KR20050048275A

KR20050048275A - 전기자동차용 연료 전지 모듈

Info

Publication number: KR20050048275A
Application number: KR1020030082178A
Authority: KR
Inventors: 신환수; 김수환; 이기춘; 조규택
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-05-24
Also published as: KR100569133B1

Abstract

연료 전지 스택을 별도로 체결하지 않고, 연료 전지 모듈의 아웃터 케이스 내에서, 스택 프레임을 통하여 한번에 체결하며, 아웃터 케이스의 내부 일면과 연료 전지 스택의 일측 엔드 플레이트 사이에 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료 전지 스택의 기밀성이 향상되도록 함과 동시에, 그 사이즈를 최소화할 수 있도록;

다수개의 분리판과 전극 전해질 접합체가 적층된 복수개의 연료 전지 스택을 체결하여 구성되는 전기자동차용 연료 전지 모듈에서,

양 측단부 외단면 상에 다수개의 볼트홀을 형성하고, 내부에는 공간부를 형성하는 4각 형상의 아웃터 케이스; 상기 아웃터 케이스의 양 측단부에 각각 상기 볼트홀을 통하여 볼트 체결되는 양 측면 커버; 상기 아웃터 케이스의 공간부 중앙에 횡방향으로 배치되는 급배박스; 상기 급배박스를 기준으로 양측에 각각 설치되는 복수개의 스택유닛; 상기 아웃터 케이스의 내부에서 상기 스택유닛과 상기 양 측면 커버 사이에 각각 개재되는 양측 케이스 엔드 플레이트; 및 상기 아웃터 케이스의 상부를 덮는 상부 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈을 제공한다.

Description

전기자동차용 연료 전지 모듈{A FUEL CELL MODULE FOR ELECTRIC VEHICLES}

본 발명은 전기자동차 등에 사용되는 연료 전지 모듈에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 연료 전지 스택을 별도로 체결하지 않고, 연료 전지 모듈의 아웃터 케이스 내에서, 스택 프레임을 통하여 한번에 체결하며, 아웃터 케이스의 내부 일면과 연료 전지 스택의 일측 엔드 플레이트 사이에 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료 전지 스택의 기밀성이 향상되도록 함과 동시에, 그 사이즈를 최소화할 수 있도록 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 전기자동차용 연료 전지 모듈은 복수개의 연료 전지 스택과, 그 연료 전지 스택 사이에 가스배관을 형성한 급배박스를 개재하여 아웃터 케이스 내에서 하나의 모듈단위를 이룬다. 이러한 연료 전지 모듈에서, 상기 연료 전지는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 전기화학 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막의 접합체인 전극 전해질 접합체(101, MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 이를 지지하는 분리판(103)으로 이루어져 있다.

고분자 전해질 연료 전지는 다른 형태의 연료 전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에, 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다.

또한, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전 세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.

이러한 고분자 전해질 연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로, 공급된 수소가 어노드(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 되며, 이 때, 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키며, 이 때, 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.

Anode : H₂?? 2H⁺+2e^- ,

Cathode : (1/2)O₂ +2H⁺+2e^-??H₂O

실제로 전기자동차용 연료 전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 하며, 이렇게 적층한 것을 연료 전지 스택(100; Stack)이라 한다.

즉, 분리판과 분리판 사이에는 전극 전해질 접합체(MEA)가 위치하여 화학반응이 일어나고, 가스교환을 효율적으로 하기 위한 가스 확산층(GDL)이 위치하며, 한쪽 분리판의 가스통로를 통과한 수소는 가스 확산층을 통하여 전극 전해질 접합체에 도달하고 마주보는 쪽에서는 산소가 위치한다.

화학반응에 의하여 발생한 전류는 도체의 분리판을 통하여 흐르게 되며, 분리판의 맨 끝에서 전극을 통하여 뽑아낸다. 또한, 발생한 물은 외부로 방출시키거나 화학반응을 일으키는데 일부 사용되기도 하는데, 이 때, 가능한 많은 양의 전류가 흐르는 연료 전지가 효율이 좋게 되며, 이에 영향을 끼치는 요소는 많이 있지만, 분리판과 분리판 사이의 면압이 하나의 요소가 된다.

즉, 면압이 너무 작은 경우는 분리판과 분리판 사이의 접촉 저항이 커져서 전류가 흐르지 않을 수가 있으며, 면압이 너무 큰 경우는 가스 확산층이 너무 압축되어서 가스 확산이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다.

따라서 전류가 효율적으로 흐르는 면압이 존재하게 되며, 이는 기계적 체결장치를 변경함으로써 면압 분포를 효율적으로 개선할 수 있다.

하지만, 다수의 셀을 적층하는 스택에서는 셀의 적층 정밀도가 내부 저항으로 나타나기 때문에, 극단적으로 많은 셀을 적층하는 경우 각 셀에 연료를 균등하게 공급하기 어려워지고, 이는 연료 전지의 효율을 감소시키는 작용을 한다.

도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 연료 전지 스택의 체결 구조 및 주요 체결부를 확대하여 나타낸 도면으로써, 종래 연료 전지 스택 체결 구조는 다수개 배열된 분리판(103)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(120,121)와, 상기 2개의 엔드 플레이트(120,121)를 연결하는 다수의 체결봉(130) 및 체결너트(140)로 이루어져 있다.

이 때, 상기 너트(140)는 체결봉(130) 끝부분에 형성된 수나사(150)에 체결되어 그 조임 상태에 따라 양측 엔드 플레이트(120,121)가 다수개의 연료 전지 분리판(110)에 대하여 양측면을 가압하여 체결하게 된다.

이러한 종래의 연료 전지 스택의 체결 구조에서, 그 문제점은 체결봉(130)과 스택(110)간의 간격(G)으로 인하여, 체결시 불필요한 굽힘 하중이 작용하게 되며, 이에 따라 연료 전지 스택(100) 전체 면적에 고른 압력을 유지할 수 없게 되어 연료 전지 스택(100)의 기밀을 유지할 수 없게 되는 문제점을 내포하고 있다.

그리고 자동차에 탑재하는 부품은 가능한 부피를 줄여야 할 필요성이 있으며, 이러한 관점에서, 종래 연료 전지 스택(100)의 체결 구조에 의하면, 다수개의 체결봉(130)을 통한 체결로 4개의 연료 전지 스택(100) 사이에 가스배관을 포함하는 급배박스를 개재하여 한 조가 되는 연료 전지 모듈(미도시)의 제작시, 상기 체결봉(130)에 의해 연료 전지 모듈의 전체 사이즈가 커지게 되는 문제점도 내포하고 있다.

또한, 각각의 연료 전지 모듈을 하나씩 별도로 체결한 후, 모듈화 하는 작업의 이중성으로 인한 제조 및 정비성의 저하되는 문제점도 내포하고 있는 것이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 스택을 별도로 체결하지 않고, 연료 전지 모듈의 아웃터 케이스 내에서, 스택 프레임을 통하여 한번에 체결하며, 아웃터 케이스의 내부 일면과 연료 전지 스택의 일측 엔드 플레이트 사이에 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료 전지 스택의 기밀성이 향상되도록 함과 동시에, 그 사이즈를 최소화할 수 있도록 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 전기자동차용 연료 전지 모듈은 다수개의 분리판과 전극 전해질 접합체가 적층된 복수개의 연료 전지 스택을 체결하여 구성되는 전기자동차용 연료 전지 모듈에서,

양 측단부 외단면 상에 다수개의 볼트홀을 형성하고, 내부에는 공간부를 형성하는 4각 형상의 아웃터 케이스; 상기 아웃터 케이스의 양 측단부에 각각 상기 볼트홀을 통하여 볼트 체결되는 양 측면 커버; 상기 아웃터 케이스의 공간부 중앙에 횡방향으로 배치되는 급배박스; 상기 급배박스를 기준으로 양측에 각각 설치되는 복수개의 스택유닛; 상기 아웃터 케이스의 내부에서 상기 스택유닛과 상기 양 측면 커버 사이에 각각 개재되는 양측 케이스 엔드 플레이트; 및 상기 아웃터 케이스의 상부를 덮는 상부 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 연료 전지 모듈의 부분 절개 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 연료 전지 모듈의 조립 사시도, 도 5는 도 3의 A-A 선에 따른 단면도로써, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 연료 전지 모듈(1)은 다수개의 분리판(3)과 전극 전해질 접합체(5)가 적층된 복수개의 연료 전지 스택(10)을 체결하여 구성되는 것으로, 그 구체적인 구성은 먼저, 연료 전지 모듈 구성을 위한 아웃터 케이스(11)가 구비된다.

상기 아웃터 케이스(11)는 4각 형상으로 그 양 측단부 외단면 상에 다수개의 볼트홀(13)을 형성하고, 내부에는 공간부(15)를 형성하여 이루어진다.

상기 아웃터 케이스(11)의 양 측단부에는 각각 상기 볼트홀(13)을 통하여 양 측면 커버(17,19)가 볼트 체결된다.

상기 아웃터 케이스(11)의 공간부(15) 중앙에는 내부에 가스배관(미도시)을 형성하는 급배박스(21)가 횡방향으로 배치되고, 상기 급배박스(21)를 기준으로 양측에는 각각 2개씩의 스택유닛(7)이 한 조로 설치된다.

상기 아웃터 케이스(11)의 내부에서 상기 스택유닛(7)과 상기 양 측면 커버(17,19) 사이에는 각각 케이스 엔드 플레이트(23)가 개재되고, 상기 아웃터 케이스(11)의 상부에는 상부 커버(25)가 이를 덮도록 구성되어 그 양단 가장자리를 통하여 상기 양 측면 커버(23)에 볼트 체결된다.

상기에서 아웃터 케이스(11) 양 측면의 중앙에는 상기 급배박스(21)의 가스배관을 연결하기 위한 3개의 가스배관용 관통홀(27)이 형성된다.

그리고 상기 스택유닛(7)은 다수개의 분리판(3) 및 전극 전해질 접합체(5)를 적층시켜서 단위 연료 전지 스택(10)을 구성하고, 상기 연료 전지 스택(10)은 그 양단에 내,외측 스택 엔드 플레이트(29,31)를 배치하여 연료 전지 스택(10)을 지지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 연료 전지 스택(10) 및 그 양단부의 스택 엔드 플레이트(29,31)는 스택 프레임(33)내부에 삽입되며, 상기 외측 스택 엔드 플레이트(31)와 상기 양측 케이스 엔드 플레이트(23) 사이에는 탄성체가 각각 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하도록 이루어진다.

본 실시예에서는 상기 탄성체를, 도 6에서와 같이, 중앙에 홀(37)이 형성되고 이 홀(37)을 중심으로 하여 방사형으로 형성되는 하나의 접시형 스프링(35)을 개재하여 적용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 작용 하중을 증가시키려면, 크기가 작은 여러 개의 접시형 스프링(35)을 적층시켜 직렬로 연결하고, 그 변위를 증가시키려면, 서로 다른 모양으로 여러 개를 적층시켜 병렬로 연결할 수 있다.

이러한 접시형 스프링(35)의 재료는 항복응력이 높을수록 스프링의 갯수를 줄일 수가 있기 때문에 부피를 감소하기 위해 항복응력이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 접시형 스프링(35)으로 설계하기 곤란한 경우에는 탄성계수가 낮은 재료를 사용하여 대체할 수 도 있다.

또한, 상기 내,외측 엔드 플레이트(29,31)는 알루미늄 합금 또는 스테인레스 재료나 방향성이 있는 유리섬유 강화 플라스틱을 사용할 수 있으며, 재료에 따라서 차이는 있으나, 대략 그 두께는 15mm ~ 30mm 가량된다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 전기자동차용 연료 전지 모듈(1)에 의하면, 상기 외측 스택 엔드 플레이트(31)와 상기 양측 케이스 엔드 플레이트(23) 사이에 개재되는 접시형 스프링(35)의 높이(h)가 그 두께(t)의 1.5배일 때, 도 7에서와 같은 접시형 스프링의 이론적인 변위에 대한 하중 특성을 나타내는 바, 특정구간(S)에서는 스프링의 변위가 발생하여도 비교적 하중이 일정한 구간이 존재하며, 이 구간 내에서는 운전 중, 스택에 가해지는 충격에 대해서도 각 분리판(3)에 가해지는 면압의 변화는 상기 접시형 스프링(35)에 의해 흡수되어 안정적으로 유지될 뿐만 아니라 연료 전지의 기밀성도 향상시킬 수 있는 것이다.

물론, 상기 접시형 스프링(35)의 높이(h)가 두께(t)의 1.5배가 아닐 경우는, 상기와 같이, 하중이 일정한 구간이 존재하지 않으며, 이러한 결과는 접시형 스프링(35)에 작용하는 마찰력이 없다고 가정하고 계산한 것으로, 실제 사용시에는 다른 결과를 나타내므로 실험을 통하여 거동을 확인하고 적용하여야 할 것이며, 일반적으로 접시형 스프링(35)이 갖는 비선형성을 이용하여 변위에 대하여 스프링의 하중이 일정한 구간을 갖도록 설계하는 것은 가능하다.

또한, 종래의 연료 전지 스택의 체결 구조에서와 같이, 연료 전지 스택(10)을 별도로 체결하지 않고, 연료 전지 모듈(1)의 아웃터 케이스(11) 내에서, 스택 프레임(33)을 통하여 한번에 체결하여 모듈화 함으로써, 연료 전지 모듈(1)의 전체 사이즈를 최소화함과 동시에 그 작업성을 향상시킬 수 있는 것이다.

상기와 같이 본 발명의 전기자동차용 연료 전지 모듈에 의하면, 종래 연료 전지 스택을 별도로 체결하지 않고, 연료 전지 모듈의 아웃터 케이스 내에서, 스택 프레임을 통하여 한번에 체결함으로써, 작업의 이중성을 배제하여 제조 및 정비성을 향상시키며, 아웃터 케이스의 내부 일면과 연료 전지 스택의 일측 엔드 플레이트 사이에 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료 전지 스택의 기밀성이 향상되도록 함과 동시에, 그 사이즈를 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지 스택의 체결 구조를 도시한 사시도,

도 2는 종래 기술에 따른 연료 전지 스택의 체결부를 확대하여 나타낸 부분 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 연료 전지 모듈의 부분 절개 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 연료 전지 모듈의 조립 사시도,

도 5는 도 3의 A-A 선에 따른 단면도,

도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 접시형 스프링의 사시도, 및

도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 접시형 스프링의 하중-변위 특성을 나타내는 곡선 그래프이다.

Claims

다수개의 분리판과 전극 전해질 접합체가 적층된 복수개의 연료 전지 스택을 체결하여 구성되는 전기자동차용 연료 전지 모듈에 있어서,

양 측단부 외단면 상에 다수개의 볼트홀을 형성하고, 내부에는 공간부를 형성하는 4각 형상의 아웃터 케이스;

상기 아웃터 케이스의 양 측단부에 각각 상기 볼트홀을 통하여 볼트 체결되는 양 측면 커버;

상기 아웃터 케이스의 공간부 중앙에 횡방향으로 배치되는 급배박스;

상기 급배박스를 기준으로 양측에 각각 설치되는 복수개의 스택유닛;

상기 아웃터 케이스의 내부에서 상기 스택유닛과 상기 양 측면 커버 사이에 각각 개재되는 양측 케이스 엔드 플레이트; 및

상기 아웃터 케이스의 상부를 덮는 상부 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 아웃터 케이스의

양 측면의 중앙에는 가스배관용 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 아웃터 케이스 내에는

4개의 스택유닛을 한 조로 하여 설치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈.
청구항 1 또는 3에 있어서, 상기 스택유닛은

다수개의 분리판 및 전극 전해질 접합체를 적층시켜 구성되는 연료 전지 스택;

상기 연료 전지 스택의 양단에 배치되는 내,외측 스택 엔드 플레이트;

상기 연료 전지 스택 및 그 양단부의 스택 엔드 플레이트가 삽입되는 스택 프레임;

상기 외측 스택 엔드 플레이트와 상기 양측 케이스 엔드 플레이트 사이에 각각 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하는 탄성체;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈.
청구항 4에 있어서, 상기 탄성체는

자체 탄성력에 의해 상기 분리판에 대한 면압 변화를 감소시키도록 중앙에 홀이 형성되고, 이 홀을 중심으로 하여 방사형으로 형성되어 적어도 하나 이상 적용되는 접시형 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈.
청구항 1에 있어서, 상기 상부 커버는

그 양단 가장자리를 통하여 상기 양 측면 커버에 볼트 체결되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 연료 전지 모듈.