KR101827123B1

KR101827123B1 - 엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이 엔드 셀 히터 어셈블리를 가지는 연료전지 스택

Info

Publication number: KR101827123B1
Application number: KR1020160069161A
Authority: KR
Inventors: 김주한; 백선흠; 금영범; 김대종
Original assignee: 한온시스템 주식회사; 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2018-02-07
Also published as: KR20170137280A; DE102016225651A1; CN107464942B; CN107464942A; US20170352900A1; US10566636B2

Abstract

본 발명은 엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이 엔드 셀 히터 어셈블리를 가지는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 냉시동 시 연료전지의 엔드 셀 성능 저하의 문제점을 해결할 수 있는 엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이를 가지는 연료전지 스택을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전원으로부터 전력을 공급받아 발열 작동하고, 연료전지 스택에서 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 복수 개의 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며, 연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이를 가지는 연료전지 스택이 개시된다.

Description

엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이 엔드 셀 히터 어셈블리를 가지는 연료전지 스택{End cell heater assembly, and fuel cell stack having the same}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동 시 연료전지의 엔드 셀 성능 저하의 문제점을 해결할 수 있는 엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이를 가지는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전원으로 사용되고 있고, 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는 데에도 사용될 수 있다.

현재 차량용 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있다.

도 1은 고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀 기본 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지의 각 단위 셀에서 가장 안쪽에는 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)(1)가 위치한다.

막전극접합체(1)는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.

또한, 막전극접합체(1)의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(2)이 적층되고, 기체확산층(2)의 바깥쪽에는 반응가스(연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)(3,4)이 위치된다.

또한, 분리판(3,4) 사이에는 유체의 실(Seal)을 위한 가스켓(8) 등이 개재되도록 적층되며, 가스켓(8)은 막전극접합체(1) 또는 분리판(3,4)에 일체로 성형된 상태로 제공될 수 있다.

도 1에서 막전극접합체(1)를 중심으로 좌측의 분리판(3)을 애노드 분리판, 우측의 분리판(4)을 캐소드 분리판이라 한다면, 막전극접합체(1)의 애노드에 접합된 기체확산층(2)과 애노드 분리판(3) 사이의 채널(5)이 연료 가스인 수소가 흐르게 되는 애노드 채널이 된다.

또한, 막전극접합체(1)의 캐소드에 접합된 기체확산층(2)과 캐소드 분리판(4) 사이의 채널(6)이 산화제 가스인 공기(산소)가 흐르게 되는 캐소드 채널이 되고, 이웃한 애노드 채널(5) 사이 및 캐소드 채널(6) 사이의 분리판 랜드부(3a,4a)가 형성하는 공간이 냉각수 채널(7)이 된다.

이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수 개의 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)(미도시)를 결합하며, 엔드 플레이트 사이에 셀들을 적층 배열한 상태로 스택 체결기구(미도시)를 이용하여 엔드 플레이트와 셀들을 함께 체결해줌으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.

각 단위 셀은 운전 시 낮은 전압을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.

도 2는 셀들을 적층하여 구성한 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 단면도로서, 셀(9)들이 적층된 상태에서 셀 바깥쪽이 되는 스택(10) 양단에는 엔드 플레이트가 결합된다.

이때, 스택(10) 양단 중 일단에는 매니폴드 홀(11a)이 형성된 관통형 엔드 플레이트(11)가 결합되고, 반대쪽 타단에는 매니폴드 홀이 형성되지 않은 비관통형 엔드 플레이트(12)가 결합될 수 있다.

이러한 구성에서 스택(10)의 입구 매니폴드(13)를 통해 공급된 수소, 공기, 냉각수(수소와 공기, 냉각수용 입구 매니폴드는 서로 분리되어 있음)가 분리판의 유로를 통해 각 셀(9)로 분배되면, 각 셀에서 분리판의 유로인 애노드 채널과 캐소드 채널, 냉각수 채널을 통과한 뒤, 미반응 가스, 질소 및 물 등의 이물질, 냉각수가 출구 매니폴드(14)를 통해 각 셀(9) 및 스택(10)으로부터 배출된다.

또한, 각 엔드 플레이트(11,12)에는 터미널(15a,16a)이 형성된 집전판(15,16)이 구비된다.

상기 집전판(15,16)은 안쪽으로 위치한 엔드 셀의 분리판에 전기적으로 접속되어 스택(10) 내 전체 셀(9)에서 연료전지 반응을 통해 발생한 전류를 터미널(15a,16a)을 통해 외부로 출력한다.

한편, 고분자 전해질막 연료전지에서는 필연적으로 애노드 채널에 공급되는 연료 가스(반응가스 중 수소)와 캐소드 채널에 공급되는 산화제 가스(반응가스 중 공기 또는 산소)의 반응물로 캐소드 측에 물(생성수)이 생성된다.

연료전지의 운전 정지 후 셀에 잔존해 있는 생성수는 저온에서 방치될 경우 빙점 이하에서 빙결되어 기체확산층(GDL)의 기공 및 분리판 채널(반응가스 유로)을 차단하게 된다.

이에 냉시동 시 반응가스의 흐름이 원활하지 못하여 연료전지의 정상적인 운전이 이루어지지 않고 시동 시간이 지연될 수 있다.

따라서, 냉시동 성능을 확보하고 시동 시간을 단축하기 위해서는 연료전지의 자체적인 전기화학적 반응열을 이용하여 빙결된 수분을 해동하는 것과 더불어, 별도의 가열원과 같은 추가적인 수단을 이용하여 빙결된 수분을 해동해주는 것이 필요할 수 있다.

도 3은 연료전지 스택의 정상 운전 조건에서 셀들의 온도 분포를 나타낸 도면이다.

연료전지 스택은 다수 개의 단위 셀들로 구성되어 있으므로 셀들을 균일한 압력으로 가압 및 체결하기 위해 높은 강성을 가지는 엔드 플레이트가 이용되고 있다.

또한, 엔드 플레이트는 높은 강성을 유지하기 위해 금속과 같이 큰 열용량(Thermal Mass)을 가지는 물질을 사용하여 제작되는데, 이에 정상 운전시에도 도 3에 나타낸 바와 같이 엔드 플레이트에 인접한 스택 말단의 셀에서는 안쪽 셀들에 비해 작동 온도가 낮아져 낮은 발전 효율을 나타낸다.

특히, 스택 말단의 셀은 열손실로 인해 냉시동 시 빙결된 생성수를 자체 해동하는데 더 많은 시간이 소요되고, 이는 시동 시간의 지연을 초래한다.

연료전지의 냉간 및 냉시동 조건에서 양단 셀의 전압이 안쪽 셀들에 비해 크게 낮음이 보고된 바 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 냉시동 시 연료전지의 엔드 셀 성능 저하의 문제점을 해결할 수 있는 엔드 셀 히터 어셈블리, 및 이를 가지는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 전원으로부터 전력을 공급받아 발열 작동하고, 연료전지 스택에서 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 복수 개의 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며, 연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리를 제공한다.

그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 복수 개가 적층되어 구비되고 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 연료전지 셀들; 상기 적층된 연료전지 셀들의 바깥쪽인 연료전지 스택 양단 위치에 적층되는 엔드 플레이트; 및 전력을 공급받아 발열 작동하고, 상기 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며, 연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지는 엔드 셀 히터 어셈블리를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 엔드 셀 히터 어셈블리 및 연료전지 스택에 의하면, 연료전지의 냉간 및 냉시동 조건에서 스택의 양 말단부에 위치한 엔드 셀의 온도를 승온시킴과 더불어, 엔드 셀의 열손실로 인한 성능 저하를 방지하고, 엔드 셀에 대한 반응가스 분배성 향상 및 액적 유입 방지(유입된 액적을 바이패스 시킴), 냉시동 시간 단축, 냉간 출력 개선 등을 도모하며, 기존의 더미 셀로 인한 전압 강하 및 전력 손실을 방지할 수 있는 효과가 제공될 수 있다.

도 1은 고분자 전해질막 연료전지의 단위 셀 기본 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 셀들을 적층하여 구성한 공지의 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 공지의 연료전지 스택의 정상 운전 조건에서 셀들의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 더미 셀을 가지는 공지의 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 엔드 셀 히터 어셈블리를 도시한 조립 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 엔드 셀 어셈블리의 분해 사시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

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.

참고로, 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 더미 셀(Dummy Cell)을 가지는 공지의 연료전지 스택에 대하여 먼저 설명하기로 한다.

도 4는 더미 셀을 가지는 공지의 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 셀(9)들이 적층된 상태에서 셀 바깥쪽이 되는 스택(10) 양단에는 엔드 플레이트(11,12)가 결합된다.

이러한 구성에서 스택(10)의 입구 매니폴드(13)를 통해 공급된 수소, 공기, 냉각수(수소와 공기, 냉각수용 입구 매니폴드는 서로 분리되어 있음)가 분리판을 통해 각 셀(9)로 분배되고, 이어 각 셀(9)에서 분리판의 유로인 애노드 채널과 캐소드 채널, 냉각수 채널을 통과한 후, 미반응 가스, 질소 및 물 등의 이물질, 냉각수가 출구 매니폴드(14)를 통해 셀(9) 및 스택(10)으로부터 배출된다.

또한, 각 엔드 플레이트(11,12)에는 터미널(15a,16a)이 형성된 집전판(15,16)이 구비되며, 집전판(15,16)은 안쪽으로 위치한 더미 셀(17)의 분리판에 전기적으로 접속되어 스택(10) 내 전체 셀(9)에서 연료전지 반응을 통해 발생한 전류를 터미널(15a,16a)을 통해 외부로 출력한다.

또한, 스택(10)의 양 말단에 위치한 엔드 셀(후술하는 반응 셀 중 말단에 위치한 셀)에 대해 반응가스의 분배성을 향상시키고 유입된 액적들을 바이패스시켜 배출시킬 수 있도록 하기 위하여 스택(10)의 각 엔드 플레이트(11,12)에 인접한 그 안쪽의 몇몇 셀들이 더미 셀(17,18)로 구성된다.

이에 스택(10)을 구성하는 셀들은 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 반응 셀(일반적인 구성의 단위 셀)(9)과, 반응 셀(9)의 양단부에 적층된 더미 셀(17)로 구분될 수 있다.

애노드 분리판, 기체확산층(GDL), 막전극접합체(MEA), 기체확산층, 캐소드 분리판을 포함하는 일반적인 구성의 반응 셀(9)과 달리, 더미 셀(17)에는 막전극접합체가 없으며, 더미 셀 전용 분리판이 사용된다.

이하 반응 셀(9)들 중 더미 셀에 인접한 말단의 반응 셀을 엔드 셀이라 칭하기로 하며, 일반적인 단위 셀 구성을 가지는 엔드 셀의 바깥쪽으로 각 엔드 플레이트(11,12)와의 사이에 복수 개의 더미 셀(17)이 추가로 적층되어 스택(10)이 구성된다.

이때, 스택(10) 양단부에 적층된 더미 셀(17)들 중 가장 바깥쪽의 말단에 위치한 더미 셀 전용 분리판이 엔드 플레이트(11,12)에 설치된 집전판(15,16)과 전기적으로 접속된다.

더미 셀 전용 분리판을 반응 셀(9)의 분리판과 비교하여 보면, 먼저 반응 셀(9)의 분리판은, 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기, 냉각수가 유입되어 통과한 뒤 배출될 수 있도록, 각 반응가스와 냉각수가 유입되고 배출되는 입, 출구 매니폴드 홀과 그 유로인 채널이 형성되어 있는 반면, 더미 셀 전용 분리판에는 연료 가스인 수소의 입, 출구 매니폴드 홀과 채널, 혹은 산화제 가스인 공기의 입, 출구 매니폴드 홀과 채널만이 구성되어 있다.

따라서, 더미 셀(17)을 구성하기 위해 스택(10) 양단부의 위치에 복수 개의 기체확산층과 복수 개의 더미 셀 전용 분리판만을 별도로 반복 적층하여 스택(10)을 조립해야 하므로 자동 적층 설비를 활용한 연료전지 스택의 대량 생산에 있어서는 불리함이 있다.

또한, 더미 셀 전용 분리판이 추가로 필요하므로 전용 분리판을 위한 추가적인 생산 설비가 필요하고, 복수 개의 더미 셀(17)이 구성된 적층 순서상, 더미 셀 전용 분리판 사이에 적층된 기체확산층으로 인해, 연료전지의 반응 셀(9)에서 발생시킨 전력을 집전판(15,16)을 통해 외부로 인출할 때, 전압 강하 및 전력 손실이 발생하는 단점이 있다.

이와 더불어, 복수 개의 더미 셀(17)이 구성된 상태에서 더미 셀과 더미 셀 사이에 냉각수(Coolant)가 흐르게 되면, 반응 셀(9)의 양 말단에 위치한 엔드 셀의 운전 온도를 떨어뜨리게 되고, 특히 연료전지의 냉간 및 냉시동 조건에서 차가워진 냉각수로 인해 운전 효율이 더욱 저하될 수 있다.

이에 연료전지 스택에서 반응 셀의 말단에 위치한 엔드 셀의 온도를 승온시키는 엔드 셀 히터 어셈블리가 개시된다.

본 발명에 따른 엔드 셀 히터 어셈블리는 연료전지의 냉간 및 냉시동 조건에서 스택의 양 말단부에 위치한 엔드 셀의 온도를 승온시킴과 더불어, 엔드 셀의 열손실로 인한 성능 저하를 방지하고, 엔드 셀에 대한 반응가스 분배성 향상 및 액적 유입 방지를 도모하며, 기존의 더미 셀로 인한 전압 강하 및 전력 손실을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은 막전극접합체(MEA), 기체확산층(GDL), 캐소드 분리판 및 애노드 분리판, 가스켓을 포함하여 구성되는 반응 셀(9)들이 적층된 구성을 가지며, 각 반응 셀(9)은 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하게 된다.

각 반응 셀(9)에서 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성된다.

각 반응 셀(9)에서 상기 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.

분리판 사이에는 유체의 실(Seal)을 위한 가스켓 등이 개재되도록 적층되며, 가스켓은 막전극접합체 또는 분리판에 일체로 성형된 상태로 제공될 수 있다.

막전극접합체의 애노드에 접합된 기체확산층과 애노드 분리판 사이의 채널이 연료 가스인 수소가 흐르게 되는 애노드 채널이 되고, 막전극접합체의 캐소드에 접합된 기체확산층과 캐소드 분리판 사이의 채널이 산화제 가스인 공기(산소)가 흐르게 되는 캐소드 채널이 되며, 이웃한 애노드 채널 사이 및 캐소드 채널 사이의 분리판 랜드부가 형성하는 공간이 냉각수 채널이 된다.

이러한 구성에서 연료전지 스택(10)의 입구 매니폴드(13)를 통해 공급된 수소, 공기, 냉각수가 분리판을 통해 각 반응 셀(9)로 분배되고, 이어 각 반응 셀(9)에서 분리판의 유로인 애노드 채널과 캐소드 채널, 냉각수 채널을 통과한 뒤, 미반응 가스, 질소 및 물 등의 이물질, 냉각수가 출구 매니폴드(14)를 통해 각 반응 셀(9) 및 스택(10)으로부터 배출된다.

또한, 연료전지 스택(10)의 양 말단부에서 각 엔드 플레이트(11,12)와 반응 셀(9) 사이에 엔드 셀 히터 어셈블리(20)가 적층 삽입된다.

연료전지 스택(10)의 양 말단부에 각각 설치되는 엔드 셀 히터 어셈블리(20)는 유사한 구성을 가지므로, 이하의 설명에서는 두 엔드 셀 히터 어셈블리를 구분하지 않고 구성을 설명하기로 한다.

상기 엔드 셀 히터 어셈블리(20)는 케이스(21), 엔드 셀 가열을 위한 면상 발열체(22), 집전용 터미널 플레이트(23) 및 터미널(23a)을 포함하여 구성된다.

먼저, 엔드 셀 히터 어셈블리(20)가 공지의 연료전지 스택에서 금속 분리판을 포함하여 구성된 더미 셀의 기능을 수행할 수 있도록 상기 케이스(21)는 양단부에 관통 형성된 입구 매니폴드 홀(21a,21b)과 출구 매니폴드 홀(21c,21d), 그리고 내부를 관통하여 형성된 바이패스 유로(21e,21f)를 가진다.

여기서, 상기 바이패스 유로(21e,21f)는 적어도 하나 이상의 채널을 포함하여 구성된다.

보다 상세하게는 상기 바이패스 유로(21e,21f)는 연료 가스인 수소 혹은 산화제 가스인 공기가 통과할 수 있도록 형성된 단수 또는 복수 개의 채널을 포함하거나, 또는 수소와 공기가 각각 통과할 수 있도록 형성된 채널들을 포함할 수 있다.

이때, 케이스(21)의 양단부에는 각 채널에 대해 입구 매니폴드 홀(21a,21b)과 출구 매니폴드 홀(21c,21d)이 형성되고, 이들 입구 매니폴드 홀(21a,21b)와 출구 매니폴드 홀(21c,21d) 사이를 연결하도록 상기 채널이 형성된다.

즉, 상기 케이스(21)는 입구 매니폴드 홀(21a,21b)와 출구 매니폴드 홀(21c,21d) 사이를 연결하는 적어도 하나 이상의 수소 채널(21e), 또는 적어도 하나 이상의 공기 채널(21f)을 포함하거나, 혹은 수소 채널(21e) 및 공기 채널(21f)을 모두 포함하도록 구성될 수 있는 것이다.

상기 수소 채널(21e) 및 공기 채널(21f)을 모두 포함하도록 구성되는 경우에도 수소 채널(21e) 및 공기 채널(21f)은 각각 단수 또는 복수 개로 형성될 수 있다.

연료전지 스택에서 반응 셀(9)의 경우 분리판의 표면에 형성된 유로가 셀 적층 상태에서 각 반응가스 및 냉각수 채널을 형성하지만, 상기 케이스(21)의 바이패스 유로(21e,21f), 즉 상기 케이스(21)의 채널(21e,21f)은 케이스의 내부를 관통하는 내부 관통 유로이다.

바람직한 실시예에서, 케이스(21)는 서로 적층 조립되는 복수 개의 판재를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 적층 조립되는 판재는 그 표면에 정해진 경로를 따라 상기 내부 관통 유로인 채널(21e,21f)을 형성하기 위한 유로가 홈 형상으로 형성된 것이 될 수 있다.

이때, 상기 채널(21e,21f)을 형성하도록 적층되는 두 판재의 서로 마주 접합되는 면 중 어느 한 판재의 면에 상기 채널(21e,21f)을 형성하기 위한 유로가 형성되거나, 마주 접합되는 두 판재의 면 모두에 개별 채널을 형성하기 위한 유로가 형성될 수 있다.

또한, 마주 접합되는 두 판재의 면에 각각 동일한 경로를 따르는 홈 형상의 유로가 형성되어, 두 판재가 적층 및 접합되었을 때, 마주 접합되는 양측 판재의 면에 형성된 두 유로가 조합되어 밀폐된 하나의 개별 채널을 형성하도록 할 수 있다.

도 7의 실시예는 케이스(21)에 각각 수소와 공기가 통과하도록 흐를 수 있는 두 개의 바이패스 유로(21e,21f), 즉 수소 채널(21e)과 공기 채널(21f)가 구비된 실시예로서, 일례로, 케이스(21)가 도 7에 나타낸 바와 같이 수소 채널(21e)과 공기 채널(21f)을 가지는 경우라면, 도면상 예시하지는 않았으나, 3개의 판재가 적층되어 케이스가 구성될 수 있다.

보다 상세하게는, 케이스(21)를 구성하는 3개의 판재 중 상호 적층되는 2개의 판재에서 서로 마주 접합되는 양측 면에 정해진 경로의 수소 채널(21e)을 형성하기 위한 홈 형상의 유로가 동일 경로를 따라 각각 형성되어, 상기 2개의 판재가 적층 및 접합되었을 때 양측 판재의 면에 형성된 유로가 서로 조합되어 밀폐된 하나의 유로, 즉 수소 채널(21e)을 형성하도록 할 수 있다.

이때, 3개의 판재 중 상호 적층되는 2개의 판재에서 서로 마주 접합되는 양측 면에 정해진 경로의 공기 채널(21f)을 형성하기 위한 홈 형상의 유로가 동일 경로를 따라 각각 형성되어, 상기 2개의 판재가 적층 및 접합되었을 때 양측 판재의 면에 형성된 유로가 서로 조합되어 밀폐된 하나의 유로, 즉 공기 채널(21f)을 형성하도록 할 수 있다.

물론, 이 경우 중간에 적층되는 판재의 경우 양면에 각각 유로가 형성될 수 있고, 이 양면에 유로가 형성되는 판재에서 한쪽 면의 유로는 수소 채널(21e)을 형성하기 위한 것이고, 반대 면의 유로는 공기 채널(21f)을 형성하기 위한 것이 된다.

이러한 예는 케이스(21)를 구성할 수 있는 하나의 예를 든 것일 뿐, 바이패스 유로로서 구비되는 케이스(21) 내 수소 채널(21e)과 공기 채널(21f)의 개수, 케이스(21)를 구성하는 적층되는 판재의 개수, 각 판재에 형성되는 정해진 경로의 유로의 개수, 유로가 판재의 일면 또는 판재의 양면에 형성되는지의 여부 등에 대해서는 특정하게 한정하지 않고 다양하게 변경 내지 수정하여 실시 및 적용 가능하고, 본 발명이 도시된 실시예로 한정되는 것은 아니다.

그리고, 도시된 바와 같이, 케이스(21)의 양단부에 형성된 입구 매니폴드 홀(21a,21b)은 수소 입구 매니폴드 홀(21a)과 공기 입구 매니폴드 홀(21b)로 구성되고, 출구 매니폴드 홀(21c,21d)은 수소 출구 매니폴드 홀(21c)과 공기 출구 매니폴드 홀(21d)로 구성된다.

상기 케이스(21)의 각 입구 매니폴드 홀(21a,21b)과 각 출구 매니폴드 홀(21c,21d)은 반응 셀(9)의 입구 매니폴드(13)와 출구 매니폴드(14)에 연통된다.

여기서, 케이스(10)의 수소 입구 매니폴드 홀(21a)과 수소 출구 매니폴드 홀(21c)은 연료전지 스택(10)의 수소 입구 매니폴드와 수소 출구 매니폴드의 일부가 되는 것으로, 각각 적층된 반응 셀(9)의 분리판에 의해 형성된 수소 입구 매니폴드(13)와 수소 출구 매니폴드(14)에 각각 연통된다.

또한, 케이스(21)의 공기 입구 매니폴드 홀(21b)과 공기 출구 매니폴드 홀(21d)은 연료전지 스택(10)의 공기 입구 매니폴드와 공기 출구 매니폴드의 일부가 되는 것으로, 각각 적층된 반응 셀(9)의 분리판에 의해 형성된 캐소드 입구 매니폴드와 캐소드 출구 매니폴드에 연결된다.

상기 케이스(21)에서 수소 입구 매니폴드 홀(21a)과 출구 매니폴드 홀(21c)에 바이패스 유로 중 수소 채널(21e)이 연결되고, 이때 각 수소 채널(21e)이 수소 입구 매니폴드 홀(21a)과 출구 매니폴드 홀(21c) 사이를 연결하도록 케이스(21)의 내부에 관통 형성된다.

또한, 상기 케이스(21)에서 공기 입구 매니폴드 홀(21b)과 공기 출구 매니폴드 홀(21d)에 바이패스 유로 중 공기 채널(21f)이 연결되고, 이때 각 공기 채널이 공기 입구 매니폴드 홀(21b)과 공기 출구 매니폴드 홀(21d) 사이를 연결되도록 케이스(21)의 내부에 관통 형성된다.

이에 따라 반응 셀(9) 측 수소 입구 매니폴드(13)를 통해 유입된 연료 가스인 수소가 케이스(21)의 수소 입구 매니폴드 홀(21a)을 통해 바이패스 유로 중 수소 채널(21e)로 분배되어 흐르게 되고, 이후 케이스(21)의 수소 출구 매니폴드 홀(21c)로 배출된 뒤 반응 셀(9) 측의 수소 출구 매니폴드(14)를 통해 스택(10) 외부로 배출된다.

마찬가지로, 반응 셀(9) 측 공기 입구 매니폴드를 통해 유입된 공기(산화제 가스)가 케이스(21)의 공기 입구 매니폴드 홀(21b)을 통해 바이패스 유로 중 공기 채널(21f)로 분배되어 흐르게 되고, 이후 케이스(21)의 공기 출구 매니폴드 홀(21d)로 배출된 뒤 반응 셀(9) 측의 공기 출구 매니폴드를 통해 스택 외부로 배출된다.

이와 같이 하여, 본 발명의 엔드 셀 히터 어셈블리(20)의 케이스(21)에 바이패스 유로(21e,21f)를 구비함으로써, 연료전지 스택에 유입되는 액적 등을 상기 바이패스 유로(21e,21f)를 통해 가스 출구로 바이패스 시킬 수 있게 되고, 반응가스의 분배성을 개선할 수 있게 된다.

한편, 상기 케이스(21)는 도 7에 나타낸 바와 같이 커넥터(25)가 설치되어 이 커넥터(25)를 통해 면상 발열체(22)에 전원이 공급될 수 있도록 하며, 더불어 면상 발열체(22)와 집전부(후술하는 터미널 플레이트(23)) 등의 부속품을 수용하는 역할을 하게 된다.

바람직한 실시예에서, 상기 케이스(21)는 엔드 셀에 대한 단열 효과, 엔드 플레이트(11,12)로의 히터 열손실 최소화, 그리고 전기절연을 위하여 부도체인 합성수지(플라스틱), 더욱 상세하게는 상기 전기절연을 위해 전기 부도체인 동시에 상기 단열 효과 및 히터 열손실 최소화를 위한 열적 비전도성 재질인 합성수지(플라스틱)를 소재로 사용하여 성형 제작될 수 있다.

상기 케이스(21)에서 한쪽 면은 엔드 플레이트(11,12)에 접합되고, 그 반대쪽 면은 반응 셀(9)에 접합 및 적층되는데, 반응 셀(9)에 접합되는 면에는 면상 발열체(22) 및 터미널 플레이트(23)가 넣어질 수 있는 수용홈(21g)이 형성된다.

즉, 상기 케이스(21)의 수용홈(21g)에 면상 발열체(22)와 터미널 플레이트(23)가 적층된 상태로 수용되는 것이며, 케이스(21)의 수용홈(21g)에 면상 발열체(22)가 넣어진 뒤 면상 발열체 위에 터미널 플레이트(23)가 접합 및 적층된다.

바람직한 실시예에서, 면상 발열체(22)와 케이스(21)의 수용홈(21g) 내측면 사이에는 단열 패드(24)가 적층 개재될 수 있다.

상기 면상 발열체(22)는 발열체(22a)의 외측면이 전기절연재질의 피복재(22b)로 피복되어 외부와는 전기적으로 완전히 절연되는 가열수단이 되도록 하며, 외부 전원으로부터 작동전력을 공급받을 수 있도록 일측에는 외부 전원과 접속되는 커넥터(25)가 연결된다.

특히, 면상 발열체(22)의 일면에 터미널 플레이트(23)가 접합 및 적층되므로, 이 터미널 플레이트(23)와 내부의 발열체(22a)가 외측의 피복재(22b)에 의해 완전한 전기절연상태가 유지될 수 있도록 한다.

상기 면상 발열체(22)에 작동전력을 공급하는 외부 전원으로는 연료전지 스택이 될 수 있으며, 이 경우 연료전지 스택(10)에서 출력되는 발전전력을 조절하여 상기 커넥터(25)에 공급하는 전력공급회로부(미도시)가 구비될 수 있다.

상기 면상 발열체(22)의 사용 전원으로 연료전지 스택(10)을 이용할 경우, 면상 발열체(22)에 의한 가열 효과와 더불어, 셀(9)의 전기화학적 반응열에 의한 스택 자체 발열(가열) 효과로 인해 냉시동 시 셀(9) 내부에 빙결되어 있는 잔존 생성수를 보다 신속히 해동시킬 수 있게 된다.

물론, 연료전지 스택(10)이 아닌, 타 전원, 예로서 차량 내 배터리(미도시)가 사용될 수도 있고, 이 경우 면상 발열체(22)가 배터리로부터 상기 커넥터(25)를 통해 작동전력을 공급받도록 전력공급회로부가 구성된다.

상기 면상 발열체(22)는 스택(10) 부피 대비 출력 밀도의 증대를 위해 박막 구조일수록 유리하며, 내부 발열체(22a)로는 금속 박막으로 제조되거나 CNT(Carbon Nano Tube) 프린팅 등의 방법으로 제조된 저항 발열체가 사용될 수 있고, 또는 온도 제어 및 자체 과열 방지가 가능한 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 PTC 소자를 사용한 발열체는 최대 발열 온도를 스스로 제한하는 발열체가 되므로 후술하는 온도센서, 및 온도센서의 신호에 따른 제어부의 발열체 제어가 불필요한 이점이 있다.

또한, 발열체(22a) 주위에 별도의 온도센서(미도시)를 구비하고, 온도센서의 신호를 면상 발열체(22)의 작동을 제어하는 제어부(미도시, 전력공급회로부를 통한 작동전력 공급 제어를 수행함)가 입력받도록 하여, 제어부가 온도센서의 신호로부터 발열체의 작동 시 발열 온도를 제어하도록 하는 것이 가능하다.

이때, 상기 온도센서는 발열체(22a)의 미작동 시 최외각 엔드 셀의 온도를 측정하는데 활용될 수도 있다.

상기 터미널 플레이트(23)의 일면에는 면상 발열체(22)와 단열 패드(24), 케이스(21) 및 엔드 플레이트(11,12)를 차례로 관통하도록 조립되는 터미널(23a)이 일체로 형성되고, 면상 발열체(22), 단열 패드(24), 케이스(21) 및 엔드 플레이트(11,12)에는 상기 터미널(23a)이 통과하도록 된 통공(26a,26b,26c)이 관통 형성된다.

상기 케이스(21)의 통공(26c)은 수소 채널(21e)과 공기 채널(21f)이 형성되지 않은 케이스 부분에 관통 형성되고, 상기 면상 발열체(22)에서 통공(26a)은 그 내부를 통과하는 터미널(23a)이 내부의 발열체(22a)와는 전기적으로 접속되지 않도록 형성되어야 한다.

이를 위해 내부 발열체(22a)에 터미널(23a)의 횡단면적보다는 큰 통공을 형성한 뒤 내부 발열체(22a)의 통공 내주 부분까지 피복재(22b)로 완전히 피복하여 터미널(23a)과 내부 발열체(22a) 간에 완전한 전기절연상태가 유지되도록 하는 것이 가능하다.

또는 통공(26a)을 중심으로 그 주변에 각각 내부 발열체(22a)를 분리 배치하고, 통공(26a) 및 터미널(23a)과 떨어진 부분(전기절연이 가능한 위치)을 통해 내부 발열체(22a)들을 전기적으로 연결하여 접속하는 것이 가능하다.

상기 터미널 플레이트(23)는 적층된 반응 셀(9) 중 최외곽에 배치된 셀, 즉 엔드 셀에 직접 면 접합되는데, 엔드 셀의 분리판에 면 접합되거나 분리판이 삭제된 상태에서 엔드 셀의 기체확산층(GDL)에 면 접합될 수 있다.

요컨대, 면상 발열체(22)의 일면이 터미널 플레이트(23)에 면 접합되고, 터미널 플레이트(23)는 일면에 터미널(23a)이 일체로 형성됨과 더불어 그 일면이 면상 발열체(22)와 면 접합되며, 터미널 플레이트(23)의 반대쪽 타면은 반응 셀(9), 즉 엔드 셀에 직접 면 접합된다.

상기 터미널 플레이트(23)는 전기전도체이면서 열전도체인 소재를 사용하여 제작되며, 반응 셀(9)에 직접 접합된 상태에서 반응 셀에서 생성된 전력을 전달받는 집전판의 역할을 함과 더불어, 면상 발열체(22)에서 발생한 열을 엔드 셀로 전달하는 역할을 하게 된다.

이와 같이 하여, 바이패스 유로(케이스), 엔드 셀 가열을 위한 면상 발열체, 집전용 터미널 플레이트 및 터미널을 일체로 조립하여 구성한 엔드 셀 히터 어셈블리의 구성에 대하여 설명하였다.

상기한 구성의 엔드 셀 히터 어셈블리(20)가 적용된 연료전지 스택(10)에서는 안쪽에 적층된 반응 셀(9)에서 발생한 전력이 터미널 플레이트(23) 및 터미널(23a)을 통해 외부로 출력될 수 있다.

또한, 연료전지 스택(10)의 냉간 및 냉시동 조건에서 면상 발열체(22)의 발열 작동 시 엔드 셀에 직접 열에너지가 공급되어 엔드 셀의 온도를 신속히 승온시킬 수 있다.

엔드 셀 히터 어셈블리(20)에 의해 엔드 셀이 가열되면, 엔드 셀 내부에 잔존하여 빙결되어 있는 수분(생성수)이 냉시동 시 급속히 해동될 수 있고, 반응가스의 흐름이 원활해지면서 양단 셀에서의 전압 강하 및 그로 인한 스택 성능 저하가 방지될 수 있으며, 시동 시간의 단축이 가능해진다.

또한, 엔드 셀 히터 어셈블리(20)가 설치될 경우 연료전지의 운전 중 열용량이 큰 엔드 플레이트(11,12)로의 열손실이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 발열 작동시 열손실을 보상할 수 있으므로 발전 효율 개선 및 균일한 셀 성능 확보가 가능해진다.

상기 엔드 셀 히터 어셈블리(20)는 내부에 반응가스의 분배성 향상 및 유입된 액적을 바이패스 시키기 위한 바이패스 유로(21e,21f)를 일체로 구비하여, 공지의 연료전지 스택에서의 더미 셀 기능을 수행하므로, 반응 셀(9)에서의 반응가스 분배성 향상 및 액적 유입을 방지하는 것과 더불어, 기존 더미 셀 적용시의 종래의 문제점을 해결해준다.

즉, 공지의 연료전지 스택에서는 엔드 플레이트의 집전판이 더미 셀의 금속 분리판에 접속되어 있고, 따라서 반응 셀에서 생성된 전력이 더미 셀의 금속 분리판 및 집전판, 터미널을 통해 출력되어 전압 강하 및 전력 손실이 발생할 수 있는 반면, 본 발명의 엔드 셀 히터 어셈블리(20)가 적용된 연료전지 스택(10)에서는 반응 셀(9)에 직접 접속된 터미널 플레이트(23) 및 엔드 플레이트(11,12)를 관통하는 터미널(23a)을 통해 반응 셀(9)의 전력이 출력되므로, 전용 금속 분리판 및 기체확산층을 가지는 기존 더미 셀의 적용시에 나타나는 전압 강하 및 전력 손실의 문제점이 해결될 수 있다.

또한, 엔드 셀 히터 어셈블리를 선조립한 후 셀 적층 및 스택 조립시에 간단히 엔드 셀 히터 어셈블리(20)를 반응 셀(9)과 엔드 플레이트(11,12) 사이에 적층 개재하여 조립할 수 있으므로 기존의 복잡한 더미 셀 적층 공정이 삭제될 수 있고, 결국 생산시간 단축, 양산성 및 생산성 향상, 적층 공정의 오조립 방지 등을 도모할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 조립 과정을 설명하면, 엔드 셀 히터 어셈블리(20)를 선조립한 상태에서, 터미널(23a)을 엔드 플레이트(11,12)의 통공(도 5에서 도면부호 11b, 12a임)에 삽입하여 엔드 셀 히터 어셈블리(20)와 엔드 플레이트(11,12)를 가조립하거나, 별도의 체결기구를 사용하여 엔드 셀 히터 어셈블리(20)와 엔드 플레이트(11,12)를 일체로 조립한다.

이어 엔드 셀 히터 어셈블리(20)의 터미널 플레이트(23) 위로 복수 개의 반응 셀(9)들을 적층하고, 그 위로 동일한 방식으로 조립된 반대쪽 엔드 셀 히터 어셈블리(20)와 엔드 플레이트(11,12)를 반응 셀(9) 위에 적층한다.

상기와 같이 적층이 완료되면, 스택(10)을 가압한 상태에서 양쪽의 엔드 플레이트(11,12)를 공지의 스택 체결기구(미도시)로 연결 및 상호 체결하여 스택의 구성을 일체화한다.

이러한 조립 과정에서는 기존 공정 대비 복잡한 구성의 더미 셀 적층 공정이 생략되므로 오조립을 방지할 수 있으며, 생산시간을 크게 단축할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

9 : 반응 셀 10 : 연료전지 스택
11, 12 : 엔드 플레이트 13 : 입구 매니폴드
14 : 출구 매니폴드 20 : 엔드 셀 히터 어셈블리
21 : 케이스 21g : 수용홈
22 : 면상 발열체 22a : 발열체
22b : 피복재 23 : 터미널 플레이트
23a : 터미널 24 : 단열 패드
25 : 커넥터

Claims

전원으로부터 전력을 공급받아 발열 작동하는 면상 발열체를 포함하고,
연료전지 스택에서 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 복수 개의 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며,
연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지며,
상기 면상 발열체에 온도센서가 설치되고, 제어부가 온도센서의 신호를 입력받아 면상 발열체의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
일면이 엔드 플레이트에 접합되는 케이스;
상기 케이스의 타면에 형성된 수용홈 내부에 설치되는 면상 발열체;
상기 면상 발열체와 엔드 셀 사이에 적층 개재되고 엔드 셀에 전기 접속되도록 접합되어 상기 면상 발열체에서 발생하는 열을 엔드 셀에 전달하는 터미널 플레이트; 및
상기 엔드 셀을 포함하는 연료전지 셀에서 생성되고 상기 터미널 플레이트를 통해 전달되는 전기에너지를 외부로 출력하도록 터미널 플레이트에 일체로 형성된 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 케이스에 연료전지 스택의 공기 입구 매니폴드 또는 수소 입구 매니폴드에 연통되거나, 연료전지 스택의 공기 입구 매니폴드와 수소 입구 매니폴드에 개별 연통되어, 상기 입구 매니폴드로부터 공기 또는 수소가 분배되어 통과하는 바이패스 유로가 형성되고,
상기 각 바이패스 유로가 연료전지 스택의 공기 출구 매니폴드 또는 수소 출구 매니폴드에 연통되어, 내부를 통과한 공기 또는 수소를 상기 각각의 해당 출구 매니폴드로 배출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 케이스에는,
연료전지 스택의 공기 입구 매니폴드에 연통되는 공기 입구 매니폴드홀, 또는 수소 입구 매니폴드에 연통되는 수소 입구 매니폴드 홀이 구비되거나, 공기 입구 매니폴드와 수소 입구 매니폴드에 개별 연통되는 공기 입구 매니폴드 홀과 수소 입구 매니폴드 홀이 구비되고,
연료전지 스택의 공기 출구 매니폴드에 연통되는 공기 출구 매니폴드 홀, 또는 수소 출구 매니폴드에 연통되는 수소 출구 매니폴드 홀이 구비되거나, 공기 출구 매니폴드와 수소 출구 매니폴드에 개별 연통되는 공기 출구 매니폴드 홀과 수소 출구 매니폴드 홀이 구비되며,
상기 공기 입구 매니폴드 홀과 공기 출구 매니폴드 홀 사이를 연결하도록 내부에 관통 형성된 공기 바이패스 유로, 또는 상기 수소 입구 매니폴드 홀과 수소 출구 매니폴드 홀 사이를 연결하도록 내부에 관통 형성된 수소 바이패스 유로가 구비되거나, 공기 바이패스 유로와 수소 바이패스 유로가 모두 구비되는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 케이스는 전기 부도체로 제작되는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 면상 발열체와 케이스의 수용홈 내측면 사이에 적층 개재되는 단열 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 면상 발열체는,
전원으로부터 전력을 공급받아 발열 작동하는 발열체; 및
상기 발열체를 피복하여 외부와 전기적으로 절연시키는 피복재를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 터미널은 터미널 플레이트로부터 면상 발열체와 케이스, 엔드 플레이트를 관통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
삭제
전원으로부터 전력을 공급받아 발열 작동하고,
연료전지 스택에서 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 복수 개의 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며,
연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지며,
상기 전원이 상기 연료전지 스택이고, 상기 연료전지 스택에서 생성된 전력을 공급받아 발열 작동하는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
복수 개가 적층되어 구비되고 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 연료전지 셀들;
상기 적층된 연료전지 셀들의 바깥쪽인 연료전지 스택 양단 위치에 적층되는 엔드 플레이트; 및
전력을 공급받아 발열 작동하는 면상 발열체를 포함하고, 상기 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며, 연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지는 엔드 셀 히터 어셈블리를 포함하고,
상기 면상 발열체에 온도센서가 설치되고, 제어부가 온도센서의 신호를 입력받아 면상 발열체의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 11에 있어서,
상기 엔드셀 히터 어셈블리는,
일면이 엔드 플레이트에 접합되는 케이스;
상기 케이스의 타면에 형성된 수용홈 내부에 설치되는 면상 발열체;
상기 면상 발열체와 엔드 셀 사이에 적층 개재되고 엔드 셀에 전기 접속되도록 접합되어 상기 면상 발열체에서 발생하는 열을 엔드 셀에 전달하는 터미널 플레이트; 및
상기 엔드 셀을 포함하는 연료전지 셀에서 생성되고 상기 터미널 플레이트를 통해 전달되는 전기에너지를 외부로 출력하도록 터미널 플레이트에 일체로 형성된 터미널을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 케이스에 연료전지 스택의 공기 입구 매니폴드 또는 수소 입구 매니폴드에 연통되거나, 연료전지 스택의 공기 입구 매니폴드와 수소 입구 매니폴드에 개별 연통되어, 상기 입구 매니폴드로부터 공기 또는 수소가 분배되어 통과하는 바이패스 유로가 형성되고,
상기 각 바이패스 유로가 연료전지 스택의 공기 출구 매니폴드 또는 수소 출구 매니폴드에 연통되어, 내부를 통과한 공기 또는 수소를 상기 각각의 해당 출구 매니폴드로 배출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 케이스에는,
연료전지 스택의 공기 입구 매니폴드에 연통되는 공기 입구 매니폴드홀, 또는 수소 입구 매니폴드에 연통되는 수소 입구 매니폴드 홀이 구비되거나, 공기 입구 매니폴드와 수소 입구 매니폴드에 개별 연통되는 공기 입구 매니폴드 홀과 수소 입구 매니폴드 홀이 구비되고,
연료전지 스택의 공기 출구 매니폴드에 연통되는 공기 출구 매니폴드 홀, 또는 수소 출구 매니폴드에 연통되는 수소 출구 매니폴드 홀이 구비되거나, 공기 출구 매니폴드와 수소 출구 매니폴드에 개별 연통되는 공기 출구 매니폴드 홀과 수소 출구 매니폴드 홀이 구비되며,
상기 공기 입구 매니폴드 홀과 공기 출구 매니폴드 홀 사이를 연결하도록 내부에 관통 형성된 공기 바이패스 유로, 또는 상기 수소 입구 매니폴드 홀과 수소 출구 매니폴드 홀 사이를 연결하도록 내부에 관통 형성된 수소 바이패스 유로가 구비되거나, 공기 바이패스 유로와 수소 바이패스 유로가 모두 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 케이스는 전기 부도체로 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 면상 발열체와 케이스의 수용홈 내측면 사이에 적층 개재되는 단열 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 면상 발열체는,
전력을 공급받아 발열 작동하는 발열체; 및
상기 발열체를 피복하여 외부와 전기적으로 절연시키는 피복재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 터미널은 터미널 플레이트로부터 면상 발열체와 케이스, 엔드 플레이트를 관통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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복수 개가 적층되어 구비되고 각각 반응가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전기에너지를 생성하는 연료전지 셀들;
상기 적층된 연료전지 셀들의 바깥쪽인 연료전지 스택 양단 위치에 적층되는 엔드 플레이트; 및
전력을 공급받아 발열 작동하고, 상기 적층된 연료전지 셀들 중 양단에 위치하도록 적층된 각 엔드 셀과 연료전지 스택 양단의 각 엔드 플레이트 사이에 적층 개재되어 발열 작동 시 각 엔드 셀에 열을 제공함으로써 엔드 셀을 승온시키도록 구비되며, 연료전지 스택에 반응가스로 공급되는 공기와 수소 중 적어도 하나 이상의 가스가 분배되어 통과할 수 있는 바이패스 유로를 가지는 엔드 셀 히터 어셈블리를 포함하고,
상기 엔드 셀 히터 어셈블리는,
연료전지 스택 자체 전원을 이용하는 것으로,
상기 전력으로서 연료전지 셀들에 의해 생성된 전기에너지를 공급받아 발열 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 2에 있어서,
상기 케이스는 전기 부도체이면서 열적 비전도성 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 엔드 셀 히터 어셈블리.
청구항 2에 있어서,
상기 면상 발열체가 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 이용한 발열체인 것을 특징으로 하는 엔드셀 히터 어셈블리.
청구항 12에 있어서,
상기 케이스는 전기 부도체이면서 열적 비전도성 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 12에 있어서,
상기 면상 발열체가 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 이용한 발열체인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.