KR101451895B1 - 연료 전지 스택 어셈블리 - Google Patents

Abstract

연료 전지 스택 어셈블리가 개시된다. 개시된 연료 전지 스택 어셈블리는, ⅰ)다수 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 가압 체결하여 이루어지는 복수의 메인 단위 스택들과, ⅱ)메인 단위 스택들을 수용하기 위한 복수의 수용 공간을 구획 형성하고, 각 수용 공간에 상기 메인 단위 스택을 개별적으로 수용하는 패키지부재를 포함하며, 메인 단위 스택은 적어도 둘 이상의 단위 셀들이 전도성 시트로서 구획된 복수 개의 서브 단위 스택을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 스택 어셈블리 {FUEL CELL STACK ASSEMBLY}

본 발명의 실시예는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 셀들 및 이들 단위 셀들의 체결 구조를 개선한 연료 전지 스택 어셈블리에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로 구분할 수 있다.

고분자 전해질형 연료 전지는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와, 공기와 같은 산화제를 제공받아 그 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

여기서, 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스를 포함할 수도 있다.

그리고, 개질 장치는 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming), 부분 산화(POX: Partial Oxidation) 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응으로서 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.

한편, 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도 제공되는 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

이러한 연료 전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 세퍼레이터(separator: 당 업계에서는 통상적으로 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)로 이루어진 단위 셀(cell)들이 연속적으로 배치된 스택(Stack)을 구성한다.

이러한 스택은 단위 셀들이 수 개 내지 수백 개로 적층되며, 수W 내지 수MW의 전력량을 생산하게 된다.

여기서, 막-전극 어셈블리는 전해질막의 양면에 애노드 전극과 캐소드 전극으로서의 촉매층이 형성된 구조로 이루어진다.

그리고, 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측면에 배치되며, 개질 가스 또는 연료(이하에서는 편의상 "연료"라고 한다) 및 산화제를 막-전극 어셈블리로 공급하는 통로의 역할과, 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 동시에 수행한다.

따라서, 스택의 단위 셀들로 연료 및 산화제를 공급하게 되면, 연료는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극으로 공급되고, 산화제는 세퍼레이터에 의해 캐소드 전극으로 공급된다.

이 과정에 스택은 애노드 전극에서 연료 중에 함유된 수소 성분의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서 산화제의 전기 화학적인 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로서 전기 에너지를 생성하게 된다.

상기와 같은 스택은 단위 셀들의 최 외측에 각각 배치되는 가압 플레이트(이하에서는 당 업계에서 통칭하는 "엔드 플레이트" 라고 한다.)가 체결수단에 의해 서로 체결되면서 단위 셀들이 일정한 압력으로 가압된 상태를 유지한다.

즉, 스택의 조립 시 단위 셀들이 연속적으로 정렬된 상태에서, 엔드 플레이트는 단위 셀들을 사이에 두고 최 외측의 단위 셀에 밀착되며, 체결수단을 통해 체결압을 제공받아 단위 셀들을 일정한 압력으로 가압한다.

이러한 스택은 요구하는 전력량에 따라 수십 내지 수백 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 하나의 어셈블리로서 구성되는 바, 조립 과정에서 단위 셀들을 기설정된 가압 변위(단위 셀들의 최적 압축 정도에 대응하는 단위 셀들의 전체 길이)로서 엔드 플레이트를 가압 체결해야 한다.

그런데, 종래 기술에서는 작업자의 숙련도 차이 또는 토크장치의 기계적 오차 등에 의해 그 가압 변위에 상응하는 엔드 플레이트의 체결압을 제어하기가 쉽지 않다.

따라서, 종래에는 엔드 플레이트의 체결압이 단위 셀들에 과도하게 가해지거나 너무 약하게 가해지는 경우가 발생되는데, 이를 체크하고 체결수단의 체결 정도를 조정해야 하는 등 부가적인 작업이 수반되고, 전체 스택의 제작 시간이 길어지게 되는 문제점을 내포하고 있다.

그리고, 스택은 상기와 같은 체결압, 연료/산화제 공급, 세퍼레이터의 결합 형태에 의해서 단위 셀들의 적층 개수에 따른 기설정된 전력을 발전하지 못하고, 특히 체결압이 일정하지 않은 경우 그 압력에 의해 단위 셀이 파손되는 등 전체 스택의 셀 성능 및 내구성에 문제를 일으킨다.

이에, 종래 기술에서는 스택을 분해 및 해체하여 문제 시 되는 단위 셀을 교체하거나 수리하게 되는데, 엔드 플레이트의 체결압을 정확하게 조절해야 하는 등 스택의 재조립이 용이하지 않고, 스택 전체를 교체하거나 새로 제작해야 하는 문제를 초래한다.

이를 개선하기 위한 본 출원인은 한국등록특허공보 제1089160호의 『연료 전지 스택 어셈블리』를 개시한 바 있다.

상기한 종래 기술에서는 다수 개의 단위 셀로 이루어진 복수 개의 단위 스택들을 각각 모듈 형태로 구성하고, 그 단위 스택들을 어셈블리 형태로서 패키지화하는 구조를 제공하고 있다.

그러나, 종래 기술에서는 전체 연료 전지 스택 어셈블리의 단위 스택에 있어서 단위 셀의 성능 저하 등의 문제 발생 시, 해당 단위 스택에서의 단위 셀을 교체하거나 단위 셀 교체 후 재조립하는데 어려움이 따르는 문제점을 내포하고 있다.

즉, 종래 기술에서는 각각의 단위 스택에 있어 최 외곽에 위치하는 단위 셀의 세퍼레이터가 한 쪽 면에 채널이 형성된 모노폴라 플레이트로 구비되고, 최 외곽 내측에 위치하는 단위 셀의 세퍼레이터가 양쪽 면에 채널이 형성된 바이폴라 플레이트로 구비되어 있기 때문에, 단위 셀의 문제 발생 시 해당 단위 셀의 부분적인 교체가 어렵다.

본 발명의 실시예들은 단위 스택을 구성하는 다수 개의 단위 셀들 중 문제가 발생한 불량 단위 셀을 간편하게 교체할 수 있도록 한 연료 전지 스택 어셈블리를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리는, ⅰ)다수 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 가압 체결하여 이루어지는 복수의 메인 단위 스택들과, ⅱ)상기 메인 단위 스택들을 수용하기 위한 복수의 수용 공간을 구획 형성하고, 상기 각 수용 공간에 상기 메인 단위 스택을 개별적으로 수용하는 패키지부재를 포함하며, 상기 메인 단위 스택은 적어도 둘 이상의 단위 셀들이 전도성 시트로서 구획된 복수 개의 서브 단위 스택을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 단위 셀은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측면에 대응하는 면에 채널이 구비된 세퍼레이터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 서브 단위 스택에서, 최 외측에 위치하는 세퍼레이터는 한 쪽 면에 채널이 구비된 모노폴라 플레이트로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 최 외측의 모노폴라 플레이트 내측에 위치하는 세퍼레이터들은 양 쪽 면에 채널이 구비된 바이폴라 플레이트로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 전도성 시트는 이웃하는 서브 단위 스택의 서로 마주하는 상기 모노폴라 플레이트의 채널 반대면 사이에 개재될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 전도성 시트는 전기 전도성을 지니며 서로 마주하는 상기 모노폴라 플레이트의 채널 반대면 사이의 기밀을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 전도성 시트는 카본 시트로 이루어질 수 있다. 또한, 카본 외에도 일체의 전도성 또는 도전성 물질로 이루어진 시트로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 패키지부재는 상기 단위 셀들의 배열 방향을 따라 상기 각 수용 공간에 상기 메인 단위 스택들을 수납하며, 상기 메인 단위 스택들의 배열 방향을 따라 적어도 하나의 개방면을 형성하고 있는 스토리지 케이스로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 패키지부재는 상기 스토리지 케이스의 내부에 상기 각 수용 공간을 구획 형성하기 위한 복수의 격벽들이 일정 간격 이격되게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 패키지부재는 상기 단위 셀들의 배열 방향을 따라 상기 메인 단위 스택들이 연속적으로 안착될 수 있는 베이스와, 상기 베이스의 길이 방향에 따른 가장자리 부분에 수직 방향으로 연결되는 적어도 하나의 수직 플레이이트와, 상기 베이스의 평면 상에 길이 방향을 따라 일정 간격 이격되게 수직 방향으로 직립되게 설치되어 상기 각 수용 공간을 형성하는 복수의 격벽들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 각 격벽들은 상기 각 메인 단위 스택 사이 및 최 외측의 메인 단위 스택에 배치되며, 상기 메인 단위 스택에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 쿨링 플레이트로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 각 격벽은 열전도성을 지닌 알루미늄, 구리, 및 철 중 어느 하나의 소재로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리는, 상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급라인과, 상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급라인과, 상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로부터 배출되는 미반응 연료를 배출하는 연료 배출라인과, 상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로부터 배출되는 미반응 산화제와 수분을 배출하는 산화제 배출라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 연료 공급라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 연료 공급 매니폴드에 선택적으로 착탈 가능하게 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 산화제 공급라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 산화제 공급 매니폴드에 착탈 가능하게 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 연료 배출라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 연료 배출 매니폴드에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 산화제 배출라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 산화제 배출 매니폴드에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 각 메인 단위 스택은 체결수단을 통해 상기 엔드 플레이트를 체결하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 각 격벽은 상기 메인 단위 스택을 수용 공간으로 수납하는 때, 상기 체결수단을 가이드 하는 가이드 홈을 상,하부에 각각 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택 어셈블리에 있어서, 상기 패키지부재는 상기 스토리지 케이스의 개방면을 커버하는 적어도 하나의 커버를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 요구하는 전력량을 출력하기 위해 수십 내지 수백 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 가압 체결하여 단일의 스택을 구성하는 종래 기술과 달리, 여러 개로 분할된 메인 단위 스택을 패키지부재에 어셈블리 형태로 패키지화할 수 있으므로 전체 스택 어셈블리를 용이하게 조립/제작할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 메인 단위 스택에서 적어도 둘 이상의 단위 셀들이 전도성 시트로서 구획된 서브 단위 스택을 포함하므로, 메인 단위 스택에서 문제가 되는 불량 단위 셀의 해당 서브 단위 스택을 용이하게 교체할 수 있으며, 메인 단위 스택의 재조립이 용이하다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 메인 단위 스택에서 불량 단위 셀이 포함된 서브 단위 스택 만을 교체하면 되므로, 메인 단위 스택 전체를 교체하지 않아도 되는 잇점이 있다.

또한, 본 실시예에서는 다수 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 가압 체결하여 메인 단위 스택을 구성하기 때문에, 전체 어셈블리의 단위 셀들을 기설정된 가압 변위에 맞게 일정 압력으로 체결할 수 있으므로 서로 인접하는 단위 셀에서 일정한 전류를 발전할 수 있게 되며, 결과적으로는 전체 단위 셀들의 셀 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 정면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리에 적용되는 메인 단위 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리에 적용되는 패키지부재를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 정면 구성도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리(100)는 연료 및 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

여기서, 연료는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.

그리고, 연료는 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 칭하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.

또한, 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.

본 실시예에 의한 연료 전지 스택 어셈블리(100)는 스택으로 정의할 수 있는 다수의 모듈 형태로서 구성되고, 그 모듈들을 어셈블리 형태로 패키지화하며, 스토리지 방식으로서 교체가 가능한 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리(100)는 기본적으로, 다수 개의 메인 단위 스택들(10)과, 이들 메인 단위 스택(10)을 수용하는 패키지부재(40)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 각 메인 단위 스택(10)은 언급한 바 있는 모듈로서 단위의 전기 발생 집합체로 이루어지는 바, 수 개의 단위 셀들(11)이 연속적으로 배열된 구조로 이루어진다.

단위 셀들(11)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서, 상기한 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로서 이루어질 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 메인 단위 스택(10)은 적어도 둘 이상의 단위 셀들(11)이 전도성 시트(101)로서 구획된 복수 개의 서브 단위 스택들(201)을 포함하고 있다.

이러한 서브 단위 스택들(201)은 메인 단위 스택(10)에서도 문제가 되는 불량 단위 셀(11)을 용이하게 교체하기 위한 것으로서, 예를 들면 3 개의 단위 셀들(11)이 연속적으로 배열되며, 전도성 시트(101)에 의해 각각 구획된 구조로 이루어진다.

한편, 상기에서 단위 셀(11)은 도 4에서와 같이 막-전극 어셈블리(MEA)(13)와, 막-전극 어셈블리(13)를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(15)를 포함한다.

이 때, 단위 셀들(11)은 막-전극 어셈블리(13)의 양측면 가장자리와 세퍼레이터(15) 사이에 가스켓(GK)이 개재되며 이들 막-전극 어셈블리(13)와 세퍼레이터(15)의 기밀을 유지한다.

세퍼레이터(15)는 도전성을 지닌 사각형의 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리(13)에 밀착되는 면에 연료 및 산화제를 유동시키기 위한 채널(CH)을 각각 형성하고 있다.

여기서, 막-전극 어셈블리(13)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.

애노드 전극은 세퍼레이터(15)의 채널(CH)을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(15)의 채널(CH)을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

상기한 바 있는 본 발명의 실시예에 의한 서브 단위 스택(201)은 언급한 바 있듯이 2~3개 이상의 단위 셀들(11)이 연속적으로 배열된 소 단위의 스택으로 구비된다.

상기 서브 단위 스택(201)에서 최 외측에 위치하는 세퍼레이터(15)는 즉, 서브 단위 스택(201)의 최 외측에 위치하는 단위 셀(11)의 외곽 세퍼레이터(15)는 한 쪽 면에 채널(CH)이 구비된 모노폴라(mono-polar) 플레이트(15a)로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 서브 단위 스택(201)에서 최 외측의 모노폴라 플레이트(15a) 내측에 위치하는 단위 셀(11)의 세퍼레이터(15)는 양 쪽 면에 채널(CH)이 구비된 바이폴라(bi-polar) 플레이트(15b)로 이루어질 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시예에 의한 상기 전도성 시트(101)는 메인 단위 스택(10)에서 서브 단위 스택들(201)을 각각 별개로 구획하기 위한 것으로서, 이웃하는 서브 단위 스택(201)의 서로 마주하는 모노폴라 플레이트(15a)의 채널 반대면 사이에 개재될 수 있다.

이러한 전도성 시트(101)는 이웃하는 서브 단위 스택(201) 사이에 전류를 흐르게 하는 전기 전도성을 지니며, 서로 마주하는 상기 모노폴라 플레이트의 채널 반대면 사이의 기밀을 유지하는 기능을 하게 된다.

이 경우, 상기 전도성 시트(101)는 카본 소재로 이루어진 카본 시트로서 구비될 수 있다.

다른 한편으로, 상술한 바와 같은 각각의 메인 단위 스택(10)에 있어, 단위 셀들(11)은 양측의 엔드 플레이트(21)를 통하여 서로 가압되는데, 이들 엔드 플레이트(21)는 복수의 체결 로드들(23)을 포함하는 체결수단을 통하여 서로 체결된다.

즉, 엔드 플레이트(21)는 단위 셀들(11)의 최 외측 세퍼레이터(15)(모노폴라 플레이트의 채널 반대면)에 각각 밀착되고, 이들을 관통하는 각 체결 로드(23)의 단부에 체결부재(25)가 체결되면서 서로 대향하는 방향으로 단위 셀들(11)을 가압한다.

상기에서, 엔드 플레이트(21)의 적어도 각 모서리 부분에는 체결 로드(23)가 끼워지는 관통 구멍(22)을 형성하고 있다.

그리고, 체결 로드(23)는 한 쌍의 엔드 플레이트(21)를 연결하기 위한 것으로, 일측 엔드 플레이트(21)의 각 관통 구멍(22)에 끼워지면서 다른 일측 엔드 플레이트(21)의 각 관통 구멍(22)에 끼워진다.

체결 로드(23)는 단위 셀들(11)의 외측에서 이들 단위 셀(11)의 배열 방향을 따라 배치되며, 일측 단부에 볼트 헤드를 구비하고, 다른 일측 단부에 나사부를 가진 볼트 형태로서 이루어진다.

체결부재(25)는 한 쌍의 엔드 플레이트(21)를 체결하고, 각각의 엔드 플레이트(21)에 소정의 가압력을 제공하기 위한 것이다. 이 체결부재(25)는 각 체결 로드(23)의 나사부에 나사 결합되는 너트를 구비한다.

상기와 같이 구성되는 메인 단위 스택(10)의 조립 시, 단위 셀들(11)은 한 쌍의 엔드 플레이트(21) 사이에서 연속적으로 얼라인 된다. 체결 로드(23)는 엔드 플레이트들(21)의 각 관통 구멍(22)에 끼워진다.

체결부재(25)는 각 체결 로드(23)의 나사부에 나사 결합되면서 엔드 플레이트들(21)을 체결함과 동시에 그 엔드 플레이트들(21)에 소정의 가압력을 제공한다. 그러면, 엔드 플레이트들(21)은 서로 대향하는 방향으로 단위 셀들(11)을 가압한다.

한편, 각 메인 단위 스택(10)의 엔드 플레이트(21)는 단위 셀들(11)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급 매니폴드(31)와, 그 단위 셀들(11)로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급 매니폴드(32)와, 단위 셀들(11)에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하기 위한 연료 배출 매니폴드(33)와, 단위 셀들(11)에서 반응하고 남은 산화제 및 그 단위 셀들(11)에서 생성되는 수분을 배출하는 산화제 배출 매니폴드(34)를 형성하고 있다.

여기서, 연료 공급 매니폴드(31)와 연료 배출 매니폴드(33)는 막-전극 어셈블리(13)의 애노드 전극과 밀착하는 세퍼레이터(15)의 채널(CH)과 연결되며, 산화제 공급 매니폴드(32)와 산화제 배출 매니폴드(34)는 막-전극 어셈블리(13)의 애노드 전극과 밀착하는 세퍼레이터(15)의 채널(CH)과 연결된다.

도면에서 미설명된 참조 부호 29는 메인 단위 스택(10)의 단위 셀들(11)에서 발생되는 전기를 집전하는 집전판을 나타낸다.

본 실시예에서, 상기 패키지부재(40)는 메인 단위 스택들(10)을 패키지화하기 위한 것이다.

이러한 패키지부재(40)는 도 5에서와 같이, 각각의 메인 단위 스택(10)을 수용하기 위한 복수의 수용 공간(41)을 구획 형성하고, 각 수용 공간(41)에 메인 단위 스택(10)을 개별적으로 수용할 수 있는 스토리지 케이스(42)로서 이루어진다.

또한, 패키지부재(40)는 스토리지 케이스(42)의 내부에 각 수용 공간(41)을 구획 형성하기 위한 복수의 격벽들(55)을 구비하고 있다.

상기에서, 스토리지 케이스(42)는 메인 단위 스택들(10)을 단위 셀들(11)의 배열 방향을 따라 각각의 수용 공간(41)에 수납하기 위한 것으로서, 그 메인 단위 스택들(10)의 배열 방향을 따라 적어도 하나의 개방면을 형성하고 있다.

바람직하게, 상기 개방면은 도면을 기준할 때, 스토리지 케이스(42)의 상면 및 정면에 형성된다.

구체적으로, 본 실시예에 의한 패키지부재(40)는 베이스(51)와, 수직 플레이트(53)와, 언급한 바 있는 복수의 격벽들(55)을 포함하여 이루어진다.

베이스(51)는 스토리지 케이스(42)의 바닥판으로서, 메인 단위 스택들(10)이 안착될 수 있게 소정 폭을 지니며 일정 길이로서 길게 형성된다.

수직 플레이트(53)는 스토리지 케이스(42)의 배면판으로서, 베이스(51)의 길이 방향에 따른 가장자리 부분에 수직 방향으로 연결되게 설치된다.

그리고, 각각의 격벽(55)은 스토리지 케이스(42)에 복수의 수용 공간(41)을 형성하기 위한 것으로서, 베이스(51)의 길이 방향을 따라 평면 상에 일정 간격 이격되게 수직 방향으로 직립되게 설치된다.

여기서, 상기 격벽들(55) 중에서 최 외측에 위치하는 각각의 격벽(55)은 스토리지 케이스(42)의 양측벽으로서 이루어진다.

따라서, 각각의 메인 단위 스택(10)은 격벽들(55) 사이의 수용 공간(41)으로 수용되면서 패키징이 이루어지는데, 이 경우 각각의 격벽(55)은 메인 단위 스택들(10) 사이 및 최 외측에 위치하는 메인 단위 스택(10)에 밀착된다.

본 실시예에서, 이러한 격벽들(55)은 각 메인 단위 스택(10)의 엔드 플레이트(21)에 밀착되면서 메인 단위 스택(10)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 쿨링 플레이트(57)로 이루어진다.

즉, 메인 단위 스택들(10)의 운전 시, 각 메인 단위 스택(10)의 단위 셀들(11)에서 발생하는 열은 세퍼레이터(15) 및 엔드 플레이트(21)를 통해 격벽들(55)로 전달되면서 수냉 또는 공랭식으로 냉각된다.

이를 위해, 상기 격벽들(55)은 열전도성 및 방열성을 지닌 알루미늄, 구리, 또는 철 소재로서 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러, 상기와 같은 격벽들(55)은, 각 메인 단위 스택(10)을 스토리지 케이스(42)의 개방면을 통해 수용 공간(41)으로 수납하는 때, 체결 로드(23)의 헤드부와 체결부재(25: 너트)를 가이드 하기 위한 레일 형태로서의 가이드 홈(59)을 상,하부에 각각 형성하고 있다.

가이드 홈(59)은 각 격벽(55)의 양측면에 있어, 상,하단부에 베이스(51)의 폭 방향을 따라 형성된다.

이러한 가이드 홈(59)은 격벽들(55) 사이의 수용 공간(41)에서 각각의 메인 단위 스택(10)을 지지하며, 각 메인 단위 스택(10)을 수용 공간(41)으로 수납할 때 체결 로드(23)의 헤드부와 체결부재(25)가 격벽들(55)에 걸리게 되는 것을 방지하는 기능을 하게 된다.

한편, 본 실시예에서, 패키지부재(40)는 메인 단위 스택들(10)을 스토리지 케이스(42)의 개방면을 통해 수용 공간(41)으로 수납한 상태로, 그 개방면을 덮어 수용 공간(41)을 밀폐시키기 위한 커버(48)를 더욱 포함하고 있다.

바람직하게, 커버(48)는 스토리지 케이스(42)의 수용 공간(41)을 개방한 정면 및 상면의 개방면을 커버링 하기 위해 한 쌍으로서 구비되며, 볼트와 같은 체결수단을 통해 베이스(51), 수직 플레이트(53) 및 격벽들(55)에 고정된다.

다른 한편으로, 본 실시예에 의한 연료 전지 스택 어셈블리(100)는 패키지부재(40)의 수용 공간(41)으로 수납된 각각의 메인 단위 스택(10)으로 연료를 공급하는 연료 공급라인(60)과, 산화제를 공급하는 산화제 공급라인(70)을 포함하고 있다.

연료 공급라인(60)은 연료 공급원(도면에 도시하지 않음)에 연결되는 것으로서, 각 메인 단위 스택(10)에 있어 엔드 플레이트(21)의 연료 공급 매니폴드(31)와 연결되는 바, 하나의 제1 메인 라인(61)에서 각각의 연료 공급 매니폴드(31)로 분기하는 형태로서 이루어진다.

이 때, 연료 공급라인(60)의 제1 메인 라인(61)에서 분기하는 각각의 제1 분기 라인(63)은 각각의 연료 공급 매니폴드(31)에 암수식으로서 착탈 가능하게 결합된다.

즉, 제1 분기 라인(63)은 각각의 연료 공급 매니폴드(31)에 고무링(도면에 도시하지 않음)를 통해 기밀을 유지하며 암수식으로 끼워질 수 있다.

그리고, 산화제 공급라인(70)은 산화제 공급원(도면에 도시하지 않음)에 연결되는 것으로서, 각 메인 단위 스택(10)에 있어 엔드 플레이트(21)의 산화제 공급 매니폴드(32)와 연결되는 바, 하나의 제2 메인 라인(71)에서 각각의 산화제 공급 매니폴드(32)로 분기하는 형태로서 이루어진다.

이 때, 산화제 공급라인(70)의 제2 메인 라인(71)에서 분기하는 제2 분기 라인(73)은 각각의 산화제 공급 매니폴드(32)에 암수식으로서 착탈 가능하게 결합된다.

즉, 제2 분기 라인(73)은 각각의 산화제 공급 매니폴드(32)에 고무링(도면에 도시하지 않음)을 통해 기밀을 유지하며 암수식으로 끼워질 수 있다.

그리고, 본 실시예에서는 각각의 메인 단위 스택(10)에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는 연료 배출라인(80)과, 각각의 메인 단위 스택(10)에서 반응하고 남은 산화제 및 그 메인 단위 스택(10)에서 생성되는 수분을 배출하는 산화제 배출라인(90)을 더욱 포함하고 있다.

연료 배출라인(80)은 각 메인 단위 스택(10)에 있어 엔드 플레이트(21)의 연료 배출 매니폴드(33)에 하나의 라인으로서 연결된다. 산화제 배출라인(90)은 각 메인 단위 스택(10)에 있어 엔드 플레이트(21)의 산화제 배출 매니폴드(34)에 하나의 라인으로서 연결된다.

도면에서 미설명된 참조 부호 49는 패키지부재(40)의 각 격벽(55)에 형성되어 수직 플레이트(53)에 의해 연료 배출라인(80) 및 산화제 배출라인(90)이 통과하는 쓰루홀을 형성하는 장착홈을 나타낸다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택 어셈블리(100)에 의하면, 요구하는 전력량을 출력하기 위해 수십 내지 수백 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 가압 체결하여 단일의 스택을 구성하는 종래 기술과 달리, 여러 개로 분할된 메인 단위 스택(10)을 패키지부재(40)에 어셈블리 형태로 패키지화할 수 있으므로 전체 스택 어셈블리(100)를 용이하게 조립/제작할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 메인 단위 스택(10)을 패키지부재(40)에 패키지화하여 전류량이 저하되는 등 문제가 되는 단위 셀(11)의 해당 메인 단위 스택(10)을 스토리지 방식으로 교체할 수 있으므로, 전체 스택을 분리하여 셀 성능이 저하된 단위 셀을 교체하고 재조립하거나 스택을 새로 제작할 필요가 없다.

더 나아가 본 발명의 실시예에서는 메인 단위 스택(10)에서 적어도 둘 이상의 단위 셀들(11)이 전도성 시트(101)로서 구획된 서브 단위 스택(201)을 포함하므로, 메인 단위 스택(10)에서도 문제가 되는 불량 단위 셀(11)의 해당 서브 단위 스택(201)을 용이하게 교체할 수 있으며, 메인 단위 스택(10)의 재조립이 용이하다는 잇점이 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 메인 단위 스택(10)에서 불량 단위 셀(11)이 포함된 서브 단위 스택(201) 만을 교체하면 되므로, 메인 단위 스택(10) 전체를 교체하지 않아도 된다.

또한, 본 실시예에서는 수 개의 단위 셀들(11)을 엔드 플레이트(21)를 통해 가압 체결하여 메인 단위 스택(10)을 구성하기 때문에, 전체 어셈블리의 단위 셀들(11)을 기설정된 가압 변위에 맞게 일정 압력으로 체결할 수 있으므로 서로 인접하는 단위 셀(11)에서 일정한 전류를 발전할 수 있게 되며, 결과적으로는 전체 단위 셀들(11)의 셀 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 메인 단위 스택 11... 단위 셀
13... 막-전극 어셈블리 15... 세퍼레이터
15a... 모노폴라 플레이트 15b... 바이폴라 플레이트
21... 엔드 플레이트 23... 체결 로드
25... 체결부재 31... 연료 공급 매니폴드
32... 산화제 공급 매니폴드 33... 연료 배출 매니폴드
34... 산화제 배출 매니폴드 40... 패키지부재
41... 수용 공간 42... 스토리지 케이스
48... 커버 51... 베이스
53... 수직 플레이트 55... 격벽
57... 쿨링 플레이트 59... 가이드 홈
60... 연료 공급라인 70... 산화제 공급라인
80... 연료 배출라인 90... 산화제 배출라인
101... 전도성 시트 201... 서브 단위 스택

Claims (15)

1. 다수 개의 단위 셀들을 엔드 플레이트를 통해 가압 체결하여 이루어지는 복수의 메인 단위 스택들; 및
   상기 메인 단위 스택들을 수용하기 위한 복수의 수용 공간을 구획 형성하고, 상기 각 수용 공간에 상기 메인 단위 스택을 개별적으로 수용하는 패키지부재;를 포함하며,
   상기 메인 단위 스택은 적어도 둘 이상의 단위 셀들이 전도성 시트로서 구획된 복수 개의 서브 단위 스택을 포함하고,
   상기 패키지부재는 상기 단위 셀들의 배열 방향을 따라 상기 메인 단위 스택들이 연속적으로 안착될 수 있는 베이스와, 상기 베이스의 길이 방향에 따른 가장자리 부분에 수직 방향으로 연결되는 적어도 하나의 수직 플레이트와, 상기 베이스의 평면상에 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되며 수직 방향으로 직립되게 설치되어 상기 각 수용 공간을 형성하는 복수의 격벽들을 포함하며,
   상기 각 메인 단위 스택은 복수 개의 체결로드들 및 체결부재들을 포함하는 체결수단을 통해 상기 엔드 플레이트를 체결하여 이루어지며,
   상기 각 격벽은 상기 메인 단위 스택을 상기 수용 공간으로 수납하는 때, 상기 체결수단을 가이드 하는 가이드 홈을 상,하부에 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 어셈블리.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 단위 셀은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측면에 대응하는 면에 채널이 구비된 세퍼레이터를 포함하며,
   상기 서브 단위 스택에서, 최 외측에 위치하는 세퍼레이터는 한 쪽 면에 채널이 구비된 모노폴라 플레이트로 이루어지고, 상기 최 외측의 모노폴라 플레이트 내측에 위치하는 세퍼레이터들은 양 쪽 면에 채널이 구비된 바이폴라 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 어셈블리.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 전도성 시트는,
   이웃하는 서브 단위 스택의 서로 마주하는 상기 모노폴라 플레이트의 채널 반대면 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 어셈블리.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 전도성 시트는 전기 전도성을 지니며 서로 마주하는 상기 모노폴라 플레이트의 채널 반대면 사이의 기밀을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 어셈블리.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 전도성 시트는 카본 시트인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택 어셈블리.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 패키지부재는,
   상기 단위 셀들의 배열 방향을 따라 상기 각 수용 공간에 상기 메인 단위 스택들을 수납하며, 상기 메인 단위 스택들의 배열 방향을 따라 적어도 하나의 개방면을 형성하고 있는 스토리지 케이스로서 이루어지는 연료 전지 스택 어셈블리.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1 항에 있어서,
   상기 각 격벽들은,
   상기 각 메인 단위 스택 사이 및 최 외측의 메인 단위 스택에 배치되며, 상기 메인 단위 스택에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 쿨링 플레이트로서 이루어지는 연료 전지 스택 어셈블리.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 각 격벽은 열전도성을 지닌 알루미늄, 구리, 및 철 중 어느 하나의 소재로서 이루어지는 연료 전지 스택 어셈블리.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급라인과,
    상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급라인과,
    상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로부터 배출되는 미반응 연료를 배출하는 연료 배출라인과,
    상기 각 메인 단위 스택에 연결되며 그 메인 단위 스택으로부터 배출되는 미반응 산화제와 수분을 배출하는 산화제 배출라인
    을 포함하는 연료 전지 스택 어셈블리.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 연료 공급 매니폴드에 선택적으로 착탈 가능하게 연결되고,
    상기 산화제 공급라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 산화제 공급 매니폴드에 착탈 가능하게 연결되는 연료 전지 스택 어셈블리.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 연료 배출라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 연료 배출 매니폴드에 연결되며,
    상기 산화제 배출라인은 상기 각 메인 단위 스택의 엔드 플레이트에 형성된 산화제 배출 매니폴드에 연결되는 연료 전지 스택 어셈블리.
14. 삭제
15. 제6 항에 있어서,
    상기 패키지부재는,
    상기 스토리지 케이스의 개방면을 커버하는 적어도 하나의 커버를 포함하여 이루어지는 연료 전지 스택 어셈블리.

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