KR20160071654A - 고분자 전해질형 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트 - Google Patents

고분자 전해질형 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료전지 모듈의 적층방향으로 엔드 플레이트를 가압하여 조립할 때, 고분자 전해질 막과 세퍼레이터가 휘어지거나 파손됨이 없이 가스 기밀성과 접촉저항을 줄일 수 있어 연료전지 모듈의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질형 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 관한 것이다.

Description

고분자 전해질형 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트{Polymer electrolyte membrane fuel cells, fuel cell stack and end plate}
본 발명은 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연료전지 모듈의 적층방향으로 엔드 플레이트를 가압하여 조립할 때, 고분자 전해질 막과 세퍼레이터가 휘어지거나 파손됨이 없이 가스 기밀성과 접촉저항을 줄일 수 있어 연료전지 모듈의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질형 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 관한 것이다.
연료전지란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로 이 화학반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적인 발전이 가능하다.
또한, 연료전지는 전해질의 종류 및 작동 온도에 따라 알칼리형(AFC), 고분자 전해질형(PEMFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물(SOFC) 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소를 연료로 하는 연료전지와 메탄올 액체를 연료로 하는 직접메탄올 연료전지 (DMFC)로 구분할 수 있다.
이 중, 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태를 가지며, 연료극에서는 연료인 수소의 전기적 산화가, 그리고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 전기 에너지가 발생된다.
최근 고분자 전해질막을 효과적으로 적층하여 에너지 수율을 향상시키고자 하는 노력이 있다.
이 때, 고분자 전해질막들 사이에는 각 고분자 전해질막으로 반응 기체를 공급하기 위한 세퍼레이터(separator)가 삽입되는데, 고분자 전해질막들과 세퍼레이터간의 가스 기밀성이 확보되지 않을 경우 연료가 외부로 누설되어 에너지 수율이 낮아지고 연료가 낭비되며, 접촉저항이 커져 연료전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 연료전지 모듈의 가스 기밀성을 확보하여 에너지 수율을 향상시킬 수 있는 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 무게가 가벼우면서도 적은 비용으로 대량생산이 가능하고 별도의 절연장치 없이 용이하게 연료전지 스택을 구성할 수 있는 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 세퍼레이터를 각각 사이에 두고, 적층되는 복수의 고분자 전해질 막(PEM:Polymer electrolyte membrane)과 상기 고분자 전해질 막들에 발생한 전기를 집전하는 전극판을 갖는 연료전지 모듈; 및 상기 연료전지 모듈의 적층방향 양 측면에 각각 결합되며, 이격된 거리가 가변될 수 있도록 서로 체결된 한 쌍의 엔드 플레이트;를 포함하여, 상기 엔드 플레이트들의 이격 거리를 가변하며 상기 세퍼레이터, 상기 고분자 전해질 막 및 상기 전극판의 밀착정도를 조절할 수 있는 연료전지를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트들 중, 적어도 어느 하나의 엔드 플레이트는 상기 연료전지 모듈과 접하는 일면에 상기 연료전지 모듈의 일부가 내측으로 안착될 수 있는 안착홈이 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트들은 각각 상기 연료전지 모듈과 접하는 일면에 상기 연료전지 모듈의 일부가 내측으로 안착될 수 있는 안착홈이 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트들은 안착홈 가장자리 모서리가 서로 소정 거리 이격되도록 조립되고, 상기 연료전지 모듈의 측면 일부가 외부로 노출되게 하여, 상기 연료전지 모듈이 공냉식으로 냉각될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트들은 안착홈 가장자리 모서리가 서로 맞닿도록 조립될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트들의 안착홈 내부에 구비되고, 상기 연료전지 모듈에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 방열판을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 방열판의 내부에는 냉각 유체가 이동할 수 있는 채널이 형성되고, 상기 채널의 양단에는 상기 엔드 플레이트들 외부로 연장되어 상기 냉각 유체가 유입 및 유출될 수 있게 하는 냉각 유체 입출구가 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 일정 부분에는 외부의 반응기체를 상기 연료전지 모듈으로 공급하는 반응기체 유입구 및 상기 연료전지 모듈을 통과한 반응기체를 외부로 배출하는 반응기체 배출구가 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 안착홈 내면에는 상기 반응기체 유입구와 관통되어 상기 반응기체를 상기 연료전지 모듈의 내부 유로로 공급하는 반응기체 유입홈 및 상기 반응기체 배출구와 관통되며 상기 연료전지 모듈을 통과한 반응기체를 상기 반응기체 배출구로 배출하기 위한 반응기체 배출홈이 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 각 엔드 플레이트의 안착홈 가장자리 일정부분에는 상기 연료전지 모듈에서 돌출된 전극이 외부로 노출될 수 있게 하는 전극 노출홈이 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 각 엔드 플레이트에는 상기 전극 노출홈의 연장선 상에 형성되고 상기 전극에 전선 연결시 상기 전선과 상기 엔드 플레이트의 바닥면이 서로 간섭되지 않게하는 전선 연결홈이 더 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 각 엔드 플레이트는 연질의 플라스틱으로 제작된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 플라스틱은 단열 플라스틱일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지가 복수 개 결합하고, 각 연료전지 모듈들의 전극이 직렬 또는 병렬로 연결된 연료전지 스택을 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지와는 별도로 엔드 플레이트만을 더 제공할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 의하면, 엔드 플레이트 안착홈에 연료전지 모듈의 양측을 안착시켜 가압 조립할 수 있으므로 연료전지 모듈의 적층형태를 유지하면서 고분자 전해질 막과 세퍼레이터가 휘거나 훼손됨없이 밀착시킬 수 있으므로 가스 기밀성을 확보하여 에너지 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 연료전지, 연료전지 스택 및 엔드 플레이트에 의하면, 엔드 플레이트가 단열 플라스틱 재료로 제작되므로 전극판과 별도로 절연이 필요없고, 연료전지 모듈의 초기 동작시 별도의 히터 없이도 동작 온도까지의 상승이 용이하며, 연료전지 스택 구성에도 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 정면도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 측면도,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 평면도,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 저면도,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 횡단면을 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 분해사시도,
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지의 엔드 플레이트를 보여주는 도면,
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지로 구성한 연료전지 스택을 보여주는 도면,
도 10은 도 9의 연료전지 스택의 측면도,
도 11은 도 9의 연료전지 스택의 평면도,
도 12는 도 9의 연료전지 스택의 저면도,
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지를 보여주는 도면,
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 정면도,
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 측면도,
도 16은 본 발명의 제2 실시에에 따른 연료전지의 평면도,
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 저면도,
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 횡단면을 보여주는 도면,
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 분해사시도,
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지의 엔드 플레이트를 보여주는 도면,
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지로 구성한 연료전지 스택을 보여주는 도면,
도 22는 도 21의 연료전지 스택의 측면도,
도 23은 도 21의 연료전지 스택의 평면도,
도 24는 도 21의 연료전지 스택의 저면도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
[제1 실시예]
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지(100)는 연료전지 모듈(110) 및 엔드 플레이트(120)를 포함하여 이루어진다.
상기 연료전지 모듈(110)은 연료인 수소와 산화제인 산소를 공급받아 전기화학적반을을 통해 전기에너지를 생산한다.
그러나, 상기 연료전지 모듈(110)의 반응기체는 수소와 산소에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면, 메탄올등을 사용할 수도 있다.
도 7을 참조하여 더욱 자세히 설명하면, 상기 연료전지 모듈(110)은 세퍼레이터(111), 전극판(112) 및 고분자 전해질 막(113)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 세퍼레이터(111)는 상기 고분자 전해질 막들(113) 각 사이 및 양측 외각에 적층되며, 상기 고분자 전해질 막(113)의 일 면에는 수소를 공급하고, 타 면에는 공기 즉, 산소를 공급하여 상기 고분자 전해질 막(113)에서 전기가 발생하게 하는 역할을 한다.
또한, 상기 세퍼레이터(111)는 추가로 상기 고분자 전해질 막들(113)의 형상을 지지하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 세퍼레이터(111)는 세 종류의 세퍼레이터로 구분되는데 상기 고분자 전해질 막들(113) 각 사이에 위치하는 세퍼레이터(111b)는 산소와 수소를 각각 배출하는 산소 유로 및 수소 유로를 갖고, 상기 고분자 전해질 막들(113) 중 일측 최외각의 고분자 전해질 막 외측에 위치하는 세퍼레이터(111c)는 수소 유로만을 갖고, 타측 최외각의 고분자 전해질 막 외측에 위치하는 세퍼레이터(111a)는 산소 유로만을 갖는다.
즉, 상기 세퍼레이터들(111)은 상기 고분자 전해질 막들(113)의 각각의 일면에 연료인 수소를 공급하고, 타면에는 산소를 공급하기 위한 막 분리판이다.
또한, 상기 전극판(112)은 상기 고분자 전해질 막(113)에서 발생하는 전기 에너지를 집전하기 위한 판으로 산소 유로 세퍼레이터(111a)의 외측과 수소 유로 세퍼레이터(111c)의 외측에 각각 구비된다.
또한, 상기 전극판들(112) 중, 상기 산소 유로 세퍼레이터(111a)의 외측에 위치하는 전극판(112a)은 캐소드 전극판으로, 상기 수소 유로 세퍼레이터(111c)의 외측에 위치하는 전극판(112b)는 애노드 전극판으로 구성된다.
또한, 상기 전극판(112)과 세퍼레이터(111) 사이 및 상기 전극판(112)과 아래에서 설명할 엔드 플레이트(120) 사이에는 반응기체의 누출을 방지할 수 있는 개스킷(gasket,114)이 삽입될 수 있다.
또한, 상기 전극판(112)에는 외부의 전선과 연결되어 전기 에너지를 출력할 수 있는 돌출된 전극(112ba,112aa)이 구비된다.
또한, 상기 고분자 전해질 막(113)은 수소이온은 전달하고 전자의 이동은 차단함으로써 전기 에너지를 생산하는 막으로 폴리에스테르술폰, 폴리에테르케톤, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드계, 술폰화 탄화수소계 고분자막일 수 있다.
즉, 상기 연료전지 모듈(110)은 반응기체인 산소와 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 모듈이다.
상기 엔드 플레이트(120)는 상기 연료전지 모듈(110)의 고분자 전해질 막(113)의 적층방향 양측면, 즉, 상기 전극판(112)의 외측에 각각 결합한다.
즉, 상기 엔드 플레이트(120)는 한쌍의 엔드 플레이트(121,122)로 구성된다.
또한, 상기 엔드 플레이트들(121,122)은 나사(150)에 의해 서로 체결되며, 나사의 조임정도에 따라 이격된 거리가 가변함으로써 상기 연료전지 모듈(110)에 가해지는 압력을 조절할 수 있다.
즉, 상기 엔드 플레이트들(121,122)은 상기 연료전지 모듈(110)의 형태가 유지되도록 가압하여 고정하는 동시에 상기 연료전지 모듈(110)을 외부로부터 보호하는 케이스의 역할을 한다.
도 8을 참조하여 더욱 자세히 설명하면, 상기 엔드 플레이트들(121,122) 중 적어도 어느 하나의 엔드 플레이트(121)에는 상기 연료전지 모듈(110)을 측면 일부가 내측으로 안착될 수 있는 안착홈(121a)이 형성되며 상기 안착홈(121a)의 형태 및 크기는 상기 전극판(112)의 형태 및 크기와 대응한다.
즉, 상기 연료전지 모듈(110)의 측면 일부가 상기 안착홈(121a)에 꼭 맞게 삽입될 수 있다.
또한, 상기 안착홈(121a)은 상기 각 엔드 플레이트(121,122)에 형성될 수 있고, 상기 엔드 플레이트들(121,122)의 형태는 서로 동일할 수 있다.
그러나, 상기 안착홈(121a)은 어느 하나의 엔드 플레이트(121)에만 형성될 수 있고, 이 경우, 다른 하나의 엔드 플레이트(122)는 상기 연료전지 모듈(110)과 접하는 면이 평면일 수 있다.
다만, 상기 엔드 플레이트들(121,122) 각각에 안착홈(121a)을 형성하여 상기 연료전지 모듈(110)에 가압 조립될 때, 상기 연료전지 모듈(110)의 적층구조가 뒤틀리지 않고 유지되게 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 엔드 플레이트들(121,122)의 안착홈(121a) 높이는 상기 연료전지 모듈(110)에 체결하였을 때 상기 엔드 플레이트들(121,122)의 안착홈(121a) 가장자리 모서리(121aa)가 서로 만나지 않을 정도의 높이로 구성된다.
이는 상기 엔드 플레이트들(121,122)의 사이 공간을 통해 상기 연료전지 모듈(110)로 공기가 유입되게 하여 상기 연료전지 모듈(110)이 공냉식으로 냉각될 수 있게 하기 위함이다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)에는 반응 기체를 상기 안착홈(121a) 내측으로 공급하기 위한 반응기체 유입구(121b,121c) 및 상기 안착홈(121a)에서 외부로 반응 기체를 배출하기 위한 반응기체 배출구(121d,121e)가 형성된다.
그러나, 어느 하나의 엔드 플레이트(121)의 반응기체 유입구 및 배출구로는 반응 기체가 유입만 되게 하고, 다른 하나의 엔드 플레이트(122)의 반응기체 유입구 및 배출구로는 반응 기체가 배출만 되게 하는 등, 설계자의 요구에 반응 기체의 유입 및 유출 위치를 적절히 변경할 수 있다.
또한, 상기 반응기체 유입구(121b,121c) 및 상기 반응기체 배출구(121d,121e)에는 외부 튜브와 연결될 수 있는 노즐(123)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)의 안착홈(121a) 내측에는 상기 반응기체 유입구(121b,121c)와 서로 관통되고, 상기 연료전지 모듈(110)의 세퍼레이터 내부 유로와 맞닿아 반응기체를 공급하는 반응기체 유입홈(121ba,121ca) 및 상기 반응기체 배출구(121d,121e)와 서로 관통되고, 세퍼레이터의 내부 유로와 맞닿아 배출되는 반응기체를 상기 반응기체 배출구(121d,121e)로 배출하는 반응기체 배출홈(121da,121ea)이 더 형성될 수 있다.
이는 반응기체가 기밀을 유지하며 상기 연료전지 모듈(110)로 입출되게 하는 역할을 한다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)의 안착홈 가장자리(121aa) 일정부분에는 상기 전극판(112)의 전극(112aa,112ba)이 외부로 노출될 수 있도록 파여진 전극 노출홈(121ab)이 형성된다.
또한, 상기 전극 노출홈(121ab)의 파여진 연장선 상에는 상기 전극(112ba)에 전선을 연결할 때, 엔드 플레이트의 바닥면과 간섭되지 않도록 전선 연결홈(121ac)이 더 형성될 수 있다.
따라서, 상기 전극(112aa,112ba)은 상기 전극 노출홈(121ab)의 내측에서 외부로부터 안전하게 보호되는 동시에 용이하게 전선을 연결할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)는 나사(150)로 체결 후, 엔드 플레이트 연결바(130)에 의해 서로 강하게 고정될 수 있으며, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)의 외측면에는 상기 엔드 플레이트 연결바(130)를 안착시켜 위치를 고정할 수 있는 엔드 플레이트 연결바 안착홈(131)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)에는 상기 나사(150)가 삽입되어 체결될 수 있는 복수의 나사 삽입공(121f)이 천공된다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)는 사출 성형이 가능한 연질의 플라스틱 재료로 제작되며, 이는 상기 연료전지 모듈(110)과 체결될 때, 상기 연료전지 모듈(110)에 손상을 주지않고 부드럽게 가압할 수 있게 하며, 대량생산을 통해 제작비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 각 엔드 플레이트(121,122)는 상기 연료전지 모듈(110)의 초기동작시 별도의 히터없이도 빠르게 가열될 수 있도록 단열 플라스틱으로 제작될 수 있다.
예를 들면, 상기 단열 플라스틱은 수지에 발포제를 넣은 기포 플라스틱일 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지(100)에 의하면, 연료전지 모듈(110)을 엔드 플레이트(120)의 안착홈(121a)에 안착한 상태에서 가압할 수 있으므로 뒤틀림없이 적층된 형상을 그대로 유지하며 조립이 가능하며, 가압정도에 따라 전극, 세퍼레이터 및 고분자 전해질 막을 서로 강하게 밀착시킬 수 있으므로 열료전지 모듈(110) 내부의 가스기밀성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 전극판(112)과 상기 엔드 플레이트들(121,122) 간에 절연을 위한 별도의 절연 수단이 요구되지 않으므로 제작비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 연료전지(100)는 도 9 내지 도 12에 도시한 바와 같이 복수의 연료전지(100)가 서로 연결되어 하나의 연료전지 스택(100a)으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 연료전지들(100)의 전극은 전극연결봉(160)을 통해 직렬 또는 병렬로 연결된다.
또한, 상기 연료전지들(100)은 연료전지 연결바(140)에 의해 서로 고정되며, 이 경우, 상기 엔드 플레이트(120)의 외측면에는 상기 연료전지 연결바(140)가 안착되어 위치가 고정될 수 있는 연료전지 연결바 안착홈(141)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 스택(100a)은 별도의 절연장치없이도 상기 엔드 플레이트(120)에 의해 절연되므로 스택구성이 매우 용이한 장점이 있다.
[제2 실시예]
도 13 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지(200)는 연료전지 모듈(110) 및 엔드 플레이트(210)를 포함하여 이루어진다.
상기 연료전지 모듈(110)은 반응기체를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 모듈로써 본 발명의 제1 실시예의 연료전지 모듈과 그 구성 및 기능이 실질적으로 동일하다. 따라서 구체적인 설명은 생략한다.
상기 엔드 플레이트(210)는 상기 연료전지 모듈(110)의 양측면에 조립되어 상기 연료전지 모듈(110)을 가압하여 가스 기밀성을 유지하고 상기 연료전지 모듈(110)을 외부로부터 보호하기 위한 케이스로써, 한 쌍의 엔드 플레이트(211,212)로 구성되며, 그 기능은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트(120)와 실질적으로 동일하다.
다만, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트(210)는 상기 연료전지 모듈(110)의 안착되는 안착홈의 높이(h)가 제1 실시예에 따른 엔드 플레이트(120)의 안착홈 높이보다 높으며, 상기 연료전지 모듈(110)에 조립되었을 때, 안착홈의 가장자리 상부 모서리가 서로 만나 상기 연료전지 모듈(110)의 네 측면과 저면이 외부로 노출되지 않도록 감싼다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔드 플레이트(210)는 상기 연료전지 모듈(110)의 양측을 각 엔드 플레이트(211,212)의 안착홈에 거의 모두 안착시켜 조립할 수 있으므로 상기 연료전지 모듈(110)의 적층형태를 최대한 유지하며, 가압 조립할 수 있는 장점이 있고, 상기 연료전지 모듈(110)을 보호하는데도 유리한 효과가 있다.
다만, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지(200)는 상기 연료전지 모듈(110)의 상부 일부만을 외부로 개방할 수 있으므로 동작중에 발생하는 열을 외부로 노출하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지(200)는 상기 엔드 플레이트(210)의 안착홈 내부에 상기 연료전지 모듈(110)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 방열판(220)이 더 구비하였다.
또한, 상기 방열판(220)은 내부에 냉각 유체가 이동할 수 있는 유체 이동 채널이 형성되고 채널의 양단에는 상기 엔드 플레이트(210)의 외부로 연장되어 냉각 유체가 유입 또는 유출될 수 있게 하는 냉각 유체 입출구(221)가 구비된다.
또한, 상기 엔드 플레이트(210)에는 상기 냉각 유체 입출구(221)가 외부로 노출될 수 있게 하는 냉각 유체 입출구 노출홈(221a)이 형성된다.
또한, 상기 냉각 유체 입출구 노출홈(221a)은 반원의 형상으로 상기 연드 플레이트(210)가 서로 맞닿았을 때 원형의 형상을 이루도록 도시하였으나 그 형상에는 한정이 없으며, 예를 들면, 엔드 플레이트의 안착홈 측면에 원형홈으로 천공되어 형성될 수 있다.
또한, 도 21 내지 도 24를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지(200)는 복수의 연료전지(200)가 서로 연결되어 하나의 연료전지 스택(200a)으로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택(200a)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택(100a)과 비교하여 연료전지 연결바(140a)와 연료전지 연결바 안착홈(141a)의 위치에 차이가 있는 것으로 도시하였으나 이러한 위치차이에 제한되지 않는다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지(200)에 의하면, 연료전지 모듈(110)의 적층구조를 최대한 유지하면서 엔드 플레이트(120)를 가압조립할 수 있고, 외부로부터 연료전지 모듈(110)을 보호하는데 유리한 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100,200:연료전지 100a,200a:연료전지 스택
110:연료전지 모듈 111:세퍼레이터
112:전극판 113:고분자 전해질 막
114:개스킷 120,121,122:엔드 플레이트
121a:안착홈 121b,121c:반응기체 유입구
121d,121e:반응기체 배출구 130:엔드 플레이트 연결바
131:엔드 플레이트 연결바 안착홈 140:연료전지 연결바
141:연료전지 연결바 안착홈 150:나사
160:전극 연결봉

Claims (20)

  1. 세퍼레이터를 각각 사이에 두고, 적층되는 복수의 고분자 전해질 막(PEM:Polymer electrolyte membrane)과 상기 고분자 전해질 막들에 발생한 전기를 집전하는 전극판을 갖는 연료전지 모듈; 및
    상기 연료전지 모듈의 적층방향 양 측면에 각각 결합되며, 이격된 거리가 가변될 수 있도록 서로 체결된 한 쌍의 엔드 플레이트;를 포함하여,
    상기 엔드 플레이트들의 이격 거리를 가변하며 상기 세퍼레이터, 상기 고분자 전해질 막 및 상기 전극판의 밀착정도를 조절할 수 있는 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트들 중, 적어도 어느 하나의 엔드 플레이트는 상기 연료전지 모듈과 접하는 일면에 상기 연료전지 모듈의 일부가 내측으로 안착될 수 있는 안착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트들은 각각 상기 연료전지 모듈과 접하는 일면에 상기 연료전지 모듈의 일부가 내측으로 안착될 수 있는 안착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트들은 안착홈 가장자리 모서리가 서로 소정 거리 이격되도록 조립되고, 상기 연료전지 모듈의 측면 일부가 외부로 노출되게 하여, 상기 연료전지 모듈이 공냉식으로 냉각될 수 있게 한 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트들은 안착홈 가장자리 모서리가 서로 맞닿도록 조립되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트들의 안착홈 내부에 구비되고, 상기 연료전지 모듈에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방열판의 내부에는 냉각 유체가 이동할 수 있는 채널이 형성되고, 상기 채널의 양단에는 상기 엔드 플레이트들 외부로 연장되어 상기 냉각 유체가 유입 및 유출될 수 있게 하는 냉각 유체 입출구가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 일정 부분에는 외부의 반응기체를 상기 연료전지 모듈으로 공급하는 반응기체 유입구 및 상기 연료전지 모듈을 통과한 반응기체를 외부로 배출하는 반응기체 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 안착홈 내면에는 상기 반응기체 유입구와 관통되어 상기 반응기체를 상기 연료전지 모듈의 내부 유로로 공급하는 반응기체 유입홈 및 상기 반응기체 배출구와 관통되며 상기 연료전지 모듈을 통과한 반응기체를 상기 반응기체 배출구로 배출하기 위한 반응기체 배출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 엔드 플레이트의 안착홈 가장자리 일정부분에는 상기 연료전지 모듈에서 돌출된 전극이 외부로 노출될 수 있게 하는 전극 노출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 각 엔드 플레이트에는 상기 전극 노출홈의 연장선 상에 형성되고 상기 전극에 전선 연결시 상기 전선과 상기 엔드 플레이트의 바닥면이 서로 간섭되지 않게하는 전선 연결홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 엔드 플레이트는 연질의 플라스틱으로 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 플라스틱은 단열 플라스틱인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  14. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 연료전지가 복수 개 결합하고, 각 연료전지 모듈들의 전극이 직렬 또는 병렬로 연결된 연료전지 스택.
  15. 연료전지 모듈의 적층방향 양 측면에 각각 결합하는 엔드 플레이트로서,
    상기 연료전지 모듈에 접하는 일면에 상기 연료전지 모듈의 일부가 내측으로 안착되어 결합할 수 있는 안착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 엔드 플레이트.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 일정부분에는 외부의 반응기체를 상기 연료전지 모듈로 공급하는 반응기체 유입구 및 상기 연료전지 모듈을 통과한 반응기체를 외부로 배출하는 반응기체 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 엔드 플레이트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 안착홈 내면에는 상기 반응기체 유입구와 관통되어 상기 반응기체를 상기 연료전지 모듈의 내부 유로로 공급하는 반응기체 유입홈 및 상기 반응기체 배출구와 관통되며 상기 연료전지 모듈을 통과한 반응기체를 상기 반응기체 배출구로 배출하기 위한 반응기체 배출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 엔드 플레이트.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안착홈의 가장자리 일정부분에는 상기 연료전지 모듈에서 돌출된 전극이 외부로 노출될 수 있게 하는 전극 노출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 엔드 플레이트.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전극 노출홈의 연장선 상에 형성되고 상기 전극에 전선 연결시 상기 전선과 상기 엔드 플레이트의 바닥면이 서로 간섭되지 않게하는 전선 연결홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 엔드 플레이트.
  20. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트에는 상기 연료전지 모듈의 타면에 결합하는 앤드 플레이트와 나사를 통해 결합될 수 있는 나사 삽입공이 형성되는 것을 특징으로 하는 엔드 플레이트.
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