KR100405479B1 - 연료전지 스택의 엔드 플레이트 - Google Patents

연료전지 스택의 엔드 플레이트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집전판과 일체화된 연료전지 스택의 엔드 플레이트에 관한 것으로서, 비전기전도성 재료를 재질로 하여 사출성형의 제조방법으로 제조되고, 내측면에 냉각수와 연료가스와 공기의 공급 포트 및 배출 포트에 노출되지 않도록 배치된 집전판이 단위전지가 접하도록 된 내측면만을 노출시킨 채 삽입되며, 외부 부하 연결을 위한 상기 집전판의 외부 단자가 삽입 설치된 설치부가 일체로 성형된 연료전지 스택의 엔드 플레이트를 제공한다.
이로써, 본 발명에 의하면, 집전판과 엔드 플레이트의 부식문제 해결 및 이에 따른 성능향상을 이룰 수 있고, 부품수 축소 및 크기의 축소가 가능하며, 사출성형을 통한 대량생산과 제조비용의 절감이 가능하다.
또한, 집전판과 엔드 플레이트의 일체화로 조립작업이 용이해지는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택의 엔드 플레이트{End plate for fuel cell stack}
본 발명은 집전판을 일체 포함하는 엔드 플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비전기전도성 재질로 사출성형되고, 내측면에는 냉각수와 연료가스와 공기에 노출되지 않게 되는 동시에 단위전지와는 내측면을 통해 접촉되는 집전판이 삽입 배치되며, 집전판의 외부 부하 연결을 위한 외부 단자가 삽입 설치되어 있는 설치부를 갖는 엔드 플레이트에 관한 것이다.일반적으로 연료 전지 스택(fuel cell stack)(1)은, 도 2a 및 2b에 도시한 바와 같이, 양단부에 배치되는 엔드 플레이트(end plate)(12,14)와, 상기 엔드 플레이트(12,14) 사이에 배치되는 연료 전지 셀 어셈블리(20)와, 상기 연료 전지 셀 어셈블리(20)의 기밀 및 가압력 유지를 위한 체결구조(30)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 연료전지 셀 어셈블리(20)는 연료전지 스택(1)에서 발생된 전기를 외부 부하(미도시됨)로 보내기 위한 집전판(current plate)(22)과, 전극막(24)과 분리판(25)과 가스확산층(26) 등으로 구성된 단위전지(21)로 되어 있다.
상기 연료전지 셀 어셈블리(20)는 전기를 생산하는 상기 단위전지(21)가 적층된 구조로 되어 있고, 이 단위전지(21)에서 발생하는 전기를 외부 부하로 보내기 위한 외부 단자(23)가 집전판(22)에 구비된다.
다음으로, 상기 체결구조(30)는 체결바(32, 도 2b에서는 미도시됨)를 이용하여 단위전지(21)의 전극막(24), 분리판(25) 및 가스확산층(26)의 양호한 전기적인 접촉성을 유지시키기 위해 엔드 플레이트(12, 14)에 적절한 가압력을 제공하게 된다.
상기 엔드 플레이트(12, 14)는 연료전지 스택(1) 구성시 양 단부에 배치되며, 일측의 제 1 엔드 플레이트(12)에는 연료전지 셀 어셈블리(20)에 냉각수, 연료가스, 공기를 공급할 수 있는 각각의 공급 포트(42)와, 냉각수, 연료가스, 공기를 배출할 수 있는 각각의 배출 포트(44)와, 체결바(32)를 삽입 고정할 수 있는 체결홈(16)이 구비되어 있고, 타측의 제 2 엔드 플레이트(14)는 연료전지 셀 어셈블리(20)에 체결 및 가압을 일정하게 할 수 있는 제 1 엔드 플레이트(12)의 대응부이다.
특히, 상기 제 1 엔드 플레이트(12)의 공급 포트(42)를 통하여 연료전지 셀 어셈블리(20)의 냉각을 위한 냉각수, 가습된 연료가스 및 공기가 연료전지 셀 어셈블리(20)에 공급되고, 연료 전지 셀 어셈블리(20)에 공급된 냉각수, 연료가스 및 공기는 다시 제 1 엔드 플레이트(12)의 배출 포트(44)를 통해 배출된다.
따라서, 냉각수, 연료가스, 공기의 공급 또는 배출을 위한 제 1 엔드 플레이트(12)의 각 포트(42, 44)에는 외부의 공급수단(미도시됨) 및 배기계(미도시됨)와의 연결을 위하여 피팅(fitting)부(46)가 구비된다.
상기 각각의 피팅부(46)를 각 포트(42,44)에 고정하기 위하여, 각각의 피팅부(46)에는 패스너(fastener)(47)가 결합되어 있고, 각각의 패스너(47)는 각 포트(42,44)에 형성되어 있는 나사부(48)에 체결된다.
또한, 상기 피팅부(46)에는 기밀을 위한 O-링(45)이 구비되어 있다.
상기와 같이 이루어진 종래의 연료전지 스택(1)에 있어서, 상기 엔드 플레이트(12,14)는 연료전지 셀 어셈블리(20)에 균일한 가압력을 줄 수 있는 강성과, 가습된 연료가스 및 공기, 냉각수의 영향을 받지 않아야 하는 내식성 등을 가져야 한다.
또한, 엔드 플레이트(12, 14)와 집전판(22) 사이에는 전기적인 절연이 요구되고 있다.
따라서, 상기 엔드 플레이트(12, 14)는 그라파이트(graphite)를 재질로 하여 제조되거나 알루미늄 등의 경량금속을 피복처리하여 제조되고 있고, 전기절연성을 확보하기 위하여 엔드 플레이트(12, 14)와 집전판(22) 사이에 별도의 절연 테이프(28)가 개재될 수 있다.
또한, 상기 집전판(22)은 전기전도도가 좋아야 하고 내산성이 요구되므로 알루미늄, 스테인레스 스틸, 황동(brass) 또는 동에 금 또는 TiN을 표면 코팅하여 제조되고 있다.
그러나, 종래의 연료 전지 스택(1)에서는, 도 2a에 도시한 바와 같이, 상기 각 포트(42,44)를 통해 공급되거나 배출되는 냉각수, 연료가스, 공기에 집전판이 노출됨에 따라 집전판의 코팅층에 존재하는 핀 홀 등에서 부식이 발생하게 된다.
이러한 부식이 발생할 경우, 부식에 의해 발생된 금속 이온이 전극막(24)을 이루고 있는 전해질막을 오염시켜 그 성능 및 내구성을 저하시키는 문제가 발생한다.
또한, 엔드 플레이트(12, 14)와 집전판(22)의 계면에서도 부식이 발생할 수 있고, 이 부식 생성물에 의한 기밀성 문제가 생기게 되면 내구성이 저하되고 수소 및 공기의 기밀 파괴에 따른 안전성 문제가 발생하게 된다.
또한, 엔드 플레이트(12, 14)와 집전판(22)의 전기절연을 위하여 그 계면에 절연 테이프(28)가 개재되는 경우, 가습된 연료가스 및 공기에 의해 절연 테이프(28)가 엔드 플레이트(12, 14) 또는 집전판(22)과 격리될 수 있어 기밀 및 내구성 문제가 발생할 수 있다.
또한, 엔드 플레이트(12, 14)가 피복된 경우에서도 핀 홀이 존재할 경우 장기 사용시 부식이 발생하여 내구성 문제를 야기시키게 된다.
또한, 제 1 엔드 플레이트(12)에는 패스너(47)를 고정하기 위하여 나사부(48)를 가공해야 하는 바, 나사 가공시 요구되는 깊이로 인하여 제 1 엔드 플레이트(12)의 두께를 두껍게 제조해야 하고, 피팅시 나사체결구조가 이용됨에 따라 차량에 사용될 경우 진동에 의해 풀리게 되는 문제가 발생하게 된다.
또한, 상기 집전판(22)의 외부 단자(23)가 엔드 플레이트(12, 14)의 바깥쪽으로 노출되어야 하므로 집전판(22)의 크기가 커지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 엔드 플레이트와 집전판의 부식문제를 해결할 수 있고, 부품수 축소 및 크기 축소가 가능한 연료전지 스택의 엔드 플레이트를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a와 도 1b는 각각 본 발명의 엔드 플레이트가 장착된 연료전지 스택의 단면도 및 평면도,
도 2a와 도 2b는 각각 종래의 엔드 플레이트와 집전판이 장착된 연료전지 스택을 나타내는 단면도 및 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료전지 스택 12 : 제 1 엔드 플레이트
14 : 제 2 엔드 플레이트 16 : 체결홈
20 : 연료 전지 셀 어셈블리 21 : 단위전지
22 : 집전판 24 : 전극막
25 : 분리판 26 : 가스확산층
28 : 절연 테이프 30 : 체결구조
42 : 공급 포트 44 : 배출 포트
46 : 피팅부 48 : 나사부
49 : 보강재 50 : 외부 단자
52 : 외부 단자 설치부 54 : 전기전도성 수단
56 : 어댑터 58 : 와셔
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 비전기전도성 재료를 재질로 하여 사출성형의 제조방법으로 제조되고, 내측면에는 냉각수와 연료가스와 공기의 공급 및 배출이 이루어지는 공급 포트(42) 및 배출 포트(44)에 노출되지 않는 동시에 단위전지(21)와는 내측면만을 통해 접하게 되는 집전판(22)이 삽입되며, 외부 부하 연결을 위하여 외부 단자(50)가 삽입 설치되는 설치부(52)가 일체로 성형되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 외부 단자(50)는 일단부가 외부 부하에 연결될 수 있도록 엔드 플레이트(12, 14)의 외측면상에 노출되고 타단부가 나사체결구조로 되어 집전판(22)에 체결되는 전기전도성 수단(54)과, 이 전기전도성 수단(54)과 별도로 상기 설치부(52)에 삽입되어 집전판(22)에 연결되는 어댑터(56)와, 상기 전기전도성 수단(54)과 어댑터(56)를 연결하는 와셔(58)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 각 포트(42, 44)에는 외부 연결을 위한 피팅부(46)가 일체로 성형된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 각 포트(42, 44)와 피팅부(46)에 걸쳐 보강재(49)가 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 보강재(49)는 그 표면이 요철면으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도면 1a와 도면 1b는 각각 본 발명의 엔드 플레이트가 장착된 연료전지 스택의 단면도 및 평면도이다.
여기서, 미설명부호 16은 체결바(32, 도 2b에서는 생략)가 삽입되는 체결홈을 나타낸다.
본 발명은 연료전지 스택(1)의 양 단부에 배치되는 엔드 플레이트(12, 14)와, 두 엔드 플레이트(12, 14) 안쪽으로 배치되는 집전판(22)을 일체화한 엔드 플레이트에 관한 것이다.
먼저, 도면 1a에 도시한 바와 같이, 각 집전판(22)이 이에 접하도록 된 엔드 플레이트(12, 14)의 내측면에 삽입되어 일체화된다.
이를 위하여, 상기 각 엔드 플레이트(12, 14)는 플라스틱을 재질로 하여 사출성형하여 제조된다.
이때, 상기 각 엔드 플레이트(12, 14)는 단위전지(21)가 접하도록 된 집전판(22)의 내측면만을 노출시킨 채, 이를 제외한 나머지면을 감싸도록 성형된다.
상기 엔드 플레이트(12, 14)의 재질은 사출성형이 가능하고 전기전도성이 없는 플라스틱으로 하되, 폐놀계 플라스틱을 재질로 하는 것이 바람직하며, 충분한 내산성 및 내수소성을 가지는 플라스틱이라면 어떠한 것도 실시 가능하다.
상기와 같이, 플라스틱을 재질로 하여 사출성형하여 엔드 플레이트(12, 14)를 제조함으로써, 중량을 저감시킬 수 있고, 기계가공에서 얻기 어려운 형상을 얻을 수 있다.
또한, 전기절연성인 플라스틱 재질의 엔드 플레이트(12, 14)에 전기전도성의 집전판(22)을 삽입함으로써, 집전판 기능을 겸한 엔드 플레이트의 제조가 될 수 있는 것이다.
여기서, 연료전지 셀 어셈블리(20)에서 전기를 발생시키는 부분은 전극막(24)이며 가스확산층(26)을 통해 전기를 전달하므로, 집전판(22)의 크기는 가스확산층(26)의 크기면 충분하다.
따라서, 엔드 플레이트의 크기와 동일하게 제조되는 종래의 집전판 크기에 대비하여, 본 발명의 엔드 플레이트(12, 14)에 삽입되는 집전판(22)의 크기는 상기한 집전판(22)의 요구되는 크기 특성을 만족하면서 냉각수, 연료가스 및 공기가 통과하지 않도록 냉각수, 연료가스 및 공기의 유로 안쪽으로 놓일 수 있는 크기로 한다.
즉, 집전판(22)이 냉각수, 연료가스 및 공기의 공급 포트(42) 및 배출 포트(44)에 노출되지 않도록 하여 부식을 방지할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 엔드 플레이트(12, 14)에서는 각 집전판(22)의 외부단자(50)를 해당 엔드 플레이트(12, 14)와 일체화한다.
즉, 상기 외부 단자(50)의 실시예로서, 엔드 플레이트(12, 14)에는 그 설치부(52)를 일체로 성형하고, 이 설치부(52)에 일단부가 엔드 플레이트(12, 14)의 외측면상에 노출되어 외부 부하(미도시됨)에 연결될 수 있는 볼트 등의 전기전도성 수단(54)을 삽입 설치한다.
또한, 상기 전기전도성 수단(54)과 별도로 상기 설치부(52)에 삽입되어 집전판(22)에 연결되는 어댑터(56)와, 상기 전기전도성 수단(54)과 어댑터(adapter)(56)를 연결하는 와셔(washer)(58)가 설치된다.
또한, 본 발명에 따른 제 1 엔드 플레이트(12)에서는 냉각수, 연료가스 및 공기의 미도시된 외부 공급수단이나 배기계를 각 포트(42, 44)에 연결하도록 된 피팅부(46)가 제 1 엔드 플레이트(12)의 사출시 각 포트(42, 44)와 일체화되어 성형되고, 상기 각 포트(42, 44)와 피팅부(46)에 걸쳐 보강재(49)가 삽입된다.
상기 보강재(49)는 금속재질로서, 바람직하게는 플라스틱 재질의 제 1 엔드 플레이트(12)와 분리되지 않도록 그 표면이 요철(凹凸)면으로 되어 삽입된다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 집전판과 엔드 플레이트의 부식문제 해결 및 이에 따른 성능향상을 이룰 수 있다.
또한, 절연 테이프 삭제 등의 부품수 축소 및 집전판, 피팅부 등의 크기가 축소될 수 있고, 특히, 집전판과 엔드 플레이트가 적층되는 종래 구조의 두께에 대비하여, 엔드 플레이트에 삽입된 집전판의 두께만큼 연료전지 스택의 크기가 축소될 수 있다.
또한, 사출성형을 통한 대량생산과 제조비용의 절감이 가능하고, 집전판과 엔드 플레이트의 일체화로 조립작업이 용이해지는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 비전기전도성 재료를 재질로 하여 사출성형의 제조방법으로 제조되고, 내측면에는 냉각수와 연료가스와 공기의 공급 및 배출이 이루어지는 공급 포트(42) 및 배출 포트(44)에 노출되지 않는 동시에 단위전지(21)와는 내측면만을 통해 접하게 되는 집전판(22)이 삽입되며, 상기 각 포트(42,44)에는 냉각수와 연료가스와 공기의 공급 및 배출을 위한 피팅부(46)가 일체로 성형되어 있고, 외부 부하 연결을 위하여 일단부가 외부 부하에 연결될 수 있도록 엔드 플레이트(12,14)의 외측면상에 노출되는 동시에 타단부가 나사체결구조로 되어 집전판(22)에 체결되는 전기전도성 수단(54)과 상기 전기전도성 수단(54)과 별도로 상기 설치부(52)에 삽입되어 집전판(22)에 연결되는 어댑터(56)와 상기 전기전도성 수단(54)과 어댑터(56)를 연결하는 와셔(58)를 포함하여 이루어진 외부 단자(50)가 삽입 설치되는 설치부(52)가 일체로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 엔드 플레이트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 각 포트(42,44)와 피팅부(46)에 걸쳐 보강재(49)가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 엔드 플레이트.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 보강재(49)는 그 표면이 요철면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 엔드 플레이트.
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