JP2005520312A - 燃料電池スタック用のマニホールド取付装置 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタック組立体（１０）は、燃料電池構成要素と、この燃料電池構成要素に隣接して配置された少なくとも１つのマニホールド（１２、１４）と、燃料電池スタック組立体の周りに配置されるとともにマニホールド（１２、１４）を燃料電池構成要素に固定するためのケーブル（１６）と、を備えており、ケーブル（１６）は、燃料電池組立体（１０）の周りのケーブル（１６）の締め付け具合を調整するための調整可能固定部材を有する。

Description

本発明は、燃料電池スタック組立体に関し、より詳細には、電池スタック組立体の全体の体積を低減する、燃料電池スタック用のマニホールド取付装置に関する。

燃料電池と燃料電池スタック組立体（ＣＳＡｓ）は、商用電源、輸送用などを含むさまざまな目的のための電源として使用される。

通常の燃料電池スタック組立体は、例えば図１に示すように、燃料電池スタック構造１を備えており、空気マニホールド２および空気マニホールド３などのマニホールドが、フレーム４を用いてスタック１に保持されており、これらのフレーム４は、一般に、スタック内のマニホールドシールを圧迫するようにタイロッド（図示せず）を用いて結合されている。

残念なことに、空気マニホールドと燃料マニホールドの両方が、図１に示すようにスタックの外部にあるときは、これらのシステムは、空間の利用効率が非常に悪く、このことは、このような燃料電池を輸送用または他の用途に使用するのを困難にしている。

空間の占有がより少ない燃料電池スタック組立体に対する要求が残されていることは明らかである。

従って、本発明の主な目的は、空間の占有がより少ない燃料電池スタック構成およびマニホールド取付装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、取付構造が、容易に組み立てられるとともに使用の信頼性のある、このような装置を提供することである。

本発明の他の目的および利点は、以下に明らかになるであろう。

本発明に従うと、上述した目的および利点は容易に達成された。

本発明によると、燃料電池スタック組立体が提供され、この燃料電池スタック組立体は、燃料電池構成要素と、この燃料電池構成要素に隣接して配置された少なくとも１つのマニホールドと、燃料電池スタック組立体の周りに配置されるとともにマニホールドを燃料電池構成要素に固定するためのケーブルと、を備えており、このケーブルは、燃料電池組立体の周りのケーブルの締め付け具合を調整するための調整可能固定部材を有する。

本発明に従うと、ケーブルは、有利なことには、必要とされる負荷のほぼ２倍の約４５０ ｌｂｓ．の最小破壊強さを有して備えられることができ、この最小破壊強さは、有利なことには、過度の力が掛けられたときに、バンドにいくらかの弾力性が可能となって、所望に応じて燃料電池スタックの機械的完全性を保持しながら気体を漏出させる。

また、燃料電池組立体の外向き角部が、本発明に従って、好ましくはスロット内に画成された傾斜面を有するように形成されて、ケーブルを適切に配置するのを助け、さらには、ケーブルへの集中した応力を低減する。

本発明の好ましい実施態様の詳細な説明は、添付の図面を参照して、以下の通りである。

図面を参照すると、図２は、二重スタック構成の燃料電池スタック組立体１０を概略示しており、外部空気マニホールド１２と外部燃料マニホールド１４が、１つまたは複数のバンド１６用いてスタックに固定されており、このバンド１６は、スタックとマニホールドの周りに固定されて、所望に応じてこれらの構成要素を固定して一緒に保持するとともに、マニホールド１２、１４と燃料スタック組立体との間のマニホールドシールを圧迫する。図示するように、バンド１６は、好ましくは、調整可能固定部材１８を用いて固定されており、この調整可能固定部材１８は、有利なことには、バンド１６の簡単で信頼性のある締め付けと緩和が、好ましくは最小限度の道具を用いて、可能となる。

図３は、燃料電池スタック組立体１０のさらなる例示、この場合は、所望に応じて所定の位置にマニホールド１２、１４を保持するのにバンド１６を用いる単一スタック構成、を示している。図示するように、複数のバンド１６が、有利なことには、燃料電池スタック１０の長さに沿って配置されており、バンド１６は、有利なことには、所望に応じて所定の位置にマニホールド１２、１４を固定して保持するように機能する。

本発明に従うバンド１６は、従来技術（図１参照）で使用されるフレーム構造より実質的に小さな空間または体積を占有するので、特に有利である。典型的な組立体では、本発明のバンド構造は、フレーム・タイロッド構造より体積で少なくとも９０％の低減が可能となり、さらに、重量の実質的な低減も可能であり、この重量の低減も、輸送分野で特に有利となる。

本発明にさらに従うと、ケーブル１６は、好ましくは、約４５０ ｌｂｓ．の最小破壊強さを有するように選択された材料または材料の組み合わせから形成される。より好ましくは、図４に示すように、ケーブル１６は、撚り合わせケーブル２０として提供されることができ、この撚り合わせケーブル２０は、図示するように、好ましくは、プラスチックまたは他のエラストマージャケット２２で被覆されており、所望の弾性率を有するこのような構造は、さらに、安全逃し機構として作用するように機能し、燃料電池スタックに対する構造上の損傷が生じ得る前に、マニホールドシールに漏出させる。さらに、本発明に従うケーブル１６の弾性率は、有利なことには、マニホールドとシールをマニホールドとスタックの残りの部分との間に再度着座させ、それによって、燃料電池スタックは、圧力パルスが通り過ぎた後に、再度着座することになる。

１つの特に好ましいケーブルは、低伸長、高疲労のケーブル、例えばステンレス鋼ケーブルであり、繰り返し引張りサイクルに掛けたとき、最小の伸長を示し、例えば、１．６百万サイクル後に約０．００５インチ毎フィートより短い伸長を示す。

なお図４を参照すると、本発明に従う調整可能固定部材１８の好ましい実施態様が示される。

図示するように、調整可能固定部材１８は、有利なことには、第１のねじ部材２４の形態で提供されることができ、ねじ部材２４は、好ましくは、雄ねじ２６を有しており、ケーブル１６の一方の端部２８に実質的に固定して取り付けられており、さらに、調整可能固定部材１８は、ねじスリーブ３０を含んでおり、ねじスリーブ３０は、好ましくは、雄ねじ２６に係合するように選択された雌ねじ３２を有しており、ケーブル１６の他方の端部３４に回転可能にしかも直線的に固定して取り付けられている。この構造によって、有利なことには、ねじ３２は、ねじ２６に係合されるとともに、締め付けられまたは緩和されて、燃料電池スタック組立体の構成要素の周りのケーブル１６の張力を調整することができる。さらに、このような固定部材のねじは、３６０°半径で係合されており、従って、信頼性のある結合のために特に望ましい。

図４をさらに参照すると、スリーブ３０は、有利なことには、内向きに延びるフランジ３６をスリーブ３０の一端に備えることにより、および、拡大部分３８をケーブルの端部３４に備えることにより、所望に応じてケーブル１６上に回転可能に配置され得るものであり、拡大部分３８は、フランジ３６に係合するとともに端部３４からスリーブ３０が除去されるのを防止しながらそれにもかかわらず所望に応じて所定の位置での回転が可能となるような大きさとされている。

図４にさらに示すように、スリーブ３０は、有利なことには、六角形の外形、または、一般に利用可能な手工具を用いた締め付けおよび緩和に容易に適合される他の選択された形状を有し得る。ねじ部材３４も、有利なことには、例えば４０で例示されるようなそのような構造を備えることができる。

また、理解されるように、図４には、調整可能固定部材の好ましい実施態様が例示されているとはいえ、ターンバックル、ねじ加工ブロック、スーツケース型ラッチ、スキー靴型トグル、マニホールド装填取付具を備えたストラップなどの他の構造も、許容できるであろう。

図２に戻ると、複数のケーブル部分であって、各ケーブル部分が、２つの端部を有するとともに、隣接するケーブル部分と接続されて、マニホールドを有する完全な燃料スタック組立体を取り囲むケーブル１６全体を画成する複数のケーブル部分として、ケーブル１６を備えることが望ましくなり得る。例えば、図２では、各スタック組立体は、複数のバンド１６を用いて固定されており、各バンド１６は、４つのバンドセグメントまたはバンド部分を含む。

図５および図６にここで参照すると、本発明の別の態様が例示される。

本発明のこの態様に従うと、マニホールド構造１２、１４は、有利なことには、応力緩和または応力分散特徴部を備えており、この特徴部は、ケーブル１６の一部が燃料電池スタック組立体の角部において受けている摩耗および集中応力を低減する。

図示するように、一緒に保持されるさまざまな構成要素は、一般に、平面４２、４４をを有しており、これらの平面４２、４４は、ケーブル１６が周りを横切る必要のある外向き角部４６を画成する。

本発明のこの態様に従うと、図６に最もよく示されるように、このような燃料電池構成要素は、有利なことには、傾斜壁部４８を備えており、傾斜壁部４８は、壁面４２、４４の間で傾斜して配置されており、それによって、傾斜壁部４８と壁部４２、４４との間に画成された外角Ａは、２７０°より小さい。これは、有利なことには、そうでなければ四角形の角部によって掛けられたであろうケーブル１６に掛けられる応力を低減するように機能する。好ましくは、角Ａは、約２０５から約２５５°であり、最も好ましくは、約２２５°である。

さらに、スロット深さは、異なるマニホールド高さに合わせて調整するために異なるマニホールドに対して変更することができ、それによって、ケーブル負荷角Ｂ（図６）は、約２５から約７５°であり、より好ましくは、約４０から約５５°である。このような仕方で、各マニホールドに対するシール負荷は、所望に応じて許容できる範囲内に制御され得る。同様に図５をさらに参照すると、明らかなように、特定のケーブルセグメントが、各隣接するマニホールド１２、１４に対するケーブル負荷角を有することになり、好ましくは、これらの角は、安定な構造を提供するように実質的に同じ角度に維持される。

図５および図６をまた参照すると、本発明の別の有利な態様は、図５に最もよく示されるように、構成要素内へ入り込んだ傾斜壁部４８を画成することであり、それによって、スロット５０が画成され、ケーブル１６は、スロット５０内へ配置することができて、ケーブルを横方向に固定するとともに、最終的な燃料電池スタック構造に安定性をさらに与える。

所望ならば、スロット５０は、同様に燃料スタック組立体の外壁の残りの部分に沿った溝として継続されることもでき、それによって、結果として得られる構造の安定性がさらに向上する。

容易に理解されるように、本発明の燃料電池スタック組立体のマニホールド取付構造は、有利なことには、最終的な組立体を提供するように機能し、この最終的な組立体は、体積を激減させ、構造を輸送用および空間が気に掛かる他の用途に使用するのにより適したものにすると同時に、有利な圧力逃し特性を構造にさらに与えながらそれにもかかわらずこの構造を機械的に安定で使用の信頼性のあるものにする。

本発明の構造の利点をさらに評価するために、７５ｋＷ電池スタックが、製造され、本発明に従って説明したようなケーブルを用いて外部マニホールドと固定された。試験は、故意でない発火発生および燃焼発生中の構造の性能を評価するために行われた。具体的には、試験は、水素と空気が燃料スタック装置内に存在している通常作動中（すなわち、通常始動時）に、万が一発火が生じた場合の、スタックの構造完全性の評価を与えるように行われるとともに、よく混合された燃料と空気の化学量論混合物が燃料スタック装置全体に亘って存在した「最悪の場合」のシナリオで、万が一発火が生じた場合の、スタックの構造完全性を確定するように行われた。約７０ｐｓｉと同じほど高い圧力を有する一連のそのような発生に掛けた後で、圧力の一部は、入口マニホールドシールを通って解放され、スタックに対する構造上の損傷は、明らかにならなかった。従って、本発明の燃料電池スタック組立体は、所望に応じて、少なくとも約７０ｐｓｉと同じほど高いかなりの圧力パルスに耐えることができる。

従って、理解されるように、本発明に従って提供される燃料電池スタックおよびマニホールド取付装置は、実質的に低減された体積を占有するとともに実質的により重量の少ない安定で安全な信頼できる構造を提供し、それによって、輸送用途および空間が問題となる他の用途に特によく適した構造を提供した。

理解されるように、本発明は、ここに説明しかつ示した例示に限定されず、この例示は、本発明を実施する最良の実施形態の単なる例示と見なされ、部品の形態、大きさ、配置の変更、および作動の詳細の変更が可能である。本発明は、むしろ、特許請求の範囲によって規定された本発明の精神、範囲内の全てのそのような変更を含むものとされる。

マニホールド取付装置を有する従来技術の燃料電池スタック組立体の概略図。 本発明に従うマニホールド取付装置を有する燃料電池スタック組立体の概略図。 本発明に従うバンド構造を用いて固定された外部マニホールドを有する燃料電池スタック組立体の斜視図。 燃料電池組立体の周りにバンドを固定するのに使用する好ましい留め具の概略図。 マニホールド組立体の一部の拡大詳細図。 マニホールド組立体の一部の拡大詳細図。

Claims (10)

1. 燃料電池構成要素と、この燃料電池構成要素に隣接して配置された少なくとも１つのマニホールドと、
   燃料電池スタック組立体の周りに配置されるとともにマニホールドを燃料電池構成要素に固定するためのケーブルと、
   を備えた、燃料電池スタック組立体であって、ケーブルは、燃料電池組立体の周りのケーブルの締め付け具合を調整するための調整可能固定部材を有することを特徴とする燃料電池スタック組立体。
2. 前記ケーブルは、少なくとも約４５０ ｌｂｓ．の最小破壊強さを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。
3. 前記燃料電池スタック組立体は、ケーブルに掛けることができる最大予想負荷を有しており、ケーブルは、最大予想負荷の約２倍の最小破壊強さを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。
4. 前記ケーブルは、２つの端部を有しており、調整可能固定部材は、２つの端部の一方に固定されたねじ部材と、このねじ部材にねじ係合するように２つの端部の他方に回転可能に取り付けられたねじスリーブとを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。
5. 前記ケーブルは、複数のケーブルセクションを備え、各ケーブルセクションは、２つの端部を有しており、さらに、各ケーブルセクションは、２つの端部の一方に固定されたねじ部材と、複数のケーブルセクションの隣接するケーブルセクションのねじ部材にねじ係合するように２つの端部の他方に回転可能に取り付けられたねじスリーブとを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。
6. 前記少なくとも１つのマニホールドは、少なくとも１つの空気マニホールドと、少なくとも１つの燃料マニホールドとを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。
7. 前記燃料電池組立体は、角部を画成する外向き平面を画成しており、角部は、ケーブルによって横切られており、さらに、角部は、角部を画成する平面の間に配置された傾斜面を備え、この傾斜面は、平面に対して２７０°より小さな外角で配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。
8. 前記外角は、約２０５°から約２５５°であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池スタック組立体。
9. 前記傾斜面は、マニホールド組立体内へ入り込んでおり、それによって、ケーブルを傾斜面に関して所定の位置に保持するためのスロットが画成されることを特徴とする請求項７記載の燃料電池スタック。
10. 前記燃料電池スタック組立体は、少なくとも約７０ｐｓｉの圧力パルスに耐えることができることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック組立体。

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