KR20090109971A - 연료전지 스택용 카트리지식 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택 내부에 카트리지식 분리판을 설치함으로써, 셀의 성능이상, 분리판 불량, 가스켓 이상 등 발생시 분리가 용이한 연료전지 스택용 카트리지식 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명은 양측에 세로방향으로 가이드레일이 평행하게 돌출형성되고, 상기 가이드레일이 하부분리판 위로 돌출되도록 하부분리판 내면의 압축성 가스켓 상부에 설치된 비압축성 가스켓;

상기 비압축성 가스켓의 가이드레일을 따라 슬라이드 가능하게 하부분리판의 상부에 설치된 상부분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판을 제공한다.

카트리지식, 분리판, 가스켓, 압축성

Description

연료전지 스택용 카트리지식 분리판{Cartridge type of bipolar plate for fuel cell stack}

본 발명은 다적층된 연료전지 스택에서 불량 셀이 발생한 경우 특정 부위만 용이하게 교체할 수 있는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다. 또한, 자동차에 적용되는 연료전지스택은 약 400개 이상의 단위전지로 구성되어 있고, 각 단위전지는 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.

도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막(10)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층(11)이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)(12)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(13), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(14) 및 서브가스켓(15)과, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(16)으로 구성되어 있다.

여기서, 스택 체결시 흑연 분리판의 불소계 가스켓과 MEA의 서브가스켓이 직접적으로 접촉함으로써 물리적 결합에 의한 접착력이 형성된다. 이 접착력으로 인해 스택 체결밴드 해체 후 스택 분리가 어렵다.

이는 스택의 형태를 유지하는데에는 도움이 되나 특정 부분 해체 및 분리시에는 난점으로 작용한다. 또한 스택 해체시 MEA의 물리적 화학적 손상을 가져올 수 있다.

그런데, 불량 셀(CELL;단위전지)이 스택의 상단(a)과 하단(b)에 분포된 경우a 위치의 셀은 쉽게 교체 및 복구가 가능하나, b위치의 셀은 큰 하중을 받는 상태로써 작업의 어려움이 있다.

만약 a 위치의 셀을 교체 후 b 위치의 셀을 교체 및 복구할 경우 체결밴드가 해체된 상태이므로 상하를 뒤집어서 작업하기에는 매우 불안정한 문제점이 있다.

따라서 작업자의 부담을 덜기 위해 c번 위치에서 모듈분리를 한 후 교체 및 복구를 할 수 있으나, c번 위치에서 모듈 분리시 교체대상이 아닌 정상 셀의 손상을 가져올 수 있다. 또한, 30kg의 서브모듈 수작업시 부피 및 중량에서 오는 안전문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스택 내부에 카트리지식 분리판을 설치함으로써, 셀의 성능이상, 분리판 불량, 가스켓 이상 등 발생시 분리가 용이한 연료전지 스택용 카트리지식 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하면과 내부면에 압축성 가스켓이 설치된 하부분리판;

양측에 세로방향으로 가이드레일이 평행하게 돌출형성되고, 상기 가이드레일이 하부분리판 위로 돌출되도록 하부분리판 내면의 압축성 가스켓 상부에 설치된 비압축성 가스켓;

상기 비압축성 가스켓의 가이드레일을 따라 슬라이드 가능하게 하부분리판의 상부에 설치된 상부분리판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 하부분리판은 하면과 내부에 설치된 압축성 가스켓과, 상부에 상기 비압축성 가스켓을 고정하도록 형성된 가스켓 그루브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 상부분리판과 하부분리판 사이에는 전기전도성 및 완충성 소재의 연결부재가 삽입설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비압축성 가스켓의 상부에는 상기 연결부재를 고정하기 위한 고 정부재가 부착된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드레일은 일자(1)형 또는 기역(ㄱ)자형 단면이고, 상기 상부분리판의 하면에는 가이드홈이 가이드레일을 따라 슬라이드 가능하고 상기 가이드레일의 형상에 대응되게 형성된 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 카트리지식 분리판과 이를 이용한 연료전지 스택에 의하면, 다음과 같은 장점이 있다.

1. 연료전지 스택 내에 카트리지식 분리판을 설치함으로써, 스택 적층시 정렬도를 향상시키고, 스택 탈착시 셀의 손상, 중량에 대한 부담감 없이 스택 분리가 가능한 장점이 있다.

2. 카트리지식 하부분리판의 비압축성 가스켓이 상부분리판의 가이드홈과 슬라이드 가능하게 맞물려 스택의 탈부착을 원활하게 할 수 있고, 하부분리판 내 비압축성 가스켓의 하부에 위치한 압축성 가스켓이 스택 압축시 압력을 해소할 수 있다.

3. 다적층된 스택을 카트리지 분리판을 이용하여 분리함으로써 스택 부피와 중량에서 오는 부담감을 줄일 수 있고, 재적층시에도 마찬가지로 부피 및 중량의 부담감을 줄일 수 있어 재적층 작업이 용이하다.

4. 만약 2개의 스택을 연결한다면 두 스택의 엔드플레이트, 연료, 공기 및 냉각수 연결, 전기적 연결에서 오는 부피와 질량이 증가하지만 카트리지 분리판의 이용은 기존의 두 스택을 이어주는 다리 역할을 함으로써 불필요한 부피와 중량을 줄일 수 있다.

5. 더 많은 적층이 필요한 연료전지 스택의 경우에도 카트리지 분리판을 사용함으로써 부피, 중량의 부담감 해소, 전기적 직렬연결 유지, 유체의 기밀유지, 스택 해체시 정상 셀의 손상없는 분리, 스택 분리의 용이성 등의 장점이 있다.

6. 카트리지 분리판이 적층되는 부위에 전기전도성과 완충성이 있는 소재를 위치시킴으로써 전기적 직렬연결을 유지할 수 있고 적층 압력을 분산시킬 수 있다.

7. 연료전지 차량에 적용시 불량 셀이 발생한 경우 특정 부위만 손쉽게 교체할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

본 발명은 연료전지 스택의 해체 후 재적층, 재체결시 기존의 성능확보를 위하여 분리 용이한 스택용 카트리지식 분리판을 제공한다.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 상부분리판의 평면도로서, 본 발명의 일실시예에 따른 카트리지식 상부분리판의 유로 구성은 다음과 같다.

상부분리판(16)은 상면에 유로가 형성되어 있으나 밑부분에는 유로가 없는 민무늬로 구성되어 있고, 도 3a에 도시한 바와 같이 분리판의 위부분에 가스켓 그루부(15)가 형성되어 있다. 그리고 도 3b는 도 3a에서 "A-B" 부분의 단면을 나타내는 측면도로서, 분리판(16)의 위부분에 가스켓 그루브(15)가 형성되어 있고, 분리 판(16)의 아래부분에는 카트리지식 분리판을 형성하기 위한 가이드홈(17)이 형성되어 있다.

도 5a 및 도 5b에는 압축성 가스켓과 카트리지식 상부분리판이 결합된 상태를 나타낸다. 분리판(16)의 위부분에는 MEA가 위치하고, 기밀 유지를 위하여 압축성 가스켓(10)이 분리판(16)과 MEA 사이에 부착되게된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 카트리지식 하부분리판을 나타낸다. 하부분리판(18)의 위부분은 상부분리판(16)과 결합되므로 민무늬로 구성되고 아래면에는 MEA가 결합되므로 유로가 있는 구조이다.

또한, 하부분리판(18)의 상면은 카트리지식 상부분리판(16)과 결합하기 위해 가스켓 그루브(15)가 도시한 바와 같이 형성되어 있다. 하부분리판(18)의 하면에는 MEA가 결합되는 것을 고려하여 가스켓 그루부(15)가 형성되어 있다.

도 8a 및 도 8b는 압축성 가스켓(10)과 카트리지식 하부분리판(18)이 결합된 상태를 나타낸다. 하부분리판(18)의 상면에는 카트리지식 상부분리판(16)과 결합할 수 있는 구조를 구현하기 위해 가스켓 그루브(15) 내에 1차적으로 압축성 가스켓(10)이 부착되어 있고, 하부분리판의 하면에는 MEA와의 결합과 기밀 유지를 목적으로 상부분리판과 유사하게 압축성 가스켓이 부착되어 있다.

도 9는 비압축성 가스켓(21)을 나타내고, 도 10a 및 도 10b는 하부분리판(18)의 상부에 비압축성 가스켓(21)이 설치된 모습을 나타낸다.

상기 하부분리판(18)은 카트리지식 상부분리판(16)과 유연한 결합과 해체를 위한 구조이다. 먼저 도 10a에서 A의 경우에는 상부분리판(16)과의 이탈착을 원활 하게 하기 위해 기존의 구조에 비해 가스켓(10)이 돌출된 구조를 갖는다. 도 10b에서 C(가이드레일(21a))의 경우에는 상부분리판(16)과의 결합을 위해 높이 방향으로 돌출된 구조를 갖는다. 도 10a에 위치한 B부분(고정판(21b))은 상부과 하부분리판(16,18)의 전기적 연결을 위한 연결부재(22)를 고정하는 구조이다.

이 구조는 상하부분리판(16,18)의 이탈 부착 시에도 전기적 연결부재(22)를 고정시켜주는 역할을 한다.

상기와 같은 구조의 비압축성 가스켓(21)에 의해 상하부분리판(16,18)의 탈부착을 유연하게 할 수 있다. 또한 비압축성 가스켓(21)은 압축성 가스켓(10)의 상부에 위치하므로, 스택 압축시 압력을 해소할 수 있게 된다.

도 11에 도시한 바와 같이 카트리지식 상부분리판(16)과 하부분리판(18) 사이에는 전기적 연결을 위한 전기전도성이 있는 연결부재(22)가 삽입되게 된다. 또한, 이 연결부재(22)는 스택 압축시 압력 해소를 위하여 완충성 있는 소재여야 한다. 전기전도성과 완충성이 있는 소재는 하부분리판(18)의 상면에 삽입되고 도 10a의 고정판(21b)에 의해 고정된다.

도 12는 카트리지식 상부 및 하부분리판(16,18)이 결합된 모습을 나타낸다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부분리판(16)을 나타낸다. 상기 상부분리판(16)의 유로구성은 다음과 같다. 상부분리판(16)의 윗부분에는 유로가 형성되어 있으나 상부분리판(16)의 아랫 부분에는 유로가 없는 민무늬로 구성되어 있다. 도시한 바와 같이 상부분리판(16)의 상면에는 가스켓 그루브(15)가 형성되어 있다. 상부분리판(16)의 아랫부분에는 카트리지식 분리판을 형성하기 위한 가이드 홈(170)이 형성되어 있다.

도 14의 D는 전술한 하부분리판(16)과 차이를 보여주는데, 'ㄱ'형태의 홈을 형성함으로써 보다 안정되고 원활한 탈부착이 가능하게 된다.

도 15는 압축성 가스켓(10)과 카트리지식 상부분리판(16)이 결합된 상태를 나타낸다. 하부분리판(18)과 마찬가지로 상부분리판(16)의 상부에 MEA가 위치하고 기밀 유지를 위하여 압축성 가스켓(10)이 상부분리판(16) 상부에 부착되어 있다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비압축성 가스켓(21)을 나타내고, 도 17은 하부분리판(18)에 비압축성 가스켓(21)이 설치된 모습을 나타낸다.

도시한 바와 같이 하부분리판(18)은 타트리지식 상부분리판(16)과 유연한 결합과 해체를 위한 구조로서, 가이드레일(210a)은 상부분리판과의 결합을 위해 높이방향으로 'ㄱ'자 형태로 돌출된 구조를 갖는다.

비압축성 가스켓(21)은 앞에서 언급한 구조를 가지며 비압축성의 성질을 갖고 있으므로 상하부분리판의 탈부착을 유연하게 할 수 있다. 또한 비압축성 가스켓(21)은 압축성 가스켓(10)의 상부에 부착됨으로써 스택 압축시 압력을 해소할 수 있다.

도 18에 도시한 바와 같이 카트리지식 상부 및 하부분리판(16,18) 사이에는 전기적 연결을 위한 전기전도성 연결부재(22)가 삽입된다. 또한, 이 연결부재(22)는 스택(14) 압축시 압력 해소를 위하여 완충성 있는 소재가 바람직하다. 전기전도성과 완충성이 있는 소재는 카트리지식 하부분리판(18) 상부에 삽입되며 고정판(21b)에 의해 고정된다. 도 19는 카트리지식 상단, 하부분리판(16,18)이 결합된 모습을 나타낸다.

도 20은 카트리지식 분리판(16,18)의 이탈착 모습을 나타낸다. 원하는 중간부위의 분리판을 탈착시킬 때 카트리지식 분리판(16,18)을 이용하여 나머지 스택과 반대방향으로 힘을 가하여 원활한 탈착이 이루어지게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 연료전지 스택의 구성을 나타내는 분해도,

도 2는 불량 셀이 상하단에 분포한 경우를 나타내는 개략도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 상부분리판의 평면도 및 측면도,

도 4는 도 3a의 상부분리판의 상부에 설치되는 압축성 가스켓을 나타내는 사시도,

도 5a 및 도 5b는 도 4의 압축성 가스켓이 도 3a의 상부분리판에 설치된 모습을 나타내는 평면도 및 측면도,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 하부분리판의 평면도 및 측면도,

도 7은 도 6a에 설치되는 압축성 가스켓을 나타내는 사시도,

도 8a 및 도 8b는 도 6a의 하부분리판에 도 7의 압축성 가스켓이 설치된 모습을 나타내는 평면도 및 측면도,

도 9는 도 8a에서 압축성 가스켓 위에 설치되는 비압축성 가스켓을 나타내는 사시도,

도 10a 및 도 10b는 도 8a의 하부분리판의 상부에 도 9의 비압축성 가스켓이 설치된 모습을 나타내는 평면도 및 측면도,

도 11은 본 발명의 상부분리판과 하부분리판이 조립되기 전 상태를 나타내는 분해도,

도 12는 도 11의 조립도,

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 카트리지식 분리판을 이용한 연료전지 스택의 이탈착 모습을 나타내는 사시도,

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부분리판을 나타내는 측면도,

도 15는 도 14의 상부분리판 상부에 압축성 가스켓이 설치된 모습을 나타내는 측면도,

도 16은 본 발명의 다른실시예에 따른 비압축성 가스켓을 나타내는 사시도,

도 17은 도 16의 비압축성 가스켓이 하부분리판에 설치된 모습을 나타내는 측면도,

도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부분리판과 하부분리판이 조립되기 전 상태를 나타내는 사시도,

도 19는 도 18의 조립도,

도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지식 분리판을 이용한 연료전지 스택의 이탈착 모습을 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스켓 11 : 기체확산층

12 : 전극/촉매 13 : 서브가스켓

14 : 연료전지 스택 15 : 가스켓 그루브

16 : 상부분리판 17 : 가이드홈

18 : 하부분리판 19 : 가스켓 장착홈

21 : 비압축성 가스켓 21a : 가이드레일

21b : 고정판 22 : 연결부재

Claims (5)

1. 하면과 내부면에 압축성 가스켓이 설치된 하부분리판;

   양측에 세로방향으로 가이드레일이 평행하게 돌출형성되고, 상기 가이드레일이 하부분리판 위로 돌출되도록 하부분리판 내면의 압축성 가스켓 상부에 설치된 비압축성 가스켓;

   상기 비압축성 가스켓의 가이드레일을 따라 슬라이드 가능하게 하부분리판의 상부에 설치된 상부분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 하부분리판은 하면과 내부에 설치된 압축성 가스켓과, 상부에 상기 비압축성 가스켓을 고정하도록 형성된 가스켓 그루브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 상부분리판과 하부분리판 사이에는 전기전도성 및 완충성 소재의 연결부재가 삽입설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 비압축성 가스켓의 상부에는 상기 연결부재를 고정하기 위한 고정부재가 부착된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가이드레일은 일자(1)형 또는 기역(ㄱ)자형 단면이고, 상기 상부분리판의 하면에는 가이드홈이 가이드레일을 따라 슬라이드 가능하고 상기 가이드레일의 형상에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 카트리지식 분리판.

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