KR20200021212A - 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

실시 예의 연료 전지는 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택과, 셀 스택의 양 측단에 각각 배치된 엔드 플레이트 및 응축수가 잔류 가능한 셀 스택의 하부 영역과 제1 방향으로 오버랩되어 엔드 플레이트의 내부에 부분적으로 배치된 탄성 부재를 포함한다.

Description

연료 전지{Fuel cell}
실시 예는 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지에서 수소와 산소를 이용한 전력 발전의 결과물로서, 복수의 단위 셀 각각의 내부에 물(이하, 생성수 또는 응축수)이 생성되어 잔류할 수 있다. 이때, 연료 전지를 포함하는 차량은 다양한 외부 환경에 노출될 수 있다. 만일, 차량이 저온에 장기간 노출될 경우, 각 단위 셀 내부에 잔류하는 생성수는 동결하며, 동결하는 생성수의 팽창에 의해 복수의 단위 셀 내부의 특정 영역의 면압이 증가할 수 있다. 이로 인해, 단위 셀 내부의 구성 요소 중에서 가스 확산층과 분리판에 비가역적인 소성 변형이 발생하여, 복수의 단위 셀로 이루어진 셀 스택의 성능과 내구성이 저하될 수 있다.
실시 예는 우수한 성능과 내구성을 갖는 연료 전지를 제공한다.
일 실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양 측단에 각각 배치된 엔드 플레이트; 및 응축수가 잔류 가능한 상기 셀 스택의 하부 영역과 상기 제1 방향으로 오버랩되어 상기 엔드 플레이트의 내부에 부분적으로 배치된 탄성 부재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 엔드 플레이트는 홈을 갖는 몸체; 및 상기 셀 스택과 대면하는 상기 몸체의 상기 내측면과 상기 셀 스택 사이에 배치된 집전판을 포함하고, 상기 탄성 부재는 상기 집전판으로부터 이격되어 상기 홈에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 몸체는 상기 탄성 부재가 배치된 제1 영역; 및 상기 제1 영역의 위쪽에 위치하고, 상기 탄성 부재가 배치되지 않는 제2 영역을 포함할 수 있다.
예를 들어, 중력 방향으로 상기 제1 영역의 제1 길이는 상기 제2 영역의 제2 길이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 길이는 상기 집전판의 바닥면으로부터 상기 집전판의 전체 높이의 1/3되는 제1 지점까지의 길이에 해당하고, 상기 제2 길이는 상기 제1 지점부터 상기 집전판의 탑면까지의 길이에 해당할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성 부재는 중력 방향으로 적층되고 서로 이격되어 배치된 복수의 스프링을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 스프링의 탄성력은 상기 집전판의 바닥면으로 멀리 배치될수록 감소할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 스프링의 단위 길이 당 탄성력은 모두 동일하고, 상기 복수의 스프링의 길이는 상기 집전판의 바닥면으로 멀리 배치될수록 감소할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성 부재는 상기 응축수의 팽창력에 의해 상기 몸체의 상기 내측면에 가해지는 압력과 동일한 반발력을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 탄성 부재의 반발력은 0.8 ㎫ 내지 1.2 ㎫일 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성 부재는 상기 팽창력에 의한 상기 내측면의 변위가 1㎜일 때 상기 반발력이 1.5 ㎫ 미만이 되는 탄성 계수를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 단위 셀 각각은 연료극, 공기극, 및 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 양측에 각각 배치된 가스 확산층; 및 상기 가스 확산층 각각의 외측에 배치된 분리판을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 엔드 플레이트와 상기 분리판 각각은 반응 기체가 유입되는 유입 연통부; 및 상기 반응 기체 및 상기 응축수가 유출되며, 상기 유입 연통부보다 아래에 배치된 유출 연통부를 포함하고, 상기 엔드 플레이트와 상기 분리판 각각의 상기 유입 연통부는 서로 연통하고, 상기 엔드 플레이트와 상기 분리판 각각의 상기 유출 연통부는 서로 연통할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지는 상기 집전판과 상기 탄성 부재 사이에 배치된 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 단위 셀 각각은 상기 분리판과 상기 가스 확산층 사이에 배치된 가스켓을 더 포함하고, 상기 스토퍼는 상기 가스켓과 상기 제1 방향으로 오버랩되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 탄성 부재는 상기 셀 스택의 상기 양 측단 중 일측단에 배치된 상기 엔드 플레이트의 내부에 배치된 제1 탄성 부재; 및 상기 셀 스택의 상기 양 측단 중 타측단에 배치된 상기 엔드 플레이트의 내부에 배치된 제2 탄성 부재를 포함하고, 상기 제1 탄성 부재와 상기 제2 탄성 부재는 상기 셀 스택의 중심을 기준으로 상기 제1 방향으로 대칭인 단면 형상을 가질 수 있다.
실시 예에 따른 연료 전지는 탄성 부재를 이용하여 가스 확산층과 분리판의 손상을 방지하고, 채널의 단면적 감소를 막을 수 있고, 막의 손상을 방지할 수 있어, 개선된 성능과 내구 수명을 가지며, 탄성 부재를 엔드 플레이트의 내부에 국부적으로 배치함으로써, 연료 전지의 다른 구성 요소의 기능 즉, 기밀, 수밀, 절연 및 강체 구조에는 영향을 미치지 않고, 엔드 플레이트의 강성 저하를 최소화할 수 있고, 연료 전지의 중량 증가를 최소화할 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 엔드 플레이트의 다른 실시 예에 의한 사시도를 나타낸다.
도 3은 연료 전지에서 엔드 플레이트 및 셀 스택만의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 연료 전지의 일 실시 예에 의한 국부적인 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 탄성 부재의 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 탄성 부재의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 탄성 부재의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 단위 셀 별 응축수 량을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 다양한 조건에서 비교 례 및 실시 예의 단위 셀의 반응면의 면압 프로파일을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 연료 전지(100, 100A)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지(100, 100A)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 또한, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축 및 z축은 서로 교차할 수도 있다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 외관 사시도를 나타낸다.
연료 전지(100)는 예를 들어, 차량 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있으나, 실시 예는 연료 전지의 특정한 형태에 국한되지 않는다.
연료 전지(100)는 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A-1, 110B) 및 셀 스택(cell stack)(122)을 포함할 수 있다.
셀 스택(122)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 적층된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(110A-1, 110B)는 셀 스택(122)의 양 측단 각각에 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A-1)는 셀 스택(122)의 양 측단 중 일측단에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양 측단 중 타측단에 배치될 수 있다.
또한, 연료 전지(100)는 체결부재(130)를 더 포함할 수 있다.
체결 부재(130)는 엔드 플레이트(110A-1, 110B)와 함께 복수의 단위 셀을 제1 방향으로 체결하는 역할을 한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 체결 부재(130)는 바(bar) 형태일 수도 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 체결 부재(130)는 긴 볼트 형태, 벨트 형태 또는 강성 로프 형태로 복수의 단위 셀을 체결할 수 있다.
체결 부재(130)를 연료 전지(100)에 체결하는 일 례는 다음과 같다.
복수의 단위 셀이 반복하여 적층된 셀 스택(122)의 양측단 각각에 엔드 플레이트(110A-1, 110B)를 배치시켜 체결 장비에 실은 후 적정한 하중이 가해진 상태에서 체결 부재(130)를 이용하여 셀 스택(122)을 엔드 플레이트(110A-1, 110B)에 체결할 수 있다. 이와 같이, 셀 스택(122)의 체결압은 강체 구조의 엔드 플레이트(110A-1, 110B)에 의해 유지될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A-1)의 다른 실시 예(110A-2)에 의한 사시도를 나타낸다.
도 1에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A-1)는 다수의 유입(inlet)/ 유출(outlet)구(160)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 제1 엔드 플레이트(110A-1)는 4개의 유입/유출구(160)를 포함할 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 엔드 플레이트(110A-2)는 6개의 유입/유출구(160)를 포함할 수도 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 도 1에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A-1)는 도 2에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A-2)로 대체될 수도 있다. 즉, 실시 예는 제1 엔드 플레이트(110A-1, 110A-2) 및 제2 엔드 플레이트(110B)의 특정한 형태에 국한되지 않는다. 다수의 유입/유출구(160) 에 대해서는 보다 상세히 후술된다.
도 3은 연료 전지(100)에서 엔드 플레이트(110A, 110B) 및 셀 스택(122)만의 단면도를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 1에 도시된 체결 부재(130)의 도시는 도 3에서 생략되었다.
도 3에 도시된 엔드 플레이트(110A)는 도 1 또는 도 2에 도시된 엔드 플레이트(110A-1, 110A-2)에 해당하고, 도 3에 도시된 셀 스택(122)은 도 1에 도시된 셀 스택(122)의 실시 예에 해당할 수 있다. 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여, 중복되는 부분에 대한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 셀 스택(122)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수로서, 수십 내지 수백일 수 있다. N은 예를 들어, 100 내지 300, 바람직하게는 220일 수 있으나, 실시 예는 N의 특정한 수에 국한되지 않는다.
각 단위 셀(122-n)은 0.6 볼트 내지 1.0 볼트, 평균적으로 0.7볼트의 전기를 생성할 수 있다. 여기서, 1≤n≤N이다. 따라서, 연료 전지(100)로부터 부하로 공급하고자 하는 전력의 세기에 따라 N이 결정될 수 있다. 여기서, 부하란, 차량에서 전력을 요구하는 부분을 의미할 수 있다.
각 단위 셀(122-n)은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(210), 가스 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(222, 224), 가스켓(Gasket)(232, 234) 및 분리판(또는, 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 또는 세퍼레이터(separator))(242, 244)을 포함할 수 있다.
막전극 접합체(210)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매 전극층이 부착된 구조를 갖는다. 구체적으로, 막전극 접합체(210)는 고분자 전해질막(또는, 프로톤(proton) 교환막)(212), 연료극(또는, 수소극 또는 산화 전극)(214) 및 공기극(또는, 산소극 또는 환원 전극)(216)을 포함할 수 있다.
고분자 전해질막(212)은 연료극(214)과 공기극(216) 사이에 배치된다.
연료 전지(100)에서 연료인 수소는 제1 분리판(242)을 통해 연료극(214)으로 공급되고, 산화제인 산소를 포함하는 공기는 제2 분리판(244)을 통해 공기극(216)으로 공급될 수 있다.
연료극(214)으로 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 고분자 전해질막(212)을 통과하여 공기극(216)으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 분리판(242, 244)을 통해 공기극(216)으로 전달될 수 있다. 전술한 동작을 위해, 연료극(214)과 공기극(216) 각각에는 촉매층이 도포될 수 있다. 이와 같이, 전자의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하여 전류가 생성된다. 이와 같이, 연료인 수소와 공기에 포함된 산소와의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지(100)는 전력을 발생함을 알 수 있다.
공기극(216)에서는 고분자 전해질막(212)을 통해 공급된 수소 이온과 분리판(242, 244)을 통해 전달된 전자가 공기극(216)으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물(이하, '응축수' 또는 '생성수'라 함)을 생성하는 반응을 일으킨다. 이와 같이, 공기극(216)에서 생성된 응축수는 고분자 전해질막(212)을 투과하여 연료극(214)으로 전달될 수 있다.
경우에 따라, 연료극(214)을 양극(anode)이라 칭하고 공기극(216)을 음극(cathode)이라고 칭하거나 이와 반대로 연료극(214)을 음극이라 칭하고 공기극(216)을 양극이라고 칭할 수도 있다.
가스 확산층(222, 224)은 반응 기체인 수소와 산소를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 가스 확산층(222, 224)은 막전극 접합체(210)의 양측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 가스 확산층(222)은 연료극(214)의 좌측부에 배치되고, 제2 가스 확산층(224)은 공기극(216)의 우측부에 배치될 수 있다.
제1 가스 확산층(222)은 제1 분리판(242)을 통해 공급되는 반응 기체인 수소를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다.
제2 가스 확산층(224)은 제2 분리판(244)을 통해 공급되는 반응 기체인 공기를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다.
제1 및 제2 가스 확산층(222, 224) 각각은 미세한 카본 파이버(carbon fiber)들이 결합된 미세 기공층일 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 가스층(222, 224)의 특정한 형태에 국한되지 않는다.
가스켓(232, 234)은 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하며, 분리판(242, 244)을 적층할 때 응력을 분산시키며, 유로를 독립적으로 밀폐시키는 역할을 수행한다. 이와 같이, 가스켓(232, 234)에 의해 기밀/수밀이 유지됨으로써 전력을 생성하는 셀 스택(122)과 인접한 면의 평탄도가 관리되어, 셀 스택(122)의 반응면에 균일한 면압 분포가 이루어질 수 있다.
분리판(242, 244)은 반응기체들 및 냉각매체를 이동시키는 역할과 복수의 단위 셀 각각을 다른 단위 셀과 분리시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 분리판(242, 244)은 막전극 접합체(210)와 가스 확산층(222, 224)을 구조적으로 지지하며, 발생한 전류를 수집하여 집전판(112)으로 전달하는 역할을 수행할 수도 있다.
분리판(242, 244)은 가스 확산층(222, 224)의 외측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 분리판(242)은 제1 가스 확산층(222)의 좌측에 배치되고, 제2 분리판(244)은 제2 가스 확산층(224)의 우측에 배치될 수 있다.
제1 분리판(242)은 반응 기체인 수소를 제1 가스 확산층(222)을 통해 연료극(214)으로 공급하는 역할을 한다. 이를 위해, 제1 분리판(242)은 수소가 흐를 수 있는 채널(즉, 경로 또는 유로)이 형성된 애노드 플레이트(AP:Anode Plate)를 포함할 수 있다.
제2 분리판(244)은 반응 기체인 공기를 제2 가스 확산층(224)을 통해 공기극(216)으로 공급하는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 분리판(244)은 산소를 포함하는 공기가 흐를 수 있는 채널이 형성된 캐소드 플레이트(CP:Cathode Plate)를 포함할 수 있다.
그 밖에, 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수도 있다.
또한, 분리판(242, 244)은 흑연계, 복합 흑연계 또는 금속계의 물질로 구현될 수 있으나, 실시 예는 분리판(242, 244)의 특정한 재질에 국한되지 않는다.
도 3에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)가 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이 구현될 경우, 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 도 1 또는 도 2에 도시된 유입/유출구(160)와 각각 동일한 위치에 동일한 형태로 형성된 유입구 및 유출구를 포함할 수 있다.
막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 가스인 수소 및 산소가 외부로부터 유입구를 통해 셀 스택(122)으로 유입될 수 있다. 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 응축수가 더해진 기체 또는 액체가 유출구를 통해 연료 전지(100)의 외부로 유출될 수 있다. 중력의 영향으로 응축수는 복수의 단위 셀(122-1 ~ 122~N)의 하부로 배출되거나 하부에 잔류할 수 있다. 또한, 냉각매체는 유입구를 통해 외부로부터 셀 스택(122)으로 유입되고 유출구를 통해 외부로 유출될 수 있다.
제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각은 몸체(111) 및 집전판(112)을 포함할 수 있다.
몸체(111)는 금속 인서트가 플라스틱 사출물에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 몸체(111)의 금속 인서트는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 가질 수 있으며 금속 재질을 기계 가공하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 몸체(111)는 다수 개의 플레이트를 결합하여 형성될 수 있으나, 실시 예는 몸체(111)의 특정한 구성에 제한되지 않는다.
집전판(112)은 셀 스택(122)과 대면하는 몸체(111)의 내측면(111A)과 셀 스택(122) 사이에 배치될 수 있다. 집전판(112)은 셀 스택(122)에서 전자의 흐름으로 생성된 전기 에너지를 모아서 연료 전지(100)가 사용되는 차량의 부하로 공급하는 역할을 한다.
전술한 바와 같이, 연료 전지(100)에서 수소와 산소를 이용한 전력 발전의 결과물로서, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N) 각각의 내부에 응축수가 잔류할 수 있다. 이때, 연료 전지(100)를 포함하는 차량이 저온에 장기간 노출될 경우, 셀 스택(122)의 각 단위 셀(122-n) 내부에 잔류하는 응축수는 동결하며, 동결하는 응축수의 팽창력에 의해 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N) 내부의 특정 영역의 면압이 증가할 수 있다. 이로 인해, 단위 셀(122-n)의 가스 확산층(222, 224)과 분리판(242, 244)에 비가역적인 소성 변형이 발생하여, 셀 스택(122)의 성능과 내구성이 저하될 수 있다. 따라서, 이러한 국부적인 면압 상승을 상쇄시키기 위해, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 탄성 부재를 포함할 수 있다.
이하, 탄성 부재를 포함하는 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 실시 예(100A)의 구성 및 동작을 다음과 같이 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다.
도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 연료 전지(100)의 일 실시 예(100A)에 의한 국부적인 단면도를 나타낸다. 여기서, 'IN'은 도 1 또는 도 2에 도시된 유입구(160)를 의미하고, 'OUT'는 도 1 또는 도 2에 도시된 유출구(160)를 의미할 수 있다.
설명의 편의상, 도 4에 도시된 연료 전지(100A)에서 도 1에 도시된 체결 부재(130)의 도시는 생략되었다.
도 4의 경우, 제1 엔드 플레이트(110A)와 그 주변에 위치한 제1 내지 제3 단위 셀(122-1 내지 122-3)만을 도시한다. 그러나, 제2 엔드 플레이트(110B)와 그 주변에 위치한 제N 내지 제N-2 단위 셀(122-N, 122-(N-1), 122-(N-2))도 도 4에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)와 제1 내지 제3 단위 셀(122-1 내지 122-3)과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 4에서 N/2번째 단위 셀(122-(N/2))을 기준으로 제1 방향으로 셀 스택(122)은 대칭인 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1 엔드 플레이트(110A)에 배치된 탄성 부재(이하, '제1 탄성 부재'라 함)(140)와 제2 엔드 플레이트(110B)에 배치된 탄성 부재(이하, '제2 탄성 부재'라 함)는 셀 스택(122)의 중심을 기준으로 제1 방향으로 대칭인 단면 형상을 가질 수 있다.
그러나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 도 4에서 N/2번째 단위 셀(122-(N/2))을 기준으로 제1 방향으로 셀 스택(122)은 비대칭인 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1 탄성 부재와 제2 탄성 부재는 셀 스택(122)의 중앙을 기준으로 제1 방향으로 비대칭인 단면 형상을 가질 수도 있다.
도 4에 도시된 연료 전지(100A)는 제1 엔드 플레이트(110A), 제1 내지 제3 단위 셀(122-1, 122-2, 122-3) 및 탄성 부재(140)를 포함할 수 있다.
제1 엔드 플레이트(110A) 및 제1 내지 제3 단위 셀(122-1, 122-2, 122-3)은 도 3에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A) 및 제1 내지 제3 단위 셀(122-1, 122-2, 122-3)에 각각 해당하며 동일한 기능을 수행하므로, 동일한 참조부호를 사용하였으며, 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.
도 4에서, 제1 분리판(242)은 반응 채널(또는, 반응 유로)을 포함하는 구성을 갖는다. 즉, 제1 분리판(242:242-1, 242-2, 242-3)은 반응 기체인 수소가 흐를 수 있는 채널(P1)을 포함할 수 있다. 이때, 채널(P1) 반대편의 요홈(P2)을 통해 냉각 매체가 유동할 수 있다.
반면, 제2 분리판(244)은 미세 다공 구조체로 구현될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 제2 분리판(244)은 미세 다공 구조체 대신에 제1 분리판(242)과 유사하게 반응 채널을 포함하는 구성을 가질 수도 있다. 또는, 제1 분리판(242)은 반응 채널을 포함하는 구성 대신에, 미세 다공 구조체로 구현될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 미세 다공 구조체는, 제2 가스 확산층(224)을 균일하게 압축시켜 면압을 균등히 분산시키고, 국부적인 반응 기체의 확산성을 미세 기공을 통해 향상시키며 및 생성수의 배출 성능을 향상시킬 수 있다. 메탈 폼(metal foam) 및 와이어 메쉬(wire mesh) 등과 같은 미세 다공 구조체는 개구율이 높으면서도 제2 가스 확산층(224)을 균일하게 압축시키는 면압 분산 역할을 수행할 수 있다. 이 중에서도 메탈 폼은 금속 재료 내부에 수많은 기포들이 서로 연결된 형태로 이루어짐에 따라, 유체의 통과가 용이하면서도 단위 체적당 표면적 비가 높으며 강도가 우수하여 분리판 소재로서 적합할 수 있다. 예를 들어, 미세 다공 구조체는 전기 전도성이 우수한 은, 구리, 금, 알루미늄, 텅스텐, 아연 금속, 및 금속합금 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 연료 전지(100A)는 더미 셀(122-0)을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 더미 셀(122-0)은 화학 반응의 진행없이 물 배출을 위하여 적층되는 셀로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(110A)와 제1 단위 셀(122-1) 사이에 배치될 수 있다. 더미 셀(122-0)은 캐소드 플레이트(CP), 애노드 플레이트(AP), 엔드 애노드 플레이트(EAP:End AP) 또는 엔드 캐소드 플레이트(ECP:End CP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 더미 셀(122-0)은 플레이트(244-0)를 포함할 수 있으며, 플레이트(244-0)는 CP일 수도 있고, ECP일 수도 있다. 이때, EAP는 일반적인 AP에서 수소 입/출구 홀을 제거한 플레이트이고, ECP는 일반적인 CP에서 공기 입/출구 홀을 제거한 플레이트를 의미한다.
예를 들어, 도 4의 경우, 더미 셀(122-0)은 미세 다공 구조체(244-0)를 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 경우에 따라, 더미 셀(122-0)은 생략될 수도 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 탄성 부재(140)는 응축수(W)가 잔류 가능한 셀 스택(122)에서 하부 영역과 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 오버랩되어 배치될 수 있다. 이때, 탄성 부재(140)는 제1 또는 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 적어도 하나의 내부에 부분적으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 탄성 부재(140)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각의 몸체(111)에 도 3에 도시된 바와 같이 형성된 제1 홈(H1)에 배치될 수 있다. 탄성 부재(140)가 배치되는 제1 홈(H1)의 내부에 공기가 충진될 수도 있고, 진공일 수도 있고, 절연물질 예를 들어, 플라스틱이 충진될 수도 있다.
제1 또는 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 적어도 하나의 몸체(111)는 제1 및 제2 영역(A1, A2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 영역(A1)은 몸체(111)에서 탄성 부재(140)가 배치되는 영역으로서, 중력 방향(예를 들어, z축 방향)에서 몸체(111)의 아래쪽에 위치한다. 제2 영역(A2)은 중력 방향에서 몸체(111)의 위쪽 즉, 제1 영역(A1)의 위쪽에 위치하며, 탄성 부재(140)가 배치되지 않는 영역이다.
예를 들어, 제1 영역(A1)은 도 4에 도시된 바와 같이 몸체(111)의 바닥면(111B)으로부터 제1 홈(H1)의 탑면까지일 수도 있고, 도 4에 도시된 바와 달리 몸체(111)의 바닥면(111B)으로부터 탄성 부재(140)의 탑면까지일 수도 있다.
중력 방향(예를 들어, z축 방향)으로 제1 영역(A1)의 제1 길이는 제2 영역(A2)의 제2 길이보다 작을 수 있다. 여기서, 제1 길이란, 분리판(242, 244)의 바닥면(240B)으로부터 분리판(242, 244)의 전체 높이(L)의 1/3되는 제1 지점(z1)까지의 길이에 해당할 수 있다. 제2 길이란, 제1 지점(z1)부터 분리판(242, 244)의 탑면(240T)까지의 길이에 해당할 수 있다.
또는, 제1 길이란, 제1 엔드 플레이트(110A)의 몸체(111)의 바닥면(111B)으로부터 엔드 플레이트(110A)의 몸체(111)의 전체 높이(L)의 1/3되는 제1 지점(z1)까지의 길이에 해당할 수 있다. 제2 길이란, 제1 지점(z1)부터 몸체(111)의 탑면(111T)까지의 길이에 해당할 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 제1 영역(A1)은 z=0부터 z=z1까지의 영역이고, 제2 영역(A2)은 z=z1부터 z=L까지의 영역일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 반응 기체의 반응으로 인해 생성된 응축수(W)가 제1 내지 제3 단위 셀(122-1 내지 122-3)의 하부 영역에 잔류할 수 있다. 물론, 도 4에 도시되지는 않았지만, 제4 내지 제N 단위 셀(122-4 내지 122-N)의 하부 영역에도 에도 응축수(W)가 잔류할 수 있다.
탄성 부재(140)(또는, 제1 홈(H1))는 집전판(112)으로부터 제1 간격(g1)만큼 이격되어 배치될 수도 있다. 또한, 탄성 부재(140)(또는, 제1 홈(H1))는 몸체(111)의 바닥면(111B)으로부터 제2 간격(g2)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 이와 같이 탄성 부재(140)를 주변(111A, 111B)으로부터 이격시켜 배치하는 이유는, 제1 또는 제2 간격(g1, g1)이 없을 경우(즉, g1=0 또는 g2=0), 탄성 부재(140)가 몸체(111)로부터 돌출될 수 있기 때문이다. 만일, 제1 간격(g1)이 없을 경우(즉, g1=0), 탄성 부재(140)가 몸체(111)로부터 돌출하여 셀 스택(122)의 단위 셀(122-n)을 손상시킬 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 응축수(W)가 잔류 가능한 셀 스택(122)의 하부 영역과 제1 방향으로 오버랩되어 탄성 부재(140)를 배치되는 이유는, 도 4에서 화살표로 도시한 바와 같이 연료 전지(100,100A) 주변의 낮은 온도로 인해 응축수(W)가 동결할 때, 셀 스택(122)으로부터 제1 엔드 플레이트(110A) 쪽으로 향하는 응축수(W)의 팽창력을 탄성 부재(140)가 흡수하여 상쇄시키기 위함이다. 이와 같이, 팽창력이 탄성 부재(140)에 의해 상쇄될 경우, 반응면의 면압(contact pressure)이 셀 스택(122)의 하부에 잔류하는 응축수(W)의 팽창에 따라 국부적인 상승하는 대신에 일정하게 유지될 수 있고, 분리판(242, 244)과 가스 확산층(222, 224)이 손상됨을 방지할 수 있다.
팽창력을 상쇄시키기 위해, 탄성 부재(140)는 다음과 같이 다양한 특성을 가질 수 있다.
먼저, 탄성 부재(140)는 셀 스택(122) 내에 잔류하는 응축수(W)의 팽창력에 의해 몸체(111)의 내측면(111A)에 가해지는 압력과 동일한 반발력을 가질 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(140)의 반발력은 0.8 ㎫ 내지 1.2 ㎫일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 탄성 부재(140)의 탄성 계수는 팽창력에 의한 내측면(111A)의 변위가 1㎜일 때 반발력이 1.5 ㎫ 미만이 되도록 되는 결정될 수 있다.
또한, 제1 엔드 플레이트(110A)에 배치된 탄성 부재(140)의 탄성력이 제2 엔드 플레이트(110B)에 배치된 탄성 부재(140)의 탄성력보다 더 클 수도 있다. 이러한 이유는 다음과 같다.
후술되는 도 8에 예시된 바와 같이, 제1 단위 셀(122-1)에 잔류 가능한 응축수의 량이 제N 단위 셀(122-N)에 잔류 가능한 응축수의 량보다 더 많다. 이와 같이, 응축수의 량이 많을수록 동결에 의한 팽창력이 더 크다. 그러므로, 제1 엔드 플레이트(110A)에 더 가깝게 배치된 단위 셀로부터 제1 엔드 플레이트(110A)에 가해지는 제1 팽창력이 제2 엔드 플레이트(110B)에 더 가깝게 배치된 단위 셀로부터 제2 엔드 플레이트(110B)에 가해지는 제2 팽창력보다 더 크다. 따라서, 제2 팽창력보다 더 큰 제1 팽창력을 상쇄시키기 위해서는, 제1 엔드 플레이트(110A)에 배치된 탄성 부재(140)의 탄성력이 제2 엔드 플레이트(110B)에 배치된 탄성 부재(140)의 탄성력보다 더 커야 한다.
이하, 탄성 부재(140)의 다양한 실시 예를 첨부된 도 5 내지 도 7을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 5는 도 4에 도시된 탄성 부재(140)의 일 실시 예(140A)를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 도 4에 도시된 탄성 부재(140)의 다른 실시 예(140B)를 설명하기 위한 단면도이고, 도 7은 도 4에 도시된 탄성 부재(140)의 또 다른 실시 예(140C)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 내지 도 7 각각에서 셀 스택(122)은 도 4에 도시된 바와 같이 구현될 수 있으나, 실시 예는 셀 스택(122)의 특정한 단면 형상에 국한되지 않는다.
도 5 및 도 6 각각에서, 오른쪽의 그래프는 중력 방향(예를 들어, z축 방향)의 위치별 면압을 나타낸다.
도 5 내지 도 7 각각에서, 탄성 부재(140A, 140B, 140C) 각각은 제1 엔드 플레이트(110A)의 몸체(111)에서 중력 방향(예를 들어, z축 방향)으로 적층되고 서로 이격되어 배치된 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)을 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 탄성 부재(140A, 140B, 140C) 각각에 포함되는 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5) 각각의 탄성력, 개수 및 배치 위치는 다음과 같이 다양한 사항을 고려하여 결정될 수 있다.
먼저, 응축수(W)가 팽창하지 않은 초기 상태에서 몸체(111)의 측면(111A)의 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)에서 초기 압력이 동일해지도록, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 탄성력, 개수 및 배치 위치가 결정될 수 있다.
또한, 제1 영역(A1)에만 탄성 부재(140A, 140B, 140C)가 배치되므로, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)의 경계에서 면압의 변동이 야기된다든지 하는 문제가 발생하지 않도록, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 탄성력, 개수 및 배치 위치가 결정될 수도 있다.
이하, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 탄성력, 개수 및 배치 위치를 예를 다음과 같이 살펴본다.
도 5 내지 도 7에서, 탄성 부재(140A, 140B, 140C) 각각에 포함되는 스프링의 개수는 5개인 것으로 예시되어 있으나, 이는 일 례일 뿐이며 실시 예는 탄성 부재(140A, 140B, 140C) 각각에 포함되는 스프링의 특정한 개수에 국한되지 않는다.
도 5 내지 도 7 각각에서, 탄성 부재(140A, 140B, 140C)가 배치되는 제1 영역(A1)은 몸체(111)의 바닥면(111B)(즉, z=0)부터 제1 지점(z=z1)까지 이다. 이는, 각 단위 셀(122-n)에서 응축수가 z=0부터 제1 지점(z=z1)까지 잔류할 수 있기 때문이다.
또한, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 탄성력은 몸체(111)의 바닥면(111B)으로부터 멀리 배치될수록 감소할 수 있다. 즉, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5) 중 바닥면(111B)에 가장 가깝게 배치된 제1 스프링(SP1)의 탄성력이 가장 크고, 바닥면(111B)으로부터 가장 멀리 배치된 제5 스프링(SP5)의 탄성력이 가장 작을 수 있다. 즉, 제1 스프링(SP1) 내지 제5 스프링(SP5)의 탄성력은 다음 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure pat00001
여기서, F1, F2, F3, F4, F5는 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 탄성력을 각각 나타낸다.
전술한 바와 같이, 바닥면(111B)에 가깝게 배치될수록, 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 탄성력이 큰 이유는, 셀 스택(122)에 포함된 각 단위 셀(122-n)에서 응축수(W)가 단위 셀(122-n)의 위쪽보다는 아래 쪽에 가까울수록 더 많이 잔류하기 때문이다.
또한, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 단위 길이가 갖는 탄성력이 모두 동일하다고 할 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 중력 방향(예를 들어, x축 방향)으로 바닥면(111B)으로부터 멀리 배치될수록 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 길이는 짧아질 수 있다.
만일, 도 5에 도시된 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 단위 길이가 갖는 탄성력이 모두 동일하고, 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 길이가 모두 동일할 경우 도 5에 도시된 바와 같이 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)의 경계 지점(z=z1)에서 면압의 변동(K1)이 국부적으로 야기될 수 있다.
그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 단위 길이가 갖는 탄성력이 모두 동일하고, 바닥면(111B)으로부터 멀리 배치될수록 복수의 스프링(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5)의 길이가 짧아질 경우, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)의 경계 지점(z=z1)에서 면압의 변동이 없이(K2) 일정해짐을 알 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 연료 전지(100A)는 집전판(112)과 탄성 부재(140A) 사이에 배치된 스토퍼(150)를 더 포함할 수도 있다. 이를 위해, 몸체(111)는 제1 홈(H1)과 집전판(112) 사이에 배치되어 스토퍼(150)를 수용하는 제2 홈(H2)을 더 포함할 수 있다.
스토퍼(150)는 연료 전지(100, 100A)의 체결력이 추후 저하되었을 때, 탄성 부재(140A)가 몸체(111)로부터 집전판(112) 쪽으로 돌출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 스토퍼(150)는 가스켓(232, 234)과 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 중첩되는 위치에 배치될 수 있으나, 실시 예는 스토퍼(150)의 특정한 배치 위치에 국한되지 않는다.
이하, 비교 례에 의한 연료 전지와 실시 예에 의한 연료 전지를 다음과 같이 비교하여 설명한다.
비교 례에 의한 연료 전지는 탄성 부재(140:140A, 140B, 140C)를 포함하지 않는 것을 제외하면, 실시 예에 의한 연료 전지와 동일한 구성을 갖는다고 가정한다.
비교 례 및 실시 예에 의한 연료 전지 각각에서 수소와 산소를 이용한 전력 발전의 결과물로서, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N) 각각의 내부에 응축수가 생성됨은 전술한 바와 같다.
도 8은 단위 셀(122-n) 별 응축수(W) 량을 나타내는 그래프로서, 횡축은 복수의 단위 셀의 위치를 나타내고, 종축은 응축수의 량을 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각에 인접하여 배치된 단위 셀일수록, 단위 셀의 하단부에 제거되지 않고 잔류하는 응축수(W)가 많음을 알 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)에 가장 가깝게 배치된 제1 단위 셀(x가 1인 지점)에 잔류하는 응축수의 량과 제2 엔드 플레이트(110B)에 가장 가깝게 배치된 제N 단위 셀(x가 N인 지점)에 잔류하는 응축수의 량이 다른 단위 셀에 잔류하는 응축수의 량보다 큼을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 다양한 조건에서 비교 례 및 실시 예의 단위 셀(122-n)의 반응면의 면압 프로파일을 나타내는 그래프로서, 각 그래프에서 종축은 각 단위 셀(122-n)에서 중력 방향으로의 위치를 나타내고, 횡축은 면압을 나타낸다.
연료 전지(100)를 포함하는 차량이 저온에 장기간 노출될 경우, 셀 스택(122)의 각 단위 셀(122-n) 내부에 잔류하는 응축수(W)가 동결할 경우, 응축수의 팽창력에 의해 복수의 단위 셀 내부의 특정 영역의 면압이 증가할 수 있다.
도 9a에 도시된 비교 례 및 도 9b에 도시된 실시 예에 의한 연료 전지에서 셀 스택(122)을 체결한 초기에 면압(CP1)은 1 ㎫이고, 셀 스택(122)의 운전 시에 면압(CP2)은 초기 면압(CP1)보다 상승한다. 연료 전지의 셀 스택(122)의 내구를 진행한 이후에 면압(CP3)은 초기 면압(CP1)보다 작게 감소한다.
이때, 비교 례에 의한 연료 전지의 경우 도 9a에 도시된 바와 같이 응축수(W)가 결빙될 때, 단위 셀(122-n)의 하부에서 면압(CP4)이 상승함을 알 수 있다. 이와 같이 면압(CP4)이 상승할 경우, 단위 셀(122-n) 내부의 구성 요소 중에서 가스 확산층(222, 224)과 분리판(242, 244)에 비가역적인 소성 변형이 발생할 수 있다. 이로 인해, 셀 스택(122)의 성능과 내구성이 저하될 수 있다.
반면에, 실시 예의 의한 연료 전지(100, 100A)의 경우, 탄성 부재(140:140A, 140B, 140C)를 제1 방향으로 각 단위 셀(122-n)의 하부 영역과 오버랩되도록, 엔드 플레이트(110A, 110B)의 제1 영역(A1)에 부분적으로 배치하여, 반응면에서의 면압 상승을 상쇄시킨다. 이로 인해, 도 9b에 도시된 바와 같이, 실시 예에 의한 연료 전지(100, 100A)의 경우 응축수(W)가 결빙될 때 반응면에서의 면압(CP4)이 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
또한, 응축수(W)가 동결하여 부피가 팽창할 경우, 단위 셀(122-n)의 하부 영역에 응력이 집중될 수 있다. 특히, 제1 단위 셀(122-1)의 하부 영역에 응력이 집중될 수 있다. 이러한 상황에서, 응력을 상쇄시키지 않을 경우, 도 4에 화살표로 표시한 방향으로 응축수(W)가 팽창하여 미세 다공 구조체(예를 들어, 244-1, 244-2, 244-3)가 제2 가스 확산층(예를 들어, 224-1, 224-2, 224-3)으로 파고들 수 있으며, 제1 분리판(예를 들어, 242-1, 242-2, 242-3)의 채널(P1)이 제1 가스 확산층(예를 들어, 222-1, 222-2, 222-3)으로 파고들 수 있다.
만일, 미세 다공 구조체(예를 들어, 244-1, 244-2, 244-3)가 제2 가스 확산층(예를 들어, 224-1, 224-2, 224-3)으로 파고든 정도가 반복되어 심할 경우, 막의 손상이 야기될 수 있다.
또한, 제1 분리판(예를 들어, 242-1, 242-2, 242-3)의 채널(P1)이 제1 가스 확산층(예를 들어, 222-1, 222-2, 222-3)으로 파고드는 현상이 반복될 경우, 각 단위 셀(122-n)에서 제1 분리판(242-n)의 하부 영역에서, 수소가 흐를 수 있는 채널(P1)의 단면적이 감소할 수 있다. 따라서, 응축수(W)가 정체되어 반응이 저하되는 영역이 발생할 수 있으며 촉매가 열화될 수 있다.
실시 예에 의한 연료 전지(100, 100A)는 탄성 부재(140:140A, 140B, 140C)를 배치함으로써, 가스 확산층(222, 224)과 분리판(242, 244)의 손상을 방지하고, 채널(P1)의 단면적 감소를 막을 수 있고, 막의 손상을 방지할 수 있어, 연료 전지(100, 100A)의 셀 스택(122)의 성능과 내구 수명이 개선될 수 있다.
또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100, 100A)는 탄성 부재(140:140A, 140B, 140C)를 엔드 플레이트(110A, 110B)의 내부에 배치함으로써, 연료 전지(100, 100A)의 다른 구성 요소의 기능 즉, 기밀, 수밀, 절연 및 강체 구조에는 영향을 미치지 않을 수 있다. 예를 들어, 엔드 플레이트(110A, 110B)의 하부의 제1 영역(A1)에만 탄성 부재(140: 140A, 140B, 140C)를 국부적으로 배치하기 때문에, 엔드 플레이트(110A, 110B)의 강성 저하를 최소화할 수 있고, 연료 전지(100)의 중량 증가를 최소화할 수 있다.
전술한 다양한 실시 예들은 본 발명의 목적을 벗어나지 않고, 서로 상반되지 않은 한 서로 조합될 수도 있다. 또한, 전술한 다양한 실시 예들 중에서 어느 실시 예의 구성 요소가 상세히 설명되지 않은 경우 다른 실시 예의 동일한 참조부호를 갖는 구성 요소에 대한 설명이 준용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100A: 연료 전지 110A-1, 110A-2, 110B: 엔드 플레이트
111: 몸체 112: 집전판
122: 셀 스택 130: 체결 부재
210: 막전극 접합체 212: 고분자 전해질막
214: 연료극 216: 공기극
222, 224: 가스 확산층 232, 234: 가스켓
242, 244: 분리판

Claims (15)

  1. 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
    상기 셀 스택의 양 측단에 각각 배치된 엔드 플레이트; 및
    응축수가 잔류 가능한 상기 셀 스택의 하부 영역과 상기 제1 방향으로 오버랩되어 상기 엔드 플레이트의 내부에 부분적으로 배치된 탄성 부재를 포함하는 연료 전지.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 엔드 플레이트는
    홈을 갖는 몸체; 및
    상기 셀 스택과 대면하는 상기 몸체의 상기 내측면과 상기 셀 스택 사이에 배치된 집전판을 포함하고,
    상기 탄성 부재는 상기 집전판으로부터 이격되어 상기 홈에 배치된 연료 전지.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 몸체는
    상기 탄성 부재가 배치된 제1 영역; 및
    상기 제1 영역의 위쪽에 위치하고, 상기 탄성 부재가 배치되지 않는 제2 영역을 포함하는 연료 전지.
  4. 제3 항에 있어서, 중력 방향으로 상기 제1 영역의 제1 길이는 상기 제2 영역의 제2 길이 이하인 연료 전지.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 제1 길이는 상기 몸체의 바닥면으로부터 상기 몸체의 전체 높이의 1/3되는 제1 지점까지의 길이에 해당하고,
    상기 제2 길이는 상기 제1 지점부터 상기 몸체의 탑면까지의 길이에 해당하는 연료 전지.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 탄성 부재는 중력 방향으로 적층되고 서로 이격되어 배치된 복수의 스프링을 포함하는 연료 전지.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 복수의 스프링의 탄성력은 상기 몸체의 바닥면으로 멀리 배치될수록 감소하는 연료 전지.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 복수의 스프링의 단위 길이 당 탄성력은 모두 동일하고,
    상기 복수의 스프링의 길이는 상기 몸체의 바닥면으로 멀리 배치될수록 감소하는 연료 전지.
  9. 제2 항에 있어서, 상기 탄성 부재는
    상기 응축수의 팽창력에 의해 상기 몸체의 상기 내측면에 가해지는 압력과 동일한 반발력을 갖는 연료 전지.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 탄성 부재의 반발력은 0.8 ㎫ 내지 1.2 ㎫인 연료 전지.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 탄성 부재는 상기 팽창력에 의한 상기 내측면의 변위가 1㎜일 때 상기 반발력이 1.5 ㎫ 미만이 되는 탄성 계수를 갖는 연료 전지.
  12. 제2 항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀 각각은
    연료극, 공기극, 및 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체;
    상기 막전극 접합체의 양측에 각각 배치된 가스 확산층; 및
    상기 가스 확산층 각각의 외측에 배치된 분리판을 포함하는 연료 전지.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 집전판과 상기 탄성 부재 사이에 배치된 스토퍼를 더 포함하는 연료 전지.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 복수의 단위 셀 각각은
    상기 분리판과 상기 가스 확산층 사이에 배치된 가스켓을 더 포함하고,
    상기 스토퍼는 상기 가스켓과 상기 제1 방향으로 오버랩되어 배치되는 연료 전지.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 탄성 부재는
    상기 셀 스택의 상기 양 측단 중 일측단에 배치된 상기 엔드 플레이트의 내부에 배치된 제1 탄성 부재; 및
    상기 셀 스택의 상기 양 측단 중 타측단에 배치된 상기 엔드 플레이트의 내부에 배치된 제2 탄성 부재를 포함하고,
    상기 제1 탄성 부재와 상기 제2 탄성 부재는 상기 셀 스택의 중심을 기준으로 상기 제1 방향으로 대칭인 단면 형상을 갖는 연료 전지.
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