KR100887830B1 - 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택 - Google Patents

센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로, 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하는 전지 관통홀이 형성되고, 상기 전지 관통홀 간의 위치가 일치하도록 적층된 다수의 단위전지; 상기 전지 관통홀의 위치 및 형상에 대응하여 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하는 분리판 관통홀이 형성되고, 상기 단위전지의 사이에 각각 삽입되어 상기 단위전지와 함께 연료전지 스택을 구성하는 다수의 분리판; 상기 분리판 관통홀의 위치 및 형상에 대응하여 중앙을 관통하는 관통홀이 형성되고, 상기 연료전지 스택의 양단을 지지하며, 수소 및 공기와 냉각수의 입출구 매니폴드가 형성된 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 전지 관통홀과 분리판 관통홀 및 관통홀이 연통되어 형성되는 센터 홀의 내측 및 상기 연료전지 스택의 외측에 결합되어 상기 연료전지 스택을 고정하여 면압을 유지하는 스택체결기구를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 연료전지 스택의 외측 및 중앙 부분에서 연료전지 스택을 고정함으로써 연료전지 스택의 반응 면적이 증가하더라도 균일한 면압을 유지할 수 있는 효과가 있다.
연료전지 스택, 스택체결기구, 센터홀, 면압 유지

Description

센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택{Fuel-cell stack having center hole type stack assembly device}
본 발명은 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 중앙에 센터 홀을 구비하고 연료전지 스택의 외측 및 센터 홀에 체결 기구를 설치함으로써 균일한 면압을 제공하는 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 단위전지는 고분자 전해질막의 양쪽에 가스 확산층이 결합되고, 그 외측으로 가스켓과 분리판이 각각 결합되어 구성되며, 연료전지 스택은 필요 전력에 따라 수십 내지 수백 개의 단위전지가 적층되고 그 양단을 엔드 플레이트가 지지하고 있으며 스택 체결기구에 의해 고정된다.
연료전지는 음극에 수소를 공급하고 양극에 공기 또는 산소를 공급하여 내부에서 전기화학반응을 일으킴으로써 고효율의 전기 에너지와 반응에 의한 물을 발생시킨다. 이러한 전기화학반응 시에는 스택 전압이 전류의 밀도 증감에 따라 변화하는데 이는 전극, 전해질, 가스 확산층, 분리판 등의 스택 구성 부품 사양 및 운전 조건에 기인한다.
연료전지 스택의 성능에서 스택 체결 조건이 영향을 미치는 영역은 전해질 저항 및 물질 전달 저항 영역이다. 연료전지 스택의 체결시 불균일한 면압은 고분자 전해질막과 가스 확산층 및 분리판 사이의 들뜸 현상을 일으켜 접촉 저항을 증가시키고, 그로 인한 전기적 저항 증가의 원인이 된다. 또한, 고분자 전해질막과 가스 확산층 및 분리판 유로 사이의 물 유동의 저항 인자로 작용하여 스택 내부의 물 배출이 어려워 물질 전달 저항의 원인이 된다.
종래에는 연료전지 스택의 면압을 유지하기 위해 긴 체결봉과 너트를 이용해 연료전지 스택을 체결하거나 체결밴드, 밑판과 옆판이 일체로 된 체결장치(clamping device), 그리고 체결 밴드와 접시 스프링을 이용하여 연료전지 스택을 체결하는 등 다양한 체결기구를 사용하였다.
그러나 체결봉과 너트, 체결밴드 등을 이용하는 경우 이용해 연료전지 스택을 체결하는 경우 작업성이 저하되고 스택의 반응 면적이 증가할 경우 균일한 면압 유지가 어려운 단점이 있다.
또한, 밑판과 옆판이 일체로 된 체결장치를 사용하는 경우 조립은 매우 용이하나 역시 스택 반응 면적 증가시 면압 유지가 어려운 단점이 있다.
그리고 체결 밴드와 접시 스프링을 사용하여 연료전지 스택을 체결하는 경우 면압은 균일하게 유지할 수 있으나 단가가 상승하고 스택의 부피 증가 및 과도한 무게로 인한 작업성 저하 등의 불편이 있어 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 연료전지 스택의 체결기구가 필요하게 되었다.
한편, 종래의 체결 방식을 이용하여 차량에 장착되는 연료전지 스택은 공용 분배 기구를 기준으로 좌우 대칭 또는 상하 대칭 구조를 이루므로, 엔진룸에 장착시 상하 또는 좌우 공간에 제약을 받는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 연료전지 스택의 반응 면적 증가시에도 균일한 면압을 유지할 수 있는 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택에 센터 홀을 적용함으로써 공용분배기구 없이도 연료전지 스택에 가스 및 냉각수를 공급할 수 있도록 하여 차량 내 공간 활용도를 높이고 연료전지 스택의 온도 편차를 감소하여 연료전지 스택의 효율 및 냉시동성을 향상시키는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하는 전지 관통홀이 형성되고, 상기 전지 관통홀 간의 위치가 일치하도록 적층된 다수의 단위전지; 상기 전지 관통홀의 위치 및 형상에 대응하여 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하는 분리판 관통홀이 형성되고, 상기 단위전지의 사이에 각각 삽입되어 상기 단위전지와 함께 연료전지 스택을 구성하는 다수의 분리판; 상기 분리판 관통홀의 위치 및 형상에 대응하여 중앙을 관통하는 관통홀이 형성되고, 상기 연료전지 스택의 양단을 지지하며, 수소 및 공기와 냉각수의 입출구 매니폴드가 형성된 한 쌍의 상부 및 하부 엔드 플레이트; 및 상기 전지 관통홀과 분리판 관통홀 및 관통홀이 연통되어 형성되는 센터 홀의 내측 및 상기 연료전지 스택의 외측에 결합되어 상기 연료전지 스택을 고정하여 면압을 유지하는 스택체결기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택을 제공한다.
상기 연료전지 스택의 내측 센터 홀에는 물탱크에 연결되어 냉각수를 공급하는 냉각수 배관이 삽입되고, 상기 냉각수 배관은 상기 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이트의 냉각수 입구 매니폴드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 내측 센터 홀에는 공기의 공급을 위한 공기 배관이 삽입되고, 상기 공기 배관은 상기 연료전지 스택의 상부 엔드 플레이트의 공기 입구 매니폴드에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 내측 센터 홀에는 상기 센터 홀의 길이에 대응하는 바(bar) 형상의 히터가 삽입되어 냉시동 조건에서 상기 연료전지 스택의 냉시동성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 공기 배관에는 상기 공기 입구 매니폴드에 연결되는 상기 공기 배관의 단부에 인접하여 설치되어 온도 저하시 응축수의 생성을 방지하는 라인 히터가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택에 대해 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이며, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택의 센터 홀 타입 스택체결기구를 도시한 정 면도와 저면도 및 측면도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택의 센터 홀 타입 스택체결기구를 도시한 정면도와 저면도 및 측면도이다.
도 1 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 스택(100)은 다수의 단위전지(130)와, 각각의 단위전지(130)의 사이에 삽입되는 분리판(140)과, 이들의 양단을 지지하는 상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)로 구성된다.
상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)에 형성된 관통홀(114, 124)과, 단위전지(130)에 형성된 전지 관통홀(132)과, 분리판(140)에 형성된 분리판 관통홀(142)이 하나로 연통되어 센터 홀(H)을 형성하며, 센터 홀(H)과 스택(100)의 외측에 스택체결기구(200)가 설치되어 연료전지 스택(100)을 고정하게 된다.
센터 홀(H)의 내측에는 물탱크(800)와 연결된 냉각수 배관(300)과 공기 배관(400)이 삽입되어 스택(100)에 냉각수와 공기를 공급하며, 수소 탱크(900)와 연결된 수소 배관(500)은 스택(100)의 외측에 설치되어 스택(100)에 수소 가스를 공급한다. 연료전지 스택(100)에서 생성된 전력을 분배하는 전력 분배기(700)는 연료전지 스택(100)의 상측에 연결 설치되며, 센터 홀(H)의 내측에는 냉시동성 향상을 위한 히터(600)가 추가로 설치될 수 있다.
도 3a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 상부 엔드 플레이트(110)에는 전류 단자(112)와, 냉각수 입구 매니폴드(115), 공기 입구 매니폴드(117) 및 수소 입구 매니폴드(119)가 형성되어 냉각수 배관(300)과 공기 배관(400) 및 수소 배관(500)과 연결되어 스택(100)에 냉각수와 공기 및 수소를 공급할 수 있게 한다.
하부 엔드 플레이트(120)에는 전류 단자(112)와, 냉각수 출구 매니폴드(125), 공기 출구 매니폴드(127) 및 수소 출구 매니폴드(129)가 형성되어 반응 후 배출되는 공기와 냉각수 및 수소를 배출하도록 한다. 냉각수 출구 매니폴드(125)와 수소 출구 매니폴드(129)는 워터 트랩에 연결되고, 워터 트랩에는 워터 드레인(810)이 설치되어 배출되는 공기와 수소 중에 포함된 잔수가 물탱크(800)로 배출되도록 한다.
또한, 상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)에는 공통으로 중앙을 관통하는 직사각형 형상의 관통홀(114, 124)이 형성되는데, 이러한 관통홀(114, 124)은 단위전지(130) 및 분리판(140)에 형성된 관통홀들과 그 크기나 형상이 동일하게 형성된다. 상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)에 형성되는 냉각수와 공기 및 수소 입출구 매니폴드(115, 117, 119, 125, 127, 129)는 도면의 도시와 같이 여러 가지 형태로 형성될 수 있으나, 관통홀(114, 124)은 동일하게 중앙을 관통하는 형태로 형성되며, 그 형상은 원형이나 직사각형, 정사각형, 또는 타원형 등 그 형상에 제한 없이 변경될 수 있다.
단위전지(130) 및 분리판(140)에도 전지 관통홀(132)과 분리판 관통홀(142)이 각각 형성되는데, 전지 관통홀(132)과 분리판 관통홀(142)은 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하도록 형성된다. 단위전지(130) 및 분리판(140)은 각각의 전지 관통홀(132)과 분리판 관통홀(142)의 위치가 일치하도록 적 층된다. 전지 관통홀(132)과 분리판 관통홀(142)은 상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)에 형성된 관통홀(114)과 동일한 모양으로 형성된다. 본 발명의 실시 예에서는 상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)에 직사각형 모양의 관통홀(114, 124)이 형성된 것으로 도시하였으므로 단위전지(130) 및 분리판(140)에 형성되는 전지 관통홀(132) 및 분리판 관통홀(142) 역시 직사각형으로 형성된다.
상부 엔드 플레이트(110) 및 하부 엔드 플레이트(120)에 형성된 관통홀(114, 124)과 단위전지(130)에 형성된 전지 관통홀(132)과, 분리판(140)에 형성된 분리판 관통홀(142)은 서로 모양과 형성 위치가 동일하므로 연료전지 스택(100)의 적층 후 관통홀(114)과 전지 관통홀(132) 및 분리판 관통홀(142)이 하나로 연통된다. 이렇게 하나로 연결된 긴 직육면체 형상의 홀이 센터 홀(H)을 구성하게 된다(도 2 참조).
대면적 연료전지 스택의 경우 동일한 분리판이라도 스택 운전시 냉각수 입출구 매니폴드나 수소 및 공기 입출구 매니폴드의 위치나 반응 면적 등에 따라 약 10℃ 이상의 온도 편차가 나타나 스택의 내구 성능에 취약한 부분이 나타나게 된다.
그런데 센터 홀(H)이 스택(100)의 중앙에 형성되므로, 센터 홀(H)을 통해 공기의 대류를 이용한 스택(100)의 냉각이 가능하여 분리판(140)의 위치에 따른 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
센터 홀(H)과 연료전지 스택(100)의 외측에는 스택체결기구(200)가 결합되어 연료전지 스택(100)에 균일한 면압이 가해지도록 고정한다. 즉, 스택체결기구(200) 는 연료전지 스택(100)의 내측 및 외측에서 연료전지 스택(100)을 고정하므로, 외측에서만 고정하는 종래의 방법에 비해 균일한 면압을 유지할 수 있어 스택(100)의 출력을 향상시킬 수 있다.
스택체결기구(200)로는 체결봉과 너트가 사용되거나, 체결밴드가 사용될 수도 있으며, 연료전지 스택(100)을 내측 및 외측에서 고정할 수 있다면 그 종류에 제한되지 않고 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센터 홀(H)에는 스택체결기구(200) 뿐만 아니라 냉각수 배관(300)과 공기 배관(400) 및 히터(600)가 삽입된다.
냉각수 배관(300)은 물탱크(800)에 연결되며, 센터 홀(H)의 하측에서 상측으로 냉각수를 공급하도록 설치되어 상부 엔드 플레이트(110)에 형성된 냉각수 입구 매니폴드(115)에 연결되어 스택(100)에 냉각수를 공급한다.
공기 배관(400)은 공기 블로워에 의해 유입되어 가습기를 통과한 공기를 공급하도록 가습기에 연결되며, 센터 홀(H)의 하측에서 상측으로 공기를 공급하도록 설치되어 상부 엔드 플레이트(110)에 형성된 공기 입구 매니폴드(117)에 연결되어 스택(100)에 공기를 공급한다.
공기 입구 매니폴드(117)에 연결되는 공기 배관(400)의 단부에는 라인 히터(410)가 설치되며, 공기 배관의 온도 저하에 의한 응축수의 생성을 방지할 수 있다. 또한, 공기 배관(400)이 센터 홀(H)을 지나가므로 냉시동 조건의 운전 초기에 라인 히터(410)의 발열량을 이용해 냉시동 성능을 향상시킬 수 있다.
이렇게 냉각수 배관(300)과 공기 배관(400)이 스택(100) 중앙의 센터 홀(H) 을 통과하도록 설치되므로 냉각수 및 공기를 분배하기 위한 별도의 공용분배기구를 설치하지 않아도 냉각수 및 공기를 공급할 수 있으므로 엔진룸 내부 공간의 활용성이 향상된다. 또한, 냉각수 배관(300)을 순환하는 냉각수의 발열 및 흡열량을 이용해 스택(100)의 운전시 온도 편차를 감소할 수 있다.
냉시동 조건에서의 운전시 운전 효율의 향상을 위해 중요한 문제는 운전 초기 짧은 시간 내에 스택(100)의 운전 온도를 얼마나 빨리 상승시켜 연료전지 스택(100)의 출력을 향상시킬 수 있는가 이다. 센터 홀(H)은 냉시동 성능을 향상시키는데에도 이용될 수 있는데, 센터 홀(H)의 길이에 대응하는 바(bar) 형상의 히터(600)를 삽입함으로써 냉시동 운전 초기 히터(600)의 발열을 이용해 스택(100)의 운전 온도를 급격히 상승시킬 수 있다. 이러한 방법에 의해 스택(100)의 냉시동성을 향상시킬 수 있다.
한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택은, 연료전지 스택의 외측 및 중앙 부분에서 연료전지 스택을 고정함으로써 연료전지 스택의 반응 면적이 증가하더라도 균일한 면압을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 센터 홀 부분에 공기 배관과 냉각수 배관을 삽입할 수 있어 별도의 공용분배기구를 설치하지 않아도 연료전지 스택을 가동할 수 있으므로 차량 내 공간 활용도를 높이는 효과가 있다.
그리고 센터 홀을 통한 대류와 센터 홀 부분에 설치되는 별도의 히터를 통해 전지 스택의 온도 편차를 감소하여 연료전지 스택의 효율 및 냉시동성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 도시한 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택의 센터 홀 타입 스택체결기구를 도시한 정면도와 저면도 및 측면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택의 센터 홀 타입 스택체결기구를 도시한 정면도와 저면도 및 측면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 연료전지 스택 110 : 상부 엔드 플레이트
120 : 하부 엔드 플레이트 114, 124 : 관통홀
130 : 단위전지 132 : 전지 관통홀
140 : 분리판 142 : 분리판 관통홀
H : 센터 홀 200 : 스택체결기구
300 : 냉각수 배관 400 : 공기 배관
410 : 라인 히터 500 : 수소 배관
600 : 히터

Claims (5)

  1. 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하는 전지 관통홀(132)이 형성되고, 상기 전지 관통홀(132) 간의 위치가 일치하도록 적층된 다수의 단위전지(130);
    상기 전지 관통홀(132)의 위치 및 형상에 대응하여 적층시 면압을 받는 면에 수직 방향으로 중앙을 관통하는 분리판 관통홀(142)이 형성되고, 상기 단위전지(130)의 사이에 각각 삽입되어 상기 단위전지(130)와 함께 연료전지 스택(100)을 구성하는 다수의 분리판(140);
    상기 분리판 관통홀(142)의 위치 및 형상에 대응하여 중앙을 관통하는 관통홀(114)이 형성되고, 상기 연료전지 스택(100)의 양단을 지지하며, 수소 및 공기와 냉각수의 입출구 매니폴드(115, 117, 119, 125, 127, 129)가 형성된 한 쌍의 상부 및 하부 엔드 플레이트(120);및
    상기 전지 관통홀(132)과 분리판 관통홀(142) 및 관통홀(114)이 연통되어 형성되는 센터 홀(H)의 내측 및 상기 연료전지 스택(100)의 외측에 결합되어 상기 연료전지 스택(100)을 고정하여 면압을 유지하는 스택체결기구(200)를 포함하되, 상기 연료전지 스택(100)의 내측 센터 홀(H)에는 물탱크(800)에 연결되어 냉각수를 공급하는 냉각수 배관(300)이 삽입되고, 상기 냉각수 배관(300)은 상기 연료전지 스택(100)의 상부 엔드 플레이트(110)의 냉각수 입구 매니폴드(115)에 연결되는 것을 특징으로 하는 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택(100)의 내측 센터 홀(H)에는 공기의 공급을 위한 공기 배관(400)이 삽입되고, 상기 공기 배관(400)은 상기 연료전지 스택(100)의 상부 엔드 플레이트의 공기 입구 매니폴드(117)에 연결되는 것을 특징으로 하는 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기 배관(400)에는 상기 공기 입구 매니폴드(117)에 연결되는 상기 공기 배관(400)의 단부에 인접하여 설치되어 온도 저하시 응축수의 생성을 방지하는 라인 히터(410)가 설치되는 것을 특징으로 하는 센터 홀 타입 스택체결기구를 갖는 연료전지 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택(100)의 내측 센터 홀(H)에는 상기 센터 홀(H)의 길이에 대응하는 바(bar) 형상의 히터(600)가 삽입되어 냉시동 조건에서 상기 연료전지 스택(100)의 냉시동성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 센터 홀 타입 스택체결기구 를 갖는 연료전지 스택.
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