KR20210060609A - 분리판 및 전기 화학적 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 화학 시스템(1)용 분리판(10)에 관한 것으로, 상기 분리판(10)은 본질적으로 서로의 상부에 합동적으로 배열되는 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)을 포함한다. 상기 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)은 적어도 하나의 길게 연장된 돌출부(11a, 12a)를 더 포함하고, 상기 돌출부(11a, 12a)는 대향 측에서 상기 분리판(10)의 판면(10a)으로부터 돌출하고, 상기 분리판(10)의 외부 가장자리(10b)로부터 내부로 상기 판면(10a)을 따라 연장되어, 상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 및/또는 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 필요하다면 함께 커넥터 핀(pin)(14)용 리셉터클(receptacle)(13)을 형성한다. 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 또는 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 상기 커넥터 핀(14)을 상기 리셉터클(13)에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정시키기 위해 각각의 대향 판(12, 11)을 향하는 만입부(11b, 11c)를 포함한다.
Description
본 발명은 전기 화학적 시스템용 분리판 및 병렬로 배열된 복수의 분리판을 포함하는 전기 화학적 시스템에 관한 것이다.
분리판은 예를 들어 수소와 산소로부터 전력이 생산되는 연료 전지 시스템에 사용될 수 있다. 분리판은 전위를 가하여 물에서 수소와 산소를 생성하는 전해조에도 사용할 수 있다. 유사하게 분리판은 분자 수소를 동시에 압축하면서 전위를 가하여 산화/환원을 거쳐 막(membrane)을 통해 운반하는 전기 화학 압축기에도 사용할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 전기 화학 시스템은 전술한 전기 화학 시스템들 중 하나를 포함할 수 있다.
전기 화학 시스템용 분리판은 일반적으로 2개의 개별 금속판을 포함하는 한 쌍의 판을 포함하며, 각 경우에 2개의 분리판은 예를 들어 전기 화학 전지, 즉 연료 전지의 한계를 정한다. 좁은 의미에서 하나의 개별 판은 하나의 셀에 속하고 분리판의 다른 개별 판은 이미 다음 셀에 속한다. 전기 화학 시스템에서, 예를 들어 400개 정도의 복수의 전기 화학 전지는 일반적으로 직렬로 적층되어 시퀀스(sequence) 또는 스택(stack)을 형성한다. 셀 자체는 일반적으로 두 개 반의 분리판 뿐만 아니라 분리판들 사이에 배치되는 MEA라고도 하는 막 전극 조립체 및 예를 들어 MEA의 양면에 전기 전도성 탄소 부직포로 만들어진 각 가스 확산층(GDL)을 포함한다. 전체 스택은 클램핑(clamping) 시스템을 거쳐 두 개의 끝판(板) 사이에 함께 유지되고 소정의 압착을 받는다.
전기 화학 전지를 한정하는 것 외에도, 분리판은 전기 화학 시스템에서 몇 가지 추가 기능을 수행하며, 한편으로는 서로 상이한 전기 화학 전지들의 전극과 전기적으로 접촉하고 전류를 인접한 셀로 각각 전달하며, 다른 한편으로는, 셀에 반응 매개물을 공급하고 반응 생성물을 처리하며, 또한 두 개의 상이한 반응 매개물과 냉각제의 구획을 서로에 대해 그리고 외부에 대해 밀봉할 뿐만 아니라 전기 화학 전지를 냉각하고 폐열을 전도한다.
일반적으로, 특히 한편으로는 수소 또는 메탄올이고 특히 다른 한편으로는 보통 탈염수와 부동액의 혼합물인 냉각제뿐만 아니라 공기 또는 산소인 반응 매개물을 위한 관통 개구는 따라서 전기 화학 전지에 공급하기 위해 분리판의 두 개의 개별 금속판들에 형성된다. 분배 구조는 또한 두 개의 개별 금속판 각각에 일체로 형성되어 채널이 두 개의 개별 판의 두 표면에 형성된다. 반응 매개물은 분리판의 바깥쪽으로 향하는 각 표면에서 전도되고, 냉각제는 상기 두 개의 개별 금속판 사이의 공간에서 전도된다. MEA와 공유하는 평면으로의 직교 투영에 있어서, 실제 막(membrane)과 일치하고 그 가장자리 영역이나 밀봉 구조와 일치하지 않는 영역을 분리판의 전기 화학적 활성 영역이라고도 한다. 반응 매개물은 상기 분리판의 전기 화학적 활성 영역에서의 채널 구조에서 MEA를 향하는 분리판의 표면에 전도된다. 마찬가지로 채널형 분배 구조를 포함하는 분배 영역은 일반적으로 상기 전기 화학적 활성 영역의 두 면에 인접한다. 각각의 분배 구조는 적어도 2개의 관통 개구, 즉 특정 유체에 대한 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구와 연통한다. 외부에 대한 밀봉을 위해, 각각의 밀봉 구조는 개별 금속판 각각에 배열되어 분리판의 전기 화학적 활성 영역 주위에서 적어도 연속적으로 원주 방향으로 연장되고 필요하다면 관통부의 적어도 일부 주위로 연장된다. 상기 밀봉 구조는 전기 화학적 활성 영역 또는 관통 개구의 특정 가장자리로부터 거리를 두고 배열된다. 추가로, 개별 관통 개구는 또한 서로에 대해 밀봉되기 위하여, 상기 특정 관통 개구 주위에 연속적으로 원주 방향으로 연장되는 밀봉 구조에 의해 밀봉될 수 있다.
전기 화학 전지가 충분한 셀 전압(셀 전압 측정, CVM)을 공급하는지 확인하기 위해 개별 셀이 분리판 가장자리에서 전기적으로 접촉한다. 이러한 접촉은 예를 들어 차량에서 사용하는 동안 진행중인 작동 중에 셀 전압을 확인 가능하도록 하기 위하여 기계적으로 안정적이고 내진동(耐震動)적이어야 한다. 과거에는, 원통형 핀(pin) 형태의 커넥터는 예를 들어 이러한 목적을 위해 분리판의 개별 판들 사이에 고정(clamped)되거나 또는 추가 후크 요소를 통해 분리판 또는 하우징에 결합되었다. 후크 요소는 분리판 또는 하우징에서 공간 요구 사항이 증가하지만 진동 또는 동적 부하로 인해 커넥터가 분리되는 것을 방지하는 데 필요하다. 양극과 음극 사이에 고정된 핀(pin)은 테스트 벤치(test bench)에서만 일반적이며 차량에서 장기간 사용하는 동안 신뢰할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 분리판 및 분리판의 안전하고 또한 공간 절약적인 접촉을 가능하게 하는 상응하는 전기 화학 시스템을 제공하는 것이다.
제 1 변형에서, 전기 화학 시스템용 본 발명에 따른 분리판은 제 1 판 및 제 2 판을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 판은 본질적으로 서로의 상부에 합동적으로 배열되며, 상기 제 1 및 제 2 판 각각은 적어도 하나의 길게 연장된 돌출부를 포함하고, 상기 제 1 판의 돌출부 및 상기 제 2 판의 돌출부는 대향 측에서 상기 분리판의 판면(plate plane)으로부터 돌출하고, 상기 분리판의 외부 가장자리로부터 내부로 서로의 상부에서 평행하게 상기 판면을 따라 연장되어, 상기 제 1 판의 돌출부 및 상기 제 2 판의 돌출부는 함께 커넥터 핀(pin)용 리셉터클(receptacle)을 형성한다. 본 발명에 따른 상기 분리판은 제 1 판의 돌출부 또는 상기 제 2 판의 돌출부가 상기 커넥터 핀을 상기 리셉터클에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정시키기 위해 각각의 대향 판을 향하는 만입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 2 변형에서, 전기 화학 시스템용 본 발명에 따른 분리판은 제 1 판 및 제 2 판을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 판은 본질적으로 서로의 상부에 합동적으로 배열되며, 상기 제 1 또는 제 2 판은 적어도 하나의 길게 연장된 돌출부를 포함하고, 상기 제 1 판의 돌출부 또는 상기 제 2 판의 돌출부는 상기 분리판의 판면으로부터 다른 판으로부터 멀어지는 측을 향해 돌출하고, 상기 분리판의 외부 가장자리로부터 내부로 상기 판면을 따라 연장되어, 상기 제 1 판의 돌출부 또는 상기 제 2 판의 돌출부는 커넥터 핀(pin)용 리셉터클(receptacle)을 형성한다. 본 발명에 따른 상기 분리판은 제 1 판의 돌출부 또는 상기 제 2 판의 돌출부, 또는 상기 제 1 판의 돌출부 반대편에 위치한 상기 제 2 판에서의 영역 또는 상기 제 2 판의 돌출부 반대편에 위치한 상기 제 1 판에서의 영역이 상기 커넥터 핀을 상기 리셉터클에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정시키기 위해 각각의 대향 판을 향하는 만입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 분리판의 판면은 상기 제 1 및 제 2 판이 상기 분리판을 형성하기 위해 서로의 상부에 배열될 때 상기 제 1 및 제 2 판이 접촉하는 상기 돌출부(들) 근방에서 상기 제 1 판과 상기 제 2 판 사이의 접촉면을 의미하는 것으로 특히 이해되어야 한다. 상기 분리판의 판면은 일반적으로 상기 제 1 및 제 2 판의 변형되지 않은 평면 영역들 사이의 접촉면을 의미하는 것으로 이해될 수도 있다.
상기 커넥터 핀을 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 상기 리셉터클에 고정하기 위한 상기 만입부는 상기 커넥터 핀의 상기 분리판으로의 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 연결을 가능하게 하며, 이는 기계적으로 안정적이고 내진동(耐震動)적이다. 또한, 본 발명은 추가적인 잠금 요소없이 안전한 접촉을 또한 가능하게 하고, 따라서 적은 공간 요구 사항을 가진다.
특히, 상기 돌출부는 상기 제 1 및/또는 제 2 판에 양각화(陽刻化)될 수 있다. 리셉터클을 형성하기 위한 상기 돌출부가 상기 제 1 및 제 2 판에 일체로 형성되는 경우, 상기 판면에 수직인 방향으로의 특정 돌출부의 깊이는 상기 두 판에서 상이할 수 있다.
상기 만입부는 컷 아웃 탭(cut-out tab)으로 설계될 수 있다. 이 탭은 예를 들어 상기 제 1 또는 제 2 판에서 스탬핑(stamped)되어 제작될 수 있다. 상기 만입부는 돔(dome) 모양의 양각으로 설계될 수도 있다.
필요한 경우 상기 판면의 대향 측에 각각 있는 상기 제 1 및/또는 제 2 판은 상기 분리판의 판면으로부터 돌출되고 필요한 경우 상기 분리판의 외부 가장자리로부터 내부로 서로의 상부에 평행하게 쌍으로 연장되는 복수의 돌출부를 포함할 수 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 판의 상기 복수의 돌출부는 복수의 커넥터 핀용 리셉터클을 형성한다. 커넥터 핀용 복수의 리셉터클의 경우, 이들은 상기 분리판에서 분리판으로, 바람직하게는 상기 판면에 평행한 방향으로 서로 오프셋된 분리판들의 스택(stack) 내에 배열될 수 있으므로 상기 커넥터 핀의 편리한 삽입 필요한 경우 제거가 가능하다. 이것은 특히 외부 또는 관련된 연결 라인쪽으로 보다 두꺼워지는 커넥터 핀의 경우에 유리하다. 이러한 방식으로 많은 리셉터클이 할당되지 않은 상태로 유지되지만, 상기 분리판의 모든 제 1 또는 제 2 판은 상기 돌출부를 형성하기 위해 동일한 도구를 사용하여 하나의 작업 단계에서 각각 작동될 수 있다. 특히, 상기 제 1 또는 제 2 판은 상기 돌출부를 형성하기 위해 동일한 양각 도구를 사용하여 하나의 양각 단계에서 각각 작동될 수 있다.
상기 분리판이 서로 나란히 배열되는 커넥터 핀용 2개, 3개 또는 4개의 리셉터클을 포함하는 경우 특히 바람직하다.
상기 제 1 및 제 2 판은 본질적으로 직사각형, 정사각형 또는 사다리꼴 형상, 특히 둥근 모서리를 가질 수 있다. 상기 돌출부는 바람직하게는 상기 제 1 및/또는 제 2 판의 모서리 영역에 제공될 수 있다. 또한, 상기 돌출부는 바람직하게는 외부 가장자리에 대해 각도를 가지고 연장될 수 있으며, 상기 각도는 0° 보다 크고 180° 보다 작은, 바람직하게는 45° 보다 크고 90° 보다 작거나 같은, 또는 바람직하게는 90° 보다 크거나 같고 135° 보다 작은, 특히 바람직하게는 80° 보다 크거나 같고/같거나 100° 보다 작거나 같은, 또는 특히 바람직하게는 90°이다. 상기 각도는 상기 분리판의 상기 외부 가장자리로부터 상기 분리판의 내부를 향해 열리는 각도로 정의된다.
상기 리셉터클은 바람직하게는 상기 커넥터 핀이 리셉터클에 견고하게 안착될 수 있도록 하기 위하여 상기 커넥터 핀의 단면에 대응하는 단면을 가진다. 특히, 상기 리셉터클은 정사각형, 직사각형, 육각형 또는 벌집 모양의 단면을 가질 수 있으며, 이러한 단면의 형상들의 모서리는 테이퍼 지거나 둥글 수 있다. 상기 리셉터클의 단면과 수용될 상기 커넥터 핀의 단면은 바람직하게는 수용될 상기 커넥터 핀과 상기 리셉터클 사이에 큰 유격이 발생하지 않도록 서로에 대해 치수화할 수 있지만, 동시에 큰 노력없이 삽입이 가능하다. 상기 커넥터 핀의 실제 고정은 상기 리셉터클에 놓인 상기 커넥터 핀에 의해 수행되므로, 상기 만입부와 상기 커넥터 핀이 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 서로에 맞닿아 있다.
상기 분리판의 상기 제 1 및 제 2 판이 금속 재료 또는 금속 합금을 포함하거나 그것으로 형성되는 경우 특히 유리하며, 상기 금속 재료 또는 금속 합금은 재료 특성 또는 그 형상 인자로 인해 충분한 탄성을 가진다. 이들은 무엇보다도 스테인리스 강, 티타늄 또는 니켈, 크롬 또는 기타 전이 금속의 조합이다. 재료의 탄성 계수는 유리하게는 100 GPa 와 250 GPa 사이, 특히 160 GPa 와 220 GPa 사이의 범위이며, 각각의 경우 전술한 한계를 포함하거나 배제한다.
본 발명의 유리한 실시 예에서, 상기 제 1 판 및 상기 제 2 판 각각은 상기 분리판을 통해 반응 매개물을 전도하기 위한 적어도 하나의 상호 정렬된 제 1 관통 개구를 포함할 수 있고, 상기 분리판을 통해 냉각제를 전도하기 위한 적어도 하나의 상호 정렬된 제 2 관통 개구를 포함할 수 있고, 서로 멀어지는 방향으로 향하는 표면에 상기 판면을 따라 반응 매개물을 안내하기 위한 안내 구조를 포함하는 활성 영역 및 상기 제 1 관통 개구 및 상기 활성 영역과 유체 연결되고, 상기 제 1 관통 개구로부터 상기 활성 영역으로 유입될 반응 매개물을 분배하기 위한 및/또는 상기 활성 영역으로부터 상기 제 1 관통 개구를 향해 흐르는 반응 매개물을 수집하기 위한 분배 구조를 포함하는 분배 영역을 포함한다.
특히, 상기 제 1 및 제 2 판 각각은 상호 정렬된 두 쌍의 제 1 관통 개구를 더 포함할 수 있으며, 한 쌍의 제 1 관통 개구는 상기 활성 영역에 반응 매개물을 공급하도록 구성되고, 다른 쌍의 제 1 관통개구는 상기 활성 영역으로부터 반응 매개물을 방출하도록 구성된다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 판 각각은 냉각제를 공급 또는 배출하는 데 사용되는 상호 정렬된 두 쌍의 제 2 관통 개구를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 판 각각은 상기 판면을 따라 특정 제 1 관통 개구를 밀봉하기 위해, 상기 제 1 관통 개구들 중 하나의 주위에서 원주 방향으로 연장하는 제 1 밀봉 구조를 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 밀봉 구조는 적어도 하나의 제 1 통로를 포함하고, 이에 의해 상기 제 1 관통 개구는 상기 분배 영역 및 상기 활성 영역과 유체 연결된다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 판 각각은 상기 판면을 따라 상기 제 2 관통 개구를 밀봉하기 위한 적어도 하나의 제 2 밀봉 구조를 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 판 각각은 상기 활성 영역, 상기 분배 영역(들) 및 상기 제 1 관통 개구 주위에서 원주 방향으로 연장되고 상기 판면을 따라 주변 영역에 대해 이들을 밀봉하는 제 3 밀봉 구조를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제 2 관통 개구(들)는 상기 제 3 밀봉 구조에 의해 둘러싸인 영역 내부 또는 외부에 배열될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 판의 돌출부는 바람직하게는 상기 제 3 밀봉 구조에 의해 둘러싸인 영역 외부에 위치할 수 있다.
상기 제 1, 제 2 및/또는 제 3 밀봉 구조는 상기 제 1 또는 제 2 판에 양각화될 수 있거나 상기 제 1 및 제 2 판에 양각화되는 밀봉 비드(sealing bead)로서 설계될 수 있다. 상기 제 3 밀봉 구조는 밀봉 비드로 설계된 경우 주변 비드라고도 한다.
또한, 상기 제 1 판의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조 및 상기 제 2 판의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조가 대향 측에서 상기 분리판의 상기 판면으로부터 돌출되는 경우 그리고 상기 돌출부가 상기 분리판의 상기 판면으로부터 돌출되는 상기 돌출부의 높이는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조가 상기 분리판의 상기 판면으로부터 돌출되는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조의 높이보다 작은 경우 더욱 유리하다. 이러한 방식으로, 상기 밀봉 구조가 상기 돌출부 부근에서 충분한 밀봉 작용을 나타낼 수 있다는 것이 보장된다.
본 발명은 또한 병렬로 배열되는 복수의 전술한 분리판을 포함하는 전기 화학 시스템을 포함한다.
전기 화학 전지의 각각의 막(membrane)은 화학 에너지를 전력으로 변환하기 위해 두 개의 인접한 분리판 사이에 배열될 수 있다. 상기 막은 일반적으로 전기 화학적 활성 영역과 그 외부 가장자리에서 막을 종결하는 가장자리 영역을 포함한다. 상기 커넥터 핀을 수용하기 위한 상기 돌출부는 일반적으로 상기 가장자리 영역과 인접하고 막 전극 조립체(MEA)의 실제 막 영역과 인접하지 않는 상기 분리판의 영역에 위치하도록 배열된다. 따라서 이들은 바람직하게는 상기 주변 비드로 둘러싸인 상기 분리판의 영역 외부에 위치한다.
상기 전기 화학 시스템은 분리판의 셀 전압을 확인하기 위한 장치를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 장치는 상기 복수의 분리판에 연결하기 위하여 복수의 커넥터 핀을 포함하고, 각 커넥터 핀은 분리판의 커넥터 핀용 각 리셉터클에 삽입 가능하다.
상기 커넥터 핀은 특히 둥근 모서리, 즉 둥근, 직사각형 또는 둥근 다각형 단면을 가지는 실질적인 원통형 또는 직육면체 설계를 가질 수 있다. 상기 커넥터 핀은 또한 상기 리셉터클의 단면에 해당하는 단면을 가질 수 있지만, 필요한 경우 만입부에서의 지지점(bearing point)을 제외하고 상기 리셉터클의 내부 공간에 비해 커넥터 핀의 너무 큰 치수는 피해야 한다.
상기 커넥터 핀을 상기 리셉터클에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정하기 위해, 상기 커넥터 핀은 상기 만입부에 대응하는 리세스(recess)를 가지는 경우 특히 바람직하다.
특히, 상기 리세스는 홈(groove) 및/또는 횡방향으로 상기 커넥터 핀 주위에서 원주 방향으로 연장되는 홈으로서 설계될 수 있다.
상기 리셉터클에서의 상기 커넥터 핀의 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식의 고정은 가역적이거나 비가역적일 수 있다. 상기 커넥터 핀을 더 이상 상기 리셉터클로부터 제거할 수 없는 비가역적 고정은 연결의 의도하지 않은 분리에 대해 특히 신뢰할 수 있다. 대조적으로, 상기 커넥터 핀이 통제된 방식으로 상기 리셉터클로부터 제거될 수 있는 가역적 고정은 예를 들어 스택의 개별 분리판을 교체해야 할 때 상기 분리판의 다중 재접촉을 허용한다.
상기 커넥터 핀이 상기 판면에 수직인 방향으로 서로 오프셋된 분리판의 각 리셉터클에 삽입되는 경우 특히 유리하다. 상기 분리판의 판면에 수직인 방향으로 n ≥ 1 및/또는 n ≤ 4 인 n 개의 인접한 분리판의 돌출부에서, 상기 커넥터 핀이 서로 오프셋된 분리판에 삽입되는 경우 특히 유리하다. 특히, 삽입 가능한 오프셋은 상기 커넥터 핀이 상기 판면에 평행한 방향으로 분리판에서 분리판으로 하나의 리셉터클에 의해 삽입 가능한 오프셋임을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 상기 커넥터 핀은 또한 분리판에서 분리판으로 번갈아가고, 특히 분리판에서 서로 나란히 배열된 2개의 리셉터클의 경우, 상기 커넥터 핀은 분리판의 각 리셉터클에 각각 삽입될 수 있다. 다른 배열들이 가능하지만 일반적으로 상기 커넥터 핀 사이의 거리의 감소를 초래한다.
마찬가지로 모든 분리판이 동일하게 설계되지는 않는 것이 가능하다. 예를 들어 2 종류의 분리판이 교대로 제조되고 적층된다. 이 경우, 제 1 분리판의 돌출부는 가장 가까운 분리판의 바로 인접한 개별 판 또는 바로 인접한 분리판 전체에서 리세스에 인접할 수 있다. 이는 전술한 상기 제 2 변형에 대해 특히 유리한데, 이러한 방식으로 상기 분리판의 2 개의 판들 중 하나에만 형성되는 리셉터클의 돌출을 위해 더 많은 설치 공간이 이용 가능하기 때문이다. 이 해결 방안에서, 개별 판에서 이 돌출부의 높이는 동일한 개별 판의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조의 높이와 동일하거나 더 높을 수 있다. 그러나, 여기서도 개별 판에서 이 돌출부의 높이는 상기 2개의 개별 판의 상호 대응하는 제 1 밀봉 구조들의 높이들의 합 및/또는 상기 2개의 개별 판의 상호 대응하는 제 2 밀봉 구조들의 높이들의 합 및/또는 상기 2개의 개별 판의 상호 대응하는 제 3 밀봉 구조들의 높이들의 합보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 분리판 및 본 발명에 따른 전기 화학 시스템이 도면에 기초하여 이하에서 더 상세히 설명된다. 본 발명에 필수적인 상이한 요소들 또는 유리한 개선을 제공하는 요소들은 특정 예의 범위 내에서 각각의 경우에 설명되며, 특정 예의 맥락 및 특정 예의 추가 특징으로부터 분리된 것을 포함하여 본 발명을 개선하기 위해 개별 이들 요소들을 그 자체로 사용하는 것도 가능하다. 더욱이, 도면에서 동일하거나 유사한 요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조 번호가 사용되므로 그 설명은 부분적으로 생략된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 화학 시스템의 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 분리판의 단면을 보여주는 평면도이다.
도 2a는 종래 기술에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 분리판의 단면을 보여주는 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 예시적인 실시 예에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도이다.
도 5A 및 5B는 종래 기술에 따른 제 1 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도 및 단면도이다.
도 6A 및 6B는 종래 기술에 따른 제 2 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도 및 단면도이다.
도 7은 제 1 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 8은 제 2 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 9는 제 3 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 10은 제 4 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 11은 커넥터 핀을 수용하기 전에 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 12는 커넥터 핀의 제 1 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 13은 커넥터 핀의 제 2 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 14는 제 5 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 15는 제 6 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 16은 커넥터 핀의 제 3 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 17은 커넥터 핀의 제 4 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 18은 분리판을 통한 단면을 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 분리판의 단면을 보여주는 평면도이다.
도 2a는 종래 기술에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 분리판의 단면을 보여주는 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 예시적인 실시 예에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도이다.
도 5A 및 5B는 종래 기술에 따른 제 1 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도 및 단면도이다.
도 6A 및 6B는 종래 기술에 따른 제 2 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도 및 단면도이다.
도 7은 제 1 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 8은 제 2 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 9는 제 3 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 10은 제 4 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 11은 커넥터 핀을 수용하기 전에 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 12는 커넥터 핀의 제 1 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 13은 커넥터 핀의 제 2 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 14는 제 5 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 15는 제 6 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 보여주는 종단면도이다.
도 16은 커넥터 핀의 제 3 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 17은 커넥터 핀의 제 4 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다.
도 18은 분리판을 통한 단면을 도시한다.
도 1은 스택(1a)에 배열되고 분리판(10)의 판면에 수직으로 연장되는 적층 방향(1b)을 따라 적층되는 복수의 동일한 금속 분리판(10)을 포함하는 여기에 제공된 유형의 전기 화학 시스템(1)을 도시한다. 스택(1a)의 분리판(10)은 2개의 단부판(2a, 2b) 사이에 고정된다. 분리판(10)은 각각 제 1 금속판(11) 및 제 2 금속판(12)(예를 들어, 도 11 참조)을 포함하며, 이들은 예를 들어 서로 일체로 결합된다. 분리판(10)을 형성하는 동안 제 1 판(11)의 편평하고 변형되지 않은 부분이 제 2 판(12)의 편평하고 변형되지 않은 부분과 접촉하는 평면을 이후 분리판(10)의 판면이라고 한다. 본 예에서, 시스템(1)은 연료 전지 스택이다. 따라서 각각의 경우 스택의 2개의 인접한 분리판(10)은 예를 들어 화학 에너지를 전력으로 변환하기 위해 사용되는 전기 화학 전지를 한정한다. 각각의 경우 분리판의 개별 판 다른 셀의 일부를 형성한다. 전기 화학 전지는 일반적으로 각각의 막 전극 조립체(MEA)(6)를 포함하고, 이는 그 외부 영역에 전기 화학적으로 비활성 프레임을 포함한다(예를 들어, 도 11 참조). MEA(6)는 전형적으로 각각 적어도 하나의 막, 예를 들어 전해질 막을 포함한다. 더욱이, 가스확산층(GDL)은 MEA의 한쪽 또는 양쪽 표면에 배열될 수 있다.
대안적인 실시 예에서, 시스템(1)은 마찬가지로 전해조, 압축기, 또는 레독스 흐름 전지(redox flow battery)로서 설계될 수 있다. 분리판은 마찬가지로 이러한 전기 화학 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 분리판의 조성은 전기 화학 압축기의 경우 전해조의 경우, 전기 화학 압축기의 경우, 매개물이 분리판 위 또는 분리판을 통해 안내되더라도 여기에 보다 자세히 설명되는 분리판(10)의 조성에 해당할 수 있다. 또는 레독스 흐름 전지의 경우, 이러한 분리판의 조성은 각각의 경우 연료 전지 시스템에 사용되는 매개물과 다를 수 있다.
단부판(2a, 2b)은 복수의 매개물 연결부(3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b)를 포함하며, 이를 통해 매개물이 시스템(1)에 공급될 수 있고 이를 통해 매개물이 시스템(1)으로부터 배출될 수 있다. 시스템(1)에 공급될 수 있고 시스템(1)으로부터 배출될 수 있는 이러한 매개물은 예를 들어 분자 수소 또는 메탄올과 같은 연료, 공기 또는 산소와 같은 반응 가스, 수증기와 같은 반응 생성물, 또는 물 및/또는 글리콜과 같은 고갈된 연료 또는 냉각제를 포함할 수 있다.
도 2는 종래 기술로부터 알려진 분리판(10)의 단면을 도시하는 평면도이다. 도 2에 따른 분리판(10)은 예를 들어 도 1의 시스템(1) 유형의 전기 화학 시스템에서 사용될 수 있다. 여기 및 이후에, 반복되는 특징은 동일한 참조 번호로 표시된다. 분리판(10)은 분리판(10)의 판면을 따라 일체로 결합되는 제 1 및 제 2 판(11, 12)을 포함한다. 제 1 판(11)만이 도 2에 도시되고, 제 2 판(12)는 제 1 판(11)에 의해 가려져 있다. 제 1 및 제 2 판(11, 12)은 스테인레스 강판과 같은 금속판으로 제조될 수 있다. 판(11, 12)는 분리판(10)의 관통 개구(15, 15', 16)를 형성하는 서로 정렬된 관통 개구를 가진다. 분리판(10) 유형의 복수의 분리판이 적층될 때, 관통 개구(15, 15', 16)는 적층 방향(1b)으로 스택(1a)을 통해 연장되는 덕트(duct)를 형성한다(도 1 참조). 일반적으로, 관통 개구(15, 15', 16)에 의해 형성된 각 덕트는 시스템(1)의 단부판(2a, 2b)에서 매개물 연결부(3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b) 중 하나와 유체 연결된다. 예를 들어, 관통 개구(15, 15')에 의해 형성된 덕트는 연료 전지 스택(1a)의 전기 화학 전지에 연료 및 반응 가스를 공급하는데 사용된다. 대조적으로, 냉각제는 관통 개구(16)에 의해 형성된 덕트를 통해 스택(1a)으로 유입되거나 스택(1a)으로부터 제거될 수 있다.
스택(1a)의 내부 및 주변 영역에 대해 관통 개구(15, 15', 16)를 밀봉하기 위해, 제 1 판(11)은, 관통 개구(15, 15', 16) 주위에 각각 배열되고 관통 개구(15, 15', 16)를 각각 완전히 둘러싸는 비드(bead)(15a, 15a', 16a)를 포함한다. 도 2의 관찰자로부터 멀어지는 분리판(10)의 후방측에서 제 2 판(12)은 관통 개구(15, 15', 16)를 밀봉하기 위한 대응하는 비드(미도시됨)를 포함한다.
분리판(10)의 전기 화학적 활성 영역(17)에서, 도 2의 관찰자를 향하는 전방측의 제 1 판(11)은 반응 매개물을 분리판(10)의 전방측을 따라 안내하기 위한 안내 구조(17a)를 포함하는 유동장(flow field)을 포함한다. 이들 안내 구조(17a)는 도 2에서 복수의 웹(web)에 의해 그리고 웹 사이에서 연장되고 웹에 의해 한정되는 채널에 의해 제공된다. 도 2는 분리판(10)의 전방측에 있는 활성 영역(17)의 단면만을 도시한다. 도 2의 관찰자를 향하는 분리판(10)의 전방측에서, 제 1 판(11)은 또한 분배 또는 수집 영역(18)을 포함한다. 분배 또는 수집 영역(18)은 관통 개구(15)로부터 진행하여 활성 영역(17)을 가로 질러 분배 또는 수집 영역(18)으로 유입되는 매개물을 분배하도록 및/또는 활성 영역(17)으로부터 진행하여 관통 개구(15)를 향해 흐르는 매개물을 모으도록 구성되는 분배 구조(18a)를 포함한다. 도 2의 분배 또는 수집 영역(18)의 분배 구조(18a)는 마찬가지로 웹에 의해 그리고 웹 사이에 연장되고 웹에 의해 한정되는 채널에 의해 제공된다.
제 1 판(11)는 또한 활성 영역(17), 분배 또는 수집 영역(18) 및 관통 개구(15, 15') 주위에서 원주 방향으로 연장되고 시스템(1)의 주변 영역에 대해 이들을 밀봉하는 주변 비드(17b)를 포함한다. 본 예에서, 활성 영역(17), 분배 또는 수집 영역(18) 및 관통 개구(15, 15')는 또한 관통 개구(16)에 대해, 즉 냉각제 회로에 대해 주변 비드(17b)에 의해 밀봉된다. 그러나, 관통 개구(16)가 주변 비드에 의해 둘러싸인 영역 내부에 배열되는 것이 마찬가지로 가능할 것이다. 여기서 밀봉 비드라고 하는 비드와 유사하게, 주변 비드는 밀봉 요소이다. 활성 영역(17)의 구조, 분배 또는 수집 영역(18)의 분배 구조 및 비드(15a, 15a', 16a, 17b)는 제 1 판(11)과 일체로 설계되어 예를 들어 양각화 또는 딥 드로잉 공정으로 제 1 판(11)에서 일체로 형성된다.
비드(15a)를 통과하는 통로(15b)를 통해, 제 1 판(11)의 분배 또는 수집 영역(18)의 분배 구조(18a)는 관통 개구(15)와 또는 관통 개구(15)에 의해 형성된 스택(1a)을 통과하는 덕트와 유체 연결된다. 명확하게 하기 위해, 도 2에서 비드(15a)를 통과하는 통로(15b)들 중 단지 몇 개만이 참조 번호로 표시된다. 마찬가지로, 분배 또는 수집 영역(18)의 분배 구조(18a)는 활성 영역(17)의 구조 또는 채널과 유체 연결된다. 이러한 방식으로, 비드(15a)에서 통로(15b)를 거쳐 그리고 분배 또는 수집 영역(18)의 분배 구조(18a)를 거쳐 관통 개구(15)를 통해 안내되는 매개물은 제 1 판(11)의 활성 영역(17)으로 유입될 수 있다.
관통 개구(15') 또는 관통 개구(15')에 의해 형성된 스택(1a)을 통과하는 덕트는 상응하는 방식으로 분배 및 수집 영역과 유체 연결되고, 그 결과 도 2의 관찰자로부터 멀어지는 분리판(10) 후방측의 활성 영역의 유동장과 유체 연결된다. 대조적으로, 관통 개구(16) 또는 관통 개구(16)에 의해 형성된 스택(1a)을 통과하는 덕트는 제 1 및 제 2 판(11, 12)에 의해 에워싸이거나 둘러싸이는 캐비티(cavity)와 유체 연결되고 분리판(10)을 통해 냉각제를 안내하도록 설계된다.
서로의 상부에 대략 합동적으로 배열된 도 2의 분리판(10)의 제 1 및 제 2 판(11, 12)은 대략 직사각형이며 둥근 모서리들을 가지고 있다. 커넥터 핀을 위한 2개의 리셉터클(13)은 모서리들 중 하나에서 서로 나란히 배열되며, 이 때 제 1 관통 개구(15')에 인접한다(도 2A의 상세도 참조). 리셉터클(13)은 각각의 경우에 제 1 판(11) 및 제 2 판(12)에서 길게 연장된 돌출부들(11a, 12a)에 의해 형성되며, 돌출부들은 상기 분리판(10)의 외부 가장자리(10b)로부터 내부로 서로의 상부에서 평행하게 상기 판면(10a)을 따라 연장하고, 이 과정에서 연결 구조(23) 여기서는 용접 이음부(23a)에 의해 함께 고정된다. 이 과정에서, 돌출부(11a, 12a)의 길이 방향 및 이에 따른 리셉터클(13)의 길이 방향은 외부 가장자리(10b)에 대해 90°의 각도로 연장된다. 또한, 제 1 및 제 2 판(11, 12)의 돌출부(11a, 12a)는 대향 측에서 분리판(10)의 판면(10a)으로부터 돌출되어, 제 1 판(11)의 돌출부(11a)와 제 2 판(12)의 돌출부(12a)가 커넥터 핀용 길게 연장된 리셉터클(13)을 함께 형성한다. 핀형 커넥터(커넥터 핀)는 이러한 리셉터클(13)에 삽입될 수 있고, 필요하다면 추가적인 잠금 요소를 통해 고정될 수 있다. 분리판(10)은 2 개의 리셉터클(13) 중 하나를 통해 분리판의 셀 전압을 확인하기 위한 장치에 연결될 수 있다. 추가적인 잠금 요소가 없으면, 예를 들어 차량에 설치된 연료 전지의 지속적인 작동 중에 발생하는 동적 부하 또는 진동의 경우, 커넥터 핀은 리셉터클(13)로부터의 의도하지 않은 분리에 대해 고정되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 분리판(10)의 단면을 나타낸다. 도 3의 분리판(10)은 도 2의 그것과 유사하게 설계된다. 그러나, 리셉터클(13)의 설계에 있어서 다르다(도 3A의 상세도 참조). 도 2에 도시된 리셉터클(13)과는 대조적으로, 도 3에서 볼 수 있는 제 1 판(11)의 돌출부(11a)는, 분리판(10)의 전방측에서, 커넥터 핀을 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 리셉터클(13)에 고정하기 위해, 그 아래에 위치된 제 2 판(12)을 향하는 만입부(11b)를 포함한다. 이 만입부(11b)는 제 1 판(11)의 돌출부(11a)의 일부가 리셉터클(13)의 내부 즉, 커넥터 핀용 수용부로 양각화 또는 절단 조합에 의해, 예를 들어 스탬핑 및 양각화에 의해 압착되어 형성된다. 이러한 방식으로, 만입부(11b)에 의해 커넥터 핀에 추가적으로 압력이 가해질 수 있으므로, 커넥터 핀은 리셉터클(13)에서 제 2 판(12)의 돌출부(12a)와 만입부(11b) 사이에 고정(clamped)될 수 있다. 따라서 커넥터 핀은, 특히 동적 부하 또는 진동이 발생하는 경우, 추가적인, 즉 외부의 잠금 요소가 없이도 의도하지 않은 분리로부터 고정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 예시적인 실시 예에 따른 커넥터 핀용 리셉터클의 상세도를 도시한다. 도 4의 리셉터클(13)은 도 3및 도 3A에서와 같이 설계되나, 연결 구조(23)의 유형, 여기서 접착 결합(23b), 및 외부 가장자리(10b)에 대한 배열이 상이하다. 도 4에서, 상부에 위치하고 서로 평행하게 연장되는 제 1 및 제 2 판(11, 12)의 길게 연장된 돌출부(11a 및 12a)에 의해 리셉터클(13)이 형성된다. 돌출부(11a 및 12a)는 외부 가장자리(10b)로부터 분리판(10)의 내부로 연장된다. 돌출부(11a, 12a)의 길이 방향 및 따라서 리셉터클(13)의 길이 방향은 외부 가장자리(10b)에 대해 각도 α로 연장되며, 각도는 분리판(10)의 외부 가장자리(10b)로부터 분리판(10)의 내부로 향하게 열린다.
도 5A, B는 종래 기술에 따른 제 1 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도 및 단면도로 도시한다. 도 5A, B는 또한 도 2A에 도시된 바와 같이 분리판(10)을 통한 단면을 통한 상이한 단면도를 도시한다. 도 5A에서 명백한 바와 같이, 분리판(10)은 본질적으로 서로의 상부에 배치된 제 1 및 제 2 판(11, 12)에 의해 형성되며, 제 1 및 제 2 판(11, 12)은 분리판(10)의 판면(10a)을 따라 판(11, 12)의 편평하고 변형되지 않은 영역에서 서로 접촉한다. 판면(10a)에 수직으로 향하고 제 2 판(12)로부터 멀어지고 판면(10a)으로부터 돌출되는 제 1 판의 길게 연장된 돌출부(11a)는 외부 가장자리(10b)로부터 제 1 판(11)의 내부를 향해 연장된다. 제 2 판의 돌출부(12a)는 외측 가장자리(10b)로부터 분리판(10)의 내부를 향해 돌출부(11a)를 따라 그리고 반대편으로 연장되고, 판면(10a)에 수직으로 그리고 제 1 판(11)로부터 멀어지면서 판면(10a)으로부터 돌출된다. 따라서, 길게 연장된 커넥터 핀(14)용 길게 연장된 리셉터클(13)이 돌출부들(11a, 12a) 사이에 형성된다. 도 5B에서 명백한 바와 같이, 분리판(10)은 도 2 및 3에서 도시된 바와 같이 서로 나란히 배열된 2개의 리셉터클(13)을 포함한다. 또한 리셉터클(13)은 대략 정사각형 단면을 가진다. 원형 단면을 가진 원통형 커넥터 핀은 두 리셉터클 중 하나에 삽입된다. 도 5A 및 B에 도시된 종래 기술의 리셉터클-커넥터 핀 연결은 클램핑(clamping) 기구도 멈춤(detent) 기구도 포함하지 않는다. 연결을 고정하는 데 필요한 추가적인 외부 잠금 요소는 여기에 도시되지 않는다.
도 6A 및 B는 종래 기술에 따른 제 2 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도 및 단면도로 도시하며, 이는 도 5A 및 B의 그것과 유사하다. 도 6A 및 B는 또한 도 2A 및 도 3A에 도시된 바와 같이 리셉터클(13)의 영역에서 분리판(10)의 단면을 통한 상이한 단면을 다시 도시한다. 도 5A 및 B와 대조적으로, 리셉터클(13)은 직사각형 단면을 가지며, 두 리셉터클(13) 중 하나에 삽입된 커넥터 핀(14)은 리셉터클(13)의 단면에 대응하는 직사각형 단면을 가진다. 도 6A 및 B의 리셉터클-커넥터 핀 연결은 또한 멈춤 또는 클램핑 기구를 포함하지 않으며, 도시된 연결을 고정하기 위한 추가적인 외부 잠금 요소도 포함하지 않는다.
도 7은 본 발명의 제 1 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도로 도시한다. 도 7은 도 5A 및 6A과 유사한 종단면도를 도시한다. 종래 기술에 공지된 도 5A 및 6A의 리셉터클-커넥터 핀 연결과는 대조적으로, 도 7은 연결을 고정하기 위한 클램핑 기구를 보여준다. 클램핑 기구는 제 1 판(11)의 돌출부(11a)에서 판면(10a)의 방향으로 변형되는 스탬핑 (stamped)된 만입부(11b)에 의해 구현된다. 만입부(11b)는, 돌출부(12a)의 방향으로 스탬핑되고 리셉터클(13)에 위치한 커넥터 핀(14)에 압력을 가하는 부분적 컷 아웃 탭(cut-out tab)으로 구성된다. 만입부(11b)의 압력의 결과로, 커넥터 핀(14)은 반대쪽 돌출부(12a)에 대해 압착되어 만입부(11b) 및 돌출부(12a) 사이에서 고정된다.
도 8은 본 발명의 제 2 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 도시하는 종단면도이다. 도 8의 제 2 예시적인 실시 예는 연결을 고정하기 위한 멈춤 기구를 포함한다. 멈춤 기구는 제 1 판(11)의 돌출부(11a)에서 양각화된 돔 형상 만입부(11c)에 의해 그리고 리셉터클(13)에 위치한 커넥터 핀(14)에서 돔 형상 만입부(11c)에 대응하는 홈(groove)(14a)에 의해 구현된다. 만입부(11c)는 커넥터 핀(14)을 삽입하는 동안 커넥터 핀의 홈(14a)에 있는 리셉터클(13)에 맞물려 연결이 의도하지 않게 분리되는 것을 방지할 수 있다.
도 7의 제 1 예시적인 실시 예와 도 8의 제 2 예시적인 실시 예 모두는 리셉터클-커넥터 핀 연결을 위한 가역적 고정(securing) 기구를 보여준다. 이것은 도 7 및 8의 예에서 리셉터클-커넥터 핀 연결이 예를 들어 분리판과 다시 접촉하기 위하여 제어된 방식으로 다시 해제될 수도 있음을 의미한다.
도 9는 본 발명의 제 3 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도로 도시한다. 마찬가지로 도 9의 제 3 예시적인 실시 예는 연결을 고정하기 위한 멈춤 기구를 포함한다. 멈춤 기구는 돌출부(11a)에서 만입부 역할을 하는 제 2 판(12)의 방향으로 구부러진 컷 아웃 탭(11b)에 의해 그리고 리셉터클(13)에 위치된 커넥터 핀의 단면 주위에 원주 방향으로 연장되는 환형 홈(14a)에 의해 구현된다. 커넥터 핀(14)을 삽입하는 동안, 탭으로 설계된 돌출부(11a)의 만입부(11b)가 커넥터 핀(14)의 환형 홈(14a)에 맞물려 연결의 의도하지 않은 분리를 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 4 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도로 도시한다. 마찬가지로 도 10의 제 4 예시적인 실시 예는 연결을 고정하기 위한 멈춤 기구를 포함한다. 멈춤 기구는 돌출부(11a)에서 만입부 역할을 하는 제 2 판(12)의 방향으로 구부러진 컷 아웃 탭(11b)에 의해 그리고 리셉터클(13)에 위치된 커넥터 핀(14)에서 만입부(11b)에 대응하는 홈(14a)에 의해 구현된다. 커넥터 핀(14)을 삽입하는 동안, 탭으로 설계된 돌출부(11a)의 만입부(11b)가 커넥터 핀(14)의 홈(14a)에 맞물려 연결의 의도하지 않은 분리를 방지할 수 있다.
도 9의 제 3 예시적인 실시 예와 도 10의 제 4 예시적인 실시 예는 모두 리셉터클-커넥터 핀 연결용 비가역적 고정 기구를 보여준다. 이것은 도 7 및 8의 예에서의 리셉터클-커넥터 핀 연결은 리셉터클-커넥터 핀 연결을 손상시키지 않고 다시 해제될 수 없다는 것을 의미한다.
도 11은 커넥터 핀을 수용하기 전에 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다. 도 11은 서로 평행하게 배열된 4개의 분리판(10)의 예시적인 스택(1a)을 도시한다. 각각의 MEA(6)는 분리판(10)들 사이에 배열되어, 제 1 분리판(10)의 제 2 판(12), MEA(6) 및 제 2 분리판(10)의 제 1 판(11)이 각각의 경우에 전기 화학 전지를 형성한다. 도시된 단면은 리셉터클(13)을 가로 지르는 영역에서 분리판의 외부 가장자리(10b) 부근에서 연장되어 MEA의 전기 화학적 활성 영역이 아니라 절단되는 가장자리 영역이다. 분리판(10)에는 2개의 리셉터클(13)이 서로 나란히 배열된다. 서로 다른 분리판(10)들의 리셉터클(13)들은 각각 적층 방향(1b)으로 서로의 상부에 배열된다. 모든 리셉터클(13)은 각각의 경우 외부 가장자리와의 연결 구조(23) 여기서는 스티치(stitch) 용접 이음부(23a)에 의하여 여러 구역에서 서로 연결된다.
도 12는 도 11과 유사하게 커넥터 핀(14)의 배열에 대한 제1 변형을 포함하는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다. 여기서, 각각의 커넥터 핀(14)은 분리판(10)의 리셉터클(13)에 삽입된다. 커넥터 핀(14)은 적층 방향(1b)으로 서로 오프셋 배치된다. 이를 통해 커넥터 핀을 특히 쉽게 삽입할 수 있다.
도 13은 도 11과 유사하게 커넥터 핀(14)의 배열에 대한 제2 변형을 포함하는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다. 도 13에서, 각각의 분리판(10)은 4개의 리셉터클(13)을 포함하고, 이들은 각각 적층 방향(1b)으로 서로 아래에 배열된다. 커넥터 핀(14)은 이제 분리판(10)에서 분리판(10)으로 적층 방향(1b)으로 인접한 리셉터클(13) 방향으로 하나의 리셉터클(13)에 의해 이동되도록 배열된다. 커넥터 핀(14)을 수용하는 리셉터클(13)이 적층 방향(1b)에 수직인 동일한 방향으로 더 이상 존재하지 않을 때까지 리셉터클(13)은 이 방향으로 이동된다. 이 경우, 대응하는 커넥터 핀(14)은 리셉터클(13) 행의 반대쪽 단부에 있는 리셉터클(13)에 배열된다. 이러한 방식으로, 마찬가지로 스택(1a)내의 커넥터 핀(14)의 최대 오프셋 배열이 달성된다. 제 1 및 제 2 판(11, 12)는 리셉터클(13)들 사이의 여러 구역에서 서로 접착식으로 결합될 뿐만 아니라 리셉터클을 측면으로 인접하여 연결 구조(23b)를 형성한다.
도 14는 본 발명의 제 5 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도로 도시하며, 이는 앞선 예시적인 실시 예와 대조적으로 연결의 제1 변형을 도시하지 않고 제 2 변형을 도시한다. 도 14의 제 5 예시적인 실시 예는 돌출부(12a)만을 포함하고 돌출부(11a)는 포함하지 않는다. 연결을 고정하기 위한 멈춤 기구는 돌출부(12a)의 반대편에 위치하는 판(11)에서 만입부(11b) 역할을 하는 제 2 판(12)의 방향으로 구부러진 컷 아웃 탭(11b)에 의해 구현된다. 커넥터 핀(14)을 삽입하는 동안, 탭으로 설계된 판(11)의 만입부(11b)가 커넥터 핀(14)의 표면에 대해 눌려서 강제 끼워 맞춤을 형성하여 연결이 의도하지 않게 분리되는 것을 방지할 수 있다.
도 15는 본 발명의 제 6 예시적인 실시 예에 따른 전기 화학 시스템용 리셉터클-커넥터 핀 연결을 종단면도로 도시하며, 이는 도 14의 예시적인 실시 예와 유사하게 연결의 제 2 변형을 도시한다. 도 15의 제 6 예시적인 실시 예에서, 분리판(10)의 개별 판(11, 12)의 명칭은 이전 명칭과 비교하여 반대이고, 제 1 판(11)은 이제 제 2 판(12) 아래에 위치한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 분리판(10)은 하부 판에 돌출부(11a)만을 포함하므로 여기서는 제 1 판(11)에만 있고, 상부 판(12)에는 돌출부(12a)가 없다. 연결을 고정하기 위한 멈춤 기구는 돌출부(11a)의 만입부로서 제 2 판(12)의 방향으로 구부러진 컷 아웃 탭(11b)에 의해 구현된다. 커넥터 핀(14)을 삽입하는 동안, 탭으로 설계된 판(11)의 만입부(11b)가 커넥터 핀(14)의 표면에 대해 눌려서 강제 끼워 맞춤을 형성하여 연결이 의도하지 않게 분리되는 것을 방지할 수 있다.
도 14의 제 5 예시적인 실시 예와 도 15의 제 6 예시적인 실시 예 모두는 리셉터클-커넥터 핀 연결을 위한 가역적 고정(securing) 기구를 보여준다. 이것은 도 14 및 15의 예에서 리셉터클-커넥터 핀 연결이 예를 들어 분리판과 다시 접촉하기 위하여 제어된 방식으로 다시 해제될 수도 있음을 의미한다.
도 16은 커넥터 핀의 제 3 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시하고, 도 15에서와 같이 판(11)의 돌출부(11a)에 의해서만 구현되는 복수의 리셉터클(13)을 통한 단면을 도시하고, 절단면은 만입부(11b)를 통해 연장되지 않는 평면에 위치한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 각각의 커넥터 핀(14)은 분리판(10)의 리셉터클(13)에 삽입된다. 커넥터 핀(14)은 적층 방향(1b)으로 서로 오프셋 배치된다.
도 17은 커넥터 핀의 제 4 배열을 가지는 본 발명에 따른 전기 화학 시스템의 일부를 통한 단면을 도시한다. 다시, 리셉터클-커넥터 핀 연결의 제 2 변형의 실시 예가 도시되며, 그 표현은 그 막(membrane)(6) 또는 가장자리 영역을 생략함으로써 이전의 것들과 비교하여 단순화된다. 도 16에 도시된 바와 같이, 절단면은 만입부(11b)와 교차하지 않도록 연장된다. 다시, 리셉터클(13)은 제 1 판에서 돌출부(11b)에 의해서만 형성되고, 제 2 판(12)는 어떠한 돌출부를 포함하지 않는다. 그러나, 돌출부(11b)들은 너무 높아서 제 2 판(12)는 돌출부(11b)가 연장되는 리세스(recess)(19)들을 포함한다. 그 결과, 이들은 예를 들어 가압 상태의 밀봉 요소의 높이보다 높을 수 있다. 이것은 분리판 측면에서 더 큰 설계 자유를 허용한다. 도시된 단면에서, 커넥터 핀(14)은 적층 방향(1b)으로 서로 오프셋 배치되지만, 적층 방향(1b)에 평행하게 연장되는 도시된 분리판의 리셉터클(13)의 중앙 2개의 행만을 차지한다.
도 17a에서, 용접 이음부(23a)는 적어도 여러 구역에서 각 리셉터클(13) 주위로 원주 방향으로 연장하고, 실제로 커넥터 핀을 수용한 도 16의 리셉터클(13)만이 용접 이음부로 둘러싸인다. 먼저 언급된 도 17의 해결 방안은 가능한 한 많은 동일한 부품을 가지는 전기 화학 시스템의 생성을 기반으로 하며, 도 16의 후자의 경우 개별 판의 생산 시간을 줄일 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 분리판(10)의 높이 및 간격 관계를 도시한다. 비드(17b)의 높이(hS1)는 돌출부(11b)의 높이(hA1)보다 큰데, 도시된 비-가압 상태 및 가압 상태 모두에서 대략 1/3만큼 더 크다. 리셉터클(13)의 총 높이(hA)에 대한 분리판(10)의 비드들(17a, 17b) 높이의 합에도 동일하게 적용된다. 리셉터클(13)과 비드(17b) 사이의 거리 DA-S는 비드(17b)의 발 폭 BS의 적어도 50 % 여기서는 약 150 %이다.
Claims (20)
- 전기 화학 시스템(1)용 분리판(10)으로서,
상기 분리판은 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)을 포함하고,
상기 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)은 본질적으로 서로의 상부에 합동적으로 배열되며, 상기 제 1 및 제 2 판(11, 12) 각각은 적어도 하나의 길게 연장된 돌출부(11a, 12a)를 포함하고,
상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 및 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 대향 측에서 상기 분리판(10)의 판면(plate plane)(10a)으로부터 돌출하고, 상기 분리판(10)의 외부 가장자리(10b)로부터 내부로 서로의 상부에서 평행하게 상기 판면(10a)을 따라 연장되어, 상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 및 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 함께 커넥터 핀(pin)(14)용 리셉터클(receptacle)(13)을 형성하고,
제 1 판(11)의 돌출부(11a) 또는 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 상기 커넥터 핀(14)을 상기 리셉터클(13)에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정시키기 위해 각각의 대향 판(12, 11)을 향하는 만입부(11b, 11c)를 포함하는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 전기 화학 시스템(1)용 분리판(10)으로서,
상기 분리판은 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)을 포함하고,
상기 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)은 본질적으로 서로의 상부에 합동적으로 배열되며, 상기 제 1 또는 제 2 판(11, 12)은 적어도 하나의 길게 연장된 돌출부(11a, 12a)를 포함하고,
상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 및 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 상기 분리판(10)의 판면(10a)으로부터 다른 판(12, 11)으로부터 멀어지는 측을 향해 돌출하고, 상기 분리판(10)의 외부 가장자리(10b)로부터 내부로 상기 판면(10a)을 따라 연장되어, 상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 또는 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a)는 커넥터 핀(pin)(14)용 리셉터클(receptacle)(13)을 형성하고,
상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 또는 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a) 또는 상기 제 1 판(11)의 돌출부(11a) 반대편에 위치한 상기 제 2 판(12)에서의 영역 또는 상기 제 2 판(12)의 돌출부(12a) 반대편에 위치한 상기 제 1 판(11)에서의 영역이 상기 커넥터 핀(14)을 상기 리셉터클(13)에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정시키기 위해 각각의 대향 판을 향하는 만입부(11b, 11c)를 포함하는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 2개의 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 판 및 제 2 판(11, 12)은 상기 분리판(10)의 상기 판면(10a)으로부터 돌출하고 상기 분리판(10)의 외부 가장자리(10b)로부터 내부로 연장하여, 상기 제 1 및/또는 제 2 판(11, 12)의 상기 복수의 돌출부(11a, 12a)는 커넥터 핀(14)용 복수의 리셉터클(13)을 형성하는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 만입부는 컷 아웃 탭(cut-out tab)(11b)으로 또는 돔(dome) 모양의 양각(陽刻)으로 설계되는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출부(11a, 12a)는 상기 외부 가장자리(10b)에 대해 각도를 가지고 연장되고, 상기 각도는 0° 보다 크고 180° 보다 작은, 특히 45° 보다 크고 90° 보다 작거나 같은, 또는 특히 90° 보다 크거나 같고 135° 보다 작은, 특히 바람직하게는 80° 보다 크거나 같고/같거나 100° 보다 작거나 같은,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 판(11, 12)은
각 경우에 상기 분리판(10)을 통해 반응 매개물을 전도하기 위한 적어도 하나의 상호 정렬된 제 1 관통 개구(15, 15');
각 경우에 상기 분리판(10)을 통해 냉각제를 전도하기 위한 적어도 하나의 상호 정렬된 제 2 관통 개구(16);
각 경우에 서로 멀어지는 방향으로 향하는 그 표면에 상기 판면(10a)을 따라 반응 매개물을 안내하기 위한 안내 구조(17a)를 포함하는 활성 영역(17); 및
상기 제 1 관통 개구(15, 15') 및 상기 활성 영역(17)과 유체 연결되고, 상기 제 1 관통 개구(15, 15')로부터 상기 활성 영역(17)으로 유입될 반응 매개물을 분배하기 위한 및/또는 상기 활성 영역(17)으로부터 상기 제 1 관통 개구(15, 15')를 향해 흐르는 반응 매개물을 수집하기 위한 분배 구조(18A)를 포함하는 분배 영역을 포함하는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 전항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 판(11, 12) 각각은
상기 판면(10a)을 따라 상기 제 1 관통 개구(15, 15')를 밀봉하기 위해, 상기 제 1 관통 개구(15, 15') 주위에서 원주 방향으로 연장하는 제 1 밀봉 구조(15a, 15a')를 포함하고, 상기 제 1 밀봉 구조(15a, 15a')는 적어도 하나의 제 1 통로(15b)를 포함하고, 이에 의해 상기 제 1 관통 개구(15, 15')는 상기 분배 영역(18) 및 상기 활성 영역(17)과 유체 연결되는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 2개의 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 판(11, 12)은 상기 판면(10a)을 따라 상기 제 2 관통 개구(16)를 밀봉하기 위한 제 2 밀봉 구조(16a)를 포함하는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 3개의 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 판(11, 12)은 상기 활성 영역(17), 상기 분배 영역(18) 및 상기 제 1 관통 개구(15, 15') 주위에서 원주 방향으로 연장되고 상기 판면(10a)을 따라 주변 영역에 대해 이들을 밀봉하는 제 3 밀봉 구조(17b)를 포함하는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 4개의 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1, 제 2 및/또는 제 3 밀봉 구조(15a, 15a', 16a, 17b)는 상기 제 1 또는 제 2 판(11, 12)에 양각화되거나 상기 제 1 및 제 2 판(11, 12)에 양각화된 밀봉 비드(sealing bead)로서 설계되는,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 상기 전항에 있어서,
상기 제 1 판(11)의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조(15a, 15a', 16a, 17b) 및 상기 제 2 판(12)의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조(15a, 15a', 16a, 17b)는 대향 측에서 상기 분리판(10)의 상기 판면(10a)으로부터 돌출되고, 상기 돌출부가 상기 분리판(10)의 상기 판면(10a)으로부터 돌출되는 상기 돌출부(11a, 12a)의 높이는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조(15a, 15a', 16a, 17b)가 상기 분리판(10)의 상기 판면(10a)으로부터 돌출되는 상기 제 1, 제 2 및 제 3 밀봉 구조의 높이보다 작은,
전기 화학 시스템(1)용 분리판(10). - 전기 화학 시스템(1)으로서, 서로 병렬로 배열되는 상기 전항들 중 어느 한 항에 의한 복수의 분리판(10)을 포함하는,
전기 화학 시스템(1). - 상기 전항에 있어서,
화학 에너지를 전력으로 변환하기 위한 전기 화학 전지의 막(membrane)(6)은 인접한 두 분리판(10) 사이에 배열되는,
전기 화학 시스템(1). - 상기 전항에 있어서,
상기 막(6)의 가장자리 영역은 상기 제 1 또는 제 2 판(11, 12)의 상기 적어도 하나의 길게 연장된 돌출부(11a, 12a)와 인접하는,
전기 화학 시스템(1). - 상기 전항에 있어서,
상기 전기 화학 시스템(1)은 분리판의 셀 전압을 확인하기 위한 장치를 추가로 포함하고, 상기 장치는 상기 복수의 분리판(10)에 연결하기 위하여 복수의 커넥터 핀(14)을 포함하고, 각 커넥터 핀(14)은 분리판(10)의 커넥터 핀(14)용 각 리셉터클(13)에 삽입 가능한,
전기 화학 시스템(1). - 상기 전항에 있어서,
상기 커넥터 핀(14)은 특히 둥근 모서리가 있는 실질적인 원통형 또는 직육면체 설계를 가지는,
전기 화학 시스템(1). - 상기 2개의 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커넥터 핀(14)을 상기 리셉터클(13)에 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식으로 고정하기 위해, 상기 커넥터 핀(14)은 상기 만입부(11b, 11c)에 대응하는 리세스(recess)(14a)를 포함하는,
전기 화학 시스템(1). - 상기 전항에 있어서,
상기 리세스(14a)는 홈(groove) 및/또는 횡방향으로 상기 커넥터 핀(14) 주위에서 연장되는 홈으로서 설계되는,
전기 화학 시스템(1). - 상기 4개의 전항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리셉터클(13)에서의 상기 커넥터 핀(14)의 상기 강제 끼워 맞춤 및/또는 형태 고정 방식의 고정은 가역적이거나 비가역적인,
전기 화학 시스템(1). - 제17항 내지 제 19항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리판(10)의 판면(10a)에 수직인 방향으로 n ≥ 1 및/또는 n ≤ 4 인 n 개의 인접한 분리판(10)의 돌출부에서, 상기 커넥터 핀(14)은 서로 오프셋된 분리판(10)에 삽입되는,
전기 화학 시스템(1).
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