(57)【要約】  燃料電池においてそのウェットシール領域に配置されるコンプライアント部材が記載されており、これはバイポーラ・プレート構造により定められて電極兼カレントコレクターに隣接している。該コンプライアント部材は平らなボディー部材を含んでおり、該ボディー部材は、該ボディー部材の平面から外方に延在して該コンプライアント部材にコンプライアンスを与えるセクションを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極かつカレントコレクターに隣接しているウェットシール領域を定めるプレート構造を有する燃料電池に用いられるコンプライアント部材（compliant member）であって、
前記コンプライアント部材が、前記ウェットシール領域に配置可能であり、ボディー部材の平面から外に向かって伸びて前記コンプライアント部材にコンプライアンスを与える複数のセクションを持つ前記ボディー部材を有することを特徴とするコンプライアント部材。
【請求項２】
前記ボディー部材は、前記コンプライアント部材が配置される前記ウェットシール領域内に適合するように構成されていることを特徴とする請求項１のコンプライアント部材。
【請求項３】
前記ウェットシール領域は、平らなセクションと前記プレート構造の前記平らなセクションの反対側の他の部分との間の領域により定められ、
前記平らなセクションは、前記他の部分を有する前記プレート構造の表面に面するように前記プレート構造のエッジの上に折り込むことによって形成されるフランジの一部であることを特徴とする請求項１のコンプライアント部材。
【請求項４】
前記ボディー部材は平らであり、前記ボディー部材の前記複数のセクションの各セクションの一方の側は前記ボディー部材に結合されていることを特徴とする請求項２のコンプライアント部材。
【請求項５】
前記複数のセクションの各セクションの前記一方の側は、それぞれのセクションにおいて、互いに一方の側となる側とそのセクションの同じ側に存在することを特徴とする請求項４のコンプライアント部材。
【請求項６】
前記ボディー部材と前記複数のセクションとは超合金材料またはばねで作製されていることを特徴とする請求項５のコンプライアント部材。
【請求項７】
前記コンプライアント部材が圧縮されていない状態において、前記ボディー部材に結合された前記一方の側とは反対の前記複数のセクションのそれぞれの反対側は、前記平らなボディー部材から０．０１−０．０６インチ離れて配置され、前記複数のセクションは前記平らなボディー部材の平面から外に向かって２−５０度の角度で伸びることを特徴とする請求項６のコンプライアント部材。
【請求項８】
前記角度は、圧縮荷重が前記燃料電池に加えられると減少することを特徴とする請求項７のコンプライアント部材。
【請求項９】
前記コンプライアント部材が完全に圧縮されると、前記複数のセクションは前記平らなボディー部材の前記平面に配置されることを特徴とする請求項８のコンプライアント部材。
【請求項１０】
前記超合金材料はインコネル７１８、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）、およびレネ４１（Ｒｅｎｅ−４１）のうちの１つであることを特徴とする請求項６のコンプライアント部材。
【請求項１１】
前記ボディー部材と前記複数のセクションとのそれぞれとは長方形であることを特徴とする請求項６のコンプライアント部材。
【請求項１２】
前記複数のセクションは、前記ボディー部材の長さ方向に沿って伸びかつ前記ボディーの幅に沿って離れて配置される複数の列をなして配置されることを特徴とする請求項１のコンプライアント部材。
【請求項１３】
前記ボディー部材の前記複数のセクションのそれぞれの一方の側は前記ボディー部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１２のコンプライアント部材。
【請求項１４】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の長さ方向及び前記ボディー部材の幅方向のうちの一方に沿って伸びることを特徴とする請求項１３のコンプライアント部材。
【請求項１５】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の前記長さ方向に沿って伸びることを特徴とする請求項１４のコンプライアント部材。
【請求項１６】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の前記幅方向に沿って伸びることを特徴とする請求項１４のコンプライアント部材。
【請求項１７】
前記複数のセクションの複数の列は、前記ボディー部材の長さ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項１２のコンプライアント部材。
【請求項１８】
活性な燃料電池領域と前記活性な燃料電池領域に隣接するウェットシール領域とを定めるプレート構造を有し、燃料電池スタックに用いられる燃料電池であって、
前記活性な燃料電池領域に接し、前記ウェットシール領域に伸びるカレントコレクターと、
前記カレントコレクターの前記ウェットシール領域に伸びる領域を除いた領域で前記カレントコレクターに接する電極と、
前記ウェットシール領域に伸びる前記カレントコレクターの領域で前記カレントコレクターに接するコンプライアント部材と、
を含み、
前記コンプライアント部材は、ボディー部材の平面から外に向かって伸びる複数のセクションを有する前記ボディー部材を有し、前記複数のセクションは前記コンプライアント部材にコンプライアンスを与えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
前記プレート構造の２つの反対側のエッジが前記プレート構造の第１表面上に折り込まれて前記プレート構造の前記第１表面に隣接する２つのフランジを形成し、
前記フランジのそれぞれは、前記プレート構造の前記第１表面から離れてかつ平行に配置された平らなセクションを含み、
前記ウェットシール領域は、前記２つのフランジのうちの第１のフランジの平らなセクションと、前記平らなセクションと反対側の前記プレート構造の前記第１表面の一部との間の領域により定められることを特徴とする請求項１８の燃料電池。
【請求項２０】
前記活性な燃料電池領域は、前記プレート構造の前記第１表面上の前記２つのフランジの間の領域であることを特徴とする請求項１９の燃料電池。
【請求項２１】
前記電極は、カソードとアノードとのうちの一方であることを特徴とする請求項２０の燃料電池。
【請求項２２】
前記活性領域に隣接する更なるウェットシール領域に伸びる前記カレントコレクターの領域で前記カレントコレクターに接する更なるコンプライアント部材を更に含んでおり、
前記更なるウェットシール領域は、前記２つのフランジのうちの第２のフランジの平らなセクションと、前記プレート構造の前記第１表面の前記平らなセクションと反対側の部分との間の領域により定められ、前記更なるコンプライアント部材は更なるボディー部材を含み、
前記更なるボディー部材は、前記更なるボディー部材の平面から外に向かって伸びて前記更なるコンプライアント部材にコンプライアンスを与える更なる複数のセクションを有することを特徴とする請求項２１の燃料電池。
【請求項２３】
前記ボディー部材は前記ウェットシール領域に適合するように構成されていることを特徴とする請求項１８の燃料電池。
【請求項２４】
前記ボディー部材は平らであり、前記ボディー部材の前記複数のセクションのそれぞれの一つの側は前記ボディー部材に結合されていることを特徴とする請求項１８の燃料電池。
【請求項２５】
前記複数のセクションの各セクションの前記一方の側は、それぞれのセクションにおいて、互いに一方の側となる側とそのセクションの同じ側に存在することを特徴とする請求項２４の燃料電池。
【請求項２６】
前記ボディー部材と前記複数のセクションとは超合金材料またはばねで作製されていることを特徴とする請求項２４の燃料電池。
【請求項２７】
前記コンプライアント部材の圧縮されていない状態において、前記ボディー部材に結合された前記一方の側とは反対の側の前記複数のセクションのそれぞれは、前記平らなボディー部材から０．０１−０．０６インチ離れて配置され、前記複数のセクションは前記平らなボディー部材の平面から外に向かって２−５０度の角度で伸びることを特徴とする請求項２６の燃料電池。
【請求項２８】
前記角度は、圧縮荷重が前記燃料電池に加えられると減少することを特徴とする請求項２７の燃料電池。
【請求項２９】
前記コンプライアント部材が完全に圧縮されると、前記複数のセクションは前記平らなボディー部材の前記平面に位置することを特徴とする請求項２８の燃料電池。
【請求項３０】
前記超合金材料はインコネル７１８、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）、及びレネ４１（Ｒｅｎｅ−４１）のうちの１つであることを特徴とする請求項２６の燃料電池。
【請求項３１】
前記ボディー部材と前記複数のセクションのそれぞれは長方形であることを特徴とする請求項２６の燃料電池。
【請求項３２】
前記複数のセクションは、前記ボディー部材の長さに沿って伸びかつ前記ボディーの幅に沿って離れて配置される複数の列をなして配置されることを特徴とする請求項１８の燃料電池。
【請求項３３】
前記ボディー部材の前記複数のセクションのそれぞれの一方の側は前記ボディー部材に取り付けられていることを特徴とする請求項３２の燃料電池。
【請求項３４】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の長さ方向及び前記ボディー部材の幅方向のうちの一方に沿って伸びることを特徴とする請求項３３の燃料電池。
【請求項３５】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の前記長さ方向に沿って伸びることを特徴とする請求項３４の燃料電池。
【請求項３６】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の前記幅方向に沿って伸びることを特徴とする請求項３４の燃料電池。
【請求項３７】
前記複数のセクションの複数の列は、前記ボディー部材の長さ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項３２の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に高温の燃料電池スタックのウェットシール領域に用いられる柔軟な部材に関する。より具体的には、本発明は該ウェットシール領域において圧縮圧力を維持するための柔軟な部材に関するが、これは各燃料電池の周囲に隣接するバイポーラ・プレート部分により定められる。
【背景技術】
【０００２】
慣用の燃料電池スタックは通常数百の直列の燃料電池を有する。適切に働くためには、スタックの寿命の全体にわたってあらゆるスタック動作状態のときにスタック内の全ての電池の間に密接な接触が保たれなければならない。この要件を達成するときに考慮されなければならない要素は、電池コンポーネントの製作公差、動作時の電池コンポーネントの不均一な熱膨張、及びスタックの収縮をもたらす電池コンポーネントの長期間焼固を含む。以下に更に記載されるように、特に重要なのはスタック動作時のカソード部材の収縮である。
【０００３】
炭酸塩燃料電池スタックは、バイポーラ・プレート構造を含む。バイポーラ・プレートは、隣接する２つの電池の間に配置された平らで長方形のガス不透過性部材であって、一方の隣接電池に面する第１表面と他方の隣接セルに面する第２表面とを含み、これらの隣接電池のカレントコレクターとの電気的接触を提供する。バイポーラ・プレートの相対する２つのエッジは該プレートの該第１面の上に折り重ねられて２つのシーリング・フランジを形成しており、他の２つのエッジは該プレートの該第２面の上に折り重ねられて他の２つのシーリング・フランジを形成する。これらシーリング・フランジの各々の少なくとも一部分は、折り重ねられたエッジの、バイポーラ・プレートの該第１又は第２の表面に平行に該表面から離隔されている平らなセクションを含む。各々の折り重ねられたエッジの該平らなセクションと、該平らなセクションから離隔している対応する第１又は第２の表面との間の領域は、バイポーラ・プレートの各側において２つのウェットシール領域を定める。バイポーラ・プレートの該第１及び第２の表面の各々に隣接する２つのウェットシール領域の間の領域は電池活性領域を代表する。
【０００４】
炭酸塩燃料電池の代表的実施態様では、カソードは、多孔性ＮｉＯ粉末ベッドで作られて電池活性領域に配置されるが、コンポーネントの高さ及び組み立ての容易性という考慮事項の故にウェットシール領域には伸び込まない。その代わりに、ウェットシール領域でカソードに取って代わる均等な厚さのシートメタル・シムが用いられる。その結果、該メタル・シムを含む電池周囲は電池活性領域より構造的に強く、ここにカソードが配置される。
【０００５】
燃料電池スタックは、燃料電池活性領域における電池コンポーネント間の適切な電気的接触を確保すると共にウェットシール領域において燃料電池の周囲でのガスシールを維持するために圧縮荷重下で動作する。スタック圧縮圧はスタック動作の始めに各燃料電池の燃料電池活性領域に均等に分布しているが、カソードが収縮してゆくとき、該圧力はウェットシール領域の方に移ってゆく。カソードの収縮よりは少なく生じるアノード収縮に起因して、圧縮圧の同様の移動が各燃料電池のアノード側に生じる。いずれの場合にも、電池活性領域からウェットシール領域への圧縮圧の移動は、電気接触抵抗を増大させる原因となる電池活性領域での圧縮の喪失をもたらし、結局は電池性能の喪失をもたらすので、望ましくない。
【０００６】
電池活性領域における電気接触抵抗が増大しないようにスタックの有効寿命の間カソード及びアノードの収縮を補償するために圧縮圧の分布を維持するようになっているウェットシール領域を持つことが望ましいであろう。電池活性領域の機械的特性を整合させるために電池周囲でウェットシール領域にカソード部材を用いようとする以前の試みは成功していない。
【０００７】
米国特許第４，５１４，４７５号は、ばね特性をもたらすために各ウェットシール領域の下に金属層の束を挿入するウェットシールのデザインを記載している。バネ特性は、薄い金属シートの表面の欠陥に依拠しており、それは電池ごとに異なるので再現不可能である。もし該金属シートの圧縮率が不十分であれば、起伏或いは波を達成するために該シートに機械加工を施さなければならない。該シールは多数の部品の組み立ても必要とし、それはシールを製作するコスト及び困難さを増大させる。
【０００８】
米国特許第４，６０４，３３１号は、ベローズ型シーリング・フランジ・ウェットシール装置を記載している。該フランジは、各シーリング・フランジに２つのアコーデオンプリーツ付き側壁を組み入れて、バイポーラ・プレートの平面に対して垂直な方向に圧縮可能である。該アコーデオンプリーツ付き側壁の１つは該フランジの平らな部分をバイポーラ・プレートのボディーと結合させ、他方のアコーデオンプリーツ付き側壁は該フランジの平らな部分に結合されているがバイポーラ・プレートのボディーの少し手前で止まる。該フランジの弾性は、該フランジの平らな壁と該バイポーラ・プレートとにより形成される通路に補強部材を挿入することによって調整される。この組み立て体は少数の部品を必要とするけれども、このデザインのウェットシール・ベローズのばね特性は電池パッケージとは大幅に異なる。
【特許文献１】米国特許第４，５１４，４７５号公報
【特許文献２】米国特許第４，６０４，３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、慣用の炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」solid oxide fuell cells）及びプロトン交換膜（「ＰＥＭ」proton exchange membrane）燃料電池の上記の欠点及びその他の欠点を克服することであり、より具体的には、圧縮圧力の分布を維持すると共に燃料電池スタックの動作時に電気接触抵抗の対応する増大を防止するために燃料電池のウェットシール領域に柔軟な部材を与えることである。
【００１０】
本発明の他の目的は、電池パッケージと同様のばね特性を持っていてカソード及びアノードの収縮に配慮し、更に燃料電池スタックの動作時にシーリング・フランジの無抑制収縮を防止する柔軟な部材を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、燃料電池スタックにおいて燃料電池のウェットシール領域に用いられる、信頼できる安価で製作及び据付の容易な柔軟な部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的及び他の目的は本発明により解決され、本発明は燃料電池のウェットシール領域に用いられるコンプライアント部材（compliant member）を提供することによって慣用の燃料電池におけるシーリング・フランジの欠点を克服する。実例となる実施態様によれば、本発明のコンプライアント（柔軟）部材は、第１及び第２のエンド・プレートの間に複数の燃料電池を持っていて圧縮荷重下で動作して各燃料電池の活性領域の電池コンポーネント間に電気的接触を与える、内部又は外部にマニホールドを有する燃料電池スタックと関連して用いられる。この圧縮荷重下で、カソードが該スタックの動作時に収縮するとき、本発明のコンプライアント部材は電池活性領域及びウェットシール領域の両方において電気的接触を維持するのに役立つ。該コンプライアント部材は、バイポーラ・プレートの平面に対して垂直な方向に圧縮可能であって同時にシーリング・フランジの凹み及び無抑制の収縮を防止するようになされる。
【００１３】
該コンプライアント部材はウェットシールの領域を実質的に覆い、ウェットシール領域に隣接して配置されるようになっている平らなボディー部材を含む。該ボディー部材は、該ボディー部材の平面から外方に伸びるセクションを含み、該セクションは電池活性領域に配置されたカソード部材の収縮時に該コンプライアント部材の圧縮を許す。該コンプライアント部材は、カソードの収縮が生じるときに電池活性領域に対する圧縮圧（compression pressure）が維持されるようにスタック動作寿命の始めに該セクションが該ボディー部材の方に動くことにより、割合に圧縮可能である。顕著なカソード収縮が終わって該コンプライアント部材が完全に圧縮されると、すなわち該セクションが該ボディー部材の平面内に移されると、該ウェットシール領域は圧縮されている該部材によって強化される。該コンプライアント部材は、圧縮された状態にあるとき、高い圧縮圧のもとで該ウェットシール領域の破滅的凹みを防止する。平らなボディー部材と外方に伸びるセクションとを含む本発明のコンプライアント部材の構造は、この様に、燃料電池スタックの動作時にカソード収縮と、電池活性領域の対応する弱化とを補償し、また、バイポーラ・プレート構造の折り重ねられたエッジにより形成されるバイポーラ・プレートの各側でシーリング・フランジにより定められるウェットシール領域の無抑制収縮を防止するために燃料電池のウェットシール領域にコンプライアンスを与える。
【００１４】
本発明による燃料電池スタックはバイポーラ・プレート構造を含む複数の燃料電池を含み、該構造は該プレート上に折り返されて該プレートの各表面上に２つの平行なシーリング・フランジを形成するエッジを有する。各シーリング・フランジはウェットシール領域を定め、この中に柔軟な部材が配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の上記の及び他の特徴及び側面は、添付図面と関連させて以下の詳細な説明を読めば、より明白となるであろう。
【００１６】
本発明は、燃料電池周囲に隣接するウェットシールにおいて使用されるべきコンプライアント部材（compliant member）を挿入することによって最新のウェットシールのデザインの上記欠点を克服する。特に実例となる実施態様において示され以下で更に詳しく記載されるように、該ウェットシールは、ウェットシール領域に挿入された特別に構成されたコンプライアント部材を含む。
【００１７】
図１Ａは、炭酸塩燃料電池スタックにおける慣用の炭酸塩燃料電池構造１０を示す。図示されているように、バイポーラ・プレート１５は、該バイポーラ・プレートの第１及び第２の表面１５Ａ、１５Ｂの各々に１つずつ存する２つの隣接する電池を分離している。バイポーラ・プレート構造１５は図１Ｂにより詳しく示されている。この図に示されているように、プレート１５の２つの相対するエッジは該プレートの第１表面１５Ａの上に折り重ねられて２つのシーリング・フランジ２０を形成しており、プレート１５の他の２つの相対するエッジは該プレートの第２表面１５Ｂの上に折り重ねられて、始めの２つのシーリング・フランジ２０に対して垂直に配置された２つのシーリング・フランジ２１を形成する。各々のシーリング・フランジ２０，２１は、バイポーラ・プレート１５から離隔されて該プレートに実質的に平行に配置された平らなセクション２３を含む。平らなセクション２３と、バイポーラ・プレート１５の、平らなセクション２３に相対する部分とを含むシーリング・フランジ２０，２１は、バイポーラ・プレート１５の各表面１５Ａ，５Ｂに隣接する２つの平行なウェットシール領域２５が存在するように、ウェットシール領域２５を定める。該ウェットシール領域２５の間の領域は電池活性領域３０を定める。
【００１８】
図１Ａに戻ると、バイポーラ・プレートの第１表面１５Ａに隣接する燃料電池の部分にアノード４０が配置されており、これは多孔性マトリックス層３５とアノードカレントコレクター４５との間に挟まれていて、後者はバイポーラ・プレート１５の表面１５Ａに接する。アノードカレントコレクター４５は、燃料ガス流４８をアノード４０の上に分散させ、電子をアノードからバイポーラ・プレート１５に伝導する。同様に、バイポーラ・プレート１５の第２表面１５Ｂに隣接する燃料電池の部分にカソード５０が配置されており、これはバイポーラ・プレート表面１５Ｂに接するカソードカレントコレクター５５に隣接している。カソードカレントコレクター５５は、オキシダント５８をカソード５０の上に分配し、またバイポーラ・プレートに渡された電子をカソード５０に伝導する。実例となる実施態様では、カソード５０は多孔性酸化ニッケル粉末ベッドである。
【００１９】
多くの燃料電池コンポーネントが燃料電池スタックの動作中に寸法変化を経験するが、カソード５０の収縮が最も顕著である。図２に示されているように、慣用の燃料電池ではカソード５０は電池活性領域３０にのみ配置されている。ウェットシール領域２５においては、カソード５０は均等な厚さのシートメタル・シム２８に取って代わられる。その結果、カソード５０が収縮するとき、圧縮圧は電池活性領域３０からシム２８を含むウェットシール領域２５に移動する。
【００２０】
本発明によれば図３に示されているように、コンプライアント部材（compliant member）６０がウェットシール領域２５に使用される。図４及び５に関して以下で更に詳しく記載されるように、部材６０は圧縮性であり、カソード５０が収縮するときに部材６０は同様に圧縮されて電池活性領域３０における電気的接触が保たれて、電気接触抵抗の増大を防止する。圧縮荷重が大きくてカソード収縮がほぼ完全であるとき、完全に圧縮された部材６０は、シーリング・フランジ２０，２１の凹みを防止する強度をウェットシール領域３０に与える。
【００２１】
図３に見られ、また図５においてより詳しく見られるように、本発明の実施例によれば、コンプライアント部材６０は概して細長い長方形の形状を有する平らなシム或いはボディー部材６１を含み、寸法は、それが配置されるウェットシール領域の寸法により決まる。コンプライアント部材６０のボディー部材６１は、本書において図示され記載されているように概して細長い長方形の形状に加えて、それが配置されているウェットシール領域により定められる多くの代わりの構造及び種々の形状を持ち得ることに留意するべきである。
【００２２】
図５に示されているように、ボディー部材６１のセクション６５は該部材から部分的に切り抜かれており、その各々は一方の側で部材６１に結合されている。また、この図に見られるように、各セクション６５は、ボディー部材の平面から片持ち梁のように外方に同じ方向に伸びるように同じ側で部材６１に結合されている。しかし、セクション６５の、互いに関しての及びボディー部材６１に関しての配置方向は変化して良い。特に、図６Ａ及び６Ｂに示されているように、セクション６５はサイドタブ形態に或いは互い違いタブ形態に配置されても良い。図６Ａは、ボディー部材６１の長さに沿って列を成して並べられたセクション６５を示しており、この図において各セクション６５はボディー部材６１の平面からシムの長い側に向かって外方に伸びるように部材６１の同じ側に取り付けられている。図６Ｂでは、セクション６５は食い違う複数の列を成して配置されている。各列のセクションは相対する側で部材６１に取り付けられていて、１つの列のセクション６５は、隣の食い違い配置の列のセクション６５が外方に伸びる方向とは反対の方向にボディー部材６１の平面から外方に延在している。他のいろいろな構成が本発明のコンプライアント部材と矛盾しないことが分かる。
【００２３】
各セクション６５はボディー部材６１の平面から遠ざかる方向にほぼ同じ角度θ曲げられている。充分な圧縮力が加えられてセクション６５がボディー部材６１の平面の方に動かされ、これにより各セクションの角度θが小さくなるまで、セクション６５はボディー部材に関して曲げられた位置（この位置では角度θは約２−５０度の範囲内にある）に留まる。該実施例では、圧縮圧が加えられる前の角度θは約４度であり、各セクション６５のボディー部材６１に結合されている側の反対の側からボディー部材６１の平面までの距離は、おおよそ０．０１ないし０．０６インチの範囲内にある。
【００２４】
部材６１に形成され或いは部材６１から切り抜かれたセクション６５は、セクション６５が完全に圧縮される最大荷重に至るまで、ストレス下で顕著な量のコンプライアンスを提供する。最大荷重を超えると、部材６１はもはや圧縮性ではなくなり、セクション６５はボディー部材の平面内にあり、これはウェットシール領域に強度を与えてこれが凹むのを防止する固体シートとして作用する。圧縮された後、圧縮圧が低減され或いは除去されれば、セクション６５は、ボディー部材の平面から離れ、元の曲がった位置に戻る。この点で、コンプライアント部材６０は弾性的でもある。
【００２５】
最大圧縮荷重下ではセクション６５とボディー部材６１との間の角度θはゼロまで減少し、セクション６５はボディー部材の平面内で完全に圧縮された位置にあって、それ以上のコンプライアンスを与えない。平らにされた状態では、ボディー部材６１は、それ以上の圧縮荷重下では燃料電池のウェットシール領域を補強し支持する。この構造では、ボディー部材６１と、これから部分的に切り抜かれたセクション６５とは、共同して、圧縮時にコンプライアンスを提供する圧縮性ばねコンポーネントとして、また最大圧縮レベルにおいて燃料電池のウェットシール領域に強度及び支持を与える弾性支持部材として作用する。
【００２６】
特に、図４に示されているように、従来技術の場合、約０．０６９インチの高さを有する波形部材と約０．０２２インチの厚さを有する平らなシートとを含むウェットシール構造は、約１５ｐｓｉの最大荷重下で約０．００２５インチまでのコンプライアンスを提供するに過ぎない。対照的に、圧縮されていない状態において２５ミルの厚さ（ボディー部材６１の底からセクション６５の頂部までの高さとして測定された）を有するコンプライアント部材６０は、殆ど２倍のコンプライアンスを、すなわち約１８ｐｓｉに及ぶ荷重のもとで約０．００５５インチに及ぶコンプライアンスを提供する。圧縮されていない状態におけるコンプライアント部材６０の厚さが３２ミルまで大きくされると、該部材は０．０１５インチに及ぶコンプライアンスを提供して約２５ｐｓｉの圧縮荷重で堅くなる。この様に、本発明のコンプライアント部材６０はカソード収縮時に電池活性領域における顕著な圧力損に配慮することができ、また、上記のように、最大圧縮荷重下で完全に圧縮された状態に到達すると該コンプライアント部材はウェットシール領域に強度と支持とを提供してそれが凹むのを防止する。
【００２７】
本発明のコンプライアント部材６０は、例えば、インコネル７１８、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）、もしくはレネ４１（Ｒｅｎｅ−４１）などの金属超合金材料、又は高温、高ストレス条件に耐えることのできる同様の大強度金属超合金のシートから製造され得る。セクション６５は、該合金シートの穴開け又は切り抜きによってボディー部材に形成され得る。
【００２８】
燃料電池スタックの高温高ストレス条件の故に、コンプライアント部材６０については超合金が好ましい。最も良く使われる超合金は、補強のために沈殿硬化される（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｎｇ−ｈａｒｄｅｎｅｄ）。しかし、ばね或いはコンプライアント部材６０として使用される超合金材料は、高度が高いので時効硬化された材料からは製造しにくいから、好ましくは容体化焼鈍により製造される。その結果、容体化焼鈍により調製された超合金材料は、製造後に所望の高強度を回復するように、時効硬化を含めて、適切に熱処理されなければならない。また、該製造プロセスは、使用時に材料クリープの発生源と成り得る粒子変形及び欠陥をもたらす可能性がある。コンプライアント部材の製造後の時効硬化は、この状態を矯正するのに役立つ。
【００２９】
高温高圧で強度及び耐久性を有する他のいろいろな材料を本発明に従って用いることができることが分かる。いずれにせよ、上記の装置が本発明の応用を代表する多くの可能な具体的実施態様の実例に過ぎないことが分かる。本発明の範囲から逸脱せずに本発明の原理に従って他の多くのさまざまな装置を容易に工夫することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】慣用の炭酸塩燃料電池構造の、切り欠き部分を含む詳細な透視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの慣用の炭酸塩燃料電池構造におけるバイポーラ・プレートの詳細な透視図である。
【図２】柔軟でないウェットシール・インサートを有する慣用の燃料電池の透視図である。
【図３】燃料電池のウェットシール領域に本発明による柔軟な部材を有する燃料電池の透視図である。
【図４】種々の圧縮荷重のもとでの図３のコンプライアント部材の撓み特性のグラフ表示である。
【図５】図３のコンプライアント部材のボディー部材及びセクションの詳細透視図である。
【図６Ａ】本発明の第２実施態様のコンプライアント部材のボディー部材及びセクションの平面図である。
【図６Ｂ】本発明の第３実施態様のコンプライアント部材のボディー部材及びセクションの平面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年5月19日(2006.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極かつカレントコレクターに隣接しているウェットシール領域を定めるプレート構造を有する燃料電池に用いられるコンプライアント部材（compliant member）であって、
前記コンプライアント部材が、前記ウェットシール領域に配置可能であり、ボディー部材の平面から外に向かって伸びて前記コンプライアント部材にコンプライアンスを与える複数のセクションを持つ前記ボディー部材を有することを特徴とするコンプライアント部材。
【請求項２】
前記ボディー部材は、前記コンプライアント部材が配置される前記ウェットシール領域内に適合するように構成されていることを特徴とする請求項１のコンプライアント部材。
【請求項３】
前記ウェットシール領域は、平らなセクションと前記プレート構造の前記平らなセクションの反対側の他の部分との間の領域により定められ、
前記平らなセクションは、前記他の部分を有する前記プレート構造の表面に面するように前記プレート構造のエッジの上に折り込むことによって形成されるフランジの一部であることを特徴とする請求項１のコンプライアント部材。
【請求項４】
前記ボディー部材は平らであり、前記ボディー部材の前記複数のセクションの各セクションの一方の側は前記ボディー部材に結合されていることを特徴とする請求項２のコンプライアント部材。
【請求項５】
前記複数のセクションの各セクションの前記一方の側は、それぞれのセクションにおいて、互いに一方の側となる側とそのセクションの同じ側に存在することを特徴とする請求項４のコンプライアント部材。
【請求項６】
前記ボディー部材と前記複数のセクションとは超合金材料またはばねで作製されていることを特徴とする請求項５のコンプライアント部材。
【請求項７】
前記コンプライアント部材が圧縮されていない状態において、前記ボディー部材に結合された前記一方の側とは反対の側の前記複数のセクションのそれぞれは、前記平らなボディー部材から０．０１−０．０６インチ離れて配置され、前記複数のセクションは前記平らなボディー部材の平面から外に向かって２−５０度の角度で伸びることを特徴とする請求項６のコンプライアント部材。
【請求項８】
前記角度は、圧縮荷重が前記燃料電池に加えられると減少することを特徴とする請求項７のコンプライアント部材。
【請求項９】
前記コンプライアント部材が完全に圧縮されると、前記複数のセクションは前記平らなボディー部材の前記平面に配置されることを特徴とする請求項８のコンプライアント部材。
【請求項１０】
前記超合金材料はインコネル７１８、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）、およびレネ４１（Ｒｅｎｅ−４１）のうちの１つであることを特徴とする請求項６のコンプライアント部材。
【請求項１１】
前記ボディー部材と前記複数のセクションとのそれぞれとは長方形であることを特徴とする請求項６のコンプライアント部材。
【請求項１２】
前記複数のセクションは、前記ボディー部材の長さ方向に沿って伸びかつ前記ボディーの幅に沿って離れて配置される複数の列をなして配置されることを特徴とする請求項１のコンプライアント部材。
【請求項１３】
前記ボディー部材の前記複数のセクションのそれぞれの一方の側は前記ボディー部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１２のコンプライアント部材。
【請求項１４】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の長さ方向及び前記ボディー部材の幅方向のうちの一方に沿って伸びることを特徴とする請求項１３のコンプライアント部材。
【請求項１５】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の前記長さ方向に沿って伸びることを特徴とする請求項１４のコンプライアント部材。
【請求項１６】
前記複数のセクションのそれぞれの前記一方の側は、前記ボディー部材の前記幅方向に沿って伸びることを特徴とする請求項１４のコンプライアント部材。
【請求項１７】
前記複数のセクションの複数の列は、前記ボディー部材の長さ方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項１２のコンプライアント部材。
【請求項１８】
活性な燃料電池領域と前記活性な燃料電池領域に隣接するウェットシール領域とを定めるプレート構造を有し、燃料電池スタックに用いられる燃料電池であって、
前記活性な燃料電池領域に接し、前記ウェットシール領域に伸びるカレントコレクターと、
前記カレントコレクターの前記ウェットシール領域に伸びる領域を除いた領域で前記カレントコレクターに接する電極と、
前記ウェットシール領域に伸びる前記カレントコレクターの領域で前記カレントコレクターに接する、請求項１，２、４乃至１７のいずれか１項に記載のコンプライアント部材と、
を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
前記プレート構造の２つの反対側のエッジが前記プレート構造の第１表面上に折り込まれて前記プレート構造の前記第１表面に隣接する２つのフランジを形成し、
前記フランジのそれぞれは、前記プレート構造の前記第１表面から離れてかつ平行に配置された平らなセクションを含み、
前記ウェットシール領域は、前記２つのフランジのうちの第１のフランジの平らなセクションと、前記平らなセクションと反対側の前記プレート構造の前記第１表面の一部との間の領域により定められることを特徴とする請求項１８の燃料電池。
【請求項２０】
前記活性な燃料電池領域は、前記プレート構造の前記第１表面上の前記２つのフランジの間の領域であることを特徴とする請求項１９の燃料電池。
【請求項２１】
前記電極は、カソードとアノードとのうちの一方であることを特徴とする請求項２０の燃料電池。
【請求項２２】
前記活性領域に隣接する更なるウェットシール領域に伸びる前記カレントコレクターの領域で前記カレントコレクターに接する更なるコンプライアント部材を更に含んでおり、
前記更なるウェットシール領域は、前記２つのフランジのうちの第２のフランジの平らなセクションと、前記プレート構造の前記第１表面の前記平らなセクションと反対側の部分との間の領域により定められ、前記更なるコンプライアント部材は更なるボディー部材を含み、
前記更なるボディー部材は、前記更なるボディー部材の平面から外に向かって伸びて前記更なるコンプライアント部材にコンプライアンスを与える更なる複数のセクションを有することを特徴とする請求項２１の燃料電池。
【国際調査報告】
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