KR101033615B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 스택은 유체 포트를 간단하게 설치하고, 유체 포트가 엔드 플레이트에 안정적으로 고정될 수 있도록, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 복수 개의 전기 생성부들과, 상기 전기 생성부들의 최외측에 설치되어 상기 전기 생성부들을 지지하는 엔드 플레이트, 및 상기 엔드 플레이트에 결합 설치되며, 상기 전기 생성부에서 반응하는 반응유체가 이동하는 통로를 제공하는 유체 포트를 포함하고, 상기 유체 포트는 상기 엔드 플레이트에 형성된 홀에 끼워져 설치되고, 상기 유체 포트의 외주면과 상기 홀 사이에는 오링이 설치되며, 상기 유체 포트는 상기 홀에 고정되어 상기 유체 포트를 지지하는 걸림턱을 갖는다.

연료 전지, 유체 포트, 걸림턱, 오링

Description

연료 전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응유체가 유입 또는 배출되는 유체 포트의 구조를 개선한 연료 전지 스택에 관한 것이다.

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.

연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH₃OH), 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.

고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체를 포 함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.

이하에서는 설명의 편의상 고분자 전해질형 연료 전지를 위주로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기와 같은 소형기기용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점이 있다.

고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 막-전극 어셈블리는 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 등의 금속 촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 가스 확산층으로 구성되며, 가스 확산층은 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 부직포 등으로 이루어진다.

막-전극 어셈블리의 외측에는 막-전극 어셈블리를 기계적으로 지지함과 동시 에 인접하는 막-전극 어셈블리를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 세퍼레이터가 설치되어 단위 셀을 형성한다. 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리와 접촉하는 부분에 전극면에 반응유체를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 유로는 세퍼레이터와 별도로 설치될 수도 있지만 세퍼레이터의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.

복수 개의 단위 셀은 적층 배열되어 스택을 형성하며, 단위 셀의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 엔드 플레이트 및 체결수단을 통해서 고정된다.

연료 전지에 공급된 연료와 산화제는 막-전극 어셈블리에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다.

연료 전지 외부에서 세퍼레이터의 유로로 반응유체 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하기 위해서는 세퍼레이터에 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성한다. 그리고 유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 반응유체 혹은 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출한다. 반응유체 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하는 관통구멍을 통상 매니폴드(Manifold) 구멍이라고 한다.

세퍼레이터에 형성된 매니폴드 구멍은 단위 셀을 여러 장 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 매니폴드를 형성하게 되는데, 이러한 반응유체 및 냉각매체 공급방식을 내부 매니폴드 방식이라고 한다.

내부 매니폴드 방식 이외에, 세퍼레이터에 매니폴드 구멍을 형성하지 않고 세퍼레이터 외측에 가스 분배를 위한 배관이나 구조물을 형성하여 각각의 단위 셀로 반응유체 혹은 냉각매체를 공급하는 방식을 외부 매니폴드 방식이라고 한다.

엔드 플레이트는 스택의 최외측에 배치되며 체결부재를 이용하여 스택을 압축하고 고정하는 역할을 한다.

매니폴드 구멍으로 반응유체 및 냉각매체를 공급하기 위해서 엔드 플레이트에는 유체 포트가 설치된다. 유체 포트는 반응유체 및 냉각 매체를 안정적으로 전달하기 위해서 엔드 플레이트와 결합될 때, 밀봉되어야 할 뿐만 아니라, 외부의 충격이나 진동에 강한 구조이어야 한다.

종래에는 나사산을 형성하여 유체 포트를 엔드 플레이트에 체결하거나, 너트를 체결할 수 있는 플랜지를 형성하여 너트 조립 또는 보강판을 통해서 엔드 플레이트와 체결하고 실링을 하였다.

유체포트와 엔드 플레이트를 나사 결합으로 체결할 경우, 작업 시간이 증가하고 과도한 하중이 가해질 경우 나사산이 파손될 수 있는 문제가 있으며, 지속적인 진동이 가해질 경우, 나사가 풀어지는 문제가 있다. 한편, 나사산을 형성하지 않고 스택의 체결 하중이 전달되는 보강판을 통해서 실링할 경우에는 스택의 길이 변화에 따라 실링 성능이 변하는 문제가 있다.

또한, 유체포트 자체에 플랜지를 갖는 구조의 경우 플랜지가 위치하기 위한 공간이 확보되어야 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유체 포트와 엔드 플레이트를 안정적으로 결합시킬 수 있는 연료 전지 스택을 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 복수 개의 전기 생성부들과, 상기 전기 생성부들의 최외측에 설치되어 상기 전기 생성부들을 지지하는 엔드 플레이트, 및 상기 엔드 플레이트에 결합 설치되며, 상기 전기 생성부에서 반응하는 반응유체가 이동하는 통로를 제공하는 유체 포트를 포함하고, 상기 유체 포트는 상기 엔드 플레이트에 형성된 홀에 끼워져 설치되고, 상기 유체 포트의 외주면과 상기 홀 사이에는 오링이 설치되며, 상기 유체 포트는 상기 홀에 고정되어 상기 유체 포트를 지지하는 걸림턱을 갖는다.

상기 홀에는 상기 걸림턱이 이동할 수 있도록 형성된 키홈과 상기 키홈과 상기 걸림턱을 지지하는 고정홈이 형성될 수 있으며, 상기 걸림턱은 상기 유체 포트의 선단에 형성될 수 있다.

또한, 상기 유체 포트는 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하는 몸체부와 상기 엔드 플레이트의 홀에 삽입된 연결부를 포함할 수 있으며, 상기 몸체부와 상기 엔드 플레이트 사이에는 스냅링이 설치될 수 있다.

상기 연결부의 외주에는 지지돌기가 형성되고, 상기 오링은 상기 지지돌기와 상기 몸체부 사이에 설치될 수 있으며, 상기 연결부의 외주에는 돌출된 2개의 지지돌기가 형성되고, 상기 지지돌기 사이에 상기 오링이 설치될 수 있다.

상기 엔드 플레이트에는 상기 엔드 플레이트의 외면과 접하도록 형성된 삽입홀과 상기 삽입홀보다 더 작은 내경을 갖는 연결홀을 갖고, 상기 삽입홀과 연결홀 사이에는 단차가 형성될 수 있으며, 상기 유체 포트의 외주에는 지지돌기가 돌출 형성되며 상기 오링은 상기 지지돌기와 상기 단차 사이에 위치할 수 있다.

또한, 상기 유체 포트에서 상기 엔드 플레이트에 삽입되는 일단에는 복수 개의 고정 막대가 돌출 형성되고, 상기 고정 막대에 상기 걸림턱이 형성될 수 있으며, 상기 고정 막대는 상기 유체 포트의 둘레 방향을 따라 이격 배열될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따르면 유체 포트를 엔드 플레이트에 간편하게 체결하여 작업 능률이 향상된다. 또한, 유체 포트가 엔드 플레이트에 안정적으로 고정되어 이탈을 방지할 수 있으며, 외부의 진동이나 충격 등으로 인하여 유체 포트가 엔드 플레이트의 체결이 느슨해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 플랜지 등의 구조가 필요하지 않으므로 공간 활용도가 향상된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태 로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 셀(cell) 단위의 전기 생성부들(30)을 포함하여 구성된다.

각각의 전기 생성부(30)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 반응유체인 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리(31)로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.)(separator)(32, 33)를 포함한다.

이와 같은 전기 생성부(30)를 복수로 구비하고, 이들 전기 생성부들(30)을 연속적으로 배치함으로써 전기 생성부(30)의 적층 구조에 의한 연료 전지 스택(100)이 형성된다.

본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

대안으로서 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

연료 전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.

막-전극 어셈블리(31)는 고체 폴리머 전해질로 형성된 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 배치된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다.

세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 어셈블리(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(31)의 양측에 각각 연료 유로(32a)와 산화제 유로(33a)를 형성한다. 이 때 연료 유로(32a)가 형성된 애노드 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블리(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로(33a)가 형성된 캐소드 세퍼레이터(33)는 막-전극 어셈블리(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다. 막-전극 어셈블리(31)와 세퍼레이터(32, 33) 사이에는 밀봉을 위한 개스킷(미도시)이 더 설치될 수 있다.

위와 같은 복수의 전기 생성부(30)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(100)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(100)의 제일 외각에는 연료 전 지 스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(60)가 설치된다.

세퍼레이터(32, 33)는 그 일면에 채널 형상의 반응유체 유로가 형성되어, 이런 반응유체 유로를 통해 연료 또는 산화제로 이루어진 반응유체가 유입된다. 여기서 반응유체라 함은 산화제와 연료를 포함하는 개념이다. 세퍼레이터(32, 33)는 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로가 형성될 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.

연료 전지 스택(100) 내부에는 산화제가 유입되는 산화제 입구 매니폴드(41)와 냉각 매체가 유입되는 냉각매체 입구 매니폴드(42), 및 연료가 유입되는 연료 입구 매니폴드(43)가 형성된다. 또한, 연료 전지 스택(100)의 내부에는 산화제가 배출되는 산화제 출구 매니폴드(46)와 연료가 배출되는 연료 출구 매니폴드, 및 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 출구 매니폴드가 형성된다.

한편, 엔드 플레이트(60)에는 유체 포트가 설치되는데, 유체 포트는 일측 엔드 플레이트(60)의 상부에 설치되며, 산화제를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 입구 포트(120)와 연료를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 연료 입구 포트(140), 및 냉각 매체를 주입하기 위한 냉각매체 입구 포트(130)를 포함한다. 또한, 유체 포트는 일측 엔드 플레이트(60)의 하부에 설치되며, 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 연료 출구 포트(160)와 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 산화제 출구 포트(180), 및 냉각 매체가 배출되는 냉각매체 출구 포트(170)를 포함한다.

산화제 입구 포트(120)는 연료 전지 스택(100)의 상부 일측 코너에 형성되고, 산화제 출구 포트(180)는 연료 전지 스택(100)의 하부에서 상기 일측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다. 본 기재에서 상부라 함은 중력 방향을 기준으로 위에 있다는 의미하며, 하부라 함은 중력 방향을 기준으로 아래에 있다는 것을 의미한다. 또한, 연료 입구 포트(140)는 연료 전지 스택(100)의 상부 타측 코너에 형성되고, 연료 출구 포트(160)는 상기 타측 코너의 대각선 방향 코너에 형성된다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 측면도이다.

도 2, 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에서는 산화제 입구 포트(120)를 예로서 설명하나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 모든 유체 포트가 동일한 구조로 이루어질 수 있다.

산화제 입구 포트(120)는 산화제 공급관과 결합되는 몸체부(123)와 엔드 플레이트(60)의 홈에 삽입되는 연결부(125)를 포함한다. 몸체부(123)에는 산화제 공급관이 끼워지는 외측 홀(128)이 형성되며, 외측 홀(128)에 연통되고 반응유체를 엔드 플레이트(60) 내로 유도하며, 외측 홀(128)보다 더 작은 내경을 갖는 내측 홀(127)이 연결부(125)까지 이어져 형성된다.

연결부에는 제1 지지돌기(124)가 몸체부(123)와 이격되어 형성되며, 몸체부(123)와 제1 지지돌기(124) 사이에는 스냅링(150)이 끼워지는 완충 홈(126)이 형성된다. 이 완충 홈(126)에는 스냅링(150)이 설치되어 몸체부(123)와 엔드 플레이 트(60) 사이의 힘을 완충하고, 산화제 입구 포트(120)가 움직이는 것을 방지한다. 스냅링(150)은 도 2에 도시된 바와 같이 E형 스냅링으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 형태의 스냅링이 적용될 수 있다.

제1 지지돌기(124)와 이격되어 제2 지지돌기(121)가 형성되는 바, 제1 지지돌기(124)와 제2 지지돌기(121)는 연결부(125)의 외주를 따라 이어져 돌출된다. 이에 따라 제1 지지돌기(124)와 제2 지지돌기(121) 사이에는 중간홈(122)이 형성되며 이 중간홈(122)에는 오링(190, 도 6에 도시)이 설치된다.

한편, 연결부(125)의 선단에는 산화제 입구 포트(120)가 엔드 플레이트에서 이탈되는 것을 방지하는 걸림턱(129)이 형성된다. 연결부(125)에는 두 개의 걸림턱(129)이 돌출 형성되고, 걸림턱(129)은 엔드 플레이트(60)에 용이하게 삽입될 수 있도록 앞쪽에 형성된 경사면(129a)을 갖는다. 이와 같이 걸림턱(129)이 형성되면 산화제 입구 포트(120)가 엔드 플레이트(60)에서 이탈되지 않고 안정적으로 고정될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 두 개의 걸림턱이 형성된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되지는 않으며 걸림턱은 두 개 이상으로 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트의 일부를 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 종단면도이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 횡단면도이다.

상기한 도면들을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 엔드 플레이트(60)에는 산화제 입구 포트(120)가 삽입되는 삽입홀(62)과 이 삽입홀(62)에 연통되며 산 화제 입구 포트(120)에서 전달된 산화제를 연료 전지 스택(100) 내부로 유도하는 유도홀(64)이 형성된다. 삽입홀(62)은 대략 원형의 단면을 갖고, 유도홀(64)은 대략 사각형의 단면을 갖는다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 삽입홀(62)과 유도홀(64) 모두 원형 또는 그 이외의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.

한편, 삽입홀(62)과 유도홀(64) 사이에는 산화제 입구 포트(120)의 선단부가 끼워지며, 삽입홀(62)과 유도홀(64)을 연결하는 중간홀(63)이 형성된다. 중간홀(63)은 삽입홀(62)보다 더 작은 내경을 갖도록 형성되며, 산화제 입구 포트(120)의 선단부를 끼움하여 산화제 입구 포트(120)를 고정한다.

삽입홀(62)에는 제1 지지돌기(124)와 제2 지지돌기(121)가 삽입되어 위치하며, 중간홈(122)에는 오링(190)이 설치되어 엔드 플레이트(60)와 산화제 입구 포트(120) 사이를 밀봉한다. 오링(190)이 제1 지지돌기(124)와 제2 지지돌기(121) 사이에 설치되므로 오링(190)이 외측으로 이탈하지 않고 엔드 플레이트(60)와 산화제 입구 포트(120) 사이를 안정적으로 밀봉할 수 있다.

한편, 중간홀(63)에는 산화제 입구 포트(120)의 걸림턱(129)이 통과할 수 있는 키홈(65)이 중간홀(63)의 길이 방향을 따라 이어져 형성되며, 중간홀(63)에는 걸림턱(129)이 끼워지는 고정홈(67)이 형성된다.

고정홈(67)은 키홈(65)에서 중간홀(63)의 둘레 방향으로 이격되어 배치되며, 삽입홀(62)과 연통되지 않고 외측으로 향하는 부분이 막혀 있다.

이에 따라 걸림턱(129)은 키홈(65)을 통해서 안내된 후, 회전하여 고정홈(67)에 끼워지며. 이에 따라 산화제 입구 포트(120)가 엔드 플레이트(60)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 걸림턱(129)을 키홈(65)으로 삽입하고, 회전시켜 고정홈(67)에 끼우는 것으로 산화제 입구 포트(120)를 엔드 플레이트(60)에 간편하게 체결할 수 있는 바, 종래에 비하여 체결 공정이 단순화되어 작업 능률이 향상된다.

이 때, 걸림턱(129)이 내측에서 산화제 입구 포트(120)를 지지하고, 스냅링(150)이 엔드 플레이트(60)의 외면에 걸려서 산화제 입구 포트(120)를 지지하는 바, 이에 따라 산화제 입구 포트(120)는 보다 안정적으로 고정될 수 있으며, 외부의 진동이나 충격에 의하여 산화제 입구 포트(120)가 파손되거나, 결합이 풀어지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 엔드 플레이트(60)에 삽입되는 걸림턱(129)에 의하여 산화제 입구 포트(120)를 고정하므로 외측에서 결합시키는 플랜지 등의 구조물이 필요 없으며, 이에 따라 공간 활용도가 향상된다.

도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유체 포트를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유체 포트를 도시한 측면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에서 유체 포트(210)는 산화제 입구 포트, 연료 입구 포트, 냉각매체 입구 포트, 산화제 출구 포트, 연료 출구 포트, 또는 냉각매체 출구 포트가 될 수 있다.

유체 포트(210)는 반응유체 등이 공급되는 공급관과 결합되는 몸체부(213)와 몸체부(213)의 일단에 접하여 형성된 제1 지지돌기(214)와, 제1 지지돌기(214)에서 이격 배치된 제2 지지돌기(212) 및 제1 지지돌기(214)와 제2 지지돌기(212) 사이에 형성된 중간홈(216)을 포함한다.

제1 지지돌기(214)와 제2 지지돌기(212)는 유체 포트(210)의 외주를 따라 이어져 돌출되며, 엔드 플레이트(60)에 형성된 홀에 삽입된다.

몸체부(213)에는 공급관이 끼워지지는 외측 홀(218)이 형성되며, 외측 홀(218)에는 반응유체를 엔드 플레이트(60) 내로 유도하며, 외측 홀(218)보다 더 작은 내경을 갖는 내측 홀(217)이 이어져 형성된다.

한편, 유체 포트(210)에서 엔드 플레이트(60)에 삽입되는 일단에는 복수 개의 고정 막대(215)가 돌출 형성되고, 고정 막대(215)의 선단에는 걸림턱(215a)이 형성된다. 고정 막대(215) 사이에는 슬릿이 형성되어 고정 막대(215)는 유체 포트(210)의 둘레 방향을 따라 복수 개가 이격 배열되며, 대략 사각 막대 형상으로 이루어진다. 걸림턱(215a)은 고정 막대(215)의 단부에서 외측으로 돌출 형성되며, 선단면이 경사지게 형성된다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트에 유체 포트가 설치된 상태를 도시한 종단면도이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트에 유체 포트가 설치된 상태를 도시한 횡단면도이다.

도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 엔드 플레이트(60)에는 홀 이 형성되는 바, 유체 포트(210)가 삽입되는 삽입홀(62)과 이 삽입홀(62)에 연통되며 유체 포트(210)에서 전달된 반응유체를 연료 전지 스택(100) 내부로 유도하는 유도홀(64), 및 삽입홀(62)과 유도홀(64)을 연결하는 중간홀(63)이 형성된다. 중간홀(63)의 선단에는 경사면(216)이 형성되는 바, 이와 같이 경사면(216)을 형성 하면, 고정 막대(215)가 중간홀(63)로 삽입될 때, 삽입홀(62)과 중간홀(63) 사이의 단차부분에 걸리지 않고 용이하게 삽입될 수 있다.

한편, 제1 지지돌기(214)와 제2 지지돌기(212)는 삽입홀(62)의 내면에 맞닿도록 설치되며, 중간홈(216)에는 오링(190)이 삽입 설치되는 바, 오링(190)은 유체 포트(210)와 삽입홀(62) 사이를 밀봉하는 역할을 한다.

고정 막대(215)는 중간홀(63)을 통과하여 중간홀(63)의 후단에 형성된 고정홈(67)에 걸림턱(215a)을 끼움하여 고정된다. 이 과정에서 고정 막대(215)는 탄성적으로 변형되었다가 고정홈(67)에 삽입되면서 회복된다. 이에 따라 돌출된 걸림턱(215a)의 방해를 받지 아니하고 고정 막대(215)를 용이하게 설치할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면 유체 포트(210)를 홀에 삽입하는 것으로 유체 포트(210)와 엔드 플레이트(60)를 용이하게 결합할 수 있으며, 걸림턱(215a)이 내측에서 유체 포트(210)를 지지하고, 몸체부(213)의 단부가 엔드 플레이트(60)의 외면에 걸려서 유체 포트(210)를 지지하는 바, 이에 따라 유체 포트(210)는 보다 안정적으로 고정될 수 있으며, 외부의 진동이나 충격에 의하여 유체 포트(210)가 파손되거나, 결합이 풀어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 오링(190)에 의하여 밀봉이 확실하게 이루어지므로 반응유체 등이 유출되는 것을 방지할 수 있다.

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유체 포트를 도시한 사시도이고, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유체 포트를 도시한 측면도이다.

도 11 및 도 12를 참조하여 설명하면, 본 실시예에서 유체 포트(230)는 산화제 입구 포트, 연료 입구 포트, 냉각매체 입구 포트, 산화제 출구 포트, 연료 출구 포트, 또는 냉각매체 출구 포트가 될 수 있다.

유체 포트(230)는 반응유체 등이 공급되는 공급관과 결합되는 몸체부(231)와 엔드 플레이트(60)의 홀에 삽입되는 연결부(235), 및 연결부(235)의 외주에서 돌출된 지지돌기(232)를 포함한다. 지지돌기(232)는 몸체부(231)에서 이격 배치되며, 지지돌기(232)와 몸체부(213) 사이에는 스냅링(150)이 설치되는 완충홈(236)이 형성된다.

몸체부(231)에는 공급관이 끼워지지는 외측 홀(238)이 형성되며, 외측 홀(238)에는 반응유체를 엔드 플레이트(60) 내로 유도하며, 외측 홀(218)보다 더 작은 내경을 갖는 내측 홀(237)이 이어져 형성된다.

한편, 연결부(235)의 선단에는 외측으로 돌출된 걸림턱(239)이 형성된다.

도 13는 본 발명의 제3 실시예에 따른 엔드 플레이트에 유체 포트가 설치된 상태를 도시한 종단면도이고, 도 14은 본 발명의 제3 실시예에 따른 엔드 플레이트에 유체 포트가 설치된 상태를 도시한 횡단면도이다.

도 13 및 도 14를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 엔드 플레이트(60)는 상기한 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 부분에 대한 중복 설명은 생략한다.

지지돌기(232)는 삽입홀(62)의 내면에 접하도록 설치되고, 지지돌기(232)와 삽입홀(62)의 일측 단부 사이에는 오링(190)이 설치되는 바, 오링(190)은 유체 포트(230)와 삽입홀(62) 사이를 밀봉하는 역할을 한다.

중간홀(63)의 내경은 삽입홀(62)의 내경보다 더 작게 형성되므로 삽입홀(62) 과 중간홀(63) 사이에는 단차가 형성되는 바, 이 단차의 벽면과 지지돌기(232) 사이에 오링(190)이 위치하게 된다. 이에 따라 오링(190)이 이탈되지 않고 설정된 위치에 안정적으로 설치될 수 있다.

한편, 걸림턱(239)은 고정홈(67)에 삽입되어 유체 포트(230)를 지지하는 바, 걸림턱(239)이 유체 포트(230)를 내측에서 지지하고, 스냅링(150)이 유체 포트(230)를 외측에서 지지하여 유체 포트(230)가 보다 안정적으로 고정될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 측면도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트의 일부를 도시한 사시도이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 종단면도이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 횡단면도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 사시도이다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 측면도이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 종단면도이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 횡단면도이다.

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 사시도이다.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화제 입구 포트를 도시한 측면도이다.

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 종단면도이다.

도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트에 산화제 입구 포트가 설치된 상태를 도시한 횡단면도이다.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

100: 연료 전지 스택 60: 엔드 플레이

62: 삽입홀 63: 중간홀

64: 유도홀 65: 키홈

67: 고정홈 120: 산화제 입구 포트

121: 제2 지지돌기 122: 중간홈

123: 몸체부 124: 제1 지지돌기

125: 연결부 126: 완충 홈

129: 걸림턱 150: 스냅링

190: 오링 210: 유체 포트

215: 고정 막대

Claims (11)

1. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 상기 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 복수 개의 전기 생성부들;

   상기 전기 생성부들의 최외측에 설치되어 상기 전기 생성부들을 지지하는 엔드 플레이트; 및

   상기 엔드 플레이트에 결합 설치되며, 상기 전기 생성부에서 반응하는 반응유체가 이동하는 통로를 제공하는 유체 포트;

   를 포함하고,

   상기 유체 포트는 상기 엔드 플레이트에 형성된 홀에 끼워져 설치되고, 상기 유체 포트의 외주면과 상기 홀 사이에는 오링이 설치되며, 상기 유체 포트는 상기 홀에 고정되어 상기 유체 포트를 지지하는 걸림턱을 갖는 연료 전지 스택.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 홀에는 상기 걸림턱이 이동할 수 있도록 형성된 키홈과 상기 키홈과 상기 걸림턱을 지지하는 고정홈이 형성된 연료 전지 스택.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 걸림턱은 상기 유체 포트의 선단에 형성된 연료 전지 스택.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유체 포트는 상기 엔드 플레이트의 외측에 위치하는 몸체부와 상기 엔드 플레이트의 홀에 삽입된 연결부를 포함하는 연료 전지 스택.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 몸체부와 상기 엔드 플레이트 사이에는 스냅링이 설치된 연료 전지 스택.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 연결부의 외주에는 지지돌기가 형성되고, 상기 오링은 상기 지지돌기와 상기 몸체부 사이에 설치된 연료 전지 스택.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 연결부의 외주에는 돌출된 2개의 지지돌기가 형성되고, 상기 지지돌기 사이에 상기 오링이 설치된 연료 전지 스택.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 엔드 플레이트에는 상기 엔드 플레이트의 외면과 접하도록 형성된 삽입홀과 상기 삽입홀보다 더 작은 내경을 갖는 연결홀을 갖고, 상기 삽입홀과 연결홀 사이에는 단차가 형성된 연료 전지 스택.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 유체 포트의 외주에는 지지돌기가 돌출 형성되며,

   상기 오링은 상기 지지돌기와 상기 단차 사이에 위치하는 연료 전지 스택.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 유체 포트에서 상기 엔드 플레이트에 삽입되는 일단에는 복수 개의 고정 막대가 돌출 형성되고, 상기 고정 막대에 상기 걸림턱이 형성된 연료 전지 스택.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 고정 막대는 상기 유체 포트의 둘레 방향을 따라 이격 배열된 연료 전지 스택.

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