(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池又は電解質セルから製造される少なくとも一つのセルスタックのための圧縮ケーシングアッセンブリーであって、該少なくとも一つのセルスタックが、
・頂面、
・底面、
・複数の側面、
・燃料ガスのインレットマニホールド及びアウトレットマニホールドと連絡するように適合された燃料ガスのインレット及びアウトレット、
・酸化ガスインレットマニホールド及びアウトレットマニホールドと連絡するように適合された酸化ガスのインレット及びアウトレット、
を含み、
前記圧縮ケーシングアッセンブリーが、少なくとも二つの剛性の力分配部材、少なくとも一つの可撓性の圧縮力マット、及び内側面、外側面、及び第一及び第二の側縁を含む一つの剛性の固定カラーを含み、そして該少なくとも二つの力分配部材が、
・前記セルスタックの頂面に面した第一の平面、及び前記第一の平面に、前記固定カラーの内側面に向かう方向で対向して面している凸面形状の第二の面を有する頂部、
・前記セルスタックの底面に面した第一の平面、及び前記固定カラーの内側面に向かう方向で対向して面している凸面形状の第二の面を有する底部、
を含み、
その際、前記剛性の固定カラーが、該少なくとも一つのセルスタック、該少なくともの二つの力分配部材、及び少なくとも前記頂面上の該少なくとも一つの可撓性の圧縮力マット、前記底面及び前記側面のうちの二つを取り囲み、該剛性の固定カラーが、予め締め付けられ、それにより、取り囲んでいる剛性の固定カラーに対して垂直な圧縮力が、該少なくとも一つの可撓性の圧縮力マット及び該少なくとも二つの力分配部材によって、主として前記頂面、前記底面、及び前記二つの側面に対して垂直な方向で該少なくとも一つのセルスタックに対して伝達され、そしてそれにより、前記少なくとも二つの力分配部材の頂部及び底部の凸面形状の第二の面が、該少なくとも一つのセルスタックの少なくとも頂面及び底面上に均一に分配された面圧を提供する、上記の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項２】
前記少なくとも二つの力分配部材及び前記少なくとも一つの圧縮力マットが、該少なくとも一つのセルスタックの前記頂面、底面及び二つの側面と、前記取り囲んでいる剛性の固定カラーの内側面との間に、該カラーの軸の範囲の少なくとも一部において、気密なシーリングを形成する、請求項１に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項３】
前記第一の側縁の近傍において前記カラーに対して第一のエンドプレートが固定され、そして前記第二の側縁の近傍において前記カラーに対して第二のエンドプレートが固定され、それにより、該カラー及び該第一及び第二のエンドプレートが、気密な耐圧容器を形成する、請求項２に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項４】
前記カラーの第一の縁区画と組み合わされて前記第一のエンドプレートによって封入された体積が、第一のガス側部マニホールドを形成し、そして、第一のガス開口部が設けられ、そして前記第二のエンドプレートが、前記カラーの第二の縁区画と組み合わされて第二のガス側部マニホールドを形成し、そして該少なくとも一つのセルスタックのための第二のガス開口部が設けられる、請求項３に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項５】
前記少なくとも一つのセルスタックのために、前記第一のエンドプレートに、第一のガス開口部が設けられ、そして第一のガス側部マニホールドを形成し、そして前記第二のエンドプレートに、第二のガス開口部が設けられ、そして第二のガス側部マニホールドを形成する、請求項３に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項６】
前記カラーが、薄い金属シートから製造される、請求項１〜５のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項７】
前記エンドプレートが、溶接、ねじ接続、クランプ接続、リベット、ビード（ｂｅａｄｉｎｇ）、のり又はフランジ接続によって前記カラーに固定される、請求項１〜６のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項８】
前記セルスタックの内の二つ又はそれ以上が、隣り合って、及び／又は底面から頂面に向かってマトリックスパターンに配置される、請求項１〜７のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項９】
前記アッセンブリーの二つ又はそれ以上が、前のアッセンブリーの前記第二の側縁を次のアッセンブリーの第一の側縁に接続することによって直列に連結される、請求項１〜８のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項１０】
前記直列に連結されたアッセンブリーの間における連結の縁領域に、パージガス、燃料及び／又は冷却媒体の内部流のために開口部が設けられる、請求項９に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項１１】
前記少なくとも二つの力分配部材が断熱性であり、そしてセラミック、ガラス、金属又はそれらの組み合わせから製造される、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの可撓性の圧縮力マットが、振動減衰材料から製造される、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの可撓性の圧縮力マットの材料が、耐火性のセラミック繊維又はガラス繊維、一つ又はそれ以上の次の酸化物：すなわちジルコニア、クロミア又はチタニアを含む低アルカリアルミノシリケート複合物、又はバーミキュライトから製造される、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項１４】
前記アッセンブリーが、前記スタックの頂面、底面及び二つの側面に適用される力分配部材を有し、そして、卵形の断面を有するか、又は前記アッセンブリーが、前記スタックの頂面及び底面に適用される力分配部材を有し、そして長円、楕円又はレーストラックの断面を有する、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一つに記載の少なくとも一つのアッセンブリーを製造する方法であって、
−  複数の燃料電池又は電解質セルを含む、少なくとも一つのセルスタックを提供するステップ、
−  少なくとも二つの剛性の力分配部材及び少なくとも一つの可撓性の圧縮力マットを提供するステップ、
−  前記スタック、力分配部材及び力マットを、該スタックの少なくとも頂面、底面及び二つの側面上で、剛性の固定カラーで取り囲むステップ、
−  前記マットを圧縮するように前記カラーを締め付け、そしてそれによって該スタックに圧縮力を付与するステップ、
−  前記カラーをその締め付けられた状態で固定するステップ、
を含む、上記の方法。
【請求項１６】
−  第一及び第二のエンドプレートを提供するステップ、
−  該カラーの第一の側縁の近傍において前記第一のエンドプレートを該カラーに固定し、そして該カラーの第二の側縁の近傍において前記第二のエンドプレートを該カラーに固定するステップ、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
−  二つ又はそれ以上の前記アッセンブリーを提供するステップ、
−  前のアッセンブリーの第二の側縁を次のアッセンブリーの第一の側縁に固定することによって該アッセンブリーを直列に連結するステップ、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１〜１４のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリーの、少なくとも一つの燃料電池スタック又は電解質セルスタックの、振動減衰及び保護のための使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセルスタックの圧縮に関し、より詳細には、燃料電池スタック又は電解質セルスタックのための圧縮ケーシング、及び固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック又は固体酸化物電解質形セルスタック（ＳＯＥＣ）のためのそのような圧縮ケーシングの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下では、ＳＯＦＣスタックに関連して本発明を説明する。しかしながら、本発明による圧縮ケーシングは、他の種類の燃料電池、例えば高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭ）、又は直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）にも使用できる。更に、本発明は、固体酸化物電解質形セル及びそのようなセルのスタックのような電解質セルにも使用できる。
【０００３】
燃料電池又は電解質セルの電気化学反応及び機能は、本発明の本質ではないため、これらについては詳細に説明しないが、当業者には知られているものと考えられる。
【０００４】
ＳＯＦＣで生じる電圧を増大するために、いくつかのセルユニットを組み立ててスタックを形成し、そして相互に連結することによって一緒に結合させる。スタックのこれらの層は、ガラスのような気密性かつ耐熱性のシール材でいくつかの縁部又は全ての縁部に沿ってが一緒にシールされる。この相互連結は、隣接するセルユニットのアノード（燃料）側とカソード（空気／酸素）側とを分離するためのガス障壁として機能し、それと同時に、その隣接するセルの間、すなわち、電子の余剰分を有するセルのアノードと、還元プロセスのための電子を必要とする隣のセルのカソードとの間の電流電導を可能する。相互連結とその隣の電極との間の電流電導は、相互連結の領域全体にわたる複数の接触点を介して可能となる。この接触点は、相互連結の両側上の突起部として形成できる。燃料電池スタックの効率は、これら点のそれぞれにおける良好な接触に依存するため、燃料電池スタックに適当な圧縮力を付与することがきわめて重要になる。この圧縮力は、電気接触を確保すべく、十分に大きくかつ燃料電池の領域全体にわたって均一に分配されていなければならないが、電解質、電極、相互連結を損傷したり、燃料電池にわたるガス流を妨げたりするほど大きくてはならない。燃料電池の圧縮はまた、スタックを気密に維持するため、スタックの層の間をシールする役割を果たす。
【０００５】
この問題の解決法は、燃料電池が、スタックに面する一つの矩形で平坦な側面及び凸面形状の対向面を有する熱絶縁端部ブロックをどのように有するかを開示する国際公開第２００８０８９９７７号パンフレット（特許文献１）中で提案されている。ばねによって端ブロックの凹形状面に対する可撓性シートが堅く締め付けられ、それによってそのばね力がスタック及び端部領域にわたって均一に分配される。
【０００６】
ドイツ国特許第１０２５０３４５号（特許文献２）においては、ＳＯＦＣを取り囲むハウジングが提供され、そしてスタックとそのハウジングとの間の圧縮可能なマットが、径方向及び軸方向の両方でセルに圧縮力を与える。
【０００７】
国際公開第２００６０１２８４４号パンフレット（特許文献３）は、例えば、熱絶縁素子に対して半球形状に圧力を分配させ、次にスタック上に更に加圧するばねを介して、スタックがどのように緊張するかを開示している。
【０００８】
国際公開第２００８００３２８６号パンフレット（特許文献４）において、スタックは、熱絶縁素子によって圧縮されており、該熱絶縁素子は、弾性スリーブによってスタックに対して押さえられている。そのスリーブは、例えば、シリコーン又は天然ゴムから作られている。更に別のスタック圧縮原理がドイツ国特許第１９６４５１１１号（特許文献５）に示されている。
【０００９】
現在知られている燃料電池スタックの圧縮問題に対する解決法にも拘わらず、それらの全てはいくつかの次のような固有の問題を有する。
−  より多くの構成部材が圧縮システムに含まれているほど、製造費が益々高価になり、そして材料費が益々高くなる。更に、構成部材の数が増加するのに伴って一般に機能不全の危険性が増大する。
−  スタックを圧縮するための金属ばねへの依存が費用を増大させ、そして特に、熱にさらされると、金属ばねはクリープする傾向があり、それ故、経時的にばねの特性が変化し、その結果圧縮力が変化する。
−  圧力発生器としてゴムを使用する解決法は、周囲のシステムに機械的かつプロセス的な接続を可能にし、そして圧縮アッセンブリーを保護するための、例えば金属の静止的ハウジングが更に必要とされる場合がある。
−  凸部の力による分配部材を用いない解決法は、スタックの領域全体にわたって不均一な加圧の危険性を有するため、不十分な電気接触及び燃料電池スタック構成部材の層間剥離を起こすという危険性がある。
−  気密性でない圧縮解決法は、ガスの分配のための更なる構成部材、すなわちマニホールドを必要とし、これらは高価でしかも特にいくつかのスタックを直列及び／又は並列に接続しなければならない場合、取り付けに細心の注意を要し、そして燃料電池システムを複雑にする。
−  強力で気密な外面を用いない解決法は、取り扱い時、提供時、及び運転時の損傷に傷つき易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００８０８９９７７号パンフレッット
【特許文献２】ドイツ国特許第１０２５０３４５号
【特許文献３】国際公開第２００６０１２８４４号パンフレット
【特許文献４】国際公開第２００８００３２８６号パンフレット
【特許文献５】ドイツ国特許第１９６４５１１１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、一つ又はより多くのセルスタックのための新しい圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することによって上述の問題を解決することである。
【００１２】
より詳細には、本発明の目的は、セルスタックを圧縮するための金属ばねの必要性を省いた圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００１３】
本発明の目的はまた、例えばタービンシステムにおいて存在する圧力に耐えることのできる耐圧容器を形成する圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することでもある。
【００１４】
本発明の更なる目的は、高い周囲温度に耐えることのできる圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００１５】
本発明の更なる目的は、セルスタックの少なくとも四つの側に実質的に気密性の封止を提供する、圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００１６】
本発明の更に別の目的は、セルスタックの対向する両側を実質的に気密的に分離し、そして一実施形態においてはセルスタックの酸化ガスインレット側と酸化ガスアウトレット側とを分離する、圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００１７】
本発明の更なる目的は、セルスタックにおける燃料電池又は電解質セルの領域全体に均一な圧力分布を提供するか、又は十分に画定された圧力分布を提供する圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００１８】
本発明の更なる目的は、セルスタックを熱的に絶縁する圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００１９】
本発明の更なる目的は、セルスタックの振動を減衰させ、かつ保護する圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００２０】
本発明の更なる目的は、少数の安定な構成部材からなる圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００２１】
本発明の更なる目的は、燃料電池を保護し、そして圧縮システムとマニホールドをアッセンブリーに組み立てるのに取り扱い及びマウントが容易な、堅牢で、耐久性のある溶接可能な圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００２２】
本発明の更なる目的は、二つ又はより多くのスタックの、容易で、気密でかつ耐久性のある、直列及び並列のカソードフロー接続を可能にする、圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００２３】
本発明の更なる目的は、プロセスガス又はプロセス流体の余剰の注入のための簡単な接続を本来可能にする圧縮ケーシングアッセンブリーを提供することである。
【００２４】
これらの、及びその他の目的は以下に説明する本発明によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
従って、特に固体酸化物型燃料電池又は固体酸化物電解質セルのためのスタックではあるが、既に説明したように潜在的に他の公知のセルタイプに対しても圧縮ケーシングアッセンブリーが提供される。以下において、燃料電池スタック又は電解質セルスタックは、本発明の本質が圧縮ケーシングアッセンブリーであって、セル内で起こる電気化学反応ではないため、黒色のボックスとして見なされる。従って、燃料電池の場合、黒色ボックスは、酸化ガス及び燃料ガスが供給されると電気及び熱を発生するか、あるいは、電解質セルの場合、黒色ボックスは、電気が供給されると酸化ガス及び燃料ガスを発生し、電気負荷によって黒色ボックスは熱を生じるか又は熱を消費する。燃料電池スタック又は電解質セルスタックの機能及び内部要素は、公知技術と考えられ、本発明の主題ではない。
【００２６】
燃料電池スタック又は電解質セルスタックは、多くの物理的形状を有することができ、これは本発明を制限するものではないが、本発明の開示を簡略化するために以下の説明及び例は、例えば、出発点として、ボックス形状、すなわち、実質的に矩形の３個ずつの接続に配置された、６個の矩形側部、８個の角部、及び１２個の縁部を有するセルスタックである。以下で、セルスタックは、頂面、底面及び複数の側面を有することを特徴とする。したがって、本発明の前提条件は、少なくとも頂面及び底面が、頂面が底面に向かって押圧されるような圧縮力を必要とすることである。任意に、スタックの更なる二つの対向する側面は、互いに対抗する圧縮力を必要とし、そして、いくつかの場合、更なる二つの対向する側面が互いに対抗する圧縮力を必要とする。
【００２７】
圧縮力を分配するために、そして任意に、断熱もするために、一方が平坦でかつ他方が凸面形状を有する剛性の力分配部材が、一つはスタックの頂面に対抗して、そして一つは底面に対抗して配置される。任意に、二つ又はそれ以上の側面に力分配部材を設けることもできる。
【００２８】
スタックのアッセンブリー及び力分配部材の周囲には、可撓性の圧縮力マットが与えられ、これは、圧縮力にさらされると圧縮されることができるという特徴を有する。圧縮の程度（ｄｉｓｔａｎｃｅ）は、圧縮力のサイズに関連するため、力分配部材、そしてさらにスタックに付与されるべき必要な圧縮力は、そのマットを相当程度圧縮することによって達成できる。マットの圧縮は、剛性の可撓性カラーを、スタックのアッセンブリー、力分配部材及び圧縮力マットの周囲に設けることによって維持される。ここで、“剛性”とは、けん引力に対抗する剛性を意味し、従って、薄い金属シートは、必要な固定を付与するためのけん引力に対抗して十分に剛性であることができる。固定カラーは、必要な圧縮程度又は相関的な圧縮力に到達するまで圧縮マットの周囲で締め付けられ、その後、そのカラーは、この締め付けられた位置で固定される。固定カラーは、一つ又はそれ以上のセクションを含み、それらの全てが固定される。
【００２９】
1.  複数の燃料電池又は電解質セルから製造される少なくとも一つのセルスタックのための圧縮ケーシングアッセンブリーであって、該少なくとも一つのセルスタックが、
・頂面、
・底面、
・複数の側面、
・燃料ガスのインレットマニホールド及びアウトレットマニホールドと連絡するように適合された燃料ガスのインレット及びアウトレット、
・酸化ガスインレットマニホールド及びアウトレットマニホールドと連絡するように適合された酸化ガスのインレット及びアウトレット、
を含み、
前記圧縮ケーシングアッセンブリーが、少なくとも一つの剛性の力分配部材、少なくとも一つの可撓性の圧縮力マット、及び内側面、外側面、及び第一及び第二の側縁を含む少なくとも一つの剛性の固定カラーを含み、そして該少なくとも一つの力分配部材が、
・前記セルスタックの頂面に面した第一の平面、及び前記第一の平面に、前記固定カラーの内側面に向かう方向で対向して面している概ね凸面形状の第二の面を有する頂部、
・前記セルスタックの底面に面した第一の平面、及び前記固定カラーの内側面に向かう方向で対向して面している概ね凸面形状の第二の面を有する底部、
を含み、
その際、前記剛性の固定カラーが、該少なくとも一つのセルスタック、該少なくともの一つの力分配部材、及び少なくとも前記頂面上の該少なくとも一つの可撓性の圧縮力マット、前記底面及び前記側面の内の二つを取り囲み、該剛性の固定カラーが、予め締め付けられ、それにより、取り囲んでいる剛性の固定カラーに対して垂直な圧縮力が、該少なくとも一つの可撓性の圧縮力マット及び該少なくとも一つの力分配部材によって、該少なくとも一つのセルスタックに対して、主として前記頂面、前記底面、及び前記二つの側面に対して垂直な方向で伝達され、そしてそれにより、前記少なくとも一つの力分配部材の頂部及び底部の概ね凸面形状の第二の面が、該少なくとも一つのセルスタックの少なくとも頂面及び底面上に均一に分配された面圧を提供する、上記の圧縮ケーシングアッセンブリー。
２．  前記少なくとも一つの力分配部材及び前記少なくとも一つの圧縮力マットが、該少なくとも一つのセルスタックの前記頂面、底面及び二つの側面と、前記取り囲んでいる剛性の固定カラーの内側面との間に、該カラーの軸の範囲の少なくとも一部において、実質的に気密なシーリングを形成する、上記１に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
３．  前記第一の側縁の近傍において第一のエンドプレートが前記カラーに固定され、そして前記第二の側縁の近傍において第二のエンドプレートが前記カラーに固定され、それにより、該カラー及び第一及び第二のエンドプレートが、気密な耐圧容器を形成する、上記の２に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
４．  前記カラーの第一の縁区画と組み合わされて前記第一のエンドプレートによって封入された体積が、第一のガス側部マニホールドを形成し、そして、第一のガス開口部を設けられ、そして前記第二のエンドプレートが、前記カラーの第二の縁区画と組み合わされて第二のガス側部マニホールドを形成し、そして該少なくとも一つのセルスタックのための第二のガス開口部が設けられる、上記の３に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
５．  前記少なくとも一つのセルスタックのために、前記第一のエンドプレートに、第一のガス開口部が設けられ、そして第一のガス側部マニホールドを形成し、そして前記第二のエンドプレートに、第二のガス開口部が設けられ、そして第二のガス側部マニホールドを形成する、上記の３に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
６．  前記カラーが、薄い金属シート、好ましくはフェライト系ステンレス鋼又はオーステナイト系ステンレス鋼又はニッケル合金、好ましくはインコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）から製造される、上記の１〜５のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
７．  前記エンドプレートが、溶接、ねじ接続、クランプ接続、リベット、ビード、のり又はフランジ接続によって前記カラーに固定される、上記の１〜６のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
８．  前記セルスタックの内の二つ又はそれ以上が、隣り合って、及び／又は底面から頂面に向かってマトリックスパターンに配置される、上記の１〜７のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
９．  前記アッセンブリーの二つ又はそれ以上が、前のアッセンブリーの前記第二の側縁を次のアッセンブリーの第一の側縁に接続することによって直列に連結される、上記の１〜８のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
１０．  前記直列に連結されたアッセンブリーの間における連結の縁領域に、パージガス、燃料及び／又は冷却媒体の内部流のために開口部が設けられる、上記の９に記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
１１．  前記少なくとも一つの力分配部材が、断熱性であり、そしてセラミック、ガラス、金属又はそれらの組み合わせ、好ましくは多孔質ケイ酸カルシウム、又はガラス繊維強化ケイ酸カルシウムから製造される、上記の１〜１０のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
１２．  前記少なくとも一つの可撓性の圧縮力マットが、振動減衰材料から製造される、上記の１〜１１のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
１３．  前記少なくとも一つの可撓性の圧縮力マットの材料が、耐火性のセラミック繊維又はガラス繊維、好ましくはマグネシア−シリカ繊維、シリカ量含有アルミナ繊維、一つ又はそれ以上の次の酸化物：ジルコニア、クロミア又はチタニアを含む低アルカリアルミノシリケート複合物、又はバーミキュライトから製造される、上記の１〜１２のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
１４．  前記アッセンブリーが、前記スタックの頂面、底面及び二つの側面に適用される力分配部材を有し、そして、概ね円形の断面を有するか、又は前記アッセンブリーが、前記スタックの頂面及び底面に適用される力分配部材を有し、そして概ね長円、楕円又はレーストラックの断面を有する、上記の１〜１３のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリー。
１５．  上記の１〜１４のいずれか一つに記載の少なくとも一つのアッセンブリーを製造する方法であり、
−  複数の燃料電池又は電解質セルを含む、少なくとも一つのセルスタックを提供するステップ、
−  少なくとも一つの剛性の力分配部材及び少なくとも一つの可撓性の圧縮力マットを提供するステップ、
−  前記スタック、力分配部材及び力マットを、該スタックの少なくとも頂面、底面及び二つの側面上で、剛性の固定カラーで取り囲むステップ、
−  前記マットを圧縮するように前記カラーを締め付け、そしてそれによって該スタックに圧縮力を付与するステップ、
−  前記カラーをその締め付けられた状態で固定するステップ、
を含む、上記の方法。
１６．−  第一及び第二のエンドプレートを提供するステップ、
−  前記第一のエンドプレートを、該カラーの第一の側縁の近傍において該カラーに対して固定し、そして前記第二のエンドプレートを、該カラーの第二の側縁の近傍において該カラーに対して固定するステップ、
を更に含む、上記の１５に記載の方法。
１７．  −二つ又はそれ以上の前記アッセンブリーを提供するステップ、
−  該アッセンブリーを、前のアッセンブリーの第二の側縁を次のアッセンブリーの第一の側縁に固定することによって直列に連結するステップ、
を更に含む、上記の１５に記載の方法。
１８．  上記の１〜１４のいずれか一つに記載の圧縮ケーシングアッセンブリーの、少なくとも一つの燃料電池スタック又は電解質セルスタックの、振動減衰及び保護のための使用。
【００３０】
本発明は更に、本発明の実施形態の例を示す添付する図面によって説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の実施形態による、ケースに入れられたセルスタックを含む、圧縮ケーシングアッセンブリーの切断端面図を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、ケースに入れられたセルスタックを含む圧縮ケーシングアッセンブリーの切断端面図を示す。
【図３】図３は、本発明の他の実施形態による、ケースに入れられたセルスタックを含む圧縮ケーシングアッセンブリーの切断端面図を示す。
【図４】図４は、ガスマニホールドとしてのエンドプレート、放射状に伸びる燃料ガス管、及び軸方向に伸びる酸化ガス管に固定された圧縮ケーシングアッセンブリーの等尺図を示す。
【図５】図５は、ガスマニホールドとしてのエンドプレート、放射状に伸びる燃料ガス管、及び放射状に伸びる酸化ガス管に固定された圧縮ケーシングアッセンブリーの等尺図を示す。
【図６】図６は、ガスマニホールドとしてのエンドプレート、軸方向に伸びる燃料ガス管、及び軸的に伸びる酸化ガス管に固定された圧縮ケーシングアッセンブリーの等尺図を示す。
【図７】図７は、二つの固定カラーの端部と端部とを連結させることによって直列のカソード流に連結された二つのスタックを有する圧縮ケーシングアッセンブリーの切断端面図を示す。
【図８】図８は、並列のカソード流に連結された４つのスタックを有する圧縮ケーシングアッセンブリーの切断端面図を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１０１、２０１、３０１、４０１、
５０１、６０１、７０１、８０１：  剛性の固定カラー
１０２、２０２、３０２、７０２、８０２：  頂部の剛性な力分配部材
１０３，２０３、３０３、７０３、８０３：  底部の剛性の力分配部材
１０４、８０４：  第一の側部の剛性の力分配部材
１０５、８０５：  第二の側部の剛性の力分配部材
１０６、２０６、３０６、７０６、８０６：  可撓性の圧縮力マット
１０９、２０９、３０９、７０９、８０９：  セルスタック、ボックス形状
２１０、４１０、５１０、６１０、７１０：  酸化ガスインレットマニホールド
２１１、４１１、５１１、６１１、７１１：  酸化ガスインレット管
２１２、７１２、８１２：  酸化ガスアウトレットマニホールド
２１３、４１３、５１３、６１３、７１３：  酸化ガスアウトレット管
４２１、５２１、６２１：  燃料ガスインレット管
４２２、５２２、６２２：  燃料ガスアウトレット管
７３１：  中間酸化ガスマニホールド
【００３３】
図１を参照すると、一実施形態において、圧縮されるセルスタック１０９は、ボックス形状であり、そしてそれは内部的及び外部的にマニホールド化され、組み合わされたセルスタックである。燃料ガスは、（図示しない）燃料管に接続された内部マニホールドを介して、そのセルに供給され、そしてそのセルから除去される。酸化ガスは、そのセル（上記で説明したような燃料電池又は電解質セル）の一方の端部に供給され、そのセル領域を流れて、次にそのセルの他方の端部から除去される。セルがスタックされると、これらの平行する端部は、そのスタックの二つの側部を形成し、次にこれらは二つの外部マニホールドに連結される。図１において、ボックス形状のセルスタック１０９は、酸化ガスインレット側から見たものである。この実施形態において、剛性で、かつ、断熱的な力分配部材１０２、１０３、１０４、１０５が、酸化ガスのための開口部を有することなく、セルスタックの４つ側面、すなわち頂面及び底面、プラス二つの側面に設けられている。
【００３４】
図１に見られるように、４つの力分配部材のそれぞれは、セルスタックと接触している面に対して平坦であり、それ故、それら力分配部材のそれぞれの対向する面は、一つの次元において凸面形状を、そしてその凸面の曲線の軸に対して平行な次元において直線形状を有する。この実施形態における力分配部材のその凸面の曲線は、円弧の形状、より具体的には円の４分の１の弧の形状を有する。従って、４つの力分配部材のそれぞれが、スタックのそれらが対応する側面に配置されると、それら４つの凸面形状の面は一緒になって、それら力分配部材とスタックとの間に実質的に空隙を有することのない円筒形状を形成する。力分配部材は、用途の特定の要件（断熱性、ガス不浸透性、剛性、追加の機能）に応じて広範にわたる材料から製造することができる。力分配部材の材料の例は：セラミック、ガラス、金属又はそれらの組み合わせ、多孔質ケイ酸カルシウム又はガラス繊維強化ケイ酸カルシウムである。いくつかの用途において、断熱性が、力分配部材の所望される特徴であるが、他の用途においては、断熱性は必ずしも必要とされない。力分配部材は、アノード熱交換器のような活性要素でさえあることができる。
【００３５】
可撓性の圧縮マットは、セルスタック及び４つの力分配部材のアッセンブリーの周囲に配置される。可撓性の圧縮マットは、そのアッセンブリーをきつく取り囲み、そしてそのマットの端部は、例えばバット−エンド固定（ｂｕｔｔ  ｅｎｄ  ｆｉｘｉｎｇ）又はさねはぎ継ぎ（ｔｏｎｇｅ  ａｎｄ  ｇｒｏｏｖｅ）アッセンブリーなどで、相互に緊密に取り付けられる。圧縮マットは、高温条件下におけるＳＯＦＣの圧縮に非常に良好に適しているという特徴を有する。これは実質的に気密性であり、これは耐熱性であり、そしてこれは圧縮される程度がより大きい程、圧縮方向に対抗する圧縮力が益々大きく及ぶように圧縮可能である。圧縮マットは、セルスタックが適当な程度圧縮されると、そのセルスタックに対して圧縮力を及ぼすため、金属圧縮ばねの必要性を不要にする。この”適当な程度（ｓｕｉｔａｂｌｅ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）”は、圧縮マットの既知の弾性率、又は簡単に実験的反復のいずれかによって決定できる。前提条件とは、圧縮を要するスタックであり、これは実験により決定され、そして問題のセルスタックの種類に固有である。スタック圧縮力は、スタックの周囲を必要な力で締め付けることによって得られる。圧縮マットの適当な圧縮程度を決定するための別の方法は、力測定装置をスタックボックス表面と、力分配部材との間に適用し、そして次にその力測定装置に従って、スタックに対する所望の圧縮力が得られるまで、周囲を取り巻くマットを圧縮する。一旦、この実験を行った後、更なる圧縮アッセンブリーを、類似の特徴の圧縮マットによるこのデータに基づいて製造することができる。圧縮マットに必要とされる特徴は、当業者に公知の材料の範囲で得ることができ、そのいくつかは、耐火性セラミック繊維、又はガラス繊維、マグネシア−シリカ繊維、ある量のシリカを含有アルミナ繊維、次の酸化物、すなわちジルコニア、クロミア、又はチタニアの一種又はより多くを含有する低アルカリアルミノシリケート複合物、又はバーミキュライトである。
【００３６】
圧縮ケーシングアッセンブリーは、スタック、力分配部材、及び圧縮マットを取り囲む剛性の固定カラーによって完成する。この固定カラーは、いくつかの目的に貢献し、最も重要な目的は、圧縮マットを、スタックに必要な圧縮力を付与するのに必要である所望の圧縮状態で固定することである。固定カラーは、金属、プラスチック、複合材料、ガラス繊維、炭素繊維又は当業者に公知のその他の好適な材料のような材料の範囲で製造できる。例えば、固定カラーが鋼から製造される場合、それは薄板としてアッセンブリーの周囲に設けることができ、ホースクランプなどによって所望の圧縮力に締め付けることができる。所望する寸法に到達するとき、シートをその端部に沿って溶接することができ、それにより、緊密に固定された円筒状のカラーを圧縮マット、力分配部材及びスタックの周囲に形成できる。固定カラーは、セルスタックの保護部としてさらに貢献する。スタックが上述のように缶詰されると、それは熱的に保護され、圧縮マットによる衝撃及び振動に対して保護され、そしてカラーによる打ちつけ、引っ掻きなどに対抗して保護される。
【００３７】
このカラーは、酸化ガスインレット及びアウトレットマニホールドの一部としての目的に更に貢献する。狭い許容誤差で取り付けられる場合、セルスタック、力分配部材、圧縮マット及び固定カラーは、スタックの酸化ガスインレット側とそのスタックの酸化ガスアウトレット側との間に実質的に気密性の障壁を形成する。インレット側からアウトレット側に圧縮アッセンブリーを通過して少量の酸化ガスが移動する場合でさえも、これはセルスタックの性能に劣った影響しか持たないであろう。
【００３８】
図２を参照すると、固定カラーがより大きい寸法を有する場合、それは燃料電池スタック（又は電解質セルスタック）２０６、及びそれを取り巻いている力分配部材２０２、２０３及び圧縮マット２０６よりも広く、アッセンブリーには、酸化ガスインレット側及び酸化ガスアウトレット側の両方の面上に封入リムが設けられる。このリムにキャップを設けると、非常に簡単なインレットマニホールド２１０及びアウトレットマニホールド２１２が得られる。キャップは、固定カラーと同じ鋼材料で製造でき、そしてそれら二つは一緒に溶接することができ、これは、個々のシール材及び装着システムによって合わせる必要のある公知の外部マニホールドと比較して、気密でしかも非常に堅牢なマニホールドを与える。それ故、圧縮ケーシングアッセンブリーは、加圧容器として形成され、これは、例えばタービンシステムに見られるような、実質的な過圧に耐える寸法を簡単に得ることができる。更に、非常に大きな利点とは、そのような高い圧力で稼働している燃料電池スタックが、燃料電池スタックの電気効率を著しく増大させるネルンストポテンシャルを増大させることである。酸化ガスは、酸化ガスインレット管２１１を介してインレットマニホールドに供給され、そして酸化ガスアウトレット管２１３を介してアウトレットマニホールドから取り出される。燃料ガスは、当業界で公知の（図示しない）内部マニホールドを介してスタックに供給され、そしてスタックから取り出され、そして（図示しない）燃料インレット管及びアウトレット管がスタック中の内部マニホールドに、固定カラー、圧縮マットを介し、更に（図示しない）力分配部材を介する開口部を介して設けられる。燃料ガス管は、固定カラー及び圧縮マット及び力分配部材に対して、公知の技術及び材料、例えば溶接、ろう付などにより密閉させることができる。
【００３９】
更なる実施形態において、図示されていないが、一つ又はより多くのスタックを含む圧縮ケーシングアッセンブリーは、たとえカラーが、スタック、力分配部材及び圧縮マットアッセンブリーよりも大きくない場合でさえも堅牢で、かつ側部マニホールドと容易に取り付けることができる。カラーが、前記アッセンブリーの残部と実質的に同じ幅（ｗｉｔｈ）を有する場合、エンドプレートは、適当な技術のいずれかにより該カラーに更に容易に取り付けることができる。エンドプレートがやや凸面形状である場合、マニホールドの体積は、セルの間に酸化ガスを分配させるために形成され、そしてエンドプレートは金属が用いられる場合、図２による解決法と同様に、カラーに対して簡単に溶接、リベット留め、ろう付け、又はビード加工でき、かくして、気密で、耐圧性で、かつ非常に堅牢なアセンブリーを形成する。
【００４０】
かくして、図２による圧縮ケーシングアッセンブリーは、簡単で、気密で、安定で、かつ堅牢なセルスタックユニットを形成する。
【００４１】
燃料電池効率を高めるために、スタックを直列に連結させることが有利であることができる。図７に示すように、本発明のアッセンブリーは、主要スタック７０９のアウトレットマニホールド７１２、及びそれに続く該スタック７０９のインレットマニホールド７１０を省略することができ、そして二つの固定カラーはその際簡単に一緒に溶接されるようにこの目的に非常に良好に適している。このように、もし、取り囲んでいる固定カラー７０１がスタックよりも大きい場合には、二つの連結されたスタック間にはある体積の中間マニホールド７３１が生じる。管を中間マニホールドに接続することができ、それにより補助的な酸化ガス、蒸気、水ミスト、又はその他のプロセスガスや流体の注入が可能となる。本発明の圧縮ケーシングアッセンブリーは、簡単で、堅牢で、耐圧性でかつ気密な、多数の燃料電池スタックの直列接続を可能にする、丈夫で簡単なユニットを提供する。
【００４２】
図８に見られるように、燃料電池スタック又は電解質セルスタックの並列接続もまた、本発明によって達成可能である。二つ又はより多くのスタック８０９は、互いの上に配置できるか、隣り合って配置することができる。いずれの、あるいはいくつのスタックが並列に配置されるかを問わず、力分配部材８０２、８０３、８０４、８０５は、スタックの周囲に合わせることができ、そして圧縮マット８０６は、空隙を満たし、そして不規則性を排除するようにスタック間に配置することができる。このように二つ又はより多くのスタックを並列に配置する場合でさえ、簡単で、頑丈で、耐圧性で、かつ気密な圧縮ケーシングアッセンブリーが達成できる。
【００４３】
図３を参照すると、セルスタック３０９の頂面及び底面にだけ、力分配部材３０２、３０３が適用されている実施形態が示されている。このスタックの側面には、圧縮マット３０６だけが適用されていて、これは圧縮するためではなく、単にスタックの気密な封入を達成するためである。この実施形態は、セルスタックが、主として、底部端に対する頂部の圧縮を必要とするという事実を利用しているが、側面の圧縮は、スタックの耐久性及び効率に関してそれほど重要ではない。従って、この実施形態は、側面の力分配部材だけでなく、かなりの量の空間を省く。
【００４４】
図４、図５及び図６は、燃料インレット管４２１、５２１、６２１及びアウトレット管４２２、５２２、６２２が、缶詰された燃料電池スタック又は電解質セルスタックに対してどのように接続できるかを示している。管は、カラー４０１、５０１、６０１を通って延び、そして更に、圧縮力マット及び力分配部材（図４、図５及び図６では見えない）を通って続き、そしてセルスタックの内部マニホールドに達している。一実施形態において、管は、例えば、鋼などの材料で製造でき、これはセルの堅牢で気密なアッセンブリーが得られるようにカラーに対して溶接又はろう付けできる。図４は図１及び図２による実施形態に類似しており、図５には異なる解決法が示されていて、その場合も、酸化ガス管５１１、５１３はカラーの円筒側面上に設けられていて、そのため、管はその円筒の中心軸に対して実質的に直角に伸びている。この実施形態は、セルアッセンブリーの一側面にだけ配管が所望される用途において有利であり得る。図６においては、酸化ガス管６１１、６１３及び燃料ガス管６２１、６２２の両方が、酸化ガスマニホールドを介して円筒軸に対して実質的に並行に延びている実施形態が示されている。
【図１】
0005449411.tif 000002
【図２】
0005449411.tif 000003
【図３】
0005449411.tif 000004
【図４】
0005449411.tif 000005
【図５】
0005449411.tif 000006
【図６】
0005449411.tif 000007
【図７】
0005449411.tif 000008
【図８】
0005449411.tif 000009