(57)【要約】複数の側面を有する燃料電池スタックにおいて使用されるマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリであって、該アセンブリは、複数の支持フレームアセンブリ（４１）と、複数の被支持フレームアセンブリ（４２）と、複数のマニホールド（８１、８３）とを含み、少なくとも一つのフレームアセンブリは、前記燃料スタックの所定の側面に隣接して配置されており、一つの側面に隣接した前記燃料スタックの側面に対して前記フレームアセンブリの一部を接触させるように支持する。また、前記一つの支持フレームアセンブリに接したマニホールドと、被支持フレームアセンブリに接したマニホールドとは相互にシーリングするように係合している。
2004522263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の側面を有する燃料電池スタックに用いられるマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリであって、
前記燃料電池スタックの側面にそれぞれ隣接して配置された複数のフレームアセンブリと、
フレームアセンブリに隣接してそれぞれ配置された複数のマニホールドと
を含み、
一以上の前記フレームアセンブリは、支持フレームアセンブリであり、一以上の前記フレームアセンブリは、被支持フレームアセンブリであり、各支持フレームアセンブリは、支持フレームアセンブリと面した前記燃料電池スタックの側面の隣接側面に面した被支持フレームアセンブリの一部を支持するマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項２】
支持フレームアセンブリに接した前記マニホールドと、前記支持フレームアセンブリによって支持される被支持フレームアセンブリに接した前記マニホールドとは、前記支持が行なわれている領域において相互にシーリング係合を成す、請求項１に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項３】
各支持フレームアセンブリは、一以上の垂直部材を備え、各垂直部材は、前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺に隣接して配置されており、前記支持フレームアセンブリによって支持された被支持フレームの一部を支持している、請求項２に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項４】
各被支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの関連側面の上側端部に隣接して配置された上側水平部材と、該関連側面の下側端部に隣接して配置された下側水平部材とを備え、支持フレームアセンブリの前記垂直部材のそれぞれは、該支持フレームアセンブリによって支持される被支持フレームアセンブリの上側水平部材を支持する上側端部と、該被支持フレームアセンブリの下側水平部材を支持する下側端部とを有している、請求項３に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項５】
支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの関連側面の上側端部に隣接して配置された上側水平部材と、該関連側面の下側端部に隣接して配置された下側水平部材とを含み、各支持フレームの前記垂直部材の上側端部と下側端部は、それぞれ前記支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材とを支持する、請求項４に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項６】
前記垂直部材のそれぞれの上側端部と下側端部は前記燃料電池スタックの関連側面に沿って延伸した第１の部分と、前記燃料電池スタック関連側面の前記垂直辺を越えて終端する第２の部分とを有し、前記第１の部分のそれぞれは、該第１の部分を含む支持フレームアセンブリの水平部分を支持し、前記第２の部分それぞれは、該第２の部分を有する支持フレームアセンブリによって支持される被支持フレームアセンブリの水平部材を支持する、請求項５に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項７】
前記第１の部分のそれぞれと、前記第２の部分のそれぞれは、溝を有し、
上側水平部材と下側水平部材は、該部材の端部に溝を有し、各上側水平部材と下側水平部材のそれぞれの前記溝は、該水平部材を支持している前記第１の部分と第２の部分のいずれか一つの溝と位置合わせされており、前記マニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリにはさらに、前記位置合わせされた所定の溝の組にそれぞれ挿入される鍵を含む、請求項６に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項８】
前記垂直部材のそれぞれは、前記上側端部と下側端部とをそれぞれ有する上側部位と下側部位とを有する、請求項７に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項９】
前記上側部位と下側部位は、位置合わせ溝を含む接合端部を有し、
前記マニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリはさらに前記上側部位と下側部位の前記位置合わせ溝にそれぞれ挿入される鍵を含む、請求項８に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１０】
第１の支持フレームアセンブリと第２の支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの前記関連側面の垂直辺の反対に隣接して配置された第１及び第２の垂直部材を有する、請求項９に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの対向側面に面している、請求項１０に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１２】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの前記関連側面の垂直辺の反対に隣接して配置された第１及び第２の垂直部材を有している、請求項１１に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１３】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリのそれぞれは、第４の被支持フレームアセンブリの一部を支持する、請求項１０に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の被支持フレームアセンブリと前記第２の被支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの第１及び第２の対向側面に面し、
前記第３の被支持フレームアセンブリと前記第４の被支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの第３及び第４の対向側面に面している、請求項１２に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１５】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリはそれぞれ、前記燃料電池スタックの前記関連側面の垂直辺の反対に隣接して配置された第１及び第２の垂直部材を有している、請求項１３に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１６】
支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域は、関連フレームアセンブリの垂直部材に隣接した垂直辺のそれぞれに沿って、前記燃料電池スタックの関連側面の対応する垂直辺を超えて延伸した垂直延伸部を有し、
被支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央の領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域の垂直部位が支持フレームアセンブリに隣接したマニホールドの垂直延伸部に延伸するよう、該中央領域が、前記燃料電池スタック関連側面の辺を超えて延伸している、請求項６に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１７】
支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域は、関連フレームアセンブリの垂直部材に隣接した垂直辺のそれぞれに沿って、前記燃料電池スタックの関連側面の対応する垂直辺を超えて延伸した垂直延伸部を有し、
被支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央の領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域の垂直部位が支持フレームアセンブリに隣接したマニホールドの垂直延伸部に延伸するよう、該中央領域が、前記燃料電池スタック関連側面の辺を超えて延伸している、請求項３に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１８】
複数の第１のガスケットと、複数の第２のガスケットとをさらに含み、
前記第１のガスケットはそれぞれ、前記燃料電池スタックの関連側面とフレームアセンブリとの間に配置され、
前記第２のガスケットはそれぞれ、前記関連マニホールドとフレームアセンブリとの間に配置されている、請求項１７に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１９】
前記関連マニホールドとフレームアセンブリとの間に配置されている第２のガスケットのそれぞれは、マニホールドの前記フランジ領域の前記垂直部位と関連マニホールドの隣接した垂直延伸部との間に延伸している、請求項１８に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項２０】
燃料電池スタックの側面に隣接し、前記燃料電池スタックの隣接側面に面した一以上の被支持フレームアセンブリを支持する支持フレームアセンブリと隣接した関係で使用されるマニホールドであって、
中央領域と、
前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺を越えて延伸し、被支持フレームに面したマニホールドと係合する延伸部を有する、前記中央領域から延伸したフランジ領域と
を含むマニホールド。
【請求項２１】
前記支持フレームアセンブリは第１の被支持フレームアセンブリと第２の被支持フレームアセンブリとを支持し、
前記フランジ領域は、前記第１の被支持フレームアセンブリに面した第１のマニホールドと、前記第２の被支持フレームアセンブリに面した第２のマニホールドとを係合させる、前記関連側面の反対側の垂直辺を越えて延伸する延伸部を有する、請求項２０に記載のマニホールド。
【請求項２２】
燃料電池スタックの側面に隣接した一以上の支持フレームアセンブリによって支持され、該燃料電池スタックの側面に面した被支持フレームアセンブリと隣接した関係で使用されるマニホールドであって、
中央領域と、
前記フランジ領域から延伸したフランジ領域とを含み、
前記中央領域は、支持フレームアセンブリに面したマニホールドの延伸部に前記フランジ領域が係合するよう、前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺を越えて延伸している、マニホールド。
【請求項２３】
前記被支持フレームアセンブリは、第１の支持フレームアセンブリと第２の支持フレームアセンブリとにより支持され、
前記中央領域は、前記第１の支持フレームアセンブリに面した第１のマニホールドの延伸部と、前記第２の支持フレームアセンブリに面した第２のマニホールドの延伸部とに前記フランジ領域を係合させるよう、前記関連側面の反対側の垂直辺を越えて延伸している、請求項２２に記載のマニホールド。
【請求項２４】
燃料電池システムであって、
複数の側面を有した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック用のマニホール及びシーリングアセンブリであって、前記燃料電池スタックの側面にそれぞれ隣接して配置された複数のフレームアセンブリと、フレームアセンブリにそれぞれ隣接して配置された複数のマニホールドとを含み、
一以上の前記複数のフレームアセンブリは支持フレームアセンブリであり、一以上の前記複数のフレームアセンブリは被支持フレームアセンブリであり、各支持フレームアセンブリは、前記支持フレームアセンブリに面した前記燃料電池スタックの側面に隣接している前記燃料電池スタックの側面に面した被支持フレームアセンブリの一部を支持している、燃料電池システム。
【請求項２５】
支持フレームアセンブリに隣接している前記マニホールドと、前記支持フレームアセンブリによって支持された前記被支持フレームアセンブリに隣接しているマニホールドとは、相互に前記支持を行なう領域において、シーリング係合として機能する、請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記燃料電池スタックは、バイポーラ板を有した複数の燃料電池アセンブリを備え、前記バイポーラ板は、前記支持フレームアセンブリに面した前記燃料電池スタックの側面として定義される部分にフラップ域を有し、前記被支持フレームアセンブリに面した前記燃料電池スタックの側面として定義される部分にはフラップ域が欠如している、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、とりわけ、当該燃料電池システムのように、燃料電池スタックとともに使用されるマニホールドアセンブリに関連する。
【背景技術】
【０００２】
現在の燃料電池システムでは、システムの燃料電池スタックに燃料を供給したり、該スタックから酸化剤ガスを排出したりするためにマニホールドが使用されている。いくつかのケースでは、エンクロージャの中にスタックが収納されており、このエンクロージャがガスのマニホールドとして機能している。そのような構成では、システムの他のガスを給気したり排気したりする他のマニホールドが、最低でも３つ必要となる。他のケースでは、エンクロージャがマニホールドとして機能しないものもあり、その場合は、最低でも４つのマニホールドが必要となる。
【０００３】
このタイプのシステムでは、スタックに対してマニホールドを押圧することが慣習となっている。スタック押圧システムの一例としては、例えば、本願と同一の譲受人により２０００年８月３１日付けで出願された同時継続中の米国特許出願第０９／６５１，９２１号がある。このタイプのシステムでは、従来、システムの外部マニホールドにマニホールド・シール・アセンブリが用いられていた。典型的なシールアセンブリは、例えば、米国特許第４，４６７，０１８号に開示されている。
【０００４】
図１は、４つのマニホールドを採用した典型的な燃料電池スタック１を示している。図示されているように、スタック１には、それぞれ交互に積層された複数の燃料電池アセンブリ１１Ａと電解質マトリックス１１Ｂとが含まれている。これら各構成要素は、複数の反応ガスがスタック１内において交差して通流するように構成されている。より具体的には、燃料ガスと酸化剤ガスとが、それぞれアノード給気マニホールド２Ａとカソード給気マニホールド３Ａへと流入し、そこから積層された電池アセンブル内を通過するようにして流れていく。使用後の燃料ガスと酸化剤ガスとが、燃料電池アセンブリからアノード排気マニホールド２Ｂとカソード排気マニホールド３Ｂとを経由して抽出される。また、マニホールド・シール・アセンブリ４は、マニホールド２Ａ、３Ａ、２Ｂおよび３Ｂとスタック１との間に設置され、これらの間のシールとして機能する。
【０００５】
とりわけ、図２に示されているように、燃料電池アセンブリ１１のそれぞれには、カソード電極１２、波上のカソード集電体１３、バイポーラ・プレート１４、波上のアノード集電体１５、及びアノード電極１６が含まれている。バイポーラ・プレート１４には、端部フラップ１４Ａが各端部に設けられており、これにより、米国特許第５，７７３，１６１号、米国特許第５，３９９，４３８号、及び米国特許第４，５１４，４７５号において議論されているような平坦なシーリング面が提供される。
【０００６】
これらの複数の平坦な面が協働して、スタック１の平坦かつ垂直な周縁領域１Ａを形成する一方で、端部プレート６は、スタック１に対し、平坦かつ水平な周縁領域１Ｂを形成している。これらの平坦な周縁領域に対して、アノードマニホールドとカソードマニホールド２Ａ、２Ｂ、３Ａ、及び３Ｂがシールされる。各々のマニホールド・シール・アセンブリ４は、スタック側の圧縮可能なガスケット４Ａと、絶縁体フレームアセンブリ４Ｂと、マニホールド側の圧縮可能なガスケット４Ｃとを備え、対応するマニホールドの一つに対して向かい合っている。これらの構成要素によって、各シールアセンブリは、シール機能を提供するだけでなく、スタックの最上側から底部へと電解質が移動してしまうのを制限し、電解質がスタックから絶縁体フレームアセンブリを横切ってマニホールドへと移動してしまうことも制限しつつ、スタックとマニホールド間の差動的な移動については可能にしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
とりわけ、各ガスケット４Ａにより、燃料電池アセンブリ１１のバイポーラ・プレート１４と、絶縁体フレームアセンブリ４Ｂとの間にシールが施される。さらに、ガスケット４Ａは、スタックの陽極端から負極端へと電解質が流出してまうといった好ましくない事態を防止できるように適合している。この電解質の移動を制止できない場合は、燃料電池がスタックの負極端において漏れだし、陽極端から電解質のセルが消耗してしまう。このようなガスケット４Ａの適合方法については、例えば、米国特許第４，５９１，５３８号、米国特許第４，６４３，９５４号、米国特許第４，７６１，３４８号、及び米国特許第５，１１０，６９２号において開示されている。これらの方法は、電解質の移動を減少させるものであるが、全ての移動を完全に取り除くことができず、しかも燃料電池スタック１のコストを増大させてしまう。
【０００８】
絶縁体フレームアセンブリ４Ｂにより、スタック１と、関連金属マニホールドとの間に、電気的なアイソレーションが施される。図１に示されているように、典型的なフレームアセンブリには、水平部材５Ａと垂直部材５Ｂが含まれているが、これらは、ジョイント部５Ｃのところで、位置合わせをした溝５Ｄ、５Ｅ及び鍵（くさび）５Ｆを介在させて接合される。このような構成により、スタックとフレームアセンブリ間に差動的な移動が提供される（米国特許第４，４１４，２９４号を参照）。この差動的な移動による応力に耐えるべく、フレームアセンブリ４Ｂは高密度のセラミック素材であることが必要とされる。また、これらのセラミック部材は、必要とされる電圧のアイソレーションを確保するために、よく研磨されていなければならないが、このことは、本願の出願人に譲渡され、２０００年１２月１３日に出願された米国特許出願第９／７３６，５４９に開示されている。高密度で、よく研磨されたセラミック部材によって燃料電池スタック１の全体的なコストが増加してしまうことは、理解できよう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、従来のアセンブリに存在した上述の欠点を克服するマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリを提供することにある。
【００１０】
また、部品点数を削減したマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリを提供することも本発明の目的である。
【００１１】
絶縁体のフレームアセンブリの部品点数と、ガスケットの数の削減を可能にしたマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリを提供することも本発明の他の目的である。
【００１２】
バイポーラ・プレートを簡潔な構成としたマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリを提供することも本発明の他の目的である。
【００１３】
本発明の原理によれば、上述又は他の目的は、複数のフレームアセンブリと、複数のマニホールドとを含むマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリにおいて実現される。一以上のフレームアセンブリは支持フレームアセンブリであり、一以上のフレームアセンブリは被支持フレームアセンブリである。各支持フレームアセンブリは、その支持フレームアセンブリと対向している側面に隣接した燃料電池スタックの側面に対向している被支持フレームアセンブリの一つの部分に構造的な支持を提供している。本発明によれば、さらに、支持フレームアセンブリに接したマニホールドは、関連する被支持フレームアセンブリに接したマニホールドの領域にシーリング係合をもたらすように適合している。
【００１４】
以下に説明される本発明の実施形態では、各々の支持フレームアセンブリに、関連する燃料電池スタック側面の垂直辺に隣接した垂直部材が含まれており、垂直部材は、上側端部と下側端部において、被支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材とを支持している。これらの水平部材は、関連する燃料電池スタック側面の上側端部と下側端部とに隣接して配置されている。
【００１５】
また、この実施形態において、支持フレームアセンブリに隣接して配置されている各々のマニホールドは、周縁フランジを有しており、この周縁フランジには、垂直辺と、関連する燃料電池スタックの側面の垂直端部を超えて延伸した延伸部とを有する。この延伸部は、被支持フレームに隣接して配置されたマニホールドの周縁フランジの垂直辺に対するシーリング部材として機能する。後者のマニホールドには、センター領域があり、これは関連する燃料電池スタック側面の垂直端部を超えて延伸している。
【００１６】
さらに、ここに記載されている実施形態では、燃料電池スタックの任意の側面に接している被支持フレームアセンブリが、該任意の側面の反対側の垂直辺に隣接した燃料電池スタックの側面に接している２つのフレームアセンブリによって支持される。ここに記載されている４つの側面を有したスタックは、２つの支持フレームアセンブリがスタックの反対側の側面に接しており、スタックの他の２つの反対側の側面に隣接している２つの被支持フレームアセンブリを支持している。このケースでは、各々の支持フレームアセンブリには、関連する燃料電池スタック側面の反対側の垂直端部に隣接している垂直部材が含まれており、そのうちの一つは、燃料電池スタック側面の一つに隣接している被支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材を支持しており、その他のものは、他の燃料電池スタック側面に隣接している被支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材とを支持している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の詳細な説明を添付の図面と関連付けて読むことで、本発明の特徴と観点とをより良く理解できるであろう。
【００１８】
図３は、本発明の原理に従ったマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ３１を採用した燃料電池スタック３１を示した図である。燃料電池スタック２１には、交互に積層された複数の燃料電池アセンブリ５２が備えられており、燃料電池アセンブリ５２の各組の間には燃料電池マトリックス５３が介装されている。端部プレート５４及び５５は、最上位のアセンブリ５２の上側と、最下位のアセンブリ５２の下側に配置されている。
【００１９】
図５から見てわかるように、各アセンブリ５２は、図２に示された従来のアセンブリ１１Ａと同様であり、積層配置されたカソード電極５２Ａ、波上のカソード集電体５２Ｂ、バイポーラ・プレート５２Ｃ、波上のアノード集電体５２Ｄ及びアノード電極５２Ｅが含まれている。このケースで、これらの構成要素は矩形であり、従って、燃料電池アセンブリ５２も矩形の構成をしている。
【００２０】
積層された構成要素によって、４つの側面２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、及び２１Ｄが形成される。側面２１Ａと２１Ｂが、相互に対向しており、燃料ガスの吸入と排出を担っている。側面２１Ｃと２１Ｄも同様に相互に対向しており、酸化剤ガスの吸入と排出とを担っている。
【００２１】
アノードマニホールド３１Ａと３１Ｂなどは、燃料電池の側面２１Ａ及び２１Ｂに接しており、これらの側面からアノードガスを通流させたり抽出したりする。一方、カソードマニホールド３１Ｃと３１Ｄなどは、燃料電池の側面２１Ｃ及び２１Ｄに接しており、これらの側面から酸化剤ガスを通流させたり抽出したりする。各マニホールドと対応する各スタック側面の間に、スタック側ガスケット３１Ｅ又は３１Ｆ、フレームアセンブリ４１あるいは４２、マニホールド側ガスケット３１Ｇ又は３１Ｈが配置されている。これらのマニホールド、フレームアセンブリ及びガスケットは協働して、スタック２１用のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ３１を形成している。
【００２２】
本発明の原理によれば、マニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ３１は、部品点数を削減しつつマニホールドの機能とシールの機能を提供するのに適合している。これは、スタックの一つの側面と関連フレームアセンブリ（すなわち支持フレームアセンブリ）を、当該スタックの隣接した側面に関連するフレームアセンブリの部品（すなわち、被支持フレームアセンブリ）を構造的に支持するために利用することで達成される。さらに、支持フレームアセンブリが被支持フレームアセンブリを支持しているところに隣接した領域においてシーリング係合するよう、支持フレームアセンブリと被支持フレームアセンブリとに接したマニホールドを適合させることで達成される。
【００２３】
図解されている実施形態では、支持フレームアセンブリ４１などがスタック側面２１Ａと２１Ｂに隣接して配置されている。これらのフレームアセンブリは、スタック側面２１Ｃと２１Ｄに隣接して配置されている被支持フレームアセンブリ４２などの支持を担っている。図４は、フレームアセンブリ４１及び４２の詳細をより拡大して示している。各々の支持フレームアセンブリ４１には、上側水平フレーム部材４１Ａと、下側水平フレーム部材４１Ｂとが含まれており、それぞれ対応するスタック側面の上側端部と下側端部に接している。フレームアセンブリ４１の垂直フレーム部材４１Ｃと４１Ｄは、関連するスタック側面の垂直端部に隣接して配置されている。
【００２４】
垂直フレーム部材４１Ｃと４１Ｄにはそれぞれ、上側セクション４３と下側セクション４４とが含まれている。これらのセクションには鍵溝、若しくは溝４３Ａと４３Ｂとが、各セクションの接合端部に設けられており、これらのセクションを一緒に固定するための鍵４５を受け入れるようになっている。上側セクション４３の広がった端部４６は、スタック側面の上側端部に隣接して配置されている。下側セクションの広がった端部４７は、スタック側面の下側端部に隣接して配置されている。端部４６には、スタック側面を超えて延伸した部分４６Ａと、スタック側面に沿って延伸した部分４６Ｂとが備えられている。同様に、端部４７には、スタック側面を超えて延伸した部分４７Ａと、スタック側面に沿って延伸した部分４７Ｂとが備えられている。
【００２５】
部分４６Ｂは、４６Ｃにおいて鍵又は溝が設けられており、この溝は、上側水平部材４１Ａの隣接した端部の溝又は鍵溝７１と位置合わせされている。鍵７２は隣接した溝に受け入れられて部材を一緒に固定する。同様に、部分４７Ｂは、下側水平部材４１Ｂの隣接した端部の溝７３と位置を調整された溝又は鍵溝４７Ｃが設けられている。鍵７４は、これらの溝に受け入れられて、部材を一緒に固定している。
【００２６】
各々の被支持フレームアセンブリ４２には、上側水平部材４８と下側水平部材４９とが含まれており、これらは、関連スタック側面の上側端部と下側端部に隣接して延びている。部材４８及び４９は、それぞれ関連するスタック側面の垂直端部に隣接したそれぞれの端部に溝又は鍵溝７５及び７６を備えている。各溝７５は、隣接した支持フレームアセンブリ４１の垂直フレーム部材の部分４６Ａに設けられた同様の方向の溝７７と位置合わせされている。各溝７６は、隣接した支持フレームアセンブリ４１の垂直フレーム部材の部分４７Ａに設けられた同様方向の溝７９と位置合わせされている。鍵８１がこれらの部材を接合している。
【００２７】
このようなフレームアセンブリ４１及び４２の構成を用いる場合、支持フレームアセンブリ４１には垂直部材４１Ｃ及び４１Ｄが含まれ、支持フレーム部材の水平部材４１Ａ、４１Ｂだけでなく、隣接した被支持フレームアセンブリ４２の水平部材４８、４９も垂直部材４１Ｃ及び４１Ｄにより支持されることは理解できよう。この方法により、フレームアセンブリの構成部品の総数が削減され、そして、マニホールド及びマニホールド・フレーム・アセンブリ３１が簡潔構成のものとなり、そのコストが顕著に削減される。
【００２８】
支持フレームアセンブリ４１及び被支持フレームアセンブリ４２の構成を順応させるため、アノードマニホールド３１Ａと３１Ｂ、及びカソードマニホールド３１Ｃと３１Ｄは、支持フレームアセンブリが被支持フレームアセンブリを支持する個所の領域においてシーリングとして機能するように適合している。スタック側面の垂直端部の領域において、この支持が機能し、マニホールドの垂直な部分がそのようなシーリング係合を提供するように適合している。
【００２９】
とりわけ、図３、５及び６を参照すると、アノードマニホールド３１Ａ及び３１Ｂのそれぞれには、周縁フランジ領域８２によって境界を区切られた中央領域８１が存在している。フランジ領域８２の垂直部分には、さらに、関連スタック側面の垂直端部を越えて水平に延伸した延伸部８２Ａが設けられている。
【００３０】
各々のカソードマニホールド３１Ｃと３１Ｄには、中央領域８３があり、これは関連するスタック側面の反対側の垂直端部を超えて延伸している。これにより、隣接したマニホールドの垂直延伸部８２Ａにフランジ８４の垂直部分が対向するように、各マニホールドの周縁フランジ８４が配置されている。
【００３１】
この方法で、マニホールド３１Ａ−３１Ｄがスタック側面と隣接した関係にあるときは、アノードマニホールド３１Ａ及び３１Ｂの延伸部８２Ａは、カソードマニホールド３１Ｃと３１Ｄのフランジ８４の垂直部分と係合することになる。これは、アノードマニホールド３１Ａとカソードマニホールド３１Ｃとが向かい合ったところのスタック２１のコーナーを描画した図５と図６においてより明瞭に記載されている。この係合は、図７におけるスタックのコーナーセクションで示されているように、スタック１の係合とは異なっている。
【００３２】
前述の構成のフレームアセンブリ４１、４２、及びマニホールド３１Ａ−３１Ｄによれば、アノード３１Ａと３１Ｂ用のマニホールド側ガスケット３１Ｈは、各マニホールドの周縁フランジ８２全体の周囲に延伸しているが、延伸領域８２Ａには延伸していない。各カソードマニホールド用のマニホールド側ガスケット３１Ｇは、マニホールドの周縁フランジ８４全体の周囲に延伸しており、フランジ８４の垂直部分と、隣接マニホールドの垂直延伸部分８２Ａの端部との間に介装するようになっている。
【００３３】
燃料電池スタックの側面２１Ａ及び２１Ｂと、各支持フレームアセンブリ４１との間に配置されるスタック側ガスケット３１Ｆはそれぞれ、それらに関連するスタック側面の平坦な周縁領域の全体に延伸している。この周縁領域には、端部プレート５４と５５によって形成されている水平の部分と、バイポーラ・プレート５２Ｃのアノード側上のフラップ域によって形成される垂直部分とが含まれている。水平部分と垂直部分とが必要となるのは、フレームアセンブリ４１が水平部材と垂直部材とを有しているからである。
【００３４】
しかしながら、燃料電池スタックの側面２１Ｃ及び２１Ｄとの間に介装されるスタック側ガスケット３１Ｅは、端部プレート５４と５５とによって形成された関連スタック側面の水平で平坦な周縁領域を収容するために、水平に延伸していればよい。アセンブリ４２は、垂直部材を備えていないので、これらのスタック側面は平坦な周縁垂直部位を必要としない。それ故に、スタックのカソード側面のバイポーラ・プレート５２Ｃにはフラップ域が必要ない。
【００３５】
本発明のマニホールド及びシーリングアセンブリ３１は、従来のアセンブリと比較し、フレームアセンブリ４１及び４２の部品点数の削減といった有利な効果をもたらしている。図３に例示された４つの側面スタック２１について、以下の表１に示すように部品点数が６５個から３６個に削減されている。
【００３６】
【表１】
2004522263.tif 000003
【００３７】
また、表１には、従来の３つのマニホールドを用いるシステムに比し、本発明による３つのマニホールドを用いるシステムの部品点数が削減されていることが示されている（４８個から３０個に部品が削減されている）。
さらに、本発明のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ３１で、スタック側面と接しているガスケットの数が削減され、電解質の移動も減少する。しかも、アクティブな領域においてアノードの漏洩ガスは、カソードチャンバー内に入ることになる。この漏洩流路による圧力差は、従来のアセンブリよりも小さい。また、カソード側のバイポーラ・プレートの折り曲げ部又はフラップはもはや使用する必要がないので、バイポーラ・プレートのコーナー部の設計が簡易なものになる。
【００３８】
全てのケースにおいて、上述の構成は、本発明の応用を代表する多数の特別な形態を単に図解したものである。本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の原理に従って非常に多くの変形した構成をすぐに考案することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、公知のマニホールドと公知のマニホールド・シーリング・アセンブリとを使用した燃料電池スタックを示した図である。
【図２】図２は、図１に記載の燃料電池スタックにおいて使用されている燃料電池アセンブリを示した図である。
【図３】図３は、本発明の原理に従ったマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリとを採用した燃料電池スタックを示した図である。
【図４】図４は、図３のマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリのフレームアセンブリを示した図である。
【図５】、
【図６】図５及び図６は、図３のマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリのコーナー部分を図解的に示した図である。
【図７】図７は、図１のマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリのコーナー部分を示した図である。
【図１】
2004522263.tif 000004
【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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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年8月27日(2003.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の側面を有する燃料電池スタックに用いられるマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリであって、
前記燃料電池スタックの側面にそれぞれ隣接して配置された複数のフレームアセンブリと、
フレームアセンブリに隣接してそれぞれ配置された複数のマニホールドとを含み、
一以上の前記フレームアセンブリのそれぞれは、支持フレームアセンブリであり、一以上の前記フレームアセンブリのそれぞれは、被支持フレームアセンブリであり、各支持フレームアセンブリは、該支持フレームアセンブリと面した前記燃料電池スタックの側面の隣接側面に面した被支持フレームアセンブリの一部を支持し、
一以上の支持フレームアセンブリのそれぞれは、一以上の垂直部材を備え、各垂直部材は、前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺に隣接して配置されており、
一以上の被支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの関連側面の上側端部に隣接して配置された上側水平部材と、該関連側面の下側端部に隣接して配置された下側水平部材とを有し、
支持フレームアセンブリの一以上の前記垂直部材のそれぞれは、該支持フレームアセンブリによって支持される被支持フレームアセンブリの上側水平部材を支持する上側端部と、該被支持フレームアセンブリの下側水平部材を支持する下側端部とを有し、
一以上の前記支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの関連側面の上側端部に隣接して配置された上側水平部材と、該関連側面の下側端部に隣接して配置された下側水平部材とを有し、一以上の前記支持フレームアセンブリのそれぞれの一以上の前記垂直部材の上側端部と下側端部は、それぞれ前記支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材とを支持し、
前記複数のマニホールドのうち少なくとも一つは、支持フレームアセンブリに隣接して配置され、前記複数のマニホールドのうち少なくとも一つは、前記支持フレームアセンブリによって支持される前記被支持フレームアセンブリに隣接して配置され、
前記支持フレームアセンブリに隣接した前記マニホールドのそれぞれと、前記支持フレームアセンブリによって支持される前記被支持フレームアセンブリに隣接した前記マニホールドは、各マニホールドの垂直辺に沿って相互にシーリング係合を成す、マニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項２】
前記垂直部材のそれぞれの上側端部と下側端部は、前記燃料電池スタックの関連側面に沿って延伸した第１の部分と、前記燃料電池スタック関連側面の前記垂直辺を越えて水平方向に終端する第２の部分とを有し、前記第１の部分のそれぞれは、該第１の部分を含む支持フレームアセンブリの水平部分を支持し、前記第２の部分それぞれは、該第２の部分を有する支持フレームアセンブリによって支持される被支持フレームアセンブリの水平部材を支持する、請求項１に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項３】
前記第１の部分のそれぞれと、前記第２の部分のそれぞれは、溝を有し、
一以上の前記支持フレームアセンブリと一以上の前記被支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材のそれぞれは、該部材の端部に溝を有し、各上側水平部材と下側水平部材のそれぞれの前記溝は、該水平部材を支持している前記第１の部分と第２の部分のいずれか一つの溝と位置合わせされており、前記マニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリにはさらに、前記位置合わせされた所定の溝の組にそれぞれ挿入される鍵を含む、請求項２に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項４】
前記垂直部材のそれぞれは、上側部位と下側部位とを有し、前記上側部位は、前記上側端部と第２の端部とを定義する第１の端部を有し、前記下側部位は、前記下側端部と第２の端部とを定義する第１の端部を有する、請求項３に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項５】
前記上側部位の前記第２の端部と、前記下側部位の前記第２の端部とは相互に隣接するとともに位置合わせ溝を含み、
前記マニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリは、さらに前記上側部位と前記下側部位の前記位置合わせ溝にそれぞれ挿入される鍵を含む、請求項４に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項６】
第１の支持フレームアセンブリと第２の支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの前記関連側面の垂直辺の反対に隣接して配置された第１及び第２の垂直部材を有する、請求項５に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの対向側面に面している、請求項６に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項８】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリは、前記燃料電池スタックの前記関連側面の垂直辺の反対に隣接して配置された第１及び第２の垂直部材を有している、請求項７に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項９】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリのそれぞれは、第４の被支持フレームアセンブリの一部を支持する、請求項６に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項１０】
前記第１の被支持フレームアセンブリと前記第２の被支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの第１及び第２の対向側面に面し、
前記第３の被支持フレームアセンブリと前記第４の被支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの第３及び第４の対向側面に面している、請求項８に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の支持フレームアセンブリと前記第２の支持フレームアセンブリはそれぞれ、前記燃料電池スタックの前記関連側面の垂直辺の反対に隣接して配置された第１及び第２の垂直部材を有している、請求項９に記載のマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリ。
【請求項１２】
支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域は、関連フレームアセンブリの垂直部材に隣接した垂直辺のそれぞれに沿って、前記燃料電池スタックの関連側面の対応する垂直辺を超えて延伸した垂直延伸部を有し、
被支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央の領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域の垂直部位が、支持フレームアセンブリに隣接したマニホールドの垂直延伸部に延伸するよう、該中央領域は、前記燃料電池スタック関連側面の辺を超えて延伸している、請求項２に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１３】
支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域は、関連フレームアセンブリの垂直部材に隣接した垂直辺のそれぞれに沿って、前記燃料電池スタックの関連側面の対応する垂直辺を超えて延伸した垂直延伸部を有し、
被支持フレームアセンブリに隣接するマニホールドのそれぞれは、
中央の領域と、フランジ領域とを有し、
該フランジ領域の垂直部位が、支持フレームアセンブリに隣接したマニホールドの垂直延伸部に延伸するよう、該中央領域は、前記燃料電池スタック関連側面の辺を超えて延伸している、請求項１に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１４】
複数の第１のガスケットと、複数の第２のガスケットとをさらに含み、
前記第１のガスケットはそれぞれ、前記燃料電池スタックの関連側面とフレームアセンブリとの間に配置され、
前記第２のガスケットはそれぞれ、前記関連マニホールドとフレームアセンブリとの間に配置されている、請求項１３に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１５】
前記関連マニホールドとフレームアセンブリとの間に配置されている第２のガスケットのそれぞれは、マニホールドの前記フランジ領域の前記垂直部位と関連マニホールドの隣接した垂直延伸部との間に延伸している、請求項１４に記載のマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリ。
【請求項１６】
燃料電池スタックの側面に隣接し、前記燃料電池スタックの隣接側面に面した一以上の被支持フレームアセンブリを支持する支持フレームアセンブリと隣接した関係で使用されるマニホールドであって、
中央領域と、
前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺を越えて延伸し、被支持フレームに面したマニホールドと係合する延伸部を有する、前記中央領域から延伸したフランジ領域と
を含むマニホールド。
【請求項１７】
前記支持フレームアセンブリは第１の被支持フレームアセンブリと第２の被支持フレームアセンブリとを支持し、
前記フランジ領域は、前記第１の被支持フレームアセンブリに面した第１のマニホールドと、前記第２の被支持フレームアセンブリに面した第２のマニホールドとを係合させるための、前記関連側面の反対側の垂直辺を越えて延伸する延伸部を有する、請求項１６に記載のマニホールド。
【請求項１８】
燃料電池スタックの側面に隣接した一以上の支持フレームアセンブリによって支持され、該燃料電池スタックの側面に面した被支持フレームアセンブリと隣接した関係で使用されるマニホールドであって、
中央領域と、
前記中央領域から延伸したフランジ領域とを含み、
前記中央領域は、支持フレームアセンブリに面したマニホールドの延伸部に前記フランジ領域が係合するよう、前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺を越えて延伸している、マニホールド。
【請求項１９】
前記被支持フレームアセンブリは、第１の支持フレームアセンブリと第２の支持フレームアセンブリとにより支持され、
前記中央領域は、前記第１の支持フレームアセンブリに面した第１のマニホールドの延伸部と、前記第２の支持フレームアセンブリに面した第２のマニホールドの延伸部とに前記フランジ領域を係合させるよう、前記関連側面の反対側の垂直辺を越えて延伸している、請求項１８に記載のマニホールド。
【請求項２０】
燃料電池システムであって、
複数の側面を有した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに用いられるマニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリとを含み、
該マニホールド及びマニホールドシーリングアセンブリは、前記燃料電池スタックの側面にそれぞれ隣接して配置された複数のフレームアセンブリと、フレームアセンブリに隣接してそれぞれ配置された複数のマニホールドとを含み、一以上の前記フレームアセンブリは、支持フレームアセンブリであり、一以上の前記フレームアセンブリのそれぞれは、被支持フレームアセンブリであり、各支持フレームアセンブリは、支持フレームアセンブリと面した前記燃料電池スタックの側面の隣接側面に面した被支持フレームアセンブリの一部を支持し、一以上の支持フレームアセンブリのそれぞれは、一以上の垂直部材を備え、各垂直部材は、前記燃料電池スタックの関連側面の垂直辺に隣接して配置されており、一以上の被支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタックの関連側面の上側端部に隣接して配置された上側水平部材と、該関連側面の下側端部に隣接して配置された下側水平部材とを有し、支持フレームアセンブリの一以上の前記垂直部材のそれぞれは、該支持フレームアセンブリによって支持されてる被支持フレームアセンブリの上側水平部材を支持する上側端部と、該被支持フレームアセンブリの下側水平部材を支持する下側端部とを有し、一以上の前記支持フレームアセンブリのそれぞれは、前記燃料電池スタック関連側面の上側端部に隣接して配置された上側水平部材と、該関連側面の下側端部に隣接して配置された下側水平部材とを有し、一以上の前記支持フレームアセンブリのそれぞれの一以上の前記垂直部材の上側端部と下側端部は、それぞれ前記支持フレームアセンブリの上側水平部材と下側水平部材とを支持し、前記複数のマニホールドのうち少なくとも一つは、支持フレームアセンブリに隣接して配置され、前記複数のマニホールドのうち少なくとも一つは、前記支持フレームアセンブリによって支持される前記被支持フレームアセンブリに隣接して配置され、前記支持フレームアセンブリに隣接した前記マニホールドのそれぞれと、前記支持フレームアセンブリによって支持される前記被支持フレームアセンブリに隣接した前記マニホールドは、各マニホールドの垂直辺に沿って相互にシーリング係合を成す、燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料電池スタックは、バイポーラ板を有した複数の燃料電池アセンブリを備え、前記バイポーラ板は、前記支持フレームアセンブリに面した前記燃料電池スタックの側面として定義される部分にフラップ域を有し、前記被支持フレームアセンブリに面した前記燃料電池スタックの側面として定義される部分にはフラップ域が欠如している、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図１のフレームアセンブリには、対向する水平部材と、対向する垂直部材が備えられているが、ここで用いられている用語「フレームアセンブリ」は、少なくとも２つの対向するフレーム部材を有するアセンブリを意味するが、それゆえ、その意味には対向する水平部材だけを有するアセンブリと、対向する水平部材と、対向する垂直部材の双方を有するアセンブリとが含まれることを意図している。また、ここで用いられる用語「支持フレームアセンブリ」は、他のフレームアセンブリ一以上の部材を支持するフレームアセンブリを意味することを意図している。また、用語「被支持フレームアセンブリ」は、他のフレームアセンブリによって支持される一以上の部材を有するフレームアセンブリを意味することを意図している。
そこで、本発明の目的は、従来のアセンブリに存在した上述の欠点を克服するマニホールド及びマニホールド・シーリング・アセンブリを提供することにある。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
【図１】図１は、公知のマニホールドと公知のマニホールド・シーリング・アセンブリとを使用した燃料電池スタックを示した図である。
【図２】図２は、図１に記載の燃料電池スタックにおいて使用されている燃料電池アセンブリを示した図である。
【図３】図３は、本発明の原理に従ったマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリとを採用した燃料電池スタックを示した図である。
【図４】図４は、図３のマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリのフレームアセンブリを示した図である。
【図５】、
【図６】図５及び図６は、図３のマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリのコーナーを図解的に示した図である。
【図７】図７は、図１のマニホールドとマニホールド・シーリング・アセンブリのコーナーを示した図である。


【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004522263.tif 000038
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004522263.tif 000039
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2004522263.tif 000040
【国際調査報告】
2004522263.tif 000041
2004522263.tif 000042