JP2008525963A - 燃料電池スタックの動きの相違に対応するマニホルドガスケット - Google Patents
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Abstract
少なくとも1つの外付けマニホルド形燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて使用され、マニホルドの縁部及びスタック面を密封するガスケット。本発明によれば、ガスケットは、ガスケットと誘電体との間の境界面及びガスケットとスタック面との間の境界面における滑りを促進することにより、スタックとマニホルドとの間の動きの相違に対応する。
Description
本発明は、少なくとも1つの燃料電池スタック及び外部マニホルドを有する燃料電池システムに関し、特に、少なくとも1つの外付けマニホルド形燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて使用するためのガスケットに関する。更に、本発明は、マニホルドをスタックに対し密封し、スタックとマニホルドとの間の境界面における滑りを可能にすることにより、スタックとマニホルドとの動きの相違に対応するガスケットに関する。
燃料電池は、燃料の形態をとる化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、バッテリと同様に、負電極、すなわち、アノードと、正電極、すなわち、カソードとを含み、アノードとカソードとは、それらの電極の間で帯電イオンを伝導する働きをする電解質により分離されている。しかし、バッテリとは異なり、アノードに燃料が供給され且つカソードにオキシダント(酸化剤ガス)が供給されている限り、燃料電池は電力を発生し続ける。
有用な量の電力を発生するために、通常、個々の燃料電池は、各電池の間に導電性セパレータプレートを挟んで直列に積み重ねられた関係で配列される。燃料電池スタックは、内付けマニホルド形スタック又は外付けマニホルド形スタックとして分類されてもよい。内付けマニホルド形スタックにおいては、燃料及びオキシダントを送り出すためのガス流路は、燃料電池プレート自体に組み込まれる。外付けマニホルド形スタックの場合には、燃料電池プレートの端部が開放状態であり、ガスは、燃料電池スタックの各々の面に密封されたマニホルド又はパンを介して送り出される。マニホルドは、燃料ガス及びオキシダントガスを燃料電池へ送り出し、それらのガスが周囲又は他のマニホルドへ漏れ出すのを防止するための密封流路を形成する。いくつかの燃料電池スタック構成においては、スタックは格納容器の中に設けられ、格納容器の周囲にプロセスガスのうち一方が存在する。そのようなシステムでは、スタックに対して入口ガス流路及び出口ガス流路を形成するために、少なくとも3つのマニホルドが必要であり、各マニホルドはスタックに密封されなければならない。いずれにしても、マニホルドは、燃料電池スタックの動作に必要な条件の下で、寿命が続く限り、上記の機能を果たさなければならない。
外付けマニホルド形燃料電池スタックの性能の重要な一面は、マニホルドの縁部とスタック面との間に形成されるシールである。金属から製造されるマニホルドは、スタック面から電気的に絶縁されなければならない。スタック面は、通常は導電性であり、その長さに沿って電位勾配を有する。マニホルドをスタックから電気的に絶縁し、マニホルドとスタックとの間に短絡が発生するのを防止するために、金属製マニホルドと燃料電池スタックとの間に誘電性の絶縁体(誘電絶縁体)が使用される。
燃料電池の構成要素は、高温及び高圧の条件の下で変形し密度も高くなるため、通常、燃料電池スタックは時間の経過に伴って収縮する。そのような収縮及び燃料電池スタックの寸法の変化は、スタック動作中、マニホルド構体(アセンブリ)に対する応力を発生させる。特に、300個以上の燃料電池から構成されるスタックの場合、スタックの縦寸法は2〜3インチも変化することがある。スタックの縦寸法が変化するため、スタックの上下に位置するエンドプレートに沿った動きに対応するために、マニホルド構体の誘電絶縁体とスタック面との間にシールが必要になる。誘電体とシールとの間の摩擦係数の相違及びシールとスタックとの間の摩擦係数の相違は、シールに更に大きな応力を加え、スタック動作中にシールを摩耗させ、最終的には故障させる場合もある。従って、ガスシールを維持し且つマニホルドをスタックから電気的に絶縁し続ける一方で、上記のような寸法の変化に更に適切に対応できるマニホルド‐スタック間シールが必要とされる。
誘電絶縁体は、通常、アルミナ及び雲母のようなもろいセラミック材料から製造され、燃料電池スタックの動作中にマニホルドシステムに加えられる熱応力及び機械的応力により容易に損傷される。マニホルドとスタックとの電気的絶縁を維持しつつ、マニホルドシステムに加えられる応力に耐えるために、マニホルド及びマニホルドをスタックから隔離する目的で使用される誘電絶縁体に改良が加えられてきた。
例えば、一般の誘電絶縁体構体は、スタックとマニホルドとの動きの相違を許容する継手を有する矩形フレームとして設計される。そのような構成は、米国特許第4,414,294号明細書に示され且つ説明されている。この米国特許は、マニホルドの壁及び燃料電池スタックと共に伸張又は収縮できる摺動自在のスプライン継手により互いに結合された複数のセグメントを有する矩形の絶縁体フレームを開示する。燃料電池スタックの動きの相違によって発生する応力に耐えるために、誘電体フレームは、高密度セラミックから製造されてもよい。しかし、燃料電池スタックの動作中のスタック面に対するマニホルドの圧縮及びスタックの圧密により、機械的応力が発生する。セラミック誘電体は、この応力に完全には対応しないため、誘電体が損傷する可能性が依然としてある。従って、そのような熱応力及び機械的応力に更に適切に対応でき、セラミック誘電体の破損を防止できるマニホルド‐スタック間シールが必要とされる。
現在使用されているマニホルドシステムの中には、マニホルド構体はスタックに対して圧縮されるため、スタックの寸法の変化が発生した時に、マニホルドとスタックとの間のシールが維持されるように構成されたものもある。そのようなスタックマニホルド圧縮構体の1つが米国特許第4,467,018号明細書に示され且つ説明されている。この米国特許は、燃料電池スタックにストラップ又はクランプにより装着された外部反応体マニホルドを開示する。米国特許第6,461,756号明細書は、燃料電池スタックに対して外部マニホルドを密封関係に維持する保持システムを説明している。本発明と同一の譲受人に譲渡された2002年10月4日出願の同時係属米国特許出願第10/264,866号においては、スタックの形状に追従して動作中のスタックの動きに対応する可撓性マニホルドシステムが説明されている。
更に、マニホルドとスタックとの間のシールの限界の問題に対処するために、燃料電池スタック及びマニホルド密封構体の種々の他の構成要素も更に改善されている。例えば、誘電体フレーム及びガスケットに対して平坦な密封面を形成する燃料電池のバイポーラセパレータプレートの改良構造が、いくつかの特許公報に説明されている。それらの特許には、使用中の電池部品の厚さの変化に対して調整自在である燃料電池セパレータプレートを教示する米国特許第4,514,475号明細書;高い耐食性を有するステンレス鋼部材を教示する米国特許第5,399,438号明細書;及び電解質の分散又は吸収のためにトラフ領域を設けることにより、電解質管理を補助する改良形バイポーラセパレータ構造を教示する米国特許第5,773,161号明細書が含まれる。燃料電池の動作中に時間の経過に伴って起こるバイポーラプレートの成長に対応するためのガスケット構造は、同様に本発明と同一の譲受人に譲渡された2003年7月25日出願の同時係属米国特許出願第10/627,035号において説明されている。特に、圧縮自在のガスケット及び誘電体ガスケットは、誘電体とマニホルドとの間にシールを構成する。圧縮自在のガスケットには、柔軟な部材が更に埋め込まれており、この部材は、ガスケットを誘電体継手及びマニホルドの不規則な形状に追従させる。本発明と同一の譲受人に譲渡された2004年12月23日出願の同時係属米国特許出願第11/020,592号において説明されるセラミック誘電体フレームは、誘電体の絶縁を向上する。セラミック誘電体フレームは、機械的応力を減少し、当接するガスケットの磨耗を防止する連動構造を具備する。しかし、マニホルド構体、燃料電池スタック構成要素及び誘電絶縁体構成の上記のような改善は、誘電体とシールとの間の境界面及びシールとスタック面との間の境界面における摩擦係数の相違及びその結果として起こるマニホルドガスケットの摩耗の問題に対処していない。
考慮すべきもう1つの事項は、燃料電池が非常に高い温度で動作するということである。例えば、溶融炭酸塩燃料電池は約650℃で動作する。マニホルドガスケットにおいて使用される材料を選択するときには、この長期動作温度を考慮に入れなければならず、通常は数年間にわたる燃料電池スタックの寿命の間、構成要素が継続して機能できなければならない。従って、燃料電池スタックの動作温度を許容し、スタックの動き及びスタック寸法の変化に対応できるマニホルドシールが必要とされる。
誘電絶縁体とスタック面との間のシールの更に別の限界は、燃料電池スタックの上端部、すなわち、正側端部からスタックの底部、すなわち、負側端部まで、電解質が動いてしまうという望ましくない事態が起こりうることである。この場合、電解質は、スタックの負側端部で電池からあふれ出し、正側端部では、電池の電解質が欠乏する。ガスケットは、更に、誘電体からマニホルドに至るまで、スタックから電解質を移動させることがある。燃料電池システムにおける電解質の移動を減少又は軽減する方法及び装置は、燃料電池スタックの高さに沿って設けられ、スタック全体にわたり溶融電解質内容物を均等化する電解質により湿潤可能な芯材料が両端部に設けられる流路を開示する米国特許第4,643,954号明細書;電解質移動の悪影響を軽減する不活性電解質だめの組み合わせを上端部及び下端部に有し、電解質の保持が少なく、電解質移動を制限する多孔質密封部材を更に有する電解燃料電池スタックを教示する米国特許第4,761,348号明細書;及び電解質の流れを支援する細長い多孔質部材と、電解質の流れを遅らせ、電解質の流れを調整し、電解質移動を減少する障壁手段とを有する溶融炭酸塩燃料電池のマニホルドガスケットを教示する米国特許第5,110,692号明細書において論じられている。米国特許第6,514,636号明細書に説明されているような高度研磨セラミックも、フレームの面に沿った電解質のクリープを阻止又は減少することにより、必要な電圧隔離を行うのに望ましい。
米国特許第4,414,294号明細書
米国特許第4,467,018号明細書
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米国特許第4,761,348号明細書
米国特許第5,110,692号明細書
米国特許第6,514,636号明細書
従って、本発明の目的は、溶融炭酸塩燃料電池スタックの側面にマニホルドを密封するガスケットであって、マニホルドと燃料電池スタックとの間のガスシールを維持し且つマニホルドをスタックから電気的に絶縁された状態に保持する一方で、燃料電池スタックの動作中の熱応力及び内部燃料電池圧密の結果として起こる動きの相違に対応するガスケットを含む燃料電池マニホルド密封構体を提供することである。
本発明の別の目的は、マニホルドと燃料電池スタックとの間の境界面における動きの相違に対応し、ガスケット構体の誘電絶縁体構成要素に対する応力を減少させるガスケットを提供することである。
本発明の更に別の目的は、電解質の移動を制限する一方で、マニホルドと燃料電池スタックとの間の境界面における動きの相違に対応するガスケットを提供することである。
本発明の原理によれば、上記の目的及びその他の目的は、少なくとも1つの外付けマニホルド形燃料電池スタックを有する燃料電池システムのマニホルド縁部とスタック面との間のガスケットにおいて実現される。ガスケットは、ガスケットと誘電体との間及びガスケットとスタック面との間の境界面における滑りを促進することにより、スタックとマニホルドとの動きの相違に対応する。
従来のマニホルドガスケットシールに関して先に説明したように、ガスケット又はシールは、燃料電池の動作中に誘電体に加わる応力を制限する。逆に、誘電体は、セラミック誘電体の継手部分及び燃料電池スタックのエンドプレートに沿って動き、マニホルドとスタックとの動きの相違を生み出すガスケットの劣化を防止する。特に、ガスケットは電池領域においてスタックに接着し、誘電体フレームとガスケットとの間に滑り面が存在する。スタックの1つ以上の端部においても、エンドプレートとガスケットとの間に滑り面が存在する。本発明によれば、ガスケット構体は、それらの滑り面における滑りを促進する。
本発明は、スタック寿命中に発生する燃料電池スタックの形状及び寸法の変化、並びにそのような物理的変化の結果として起こる動きの相違に対応するガスケット又はシールを提供する。そのような動きは、加熱中又は冷却中に起こるか、あるいは動作の変化の結果として起こる熱運動、並びに初期調整中及び構成要素の長期クリープの間に起こる内部セル圧密運動として分類されてもよい。以下に詳細に説明されるガスケットは、それら2つの種類の運動を許容し、それにより、誘電絶縁体に加えられる応力を最小限に抑える。
特に、ガスケットは、マニホルド構体とスタック構成要素との間の膨張係数の相違によって起こる応力を制限する。説明される材料は、燃料電池の動作条件において接触する隣接面の相対運動をシミュレートする試験から評価及び選択された。ガスケットを開発する上で考慮された主な課題は、スタックが加熱、冷却又は圧縮される際にセラミック誘電体に伝達される応力を最小にすることであった。
マニホルド及びスタックが一端部に固定される燃料電池スタックに関連して、マニホルドガスケットの特徴を説明する。スタックの一端部に運動が制約されるため、マニホルド構体とスタックとの間の最大の運動は、反対側の端部で起こる。これは、ガスケットの特性を更によく示している。しかし、本明細書において提示及び説明されるガスケットは、そのような制約を有する燃料電池スタックと組み合わせての使用に限定されず、一端部で固定されないスタック構成を含む他のスタック構成のマニホルドシステムにも適用可能である。
図1は、本発明によるガスケット5を含むマニホルド密封構体11を示す展開図である。マニホルド密封構体11は、スタック寿命の開始時(「BOL」)にある燃料電池スタック10に隣接して示されている。本発明によるマニホルド密封構体11の構成要素は、マニホルド1、乾燥誘電体2、圧縮自在のガスケット3、セラミック誘電絶縁体4及びガスケット5を含む。マニホルド密封構体11は、スタック縁部7に沿って、エンドプレート6の中実面(ソリッドサーフェース)でスタック面に対し密封される。前述した通り、また、以下に詳細に説明されるように、スタック10とセラミック誘電絶縁体4との間には滑りが必要であり、本発明のガスケット5はその滑りに対応する。
図1に示されるマニホルドガスケット構体においては、誘電絶縁体4は、乾燥誘電体2及び圧縮自在のガスケット3により、マニホルド1から間隔を離されている。乾燥誘電体2は、金雲母などのセラミック材料から製造され、マニホルドをスタックから更に電気的に絶縁する機能を果たす。圧縮自在のガスケット3は、乾燥誘電体2と誘電絶縁体4との間に設けられる。スタックの動きの相違に対応するためにマニホルド構体の構成要素に対して行われた改善に関して先に説明したように、ガスケット3は、例えば、ジルコニアフェルト、アルミナフェルト又はそれに類似する圧縮自在の繊維質材料など、圧縮自在のセラミックフェルトによる複数の層から形成されており、スタックの寸法の変化に更に対応するために、ガスケットに弾性部材が埋め込まれていてもよい。
ガスケット5は、誘電絶縁体4の反対側であって、誘電絶縁体4とスタック10との間に設けられる。ガスケット5は、Zircar Zirconia, Inc.から入手可能なジルコニアフェルトZTF100のような繊維質セラミック材料から製造されており、以下に更に詳細に説明するように、1つ以上の層を含む。図1に示されるマニホルド構体11の実施形態は、燃料電池スタック10に組み付けられ、装着される場合、本発明の主体であるガスケット5による燃料電池スタックの動作中の動きの相違への対応を更によく示すために、下端部に固定される。
図2は、スタック寿命の終了時(「EOL」)における燃料電池スタック10に隣接してガスケット5を含むマニホルド密封構体11を示す展開図である。図1に示されるスタックBOLのときの構成要素の状態と比較して、特にガスケット部材5に関して、スタックの動作中にスタック10とセラミック誘電絶縁体4との間に滑りが起こっている。スタックと誘電絶縁体との間の滑りは、本発明のガスケット5により促進されている。その特徴について、以下に、図3、図3A、図3B及び図4に関して詳細に示し、説明する。
図3は、スタック寿命の開始時におけるガスケット5の一部分を示す詳細概略図である。図示されるように、ガスケット5は、第1のセクション(部分)15及び第2の部分16を具備し、各々の部分は、ジルコニアフェルトのようなセラミックフェルト材料を含む2つの層を有する。尚、ガスケットを形成する部分の数は任意であってよく、各部分は、セラミックフェルト材料を含む1つ以上の層を有し、本発明のガスケットは、本明細書中に示され且つ説明される実施形態及び材料に限定されない。
第1の部分15は、電池領域においてスタックに隣接して設けられたガスケット5の部分に対応する。ガスケットは電池領域においてスタックに接着し、その領域の摩擦はガスケットと誘電絶縁体体との間の摩擦より大きいため、誘電絶縁体フレーム(図示せず)と第1の部分15との間に滑り面が存在する。誘電絶縁体に隣接するガスケット5の第1の部分15の面に、セラミック布13を含む層が設けられる。セラミック布13は、通常、3M, Inc.により製造されるNextel 610のようなアルミナ布、又は誘電絶縁体に対して、セラミック布が設けられるセラミックフェルト層より低い摩擦係数を有する同様のセラミック布材料であり、セラミック布13と誘電絶縁体との間の境界面における滑りを促進する。
第2の部分16は、スタックエンドプレートに隣接して設けられるガスケット5の部分に対応する。誘電絶縁体とガスケットとの間の摩擦係数がガスケットとエンドプレート(図示せず)との間の摩擦係数より大きいため、ガスケットの第2の部分は誘電絶縁体に固定されたままであり、このため、エンドプレートと第2の部分16との間に滑り面が存在する。以下に図3Aに関して更に詳細に説明するように、ガスケットは誘電絶縁体により保持されるため、誘電絶縁体とガスケットの第2の部分16との間の滑りは、完全に阻止されないまでも、更に制限される。
布の層13とは反対の側のガスケットの面に、セラミック布12の層が設けられる。特に、セラミック布12は、エンドプレートに隣接する第2の部分16の面に設けられる。ガスケットの第1の部分15に設けられるセラミック布13と同様に、セラミック布の層12も、通常、アルミナ布又はそれに類似する織物セラミック材料から製造される。この層は、エンドプレートに対して、層が設けられるセラミックフェルト層より低い摩擦係数を有するため、セラミック布12とエンドプレートとの間の境界面における滑りが促進される。
更に、腐食を防止するために、ステンレス鋼エンドプレート(図3には図示せず)の表面をアルミによりメッキ処理してもよい。時間の経過に伴うステンレス鋼の腐食は、エンドプレートの表面の粗さを増し、エンドプレートとガスケットとの間の摩擦係数を増加させる。アルミめっき面は腐食を制限し、燃料電池スタックの動作中の滑りを改善する。エンドプレートの面は、熱処理中にステンレス鋼の中へ拡散する1〜3milのアルミニウム被覆膜を追加することによりアルミめっき処理される。アルミめっき処理されたエンドプレートは、スタック寿命の開始時、すなわち、BOLにおいて、未処理のステンレス鋼と比較して同等の滑り面を提供する。
セラミック布12とエンドプレートとの間の滑りを更に促進するために、エンドプレートに隣接する布の面にグラファイトの被覆膜が塗布されてもよい。グラファイト被覆膜は、摩擦係数を少なくとも2桁低下させ、スタックのBOL中の急速な収縮に更に対応する。グラファイト被覆膜は、燃料電池スタックの動作開始中に燃え尽きる。グラファイト被覆膜に関しては、以下に図5Aに関して更に詳細に説明する。
ガスケット5の両面に設けられるセラミック布の層12、13は、仮止めのりなどの接着材料によってセラミックフェルトに付着される。接着材料は、スタックの動作開始直後に燃え尽き、燃料電池スタックの性能に影響を及ぼすことはない。接着剤が燃え尽きた後、セラミック布の層12、13は、付着されているセラミックフェルトに固定されたままの状態を保ち、隣接する誘電体又はエンドプレートとの間の境界面における滑りを促進する。
図3Aは、図3に示されるガスケット5の線3A‐3Aに沿った横断面図であり、セラミック誘電絶縁体4により保持されたガスケットの第2の部分16を示す。特に、誘電絶縁体4には、ガスケットに対向する面に溝9が形成されている。誘電絶縁体4に形成される溝9は、ガスケットと同一の幅を有し、ガスケットのセラミックフェルト層のうち一方の層の少なくとも一部分が溝9の中に保持されるような深さを有する。図示されるように、ガスケットの第2の部分16の一部が誘電絶縁体4の溝9に保持されることにより、第2の部分16が誘電体から離れて、第2の部分16の長さに対して垂直な方向に又は燃料電池スタックの高さと平行に動く現象が防止される。第2の部分16が誘電体6から離れて動くのを更に防止するために、ガスケットの誘電体との境界面にセラミック被覆膜又はビードを塗布できる。誘電体とガスケットとの間の摩擦を増加する材料の例には、Zircar Zirconia, Inc.から入手可能なジルコニアリジダイザ及びCotronics Corporationの989セラミックセメントがある。
従って、図3Aに示される誘電絶縁体4の部分が、動作中の燃料電池スタックの収縮に対応するためにスタックの高さと平行な方向に動くと、第2の部分16は、エンドプレート(図示せず)に対して、その方向に誘電絶縁体と共に動くことしかできない。その結果、このような誘電絶縁体及びガスケット5の第2の部分16の構成は、アルミナ布12とエンドプレートとの間の滑りを促進する。
図3Bは、図3に示されるガスケット5の線3B‐3Bに沿った横断面図であり、セラミック誘電絶縁体4により保持されたガスケットの第1の部分15を示す。図3Aに示される誘電絶縁体の部分と同様に、図3Bに示される誘電絶縁体4にも、ガスケット5に対向する面に溝9が形成されている。誘電絶縁体4に形成される溝9はガスケットと同一の幅を有し、セラミック布の層13とガスケットの第1の部分15のセラミックフェルト層のうち一方の層の少なくとも一部分とが溝9の中に保持されるような深さを有する。
この場合、誘電絶縁体4に形成された溝9によりガスケットが保持されても、誘電絶縁体とガスケットの第1の部分15との、燃料電池スタックの高さと平行な方向への相対運動及び誘電絶縁体と第1の部分15との間の滑りは阻止されない。図示されるように、ガスケットの第1の部分15の一部が誘電絶縁体4の溝9に保持されることにより、第1の部分15の長さと平行な方向及び燃料電池スタックの高さと平行な方向へのセラミック布13と誘電絶縁体4との間の滑り面は包囲されるが、滑り面が拘束されることはない。図3Bに示されるガスケットの第1の部分15がスタック電池領域(図示せず)に接着し、燃料電池スタックが動作中に収縮するにつれて、スタックの高さと平行な方向にスタックと共に動くと、第1の部分15も、誘電絶縁体4に対して、その方向に動く。その結果、誘電体及びガスケット5の第1の部分15のこのような構成は、アルミナ布13と誘電絶縁体4との間の滑りを促進する。
図4は、スタック寿命の終了時(EOL)における図3に示されるガスケット5の一部分の詳細概略図である。図4には明示されていないが、スタックのEOLの時点に至るまでに、スタックの動作中にスタックの収縮が起こるため、ガスケットの第1の部分15は、誘電絶縁体(図示せず)に対して動いている。特に、第1の部分15の長さが短縮されている。この短縮は、スタックの動作中、ガスケットの第1の部分15がスタックの収縮に従って動くこと;スタック及びマニホルド構体が第1の部分15の一端部に固定されているため、第1の部分の他端部は、それが装着されている誘電絶縁体の対応する部分に対して短くなること;布の層13により滑りが促進されるため、ガスケットの第1の部分15は、誘電絶縁体に対して、第1の部分15の長さと平行であり且つ燃料電池スタックの高さと平行な方向に動くことに起因するものである。
更に、燃料電池スタック(図示せず)のエンドプレートの、ガスケットの第2の部分16に対する動きも起こっている。特に、動作中、スタックが収縮するにつれて、図3Aに示されるように誘電絶縁体により保持された第2の部分16は、エンドプレートが第2の部分16の長さに対して垂直且つ燃料電池の高さと平行な方向に動く間に滑る。この滑りは、スタックの動作中にスタックが収縮し、スタックと誘電絶縁体との間に動きの相違が生じること;スタック及びマニホルド構体が一端部に固定されているため、ガスケットは、スタックの他端部において第2の部分16とエンドプレートとの間の境界面における滑りを可能にすることにより、そのような動きの相違に対応すること;布の層12により滑りが促進され、グラファイト被覆膜により滑りが更に向上されることに起因するものである。
BOLからEOLに至るまで、スタック、ガスケット及び誘電絶縁体の間の動きの相違が生じている間のガス漏れを制限するために、図4は、ガスケットに形成された締り継手の形態をとる本発明のガスケット5の別の変形例を示す。特に、ガスケットの第1の部分15のセラミックフェルト層の各々の内側の所定の長さの部分に、屈曲した切り欠き18が形成されている。ガスケットの第1の部分15の大半の部分、すなわち、図4に示される切り欠き18の下方の部分においては、セラミックフェルト層は一貫して均一な幅及び寸法を有するが、切り欠き18から第1の部分15の末端部までの部分15の長さに沿って、フェルト層の幅は、図4に示されるように、まず切り欠きの位置で狭まり、その後、徐々に広くなる。これにより、ガスケットの第2の部分16に隣接するフェルト層の縁部は、わずかに屈曲又は傾斜することになる。更に、第1の部分15のこの屈曲した部分に隣接又は当接する第2の部分16のセラミックフェルト層の端部又は縁部も、第1の部分15の傾斜角度に従い且つ第1の部分に嵌合するように、わずかに屈曲している。BOLの時点で、ガスケットの第2の部分16は、切り欠き(図示せず)上にある。EOLの時点においては、図4に示されるように、第2の部分16は、第1の部分15に対して、切り欠き18から離間するように動いている。このように、締り継手は、第1の部分15と第2の部分16との滑り嵌めを維持することにより、ガス漏れを防止する。
図5A及び図5Bは、図3A及び図3Bに示されるガスケット5の横断面図の更に詳細な図であり、グラファイト被覆膜及びリジダイザ被覆膜が示されている。図5Aからわかるように、グラファイト被覆膜40は、エンドプレートと境を接するセラミック布12の面にある。そのようなグラファイト被覆膜は、BOLにおけるスタックの急速な収縮に対応し、布に対する損傷を制限する潤滑剤として作用することにより、初期滑りを促進する。被覆膜40は、スタックの最初の100時間の動作後に、セラミック布12又はガスケットの性能に影響を及ぼすことなく燃え尽きる。
図5Aにおいて、Zircar Inc.より入手可能なジルコニアリジダイザなどのセラミックリジダイザ被覆膜41は、グラファイト被覆膜40とは反対側のセラミック布層12の面、すなわち、布層12とセラミックフェルト層16との間にある。このリジダイザ被覆膜41は、セラミック布12の繊維を一体に結合し、布を補強することにより、エンドプレートに対して滑っている間の布の損傷を制限する。リジダイザ被覆膜41は、布12の反対側の面まで浸透しないように、フェルト層16に隣接する布12の面に塗布される。
図5Bは、誘電絶縁体4とは反対側のセラミック布層13の面、すなわち、布層13とセラミックフェルト層15との間の境界面にあるセラミックリジダイザ被覆膜41を示す。このセラミック被覆膜41は、セラミック布13の繊維を一体に結合し、布を補強することにより、誘電絶縁体に対して滑っている間の布の損傷を制限する。フェルト層15に隣接する布13の面に対するセラミック被覆膜41の塗布に関しては、被覆膜41が未処理のセラミック布13より高い摩擦係数を有するため、被覆膜41が布13の反対側の面まで浸透しないように被覆膜41を塗布することが特に重要である。
いずれの場合においても、以上説明された構成は、単に、本発明の適用を表す数多くの可能な特定の実施形態の例を示しているにすぎない。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って、マニホルド構体の構成要素の様々に異なる材料及び種々の形状の使用を含めて、他にも数多くの多様な構成を容易に考案できる。
本発明の上記の特徴及び面並びに他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより、更に明らかになるであろう。
図1は、スタック寿命の開始時における本発明によるガスケットを含むマニホルド密封構体を示す展開図である。
図2は、スタック寿命の終了時における本発明によるガスケットを含むマニホルド密封構体を示す展開図である。
図3は、スタック寿命の開始時におけるガスケットの一部分を示す詳細概略図である。
図3Aは、セラミック誘電体により保持されたガスケットを示す図3の線3A‐3Aに沿ったガスケットの横断面図である。
図3Bは、セラミック誘電体により保持されたガスケットを示す図3の線3B‐3Bに沿ったガスケットの横断面図である。
図4は、スタック寿命の終了時における図3に示されるガスケットの一部分の詳細概略図である。
図5Aは、図3Aに示される横断面図の更に詳細な図である。
図5Bは、図3Bに示される横断面図の更に詳細な図である。
Claims (26)
- 第1の外面及び前記第1の外面とは反対の側にある第2の外面と、
前記ガスケットに備えられた前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部の上において滑りを促進する材料による層と
を具備した、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケット
を含み、
前記材料による層の摩擦計数は前記ガスケットの外面の摩擦係数よりも小さいことを特徴とする構体。 - 前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含むことを特徴とする請求項1記載の構体。
- 第1の外面及び前記第1の外面とは反対の側にある第2の外面と、前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部に設けられる滑りを促進する材料とを有し、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケットを具備し;
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含み;
前記ガスケットは燃料電池スタックのスタック面と誘電絶縁体との間に設けられ、前記誘電絶縁体は前記マニホルドと前記スタック面との間に設けられ;
前記スタック面は、前記燃料電池スタックのエンドプレートの端面の各部分により形成される第1の周囲部分及び前記第1の周囲部分とは反対の側にある第2の周囲部分と、前記燃料電池スタックの燃料電池のバイポーラセパレータプレートの端面の各部分により形成される第3の周囲部分及び前記第3の周囲部分とは反対の側にある第4の周囲部分とを具備し;
前記誘電絶縁体は、前記スタック面の前記第1及び第2の周囲部分に隣接して設けられる第1のフレーム部分及び前記第1のフレーム部分とは反対の側にある第2のフレーム部分と、前記スタック面の前記第3及び第4の周囲部分に隣接して設けられる第3のフレーム部分及び前記第3のフレーム部分とは反対の側にある第4のフレーム部分とを具備し;
前記ガスケットの前記第1の外面は前記誘電絶縁体の前記フレーム部分に面し、前記ガスケットの前記第2の外面は前記スタック面の前記周囲部分に面することを特徴とする構体。 - 前記セラミック布は、前記ガスケットの前記第1の外面のうち、前記誘電絶縁体の前記第3及び第4のフレーム部分に面する少なくとも一部分と、前記ガスケットの前記第2の外面のうち、前記スタック面の前記第1及び第2の周囲部分に面する少なくとも一部分とに設けられることを特徴とする請求項3記載の構体。
- 前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち少なくとも1つ以上を更に具備することを特徴とする請求項4記載の構体。
- 前記繊維質セラミック層はジルコニアフェルトを含む少なくとも1つの層を具備することを特徴とする請求項4記載の構体。
- 前記セラミック布はアルミナ布であることを特徴とする請求項6記載の構体。
- 前記ガスケットは、
前記スタック面の前記第1の周囲部分と、その反対側にある前記第2の周囲部分との間に設けられる第1の部分、並びに前記第1の部分の反対側にあり、前記誘電絶縁体の前記第1のフレーム部分と、その反対側にある前記第2のフレーム部分との間に設けられる第2の部分と;
前記スタック面の前記第3の周囲部分と、その反対側にある前記第4の周囲部分との間に設けられる第3の部分、並びに前記第3の部分の反対側にあり、前記誘電絶縁体の前記第3のフレーム部分と、その反対側にある前記第4のフレーム部分との間に設けられる第4の部分とを更に具備することを特徴とする請求項4記載の構体。 - 前記誘電絶縁体の前記第1、第2、第3及び第4のフレーム部分は、それぞれ、第1、第2、第3及び第4の溝を含み、前記第1、第2、第3及び第4の溝は、前記ガスケットの対応する前記第1、第2、第3及び第4の部分にそれぞれ面し、前記ガスケットの前記第1、第2、第3及び第4の部分は、それぞれ、前記第1、第2、第3及び第4の溝により保持されることを特徴とする請求項8記載の構体。
- 前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち1つ以上を更に具備することを特徴とする請求項9記載の構体。
- 前記ガスケットの前記第3及び第4の部分の前記繊維質セラミック層の一部、前記ガスケットの前記第1の外面の前記一部分、並びに前記第1の外面の前記一部分に設けられた前記セラミック布は、全て、前記第3及び第4の溝によりそれぞれ保持され、前記ガスケットの前記第1及び第2の部分の前記繊維質セラミック層の一部は、前記第1及び第2の溝によりそれぞれ保持されることを特徴とする請求項9記載の構体。
- 前記ガスケットの前記第3の部分及びその反対側にある前記第4の部分のうち少なくとも一方の部分の内面の所定の長さにわたり、前記少なくとも一方の部分の端部から離間して、締り継手が形成され、前記締り継手の各々は、前記ガスケットの前記第3の部分及びその反対側にある前記第4の部分のうち前記少なくとも一方の部分の前記内面の前記所定の長さの部分に切り欠きを含み、それに続く前記内面の前記所定の長さの部分は、前記ガスケットの前記第3の部分及びその反対側にある前記第4の部分のうち前記少なくとも一方の部分の端部に向かって、ある角度を成して伸びることを特徴とする請求項8記載の構体。
- 前記締り継手の各々は、前記ガスケットの前記第1及び第2の部分のうち一方の部分の一端部を更に含み、前記締り継手の各々の前記ガスケットの前記第1及び第2の部分のうち前記一方の部分の前記一端部は、前記締り継手を形成する前記ガスケットの前記第3の部分及びその反対側にある第4の部分のうち前記少なくとも一方の部分の前記内面の前記所定の長さの部分に当接し且つ前記締り継手を形成する前記ガスケットの前記第3の部分及びその反対側にある前記第4の部分のうち前記少なくとも一方の部分の前記内面の前記所定の長さの部分の前記角度で屈曲していることを特徴とする請求項12記載の構体。
- 前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち1つ以上を更に具備することを特徴とする請求項13記載の構体。
- 前記ガスケットの前記第2の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面の反対側の前記セラミック布の面に形成されたグラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする請求項4記載の構体。
- 前記ガスケットの前記第1の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の前記面及び前記ガスケットの前記第2の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面に、セラミックリジダイザを更に具備することを特徴とする請求項4記載の構体。
- 前記ガスケットの前記第1の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の前記面の上の前記セラミックリジダイザに対向して、前記ガスケットの前記第2の外面の一部分に、別のセラミックリジダイザを更に具備することを特徴とする請求項16記載の構体。
- 前記ガスケットの前記第2の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面とは反対側の前記セラミック布の面にグラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする請求項16記載の構体。
- 前記繊維質セラミック層はジルコニアフェルトを含む少なくとも1つの層を具備し;
前記セラミック布はアルミナ布であり;
前記セラミックリジダイザ被覆膜はジルコニアから形成されていることを特徴とする請求項18記載の構体。 - 前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち1つ以上を更に具備することを特徴とする請求項19記載の構体。
- 第1の外面及び前記第1の外面とは反対の側にある第2の外面と、前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部分に設けられた滑りを促進する材料とを有し、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケットを具備し、
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含み、
前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面とは反対側の前記セラミック布の面の一部分に、グラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする構体。 - 第1の外面及び前記第1の外面とは反対の側にある第2の外面と、前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部分に設けられた滑りを促進する材料とを有し、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケットを具備し、
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含み、
前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の前記面に、セラミックリジダイザ被覆膜を更に具備することを特徴とする構体。 - 前記第1及び第2の外面のうち少なくとも一方の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面とは反対側の前記セラミック布の面の一部分に、グラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする請求項22記載の構体。
- 前記繊維質セラミック層はジルコニアフェルトを含む少なくとも1つの層を具備し;
前記セラミック布はアルミナ布であり;
前記セラミックリジダイザ被覆膜はジルコニアから形成されることを特徴とする請求項23記載の構体。 - 前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち1つ以上を更に具備することを特徴とする請求項24記載の構体。
- 前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち1つ以上を更に具備することを特徴とする請求項1記載の構体。
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