KR20140068208A - 연료 전지 적층체를 위한 전지 전압 모니터링 커넥터 시스템 - Google Patents

연료 전지 적층체를 위한 전지 전압 모니터링 커넥터 시스템 Download PDF

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해리 존 카르마진
존 프레데릭 클락
리차드 앨버트 펄트
마크 류웰린 존스
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Abstract

연료 전지 적층체에서 전지 전압을 모니터링하기 위한 전기 접속 시스템이 개시된다. 연료 전지 적층체는 복수의 층 및 복수의 전기 전도성 접속 탭을 포함하는 연료 전지 적층체로서, 전기 전도성 접속 탭은 상기 적층체의 적어도 일 면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있다. 전기 전도성 접속 탭 각각은 옆으로 연장되어 있는 가요성 시일링 가스켓의 자유 부분으로서 형성한다. 가스켓의 다른 부분은 연료 전지 적층체의 적어도 두 층 사이의 시일링 결합을 제공하도록 배치된다. 흐름 플레이트가 아닌 가스켓 재료를 사용하여 그러한 전기 접속 탭을 형성함으로써, 접속은 가요적으로 되어, 커넥터 어셈블리에 있는 표준 커넥터 열에 더욱 쉽게 연결될 수 있다.

Description

연료 전지 적층체를 위한 전지 전압 모니터링 커넥터 시스템{CELL VOLTAGE MONITORING CONNECTOR SYSTEM FOR A FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 적층체 내에 있는 다수의 개별적인 전지와의 전기적 접속을 이루기 위해 연료 전지 적층체에서 사용되는 전기 커넥터 어셈블리에 관한 것이다.
종래의 전기화학적 연료 전지는 연료화 산화제를 전기/열 에너지 및 반응 생성물로 전환시킨다. 일반적인 연료 전지는 애노드 흐름장(flow field) 플레이트와 캐소드 흐름장 플레이트 사이에 끼이는 막-전극 어셈블리(MEA)를 포함한다. 가스 확산층이 각각이 흐름장 플레이트와 MEA 사이에 배치될 수 있다. 가스켓은 다양한 층들을 분리시키고 필요한 시일을 제공하기 위해 사용된다. 흐름장 플레이트는 일반적으로 유체 연료 또는 산화제를 MEA의 작용 표면에 전달하기 위해 MEA에 인접한 플레이트의 표면 위에서 연장되어 있는 하나 이상의 채널을 포함한다.
종래의 연료 전지 적층체에서, 다수의 전지가 함께 적층되어, 한 전지의 애노드 흐름장 플레이트가 적층체 내의 옆 전지의 캐소드 흐름장 플레이트에 인접하게 된다. 어떤 구성에서, 단일의 흐름장 플레이트가 이 판의 양측에서 유체 유동 채널을 갖도록 바이폴라(bipolar) 흐름 플레이트가 사용된다. 이 바이폴라 플레이트의 일측은 제 1 전지를 위한 애노드 흐름 플레이트로서 역할하고, 바이폴라 플레이트의 다른 측은 인접한 전지를 위한 캐소드 흐름 플레이트로서 역할한다. 적층체에 있는 제 1 흐름 플레이트와 마지막 흐름 플레이트에 대해 형성된 전기적 접속에 의해 적층체로부터 전력이 추출될 수 있다. 일반적인 적층체는 수십 개 또는 심지어 수백 개의 전지를 포함할 수 있다. 본 발명은 이들 다양한 연료 전지 적층체 구성 모두에 관련된다.
많은 연료 전지 적층체에서, 적층에에 있는 개별 전지의 전압을 모니터링할 수 있는 것이 중요하다. 따라서, 적층체에 있는 흐름 플레이트 중의 많은(종종 모두) 흐름 플레이트에 전기적 접속을 제공하는 것이 중요하다. 통상적으로, 이는 적층체 내의 적어도 일부 흐름 플레이트에 전기 커넥터 탭(tab)을 제공하여 달성되었다. 이들 전지 전압 모니터링 탭은 흐름 플레이트의 가장자리에서 적층체로부터 바같으로 옆으로 연장되어 있어, 적층체의 가장자리 면을 따라 탭 어레이를 형성하게 되며, 따라서 개별 전기 커넥터들이 서로 연결될 수 있다. 각각의 흐름 플레이트로부터 연장되어 있는 전지 전압 모니터링 탭의 일 구성이 도 1 에 나타나 있다.
도 1 에 있는 연료 전지 적층체(1)는 물리적으로 병렬적인 다수의 전지(2)를 갖는데, 각각의 전지는 연료 전지 적층체의 일 면(4)으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있는 각각의 탭(3)을 갖는 애노드 흐름 플레이트를 갖는다. 탭의 패킹 밀도를 줄이거나(즉, 인접한 탭들의 분리 간격을 증가시키고) 또는 적층체에 있는 동일한 또는 다른 플레이트에 추가적인 연결점을 제공하기 위해, 탭(3)은 두 열(또는 그 이상)(5, 6)로 형성될 수 있다.
이들 금속 탭(3)은 일반적으로 당 업계에서 잘 알려져 있는 블레이드 수용부와 같은 표준 암형 전기 커넥터에 사용될 수 있다. 각 탭(3)을 위해 개별적인 블레이드 수용부를 사용하는 것이 작은 적층체 및 작은 부피의 전지를 제작하는데 실용적인데, 하지만 개별적인 수용부를 연결하는데 많은 노동력이 든다는 점을 생각하면 전지의 대량 생산에는 이상적이지 않다.
다수의 탭에 동시에 연결되는 다방향 또는 다극 커넥터를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 산업 표준 커넥터는 예컨대 0.1 인치 또는 2 mm 또는 이의 나눈 값/배수에 근거한 소정의 피치를 갖는다. 연료 전지 적층체의 탭에 연결할 때 있을 수 있는 일 문제는, 연료 전지의 간격(또는 피치)가 전술한 다양한 층상 요소들의 압축 크기에 의해 결정된다는 것인데, 이는 표준 커넥터 피치와 일치하지 않을 수 있다. 다른 문제로서, 표준 커넥터는 각각의 단자에 대해 예컨대 ±0.2 mm의 위치 정확도를 가질 수 있고 이러한 수준의 정밀도는 많은 연료 전지의 설계에서 탭 간격의 변동에 적절하지 않다.
따라서, 연료 전지 적층체에서 다방향 수용 커넥터(즉, 많은 탭과 동시에 결합하는 단일 커넥터)를 실현하는 것은 어려울 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제들 중의 일부 또는 전부를 해결하는 것이다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 복수의 층 및 복수의 전기 전도성 접속 탭을 포함하는 연료 전지 적층체를 제공하는 바, 상기 전기 전도성 접속 탭은 상기 적층체의 적어도 일 면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있으며, 상기 전기 전도성 접속 탭 각각은 옆으로 연장되어 있는 가요성 시일링 가스켓의 자유부로서 형성되며, 상기 가스켓의 다른 부분은 상기 연료 전지 적층체의 적어도 두 층 사이의 시일링 결합을 제공하도록 배치된다.
각각의 상기 가스켓은 흐름장(flow field) 플레이트에 인접하여 옆에 배치되는 매니폴드 가스켓을 포함할 수 있다. 각각의 상기 가스켓은 연료 전지의 막-전극 어셈블리와 전극 플레이트 사이에 배치될 수 있다. 각각의 가스켓은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치될 수 있다. 각각의 가스켓의 제 1 부분은 전기 절연성을 가지며, 인접 전극과 접촉하는 상기 가스켓의 제 2 부분은 전기 전도성을 가지며 또한 상기 전기 전도성 접속 탭과 전기 접촉할 수 있다. 상기 접속 탭은 상기 가스켓의 나머지 부분과 일체적으로 형성될 수 있다. 상기 가스켓은 가스켓 재료의 벌크(bulk)에 전기 전도성을 주는 재료로 형성될 수 있다. 상기 접속 탭을 포함하는 상기 가스켓의 적어도 일 부분은 그의 적어도 한 표면에 형성되는 전기 전도성 층을 가질 수 있다. 상기 접속 탭은 10 옴(ohm) ∼ 1000 옴의 저항을 가질 수 있다. 각각의 접속 탭은 연료 전지 적층체의 일 측면을 따라 적어도 하나의 접속 탭 열이 형성되도록 그 측면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있을 수 있다. 복수의 채널을 포함하는 탭 가이드를 더 포함하고, 각각의 채널 안에는 각각의 접속 탭이 수용되고, 상기 채널은 상기 접속 탭을 이 접속 탭의 근위 단부에서의 제 1 간격으로부터 접속 탭의 원위 단부에서의 제 2 간격으로 조정할 수 있다. 상기 연료 전지 적층체는, 상기 탭 가이드에 있는 접속 탭의 원위 단부에서 그 접속 탭에 결합되는 전기 커넥터 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 적층체는, 상기 접속 탭의 열에 결합되는 전기 커넥터 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 상기 접속 탭들 중의 선택된 접속 탭은 다른 접속 탭과는 상이한 전기 저항을 가질 수 있다.
이제, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명하도록 한다.
도 1 은 일 측면을 갖는 연료 전지 적층체의 사시도로, 각각의 전지에서 전지 전압 모니터링 전기 접속 탭의 열이 상기 측면으로부터 연장되어 있다.
도 2 는 연료 전지의 구성 요소들의 분해 사시도로, 흐름 플레이트, 가스켓 및 막 전극 어셈블리의 배치가 개략적으로 나타나 있다.
도 3 은 연료 전지의 구성 요소들의 분해 사시도로, 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있는 접속 탭을 갖는 메니폴드 가스켓을 포함하여, 흐름 플레이트, 가스켓 및 막 전극 어셈블리의 배치가 개략적으로 나타나 있다.
도 4 는 연료 전지의 구성 요소들의 분해 사시도로, 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있는 접속 탭을 갖는 애노드 가스켓을 포함하여, 흐름 플레이트, 가스켓 및 막 전극 어셈블리의 배치가 개략적으로 나타나 있다.
도 5 는 애노드 가스켓의 일 부분의 개략적인 평면도로, 접속 탭이 그 애노드 가스켓으로부터 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있다.
도 6 은 애노드 가스켓의 일 부분의 개략적인 평면도로, 다른 구성의 접속 탭이 그 애노드 가스켓으로부터 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있다.
도 7 은 가스켓 접속 탭에 결합되는데 적합한 전기 커넥터 어셈블리의 개략적인 단부도이다.
도 8 은 가스켓 접속 탭을 수용하여 그의 피치를 수정하는데 적합한 탭 가이드의 평면도이다.
도 9 는 가스켓 접속 탭을 리본 케이블 커넥터에 결합하기 위한 전기 접속 어셈블리의 사시도이다.
도 2 는 개방 캐소드형 연료 전지 적층체를 위한 연료 전지의 구성 요소를 명확성을 위해 분해도로 개략적으로 나타낸 것이다. 각 전지(20)는 애노드 흐름 플레이트(21), 애노드 가스켓(23), 막-전극 어셈블리(MEA)(24), 캐소드 가스켓(25) 및 캐소드 흐름 플레이트(27)를 포함한다. 애노드 가스켓(23)은 애노드 흐름 플레이트(21)와 MEA(24) 사이에 유밀한 시일을 제공하고 애노드 확산기(22) 주위에 프레임을 규정한다. 유사하게, 캐소드 가스켓(25)은 캐소드 흐름 플레이트(27)와 MEA(24) 사이에 유밀한 시일을 제공하고 캐소드 확산기(26) 주위에 프레임을 규정한다. 도 2 의 바람직한 구성에서, 캐소드 흐름 플레이트는 주름형 캐소드 분리 플레이트(27)로서 제공되고, 한 쌍의 매니폴드 가스켓(28a, 28b)이 그 플레이트의 양 단부에 제공된다.
다른 구성에서, 연료 전지는 예컨대 폐쇄형 캐소드 시스템일 수 있는데, 이러한 시스템에서 캐소드 흐름 플레이트는 표면에 채널이 연장되어 있는 평평한 플레이트일 수 있다 다른 구성에서, 캐소드 흐름 플레이트는 바이폴라 플레이트로서 인접 전지의 애노드 흐름 플레이트와 조합될 수 있다.
도 2 에 나타나 있는 연료 전지의 설계에서, 애노드 흐름 플레이트(21)는 예시적인 전기 접속 탭(15; tab)(예컨대, 전지 전압 모니터링 탭)을 포함하는데, 각각의 탭은 흐름 플레이트(21)의 일 가장자리로부터 옆으로 연장되어 있다. 이들 탭은 애노드 흐름 플레이트의 구조와 위치에 의해 결정되는 강성과 간격을 갖게 된다. 그러한 탭의 잠재적인 단점은 전술한 바와 같다.
본 발명에서, 도 2 와 관련하여 설명한 바와 같은 연료 전지에 사용되는 가스켓은 애노드, 캐소드 또는 바이폴라 전극 플레이트에 현재 제공되어 있는 탭(도 2 에 있는 애노드 흐름 플레이트(21)에 제공되어 있는 탭(15)으로 예시되어 있음) 대신에 가스켓에 있는 탭 전기 커넥터를 제공하도록 변형될 수 있음을 인식했다.
도 3 은 도 2 의 연료 전지와 유사하지만 변형된 매니폴드 가스켓(30)을 갖는 연료 전지(32)를 개략적으로 나타내는데, 그 변형된 매니폴드 가스켓(30)은 이 매니폴드 가스켓에 또는 그의 일체적인 부분으로서 형성되어 있는 전기 접속 탭(35)(예컨대, 전지 전압 모니터링 탭)을 포함한다. 가스켓(30)은, 옆 전지(도 3 에는 미도시)로부터 캐소드 분리 플레이트(27), 인접한 캐소드 가스켓(25) 및 인접한 애노드 플레이트에 대해 유밀한 시일을 제공하는데 적합한 탄성중합체 또는 다른 압축가능한 가요성 재료를 포함한다. 가스켓(30)은, 인접 요소에 대한 적절한 유체 시일을 유지하면서, 인접 요소의 어떠한 작은 두께 변화라도 흡수하도록 또한 연료 전지 적층체 어셈블리에서의 어떠한 왜곡이라도 흡수하도록 충분한 압축성을 가져야 한다. 가스켓(30)은 또한 적층체의 깊이를 관통해 연장되어 있는 갤러리에서 유체 유동이 가능하도록 해주는 구멍(미도시)을 가질 수 있다.
가스켓(30) 및 전기 접속 탭(35)은 전기 전도성 재료로 형성되고, 접속 탭(35)은 다수의 전지들이 적층체로 구성될 때 연료 전지 적층체의 일 면으로부터 바깥쪽으로 연장되도록 연료 전지의 일반적으로 직사각형인 주 둘레를 넘어 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있다. 따라서, 접속 탭(35)의 길이(L)는, 그 접속 탭이 인접 애노드 흐름 플레이트(21)의 둘레를 넘어(또한 MEA(24), 다른 흐름 플레이트 및 가스켓의 둘레를 넘어) 연장되도록 충분히 길다.
일반적으로, 가스켓(30)은, 전지가 연료 전지 적층체에 결합될 때 접속 탭이 가요성 시일링 가스켓의 옆으로 연장된 자유 부분을 제공하도록 연료 전지(32)의 둘레를 넘어 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있는 전기 전도성 접속 탭(35)을 포함한다. 가스켓의 다른 부분은 연료 전지 적층체의 층들 사이에 시일링 결합을 제공하도록 배치된다. 접속 탭(35)에 있어서 가스켓(30)의 주 몸체에 바로 인접한 부분을 이하 "근위 단부"라고 할 것이며, 접속 탭(35)에 있어서 가스켓(30)의 주 몸체로부터 가장 멀리 있는 부분을 이하 "원위 단부"라고 할 것이다. 가스켓의 "탭" 또는 " 자유부"는, 가스켓이 커넥터 어셈블리 안으로 수용될 수 있도록 결합되는 연료 전지 적층체의 면으로부터 돌출되는데 적합한 가스켓 둘레 가장자리의 일반적인 라인으로부터의 어떤 형태의 돌출부도 포함하는 것이다.
접속 탭(35)은 바람직하게는 적절한 재료의 판으로부터 필요한 가스켓 형상을 스탬핑(stamping)하여 가스켓의 다른 부분과 함께 만들어진다. 다시 말해, 접속 탭(35)은 바람직하게는 가스켓과 일체적으로 형성된다. 따라서, 이 경우, 탭 두께는 가스켓 판의 두께와 같을 것이다. 접속 탭 폭(W)은 후술하는 바와 같이 접속 목적 또는 전도 목적에 필요한 적절한 폭으로 될 수 있다.
나타나 있는 실시예에서, 전체 가스켓(30) 및 탭(35)은 전기 전도성 재료로 형성될 수 있다. 이는, 인접 요소(인접 전지의 캐소드 분리 플레이트(27) 및 애노드 흐름 플레이트(21))가 전기적 연속성을 가지며 다른 인접 요소(캐소드 가스켓(25))는 전기 절연성을 가질 수 있기 때문이다. 따라서, 가스켓(30) 전체를 전기 전도적으로 만드는 것은 문제가 없다. 그러므로, 탭(35)은 연료 전지의 필요한 전기 전도성 부분과 전기적 연속성을 갖게 된다. 가스켓(30) 및 특히 그 가스켓(30)의 접속 탭 부분(35)은 탭이 전지 전압 모니터링 탭으로서 기능할 수 있도록 충분한 전기 전도성을 가져야 한다.
전체 가스켓(30)은, 전기 전도성 재료로 처리된 탄성중합체와 같은 전기 전도성 압축성 재료로 형성될 수 있다. 전기 전도성 재료는 가스켓이 그의 벌크(bulk) 전체에 걸쳐 전기 전도적이 되도록 가스켓 재료 전체에 걸쳐 분포되어 있을 수 있다. 전기 전도성 재료는, 가스켓 재료의 일 표면만 또는 양 표면이 전기 전도적으로 되도록 가스켓 상에 필름 또는 표면층으로서 배치될 수 있다. 원칙적으로는, 인접 전지의 애노드 흐름 플레이트(21)와 대면하는 표면 또는 분리 플레이트(27)와 접촉하는 표면이 전기 전도성을 가지면 될 것이다.
전술한 바와 같은 접속 탭은 도 3 에 나타나 있는 실시예와 다른 가스켓에 제공될 수도 있다. 도 4 는 변형된 애노드 가스켓(43)을 나타내는데, 전지 전압 모니터링 탭(45)이 애노드 가스켓(43)에 형성되어 있다. 애노드 가스켓(43)은 애노드 흐름 플레이트(21)와 인접 MEA(23)에 대해 유밀한 시일을 제공하는데 적합한 탄성중합체 또는 다른 압축가능한 가요성 재료를 포함한다. 도 5 에 보다 자세히 나타나 있는 바와 같이, 탭 달린 애노드 가스켓(43)은 애노드 확산기(22)가 수용될 수 있는 중앙 구멍(41) 주위에서 프레임(40)을 갖는다. 가스켓(43)은, 애노드 연료를 수용하기 위해 적절한 유체 시일을 유지하면서, 인접 요소의 어떠한 작은 두께 변화라도 흡수하도록 또한 연료 전지 적층체 어셈블리에서의 어떠한 왜곡이라도 흡수하도록 충분한 압축성을 가져야 한다. 가스켓(43)은 또한 적층체의 깊이를 관통해 연장되어 있는 갤러리에서 유체 유동이 가능하도록 해주는 구멍(미도시)을 가질 수 있다.
가스켓(43) 및 전기 접속 탭(35)은 전기 전도성 재료로 형성되고, 접속 탭(45)은 가스켓(43)의 일반적으로 직사각형인 주 둘레를 넘어 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있다. 접속 탭(35)의 길이(L)는, 그 접속 탭이 인접 애노드 흐름 플레이트(21)의 둘레를 넘어(또한 MEA(24)의 둘레를 넘어) 연장되도록 충분히 길다. 그러므로, 가스켓(43)이 애노드 흐름 플레이트(21)와 경계선을 같이 하는(적어도 나타나 있는 바와 같은 가스켓 가장자리(42)에서) 외측 둘레를 가지면 접속 탭의 길이(L)는 이하에 예시되는 다양한 기술 중의 하나를 사용하여 전기 접속을 이루는데 충분히 길기만 하면 됨을 이해할 것이다. 가스켓(43) 영역이 애노드 흐름 플레이트(21) 보다 다소 작으면(즉, 가스켓의 가장자리(42)가 흐름 플레이트(21)에 비해 다소 후퇴되어 있도록), 길이(L)는 전지(20)가 일 부분을 형성하는 연료 전지 적층체의 면으로부터 연장되기에 충분해야 한다.
일반적으로, 가스켓(43)은, 전지가 연료 전지 적층체에 결합될 때 접속 탭이 가요성 시일링 가스켓의 옆으로 연장된 자유 부분을 제공하도록 애노드 플레이트(21)의 둘레를 넘어 바깥쪽으로 옆으로 연장되어 있는 전기 전도성 접속 탭(45)을 포함한다. 가스켓의 다른 부분은 연료 전지 적층체의 다른 층들 사이의 시일링 결합을 제공하도록 배치된다. 상기 탭의 다른 점들은 도 3 과 관련하여 설명한 바와 정확히 같을 수 있다.
접속 탭(45)은 바람직하게는 적절한 재료의 판으로부터 필요한 가스켓 형상을 스탬핑하여 가스켓의 다른 부분(예컨대, 중앙 개구(41))과 함께 만들어진다. 다시 말해, 접속 탭(45)은 바람직하게는 가스켓과 일체적으로 형성된다. 따라서, 이 경우, 탭 두께는 가스켓 판의 두께와 같을 것이다. 접속 탭 폭(W)은 후술하는 바와 같이 접속 목적 또는 전도 목적에 필요한 적절한 폭으로 될 수 있다.
접속 탭의 다른 구성, 예컨대 도 6 의 가스켓(44)에 나타나 있는 바와 같은 직각 굽힘 탭(46)이 사용될 수 있다. 가스켓(44)의 다른 점들은 도 5 또는 도 3 과 관련하여 이미 설명한 것에 대응한다.
대안적으로 접속 탭(35, 45, 46)은 미리 형성된 가스켓에 부착될 수 있다.
전술한 바와 같이, 가스켓(30, 43, 44)의 접속 탭(35, 45, 46)은 연료 전지 모니터링 탭으로서 기능할 수 있게 충분한 전기 전도성을 갖는 재료를 포함해야 한다. 탭은 전지로부터 전류 경로를 제공하도록, 적어도 가스켓에 있어서 연료 전지의 전기 전도성 부분과 접촉하는 부분과 전기적 연속성을 가져야 한다. 도 4 ∼ 6 의 실시예에서, 연료 전지의 이 전기 전도성 부분은 애노드 플레이트(21)가 될 수 있다.
전체 가스켓은, 가스켓 재료 전체에 걸쳐 분포되는 전기 전도성 압축성 재료로 형성될 수 있으며 또는 그 전기 전도성 재료는 예컨대 애노드 플레이트(21)에 인접하는 가스켓의 하측 표면에 필름 또는 표면층으로서 배치될 수 있다. 원칙적으로는, 적어도 탭의 일 표면 뿐만 아니라, 애노드 흐름 플레이트(21) 또는 캐소드 흐름 플레이트 또는 바이폴라 흐름 플레이트와 접촉하는 표면이 전기 전도성을 갖기만 하면 될 것이다.
전체 가스켓이 전기 전도성 재료로 형성되는 경우, 흐름 플레이트 주위 또는 MEA 주위에 전기가 흐르지 않도록 주의를 해야 한다. 가스켓이 전기 절연성 재료로 형성되면, 원치 않는 전류 경로가 생길 위험이 최소화될 수 있다. 가스켓 재료의 일 면(예컨대, 적절한 흐름 플레이트 쪽을 향하는 면)만 전기 전도성을 가지면, 원치 않는 전류 경로가 생길 위험 또한 최소화될 수 있다.
다른 구성에서, 일반적으로 가스켓(35, 43, 44)에 있어서 전기 전도성인 영역을 줄이거나 최소화는 것이 바람직할 수 있다. 이 실시예에서, 일반적으로, 도 6 의 가스켓(44)에서, 그 가스켓은 제 1 부분(47)과 제 2 부분(48)으로 분할되어 있다. 제 1 부분(47)은 전기 절연성을 가질 수 있고 제 2 부분(48)은 전기 전도성을 가질 수 있다. 제 2 부분은 접속 탭(46)과 전기적으로 연통한다. 이렇게 해서, 제 2 부분(48)은 예컨대 애노드 흐름 플레이트(21)에의 전기적 접속을 제공하고 또한 접속 탭(46)으로 가는 전기 전도성 경로를 제공하게 된다. 제 2 부분(48)은, 가스켓의 벌크에 또는 한 표면만 또는 양 표면에서 전도성 부분을 국부적으로 형성하기 위해 가스켓 재료를 적절한 전기 전도성 재료로 처리하여 형성될 수 있다.
제 1 부분(47) 및 제 2 부분(48)은 도 6 의 실시 형태와 관련하여 나타나 있지만, 그 제 1 및 2 부분은 일반적으로 예컨대 도 3, 4 및 5 에 나타나 있는 것과 관련하여 설명한 가스켓의 다른 형태에도 적용될 수 있다.
접속 탭(35, 45, 46) 및 가스켓의 전도성 부분은, 탭(35, 45, 46)의 단부에서 전압을 샘플링할 때 손실과 측정 에러를 최소화기 위해 바람직하게는 높은 전도성을 갖는다. 그러나, 접속 탭은 가요적이므로, 예컨대 접속 탭(35, 45, 46)에 연결되는 전기 접속 어셈블리가 전지 적층체의 작동 중에 그 전지 적층체로부터 제거되면 두 가스켓 접촉 탭이 전지의 작동 중에 함께 단락되는 위험이 증가될 수 있다. 이러한 전기적 단락으로 인해, 전지를 손상시킬 수 있는 전류가 흐를 수 있다. 따라서, 대안적인 구성에서는, 제 2 부분(48) 및/또는 접속 탭(35, 45, 46)을 형성하는 가스켓 재료의 저항은, 탭들 사이에 단락이 일어난 경우 전지 손상을 방지하거나 억제하는 저항을 접속 탭이 갖도록 정해질 수 있다. 접속 탭 저항의 바람직한 범위는 10 ∼ 1000 옴(ohm)이다.
저항이 너무 높으면, 측정이 부정확할 수 있다. 따라서, 바람직하게는 전지 전압 측정이 허용가능하게 정확하도록 상한 저항값이 선택되고, 하한 저항값은 단락 발생의 경우에 전지 손상을 방지하도록 선택된다. 정확한 저항값은 전지 전압을 모니터링하는데 사용되는 회로에 달려 있다.
적층체에 있는 모든 접속 탭이 동일한 저항을 가질 필요는 없다. 일부 접속 탭은 낮은 측정 에러를 위해 더 낮은 저항을 갖도록 만들고, 중간의 다른 접속 탭은 단락 방지를 위해 더 높은 저항을 갖도록 만드는 것이 바람직할 수 있다. 낮은 저항의 탭은, 적절한 위치에 가스켓(30, 43, 44)의 표면에 금속 코팅을 제공하여 형성될 수 있다. 어떤 회로는 선택된 전지에서 적층체로부터 낮은 레벨의 전력을 끌어오게 되며, 이들 특정한 접속 탭은 낮은 저항을 이점을 얻을 수 있다. 어떤 수의 접속 탭도 제공될 수 있는데, 예컨대 전지 마다 하나 이상의 접속 탭이 제공되거나 n(1 보다 큰 정수) 개의 전지 마다 하나 이상의 접속 탭이 제공될 수 있다.
접속 탭(35, 45, 46)은 연료 전지 적층체의 하나 이상의 가장자리에서 여러 위치에 형성될 수 있다. 연료 전지 적층체는, 도 1 에 있는 애노드 흐름 플레이트 탭에 대해 나타나 있는 패턴과 유사하게, 적층체의 일 면에서 두 열 이상의 접속 탭(35, 45, 46)을 형성하도록 2 종류의 가스켓을 사용하여 구성될 수 있다. 각 열의 접속 탭은 전지를 하나씩 걸러 떨어져 있을 수 있는데, 그래서 인접한 전지들 간의 간격 보다 큰 간격으로 구성되며, 모든 전지에 대한 접속이 용이하도록 두 열은 하나의 전지에 의해 오프셋되어 있다.
도 7, 8 및 9 를 참조하여, 가스켓 접속 탭에 연결되는 적합한 전기 커넥터 어셈블리의 다양한 실시예를 설명한다. 바람직한 일 목적은, 접속 탭이 표준 크기의 커넥터에 접속될 수 있도록 접속 탭을 미리 정해진 규칙적인 간격에 맞게(또는 휘어지게) 하는 것이다.
제 1 구성에서, 각각의 접속 탭은 일정한 피치의 커넥터 어셈블리에 있는 각각의 요소에 접속된다. 이는 도 7a 에 나타나 있는 바와 같이 각각의 연속된 접속 탭을 직렬 클립의 각각의 요소(52) 안으로 순차적으로 끼움으로써 달성될 수 있다. 각각의 클립 요소(52)는 도브테일(dovetail) 채널(53) 안에 위치되어 클립 어셈블리(50)를 형성하게 된다. 대안적으로, 이는 도 7b 에 나타나 있는 바와 같이 적층체에서 서로 결합하여 클립 어셈블리(51)를 형성하는 각각의 자웅동체형 클립 요소(55) 안으로 각각의 연속된 접속 탭을 순차적으로 끼움으로써 달성될 수 있다. 가스켓 접속 탭이 가요적이다 라는 말은, 가스켓(30, 43, 44)과 클립 요소(52 또는 55) 사이의 간격 또는 피치의 차이가, 단일의 커넥터 어셈블리를 위한 상당한 수의 전지(예컨대, 12 개의 전지)에 걸쳐 가스켓 접속 탭의 가요성으로 인해 흡수될 수 있음을 의미한다.
도 8 에 나타나 있는 대안적인 구성에서, 가스켓 접속 탭들 사이의 간격 또는 피치를, 접속 탭이 적층체 면(4)으로부터 나오게 되는 근위 단부에서의 제 1 간격으로부터 원위 단부에서의 제 2 간격으로 조정하기 위해 탭 가이드(60)가 사용된다. 도 8 에 나타나 있는 바와 같이, 탭 가이드(60)는 제 1 가장자리(62)에서 제 2 가장자리(63)까지 이르는 한 세트의 채널(61)을 포함한다. 채널(61)의 피치와 간격은 제 1 가장리(62)에서부터 제 2 가장자리(63)로 가면서 변한다. 각각의 연속된 가스켓 접속 탭은 연속된 채널(61) 안으로 끼워져, 탭이 제 1 피치에서 제 2 피치로 안내된다. 일 실시예에서, 제 1 가장자리(62)는 탭이 연료 전지 적층체(1)의 측면(4)으로부터 나오는 지점에 대해 가까이 있고 제 2 가장자리(63)는 탭이 연료 전지 적층체(1)의 측면(4)으로부터 나오는 지점에 대해 멀리 있다. 이러한 경우, 탭 가이드는 탭의 피치를 제 1 값에서부터 제 2 값으로 줄여 준다. 일 실시예에서, 제 1 가장자리(62)에 있는 근위 단부에서의 탭의 피치는 2.3 ∼ 2.6 mm의 전지 피치에 대응하고, 제 2 가장자리(63)에 있는 원위 단부에서의 탭의 피치는 2 mm의 표준 커넥터 피치에 대응한다. 일반적인 실시예에서, 11개의 전지를 모니터링하기 위해 12개의 접속 탭이 커넥터 어셈블리에 수용될 수 있는데, 물론 이러한 갯수와 치수는 완전히 예시적인 것이다. 탭 가이드(60)는 "팬 인(fan in)"(즉, 탭 간격 감소) 또는 "팬 아웃(fan out)"(즉, 탭 간격 증가)하는데 사용될 수 있다.
바람직한 구성에서, 탭 가이드(60)는 채널(61)이 위쪽으로 향한 상태에서 적층체의 면(4)을 따라 납작하게 놓이게 된다. 제 1 가장자리(62)는 가스켓 접속 탭이 적층체 면(4)에서 나오는 지점과 정렬된다. 각각의 가스켓 접속 탭은 적층체의 면(4)에 평행하게 각각의 채널(61) 안으로 들어가도록 90도로 굽혀진다. 이를 더 쉽게 하기 위해 채널(61)은 제 1 가장자리(62)에서 벌어져 있을 수 있다. 도 9 를 참조하면, 제 2 가장자리(63)에서 또는 그 근처에서 가스켓 접속 탭과의 접촉을 이루기 위해, 납작한 가요성 케이블(71)이 사용되고, 그 케이블(71)을 가스켓 접속 탭에 누르기 위해 클램프(72)가 사용된다. 이 클램프(72)는 나타나 있는 바와 같이 스크류 클램프일 수 있고 또는 토글 클램프나 캠식 클램프와 같은 다른 적절한 클램프일 수 있다. 이렇게 해서 커넥터 어셈블리(70)가 형성된다.
전술한 실시 형태에 대해 많은 변형예가 가능하다. 가스켓 접속 탭은 애노드 가스켓(23) 및 캐소드 가스켓(25) 또는 매니폴드 가스켓(28a, 28b)을 포함하여 각각의 모든 가스켓에 형성될 수 있고, 또는 애노드 가스켓 및/또는 캐소드 가스켓 및/또는 매니폴드 가스켓 중 선택된 가스켓에만 형성될 수 있다. 접속 탭은 가스켓의 적절한 가장자리로부터 나올 수 있으며, 접속 형성에 있어서 최대한의 유연성이 얻어지도록 다수의 가장자리에 형성될 수 있다. 연료 전지 적층의 조립시 원치 않은 가스켓 탭은 가스켓에서 잘라 낼 수 있다.
가스켓 재료의 벌크 또는 표면 전도성 및 그 가스켓 재료의 두께를 고려하여, 가스켓 접속 탭(35, 45, 46)은 탭을 따른 적절한 컨덕턴스가 제공되는데 적절한 폭(W)으로 만들어질 수 있다. 가스켓 접속 탭은 매우 낮은 전류 요건을 갖는 전지 전압 모니티렁 탭으로서 사용될 수 있고, 또는 적층체 내에 있는 하나 이상의 전지로부터 전류를 끌어내는(예컨대, 특정 회로를 위한 저전압, 저전류 출력을 제공하는) 다른 목적으로도 사용될 수 있다. 높은 전류 요건은 예컨대, 탭(35, 45, 46) 및 가능하다면 제 2 부분(48)을 형성하기 위해 가스켓의 표면 상에 배치되거나 형성되는 금속층으로 제공될 수 있다.
가스켓 접속 탭(35, 45, 46)의 가요성으로 인해, 탭의 열 또는 부분적인 열을 어떤 적절한 표준 커넥터 어셈블리 피치(예컨대, 1 mm, 2 mm, 0.1 인치 등)에도 적합하게 하는데 있어 상당한 유연성이 얻어질 수 있다.
전술한 가스켓 접속 탭은 위에서 예시한 바와 같이 적절한 전지내 가스켓의 일 부분을 형성할 수 있고 또는 전지간 가스켓(예컨대, 인접한 전지들의 애노드 흐름 플레이트와 캐소드 흐름 플레이트 사이와 같은 개별 전지 사이에 있는 가스켓)의 일 부분도 형성할 수 있다.
다른 실시 형태는 첨부된 청구 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 복수의 층 및 복수의 전기 전도성 접속 탭을 포함하는 연료 전지 적층체로서, 상기 전기 전도성 접속 탭은 상기 적층체의 적어도 일 면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있으며, 상기 전기 전도성 접속 탭 각각은 옆으로 연장되어 있는 가요성 시일링 가스켓의 자유부로서 형성되며, 상기 가스켓의 다른 부분은 상기 연료 전지 적층체의 적어도 두 층 사이의 시일링 결합을 제공하도록 배치되는 연료 전지 적층체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 가스켓은 흐름장(flow field) 플레이트에 인접하여 옆에 배치되는 매니폴드 가스켓을 포함하는 연료 전지 적층체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 가스켓은 연료 전지의 막-전극 어셈블리와 전극 플레이트 사이에 배치되는 연료 전지 적층체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 가스켓은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되는 연료 전지 적층체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 가스켓의 제 1 부분은 전기 절연성을 가지며, 인접 전극과 접촉하는 상기 가스켓의 제 2 부분은 전기 전도성을 가지며 또한 상기 전기 전도성 접속 탭과 전기 접촉하는 연료 전지 적층체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속 탭은 상기 가스켓의 나머지 부분과 일체적으로 형성되어 있는 연료 전지 적층체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓은 가스켓 재료의 벌크(bulk)에 전기 전도성을 주는 재료로 형성되어 있는 연료 전지 적층체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속 탭을 포함하는 상기 가스켓의 적어도 일 부분은 그의 적어도 한 표면에 형성되는 전기 전도성 층을 갖는 연료 전지 적층체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속 탭은 10 옴(ohm) ∼ 1000 옴의 저항을 갖는 연료 전지 적층체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    각각의 접속 탭은 연료 전지 적층체의 일 측면을 따라 적어도 하나의 접속 탭 열이 형성되도록 그 측면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있는 연료 전지 적층체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    복수의 채널을 포함하는 탭 가이드를 더 포함하고, 각각의 채널 안에는 각각의 접속 탭이 수용되고, 상기 채널은 상기 접속 탭을 이 접속 탭의 근위 단부에서의 제 1 간격으로부터 접속 탭의 원위 단부에서의 제 2 간격으로 조정하는 연료 전지 적층체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탭 가이드에 있는 접속 탭의 원위 단부에서 그 접속 탭에 결합되는 전기 커넥터 어셈블리를 더 포함하는 연료 전지 적층체.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 접속 탭의 열에 결합되는 전기 커넥터 어셈블리를 더 포함하는 연료 전지 적층체.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 접속 탭들 중의 선택된 접속 탭은 다른 접속 탭과는 상이한 전기 저항을 갖는 연료 전지 적층체.
  15. 첨부 도면을 참조하여 여기서 실질적으로 설명한 바와 같은 연료 전지.
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