(57)【要約】プリント回路基板を備える燃料電池スタック用の統合集電体および電気コンポーネントプレートが開示される。プリント回路基板は、集電体を備える集電層、第１の表面および第２の表面を備える第１の絶縁層、第１の接続サイトおよび第２の接続サイトを有する電気コンポーネントを備える電気コンポーネント層、および第１の表面および第２の表面を備える第２の絶縁層を備える。集電層は、第１の絶縁層の第１の表面にラミネートされ、電気コンポーネント層は、第１の絶縁層の第２の表面と第２の絶縁層の第１の表面との間にラミネートされる。統合集電体および電気コンポーネントプレートを備える燃料電池スタック、および統合集電体および電気コンポーネントプレートを備える燃料電池スタックを製造するための方法もまた、開示される。
2008525975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック用の統合集電体および電気コンポーネントプレートであって、該統合集電体および電気コンポーネントプレートは、プリント回路基板を備え、該プリント回路基板は、
集電体を備える集電層と、
第１の表面および第２の表面を備える第１の絶縁層と、
第１の接続サイトおよび第２の接続サイトを有する電気コンポーネントを備える電気コンポーネント層と、
第１の表面および第２の表面を備える第２の絶縁層と
の層を備え、
該集電層は該第１の絶縁層の該第１の表面にラミネートされ、該電気コンポーネント層は、該第１の絶縁層の該第２の表面と該第２の絶縁層の該第１の表面との間にラミネートされる、
統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項２】
前記電気コンポーネントは抵抗器である、請求項１に記載の統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項３】
前記第１の絶縁層は、第１の伝導性ビアをさらに備え、前記電気コンポーネントの前記第１の接続サイトは、該第１の伝導性ビアによって前記集電体に電気的に接続される、請求項１に記載の統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項４】
前記第１の絶縁層は、第２の伝導性ビアをさらに備え、
前記集電層は、該集電体から電気的に絶縁された電流除去領域をさらに備え、
該電気コンポーネントの前記第２の接続サイトは、該第１の絶縁層の該第２の伝導性ビアによって、該集電層の該電流除去領域に電気的に接続される、
請求項３に記載の統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項５】
前記集電層は、銅、ニッケルおよび金から選択される一つ以上の追加の層を備える、請求項１に記載の統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項６】
前記抵抗器は銅を備える、請求項２に記載の統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項７】
前記電気コンポーネント層は複数の電気コンポーネントを備える、請求項１に記載の統合集電体および電気コンポーネントプレート。
【請求項８】
エンドセルと、
エンドプレートと、
請求項１に記載の前記統合集電体および電気コンポーネントプレートと
を備える、燃料電池スタックであって、
該統合集電体および電気コンポーネントプレートは、該エンドセルと該エンドプレートとの間に配置され、該集電体は、該エンドセルに隣接し、かつ、電気的に接触し、前記第２の絶縁層の前記第２の表面は該エンドプレートに隣接する、燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１に記載の前記統合集電体および電気コンポーネントプレートを備える燃料電池スタックであって、該電気コンポーネントは、該燃料電池スタックと直列に電気的に接続される、燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項１に記載の前記統合集電体および電気コンポーネントプレートを備える燃料電池スタックであって、該電気コンポーネントは、該燃料電池スタックと並列に電気的に接続される、燃料電池スタック。
【請求項１１】
プリント回路基板製造方法によって、請求項１に記載の前記統合集電体および電気コンポーネントプレートを組み立てることと、
該統合集電体および電気コンポーネントプレートを該燃料電池スタックに組み込むことと
を包含する、燃料電池スタックを製造する方法。
【請求項１２】
前記電気コンポーネントは、前記燃料電池スタックのエンドセルを加熱するための抵抗加熱器である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気コンポーネントは、開回路中、前記燃料電池スタックの電圧を下げるための抵抗器である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記電気コンポーネントは、停止中、前記燃料電池スタックの電圧をブリードダウンするための抵抗器である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記電気コンポーネントは、前記燃料電池スタックによって生成される電流を測定するためのシャント抵抗器である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記電気コンポーネントは、前記燃料電池スタックの温度を測定するための抵抗温度計である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記統合集電体および電気コンポーネントプレートは、複数の電気コンポーネントを備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の電気コンポーネントは、前記燃料電池スタックの物理的特性をマッピングするためにアレイに配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記物理的特性は、局部電流または局部温度である、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的燃料電池スタックに関する。より詳細には、電気化学的燃料電池スタック用の統合集電体および電気コンポーネントプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学的燃料電池は、反応物質、すなわち燃料および酸化剤を変換し、電力および反応生成物を生成する。電気化学的燃料電池は、一般に、二つの電極、すなわちカソードおよびアノードの間に配置された電解質を利用する。電解質と電極との間の界面に配置された電気触媒は、一般に、電極における所望の電気化学的反応を誘起する。電気触媒の位置は、一般に、電池燃料の電気化学的に活性な領域を規定する。
【０００３】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は、一般的に、二つの電極層の間に配置された個体ポリマー電解質またはイオン交換膜を備える膜電極接合体（ＭＥＡ）を採用し、該二つの電極層は、流体拡散層としてカーボンファイバペーパーまたはカーボンクロスなどの多孔質の電気伝導性を有するシート材料を備える。典型的なＭＥＡにおいて、電極層は、一般的に薄く柔軟性のあるイオン交換膜に対する構造的な支持を提供する。膜は、イオン伝導性（一般的に陽子伝導性）であり、反応物質ストリームを互いに分離するためのバリアとしてもまた働く。膜の別の機能は、二つの電極層の間の電気的な絶縁体として働く。典型的な市販のＰＥＭは、商標名ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）としてＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されるスルホン化パーフルオロカーボン膜である。
【０００４】
上記のように、ＭＥＡは、所望の電気化学的な反応を誘起するために、一般的に、膜／電極層の各界面に層状に配置される、細かく粉砕されたプラチナ粒子を備える電気触媒をさらに備える。電極は、電極間の電子を伝導するための通路を提供するために、外部負荷を経由して電気的に結合される。
【０００５】
燃料電池において、ＭＥＡは、一般的に、反応物質流体ストリームに対して実質的に不浸透性である二つのセパレータプレートの間に挿入される。プレートは、集電体として働き、電極に対する支持を提供する。反応物質流体ストリームの電気化学的に活性な領域への分配を制御するために、ＭＥＡに面したプレートの表面は、プレートに形成されたむき出しのチャネルを有し得る。そのようなチャネルは、一般に、隣接の電気化学的に活性な領域に対応するフローフィールド領域を規定する。セパレータプレートに形成された反応物質チャネルを有するそのようなセパレータプレートは、フローフィールドプレートとして一般に公知である。
【０００６】
燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池が、アセンブリの全出力電力を増加させるために、一般的に直列に、まとめて接続される。そのような配置において、所与のセパレータプレートの一方の側は一つのセルのためのアノードプレートとして働き、プレートの他方の側は隣接のセルのためのカソードプレートとして働き得る。この配置において、プレートはバイポーラプレートと呼ばれ得る。燃料電池スタックは、一般的に、タイロッドおよびエンドプレートによってアセンブルされた状態にまとめられる。内部スタックマニホールドおよびフローフィールドのまわりのシーリングを確実にするために、かつ、スタックを構成する燃料電池間の直列の電気接続を提供するプレートと膜電極接合体との表面の間の適切な電気的接触を確実にするために、圧縮メカニズムが一般に必要である。
【０００７】
一般に燃料電池システムにおいては、電流は、一般に銅または銅のコーティングで形成される一対の集電体またはバスプレートを介して燃料電池から取り出され、集電体またはバスプレートのうちの一つは、アセンブルされた燃料電池とエンドプレートとの間の燃料電池スタックの各端に置かれる。電力損失を最小化するために、燃料電池システムに現在採用されているバスプレートは、一般的にかなり厚い（例えば、自動車用サイズのスタックに対してはほぼ２ｍｍ程度であるが、この厚さは燃料電池サイズによっていくらか変化することが予想される）。しかしながら、このことは、プレーンを通過するおよびプレーンの面内の、両方の高い熱伝導性をもたらす。そのようなプレーンを通過する高い熱伝導性の結果は、熱が燃料電池スタックから奪われることになり、そのようなプレーンの面内の高い伝導性の結果は、バスプレートの近傍における燃料電池内の熱勾配が減少することになる。これらの結果の両方は、バスプレートの近傍の燃料電池におけるフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）などの動作上の問題をもたらし得る。
【０００８】
これらの動作上の問題を緩和するための従来の試みは、主として、バスプレートと燃料電池スタックのエンドプレートとの間に、電気ヒーターまたは抵抗発熱体などの追加の加熱コンポーネントの組み込みを伴う（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３を参照されたい）。高電位ブリードダウン抵抗器ならびに熱および電気絶縁層などのさらなる追加のコンポーネントもまた、性能向上のために、燃料電池に組込まれてきた。しかしながら、このような追加のコンポーネントの存在は、燃料電池システム設計の複雑性を増加させ、燃料電池システムのスペース要求を増加させ、燃料電池システムの重量を増加させるという不利益を有する。これらのことは、燃料電池動力のモータ車両などの移動性のアプリケーションにおいて重大な不利益である。
【０００９】
従って、本分野で進歩がなされてきているが、改良された燃料電池システムに対する、一般的におよび特に、簡易なスペース効率のよい軽量の燃料電池システムに対する、当該技術分野における必要性がなおも存在する。本発明はこれらのニーズに対処し、さらなる関連する利点を提供する。
【特許文献１】特開平８−１６７４２４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００１／００３６５６８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０１３７２９５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
要するに、本発明は、燃料電池スタック用の統合集電体および電気コンポーネントプレートに関する。
【００１１】
一実施形態において、本発明は、以下の層を備えるプリント回路基板を備える、燃料電池スタック用の統合集電体および電気コンポーネントプレートを提供する。すなわち、プリント回路基板は、（１）集電体を備える集電体層、（２）第１の表面および第２の表面を備える第１の絶縁層、（３）第１の接続サイトおよび第２の接続サイトを有する電気コンポーネントを備える電気コンポーネント層、および（４）第１の表面および第２の表面を備える第２の絶縁層を備え、集電層は、第１の絶縁層の第１の表面にラミネートされ、電気コンポーネント層は、第１の絶縁層の第２の表面と第２の絶縁層の第１の表面との間にラミネートされる。ある実施形態において、電気コンポーネントは、抵抗器であり得る。
【００１２】
前述の実施形態のさらなる実施形態において、第１の絶縁層は、第１の伝導性ビアをさらに備え、電気的コンポーネントの第１の接続サイトは、第１の伝導性ビアによって集電体に電気的に接続される。さらに、よりさらなる実施形態において、第１の絶縁層は、第２の伝導性ビアをさらに備え得、集電層は、集電体から電気的に絶縁された電流除去領域（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅｍｏｖａｌ  ｒｅｇｉｏｎ）をさらに備え得、電気コンポーネントの第２の接続サイトは、第１の絶縁層の第２の伝導性ビアによって集電層の電流除去領域に電気的に接続され得る。
【００１３】
よりさらなる実施形態において、集電層は、銅、ニッケルおよび金から選択される一つ以上の追加の層を備え、電気的コンポーネント自身（例えば、抵抗器）は銅を備え得、および／または電気コンポーネント層は複数の電気コンポーネントを備え得る。
【００１４】
本発明の他の実施形態は、前述の統合集電体および電気コンポーネントを備える燃料電池スタックを含む。そのような一実施形態は、（１）エンドセルと、（２）エンドプレートと、（３）前述の統合集電体および電気コンポーネントプレートとを備え、統合集電体および電気コンポーネントプレートは、エンドセルとエンドプレートとの間に配置され、集電体は、エンドセルに隣接し、かつ電気的に接触し、第２の絶縁層の第２の表面は、エンドプレートに隣接する。他の実施形態において、電気コンポーネントは、燃料電池と直列または並列に電気的に接続され得る。
【００１５】
さらに他の実施形態において、本発明は、前述の統合集電体および電気コンポーネントプレートを備える燃料電池を製造するための簡易で効率的な方法を提供する。方法は、プリント回路基板製造方法によって統合集電体および電気コンポーネントプレートを組み立てること、および燃料電池スタックにそれを組み込むことを包含する。方法は、燃料電池スタックエンドセルを加熱するための抵抗器加熱器として働くセルロウ（ｃｅｌｌ  ｒｏｗ）抵抗を組み込むのに有用である。あるいは、そのような抵抗は、開回路中、電圧をさげること、または停止中にセル電圧をブリードダウン（ｂｌｅｅｄ  ｄｏｗｎ）するように働き得る。方法はまた、複数の電気的コンポーネントを備えるコンポーネントアレイをスタックに組込むのに有用である。そのようなアレイは、局部電流または温度の分布などの燃料電池スタックの物理的特性をマップするために使用され得る。電気コンポーネントは、従って、シャント抵抗器および／または抵抗温度計を含み得る。
【００１６】
本発明のこれらのおよび他の局面は、添付の図面および以下の詳細な説明を参照して明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の説明において、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の詳細が述べられる。しかしながら、当業者は、本発明がこれらの詳細がなくても実施され得ることを理解する。他の場合において、エンドプレート、バスプレートおよびサプライマニホールド、センサ、電力生成制御システムおよび燃料電池システムなどの燃料電池スタックに関連する周知の構造は、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細には記述されていない。別に状況により必要でない限り、以下に続く明細書および特許請求の範囲全体において、用語「備える」または「包含する」（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）および「備える」または「包含する」（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）および「備える」または「包含する」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、開いた、包含の意味、すなわち、「含むが、それに限定されない」に解釈されるべきである。
【００１８】
図１は、本発明の二つの統合集電体および電気コンポーエントプレート４０を備える、代表的な電気化学的燃料電池スタック１０を例示する。示されるように、燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１８ａと１８ｂとの間に配置された複数の燃料電池アセンブリ１６を備え、燃料電池アセンブリ１６の一つは、代表的な燃料電池アセンブリ１６の構造をより良く例示するために燃料電池スタック１０から部分的に取りはずされている。連結棒（図示されていない）は、エンドプレート１８ａと１８ｂとの間に延伸し、止めナット１７に協力して、エンドプレート１８ａおよび１８ｂにバイアス力を加え、様々なコンポーネントに対して圧力を加えることによって、それらの間の接触を確実なものにする。
【００１９】
各燃料電池アセンブリ１６は、イオン交換膜２６によって分離された、二つの電極、すなわちアノード２２およびカソード２４を有する膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）２０を備える。電極２２および２４は、反応物質に浸透するカーボンファイバペーパーまたはクロスなどの多孔性の電気的伝導性のあるシート材料から形成され得る。電極２２および２４の各々は、各電極が電気化学的に活性になるように、プラチナの薄い層などの触媒２７で、イオン交換膜２６に隣接する電極の表面をコーティングされる。
【００２０】
各燃料電池アセンブリ１６はまた、膜電極接合体２０をはさむ一対のセパレータまたはフローフィールドプレート２８を含む。例示された実施形態において、フローフィールドプレート２８の各々は、一つ以上の反応物質チャネル３０を含み、該反応物質チャネル３０は、燃料をアノード２２に酸化剤をカソード２４にそれぞれ運ぶために、電極２２および２４の関連する一つに隣接するフローフィールドプレート２８の平らな表面に形成される。さらに、各フローフィールドプレート２８は、複数の冷却チャネル３２を含み、該複数の冷却チャネル３２は、反応物質チャネル３０を有する平らな表面と反対側のフローフィールドプレート２８の平らな表面に形成される。燃料電池スタック１０がアセンブリされるときには、隣接する燃料電池アセンブリ１６の冷却チャネル３２が協同して、その結果として、隣接する膜電極接合体２０との間に閉冷却チャネル３２が形成される。
【００２１】
例示された実施形態は、各燃料電池アセンブリ１６の中に二つのフローフィールドプレート２８を含むが、他の実施形態は、隣接する膜電極接合体２０の間に一つのバイポーラフローフィールドプレート（図示されていない）を含み得る。そのような実施形態において、バイポーラプレートの一方の側のチャネルは、燃料を一方の隣接する膜電極接合体２０のアノードに運ぶが、一方、プレートの他方の側のチャネルは、酸化剤を他方の隣接する膜電極接合体２０のカソードに運ぶ。そのような実施形態において、冷却流体（例えば、液体または冷却空気などの気体）を運ぶためのチャネルを有する追加のフローフィールドプレート２８は、燃料電池スタック１０に十分な冷却を提供するために必要なように、燃料電池スタック１０の全体にわたり間隔を空けて置かれ得る。
【００２２】
エンドプレート１８ａは、サプライ燃料ストリームを燃料電池スタック１０の中に導入するための燃料ストリーム入口ポート（図示されていない）を含む。エンドプレート１８ｂは、排出燃料ストリームを燃料電池スタック１０から排出するための燃料ストリーム出口ポート３５を含む。必要に応じて、燃料ストリーム出口ポート３５は、燃料電池スタック１０がデッドエンドモード（すなわち、動作中に供給された燃料の実質的にすべてが消費されるモード）で動作するようにバルブで閉じられ得る。各燃料電池アセンブリ１６は、隣接するアセンブリ１６の対応する開口と協同するように、燃料電池アセンブリ１６に形成される開口を有し、スタック１０の長さにわたって延伸し燃料反応物質チャネル３０と流体的に接続される内部燃料供給および排出マニホールド（図示されていない）を形成する。
【００２３】
エンドプレート１８ｂは、サプライ酸化剤ストリームを燃料電池スタック１０の中に導入するための酸化剤ストリーム入口ポート３７、および排出酸化剤ストリームを燃料電池スタック１０から排出するための酸化剤ストリーム出口ポート３９を含む。各燃料電池アセンブリ１６は、燃料電池アセンブリ１６に隣接する対応する開口と協同するように、燃料電池アセンブリ１６に形成される開口３１および３４を有し、スタック１０の長さにわたり延伸し酸化剤反応物質チャネル３０と流体的に接続される酸化剤供給および排出マニホールド（図示されていない）を形成する。
【００２４】
図１に示されるように、燃料電池スタック１０は、二つの統合集電体および電気コンポーネントプレート４０を備える。詳細に示されていないが、例示された実施形態において、電気コンポーネントは抵抗器である。各集電体および抵抗器プレート４０は、エンドプレート１８ａまたは１８ｂと、図１に示されるように、本明細書においてエンドセル３６と呼ばれる燃料電池スタック１０の端に位置する対応する燃料電池アセンブリ１６との間に配置される。
【００２５】
図２は、図１の代表的な統合集電体および抵抗器プレート４０の構成の分解図を例示する。示されるように、代表的な統合集電体および抵抗器プレート４０は、複数の層、すなわち、集電体５２を備える電気伝導性の集電層５０と、電気的に絶縁された第１の絶縁層６０と、抵抗器７２を備える電気コンポーネント層７０と、電気的に絶縁する第２の絶縁層８０と、を備えるプリント回路基板を備える。集電層５０は、集電体５２から電気的に絶縁された電流除去領域５４をさらに備える。第１の絶縁層６０は、第１の表面６２と、第２の表面６４と、第１の伝導性ビア６６と、第２の伝導性ビア６８とを備える。抵抗器７２は、第１の接続サイト７４および第２の接続サイト７６を備える。第２の絶縁層８０は、第１の表面８２および第２の表面８４を備える。
【００２６】
アセンブルされるときには、集電体５２および電流除去領域５４を備える集電体層５０は、第１の絶縁層６０の第１の表面にラミネートされ、抵抗器７２を備える電気コンポーネント層７０は、第１の絶縁層６０の第２の表面６４と第２の絶縁層８０の第１の表面８２との間にラミネートされ、抵抗器７２の第１の接続サイト７４は、第１の絶縁層６０の第１の伝導性ビア６６によって集電体５２に電気的に接続される。さらに、例示された実施形態において、抵抗器７２の第２の接続サイト７６は、第１の絶縁層６０の第２の伝導性ビア６８によって電流除去領域５４に電気的に接続される。
【００２７】
上記のように、燃料電池スタック１０に統合されるときには、統合集電体および抵抗器プレート４０は、燃料電池スタックのエンドセル３６と燃料電池スタックのエンドプレート１８ａまたは１８ｂとの間に配置される。このように燃料電池スタック１０は、圧縮およびアセンブリされた状態にあるときには、集電層５０は、エンドセル３６に隣接し、かつ電気的に接触し、第２の絶縁層８０の第２の表面８４は、エンドプレート１８ａまたは１８ｂに隣接する。
【００２８】
動作中、燃料電池スタック１０からの電流は、（１）集電体５２から第１の伝導性ビア６６を通って、抵抗器７２の第１の接続サイト７４に（２）抵抗器７２を通って、および（３）第２の接続サイト７６から第２の伝導性ビア６８を通って、電流除去領域５４に通過する。このようにして、例示された実施形態において、抵抗器７２は、燃料電池スタック１０と直列に電気的に接続される。抵抗の大きさを適切に決めることによって、燃料電池から取り出された電流に従って、抵抗器７２からの抵抗加熱によって、熱は、隣接するエンドセル３６に供給され得る。そのような場合、センサ、コントローラ、電源およびエンドセルを加熱するための電気加熱器などのコンポーネントを備える、外部の温度調整システムを使用することは必要でない。
【００２９】
代替案の実施形態（図示されていない）において、抵抗器７２は、燃料電池スタックと直列の代わりに並列に電気的に接続され得る。これは、例えば、電流を集電体５２の異なる場所から取り出すことによって、また、電流除去領域５４（すなわち第２の接続サイト７６）をスタックの反対側端に電気的に接続することによって、達成され得る。そのような構成は、開回路の期間中に燃料電池スタックの電圧を下げるために、または燃料電池スタックの停止中にブリードダウン抵抗器として働くために利用され得る（すなわち、抵抗器７２は少量の電流を取り出し、このようにして、スタック電圧を下げ得、または燃料電池スタックに残っている過剰な水素を「ブリード」すなわち消費し得る）。
【００３０】
集電層５０は、銅、ニッケルおよび／または金の一つ以上の追加の層を備え得る。そのような層の各々を備える実施形態において、銅の層は燃料電池スタックからの電流の大部分を集め、分配するために利用され得、ニッケルおよび金の層は、統合プレートが腐食状態にさらされるときに、低い電気接触抵抗を確実にするために使用され得る。例えば、ニッケル層は厳しいスクラッチ下での銅の伝導性層を保護し、一方、金の層は、低い電気接触抵抗を有する酸化物のない表面を提供する。
【００３１】
典型的な実施形態において、抵抗器７２は、銅で作られ得る。抵抗器７２は、連続であり得（図２に示されるように）、または、一つ以上のトレースとして形成され得る。当業者が理解するように、所望の抵抗または熱は、抵抗器７２の厚さ、長さおよび幅を支配する。トレースが使用されるときには、トレースのピッチ（すなわち、長さ当たりのトレース数）および／または幅は、所望の場所における特定の抵抗または熱放散を提供するために変化され得る。
【００３２】
比較的に薄い集電体は、出力電力のマイナーな損失が結果として発生し得るが、ある種の燃料電池スタックアプリケーションにおいて使用されることが望ましいことが発見されている。比較的に薄い集電体を使用する一つの利点は、それが、プリント回路基板の設計および製造技術が同様に使用されることを可能とするからである。代表的なプリント回路基板技術を使用して、銅またはその他のフォイルから成る複数のコンポーネント（例えば、簡易抵抗器）は、多層基板上に容易に作製され得る。このようにして、伝導性トレースの複雑なパターンは、容易に形成され得る。一般的な製造工程において、適切な裸のラミネート材料は、穴をあけられて開口を形成し、ラミネートは、次いで、導体（例えば、銅）で電気メッキされる。導体は、次いで、一般的には、所望の導体パターンに従って、マスクされ、不要な導体はエッチングで除かれる（例えば、適切なフォトレジスト、ＵＶ光を使用するパターニング、および酸エッチングの適用によって）。追加の層（例えば、絶縁体）、材料（例えば、はんだ）および／またはコンポーネントが、次いで、組み込まれ得る。
【００３３】
上記のように、統合集電体および電気コンポーネントプレートの製造においてプリント回路基板技術を使用することは、比較的薄い集電体（すなわち、バスプレート）を提供する。このことは、いくらかの少ない電力消散とスタックからの出力電力の損失をもたらし得るが、平面内のおよび平面を通過する熱伝導性が大幅により低い集電体を有する利点がある。その結果、燃料電池スタックから除去される熱はより少なくなり、バスプレート近傍の燃料電池内の熱勾配は減少される。このことは、バスプレート近傍の燃料電池においてフラッディングを減少させることに有用であり得る。このようにして、エンドセルが性能問題を経験するという可能性が減少される。さらに、このことは、確立された、実質的によりコストパフォーマンスの高い、大量の回路基板製造方法を使用する製造手段を提供する。
【００３４】
さらに、この設計はまた、電気および熱絶縁体、エンドセル加熱器、電位ブリードダウン抵抗器およびシャント抵抗器などの他の燃料電池コンポーネントを有する集電層を一つのプレートに統合することを提供する。別個のコンポーネントの数を最小にすることによって、本発明は、取り扱い容易で軽量なスペース効率のよい燃料電池システムの開発を可能にする。
【００３５】
図３Ａは、本発明の別の実施形態を示し、この実施形態においては、統合集電体および電気コンポーネントプレートは、燃料電池スタック内における電流分布をマップする目的のために、複数の電気コンポーネント（例えば、簡易抵抗器）を備える。示された図において、適切に形作られた銅トレースは、プリント回路基板上に形成されシャント抵抗器のアレイを形成する。図３Ａを参照して、局部電流は、局部集電体１０１によってフローフィールドプレート１００から集められる。統合集電体およびシャント抵抗器プレートは、三つの電気的な絶縁層１０２、１０６および１１０を備える。伝導性ビア１０３は、局部集電体１０１を電気コンポーネント層１０５における個々のシャント抵抗器１０４の他方の端（すなわち、第１の接続サイト）に電気的に接続する。同様な方法で、伝導性ビア１０７は、シャント抵抗器１０４の他方の端（すなわち、第２の接続サイト）をバスプレートとして働く集電体１０８に電気的に接続する。各シャント抵抗器の抵抗が既知である場合には、スタックにおける電流分布は、次いで、各シャント抵抗器についての電圧降下を測定することによって、マップされ得る。この目的のために、一対の銅トレース（図３Ａに示されていない）が、各シャント抵抗器の端を適切な電圧取得ユニットに接続するために回路基板上に備えられる。図３Ｂは、図３Ａのアレイにおけるシャント抵抗器の一つの構成の分解図を例示する。図３Ｂは、シャント抵抗器１０４における電圧降下を取得するための一対のトレース１１２を示す。
【００３６】
図３Ａおよび図３Ｂの実施形態において、シャント抵抗器１０４の抵抗は、温度の関数である。例えば、典型的な燃料電池の実際の動作範囲（例えば、０℃〜１００℃）において、抵抗は１０％程度変化することが予想され得る。一部の目的のためには、この程度の測定のエラーは、十分正確であり得る。しかしながら、より高感度な測定のためには、各シャント抵抗器の近傍の局部温度を測定し、従ってその訂正をするために、抵抗温度計のアレイが統合プレートに組込まれ得る。このことは、シャント抵抗器アレイを備える層から電気的に絶縁されるが、しかしながら、その層に隣接している別個の層において、抵抗トレース（抵抗温度計として働く）のアレイを形成することによって達成され得る。直列接続されたトレースを介して、既知の電流が各抵抗温度計を通って通過し得る。ついで、シャント抵抗器アレイと同様な方法で、各抵抗温度計についての電圧降下が、層の形で追加的に形成される一対の電圧トレースを介して取得され得る。これらの電圧降下は局部温度を示し、このデータはシャント抵抗器測定結果を訂正するために使用され得る。当業者は、いくらかの電力が抵抗温度計において消散されることを理解する。従って、この消散される電力が、燃料電池スタックの混乱を避けるために、燃料電池熱出力に比較して無視できるほどであるように、統合プレートを設計することが必要である。
【００３７】
上記から、本発明の特定の実施形態が本明細書に例示の目的のために記述されているが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることが理解される。従って、本発明は特許請求の範囲によるもの以外によって制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の統合集電体および電気コンポーネントプレートを備える代表的な燃料電池スタックを示す。
【図２】図２は、図１の代表的な統合集電体および電気コンポーネントプレートの構成の分解図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池スタックの中の電流分布をマップするためのシャント抵抗器アレイを備える、本発明の代表的な統合集電体および電気コンポーネントプレートの概略図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａのアレイにおける一つのシャント抵抗器の構成の分解図を示す。
【図１】
2008525975.tif 000003
【図２】
2008525975.tif 000004
【図３Ａ】
2008525975.tif 000005
【図３Ｂ】
2008525975.tif 000006
【国際調査報告】
2008525975.tif 000007
2008525975.tif 000008
2008525975.tif 000009