KR100985842B1 - 연료전지 - Google Patents

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Abstract

연료전지(10)에 있어서, 서로 대향하는 세퍼레이터들 중 하나(18)와 상기 세퍼레이터들 사이에 개재된 중간 바디(42)가 전지 모니터(40)에 의해 사이에 끼워진다. 상기 중간 바디(42)의 일 단부는 상술된 하나의 세퍼레이터의 전지모니터탑재부(41)의 에지부까지 연장된다. 상기 중간 바디(42)는 전해질 바디를 유지하는 기능을 하는 부재, (중간 바디(42)가 수지 프레임(53)인 경우에서와 같은) 스페이서 및 시일부재(들) 중 하나 이상을 포함한다. 상기 전지 모니터가 탑재되는 상기 전지모니터탑재부(41)에서의 세퍼레이터의 주된 표면은 상기 전지 모니터(40)의 단자와의 도통을 위해 면접촉되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지{FUEL CELL}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 전지 모니터가 탑재되는 연료전지의 일부분에 관한 것이다.
연료전지시스템의 단위전지는 세퍼레이터들에 의해 그리고 그 사이에 끼워지는 멤브레인전극조립체(MEA)를 포함한다. 세퍼레이터들이 금속 세퍼레이터의 형태인 경우, (수지 프레임과 같은) 구조적 재료가 MEA와 각각의 세퍼레이터들 사이에 개재될 수도 있다. 이러한 복수의 단위전지들은 함께 스택되어 연료전지 스택을 형성하게 된다. 전압을 측정하기 위한 전지전압모니터(이하, "전지 모니터"라고 함)는 각각의 전지(또는 단위전지) 또는 적절한 개수의 연료전지 스택의 전지 상에 탑재된다. JP-A-2004-63176호에 개시된 바와 같이, 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 단위전지의 한 쌍의 세퍼레이터(2) 중 하나만이 전지 모니터(1)에 의해 사이에 끼워지도록 전지 모니터(1)가 연료전지 상에 탑재된다.
하지만, 상술된 전지모니터탑재구조체는 다음과 같은 문제점이 있다. 전지 모니터가 단 하나의 세퍼레이터 시트 상에 탑재되어 유지되기 때문에, 과도하게 큰 외력이 전지 모니터에 가해지는 경우 세퍼레이터가 구부러지거나 파손될 수도 있으므로, 견고성이 높고 강도가 높은 전지의 전지모니터탑재부를 제공할 필요가 있다. 특히, 세퍼레이터가 얇은 금속 세퍼레이터를 포함하여 이루어지는 경우에는 세퍼레이터가 변형되거나 구부러져 파손되기 쉬우므로, 연료전지의 전지모니터탑재부의 견고성과 강도를 고도로 개선해야만 한다.
본 발명의 목적은 전지모니터탑재부가 개선된 견고성과 강도를 가지는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1실시형태는 서로 대향하는 한 쌍의 세퍼레이터들 중 하나와 상기 세퍼레이터들 사이에 개재된 중간 바디가 전지 모니터에 의해 사이에 끼워지는 것을 특징으로 하는 연료전지에 관한 것이다. 예를 들어, 상기 중간 바디의 일 단부는 상술된 대향하는 세퍼레이터들 중 하나의 전지모니터탑재부의 에지부까지 연장되어, 상기 한 세퍼레이터와 중간 바디가 전지 모니터에 끼워질 수 있도록 한다. 이 경우, 상기 중간 바디의 일 단부는 상기 전지모니터탑재부의 일부분이기도 하다. 본 발명의 연료전지에 이어서, 상기 중간 바디는 전해질 바디를 유지하는 기능을 하는 부재, 세퍼레이터들 사이의 (중간 바디가 수지 프레임인 경우에서와 같은) 스페이서 및 시일부재(들) 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 상기 전지 모니터가 탑재되는 상기 전지모니터탑재부에서의 세퍼레이터의 주된 표면은 상기 전지 모니터의 단자와의 도통을 위해 상기 전지 모니터의 단자와 면접촉되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 세퍼레이터들 각각은 금속 세퍼레이터를 포함하여 이루어지고, 상기 중간 바디는 상기 세퍼레이터들 사이의 스페이서로서의 역할을 하는 수지 프레임을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 제1실시형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 전지 모니터는 세퍼레이터와 함께 중간 바디를 사이에 끼우므로, 전지 모니터가 세퍼레이터만을 유지하는 경우(예컨대, JP-A-2004-63176호에 개시된 연료전지)에 비해 상기 연료전지의 전지모니터탑재부의 강도와 견고성이 향상된다. 세퍼레이터가 금속 세퍼레이터이고, 중간 바디가 수지 프레임인 경우, 상기 금속 세퍼레이터 및 수지 프레임(들)의 1이상의 시트 양자 모두가 본 발명에 따른 전지 모니터에 의해 사이에 끼워지므로, 비교적 견고성이 낮은 금속 세퍼레이터의 단 하나의 얇은 시트만이 전지 모니터에 의해 사이에 끼워지는 경우에 비해, 연료전지의 전지모니터탑재부의 강도와 견고성의 향상을 보장하게 된다. 전지 모니터가 탑재되는 전지모니터탑재부에서의 세퍼레이터의 주된 표면이 전지 모니터의 단자와의 도통을 위해 전지 모니터의 단자와 면접촉되어 있는 경우에는, 얇은 세퍼레이터의 일 단면이 전지 모니터의 단자와 접촉하는 경우에 비해, 전지와 전지 모니터간의 접촉면적이 증가될 수 있고, 접촉 저항이 감소될 수 있다.
본 발명의 제2실시형태는 서로 대향하는 한 쌍의 세퍼레이터 및 상기 세퍼레이터들 사이에 개재된 중간 바디를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 상기 대향하는 세퍼레이터들 중 하나의 세퍼레이터와 중간 바디는 전지 모니터와 맞물리게 될 맞물림부(들)를 구비한다. 여기서 언급되는 맞물림은 샌드위칭 형태의 맞물림, 돌출부를 이용한 맞물림 및 여타의 다른 맞물림 형태들을 포함한다.
본 발명의 상기 목적과 기타 목적, 특징 및 장점들은, 동일한 참조 부호들이 동일한 요소들을 나타내는 데 사용된 첨부 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들의 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라 구성된 연료전지의 개략적인 정면도;
도 2는 전지모니터탑재부들과 그 주변을 포함하는 도 1의 연료전지의 일부분의 (도 1의 II-II 선을 따라 취한) 개략적인 단면도;
도 3은 제1실시예의 연료전지들을 통합하는 연료전지 스택의 측면도;
도 4는 도 3의 연료전지 스택의 일부분의 확대단면도;
도 5는 도 3의 전지의 개략적인 정면도;
도 6a는 제1실시예의 연료전지의 전지모니터탑재부를 도시한, 보다 구체적으로는 세퍼레이터들 중 나머지 다른 하나의 에지부가 상기 세퍼레이터들 중 하나의 대응하는 에지부로부터 후퇴된 일 예시에서 인접한 전지들의 세퍼레이터들의 에지들을 도시한 정면도;
도 6b는 제1실시예의 연료전지의 전지모니터탑재부를 도시한, 보다 구체적으로는 나머지 다른 하나의 세퍼레이터의 대응하는 에지부가 후퇴되는 동안, 상기 세퍼레이터들 중 하나의 에지부가 돌출되는 또다른 예시에서 인접한 전지들의 세퍼레이터들의 에지들을 도시한 정면도;
도 7은 전지모니터탑재부와 그 주변을 포함하는 일반적으로 공지된 연료전지의 개략적인 단면도;
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따라 구성된 연료전지의 개략적인 정면도;
도 9는 전지모니터탑재부와 그 주변을 포함하는 제2실시예의 연료전지의 일 부분의 개략적인 단면도;
도 10은 도 9의 화살표 A의 방향에서 본 연료전지의 도면;
도 11은 도 9의 화살표 B의 방향에서 본 연료전지의 도면;
도 12는 도 11의 XII-XII 선을 따라 취한 도면; 및
도 13은 도 12의 2개의 L 형상의 맞물림부가 단 하나의 T 형상의 맞물림부로 대체된 연료전지의 수정예의 개략도이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지를 설명하기로 한다. 본 발명이 적용된 연료전지는 예컨대 중합체전해질연료전지(10)이다. 상기 연료전지(10)는 예컨대 연료전지차량에 설치된다. 하지만, 상기 연료전지는 차량 이외의 적용예들에도 사용될 수 있음은 자명하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 중합체전해질연료전지(10)는 멤브레인전극조립체(MEA)와 세퍼레이터(18)들의 적층 구조로 형성된다. 상기 멤브레인전극조립체는 이온교환멤브레인(전해질멤브레인)(11), 상기 전해질멤브레인(11)의 일 표면 상에 배치된 촉매층을 포함하여 이루어지는 전극(애노드, 연료전극)(14), 및 상기 전해질멤브레인(11)의 타 표면 상에 배치된 촉매층을 포함하여 이루어지는 전극(캐소드, 공기전극)(17)으로 구성된다. 상기 멤브레인전극조립체와 상기 애노드측의 세퍼레이터(18) 사이 그리고 상기 멤브레인전극조립체와 상기 캐소드측의 세퍼레이터(18) 사이에는 확산층("가스확산층"이라고도 함)(13, 16)이 제공된다. 상기 멤브레인전극조립체와 세퍼레이터(18)는 적층되거나 서로 포개져 전지(10)를 제공하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 전지(10)는 함께 스택 구조 또는 전지 스택으로 스택되고, 상기 스택 구조의 반대쪽 단부에는 전지들이 스택되는 방향(이하, 이 방향을 "전지 스택 방향"이라 함)으로 단자(20), 절연체(21) 및 단부판(22)이 배치된다. 상기 단부판(22)들은 전지들의 스택 구조의 외부에서 전지 스택 방향으로 연장되는 (인장판(24)과 같은) 체결부재에 볼트와 너트(25)로 고정되고, 연료전지 스택(23)을 제공하기 위하여 상기 체결부재로부터 상기 스택 구조까지 스택 방향으로 부하가 인가된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 전지의 세퍼레이터(18)들은 연료가스(수소)가 애노드(14)로 공급되는 연료가스채널(27) 및 산화가스(산소, 또는 일반적으로 공기)가 캐소드(17)로 공급되는 산화가스채널(28)을 형성하여, 이들 채널(27, 28)들이 (도 5에 도시된 바와 같이) 발전 영역(51)에 위치되도록 한다. 또한, 냉각제(일반적으로 냉각수)를 공급하기 위한 냉각제채널(26)은 상기 가스채널(27, 28) 반대쪽에 있는 세퍼레이터(18)들의 표면 상에 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연료가스매니폴드(30), 산화가스매니폴드(31) 및 냉각제매니폴드(29)는 비발전 영역(52)에서 세퍼레이터(18)들에 형성된다. 상기 연료가스매니폴드(30)는 각각의 전지의 연료가스채널(27)과 연통되고, 상기 산화가스매니폴드(31)는 산화가스채널(28)과 연통되는 한편, 상기 냉각제매니폴드(29)는 냉각제채널(26)과 연통된다. 각각의 세퍼레이터(18)들은 카본 세퍼레이터, 또는 금속 세퍼레이터, 또는 도전성 수지 세퍼레이터의 형태일 수도 있다. 세퍼레이터(18)가 금속 세퍼레이터인 경우, 상기 금속 세퍼레이터(18)는 스테인리스강, 알루미늄 또는 그 합금, 티탄 또는 그 합금, 또는 마그네슘 또는 그 합금과 같은 재료로 형성될 수도 있다.
동작 시, 수소를 수소 이온(또는 양성자)과 전자들로 변환시키는 이온화 반응이 각각의 전지(10)의 애노드(14)에서 발생하고, 수소 이온들은 전해질멤브레인(11)을 통해 캐소드(17)로 이동하여, 캐소드(17)에서 물을 생성하도록 산소와 전자들과 결합됨으로써, 다음과 같은 표현식에 따라 전기를 발생시키게 된다. 캐소드(17)에서 물을 생성하는 데 사용되는 전자들은 인접한 MEA의 애노드에서 생성되어 세퍼레이터들을 통해 캐소드(17)로 유동될 수도 있고, 또는 스택의 일 단부에서 스택 방향으로 상기 전지의 애노드에서 생성되어 외부 회로를 통해 타 단부에서 전지의 캐소드로 유동될 수도 있다.
애노드에서 : H2 → 2H+ + 2e-
캐소드에서 : 2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O
도 4에 도시된 바와 같이, 각종 유체(연료가스, 산화가스 및 냉각제)들이 서로 또는 외부로부터 밀봉되어 있다. 제1시일부재(32)는 각각의 전지(10)의 MEA를 사이에 끼우는 2개의 세퍼레이터(18) 사이를 밀봉시키고, 제2시일부재(33)는 상기 전지(10)들 중 인접한 것들 사이를 밀봉시킨다. 세퍼레이터가 금속 세퍼레이터인 경우, 수지 프레임(53)(수지로 만들어져 매니폴드 및 발전 영역(51)에 걸쳐 연장되는 중간 개구를 구비한 프레임)은 비발전 영역(52)에서 금속 세퍼레이터(18)와 전해질멤브레인(11) 사이에 개재될 수도 있다. 이 경우, 제1시일부재(32)는 금속 세 퍼레이터(18)와 수지 프레임(53) 사이를 밀봉시키고, 수지 프레임(53)과 전해질멤브레인(11) 사이를 밀봉시킨다. 상기 제1시일부재(32)는 예컨대 밀봉용 접착제(또는 밀봉접착제)로 형성되며, 제2시일부재(33)는 예컨대 실리콘 러버, 플루오로러버 또는 EPDM(ethylene propylene dien rubber)과 같은 고무 밀봉 재료로 형성된다. 하지만, 상기 제1시일부재(32)와 제2시일부재(33) 양자 모두가 밀봉용 접착제 또는 고무 밀봉 재료로 형성될 수도 있다. 상기 수지 프레임(53)은 열경화성 수지로 제조된 프레임일 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, (전지 전압, 전지 온도 또는 기타 정보와 같은) 전지 정보를 검출하기 위한 전지 모니터(40)들이 연료전지 스택(23)에서 전지(10)의 전지모니터탑재부(41) 상에 탑재된다.
각각의 전지 모니터(40)는 (i) 각각의 전지(10), 또는 (ii) 2이상의 전지, 또는 (iii) 전지 스택 방향에서 본 연료전지 스택의 일부분(들)에서의 각 전지 및 상기 연료전지 스택의 나머지 부분(들)에서의 2이상의 전지에 대해 탑재된다.
본 실시예에서는, 전지 모니터의 일 예시로서 전압을 측정하기 위한 전지 모니터를 설명하기로 한다. 상기 전지 모니터(40)는 컴퓨터(제어회로)(60) 측에 제공되는 단자이다. 전지 모니터(40)가 세퍼레이터(18)의 표면의 도전부와 접촉시키기 위하여 연료전지에 부착되면, 상기 전지 모니터(40)는 컨덕터(61) 등을 통해 전지(10)의 각 전극과 컴퓨터(60) 사이에 전기를 도통시키는 기능을 한다. 함께 스택되는 복수의 전지로 연료전지가 구성되면, 상기 전지 모니터(40)는 모든 전지의 각 세퍼레이터(18)를 컴퓨터(60)와 전기 접속시킬 수도 있고, 또는 인접한 전지들의 전기적으로 연속적인 세퍼레이터(18)들이 동일한 전위에 있다는 가정 하에 각각의 전지의 세퍼레이터(18)들 중 하나를 컴퓨터(60)와 전기적으로 접속시킬 수도 있다. 도 2는 인접한 전지들 중 하나의 세퍼레이터(18)와 컴퓨터(60)가 서로 전기적으로 접속되는 일 예시를 도시하고 있다. 이러한 형태에 의하면, 컴퓨터(60)는 각각의 전지의 전극들을 가로지르는 전압과 같은 전지(10)들의 전기 특성을 측정할 수 있다. 전지 모니터(40)를 연료전지 상에 탑재하기 위하여, 상기 전지 모니터(40)는 대응하는 세퍼레이터와 중간 바디(후술하기로 함)를 사이에 끼우거나 세퍼레이터의 두께 방향으로 탄성적으로 유지시킬 수도 있고, 또는 전지 모니터(40)가 세퍼레이터 중 적어도 하나와 중간 바디를 맞물리게 할 수도 있다.
각각의 전지 모니터(40)들이 2이상의 전지들에 대해 탑재되면, (i) 전지 모니터(40)들이 탑재될 전지(10)들에만 전지모니터탑재부(41)가 제공될 수도 있고, 또는 (ii) 모든 전지(10)들에 전지모니터탑재부(41)가 제공될 수도 있으며, 상기 전지 모니터(40)는 전지 모니터(40)가 탑재될 전지(10)에만 탑재될 수도 있고, 또는 (iii) 모든 전지(10)들에 전지모니터탑재부(41)가 제공될 수도 있으며, 상기 전지 모니터(40)가 모든 전지(10) 상에 탑재될 수도 있어, 이로부터 컴퓨터가 전지들 중 원하는 것의 정보(원하는 전지에 대한 전지 모니터(40)의 신호)만을 수신할 수도 있다. 각각의 전지 모니터(40)의 전기 신호는 전지의 동작 제어 시에 사용하기 위한 정보로 사용될 컴퓨터(제어회로)(60)로 전송된다.
전지(10)의 한 쌍의 세퍼레이터(18) 중 하나의 외측 에지부의 적어도 일부가 나머지 다른 세퍼레이터의 외측 에지부 외부에 형성되어, 상기 전지(10)의 전지모 니터탑재부(41)를 제공하게 된다. 이 경우, 상술된 하나의 세퍼레이터의 외측 에지부는 도 1에 도시된 바와 같이 나머지 다른 세퍼레이터의 외측 에지부로부터 돌출될 수도 있고, 또는 상기 하나의 세퍼레이터의 외측 에지부를 돌출시키는 대신에, 상기 나머지 다른 세퍼레이터의 외측 에지부가 도 6a에 도시된 바와 같이 상기 하나의 세퍼레이터의 외측 에지부로부터 후퇴될 수도 있다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 전지 모니터(40)가 부착되는 (전지 모니터(40)에 전기적으로 접속되는) 세퍼레이터들 중 하나의 에지의 일부분이 전지의 평면에서 돌출될 수도 있고, (전지 모니터(40)에 전기적으로 접속되지 않은) 나머지 다른 세퍼레이터의 대응하는 부분이 상기 전지 평면에서 에지로부터 후퇴될 수도 있다. 상술된 쌍의 대향하는 전지의 세퍼레이터(18)들은 상기 전지(10)의 전지모니터탑재부(41)가 아닌 부분에서 동일한 외측 형상이나 프로파일을 가질 수도 있다.
상기 전지 모니터(40)는 세퍼레이터(18)들 사이에 개재된 중간 바디(42)(예컨대, 수지 프레임(53) 및/또는 시일부재(32, 33))와 상기 전지(10)의 (애노드측 세퍼레이터 또는 캐소드측 세퍼레이터일 수도 있는) 대향하는 세퍼레이터(18)들 중 하나를 사이에 끼우거나 유지시킨다. 상기 전지 모니터(40)는 전지(10)의 대향하는 세퍼레이터(18)들 중 나머지 다른 것을 사이에 끼우지 않는다. 상기 전지 모니터(40)는 상기 모니터(40)가 전지(10)의 전지모니터탑재부(41)에 고정되거나 그에 의해 유지되도록 상기 전지(10)의 전지모니터탑재부(41)를 내부에 끼우거나 유지시키는 홀드 타입 모니터이다. 따라서, 상기 전지 모니터(40)는 구멍 안으로 삽입될 플러그를 구비한 플러그-인 타입이 아니다.
상호 대향하는 세퍼레이터(18)들과 상기 대향하는 세퍼레이터(18)들 사이에 개재된 중간 바디(42)를 구비한 본 실시예의 연료전지(10)에 있어서, 전지 모니터(40)는 (애노드측 세퍼레이터 또는 캐소드측 세퍼레이터일 수도 있는) 상호 대향하는 세퍼레이터(18)들 중 하나와 상기 대향하는 세퍼레이터(18)들 사이의 중간 바디(42)(복수의 중간 바디인 경우에는 적어도 하나의 중간 바디(42))를 사이에 끼운다. 상기 전지 모니터(40)가 상술된 하나의 세퍼레이터(18)와 중간 바디(42)를 사이에 끼울 수 있기 위해서는, 상기 중간 바디(42)의 단부를 상기 하나의 세퍼레이터(18)의 전지모니터탑재부(41)의 에지까지 연장되도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, (전지 모니터(40)가 탑재되는) 하나의 세퍼레이터의 전지모니터탑재부(41)의 에지까지 연장되지 않도록 상기 대향하는 세퍼레이터(18)들 중 나머지 다른 것을 형성하는 것도 바람직하다.
상기 중간 바디(42)는 전해질바디(예컨대, 전해질멤브레인(11)), 세퍼레이터(18)들 사이의 스페이서(들)(예컨대, 절연 수지 프레임(들)(53)) 및 시일부재(32, 33)를 유지시키는 부재 중 여하한의 것(들)이다. 예시된 실시예에서는, 상기 세퍼레이터(18)가 금속 세퍼레이터를 포함하여 이루어지고, 상기 중간 바디(42)는 상기 세퍼레이터(18)들 사이의 스페이서로서의 역할을 하는 수지 프레임(53)을 포함하여 이루어진다. 하지만, 상기 중간 바디(42)는 세퍼레이터 수지 프레임(53) 및 시일부재(32, 33)를 포함할 수도 있다.
상기 전지 모니터(40)는 (수지와 같은) 절연재로 제조된 하우징 및 상기 하우징에 의해 지지되어 (금속, 예컨대 구리와 같은) 도전재로 제조된 단자를 포함한 다. 전지 모니터(40)가 탑재되는 전지모니터탑재부(41)에서의 세퍼레이터(18)의 (전해질멤브레인(11)에 평행한) 주된 표면(43)은 전기를 도통시키기 위해 상기 전지 모니터(40)의 단자와 면접촉된다. 상기 전지 모니터(40)가 탑재되는 전지모니터탑재부(41)에서의 (전해질멤브레인(11)에 평행한) 주된 표면(43)에 수직인 세퍼레이터(18)의 단면(44)은 상기 전지 모니터(40)의 단자와 접촉될 수도 있고 또는 접촉되지 않을 수도 있다.
다음으로, 본 실시예의 동작 및 효과들을 설명하기로 한다. 본 실시예의 연료전지(10)에서는, 전지 모니터(40)가 세퍼레이터(18) 뿐만 아니라 중간 바디(42)(예컨대, 금속 세퍼레이터가 세퍼레이터(18)로서 사용되는 경우에 사용된 수지 프레임(53))를 사이에 끼우거나 유지시킨다. 이러한 형태에 의하면, 전지 모니터가 세퍼레이터만을 사이에 끼우는 경우(도 7)에 비해, 연료전지의 전지탑재부(41)의 강도 및 견고성이 개선된다.
보다 구체적으로, 세퍼레이터(18)가 금속 세퍼레이터를 포함하여 이루어지고, 중간 바디(42)가 수지 프레임(53)을 포함하여 이루어지는 경우에는, 전지 모니터가 비교적 견고성이 낮은 단 하나의 얇은 금속 세퍼레이터 시트만을 사이에 끼우는 경우(도 7)에 비해, 상기 전지 모니터(40)가 금속 세퍼레이터(18)와 수지 프레임(들)(53)의 1이상의 시트(도 2의 전해질멤브레인(11)을 포함하는 MEA를 사이에 끼우는 두 시트) 양자 모두를 사이에 끼우는 본 실시예의 형태가 연료전지(10)의 전지모니터탑재부(41)에서의 강도 및 견고성을 개선시킨다. 결과적으로, 상기 전지(10)의 전지모니터탑재부(41)가 구부러지거나, 변형되거나 또는 파손되는 것이 방지된다.
전지 모니터(40)가 탑재되는 전지모니터탑재부(41)에서의 세퍼레이터(18)의 주된 표면(43)이 도통을 위해 상기 전지 모니터(40)의 단자와 면접촉하는 경우에는, 얇은 세퍼레이터의 단면이 전지 모니터의 단자와 접촉하는 경우에 비해, 상기 세퍼레이터(18)와 전지모니터의 단자간의 접촉 면적은 증가될 수 있고, 접촉 저항이 감소될 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예를 도 8 내지 도 13을 참조하여 설명하기로 한다. 제2실시예의 연료전지 스택은 제1실시예의 연료전지 스택(23)과 유사한 구성을 가지므로 그 설명은 생략하기로 한다.
도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, (전지 전압, 전지 온도 또는 기타 정보와 같은) 전지 정보를 검출하기 위한 전지 모니터(600)는 연료전지 스택(23)의 전지(10) 상에 탑재되어, 상기 전지 모니터(600)가 상기 전지(10)의 맞물림부(410)에 부착되거나 그로부터 분리될 수 있다.
각각의 전지(10)는 한 쌍의 세퍼레이터(18)(제1세퍼레이터 및 제2세퍼레이터)들 사이에 중간 바디를 구비하고, 상기 중간 바디는 상기 맞물림부(410)로 형성된다. 본 실시예에서는, 전지(10)가 금속 세퍼레이터(18) 및 수지 프레임(530)을 구비하는 경우, 상기 수지 프레임(530)이 중간 바디로 간주되며, 상기 전지(10)의 맞물림부(410)가 수지 프레임(530) 상에 형성된다.
상기 전지(10)의 맞물림부(410)는 전지 모니터(600)를 제 위치에 유지시키기 위하여 상기 전지 모니터(600)와 맞물린다. 상기 전지(10)의 맞물림부(410)는 전지 모니터(600)와의 맞물림을 위하여 전지(10)의 아웃라인의 일 측 에지로부터 바깥쪽으로 돌출되어, 전지 모니터(600)가 전지(10)로부터 멀리 이동하는 것을 제한하게 된다. 예를 들어, 본 실시예에서는, 전지(10)의 각각의 맞물림부(410)가 상기 전지(10)의 아웃라인의 일 측 에지로부터 바깥쪽으로 돌출되는 L 형상의 클로(claw) 형상이고, 도 8에 도시된 바와 같이 전지(10)의 외측 에지에 평행한 방향으로 연장되도록 그 원단부에서 구부러진다. 상기 전지 모니터(600)의 가동 클로(630)와 맞물릴 때, 상기 맞물림부(410)는 전지 모니터(600)가 전지(10)로부터 멀리 이동하는 것을 제한한다.
상술된 연료전지(10)의 한 쌍의 세퍼레이터(18)(제1세퍼레이터 및 제2세퍼레이터) 중 하나는, 전지 모니터(600)가 탑재될 세퍼레이터(18)의 일부분에 형성되는 세퍼레이터 돌출부(450)를 구비하고, 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이 전지(10)의 아웃라인으로부터 바깥쪽으로 돌출된다. 나머지 다른 세퍼레이터(18)는 돌출부를 구비하지 않는다.
도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(18)(제1세퍼레이터 및 제2세퍼레이터) 사이의 중간 바디로서의 한 쌍의 수지 프레임(530)은 상기 세퍼레이터(18)들 중 하나의 돌출부(450)와 같은 돌출부들을 상기 하나의 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)에 대응하는 위치들에 구비하지 않는다. 이러한 형태는 전지들 중 인접한 것들의 세퍼레이터 돌출부(450)들 사이에 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)들을 삽입하는 것을 가능하게 한다. 수정된 예시에서는, 상기 한 쌍의 수지 프레임(530)에 상술된 하나의 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)와 같은 돌출 부들이 형성될 수도 있다. 이 경우, 수지 프레임(530)과 홀더(620)간의 간섭없이, 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)를 수용하는 (도 13에 도시된) 홈 또는 리세스(460)가 상기 수지 프레임(530)에 형성된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 전지 모니터(600)는 수지 하우징(610) 및 상기 수지 하우징(610)과 일체형으로 형성되어 세퍼레이터 돌출부(450)의 주된 표면(430)과 평행하게 연장되도록 전지(10)를 향해 돌출되는 세퍼레이터 홀더(620)들을 구비한다. 상기 전지 모니터(600)는 또한 세퍼레이터 돌출부(450)에 대향하는 세퍼레이터 홀더(620)의 표면 상에 형성된 (도 10에 도시된) 전극감지부(전지모니터단자)(660) 및 상기 하우징(610)에 대해 이동가능하여 전지(10)의 맞물림부(410)와 맞물릴 수 있는 가동 클로(630)를 구비한다. 상기 가동 클로(630)는 맞물림부(410)와 맞물리는 방향으로 스프링(640)에 의해 추진된다. 상기 가동 클로(630)는 하우징(610)으로부터 돌출되는 버튼(650)으로 형성된다. 버튼(650)이 푸시되면, 가동 클로(630)는 스프링(640)의 편향력에 대항하여 이동되어, 상기 가동 클로(630)의 구부러진 원단부(630a)가 맞물림부(410)로부터 물림해제되는 방향으로 상기 스프링(640)에 대해 피봇하게 된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 하나의 전지 모니터(600)는 복수의 전지(10)에 대한 정보를 모니터링한다. 하나의 전지 모니터(600)가 예컨대 5개의 전지(10)(전지의 수가 5개로 제한되지는 않음)에 대한 정보를 모니터링하는 경우, 하나의 전지 모니터(600)는 하나의 하우징(610) 및 10개의 세퍼레이터 홀더(620)(각각의 전지에 대한 2개의 홀더)를 구비한다. 상기 전지 모니터(600)의 쌍을 이룬 세퍼레이터 홀 더(620)들이 돌출부(450)의 단부들에 위치하도록 제공되며, 상기 전지(10)의 한 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)는 상기 돌출부(450)와 각각의 홀더(620) 사이에 형성된 클리어런스로 대응하는 쌍들의 세퍼레이터 홀더(620)들 사이에 개재된다. 단자(전극감지부)(660)는 상술된 하나의 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)에 대향하는 세퍼레이터 홀더(620)의 표면 상에 형성되어, 상기 단자(660)가 도통을 위해 한 세퍼레이터(18)와 접촉하게 된다.
상기 전지(10)는 전지 평면의 소정 방향으로 서로 떨어져 이격되어 있는 2이상의 맞물림부(410)를 구비하고, 상기 맞물림부(410)는 한 전지 모니터(600)의 2이상의 가동 클로(630)와 2이상의 장소에서 맞물린다. 도 12에서, 각각의 전지(10)는 전지 평면에서 서로 거리 D 만큼 이격된 2개의 L 형상의 맞물림부(410)(좌우 맞물림부(410))를 구비한다. 상기 2개의 L 형상의 맞물림부(410)는 전지(10)의 아웃라인의 일 측 에지에 평행한 방향으로 직각 부분으로부터 연장되는 원단부(410a)들을 구비하여, 상기 부분(410a)들이 서로 대향하는 방향으로 향하게 된다. 상기 원단부(410a)는 전지 모니터(600)가 전지(10)로부터 멀리 이동하는 것을 제한하기 위하여, 전지 모니터(600)의 가동 클로(630)의 구부러진 원단부(630a)와 맞물린다. 상기 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)는 2개의 L 형상의 맞물림부(410) 사이의 공간 D 에 삽입된다. 상기 2개의 L 형상의 맞물림부(410) 사이의 공간 D 가 존재하면, 상기 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)가 상기 맞물림부(410)들 사이에 위치한 수지 프레임(530)의 일부분과 간섭하지 않고도 상기 공간 D 안으로 삽입될 수 있다. 만일 맞물림부(410)가 문자 T 형상으로 형성되어 있다면, 즉 단 하나의 T 형상의 맞물림부로 대체된다면, 상기 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)들은 맞물림부와 간섭하므로, 도 13에 도시된 바와 같이 간섭하는 부분들에 홈(2점쇄선으로 표시된 홈(460))이 형성되어야 한다. 이 경우, 상기 홈(460)은 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)에 노출되어, 상기 세퍼레이터 홀더(620) 상에 형성된 단자(660)들이 돌출부(450)와 접촉하게 된다.
상기 전지 모니터(600)는 세퍼레이터들에 대향하는 세퍼레이터 홀더(620)들의 표면 상에 형성된 전지 모니터 단자(전극감지부)(660)들을 구비하고, 상기 전지 모니터 단자(660)는 세퍼레이터(18)의 (전지 평면에 평행한) 주된 표면(430)과 접촉하여, 상기 세퍼레이터들의 (전압과 같은) 정보를 측정할 수 있게 된다. 각각의 단자(660)와 각각의 세퍼레이터(18)의 주된 표면(430)과의 접촉 면적은 세퍼레이터의 단면(440)(도 12)과 단자(660)와의 접촉 면적보다 넓다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(23)에서는, 하나의 전지 모니터(600)가 함께 스택되어 있는 복수의 전지(10)(예컨대, 5개의 전지, 하지만 각각의 전지 모니터에 대한 전지 개수는 5개로 제한되지 않음)에 대해 탑재된다. 한 전지 모니터(600)의 복수의 단자(660)는 도 10에 (1) 내지 (5)로 표시된 엇갈린 위치(즉, 전지판에 평행한 방향으로 서로 상쇄되는 위치)에서 전지(10)의 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)와 접촉하여, 상기 세퍼레이터(18)들이 전지 모니터(600)와 도통되게 된다. 다시 말해, 상기 단자(660)들은 전지 스택 방향으로 두 열(row)에 교대로 배치되어, 상기 전지(10)의 인접한 것들에 접속된 단자(660)들이 상이한 열에 위치되도록 한다. 이러한 엇갈린 형태는 각각의 전지(10)의 두께가 얇고 상기 세퍼레이터 홀더(620)들이 돌출부(450)와 간섭되는 것을 막아야 하기 때문에 채택된다.
상기 전지(10)의 맞물림부(410)는 횡방향과 종방향으로 비대칭 위치에 형성된다. 예를 들어, 맞물림부(410)가 수직 방향으로 비대칭으로 형성되면, 상부 및 하부 수지 프레임(530) 중 단 하나에만 맞물림부(410)가 형성된다. 맞물림부(410)가 횡방향으로 비대칭으로 형성되면, 좌우 맞물림부(410) 중 하나가 상부 및 하부 수지 프레임(530) 중 하나 위에 형성되고, 나머지 다른 맞물림부(410)는 나머지 다른 수지 프레임(530) 상에 형성된다. 상기 맞물림부를 횡방향이나 종방향으로 비대칭하게 구성하는 것은 각각의 전지가 함께 잘못 조립되는 것을 방지하면서, 상기 전지가 함께 잘못 스택되는 것을 방지하는 기능을 제공한다. 예를 들어, 상기 전지(10)들 중 하나가 잘못 배향되어 전지(10)를 전지 스택 안으로 적층 시에 맞물림부(410)를 거꾸로 배치시키게 되는 경우에는, 잘못 배향된 전지(10)의 맞물림부(410)가 올바르게 배향된 전지의 맞물림부가 나타나는 반대쪽에 나타나게 되어, 가시적인 점검을 통해 오류를 즉시 발견할 수 있게 된다.
다음으로, 본 실시예에 따른 연료전지의 동작 및 효과들을 설명하기로 한다.
전지(10)는 스택(23) 안으로 스택된다. 상기 전지 모니터(600)는 전지(들)(10)에 대한 정보를 모니터링하기 위해 각각의 전지(10) 또는 2이상의 전지 상에 탑재된다. 상기 정보는 계산을 위한 컴퓨터로 전송되고, 상기 전지(10)의 동작은 계산 결과를 토대로 제어된다. 상기 전지 모니터(600)를 2이상의 전지(10) 상에 탑재하는 것은 가동 클로(630)들을 서로 멀리 이동시키기 위해 손으로 전지 모니 터(600)의 버튼(650)을 누르고, 상기 가동 클로(630)가 전지(10)의 맞물림부(410)와 맞물릴 수 있을 때까지 충분한 깊이로 삽입시키며, 상기 가동 클로(630)가 전지(10)의 맞물림부(410)와의 맞물림을 위해 스프링(640)의 스프링력 하에 원 위치로 복원되도록 버튼(650)에서 손을 떼어냄으로써 수행된다. 가동 클로(630)가 전지(10)의 맞물림부(410)와 맞물리는 경우, 각각의 세퍼레이터 돌출부(450)는 대응하는 세퍼레이터 홀더(620)들간에 형성된 클리어런스를 가지고 그들 사이에 개재되며, 상기 세퍼레이터 홀더(620) 상에 형성된 단자(전극감지부)(660)는 도통을 위해 세퍼레이터(18)의 돌출부(450)와 면접촉하게 된다. 이러한 방식으로, 전지 모니터(600)가 전지 스택(23)에 대해 위치하게 된다.
맞물림부(410)가 전지의 외측 에지로부터 바깥쪽으로 돌출되는 본 실시예의 연료전지에 있어서, 전지 모니터(600)는 상기 맞물림부(410)와 전지 모니터(600)를 맞물리게 하여 세퍼레이터 홀더(620)들에 의해 그리고 그 사이에 세퍼레이터 돌출부(450)를 끼움으로써 상기 전지(10) 상에 탑재되어 위치될 수 있다. 하나의 전지 모니터(600)는 도통을 위해 2이상의 전지의 세퍼레이터(18)와 접촉하기 때문에, 상기 전지 모니터(600)는 전지 모니터가 각각의 전지(10) 상에 탑재되는 경우에 비해, 효율성과 용이성이 개선되어 전지(10) 상에 탑재될 수 있다. 일단 전지 모니터(600)가 전지(10) 상에 탑재되면, 상기 전지 모니터(600)가 전지(10)로부터 멀리 이동하는 것을 제한하기 위하여 맞물림부(410)가 전지 모니터(600)와 맞물리게 됨으로써, 상기 전지 모니터(600)가 전지(10)로부터 분리되는 것이 방지되게 된다. 또한, 전지 모니터(600)는 가동 클로(630)를 맞물림부(410)로부터 물림해제시켜 전 지(10)로부터 용이하게 떼어낼 수도 있다. 나아가, 상기 맞물림부(410)는 리세스 또는 구멍이 아닌 돌출부의 형태이므로, 상기 맞물림부(410)로 형성된 전지 구성요소(예컨대, 수지 프레임(530))가 구멍을 내부에 형성할 수 있도록 하기에 충분히 두꺼운 두께를 가질 필요가 없게 된다. 따라서, 맞물림부(410)로 형성된 전지 구성요소(예컨대, 수지 프레임(530))가 금속 세퍼레이터와 함께 사용되는 수지 프레임인 경우에도, 상기 전지 구성요소(예컨대, 수지 프레임(530))의 견고성과 강도를 떨어뜨리지 않으면서 맞물림부를 형성하는 것이 가능하다.
각각의 연료전지(10)가 서로 거리 D 만큼 이격되어 있는 2이상의 맞물림부(410)를 구비한 경우, 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)의 삽입을 허용하는 공간이 상기 맞물림부(410)들 사이에 제공되므로, 상기 전지 모니터(600)가 적은 공간만을 필요로 하면서도 용이하게 고정 및 위치될 수 있다. 다시 말해, 상기 전지 모니터(600)는 전지 모니터(600)의 세퍼레이터 홀더(620)가 세퍼레이터 돌출부(450)와 전지 스택 방향으로 맞물리는 것을 통해 스택(23)에 대해 전지의 스택 방향으로 위치될 수 있고, 상기 전지 모니터(600)는 상기 전지의 맞물림부(410)가 전지 모니터(600)와 맞물리는 것을 통해 전지 평면에 위치될 수 있다.
상기 전지(10)의 맞물림부(410)의 주된 표면(430)이 전지(10)와 전지 모니터(600)간의 도통을 위해 상기 전지 모니터(600)의 단자(전극감지부)(660)들과 면접촉하는 경우에는, 두께가 얇은 세퍼레이터들의 단면(440)이 전지 모니터의 단자들과 접촉하게 되는 경우보다 접촉 면적이 크게 이루어질 수 있으므로, 접촉 저항이 감소될 수 있다.
연료전지(10)가 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 중간 바디를 구비하고, 맞물림부(410)는 중간 바디 상에 형성되는 경우, 예컨대 상기 세퍼레이터(18)가 금속 세퍼레이터를 포함하여 이루어지고 상기 중간 바디가 수지 프레임(530)을 포함하여 이루어지는 한편, 본 실시예에서와 같이 상기 맞물림부(410)가 수지 프레임(530) 상에 형성되는 경우에는, 전지 모니터(600)가 금속 세퍼레이터(18)에 의해 유지되거나 지지되는 경우에 비해, 상기 전지 모니터(600)가 제 위치에 더욱 단단히 유지될 수 있는 데, 그 이유는 중간 바디(예컨대, 수지 프레임(530))가 금속 세퍼레이터(18)보다 큰 견고성과 강도를 가지기 때문이다.
하나의 전지 모니터(600)가 함께 스택되는 복수의 전지(10)(예컨대, 5개의 전지이지만, 전지의 개수가 5개로 제한되는 것은 아님) 상에 탑재되는 경우에는, 전지 모니터를 전지 스택 상에 탑재하는 효율성이 각각의 전지 모니터(600)가 각각의 전지(10) 상에 탑재되는 경우에 비해 개선된다. 예컨대, 하나의 전지 모니터(600)가 5개의 전지(10) 상에 탑재된다면, 단 하나의 전지 모니터(600)에만 장착함으로써 상기 전지 모니터를 5개의 전지(10) 상에 탑재하는 것을 성취한다. 전지 모니터(600)의 단자(전극감지부)(660)들이 인접한 전지(10)들 사이의 상이한 위치(예컨대, 2개의 열에 번갈아 배치되는 위치)에서 스택(23) 내의 전지(10)의 세퍼레이터(18)에 전기적으로 접속되는 경우, 각각의 단자(전극감지부)(660)는 상기 전지(10)가 얇은 두께를 가지는 경우에도 각각의 전지에 확실하게 부착될 수 있다. 또한, 맞물림부(410)가 전지의 횡방향 또는 종방향으로 비대칭적으로 형성된다면, 각각의 전지의 조립 시와 전지의 스택 시에 세퍼레이터들을 잘못 탑재하는 것이 가 시적인 점검을 통해 쉽게 방지될 수 있다.
지금까지 본 발명을 그 바람직한 실시예들을 참조하여 기술하였지만, 본 발명이 개시된 실시예들 또는 구성예들로 국한되는 것은 아니라는 점을 이해하여야 한다. 이와는 반대로, 본 발명은 다양한 수정예 및 등가 형태들을 포괄하고자 한다. 또한, 개시된 발명의 각종 요소들이 예시적인 각종 조합예와 구성예들에 도시되어 있지만, 1이상 또는 1미만의 요소만을 포함하는 기타 다른 조합예와 구성예들 또한 본 발명의 범위 내에 있음은 자명하다.

Claims (7)

  1. 연료전지에 있어서,
    전해질멤브레인;
    상기 전해질멤브레인의 일 표면 상에 배치된 애노드;
    상기 전해질멤브레인의 타 표면 상에 배치된 캐소드;
    상기 전해질멤브레인, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 사이에 끼워지도록 서로 대향하여 배치되는 한 쌍의 세퍼레이터; 및
    상기 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 개재되는 복수의 중간 바디를 포함하되,
    상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 제1 세퍼레이터 및 상기 복수의 중간 바디 중 하나가 전지 모니터에 의해 사이에 끼워지며,
    전지모니터탑재부는, 상기 복수의 중간 바디 중 상기 하나의 일부가, 상기 복수의 중간 바디 중 나머지에 비해 상기 전지 모니터를 향해 더 연장되고, 또한 상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 상기 제1 세퍼레이터의 일부가, 상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 제2 세퍼레이터에 비해 상기 전지 모니터를 향해 더 연장되는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 중간 바디 중 상기 하나의 일 단부는 상기 전지모니터탑재부의 에지부까지 연장되어, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 복수의 중간 바디 중 상기 하나를 상기 전지 모니터에 끼울 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중간 바디 중 상기 하나는 전해질 바디를 유지하는 기능을 하는 부재, 상기 세퍼레이터들 사이의 스페이서 및 시일부재 중 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전지 모니터가 탑재되는 상기 전지모니터탑재부에서의 세퍼레이터의 주된 표면은 상기 전지 모니터의 단자와의 도통을 위해 면접촉되고, 상기 주된 표면은 상기 연료전지의 평면과 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터 각각은 금속 세퍼레이터를 포함하여 이루어지고, 각각의 상기 복수의 중간 바디는 상기 세퍼레이터들 사이에 스페이서를 제공하는 수지 프레임을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 삭제
  7. 연료전지에 있어서,
    전해질멤브레인;
    상기 전해질멤브레인의 일 표면 상에 배치된 애노드;
    상기 전해질멤브레인의 타 표면 상에 배치된 캐소드;
    상기 전해질멤브레인, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 사이에 끼워지도록 서로 대향하여 배치되는 한 쌍의 세퍼레이터; 및
    상기 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 개재되는 복수의 중간 바디를 포함하되,
    상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 제1 세퍼레이터 및 상기 복수의 중간 바디 중 하나는 전지 모니터와 맞물리는 맞물림부를 포함하고,
    상기 맞물림부는, 상기 복수의 중간 바디 중 상기 하나의 일부가, 상기 복수의 중간 바디 중 나머지에 비해 상기 전지 모니터를 향해 더 연장되고, 또한 상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 상기 제1 세퍼레이터의 일부가, 상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 제2 세퍼레이터에 비해 상기 전지 모니터를 향해 더 연장되는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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