KR101703573B1 - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택은, ⅰ)다수의 단위 셀들을 연속적으로 적층하여 이루어지는 전기 발생 집합체와, ⅱ)전기 발생 집합체의 최외곽 단위 셀과 전기적으로 연결되게 설치되며, 전기 발생 집합체에서 발생되는 전기를 집전하는 집전판과, ⅲ)각 집전판에 밀착되게 배치되며 전기 발생 집합체를 가압하는 엔드 플레이트와, ⅳ)전기 전도성을 지니고 최외곽의 단위 셀과 집전판 사이에 설치되며, 엔드 플레이트의 가압에 의한 전기 저항으로 최외곽의 단위 셀의 온도를 상승시키는 다공판과, ⅴ)최외곽 단위 셀과 다공판 사이에 배치되고, 각 엔드 플레이트에 밀착되게 설치되는 한 쌍의 압력판과, ⅵ)압력판 사이에 배치되며 탄성부재를 통해 각 압력판에 연결되게 설치되고, 외부 온도의 변화에 따라 압력판의 압축력을 가변시키는 가압유닛을 포함할 수 있다.A fuel cell stack is disclosed. The disclosed fuel cell stack includes: a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; And iv) an end plate which is disposed between the outermost unit cell and the current collecting plate and has electrical conductivity, and which is formed by pressing the end plate A pair of pressure plates disposed between the outermost unit cells and the porous plate and disposed so as to be in close contact with the respective end plates; vi) a pair of pressure plates A pressure unit which is disposed to be connected to each pressure plate through an elastic member and which varies a compression force of the pressure plate in accordance with a change in external temperature have.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}Fuel cell stack {Fuel cell stack}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영하의 온도 조건에서 냉 시동성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 스택에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell stack capable of improving cold startability under a subzero temperature condition.

알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로서, 모터 구동의 전동력을 발생시키는 차량에 적용되고 있다.BACKGROUND ART [0002] As is known, a fuel cell system is a kind of power generation system that generates electric energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is applied to a vehicle that generates motor power.

연료 전지 시스템은 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료 공급부, 연료 전지 스택의 전기 화학 반응에 필요한 산소를 공급하는 공기 공급부, 및 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 구비한다.The fuel cell system includes a fuel cell stack, a fuel supply unit for supplying hydrogen-containing fuel to the fuel cell stack, an air supply unit for supplying oxygen required for the electrochemical reaction of the fuel cell stack, And a heat and water management device for controlling the operating temperature of the fuel cell stack.

상기에서 연료 전지 스택은 연료와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.The fuel cell stack generates electric energy by electrochemical reaction between fuel and air, and discharges heat and water as reaction by-products.

이러한 연료 전지 스택은 다수 개의 단위 셀들이 연속적으로 배열되어 이루어지며, 상기 각 단위 셀은 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성될 수 있다.The fuel cell stack may include a plurality of unit cells arranged in series, and each of the unit cells may include a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly.

연료 전지 스택은 영하 온도 조건에서의 초기 시동 시, 전체 단위 셀들에 대해 균일한 온도 분포를 유지해야 하는데, 최외곽 단위 셀에서 중앙 측의 단위 셀들로 갈수록 점차 높아지는 발열 온도를 나타낸다.The fuel cell stack must maintain a uniform temperature distribution over all the unit cells at the time of initial startup under the sub-zero temperature condition. The temperature of the fuel cell stack gradually increases from the outermost unit cell to the central unit cell.

이러한 온도 편차는 연료 전지 시스템의 초기 시동이 원활하게 이루어지지 않거나 전기를 안정적으로 출력하지 못하게 되는 등 연료 전지 스택의 전반적인 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.Such a temperature deviation is a factor that deteriorates the overall performance of the fuel cell stack, such as the initial startup of the fuel cell system is not smooth or the electricity can not be output stably.

본 발명의 실시예들은 영하 온도 조건에서의 초기 시동 시, 간단한 구성으로 최외곽 단위 셀의 온도를 상승시켜 냉 시동성을 개선할 수 있도록 한 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention are intended to provide a fuel cell stack capable of improving the cold startability by raising the temperature of the outermost unit cells in a simple configuration at an initial startup under a sub-zero temperature condition.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택은, ⅰ)다수의 단위 셀들을 연속적으로 적층하여 이루어지는 전기 발생 집합체와, ⅱ)상기 전기 발생 집합체의 최외곽 단위 셀과 전기적으로 연결되게 설치되며, 전기 발생 집합체에서 발생되는 전기를 집전하는 집전판과, ⅲ)상기 각 집전판에 밀착되게 배치되며 상기 전기 발생 집합체를 가압하는 엔드 플레이트와, ⅳ)전기 전도성을 지니고 상기 최외곽의 단위 셀과 집전판 사이에 설치되며, 상기 엔드 플레이트의 가압에 의한 전기 저항으로 상기 최외곽의 단위 셀의 온도를 상승시키는 다공판과, ⅴ)상기 최외곽 단위 셀과 다공판 사이에 배치되고, 상기 각 엔드 플레이트에 밀착되게 설치되는 한 쌍의 압력판과, ⅵ)상기 압력판 사이에 배치되며 탄성부재를 통해 상기 각 압력판에 연결되게 설치되고, 외부 온도의 변화에 따라 상기 압력판의 압축력을 가변시키는 가압유닛을 포함한다.A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes: a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; a plurality of unit cells; An end plate which is disposed in close contact with each of the current collecting plates and pressurizes the electricity generating aggregate; and iv) an end plate which has electrical conductivity and is disposed between the outermost unit cell and the current collecting plate And a temperature of the outermost unit cell is raised by an electrical resistance due to the pressing of the end plate, and v) a heat insulating layer disposed between the outermost unit cell and the porous plate, A pair of pressure plates installed so as to be connected to the respective pressure plates through an elastic member disposed between the pressure plates, According to the change comprises a pressing unit for varying the compressive force of the pressure plate.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택은, 상기 다공판의 외압에 의한 압축력과 상기 최외곽 단위 셀의 전기 저항이 반비례인 상관 관계를 나타낼 수 있다.In addition, the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention may exhibit a correlation inversely proportional to the compressive force due to the external pressure of the perforated plate and the electric resistance of the outermost unit cell.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 다공판은 전기 전도 섬유로 이루어질 수 있다.In addition, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, the perforated plate may be formed of electrically conductive fibers.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 가압유닛을 통해 상기 압력판에 압축력이 가해지는 때, 상기 최외곽 단위 셀은 상기 다공판에 의해 전기 저항이 감소할 수 있다.In addition, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, when compressive force is applied to the pressure plate through the pressing unit, the electrical resistance of the outermost unit cell can be reduced by the perforated plate.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 가압유닛을 통해 상기 압력판에 압축력이 해소되는 때, 상기 최외곽 단위 셀은 상기 다공판에 의해 전기 저항이 증가할 수 있다.In addition, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, when compressive force is released from the pressure plate through the pressing unit, the electrical resistance of the outermost unit cell may increase due to the perforated plate.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 가압유닛은 양단이 개방된 케이스와, 상기 케이스의 양측 개방단에 왕복 이동 가능하게 설치되는 이동부재를 포함할 수 있다.Further, in the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, the pressing unit may include a case having both ends opened, and a moving member provided to be reciprocally movable on both open ends of the case.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 케이스의 내부에서 상기 이동부재 사이에는 외부 온도에 의해 액체에서 고체로 동결되며 고체에서 액체로 상변화가 이루어질 수 있다.In addition, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, a phase change from solid to liquid can be made between the movable members inside the case, frozen from liquid to solid by external temperature.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 온도 반응 유체는 물일 수 있다.Further, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, the temperature responsive fluid may be water.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 이동부재는 영하의 온도 조건에서 상기 온도 반응 유체가 액체에서 고체로 동결되면서 부피가 팽창하는 때, 상기 압력판 측으로 이동하며 상기 탄성부재를 통해 상기 압력판의 압축력을 감소시킬 수 있다.Further, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, the moving member is moved toward the pressure plate side when the temperature responsive fluid is expanded in volume while being frozen from liquid to solid under a zero temperature condition, The compression force of the pressure plate can be reduced.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 이동부재는 영상의 온도 조건에서 상기 온도 반응 유체가 고체에서 액체로 상변화되면서 부피가 축소하는 때, 서로 마주하는 방향으로 이동하며 상기 탄성부재를 통해 상기 압력판의 압축력을 증가시킬 수 있다.Further, in the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention, the moving member moves in a direction facing each other when the temperature-responsive fluid undergoes a phase change from solid to liquid in a temperature condition of an image, The compression force of the pressure plate can be increased through the elastic member.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 탄성부재는 상기 각 이동부재 및 압력판에 연결되는 압축 코일 스프링으로 이루어질 수 있다.In addition, in the fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, the elastic member may be composed of a compression coil spring connected to each of the moving member and the pressure plate.

본 발명의 실시예는 영하 온도 조건에서의 초기 시동 시 가압유닛을 통해 전기 발생 집합체의 최외곽 단위 셀에 대한 전기 저항을 증가시킴으로써 최외곽 단위 셀의 온도 상승을 가속화시킬 수 있다.The embodiment of the present invention can accelerate the temperature rise of the outermost unit cell by increasing the electrical resistance of the outermost unit cell of the electricity generating aggregate through the pressurizing unit at the initial startup under the sub-zero temperature condition.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 영하의 온도 조건에서 상온 운전 시의 성능을 그대로 유지하며 전기 발생 집합체의 온도 분포를 균일하게 유지시킴으로써 냉 시동성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, the cold startability can be improved by maintaining the performance at the normal temperature operation under the subzero temperature condition and uniformly maintaining the temperature distribution of the electricity generating aggregate.

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 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택에 적용되는 가압유닛을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 작용을 설명하기 위한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a schematic view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view schematically showing a pressure unit applied to a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are views for explaining the operation of the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 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.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료 및 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 연료 전지들이 적층된 전기 발생 집합체(10)로 이루어진다.Referring to FIG. 1, a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention includes an electricity generating assembly 10 in which a plurality of fuel cells, which generate electric energy by electrochemical reaction of fuel and oxidizer gas, are stacked .

여기서, 연료는 연료 전지 스택이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.Here, when the fuel cell stack is configured as a direct oxidation fuel cell type, the fuel may include an alcohol such as methanol, ethanol, etc., and a liquid fuel such as methane, ethane, propane, or butane as a main component Lt; RTI ID = 0.0 > liquefied gas fuel. ≪ / RTI >

그리고, 연료는 연료 전지 스택이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.When the fuel cell stack is configured by a polymer electrolyte membrane fuel cell (Fuel Cell) method, the fuel is supplied from the liquid fuel or the liquefied gas fuel through a reforming device called "Reformer" And a reformed gas of the generated hydrogen component.

또한, 상기 산화제 가스는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.In addition, the oxidant gas may be an oxygen gas stored in a separate storage tank, or may be natural air.

상기 연료 전지 스택(100)에 있어, 전기 발생 집합체(10)는 기본적으로 다수 개의 단위 셀들(11)을 연속적으로 배열한 스택 어셈블리로서 구성된다.In the fuel cell stack 100, the electricity generating assembly 10 is basically constructed as a stack assembly in which a plurality of unit cells 11 are continuously arranged.

상기 단위 셀들(11)은 연료 및 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서, 상술한 바 있는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로서 이루어질 수도 있다.The unit cells 11 are unit fuel cells that generate electric energy by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant gas. The unit cells 11 can be made of a polymer electrolyte fuel cell according to the fuel described above, Or may be made as a battery.

상기 단위 셀들(11)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함한다.The unit cells 11 are divided into a membrane electrode assembly (MEA), a separator (a separator or a bipolar electrode in the related art) disposed in close contact with both sides of the membrane- Plate ").

상기에서, 세퍼레이터는 도전성을 지닌 플레이트 형태로 이루어지며, 막-전극 어셈블리로 연료와 산화제 가스를 공급하는 기능을 하게 된다. 상기 세퍼레이터에는 연료와 공기를 막-전극 어셈블리로 각각 공급하는 반응 유로와, 냉각수를 유통시키는 냉각 유로를 형성하고 있다.In the above, the separator is in the form of a plate having conductivity, and serves to supply fuel and oxidant gas to the membrane-electrode assembly. The separator has a reaction channel for supplying fuel and air to the membrane-electrode assembly, respectively, and a cooling channel for circulating the cooling water.

상기 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode is formed on one surface, a cathode electrode is formed on the other surface, and an electrolyte membrane is formed between the two electrodes.

애노드 전극은 세퍼레이터를 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 기능을 하게 된다.The anode electrode separates the fuel supplied through the separator into electrons and hydrogen ions by oxidation reaction, and the electrolyte membrane functions to transfer hydrogen ions to the cathode electrode.

그리고, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터를 통해 제공받은 산화제 가스를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.The cathode electrode functions to generate water and heat by reducing the electrons, hydrogen ions, and oxidant gas supplied through the separator from the anode electrode side.

이러한 단위 셀들(11)의 구조, 및 냉각수가 유통 가능한 전기 발생 집합체(10)의 구조는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The structure of the unit cells 11 and the structure of the electricity generating aggregate 10 through which the cooling water can flow are well known in the art, and a detailed description thereof will be omitted herein.

상기에서와 같은 연료 전지 스택(100)은 초기 시동 시 영하의 온도 조건에서도 전기 발생 집합체(10)의 전체 단위 셀(11)에 대해 균일한 온도 분포를 유지해야 하는데, 이러한 경우 전기 발생 집합체(10)의 최외곽 단위 셀(11)에서 중앙 측의 단위 셀들(11)로 갈수록 점차 높아지는 발열 온도를 나타내고 있다.The fuel cell stack 100 as described above must maintain a uniform temperature distribution with respect to all the unit cells 11 of the electricity generating assembly 10 even under the subzero temperature condition at the time of initial startup. The unit cells 11 in the center of the unit cells 11 of the unit cell 11 have a higher temperature.

즉, 상기 전기 발생 집합체(10)의 최외곽에 위치하는 단위 셀(11)의 온도가 안쪽에 위치하는 단위 셀들(11) 보다 늦게 상승하게 된다.That is, the temperature of the unit cell 11 located at the outermost portion of the electricity generating assembly 10 is later than that of the unit cells 11 located inside.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택(100)은 초기 시동 시 영하의 온도 조건에서 전기 발생 집합체(10)의 최외곽 단위 셀(11)에 대한 전기 저항을 증가시킴으로써 전기 발생 집합체(10)의 온도 분포를 균일하게 유지시키며 냉 시동성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.The fuel cell stack 100 according to the embodiment of the present invention can increase the electrical resistance of the outermost unit cells 11 of the electricity generating assembly 10 under the subzero temperature condition at the time of the initial start, And the cold startability can be improved.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택(100)은 전술한 바와 같은 전기 발생 집합체(10)를 기본으로 하면서, 집전판(20)과, 엔드 플레이트(30)와, 다공판(40)과, 압력판(50)과, 가압유닛(60)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.The fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention includes a current collecting plate 20, an end plate 30, a perforated plate 40 ), A pressure plate (50), and a pressure unit (60).

상기 집전판(20)은 전기 발생 집합체(10)의 최외곽 단위 셀(11)과 전기적으로 연결되게 설치되며, 전기 발생 집합체(10)에서 발생되는 전기를 집전하는 기능을 하게 된다.The current collecting plate 20 is installed to be electrically connected to the outermost unit cells 11 of the electricity generating assembly 10 and functions to collect electricity generated from the electricity generating assembly 10.

이러한 집전판(20)은 전기 발생 집합체(10)의 일측 최외곽 단위 셀(11)과 전기적으로 연결되는 양극 집전판, 전기 발생 집합체(10)의 다른 일측 최외곽 단위 셀(11)과 전기적으로 연결되는 음극 집전판으로 구성될 수 있다.The collector plate 20 is electrically connected to the outermost unit cells 11 on one side of the electricity generating assembly 10 and the other outermost unit cells 11 on the other side of the electricity generating assembly 10, And a cathode current collector connected thereto.

상기 엔드 플레이트(30)(당 업계에서는 통상적으로 "가압 플레이트" 라고도 한다)는 전기 발생 집합체(10)의 최 외측에서 각 집전판(20)에 밀착되게 배치되며 전기 발생 집합체(10)의 단위 셀들(11)을 가압한다.The end plate 30 (also referred to as a "pressure plate" in the conventional art) is disposed in close contact with each current collecting plate 20 at the outermost side of the electricity generating assembly 10, (11).

여기서, 상기 엔드 플레이트(30)는 전기 발생 집합체(10)의 단위 셀들(11)을 설정된 압력으로 가압한 상태에서 별도의 체결수단(도면에 도시되지 않음)을 통해 상호 체결될 수 있다.Here, the end plate 30 may be fastened to each other through separate fastening means (not shown) in a state where the unit cells 11 of the electricity generating assembly 10 are pressed at a predetermined pressure.

본 발명의 실시예에서, 상기 다공판(40)은 전기 전도성을 지니며 전기 발생 집합체(10)의 최외곽 단위 셀(11)과 집전판(20) 사이에 설치된다.In the embodiment of the present invention, the perforated plate 40 has electrical conductivity and is installed between the outermost unit cell 11 of the electricity generating aggregate 10 and the current collecting plate 20.

상기 다공판(40)은 엔드 플레이트(30)의 가압력에 의한 전기 저항으로 최외곽 단위 셀(11)의 온도를 상승시키는 기능을 하게 된다.The perforated plate 40 functions to increase the temperature of the outermost unit cell 11 by the electrical resistance due to the pressing force of the end plate 30.

이 경우, 상기 다공판(40)은 전기 전도성을 지닌 전기 전도 섬유로 이루어지는데, 다공판(40)의 외압에 의한 압축력과 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항은 반비례인 상관 관계를 나타낸다.In this case, the perforated plate 40 is made of the electrically conductive conductive fibers, and the compressive force due to the external pressure of the perforated plate 40 and the electrical resistance of the outermost unit cell 11 show an inverse correlation.

본 발명의 실시예에서, 상기 압력판(50)은 한 쌍으로 구비되며, 어느 하나가 최외곽 단위 셀(11)과 다공판(40) 사이에 배치되고, 다른 하나가 엔드 플레이트(30)에 밀착되게 설치된다.In the embodiment of the present invention, the pressure plates 50 are provided in a pair, and one of them is disposed between the outermost unit cell 11 and the perforated plate 40, and the other is disposed in close contact with the end plate 30 Respectively.

즉, 상기 압력판(50)들은 다공판(40), 집전판(20) 및 엔드 플레이트(30)를 사이에 두고 이들의 양측에 각각 밀착되게 배치된다.That is, the pressure plates 50 are disposed closely to both sides of the perforated plate 40, the current collector plate 20, and the end plate 30, respectively.

이러한 압력판들(50)은 다공판(40), 집전판(20) 및 엔드 플레이트(30)를 사이에 두고 뒤에서 더욱 설명될 가압유닛(60)에 의해 압축력이 증가하는 경우, 다공판(40)이 압축되면서 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항을 감소시킬 수 있다.These pressure plates 50 are disposed on the perforated plate 40 when the compressive force is increased by the pressurizing unit 60 to be described later with the perforated plate 40, the current collector plate 20 and the end plate 30 therebetween. The electric resistance of the outermost unit cell 11 can be reduced.

그리고, 상기 압력판들(50)은 다공판(40), 집전판(20) 및 엔드 플레이트(30)를 사이에 두고 뒤에서 더욱 설명될 가압유닛(60)에 의해 압축력이 해소되는 경우, 다공판(40)에 의해 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항을 증가시킬 수 있다.When the compression force is released by the pressure unit 60, which will be described later, with the pressure plate 50 sandwiched between the perforated plate 40, the current collecting plate 20 and the end plate 30, 40 can increase the electrical resistance of the outermost unit cell 11.

여기서, 상기 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항 감소는 다공판(40)의 줄열(Joule heating effect) 발생을 최소화시킴을 의미하며, 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항 증가는 다공판(40)의 줄열 발생을 극대화시킴을 의미한다.Here, the decrease in electrical resistance of the outermost unit cell 11 means that the occurrence of Joule heating effect of the perforated plate 40 is minimized, and the increase in the electrical resistance of the outermost unit cell 11 results in a decrease in the electrical resistance of the perforated plate 40 40) is maximized.

본 발명의 실시예에서, 상기 가압유닛(60)은 압력판들(50) 사이에 복수 개로서 배치되며, 외부 온도의 변화에 따라 압력판들(50)의 압축력을 가변시키기 위한 것이다.In the embodiment of the present invention, the pressure unit 60 is arranged as a plurality of pressure plates 50, and is for varying the compressive force of the pressure plates 50 according to changes in the external temperature.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택에 적용되는 가압유닛을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a pressure unit applied to a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 상기 가압유닛(60)은 케이스(61)와, 한 쌍의 이동부재(63)와, 탄성부재(65)를 포함한다.Referring to Fig. 2, the pressing unit 60 according to the embodiment of the present invention includes a case 61, a pair of moving members 63, and an elastic member 65.

상기에서, 케이스(61)는 양단이 개방된 파이프 형태로 이루어지며, 이동부재(63)는 케이스(61)의 양측 개방단에 삽입되며 그 케이스(61)의 내주면을 따라 왕복 이동 가능하게 설치될 수 있다.The moving member 63 is inserted into both open ends of the case 61 and is installed to be reciprocatable along the inner circumferential surface of the case 61 .

이 경우, 상기 케이스(61)의 내부에서 각각의 이동부재(63) 사이에는 외부 온도에 의해 액체에서 고체로 동결되며 고체에서 액체로 상변화가 이루어지는 온도 반응 유체(64)가 충진된다.In this case, a temperature-responsive fluid 64 is filled between the moving members 63 in the case 61, the temperature of which is frozen from the liquid to the solid by the external temperature and is changed from solid to liquid.

예를 들면, 상기 온도 반응 유체(64)로는 케이스(61)의 내부에서 이동부재(63) 사이의 밀폐 공간에 충진되며 영하의 외부 온도 조건에서 동결되며 부피가 팽창할 수 있고, 영상의 외부 온도 조건에서 액체로 상변화가 이루어지며 부피가 줄어들 수 있는 물을 사용할 수 있다.For example, the temperature responsive fluid 64 is filled in a sealed space between the movable member 63 and the inside of the case 61, frozen at a sub-zero temperature condition and expanded in volume, You can use water that can undergo phase changes to the liquid from the conditions and reduce volume.

따라서, 상기 이동부재(63)는 영하의 온도 조건에서 온도 반응 유체(64)가 액체에서 고체로 동결되면서 부피가 팽창하는 때, 압력판(50) 측으로 이동하며 그 압력판(50)의 압축력을 감소시킬 수 있다.Therefore, when the temperature responsive fluid 64 is frozen from liquid to solid and the volume expands under the zero-temperature condition, the movable member 63 moves toward the pressure plate 50 and reduces the compressive force of the pressure plate 50 .

그리고, 상기 이동부재(63)는 영상의 온도 조건에서 온도 반응 유체(64)가 고체에서 액체로 상변화되면서 부피가 축소하는 때, 서로 마주하는 방향으로 이동하며 압력판(50)의 압축력을 증가시킬 수 있다.When the volume of the temperature responsive fluid 64 changes from solid to liquid under the temperature condition of the image and the volume is reduced, the moving member 63 moves in the direction facing each other and increases the compressive force of the pressure plate 50 .

상기에서, 탄성부재(65)는 이동부재(63)에 지지된 상태로 영상의 온도 조건에서 압력판(50)에 기설정된 탄성력을 제공함으로써 다공판(40)에 의한 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항을 최소화시킬 수 있다.The elastic member 65 is supported by the moving member 63 and provides a predetermined elastic force to the pressure plate 50 under the temperature condition of the image so that the elastic force of the elastic member 65 is applied to the outermost unit cell 11 The electric resistance can be minimized.

또한, 상기 탄성부재(65)는 이동부재(63)에 지지된 상태로 영하의 온도 조건에서 압력판(50) 측으로 이동하는 이동부재(63)에 의해 기설정된 탄성력 보다 큰 탄성력을 압력판(50)에 제공함으로써 다공판(40)에 의한 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항을 극대화시킬 수 있다.The elastic member 65 is supported by the moving member 63 and is urged by the moving member 63 moving toward the pressure plate 50 under a zero-temperature condition to an elastic force greater than a predetermined elastic force to the pressure plate 50 The electrical resistance of the outermost unit cell 11 by the perforated plate 40 can be maximized.

이와 같은 탄성부재(65)는 각각의 이동부재(63)와 압력판(50)에 연결되는 압축 코일 스프링으로 이루어질 수 있다.Such an elastic member 65 may be composed of a compression coil spring connected to each of the moving member 63 and the pressure plate 50.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)의 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the fuel cell stack 100 according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 초기 시동 시, 영상의 온도 조건에서 가압유닛(60)의 온도 반응 유체(64)는 액체 상태를 유지하고 있으며, 이동부재(63)는 도 2에서와 같이 케이스(61)의 양측 개방단 내부에 몰입된 상태에 있다.2, the temperature responsive fluid 64 of the pressurizing unit 60 is kept in a liquid state at the time of initial temperature start-up according to the embodiment of the present invention, (61).

여기서, 상기 가압유닛(60)은 탄성부재(65)가 이동부재(63)에 지지된 상태로 압력판(50)에 기설정된 탄성력을 제공하고 있으며, 이에 압력판(50)을 통해 다공판(40)에 작용하는 압축력이 증가하면서 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항을 감소시킬 수 있다.The pressing unit 60 provides a predetermined elastic force to the pressure plate 50 in a state where the elastic member 65 is supported by the moving member 63. The pressure plate 50 is pressed against the perforated plate 40 through the pressure plate 50, The electrical resistance of the outermost unit cell 11 can be reduced.

따라서, 이 경우는 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항이 감소됨으로 인해 다공판(40)의 줄열 발생을 최소화시키면서 전기 에너지의 손실 또한 최소화시킬 수 있다.Therefore, in this case, since the electrical resistance of the outermost unit cell 11 is reduced, it is possible to minimize the loss of electrical energy while minimizing the occurrence of jaggies of the perforated plate 40.

상기에서와 같은 영상의 온도 조건에서 본 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 최외곽의 단위 셀(11)과 안쪽에 위치하는 단위 셀들(11)의 온도 분포는 균일한 상태를 유지하고 있다.In the temperature condition of the image as described above, the temperature distribution of the outermost unit cell 11 and the unit cells 11 located in the outermost part of the fuel cell stack 100 according to the present embodiment maintains a uniform state .

한편, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초기 시동 시, 영하의 온도 조건에서 가압유닛(60)의 온도 반응 유체(64)는 외부 온도에 의해 액체 상태에서 고체 상태로 동결되며 부피가 팽창하게 된다.3A and 3B, the temperature responsive fluid 64 of the pressurizing unit 60 under the subzero temperature condition at the time of initial startup according to the embodiment of the present invention is changed from a liquid state to a solid state Frozen and bulky.

이에 따라, 가압유닛(60)의 이동부재(63)는 케이스(61)의 양측 개방단 내주면을 따라 압력판(50) 측으로 이동하게 되고, 탄성부재(65)는 이동부재(63)에 의해 기설정된 탄성력 보다 큰 탄성력을 압력판(50)에 제공하게 된다.The movable member 63 of the pressing unit 60 is moved toward the pressure plate 50 along the inner circumferential surfaces of both open ends of the case 61 and the elastic member 65 is moved by the moving member 63 The pressure plate 50 is provided with an elastic force greater than the elastic force.

그러면, 본 발명의 실시예에서는 상기 압력판(50)에 의해 다공판(40)에 작용하는 압축력이 감소하면서 최외곽 단위 셀(11)의 전기 저항을 증가시킬 수 있게 되고, 다공판(40)의 줄열 발생을 극대화시킴으로써 최외곽 단위 셀(11)의 온도 상승을 가속화시킬 수 있게 된다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, the compressive force acting on the perforated plate 40 is reduced by the pressure plate 50, and the electrical resistance of the outermost unit cell 11 can be increased. The temperature rise of the outermost unit cell 11 can be accelerated by maximizing the generation of the joule heat.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 초기 시동 시 영하의 온도 조건에서 가압유닛(60)을 통해 최외곽 단위 셀(11)의 온도 상승을 가속화시킴으로써 전기 발생 집합체(10)의 온도 분포를 균일하게 유지시킬 수 있게 되고, 결과적으로는 냉 시동성을 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the temperature rise of the outermost unit cell 11 is accelerated through the pressurizing unit 60 under the sub-zero temperature condition at the time of the initial start, thereby uniformly maintaining the temperature distribution of the electricity generating aggregate 10 And as a result, the cold startability can be improved.

이상을 통해 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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10... 전기 발생 집합체 11... 단위 셀
20... 집전판 30... 엔드 플레이트
40... 다공판 50... 압력판
60... 가압유닛 61... 케이스
63... 이동부재 64... 온도 반응 유체
65... 탄성부재10 ... electricity generation aggregate 11 ... unit cell
20 ... house front plate 30 ... end plate
40 ... perforated plate 50 ... pressure plate
60 ... pressurizing unit 61 ... case
63 ... moving member 64 ... temperature responsive fluid
65 ... elastic member

Claims (6)

다수의 단위 셀들을 연속적으로 적층하여 이루어지는 전기 발생 집합체;
상기 전기 발생 집합체의 최외곽 단위 셀과 전기적으로 연결되게 설치되며, 전기 발생 집합체에서 발생되는 전기를 집전하는 집전판;
상기 각 집전판에 밀착되게 배치되며 상기 전기 발생 집합체를 가압하는 엔드 플레이트;
전기 전도성을 지니고 상기 최외곽의 단위 셀과 집전판 사이에 설치되며, 상기 엔드 플레이트의 가압에 의한 전기 저항으로 상기 최외곽의 단위 셀의 온도를 상승시키는 다공판;
상기 최외곽 단위 셀과 다공판 사이에 배치되고, 상기 각 엔드 플레이트에 밀착되게 설치되는 한 쌍의 압력판; 및
상기 압력판 사이에 배치되며 탄성부재를 통해 상기 각 압력판에 연결되게 설치되고, 외부 온도의 변화에 따라 상기 압력판의 압축력을 가변시키는 가압유닛
을 포함하는 연료 전지 스택.An electricity generating assembly formed by continuously stacking a plurality of unit cells;
A collecting plate installed to be electrically connected to an outermost unit cell of the electricity generating assembly and collecting electricity generated from the electricity generating aggregate;
An end plate disposed in close contact with the current collecting plates and pressing the electricity generating aggregate;
A perforated plate having electrical conductivity and disposed between the outermost unit cell and the current collecting plate and raising the temperature of the outermost unit cell by electrical resistance due to the pressing of the end plate;
A pair of pressure plates disposed between the outermost unit cells and the porous plate and installed so as to be in close contact with the end plates; And
A pressure unit which is disposed between the pressure plates and is connected to the pressure plates through an elastic member and changes a compression force of the pressure plates in accordance with changes in external temperature,
And a fuel cell stack. 제1 항에 있어서,
상기 다공판의 외압에 의한 압축력과 상기 최외곽 단위 셀의 전기 저항이 반비례인 상관 관계를 나타내는 연료 전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein a compressive force due to an external pressure of the perforated plate is inversely proportional to an electric resistance of the outermost unit cell. 제2 항에 있어서,
상기 가압유닛을 통해 상기 압력판에 압축력이 가해지는 때, 상기 최외곽 단위 셀은 상기 다공판에 의해 전기 저항이 감소하고,
상기 가압유닛을 통해 상기 압력판에 압축력이 해소되는 때, 상기 최외곽 단위 셀은 상기 다공판에 의해 전기 저항이 증가하는 연료 전지 스택.3. The method of claim 2,
When a compression force is applied to the pressure plate through the pressing unit, the electrical resistance of the outermost unit cell is reduced by the perforated plate,
Wherein when the compressive force is released from the pressure plate through the pressure unit, the outermost unit cell increases electrical resistance by the perforated plate. 제1 항에 있어서,
상기 가압유닛은,
양단이 개방된 케이스와, 상기 케이스의 양측 개방단에 왕복 이동 가능하게 설치되는 이동부재를 포함하며,
상기 케이스의 내부에서 상기 이동부재 사이에는 외부 온도에 의해 액체에서 고체로 동결되며 고체에서 액체로 상변화가 이루어지는 온도 반응 유체가 충진되는 연료 전지 스택.The method according to claim 1,
The pressure unit includes:
A case having both ends opened, and a moving member reciprocally installed on both side open ends of the case,
And a temperature responsive fluid which is frozen in liquid to solid state by an external temperature and is phase-changed from solid to liquid is filled between the moving members inside the case. 제4 항에 있어서,
상기 이동부재는,
영하의 온도 조건에서 상기 온도 반응 유체가 액체에서 고체로 동결되면서 부피가 팽창하는 때, 상기 압력판 측으로 이동하며 상기 탄성부재를 통해 상기 압력판의 압축력을 감소시키는 연료 전지 스택.5. The method of claim 4,
The moving member
Wherein the temperature responsive fluid is frozen from a liquid to a solid at a temperature of minus temperature, and when the volume expands, moves to the pressure plate side and reduces the compressive force of the pressure plate through the elastic member. 제5 항에 있어서,
상기 이동부재는,
영상의 온도 조건에서 상기 온도 반응 유체가 고체에서 액체로 상변화되면서 부피가 축소하는 때, 서로 마주하는 방향으로 이동하며 상기 탄성부재를 통해 상기 압력판의 압축력을 증가시키는 연료 전지 스택.6. The method of claim 5,
The moving member
Wherein the temperature responsive fluid moves in a direction facing each other and increases the compressive force of the pressure plate through the elastic member when the temperature responsive fluid is phase-changed from solid to liquid under a temperature condition of an image and the volume is reduced.
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