(57)【要約】燃料電池を直接内部で改質する波形集電体波形集電体を有する燃料電池は、波形の連続した空間列を備える。所与の列において、この波形は、当該列に沿って連続した頂上領域と谷領域とを形成している。列から列の対応する頂上領域が固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を形成するように、この波形の空間列が適合している。この波形の空間列には、連続した頂上領域間に所与のピッチが設けられている。また、波形の列は、列から列の対応する頂上領域が当該ピッチの５０％以下となる有限のオフセットを有するように構成されている。これによって、列から列へとそれぞれ延長した集電体には、固体触媒エレメントを収容して支持するための複数の通路が形成されることになる。さらに、触媒の方向に基づいて当該触媒エレメントが波形にはめ込まれるよう、当該オフセットが設定される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されている波形集電体であって、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合している波形集電体。
【請求項２】
前記波形の列のぞれぞれの前記頂上領域らには、ピッチＰｔの間隔が設けられており、前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには量Ｏのオフセットが設けられている、請求項１に記載の波形集電体。
【請求項３】
前記ピッチＰｔは、列と列で何れも同一であり、前記オフセットＯは、列と列で何れも同一である、請求項２に記載の波形集電体。
【請求項４】
前記オフセットの方向は、列と列では右から左へと交互に変わっている、請求項３に記載の波形集電体。
【請求項５】
前記オフセットは、前記ピッチＰｔの５０％よりも小さくかつ有限の値である、請求項３に記載の波形集電体。
【請求項６】
前記通路のそれぞれに固体触媒エレメントをさらに備えている、請求項５に記載の波形集電体。
【請求項７】
前記通路を確立している前記頂上領域らは、前記通路内に収容した前記固体触媒エレメントと係合している、請求項６に記載の波形集電体。
【請求項８】
前記波形集電体は、穿孔加工されたプレートから形成されており、該プレートにおいて穿孔加工された領域は、前記谷領域を形成し、該穿孔加工された領域らの間の領域は、前記波形の列の前記頂上領域を形成する、請求項６に記載の波形集電体。
【請求項９】
前記オフセットは、前記ピッチＰｔの５０％よりも小さくかつ有限の値である、請求項２に記載の波形集電体。
【請求項１０】
間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されている波形集電体であって、それぞれの前記列における前記頂上領域らは、同一のピッチＰｔで間隔をおいて配置されており、列と列で対応する前記頂上領域らは同一の量Ｏでオフセットされており、列と列の対応する前記頂上領域らによって、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を確立できるように、該オフセットＯは、前記ピッチＰｔの５０％より小さい有限の値である、波形集電体。
【請求項１１】
セパレータプレートと、該セパレータプレートに隣接して配置された波形集電体とを含むアノードセクションと、
通路のそれぞれに収容される固体触媒エレメントと
を含む燃料電池であって、
前記波形集電体は、間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるよう前記間隔を隔ててなる波形の列らが適合している、燃料電池。
【請求項１２】
前記波形の列のぞれぞれの前記頂上領域らは、ピッチＰｔの間隔でもって配置されており、前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには量Ｏのオフセットが設けられており、該オフセットＯは前記ピッチの５０％より小さい有限の値である、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記通路のそれぞれに固体触媒エレメントをさらに備えている、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記波形集電体は、穿孔加工されたプレートから形成されており、該プレートにおける穿孔加工された領域は、前記谷領域を形成し、該穿孔加工された領域らの間の領域は、前記波形の列の前記頂上領域を形成する、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
カソードセクションと、
該カソードセクションと前記アノードセクションとの間に配置された電解質部材と
をさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
燃料電池システムであって、
セパレータプレートと、該セパレータプレートの第１の表面に隣接して配置された波形アノード集電体とを有するアノードセクションを含む第１の燃料電池と、
前記セパレータプレートの第２の表面に隣接して配置された波形カソード集電体を有するカソードセクションを含む第２の燃料電池と
を含み、
前記波形アノード集電体は、間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合しており、
前記波形カソード集電体は、前記波形アノード集電体の前記間隔を空けて配置された波形の列を横切るように配置され、かつ間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、列と列の対応する頂上領域らによって通路を確立できるように、該間隔を隔てなる波形の列らが適合している、燃料電池システム。
【請求項１７】
前記波形アノード集電体とカソード集電体に係る各波形の列の頂上領域らには、同一のピッチＰｔで間隔が設けられており、前記波形アノード集電体と前記カソード集電体に係る各波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには、量Ｏのオフセットが設けられており、該オフセットＯは、ピッチＰｔの５０％より小さい有限の値である、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記通路のそれぞれに固体触媒エレメントをさらに備えている、請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記第１の燃料電池は、さらに、カソードセクションと、該カソードセクションと該第１の燃料電池のアノードセクションとの間に配置された電解質部材とを備え、
前記第２の燃料電池は、さらに、アノードセクションと、該アノードセクションと該第２の燃料電池のカソードセクションとの間に配置された電解質部材とを備える、
請求項１６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池における集電体電極の支持技術に関連する。とりわけ、本発明は、内部において改質を行なう高温用平面燃料電池ための波形集電体に関連する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタンのような燃料に蓄えられた化学的エネルギーを電気化学反応によって直接的に電気エネルギーへと変換する装置である。燃料電池は、最初に燃料を燃やして熱を生み出し、この熱を力学的エネルギーへと変換し、最後に電気へと変換する伝統的な発電方法とは異なる。燃料電池によって使用されるより直接的な変換処理は、効率の増加と排出物の削減の両面において、伝統的手段よりも顕著にアドバンテージがある。
【０００３】
一般に、燃料電池は、バッテリーと同じように、負極（アノード）電極と陽極（カソード）電極とを備え、それらの間は電気的に荷電されたイオンを導通させるために機能する電解質によって分離されている。しかしながら、バッテリーとは対照的に、燃料電池は、燃料と酸化剤をそれぞれアノード及びカソードに供給できる限り、電気を生み出しつづけることができる。これを成し遂げるために、ガスの流通フィールドがアノードとカソードに隣接して設けられ、これを通して燃料と酸化剤が供給される。十分な電力レベルを生み出すためには、相当数の燃料電池を直列に積層（スタック）する必要がある。その際には、電気的に導通性のあるセパレータプレートを各電池の間に設けることになる。
【特許文献１】
米国特許第４，５４８，８７６号公報
【特許文献２】
米国特許４，９８３，４７２号公報
【特許文献３】
米国特許第５，７９５，６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内部で改質を実行する燃料電池では、水蒸気改質触媒が燃料電池のスタック内に配置されている。これは、高価で複雑な外部改質機器を不要とするためと、燃料電池内で炭化水素燃料（例えばメタン、石炭ガス、その他など）を直接使用できるようにするためである。これまでは、２つの内部改質形式が使用されてきた。その一つである間接内部改質では、スタック内にアイソレートされたチャンバーを配置させ、このチャンバーから各燃料電池のアノード仕切り内へと改質ガスを通流させることによって実現される。もう一つの形式である直接内部改質では、各燃料電池の動作中のアノード仕切り内に改質触媒を配置させることにより実現される。この触媒は、燃料電池の電気化学反応によって生成された蒸気によって燃料ガスを改質する際に役立つもので、非常に高い改質効率と燃料利用率をもたらしてくれる。
【０００５】
アノードチェンバーと触媒支持部として使用可能な特定の配置は、多くの理由から重要である。配置は、燃料の通流（フロー）における圧力の低化を最小にするように選択されるべきである。より高い圧力が必要となれば、より補助的な電力が必要となり、システム効率が低下してしまうからである。さらに、多くの燃料電池セルを伴うスタックについては、セルからセルへの通流制限における変動を小さくすることで、同一の燃料フローを各セルが享受できることを保証する。これによって各セルは同一の燃料を利用して動作することになる。燃料電池スタックの効率は、複数のセルのうち最小の燃料を受けるセルによって制限されてしまうため、燃料電池スタックの燃料利用率と電気効率の最大化を達成するためには、燃料の通流を均一にすることが重要である。
【０００６】
直接内部改質触媒に関する燃料電池の主な特徴は、セルの耐用年数にある。セルは使用が進むにつれて、通路内の電解質蒸気の汚濁効果によって、アノードチェンバーの改質触媒の活動は低下してゆく。この活動の低下によって、触媒の効率とセル改質効率が低下する。またこれにより、電気化学反応に与えられる改質された燃料は、より少なくなってしまうので、燃料電池の電気効率も低下してしまう。触媒の有効性は改質に作用する触媒の質量に直接的に関連しているため、改質効率とセルの寿命を改善するための一つの方法は、アノードチェンバー内の触媒の質量を増加させることである。
【０００７】
燃料電池の燃料及び酸化剤の通流部位を形成するために使用される構成部品の他の重要な特徴は、動作中のセルの構成部品に対して均一な圧力を加える機能にある。均一な圧力は、燃料電池の動作エリアに均一な接触抵抗を保証し、動作中においてセル部品間においてギャップが形成される確率を低減するために重要である。
【０００８】
また、直接内部改質触媒は、液体電解質を含む隣接アノードからの電解質漏れから保護されなければならない。触媒を保護する一つの方法は、触媒をシールドすることで、隣接しているアノード構成部品からの電解質の移行のバリヤーとして機能するように、波形の形状をした集電体を設計することである。
【０００９】
直接内部改質型の燃料電池用に燃料および酸化剤の通流経路と、触媒の支持部材を提供すべく、燃料電池の製造者らによって、多数の異なる構成部品の配置が提案され、そして使用されてきた。米国特許第４，５４８，８７６によれば、この目的のために使用される波形に成形された集電体について記述されている。この８７６特許の集電体では、微粒子材料が集電体の波形部に配置されるとともに、拡散と支持のために使用されている。微粒子材料は、活動中の電極に隣接している触媒層に面している。微粒子材料は、好ましくは、非導電性のアルミナを材料とするが、触媒層で使用されているものと同じ材料を含んでいてもよい。活動中の電極の相当の部分が微粒子の材料によって遮蔽され、電解質から遮蔽された周囲をガスが通流するように配置が限定されている。
【００１０】
米国特許４，９８３，４７２によれば、燃料電池のカソード側で使用される格子状パターンで整列された凹部を形成する複数の波形を有した波形集電体が記述されている。この構成は、動作電極にガスをより良く届くようにすることで８７６特許の集電体が改良されることを示している。しかしながら、この構成では、伸張された固体エレメントの形をした直接内部改質触媒を収容するアノードチェンバーにおいて使用する際に、制限が生じてしまう。格子パターンのために、これらの触媒エレメントは、燃料ガスの通流に対し実質的に直角方向にしか取り付けることができない。これは高い通流制限を招くとともに、セルからセルへの通流制限において大きな変動に影響を受けやすくなってしまう。
【００１１】
４７２特許の集電体において、格子パターンの凹部を使用することのもう一つの欠点は、アノードチェンバーにもカソードチェンバーにも適用する際にも、バイポーラープレートを通して波形の脚が周期的にネスティングするため、より大きな格子パターンの圧縮負荷が燃料電池の動作領域に生じてしまうことである。この不均一な圧力の分布は、燃料電池の接触抵抗に変動を生じさせてしまう。
【００１２】
４７２特許の集電体を使用することによる他の問題点は、通流方向に対して直角に固体触媒エレメントを配置することによって形成される通流経路に関連するものである。その結果の配置は、主要な通流方向に対して平行方向の通流抵抗と、直角方向の通流抵抗とがほぼ同等となることに特徴がある。これは、高い電流を生み出す燃料電池の領域においてガスが発生することを意味し、さらに燃料電池内での混合が横に沿って拡大してゆくことを意味する。しかし、これは、高い電流密度と温度勾配とを燃料電池内にもたらすフレッシュな燃料を、燃料電池内の高い電流の発生領域にさらに供給してしまいがちである。
【００１３】
米国特許第５，７９５，６６５によれば、固体触媒エレメントを支持し、ガスの通流路を形成するために、セパレータプレートと集電体とを組み合わせた波形集電体の代替案が記述されている。この構成によれば、全ての電池部品が、波形のパターン内に成形され、入れ子構造となる。しかし、結果として、燃料電池部品を成形するには、複雑な作業が必要となってしまう。また、改質触媒エレメント用の空間が制限されてしまう。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、従来技術に係る設計の欠点を克服した新規な波形集電体を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の目的は、直接内部改質触媒エレメントを実質的にガスの主要な通流方向に対して実質的に平行に取り付けることを可能ならしめる波形集電体を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、固体改質触媒エレメント用に提供される空間を最大にすることを可能ならしめる波形集電体を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、燃料電池の動作部品に対してより均一に圧力を分散させることにある。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、燃料電池内の電流と温度の分散をより均一にするために、横方向の高い通流抵抗と縦（軸）方向の低い通流抵抗とによって特徴付けられる通流フィールドの配置をもたらす波形集電体を提供することにある。
【００１９】
本発明の目的は、直接内部改質固体触媒エレメントを電解質からより良くシールドするとともに、電解質を含む電極からこれらの触媒エレメントを分離した波形集電体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の原理によれば、上述の目的および他の目的は、間隔を空けて連続して配置された波形列を有する集電体によって実現される。所与の列内の当該波形は、連続した頂上領域と谷領域が所定の列に沿って設けられており、列から列への対応する頂上領域が固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を確立できるように波形の空間列が構成されている。
【００２１】
以下に説明される本発明の実施形態において、間隔を空けて配置された波形列については、列内の連続した頂上領域間には所与のピッチが設けられ、また、隣同士の列の頂上領域には、所定のオフセットが設けられるように構成されている。とりわけ、オフセットは有限の値でを有し、ピッチの５０パーセント以下となるように選択される。これは固体触媒エレメント用に、複数の通路を確立できるようにするためである。また、オフセットは、触媒エレメントを波形にはめ込むことができるように、触媒の大きさに基づいて選択される。
【００２２】
本発明に関する上述の及び他の目的及び観点は添付の図面を参照しつつ詳細な説明を読むことにより、一層明確になろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の原理に従った波形に成形された集電体１を示している。図からわかるように、集電体１には、間隔を置いた波形列２−７が含まれている。各々の波形列には、波形の長さ方向に沿って頂上領域Ｐと谷領域Ｖとが形成されている。これらは波形列２−７について、それぞれＰ２ないしＰ７、Ｖ２ないしＶ７と参照符号が付けられている。
【００２４】
所与の波形列内において連続した頂上は、当該列において所定のピッチを定義している。このケースで、各列のピッチはそれぞれ等しく、Ｐｔとする。さらに、波形列２−７のそれぞれは、先行する波形の列および後続の波形の列から有限の量だけオフセットされており、このオフセットは、任意の列とその隣の列とでは反対方向に変わっている。したがって、波形列３は、波形列２から右にオフセットされており、波形列４は、波形列３から左にオフセットされている。また、このケースでは、列から列へのオフセットは全てＯ（オー）である。
【００２５】
本発明の原理によれば、列へのオフセット「Ｏ」は、ピッチＰｔの５０％以下となるように選択される。このように選択されたオフセットを用いて、波形列２−７は、通路を定義しており、各通路は、列から列へと延伸しており、さらに、各通路は、固体触媒エレメントを収容して支持するように適合されている。
【００２６】
より具体的には、図３に示すように、波形列２−７は通路１１−１４を定義しており、固体触媒エレメント１５をそれぞれ収容して支持する。図３に示されているように、触媒エレメント１５は、各波形の通路を形成するセグメントによってかみ合わせられている。触媒エレメント１５をはめ込む一連のセグメントは、当該触媒エレメントの長さ方向に渡って延びており、それによって集電体１を介して触媒エレメントを好適に支持している。
【００２７】
波形列２−７の長さ方向に対して横切るように延伸させて通路１１−１４を確立することで、触媒エレメント１５を通路にはめ込み、波形の長さ方向に対して横切るように配置させることができる。この触媒エレメント１５の配置によって顕著な効果が奏される。すなわち、触媒エレメント１５が、内部改質触媒として機能する直接内部改質型燃料電池のアノード側の集電体として当該波形に成形された集電体１を使用する際に、顕著な効果が生じる。
【００２８】
とりわけ、そのようなアノード側の集電体として使用されるときに、触媒エレメント１５は、燃料ガスの軸通流方向に対して平行するように配置されることになるので、ガスの流路となる自由通流（フリーフロー）エリアを拡大することができる。自由通流エリア１６は、図３に示されている。燃料電池の燃料ガスについての通流制限は、ガスによって利用可能な最小の自由通流エリアの関数となる。したがって、従来の波形に成形された集電体の構成に比較すれば、この集電体１の自由通流エリア１６は、燃料電池の通流制限を顕著に低下させることができる。
【００２９】
これは、集電体１の自由通流エリア１６と、４７２特許において開示された従来タイプの波形集電体の自由通流エリアとを比較することにより理解できよう。図２に示されたそのような従来の波形集電体２１は、頂上領域ＰＰと谷領域ＶＶとが格子パターンを形成する波形列２２−２７を備えている。この格子パターンは、列から列への波形のオフセットＯ１をピッチＰｔ１の５０％に等しくなるように選択した結果である。
【００３０】
アノード側の集電体である従来の集電体２１を示した図２を見るとわかるように、固体触媒エレメント２８は波形列の長さ方向に沿って配置されなければならないので、ガスの通流方向に対して横切るように配置されしまう。これによって、図４に示した従来の集電体２１の端部からもわかるように、自由通流エリア２９は限定されてしまう。
【００３１】
制限された自由通流エリア２９のため、従来の集電体２１を使用する燃料電池のガスの通流制限は、本発明の集電体１のほぼ４倍にも達する。これは図５に示されている。図５は、従来の集電体２１について測定した圧力低下との比較で示された、集電体１について測定された圧力低下を示している。
【００３２】
本発明の集電体１は、特定の燃料電池（例えば、インコネル社製のニッケル被覆ステンレス鋼、その他など）と互換性のある適切な素材からなる一枚板から好適に成形することができる。当該素材は、金型での型抜き加工とプレス加工により穿孔加工され、谷領域または脚領域と頂上領域とが成形される。穿孔加工における奥行きは、ガスの通流フィールドの高さを決定する。ガスの通流制限を最小にすべく、ガスの通流軸方向において、当該谷領域によって妨害される断面領域が最小となるように、谷領域の配置が選定される。
【００３３】
谷領域と打ち抜かれたパターンのサイズは、圧縮負荷の下で十分な強度をもたらすとともに、活動中の電極へとガスが行き渡るのに十分な面積となるように選択される。谷領域のサイズを特定する際のもう１つの考慮すべき点は、活動中の電極が通流フィールドへと沈下しないよう、当該電極の大きさを余り大きくしないようにすることである。
【００３４】
ピッチＰｔとオフセットＯは、上述したようにして選定することで、上述した有利な効果が得られる。さらに、触媒エレメント１５の直径上にオフセットＯを置くことで、触媒の直径と質量とが最大となり、そにより燃料電池の寿命を最大限にすることができる。上述したように頂上領域は、バイポーラセパレータに対して領域１７と触媒エレメント１５とをはめ込んで固定し、電極を含む電解質から離すことができるように成形される。
【００３５】
従来技術の集電体２１の最小限の自由通流エリア２９は、触媒の直径の影響を顕著に受ける可能性があるとともに、この直径を製造工場において制御するのは困難となる可能性があり、製造された燃料電池内における従来の集電体２１の通流制限の偏差は、深刻なものとなるだろう。本発明の集電体１によれば、最小の自由通流エリア１６は、触媒の直径から受ける影響をずっと小さくすることができ、セルからセルへの通流制限における偏差を大幅に低減することができる。
【００３６】
図６は、圧力低下の数学モデルにおいて、一般的な分散を有してランダムに選択された値を入力として用いて、多数のセルについての通流制限を予測するためのモンテカルロシミュレーションを実行した結果を示している。本発明の集電体１を使用したセルについて、セルからセルまで通流制限の分散が、従来技術の集電体２１を使用したセルよりも５倍から６倍狭いことを、この結果は示している。
【００３７】
図７及び図８は、２３個の燃料電池スタックについて通流の分散を測定したものであり、一つは本発明に係る集電体１を使用したものであり、他方は、従来技術に係る集電体２１を使用したものを示している。これらの結果は、本発明に係る集電体を使用することにより、通流の不均一さを２倍ないし３倍の割合で低減しうることを実験的に証明している。
【００３８】
上述したように、波形に成形された集電体１の波形についての列から列へのオフセットＯは、有限の値（すなわちピッチＰｔの０パーセントより大きな値）から、ピッチＰｔの５０パーセント以下の値にまで変化しうる。これは、直径が異なる触媒についても同様である。しかも、オフセットＯをピッチの０％とすれば、最大の直径を有する触媒を使用することが可能となるが、これは２つの理由から好ましくはない。第１に、燃料電池のアノード電極の非常に近くに触媒が配置されてしまうので、潜在的に、アノードから直接液体電解質が漏れ及んでしまう可能性がある。第２に、オフセットが０％では、触媒を保持するのに役立っている触媒エレメント１５と波形との接触部分が無くなってしまうであろう。
【００３９】
本発明の波形に成形された集電体のもう１つの重要な利点は、集電体によって実現される接触の望ましい分散である。図９は、図１の集電体１と類似した構成の集電体９１および９２を示している。これらはそれぞれ、燃料電池のバイポーラプレート９３に係るアノード側とカソード側において使用されるものである。図からもわかるように、アノード側の集電体９１は、内部改質用の触媒エレメント９４を支持ている。
【００４０】
図９からわかるように、集電体９１及び９２の構成によって、カノード側集電体９２の波形列における頂上領域９２Ａ、９２Ｃ、９２Ｅおよび９２Ｇがバイポーラプレート９３に接触している場所と位置合わせされた場所において、アノード側集電体９１の波形列における谷領域９１Ａ、９１Ｃ、９１Ｅおよび９１Ｇがバイポーラプレート９３と接触している。その一方で、カノード側集電体９２の波形列における谷領域９２Ｂ、９２Ｄ、９２Ｆおよび９２Ｈがバイポーラプレート９３に接触している場所とは位置合わせされていない場所において、アノード側集電体９１の波形列の谷領域９１Ｂ、９１Ｄ、９１Ｆ及び９１Ｈがバイポーラプレート９３と接触している。
【００４１】
アノード集電体の波形の谷領域と、カソード集電体の波形の谷領域とが位置合わせされていない後者のエリアにおいて、セパレータプレート９３は、構造を柔軟に曲げることを許容している。谷領域が位置合わせされている集電体のエリアにおいて、セパレータ９３には圧力がかかり、構造を強固にしている。
【００４２】
図１０及び図１１は、それぞれ、アノード側集電体とカソード側集電体について図２に示した従来の集電体を使用するエリアと比較した場合における本発明に係る集電体についての柔軟なエリアと強固なエリアのパターンを示している。図１０から見てわかるように、本発明に係る集電体を使用することによって形成されたパターンは、位置合わせされた点と位置合わせされていない点とが非常に散らばっているので概ね均一であることがわかる。一方で、図１１からわかるように、従来の集電体を用いたパターンは、格子パターンがより大きなサイズとなっている。この位置合わせの格子パタ−ンによって、活動中の燃料電池部品に対する高い圧力のエリア（３０）と低い圧力のエリア（３１）とが大きくなっている。
【００４３】
本発明に係る集電体１についての他の有利な点は、ガスの通流方向と実質的に平行に改質触媒を配置できることである。ガスの通流方向に対して触媒を平行に配置することで、横方向の通流制限が、軸方向の通流制限よりもずっと高くなる（図１，３及び４を参照のこと）。しかしながら、通流に対して直角の方向に触媒を配置させることで、横方向の通流制限が軸方向の通流制限とほぼ同一になる（図２，９及び１０を参照のこと）。横方向の通流制限の違いによって、本発明に係る集電体を使用する燃料電池の温度勾配は、従来技術に係る集電体を使用する燃料電池の温度勾配と比べて小さくなる。
【００４４】
さらに、燃料電池の広い範囲にわたり必然的に電流が不均一になってしまうので、アノードチェンバー内で発生するガスもまた不均一となる。本発明の集電体を使用する燃料電池については、一部において発生したガスが横へと簡単に拡大することはないので、新鮮な燃料が燃料電池内のより電流の少ないエリアへと誘導されることになる。従来技術の集電体を使用した燃料電池では、発生したガスが横に拡大してしまうので、電流の多いエリアに、さらなる新鮮な燃料が供給されてしまい、それによって電流の不均衡が増加してしまうのである。
【００４５】
本発明の集電体を使用している燃料電池は、従来技術の集電体を使用している燃料電池よりも温度勾配がより小さいことを示しいている。これは、図１２および図１３の実験データから理解することができる。これらの図は、本発明の集電体１を使用している３０個の燃料電池スタックと、従来技術の集電体２１を使用している３０個の燃料電池について、それぞれの温度勾配を示したものである。図から見てわかるように、本発明に係る集電体を使用している燃料電池スタックの温度勾配は、最大で７０度Ｃである。一方で、従来技術の集電体を使用している燃料電池スタックは最大で９９度Ｃの温度勾配を有している。動作条件は双方とも同一である。
【００４６】
図１４は、燃料電池１０１と１０２とを含む直接内部改質型燃料電池を示したものである。当該燃料電池１０１および１０２は、図９に示したように青ノード集電体９１、カソード集電体９２、バイポーラプレート９３を積層した構成を有している。図からわかるように、各々の燃料電池には、アノード電極１１１によって成形されたアノードセクションと、アノード集電体９１と、バイポーラプレート９３とが含まれている。各々の燃料電池は、同様に、カソード電極１１２を含んだカソードセクションと、カソード集電体９２と、バイポーラプレート９３とが含まれいている。最終的に、各々の燃料電池には、アノードセクション１１２とカソードセクション１１２との間に配置された電解質メンバ１１３が含まれている。
【００４７】
全てのケースにおいて、上述した構成は単に本発明の適用を代表する多数の特定の実施形態を図示したにすぎない。本発明の思想及び範囲から離れることなく、本発明の原理に従って多数の変更した構成を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の原理に従って波形に成形された集電体を示す透視図である。
【図２】図２は、’４７２特許において開示された従来タイプの波形に成形された集電体の透視図である。
【図３】図３は、図１の波形に成形された集電体の端部を示す図である。
【図４】図４は、図２に示した従来の波形に成形された集電体の端部を示す図である。
【図５】図５は、図１の波形に成形された集電体と従来技術とについてガスの流量を関数とした圧力低下の測定値を示す図である。
【図６】図６は、図に示した波形に成形された集電体と図２に示した従来の波形を成形された集電体とをそれぞれ使用した５０００個のセルについて通流抵抗の推定分散をプロットした図である。
【図７】図７は、図１の波形に成形された集電体で作られた３０個のセルスタックについて測定された通流の不均一さを示しており、＋／−１５％以下の偏差があることを示す図である。
【図８】図８は、図２に示した従来の波形に成形された集電体で作られた３０個のセルスタックについて測定された通流の不均一さを示しており、＋／−３０％以上の偏差があることを示す図である。
【図９】図９は、図１に示した波形に成形された集電体の形式を有する触媒エレメントおよびアノード集電体、ならびに図１に示した波形に成形された集電体の形式を有するカソード集電体であって、バイポーラ・セパレータ・プレートのそれぞれ反対側が隣接するように配置されており、当該セパレータ・プレート上で上記集電体たちの頂上領域の接触領域を説明するための図である。
【図１０】図１０は、図１の波形を付けられた集電体によって成される接触パターンが結果として分散が概ね均一になることを示す図である。
【図１１】図１１は、図２に示した従来の波形を付けられた集電体によって成される接触パターンが、結果として格子パターンのように高い圧力部と低い圧力部が生じてしまうことを示す図である。
【図１２】図１２は、図１の波形を付けられた集電体により作られた３０個の燃料電池スタックについて測定された温度の分布であり、温度の範囲が７０度Ｃであることを示す図である。
【図１３】図１３は、図２に示した従来の波形を付けられた集電体により作られた３０個の燃料電池スタックについて測定された温度の分布であり、温度の範囲が９９度Ｃであることを示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の波形に成形された集電体を使用した燃料電池スタックの構成を示す図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年10月9日(2002.10.9)
【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】
間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されている波形集電体であって、各列の前記頂上領域らは、列と列で同一の値であるピッチＰｔで間隔をあけて配置されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合しており、前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには、前記ピッチＰｔの５０％より小さい有限の量Ｏのオフセットが設けられており、前記通路は、前記通路らのそれぞれに収容される固体触媒エレメントを備えている、波形集電体。
【請求項２】
前記オフセットの方向は、列と列では反対方向である、請求項１に記載の波形集電体。
【請求項３】
前記通路を確立している前記頂上領域らは、前記通路内に収容した前記固体触媒エレメントと係合している、請求項１に記載の波形集電体。
【請求項４】
前記波形集電体は、穿孔加工されたプレートから形成されており、該プレートにおいて穿孔加工された領域は、前記谷領域を形成し、該穿孔加工された領域らの間の領域は、前記波形の列の前記頂上領域を形成する、請求項１に記載の波形集電体。
【請求項５】
セパレータプレートと、該セパレータプレートに隣接して配置された波形集電体とを含むアノードセクションと、
通路のそれぞれに収容される固体触媒エレメントと
を含み、
前記波形集電体は、間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されている波形集電体であって、各列の前記頂上領域らは、列と列で同一の値であるピッチＰｔで間隔をあけて配置されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための前記通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合しており、前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには、前記ピッチＰｔの５０％より小さい有限の量Ｏのオフセットが設けられており、前記通路は、前記通路らのそれぞれに収容される固体触媒エレメントを有している、燃料電池。
【請求項６】
前記波形集電体は、穿孔加工されたプレートから形成されており、該プレートにおける穿孔加工された領域は、前記谷領域を形成し、該穿孔加工された領域らの間の領域は、前記波形の列の前記頂上領域を形成する、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
カソードセクションと、
該カソードセクションと前記アノードセクションとの間に配置された電解質部材と
をさらに含む、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料電池システムであって、
アノードセクションと、カソードセクションと、該アノードセクションと該カソードセクションとの間に配置された電解質部材とを含む第１の燃料電池と、
アノードセクションと、カソードセクションと、該アノードセクションと該カソードセクションとの間に配置された電解質部材とを含む第２の燃料電池と
を含み、
前記第１の燃料電池の前記アノードセクションは、セパレータプレートと、該セパレータプレートの第１の表面に隣接して配置された波形アノード集電体を含み、該波形アノード集電体は、間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、各列の前記頂上領域らは、列と列で同一の値であるピッチＰｔで間隔をあけて配置されており、固体触媒エレメントを収容して支持するための通路を列と列の対応する頂上領域らによって確立できるように、間隔を隔てなる該波形の列らが適合しており、前記波形アノード集電体の前記波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らは、同一の量Ｏのオフセットが設けられており、該オフセットＯは、前記ピッチＰｔの５０％より小さい有限の値であり、前記固体触媒エレメントは、前記波形アノード集電体の前記通路のそれぞれに収容されており、
前記第２の燃料電池の前記カソードセクションは、前記セパレータプレートの第２の表面に隣接して配置された波形カソード集電体を含み、該波形カソード集電体は、前記波形アノード集電体の前記間隔を空けて配置された波形の列を横切るように配置され、かつ間隔を空けて連続して配置された波形の列を有し、所与の列における該波形によって、連続した頂上領域と谷領域とが該所余の列に沿って確立されており、列と列の対応する頂上領域らによって通路を確立できるように、該間隔を隔てなる波形の列らが適合している、燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソード集電体に係る各波形の列の頂上領域らには、同一のピッチＰｔで間隔が設けられており、前記カソード集電体に係る各波形の列らにおける列と列の対応する頂上領域らには、量Ｏのオフセットが設けられており、該オフセットＯは、ピッチＰｔの５０％より小さい有限の値である、請求項８に記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2004531871.tif 000049
2004531871.tif 000050