KR20120046658A - 절연성능을 증대한 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연성능을 증대한 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 충돌 발생시 발생할 수 있는 2차적인 전기안전사고를 방지하고 스택 운전 중 스택 내 발생하는 응축수 배출을 가능하도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 스택 모듈의 상면과 하면에 각기 밀착 조립되는 상부 절연판과 하부 절연판 중 선택된 어느 하나 혹은 둘 모두에 적어도 하나 이상의 벤트홀을 형성하여, 절연판과 분리판 사이에서 발생하는 응축수가 스택 운전 온도가 상승함에 따라 증발되어 상기 벤트홀을 통해 배출될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 절연성능을 증대한 연료전지 스택을 제공한다.

Description

절연성능을 증대한 연료전지 스택{Fuel cell stack having high-insulating}

본 발명은 절연성능을 증대한 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 충돌 발생시 발생할 수 있는 2차적인 전기안전사고를 방지하고 스택 운전 중 스택 내 발생하는 응축수 배출을 가능하도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 혹은 양자교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.

일반적인 연료전지 스택의 구성을 살펴보면, 가장 안쪽에 주요 구성부품인 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 전극막 접합체는 수소 양자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.

또한 상기 전극막 접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 상기 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소를 포함하는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치되며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드플레이트가 결합된다.

이렇게 양끝단의 엔드플레이트(3) 사이에 복수의 전극막 접합체와 가스확산층 및 분리판(2)이 구성되는 연료전지 스택은, 스택 모듈(1)의 상면과 하면에서 분리판을 감싸는 절연판(4)을 구성하여 분리판(2)과 외부시스템을 전기적으로 차단하는 구조를 형성하게 된다.

상기 절연판(4)은 절연 기능을 가지는 절연물질을 사용하여 간단한 구조로 제작되므로 스택 모듈(1)에 용이하게 체결하여 고정시킬 수 있다.

도 1을 참조하면, 보통 연료전지 스택은 스택 모듈(1)의 상면과 하면에 절연판(4)을 각기 밀착시킨 다음 상기 절연판(4)을 감싸는 체결밴드(5)의 양끝단을 엔드플레이트(3)에 볼트로 체결하여 조립을 완료하게 된다.

이러한 연료전지 스택은 다양한 분야에 적용 가능하며, 특히 차량에 적용되는 스택은 충돌 발생시 관성에 의해 스택의 셀이 밖으로 빠져나와 외부시스템과 접촉하게 되는 위험요소를 내재하고 있다.

그러나, 종래 기술에 의한 차량용 연료전지 스택의 경우 충돌로 인한 부가적인 문제를 방지할 수 있는 구조를 갖추고 있지 않기 때문에 도 1과 같이 스택 모듈(1)의 상면과 하면만 절연할 시 스택의 측면 방향에서는 차량 시스템과의 절연이 불가능하게 된다.

이에 따라 차량의 충돌 발생시(특히, 연료전지 스택의 측면방향으로 충격이 가해지는 경우) 분리판 등 스택의 셀이 스택 밖으로 빠져나와 외부시스템과 접촉하게 됨으로 인해 전기적인 2차 문제를 초래할 수 있다.

또한, 상기와 같이 스택 모듈(1)의 상면과 하면이 밀폐된 상태에서 연료전지 스택이 운전되는 경우 분리판(2)과 절연판(4) 사이에서 응축수 내지 수분이 발생하게 되며, 발생한 응축수는 스택과 외부시스템 사이에 전류가 흐를 수 있는 경로를 형성하게 되는 문제가 있다.

그리고, 이렇게 스택 내부에 발생한 응축수 내지 수분은 동절기에 스택 내부에 잔존하여 결빙되면서 내압을 발생시켜 스택을 손상시키는 문제점을 가진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 절연판에 벤트홀을 형성하여 스택 내에서 발생하는 응축수 내지 수분을 배출할 수 있도록 하고, 상기 절연판을 스택 모듈의 양측면을 감쌀 수 있는 구조로 형성하여 충돌 발생시 2차적인 전기안전사고를 방지할 수 있도록 한 절연성능을 증대한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료전지 스택에 있어서,

스택 모듈의 상면과 하면에 각기 밀착 조립되는 상부 절연판과 하부 절연판 중 선택된 어느 하나 혹은 둘 모두에 적어도 하나 이상의 벤트홀을 형성하여, 절연판과 분리판 사이에서 발생하는 응축수가 스택 운전 온도가 상승함에 따라 증발되어 상기 벤트홀을 통해 배출될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 절연성능을 증대한 연료전지 스택을 제공한다.

바람직하게, 상기 상부 절연판 또는 하부 절연판 중 선택된 어느 하나는 스택 모듈의 양측면을 감싸서 보호할 수 있는 ㄷ자형 평판 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 상부 절연판과 하부 절연판은 각기 ㄱ자형 또는 ㄴ자형 평판 구조로 형성되어 스택 모듈의 양측면을 한쪽씩 감싸서 보호하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 스택에 의하면 스택 운전 시 절연판과 분리판 사이에서 발생하는 응축수 내지 수분을 스택 운전 온도에 의해 증발시켜 절연판의 벤트홀을 통해 배출함으로써 절연성능을 증대하고 수분에 의한 스택의 손상을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 연료전지 차량의 충돌 발생시 스택에 측면방향으로 충돌 충격이 가해지더라도 절연판이 스택 모듈의 양측면을 감싸서 보호하고 있기 때문에 외부시스템을 전기적으로 차단할 수 있으며, 이에 따라 차량의 충돌 충격에 의한 1차 사고 이후 외부시스템과의 절연저항을 유지해 줌으로써 2차적인 전기안전사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 연료전지 스택을 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 부분 분해 사시도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 결합 사시도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 부분 분해 사시도
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 부분 분해 사시도

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 연료전지 차량의 충돌 시 발생하게 되는 2차적인 전기안전사고의 방지 및 스택 내 응축수 배출을 위한 구조의 절연판을 가지는 연료전지 스택에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택은 스택 모듈(10)의 상면과 하면에 각기 적층 배치된 절연판(14,16)을 감싸는 체결밴드(18)가 스택 모듈(10) 양끝단의 엔드플레이트(12)와 볼트 등으로 체결되어 조립된 구조로 이루어진다.

본 명세서에서 스택 모듈(10)은 절연판(14,16)과 체결밴드(18)를 제외한 구조의 연료전지 스택을 의미할 수 있다.

주지된 바와 같이, 상기 스택 모듈(10)은 양끝단의 엔드플레이트(12) 사이에 다층 구조로 적층되는 전극막 접합체와 가스확산층 및 분리판(11)으로 이루어진다.

상기 절연판(14,16)은 스택 모듈의 상면에 적층되어 밀착되는 상부 절연판(14)과 스택 모듈(10)의 하면에 적층되어 밀착되는 하부 절연판(16)으로 이루어진다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 상부 절연판(14)은 ㄷ자형의 평판 구조로 형성되어 스택 모듈(10)의 상면과 양측면을 감쌀 수 있도록 구성되고, 하부 절연판(16)은 스택 모듈(10)의 하면을 감쌀 수 있도록 일자형의 단순 평판 구조로 구성된다.

즉, 본 발명의 절연판(14,16)은 스택 모듈(10)의 상면과 하면은 물론 양측면에서 분리판(11)을 보호하여 절연할 수 있는 구조로 형성된다.

이와 같이 본 발명에서는 상부 절연판(14)을 ㄷ자형의 평판 구조로 형성하여 스택 모듈(10)의 양측면을 감싸서 보호할 수 있도록 하여서, 연료전지 차량의 충돌 발생시 연료전지 스택에 측면방향으로 충돌 충격이 가해져 분리판(11) 등 셀이 관성에 의해 스택 모듈(10) 밖으로 빠져나오거나 정렬도가 틀어지더라도 스택 모듈(10)과 외부시스템을 전기적으로 차단할 수 있게 된다.

상기와 같이 스택 모듈(10)의 측면을 감싸서 보호하는 구조는 다양하게 변형 실시될 수 있다.

예컨대, 도 4를 참조하면, 상부 절연판(14)은 일자형의 평판 구조로 형성되어 스택 모듈(10)의 상면을 감싸도록 구성되고, 하부 절연판(16)은 ㄷ자형의 평판 구조로 형성되어 스택 모듈(10)의 하면과 양측면을 감싸도록 구성될 수 있다.

또는, 도 5를 참조하면, 상부 절연판(14)과 하부 절연판(16)을 각기 ㄱ자형 또는 ㄴ자형 평판 구조로 형성하여 상부 절연판(14)과 하부 절연판(16)이 스택 모듈(10)의 양측면을 한쪽씩 감싸서 보호하도록 구성하는 것도 가능하다.

이러한 연료전지 스택은 전극막 접합체와 가스확산층 및 분리판(11)을 소정 구조로 적층한 후 양끝단에 엔드플레이트(12)를 위치시켜 압축하며, 하부 절연판(16)을 스택 모듈(10)의 하면에 배치하여 밀착시킨 후 이 하부 절연판(16)을 감싸는 체결밴드(18)의 양끝단을 엔드플레이트(12)에 체결하여 조립하고, 또한 상부 절연판(14)을 스택 모듈(10)의 상면(혹은 스택 모듈(10)의 분리판(11) 상부)에 올려놓은 후 상부 절연판(14)을 감싸는 체결밴드(18)의 양끝단을 엔드플레이트(12)에 체결하여 조립함으로써 스택 모듈(10)의 상면과 하면 및 양측면에 절연판(14,16)을 밀착시킨 구조로 조립 완료할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 스택 모듈(10)을 보호하기 위해 소정 형상의 절연판(14,16)으로 스택 모듈(10)을 감싸서 조립함과 동시에 스택 운전 온도에 의해 분리판(11)과 절연판(14,16) 사이에서 생성되는 응축수를 배출하고 고임을 방지하기 위해 벤트홀(14a,16a)을 마련한다.

다시 말해, 본 발명에서는 스택 운전시 절연판(14,16)과 분리판(11) 사이에서 생성될 수 있는 수분 내지 응축수의 배출을 위해 절연판(14,16)에 적어도 하나 이상의 벤트홀(14a,16a)을 타공 형성하여 일정 간격으로 배열한다.

상기 벤트홀(14a,16a)은 상부 절연판(14)과 하부 절연판(16) 중 선택된 어느 하나 또는 둘 모두에 형성될 수 있으며, 절연판(14,16)과 분리판(11) 사이에서 발생하는 응축수 내지 수분은 스택 운전 온도가 상승함에 따라 수증기 형태로 증발되어 벤트홀(14a,16a)을 통해 배출되게 된다.

즉, 연료전지 스택의 운전 시 절연판(14,16)과 분리판(11) 사이에서 발생되는 응축수 내지 수분은 스택 운전시 스택 내 상승된 온도로 인해 기화되어 팽창 증발되면서 벤트홀(14a,16a)을 통해 스택 밖으로 빠져나가게 된다.

이에 따라, 연료전지 스택의 절연성능을 향상시키기 위해 절연판(14,16)을 상기와 같이 스택 모듈(10)의 측면 보호가 가능한 구조로 형성하여 스택 모듈(10)의 상면과 하면 및 양측면을 차단하더라도, 상기 벤트홀(14a,16a)을 통해 스택 내 응축수 내지 수분을 배출하게 되므로 분리판(11)과 절연판(14,16) 사이의 응축수 고임을 방지할 수 있다.

이에 따라 연료전지 스택 내 응축수에 의한 분리판(11)의 부식 및 절연파괴가 방지되고 절연저항을 유지하여 스택을 보호할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 일실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

10 : 스택 모듈
11 : 분리판
12 : 엔드플레이트
14 : 상부 절연판
14a : 벤트홀
16 : 하부 절연판
16a : 벤트홀
18 : 체결밴드

Claims (3)

1. 연료전지 스택에 있어서,
   스택 모듈의 상면과 하면에 각기 밀착 조립되는 상부 절연판과 하부 절연판 중 선택된 어느 하나 혹은 둘 모두에 적어도 하나 이상의 벤트홀을 형성하여, 절연판과 분리판 사이에서 발생하는 응축수가 스택 운전 온도가 상승함에 따라 증발되어 상기 벤트홀을 통해 배출될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 절연성능을 증대한 연료전지 스택.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 절연판 또는 하부 절연판 중 선택된 어느 하나는 스택 모듈의 양측면을 감싸서 보호할 수 있는 ㄷ자형 평판 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 절연성능을 증대한 연료전지 스택.
   
3. 구항 1에 있어서,
   상기 상부 절연판과 하부 절연판은 각기 ㄱ자형 또는 ㄴ자형 평판 구조로 형성되어 스택 모듈의 양측면을 한쪽씩 감싸서 보호하도록 된 것을 특징으로 하는 절연성능을 증대한 연료전지 스택.

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