(57)【要約】ばねアセンブリ（２２）と機械的リンク機構アセンブリ（２３）をタイ・ロッド（１４、１５）およびタイ・バー（１２）とともに使用して、燃料電池スタック（１）に圧縮荷重を加える、燃料電池スタック圧縮システム（１１）。リンク機構アセンブリ（２３）は、ばねアセンブリ（２２）によって発生した力または移動をタイ・ロッド（１４、１５）用の移動または力に転送するために、レバー（４１）と３本のピン（４２、４３、４４）を含む。次にタイ・ロッド（１４、１５）は、燃料電池スタックの上部端板（２）をつなぐタイ・バー（１２）に接続し、荷重をスタックに伝達する。リンク機構は、レバーによって形成される円弧を補償し、ばねアセンブリが下部端板（３）の下に堅く取り付けられるようにする、スロット付き軸受（４７）も含む。ばねアセンブリは、並行して配置され、電池の圧密によりスタックが圧縮するときに非線形に減少する荷重を提供するよう設計された、複数のばね（３２〜３４）を含む。この荷重プロファイルにより、寿命の始めに高圧を提供して適切な電池間接触を保証しながら、全体的なスタック収縮を低減する。
2004508671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックに圧縮力を加えるための燃料電池スタック圧縮システムにおいて、前記燃料電池スタック圧縮システムは、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延伸された１つまたは複数の部材と、
前記燃料電池スタックの第２の端部に隣接して配置された結合メカニズムと、を含み、
前記結合メカニズムは、前記１つまたは複数の部材のそれぞれについて、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを有し、該ばねアセンブリと該リンク機構アセンブリは、該ばねアセンブリを回転させることなく前記第１および第２の端部間で、該ばねアセンブリによって提供される並進移動を、前記関連する部材の一方向の移動に変換するよう適合している燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項２】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、水平並進移動を提供するように適合しており、
前記リンク機構アセンブリのそれぞれは、レバー・アームと；第１、第２、および第３のピンと、スロットを有する軸受とを含み、
前記第１のピンは前記レバー・アームの一方の端部に付着するとともに、前記リンク機構アセンブリに関連する部材の端部に接続され、前記第２のピンは前記レバー・アームのピボット点として機能し、前記第３のピンは前記レバー・アームの第２の端部に取り付けられるとともに前記軸受の前記スロット内に配置され、前記軸受は、前記ばねアセンブリの前記水平並進移動に応答して該軸受が水平に移動するよう前記ばねアセンブリと係合する請求項１に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項３】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端部の下に水平に位置するとともに、固定ベース・プレートと；該固定ベース・プレートから間隔を空けたキャプティベイティング・プレートと；前記ベース・プレートと前記キャプティベイティング・プレートとの間に位置する１つまたは複数のばねと；該ばねの中心を通って水平に延びるシャフトとを含み、該シャフトは、該シャフトの第１の端部が前記キャプティベイティング・プレートに付着し、該シャフトの第２の端部が前記リンク機構アセンブリと係合しており、
前記リンク機構アセンブリのそれぞれの軸受は、前記リンク機構アセンブリに関連するばねアセンブリに含まれたシャフトの第２の端部と係合する、請求項１に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項４】
前記リンク機構アセンブリのそれぞれは、前記第１のピンに接続され、前記関連する部材を受け入れる据付けブロックと；前記ベース・プレートに隣接し、前記第２のピンが取り付けられ、前記レバー・アームのアパーチャを通って延伸されたベース・フレームとをさらに含む、請求項３に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックの第１および第２の端部に配置された第１および第２の端板を含み、
前記燃料電池スタック圧縮システムは、前記第１の端板を横切って延びる１つまたは複数の剛性タイ・バーをさらに含み、
前記１つまたは複数の部材のそれぞれは、前記剛性タイ・バーに接続され、前記燃料電池スタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドであり、
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端板の下に配置される、請求項４に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックの前記第１および第２の端部に配置された第１および第２の端板を含み、
前記燃料電池スタック圧縮システムは、前記第１の端板を横切って延びる１つまたは複数の剛性タイ・バーをさらに含み、
前記１つまたは複数の部材のそれぞれが、前記剛性タイ・バーに接続され、前記燃料電池スタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドであり、
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端板の下に配置される、請求項３に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項７】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、複数の同心ばねを含む、請求項６に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項８】
前記同心ばねの１以上は、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに加えるために異なる長さになっている、請求項７に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項９】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、ベルヴィル・ディスク・パックの形をした内部ばねと、中央コイルばねと、外部コイルばねとを含む、請求項７に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１０】
前記ベルヴィル・ディスク・パックは、前記中央および外部コイルばねより長さが短い、請求項９に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１１】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記ばねの永久たわみを防止するために前記シャフトの１以上の端部に配置された１つまたは複数の停止部材を含む、請求項９に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１２】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記ばねの永久たわみを防止するために前記シャフトの１つまたは複数の端部に配置された１つまたは複数の停止部材を含む、請求項３に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１３】
前記ばねの１以上は、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項１２に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１４】
前記ばねの１以上は、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項３に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１５】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、１つまたは複数のばねと；該ばねの永久たわみを防止するために配置された１つまたは複数の停止部材とを含む、請求項２に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１６】
前記ばねのうちの１以上は、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項１５に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１７】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、１つまたは複数のばねを含み、該ばねの１以上は、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項２に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１８】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックに圧縮力を供給するための燃料電池スタック圧縮システムにおいて、前記燃料電池スタック圧縮システムは、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と、
前記第２の端部に隣接して配置される結合メカニズムとを含み、前記結合メカニズムは、前記部材のそれぞれについて、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを含み、該ばねアセンブリと該リンク機構アセンブリは、前記第１および第２の端部間で、該ばねアセンブリによって提供される並進運動を、関連する部材の一方向の運動に変換するように適合し、該ばねアセンブリは、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するため長さの異なる１つまたは複数の同心ばねを含む、燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項１９】
前記ばねアセンブリのそれぞれが、前記ばねの永久たわみを防止するために配置された１つまたは複数の停止部材を含む、請求項１８に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項２０】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、ベルヴィル・ディスク・パックの形をした内部ばねと、中央コイルばねと、外部コイルばねとを含む、請求項１８に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項２１】
前記ベルヴィル・ディスク・パックは、前記中央および外部コイルばねより長さが短い、請求項２０に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックの前記第１および第２の端部に配置された第１および第２の端板を含み、
前記圧縮システムは、前記第１の端板を横切って延びる１つまたは複数の剛性タイ・バーをさらに含み、
前記１つまたは複数の部材のそれぞれは、前記剛性タイ・バーに接続され、前記燃料電池スタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドであり、
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端板の下に配置される、請求項１８に記載の燃料電池スタック圧縮システム。
【請求項２３】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックと、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と；前記第２の端部に隣接して位置する結合メカニズムとを含み、前記結合メカニズムは、１つまたは複数の部材のそれぞれについて、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを含み、該ばねアセンブリによって提供される並進運動を、ばねアセンブリの回転させることなく前記第１および第２の端部間で、関連部材の一方向の運動に変換するようともに適合している、燃料電池スタック圧縮システムとを含む、燃料電池システム。
【請求項２４】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックと、
それぞれがスタックの前記第１の端部に接続され、前記スタックの前記第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と；前記燃料電池スタックの第２の端部に隣接して位置する結合メカニズムとを含み、前記結合メカニズムは、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリを含み、該ばねアセンブリと該リンク機構アセンブリは、前記１つまたは複数の部材のそれぞれについて、前記第１および第２の端部間で、該ばねアセンブリによって提供される並進運動を、前記１つまたは複数の部材のうちの関連する部材について、一方向の移動に変換するようともに適合し、前記ばねアセンブリは非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さの１つまたは複数の同心ばねを含む燃料電池スタック圧縮システムとを有する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、燃料電池に関し、特に、このような燃料電池のスタック上の圧縮荷重を維持するための方法および装置に関する。より具体的に、本発明は、溶融炭酸塩および固体酸化物燃料電池スタックなどの高温システムで圧縮荷重を維持するための方法および装置に関する。
【０００２】
燃料電池は、水素またはメタンなどの燃料に貯蔵された化学エネルギを電気化学反応により電気エネルギに直接変換する装置である。これは従来の、燃料を燃焼して熱を発生し、次にその熱を機械エネルギに変換し、最終的に電気に変換しなければならないといった発電方法とは異なるものである。燃料電池が使用する、このより直接的な変換プロセスは、効率向上と汚染物質排出削減の両面で従来の手段より大幅に優れている。
【０００３】
一般に、燃料電池は、バッテリと同様に、両者間で充電済みイオンを伝導する働きをする電解質によって分離された陰極（アノード）を含む。バッテリとは対照的に、燃料電池は、アノードとカソードのそれぞれに燃料と酸化剤が供給される限り、電力を発生し続けることができる。これを達成するため、アノードとカソードに隣接してガス・フロー・フィールドが発生させ、それを介して燃料と酸化剤ガスが供給される。有用な電力レベルを発生するためには、各電池間の導電性セパレータ・プレートに対して直列に複数の個別燃料電池をスタックしなければならない。
【０００４】
当技術分野の現状では、１つの燃料電池スタックは数百の電池を直列に並べて搭載することができる。燃料電池スタックを適切に動作させるためには、スタック内のすべての電池を密接に接触させ続けなければならない。また、この接触は、スタックの寿命が尽きるまで、スタックのあらゆる動作条件に対しても、持続しなければならない。この要件を満たすために考慮すべき事項は、電池構成要素の製造許容差、動作時の電池構成要素の不均一熱膨張、電池構成要素の長期圧密によるスタックの収縮などである。
【０００５】
このように、燃料電池スタックを圧縮するために使用されるシステムには、様々な要件が課せられることとなる。このシステムは、寿命の初期に製造許容差を克服すべく、電池構成要素を密接に接触させるのに十分な荷重を加えるものでなければならない。また、それは、動作時におけるスタック内の不可避温度勾配による電池の層間剥離を防止できるよう、十分な大きさでなければならない。同時に、この圧縮システムの荷重は、その寿命中にスタックの過剰収縮を引き起こすほどに大きいものであってはならない。というのは、それにより、補助スタック・ハードウェアおよび圧縮システム自体の必須フォローアップに対し、不当な要求が課せられるからである。追加の要件は、寿命の終わりまで適度なスタック圧力が維持されることを保証すべく、システムが時間の経過につれて完全に弛緩しないことである。
【０００６】
従来の燃料電池スタック設計では、スタックに圧縮荷重を加えるため、いくつかあるメカニズムのうちの１つを使用している。米国特許第４４３０３９０号には、燃料電池スタックのマニホルド内に延び、その端板に付着し、相互に押し合うスプリング部材が記載されている。この設計は溶融炭酸塩および固体酸化物スタックなどの高温システムには望ましくない。というのは、高温環境に耐えるために、スプリング部材を過度に大きくし、新種の耐蝕材料で構築することが必要になるからでる。米国特許第４６９２３９１号には、ボルトまたはねじ込みロッドなどの剛性引張り部材によって端板同士が直接接続される設計が記載されている。しかし、このシステムは、スタックが収縮するときにスタック圧縮を維持するための荷重追従能力をほとんどまったく提供しない。
【０００７】
米国特許第５６８６２００号には、スタック内の個別電池に荷重を加えるために使用可能な、小さなより線またはリボン・スプリングが記載されている。この設計は大面積の燃料電池には不適切である。というのは、スプリングが付着しているセパレータ・プレートは、適度な荷重が電池の中心領域に届けられることを保証するのに十分な堅さに構築できないからである。米国特許第５７８９０９１号には、スタックに巻き付けられ、張力がかかった状態におかれる連続圧縮バンドの使用が記載されている。やはり、この方法も、相当な長期クリープによりスタックの追跡が不十分になる。
【０００８】
この分野において一般的に使用されるその他のスタック圧縮方法としては、対向するスタック端板をまとめて結びつける１組の堅いタイ・ロッドの端部にコイルまたはベルヴィル・ディスクばねを圧縮状態にすることを含む。もう１つの設計では、板ばねを形成するために同じく剛性ロッドによって接続された対向する端板間をつなぐためにフレキシブル・バーを使用する。これらの設計では、当技術分野の現状である大規模高温燃料電池スタックには不十分なフォローアップまたは不十分な荷重能力になる。
【０００９】
本出願の譲受人がこれまで使用していたより複雑なシステムでは、上部端板をつなぐために剛性タイ・バーを使用する。剛性タイ・ロッドは、剛性タイ・バーと、スタックの底部付近の機械的リンク機構に接続される。このリンク機構は、下部端板の下に位置するベルヴィル・ディスク・パックの形をしたばねアセンブリに剛性タイ・ロッドを接続する。使用中の過剰温度からばねアセンブリを保護するために絶縁層を使用する。このシステムのばねおよびリンク機構は、その寿命中にスタックにほとんど一定の荷重を加えるように設計されている。さらに、機械的リンク機構の幾何形状に対処するため、ばねアセンブリは、動作時にその一方の端部の周りを回転するように設計されている。
【００１０】
この設計には、過剰なスタック収縮を引き起こし、ばねアセンブリの回転に対処するためにスタックの下に余分な空間を必要とするという限界がある。この設計のもう１つの限界は、ばねアセンブリを構成する多数の大型ベルヴィル・ディスクに関連するコストの高さにある。最後に、この設計は安全上の懸念をもたらすものである。というのは、比較的一定の荷重プロファイルを発生するために、ばねアセンブリのディスクには、取付け前に予荷重を加えなければならないからである。
【００１１】
したがって、本発明の１つの目的は、従来技術のシステムの上記欠点を克服する燃料電池スタック圧縮システムを提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、大型の高温燃料電池スタックに適用可能な望ましい荷重たわみ特性を備えた燃料電池スタック圧縮システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明のさらに他の目的は、燃料電池スタックの下に最小限の必要空間を備えた燃料電池スタック圧縮システムを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、コストが低減された燃料電池スタック圧縮システムを提供することにある。
【００１５】
また、本発明のさらに他の目的は、安全に使用できる燃料電池スタック圧縮システムを提供することにある。
【００１６】
（発明の概要）
本発明の原理によれば、上記及びその他の目的は、燃料電池スタックに圧縮力を提供するための圧縮システムで実現され、この圧縮システムは、それぞれがスタックの第１の端部に接続され、スタックの反対側の第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と、スタックの第２の端部に隣接して位置し、１つまたは複数の部材のそれぞれについて、ばねアセンブリによって提供される並進運動をばねアセンブリの回転なしにスタックの第１および第２の端部間で関連部材の一方向の運動に変換させるようにまとめて適合されたばねアセンブリとリンク機構アセンブリを含む結合メカニズムとを含む。このようにして、スタックの幾何形状が変化するときに、１つまたは複数の部材により、スタックの両端部間で所望の圧縮力を維持することができる。
【００１７】
以下に開示すべき本発明の実施形態では、ばねアセンブリは、燃料電池スタックの第２の端部の下に水平に位置し、その間にアセンブリのうちの１つまたは複数のばねが位置する固定ベース・プレートと並進可能キャプティベイティング・プレートとを含む。シャフトはばねの中心を通って水平に延び、シャフトの第１の端部はキャプティベイティング・プレートに付着し、第２の端部はリンク機構アセンブリと係合する。後者のアセンブリは、レバー・アームと、第１、第２、および第３のピンと、スロット付き軸受とを含む。第１のピンは、レバー・アームの一方の端部に回転式に取り付けられ、関連部材の端部に接続される。第２のピンは、レバー・アームのピボット点として機能し、ベース・フレームに回転式に取り付けられる。第３のピンは、レバー・アームの第２の端部に回転式に取り付けられ、スロット付き軸受のスロット内に位置する。次に、軸受は、ばねアセンブリにおけるシャフトの第２の端部と係合する。
【００１８】
この構成により、ばねアセンブリの１つまたは複数のばねの水平並進運動は、キャプティベイティング・プレートに伝えられ、キャプティベイティング・プレートからばねアセンブリのシャフトに伝えられる。次に、シャフトの水平並進運動は、シャフトによって軸受に伝えられ、軸受から第３のピンに伝えられる。これにより、そのピンは、第２のピンの周りを回るレバー・アームの回転によって、水平並進運動と直交方向の並進すなわち垂直並進運動の両方を受ける。次に、これらの並進運動は、レバーの第１の端部にある第１のピンに伝えられる。次に、これにより、これに関連する部材が垂直並進運動を受け、その並進運動が燃料電池スタック上の所望の圧縮力を維持することになる。
【００１９】
本発明の他の態様では、燃料電池スタック上の圧縮荷重の所望の非線形低減を実現するために、異なる長さの複数の同心ばねをばねアセンブリで使用する。
【００２０】
本発明の上記その他の特徴および態様は、添付図面に関連して以下の詳細な説明を読めば、より明らかになるだろう。
【００２１】
（詳細な説明）
図１は、端板２および３を有する燃料電池スタック１を示しており、その端板間に燃料電池スタックを構成する燃料電池４が積み重ねられている。燃料電池スタックにガスを供給したり、燃料電池スタックからガスを抜き取るために、１つまたは複数のマニホルド５が設けられている。通常、燃料電池スタック１は、たとえば溶融炭素塩または固体酸化物形システムなどの高温システムにすることができる。
【００２２】
スタック１の燃料電池４を密接に接触した状態に維持するために、本発明の原理に従った燃料電池スタック圧縮システム１１が提供される。より具体的には、圧縮システム１１により、スタックの幾何形状、特に、スタックの垂直高さまたは長さの変化に対処するように、スタックの寿命の間、端板２と３の間のスタックに圧縮力が供給される。
【００２３】
図示の通り、圧縮システム１１は、上部端板２の両端部をつなぐ剛性タイ・バー１２および１３を含む。図１では、剛性タイ・バー１３は同図で剛性タイ・バー１２の後ろに位置するので、剛性タイ・バー１２のみが観察可能である。各剛性タイ・バーの各端部には、第１の端板２から第２の端板３にスタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドの形をした接続部材が接続されている。図１では、剛性タイ・バー１２の両端部に接続された剛性タイ・ロッド１４および１５のみが見える状態になっており、同じく剛性タイ・バー１３の両端部に接続された剛性タイ・ロッド１６および１７は同図では見えない状態になっている。
【００２４】
本発明の原理によれば、圧縮システム１１は、スタック１の第２の端板３に隣接して剛性タイ・ロッド１４〜１７の両端部に位置する結合メカニズム２１をさらに含む。結合メカニズム２１は、すべて同様の構成であり、タイ・ロッド１４〜１７およびタイ・バー１２〜１３を介してスタックに加えられる力によりスタック１上で所望の圧縮力を維持するように適合されている。
【００２５】
図１に示し、図２により詳細に示すように、各結合メカニズムは、第２の端板３の下に位置するばねアセンブリ２２と、ばねアセンブリ２２を関連タイ・ロッドの端部にリンクする機械的リンク機構アセンブリ２３とを含む。本発明によれば、各ばねアセンブリ２２とそれに関連する機械的リンク機構アセンブリ２３の組合せは、ばねアセンブリによってもたらされる並進移動（運動）をばねアセンブリを回転させることなく、スタック１の第１の端板２と第２の端板３との間の関連タイ・ロッドの移動に変換させるように適合されている。特に、ばねアセンブリによる水平移動はこのようにして関連タイ・ロッドの垂直移動に変換され、それにより、スタックの両端板間で所望の圧縮力を維持する。
【００２６】
図２により明確に示すように、各ばねアセンブリ２２は、燃料電池スタック１の下に堅く取り付けられたベース・プレート３１を含む。一連の同心並行ばね３２、３３、３４として図２に示す１つまたは複数のばねは、それぞれのばねの第１の端部がベース・プレート３１に隣接するように配置されている。その場合、これらのばねは、第２のキャプティベイティング・プレート３５に向かって延び、その第２の端部がこのプレートに隣接している。シャフト３６は、ばね３２〜３４の中心軸に沿って経路が定められている。そのシャフトの一方の端部３６ａは、キャプティベイティング・プレート３５のアパーチャ３５ａを通過し、ナット３７によってそのプレートに保持されている。そのシャフトのもう一方の端部３６ｂは、ベース・プレート３１のアパーチャ３１ａを通過し、機械的リンク機構アセンブリ２３に接続する。ばねアセンブリ２２のこの構成により、アセンブリの１つまたは複数のばねは、燃料電池スタックの初期状態のときに圧縮状態にすることができ、その後、スタックの幾何形状が変化するときに拡張して必要な水平並進移動を提供し、次に関連タイ・ロッドの必要な垂直並進移動を提供して、このような変化に対処することができる。
【００２７】
図２の本実施形態では、ばねアセンブリ２２の最も外側の２つのばね３３〜３４はコイルばねである。次に、最も内側のばね３２は、スペーサ・ディスク３８によりベース・プレート３１から間隔を空けたベルヴィル・ディスクのスタックを含む。このディスクと、キャプティベイティング・プレート３５に位置する対応スペーサ・ディスク３９の厚さは、シャフト３６のストローク内の所定の点でベルヴィル・ディスクが圧縮され始めるように選択されている。また、ディスクは、コイルばね３３〜３４をシャフトの軸に沿って適切に位置決めする働きをする。さらに、スペーサとベルヴィル・ディスクの組合せにより、ベルヴィル・ディスクが完全に平らになったときに、ばねアセンブリ内部でシャフト３５を決定的に停止することができる。この特徴は燃料電池スタックの初期圧縮時に重要であり、外部停止メカニズムの必要性もばねの降伏もなしで非常に高い圧力をスタックに加えることができる。
【００２８】
前述の通り、各ばねアセンブリ２２の水平移動は、関連リンク機構アセンブリ２３を介して関連タイ・ロッドへの垂直移動として結合される。図２に示すように、各リンク機構アセンブリ２３は、剛性レバー・アーム４１と、３本のピン４２、４３、４４とを含む。第１のピン４２は、レバー４１の第１の端部４１ａで回転式に取り付けられ、関連タイ・ロッドを据え付けるための据付け領域４５ａを有するブロック４５に接続する。第２のピン４３は、ベース・プレート３１に接続されたベース・フレーム４６に取り付けられる。レバー・アーム４１はその中心領域４１ｂでレバー・アームのピボット点として作用するピン４３に回転式に取り付けられる。第３のピン４４は、レバー・アーム４１の第２の端部４１ｃで回転式に取り付けられ、ばねアセンブリ２２のシャフト３６の並進移動をレバー・アーム４１に伝達するために使用する。
【００２９】
お分かりのように、ピン４２と４４は、ピン４３から有限の距離を置いて配置されている。その結果、ピン４２とピン４４は、ピン４２の周りの円弧状経路内を移動することになる。この円弧状経路の結果である水平および垂直並進に対処するため、レバー・アーム４１を関連タイ・ロッドに接続する前述のブロック４５は回転できるようになっている。この結果、スタック表面に対するタイ・ロッドのわずかな角度変化が発生する。タイ・ロッドは長くなる傾向があるので、通常、ロッドの角度変化は小さく、その結果、達成されるスタック荷重に対する影響は非常に小さいものになる。
【００３０】
明らかなように、ばねアセンブリ２２のシャフト３６の移動はピン４４を介してレバー・アーム４１に結合される。ベース・プレート３１が固定されていることによりシャフトの移動が水平並進に制限され、レバー・アーム４１が回転するときにその円弧状回転によりピン４４が水平並進と垂直並進の両方を被るので、このような異なるタイプの移動に対処するために、機械的リンク機構アセンブリ２３には、シャフト３６をピン４４に結合するための滑り軸受４７がさらに設けられている。
【００３１】
より具体的には、図２に示すように、軸受４７は、その軸受がシャフトの水平移動によって水平に推進されるように、シャフト３６の第２の端部３６ｂを受け入れるねじ穴４７ａを有する。また、この軸受は、機械的リンク機構アセンブリのピン４４を受け入れる中心スロット４７ｂも含む。その結果、軸受４７が水平に移動すると、ピン４４は、スロット４７ｂ内で垂直にスライドしながら、軸受とともに水平に移動する。したがって、ピン４４は、レバー・アーム４１によるピンの回転の結果としてピンが辿る円弧状経路に対処するように、水平移動と垂直移動を被ることができるようになっている。
【００３２】
スロット４７ｂ内でのピン４４の円滑なスライドを容易にするため、ピン表面とスロット表面を磨いて硬化し、両者間の摩擦を低減することができる。別法として、玉軸受またはころ軸受を使用してスロット４７ｂ内にピン４４を取り付けることができ、それにより、ピンはレバー・アーム内で回転し、スロットに対して転がることができるようになる。もう１つのピン構成としては、接触圧力を低減し、結合の見込みを低減するようにスロットと接触する平らな部分を備えたピンが考えられる。ピン４４とスロット４７ｂとの滑り摩擦をさらに低減することは、ピンおよび／またはスロットに潤滑剤または潤滑コーティングを使用することにより、容易に達成できるだろう。
【００３３】
図４Ａ〜４Ｃは、ピン４４に使用可能な上記その他のピン構成の一部を示している。図４Ａのピン４４は円形構成のものである。図４Ｂのピン４４は四角形の構成を有し、図４Ｃのピン４４は半四角形の構成を有する。
【００３４】
圧縮システム１１の動作は図３Ａ〜３Ｃを参照することによって理解することができ、これらの図には燃料電池スタック１の動作時のリンク機構アセンブリ２３の様々な位置を示している。図３Ａは、スタックが動作中になっているときのリンク機構アセンブリの位置を示している。この時点で圧縮システム１１のばねアセンブリ２２は、圧縮システムが最大圧縮を受けるように完全に圧縮されている。したがって、レバー・アーム４１は、その端部４１ａとピン４２が最高垂直位置になるように完全に回転されている。これによりブロック４５とタイ・ロッド１４〜１７もそれぞれの最高上方位置に置かれ、それにより、タイ・バー１２および１３を介してスタックの端板２および３上に必要な圧縮力が発生する。この時点でピン４４は、それぞれの最も外側の水平位置になり、その円弧状経路５１内の最高垂直位置になる。
【００３５】
図３Ｂは、スタックが動作中になり、圧縮システム１１が半圧縮を受ける点までスタックの幾何形状すなわち高さが低減された後のリンク機構を示している。この時点でレバー・アーム４１は、端部４１ａとピン４２がそれぞれの最高垂直位置の半分になるように、半回転した位置にある。これによりブロック４５とタイ・ロッド１４〜１７はそれぞれの最大垂直位置の半分に置かれ、それにより、スタックの高さを低減してスタック端部上で必要な圧縮力を維持する。この場合、ピン４４は、その中央水平位置まで水平に移動し、その円弧状経路５１内の最低垂直位置まで移動している。
【００３６】
最後に、図３Ｃは、ほとんどないが、スタックの追加収縮が予想され、圧縮システムがまったく圧縮を受けない場合にスタックが、ある動作状態に到達した後のリンク機構アセンブリを示している。この時点でレバー・アーム４１は、その端部４１ａとピン４２がそれぞれの最低垂直位置になる位置まで移動している。これによりブロック４５とタイ・ロッド１４〜１７はそれぞれの最低垂直位置に置かれ、それにより、同じくスタックの高さを低減してスタック端板上で必要な圧縮力を維持する。この時点でピン４４は、その最も内側の位置まで水平に移動し、その円弧状経路５１内の最高位置まで垂直に移動している。
【００３７】
お分かりのように、本発明の圧縮システム１１により、スタック上で所望の圧縮力を維持しながら、スタック１の収縮に対処する。これは、スタックの端板２の下に位置することができるが回転する必要がない、ばねアセンブリによって遂行される。その結果、これらのアセンブリに必要な空間と、アセンブリの複雑さは大幅に削減される。このため、全体的により小型でより安価なシステムが提供される。
【００３８】
図１および図２の圧縮システム１１のばねアセンブリ２２は３つの同心ばねを使用するものとして示されているが、１つまたは複数のばねのうちの任意の数のばねを使用して、各ばねアセンブリごとに所望の荷重たわみ特性を生成してもよい。さらに、本発明は、ばねアセンブリ用のコイルばねおよびベルヴィル・ディスク・パックとともに示されているが、１つまたは複数のばねとして、圧縮状態にすることができる他のどの弾性部材を使用してもよい。
【００３９】
また、機械的リンク機構アセンブリ２３は例示したアセンブリ以外のものにすることができることに留意されたい。代替構成としては、ラック・アンド・ピニオン式ギア・セット、ケーブル・プーリ・システム、またはばねアセンブリの回転なしにばねアセンブリの水平移動を垂直移動に転送可能な他のメカニズムを含む。
【００４０】
本発明の他の態様では、図２に示すように、ばねアセンブリの同心ばね３２〜３４は、それが収縮するときに燃料電池スタック１上の荷重または圧縮力が非線形に減少するように１つまたは複数のスプリングが様々な長さまたは異なる長さを有するように形成されている。図示の事例では、ベルヴィル・ディスク・パック３２は、コイルばね３３および３４より長さが短いものになっている。これは、長期にわたる全スタック収縮を最小限にしながら、スタックの寿命の初期においては良好な圧密圧力を提供するために有利である。
【００４１】
図５は、同心ばね３２〜３４により達成可能な１つのスタック荷重プロファイルを示すグラフである。図５の荷重プロファイルでは、スタック寿命の始めに高い荷重が加えられ、この荷重はスタックが収縮するときに非線形に減少する。
【００４２】
より具体的には、荷重曲線のセクションａは、図１の圧縮システムのばねアセンブリのベルヴィル・ディスク・パック３２が完全に平らになるかまたは圧縮されている点を表している。荷重曲線のセクションｂは、ばねアセンブリのコイルばね３３〜３４とベルヴィル・ディスク・パック３２の両方が一緒に並行して機能し、部分圧縮状態になっているときに達成される。荷重曲線のセクションｃは、ベルヴィル・ディスク・パック３２がもはや圧縮されず、コイルばね３３〜３４のみが部分的に圧縮されて力または荷重を加えているときに達成される。
【００４３】
いずれの場合でも、上記の配置は、本発明の応用例を表す多くの可能な具体的実施形態を例示するものにすぎないことは言うまでもないことである。本発明の精神および範囲を逸脱せずに本発明の原理により他にも多数の様々な配置を容易に考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の原理による燃料電池スタック圧縮システムを使用する燃料電池スタックの正面図である。
【図２】
図１に示す燃料電池スタック圧縮システムのばねアセンブリと機械的リンク機構アセンブリの等角断面図である。
【図３Ａ】、
【図３Ｂ】、
【図３Ｃ】図３Ａ〜３Ｃは、図１の燃料電池スタック圧縮システムの機械的リンク機構アセンブリの概略図であり、完全圧縮状態、半圧縮状態、非圧縮状態をそれぞれ示す図である。
【図４Ａ】、
【図４Ｂ】、
【図４Ｃ】
図４Ａ〜４Ｃは、図１の燃料電池スタック圧縮システムの機械的リンク機構アセンブリのスロット付き軸受とピンに使用可能な各種構成の概略図である。
【図５】
図１の燃料電池スタック圧縮システムにより達成可能な１つのスタック荷重プロファイルを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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2004508671.tif 000032
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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月23日(2002.9.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図２の本実施形態では、ばねアセンブリ２２の最も外側の２つのばね３３〜３４はコイルばねである。次に、最も内側のばね３２は、スペーサ・ディスク３８によりベース・プレート３１から間隔を空けたベルヴィル・ディスクのスタックを含む。このディスクと、キャプティベイティング・プレート３５に位置する対応スペーサ・ディスク３９の厚さは、シャフト３６のストローク内の所定の点でベルヴィル・ディスクが圧縮され始めるように選択されている。また、ディスクは、コイルばね３３〜３４をシャフトの軸に沿って適切に位置決めする働きをする。さらに、スペーサとベルヴィル・ディスクの組合せにより、ベルヴィル・ディスクが完全に平らになったときに、ばねアセンブリ内部でシャフト３６を決定的に停止することができる。この特徴は燃料電池スタックの初期圧縮時に重要であり、外部停止メカニズムの必要性もばねの降伏もなしで非常に高い圧力をスタックに加えることができる。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
お分かりのように、ピン４２と４４は、ピン４３から有限の距離を置いて配置されている。その結果、ピン４２とピン４４は、ピン４３の周りの円弧状経路内を移動することになる。この円弧状経路の結果である水平および垂直並進に対処するため、レバー・アーム４１を関連タイ・ロッドに接続する前述のブロック４５は回転できるようになっている。この結果、スタック表面に対するタイ・ロッドのわずかな角度変化が発生する。タイ・ロッドは長くなる傾向があるので、通常、ロッドの角度変化は小さく、その結果、達成されるスタック荷重に対する影響は非常に小さいものになる。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックに圧縮力を加えるための圧縮システムにおいて、前記圧縮システムは、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延伸された１つまたは複数の部材と、
前記燃料電池スタックの第２の端部に隣接して配置された一以上の結合メカニズムと、を含み、
前記結合メカニズムのそれぞれは、前記１つまたは複数の部材のうちのひとつと結合しており、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを有し、該ばねアセンブリと該リンク機構アセンブリは、該ばねアセンブリを回転させることなく前記第１および第２の端部間で、該ばねアセンブリによって提供される並進移動を、前記１つまたは複数の部材のうちの関連する部材についての、前記並進移動に対して横切る方向の移動に変換するよう適合しており、前記関連する部材には前記結合メカニズムが結合されている圧縮システム。
【請求項２】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、水平並進移動を提供するように適合しており、
前記リンク機構アセンブリのそれぞれは、レバー・アームと；第１、第２、および第３のピンと、スロットを有する軸受とを含み、
前記第１のピンは前記レバー・アームの一方の端部に付着するとともに、前記リンク機構アセンブリに関連する部材の端部に接続され、前記第２のピンは前記レバー・アームのピボット点として機能し、前記第３のピンは前記レバー・アームの第２の端部に取り付けられるとともに前記軸受の前記スロット内に配置され、前記軸受は、前記ばねアセンブリの前記水平並進移動に応答して該軸受が水平に移動するよう前記ばねアセンブリと係合する請求項１に記載の圧縮システム。
【請求項３】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端部に対向するように水平に位置するとともに、固定ベース・プレートと；該固定ベース・プレートから間隔を空けたキャプティベイティング・プレートと；前記ベース・プレートと前記キャプティベイティング・プレートとの間に位置する１つまたは複数のばねと；該ばねの中心を通って水平に延びるシャフトとを含み、該シャフトは、該シャフトの第１の端部が前記キャプティベイティング・プレートに付着し、該シャフトの第２の端部が前記リンク機構アセンブリと係合しており、
前記リンク機構アセンブリのそれぞれの軸受は、前記リンク機構アセンブリに関連するばねアセンブリに含まれたシャフトの第２の端部と係合し、前記ばねアセンブリは前記リンク機構アセンブリを含む前記結合メカニズムに含まれている請求項１に記載の圧縮システム。
【請求項４】
前記リンク機構アセンブリのそれぞれは、前記第１のピンに接続され、前記関連する部材の端部を据え付ける据付けブロックと；前記ベース・プレートに隣接し、前記第２のピンが取り付けられ、前記レバー・アームのアパーチャを通って延伸されたベース・フレームとをさらに含む、請求項３に記載の圧縮システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックの第１および第２の端部に配置された第１および第２の端板を含み、
前記圧縮システムは、前記第１の端板を横切って延びる１つまたは複数の剛性タイ・バーをさらに含み、
前記１つまたは複数の部材のそれぞれは、前記剛性タイ・バーに接続され、前記燃料電池スタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドであり、
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端板の下に配置される、請求項４に記載の圧縮システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックの前記第１および第２の端部に配置された第１および第２の端板を含み、
前記圧縮システムは、前記第１の端板を横切って延びる１つまたは複数の剛性タイ・バーをさらに含み、
前記１つまたは複数の部材のそれぞれが、前記剛性タイ・バーに接続され、前記燃料電池スタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドであり、
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端板に対向するように配置される、請求項３に記載の圧縮システム。
【請求項７】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、複数の同心ばねを含む、請求項６に記載の圧縮システム。
【請求項８】
前記複数の同心ばねのうちの少なくとも２つは、圧縮されていない状態において、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに加えるために異なる長さになっている、請求項７に記載の圧縮システム。
【請求項９】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、ベルヴィル・ディスク・パックの形をした内部ばねと、中央コイルばねと、外部コイルばねとを含む、請求項７に記載の圧縮システム。
【請求項１０】
前記ベルヴィル・ディスク・パックは、前記中央および外部コイルばねより長さが短い、請求項９に記載の圧縮システム。
【請求項１１】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記ばねの永久たわみを防止するために前記シャフトの１以上の端部に配置された１つまたは複数の停止部材を含む、請求項９に記載の圧縮システム。
【請求項１２】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記ばねの永久たわみを防止するために前記シャフトの１つまたは複数の端部に配置された１つまたは複数の停止部材を含む、請求項３に記載の圧縮システム。
【請求項１３】
前記ばねアセンブリは複数のばねを含み、該複数のばねのうちの少なくとも２つは、圧縮されていない状態において、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項１２に記載の圧縮システム。
【請求項１４】
前記ばねアセンブリは複数のばねを含み、該複数のばねのうちの少なくとも２つは、圧縮されていない状態において、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項３に記載の圧縮システム。
【請求項１５】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、１つまたは複数のばねと；該ばねの永久たわみを防止するために配置された１つまたは複数の停止部材とを含む、請求項２に記載の圧縮システム。
【請求項１６】
前記ばねアセンブリは複数のばねを含み、該複数のばねのうちの少なくとも２つは、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項１５に記載の圧縮システム。
【請求項１７】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、複数のばねを含み、該複数のばねの少なくとも２つは、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために異なる長さになっている、請求項２に記載の圧縮システム。
【請求項１８】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックに圧縮力を供給するための圧縮システムにおいて、前記圧縮システムは、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と、
前記第２の端部に隣接して配置される一以上の結合メカニズムとを含み、前記結合メカニズムのそれぞれは、前記１つまたは複数の部材の１つと結合し、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを含み、該ばねアセンブリと該リンク機構アセンブリは、前記第１および第２の端部間で、該ばねアセンブリによって提供される並進移動を、前記関連する部材についての、前記並進移動に対して横切る方向の移動に変換するよう適合し、前記関連する部材には前記結合メカニズムが結合され、該ばねアセンブリは、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するために圧縮されていない状態において長さの異なる複数の同心ばねを含む、圧縮システム。
【請求項１９】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記ばねの永久たわみを防止するために配置された１つまたは複数の停止部材を含む、請求項１８に記載の圧縮システム。
【請求項２０】
前記ばねアセンブリのそれぞれは、ベルヴィル・ディスク・パックの形をした内部ばねと、中央コイルばねと、外部コイルばねとを含む、請求項１８に記載の圧縮システム。
【請求項２１】
圧縮されていない状態における前記ベルヴィル・ディスク・パックは、圧縮されていない状態における前記中央および外部コイルばねより長さが短い、請求項２０に記載の圧縮システム。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックの前記第１および第２の端部に配置された第１および第２の端板を含み、
前記圧縮システムは、前記第１の端板を横切って延びる１つまたは複数の剛性タイ・バーをさらに含み、
前記１つまたは複数の部材のそれぞれは、前記剛性タイ・バーに接続され、前記燃料電池スタックの表面に沿って延びる剛性タイ・ロッドであり、
前記ばねアセンブリのそれぞれは、前記第２の端板に対向して配置される、請求項１８に記載の圧縮システム。
【請求項２３】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックと、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と；前記第２の端部に隣接して位置する一以上の結合メカニズムとを含み、前記結合メカニズムのそれぞれは、前記１つまたは複数の部材のうちのひとつと結合し、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを含み、該ばねアセンブリとリンク機構アセンブリは、該ばねアセンブリによって提供される並進運動を、ばねアセンブリの回転させることなく前記第１および第２の端部間で、前記１つまたは複数の部材のうちの関連する部材についての、前記並進移動に対して横切る方向の運動に変換するようともに適合し、前記関連する部材には前記結合メカニズムが結合されている圧縮システムとを含む、燃料電池システム。
【請求項２４】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックと、
それぞれ前記燃料電池スタックの第１の端部に接続され、前記燃料電池スタックの第２の端部まで延びる１つまたは複数の部材と、
前記第２の端部に隣接して配置される一以上の結合メカニズムとを含み、前記結合メカニズムのそれぞれは、前記１つまたは複数の部材の１つと結合し、ばねアセンブリとリンク機構アセンブリとを含み、該ばねアセンブリと該リンク機構アセンブリは、前記第１および第２の端部間で、該ばねアセンブリによって提供される並進移動を、前記１つまたは複数の部材のうちの関連する部材について、前記並進移動に対して横切る方向の移動に変換するよう適合し、前記関連する部材には前記結合メカニズムが結合され、該ばねアセンブリは、非線形に減少する荷重を前記燃料電池スタックに提供するため圧縮されていない状態において長さの異なる複数の同心ばねを含む圧縮システムとを有する、燃料電池システム。
【国際調査報告】
2004508671.tif 000034
2004508671.tif 000035