KR20060013420A - 압력 패드 및 개선된 전달 저항을 포함하는 전해 전지 또는연료 전지 - Google Patents

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KR20060013420A
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Abstract

본 발명은 전기화학 배터리(1), 특히 다수의 전해질 전극 유닛(3), 상기 전해질 전극 유닛들(3) 중 적어도 하나를 각각 냉각하기 위한 다수의 쿨링 카드(4) 및 자신에게 인접해 있는 전기화학 배터리의 부품들 사이에 접촉압을 발생시키기 위해 상기 전해질 전극 유닛들(3)에 공급되는 매체와 무관하게 압력이 가해질 수 있는 하나 이상의 압력 챔버(6)를 포함하는 연료 전지 배터리 또는 전해 전지 배터리에 관한 것으로, 하나 이상의 압력 챔버(6)가 하나 이상의 쿨링 카드(4)에 인접하며, 적어도 부분적으로 상기 쿨링 카드(4)의 경계를 이룬다.

Description

압력 패드 및 개선된 전달 저항을 포함하는 전해 전지 또는 연료 전지{ELECTROLYTIC CELL OR FUEL CELL COMPRISING PRESSURE PADS AND AN IMPROVED TRANSFER RESISTANCE}
본 발명은 전기화학 배터리, 특히 다수의 전해질 전극 유닛(3), 상기 전해질 전극 유닛들 중 적어도 하나를 각각 냉각하기 위한 다수의 쿨링 카드(cooling card) 및 상기 전기화학 배터리의 부품들에 인접하며 상기 부품들 사이에 접촉압을 발생시키기 위해 상기 전해질 전극 유닛들의 매체 공급과 무관하게 압력이 가해질 수 있는 하나 이상의 압력 챔버를 포함하는 연료 전지 배터리 또는 전해 전지 배터리에 관한 것이다.
그러한 전기화학 전지가 예컨대 EP 0 591 800 B1으로부터 공지되어 있다.
EP 0 591 800 B1에는, 각각 애노드, 고분자 전해질막(PEM) 및 캐소드로 구성되며 서로 평행하게 배치된 2개의 전해질 전극 유닛 사이에 서로 평행하게 배치되어 중간에 공동(cavity)을 가지면서 서로 연결되는 2개의 플레이트를 포함하는 연료 전지가 공개되어 있다. 인접한 2개의 전해질 전극 유닛의 전극들과 상기 플레이트들 사이에 물 또는 산소와 같은 작동 매체를 전해질 전극 유닛들로 공급하기 위한 가스 챔버 또는 유체 챔버가 형성된다.
서로 평행하게 배치된 2개의 플레이트 사이의 공동은 한 편으로 냉각 매체의 공급 및 방출에 사용될 수 있다. 이 경우 2개의 플레이트가 2개의 전해질 전극 유닛을 냉각하기 위한 쿨링 카드를 형성한다. 상기 공동은 냉각 매체의 공급 및 방출을 위해 사용되는 대신 압력 패드를 형성하기 위해 가압되는 압력 챔버로서도 사용될 수 있으며, 상기 압력 패드는 예컨대 인접한 부품들 사이의 원활한 전류 흐름을 보증하기 위해 상기 인접한 부품들에 압력을 가함으로써 상기 두 부품 사이에 압착력을 발생시킨다. 다른 측면에서, 상기 압력 패드가 인접한 부품들의 치수에서의 허용오차에 대한 보상 부재로서 사용될 수 있다. 그러나 쿨링 카드가 압력 패드로서 사용되는 경우에는 연료 전지 블록의 냉각 작용이 저하된다.
DE 27 29 640 C3로부터 공지된, 다수의 전기화학 전지, 특히 연료 요소들로 구성된 배터리는 서로 평행하게 배치된 전해질 전극 유닛들을 포함하며, 상기 전해질 전극 유닛들 사이에는 각각 집전(current-collecting)을 위한 금속 콘택 바디가 배치된다. 상기 콘택 바디는 가압 매체의 공급을 위한 공동을 포함함으로써 전체 장치를 함께 가압하기 위한 압력 패드로 형성된다. 그로 인해 인접한 부품들 사이에 균일한 압착력이 발생할 수 있고, 그럼으로써 예컨대 상기 부품들 사이의 전류 흐름이 개선될 수 있다. 이 경우, 전해질 전극 유닛들의 냉각은 제공되지 않는다.
그밖에도 쿨링 카드는 예컨대 WO 02/50953A2로부터 일반적으로 공지되어 있다. 이 문서에 공개된 쿨링 카드는 서로의 중간에 공동을 형성하는 2개의 플레이트를 가진 복합 인쇄회로 기판으로 형성되어 있다. 상기 공동은 공급 채널 및 방출 채널을 가지며, 연료 전지가 작동하는 동안 냉각수 또는 온수가 상기 공동을 관 류한다.
본 발명의 목적은, 간단하고 컴팩트한 구조에서 전해질 전극 유닛의 원활한 냉각 및 인접한 부품들 사이의 높은 압착력이 달성되도록 도입부에 언급한 방식의 전기화학 배터리를 개선하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징들을 가진 전기화학 배터리에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속청구항들에 제시된다.
여기서 전기화학 배터리란 전해 전지들로 구성된 배터리와 같은 연료 전지 배터리를 의미한다.
본 발명에 따르면 하나 이상의 압력 챔버가 하나 이상의 쿨링 카드에 인접하고 적어도 부분적으로 상기 쿨링 카드의 경계를 이룬다. 여기서 쿨링 카드란 냉각 매체용 공동을 형성하는, 용접 또는 그와 다른 방법으로 제조된 모든 유형의 플레이트를 의미한다. 그에 대한 예로, 위 아래로 놓여 에지를 따라 서로 밀폐되도록 결합된 이중 플레이트(double plate)가 있다. 쿨링 카드는 냉각 매체를 수용 및 방출하기 위한 개구들을 포함할 수 있다. 인접 부품으로의 전달 저항을 줄이기 위해, 쿨링 카드의 표면에 부가로 접촉판 및/또는 접촉 박막이 제공될 수 있다.
따라서 본 발명은 쿨링 카드의 공동에 압력을 가함으로써 압력 패드를 형성하는 기존의 방법을 탈피한다. 그 대신 쿨링 카드는 상기 쿨링 카드의 외부에 배치되는 압력 챔버를 형성하는데 사용된다. 그럼으로써 쿨링 카드가 계속해서 냉각 매체를 공급받을 수 있고, 전해질 전극 유닛들이 냉각될 수 있게 하는 반면, 압력 챔버에 의해 인접한 부품들 사이에 압착력이 발생할 수 있다. 압력 챔버를 형성하기 위해 쿨링 카드를 사용함으로써, 배터리의 부품 종류가 적어짐에 따라 배터리가간단하고 컴팩트한 구조를 갖는다는 특징을 얻게 된다.
쿨링 카드가 전해질 전극 유닛에 직접 인접하여 상기 전해질 전극 유닛과 전기적으로 접촉되는 경우, 상기 쿨링 카드는 상기 전해질 전극 유닛의 냉각뿐만 아니라 집전(current-collecting)에도 사용된다. 전해질 전극 유닛과 접촉하는 집전 부재, 이 경우 쿨링 카드의 평면 접촉(flat contact) 외에도, 전해질 전극 유닛과 집전 부재 사이의 전달 저항 또한 중요하다. 일반적으로 압착력이 증가하면 전달 저항은 감소한다. 전해질 전극 유닛의 표면에 균일한 압착력이 제공되지 않으면, 전달 저항이 높은 영역에서부터 전달 저항이 낮은 영역까지 횡전류(cross current)가 발생한다. 카본지(carbon paper), 촉매 레이어, 카본-플라스틱 화합물과 같이 일반적으로 전도도가 낮은 재료 또는 전도도가 낮은 시이트를 통해 흐르는 횡전류에 의해 전압 강하 및 그에 따른 효율 손실이 야기된다. 이제 압력 챔버를 이용하여 전체 쿨링 카드에 균일한 압력을 가할 수 있게 됨으로써, 상기 쿨링 카드와 전해질 전극 유닛 사이에 균일한 압착력이 발생하며, 상기 전해질 전극 유닛의 표면에 횡전류가 발생하는 현상이 방지된다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면 압력 챔버가 2개의 쿨링 카드 사이에 배치되어, 적어도 부분적으로 상기 2개의 쿨링 카드의 경계를 이룬다. 전기화학 배터리 내에 전해질 전극 유닛들과 냉각판들이 교대로 적층 배치되면, 상기 적층 배열에서 2개의 쿨링 카드 사이에 놓인 전해질 전극 유닛이 제거되고 그 결과 발생한 빈 공간이 압력 챔버로서 사용되는 방식으로, 압력 챔버를 간단하게 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면, 압력 챔버가 쿨링 카드들 중 하나와 극판(pole plate) 사이에 배치되어 적어도 부분적으로 상기 쿨링 카드 및 극판의 경계를 이룬다. 여기서 극판은 집전에 사용되는, 전지 스택(cell stack)의 말단 플레이트를 의미한다. 이 경우에도 역시 압력 챔버의 형성을 위해 배터리 내에 이미 존재하는 부품들이 사용되기 때문에 배터리의 간단한 구조가 보증된다.
압력 챔버를 통해 전류가 흐를 수 있도록 하기 위해, 압력 챔버 내부에 하나 이상의 쿨링 카드에 인접하여 전류 전달부가 배치된다. 압력 챔버 내에 내부 압력을 발생시키기 위해 제공되는 매체가 전해질 전극 유닛을 구동하는 매체와 다른 경우, 2개의 쿨링 카드를 연결하기 위해 또는 1개의 쿨링 카드를 1개의 극판에 연결하기 위해 압력 챔버 내부에 배치된 도전성 부재에서 부식 작용이 일어날 가능성이 원칙적으로 배제된다.
압력이 가해지면 압력 챔버의 경계선들 사이의 거리가 변할 수 있기 때문에, 상기 전류 전달부가 거리 보상을 구현해야 한다. 이는 상기 전류 전달부가 스프링 부재로 설계됨으로써 가능해진다.
배터리를 형성하기 위해 적층된 전지 블록 내부에서는 정상적인 경우 전류가 전체적으로 통상 플레이트 형태의 개별 전지들에 수직으로 흐른다. 이 경우, 전지들간에 전달되는 전류는 손실 전력을 낮게 유지하기 위해 최단 경로를 통해 흘러야 한다. 그러므로 스프링 부재는 시이트 평면으로부터 바깥쪽으로 휘어진 다수의 스프링 텅(spring tongue)을 가진 하나 이상의 시이트를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 스프링 텅을 거쳐, 압력 챔버와 적어도 부분적으로 경계를 이루는 2개의 냉각판 사이 또는 압력 챔버와 경계를 이루는 냉각판과 극판 사이의 상대적으로 짧은 경로를 통해 전류가 흐른다.
스프링 텅이 바람직하게 인접한 쿨링 카드와 예각을 형성함으로써, 배터리 내에서 전해질 전극 유닛들의 평면 부품들의 두께에 비해 넓은 구역 이내의 거리 보상이 가능해질 뿐만 아니라, 다수의 개별 전류 경로를 통해 인접한 전해질 전극 유닛들 사이 또는 전해질 전극 유닛과 극판 사이의 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
전류 전달부로의 전달 저항을 감소시키기 위해, 하나 이상의 쿨링 카드의 압력 챔버쪽 면에 접촉판이 구비되는 것이 바람직하다.
한 바람직한 개선예에 따르면, 접촉판이 베이스층에 제공되는 도전층을 가지며, 상기 도전층의 고유 전도도는 베이스층의 고유 전도도를 능가한다. 쿨링 카드의 표면에 수집되어 또 다른 쿨링 카드 또는 극판으로 전달되는 전류는 통상 전체 면에 걸쳐서 수집되는 것이 아니라 단지 쿨링 카드의 개별 지점들 또는 영역들에 수집된다. 쿨링 카드 상의 도전층에 의해 전도도가 좋지 않은 재료들로 인한 횡전류가 최소화되고, 상기 횡전류가 전도도가 높은 재료, 즉 도전층으로 집중됨으로써 단지 미미한 전력 손실만이 발생한다.
도전층은 바람직하게 전기 코팅층 또는 박막의 형태로 베이스층 위에 적층된다. 어떠한 경우든 적어도 약간의 유연성을 갖는 베이스층과 도전층 사이에 양호한 전기 접촉이 제공된다.
도전층의 두께는, 특히 전기 코팅층으로서 형성된 경우, 바람직하게 베이스층의 두께보다 얇은데, 이 경우 도전층의 고유 전도도가 상대적으로 더 높기 때문에 상기 도전층의 절대 전도도가 베이스층의 절대 전도도보다 더 클 수 있다. 어떠한 경우든 접촉판, 특히 베이스층과 도전층이 조합된 형태의 접촉판이 인접한 쿨링 카드보다 훨씬 더 나은 전도도를 갖는다.
배터리의 전지 스택 내부에는 개별 전지들 또는 전해질 전극 유닛들의 일 부품 사이에만 압력 챔버를 배치하거나 또는 2개의 쿨링 카드 및 그들 사이에 놓인 압력 챔버로 구성된 압력 패드를 배치하면 충분하다. 일반적으로 배터리 내 전해질 전극 유닛의 수는 압력 패드의 수의 두 배 이상, 예컨대 10배이다. 그러므로 압력 패드에 의해서는 배터리의 치수가 적어도 크게 증가하지 않는다.
본 발명의 장점은 특히 전기화학 배터리의 전지 스택 내부에 기하학적 보상(geometrical compensation) 부재로서뿐만 아니라 냉각 부재로서도 사용되는 압력 패드가 제공된다는 사실에 있다. 부식이 방지된 압력 챔버 내에 배치된 스프링 부재들에 의해 인접한 전해질 전극 유닛들 사이 내지는 전해질 전극 유닛과 극판 사이의 저손실 전류 전도가 가능하다.
하기에는 도면을 참고로 본 발명의 일 실시예가 더 상세히 설명된다.
도 1은 전기화학 배터리로서 형성된 연료 전지 블록을 도시한 도면이다.
도 2는 코팅되지 않은 접촉판을 가진 쿨링 카드를 구비한 연료 전지 블록의 압력 패드를 도시한 도면이다.
도 3은 코팅된 접촉판을 가진 쿨링 카드를 구비한 압력 패드를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 쿨링 카드 및 접촉판의 각각의 실시예의 횡단면도를 도시한 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 스프링 부재의 매우 바람직한 실시예를 도시한 도면들이다.
도 1에는 연료 전지 배터리 또는 연료 전지 블록(짧게는 연료 전지 또는 연료 전지 스택이라고도 함) 형태의 전기화학 배터리(1)의 단순화된 횡단면도가 섹션별로 도시되어 있다. 배터리(1)는 제 1 극판(2), 상기 제 1 극판으로부터 평행하게 이격 배치된, 도시되지 않은 제 2 극판 및 상기 두 극판 사이에 배치된 다수의 전해질 전극 유닛(3)을 포함한다. 전해질 전극 유닛들(3) 중, 전극 유닛(ME)이라고도 불리며, 카본지, 촉매 레이어 및 연료 전지(1)의 막들을 포함하는 2개의 전해질 전극 유닛(3) 사이 및 외부에 놓인 전해질 전극 유닛들(3) 중 하나와 인접한 극판(2) 사이에 각각 하나의 쿨링 카드(4)가 배치된다. 바이폴라판으로도 사용되는 쿨링 카드들(4)은 재료 두께 및 기하학적 구조상 쉽게 변형될 수 있는 얇은 시트들로 형성되며, 인접한 부품들, 즉 상세히 도시되지 않은 가스 챔버들 및 극판들(2)을 포함하여 막 전극 유닛들(3)의 높이차에 간단하게 적응된다.
도 1에 도시된 배터리(1) 섹션에는 전해질 전극 유닛들(3) 중 하나가 스택으로부터 제거됨에 따라, 그 자리에 공동이 형성되어 있다. 임의의 매체에 의해 상기 공동에 압력이 가해짐으로써 압력 패드(5)가 형성되고, 상기 압력 패드는 압력 챔버(6) 외에도 상기 압력 챔버에 접하는 2개의 쿨링 카드(4)를 포함한다. 압력 챔버(6) 내부의 압력이 인접한 가스 챔버들 및 냉각수 챔버들 내 압력보다 크기 때문에, 상기 압력 챔버(6)는 팽창하고 인접한 챔버들은 압축된다. 단 1개의 쿨링 카드(4)를 갖는 (그러나 그 밖의 구조는 유사한) 압력 패드(5)는 극판(2)에 직접 접한다. 압력 챔버(6)와 쿨링 카드(4) 사이의 경계면은 적어도 약간의 탄력성을 갖는 접촉판(7)으로 형성된다. 압력 패드(5)의 압력 챔버(6) 내에 있는 매체의 압력이 인접한 부품들, 특히 전지라고도 표기되는 전해질 전극 유닛들(3)에 표면압을 발생시키며, 상기 표면압은 부품들이 예컨대 제조 허용오차로 인해 위치에 따라 상이한 두께를 갖는 경우에도 상기 부품의 표면에 걸쳐서 균일하게 나타난다. 따라서 특히 전해질 전극 유닛들(3)과 쿨링 카드들(4) 사이의 전달 저항이 표면에 걸쳐서 균일하게 분포된다. 또한 압력 챔버(6) 내 압력 크기의 선택이 기계적 제조 결과와 무관하게 이루어짐으로써 전달 저항이 전체적으로 낮게 조정될 가능성이 있다. 이 경우, 개별 압력 챔버(6) 내에 있는 매체는 전해질 전극 유닛들(3)을 구동하는데 사용되는 매체와 다르다.
압력 패드(5) 내에 대향 배치된, 쿨링 카드(4)의 접촉판들(7) 사이의 거리는 가변적이며, 상기 거리는 2개의 압력 패드(5) 사이에 배치된 부품들의 허용 오차, 상기 (압력에 의해 변형 가능한) 부품들의 스프링 특성 및 압력 패드(5) 내 매체에 의해 가해지는 압력의 크기에 따라 좌우된다. 쿨링 카드들(4)은 전해질 전극 유닛들(3)의 전체 면으로부터 전류를 수집한다.
기하학적으로 변하는 압력 챔버(6)를 통해 전류를 전달하기 위해, 배터리(1)에 적합한 압력 패드(5)의 제 1 실시예를 기초로 도 2에 상세하게 도시된 스프링 부재(8)가 전류 전달부로 제공된다. 스프링 부재(8)는 접촉판들(7)과 접촉하여 상기 접촉판들과 함께 각각 가변 예각(α)을 형성하는 다수의 개별 스프링 텅(9)을 갖는 시이트(9a)를 포함한다. 스프링 텅(9)과 접촉판(7) 사이의 전기적 연결은 횡단면이 거의 점형태인 접촉 지점에서 이루어진다. 따라서 평평한 전해질 전극 유닛(3) 내에 균일하게 발생하는 전류가 접촉 지점(10)에 모이게 된다. 전해질 전극 유닛들(3)로부터 쿨링 카드(4)를 통해 접촉 지점(10)으로 전류가 흐르는 모습이 점선 전류 경로(11)로 표시되어 있다. 대향 배치된 2개의 전해질 전극 유닛(3)의 각 전극(12) 사이에서, 주로 전도도가 낮은 재료(예: 카본지) 및 쿨링 카드(4)의 재료(예: 흑연, 흑연-플라스틱 화합물, 스테인레스강 및 다른 금속 재료)로 인해 야기되는 전압 손실(Uv)이 발생한다. 전압 손실(Uv)에 의해 발생하는 손실열은 연료 전지(1)의 효율 및 도달 가능한 최대 출력을 감소시킨다. 전도도가 좋은 스프링 텅(9)이 전압 손실(Uv)에 기여하는 정도는 아주 미미하다. 또한, 스프링 텅(9)에 의해 가이드되는 전류 경로(11)로 인해 압력 패드(5)의 에지를 통한 전류 전도가 전혀 불필요하거나, 또는 적어도 배타적 전류 전도가 불필요함에 따라 전류가 개별 전해질 전극 유닛들(3) 사이의 상대적으로 짧은 경로를 통해 흐름으로써 전압 손실 (Uv)이 감소된다. 스프링 텅(9)을 구비한 스프링 부재(8)는 부식 작용을 하는 연료 전지(1)의 작동 매체에 노출되지 않은 압력 챔버(6) 내부에 배치되기 때문에, 개별 전해질 전극 유닛들(3) 사이의 부품들의 전기 저항은 시간에 따라 변동하지 않는다.
접촉판(7)은 전체적으로 예컨대 금과 같이 전도도가 높은 재료로 이루어진다. 도 3에 따라, 접촉판(7)의 일부만 전도도가 높은 재료로 형성함으로써 비용을 절감할 수 있다. 이 경우, 각각의 접촉판(7)은 베이스층(13) 및 상기 베이스층 위에 적층되는, 고유 전도도 및 절대 전도도가 더 높은 도전층(14)을 포함한다. 상기 도전층(14)은 전기 코팅층, 박막 또는 쿨링 카드(4)에 인접하는 탄력 시이트의 형태로 형성될 수 있으며, 접촉판(7)이 쿨링 카드(4)에 영구적으로 결합되는 경우에 한해 상기 접촉판(7)의 쿨링 카드(4)쪽 면에만 상기 도전층(14)이 제공된다. 그렇지 않은 경우에는 접촉판(7)의 양면에 도전층(14)이 제공된다. 도전층(14)의 형태는 각각의 작동 상태에서 쿨링 카드(4)의 형태를 따르기 때문에, 쿨링 카드(4)로부터 도전층(14)으로의 평면적 전류 이동이 이루어진다. 전류는 전해질 전극 유닛(3)의 막(15)으로부터 매우 짧은 경로를 따라 상기 전해질 전극 유닛(3)의 연장부에 주로 수직으로 전극(12) 및 쿨링 카드(4)를 통해 도전층(14)으로 흐르며, 그곳에 도달해서야 비로소 전도도가 좋은 재료 내에서 전해질 전극 유닛(3)에 평행하게 분배됨으로써, 전체적으로 도 2에 따른 실시예에서보다 더 작은 전기 저항이 형성된다. 도전층(14)은, 상대적으로 전도도가 낮은 부품들의 전류 경로(11)가 짧게 유지되도록 하기 위해 쿨링 카드(4)의 표면이 구조화된 경우에도 상기 쿨링 카드의 표면 윤곽에 맞게 매칭된다. 압력 패드(5)가 극판(2)에 인접한 경우, 도전층(14)은 마찬가지로 압력 챔버(5)에 인접하는 접촉판(7)의 면 위에 배치된다.
도 3에 따른 구조에 각각 적합한, 쿨링 카드(4) 및 상기 쿨링 카드와 상호작용하는 접촉판(7)의 3가지 실시예가 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 예에서는 접촉판(7)이 각각 쿨링 카드(4)와 영구적으로 결합되는 반면, 도 4c에 따른 실시예에서는 접촉판(7)이 별도의 부품으로 제공된다.
도 4a에 도시된 쿨링 카드(4)는 접촉판(7)의 구리로 된 베이스층(13)이 전기적으로 도포된 시이트 형태의 기본 재료를 갖는다. 그 위에 금으로 된 도전층(14)이 마찬가지로 전기적으로 또는 예컨대 스퍼터링, 접착, 압접(pressure welding), 마찰 용접에 의해 도포된다.
도 4b에 따른 실시예에서는 쿨링 카드(4)가 기본 재료로서 카본 화합물을 포함한다. 여기에 접촉판(7)의 구리 베이스층(13)이 예컨대 압착되거나 접착됨으로써 영구적으로 결합된다. 도전층(14)은, 도 4a에 따른 실시예와 유사하게, 코팅층, 특히 금 코팅층으로서 전기적으로 또는 예컨대 스퍼터링, 접착, 압접 또는 마찰 용접에 의해 베이스층(13)에 도포된다.
도 4c에 도시된 실시예에서는 시이트로 이루어진 쿨링 카드(4)가 기본 재료로서 제공되며, 도 4a에 따른 실시예와 달리, 특히 금으로 된 코팅층 형태의 도전층(14)이 전기에 의해 또는 예컨대 스퍼터링, 접착, 압접 또는 마찰 용접에 의해 상기 쿨링 카드(4)에 직접 도포된다. 접촉판(7)은 쿨링 카드(4)와 결합되지 않는 부품으로서, 구리로 된 베이스층(13)에 도포되는, 바람직하게 금으로 이루어진 도전층(14)을 양면에 갖는다. 모든 실시예에서 바람직하게 스프링 텅(9)도, 도시되지 않은 방식으로, 금 코팅층으로 덮임에 따라, 쿨링 카드(4)와 접촉판(7) 사이 및 상기 접촉판과 스프링 부재(8) 사이에 작은 전기 저항이 형성된다.
도 5a 및 도 5b에는 스프링 부재로서 형성된 전류 전달부의 매우 바람직한 2가지 실시예가 도시되어 있다. 스프링 부재는 접촉 스프링 시이트(21)로서 형성되고, 시이트 평면(28)으로부터 돌출된 스프링 텅(23)을 가진 시이트(22)를 포함하며, 이때 2개의 스프링 텅(23a, 23b)은, 시이트 평면(28)에 수직 방향으로 텅의 끝부분(25)에 힘이 작용하는 상태에서 각각의 스프링 텅에 의해 시이트 평면(28) 내에 발생한 휨 모멘트(M)가 적어도 부분적으로 상호 상쇄되는 방식으로 배치 및 형성된다.
시이트 평면(28) 내에 발생한 휨 모멘트가 적어도 부분적으로 상호 상쇄됨으로써, 두 스프링 텅(23a, 23b) 사이의 연결 링크(32)의 비틀림이 전반적으로 방지됨에 따라 상기 연결 링크가 작게 유지될 수 있다. 그 결과, 시이트 평면 내에 대량의 스프링 텅이 배치될 수 있기 때문에 접촉 스프링 시이트의 접촉 횟수가 증가될 수 있고, 결과적으로 배터리를 통해 최대한 손실이 없는 전류 전도가 이루어지도록 하기 위한 경로 단축이 가능해진다. 부가로, 연결 링크가 더 작으면 접촉 스프링 시이트의 스프링 특성이 개선된다.
그와 동시에, 감소된 휨 모멘트로 인해 스프링 텅(23a, 23b)의 최하점(27a, 27b)에서의 휨 응력이 감소됨에 따라 소성 및 비가역적 변형이 방지될 수 있다. 그럼으로써 스프링 텅이 휘어질 수 있는 높이 및 접촉 스프링 시이트(21)의 스프링 트래블이 확장될 수 있다.
이를 위해 2개의 스프링 텅(23a, 23b)이 시이트 평면(28)에 수직으로 연장되는 축(24)을 기준으로 축 대칭형으로 배열되고 및/또는 축 주변에 형성된다. 바람직하게는 스프링 텅(23a, 23b)이 각각 호(arc)의 형태를 갖는다. 도 5a에 따른 실시예에서는 스프링 텅(23a, 23b)이 각각 원호의 형태, 즉 원의 일부분에 따른 호의 형태를 갖는다. 도 5b에 도시된 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면 스프링 텅(23a, 23b)이 각각 포물선의 형태를 갖는다.
2개의 부품 사이에 있는 접촉 스프링 시이트(21)가 압축되면, 스프링 텅(23a, 23b)이 접하는 부품의 표면 위로 스프링 텅(23a, 23b)의 끝부분(25)이 슬라이딩된다. 이 위치에서, 스프링 텅 자체의 날카로운 모서리 또는 접촉되는 부품 표면의 굴곡 구조로 인해 상기 스프링 텅이 달라붙어 있게 되는 것을 막기 위해, 스프링 텅의 끝부분(25)이 구부려져 있다.
바람직하게는 전류 전달부가 프레임, 특히 배터리의 전해질 부품 또는 막 부품과 동일한 외형 및/또는 외부 치수를 갖는 프레임으로 봉입된다. 이 경우, 상기 프레임은 막을 밀봉하는 밀봉 부재들 사이의 치수가 같은 비율로 조정되도록 하는데 사용될 수 있다. 전지 스택 내 전해질 전극 유닛이 프레임으로 둘러싸인 전류 전달부, 예컨대 접촉 스프링 시이트(21)로 대체됨으로써 간단하게 압력 챔버가 형성될 수 있다. 이를 위해 프레임이 바람직하게 탄성 재료로 제조될 수 있다. 인접한 부품들이 접촉면에 탄성 밀봉 부재를 갖는 경우에는 프레임이 강성일 수도 있 다. 이러한 경우, 프레임은 금속으로, 예컨대 금속 박막 형태로 제조되는 것이 바람직하다.
스프링 트래블(spring travel)을 증가시키기 위해, 스프링 부재가 시이트 양면에 시이트 평면으로부터 돌출되는 스프링 텅을 구비한 시이트를 포함할 수도 있다. 그 대안으로, 스프링 트래블을 증가시키기 위해 2개의 접촉 스프링 시이트의 시이트 면이 서로 겹쳐질 수도 있다.

Claims (24)

  1. 다수의 전해질 전극 유닛(3), 상기 전해질 전극 유닛들(3) 중 적어도 하나를 각각 냉각하기 위한 다수의 쿨링 카드(4) 및 자신에게 인접해 있는 전기화학 배터리의 부품들 사이에 접촉압을 발생시키기 위해 상기 전해질 전극 유닛들(3)에 공급되는 매체와 무관하게 압력이 가해질 수 있는 하나 이상의 압력 챔버(6)를 포함하고, 특히 연료 전지 배터리 또는 전해 전지 배터리인 전기화학 배터리(1)로서,
    상기 하나 이상의 압력 챔버(6)가 하나 이상의 쿨링 카드(4)에 인접하며, 적어도 부분적으로 상기 쿨링 카드(4)의 경계를 이루는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 챔버가 2개의 쿨링 카드(4) 사이에 배치되어, 적어도 부분적으로 상기 2개의 쿨링 카드의 경계를 이루는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 챔버가 쿨링 카드(4)들 중 하나와 극판(pole plate)(2) 사이에 배치되어 적어도 부분적으로 상기 쿨링 카드 및 상기 극판의 경계를 이루는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 챔버(6) 내부에 하나 이상의 쿨링 카드(4)에 인접하여 전류 전달부(8)가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전류 전달부가 스프링 부재(8, 21)로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스프링 부재(8, 21)는 시이트 평면(sheet plane)으로부터 바깥쪽으로 휘어진 다수의 스프링 텅(spring tongue)(9, 23)을 가진 하나 이상의 시이트(9a, 22)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 스프링 텅들(9)이 상기 쿨링 카드(4)와 예각(α)을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 2개 이상의 스프링 텅(23a, 23b)은, 상기 시이트 평면(28)에 수직 방향으로 텅의 끝부분(25)에 힘이 작용하는 상태에서 각각의 스프링 텅(23a, 23b)에 의해 시이트 평면(28) 내에 발생한 휨 모멘트(M)가 적어도 부분적으로 상호 상쇄되는 방식으로 배치 및/또는 형성되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 두 스프링 텅(23a, 23b)이 상기 시이트 평면(28)에 수직으로 연장되는 축(24)을 기준으로 축 대칭형으로 배열되고 및/또는 축 주변에 형성되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 두 스프링 텅(23a, 23b)이 각각 호(arc)의 형태, 특히 원 또는 포물선의 호 형태를 갖는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링 텅의 끝부분(25)이 둥글게 형성되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  12. 제 4항에 있어서,
    상기 전류 전달부(9, 21)가 프레임으로 봉입되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 프레임이 바람직하게 탄성을 갖는 밀봉 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 프레임이 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  15. 제 12항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임이 상기 전해질 전극 유닛들(3)과 동일한 외형 및/또는 외부 치수를 갖는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 쿨링 카드(4)의 압력 챔버(6)쪽 면에 접촉판(7)이 구비되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 접촉판(7)이 베이스층(13)에 적층되는 도전층(14)을 가지며, 상기 도전층의 고유 전도도는 상기 베이스층(13)의 고유 전도도를 능가하는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 도전층(14)의 두께는 상기 베이스층(13)의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  19. 제 16항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉판(7)의 전도도가 상기 쿨링 카드(4)의 전도도를 능가하는 것을 특 징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 도전층(14)은 압력 챔버(6)에 면하고 있는 상기 접촉판(7)의 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  21. 제 20항에 있어서,
    압력 챔버(6)로부터 다른 방향을 향해 있는 상기 접촉판(7)의 측면에 또 다른 도전층(14)이 배치되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  22. 제 17항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층(14)은 전기 코팅층으로서 또는 스퍼터링, 접착, 압접(pressure welding) 또는 마찰 용접에 의해 상기 베이스층(13) 위에 도포되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  23. 제 17항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전층(14)은 박막으로서 상기 베이스층(13) 위에 도포되는 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
  24. 제 1항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질 전극 유닛들(3)의 수가 상기 압력 챔버(6)의 수와 같거나, 적어도 2배인 것을 특징으로 하는,
    전기화학 배터리.
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