JP2010503159A - 少なくとも１つの燃料電池スタックを収容するためのハウジング - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの燃料電池スタック（１６；１１６；２１６；３１６；４１６）を収容するためのハウジングに関し、ハウジングは、第１のエンクロージャシェル（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）および第２のエンクロージャシェル（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）を含み、第１および第２のエンクロージャシェルは締結装置によって互いに締め付けられ、締結装置の弾性力によって、収容される燃料電池スタックをその積み重ね方向に押圧されるようにし得る。

Description

本発明は、第１のエンクロージャシェルおよび第２のエンクロージャシェルを含み、少なくとも１つの燃料電池スタックを収容するためのハウジングまたはエンクロージャに関する。

本発明はさらに、１つのそのようなエンクロージャおよび燃料電池スタックを含むシステムに関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、とりわけ、改質器、アフターバーナならびにＳＯＦＣ燃料電池スタックを含む複数の構成要素からなる。これらの構成要素を約９００℃の温度で作動させる。

ＳＯＦＣ燃料電池スタックは、規定の押圧力を付加して組み立てられることが知られている。組み立て中、保管中およびシステムへの取り付け中における燃料電池スタックの押圧は一時的なクランプの力により保証されている。たとえば、独国特許発明第１０３ ０８ ３８２Ｂ３号明細書から、燃料電池スタックを締め付け固定する可能性があること、または固定のために押圧する可能性があることが知られている。

しかしながら、固定のために押圧する可能性が存在することは、圧力および高温により収縮が発生すると、この収縮に対して押圧が十分に適応できず、燃料電池スタックの固定のための押圧を持続的に保証できないという課題を有している。

既存のシステムの別の課題は、押圧するための構成の取り付けが燃料電池スタックの固定の助けとならないことである。

それゆえ、本発明の目的は、燃料電池スタックの固定の助けとなる、少なくとも１つの燃料電池スタックを固定するための押圧を持続的に保証し得ることである。

この目的は、請求項１に記載のエンクロージャによって達成される。

本発明の有利な態様および別の実施形態は、従属請求項から明らかとなる。

この目的を達成するために、本発明は、少なくとも１つの燃料電池スタックを収容するためのエンクロージャを用いる。エンクロージャは、第１のエンクロージャシェルおよび第２のエンクロージャシェルを含み、第１および第２のエンクロージャシェルはクランプ手段によって係合され、クランプ手段の弾性によって第１および第２のエンクロージャシェルの間に収容される燃料電池スタックをその積み重ね方向に押圧することができる。このエンクロージャは、どのような作動条件および温度においても少なくとも燃料電池スタックを常に最適に押圧して固定するという利点を有する。さらに、かかる構成により、収容機能と押圧機能とを組み合わせる一方で、非常に単純で取り付けが複雑でないエンクロージャをもたらすので、組み立てにおける複雑さを低減させ、取り付け費用を削減するだけでなく製造費も削減する。さらに、メンテナンスの際に複雑な分解を行う必要が無く、メンテナンスのしやすさも改善される。さらに別の利点は、エンクロージャに収容された燃料電池の構成品を汚れおよび損傷からの保護することである。

さらに、第１および第２のエンクロージャシェルの間に隙間を生じさることなく、燃料電池スタックの積み重ね方向に一定の距離だけ互いに離し得るように、エンクロージャを構成してもよい。かかる構成によって、温度の上昇によって燃料電池スタックが膨張したとしても、燃料電池スタックは常に環境から隔離された空間に配置され、燃料電池スタックが配置される内部空間は汚れおよび損傷から保護されるという利点を有する。

隙間を生じさせないエンクロージャの動きは、第１および第２のエンクロージャシェルの対向する各縁部に弾性を有するシールを配置することによって達成可能である。ここで、第１および第２のエンクロージャシェルが互いに離れる場合、非常に弾性が高いシールは、押圧が低減されることによって生じた空間に膨らむことができるので、第１および第２のエンクロージャシェル間に隙間が発生することを妨げる。

上記の別の方法として、または上記の方法に加えて、第１および第２のエンクロージャシェルを入れ子可能な構造とすることによっても、隙間を生じさないエンクロージャの動きを達成することが可能である。第１および第２エンクロージャシェルが燃料電池スタックの積み重ね方向に垂直な方向に互いに支持し合い安定化させることで、非常に頑丈で単純に構成された押圧構造を達成するという利点を有する。別の利点は、どのような作動条件においても、エンクロージャ内に収容された燃料電池スタックの構成要素が常に壁で囲まれているために、該構成要素から外部へ放射される熱が強く低減され得ることである。

本発明によるエンクロージャは、クランプ手段が複数のヒンジ式ばねクランプを備えることにより、より好ましい効果をもたらすことができる。ヒンジ式ばねクランプを使用することは、エンクロージャシェルの取り付けおよび固定のために工具を使用することなく、燃料電池スタックの最適な押圧を保証することができ、また、非常に単純で費用効果がよいといえます。

別の方法として、前記のクランプ手段がばねを備えるクランプフレームであることを提供し、クランプフレームによってしっかりした強力な（ｒｕｇｇｅｄ ｈｉｇｈ ｆｏｒｃｅ）押圧を達成することを可能としてもよい。

さらに、本発明によるエンクロージャは、エンクロージャシェルを断熱材で作製することにより、より好ましい効果を得ることができる。収容機能および押圧機能に加えて、当該別の実施形態は、エンクロージャが断熱機能も提供するという利点をえることができる。

別の方法として、この利点を、断熱材の層を用いてエンクロージャシェルを被覆することによっても達成できる。

さらに、本発明によるエンクロージャは、外側エンクロージャシェルの中に入れ子にできる内側エンクロージャシェルが燃料電池スタックの積み重ね方向に延在し、燃料電池スタックの積み重ねの高さの少なくとも９０％が内側エンクロージャシェルに収容されてもよい。この変形例は、積み重ね方向に垂直な一方向に燃料電池スタックがほぼ完全に支持されるという利点を提供する、すなわち、燃料電池スタックを構成する要素のための複雑な締結具を用いる必要がない。

さらに、本発明によるエンクロージャは、燃料電池システムの改質器および／またはアフターバーナを少なくとも一部分収容する設計にすることができる。これにより、エンクロージャに燃料電池システム全体を収容することが可能となり、これもまた、組み立てに関して非常に単純で高い費用効果を達成可能であるという利点を有する。

この実施形態は、改質器および／またはアフターバーナを収容する内側エンクロージャシェルおよび外側エンクロージャシェルが、それぞれの開放端部に開口する凹部を特徴とするという利点をもたらしてもよい。これもまた、単純な組み立てを保証する一方、内側および外側エンクロージャの両側の端部を通って管状の改質器および／またはアフターバーナを案内することを可能とする。これらの凹部はまた、組み立てを容易にすることに加えて、エンクロージャの壁部を通る該改質器および／またはアフターバーナを押圧するという利点を提供する。

本発明はさらに、上述したエンクロージャおよび燃料電池スタックを含むシステムを提供し、このシステムは、上述したエンクロージャに対応して同様の利点を提供する。

本発明を以下、特に好ましい実施形態として添付の図面を参照して詳細に説明する。

分解した状態で示す、第１の例示的な実施形態の本発明によるエンクロージャの概略図である。 組み立てた状態で示す、図１に示す本発明によるエンクロージャの図である。 分解した状態で示す、第２の例示的な実施形態の本発明によるエンクロージャの概略図である。 組み立てた状態で示す、図３に示すエンクロージャの図である。 分解した状態で示す、第３の例示的な実施形態の本発明によるエンクロージャの概略図である。 組み立てた状態で示す、図５に示すエンクロージャの図である。 分解した状態で示す、第４の例示的な実施形態の本発明によるエンクロージャの概略図である。 分解した状態で示す、第５の例示的な実施形態の本発明によるエンクロージャの概略図である。 組み立てた状態で示す、図８に示すエンクロージャの図である。

ここで図１および２を参照すると、本発明によるエンクロージャの第１の例示的な実施形態を示してあり、図１に分解されているエンクロージャを示し、図２に組み立てられているエンクロージャを示す。本発明によるエンクロージャは、好ましくは断熱材で作製された外側エンクロージャシェル１０および内側エンクロージャシェル１２を含む。別の方法として、外側エンクロージャシェル１０および／または内側エンクロージャシェル１２は、内側又は外側を断熱材によって被覆してもよい。２つのエンクロージャシェル１０、１２は、一方の端部が開放している平行六面体のシェルであり、隙間なく（ｄｅａｄ ｔｒｕｅ）、またはわずかに間隙をもたせて入れ子式に寸法決めされている。外側エンクロージャシェル１０は４つのヒンジ式ばねクランプ１４を備える。ヒンジ式ばねクランプ１４は、外側エンクロージャシェル１０の外側に固定して取り付けられているので、ヒンジ式ばねクランプ１４のグリップ部が内側エンクロージャシェル１２を部分的に支持し、すなわち、クランプ１４のグリップ部の弾性により内側エンクロージャシェル１２の外側の底面を外側エンクロージャシェル１０の方へ押して、内側エンクロージャシェル１２が外側エンクロージャシェル１０に保持されるように構成されている。ヒンジ式ばねクランプ１４に代わる手段として、独国特許発明第１０３ ０８ ３８２Ｂ３号明細書に記載されているように、クランプフレームがシェルを一緒にクランプする働きをしてもよい。エンクロージャを少なくとも１つの燃料電池スタック１６を収容する設計とする。燃料電池スタック１６を内側エンクロージャシェル１２に挿入し、内側エンクロージャシェル１２の側面の壁部が、燃料電池スタック１６の積み重ね方向に垂直な方向に燃料電池スタック１６を支持するように構成する（燃料電池スタックの積み重ね方向は、図１に示す垂直方向に対応する）。内側エンクロージャシェル１２内に燃料電池スタック１６がほとんど完全に収容されるように内側エンクロージャシェル１２の寸法が決められる。好ましくは燃料電池スタックの９０％超が内側エンクロージャシェル１２内に入れられればよい。かかる場合に燃料電池スタック１６は内側エンクロージャシェル１２から突出するので、２つのエンクロージャシェル１０、１２がヒンジ式ばねクランプ１４によって係合されると、燃料電池スタック１６は外側エンクロージャシェル１０により上から押圧される。すなわち、２つのエンクロージャシェル１０、１２の底部がヒンジ式ばねクランプ１４によって一緒に押込まれて、燃料電池スタック１６が２つのエンクロージャシェル１０、１２積み重ね方向の間で押圧される。このようにして、ヒンジ式ばねクランプ１４の弾性およびエンクロージャシェル１０、１２の移動可能性によって、いかなる作動条件においてもクランプ効果を維持する。燃料電池スタック１６へ給電線を接続するために、内側エンクロージャシェル１２の底部にポートを設けてもよい（図示せず）。

ここで図３および４を参照すると、本発明によるエンクロージャの第２の例示的な実施形態を示してあり、図３に分解されているエンクロージャを示し、図４に組み立てられているエンクロージャを示す。第２の例示的な実施形態によるエンクロージャは、外側エンクロージャシェル１１０および内側エンクロージャシェル１１２を含み、外側エンクロージャシェルはヒンジ式ばねクランプ１１４を備える。先の記載との重複を避けるために、外側エンクロージャシェル１１０および凹部１２０が、それぞれ第１の例示的な実施形態の外側エンクロージャシェル１０および内側エンクロージャシェル１２とは、以下に説明する態様においてのみ異なることを明確に理解されたい。ヒンジ式ばねクランプ１４は、ヒンジ式ばねクランプ１１４と同じものである（第１の例示的な実施形態において引用したクランプフレームを、代替手段として設けることもできる）。第１の例示的な実施形態とは異なり、第２の例示的な実施形態のエンクロージャは、燃料電池スタック１１６だけでなく燃料電池システム全体を収容する。燃料電池システムの一部として図３に示すのは、改質器、アフターバーナまたはこれらの一部であるバーナ管１１８である。このバーナ管１１８を収容するために、外側エンクロージャシェル１１０および内側エンクロージャシェル１１２は、それぞれの対応する底部に反対向きに開口する凹部１２０を備える。各凹部１２０の閉じた側の端部の半径は、実質的にバーナ管１１８の直径の半分に対応する。凹部１２０の幅は、実質的にバーナ管１１８の直径に対応する。断熱性を確保するためおよび製造時のばらつきを補償してより確実に押圧させるために、バーナ管１１８は、断熱機能または制振機能を有するシース１２２を備えてもよい。どのように押圧が機能するかに関しては、先の例示的な実施形態を参照されたい。

ここで図５および６を参照すると、本発明によるエンクロージャの第３の例示的な実施形態を示してあり、図５に分解されているエンクロージャを示し、図６に組み立てられているエンクロージャを示す。第３の例示的な実施形態によるエンクロージャは、上部エンクロージャシェル２１０および下部エンクロージャシェル２１２を含む。エンクロージャシェル２１０、２１２は、好ましくは断熱材で作製されている。別の方法として、上部および／または下部エンクロージャシェルは、内側又は外側を断熱材で被覆してもよい。２つのエンクロージャシェル２１０、２１２は、一方の端部が開放している平行六面体のシェルであり、その各開放端部の縁部に弾性シール２２４が取り付けられている。第２の例示的な実施形態と同じように、エンクロージャは、燃料電池スタック２１６だけでなく燃料電池システム全体を収容する。図５および６に燃料電池システムの一部として示すのは、改質器またはアフターバーナまたはその一部であるバーナ管２１８である。このバーナ管２１８を収容するために、上部エンクロージャシェル２１０および下部エンクロージャシェル２１２はそれぞれの対応する底部に反対向きに開口する凹部２２０を備える。この構成では、バーナ管２１８のための４つの凹部２２０はそれぞれ半円形になっており、その半径は、バーナ管２１８の外径の半分よりも幾分大きい。半径が幾分大きい理由は、挿入されたバーナ管２１８とエンクロージャシェル２１０および２１２との間に配置されているシール２２４（全体を示す図（図５）から明らかであるように）が、好ましくはフレームに対応する形状を有しているからである。凹部２２０の部分において、シール２２４はバーナ管２１８を囲むようにリング状に形成される。好ましくは、シール２２４のリング状部分を残りの平坦な部分と一体的に形成する。さらに、上部エンクロージャシェル２１０は、クランプ手段として機能する８つのヒンジ式ばねクランプ２１４を有することを特徴とする（ヒンジ式ばねクランプ２１４のうちの４つが図６から明らかである；図５には、図面を複雑にしないためにヒンジ式ばねクランプ２１４を示さない）。エンクロージャシェル２１０の側面にそれぞれ２つのヒンジ式ばねクランプ２１４を取り付ける。この例示的な実施形態では、ヒンジ式ばねクランプ２１４のグリップ部は、ヒンジ式ばねクランプ２１４のグリップ部が延在する下部エンクロージャシェル２１２に対応して位置決めして設けられたノッチまたはスロットに係合する。ノッチまたはスロットに代わる手段として、対応する突起またはピンが設けられてもよい。ヒンジ式ばねクランプ２１４を介して、上部および下部エンクロージャシェル２１０、２１２を、ある程度の弾性を有して押圧することができる。エンクロージャを組み立てる際に、燃料電池スタック２１６を下部エンクロージャシェル２１２に収容して、２つのエンクロージャシェル２１０、２１２の底部間で燃料電池スタック２１６を押圧する。まず、この構成では、シール２２４が強く圧縮される。ヒンジ式ばねクランプ２１４によって、燃料電池スタック２１６が２つのエンクロージャシェル２１０、２１２の底部の間でその積み重ね方向に押圧され、ヒンジ式ばねクランプ２１４の弾性によって、いかなる作動条件においても燃料電池スタック２１６に対する押圧が維持される。燃料電池スタック２１６へ接続される給電線のために、下部エンクロージャシェル２１２の底部にポートが設けられてもよい（図示せず）。ヒンジ式ばねクランプ２１４に代わる手段として、上述の押圧フレームを設けてもよい。上述のシステムを作動する場合、燃料電池スタック２１６は熱のために膨張する。エンクロージャシェル２１０および２１２はわずかに分離し得るが、この動きはシール２２４に従う。すなわち、シール２２４の圧縮が低減することによって、上部エンクロージャシェル２１０と下部エンクロージャシェル２１２の隙間をシール２２４が埋めることとなり、エンクロージャシェル２１０と２１２との間の隙間の発生を妨げる。一方ではヒンジ式ばねクランプ２１４の押圧力のために、他方では膨張力のために、また、熱のために、エンクロージャシェル２１０、２１２の材料は持続的に収縮する。しかし、ヒンジ式ばねクランプ２１４の弾性およびシール２２４の弾性が、どのような作動条件においてもこれらの動きを相殺して、燃料電池スタックを常に最適に押圧し、エンクロージャシェル２１０と２１２との間の隙間の発生を常に妨げる。

図７を参照すると、分解した状態を示す第４の例示的な実施形態における本発明によるエンクロージャの概略図を示す。このエンクロージャは、上部エンクロージャシェル３１０および下部エンクロージャシェル３１２を含む。先の記載との重複を避けるために、第４の例示的な実施形態の以下の説明では、第３の例示的な実施形態と比較した違いのみを説明する。第４の例示的な実施形態では、下部エンクロージャシェル３１２は、第３の例示的な実施形態の下部エンクロージャシェル２１２の上縁部に対応する棚状部（ｌｅｄｇｅ）を有することを特徴とする。棚状部に載置されているのは弾性の高いシール３２４であり、その上に上部エンクロージャシェル３１０の開放端部の縁部が載る。下部エンクロージャシェル３１２の壁部は棚状部の上方が棚状部の下方よりも厚みが薄くなっている。棚状部の上方では、下部エンクロージャシェル３１２の外側が上部エンクロージャシェル３１０の内側へ隙間なく配置されるか、またはわずかな間隙をもって摺動式に配置される。従って、この例示的な実施形態は、第１および第２の例示的な実施形態による２つのエンクロージャシェルにおける摺動式な配置を、第３の例示的な実施形態による弾性シールの挿入と組み合わせる。第３の例示的な実施形態の機能に加え、第４の例示的な実施形態は、燃料電池スタック３１６を、下部エンクロージャシェル３１２によって実質的に完全に収容可能に構成されている。好ましくは燃料電池スタック３１６の９０％超が下部エンクロージャシェル３１２に収容され、積み重ね方向に垂直な方向においても燃料電池スタックの支持をもたらす。残りの構成要素（例えばヒンジ式ばねクランプまたはクランプフレームを含む）および機能に関しては、第３の例示的な実施形態を参照されたい。

ここで図８および９を参照すると、本発明によるエンクロージャの第５の例示的な実施形態を示しており、図８に分解されているエンクロージャを示し、図９に組み立てられているエンクロージャを示す。この例示的な実施形態は、上部エンクロージャシェル４１０および下部エンクロージャシェル４１２によって、１つだけ燃料電池スタック４１６が収容され、かつ押圧されることが、第３の例示的な実施形態とは異なる。従って、バーナ管などのための凹部は設けられていない。さらに、リング状部分を備える弾性シール４２４は設けられておらず、その代わりに、全体として均一な厚さを有するフレームとして構成される（図８に全体的に示す）。ヒンジ式ばねクランプ４１４は、第３の例示的な実施形態と同様の係合手段を含み、既に繰り返し説明しているように、別の方法として、クランプフレームを設けてもよい。

修正例として、第３、第４および第５の例示的な実施形態において、エンクロージャシェルの封止面を設けてもよい、すなわち、その対向面を歯付きに加工し、一方のエンクロージャシェルの歯部は他方のエンクロージャシェルの歯部と噛み合う。好ましくは、対向面に介在させた弾性シールを対向面の歯部に従うように構成する。そのような実施形態の利点は、封止面が平坦な場合よりも各歯が熱をエンクロージャの内部に引き留めるため、歯部が放射される熱を低減させるのに役立つことである。

上述の説明、図面で開示し、かつ特許請求された本発明の特徴は、本発明をそれ自体または任意の組み合わせの双方で達成するために必要なものであり得ることを理解されたい。

１０…外側エンクロージャシェル、１２…内側エンクロージャシェル、１４…ヒンジ式ばねクランプ、１６…燃料電池スタック、１１０…外側エンクロージャシェル、１１２…内側エンクロージャシェル、１１４…ヒンジ式ばねクランプ、１１６…燃料電池スタック、１１８…バーナ管、１２０…凹部、１２２…シース、２１０…上部エンクロージャシェル、２１２…下部エンクロージャシェル、２１４…ヒンジ式ばねクランプ、２１６…燃料電池スタック、２１８…バーナ管、２２０…凹部、２２４…シール、３１０…上部エンクロージャシェル、３１２…下部エンクロージャシェル、３１６…燃料電池スタック、３１８…バーナ管、３２０…凹部、３２４…シール、４１０…上部エンクロージャシェル、４１２…下部エンクロージャシェル、４１４…ヒンジ式ばねクランプ、４１６…燃料電池スタック、４２４…シール

Claims (12)

1. 少なくとも１つの燃料電池スタック（１６；１１６；２１６；３１６；４１６）を収容するためのエンクロージャであって、第１のエンクロージャシェル（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）および第２のエンクロージャシェル（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）を含み、前記第１エンクロージャシェルと第２のエンクロージャシェルがクランプ手段により係合され、前記クランプ手段の有する弾性によって前記第１エンクロージャシェルと第２のエンクロージャシェルの間に収容される前記燃料電池スタックをその積み重ね方向に押圧することを特徴とするエンクロージャ。
2. 前記エンクロージャシェル（１０、１２；１１０、１１２；２１０、２１２；３１０、３１２；４１０、４１２）と前記燃料電池スタックとのに隙間を生じさせずに、一定の距離だけ前記燃料電池スタック（１６；１１６；２１６；３１６；４１６）の積み重ね方向について、前記エンクロージャシェルと前記燃料電池スタックとを互いに離すことができることを特徴とする、請求項１に記載のエンクロージャ。
3. 前記第１のエンクロージャシェル（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）と前記第２のエンクロージャシェル（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）との対向する縁部間に弾性を有するシール（２２４；３２４；４２４）が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のエンクロージャ。
4. 前記第１のエンクロージャシェル（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）と前記第２のエンクロージャシェル（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）が入れ子にでき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エンクロージャ。
5. 前記クランプ手段が、複数のヒンジ式ばねクランプ（１４；１１４；２１４；４１４）を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンクロージャ。
6. 前記クランプ手段が、ばねを備えるクランプフレームであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンクロージャ。
7. 前記エンクロージャシェル（１０、１２；１１０、１１２；２１０、２１２；３１０、３１２；４１０、４１２）が断熱材で作製されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンクロージャ。
8. 前記エンクロージャシェル（１０、１２；１１０、１１２；２１０、２１２；３１０、３１２；４１０、４１２）が断熱材の層を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンクロージャ。
9. 前記第１のエンクロージャシェル（１０；１１０；３１０）に入れ子にすることができる前記第２のエンクロージャシェル（１２；１１２；３１２）が前記燃料電池スタック（１６；１１６；３１６）の積み重ね方向に延在して、収容される前記燃料電池スタックの積み重ねの高さの少なくとも９０％が前記第２のエンクロージャシェルに収容されることを特徴とする、請求項４に記載のエンクロージャ。
10. 前記エンクロージャが、前記燃料電池システムの改質器および／またはアフターバーナを少なくとも一部分収容するように設計されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンクロージャ。
11. 前記改質器および／または前記アフターバーナを収容するための前記第１のエンクロージャシェル（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）および前記第２のエンクロージャシェル（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）の双方が、開放端部にそれぞれ開口する凹部（１２０；２２０；３２０）を有すること特徴とすることを特徴とする、請求項１０に記載のエンクロージャ。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエンクロージャおよび燃料電池スタック（１６；１１６；２１６；３１６；４１６）を含むシステム。

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