KR20190097409A - 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택 및 이를 갖는 연료 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 더 상세하게는 분리판 간의 쇼트 방지 및 연료 전지 스택 정렬성을 향상하는 연료 전지 스택 구조에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 분리판에 오목부 또는 볼록부를 형성하고, 그 부분을 플라스틱으로 일부 감싸게 됨으로써 기준 가이드 마찰에 의한 분리판 변형을 방지하고, 운전시 접촉에 의한 분리판의 쇼트를 방지할 수 있다.

Description

전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택 및 이를 갖는 연료 전지 모듈{Electric safety improved Fuel Cell stack structure and Fuel cell module}
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 더 상세하게는 분리판 간의 쇼트 방지 및 연료 전지 스택 정렬성을 향상하는 연료 전지 스택 구조에 대한 것이다.
연료전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
이러한 연료 전지를 위해 단위 셀들로 이루어지는 연료 전지 스택이 조립된다. 이러한 단위 셀들 사이에 분리판이 적층된다. 일반적으로 연료 전지 스택의 분리판을 적층하는 경우, 노치 가이드에 접촉시킨다. 도 1은 일반적인 연료 전지 스택의 분리판 적층을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 스택의 분리판(110)을 적층할 때 분리판(110)의 상단면이 노치 가이드(120)에 접촉된다.
특히, 분리판(110)은 약 0.1mm 내외의 얇은 판으로서 쉽게 구부러지는 경향이 있다. 따라서, 분리판이 구부러져 분리판간 쇼트가 발생하면 이러한 쇼트로 인해 누기 및/또는 화재가 발생한다. 부연하면, 분리판 적층시, 분리판간 마찰에 의해 분리판이 변형될 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 분리판을 인클로저에 연결 결합하는 구조가 복잡하므로 분리판간 정렬도가 떨어진다는 단점이 있다.
또한, 연료 전지 스택 내부의 온습도 차에 의해 인클로저 하면에 습기가 발생하고, 이 습기와 접촉될 수 있어 연료 전지 스택이 인클로저 하면의 수분에 의해 통전이 발생한다는 단점이 있다.
또한, 분리판의 하단이 인클로저 하면에 고정되므로 차량 충돌시 가속도에 의해 연료 전지 셀이 이탈할 수 있다는 단점이 있다.
1. 일본특허등록 제5115776호(등록일: 2012.10.26) 2. 일본특허공개 제2012-182032호
본 발명은 위 배경 기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 분리판간의 쇼트를 방지할 수 있는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택 및 이를 갖는 연료 전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 분리판의 정렬도를 향상시킬 수 있는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택 및 이를 갖는 연료 전지 모듈을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 분리판간의 쇼트를 방지할 수 있는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택을 제공한다.
상기 연료 전지 스택은, 상단에 분리판 요홈이 형성되는 분리판; 및
상기 분리판 요홈을 감싸는 쇼트 방지부;를 포함하며, 상기 분리판 간의 쇼트를 방지하는 상기 쇼트 방지부는 인클로저에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 쇼트 방지부의 재질은 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 복수의 상기 분리판간에 일정거리를 이격시켜 고정하는 고무 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리판 및 쇼트 방지부는 부분 사출, 사출 금형 또는 접착제에 의해 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리판 요홈은 상협하광의 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 쇼트 방지부는 상기 분리판 요홈으로부터 일정높이만큼 상기 분리판으로부터 돌출되면서 상기 분리판을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 쇼트 방지부는 상기 인클로저 내부의 상면에 의해 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 인클로저 내부의 상면에 상광하협의 인클로저 홈이 형성되고, 체결슬라이더에 의해 상기 쇼트 방지부가 상기 인클로저 홈에 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 체결슬라이더는 상기 인클로저 홈 및 상기 쇼트 방지부에 대해 서로 대칭 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 인클로저 홈은 상기 인클로저 내부의 차량후방 일측면에도 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 인클로저는 내부 습기를 배출하기 위한 다수의 배출구가 형성된 하부 인클로저를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 내부의 상면에 차량좌우를 따라 상광하협의 인클로저 홈이 형성된 상부 인클로저; 및 상기 인클로저 홈에 대칭되도록 상협하광의 홈을 형성하면서 분리판 요홈을 감싸는 쇼트 방지부;를 포함하며, 상기 인클로저 홈에 의해 상시 쇼트 방지부가 지지되는 동시에, 상기 쇼트 방지부에 의해 상기 분리판 간의 쇼트가 방지하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택를 제공한다.
또한, 상기 쇼트방지부 및 상기 인클로저 홈에 슬라이딩 방식으로 삽입되는 체결 슬라이더에 의해 상기 상부 인클로저가 상기 쇼트 방지부를 지지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 분리판에 오목부 또는 볼록부를 형성하고, 그 부분을 플라스틱으로 일부 감싸게 됨으로써 기준 가이드 마찰에 의한 분리판 변형을 방지하고, 운전시 접촉에 의한 분리판의 쇼트를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 분리판과 인클로저에 홈부를 형성하고, 체결 슬라이더로 연결함으로써 정렬도를 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 인클로저 하단에 물 배출구가 형성되고, 분리판이 인클로저의 내측에 매달리듯이 고정 연결되므로 연료 전지 스택이 인클로저 하단의 수분에 의해 통전되지 않는 장점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 분리판이 인클로저의 상단 및 옆면 내측에 고정 연결되므로 차량 충돌시 가속도에 의한 연료 전지 셀의 이탈을 방지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 연료 전지 스택의 분리판 적층을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 스택의 분리판을 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분리판을 적층하여 단면으로 보여주는 개념도이다.
도 4는 도 2에 도시된 쇼트 방지부의 다른 일실시예이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 체결 슬라이더가 삽입될 수 있는 분리판을 갖는 연료 전지 모듈의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 분리판의 상단부를 보여주는 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 체결 슬라이더가 삽입될 수 있는 분리판 및 상단 인클로저의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택 및 이를 갖는 연료 전지 모듈을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 스택의 분리판(210)을 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 분리판(210)의 상단에 분리판 요홈이 형성되고, 상기 분리판 요홈을 감싸는 쇼트 방지부(220)가 분리판(210)의 상단면에 부착된다. 쇼트 방지부(220)의 재료로는 플라스틱이 사용된다. 플라스틱은 마찰 저항이 작고, 경도가 높은 특징을 가지고 있다. 특히 절연체로서 분리판간 접촉에 따른 쇼트를 방지한다.
또한, 쇼트 방지부(220)는 부분 사출로 성형된다. 물론, 분리판(210)과 쇼트 방지부(220)를 사출 금형하는 것도 가능하다. 이 경우, 먼저 분리판(210)을 생성한후 금형에 분리판(210)을 놓고 플라스틱 액상을 넣어 사출한다. 또한, 미리 쇼트 방지부(220)를 생성한 다음 접착제를 이용하여 분리판(210)에 접착하는 방식도 가능하다. 도 2에 도시된 분리판 요홈은 단면으로 밑변이 일직선이고 양변이 바깥쪽으로 벌어진 상협하광의 형상이다.
도 3은 도 2에 도시된 분리판을 적층하여 단면으로 보여주는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 노치 가이드(310)와 분리판(210)사이에 쇼트 방지부(220)가 구성된다. 추가적으로 다수의 분리판(210)은 고무 가스켓(320)에 의해 일정거리를 이격시킨 체 고정유지될 수 있다. 이 고무 가스켓(320)의 고정 위치는 다양할 수 있으나, 일반적으로 쇼트 방지부(220)와 근접한 거리에서 고정될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 쇼트 방지부(220)의 다른 일실시예이다. 도 4를 참조하면, 분리판 요홈은 밑변이 일직선이고 양변이 안쪽으로 굽어진 형상이고, 상기 쇼트 방지부(220)도 상기 분리판 요홈의 형상과 동일한 형상이 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 체결 슬라이더가 삽입될 수 있는 분리판을 갖는 연료 전지 모듈의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 연료 전지 모듈은 상단면에 결합되는 상부 인클로저(510), 상기 상부 인클로저(510)와 결합되는 하부 인클로저(520) 등으로 구성된다. 물론, 상부 인클로저(510)와 하부 인클로저(520)는 하나의 인클로저가 될 수 있다. 물론, 도 5에는 도시되어 있지 않으나, 연료 전지 스택은 복수개의 연료 전지 셀로 구성되며, 이들 연료 전지 셀에는 MEA(Membrane Electrode Assembly), 분리판(210), GDL(Gas Diffusion Layer) 등이 구성된다. 연료 전지 스택의 구조에 대해서는 이미 널리 알려져 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
분리판(210)이 상부 인클로저(510)의 내측에 고정되기 위해, 상기 분리판 요홈에 대응되게 상부 인클로저(510)의 상단면 내측 및 일측면 내측에 인클로저 홈이 형성된다. 물론, 이에 한정되지 않고 인클로저 내부의 차량 후방 일측면에도 형성될 수 있다. 또한, 인클로저 홈은 내부의 상면에 차량 좌우를 따라 형성될 수 도 있다.
체결 슬라이더(501)는 분리판 요홈과 인클로저 홈에 모두 슬라이딩 방식으로 삽입되어 상기 분리판(210)을 상기 상부 인클로저(510)에 고정한다. 이 체결 슬라이더(501)는 알루미늄 또는 플라스틱 소재 압출 폼이다. 물론, 단면이 일정한 소재가 될 수도 있다. 특히 체결 슬라이더(501)는 기본적으로 단면이 "I" 빔 형상을 가지고 있는 긴 막대 형상이다. 부연하면, 체결 슬라이더(501)는 인클로저 홈 및 쇼트 방지부에 대해 서로 대칭 형상이 된다. 따라서, 외곽은 인클로저 홈에 고정되고, 내곽측에는 분리판(210) 및/또는 엔드 플레이트가 위치한다.
또한, 하부 인클로저(520)에는 내부 습기를 배출하기 위한 다수의 배출구(521)가 형성된다. 물론, 이 배출구(521)는 틸딩 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 분리판(210)이 차량 전후 방향 충돌로 인한 변형을 방지하기 위해 상부 인클로저(520)의 상단면 내측에 형성되는 인클로저 홈과 상부 인클로저(520)의 우측면 내측에 형성되는 인클로저 홈에 모두 고정되도록 제 1 체결 슬라이더(501) 및 제 2 체결 슬라이더(502)가 사용된다.
따라서, 상부 인클로저(510)에 분리판 및 연료 전지 셀을 조립함으로써, 각 연료 전지 셀간의 상태 위치를 결정할 수 있으며, 이로 인해 정렬도가 향상될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 분리판의 상단부를 보여주는 부분 단면도이다. 도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 분리판의 일부분(540)을 확대하여 보여준다. 분리판 요홈은 단면으로 상협하광의 형상이고, 상기 쇼트 방지부 및 상기 인클로저 홈도 상기 분리판 요홈의 형상과 동일한 형상이다. 즉, 소트 방지부의 형상은 단면으로 상협하광이고, 인클로저 홈은 단면으로 상광하협의 형상이 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 체결 슬라이더가 삽입될 수 있는 분리판 및 상단 인클로저의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 체결 슬라이더(730)는 허리 부분이 안쪽으로 경사를 이루면서 평평한 형상이다.
210: 분리판
220: 쇼트 방지부
310: 노치 가이드
320: 고무 가스켓
510: 상부 인클로저
520: 하부 인클로저
501,502: 제 1 및 제 2 체결 슬라이더
521: 배출구

Claims (17)

  1. 연료 전지 스택에 있어서,
    상단에 분리판 요홈이 형성되는 분리판; 및
    상기 분리판 요홈을 감싸는 쇼트 방지부;를 포함하며,
    상기 분리판 간의 쇼트를 방지하는 상기 쇼트 방지부는 인클로저에 의해 지지되는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 쇼트 방지부의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  3. 제 1 항에 있어서,
    복수의 상기 분리판 간에 일정거리를 이격시켜 고정하는 고무 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리판 요홈은 상협하광의 형상인 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 쇼트 방지부는 상기 분리판 요홈으로부터 일정높이만큼 상기 분리판으로부터 돌출되면서 상기 분리판을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 쇼트 방지부는 상기 인클로저 내부의 상면에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 인클로저 내부의 상면에 상광하협의 인클로저 홈이 형성되고, 체결슬라이더에 의해 상기 쇼트 방지부가 상기 인클로저 홈에 지지되는 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 체결 슬라이더는 상기 인클로저 홈 및 상기 쇼트 방지부에 대해 서로 대칭 형상인 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 인클로저 홈은 상기 인클로저 내부의 차량후방 일측면에도 형성된 것을 특징으로 하는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 인클로저는 내부 습기를 배출하기 위한 다수의 배출구가 형성된 하부 인클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택.
  11. 연료 전지 스택에 있어서,
    내부의 상면에 차량좌우를 따라 상광하협의 인클로저 홈이 형성된 상부 인클로저; 및
    상기 인클로저 홈에 대칭되도록 상협하광의 홈을 형성하면서 분리판 요홈을 감싸는 쇼트 방지부;를 포함하며,
    상기 인클로저 홈에 의해 상시 쇼트 방지부가 지지되는 동시에, 상기 쇼트 방지부에 의해 분리판 간의 쇼트를 방지하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 쇼트 방지부 및 상기 인클로저 홈에 슬라이딩 방식으로 삽입되는 체결 슬라이더에 의해 상기 상부 인클로저가 상기 쇼트 방지부를 지지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 모듈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 쇼트 방지부의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  14. 제 11 항에 있어서,
    복수의 상기 분리판 간에 일정거리를 이격시켜 고정하는 고무 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 쇼트 방지부는 상기 분리판 요홈으로부터 일정높이만큼 상기 분리판으로부터 돌출되면서 상기 분리판을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 전기 안전성이 향상된 연료 전지 스택.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 인클로저 홈은 상기 인클로저 내부의 차량후방 일측면에도 형성된 것을 특징으로 하는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택.
  17. 제 11 항에 있어서,
    내부 습기를 배출하기 위한 다수의 배출구가 형성되는 하부 인클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 안정성이 향상된 연료 전지 스택.
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