KR102275805B1 - 연료 전지용 전류 집전체 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택 어셈블리는 스택 구성으로 된 복수의 셀들을 갖는다. 각 셀은 애노드 플로우 플레이트와 캐소드 플로우 플레이트 간에서 개재된 멤브레인-전극 어셈블리를 포함한다. 상기 스택의 각 단부에 집전 플레이트가 배치되며, 압축 어셈블리가 압축 하에서 상기 스택을 유지하도록 구성된다. 상기 집전 플레이트들 중 적어도 하나는 상기 스택 내의 최외각 셀의 캐소드 플로우 플레이트 또는 애노드 플로우 플레이트에 대향하여 배치된 제 1 면부(face)를 갖는 인쇄 회로 보드로서 형성된다. 상기 제 1 면부는 상기 인쇄 회로 보드의 기판 상에 배치된 전기적으로 도전성인 층을 포함한다. 온도 센서와 같은 전기적 구성요소들이 애노드 또는 캐소드 플로우 레이트의 인접하는 면을 따라서 연장한 플로우 채널에 놓이거나 이에 인접하도록 인쇄 회로 보드 상에 탑재된다. 인쇄 회로 보드는 집전 전극 및 전기적 구성요소들로의 전기적 접속들을 위한 측방향으로 연장된 접속 탭들을 제공할 수 있다.

Description

연료 전지용 전류 집전체{A CURRENT COLLECTOR FOR A FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 스택으로 전기적으로 접속하기 위해서 연료 전지 스택에서 사용되는 전기적 커넥터 시스템들에 관한 것이다.
종래의 전기화학적 연료 전지들은 연료 및 산화제를 전기적 및 열적 에너지 및 반응 산물로 변환시킨다. 통상적인 연료 전지는 캐소드 플로우 필드 플레이트(캐소드 플로우 필드 플레이트:cathode flow field plate)와 애노드 플로우 필드 플레이트 간에 샌드위치된 MEA(멤브레인-전극 어셈블리:membrane-electrode assembly)를 포함한다. 가스 확산 층들이 각 플로우 필드 플레이트와 MEA 간에 개재되어서 연료 및 산화제를 MEA로 양호하게 분배시킬 수 있다. 가스킷들이 다양한 층들을 분리하고 필요한 시일들(seals)을 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 플로우 필드 플레이트들은 통상적으로 MEA의 활성 표면으로 유체 연료 또는 산화제의 전달을 위해서 이 플레이트의 표면에 걸쳐서 MEA에 인접하게 연장하는 하나 이상의 채널들을 포함한다.
종래의 연료 전지 스택에서, 복수의 셀들이 서로 적층되고, 이로써 일 셀의 애노드 플로우 필드 플레이트가 이 스택 내의 다음 셀의 캐소드 플로우 필드 플레이트에 인접하고, 이러한 바가 계속된다. 일부 구성들에서, 바이폴라 플로우 플레이트들이 사용되어 단일 플로우 필드 플레이트가 이 플레이트의 양 측들 내에서 유체 플로우 채널들을 갖는다. 바이폴라 플레이트의 일 측은 첫 번째 셀에 대한 애노드 플로우 플레이트 역할을 하며, 이 플로우 플레이트의 다른 측은 인접하는 셀에 대한 캐소드 플로우 플레이트 역할을 한다. 전력이 스택 내의 첫번째 플로우 플레이트 및 마지막 플로우 플레이트로 이루어진 전기적 접속부들에 의해서 스택으로부터 추출될 수 있다. 통상적인 스택은 단지 수 개 또는 수 십개 또는 심지어 수 백개들의 셀들을 포함할 수 있다. 본 발명은 이러한 다양한 연료 전지 스택 구성들 모두에 대해서 적합하다.
종래에서는, 전력은 한 쌍의 집전 플레이트들을 사용하여서 연료 전지 스택으로부터 추출되는데, 이 한 쌍의 집전 플레이트들 중 하나는 이 스택의 일 단부에 있는 최외각 애노드 플로우 플레이트에 대향하여 배치되며, 다른 하나의 집전 플레이트는 이 스택의 타 단부에서의 최외각 캐소드 플로우 플레이트에 대항하여 배치된다. 집전 플레이트는 통상적으로 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 높은 전기 전도도를 갖는 금속으로 된 강성의 플레이트로서 형성될 수 있다. 각 집전 플레이트의 탭 또는 돌출부는 스택으로부터 측방향으로 외측으로 연장되어서 예를 들어서 솔더링 또는 마찰-피팅 푸시-온 커넥터들(friction-fit push-on connectors)에 의해서 전기적 커넥터들이 이 탭에 접속될 수 있게 한다.
본 발명의 목적은 연료 전지 스택들 내에서 사용되기 적합한 집전 플레이트의 개선된 형태를 제공하는 것이다.
일 양태에 따라서, 본 발명은 연료 전지 스택 어셈블리를 제공하며, 이 연료 전지 스택 어셈블리는, 스택 구성으로 된 복수의 셀들로서,
각 셀은 애노드 플로우 플레이트와 캐소드 플로우 플레이트 간에서 개재된 멤브레인-전극 어셈블리를 포함하는, 상기 복수의 셀들;
상기 스택의 각 단부에 있는 집전 플레이트; 및
압축 하에서 상기 스택을 유지하도록 구성된 압축 어셈블리를 포함하며, 상기 집전 플레이트들 중 적어도 하나는 상기 스택 내의 최외각 셀의 캐소드 플로우 플레이트 또는 애노드 플로우 플레이트에 대향하여 배치된 제 1 면부(face)를 갖는 인쇄 회로 보드를 포함하며,
상기 제 1 면부는 상기 인쇄 회로 보드의 기판 상에 배치된 전기적으로 도전성인 층을 포함한다.
상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부는 그 상에 배치된 적어도 하나의 전자적 구성요소를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 전자적 구성요소는 센서를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 센서는 써미스터(thermistor) 또는 다른 온도 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서 구성요소는 상기 캐소드 플로우 플레이트 또는 상기 애노드 플로우 플레이트의 인접하는 면을 따라서 연장하는 플로우 채널과 정렬되도록 상기 인쇄 회로 보드 상에 위치할 수 있다. 상기 센서 구성요소는 상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부를 넘어서 상기 플로우 채널의 공간(volume) 내로 돌출되게 구성될 수 있다. 상기 인쇄 회로 보드는 상기 연료 전지 스택 어셈블리의 일 면으로부터 측방향으로 외측으로 연장된 커넥터 탭을 포함하며, 상기 전기적으로 도전성인 층이 상기 커넥터 탭 상으로 연장될 수 있다. 상기 인쇄 회로 보드는 상기 전자적 구성요소로부터 커넥터 탭으로 연장된 적어도 하나의 전기적으로 도전성인 트랙을 포함하며, 상기 커넥터 탭은 상기 연료 전지 스택 어셈블리의 일 면으로부터 측방향으로 외측으로 연장되며, 상기 커넥터 탭은 상기 전자적 구성요소로의 전기적 접속을 위한 전기적 단자를 제공할 수 있다. 상기 인쇄 회로 보드의 기판은 전기적으로 절연성인 유전체 재료로 형성될 수 있다. 상기 스택의 각 단부에 있는 상기 집전 플레이트들 각각은 상기 스택 내의 최외각 셀의 애노드 플로우 플레이트 또는 캐소드 플로우 플레이트 각각에 대향하여 배치된 제 1 면부를 갖는 인쇄 회로 보드를 포함할 수 있다. 상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부 상의 상기 전기적으로 도전성인 층은 스택 집전 전극으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 연료 전지 스택 어셈블리는 상기 제 1 면부 반대편의, 상기 인쇄 회로 보드의 제 2 면부 상에 있는 전기적으로 도전성인 트랙을 더 포함하며, 상기 전기적으로 도전성인 트랙은 상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부에 탑재된 하나 이상의 전자적 구성요소들로의 전기적 접속부로서 기능하도록 구성될 수 있다. 상기 집전 플레이트들 중 적어도 하나는 상기 스택 구성으로 된 복수의 셀들에 의해서 규정된 상기 연료 전지 스택 어셈블리의 면을 넘어서 측방향으로 연장하여서 측방향으로 연장하는 부분을 형성하며, 상기 측방향으로 연장하는 부분 상에 탑재된 적어도 하나의 전자적 구성요소를 더 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 본 발명은 위의 특징들을 갖는 연료 전지 스택 어셈블리를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들이 이제 첨부 도면들을 참조하여서 예시적으로 기술될 것이다.
도 1은 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 2는 압축 단부 플레이트가 제거되어서 내부 구성요소들이 드러난, 도 1의 연료 전지 스택의 사사도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 스택의 집전 플레이트의 사시도이다.
본 명세서에 걸쳐서, 상대적 배향 및 위치와 관련된 표현들, 예를 들어서 "상단", "하단", "수평", "수직", "좌측", "우측", "하향", "전방", "후방" 등 및 이들의 임의의 형용사 및 부사 형태들은 도면들에서 제시된 바와 같이 연료 전지 스택 어셈블리의 배향의 측면에서 사용되어서 기술된 실시예들의 이해를 돕는다. 그러나, 이러한 표현들이 연료 전지 스택 어셈블리의 의도된 사용을 임의의 방식으로 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1를 참조하면, 연료 전지 스택 어셈블리(1)는 복수의 평행 셀들(2)을 가지며, 각 셀은 애노드 플로우 플레이트(4)와 캐소드 플로우 플레이트(5) 간에 개재된 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(3)를 포함한다. 도 1에 도시된 스택 어셈블리에서, 애노드 플로우 플레이트들(4)은 각각의 MEA(3) 위에 수평으로 놓이고, 캐소드 플로우 플레이트들(5)은 각각의 MEA(3) 아래에 수평으로 놓인다.
도시된 연료 전지 스택은 캐소드가 개방되고 공기 냉각된 구성을 가지며, 이 경우에 애노드 플로우 플레이트들(4)은 금속 박층들이며, 각 박층이 MEA을 대면하는 애노드 플로우 플레이트의 표면 내에 에칭된 또는 이와 달리 형성된 플로우 채널들을 세트(도 1에서는 볼 수 없음)를 가지며, 이 플루우 채널들은 애노드 연료 가스, 예를 들어서 수소를 MEA(3)의 애노드 측으로 전달한다. 다공성 가스 확산 재료 층(도 1에서는 볼 수 없음)이 연료를 MEA 표면으로 분배하는 것을 보조하기 위해서 MEA와 애노드 플로우 플레이트 간에 위치될 수 있다. 가스킷이 MEA 및 애노드 플로우 플레이트의 외연을 둘어서 연장되어서 애노드 연료 누수를 방지하는 시일(seal)을 제공한다.
도시된 실례에서, 캐소드 플로우 플레이트(5)는 개방된 캐소트 타입이며, 파형(corrugated) 플레이트(6)로서 형성된다. 이러한 파형 구성은 그 상에 배치된 가스 확산 층 또는 MEA의 표면을 지나는 공기의 이동을 위해서 단부가 개방된 플로우 채널들(8)을 제공한다. 도 1에서 도시된 바와 같은 스택(1)의 전방 면(7)은 공기가 스택 볼륨 내에서 MEA의 캐소드 표면들로 이동할 수 있게 하는 공기 유입 면을 제공한다. 이 스택의 반대편 면(즉, 도 1에서 도시된 바와 같은 스택의 반대편)도 역시 다른 공기 유입 면을 제공할 수 있다. 이와 달리, 스택이 힘에 의해서 통기되면, 반대편 면은 전방 면(7) 내로 가압된 공기의 유출을 위한 공기 유출 면일 수 있다.
스택 어셈블리(1)의 상단에서, 애노드 집전 플레이트(9)는 스택으로부터 측방향으로 외측으로 연장된 애노드 집전 탭(10)을 포함하며 이 탭은 전기적 커넥터가 부착될 수 있는 전기적 단자를 제공할 수 있다. 스택 어셈블리(1)의 하단에서, 캐소드 집전 플레이트(11)는 스택으로부터 측방향으로 외측으로 연장된 캐소드 집전 탭(12)을 포함하며, 이 탭은 전기적 커넥터가 예를 들어서 솔더링에 의해서 부착될 수 있는 전기적 단자를 제공할 수 있다.
스택 어셈블리(1)는 한 쌍의 단부 플레이트들, 구체적으로 상단 단부 플레이트(13) 및 하단 단부 플레이트(14)에 의한 압축 하에서 배치되며, 이 상단 단부 플레이트(13) 및 하단 단부 플레이트(14)는 우측 및 좌측 단부 클립들(15 및 16)에 의해서 함께 유지된다. 이 단부 클립들(15,16)은 텐션 상태로 결합되어서 스택의 층들이 타이트하게 합축되고 이로써 모든 가스킷들이 스택 내의 셀들의 다양한 층들에 대하여 올바르게 시일을 형성할 수 있다.
스택 어셈블리(1)는 또한 일련의 전압 모니터링 탭들(17)을 포함하며, 각 전압 모니터링 탭은 애노드 플로우 플레이트들 또는 캐소드 플로우 플레이트들 각각으로부터 측방향으로 외측으로 연장된다. 도시된 실례에서, 전압 모니터링 탭들(17)은 애노드 플로우 플레이트들 의 측방향 연장부들이다. 전압 모니터링 탭들은 스택 내의 매 셀마다 제공되거나, 스택 내의 몇 개의 셀들마다 제공되며, 동작 동안에 스택에 걸쳐서 셀 전압들을 모니터링하는데 사용된다.
가스킷 배열부들(18)은 스택 내의 셀들의 단부들을 실링할 수 있으며, 또한 스택 내의 각 셀로 연료의 전달 및 분배를 위해서 스택을 통해서 수직으로 연장된 갤러리들(galleries)을 제공할 수 있다. 포트(19,20)가 상단 플레이트(13)의 각 단부 내에 제공되어서 도 2에서 볼 수 있는 분배 갤러리들로의 접근을 제공할 수 있다. 가스킷들은 대체적으로 배치된 스택 및 셀들의 특정 구성에 적합한 임의의 형태를 가질 수 있다.
도 2는 상단 단부 플레이트(13)가 제거되어서 애노드 집전 플레이트(9), 애노드 유체 분배 갤러리들(21,22)이 드러난 연료 전지 스택 어셈블리(1)를 도시하며, 여기서 애노드 유체 분배 갤러리들(21,22)은 포트들(19 및 20)을 통해서 접근된다. 스페이서 플레이트들 또는 가스킷 층들(23,24)은, 애노드 집전 플레이트(9)가 이후에 설명될 바와 같이, 스택의 좌측 및 우측으로 연장되지 않는다면, 애노드 집전 플레이트(9)의 두께와 유사한 두께로 제공될 수 있다. 이러한 가스킷 층들(23,24)의 두께는 대체적으로, 이 층들이 조립된 스택에 대해서 적절하게 압축되는 상태에서 실링 및 이격 기능을 제공하도록 올바르게 기능하도록 하게 되는, 비압축 상태의 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 캐소드 집전 플레이트(11)가 스택 어셈블리(1)로부터 분리되어서 도 1 및 도 2의 배향에 비해서 전면으로 역회전한 상태에서 도시된다. 캐소드 집전 플레이트(11)는 예를 들어서 에폭시 수지와 같은 적합한 전기 절연성 유전체 재료의 인쇄 회로 보드 기판(25) 및 직물 또는 부직포 지지부의 박층 구조로부터 제조된다. 기판(25) 상에는 예를 들어서 구리와 같은 높은 전기 전도성을 갖는 재료 층(26)이 배치되고 이 층(26)은 기판의 대부분에 걸쳐서 연장되게 패터닝된다. 이 재료 층(26)은 연료 전지 스택을 위한 집전 전극 역할을 한다. 보다 일반적으로, 이 높은 전기 전도성을 갖는 재료 층(26)은 집전 플레이트(11)용 기판(25)의 임의의 충분한 면적에 걸쳐서 연장하도록 구성되어서 인접하는 셀로부터의 적합한 집전을 제공할 수 있다. 이 높은 전기 전도성을 갖는 재료 층(26)은 전체가 또는 일부가, 일정 정도의 유연성 및 압축성을 제공하도록 대체적으로 유연성이 있거나 고무로 코팅될 수 있는 도전성 인레이 직물(conductive inlay fabric)로 형성될 수 있다.
인쇄 회로 보드 기판(25)의 표면 상의 일 선택된 위치 또는 복수의 선택된 위치에서, 하나 이상의 전기적 구성요소들(27)이 탑재되며, 이 구성 요소들(27)로 도전성 트랙(28)이 전기적으로 접속된다. 스택 집전 전극을 역할을 하는 전기적으로 도전성인 재료 층(26)의 주 필드 구역은 또한 전기적 구성요소들(27)을 위한 제 2 의 전기적 접속부로서 사용될 수 있거나, 다수의 개별 트랙들(28)이 대신에 사용될 수 있다. 다수의 구성요소들(27)이 인쇄 회로 보드(25)/캐소드 집전 플레이트(11)의 표면에 걸쳐서 배치될 수 있으며, 이들은 인접하는 플로우 플레이트(5) 또는 기판(25) 상의 임의의 다른 장소들 내의 플로우 채널들과 정렬될 수 있다. 도전성 트랙들(28)은 바람직하게는 보드(25)의 에지까지 연장되며, 이 경우에 이 트랙들(28)은 이 보드의 에지, 바람직하게는 측방향으로 연장하는 탭(30)에서 종단되거나 또는 이에 근접한다. 푸시-피팅 또는 클립핑-온(push-fit or clip-on) 전기적 커넥터가 탭에 부차될 수 있거나 스택의 조립 동안에 또는 후에 제조된 솔더 접합부에 부착될 수 있다.
구역들(31)은 예를 들어서 기판 상에 패터닝된 전기적으로 도전성인 재료 층 또는 시트(26) 내에 불연속성을 제공함으로써 열적 박리(thermal delamination)로부터의 보호를 제공할 수 있다. 이는 전기적으로 도전성인 재료 층(26) 및 그 아래의 기판(25)의 상이한 열 팽창율들을 가능하게 할 수 있다.
바람직한 구성에서, 전기적 구성요소(27)는 센서이고, 또 다른 바람직한 구성에서는, 센서는 온도를 모니터링하기 위한 써미스터(thermistor)이다. 다수의 센서들이 캐소드 집전 플레이트의 면적에 걸쳐서 분포될 수 있다. 도시된 바람직한 실례에서, 써미스터는 표면 탑재되고 인쇄 회로 보드(25)의 주 표면으로부터 상향으로 돌출하여서 공기 플로우 채널(29)(도 2 참조) 내로 부분적으로 돌출하며 이로써 캐소드 플로우 채널을 통한 공기 플로우의 온도를 정확하게 모니터링할 수 있다.
다른 타입의 센서는 연료 전지의 상태를 감지하기 위해서 유사한 방식으로 인쇄 회로 보드(25)에 탑재될 수 있다. 이러한 센서들은 온도 센서, 습도 센서, 불순물 센서 등을 포함할 수 있다. 인쇄 회로 보드 기판(25)은 보다 대체적으로 스택 구성에서 셀들 2 에 의해서 규정된 스택 어셈블리(1)의 면부(예를 들어서, 전방 면 (7))를 넘어서 측방향으로 연장하여서 측방향으로 연장하는 부분을 형성하며, (측방향으로 연장하는 탭(30) 이외에 또는 이 대신에) 이 측방향으로 연장하는 부분 상에 스택의 메인 바디 외부에 전기적 구성요소들(27)이 탑재될 수 있다. 예를 들어서, 써미스터가 메인 바디의 외측에서 주 공기 플로우 경로에 인접한 곳에서 효과적으로 동작할 수 있다.
인쇄 회로 보드(25)에 탑재된 전기적 구성요소들(27)은 이 보드의 반대 측, 즉 캐소드 집전 도전체(26)가 배치된 측에 반대되는 측 상에 배치된 전기적 트랙을 통해서 전기적으로 접속될 수도 있다. 이러한 실시예는 측방향으려 연장된 탭(30)으로의 전기적 접속이 여전히 이루어지면서도, 이 집전 도전체(26)의 보다 광범위하거나 비중단 구역을 제공할 수 있다.
캐소드 집전 탭(12) 및 센서 도전성 트랙(28)용 탭(30)은 단일 탭으로 결합될 수 있다. 센서 접속부들 및 캐소드 집전 접속부들이 이 탭의 반대편 면들 상에 배치될 수 있다.
다른 구성에서, 측방향으로 연장하는 탭들의 전부 또는 일부가 없을 수도 있다. 전기적으로 도전성인 재료 층(26)이 놓인 면의 반대편의 집전 플레이트의 면의 커넥터 영역으로의 접근을 가능하게 하는 절취부가 단부 플레이트(14) 내에 제공함으로써 집전 접속부가 집전 플레이트(11)의 메인 바디 상에 제공될 수 있다. 인쇄 회로 보드 기판(25)을 통한 전기적 접속은 종래의 전기적 비아들 등에 의해서 이루어질 수 있다. 다수의 이러한 접속부들이 제공될 수 있다.
인쇄 회로 보드(25) 상에서 스택 집전 전극 역할을 하는 전기적으로 도전성인 재료 층(26)의 주 필드 구역은 캐소드 집전체(11)의 전체 표면에 걸쳐서 연속적일 필요는 없다. 도시된 개방형 캐소드 연료 전지 스택의 예시적인 구성에서, 인쇄 회로 보드의 전기 전도도는 보드(25)가 캐소드의 파형 플레이트(6)와 물리적으로 접촉하게 될 구역들에서 중요하다. 따라서, 인쇄 회로 보드와 접촉하게 되는 파형 플레이트(6)의 각 부분과 각각이 정렬되게 전기적으로 도전성인 재료(26)의 개별 트랙을 제공할 수 있다. 이어서, 이 스택의 폭에 걸친 공통 레일이 캐소드 집전 탭(12)으로의 접속을 위해서 이러한 개별 트랙들 각각을 전기적으로 접속시킬 수 있다. 이 공통 레일은 인쇄 회로 보드의 어느 한 면 상에 제공될 수 있다.
전기적 도전성 트랙(26)을 인쇄 회로 보드와 파형 플레이트(6) 간의 접촉 영역에만 제공하는 것의 가능한 이점은 금속 트랙이 플로우 채널들 위에 형성될 필요가 없다는 것이다. 따라서, 금속 트랙은 채널들(29) 내에서 흐르는 유체들에 덜 노출되며 이로써 이러한 유체들로부터의 부식을 덜 받게 된다. 다른 구성에서, 전기적으로 도전성인 재료 층(26)의 선택된 부분들이 보호 층으로 코팅될 수 있다.
그러나, 대체적으로, 스택 집전 전극 역할을 하는 인쇄 회로 보드 상의 금속 트랙은 기판(25) 상에서 인쇄되거나 이와 달리 배치될 수 있는 임의의 적합한 전기적으로 도전성인 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직한 금속들은 최고의 전기 전도도를 갖는 금속들을 포함할 수 있지만, 다른 재료들이 인접하는 플로우 채널들 내에서의 임의의 가스 플로우들과의 반응이 저감되게 사용될 수 있다. 예시적인 재료들은 은, 금 또는 스테인레스 층들 또는 코팅들을 포함할 수 있다.
집전 플레이트로서 인쇄 회로 보드를 사용하는 것의 원리는 캐소드 집전 플레이트(11)에서만 사용되는 것이 아니라 애노드 집전 플레이트(9)에 대해서도 적용가능하다. 인쇄 회로 보드로부터 형성된 애노드 집전 플레이트(9)는 센서들을 포함할 수도 있지만 센서들을 포함할 필요가 없을 수 있다. 도시된 바와 같이, 인쇄 회로 보드 집전 플레이트(9)는 전체 스택 폭에 걸쳐서 연장될 필요가 없으며 스페이서 플레이트들(23, 24)에 의해서 경계가 정해진 부분적 층일 수 있다. 스페이서 플레이트들은 가스킷 재료일 수도 있지만, 또한 인쇄 회로 보드 기판 재료로부터 제조될 수 있지만, 그 상에 전기적으로 도전성인 트랙을 가질 필요는 없다. 인쇄 회로 보드 기판 재료는 가스킷-유사 실링 특성들, 예를 들어서 소정의 정도의 압축성 및 가스 실링 능력을 갖도록 선택될 수 있거나, 가스킷 재료가 기판 상으로 결합되게 할 수 있다. 인쇄 회로 보드는 단일 층 보드 또는 다중 층 보드를 사용하여서 제공될 수 있다.
인쇄 회로 보드 집전 플레이트(9,11)의 사용은 모듈성 및 설계 변경에 있어서 큰 이점을 제공한다. 임의의 타입의 스택 어셈블리를 위한 집전 플레이트의 요구되는 전기 전도도의 패턴들은 매우 효율적이면서 양호하게 확립된 PCB 제조 기법들을 사용하여서 용이하게 변경될 수 있으며, 애노드 또는 캐소드 플로우 플레이트들(4,5)의 상이한 구성들; 상이한 센서 위치들; 및 상이한 외부 접속부들, 예를 들어서 탭들 또는 솔더 지점들에 맞게 구성될 수 있다. 이들은 대량 제조 및 조립에 매우 적합하게 매우 비용 효과적이다. 감소된 비용을 위해서, 표준 PCB 커넥터 구성들이 사용될 수 있으며, 표준 구성요소 탑재 기법들이 사용될 수 있다. 온도 센서와 같은 센서들은 집전 플레이트들 내로 합체시키는 것은 구성요소 개수 및 제조 복잡성이 줄어든다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 기술된 어셈블리는 수 개의 셀들을 갖는 소형 규모의 연료 전지 스택들, 예를 들어서 소비자 전자 디바이스들에서 사용되는 것들에서 특히 적합하다. 그러나, 본 원리는 대형 연료 전지 스택들에도 적용될 수 있다.
집전 플레이트들로서 사용된 인쇄 회로 보드들은 강성의 기판 재료로부터 형성될 필요가 없다. 스택 설계가 허용하면 또는 집전 플레이트들에서의 일부 유연성이 예를 들어서 상단 및 하단 단부 플레이트들(13,14)에 인가된 불균일한 압축력을 흡수하기 위해서 요구되는 경우에 유연성 보드가 입수되어서 사용될 수 있다.
집전 플레이트들로서 사용된 인쇄 회로 보드들은 다양한 타입의 연료 전지 스택 구성에서 사용될 수 있으며 도면에서 도시되고 예시적인 실시예들에서 기술된 스택의 특정 구성으로만 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예들이 첨부된 청구항들의 범위 내로 의도된다.

Claims (14)

  1. 연료 전지 스택 어셈블리(1)로서,
    스택 구성으로 된 복수의 셀들(2)로서, 각 셀은 애노드 플로우 플레이트(4)와 캐소드 플로우 플레이트(5) 간에서 개재된 멤브레인-전극 어셈블리(3)를 포함하는, 상기 복수의 셀들;
    상기 스택의 각 단부에 있는 집전 플레이트(9, 11); 및
    압축 하에서 상기 스택을 유지하도록 구성된 압축 어셈블리(13, 14, 15, 16)를 포함하며,
    상기 집전 플레이트들 중 적어도 하나는 상기 스택 내의 최외각 셀의 캐소드 플로우 플레이트 또는 애노드 플로우 플레이트에 대향하여 배치된 제 1 면부(face)를 갖는 인쇄 회로 보드를 포함하며,
    상기 제 1 면부는 상기 인쇄 회로 보드의 기판(25) 상에 배치된 전기적으로 도전성인 층(26)을 포함하고,
    상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부는 센서(27)를 더 포함하고,
    상기 센서(27)는, 상기 제 1 면부로부터 상향으로 플로우 채널(29) 내에 부분적으로 돌출되면서 상기 플로우 채널(29)과 길이방향으로 정렬되도록 상기 제 1 면부 상에 위치되고, 상기 플로우 채널(29)은 상기 캐소드 플로우 플레이트(11) 또는 상기 애노드 플로우 플레이트(9)의 인접하는 면을 따라서 연장하는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서(27)는 써미스터(thermistor) 또는 상기 플로우 채널(29)을 통해 흐르는 공기의 온도를 측정하도록 구성된 다른 센서를 포함하는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플로우 채널(29)의 공간(volume) 내로 공기가 흐르는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 보드는 상기 연료 전지 스택 어셈블리의 일 면으로부터 측방향으로 외측으로 연장된 커넥터 탭(30)을 포함하며, 상기 전기적으로 도전성인 층(26)이 상기 커넥터 탭 상으로 연장되는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 보드는 상기 센서(27)로부터 커넥터 탭(30)으로 연장된 적어도 하나의 전기적으로 도전성인 트랙(28)을 포함하며,
    상기 커넥터 탭(30)은 상기 연료 전지 스택 어셈블리의 일 면으로부터 측방향으로 외측으로 연장되며,
    상기 커넥터 탭은 상기 센서로의 전기적 접속을 위한 전기적 단자를 제공하는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 보드의 기판(25)은 전기적으로 절연성인 유전체 재료로 형성되는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택의 각 단부에 있는 상기 집전 플레이트들(9, 11) 각각은 상기 스택 내의 최외각 셀의 애노드 플로우 플레이트(4) 또는 캐소드 플로우 플레이트(5) 각각에 대향하여 배치된 제 1 면부를 갖는 인쇄 회로 보드를 포함하는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부 상의 상기 전기적으로 도전성인 층(26)은 스택 집전 전극으로서 기능하도록 구성된, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 면부 반대편의, 상기 인쇄 회로 보드의 제 2 면부 상에 있는 전기적으로 도전성인 트랙(28)을 더 포함하며,
    상기 전기적으로 도전성인 트랙은 상기 인쇄 회로 보드의 상기 제 1 면부에 탑재된 하나 이상의 전자적 구성요소들로의 전기적 접속부로서 기능하도록 구성된, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전 플레이트들(9, 11) 중 적어도 하나는 상기 스택 구성으로 된 복수의 셀들에 의해서 규정된 상기 연료 전지 스택 어셈블리의 면을 넘어서 측방향으로 연장하여서 측방향으로 연장하는 부분을 형성하며,
    상기 측방향으로 연장하는 부분 상에 탑재된 적어도 하나의 전자적 구성요소를 더 포함하는, 연료 전지 스택 어셈블리(1).
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