(57)【要約】燃料電池スタックの多岐管のシステムにおいて、可撓性を有する多岐管の本体は、中央領域を有する皿状部品と、中央領域の周辺部から外側に延設される側壁と、中央領域に隣接した部分で接続されるとともに中央領域の対向された側面の間に延設される中央領域折り目と、側壁の隣接した部分で接続される側壁折り目とから形成される少なくとも一つの複合化された折り目を含む。多岐管のシステムは、さらに多岐管の本体を取り付けるレール組立体を含み、誘電性の絶縁体を多岐管の組立体に接合するピンを備える。
2006502550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの表面からの気体または前記表面に気体を連通させるために使用される多岐管のシステムにおいて、
皿状部品の形状を有する多岐管の本体であって、前記皿状部品は長さ方向と幅方向の延設部を有する中央領域と、前記中央領域の周辺部から延設される側壁とを有し、前記中央領域は少なくとも一つの中央領域折り目を有し、夫々の前記中央領域折り目は前記多岐管の本体となる皿状部品を形成するための前記中央領域に隣接した部分で接続されることを特徴とする多岐管のシステム。
【請求項２】
前記中央領域折り目は、前記中央領域の面から第１の方向または第２の方向に延設されることを特徴とする請求項１に記載の多岐管のシステム。
【請求項３】
前記側壁は、一つ以上の側壁折り目を含み、夫々の前記側壁折り目は前記中央領域折り目の端部の間で境界をなしており、前記側壁に隣接する部分で接続されることを特徴とする請求項２に記載の多岐管のシステム。
【請求項４】
前記側壁折り目の夫々は、前記側壁の面に対して前記第１の方向と前記第２の方向の内の一つの方向に延設されることを特徴とする請求項３に記載の多岐管のシステム。
【請求項５】
前記中央領域折り目の夫々は、前記第１の方向に延設され、前記側壁折り目の夫々は、前記第２の方向に延設されることを特徴とする請求項４に記載の多岐管のシステム。
【請求項６】
前記第１の方向は、外側に向かう方向であり、前記第２の方向は、内側に向かう方向であることを特徴とする請求項５に記載の多岐管のシステム。
【請求項７】
前記側壁は、前記中央領域に対する第１の方向となる外側に延設される第１の部分と、前記第１の部分から前記中央領域に対する第２の方向に延設される第２の部分と、を有することを特徴とする請求項６に記載の多岐管のシステム。
【請求項８】
前記側壁折り目は、前記側壁の前記第１の部分の中に存在することを特徴とする請求項７に記載の多岐管のシステム。
【請求項９】
前記側壁は、前記側壁の第２の部分に位置し、前記側壁折り目と境界をなす位置に設けられる夫々の切抜き部を有することを特徴とする請求項８に記載の多岐管のシステム。
【請求項１０】
前記側壁折り目の夫々の縁は、前記切抜き部の境界であって、前記側壁折り目が前記側壁の前記第２の部分の面となす境界まで延設されることを特徴とする請求項９に記載の多岐管のシステム。
【請求項１１】
前記中央領域はその周辺部において、第１の側面と対向される第２の側面と、第３の側面と対向される第４の側面とを有し、前記第３の側面は、前記第１の側面と対向される前記第２の側面の第１の対向する端部に接続され、前記第４の側面は、前記第１の側面と前記第２の側面の第２の対向する端部に接続され、
前記側壁は、夫々が前記中央領域の第１、第２、第３および第４の側面から延設されて接続されるべき第１、第２、第３および第４の側壁部分を有し、
前記中央領域折り目の夫々は、前記中央領域の前記第１、第２の側面の間に延設され、  前記第１の側壁部分は、その側壁折り目の夫々が、前記中央領域折り目と境界をなし、  前記中央領域折り目は、前記中央領域の前記第１の側面で終端し、
そして、前記第２の側壁部分は、夫々が前記中央領域の前記第２の側面で終端した前記中央領域折り目と境界をなす側壁折り目を有することを特徴とする請求項４に記載の多岐管のシステム。
【請求項１２】
前記中央領域折り目の夫々は、前記第１の方向に延設され、前記側壁折り目の夫々は前記第２の方向に延設されることを特徴とする請求項１１に記載の多岐管のシステム。
【請求項１３】
前記第１の方向は、外側に向かう方向であり、前記第２の方向は、内側に向かう方向であることを特徴とする請求項１２に記載の多岐管のシステム。
【請求項１４】
前記第１と第２の側壁部分の夫々は、前記中央領域に対して第１の方向となる外側に延設される第１の部分と、前記中央領域に対して第２の方向となるように前記第１の部分から延設される第２の部分とを有することを特徴とする請求項１３に記載の多岐管のシステム。
【請求項１５】
前記側壁折り目の夫々は、前記第１と第２の側壁部分の前記第１の部分に位置することを特徴とする請求項１４に記載の多岐管のシステム。
【請求項１６】
前記第１と第２の側壁部分の夫々は、前記側壁折り目と境界をなす位置において切抜き部を有し、前記切抜き部の夫々は、前記第１と第２の側壁部分が前記側壁折り目と境界をなす位置に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の多岐管のシステム。
【請求項１７】
前記側壁折り目の夫々の縁は、前記切抜き部まで延設され、前記切抜き部は、前記第１と前記第２の側壁部分の第２の部分の面上に存在する前記側壁折り目と境界をなすことを特徴とする請求項１６に記載の多岐管のシステム。
【請求項１８】
前記側壁折り目の夫々のさらなる縁は、複合化された折り目を形成するために、前記側壁折り目と境界をなす前記央領域折り目まで延設されることを特徴とする請求項１７に記載の多岐管のシステム。
【請求項１９】
前記中央領域は、複数の前記中央領域を有することを特徴とする請求項１８に記載の多岐管のシステム。
【請求項２０】
複数の前記中央領域折り目は、平行に形成され、前記第１の方向は前記中央領域の面に対して傾斜されており、また前記第２の方向と前記第３と第４の側壁部分は、前記中央領域の面に対して垂直であることを特徴とする請求項１９に記載の多岐管のシステム。
【請求項２１】
前記側壁折り目の夫々は、丸いベースの側壁折り目部分で接続される第１の側壁折り目部分とこれに対向する第２の側壁折り目部分とを有することを特徴とする請求項２０に記載の多岐管のシステム。
【請求項２２】
前記中央領域折り目の夫々は、丸い頂点中央領域折り目部分で接続される第１の中央領域折り目と、これに対向する第２の中央領域折り目とを有することを特徴とする請求項２１に記載の多岐管のシステム。
【請求項２３】
前記第１の側壁部分と前記第２の側壁部分の前記第２の部分と、前記第３の側壁部分と前記第４の側壁部分の端部は、第１、第２、第３および第４の端面を形成することを特徴とする請求項２２に記載の多岐管のシステム。
【請求項２４】
前記多岐管の本体を支持するためのレール組立体を、さらに具備することを特徴とする請求項２３に記載の多岐管のシステム。
【請求項２５】
前記レール組立体は、第１、第２、第３および第４のレール部材を含み、前記第３のレール部材は、前記第１のレール部材と前記第２のレール部材の対向する第１の端部に接続され、前記第４のレール部材は、前記第１のレール部材と前記第２のレール部材の対向する第２の端部に接続され、前記第１、第２、第３および第４のレール部材は、前記分岐管の本体の前記第１、第２、第３および第４の端面に対して夫々接続される第１、第２、第３および第４の内側の表面を有し、前記分岐管の本体を前記レール組立体の内部に留めることを特徴とする請求項２４に記載の多岐管のシステム。
【請求項２６】
前記分岐管の本体の前記第１、第２、第３および第４の端面は、前記第１、第２、第３および第４の内側の表面に溶接されることを特徴とする請求項２５に記載の多岐管のシステム。
【請求項２７】
前記第１と第２のレール部材は、前記側壁折り目と境界をなす前記レール部材の部位において各前記レール部材を厚み方向に部分的に切り取った切り目を有することを特徴とする請求項２５に記載の多岐管のシステム。
【請求項２８】
前記レール組立体は、さらに前記第１、第２、第３および第４のレールの各表面に取り付けられかつ各表面から突出される複数のピンを含み、前記ピンは前記多岐管の本体の前記端面の縁と境界をなすことを特徴とする請求項２７に記載の多岐管のシステム。
【請求項２９】
前記ピンは、前記切り目の夫々の反対側で、前記第１と第２のレール部材に位置されることを特徴とする請求項２８に記載の多岐管のシステム。
【請求項３０】
前記レール組立体は、さらに複数の誘電性の絶縁体片を含み、前記誘電性の絶縁体片の夫々が前記レール部材に連続形成された切り目の間で延設できるように、連続する一対のピンにより保持されることを特徴とする請求項２９に記載の多岐管のシステム。
【請求項３１】
前記ピンは、前記第３と第４のレール部材の対向する端部において前記第３と第４のレール部材に位置され、前記レール組立体は、さらに前記第３と第４のレール部材の夫々に設けられる一つの前記ピンにより夫々保持される誘電性の絶縁体片を含むことを特徴とする請求項３０に記載の多岐管のシステム。
【請求項３２】
前記第１と第２の側壁部分の第２の部分と、前記第３と第４の側壁部分の端部は、第１、第２、第３および第４の端面を形成することを特徴とする請求項１４に記載の多岐管のシステム。
【請求項３３】
前記多岐管の本体を保持するレール組立体をさらに具備することを特徴とする請求項３２に記載の多岐管のシステム。
【請求項３４】
前記レール組立体は、第１、第２、第３および第４のレール部材を含み、前記第３のレール部材は、前記第１のレール部材と前記第２のレール部材の対向する第１の端部に接続され、前記第４のレール部材は、前記第１のレール部材と前記第２のレール部材の対向する第２の端部に接続され、前記第１、第２、第３および第４のレール部材は、前記分岐管の本体の前記第１、第２、第３および第４の端面に対して夫々接続される第１、第２、第３および第４の内側の表面を有し、前記分岐管の本体を前記レール組立体の内部に留めることを特徴とする請求項３３に記載の多岐管のシステム。
【請求項３５】
前記第１と第２のレール部材は、前記側壁折り目と境界をなす前記レール部材の部位において各前記レール部材を厚み方向に部分的に切り取った切り目を有することを特徴とする請求項３４に記載の多岐管のシステム。
【請求項３６】
前記レール組立体は、さらに前記第１、第２、第３および第４のレールの各表面に取り付けられかつ各表面から突出される複数のピンを含み、前記ピンは前記多岐管の本体の前記端面の縁と境界をなすことを特徴とする請求項３５に記載の多岐管のシステム。
【請求項３７】
前記ピンは、前記切り目の夫々の反対側で、前記第１と第２のレール部材に位置されることを特徴とする請求項３６に記載の多岐管のシステム。
【請求項３８】
前記レール組立体は、さらに複数の誘電性の絶縁体片を含み、前記誘電性の絶縁体片の夫々が前記レール部材に連続形成された切り目の間で延設できるように、連続する一対のピンにより保持されることを特徴とする請求項２９に記載の多岐管のシステム。
【請求項３９】
前記ピンは、前記第３と第４のレール部材の対向する端部において前記第３と第４のレール部材に位置され、前記レール組立体は、さらに前記第３と第４のレール部材の夫々に設けられる一つの前記ピンにより夫々保持される誘電性の絶縁体片を含むことを特徴とする請求項３８に記載の多岐管のシステム。
【請求項４０】
前記多岐管の本体を保持するレール組立体をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の多岐管のシステム。
【請求項４１】
前記レール組立体は、枠体の形状であり前記多岐管の本体は前記枠体の内部で保持されることを特徴とする請求項３９に記載の多岐管のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願＞
本出願は２０００年８月１１日に出願番号第０９／６３６、４５２として出願された一部継続出願である。
＜連邦政府の主催による研究または開発に関する声明＞
本発明は、米国エネルギー省から付与された契約番号第ＰＤＩ  ６５３３の元で政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は、本発明の幾分かの権利を保有する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、多岐管を外部に有する燃料電池スタックに係り、特に燃料電池スタックの表面あるいは表面に対して気体を出し入れするように外部に接続される多岐管システムに関係する。
【０００３】
燃料電池は、燃料(例えば、天然の気体燃料、生物による気体燃料、メタノール、ジーゼル油など)の状態になっている化学エネルギを、電気化学反応を通して直接的に電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は、バッテリーのように２つの電極である陽極および陰極を含んでいる。燃料電池は、バッテリーとは異なり、燃料と酸化剤とが陽極と陰極に夫々供給され続ける限り電力を発生する。伝統的な発電技術(例えば、内燃機関式発電機か気体または蒸気タービンなど)との比較において、燃料電池の主要な利点としては、燃料電池は燃料を燃焼せずに化学物質を電気エネルギに変換できる点が挙げられる。したがって、燃料電池の効率は燃焼式のエンジンのようにカルノーサイクルによって熱学的に制限されないことになる。このように熱学的に制限されない結果、燃料電池の基本動作によれば伝統的な発電所よりもはるかに高い効率で作動できるようになり、燃料の使用量を削減でき副産物の放出を減少するることもできる。さらに、燃料電池が制御可能であることおよび化学反応が比較的に低温度で行われるために燃料電池システムは、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物の汚染物質の排出をほとんどゼロにできる。
【０００４】
燃料電池は、通常は互いに積み重ねられたスタック状態で配置される。燃料電池スタックは、多くの個々のセルを含んおり、スタックの内部に多岐管を設けたタイプと外部からスタックに対して多岐管を設けたタイプとに分類される。内部に多岐管を設けたスタックでは、燃料と酸化剤を供給するための気体流路は、燃料電池プレート自体に設けられることになる。外部に多岐管を設けたスタックでは、燃料電池プレートはその一方の端部が開口されており、気体は燃料電池スタックの夫々の面に対して密封される多岐管または容器部材を通して供給される。このようにして設けられる多岐管により密封された流路が提供され、燃料と酸化剤の気体を燃料電池に対して供給し、スタックに対して気体流が指向されて、それらの気体が環境中または他の多岐管に対して漏れ出ることを防ぐようにしている。この多岐管は、燃料電池の作動条件下で電池寿命の持続期間中は各気体を漏洩させない機能を備えなければならない。
【０００５】
燃料電池スタックの多岐管の性能での重要な点として、多岐管の縁部とスタック表面の間に形成される気体シールがある。通常はスタック表面が電気的に伝導性を有しており、その長さ方向に沿って電位勾配を有し、かつ通常は多岐管が金属から構成されるので、誘電性の絶縁体により燃料電池スタックから多岐管を隔離して、多岐管はスタックの電気ショートを防ぐことが必要になる。この誘電性の絶縁体は、通常はセラミックから組み立てられるので脆弱になる傾向がある。このため、スタック表面に対する多岐管の圧縮状態または熱的変化に伴う多岐管の他の機械的な変化、または燃料電池スタックの作動期間中の多岐管のシステム上の機械的ストレスによって誘電性の絶縁体を傷つける場合がある。
【０００６】
燃料電池スタックの多岐管に関する別の条件は、セル成分が高い温度下で各成分が染み込みクリープを発生して、通常は燃料電池スタックの耐用年数が縮まるという事実に関連している。背丈の高い燃料電池スタック(およそ３００個以上の燃料電池)に関しては、総高さは２〜３インチほど減少する場合がある。この減少傾向下では、連続形成される金属製の多岐管を、スタックの先端と下部の双方に固定することは不可能となり、電池の動作中はスタックの寸法変化を受容できるようにする必要がある。したがって、燃料電池スタックの気体の流れを案内するために用いられる多岐管のシステムによれば、スタックと共に動くように可とう性を備えるか、もしくは気体シールを維持できなければならない。加えて、上述したように、スタックの動作中は多岐管のシステムに加わる圧力ストレスが少くとも部分的に吸収されることで、セラミック材料製の誘電体絶縁体が壊れないようにする必要がある。
【０００７】
動作前の製造上の欠陥および動作中の一定しない温度分布のために背丈の高い燃料電池スタックは前屈みする傾向がある。高温でのスタックの先端での水平面方向に沿う偏向量はスタックのベースに対して１〜２インチにもなる。この前屈み傾向により、一層の重荷を多岐管に与えるので、気体シールを維持するために前屈みするスタックとともに屈曲できる多岐管が必要となる。
【０００８】
燃料電池は環境温度以上で作動するが、ポリマー電解液燃料電池の「ＰＥＦＣ」は、およそ〜８０℃で作動し、燐酸燃料電池の「ＰＡＦＣ」は、およそ〜２００℃で作動し、溶融カーボネイト燃料電池の「ＭＣＦＣ」は、およそ〜６５０℃で作動し、固体酸化燃料電池の「ＳＯＦＣ」は、およそ〜１０００℃で作動する。したがって適度な材料の選択と機械的な設計により、燃料電池スタックが耐用年数(通常、何年も)の間、持続できるようにしなければならない。部品に及ぶ応力と腐食は、これらの部品が使用される環境条件の厳しさに対して考えなければならない。上記の「ＭＣＦＣ」と「ＳＯＦＣ」の燃料電池の場合は、動作温度がかなり高く、耐用年数も長いことから金属部品が十分に長い寿命を備えるように設計されなければならない。
【０００９】
本願出願人が現在使用している背丈の高い炭酸塩燃料電池スタックのタイプを用いた燃料電池の多岐管のシステムについて図１Ａに概ね図示されており、図示のようにスタックの長手方向に沿って配置される固体レールと皿状部品を具備する多岐管の本体が含まれている。複数の誘電性の絶縁体については、通常は半月キーで多岐管に固定される。このように構成される多岐管のシステムによれば、低いスタック(およそ４０個以下の燃料電池セル)においては、背丈に比例するより少ない前屈み量と偏向量になるので幾分かは効果的である。このタイプの多岐管のシステムで使用される部品はニッケルベース合金とステンレス鋼のような耐熱性、耐食性の材料である。
【００１０】
上記の多岐管のシステムは、大量の異なる部品を有する保持システムと関連して動作することで、多岐管に一様に分配される垂直荷重の条件を満足させることで、多岐管とスタックとの間でシール状態を維持でき、スタック収縮とスタックの前屈みの双方を許容するようにもまた作動する。選択された材料、幾何学的な複雑さおよび設計で使用される多くの部品によって高価な構成になり、かつ重くなるので設置が困難となる。また、現在の多岐管のシステムと関連してこの出願の出願人によって使用されている保持システムによれば、多岐管から完全に独自に機能するように設計されている結果、燃料電池スタックの費用増加、重量増加と複雑化の原因になる余分な材料が必要になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は上記の欠点のない燃料電池スタックの多岐管のシステムを提供することである。
【００１２】
また、加えて本発明の目的は、低コストで、複雑でなく、より製造しやすい燃料電池スタックの多岐管のシステムを提供することである。
【００１３】
また、本発明の目的は、気体シールを維持でき、スタックの前屈と収縮を受容できるような可撓性を有する燃料電池スタックの多岐管のシステムを提供することである。
【００１４】
また、本発明の目的は、誘電性の絶縁体の折損を減少または排除することのできる誘電性の固定具構成を含む燃料電池スタックの多岐管のシステムを提供することである。
【００１５】
また、本発明の目的は、より効果的な気体封止状態をわずかな部品で可能にできる燃料電池スタックの多岐管のシステムを提供することである。
＜発明に関する概要＞
本発明の原理によると、上述された夫々の目的は、隣接する部分を接続するために少なくとも１つの中央領域において折り目を有する中央領域を備えた皿形状の形を有する多岐管の本体を含む燃料電池スタックの多岐管のシステムにより実現されることとなる。この皿状部品は延設形状を有し、また中央領域の周辺部にはその周辺部において側壁折り目を有している。また、この多岐管のシステムがレール組立体を含む場合には、これに対して誘電性の絶縁体が燃料電池スタック表面に多岐管の本体を接合するために取り付けられるであろう。
【００１６】
夫々の中央領域折り目と側壁折り目によれば、これらが動作中に幾何学的に曲がることで変化が吸収されて、多岐管の本体が燃料電池スタック表面に対して密封される関係を維持できるようになる。この結果、本発明の多岐管のシステムによれば燃料電池スタックの収縮状態と、温度変化と材料のクリープ変化によって引き起こされる前屈とが許容可能になり、燃料電池スタック表面において気体シールが維持され、機械的および熱膨張が吸収される。
【００１７】
以下に述べる実施形態では、中央領域の長手方向に沿って区切られる複数の中央領域折り目が設けられている。夫々の中央領域折り目は、中央領域の第１の方向の面から延設され、この面に対向する正反対の側壁の第２の方向の面で接合されることで複合される折り目を形成している。側壁折り目は、第１の方向に向けて中央領域から外側に延設される側壁の第１の部分に含まれる。また、側壁は第２の方向に向けて第１の方向から延設される第２の部分も含む。この第２の部分は、端面を定義するとともに、これらの折り目を収容するために側壁折り目に接する切抜き部を提供する。
【００１８】
記載された実施形態によれば、多岐管のシステムはさらにレール組立体を含む。このレール組立体は、多岐管の側壁の第２の部分によって定義される端面を含む本体の周辺部に取り付けられる。このレール組立体は、複合された折り目に隣接する位置に切り目を提供するために、そのレールの厚さの部分が削減される。また、このレール組立体は、レール組立体を誘電性の絶縁体から電気的に隔離し、多岐管を燃料電池スタックから隔離するように取り付けるために使用されるキャリーピンに適用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１Ａに図示されるように、従来技術の外部の多岐管のシステムでは、燃料電池スタック１５に対して４つの多岐管１０が、上下のエンドプレート２０の間に位置するか、またはスタックの側または端面に対面する関係で取り付けられる。図示のように入口として外部的に多岐管を設けた燃料電池スタック１５によれば、夫々の１つの片の多岐管１０は、燃料電池スタックを通過する空気または燃料の流れる入口または排気用として機能する。夫々の多岐管１０は、気体シール２５の縁部に沿うようにしてスタック１５に封印されるが、この気体シールは多岐管のレールと誘電性の絶縁体で形成されて取り付けられており、これにより空気と燃料の気体流動の方向を維持し、また気体をスタックから隔離し、多岐管を電気的に隔離できるようにしている。
【００２０】
多岐管１０が気体シール２５を維持できるようにするためには、多岐管は燃料電池スタックの動作中に発生する材料のクリープ変化と熱膨張または熱収縮によるスタック１５の収縮と前屈とを含む物理的変化を受容できる十分な可撓性を備えていなければならない。一般に、１片の多岐管１０の撓み度は、多岐管とレールとを製造するための材料自体の撓み度により制限される。多岐管の皿状部品とレールは通常は鉄鋼か他の堅い材料から作られることから、動作中に発生するスタックの前屈と収縮作用により、多岐管のシステムに対して所定の圧力が通常印加され、多岐管１０とスタック１５の間における気体シール２５が壊れるかまたは多岐管が引き裂かれる状態となる撓み度を超えることとなる。
【００２１】
図１Ｂに図示されるように、夫々の多岐管のレール部材３０とその夫々のスタック表面の間にはスタック１５から多岐管１０（図１Ｂでは不図示）を電気的に隔離するための誘電性の絶縁体３５が設けられている。この誘電性の絶縁体３５は半月キー４０によって多岐管のレール部材３０に接合されている。絶縁体３５はアルミナなどの脆弱性のセラミックス材料から作られている。したがって、多岐管１０とスタック表面の間において気体シール２５が完全な状態を維持できるようにするためには、誘電性の絶縁体３５が破壊しないように保護することが重要となる。燃料電池スタックの動作の間に発生する熱的および機械的な応力によって、多岐管１０は圧縮される結果、誘電性の絶縁体３５に対して圧力が印加される。半月キー４０により保持される絶縁体は脆弱な性質であることから、絶縁体は多岐管１０の曲げに対応してスタック１５の側面に沿うように撓むことができず、簡単にひびが入ってしまう。
【００２２】
図２Ａ〜２Ｂと図５Ａ〜５Ｃに図示するように、本発明の多岐管のシステムによれば長方形の中央領域５２を有する皿形状部の形状の多岐管の本体４５を具備しており、中央領域５２の周辺部は第１の側面５２Ａとこれに対向する第２の側面５２Ｂと、第３の側面５２Ｃとこれに対向する第４の側面５２Ｄとから規定されている。この皿形状部の側壁５４は中央領域５２の周辺部から外側に延設されている。この中央領域５２には折り目６２として示された少なくとも１つの中央領域折り目を有するが、図示の場合には複数の中央領域折り目６２が中央領域５２の隣接する部分を接続するように設けられている。夫々の中央領域折り目６２は、その対向する横側端または側面が側壁折り目６４で接しており、それぞれ隣接する側壁５４の部分を接続している。
【００２３】
図示の場合では、夫々の中央領域折り目６２は、中央領域の面から第１の方向(図示の外側）に延設される一方で、夫々の側壁折り目６４はこの第１の方向とは反対になる第２の方向(図示の内側)に延設されている。このようにして、夫々の中央領域折り目６２は、その隣接する側壁折り目６４とともに複合される折り目６０を規定して、多岐管の本体４５の隣接した皿状部品の部分５０を接続している。
【００２４】
中央領域５２の夫々の側面５２Ａと側面５２Ｂに隣接した側壁５４には第２の側壁部分５４Ｂに連続する第１の側壁部分５４Ａが設けられている。この側壁部分５４Ａは中央領域５２から外面的に第１の方向に延設されており、第２の側壁部分は第１の部分から第２の方向に延設されている。図示されるように、第１の部分５４Ａは中央領域５２に対して傾斜している。この代わりに第２の部分は、中央領域の面に直交する方向に設けられており、多岐管の本体４５に対する端面を規定している。
【００２５】
中央領域５２の側面５２Ｃ、５２Ｄに隣接して、側壁５４は夫々の側壁部分５４Ｃと５４Ｄを備えている。これらの夫々の部分は、中央領域からの垂線の方向に延設されており、上記の側壁部分５４Ｂのように多岐管の組立体４５のための端面を規定している。端面５４Ｂを含む側壁５４と、端面５４Ｄおよび中央領域５２の皿形状部５０との間の相対的な幾何学位置関係は図２Ｂに詳細に示されている。
【００２６】
上記のように多岐管の本体４５の皿状部品の部分５０に隣接されて、複合化された折り目６０によって接続されるが、この折り目６０は中央領域５２の折り目６２と側壁５４で形成された隣接した側壁折り目６４から形成される。図示のように、夫々の側壁折り目６４は側壁部分５４Ａにおいて形成されるが、各折り目６４に隣接した側壁部分５４Ｂには折り目を収容できるようにする切抜き部５４Ｅが形成される。
【００２７】
上述した多岐管４５の構成によれば、多岐管は側壁５４の縁部が燃料電池スタック面に隣接して配置される。多岐管４５に複合化された折り目６０が存在することは、換言すれば、多岐管が膨張および収縮することができるので、スタックの伸縮に対応可能になることを意味する。その結果、総合的に簡易化されたより良い構成の多岐管の組立体が可能となる。
【００２８】
本発明のさらなる特徴によれば、図３Ａ〜３Ｃに図示されるレール組立体７０とともに多岐管の組立体４５が利用される。このレール組立体７０は多岐管４５に対してスタック表面のそれぞれとの間で気体シールを形成するためのインタフェース部分を提供し、スタックの様々な運転条件下でこのシール状態を維持する補助を行う。
【００２９】
図３Ａ〜３Ｃを参照して、このレール組立体７０は、多岐管４５の端面５４Ｃと端面５４Ｄに取り付け可能にされた内部表面７２Ａと７４Ａを有する対向したレール部材７２、７４と、多岐管４５の端面５４Ｂに取り付け可能にされた内部表面７５Ａ、７６Ａを有する第３および第４の対向するレール部材７５と７６とを含んでいる。より詳しくは、レール部材７２、７４は燃料電池スタックの表面の対向する側面において、スタックの端部プレートに隣接して揃うように構成される一方で、レール部材７５と７６は燃料電池スタック表面の対向された二つの側面に揃うように構成されている。この構成により、多岐管の組立体４５をスタック表面の側面と向かいあう位置関係にすることができ、また端面５４Ｂ、５４Ｃおよび５４Ｄの縁部がスタック表面と当接する関係にできる。
【００３０】
図示されるように、両方のレール部材７５と７６はレール部材７４の端部からさらに延設される（図３Ａと図３Ｃを参照のこと）。レール部材７５と７６の夫々の延設部分は、ガスケット（不図示）を支持しており、スタックが収縮しても誘電性の部材がレール上に固定された状態を維持できるようにしている。
【００３１】
また、夫々のレール部材７５と７６は、多岐管の本体４５（図４Ａを参照のこと）の複合化された折り目６０と切抜き部５４Ｅに対応する位置で厚み方向に切り取られる切り目または部分的な切り目８０をさらに有している。図３Ｂに図示されるように、各切り目８０はレールからかなりの部分が切り取られる（図示のように厚みのおよそ３／４）。多岐管の本体４５の複合化された折り目６０に揃うようにレール部材７５と７６に切り目８０を位置決めすることにより、レール部材は多岐管の本体とともに屈曲できるので、スタック寸法の変化を吸収できる。このため、切り目８０はレール部材に可撓性を与えることとなり、複合の折り目から伝達される多岐管の本体の可撓性と結合されることで、加熱および機械的ストレス状態下にスタック表面が置かれた場合あっても、燃料電池スタックの動作中は、多岐管のシステムに必要となる気体シールを維持できるようになる。
【００３２】
図４Ａ〜４Ｂは、レール組立体７０と多岐管の本体４５とが取り付けられた様子を図示している。上記のように、多岐管の本体は、レール部材７２、７４、７５および７６の内部表面の７２Ａ、７４Ａ、７５Ａおよび７６Ａに取り付けられる。この結果、多岐管の組立体がレール組立体中に位置された状態になり、レール組立体７０は多岐管の組立体４５の枠体として機能する。このように枠体として機能することは、多岐管の本体４５の端面５４Ｄ、側壁部分５４Ａ、中央領域５２および中央領域折り目６２を設けている様子を図示した図４Ｂから明らかである。しかし、この図４Ｂでは多岐管の本体４５の側壁部分５４Ｂによって形成される端面は、レール部材７５と７６によって見えていない。同様に、多岐管の本体４５の下側の端面５４Ｄの部分は、レール部材７２に隣接されてレール部材７２と同一面上に位置している。
【００３３】
次に、図３Ｃに戻り、レール部材とほとんど同じ寸法形状を有する誘電性の絶縁体８５(図３Ｃで陰影で示した層８５)が、望ましくはレール部材の表面に沿うように取り付けられている。レール部材７５と７６に取り付けられた誘電性の絶縁体は、各レール部材の切り目８０の間のレールの部分とほとんど同じ長さを有するので、各絶縁体８５は切り目８０に隣接して配列される。この構成により、夫々の誘電性の絶縁体８５は、垂直なレール部材７５または７６の対応するセグメントと共に移動することができる。
【００３４】
本発明で使用される誘電性の絶縁体８５は、アルミナ製の従来からの誘電性または同様の誘電セラミック材料製のものが使用できる。これに加えて、このような誘電性材料の表面は、浸透（ウィッキング）を減少させる処理をすると良い。
【００３５】
図４Ａ〜４Ｂを参照して、レール組立体に誘電性の絶縁体８５を固定するためのピン９２を挿入するための穴９０が、レール部材７２、７４、７５および７６に配設されている。これらのレール部材７５と７６の場合には、穴９０は各切り目８０の両側に位置されており、レール部材７２と７４の場合には穴９０は、レール部材の端部に位置している。
【００３６】
ピン９２は特に望ましくはステンレス鋼製であり、丸い形状または筒状に形成される。本発明においてピンが使用される場合には、ピンは、図４Ｂに図示されるようにレール部材の穴９０から突出する状態で設けられる。誘電性の絶縁体(不図示)にはこのピン９２を受け入れるための穴が設けられているので、絶縁体は上記のように枠体部材に対して設置されることとなる。ピン９２は、多岐官を固定するための従来の半月キーよりも分厚くかつ強度があるので圧力を分配することができるので、絶縁体に対する圧力が少なくなる。しかしながら、レール組立体に誘電性の絶縁体を接合するためには、上記と同等または代替の機構を用いることができることは言うまでもない。
【００３７】
図５Ａ〜５Ｃは、本発明の多岐管の本体４５の皿状部品部分５０における複合化された折り目６０をより詳しく図示している。図示される本発明の複合化された折り目６０は、すべての折り目に共通であるので、一つの折り目について詳細に述べる。
【００３８】
上記のように、夫々の複合化された折り目６０は、中央領域折り目６２と隣接した側壁折り目６４を含む。また、上述したように、夫々の側壁折り目６４は、側壁部分５４Ａまで延設されており、側壁部分５４Ｂの切抜き部５４Ｅに隣境界をなす。したがって、夫々の側壁折り目６４は、多岐管の本体の端面を形成した状態で、かつ分岐管の本体の端面を形成する側壁部分５４Ｂに影響を与えることなく、隣接した側壁部分５４Ａの間で自由に内部に向けて広がることができる。しかしながら、側壁部分５４Ｂが当接するように配置されるレール組立体の多岐管の本体４５と、レール部材７５と７６の間でシール状態を維持できるようにするために、側壁折り目６４はその最も外側の縁部が、側壁部分５４と同じ面上に位置するように形成されている。この様子は、図５Ｃの側壁折り目の詳細図でさらに明確に図示されている。
【００３９】
図５Ｃを参照して、夫々の複合化された折り目６０の側壁折り目６４は、側壁の面から第１の方向(図示のように内部に向かう)に延設される隣接した側壁部分５４Ａを含む。より詳しくは、夫々の側壁折り目６４の互いに対向する第１の部分６４Ａと第２の部分６４Ｂは、互いに側壁部分５４Ａの面に対して傾斜されて延設されている。この第１の部分６４Ａおよび第２の部分６４Ｂは、折り目に連続した丸いベース部分６４Ｃで接続されている。この丸いベース部分６４Ｃは、鋭角で曲げた場合と比較して引き裂かれる傾向が少ないので、燃料電池の動作中におけるスタック変化により繰り返えされる熱的および機械的ストレスを受けるときに、側壁折り目６４に耐久性を与えることができるので、側壁折り目６４の耐用期間を長くできる。
【００４０】
夫々の複合化された折り目６０の中央領域折り目６２は、中央領域５２の面に対して第２の方向(図示のように外側に向かう)に延設される中央領域５２の隣接部分を含む。より詳細には、この中央領域折り目は、中央領域５２の面に対して相対的に傾斜されて対向するように延設される第１の部分６２Ａと第２の部分６２Ｂとを設けた点で、上記の側壁折り目の構成と同様である。折り目６２の丸い頂点部分６２Ｃは、傾斜した部分に接続される。側壁折り目６４の丸いベースの部分６４Ｃのように、この丸い頂点部分６２Ｃは、折り目に対して長い耐用期間と強度をもたらすことになる。
【００４１】
上述したように、本発明の実施形態によれば、側壁折り目６４は、側壁５４の面に対して外面的に延設される方向とは反対方向に中央領域折り目６２中央領域５２の面から延設されている。しかしながら、本発明によれば側壁折り目６４と中央領域折り目６２は、同じ内側または外側に延設することができ、また図示されていないが、折り目６２を内側に、また折り目６４を外側に形成する構成も含まれる。さらに、夫々の折り目６４が全て同じ方向に延設される必要はなく、いくつかが内部にまた残りが外側に延設されるようにしても良い。
【００４２】
図５Ａに図示されるように、複合化された折り目６０の夫々の中央領域折り目６２は、中央領域５２の互いに対向する第１の側面と第２の側面の間に延設されており、これらの中央領域５２の互いに対向する第１の側面と第２の側面は側壁折り目６４を境界にしている。夫々の側壁折り目６４の外側の縁６６は、側壁５４の端面５４Ｂと同一面上に一方で、図５Ｃを参照して上述したように、夫々の側壁折り目６４の内側の縁６５は中央領域折り目６２の外側の縁を形成している。
【００４３】
多岐管の本体４５に圧縮力が作用するときであって、例えば燃料電池スタックが前屈するかまたは収縮する間は、複合化された折り目６０は中央領域折り目６２と夫々の複合化された折り目６０の側壁折り目６４の双方の角度が次第に減少することにより、圧縮応力を吸収する。スタックの前屈状態により発生することになる、多岐管の本体４５が拡張され、皿状部品の部分５０が互いに引っ張られる状態になると中央領域折り目６２と側壁折り目６４の双方の角度は一般的には増加することになる。
【００４４】
丸い頂点部分６２Ｃと丸いベースの部分６４Ｃは、中央領域折り目６２と側壁折り目６４の夫々に対して耐久性を与え、またこれらが協働して多岐管の本体４５に対して可撓性を与えることができる。加えて、燃料電池スタックに対して多岐管の本体４５の中央領域５２が外側に向けて延設され、また燃料電池スタックに対してその側壁５４が内側に延設されることにより、複合化された折り目６０はレール組立体７０に取り付け可能になり、レールに形成された切り目８０によって可撓性を許容できる。
【００４５】
上述したように、多岐管の本体４５は、図６Ａに示されるように多岐管のシステムのレール組立体７０の中に配置される。側壁５４の端面５４Ｃと５４Ｄは水平のレール７２、７４に面して配置され、側壁５４の端面５４Ｂは垂直なレール７５、７６に面して配置される。誘電性の絶縁体は、ピン９２によって多岐管のレールの下側に取り付けられる場合がある。
【００４６】
複合化された折り目６０と、側壁折り目６４の端面５４Ｂおよびピン９２を有する垂直なレール７５とを含む多岐管のシステムの下側の詳細な構成が、図６Ｂに図示されている。中央領域折り目６２は、中央領域折り目の外側の縁６５が側壁折り目６４の縁を形成するように側壁折り目６４と境界をなしており、また中央領域折り目６２の丸い頂点部分６２Ｃは、側壁折り目６４の丸いベース部分６４Ｃと交差している。側壁折り目６４は、側壁５４に隣接する部分で接続しており、中央領域折り目６２の縁６５から外側の縁６６まで延設されている。側壁折り目の丸いベース６４Ｃは、側壁の端面５４Ｂの間のきぬい切抜き部５４Eで終わるので、側壁折り目の外側の縁６６が側壁の端面５４Ｂと同一面上に位置する。
【００４７】
本実施形態によれば、側壁５４の端面の５４Ｂ、５４Ｃおよび５４Ｄは、レール７５、７６、７２および７４の夫々の内部表面７５Ａ、７６Ａ、７２Ａおよび７４Ａに溶接される。しかしながら、本発明の多岐管の組立体と共にレール部材を多岐管の本体４５の端面に対して取り付ける他の方法が使用可能であることは言うまでもない。
【００４８】
上述したように、側壁折り目６４に略揃うようにされて垂直なレール７５、７６には各切り目８０が位置されており、特に折り目の丸いベースの部分６４Ｃが切り目に揃う位置に形成されている。また、上述したように誘電性の絶縁体は、レール組立体の水平および垂直なレール７２、７４、７５および７６に対してピン９２により取り付けられる。これらの長方形の誘電性の絶縁体セグメントの端部が、レール７５と７６に形成された切り目８０と、多岐管の本体４５の複合化された折り目６０と揃えるように設けることにより、多岐管の組立体は最大限の自在性を達成できまた誘電性の絶縁体には最小限の損傷を達成することができる。
【００４９】
ここで、本発明の原理は夫々のスタック表面の全てまたは部分に隣接して配置される多岐管にも同様に適用可能なことは言うまでもない。さらに、本発明の原理は、種々の表面と多岐管を有するスタックにも適用可能である。
【００５０】
なお、上述の構成は、本発明の多くの応用例の特定の実施形態にすぎないことが理解されよう。本発明の精神と請求の範囲から逸脱しない範囲で、本発明の原理に従って容易に他の多く様々な構成が可能である。例えば、ここに記述された多岐管のシステムは、米国特許出願番号０９／６３６、４５２号において詳細に記述された保持システムの部分であるトラスとストラップ部材に対して燃料電池スタックに対する圧縮状態で取り付けられるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
本発明と上述の他の特徴点については、付随の図面と関連して以下の詳細な記述を読むことでより明らかになるであろう。
【図１Ａ】図１Ａは、外部的に多岐管を設けた従来技術の燃料電池スタックの外観斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿った詳細な横断面であって、図１Ａの従来技術による外部的に多岐管を設けた燃料電池スタックの誘電性の絶縁体と多岐管の本体の間の接続部の様子を示した図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の原理に従う多岐管のシステムにおける多岐管の本体の外観斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａにおいて「Ｅ」で包囲された多岐管の本体の部分について詳細に図示した外観斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の原理に従う多岐管のシステムのレール組立体の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿う図３Ａのレール組立体の横断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａに示されるレール組立体に対して誘電性の絶縁体を取り付けた外観斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２Ａの多岐管の本体と、図３Ａのレール組立体を取り付けた本発明の原理に従う多岐管のシステムの平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの多岐管のシステムの正面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、合成された折り目が示されており、図２Ａの多岐管の本体の平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの線５Ｂ−５Ｂに沿う、多岐管の本体の横断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ｂで「Ｄ」で包囲される多岐管の本体の部分の詳細図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図４Ａの多岐管のシステムの下側の外観斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａで示される多岐管のシステムで「Ａ」で包囲された部分の詳細図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ａで示される多岐管のシステムで「Ｂ」で包囲された部分の詳細図である。
【図１Ａ】
2006502550.tif 000003
【図１Ｂ】
2006502550.tif 000004
【図２Ａ】
2006502550.tif 000005
【図２Ｂ】
2006502550.tif 000006
【図３Ａ】
2006502550.tif 000007
【図３Ｂ】
2006502550.tif 000008
【図３Ｃ】
2006502550.tif 000009
【図４Ａ】
2006502550.tif 000010
【図４Ｂ】
2006502550.tif 000011
【図５Ａ】
2006502550.tif 000012
【図５Ｂ】
2006502550.tif 000013
【図５Ｃ】
2006502550.tif 000014
【図６Ａ】
2006502550.tif 000015
【図６Ｂ】
2006502550.tif 000016
【図６Ｃ】
2006502550.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月9日(2004.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｃ】
2006502550.tif 000018
【国際調査報告】
2006502550.tif 000019
2006502550.tif 000020