KR101869566B1

KR101869566B1 - 연료전지 조립체

Info

Publication number: KR101869566B1
Application number: KR1020127011332A
Authority: KR
Inventors: 앤더스 룬드블래드; 라르스 퍼손; 토미 뇌브가렌; 올라 훌트베르그; 다니엘 카를손
Original assignee: 마이에프씨 에이비
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2018-06-20
Also published as: BR112012007161A2; JP2013506957A; EA201270495A1; WO2011040875A1; EP2483957A1; JP5539524B2; EP2483957A4; US9240608B2; ZA201202848B; CN102668205A; BR112012007161B1; CN102668205B; KR20120092618A; CA2776455A1; CA2776455C; EA021486B1; MX2012003719A; EP2483957B1; US20130011766A1

Abstract

본 발명은, 고분자전해질 멤브레인 연료전지 장치에 관한 것으로서, 배킹 플레이트(11)와, 상부 클램핑 플레이트(15)와, 상기 상부 플레이트(15)와 상기 배킹 플레이트(11) 사이에 배치되는 적어도 하나의 면내 평면 연료전지 조립체(13)와, 상기 평면 연료전지(13)와 상기 상부 클램핑 플레이트(15) 간에 배치되는 전류 수집 포일(14)을 포함하고, 상기 전류 수집 포일(14)은 평면 연료전지에 면하는 측에서 그 위에 제공되는 전기적 전도성 재료의 패턴을 가지는 전기적 비-전도성 포일을 포함한다. 연료전지 장치는 상부 클램핑 플레이트와 배킹 플레이트(11) 사이에 점 용접을 통해 함께 지지된다.

Description

연료전지 조립체{FUEL CELL ASSEMBLY}

본 발명은 직렬 평면형 연료전지를 포함하는 연료전지 조립체에 관한 것이다.

상기에서 기술한 유형의 연료전지 조립체들은 WO 2006/041397호에 기재되어 있다.

WO 2006/041397호에는, 본 출원의 도 10에 도시된 평면 구성 공기흡입 고분자 전해질 연료전지 조립체(a planar configuration air breathing polymer electrolyte fuel cell assembly)가 기술되어 있다. 상기 출원은, 평면 구성 공기흡입 고분자 전해질 전기화학 장치(electrochemical device)에서 직렬 접속 배열로 사용하기 위한 연료전지(120)를 포함한다. 그러므로, 연료전지(120)는 하나 이상의 유사한 연료전지(120')들에 직렬로 연결되고 또한 가스의 액세스를 위한 개구(120, 113)를 가지는 양극 지지체(anode support)(110)에 부착되도록 조정된다. 따라서, 연료전지(120)는 전류 수집소자(current collector element)(118)와 멤브레인 전극조립체(membrane electrode assembly:MEA)(103)를 포함한다. 전류 수집소자(118)는 음극전류 수집부(102)와 양극전류 수집부(101)로 구성되는 전기적 전도성 포일(foil)을 포함한다. MEA(103)는 고체 이온전도 고분자 멤브레인 전해질(104)과, 양극(105)과, 가스배킹(gas backing)(106) 또는 가스 확산층(gas diffusion layer:GDL), 음극(107) 및 음극 GDL(108)을 포함하고, 또한 음극 GDL(108)이 전류 수집소자(118)의 음극부(103)를 향해 향하도록 또한 양극 GDL(106)이 전류 수집소자(118)로부터 떨어지도록 연료전지(120) 내에 배열된다. MEA는 전류 수집소자(118)의 음극부(102) 상에 제공되는 접착층(114)을 통해 전류 수집소자(118)에 부착되고, 상기 접착층(114)은 양극 GDL(108)에 인접하고 또한 대응하는 영역(114a)를 덮고, 또한 적어도 영역(114a) 내에서 전기적으로 전도된다. 이 실시예에 따른 상이한 소자들과 접착층들은 상기 단일 셀 연료전지에 대해 기술한 것과 동일한 수 있다. 전류 수집소자(118)의 양극부(101)는 음극전류 수집부(102)로부터 수평으로 연장하고 또한 사용시에 인접한 직렬-연결된 연료전지(120')에 대해 양극전류 수집기로서 기능한다. 양극전류 수집부(101)는 가스 액세스를 위한 개구(112, 113)를 가지고, 또한 연료전지(120)의 멤브레인 전극조립체(103)의 음극측에서부터 멀어지는 방향으로 전류 수집소자(118)의 표면상에 접착층(109)이 제공된다.

또한 WO 2009/025613호에는, 본 출원의 도 11에 도시된, 평면형 구성 공기흡입 고분자 전해질 연료전지 조립체가 기술되어 있다. 직렬로 연결된 두 개의 전지(200a 및 200b)들이 각각 도시되어 있다. 전지 각각은 양극 GDL(208a 및 208b), 음극 GDL(210a 및 210b), MEA(209a 및 209b), 및 불활성 전도성 클램핑소자(inert conductive clamping element)(204a 및 204b)를 각각 포함한다. 전도성 포일(206)이 제1전지(200a)(좌측)의 양극부 아래에 제공되어, 인접한 제2전지(200b)에 접속을 위해 우측으로 연장한다. 절연 스페이서부재(insulating spacer member)(201)가 (한 전지(200a)의 양극측 아래에서부터 도면의 좌측으로 연장하는) 양극 전도성 포일(206)과 인접한 전지의 MEA(209a) 사이에 배치되어, 클램핑수단 요소(204b)(예컨대, 금도금 네트(net) 또는 강판(steel plate))에 대한 전기적 접속을 보장하는 한편, 동시에 (예컨대, 도면에 도시하지 않은 상부 클램핑 플레이트와 배킹 플레이트를 함께 클램핑하거나/나사체결함으로써) 조립체를 상부 클램핑 플레이트로 압박할 때 인접한 전지(200b)의 MEA(209b)로부터 포일(206)이 전기화학적으로 절연되는 것을 보장하게 된다. 그러므로, 제1전류 수집기(206)는, 상기 불활성 전도성부재(204b)에 의해 스페이서부재(201)에 대해 클램핑될 때 상기 스페이서부재(201)의 상부 표면과 접촉하게 되는 연장부를 가진다.

US-6,127,058호(모토롤라)에는, 평면형 연료전지가 기술되어 있다. 한 실시예에서, 가요성 회로판(flexible circuit board)과 매우 유사한 구조를 사용하는 금속 전류수집기를 가지는 플라스틱 막으로 플라스틱 프레임(plastic frame)을 대체함으로써 매우 얇고 또한 가요성의 형식으로 전류 수집기 조립체가 제조된다. 두 개의 전류 수집기들 사이에 배치되는 MEA를 포함하는 적층구조(laminated structure)는 일반적으로, 계면들에서 초음파 용접을 하거나 또는 접착제를 사용함으로써 함께 유지된다고 할 수 있다. 특정한 조립방법의 기재는 없다.

모든 종류의 산업계에서 제조를 단순하게 하고 또한 제조비용을 줄이고자 하는 시도는 항상 있었다. 예컨대, 소정의 생산에 있어서 부품의 숫자는 제조비용에 가장 크게 영향을 미치게 되므로, 따라서, 부품의 숫자를 최소화하는 것이 바람직하다.

본 발명은 보다 적은 부품을 가지고 제조하기가 쉬운 고분자 전해질 멤브레인 연료전지를 제공한다.

특히 본 발명은 소위 점 용접(spot welding)으로 연료전지들을 조립하는 새로운 방식을 제공한다.

본 발명에 따른 연료전지 조립체는 청구항 1에 규정된다.

특히 조립체에서 상부와 배킹 플레이트 간에 두께/간격을 규정하는 스페이서를 형성하는 용접 지지부재들이 제공된다. 바람직한 실시예에서, 배킹 플레이트는 연료전지 조립체의 두께를 규정하기 위한 스페이서로서 기능하는 점 용접 지지텅(support tongues)이 제공된다. 이 방식에서, 제조는 한층 더 단순화된다.

게다가, 본 발명은, 필요한 전도성 패턴들이 위에 제공되는 기판(base substrate)로서 가요성 포일을 사용하는, 새로운 전류 수집기의 구성을 제공한다. 신규한 특징은, 조립체의 상부 플레이트와 평면 연료전지 사이에 전류 수집기 포일이 설치되고, 또한 바람직하게 조립체 내 모든 단위 전지들을 덮는다는 것이다.

또한 전류 수집기 포일은, 연료전지 조립체의 작동을 제어하기 위한 센서와 제어수단들과 같은 부수적인 기능을 포함한다.

본 발명의 적용할 수 있는 범위는 설명의 목적으로서만 제공되는 첨부도면들과 발명의 상세한 설명으로부터 명확하게 알 수 있게 되고, 첨부도면들은 본 발명을 제한하는 것으로서 여겨지지 않는다.

본 발명에 따라, 보다 적은 부품을 가지고 제조하기가 쉬운 고분자 전해질 멤브레인 연료전지가 제공된다.

도 1은 본 발명의 연료전지 조립체의 분해도.
도 2는 본 발명에 따른 용접 지지부재를 가지는 배킹 플레이트를 보여주는도면.
도 3은 용접 지지부재의 단면도.
도 4는 그 위에 가스 분배부재가 제공되는 배킹 플레이트를 보여주는 도면.
도 5a는 "스티커" 조립체를 보여주는 분해도.
도 5b는 도 4에 도시된 배킹 플레이트와 가스 분배부재 상에 배열되는 도 5에 따른 스티커 조립체를 보여주는 도면.
도 6은 상부에 배열된 가요성 포일을 가지는 도 5b의 조립체를 보여주는 도면.
도 7은 그 위에 제공되는 상부 클램핑 플레이트를 가지는 도 6의 조립체를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 전류 수집기 가요성 포일을 개략적으로 보여주는 상면도.
도 9a는 본 발명에 따른 조립체의 아크형 실시예를 개략적으로 보여주는 도면.
도 9b는 중앙에 위치한 용접 지지부재의 단면을 보여주는 도면.
도 9c는 추가적인 용접 지지부재를 가지는 본 발명에 따른 조립체의 다른 아크형 실시예를 보여주는 도면.
도 10은 선행기술 장치의 예를 보여주는 도면.
도 11은 선행기술 장치의 다른 예를 보여주는 도면.
도 12는 본 발명에 따른 조립체의 두 예의 전기화학적 성능을 보여주는 그래프도.

본 발명의 목적을 위해, 다음의 용어는 주어진 의미를 가지게 된다.

"면내 연료전지 조립체(in-plane fuel cell assembly)"는 직렬 및/또는 병렬접속으로 나란히 배열되는 다수의 개별적인 연료전지 유닛들을 의미한다. 전류와 연료가스 둘 다의 공급을 직렬 및/또는 병렬로 배열될 수 있다.

"스티커 조립체(sticker assembly)"는 기초 포일(base foil) 상의 "면내 연료전지 조립체"로서 배열되는 다수의 개별적인 연료전지 유닛들로 구성되는 유닛("스티커")이다. 특히 "스티커 조립체"는 모든 활성(active) 연료전지 부품들(즉, 양극과 음극 가스 확산층(GDL), 멤브레인 전극 조립체(MEA), 칸(compartments)을 규정하는 프레임들)을 포함한다.

"가요성 포일(flexfoil)"은, 매우 얇고 또한 가요성이라는 것을 제외하고는, 인쇄회로기판(PCB)와 유사한 항목이다. 가요성 포일은 본 발명에서 전류 수집기(current collector)로서 사용된다.

"가요성 포일"은 구리-코팅된(Cu-coated) 플라스틱으로서, 포일에서 상이한 영역들 간에 전류 리드(current leads)를 형성하기 위해 구리들이 포일에서부터 선택적으로 제거되었다. 예컨대, 음극 GDL과 구리-층(Cu-layer) 간에 전기적 접촉을 개선하기 위하여, 구리층은 예컨대, 전기도금을 통해 금(gold)으로서 코팅될 수 있다. 상기 코팅은, 금이 코팅되어서는 안 되는 영역들 상에 페인트로서 구리층을 코팅(예컨대, 페인팅)함으로써 선택된 영역 상에서 이루어질 수 있고, 또한 이는 금 코팅 전에 이루어진다. 구리층의 전형적인 두께는 20 내지 50 마이크로미터이다. 플라스틱 지지막(plastic support film)은 예컨대, 저렴한 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), 또는 비싸지만 납땜 공정에 견딜수 있는 폴리이미드(Polyimid)로 만들 수 있다.

본 발명의 핵심은, 평면 다중-셀 연료전지 조립체의 디자인으로서, 상부(음극측)와 하부 플레이트들은 용접에 의해 함께 클램프되어 결합된다. 이 디자인은, 상부와 하부 플레이트들이 이들 플레이트들 사이에 위치하는 활성 연료전지 부품들로부터 전기적으로 절연되는 것을 필요로 한다.

연료전지 스티커로부터 상부 플레이트를 절연하는 한 가지 바람직한 방식은, 상기에서 규정한 바와 같이, 활성 연료전지 부품들에 대한 전류 수집기로서 역할 수 있는 금 코팅 구리포일을 가지는 가요성 포일을 사용하는 것이다. 가요성 포일 상의 추가적인 전류 리드(leads)들은 예컨대 개별적인 전지들의 전지 전압을 감시하기 위한 프로브(probes)로서 사용할 수 있다. 가요성 포일은 전기적 전극에 대한 확장부(extention)을 가질 수 있어서, 연료전지 장치의 전자적 전력 및 제어회로에 연료전지 조립체를 전기적으로 부착시키는 것을 매우 단순하게 만들 수 있다.

신규하고 발명적인 점 용접 연결과 새로운 전류 수집기 구성을 가지는 본 발명에 따른 연료전지 조립체가 도 1의 분해도에 도시되어 있고 또한 참조번호 10으로 표시된다.

하부에서부터 상부로, 조립체는 배킹 플레이트(backing plate)(11)와, 가스 분배부재(gas distribution memebr)(12)와, 스티커 조립체(13)와, 가요성 전류 수집부재(14)와 그리고 상부 커버/클램핑 플레이트(15)를 포함한다.

연료전지 내에서 가스 흐름을 제어하기 위하여, 전자-기계적 밸브(16)와 그리고 "우산밸브(umbrella valve)"(17)가 제공된다.

도 2는 배킹 플레이트(11)를 보여준다. 연료전지 셀 유닛을 함께 점 용접하는데 사용되기 때문에 플레이트는 금속으로 만들어진다. 점 용접을 위한 적절한 접촉점을 제공하고 또한 스페이서 기능을 제공하기 위하여, 배킹 플레이트에는, 실시예에서는 굽은 텅(혀:tongues)(21) 형태인 돌출하는 용접 지지부재(21)가 제공된다. 텅들은 플레이트 두께 전체를 통해, 배킹 플레이트에서 재료의 영역의 세 측면 상에서 재료를 제거함으로써 이루어진다. 이렇게 형성된 텅은 상방으로 만곡되고 그리고 다시 텅은 배킹 플레이트의 표면에 실질적으로 평행하게 연장하도록 만곡된다. 이들 텅들은 펀칭작업(punching operation)을 통해 적절히 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 텅들은 상부 클램핑 플레이트 위에 형성될 수 있다.

이러한 구성의 장점은, 지지체가 조립체가 함께 결합할 때 유용한 탄성력을 가진다는 것이다. 텅의 탄성 특성은 또한, 연료전지 스티커 내 부품들 중 몇몇이 시간의 경과에 따라 압착되어 변형될 때(예컨대, GDL) 클램픽력을 유지하는 것을 도와준다.

그러나, 만일 탄성이 중요하지 않다면, 텅들은 대응하는 지점들에서 배킹 플레이트를 단순히 변성시켜 표면 상에 작은 "힐(hill)"들을 제공함으로써 형성될 수 있고, 상기 "힐"들 각각의 높이는 상부 플레이트와 배킹 플레이트 간에 간격을 규정한다.

돌출하는 용접 지지체의 높이는 배킹 플레이트와 클램핑 플레이트 간의 원하는 간격보다 약간 작은 것이 적절하고, 약 0.3 내지 3mm, 적절하게는 0.7 내지 1.5mm 이다. 이는, 조립체 내 부품들이 전체적으로 약간 탄성을 가지게 되고 또한 점 용접 동안에 압축력이 인가되면, 적층된 부품들이 대항력을 가하여, 플레이트들을 서로 떨어지게 밀치게 되는 상태로 상부 클램핑 플레이트와 접촉하게 되기 때문이다.

도 3은 점 용접 지지부재(21)의 한 실시예의 단면도이다. 각 부재(21)는 줄기부(stem portion)(22)와 러그부(lug portion)(23)를 포함하고 그리고 탄성 텅으로서 기능한다. 줄기부(22)는 장치의 조립 동안 및 조립 후 탄성력을 제공하고, 그리고 러그부(23)는 실제적인 용접 접촉점이다.

배킹 플레이트(11)의 수평면에서부터 줄기부(22)의 편차 각도(α)는 텅의 탄성력과 강도에 영향을 미치게 된다. 작은 각도는 좋은 탄성력을 제공하고 또한 큰 각도는 결합지점의 강도와 강성을 증가시킨다. 또한 큰 각도는, 클램핑 플레이트들 사이에서 연료전지 부품들을 뒤로 물러나게 하고(spring back) 또한 압축할 때, 지지 및 상부 플레이트 사이에서 큰 수평 이동을 필요로 한다. 바람직한 각도는 10 내지 60이고, 적절하게는 20 내지 45도이다. 상부 플레이트와 지지 플레이트의 두께는 0.2 와 1.2mm 사이이고, 적절하게는 0.4와 0.7mm 사이이다.

용접 지점들 간의 적절한 간격은 상부 플레이트와 지지 플레이트의 두께와 기계적 강도에 따라 다르다. 0.5mm의 상부 플레이트와 지지 플레이트 두께에 대해, 용접 지점들 간에 간격은 20mm 이상을 초과하지 않아야 하는 것이 적절하다.

도 4는 배킹 플레이트(11)에 배열되는 가스 분배부재(12)를 보여준다. 가스 분배부재(12)는, 가스 분배부재가 조립체의 다른 부품들 사이에서 고정될 때 가스 통로를 형성하기 위하여 재료를 통해 연장하는 홈(12')을 포함한다. 가스 분배부재는 또한 점 용접 지지부재(21)을 수용하기 위하여 구멍(25) 또는 절단(cut-out)부(25')를 포함하고, 상기 절단부는 가스 분배부재(12)를 통과해 연장할 수 있다.

도 5a는 스티커 조립체(13)의 한 실시예의 분해도를 보여준다. 이러한 종류의 스티커의 세부 사항들은 여기에서 주어지지 않는데, 출원인의 발명들 중 하나에 대한 특허출원인 PCT SE2008/050932호에 상세히 기술되어 있기 때문이다. 그러나, 명세서의 완전성을 위해 다음의 간략한 설명이 주어진다.

도시된 실시예에서, 스티커 조립체(13)는, 다수의 주석(Sn) 코팅된 구리(Cu) 포일(13b)들이 위치하는 기초 포일(13a)을, 각 단위 연료전지에 대해 하나씩 포함한다. 이들 포일들은 양극 전류수집기들이고, 또한 각각은 인접한 단위 전지들(즉, 요소(13c ~ h)의 조립체) 사이에서 위로 연장하는 부분을 가진다. 그러므로, 이들 부분들은 프레임(13h)의 하부 표면에 위치하게 되는 "텅"들을 형성하고, 아래에서 기술하는 바와 같이, 상기 프레임에서 상기 부분들은 전류 수집 가용성 포일과 접촉한다. 멤브레인 전극 조립체(MEA)(13e)는 각 GDL(13d) 위에 위치하고 그리고 구리 포일 상에 멤브레인 전극 조립체(MEA)(13e)를 접착하기 위해 접착제(13c)가 제공된다. 음극 GDL(13g)들은 각 MEA 위에 위치하고 그리고 MEA와 다공성 압축성 프레임 재료(porous compressible frame material)(13h) 사이에 추가적 접착제(13f)가 배치된다.

도 5b는 가스 분배부재(이 도면에서는 미도시) 위에 위치하는 조립된 스티커 조립체(13)를 보여준다.

도면에 도시되어 있듯이, 스티커 조립체(13)는 스티커 조립체(13)의 상부 표면 통과해 점(spot) 용접 지지부재(21)가 연장하도록 하기 위해 구멍(14)과 절단부(15)를 가지는, 적절히 디자인된 윤곽(contour)을 가짐으로써 조정된다.

도 6은 스티커 조립체(13)의 상부에 위치하는, 신규하고 또한 발명적인 전류 수집 포일(26)이 제공되는 것을 보여준다. 전류 수집 포일(26)은 비-전도성의, 바림직하게는 고분자 기반 재료(polymer based material)로 된 얇은 시트를 포함한다. 포일(26)에는 연료전지 음극에 공기를 제공하기 위해 통기구(venting hole)(28)이 제공된다. 스티커 조립체에 면하는 측 상에서, 전류 수집기에는 전도성 재료, 바림직하게는 구리(Cu)의 패턴(27)이 제공된다. 이 패턴은 스티커 내 개별적인 전지들로 및 전지들로부터의 전기적 리드를 제공하고, 또한 온도와 전지 전압을 검출하기 위한 센싱 지점(sensing point)들을 제공한다. 도 8을 참조하여 전류 수집 포일을 더 상세히 설명한다.

도 7은 전류 수집 포일(26) 위에 배열되는 상부 클램핑 플레이트(32)를 보여준다. 클램핑 플레이트에는 전류 수집 포일 내 구멍(28)들에 대응하는 통기구(33)가 제공된다.

상기에서 이미 설명하였듯이, 조립체 전체는 배킹 플레이트(11) 상의 점(spot) 용접 지지부재(21)에 일치하는 전극들의 패턴을 가지는 용접장치에서 단일 공정으로 점 용접을 수행함으로써 최종적으로 결합된다.

본 발명에 따른 전류 수집 포일이 도 8에 도시되어 있고, 이는 다섯 개의 연료전지들과 하나의 센서 셀을 직렬 구성으로 포함하는 장치에 적합하다. 전류 수집기는 가요성 포일재료로 만들고 또한 상기에서 규정한 바와 같이, 전도성 패턴이 제공되는 "가요성 포일"로 부른다. 바람직하게 전도성 패턴은 Cu, 선택적으로는 Au가 코팅된 Cu를 포함한다. 전류 수집 포일은 조립체 전체 위를 연장한다.

가요성 포일(80)은 연료전지들 내에서 생성되는 전력을 출력단자로 전달하기 위해 두 개의 전류 리드들을 포함하는데, 하나는 제5전지(도 8에서 제일 오른쪽)의 음극에 연결되는 음극 전류리드(82)이고 그리고 다른 하나는 제1전지(도 8에서 제일 왼쪽)의 양극측에 연결되는 양극 전류리드(84)이다.

연료전지의 접촉부(contact portion)들을 FC1 내지 FC5로 각각 부르고, 센서 셀의 접촉부에 대해서는 SC로 부른다. 직렬 조립체 내 각 셀들로부터, 각 셀 전압의 탐침(probing)을 가능하게 하는 탐침 리드(probe lead)(PL1, PL2, PL3, PL4)가 제공된다. 탐침 리드는 또한, 예컨대 연료전지의 정지(shut down) 동안에 각 셀을 단락(short circuiting)시키는 것에 사용할 수 있다.

그러므로, 전도성 패턴은 온도 및/또는 전압을 감지하기 위한 센서수단으로서 사용할 수 있는 소자들을 포함한다. 이와 같은 센서수단은 열전소자(thermoelement) 및/또는 측온 저항체(thermoresistor)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 전류 수집 포일은 외부 연결(coupling)을 위한 커넥터를 제공하기 위해 조립체로부터 세로방향 또는 가로방향으로 연장하는 텅부(86)를 포함한다.

그러므로, 한 실시예에서, 본 발명에 평면 고분자 전해질 멤브레인 연료전지 조립체용 전류 수집 포일은 배킹 플레이트와; 상부 클램핑 플레이트와; 상기 상부 플레이트와 상기 배킹 플레이트 사이에 배치되는 다수의 연료전지 유닛들을 포함하는 적어도 하나의 평면 연료전지 조립체를 포함한다. 특히 전류 수집 포일은 비-전도성 및 가요성 재료의 기재(base)/기판(substrate) 포일과; 상기 기판 포일 상에 제공디는 전도성 재료의 패턴을 포함하고, 상기 패턴은 전기적 리드들과 그리고 센서들과 같은 선택적 기능 부품들을 포함하고; 상기 전도성 패턴은, 상기 전류 수집 포일을 상기 조립체에 부착할 때 상기 평면 고분자 전해질 멤브레인 연료전이의 레이-아웃에 맞도록 조정되고, 조립체를 구성하는 상기 연료전지 유닛들은 상기 전류 수집 포일에 의해 직렬로 연결된다.

스티커의 활성 셀들을 덮는 포일의 영역 위에, 연료전지들에 공기 액세스를 위한 통기구(28)가 제공된다.

전체 조립체에서 다른 부품들과 마찬가지로 포일(26)은 점 용접 지지부재(21)를 수용하고 또한 용접작업을 위해 점 용접 지지부재가 상부 클램핑 플레이트와 접촉 상태로 될 수 있도록 하기 위해 다수의 구멍(29)들과 절단부들을 가진다.

게다가, 그의 단부들 중 적어도 하나에서 포일은, 조립체의 외부 접속을 위한 접촉 영역(31)을 형성하기 위하여 전도성 패턴(27)의 전기적 리드들이 종료되는, 세로방향으로 돌출하는 플랩(30)을 가진다. 외부 부품들을 납땜하는 이 단말 접촉 영역을 제공하는 것을 피할 수 있는데, 이는 제조와 조립을 한층 더 간단하게 한다.

다른 실시예에서, 연료전지 조립체는 또한 라운드형 또는 아크형으로 만들 수 있다.

도 9a는 이러한 라운드형 조립체(90)의 개략적인 단면을 보여준다. 여기서, 두 가지 상이한 종류의 지지부재들이 제공된다. 한편으로는, 부재들은 도 3과 관련해 이전에 기술한 것들과 유사하다. 이 실시예에서, 중심을 벗어나 제공되는 텅들은 모두 외측을 향하게 된다. 즉 플레이트의 가장자리를 향하게 된다. 다른 한편으로, 중심에 위치하는 지지부재(92)가 제공된다. 이들 중심에 위치하는 지지부재는 도 9b에 도시된 바와 같은 구성을 가진다.

만일 상부 플레이트와 지지 플레이트들이 완전히 선성형(fully preshaped)되지 않는다면, 용접 후 만곡된 조립체의 외측 단부들을 들어올리게 되는, 상부 플레이트와 지지 플레이트 간에 탄성(측면들의 상향으로 이동)이 있을 수 있다("완전히 선성형된"은 용접 후 플레이트들이 최종 형상으로 만곡되어 있는 상황을 말하고; 그러므로, "완전히 선성형되지 않은"은 용접 동안에 만곡된 플레이트의 외측 단부들이 아래로 힘을 받는다는 것을 의미한다.). 반대 상황에서, 즉 만일 외측 단부들이 용접 동안에 상측으로 힘을 받는다면, 지지 플레이트 상의 텅들은 바람직하게 내측을 향하여야 한다. 지지 플레이트 상에서 외측으로 향하는 텅들의 디자인은, 탄성으로 인해 증가된 클램핑력을 제공하게 된다(다르게는, 만일 텅이 상부 플레이트 상에 있다면 내측으로 향하는 텅들).

이 실시예에서, 도 9b에 도시된, 중심에 위치하는 지지부재(92)는 본질적으로 탄성체이고 또한 서로에 대해 고정되는 상부 플레이트와 지지 플레이트를 수직뿐만 아니라 수평으로 유지하게 된다.

이 실시예에서, 연료전지 조립체(90)의 외측 단부들이 상부 및 지지 플레이트의 스프링력으로 인해 상방으로 만곡되면, 지지 플레이트의 외방으로 향하는 텅들은, 용접 동안에 인가되는 압축력보다 많게, 플레이트들 사이에 위치하는 부품들을 압축하게 된다. 만일 도 9c에 예시된 바와 같이 하나 이상의 외측 용접 지점이 있다면, 용접 지지체의 줄기와 내측 텅(91i)과 외측 텅(91o)의 배킹 플레이트(11)의 수평면 사이의 각도는 상이할 수 있고, 적절하게는 외측 텅에서 크다.

예

2 개의 5-전지(다섯 개의 전지들과 하나의 센서셀) 조립체들을 본 발명에 따른 신규한 용접을 사용하여 만들었다. 하나는 0.5mm 의 두께를 가지는 상부 플레이트를 가지고, 다른 하나는 0.6mm 두께의 상부 플레이트를 가졌다. 지지 플레이트는 두 조립체에 대해 0.5mm 였다.

상부에서 하부까지 상부 플레이트(15)는, 측면 치수가 120x46mm 인 스테인레스 스틸(EN1.4310)이었다. 각 전지에 대한 접촉 영역과 센서들에 대한 전기적 리드를 규정하는 20 마이크로미터 두께 Cu 패턴이 제공된 70 마이크로미터 두께의 폴리이미드로 된 가요성 포일(14)이 상부 플레이트 아래에 배치되었다. 가요성 포일은, 연료전지 스티커의 음극 GDL과 전류 수집 포일과 접촉하는 영역 위를 전기도금하여 금 코딩되었다.

연료전지 스티커(13)는 치수 16x36mm 의 5개의 MEA(Gore P-05215)와 치수 13x33mm의 10개의 GDL(SGL BC34)를 포함하였다. 보다 적은 MEA 및 GDL들의 부분들이 센서셀에 대해 사용되었다. 음극 전류 수집 포일은 Sn 코팅된 Cu 포일(Tesa 4385)이었고, 접착제가 아래를 향하고, 그리고 프레임 재료(13h)는 압축가능한 폼재료(foam material)(Poron 4790)였다. 연료전지 스티커에 사용된 접착제재료는 3M F9469PC 였다.

0.48mm 두께의 폴리카보네이트 재료를 가스 분배부재(12)에 사용하였다.

지지 플레이트와 상부 플레이트 둘 다는 화학적 에칭(부식)(etching) 방법에 의해 절단되었다. 지지 플레이트는 상부 플레이트와 동일한 강철로 만들었다. 지지 플레이트의 텅들은 전체 조립체를 조립하고 용접하기 전에 선성형되었다.

용접 공정 동안에, 지지 플레이트와 상부 플레이트는 특수 도구에서 함께 압착되었다. 점 용접장치는 2000A 및 3 - 5V에서 동작하였다.

조립체들은 오픈엔드 모드(open end mode)에서 전기화학적으로 시험하였다. 전기적 접속은 14극 커넥터(JAE, IL-FER-14S-HF)였다. 활성 후에 두 조립체들의 전기화학적 성능이 도 12에 도시되어 있다. 한 곡선은 전력을 보여주고 그리고 다른 곡선은 각 조립체에 대한 전류의 함수로서 전압을 보여준다.

곡선은, 두꺼운 상부 플레이트(0.6mm)를 가지는 조립체가 더 잘 기능한다는 것을 보여주고 그리고 이 조립체는 2.15V의 전압에서 거의 6W를 제공할 수 있다는 것을 보여준다.

Claims

고분자 전해질 멤브레인 연료전지장치로서,
배킹 플레이트(11)와;
상부 클램핑 플레이트(15)와;
상기 상부 클램핑 플레이트(15)와 상기 배킹 플레이트(11) 사이에 배치되는 적어도 하나의 평면형 연료전지 조립체(13)와;
상기 평면형 연료전지 조립체(13)와 상기 상부 클램핑 플레이트(15) 사이에 배치되는 전류 수집 포일(14)을 포함하고, 상기 전류 수집 포일(14)은 평면형 연료전지 조립체에 면하는 측에서 그 위에 제공되는 전기적 전도성 재료의 패턴을 가지는 전기적 비-전도성 포일을 포함하도록 구성되는데,
연료전지장치는 상부 클램핑 플레이트와 배킹 플레이트(11)와의 사이에서 점 용접에 의해 함께 결합되어 지지되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항에 있어서, 상기 배킹 플레이트(11)는 스페이서 부재들과 점 용접 접촉점들을 형성하는 다수의 용접 지지부재(21)를 가지고, 또한 상기 조립체는 상기 배킹 플레이트 상에서 상기 상부 클램핑 부재(11)와 상기 용접 지지부재(21) 사이에서 점 용접에 의해 함께 지지되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제2항에 있어서, 상기 지지부재(21)는 배킹 플레이트에 펀칭을 함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제2항에 있어서, 상기 지지부재(21)는 배킹 플레이트(11)로부터 돌출하는 러그(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제4항에 있어서, 상기 러그들은 만곡된 텅(21)의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제5항에 있어서, 상기 지지부재(21)는 탄성체인 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 전도성 패턴은, 외부 장치에 연료전지를 연결하기 위한 커넥터와 그리고 연료전지에 의해 생성되는 전기적 전류를 전달하기 위한 리드들을 포함하는 전기적 전도체들을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항에 있어서, 상기 고분자전해질 멤브레인 연료전지는 적어도 두 개의 평면 연료전지들을 면내 구성으로 포함하고, 그리고 상기 전류 수집 포일은 조립체 전체 위로 연장하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항에 있어서, 상기 전류 수집 포일은 외부 연결을 위한 커넥터를 제공하기 위하여 조립체로부터 세로방향으로 연장하는 텅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항에 있어서, 상기 전도성 패턴은 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항에 있어서, 상기 전도성 패턴은 출력단자 상에 연료전지들에서 생성된 전력을 전달하기 위한 전기적 리드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항에 있어서, 상기 전도성 패턴은 온도 및/또는 전압을 감지하기 위한 센싱수단으로서 사용할 수 있는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제12항에 있어서, 상기 전도성 패턴은 밸브를 작동 및/또는 제어하기 위한 전압을 공급하기 위한 리드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제12항에 있어서, 열전소자 및/또는 측온 저항체의 센서수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.
제1항 내지 6항, 8항 내지 15항중 어느 한항에 따른 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치에 있어서,
전류 수집 포일은,
비전도성 및 가요성 재료의 기재/기판과;
기판 포일 상에 제공되는 전기적 전도성 재료의 패턴을 포함하고, 상기 패턴은 전기적 리드들과 그리고 센서와 같은 선택적 기능부품을 포함하고;
상기 전기적 전도성 재료의 패턴은, 전류 수집 포일이 조립체에 부착될 때 조립체를 구성하는 연료전지 유닛들이 전류 수집 포일에 의해 직렬로 연결되도록 면내 고분자전해질 멤브레인 연료전지의 레이-아웃에 맞도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 멤브레인 연료전지장치.