KR20170035713A - 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

연료전지 스택이 개시된다. 개시된 연료전지 스택은 ⅰ)매니폴드를 포함하는 단위 셀들과, ⅱ)집전판 및 엔드 플레이트를 포함하며, 단위 셀들의 최 외측에 배치되는 엔드 구조체와, ⅲ)엔드 구조체와 상기 최 외측의 단위 셀 사이에 설치되며, 최 외측의 단위 셀에 평면 방향으로 접촉되는 적어도 하나의 열전달부재를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 발명의 실시예는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀간 온도편차를 저감할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 스택은 연료전지들에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 장치로서, 일 예로 연료전지 차량에 적용되고 있다.
연료전지 스택은 수 백 단위의 연료전지들이 연속적으로 배열된 연료전지 조립체이다. 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 배치된 단위 셀이다. 연료전지들은 가압된 상태에서 엔드 플레이트 및 체결수단을 통해 체결될 수 있다.
이와 같은 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 반응 부산물로서 열과 물을 발생시키고, 냉각매체인 냉각수에 의해 냉각이 이루어진다.
한편, 연료전지 스택은 전체 연료전지(이하에서는 편의 상 "셀" 이라고 한다)의 온도 분포를 일정 범위 내에서 균일하게 유지하는 것이 중요하다. 그러나 연료전지 스택에서 양 끝단에는 집전판이 포함된 엔드 플레이트가 위치하는데, 그 엔드 플레이트 부근의 셀 온도는 다른 셀들의 온도에 비해 낮다.
이러한 연료전지 스택의 셀간 온도편차 현상은 연료전지 스택의 냉 시동 또는 냉간 운전 시에 주로 발생하며, 엔드 셀에서 발생하는 열이 주변의 열 용량이 큰 부품(엔드 플레이트, 집전판)으로 뺏기면서 엔드 셀의 온도 상승이 지연됨으로써 발생한다.
종래 기술에서는 연료전지 스택의 셀간 온도편차로 인해 엔드 셀 온도저하에 따른 반응가스의 과잉 가습, 엔드 셀에서의 플러딩(flooding) 발생, 반응가스 공급 부족 등이 발생하므로, 셀 전압 강하에 따른 연료전지 스택의 출력 제한을 일으킬 수 있다.
이와 같은 연료전지 스택의 셀간 온도편차에 따른 문제점을 개선하기 위해 본 출원인은「한국 공개특허공보 제2014-0024776호」및「한국 공개특허공보 제2014-0086150호」에서와 같은 연료전지 스택을 개시한 바 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 간단한 구성으로 셀간 온도편차를 저감시키며 단위 셀들의 열 분포 및 온도 균일성을 개선할 수 있도록 한 연료전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은, ⅰ)매니폴드를 포함하는 단위 셀들과, ⅱ)집전판 및 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 단위 셀들의 최 외측에 배치되는 엔드 구조체와, ⅲ)상기 엔드 구조체와 상기 최 외측의 단위 셀 사이에 설치되며, 상기 최 외측의 단위 셀에 평면 방향으로 접촉되는 적어도 하나의 열전달부재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택은, 상기 엔드 구조체의 집전판과 상기 최 외측의 단위 셀 사이에 개재되는 미디엄 플레이트를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 최 외측의 단위 셀에 대응하는 상기 미디엄 플레이트의 일면에 평면적으로 삽입될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 미디엄 플레이트의 일면에는 상기 열전달부재가 삽입되는 삽입홈이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 삽입홈에 삽입되며, 상기 미디엄 플레이트와 동일 평면을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 반응유체 및 냉각수를 배출하는 고온부로서의 일측 매니폴드 측에서 반응유체 및 냉각수를 유입하는 저온부로서의 다른 일측 매니폴드 측으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 고온부 측의 열을 상기 저온부 측으로 전달할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 최 외측 단위 셀에 대해 평면방향으로 열을 전달할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 고온부 측에 위치하는 흡열부와, 상기 흡열부에서 연장되며 상기 저온부 측에 위치하는 방열부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 방열부는 상기 미디엄 플레이트의 높이 방향을 기준으로, 상기 흡열부 보다 높은 위치에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 가진 평판 형상의 히트 파이프로 구비되며, 플레이너 밴딩(palnar bending) 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 고온부 측에 위치하는 흡열부와, 상기 흡열부에서 평면적으로 플레이너 밴딩되어 상기 저온부 측으로 연장되며 그 저온부 측에 위치하는 방열부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 일측 매니폴드 및 다른 일측 매니폴드 사이에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 흡열부는 상기 일측 매니폴드에 노출될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 가진 평판 형상의 히트 파이프로 구비되며, 버티컬 밴딩(vertical bending) 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 상기 고온부 측에 위치하는 흡열부와, 상기 흡열부에서 수직 방향으로 버티컬 밴딩되어 상기 저온부 측으로 연장되며 그 저온부 측에 위치하는 방열부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 흡열부는 상기 일측 매니폴드에 상기 단위 셀들의 적층 방향을 따라 삽입될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은, ⅰ)매니폴드를 포함하며, 연속적으로 배열되는 다수 매의 단위 셀들과, ⅱ)집전판 및 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 단위 셀들의 최 외측에 배치되는 엔드 구조체와, ⅲ)상기 최 외측의 단위 셀에 대응하여 상기 엔드 구조체에 평면 방향으로 설치되는 적어도 하나의 열전달부재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프로 구비되되, 상기 최 외측의 단위 셀에 대응하는 상기 집전판의 일면에 평면적으로 삽입되며, 상기 최 외측의 단위 셀에 평면 방향으로 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 집전판의 일면에는 상기 열전달부재가 삽입되는 삽입홈이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프로 구비되되, 상기 집전판에 대응하는 상기 엔드 플레이트의 일면에 평면적으로 삽입되며, 상기 집전판에 평면 방향으로 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택에 있어서, 상기 엔드 플레이트의 일면에는 상기 열전달부재가 삽입되는 삽입홈이 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 단위 셀들의 양 최 외측에 평판 타입의 열전달부재를 설치하므로, 단위 셀들의 양 최 외측에서 열전달부재를 통해 평면방향으로 고온부 측에서 저온부 측으로의 신속한 열 전달을 유도할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 주로 냉 시동 또는 냉간 운전 시 단위 셀들의 엔드 셀에서 온도 상승이 지연됨에 따라 발생하는 셀간 온도편차를 줄일 수 있으므로, 단위 셀들의 열 분포 및 온도 균일성을 개선할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 셀간 온도편차로 인한 셀 전압 강하를 개선할 수 있으며, 연료전지 스택의 출력 제한 문제를 해결할 수 있고, 전체적인 연료전지 스택의 내구성을 증대시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 평판 타입의 열전달부재를 연료전지 스택의 양 끝단 측에 구성하므로, PTC 히터나 열전소자를 채용하는 종래 기술과 달리, 전체적인 연료전지 스택의 구조를 단순화시킬 수 있고, 연료전지 스택의 제작 원가를 절감할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 적용되는 단위 셀들의 매니폴드 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 적용되는 열전달부재의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택에 적용되는 열전달부재의 배치 구조를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 연료인 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체이다. 이하에서는 전기 에너지를 발생시키기 위해 단위 셀들(11)로 공급되는 수소와 공기를 반응유체로 정의한다.
상기 단위 셀들(11)은 수 십 내지 수 백장의 다수 매로 적층되며, 그 단위 셀들(11)에는 반응유체의 공급과 배출을 위한 매니폴드(13a~13d)를 형성하고 있다. 단위 셀들(11)에는 냉각수를 유동시키기 위한 매니폴드(14a, 14b)도 형성하고 있다.
예를 들면, 상기 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)는 도 2에서와 같이, 단위 셀들(11)의 높이 방향을 기준으로 할 때, 단위 셀들(11)의 일측 위에서부터 아래를 향해 수소 유입구(13a), 냉각수 배출구(14a) 및 공기 배출구(13b)를 형성하고 있다. 그리고 상기 매니폴드는 단위 셀들(11)의 다른 일측 위에서부터 아래를 향해 공기 유입구(13c), 냉각수 유입구(14b) 및 수소 배출구(13d)를 형성하고 있다.
한편, 상기와 같이 연속적으로 적층된 단위 셀들(11)의 최 외측(양 끝단)에는 엔드 구조체(21)가 각각 배치된다. 상기 각 엔드 구조체(21)는 집전판(23)과 엔드 플레이트(25)를 포함한다.
상기 집전판(23)은 단위 셀들(11)에서 발생되는 전류를 집전하는 것으로서, 최 외측의 단위 셀(11)에 밀착되게 배치된다. 상기 엔드 플레이트(25)는 집전판(23)과 결합하며 체결수단에 의해 상호 체결되면서 이들 사이의 단위 셀들(11)을 최 외곽에서 가압한다.
여기서, 상기 단위 셀들(11)의 한 쪽 끝단에 배치되는 엔드 플레이트(25)는 오픈형 엔드 플레이트로 정의할 수 있으며, 단위 셀들(11)의 다른 한 쪽 끝단에 배치되는 엔드 플레이트(25)는 폐쇄형 엔드 플레이트로 정의할 수 있다.
상기 오픈형 엔드 플레이트는 단위 셀들(11)의 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)와 연결되는 매니폴드 구멍을 형성하고, 폐쇄형 엔드 플레이트는 매니폴드 구멍을 형성하고 있지 않으며 단위 셀들(11)의 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)를 폐쇄한다.
이와 같은 연료전지 스택(100)에서 단위 셀들(11)의 반응유체 및 냉각수를 배출하는 매니폴드 측(이하에서는 편의 상 "고온부" 라고 한다)은 상대적으로 고온을 유지하며, 반응유체 및 냉각수를 유입하는 매니폴드 측(이하에서는 편의 상 "저온부" 라고 한다)은 상대적으로 저온을 유지한다.
한편, 상기 연료전지 스택(100)은 냉 시동 또는 냉간 운전 시, 단위 셀들(11)의 최 외측에서 발생하는 열이 주변의 열 용량이 큰 엔드 구조체(21)로 뺏기며 엔드 셀의 온도 상승이 지연됨에 따라 엔드 셀들과 중간 셀들 간 온도편차가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 간단한 구성으로 셀간 온도편차를 저감시키며 단위 셀들(11)의 열 분포 및 온도 균일성을 개선할 수 있는 연료전지 스택(100)을 제공한다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 고온부의 열을 저온부로 전달하며, 냉 시동 또는 냉간 운전 시에 발생하는 셀간 온도분포를 저감시킬 수 있는 열전달부재(50)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열전달부재(50)는 엔드 구조체(21)와 최 외측의 단위 셀(11)(이하에서는 편의 상 "엔드 셀" 이라고 한다) 사이에 설치되며, 그 엔드 셀에 평면 방향으로 접촉된다.
상기와 같이 열전달부재(50)를 엔드 구조체(21)와 엔드 셀 사이에 설치하기 위해 본 발명의 실시예에서는 그 엔드 구조체(21)와 엔드 셀 사이에 개재되는 미디엄 플레이트(30)를 포함하고 있다.
상기 미디엄 플레이트(30)는 단위 셀들(11)에 대응하는 형상의 플레이트로서, 엔드 구조체(21)의 집전판(23)과 엔드 셀 사이에 배치되며, 전도성을 지닌 금속 플레이트로 구비된다.
여기서, 상기 단위 셀들(11)의 한 쪽 끝단에 위치하는 엔드 구조체(21)와 엔드 셀 사이에 배치되는 일측 미디엄 플레이트(30)는 단위 셀들(11)의 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)와 연결되는 매니폴드 구멍을 형성하고 있다. 그리고 상기 단위 셀들(11)의 다른 한 쪽 끝단에 위치하는 엔드 구조체(21)와 엔드 셀 사이에 배치되는 다른 일측 미디엄 플레이트(30)는 매니폴드 구멍을 형성하고 있지 않으며 단위 셀들(11)의 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)를 폐쇄한다.
상기 열전달부재(50)는 엔드 셀에 대응하는 미디엄 플레이트(30)의 일면에 평면적으로 삽입된다. 이에 상기 미디엄 플레이트(30)의 일면에는 열전달부재(50)가 평면적으로 삽입될 수 있는 삽입홈(31)이 형성된다. 즉, 상기 열전달부재(50)는 미디엄 플레이트(30)의 삽입홈(31)에 삽입되며 그 미디엄 플레이트(30)의 일면과 동일 평면을 형성한다.
상기 열전달부재(50)는 도 2 및 도 3에서와 같이, 반응유체 및 냉각수를 배출하는 고온부로서의 일측 매니폴드(13b, 13d, 14a) 측에서 반응유체 및 냉각수를 유입하는 저온부로서의 다른 일측 매니폴드(13a, 13c, 14b) 측으로 배치된다. 즉, 상기 열전달부재(50)는 단위 셀들(11)의 엔드 셀 측에서 고온부 측의 열을 저온부 측으로 전달하는데, 그 엔드 셀에 대해 평면 방향으로 열을 전달할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 상기 열전달부재(50)는 도 3 및 도 4에서와 같이, 설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프(51)를 포함한다. 즉, 상기 히트 파이프(51)는 얇은 두께의 평판 타입으로서 설정된 폭과 길이를 갖는 띠 형상으로 구비될 수 있다.
상기 히트 파이프(51)는 열전도성을 지닌 평판 타입의 본체(53)와, 그 본체(53)의 길이 방향을 따라 내부에 형성되는 복수 개의 열전달 통로(55)와, 열전달 통로(55)의 내벽 면에 형성되는 윅(wick)(57)과, 열전달 통로(55)에 충전된 작동유체로서의 냉매(도면에 도시되지 않음)를 포함한다.
상기 히트 파이프(51)는 위에서 언급한 바 있는 고온부 측에서 증발되고, 저온부 측에서 응축되는 냉매의 상 변화 시에 발생하는 잠열을 이용하여 발열 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열을 전달하는 열전달장치이다.
상기 히트 파이프(51)는 고온부 측에 위치하는 흡열부(61)와, 그 흡열부(61)에서 연장되며 저온부 측에 위치하는 방열부(63)를 포함한다. 여기서, 상기 방열부(63)는 중력의 저항을 적게 받도록 미디엄 플레이트(30)의 높이 방향을 기준으로, 흡열부(61) 보다 높은 위치에 배치된다.
따라서, 상기 흡열부(61)에서는 고온부 측의 열을 흡열하며 냉매를 증발시키고, 그 증발된 냉매 가스는 저온부 측의 방열부(63)로 이동되며, 그 방열부(63)에서는 냉매 가스를 액체로 응축시키면서 잠열을 방출하고, 그 방열부(63)에서 응축된 냉매는 다시 흡열부(61)로 이동된다.
이러한 원리로서 상기 히트 파이프(51)는 단위 셀들(11)의 최 외측에서 고온부 측의 열을 저온부 측으로 전달하며, 냉 시동 또는 냉간 운전 시에 발생하는 셀간 온도분포를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 히트 파이프(51)의 구조를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 히트 파이프(51)는 도 3에서와 같이 플레이너 밴딩(palnar bending) 구조로 이루어진다.
상기 히트 파이프(51)는 고온부 측에 위치하는 흡열부(61)에서 평면적으로 플레이너 밴딩되고, 저온부 측으로 연장되면서 그 저온부 측에 방열부(63)가 위치하는 구조일 수 있다.
여기서, 상기한 히트 파이프(51)는 매니폴드 구멍을 형성하고 있지 않은 다른 일측 미디엄 플레이트(30)에 설치된다. 그리고, 상기 히트 파이프(51)는 매니폴드 구멍을 형성하고 있는 일측 미디엄 플레이트(30)에 설치된다.
이 경우, 상기 히트 파이프(51)는단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)를 기준으로, 도 3의 (a)에서와 같이 미디엄 플레이트(30)에서 이들 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b) 사이에 위치할 수 있다.
상기 히트 파이프(51)는 이의 흡열부(61)가 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 공기 배출구(13b) 측에 위치하며, 이의 방열부(63)가 공기 유입구(13c) 측에 위치할 수 있다.
그리고, 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 도 3의 (b)에서와 같이, 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 냉각수 배출구(14a) 측에 노출되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 공기 유입구(13c) 측에 위치할 수 있다.
이 때, 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 도 1에서와 같이 단위 셀들(11)에서 고온부 측의 각 매니폴드(13b, 13d, 14a) 전체에 노출되게 위치할 수 있다. 또한, 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 도 5에서와 같이 단위 셀들(11)에서 고온부 측의 각 매니폴드(13b, 13d, 14a) 일부에 노출되게 위치할 수 있다.
상기에서와 같이 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 단위 셀들(11)에서 고온부 측의 각 매니폴드(13b, 13d, 14a)에 노출되게 위치함에 따라, 그 고온부 측에서의 열을 더욱 용이하게 흡수할 수 있다.
더 나아가, 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 도 6의 (a)에서와 같이 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 공기 배출구(13b) 측에 노출되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 공기 유입구(13c) 측으로 위치할 수 있다.
그리고, 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 도 6의 (b)에서와 같이 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 수소 배출구(13d) 측에 노출되게 위치하며, 히트 파이프(51)이 방열부(63)는 수소 유입구(13a) 측을 향하여 위치할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 상기 히트 파이프(51)는 도 6의 (c)에서와 같이 단위 셀들(11)의 각 엔드 셀 측에서 한 쌍으로 구비될 수 있다.
이 중에서 어느 하나의 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 냉각수 배출구(14a) 측에 노출되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 공기 유입구(13c) 측에 위치할 수 있다.
그리고, 다른 하나의 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 수소 배출구(13d) 측에 노출되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 수소 유입구(13a) 측을 향하여 위치할 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 실시예에 의한 상기 히트 파이프(51)는 다른 변형 예로서, 도 7에서와 같이 설정된 폭과 길이를 가진 평판 형상으로서 버티컬 밴딩(vertical bending) 구조로 이루어질 수 있다.
상기 히트 파이프(51)는 고온부 측에 위치하는 흡열부(61)에서 평면 방향을 기준으로 수직 방향으로 버티컬 밴딩되고, 저온부 측으로 연장되면서 그 저온부 측에 방열부(63)가 위치하는 구조일 수 있다.
이러한 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 단위 셀들(11)의 양측 매니폴드(13a~13d, 14a, 14b)에서 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에 삽입되게 위치할 수 있다.
예를 들면, 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 공기 배출구(13b)에 단위 셀들(11)의 적층 방향을 따라 삽입되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 공기 유입구(13c) 측에 위치할 수 있다.
상기에서와 같이 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 단위 셀들(11)에서 고온부 측의 각 매니폴드(13b, 13d, 14a)에 삽입되게 위치함에 따라, 그 고온부 측에서의 열을 더욱 더 용이하게 흡수할 수 있다.
대안으로서, 상기 히트 파이프(51)는 미디엄 플레이트(30)에 평면적으로 삽입되게 설치되는 바, 히트 파이프(51)의 상기 흡열부(61)는 도 8의 (a)에서와 같이 미디엄 플레이트(30)를 관통하며 엔드 구조체(21)의 엔드 플레이트(25)에 결합될 수도 있다.
또한, 상기와 같은 버티컬 밴딩 타입의 히트 파이프(51)는 도 8의 (b)에서와 같이 단위 셀들(11)의 각 엔드 셀 측에서 한 쌍으로 구비될 수도 있다.
이 중에서 어느 하나의 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 공기 배출구(13b)에 단위 셀들(11)의 적층 방향을 따라 삽입되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 공기 유입구(13c) 측에 위치할 수 있다.
그리고, 다른 하나의 상기 히트 파이프(51)의 흡열부(61)는 예를 들면, 고온부 측의 매니폴드(13b, 13d, 14a)에서 냉각수 배출구(14a)에 단위 셀들(11)의 적층 방향을 따라 삽입되게 위치하며, 히트 파이프(51)의 방열부(63)는 공기 유입구(13c) 측을 향하여 위치할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택에 적용되는 열전달부재의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 단위 셀들(11)의 최 외측 단위 셀(이하에서는 편의 상 "엔드 셀" 이라고 한다)에 대응하여 각각의 엔드 구조체(21)에 평면 방향으로 설치되는 적어도 하나의 열전달부재(50)를 구성할 수 있다.
상기 열전달부재(50)는 평판 타입의 히트 파이프(51)를 포함하는 바, 그 히트 파이프(51)는 각각의 엔드 구조체(21)에서 도 9의 (a)에서와 같이, 엔드 셀에 대응하는 집전판(23)의 일면에 평면적으로 삽입되며, 그 엔드 셀에 평면 방향으로 접촉되게 설치된다.
이에 상기 집전판(23)의 일면에는 히트 파이프(51)가 평면적으로 삽입될 수 있는 삽입홈(24)이 형성된다. 상기 히트 파이프(51)는 집전판(23)의 삽입홈(24)에 평면적으로 삽입되며 그 집전판(23)의 일면과 동일 평면을 형성한다.
상기에서와 같은 히트 파이프(51)의 나머지 구성은 전기 실시예의 구성과 같으므로, 이하에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 열전달부재(50)의 히트 파이프(51)는 각각의 엔드 구조체(21)에서 도 9의 (b)에서와 같이 집전판(23)에 대응하는 엔드 플레이트(25)의 일면에 평면적으로 삽입되며, 그 집전판(23)에 평면 방향으로 접촉되게 설치될 수도 있다.
이에 상기 엔드 플레이트(25)의 일면에는 히트 파이프(51)가 평면적으로 삽입될 수 있는 삽입홈(26)이 형성된다. 상기 히트 파이프(51)는 엔드 플레이트(25)의 삽입홈(26)에 평면적으로 삽입되며 그 엔드 플레이트(25)의 일면과 동일 평면을 형성한다.
지금까지 설명한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)에 의하면, 단위 셀들(11)의 양 최 외측에 평판 타입의 열전달부재(50)를 설치하므로, 단위 셀들(11)의 양 최 외측에서 열전달부재(50)를 통해 평면방향으로 고온부 측에서 저온부 측으로의 신속한 열 전달을 유도할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 고온부 측에서의 열을 히트 파이프(51)의 흡열부(61)를 통해 저온부 측의 방열부(63)로 신속하게 전달하며, 저온부 측에서의 온도 상승을 유도할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 주로 냉 시동 또는 냉간 운전 시 단위 셀들(11)의 엔드 셀에서 온도 상승이 지연됨에 따라 발생하는 셀간 온도편차를 줄일 수 있으므로, 단위 셀들(11)의 열 분포 및 온도 균일성을 개선할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 셀간 온도편차로 인한 셀 전압 강하를 개선할 수 있으며, 연료전지 스택의 출력 제한 문제를 해결할 수 있고, 전체적인 연료전지 스택의 내구성을 증대시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 평판 타입의 열전달부재(50)를 연료전지 스택의 양 끝단 측에 구성하므로, PTC 히터나 열전소자를 채용하는 종래 기술과 달리, 전체적인 연료전지 스택의 구조를 단순화시킬 수 있고, 연료전지 스택의 제작 원가를 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
11... 단위 셀 13a... 매니폴드(수소 유입구)
13b... 매니폴드(공기 배출구) 13c... 매니폴드(공기 유입구)
13d... 매니폴드(수소 배출구) 14a... 매니폴드(냉각수 배출구)
14b... 매니폴드(냉각수 유입구) 21... 엔드 구조체
23... 집전판 24, 26, 31... 삽입홈
25... 엔드 플레이트 30... 미디엄 플레이트
50... 열전달부재 51... 히트 파이프
53... 본체 55... 열전달 통로
57... 윅(wick) 61... 흡열부
63... 방열부

Claims (20)

  1. 매니폴드를 포함하는 단위 셀들;
    집전판 및 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 단위 셀들의 최 외측에 배치되는 엔드 구조체; 및
    상기 엔드 구조체와 상기 최 외측의 단위 셀 사이에 설치되며, 상기 최 외측의 단위 셀에 평면 방향으로 접촉되는 적어도 하나의 열전달부재;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 엔드 구조체의 집전판과 상기 최 외측의 단위 셀 사이에 개재되는 미디엄 플레이트를 더 포함하며,
    상기 열전달부재는 상기 최 외측의 단위 셀에 대응하는 상기 미디엄 플레이트의 일면에 평면적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 미디엄 플레이트의 일면에는 상기 열전달부재가 삽입되는 삽입홈이 구비되고,
    상기 열전달부재는 상기 삽입홈에 삽입되며, 상기 미디엄 플레이트와 동일 평면을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    반응유체 및 냉각수를 배출하는 고온부로서의 일측 매니폴드 측에서 반응유체 및 냉각수를 유입하는 저온부로서의 다른 일측 매니폴드 측으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    상기 고온부 측의 열을 상기 저온부 측으로 전달하되, 상기 최 외측 단위 셀에 대해 평면방향으로 열을 전달하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    상기 고온부 측에 위치하는 흡열부와,
    상기 흡열부에서 연장되며 상기 저온부 측에 위치하는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 미디엄 플레이트의 높이 방향을 기준으로, 상기 흡열부 보다 높은 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 가진 평판 형상의 히트 파이프로 구비되되, 플레이너 밴딩(palnar bending) 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    상기 고온부 측에 위치하는 흡열부와,
    상기 흡열부에서 평면적으로 플레이너 밴딩되어 상기 저온부 측으로 연장되며 그 저온부 측에 위치하는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 열전달부재는 상기 일측 매니폴드 및 다른 일측 매니폴드 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 흡열부는 상기 일측 매니폴드에 노출되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  13. 제4 항에 있어서,
    상기 열전달부재는 설정된 폭과 길이를 가진 평판 형상의 히트 파이프로 구비되되, 버티컬 밴딩(vertical bending) 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    상기 고온부 측에 위치하는 흡열부와,
    상기 흡열부에서 수직 방향으로 버티컬 밴딩되어 상기 저온부 측으로 연장되며 그 저온부 측에 위치하는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 흡열부는,
    상기 일측 매니폴드에 상기 단위 셀들의 적층 방향을 따라 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  16. 매니폴드를 포함하며, 연속적으로 배열되는 다수 매의 단위 셀들;
    집전판 및 엔드 플레이트를 포함하며, 상기 단위 셀들의 최 외측에 배치되는 엔드 구조체; 및
    상기 최 외측의 단위 셀에 대응하여 상기 엔드 구조체에 평면 방향으로 설치되는 적어도 하나의 열전달부재;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프로 구비되되, 상기 최 외측의 단위 셀에 대응하는 상기 집전판의 일면에 평면적으로 삽입되며, 상기 최 외측의 단위 셀에 평면 방향으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 집전판의 일면에는 상기 열전달부재가 삽입되는 삽입홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 열전달부재는,
    설정된 폭과 길이를 갖는 평판 형상의 히트 파이프로 구비되되, 상기 집전판에 대응하는 상기 엔드 플레이트의 일면에 평면적으로 삽입되며, 상기 집전판에 평면 방향으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트의 일면에는 상기 열전달부재가 삽입되는 삽입홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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