KR20210045157A - 연료 전지 - Google Patents

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KR20210045157A
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백석민
허용석
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

실시 예의 연료 전지는 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택과, 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트와, 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하여 복수의 단위 셀을 제1 방향으로 체결하며, 제어 신호에 응답하여 발열하는 적어도 하나의 체결 부재 및 셀 스택의 온도에 따라 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지{Fuel cell}
실시 예는 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 연료전지에서, 복수의 단위 셀 각각은 고분자 전해질막을 기준으로 한 쪽 면으로 공기를 공급받고 다른 쪽 면으로 수소(연료극, 수소)를 공급받아 전기를 생산하며, 이를 차량 시스템에 공급한다. 복수 개의 단위 셀을 적층한 셀 스택의 체결 장치로서 예를 들어, 엔드 플레이트 및 체결 바가 있다.
이러한 셀 스택이 가동할 때의 온도에 따라, 셀 스택의 체결 면압이 불규칙하게 변하여 여러 가지 문제를 야기할 수 있어, 이를 개선시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시 예는 셀 스택의 온도 변화에도 불구하고 일정한 체결 면압을 유지할 수 있는 연료 전지를 제공한다.
실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트; 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하여 상기 복수의 단위 셀을 상기 제1 방향으로 체결하며, 제어 신호에 응답하여 발열하는 적어도 하나의 체결 부재; 및 상기 셀 스택의 온도에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 체결 부재는 체결 몸체; 상기 체결 몸체를 둘러싸도록 배치된 발열부; 및 상기 발열부를 둘러싸도록 배치된 단열부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 체결 몸체는 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 물질은 스틸, 알루미늄, 구리 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 상기 제1 방향에서 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 면상 또는 선상의 저항 패턴을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 저항 패턴의 발열량은 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 상기 발열량의 감소는 선형적이거나 비선형적일 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 상기 제1 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 위치한 제1 발열 섹터; 및 상기 제1 방향으로 상기 제1 발열 섹터보다 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트에 더 가깝게 위치한 제2 발열 섹터를 포함하고, 상기 제2 발열 섹터의 발열량은 상기 제1 발열 섹터의 발열량보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 금속계 또는 세라믹계 소재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 50Ω 내지 100Ω의 전기저항을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 상기 셀 스택의 작동 전압이 250V 내지 400V일 때 400W 내지 1600W의 발열량을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 발열부는 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에서 상기 체결 몸체를 둘러싸는 발열 몸체; 및 상기 발열 몸체의 양단부에 각각 배치되어 상기 제어 신호와 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전원 연결부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 단열부는 PI, PP 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지는 상기 발열 몸체와 상기 발열부 사이에 배치되어, 상기 발열부의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 감지된 온도를 이용하여 상기 제어 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부는 상기 셀 스택의 온도가 소정 온도 이상일 때, 아래와 같은 수학식을 만족하도록 상기 제어 신호를 생성할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, αC는 상기 셀 스택의 열 팽창 계수를 나타내고, TC는 상기 셀 스택의 상기 온도를 나타내고, TO는 상기 소정 온도를 나타내고, LC는 상기 셀 스택의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타내고, αF는 상기 체결 몸체의 열 팽창 계수를 나타내고, TF는 상기 체결 몸체의 온도를 나타내고, LF는 상기 체결 몸체의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타낸다. 예를 들어, 상기 소정 온도는 60℃일 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 체결 부재는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 체결 부재를 포함하고, 상기 복수의 체결 부재 중에서, 평면상에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 배치된 체결 부재의 발열량은 상기 셀 스택의 주변 영역에 배치된 체결 부재의 발열량보다 클 수 있다.
실시 예에 따른 연료 전지는 셀 스택이 고온에서 운전하는 고온 운전 조건에서, 반응 셀의 길이가 증가한 만큼 체결 부재의 길이가 증가하기 때문에 셀 스택의 체결 면압이 과도하게 증가하지 않고 적정 범위 내에 유지되는 우수한 성능을 갖는다.
또한, 실시 예에 의한 연료 전지의 경우, 셀 스택의 고온 동작 이후에 저온 동작할 경우 체결력이 저하되지 않아, 셀 스택의 내부 저항이 증가하지 않으므로 우수한 스택 성능과 기밀성을 가질 수 있다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지의 단면도를 나타낸다.
도 3a는 일 실시 예에 의한 체결 부재의 사시도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 체결 부재를 I-I’선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 4a는 다른 실시 예에 의한 체결 부재의 사시도를 나타내고, 도 4b는 또 다른 실시 예에 의한 체결 부재의 사시도를 나타낸다.
도 5a는 비교 례에 의한 연료 전지에 포함되는 체결 부재의 사시도를 나타내고, 도 5b는 도 5a에 도시된 체결 부재를 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 비교 례에 의한 연료 전지에서 셀 스택의 온도 변화에 따른 체결력을 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교 례 및 실시 예에 의한 온도별 체결 면압을 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)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 외관 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 연료 전지(100)의 단면도를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 1에 도시된 체결 부재(130:130-1 내지 130-3)의 도시는 도 2에서 생략되었다.
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.
실시 예에 의한 연료 전지(100)는 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B), 셀 스택(cell stack)(122) 및 적어도 하나의 체결 부재를 포함할 수 있다.
도 2를 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), 개스킷(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 개스킷(238)을 더 포함할 수도 있다.
고분자 전해질막(210)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 가스 확산층(222, 224)과 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. 연료인 수소와 공기에 포함된 산소와의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지(100)는 전력을 발생함을 알 수 있다.
공기극(216)에서는 고분자 전해질막(210)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.
개스킷(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, 개스킷(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.
제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 셀 스택(122)의 양단부에 각각 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양단부 중 일단부에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양단부 중 타단부에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 제1 엔드 플레이트(110A)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN1, IN2, OUT1, OUT2)를 포함할 수 있다.
막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 기체는 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2)를 통해 유입되고, 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 응축수가 더해진 기체 또는 액체가 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)를 통해 연료 전지(100)의 외부로 유출될 수 있다. 또한, 비록 도면에 보이지 않지만, 제2 엔드 플레이트(110B)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN3, OUT3)를 포함할 수 있다. 제3 유입 연통부(IN3)를 통해 외부로부터 냉각매체가 셀 스택(122)으로 유입될 수 있고, 제3 유출 연통부(OUT3)를 통해 셀 스택(122)의 내부로부터 외부로 냉각매체가 유출될 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 1에 도시된 바와 달리, 제1 엔드 플레이트(110A)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN1, IN2, IN3, OUT1, OUT2, OUT3)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2) 및 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)는 도 1에 도시된 바와 같고, 제3 유입 연통부(IN3)는 제1 엔드 플레이트(110A)의 제1 유입 연통부(IN1)와 제2 유출 연통부(OUT2) 사이에 배치되고, 제3 유출 연통부(OUT3)는 제1 엔드 플레이트(110A)의 제2 유입 연통부(IN2)와 제1 유출 연통부(OUT1) 사이에 배치될 수도 있다.
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 차량의 부하로 공급하는 역할을 한다. 여기서, 집전판(112)은 집전 단자(140)와 연결될 수 있다.
한편, 적어도 하나의 체결 부재(130)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 결합하여 복수의 단위 셀을 제1 방향으로 체결하는 역할을 한다. 반복 적층된 복수의 단위 셀에 대해 체결 장치에서 적정한 하중(또는, 압축력)이 가해진 상태에서, 체결 부재(130)를 이용하여 복수의 단위 셀로 이루어진 셀 스택(122)이 체결된다. 따라서, 셀 스택(122)의 외곽 구조는 복수의 단위 셀이 적층된 방향의 압축 체결력에 의해서 유지될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 체결 부재(130)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)를 연결하며, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 분리판(242, 244)의 장축에 연결될 수 있다. 셀 스택(122)에서 복수의 단위 셀을 구성하는 반복되는 부품들 간의 반발력으로 셀 스택(122)의 체결력이 유지되며, 이를 통해 기밀/수밀 기능과 반복되는 부품들의 전기적 접촉을 통해 발전 전력이 이동할 수 있다.
적어도 하나의 체결 부재(130)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)과 교차하는 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치된 복수의 체결 부재를 포함할 수 있다. 도 1의 경우, 적어도 하나의 체결 부재(130)는 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치된 제1 내지 제3 체결 부재(130-1, 130-2, 130-3)를 포함하는 것으로 예시되어 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 적어도 하나의 체결 부재(130)는 도 1에 도시된 바와 달리, 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치된 2개 또는 4개 이상의 체결 부재를 포함할 수도 있다.
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.
한편, 연료 전지(100)는 절연판(150)을 더 포함할 수 있다. 절연판(150)은 셀 스택(122)과 체결 부재(130) 사이에 배치되어, 이들(122, 130)을 서로 전기적으로 절연시키는 역할을 한다.
요철 구조를 갖는 분리판(242, 244)에서 가스 확산층(222, 224)과 맞닿는 부위를 랜드라고 하며, 가스 확산층(222, 224)과 맞닿지 않으면서 반응 기체의 통로가 되는 부위를 채널이라고 한다. 분리판(242, 244)의 랜드는 가스 확산층(222, 224)과 접촉하여 면압을 전달하며, 분리판(242, 244) 각각의 채널과 랜드가 서로 접촉하여 면압을 전달한다. 연료 전지(100)에서 셀 스택(122)의 기계적 구조는 반응면의 면압 전달 구조와 개스킷(232, 234, 236)에 의해서 유지되며, 반응면의 면압은 가스 확산층(222, 224)과 분리판(242, 244)의 랜드의 지지구조에 의해서 결정될 수 있다.
이하, 셀 스택(122)의 온도에 따라 셀 스택(122)에 가해지는 체결 면압을 조정하는 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 구성에 대해 다음과 같이 설명한다. 설명의 편의상 적어도 하나의 체결 부재(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 체결 부재(130-1, 130-2, 130-3)를 포함하는 것으로 설명한다. 그러나, 하기의 설명은 적어도 하나의 체결 부재(130)가 2개 또는 4개 이상의 체결 부재를 포함하는 경우에도 적용될 수 있다.
도 3a는 일 실시 예에 의한 체결 부재(130A)의 사시도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 체결 부재(130A)를 I-I’선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 체결 부재(130A)는 도 1에 도시된 제1 내지 제3 체결 부재(130-1 내지 130-3) 각각의 실시 예에 해당할 수 있다.
실시 예에 의한 연료 전지(100)는 제어부(160)를 더 포함할 수 있다. 제어부(160)는 셀 스택(122)의 온도에 따라 제어 신호(CT)를 생성하고, 생성된 제어 신호(CT)를 체결 부재(130A)로 출력한다.
만일, 실시 예에 의한 연료 전지(100)에 차량에 이용될 경우, 제어부(160)는 차량의 정션 박스(162)에 포함될 수도 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 정션 박스(162)는 연료 전지(100)의 셀 스택(122)에서 발전된 전력을 분배하는 역할을 한다. 예를 들어, 정션 박스(162)는 연료 전지(100)의 운전을 돕는 주변 보조 기기(BOP:Balance Of Plant) 부품들을 제어하기 위한 퓨즈(미도시)와 릴레이류(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 정션 박스(162)는 연료 전지(100) 상에 배치될 수 있다.
실시 예에 의한 체결 부재(130A)는 제어부(160)로부터 출력되는 제어 신호(CT)에 응답하여 발열할 수 있다. 이를 위해, 체결 부재(130A)는 체결 몸체(132), 발열부(134) 및 단열부(136)를 포함할 수 있다.
체결 몸체(132)는 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 물질은 스틸, 알루미늄, 구리 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 체결 몸체(132)를 구현하는 특정한 금속 물질에 국한되지 않는다. 즉, 체결 몸체(132)는 열 팽창 계수가 큰 금속계 재질로 구현될 수 있다.
발열부(134)는 체결 몸체(132)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
도 4a는 다른 실시 예에 의한 체결 부재(130B)의 사시도를 나타내고, 도 4b는 또 다른 실시 예에 의한 체결 부재(130C)의 사시도를 나타낸다. 도 3b에 도시된 발열부(134)의 실시 예(134A, 134B)에 대한 이해를 돕기 위해, 도 4a 및 도 4b에서 단열부(136)의 도시는 생략된다. 또한, 도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b에 도시된 체결 부재(130)의 실시 예에 해당한다.
도 3b에 도시된 발열부(134)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)에서, 제1 엔드 플레이트(110A)와 제2 엔드 플레이트(110B) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 발열부(134)는 도 4a에 도시된 바와 같이 면(surface) 상(shape) 저항 패턴(134A)를 가질 수도 있고, 도 4b에 도시된 바와 같이 선(line)상 저항 패턴(134B)을 가질 수도 있다.
또한, 발열부(134)의 저항 패턴의 발열량은 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 발열부(134)의 저항 패턴의 발열량은 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각으로부터 멀어질수록 선형적으로 감소할 수도 있고, 비선형적으로 감소할 수도 있다. 도 4b는 발열부(134B)의 저항 패턴의 발열량이 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)로부터 멀어질수록 비선형적으로 감소함을 보이는 일 례이다.
도 4b에 도시된 발열부(134B)는 제1 발열 섹터(134-1) 및 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)를 포함할 수 있다.
제1 발열 섹터(134-1)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 셀 스택(122)의 제1 중앙 영역(CA1)에 위치할 수 있다. 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 제1 발열 섹터(134-1)보다 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 즉, 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 셀 스택(122)의 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)에 위치할 수 있다. 여기서, 제1 주변 영역(PA1)이란, 셀 스택(122)의 평면 형상에서 제1 중앙 영역(CA1)과 제1 엔드 플레이트(110A) 사이의 영역을 의미한다. 제2 주변 영역(PA2)이란, 셀 스택(122)의 평면 형상에서 제1 중앙 영역(CA1)과 제2 엔드 플레이트(110B) 사이의 영역을 의미한다.
이때, 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)의 발열량은 제1 발열 섹터(134-1)의 발열량보다 클 수 있다. 일반적으로, 체결 부재(130)의 열전도로 인한 열량 손실은 제1 중앙 영역(CA1)에서보다 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 양단부에 인접한 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)에서 더 크다. 따라서, 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)의 발열량을 제1 발열 섹터(134-1)의 발열량보다 크게 함으로써, 이러한 열량 손실을 보충할 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 발열부(134)는 발열 몸체(HBA, HBB) 및 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 발열 몸체(HBA, HBB)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)에서 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 위치하며, 체결 몸체(132)를 둘러싸며 배치될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)는 발열 몸체(HBA, HBB)의 양단부에 각각 배치되어 제어 신호(CT)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제어부(160)에서 생성된 제어 전압이 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)로 제어 신호(CT)로서 인가될 수 있다. 이를 위해, 제어부(160)와 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)는 와이어(미도시)에 의해 연결될 수 있다.
또한, 발열부(134)는 금속계 또는 세라믹계 소재를 포함할 수 있다.
또한, 발열부(134)는 50Ω 내지 100Ω의 전기저항을 가질 수 있다. 발열부(134)는 셀 스택(122)의 작동 전압이 250V 내지 400V일 때 400W 내지 1600W의 발열량을 가질 수 있다.
한편, 단열부(136)는 발열부(134)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 단열부(136)는 폴리이미드(PI:Polyimide), 폴리프로필렌(PP:Polypropylene) 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 단열부(136)가 배치됨으로써, 셀 스택(122)과 발열부(134)가 서로 열적으로 분리(즉, 단열)될 수 있다.
제어부(160)는 셀 스택(122)의 온도(TC)가 소정 온도(TO) 이상일 때, 다음 수학식 1을 만족하도록 제어 신호(CT)를 생성할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, αC는 셀 스택(또는, 단위 셀(122-n))(122)의 열 팽창 계수를 나타내고, LC는 셀 스택(122)의 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로의 길이를 나타내고, αF는 체결 몸체(132)의 열 팽창 계수를 나타내고, TF는 체결 몸체(132)의 온도를 나타내고, LF는 체결 몸체(132)의 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로의 길이를 나타낸다. 예를 들어, 소정 온도(TO)는 60℃일 수 있다.
또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 온도 센서(138)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서(138)는 발열부(134)의 온도를 감지하고, 감지된 온도(ST)를 와이어(W)를 통해 제어부(160)로 출력할 수 있다. 이를 위해, 온도 센서(138)는 발열 몸체(132)와 발열부(134) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서(138)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 발열 몸체(132)와 발열부(134) 사이에서, 발열 몸체(132) 상에 배치될 수 있다.
온도 센서(138)는 셀 스택(122)의 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)보다는 제1 중앙 영역(CA1)과 수직으로 중첩하여 영역에 배치됨이 바람직하다. 그러나, 온도 센서(138)가 제1 중앙 영역(CA1)과 수직으로 중첩하는 영역에 배치될 경우, 와이어(W)의 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 온도 센서(138)는 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)과 수직으로 중첩하는 영역에 배치될 수 있다.
제어부(160)는 온도 센서(138)에서 감지된 온도(ST)를 이용하여 제어 신호(CT)를 생성할 수 있다. 이와 같이, 제어부(160)는 셀 스택(122)의 운전 조건(예를 들어, 운전 온도)에 따라서 체결 부재(130:130-1 내지 130-3)의 발열량과 온도를 제어하기 위해, 제어 신호(CT)를 생성할 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 복수의 체결 부재 중에서, 평면상에서 제1 방향(예를 들어, x축 방향)과 교차하는 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에 배치된 체결 부재의 발열량이 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 셀 스택(122)의 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에 배치된 체결 부재의 발열량보다 클 수 있다. 도 1을 참조하면, 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에 배치된 제1 체결 부재(130-1)는 셀 스택(122)의 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에 배치된 제2 및 제3 체결 부재(130-2, 130-3)보다 더 큰 발열량을 가질 수 있다.
일반적으로, 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에서의 압축 반발력은 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에서의 압축 반발력보다 더 크다. 따라서, 실시 예에 의한 연료 전지(100)에서, 셀 스택(122)에서 압축 반발력이 큰 쪽에 배치된 제1 체결 부재(130-1)의 발열량이 압축 반발력이 작은 쪽에 배치된 제2 및 제3 체결 부재(130-2, 130-3)의 발열량보다 더 크다. 따라서, 셀 스택(122)이 고온에서 팽창할 때, 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에 배치된 부품들에 가해지는 더 큰 압축 반발력이, 제2 및 제3 체결 부재(130-2, 130-3)보다 더 크게 팽창하는 제1 체결 부재(130-1)에 의해 상쇄될 수 있다. 결국, 제2 중앙 영역(CA2)에서의 압축 반발력과 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에서의 압축 반발력이 서로 다르다고 하더라도, 제2 중앙 영역(CA2)과 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에 배치된 부품들에 체결 면압이 과도하게 인가되지 않고 골고루 인가될 수 있다.
이하, 비교례 및 실시 예에 의한 연료 전지를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 5a는 비교 례에 의한 연료 전지에 포함되는 체결 부재(30)의 사시도를 나타내고, 도 5b는 도 5a에 도시된 체결 부재(30)를 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 절개한 단면도이다.
전술한 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 체결 부재(130)와 달리 비교 례에 의한 연료 전지의 체결 부재(30)는 체결 몸체(132)만을 포함한다. 이를 제외하면, 비교 례에 의한 연료 전지의 셀 스택 및 엔드 플레이트는 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 셀 스택(122) 및 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 각각 동읽한 것으로 가정한다.
비교 례의 경우, 체결 부재(30)가 체결 몸체(132)만을 갖기 때문에, 비교 례의 체결 부재(30)의 길이는 온도에 따라 변하지 않고 고정된다. 이로 인해, 셀 스택(122)이 고온에서 운전하는 고온 운전 조건에서, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)이 반복되어 적층된 셀 스택(122)의 내압 즉, 체결 면압이 과도하게 증가하여, 연료 전지의 내구 성능이 저하될 수 있다.
반면에, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우, 셀 스택(122)이 고온에서 운전하는 고온 운전 조건에서, 반응 셀의 길이가 증가한 만큼 체결 부재(130)의 길이가 증가하도록 제어부(160)가 체결 부재(130)의 발열량을 제어한다. 이로 인해, 고온 운전 조건에서 체결 부재(30)의 길이가 변하기 않고 고정된 비교예 대비, 셀 스택(122)의 체결 면압이 과도하게 증가하지 않는다.
도 6은 비교 례에 의한 연료 전지에서 셀 스택의 온도 변화에 따른 체결력을 나타내는 그래프로서, 횡축은 온도를 나타내고, 종축은 체결력을 나타낸다. 도 6에 도시된 그래프는 분리판(242, 244)과 가스 확산층(222, 224)을 조합하여, 셀 스택(122)을 가압한 후 감압하여 얻은 결과이다.
비교 례의 경우 체결 프레스를 이용하여 일정 면압 하에서 체결 부재(30)를 이용하여 셀 스택(122)을 압축 체결하면, 셀 스택(122)의 적층 방향(예를 들어, x축 방향)의 변위는 고정된다. 이 상태에서, 셀 스택(122)의 내부 면압을 증가(즉, 가압)시킨 후 감소(즉, 감압)시킨 면압 변동 환경에서, 도 6에 도시된 바와 같은 압축 거동 결과가 획득된다.
도 6을 참조하면, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)이 적층되어 반복되는 부품의 특성에 의해, 셀 스택(122)이 고온에서 운전하여 셀 스택(122)이 가압된 후, 셀 스택(122)을 냉각하여 감압될 때, 면압 저하가 발생한다. 왜냐하면, 비교 례에 의한 연료 전지가 고온에서 동작할 때 과도한 체결 면압이 셀 스택(122)에 인가되어, 셀 스택(122)에 포함된 각 단위 셀(122-n)의 구성 부품이 과도하게 압축되어 그의 소성이 변하는 등 복원력이 손상된 이후, 저온에서 동작할 때 손상된 복원력에 기인하여 체결력이 저하되기 때문이다. 도 6에 도시된 바와 같이 4가지 비교 례(CASE 1 내지 CASE 4)에서 셀 스택(122)의 고온 동작 이후에 저온 동작할 경우, 체결력이 저하됨을 알 수 있었다.
결국, 반복적인 반응면 면압의 변동에 따라, 반응면의 면압 저하가 발생하고, 면압 저하로 인해 셀 스택(122)의 내부 저항이 증가하기 때문에, 비교례에 의한 연료 전지의 스택 성능은 악화될 수 있다.
그러나, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우, 셀 스택(122)이 고온에서 동작할 때 체결 부재(130)도 함께 열 팽창함으로써, 셀 스택(122)의 단위 셀(122-1 내지 122-N)에 과도한 체결 면압이 인가되지 않는다. 이러한 사유로, 셀 스택(122)에 포함된 단위 셀(122-1 내지 122-N)의 구성 부품의 과압축 및 소성 변형이 방지되어 복원력이 손상되지 않기 때문에, 셀 스택(122)의 고온 동작 이후에 저온 동작할 경우, 체결력이 저하됨이 방지될 수 있다.
이와 같이, 체결력이 저하되지 않기 때문에, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 셀 스택(122)은 상온이나 저온 환경 조건에서 셀 스택(122)의 각 단위 셀(122-n)의 부품들이 손상되지 않아, 우수한 기밀성을 가질 수 있다.
도 7은 비교 례 및 실시 예에 의한 온도별 체결 면압을 나타내는 그래프로서, 횡축은 온도를 나타내고, 종축은 체결 면압을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 제1 비교 례(310)의 경우 셀 스택(122)의 운전 영역의 온도 범위(이하, ‘스택 운전 온도 영역’이라 함)인 T1 내지 T2에서 체결 면압이 적정 체결 면압의 범위인 P1 내지 P2를 벗어남을 알 수 있다. 예를 들어, T1은 60℃이고, T2는 70℃이고, P1은 1 MPa이고, P2는 1.5 MPa일 수 있다. 이와 같이, P2 이상의 과도한 체결 면압에 노출되어, 제1 비교 례(310)에 의한 연료 전지에서 반복되어 적층되는 부품의 소성변형이 발생할 수 있다.
제2 비교 례(320)의 경우, T1 내지 T2의 스택 운전 온도 영역에서 과도한 체결 면압을 방지하게 위해, 초기에 체결 면압을 감소시켰다. 그러나, 이 경우, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서의 체결 면압이 적정 체결 면압(P1 내지 P2) 이하로 감소하여 셀 스택(122)의 성능이 악화됨을 알 수 있다.
제3 비교 례(330)의 경우도 제2 비교 례(320)에서와 같이, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서 과도한 체결 면압을 방지할 수 있으나, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서 적정 체결 면압(P1 내지 P2)을 벗어나는 구간이 발생함을 알 수 있다.
반면에, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우(340), 셀 스택(122)이 고온에서 운전하여 체결 면압이 과도하게 증가할 때, 반응셀의 길이(LC)가 증가한 만큼 발열부(134)를 이용하여 체결 몸체(132)를 열팽창시켜 그(132)의 길이(LF)를 증가시킨다. 따라서, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서 연료 전지(100)의 셀 스택(122)에 과도한 체결 면압이 인가됨이 방지될 수 있다.
결국, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우, 셀 스택(122)의 스택 운전 온도 영역에서 체결 부재(130)의 온도 제어를 통하여 발열량을 제어함으로써, 셀 스택(122)이 적정 체결 면압(P1 내지 P2)을 유지(A)함을 알 수 있다. 이로 인해, 연료 전지(100)의 온도에 따른 체결 면담의 적정하게 P1 내지 P2에서 유지되는 우수한 성능을 갖는다.
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 110A, 110B: 엔드 플레이트
122: 셀 스택 130, 130-1 내지 130-3: 체결 부재
132 체결 몸체 134, 134A, 134B: 발열부
136: 단열부 138: 온도 센서
140: 집전 단자 150: 절연판
160: 제어부 210: 막전극 접합체
212: 고분자 전해질막 214: 연료극
216: 공기극 222, 224: 가스 확산층
232, 234, 236: 개스킷 242, 244: 분리판

Claims (19)

  1. 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
    상기 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트;
    상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하여 상기 복수의 단위 셀을 상기 제1 방향으로 체결하며, 제어 신호에 응답하여 발열하는 적어도 하나의 체결 부재; 및
    상기 셀 스택의 온도에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 연료 전지.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 체결 부재는
    체결 몸체;
    상기 체결 몸체를 둘러싸도록 배치된 발열부; 및
    상기 발열부를 둘러싸도록 배치된 단열부를 포함하는 연료 전지.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 체결 몸체는 금속 물질을 포함하는 연료 전지.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 금속 물질은 스틸, 알루미늄, 구리 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는
    상기 제1 방향에서 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 배치된 연료 전지.
  6. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 면상 또는 선상의 저항 패턴을 갖는 연료 전지.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 저항 패턴의 발열량은 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트로부터 멀어질수록 감소하는 연료 전지.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 발열량의 감소는 선형적인 연료 전지.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 발열량의 감소는 비선형적인 연료 전지.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 발열부는
    상기 제1 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 위치한 제1 발열 섹터; 및
    상기 제1 방향으로 상기 제1 발열 섹터보다 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트에 더 가깝게 위치한 제2 발열 섹터를 포함하고,
    상기 제2 발열 섹터의 발열량은 상기 제1 발열 섹터의 발열량보다 큰 연료 전지.
  11. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 금속계 또는 세라믹계 소재를 포함하는 연료 전지.
  12. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 50Ω 내지 100Ω의 전기저항을 갖는 연료 전지.
  13. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 상기 셀 스택의 작동 전압이 250V 내지 400V일 때 400W 내지 1600W의 발열량을 갖는 연료 전지.
  14. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는
    상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에서 상기 체결 몸체를 둘러싸는 발열 몸체; 및
    상기 발열 몸체의 양단부에 각각 배치되어 상기 제어 신호와 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전원 연결부를 포함하는 연료 전지.
  15. 제2 항에 있어서, 상기 단열부는 폴리이미드, 폴리프로필렌 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
  16. 제2 항에 있어서, 상기 발열 몸체와 상기 발열부 사이에 배치되어, 상기 발열부의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에서 감지된 온도를 이용하여 상기 제어 신호를 생성하는 연료 전지.
  17. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 셀 스택의 온도가 소정 온도 이상일 때, 아래와 같은 수학식을 만족하도록 상기 제어 신호를 생성하는 연료 전지.
    Figure pat00003

    (여기서, αC는 상기 셀 스택의 열 팽창 계수를 나타내고, TC는 상기 셀 스택의 상기 온도를 나타내고, TO는 상기 소정 온도를 나타내고, LC는 상기 셀 스택의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타내고, αF는 상기 체결 몸체의 열 팽창 계수를 나타내고, TF는 상기 체결 몸체의 온도를 나타내고, LF는 상기 체결 몸체의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타낸다.)
  18. 제17 항에 있어서, 상기 소정 온도는 60℃인 연료 전지.
  19. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 체결 부재는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 체결 부재를 포함하고,
    상기 복수의 체결 부재 중에서, 평면상에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 배치된 체결 부재의 발열량은 상기 셀 스택의 주변 영역에 배치된 체결 부재의 발열량보다 큰 연료 전지.
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