(57)【要約】【課題】さまざまな電力必要量にその容量を容易に適応させることができる燃料電池アセンブリを提供すること。【解決手段】燃料電池アセンブリの複数の燃料電池接続ゾーンのうちの少なくともいくつかは、様々な電力容量に対応する面積、および電気接続部および取入口および排出口の配置などのさまざまな特性を有する。アセンブリは１つまたは複数の燃料電池スタックを備える。スタックの少なくともいくつかは、さまざまな電力容量と、マニホルドゾーンのさまざまな特性、及び電気接続部、取入口および排出口のさまざまな配置に応じてさまざまな特性を有する。これらの特性は、特定の容量の燃料電池スタックをこのような容量に対応するマニホルドゾーンにのみ接続できる。遮断プレートが、燃料電池スタックを配置しようと望まないマニホルドゾーンと結合するために設けられる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の特性を有する第１の燃料電池接続ゾーンと、第２の特性を有する少なくとも第２の燃料電池接続ゾーンとを有し、第１の特性が第２の特性と異なり、各ゾーンが冷却剤、燃料および空気取入口および排出口ポートを有するマニホルドであって、前記ポートと連絡する複数の通路をその中に有するマニホルドと、
第１の電力容量を有する第１の燃料電池スタックを形成するように互いに結合され、前記第１の燃料電池スタックが、マニホルドの前記第１のゾーンと、前記第１のゾーンに付随する冷却剤、燃料および空気の取入口および排出口とに動作可能に結合されるように構成されている第１の燃料電池群と、
第１の電力容量と異なる第２の電力容量を有する第２の燃料電池スタックを形成するように互いに結合され、前記第２の燃料電池スタックが、マニホルドの前記第２のゾーンと、および前記第２のゾーンに付随する冷却剤、燃料および空気の取入口および排出口とに結合されるように構成されている少なくとも第２の燃料電池群とを備え、第１のゾーンの特性が、前記第１の容量を有する燃料電池スタックのみがそれに結合することができ、第２のゾーンの特性が、前記第２の容量を有する燃料電池スタックのみがそれに結合することができる、燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
前記マニホルドが、別の特性を有する少なくとも別の燃料電池接続ゾーンを有し、別の特性が第１および第２の特性と異なり、別のゾーンが、冷却剤、燃料および空気の取入口および排出口を有し、
別の燃料電池スタックを形成するように互いに結合された別の燃料電池群が、別の電力容量を有し、別のスタックが、マニホルドの前記別のゾーンと、前記別のゾーンに付随する冷却剤、燃料および空気の取入口および排出口とに動作可能に結合され、前記別のゾーンの特性が、前記別の容量を有する燃料電池スタックのみがそれに結合することができる、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項３】
各燃料電池スタックが、
成形されたベースに結合され、ベースおよびハウジングが複数の燃料電池を包囲しているハウジングと、
ベース内に装着され、燃料電池と電気的に結合された１対の電気コネクタと、
ベース内に形成された、水素燃料を燃料電池へ連絡するための水素取入口と、
ベース内に形成された、水素燃料を燃料電池から連絡するための水素排出口と、
ベース内に形成された、空気を燃料電池へ連絡するための空気取入口と、
ベース内に形成された、空気を燃料電池から連絡するための空気排出口と、
ベース内に形成された、冷却水を燃料電池へ連絡するための冷却水取入口と、
ベース内に形成された、冷却水を燃料電池から連絡するための冷却水排出口とを備える、
請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
各燃料電池スタックが、
成形されたベースに結合され、ベースおよびハウジングが複数の燃料電池を包囲しているハウジングと、
ベース内に装着され、燃料電池と電気的に結合された１対の電気コネクタと、
燃料、空気および冷却水取入口および排出口の群とを備え、
第１のスタックのためのコネクタ、および取入口および排出口の群が、第１の構成を有し、第２のスタックのためのコネクタ、および取入口および排出口の群が、第１の構成と異なる第２の構成を有する、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
マニホルドのゾーンと結合し、前記ゾーンのポートを外的環境から密封するように構成された遮蔽プレートを備える、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
直径の大きいマニホルド穴７０が、マニホルド１２内に延びて、前記穴７０とマニホルド内に形成された直径の小さい通路との間に環状のショルダ７２を形成し、
プレート穴７６が遮断プレート６４内へ延び、
Ｏリングシール８２が、プレート穴７６の壁面内に形成された環状の溝８４内に装着され、
円筒形のチューブ８６が、穴７０によって密封可能に受けられている、ショルダ７２と係合する一方の端部を有し、チューブ８６の他方の端部が、プレート穴７６によって解放可能に受けられて、Ｏリングシール８２によって密封可能に係合されている、請求項５に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
少なくとも１つのマニホルドポートが、マニホルド内に延びて、環状のショルダを形成する、ねじ付き部分を有する穴９０を備え、
中空の逆止め弁シート部材９８が、ねじ付き部分９６内に螺合されて、逆止め弁シート１００を形成し、
逆止め弁ボール１０４が、穴によって受けられており、
ばね１０２が、穴９０内に装着されて、逆止め弁ボール１０４を付勢してシート１００と係合させ、マニホルドポートと燃料電池スタックポートとの連絡を防ぎ、
バルブプランジャ１１２が、燃料電池スタックポート内に装着され、そこから突出しており、燃料電池スタック１６〜２０が、マニホルド１２に接して配置されたとき、バルブプランジャが、ボール１０４と係合して、ボール１０４をシート１００から遠ざかるように移動させて、マニホルドポートと燃料電池スタックポートとの間の連絡を開く、
請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
プランジャ１１２が、燃料電池スタックの穴内で受けられた中空のベース１１４と、ベースから突出している中空の円筒形スリーブ１１５と、ベースおよびスリーブから突出している中央ステム１１６と、ステム１１６の外端部上に装着されたチェックボール係合部１１８とを有する、請求項７に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
ステムが、スリーブを通って延びている、複数の軸方向および半径方向に延びるウェブ部材１１７と、ステム１１６の端部をスタックポートと連絡する通路１２０を形成しているベース１１４、スリーブ１１５およびステム１１６とを備える、請求項８に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
Ｏリングシール１２２および１２４が、それぞれ、スリーブ１１５およびチェックボール弁係合部１１８上の溝内に装着され、前記シールが、逆止め弁シート部材９８と係合し、プランジャが逆止め弁シート部材９８によって受けられたとき、マニホルドポートと外部環境の間の連絡を防止する、請求項９に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
直径の大きいマニホルド穴７０が、マニホルド１２内に延びて、前記穴７０とマニホルド内に形成された直径の小さい通路との間に環状のショルダ７２を形成し、
スタック穴７６が、燃料電池スタック１６〜２０または遮断プレート６４内に延び、
Ｏリングシール８２が、スタック穴７６の壁面内に形成された環状の溝８４内に装着され、
円筒形のチューブ８６が、穴７０によって密封可能に受けられている、ショルダ７２と係合する一方の端部を有し、チューブ８６の他方の端部が、スタック穴７６によって解放可能に受けられて、Ｏリングシール８２によって密封可能に係合されている、
請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１２】
第１の燃料電池接続ゾーンが、第１の面積を有し、第２の燃料電池接続ゾーンが、第２の面積を有し、第１の面積が第２の面積とは異なる、
請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
第１の燃料電池接続ゾーンが、取入口および排出口の第１の配置を有し、第２の燃料電池接続ゾーンが、取入口および排出口の第２の配置を有し、第１の配置が第２の配置とは異なる、
請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池アセンブリシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願に対する権利と、所有権と、利害関係のすべて、およびその分割、継続、再発行などを含む、本明細書で開示かつ／または請求されたすべての内容について、本出願の実施の日付をもって、本明細書でＤｅｅｒｅ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙと呼ぶ出願人（アメリカ合衆国、６１２６５、イリノイ州モーリンに事務所を有するデラウェアの会社）に、Ｄｅｅｒｅ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙの名義ですべての外国で対応する特許出願を出願し、優先権を主張するすべての権利とともに、譲渡し、移転し、販売し、引き渡すものである。
【０００３】
燃料電池は、将来の自動車で使用されることになる。たとえば、燃料電池は、このような車両に取り付けられたライト、電子部品、電力駆動部および電動機器用の電力を供給することができる補助電源として使用することができる。燃料電池の発生する必要な電力の量は、顧客の選択したオプションおよび用途に応じてさまざまである。このため、多様な容量の燃料電池アセンブリが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、さまざまな電力必要量にその容量を容易に適応させることができる燃料電池アセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的およびその他の目的は、燃料電池アセンブリが複数の燃料電池接続ゾーンを有するマニホルドを備える、本発明によって達成される。ゾーンのうちの少なくともいくつかは、さまざまな電力容量に応じて、燃料電池接続部品および取入口および排出口の面積および配置などのさまざまな特性を有する。アセンブリはまた、複数の燃料電池スタックを有する。スタックのうちの少なくともいくつかは、さまざまな電力容量、マニホルドゾーンのさまざまな特性に応じて、および取入口および排出口のさまざまな配置に応じてさまざまな特性を有する。これらのさまざまな特性は、特定の容量の燃料電池スタックを、このような容量に対応したマニホルドゾーンにのみ接続できるように設計されている。燃料電池スタックを配置しないことが望ましいマニホルドゾーンと結合するために、遮断プレートが設けられている。遮断プレートまたは燃料電池スタックが特定のマニホルドゾーンに結合されないときにマニホルド接続を密封し、遮断プレートの必要性を除去するコネクタ装置が設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１および２を参照すると、燃料電池アセンブリ１０は、マニホルド１２を備える。マニホルド１２は、アルミニウムなど金属材料の中実の部片製であるが、プラスチックやポリマー材料も材料の機械的要件を満すことができる。マニホルド１２の側部に、複数の燃料電池スタック１４、１６、１８および２０が結合されている。各スタックは、従来の方式で互いに結合されて燃料電池スタックを形成する、複数の市販の標準的な燃料電池１９を備える。各スタックは、好ましくは、異なる電力容量、およびその側面に面したマニホルド１２の面積すなわち「占有面積」などの、異なる特性を有する。たとえば、スタック１４および１６は、１キロワットの容量を有し、スタック１８は５キロワットの容量を有し、スタック２０は、１０キロワットの容量を有することができる。図１を見れば最もよくわかるように、マニホルド１２は、水素取入口２２および２８、冷却剤取入口２４および３０、および空気排出口２６および３２を備える、水素燃料、空気および冷却剤を燃料電池スタックの内外へ連絡するためにその中に形成された個別の通路を備える。
【０００７】
図２で最もよくわかるように、燃料電池スタック２０は、正の電気端子３４、負の電気端子３６、水素取入口３８、冷却剤取入口４０、空気排出口４２、空気取入口４４、冷却剤排出口４６および水素排出口４８を備える。燃料電池スタック１４、１６および１８は、同様に配置された同様の構成部品を有するが、異なる容量を有するスタックは、その端子、取入口および排出口の間に異なる間隔を有することになる。
【０００８】
図３で最もよくわかるように、マニホルド１２は、それぞれが燃料電池スタック１４、１６、１８および２０のうちの１つに対応する、複数のゾーン１４’、１６’、１８’および２０’を有する。ゾーン１４’、１６’、１８’および２０’は、好ましくは、燃料電池スタック１４、１６、１８および２０のさまざまな特性に対応するさまざまな特性を有する。たとえば、ゾーン１４’および１６’は、小容量の燃料電池スタックに対応する、小さめの面積すなわち「占有面積」を有することができる。ゾーン１８’は、中間の燃料電池スタックに対応する、中間の面積すなわち「占有面積」を有することができる。ゾーン２０’は、大容量の燃料電池スタックに対応する、大きめの面積すなわち「占有面積」を有することができる。それぞれのゾーンで、電気接続部と取入と排出口の間隔は、対応するゾーンの寸法に比例して、大きいか小さいものである。マニホルドゾーン２０’は、正の電気端子３４’、負の電気端子３６’、水素取入口３８’、冷却剤取入口４０’、空気排出口４２’、空気取入口４４’、冷却剤排出口４６’および水素排出口４８’を備える。
【０００９】
図４は、燃料電池スタック２０とマニホルド１２の間の接続部の右手側（図２で見た）の組を示す断面図である。負の端子３６が、マニホルド１２内の負のコンダクタ５０と接続されている。空気取入ポート４４が、マニホルド１２内の空気供給通路５２と接続されている。冷却剤排出ポート４６が、マニホルド１２内の冷却剤通路５４と接続されている。水素排出ポート４８が、マニホルド１２内の水素通路５６と接続されている。
【００１０】
図５をここで参照すると、燃料電池スタック１４、１６、１８および２０が、スタックの反対側の１対のばね作動クランプ６０によってマニホルド１２に締結されている。各クランプ６０は、スタックの側面に形成されたタブ６２と解放可能に係合されている。
【００１１】
図６をここで参照すると、遮断プレート６４を、１つまたは複数の燃料電池スタック１４、１６、１８または２０の代わりにマニホルド１２に締結することができる。各遮断プレート６４は、１対のばね作動クランプ６０と係合する１対のタブ６６を備える。
【００１２】
図７は、マニホルド１２と燃料電池スタック１６〜２０または遮断プレート６４との間の代表的な接続部を示している。穴７０が、マニホルド１２内に延びて、穴７０とより直径の小さい通路７４との間の環状ショルダ７２を形成している。穴７６が、燃料電池スタック１６〜２０内に延びて、穴７６とより直径の小さい通路８０の間に環状ショルダ７８を形成している。穴７６はめくら穴であり、遮断プレート６４の場合、通路８０は存在しないことになる。Ｏリングシール８２が、穴７６の壁面内に形成された環状溝８４内に装着されている。円筒形チューブ８６が、圧力嵌めなどで、穴７０によって密封状態で受けられ、ショルダ７２と係合する一方の端部を有する。チューブ８６の他方の端部は、穴７６によって解放可能に受けられ、Ｏリング８２によって密封状態で係合される。このような接続部が、ポート３８〜４８のそれぞれのために使用されることになる。
【００１３】
図８〜１０は、マニホルド１２と燃料電池スタック１６〜２０の間の代替となる接続部を示している。この代替となる接続部は、さまざまなマニホルドポートを自己密封し、遮断プレートの必要性を除去する。図８を参照すると、穴９０が、マニホルド１２内へ延びており、穴９０とより直径の小さい通路９４の間に環状のショルダ９２を形成している。穴９０の外側部分９６は、ねじ山を形成している。逆止め弁シート部材９８が、ねじ山部分９６にねじ込まれ、逆止め弁シート１００を形成している。ねじ１０２が、穴９０内に装着され、逆止め弁ボール１０４をシート１００と係合させる。
【００１４】
ねじ付き穴１１０が、燃料電池スタック１６〜２０内へ延びており、バルブプランジャ１１２を受けている。図８および９を参照すると、プランジャ１１２は、中空のねじ付きベース１１４と、中空の円筒形スリーブ１１５と、中央ステム１１６と、ステム１１６の外端部のボール係合部１１８とを有する。ステムは、４つの軸方向および半径方向に延びるウェブ部材１１７を備える。ベース１１４、スリーブ１１５およびステム１１６は、ステム１１６の端部をスタック１６〜２０内の通路８０と連絡する通路１２０を形成している。Ｏリングシール１２２および１２４が、それぞれ、スリーブ１１５および係合部１１８上の溝内に装着されている。燃料電池スタック１６〜２０は、マニホルド１２から離隔されて、ボール１０４が、シート１００に対して保持され、対応するマニホルド通路が外部環境から密封される。図９で最もよくわかるように、平坦な表面１２６、１２８が、プランジャ１１２をレンチ（図示せず）によって操作できるようにスリーブ１１５の周縁に形成されている。
【００１５】
図１０を参照すると、燃料電池スタック１６〜２０の内の１つがマニホルド１２に配置されたとき、ボール係合部１１８は、ボール１０４をシート１００から遠ざかるように移動させ、マニホルド通路が通路１２０を介して対応する電池スタック通路と連絡される。
【００１６】
燃料電池スタックが特定のマニホルドゾーンに装着されない場合、簡単なねじ山付きプラグ（図示せず）をそのゾーンのポート内に羅合して、環境からポートを密封することができる。
【００１７】
本発明を、特定の実施形態とともに説明してきたが、多数の代替形態、修正形態および変形形態が、上述の説明に照らすと当業者に理解されるであろう。たとえば、さまざまなゾーンおよびスタックがさまざまな面積を有する代わりに、ゾーンおよびスタックは、同じ面積を有し、異なる間隔または構成要素の配置を有することができる。したがって、本発明は、頭記の特許請求の精神および範囲内にあるすべてのこのような代替形態、修正形態および変形形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による燃料電池アセンブリの側部立面図である。
【図２】図１の線２−２に沿った図である。
【図３】図１の線３−３に沿った図である。
【図４】図２の線４−４に沿った図である。
【図５】本発明のマニホルドに装着された燃料電池モジュールの透視図である。
【図６】本発明のマニホルドに装着された遮断プレートの透視図である。
【図７】本発明の燃料電池モジュールとマニホルドの間の接続部の断面詳細図である。
【図８】不接続状態での本発明の燃料電池モジュールとマニホルドの間の接続部の代替実施形態の断面詳細図である。
【図９】図８の接続部のプラグ部品の透視図である。
【図１０】接続状態での図８の接続部の断面詳細図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０  燃料電池アセンブリ
１２  マニホルド
１４、１６、１８、２０  燃料電池スタック
１４’、１６’、１８’、２０’  ゾーン
１９  燃料電池
３４、３４’  正の電気端子
３６、３６’  負の電気端子
３８、３８’  水素取入口
４０、４０’  冷却剤取入口
４２、４２’  空気排出口
４４、４４’  空気取入口
４６、４６’  冷却剤排出口
４８、４８’  水素排出口
５０  負のコンダクタ
５２  空気供給通路
５４  冷却剤通路
５６  水素通路
６０  ばね作動クランプ
６２、６６  タブ
６４  遮断プレート
７０、７６、９０  穴
７２、７８、９２  環状ショルダ
７４、８０、９４、１２０  通路
８２、１２２、１２４  Ｏリングシール
８４  環状溝
８６  円筒形チューブ
９６  外側部分
９８  逆止め弁シート部材
１００  逆止め弁シート
１０２  ねじ
１０４  逆止め弁ボール
１１０  ねじ付き穴
１１２  バルブプランジャ
１１４  ねじ付きベース
１１５  円筒形スリーブ
１１６  中央ステム
１１７  ウェブ部材
１１８  ボール係合部
１２６、１２８  平坦な尿面
【図１】
2004158449.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
2004158449.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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