JP2014522557A - 燃料電池バイパスダイオード構造及び取付け方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは複数のインターコネクトにより直列に接触する複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを具備する。種々の実施形態はホットゾーン内において燃料電池スタックを電気バイパスモジュールに結合するためのシステム及び方法を提供する。バイパスモジュールは燃料電池スタックのインターコネクト間で電流を流し、これにより、寄生抵抗負荷となっている故障した燃料電池をバイパスするための要素を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年６月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４９４９３７号の優先権を主張する出願であり、この米国仮特許出願の記載内容は、本明細書に組み込まれる。

燃料電池は、燃料に蓄えられているエネルギを高効率で電気エネルギに変換することができる電気化学装置である。高温型燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池及び溶融炭酸塩形燃料電池がある。これら燃料電池は、水素燃料や炭化水素燃料を使用して作動する。電気エネルギを入力として利用して水又は他の酸化燃料を非酸化燃料に還元することができるように逆作動も可能な固体酸化物可逆燃料電池等の燃料電池の部類がある。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の高温型燃料電池システムにおいては、燃料流が燃料電池のアノード側を通過し、酸化剤流が燃料電池のカソード側を通過する。酸化剤流は、典型的には、空気であり、燃料流は、典型的には、炭化水素燃料源を改質して形成される高濃度水素ガスである。７５０℃〜９５０℃の間の典型的な温度で作動する燃料電池は、負に帯電された酸素イオンをカソード流ストリームからアノード流ストリームに輸送し、酸素イオンは、炭化水素分子中の遊離水素又は水素のいずれかと結合して水蒸気を形成し、及び／又は、一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成する。負に荷電した酸素イオンからの過剰電子は、アノードとカソードとの間に確立された電気回路を介して燃料電池のカソード側に戻され、その結果、電気回路に電流が流れる。

燃料電池スタックにおいては、燃料及び空気のための通路（マニホルド）が内部又は外部において形成されている。内部において通路が形成された燃料電池スタックにおいては、当該燃料電池スタックに含まれているライザーを使用して燃料及び空気が各燃料電池に分配される。つまり、ガスは、各燃料電池の電解質層等の支持層の開口又は穴、及び、各燃料電池のガスセパレータを通って流れる。外部において通路が形成された燃料電池スタックにおいては、当該燃料電池スタックは、燃料入口側、燃料出口側、空気入口側及び空気出口側において開放されており、燃料と空気とが燃料電池スタックハードウェアから独立して導入され収集される。例えば、入口燃料及び出口燃料と入口空気及び出口空気とは、燃料電池スタックと当該燃料電池スタックが配置されたマニホルドハウジングとの間で個別の通路を流れる。

燃料電池スタックは、しばしば、平坦な要素、チューブ又はその他の形状の形の多数の燃料電池から構築される。燃料及び空気は、電気化学的に活性な広い表面に提供されなければならない。燃料電池スタックの１つの構成要素は、燃料電池スタック内の個々の燃料電池を分離するいわゆるガスフローセパレータ（平坦な燃料電池スタックにおいてガスフローセパレータプレートと呼ばれる）である。ガスフローセパレータプレートは、燃料電池スタックの１つの燃料電池の燃料極（即ち、アノード）に流れる水素燃料又は炭化水素燃料等の燃料を、燃料電池スタックの隣接する燃料電池の空気極（即ち、カソード）に流れる空気等の酸化剤から分離する。多くの場合、ガスフローセパレータプレートは、１つの燃料電池の燃料極を隣接する燃料電池の空気極に電気的に接続するインターコネクトとして用いられる。この場合、インターコネクトとして機能するガスフローセパレータプレートは、導電性材料から形成され又は導電性材料を含む。

燃料電池が故障した場合、それは高抵抗となる。ＳＯＦＣスタックの場合、燃料電池スタックの作動は継続されるが、燃料電池スタックの電圧は、故障した燃料電池によって形成される抵抗インターフェースにおける電圧降下により次第に消費される。電流が故障した燃料電池をバイパスすることができるようにバイパスダイオードが燃料電池システムにおいて使用されてきたが、これらダイオードは、燃料電池ブロック又はホットゾーンの外側に配置されている。特に、ダイオードの化学的及び熱的な劣化を避けるために、ダイオードは、約６００℃よりも高い温度で作動するシステムのホットボックス部の外側に配置されている。燃料電池ブロックの外側に配置されたダイオードに燃料電池を接続するためにジャンパーワイヤが使用されてきた。

種々の実施形態は、ホットゾーン内の燃料電池スタックであって、複数の燃料電池及び複数のインターコネクトプレートを有する燃料電池スタックと、複数のバイパスデバイスを有するモジュールであって、燃料電池スタックに取り付けられ且つホットゾーン内に配置されるモジュールと、を具備する燃料電池システムを提供する。

本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の例示的な実施形態を示し、上記概要及び以下の詳細な説明を伴って本発明の特徴を説明するためのものである。

図１Ａ及び図１Ｂは燃料電池スタック及びバイパスモジュールの構造的側面図である。 図２Ａは複数の突起を備えた燃料電池スタックの構成図である。 図２Ｂは凹部付きバイパスモジュールの構成図である。 図２Ｃは図２Ａの燃料電池スタックに取り付けられた図２Ｂのバイパスモジュールの構成図である。 図２Ｄは図２Ａの燃料電池スタックに取り付けられた別のバイパスモジュールの構成図である。 図３Ａは別の実施形態に係る複数の突起を備えた燃料電池スタックの構成図である。 図３Ｂは別の実施形態に係る凹部付きバイパスモジュールの構成図である。 図３Ｃは図３Ａの燃料電池スタックに取り付けられた図３Ｂのバイパスモジュールの構成図である。 図３Ｄは図３Ａの燃料電池スタックに取り付けられた別のバイパスモジュールの構成図である。 図４Ａは凹部付き燃料電池スタックに取り付けられた突起付きバイパスモジュールの構成図である。 図４Ｂは突起付き燃料電池スタックに取り付けられた別の開口付きバイパスモジュールの構成図である。 図４Ｃは突起付き燃料電池スタックに取り付けられた別の開口付きバイパスモジュールの構成図である。 図４Ｄは突起付き燃料電池スタックに取り付けられた別の開口付きバイパスモジュールの構成図である。 図５はインターコネクトへのバイパスモジュールのバネ接続の概略図である。 図６は別の実施形態に係る燃料電池スタック及びセンサ付きバイパスモジュールの構造的な側面図である。 図７は更に別の実施形態に係る燃料電池スタック及び別のセンサ付きバイパスモジュールの構造的な側面図である。

種々の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図面全体を通して同一又は同様の部品を示すのに可能な限り同じ参照番号を使用した。特定の例及び実施形態に対する参照は、例示の目的のためのものであり、本発明又は特許請求の範囲を限定するものではない。

種々の実施形態は、ホットゾーン内において個別のバイパスモジュールに燃料電池スタックを結合するためのシステム及び方法を提供する。バイパスモジュールは、燃料電池スタックのインターコネクト間において電流を流すことにより寄生抵抗負荷となっている故障した燃料電池をバイパスするためのバイパス要素を有する。

バイパスモジュールの使用には、他のバイパス方法に比べて幾つかの利点がある。燃料電池スタックとは別に製造されるバイパスモジュールは、適切な機能の確保のために使用又は組込み前に外部試験される。また、半導体バイパスダイオードを有するバイパスモジュールは、これらに要求されるクリーンルーム条件を燃料電池スタック自体に課すことなくクリーンルーム条件にて製造される。また、種々のバイパスモジュールを交換することにより、システムのバイパス要素の閾電圧又はブレークダウン電圧が制御され変更される。

本明細書で使用する用語「燃料電池スタック」とは、複数のインターコネクトプレートによって直列に接続された積層された複数の燃料電池を意味する。例えば、図１Ａは、インターコネクト１０４によって直列に接続された燃料電池１０２からなる燃料電池スタック１００を示している。図１の燃料電池スタックは鉛直方向を向いているが、燃料電池スタックは水平方向を向いていてもよいし、その他の方向を向いていてもよい。

燃料電池１０２は、アノード電極１０２Ａ、固体酸化物電解質１０２Ｂ及びカソード電極１０２Ｃを有する。アノード電極は、例えば、ニッケル含有相とセラミック相とを含むサーメットからなる。ニッケル含有相は、もっぱら、還元状態のニッケルからなる。この相は、それが酸化状態にあるときには酸化ニッケルを形成する。従って、アノード電極は、好ましくは、ニッケル酸化物をニッケルに還元する操作の前に還元雰囲気中でアニール処理される。ニッケル含有相は、例えば、ニッケル及び／又はニッケル合金に加えて他の金属を含む。セラミック相は、例えば、イットリア及び／又はスカンジア安定化ジルコニア等の安定化ジルコニア、及び／又は、ガドリニア、イットリア及び／又はサマリアドープ（固溶）セリア等のドープ（固溶）セリアからなる。固体酸化物電解質は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）又はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の安定化ジルコニアからなる。或いは、固体酸化物電解質は、ドープ（固溶）セリア等の別のイオン伝導性材料からなる。カソード電極は、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等の導電性ペロブスカイト材料等の導電性材料からなる。ＬＳＣｏ等の他の導電性ペロブスカイト又はＰｔ等の金属が使用されてもよい。例えば、カソード電極もアノード電極と同様のセラミック相を含む。上記電極及び固体酸化物電解質は、それぞれ、例えば、１つ以上の上記材料の１つ以上の副層を含む。

インターコネクトプレートは、燃料電池スタックの個々の燃料電池を分離する。インターコネクトプレートは、燃料電池スタックの１つの燃料電池のアノード（燃料）極に流れる水素及び／又は炭化水素燃料等の燃料を、燃料電池スタックの隣接する燃料電池のカソード（空気）極に流れる空気等の酸化剤から分離する。インターコネクトプレートは、リブ間にガス流路又はチャネルを有する。インターコネクトプレートは、１つの燃料電池のアノード（燃料）極を隣接する燃料電池のカソード（空気）極に接続し、それにより、燃料電池を電気的に直列に接続する。インターコネクトプレートは、燃料電池の固体酸化物電解質の熱膨張係数と同等の熱膨張係数（例えば、０〜１０％の差）を任意ではあるが有する金属合金（例えば、クロム−鉄合金）等の導電性材料又は導電性セラミック材料から形成され又は当該材料を含む。アノード極とインターコネクトとの間には、ニッケル接触層等の導電性接触層が設けられる。カソード極とインターコネクトとの間には、別の任意の導電性接触層が設けられる。

燃料電池スタックの複数の燃料電池は、１つの共通の燃料入口及び複数の排気通路又は複数のライザーを共有する。燃料電池スタックは個別の電気構造体を有し、この電気構造体は電力調整装置及び燃料電池スタックの電力（即ち、電気）出力部に接続される２つのエンドプレートを燃料電池スタックの両側に有する。従って、幾つかの構成においては、こうした１つの個別の電気構造体からの電力出力は、他の燃料電池スタックとは別に制御される。他の実施形態においては、複数の燃料電池スタックが同じエンドプレートを共有する。この場合、複数の燃料電池スタックは個別の電気構造体を共有する。

燃料電池スタックは、電力を発生させるためのより大きな燃料電池システムの一部であってもよい。燃料電池スタックは、こうしたシステムのホットゾーン内に配置される。通常作動中、ホットゾーンは、約６００℃以上、例えば、６００〜１０００℃、特に、７５０〜９５０℃のような高温で作動する。

燃料電池は、典型的には、システム内の電圧源として働く。しかしながら、燃料電池は、それが寄生抵抗負荷となる故障モードを有している。燃料電池スタックには、電気バイパスモジュールが結合される。燃料電池スタックとバイパスモジュールとの両方がホットゾーンに配置される。バイパスモジュールは、燃料電池スタックのインターコネクト間において電流を流すための要素を有し、これにより、寄生抵抗負荷となっている故障した燃料電池を回避する。

例えば、図１Ａは、燃料電池１０２とインターコネクト１０４とを備えた燃料電池スタック１００を示している。電気バイパスモジュール１２０は、コンタクト１２４に電気的に接続されたバイパス素子１２２を有する。バイパス素子１２２は、半導体パワーダイオード等のダイオードとして示されているが、種々の実施形態においては、１つ以上の異なる種類のバイパス要素も採用可能である。図１Ｂは、コンタクト１２４がインターコネクト１０４と電気的に接触するように燃料電池スタック１００に結合されたバイパスモジュール１２０を示している。このように、バイパスモジュール１２０は、１つ以上のバイパス素子１２２を介して２つ以上のインターコネクト１０４を電気的に接続する。例えば、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、各インターコネクト１０４は、同じ燃料電池１０２に電気的に接触されている第２のインターコネクトにコンタクト１２４及び１つのバイパス素子１２２を介して接続されている。こうして、個々の燃料電池をバイパスすることができる。しかしながら、別の実施形態においては、１つのバイパス素子１２２により２つ以上の燃料電池又はインターコネクトをバイパスする等、燃料電池又はインターコネクトが様々にグルーピングされる。

燃料電池１０２は、通常運転において電圧源として働く。従って、燃料電池の発電電圧は、燃料電池に隣接する２つのインターコネクトを繋ぐバイパス素子１２２を逆バイアスに保持する。バイパス素子１２２は、この逆バイアス下で有効に開回路であるように選択される。１つの燃料電池１０２が故障した場合、この燃料電池１０２は、高い寄生抵抗負荷となり、この故障した燃料電池において電圧降下が生じる。この電圧降下は、約０．５Ｖ〜約１５Ｖ、特に、約１Ｖ〜約５Ｖである。この電圧降下がバイパス素子１２２の閾値電圧（バイパス素子がダイオードである場合、オン電圧等）を超えた場合、バイパス素子１２２は、順バイアスとなり、２つのインターコネクトプレート１０４の間において電流を流し、これにより、故障した燃料電池をバイパスする。バイパス素子１２２の閾値電圧は、使用されるバイパスモジュール１２０又はバイパス素子１２２に応じて変わる。例えば、閾値電圧は、約０．５Ｖ〜約３Ｖ、特に、約１Ｖである。好ましくは、バイパス素子１２２は、バイパス電流（即ち、バイパス素子の閾値電圧が超えられたときに流れる電流）の方向が通常作動中の故障していない燃料電池の電流の方向と同じであるように方向付けられる。つまり、バイパス素子１２２のバイパス方向は、故障していない燃料電池の電流の流れ方向と同じ方向である。

バイパスモジュールは、複数の燃料電池をバイパスするのにも有効である。複数の燃料電池が故障した場合、電流は、複数のバイパス素子（或いは、１つのバイパス素子１２２が隣接していないインターコネクト１０４又は複数のインターコネクト１０４を接続している場合、当該１つのバイパス素子１２２）を通過することができる。２つ以上の故障した燃料電池が隣り合っている場合、電流は、燃料電池と燃料電池間のインターコネクトとをバイパスする。

種々の実施形態においては、燃料電池スタック１００及びバイパスモジュール１２０は、ホットゾーン内において結合されるので高温に晒される。この熱に起因して燃料電池スタック１００及びバイパスモジュール１２０は熱膨張する。従って、バイパスモジュール１２０は、燃料電池スタック１００の熱膨張率と同等の熱膨張率を有する材料から構成される。

図１Ｂに示したように、種々の実施形態において、ホットゾーンはホットボックス１２６である。ホットボックス１２６は、燃料電池スタック１００の高い作動温度（例えば、６００℃よりも高い温度）で作動するように設計された断熱容器又はハウジングである。ホットボックスは、様々な形で配置された複数の燃料電池スタック１００を含む。例えば、ホットボックス及びそのコンポーネントの示唆のために本明細書に組み込まれる米国特許７，４２２，８１０号に示されているホットボックスを使用可能である。バイパスモジュール１２０は、ホットボックス１２６内において燃料電池スタック１００に結合される。

また、ホットゾーンの高温は、特別な高温バイパス素子を使用可能であることを意味する。種々の実施形態は、１つ以上の異なるタイプのバイパス素子１２２に依存する。例えば、図中の各バイパス素子１２２はダイオードとして示されている。しかしながら、各バイパス素子１２２は、少なくとも１つの燃料電池が故障したときに少なくとも２つのインターコネクト間を導通可能な受動的又は能動的な電気デバイスである。バイパス素子１２２がダイオードである場合、好ましくは、燃料電池が故障していないときには、ダイオードは、逆バイアス方向に大量の電流を流すことはない。また、ダイオードは、例えば、約６００〜１０００℃のホットゾーン内の高温で作動可能である。ダイヤモンド半導体ダイオードは、最高で約１０００℃程度までの温度で作動可能なダイオードの例である。例えば、本明細書に組み込まれるA.Vescanらの「ダイヤモンドショットキーダイオードの非常に高温の作動」（電子デバイスレターズ、ＩＥＥＥ、１８（１１）：５５６〜５５８（１９９７））によって開示されているダイオードを使用可能である。炭化珪素半導体ダイオード又は他の高温ダイオードを使用してもよい。

別の実施形態においては、バイパス要素１２２として働くブレークダウン誘電体が採用される。ブレークダウン誘電体は、ブレークダウン電圧以上の電圧が印加されるまで小さい導電性しか有さない。上述したように、燃料電池が故障したときには、その故障した燃料電池は、電圧源ではなく、高い寄生抵抗負荷になる。この変化は、燃料電池の両側のインターコネクトに電気的に接続されたバイパス素子に高い電位差を発生させる。バイパス素子がブレークダウン誘電体である場合、上記高い電位差はブレークダウン電圧よりも高い。そのため、ブレークダウン誘電体は、（例えば、当該ブレークダウン誘電体における相変化に起因して）導体として挙動し始め、故障した燃料電池をバイパスする。ブレークダウン誘電体は、約２ボルトの電圧でブレークダウンするように選択される。バイパスダイオード誘電体の例は、酸化ニッケル層又は酸化ハフニウム層である。

種々の実施形態においては、バイパス要素としてアンチヒューズが採用される。アンチヒューズバイパス素子は、非常に高い抵抗から始まるか、或いは、効果的には、上述したように逆バイアス下でのダイオードと同様の開回路である。しかしながら、閾値電圧又は閾値電流が超えられた場合、アンチヒューズは導電路を形成する。ブレークダウン誘電体と同様に、アンチヒューズは、燃料電池の両側のインターコネクトに取り付けられ、燃料電池の故障に起因する高い電位差に晒されたときに燃料電池をバイパスする。アンチヒューズは、例えば、シリコン酸化物層又はシリコン窒化物層からなる。高電位は、アンチヒューズ誘電体１２２の両側に取り付けられた金属電極１２８からアンチヒューズ誘電体１２２を通って拡散するように導電リンクを発生させ、この導電リンクにアンチヒューズ誘電体１２２を介した電極間の導電路を提供させる。

種々の実施形態において、燃料電池スタックにバイパスモジュールを結合する方法として、１つ以上の異なる方式を採用可能である。図２Ａは、燃料電池１０２とインターコネクト１０４とを備えた図１Ａ及び図１Ｂの燃料電池スタック１００と同様の燃料電池スタック２００を示している（ただし、鉛直軸線周りに９０度回転されている）。しかしながら、燃料電池スタック２００は、インターコネクト１０４（例えば、インターコネクト１０４のプレートの縁部）に突起２０２を有する。図示したように、突起２０２は、各インターコネクト１０４に対をなして設けられ、隣接するインターコネクト１０４の突起と整列するように中心からずれている。図２Ｂは、凹部２１２を備えた支持要素２１１を有するバイパスモジュール２１０を示している。バイパスモジュール２１０は、幾つかの凹部２１２に対してリード線又はトレース２２８を備えたバイパス要素１２２を有する。図２Ｃは、支持要素２１１の凹部２１２を突起２０２に結合することによりバイパスモジュール２１０を燃料電池スタック２００に取り付ける方法を示している。突起２０２と凹部のところに延びているリード線、ワイヤ又はトレース２２８との間の接触は、バイパス素子１２２をインターコネクト１０４に電気的に接続する。バイパスモジュール２１０に示したように、バイパス素子１２２のリード線又はトレース２２８が２つのインターコネクトを接続するように配置されている場合、インターコネクト間の故障した燃料電池がバイパスされる。

バイパスモジュール２１０は、支持要素２１１、この支持要素２１１に配置され或いは支持されたバイパス素子１２２、複数のコンタクト２２４、及び、複数のリード線２２８を有する。支持要素２１１は、固体酸化物形燃料電池及びインターコネクトの熱膨張係数と同等の熱膨張係数（例えば、０〜１０％の差）を有する高温セラミック又は金属（例えば、ドープ（固溶）セリア、或いは、イットリア又はスカンジア安定化ジルコニア等の安定化ジルコニア、或いは、Ｃｒ−Ｆｅ合金、例えば、Ｃｒ−４−６重量％Ｆｅ合金等の合金）からなる。種々の実施形態において、支持要素は、セラミック（例えば、安定化ジルコニア又はドープ（固溶）セリア）回路基板である。支持要素２１１は、インターコネクト１０４の突起２０２が支持要素２１１の表面上又は内部のコンタクト部分２２４に接触するように両側に凹部２１２を備えたプレートである。好ましくは、バイパスモジュールは、自立プレハブ（予製造）モジュールである。このことは、支持要素２１１に取り付けられ或いは支持されているバイパス素子１２２を備えた支持要素２１１と複数のコンタクト２２４及びリード線２２８とが燃料電池スタックとは別に作製され、燃料電池スタックとは別のユニットとして取り扱われ或いは輸送されることを意味する。

図２Ｄは、別の実施形態に係るバイパスモジュール２４０に結合された燃料電池スタック２００を示している。バイパスモジュール２４０は「櫛」状の支持要素２１１を有し、この支持要素２１１は「櫛歯」状の複数の延在部２１６を両側に支持する中央支持部２１４から構成されている。隣接する延長部２１６は、凹部２１２Ａ又は２１２Ｂにより互いに分離されている。バイパスモジュール２４０はバイパスモジュール２１０と同様であるが、燃料電池スタックのインターコネクト１０４からの突起２０２に結合しない追加の凹部２１２Ｂを有する。つまり、突起２０２には凹部２１２Ａが結合する。しかしながら、凹部２１２Ｂは突起には結合しない。従って、奇数又は偶数毎の凹部２１２Ａは１つの突起２０２に結合するが、他の偶数又は奇数毎の凹部２１２Ｂは突起２０２には結合しない。

これら追加の非結合凹部２１２Ｂは、バイパスモジュール２４０を応力下で屈曲可能とする。具体的には、支持のために支持要素２１１の歯２１６により突起２０２を挟むために、凹部２１２Ｂは、図２Ｄにおいて矢印２８０で示した燃料電池スタック２００の積層方向にバイパスモジュールを屈曲可能とする。更なる実施形態において、支持要素２１１の歯２１６は、積層方向に対して垂直な方向（即ち、図２（Ｄ）の紙面に対して垂直な方向）に一時的に屈曲する。別の実施形態においては、突起２０２を受容するためには使用されないバイパスモジュール２４０の追加の凹部２１２Ｂは空のままではなく、高温金属又はセラミック発泡体又はフェルト或いは高温ガラスシール材料等の可撓性材料で充填される。

図３Ａは、燃料電池１０２とインターコネクト１０４とを備えた燃料電池スタック３００を示している。燃料電池スタック３００は複数の突起２０２を有しているが、燃料電池スタック２００とは異なり、各インターコネクト１０４は１つのみの突起２０２を有する。各インターコネクト１０４には、中心からずれた１つの突起２０２が形成されている。図３Ａに示したパターンと同様のパターンの突起２０２を形成するために、燃料電池スタック３００を組み立てる際にインターコネクト１０４の一部が１８０度回転される。或いは、右側にずれた突起２０２を備えた第１組と左側にずれた突起２０２を備えた第２組との二組のインターコネクト１０４が形成され、次いで、これら二組のインターコネクト１０４が交互に燃料電池スタックに組み立てられる。

図３Ｂは、凹部２１２及びバイパス素子１２２の構成を除いてバイパスモジュール２１０と同様のバイパスモジュール３１０を示している。バイパスモジュール３１０には、燃料電池スタック３００におけるパターン等のパターンの突起２０２と整列するように凹部２１２が成形されている。凹部２１２は、支持要素２１１の両側に互い違いに（例えば、図３Ｂに示したように、左、右、左と交互に）配置される。バイパスモジュール３１０のバイパス素子１２２は、凹部２１２に向かうリード線又はトレースを伴って配設されている。図３Ｃは、凹部２１２を突起２０２に結合することによりバイパスモジュール３１０を燃料電池スタック３００に取り付ける方法を示している。図２Ｃのシステムと同様に、リード線、ワイヤ又はトレース２２８のコンタクト２２４が突起２０２と接触し、バイパス素子１２２をインターコネクト１０４に電気的に接続し、故障した燃料電池１０２をバイパスする。

図３Ｄは、突起２０２を備えた燃料電池スタック３００に取り付けられた別の実施形態のバイパスモジュール３２０を示している。燃料電池スタック３００のインターコネクト１０４は、図３Ａに示したようにインターコネクト毎に１つの突出２０２を有する。バイパスモジュール３２０は、図２Ｄのバイパスモジュールと同様に突起２０２を挟むように屈曲する歯２１６を有する。支持要素２１１の中央支持部２１４は、主に燃料電池スタック３００の積層方向（即ち、図３Ｄにおいて上下方向）に屈曲可能な複数の歯２１６を与えるように成形され或いは切り出される。歯２１６は、水平方向に対して、例えば、５〜２０度、特に、少なくとも３度の適切な量だけ屈曲する。本明細書において説明するバイパスモジュールは、燃料電池スタック、インターコネクト及び燃料電池のサイズに依存して適切な寸法を有する。例えば、バイパスモジュール（例えば、図３Ｄにおいて上下方向のバイパスモジュール３２０）の高さは５０〜５００ｍｍ、特に、１００〜２００ｍｍであり、歯２１６の（例えば、図３Ｄにおいて上下方向の）高さは０．５〜１０ｍｍ、特に、１〜３ｍｍであり、縁部から中央支持部２１４までの歯２１６の（例えば、図３Ｄにおいて左右方向の）幅は１０〜１００ｍｍ、特に、２５〜５０ｍｍであり、中央支持要素２１４の（例えば、図３Ｄにおいて左右方向の）幅は１０〜１００ｍｍ、特に、２５〜５０ｍｍであり、厚み（例えば、図３Ｄの紙面に対して垂直な方向の厚み）は０．１〜１０ｍｍ、特に、０．２５〜１ｍｍである。

他の実施形態において、支持要素２１１は、当該支持要素２１１の凹部２１２にインターコネクト１０４の突起２０２を挿入することにより燃料電池スタック２００又は３００に掛かる。或いは、凹部２１２の代わりに、バイパスモジュール２００、３００又は支持要素２１１は、インターコネクト１０４に直接取り付けられるか或いはインターコネクト１０４の突起２０２等の支持部に取り付けられるフック、クランプ、ボルト又は他の留め具を有する。

図４Ａは、燃料電池スタック４００をバイパスモジュール４１０に取り付けるための更に別の実施形態を示している。燃料電池スタック４００は、燃料電池１０２と凹部４０２を備えたインターコネクト４０２とを有する。バイパスモジュール４１０は突起４１４を有する。バイパスモジュール４１０は、突起４１４内において延在するリード線又はトレース４２８を備えたバイパス要素１２２を支持する支持要素４１１を有する。燃料電池スタック４００及びバイパスモジュール４１０は、図４Ａに示したように、突起４１４と凹部４０２とを結合することにより（例えば、突起４１４を凹部４０２に挿入することにより）互いに取り付けられる。トレース、ワイヤ、又はリード線４２８のコンタクト部分４２４は、故障した燃料電池がバイパスされるようにバイパス素子１２２とインターコネクト１０４とを電気的に接続する。コンタクト部分４２４は、先端等、突起４１４に沿った何れの箇所にも配置可能である。

図４Ｂは、バイパスモジュール４６０が支持要素４１１に窪み４６４を有し、燃料電池スタック４５０が窪み４６４に嵌まる突起４５２を備えたインターコネクト１０４を有する別の実施形態を示している。窪み（即ち、凹み）４６４は、櫛状の支持要素４１１の可撓性の歯に配置されており、積層方向及び該積層方向に対して垂直方向における追加の可撓性をバイパスモジュール４６０に与える。

図４Ｃに示した更に別の実施形態のバイパスモジュール４７０においては、窪み４６４が貫通穴４７４に置き換えられており、この貫通孔は支持要素４１１を貫通して延在している。図４Ｃに示したバイパスモジュール４７０及び燃料電池スタック４５０は、図４Ｂに示したバイパスモジュール及び燃料電池スタックに対し、鉛直軸線周りで９０度回転されている。インターコネクト１０４から延びる突起４５２は、バイパスモジュールの支持要素４１１通って延びる。好ましくは、必ずしも必要ではないが、バイパスモジュール４７０の支持要素４１１は、バイパスモジュール２１０と同様に、凹部４１２及び歯４１６を備えた両側櫛状であり、これにより、支持要素４１１が燃料電池スタックの積層方向及び該積層方向に対して垂直な方向に屈曲可能とされている。凹部４１２は、未充填（即ち、突起がない、或いは、凹部に材料がない）か、或いは、図２Ｄに関連して説明したように、可撓性材料で充填される。図４Ｃは、バイパスモジュール４７０を燃料電池スタック４５０に挟み止めするために使用されるクランプ４８０を示している。

図４Ｄは、燃料電池スタック４９０に取り付けられた別の実施形態のバイパスモジュール４９５を示している。燃料電池スタック４９０は、図３Ａに示した燃料電池スタック３００の構成と同様に、各インターコネクト１０４の左右交互に１つずつ突起４５２を有する。バイパスモジュール４９５は、図４Ｃに示したバイパスモジュール４７０と同様に、貫通穴４７４を備えた歯４１６を有するが、歯４１６が燃料電池スタック４９０の各インターコネクトの１つの突起４５２に適合するように交互に配置されている点で異なる。中央支持部４１４は、図２Ｄに示したものと同様に切り出されたものであり、主に燃料電池スタックの積層方向に対して垂直な方向（即ち、図４Ｄの紙面に対して垂直な方向）に支持要素４１１を屈曲可能にしている。支持要素４１４及び／又は歯４１６は互いに独立して屈曲可能である。

バイパスモジュールは、他の機構によって、燃料電池スタックに接触した状態に保持されてもよい。種々の実施形態においては、バイパスモジュールは、１つ以上のバネ張力装置、クランプ、ボルト等によって燃料電池スタックに接触した状態に保持される。図５に示したように、バイパス要素１２２は、リード線、ワイヤ又はトレース２２８の端部に取り付けられたバネ５０２により突起２０２に電気的に接触した状態に保持される。バネ５０２は、高温金属（例えば、インコネル）コイルバネ又は高温金属又はセラミック（例えば、安定化ジルコニア）板バネである。種々の実施形態においては、バイパスモジュールと燃料電池スタックとを押し付けるために１つ以上の重り要素を使用する。突起及び凹部を省略し、コンタクト１２４をインターコネクト１０４の露出した縁部に直接接触させてもよい。

種々の実施形態においては、凹部又は突起を備えた別のバイパスモジュールを含むバイパスモジュールのバイパス素子１２２のコンタクト１２４或いはリード線、ワイヤ又はトレース１２８は、種々の導電性材料で被覆されたコンタクト点１２４を介して燃料電池スタックに接触している。上記材料は、例えば、白金、ニッケル、インコネル、又はランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）である。

種々の実施形態においては、バイパスモジュールと燃料電池スタックとの間の電気コンタクトの箇所における溶接又はろう付けが採用される（例えば、コンタクト１２４がインターコネクト１０４にろう付け又は溶接されている）。溶接又はろう付けは、伝導性を改善し、或いは、支持を補助し、燃料電池スタックとバイパスモジュールとの間の接触を維持する。

更なる実施形態においては、バイパスモジュール内に１つ以上の電圧監視デバイスが設けられる。各燃料電池要素の電圧監視は、システムパフォーマンスのより良い計測とシステムの問題のより正確な診断とを可能にする。しかしながら、より多くの電圧を監視する利点は、追加の監視デバイスそれぞれのコストの上昇に対してバランスが取れている。従来、一定数の監視デバイスは、燃料電池システムの全寿命に対応して選択されてきた。交換可能なバイパスモジュールは、特定のユニットのライフサイクルに基づき、監視の量を調整可能にする。例えば、プロトタイプの燃料電池スタックユニットは、全ての燃料電池に対して電圧監視デバイスを備えたバイパスモジュールに結合される。これら監視デバイスは、燃料電池毎に電圧を測定し、開発を助ける。同様に、配備前に多くの電圧監視デバイスを備えたバイパスモジュールには、製造装置が結合される。こうして、バイパスモジュールは、燃料電池スタックに取り付けられる前に欠陥について試験される。こうしたバイパスモジュールにより可能となる、より多くの測定は、信頼性の低いユニットの配備を防ぐ。

或いは、比較的少数の電圧監視デバイスを備えたバイパスモジュールが、当該フィールド（即ち、電気を生成するためにユニットが配置される場所）における配備後、ユニットのライフサイクルの他の部分のために使用されてもよい。これらバイパスモジュールは、任意の数の燃料電池の電圧を監視するための任意の数のデバイスを含む。例えば、バイパスモジュールは、１００もの燃料電池の電圧を監視する１つのデバイスを含む。別の実施形態のバイパスモジュールは、複数のグループの燃料電池それぞれについて電圧監視デバイスを含む。つまり、１つの燃料電池スタックが第１の複数の監視デバイスと少なくとも１つのバイパス素子とを備えた第１バイパスモジュールに取り付けらて試験される。次いで、第１バイパスモジュールが燃料電池スタックから取り外され、少なくとも１つの監視デバイスと少なくとも１つのバイパス素子とを備えた別の第２バイパスモジュールが燃料電池スタックに取り付けられる。次いで、燃料電池スタックが当該フィールドにおいて電気を発生するように作動されつつ燃料電池スタックの作動が第２バイパスモジュールの少なくとも１つの監視デバイスを用いて監視される。第１バイパスモジュールは、第２バイパスモジュールよりも多くの監視デバイスを有する。従って、燃料電池スタック毎により多くの監視デバイスを備えた第１バイパスモジュールは燃料電池スタックの試験中に使用され、第１モジュールモジュールよりも燃料電池スタック毎に数の少ない監視デバイスを備えた第２バイパスモジュールは燃料電池スタックのフィールド作動中（即ち、発電）中に使用される。

通常、ライフサイクルにおいて、種々のタイプ又は数の電圧監視デバイスを備えたバイパスモジュールを使用してもよい。例えば、重要な使用状況又は故障を迅速に識別すべき他の状況において作動する燃料電池スタックは、多数の電圧監視デバイスを備えたバイパスモジュールを有する。多数の監視デバイスを備えたバイパスモジュールを使用して、ライフサイクルの終わり近くにおいてユニットにおいて交換又は修理されるべき最初の燃料電池を特定することにより燃料電池スタックの総寿命を延ばすことができる。

種々の実施形態においては、種々のタイプの電圧監視デバイスが採用される。図６は、電圧監視デバイスを備えたバイパスモジュール６００に取り付けられた燃料電池スタック１００を示している。燃料電池１０２及びバイパス素子１２２の電圧は、各バイパス素子間に電圧プローブ６１０を設けることにより監視される。これら電圧プローブ６１０は、ニッケル、クロム等のホットゾーンの温度に耐えることができる種々の異なる導電材料から作製可能である。プローブ５１０は、支持要素５１１の内側に取り付けられ或いは支持される。電圧プローブ６１０は、各燃料電池又はバイパス素子の電圧を検知し且つ記録するデータロギングユニット６０２に接続される。データロギングユニットは、ロギングされた電圧を転送するように外部デバイス（例えば、コンピュータ）に接続される。或いは、データロギングユニット６０２からのデータは、外部デバイスへの配線を避けるために外部デバイスに無線で送信される。

図６は、バイパス素子１２２と同じバイパスモジュール６００に組み込まれた電圧プローブを示しているが、これらのプローブは別々に使用可能である。更なる実施形態においては、電圧プローブ６１０を備えているがバイパス素子１２２を備えていないバイパスモジュールが採用される。電圧プローブ６１０は、全てのインターコネクト、１つおきのインターコネクト或いは他のパターン又はランダムな組合せ等の１つ以上のインターコネクト１０４に接続される。プローブの数はバイパスモジュール間で異なってもよい。バイパス素子１２２と同様に、製造又は開発中には、より多くの電圧プローブ６１０を備えたバイパスモジュールが診断のために使用され、配備後には、より少ないプローブを備えたバイパスモジュールが使用される。或いは、プローブワイヤは、バイパスモジュールを用いて接続されるのではなく、燃料電池スタックにスポット溶接される。

更なる実施形態においては、バイパス素子を流れる電流を検出するためのカレントループが採用される。これらカレントループ６３０は、図６に示したように１つ以上のバイパス素子１２２又は１つ以上のグループのバイパス素子１２２周りに配置される。バイパス電流がある場合、カレントループに電圧が誘起され、この電圧が外部から検出される。カレントループは、燃料電池又は燃料電池スタックと実際に接触することなく（通常、電圧プローブでは接触する）、燃料電池性能を検出し、従って、燃料電池又は燃料電池スタックを短絡させないという利点を有する。カレントループは、上記データロギングユニット６０２と同様のデータロギングデバイス又は送信デバイスに取り付けられ、或いは、外部デバイスに接続される。

更なる実施形態においては、論理ゲートを形成し、マルチプレクサを生成するためにバイパスモジュールに組み込まれた高温トランジスタが採用される。マルチプレクサは、多重入力信号を介して電圧プローブ６１０又はカレントループ６３０の監視を可能にし、且つ、ホットゾーン内に入る或いはホットゾーンから出る信号ワイヤ線が少ない多数の燃料電池の監視を可能にする。

種々の実施形態においては、バイパスモジュールに組み込まれた圧力又は温度監視デバイスが採用される。図７は、組み込まれた温度及び／又は圧力センサ７０４を備えたバイパスモジュール７００を示している。これらデバイスは、インターコネクト１０４のポートに接続される。バイパスモジュール当たりの圧力又は温度監視デバイスの数は、電圧監視デバイスに関連して上述したように、燃料電池スタックのライフサイクルに応じて変わる。センサ７０４は、プローブ７１０によってデータロギングデバイス７０２に接続される。データロギングデバイス７０２は、記録された圧力又は温度を、ワイヤ又はワイヤレス接続を介して外部デバイスに送信する。センサ７０４は、支持要素６１１に配設され或いは支持される。センサ７０４は、燃料電池スタックに接触する或いは燃料電池スタック近くに配置される熱電対又は圧力センサである。

開示した態様に関する上の説明は、当業者が本発明を作り又は使用することを可能にするために提供されるものである。これら態様に対する種々の変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書において定義された一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく他の態様にも適用可能である。従って、本発明は、本明細書に示された態様に限定されるものではなく、本明細書に開示された原理及び新規な特徴に矛盾しない最も広い範囲に一致すべきものである。

Claims (30)

1. ホットゾーン内の燃料電池スタックであって、複数の燃料電池及び複数のインターコネクトを有する燃料電池スタックと、
   複数のバイパス素子を有するモジュールであって、前記燃料電池スタックに取り付けられる共に前記ホットゾーン内に配置されるモジュールと、
   を具備する、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記インターコネクト間に配置された複数の燃料電池の少なくとも１つをバイパスするために前記複数のインターコネクトの少なくとも２つに複数のバイパス素子の少なくとも１つが電気的に接続されている、システム。
3. 前記複数のバイパス素子の各々がダイオードを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記複数のバイパス素子の各々がブレークダウン誘電体を含む、請求項２に記載のシステム。
5. 前記複数のバイパス素子の各々がアンチヒューズを含む、請求項２に記載のシステム。
6. 前記ホットゾーンがホットボックスである、請求項２に記載のシステム。
7. 前記複数のバイパス素子が支持要素に配設され或いは支持要素内に支持されている、請求項２に記載のシステム。
8. 前記支持要素がセラミック回路基板である、請求項７に記載のシステム。
9. 前記モジュールが自立型モジュールであり、前記支持要素が支持プレートを有し、該支持プレートが前記燃料電池スタックの熱膨張係数と実質的に同等の熱膨張係数を有する、請求項７に記載のシステム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、
    前記複数のインターコネクトが少なくとも１つの突起を有し、
    前記支持要素が少なくとも１つの凹部、窪み又は貫通穴を有し、
    前記少なくとも１つの凹部、窪み又は貫通穴内に前記少なくとも１つの突起を配置することにより前記バイパスモジュールが燃料電池スタックに取り付けられる、システム。
11. 前記支持要素が可撓性のある歯を備えた櫛状であり、前記可撓性のある歯の間に複数の凹部が画成されている、請求項１０に記載のシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、
    前記支持要素の前記可撓性のある２つの歯の間の凹部内に前記複数のインターコネクトの少なくとも１つの突起を配置することにより前記バイパスモジュールが前記燃料電池スタックに取り付けられる、システム。
13. 請求項１１に記載のシステムにおいて、
    前記突起を前記凹部に交互に配置することにより前記バイパスモジュールが前記燃料電池スタックに取り付けられ、
    前記突起が配置されていない前記凹部が可撓性のある材料により充填されていない或いは充填されている、システム。
14. 請求項１１に記載のシステムにおいて、
    前記支持要素が前記複数の歯の少なくとも幾つかに少なくとも１つの窪み又は貫通穴を備えるように成形されており、
    前記複数の凹部が可撓性のある材料により充填されていない或いは充填されている状態でもって対応する前記突起を対応する前記窪み又は前記貫通穴に配置することにより前記バイパスモジュールが前記燃料電池スタックに取り付けられる、システム。
15. バネ張力装置、重り要素、ボルト、クランプ、溶接、又はろう付けにより前記モジュールが前記燃料電池スタックに取り付けられている、請求項２に記載のシステム。
16. 請求項２に記載のシステムにおいて、
    前記複数のインターコネクトの各々が少なくとも１つの凹部を有し、
    前記バイパスモジュールが少なくとも１つの突起を有し、
    前記少なくとも１つの突起を前記少なくとも１つの凹部内に挿入することにより前記バイパスモジュールが前記燃料電池スタックに取り付けられる、システム。
17. 請求項２に記載のシステムにおいて、
    前記モジュールに組み込まれた複数の監視デバイスを更に具備し、
    前記監視デバイスが電圧、圧力又は温度監視デバイスである、システム。
18. 前記監視デバイスが電圧監視プローブである、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記モジュールがマルチプレクサとして構成された高温トランジスタを更に有する、請求項１９に記載のシステム。
20. 前記電圧監視デバイスがカレントループである、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記監視デバイスが熱電対である、請求項１７に記載のシステム。
22. 燃料電池スタックの複数の燃料電池の少なくとも１つをバイパスするように前記燃料電池スタックの複数のインターコネクトの少なくとも２つに電気的に接続されるように構成された複数のバイパス素子と、これら複数のバイパス素子を支持する支持要素と、を具備し、
    前記支持要素が凹部を備えるように成形されると共に前記凹部内に露出された電気コンタクトを有する、自立型バイパスモジュール。
23. 自立型バイパスモジュールであって、
    燃料電池スタックの複数の燃料電池の少なくとも１つをバイパスするように前記燃料電池スタックの複数のインターコネクトの少なくとも２つに電気的に接続されるように構成された複数のバイパス素子と、
    前記複数のバイパス素子を支持する支持要素と、
    ホットゾーン内において当該バイパスモジュールを前記燃料電池スタックに取り付ける手段と、
    を具備する、自立型バイパスモジュール。
24. バイパス素子を具備する自立型プレハブバイパスモジュールを提供するステップと、
    前記プレハブバイパスモジュール及び燃料電池スタックがホットゾーン内に配置されるように前記プレハブバイパスモジュールを前記燃料電池スタックに取り付けるステップと、
    を具備する、方法。
25. 請求項２４に記載の方法において、
    前記プレハブバイパスモジュールを取り付けるステップが、前記燃料電池スタックのインターコネクトの凹部に前記プレハブバイパスモジュールの支持要素の突起を挿入するステップを含む、方法。
26. 請求項２４に記載の方法において、
    前記プレハブバイパスモジュールを取り付けるステップが、前記プレハブバイパスモジュールの支持要素の凹部に前記燃料電池スタックのインターコネクトの突起を挿入するステップを含む、方法。
27. 請求項２４に記載の方法において、
    前記プレハブバイパスモジュールを取り付けるステップが溶接又はろう付けするステップを含む、方法。
28. 請求項２４に記載の方法において、
    前記プレハブバイパスモジュールを取り付けるステップがバネ荷重を適用するステップを含む、方法。
29. 燃料電池システムを作動させる方法であって、
    第１の複数の監視デバイスと少なくとも１つのバイパス素子とを備えた第１バイパスモジュールに取り付けられた燃料電池スタックを試験するステップと、
    前記燃料電池スタックから前記第１バイパスモジュールを取り外すステップと、
    少なくとも１つの監視デバイスと少なくとも１つのバイパス素子とを備えた第２バイパスモジュールを前記燃料電池スタックに取り付けるステップと、
    前記第２バイパスモジュールの少なくとも１つの監視デバイスを用いて前記燃料電池スタックの作動を監視しつつ、前記燃料電池スタックを作動させて電気を生成するステップと、を具備する方法であって、
    前記第１バイパスモジュールが前記第２バイパスモジュールよりも多くの監視デバイスを有し、前記第２バイパスモジュール及び前記燃料電池スタックが同じホットボックス内に配置される、
    方法。
30. 燃料電池スタックを作動させる方法において、
    第１の数の電圧監視プローブを有する燃料電池スタックを試験するステップと、
    第２の数の電圧監視プローブを用いて前記燃料電池スタックの作動を監視しつつ、前記燃料電池スタックを作動させて電気を生成するステップと、を具備し、
    前記第１の数が前記第２の数よりも多い、方法。

Images