(57)【要約】  燃料電池スタック組立体（３０）は、燃料電池スタック（３１）と、前記燃料電池スタック（３１）の流路に空気を供給するためまたはそこから空気を受け取るために前記燃料電池スタック（３１）の一面（４）に配置された空気流プレナムチャンバ（３３）で、前記空気流プレナムチャンバの壁の少なくとも一部がプリント回路基板により構成され、前記プリント回路基板が少なくとも１つの開口（３７）を有するものと、前記開口（３７）に隣接して前記基板に取り付けられ、前記空気流プレナムチャンバの中または外へと前記開口を通って空気を強制的に送ることができるファン（３６）とを含む。この燃料電池スタック組立体は、燃料電池スタック組立体の動作に不可欠またはこれを支援する回路基板と、燃料電池スタック内の燃料電池の強制通気のための空気流プレナムとの一体化をもたらす。【選択図】  図３
2015502008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、空気流プレナムチャンバと、ファンとを含む燃料電池スタック組立体であって、
前記空気流プレナムチャンバは、前記燃料電池スタックの流路に空気を供給するため、またはそこから空気を受け取るために、前記燃料電池スタックの一面に配置され、前記空気流プレナムチャンバの壁の少なくとも一部がプリント回路基板により構成され、前記プリント回路基板が少なくとも１つの開口を有しており、
前記ファンは、前記開口に隣接して前記基板に取り付けられ、前記空気流プレナムチャンバの中または外へと前記開口を通って空気を強制的に送ることができる、
燃料電池スタック組立体。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記空気流プレナムチャンバの内壁を成す前記プリント回路基板の一面は、ポッティングコンパウンドまたは他の液密なコーティングで被覆されている、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックに結合され前記空気流プレナムチャンバの側壁を成すフレームをさらに含み、前記プリント回路基板は前記フレームに取り付けられ液密なシールを成す、燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板には、少なくとも１つの温度検知装置が取り付けられている、燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板には、少なくとも１つのファン制御回路が組み込まれている、燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記空気流プレナムチャンバが配置された前記燃料電池スタックの面は、開放流路端を有する面である、燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項３に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板は、複数の開口と、各々対応する開口に隣接して取り付けられ、前記対応する開口を通って空気を強制的に送ることができる対応する複数のファンとを有し、前記ファンと開口とが、前記空気流プレナムチャンバ内にほぼ均一な圧力分布をもたらすように前記プリント回路基板に分散させられている、燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板には、少なくとも１つの電力制御回路が組み込まれ、前記空気流プレナムチャンバの内壁を成す前記プリント回路基板の一面にヒートシンクが配置されている、燃料電池スタック。
【請求項９】
添付の図面を参照し実質的にここに述べられているような装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、燃料電池スタックの側面上に配置された１つ以上のファンによって、燃料電池スタック内の流体流動プレートのカソード流路へと空気が送られるオープンカソード燃料電池に関する。もっとも、これに限るものではない。
【背景技術】
【０００２】
オープンカソード燃料電池スタックの典型的なレイアウトの概略図を図１に示す。燃料電池スタック１は、図の左から右へと積層されスタックを成す複数の単セル２を含んでいる。図２において概略的分解状態の断面で示すように、各セル１０は多孔性電極１２―１３間に挟まれ、かつ、アノード流動プレート１４及びカソード流動プレート１５の間に配置された膜１１を含んでいる。膜１１及び多孔性電極１２、１３は一緒になって膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成してもよい。
【０００３】
当該技術分野でよく知られているように、アノード流動プレート１４は、多孔性アノード１２を介して膜１１のアノード側へ燃料を供給するために、その表面に少なくとも１つの流路１６（形態としては蛇行するものでよく、従って断面図では何度も横切られている）を有する。カソード流動プレート１５は、典型的には、多数の平行流路１８を有する。平行流路１８は、膜１１のカソード側へ酸化剤を供給するためと、水及び／または蒸気の反応副産物と共に未使用の酸化剤を排出するため、カソード流動プレート１５の表面で延びている。同じく当該技術分野でよく知られているように、多くのデザインにおいて、アノード流動プレート１４及びカソード流動プレート１５は、バイポーラ流動プレートとして組み合わされ、プレートの一面にアノード流路１６を、プレートの反対側の面にカソード流路１８を有する。このため、直列接続されたセル２のスタック１に形成されたとき、１つのセルのアノード流動プレート１４は、隣接するセルのカソード流動プレート１５と隣接または背中合わせに一体形成される。カソード流動プレート流路１８は、各セルの縁部に開放端を有し、このため、図１の前面に見えるように、燃料電池スタック１の側面４に流路１８のアレイ３を表示することになる。対応する流路の列が、スタックの反対側（裏側）の面５（図１では見えない）に存在し、これによりスタック１を貫く直通の空気流路を提供するものであってもよい。
【０００４】
スタック内でプレート１５のカソード流路１８のアレイ３を通る酸化剤の適度な流れを保つために、スタックの一面の近くに、すなわちスタック１の側面４の近くに強制通気システムを設けることができる。側面４には、カソード流路１８の開放端のアレイ３を成す流動プレート１５の縁部が現れる。これらの開放端は、流路１８の入口端または出口端となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池スタックを通る空気流供給のための改良された燃料電池スタック組立体構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの形態によれば、本発明は、燃料電池スタックと、空気流プレナムチャンバと、ファンとを含む燃料電池スタック組立体を提供する。前記空気流プレナムチャンバは、前記燃料電池スタックの流路に空気を供給するためまたはそこから空気を受け取るために前記燃料電池スタックの一面に配置され、前記空気流プレナムチャンバの壁の少なくとも一部がプリント回路基板により構成される。前記プリント回路基板は少なくとも１つの開口を有する。前記ファンは、前記開口に隣接して前記基板に取り付けられ、前記空気流プレナムチャンバの中または外へと前記開口を通って空気を強制的に送ることができる。
【０００７】
前記空気流プレナムチャンバの内壁を形成する前記プリント回路基板の一面は、ポッティングコンパウンド（potting compound）または他の液密なコーティングで被覆されていてもよい。前記燃料電池スタック組立体は、前記燃料電池スタックに結合され前記空気流プレナムチャンバの側壁を成すフレームを含み、前記プリント回路基板は前記フレームに取り付けられ液密なシールを形成することができる。前記プリント回路基板は、少なくとも１つの温度検知装置を有していてもよい。前記プリント回路基板は、一体化された少なくとも１つのファン制御回路を有していてもよい。前記空気流プレナムチャンバが配置された前記燃料電池スタックの面は、開放流路端を有する面であってもよい。前記プリント回路基板は、複数の開口と、各々対応する開口に隣接して取り付けられ、前記対応する開口を通って空気を強制的に送ることができる対応する複数のファンとを有し、前記ファンと開口とが、前記空気流プレナムチャンバ内にほぼ均一な圧力分布をもたらすように前記プリント回路基板に分散させられていてもよい。前記プリント回路基板には、少なくとも１つの電力制御回路が組み込まれ、前記空気流プレナムチャンバの内壁を形成する前記プリント回路基板の一面にヒートシンクが配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を、一例として、添付の図面を参照して説明する。
【図１】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】燃料電池スタック内の燃料電池を通る概略分解断面図である。
【図３】燃料電池スタック組立体の概略側断面図であり、燃料電池スタック、プレナム及びファン装置を示す。
【図４】燃料電池スタック組立体の上面及び前面の斜視図であり、燃料電池スタック、プレナム、及びファン装置を示す。
【図５】図４の燃料電池スタック組立体のファン及び部品取り付け用に構成された回路基板の平面図である。
【図６】燃料電池スタック組立体の他のレイアウトの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書を通して、「頂部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、「下」、「前」、「後ろ」、「側方」などの相対的向き及び位置に関する記述語、ならびにその派生的形容詞及び副詞は、図面に示されるような燃料電池スタック組立体の方向性という点での分かりやすさのためだけに用いられている。ただし、こうした記述語は決して、任意の向きで使用可能な燃料電池スタック組立体の使用目的を制限することは意図していない。
【００１０】
図１を更に参照すると、酸化、水の移送及び燃料電池スタック冷却のための適切な空気流が、カソード流路に流れることを確実とするために、以下に述べるように、カソード流路の入口または出口を有する燃料電池スタック面４に隣接してプレナムハウジングを設けることが望ましい。プレナムハウジングは、燃料電池スタックの一面にわたって延びる空気流プレナムチャンバを提供し、ファンは、カソード流路の入口または出口に面するハウジングの開口の真上で、プレナムハウジングに取り付けられ得る。ある構成では、ファンは燃料電池スタックの下流側に配置され、それによって、ファンは、プレナム内の圧力を大気圧よりも幾分低く保ち、燃料電池スタックを通って空気を引き込む。燃料電池スタックの上流側、すなわち、カソード流路の開放入口端に対応する燃料電池スタックの面は、フィルタで覆われていてもよい。そうでないと、大気に晒される。他の構成では、プレナムハウジングは燃料電池スタックの上流側に設けられ、よってファンは、プレナム内の圧力を大気圧よりも幾分高く保ち、すなわち燃料電池スタックを通って空気を押し出す。
【００１１】
燃料電池スタックは、セル電圧モニタリング、空気流制御、燃料流制御、温度モニタリングなどために相当数の制御回路を必要とする。これらの制御回路は、好ましくは、燃料電池スタックの周囲に配置される。例えば、オープンカソード流路に対応する燃料電池スタックの面以外の面において、燃料電池スタックのフレームに取り付けられる。このような構成は、図６に示されており、ここでは４つの空気流ファン６０が、燃料電池スタック６２の側面に取り付けられた空気流プレナムチャンバ６１上に配置されている。空気流プレナムチャンバはプラスチックハウジングで形成することができる。多数の回路基板６３、６４が燃料電池スタックの他の面に取り付けられ、ケーブルがこれらの回路基板をファン６０などの他の部品へと連結する。この構成は、ファン６０の周りの大きなスペースが無駄になるかもしれず、また、燃料電池スタックの周りにケーブルを布設しなければならないかもしれない、という潜在的欠点を有する。
【００１２】
図３を参照すると、好適な形態による燃料電池スタック組立体３０の概略側断面図が示されている。燃料電池スタック３１は、そこを通って断面が描かれる頂部側面４を有し、この側面４は、排気矢印３２で示すように、そこから空気流プレナムチャンバ３３へと空気が引き込まれるカソード流路の排気面を有する。空気は、吸気矢印３４で示すように、底面５で燃料電池スタック３１へと引き込まれる。この底面５にはフィルタユニット３５が設けられていてもよい。
【００１３】
空気流プレナムチャンバ３３の上面には複数のファン３６が取り付けられている。これらのファンはそれぞれ、空気流プレナムチャンバハウジングの上面３８の各開口３７を介して空気流プレナムチャンバ３３の容積と通じている。ファン３６のそれぞれは、好ましくは、図示のように空気を下側からファン中心へと引き込み、ラジアルポートを介して半径方向外側へと吐き出すラジアルファンである。もっとも、任意の好適な形態のファンを用いることができる。
【００１４】
空気流プレナムチャンバハウジングは、その上面３８として、開口３７が形成されたプリント回路基板を有する。これは、ファン３６が取り付けられてないプリント回路基板４０の上側斜視図である図５に最もよく示されている。プリント回路基板４０（ＰＣＢ）は、複数の電気部品４１と、燃料電池スタック組立体の制御及び機能支援に用いられる回路配線とを有する。開口３７はＰＣＢ４０に形成され、その上方に取り付けられたファンの動作により、そこを通って空気が流れることができる。４つのファンの設置位置は、図５に空白のアウトライン４２で示されている。図４は、ＰＣＢ４０の同じ斜視図を示すが、こちらにはファン３６が取り付けられており、かつ、ＰＣＢが燃料電池スタック３１に取り付けられている。好ましくは、ファン３６は、それぞれ、開口３７の周りに流体シールを構成している適切なガスケットにより、ＰＣＢ４０に直接取り付けられる。空気流プレナムチャンバハウジングの側壁を形成するために、別体の側板（shroud）３９（図３）が用いられてもよい。この側板３９は、ファン３６と燃料電池スタック３１の入口／出口面４との分離を維持するために好適な任意のフレームまたは支持構造の形態をとることができる。
【００１５】
このように、この配置構成は、燃料電池スタックの流路に空気を供給するため、またはそこから空気を受け取るために、燃料電池スタック３１の面４に配置された空気流プレナムチャンバ３３を例示しており、この配置では、空気流プレナムチャンバの壁の少なくとも一部は、プリント回路基板４０により構成され、プリント回路基板４０が少なくとも１つの開口３７を有することがわかる。
【００１６】
プリント回路基板４０の下面、即ち、空気流プレナムチャンバ３３に対する上側内壁３８を構成する部分は、好ましくは、適切なポッティングコンパウンド（potting compound）、他の液密もしくは流体不透過性コーティングで被覆される。この構造は、特に、空気流（例えば燃料電池スタックからの湿った空気流）がＰＣＢ４０上に形成された電気部品４１の正常な機能を害しないようにするために採用される。空気流プレナムチャンバハウジングの側壁を構成する側板３９またはフレームは、好ましくは、適切なガスケット４３または他のシール材を用いて、ＰＣＢ４０及び燃料電池スタック３１からシールされ、主な空気流が確実に開口３７を通るようにする。理想的には、シールは、完全またはほぼ完全な液密である。
【００１７】
空気流プレナムチャンバ３３のハウジングとＰＣＢ４０とをこのように一体化することで、多くの顕著な利点が得られる。この場合、図６に示すような未使用のファン周りのスペースを、電子部品用として活用でき、このため、回路基板６３、６４によって占められていた燃料電池スタック６２の他の面のスペースが使えるようになる。これは燃料電池スタック組立体の全体寸法を小さくし、余分なケーブルを無くし、よって燃料電池スタック組立体の単位体積当たりの電力を大きくする。部品の接続が簡単になることで組立のコストも下がる。この場合、空気流、セル温度のモニタリング及びファン速度の制御に必須な部品を、プレナムハウジングに直接接続することができる。例えば、温度センサ及び／または空気流センサを、空気流プレナムチャンバ３３の内壁を成すＰＣＢ４０の下面に直接取り付け、回路基板を介してこれらの装置に直接に接続することができる。ＰＣＢ上の部品用ヒートシンクも内側面または外側面において、ＰＣＢに取り付け可能である。内側面または外側面は、部品用ヒートシンクが、冷却のため燃料電池を通過する強制空気流から恩恵を受けるものである。例えば、燃料電池スタック用及び／またはファン用の電力制御回路は、ＰＣＢに配置可能で、そのような電力制御回路用のヒートシンクは、好ましくは、空気流プレナムチャンバの内壁を成すＰＣＢの下面に配置される。空気流プレナムチャンバ内側面のＰＣＢ上の温度センサ及びヒートシンクなどの部品は、任意の適切なポッティングコンパウンド（potting compound）またはシーリングコンパウンドを用いて周囲をシールすることができ、一方、部品の機能面は、必要に応じ、一般的なＰＣＢ製造技術を用いて露出したままとすることができる。
【００１８】
例えば空気流プレナムチャンバ内で均一な圧力分布を維持するために、必要とされるだけの多数のまたは少数のファン３６を、ＰＣＢ４０に取り付けることができる。これは燃料電池スタックによっては、燃料電池スタックの性能を落とす局所的ホットスポットまたはコールドスポットの形成なしに、各セルが最適に冷却され排気されることを確実にするために重要である。空気流プレナムチャンバハウジングは１つ以上のＰＣＢ４０を含むことができ、側壁または側板３９と一体化することができる。ＰＣＢ４０は、電子部品、回路トレース／トラック、電気コネクタなどに構造的な支持を与えられる任意の好適な頑強な材料から形成することができる。
【００１９】
ラジアルファンが使用される場合、各ファンはそのファン軸（すなわち、図３に示すような垂直軸）を中心に、例えば、すべての出口が同じ方向を向くように、あるいは（図４に示すように）幾分収束気味となり排気の回収を容易となすように、任意の好適な角度に向けられるようにすることもできる。
【００２０】
他の実施の形態も、意図的には添付の請求項の範囲内にある。
【図１】
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【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年7月17日(2014.7.17)
【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】
燃料電池スタックと、空気流プレナムチャンバと、ファンとを含む燃料電池スタック組立体であって、
前記空気流プレナムチャンバは、前記燃料電池スタックの流路に空気を供給するため、またはそこから空気を受け取るために、前記燃料電池スタックの一面に配置され、前記空気流プレナムチャンバの壁の少なくとも一部がプリント回路基板により構成され、前記プリント回路基板が少なくとも１つの開口を有しており、
前記ファンは、前記開口に隣接して前記基板に取り付けられ、前記空気流プレナムチャンバの中または外へと前記開口を通って空気を強制的に送ることができる、
燃料電池スタック組立体。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記空気流プレナムチャンバの内壁を成す前記プリント回路基板の一面は、ポッティングコンパウンドまたは他の液密なコーティングで被覆されている、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックに結合され前記空気流プレナムチャンバの側壁を成すフレームをさらに含み、前記プリント回路基板は前記フレームに取り付けられ液密なシールを成す、燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板には、少なくとも１つの温度検知装置が取り付けられている、燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板には、少なくとも１つのファン制御回路が組み込まれている、燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記空気流プレナムチャンバが配置された前記燃料電池スタックの面は、開放流路端を有する面である、燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項３に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板は、複数の開口と、各々対応する開口に隣接して取り付けられ、前記対応する開口を通って空気を強制的に送ることができる対応する複数のファンとを有し、前記ファンと開口とが、前記空気流プレナムチャンバ内にほぼ均一な圧力分布をもたらすように前記プリント回路基板に分散させられている、燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１に記載された燃料電池スタックであって、前記プリント回路基板には、少なくとも１つの電力制御回路が組み込まれ、前記空気流プレナムチャンバの内壁を成す前記プリント回路基板の一面にヒートシンクが配置されている、燃料電池スタック。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2015502008.tif 000009
【国際調査報告】
2015502008.tif 000010
2015502008.tif 000011
2015502008.tif 000012