KR20160015052A

KR20160015052A - 전지용 복합 엔드플레이트 구조물

Info

Publication number: KR20160015052A
Application number: KR1020140097502A
Authority: KR
Inventors: 이대길; 유영호; 임준우; 김기현; 최일범; 김민국; 이동영; 남수현; 최재헌
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-02-12
Also published as: KR101693338B1

Abstract

본 발명은 단위전지의 양쪽에 면압의 유지를 위하여 결합되는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물을 개시한다. 본 발명은 샌드위치 패널 구조의 엔드플레이트, 압력분산층과 발열체로 구성되어 있다. 엔드플레이트는 적층되어 있는 복수의 단위전지의 양쪽에 결합되어 있다. 심재와, 심재의 양면에 접합되어 있는 두 개의 면재를 구비하는 ; 복수의 단위전지와 엔드플레이트 사이에 장착되어 있는 압력분산층과; 복수의 단위전지와 엔드플레이트 사이에 전력의 인가에 의하여 발열하도록 장착되어 있는 발열체를 포함한다. 본 발명에 의하면, 단위전지와 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 샌드위치 패널 구조의 엔드플레이트에 의하여 보상할 수 있고, 체결 후 엔드플레이트가 평탄하게 되어 스택 내의 면압을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 복합 샌드위치 패널 구조에 의하여 경량화 할 수 있고, 비강성과 단열 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 발열체의 발열에 의하여 PEMFC, RFB 등 전지의 냉시동 시간을 단축시켜 냉시동 특성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전지용 복합 엔드플레이트 구조물{COMPOSITE END PLATE FOR BATTERIES}

본 발명은 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위전지의 양쪽에 면압의 유지를 위하여 결합되는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물에 관한 것이다.

최근 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지(New renewable energy)는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 신재생에너지의 원활한 사용을 위하여 연료전지(Fuel cell)와 에너지 저장 시스템(Energy storage system)의 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적인 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)가 있고, 에너지 저장 시스템은 이차전지(Secondary cell)의 하나로 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)가 있다. PEMFC와 RFB 각각은 그 최적 작동 온도가 40~220℃와 40~80℃로 알려져 있다.

이러한 PEMFC, RFB 등의 전지의 스택(Stack)은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)와 두 개의 엔드플레이트(End plate)로 구성되어 있다. 엔드플레이트들의 주요 기능은 스택 내에서 고른 면압(Surface pressure)이 유지되도록 각 구성요소들을 지지하는 것이다. 또한, 엔드플레이트들은 전해질의 누설을 방지하고, 단위전지들 간 전기접촉저항의 증가를 방지하며, 스택의 열손실을 최소화하여 스택 내의 온도를 빠른 시간 내에 일정하게 유지시킴으로써 전지의 효율적으로 작동해야 하는 것이 중요하다.

본 출원인의 한국 등록특허 제10-1379323호 "레독스 흐름 전지용 엔드플레이트"와 한국 등록특허 제10-0980927호 "연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법"이 개시되어 있다. 이 특허 문헌들의 엔드플레이트는 타이로드(Tie rod)들의 체결 시 발생되는 굽힘 변형을 방지하기 위하여 복합 샌드위치 패널 구조(Composite sandwich panel structure)로 구성되어 있다. 샌드 위치 패널 구조의 엔드플레이트는 경량화하여 제조할 수 있고, 비강성(Specific Stiffness)을 향상시킬 수 있다. 위 특허 문헌들 각각에 개시되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

상기한 바와 같은 종래의 PEMFC, RFB 등의 전지가 차량 등의 이동 수단에 사용되거나 불규칙적인 전력공급장치 및 신재생에너지 분야에 사용되는 경우, 스택을 빠른 시간에 최적 작동 온도로 상승시킬 수 있는 냉시동 특성(Cold start characteristics)이 중요한 평가 요인이 되고 있다. 따라서 엔드플레이트의 설계에서 냉시동 시간(Cold start time)을 단축시키는 것이 중요하나, 이를 만족할 만한 엔드플레이트가 개발되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 전지용 엔드플레이트의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 외력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 새로운 전지용 복합 엔드플레이트 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 복합 샌드위치 패널 구조의 엔드플레이트에 의하여 경량화 제작이 가능하면서도 비강성과 단열 성능을 향상시킬 수 있는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 발열체의 발열에 의하여 냉시동 특성과 성능을 향상시킬 수 있는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전지용 복합 엔드플레이트 구조물이 제공된다. 본 발명에 따른 전지용 복합 엔드플레이트 구조물은, 적층되어 있는 복수의 단위전지의 양쪽에 결합되어 있고, 심재와, 심재의 양면에 접합되어 있는 두 개의 면재를 구비하는 샌드위치 패널 구조의 엔드플레이트와; 복수의 단위전지와 엔드플레이트 사이에 장착되어 있는 압력분산층과; 복수의 단위전지와 엔드플레이트 사이에 전력의 인가에 의하여 발열하도록 장착되어 있는 발열체를 포함한다.

본 발명에 따른 전지용 복합 엔드플레이트 구조물은, 단위전지와 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 샌드위치 패널 구조의 엔드플레이트에 의하여 보상할 수 있고, 체결 후 엔드플레이트가 평탄하게 되어 스택 내의 면압을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 복합 샌드위치 패널 구조에 의하여 경량화 할 수 있고, 비강성과 단열 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 발열체의 발열에 의하여 PEMFC, RFB 등 전지의 냉시동 시간을 단축시켜 냉시동 특성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 엔드플레이트 구조물이 적용되어 있는 스택을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 스택을 체결하는 과정을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 엔드플레이트 구조물의 구성을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 복합 엔드플레이트 구조물에서 엔드플레이트의 구성을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 복합 엔드플레이트 구조물에서 엔드플레이트의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 복합 엔드플레이트 구조물에서 엔드플레이트의 다른 예를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 전지용 복합 엔드플레이트 구조물에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지용 복합 엔드플레이트 구조물(10)은 PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 스택(20)을 구성하기 위하여 복수의 단위전지(30)의 양쪽에 배치되어 있고 복수의 타이로드(32)들의 체결에 의하여 결합되어 있는 두 개의 엔드플레이트(40)를 구비한다. 엔드플레이트(40)들은 심재(42)와, 심재(42)의 양면에 부착되어 있는 두 개의 면재(44)를 구비하는 복합 샌드위치 패널 구조로 구성되어 있다. 면재(44)들 각각은 심재(42)의 양면에 접착제층(46)들에 의하여 접합되어 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 심재(42)는 복수의 허니콤 셀(Honeycomb cell: 42a)을 갖는 허니콤 코어(Honeycomb core: 42b)로 구성될 수 있으며, 금속 소재, 예를 들면 알루미늄이나 폴리머 폼(Polymer foam)으로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 심재(42)는 알루미늄으로 구성된다. 면재(44)들은 허니콤 셀(42a)들을 폐쇄하도록 접합되는 섬유강화 복합재료 시트(Fiber reinforced composite sheet), 금속 시트(Metal sheet) 등 다양한 소재로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 면재(44)들은 섬유강화 복합재료 시트로 구성된다. 섬유강화 복합재료 시트들이 허니콤 코어(42a)의 양면 각각에 접합되는 구조에 의해서는 엔드플레이트(40)들이 경량화 되고, 비강성이 높일 수 있다.

엔드플레이트(40)들의 단열 성능을 향상시키기 위하여 단열재로 폴리머 폼(Polymer foam: 48), 예를 들면 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam)이 허니콤 셀(42a)들에 내재될 수 있다. 폴리머 폼(48)은 압입이나 발포성형(Expanding molding)에 의하여 허니콤 셀(42a)들에 내재될 수 있다. 이와 같이 폴리머 폼(48)이 허니콤 셀(42a)들에 내재되는 것에 의하여 엔드플레이트(40)들의 단열 성능이 향상되어 스택(20) 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

도 6을 참조하면, 심재(42)의 측면은 측면재(50)에 의하여 둘러싸이도록 구성될 수 있다. 측면재(50)는 접착제층(52)에 의하여 허니콤 코어(42b)에 부착된다. 측면재(50)는 두 개의 면재(44)들 중 어느 하나의 면재의 가장자리로부터 연장되어 심재(42)를 수용하는 박스(Box) 또는 케이싱(Casing) 형태로 구성될 수 있다. 두 개의 면재(44)들 중 다른 하나의 면재는 케이싱을 덮는 커버 형태로 된다.

도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 엔드플레이트 구조물(10)은 단위전지(30)들 중 양쪽 측면에 배치되어 있는 두 개의 단위전지(30)의 측면과 엔드플레이트(40)들 사이에 개재되어 있는 압력분산층(Pressure distribution layer: 60)을 구비한다. 압력분산층(60)은 외력에 의하여 변형되면서 압력을 분산할 수 있도록 강성이 낮으면서 변형률이 큰 탄성중합체(Elastomer), 예를 들면 실리콘 고무(Silicon rubber)로 구성될 수 있다.

압력분산층(60)은 그 외면, 즉 엔드플레이트(40)과 접하는 면에 볼록한 곡면(62)을 갖도록 예비변형(Prestrain)되어 있다. 볼록한 곡면(62)은 타이로드들의 체결에 의하여 엔드플레이트(40)를 스택의 양면에 조립할 때, 타이로드들의 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상한다. 엔드플레이트(40)의 체결이 완료되면, 볼록한 곡면(62)은 타이로드들의 체결력에 의하여 변형되고, 엔드플레이트(40)는 평탄하게 된다. 즉, 타이로드들의 체결 시 엔드플레이트(40)에 발생되는 굽힘 변형이 볼록한 곡면(62)의 변형에 의하여 상쇄되면서 엔드플레이트(40)가 평탄하게 된다. 따라서 평탄한 엔드플레이트(40)에 의한 스택(20) 내의 면압이 일정하게 유지된다.

본 발명에 따른 엔드플레이트 구조물(10)은 단위전지(30)들 중 양쪽 측면과 압력분산층(60) 사이에 장착되어 있는 발열체(70)를 구비한다. 발열체(70)는 두께가 얇은 금속 또는 탄소 면상발열체로 구성되거나 절기열선으로 구성될 수 있다. 발열체(70)는 전력의 인가에 의하여 발열되어 스택(20) 내의 온도를 균일하게 유지한다. 발열체(70)는 압력분산층(60)의 이면에 부착될 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전지용 복합 엔드플레이트 구조물(10)에 있어서, 압력분산층(60)의 볼록한 곡면(62)은 타이로드들의 체결력에 따라 변형되면서 스택(20) 내의 일정하게 부여한다. 따라서 스택(20) 내의 면압이 일정하게 유지되고, 전해질의 누설과 단위전지(30)들 간 전기접촉저항의 증가가 방지되어 PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 차량 등의 이동 수단, 불규칙적인 전력공급장치 및 신재생에너지 분야에 전지가 사용되는 경우, 발열체(70)의 발열에 의하여 스택(20) 내의 온도를 빠른 시간에 상승시켜 냉시동 시간을 단축시킬 수 있고, 스택(20) 내의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서 PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 냉시동 특성이 향상되고, 에너지 변환 효율이 높아져 에너지 손실이 방지되는 등 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 복합 엔드플레이트 구조물 20: 스택
30: 단위전지 40: 엔드플레이트
42: 심재 44: 면재
50: 측면재 60: 압력분산층
62: 곡면 70: 발열체

Claims

적층되어 있는 복수의 단위전지의 양쪽에 결합되어 있고, 심재와, 상기 심재의 양면에 접합되어 있는 두 개의 면재를 구비하는 샌드위치 패널 구조의 엔드플레이트와;
상기 복수의 단위전지와 상기 엔드플레이트 사이에 장착되어 있는 압력분산층과;
상기 복수의 단위전지와 상기 엔드플레이트 사이에 전력의 인가에 의하여 발열하도록 장착되어 있는 발열체를 포함하는 전지용 복합 엔드 플레이트 구조물.
제1항에 있어서,
상기 엔드플레이트와 접하는 상기 압력분산층의 외면에 굽힘 변형을 보상할 수 있도록 볼록한 곡면이 예비변형되어 있는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 심재는 복수의 허니콤 셀을 갖는 허니콤 코어로 이루어지고, 상기 두 개의 면재 각각은 섬유강화 복합재료 시트로 이루어지며, 상기 두 개의 면재는 상기 복수의 허니콤 셀을 폐쇄하도록 상기 허니콤 코어의 양면에 접합되어 있는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물.
제3항에 있어서,
상기 복수의 허니콤 셀에 단열을 위하여 내재되어 있는 폴리머 폼을 더 포함하는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발열체는 상기 복수의 단위전지의 양쪽과 상기 압력분산층 사이에 장착되어 있고, 상기 압력분산층은 탄성중합체로 이루어지는 전지용 복합 엔드플레이트 구조물.