(57)【要約】少なくとも１つの外付けマニホルド形燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて使用され、マニホルドの縁部及びスタック面を密封するガスケット。本発明によれば、ガスケットは、ガスケットと誘電体との間の境界面及びガスケットとスタック面との間の境界面における滑りを促進することにより、スタックとマニホルドとの間の動きの相違に対応する。
2008525963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の外面及び前記第１の外面とは反対の側にある第２の外面と、
前記ガスケットに備えられた前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部の上において滑りを促進する材料による層と
を具備した、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケット
を含み、
前記材料による層の摩擦計数は前記ガスケットの外面の摩擦係数よりも小さいことを特徴とする構体。
【請求項２】
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含むことを特徴とする請求項１記載の構体。
【請求項３】
第１の外面及び前記第１の外面とは反対の側にある第２の外面と、前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部に設けられる滑りを促進する材料とを有し、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケットを具備し；
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含み；
前記ガスケットは燃料電池スタックのスタック面と誘電絶縁体との間に設けられ、前記誘電絶縁体は前記マニホルドと前記スタック面との間に設けられ；
前記スタック面は、前記燃料電池スタックのエンドプレートの端面の各部分により形成される第１の周囲部分及び前記第１の周囲部分とは反対の側にある第２の周囲部分と、前記燃料電池スタックの燃料電池のバイポーラセパレータプレートの端面の各部分により形成される第３の周囲部分及び前記第３の周囲部分とは反対の側にある第４の周囲部分とを具備し；
前記誘電絶縁体は、前記スタック面の前記第１及び第２の周囲部分に隣接して設けられる第１のフレーム部分及び前記第１のフレーム部分とは反対の側にある第２のフレーム部分と、前記スタック面の前記第３及び第４の周囲部分に隣接して設けられる第３のフレーム部分及び前記第３のフレーム部分とは反対の側にある第４のフレーム部分とを具備し；
前記ガスケットの前記第１の外面は前記誘電絶縁体の前記フレーム部分に面し、前記ガスケットの前記第２の外面は前記スタック面の前記周囲部分に面することを特徴とする構体。
【請求項４】
前記セラミック布は、前記ガスケットの前記第１の外面のうち、前記誘電絶縁体の前記第３及び第４のフレーム部分に面する少なくとも一部分と、前記ガスケットの前記第２の外面のうち、前記スタック面の前記第１及び第２の周囲部分に面する少なくとも一部分とに設けられることを特徴とする請求項３記載の構体。
【請求項５】
前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち少なくとも１つ以上を更に具備することを特徴とする請求項４記載の構体。
【請求項６】
前記繊維質セラミック層はジルコニアフェルトを含む少なくとも１つの層を具備することを特徴とする請求項４記載の構体。
【請求項７】
前記セラミック布はアルミナ布であることを特徴とする請求項６記載の構体。
【請求項８】
前記ガスケットは、
前記スタック面の前記第１の周囲部分と、その反対側にある前記第２の周囲部分との間に設けられる第１の部分、並びに前記第１の部分の反対側にあり、前記誘電絶縁体の前記第１のフレーム部分と、その反対側にある前記第２のフレーム部分との間に設けられる第２の部分と；
前記スタック面の前記第３の周囲部分と、その反対側にある前記第４の周囲部分との間に設けられる第３の部分、並びに前記第３の部分の反対側にあり、前記誘電絶縁体の前記第３のフレーム部分と、その反対側にある前記第４のフレーム部分との間に設けられる第４の部分とを更に具備することを特徴とする請求項４記載の構体。
【請求項９】
前記誘電絶縁体の前記第１、第２、第３及び第４のフレーム部分は、それぞれ、第１、第２、第３及び第４の溝を含み、前記第１、第２、第３及び第４の溝は、前記ガスケットの対応する前記第１、第２、第３及び第４の部分にそれぞれ面し、前記ガスケットの前記第１、第２、第３及び第４の部分は、それぞれ、前記第１、第２、第３及び第４の溝により保持されることを特徴とする請求項８記載の構体。
【請求項１０】
前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち１つ以上を更に具備することを特徴とする請求項９記載の構体。
【請求項１１】
前記ガスケットの前記第３及び第４の部分の前記繊維質セラミック層の一部、前記ガスケットの前記第１の外面の前記一部分、並びに前記第１の外面の前記一部分に設けられた前記セラミック布は、全て、前記第３及び第４の溝によりそれぞれ保持され、前記ガスケットの前記第１及び第２の部分の前記繊維質セラミック層の一部は、前記第１及び第２の溝によりそれぞれ保持されることを特徴とする請求項９記載の構体。
【請求項１２】
前記ガスケットの前記第３の部分及びその反対側にある前記第４の部分のうち少なくとも一方の部分の内面の所定の長さにわたり、前記少なくとも一方の部分の端部から離間して、締り継手が形成され、前記締り継手の各々は、前記ガスケットの前記第３の部分及びその反対側にある前記第４の部分のうち前記少なくとも一方の部分の前記内面の前記所定の長さの部分に切り欠きを含み、それに続く前記内面の前記所定の長さの部分は、前記ガスケットの前記第３の部分及びその反対側にある前記第４の部分のうち前記少なくとも一方の部分の端部に向かって、ある角度を成して伸びることを特徴とする請求項８記載の構体。
【請求項１３】
前記締り継手の各々は、前記ガスケットの前記第１及び第２の部分のうち一方の部分の一端部を更に含み、前記締り継手の各々の前記ガスケットの前記第１及び第２の部分のうち前記一方の部分の前記一端部は、前記締り継手を形成する前記ガスケットの前記第３の部分及びその反対側にある第４の部分のうち前記少なくとも一方の部分の前記内面の前記所定の長さの部分に当接し且つ前記締り継手を形成する前記ガスケットの前記第３の部分及びその反対側にある前記第４の部分のうち前記少なくとも一方の部分の前記内面の前記所定の長さの部分の前記角度で屈曲していることを特徴とする請求項１２記載の構体。
【請求項１４】
前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち１つ以上を更に具備することを特徴とする請求項１３記載の構体。
【請求項１５】
前記ガスケットの前記第２の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面の反対側の前記セラミック布の面に形成されたグラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする請求項４記載の構体。
【請求項１６】
前記ガスケットの前記第１の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の前記面及び前記ガスケットの前記第２の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面に、セラミックリジダイザを更に具備することを特徴とする請求項４記載の構体。
【請求項１７】
前記ガスケットの前記第１の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の前記面の上の前記セラミックリジダイザに対向して、前記ガスケットの前記第２の外面の一部分に、別のセラミックリジダイザを更に具備することを特徴とする請求項１６記載の構体。
【請求項１８】
前記ガスケットの前記第２の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面とは反対側の前記セラミック布の面にグラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする請求項１６記載の構体。
【請求項１９】
前記繊維質セラミック層はジルコニアフェルトを含む少なくとも１つの層を具備し；
前記セラミック布はアルミナ布であり；
前記セラミックリジダイザ被覆膜はジルコニアから形成されていることを特徴とする請求項１８記載の構体。
【請求項２０】
前記誘電絶縁体、前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち１つ以上を更に具備することを特徴とする請求項１９記載の構体。
【請求項２１】
第１の外面及び前記第１の外面とは反対の側にある第２の外面と、前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部分に設けられた滑りを促進する材料とを有し、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケットを具備し、
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含み、
前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面とは反対側の前記セラミック布の面の一部分に、グラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする構体。
【請求項２２】
第１の外面及び前記第１の外面とは反対の側にある第２の外面と、前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の少なくとも一部分に設けられた滑りを促進する材料とを有し、マニホルドを燃料電池スタックに対し密封するガスケットを具備し、
前記ガスケットは繊維質セラミック層を含み、前記材料はセラミック布を含み、
前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の前記面に、セラミックリジダイザ被覆膜を更に具備することを特徴とする構体。
【請求項２３】
前記第１及び第２の外面のうち少なくとも一方の外面の前記少なくとも一部分にある前記セラミック布の面とは反対側の前記セラミック布の面の一部分に、グラファイト被覆膜を更に具備することを特徴とする請求項２２記載の構体。
【請求項２４】
前記繊維質セラミック層はジルコニアフェルトを含む少なくとも１つの層を具備し；
前記セラミック布はアルミナ布であり；
前記セラミックリジダイザ被覆膜はジルコニアから形成されることを特徴とする請求項２３記載の構体。
【請求項２５】
前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち１つ以上を更に具備することを特徴とする請求項２４記載の構体。
【請求項２６】
前記マニホルド及び前記燃料電池スタックのうち１つ以上を更に具備することを特徴とする請求項１記載の構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの燃料電池スタック及び外部マニホルドを有する燃料電池システムに関し、特に、少なくとも１つの外付けマニホルド形燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて使用するためのガスケットに関する。更に、本発明は、マニホルドをスタックに対し密封し、スタックとマニホルドとの間の境界面における滑りを可能にすることにより、スタックとマニホルドとの動きの相違に対応するガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の形態をとる化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、バッテリと同様に、負電極、すなわち、アノードと、正電極、すなわち、カソードとを含み、アノードとカソードとは、それらの電極の間で帯電イオンを伝導する働きをする電解質により分離されている。しかし、バッテリとは異なり、アノードに燃料が供給され且つカソードにオキシダント（酸化剤ガス）が供給されている限り、燃料電池は電力を発生し続ける。
【０００３】
有用な量の電力を発生するために、通常、個々の燃料電池は、各電池の間に導電性セパレータプレートを挟んで直列に積み重ねられた関係で配列される。燃料電池スタックは、内付けマニホルド形スタック又は外付けマニホルド形スタックとして分類されてもよい。内付けマニホルド形スタックにおいては、燃料及びオキシダントを送り出すためのガス流路は、燃料電池プレート自体に組み込まれる。外付けマニホルド形スタックの場合には、燃料電池プレートの端部が開放状態であり、ガスは、燃料電池スタックの各々の面に密封されたマニホルド又はパンを介して送り出される。マニホルドは、燃料ガス及びオキシダントガスを燃料電池へ送り出し、それらのガスが周囲又は他のマニホルドへ漏れ出すのを防止するための密封流路を形成する。いくつかの燃料電池スタック構成においては、スタックは格納容器の中に設けられ、格納容器の周囲にプロセスガスのうち一方が存在する。そのようなシステムでは、スタックに対して入口ガス流路及び出口ガス流路を形成するために、少なくとも３つのマニホルドが必要であり、各マニホルドはスタックに密封されなければならない。いずれにしても、マニホルドは、燃料電池スタックの動作に必要な条件の下で、寿命が続く限り、上記の機能を果たさなければならない。
【０００４】
外付けマニホルド形燃料電池スタックの性能の重要な一面は、マニホルドの縁部とスタック面との間に形成されるシールである。金属から製造されるマニホルドは、スタック面から電気的に絶縁されなければならない。スタック面は、通常は導電性であり、その長さに沿って電位勾配を有する。マニホルドをスタックから電気的に絶縁し、マニホルドとスタックとの間に短絡が発生するのを防止するために、金属製マニホルドと燃料電池スタックとの間に誘電性の絶縁体（誘電絶縁体）が使用される。
【０００５】
燃料電池の構成要素は、高温及び高圧の条件の下で変形し密度も高くなるため、通常、燃料電池スタックは時間の経過に伴って収縮する。そのような収縮及び燃料電池スタックの寸法の変化は、スタック動作中、マニホルド構体（アセンブリ）に対する応力を発生させる。特に、３００個以上の燃料電池から構成されるスタックの場合、スタックの縦寸法は２〜３インチも変化することがある。スタックの縦寸法が変化するため、スタックの上下に位置するエンドプレートに沿った動きに対応するために、マニホルド構体の誘電絶縁体とスタック面との間にシールが必要になる。誘電体とシールとの間の摩擦係数の相違及びシールとスタックとの間の摩擦係数の相違は、シールに更に大きな応力を加え、スタック動作中にシールを摩耗させ、最終的には故障させる場合もある。従って、ガスシールを維持し且つマニホルドをスタックから電気的に絶縁し続ける一方で、上記のような寸法の変化に更に適切に対応できるマニホルド‐スタック間シールが必要とされる。
【０００６】
誘電絶縁体は、通常、アルミナ及び雲母のようなもろいセラミック材料から製造され、燃料電池スタックの動作中にマニホルドシステムに加えられる熱応力及び機械的応力により容易に損傷される。マニホルドとスタックとの電気的絶縁を維持しつつ、マニホルドシステムに加えられる応力に耐えるために、マニホルド及びマニホルドをスタックから隔離する目的で使用される誘電絶縁体に改良が加えられてきた。
【０００７】
例えば、一般の誘電絶縁体構体は、スタックとマニホルドとの動きの相違を許容する継手を有する矩形フレームとして設計される。そのような構成は、米国特許第４，４１４，２９４号明細書に示され且つ説明されている。この米国特許は、マニホルドの壁及び燃料電池スタックと共に伸張又は収縮できる摺動自在のスプライン継手により互いに結合された複数のセグメントを有する矩形の絶縁体フレームを開示する。燃料電池スタックの動きの相違によって発生する応力に耐えるために、誘電体フレームは、高密度セラミックから製造されてもよい。しかし、燃料電池スタックの動作中のスタック面に対するマニホルドの圧縮及びスタックの圧密により、機械的応力が発生する。セラミック誘電体は、この応力に完全には対応しないため、誘電体が損傷する可能性が依然としてある。従って、そのような熱応力及び機械的応力に更に適切に対応でき、セラミック誘電体の破損を防止できるマニホルド‐スタック間シールが必要とされる。
【０００８】
現在使用されているマニホルドシステムの中には、マニホルド構体はスタックに対して圧縮されるため、スタックの寸法の変化が発生した時に、マニホルドとスタックとの間のシールが維持されるように構成されたものもある。そのようなスタックマニホルド圧縮構体の１つが米国特許第４，４６７，０１８号明細書に示され且つ説明されている。この米国特許は、燃料電池スタックにストラップ又はクランプにより装着された外部反応体マニホルドを開示する。米国特許第６，４６１，７５６号明細書は、燃料電池スタックに対して外部マニホルドを密封関係に維持する保持システムを説明している。本発明と同一の譲受人に譲渡された２００２年１０月４日出願の同時係属米国特許出願第１０／２６４，８６６号においては、スタックの形状に追従して動作中のスタックの動きに対応する可撓性マニホルドシステムが説明されている。
【０００９】
更に、マニホルドとスタックとの間のシールの限界の問題に対処するために、燃料電池スタック及びマニホルド密封構体の種々の他の構成要素も更に改善されている。例えば、誘電体フレーム及びガスケットに対して平坦な密封面を形成する燃料電池のバイポーラセパレータプレートの改良構造が、いくつかの特許公報に説明されている。それらの特許には、使用中の電池部品の厚さの変化に対して調整自在である燃料電池セパレータプレートを教示する米国特許第４，５１４，４７５号明細書；高い耐食性を有するステンレス鋼部材を教示する米国特許第５，３９９，４３８号明細書；及び電解質の分散又は吸収のためにトラフ領域を設けることにより、電解質管理を補助する改良形バイポーラセパレータ構造を教示する米国特許第５，７７３，１６１号明細書が含まれる。燃料電池の動作中に時間の経過に伴って起こるバイポーラプレートの成長に対応するためのガスケット構造は、同様に本発明と同一の譲受人に譲渡された２００３年７月２５日出願の同時係属米国特許出願第１０／６２７，０３５号において説明されている。特に、圧縮自在のガスケット及び誘電体ガスケットは、誘電体とマニホルドとの間にシールを構成する。圧縮自在のガスケットには、柔軟な部材が更に埋め込まれており、この部材は、ガスケットを誘電体継手及びマニホルドの不規則な形状に追従させる。本発明と同一の譲受人に譲渡された２００４年１２月２３日出願の同時係属米国特許出願第１１／０２０，５９２号において説明されるセラミック誘電体フレームは、誘電体の絶縁を向上する。セラミック誘電体フレームは、機械的応力を減少し、当接するガスケットの磨耗を防止する連動構造を具備する。しかし、マニホルド構体、燃料電池スタック構成要素及び誘電絶縁体構成の上記のような改善は、誘電体とシールとの間の境界面及びシールとスタック面との間の境界面における摩擦係数の相違及びその結果として起こるマニホルドガスケットの摩耗の問題に対処していない。
【００１０】
考慮すべきもう１つの事項は、燃料電池が非常に高い温度で動作するということである。例えば、溶融炭酸塩燃料電池は約６５０℃で動作する。マニホルドガスケットにおいて使用される材料を選択するときには、この長期動作温度を考慮に入れなければならず、通常は数年間にわたる燃料電池スタックの寿命の間、構成要素が継続して機能できなければならない。従って、燃料電池スタックの動作温度を許容し、スタックの動き及びスタック寸法の変化に対応できるマニホルドシールが必要とされる。
【００１１】
誘電絶縁体とスタック面との間のシールの更に別の限界は、燃料電池スタックの上端部、すなわち、正側端部からスタックの底部、すなわち、負側端部まで、電解質が動いてしまうという望ましくない事態が起こりうることである。この場合、電解質は、スタックの負側端部で電池からあふれ出し、正側端部では、電池の電解質が欠乏する。ガスケットは、更に、誘電体からマニホルドに至るまで、スタックから電解質を移動させることがある。燃料電池システムにおける電解質の移動を減少又は軽減する方法及び装置は、燃料電池スタックの高さに沿って設けられ、スタック全体にわたり溶融電解質内容物を均等化する電解質により湿潤可能な芯材料が両端部に設けられる流路を開示する米国特許第４，６４３，９５４号明細書；電解質移動の悪影響を軽減する不活性電解質だめの組み合わせを上端部及び下端部に有し、電解質の保持が少なく、電解質移動を制限する多孔質密封部材を更に有する電解燃料電池スタックを教示する米国特許第４，７６１，３４８号明細書；及び電解質の流れを支援する細長い多孔質部材と、電解質の流れを遅らせ、電解質の流れを調整し、電解質移動を減少する障壁手段とを有する溶融炭酸塩燃料電池のマニホルドガスケットを教示する米国特許第５，１１０，６９２号明細書において論じられている。米国特許第６，５１４，６３６号明細書に説明されているような高度研磨セラミックも、フレームの面に沿った電解質のクリープを阻止又は減少することにより、必要な電圧隔離を行うのに望ましい。
【特許文献１】米国特許第４，４１４，２９４号明細書
【特許文献２】米国特許第４，４６７，０１８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４６１，７５６号明細書
【特許文献４】米国特許第４，５１４，４７５号明細書
【特許文献５】米国特許第５，３９９，４３８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，７７３，１６１号明細書
【特許文献７】米国特許第４，６４３，９５４号明細書
【特許文献８】米国特許第４，７６１，３４８号明細書
【特許文献９】米国特許第５，１１０，６９２号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，５１４，６３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、溶融炭酸塩燃料電池スタックの側面にマニホルドを密封するガスケットであって、マニホルドと燃料電池スタックとの間のガスシールを維持し且つマニホルドをスタックから電気的に絶縁された状態に保持する一方で、燃料電池スタックの動作中の熱応力及び内部燃料電池圧密の結果として起こる動きの相違に対応するガスケットを含む燃料電池マニホルド密封構体を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、マニホルドと燃料電池スタックとの間の境界面における動きの相違に対応し、ガスケット構体の誘電絶縁体構成要素に対する応力を減少させるガスケットを提供することである。
【００１４】
本発明の更に別の目的は、電解質の移動を制限する一方で、マニホルドと燃料電池スタックとの間の境界面における動きの相違に対応するガスケットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の原理によれば、上記の目的及びその他の目的は、少なくとも１つの外付けマニホルド形燃料電池スタックを有する燃料電池システムのマニホルド縁部とスタック面との間のガスケットにおいて実現される。ガスケットは、ガスケットと誘電体との間及びガスケットとスタック面との間の境界面における滑りを促進することにより、スタックとマニホルドとの動きの相違に対応する。
【００１６】
従来のマニホルドガスケットシールに関して先に説明したように、ガスケット又はシールは、燃料電池の動作中に誘電体に加わる応力を制限する。逆に、誘電体は、セラミック誘電体の継手部分及び燃料電池スタックのエンドプレートに沿って動き、マニホルドとスタックとの動きの相違を生み出すガスケットの劣化を防止する。特に、ガスケットは電池領域においてスタックに接着し、誘電体フレームとガスケットとの間に滑り面が存在する。スタックの１つ以上の端部においても、エンドプレートとガスケットとの間に滑り面が存在する。本発明によれば、ガスケット構体は、それらの滑り面における滑りを促進する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、スタック寿命中に発生する燃料電池スタックの形状及び寸法の変化、並びにそのような物理的変化の結果として起こる動きの相違に対応するガスケット又はシールを提供する。そのような動きは、加熱中又は冷却中に起こるか、あるいは動作の変化の結果として起こる熱運動、並びに初期調整中及び構成要素の長期クリープの間に起こる内部セル圧密運動として分類されてもよい。以下に詳細に説明されるガスケットは、それら２つの種類の運動を許容し、それにより、誘電絶縁体に加えられる応力を最小限に抑える。
【００１８】
特に、ガスケットは、マニホルド構体とスタック構成要素との間の膨張係数の相違によって起こる応力を制限する。説明される材料は、燃料電池の動作条件において接触する隣接面の相対運動をシミュレートする試験から評価及び選択された。ガスケットを開発する上で考慮された主な課題は、スタックが加熱、冷却又は圧縮される際にセラミック誘電体に伝達される応力を最小にすることであった。
【００１９】
マニホルド及びスタックが一端部に固定される燃料電池スタックに関連して、マニホルドガスケットの特徴を説明する。スタックの一端部に運動が制約されるため、マニホルド構体とスタックとの間の最大の運動は、反対側の端部で起こる。これは、ガスケットの特性を更によく示している。しかし、本明細書において提示及び説明されるガスケットは、そのような制約を有する燃料電池スタックと組み合わせての使用に限定されず、一端部で固定されないスタック構成を含む他のスタック構成のマニホルドシステムにも適用可能である。
【００２０】
図１は、本発明によるガスケット５を含むマニホルド密封構体１１を示す展開図である。マニホルド密封構体１１は、スタック寿命の開始時（「ＢＯＬ」）にある燃料電池スタック１０に隣接して示されている。本発明によるマニホルド密封構体１１の構成要素は、マニホルド１、乾燥誘電体２、圧縮自在のガスケット３、セラミック誘電絶縁体４及びガスケット５を含む。マニホルド密封構体１１は、スタック縁部７に沿って、エンドプレート６の中実面（ソリッドサーフェース）でスタック面に対し密封される。前述した通り、また、以下に詳細に説明されるように、スタック１０とセラミック誘電絶縁体４との間には滑りが必要であり、本発明のガスケット５はその滑りに対応する。
【００２１】
図１に示されるマニホルドガスケット構体においては、誘電絶縁体４は、乾燥誘電体２及び圧縮自在のガスケット３により、マニホルド１から間隔を離されている。乾燥誘電体２は、金雲母などのセラミック材料から製造され、マニホルドをスタックから更に電気的に絶縁する機能を果たす。圧縮自在のガスケット３は、乾燥誘電体２と誘電絶縁体４との間に設けられる。スタックの動きの相違に対応するためにマニホルド構体の構成要素に対して行われた改善に関して先に説明したように、ガスケット３は、例えば、ジルコニアフェルト、アルミナフェルト又はそれに類似する圧縮自在の繊維質材料など、圧縮自在のセラミックフェルトによる複数の層から形成されており、スタックの寸法の変化に更に対応するために、ガスケットに弾性部材が埋め込まれていてもよい。
【００２２】
ガスケット５は、誘電絶縁体４の反対側であって、誘電絶縁体４とスタック１０との間に設けられる。ガスケット５は、Zircar Zirconia, Inc.から入手可能なジルコニアフェルトZTF100のような繊維質セラミック材料から製造されており、以下に更に詳細に説明するように、１つ以上の層を含む。図１に示されるマニホルド構体１１の実施形態は、燃料電池スタック１０に組み付けられ、装着される場合、本発明の主体であるガスケット５による燃料電池スタックの動作中の動きの相違への対応を更によく示すために、下端部に固定される。
【００２３】
図２は、スタック寿命の終了時（「ＥＯＬ」）における燃料電池スタック１０に隣接してガスケット５を含むマニホルド密封構体１１を示す展開図である。図１に示されるスタックＢＯＬのときの構成要素の状態と比較して、特にガスケット部材５に関して、スタックの動作中にスタック１０とセラミック誘電絶縁体４との間に滑りが起こっている。スタックと誘電絶縁体との間の滑りは、本発明のガスケット５により促進されている。その特徴について、以下に、図３、図３Ａ、図３Ｂ及び図４に関して詳細に示し、説明する。
【００２４】
図３は、スタック寿命の開始時におけるガスケット５の一部分を示す詳細概略図である。図示されるように、ガスケット５は、第１のセクション（部分）１５及び第２の部分１６を具備し、各々の部分は、ジルコニアフェルトのようなセラミックフェルト材料を含む２つの層を有する。尚、ガスケットを形成する部分の数は任意であってよく、各部分は、セラミックフェルト材料を含む１つ以上の層を有し、本発明のガスケットは、本明細書中に示され且つ説明される実施形態及び材料に限定されない。
【００２５】
第１の部分１５は、電池領域においてスタックに隣接して設けられたガスケット５の部分に対応する。ガスケットは電池領域においてスタックに接着し、その領域の摩擦はガスケットと誘電絶縁体体との間の摩擦より大きいため、誘電絶縁体フレーム（図示せず）と第１の部分１５との間に滑り面が存在する。誘電絶縁体に隣接するガスケット５の第１の部分１５の面に、セラミック布１３を含む層が設けられる。セラミック布１３は、通常、3M, Inc.により製造されるNextel 610のようなアルミナ布、又は誘電絶縁体に対して、セラミック布が設けられるセラミックフェルト層より低い摩擦係数を有する同様のセラミック布材料であり、セラミック布１３と誘電絶縁体との間の境界面における滑りを促進する。
【００２６】
第２の部分１６は、スタックエンドプレートに隣接して設けられるガスケット５の部分に対応する。誘電絶縁体とガスケットとの間の摩擦係数がガスケットとエンドプレート（図示せず）との間の摩擦係数より大きいため、ガスケットの第２の部分は誘電絶縁体に固定されたままであり、このため、エンドプレートと第２の部分１６との間に滑り面が存在する。以下に図３Ａに関して更に詳細に説明するように、ガスケットは誘電絶縁体により保持されるため、誘電絶縁体とガスケットの第２の部分１６との間の滑りは、完全に阻止されないまでも、更に制限される。
【００２７】
布の層１３とは反対の側のガスケットの面に、セラミック布１２の層が設けられる。特に、セラミック布１２は、エンドプレートに隣接する第２の部分１６の面に設けられる。ガスケットの第１の部分１５に設けられるセラミック布１３と同様に、セラミック布の層１２も、通常、アルミナ布又はそれに類似する織物セラミック材料から製造される。この層は、エンドプレートに対して、層が設けられるセラミックフェルト層より低い摩擦係数を有するため、セラミック布１２とエンドプレートとの間の境界面における滑りが促進される。
【００２８】
更に、腐食を防止するために、ステンレス鋼エンドプレート（図３には図示せず）の表面をアルミによりメッキ処理してもよい。時間の経過に伴うステンレス鋼の腐食は、エンドプレートの表面の粗さを増し、エンドプレートとガスケットとの間の摩擦係数を増加させる。アルミめっき面は腐食を制限し、燃料電池スタックの動作中の滑りを改善する。エンドプレートの面は、熱処理中にステンレス鋼の中へ拡散する１〜３ｍｉｌのアルミニウム被覆膜を追加することによりアルミめっき処理される。アルミめっき処理されたエンドプレートは、スタック寿命の開始時、すなわち、ＢＯＬにおいて、未処理のステンレス鋼と比較して同等の滑り面を提供する。
【００２９】
セラミック布１２とエンドプレートとの間の滑りを更に促進するために、エンドプレートに隣接する布の面にグラファイトの被覆膜が塗布されてもよい。グラファイト被覆膜は、摩擦係数を少なくとも２桁低下させ、スタックのＢＯＬ中の急速な収縮に更に対応する。グラファイト被覆膜は、燃料電池スタックの動作開始中に燃え尽きる。グラファイト被覆膜に関しては、以下に図５Ａに関して更に詳細に説明する。
【００３０】
ガスケット５の両面に設けられるセラミック布の層１２、１３は、仮止めのりなどの接着材料によってセラミックフェルトに付着される。接着材料は、スタックの動作開始直後に燃え尽き、燃料電池スタックの性能に影響を及ぼすことはない。接着剤が燃え尽きた後、セラミック布の層１２、１３は、付着されているセラミックフェルトに固定されたままの状態を保ち、隣接する誘電体又はエンドプレートとの間の境界面における滑りを促進する。
【００３１】
図３Ａは、図３に示されるガスケット５の線３Ａ‐３Ａに沿った横断面図であり、セラミック誘電絶縁体４により保持されたガスケットの第２の部分１６を示す。特に、誘電絶縁体４には、ガスケットに対向する面に溝９が形成されている。誘電絶縁体４に形成される溝９は、ガスケットと同一の幅を有し、ガスケットのセラミックフェルト層のうち一方の層の少なくとも一部分が溝９の中に保持されるような深さを有する。図示されるように、ガスケットの第２の部分１６の一部が誘電絶縁体４の溝９に保持されることにより、第２の部分１６が誘電体から離れて、第２の部分１６の長さに対して垂直な方向に又は燃料電池スタックの高さと平行に動く現象が防止される。第２の部分１６が誘電体６から離れて動くのを更に防止するために、ガスケットの誘電体との境界面にセラミック被覆膜又はビードを塗布できる。誘電体とガスケットとの間の摩擦を増加する材料の例には、Zircar Zirconia, Inc.から入手可能なジルコニアリジダイザ及びCotronics Corporationの989セラミックセメントがある。
【００３２】
従って、図３Ａに示される誘電絶縁体４の部分が、動作中の燃料電池スタックの収縮に対応するためにスタックの高さと平行な方向に動くと、第２の部分１６は、エンドプレート（図示せず）に対して、その方向に誘電絶縁体と共に動くことしかできない。その結果、このような誘電絶縁体及びガスケット５の第２の部分１６の構成は、アルミナ布１２とエンドプレートとの間の滑りを促進する。
【００３３】
図３Ｂは、図３に示されるガスケット５の線３Ｂ‐３Ｂに沿った横断面図であり、セラミック誘電絶縁体４により保持されたガスケットの第１の部分１５を示す。図３Ａに示される誘電絶縁体の部分と同様に、図３Ｂに示される誘電絶縁体４にも、ガスケット５に対向する面に溝９が形成されている。誘電絶縁体４に形成される溝９はガスケットと同一の幅を有し、セラミック布の層１３とガスケットの第１の部分１５のセラミックフェルト層のうち一方の層の少なくとも一部分とが溝９の中に保持されるような深さを有する。
【００３４】
この場合、誘電絶縁体４に形成された溝９によりガスケットが保持されても、誘電絶縁体とガスケットの第１の部分１５との、燃料電池スタックの高さと平行な方向への相対運動及び誘電絶縁体と第１の部分１５との間の滑りは阻止されない。図示されるように、ガスケットの第１の部分１５の一部が誘電絶縁体４の溝９に保持されることにより、第１の部分１５の長さと平行な方向及び燃料電池スタックの高さと平行な方向へのセラミック布１３と誘電絶縁体４との間の滑り面は包囲されるが、滑り面が拘束されることはない。図３Ｂに示されるガスケットの第１の部分１５がスタック電池領域（図示せず）に接着し、燃料電池スタックが動作中に収縮するにつれて、スタックの高さと平行な方向にスタックと共に動くと、第１の部分１５も、誘電絶縁体４に対して、その方向に動く。その結果、誘電体及びガスケット５の第１の部分１５のこのような構成は、アルミナ布１３と誘電絶縁体４との間の滑りを促進する。
【００３５】
図４は、スタック寿命の終了時（ＥＯＬ）における図３に示されるガスケット５の一部分の詳細概略図である。図４には明示されていないが、スタックのＥＯＬの時点に至るまでに、スタックの動作中にスタックの収縮が起こるため、ガスケットの第１の部分１５は、誘電絶縁体（図示せず）に対して動いている。特に、第１の部分１５の長さが短縮されている。この短縮は、スタックの動作中、ガスケットの第１の部分１５がスタックの収縮に従って動くこと；スタック及びマニホルド構体が第１の部分１５の一端部に固定されているため、第１の部分の他端部は、それが装着されている誘電絶縁体の対応する部分に対して短くなること；布の層１３により滑りが促進されるため、ガスケットの第１の部分１５は、誘電絶縁体に対して、第１の部分１５の長さと平行であり且つ燃料電池スタックの高さと平行な方向に動くことに起因するものである。
【００３６】
更に、燃料電池スタック（図示せず）のエンドプレートの、ガスケットの第２の部分１６に対する動きも起こっている。特に、動作中、スタックが収縮するにつれて、図３Ａに示されるように誘電絶縁体により保持された第２の部分１６は、エンドプレートが第２の部分１６の長さに対して垂直且つ燃料電池の高さと平行な方向に動く間に滑る。この滑りは、スタックの動作中にスタックが収縮し、スタックと誘電絶縁体との間に動きの相違が生じること；スタック及びマニホルド構体が一端部に固定されているため、ガスケットは、スタックの他端部において第２の部分１６とエンドプレートとの間の境界面における滑りを可能にすることにより、そのような動きの相違に対応すること；布の層１２により滑りが促進され、グラファイト被覆膜により滑りが更に向上されることに起因するものである。
【００３７】
ＢＯＬからＥＯＬに至るまで、スタック、ガスケット及び誘電絶縁体の間の動きの相違が生じている間のガス漏れを制限するために、図４は、ガスケットに形成された締り継手の形態をとる本発明のガスケット５の別の変形例を示す。特に、ガスケットの第１の部分１５のセラミックフェルト層の各々の内側の所定の長さの部分に、屈曲した切り欠き１８が形成されている。ガスケットの第１の部分１５の大半の部分、すなわち、図４に示される切り欠き１８の下方の部分においては、セラミックフェルト層は一貫して均一な幅及び寸法を有するが、切り欠き１８から第１の部分１５の末端部までの部分１５の長さに沿って、フェルト層の幅は、図４に示されるように、まず切り欠きの位置で狭まり、その後、徐々に広くなる。これにより、ガスケットの第２の部分１６に隣接するフェルト層の縁部は、わずかに屈曲又は傾斜することになる。更に、第１の部分１５のこの屈曲した部分に隣接又は当接する第２の部分１６のセラミックフェルト層の端部又は縁部も、第１の部分１５の傾斜角度に従い且つ第１の部分に嵌合するように、わずかに屈曲している。ＢＯＬの時点で、ガスケットの第２の部分１６は、切り欠き（図示せず）上にある。ＥＯＬの時点においては、図４に示されるように、第２の部分１６は、第１の部分１５に対して、切り欠き１８から離間するように動いている。このように、締り継手は、第１の部分１５と第２の部分１６との滑り嵌めを維持することにより、ガス漏れを防止する。
【００３８】
図５Ａ及び図５Ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに示されるガスケット５の横断面図の更に詳細な図であり、グラファイト被覆膜及びリジダイザ被覆膜が示されている。図５Ａからわかるように、グラファイト被覆膜４０は、エンドプレートと境を接するセラミック布１２の面にある。そのようなグラファイト被覆膜は、ＢＯＬにおけるスタックの急速な収縮に対応し、布に対する損傷を制限する潤滑剤として作用することにより、初期滑りを促進する。被覆膜４０は、スタックの最初の１００時間の動作後に、セラミック布１２又はガスケットの性能に影響を及ぼすことなく燃え尽きる。
【００３９】
図５Ａにおいて、Zircar Inc.より入手可能なジルコニアリジダイザなどのセラミックリジダイザ被覆膜４１は、グラファイト被覆膜４０とは反対側のセラミック布層１２の面、すなわち、布層１２とセラミックフェルト層１６との間にある。このリジダイザ被覆膜４１は、セラミック布１２の繊維を一体に結合し、布を補強することにより、エンドプレートに対して滑っている間の布の損傷を制限する。リジダイザ被覆膜４１は、布１２の反対側の面まで浸透しないように、フェルト層１６に隣接する布１２の面に塗布される。
【００４０】
図５Ｂは、誘電絶縁体４とは反対側のセラミック布層１３の面、すなわち、布層１３とセラミックフェルト層１５との間の境界面にあるセラミックリジダイザ被覆膜４１を示す。このセラミック被覆膜４１は、セラミック布１３の繊維を一体に結合し、布を補強することにより、誘電絶縁体に対して滑っている間の布の損傷を制限する。フェルト層１５に隣接する布１３の面に対するセラミック被覆膜４１の塗布に関しては、被覆膜４１が未処理のセラミック布１３より高い摩擦係数を有するため、被覆膜４１が布１３の反対側の面まで浸透しないように被覆膜４１を塗布することが特に重要である。
【００４１】
いずれの場合においても、以上説明された構成は、単に、本発明の適用を表す数多くの可能な特定の実施形態の例を示しているにすぎない。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って、マニホルド構体の構成要素の様々に異なる材料及び種々の形状の使用を含めて、他にも数多くの多様な構成を容易に考案できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
本発明の上記の特徴及び面並びに他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより、更に明らかになるであろう。
【図１】図１は、スタック寿命の開始時における本発明によるガスケットを含むマニホルド密封構体を示す展開図である。
【図２】図２は、スタック寿命の終了時における本発明によるガスケットを含むマニホルド密封構体を示す展開図である。
【図３】図３は、スタック寿命の開始時におけるガスケットの一部分を示す詳細概略図である。
【図３Ａ】図３Ａは、セラミック誘電体により保持されたガスケットを示す図３の線３Ａ‐３Ａに沿ったガスケットの横断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、セラミック誘電体により保持されたガスケットを示す図３の線３Ｂ‐３Ｂに沿ったガスケットの横断面図である。
【図４】図４は、スタック寿命の終了時における図３に示されるガスケットの一部分の詳細概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図３Ａに示される横断面図の更に詳細な図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図３Ｂに示される横断面図の更に詳細な図である。
【図１】
2008525963.tif 000003
【図２】
2008525963.tif 000004
【図３】
2008525963.tif 000005
【図３Ａ】
2008525963.tif 000006
【図３Ｂ】
2008525963.tif 000007
【図４】
2008525963.tif 000008
【図５Ａ】
2008525963.tif 000009
【図５Ｂ】
2008525963.tif 000010
【国際調査報告】
2008525963.tif 000011