KR20200085706A - 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택 - Google Patents

스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따른 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택은, 복수 개의 제 1 냉각판; 상기 복수 개의 제 1 냉각판 보다 냉매 유입구로부터 멀리 위치하는 복수 개의 제 2 냉각판; 인접한 2개의 상기 제 1 냉각판 사이에 배치되고, 제 1 개수의 제 1 셀 유닛을 포함하는 제 1 셀 어셈블리; 및 인접한 2개의 상기 제 2 냉각판 사이에 배치되고, 상기 제 1 개수보다 적은 제 2 개수의 제 2 셀 유닛을 포함하는 제 2 셀 어셈블리를 포함할 수 있다.

Description

스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택{HIGH-TEMPERATURE POLYMER ELECTROLYTE MEMBERANCE FUEL CELL STACK FOR OPTIMIZING STACK OPERATION}
아래의 설명은 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 고효율, 친환경, 높은 출력밀도 등과 같은 장점을 가지고 있어 유망한 미래 청정 에너지기술로 많은 관심을 받고 있다. 그 중 고온 고분자전해질막 연료전지(HT-PEMFC)의 연구가 활발히 진행 되고 있다. 고온 고분자전해질막 연료전지는 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)계 전해질 막을 사용하여 별도의 가습 없이 운전이 가능하며, 연료전지 운전을 통해 발생하는 물이 증기 형태로 발생하기 때문에 별도의 수분트랩이 필요하지 않다. 또한 고온 고분자전해질막 연료전지를 150 ~ 180℃의 운전 온도에서 CO의 피독으로 인한 막 전극 접합체(MEA)의 성능저하 현상이 현저히 감소하여 CO농도 3%까지 내성을 가지게 된다. 이러한 현상으로 인해 수소개질과정에서 CO제거공정을 최소화 할 수 있다. 또한 100℃에 가까운 높은 배열온도를 얻을 수 있어 열에너지의 활용도가 높다.
하지만 고온 고분자전해질막 연료전지는 아직 많은 기술 개발이 필요하다. 이론적으로 높은 전기화학 반응 속도를 갖으나 실제 개발된 고온 고분자전해질막 연료전지의 성능은 저온 고분자전해질막 연료전지의 성능에 다소 미치지 못한다. 또한 인산노출 및 고온의 가혹한 운전 조건으로 인해 내구성이 취약하며 수명이 짧은 단점이 있다.
예를 들면, 고온의 운전 조건 하에서 연료전지의 일부에 파손이 생기면, 냉매가 막 전극 접합체(MEA)로 침투됨으로써, 연료전지 스택의 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 냉매로 사용되는 오일은 물에 비하여 높은 점성을 가지므로, 오일이 순환 경로 상에서 높은 차압을 일으키게 되고, 이 또한 연료전지의 파손을 일으키는 문제점이 되어 왔다. 또한, 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 냉매로 사용되는 오일은 고온에서 작동하므로 연료전지의 분리판 내부에 형성된 냉매 유로를 순환하는 동안 분리판의 부피 변화를 일으켜 파손을 촉진시키는 문제점이 있었다.
아울러, 고온 고분자전해질막 연료전지는, 고온의 운전 조건 하에서, 스택의 적층 방향으로 온도 불균일이 발생하는 문제가 있었다. 이러한 온도의 불균일성은 연료전지의 효율을 감소시키는 문제가 있다.
일 실시 예의 목적은, 스택 내 온도 불균일에 따른 성능 및 내구성 저하 유발 문제를 해결할 수 있는 고온 고분자전해질막 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
또한, 일 실시 예의 목적은, 스택의 체결이 느슨해져 가스 누설이 발생하는 문제를 해결할 수 있는 고온 고분자전해질막 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택은, 복수 개의 제 1 냉각판; 상기 복수 개의 제 1 냉각판 보다 냉매 유입구로부터 멀리 위치하는 복수 개의 제 2 냉각판; 인접한 2개의 상기 제 1 냉각판 사이에 배치되고, 제 1 개수의 제 1 셀 유닛을 포함하는 제 1 셀 어셈블리; 및 인접한 2개의 상기 제 2 냉각판 사이에 배치되고, 상기 제 1 개수보다 적은 제 2 개수의 제 2 셀 유닛을 포함하는 제 2 셀 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택은, 상기 복수 개의 제 1 냉각판 및 제 2 냉각판과, 상기 제 1 셀 어셈블리 및 제 2 셀 어셈블리를 가압하는 엔드 플레이트; 상기 복수 개의 제 2 냉각판 보다 상기 엔드 플레이트에 가까이 위치하는 복수 개의 제 3 냉각판; 및 인접한 2개의 상기 제 3 냉각판 사이에 배치되고, 상기 제 2 개수보다 많은 제 3 개수의 제 3 셀 유닛을 포함하는 제 3 셀 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
상기 엔드 플레이트는, 상기 냉매 유입구를 포함하는 상부 엔드 플레이트; 및 상기 상부 엔드 플레이트의 반대편에 배치되는 하부 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 제 1 셀 어셈블리는, 상기 제 2 셀 어셈블리 보다 상기 상부 엔드 플레이트에 가까이 위치하고, 상기 제 3 셀 어셈블리는, 상기 제 2 셀 어셈블리 보다 상기 하부 엔드 플레이트에 가까이 위치할 수 있다.
상기 제 1 셀 어셈블리는, 각각 막 전극 접합체를 구비하는 복수 개의 제 1 셀 유닛; 및 내부에 열전대를 포함하고, 상기 복수 개의 셀 유닛과 나란하게 적층되는 제 1 더미 셀을 포함할 수 있다.
상기 제 1 더미 셀은, 상기 복수 개의 제 1 셀 유닛 중 중간에 배치되는 2개의 제 1 셀 유닛 사이에 배치될 수 있다.
상기 제 2 셀 어셈블리는, 각각 막 전극 접합체를 구비하는 복수 개의 제 2 셀 유닛; 및 내부에 열전대를 포함하고, 상기 복수 개의 셀 유닛과 나란하게 적층되는 제 2 더미 셀을 포함할 수 있다.
상기 제 1 셀 어셈블리는, 각각 막 전극 접합체를 구비하는 복수 개의 제 1 셀 유닛; 및 상기 복수 개의 제 1 셀 유닛을 둘러싸는 단열 부재를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 제 1 냉각판 및 복수 개의 제 2 냉각판 각각에 냉매를 유입하는 냉매 호스를 더 포함하고, 상기 단열 부재의 적어도 일부는, 상기 복수 개의 제 1 셀 유닛 및 냉매 호스 사이에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따른 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택은, 복수 개의 제 1 냉각판; 인접한 2개의 상기 제 1 냉각판 사이에 배치되고, 제 1 개수의 제 1 셀 유닛을 포함하는 제 1 셀 어셈블리; 상기 복수 개의 제 1 냉각판 및 제 1 셀 어셈블리를 가압하는 엔드 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트의 일면에 배치되어, 상기 엔드 플레이트가 상기 복수 개의 제 1 냉각판 및 제 1 셀 어셈블리를 가압하는 힘을 측정하는 면압 측정기를 포함할 수 있다.
상기 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택은, 상기 엔드 플레이트를 체결하는 클램핑 바; 및 상기 클램핑 바의 끝 부분에 배치되어, 상기 엔드 플레이트에 압력을 가하는 릴리프 스프링을 더 포함하고, 상기 면압 측정기는, 상기 릴리프 스프링 및 엔드 플레이트 사이에 배치될 수 있다.
상기 릴리프 스프링은, 상기 엔드 플레이트의 테두리부를 따라 복수 개 배치되고, 상기 면압 측정기는, 상기 복수 개의 릴리프 스프링 아래에 각각 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스택 내 온도를 균일하게 하여, 온도 불균일에 따른 성능 및 내구성 저하 유발 문제를 해결할 수 있다.
또한, 스택 내 더미 셀을 활용하여 실제 작동 중 막 전극 접합체(MEA) 내부 온도를 측정할 수 있다.
또한, 스택과 냉매 호스 사이에 배치되는 단열재를 통해, 냉매 호스로 열이 전달되는 것을 방지함으로써, 스택 내 온도 불균일 현상을 줄일 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 엔드 플레이트에 배치되는 복수 개의 면압 측정기를 통해, 스택의 체결 정상적으로 이루어졌는지 여부를 확인하여, 가스의 누설을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 정면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 정면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 일부 분해 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 단면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 더미 셀의 평면도이다.
도 6은 일 실시 에에 따른 더미 셀의 측면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 엔드 플레이트의 평면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 정면도이다.
도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택(10, 이하, "고온 PEMFC 스택"이라고 함)은, 지지 어셈블리(11), 제 1 셀 어셈블리(12a), 제 2 셀 어셈블리(12b), 복수 개의 냉각판(13) 및 생산된 전류를 외부로 제공하기 위한 전류 집전체(14)를 포함할 수 있다. 복수 개의 냉각판(13)은, 제 1 셀 어셈블리(12a) 각각의 상면 또는 하면에 배치되는 복수 개의 제 1 냉각판(13)과, 제 2 셀 어셈블리(12b) 각각의 상면 또는 하면에 배치되는 복수 개의 제 2 냉각판(13)을 포함할 수 있다. 제 1 냉각판 및 제 2 냉각판은 서로 다른 구성이 아니고, 제 1 셀 어셈블리(12a) 및 제 2 셀 어셈블리(12b) 중 어느 셀 어셈블리에 배치되는 것에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 제 1 셀 어셈블리(12a)의 하면과, 및 제 2 셀 어셈블리(12b)의 상면에 배치되는 냉각판은, 제 1 냉각판 또는 제 2 냉각판으로 지칭될 수 있다.
지지 어셈블리(11)는, 제 1 셀 어셈블리(12a), 제 2 셀 어셈블리(12b) 및 복수 개의 냉각판(13)을 지지 및 가압할 수 있다. 지지 어셈블리(11)는, 엔드 플레이트(110), 미들 엔드 플레이트(111), 클램핑 바(112), 릴리프 스프링(113) 및 복수 개의 면압 측정기(119)를 포함할 수 있다.
엔드 플레이트(110)는, 고온 PEMFC 스택(10)의 양 단부에 각각 체결되는 판으로써, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 배치되는 다른 구성들을 가압할 수 있다. 엔드 플레이트(110)는 예를 들어, 최적의 공간 활용성을 위하여 사각형의 형상을 가질 수 있다. 엔드 플레이트(110)의 냉매 유입 포트(미도시) 및 냉매 토출 포트(미도시)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 냉매 유입 포트 및 냉매 토출 포트는 각각 1개씩 또는 2개씩 구비될 수 있다.
미들 엔드 플레이트(111)는, 2개의 엔드 플레이트(110)의 중앙부에 배치되는 판으로써, 고정력을 보다 향상시킬 수 있다. 고온 PEMFC 스택(10)은 고온에서 운전되는 특성상, 저온 PEMFC 스택에 비하여 열팽창의 정도가 크다. 따라서, 제 1 셀 어셈블리(12a) 및/또는 제 2 셀 어셈블리(12b)가 열팽창에 의해 파손될 위험성이 높아지게 된다. 위와 같은 문제점을 방지하기 위하여 분리판의 두께를 증가시킬 수 있다. 한편, 분리판이 두꺼워지게 되면 단순히 2개의 엔드 플레이트(110) 만으로 고정하기에 무리가 있으므로, 추가적으로 중앙에 미들 엔드 플레이트(111)를 삽입함으로써, 고정력을 향상시킬 수 있다.
클램핑 바(112)는, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 체결되거나, 각각의 엔드 플레이트(110) 및 미들 엔드 플레이트(111) 사이에 체결됨으로써, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 위치한 구성들을 고정시킬 수 있다. 클램핑 바(112)는, 2개의 엔드 플레이트(110) 사이에 위치한 구성들의 적어도 일부를 관통하도록 배치되어, 해당 구성들을 올바르게 정렬시킬 수 있다.
릴리프 스프링(113)은, 클램핑 바(112)의 끝 부분에 구비되어, 2개의 엔드 플레이트(110) 또는, 각각의 엔드 플레이트(110) 및 미들 엔드 플레이트(111) 사이에 위치한 구성들에 압력을 가할 수 있다. 릴리프 스프링(113)의 위치 및 길이를 조절함으로써, 제 1 셀 어셈블리(12a) 및/또는 제 2 셀 어셈블리(12b)에 일정한 압력 분포가 가해지도록 할 수 있다.
복수 개의 면압 측정기(119)는 릴리프 스프링(113) 및 엔드 플레이트(110) 사이에 배치될 수 있다. 복수 개의 면압 측정기(119)는 릴리프 스프링(113)이 내부 구성들에 인가하는 압력을 측정할 수 있다. 사용자는 복수 개의 면압 측정기(119)에서 측정된 압력 정보에 기초하여, 스택의 체결이 정상적으로 이루어졌는지 여부를 결정할 수 있다.
제 1 셀 어셈블리(12a) 및 제 2 셀 어셈블리(12b)는 복수 개의 냉각판(13) 사이에 각각 배치되어, 복수 개가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 기준으로, 미들 엔드 플레이트(111)의 상측에는 9개의 제 1 셀 어셈블리(12a)가 구비되고, 미들 엔드 플레이트(111)의 하측에는 9개의 제 2 셀 어셈블리(12b)가 구비될 수 있다. 제 1 셀 어셈블리(12a)는 인접한 2개의 제 1 냉각판(13) 사이에 배치될 수 있다.
제 1 셀 어셈블리(12a)는 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a), 제 1 더미 셀(122a) 및 제 1 단열 부재(123a)를 포함할 수 있다.
복수 개의 제 1 셀 유닛(121a) 각각은, 내부에 구비되는 막 전극 접합체(MEA)와, 상기 막 전극 접합체를 상측 및 하측에서 감싸는 2개의 분리판으로 구성될 수 있다.
제 1 더미 셀(122a)은 막 전극 접합체의 작동 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 더미 셀(122a)은 내장되는 복수 개의 열 전대를 구비할 수 있다. 제 1 더미 셀(122a)은 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a)과 나란하게 적층될 수 있다. 제 1 더미 셀(122a)은 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a)을 구성하는 분리판과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
제 1 더미 셀(122a)은 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a) 중 중간에 배치되는 2개의 제 1 셀 유닛(121a) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a)이 짝수 개 존재할 경우, 제 1 더미 셀(122a)은 가운데 배치된 2개의 제 1 셀 유닛(121a) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로, 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a)이 홀수 개 존재할 경우, 제 1 더미 셀(122a)은 가운데 배치된 3개의 제 1 셀 유닛(121a) 중 어느 2개의 제 1 셀 유닛(121a) 사이에 배치될 수 있다. 이와 같은 배치에 의하면, 제 1 더미 셀(122a)은 인접한 냉각판(131)으로부터 영향을 덜 받는 상태로, 막 전극 접합체(MEA)의 실시간 온도를 측정할 수 있다.
제 1 더미 셀(122a)은 복수 개의 제 1 셀 어셈블리(12a) 마다 각각 하나씩 배치될 수 있다. 이 경우, 각각의 제 1 더미 셀(122a)에서 측정된 온도 정보를 바탕으로 스택 내 온도 분포를 측정할 수 있다.
제 1 단열 부재(123a)는 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a)과 제 1 더미 셀(122a)을 감쌀 수 있다. 제 1 단열 부재(123a)는 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a)에서 발생한 열이 냉매 호스(135, 도 4 참조)로 전달되는 양을 줄여줄 수 있다. 제 1 단열 부재(123a)로 인해, 냉매 호스(135)를 타고 복수 개의 냉각판(13)으로 전달되는 냉매의 온도는 비교적 일정하게 유지될 수 있다.
제 2 셀 어셈블리(12b)는 복수 개의 제 2 셀 유닛(121b), 제 2 더미 셀(122b) 및 제 2 단열 부재(123b)를 포함할 수 있다.
제 2 셀 어셈블리(12b)의 복수 개의 제 2 셀 유닛(121b)은, 제 1 셀 어셈블리(12a)의 복수 개의 제 1 셀 유닛(121a) 보다 적은 개수일 수 있다. 예를 들어, 하나의 제 1 셀 어셈블리(12a)에 5개의 제 1 셀 유닛(121a)이 구비되고, 하나의 제 2 셀 어셈블리(12b)에 4개의 제 2 셀 유닛(121b)이 구비될 수 있다. 4개의 셀 유닛을 구비한 제 1 셀 어셈블리(12a) 영역을 A로 표시하였고, 5개의 셀 유닛을 구비한 제 2 셀 어셈블리(12b) 영역을 B로 표시하였다. 즉, 하부의 냉각판 비율은 상부의 냉각판 비율 보다 높다. 여기서, 하부라고 함은 외부로부터 냉매가 유입되는 냉매 유입구로부터 상대적으로 멀리 위치한 부분을 의미하고, 상부라고 함은 냉매 유입구에 상대적으로 가까이 위치한 부분을 의미한다. 이와 같은 구조를 통해, 스택 내 온도 편차를 줄일 수 있으며, 연료전지의 효율을 높일 수 있다. 또한, 온도 뷸균일에 따른 성능 및 내구성 저하 유발 문제를 해결할 수 있다.
복수 개의 냉각판(13)은, 고온 PEMFC 스택(10)에서 발생되는 열을 제거하기 위한 것으로, 외부 매니폴드 방식으로 냉매를 유동시킴으로써, 제 1 셀 어셈블리(12a) 및 제 2 셀 어셈블리(12b)에서 발생되는 열을 제거할 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 정면도이다.
도 2를 참조하면, 고온 PEMFC 스택(20)은 엔드 플레이트(110, 111), 제 1 셀 어셈블리(12c), 제 2 셀 어셈블리(12d), 제 3 셀 어셈블리(12e), 복수 개의 냉각판 및 전류 집전체(14)를 포함할 수 있다. 복수 개의 냉각판은, 제 1 셀 어셈블리(12c) 각각의 상면 또는 하면에 배치되는 복수 개의 제 1 냉각판과, 제 2 셀 어셈블리(12d) 각각의 상면 또는 하면에 배치되는 복수 개의 제 2 냉각판과, 제 3 셀 어셈블리(12e) 각각의 상면 또는 하면에 배치되는 복수 개의 제 3 냉각판을 포함할 수 있다. 제 1 냉각판, 제 2 냉각판 및 제 3 냉각판은 서로 다른 구성이 아니고, 제 1 셀 어셈블리(12c), 제 2 셀 어셈블리(12d) 및 제 3 셀 어셈블리(12e) 중 어느 셀 어셈블리에 배치되는 것에 따라 결정될 수 있다.
엔드 플레이트(110, 111)는, 냉매 유입구를 포함하는 상부 엔드 플레이트(110)와, 상부 엔드 플레이트(110)의 반대편에 배치되는 하부 엔드 플레이트(111)를 포함할 수 있다.
제 1 셀 어셈블리(12c)는 제 2 셀 어셈블리(12d) 보다 상부 엔드 플레이트(110)에 가까이 위치할 수 있다. 제 3 셀 어셈블리(12e)는 제 2 셀 어셈블리(12d) 보다 하부 엔드 플레이트(111)에 가까이 위치할 수 있다. 제 1 셀 어셈블리(12c) 및 제 3 셀 어셈블리(12e)는 각각 엔드 플레이트에 가까이 위치하므로, 엔드 플레이트에 의해 열이 흡수되어 상대적으로 적정 온도를 유지할 수 있다. 반면, 제 2 셀 어셈블리(12d)는 엔드 플레이트로부터 멀리 위치하므로, 상대적으로 적정 온도를 유지하기 어렵다. 이에, 제 2 셀 어셈블리(12d)는 제 1 셀 어셈블리(12c) 및 제 3 셀 어셈블리(12e) 보다 적은 수의 셀 유닛을 구비할 수 있다. 예를 들어, 제 1 셀 어셈블리(12c)에는 5개의 셀 유닛, 제 2 셀 어셈블리(12d)에는 4개의 셀 유닛, 제 3 셀 어셈블리(12e)에는 5개의 셀 유닛이 구비될 수 있다.
이와 같은 구조를 통해, 스택 내 온도 편차를 줄일 수 있으며, 연료전지의 효율을 높일 수 있다. 또한, 온도 뷸균일에 따른 성능 및 내구성 저하 유발 문제를 해결할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 일부 분해 사시도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 고온 고분자전해질막 연료전지 스택의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 2개의 냉각판(131, 132) 사이에 배치된 셀 어셈블리가 도시된다. 셀 어셈블리는, 복수 개의 셀 유닛(121), 더미 셀(122) 및 단열 부재(123)를 포함할 수 있다.
셀 어셈블리의 상면에 부착된 냉각판(131)은 수소 및 산소의 유입 및 토출 홀과, 복수 개의 클램핑 바(112, 도 1 참조)가 통과하는 홀과, 냉매 호스가 통과하는 홀(131a, 131b)를 구비한다. 마찬가지로, 셀 어셈블리의 하면에 부착된 냉각판(132)은 수소 및 산소의 유입 및 토출 홀과, 복수 개의 클램핑 바(112, 도 1 참조)가 통과하는 홀과, 냉매 호스가 통과하는 홀(132a, 132b)를 구비한다.
복수 개의 셀 유닛(121) 및 더미 셀(122)에서 방출되어 냉매 호스(135)로 전달되는 열의 대부분은 단열 부재(123)에 의해 차단될 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 더미 셀의 평면도이고, 도 6은 일 실시 에에 따른 더미 셀의 측면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 더미 셀(122)은, 더미 셀 바디(1221), 더미 셀 홀(1222) 및 복수 개의 열전대(TC1, TC2, TC3)를 포함할 수 있다.
더미 셀 바디(1221)는 셀 유닛(121, 도 1 참조)과 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 더미 셀 바디(1221)는 스택의 적층 방향을 기준으로 셀 유닛(121)에 오버랩될 수 있다. 예를 들어, 셀 유닛(121)이 직사각형 형상의 밑면을 가질 경우, 더미 셀 바디(1221) 역시 그와 동일한 직사각형 형상의 밑면을 가질 수 있다.
더미 셀 홀(1222)은 셀 유닛(121, 도 1 참조)에 구비되는 수소 유입 홀 및 토출 홀과, 산소 유입 홀 및 토출 홀에 각각 연통될 수 있다.
복수 개의 열전대(TC1, TC2, TC3)은 스택의 적층 방향에 대해 수직한 방향으로, 더미 셀 바디(1221)에 삽입될 수 있다. 복수 개의 열전대(TC1, TC2, TC3) 중 하나의 열전대만이 구비될 수도 있음을 밝혀 둔다. 복수 개의 열전대(TC1, TC2, TC3)는 서로 다른 깊이로 삽입되어, 각각 다른 위치의 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제 1 열전대(TC1)는 비교적 테두리부의 온도를 측정할 수 있고, 제 3 열전대(TC3)는 중앙부의 온도를 측정할 수 있고, 제 2 열전대(TC2)는 제 1 열전대(TC1) 및 제 3 열전대(TC3) 사이의 온도를 측정할 수 있다. 특히, 제 3 열전대(TC3)의 경우, 막 전극 접합체(MEA)의 반응이 가장 활발하게 일어나는 유닛의 중심부의 온도를 측정할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 7을 참조하면, 릴리프 스프링(113)은 엔드 플레이트(110)의 테두리부를 따라 복수 개, 예를 들어 10개가 배치될 수 있다. 예를 들어, 엔드 플레이트(110)가 직사각형 형상을 가질 때, 릴리프 스프링(113)은 긴 변을 따라 4개로 배치되고, 짧은 변을 따라 3개로 배치될 수 있다. 즉, 릴리프 스프링(113)은 10개가 배치될 수 있다.
복수 개의 면압 측정기(119)는 각각의 릴리프 스프링(113) 아래에 배치될 수 있다. 예를 들어, 릴리프 스프링(113)이 엔드 플레이트(110)의 테두리부를 따라 복수 개가 배치될 경우, 복수 개의 면압 측정기(119)는 엔드 플레이트(110)에 인가되는 압력을 골고루 측정할 수 있다. 예를 들어, 릴리프 스프링(113)이 10개 있을 경우, 복수 개의 면압 측정기(119) 역시 10개가 배치될 수 있다. 예를 들어, 좌상측의 압력이 상대적으로 낮게 측정될 경우, 사용자는 좌상측의 릴리프 스프링(113)을 보다 강성하게 조임으로써, 정상적인 체결을 구현할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (1)

  1. 복수 개의 제 1 냉각판;
    상기 복수 개의 제 1 냉각판 보다 냉매 유입구로부터 멀리 위치하는 복수 개의 제 2 냉각판;
    인접한 2개의 상기 제 1 냉각판 사이에 배치되고, 제 1 개수의 제 1 셀 유닛을 포함하는 제 1 셀 어셈블리; 및
    인접한 2개의 상기 제 2 냉각판 사이에 배치되고, 상기 제 1 개수보다 적은 제 2 개수의 제 2 셀 유닛을 포함하는 제 2 셀 어셈블리를 포함하는, 스택 운전 최적화를 위한 고온 고분자전해질막 연료전지 스택.
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