改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタック
燃料電池スタック（１０）は集電体（３０）に隣接して固定された端電池（１２）を有する反応部（２０）を備える。集電体（３０）は端電池（１２）の顕熱を超えない顕熱と、１００μΩｃｍを超えない電気抵抗率とを有する。絶縁体（４０）は集電体（３０）に隣接して固定され、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する。集電体（３０）の低い顕熱と絶縁体（４０）の低い伝熱速度によって、熱が端電池（１２）から急速に出て行かないために、端電池（１２）が急速に加熱する結果となり、それにより凝固点下の条件での始動の間の端電池（１２）内の生成水の凝固と蓄積を回避することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送車両、携帯型発電設備での使用に適した、あるいは据置き型発電設備として適した燃料電池スタックに配列された燃料電池に関し、本発明は特に、スタックの端電池と比較して低い顕熱を有する集電体と絶縁体を有し、その絶縁体の両端にわたる全伝熱速度は、凝固点下の条件からの始動の間における端電池による熱発生速度を下回る、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は周知であり、還元性及び酸化反応性流体から電気エネルギーを生成して、宇宙機搭載用途、輸送車両、又は建物のオン・サイト発電機などの電気装置に電力を供給するために共通して使用されている。複数の平坦な燃料電池が、通常、電気絶縁フレーム構造体で周囲を囲まれた電池スタックとして配列され、このフレーム構造体は、燃料電池発電設備の一部として、還元性流体、酸化剤流体、冷媒流体及び生成物流体の流れを方向付けるマニホルドを画定する。個々の独立した燃料電池は、概して、電解質で隔離された空気極と燃料極を備える。燃料電池は又周知のように、水輸送板又はセパレータ板を具備し得る。
【０００３】
燃料電池スタックは、還元性流体ストリームと酸化剤プロセスストリームから電気を発生させる。燃料電池スタックの反応部は、相互に隣接して積層された複数の燃料電池から形成される。複数の燃料電池は、燃料電池スタックの端部に端電池を備える。加圧板は集電体の上に重なり、スタックに圧縮負荷をかけるよう燃料電池スタックの反対側の端部にある反対側の加圧板に対して固定される。既知の加圧板のほとんどは、大型の導電性金属材料から作製されるものである。
【０００４】
燃料電池スタックの運転中、電流はスタックの反応部を通過してそこから出て、端電池に隣接する集電体中へと流れる。集電体又は加圧板に固定された電力取出器によって、電流は電池スタックからモータ等の装置へ向かう。
【０００５】
凝固点下の条件から「ブートストラップ」始動の間、燃料電池スタックに補助加熱流体を与えないことが好ましいが、一方で水素等の還元性流体を燃料極に供給し、かつ、酸素又は空気等の酸化剤を空気極に供給することが好ましい。電解質として陽子交換膜（「ＰＥＭ」）を利用する電池において、燃料極の触媒表面では、水素が電気化学的に反応して水素イオンと電子が生成される。電子は外部負荷回路に伝導されてから空気極に戻るが、他方の水素イオンは電解質を通って空気極へ移動して、そこで酸化剤並びに電子と反応して水を生じ、熱エネルギーが放出される。燃料電池により発生した電気は、集電体と導電性加圧板中を通って流れる。
【０００６】
そのような「ブートストラップ」始動の間、スタックの中央領域にある燃料電池は、スタックの両端に隣接する端電池と比較して、急速にその温度が上昇する。端電池で発生した熱は集電体中を通って大型の導電性金属製加圧板へ急速に伝導されるため、端電池はもっとゆっくりと加熱する。端電池の温度が摂氏０度（０℃）以上に急速に上昇しなければ、水輸送板中の水は凍結したままであり、それにより生成水の除去が妨害され、端電池が燃料電池生成水で溢れることになる。端電池の溢れは反応性流体が触媒に達するのを妨げるため、端電池に負電圧が生じる結果となり得る。端電池の負電圧は、空気極における水素ガスの発生及び／又は電池電極の炭素支持層の腐食を生じさせ得る。そのような事態の発生により、燃料電池スタックの性能と長期安定性を劣化させることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、凝固点下の条件からの始動の間、可能な限り急速に０℃以上に温度を上昇させることのできる端電池を有する燃料電池スタックの必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックである。本発明の燃料電池スタックは、外部負荷装置と整合して電気エネルギーを供給できる発電設備を作製するための、スタックや、例えば反応物管理システム、熱管理システム、制御装置などの他の構成要素を含む設備のような燃料電池発電設備（図示せず）に使用することができる。そのような設備及びそれら種々の構成要素は当業者には既知である。燃料電池から電力を受容する外部負荷装置は、例えば車両や建造物などの輸送装置や据置き型装置でもよい。燃料電池スタックは、還元性流体ストリームと酸化剤プロセスストリームから電気を発生させるものであり、燃料電池スタックの反応部を形成するよう相互に隣接して積層された複数の燃料電池を備える。複数の燃料電池は、スタック端部に端電池を具備する。
【０００９】
集電体は端電池と電気的に連絡するように固定され、ここで、この集電体は、端電池の顕熱を超えない大きさの顕熱と、１００μΩｃｍを超えない大きさの電気抵抗率とを有する。燃料電池スタックは又、集電体に隣接して固定された絶縁体を備え、この絶縁体の熱伝導率は０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない。スタックは又、絶縁体に隣接してその上に重なって固定され、さらに端電池の上にある加圧板を有する。集電体の顕熱が低く、かつ絶縁体の熱伝導率が低いため、熱は端電池から急速には出て行かず、それゆえ凝固点下の条件での始動の間、端電池が急速にウォームアップする。
【００１０】
一実施態様において、集電体は金属箔から作製される。代替的な実施態様では、集電体は金属皮膜からなるものであってもよい。好ましい集電体は、０．２５〜０．５０ミリメートル（ｍｍ）厚を有し、端電池の顕熱のおおよそ０．１３〜０．２６倍の顕熱を有するスズの金メッキ層であってもよい。
【００１１】
好ましい絶縁体は、０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさの熱伝導率を有する独立気泡プラスチックと、０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさの熱伝導率を有するシリカエーロゲル、あるいは０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさの熱伝導率を有する真空絶縁パネル内のシリカエ−ロゲルを包含し得る。好ましい絶縁体は又、３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有するものであってよい。
【００１２】
本発明は、金属製導電性材料からなる、あるいは非金属製、非導電性強化プラスチック複合体からなる加圧板を利用してもよい。
【００１３】
従って、本発明の目的は、概して、従来技術の欠陥を克服する、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックを提供することである。
【００１４】
より詳細には、本発明の目的は、燃料電池スタックの端電池が凍結温度以下の条件での始動の間に急速に加熱するように、低顕熱を有する集電体と低熱伝導率を有する絶縁体を装備する、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックを提供することである。
【００１５】
本発明の改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックのこれら及びその他の目的並びに利点は、関連する添付の図面と組み合わせて以下の説明を検討することにより容易に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を詳細に参照すると、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックが図１に示されており、概して符号１０で示されている。スタック１０は、スタック１０の反応部２０を形成する、相互に隣接して固定された複数の燃料電池１４，１６，１８を具備する。当業界において周知のように、スタック１０の燃料電池１４，１６，１８は、ＰＥＭ電解質等の電解質（図示せず）の両側に燃料極と空気極を備える（図示せず）。そのような燃料電池１４，１６，１８は又、周知のように、水輸送板及び／又はセパレータ板（図示せず）を含んでもよい。スタック１０は又、スタック１０の反応部２０の第１の端部２４に隣接して固定された端電池１２を備える。スタック１０は又、当業界において周知のように、還元性流体ストリーム及び酸化剤プロセスストリームなどの反応物ストリームを、スタック１０の反応部２０内へと方向付け、かつ、生成物ストリームをスタック１０から排出されるように方向付けるための、スタック１０の反応部２０に固定された第１の反応物マニホルド２６と第２の反応物マニホルド２８を具備することができる。
【００１７】
集電体３０は、端電池１２と電気的に連絡するよう固定される。端電池１２と集電体３０の間の電気伝導を増強するために、集電体３０は、その平面の面積の大きさが、端電池１２の平面の面積の大きさと少なくとも同じであるような寸法に形成される。集電体３０は、第１の母線３２と第２の母線３４に対して、それらと電気的に連通するよう固定される。母線３２，３４は、集電体３０から流れる電流を母線３２，３４に方向付けることができるよう、銅などの導電性材料から作製することができる。さらに、第１の電力取出器３６が第１の母線３２に固定され、第２の電力取出器３８が第２の母線３４に固定される。第１と第２の電力取出器３６，３８は、スタック１０から、仕事を実行する装置（図示せず）に電気を伝導するよう導電性材料から作製してよい。集電体３０は、端電池１２の顕熱未満の顕熱を有し、集電体は１００μΩｃｍを超えない大きさの電気抵抗率を有する。即ち、端電池１２は第１の顕熱を有し、集電体３０は第１の顕熱未満の第２の顕熱を有する。
【００１８】
スタック１０は又、集電体３０、あるいは集電体３０の少なくとも一部に隣接して固定された絶縁体４０を具備する。電気的に非伝導性、非金属製繊維強化複合材料からなる層等の加圧板４２は、絶縁体４０に隣接しかつその上に重なり、さらに端電池１２の上にあり、スタック１０の外端部４１に固定される。本発明における目的に関連して、「端電池１２の上にある加圧板４２」という用語は、加圧板４２が端電池１２の平面の面積と少なくとも同じ大きさの平面の面積を有するような寸法形状を有することを意味する。第２の集電体、絶縁体及び加圧板（図示せず）は、スタック１０の反対側の第２の端電池（図示せず）に固定される。理解されるように、両方の加圧板は、スタック１０に圧縮荷重を印加するよう、タイロッド（図示せず）などで相互に固定される。
【００１９】
スタック１０は又、集電体３０に隣接して固定されたカーボン紙クッション４４を含んでもよい。当業界で知られるように、カーボン紙クッション４４は、スタック１０の隣接する表面間の増強された導電性のために圧縮性である。さらに、スタック１０は集電体３０と第１の反応物マニホルド２６の間に固定された第１のガスケット４６と、集電体３０と第２の反応物マニホルド２８の間に固定された第２のガスケット４８を具備してもよい。第１と第２のガスケット４６，４８は、マニホルド２６，２８から出る流体が移動するのを防ぐ。
【００２０】
加圧板４２が非導電性、非金属製繊維強化複合体からなる加圧板４２である場合、集電体３０は端電池１２の接触面４９と共通の平面である集電体３０の平面４７から延在する、第１の長辺延長部（ｌｏｎｇ−ｓｉｄｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）４３と反対側の第２の長辺延長部４５を含んでもよい。第１と第２の長辺延長部４３，４５は第１と第２の母線３２，３４に接触する。
【００２１】
図２は図１の燃料電池スタック１０の断片的な透視図であり、図１で示した第１の実施態様に関して上述の通りである。図２（正しく縮尺して描かれてはいない）は、電池スタック１０に対する集電体３０の第１と第２の長辺延長部４３，４５の配置を示す。スタック１０は矩形であり、第１と第２の短辺５２Ａ，５２Ｂ及び第１と第２の長辺５４Ａ，５４Ｂを含む。図２に示すように、第１の長辺延長部４３は、スタック１０の第１の長辺５４Ａに沿って延長するよう配置され、第２の長辺延長部４５はスタック１０の第２の長辺５４Ｂに沿って延長するように配置される。この配置により、集電体３０の中央領域５６から母線３２，３４まで流れる電流は、より遠くにある短辺５２Ａ，５２Ｂまでではなく、より近い第１又は第２の長辺延長部４３，４５までの短い距離を移動することができる。従って、電流が長辺５４Ａ，５４Ｂまでのより短い距離を流れるようにすることよって、電流がさらに短辺５２Ａ，５２Ｂまで流れなければならない場合と比較して、集電体３０をより薄くすることが可能となる。集電体３０が薄いほど、厚い集電体３０と比較して、顕熱は小さくなる。
【００２２】
周知のように、ある製品の顕熱は、その質量にその比熱をかけ、さらに、その製品がその温度差にわたって加熱された場合の温度差動をかけたものである。つまり、例えば、摂氏０度（０℃）から２０℃に上昇した１グラムの水の顕熱は０℃から２０℃に上昇した１グラムのコンクリートの顕熱とは異なる。そのため、集電体３０の顕熱が小さければ小さいほど、端電池１２から集電体３０へと、集電体３０の温度を上昇させるのに伝達される熱量は小さくなる。端電池１２から集電体３０に伝達される熱量を低減することにより、端電池１２中により多くの熱を残すことができるため、それにより、凝固点下の条件での始動の間、端電池１２の急速なウォームアップを促進することが可能となる。
【００２３】
図３において、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタック６０の代替的実施例を示す。効率を目的として、図３に示すこの代替の実施態様において、上述の図１に図示した実施態様における同等の構成要素とほぼ同じ構成要素は、図１の該当する構成要素の符号にダッシュを付している。例えば図１で示した端電池１２は、図３において符号１２’で示される。
【００２４】
代替的実施態様のスタック６０は、スタック６０の反応部２０’を形成する複数の燃料電池１４’，１６’，１８’を備える。スタック６０は又、スタック６０の反応部２０’の第１の端部２４’に隣接して固定された端電池１２’を有する。
【００２５】
集電体６２は、絶縁体４０’と加圧板６４と電気的に連通するように固定される。集電体６２は、絶縁体４０’の周囲を覆ってもよい。そのような実施態様では、集電体６２は、集電体６２の第１の折り返し層７１が、絶縁体４０’の第１の接触面６６に隣接して固定され、集電体６２の第２の折り返し層７３が、絶縁体４０’の第２の接触面６８に隣接して固定されるよう、折り返された均一な部分である。
【００２６】
図１と図２の集電体３０の全厚さ、あるいは、図３の集電体６２の第１の折り返し層７１又は第２の折り返し層７３のいずれか一方にわたる全厚さは、１．００ｍｍの厚さを超えないものであることが好ましい。本発明の目的に関して、「厚さ」とは、図１においては端電池１２と加圧板４２の間で延在する長手方向軸に平行な集電体３０を通る最短距離、また、図３においては端電池１２’と加圧板６４の間で延在する長手方向軸に平行な、集電体６２を通る最短距離を意味する。図３の集電体６２と導電性の加圧板６４の間の電力伝達は、集電体６２で絶縁体４０’を覆うことにより単純化される。図１に示す母線３２，３４は、図３に示す構造においては必要とされない。図３の集電体６２は、製作公差に適応する空隙６９を有してもよい。
【００２７】
図３の燃料電池スタック６０において、加圧板６４はステンレス鋼等の導電性の金属材料で作製され、集電体６２に隣接してその上に重なり、さらに端電池１２’の上に配置されるよう固定される。さらに、電力取出器７０は、スタック６０から出る電流を伝導する加圧板６４に固定される。
【００２８】
スタック６０は又、集電体６２と端電池１２’の間に固定された第１のカーボン紙クッション４４’と、集電体６２と加圧板６４の間に固定された第２のカーボン紙クッション７２を具備し得る。加圧板６４が導電性であるため、集電体６２の長辺延長部は必要とされない。
【００２９】
図１〜図３に示す実施態様において、集電体３０，６２は、ニッケル又は銅のステンレス鋼クラッド等のクラッド材から作製することができる。あるいは又、集電体を、スズ、銅、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、金、銀、それらの合金、それらの混合物、及び金メッキしたそれら材料からなる群から選択される材料で作製することもできる。そのようなクラッド材の集電体３０，６２の両面は、腐食並びに接触抵抗を最小化するために金メッキされる。そのようなクラッド材は、米国マサチューセッツ州アトルボローのエンジニアード・マテリアルズ・ソリューション社（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能である。クラッド材は、耐食性ステンレス鋼と、高い電気伝導率を有するが耐食性に劣る材料を組み合わせるという利点を有する。そのようなクラッド材は、耐食性のより大きい材料が端電池１２に隣接するように配置することが好ましい。集電体３０，６２は又、スズなどの金属箔、金属皮膜又は金属メッキから作製することも可能である。皮膜として適用された集電体３０，６２を、絶縁体４０，４０’に適用してもよい。端電池１２の顕熱の約０．１３〜０．２６倍の顕熱と、１００μΩｃｍを超えない抵抗率を有する０．２５ｍｍ厚のスズの集電体が好ましい。
【００３０】
また絶縁体４０，４０’は、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有し、かつ、端電池１２から絶縁体を横切る熱伝達の全速度が、端電池１２で生じる熱を超えないように集電体３０，６２に固定される。絶縁体４０，４０’は、ａ）０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する独立気泡又は連続気泡プラスチック、ｂ）０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有するシリカエーロゲル、又はｃ）０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する真空絶縁パネル内のシリカエーロゲルから構成することができる。絶縁体４０，４０’の好ましい厚さは２０ｍｍ未満であり、最も好ましくは１０ｍｍ未満である。
【００３１】
スタック１０の運転中、絶縁体４０，４０’中への、又はそこを横断する伝熱速度は「ブートストラップ」始動の最初の１分間に端電池１２で生じる熱発生率の１００パーセント（「％」）より小さく、好ましくは、絶縁体４０，４０’中への伝熱速度は、端電池１２での熱発生率の５０％より小さく、さらに好ましくは、絶縁体４０，４０’中への熱の伝達速度は、ブートストラップ始動の最初の１分間に端電池１２で生じる熱発生率の２５％より小さい。そのような始動中の、単一の電池で生じる熱発生率は、約０．２Ｗ／ｃｍ2である。絶縁体４０，４０’は又、３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有することが好ましい。
【００３２】
代表的な連続気泡プラスチック絶縁体は、米国マサチューセッツ州マンスフィールドのオールバニー・インターナショナル社（Ａｌｂａｎｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能な、剛性の軽量ポリイミドファイバーボードから作製された「パイロペル（登録商標）（Ｐｙｒｏｐｅｌ（登録商標））ＭＤ−５０」という商品名で市販されている製品である。代表的なシリカエ−ロゲル絶縁体は、米国マサチューセッツ州マールバラのアスペン・エーロゲル社（Ａｓｐｅｎ Ａｅｒｏｇｅｌｓ，Ｉｎｃ．）から入手可能な「アスペンエーロゲル（Ａｓｐｅｎ Ａｅｒｏｇｅｌ）」という商品名で市販されている製品である。代表的な真空パネル内シリカエーロゲルは、米国カリフォルニア州オークランドのグレーシャベイ社（Ｇｌａｃｉｅｒ Ｂａｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能な「バリアウルトラ−Ｒ（Ｂａｒｒｉｅｒ Ｕｌｔｒａ−Ｒ）」という商品名で市販されている製品である。
【００３３】
代表的な、非導電性加圧板４２を作製する材料としては、燃料電池スタック１０の運転条件に適合したガラス又は繊維強化ポリマー又は樹脂が包含される。代表的な繊維強化複合材料には、以下の商品名で市販されている、米国ミシガン州ベイシティーのクァンタムコンポジット社（ｔｈｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能な製品が包含される。
ａ）６３％ガラス繊維エポキシＳＭＣである「ライテックス（ＬＹＴＥＸ） ９０６３」
ｂ）５５％炭素繊維エポキシＳＭＣである「ライテックス（ＬＹＴＥＸ） ４１４９」
ｃ）ガラス繊維強化ビニルエステル樹脂ＳＭＣである「ＱＣ８５６０」
ｄ）ガラス繊維強化ビニルエステル樹脂ＳＭＣの「ＱＣ８８８０」
「ブートストラップ」始動の間、集電体３０に接触していない燃料電池１４，１６，１８が、スタック１０の端電池１２と比較して、急速に温度上昇することが知られている。端電池１２で発生した熱が従来の集電体と加圧板（図示せず）中へ急速に移動するため、端電池１２は、もっとゆっくりと加熱される。例えば、従来の加圧板は、燃料電池の顕熱のおおよそ４１倍の顕熱を有するステンレス鋼の加圧板である。加圧板の顕熱が大きくて端電池が可能な限り急には加熱しないため、凝固点下の周囲条件下で、端電池が生成水と凍結した生成水で溢れる可能性がある。端電池の溢れによって、端電池中に負電圧が生じ、燃料電池スタックの性能と長期安定性を劣化させる場合がある。
【００３４】
端電池１２，１２’による熱損失の問題を解決するのに際して、本発明者等は、個々の運転条件における代表的燃料電池（図示せず）に関して、集電体３０，６２の最小厚さに対しての異なる材料を対比した。種々異なる材料を集電体として使用できるが、金が集電体３０とカーボン紙クッション４４間の低い電気抵抗率を維持し、かつ、スズがＰＥＭ電池内に実質的に不溶性の酸化スズを形成し、しかも製造が容易なため、金で被覆したスズの集電体が好ましい材料である。
【００３５】
図４は、集電体の厚さをミリメートル（「ｍｍ」）単位で測定し、種々の材料の関数として表したグラフを示しており、この場合、集電体の厚さとは、特定の条件下における例示の燃料電池の運転を持続する厚さである。以下は、例示の燃料電池の特定条件である。
ａ）電池寸法、１５．２４ｘ３０．４８センチメートル（「ｃｍ」）ｂ）電流密度、１．０Ａ／ｃｍ2（「ａｍｐ／ｃｍ2」）
ｃ）電池（図示せず）の中心線から電池の端部の間における許容可能な電圧降下、０．０２０Ｖ。
グラフは３０４又は３１６ステンレス鋼、炭素鋼、及びスズとその合金を含む材料を示している。
【００３６】
図５は、図４に示した集電体厚さに関して、１個の燃料電池の顕熱の割合としての種々の材料の集電体の顕熱のグラフを示している。即ち、図５は図４の集電体の顕熱を示す。例えば、例示の燃料電池において、１．０５ｍｍ厚のステンレス鋼からなる集電体の顕熱は、隣接する端電池の顕熱のおよそ１．１５倍である。０．２５ｍｍ厚のスズからなる集電体３０の顕熱は、例示の端電池の顕熱の約０．１３倍である。これは、端電池で生じた廃熱のほとんどが、集電体に伝達されることなく端電池の温度上昇に利用できることを意味する。従って、端電池１２などの代表的な端電池は、凝固点下の条件での始動の間、急速にウォームアップすることになる。
【００３７】
図６は、３種の異なる材料で作製した集電体を用いて、ブートストラップ始動中の時間を秒単位で測定した時間の関数として、例示の端電池の摂氏（「℃」）における温度変化のグラフを示す。図６に示す本発明の概念の検証の結果は、以下を対比したものである。
ａ）図６において符号７４を付した線で示す、ステンレス鋼加圧板と「パイロペル」ブランドの連続気泡プラスチック絶縁体を有するスズ集電体
ｂ）図６において符号７６を付した線で示す、複合加圧板を有するステンレス鋼集電体
ｃ）図６において符号７８を付した線で示す、ステンレス鋼加圧板を有するステンレス鋼集電体。
線７４は、０．０７ワットＷ／ｍＫ）の導電率を有する８．０ｍｍの「パイロペル」ブランドの絶縁体と、３０．０ｍｍのステンレス鋼加圧板を備えた、０．５０ｍｍのスズ集電体を示す。線７６は、絶縁体を具備しない、２．０ｍｍステンレス鋼集電体と複合加圧板を示す。線７８は、絶縁体を具備しない、３８．０ｍｍステンレス鋼集電体とステンレス鋼加圧板を示す。
【００３８】
端電池の温度を、可能な限り迅速かつ６０秒未満で０℃まで上昇させることに関し、線７４で示す０．０７ワットＷ／ｍＫ）の導電率を有する８．０ｍｍの「パイロペル」ブランドの絶縁体と、３０．０ｍｍのステンレス鋼加圧板を備えた０．５０ｍｍのスズ集電体が、４０秒以下で−２０℃から０℃まで著しく急速にウォームアップすることはｓ明らかである。対照的に、線７６で示す絶縁体を具備しない、２．０ｍｍステンレス鋼集電体と複合加圧板と、線７８で示す絶縁体を具備しない、３８．０ｍｍステンレス鋼集電体とステンレス鋼加圧板は、いずれも２分未満でも−２０℃から０℃にウォームアップしない。従って、集電体と加圧板４２，６４の間に固定された絶縁体を備え、エンドプレート１２，１２’の顕熱より小さい顕熱を有する薄い集電体４０，６２が、ブートストラップ始動の間、端電池１２，１２’を急速に加熱するのに好ましい形態であることは明らかである。
【００３９】
本発明を、改良された集電体と絶縁体を備える燃料電池スタック１０の特定の形態に関して説明及び例示してきたが、本発明がそれらの説明並びに例示した実施態様に限定されるべきでないことは理解すべきである。例えば、個々の燃料電池を具備する燃料電池１４，１６，１８は、ＰＥＭ電解質の両側に空気極及び燃料極を有するものとして説明したが、本発明は他の既知の電解質を利用する燃料電池に適用することもできる。また、説明及び例示した実施態様における集電体３０、絶縁体４０及び加圧板４２は、例示の端電池１２にのみ隣接して固定されるように図示されている。しかしながら、大抵の環境における燃料電池スタック１０は、上述の第２の端電池（図示せず）に隣接する構成要素同様の、第２の集電体、絶縁体さらには加圧板（図示せず）を具備し得ることは理解すべきことである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明により構成された、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックの好ましい実施態様を示す簡略化された概略図である。
【図２】燃料電池スタックの長辺に固定された母線を示す、図１の燃料電池スタックの断片的な透視図である。
【図３】改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックの代替的な実施態様の簡略化された概略図である。
【図４】種々の材料の関数としての集電体厚のグラフである。
【図５】種々の材料の関数としての、１個の燃料電池における顕熱の割合としての集電体の顕熱のグラフである。
【図６】ブートストラップ始動の間、秒単位で測定された時間の関数としての摂氏単位で測定された端電池温度のグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送車両、携帯型発電設備での使用に適した、あるいは据置き型発電設備として適した燃料電池スタックに配列された燃料電池に関し、本発明は特に、スタックの端電池と比較して低い顕熱を有する集電体と絶縁体を有し、その絶縁体の両端にわたる全伝熱速度は、凝固点下の条件からの始動の間における端電池による熱発生速度を下回る、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は周知であり、還元性及び酸化反応性流体から電気エネルギーを生成して、宇宙機搭載用途、輸送車両、又は建物のオン・サイト発電機などの電気装置に電力を供給するために共通して使用されている。複数の平坦な燃料電池が、通常、電気絶縁フレーム構造体で周囲を囲まれた電池スタックとして配列され、このフレーム構造体は、燃料電池発電設備の一部として、還元性流体、酸化剤流体、冷媒流体及び生成物流体の流れを方向付けるマニホルドを画定する。個々の独立した燃料電池は、概して、電解質で隔離された空気極と燃料極を備える。燃料電池は又周知のように、水輸送板又はセパレータ板を具備し得る。
【０００３】
燃料電池スタックは、還元性流体ストリームと酸化剤プロセスストリームから電気を発生させる。燃料電池スタックの反応部は、相互に隣接して積層された複数の燃料電池から形成される。複数の燃料電池は、燃料電池スタックの端部に端電池を備える。加圧板は集電体の上に重なり、スタックに圧縮負荷をかけるよう燃料電池スタックの反対側の端部にある反対側の加圧板に対して固定される。既知の加圧板のほとんどは、大型の導電性金属材料から作製されるものである。
【０００４】
燃料電池スタックの運転中、電流はスタックの反応部を通過してそこから出て、端電池に隣接する集電体中へと流れる。集電体又は加圧板に固定された電力取出器によって、電流は電池スタックからモータ等の装置へ向かう。
【０００５】
凝固点下の条件から「ブートストラップ」始動の間、燃料電池スタックに補助加熱流体を与えないことが好ましいが、一方で水素等の還元性流体を燃料極に供給し、かつ、酸素又は空気等の酸化剤を空気極に供給することが好ましい。電解質として陽子交換膜（「ＰＥＭ」）を利用する電池において、燃料極の触媒表面では、水素が電気化学的に反応して水素イオンと電子が生成される。電子は外部負荷回路に伝導されてから空気極に戻るが、他方の水素イオンは電解質を通って空気極へ移動して、そこで酸化剤並びに電子と反応して水を生じ、熱エネルギーが放出される。燃料電池により発生した電気は、集電体と導電性加圧板中を通って流れる。
【０００６】
そのような「ブートストラップ」始動の間、スタックの中央領域にある燃料電池は、スタックの両端に隣接する端電池と比較して、急速にその温度が上昇する。端電池で発生した熱は集電体中を通って大型の導電性金属製加圧板へ急速に伝導されるため、端電池はもっとゆっくりと加熱する。端電池の温度が摂氏０度（０℃）以上に急速に上昇しなければ、水輸送板中の水は凍結したままであり、それにより生成水の除去が妨害され、端電池が燃料電池生成水で溢れることになる。端電池の溢れは反応性流体が触媒に達するのを妨げるため、端電池に負電圧が生じる結果となり得る。端電池の負電圧は、空気極における水素ガスの発生及び／又は電池電極の炭素支持層の腐食を生じさせ得る。そのような事態の発生により、燃料電池スタックの性能と長期安定性を劣化させることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、凝固点下の条件からの始動の間、可能な限り急速に０℃以上に温度を上昇させることのできる端電池を有する燃料電池スタックの必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックである。本発明の燃料電池スタックは、外部負荷装置と整合して電気エネルギーを供給できる発電設備を作製するための、スタックや、例えば反応物管理システム、熱管理システム、制御装置などの他の構成要素を含む設備のような燃料電池発電設備（図示せず）に使用することができる。そのような設備及びそれら種々の構成要素は当業者には既知である。燃料電池から電力を受容する外部負荷装置は、例えば車両や建造物などの輸送装置や据置き型装置でもよい。燃料電池スタックは、還元性流体ストリームと酸化剤プロセスストリームから電気を発生させるものであり、燃料電池スタックの反応部を形成するよう相互に隣接して積層された複数の燃料電池を備える。複数の燃料電池は、スタック端部に端電池を具備する。
【０００９】
集電体は端電池と電気的に連絡するように固定され、ここで、この集電体は、端電池の顕熱を超えない大きさの顕熱と、１００μΩｃｍを超えない大きさの電気抵抗率とを有する。燃料電池スタックは又、集電体に隣接して固定された絶縁体を備え、この絶縁体の熱伝導率は０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない。スタックは又、絶縁体に隣接してその上に重なって固定され、さらに端電池の上にある加圧板を有する。集電体の顕熱が低く、かつ絶縁体の熱伝導率が低いため、熱は端電池から急速には出て行かず、それゆえ凝固点下の条件での始動の間、端電池が急速にウォームアップする。
【００１０】
一実施態様において、集電体は金属箔から作製される。代替的な実施態様では、集電体は金属皮膜からなるものであってもよい。好ましい集電体は、０．２５〜０．５０ミリメートル（ｍｍ）厚を有し、端電池の顕熱のおおよそ０．１３〜０．２６倍の顕熱を有するスズの金メッキ層であってもよい。
【００１１】
好ましい絶縁体は、０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさの熱伝導率を有する独立気泡プラスチックと、０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさの熱伝導率を有するシリカエーロゲル、あるいは０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさの熱伝導率を有する真空絶縁パネル内のシリカエ−ロゲルを包含し得る。好ましい絶縁体は又、３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有するものであってよい。
【００１２】
本発明は、金属製導電性材料からなる、あるいは非金属製、非導電性強化プラスチック複合体からなる加圧板を利用してもよい。
【００１３】
従って、本発明の目的は、概して、従来技術の欠陥を克服する、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックを提供することである。
【００１４】
より詳細には、本発明の目的は、燃料電池スタックの端電池が凍結温度以下の条件での始動の間に急速に加熱するように、低顕熱を有する集電体と低熱伝導率を有する絶縁体を装備する、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックを提供することである。
【００１５】
本発明の改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックのこれら及びその他の目的並びに利点は、関連する添付の図面と組み合わせて以下の説明を検討することにより容易に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を詳細に参照すると、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックが図１に示されており、概して符号１０で示されている。スタック１０は、スタック１０の反応部２０を形成する、相互に隣接して固定された複数の燃料電池１４，１６，１８を具備する。当業界において周知のように、スタック１０の燃料電池１４，１６，１８は、ＰＥＭ電解質等の電解質（図示せず）の両側に燃料極と空気極を備える（図示せず）。そのような燃料電池１４，１６，１８は又、周知のように、水輸送板及び／又はセパレータ板（図示せず）を含んでもよい。スタック１０は又、スタック１０の反応部２０の第１の端部２４に隣接して固定された端電池１２を備える。スタック１０は又、当業界において周知のように、還元性流体ストリーム及び酸化剤プロセスストリームなどの反応物ストリームを、スタック１０の反応部２０内へと方向付け、かつ、生成物ストリームをスタック１０から排出されるように方向付けるための、スタック１０の反応部２０に固定された第１の反応物マニホルド２６と第２の反応物マニホルド２８を具備することができる。
【００１７】
集電体３０は、端電池１２と電気的に連絡するよう固定される。端電池１２と集電体３０の間の電気伝導を増強するために、集電体３０は、その平面の面積の大きさが、端電池１２の平面の面積の大きさと少なくとも同じであるような寸法に形成される。集電体３０は、第１の母線３２と第２の母線３４に対して、それらと電気的に連通するよう固定される。母線３２，３４は、集電体３０から流れる電流を母線３２，３４に方向付けることができるよう、銅などの導電性材料から作製することができる。さらに、第１の電力取出器３６が第１の母線３２に固定され、第２の電力取出器３８が第２の母線３４に固定される。第１と第２の電力取出器３６，３８は、スタック１０から、仕事を実行する装置（図示せず）に電気を伝導するよう導電性材料から作製してよい。集電体３０は、端電池１２の顕熱未満の顕熱を有し、集電体は１００μΩｃｍを超えない大きさの電気抵抗率を有する。即ち、端電池１２は第１の顕熱を有し、集電体３０は第１の顕熱未満の第２の顕熱を有する。
【００１８】
スタック１０は又、集電体３０、あるいは集電体３０の少なくとも一部に隣接して固定された絶縁体４０を具備する。電気的に非伝導性、非金属製繊維強化複合材料からなる層等の加圧板４２は、絶縁体４０に隣接しかつその上に重なり、さらに端電池１２の上にあり、スタック１０の外端部４１に固定される。本発明における目的に関連して、「端電池１２の上にある加圧板４２」という用語は、加圧板４２が端電池１２の平面の面積と少なくとも同じ大きさの平面の面積を有するような寸法形状を有することを意味する。第２の集電体、絶縁体及び加圧板（図示せず）は、スタック１０の反対側の第２の端電池（図示せず）に固定される。理解されるように、両方の加圧板は、スタック１０に圧縮荷重を印加するよう、タイロッド（図示せず）などで相互に固定される。
【００１９】
スタック１０は又、集電体３０に隣接して固定されたカーボン紙クッション４４を含んでもよい。当業界で知られるように、カーボン紙クッション４４は、スタック１０の隣接する表面間の増強された導電性のために圧縮性である。さらに、スタック１０は集電体３０と第１の反応物マニホルド２６の間に固定された第１のガスケット４６と、集電体３０と第２の反応物マニホルド２８の間に固定された第２のガスケット４８を具備してもよい。第１と第２のガスケット４６，４８は、マニホルド２６，２８から出る流体が移動するのを防ぐ。
【００２０】
加圧板４２が非導電性、非金属製繊維強化複合体からなる加圧板４２である場合、集電体３０は端電池１２の接触面４９と共通の平面である集電体３０の平面４７から延在する、第１の長辺延長部（ｌｏｎｇ−ｓｉｄｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）４３と反対側の第２の長辺延長部４５を含んでもよい。第１と第２の長辺延長部４３，４５は第１と第２の母線３２，３４に接触する。
【００２１】
図２は図１の燃料電池スタック１０の断片的な透視図であり、図１で示した第１の実施態様に関して上述の通りである。図２（正しく縮尺して描かれてはいない）は、電池スタック１０に対する集電体３０の第１と第２の長辺延長部４３，４５の配置を示す。スタック１０は矩形であり、第１と第２の短辺５２Ａ，５２Ｂ及び第１と第２の長辺５４Ａ，５４Ｂを含む。図２に示すように、第１の長辺延長部４３は、スタック１０の第１の長辺５４Ａに沿って延長するよう配置され、第２の長辺延長部４５はスタック１０の第２の長辺５４Ｂに沿って延長するように配置される。この配置により、集電体３０の中央領域５６から母線３２，３４まで流れる電流は、より遠くにある短辺５２Ａ，５２Ｂまでではなく、より近い第１又は第２の長辺延長部４３，４５までの短い距離を移動することができる。従って、電流が長辺５４Ａ，５４Ｂまでのより短い距離を流れるようにすることよって、電流がさらに短辺５２Ａ，５２Ｂまで流れなければならない場合と比較して、集電体３０をより薄くすることが可能となる。集電体３０が薄いほど、厚い集電体３０と比較して、顕熱は小さくなる。
【００２２】
周知のように、ある製品の顕熱は、その質量にその比熱をかけ、さらに、その製品がその温度差にわたって加熱された場合の温度差動をかけたものである。つまり、例えば、摂氏０度（０℃）から２０℃に上昇した１グラムの水の顕熱は０℃から２０℃に上昇した１グラムのコンクリートの顕熱とは異なる。そのため、集電体３０の顕熱が小さければ小さいほど、端電池１２から集電体３０へと、集電体３０の温度を上昇させるのに伝達される熱量は小さくなる。端電池１２から集電体３０に伝達される熱量を低減することにより、端電池１２中により多くの熱を残すことができるため、それにより、凝固点下の条件での始動の間、端電池１２の急速なウォームアップを促進することが可能となる。
【００２３】
図３において、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタック６０の代替的実施例を示す。効率を目的として、図３に示すこの代替の実施態様において、上述の図１に図示した実施態様における同等の構成要素とほぼ同じ構成要素は、図１の該当する構成要素の符号にダッシュを付している。例えば図１で示した端電池１２は、図３において符号１２’で示される。
【００２４】
代替的実施態様のスタック６０は、スタック６０の反応部２０’を形成する複数の燃料電池１４’，１６’，１８’を備える。スタック６０は又、スタック６０の反応部２０’の第１の端部２４’に隣接して固定された端電池１２’を有する。
【００２５】
集電体６２は、絶縁体４０’と加圧板６４と電気的に連通するように固定される。集電体６２は、絶縁体４０’の周囲を覆ってもよい。そのような実施態様では、集電体６２は、集電体６２の第１の折り返し層７１が、絶縁体４０’の第１の接触面６６に隣接して固定され、集電体６２の第２の折り返し層７３が、絶縁体４０’の第２の接触面６８に隣接して固定されるよう、折り返された均一な部分である。
【００２６】
図１と図２の集電体３０の全厚さ、あるいは、図３の集電体６２の第１の折り返し層７１又は第２の折り返し層７３のいずれか一方にわたる全厚さは、１．００ｍｍの厚さを超えないものであることが好ましい。本発明の目的に関して、「厚さ」とは、図１においては端電池１２と加圧板４２の間で延在する長手方向軸に平行な集電体３０を通る最短距離、また、図３においては端電池１２’と加圧板６４の間で延在する長手方向軸に平行な、集電体６２を通る最短距離を意味する。図３の集電体６２と導電性の加圧板６４の間の電力伝達は、集電体６２で絶縁体４０’を覆うことにより単純化される。図１に示す母線３２，３４は、図３に示す構造においては必要とされない。図３の集電体６２は、製作公差に適応する空隙６９を有してもよい。
【００２７】
図３の燃料電池スタック６０において、加圧板６４はステンレス鋼等の導電性の金属材料で作製され、集電体６２に隣接してその上に重なり、さらに端電池１２’の上に配置されるよう固定される。さらに、電力取出器７０は、スタック６０から出る電流を伝導する加圧板６４に固定される。
【００２８】
スタック６０は又、集電体６２と端電池１２’の間に固定された第１のカーボン紙クッション４４’と、集電体６２と加圧板６４の間に固定された第２のカーボン紙クッション７２を具備し得る。加圧板６４が導電性であるため、集電体６２の長辺延長部は必要とされない。
【００２９】
図１〜図３に示す実施態様において、集電体３０，６２は、ニッケル又は銅のステンレス鋼クラッド等のクラッド材から作製することができる。あるいは又、集電体を、スズ、銅、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、金、銀、それらの合金、それらの混合物、及び金メッキしたそれら材料からなる群から選択される材料で作製することもできる。そのようなクラッド材の集電体３０，６２の両面は、腐食並びに接触抵抗を最小化するために金メッキされる。そのようなクラッド材は、米国マサチューセッツ州アトルボローのエンジニアード・マテリアルズ・ソリューション社（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能である。クラッド材は、耐食性ステンレス鋼と、高い電気伝導率を有するが耐食性に劣る材料を組み合わせるという利点を有する。そのようなクラッド材は、耐食性のより大きい材料が端電池１２に隣接するように配置することが好ましい。集電体３０，６２は又、スズなどの金属箔、金属皮膜又は金属メッキから作製することも可能である。皮膜として適用された集電体３０，６２を、絶縁体４０，４０’に適用してもよい。端電池１２の顕熱の約０．１３〜０．２６倍の顕熱と、１００μΩｃｍを超えない抵抗率を有する０．２５ｍｍ厚のスズの集電体が好ましい。
【００３０】
また絶縁体４０，４０’は、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有し、かつ、端電池１２から絶縁体を横切る熱伝達の全速度が、端電池１２で生じる熱を超えないように集電体３０，６２に固定される。絶縁体４０，４０’は、ａ）０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する独立気泡又は連続気泡プラスチック、ｂ）０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有するシリカエーロゲル、又はｃ）０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する真空絶縁パネル内のシリカエーロゲルから構成することができる。絶縁体４０，４０’の好ましい厚さは２０ｍｍ未満であり、最も好ましくは１０ｍｍ未満である。
【００３１】
スタック１０の運転中、絶縁体４０，４０’中への、又はそこを横断する伝熱速度は「ブートストラップ」始動の最初の１分間に端電池１２で生じる熱発生率の１００パーセント（「％」）より小さく、好ましくは、絶縁体４０，４０’中への伝熱速度は、端電池１２での熱発生率の５０％より小さく、さらに好ましくは、絶縁体４０，４０’中への熱の伝達速度は、ブートストラップ始動の最初の１分間に端電池１２で生じる熱発生率の２５％より小さい。そのような始動中の、単一の電池で生じる熱発生率は、約０．２Ｗ／ｃｍ2である。絶縁体４０，４０’は又、３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有することが好ましい。
【００３２】
代表的な連続気泡プラスチック絶縁体は、米国マサチューセッツ州マンスフィールドのオールバニー・インターナショナル社（Ａｌｂａｎｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能な、剛性の軽量ポリイミドファイバーボードから作製された「パイロペル（登録商標）（Ｐｙｒｏｐｅｌ（登録商標））ＭＤ−５０」という商品名で市販されている製品である。代表的なシリカエ−ロゲル絶縁体は、米国マサチューセッツ州マールバラのアスペン・エーロゲル社（Ａｓｐｅｎ Ａｅｒｏｇｅｌｓ，Ｉｎｃ．）から入手可能な「アスペンエーロゲル（Ａｓｐｅｎ Ａｅｒｏｇｅｌ）」という商品名で市販されている製品である。代表的な真空パネル内シリカエーロゲルは、米国カリフォルニア州オークランドのグレーシャベイ社（Ｇｌａｃｉｅｒ Ｂａｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能な「バリアウルトラ−Ｒ（Ｂａｒｒｉｅｒ Ｕｌｔｒａ−Ｒ）」という商品名で市販されている製品である。
【００３３】
代表的な、非導電性加圧板４２を作製する材料としては、燃料電池スタック１０の運転条件に適合したガラス又は繊維強化ポリマー又は樹脂が包含される。代表的な繊維強化複合材料には、以下の商品名で市販されている、米国ミシガン州ベイシティーのクァンタムコンポジット社（ｔｈｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能な製品が包含される。
ａ）６３％ガラス繊維エポキシＳＭＣである「ライテックス（ＬＹＴＥＸ） ９０６３」
ｂ）５５％炭素繊維エポキシＳＭＣである「ライテックス（ＬＹＴＥＸ） ４１４９」
ｃ）ガラス繊維強化ビニルエステル樹脂ＳＭＣである「ＱＣ８５６０」
ｄ）ガラス繊維強化ビニルエステル樹脂ＳＭＣの「ＱＣ８８８０」
「ブートストラップ」始動の間、集電体３０に接触していない燃料電池１４，１６，１８が、スタック１０の端電池１２と比較して、急速に温度上昇することが知られている。端電池１２で発生した熱が従来の集電体と加圧板（図示せず）中へ急速に移動するため、端電池１２は、もっとゆっくりと加熱される。例えば、従来の加圧板は、燃料電池の顕熱のおおよそ４１倍の顕熱を有するステンレス鋼の加圧板である。加圧板の顕熱が大きくて端電池が可能な限り急には加熱しないため、凝固点下の周囲条件下で、端電池が生成水と凍結した生成水で溢れる可能性がある。端電池の溢れによって、端電池中に負電圧が生じ、燃料電池スタックの性能と長期安定性を劣化させる場合がある。
【００３４】
端電池１２，１２’による熱損失の問題を解決するのに際して、本発明者等は、個々の運転条件における代表的燃料電池（図示せず）に関して、集電体３０，６２の最小厚さに対しての異なる材料を対比した。種々異なる材料を集電体として使用できるが、金が集電体３０とカーボン紙クッション４４間の低い電気抵抗率を維持し、かつ、スズがＰＥＭ電池内に実質的に不溶性の酸化スズを形成し、しかも製造が容易なため、金で被覆したスズの集電体が好ましい材料である。
【００３５】
図４は、集電体の厚さをミリメートル（「ｍｍ」）単位で測定し、種々の材料の関数として表したグラフを示しており、この場合、集電体の厚さとは、特定の条件下における例示の燃料電池の運転を持続する厚さである。以下は、例示の燃料電池の特定条件である。
ａ）電池寸法、１５．２４ｘ３０．４８センチメートル（「ｃｍ」）ｂ）電流密度、１．０Ａ／ｃｍ2（「ａｍｐ／ｃｍ2」）
ｃ）電池（図示せず）の中心線から電池の端部の間における許容可能な電圧降下、０．０２０Ｖ。
グラフは３０４又は３１６ステンレス鋼、炭素鋼、及びスズとその合金を含む材料を示している。
【００３６】
図５は、図４に示した集電体厚さに関して、１個の燃料電池の顕熱の割合としての種々の材料の集電体の顕熱のグラフを示している。即ち、図５は図４の集電体の顕熱を示す。例えば、例示の燃料電池において、１．０５ｍｍ厚のステンレス鋼からなる集電体の顕熱は、隣接する端電池の顕熱のおよそ１．１５倍である。０．２５ｍｍ厚のスズからなる集電体３０の顕熱は、例示の端電池の顕熱の約０．１３倍である。これは、端電池で生じた廃熱のほとんどが、集電体に伝達されることなく端電池の温度上昇に利用できることを意味する。従って、端電池１２などの代表的な端電池は、凝固点下の条件での始動の間、急速にウォームアップすることになる。
【００３７】
図６は、３種の異なる材料で作製した集電体を用いて、ブートストラップ始動中の時間を秒単位で測定した時間の関数として、例示の端電池の摂氏（「℃」）における温度変化のグラフを示す。図６に示す本発明の概念の検証の結果は、以下を対比したものである。
ａ）図６において符号７４を付した線で示す、ステンレス鋼加圧板と「パイロペル」ブランドの連続気泡プラスチック絶縁体を有するスズ集電体
ｂ）図６において符号７６を付した線で示す、複合加圧板を有するステンレス鋼集電体
ｃ）図６において符号７８を付した線で示す、ステンレス鋼加圧板を有するステンレス鋼集電体。
線７４は、０．０７ワットＷ／ｍＫ）の導電率を有する８．０ｍｍの「パイロペル」ブランドの絶縁体と、３０．０ｍｍのステンレス鋼加圧板を備えた、０．５０ｍｍのスズ集電体を示す。線７６は、絶縁体を具備しない、２．０ｍｍステンレス鋼集電体と複合加圧板を示す。線７８は、絶縁体を具備しない、３８．０ｍｍステンレス鋼集電体とステンレス鋼加圧板を示す。
【００３８】
端電池の温度を、可能な限り迅速かつ６０秒未満で０℃まで上昇させることに関し、線７４で示す０．０７ワットＷ／ｍＫ）の導電率を有する８．０ｍｍの「パイロペル」ブランドの絶縁体と、３０．０ｍｍのステンレス鋼加圧板を備えた０．５０ｍｍのスズ集電体が、４０秒以下で−２０℃から０℃まで著しく急速にウォームアップすることはｓ明らかである。対照的に、線７６で示す絶縁体を具備しない、２．０ｍｍステンレス鋼集電体と複合加圧板と、線７８で示す絶縁体を具備しない、３８．０ｍｍステンレス鋼集電体とステンレス鋼加圧板は、いずれも２分未満でも−２０℃から０℃にウォームアップしない。従って、集電体と加圧板４２，６４の間に固定された絶縁体を備え、エンドプレート１２，１２’の顕熱より小さい顕熱を有する薄い集電体４０，６２が、ブートストラップ始動の間、端電池１２，１２’を急速に加熱するのに好ましい形態であることは明らかである。
【００３９】
本発明を、改良された集電体と絶縁体を備える燃料電池スタック１０の特定の形態に関して説明及び例示してきたが、本発明がそれらの説明並びに例示した実施態様に限定されるべきでないことは理解すべきである。例えば、個々の燃料電池を具備する燃料電池１４，１６，１８は、ＰＥＭ電解質の両側に空気極及び燃料極を有するものとして説明したが、本発明は他の既知の電解質を利用する燃料電池に適用することもできる。また、説明及び例示した実施態様における集電体３０、絶縁体４０及び加圧板４２は、例示の端電池１２にのみ隣接して固定されるように図示されている。しかしながら、大抵の環境における燃料電池スタック１０は、上述の第２の端電池（図示せず）に隣接する構成要素同様の、第２の集電体、絶縁体さらには加圧板（図示せず）を具備し得ることは理解すべきことである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明により構成された、改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックの好ましい実施態様を示す簡略化された概略図である。
【図２】燃料電池スタックの長辺に固定された母線を示す、図１の燃料電池スタックの断片的な透視図である。
【図３】改良された集電体と絶縁体を有する燃料電池スタックの代替的な実施態様の簡略化された概略図である。
【図４】種々の材料の関数としての集電体厚のグラフである。
【図５】種々の材料の関数としての、１個の燃料電池における顕熱の割合としての集電体の顕熱のグラフである。
【図６】ブートストラップ始動の間、秒単位で測定された時間の関数としての摂氏単位で測定された端電池温度のグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元流体ストリームと酸化剤反応物ストリームから電気を発生させる燃料電池スタック（１０）であって、
ａ．燃料電池スタック（１０）の反応部（２０）を形成するように相互に隣接して固定される複数の燃料電池（１４），（１６），（１８）であって、そのスタック（１０）の反応部（２０）の第１の端部（２４）に隣接して固定される端電池（１２）を備える、複数の燃料電池（１４），（１６），（１８）と、
ｂ．第１の端部（２４）に隣接して固定され、端電池（１２）と電気的に連絡して固定される集電体（３０）であって、端電池（１２）の顕熱より小さい顕熱と、１００μΩｃｍを超えない大きさの電気抵抗率とを有する集電体（３０）と、
ｃ．集電体（３０）に隣接して固定される絶縁体（４０）であって、絶縁体（４０）の両端にわたる熱伝導率が０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさであり、端電池（１２）から絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度が、端電池（１２）で生じる熱を超えないように固定される、絶縁体（４０）と、
ｄ．絶縁体（４０）に隣接しかつその上に重なり、さらに端電池（１２）の上にあるように固定される加圧板（４２）、
を備える燃料電池スタック。
【請求項２】
前記集電体（３０）の顕熱が、前記端電池（１２）の顕熱の５０％を超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項３】
前記集電体（３０）の顕熱が、前記端電池（１２）の顕熱の２５％を超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項４】
前記絶縁体（４０）が、０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項５】
前記絶縁体（４０）が、０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有し、かつ、前記絶縁体は３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項６】
前記絶縁体（４０）が、０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する真空絶縁パネルであり、かつ、前記絶縁体は３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項７】
前記絶縁体（４０）が、２０ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項８】
前記絶縁体（４０）が、１０ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項９】
前記絶縁体（４０）が、前記端電池（１２）で生じる熱の５０％未満である、前記端電池（１２）から前記絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１０】
前記絶縁体（４０）が、前記端電池（１２）で生じる熱の２５％未満である、前記端電池（１２）から前記絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１１】
前記加圧板（４２）が導電性金属であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１２】
前記加圧板（４２）が非導電性、非金属製繊維強化複合材料から作製されるものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１３】
前記集電体（３０）が、前記スタック（１０）の第１の長辺（５４Ａ）に沿って、前記非導電性加圧板（４２）に隣接して延長されるように配置された第１の長辺延長部（４３）と、前記スタック（１０）の第２の長辺（５４Ｂ）に沿って、前記非導電性加圧板（４２）に隣接して延長するように配置された第２の長辺延長部（４５）と、前記第１の長辺延長部（４３）と電気的に連絡して固定された第１の電力取出器（３６）と、前記第２の長辺延長部（４５）と電気的に連絡して固定された第２の電力取出器（３８）とを備え、前記集電体（３０）を通って前記第１と第２の電力取出器（３６），（３８）に電気の流れを生じさせることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１４】
前記集電体（３０）が金属箔であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１５】
前記集電体（３０）が、前記絶縁体（４０）上の金属皮膜であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１６】
前記集電体（３０）が１．００ｍｍの厚さを超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１７】
前記集電体（３０）が０．５０ｍｍの厚さを超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１８】
前記集電体（３０）が０．２５ｍｍの厚さを超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１９】
前記集電体（３０）が５０μΩｃｍを超えない電気抵抗率を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項２０】
前記集電体（３０）が２５μΩｃｍを超えない電気抵抗率を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項２１】
前記集電体（３０）が、スズ、銅、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、金、銀、それらの合金、それらの混合物、及び金メッキしたそれらの材料からなる群から選択される材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項２２】
外部装置に電気を供給する燃料電池発電設備であって、
ａ．第１の顕熱を有する端電池（１２）を有する反応部（２０）を備える燃料電池スタック（１０）と、
ｂ．前記第１の顕熱より小さい第２の顕熱を有し、１００μΩｃｍを超えない電気抵抗率を有する、前記端電池（１２）と電気的に連絡して固定される集電体（３０）と、
ｃ．前記燃料電池スタック（１０）の外端部（４１）に固定される、加圧板（４２）と、
ｄ．前記加圧板（４２）と、前記集電体（３０）の少なくとも一部の間に設けられた、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する絶縁体（４０）、
を備えることを特徴とする、燃料電池発電設備。
【請求項２３】
前記外部装置が、輸送機器の電気駆動部品であることを特徴とする、請求項２２の燃料電池発電設備。
【請求項２４】
前記外部装置が据置き型装置であることを特徴とする、請求項２２の燃料電池発電設備。
【請求項２５】
燃料電池スタック（１０）が、その反応部（２０）を形成するよう相互に隣接して固定された複数の燃料電池（１４），（１６），（１８）を備え、かつ、前記スタック（１０）の第１の端部（２４）に隣接して固定される前記端電池（１２）を具備する燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタック（１０）の始動の間、その燃料電池スタック（１０）の端電池（１２）を急速にウォームアップする方法であって、
ａ．集電体（３０）を、前記第１の端部（２４）に隣接し、前記端電池（１２）と電気的に連絡して固定するステップであって、前記集電体（３０）は前記端電池（１２）の顕熱より小さい顕熱と、１００μΩｃｍを超えない電気抵抗率とを有するステップと、
ｂ．集電体（３０）に隣接して絶縁体（４０）を固定するステップであって、前記絶縁体（４０）は、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有し、かつ、前記端電池（１２）から前記絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度は、前記端電池（１２）で生じる熱を超えないように前記絶縁体（４０）を前記集電体（３０）に固定するステップと、
ｃ．前記絶縁体（４０）に隣接しかつその上に重なり、さらに前記端電池（１２）の上にあるように加圧板（４２）を固定するステップと、
ｄ．前記燃料電池（１２），（１４），（１６），（１８）を流れるように反応物流体を方向付けるステップ、
を含む方法。
【請求項１】
還元流体ストリームと酸化剤反応物ストリームから電気を発生させる燃料電池スタック（１０）であって、
ａ．燃料電池スタック（１０）の反応部（２０）を形成するように相互に隣接して固定される複数の燃料電池（１４），（１６），（１８）であって、そのスタック（１０）の反応部（２０）の第１の端部（２４）に隣接して固定される端電池（１２）を備える、複数の燃料電池（１４），（１６），（１８）と、
ｂ．第１の端部（２４）に隣接して固定され、端電池（１２）と電気的に連絡して固定される集電体（３０）であって、端電池（１２）の顕熱より小さい顕熱と、１００μΩｃｍを超えない大きさの電気抵抗率とを有する集電体（３０）と、
ｃ．集電体（３０）に隣接して固定される絶縁体（４０）であって、絶縁体（４０）の両端にわたる熱伝導率が０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない大きさであり、端電池（１２）から絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度が、端電池（１２）で生じる熱を超えないように固定される、絶縁体（４０）と、
ｄ．絶縁体（４０）に隣接しかつその上に重なり、さらに端電池（１２）の上にあるように固定される加圧板（４２）、
を備える燃料電池スタック。
【請求項２】
前記集電体（３０）の顕熱が、前記端電池（１２）の顕熱の５０％を超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項３】
前記集電体（３０）の顕熱が、前記端電池（１２）の顕熱の２５％を超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項４】
前記絶縁体（４０）が、０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項５】
前記絶縁体（４０）が、０．０１０Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有し、かつ、前記絶縁体は３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項６】
前記絶縁体（４０）が、０．００５Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する真空絶縁パネルであり、かつ、前記絶縁体は３５０ｋＰａを超える圧縮強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項７】
前記絶縁体（４０）が、２０ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項８】
前記絶縁体（４０）が、１０ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項９】
前記絶縁体（４０）が、前記端電池（１２）で生じる熱の５０％未満である、前記端電池（１２）から前記絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１０】
前記絶縁体（４０）が、前記端電池（１２）で生じる熱の２５％未満である、前記端電池（１２）から前記絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１１】
前記加圧板（４２）が導電性金属であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１２】
前記加圧板（４２）が非導電性、非金属製繊維強化複合材料から作製されるものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１３】
前記集電体（３０）が、前記スタック（１０）の第１の長辺（５４Ａ）に沿って、前記非導電性加圧板（４２）に隣接して延長されるように配置された第１の長辺延長部（４３）と、前記スタック（１０）の第２の長辺（５４Ｂ）に沿って、前記非導電性加圧板（４２）に隣接して延長するように配置された第２の長辺延長部（４５）と、前記第１の長辺延長部（４３）と電気的に連絡して固定された第１の電力取出器（３６）と、前記第２の長辺延長部（４５）と電気的に連絡して固定された第２の電力取出器（３８）とを備え、前記集電体（３０）を通って前記第１と第２の電力取出器（３６），（３８）に電気の流れを生じさせることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１４】
前記集電体（３０）が金属箔であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１５】
前記集電体（３０）が、前記絶縁体（４０）上の金属皮膜であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１６】
前記集電体（３０）が１．００ｍｍの厚さを超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１７】
前記集電体（３０）が０．５０ｍｍの厚さを超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１８】
前記集電体（３０）が０．２５ｍｍの厚さを超えないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１９】
前記集電体（３０）が５０μΩｃｍを超えない電気抵抗率を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項２０】
前記集電体（３０）が２５μΩｃｍを超えない電気抵抗率を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項２１】
前記集電体（３０）が、スズ、銅、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、金、銀、それらの合金、それらの混合物、及び金メッキしたそれらの材料からなる群から選択される材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項２２】
外部装置に電気を供給する燃料電池発電設備であって、
ａ．第１の顕熱を有する端電池（１２）を有する反応部（２０）を備える燃料電池スタック（１０）と、
ｂ．前記第１の顕熱より小さい第２の顕熱を有し、１００μΩｃｍを超えない電気抵抗率を有する、前記端電池（１２）と電気的に連絡して固定される集電体（３０）と、
ｃ．前記燃料電池スタック（１０）の外端部（４１）に固定される、加圧板（４２）と、
ｄ．前記加圧板（４２）と、前記集電体（３０）の少なくとも一部の間に設けられた、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有する絶縁体（４０）、
を備えることを特徴とする、燃料電池発電設備。
【請求項２３】
前記外部装置が、輸送機器の電気駆動部品であることを特徴とする、請求項２２の燃料電池発電設備。
【請求項２４】
前記外部装置が据置き型装置であることを特徴とする、請求項２２の燃料電池発電設備。
【請求項２５】
燃料電池スタック（１０）が、その反応部（２０）を形成するよう相互に隣接して固定された複数の燃料電池（１４），（１６），（１８）を備え、かつ、前記スタック（１０）の第１の端部（２４）に隣接して固定される前記端電池（１２）を具備する燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタック（１０）の始動の間、その燃料電池スタック（１０）の端電池（１２）を急速にウォームアップする方法であって、
ａ．集電体（３０）を、前記第１の端部（２４）に隣接し、前記端電池（１２）と電気的に連絡して固定するステップであって、前記集電体（３０）は前記端電池（１２）の顕熱より小さい顕熱と、１００μΩｃｍを超えない電気抵抗率とを有するステップと、
ｂ．集電体（３０）に隣接して絶縁体（４０）を固定するステップであって、前記絶縁体（４０）は、０．５００Ｗ／（ｍＫ）を超えない熱伝導率を有し、かつ、前記端電池（１２）から前記絶縁体（４０）の両端にわたる全伝熱速度は、前記端電池（１２）で生じる熱を超えないように前記絶縁体（４０）を前記集電体（３０）に固定するステップと、
ｃ．前記絶縁体（４０）に隣接しかつその上に重なり、さらに前記端電池（１２）の上にあるように加圧板（４２）を固定するステップと、
ｄ．前記燃料電池（１２），（１４），（１６），（１８）を流れるように反応物流体を方向付けるステップ、
を含む方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００７−５１１８７０（Ｐ２００７−５１１８７０Ａ）
【公表日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３５６１４（Ｐ２００６−５３５６１４）
【出願日】平成１６年１０月１２日（２００４．１０．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３３７０４
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４３６４５
【国際公開日】平成１７年５月１２日（２００５．５．１２）
【出願人】（５００４７７４４７）ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー (138)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１２日（２００４．１０．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３３７０４
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４３６４５
【国際公開日】平成１７年５月１２日（２００５．５．１２）
【出願人】（５００４７７４４７）ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー (138)
【Ｆターム（参考）】
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