KR101144049B1 - Enclosure for fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택용 인클로져에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 금속 재료로 이루어진 연료전지 스택용 인클로져를 금속 및 난연 기능의 고분자-유리섬유 복합재료로 구성된 복합 구조 형태로 개선시킨 연료전지 스택용 인클로져에 관한 것이다.The present invention relates to an enclosure for a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack in which a fuel cell stack enclosure made of a conventional metal material is improved to a complex structure composed of a metal and a flame-retardant polymer-glass fiber composite material. It is related to a dragon enclosure.

이를 위해, 본 발명은 상부지지체와 하부지지체를 포함하는 연료전지 스택용 인클로져에 있어서, 상기 연료전지 스택이 안착되는 하부지지체는 금속 재질로 구성되고, 상기 연료전지 스택의 사방 및 상부를 이격되며 감싸는 상부지지체를 고분자-유리섬유 복합재료로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 인클로져를 제공한다.To this end, the present invention is an enclosure for a fuel cell stack including an upper support and a lower support, wherein the lower support on which the fuel cell stack is seated is made of a metallic material, and is spaced apart and wrapped around all sides and the top of the fuel cell stack. It provides an enclosure for a fuel cell stack, characterized in that the upper support is composed of a polymer-glass fiber composite material.

연료전지 스택, 인클로져, 하부지지체, 상부지지체, 고분자-유리섬유, 복합재료 Fuel Cell Stack, Enclosure, Lower Support, Upper Support, Polymer-Glass Fiber, Composite Material

Description

연료전지 스택용 인클로져{Enclosure for fuel cell stack}Enclosure for fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택용 인클로져에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 금속 재료로 이루어진 연료전지 스택용 인클로져를 금속 및 난연 기능의 고분자-유리섬유 복합재료로 구성된 복합 구조 형태로 개선시킨 연료전지 스택용 인클로져에 관한 것이다.The present invention relates to an enclosure for a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack in which a fuel cell stack enclosure made of a conventional metal material is improved to a complex structure composed of a metal and a flame-retardant polymer-glass fiber composite material. It is related to a dragon enclosure.

연료전지 스택은 고분자 전해질막과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어진 전해질막-전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와, 공기극 및 연료극의 바깥 부분에는 적층되는 가스확산층 및 가스켓과, 가스확산층의 바깥쪽에 위치되어 공기 및 수소를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판과, 이들 구성들을 결합시키기 위해 가장 바깥쪽에 위치되는 엔드 플레이트 등을 포함하여 구성된다.The fuel cell stack is an electrolyte membrane-electrode membrane assembly (MEA) consisting of a cathode and an anode, which are catalyst layers coated so that hydrogen and oxygen can react on both sides of the electrolyte membrane. A gas diffusion layer and a gasket which are stacked on the outer part of the cathode and the anode, a separator formed on the outside of the gas diffusion layer to supply air and hydrogen, and to discharge water generated by the reaction; The outermost end plate and the like.

이렇게 구비된 연료전지 스택은 소정 체적의 인클로져(=하우징)로 밀봉 처리 되어 차량에 탑재하게 되는데, 미국특허 6,803,142 및 미국특허 2002/187382 등에는 연료전지 스택용 인클로져의 기본 마운팅 구조가 개시되어 있다.The fuel cell stack provided as described above is sealed with a predetermined volume (= housing) and mounted on a vehicle. US 6,803,142 and US 2002/187382 disclose a basic mounting structure of an enclosure for a fuel cell stack.

이러한 종래의 연료전지 스택용 인클로져는 금속재질로 만들어진 인클로져(Enclosure) 또는 하우징(Housing)이 대부분이며, 금속 인클로져의 선정 조건은 스택 전체를 감싸서 보호하는 기능 이외에, 안정적으로 차량의 탑재공간에 장착할 수 있도록 그 핸들링(Handling)성이 우수하고, 단열성 및 내화학성 등 제반 특성이 우수해야 한다.The conventional enclosure for fuel cell stacks is mostly an enclosure or housing made of a metal material, and the selection condition of the metal enclosure is to be installed in a vehicle mounting space stably in addition to a function of wrapping and protecting the entire stack. Its handling properties should be excellent so that its characteristics such as heat insulation and chemical resistance should be excellent.

종래의 금속 재료 인클로져에 대한 구조를 간략히 살펴보면, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)이 안착되는 금속 재질의 하부지지체(14)와, 안착된 연료전지 스택(10)을 감싸면서 하부지지체(14)에 결합되는 금속 재질의 상부지지체(12)로 구성되고, 물론 상부지지체(12)에는 연료전지 스택(10)으로 반응기체(수소 및 공기)와 냉각수 등을 공급 및 배출시키기 위한 배관 통로(18)가 형성된다.Briefly looking at the structure of the conventional metal material enclosure, as shown in Figure 1 attached to the fuel cell stack 10, the lower support 14 of the metal material is seated, and the fuel cell stack 10 is seated The upper support 12 is made of a metal material coupled to the lower support 14, and of course, the upper support 12 supplies and discharges the reactor body (hydrogen and air) and cooling water to the fuel cell stack 10. Piping passages 18 are formed.

그러나, 종래의 금속 재료 인클로져는 상부 및 하부지지체 모두가 금속 재질로 만들어짐에 따라 중량이 많이 나가고, 그에 따라 차량내 장착시 핸들링성이 저하되어 장착 시간이 증가하는 단점이 있고, 또한 연료전지차의 연비 저하를 유발하고, 겨울철에 스택 보온을 위한 단열성이 부족하며, 내화학성 부여를 위해 추가적인 유기화합물 표면 코팅 공정이 필요한 문제점이 있다.However, the conventional metal material enclosure is disadvantageous in that both the upper and the lower support is made of a metal material, the weight is increased, and thus the handling time is lowered and the mounting time is increased when the in-vehicle is mounted. There is a problem inducing fuel consumption, lack of insulation for stack insulation in winter, and additional organic compound surface coating process for imparting chemical resistance.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 기존의 금속 재료로 이루어진 연료전지 스택용 인클로져를 금속 및 난연 기능의 고분자-유리섬유 복합재로 구성된 복합 구조로 구성하여, 경량화, 연비 증가, 단열성 증가, 내화학성 코팅 공정 제거 및 난연성을 발현하는 등의 여러 장점을 제공할 수 있도록 한 연료전지용 인클로져를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, by constructing a fuel cell stack enclosure made of a conventional metal material in a composite structure composed of a metal and a flame-retardant polymer-glass fiber composite, light weight, fuel economy It is an object of the present invention to provide an enclosure for a fuel cell that can provide various advantages such as increase, increase insulation, remove chemical-resistant coating process and express flame retardancy.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상부지지체와 하부지지체를 포함하는 연료전지 스택용 인클로져에 있어서, 상기 연료전지 스택이 안착되는 하부지지체는 금속 재질로 구성되고, 상기 연료전지 스택의 사방 및 상부를 이격되며 감싸는 상부지지체를 고분자-유리섬유 복합재료로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 인클로져를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an enclosure for a fuel cell stack including an upper support and a lower support, wherein the lower support on which the fuel cell stack is seated is made of a metal material, and the upper and lower sides of the fuel cell stack. Provides an enclosure for a fuel cell stack, characterized in that the spaced apart and surrounding the upper support is made of a polymer-glass fiber composite material.

특히, 본 발명의 상부지지체는 평판 단면 구조, 또는 평판 단면 구조이면서 그 내표면에 응력 보강용 리브가 형성된 구조로 제작된 것임을 특징으로 한다.In particular, the upper support of the present invention is characterized in that it is made of a flat plate cross-sectional structure, or a flat plate cross-sectional structure and a structure in which a rib for stress reinforcement is formed on the inner surface thereof.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-mentioned means for solving the problems, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택이 안착되는 하부지지체만을 금속 재질로 구성하고, 연료전지 스택을 감싸주는 상부지지체를 고분자-유리섬유 복합재료로 제 작함으로써, 경량화 실현과 더불어 인클로져에 대한 작업 및 조립 핸들링성 증가와 연비 향상을 도모할 수 있고, 고분자-유리섬유 복합재 적용에 의한 스택 보온 단열성을 증가시킬 수 있으며, 기존 금속지지체에 대한 내화학성 유기화합물 코팅 공정 제거를 통해 공정 간소화 및 비용 절감을 도모할 수 있다.According to the present invention, the lower support body on which the fuel cell stack is mounted is made of a metal material, and the upper support body surrounding the fuel cell stack is made of a polymer-glass fiber composite material, thereby reducing the weight and working and assembling the enclosure. It can improve handling and improve fuel efficiency, increase stack insulation insulation by applying polymer-glass fiber composite, and simplify process and reduce cost by eliminating chemical-resistant organic compound coating process for existing metal support. can do.

또한, 본 발명의 상부지지체를 구성하는 고분자-유리섬유 복합재료에 친환경 비할로겐 난연제를 첨가하여, 화재 대비를 위하여 인클로져에 대한 난연성 기능을 부여할 수 있다.In addition, by adding an environmentally friendly non-halogen flame retardant to the polymer-glass fiber composite material constituting the upper support of the present invention, it is possible to give a flame retardant function for the enclosure for fire preparedness.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택용 인클로져를 설명하는 도면이다.2 and 3 are views illustrating an enclosure for a fuel cell stack according to the present invention.

본 발명은 기존의 금속 인클로져가 갖는 단점들을 개선하고자, 난연 고분자 복합재료 인클로져를 제공하고자 한 것으로서, 연료전지 스택(10)이 안착되는 하부지지체(14)만을 금속 재질로 구성하고, 나머지 연료전지 스택의 사방 측면 및 상면을 이격되며 감싸주는 상부지지체(12)를 고분자-유리섬유 복합재료로 구성한 점에 특징이 있다.The present invention is to provide a flame retardant polymer composite enclosure to improve the disadvantages of the existing metal enclosure, consisting of only the lower support body 14 on which the fuel cell stack 10 is seated made of a metal material, the remaining fuel cell stack The upper support 12 that surrounds the four sides and spaced apart from each other is characterized in that the polymer-glass fiber composite material.

특히, 본 발명의 상부지지체(12)는 고분자-유리섬유 복합재료로 제작하되, 그 단면 구조를 평판형 단면 구조체로 제작하거나, 보다 큰 강성을 갖도록 평판 단 면 구조이면서 그 내표면에 응력 보강용 리브(16)가 일체로 돌출 형성된 구조로 제작되며, 이러한 상부지지체(12)의 소정 위치에는 연료전지 스택으로 반응기체(수소 및 공기)와 냉각수 등을 공급 및 배출시키기 위한 배관 통로(18)가 관통 형성된다.In particular, the upper support 12 of the present invention is made of a polymer-glass fiber composite material, the cross-sectional structure is made of a flat cross-sectional structure, or a flat plate cross-sectional structure to have a greater rigidity for stress reinforcement on the inner surface The rib 16 is integrally formed to protrude, and at a predetermined position of the upper support 12, a pipe passage 18 for supplying and discharging the reactor body (hydrogen and air) and cooling water to the fuel cell stack is provided. It is formed through.

이렇게 연료전지 스택이 안착되는 하중 등을 고려하여 스택이 안착되는 하부지지체만을 금속 재질로 제작하고, 상부지지체는 고분자-유리섬유 복합재료로 제작함으로써, 경량화에 의한 작업자의 핸들링성 및 연비 증가, 스택에 대한 단열성 향상, 인클로져에 대한 내부식 코팅 공정 간소화 등의 장점을 얻을 수 있다.Thus, considering the load on which the fuel cell stack is placed, only the lower support on which the stack is seated is made of a metal material, and the upper support is made of a polymer-glass fiber composite material, thereby increasing the handling and fuel efficiency of the operator due to weight reduction, and stacking. Benefits include improved thermal insulation and simplified coating process for the enclosure.

또한, 본 발명은 상부지지체를 이루는 고분자-유리섬유 복합재료에 난연제를 더 첨가함으로써, 차량 운행중 예기치 못한 화재 발생시 인클로져에 난연 기능성을 부여할 수 있도록 한 점에 특징이 있다.In addition, the present invention is characterized in that by further adding a flame retardant to the polymer-glass fiber composite material forming the upper support, it is possible to impart flame retardant functionality to the enclosure in the event of unexpected fire during vehicle operation.

이때, 기존에 주로 사용되어 난연성을 부여하던 할로겐(Halogen)계 난연제는 화재시 인체에 유해한 유독가스 배출 등의 환경 문제가 있으므로, 본 발명의 고분자-유리섬유 복합재에 첨가되는 난연제는 친환경적인 비할로겐계 화합물을 기반으로 하는 것으로 채택된다.At this time, since the halogen-based flame retardant mainly used to impart flame retardancy has environmental problems such as toxic gas emissions harmful to the human body in case of fire, the flame retardant added to the polymer-glass fiber composite of the present invention is environmentally friendly non-halogen It is adopted based on a system compound.

본 발명의 복합구조 인클로져는 종래 금속 인클로져와 달리, 연료전지 스택 지지를 위한 하부지지체만 금속 재질로 제작하고, 나머지 상부지지체는 고분자-유리섬유 복합재료로 제작하는 바, 하부지지체를 이루는 금속 지지체로는 SS316, SS316L, SS304 등의 스테인레스 강, 알루미늄(Aluminum) 및 알루미늄 합금(Aluminum Alloy) 등 다양한 금속 재료를 사용할 수 있다.Unlike the conventional metal enclosure, the composite structure enclosure of the present invention is made of only a lower support for a fuel cell stack made of a metal material, and the remaining upper support is made of a polymer-glass fiber composite material. For example, various metal materials such as stainless steel such as SS316, SS316L, and SS304, aluminum, and aluminum alloy may be used.

특히, 본 발명의 상부지지체를 구성하는 고분자-유리섬유 복합재료의 고분자 재료로는 폴리아미드(Polyamide), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르이미드(Polyether imide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리페닐렌에테르(Polyphenylene ether), 폴레에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate), 폴리에테르케톤(Polyetherketone), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone), 폴리에테르에테르케톤케톤(Polyetheretherketoneketone), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리프로필렌(Polypropylene) 등을 들 수 있다.In particular, the polymer material of the polymer-glass fiber composite material constituting the upper support of the present invention is polyamide, polyphenylene sulfide, polyimide, polyether imide, Polycarbonate, Polyphenylene ether, Polyethylene terephthalate, Polybutylene terephthalate, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyetheretherketone And ether ether ketone ketones, polyethylene, polypropylene, and the like.

또한, 고분자 기재로서, 위에 나열된 고분자들의 단독 중합체(Homopolymer), 또는 랜덤(Random), 가지(Graft), 블록(Block), 교호(Alternating) 공중합체(Copolymer)들을 단독으로 사용하거나, 또는 위에 나열된 고분자를 다른 한 종 이상의 열가소성(Thermoplastic), 열경화성(Thermoset), 고무(Rubber) 고분자중 하나와 블렌드(Blend)하거나, 유기 또는 무기 물질들과 혼합한 혼합재(Mixture) 형태로 사용할 수 있다.In addition, as the polymer substrate, homopolymers or random, branch, block, alternating copolymers of the polymers listed above may be used alone, or listed above. The polymer may be blended with one or more of other thermoplastic, thermoset and rubber polymers, or in the form of a mixture mixed with organic or inorganic materials.

이에, 상기 고분자 기재에 적정량의 유리 섬유 및 난연제를 첨가하여 본 발명의 인클로져의 상부지지체용 복합재료를 구성할 수 있다.Thus, by adding an appropriate amount of glass fiber and flame retardant to the polymer substrate can be configured to the composite material for the upper support of the enclosure of the present invention.

상기 난연제로는 친환경 비할로겐계 무기 또는 유기화합물로서 금속 수산화물계, 인계, 기타 계 등을 사용할 수 있으며, 보다 상세하게는 수산화 알루미늄(Aluminum Hydroxide), 수산화 마그네슘(Magnesium Hydroxide), 수산화 칼슘(Calcium Hydroxide), 암모늄 포스페이트(Ammonium Phosphate), 암모늄 페닐 포 스페이트(Ammonium Phenyl Phosphate), 디 암모늄 포스페이트(Diammonium Phosphate), 암모늄 디메틸 포스페이트 (Ammonium Dimethyl Phosphate), 암모늄 에틸 포스페이트(Ammonium Ethyl Phosphate), 멜라민 포스페이트(Melamine Phosphate), 멜라민 디페닐 포스페이트(Melamine Diphenyl Phosphate), 멜라민 피로포스페이트(Melamine Pyrophosphate), 유레아 포스페이트(Urea Phosphate), 팽창 흑연, 나노 클레이(Nano Clay)중 선택된 하나 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The flame retardant may be used as an environmentally friendly non-halogen-based inorganic or organic compound, such as metal hydroxides, phosphorus, and other systems, more specifically, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide (Calcium Hydroxide) ), Ammonium Phosphate, Ammonium Phenyl Phosphate, Diammonium Phosphate, Ammonium Dimethyl Phosphate, Ammonium Dimethyl Phosphate, Ammonium Ethyl Melamine Phosphate Phosphate, Melamine Diphenyl Phosphate, Melamine Pyrophosphate, Urea Phosphate, Expanded Graphite, Nano Clay, or a mixture of two or more selected may be used. .

이와 같은 본 발명에 따르면, 연료전지 스택이 안착되는 하부지지체만을 금속 재질로 구성하고, 연료전지 스택을 감싸주는 상부지지체를 고분자-유리섬유 복합재료로 제작함으로써, 경량화 실현과 더불어 인클로져에 대한 작업 및 조립 핸들링성 증가와 연비 향상을 도모할 수 있고, 또한 고분자-유리섬유 복합재료에 친환경 비할로겐 난연제를 첨가하여, 본 발명의 인클로져에 대한 난연성 기능을 부여할 수 있다.According to the present invention, the lower support on which the fuel cell stack is mounted is composed of a metal material, and the upper support surrounding the fuel cell stack is made of a polymer-glass fiber composite material, thereby reducing the weight and working on the enclosure. It is possible to increase the assembly handling properties and to improve fuel efficiency, and to add a flame-retardant function to the enclosure of the present invention by adding an environmentally friendly non-halogen flame retardant to the polymer-glass fiber composite material.

도 1은 종래의 연료전지 스택용 인클로져를 설명하는 도면,1 is a view illustrating a conventional fuel cell stack enclosure;

도 2 및 도 3은 연료전지 스택용 인클로져를 설명하는 도면.2 and 3 illustrate an enclosure for a fuel cell stack.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 연료전지 스택10: fuel cell stack

12 : 상부지지체12: upper support

14 : 하부지지체14: lower support

16 : 응력 보강용 리브16: rib for stress reinforcement

18 : 배관 통로18: piping passage

Claims (5)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 상부지지체와 하부지지체를 포함하는 연료전지 스택용 인클로져에 있어서,In an enclosure for a fuel cell stack comprising an upper support and a lower support, 상기 연료전지 스택이 안착되는 하부지지체는 금속 재질로 구성되고, 상기 연료전지 스택의 사방 및 상부를 이격되며 감싸는 것으로서, 평판 단면 구조, 또는 평판 단면 구조이면서 그 내표면에 응력 보강용 리브가 형성된 구조로 제작된 상부지지체는 고분자-유리섬유 복합재료로 구성되며, The lower support body on which the fuel cell stack is seated is made of a metal material, and surrounds and surrounds all sides and the upper portion of the fuel cell stack. The upper support is made of a polymer-glass fiber composite material, 상기 상부지지체를 구성하는 고분자-유리섬유 복합재료의 고분자는 열가소성으로서 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌에테르, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리에테르에테르케톤케톤 중 선택된 어느 하나이고, The polymer of the polymer-glass fiber composite material constituting the upper support is thermoplastic, among polyamide, polyimide, polyetherimide, polycarbonate, polyphenylene ether, polyether ketone, polyether ether ketone and polyether ether ketone ketone. Is any one selected, 고분자 기재로서, 상기 고분자들 각각의 단독 중합체, 또는 랜덤, 가지, 블록, 교호 공중합체를 단독으로 사용하거나, 상기 고분자들중 하나를 다른 한 종 이상의 열가소성, 열경화성, 고무 고분자중 하나와 블렌드하여 사용하거나, 상기 고분자들중 하나를 유기 또는 무기 물질들과 혼합한 혼합재(Mixture)를 사용하며, As the polymer substrate, a homopolymer of each of the above polymers, or a random, branched, block, alternating copolymer may be used alone, or one of the polymers may be blended with one or more other thermoplastic, thermosetting or rubber polymers. Or using a mixture of one of the polymers mixed with organic or inorganic materials, 상기 상부지지체를 구성하는 고분자-유리섬유 복합재료에는 난연성을 강화하기 위해 하나 이상의 난연제를 더 포함하되, The polymer-glass fiber composite material constituting the upper support further includes at least one flame retardant to enhance flame retardancy, 상기 난연제로는 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 수산화 칼슘, 유레아 포스페이트, 팽창 흑연 및 나노 클레이중 선택된 하나 또는 2종 이상 혼합된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 인클로져.The flame retardant is an enclosure for a fuel cell stack, characterized in that one or a mixture of two or more selected from aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, urea phosphate, expanded graphite and nanoclay.
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