JP6370794B2 - 燃料電池用電流コレクタ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックへの電気接続を行うために燃料電池スタックに使用される電気コネクタシステムに関する。

従来の電気化学燃料電池は、燃料と酸化剤を電気および熱エネルギーと反応生成物に変換する。典型的な燃料電池は、アノード流れ場プレートとカソード流れ場プレートとの間に挟まれた膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える。ガス拡散層が、燃料および酸化剤をＭＥＡにより良好に配分するために、各流れ場プレートとＭＥＡとの間に配置される場合がある。様々な層を分離し、必要なシールを提供するために、ガスケットが使用される場合がある。典型的には、流れ場プレートは、流体燃料または酸化剤をＭＥＡの活性表面に送達するために、ＭＥＡに隣接するプレートの表面上に延びる１つ以上のチャネルを含む。

従来の燃料電池スタックでは、複数の電池が一緒にスタックされており、１つの電池のアノード流れ場プレートが、スタック内の次の電池のカソード流れ場プレートに隣接する。いくつかの配設では、双極流れプレートが使用され、単一の流れ場プレートが、そのプレートの両側に流体流れチャネルを有する。双極プレートの片側は、第１の電池用のアノード流れプレートとしての役目を果たし、流れプレートのもう一方の側は、その隣接する電池用のカソード流れプレートとしての役目を果たす。スタック内の第１流れプレートと最後の流れプレートとに電気接続することによって、スタックから電力を抽出することができる。典型的なスタックは、数個の電池のみ、または何十個もの電池、さらには数百個の電池を備える場合がある。本発明は、これらの様々な燃料電池スタック構造の全てに関する。

従来、電力は、一対の電流コレクタプレートを用いて燃料電池スタックから抽出されるが、その一方の電流コレクタプレートは、スタックの一方の端部において最も外側のアノード流れプレートに対して配置され、もう一方の電流コレクタプレートは、スタックのもう一方の端部において最も外側のカソード流れプレートに対して配置される。コレクタプレートは、典型的には、銅またはステンレス鋼などの高導電性金属の硬質プレートとして形成される場合がある。各コレクタプレートのタブまたは突出部は、スタックから横方向に外向きに延びて、例えば、半田付けまたは摩擦嵌め押し込み式コネクタによって、電気コネクタがそのプレートに接続することを可能にする。

本発明の目的は、燃料電池スタックでの使用に好適なコレクタプレートの改良された形態を提供することである。

一態様に従って、本発明は、燃料電池スタック組立体を提供し、この燃料電池スタック組立体は、
各電池がアノード流れプレートとカソード流れプレートとの間に配置された膜電極接合体を備える、スタック構成の複数の電池と、
そのスタックの各端部における電流コレクタプレートと、
圧縮下でスタックを維持するように構成された圧縮組立体と、を備え、
電流コレクタプレートのうちの少なくとも１つが、そのスタックの最も外側の電池のカソード流れプレートまたはアノード流れプレートに対して配置された第１の面を有するプリント回路板を備え、
その第１の面がそのプリント回路板の基板上に配置された導電層を含む。

プリント回路板の第１の面は、その上に配置された少なくとも１つの電子構成部品を含む場合がある。その少なくとも１つの電子構成部品は、センサを備えていてもよい。そのセンサは、サーミスタまたは他の温度センサを備えていてもよい。そのセンサ構成部品は、カソード流れプレートまたはアノード流れプレートの隣接面に沿って延びる流れチャネルと整列するようにプリント回路板上に位置付けられていてもよい。センサ構成部品は、プリント回路板のその面を超えてその流れチャネルの体積に突出するように構成されていてもよい。プリント回路板は、スタック組立体の一面から横方向に外向きに延びるコネクタタブを含んでいてもよく、導電層はそのコネクタタブ上に延びていてもよい。プリント回路板は、電子構成部品からスタック組立体の一面から横方向に外向きに延びるコネクタタブまで延びる少なくとも１つの導電トラックを含み、そのコネクタタブはその電子構成部品への電気接続用の電気端子を提供する。プリント回路板基板は、電気絶縁誘電材料から形成されていてもよい。スタックの各端部における電流コレクタプレートは各々、そのスタック内の最も外側の電池のそれぞれのアノード流れプレートまたはカソード流れプレートに対して配置された第１の面を有するプリント回路板を備えてもよい。プリント回路板の第１の面上の導電層は、スタック電流コレクタ電極として機能するように構成されていてもよい。燃料電池スタック組立体は、プリント回路板の第１の面とは反対側の第２の面上に導電トラックも含んでもよく、その導電トラックは、プリント回路板の第１の面に実装された１つ以上の電子構成部品への電気接続として機能するように構成されている。電流コレクタプレートのうちの少なくとも１つが、そのスタック構成の複数の電池によって画定されたスタック組立体の一面を超えて横方向に延びて、横方向に延びる部分を画定し、その横方向に延びる部分上に実装された少なくとも１つの電子構成部品をさらに含んでいてもよい。別の態様において、本発明は、上記の特徴を用いて燃料電池スタック組立体を作製する方法を提供する。

ここで、本発明の実施形態は、以下の添付の図面を参照して一例として説明される。

燃料電池スタックの斜視図を示す。 内部の構成部品を見せるために圧縮端部プレートを取り外した状態の図１の燃料電池スタックの斜視図を示す。 図１および２のスタックの電流コレクタプレートの斜視図を示す。

本明細書を通して、「上部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上方」、「下方」、「前方」、「後方」等の、相対的な向きおよび位置に関する記述子は、その形容詞および副詞の波生語も含め、図面内に示すような燃料電池スタック組立体の向きの意味で用いられ、記述された実施形態の理解を支援するためのものである。しかしながら、このような記述子は、燃料電池スタック組立体の意図される使用をいかようにも限定することを意図するものではない。

図１を参照すると、燃料電池スタック組立体１は、それぞれがアノード流れプレート４とカソード流れプレート５との間に配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）３を含む複数の並列電池２を有する。図１に示すスタック組立体において、アノード流れプレート４は、それぞれのＭＥＡ３の上方に水平に位置し、カソード流れプレート５は、それぞれのＭＥＡ３の下方に水平に位置する。

示される燃料電池スタックは、空冷式オープンカソードの一種であり、この構造では、アノード流れプレート４は、エッチングされるか、または別の方法でＭＥＡに対向するアノード流れプレートの表面（図１では不可視）に形成される、水素などのアノード燃料ガスをＭＥＡ３のアノード側に供給する、一組の流れチャネルをそれぞれが有する薄い金属層である。多孔質ガス拡散材の層（図１では不可視）は、燃料をＭＥＡ表面に配分するのを支援するため、ＭＥＡとアノード流れプレートとの間に位置付けられる場合がある。ガスケットは、アノード燃料漏れを防ぐためのシールを提供するために、ＭＥＡとアノード流れプレートとの外周まで延びている。

示される例において、カソード流れプレート５はオープンカソード型であり、波形板６として形成される。波形部分は、ＭＥＡの表面またはその上に配置されるガス拡散層を通り過ぎる空気の通過のために、端部開放型の流れチャネル８を提供する。図１に見られるように、スタック１の前面７は、空気入口面を提供し、これにより、空気は、スタック体積内を、ＭＥＡのカソード表面まで通過することができる。スタックの反対側の面（すなわち、図１に見られるようにスタックの裏面）は、さらなる空気入口面を提供する場合がある。代替的に、スタックが強制換気される場合には、反対側の面は、前面７に強制的に入れられる空気の出口用の空気出口面になる場合がある。

スタック組立体１の頂部において、アノード電流コレクタプレート９は、電気コネクタを取り付けることができる電気端子を提供するために、スタックから横方向に外向きに延びるアノード電流コレクタタブ１０を含む。スタック組立体１の底部において、カソード電流コレクタプレート１１は、電気コネクタを、例えば、半田付けによって取り付けることができる電気端子を提供するために、スタックから横方向に外向きに延びるカソード電流コレクタタブ１２を含む。

スタック組立体１は、一対の端部プレート、具体的には、上端部プレート１３と底端部プレート１４によって圧縮下に置かれ、これらのプレートは左右端部クリップ１５および１６によって一緒に保持される。端部クリップ１５、１６は、全てのガスケットがスタック内の電池の様々な層を正しく密封するように、スタックの層が密接に圧縮されて保持されるように、引っ張り状態で掛けられる。

スタック組立体１は、アノード流れプレートまたはカソード流れプレートのそれぞれから各々横方向に外向きに延びる一連の電圧監視タブ１７も含む場合がある。示される例において、電圧監視タブ１７は、アノード流れプレートの横方向の拡張である。電圧監視タブは、スタック内の電池ごとに提供される場合があり、またはスタック内のいくつかの電池ごとに提供される場合があり、動作中にスタック全体を通して電池電圧を監視するのに役立つ。

ガスケット配設１８は、スタック内の電池の端部の密閉を提供する場合があり、燃料をスタック内の各電池に送達および配分するためにスタックを通して垂直に延びる通路も提供する場合がある。ポート１９、２０が、上部プレート１３の各端部に提供され、これは、図２で見ることができる配分通路へのアクセスを提供する場合がある。通常、ガスケットは、配備される電池およびスタックの特定の構成に適する、どのような形態のものでもよい。

図２は、アノード電流コレクタプレート９と、ポート１９および２０を通してアクセスされるアノード流体配分通路２１、２２を見せるためにその上端部プレート１３が取り除かれた状態の燃料電池スタック組立体１を示す。スペーサプレートまたはガスケット層２３、２４は、後で述べるように、アノード電流コレクタプレート９がスタックの左右両側面に延びていない場合には、アノード電流コレクタプレート９と同様の厚さで提供される場合がある。一般に、このようなガスケット層２３、２４の厚さは、組み立てられたスタック用に適切に圧縮されるときに正しく機能して密閉および間隔機能性を提供するのであれば、非圧縮状態のときには任意の適宜な厚さであってもかまわない。

ここで図３を参照すると、カソード電流コレクタプレート１１が、スタック組立体１から取り除かれ、図１および２の向きと比べて前後に回転された状態で示されている。カソード電流コレクタプレート１１は、積層化構造中に繊物状または不繊の支持物を有するエポキシ樹脂のような適度に電気的に絶縁する誘電材料のプリント回路板基板２５から作製される。パターンが基板のほとんどにわたって延びる銅など高導電材料２６の層が、基板２５上に配置される。この高導電材料２６の層は、燃料電池スタック用の電流コレクション電極としての役目を果たす。より一般的には、高導電材料２６の層は、電流コレクタプレート１１が隣接する電池から適切な電流コレクションを提供するように、基板２５の任意の十分な領域にわたって延びるように構成される場合がある。導電材料２６の層は、ある程度の柔軟性と圧縮率を提供するために、導電埋め込み繊維、またはゴム入りもしくは概して柔軟である場合がある他の材料から、部分的にまたは全体的に形成されていてもよい。

選択された所（１つまたは複数）において、１つ以上の電気構成部品２７がプリント回路板基板２５の表面に実装され、その表面には電気接続のために導電トラック２８が形成される。スタック電流コレクション電極としての役目を果たす導電材料２６の主フィールド領域を電気構成部品２７用の第２の電気接続としても用いることができ、または複数の別個のトラック２８を代わりに用いることができる。複数の構成部品２７を、プリント回路板２５／カソード電流コレクタプレート１１の表面にわたって配置することができ、これらは、隣接する流れプレート５内の流れチャネルに整列することができ、または基板２５上の他の任意の場所に整列することができる。導電トラック２８は、好ましくは、これらのトラックが終了する基板２５のエッジまで、あるいは基板のエッジの近位になる基板２５のエッジまで延び、好ましくは横方向に延びるタブ３０上まで延びる。スタックの組立中または組立後に、押し嵌め式もしくはクリップ式の電気コネクタが取り付けられてもよく、または半田接合が行われてもよい。

領域３１は、例えば、基板上にわたってパターン化された導電材料２６のシートまたは層内に切れ目を提供して、熱層間剥離からの保護を提供する場合がある。これにより、材料２６の層と、下層基板２５との熱膨張率の差を許容することができる。

好ましい配設において、電気構成部品２７はセンサであり、なおさらに好ましい配設において、センサは温度を監視するためのサーミスタである。複数のセンサを、カソード電流コレクタプレートの領域にわたって分散させてもよい。示される好ましい例において、サーミスタは表面実装され、気流チャネル２９（図２を参照）内へと部分的に突き出すように、プリント回路板２５の主表面から上向きに突き出る。これにより、カソード流れチャネルを通る気流の温度が正確に監視される。

他の種類のセンサを、燃料電池の状態を感知するのと同様な様式で、プリント回路板２５に実装する場合がある。このようなセンサとしては、温度センサ、湿度センサ、不純物センサ等を挙げることができる。より一般的には、プリント回路板基板２５を、スタック構成の電池２によって画定されるスタック組立体１の一面（例えば、前面７）を超えて横方向に延ばすことができ、（横方向に延びるタブ３０に加えて、またはその代わりに）スタック本体の外側に電気構成部品２７を実装可能な横方向に延びる部分を画定することができる。例えば、サーミスタは、主空気流れ経路に隣接する本体の外側で効果的に機能する場合がある。

プリント回路板２５に実装された電気構成部品２７は、回路板の反対側の面、すなわちカソード電流コレクタ導体２６が配置される面の反対側の面に配置された電気トラックを介して電気的に接続される場合がある。このオプションは、導体２６のより広大な領域または分離されていない領域を提供することできるが、横方向に延びるタブ３０への電気接続を依然として可能にする。

カソード電流コレクタタブ１２およびセンサ導電トラック２８用のタブ３０は、１つのタブに一体化される場合がある。センサ接続およびカソード電流コレクタ接続は、タブの反対側の面に配置することができる。

別の配設において、横方向に延びるタブのいくつかまたは全てを省くことができる。導電材料２６が位置する面とは反対側の電流コレクタプレートの面のコネクタ領域に対するアクセスを可能にするカットアウトを端部プレート１４内に提供することによって、電流コレクタ接続を電流コレクタプレート１１の本体上に提供することができる。プリント回路板基板２５を貫通する電気接続は、従来の電気ビア等を用いて行うことができる。このような接続を複数提供することができる。

プリント回路板２５上のスタック電流コレクション電極としての役目を果たす導電材料２６の主フィールド領域は、カソード電流コレクタ１１の面全体にわたって連続的である必要はない。示されるオープンカソード燃料電池スタックの例示的な配設において、プリント回路板の導電性は、板２５がカソードの波形板６に物理的に当接する領域において重要である。したがって、プリント回路板に当接する、波形板６の部分のそれぞれが各々整列する導電材料２６の離散トラックを提供することができる。次に、スタックの幅を横切る共通のレールが、接続用のこれらの離散トラックのそれぞれをカソード電流コレクタタブ１２に電気的に結合する。このコモンレールは、プリント回路板のいずれの面にも提供することができる。

導電トラック２６をプリント回路板と波形板６との間の当接領域にのみ提供することにより考えられる利点は、金属トラックを流れチャネルにわたって形成する必要がないことである。金属トラックは、このように流れチャネル２９に流れる流体にむき出しになることが少なく、このような流体からの腐食作用の影響を受けることが少ない。別の配設において、導電材料２６の選択された部分は、保護層でコーティングされる場合がある。

しかしながら、一般的には、スタック電流コレクタ電極としての役目を果たすプリント回路板上の金属トラックは、基板２５上に印刷することができる、または別の方法で堆積することができる任意の好適な導電材料から形成することができる。好ましい金属としては、最高の導電性を有するものが挙げられるが、隣接する流れチャネル内のあらゆる気体流に対する反応性を低減させるために他の材料が用いられる場合がある。例示的な材料としては、銀、金、もしくはステンレス鋼の、層またはコーティングを挙げることができる。

電流コレクタプレートとしてプリント回路板を用いる原理は、カソード電流コレクタプレート１１のためにだけ用いられる必要はなく、アノード電流コレクタプレート９にも適用可能である。プリント回路板から形成されたアノード電流コレクタプレート９は、センサを含む必要はないが、そうすることも可能である。図示するように、プリント回路板電流コレクタプレート９は、スタックの幅全体にわたって延びる必要はなく、スペーサプレート２３、２４によって境界が区切られた部分的な層であってもよい。スペーサプレートは、ガスケット材料であってもよいが、プリント回路板基板材料から作製することも可能であるが、そのプレート上に導電トラックを有する必要はない。プリント回路板基板材料としては、ガスケットのような密閉性、例えば、ある程度の圧縮性とガスシール性を有するものを選択してもよいし、または基板上に接着されたガスケット材料を含有してもよい。プリント回路板は、単層板または多層板を用いて提供することができる。

プリント回路板電流コレクタプレート９、１１を使用することにより、モジュール方式と設計の変更において顕著な利益が提供される。任意の種類のスタック組立体に対する電流コレクタプレートに必要な導電パターンは、高効率で定着したＰＣＢ製造技術を用いて容易に変更することができ、アノードまたはカソード流れプレート４、５の異なる構成、異なるセンサ位置、およびタブもしくは半田点などのような異なる外部接続点に適合することができる。これらは、大量生産および組立に適合性が高く、費用効率が高い。標準のＰＣＢコネクタ構成を使用することができ、標準の部品実装技術を費用削減のために使用することもできる。温度センサなどのセンサを電流コレクタプレートに統合することは、部品数と製造上の複雑さを低減することができることを意味する。

本明細書で述べる組立体は、家庭用電子機器で用いることができるもの等の数個のみの電池を有する小規模燃料電池スタックに特に適している。しかしながら、本原理は、より大きな燃料電池スタックに適用することができる。

電流コレクタプレートとして使用されるプリント回路板は、硬質の基板材料で形成する必要はない。フレキシブルボードが利用可能であり、スタック設計が許す箇所もしくは、電流コレクタプレートにおいて何らかの柔軟性が必要な個所で用いて、例えば、頂部端部プレート１３および底端部プレート１４によって加えられる不均一な圧縮力を吸収することができる。

電流コレクタプレートとして用いられるプリント回路板は、様々な種類の燃料電池スタック構造とともに使用することができ、図に示されるスタック、および実施形態に記載されるスタックの特定の構成に限定される必要はない。他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に意図的に収められる。

Claims (11)

1. 燃料電池スタック組立体であって、
   各電池がアノード流れプレートとカソード流れプレートとの間に配置された膜電極接合体を備える、スタック構成の複数の電池を備え、各々の前記カソード流れプレートは複数の波形を有する波形板として形成され、前記複数の波形は、前記膜電極接合体のカソード面に露出し、スタックの前面からスタックの後面まで延びる端部開放型の流れチャネルをそれぞれ提供し、前記燃料電池スタック組立体はさらに、
   前記スタックの各端部における電流コレクタプレートと、
   圧縮下で前記スタックを維持するように構成された圧縮組立体と、を備え、
   第１の電流コレクタプレートが、前記スタック内の最も外側の電池のカソード流れプレートに対向して配置された第１の面を有するプリント回路板を備え、
   前記第１の電流コレクタプレートの前記第１の面が、前記プリント回路板の基板上に配置された導電層を含み、
   第１の電流コレクタプレートの前記第１の面は、前記第１の電流コレクタプレートの前記第１の面に配置された少なくとも１つの電子構成部品をさらに含み、
   前記少なくとも１つの電子構成部品は、前記スタックの最も外側のセルの前記カソード流れプレートの前記複数の波形の１つによって提供される端部開放型の流れチャネルを通る気流の温度を監視するセンサを含み、
   前記センサは表面実装され、前記プリント回路板上の前記第１の面から上方に突出し、前記端部開放型の流れチャネルに部分的に突出する、燃料電池スタック組立体。
2. 前記センサが、サーミスタまたは他の温度センサを備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
3. 前記電子構成部品が、前記カソード流れプレートまたは前記アノード流れプレートの隣接面に沿って延びる流れチャネルと整列するように前記プリント回路板上に位置付けられる、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック組立体。
4. 前記電子構成部品が、前記プリント回路板の前記第１の面を超えて前記流れチャネルの体積内に突出するように構成される、請求項３に記載の燃料電池スタック組立体。
5. 前記プリント回路板が、前記燃料電池スタック組立体の一面から横方向に外向きに延びるコネクタタブを含み、前記導電層が、前記コネクタタブ上に延びる、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
6. 前記プリント回路板が、前記電子構成部品から、前記燃料電池スタック組立体の一面から横方向に外向きに延びるコネクタタブまで延びる少なくとも１つの導電トラックを含み、前記コネクタタブが、前記電子構成部品への電気接続用の電気端子を提供する、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
7. 前記プリント回路板が、電気絶縁誘電材料から形成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
8. 前記スタックの各端部における前記電流コレクタプレートが各々、前記スタック内の最も外側の電池のそれぞれのアノード流れプレートまたはカソード流れプレートに対して配置された第１の面を有するプリント回路板を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
9. 前記プリント回路板の前記第１の面上の前記導電層が、スタック電流コレクタ電極として機能するように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
10. 前記プリント回路板の第１の面とは反対側の第２の面上に導電トラックをさらに含み、前記導電トラックが、前記プリント回路板の前記第１の面上に実装された１つ以上の電子構成部品への電気接続として機能するように構成される、請求項９に記載の燃料電池スタック組立体。
11. 前記電流コレクタプレートのうちの少なくとも１つが、前記スタック構成の前記複数の電池によって画定された前記燃料電池スタック組立体の一面を超えて横方向に延びて、横方向に延びる部分を画定し、前記横方向に延びる部分上に実装された少なくとも１つの電子構成部品をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。

Images