JP2009531814A - 高温型燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

本発明は、仮締め装置によって締付けられる高温型燃料電池スタック（１０）に関する。本発明に従い、仮締め装置（１２〜２０）は、高温型燃料電池スタック（１０）の運転温度よりも低い温度で燃焼するプラスチック材料からなっている。本発明は更に、高温型燃料電池スタック（１０）を仮締めするための方法と、高温型燃料電池スタック（１０）の仮締め装置（１２〜２２）を除去するための方法に関する。本発明は更に、高温型燃料電池スタック（１０）の仮締め装置としての、それ自体公知のプラスチック要素（１２〜２２）の使用に関する。

Description

本発明は、仮締め装置によって締付けられる高温型燃料電池スタックに関する。本発明は更に、高温型燃料電池スタックを仮締めするための方法と、高温型燃料電池スタックの仮締め装置を除去するための方法に関する。本発明は更に、プラスチック部品の特別な使用に関する。

例えばＳＯＦＣスタックのような高温型燃料電池スタックは、所定の締付け作用下で製造または接合される。この締付け作用は持続的に維持しなければならない。高温燃料電池スタックで使用される構成要素および材料が、やや異なる熱膨張係数と、例えば８５０°Ｃの運転温度および接合温度と冷却状態の室温との間の温度差とを有するので、内部応力が発生する。この内部応力は十分な締付け作用をしないで、例えば接触層の剥離、シールのひび割れ、それに伴い燃料電池スタックの出力低下を生じうることになる。締付け作用を持続的に維持することは例えば、高温型燃料電池スタックの製造の間、炉から取り出す間、高温型燃料電池スタックの搬送の間、各システムに高温型燃料電池スタックを組み込む間、最終システム締付け装置に締付け作用を引き継ぐ間、そしてシステム内で高温型燃料電池スタックを運転する間に、締付け作用を維持しなければならないことを意味する。これらの異なる相のために、締付け力を加えるための異なる技術が知られている。高温型燃料電池スタックの製造中、例えば荷重をかけることによって締付け作用が行われる。特許文献１により、１個または複数のアクチュエータによって力および／または変位を制御して高温型燃料電池スタックを接合することが知られている。タイロッドと弾性要素による高温型燃料電池スタックの持続的な内部締付け作用あるいは熱膨張機構を統合した剛性の締付け要素による締付け作用（例えば特許文献２または特許文献３参照）が使用される場合、この締付け作用は炉取り出しから高温型燃料電池スタックの運転まで使用可能である。しかしながら、耐熱鋼からなるタイロッドの使用は非常にコストが高くつき、更にクリープ現象によって均一な締付けが長時間にわたって維持できなくなるという危険をはらんでいる。例えば８５０°Ｃの高い運転温度に耐える、クリープ現象を補償するための弾性要素は同様に高価であるかあるいは入手不可能である。従って、クリープ現象を補償するための弾性要素は往々にして、高温型燃料電池スタックの断熱材の外に配置される。そのために、多くの場合、断熱材に切欠きを設ける必要があり、これは熱損失を生じうることになる。

特許文献４により、燃料電池スタックを、炉内で冷却した後で、先ず最初に仮締め装置で締付け、続いて燃料電池スタックの断熱を行い、断熱材の外側で最終締付けを行い、そして仮締め装置を取り外すことが知られている。従って、特許文献４の教示では、仮締め装置を取り外すために、断熱材に切欠きを設けなければならず、続いて断熱材料を穴に充填しなければならない。その後で、燃料電池スタックを運転することができる。この解決策の不利益は、仮締め装置の手動取り外しと、断熱材の穴の封止が、面倒でコストがかかり、断熱材の完全性と機能にとって不利であることである。更に、仮締め装置の取り外しの際、燃料電池スタックが簡単に損傷しうる。
独国特許出願公開第１０３ ３４ １２９ Ａ１号明細書 国際公開第２００４１０２７０６Ａ２号パンフレット カナダ国特許出願公開第２４５３０６１Ａ１号明細書 独国特許発明第１０３ ０８ ３８２ Ｂ３号明細書

本発明の根底をなす課題は、これらの不利益を除去することである。

この課題は独立請求項に記載した特徴によって解決される。

本発明の有利な実施形と発展形態は、従属請求項から明らかである。

本発明に係る高温型燃料電池スタックは、冒頭に述べた技術水準において、仮締め装置が、高温型燃料電池スタックの運転温度よりも低い温度で燃焼するプラスチック材料からなるように構成されている。この解決策により、好ましくは仮締め装置の除去の前に取付けられた断熱材の外側に、最終締付け装置を設けた後で、高温型燃料電池スタックを単に運転開始することにより、仮締め装置を、好ましくは燃えがらを生じないで燃焼させることによって除去することができる。それによって、例えば独国特許発明第１０３ ０８ ３８２ Ｂ３号明細書記載の、仮締め装置を取り外すための面倒で危険な手段が不要である。

これに関連して、プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含んでいると有利である。ポリプロピレンは例えば融点が１３２°Ｃであり、ポリエチレンは融点が例えば１６３°Ｃである。両ポリマープラスチックはより高い温度で燃焼する。

本発明に係る高温型燃料電池スタックの有利な実施の形態では、仮締め装置が少なくとも一つのプラスチックボルト、少なくとも一つのプラスチックナット、少なくとも一つのプラスチックベルト、少なくとも一つのプラスチックスリーブ、少なくとも一つのプラスチック棒および／または少なくとも一つの収縮フィルムを含んでいる。基本的には、締付けのために必要な力を加えるために適していて、高温型燃料電池スタックの運転温度よりも低い温度で燃焼させるために適しているすべてのプラスチック要素が使用可能である。

本発明に係る高温型燃料電池スタックの有利な発展形態では、高温型燃料電池スタックが少なくともほぼ平行な２枚の端板を備え、この端板が仮締め装置によって相互の方へ締付けられ、仮締め装置が端板を越えて突出していないかまたは端板を少しだけ越えて突出している。例えば、端板はそのコーナー領域に、穴を有する突出する接合板を備え、それぞれこの穴の２が互いに一直線上に整列され、皿頭ボルトの頭を収容するように設計可能である。この場合、高温型燃料電池スタックの上面と下面を実質的に平らにすることができる。これは例えば、このような燃料電池スタックを複数個問題なく積層することを可能にする。

高温型燃料電池スタックを仮締めするための本発明に係る方法は、高温型燃料電池スタックの運転温度よりも低い温度で燃焼するプラスチック材料からなる仮締め装置によって、高温型燃料電池スタックを締めつけるステップを含むことを特徴とする。

それによって、高温型燃料電池スタックの仮締め装置を除去するための本発明に係る後述の方法を実施するための基礎が作られる。

高温型燃料電池スタックを仮締めするための本発明に係る方法に関連して同様に、プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含んでいると有利である。

高温型燃料電池スタックの仮締め装置を除去するための本発明に係る方法は、高温型燃料電池スタックの運転を開始し、その際仮締め装置を燃焼させるステップを含むことを特徴とする。

この解決策によっても、独国特許発明第１０３ ０８ ３８２ Ｂ３号明細書によって知られている、仮締め装置を取り外すための危険な手段が回避される。

高温型燃料電池スタックの仮締め装置を除去するための本発明に係る方法に関連して同様に、プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含んでいると有利である。

本発明は更に、高温型燃料電池スタックの仮締め装置としての、少なくとも一つのプラスチックボルト、少なくとも一つのプラスチックナット、少なくとも一つのプラスチックベルト、少なくとも一つのプラスチックスリーブ、少なくとも一つのプラスチック棒および／または少なくとも一つの収縮フィルムの使用に関する。

これに関連して同様に、プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含んでいると有利である。

次に、本発明の好ましい実施の形態を、関連する図に基づいて例示的に説明する。

図１は、本発明に係る高温型燃料電池スタックの実施の形態を示す斜視図であり、高温型燃料電池スタックを仮締めするための本発明に係る方法がこの高温型燃料電池スタックに適用され、この高温型燃料電池スタックが仮締め装置を除去するための本発明に係る方法を実施するために準備されている。

図２ａ〜図２ｅは、本発明に従って高温型燃料電池スタック用の仮締め装置として使用可能である種々のプラスチック要素を示す図である。

図１は本発明に係る高温型燃料電池スタック１０の一態様の斜視図である。図示した燃料電池スタックは公知のごとく、上側の端板２６と下側の端板２８の間に配置された多数の繰り返し要素２４を備えている。上側の端板２６と下側の端板２８はそれらの各コーナー領域に、皿頭用穴を有する接合板３０を備えている。図１に示した実施の形態の場合、仮締め装置がめねじを有する４本のスリーブ１２（そのうち３本だけが見える）と、皿頭を有する８本のボルト１４（そのうち６本だけが見える）とによって形成されている。めねじを有するスリーブ１２とボルト１４は、高温型燃料電池スタックの運転温度よりも低い温度で燃焼するプラスチック、好ましくは燃えがらを生じないプラスチックで作られている。この高温型燃料電池スタックの運転温度は例えば８５０°Ｃである。プラスチック材料は例えばポリプロピレンおよび／またはポリエチレンのようなポリマープラスチックを含む。

図１に示した状態の高温型燃料電池スタックを得るために、この高温型燃料電池スタックは、先ず最初に、例えば独国特許出願公開第１０３ ３４ １２９ Ａ１号明細書に記載されているように、加熱しながら接合される。この独国特許出願公開第１０３ ３４ １２９ Ａ１号明細書の内容は、本願明細書の開示の一部であると理解されるものとする。従って、燃料電池スタックは、独国特許発明第１０３ ０８ ３８２ Ｂ３号明細書から知られているようにその製作時に荷重が加えられることによって所定の圧力にさらされるのではなく、アクチュエータによって所定の圧力を受ける。このアクチュエータは更に、リリースパス（リリース路）を監視し、押圧力を変更することによってリリースパスに影響を及ぼすことができる。この押圧力は、接合プロセス（シール材の溶融および電気接点の接続）中、室温までの冷却中、その接合及び冷却後に設けられる仮締め装置に締付け作用を引き継ぐまで加えられる。この仮締め装置は、接合および冷却の後で、例えば高温型燃料電池スタックを仮締めするための本発明に係る方法を実施することによって取り付けられる。

仮締め装置により、燃料電池スタックは製造場所から燃料電池システムの最終目的地まで確実に搬送可能および取扱操作可能である。燃料電池システムに組み込んだ後で、最終締付け装置が用意される。この最終締付け装置は、独国特許出願公開第１９５０６６６９０Ａ１号明細書、独国特許発明第１０３ ０８ ３８２ Ｂ３号明細書、または日本特許公開公報１１００７９７５Ａに記載されているように、それ自体公知のごとく形成可能である。仮締め装置の周りに配置される断熱材による締付けがきわめて有利である。

続いて、高温型燃料電池スタックの仮締め装置を除去するための本発明に係る方法を実施することができる。そのためには、高温型燃料電池スタックを運転するだけでよい。例えば８５０°Ｃの運転温度に加熱する間に、仮締め装置が燃焼され、必要な締付け作用は最終締付け装置に引き継がれる。

図２ａ〜２ｅには、仮締め装置を形成することができるプラチック要素が示してある。図２ａはめねじを有するスリーブを示している。図２ｂはおねじと皿頭を有するボルトと、六角ナット１６を示している。図２ｃは市販のケーブルバインダ１８の形をした帯状締付け要素を示している。図２ｄは収縮フィルム片２０を概略的に示している。というのは、この収縮フィルムが同様に仮締め装置として使用可能であるからである。最後に、図２ｅはプラスチック棒２２を示している。このプラスチック棒は少なくともその端部分に、おねじを有する。

仮締め装置のためにプラスチック材料を使用すると、特に次の利点がある。締付け力を微調節可能である。なぜなら、プラスチック部品が非常に小さな弾性係数を有し、そして適切に採寸することによって弾性限界を超えて負荷をかけ、それによって最大締付け力を調節することができるからである。従って、ばねの使用は不要であり、大きな締付け力による損傷が確実に防止される。更に、仮締め装置の面倒な取外しが不要である。というのは、仮締め装置が電気的に絶縁され、短絡を生じないからである。更に、仮締め装置は高温型燃料電池スタックの運転開始時に分解し、システム周囲からガスの状態で去る。このガス（例えばＣＯ_２およびＨ_２Ｏ）は環境および燃料電池にとって無害である。その際、仮締めから最終締付けへの締付け力の引き継ぎは自動的に行われ、他の取扱操作が不要である。仮締めから最終締付けへの引き継ぎ時に、取扱操作ミスによって損傷する危険がない。独国特許出願公開第１９５ ０６６ ６９０ Ａ１号明細書、独国特許発明第１０３ ０８ ３８２ Ｂ３号明細書または日本特許公開公報１１００７９７５Ａに従って外部の最終締付けシステムが使用されると、仮締め装置および断熱材内の開口の封止の面倒でコストのかかる取外しを不要とすることが可能である。

本発明に係る高温型燃料電池スタックは、好ましくは上方および下方に突出する締付け要素を備えておらず、それによってシステムに簡単に組み立て可能である。更に、１個の全体の燃料電池スタック（６０個または９０個の電池）を形成するために複数のサブスタック（３０個の電池モジュール）を積層することが問題なく可能である。

図示していないが、仮締め装置は、本発明の範囲内において少なくとも一部および／または区間が高温型燃料電池スタック１０の繰り返しユニットを通って延在していてもよい。

上記説明、図面および特許請求の範囲に開示した本発明の特徴は、個々においても任意の組み合わせでも本発明を実現するために重要である。

本発明に係る高温型燃料電池スタックの実施の形態を示す斜視図であり、高温型燃料電池スタックを仮締めするための本発明に係る方法がこの高温型燃料電池スタックに適用され、この高温型燃料電池スタックが仮締め装置を除去するための本発明に係る方法を実施するために準備されている。 本発明に従って高温型燃料電池スタック用の仮締め装置として使用可能である種々のプラスチック要素を示す図である。 本発明に従って高温型燃料電池スタック用の仮締め装置として使用可能である種々のプラスチック要素を示す図である。 本発明に従って高温型燃料電池スタック用の仮締め装置として使用可能である種々のプラスチック要素を示す図である。 本発明に従って高温型燃料電池スタック用の仮締め装置として使用可能である種々のプラスチック要素を示す図である。 本発明に従って高温型燃料電池スタック用の仮締め装置として使用可能である種々のプラスチック要素を示す図である。

符号の説明

１０…高温型燃料電池スタック、１２…プラスチックスリーブ、１４…プラスチックボルト、１６…プラスチックナット、１８…プラスチックベルト／プラスチックケーブルバインダ、２０…収縮フィルム、２２…プラスチック棒、２４…繰り返し要素、２６…端板、２８…端板、３０…接合板

Claims (10)

1. 仮締め装置によって締付けられる高温型燃料電池スタック（１０）において、仮締め装置（１２〜２０）が、高温型燃料電池スタック（１０）の運転温度よりも低い温度で燃焼するプラスチック材料からなっていることを特徴とする高温型燃料電池スタック（１０）。
2. プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含むことを特徴とする請求項１記載の高温型燃料電池スタック（１０）。
3. 仮締め装置（１２〜２０）が少なくとも一つのプラスチックボルト（１４）、少なくとも一つのプラスチックナット（１６）、少なくとも一つのプラスチックベルト（１８）、少なくとも一つのプラスチックスリーブ（１２）、少なくとも一つのプラスチック棒（２２）および／または少なくとも収縮フィルム（２０）を含むことを特徴とする請求項１または２記載の高温型燃料電池スタック（１０）。
4. 高温型燃料電池スタック（１０）が少なくとも略平行な２枚の端板（２６，２８）を備え、この端板が仮締め装置（１２〜２２）によって相互の方へ締付けられ、仮締め装置（１２〜２２）が端板（２６，２８）を越えて突出していないか又は端板を少しだけ越えて突出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高温型燃料電池スタック（１０）。
5. 高温型燃料電池スタック（１０）を仮締めするための方法において、次のステップ、すなわち高温型燃料電池スタック（１０）の運転温度よりも低い温度で燃焼するプラスチック材料からなる仮締め装置（１２〜２２）によって、高温型燃料電池スタック（１０）を締めつけるステップを含むことを特徴とする方法。
6. プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 高温型燃料電池スタック（１０）の仮締め装置（１２〜２２）を除去するための方法において、次のステップ、すなわち高温型燃料電池スタック（１０）の運転を開始し、その際に仮締め装置（１２〜２２）を燃焼させるステップを含むことを特徴とする方法。
8. プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 高温型燃料電池スタック（１０）の仮締め装置（１２〜２２）としての、少なくとも一つのプラスチックボルト（１４）、少なくとも一つのプラスチックナット（１６）、少なくとも一つのプラスチックベルト（１８）、少なくとも一つのプラスチックスリーブ（１２）、少なくとも一つのプラスチック棒（２２）および／または少なくとも一つの収縮フィルム（２０）の使用。
10. プラスチック材料がポリマープラスチック、特にポリプロピレンおよび／またはポリエチレンを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。

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