KR102200086B1 - 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 연료전지스택의 양단에 배치되는 엔드셀에 필름 형태의 히터가 배치되어, 연료전지스택의 반응셀 내부에 존재하는 물이 어는 것을 방지할 수 있어, 겨울철 연료전지의 냉시동 시 연료전지의 초기 시동성 및 초기 주행성능을 향상시킬 수 있고, 인서트 사출을 통한 컴팩트한 구성이 가능하면서 용이하게 제작할 수 있으며, 엔드셀 히터가 연료전지스택의 셀들이 적층되는 방향으로 동일하게 적층되어 용이하게 결합될 수 있으므로 연료전지스택에 엔드셀 히터를 결합하기 위한 구성이 간단해 질 수 있는 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지 {End cell heater for fuel cell and fuel cell having the same}
본 발명은 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 연료전지스택의 양단에 배치되는 엔드셀에 히터가 배치되어 연료전지스택의 반응셀 내부에 존재하는 물이 어는 것을 방지할 수 있어, 겨울철 연료전지의 냉시동 시 연료전지의 초기 시동성 및 초기 주행성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 수소의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 발전장치로서, 기존의 다른 화학에너지와는 달리 부산물로 배출되는 것이 오직 물(H20)뿐이고 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량 감소 및 소음이 거의 없어 차세대 대체 에너지로 각광받고 있다.
이러한 연료전지는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질판, 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 이를 분리하는 분리판 등으로 구성된 단위전지(cell)로 이루어진다. 그러나 단위전지에서는 통상적으로 0.6~0.8V의 낮은 전압이 생성되므로 도 1과 같이 이 단위전지(30)를 수십장 또는 수백장 적층한 연료전지스택(1)으로 구성하여 원하는 전기 출력을 얻게 된다. 그리고 상기의 전해질이 함유된 전해질판, 연료극 및 공기극을 일체형으로 구성한것이 막-전극 접합체(MEA)이며 이를 분리하는 분리판에는 패턴이 형성되어 있어 각각 연료와 공기가 흐를 수 있도록 되어있다.
또한, 연료전지에 사용되는 연료로는 천연가스, 석유, 석탄가스 및 메탄올 등 다양하며 이는 연료 개질장치를 통해 수소로 전환하여 사용된다.
그런데 이와 같이 스택으로 구성되는 연료전지는 단위전지들이 적층된 방향의 가장 바깥쪽에 위치한 단위전지(엔드셀)에서 산소와 수소가 결합하여 발생된 물이 잔존하며, 겨울철에는 차가운 외기 온도로 인해 엔드셀의 내부에서 물이 얼게되고, 이로 인해 엔드셀에서는 전기가 생성되지 않아 연료전지의 초기 시동성 및 발진성이 저하되는 문제점이 있다.
KR 10-1466507 B1 (2014.11.21)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 적은 연료전지스택의 양단에 배치되는 엔드셀에 히터가 배치되어 연료전지스택의 반응셀 내부에 존재하는 물이 어는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
또한, 히터를 포함한 엔드셀을 인서트 사출을 통해 용이하게 제작할 수 있는 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터(1000)는, 판형으로 형성되어 양측에 양면을 관통하도록 각각 연료 유로(111) 및 공기 유로(112)가 형성되며, 양면을 관통하는 관통공(114)이 형성되는 엔드 플레이트(110); 파이프로 형성되어 양단이 연료 유로(111)에 연결되며, 상기 엔드 플레이트(110)에 고정되는 연료 채널 파이프(120); 파이프로 형성되어 양단이 공기 유로(112)에 연결되며, 상기 엔드 플레이트(110)에 고정되는 공기 채널 파이프(130); 상기 엔드 플레이트(110)와 이격되어 적층 배치되며, 양면을 관통하는 관통공(205)이 형성되는 발열체(200); 상기 엔드 플레이트(110)와 발열체(200)의 관통공(114, 205)들을 관통하도록 삽입되는 집전단자(310)가 일면에 돌출 형성되며, 상기 엔드 플레이트(110)와 마주보는 발열체(200)의 반대측면에 밀착되도록 적층되는 집전판(300); 및 상기 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 일체로 결합되도록 하며, 집전판(300)의 일면이 외부로 노출되도록 형성되는 사출 부재(150); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 결합 또는 적층된 상태에서 사출 부재(150)를 이용해 인서트 사출하여 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발열체(200)의 전극단자(204)들의 단부가 배치된 인출 단자부(210)가 사출 부재(150)의 외부로 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전판(300)은 인서트 사출에 의해 길이 방향 및 폭 방향의 둘레면이 사출 부재(150)와 접착되어 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110)에는 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 양단이 고정되는 파이프 고정부(113)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110) 상에 놓이며, 상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 중앙부가 엔드 플레이트(110)에 고정 또는 지지되는 파이프 지지부재(140)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)가 서로 교차되도록 배치되어, 하나의 파이프 지지부재(140)에 의해 파이프(120, 130)들의 중앙부가 지지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발열체(200)는, 고정판(200a) 및 상기 고정판(200a)에 부착된 인덕션 코일(200b)을 포함하여 이루어지며, 상기 집전판(300)이 유도가열되어 발열되거나, 유도가열될 수 있는 별도의 발열판이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인덕션 코일(200b)은 평면 형태로 권취되어 고정판(200a)에 적층되어 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인덕션 코일(200b)과 집전판(300) 또는 상기 인덕션 코일(200b)과 발열판은 이격되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110)와 발열체(200) 사이에는 단열시트(400)가 개재되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터를 포함하는 연료전지(2000)는, 단위전지들이 적층되어 형성되며, 양측에 적층방향으로 양면을 관통하도록 각각 연료 유로(1110) 및 공기 유로(1120)가 형성된 연료전지스택(1100); 및 상기 연료전지스택(1100)에 결합되되, 상기 단위전지들 중 최외곽에 적층된 단위전지의 외측에 적층되어 유로들이 연결되는 상기 엔드셀 히터(1000); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)가 적층된 외측에 적층되고, 상기 엔드셀 히터(1000)의 연료 유로(151) 및 공기 유로(152)에 각각 연결되도록 양측에 각각 연료 유로(1410) 및 공기 유로(1420)가 형성되며, 상기 엔드셀 히터(1000)의 집전단자(310)가 외부로 노출되도록 형성되는 전기 절연성 재질의 커버(1400); 및 상기 연료전지스택(1100), 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400)가 적층방향으로 밀착되도록, 커버(1400)들에 양단이 결합되는 체결부재(1500); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지는, 연료전지스택의 반응셀 내부에 물이 어는 것을 방지할 수 있어 연료전지의 초기 시동성 및 초기 주행성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 필름 형태의 히터를 이용해 컴팩트한 구성이 가능하며, 인서트 사출을 통해 히터를 포함한 엔드셀을 용이하게 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 엔드셀 히터가 연료전지스택의 셀들이 적층되는 방향으로 동일하게 적층되어 용이하게 결합될 수 있으므로, 연료전지스택에 엔드셀 히터를 결합하기 위한 별도의 구조를 형성하지 않아도 되는 장점이 있다.
도 1은 종래의 연료전지를 나타낸 사시도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 엔드셀 히터에서 사출물을 제외한 부분을 나타낸 분해사시도 및 조립사시도.
도 4는 도 3의 조립체가 인서트 사출되어 사출물과 함께 일체로 형성된 본 발명에 따른 연료전지용 엔드셀 히터를 나타낸 조립사시도.
도 5는 도 4의 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 발열체의 일 실시예를 나타낸 평면도 및 단면도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 발열체의 다른 실시예를 나타낸 분해사시도 및 조립사시도.
도 10은 본 발명에 따른 발열체의 다른 실시예에서 발열체가 단열시트 및 집전체 사이에 배치되어 적층되는 상태를 나타낸 분해사시도.
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예의 발열체를 이용해 형성된 연료전지용 엔드셀 히터를 나타낸 단면도.
도 12 및 도 13은 본 발명의 엔드셀 히터를 포함하는 연료전지를 나타낸 조립사시도 및 분해사시도.
도 14는 본 발명의 엔드셀 히터를 포함한 연료전지를 나타낸 단면 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 엔드셀 히터에서 사출물을 제외한 부분을 나타낸 분해사시도 및 조립사시도이고, 도 4는 도 3의 조립체가 인서트 사출되어 사출물과 함께 일체로 형성된 본 발명에 따른 연료전지용 엔드셀 히터를 나타낸 조립사시도이며, 도 5는 도 4의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터(1000)는, 판형으로 형성되어 양측에 양면을 관통하도록 각각 연료 유로(111) 및 공기 유로(112)가 형성되며, 양면을 관통하는 관통공(114)이 형성되는 엔드 플레이트(110); 파이프로 형성되어 양단이 상기 연료 유로(111)에 연결되며, 상기 엔드 플레이트(110)에 고정되는 연료 채널 파이프(120); 파이프로 형성되어 양단이 상기 공기 유로(112)에 연결되며, 상기 엔드 플레이트(110)에 고정되는 공기 채널 파이프(130); 상기 엔드 플레이트(110)와 이격되어 적층 배치되며, 양면을 관통하는 관통공(205)이 형성되는 발열체(200); 상기 엔드 플레이트(110)와 발열체(200)의 관통공(114, 205)들을 관통하도록 삽입되는 집전단자(310)가 일면에 돌출 형성되며, 상기 엔드 플레이트(110)와 마주보는 발열체(200)의 반대측면에 밀착되도록 적층되는 집전판(300); 및 상기 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 일체로 결합되도록 하며, 집전판(300)의 일면이 외부로 노출되도록 형성되는 사출 부재(150); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
엔드 플레이트(110)는 판형으로 형성될 수 있으며, 기계적인 강성이 큰 금속 재질로 형성될 수 있다. 그리고 폭보다 길이가 긴 장방형 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 금속이외에도 강성이 큰 다양한 재질로 형성될 수 있다. 엔드 플레이트(110)는 길이방향 양측에 두께방향의 양면을 관통하도록 연료 유로(111) 및 공기 유로(112)가 형성될 수 있으며, 일례로 길이방향 일측에 연료 유로와 공기 유로가 각각 하나씩 형성되고 타측에 연료 유로와 공기 유로가 각각 하나씩 형성될 수 있다.
연료 채널 파이프(120)는 상기 연료 유로(111)들이 서로 연결되도록 하는 관으로써, 금속 파이프로 형성되어 상기 엔드 플레이트(110)의 상면에 놓일 수 있다. 또한, 공기 채널 파이프(130)는 상기 공기 유로(112)들이 서로 연결되도록 하는 관으로써, 금속 파이프로 형성되어 상기 엔드 플레이트(110)의 상면에 놓일 수 있다. 이때, 연료 채널 파이프(120)는 단부가 연료 유로(111)와 연결될 수 있으며, 양단이 연료 유로(111)의 상측에 배치되도록 엔드 플레이트(110)의 상면에 돌출 형성된 파이프 고정부(113)에 결합되어 위치가 고정될 수 있다. 마찬가지로 공기 채널 파이프(120)도 단부가 공기 유로(112)에 연결될 수 있으며, 양단이 공기 유로(112)의 상측에 배치되도록 엔드 플레이트(110)의 상면에 돌출 형성된 파이프 고정부(113)에 결합되어 위치가 고정될 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(110)에는 중앙측에 두께방향 양면을 관통하도록 관통공(114)이 형성될 수 있으며, 이하에서 기재할 집전판(300)의 집전단자(310)가 관통되도록 삽입되는 부분이다.
발열체(200)는 전기를 공급받아 열을 발생시킬 수 있는 수단으로서, 일례로 필름 형태로 형성된 필름 히터가 될 수 있으며, 상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)에 의해 상기 엔드 플레이트(110)의 상면으로부터 상측에 이격되도록 적층될 수 있다. 그리고 발열체(200) 역시 상기 집전단자(310)가 관통되어 삽입되는 두께방향 양면을 관통하는 관통공(205)이 형성될 수 있다.
집전판(300)은 연료전지스택(1100)에서 발생되는 전기를 모아 전달할 수 있도록 하는 부분으로, 전기 전도성 재질인 금속판으로 형성되어 연료전지스택(1100)과 통전될 수 있다. 그리고 집전판(300)에는 일면에 두께방향으로 집전단자(310)가 돌출 형성되어, 집전단자(310)가 엔드 플레이트(110)와 발열체(200)의 관통공(114, 205)들을 관통하도록 삽입되어 결합되며, 집전판(300)의 하측에 발열체(200)가 배치되도록 적층될 수 있다.
여기에서 사출 부재(150)는 플라스틱 수지 등을 이용한 사출 성형에 의해 형성되는 부분으로, 사출 부재(150)에 의해 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 일체로 결합되도록 형성될 수 있다. 그리고 사출 부재(150)는 집전판(300)의 상면이 외부로 노출되도록 형성되어, 연료전지스택(1100)의 반응셀(1100a)에 집전판(300)이 밀착될 수 있도록 엔드셀 히터가 구성될 수 있다. 그리고 사출 부재(150)는 연료 유로(151) 및 공기 유로(152)가 형성되며, 엔드 플레이트(110)의 연료 유로(111)와 대응되는 위치에 연료 유로(151) 및 공기 유로(152)가 형성될 수 있다.
그리하여 본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터는 연료전지스택의 적층방향 최외측에 배치된 반응셀의 바깥쪽에 반응셀들의 적층방향과 동일하게 두께방향으로 적층되어 결합될 수 있으므로 엔드셀 히터를 결합하기 위한 별도의 구조 간단하게 형성할 수 있으며, 연료전지스택의 최외곽 반응셀에 밀착되어 반응셀을 가열할 수 있으므로 연료전지스택의 반응셀 내부에서 산소와 연료인 수소가 반응하여 발생된 물이 어는 것을 방지할 수 있어 연료전지의 초기 시동성 및 초기 주행성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 컴팩트한 구성이 가능하며, 큰 열용량을 확보할 수 있어 연료전지스택의 반응셀 내부에 물이 어는 것을 방지할 수 있다.
여기에서 사출 부재(150)에 의해 일체로 형성되는 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130) 및 사출 부재(150)를 포함한 것이 엔드셀(100)이 될 수 있으며, 사출 부재(150)에 의해 엔드셀(100)에 일체로 결합된 발열체(200) 및 집전판(300)을 포함한 것이 연료전지용 엔드셀 히터(1000)가 될 수 있다. 그리고 추가로 파이프(120,130)들과 발열체(200) 사이에 개재된 단열시트(400)가 엔드셀 히터(1000)에 포함될 수 있다.
그리고 발열체(200)는 필름 히터로 형성될 수 있으며, 일례로 도 6 및 도 7과 같이 베이스부(201)를 형성하는 금속의 상면에 절연층(202)을 형성하고 그 위에 두 개의 전극단자(204) 및 전극단자(204)에 병렬로 연결되는 복수의 저항체(203)를 형성하고 그 위에 외부 절연층(206)을 형성하여 발열체(200)가 형성될 수 있다. 이때, 중앙부에는 집전판(300)의 집전단자(310)가 관통되도록 관통공(205)이 형성될 수 있다. 또한, 발열체(200)는 일측으로 연장된 형태의 인출 단자부(210)가 형성되어, 전극단자(204)들의 단부가 배치될 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110)와 발열체(200) 사이에는 단열시트(400)가 개재될 수 있다. 즉, 단열시트(400)에 의해 발열체(200)에서 발생하는 열이 엔드 플레이트(110)쪽으로는 잘 전달되지 않고 대부분의 열이 집전판(300)으로 전달되어 집전판(300)을 통해 연료전지스택(1100)을 구성하는 반응셀(1100a)로 전달되도록 할 수 있어 열 손실을 방지할 수 있다. 그리고 단열시트(400)는 발포 실리콘 시트 등과 같은 탄성을 갖는 패드로 형성되어, 적층되어 밀착되도록 결합될 때 필름 형태의 발열체(200)가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 단열시트(400)에도 집전단자(310)가 관통할 수 있도록 관통공(410)이 형성될 수 있으며, 단열시트(400)는 전기적인 절연 기능도 할 수 있다. 이때, 단열시트(400)는 파이프(120,130)들과 발열체(200) 사이에 개재되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 결합 또는 적층된 상태에서 사출 부재(150)를 이용해 인서트 사출하여 일체형으로 형성될 수 있다.
즉, 사출 부재(150)는 엔드 플레이트(110)의 일부 또는 전부가 내측에 포함되고, 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)의 상면을 제외한 모두가 내측에 포함되도록 인서트 사출로 형성되어 일체형으로 결합되도록 할 수 있다. 이때, 인서트 사출에 의해 일체형으로 형성됨으로써, 여러 개로 구성되는 부품들이 사출 부재(150)에 의해 접착되어 용이하게 결합 및 고정될 수 있고, 구조가 간단해질 수 있으며, 연료 및 공기가 흐르는 유로나 채널들과 부품들 사이의 기밀이 용이해질 수 있다. 또한, 사출 부재(150)가 부품들 사이에 형성된 공간이나 간극으로 주입되어 굳으므로 부품들이 견고하게 고정될 수 있으며 부품들 간의 절연을 확실하게 할 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(110)가 전부 사출 부재(150)의 내측에 포함되도록 인서트 사출되어 형성되면, 사출 부재(150)와 엔드 플레이트(110)가 접착되어 결합된 면이 떨어져 분리되지 않을 수 있으며, 엔드 플레이트(110)의 강성에 의해 사출 부재(150)가 변형되는 것을 방지할 수 있으며, 엔드 플레이트(110)의 절연을 확실하게 할 수 있다.
또한, 상기 발열체(200)의 전극단자(204)들의 단부가 배치된 인출 단자부(210)가 사출 부재(150)의 외부로 노출되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기한 발열체(200)의 전극단자(204)들의 단부가 배치된 인출 단자부(210)가 사출 부재(150)의 외부로 노출되도록 사출 부재(150)가 형성되어, 인출 단자부(210)에 전선 또는 커넥터 등을 연결하기 용이할 수 있다.
또한, 상기 집전판(300)은 인서트 사출에 의해 길이방향 및 폭방향의 둘레면이 사출 부재(150)와 접착되어 결합될 수 있다.
즉, 인서트 사출을 통해 형성되면 사출 부재(150)가 집전판(300)의 길이방향 및 폭방향의 둘레면에 접착되어 밀착된 상태로 결합되므로, 집전판(300)을 결합하여 고정하기 위한 별도의 구조가 필요 없이 용이하게 사출 부재(150)와 집전판(300)이 결합될 수 있으며, 결합된 면이 밀폐되고 동시에 절연도 이루어질 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110)에는 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 양단이 고정되는 파이프 고정부(113)가 형성될 수 있다.
즉, 엔드 플레이트(110)의 상면에 후크 형태 등 다양한 형태로 파이프 고정부(113)가 형성되어 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 양단이 파이프 고정부(113)에 결합되어 고정되도록 할 수 있다. 이때, 연료 채널 파이프(120)의 양단은 연료 유로(111)에 연결되므로 파이프 고정부(113)에 의해 파이프의 단부가 정확한 위치에 고정될 수 있으며, 파이프 고정부(113)도 연료 유로(111)에 인접하여 형성되는 것이 바람직하다. 공기 채널 파이프(130) 역시 마찬가지로 고정될 수 있다.
또한, 상기 엔드 플레이트(110) 상에 놓이며, 상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 중앙부가 엔드 플레이트(110)에 고정 또는 지지되는 파이프 지지부재(140)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 파이프들(120, 130)들이 가늘고 길게 형성될 경우 양측이 파이프 고정부(113)에 의해 지지되어 고정되더라도, 파이프의 중앙부가 아래쪽으로 쳐지거나 사출 시 사출 부재(150)의 유동이나 압력 등에 의해 파이프가 변형될 수 있으므로 파이프들의 중앙부가 고정되거나 지지되도록 파이프 지지부재(140)가 구비될 수 있다. 이때, 파이프 지지부재(140)는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 일례로 연료 채널 파이프(120)가 엔드 플레이트(110)의 상면에 놓인 상태에서 파이프 지지부재(140)의 하측에 형성된 홈에 연료 채널 파이프(120)가 끼워지도록 하고 파이프 지지부재(140)에 의해 눌린 형태로 파이프 지지부재(140)가 엔드 플레이트(110)의 상면에 놓여 지지될 수 있으며, 그 상태에서 파이프 지지부재(140)의 상측에 형성된 홈에 공기 채널 파이프(130)가 끼워져 지지되도록 할 수 있다. 또는 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130) 및 파이프 지지부재(140)가 미리 인서트 사출되어 일체로 형성될 수도 있다. 또한, 파이프 지지부재(140)는 엔드 플레이트(110)에 결합되어 위치가 고정될 수도 있다. 그리고 파이프 지지부재(140)에 의해 그 위에 적층되어 놓이는 단열시트(400), 발열체(200) 및 집전판(300)이 지지될 수 있다.
또한, 상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)가 서로 교차되도록 배치되어, 하나의 파이프 지지부재(140)에 의해 파이프들(120, 130)의 중앙부가 지지될 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 파이프들(120, 130)이 서로 높이가 다르게 배치되어 서로 교차하도록 배치될 수 있으며, 하나의 파이프 지지부재(140)를 이용해 파이프들의 중앙부가 지지되도록 할 수 있다.
또한, 상기 발열체(200)는, 고정판(200a) 및 상기 고정판(200a)에 부착된 인덕션 코일(200b)을 포함하여 이루어지며, 상기 집전판(300)이 유도가열되어 발열되거나, 유도가열될 수 있는 별도의 발열판이 더 구비될 수 있다.
이는 상기한 바와 같이 발열체(200) 자체가 가열되도록 저항 발열체 등으로 형성될 수도 있으나, 발열체(200)는 인덕션 방식에 의해 유도가열 되도록 구성되는 것이다. 즉, 일례로 도 8 및 도 9와 같이 인덕션 코일(200b)이 고정판(200a)의 일면에 부착되어 판형으로 형성될 수 있으며, 인덕션 코일(200b)에 의해 집전판(300)이 유도가열될 수 있다. 이때, 집전판(300)은 유도가열이 잘 될 수 있는 페라이트계 금속인 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다. 다른 예로 인덕션 코일(200b)에 의해 유도가열될 수 있는 별도의 발열판이 추가로 구비될 수 있다. 이때, 발열판은 도시되지는 않았으나 집전판과 고정판(200a)의 타면 사이에 개재되어 밀착될 수 있다.
또한, 상기 인덕션 코일(200b)은 평면 형태로 권취되어 고정판(200a)에 적층되어 부착될 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 인덕션 코일(200b)은 평면 형태로 권취되어 에폭시 등의 접착제를 이용해 고정판(200a)의 일면에 적층된 형태로 부착될 수 있다. 그리고 인덕션 코일(200b)의 배치 및 고정이 용이하도록 고정판(200a)의 일면에는 돌출된 구획벽(220a)이 형성되어, 구획벽(220a)의 안쪽에 인덕션 코일(200b)이 안정적으로 안치되어 고정될 수 있다. 또한, 인덕션 코일(200b)은 단일 선으로 형성되어 안쪽의 작은 코일부와 바깥쪽의 큰 코일부가 하나로 연결된 형태로 형성될 수 있으며, 이외에도 유도가열에 용이한 형태로 다양하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 인덕션 코일(200b)과 집전판(300) 또는 상기 인덕션 코일(200b)과 발열판은 이격되게 형성될 수 있다.
즉, 인덕션 코일(200b)에 의해 집전판(300)이 가열되도록 구성되는 경우, 집전판(300)의 열이 직접 인덕션 코일(200b)에 전달되지 않도록 고정판(200a)의 일면에 인덕션 코일(200b)이 부착되어 배치되고 고정판(200a)의 타면이 집전판(300)과 밀착되도록 배치될 수 있다. 그리하여 인덕션 코일(200b)이 열화되는 것을 줄일 수 있어 발열체(200)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
그리고 집전판(300)의 외부로 노출된 상면이 사출 부재(150)의 상면과 동일한 평면상에 있도록 형성되거나, 사출 부재(150)의 상면보다 상측으로 집전판(300)의 상면이 돌출되도록 형성되어, 엔드셀 히터(1000)가 연료전지스택(1100)에 밀착되도록 결합되었을 때, 집전판(300)이 연료전지스택(1100)에 확실하게 밀착되어 통전이 잘 되도록 할 수 있다.
또한, 상기 발열체(200)와 집전판(300) 사이에는 써멀패드가 개재되어 밀착될 수 있다. 즉, 도시되지는 않았으나 열전도 기능을 향상시킬 수 있도록 써멀패드를 발열체(200)와 집전판(300) 사이에 개재하여 밀착되도록 함으로써, 발열체(200)에서 발생되는 열이 집전판(300)을 통해 연료전지스택(1100)의 반응셀(1100a)로 잘 전달되도록 할 수 있다. 이때, 써멀패드에도 집전단자(310)가 관통할 수 있도록 관통공이 형성될 수 있다.
그리고 본 발명의 연료전지용 엔드셀 히터를 포함하는 연료전지(2000)는, 단위전지들이 적층되어 형성되며, 양측에 적층방향으로 양면을 관통하도록 각각 연료 유로(1110) 및 공기 유로(1120)가 형성된 연료전지스택(1100); 및 상기 연료전지스택(1100)에 결합되되, 상기 단위전지들 중 최외곽에 적층된 단위전지의 외측에 적층되어 유로들이 연결되는 상기 엔드셀 히터(1000); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 연료전지(2000)는, 도 12 내지 도 14와 같이 단위전지들인 반응셀(1100a)들이 적층되어 형성된 연료전지스택(1100)에 엔드셀 히터(1000)가 적층되어 형성될 수 있으며, 연료전지스택(1100)의 최외곽에 적층된 반응셀(1100a)에 적층방향과 동일하게 엔드셀 히터(1000)가 적층되어 밀착될 수 있다. 이때, 연료전지스택(1100)에 형성된 연료 유로(1110)와 공기 유로(1120)는 엔드셀 히터(1000)의 연료 유로(111)와 공기 유로(112)에 대응되도록 연결될 수 있다. 이때, 연료전지스택(1100)에는 연료 유로(1110)와 공기 유로(1120) 사이에 냉각 유로가 형성되어 단위전지들로 열교환매체(냉매)가 통과되어 단위전지들을 냉각시킬 수도 있다.
그리하여 연료전지스택을 구성하는 단위전지들이 적층되는 것과 동일하게 최외곽 반응셀의 외측에 엔드셀 히터를 적층하여 밀착되도록 결합하는 것만으로 연료전지스택에 엔드셀 히터를 설치할 수 있으며, 유로들의 연결을 위한 구조가 간단하여 엔드셀 히터의 설치가 매우 용이한 장점이 있다. 그리고 이와 같이 엔드셀 히터를 이용해 연료전지스택의 엔드셀 내부에 물이 어는 것을 방지할 수 있어 연료전지의 초기 시동성 및 초기 주행성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)가 적층된 외측에 적층되고, 상기 엔드셀 히터(1000)의 연료 유로(151) 및 공기 유로(152)에 각각 연결되도록 양측에 각각 연료 유로(1410) 및 공기 유로(1420)가 형성되며, 상기 엔드셀 히터(1000)의 집전단자(310)가 외부로 노출되도록 형성되는 전기 절연성 재질의 커버(1400); 및 상기 연료전지스택(1100), 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400)가 적층방향으로 밀착되도록, 커버(1400)들에 양단이 결합되는 체결부재(1500); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 연료전지스택(1100)의 두께방향 양면에 각각 적층되도록 배치되는 2개의 엔드셀 히터(1000)의 두께방향 외측에 절연성 재질의 커버(1400)를 각각 배치하여, 체결부재(1500)를 이용해 2개의 커버(1400), 2개의 엔드셀 히터(1000) 및 연료전지스택(1100)이 적층되는 방향으로 밀착되도록 결합되어 고정되도록 할 수 있다. 이때, 커버(1400)에는 집전단자(310)들이 삽입되어 커버(1400)의 외측으로 집전단자(310)들이 노출될 수 있도록 관통공이 형성될 수 있다. 그리고 2개의 커버(1400) 중 하나의 커버(1400)에는 연료 유로 및 공기 유로에 연결될 수 있는 연통공이 형성될 수 있으며, 다른 하나의 커버(1400)에는 냉각 유로와 연결될 수 있는 연통공이 형성될 수도 있다. 또한, 체결부재(1500)는 두께방향으로 길게 형성된 판형으로 형성될 수 있으며, 양단이 폭방향으로 절곡되어 절곡된 양단이 커버(1400)에 볼트와 같은 체결수단에 의해 결합되어 고정될 수 있다.
또한, 연료 유로들의 연결부 및 공기 유로들의 연결부에서 기밀을 유지하도록, 엔드셀 히터(1000)와 연료전지스택(1100) 사이에 가스켓이 개재되어 밀착될 수 있으며, 커버(1400)와 엔드셀 히터(1000)의 사이에도 가스켓이 개재되어 밀착될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 연료전지용 엔드셀 히터
100 : 엔드셀
110 : 엔드 플레이트
111 : 연료 유로 112 : 공기 유로
113 : 파이프 고정부 114 : 관통공
120 : 연료 채널 파이프 130 : 공기 채널 파이프
140 : 파이프 지지부재 150 : 사출 부재
151 : 연료 유로 152 : 공기 유로
200 : 발열체
201 : 베이스부 202 : 절연층
203 : 저항체 204 : 전극단자
205 : 관통공 206 : 외부 절연층
210 : 인출 단자부
200a : 고정판 210a : 관통공
220a : 구획벽 200b : 인덕션 코일
300 : 집전판 310 : 집전단자
400 : 단열시트 410 : 관통공
2000 : 연료전지
1100 : 연료전지스택 1100a : 반응셀
1110 : 연료 유로 1120 : 공기 유로
1400 : 커버 1410 : 연료 유로
1420 : 공기 유로 1500 : 체결부재

Claims (13)

  1. 판형으로 형성되어 양측에 양면을 관통하도록 각각 연료 유로(111) 및 공기 유로(112)가 형성되며, 양면을 관통하는 관통공(114)이 형성되는 엔드 플레이트(110);
    파이프로 형성되어 양단이 연료 유로(111)에 연결되며, 상기 엔드 플레이트(110)에 고정되는 연료 채널 파이프(120);
    파이프로 형성되어 양단이 공기 유로(112)에 연결되며, 상기 엔드 플레이트(110)에 고정되는 공기 채널 파이프(130);
    상기 엔드 플레이트(110)와 이격되어 적층 배치되며, 양면을 관통하는 관통공(205)이 형성되는 발열체(200);
    상기 엔드 플레이트(110)와 발열체(200)의 관통공(114, 205)들을 관통하도록 삽입되는 집전단자(310)가 일면에 돌출 형성되며, 상기 엔드 플레이트(110)와 마주보는 발열체(200)의 반대측면에 밀착되도록 적층되는 집전판(300); 및
    상기 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 일체로 결합되도록 하며, 집전판(300)의 일면이 외부로 노출되도록 형성되는 사출 부재(150); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트(110), 연료 채널 파이프(120), 공기 채널 파이프(130), 발열체(200) 및 집전판(300)이 결합 또는 적층된 상태에서 사출 부재(150)를 이용해 인서트 사출하여 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발열체(200)의 전극단자(204)들의 단부가 배치된 인출 단자부(210)가 사출 부재(150)의 외부로 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 집전판(300)은 인서트 사출에 의해 길이 방향 및 폭 방향의 둘레면이 사출 부재(150)와 접착되어 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트(110)에는 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 양단이 고정되는 파이프 고정부(113)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트(110) 상에 놓이며, 상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)의 중앙부가 엔드 플레이트(110)에 고정 또는 지지되는 파이프 지지부재(140)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료 채널 파이프(120) 및 공기 채널 파이프(130)가 서로 교차되도록 배치되어, 하나의 파이프 지지부재(140)에 의해 파이프(120, 130)들의 중앙부가 지지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열체(200)는,
    고정판(200a) 및 상기 고정판(200a)에 부착된 인덕션 코일(200b)을 포함하여 이루어지며,
    상기 집전판(300)이 유도가열되어 발열되거나, 유도가열될 수 있는 별도의 발열판이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인덕션 코일(200b)은 평면 형태로 권취되어 고정판(200a)에 적층되어 부착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 인덕션 코일(200b)과 집전판(300) 또는 상기 인덕션 코일(200b)과 발열판은 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트(110)와 발열체(200) 사이에는 단열시트(400)가 개재되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  12. 단위전지들이 적층되어 형성되며, 양측에 적층방향으로 양면을 관통하도록 각각 연료 유로(1110) 및 공기 유로(1120)가 형성된 연료전지스택(1100); 및
    상기 연료전지스택(1100)에 결합되되, 상기 단위전지들 중 최외곽에 적층된 단위전지의 외측에 적층되어 유로들이 연결되는 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 엔드셀 히터(1000); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 엔드셀 히터(1000)가 적층된 외측에 적층되고, 상기 엔드셀 히터(1000)의 연료 유로(151) 및 공기 유로(152)에 각각 연결되도록 양측에 각각 연료 유로(1410) 및 공기 유로(1420)가 형성되며, 상기 엔드셀 히터(1000)의 집전단자(310)가 외부로 노출되도록 형성되는 전기 절연성 재질의 커버(1400); 및
    상기 연료전지스택(1100), 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400)가 적층방향으로 밀착되도록, 커버(1400)들에 양단이 결합되는 체결부재(1500); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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