KR100747869B1 - 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조에 관한 것으로, 복수의 적층된 단위전지(45)의 양측에 결합되어 상기 단위전지(45)를 지지하는 체결판(50)이 구비된 스택(1)에 있어서, 상기 체결판(50)은 한쪽 면이 오픈된 직육면체 형상의 베이스 플레이트(500); 및 상기 베이스 플레이트(500)의 오픈된 면에 밀착 결합되어 상기 베이스 플레이트(500)를 커버함으로써 상기 베이스 플레이트(500)의 내부에 폐쇄된 단열 공간을 형성하는 커버 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 내부에 단열 공간을 형성한 체결판을 사용하여 저온의 외기에 의해 체결판 인근의 셀에 저전압이 발생되는 것을 방지 및 개선하고, 저온의 외기에서 스택의 정상 운전 온도 도달 시간을 단축할 수 있어 냉시동 효율이 대폭 향상된다.

냉시동, 스택, 체결판, 베이스 플레이트, 커버 플레이트, 포켓부, 밀폐, 단열

Description

연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조{The stack fixture structure for cold start-up of a fuel cell vehicle}

도 1은 본 발명의 스택 결합 구조를 도시한 개략도.

도 2a는 도 1에 따른 체결판을 도시한 평면도.

도 2b는 도 1에 따른 체결판 덮개를 도시한 평면도.

도 3은 체결판과 체결판 덮개의 결합 상태에 따른 A-A'선의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 스택 40 : 연료전지

50 : 체결판 500 : 베이스 플레이트

510 : 아웃사이드 프레임 520 : 메인 리브

530 : 서브 리브 540 : 포켓부

600 : 커버 플레이트

본 발명은 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부에 단열 공간을 형성한 체결판을 사용함으로써 저온의 외기에 의해 체결판 인근의 셀에 저전압이 발생되는 것을 방지하여 냉시동 효율을 향상시킨 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조에 관한 것이다.

자동차 구동용으로 사용되는 연료전지는 전해질 막을 중심으로 양극(cathode)과 음극(anode) 사이를 이온이 오가면서 전자를 발생시키는 셀(cell)을 적층하여 원하는 전력을 생산하게 된다.

이렇게 여러 장의 셀이 적층된 것을 스택이라고 하며, 각각의 셀이 최적 적층 압력을 받아 구조를 유지하도록 하기 위해 복수의 셀을 적층하고 그 외부에 체결판을 결합하여 사용하게 된다.

자동차용 연료전지는 어떠한 기후 조건에서도 시동 및 운전이 가능해야 하지만, 영하 또는 0도 근처의 낮은 온도에서 연료전지를 운전하면 스택의 양 끝단, 즉 체결판과 접촉되어 있는 부분의 셀이 상대적으로 낮은 전압을 형성하게 된다.

셀의 저전압 현상의 큰 원인 중 하나는 금속 소재를 사용하는 체결판의 높은 열전도율에 의한 방열로 셀의 온도가 저하되기 때문이다. 셀의 온도 저하로 전해질의 저항이 증가되고 상대적으로 낮은 전류 영역에서 급격히 셀 전압이 EJfdjwj 역전압이나 최저 전압 한계점 이하의 전압이 형성되면 시스템이 셧 다운(shut down)될 수도 있다.

이를 방지하기 위하여 체결판의 재료를 열전도도가 낮은 엔지니어링 플라스틱이나 유리섬유 등으로 만들거나 별도의 단열재를 이용해 스택의 양단을 보온하도록 설계하고 있다. 그러나 이 경우 체결판의 구조적인 강성 확보를 위해 두께나 부피가 더 커져야 하므로 연료전지 셀의 반응열보다 더 큰 열량(thermal mass)으로 인해 저전압 해소 및 시동 가능 시간이 길어지는 단점이 있다.

종래의 유럽특허공개 EP1437782 에는 같이 다공성 금속(metal foam, 50)과 절연성 수지(insulating resin, 51)를 이용함으로써 집열 및 단열이 유리한 체결판의 구조가 개시되어 있으나, 이 경우 충분한 강성 확보를 위해 별도의 체결 구조가 추가되어야 하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 체결판이 균일한 압력 분포를 갖도록 하여 구조적인 강성을 확보함과 동시에 열량(thermal mass) 저감과 단열 능력을 극대화시켜 저온 조건에서도 셀에 저전압이 발생하는 것을 방지함으로써 저온 조건에서도 정상적으로 시동될 수 있는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 체결판의 구조를 개선함으로써 별도의 체결구조 없이도 간편하게 조립하여 부품 수 및 제조 공정을 줄일 수 있는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수의 적층된 단위전지의 양측에 결합되어 상기 단위전지를 지지하는 체결판이 구비된 스택에 있어서, 상기 체결판은 한쪽 면이 오픈된 직육면체 형상의 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 오픈된 면에 밀착 결합되어 상기 베이스 플레이트를 커버함으로써 상기 베이스 플레이트의 내부에 폐쇄된 단열 공간을 형성하는 커버 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조를 제공한다.

상기 베이스 플레이트는, 내부에 단열 공간을 형성하도록 상기 바닥면의 가장자리를 따라 상측으로 연장되어 상기 단위전지를 지지하는 아웃사이드 프레임; 상기 아웃사이드 프레임의 내측에 설치되되 상기 바닥면으로부터 상향 연장되어 상기 바닥면을 등간격이 되도록 복수 개로 분할할 수 있을 정도의 두께를 가지고 상기 바닥면의 종 방향으로 설치되어 상기 단위전지를 지지하는 적어도 하나의 메인 리브; 상기 아웃사이드 프레임의 내측에 설치되되 상기 바닥면으로부터 상향 연장되어 상기 바닥면을 등간격이 되도록 복수 개로 분할할 수 있을 정도의 두께를 가지고 상기 바닥면의 횡 방향으로 설치되어 상기 단위전지를 지지하는 적어도 하나의 서브 리브; 및 상기 메인 리브 및 서브 리브에 의해 단열 공간이 구획됨으로써 형성되는 포켓부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 커버 플레이트는 상기 베이스 플레이트와의 결합시 상기 아웃사이드 프레임과 메인 리브 및 서브 리브의 단부에 밀착되는 바닥면과, 바닥면을 따라 절곡 형성되어 상기 아웃사이드 프레임을 외측에서 커버하여 상기 포켓부를 밀폐하는 커버 프레임을 포함하는 것을 특징으로 특징으로 한다.

상기 메인 리브 및 서브 리브 상에는 적어도 하나의 전압 단자가 결합되는 전류통로가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 포켓부의 내부는 진공 또는 단열재와 공기의 혼합체로 충진되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 자동차용 연료전지를 본 발명의 일 실시예로 하고 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조에 관해 상세히 설명하기로 한다.

첨부된 도 1은 본 발명의 스택 결합 구조를 도시한 개략도이고, 도 2a는 도 1에 따른 체결판을 도시한 평면도이다. 도 2b는 도 1에 따른 체결판 덮개를 도시한 평면도이며, 도 3은 체결판과 체결판 덮개의 결합 상태에 따른 A-A'선의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지(40)를 양측에서 지지하는 분리판(30)에 의해 형성되는 복수의 단위전지(연료전지와 분리판의 결합체, 45)가 차례로 적층되고, 단위전지(45)의 양측에 집전판(20)과 절연판(10)이 각각 결합되며, 절연판(10)의 외측에 이들을 지지하는 체결판(50)이 결합됨으로써 스택(1)을 형성한다.

스택(1)의 일측에 결합되는 체결판(50)과 절연판(10) 및 집전판(20), 그리고 단위전지(45)의 일단부에는 산소가 포함된 공기와 수소 가스가 유입되는 유입 유로(A)가 형성되며, 체결판(50)과 절연판(10) 및 집전판(20), 그리고 단위전지(45)의 타단부에는 전력을 생산한 후 발생되는 물과 잔여 가스가 배출되는 유출 유로(B)가 형성된다.

그러나 스택(1)의 타측 끝단에 결합되는 분리판(30)과 집전판(20) 및 절연판(10), 그리고 체결판(50)에는 유입 및 유출 유로가 형성되지 않고 막힌 구조를 갖는다. 따라서 공기 및 수소 가스는 스택(1)의 일측을 통해서면 내부로 유입되고, 전력 생산 후 발생되는 물과 잔여 가스 역시 스택(1)의 일측을 통해서만 외부로 유출된다.

도 2a 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 체결판(50)은 베이스 플레이트(500)와 이를 커버하는 커버 플레이트(600)로 구성된다.

베이스 플레이트(500)는 바닥면의 가장자리를 따라 상측으로 연장 형성되어 내부에 단열 공간을 형성하는 아웃사이드 프레임(510)과, 아웃사이드 프레임(510)의 내측에 형성되어 상기 단열 공간을 복수 개로 구획하는 메인 리브(520) 및 서브 리브(530)를 포함하여 구성된다.

아웃사이드 프레임(510)은 바닥면의 가장자리를 따라 상향 돌출되는 상향 절곡면(512)과, 상향 절곡면(512)으로부터 바닥면의 내측을 향해 수평으로 연장 형성되는 수평면(514)과, 수평면(514)으로부터 하향 절곡되어 바닥면에 연결되는 하향 절곡면(516)으로 구비된다. 즉, 아웃사이드 프레임(510)은 내부에 단열 공간이 형성될 수 있을 정도의 두께를 가지고 베이스 플레이트(500)의 외곽을 형성한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 메인 리브(520)는 아웃사이드 프레임(510)의 내측에 설치되되 바닥면의 종 방향으로 형성된다. 메인 리브(520) 역시 아웃사이드 프레임(510)과 마찬가지로 상향 절곡된 면과 수평으로 연장된 면, 그리고 하향 절곡된 면이 연결되어 적당한 두께를 갖도록 형성되며, 바닥면을 등간격으로 분할한다. 도 2a에는 하나의 메인 리브(520)만을 도시하였으나, 스택(1)의 체결시 하중 지지점의 수에 따라 메인 리브(520)의 수는 달라질 수 있다.

서브 리브(530)는 아웃사이드 프레임(510)의 내측에 설치되되 바닥면의 횡 방향으로 형성된다. 서브 리브(530) 역시 아웃사이드 프레임(510)과 마찬가지로 상향 절곡된 면과 수평으로 연장된 면, 그리고 하향 절곡된 면이 연결되어 적당한 두 께를 갖도록 형성되며, 바닥면을 등간격으로 분할한다. 도 2b에는 두 개의 서브 리브(530)만을 도시하였으나, 스택(1)의 체결시 하중 지지점의 수에 따라 서브 리브(530)의 수는 달라질 수 있다.

메인 리브(520) 및 서브 리브(530)는 균일한 하중 분포를 위하여 높이(h)와 하중 지지면적(a)의 비(h/a)는 1.25 이상인 것이 바람직하다(이는 실험에 의한 최적치임).

메인 리브(520) 및 서브 리브(530)에 의해 베이스 플레이트(500) 내부의 단열 공간이 복수 개로 구획되어 포켓부(540)를 형성한다.

도 2a 및 도 3에 도시된 바와 같이, 포켓부(540)는 메인 리브(520) 및 서브 리브(530)와 후술할 커버 플레이트(600)에 의해 밀폐되어 단열 공간이 되며, 전기적으로 절연성을 갖는다. 포켓부(540)의 내부는 단열성을 높이기 위해 진공 상태로 만들거나 단열재와 공기를 혼합하여 충진한다.

이렇게 형성된 포켓부(540)는 외부와 연통되지 않는 폐 공간이 되므로 영하의 외기에 대해 셀 보온 및 단열 구조로 기능을 할 수 있다. 따라서 체결판(50) 부근의 연료 전지(40)가 저온에 의해 저전압을 형성하는 것을 방지할 수 있어 저온 조건하에서도 스택(1)이 정상 시동까지 걸리는 시간을 단축할 수 있어 냉시동 효율이 대폭 향상된다.

한편, 도 2a 및 도 3에 도시된 바와 같이, 메인 리브(520)와 서브 리브(530)의 교차지점에는 전압 단자가 결합되는 전류 통로(550)가 형성되며, 적어도 하나 이상이 구비되는 것이 바람직하다.

도 2b 및 도 3에 도시된 바와 같이, 커버 플레이트(600)는 내부에 베이스 플레이트(500)를 수용하기 위한 수용 공간(610)이 형성되며, 바닥면(650)의 가장자리를 따라 아웃사이드 프레임(510)을 외측에서 완전히 커버하기 위한 커버 프레임(620)이 형성된다.

커버 프레임(620)의 내면이 아웃사이드 프레임(510)의 외면에 완전히 밀착되고, 커버 플레이트(600)의 바닥면이 메인 리브(520) 및 서브 리브(530)의 단부에 완전히 밀착됨으로써 베이스 플레이트(500) 내부에 단열 공간을 형성하는 포켓부(540)를 완전히 밀폐한다.

커버 플레이트(600)의 바닥면(650)에는 전류 통로(550)에 전압 단자가 결합될 수 있도록 전류 통로(550)를 노출시키는 관통공(630)이 형성된다. 커버 플레이트(600)가 베이스 플레이트(500)에 결합된 상태에서 전류 통로(550)를 제외한 모든 부분은 밀폐되어야 하므로, 관통공(630)의 내경은 전류 통로(550)가 형성된 부분의 외경에 꼭 맞게 형성되는 것이 바람직하다.

따라서 전류 통로(550)가 형성되는 메인 리브(520)와 서브 리브(530)의 교차 부분의 높이는 메인 리브(520) 및 서브 리브(530)의 높이에 커버 플레이트(600)의 바닥면(650) 두께를 더한 것보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.

커버 플레이트(600)와 베이스 플레이트(500)의 각 모서리에는 상호 결합을 위한 체결공(560, 640)이 형성된다. 커버 플레이트(600)와 베이스 플레이트(500)는 볼트나 가스켓 또는 오링 실(O-ring seal) 등에 의한 기계적인 조립이나 브레이징(brazing, 납땜), 또는 접착제를 이용한 접합 등 화학적인 접합을 통해 결합되어 포켓부(540)가 완전히 밀폐된 단열 공간을 형성하도록 한다.

또한 커버 플레이트(600)와 베이스 플레이트(500)의 결합시 포켓부(540)에 진공을 형성하거나, 공기 유속이 빠른 배기관에 미세관을 연결하여 형성된 부압을 이용하여 진공을 형성하는 것이 바람직하다. 또는 차량에 장착된 진공펌프와 연결하여 진공 상태를 만들 수도 있다. 포켓부(540)에 솜과 같은 단열재를 충진하는 경우에도 커버 플레이트(600)와 베이스 플레이트(500)의 결합시 미리 충진한 후 결합하면 된다.

도면에는 편의상 C 부분만을 도시하였으며, 유입 및 유출 유로가 형성된 체결판의 구조는 유입 및 유출 유로 부분을 제외하고 동일한 구조를 갖는다.

한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조는 내부에 단열 공간을 형성한 체결판을 사용하여 저온의 외기에 의해 체결판 인근의 셀에 저전압이 발생되는 것을 방지 및 개선하고, 저온의 외기에서 스택의 정상 운전 온도 도달 시간을 단축할 수 있어 냉시동 효율이 대폭 향상된다.

또한, 체결판과 단열 공간 및 체결판 덮개의 구조를 일체화 함으로써 부품 수를 감소시키고 제조 공정이 단축되는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 복수의 적층된 단위전지(45)의 양측에 결합되어 상기 단위전지(45)를 지지하는 체결판(50)이 구비된 스택(1)에 있어서,

   상기 체결판(50)은 한쪽 면이 오픈된 직육면체 형상의 베이스 플레이트(500); 및 상기 베이스 플레이트(500)의 오픈된 면에 밀착 결합되어 상기 베이스 플레이트(500)를 커버함으로써 상기 베이스 플레이트(500)의 내부에 폐쇄된 단열 공간을 형성하는 커버 플레이트(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 베이스 플레이트(500)는,

   내부에 단열 공간을 형성하도록 상기 바닥면의 가장자리를 따라 상측으로 연장되어 상기 단위전지(45)를 지지하는 아웃사이드 프레임(510);

   상기 아웃사이드 프레임(510)의 내측에 설치되되 상기 바닥면으로부터 상향 연장되어 상기 바닥면을 등간격이 되도록 복수 개로 분할할 수 있을 정도의 두께를 가지고 상기 바닥면의 종 방향으로 설치되어 상기 단위전지(45)를 지지하는 적어도 하나의 메인 리브(520);

   상기 아웃사이드 프레임(510)의 내측에 설치되되 상기 바닥면으로부터 상향 연장되어 상기 바닥면을 등간격이 되도록 복수 개로 분할할 수 있을 정도의 두께를 가지고 상기 바닥면의 횡 방향으로 설치되어 상기 단위전지(45)를 지지하는 적어도 하나의 서브 리브(530); 및

   상기 메인 리브(520) 및 서브 리브(530)에 의해 단열 공간이 구획됨으로써 형성되는 포켓부(540)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조.
3. 제2항에 있어서,

   상기 커버 플레이트(600)는 상기 베이스 플레이트(500)와의 결합시 상기 아웃사이드 프레임(510)과 메인 리브(520) 및 서브 리브(530)의 단부에 밀착되는 바닥면(650)과, 바닥면(650)을 따라 절곡 형성되어 상기 아웃사이드 프레임(510)을 외측에서 커버하여 상기 포켓부(540)를 밀폐하는 커버 프레임(620)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조.
4. 제2항에 있어서,

   상기 메인 리브(520) 및 서브 리브(530) 상에는 적어도 하나의 전압 단자가 결합되는 전류 통로(550)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조.
5. 제3항에 있어서,

   상기 포켓부(540)의 내부는 진공 또는 단열재와 공기의 혼합체로 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉시동이 가능한 스택 체결 구조.

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