KR102286840B1 - 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, 연료전지 스택의 양단 엔드셀에 발열체를 포함하는 히터가 배치되어, 연료전지 스택의 내부에서 물이 응결되는 것을 방지하고, 이를 통해 겨울철 연료전지의 저온 시동 시, 반응셀을 신속하게 가열하여 초기 시동성 및 주행 성능을 향상시킬 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, 연료전지 스택의 양단 엔드셀에 발열체를 포함하는 히터가 배치되어, 연료전지 스택의 내부에서 물이 응결되는 것을 방지하고, 이를 통해 겨울철 연료전지의 저온 시동 시, 반응셀을 신속하게 가열하여 초기 시동성 및 주행 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 수소의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 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 단위 전지(cell)로 이루어진다. 그러나 단위 전지에서는 통상적으로 0.6~0.8V의 낮은 전압이 생성되므로 도 1과 같이 이 단위 전지(30)를 수십장 또는 수백 장 적층한 연료전지 스택(1)으로 구성하여 원하는 전기 출력을 얻게 된다.
그리고 상기의 전해질이 함유된 전해질판, 연료극 및 공기극을 일체형으로 구성한 것이 양성자 교환막전극(MEA: Membrane Electrode Assembly)이며, 수소와 산소 등의 반응 가스가 전극/촉매 판의 전체 면에서 촉매와 효과적으로 접촉하여 전기 화학 반응이 이루어져 전기를 발생시킨다.
즉, 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기블로워를 포함하는 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급되며, 이에 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
상술한 바와 같이, 연료전지로 수소를 공급하기 위해 사용되는 연료로는 천연가스, 석유, 석탄가스 및 메탄올 등 다양하며, 연료 개질 장치를 통해 수소로 전환하여 사용된다.
한편, 이와 같이 스택으로 구성되는 연료전지는 단위 전지들이 적층된 방향의 가장 바깥쪽에 위치한 단위 전지인 엔드셀에서 산소와 수소가 결합하여 발생된 물이 잔존하게 된다.
그런데 겨울철에는 차가운 외기 온도로 인해 엔드셀의 내부에서 물이 얼게 되고, 이로 인해 엔드셀에서는 전기가 생성되지 않아 연료전지의 초기 시동성 및 발진성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 엔드셀용 히터가 개발되었으며, 관련 특허로는 미국 공개 특허공보 제2005-0058865호(공개일 2005.03.17, 명칭:self-thawing fuel cell)가 있었다.
상기 선행 특허에서는 연료전지 스택의 플레이트 단자 또는 엔드셀에 전압이 가해지고, 이를 통해 초기 시동 시 엔드셀이 가열되도록 하는 연료전지가 개시된 바 있다.
하지만, 기존의 엔드셀 히터가 적용된 차량은 저온 시동 시 시동성이 안 좋거나, 초기 주행 성능을 확보하는데 시간이 많이 걸리며, 히터의 사이즈가 커서 연료전지 자체의 크기가 커진다는 단점이 있었다.
또한, 기존의 엔드셀 히터는 히터 내부로 습기 및 이물질이 들어가서 절연성 및 기밀성이 악화되고, 내구성이 저하될 뿐만 아니라, 발열체의 열이 외부로 전도되어 발열 성능이 떨어진다는 문제점이 있었다.
이 외에도, 기존의 엔드셀 히터는 발열체가 연료전지의 극한 작동 조건에서 내구성 및 절연성이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
미국 공개 특허공보 제2005-0058865호(공개일 2005.03.17, 명칭:self-thawing fuel cell)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 연료전지 스택의 양단 엔드셀에 발열체를 포함하는 히터가 배치되어, 연료전지 스택의 내부에서 물이 응결되는 것을 방지하고, 이를 통해 겨울철 연료전지의 저온 시동 시, 반응셀을 신속하게 가열하여 초기 시동성 및 주행 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 엔드셀 히터는 판형으로, 두께 방향으로 양면을 관통하도록 적어도 하나 이상의 수소 유로(110), 산소 유로(120) 및 제1관통공(101)과, 상기 수소 유로(110)들을 연결하는 수소 채널(111), 및 상기 산소 유로(120)들을 연결하는 산소 채널(121)을 포함하는 바이패스 플레이트(100); 상기 바이패스 플레이트(100)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 양면을 관통하는 제2관통공(201)이 형성되는 단열 패드(200); 상기 단열 패드(200)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 양면을 관통하는 제3관통공(301)이 형성되되, 카본 페이스트 및 전극으로 이루어진 발열부(310) 양측 면에 PET층, 알루미늄 층(322) 및 PET 층(321) 순서로 적층된 보호필름부(320)를 포함하는 발열체(300); 및 상기 발열체(300)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 상기 제1 내지 제3관통공(301)에 삽입되는 전극 단자(410)를 포함하는 집전판(400); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이패스 플레이트(100)는 상기 엔드셀 히터(1000)의 최외측으로부터 순차적으로 적층되는 제1커버(100a), 몸체(100b) 및 제2커버(100c)로 이루어지며, 상기 몸체(100b)에 상기 수소 채널(111) 및 산소 채널(121)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2커버(100c)에는 내측으로 오목하게 안착홈(130)이 형성되며, 상기 안착홈(130) 내부에 상기 단열 패드(200), 발열체(300) 및 집전판(400)이 삽입될 수 있다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 바이패스 플레이트(100)의 외측 면과, 상기 집전판(400)의 외측 면이 동일 평면상에 위치될 수 있다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 단열 패드(200)와 접하는 측의 상기 발열체(300)의 면에 돌출 형성된 제1음극 터미널(321) 제1양극 터미널(312); 및 상기 발열체(300)로 전원을 공급하며, 일측 단부에 제2음극 터미널(511) 및 제2양극 터미널(512)이 연결된 와이어(510)와, 상기 와이어(510)의 타측 단부에 연결되어 전원 공급 수단과 연결되는 전원 연결용 커넥터(530)로 이루어지는 전원 공급부(500); 을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 바이패스 플레이트(100)의 몸체(100b) 일정 영역이 관통 형성되는 제1터미널 장착홀(140)과, 상기 제1터미널 장착홀(140)에 대응되는 형태로 상기 제2커버(100c) 및 단열 패드(200)에 관통 형성되는 제2터미널 장착홀(150) 및 제3터미널 장착홀(250)을 포함하며, 상기 제1터미널 장착홀(140)에서 상기 제1음극 터미널(321) 및 제2음극 터미널(511)과, 상기 제1양극 터미널(312) 및 제2양극 터미널(512)이 서로 결합 고정될 수 있다.
또한, 상기 제1터미널 장착홀(140)에는 상기 제1음극 터미널(321) 및 제2음극 터미널(511)이 결합되는 공간과, 상기 제1양극 터미널(312) 및 제2양극 터미널(512)이 결합되는 공간이 분리되도록, 그 사이에 격벽(141)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 격벽(141)은 상기 제2터미널 장착홀(150) 내부 공간을 분리시키도록 상기 제2커버(100c) 측으로, 상기 제2커버(100c)의 두께만큼 더 돌출될 수 있다.
또한, 상기 바이패스 플레이트(100)의 몸체(100b)에는 상기 제1커버(100a)와 접하는 측면의 상기 제1터미널 장착홀(140) 둘레 면을 따라 돌출되는 밀폐용 그루브가 형성될 수 있다.
또한, 상기 발열체(300)는 상기 알루미늄 층(322)의 가장자리가 상기 PET 층(321)의 가장자리보다 내측에 위치하도록, 상기 알루미늄 층(322)이 더 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 발열체(300)는 상기 제1음극 터미널(321) 및 제1양극 터미널(312)이 위치한 영역에 투명한 재질의 PET 필름이 사용될 수 있다.
또한, 상기 몸체(100b)는 상기 몸체(100b)의 일측 면에 오목하게 수소 채널(111)이 형성되고, 타측 면에 오목하게 산소 채널(121)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 바이패스 플레이트(100)는 금속 재질의 파이프가 인서트 사출에 의해 플라스틱 몸체와 함께 일체형으로 형성되며, 상기 파이프가 수소 채널(111) 및 산소 채널(121)을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지는 단위 전지들이 적층되어 형성되며, 적층 방향으로 양측 면을 관통하도록 각각 수소 유로(1110) 및 산소 유로(1120)가 형성된 연료전지 스택(1100); 및 상기 연료전지 스택(1100)의 두께 방향으로 양측 면에 결합되되, 상기 단위 전지들 중 최외각에 적층된 단위 전지의 외측에 적층되어 상기 수소 유로(1110, 110) 및 산소 유로(1120, 120)가 연통되는 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 엔드셀 히터(1000); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지(2000)는 두께 방향으로 양측 면에 적층되고, 상기 엔드셀 히터(1000)의 전극 단자(410)가 외부로 노출되도록 제4관통공(401)이 형성되는 절연성 재질의 커버(1400); 및 상기 연료전지 스택(1100), 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400)가 적층 방향으로 밀착 결합되도록, 상기 커버(1400)에 양측 단부가 결합되는 체결부재(1500); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 연료전지(2000)는 상기 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400) 사이에 개재되는 가스켓(600)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스켓(600)은 상기 바이패스 플레이트(100)와 대응되는 크기로, 수소 유로(110), 산소 유로(120) 및 제1관통공(101)에 대응되는 영역이 관통 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지는 연료전지 스택의 내부에서 물이 응결되는 것을 방지하고, 이를 통해 겨울철 연료전지의 저온 시동 시, 반응셀을 신속하게 가열하여 초기 시동성 및 주행 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 필름 형태의 발열체를 이용하여 콤팩트한 구성이 가능하며, 큰 열용량을 확보할 수 있어, 반응셀을 신속하게 가열할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터는 면상 발열체로 폴리머 PTC 발열체를 사용할 수 있는데, PTC 기능을 나타내는 카본 페이스트에 장기적으로 습기가 침투하면 발열 성능이 변화되므로, 습기의 공급을 방지하기 위해, 카본 페이스트 및 전극에 PET 필름으로 부착하여 내습성을 강화할 수 있다.
이때, 본 발명은 내습성이 뛰어난 알루미늄 박막 및 PET 필름을 추가적으로 부착하되, 전도성을 갖는 알루미늄으로 인해 내전압이 약화되는 것을 방지하기 위해 알루미늄 박막을 PET 필름 크기보다 작게 제작되도록 함으로써, 내습성뿐만 아니라 내전압 특성을 향상시킬 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 기밀성, 절연성 및 내습성 확보로 연료전지 스택의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 바이패스 플레이트 내에서 +, - 전원이 공급되는 단자가 결합되는 공간의 크기를 작게 하고, 외측에 밀폐용 그루부를 형성하여 수소의 밀폐 기능을 강화하고, 전극 간에 격벽을 설치하여 스파크 발생 가능성을 제거함으로써, 수소 리크에 의한 바이패스 플레이트 내 연소 가능성을 줄이고, 연소 시 내부 압력 상승으로 바이패스 플레이트가 파괴하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명은 엔드셀 히터가 연료전지 스택의 셀 적층되는 방향과 동일하게 적층되어 결합이 용이하므로, 연료전지 스택에 엔드셀 히터를 결합하기 위한 별도의 구조를 형성하지 않아도 되는 장점이 있다.
도 1은 종래의 연료전지를 나타낸 사시도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터를 포함하는 연료전지를 나타낸 사시도 및 분해사시도.
도 4는 도 2의 AA' 방향 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터를 나타낸 사시도 및 분해사시도.
도 7은 도 5의 BB' 방향 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터의 발열체를 나타낸 정면도 및 부분 확대도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터의 발열체의 적층 구조.
도 10은 도 6의 CC' 방향 단면 사시도.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터에서 몸체 및 제2커버가 결합된 상태의 일부 영역을 나타낸 사시도.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지를 나타낸 분해사시도.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 엔드셀 히터 및 이를 포함하는 연료전지를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터(1000)를 나타낸 사시도 및 분해사시도로, 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 엔드셀 히터(1000)는 연료전지 스택(1100)의 양단 엔드셀에 밀착되어 적층되는 것으로, 양측 단부에 위치한 엔드셀을 가열함으로써, 연료전지 스택(1100) 내부에서 물이 응결되는 것을 방지하게 된다.
도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 엔드셀 히터(1000)는 크게 바이패스 플레이트(100), 단열 패드(200), 발열체(300) 및 집전판(400)을 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 바이패스 플레이트(100)는 연료전지 스택(1100)에서 단위 전지들인 반응셀(1100a)들이 적층되는 방향으로 최외각에 배치된 단위 전지인 더미 셀 개념으로, 반응셀(1100a)의 외형에 대응되는 판 형태로 형성될 수 있다.
상기 바이패스 플레이트(100)는 두께 방향으로 양측 면을 관통하도록 적어도 하나 이상의 수소 유로(110), 산소 유로(120)가 형성된다.
또한, 수소 유로(110) 및 산소 유로(120) 사이에는 연료전지 스택(1100)의 냉각을 위한 열교환매체가 유동될 수 있도록 냉각 유로가 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 상기 바이패스 플레이트(100)는 길이방향으로 일측에 하나의 수소 유로(110) 및 산소 유로(120)가 형성되고, 길이방향으로 타측에 다른 하나의 연료 유로 및 다른 하나의 공기 유로가 형성될 수 있다.
두 개의 상기 수소 유로(110)는 수소 채널(111)에 의해 서로 연결될 수 있으며, 두 개의 상기 산소 유로(120)는 산소 채널(121)에 의해 서로 연결될 수 있다. 이때, 두 개의 산소 유로(120) 및 두 개의 수소 유로(110)는 각각 대각선 방향으로 배치될 수 있으며, 이 외에도 다양하게 배치될 수 있다.
아울러, 상기 바이패스 플레이트(100)에는 두께 방향으로 양측 면을 관통하도록 두 개의 제1관통공(101)이 형성된다.
더욱 상세하게 살펴보면, 도 6에 도시된 것처럼, 상기 바이패스 플레이트(100)는 최외측으로부터 순차적으로 적층되는 제1커버(100a), 몸체(100b) 및 제2커버(100c)로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 바이패스 플레이트(100)는 연료전지(2000)의 단위 전지로 형성되는 전해질이 함유된 전해질판, 연료극 및 공기극을 조립하여 일체형으로 구성한 막-전극 접합체(MEA)의 형태와 같이, 상기 제1커버(100a), 몸체(100b) 및 제2커버(100c)가 두께 방향으로 적층될 수 있다.
상기 몸체(100b)에는 상기 수소 유로(110)들을 연결하는 수소 채널(111), 및 상기 산소 유로(120)들을 연결하는 산소 채널(121)이 형성된다. 이때, 상기 몸체(100b)는 일측 면에 오목하게 수소 채널(111)이 형성되고, 타측 면에 오목하게 산소 채널(121)이 형성될 수 있다.
그리고 제1커버(100a), 몸체(100b) 및 제2커버(100c)는 각각 밀착 결합됨으로써, 상기 수소 유로(110) 및 산소 유로(120)가 각각 해당되는 채널에 연결된다.
또 다른 실시 예로, 상기 바이패스 플레이트(100)는 금속 재질의 파이프가 인서트 사출에 의해 플라스틱 몸체(100b)와 함께 일체형으로 형성되고, 상기 파이프가 수소 채널(111) 및 산소 채널(121)을 이룰 수 있다.
즉, 상기 바이패스 플레이트(100)는 상기한 제1커버(100a), 몸체(100b) 및 제2커버(100c)가 조립되는 것이 아닌, 인서트 사출을 이용하여 금속 재질의 파이프가 플라스틱 몸체(100b)에 삽입되는 형태로 형성되는 것이다. 이때, 금속 재질의 파이프가 산소 채널(121) 및 수소 채널(111)을 이루게 된다.
다음으로, 상기 단열 패드(200)는 상기 바이패스 플레이트(100)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 양면을 관통하는 제2관통공(201)이 형성될 수 있다.
상기 발열체(300)는 전기를 공급받아 열을 발생시키는 것으로, 상기 단열 상기 단열 패드(200)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 양면을 관통하는 제3관통공(301)이 형성되되, 카본 페이스트 및 전극으로 이루어진 발열부(310) 양측 면에 PET층, 알루미늄 층(322) 및 PET 층(321) 순서로 적층된 보호필름부(320)를 포함한다.
이때, 상기 발열체(300)는 카본 페이스트 및 전극으로 이루어진 발열부(310)의 패턴을 다양하게 형성할 수 있는데, 발열부(310) 패턴의 변화를 통해 부위별로 열밀도를 조절할 수도 있다.
또한, 상기 발열체(300)는 면상 발열체(300)로, 폴리머 PTC 발열체(300)가 사용될 수 있는데, PTC 기능을 나타내는 카본 페이스트에 장기적으로 습기가 침투하면 발열 성능이 변화되므로, 습기의 공급을 방지하기 위해, 카본 페이스트 및 전극에 PET 필름으로 부착하여 내습성을 강화하게 된다.
특히, 상기 발열체(300)는 내습성이 뛰어난 알루미늄 박막 및 PET 필름을 추가적으로 부착하되, 전도성을 갖는 알루미늄으로 인해 내전압이 약화되는 것을 방지하기 위해 알루미늄 박막을 PET 필름 크기보다 작게 제작되도록 함으로써, 내습성뿐만 아니라 내전압 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 집전판(400)은 연료전지 스택(1100)에서 발생되는 전기를 모아 전달하는 것으로, 전기 전도성 재질인 금속판으로 형성되어 연료전지 스택(1100)과 통전될 수 있다. 상기 집전판(400)은 상기 발열체(300)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 상기 바이패스 플레이트(100)의 제1관통공(101), 단열 패드(200)의 제2관통공(201), 발열체(300)의 제3관통공(301)에 삽입되는 전극 단자(410)가 돌출 형성된다.
한편, 상기 단열 패드(200)는 상기 발열체(300)에서 발생된 열이 엔드셀로는 잘 전달되지 않고, 대부분의 열이 상기 집전판(400)으로 전달되도록 함으로써, 열 손실을 방지할 수 있다. 그리고 상기 단열 패드(200)는 발포 실리콘 시트 등과 같은 탄성을 갖는 패드로 형성되어, 적층되어 밀착되도록 결합될 때 필름 형태의 발열체(300)가 파손되는 것을 방지할 수 있다
또, 상기 발열체(300)와 집전판(400) 사이에는 써멀 그리스 또는 써멀 패드가 개재되어 밀착될 수 있다. 즉, 도시되지는 않았으나 열전도 기능을 향상시킬 수 있도록 써멀 패드 또는 써멀 그리스를 발열체(300)와 집전판(400) 사이에 개재되도록 함으로써, 발열체(300)에서 발생되는 열이 집전판(400)을 통해 연료전지 스택(1100)의 반응셀(1100a)로 잘 전달되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제2커버(100c)에는 내측으로 오목하게 안착홈(130)이 형성되며, 상기 안착홈(130) 내부에 상기 단열 패드(200), 발열체(300) 및 집전판(400)이 삽입될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 것처럼, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 제2커버(100c)의 안착홈(130)에 단열 패드(200), 발열체(300) 및 집전판(400)이 삽입 안착되도록 함으로써, 이들의 위치가 일정 위치로 고정시키는 것이 용이하며, 조립 후 이탈을 방지할 수 있다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 바이패스 플레이트(100)의 외측 면과, 상기 집전판(400)의 외측 면이 동일 평면상에 위치되도록 할 수 있다.
이에 따라, 상기 엔드셀 히터(1000)는 연료전지 스택(1100)에 밀착되도록 결합되었을 때, 상기 집전판(400)이 연료전지 스택(1100)에 확실하게 밀착되어 통전이 잘되도록 할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 단열 패드(200)와 접하는 측의 상기 발열체(300)의 면에 돌출 형성된 제1음극 터미널(321) 제1양극 터미널(312)과, 전원 공급부(500)를 포함한다.
상기 전원 공급부(500)는 상기 발열체(300)로 전원을 공급하며, 일측 단부에 제2음극 터미널(511) 및 제2양극 터미널(512)이 연결된 와이어(510)와, 상기 와이어(510)의 타측 단부에 연결되어 전원 공급 수단과 연결되는 전원 연결용 커넥터(530)로 이루어진다.
또한, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 바이패스 플레이트(100)의 몸체(100b) 일정 영역이 관통 형성되는 제1터미널 장착홀(140)과, 상기 제1터미널 장착홀(140)에 대응되는 형태로 상기 제2커버(100c) 및 단열 패드(200)에 관통 형성되는 제2터미널 장착홀(150) 및 제3터미널 장착홀(250)을 포함한다.
이때, 상기 제2음극 터미널(511) 및 제2양극 터미널(512)은 상기 제1터미널 장착홀(140)에서 상기 제1음극 터미널(321) 및 제2음극 터미널(511)과 서로 결합되어, 상기 제1터미널 장착홀(140) 내부에 고정된다.
즉, 상기 엔드셀 히터(1000)는 상기 전원 연결용 커넥터(530)에 전원을 공급하는 수단이 꼽혀져 전원을 공급받게 되며, 공급된 전원은 전원 연결용 커넥터(530)와 연결된 와이어(510)와, 와이어(510)에 연결된 상기 제2음극 터미널(511) 및 제2양극 터미널(512), 제2음극 터미널(511) 및 제2양극 터미널(512)과 연결되는 제1음극 터미널(321) 제1양극 터미널(312)을 통해 상기 발열체(300)로 전달된다.
그런데, 상기 엔드셀 히터(1000)는 수소 누출 시, 외부의 수소 센서에 의해 소량이라도 파악되면 시스템이 정지될 수 있다. 산소는 어디에나 존재하므로, 수소가 있으면 연소반응의 위험성이 발생되는데, 이러한 연소반응은 일정 수준 이상의 에너지를 통해 활성화되며, 엔드셀 히터에서는 전기 스파크는 활성화 요인이 될 수도 있다.
따라서 이를 방지하기 위해, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 각 터미널이 결합되는 공간인 상기 제1터미널 장착홀(140)을 작게 형성하여, 수소가 모일만한 공간을 최소화하였다. 이와 같이 터미널 공간이 좁으면, 연소반응열을 줄이게 되므로, 바이패스 플레이트 파괴 가능성을 낮출 수 있다.
또한, 상기와 같은 문제점을 방지하기 위해, 도 10과 같이 상기 제1터미널 장착홀(140)에는 상기 제1음극 터미널(321) 및 제2음극 터미널(511)이 결합되는 공간과, 상기 제1양극 터미널(312) 및 제2양극 터미널(512)이 결합되는 공간이 분리되도록, 그 사이에 격벽(141)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 격벽(141)은 상기 제2터미널 장착홀(150) 내부 공간을 분리시키도록 상기 제2커버(100c) 측으로, 상기 제2커버(100c)의 두께만큼 더 돌출되는 것이 바람직하다.
상기 격벽(141)은 음극 전극과 양극 전극 사이에 공간을 분리함으로써, 전기 스파크를 방지하는 역할을 하게 된다.
아울러, 도 11과 같이, 상기 바이패스 플레이트(100)의 몸체(100b)에는 상기 제1커버(100a)와 접하는 측면의 상기 제1터미널 장착홀(140) 둘레 면을 따라 돌출되는 밀폐용 그루브(142)가 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 엔드셀 히터(1000)는 전기 스파크 발생을 방지할 뿐만 아니라, 터미널 결합 공간의 크기를 작게 하고, 밀폐용 그루브(142)를 형성하여 수소의 밀폐 기능을 강화함으로써, 수소 리크에 의한 바이패스 플레이트 내 연소 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 상기 발열체(300)는 제1음극 터미널(321) 제1양극 터미널(312)이 상기 바이패스 플레이트(100)에 형성되는 커넥터부(140)에 끼워지게 되는데, 조립 시 상기 제1터미널(320)이 상기 발열부(310) 또는 보호필름부(320)에 의해 가려지면 조립 상태를 제대로 확인할 수 없다.
따라서 본 발명에서는 상기 발열체(300)의 제1음극 터미널(321) 제1양극 터미널(312) 부근에 투명한 재질의 PET 필름이 사용되도록 함으로써, 조립 시 육안으로 제1음극 터미널(321) 제1양극 터미널(312)의 조립을 확인할 수 있도록 한다.
다음으로, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 엔드셀 히터(1000)를 포함하는 연료전지(2000)로, 연료전지 스택(1100), 엔드셀 히터(1000), 커버(1400) 및 체결부재(1500)를 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 연료전지 스택(1100)은 단위 전지들이 적층되어 형성되며, 적층 방향으로 양측 면을 관통하도록 각각 수소 유로(1110) 및 산소 유로(1120)가 형성된다.
이때, 연료전지 스택(1100)에 형성된 수소 유로(1110) 및 산소 유로(1120)는 엔드셀 히터(1000)의 수소 유로(110) 및 산소 유로(120)에 대응되도록 연결될 수 있다.
또한, 연료전지 스택(1100)에는 수소 유로(1110) 및 산소 유로(1120) 사이에 냉각 유로가 형성될 수 있으며, 냉각 유로에 유동되는 열교환매체로 인해 단위 전지를 냉각시킬 수 있다.
다음으로, 상기 커버(1400)는 두께 방향으로 양측 면에 적층되고, 상기 엔드셀 히터(1000)의 전극 단자(410)가 외부로 노출되도록 제4관통공(401)이 형성되는 절연성 재질의 부재이며, 상기 체결부재(1500)는 상기 연료전지 스택(1100), 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400)가 적층 방향으로 밀착 결합되도록, 상기 커버(1400)에 양측 단부가 결합된다.
즉, 연료전지 스택(1100)의 두께 방향으로 양측에 각각 적층되도록 배치되는 2개의 엔드셀 히터(1000) 외측에 절연성 재질의 커버(1400)를 각각 배치하여, 체결부재(1500)를 이용해 2개의 커버(1400), 2개의 엔드셀 히터(1000) 및 연료전지 스택(1100)이 적층 방향으로 밀착 결합되도록 할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(2000)는 산소 유로(1120), 수소 유로(1110) 및 냉각 유로에서의 기밀이 유지되도록 상기 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400) 사이에 개재되는 가스켓(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 가스켓(600)은 상기 바이패스 플레이트(100)와 대응되는 크기로, 수소 유로(1110), 산소 유로(1120) 및 제1관통공(101)에 대응되는 영역이 관통 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 연료전지 스택(1100)을 구성하는 단위 전지의 적층과 동일하게, 최외각 반응셀(1100a)의 외측에 엔드셀 히터(1000)를 적층하여 밀착되도록 하는 것만으로 연료전지 스택(1100)에 엔드셀 히터(1000)를 설치할 수 있으며, 유로들의 연결을 위한 구조가 간단하여 엔드셀 히터(1000)의 설치가 매우 용이한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 엔드셀 히터(1000)를 이용해 연료전지 스택(1100) 내부에 물이 응결되는 것을 방지할 수 있어 연료전지(2000)의 초기 시동성 및 주행 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용 범위가 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: 엔드셀 히터
1100: 연료전지 스택 1100a: 반응셀
1110: 수소 유로 1120: 산소 유로
1400: 커버
1500: 체결부재
2000: 연료전지
100: 바이패스 플레이트
100a: 제1커버 100b: 몸체
100c: 제2커버
101: 제1관통공
110: 수소 유로 111: 수소 채널
120: 산소 유로 121: 산소 채널
130: 안착홈 140: 제1터미널 장착홀
141: 격벽 142: 밀폐용 그루브
150: 제2터미널 장착홀
200: 단열 패드 201: 제2관통공
250: 제3터미널 장착홀
300: 발열체 301: 제3관통공
310: 발열부
311: 제1음극 터미널 312: 제1양극 터미널
320: 보호필름부
321: PET 층 322: 알루미늄 층
400: 집전판 410: 전극 단자
500: 전원 공급부
510: 와이어
511: 제2음극 터미널 512: 제2양극 터미널
530: 전원 연결용 커넥터 600: 가스켓

Claims (17)

  1. 판형으로, 두께 방향으로 양면을 관통하도록 적어도 하나 이상의 수소 유로(110), 산소 유로(120) 및 제1관통공(101)과, 상기 수소 유로(110)들을 연결하는 수소 채널(111), 및 상기 산소 유로(120)들을 연결하는 산소 채널(121)을 포함하는 바이패스 플레이트(100);
    상기 바이패스 플레이트(100)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 양면을 관통하는 제2관통공(201)이 형성되는 단열 패드(200);
    상기 단열 패드(200)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 양면을 관통하는 제3관통공(301)이 형성되되, 카본 페이스트 및 전극으로 이루어진 발열부(310) 양측 면에 PET층, 알루미늄 층(322) 및 PET 층(321) 순서로 적층된 보호필름부(320)를 포함하는 발열체(300); 및
    상기 발열체(300)의 두께 방향으로 일측 면에 적층되며, 상기 제1 내지 제3관통공(301)에 삽입되는 전극 단자(410)를 포함하는 집전판(400); 을 포함하고,
    상기 바이패스 플레이트(100)는
    엔드셀 히터의 최외측으로부터 순차적으로 적층되는 제1커버(100a), 몸체(100b) 및 제2커버(100c)로 이루어지며, 상기 몸체(100b)에 상기 수소 채널(111) 및 산소 채널(121)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2커버(100c)에는
    내측으로 오목하게 안착홈(130)이 형성되며, 상기 안착홈(130) 내부에 상기 단열 패드(200), 발열체(300) 및 집전판(400)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 바이패스 플레이트(100)의 외측 면과, 상기 집전판(400)의 외측 면이 동일 평면상에 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단열 패드(200)와 접하는 측의 상기 발열체(300)의 면에 돌출 형성된 제1음극 터미널(311) 제1양극 터미널(312); 및
    상기 발열체(300)로 전원을 공급하며, 일측 단부에 제2음극 터미널(511) 및 제2양극 터미널(512)이 연결된 와이어(510)와, 상기 와이어(510)의 타측 단부에 연결되어 전원 공급 수단과 연결되는 전원 연결용 커넥터(530)로 이루어지는 전원 공급부(500); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 바이패스 플레이트(100)의 몸체(100b) 일정 영역이 관통 형성되는 제1터미널 장착홀(140)과, 상기 제1터미널 장착홀(140)에 대응되는 형태로 상기 제2커버(100c) 및 단열 패드(200)에 관통 형성되는 제2터미널 장착홀(150) 및 제3터미널 장착홀(250)을 더 포함하며,
    상기 제1터미널 장착홀(140)에서 상기 제1음극 터미널(311) 및 제2음극 터미널(511)과, 상기 제1양극 터미널(312) 및 제2양극 터미널(512)이 서로 결합 고정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1터미널 장착홀(140)에는
    상기 제1음극 터미널(311) 및 제2음극 터미널(511)이 결합되는 공간과, 상기 제1양극 터미널(312) 및 제2양극 터미널(512)이 결합되는 공간이 분리되도록, 그 사이에 격벽(141)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 격벽(141)은
    상기 제2터미널 장착홀(150) 내부 공간을 분리시키도록 상기 제2커버(100c) 측으로, 상기 제2커버(100c)의 두께만큼 더 돌출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 바이패스 플레이트(100)의 몸체(100b)에는
    상기 제1커버(100a)와 접하는 측면의 상기 제1터미널 장착홀(140) 둘레 면을 따라 돌출되는 밀폐용 그루브(142)가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 발열체(300)는
    상기 알루미늄 층(322)의 가장자리가 상기 PET 층(321)의 가장자리보다 내측에 위치하도록, 상기 알루미늄 층(322)이 더 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 발열체(300)는
    상기 제1음극 터미널(311) 및 제1양극 터미널(312)이 위치한 영역에 투명한 재질의 PET 필름이 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체(100b)는
    상기 몸체(100b)의 일측 면에 오목하게 수소 채널(111)이 형성되고, 타측 면에 오목하게 산소 채널(121)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 플레이트(100)는
    금속 재질의 파이프가 인서트 사출에 의해 플라스틱 몸체와 함께 일체형으로 형성되며, 상기 파이프가 수소 채널(111) 및 산소 채널(121)을 이루는 것을 특징으로 하는 연료전지용 엔드셀 히터.
  14. 단위 전지들이 적층되어 형성되며, 적층 방향으로 양측 면을 관통하도록 각각 수소 유로(1110) 및 산소 유로(1120)가 형성된 연료전지 스택(1100); 및
    상기 연료전지 스택(1100)의 두께 방향으로 양측 면에 결합되되, 상기 단위 전지들 중 최외각에 적층된 단위 전지의 외측에 적층되어 상기 수소 유로(1110, 110) 및 산소 유로(1120, 120)가 연통되는 상기 제 1항, 및 제 3항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 엔드셀 히터(1000); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    두께 방향으로 양측 면에 적층되고, 상기 엔드셀 히터(1000)의 전극 단자(410)가 외부로 노출되도록 제4관통공(401)이 형성되는 절연성 재질의 커버(1400); 및
    상기 연료전지 스택(1100), 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400)가 적층 방향으로 밀착 결합되도록, 상기 커버(1400)에 양측 단부가 결합되는 체결부재(1500); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 엔드셀 히터(1000) 및 커버(1400) 사이에 개재되는 가스켓(600)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 가스켓(600)은
    상기 바이패스 플레이트(100)와 대응되는 크기로, 수소 유로(110), 산소 유로(120) 및 제1관통공(101)에 대응되는 영역이 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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