KR101911794B1 - 연료 전지 스택용 커넥터 시스템 - Google Patents

연료 전지 스택용 커넥터 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지 스택에서의 전지 전압 모니터링을 위한 전기적 연결 시스템이 제공된다. 연료 전지 스택 어셈블리는 스택형 구성으로 배치되는 복수의 연료 전지를 포함하고. 각 전지는 x-y 평면에 실질적으로 평행하고 전기 탭을 포함하며, 상기 전기 탭은 상기 x-y 평면과 직교하는 z축 방향으로 연료 전지 스택의 측면을 따라 연장되는 탭 어레이를 형성하도록 x축 방향으로 상기 전지에서 플레이트의 에지(edge)로부터 측면으로 연장되는, 연료 전지; 및 평면 부재의 본체에서 형성되는 복수의 이격된 슬릿을 구비한 상기 평면 부재를 포함하는 커넥터 장치로서, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상의 전기 전도성 재료를 포함하는, 커넥터 장치를 포함한다. 상기 슬릿은, 상기 평면 부재의 에지를 따라 이격되고, y축 방향으로의 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성된다. 대안으로, 각 탭은 상기 플레이트의 x-y 평면으로부터의 탭에서 뒤틀림을 발생하도록 크림핑되고, 커넥터 장치는 평면 부재의 본체에서 형성되는 복수의 일반적으로 평행한 슬릿을 구비한 상기 평면 부재를 포함하고, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상에 전기 전도성 재료를 포함하고, 상기 슬릿은, 상기 평면 부재 내에서 이격되고, x축 방향으로 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성되어 각 탭은 각 슬릿의 내부면 상의 상기 전기 전도성 재료의 적어도 일부와 결합한다.

Description

연료 전지 스택용 커넥터 시스템{CONNECTOR SYSTEM FOR A FUEL CELL STACK}
본 발명은, 연료 전지 스택 내에서 복수의 개별전지로의 전기적 연결을 형성하기 위해 연료 전지 스택에서 사용되는 전기 커넥터 시스템에 관한 것이다.
종래의 전기화학 연료 전지는 연료와 산화제를 전기 에너지 및 반응 생성물로 변환한다. 전형적인 연료 전지는 양극 유동 필드 플레이트(anode flow field plate)와 음극 유동 필드 플레이트(cathode flow field plate) 사이에 제공되는 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)를 포함한다. 전형적으로, 유동 필드 플레이트는, 액체 연료 또는 산화제를 MEA의 활성 표면으로 전달하기 위해 MEA에 인접한 플레이트의 표면을 넘어 연장되는 하나 이상의 채널을 포함한다. 또한, 유동 필드 플레이트는, MEA 표면 전체에 걸쳐 MEA에 전기적 컨택을 제공하는 기능을 수행한다. 종래의 연료 전지 스택에 있어서, 상기 스택에서 한 전지의 양극 유동 필드 플레이트가 다음 전지의 음극 유동 필드 플레이트에 인접해 있는 등의 방식으로 복수의 전지가 함께 적층된다. 일부 배치구성에서, 단일 유동 필드 플레이트가 양 측면에 유체 흐름 채널을 갖도록, 바이폴라(bipolar) 유동 필드 플레이트는 사용된다. 바이폴라 플레이트의 한 측은 첫 번째 전지에 대해 양극 유동 필드으로서 역할을 하고, 바이폴라 플레이트의 다른 측은 인접한 전지에 대해 음극 유동 필드으로서 역할을 한다. 스택에서 첫 번째와 마지막 유동 필드에 형성되는 전기적 연결에 의해 상기 스택으로부터 전원을 추출할 수 있다. 전형적인 스택은 수십 또는 수백 개에 이르는 많은 전지를 포함할 수 있다.
많은 연료 전지 스택에서, 스택에서의 개별적인 전지의 전압을 모니터링할 수 있는 것은 중요하다. 그러므로, 스택에서의 많은 유동 필드에 전기적 커넥터 탭(electrical connector tab)을 제공하는 것이 필요하다. 이러한 전지 전압 모니터링 탭은, 플레이트의 평면에서 스택으로부터 외측 측면으로 연장되어, 개별적인 전기적 커넥터가 각 탭에 연결될 수 있도록 스택의 에지면(edge surface)을 따라 탭 어레이를 형성한다.
연료 전지 스택의 사이즈와 무게를 감소시켜 연료 전지 스택의 전력밀도(power density)를 증가시키기 위해, 유동 플레이트의 각 면(face)에서 필요한 채널을 형성하기 위해 물결 모양으로 형성되는 전기 전도성의 금속 또는 포일의 얇은 시트로부터 더 얇은 유동 플레이트를 형성하려는 추세에 있다. 이렇게 함으로써, 연료 전지 스택의 사이즈와 무게는 실질적으로 감소될 수 있지만, 유동 플레이트의 에지로부터 측면으로 연장되는 전지 전압 모니터링 탭을 형성하는 데에서 잠재적인 어려움이 발생한다. 지금까지 유동 플레이트의 전형적인 두께는 대략 0.6mm로 감소하였는데, 문제가 거의 발생하지 않았으며, 개별 전지 전압 모니터링 커넥터가 사용된다. 하지만, 유동 플레이트 두께를, 예를 들어, 0.1mm 아래로 더 감소하고자 한다면, 종래의 전기 커넥터에 상당한 어려움이 발생할 수 있다.
유동 플레이트의 두께의 감소는, 유동 플레이트로부터 연장되는 개별 탭이 종래의 압입 끼워맞춤 스프링 로딩형(push-fit spring loaded) 또는 마찰 결합 암형(friction-fit female) 커넥터에 의해 가해지는 필요한 압축력에 저항하는 필요한 강성 또는 구조적 무결성을 더 이상 갖고 있지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
다른 문제점은, 모든 탭이 인접한 탭과 전적으로 나란하게 정렬되고 동일하게 이격되는 완벽한 어레이를 일반적으로 형성하지 못한다는 것이다. 이것은 연료 전지 스택을 조립할 때, 정상적인 제조 및 조립 공차 때문이고, 이것은 멀티 탭 커넥터를 사용하는 것이 바람직한 경우, 탭을 정렬시키는데에 추가적인 어려움을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 인식하고 이를 2가지 가능한 방법으로 극복하고자 한다.
제 1 배치구성에 있어서, 본 발명은 연료 전지 스택 어셈블리를 제공하는데, 상기 연료 전지 스택 어셈블리는, 스택형 구성(stacked configuraton)으로 배치되는 복수의 연료 전지로서, 각 전지는 x-y 평면에 실질적으로 평행하고 전기탭을 포함하며, 상기 전기 탭은 상기 x-y 평면과 직교하는 z축 방향으로 연료 전지 스택의 측면을 따라 연장되는 탭 어레이를 형성하도록 x축 방향으로 상기 전지에서 플레이트의 에지(edge)로부터 측면으로 연장되는, 연료 전지; 및 평면 부재의 본체에서 형성되는 복수의 이격된 슬릿을 구비한 상기 평면 부재를 포함하는 커넥터 장치로서, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상에 전기 전도성 재료를 포함하는, 커넥터 장치를 포함하고, 상기 슬릿은, 상기 평면 부재의 에지를 따라 이격되고, y축 방향으로의 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성된다.
각 슬릿은 그 길이를 따라 곡선의 프로파일을 갖는다. 상기 커넥터의 슬릿 각각은 길이 방향을 따라 S자 형상의 프로파일을 가질 수 있다. 상기 커넥터의 각 슬릿은 그 깊이를 따라 곡선의 프로파일을 갖는다. 상기 슬릿은 서로 평행할 수 있다. 적어도 일부 탭은 해당 탭의 말단에 훅(hook)을 갖고, 각 훅은 y축 방향으로 연장되며 상기 평면 부재의 각 슬릿의 폐쇄단을 넘어 연장되도록 구성될 수 있다. 각 슬릿은 해당 슬릿의 개방단에 상기 평면 부재의 하나 이상의 가이드 테이퍼를 포함할 수 있다. 상기 탭 어레이는, y축 방향으로 분리되는 2열의 탭을 포함할 수 있고, 두 번째 열은 첫 번째 열로부터 z축 방향으로 오프셋되어, 상기 스택에서 첫 번째 열과 다른 세트의 플레이트에 대한 전기적 연결을 촉진할 수 있다. 상기 평면 부재는, 각 슬릿의 내부면 상의 상기 전기 전도성 재료까지 평면 표면을 가로질러 연장되는 전기 전도성 트랙(track)을 갖는 인쇄 회로 기판일 수 있다. 하나 이상의 슬릿은 탭이 상기 커넥터로부터 y축 방향으로 분리되는 것을 억제하도록 구성되는 보유 부재를 포함할 수 있다.
제 2 배치구성에 있어서, 본 발명은 연료 전지 스택 어셈블리를 제공하는데, 상기 연료 전지 스택 어셈블리는, 스택형 구성으로 배치되는 복수의 연료 전지로서, 각 전지는 x-y 평면에 실질적으로 평행하고 전기 탭을 포함하며, 상기 전기 탭은 상기 x-y 평면과 직교하는 z축 방향으로 연료 전지 스택의 측면을 따라 연장되는 탭 어레이를 형성하도록, x축 방향으로 상기 전지에서 플레이트의 에지로부터 측면으로 연장되며, 각 탭은 상기 플레이트의 x-y 평면으로부터 탭의 뒤틀림을 발생하도록 크림핑(crimping)되는, 연료 전지; 및 평면 부재의 본체에서 형성되는 복수의 이격된 슬릿을 구비한 상기 평면 부재를 포함하는 커넥터 장치로서, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상에 전기 전도성 재료를 포함하는, 커넥터 장치를 포함하고, 상기 슬릿은, 상기 평면 부재 내에서 이격되고, x축 방향으로 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성되어 각 탭은 각 슬릿의 내부면 상의 상기 전기 전도성 재료의 적어도 일부와 결합한다.
각 탭은 그 길이를 가로지르는 곡선의 프로파일을 생성하도록 크림핑될 수 있다. 상기 곡선의 프로파일은, x축을 따라 관측할 때 U자 형상의 프로파일 또는 V자 형상의 프로파일을 가질 수 있다. 상기 탭은 각각 면외(out-of-plane) 뒤틀림 양이 상기 탭의 말단에서 감소되도록 탭의 말단에서 테이퍼 형상으로 될 수 있다. 상기 탭 어레이는, y축 방향으로 분리되는 2열의 탭을 포함할 수 있고, 두 번째 열은 첫 번째 열로부터 z축 방향으로 오프셋되어, 상기 스택에서 첫 번째 열과 다른 세트의 플레이트에 대한 전기적 연결을 촉진할 수 있다. 상기 평면 부재는, 각 슬릿의 내부면 상의 상기 전기 전도성 재료까지 평면 표면을 가로질러 연장되는 전기 전도성 트랙을 갖는 인쇄 회로 기판일 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 연료 전지 스택에서 복수의 전지 전압 모니터링 탭에 연결하기 위한 전기 커넥터 장치를 제공하는데, 상기 전지 전압 모니터링 탭은 상기 연료 전지 스택의 에지로부터 측면으로 연장되고, 상기 커넥터 장치는, 평면 부재의 에지에 형성되는 복수의 이격된 슬릿을 갖는 평면 부재로서, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상의 전기 전도성 재료를 갖는, 평면 부재를 포함하고, 상기 슬릿은, 상기 평면 부재의 에지를 따라 이격되고, 상기 슬릿의 길이 방향으로 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성되며, 각 슬릿은 그 길이를 따라 곡선의 프로파일을 갖는다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 연료 전지 스택을 제공하는데, 상기 연료 전지 스택은, 스택형 구성으로 배치되는 복수의 연료 전지로서, 각 전지는 x-y 평면에 실질적으로 평행하고 전기 탭을 포함하며, 상기 전기 탭은 상기 x-y 평면과 직교하는 z축 방향으로 상기 연료 전지 스택의 측면을 따라 연장되는 탭 어레이를 형성하도록 x축 방향으로 상기 전지에서의 플레이트의 에지로부터 측면으로 연장되고, 각 탭은 해당 탭의 말단에서의 훅을 포함하며 각 훅은 y축 방향으로 연장된다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 연료 전지 스택을 제공하는데, 상기 연료 전지 스택은, 스택형 구성으로 배치되는 복수의 연료 전지로서, 각 전지는 x-y 평면에 실질적으로 평행하고 전기 탭을 포함하며, 상기 전기 탭은 상기 x-y 평면과 직교하는 z축 방향으로 상기 연료 전지 스택의 측면을 따라 연장되는 탭 어레이를 형성하도록 x축 방향으로 상기 전지에서의 플레이트의 에지로부터 측면으로 연장되며, 각 탭은 상기 플레이트의 x-y 평면으로부터 탭의 뒤틀림을 발생하도록 크림핑되는, 연료 전지를 포함한다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 예로서 설명한다.
도 1은, 각 전지의 측면으로부터 연장되는 전지 전압 모니터링용 전기 연결탭의 어레이를 갖는 연료 전지 스택의 일부분을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 어레이에서 일렬의 연결탭과 짝을 짓도록 구성되는 커넥터 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3은, 상부 커넥터 장치가 상부 열의 연결탭과 결합하도록 준비되는 위치에 위치하고 하부 커넥터 장치가 하부 열의 연결탭과 연결되는, 한 쌍의 커넥터 장치를 더 포함하는 도 1에 도시된 연료 전지 스택의 측면(side face)의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 4는, 연결탭에 연결되는 한 쌍의 커넥터 장치를 더 포함하는, 도 1과 3에 도시된 연료 전지의 측면의 일부분을 나타내는 사시도이다.
도 5는, 연료 전지 스택의 측면의 일부분의 확대 사시도로서, 연료 전지 스택에 연결되는 복수의 커넥터 장치와 연결탭으로의 슬라이딩 연결을 위해 준비되는 위치에서의 추가적인 한 쌍의 커넥터 장치를 나타낸다.
도 6은, 도 3에 도시된 연료 전지 스택의 측면의 일부분을 나타내는 측면도이다.
도 7은, 연료 전지 스택의 일부분을 나타내는 사시도로서, 각 전지의 측면으로부터 연장되는 전지 전압 모니터링용 전기 연결탭과 상기 연료 전지 스택에 연결되는 복수의 커넥터 장치를 갖는 연료 전지 스택을 나타낸다.
도 8은, 도 7의 어레이에서 일렬의 연결탭과 짝을 짓도록 구성되는 커넥터 장치를 나타내는 사시도이다.
본 명세서 전반에 걸쳐서, "상부(top)," "하부(bottom)," "왼쪽," "오른쪽," "상방(up)," "하방(down)," "전방(front)" 및 "후방(back)"과 같이 상대적인 배향과 위치를 나타내는 설명어뿐만 아니라 이것의 임의의 형용사 및 부사 파생어는 도면에서 도시되는 연료 전지 스택의 배향의 의미로 사용된다. 하지만, 이러한 설명어는 설명되거나 청구된 발명의 의도적인 용도로 제한하는 임의의 방식으로 의도되는 것은 아니다.
도 1를 참조하면, 연료 전지 스택(1)은 스택형 구성(stacked configration)으로 복수의 전지(1)를 포함한다. 각 전지(1)는, 해당 기술분야에서 공지되어 있으므로 여기서는 추가 설명을 하지 않는, 유체 유동 플레이트(fluid flow plate) 사이에 배치되는, 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly), 전극 확산기 재료 및 밀봉 개스킷(sealing gasket)을 포함한다. 각 전지(1)는 x-y 평면을 점유하는 일반적으로 평면의 구조체이다. 도 1에 도시된 바와 같이, x축은 종이의 평면 내로/ 상기 평면으로부터 연장되고, y축은 수직 방향으로 연장된다. z축은 왼쪽에서 오른쪽으로 연장된다. 하지만, 서로 직교하는 x-y-z축의 배향 중 임의의 특정 배향을 선택하는 것에 의해서 스택이 제한되지 않는다.
스택에서의 각 바이폴라(bipolar) 유동 플레이트는, 스택의 측면(side face)(3)으로부터 x축 방향으로 연장되는 전지 전압 모니터링용 전기 연결탭(2)을 포함한다. 각 탭(2)은 각 전지(1)의 에지(4)로부터, 예를 들어, 한 쌍의 개스킷 밀봉(미도시)을 통해 형성된다. 복수의 탭(2)은 어레이를 형성하고, 도시된 실시예에서, 어레이는, 탭(2)의 제 1 열(5)은 탭(2)의 제 2 열(6)로부터 y축으로 분리되는, 2차원 어레이이다. 탭(2)의 제 2 열(6)은 또한, z축 방향으로 탭(2)의 제 1 열(5)로부터 오프셋되어 있다. 이로써, 스택에서의 바이폴라 플레이트 중 교번하는 플레이트가 어레이의 각 열(5, 6)에서의 전지 전압 모니터링용 탭(2)을 걸쳐 번갈아 연결되어, z축 방향으로의 탭의 밀도가 실질적으로, 이 경우에는 반으로, 감소할 수 있게 된다.
탭(2)의 어레이에서 열(5, 6)의 수는 하나, 둘 또는 그 이상일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 탭(2)은 스택에서의 모든 전지 또는 그보다 적은 전지에 대해 제공될 수 있다. 탭(2)은, 본 예에서 설명한 바와 같이, 각 바이폴라 플레이트에 대응될 수 있거나, 별도의 음극 유동 플레이트와 양극 유동 플레이트가 스택에서 사용되면, 탭(2)는 각각의 음극 및 양극 유동 플레이트 중 하나 또는 양측에 대해 제공될 수 있다.
각 탭(2)은 바람직하게 플레이트의 통합된 부분으로서, 예를 들어, 포일 플레이트와 동시에 압착되거나 시트로부터 스템핑된다. 탭(2)은 플레이트의 하나 이상의 에지 상에서의 복수 위치에 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 탭(2)에는 탭(2)의 말단(distal end)(7)에 훅(hook)(8, 9)이 바람직하게 형성된다(말단은 플레이트의 본체로부터 멀리 떨어진 단이다). 훅(8, 9) 각각은 y축 방향, 즉, 스택의 측면(3)에 평행하게 연장된다. 훅이 모두 외측을 향하도록, 제 1 열(5)에서의 훅(8)은 바람직하게 양의 y축 방향으로 연장되고, 제 2 열(6)에서의 훅(9)은 반대 방향, 즉, 음의 y축 방향으로 연장된다. 제조 공차 때문에, 스택에서의 각 플레이트, 그러므로 어레이에서의 각 탭(2)은, 도면에 과장되어 도시된 바와 같이, 정확하게 일정한 어레이 위치로부터 약간 시프트될 수 있다. 부품의 전형적인 분산이 ±0.2mm의 위치 공차로부터 발생할 수 있다. 탭의 두께는 0.1mm 또는 그보다 더 얇아질 수 있다.
도 2를 참조하여, 탭(2)으로의 연결을 위해 컨넥터 장치(20)를 설명한다. 커넥터 장치(20)는 인쇄 회로 기판 또는 다른 적절한 일반적인 강성의 재료일 수 있는 일반적인 평면 부재(21)를 구비한다. 평면 부재(21)의 에지(22)에는 복수의 슬릿(23)이 형성된다. 슬릿(23)은 빗형상의 구조체를 형성하도록 평면 부재(21)의 두께를 통해 바람직하게 연장된다. 슬릿(23)은, 각 슬릿의 개방단(24) 측으로 점점 감소될 수 있는 폭(w)을 바람직하게 갖는다. 복수의 전도성 트랙(track)(25)이 평면 부재(21)의 표면상에 형성되는데, 전도성 트랙의 각각은 각 슬릿(23)의 내부면(inner face) 상에 전기 전도성 재료(26)가 존재하도록 각각의 슬릿 내로 연장된다.
각 슬릿은 그 길이를 따라, 즉, 평면 부재에 직교하는 축을 따라 보일 때 곡선의 프로파일(curved profile)을 갖는다. 바람직하게, 도 2에 도시된 바와 같이, 곡선의 프로파일은 슬릿(23)의 길이 방향을 따라 연장되는 대략 S자 형상으로 되어 있다. 각 슬릿은 개방단(29)과 폐쇄단(19)을 갖는다. 각 슬릿은 해당 슬릿이 개방단에서 넓어지도록 개방단(29)에서 사면(bevel), 챔퍼(chamfer) 또는 테이퍼(18)를 바람직하게 갖는다. "테이퍼"라는 표현은 비스듬히 잘라진 단(bevelled end)과 모서리가 깎인단(chamferred end) 모두를 포함하도록 의도된다. 테이퍼는 슬릿(23)의 벽 중 하나 또는 양 벽 상에 제공될 수 있다. 테이퍼(18)는 개방단(29)에서 슬릿(23)을 충분히 넓히도록 바람직하게 구성되어, 예를 들어, 0.1mm의 주어진 탭 두께에 대해, 스택의 제조 공차, 예를 들어, ±0.2mm의 탭의 변위를 고려하여 탭(2)을 슬릿(23)으로 안내한다. 그러므로, 슬릿(23)은 개방단(29)에서 수배로 넓혀질 수 있다.
또한, 각 커넥터(20)는, 종래의 리본 케이블 또는 유사 부재 상에서 발견되는 것과 같은 종래의 외부 플러그로의 연결을 위한 복수의 전기 터미널(28)을 갖는 평면 부재(21)의 표면에 장착되는 커넥터 소켓(27)을 포함한다. 전도성 트랙(25)의 각각은 전기 터미널(28)의 각각에 연결될 수 있다.
도 3을 참조하여, 커넥터 장치(20)과 탭(2)의 어레이와의 결합을 설명한다. 도 3은 2대의 커넥터 장치(20), 상부 커넥터(30) 및 하부 커넥터(31)를 나타낸다. 커넥터 장치(20)는, 상부 커넥터(30)로 표시되는, 도 3의 상단으로부터 보이는 바와 같이, 각 슬릿(23)의 개방단(29)이 탭(2)의 각각에 제공되도록, 평면 부재(21)를 연료 전지 스택의 측면(3)에 제공하도록 구성된다. 그러므로, 상부 커넥터(30)는 y축 방향, 즉, 하측으로 탭(2)과 슬라이딩 결합을 위해 준비되는 위치에 위치한다. 탭(2)이 슬릿(23) 내로 각각 슬라이딩하기 때문에 훅(8, 9)은 평면 부재(21)의 평면을 벗어나게 놓여 있게 되고, 도 4의 상부 커넥터에서 가장 명확하게 보이는 바와 같이, 커넥터(20)가 완전히 결합될 때. 적어도 일부의 훅(8, 9)은 해당 슬릿의 폐쇄단(19)에서 평면 부재(21)에 걸리도록(hook over), 평면 부재(21)의 두께(t)는 조절된다. 이렇게 하여, 커넥터가 탭으로부터 분리되는 것이 억제된다. 도 3의 하부 커넥터(31)는 탭(2)의 해당 열과 이미 결합되어 있으며, 이러한 측면을 나타낸다. 바람직하게, 슬릿(23)의 길이는 (도 1에 도시된 y축 방향으로) 각 탭의 폭보다 약간 더 길게 되어 있다.
각 슬릿(23)의 개방단(29)에서의 테이퍼(18)는, 탭이 정확하게 일정한 어레이 위치로부터 변위될 수 있음에도 불구하고, 슬릿(23)과의 쉬운 슬라이딩 결합을 위해 각각의 탭을 가이드하도록 구성된다. 엄격하게 일정한 어레이로부터의 이러한 변화는 정상적인 제조 공차의 전형적인 특징이 될 수 있다. 슬릿(23)의 폭(w)(도 2 참조)은 탭의 두께보다 더 넓게 되도록 바람직하게 선택되어, 지나친 마찰이 생기지 않고 탭과의 쉬운 슬라이딩 결합을 보장하게 되고, 이렇게 선택되지 않았다면, 이들이 얇고 강성이 낮다는 점을 고려해볼 때, 지나친 마찰에 의해 연료 전지 스택의 표면에 대항하여 탭을 평평하게 붕괴시키거나 부서트릴 가능성이 있다. 슬릿(23)의 바람직한 곡선형상이, 슬릿의 내부면 상의 전기 전도성 재료(26)와 각 탭(2) 사이의 양호한 전기적 컨택(electrical contact)을 얻도록 선택된다. 탭(2)이 부드럽게 슬릿의 곡선을 따르도록 되기 때문에, 탭(2)의 표면이 하나 이상의 영역에서 슬릿과 결합한다.
슬릿(23)의 바람직한 프로파일은 평면 부재(21)의 평면을 따라 (연료 전지 스택에 대하여 y축 방향으로) 이동하는 S자 형상의 곡선이지만, x-y 평면으로부터의 탭에서의 작은 비틀림이 발생하는 슬릿의 다른 곡선의 프로파일을 사용하여 슬릿(23)의 내부면과의 컨택을 보장한다. 예를 들어, 2번 꺾인 S자 곡선보다 단순한 대략 C자 곡선(1번 꺾임)이 사용될 수 있거나, 3번 이상 꺾인 곡선도 사용될 수 있다. 또한, 슬릿은 그 길이에 따른 프로파일에서의 "꾸불꾸불한(serpentine)"으로서 설명될 수 있다. 곡선의 프로파일은 대안적으로 또는 추가로, 평면 부재가 충분히 두껍게 형성된 경우, 평면 부재의 평면을 통해 진행되는 만곡(curvature)일 수 있고, 즉, 슬릿의 측벽이 평면 부재의 평면에 수직이 아닐 수 있다. 가장 일반적으로, 슬릿의 곡선의 프로파일은, 슬라이딩 결합 동안 탭의 붕괴를 일으키기에는 불충분하지만, 슬릿의 측벽과의 양호한 컨택을 보장하는데는 충분한 탭(2)의 작은 뒤틀림을 제공하는 것이다.
양호한 전기적 연결을 제공하는 탭의 작은 뒤틀림은 바람직하게 탄성 변형이므로 커넥터의 작동이 가역적(reversible)이고 재결합가능하다.
종래의 x축 방향보다 y축 방향으로 탭(2)과의 커넥터(20)의 슬라이딩 결합을 제공함으로써, 특히, 결합이 초기에 각 탭(2)의 말단(7)으로부터 축방향 내측보다는 각 탭(2)의 베이스(10) 근방에서 발생하기 때문에 탭의 붕괴 가능성이 실질적으로 감소한다. 슬릿(23)의 테이퍼링(tapering)(18)을 통해, 탭의 일부 측면 변위가 전술한 제조 정렬 공차를 극복하는데 요구될 때에도 임의의 슬라이딩 결합/뒤틀림 힘(any sliding engagement/distortion force)은 슬릿의 첫 번째 곡선부분에 의해 일반적으로 가해기 전에 각 탭(2)이 슬릿 내에서 적절하게 포획되는 것이 보장된다.
도 4는, 탭(2)의 상부열(5)와 하부열(6)에 각각 완전히 결합된 상부 커넥터(41)와 하부 커넥터(40)를 나타낸다.
도 5는, 복수의 커넥터(50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c)가 탭(2)의 기다란 열에 연결되는데 사용될 수 있는 것을 나타낸다. 탭(2)의 더 작은 그룹으로의 연결을 통해, 대형 연료 전지 스택의 길이를 넘어 탭 피치에 심각한 런 아웃(run-out) 관련문제를 피하는데 유리할 수 있고, 커넥터 삽입 동안에 개별 탭에 대한 손상의 위험이 감소된다. 바람직한 구성에서, 커넥터(50, 51)는, 평면 부재(21)의 측면 에지(52)가 2개의 인접한 커넥터(50a, 50b 또는 51a, 51b)가 탭에 연결될 때 완성될 "슬릿"의 절반을 형성하기 위한 형태로 만들어지도록 형성된다. 그러므로, 커넥터(51a)의 오른편 에지(53)는 슬릿(55)의 왼편 측면을 형성하고, 커넥터(51b)의 왼편 에지(54)는 슬릿(55)의 오른편 측면을 형성한다. 그러므로, 인접한 쌍의 커넥터(51a, 51b)의 두 번째가 슬라이딩 결합에 의해 탭(2)에 연결될 때, 슬릿(55)는 형성된다.
도 6은, 도 3의 사시도에서 도시된 배치구성의 측면도로서, 상부 및 하부 커넥터(30, 31), 개방단(24)에서 테이퍼(18)를 갖는, 폭(w)의 S자 형상의 슬릿(23) 및 폐쇄단(19)를 더 명확하게 나타낸다. 또한, 도 6은, "바브" 특징부("barb" featu`re)(62)가 선택된 슬릿(60, 61)에 어떻게 제공될 수 있는 지를 나타내고, 이러한 바브 특징부는 슬릿(60, 61)에서 완전히 결합되면 각 탭(63)을 포획하여 탭(2, 63) 상에 커넥터(30)의 유지(retention)를 향상시키도록 구성된다. 커넥터(31)는 바브(62) 뒤에서 따라된 탭(63)을 나타낸다. 탭(2, 63)으로부터 커넥터(30, 31)를 분리시키기 위해, 2개의 엔드 탭(end tap)은 바브로부터 리딩 에지(leading edge)가 분리되도록 수동으로 변형된다. y축 방향으로 커넥터로부터 탭이 분리되는 것을 억제하기 위해 바브(62)를 대신하여 또는 바브(62)뿐만 아니라 다른 형태의 보유 메커니즘 또는 유지 부재가 사용될 수 있다.
제조의 편의를 위해, 각 필드 플레이트(field plate)에는 일측 에지로부터 연장되는 2 이상의 탭이 형성될 수 있고, 하나 이상의 탭이 조립 동안에 각 플레이트로부터 제거되어. 플레이트 상의 남은 탭은 탭의 어레이의 적절한 열(5 또는 6)에 위치한다.
탭과 연결 부재의 대안 구성을 도 7과 8을 참조하여 설명한다. 도 7의 왼쪽 영역에서 가장 잘 도시된 본 배치구성에서는, 스택 측면(70)으로부터 생성된 각 탭(71)이 관련 플레이트의 x-y 평면으로부터의 탭에서 뒤틀림을 발생하도록 크림핑(crimping)된다. 이러한 크림프는 따로 적용될 수 있지만, 유동 플레이트와 물결 모양으로 형성되는 유동 채널의 제조 공정에서 유동 플레이트의 압착 동안에 바람직하게 적용된다. 크림프는 바람직하게는 탭의 길이(x축 방향)를 가로지르는 곡선 또는 각이 있는 프로파일을 생성하고, 더 바람직하게는 탭을 끝을 앞으로 하여 볼 때(도면에서 x축을 따라 탭을 볼 때) 대략 U자 또는 대략 V자 형상인 프로파일을 생성한다. 스택 측면(70)을 형성하는 연료 전지 스택의 다른 특징은 도 1 내지 6의 배치구성과 함께 설명될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 탭(71)은 바람직하게, 예를 들어, 정사각형이나 직사각형 형상의 말단보다는 말단에서 비스듬히 잘라지거나 깎인 모서리(bevelled or chamfered corner)를 갖는 테이퍼 형상의 말단(72)을 가진다. y-z 평면에서의 U자 형상 혹은 V자 형상으로 크림핑되는 각 탭(71)의 단을 테이퍼 형상으로 가공함으로써, 탭의 말단에서 발생하는 면외(out-of-plane)(x축 평면) 뒤틀림을 감소시켜서, 도 8를 참조하여 후술하는 바와 같이, 커넥터의 슬릿으로의 삽입에 대한 초기 저항을 감소시키는 영향을 초래한다.
각 커넥터 장치(80)는, 평면 부재의 본체에 형성되는 복수의 이격된 슬릿(82)을 갖는 일반적인 평면 부재(81)를 포함한다. 각 슬릿(82)은 슬릿의 내부면 상의 전기 전도성 재료(83)를 갖는다. 슬릿(82)은, 연료 전지 스택 상의 탭(74)의 어레이들을 일치시키도록 평면 부재 내에서 이격되고, 그럼으로써 x축으로의 슬라이딩 결합에 의해 탭을 수용하도록 구성되어, 각 탭(71)은 각 슬릿의 내부면 상의 전기 전도성 재료(83)의 적어도 일부와 결합한다.
각 탭(71)의 크림핑된 프로파일은, 슬릿(82)과 완전히 결합하여 전기 전도성 재료(83)와의 양호한 전기적 컨택을 보장하기 위해 각 탭(71)이 다소 뒤틀리거나 탄성적으로 변형되도록 y-z 평면에서의 U자 또는 V자 형상의 높이가 충분하도록 배열된다. 탭(71)의 테이퍼 형상으로 된 말단(72)을 통해, 탭(71)이 슬릿(82) 내를 저항이 거의 없거나 전혀 없이 지나갈 수 있고; 탭이 어느 정도 슬릿(82) 내로 가이드되면, 탭의 증가하는 z 프로파일이 슬릿의 벽과의 결합을 초래한다. 그때까지, 완전하게 일정한 어레이로부터 탭의 위치상의 몇몇 정렬 에러가 발생한다고 하더라도, 탭(71)은 붕괴되는 슬롯(82)에 의해 바람직하게 충분히 가이드되고 포획되거나, 탭이 구겨질 가능성이 낮다. 도 7은 결합된 위치에서의 복수의 커넥터 장치(80)를 나타낸다.
각 커넥터 장치(80)는, 종래의 리본 케이블 또는 유사 부재 상에서 발견되는 것 같은 외부 플러그로의 연결을 위한 복수의 전기적 단자(88)를 구비한 평면 부재(81)의 표면에 장착되는 커넥터 소켓(87)을 더 포함한다. 각 슬릿(82)에 위치한 전기 전도성 재료(83)는, 예를 들어, 평면 부재(81) 표면상에 형성되고 상기 표면 전체에 걸쳐 연장되는 전도성 트랙을 통해, 각 단자(88)에 전기적으로 연결된다. 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 평면 부재는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 다른 적절한 일반적인 강성의 재료일 수 있다.
바람직한 배치구성에서, 연료 전지 스택은, y축 방향으로 분리되는 2 이상의 열을 포함하는 탭(71) 어레이를 포함한다. 도 7에 도시된 예에서는, 이러한 4개의 열(73a - 73d)이 존재한다. 바람직하게, 연속 열의 각각은 z축 방향으로 다른 열의 모두로부터 오프셋되어서, 다른 열의 임의의 열보다 스택에서 플레이트의 다른 세트로의 전기적 연결을 촉진한다.
모든 실시예에서 전술한 커넥터는, 얇은 커넥터 탭의 섬세한 성질(nature)을 고려하면서 튼튼하고 내진동성을 가지고 쉽게 부착되는 자립형의 커넥터로서 특히 적합하다. 도 1 내지 6의 실시예에서, 커넥터가 탭과 연결될 때의 접근각(angle of approach)과 슬릿의 테이퍼 형상의 특성에 의해, 조립 동안에 특히 위치상 큰 공차를 갖는 탭에 특히 더 적합한 커넥터가 되고, 상대적으로 큰 피치 변화를 수용할 수 있다. 유사하게, 도 7과 8의 실시예에서의 탭의 테이퍼 형상의 성질은 조립 동안에 탭 위치에서의 큰 공차에 대한 수용을 제공하고, 상대적으로 큰 피치 변화를 수용할 수 있다.
탭의 결합을 위해 필요한 낮은 삽입력(insertion force)을 통해, 탭을 손상시키지 않고 커넥터가 쉬운 제거와 재연결에 적절하게 된다. 도 1 내지 6의 실시예에서의 탭으로의 커넥터의 측면 출입(side entry)은 커넥터가 유리하게 컴팩트하고 낮은 프로파일인 것을 의미한다. 커넥터는 사실상 쉽게 모듈 방식으로 만들어질 수 있고, PCB 평면 부재를 사용하여 커넥터를 낮은 비용으로 만들고, 다른 부품과 쉽게 통합되게 한다. 커넥터 조립은 에칭되거나 압착된 연료 전지 필드 플레이트와 분리판을 위해 이용될 수 있다.
한 번에 여러 탭에 연결되는 커넥터를 이용함으로써, 조립 에러를 감소시킬 수 있으므로 조립 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. 인접한 탭 사이의 단락 위험도 또한 감소될 수 있고, 인접한 탭의 절연이 PCB 구조에 의해 제공된다.
PCB 평면 부재에서의 슬릿은, 워터(water), 레이저 또는 다이 커팅(water, laser die cutting)과 같은 임의의 적절한 공정에 의해 형성될 수 있다. 도 1 내지 6의 배치구성의 커넥터의 바람직한 구성은 11개의 슬롯을 가지고 있지만, 전술한 바와 같이, 인접한 커넥터와의 협동에 의해 12개의 탭을 수용할 수 있다.
다른 실시예는 의도적으로 첨부한 청구범위 내에 있다.

Claims (18)

  1. 연료 전지 스택 어셈블리(fuel cell stack assembly)에 있어서,
    스택형 구성(stacked configuraton)으로 배치되는 복수의 연료 전지로서, 각 전지는 x-y 평면에 실질적으로 평행하고 전기 탭을 포함하며, 상기 전기 탭은 상기 x-y 평면과 직교하는 z축 방향으로 연료 전지 스택의 측면을 따라 연장되는 탭 어레이를 형성하도록, x축 방향으로 상기 전지에서 플레이트의 에지(edge)로부터 측면으로 연장되는, 연료 전지; 및
    평면 부재의 에지에서 형성되는 복수의 이격된 슬릿을 구비한 상기 평면 부재를 포함하는 커넥터 장치로서, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상에 전기 전도성 재료를 포함하는, 커넥터 장치
    를 포함하고,
    상기 슬릿은, 상기 평면 부재의 에지를 따라 이격되며 x축 방향으로 방해받지 않는(unobstructed) 채널을 형성하고, y축 방향으로의 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성되고, 상기 커넥터 장치의 슬릿 각각은 y축 방향을 따라 S자 형상의 프로파일을 가지는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 슬릿은 슬릿의 길이를 따라 곡선의 프로파일을 갖는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커넥터 장치의 각 슬릿은 슬릿의 깊이를 따라 곡선의 프로파일을 갖는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탭 중 적어도 일부는 해당 탭의 말단에 훅(hook)을 갖고, 각 훅은 y축 방향으로 연장되며 상기 평면 부재의 각 슬릿의 폐쇄단을 넘어 연장되도록 구성되는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 슬릿은 해당 슬릿의 개방단에 상기 평면 부재의 하나 이상의 가이드 테이퍼를 포함하는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탭 어레이는, y축 방향으로 분리되는 첫 번째 열의 탭과 두 번째 열의 탭을 포함하고, 두 번째 열은 첫 번째 열로부터 z축 방향으로 오프셋되어, 상기 스택에서 첫 번째 열과 다른 세트의 플레이트에 대한 전기적 연결을 촉진하는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면 부재는, 각 슬릿의 내부면 상의 상기 전기 전도성 재료까지 평면 부재의 표면을 가로질러 연장되는 전기 전도성 트랙(track)을 갖는 인쇄 회로 기판인, 연료 전지 스택 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수의 슬릿 중 하나 이상의 슬릿은 탭이 상기 커넥터 장치로부터 y축 방향으로 분리되는 것을 억제하도록 구성되는 보유 부재를 포함하는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿은 y축 방향으로 분리가능한 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭을 수용하도록 구성되는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    각각의 슬릿은 개방단 및 폐쇄단을 가지고, 상기 커넥터 장치의 슬릿은 상기 개방단과 폐쇄단 사이에 있는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    y축 방향을 따라 S자 형상의 프로파일을 가지는 각각의 슬릿은 상기 슬릿과 탭이 y축 방향으로 슬라이딩 결합할 때 탭을 변형시키도록 구성되어 있는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탭의 변형은 탭의 일부분을 뒤틀리게 하여, 배치하는 동안 탭이 슬릿의 내부면과 접촉하게 하는, 연료 전지 스택 어셈블리.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 연료 전지 스택에서 복수의 전지 전압 모니터링 탭(2)에 연결하기 위한 전기 커넥터 장치(20)로서, 상기 전지 전압 모니터링 탭은 상기 연료 전지 스택의 에지로부터 측면으로 연장되고,
    상기 커넥터 장치는,
    평면 부재의 에지(22)에 형성되는 복수의 이격된 슬릿(23)을 갖는 평면 부재(21)로서, 각 슬릿은 해당 슬릿의 내부면 상에 전기 전도성 재료(26)를 갖는, 평면 부재(21)
    를 포함하고,
    상기 슬릿은 슬릿의 횡방향으로 방해받지 않는 채널을 형성하고, 상기 평면 부재의 에지를 따라 이격되어, 슬릿의 길이방향으로 슬라이딩 결합에 의해 상기 탭(2)을 수용하도록 구성되며,
    각 슬릿은 자신의 길이를 따라 곡선의 프로파일을 가지고, 상기 커넥터 장치의 슬릿 각각은 자신의 길이방향을 따라 S자 형상의 프로파일을 가지는, 커넥터 장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
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