JP2004514247A - 燃料電池スタックのマニホールド保持システム - Google Patents

Abstract

伸張し、収縮し、スライドするように適合されたいくつかの柔軟なベルト部材（１０１）を使用して、燃料電池スタック（１）のマニホールド（２１、２２、２３）をそのスタック（１）の表面に対して所定の位置に保持する、燃料電池スタックのマニホールド保持システム（１００）。

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、外部マニホールドを有する燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池スタックに対してシーリングする関係となるように外部マニホールドを維持するための保持システムに関する。
【０００２】
燃料電池は、燃料（たとえば、天然ガス、バイオガス、メタノール、ディーゼル燃料など）の形をした化学エネルギーを電気化学反応により電気エネルギーに直接変換する装置である。燃料電池は、バッテリと同様に、アノードとカソードという２つの電極を含む。バッテリとは異なり、燃料電池は、アノードとカソードのそれぞれに燃料と酸化剤が届けられる限り、電力を発生し続けることになる。より伝統的な発電技術（たとえば、ＩＣエンジン発電機、ガスまたは蒸気タービンなど）を上回る燃料電池の主な利点は、燃料電池は燃料を燃焼せずに化学エネルギーを電気エネルギーに変換することである。したがって、燃料電池の効率は、熱機関のように、カルノー・サイクルによって熱力学的に制限されるわけではない。このため、燃料電池ベースのシステムは、従来の発電装置よりかなり高い効率で動作することができ、それにより、燃料使用量および副産物排出量を削減する。そのうえ、燃料電池内の化学反応は性質が制御され、温度が比較的低いので、このシステムは、炭化水素、一酸化炭素、酸化窒素、酸化硫黄という汚染物質の排出量がほぼゼロになる。
【０００３】
燃料電池は通常、スタック関係になるように配置される。１つの燃料電池スタックは、多くの個別電池を含み、内部マニホールド・スタックまたは外部マニホールド・スタックとして区分することができる。内部マニホールド・スタックでは、燃料と酸化剤を届けるためのガス流路が燃料電池プレート自体に組み込まれている。外部マニホールド・スタックでは、燃料電池プレートはその端部が開放されたままであり、ガスは燃料電池スタックのそれぞれの表面に対して封止されたマニホールドまたはパンによって搬送される。したがって、マニホールドは燃料電池に燃料および酸化剤ガスを搬送するためのシール化された通路として機能し、これにより、これらのガスが周辺環境や他のマニホールドに漏れるのを防止している。マニホールドは、燃料電池の動作に必要な条件下でその寿命が持続している間、この機能を提供し続けなければならない。
【０００４】
燃料電池スタック・マニホールドの性能の重要な一面は、マニホールド・エッジとスタック表面との間に確立されるガスシールである。スタック表面は通常、導電性であり、その長さに沿って電気電位の傾きを有し、マニホールドは通常、金属で構築されるので、燃料電池スタックからマニホールドを絶縁するための誘電絶縁体が必要である。誘電絶縁体は通常、脆性になりがちなセラミックで形成されるので、スタック表面に対してマニホールドを圧縮する際には誘電体を傷つけないように注意しなければならない。
【０００５】
燃料電池スタック・マニホールドのもう１つの要件は、電池構成要素が高温でクリープして高密度になるにつれて、通常、燃料電池スタックがその寿命が尽きるまでに収縮するといった事実に関連している。高さのある燃料電池スタックの場合、全高が２〜３インチだけ減少する可能性がある。これは、そのままでは連続金属マニホールドをスタックの上部と下部の両方に固定することができないため、これらをスタック表面に対してスライド可能な状態にしなければならないことを意味する。したがって、燃料電池スタックに対してマニホールドを圧縮するために使用する保持システムは、マニホールドがスタック表面に沿ってスライド可能な状態にしながらガス漏れを防止するために適度な垂直方向の力を維持しなければならない。その一方で、この力は、誘電絶縁体を壊すほど大きなものにしてはならない。
【０００６】
本質的にその温度分布が不均一なので、高さのある燃料電池スタックは曲がる傾向もある。高温時のスタック上部の水平偏向は、スタックのベースに対して１〜２インチにもなる可能性がある。このため、緊密なガスシールを維持するためには、スタックが曲がることで、マニホールドと保持システムも曲げる必要があるため、これらにはさらなる負荷がかかることになる。
【０００７】
燃料電池は周囲温度より高い温度で動作する（高分子電解質形燃料電池「ＰＥＦＣ」は〜８０℃；リン酸形燃料電池「ＰＡＦＣ」は〜２００°；溶融炭酸塩形燃料電池「ＭＣＦＣ」は〜６５０℃；固体酸化物形燃料電池「ＳＯＦＣ」は〜１０００℃）。したがって、材料の選択と機械設計により、構成要素が燃料電池スタックの寿命が尽きるまでの間（通常は数年間）、持続できるようにしなければならない。これらの構成要素が動作しなければならない環境に対する分応力および腐食を考慮しなければならない。ＭＣＦＣおよびＳＯＦＣの場合、金属構成要素の長期クリープをその設計時に考慮しなければならないほど、温度は十分高く、寿命も十分長い。
【０００８】
本願の譲受人が炭酸塩形燃料電池スタックに使用する現行の燃料電池マニホールド保持システムには、マニホールドのレールに排他的に垂直荷重を加えようとする剛性機械部材とばねとが含まれている。この構成要素は、ニッケルベースの合金およびステンレス鋼などの高温耐食材料で形成される。複数の位置でマニホールド・レールに対し剛性部材で発生した張力を伝達するために板ばねを使用する。これは、マニホールド・レールの下で可能な限り均一な圧力を提供するために行われる。板ばねは、比較的高い応力レベルにさらされるので、この応力を最小限にしてその寿命を延ばすように、厳しい寸法公差で複雑に設計されている。
【０００９】
均一に分散した垂直荷重をマニホールドに加えるための要件を満足するとともにスタック収縮とスタックの曲がりの両方を実現するために、現行設計では多数の各種部品を使用している。材料の選択、幾何形状の複雑さや、この設計で使用する部品の多さにより、高価、かつ重くなり、また難しい取り付け作業となる。また、現行システムは、マニホールドから完全に独立して機能するように設計され、このため、所与の材料の冗長性によって燃料電池スタックのコスト、重量、および複雑さを増している。
【００１０】
その他の燃料電池スタックのマニホールド保持システムは様々な発行特許に記載されている。これらの特許のいくつかを以下に列挙する。
米国特許第４３４５００９号　　　米国特許第４６７０３６１号
特公平６−１２９０７５号　　　　米国特許第４２１２９２９号
米国特許第４８４９３０８号　　　米国特許第４４０７９０４号
米国特許第４３３７５７１号　　　米国特許第４７９４０５５号
米国特許第４７９４０５５号　　　米国特許第４８７３１５５号
米国特許第４２６００６７号　　　米国特許第５８１１２０２号
米国特許第４４６７０１８号　　　米国特許第４４４４８５１号
米国特許第４７３８９０５号　　　米国特許第４４９０４４２号
したがって、本発明の一目的は、上記欠点を持たない燃料電池スタックのマニホールド保持システムを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、あまり高価ではなく、あまり複雑ではなく、かつ組み立てやすい燃料電池スタックのマニホールド保持システムを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の一目的は、より適切にスタックの曲がりおよびスタック収縮を見込んだ燃料電池スタックのマニホールド保持システムを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、重量がより軽く、結果的により効果的にガスシールを行う燃料電池スタックのマニホールド保持システムを提供することにある。
【００１４】
（発明の概要）
本発明の原理によれば、上記及び他の目的は、対応するスタック表面に対してスタック・マニホールドを保持するためのいくつかのストラップ部材を含む燃料電池スタックのマニホールド保持システムにより実現される。各ストラップ部材は１つのマニホールドの範囲上で延びており、取付けアセンブリによりストラップ部材を燃料電池スタックに取り付ける。さらにストラップ部材は、伸張し、収縮し、スライドするように適合している。このようにして、ストラップ部材は、温度変化および材料のクリープによって発生する燃料電池スタックの幾何形状の変化に対処して、燃料電池スタックの表面に対しマニホールドを保持することができる。
【００１５】
以下に開示すべき本発明の実施形態では、各ストラップ部材が１つのマニホールドに接続され、隣接マニホールドの周囲に延び、取付けアセンブリはスタックの反対側にストラップ部材を接続する。また、開示した実施形態では、ストラップ部材が、伸張および収縮を可能にするために、ばね荷重式になっている。そのうえ、取付けアセンブリは、マニホールドの上に延びるストラップ部材の長さを支持するためのトラス部材と、ストラップ部材の両端を保持するためのヨーク・アセンブリおよびフック部材とを含む。これらの構成要素の一部は、溶接などによりマニホールドに固く固定されるが、あるいはマニホールド自体の一部として設計することもできる。
【００１６】
本発明の上記その他の特徴および態様は、添付図面に関連して以下の詳細な説明を読めば、より明らかになるだろう。
【００１７】
（詳細な説明）
図１〜４は、本発明の原理による燃料電池スタックのマニホールド保持システム１００を含む燃料電池スタック１を示している。燃料電池スタック１は複数のスタック式燃料電池を含み、それに対してプロセス・ガスが供給され、ガス・マニホールドを介して排気ガスが排出される。また、スタックの上部と下部には端板１１および１２も位置する。
【００１８】
図１〜４の例示的な燃料電池スタックの場合、３つのマニホールド２１、２２、２３が使用されている。これらのマニホールドは、燃料注入および排出マニホールドならびに酸化剤排出マニホールドとしてそれぞれ機能し、スタック表面２、３、４に隣接して位置する。酸化剤注入口として機能する第４のマニホールドは、第４のスタック表面５に関連づけられ、その中にスタックが挿入される容器によって提供される。この容器は添付図面には図示していない。
【００１９】
それぞれのスタック表面に隣接するそれぞれのマニホールドをすべて有するスタックにも本発明の原理が同様に適用されることに留意されたい。そのうえ、本発明の原理は、任意の数の表面およびマニホールドを有するスタックに適用されることを意図している。
【００２０】
図示の事例では、それぞれのマニホールド２１、２２、２３は、上部および下部の水平レールならびに左右の垂直レールを介してそれぞれのスタック表面２、３、４に接している。各マニホールドのレールは、スタック１の様々な動作条件下でそれぞれのスタック表面とのガスシール（封止）インタフェースを可能にするために必要なものである。図示の通り、マニホールド２１は垂直レール２１Ａ、２１Ｂと水平レール２１Ｃ、２１Ｄを有し、マニホールド２２は垂直レール２２Ａ、２２Ｂと水平レール２２Ｃ、２２Ｄを有し、マニホールド２３は垂直レール２３Ａ、２３Ｂと水平レール２３Ｃ、２３Ｄを有する。
【００２１】
見えない状態になっているが、各マニホールド・レールとそのそれぞれのスタック表面との間には誘電絶縁体がある。これらの絶縁体はスタックからマニホールドを電気的に隔離するものであり、マニホールドとスタック表面との間のガスシールを実現する際にその完全性を維持しなければならない。
【００２２】
本発明の原理によれば、スタック・マニホールド保持システム１００は、ストラップ部材１０１とストラップ取付けアセンブリ２００とを含む。ストラップ部材１０１はスタック表面と封止係合した状態にマニホールド２１、２２、２３を保持し、取付けアセンブリ２００はストラップ部材１０１をスタック１に取り付ける。
【００２３】
各ストラップ部材１０１は、対応するマニホールドの範囲の上に延び、スタックの動作条件の結果として発生するスタックの幾何形状およびスタック構成要素の変化に対処するために伸張し、収縮し、スライドするように適合されている。このようにして、ストラップ部材１０１は、マニホールド２１、２２、２３の水平レールおよび垂直レールに対して所望の圧力を付与するように作ることができ、それにより、誘電絶縁体の完全性を維持しながら、スタック表面に対してレールをシールする。
【００２４】
図示した事例では、燃料電池スタック１は長方形であり、すなわち、スタック表面４および５はスタック表面２および３の等幅ａより大きい等幅ｂを有し、ストラップ部材１０１はスタックの短い方の表面２および３の周囲のみに経路が定められている。このため、ストラップ部材の長さは最小限になり、したがって、時間の経過につれてストラップ部材で発生するクリープが最小限になる。そのうえ、ストラップ部材１０１は、囲まれているマニホールド２１および２２を所定の位置に保持するだけでなく、マニホールド２３も保持する。
【００２５】
より具体的には、それぞれのマニホールド２１および２２の長さに沿って６つのストラップ部材１０１が分散して配置されている。さらに、各ストラップ部材１０１は、それぞれのマニホールドの幅の上に延びる範囲を有し、各ストラップ部材１０１は端部セクション１０１Ａおよび１０１Ｂを有する。
【００２６】
各ストラップ部材は、マルチワイヤ・ロープ（ケーブル）として、または積層フラット・ストリップとして、あるいはマニホールドを取り囲み、マニホールドに対してスライドするために必要な柔軟性をもたらすその他の任意の部材として設計することができる。ストラップ部材とその支持表面との摩擦を低減し、腐食くずがストラップ部材から周囲環境に落ちるのを防止するためには、各ストラップ部材１０１を柔軟なセラミック管に収める（編み組にする）ことで可能となろう。別の手法として、適切な高温耐食コーティングでストラップ部材をコーティングしてもよい。
【００２７】
ストラップ部材のスライド機能は、燃料電池スタックの熱膨張および収縮の結果としてスタックの外周部に変化が生じるときに、マニホールドの周りに伸びるストラップの範囲が増減できるようにする際に有利である。特に、ストラップ部材が占める経路の長さの変動は、マニホールドに対するストラップの相対スライドによって反映される。このようにして、スタックの温度にかかわらず、すべてのマニホールドに所望の荷重を加えることができる。
【００２８】
各ストラップ部材１０１がそのそれぞれの長さまたは範囲を伸張し収縮できるようにするため、各ストラップ部材はばね荷重式になっている。より具体的には、各ストラップ部材１０１には、その端部部分１０１Ａにばねアセンブリ１０２が設けられている。ばねアセンブリ１０２は、そのそれぞれのストラップ部材１０１を緊密に保持し、スタック表面で誘電絶縁体に対して所望のマニホールド圧力を達成するために所定の温度で適切な荷重を加えるように設計されている。そのうえ、お分かりのように、各ばねアセンブリは、システムの熱膨張によるストラップ部材経路長の差を補償し、熱収縮または高温での材料クリープなどのその他の影響によって発生するストラップ部材のたるみも吸収する。
【００２９】
開示した実施形態では、図６により明確に示すように、ばねアセンブリ１０２は、圧縮状態のコイルばね１０２Ａを含む。ばね１０２Ａは、端部セクション１０１Ａでそれぞれのストラップ部材を取り囲む関係にあり、一方の端部が停止部材１０２Ｂに取り付けられている。停止部材１０２Ｂもストラップ部材の端部セクション１０１Ａを取り囲み、その終端部に固く取り付けられている。第２の停止部材１０２Ｃは、ばねのもう一方の端部に位置し、やはりストラップ部材の端部セクションを取り囲んでいる。
【００３０】
図示の通り、停止部材１０２Ｂおよび１０２Ｃは座金であり、停止部材１０２Ｃは自動調心座金である。各座金が球形であることにより、各座金は旋回して製造時および組立時の変動によるストラップ角度のわずかな差を補償することができる。円筒形その他の湾曲形状も使用することができる。
【００３１】
同様に、その他のタイプのばねもばね１０２Ａとして使用することができる。したがって、たとえば、引張りばね、皿ばね、ねじりばね、板ばねによる構成も使用できるだろう。
【００３２】
また、各ストラップ部材１０１がそれに関連するばねの軸に平行になっていることは重要なことである。これにより、ばねを傾ける可能性のある横荷重は一切加えられないことが保証され、高い曲げ応力がストラップ端部に伝えられないことも保証される。
【００３３】
そのそれぞれのマニホールドの周りに各ストラップ部材１０１の経路を定めるための経路は、マニホールド・レールで望ましい圧力分布によって決まる。この実施形態では、マニホールド・レールのすべての領域で均一かつ等しい圧力が望ましい。このような実情なので、マニホールドの垂直レールに圧力を加えるストラップ部材の場合、すなわち、最上部ストラップ部材と最下部ストラップ部材の間に位置するストラップ部材の場合、隣接マニホールドの垂直レールに隣接するストラップ部材の各セクションがスタックの関連表面と４５°の角度を形成するようにストラップ部材の経路が定められる。この結果、ストラップの張力はすべての垂直マニホールド・レールに等しく分散される。特に、各垂直レールに加えられる力は、ストラップ部材の張力の√２／２倍に等しくなる。
【００３４】
これに対して、マニホールドの水平レールに圧力を加えるように経路が定められたストラップ部材、すなわち、マニホールドを取り囲む最上部および最下部ストラップ部材については、対応する隣接スタック表面の幅のアスペクト比によって決まる角度でもって経路を定めなければならない。これについては、図５に図解されている。
【００３５】
隣接スタック表面がそれぞれ異なる幅ａおよびｂを有する図１のスタック１の場合、すなわち、長方形の設置面積を有するスタックの場合、短い方の表面で測定した角度は、長い方の表面の幅ｂに対する短い方の表面の幅ａの比の逆正接に等しい。図５にも示すこの角度により、等しい封止圧力が達成されるように、ストラップ部材の張力を短い方と長い方の水平マニホールド・レール間で分割することができる。また、スタック表面の長さが等しいこの図からお分かりのように、正方形の設置面積を有するスタックの場合、経路設定角度θは４５°になる。
【００３６】
ストラップ部材１０１が上記のようにマニホールド２１、２２、２３を所定の位置に保持できるようにするために、取付けアセンブリ２００は、トラス部材２０１と、ヨーク・アセンブリ２０３と、フック部材２０４とを含む。それぞれのトラス部材は上部湾曲セクション２０１Ａと脚部材２０１Ｂとを含む。各ヨーク・アセンブリは、そのそれぞれの端部にばね支持イヤーまたは部材２０３Ｂを有するベルト部材２０３Ａを含む。
【００３７】
トラス部材２０１は、それぞれのマニホールド２１および２２の幅の上に延びている。フック部材２０４は、マニホールド２３の垂直レール２３Ａおよび２３Ｂに接続されている。好ましくは、トラス部材とフック部材はそれぞれのマニホールドと一体になっている。これは、トラス部材とフック部材をマニホールドに溶接することによって達成することができる。別の手法としては、トラス部材とフック部材をそれぞれのマニホールドの一部として一体に設計してもよいだろう。
【００３８】
図７および図８においてより明確に示すように、マニホールドの水平レール２３Ｃおよび２３Ｄはスロット２０２Ａを有し、フック部材２０４は関連ストラップ部材１０１の端部１０１Ｂすなわちデッド・エンドを捕捉するためのスロット２０４Ａを含む。その場合、これらのストラップ部材１０１は、トラス部材２０１のそれぞれの湾曲セクション２０１Ａを通り越す。各トラス・セクション２０１Ａの湾曲は、ストラップ部材１０１の上記の所望の経路設定を実現して、実質的に等しい一定圧力をマニホールド・レールで達成するようなものになっている。
【００３９】
特に、各セクション２０１Ａは円形セクタの湾曲を有する。前述したようにストラップ部材１０１がスタック表面に隣接して通過するときにストラップ部材１０１に所望の角度をもたらす接点において、各ストラップ部材はセクション２０１Ａを離れるようにすることができる。
【００４０】
同じく前述したように、各ストラップ部材１０１のデッド・エンド１０１Ｂは、フック部材２０４あるいは水平レール２３Ｃまたは２３Ｄの一方のいずれかのスロットに捕捉される。
【００４１】
これらのストラップ部材のデッド・エンドは、旋回して製造時および組立時の変動によるストラップ角度のわずかな差を補償するように設計されている。これは、形状が円筒形になるようにデッド・エンドを構成することによって実現されるが、たとえば球形などのその他の形状も使用できるだろう。
【００４２】
ストラップ部材１０１のばねアセンブリ１０２は、燃料電池スタックの表面５まで導かれ、そこで支持される。特に、スタック表面からの電気的絶縁を維持しながら、ばねアセンブリ１０２をそれぞれの適切な位置および向きに支持するために、上記のヨーク・アセンブリ２０３を使用する。
【００４３】
より具体的には、各ヨーク・アセンブリ２０３のベルト部材２０３Ａはスタックの表面５の幅にまたがっている。そのうえ、各ベルト部材２０３Ａと、それに対応し、ばねアセンブリ１０２を保持するばね支持イヤー２０３Ｂ（図６を参照）は、すべての荷重条件下でもばねアセンブリが適切な方向に向けられ、ヨーク・アセンブリ２０３に関連する誘電アセンブリ２０５にいかなる横荷重または回転も加えられないように設計されている。
【００４４】
誘電アセンブリ２０５については、以下により詳しく述べるが、スタック表面５からばね支持イヤーを電気的に絶縁し、スタック表面５に対してばね支持イヤーがスライドできるようにしている。これを達成するため、各ばね支持イヤー２０３Ｂは、荷重を受けたときに大幅に偏向しないように十分固いものになっている。さらに、ばね支持イヤーの受け膝からベルト部材２０３Ａまでの高さｈは、受け膝あたりでゼロ・モーメントになるように選択されている。
【００４５】
特に、図９に示すように、高さｈは、ストラップ部材１０１から支持イヤー２０３Ｂの受け膝までの垂直長ｌを取り、ストラップ部材が隣接スタック表面とともに形成する角度（図９に角度θとして示すもの）の余弦で割ることによって得られる。この幾何形状によって、ばね支持イヤーと誘電アセンブリの接点でゼロ・モーメントが得られ、それにより、ばねは適切な向きを維持できるようになり、ベルト部材２０３Ａは純粋な伸張状態に置かれる。これにより、ベルト部材２０３Ａは比較的薄く軽いものにすることができる。
【００４６】
前述のように、各ばね支持イヤー２０３Ｂは、誘電アセンブリ２０５の使用により、燃料電池スタック表面５から電気的に隔離され、それに対して滑ることができるようになっている。図１０に示すように、各誘電アセンブリ２０５は、第１および第２のセラミック・スラブ２０５Ａおよび２０５Ｂを含む。これらのスラブは、スラブ間に位置するセラミック・クロスの層２０５Ｃによって分離されている。
【００４７】
この事例では、一方のスラブ２０５Ａは受け膝でイヤー支持部に取り付けられ、もう一方はスタック表面に固定され、両者の間にクロスが位置する。スタックが収縮するにつれて、セラミック・クロス平面でスタックとイヤーの間の相対運動が発生する。この平面は、腐食や溶融の見込みのない低摩擦表面をもたらすものである。
【００４８】
お分かりのように、最上部および最下部ストラップ部材１０１と、関連トラス部材２０１およびヨーク・アセンブリ２０３は、マニホールド２１および２２の水平レールに所望の均一荷重圧力を加える。マニホールド２３の水平レールが同様の保持圧力を受けるためには、水平レールは、動作圧力の荷重を受けたときに大幅に偏向しないように十分な固さで設計しなければならない。
【００４９】
ストラップ部材１０１のデッド・エンドを保持するように水平レール２３Ｃおよび２３Ｄを構成することに代わる別の手法として、水平レールを平らなものにしてもよく、ストラップ部材１０１のデッド・エンドを捕捉するためのスロット２０２Ａを有するテンション・バーをレールに接して位置決めすることができる。これらのテンション・バーは、２通りの技法のいずれか一方により、レールの均一荷重を可能にするように構成することができる。一方の技法は、その部材が偏向するときにバーが均一圧力を加えるように、各バーを機械加工してそれに適切な輪郭を与えることを企図するものである。第２のより単純な技法は、バーが偏向した後で各シムの下で均一圧力を発生するように、特定の厚さのシムを各バーの下に配置することである。
【００５０】
お分かりのように、燃料電池スタックのマニホールド保持システム１００において最高応力の構成要素は、柔軟なストラップ部材１０１とばね１０２Ａである。これらの構成要素が妥当な重量とコストを有するようにするためには、比較的高い応力でこれらを設計しなければならない。スタック１の燃料電池は温度が高く、寿命が長いので、ストラップ部材１０１の長期クリープとばね１０２Ａの応力緩和を反映して、保持システム１００の設計に取り入れなければならない。ストラップ部材とばねの設計を最適化し、スタックの寿命が維持されている間、適当なマニホールド・ガスケット（誘電絶縁体）の圧力を提供するために、ストラップ部材１０１の高温クリープと、ばね１０２Ａの応力緩和と、すべての構成要素の熱膨張を取り入れた数学モデルが開発されている。このモデルに基づいて、スタックの寿命の持続時間について予測されるストラップの張力とマニホールド・ガスケットの圧力を示す代表的な曲線が作成され、図１１に示されている。
【００５１】
高温での材料のクリープは、温度と応力レベルにつれて指数関数的に増加する非線形現象である。この事実は、保持システム１００で有利に使用されている。ばねとストラップ部材のこの配置により、両方の構成要素のクリープは自己制御式プロセスになる（図１１を参照）。各ストラップ部材がクリープすると、ばねの偏向が減少し、その後、ストラップ部材とばねの応力も減少する。ばねが応力を緩和すると、ストラップ部材に加えられる荷重も緩和され、それにより、両方の構成要素におけるクリープ速度が低減される。ストラップ部材とばねの幾何形状を適切に選択し、開始ばね偏向を指定することにより、燃料電池スタックの寿命の間、適当な誘電絶縁体圧力が維持される。スタックの寿命の始めには、スタックを出荷する間にマニホールドが下に滑らないことを保証するために、より高い圧力が必要である。取付け後は、この圧力はガス漏れを防止するのに十分なものであればよい。
【００５２】
図１２は、図１〜４に示された燃料電池スタックのマニホールド保持システムの代替的な実施形態を示しており、同図において、酸化剤注入マニホールドとして機能するマニホールド２４は、燃料電池スタック１の表面５に隣接して配置されている。マニホールド２４は、垂直レール２４Ａ、２４Ｂおよび水平レール２４Ｃ、２４Ｄを介して表面５に接している。
【００５３】
この実施形態では、ばね支持イヤーまたは部材２０３Ｂは、溶接またはマニホールド成形のいずれかにより、マニホールド２４と一体に形成されている。したがって、ばね支持イヤー２０３Ｂは、ベルト部材２０３Ａおよび誘電アセンブリ２０５を必要とせずに、ばねアセンブリ１０２を支持することができる。
【００５４】
いずれの場合でも、上記の構成は、本発明の応用例を表す多くの可能な具体的実施形態を例示するものにすぎないことは言うまでもないことである。本発明の思想および範囲を逸脱せずに本発明の原理により他にも多数の様々な構成を容易に考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】、
【図２】、
【図３】、
【図４】
図１〜４は、本発明の原理による燃料電池スタックのマニホールド保持システムを含む燃料電池スタックの様々な図である。
【図５】
図１〜４の燃料電池スタックのマニホールド保持システムのストラップ部材の一部がたどる経路を絵画的に示す図である。
【図６】、
【図７】、
【図８】
図６〜８は、図１〜４の燃料電池スタックのマニホールド保持システムのストラップ部材の様々な端部の構成を示す図である。
【図９】
図１〜４の燃料電池スタックのマニホールド保持システムのヨーク・アセンブリの一部の構成を示す図である。
【図１０】
図１〜４の燃料電池スタックのマニホールド保持システムで使用するヨーク・アセンブリの誘電インタフェースを示す図である。
【図１１】
図１〜４の燃料電池スタックのマニホールド保持システム用のストラップ部材の張力とマニホールド・ガスケットの圧力に関する予測特性を示す図である。
【図１２】
図１〜４の燃料電池スタックのマニホールド保持システムの変更態様を示す図である。

Claims (37)

1. いくつかの表面と、該表面にそれぞれ接するいくつかのマニホールドとを有する燃料電池スタックとともに使用され、該マニホールドのそれぞれを該燃料電池スタックの対応する表面に対して保持する燃料電池スタックのマニホールド保持システムであって、
   それぞれ前記燃料電池スタックの対応するマニホールドの範囲上に延びており、伸張・収縮・スライドするように適合したいくつかのストラップ部材と、
   前記ストラップ部材を前記燃料電池スタックに取り付けるための取付けアセンブリとを含み、
   前記ストラップ部材は、前記燃料電池スタックの幾何形状の変化に対処するよう前記燃料電池スタックに対して前記マニホールドを保持する、燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
2. 前記伸張および収縮を可能にするために、それぞれの前記ストラップ部材がばね荷重式になっている、請求項１に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
3. 前記ストラップ部材が前記マニホールドに均一荷重をもたらすよう、前記ストラップ部材が、前記取付けアセンブリへの接続点間の経路に沿って配置されている、請求項２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
4. 各ストラップ部材が、第１の端部と；記第１の端部にあるばねと；前記取付けアセンブリによって保持される第２の端部とを含み、前記ばねは、前記ストラップ部材と、前記ばねの反対側の端に接する第１および第２の停止部材とを取り囲み、前記第１の停止部材は前記ストラップ部材の第１の端部の終端点から最も遠くに配置され前記取付けアセンブリによって保持され、前記第２の停止部材は前記ストラップ部材の第１の端部の前記終端点に最も接近して配置され前記ストラップ部材に取り付けられている、請求項２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
5. それぞれの第１および第２の停止部材が、対応するストラップ部材を取り囲む座金を含む、請求項４に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
6. それぞれの第１の停止部材が自動調心座金である、請求項３に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
7. 各第１の停止部材と、各ストラップ部材の第２の端部とが旋回可能である、請求項４に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
8. 各第１の停止部材と、各ストラップ部材の第２の端部の形状とが、球形および円筒形のうちの１つである、請求項７に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
9. 前記取付けアセンブリは、いくつかのトラス部材を含み、該トラス部材は、上部湾曲セクションと脚とを含み、該脚は前記湾曲セクションから下に延びて対応するマニホールドに接し、
   各マニホールドに対応するトラス部材は、そのトラス部材の上部湾曲セクション上でそのマニホールドに対応するストラップ部材を支持する、請求項４に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
10. 各トラス部材が、そのトラス部材の脚を介して対応マニホールドに接続される、請求項９に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
11. 各トラス部材が、そのトラス部材の脚を介して対応マニホールドに溶接される、請求項１０に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
12. 前記取付けアセンブリが、前記燃料電池スタックに取り付けられ、ストラップ部材の第２の端部を保持するいくつかのフック部材と；前記燃料電池スタックに取り付けられ、第１の停止部材と係合するいくつかのばね支持部材とをさらに含む、請求項９に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
13. 前記トラス部材のそれぞれと前記フック部材のそれぞれが１つのマニホールドに接続される、請求項１２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
14. 前記ばね支持部材のそれぞれが、前記スタックの一表面に対して保持される、請求項１３に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
15. 前記トラス部材のそれぞれと前記フック部材のそれぞれが１つのマニホールドに溶接される、請求項１４に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
16. 前記燃料電池スタックが、第１および第２の対向表面と、第３および第４の対向表面とを有し、
    前記燃料電池スタックが、前記燃料電池スタックの前記第１、第２、および第３の表面に接する第１、第２、および第３のマニホールドを含み、前記第１、第２、および第３のマニホールドのそれぞれが、そのマニホールドの幅方向の両端にある垂直レールと、そのマニホールドの長さ方向の両端にある水平レールとを含み、
    前記いくつかのトラス部材が前記第１のマニホールドの長さ方向に沿って互いに間隔を置いて配置され、それぞれ前記第１のマニホールドの幅方向に沿って延び、
    前記いくつかのトラス部材が前記第２のマニホールドの長さ方向に沿って互いに間隔を置いて配置され、それぞれ前記第２のマニホールドの幅方向に沿って延び、
    いくつかのフック部材が前記第３のマニホールドの各垂直レールの長さ方向に沿って互いに間隔を置いて配置され、
    いくつかのばね支持部材が前記スタックの第４の表面の各垂直側の長さ方向に沿って互いに間隔を置いて配置される、請求項１４に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
17. 前記第１および第２のマニホールドが等幅のものであり、
    前記第３および第４のマニホールドが、前記第１および第２のマニホールドの幅より大きい等幅のものである、請求項１６に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
18. 各ばね支持部材と前記第４の表面との間に配置され、そのばね支持部材を前記第４の表面から電気的に絶縁し、前記ばね支持部材が前記第４の表面に対して滑ることができるようにするための誘電アセンブリをさらに含む、請求項１６に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
19. 各誘電アセンブリが、第１および第２のセラミック・スラブと；前記第１および第２のスラブ間に位置する誘電クロスとを含む、請求項１８に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
20. 前記取付けアセンブリがいくつかのベルト部材をさらに含み、各ベルト部材が前記スタックの第４の表面に対向する側のばね支持部材を接続する、請求項１８に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
21. １つのベルト部材と対応するばね支持部材との組合せのそれぞれが１つのヨーク部材を形成し、前記ヨーク部材がそのばね支持部材の前記第４のスタック表面への接点に対しゼロ・モーメントを提供するように適合し、それによりそこで垂直力のみ加えられ、支持されたばねを適切な位置に維持し、前記ベルト部材を伸張状態にしてその断面積を最小限にする、請求項２０に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
22. 第１および第２のトラス部材が前記第１のマニホールドの上部および下部水平レールに沿って位置し、
    第３および第４のトラス部材が前記第２のマニホールドの上部および下部水平レールに沿って位置し、
    前記第３のマニホールドの上部および下部水平レールが前記取付けアセンブリの一部を形成し、前記第３のマニホールドの前記上部および下部水平レールの各端部が前記第１ないし第４のトラス部材の１つに位置するストラップ部材の第２の端部を保持する、請求項２０に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
23. 前記ストラップ部材によって前記第１、第２、および第３のマニホールドの垂直レールの長さに沿って均一な圧力を発生し、前記ストラップ部材が前記第１および第２のマニホールドの水平レールの長さに沿って均一圧力を発生するように、前記トラス部材の上部湾曲セクションの湾曲が選択されている、請求項２２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
24. 前記第１および第２のマニホールドの長さに沿って配置され、前記第１ないし第４のトラス部材以外のトラス部材によって支持されるストラップ部材の第２の端部は、該端部が交差する燃料電池スタックの隣接表面に対して４５度の角度になるように、そのトラス部材の上部湾曲セクションの湾曲が選択されている、請求項２２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
25. 前記第１ないし第４のトラス部材によって支持されるストラップ部材の第２の端部は、該端部が交差する燃料電池スタックの隣接表面に対して一定の角度になるように、隣接表面の幅同士の比に基づいて、前記第１ないし第４のトラス部材の上部湾曲セクションの湾曲が選択されている、請求項２３に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
26. 前記燃料電池スタックが、第１および第２の対向表面と、第３および第４の対向表面とを有し、
    前記燃料電池スタックは、該燃料電池スタックの前記第１、第２、第３、および第４の表面に接する第１、第２、第３、および第４のマニホールドを含み、前記第１、第２、第３、および第４のマニホールドのそれぞれが、そのマニホールドの幅寸法の両端にある垂直レールと、そのマニホールドの長さ寸法の両端にある水平レールとを含み、
    前記いくつかのトラス部材は、前記第２のマニホールドの長さ寸法に沿って互いに間隔を置いて配置され、それぞれ前記第２のマニホールドの幅寸法に沿って延び、
    前記いくつかのトラス部材は、前記第２のマニホールドの長さ寸法に沿って互いに間隔を置いて配置され、それぞれ前記第２のマニホールドの幅寸法に沿って延び、
    いくつかのフック部材が前記第３のマニホールドの各垂直レールの長さに沿って互いに間隔を置いて配置され、
    いくつかのばね支持部材が前記第４のマニホールドの各垂直レールの長さに沿って互いに間隔を置いて配置される、請求項１４に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
27. 前記ばね支持部材が前記第４のマニホールドと一体に形成される、請求項２２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
28. 前記ばね支持部材が前記第４のマニホールドに溶接される、請求項２７に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
29. 前記取付けアセンブリがいくつかのトラス部材を含み、該トラス部材が、対応するマニホールドに接し、そのマニホールドに関連するストラップ部材を支持する、請求項２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
30. 前記トラス部材が、対応するマニホールドに取り付けられる、請求項２９に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
31. 前記トラス部材が、対応するマニホールドに溶接され、対応するマニホールドの一部として形成される、請求項３０に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
32. 前記トラス部材によって支持される前記ストラップ部材により前記マニホールドに均一圧力を提供するように、前記トラス部材が構成される、請求項３０に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
33. 前記トラス部材のそれぞれが、ストラップ部材を支持するための上部湾曲セクションを有する、請求項２９に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
34. 前記上部湾曲セクションによって支持されるストラップ部材が前記マニホールドの均一荷重を提供するように、前記トラス部材の上部湾曲セクションの湾曲が選択される、請求項３３に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
35. 各上部湾曲セクションの湾曲が円形である、請求項３３に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
36. 前記燃料電池スタックの寿命の終わりに前記マニホールドに対して必要な圧力が提供されるように、前記ストラップ部材とばね荷重が高温クリープについて自己制御式になるよう適合された請求項２に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。
37. 前記ストラップ部材のそれぞれが、編み組セラミック管として形成された外装を含む、請求項１に記載の燃料電池スタックのマニホールド保持システム。

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