(57)【要約】プロトン交換膜型燃料電池のマニホールド（１０）のための多層シールシステムは、電池要素の不均一な縁部を補償するための端板（９）の間のシリコーンゴム充填物層（２２）と、マニホールド（１０）の接触表面の溝（２４）に配置されるエラストマーガスケット（１５）と、シリコーンゴム充填物層（２２）とガスケット（１５）との間に介在する、端板（９）の接触表面（１７）と同一平面の剛性誘電体ストリップ（４０）とを含む。剛性誘電体ストリップ（４０）は、コーナーシールのための山形（４０ａ）、あるいは平坦（４０ｂ）である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の端板（９）の間において圧縮圧力下で延在して電池スタックアッセンブリ（３５）を形成する複数の燃料電池部品要素（８）を有するとともに、反応物ガスマニホールド（１０）を有し、該要素（８）が、該マニホールド（１０）がシールされる両端部に相互不均一表面を有するとともに、該相互不均一表面に施された少なくとも一種類のエラストマー（２２）を含む第１シール部を有する、燃料電池アッセンブリにおいて、
エラストマーガスケット（１５）を収容するため前記マニホールド（１０）の接触表面（１６）に配置された溝（２４）と、
前記マニホールド（１０）の接触表面と同一範囲で延在しかつ対向する前記スタックアッセンブリ（３５）のシール表面を形成するように前記端板（９）の各々の表面（１７）と同一平面の剛性ストリップ（４０）の端部を収容するため該端板（９）の表面から延出する切欠き（２７）と、
前記マニホールド（１０）の前記溝（２４）に配置されたエラストマーガスケット（１５）を含む第２シール部と、
前記第１シール部と前記第２シール部との間に介在する剛性誘電体ストリップ（４０）を含む第３シール部と、
を含む改良を特徴とするアッセンブリ。
【請求項２】
前記剛性ストリップ（４０）が山形コーナーストリップ（４０ａ）であることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項３】
前記剛性ストリップ（４０）が平坦（４０ｂ）であることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項４】
前記剛性ストリップ（４０）がガラス繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項５】
前記剛性ストリップ（４０）がポリマーコーティング金属を含むことを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項６】
電池スタックアッセンブリ（３５）と、エラストマーガスケット（１５）を収容するために配置された溝（２４）を備える接触表面（１６）を有する反応物ガスマニホールド（１０）とを含む燃料電池アッセンブリであって、該電池スタックアッセンブリ（３５）が、該マニホールド接触表面と同一範囲で延在しかつ対向する剛性シール表面を有し、印加されるシール力により該マニホールド（１０）が該スタックアッセンブリ（３５）にシールされる時に、該マニホールド接触表面が該スタックアッセンブリ（３５）の該剛性シール表面と直接接触することを特徴とする燃料電池アッセンブリ。
【請求項７】
燃料電池スタックアッセンブリ（３５）の対応シール表面と対向する接触表面を有する燃料電池マニホールド（１０）を該燃料電池スタックアッセンブリ（３５）へシールするためのマニホールドシールシステムであって、該マニホールド接触表面と該対応燃料電池スタックアッセンブリシール表面との間の境界面に剛性誘電体ストリップ（４０）を含むことを特徴とするマニホールドシールシステム。
【請求項８】
前記剛性誘電体ストリップ（４０）が山形（４０ａ）であることを特徴とする請求項７記載のマニホールドシールシステム。
【請求項９】
前記剛性誘電体ストリップ（４０）が平坦（４０ｂ）であることを特徴とする請求項７記載のマニホールドシールシステム。
【請求項１０】
反応物ガスマニホールド（１０）の接触表面を、燃料電池スタックアッセンブリ（３５）の端板（９）と燃料電池部品要素（８）へシールする方法において、
（ａ）前記マニホールド（１０）の前記接触表面に溝（２４）を形成し、
（ｂ）前記溝（２４）に配置されるエラストマーガスケット（１５）を用意し、
（ｃ）前記スタックアッセンブリのシール表面を形成するように前記端板（９）の表面と同一平面の剛性誘電体ストリップ（４０）を収容するための切欠き（２７）を該端板表面に設け、
（ｄ）比較的滑らかで平坦な表面となるように、前記マニホールド（１０）へシールされる前記燃料電池要素の領域へ少なくとも一層のエラストマー（２２）を施し、
（ｅ）前記エラストマー層（２２）へ剛性誘電体ストリップ（４０）を接着し、
（ｆ）前記マニホールド（１０）の前記接触表面（１６）全体が前記燃料電池スタックアッセンブリ（３５）の前記シール表面（１７）と直接接触して、前記剛性ストリップ（４０）が該マニホールド（１０）と前記シリコーンゴム層（２２）との間に位置するように、該マニホールド（１０）を該スタックアッセンブリ（３５）に取り付ける、
ことを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池マニホールドを燃料電池スタックアッセンブリへシールするための剛性内層を有する多層反応物ガスマニホールドシールに関連する。
【背景技術】
【０００２】
基本的な燃料電池は、カソード電極から離間したアノード電極を含み、二つの電極の間には電解質が配置され、各電極は、電解質の側に触媒層を含む。アノード電極の非電解質側は燃料を運搬するための反応物ガス室であり、カソード電極の非電解質側は、酸化剤を運搬するための反応物ガス室である。電極は、ガスが中で拡散して触媒層で電解質と接触することにより周知の電気化学反応が起きて、アノードで水素イオンと電子とが発生するような構造を有する。電子は、アノード電極から外部回路を通ってカソード電極へ移動し、そこで酸素と反応して熱と水を生成する。この電子の流れが、電池により発生される電流である。
【０００３】
プロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）（ＰＭＥ）型燃料電池発電装置では、複数の燃料電池が電気的に直列接続されて電池スタックアッセンブリ（ｃｅｌｌ  ｓｔａｃｋ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＣＳＡ）を形成する。ＣＳＡの電池は、電池を相互密着状態で保持するように一緒にボルト固定された端板の間に挟まれている。
【０００４】
例えば、同一出願人による米国特許出願Ｓ／Ｎ第０９／９２０，９１４号（公開番号ＵＳ第２００３−００２７０２９号）に開示されているように、ガス状反応物を利用する電池スタックアッセンブリは一般に、反応物ガスをスタック内の電池に分配しかつスタック内の電池から反応物排出ガスを収集する、対向する対になった外部マニホールドを有する。一般にこの対は、燃料折り返しマニホールドと対向する燃料入口／流出マニホールドと、空気出口マニホールドと対向する空気入口マニホールドとを含む。周囲環境中への反応物ガスの漏れを防止するため、各マニホールドは電池スタックアッセンブリへシールされなければならない。マニホールド保持システムは、マニホールド・ＣＳＡ間のシール力を付与するため荷重ケーブルを含むことがある。
【０００５】
概して、それぞれの電池の寸法公差と電池スタックアッセンブリ内での電池の位置公差の結果、不均一「輪郭（ｓｋｙｌｉｎｅ）」として知られる電池縁部不整合がＰＥＭ型電池スタックアッセンブリ内に生じる。
【０００６】
図１を参照すると、同一出願人による米国特許出願Ｓ／Ｎ第０９／８８２，７５０号（公開番号ＵＳ第２００１−００５５７０８−Ａ１号）に開示されている一般的な従来技術ＰＥＭ型燃料電池マニホールド・ＣＳＡ間のシール構成が図示されている。不均一な輪郭を一緒に形成する燃料電池要素８が、それぞれの電池８を相互密着状態で保持するように一緒にボルト固定された端板９の間に挟まれている。ＣＳＡ３５へ出入する反応物ガスの流れを設けるように、反応物ガスマニホールド１０（酸素含有酸化性ガスまたは水素含有燃料ガス）が電池要素８の付近に配置されている。従来技術シールシステム１３は、スタック表面の輪郭に施されて要素８より上に平坦で比較的滑らかな表面を形成し、端板９のシール表面１７と部分的に重複するシリコーン液状ゴムによる一つまたは複数の充填物層２２を含む。成形されたシリコーンゴムガスケット１５が、マニホールド１０の接触表面１６に結合される。ガスケット１５は、シリコーンゴム充填物層２２とガスケット１５との間に介在する通常は成形された成形済みシリコーンゴムストリップである平坦なゴムストリップ２０とともに使用される。
【０００７】
マニホールド１０とＣＳＡ３５との間にシール力を受けると、シール材料の層２０，２２，１５が圧縮されてタイトシールを形成する。しかし圧縮されていても、シール材料の層が介在するので、マニホールド１０および端板９のそれぞれの接触表面１６，１７の間に間隙２４が必然的に生じる結果となる。
【０００８】
従来技術に開示されたこのようなマニホールド・ＣＳＡ間シールは、静止状態の燃料電池発電装置の用途には大変適しているが、加速と振動の応力を受ける自動車や他の車両に使用される際にはある種の制限が見られる。特に、荷重ケーブルにより加えられるシール力を低下させる圧縮クリープが時間とともにシールに生じることがあり、その結果、反応物の漏れやシールの滑りが生じることがある。さらに、ガスケット１５とシリコーンゴム充填物２２との間のゴムストリップ２０は、シールへの圧縮力を電池スタックアッセンブリへ不均一に伝達し、輪郭の高い箇所では電池部品８に亀裂を引き起こすことがある。
【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、
圧縮クリープにより生じる漏れを最小にするための、マニホールドとＣＳＡとの間の剛性（ｒｉｇｉｄ）で平坦で水平なシール表面と、
電池部品の亀裂を生じさせる可能性がある輪郭の高い箇所への荷重集中を軽減するためのＣＳＡシールエリアへの均一な荷重分布と、
車両ＣＳＡ要件に適合するために強化されたシール耐久性と、
を提供することを含む。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池のマニホールドシールシステムは、両側の端板の間において電池スタックアッセンブリの不均一な輪郭に施された、シリコーンゴム、室温加硫（ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｖｕｌｃａｎｉｚｉｎｇ）（ＲＴＶ）ゴム、および紫外線硬化エラストマーなどといった融和性（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）エラストマーであるエラストマー充填物による第１シール部と、マニホールドの接触表面の溝に配置されたエラストマーガスケットを含む第２シール部と、第１シール部と第２シール部との間に介在し、電池スタックアッセンブリのシール表面を形成するように端板の接触表面との同一平面関係で着座する剛性誘電体ストリップを含む第３シール部とを含む少なくとも三つの部分を含み、三つのシール部は、マニホールドが適切な設計荷重で電池スタックアッセンブリに固定された時にマニホールドと端板（または同一平面の剛性ストリップ）のそれぞれの対向表面が相互に直接接触するような寸法を有する。
【００１１】
少なくとも三つの部分を含むことが本発明のマニホールドシールシステムには望ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。本発明の別の態様によれば、マニホールド接触表面は燃料電池スタックアッセンブリの剛性シール表面と直接接触するだけでよい。
【００１２】
本発明のまた別の態様では、マニホールドシールシステムは、マニホールド接触表面と燃料電池スタックアッセンブリの対応するシール表面との間の境界面に、剛性誘電体ストリップを含む。
【００１３】
剛性誘電体ストリップの断面は、電池スタックアッセンブリのコーナーを収容するように対応の山形（ａｎｇｌｅ）を形成することができ、あるいは剛性ストリップの断面は平坦でもよい。
【００１４】
本発明は、特に、シールが加速および振動の力を受ける車両用途のための、マニホールドとシールスタックアッセンブリとの間の効果的なシールを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２を参照すると、不均一な輪郭を有する電池スタックアッセンブリ３５より上に反応物ガスマニホールド１０が配置されている。ＧＥ  ＲＴＶ  １１８、Ｓｈｉｎ  Ｅｔｓｕ  ＫＥ３４７６Ｔ、または任意の融和性エラストマーなどといった少なくとも一つのシリコーンゴム充填物層２２が輪郭の表面に施されて、比較的平坦で滑らかな表面を電池８より上に形成する。
【００１６】
端板９の接触表面１７と同一平面であるとともに、シール荷重を均一に分散するためＣＳＡシールエリアにわたって延在する剛性誘電体ストリップ４０の端部を収容するための切欠き２７を、本発明の端板９は含む。剛性ストリップ４０は、輪郭シリコーンゴム充填物層２２と端板９の切欠き表面とに接着固定することができる。電池８の短絡を防止するため、剛性ストリップ４０は、ＮＥＭＡ  Ｇ１１ガラス繊維強化プラスチック、またはポリマーコーティング金属などといった誘電性材料でなければならない。当該技術の熟練者に知られた、他の誘電性複合材料または誘電体コーティングを備える金属材料も、剛性ストリップ４０を形成するのに使用できる。
【００１７】
図２において、マニホールド１０は、所定箇所に押し込まれるか溝２４に成形され得る成形シリコーンゴムガスケット１５または同等の融和性エラストマーを保持するため、マニホールドの接触表面１６に形成された溝２４を含む。荷重ケーブル３６（図５参照）または他のマニホールド装着システムによって適切な設計荷重が印加された時にマニホールド１０の接触表面１６とＣＳＡのシール表面（端板９の接触表面１７と剛性ストリップ４０の同一平面の表面とを含む）がほぼゼロの間隙を持つような寸法を溝２４と成形ガスケット１５が有することは、本発明の重要な側面である。剛性の表面１６，１７の間の間隙がないため、はるかに安定したシールと、圧縮クリープをかなり軽減する一定したシール荷重とが得られる。本発明の多層マニホールドシールは、定置、携帯、および車両ＰＥＭ型燃料電池用途の燃料および酸化剤の入口、流出、および折り返しマニホールドを含めたＰＥＭ型燃料電池マニホールドとともに使用するのが好都合となり得る。
【００１８】
図３および図４に示された本発明の第一実施例では、成形エラストマーガスケット１５がマニホールドの接触表面の溝２４に部分的に嵌入されている。荷重ケーブル３６（図５参照）に適切な設計荷重が印加された時に、マニホールドの接触表面１６が電池スタックアッセンブリの対応シール表面と直接接触するように、剛性ストリップ４０ａ，４０ｂはシリコーンゴム充填物２２の層に接着固定されており、端板９の表面１７と同一平面である。この第一実施例では、ＣＳＡのコーナー３７にあるマニホールドシールの剛性内層は、コーナー３７を収容する山形ストリップ４０ａである。ここで使用する際に「山形」は、シールされる電池スタックアッセンブリのコーナーまたは他の非直線形縁部の形状と一致する断面を有することを意味する。この第一実施例では、図４に見られるように山形ストリップ４０ａは略Ｌ字形断面を有する。有利には燃料がカソード触媒上で反応するか、多量の空気排気流中に排出されるように、山形ストリップ４０ａは、燃料マニホールド３０からのどのような燃料漏れも隣接の空気マニホールド３１，３２内へ誘導する傾向を有する。
【００１９】
図５および図６に図示された代替実施例では、ＣＳＡのコーナー３７にあるマニホールドシールの剛性内層は、相互に直角を成す二つの平坦ストリップ４０ｂを含む。平坦ストリップ４０ｂを使用するコーナー構成が、図６に断面で示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術シール構成を有する燃料電池の部分的な一部切欠き断面正面図。
【図２】本発明によるシールを有する燃料電池の部分的な一部切欠き断面正面図。
【図３】本発明のマニホールドシールの第一実施例の部分的な斜視図。
【図４】本発明のコーナーシールに使用される剛性ストリップの第一実施例の断面図。
【図５】第二実施例のコーナー部の拡大図。
【図６】本発明のコーナーシールに使用される剛性ストリップの第二実施例の断面図。
【図１】
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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６】
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【国際調査報告】
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