(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハードストップ層を含まない膜電極アセンブリを少なくとも１つ有する、１つ以上の燃料電池モジュールと、
２つ以上の圧縮プレートと、
少なくとも１つの燃料電池モジュールの両側に配置された少なくとも１つの対の圧縮プレートを接続するとともに、前記対の圧縮プレートの間の所定の間隙距離を維持するように係合可能な少なくとも１つの機械的リンク機構と、を有し、
前記機械的リンク機構が、第１の圧縮プレート上の第１の取付ポイントに取付けられるとともに第２の圧縮プレート上の第２の取付ポイントに取付けられたラッチを含む機械的リンクを含み、前記機械的リンクが、前記第１の取付ポイントと前記第２の取付ポイントとの間の距離である有効長を有し、前記ラッチが、調整可能な取付部によって、前記機械的リンクの有効長が前記調整可能な取付部の調整によって変更可能となるように、前記第１および第２の圧縮プレートの少なくとも１つに取付けられ、かつ、前記調整可能な取付部がオフセットカム機構を含む、
燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー省によって認められた協力協定ＤＥ−ＦＣ０２−９９ＥＥ５０５８２に基づき政府の援助でなされた。政府は、本発明における特定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、燃料電池モジュールを圧縮下で一定の歪みにおいて維持してもよい機械的リンク機構によって接続された圧縮プレートと交互に積重ねられた、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む燃料電池モジュールを含む燃料電池スタックに関する。典型的には、燃料電池モジュールに対する圧縮を、いかなる他の燃料電池モジュールに対する圧縮から独立して調整してもよい。
【背景技術】
【０００３】
典型的な燃料電池スタックは、共通の圧力に、スタック内のＭＥＡをすべてまとめて圧縮する方法および機構によって構成される。これは、スタックの周囲に配置されるかスタックの中央を通って延びる、タイロッド、長いボルト、または締付けデバイスの使用によって行ってもよい。そのようなスタックにおいて、圧縮力は、名目上、スタック内のすべてのポイントにおいて同じであるが、任意の個別のＭＥＡの圧縮歪みは、個別に制御されないし、予測可能でもない。そのようなスタック内の個別のＭＥＡによって生じる圧縮歪みを制限するために、ＭＥＡは、ＭＥＡのシールまたはガスケットの下にあるかまたはそれらの中に閉じ込められた本質的に非圧縮性の材料のシムなどの「ハードストップ」特徴を含んでもよい。この解決策は、ＭＥＡの設計および製造を複雑にする。あるいは、ガスケットまたはシールは、精密なモジュラスについて指定して、スタック全体に加えられる力において精密な歪みを得てもよく、これも、精密に指定しなければならない。この方法は、厳しい仕様を必要とすることに加えて、ガスケットまたはシールが高モジュラスを有することを必要とし、これは、一般に、ガス漏れに対する封止を行うためのシールおよびガスケットの主要な目的と不適合である。さらに、ＭＥＡがすべてまとめて圧縮されるスタックにおいて、スタックは、故障したＭＥＡを取外すか取替えるために分解しなければならない。これは、必然的に、すべてのＭＥＡに対する圧縮力を緩め、それによりＭＥＡを再封止して以前の能力で動作させることに悪影響が及ぶことがある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
簡単に言えば、本発明は、１つ以上の燃料電池モジュールであって、各燃料電池モジュールが、ハードストップ層を有さない少なくとも１つの膜電極アセンブリを含む、燃料電池モジュールと、２つ以上の圧縮プレートと、少なくとも１つの燃料電池モジュールの両側に配置された、少なくとも１つの対の圧縮プレートを接続する少なくとも１つの機械的リンク機構であって、対の圧縮プレートの間の所定の間隙距離を維持するように係合可能な機械的リンク機構と、を含む燃料電池スタックを提供する。
【０００５】
別の態様において、本発明は、３つ以上の圧縮プレートと交互に積重ねられた２つ以上の燃料電池モジュールと、第１の燃料電池モジュールの両側に隣接する第１の対の圧縮プレートを接続する第１の機械的リンク機構と、第２の燃料電池モジュールの両側に隣接する第２の対の圧縮プレートを接続する第２の機械的リンク機構とを含む燃料電池スタックであって、１つの圧縮プレートが、第１および第２の対の圧縮プレートにおいて共通であり、ａ）第１および第２の燃料電池モジュールを圧縮下で保持可能であり、ｂ）前記第１および第２の燃料電池モジュールの一方に対する圧縮を、他方に対する圧縮から本質的に独立して調整可能である、燃料電池スタックを提供する。
【０００６】
別の態様において、本発明は、燃料電池スタックから燃料電池モジュールを取外す方法であって、ａ）取外すべき燃料電池モジュールを選択する工程と、ｂ）前記燃料電池モジュールに対する圧縮を、スタック内のいかなる他の燃料電池モジュールに対する圧縮も実質的に変更することなく解除する工程と、ｃ）スタックから選択された燃料電池モジュールを取外す工程とを含む方法を提供する。
【０００７】
当該技術において説明されておらず、かつ本発明によって提供されるのは、調整可能な有効長を有する機械的リンクによって、制御された量の圧縮歪みが、燃料電池モジュールに、または複数の燃料電池モジュールの各々に独立して、与えられる燃料電池スタックである。
【０００８】
本出願において、「ハードストップ」または「ハードストップ層」とは、イオン伝導膜層、触媒層、ガス拡散層、シールもしくはガスケット層、または接着剤層以外の、一定の厚さまたは歪みにおいてＭＥＡの圧縮を止める、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）内の層を意味する。
【０００９】
本発明の利点は、制御された量の圧縮歪みが、燃料電池モジュールに、または複数の燃料電池モジュールの各々に独立して、与えられる燃料電池スタックを提供することである。本発明のさらなる利点は、いずれか１つの燃料電池モジュールに対する圧縮を、いかなる他の燃料電池モジュールに対する圧縮も解除することなく、解除してそのモジュールの取外しを可能にする燃料電池スタックを提供することである。本発明のさらなる利点は、圧縮および冷却をもたらす二重機能プレートを含む燃料電池スタックを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
燃料電池は、水素などの燃料、および酸素などの酸化剤を使用して、電流を発生する。２つの化学反応物、すなわち、燃料および酸化剤は、触媒を含有する２つの絶縁された電極で別々に反応する。２つの反応物の直接化学反応を防止し、イオンを伝導するために、イオン交換要素が電極間に配置される。典型的な水素燃料電池の場合、イオン交換要素はイオン伝導膜（ＩＣＭ）である。ＩＣＭは、水素電極から酸素電極にプロトン（Ｈ+）を伝導する。電子が別個の外部電気経路に従い、それにより、電流を発生する。ＩＣＭと電極との組合せは、一般に、「膜電極アセンブリ」すなわちＭＥＡと呼ばれる。触媒電極材料をＩＣＭ上に直接コーティングして触媒コーティング膜（ＣＣＭ）を形成してもよい。典型的には、流体輸送層がＩＣＭの各側に塗布され、これは、ガス拡散層（ＧＤＬ）、拡散体／集電体（ＤＣＣ）、または流体輸送層（ＦＴＬ）と呼んでもよい。ＧＤＬは、導電性であり、しかも、反応物流体および生成物流体の通過を可能にする多孔性材料の層である。典型的なガス拡散層は、しばしば紙または布の形態の炭素繊維を含む。ＭＥＡという用語は、ＧＤＬが取付けられたまたは取付けられていないＣＣＭを意味する。５層ＭＥＡという用語は、特に、ＧＤＬが付着されたＣＣＭを説明する。触媒電極層は、完成したＭＥＡのＩＣＭとＧＤＬとの間に配置され、結果として生じる５層ＭＥＡが、ＧＤＬ、触媒、ＩＣＭ、触媒、ＧＤＬを順に含む限り、製造中にＩＣＭまたはＧＤＬに塗布されてもよい。本発明の実施において、任意の適切なＭＥＡを使用してもよい。
【００１１】
任意の適切なＩＣＭを本発明の実施に使用してもよい。ＩＣＭは、典型的には厚さが５０μｍ未満、より典型的には４０μｍ未満、より典型的には３０μｍ未満、最も典型的には約２５μｍである。ＩＣＭは、典型的には、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，  Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（商標）（日本、東京の旭硝子株式会社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．，  Ｔｏｋｙｏ，  Ｊａｐａｎ））などの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成される。本発明に有用なポリマー電解質は、典型的には、好ましくはテトラフルオロエチレンと１つ以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。典型的には、ポリマー電解質はスルホネート官能基を有する。最も典型的には、ポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には酸当量が１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００である。
【００１２】
任意の適切なＧＤＬを本発明の実施に使用してもよい。典型的には、ＧＤＬは、炭素繊維を含むシート材料から構成される。典型的には、ＧＤＬは、織布および不織布炭素繊維構造から選択される炭素繊維構造である。本発明の実施に有用であり得る炭素繊維構造としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）（商標）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）（商標）カーボン紙、ＡＦＮ（商標）不織布カーボンクロス、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）（商標）カーボンクロスなどが挙げられる。ＧＤＬは、炭素粒子コーティング、親水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚｉｎｇ）処理、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）でのコーティングなどの疎水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｚｉｎｇ）処理を含めて、さまざまな材料を用いてコーティングまたは含浸されてもよい。
【００１３】
任意の適切な触媒を本発明の実施に使用してもよい。典型的には、炭素担持触媒粒子が使用される。典型的な炭素担持触媒粒子は、５０〜９０重量％の炭素および１０〜５０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用のＰｔと、アノード用の２：１の重量比のＰｔおよびＲｕとを含む。典型的には、触媒は、触媒インクの形態でＩＣＭまたはＧＤＬに塗布される。触媒インクは、典型的には、ＩＣＭを構成するポリマー電解質材料と同じであっても同じでなくてもよいポリマー電解質材料を含む。ポリマー電解質は、典型的には、ナフィオン（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ）およびフレミオン（商標）（日本、東京の旭硝子株式会社）などの酸官能性フルオロポリマーである。本発明に使用されるインクに有用なポリマー電解質は、典型的には、好ましくはテトラフルオロエチレンと１つ以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。典型的には、ポリマー電解質はスルホネート官能基を有する。最も典型的には、ポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には当量が１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００である。触媒インクは、典型的には、ポリマー電解質の分散液中の触媒粒子の分散液を含む。インクは、典型的には５〜３０％の固形分（すなわちポリマーおよび触媒）、より典型的には１０〜２０％の固形分を含有する。電解質分散液は、典型的には水性分散液であり、これは、アルコール、ならびにグリセリンおよびエチレングリコールなどの多価アルコールをさらに含有してもよい。水、アルコール、および多価アルコール含有量は、インクのレオロジー特性を変えるように調整してもよい。インクは、典型的には、０〜５０％のアルコールおよび０〜２０％の多価アルコールを含有する。さらに、インクは適切な分散剤０〜２％を含有してもよい。インクは、典型的には、熱を伴って撹拌し、その後、コーティング可能なコンシステンシーに希釈することによって製造される。
【００１４】
触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体ベアリング（ｆｌｕｉｄ  ｂｅａｒｉｎｇ）ダイコーティング、巻線ロッドコーティング、流体ベアリングコーティング、スロット供給ナイフコーティング、３ロールコーティング、またはデカール転写を含む、手動方法および機械方法の両方を含む任意の適切な手段によって、ＩＣＭまたはＧＤＬに塗布してもよい。コーティングは、１回の塗布または複数回の塗布で行ってもよい。
【００１５】
あるいは、米国特許第５，３３８，４３０号明細書（固体ポリマー電解質に埋込まれたナノ構造化電極）または米国特許第５，８７９，８２８号明細書（ナノ構造化要素を含む電極層を有するＭＥＡ）に開示されているように、ナノ構造化触媒を使用してＣＣＭを製造してもよい。
【００１６】
ＭＥＡは、典型的には、分配プレートとして知られかつバイポーラプレート（ＢＰＰ）またはモノポーラプレートとしても知られている２つの剛性プレートの間に挟まれる。ＧＤＬと同様に、分配プレートは導電性でなければならない。分配プレートは、典型的には、炭素複合体材料、金属材料、またはめっき金属材料から製造される。分配プレートは、典型的には、ＭＥＡに面する表面に彫られるか、ミリングされるか、成形されるか、スタンピングされた１つ以上の流体伝導チャネルを通して、ＭＥＡ電極表面におよびＭＥＡ電極表面から反応物流体または生成物流体を分配する。これらのチャネルは、時にはフローフィールドと呼ばれる。分配プレートは、スタック内の２つの連続したＭＥＡに流体を分配してもよいしＭＥＡから流体を分配されてもよく、一方の面が燃料を第１のＭＥＡのアノードに送り、他方の面が酸化剤を次のＭＥＡのカソードに送る（生成物水を除去する）、すなわち「バイポーラプレート」である。あるいは、分配プレートは、片側のみでチャネルを有して、その側のみのＭＥＡに流体を分配してもよいしその側のみのＭＥＡから流体を分配されてもよく、「モノポーラプレート」と呼んでもよい。当該技術において用いられるようなバイポーラプレートという用語は、典型的には、モノポーラプレートも網羅する。典型的な燃料電池スタックは、バイポーラプレートと交互に積重ねられたいくつかのＭＥＡを含む。
【００１７】
ＭＥＡと分配プレートとの間の接触領域の外周は、典型的には、反応物または生成物気体の不要な逃げまたはクロスオーバを防止するようにシールされるかガスケットを施される。本発明の実施において、本明細書と同じ日に出願された同時係属中の特許出願第１０／２９４，０９８号明細書に記載された独立気泡フォームガスケットを含む、任意の適切なガスケット設計または材料を用いてもよい。本発明の実施において、ガスケットは、高いまたは十分に制御されたモジュラスを必要としない。低モジュラス材料が典型的には使用される。ＭＥＡがハードストップ層を加えて設計される場合、その層は、典型的には、ガスケットまたはシールの下にあり、ＩＣＭとガスケットとの間に挿入されてもよい。本発明の実施において、ＭＥＡは、ハードストップ層を必要としない。
【００１８】
ＭＥＡは、使用中は圧縮下で保持される。圧縮の程度は、過剰な圧縮または圧縮不足を回避するように、所与のＭＥＡに対して選択される。圧縮不足は、さまざまな層の間の不十分な電気的接触、およびガスケットにおける不十分なシーリングをもたらすことがある。過剰な圧縮は、ＧＤＬの細孔を閉じることによって、または、ＧＤＬの、分配プレートのフローフィールドチャネル内への「テンティング（ｔｅｎｔｉｎｇ）」によって、ＭＥＡの損傷、およびガス経路の閉塞をもたらすことがある。
【００１９】
図１〜３を参照すると、本発明による燃料電池スタックは、燃料電池モジュール（２０）と交互に積重ねられた圧縮プレート（１０）を含む。燃料電池モジュール（２０）は、少なくとも１つの膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（３０）を含み、２つ以上のＭＥＡ（３０）を収容してもよい。ＭＥＡ（３０）は、分配プレート（４０）と交互に挟まれて、燃料電池モジュール（２０）を形成する。圧縮プレート（１０）は、任意の適切な材料から製造してもよい。圧縮プレート（１０）は、典型的には、金属またはめっき金属材料などの導電性材料から製造される。
【００２０】
圧縮プレート（１０）は、典型的には、燃料電池モジュール（２０）の空気冷却または液体冷却に適した冷却チャネル（１１０）を含む。冷却用圧縮プレート（１０）の二次的な使用は、パーツの数を低減することによってスタック設計および製造を単純化し、冷却プレート（圧縮プレート）と燃料電池モジュール（２０）との接触を可能にする。圧縮プレート（１０）が、このように冷却のために使用される場合、それらは、典型的には、金属またはめっき金属などの熱伝導性材料から製造される。付加的な考慮事項は、重量、コスト、および製造性を含む。典型的には、圧縮プレートはアルミニウムである。図１および図７に示された冷却チャネル（１１０）は、圧縮プレート（１０）の面に対して開いているので、空気冷却に適する。対照的に、液体冷却に適した冷却チャネルは、図８の液体冷却チャネル（１１１）など、より典型的には、圧縮プレートの内部にあり、末端の入口開口部および出口開口部のみで開いている。空気冷却チャネル（１１０）は、低コストアルミニウム押出プロセスによる製造を容易にするために、長さ方向に延びてもよい。典型的には、燃料電池モジュール（２０）は、各ＭＥＡ（３０）が冷却のため圧縮プレート（１０）に隣接するように、２つのＭＥＡ（３０）を含む。本発明の実施において、ファンおよびポンプ、ならびに本明細書と同じ日に出願された同時係属中の特許出願第１０／２９４，０７４号明細書に記載された液体冷却マニホルドを含む、冷却流体をスタックに送出するための任意の適切な機構を使用してもよい。その出願に記載されているように、スタックは、スタックの外側部分および内側部分が同様の温度で維持されるように、断熱材で巻かれてもよい。
【００２１】
図１および図８を参照すると、圧縮プレート（１０）は、外部マニホルドと相互作用するように構成された、図１に示されたような入口および出口（１１２、１１３）を含んでもよく、反応物流体または生成物流体を、分配プレート（４０）に送出し分配プレート（４０）から送出され、分配プレート（４０）は、反応物流体または生成物流体を、ＭＥＡ（３０）に送出しＭＥＡ（３０）から送出される。図８は、外部マニホルド（１２１、１２２、１２３、１２４）が所定位置にあるスタックを示す。したがって、入口および出口（１１２、１１３）は、前記分配プレートへの流体輸送および前記分配プレートからの流体輸送の少なくとも一方のための反応物／生成物経路を構成する。圧縮プレート（１０）の入口および出口（１１２、１１３）は、燃料電池モジュール（２０）が取外され取替えられると再整列し自動的にシールするＯリングシールを介して、分配プレート（４０）の口（１１４）と相互作用してもよい。入口および出口（１１２、１１３）が搬送する流体は圧縮プレート（１０）の材料に対して腐食性である場合もあるので、入口および出口（１１２、１１３）は、それらの内面上に耐腐食性コーティングを有してもよいし、あるいは、圧縮プレートの材料以外の材料、典型的には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ポリマーを含んでもよい、中に輸送される反応物または生成物に対して不活性の材料を含むインサートピース（図示せず）と嵌合してもよい。任意のプローブ穴（１１５）が電圧または温度プローブのために使用される。
【００２２】
あるいは、マニホルドが燃料電池スタックの内部に配置されてもよい。反応物／生成物マニホルドまたは冷却剤マニホルドまたは両方が内部に配置されてもよい。内部マニホルディングの場合、各マニホルドは、連続した燃料電池モジュール（２０）および圧縮プレート（１０）を通る一連の一致する開口部を、典型的には各プレートまたはモジュールの平面に直交する方向に含む。典型的には、Ｏリングまたは他のシールが、燃料電池モジュール（２０）と圧縮プレート（１０）との間に配置されて、シールされたマニホルド経路を形成する。反応物および生成物マニホルドは、分配プレート（４０）の適切なチャネル内に開く、各燃料電池モジュール（２０）の経路と連通する。冷却剤マニホルドは、各圧縮プレート（１０）の経路と連通する。
【００２３】
使用中は、対の圧縮プレート（１０）が機械的リンクによって接合される。機械的リンクは、圧縮下で燃料電池モジュールを保持するために使用可能であり、しかも、１つの燃料電池モジュールに対する圧縮を他の燃料電池モジュールに対する圧縮から独立して調整することを可能にする。機械的リンクは調整可能な取付部によって製造してもよく、それにより、第１および第２の圧縮プレートへの第１および第２の取付ポイントの間の距離であるリンクの有効長は、調整可能な取付部の調整によって変更できる。調整可能な取付部は、図１〜３に示されたオフセットカム機構のようなオフセットカム機構であってもよい。
【００２４】
図１〜３を参照すると、対の圧縮プレート（１０）は、カムボルト（６０、６１）およびボルト（７０）によって所定位置に保持されたラッチ（５０）を含む機械的リンクによって接合される。カムボルト（６０、６１）は、シャフト（６２）、カム（６３）、および典型的にはある形態のヘッド（６４）を含む。カム（６３）は、カムボルト（６０）のようにヘッド（６４）に隣接するか、カムボルト（６１）のようにヘッド（６４）から離隔することができる。カムボルト（６０、６１）およびボルト（７０）は、ラッチ（５０）の穴（５１、５２）を通り、圧縮プレート（１０）の受け穴に嵌合される。ボルトシャフト（６２）および圧縮プレート（１０）の受け穴の両方が、典型的にはねじ切りされる。カムボルト（６０、６１）およびボルト（７０）は、必要な機械的特性をもたらすように、ステンレス鋼などの任意の適切な材料から、任意の適切なサイズで製造される。
【００２５】
ラッチ（５０）は、２つの穴（５１、５２）を含む。シャフト穴（５１）は、ラッチの横方向の運動を可能にするスロットを形成するように細長くてもよい。カム穴（５２）は、カム（６３）を含み、かつその中でのカムの回転を可能にするのに十分大きい。一方または両方の穴（５１、５２）は、金属または任意の適切な硬い材料であってもよい、荷重支持表面を形成するスリーブ、シム、または硬いインサートを収容してもよい。ラッチ（５０）は、燃料電池モジュール（２０）の短絡を回避するために、非導電性でなければならない。
【００２６】
図３を参照すると、カム（６３）がその一部を形成するカムボルト（６０、６１）に適切なトルクをかけることによる穴（５２）内のカム（６３）の回転が、長さＡと長さＢとの間で、ラッチ（５０）、ならびに２つのカムボルト（６０、６１）のシャフト（６２）およびカム（６３）によって形成されたリンクの有効長を変えることがわかる。
【００２７】
図１および図２を参照すると、その後の対の圧縮プレート（１０）を接合するラッチ（５０）が「ピギーバック」構成であることがわかる。この構成において、カムボルト（６０、６１）は２つのラッチの間で共有される。１つのカムボルト（６０、６１）が、１つのラッチ（５０）のシャフト穴（５１）および別のラッチのカム穴（５２）を通る。カムボルト６０をカムボルト６１と区別する、シャフト（６２）上のカム（６３）の配置は、この構成によって決められることが容易にわかるであろう。図７は、代替構成、「並んだ」構成を示し、その後の対の圧縮プレート（１０）を接合するラッチ（５０）が、重ならない代わりに並んで置かれる。この構成において、ボルト（７０）が各ラッチ（５０）のシャフト穴（５１）を通り、カムボルト（６０）が各ラッチ（５０）のカム穴（５２）を通るが、ボルトおよびカムボルトはラッチ間で共有されない。これらの混合構成も可能である。ある混合構成においては、スタックの各側のラッチの２つの最も端の列が「ピギーバック」構成であり、中間の列が「並んだ」構成である。
【００２８】
本発明による典型的な燃料スタックにおいて、各燃料電池モジュールは、選択された圧力をかけることとは対照的に、各対の圧縮プレートを一緒にして、選択された変位または圧縮歪みにすることによって、圧縮下に置かれる。結果として、スタックでの使用のために選択されたＭＥＡ（３０）は、過剰な圧縮を防止するための、そのガスケットと関連する「ハードストップ」特徴を有する必要はない。変位の程度は、燃料電池モジュール（２０）の設計、および選択されたＭＥＡ（３０）によって必要とされる圧縮歪みに対して選択される。その理由で、ラッチは、典型的には、比較的剛性のまたは非歪み性（ｎｏｎ−ｓｔｒａｉｎａｂｌｅ）材料、すなわち、典型的には弾性ヤング率が１ＧＰａより大きい材料、より典型的には弾性ヤング率が２ＧＰａより大きい材料、さらに典型的には弾性ヤング率が３ＧＰａより大きい材料から製造される。燃料電池モジュールの制御された程度の歪みを得るために、ラッチの歪みが、ＭＥＡ、より特定的にはＤＣＣの歪みよりはるかに小さいことが望ましい。弾性ヤング率による適切な材料の選択のためのパラメータは、次の式により詳細に示される。
（１）Ｙlatch／ＹDCC＞（Ｘ／Ｎ）×（ＡDCC／Ａlatch）
ここで、Ｙlatchはラッチ材料の弾性ヤング率であり、Ａlatchは最も弱いポイント（たとえばラッチを通る穴の側）におけるラッチの最小断面積であり、Ｎはラッチの数であり、ＹDCCはＤＣＣ材料の弾性ヤング率であり、ＡDCCはＤＣＣの平面の面積である。この式は、ラッチの歪みが、典型的には燃料電池モジュールの最も圧縮性の層であるＤＣＣの歪みの１／Ｘ以下であることをもたらす。Ｘは、典型的には少なくとも５であり、より典型的には少なくとも１０であるが、より大きくてもよい。式１は、モデルスタックを参照して、以下の実施例１でさらに説明する。
【００２９】
さらに、ラッチ材料は、典型的には非導電性であり、したがって、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの強いポリマー不導体が典型的には使用される。あるいは、ポリマーによって被覆された金属部分などの、金属とポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの強いポリマー不導体との複合体を使用してもよい。
【００３０】
本発明による方法において、１つの燃料電池モジュールが、いかなる他の燃料電池モジュールに対する圧縮も解除することなく、スタックから取外される。スタック内のいかなる他の燃料電池モジュールに対する圧縮も変更することなく、取外すべき燃料電池モジュールが選択され、たとえば適切なカムボルトを回転させることによって、その燃料電池モジュールに対する圧縮が解除され、燃料電池モジュールがスタックから取外される（図１の最も下のモジュールによって示されるように）。
【００３１】
本発明は、燃料電池スタックおよびシステムの製造、動作、メンテナンス、サービス、および修理に有用である。
【００３２】
本発明の目的および利点を、次の実施例によってさらに例示するが、これらの実施例に記載された特定の材料およびそれらの量、ならびに他の条件および詳細は、本発明を不当に限定するように解釈されるべきではない。
【実施例】
【００３３】
実施例１
この実施例は、圧縮歪みを、アルミニウム圧縮プレートの間の、１対のシミュレートされたＭＥＡおよびバイポーラプレートに与えるためのカムボルトおよびラッチの製造および使用を説明し、ラッチ設計は、ＤＣＣの１５％の歪みを可能にする。
【００３４】
レキサンから機械加工されたフルサイズのバイポーラプレートを使用して、動作金属バイポーラプレートに対して同一の寸法およびフローフィールドで、２つのＭＥＡを備えた燃料電池モジュールをシミュレートした。プレートは、３．７２インチ×１２．１９インチ（９．４５ｃｍ×３０．９６ｃｍ）の外寸法を有し、ともに、０．４６７±０．００１インチ（１．１８６±０．００３ｃｍ）の組合された厚さを有した。２つのＭＥＡを、コーティングされたテキストロン（Ｔｅｘｔｒｏｎ）カーボンクロスＤＣＣと厚さ２ミル（５１マイクロメートル）のＰＴＦＥシートとからなるプレートセットの間で組立て、触媒コーティングされたイオン交換膜をシミュレートした。２つのＭＥＡの予め圧縮された厚さを、マイクロメータで、０．０５６インチ±０．００２インチ（０．１４２±０．００５ｃｍ）であることを測定した。ＤＣＣの面積は３１平方インチ（２００ｃｍ2）であった。図４ａおよび図４ｂに示されているように、２つのアルミニウム圧縮プレート（１０）を、厚さ０．５インチ（１．２７ｃｍ）のＡｌ  ６０６１−Ｔ６ストックから、プレキシグラス（ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ）バイポーラプレートと同じ外寸法で製造した。２つのＡｌプレートの完成した厚さをともに、０．９９６±０．００２インチ（２．５３０±０．００５ｃｍ）であることを測定した。図４ａおよび図４ｂに示されているように、１０−３２ねじ立て穴（８０）を、０．５インチ（１．２７ｃｍ）のＡｌプレート（１０）の端縁の中心線に沿って等しく隔置して、各プレートの各側の６つのカムスクリュを考慮した。これらのカムスクリュは、モジュールを圧縮するラッチに応力を加える。
【００３５】
カムスクリュを次の通りに製造した。長さ５／８インチ（１．５８８ｃｍ）の標準六角（ｈｅｘ−ｈｅａｄ）１０−３２ＵＮＣスクリュを使用した。直径０．３７５インチ（０．９５３ｃｍ）の鋼ドリルロッドに、穴あけし、０．０４１２インチ（０．１０４６ｃｍ）中心からずれて１０−３２ねじ山をねじ立てすることによって、カムナットを製造した。次に、カムナットを、ロッドをセクションに分けることによって０．１８８インチ（０．４７８ｃｍ）の厚さにした。次に、カムナットを１０−３２スクリュに、完全にねじ込んだ位置に取付け、ロク−タイト（Ｌｏｋ−Ｔｉｔｅ）で固定した。
【００３６】
ラッチは、厚さ０．１８８インチ（０．４７８ｃｍ）のＰＥＥＫ、ポリエーテルエーテルケトン、工業用プラスチックを使用して製造した。ラッチは、形状を矩形にし、一端に３／８インチ（０．９５３ｃｍ）の穴を備え、他端に１０−３２スクリュのためのより小さいクリアランススロットを備えた。図５（ａ）は、この実施例で用いられたラッチ寸法を示す。
【００３７】
プレキシグラスプレートおよびＭＥＡを、２つの、図４に示されたＡｌ圧縮プレートの間に組立てた。本質的に非圧縮性の材料から製造された、厚さ０．００８５インチ（０．０２１６ｃｍ）のシムを加えて、スタックの全体的な予め圧縮された厚さを、１．５２８インチ（３．８８１ｃｍ）＝０．９９６インチ（２．５３０ｃｍ）（Ａｌプレート）＋０．４６７インチ（１．１８６ｃｍ）（プレキシグラスプレート）＋０．００８５インチ（０．０２１６ｃｍ）（シム）＋０．０５６インチ（０．１４２ｃｍ）（ＭＥＡ）にした。ガスケットを、ＤＣＣを積重ねるための整列ガイドとして作用するように周囲上でのみ使用した。すなわち、それらの厚さはＤＣＣの厚さより十分に小さく、そのため、それらは、圧縮に対するハードストップとして作用することができなかった。１２個のＰＥＥＫラッチ、およびカムスクリュを、Ａｌ圧縮プレートに取付け、標準１０−３２スクリュにより、ラッチを各プレートの１つの端縁上の所定位置に保持した。カムスクリュおよびラッチがすべて所定位置になるまで、カムスクリュを「開いた位置」まで回転させて、プレート間の間隙を与えた。この「開いた位置」において、カム軸は、Ａｌ圧縮プレートの平面に平行に整列する。次に、カムスクリュを１／４回転時計回りに回転させて、カム軸を圧縮プレートの平面に垂直に位置決めして、ＭＥＡの最大圧縮を得た。ノギスを使用して、１２個のラッチ（アセンブリの各側に６つ）の位置における、アセンブリ全体の圧縮された厚さＬを記録した。これらの測定された厚さは、図６（ａ）に要約されている。６つの上側ラッチ位置における平均アセンブリ厚さＬは、１．５２０±０．００２インチ（３．８６１±０．００５ｃｍ）であった。６つの下側ラッチ位置における平均アセンブリ厚さＬは、１．５１６±０．００２インチ（３．８５１±０．００５ｃｍ）であり、０．００４インチ（０．０１０ｃｍ）の側間の差がある。全体的な平均の圧縮された厚さは１．５１８インチ（３．８５６ｃｍ）である。予め圧縮された厚さが１．５２８インチ（３．８８１ｃｍ）であったので、これは、０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）の圧縮歪みを表す。ＤＣＣがアセンブリ内の本質的に唯一の圧縮性構成要素であり、かつそれらの予め圧縮された厚さが０．０５６インチ（０．１４２ｃｍ）であったので、これは、１８％のＤＣＣの％歪み圧縮を表す。
【００３８】
ＰＥＥＫラッチは非常に剛性のスプリングとして作用していることに留意することが重要である。したがって、それらは、また、ＤＣＣの圧縮の間、いくらかの引張歪みを受ける。Ｆがラッチに加えられる力であり、かつＡlatchが最も弱いポイント（たとえば、図５の３／８インチ（０．９５３ｃｍ）の穴の側）におけるラッチの最小断面積である場合、歪み、Ｓlatchは、材料のモジュラス、Ｙlatchによって、単にＦ／Ａlatch＝ＹlatchＳlatchとして、Ｆに関連づけられる。実際には、ラッチの引張歪みを用いてＤＣＣの圧縮歪みを生じる。同様の関係がＤＣＣにもあてはまり、Ｆ／ＡDCC＝ＹDCCＳDCC。ＤＣＣの制御された圧縮歪みをもたらすことができるために、ＤＣＣの所与のモジュラスまたは応力−歪み曲線について、ラッチの歪みがＤＣＣの歪みの約１０％以下であるように、ラッチを設計することが望ましい。両方によって経験される圧縮力が同じであるので、ＤＣＣの歪みがラッチの歪みの１０倍であるという要件は、数Ｎのラッチについて、
（１）Ｙlatch／ＹDCC＞（１０／Ｎ）×（ＡDCC／Ａlatch）
を示唆する。Ｎ＝１２、ＡDCC＝２００ｃｍ2＝３１．０平方インチ、およびＡlatch＝２（０．１８７×０．１２５）＝０．０４６８平方インチ（２（０．４７５×０．３１７）＝０．３０２ｃｍ2）のこの実施例１の場合、この条件は、Ｙlatch＞５５２×ＹDCCを必要とする。テキストロンカーボンクロスＤＣＣの応力歪み曲線は、インストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ）で測定し、４００ｐｓｉ（２．７６ＭＰａ）のモジュラスで、０〜２５％の歪み範囲にわたってほとんど直線であることがわかった。工業用プラスチックの機械的特性および熱特性のハンドブックから、ＰＥＥＫの引張モジュラスは４．９×１０5ｐｓｉ（３．３８ＧＰａ）であり、したがって、図５（ａ）のラッチ設計は、ＤＣＣによって経験される歪みのわずか１／１０を達成するために必要なモジュラスを容易にもたらすように取り計らわれる。しかし、実際には、図５（ａ）のラッチ設計は、その端部の撓みを被り、というのは、３／８インチ（０．９５３ｃｍ）の穴とラッチの端部との間の材料厚さが小さすぎ、３／８インチ（０．９５３ｃｍ）の穴が応力下でわずかに長円形になることを引起すからである。これを実施例２で補正した。
【００３９】
実施例２
この実施例において、ＰＥＥＫラッチ設計をわずかに変えて、それをより強くした。
【００４０】
図５（ｂ）に示されたラッチ設計を行いテストした。それは、厚さ０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）のＰＥＥＫから製造され、直径３／８インチ（０．９５３ｃｍ）の穴の外側の端部厚さを増加させて、実施例１のラッチの曲げ撓みを低減した。また、約１／３２インチ（約０．０８ｃｍ）の壁厚および３／８インチ（０．９５３ｃｍ）の内径の鋼リングを、ラッチの大きい穴にプレス嵌合して、ラッチの端部全体にわたって応力をより均一に分配した。より小さい鋼リングを、また、１０−３２スクリュのための、他方の端部上のより小さい穴に挿入して、ねじ山がクリアランス穴内のＰＥＥＫにくぼみをつけないようにした。次に、新たなラッチおよび同じカムスクリュを、実施例１と同じモジュールおよびＡｌプレートとともに組立てた。カムを圧縮位置まで回転させた後の測定された圧縮された厚さは、図６（ｂ）に要約されている。この強化されたラッチについて、上側および下側ラッチ位置における平均厚さは、それぞれ、１．５０８±０．００２インチ（３．８３０±０．００５ｃｍ）および１．５０７±０．００２インチ（３．８２８±．００５ｃｍ）である。全体的な圧縮された厚さは１．５０７インチ（３．８２８ｃｍ）である。予め圧縮された厚さが１．５２８インチ（３．８８１ｃｍ）であったので、これは、０．０２１インチ（０．０５３ｃｍ）の圧縮歪みを表す。ＤＣＣがアセンブリ内の本質的に唯一の圧縮性構成要素であり、かつそれらの予め圧縮された厚さが０．０５６インチ（０．１４２ｃｍ）であったので、これは、３７％のＤＣＣの％歪み圧縮を表す。これは、実施例１の第１のラッチで達成された歪みの２倍であり、このタイプのカーボンクロスＤＣＣの２５〜３０％の目標歪みを超える。また、側間の差は、０．００４インチ（０．０１０ｃｍ）から０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）未満に低減されている。したがって、このラッチおよびカムスクリュ設計は、所望の圧縮歪みを、２つのＭＥＡを収容するモジュールにもたらすことができる。２つの、所望の２５〜３０％の歪みを達成する、ラッチ穴間の分離を低減することができるか、またはカムナットのオフセットをわずかに増加させることができるか、非圧縮性シムの厚さを低減することができる。
【００４１】
ラッチ材料、ラッチ設計、およびラッチの数は、破損を伴わずに必要な全体的な力を与えるように選択しなければならない。現在の実施例において、ＤＣＣの３１平方インチの面積（２００ｃｍ2）、および４００ｐｓｉ（２．７６ＭＰａ）の圧縮モジュラスは、３０％の歪みについて、３７２０ｌｂ（１６，５４７Ｎ）の全体的な力をＤＣＣに加えなければならないことを示唆する。さらに、ＭＥＡが３０ｐｓｉｇ（０．２１ＭＰａゲージ）の内圧で動作している場合、９３０ｌｂ（４１３７Ｎ）の付加的な力が、アルミニウム圧縮プレートを押し離そうとする。したがって、ラッチは、破壊することなく、４，６５０ｌｂ（２０，６８４Ｎ）の力を加えることができなければならない。ＰＥＥＫの破壊点における引張強度は１４，５００ｐｓｉ（１００ＭＰａ）である。したがって、この実施例２で用いられるラッチ設計の場合、１２個のラッチは、１２×２×０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）×０．１２５インチ（０．３１８ｃｍ）×１４，５００ｐｓｉ（１００ＭＰａ）＝１０，８７５ｌｂ（４８，４００Ｎ）の、破壊点における全体的な力を支持することができ、これは、必要な最大値の２．３倍である。このマージンは、ラッチを最も薄いポイントにおいてわずかにより広くすることによって容易に増加させることができる。
【００４２】
０から２９０°Ｆ（−１８から１４３℃）の温度範囲にわたるＰＥＥＫの線熱膨張係数は、２．６×１０-5である。周囲から１７６°Ｆ（８０℃）に加熱する動作燃料電池の場合、この１０３°Ｆ（５７℃）の温度上昇は、長さを０．２６７％だけ増加させることになる。１．０５９インチ（２．６９０ｃｍ）の、図５のラッチ穴間隔の場合、この熱膨張は、理論上は０．００２８インチ（０．００７１ｃｍ）の長さ変化を生じることになり、０．０２１インチ（０．０５３ｃｍ）から０．０１８インチ（０．０４６ｃｍ）への圧縮歪みの低減、または、パーセンテージで、ＤＣＣの３７％から３２％への歪みの低減だけをもたらすことになる。しかし、内部のＭＥＡおよび他の構成要素も、温度とともに膨張し、したがって、ＰＥＥＫの熱膨張が、内部構成要素の過剰圧縮を防止するために望ましい。
【００４３】
本発明のさまざまな修正および変更が、本発明の範囲および原理から逸脱することなく、当業者には明らかになるであろう。また、本発明は、上述された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による燃料電池スタックの正投影を表す等角図である。
【図２】本発明による燃料電池スタックの概略断面図である。
【図３】本発明によるラッチの断面を表す図である。
【図４（ａ）】実施例１で説明された本発明による圧縮プレートを表す図である。
【図４（ｂ）】実施例１で説明された本発明による圧縮プレートを表す図である。
【図５（ａ）】実施例１で説明された本発明によるラッチを表す図である。
【図５（ｂ）】実施例２で説明された本発明によるラッチを表す図である。
【図６（ａ）】実施例１で説明された本発明による実際のまたはシミュレートされた燃料電池モジュールの圧縮を示す図である。
【図６（ｂ）】実施例２で説明された本発明による実際のまたはシミュレートされた燃料電池モジュールの圧縮を示す図である。
【図７】本発明による圧縮プレート装置の正投影を表す等角図である。
【図８】本発明による燃料電池スタックの正投影を表す等角図である。
【図１】
0004494975.tif 000002
【図２】
0004494975.tif 000003
【図３】
0004494975.tif 000004
【図５ａ】
0004494975.tif 000005
【図５ｂ】
0004494975.tif 000006
【図４ａ】
0004494975.tif 000007
【図４ｂ】
0004494975.tif 000008
【図６ａ】
0004494975.tif 000009
【図６ｂ】
0004494975.tif 000010
【図７】
0004494975.tif 000011
【図８】
0004494975.tif 000012