KR20200068972A - 연료 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

실시 예의 연료 전지는 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 가이드 관통 홀을 가지며, 셀 스택의 양단 중 일단에 배치된 제1 엔드 플레이트; 가이드 관통 홀과 제1 방향으로 중첩하는 가이드 지지 홀을 가지며, 셀 스택의 양단 중 타단에 배치된 제2 엔드 플레이트; 및 제1 및 제2 엔드 플레이트와 함께 셀 스택의 양단 사이의 측부를 감싸며 한 개로 구성된 인클로저를 포함하고, 인클로저는 셀 스택의 측부를 감싸며, 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하는 양단을 갖는 몸체를 포함한다.

Description

연료 전지 및 그의 제조 방법{Fuel cell and method for manufacturing the cell}

실시 예는 연료 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 고분자 전해질막을 포함하고, 막을 기준으로 한 쪽 면으로 공기가 공급되고 다른 쪽 면으로 수소가 공급되어 전기를 생산한다. 이러한 연료 전지를 이용하여 차량에 전기를 공급할 수 있다. 이러한 연료 전지를 제조할 때, 복수의 적층된 셀의 가압으로 인해 야기되는 제반 문제의 개선이 요구되고 있다.

실시 예는 적층된 복수의 단위 셀을 가압할 때 야기되는 제반 문제를 해소할 수 있는 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.

일 실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 가이드 관통 홀을 가지며, 상기 셀 스택의 양단 중 일단에 배치된 제1 엔드 플레이트; 상기 가이드 관통 홀과 상기 제1 방향으로 중첩하는 가이드 지지 홀을 가지며, 상기 셀 스택의 상기 양단 중 타단에 배치된 제2 엔드 플레이트; 및 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 함께 상기 셀 스택의 상기 양단 사이의 측부를 감싸며 한 개로 구성된 인클로저를 포함하고, 상기 인클로저는 상기 셀 스택의 상기 측부를 감싸며, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하는 양단을 갖는 몸체를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 엔드 플레이트와 상기 인클로저는 일체일 수 있다.

예를 들어, 상기 인클로저는 상기 몸체의 상기 양단 사이에 배치되는 강성 보강부를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 몸체의 상기 양단 중 일단과 상기 강성 보강부 사이의 제1 이격 거리는 상기 몸체의 상기 양단 중 타단과 상기 강성 보강부 사이의 제2 이격 거리와 동일할 수 있다.

예를 들어, 상기 강성 보강부는 상기 몸체에 띠 모양으로 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 강성 보강부는 상기 몸체의 내면 또는 외면 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 몸체와 상기 강성 보강부는 일체일 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 가이드 지지 홀 또는 상기 가이드 관통 홀 중 적어도 한 곳에 배치된 캡을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 인클로저와 상기 셀 스택 사이의 내부 공간을 순환한 제1 공기를 흡입 가능한 공기 흡입 부재를 더 포함하고, 상기 가이드 지지 홀 및 상기 가이드 관통 홀 중 어느 홀은 외부로부터 상기 인클로저와 상기 셀 스택 사이의 내부 공간으로 제2 공기를 흡입하는 흡입구에 해당하고, 상기 가이드 지지 홀 및 상기 가이드 관통 홀 중 다른 홀은

상기 제1 공기를 상기 공기 흡입 부재로 배출하는 배출구에 해당할 수 있다.

예를 들어, 상기 강성 보강부의 제1 두께는 상기 몸체의 제2 두께보다 두꺼울 수 있다.

예를 들어, 상기 셀 스택의 상기 측부는 제1 매니폴드가 배치된 제1 측부; 제2 매니폴드가 배치되며, 상기 제1 측부와 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 대향하는 제2 측부; 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 교차하는 제3 방향으로 서로 반대측에 위치한 제3 및 제4 측부를 포함하고, 상기 인클로저는 상기 강성 보강부와 상기 몸체를 관통하며 상기 제3 측부 또는 상기 제4 측부 중 적어도 하나와 대면하는 지지 관통홀을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 엔드 플레이트의 상기 가이드 지지 홀은 상기 셀 스택의 상기 제3 측부와 상기 인클로저 사이의 제1 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제1 가이드 지지 홀; 또는 상기 셀 스택의 상기 제4 측부와 상기 인클로저 사이의 제2 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제2 가이드 지지 홀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 엔드 플레이트의 상기 가이드 관통 홀은 상기 셀 스택의 상기 제3 측부와 상기 인클로저 사이의 제1 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제1 가이드 관통 홀; 또는 상기 셀 스택의 상기 제4 측부와 상기 인클로저 사이의 제2 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제2 가이드 관통 홀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 셀 스택의 상기 제1 측부의 외면과 상기 인클로저는 제1 이격 거리만큼 이격되고, 상기 셀 스택의 상기 제2 측부의 외면과 상기 인클로저는 제2 이격 거리만큼 이격되고, 상기 셀 스택의 상기 제3 측부의 외면과 상기 인클로저는 제3 이격 거리만큼 이격되고, 상기 셀 스택의 상기 제4 측부의 외면과 상기 인클로저는 제4 이격 거리만큼 이격되고, 상기 제1 및 제2 이격 거리 각각은 상기 제3 또는 제4 이격 거리보다 더 작을 수 있다.

예를 들어, 상기 스택 셀의 상기 제3 및 제4 측부 각각은 상기 인클로저의 내면과 대향하며 상기 제1 방향으로 연장되어 배치된 가이드 수용홈을 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 상기 연료 전지를 제조하는 방법은, 상기 가이드 지지 홀에 가이드 부재를 결합하는 단계; 상기 가이드 부재를 에워싸면서 상기 제2 엔드 플레이트에 상기 인클로저를 결합하는 단계; 상기 가이드 부재에 의해 가이드되어 상기 복수의 단위 셀을 적층하는 단계; 상기 가이드 관통 홀에 상기 가이드 부재를 끼워, 상기 복수의 단위 셀 중 마지막으로 적층된 단위 셀 위에 상기 제1 엔드 플레이트를 적층하는 단계: 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에 적층된 복수의 단위 셀을 가압하는 단계; 및 상기 가이드 부재를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지 제조 방법은, 상기 셀 스택을 가압하기 전에, 상기 지지 관통 홀에 지지 부재를 끼워 상기 가이드 부재를 지지하는 단계; 및 상기 셀 스택을 가압한 이후 상기 가이드 부재를 제거하기 전에, 상기 지지 관통 홀로부터 상기 지지 부재를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 지지 부재의 강성은 상기 가이드 부재의 강성보다 더 클 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 방향으로 상기 가이드 부재의 길이는 상기 인클로저의 길이보다 더 길 수 있다.

예를 들어, 상기 가이드 부재의 개수는 3개 이상일 수 있다.

실시 예에 따른 연료 전지 및 그의 제조 방법은 두 개가 아니라 한 개로 구성된 인클로저를 사용하여 연료 전지를 제조하기 때문에 비교 례대비 수밀성이 개선될 뿐만 아니라 수밀을 위한 별도의 가스켓을 요구하지 않으며 공수를 줄일 수 있다.

또한, 실시 예의 경우, 한 개로 구성된 인클로저를 사용하여 연료 전지를 제조하기 때문에 복수의 셀의 정렬이 우수할 수 있다.

또한, 실시 예의 경우, 인클로저의 중간에 강성 보강부를 마련하기 때문에, 적층 셀을 가압할 때 인클로저가 하중을 견딜 수 있고, 가압에 의해 야기되는 하중으로 인해 변형될 수 있는 가이드 부재를 받쳐줄 수 있다. 따라서, 인클로저의 하중을 증가시키면서 인클로저의 강성을 증가시키지 않아도 되므로, 연료 전지의 하중의 증가를 피할 수 있으며, 가이드 부재의 두께를 증가시키지 않아도 된다.

또한, 실시 예에 의하면, 적층된 복수의 셀에 하중을 가하기 전에, 지지 관통홀에 지지 부재를 끼워 가이드 부재를 지지하여, 가압에 의한 하중을 가이드 부재가 잘 견딜 수 있도록 해준다. 따라서, 가이드 부재의 두께를 증가시키지 않아도 되므로, 셀 스택과 인클로저 사이에서 가이드 부재가 차지하는 공간을 감소시킴으로써 연료 전지의 크기 증가를 막을 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면, 가이드 부재와 적층된 셀들이 접하는 부위에 가이드 수용홈을 형성함으로써, 공차를 확보하고 셀의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 라운드형 가장 자리를 가지며, 가이드 부재와 스택 셀 간의 공차를 반영한 깊이를 갖는 가이드 수용홈이 배치됨으로써, 스택 셀이 가이드 부재에 의해 손상됨이 더욱 방지될 수 있다.

도 1은 실시 예에 의한 연료 전지의 결합 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지의 분해 사시도를 나타낸다.
도 3은 제1 및 제2 엔드 플레이트 및 셀 스택의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 제1 엔드 플레이트 실시 예에 의한 정면도(또는, 배면도)를 나타낸다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 제2 엔드 플레이트의 실시 예에 의한 정면도(또는, 배면도)를 나타낸다.
도 6은 도 1에 도시된 A-A'선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 'B' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 8은 다른 실시 예에 의한 연료 전지의 외부 개념도를 나타낸다.
도 9는 실시 예에 의한 연료 전지 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 10 (a) 내지 (f)는 도 9에 도시된 연료 전지 제조 방법의 이해를 돕기 위한 공정 순서도를 나타낸다.
도 11은 연료 전지의 제조 공정의 일부 과정을 설명하기 위한 도면이다.

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)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지(100)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 결합 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 연료 전지(100)의 분해 사시도를 나타내고, 도 3은 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 및 셀 스택(122)의 단면도를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 1 및 도 2에 도시된 인클로저(encloser)(300)의 도시는 도 3에서 생략된다.

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 제1 및 제2 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B), 집전판(112), 셀 스택(cell stack)(122) 및 인클로저(300)를 포함할 수 있다.

도 3을 참조하여 셀 스택(122)의 일 례를 설명하지만, 실시 예에 의한 연료 전지는 셀 스택(122) 자체의 특정한 구성에 국한되지 않는다.

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, 연료 전지(100)가 차량에 이용될 경우, 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, 236) 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. 또한, 막전극 접합체(210)는 서브 가스켓(238)을 더 포함할 수도 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. 즉, 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(또는, '응축수' 또는 '생성수')을 생성하는 반응을 일으킨다.

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 있다.

가스켓(232, 234, 236)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, 236)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. 제2 분리판(244)은 반응 기체인 공기를 제2 가스 확산층(224)을 통해 공기극(216)으로 공급하는 역할을 한다. 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 4 및 도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각의 실시 예에 의한 정면도(또는, 배면도)를 나타낸다.

제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양단 중 일단에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양단 중 타단에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 지지하며 고정시킬 수 있다.

제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 금속 인서트가 플라스틱 사출물에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 금속 인서트는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 가질 수 있으며 금속 재질을 기계 가공하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 다수 개의 플레이트를 결합하여 형성될 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 특정한 구성에 제한되지 않는다.

제1 엔드 플레이트(110A)는 복수 개 또는 한 개의 가이드 관통 홀을 포함할 수 있다. 도 4의 경우, 제1 엔드 플레이트(110A)가 4개의 가이드 관통 홀(GTH: GTH1 내지 GTH4)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 가이드 관통 홀의 특정한 개수에 국한되지 않는다.

제2 엔드 플레이트(110B)는 복수 개 또는 한 개의 가이드 지지 홀을 포함할 수 있다. 도 5의 경우, 제2 엔드 플레이트(110B)가 4개의 가이드 지지 홀(GSH: GSH1 내지 GSH4)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 가이드 지지 홀의 특정한 개수에 국한되지 않는다.

다른 실시 예에 의하면, 가이드 관통 홀의 개수는 3개일 수도 있고, 4개보다 많을 수도 있으며, 가이드 지지 홀의 개수는 3개일 수도 있고, 4개보다 많을 수도 있다.

이하, 실시 예에 의한 연료 전지의 제1 엔드 플레이트(110A)가 4개의 가이드 관통 홀(GTH: GTH1 내지 GTH4)을 포함하고 제2 엔드 플레이트(110B)가 4개의 가이드 지지 홀(GSH: GSH1 내지 GSH4)을 포함하는 것으로 설명한다. 그러나, 하기의 설명은 가이드 관통 홀(GTH)의 개수가 3개 또는 5개 이상이거나, 가이드 지지 홀(GSH)의 개수가 3개 또는 5개 이상인 경우에도 적용될 수 있다.

또한, 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 및 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)은 후술되는 바와 같이, 연료 전지(100)를 제조할 때 사용되는 가이드 부재(G1 내지 G4)와 접촉하는 부분들이다. 따라서, 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 및 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 각각의 개수는 가이드 부재(G1 내지 G4)의 개수와 동일할 수 있다.

만일, 후술되는 도 10에 도시된 바와 같이, 연료 전지(100)를 제조할 때, 제2 엔드 플레이트(110B) 위에 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 적층한 후, 마지막으로 적층된 단위 셀(122-N) 위에 제1 엔드 플레이트(110A)를 적층하고, 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 가압할 경우, 제2 엔드 플레이트(110B)가 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)을 포함하고, 제1 엔드 플레이트(110A)가 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4)를 포함한다. 그러나, 이와 반대로, 후술되는 도 10에 도시된 바와 달리, 연료 전지(100)를 제조할 때, 제1 엔드 플레이트(110A) 위에 복수의 단위 셀을 적층한 후, 마지막으로 적층된 단위 셀(122-N) 위에 제2 엔드 플레이트(110B)를 적층하고, 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 가압할 경우, 제1 엔드 플레이트(110A)는 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)을 포함하고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4)을 포함할 수 있다.

또한, 연료 전지(100)를 제조할 때 사용되는 가이드 부재(G1 내지 G4)가 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)에 의해 지지되고, 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4)에 의해 관통되므로, 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 및 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4)은 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)이 적층되는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 서로 중첩할 수 있다.

한편, 집전판(112)은 셀 스택(122)과 대면하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 내측면(110AI, 110BI)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 부하로 공급하는 역할을 한다.

설명의 편의상, 도 2에서 집전판(112)의 도시는 생략된다.

또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 적어도 하나는 복수의 매니폴드(manifold)(또는 연통부)(M)를 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 4의 경우, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각이 매니폴드(M)를 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 다른 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 어느 하나만 매니폴드(M)를 포함하고, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 다른 하나는 매니폴드(M)를 포함하지 않을 수도 있다. 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 매니폴드(M)가 배치되는 특정한 위치에 국한되지 않는다.

도 3에 도시된 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 도 1, 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 매니폴드(M)와 각각 동일한 위치에 동일한 형태로 형성된 매니폴드를 포함할 수 있다. 여기서, 매니폴드(M)는 인렛(inlet) 매니폴드와 아웃렛(outlet) 매니폴드를 포함할 수 있다. 막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 가스인 수소 및 산소가 외부로부터 인렛 매니폴드(M)를 통해 셀 스택(122)으로 유입될 수 있다. 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 응축수가 더해진 기체 또는 액체가 아웃렛 매니폴드(M)를 통해 연료 전지(100)의 외부로 유출될 수 있다. 또한, 냉각매체는 인렛 매니폴드(M)를 통해 외부로부터 셀 스택(122)으로 유입되고 아웃렛 매니폴드(M)를 통해 외부로 유출될 수 있다. 이와 같이, 복수의 매니폴드(M)는 막전극 접합체(210)로 유체의 유입 및 유출을 허용한다.

한편, 인클로저(300)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 배치된 셀 스택(122)을 감싸며 배치될 수 있다. 실시 예에 의하면, 인클로저(300)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 함께 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 체결하는 체결 부재의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 셀 스택(122)의 체결압은 강체 구조의 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 인클로저(300)에 의해 유지될 수 있다. 또한, 인클로저(300)가 셀 스택(122)의 양단 사이의 셀 스택(122)의 측부를 감싸며 배치됨으로써, 셀 스택(122)은 인클로저(300)에 의해 보호될 수 있다. 실시 예에 의하면, 인클로저(300)는 2개의 부품이 하나의 형태로 조립된 일체형이 아니라, 한 개로 구성된 유니터리(unitary) 타입일 수 있다.

이하, 실시 예에 의한 인클로저(300)를 첨부된 도 1, 도 2, 및 도 6을 참조하면 다음과 같이 설명한다.

도 6은 도 1에 도시된 A-A’선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.

실시 예에 의한 연료 전지(100)의 이해를 돕기 위해, 연료 전지(100)를 제조할 때 사용되는 가이드 부재(G1 내지 G4) 및 지지 부재(SM1 내지 SM4)를 도 6에 도시하였으나, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 가이드 부재(G1 내지 G4) 및 지지 부재(SM1 내지 SM4)를 포함하지 않는다. 왜냐하면, 가이드 부재(G1 내지 G4) 및 지지 부재(SM1 내지 SM4)는 연료 전지를 제조한 이후 제거되기 때문이다. 이이 대해서는 연료 전지(100)의 제조 방법에 대해 도 9 및 도 10을 참조하여 상세히 후술된다.

실시 예에 의하면, 인클로저(300)는 몸체(310)를 포함할 수 있다. 또한, 인클로저(300)는 강성 보강부(320)를 더 포함할 수 있다. 몸체(310)는 셀 스택(122)의 측부를 감싸며, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 결합하는 양단(310E1, 310E2)을 갖는다. 즉, 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 중 일단(310E1)은 제1 엔드 플레이트(110A)와 결합하고, 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 중 타단(310E2)은 제2 엔드 플레이트(110B)와 결합할 수 있다.

또한, 제2 엔드 플레이트(110B)와 인클로저(300)는 일체일 수 있다. 즉, 제2 엔드 플레이트(110B)와 인클로저(300)는 한 몸일 수 있다.

강성 보강부(320)는 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 사이의 어느 지점에나 배치될 수 있다. 예를 들어, 강성 보강부(320)는 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 사이의 중간에 배치될 수 있다. 바람직하게, 강성 보강부(320)는 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 사이의 정 중앙에 배치될 수 있다. 이 경우, 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 중 일단(310E1)과 강성 보강부(320) 사이의 제1 이격 거리(L1)는 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 중 타단(310E2)과 강성 보강부(320) 사이의 제2 이격 거리(L2)와 동일할 수 있다.

강성 보강부(320)가 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 사이의 중간에 배치될 경우, 후술되는 바와 같이 연료 전지(100)를 제조할 때, 인클로저(300)의 몸체(310)가 받는 하중을 견딜 수 있게 해 준다. 특히, 강성 보강부(320)가 몸체(310)의 양단(310E1, 310E2) 사이의 정 중앙에 배치될 경우, 강성 보강부(320)는 인클로저(300)의 몸체(310)가 받는 하중을 골고루 견딜 수 있도록 도움을 줄 수 있다.

또한, 강성 보강부(320)는 몸체(310)에 띠 모양으로 배치될 수 있으나, 실시 예는 강성 보강부(320)의 특정한 형상에 국한되지 않는다.

또한, 강성 보강부(320)는 몸체(310)의 내면(310I) 또는 외면(310E) 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 강성 보강부(320)는 몸체(310)의 외면(310E)에 배치될 수 있다. 이와 같이, 강성 보강부(320)가 몸체(310)의 외면(310E)에 배치될 경우, 몸체(310)의 내면(310I)에 배치될 때보다 몸체(310)와 셀 스택(122) 사이의 공간의 부피 증가를 막을 수 있다.

또한, 몸체(310)와 강성 보강부(320)가 서로 별개인 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 몸체(310)와 강성 보강부(320)는 일체일 수 있다. 즉, 몸체(310)와 강성 보강부(320)는 서로 별개가 아니라 한 몸일 수 있다.

또한, 강성 보강부(320)의 제1 두께(t1)는 몸체(310)의 제2 두께(t2)보다 두꺼울 수 있다. 이는 후술되는 바와 같이 연료 전지(100)를 제조할 때, 제1 두께(t1)보다 작은 제2 두께(t2)를 갖는 몸체(310)가 받는 하중을 제2 두께(t2)보다 큰 제1 두께(t1)를 강성 보강부(320)가 견딜 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 셀 스택(122)의 측부는 제1 내지 제4 측부(SS1 내지 SS4)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 셀 스택(122)의 단면 형상이 사각형일 경우, 셀 스택(122)의 측부는 제1 내지 제4 측부(SS1 내지 SS4)로 구분될 수 있다. 비록 도시되지는 않았지만, 셀 스택(122)의 단면 형상이 P개의 면을 갖는 다각형일 경우, 셀 스택(122)의 측부는 제1 내지 제P 측부(SS1 내지 SSP)로 구분될 수 있다. 여기서, P는 3 이상의 양의 정수일 수 있다.

셀 스택(122)의 측부 중에서 제1 측부(SS1)란 복수의 매니폴드(M) 중 어느 하나가 배치되는 부분을 의미한다. 제2 측부(SS2)란 복수의 매니폴드(M) 중 다른 하나가 배치되는 부분으로서, 제1 측부(SS1)의 반대측에 위치하며, 제1 방향(예를 들어, x축 방향)과 다른 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 대향하는 측부일 수 있다.

또한, 셀 스택(122)의 측부 중에서 제3 및 제4 측부(SS3, SS4)란, 제3 방향(예를 들어, z축 방향)으로 서로 반대측에 위치한 측부들일 수 있다. 여기서, 제3 방향이란, 제1 및 제2 방향과 각각 교차하는 방향일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 방향이란 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)이 적층되는 방향(예를 들어, x축 방향)을 의미하고, 제2 방향이란 제1 측부(SS1)와 제2 측부(SS2)가 서로 대향하는 방향(예를 들어, y축 방향)을 의미할 수 있다.

제1 및 제2 측부(SS1, SS2) 각각에는 매니폴드(M)가 배치되는 반면, 제3 및 제4 측부(SS3, SS4) 각각에는 유로가 형성될 수 있다.

또한, 인클로저(300)는 적어도 하나의 지지 관통홀(SH)을 포함할 수 있다. 여기서, 지지 관통홀(SH)의 개수는 가이드 부재(G1 내지 G4)의 개수와 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 개수가 4개이므로, 지지 관통홀(SH)의 개수도 4개일 수 있다.

도 6을 참조하면, 인클로저(300)는 강성 보강부(320)와 몸체(310)를 관통하여, 제3 측부(SS3) 또는 제4 측부(SS4) 중 적어도 한 곳과 대면하는 적어도 하나의 지지 관통홀을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 인클로저(300)는 제1 지지 관통홀만을 포함할 수 있다. 제1 지지 관통홀이란, 강성 보강부(320) 및 몸체(310)를 관통하며, 셀 스택(122)의 제3 측부(SS3)와 대면하는 관통홀이며, 도 6에 도시된 바와 같이 인클로저(300)는 2개의 제1 지지 관통홀(SH1, SH2)을 포함할 수 있다.

또한, 인클로저(300)는 제2 지지 관통홀만을 포함할 수 있다. 제2 지지 관통홀이란, 강성 보강부(320) 및 몸체(310)를 관통하며, 셀 스택(122)의 제4 측부(SS4)와 대면하는 관통홀이며, 도 6에 도시된 바와 같이 인클로저(300)는 2개의 제2 지지 관통홀(SH3, SH4)을 포함할 수 있다.

또한, 인클로저(300)는 제1 및 제2 지지 관통홀을 모두 포함할 수 있다.

후술되는 바와 같이, 연료 전지(100)를 제조할 때, 지지 관통홀(SH1 내지 SH4)에 지지 부재(SM1 내지 SM4)가 각각 끼워짐으로써, 지지 부재(SM1 내지 SM4)는 가이드 부재(G1 내지 G4)를 각각 지지할 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(SM1 내지 SM4) 각각은 수나사에 해당하고, 지지 관통홀(SH1 내지 SH4)은 수나사가 삽입될 수 있으며 나사산과 나사골을 갖는 암나사일 수 있다. 이 경우, 가이드 부재(G1 내지 G4)와 콘택할 때까지 지지 부재(SM1 내지 SM4)가 지지 관통홀(SH1 내지 SH4)을 통해 셀 스택(122)을 향해 들어간 후, 가이드 부재(G1 내지 G4)를 컨택하여 지지할 수 있도록, 지지 부재(SM1 내지 SM4)는 충분한 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(SM1 내지 SM4)의 길이는 제1 두께(t1), 제2 두께(t2) 및 후술되는 제1 이격 거리(D1)의 총 합 이상일 수 있다.

또한, 지지 부재(SM1 내지 SM4)가 가이드 부재(G1 내지 G4)를 지지하는 역할을 충실히 수행하기 위해, 지지 부재(SM1 내지 SM4)의 강성은 가이드 부재(G1 내지 G4)의 강성과 유사하거나 더 클 수 있다.

한편, 도 6을 참조하여 정의된 셀 스택(122)의 제1 내지 제4 측부(SS1 내지 SS4)를 기준으로 도 4에 도시된 복수의 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 및 도 5에 도시된 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)을 다음과 같이 설명한다.

도 4에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)에 형성된 복수의 가이드 관통 홀은 제1 가이드 관통 홀 및 제2 가이드 관통 홀을 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 제1 가이드 관통 홀(GTH1, GTH2)은 도 6에 도시된 셀 스택(122)의 제3 측부(SS3)와 인클로저(300) 사이의 제1 공간(SP1)과 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 중첩할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 제2 가이드 관통 홀(GTH3, GTH4)은 도 6에 도시된 셀 스택(122)의 제4 측부(SS4)와 인클로저(300) 사이의 제2 공간(SP2)과 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 중첩할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 제2 엔드 플레이트(110B)에 형성된 복수의 가이드 지지 홀은 제1 가이드 지지 홀 및 제2 가이드 지지 홀을 포함할 수 있다.

도 5에 도시된 제1 가이드 지지 홀(GSH1, GSH2)은 도 6에 도시된 셀 스택(122)의 제3 측부(SS3)와 인클로저(300) 사이의 제1 공간(SP1)과 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 중첩할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 제2 가이드 지지 홀(GSH3, GSH4)은 도 6에 도시된 셀 스택(122)의 제4 측부(SS4)와 인클로저(300) 사이의 제2 공간(SP2)과 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 중첩할 수 있다.

전술한 바와 같이, 도 4 및 도 5에 각각 도시된 복수의 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 및 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)이 제1 및 제2 공간(SP1, SP2) 중 해당하는 공간과 중첩함으로써, 제1 공간(SP1)을 통해 제1 및 제2 가이드 부재(G1, G2)가 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 연결되고, 제2 공간(SP2)을 통해 제3 및 제4 가이드 부재(G3, G4)가 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 연결될 수 있다.

전술한 바와 같이, 매니폴드(M)가 형성된 셀 스택(122)의 제1 및 제2 측벽(SS1, SS2) 대신에 매니폴드(M)가 형성되지 않는 셀 스택(122)의 제3 및 제4 측벽(SS3, SS4)과 인클로저(300) 사이의 제1 및 제2 공간(SP1, SP2)을 통해 가이드 부재(G1 내지 G4)가 지나가도록 하는 이유는, 셀 스택(122)에서 매니폴드(M)가 형성된 제1 및 제2 측벽(SS1, SS2)의 강성보다 매니폴드(M)가 형성되지 않은 제3 및 제4 측벽(SS3, SS4)의 강성이 더 크기 때문이다.

또한, 다시 도 6을 참조하면, 셀 스택(122)의 제1 측부(SS1)의 외면과 인클로저(300)는 제1 이격 거리(D1)만큼 이격되고, 셀 스택(122)의 제2 측부(SS2)의 외면과 인클로저(300)는 제2 이격 거리(D2)만큼 이격되고, 셀 스택(122)의 제3 측부(SS3)의 외면과 인클로저(300)는 제3 이격 거리(D3)만큼 이격되고, 셀 스택(122)의 제4 측부(SS4)의 외면과 인클로저(300)는 제4 이격 거리(D4)만큼 이격될 수 있다.

이때, 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 이격 거리(D1, D2) 각각은 제3 또는 제4 이격 거리(D3, D4)보다 더 작을 수 있다. 왜냐하면, 제1 및 제2 공간(SP1, SP2)은 가이드 부재(G1 내지 G4)를 위한 공간을 확보해야 하기 때문이다.

따라서, 연료 전지(100)를 제조할 때 셀 스택(122)과 인클로저(300) 사이의 공간 중에서 가이드 부재(G1 내지 G4)가 지나가지 않는 공간의 제1 및 제2 이격 거리(D1, D2)를 줄일 경우, 연료 전지(100)의 전체 크기를 줄일 수 있다.

또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 절연성 지지 부재(420, 422)를 더 포함할 수 있다. 절연성 지지 부재(420, 422)는 셀 스택(122)의 외면과 인클로져(300) 내면 사이에 배치되어 보강 구조물의 역할을 수행할 수 있다. 실시 예에 의한 연료 전지(100)가 차량에 장착될 경우, 차량의 주행 중 진동과 충격 또는 충돌 등의 외부 충격으로부터 셀 스택(122)의 변형을 방지하기 위해, 절연성 지지 부재(420, 422)는 충전부(Live Part)인 셀 스택(122)의 분리판과 전기적 샤시(Ground)의 역할을 수행하는 인클로저(300) 사이의 단락(short)을 방지하고 양호한 절연 저항을 확보하기 위해 절연 재질로 구현될 수 있다.

도 6의 경우, 절연성 지지 부재(420, 422)가 셀 스택(122)의 제3 및 제4 측부(SS3, SS4) 각각과 인클로저(300) 사이에만 배치된 것으로 예시되어 있다. 그러나, 셀 스택(122)의 제1 및 제2 측부(SS1, SS2) 각각과 인클로저(300) 사이에도 절연성 지지 부재가 배치될 수 있으며, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 절연성 지지 부재가 배치되는 특정한 위치, 절연성 지지 부재의 특정한 개수 및 절연성 지지 부재의 존재 여부에 국한되지 않는다.

도 7은 도 6에 도시된 'B' 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 스택 셀(122)의 제3 측부(SS3)은 인클로저(300)의 몸체(310)의 내면과 대향하며 제1 방향으로 가이드 부재(G1)를 따라 연장된 가이드 수용홈(R)을 포함할 수 있다. 가이드 수용홈(R)은 가이드 부재(G1)의 일부를 수용하는 역할을 한다. 도 7에 도시된 가이드 부재(G1)를 수용하는 가이드 수용홈(R)과 동일한 모습으로, 다른 가이드 부재(G2 내지 G4)를 수용하는 가이드 수용홈(R)이 셀 스택(122)의 제3 및 제4 측벽(SS3, SS4)에 형성될 수 있다.

가이드 수용홈(R)은 가이드 부재(G1 내지 G4)를 수용하는 역할을 하므로, 가이드 수용홈(R)의 개수는 가이드 부재(G1 내지 G4)의 개수와 동일할 수 있다.

또한, 가이드 수용홈(R)의 가장 자리는 소정의 곡률 반경(r)을 갖도록 라운드형으로 구현될 수 있다.

또한, 가이드 수용홈(R)의 깊이는 가이드 부재(G1 내지 G4)와 스택 셀(122) 간의 공차를 반영하여 결정될 수 있다.

한편, 연료 전지(100)는 캡을 더 포함할 수 있다. 캡은 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 또는 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

예를 들어, 연료 전지(100)는 도 4에 도시된 제1 캡(430)만을 더 포함하거나 도 5에 도시된 제2 캡(440)만을 더 포함할 수 있다.

제1 캡(430)은 제1 엔드 플레이트(110A)에 형성된 복수의 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

또한, 제2 캡(440)은 제2 엔드 플레이트(110B)에 형성된 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

또한, 연료 전지(100)는 제1 캡(430)과 제2 캡(440)을 모두 포함할 수도 있다.

후술되는 바와 같이, 연료 전지(100)를 제조할 때, 가이드 부재(G1 내지 G4)를 제거한 후, 제1 캡(430)이 모든 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4)에 배치되고, 제2 캡(440)이 모든 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)(만일, 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)이 블라인드 홀이 아니라 관통 홀일 경우)에 배치될 경우, 인클로저(300)와 셀 스택(122) 사이의 내부 공간이 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 외부로부터 밀봉될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 캡(430, 440)은 연료 전지(100)를 위한 일종의 수밀 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제1 및 제2 캡(430, 440) 각각의 재질은 고무(rubber)로 구현될 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 캡(430, 440)의 특정한 재질에 국한되지 않는다.

도 8은 다른 실시 예에 의한 연료 전지의 외부 개념도를 나타낸다.

도 8에 도시된 연료 전지는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B), 셀 스택(122), 인클로저(300) 및 공기 흡입(intake) 부재(또는, 공기 환기(ventilation) 부재)(500)를 포함할 수 있다. 여기서, 셀 스택(122)은 인클로저(300)에 의해 감싸지므로 외부에서 보이지 않지만, 이해를 돕기 위해 점선으로 표기하였다.

도 8에서 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B), 셀 스택(122) 및 인클로저(300)는 전술한 바와 같으므로, 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다. 즉, 공기 흡입 부재(500)를 더 포함하는 것을 제외하면, 도 8에 도시된 연료 전지는 전술한 실시 예에 의한 연료 전지와 동일하다.

공기 흡입 부재(500)는 흡입구에서 흡입된 후 인클로저(300)와 셀 스택(122) 사이의 내부 공간을 순환한 후 배출구로 배출되는 제1 공기(OUT1)를 흡입한다. 즉, 흡입구(또는, 벤트 필터 또는 드레인 홀)는 연료 전지의 외부로부터 인클로저(300)와 셀 스택(122) 사이의 내부 공간으로 제2 공기(IN1)가 흡입되는 입구이며, 배출구(또는, 벤트 포트)는 제1 공기(OUT1)가 배출되는 곳이다.

공기 흡입 부재(500)는 공기 압축기에 의해 외부의 공기(IN2)를 유입하며, 유입되는 공기(IN2)의 유량에 따라 공기 흡입 부재(500)의 내부에 음압이 형성된다.

이때, 제1 공기가 배출하는 배출구와 공기 흡입 부재(500)가 연결되어 있으므로, 배출구로부터 배출되는 공기(OUT1)는 공기 흡입 부재(500)의 내부의 음압에 의해 공기 흡입 부재(500)로 흡입된 후 외부로 배출(OUT2)될 수 있다.

셀 스택(122)이 운전되는 과정에서 외부로 나온 수분에 의해 셀 스택(122)의 외면과 인클로저(300)의 내면 사이의 공간에 습도가 상승할 수 있다. 이 공간에 포화 수증기압 이상의 수분이 쌓이게 되면, 셀 스택(122) 내부에 응결이 야기된다. 그러나, 배출구로부터 배출되는 공기를 공기 흡입 부재(500)에서 흡입하면, 셀 스택(122)의 외면과 인클로저(300)의 내면 사이의 공간에서 공기가 순환하여 이 공간의 습도를 관리할 수 있다.

제1 및 제2 엔드 플레이트(100A, 100B) 중 어느 하나에 흡입구가 배치되고, 제1 및 제2 엔드 플레이트(100A, 100B) 중 다른 하나에 배출구가 배치될 수 있다.

도 8의 경우, 배출구가 제2 엔드 플레이트(110B)에 배치되고 흡입구가 제1 엔드 플레이트(110A)에 배치된 것으로 예시되어 있지만, 도시된 바와 달리 배출구가 제1 엔드 플레이트(110A)에 배치되고, 흡입구가 제2 엔드 플레이트(110B)에 배치될 수도 있다.

도 4에 도시된 제1 엔드 플레이트(110A)에 형성된 복수의 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 및 도 5에 도시된 제2 엔드 플레이트(110B)에 형성된 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)중에서, 어느 홀이 흡입구에 해당하고, 다른 홀이 배출구에 해당할 수 있다. 이와 같이, 연료 전지(100)를 제조하기 위해 각 엔드 플레이트(110A, 110B)에 형성된 홀이 다른 용도로 이용될 수도 있다.

이하, 실시 예에 의한 연료 전지(100)를 제조하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이하, 가이드 지지 홀이 복수 개이고, 가이드 관통도 복수 개인 것으로 설명하지만, 하기의 설명은 가이드 지지 홀이 복수 개이거나 가드 관통 홀 각각이 단수 개인 경우에도 적용될 수 있다.

도 9는 실시 예에 의한 연료 전지 제조 방법(600)을 설명하기 위한 플로우차트이고, 도 10 (a) 내지 (f)는 도 9에 도시된 연료 전지 제조 방법(600)의 이해를 돕기 위한 공정 순서도를 나타낸다.

도 10 (a) 내지 (f)에서 도 1 내지 도 7과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며 이들에 대한 중복되는 설명을 생략한다.

먼저, 도 10 (a)에 도시된 바와 같이, 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4)을 갖는 제2 엔드 플레이트(110B)를 준비하고, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 각각에 가이드 부재(G1 내지 G4)를 결합한다(제610 단계). 이와 같이, 복수의 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 각각은 가이드 부재(G1 내지 G4)를 지지하는 역할을 한다. 따라서, 가이드 지지 홀(GSH1 내지 GSH4) 각각은 블라인드 홀(blind hole)일 수도 있고, 관통 홀일 수도 있다.

이때, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 개수가 4개인 것으로 도시되어 있으나, 실시 예는 가이드 부재(G1 내지 G4)의 특정한 개수에 국한되지 않으며, 3개 이상일 수 있다.

제610 단계 후에, 도 10 (c)에 도시된 바와 같이 가이드 부재(G1 내지 G4)를 에워싸면서 제2 엔드 플레이트(100B)에 인클로저(300)를 결합한다(제620 단계).

제620 단계 후에, 도 10 (d)에 도시된 바와 같이, 가이드 부재(G1 내지 G4)에 의해 가이드되어 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 적층한 후, 제1 엔드 플레이트(110A)에 형성된 복수의 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4) 각각에 가이드 부재(G1 내지 G4)를 끼워, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N) 중 마지막으로 적층된 단위 셀(122-N) 위에 제1 엔드 플레이트(110A)를 적층한다(제630 단계).

제630 단계 후에, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 가압한다(제650 단계).

복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 가압하기 이전에, 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)의 적층 방향으로의 길이는 인클로저(300)의 길이(L3)보다 길다. 따라서, 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 가압하기 전에 이들(122-1 내지 122-N)을 정렬시키기 위해, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 길이(L4)를 인클로저(300)의 길이(L3)보다 더 길게 구현할 수 있다. 이와 같이, 제1 엔드 플레이트(110A)에 형성된 가이드 관통 홀(GTH1 내지 GTH4)은 가이드 부재(G1 내지 G4)를 관통시키는 홀이다.

제650 단계를 수행한 결과로서, 도 10 (e)에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(110A)는 인클로저(300)의 양단 중 일단에 접하여 결합할 수 있다.

제650 단계 후에, 가이드 부재(G1 내지 G4)를 제거하여 도 10 (e)에 도시된 바와 같이, 연료 전지(100)를 완성한다(제670 단계).

다른 실시 예에 의하면, 제630 단계를 수행하여 제1 엔드 플레이트(110A)까지 적층한 이후 셀 스택을 가압하는 제650 단계를 수행하기 전에, 제1 및 제2 지지 관통 홀(SH: SH1 내지 SH4)에 지지 부재(SM1 내지 SM4)를 각각 끼워 가이드 부재(G1 내지 G4)를 지지할 수 있다(제640 단계).

또한, 셀 스택을 가압하는 제650 단계를 수행한 이후 가이드 부재(G1 내지 G4)를 제거하는 제670 단계를 수행하기 전에, 제1 및 제2 지지 관통 홀(SH: SH1 내지 SH4)로부터 지지 부재(SM1 내지 SM4)를 제거할 수 있다(제660 단계).

이와 같이, 지지 부재(SM1 내지 SM4)는 제1 및 제2 지지 관통 홀(SH: SH1 내지 SH4)에 끼워진 후 제거될 수 있는 구조를 갖는다.

이하, 비교 례에 의한 연료 전지 및 연료 전지 제조 방법과 실시 례에 의한 연료 전지 및 연료 전지 제조 방법을 다음과 같이 비교하여 설명한다.

비교 례에 의하면, 하단 인클로저와 상단 인클로저를 서로 결합시켜 연료 전지를 제조한다. 이로 인해, 하단 인클로저 및 상단 인클로저와 엔드 플레이트 간의 수밀 구조가 취약하므로, 이를 해결하기 위한 추가 작업이 요구된다. 예를 들어, 수밀을 위한 별도의 가스켓을 요구하며, 공수가 존재할 수 있다. 반면에, 실시 예에 의하면, 두 개가 아니라 한 개로 구성된 인클로저(300)를 사용하여 연료 전지(100)를 제조하기 때문에 비교 례대비 수밀성이 개선될 뿐만 아니라 수밀을 위한 별도의 가스켓을 요구하지 않으며 공수를 줄일 수 있다.

또한, 비교 례에 의하면, 적층된 복수의 단위 셀의 길이가 하단 인클로저의 길이보다 길기 때문에 하단 인클로저의 길이 밖으로 돌출되는 적층 셀을 가이드하기 위한 별도의 가이드 장비를 추가로 요구한다. 이후, 추가 장비를 이용하여 적층 셀을 가압한 이후 상단 인클로저를 하단 인클로저에 결합한다. 이로 인해, 하부 인클로저와 추가 장비 사이의 정렬을 ±0.4㎜ 이내에 맞추기 어려울 수 있다. 반면에, 실시 예의 경우, 한 개로 구성된 인클로저(300)를 사용하여 연료 전지(100)를 제조하기 때문에 비교 례보다 적층된 복수의 셀의 정렬이 더 우수할 수 있다.

도 11은 연료 전지의 제조 공정의 일부 과정을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 참조부호는 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 참조부호와 동일한 참조부호를 사용하였다.

가이드 부재(G1 내지 G4)를 이용하여 인클로저(300)의 내부에 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 적층한 후, 적층된 복수의 셀을 도 11에 도시된 화살표 방향(AR2)으로 가압할 경우, 가이드 부재(G1 내지 G4)에 화살표 방향(AR2)으로 많은 하중이 실릴 수 있다. 이로 인해 가이드 부재(G1 내지 G4)가 변형될 수 있다. 이를 해소하기 위해, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 두께를 증가시킬 경우, 셀 스택(122)과 인클로저(300) 사이에서 가이드 부재(G1 내지 G4)가 지나가는 공간을 불필요하게 증가시켜 연료 전지의 전체 크기가 커질 수 있다. 또는, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 두께를 증가시키는 대신에, 인클로저(300)의 강성을 전체적으로 키울 경우 인클로저(300)의 두께가 커지고 중량도 증가함으로써, 연료 전지의 하중이 증가할 수도 있다. 반면에, 실시 예의 경우, 인클로저(300)의 중간에 강성 보강부(320)를 마련하기 때문에, 적층 셀을 가압할 때 인클로저(300)가 하중을 견딜 수 있고, 가압에 의해 야기되는 하중으로 인해 변형될 수 있는 가이드 부재(G1 내지 G4)를 받쳐줄 수 있다. 따라서, 인클로저(300)의 하중을 증가시키면서 인클로저(300)의 강성을 증가시키지 않아도 되므로, 연료 전지(100)의 하중의 증가를 피할 수 있으며, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 두께를 증가시키지 않아도 된다. 게다가, 실시 예에 의하면, 적층된 복수의 셀에 하중을 가하기 전에, 지지 관통홀(SH)에 지지 부재(SM)를 끼워 가이드 부재(G1 내지 G4)를 지지하여, 가압에 의한 하중을 가이드 부재(G1 내지 G4)가 잘 견딜 수 있도록 한다. 이로 인해, 가이드 부재(G1 내지 G4)의 두께를 증가시키지 않아도 되므로, 셀 스택(122)과 인클로저(300) 사이에서 가이드 부재(G1 내지 G4)가 차지하는 공간을 감소시킴으로써 연료 전지(100)의 크기 증가를 막을 수 있다.

또한, 복수의 단위 셀을 적층한 이후, 적층된 셀을 수직으로 세운 상태면 수직 방향으로 가압이 이루어질 것이고, 적층된 셀을 수평으로 뉘운다면 수평 방향으로 가압이 이루어진다. 이때, 적층된 복수의 셀과 가이드 부재(G1 내지 G4) 간의 마찰로 인해, 셀이 파손될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 실시 예의 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 가이드 부재(G1 내지 G4)와 적층된 셀들(122)이 접하는 부위에 가이드 수용홈(R)을 형성함으로써, 공차를 확보하고 셀의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 라운드형 가장 자리를 가지며, 가이드 부재(G1 내지 G4)와 스택 셀(122) 간의 공차를 반영한 깊이를 갖는 가이드 수용홈(R)이 배치됨으로써, 스택 셀(122)이 가이드 부재(G1 내지 G4)에 의해 손상됨이 더욱 방지될 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: 연료 전지 122: 셀 스택
300: 인클로저

Claims (20)

1. 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
   가이드 관통 홀을 가지며, 상기 셀 스택의 양단 중 일단에 배치된 제1 엔드 플레이트;
   상기 가이드 관통 홀과 상기 제1 방향으로 중첩하는 가이드 지지 홀을 가지며, 상기 셀 스택의 상기 양단 중 타단에 배치된 제2 엔드 플레이트; 및
   상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 함께 상기 셀 스택의 상기 양단 사이의 측부를 감싸며 한 개로 구성된 인클로저를 포함하고,
   상기 인클로저는
   상기 셀 스택의 상기 측부를 감싸며, 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하는 양단을 갖는 몸체를 포함하는 연료 전지.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제2 엔드 플레이트와 상기 인클로저는 일체인 연료 전지.
3. 제1 항에 있어서, 상기 인클로저는
   상기 몸체의 상기 양단 사이에 배치되는 강성 보강부를 더 포함하는 연료 전지.
4. 제3 항에 있어서, 상기 몸체의 상기 양단 중 일단과 상기 강성 보강부 사이의 제1 이격 거리는 상기 몸체의 상기 양단 중 타단과 상기 강성 보강부 사이의 제2 이격 거리와 동일한 연료 전지.
5. 제3 항에 있어서, 상기 강성 보강부는 상기 몸체에 띠 모양으로 배치된 연료 전지.
6. 제5 항에 있어서, 상기 강성 보강부는 상기 몸체의 내면 또는 외면 중 적어도 한 곳에 배치된 연료 전지.
7. 제6 항에 있어서, 상기 몸체와 상기 강성 보강부는 일체인 연료 전지.
8. 제1 항에 있어서, 상기 가이드 지지 홀 또는 상기 가이드 관통 홀 중 적어도 한 곳에 배치된 캡을 더 포함하는 연료 전지.
9. 제1 항에 있어서, 상기 인클로저와 상기 셀 스택 사이의 내부 공간을 순환한 제1 공기를 흡입 가능한 공기 흡입 부재를 더 포함하고,
   상기 가이드 지지 홀 및 상기 가이드 관통 홀 중 어느 홀은
   외부로부터 상기 인클로저와 상기 셀 스택 사이의 내부 공간으로 제2 공기를 흡입하는 흡입구에 해당하고,
   상기 가이드 지지 홀 및 상기 가이드 관통 홀 중 다른 홀은
   상기 제1 공기를 상기 공기 흡입 부재로 배출하는 배출구에 해당하는 연료 전지.
10. 제3 항에 있어서, 상기 강성 보강부의 제1 두께는 상기 몸체의 제2 두께보다 두꺼운 연료 전지.
11. 제3 항에 있어서, 상기 셀 스택의 상기 측부는
    제1 매니폴드가 배치된 제1 측부;
    제2 매니폴드가 배치되며, 상기 제1 측부와 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 대향하는 제2 측부;
    상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 교차하는 제3 방향으로 서로 반대측에 위치한 제3 및 제4 측부를 포함하고,
    상기 인클로저는
    상기 강성 보강부와 상기 몸체를 관통하며 상기 제3 측부 또는 상기 제4 측부 중 적어도 하나와 대면하는 지지 관통홀을 더 포함하는 연료 전지.
12. 제11 항에 있어서, 상기 제2 엔드 플레이트의 상기 가이드 지지 홀은
    상기 셀 스택의 상기 제3 측부와 상기 인클로저 사이의 제1 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제1 가이드 지지 홀; 또는
    상기 셀 스택의 상기 제4 측부와 상기 인클로저 사이의 제2 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제2 가이드 지지 홀 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
13. 제11 항에 있어서, 상기 제1 엔드 플레이트의 상기 가이드 관통 홀은
    상기 셀 스택의 상기 제3 측부와 상기 인클로저 사이의 제1 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제1 가이드 관통 홀; 또는
    상기 셀 스택의 상기 제4 측부와 상기 인클로저 사이의 제2 공간과 상기 제1 방향으로 중첩하는 제2 가이드 관통 홀 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
14. 제11 항에 있어서,
    상기 셀 스택의 상기 제1 측부의 외면과 상기 인클로저는 제1 이격 거리만큼 이격되고,
    상기 셀 스택의 상기 제2 측부의 외면과 상기 인클로저는 제2 이격 거리만큼 이격되고,
    상기 셀 스택의 상기 제3 측부의 외면과 상기 인클로저는 제3 이격 거리만큼 이격되고,
    상기 셀 스택의 상기 제4 측부의 외면과 상기 인클로저는 제4 이격 거리만큼 이격되고,
    상기 제1 및 제2 이격 거리 각각은 상기 제3 또는 제4 이격 거리보다 더 작은 연료 전지.
15. 제11 항에 있어서, 상기 스택 셀의 상기 제3 및 제4 측부 각각은
    상기 인클로저의 내면과 대향하며 상기 제1 방향으로 연장되어 배치된 가이드 수용홈을 포함하는 연료 전지.
16. 제11 항에 기재된 연료 전지를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 가이드 지지 홀에 가이드 부재를 결합하는 단계;
    상기 가이드 부재를 에워싸면서 상기 제2 엔드 플레이트에 상기 인클로저를 결합하는 단계;
    상기 가이드 부재에 의해 가이드되어 상기 복수의 단위 셀을 적층하는 단계;
    상기 가이드 관통 홀에 상기 가이드 부재를 끼워, 상기 복수의 단위 셀 중 마지막으로 적층된 단위 셀 위에 상기 제1 엔드 플레이트를 적층하는 단계:
    상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에 적층된 복수의 단위 셀을 가압하는 단계; 및
    상기 가이드 부재를 제거하는 단계를 포함하는 연료 전지 제조 방법.
17. 제16 항에 있어서,
    상기 셀 스택을 가압하기 전에, 상기 지지 관통 홀에 지지 부재를 끼워 상기 가이드 부재를 지지하는 단계; 및
    상기 셀 스택을 가압한 이후 상기 가이드 부재를 제거하기 전에, 상기 지지 관통 홀로부터 상기 지지 부재를 제거하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 제조 방법.
18. 제17 항에 있어서, 상기 지지 부재의 강성은 상기 가이드 부재의 강성보다 더 큰 연료 전지 제조 방법.
19. 제16 항에 있어서, 상기 제1 방향으로 상기 가이드 부재의 길이는 상기 인클로저의 길이보다 더 긴 연료 전지 제조 방법.
20. 제16 항에 있어서, 상기 가이드 부재의 개수는 3개 이상인 연료 전지 제조 방법.

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