KR101016572B1 - 연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적구성요소 플레이트 - Google Patents

연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적구성요소 플레이트 Download PDF

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Abstract

연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트(electrical component plate)가 개시되어 있으며, 이는 집전장치를 포함하는 집전층; 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제1 절연층; 제1 접속 영역 및 제2 접속 영역을 갖는 전기적 구성요소를 포함하는 전기적 구성요소층; 및 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제2 절연층을 포함하는 인쇄 회로 기판을 포함하며, 집전층은 제1 절연층의 제1 표면에 래미네이트(laminate)되고, 전기적 구성요소층은 제1 절연층의 제2 표면과 제2 절연층의 제1 표면 사이에 래미네이트된다. 연료전지 스택 및 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 포함하는 연료전지 스택을 제조하기 위한 방법도 또한 개시되어 있다.
Figure R1020077017331
연료전지 스택, 집전장치, 인쇄 회로 기판, 절연층, 래미네이트

Description

연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트{INTEGRATED CURRENT COLLECTOR AND ELECTRICAL COMPONENT PLATE FOR A FUEL CELL STACK}
본 발명은 전기화학적 연료전지 스택(electrochemical fuel cell stacks)에 관한 것이며, 특히 전기화학적 연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치(integrated current collector) 및 전기적 구성요소 플레이트(electrical component plate)에 관한 것이다.
전기화학적 연료전지는 반응물, 즉, 연료 및 산화제를 변환시켜 전력 및 반응 물질을 생성한다. 전기화학적 연료전지는 2개의 전극, 즉, 음극과 양극 사이에 배치된 전해물을 사용한다. 전해물과 전극 사이의 인터페이스에 배치된 전극촉매는 전형적으로 전극에서 원하는 전기화학적 반응을 야기한다. 전극촉매의 위치는 일반적으로 연료전지의 전기화학적 활성 영역을 규정한다.
고분자전해질(Polymer electrolyte membrane, PEM) 연료전지는 일반적으로 유동 확산층으로서 탄소 섬유지 또는 천 등의 투과성의 전기 도전성 시트 재료를 포함하는 2개의 전극 층들 사이에 배치된 이온교환막 또는 고체 중합전해물을 포함하는 막 전극 조립체(membrane electrode assembly, MEA)를 사용한다. 전형적인 MEA에서, 전극 층들은 구조적 지지를 이온교환막에 제공하는데, 이것은 전형적으로 얇고 유연하다. 이 막은 이온 도전적이며(전형적으로 양자 도전적임), 또한 반응물 스트림들을 서로로부터 격리시키기 위한 장벽으로서 동작한다. 이 막의 다른 기능은 2개의 전극층들 사이에서 전기 절연체로서 동작한다는 것이다. 전형적인 상업적 PEM은 E.I. Du Pont de Nemours와 상품명 NAFION®하의 회사가 판매하는 술포네이티드 과불화탄소막(sulfonated perfluorocarbon membrane)이다.
전술된 바와 같이, MEA는 또한 전형적으로 각각의 막/전극층 인터페이스에서 층 내에 배치된 미세하게 분쇄된 백금 분자를 포함하는 전극촉매를 더 포함하여, 원하는 전기화학 반응을 야기한다. 전극은 전기적으로 연결되어, 외부 부하를 통해 전극 사이에서 전자를 도전하기 위한 경로를 제공한다.
연료전지에서, MEA는 전형적으로 실제로 반응물 유동체 스트림에 침투하지 못하는 2개의 분리자 플레이트 사이에 위치된다. 플레이트는 집전장치로서 동작하며, 전극에 지지를 제공한다. 반응물 유동체 스트림의 전기화학적 활성 영역으로의 확산을 제어하기 위해, MEA를 마주보고 있는 플레이트의 표면은 그것 내에 형성된 한쪽이 개방된 채널을 가질 수 있다. 이러한 채널은 일반적으로 인접한 전기화학적 활성 영역에 대응하는 흐름 필드 영역을 규정한다. 그것 내에 형성된 반응물 채널을 갖는 이러한 분리자 플레이트는 주로 흐름 필드 플레이트로 알려져 있다.
연료전지 스택에서, 복수의 연료전지는 전형적으로 직렬로 서로 접속되어 조립체의 전체 출력 전력을 높인다. 이러한 정렬에서, 주어진 분리자 플레이트의 한쪽 측은 하나의 전지에 대해 양극 플레이트로서 기능할 수 있으며, 이 플레이트의 다른 쪽 측은 인접한 전지에 대해 음극 플레이트로서 기능할 수 있다. 이 정렬에서, 플레이트는 양극성 플레이트로서 참조될 수 있다. 연료전지 스택은 전형적으로 타이 로드(tie rod) 및 엔드 플레이트(end plate)에 의해 서로 그것의 조립된 상태로 있다. 내부 스택 다양체(manifold)와 흐름 필드 둘레를 실링(sealing)하는 것을 확실하게 하기 위해, 스택을 이루는 연료전지들 간에 일련의 전기 접속을 제공하기 위해 막 전극 조립체들과 플레이트들의 표면들 사이에 적절한 전기 접촉을 확실하게 하기 위해, 압착 메커니즘이 일반적으로 요구된다.
전형적으로, 전류는 전형적으로 구리 또는 도포된 구리로 형성된, 버스 플레이트 또는 집전장치의 쌍을 통해 연료전지 스택으로부터 흘러나오는데, 그들 중 하나는 조립된 연료전지와 엔드 플레이트 사이의 연료전지 스택의 각 종단에 위치된다. 전력 손실을 최소화하기 위해, 연료전지 시스템에 현재 사용되고 있는 버스 플레이트는 전형적으로 매우 두껍다(예를 들어, 자동으로 크기가 정해진 스택에 대해서는 대략 2mm지만, 두께는 연료전지 크기에 따라 다소 가변적이라고 기대될 수 있음). 그러나, 이는 높은 통과-면(through-plane) 및 내부-면(in-plane) 열 도전성을 결과로 갖는다. 이러한 높은 통과-면 열 도전성의 결과는 연료전지 스택으로부터 열이 제거된다는 것이며, 이러한 높은 내부-면 도전성의 결과는 버스 플레이트 주변의 연료전지 내에서의 열 증감이 낮아진다는 것이다. 이들 결과 모두는 연료전지 주변의 버스 플레이트 내에서의 플로딩(flooding)과 같은 동작 문제를 발생시킬 수 있다.
이들 동작 문제점을 완화하기 위한 이전 시도는 우선적으로 연료전지 스택의 엔드 플레이트와 버스 플레이트 사이에 전기 가열기 또는 저항성 가열 소자 등의 추가적인 가열 구성요소를 통합하는 것을 수반한다(예를 들어, 일본 특허 공개 번호 8-167424, 미국 특허 출원 공개 번호 2001/0036568 및 미국 특허 출원 공개 번호 2004/0137295 참조). 하이 포텐셜 블리드 다운 저항기(high potential bleed down resistor)와 열 및 전기 절연층 등의 다른 추가적인 구성요소들이 또한 연료전지 시스템에 통합되어 성능을 향상시킨다. 그러나 이들 추가적인 구성요소들의 존재는 연료전지 시스템 설계의 복잡도를 높이고, 연료전지 시스템 공간 요구를 높이고, 연료전지 시스템의 무게를 증가시킨다는 단점을 갖는다. 이들은 연료전지 전력공급 차량 등의 이동성 응용에서 상당한 단점이다.
따라서, 이 분야에서 개선점이 있긴 하지만, 본 기술에서 일반적으로 향상된 연료전지 시스템 및 구체적으로 간단하고 공간효율적이고 경량인 연료전지 시스템에 대한 필요성이 남아있다. 본 발명은 이들 필요성에 대해서 다루며 다른 관련 장점도 제공한다.
간략해서, 본 발명은 연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트에 관한 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 (1) 집전장치를 포함하는 집전층; (2) 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제1 절연층; (3) 제1 접속 영역 및 제2 접속 영역을 갖는 전기적 구성요소를 포함하는 전기적 구성요소층; 및 (4) 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제2 절연층을 포함하는 인쇄 회로 기판을 포함하는, 연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 제공하며, 여기서 집전층은 제1 절연층의 제1 표면에 래미네이트(laminate)되고, 전기적 구성요소층은 제1 절연층의 제2 표면과 제2 절연층의 제1 표면 사이에 래미네이트된다. 특정 실시예에서, 전기적 구성요소는 저항기일 수 있다.
다음의 다른 실시예에서, 제1 절연층은 제1 도전성 비아(first conductive via)를 더 포함하고, 전기적 구성요소의 제1 접속 영역은 제1 도전성 비아에 의해 집전장치에 전기적으로 접속된다. 이외에, 또 다른 실시예에서, 제1 절연층은 제2 도전성 비아를 더 포함할 수 있고, 집전층은 집전장치로부터 전기적으로 절연된 전류 제거 영역(current removal region)을 더 포함할 수 있고, 전기적 구성요소의 제2 접속 영역은 제1 절연층의 제2 도전성 비아에 의해 집전층의 전류 제거 영역에 전기적으로 접속될 수 있다.
다른 실시예에서, 집전층은 구리, 니켈 및 금으로부터 선택된 하나 이상의 추가적인 층들을 포함하고, 전기적 구성요소 자체(예를 들어, 저항기)는 구리를 포함할 수 있고/있거나 전기적 구성요소층은 복수의 전기적 구성요소를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 전술된 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 포함하는 연료전지 스택을 포함한다. 하나의 이러한 실시예는 (1) 엔드 셀(end cell); (2) 엔드 플레이트; 및 (3) 상기 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 포함하며, 여기서 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트는 엔드 셀과 엔드 플레이트 사이에 배치되고, 집전장치는 엔드 셀에 인접하고 전기적으로 접속되어 있으며, 제2 절연층의 제2 표면은 엔드 플레이트에 인접해 있다. 다른 실시예에서, 전기적 구성요소는 연료전지 스택에 전기적으로 직렬 또는 병렬 접속될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 전술된 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 포함하는 연료전지 스택을 제조하기 위한 단순하고 효율적인 방법을 제공한다. 이 방법은 인쇄 회로 기판 제조 방법을 통해 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 만드는 단계, 및 그것을 연료전지 스택에 통합시키는 단계를 포함한다. 이 방법을 사용하여 연료전지 스택의 엔드 셀을 가열하기 위한 저항성 가열기로서 동작하기 위한 전지 열 저항기(cell row resistor)가 통합된다. 이와 달리 이러한 저항기는 개방 회로 동안 전압을 낮추거나 셧다운(shotdown) 동안 전지 전압을 블리드 다운하게 할 수 있다. 본 발명은 또한 스택 내로 복수의 전기적 구성요소를 포함하는 구성요소 어레이를 통합하는데 유용하다. 이러한 어레이를 사용하여 로컬 전류 또는 온도 분산과 같은 연료전지 스택의 물리적 특성을 매핑할 수 있다. 따라서 전기적 구성요소는 분로 저항기(shunt resistor) 및/또는 저항성 온도계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 양태는 첨부된 도면 및 다음의 상세한 설명을 참조하여 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 포함하는 대표 연료전지 스택을 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 대표의 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트의 구성의 분해도.
도 3a는 연료전지 스택 내의 전류 확산을 매핑하기 위한 분로 저항기를 포함하는 본 발명의 대표의 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트의 개요도.
도 3b는 도 3a의 어레이 내의 분로 저항기들 중 하나의 구성에 대한 분해도.
다음의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정한 구체적인 상세설명이 제시되어 있다. 그러나 당업자들은 이러한 상세설명 없이도 본 발명을 구현할 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 다른 경우, 본 발명의 실시예에 대한 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 엔드 플레이트, 버스 플레이트 및 공급 다양체, 센서, 전력 생성 제어 시스템 및 연료전지 시스템 등의 연료전지 스택에 연관된 잘 알려진 구조는 상세하게 설명하지 않았다. 문맥이 다르게 요구하지 않는 한, 다음의 명세 및 청구항 전체에서, "포함하다"란 단어 및 "포함하는" 등의 그 변형단어는 포괄적 의미로, 즉, "포함하지만 그에 제한되지 않음"으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 2개의 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트(40)를 포함하는 대표의 전기화학적 연료전지 스택(10)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 한 쌍의 엔드 플레이트(18a, 18b) 사이에 정렬된 복수의 연료전지 조립체(16)를 포함하며, 연료전지 조립체(16)들 중 하나가 대표적 연료전지 조립체(16)의 구조를 보다 잘 나타내기 위해 연료전지 스택(10)으로부터 부분적으로 이동되어 있다. 타이 노드(도시되지 않음)가 엔드 플레이트(18a, 18b) 사이에 연장되어 잠금 나사(17)와 함께 작용하여(corporate), 여러 구성요소에 압력을 가함으로써, 엔드 플레이트(18a, 18b)를 서로 바이어스하여 그들 간의 단단한 접촉을 보장한다.
각각의 연료전지 조립체(16)는 이온교환막(26)에 의해 분리된 2개의 전극, 즉, 양극(22) 및 음극(24)을 갖는 막 전극 조립체(20)를 포함한다. 전극(22, 24)은 반응물을 투과시킬 수 있는 탄소 섬유지 또는 천 등의 투과성의 전기 도전적인 시트 재료로부터 형성될 수 있다. 각각의 전극을 전기화학적으로 활성이게 하기 위해, 이온교환막(26)에 인접한 각각의 전극(22, 24)의 표면은 얇은 백금층 등의 촉매(27)로 도포된다.
각각의 연료전지 조립체(16)는 또한 막 전극 조립체(20)를 샌드위칭하는 한 쌍의 분리자 또는 흐름 필드 플레이트(28)도 포함한다. 나타낸 실시예에서, 각각의 흐름 필드 플레이트(28)는 양극(22)에 연료를 전달하고 음극(24)에 산화제를 각각 전달하기 위해 전극들(22, 24) 중 연관된 하나에 인접한 흐름 필드 플레이트(28)의 평면상에 형성된 하나 이상의 반응물 채널(30)을 포함한다. 또한, 각각의 흐름 필드 플레이트(28)는 반응물 채널(30)을 갖는 평면의 반대쪽의 흐름 필드 플레이트(28)의 평면상에 형성된 복수의 냉각 채널(32)을 포함한다. 연료전지 스택(10)이 조립되어 있을 때, 인접한 연료전지 조립체(26)의 냉각 채널(32)은 함께 작용하여, 폐쇄된 냉각 채널(32)들은 인접한 막 전극 조립체(20)들 사이에 형성된다.
나타낸 실시예는 각각의 연료전지 조립체(16) 내에 2개의 흐름 필드 플레이트(28)를 포함하지만, 다른 실시예들은 인접한 막 전극 조립체(20) 사이에 하나의 양극성 흐름 필드 플레이트(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 양극성 플레이트의 한쪽 측 상의 채널은 하나의 인접한 막 전극 조립체(20)의 양극에 연료를 전달하고, 플레이트의 다른 쪽 측 상의 채널은 다른 인접한 막 전극 조립체(20)의 음극에 산화제를 전달한다. 이러한 실시예에서는, 연료전지 스택(10)에 충분한 냉각을 제공할 필요가 있기 때문에, 냉각 유동체(예를 들어, 액체 또는 냉각 공기 등의 기체)를 전달하기 위한 채널을 갖는 추가적인 흐름 필드 플레이트(28)가 연료전지 스택(10)에 걸쳐 공간을 차지할 수 있다.
엔드 플레이트(18a)는 공급 연료 스트림을 연료전지 스택(10)으로 가져오기 위해 연료 스트림 입력 포트(fuel stream inlet port)(도시되지 않음)를 포함한다. 엔드 플레이트(18b)는 연료전지 스택(10)으로부터 다 쓴 연료 스트림을 배출하기 위해 연료 스트림 출력 포트(fuel steam outlet port, 35)를 포함한다. 원한다면, 연료 스트림 출력 포트(35)가 밸브와 유사하여, 연료전지 스택(10)이 데드-엔디드 모드(dead-ended mode, 즉, 실제로 동작 동안 공급된 모든 연료가 소비된 모드)에서 동작할 수도 있다. 내부 연료 공급을 형성하고 및 다양체(도시되지 않음)를 배출하기 위해, 각각의 연료전지 조립체(16)는 이웃한 집합체(16) 내의 대응하는 개구와 함께 작용하는 그것 내에 형성된 개구를 갖는데, 이 개구는 스택(10)의 길이를 늘리고 연료 반응물 채널(30)에 유동적으로 접속된다.
엔드 플레이트(18b)는 공급 산화제 스트림을 연료전지 스택(10)으로 가져오기 위한 산화제 스트림 입력 포트(37) 및 연료전지 스택(10)으로부터 다 쓴 산화제 스트림을 배출하기 위한 산화제 스트림 출력 포트(39)를 포함한다. 산화제 공급을 형성하고 다양체(도시되지 않음)를 배출하기 위해, 각각의 연료전지 조립체(16)는 인접한 연료전지 조립체(16) 내의 대응하는 개구와 함께 작용하는 그것 내에 형성된 개구(31, 34)를 갖는데, 이 개구는 스택(10)의 길이를 늘리고 산화제 반응물 채널(30)에 유동적으로 접속된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 2개의 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트(40)를 포함한다. 구체적으로 도시되진 않았지만, 나타낸 실시예에서, 전기적 구성요소는 저항기이다. 각각의 집전장치 및 저항기 플레이트(40)는 엔드 플레이트(18a 또는 18b)와 연료전지 스택(10)의 종단에 위치한 대응하는 연료전지 조립체(16)(도 1에 도시되고 여기서는 엔드 셀(36)로 언급됨) 사이에 배치된다.
도 2는 도 1의 대표의 일체화된 집전장치 및 저항기 플레이트(40)의 구성의 분해도를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 대표의 일체화된 집전장치 및 저항기 플레이트(40)는 복수의 층들, 즉, 집전장치(52)를 포함하는 전기 도전성 집전층(50), 전기적으로 절연시키는 제1 절연층(60), 저항기(72)를 포함하는 전기적 구성요소층(70) 및 전기적으로 절연시키는 제2 절연층(80)을 포함하는 인쇄 회로 기판을 포함한다. 집전층(50)은 집전장치(52)로부터 전기적으로 절연된 전류 제거 영역(54)을 더 포함한다. 제1 절연층(60)은 제1 표면(62), 제2 표면(64), 제1 도전성 비아(66) 및 제2 도전성 비아(68)를 포함한다. 저항기(72)는 제1 접속 영역(74) 및 제2 접속 영역(76)을 포함한다. 제2 절연층(80)은 제1 표면(82) 및 제2 표면(84)을 포함한다.
조립될 때, 집전장치(52) 및 전기 제거 영역(54)을 포함하는 집전층(50)은 제1 절연층(60)의 제1 표면(62)에 래미네이트되고, 저항기(72)를 포함하는 전기적 구성요소층(70)은 제1 절연층(60)의 제2 표면(64)과 제2 절연층(80)의 제1 표면(82) 사이에 래미네이트되고, 저항기(72)의 제1 접속 영역(74)은 제1 절연층(60)의 제1 도전성 비아(66)에 의해 집전장치(52)에 전기적으로 접속된다. 또한, 나타낸 실시예에서, 저항기(72)의 제2 접속 영역(76)은 제1 절연층(60)의 제2 도전성 비아(68)에 의해 전류 제거 영역(54)에 전기적으로 접속된다.
전술된 바와 같이, 연료전지 스택(10)에 일체화될 때, 일체화된 집전장치 및 저항기 플레이트(40)는 연료전지 스택의 엔드 셀(36)과 연료전지 스택의 엔드 플레이트(18a 또는 18b) 사이에 배치된다. 이 방식에서, 연료전지 스택(10)이 그것의 압축되고 조립된 상태에 있을 때, 집전층(50)은 엔드 셀(36)에 인접하고 그것에 전기적으로 접촉될 것이며, 제2 절연층(80)의 제2 표면(84)은 엔드 플레이트(18a 또는 18b)에 인접할 것이다.
동작 동안, 연료전지 스택(10)으로부터의 전류는 (1) 집전장치(52)에서부터 제1 도전성 비아(66)를 통해 저항기(72)의 제1 접속 영역(74)으로, 그리고 (2) 저항기(72)를 거쳐, (2) 제2 접속 영역(76)으로부터 제2 도전성 비아(68)를 통해 전류 제거 영역(54)으로 통과한다. 이 방식에서, 나타낸 실시예에서, 저항기(72)는 연료전지 스택(10)에 전기적으로 직렬 접속된다. 저항의 크기를 적절하게 정함으로써, 연료전지 스택으로부터 흘러나온 전류에 따라, 저항기(72)로부터의 저항성 가열을 통해 인접한 엔드 셀(36)에 열이 제공될 수 있다. 이러한 경우, 센서, 제어기, 전원 및 엔드 셀을 가열하기 위한 전기적 가열기 등의 구성요소를 포함하는 외부 온도 조절 시스템을 사용할 필요가 없을 수 있다.
대안적 실시예(도시되지 않음)에서, 저항기(72)는 연료전지 스택에 전기적으로 병렬(직렬 대신) 접속될 수 있다. 이는 예를 들어 집전장치(52) 상의 다른 위치로부터 전류를 끌어내고 전류 제거 영역(54)을 스택의 반대편 종단에 전기적으로 접속시킴(즉, 제2 접속 영역(76)에 접속시킴)으로써 이루어질 수 있다. 이러한 구성을 사용하여 개방 회로 기간 동안 연료전지 스택의 전압을 낮추거나 연료전지 스택의 셧다운 동안 블리드 다운 저항기로서 동작하게 한다(즉, 저항기(72)가 소량의 전류를 흘리고, 그리고 이 방법에서, 스택 전압을 낮추거나 연료전지 스택에 남아있는 잉여 수소를 "블리드" 또는 소비할 수 있음).
집전층(50)은 구리, 니켈 및/또는 금의 하나 이상의 추가적인 층을 포함할 수 있다. 이러한 층들 각각을 포함하는 실시예에서, 구리층은 연료전지 스택으로부터 다량의 전류를 모으고 확산시키는데 사용될 수 있으며, 니켈 및 금층은 일체화된 플레이트가 부식 조건에 노출되어 있을 때 낮은 전기 접촉 저항을 보증하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 니켈층은 강한 긁힘 하에서 구리 도전층을 보호하고, 금층은 낮은 전기 접촉 저항에 무산소 표면을 제공한다.
전형적인 실시예에서, 저항기(72)는 구리로 이루어질 수 있다. 저항기(72)는 연속적이거나(도 2에 도시된 바와 같이) 하나 이상의 트레이스(trace)로 형성될 수 있다. 당업자가 인식할 바와 같이, 바람직한 저항 또는 열은 저항기(72)의 두께, 길이 및 폭을 조절할 것이다. 트레이스가 사용되지 않으면, 트레이스의 피치(즉, 길이당 트레이스의 개수) 및/또는 폭은 원하는 위치에 특정 저항 또는 열 손실을 제공하도록 가변적일 수 있다.
경미한 출력 전력 손실이 결과로 발생될 수 있지만, 상대적으로 얇은 집전장치가 특정 연료전지 스택 응용에 사용되는 것이 바람직할 수 있음이 발견되었다. 상대적으로 얇은 집전장치를 사용하는 것의 하나의 장점은 인쇄 회로 기판 설계 및 제조 기술도 사용되게 허용한다는 것이다. 전형적인 인쇄 회로 기판 기술로, 구리 또는 다른 박(foil)으로 이루어진 다수의 구성요소(예를 들어, 단순한 저항기)가 다층 기판상에 용이하게 형성될 수 있다. 이 방식에서, 도전성 트레이스의 복잡한 패턴이 용이하게 형성될 수 있다. 전형적인 제조 공정에서, 적절한 베어 래미네이트 재료(bare laminate material)에 구멍이 뚫려 개구가 형성되고, 그 후 래미네이트는 도전체(예를 들어, 구리)로 전기 도금된다. 그 후 도전체는 전형적으로 바람직한 도전성 패턴에 따라 마스크(mask)되고 원하지 않는 도전체는 (예를 들어, 적절한 감광성 수지, UV 광을 사용하는 패터닝 및 산성 에칭의 응용을 통해) 에칭된다. 추가적인 층(예를 들어, 절연체), 재료(예를 들어, 땜납) 및/또는 구성요소들이 그 후 통합될 수 있다.
전술된 바와 같은 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트의 제조에 인쇄 회로 기판 기술을 사용하면, 상대적으로 얇은 집전장치(즉, 버스 플레이트)가 제공된다. 이것이 다소 경미한 전력 손실을 가져와 스택으로부터의 출력 전력을 손실시킬 수 있지만, 상당히 낮은 내부-면 및 통과-면 열도전성을 갖는 집전장치를 가질 수 있다는 장점이 있다. 그 결과 연료전지 스택으로부터 열이 거의 제거되지 않고, 버스 플레이트 주변의 연료전지 내의 열 증감도 낮아진다. 이는 버스 플레이트 주변의 연료전지 내의 플로딩을 줄이는데 유용할 수 있다. 이 방식에서, 엔드 셀이 성능 문제를 경험할 가능성이 낮아진다. 또한, 이는 확립된 및 사실상 보다 비용 효율적인 부피가 큰 회로 기판 제조 방법을 사용하는 제조 수단을 제공한다.
이외에, 이 설계는 또한 집전층을 전기 및 열 절연체, 엔드 셀 가열기, 하이 포텐셜 블리드 다운 저항기 및 분로 저항기 등의 다른 연료전지 구성요소와 함께 하나의 플레이트에 일체화하는 것을 제공한다. 개별 구성요소들의 개수를 최소화함으로써, 본 발명은 조작하기 쉽고 가볍고 공간 효율적인 연료전지 시스템의 개발을 허용한다.
도 3a는 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트가 연료전지 스택 내의 전류 확산을 매핑하는 목적을 위한 복수의 전기적 구성요소(예를 들어, 단순한 저항기)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 나타낸 개요도에서, 적절한 모양의 구리 트레이스가 인쇄 회로 기판상에 형성되어 분로 저항기의 어레이를 형성한다. 도 3a를 참조하면, 로컬 전류는 로컬 집전장치(101)에 의해 흐름 필드 플레이트(100)로부터 모아진다. 일체화된 집전장치 및 분로 저항기 플레이트는 3개의 절연층(102, 106, 110)을 포함한다. 도전성 비아(103)는 로컬 집전장치(101)를 전기적 구성요소층(105) 내의 각각의 분로 저항기(104)의 종단(즉, 제1 접속 영역)에 전기적으로 접속시킨다. 유사한 방식에서, 도전성 비아(107)는 분로 저항기(104)의 다른 종단(즉, 제2 접속 영역)을 버스 플레이트로서 동작하는 집전장치(108)에 전기적으로 접속시킨다. 각 분로 저항기의 저항이 알려지면, 스택 내의 전류 확산이 각각의 분로 저항기를 거친 전압 강하를 측정함으로써 매핑될 수 있다. 이 목적을 위해, 구리 트레이스(도 3a에 도시되지 않음) 쌍이 인쇄 회로 기판상에 제공되어, 각각의 분로 저항기의 종단이 적절한 전압 획득 유닛에 접속된다. 도 3b는 도 3a의 어레이 내의 분로 저항기들 중 하나의 구성에 대한 분해도를 나타낸다. 도 3b는 분로 저항기(104)를 거친 전압 강하를 획득하기 위한 트레이스(112)의 쌍을 도시한다.
도 3a 및 3b의 실시예에서, 분로 저항기(104)의 저항은 온도 함수일 것이다. 예를 들어, 전형적인 연료전지의 실제 동작 범위(예를 들어, 0 ~ 100℃)에 걸쳐, 저항은 대략 10% 정도 변할 것으로 예상될 수 있다. 몇몇의 목적을 위해, 이 정도의 측정 오류는 충분히 적절할 수 있다. 그러나, 보다 민감한 측정에 대해서는, 저항성 온도계의 어레이가 일체화된 플레이트에 통합되어, 각각의 분로 저항기 주변의 로컬 온도를 측정하고 그것을 정정할 수 있다. 이는 저항성 트레이의 어레이(저항성 온도계로서 동작함)를 개별 층에 형성함으로써 이루어질 수 있으며, 이 저항성 트레이의 어레이는 분로 저항기 어레이를 포함하는 층으로부터 절연되거나 아니면 그에 인접하다. 일련의 접속된 트레이스를 통해, 알려진 전류는 각각의 저항성 온도계를 거쳐 통과될 수 있다. 그 후, 분로 저항기 어레이에 대한 유사한 방법에서, 각각의 저항성 온도계에 걸친 전압 강하가 층에 추가로 형성된 전압 트 레이스의 쌍을 통해 획득될 수 있다. 이 전압 강하는 로컬 온도를 나타내며, 이 데이터를 사용하여 분로 저항기 측정을 정정할 수 있다. 당업자는 저항성 온도계 내에서 전력이 다소 손실될 것임을 알 것이다. 연료전지 스택을 혼란스럽게 하는 것을 피하기 위해, 이 손실된 전력이 연료전지 열 출력에 비해 무시해도 좋도록, 일체화된 플레이트를 설계할 필요가 있을 것이다.
전술된 바로부터, 본 발명의 특정 실시예가 예시를 목적으로 여기에 설명되어 있지만, 본 발명의 취지 및 영역으로부터 벗어나지 않는 다양한 변형물들이 만들어질 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 이외의 것에 의해서는 제한되지 않는다.

Claims (19)

  1. 연료전지 스택에 대한 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트(electrical component plate)로서, 인쇄 회로 기판을 포함하고, 상기 인쇄 회로 기판은:
    집전장치 및 상기 집전장치로부터 물리적으로 분리된 전류 제거 영역을 포함하는 집전층;
    제1 표면, 제2 표면, 제1 도전성 비아 및 제2 도전성 비아를 포함하는 제1 절연층;
    제1 접속 영역 및 제2 접속 영역을 갖는 전기적 구성요소를 포함하는 전기적 구성요소층; 및
    제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제2 절연층을 포함하고,
    상기 집전층은 상기 제1 절연층의 상기 제1 표면에 래미네이트(laminate)되고, 상기 전기적 구성요소층은 상기 제1 절연층의 상기 제2 표면과 상기 제2 절연층의 상기 제1 표면 사이에 래미네이트되고,
    상기 전기적 구성요소의 상기 제1 접속 영역은 상기 제1 도전성 비아에 의해 상기 집전장치에 전기적으로 접속되고,
    상기 전기적 구성요소의 상기 제2 접속 영역은 상기 제2 도전성 비아에 의해 상기 집전층의 상기 전류 제거 영역에 전기적으로 접속되는, 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 저항기인, 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전층은 구리, 니켈 및 금으로부터 선택된 하나 이상의 추가적인 층들을 포함하는, 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항기는 구리를 포함하는, 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소층은 복수의 전기적 구성요소들을 포함하는, 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트.
  6. 연료전지 스택에 있어서:
    엔드 셀(end cell);
    엔드 플레이트(end plate); 및
    인쇄 회로 기판을 포함하는 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 포함하고, 상기 인쇄 회로 기판은:
    집전장치를 포함하는 집전층;
    제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제1 절연층;
    제1 접속 영역 및 제2 접속 영역을 갖는 전기적 구성요소를 포함하는 전기적 구성요소층; 및
    제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 제2 절연층을 포함하고,
    상기 집전층은 상기 제1 절연층의 상기 제1 표면에 래미네이트되고, 상기 전기적 구성요소층은 상기 제1 절연층의 상기 제2 표면과 상기 제2 절연층의 상기 제1 표면 사이에 래미네이트되고,
    상기 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트는 상기 엔드 셀과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되고, 상기 집전장치는 상기 엔드 셀에 인접하여 전기적으로 접촉되며, 상기 제2 절연층의 상기 제2 표면은 상기 엔드 플레이트에 인접한, 연료전지 스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 상기 연료전지 스택에 전기적으로 직렬 접속되는, 연료전지 스택.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 상기 연료전지 스택에 전기적으로 병렬 접속되는, 연료전지 스택.
  9. 제 6 항의 연료전지 스택의 제조 방법에 있어서:
    인쇄 회로 기판 제조 방법을 통해 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 만드는 단계; 및
    상기 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트를 상기 연료전지 스택에 통합시키는 단계를 포함하는, 연료전지 스택 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 상기 연료전지 스택의 엔드 셀을 가열하기 위한 저항성 가열기인, 연료전지 스택 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 개방 회로 동안 상기 연료전지 스택의 전압을 낮추기 위한 저항기인, 연료전지 스택 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 셧다운(shutdown) 동안 상기 연료전지 스택의 전압을 블리드 다운하기(bleed down) 위한 저항기인, 연료전지 스택 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 상기 연료전지 스택에 의해 생성된 전류를 측정하기 위한 분로 저항기(shunt resistor)인, 연료전지 스택 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 구성요소는 상기 연료전지 스택의 온도를 측정하기 위한 저항성 온도계인, 연료전지 스택 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 일체화된 집전장치 및 전기적 구성요소 플레이트는 복수의 전기적 구성요소들을 포함하는, 연료전지 스택 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 전기적 구성요소들은 상기 연료전지 스택의 물리적 특성을 매핑하기 위해 어레이로 정렬되는, 연료전지 스택 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 물리적 특성은 로컬(local) 전류 또는 로컬 온도인, 연료전지 스택 제조 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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