンバ５１から所定の高さ位置で支持されている。従って、スタック１０ｆはモータ７０の上方側で支持されている。よって、モジュール５ｆは、被固定部材であるフロントサスペンションメンバ５１に脚部材５３を介して固定されている。フロントサスペンションメンバ５１は、車体構成部材の一例でもある。

ユニット１ｆのモジュール５ｆは、スタック１０ｆに一体的に設けられたエアコンプレッサ２０及び昇圧コンバータ３０を含む。エアコンプレッサ２０は、スタック１０ｆに発電に供される酸化剤ガスを供給する。昇圧コンバータ３０は、スタック１０ｆの発電電力を昇圧して、不図示のインバータを介してモータ７０に供給する。エアコンプレッサ２０及び昇圧コンバータ３０は、スタック１０ｆに一体的に設けられた補機の一例である。エアコンプレッサ２０は、エンドプレート１４ｂｆとフロントサスペンションメンバ５１との間であってエンドプレート１４ｂｆの下面に、ネジなどの締結部材により固定されている。また、エンドプレート１４ｂｆは、上述したエンドプレート１４ｂとは異なり、スタック１０ｆの後方側に大きく突出して形成されており、昇圧コンバータ３０は、スタック１０ｆの後方側であってエンドプレート１４ｂｆのスタック１０ｆから突出した部分に保持されている。従って、図７Ａ及び図７Ｂに示した重心Ｇは、スタック１０ｆとエアコンプレッサ２０と昇圧コンバータ３０とを含んだモジュール５ｆの全体の重心である。この場合においても、重心Ｇはブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域よりも上方Ｄ１側に位置しており、例えば車両１００が前方衝突した場合には、２４ａ及び２４ｂを結ぶ線分を軸として回転するように、ユニット１ｆに慣性力が作用する。図８は、第６変形例のユニット１ｆを前方から見たスタック１０ｆの断面図である。上述した実施例と同様に拘束部材１８及び１９が設置されているため、単セル１１の位置ずれを効果的に抑制できる。

補機の一例としてエアコンプレッサ２０及び昇圧コンバータ３０を示したが、これに限定されず、補機は、スタック１０ｆの運転に必要となる機器や、スタック１０ｆの発電電力が供給される機器であってもよい。スタック１０ｆの運転に必要となる機器とは、例えば、上述したエアコンプレッサ２０や、燃料ガス又は冷却水をスタック１０ｆに循環させるポンプ、酸化剤ガスや燃料ガス又は冷却水が流れる配管、このような配管上に設けられた開閉弁、スタック１０ｆに供給する燃料ガスを噴射するインジェクタ、酸化剤ガスを加湿する加湿器、冷却水の温度や燃料ガスの圧力を検出するセンサ等である。スタック１０ｆの発電電力が供給される機器とは、例えば、上述した昇圧コンバータ３０や、スタック１０ｆから供給された電力を直流から交流に変換するインバータ等である。また、上記の場合には、エアコンプレッサ２０及び昇圧コンバータ３０はエンドプレート１４ｂｆに固定されているが、これに限定されず、スタック１０ｆのエンドプレート１４ｂｆ以外の部分にこのような補機が固定されていてもよい。例えば、補機はエンドプレート１４ｂｆから離れてスタック１０ｆの上面や側面に固定されていてもよい。

第６変形例では、モジュール５ｆがフロントサスペンションメンバ５１に固定されるが、これに限定されず、例えばコンパートメントルームＲ内であってフロントサスペンションメンバ５１よりも上方に設置されているフロントサイドメンバに固定されていてもよい。車体構成部材は、上述のフロントサスペンションメンバ５１やフロントサイドメンバに限定されず、車体の骨格を形成し、モジュールを固定できる部材であればよい。

上記実施例及び変形例においては、ブラケット２４ａ〜２４ｃがエンドプレート１４ｂを被固定部材に固定する例を説明したがこれに限定されない。例えば、ケース１６やエンドプレート１４ａを被固定部材に固定してもよい。また、スタックに補機が一体的に設けられている場合には、ブラケット２４ａ〜２４ｃは補機を被固定部材に固定することによりモジュールを固定してもよい。

上記実施例及び変形例においては、３つのブラケット２４ａ〜２４ｃによりモジュールが固定される例を説明したが、これに限定されない。例えば４つ以上の固定部材や２つの固定部材のみによりモジュールが固定されていてもよい。何れの場合も、モジュールの重心がこれら固定部材の間の領域の外側に位置する場合には、これらの複数の固定部材の間の領域を支点としてスタックが回転するように慣性力が作用する。

上記実施例及び変形例においては、重心Ｇよりも下方Ｄ２にあるブラケット２４ａ〜２４ｃによりモジュールが固定されている例を説明したが、これに限定されない。例えば、重心Ｇよりも上方Ｄ１でブラケット２４ａ〜２４ｃによりモジュールが固定されていてもよい。この場合、重心Ｇはブラケット２４ａ〜２４ｃの間の領域よりも積層方向ＬＤの下方Ｄ２にあるため、積層方向ＬＤの一方側とは下方Ｄ２側であって重力方向の下方側となり、積層方向ＬＤの他方側とは上方Ｄ１側であって重力方向の上方側となる。上記実施例及び変形例では、積層体の積層方向が重力方向に略一致する場合を例に説明したがこれに限定されない。例えば積層方向が重力方向に交差する場合であってもよいし、重力方向に直交する水平方向となる場合であってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 燃料電池ユニット
５ 燃料電池モジュール
１０ 燃料電池スタック
１１ 単セル
１２ 積層体
１２ａ 外側面
１６ ケース
１８、１９ 拘束部材
２４ａ〜２４ｃ 固定部材
５１ フロントサスペンションメンバ
２０ エアコンプレッサ（補機）
３０ 昇圧コンバータ（補機）
Ｃ 中心線
Ｇ 重心

Claims (7)

1. 複数の単セルが積層された積層体、前記積層体を積層方向で挟持する一対のエンドプレート、前記積層体の前記積層方向に沿う外側面に対向した対向部材、及び前記対向部材と前記積層体との間に設置され前記外側面に接触することにより前記積層方向に直交する方向での前記積層体の位置を拘束する第１及び第２拘束部材、を含む燃料電池スタックを有した、燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを被固定部材に固定する複数の固定部材と、を備え、
   前記燃料電池モジュールの重心は、複数の前記固定部材の間の領域よりも前記積層方向の一方側にあり、
   前記第１拘束部材は、前記積層体の中心よりも前記積層方向の前記一方側を拘束し、
   前記第２拘束部材は、前記積層体の中心よりも前記積層方向の他方側を拘束し、
   前記第１及び第２拘束部材は、前記積層体の中心よりも前記積層方向の前記一方側を拘束する拘束力が、前記積層体の中心よりも前記積層方向の前記他方側を拘束する拘束力よりも大きくなるように設けられている、燃料電池ユニット。
2. 前記第２拘束部材は、前記積層体の前記他方側の端部にあり、
   前記第１拘束部材は、前記積層体の前記一方側の端部にある、請求項１の燃料電池ユニット。
3. 前記第１拘束部材の大きさは、前記第２拘束部材よりも大きい、請求項１又は２の燃料電池ユニット。
4. 前記第１拘束部材の硬度は、前記第２拘束部材よりも高い、請求項１乃至３の何れかの燃料電池ユニット。
5. 少なくとも前記第１拘束部材は複数設けられており、
   前記第１拘束部材の数は、前記第２拘束部材よりも多い、請求項１乃至４の何れかの燃料電池ユニット。
6. 前記燃料電池モジュールは、前記燃料電池スタックに一体的に設けられた補機を含む、請求項１乃至５の何れかの燃料電池ユニット。
7. 車体構成部材と、
   請求項１乃至６の何れかの前記燃料電池ユニットと、を備え、
   前記被固定部材は、前記車体構成部材である、燃料電池車。

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