KR101806639B1

KR101806639B1 - 연료전지 스택

Info

Publication number: KR101806639B1
Application number: KR1020150178568A
Authority: KR
Inventors: 허용석; 금영범; 김덕환; 고행진; 유정한
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-12-07
Also published as: KR20170070716A

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 특히 복수의 셀을 절연시키는 절연판과, 상기 셀을 지지하는 엔드플레이트와, 상기 엔드플레이트 내측에 구비되는 인서트와, 양단이 상기 엔드플레이트와 상기 인서트에 볼트 체결되어 상기 셀과 상기 절연판과 상기 엔드플레이트와 상기 인서트를 고정시키는 체결바로 이루어지는 스택과; 상기 인서트 내부에 구비되어 상기 스택에서 발생되는 전류 누설을 방지하는 전류차단부로 구성되어, 연료전지 스택에 발생하는 수분을 엔드플레이트 내부에서 차단함으로써 전류 누설을 방지하고, 스택 내부가 습한 상황에서도 차량의 절연 저항 기준을 만족하도록 하여 상품성과 안전성을 향상시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

연료전지 스택{Fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 특히 연료전지 스택의 엔드플레이트에서 발생하는 수분에 의한 전류 누설을 방지하기 위한 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 스택은 양단의 엔드플레이트 사이에 다수개의 셀로 이루어지며, 각 셀은 MEA(Membrane Electrode Assembly, 전극막접합체), GDL(Gas Diffusion Layer, 기체확산층) 및 분리판으로 구성이 된다.

여기서, 분리판의 유로를 통하여 수소, 공기, 냉각수가 공급이 되며, 분리판 사이의 각 유체의 밀봉을 위하여 개스킷이 적용 된다.

특히, 차량에 탑재되는 스택은 고성능을 요구하게 되므로, 1V 내외의 셀을 복수 개(100~300 혹은 그 이상) 적층하여, 원하는 전압/전류를 얻게 된다.

엔드플레이트는 스택의 양끝단에 위치하여 수백 개의 셀을 구조적으로 지지하는 강성부(금속인서트)와 셀에서 발생한 직류 전기를 외부로 전달하는 집전부(집전판+집전단자)와, 강성부와 집전부를 전기적으로 분리하는 절연부로 구성된다.

그러나, 종래의 연료전지 스택에서 엔드플레이트의 절연부(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 스택 외부의 온도변화에 의한 수분의 응결, 응축이 발생할 수 있고, 이러한 경우 집전부와 강성부(금속인서트) 사이에 수분에 의한 전기적 접촉이 발생하여 차량에 전기 안전 문제를 발생시키는 문제점이 있었다.

특허 1 : 대한민국 등록특허 제10-1417454호

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 연료전지 스택에 관한 것으로서, 특히 연료전지 스택의 엔드플레이트에서 발생하는 수분에 의한 전류 누설을 방지하기 위한 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명은 복수의 셀을 절연시키는 절연판과, 상기 셀을 지지하는 엔드플레이트와, 상기 엔드플레이트 내측에 구비되는 인서트와, 양단이 상기 엔드플레이트와 상기 인서트에 볼트 체결되어 상기 셀과 상기 절연판과 상기 엔드플레이트와 상기 인서트를 고정시키는 체결바로 이루어지는 스택과; 상기 인서트 내부에 구비되어 상기 스택에서 발생되는 전류 누설을 방지하는 전류차단부;를 포함함으로써 달성된다.

상기 인서트는 상기 전류차단부 외측에 구비되며 금속재질로 이루어지는 제1인서트와; 상기 전류차단부 내측에 구비되며 금속재질로 이루어진 제2인서트;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제2인서트는 금속재질로 이루어져 상기 볼트 체결 시 강성 및 체결력을 증대시키도록 하는 것이 바람직하다.

상기 엔드플레이트는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 전류차단부는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되어 상기 전류차단부 내부와 상기 제1인서트가 전기적으로 분리되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 전류차단부 외측으로 걸림부가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 전류차단부 외측면에는 요철이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 복수의 셀 외측에 구비되어 상기 셀을 절연시키는 절연판과; 상기 셀 양단에 구비되어 상기 셀을 지지하는 엔드플레이트와; 상기 엔드플레이트 내측에 구비되는 인서트와; 상기 절연판 외측에 구비되며, 양단이 상기 엔드플레이트와 상기 인서트에 볼트 체결되어 상기 셀과 상기 절연판과 상기 엔드플레이트와 상기 인서트를 고정시키는 체결바와; 상기 인서트 내부에서 상기 볼트가 삽입되는 내측면에 구비되어 상기 스택에서 발생되는 전류 누설을 방지하는 전류차단부;를 포함함으로써 달성된다.

상기 인서트는 상기 전류차단부 외측에 구비되며 금속재질로 이루어지는 제1인서트와, 상기 전류차단부 내측에 구비되어 상기 볼트가 삽입되며 금속재질로 이루어진 제2인서트를 포함하되,

상기 전류차단부는 단면이 'ㄷ'자 형상으로 이루어져 상기 제1인서트 내측에 구비되며, 상기 전류차단부는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되어 상기 전류차단부 내부와 상기 제1인서트가 전기적으로 분리되도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 연료전지 스택에 발생하는 수분이 엔드플레이트 내부로 유입되는 것을 차단함으로써 전류 누설을 방지하고, 스택 내부가 습한 상황에서도 차량의 절연 저항 기준을 만족하도록 하여 상품성과 안전성을 향상시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 종래의 연료전지 스택을 도시하는 단면도,
도 2는 본 발명의 연료전지 스택을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 연료전지 스택을 도시하는 단면도,
도 4의 (a)는 본 발명의 연료전지 스택에서 엔드플레이트에 구비된 전류차단부를 도시하는 평면도,
도 4의 (b)는 본 발명의 연료전지 스택에서 엔드플레이트에 구비된 전류차단부를 도시하는 정면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 연료전지 스택에서 엔드플레이트에 구비된 전류차단부의 걸림부의 실시예를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 연료전지 스택에서 엔드플레이트에 구비된 전류차단부의 요철을 도시하는 도면.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 연료전지 스택은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 셀(110)과 절연판(120)과 엔드플레이트(130)와 인서트(150)와 체결바(140)로 이루어지는 스택(100)과, 인서트(130) 내부에 구비되어 전류 누설을 방지하는 전류차단부(200)를 포함한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 스택(100)은 복수의 셀(110)과, 셀(110)을 절연시키는 절연판(120)과, 셀(110)을 지지하는 엔드플레이트(130)와, 엔드플레이트(130)에 고정되는 체결바(140)로 이루어진다.

절연판(120)은 부도체로써 복수의 셀(110) 외측에 구비되어 셀(110)들을 절연시킨다.

엔드플레이트(130)는 복수의 셀(110)들 양단에 구비되어 각각의 셀(110)을 지지하는 동시에 적층 상태로 유지하고 압력을 분포시킨다.

이때, 엔드플레이트(130)는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되어 부도체가 되게 하고, 엔드플레이트(130)의 내부에는 금속이 형성되도록 하여 복수의 셀(110)을 지지하는 동시에 차량과 연결되도록 한다.

또한, 엔드플레이트(130)는 전류를 외부로 전달하는 집전판(131)을 포함하도록 한다.

인서트(150)는 엔드플레이트(130) 내측에 구비된다.

체결바(140)는 절연판(120) 외측 상단에 구비되며, 체결바(140) 양단은 굴절되어 엔드플레이트(130)에 볼트(B) 체결되도록 하여 체결바(140)를 통해 셀(110)과, 절연판(120)과, 엔드플레이트(130)와, 인서트(150)를 고정시키게 된다.

전류차단부(200)는 엔드플레이트(130) 내부에 구비되어 스택(100)에서 발생되는 전류 누설을 방지하도록 한다.

한편, 인서트(150)는 전류차단부(200) 외측에 구비되며 금속재질로 이루어지는 제1인서트(151)와, 전류차단부(200) 내측에 구비되며 금속재질로 이루어진 제2인서트(152)를 포함하도록 한다.

이때, 전류차단부(200)는 제1인서트(151) 내부에 볼트(B)가 삽입되는 내측면에 단면이 'ㄷ'자 형상으로 장착되도록 하여 엔드플레이트(130) 내측의 제1인서트(151) 내부에서 전류차단부(200)의 공간을 독립적으로 확보할 수 있게 한다.

또한, 전류차단부(200)는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되어 전류차단부(200) 내부와 금속재질의 제1인서트(151)가 전기적으로 분리되도록 한다.

즉, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 엔드플레이트(130)를 볼트(B)가 삽입되는 전류차단부(200)와, 제1인서트(151)와, 제2인서트(152)로 구분하여 전류차단부(200)가 고분자 플라스틱으로 형성되고 제1인서트(151)의 내부가 금속으로 형성되게 함으로써 전류차단부(200)와 제1인서트(151)를 전기적으로 분리될 수 있게 한다.

또한, 제2인서트(152)는 금속재질로 이루어져 볼트(B) 체결 시 강성 및 체결력을 증대시키도록 한다.

이와 관련하여 종래에는 스택이 정상 동작 상태인 경우에는 문제가 없으나 수분 응결 또는 응축에 따른 비정상 동작 상태인 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 셀에서 발생된 수분이 엔드플레이트 표면을 타고 볼트를 따라 엔드플레이트 내부로 유입되어 엔드플레이트 내부의 금속에 접촉하게 되어 스택에서 누전이 발생하였으나, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 셀(110)에서 발생된 수분이 엔드플레이트(130) 표면을 타고 볼트(B)를 따라 엔드플레이트(130) 내부로 유입되더라도 엔드플레이트(130)에 형성된 부도체 전류차단부(200)에 의해 수분이 제1인서트(151)의 금속까지 유입되지 않게 하여 누설 전류를 차단함으로써 안전성을 향상시킬 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 전류차단부(200) 외측으로 걸림부(210)가 형성되도록 하여 볼트(B) 결합 시 전류차단부(200)가 엔드플레이트(130)로부터 이탈되는 현상을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 전류차단부(200)의 걸림부(210)는 도 5에 도시된 바와 같이 직각으로 형성될 수도 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 사선으로 경사지게 형성될 수도 있다.

또한, 본 발명은 도 7에 도시된 바와 같이 전류차단부(200) 외측면에 요철(220)이 형성되도록 하여 볼트(B) 결합 시 전류차단부(200)의 이탈을 방지하는 동시에 체결 고정력을 향상시킬 수 있게 한다.

이때, 전류차단부(200)의 요철(220)은 나사산, 버링(burring) 및 샌딩(sanding)과 같은 형상으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

이처럼, 본 발명은 복수의 셀(110) 외측에 구비되어 셀(110)을 절연시키는 절연판(120)과, 셀(110) 양단에 구비되어 셀(110)을 지지하는 엔드플레이트(130)와, 상기 엔드플레이트(130) 내측에 구비되는 인서트(150)와, 절연판(120) 외측에 구비되며, 양단이 엔드플레이트(130)와 인서트(150)에 볼트(B) 체결되어 셀(110)과, 절연판(120)과, 엔드플레이트(130)와, 인서트(150)를 고정시키는 체결바(140)를 포함하는 스택(100)과; 인서트(130) 내부에서 볼트(B)가 삽입되는 내측면에 구비되어 스택(100)에서 발생되는 전류 누설을 방지하는 전류차단부(200)로 이루어져, 연료전지 스택에 발생하는 수분이 엔드플레이트(130) 내부로 유입되는 것을 차단함으로써 전류 누설을 방지하고, 스택(100) 내부가 습한 상황에서도 차량의 절연 저항 기준을 만족하도록 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 스택 110 : 셀
120 : 절연판 130 : 엔드플레이트
140 : 체결바 150 : 인서트
151 : 제1인서트 152 : 제2인서트
200 : 전류차단부 B : 볼트

Claims

복수의 셀을 절연시키는 절연판과, 상기 셀을 지지하는 엔드플레이트와, 상기 엔드플레이트 내측에 구비되는 인서트와, 양단이 상기 엔드플레이트와 상기 인서트에 볼트 체결되어 상기 셀과 상기 절연판과 상기 엔드플레이트와 상기 인서트를 고정시키는 체결바로 이루어지는 스택과;
상기 인서트 내부에 구비되어 상기 스택에서 발생되는 전류 누설을 방지하는 전류차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 인서트는
상기 전류차단부 외측에 구비되며 금속재질로 이루어지는 제1인서트와;
상기 전류차단부 내측에 구비되며 금속재질로 이루어진 제2인서트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 제2인서트는 금속재질로 이루어져 상기 볼트 체결 시 강성 및 체결력을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 엔드플레이트는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 4에 있어서,
상기 전류차단부는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되어 상기 전류차단부 내부와 상기 제1인서트가 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 전류차단부에는 걸림부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 전류차단부 외측면에는 요철이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
복수의 셀 외측에 구비되어 상기 셀을 절연시키는 절연판과;
상기 셀 양단에 구비되어 상기 셀을 지지하는 엔드플레이트와;
상기 엔드플레이트 내측에 구비되는 인서트와;
상기 절연판 외측에 구비되며, 양단이 상기 엔드플레이트와 상기 인서트에 볼트 체결되어 상기 셀과 상기 절연판과 상기 엔드플레이트와 상기 인서트를 고정시키는 체결바와;
상기 인서트 내부에서 상기 볼트가 삽입되는 내측면에 구비되어 스택에서 발생되는 전류 누설을 방지하는 전류차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 8에 있어서,
상기 인서트는 상기 전류차단부 외측에 구비되며 금속재질로 이루어지는 제1인서트와, 상기 전류차단부 내측에 구비되어 상기 볼트가 삽입되며 금속재질로 이루어진 제2인서트를 포함하되,
상기 전류차단부는 단면이 'ㄷ'자 형상으로 이루어져 상기 제1인서트 내측에 구비되며, 상기 전류차단부는 사출에 의한 고분자 플라스틱으로 형성되어 상기 전류차단부 내부와 상기 제1인서트가 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.