KR20150016228A - 연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소 - Google Patents
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Abstract
연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소(206)가 개시된다. 전류 컬렉터 구성요소(206)는 연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하도록 구성되는 제 1 전기 전도 플레이트(210)와, 상기 제 1 전기 전도 플레이트(210)와 전기적 접촉하는 제 2 전기 전도 플레이트(212)를 포함한다. 상기 제 2 전기 전도 플레이트(212)는 외부 전기 연결부(208)를 포함한다. 상기 제 2 전기 전도 플레이트(212)는 상기 제 1 전기 전도 플레이트(210)보다 높은 전기 전도도를 가진다. 상기 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 상기 제 2 전기 전도 플레이트(212)보다 높은 내부식성을 가진다.
Description
본 발명은 연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소 분야에 관한 것이다.
기존 전기화학적 연료 전지는 대체로 가스 스트림 형태의 연료 및 옥시던트를, 전기 에너지 및 반응 산물로 변환한다. 수소 및 산소를 반응시키기 위한 공통 타입의 전기화학적 연료 전지는 폴리머 이온(프로톤) 전달 막을 포함하고, 이 막의 각 측부에 연료 및 에어가 위치한다. 프로톤(즉, 수소 이온)이 막을 통해 전도되고, 연료 전지의 양극 및 음극을 연결하는 회로를 통해 전도되는 전자에 의해 균형을 이룬다. 가용 전압을 증가시키기 위해, 개별 양극 및 음극 유체 유동 경로와 함께 배열되는 이러한 다수의 막을 포함하는 스택이 형성될 수 있다. 이러한 스택은 통상적으로, 스택 단부의 단부 플레이트에 의해 함께 보지되는 수많은 개별 연료 전지 플레이트를 포함하는 블록 형태를 취한다.
발명의 일 형태에 따르면, 연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소가 존재하며, 상기 전류 컬렉터 구성요소는,
연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하도록 구성되는 제 1 전기 전도 플레이트와,
상기 제 1 전기 전도 플레이트와 전기적으로 접촉하는 제 2 전기 전도 플레이트 - 상기 제 2 전기 전도 플레이트는 외부 전기 연결부를 포함함 - 를 포함하며,
상기 제 2 전기 전도 플레이트는 상기 제 1 전기 전도 플레이트보다 높은 전기 전도도를 갖고, 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 상기 제 2 전기 전도 플레이트보다 높은 내부식성을 가진다.
이러한 전류 컬렉터 구성요소는 제 2 전기 전도 플레이트에 의해 제공되는 충분한 내부식성을 갖는 것으로 물질의 선택을 제한하지 않으면서 제 1 전기 전도 플레이트의 높은 전기 전도도로부터 이점을 취할 수 있다. 이러한 방식으로, 종래 기술과 비교할 때 상기 전류 컬렉터 구성요소의 열적 지연과, 상기 전류 컬렉터 구성요소의 중량이 감소할 수 있다.
상기 제 1 전기 전도 플레이트의 평면 및 상기 제 2 전기 전도 플레이트의 평면이 서로 평행하고 서로 인접할 수 있다. 상기 전류 컬렉터 구성요소는 단일 구조체로 제공될 수 있다.
상기 전류 컬렉터 구성요소는 상기 제 2 전기 전도 플레이트를 가열하도록 구성되는 일체형 히터 플레이트를 더 포함할 수 있다. 히터 플레이트는 제 2 전기 전도 플레이트와 직접 열접촉할 수 있다. 히터 플레이트는 스택 내 첫 번째 및 마지막 연료 전지를 가열시킬 수 있고, 따라서, 연료 전지 스택 내 개별 연료 전지 간에 더 균일한 열 프로파일을 제공할 수 있다.
상기 전류 컬렉터 구성요소는 상기 히터 플레이트 위에 열장벽층을 더 포함할 수 있다. 상기 열장벽은 연료 전지 스택의 단부 플레이트 조립체로부터 열 플레이트를 열적으로 분리시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 열장벽은 단부 플레이트 조립체를 포함한 임의의 외부 구성요소들이, 쌍극성 플레이트 온도를 가정하는 경우와 같이, 첫 번째 및 마지막 연료 전지의 온도 (성능) 및 과도 응답에 영향미칠 가능성을 감소시킬 수 있다.
상기 열장벽은, 상기 제 2 전기 전도 플레이트의 외부 전기 연결부와 히터 플레이트의 전기 연결부에서만을 제외하고, 히터 플레이트 및 제 2 전도 플레이트를 밀봉할 수 있는, 오버몰딩일 수 있다.
제 2 전기 전도 플레이트 및 히터 플레이트의 외부 전기 연결부 중 하나 또는 둘 모두는 예를 들어, 전류 컬렉터 구성요소의 에지 또는 면에서 전기적 연결을 위해 노출될 수 있다. 제 2 전기 전도 플레이트 및 히터 플레이트의 전기 연결부 중 하나 또는 둘 모두는 예를 들어, 전류 컬렉터 구성요소/연료 전지 스택의 외부 면/에지로/로부터 연장될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 2 전기 전도 플레이트 및/또는 히터 플레이트에 대해 필요한 전기적 연결부가 편리하게 제공될 수 있다.
제 1 전기 전도 플레이트는 연료 전지의 전극 플레이트로 기능하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 연료 전지 스택 내 연료 전지 막/유체 확산층에 인접하여 놓이도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 유체 확산층에 접하도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 전기 전도 플레이트는 유체 격실 볼륨으로부터 분리될 수 있다. 따라서, 내부식성 측면의 상기 제 2 전기 전도 플레이트의 요건은 제 1 전기 전도 플레이트의 요건만큼 중요하지 않다.
상기 제 1 전기 전도 플레이트는 하나 이상의 유체 유동 채널을 포함할 수 있다.
상기 유체 격실 볼륨은 상기 제 1 전기 전도 플레이트, 가스켓, 및 막 전극 조립체에 의해 형성/경계구분될 수 있다.
연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소가 제공될 수 있고, 상기 전류 컬렉터 구성요소는,
연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하도록 구성되는 전기 전도 플레이트와,
상기 전기 전도 플레이트를 가열하도록 구성되는 히터 플레이트와,
상기 히터 플레이트 위에 위치하는 열장벽을 포함하며,
상기 전류 컬렉터 구성요소는 단일 구조체다.
히터 플레이트를 이러한 단일 구조체에 통합할 경우, 연료 전지 스택의 외부 면을 부적절하게 가열함이 없이 통합될 수 있도록, 연료 전지 스택 내 연료 전지들 간에 적절히 균일한 온도 프로파일을 유지할 수 있는 단일 구성요소를 제공하기 때문에 유리하다. 또한, 단일 구조는 히터 플레이트에 대한 환경적 보호, 예를 들어, 워터 스플래시 및/또는 일반적인 눅눅함으로부터 보호를 제공할 수 있다. 히터 플레이트는 개별 저항 와이어 또는 히터 메시/매트릭스를 포함할 수 있다. (전류 컬렉터 플레이트로 불릴 수 있는) 전기 전도 플레이트의 병렬 및 평탄 정확도는 히터 플레이트 형상의 임의적 불규칙성이 전기 전도 플레이트와 열장벽 사이의 캡슐화에 의해 수용될 수 있기 때문에 유지될 수 있다. 즉, 히터 플레이트의 불규칙한 형상은 전류 컬렉터 구성요소의 외부 표면으로 제시되지 않는다. 따라서, 고르지 않은 표면(예를 들어, 직물 소재로 제조된 표면)을 가진 히터 플레이트가 사용될 수 있다. 더욱이, 열장벽의 절연 성질 내에서 히터 플레이트의 완전한 수용/캡슐화를 제공함으로써, 와류 손실을 감소시킬 수 있다.
여기서 개시되는 복수의 연료 전지 플레이트 조립체를 포함하는 연료 전지가 제공될 수 있다. 여기서 개시되는 전류 컬렉터 조립체를 포함하는 연료 전지가 제공될 수 있다.
여기서 개시되는 복수의 연료 전지 플레이트 조립체를 포함하는 연료 전지 스택이 제공될 수 있다. 여기서 개시되는 전류 컬렉터 조립체를 포함하는 연료 전지 스택이 제공될 수 있다.
연료 전지 스택은,
여기서 개시되는 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 양극 전류 컬렉터 플레이트와,
여기서 개시되는 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 음극 전류 컬렉터 플레이트를 포함하며,
상기 음극 전류 컬렉터 플레이트의 제 1 전기 전도 플레이트는 상기 양극 전류 컬렉터 플레이트의 제 1 전기 전도 플레이트보다 높은 내부식성을 갖는다.
다음과 같은 첨부 도면을 참조하여, 단지 예로서, 설명이 이제 제시된다:
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 2개의 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 연료 전지 스택을 도시하고,
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 전류 컬렉터 구성요소의 전방으로부터 분해 조립도를 도시하며,
도 3은 도 2의 전류 컬렉터 구성요소의 후방으로부터 분해 조립도를 도시하고,
도 4는 조립 상태에서 도 2의 전류 컬렉터 구성요소의 전면도를 도시하며,
도 5는 도 4의 전류 컬렉터 구성요소의 후면도를 도시한다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 2개의 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 연료 전지 스택을 도시하고,
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 전류 컬렉터 구성요소의 전방으로부터 분해 조립도를 도시하며,
도 3은 도 2의 전류 컬렉터 구성요소의 후방으로부터 분해 조립도를 도시하고,
도 4는 조립 상태에서 도 2의 전류 컬렉터 구성요소의 전면도를 도시하며,
도 5는 도 4의 전류 컬렉터 구성요소의 후면도를 도시한다.
여기서 개시되는 하나 이상의 실시예는 서로 전기적으로 접촉하는 2개의 전기 전도 플레이트를 포함하는 연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소에 관한 것이다. 제 1 전기 전도 플레이트는 연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하고, 제 2 전기 전도 플레이트는 외부 전기 연결부를 포함한다. 제 2 전기 전도 플레이트는 제 1 전기 전도 플레이트보다 높은 전기 전도도를 갖고, 제 1 전기 전도 플레이트는 제 2 전기 전도 플레이트보다 높은 내부식성을 가진다. 이러한 전류 컬렉터 구성요소는 제 2 전기 전도 플레이트에 의해 제공되는 충분한 내부식성을 갖는 것으로 물질의 선택을 제한하지 않으면서 제 1 전기 전도 플레이트의 높은 전기 전도도로부터 이점을 취할 수 있다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 2개의 전류 컬렉터 구성요소(106)를 포함하는 연료 전지 스택(100)을 도시한다. 연료 전지 스택(100)은 각각의 단부에서 단부 플레이트 조립체(102)를 갖는 복수의 연료 전지(104)를 가진다. 연료 전지(104)는 일부 예에서 쌍극성 전극 플레이트를 포함한다. 각각의 단부 플레이트 조립체(102)에 인접한 위치에 발명의 일 실시예에 따른 전류 컬렉터 구성요소(106)가 위치한다. 각각의 전류 컬렉터 구성요소(106)는 연료 전지 스택(100)을 전기 회로에 포함시키기 위해, 외부 전기 연결부, 본 예에서, 탭(108)을 제공한다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 전류 컬렉터 구성요소(206)의 전방으로부터 취한 분해 조립도를 도시한다. 본 예에서, 전류 컬렉터 구성요소(206)는 단일 구성요소/구조로 전류 컬렉터 구성요소(206)를 제공하기 위해 함께 통합될 수 있는 4개의 층을 포함한다. 4개의 층은 제 1 전기 전도 플레이트(210), 제 2 전기 전도 플레이트(212), 히터 플레이트(214), 및 열장벽(216)이다.
전류 컬렉터 구성요소(206)가 연료 전지 스택에 위치할 때, 열장벽(216)은 인접한 단부 플레이트 조립체에 가장 가까이 위치한다. 제 1 및 제 2 전기 전도 플레이트(210, 212)는 스택 내 단부 연료 전지의 전극 플레이트를 함께 제공한다. 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 연료 전지 스택이 조립될 때 연료 전지 막/유체 확산층에 인접하여 위치하고, 접할 수 있다. 연료 전지 스택의 일 단부에서 제 1 및 제 2 전기 전도 플레이트(210, 212)는 함께 양극 플레이트를 형성하고, 연료 전지 스택의 다른 단부에서 제 1 및 제 2 전기 전도 플레이트(210, 212)는 함께 음극 플레이트를 형성한다.
여기서 설명되는 전류 컬렉터 구성요소(206)는 연료 전지 스택의 양 단부에서, 또는 연료 전지 스택의 일 단부에서만, 제공될 수 있다. 여기서 설명되는 전류 컬렉터 구성요소(206)는 연료 전지의 양극 측부에서 환원 환경을 제공할 것이고, 연료 전지의 음극 측부에서 산화 환경을 제공할 것이다. 일부 예에서, 전류 컬렉터로 기능하는 제 1 전기 전도 플레이트(210)는, 다양한 물질을 가진 관련 옥사이드층 두께가 전기적으로 수용가능하다고 가정할 때, 양극 전류 컬렉터보다 높은 등급의 스테인레스강으로 제조될 수 있다. 즉, 양극 전류 컬렉터 구성요소 및 음극 컬렉터 구성요소를 갖는 연료 전지 스택이 제공될 수 있고, 음극 컬렉터 구성요소의 제 1 전기 전도 플레이트는 양극 컬렉터 구성요소의 제 1 전기 전도 플레이트보다 높은 내부식성을 가진다. 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 최종 연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성한다. 유체 격실 볼륨은 도 4를 참조하여 아래에서 더 상세하게 설명된다. 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 제 2 전기 전도 플레이트(212)보다 높은 내부식성을 가진다. 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 제 2 전기 전도 플레이트(212)보다 화학적으로 수동적일 수 있다. 이는, 제 1 전기 전도 플레이트(210)가 유체 격실 볼륨 내 유체와 접촉하기 때문에 그리고 제 2 전기 전도 플레이트(212)가 제 1 전기 전도 플레이트(210)에 의해 유체 격실 볼륨으로부터 차폐/분리되기 때문에, 유리하다. 따라서, 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 유체 격실 볼륨 내 유체에 의해 부식되기 쉽다.
부식은 주변 내에서의 화학적 반응으로 인해 가공 물질이 구성요소 원자로 해리되는 것으로 여겨질 수 있고, 이는 산화에 의해 야기될 수도 있고, 다른 타입의 화학적 반응에 의해 야기될 수도 있다.
제 1 전도 플레이트(210)의 물질의 비-제한적 예는 예를 들어, 0.10mm 또는 그 이하의 두께를 가진, 초경량형 스테인레스강과, 티타늄을 포함한다.
일부 예에서, 단일 전기 전도 플레이트가 사용될 수 있다. 즉, 도 2에 도시되는 별도의 전기 전도 플레이트(210, 2112)가 필요하지 않을 수 있다. 본 예에서, 전기 전도 플레이트는 카본 또는 카본 합성물로 제조될 수 있다. 이러한 층의 두께는 약 1 내지 2mm 일 수 있다.
제 1 전기 전도 플레이트(210)는 제 2 전기 전도 플레이트(212)와 전기적으로 접촉할 수 있다. 예를 들어, 2개의 전기 전도 플레이트가 서로와의 조합을 위한 물질의 적절성에 따라, 서로에게 플로트 납땜(float soldering), 접착, (물질이 물질간 분자 전달로 인해 병합되도록) 압연, 접합, 또는 드라이 페이싱(dry facing)(부착되지 않음)될 수 있다.
제 2 전기 전도 플레이트(212)는 제 1 전기 전도 플레이트(210)보다 높은 전기 전도도를 가진다. 제 2 전기 전도 플레이트(212)의 물질은 전류 컬렉터 구성요소(206)의 대다수의 전류 운반 요건을 제공하는 제 2 전기 전도 플레이트(212)의 관점에서 선택된다. 즉, 제 2 전기 전도 플레이트(212)의 물질은 우수한 내부식성을 가진 물질에 제한됨없이 우수한 전기 전도도를 제공하도록 선택될 수 있다.
제 2 전기 전도 플레이트(212)의 물질의 비-제한적 예는: 알루미늄 합금, 구리, 카본 합성물, 또는 유사 전기 전도 물질을 포함한다.
제 2 전기 전도 플레이트(212)는 연료 전지 스택으로부터 전류를 가져올 수 있는 전기 회로에 연결될 수 있는, 본 예에서 탭인, 외부 전기 연결부(208)를 포함한다.
제 1 전기 전도 플레이트(210) 및 제 2 전기 전도 플레이트는 바이메탈형 인서트/플레이트로 함께 언급될 수 있다.
히터 플레이트(214)는 제 2 전기 전도 플레이트(212) 옆에 놓이되, 제 1 전기 전도 플레이트(210)의 대향 측부 상에 위치한다. 히터 플레이트(214)는, 스택 내 첫 번째 및 마지막 연료 전지들(전류 컬렉터 구성요소(206)가 스택의 양 단부에서 모두 포함되는 경우)이 연료 전지 스택 내 나머지 연료 전지들과 균일하게 작동하게 하는데, 그리고 저온 개시가 효율적으로 실현될 수 있게 하는데, 사용된다.
히터 플레이트(214)는 제 2 전기 전도 플레이트(212)와 직접 열접촉할 수 있다. 히터 플레이트(214)는 저항 히터로 구현될 수 있고, 이는 (제 2 전기 전도 플레이트(212)로부터 전기적으로 절연되는) 별도의 와이어 또는 기판에 부착되는 강체형/가요성 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함할 수 있다. 히터 플레이트(214)는 히터 플레이트(214)의 측부로부터 연장되는, 본 예에서 탭(220)인, 전기 연결부를 가진다. 탭(220)은 히터 플레이트(214)에 전력을 제공하는데 사용되며, 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
전류 컬렉터 구성요소(206)가 조립될 때, 히터 플레이트(214)는 예를 들어, 접착제에 의해, 제 2 전기 전도 플레이트(212)에 접착될 수 있다.
서로 다른 물질로 제조된 2개의 전기 전도 플레이트(210, 212)를 이용하는 것은, 단일 두께의 스테인레스강 전기 전도 플레이트를 이용하는 것에 비해 유리하다. (우수한 내부식성으로 인해) 스테인레스강 전기 전도층만을 이용할 때, 발생되는 큰 전류를 취급하기 위해 두꺼운 층이 필요하며, 이는 무거운 연료 전지 스택을 수반하고 또한 별도의 고-파워 히터를 요한다. 고-파워 히터는 (전류 컬렉터 구성요소(206)의 동체에 인접한 위치에서) 과도한 열적 지연없이 스택 내 초기 및 최종 연료 전지를 균일하게 작동시키기 위해 요구된다. 이러한 고-파워 히터를, 두꺼운 스테인레스강 전기 전도 플레이트를 가진 단위 구성요소에 통합시키는 것이 가능하지 않을 수 있다.
열장벽(216)은 히터 플레이트(214) 옆에 놓이되, 제 2 전기 전도 플레이트(212)의 대향 측부 상에 위치한다. 열장벽(216)은 본 예에서, 고무 물질로 제조된 오버-몰딩이다. 열장벽(216)의 용도는 히터 플레이트(214) 및 전기 전도 플레이트(210, 212)를 연료 전지 스택의 단부 플레이트로부터 열적으로 분리시키는 것이고, 따라서, 히터 플레이트(214)로부터 단부 플레이트 조립체까지 급박한 열 전달을 방지하는 것이다. 열장벽(216)의 두께는, 충분한 열 분리가 열장벽(216)에 의해 제공되도록 세팅될 수 있다. 대안으로서, 얇은 열장벽(216)이, 우수한 단열 성질을 가진 추가층(도시되지 않음)과 조합하여 사용될 수 있다.
열장벽(216)은 히터 플레이트(214)가 제 2 전도 플레이트(212)와 통합될 때 히터 플레이트(214) 위에 위치한다. 열장벽(216)은, 제 2 전기 전도 플레이트(212)의 외부 전기 연결부(208)와 히터 플레이트(214)의 탭(220)에서만을 제외하고, 전류 컬렉터 구성요소(206)가 조립될 때 히터 플레이트(214) 및 제 2 전도 플레이트(212)를 밀봉한다. 외부 전기 연결부(208) 및 탭(220)은 조립될 때 연료 전지 스택의 표면에서 노출되어, 외부 연결부가 연료 전지 스택으로부터 전류를 수정할 수 있게 하고, 전력을 히터 플레이트에 공급할 수 있게 한다. 따라서, 외부 전기 연결부(208) 및/또는 탭(220)은 전류 컬렉터 구성요소(206)/연료 전지 스택의 외부 면으로/으로부터 연장될 수 있다.
본 예에서 열장벽(216)은 유체를 연료 전지에 제공하기 위해, 또는, 연료 전지로부터 유체를 운반하기 위해, 3개의 포트(218)를 가진다. 연료 전지 내 유사 포트의 이용은 당 분야에 잘 알려져 있고, 따라서, 열장벽(216) 내 포트(218)는 여기서 자세히 설명되지 않을 것이다.
열장벽(216)의 프로파일, 포트 기하구조, 및 전류 컬렉터 구성요소(206)의 두께는, 단부 플레이트와 연료 전지 스택의 제 1 (쌍극성) 플레이트 사이에서 순응하여 인터페이싱하도록 구현될 수 있다.
전류 컬렉터 구성요소(206)가 조립될 때, 층(210, 212, 214, 216) 각각의 평면이 서로 평행하고 인접하여 놓인다.
일부 예에서, 전류 컬렉터 구성요소(206)는 도 2에 도시되는 층들 중 하나 이상없이 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전기 전도 플레이트(210) 및 제 2 전기 전도 플레이트(212)로만 구성되는 전류 컬렉터 구성요소가 제공될 수 있고, 따라서, 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하기 위해 높은 내부식성을 가진 전기 전도 플레이트(210)와, 우수한 전기 전도도를 가진 별도의 전기 전도 플레이트(212)를 이용함으로써 나타나는 장점을 여전히 제공할 수 있다. 다른 예로서, 하나의 전기 전도 플레이트, 히터 플레이트(214) 및 열장벽(216)으로 구성되는 전류 컬렉터 구성요소가 제공될 수 있고, 따라서, 전기 전도 플레이트를 위한 히터를 전류 컬렉터 구성요소(206) 내로 통합함으로써 나타나는 장점을 여전히 제공할 수 있다.
도 3은 도 2의 전류 컬렉터 구성요소(206)의 후면으로부터 본 분해 조립도를 도시한다. 도 3에는 히터 플레이트(214)의 측부로부터 연장되는 탭(220)이 도시된다. 탭은 히터 플레이트(214)에 전력을 제공하기 위한 2개의 전기 연결부(322)를 가진다. (도 5에 도시되는 바와 같이) 전류 컬렉터 플레이트가 조립될 때 히터 플레이트(214)의 탭(220)이 제 2 전기 전도 플레이트(212)의 외부 전기 연결부(208)와 정렬된다. 이는 연료 전지 스택에 대한 전기 연결부가 함께 가까이 있기에 편리할 수 있다.
도 4는 단일 구조로 조립 상태에서 도 2의 전류 컬렉터 구성요소(206)의 전면도를 도시한다. 전류 컬렉터 구성요소(206)가 연료 전지 스택에 위치할 때 형성되는 연료 전지의 유체 격실 볼륨(430)이 도 4에 파선으로 또한 도시된다. 가스 확산층(GDL)으로 불리는 유체 확산층이 유체 격실 볼륨(430)에 통상적으로 위치한다. 유체 격실 볼륨(430)의 치수는 설명의 편의성을 위해 과장되어 있다.
제 1 전도층이 양극 플레이트를 형성할 경우, 유체 격실 볼륨(430)에 제공되는 유체는 통상적으로 수소 연료다. 제 1 전도층이 음극 플레이트를 형성할 경우, 유체 격실 볼륨(430)에 제공되는 유체는 통상적으로 옥시던트다.
제 1 전기 전도 플레이트가 유체 격실 볼륨(430)의 벽체를 형성함을 확인할 수 있다. 유체 격실 볼륨(430)은 제 1 전기 전도 플레이트(210)에 대한 유체 격실 볼륨(430)의 대향 측부 상에 막 전극 조립체(MEA)(432)에 의해 경계형성된다. 유체 격실 볼륨(430)은 유체 격실 볼륨(430)의 나머지 4개의 측부 주위로 가스켓 또는 다른 시일(도면에 도시되지 않음)에 의해 또한 경계형성될 수 있다.
제 1 전기 전도 플레이트(210)는 유체 격실 볼륨의 볼륨을 연장하는 표면에 하나 이상의 유체 유동 채널을 포함할 수 있다. GDL은 유체 유동 채널에 의해 형성되는 볼륨을 완전히 차지하지 않는다. 이러한 방식으로, 유체 유동 채널은 유체가 MEA(432)의 표면에 걸쳐 균등하게 분포될 수 있도록 유체가 GDL의 표면을 더욱 용이하게 피하게할 수 있다.
유체 유동 채널이 제 1 전기 전도 플레이트(210)에 제공되지 않는 예에서, 전류 컬렉터 구성요소(206)를 부식으로부터 보호하는 것이 필요치 않을 수 있다. 이는 전류 컬렉터 구성요소가 연료 전지 환경으로부터 보호받기 때문이고 따라서, 유체 유동 채널이 존재하는 경우에 비해 전도 플레이트가 부식성 유체에 덜 노출될 것이기 때문이다. 이러한 예에서, 제 1 전기 전도 플레이트(210)는 전류 컬렉터 구성요소(206)로부터 생략될 수 있다. 나머지 전기 전도 플레이트(212)는 예를 들어, 알루미늄 합금 또는 구리로 제조될 수 있다.
도 5는 도 4의 전류 컬렉터 구성요소(206)의 후면도를 도시한다. 도 5는 히터 플레이트용 전기 연결부(322)가 제 2 전기 전도 플레이트의 외부 전기 연결부(208) 옆에 놓임을 보여준다. 본 예에서, 외부 전기 연결 탭(208)은 탭(208)에 전기 커넥터를 고정하는 것을 돕기 위해 내부에 구멍을 가진다.
발명의 실시예는 경량 패키지에서 내부식성, 전류 전도 용량, 가스 수용/전달, 단열, 및 가열 요건을 충족시키는 오버몰딩된 바이메탈형 인서트를 포함하는 연료 전지 전류 컬렉터 구성요소로 간주될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의해 다음 이점 중 하나 이상이 제공될 수 있다:
● 스테인레스강에 비해 알루미늄, 구리, 또는 카본 합성물의 크게 개선된 전류 운반 기능으로 인해, 전류 컬렉터 구성요소의 중량/부피가 크게 감소할 수 있다. 따라서, 이는 전류 컬렉터의 열 응답을 최소한의 전기적 가열로 연료 전지의 인접 쌍극성 플레이트에 가까이 매칭될 수 있게 하고, 따라서, 완전한 스택 조립체의 균일한 동적 응답을 촉진시킬 수 있다.
● 더 소형인 히터가 와류 손실을 감소시킨다. 와류 손실은 스택 총 출력으로부터 공제된 전체 시스템으로부터의 알짜 출력으로 간주될 수 있다. 따라서, 와류 손실은 히터, 펌프, 블로우어(blowers), 등에 의해 사용된 전력을 고려한다.
● 견고한(통합 구성요소) 서브-조립체.
● 전체 중량/부피 감소.
● 몰딩된 가스 포트 웨이(molded gas port ways)을 포함하는, 열장벽을 가진 전류 컬렉터와 히터 플레이트의 통합으로 인한 가스 시일 인터페이스의 감소. 밀봉 표면을 최소한으로 유지시켜서 누설 위험을 감소시키는 것이 유리할 수 있다.
● 콜드 스타트 기능 개선.
● 바이메탈형 전기 전도 플레이트의 낮은 전체 저항은 균일한 전류 컬렉터 온도를 촉진시킨다.
● 제 2 전기 전도 플레이트의 저항이 제 1 전기 전도 플레이트(가령, 스테인레스강)의 저항보다 낮다는 점으로 인해, 더 소형인 외부 전기 연결 탭(테이크-오프 탭(take-off tabs)이라 불림).
● 전류 제거를 위해 요구되는 더 작은 표면적(버즈 바/커넥터)로 인해 개선된 탭-커넥터 인터페이스.
● 통합 히터 요소 및 탭(208)의 선택적 제거가능 커버(가령, 게이터(gaiters))는 테이크-오프 탭 및 전류 케이블을 덮어서, IP64 또는 유사 방말형(splash proof) 인증을 할 수 있다.
Claims (28)
- 연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소에 있어서, 상기 전류 컬렉터 구성요소는,
연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하도록 구성되는 제 1 전기 전도 플레이트와,
상기 제 1 전기 전도 플레이트와 전기적으로 접촉하는 제 2 전기 전도 플레이트 - 상기 제 2 전기 전도 플레이트는 외부 전기 연결부를 포함함 - 를 포함하며,
상기 제 2 전기 전도 플레이트는 상기 제 1 전기 전도 플레이트보다 높은 전기 전도도를 갖고, 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 상기 제 2 전기 전도 플레이트보다 높은 내부식성을 갖는, 전류 컬렉터 구성요소. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도 플레이트의 평면 및 상기 제 2 전기 전도 플레이트의 평면이 서로 평행하고 서로 인접한, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 전기 전도 플레이트는 상기 유체 격실 볼륨으로부터 분리되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전기 전도 플레이트를 가열하도록 구성되는 일체형 히터 플레이트를 더 포함하는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 4 항에 있어서, 상기 히터 플레이트는 상기 제 2 전기 전도 플레이트와 직접 열접촉하는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 히터 플레이트 위에 열장벽층을 더 포함하는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 6 항에 있어서, 상기 열장벽은 연료 전지 스택의 단부 플레이트 조립체로부터 열 플레이트를 열적으로 분리시키도록 구성되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 열장벽은, 상기 제 2 전기 전도 플레이트의 외부 전기 연결부와 히터 플레이트의 전기 연결부에서만을 제외하고, 히터 플레이트 및 제 2 전도 플레이트를 밀봉하는, 오버몰딩인, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 전기 연결부는 전기 연결을 위해 노출되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 9 항에 있어서, 상기 외부 전기 연결부는 상기 전류 컬렉터 구성요소의 외부 에지로 연장되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 외부 전기 연결부는 상기 전류 컬렉터 구성요소의 외부 에지로부터 연장되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 연료 전지의 전극 플레이트로 기능하도록 구성되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 연료 전지 스택 내 유체 확산층에 인접하여 놓이도록 구성되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 유체 확산층에 접하도록 구성되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전기 전도 플레이트는 하나 이상의 유체 유동 채널을 포함하는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 격실 볼륨은 상기 제 1 전기 전도 플레이트, 가스켓, 및 막 전극 조립체에 의해 형성되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 연료 전지용 전류 컬렉터 구성요소에 있어서, 상기 전류 컬렉터 구성요소는,
연료 전지의 유체 격실 볼륨의 벽체를 형성하도록 구성되는 전기 전도 플레이트와,
상기 전기 전도 플레이트를 가열하도록 구성되는 히터 플레이트와,
상기 히터 플레이트 위에 위치하는 열장벽을 포함하며,
상기 전류 컬렉터 구성요소는 단일 구조체인, 전류 컬렉터 구성요소. - 제 17 항에 있어서, 상기 히터 플레이트는 상기 전기 전도 플레이트와 직접 열접촉하는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 17 항 또는 제 18항에 있어서, 상기 열장벽은 연료 전지 스택의 단부 플레이트 조립체로부터 열 플레이트를 열적으로 분리시키도록 구성되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열장벽은, 상기 전기 전도 플레이트의 외부 전기 연결부와 히터 플레이트의 전기 연결부에서만을 제외하고, 히터 플레이트 및 전기 전도 플레이트를 밀봉하는, 오버몰딩인, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 20 항에 있어서, 상기 외부 전기 연결부는 전기 연결을 위해 노출되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 21 항에 있어서, 상기 외부 전기 연결부는 상기 전류 컬렉터 구성요소의 외부 에지로 연장되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서, 상기 외부 전기 연결부는 상기 전류 컬렉터 구성요소의 외부 에지로부터 연장되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 연료 전지.
- 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 연료 전지 스택.
- 제 25 항에 있어서,
제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 양극 전류 컬렉터 플레이트와,
제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 전류 컬렉터 구성요소를 포함하는 음극 전류 컬렉터 플레이트를 포함하며,
상기 음극 전류 컬렉터 플레이트의 제 1 전기 전도 플레이트는 상기 양극 전류 컬렉터 플레이트의 제 1 전기 전도 플레이트보다 높은 내부식성을 갖는, 연료 전지 스택. - 여기서 실질적으로 설명되는, 그리고, 첨부 도면에 예시되는, 전류 컬렉터 구성요소.
- 여기서 실질적으로 설명되는, 그리고, 첨부 도면에 예시되는, 연료 전지 스택.
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