(57)【要約】【課題】積層アッセンブリ１４におけるラミネーション４２相互のシール性を高め、流体の漏洩を防止する。【解決手段】  積層アッセンブリ１４は、複数のラミネーション４２がスタックとして積層され、内部キャビティが高圧となるものであり、第１グループのタイロッド４６によって両端の第１，第２エンドプレート１８，２２が締め付けられ、予荷重が付与されている。各エンドプレート１８，２２の外側に第１，第２ハウジング２６，３４が配置され、第２グループのタイロッド５４によって互いに固定されている。エンドプレート１８，２２とハウジング２６，３４との間に構成される密閉容積３０，３８に、窒素などの高圧の流体が導入され、その圧力Ｐｅが積層アッセンブリ１４内部の圧力Ｐｉに対抗する。これによりラミネーション間のシール性が維持される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層アッセンブリをシールする方法であって、
複数のラミネーションを有する積層アッセンブリに予荷重を与え、
この積層アッセンブリ内に圧力を与え、
上記ラミネーションをシール位置に保持するように、上記積層アッセンブリの端部に隣接して設けた密閉容積を加圧する、
ことを特徴とするシール方法。
【請求項２】
上記の予荷重の付与が、タイロッド構造を用いてラミネーションをシール位置へと付勢することによりなされることを特徴とする請求項１に記載のシール方法。
【請求項３】
上記積層アッセンブリ内の圧力以上の第１の圧力に上記密閉容積を加圧することを特徴とする請求項１に記載のシール方法。
【請求項４】
上記積層アッセンブリが両側のエンドプレートの間に配置されており、両側のエンドプレートの一方が密閉容積の一部を画成することを特徴とする請求項１に記載のシール方法。
【請求項５】
両側のエンドプレートの一方が積層アッセンブリを支持し、他方が密閉容積の一部を画成することを特徴とする請求項４に記載のシール方法。
【請求項６】
両側のエンドプレートの少なくとも一方に設けられた第１のタイロッド構造を用いて予荷重を与え、この第１のタイロッド構造とは別の第２のタイロッド構造を用いてハウジングを積層アッセンブリに対して保持し、このハウジングと両側のエンドプレートの一方とで上記密閉容積を画成することを特徴とする請求項４に記載のシール方法。
【請求項７】
上記第１のタイロッド構造が複数のタイロッドからなり、かつ上記第２のタイロッド構造が複数のタイロッドからなることを特徴とする請求項６に記載のシール方法。
【請求項８】
上記第１のタイロッド構造および上記第２のタイロッド構造が、上記積層アッセンブリに設けられた開口内に受容されることを特徴とする請求項６に記載のシール方法。
【請求項９】
上記密閉容積を加圧するために該密閉容積内に流体を移動させることを特徴とする請求項１に記載のシール方法。
【請求項１０】
上記密閉容積の圧力が上記積層アッセンブリ内の圧力と等しくなるように、上記密閉容積が上記積層アッセンブリと流体的に連通していることを特徴とする請求項９に記載のシール方法。
【請求項１１】
積層アッセンブリの加圧構造であって、
スタックとして積層配置され、かつシール位置および非シール位置へと互いに移動し得る複数のラミネーションと、
上記スタックに隣接したエンドプレートと、
このエンドプレートとともに第１容積を画成するように構成されたハウジングと、
上記エンドプレートに対して設けられ、該エンドプレートを、複数のラミネーションを上記シール位置に保持する第１位置へと動かすように構成された第１グループのタイロッドと、
上記ハウジングに対して設けられた第２グループのタイロッドと、
を備え、上記第１容積を加圧することで、上記エンドプレートが上記第１位置から離れようとする移動を制限するようにしたことを特徴とする加圧構造。
【請求項１２】
上記ハウジングがドームからなることを特徴とする請求項１１に記載の加圧構造。
【請求項１３】
上記ドームと上記エンドプレートとの間に運動用シールが配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の加圧構造。
【請求項１４】
上記第１グループのタイロッドは、複数のラミネーションに設けられた第１グループの開口を通して延び、上記第２グループのタイロッドは、複数のラミネーションに設けられた第２グループの開口を通して延びることを特徴とする請求項１１に記載の加圧構造。
【請求項１５】
上記ラミネーションは円形の断面形状を有し、上記第１グループの開口および上記第２グループの開口は上記ラミネーションの外周縁近くに配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の加圧構造。
【請求項１６】
上記第１容積の圧力制御のために該第１容積への流体の流れを制御するように構成されたコントローラを備えることを特徴とする請求項１１に記載の加圧構造。
【請求項１７】
積層アッセンブリの加圧構造であって、
複数のラミネーションを有し、かつ第１の密閉容積を画成する積層アッセンブリと、
上記積層アッセンブリに隣接し、かつ第２の密閉容積の一部を画成するエンドプレートと、
を備え、上記エンドプレートは、上記第２の密閉容積が加圧されたときに上記ラミネーションを互いにシール位置へ向けて付勢するように構成されていることを特徴とする加圧構造。
【請求項１８】
上記第２の密閉容積を上記エンドプレートとともに画成するハウジングを有し、このハウジングは、上記エンドプレートとは別に上記積層アッセンブリに対して固定されていることを特徴とする請求項１７に記載の加圧構造。
【請求項１９】
上記第１の密閉容積が上記第２の密閉容積と流体的に連通しており、上記第１の密閉容積および上記第２の密閉容積の一方を加圧することで他方も加圧されることを特徴とする請求項１７に記載の加圧構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池や電解装置等における積層アッセンブリのシール方法および加圧構造に関する。
【０００２】
なお、この発明は、米国国防省の一部局である防衛先端研究プロジェクト局による契約番号N00173-01-D-2007に基づき米国政府の支援の下でなされたものであり、従って、米国政府は本発明について所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
ラミネーション（積層部材）をスタックとして積層した積層アッセンブリが、種々の用途、例えば燃料電池や電解装置等において、用いられている。この積層アッセンブリでは、ラミネーション間のシールによって、積層アッセンブリから外部への作動流体の漏洩や積層アッセンブリ内に画成される複数の内部キャビティ間での作動流体の漏洩が阻止される。このような外部への漏洩ならびにキャビティ間の漏洩を制限するために、積層アッセンブリでは種々の形式のシールが用いられている。例えば、弾性シール材のコーティングによるシール、ガスケットシール、あるいは、ラミネーションとなる膜の弾性自体を利用したシール、などが用いられる。これらのシールは、いずれもシールに加えられる圧縮荷重に依存して漏洩を防止する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
積層アッセンブリを備えた多くのシステムでは、タイロッドを用いて積層アッセンブリに予荷重を付与する構成となっている。タイロッドの締付によって積層アッセンブリのラミネーション同士を押し付け、関連したシールが互いにシール関係となるようにしている。予荷重の最大値は、ラミネーションにおける圧縮力の許容度によって制限される。予荷重を付与した後に、積層アッセンブリ内の内部キャビティが高圧とされる。周知のように、このような内部キャビティの圧力による力は予荷重とは反対方向に各ラミネーションに作用するので、この圧力によって、シールが緩み、つまりシール関係が損なわれることがある。シール関係が損なわれる結果、漏洩が生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
積層アッセンブリをシールする例示の方法は、複数のラミネーションを有する積層アッセンブリに予荷重を与えること、この積層アッセンブリ内に圧力を与えること、上記ラミネーションをシール位置に保持するように、上記積層アッセンブリの端部に隣接して設けた密閉容積を加圧すること、を含む。
【０００６】
また例示の積層アッセンブリの加圧構造は、スタックとして積層配置された複数のラミネーションを含む。この複数のラミネーションは、シール位置および非シール位置へと互いに移動し得る。上記スタックに隣接してエンドプレートが設けられている。ハウジングは、上記エンドプレートとともに第１容積を画成するように構成されている。第１グループのタイロッドが、上記エンドプレートに直接に設けられており、該エンドプレートを、複数のラミネーションを上記シール位置に保持する第１位置へと動かすように構成されている。また第２グループのタイロッドが上記ハウジングに対して直接に設けられている。上記第１容積を加圧することで、上記エンドプレートが上記第１位置から離れようとする移動を制限することができる。
【０００７】
他の例示の積層アッセンブリの加圧構造は、第１の密閉容積を画成する積層アッセンブリを備える。この積層アッセンブリは、複数のラミネーションを有する。エンドプレートが上記積層アッセンブリに隣接している。このエンドプレートは、第２の密閉容積の一部を画成する。このエンドプレートは、上記第２の密閉容積が加圧されたときに上記ラミネーションを互いにシール位置へ向けて付勢するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】積層アッセンブリを用いた電解装置の一実施例を示す縦断面図。
【図２】図１の電解装置の底面図。
【図３】図１の電解装置のエンドプレートの一例を示す斜視図。
【図４】積層アッセンブリを用いた電解装置の他の実施例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１および図２は、本発明の一実施例として、第１エンドプレート１８と第２エンドプレート２２との間に保持された積層アッセンブリ１４を備えてなる電解装置１０を示している。なお、他の実施例としては、積層アッセンブリ１４を備えた燃料電池がある。第１エンドプレート１８の一方の面は、積層アッセンブリ１４に接している。第１エンドプレート１８の他方の面は、第１ハウジング２６とともに第１密閉容積３０を画成している。この第１密閉容積３０は、積層アッセンブリ１４の第１端部３２に隣接している。第２エンドプレート２２の一方の面は、積層アッセンブリ１４に接している。第２エンドプレート２２の他方の面は、第２ハウジング３４とともに第２密閉容積３８を画成している。この第２密閉容積３８は、積層アッセンブリ１４の第２端部４０に隣接している。
【００１０】
上記積層アッセンブリ１４は、複数のラミネーション（積層部材）４２からなる。ラミネーション４２は、公知のように、積層アッセンブリ１４内で内部キャビティを画成している。これらのラミネーション４２は、シール位置と非シール位置との間で互いに動き得る。この実施例では、シール位置では、非シール位置に比べて積層アッセンブリ１４からの流体の漏洩が少なくなる。また、シール位置では、非シール位置に比べて、積層アッセンブリ１４の内部キャビティ間での流体の漏洩が少なくなる。積層アッセンブリ１４の内部キャビティ内の圧力をＰｉとして示す。
【００１１】
第１グループのタイロッド４６が、第１エンドプレート１８を第２エンドプレート２２に対し堅固に固定している。例示の第１グループのタイロッド４６は、第２ハウジング３４に対し固定されている。この実施例では、第１グループのタイロッド４６は、第１エンドプレート１８を第２エンドプレート２２に対し固定するために、ナットと螺合するように構成されたねじ部５０を有する。第１グループのタイロッド４６のねじ部５０上でナットを締め付けることで、第１エンドプレート１８が第２エンドプレート２２に向かって付勢され、これによって、積層アッセンブリ１４が圧縮され、ラミネーション４２が互いにシール位置へと動く。この実施例では、第１グループのタイロッド４６の締付に伴って、第１エンドプレート１８が第２エンドプレート２２に対し移動する。このように、この実施例では、積層アッセンブリ１４は、第１グループのタイロッド４６の締付によって予荷重が与えられる。なお、この実施例では、第１グループのタイロッド４６および後述の第２グループのタイロッド５４をタイロッドとして図示してあるが、このタイロッドに代えて、あるいはこのタイロッドに加えて、ボルトやクランプなどを用いることもできる。
【００１２】
第２グループのタイロッド５４は、第１ハウジング２６を第２ハウジング３４に対し固定する。第１グループのタイロッド４６は、第２グループのタイロッド５４とは、別のものである。すなわち、第１グループのタイロッド４６は第２グループのタイロッド５４とは異なるタイロッドであり、第２グループのタイロッド５４とは別の構成要素を接続するように構成されている。
【００１３】
この実施例では、第２グループのタイロッド５４は、第１ハウジング２６を第２ハウジング３４に対し固定するために、ナットと螺合するように構成されたねじ部５８を有する。ねじ部５８上でナットを締め付けることで、第１ハウジング２６が第２ハウジング３４に向かって付勢される。この第２グループのタイロッド５４は、その全てに、軽い予荷重が与えられている。
【００１４】
例示の積層アッセンブリ１４は、略円形の断面形状を有し、かつその外周縁に近い半径位置に、複数の開口６２が設けられている。各々の開口６２は、第１グループのタイロッド４６もしくは第２グループのタイロッド５４に含まれる１つのタイロッドを受けるように構成されている。
【００１５】
第１エンドプレート１８および第２エンドプレート２２は、第２グループのタイロッド５４に含まれる１つのタイロッドをそれぞれ受けるように構成された複数の開口６６を有する。この開口６６は、第１グループのタイロッド４６が第１エンドプレート１８ないし第２エンドプレート２２もしくは双方に対し締め付けられていくときに、第２グループのタイロッド５４が各エンドプレート１８，２２に対し自由に移動できる寸法に設定されている。
【００１６】
例示の第１ハウジング２６は、第１グループのタイロッド４６の締付時に該タイロッド４６の第１ハウジング２６に対する移動を許容するように、溝部７０もしくは孔を有している。
【００１７】
第１密閉容積３０内に流体を保持するために、運動用シール７４が第１エンドプレート１８と第１ハウジング２６との間に配置されている。また、第２密閉容積３８内に流体を保持するために、静的シール７８が第２エンドプレート２２と第２ハウジング３４との間に配置されている。スプリングによって付勢された運動用シール７４および静的シール７８が用いられている。なお、他の形式のシール、例えば、ベローズ、ダイヤフラム、レインフォース付きＯ−リング、などを用いることもできる。
【００１８】
図から明らかなように、この実施例の第１ハウジング２６および第２ハウジング３４は、ドーム形状をなしている。第１密閉容積３０および第２密閉容積３８は、略半球状のものとなっている。これらの密閉容積３０，３８は、積層アッセンブリ１４の両端に配置されているのであり、積層アッセンブリ１４周囲を囲んでいるものではない。なお、図示例では、２つのドームを備えたものとなっているが、他の実施例として、１つのドームのみ（つまり第１ハウジング２６のみ）を備えた構成とすることもできる。
【００１９】
この実施例では、第１密閉容積３０および第２密閉容積３８の圧力を、Ｐｅとして示す。第１グループのタイロッド４６の締付によって積層アッセンブリ１４に予荷重が与えられた後に、圧力Ｐｅが高められ、第１エンドプレート１８が積層アッセンブリ１４から離れようとする動きに対抗する。この圧力Ｐｅは、第１グループのタイロッド４６が圧力Ｐｉに応答することがないように、圧力Ｐｉを効果的に中和する。その代わりに、第２グループのタイロッド５４が、積層アッセンブリ１４の加圧に伴う圧力荷重を負担する。従って、第１グループのタイロッド４６は予荷重に適応するように寸法が設定され、第２グループのタイロッド５４は圧力Ｐｉ，Ｐｅに適応するように寸法が設定されている。
【００２０】
流体は、複数の流体供給ポート８２を通して積層アッセンブリ１４へ導入される。この実施例では、上記流体供給ポート８２は軸方向に延びている。他の実施例では、流体供給ポート８２が半径方向に延びたものとなる。
【００２１】
一つの実施例としては、上記流体は水であり、これが電解装置１０によって水素と酸素とに分解される。例示の電解装置１０は、流体供給源９０から積層アッセンブリ１４への流体の流れを制御するように構成されたコントローラ８６を備えている。このコントローラ８６は、流体供給源９０の制御により圧力Ｐｉを制御する。流体を積層アッセンブリ１４へ導入することで積層アッセンブリ１４の内部キャビティが加圧され、圧力Ｐｉが上昇する。本実施例では、非シール位置へ向かうラミネーション４２の移動が、圧力Ｐｅによって制限される。このように移動を制限することで、積層アッセンブリ１４内でのラミネーション４２のシール関係が維持される。従来技術においては、圧力Ｐｉの上昇によってラミネーション４２が非シール位置へと移動してしまう。
【００２２】
コントローラ９４は、流体供給源９８から第１密閉容積３０および第２密閉容積３８への流体の流れを制御するように構成されている。この流体の一例としては、窒素であり、コントローラ９４は、第１密閉容積３０への窒素の流れを制御することで、圧力Ｐｅを制御する。上記の流体供給源９８およびコントローラ９４を用いて、どのようにして第１密閉容積３０および第２密閉容積３８を加圧したらよいかは、当業者には自明であり、例えば、適当なバルブの配置を電解装置１０に組み込むことができる。
【００２３】
一つの実施例においては、第１密閉容積３０、第２密閉容積３８および積層アッセンブリ１４の内部キャビティが、流体的に接続されている。すなわち、圧力Ｐｉの上昇が直接的に圧力Ｐｅの上昇をもたらす。このような例では、積層アッセンブリ１４と第１密閉容積３０と第２密閉容積３８とが同じ流体で加圧される。この例の場合は、流体供給源９８が不要となり得る。他の例としては、電解プロセスで得られた水素を圧力Ｐｅの上昇のために利用することもできる。一般的には、積層アッセンブリ１４における流体の中の一つが密閉容積３０，３８の加圧のために利用される。
【００２４】
図３は、複数の開口部９９が凹設された第１エンドプレート１８を示しており、これらの開口部９９は、第１エンドプレート１８の端面近くまで軸方向に延びている。このように複数の開口部９９を設けることで、第１エンドプレート１８の強度を維持しつつ、その重量の低減が可能である。第１エンドプレート１８は、積層アッセンブリ１４を均一に圧縮し得るだけの十分に剛性の高い材料からなる。
【００２５】
図４は、他の実施例の電解装置１００を示しており、これは、各々が積層アッセンブリ１４ａを有する複数のセルを備えている。複数のナット１０２が、第２グループのタイロッド５４のねじ部５８に螺合している。
【００２６】
以上の開示した実施例の特徴の一つは、複雑な構造を用いることなくラミネーション間のシール関係を維持することである。他の特徴は、独立した２つのグループのタイロッドを用いることである。タイロッドの一方のグループは、積層アッセンブリの予荷重のためのものであり、他方のグループは、積層アッセンブリの加圧に応答するためのものである。さらに、他の特徴としては、ドーム（ハウジング）と第１エンドプレートとの間に運動用シールを用いることである。この運動用シールによって、第１エンドプレートを介して積層アッセンブリへ圧縮荷重を伝達し易くなる。さらに他の特徴は、予荷重システムから独立した能動型加圧システムを、比較的軽量でかつ小型に構成できることである。例えば、第１エンドプレートおよび第２エンドプレートには、実質的に予荷重の力のみが作用することとなるので、これらを軽量なものとすることができる。
【００２７】
以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…電解装置
１４…積層アッセンブリ
１８…第１エンドプレート
２２…第２エンドプレート
２６…第１ハウジング
３０…第１密閉容積
３４…第２ハウジング
３８…第２密閉容積
４２…ラミネーション
４６…第１グループのタイロッド
５４…第２グループのタイロッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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