(57)【要約】【課題】  本発明は、固体酸化物燃料電池を組み立てるための方法及び装置に関する。【解決手段】  燃料電池スタック組立体は、１つの密封通路が第１の燃料電池と第２の燃料電池との間に延びるように互いに電気的に結合された第１の燃料電池及び第２の燃料電池を含む。燃料電池の各々は、第１の端部と第２の端部との間に延びる壁を含む少なくとも１つの中空マニホルドを含む。各壁は内部にチャンバを定め、更に、チャンバと流体連通してそこを通って延びる１つの開口部を含む。また、燃料電池スタック組立体は、各燃料電池の中空マニホルドと流体連通して結合された１つの燃料電池絶縁装置を含む。１つの燃料電池絶縁装置は、燃料電池スタック組立体の運転中に、燃料電池の１つを通る流体流を選択的に停止させるよう変更自在に位置決め可能である。【選択図】      図４
2005100987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に結合された少なくとも第１の燃料電池（１２）と第２の燃料電池（１０２）であって、少なくとも１つの密封通路（３２）が前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池との間に延びるようにされ、各前記燃料電池が、第１の端部と第２の端部との間に延びる壁を含む少なくとも１つの中空マニホルド（４０）を含み、各前記壁が内部にチャンバ（２４）を定め、前記壁が前記チャンバと流体連通するようにそこを通って延びる少なくとも１つの開口部（６０）を含む第１の燃料電池（１２）と第２の燃料電池（１０２）と、
各前記燃料電池の中空マニホルドと流体連通して結合された少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）であって、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置が、前記燃料電池の少なくとも１つを通る流体の流れを選択的に停止させるために燃料電池スタック組立体の運転中に変更自在に位置決め可能である燃料電池絶縁装置（１００）と、
を備える燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの密閉通路（３２）の少なくとも一部の断面形状が実質的に円形であり、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）の断面形状が、実質的に半円形であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項３】
前記第１の燃料電池（１２）及び第２の燃料電池（１０２）に燃料を流すように構成された燃料入り口（３６）と、前記第１及び第２の燃料電池から燃料を流すように構成された燃料出口（３８）とを更に含み、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置が、前記燃料入り口及び前記燃料出口の少なくとも一方内に位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項４】
隣接する燃料電池（１２）が距離（Ｄ１）だけ離れており、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）の長さ（Ｌ１）が前記燃料電池の分離距離より長いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項５】
少なくとも１つの相互接続（１４）が隣接する燃料電池（１２）間に延び、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）が一対の隣接する相互接続を互いに電気的に結合するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）が外部表面（１１４）を含み、ワイヤメッシュ（１４２）、金属密封体、及びブラシの少なくとも１つが前記外部表面から半径方向外側に延びることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）が、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置の移動を制御するための少なくとも１つのアクチュエータ（１１２）に結合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項８】
各前記燃料電池（１２）が、前記マニホルドの第１の端部及び前記マニホルドの第２の端部の少なくとも一方に隣接して位置決めされた少なくとも１つのキー溝（２６６）を更に含み、前記キー溝が、前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置（１００）の位置決めを容易にすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項９】
各前記燃料電池（１２）が、アクチュエータ（１１２）により移動可能な少なくとも１つの予め位置決めされた燃料電池絶縁装置（１００）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【請求項１０】
燃料入り口（３６）と、燃料出口（３８）と、少なくとも１つの弁（２００）とを更に備え、前記燃料入り口が前記第１及び第２の燃料電池（１２、１０２）に燃料を流し、前記燃料出口が前記第１及び第２の燃料電池から燃料を流し、前記弁が、前記少なくとも１つの密閉通路内の選択的電池絶縁装置のためのものであり、前記少なくとも１つの密閉通路内に前記少なくとも１つの燃料電池絶縁装置を結合し、空気流及び燃料流の少なくとも一方を前記燃料電池スタックの運転中に前記第１及び第２の燃料電池の少なくとも一方に対して選択的に停止することができるように更に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック組立体（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に発電に関し、より詳細には固体酸化物燃料電池を組み立てるための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも幾つかの公知の発電システムは、電力を発生するために燃料電池を用いる。燃料電池は、反応により生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置である。公知の燃料電池は、典型的には、アノード（燃料電極とも呼ばれる）、カソード（酸化体電極とも呼ばれる）、及び電解質を含む。このような燃料電池は、燃料と酸化体を反応させて電気を生成する、バッテリに類似した電気化学的装置である。しかしながら、バッテリと異なり、水素などの燃料と空気などの酸化体とが継続的に供給され、その結果、このような反応物が供給される限り電力が継続的に生成される。
【０００３】
燃料電池は、燃料及び酸化体に対して、それぞれアノード及びカソードで触媒作用を及ぼしてイオン化原子水素とイオン化原子酸素にすることにより電気を発生する。アノードのイオン化工程で水素から奪われた電子はカソードに伝導され、カソードで酸素をイオン化する。固体酸化物燃料電池の場合には、酸素イオンが電解質を通って伝導され、電解質中でイオン化した水素と組み合わされて、廃棄生成物として水を形成し、この工程を完了する。別の方法では、電解質は燃料にも酸化体にも不透過性であり、単に酸素イオンを伝導するのみである。この一連の電気化学反応が、燃料電池内で電力を発生する唯一の手段である。従って、電力を発生せず、その結果、燃料電池の効率を低下させる燃焼などの異なる組み合わせをもたらすであろう反応物のどのような混合をも減少させるか、又は排除することが望ましい。
【０００４】
個々の燃料電池は、低電圧の電力、典型的には電池当たり約１ボルトより小さい電力を発生する。従って、電池は、典型的には燃料電池スタックで電気的に直列に組み立てられ、有用な電圧の電力を発生するようにする。燃料のスタックを生成するために、相互接続を用いて隣接する燃料電池を電気的に直列に接続する。このような配列においては、燃料は、各燃料電池に対して実質的に等しい流量で流れる。その結果、１つの燃料電池が故障しても、燃料スタック全体が故障することになる可能性がある。
【０００５】
燃料電池が故障した後でも燃料スタックが継続して運転することができるようにするために、少なくとも幾つかの公知の燃料スタックは、電池の外部から磁気的に駆動される複数のバルブを含み、故障した電池への燃料の流れを制限する。しかしながら、このようなバルブを作動させると、影響を受けた電池を他の電池から電気的に絶縁することなく、該影響を受けた電池への燃料の流れを制限することになり、このため燃料電池スタックの継続的な運転が大幅に制限される可能性がある。少なくとも幾つかの他の公知の燃料電池スタックは、故障燃料電池内に導体を挿入してこの電池を短絡させ、燃料電池スタックが残りの燃料電池で運転可能となるようにする。しかしながら、導体を挿入するためにスタックの少なくとも一部を分解する必要があるため、燃料電池スタックは、導体を挿入する間は動作させることができない。更に、スタックを安全な作業及び作動温度に戻すと、熱サイクルによる損傷によってスタックの耐用年数が短くなる可能性がある。
【特許文献１】特開２００２−５０３３８１号公報
【特許文献２】米国特許６，４８９，０５０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様において、燃料電池スタック組立体が提供される。燃料電池スタック組立体は、互いに電気的に結合された少なくとも第１の燃料電池と第２の燃料電池とを含み、少なくとも１つの密封通路が、第１の燃料電池と第２の燃料電池との間に延びるようにされる。燃料電池の各々は、第１の端部と第２の端部との間に延びる壁を含む少なくとも１つの中空マニホルドを含む。各壁は、内部にチャンバを定め、チャンバを通って該チャンバと流体連通する少なくとも１つの開口部を含む。また、燃料電池スタック組立体は、各燃料電池中空マニホルドと流体連通して結合された少なくとも１つの燃料電池絶縁装置を含む。少なくとも１つの燃料電池絶縁装置は、少なくとも１つの燃料電池を通る流体の流れを選択的に停止させるために燃料電池スタック組立体の運転中に変更自在に位置決め可能である。
【０００７】
別の態様において、空気源及び燃料源に流体連通して結合された燃料電池スタックが提供される。燃料電池スタックは、少なくとも１つの密封された通路が各々の間に延びるように流体連通して互いに結合された少なくとも３つの燃料電池と、少なくとも１つの相互接続が各隣接する燃料電池の対の間を延びるように前記少なくとも３つの燃料電池が互いに電気的に結合された複数の相互接続とを含む。また、燃料電池スタックは、少なくとも３つの燃料電池の各々と流体連通して結合された少なくとも１つの燃料電池絶縁装置を含む。少なくとも１つの燃料電池絶縁装置は、燃料電池の少なくとも１つを残りの燃料電池から電気的に絶縁するように燃料電池スタックの動作中に選択的に位置決め可能である。
【０００８】
更に別の態様において、燃料電池スタックを組み立てる方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの密封通路が第１の燃料電池と第２の燃料電池との間に延びるように第１の燃料電池を第２の燃料電池に電気的に結合する段階と、
燃料電池スタックの運転中に第１及び第２の燃料電池の少なくとも一方を電気的に絶縁するよう少なくとも１つの燃料電池絶縁装置を変更自在に位置決め可能であるように少なくとも１つの燃料電池絶縁装置を少なくとも１つの密封通路内に結合する段階とを含む。
【０００９】
更に別の態様において、互いに電気的に直列に結合された少なくとも２つの燃料電池を含む燃料電池スタック組立体を運転する方法が提供される。この方法は、運転中の燃料電池スタック組立体に障害があるかどうかを判定する段階と、燃料電池スタック組立体の運転中に少なくとも１つの燃料電池への反応物の流れを電気的に絶縁して停止する段階と、燃料電池スタック組立体内の残りの燃料電池から少なくとも１つの燃料電池を電気的に絶縁した状態で燃料電池スタック組立体の運転を継続する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、複数の燃料電池１２を含む例示的な燃料電池スタック１０の断面図である。図２は、燃料電池スタック１０の部分分解図である。図３は、燃料電池スタック１０の概略平面図である。燃料電池スタック１０は、平面相互接続支持された燃料電池スタックとして知られており、ここでは隣接する燃料電池１２が複数の相互接続１４により分離されて、少なくとも１つの相互接続１４が隣接する燃料電池１２の各対の間に延びるようになる。更に詳細には、燃料電池１２は互いに直列に結合され、その結果、燃料電池スタック１０が、上部スタックプレート１６と、底部スタックプレート１８と、上部スタックプレート１６と底部スタックプレート１８との間に位置決めされた複数の相互接続１４とを含むようになる。例示的な実施形態では、各相互接続１４は中空であり、外側表面２２と内部に内側チャンバ２４とを含む。
【００１１】
例示的な実施形態においては、上部スタックプレート１６、底部スタックプレート１８、及び相互接続１４は、各々同じ大きさにされる。別の実施形態では、上部スタックプレート１６、底部スタックプレート１８、及び／又は相互接続１４の少なくとも１つは、残りの燃料電池スタック構成要素と異なる大きさにされる。スタックプレート１６及び１８は、導電性材料で作られる。例えば、スタックプレート１６及び１８は、本明細書で説明するような高温で動作することができる、導電性の任意の材料、又は酸化される場合にはその酸化物が導電性である任意の材料などの伝導材料で製造することができる。また、各相互接続１４も、限定ではないが、ステンレス鋼といった本明細書で記載するような高温で動作することができる伝導材料などの導電性材料で作られるが、これに限定されない。
【００１２】
複数の密封部材３０が隣接する相互接続１４間を延びる。更に詳細には、隣接する燃料電池１２は、複数の密封部材３０によりそれぞれ分離され、燃料電池１２が固体酸化物燃料電池の平面配列を形成するようにする。密封部材３０は、隣接する燃料電池１２を電気的に絶縁し、電池１２間の短絡の防止を促進する。通常、各密封部材３０は、限定ではないがセラミック材料で製造される中空電気絶縁体（図示せず）を含む。１つの実施形態において、密封部材３０は、マイカ又はガラス−マイカ複合材料で製造されるが、これに限定されない。
【００１３】
密封部材３０を隣接する相互接続１４間に結合すると、複数の密封通路３２が定められる。より詳細には、例示的な実施形態において、燃料電池反応物が、密封通路３２を通って燃料電池スタック１０に供給され、且つそこから運ばれる。更に詳細には、例示的な実施形態において、燃料及び空気はいずれも内部で集配されるので、従ってそのようなものとして、通路３２には、燃料入り口マニホルド３６、燃料出口マニホルド３８、酸化体又は空気入り口マニホルド４０、及び酸化体又は空気出口マニホルド４２が含まれる。別の実施形態において、酸化体又は空気は、燃料電池スタック１０を通して外部的に集配される。
【００１４】
各相互接続チャンバ２４は、相互接続１４の第１の側からスタック１０の第２の側４８まで延びる。更に詳細には、例示的な実施形態において、チャンバ２４の断面形状は実質的に矩形である。別の実施形態において、チャンバ２４の断面形状は非矩形である。別の実施形態において、チャンバ２４は、相互接続１４内の燃料及び酸化体の分配を容易にするような流れガイド、バッフル、及び／又は流路形体を含む。
【００１５】
複数の開口部６０が、相互接続１４を少なくとも部分的に貫通して延び、相互接続チャンバ２４と流体連通する。例示的な実施形態において、開口部６０は、実質的に共直線構成で配置され、即ち、開口部６０は、複数の列内に直鎖状配列で配置される。
【００１６】
例示的な実施形態において、各燃料電池１２は、複数の層７０で形成される。より詳細には、例示的な実施形態において、燃料電池１２は、アノード層７２、電解質層７４、及びカソード層７６を含み、これらは電解質層７４がアノード層７２とカソード層７６との間に挟まれ、且つ密封部材７８が各燃料電池１２と各隣接する相互接続１４との間に延びるように互いに結合されている。燃料電池１２は、燃料電池スタック１０内で結合され、１つの燃料電池アノード層７２から隣接する電池１２のカソード層７６まで電気を伝導することができるようになる。１つの実施形態において、電解質層７４は、限定ではないがイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの材料で製造され、カソード層７６は、限定ではないがランタンストロンチウムマンガネート（ＬＳＭ）を含むことができる。
【００１７】
隣接する相互接続１４は、その間に酸化体の流通領域８０が定められるように互いに結合される。各酸化体流通領域８０は、空気入り口マニホルド４０及び空気出口マニホルド４２に流体連通するように結合される。
【００１８】
動作中、限定ではないが事前改質燃料、及び／又は燃料電池スタック１０内で改質された炭化水素などの燃料が、燃料入り口マニホルド３６を通って燃料電池スタック１０に供給される。入り口マニホルド３６に入った後、燃料は、各相互接続チャンバ２４を通して送られる。燃料は、各アノード層７２の上を流れ、該アノードと反応した後に燃料出口３８を通って燃料スタック１０から排出される。燃料及び酸化体は、スタック１０内で直列に結合された各燃料電池１２内で反応し、電圧を有用なレベルまで高める。より詳細には、燃料は、空気入り口マニホルド４０を通ってスタック１０に供給される酸素と電気化学的に反応し、主生成物として水と直流（ＤＣ）電気を発生する。例示的な実施形態において、スタック１０は、燃料電池反応物がスタック１０を通って反対方向に流れるように配置される。別の実施形態において、スタック１０は、スタック１０を通る反応物流の流れ方向が、実質的に平行で同じ流れ方向であるように配置される。燃料及び酸化体が反応すると電流が発生し、スタック１０の両端に電位差が発生する。
【００１９】
図４は、燃料電池スタック１０と共に用いることができる燃料電池絶縁組立体１００の側面図である。例示的な実施形態において、以下に更に詳細に説明するように、少なくとも１つの燃料電池１０２は、故障したか、スタックの性能に悪影響を及ぼす可能性がある程度まで損傷を受けたかを判断している。スタックの動作中、燃料電池絶縁組立体１００により、以下に更に詳細に説明するように、スタック１０の動作を中断することなく、残りの燃料電池１２から損傷した燃料電池１０２を絶縁することが促進される。
【００２０】
各燃料電池絶縁組立体１００には、ジャンパ１１０と、ジャンパ１１０に結合されてジャンパ１１０の動きを制御するアクチュエータ１１２とを含む。ジャンパ１１０は、導電材料で製造されており、上側側壁１１８と下側側壁１２０との間に長手方向に延びる半径方向外側表面１１４と、反対側の半径方向内側表面１１６とを含む。ジャンパ１１０は、アーチ形の形状であり、第１の端部壁（図示せず）と第２の端部壁１２２との間をアーチ形に延びる。例示的な実施形態において、各ジャンパ１１０は、実質的に半円形である。
【００２１】
各ジャンパ１１０の長さＬ１は、隣接する相互接続１４間を測定した距離Ｄ１より長い。より詳細には、距離Ｄ１は、第１の相互接続１４の上側表面１２３と隣接する第２の相互接続１４の下側表面１２４との間で測定される。以下に更に詳細に説明するように、ジャンパ長さＬ１により、各ジャンパ１１０が一対の隣接する相互接続１４を互いに電気的に接続することができる。
【００２２】
例示的な実施形態において、一対のジャンパ１２６及び１２８は、一対の相互接続１４のそれぞれの両端１３０及び１３２間にわたり結合される。より詳細には、例示的な実施形態において、ジャンパ１２６は燃料入り口マニホルド３６内に位置決めされ、ジャンパ１２８は燃料出口マニホルド４０内に位置決めされて燃料電池１０２を絶縁する。別の実施形態において、ジャンパ１１０のみを用いて燃料電池１０２を絶縁する。別の実施形態において、ジャンパ１１０は、燃料入り口マニホルド３６、燃料出口マニホルド３８（図３に示す）、空気入り口マニホルド４０、及び空気出口マニホルド４２（図３に示す）内に位置決めされる。従って、各ジャンパ１１０は、それぞれの密封通路３２の内側表面１３８により定められる湾曲輪郭に実質的に一致するような輪郭になる。各ジャンパ１１０の輪郭が湾曲していることにより、各通路３２内の各ジャンパ１１０の断面積が容易に少なくなり、各ジャンパ１１０が故障した燃料電池１０２を絶縁するように位置決めされるまで、通路３２を通る流れが実質的に閉塞されないまま保持される。更に、各ジャンパ１１０が湾曲輪郭や半円形であることにより、新しく検出された故障燃料電池１０２を絶縁するように位置決めされたジャンパ１１０は、アクチュエータ１１２によりそれぞれの通路３２を通り、故障燃料電池１０２を電気的に絶縁するように既に結合されているジャンパ１１０を過ぎて移動することができるようになる。１つの実施形態において、アクチュエータ１１２は、限定ではないが、リニアモータ、ねじ歯車、又は本明細書で説明するようなジャンパ１１０を選択的に位置決めするのに好適な何らかの他の機械的手段のうちの少なくとも１つにより駆動される。別の実施形態において、アクチュエータ１１２は、限定ではないが、空気圧、流体圧、電磁力、及び電力のうちの少なくとも１つにより駆動される。
【００２３】
例示的な実施形態において、各ジャンパ１１０は、燃料電池スタック１０に対する各ジャンパ１１０の長手方向運動及び回転運動がアクチュエータ１１２により制御されるように、アクチュエータ１１２に回転自在に結合される。従って、各ジャンパ１１０は、本明細書に説明するように、どの燃料電池１２をも選択的に絶縁することができるように、各密封通路３２内で変更自在に位置決め可能である。より詳細には、燃料電池スタック１０の通常動作中に、各ジャンパ１１０は、準備位置１３２においてそれぞれの密封通路３２内に結合されたままであり、ここで、ジャンパ１１０はいずれの相互接続にも電気的に結合されていない。準備位置１３９により、ジャンパ１１０を密封通路３２内で結合されたままとすることが可能となり、その結果、ジャンパ１１０が故障電池１０２を絶縁するように位置決めされるまでは、各密封通路３２を通って電池１２内に入る流体の流れが実質的に閉塞されないまま保持されるようになる。別の実施形態において、燃料電池スタック１０は、本明細書で説明するように、密封通路３２を通って長手方向に移動可能ではなく、各電池１２に一体化されて且つ準備位置１３９と相互接続１４に接触した位置との間のみを移動可能な複数のジャンパ１１０を含む。このような実施形態において、両ジャンパ１１０及び／又は相互接続１４に導電性表面と非導電性表面とが組み込まれてジャンパ１１０は、準備位置１３９から回転して故障電池１０２を絶縁したときにのみ電池１２を短絡するようにされる。
【００２４】
所定位置に結合されると、ジャンパ１１０は、一対の隣接する相互接続１４を互いに電気的に接続して、相互接続の対が、「短絡」されるようにする。より詳細には、各ジャンパ１１０は、ジャンパ１１０の外側表面１４０が、損傷した燃料電池１０２に隣接する各相互接続１４に電気的に結合されるように位置決めされる。各ジャンパの外側表面１４０は、各ジャンパ１１０と各相互接続との間を電気的に接続することを容易にする機構１４２を含む。加えて、各ジャンパ１１０の輪郭とジャンパ外部表面機構１４２を組み合わせることにより、各ジャンパ１１０と各相互接続１４との間の密封接触が容易になる。例えば、１つの実施形態において、ワイヤメッシュ、ブラシ、及び／又は金属密封の少なくとも１つが、ジャンパ外側表面１４０から外方に延び、各ジャンパ１１０と各相互接続１４との間の電気的接触及び密封を容易にする。
【００２５】
燃料電池スタック動作中に、燃料電池１０２の損傷及び故障が検出されると、以下に更に詳細に説明するように、ジャンパ１１０は、燃料電池スタックの動作を中断することなく継続することができるように、残りの燃料電池１２から電池１０２を絶縁するように位置決めされる。詳細には、電池１０２が検出された後に、例示的な実施形態においてジャンパ１１０は、アクチュエータ１１２を用いることにより長手方向に移動して準備位置１３９になる。次に、ジャンパ１１０は、ジャンパ外側表面が隣接する一対の相互接続１４間を電気的に結合するように回転し、詳細には、燃料電池１０２が、残りの燃料電池１２から電気的に絶縁されるように回転する。更に、ジャンパ１１０が燃料電池１０２を電気的に絶縁すると、ジャンパ輪郭とジャンパ外側表面１４０の組み合わせにより、ジャンパ１１０と一対の相互接続１４との間が容易に密封され、燃料電池への燃料の流れ及び／又は燃料と空気の流れを実質的に防止する（どの密封通路ジャンパ１１０がスタック１０と結合するかで決まる）。
【００２６】
従って、電池１０２が電気的に絶縁されるため、且つ電池１０２への燃料の流れ及び／又は燃料と空気の流れが実質的に防止されるため、燃料電池スタック１０は運転を続けることができる。更に、複数の電池１０２が故障した場合には、本明細書で説明するように、同じ燃料電池スタック通路３２内に追加のジャンパ１１０を設置することができる。
【００２７】
例示的な実施形態において、各個々の電池の性能を継続的に監視し、電池の故障が検出されると、ジャンパがこの特定の電池を絶縁するように位置決めされる。別の実施形態において、個々の電池の電圧及び性能を監視するのではなく、燃料電池スタックの全体的な性能を監視し、燃料電池が故障したかを判断する。詳細には、スタックの性能が低下すると、これは燃料電池が故障したことを示す。スタック性能の低下を検出した後は、燃料電池スタックの出力性能を継続して監視しながら、ジャンパが燃料入り口マニホルドを通って移動し、各燃料電池に結合する。電池スタックの性能が向上したことを性能監視が示すと、次いで、ジャンパを燃料入り口マニホルド内の所定位置に固定する。他のマニホルド内で追加のジャンパが利用可能である場合には、これらのジャンパも検出された故障燃料電池に対して所定位置に配置される。
【００２８】
別の実施形態において、燃料電池スタックは、プロセッサと、スタックの性能を継続的に監視することができるコントローラとに結合され、故障電池が検出されると、ジャンパは自動的に位置決めされてスタックに結合し、故障電池を効果的に絶縁するようにする。
【００２９】
図５は、燃料電池スタック１０と共に用いることができる燃料電池絶縁組立体１８０の別の実施形態の拡大概略図である。燃料電池絶縁組立体１８０は、燃料電池絶縁組立体１００（図４に示す）と実質的に類似しており、燃料電池絶縁組立体１００の構成要素と同一の燃料電池絶縁組立体１８０の構成要素は、図４に用いたのと同じ参照番号を用いて図５に示している。従って、燃料電池絶縁組立体１８０は、アクチュエータ１１２により制御されるジャンパ１８２を含む。各ジャンパ１８２は、それを通って延びる流路１８４を含み、例示的な実施形態においては、これにより、燃料の流れを各燃料電池１２に供給することができる。詳細には、燃料電池スタック１０は、本明細書で説明するように、各燃料電池１２にそれぞれ摺動可能に結合して、当該特定燃料電池１２を選択的に絶縁する複数のジャンパ１８２を含む。更に詳細には、燃料電池スタック１０の通常運転中に、各ジャンパ１８２は、準備位置１９０で各密封通路３２内に結合されたままであり、ここで、ジャンパ通路１８４は、燃料電池１２への燃料の流れを可能にするよう位置決めされ、その結果、各密閉通路３２を通って全ての他の電池１２に流れる流体流が、実質的に閉塞されないままとなる。
【００３０】
故障燃料電池１０２を絶縁する必要がある場合には、ジャンパ１８２を準備位置１９０から絶縁位置１９３に移行させ、ここで、この特定の燃料電池１２は残りの燃料電池１２から絶縁される。より詳細には、絶縁位置１９３に移行すると、通路１８４は、隣接する燃料電池１２間に延びる絶縁層１９４に接触するよう位置決めされ、その結果、故障電池１０２に燃料が流れないようにされる。
【００３１】
図６は、燃料電池スタック１０と共に用いることができる燃料電池絶縁組立体２００の別の実施形態の拡大概略図である。燃料電池絶縁組立体２００は、燃料電池組立体１００（図４に示す）に実質的に類似し、燃料電池絶縁組立体１００の構成要素と同じ燃料電池絶縁組立体２００の構成要素は、図４に用いたものと同じ参照番号を用いて図６に示される。従って、燃料電池絶縁組立体２００は、ジャンパ１１０とアクチュエータ１１２とを含む。また、燃料電池組立体２００は、以下に更に詳細に説明するように、追加のジャンパ１１０を燃料電池スタック１０の運転中に燃料電池スタック１０内に挿入することができるようにするジャンパ再装荷システム２０２を含む。
【００３２】
ジャンパ再装荷システム２０２は、燃料入り口マニホルド３６に流体連通して結合された挿入ハウジング２０４を含む。別の実施形態において、追加のジャンパ再装荷システムは、他の密封通路３２に結合される。詳細には、玉形弁のような弁２０６が、燃料入り口マニホルド３６と挿入ハウジング２０４との間に結合され、マニホルド３６と挿入ハウジング２０４との間の流体連通を選択的に制御する。弁２０６が閉位置にあるときには、挿入ハウジング２０４は、燃料入り口マニホルド３６から実質的に絶縁される。弁２０６が開位置まで回転すると、燃料入り口マニホルド３６と挿入ハウジング２０４が、流体連通して結合され、より詳細に上述されたように、ジャンパ１１０が故障燃料電池１０２（図４に示す）に対して弁２０６を通して所定位置まで挿入されるようにする。
【００３３】
ハウジング２０４は、アクチュエータ開口部２１０とアクセス開口部２１２とを含む。アクチュエータ開口部２１０により、アクチュエータ１１２がハウジング２０４を通ってジャンパ１１０に結合し、ジャンパ１１０の位置決めを制御することが可能となる。アクセス開口部２１２は、それを通ってジャンパ１１０を受ける大きさにされ、変更可能に位置決めされるドア２１４を含む。ドア２１４は、閉じているときには、開口部２１０を実質的に密閉する。開いているときには、ドア２１４により燃料電池スタック１０を運転させながら、追加のジャンパ１００をアクチュエータ１１２に結合することができる。
【００３４】
燃料電池スタックの運転中に、損傷又は故障燃料電池１０２が検出されると、弁２０６が開位置まで回転し、詳細に上述されたように、ジャンパ１１０が残りの燃料電池１２から電池１０２を絶縁するよう位置付けられる。追加の燃料電池１２が故障していると判断されると、ジャンパ再装荷システム２０２により、燃料電池スタック１０を運転したままで、追加のジャンパ１１０を装着することが可能となる。
【００３５】
詳細には、追加のジャンパが装着されると、最初に弁２０６が回転して閉じ、ハウジング２０４を燃料入り口マニホルド３６から効果的に絶縁する。次いで、追加のジャンパ１１０が、アクセスドア２１４を通じてアクチュエータに結合され、次に、ドア２１４が回転して閉じ、アクセス開口部２１２を効果的に密封する。その後、弁２０６が開き、追加のジャンパ１１０が燃料電池スタック１０に対して所定位置に移動する。輪郭が湾曲しており、各ジャンパ１１０が半円形であることにより、追加のジャンパ１１０は、燃料電池スタック１０を運転したままで、マニホルド３６を通って、燃料電池スタック１０に対して既に所定位置に結合されているジャンパ１１０を通り過ぎて移動することができる。
【００３６】
図７は、燃料電池１０と共に用いることができる燃料電池絶縁装置２５０の別の実施形態の側面図である。燃料電池絶縁組立体２５０は、燃料電池絶縁組立体１００（図４に示す）及び燃料電池絶縁装置組立体２００（図６に示す）と実質的に類似しており、燃料電池絶縁組立体１００及び／又は２５０の構成要素と同じ燃料電池絶縁組立体２５０の構成要素は、図４及び図６に用いたのと同じ参照番号を用いて図７に示される。従って、燃料電池絶縁組立体２５０は、ジャンパ１１０とアクチュエータ１１２とを含む。また、燃料電池組立体２５０は、以下に更に詳細に説明するように、スタック１０内に結合されている各燃料電池１２に対して所定位置に各ジャンパ１１０を位置決めすることを容易にするジャンパ位置決めシステム２５２を含む。
【００３７】
ジャンパ位置決めシステム２５２は、複数のキー溝組立体２６０と少なくとも１つのキー２６２とを含む。詳細には、各キー溝組立体２６０は、隣接する相互接続１４間に延び、相互接続の第１の端部４４に隣接する支持壁２６４を含む。別の実施形態において、キー溝組立体２６０は、別の密封通路３２に含まれる。各支持壁２６４は、キー溝２６６と、例示的な実施形態において更に詳細に上述されたように、隣接する相互接続１４間の入り口マニホルド３６から各燃料電池１２に向かって燃料を流出させることができる流れアクセス開口部２６８とを含む。キー溝２６６は、各支持壁２６４内に定められ、キー２６２を受ける大きさにされる。例示的な実施形態において、キー溝２６６は、ほぼダブテール形である。別の実施形態において、キー溝２６６は非ダブテール形である。
【００３８】
各キー２６６は、ジャンパ外側表面１４０から半径方向外側に延び、ジャンパ１１０が故障燃料電池１０２に対して所定位置に回転すると、キー溝２６６内に受ける大きさにされる。従って、ジャンパ１１０が回転して所定位置になり、キー２６６がキー溝２６６内に受けられると、ジャンパ１１０は、隣接する相互接続１４が更に詳細に上述されたように電気的に互いに結合されるよう燃料電池１０２に対して位置決めされる。
【００３９】
上述の燃料電池絶縁組立体により、燃料電池スタックの運転を妨げることなく、故障燃料電池を電気的に絶縁することができる。絶縁組立体は各々、該絶縁組立体の移動を制御するアクチュエータに結合されたジャンパを含む。ジャンパは、一対の隣接する相互接続に電気的に接続することができるように、導電性材料で製造され、且つ隣接する相互接続間に延びる大きさにされる。従って、その結果、燃料電池スタックを動作可能で、且つ費用効率が良く信頼性のある方法で維持しながら、故障燃料電池を残りの燃料電池から絶縁することができる。
【００４０】
燃料電池スタック及び燃料電池絶縁組立体の例示的な実施形態を詳細に上述した。燃料電池スタック及び燃料電池絶縁組立体のいずれもが本明細書に記載する特定の実施形態には限定されず、各スタック又は組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素とは無関係に別個に用いることができる。また、各燃料電池スタック構成要素は、他の燃料電池スタック構成要素と組み合わせて用いることもできる。例えば、特定の実施形態において、スタック内のアノード及びカソードの相対位置を交換することもでき、同様に、燃料流れ及び酸化体用に定められた通路を交換することもできる。更に、各燃料電池絶縁組立体は、他の燃料電池絶縁組立体、及び他の燃料電池スタック構成要素と組み合わせて用いることもできる。
【００４１】
種々の特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、請求の範囲の精神及び範囲内の変更を実施することができることは、当業者には理解されるであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】例示的な燃料電池スタックの断面図。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの部分分解図。
【図３】図１に示す燃料電池スタックの概略平面図。
【図４】図１に示す燃料電池スタックと共に用いることができる燃料電池絶縁組立体の断面図。
【図５】図１に示す燃料電池スタックと共に用いることができる燃料電池絶縁組立体の別の実施形態の拡大部分断面図。
【図６】図１に示す燃料電池スタックと共に用いることができる燃料電池絶縁組立体の更に別の実施形態の拡大概略図。
【図７】図１に示す燃料電池スタックと共に用いることができる燃料電池絶縁装置の更に別の実施形態の断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池スタック
１２  燃料電池
１４  相互接続
２４  チャンバ
３２  密封通路
４０  空気入り口マニホルド
６０  開口部
１００  燃料電池絶縁組立体
【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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【図７】
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