KR20210049339A

KR20210049339A - 연료 전지

Info

Publication number: KR20210049339A
Application number: KR1020190133528A
Authority: KR
Inventors: 허용석; 백석민
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-05-06
Also published as: CN112713296A; DE102020202518A1; US11380930B2; US20210126274A1

Abstract

실시 예의 연료 전지는 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택과, 셀 스택의 측부를 감싸며, 셀 스택의 양단부 중 적어도 하나를 개방하는 적어도 하나의 개구를 포함하는 인클로저와, 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트 및 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 인클로저의 적어도 하나의 개구 쪽에 배치된 대상 엔드 플레이트와 인클로저의 사이에 배치되어, 셀 스택을 밀봉하는 개스킷을 포함한다.

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 수소를 공급받아 전기를 생산하며, 이를 차량 시스템에 공급한다. 복수의 단위 셀을 체결하기 위해, 연료 전지는 엔드 플레이트 및 체결 바로 구성된 체결 장치를 포함할 수 있다.

또한, 단위 스택 모듈은 복수의 단위 셀이 적층된 셀 적층체(또는, 셀 스택)와 체결 장치로 이루어질 수 있다. 이러한 스택 모듈은 하나일 수도 있고, 복수 개일 수도 있다. 스택 모듈이 복수 개일 경우, 연료 전지는 수소, 공기 및 냉각수를 분배할 수 있는 별도 장치를 요구한다. 그러므로, 원가 절감과 구조적 단순화를 위해 하나의 스택 모듈을 포함하는 연료 전지가 선호되는 추세이다. 또한, 승용 및 고성능 차량과 같이 패키지의 제약이 많은 차량의 경우 높이를 최소화하기 위해 하나의 스택 모듈을 포함하는 연료 전지가 더욱 선호된다.

한편, 연료 전지 내부의 셀 스택을 외부의 물, 먼지 또는 열로부터 보호하기 위한 다양한 밀봉 기술이 연구되고 있다.

실시 예는 우수한 밀봉 성능을 갖는 연료 전지를 제공한다.

실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 측부를 감싸며, 상기 셀 스택의 양단부 중 적어도 하나를 개방하는 적어도 하나의 개구를 포함하는 인클로저; 상기 셀 스택의 상기 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 상기 인클로저의 상기 적어도 하나의 개구 쪽에 배치된 대상 엔드 플레이트와 상기 인클로저의 사이에 배치되어, 상기 셀 스택을 밀봉하는 개스킷을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 대상 엔드 플레이트는 상기 셀 스택과 대향하는 내측면 및 상기 내측면의 반대측 외측면을 포함하는 몸체를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는 상기 몸체의 상기 외측면의 적어도 일부와 상기 제1 방향으로 대면하며, 상기 개스킷을 통해 상기 인클로저와 함께 상기 셀 스택을 밀봉하는 격벽을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 몸체와 상기 격벽을 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 몸체와 상기 격벽은 일체일 수 있다. 이 경우, 상기 몸체와 상기 격벽과 상기 연결부는 일체일 수 있다.

또는, 예를 들어, 상기 몸체와 상기 격벽은 별개일 수 있다. 이 경우, 상기 연결부는 상기 몸체와 일체이고 상기 격벽과 별개이거나 상기 연결부는 상기 격벽과 일체이고 상기 몸체와 별개일 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는 상기 제1 및 제2엔드 플레이트와 함께 상기 셀 스택을 체결하는 체결 부재를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 격벽과 상기 체결 부재를 관통하여 상기 몸체의 내부까지 삽입된 체결 나사를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 체결 나사를 덮으며 배치된 마개를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 대상 엔드 플레이트의 상기 몸체는 제1 강성을 갖는 안쪽부; 및 상기 제1 강성보다 더 작은 제2 강성을 가지며, 상기 안쪽부를 감싸는 껍질부를 포함하고, 상기 몸체는 상기 체결 나사와 나사 결합하는 블라인드 홀을 포함하고, 상기 블라인드 홀은 상기 껍질부를 관통하여 상기 안쪽부까지 연장될 수 있다.

예를 들어, 상기 안쪽부는 금속 물질을 포함하고, 상기 껍질부는 절연성 수지를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 몸체의 상기 외측면은 매니폴드가 배치되지 않으며, 상기 격벽이 결합하는 비매니폴드 영역; 및 매니폴드가 배치된 매니폴드 영역을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 인클로저 또는 상기 격벽 중 적어도 한 곳에 배치되어, 상기 개스킷을 수용하는 개스킷 홈을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 개스킷 홈은 상기 대상 엔드 플레이트에 배치된 제1 홈을 포함하고, 상기 제1 홈은 상기 격벽에서, 상기 인클로저와 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제1-1 홈; 또는 상기 제1-1 홈으로부터 연장되며, 상기 몸체의 상기 매니폴드 영역에서 상기 인클로저와 상기 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제1-2 홈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 개스킷 홈은 상기 인클로저에 배치된 제2 홈을 포함하고, 상기 제2 홈은 상기 인클로저에서, 상기 격벽과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제2-1 홈; 또는 상기 제2-1 홈으로부터 연장되며, 상기 몸체의 상기 매니폴드 영역과 상기 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제2-2 홈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 격벽은 상기 인클로저와 결합하는 단부; 및 상기 체결 나사가 관통하는 제1 관통홀을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 마개는 상기 체결 나사를 덮는 덮개부; 및 상기 덮개부로부터 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 관통홀에 삽입된 지지부를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 체결 부재는 상기 셀 스택의 상부와 상기 대상 엔드 플레이트의 상부에 배치된 제1 부분; 및 상기 제1 부분으로부터 절곡되어 상기 몸체의 외측면까지 연장된 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 체결 나사가 관통하며 상기 제1 관통홀의 일부와 대향하는 제2 관통홀을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 체결 부재의 상기 제2 부분은 상기 몸체와 상기 격벽 사이의 공간에 수용될 수 있다.

예를 들어, 상기 마개는 고무 또는 투습 소재로 이루어질 수 있다.

실시 예에 따른 연료 전지는 복수의 셀이 적층되는 방향으로의 길이가 짧고, 우수한 밀봉 성능을 가질 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2는 연료 전지에서 엔드 플레이트 및 셀 스택의 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 의한 인클로저의 사시도를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 I-I’선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 ‘A’ 부분을 확대 도시한 부분 분해 단면도이다.
도 6 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 실시 예에 의한 연료 전지의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 7은 다른 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 8은 다른 실시 예에 의한 인클로저의 사시도를 나타낸다.
도 9 (a) 및 (b)는 도 7에 도시된 다른 실시 예에 의한 연료 전지의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 10 (a) 및 (b)는 연결부, 몸체 및 격벽 간의 결합 관계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 제1 비교 례에 의한 연료 전지의 단면도이다.
도 12는 제2 비교 례에 의한 연료 전지의 단면도이다.

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(100A, 100B)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지(100A, 100B)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 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)의 외관 사시도를 나타내고, 도 2는 연료 전지(100A)에서 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B) 및 셀 스택(cell stack)(122)의 실시 예에 의한 단면도를 나타내고, 도 3은 일 실시 예에 의한 인클로저(enclosure)(300A)의 사시도를 나타내고, 도 4는 도 1에 도시된 I-I’선을 따라 절개한 단면도를 나타내고, 도 5는 도 4에 도시된 ‘A’ 부분을 확대 도시한 부분 분해 단면도이고, 도 6 (a) 및 (b)는 도 1에 도시된 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.

연료 전지(100A)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(100A)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 및 셀 스택(122)을 포함할 수 있다.

셀 스택(122)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 적층된 복수의 단위 셀을 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(100A)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), 제1 내지 제3 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(100A)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. 이와 같이, 연료인 수소와 공기에 포함된 산소와의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지(100A)는 전력을 발생함을 알 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 내지 제3 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, 제1 내지 제3 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(미도시)으로 전달하는 역할을 수행할 수도 있다.

집전판은 셀 스택(122)과 대면하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 내측면(110AI, 110BI)과 셀 스택(122) 사이에 배치될 수 있다. 집전판은 셀 스택(122)에서 전자의 흐름으로 생성된 전기 에너지를 모아서 연료 전지(100A)가 사용되는 차량의 부하로 공급하는 역할을 한다.

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.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 연료 전지(100A)는 셀 스택(122)과 제1 엔드 플레이트(110A) 사이에 배치된 제1 엔드 셀 히터(112A) 및 셀 스택(122)과 제2 엔드 플레이트(110B) 사이에 배치된 제2 엔드 셀 히터(112B)를 더 포함할 수 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.

제1 엔드 플레이트(110A)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 엔드 플레이트(110A)는 도 1 및 도 6 (b)에 도시된 바와 같이 다수의 매니폴드(IN11, IN12, OUT11, OUT12)를 포함할 수 있다.

막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 기체는 제1 및 제2 유입 연통부(IN11, IN12)를 통해 유입되고, 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 응축수가 더해진 기체 또는 액체가 제1 및 제2 유출 연통부(OUT11, OUT12)를 통해 연료 전지(100A)의 외부로 유출될 수 있다.

또한, 제2 엔드 플레이트(110B)도 다수의 매니폴드(또는, 연통부)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 엔드 플레이트(110B)는 비록 도시되지 않았지만, 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN13, OUT13)를 포함할 수 있다. 제3 유입 연통부(IN13)를 통해 외부로부터 냉각매체가 셀 스택(122)으로 유입될 수 있고, 제3 유출 연통부(OUT13)를 통해 셀 스택(122)의 내부로부터 외부로 냉각매체가 유출될 수 있다. 또는, 도시된 바와 달리, 제3 유입 연통부(IN13)가 제1 엔드 플레이트(110A)의 제1 유입 연통부(IN11)와 제2 유출 연통부(OUT12) 사이에 배치되고, 제3 유출 연통부(OUT13)가 제1 엔드 플레이트(110A)의 제2 유입 연통부(IN12)와 제1 유출 연통부(OUT11) 사이에 배치될 수도 있다.

한편, 실시 예에 의하면, 연료 전지(100A)는 절연판(140)을 더 포함할 수 있다. 절연판(140)은 셀 스택(122)과 체결 부재(130) 사이에 배치되어, 이들(122, 130)을 서로 전기적으로 절연시키는 역할을 한다.

또한, 연료 전지(100A)는 인클로저(300A) 및 제4 개스킷(150)을 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 인클로저(300A)는 셀 스택(122)의 측부를 감싸며, 셀 스택(122)의 양단부를 각각 개방하는 제1 및 제2 개구(OP1, OP2)를 포함하는 4면 인클로저일 수 있다. 이 경우, 제1 엔드 플레이트(110A)는 인클로저(300A)의 제1 개구(OP1)에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 인클로저(300A)의 제2 개구(OP2)에 배치될 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 인클로저(300A)는 셀 스택(122)의 양단부 중 어느 하나와 셀 스택(122)의 측부를 감싸며, 제1 및 제2 개구(OP1, OP2) 중 어느 하나만을 포함하는 5면 인클로저일 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 하나는 셀 스택(122)의 양단부 중 인클로저(300A)의 어느 하나의 개구(OP1 또는 OP2)와 대향하는 단부 쪽에 배치되고, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 다른 하나는 셀 스택(122)의 양단부 중 다른 하나와 인클로저(300A) 사이에 배치될 수 있다.

또한, 도 3의 경우 인클로저(300A)는 한 몸인 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면 인클로저(300A)는 적어도 2개의 몸체가 결합된 형태일 수도 있다. 예를 들어, 인클로저(300A)의 2개의 몸체 중 하나는 ‘ㄱ’자 형태이고 2개의 몸체 중 다른 하나는 ‘ㄴ’자 형태로서 서로 결합될 수 있다. 또는, 인클로저(300A)의 2개의 몸체 중 하나는 ‘ㄷ’자 형태이고 2개의 몸체 중 다른 하나는 ‘ㅡ’자 형태로서 서로 결합될 수 있다.

이하, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중에서 인클로저(300A)의 개구 측에 배치된 엔드 플레이트를 ‘대상 엔드 플레이트’라 한다. 즉, 인클로저(300A)가 4면 인클로저일 경우, 제1 및 제2 개구(OP1, OP2)에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각이 대상 엔드 플레이트에 해당한다. 또는, 인클로저(300A)가 5면 인클로저일 경우, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중에서 제1 및 제2 개구(OP1, OP2) 중 어느 하나에 배치된 엔드 플레이트가 대상 엔드 플레이트에 해당한다.

이하, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각이 대상 엔드 플레이트인 것으로 설명하지만, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중에서 어느 하나만이 대상 엔드 플레이트인 경우에도 하기의 설명은 적용될 수 있다.

이때, 인클로저(300A)와 대상 엔드 플레이트 사이에 제4 개스킷(150)이 배치됨으로서, 셀 스택(122)이 밀봉되어, 셀 스택(122)을 외부의 물, 먼지 또는 열 중 적어도 하나로부터 보호할 수 있다. 예를 들어, 제4 개스킷(150)은 인클로저(300A)와 제1 엔드 플레이트(110A)(예를 들어, 후술되는 몸체(BA)) 사이 및 인클로저(300A)와 제2 엔드 플레이트(110B)(예를 들어, 후술되는 몸체(BB)) 사이에 배치될 수 있다.

이하, 셀 스택(122)을 밀봉하기 위한 연료 전지(100A)의 구성에 대해 다음과 같이 상세히 설명한다.

제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각은 몸체(BA, BB)를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)는 격벽(SWA, SWB)을 더 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)는 연결부(CA, CB)를 더 포함할 수 있다.

몸체(BA, BB)는 셀 스택(122)과 대향하는 내측면(110AI, 110BI) 및 내측면(110AI, 110BI)의 반대측 외측면(110AO, 110BO)을 포함할 수 있다.

또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각의 몸체(BA, BB)는 안쪽부(114) 및 껍질부(116)를 포함할 수 있다. 안쪽부(114)는 제1 강성을 가지며, 껍질부(116)는 제1 강성보다 더 작은 제2 강성을 가지며, 안쪽부(114)를 감싸는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 안쪽부(114)는 금속 물질을 포함하고 껍질부(116)는 절연성 수지 예를 들어, 플라스틱을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 금속 인서트(114)는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 가질 수 있으며 금속 재질을 기계 가공하여 구현될 수 있다.

또는, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중에서 대상 엔드 플레이트의 몸체(BA, BB)만이 금속 인서트(114)가 플라스틱 사출물(116)에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수도 있다. 이는, 금속 인서트(114)가 껍질부(114)보다 더 큰 강성을 가질 경우, 후술되는 바와 같이, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 대상 엔드 플레이트의 금속 인서트(114)로 체결 나사(160)의 고정성이 강화되기 때문이다.

또한, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 다수 개의 플레이트를 결합하여 형성될 수 있다.

인클로저(300A)가 제1 및 제2 개구(OP1, OP2)를 포함하는 4면 인클로저일 경우, 격벽(SWA, SWB) 각각은 몸체(BA, BB)의 외측면(110AO, 110BO)의 적어도 일부와 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 대면하며, 제4 개스킷(150)을 통해 인클로저(300A)와 함께 셀 스택(122)을 밀봉할 수 있다. 이를 위해, 제4 개스킷(150)은 몸체(BA, BB)와 인클로저(300A) 사이에 배치될 뿐만 아니라, 격벽(SWA, SWB)과 인클로저(300A) 사이에도 배치된다.

그러나, 인클로저(300A)가 제1 개구(OP1)만을 포함하는 5면 인클로저일 경우, 제1 개구(OP1) 쪽에 배치된 제1 엔드 플레이트(110A)가 대상 엔드 플레이트에 해당한다. 이 경우, 격벽(SWA)은 몸체(BA)의 외측면(110AO)의 적어도 일부와 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 대면하며, 제4 개스킷(150)을 통해 인클로저(300A)와 함께 셀 스택(122)을 밀봉할 수 있다. 이를 위해, 제4 개스킷(150)은 몸체(BA)와 인클로저(300A) 사이에 배치될 뿐만 아니라, 격벽(SWA)과 인클로저(300A) 사이에도 배치된다.

또는, 인클로저(300A)가 제2 개구(OP2)만을 포함하는 5면 인클로저일 경우, 제2 개구(OP2) 쪽에 배치된 제2 엔드 플레이트(110B)가 대상 엔드 플레이트에 해당한다. 이 경우, 격벽(SWB)은 몸체(BB)의 외측면(110BO)의 적어도 일부와 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 대면하며, 제4 개스킷(150)을 통해 인클로저(300A)와 함께 셀 스택(122)을 밀봉할 수 있다. 이를 위해, 제4 개스킷(150)은 몸체(BB)와 인클로저(300A) 사이에 배치될 뿐만 아니라, 격벽(SWB)과 인클로저(300A) 사이에도 배치된다.

이하, 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.

도 7은 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)의 외관 사시도를 나타내고, 도 8은 다른 실시 예에 의한 인클로저(300B)의 사시도를 나타내고, 도 9 (a) 및 (b)는 도 7에 도시된 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다.

일 실시 예에 의하면, 몸체(BA, BB)와 격벽(SWA, SWB)은 일체일 수 있다. 예를 들어, 도 2, 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, 몸체(BA, BB)(예를 들어, 껍질부(116))와 격벽(SWA, SWB)과 연결부(CA, CB)는 일체일 수 있다. 이 경우, 몸체(BA, BB)와 격벽(SWA, SWB)과 연결부(CA, CB)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 구성 요소로서 포함될 수 있다.

도 10 (a) 및 (b)는 연결부(CA), 몸체(BA) 및 격벽(SWA) 간의 결합 관계를 설명하기 위한 단면도이다. 비록 도시되지는 않았지만, 도 10 (a) 및 (b)에 도시된 연결부(CA), 몸체(BA) 및 격벽(SWA) 간의 결합 관계에 대한 하기의 설명은 연결부(CB), 몸체(BB) 및 격벽(SWB) 간의 결합 관계에도 적용될 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 도 5에 도시된 바와 달리 몸체(BA, BB)와 격벽(SWA, SWB)은 별개일 수 있다.

일 례로서, 연결부(CA, CB)는 몸체(BA, BB)와 일체인 반면, 격벽(SWA, SWB)과 별개일 수 있다. 예를 들어, 도 10 (a)에 도시된 바와 같이, 연결부(CA)는 몸체(BA)와 일체인 반면, 격벽(SWA)과 별개일 수 있다. 이때, 몸체(BA)로부터 돌출된 연결부(CA)가 격벽(SWA)에 결합할 수 있다.

다른 례로서, 연결부(CA, CB)는 격벽(SWA, SWA)과 일체인 반면, 몸체(BA, BB)와 별개일 수 있다. 예를 들어, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이, 연결부(CA)는 격벽(SWA)과 일체인 반면, 몸체(BA)와 별개일 수 있다. 이때, 격벽(SWA)으로부터 돌출된 연결부(CA)가 몸체(BA)에 결합할 수 있다.

또 다른 실시 예에 의하면, 연결부(CA, CB)는 생략될 수도 있다. 이 경우, 격벽(SWA, SWB)은 몸체(BA, BB)와 직접 결합할 수도 있다.

몸체(BA, BB)의 외측면(110AO, 110BO)은 ‘비매니폴드 영역’과 ‘매니폴드 영역’을 포함할 수 있다. ‘비매니폴드 영역’이란 몸체(BA, BB)에서 매니폴드가 배치되지 않은 영역을 의미할 수 있고, ‘매니폴드 영역’이란 몸체(BA, BB)에서 매니폴드가 배치된 영역으로서 정의될 수 있다.

전술한 격벽(SWA, SWB)은 몸체(BA, BB)의 비매니폴드 영역과 결합하고, 몸체(BA, BB)의 매니폴드 영역과는 결합하지 않는다. 이는 매니폴드를 통한 유체의 흐름을 격벽(SWA, SWB)이 방해하지 않기 위함이다.

예를 들어, 전술한 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)에서 중앙 영역(CR)이 비매니폴드 영역에 해당하고, 중앙 영역(CR)의 외측에 위치하는 주변 영역(PR1, PR2)이 매니폴드 영역에 해당할 수 있다. 따라서, 격벽(SWA, SWB)은 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)과 결합하고, 주변 영역(PR1, PR2)과는 결합하지 않는다. 그러나, 매니폴드는 분리판과 엔드 플레이트에서 다양하게 위치할 수 있다. 이를 고려하면, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)에서 격벽(SWA, SWB)은 매니폴드가 배치되지 않은 비매니폴드 영역이라면 몸체(BA, BB)의 어느 곳과도 결합할 수 있다. 즉, 도 1, 도 6, 도 7, 도 9에 도시된 바와 달리, 몸체(BA, BB) 중앙 영역(CR)이 매니폴드 영역이고, 주변 영역(PR1, PR2)이 비매니폴드 영역일 경우, 격벽(SWA, SWB)은 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)과 결합할 수 있다.

따라서, 설명의 편의상, 이하에서 중앙 영역(CR)이 비매니폴드 영역에 해당하고, 주변 영역(PR1, PR2)이 매니폴드 영역에 해당하는 것으로 설명하지만, 중앙 영역(CR)이 매니폴드 영역에 해당하고, 주변 영역(PR1, PR2)이 비매니폴드 영역에 해당하는 경우에도 하기의 설명은 적용될 수 있다.

또한, 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)의 경우 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)의 도 5에 도시된 제1 탑면(BTC1)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 도 6에 도시된 제2 탑면(BTP1)은 높이 차(Δh)를 가질 수 있다. 즉, 지면을 기준으로 제1 탑면(BTC1)은 제2 탑면(BTP1)보다 높이 차(Δh)만큼 낮을 수 있다. 이와 마찬가지로, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)의 제1 바닥면(BTC2)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 도 6에 도시된 제2 바닥면(BTP2)은 높이 차(Δh)를 가질 수 있다. 즉, 지면을 기준으로 제1 바닥면(BTC2)은 제2 바닥면(BTP2)보다 높이 차(Δh)만큼 높을 수 있다.

다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)의 경우 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)의 제1 탑면(BTC1)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 제2 탑면(BTP1)은 높이 차(Δh)를 갖지 않을 수 있다. 즉, 제1 탑면(BTC1)과 제2 탑면(BTP1)의 높이는 동일할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)의 제1 바닥면(BTC2)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 제2 바닥면(BTP2)은 높이 차(Δh)를 갖지 않을 수 있다. 즉, 제1 바닥면(BTC2)과 제2 바닥면(BTP2)의 높이는 동일할 수 있다.

또한, 일 실시 예에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이 연료 전지(300A)에 포함된 인클로저(300A)의 상부의 내면(이하, ‘상부면’이라 한다)(300U)과 하부의 내면(이하, ‘하부면’이라 한다)(300L) 각각은 제1 방향과 교차하는 제3 방향(예를 들어, y축 방향)으로 단차를 갖지 않을 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 도 8에 도시된 바와 같이 연료 전지(100B)에 포함된 인클로저(300B)의 상부면(300U) 및 하부면(300L) 각각은 단차를 가질 수도 있다.

즉, 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)과 결합하는 격벽(SWA, SWB)과 접하는 인클로저(300B)의 제1 상부면(300U1)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)과 접하는 인클로저(300B)의 제2 상부면(300U2)은 단차(즉, 높이 차(Δh))를 가질 수 있다.

또한, 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)과 결합하는 격벽(SWA, SWB)과 접하는 인클로저(300B)의 제1 하부면(300L1)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)과 접하는 인클로저(300B)의 제2 하부면(300L2)은 단차(즉, 높이 차(Δh))를 가질 수 있다.전술한 차이점을 제외하면, 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)는 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)와 동일하므로, 중복되는 설명을 생략하며, 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)에 대한 설명이 생략된 경우, 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)에 대한 설명이 적용될 수 있다.

또한, 격벽(SWA, SWB)은 다양한 형태로 제조될 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 인서트 오버 몰딩과 금형을 이용하여, 몸체(BA, BB)(예를 들어, 껍질부(116))와 격벽(SWA, SWB)을 한 번에 사출함으로써, 몸체(BA, BB)와 격벽(SWA, SWB)을 일체로 제조할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 몸체(BA, BB)에 격벽(SWA, SWB)을 진동이나 레이저 등의 방법으로 융착시켜 격벽(SWA, SWB)을 몸체(BA, BB)에 물리적으로 결합시킬 수 있다. 이 경우, 기존의 격벽(SWA, SWB)을 갖지 않은 몸체(BA, BB)를 재활용하여 격벽(SWA, SWB)을 포함하는 연료 전지를 제조할 수 있도록 한다.

제1 례로서, 일 실시 예에 의한 연료 전지(100A)에서 몸체(BA, BB)(예를 들어, 껍질부(116))와 격벽(SWA, SWA)이 일체가 아니라 별개인 경우, 격벽(SWA, SWB)을 포함하는 연료 전지의 제조 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.

몸체(BA, BB)에 격벽(SWA, SWB)이 결합되기 이전의 모습으로서, 전술한 바와 같이 지면을 기준으로 제1 탑면(BTC1)은 제2 탑면(BTP1)보다 높이 차(Δh)만큼 낮고, 제1 바닥면(BTC2)은 제2 바닥면(BTP2)보다 높이 차(Δh)만큼 높을 수 있다. 이후, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110)의 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)에 격벽(SWA, SWB)을 결합시킬 경우, 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)에 결합된 격벽(SWA, SWB)의 상면(HS)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 제2 탑면(BTP1)은 동일한 수평면 상에 놓이고, 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)에 결합된 격벽(SWA, SWB)의 하면(LS)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 제2 바닥면(BTP2)은 동일한 수평면 상에 놓이게 된다. 즉, 상면(HS)의 높이와 제2 탑면(BTP1)의 높이는 동일해지고, 하면(LS)의 높이와 제2 바닥면(BTP2)의 높이는 동일해진다. 따라서, 도 6 (b)에 도시된 상면(HS)과 제2 탑면(BTP1)이 도 3에 도시된 인클로저(300A)의 굴곡없는 즉, 단차가 없는 상부면(300U)에 기밀하게 접하고, 도 6 (b)에 도시된 하면(LS)과 제2 바닥면(BTP2)이 도 3에 도시된 인클로저(300A)의 굴곡없는 즉, 단차가 없는 하부면(300L)에 기밀하게 접할 수 있다.

제2 례로서, 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100B)에서 몸체(BA, BB)와 격벽(SWA, SWA)이 별개인 경우, 격벽(SWA, SWB)을 포함하는 연료 전지의 제조 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다.

몸체(BA, BB)에 격벽(SWA, SWB)이 결합되기 이전의 모습으로서, 전술한 바와 같이 제1 탑면(BTC1)과 제2 탑면(BTP1)의 높이는 동일하고, 제1 바닥면(BTC2)과 제2 바닥면(BTP2)의 높이는 동일할 수 있다. 이후, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110)의 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)에 격벽(SWA, SWB)을 각각 결합시킬 경우, 몸체(BA, BB)의 중앙 영역(CR)에 결합된 격벽(SWA, SWB)의 상면(HS)과 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)의 제2 탑면(BTP1)은 높이 차(Δh)를 갖는다. 즉, 지면을 기준으로, 상면(HS)은 제2 탑면(BTP1)보다 높이 차(Δh)만큼 높고, 하면(LS)은 제2 바닥면(BTC2)보다 높이 차(Δh)만큼 낮을 수 있다. 그러나, 상면(HS)과 제2 탑면(BTP1) 간의 높이 차(Δh)에 상응하여 인클로저(300B)의 제1 및 제2 상부면(300U1, 300U2)가 높이 차(Δh)를 가지므로, 상면(HS)과 제2 탑면(BTP1)은 인클로저(300B)의 굴곡진 즉, 단차진 상부면(300U)에 기밀하게 접할 수 있다. 또한, 하면(LS)과 제2 바닥면(BTP2) 간의 높이 차(Δh)에 상응하여 인클로저(300B)의 제1 및 제2 하부면(300L1, 300L2)이 높이 차(Δh)를 가지므로, 하면(LS)과 제2 바닥면(BTP2)은 인클로저(300B)의 굴곡진 즉, 단차진 하부면(300L)에 기밀하게 접할 수 있다.

한편, 실시 예에 의한 연료 전지(100A)는 체결 나사(160)를 더 포함할 수 있다. 체결 나사(160)는 격벽(SWA, SWB)과 체결 부재(130)를 관통하여 몸체(BA, BB)의 내부까지 삽입되어 고정될 수 있다. 이를 위해, 몸체(BA, BB)는 블라인드 홀(BH)을 포함할 수 있다. 체결 나사(160)는 블라인드 홀(BH)과 나사 결합할 수 있다. 블라인드 홀(BH)은 껍질부(116)를 관통하여 안쪽부(114)까지 연장되어 형성될 수 있다. 격벽(SWA, SWB) 각각은 체결 나사(160)가 관통하는 제1 관통홀(TH1)을 포함할 수 있다.

만일, 인클로저(300A)와 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)를 전기적으로 절연시키기 위해, 몸체(BA, BB)를 플라스틱 소재로 구현하든지, 그렇지 않으면 체결 나사(160)와 나사 결합하는 블라인드 홀(BH)이 몸체(BA, BB)의 안쪽부(114)까지 연장되지 않고 껍질부(116)까지만 형성될 경우, 체결 나사(160)가 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 고정되는 결합 정도가 약해질 수 있다.

그러나, 실시 예에 의하면, 체결 나사(160)와 나사 결합하는 블라인드 홀(BH)이 금속 재질의 안쪽부(114)까지 연장되어 형성됨으로서, 체결 나사(160)가 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 고정되는 정도가 개선될 수 있다.

또한, 연료 전지(100A)는 마개(170)를 더 포함할 수 있다. 도 6 (b)를 참조하면, 마개(170)는 체결 나사(160)를 덮으며 배치될 수 있다. 따라서, 마개(170)에 의해 체결 나사(160)는 덮여 보이지 않지만, 이해를 돕기 위해 도 6 (b) 및 도 9 (b) 각각에서 제1 관통홀(TH1)을 실선으로 표기하고, 체결 나사(160)의 도시는 도 6 (b) 및 도 9 (b) 각각에서 생략한다. 이와 같이, 마개(170)가 체결 나사(160)를 덮도록 배치될 경우, 체결 나사(160)와 격벽(SWA, SWB) 사이의 틈을 통해 연료 전지(100A, 100B)의 외부로부터의 이물질이 내부로 침투됨을 방지하여 밀봉을 더욱 개선시킬 수 있다.

실시 예에 의하면, 마개(170)는 지지부(172) 및 덮개부(174)를 포함할 수 있다. 덮개부(174)는 체결 나사(160)를 덮는 역할을 한다. 지지부(172)는 덮개부(174)로부터 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 연장되어 제1 관통홀(TH1)에 삽입될 수 있다.

실시 예에 의하면, 마개(170)는 고무 또는 투습 소재로 이루어질 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 마개(170)의 재질은 EPDM, VQM, 불소계 고무 등일 수 있다.

또는, 마개(170)의 재질은 고어 텍스(gore tex)와 같은 투습 소재일 수도 있다. 이 경우, 연료 전지(100A, 100B) 내부의 수분을 외부로 배출하면서도 외부의 수분이 내부로 유입됨을 차단함으로써 통풍(ventilation) 효과를 극대화시킬 수 있다.

또한, 도 6 (b) 및 도 9 (b)에 도시된 바와 같이 마개(170)의 정면 형상은 타원형일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 마개(170)의 정면 형상은 원형일 수도 있고 다각형 형태일 수도 있다.

후술되는 바와 같이 인클로저(300A, 300B)는 격벽(SWA, SWB)의 상면(HS) 및 하면(LS)과 결합되어야 하므로, 도 3 및 도 8에 도시된 바와 같이, 인클로저(300A, 300B)의 평면 형상은 중앙 영역(CA)이 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 돌출된 형상일 수 있다.

한편, 실시 예에 의하면, 연료 전지(100A)는 개스킷 홈(groove)을 더 포함할 수 있다. 개스킷 홈은 인클로저(300A) 또는 격벽(SWA, SWB) 중 적어도 한 곳에 배치되어, 제4 개스킷(150)을 수용하는 역할을 한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각에 배치된 개스킷 홈(이하, ‘제1 홈’이라 한다)(GH1)은 제1-1 홈(GH11) 또는 제1-2 홈(GH121, GH122) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1-1 홈(GH11)은 격벽(SWA, SWB)에서, 인클로저(300A)와 제1 방향(예를 들어, x축 방향) 및 제3 방향(예를 들어, y축 방향) 각각과 교차하는 제2 방향(예를 들어, z축 방향)으로 대면하는 부분에 배치될 수 있다. 제1-2 홈(GH121, GH122)은 제1-1 홈(GH11)으로부터 연장되며, 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)에서 인클로저(300A)와 제2 방향(예를 들어, z축 방향)으로 대면하는 부분에 배치될 수 있다. 예를 들어, 격벽(SWA, SWB) 각각은 단부(EP)를 포함할 수 있다. 제1 홈(GH1)은 격벽(SWA, SWB) 각각의 단부(EP)에 배치되어, 제4 개스킷(150)이 수용되는 공간을 제공함으로써, 인클로저(300A)와 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 의해 셀 스택(122)이 밀봉될 수 있도록 한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 인클로저(300A)에 배치된 개스킷 홈(이하, ‘제2 홈’이라 한다)(GH2)은 제2-1 홈(GH21) 또는 제2-2 홈(GH221, GH222) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2-1 홈(GH21)은 인클로저(300A)에서, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각의 격벽(SWA, SWB)과 제1 방향(예를 들어, x축 방향) 및 제3 방향(예를 들어, y축 방향) 각각과 교차하는 제2 방향(예를 들어, z축 방향)으로 대면하는 부분에 배치될 수 있다. 제2-2 홈(GH221, GH222)은 제2-1 홈(GH21)으로부터 연장되며, 몸체(BA, BB)의 주변 영역(PR1, PR2)과 제2 방향(예를 들어, z축 방향)으로 대면하는 부분에 배치될 수 있다.

전술한 바와 같이 실시 예에 의하면, 연료 전지(100A)는 제1 홈(GH1)만을 포함하거나, 제2 홈(GH2)만을 포함하거나, 제1 홈(GH1)과 제2 홈(GH2)을 모두 포함할 수 있다.

이해를 돕기 위해, 도 6 (a)에서 제1 홈(GH1) 또는 제2 홈(GH2)이 형성되는 부분을 점선으로 표기한다.

만일, 연료 전지(100A)가 제1 홈(GH1)과 제2 홈(GH2)을 모두 포함할 경우, 제1 홈(GH1)의 깊이(d1)는 제2 홈(GH2)의 깊이(d2)보다 클 수도 있고 작을 수도 있다.

또한, 연료 전지(100A)가 제1 홈(GH1)만을 포함하고 제2 홈(GH2)을 포함하지 않을 경우, 제4 개스킷(150)은 인클로저(300A)의 상부면(300U을) 향해 돌출된 형태로 부착되어 제1 홈(GH1)에 수용될 수 있다. 또는, 연료 전지(100A)가 제2 홈(GH2)만을 포함하고 제1 홈(GH1)을 포함하지 않을 경우, 제4 개스킷(150)은 격벽(SWA, SWB)의 상면(HS)을 향해 돌출된 형태로 부착되어제2 홈(GH2)에 수용될 수 있다.

인클로저(300A)의 상부면(300U)과 격벽(SWA, SWB)의 상면(HS) 중 적어도 한 곳에 형성된 제1 및 제2 홈(GH1, GH2)에 제4 개스킷(150)이 배치되는 것과 마찬가지로, 인클로저(300A)의 하부면(300L)과 격벽(SWA, SWB)의 하면(LS) 중 적어도 한 곳에 홀이 형성되어 제5 개스킷(미도시)이 배치될 수 있다.

결국, 실시 예에 의한 연료 전지(100A)에서, 제1 또는 제2 홈(GH1 또는 GH2) 중 적어도 하나에 제4 개스킷(150)이 배치되어, 인클로저(300A)와 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이의 틈새가 메워짐으로써, 연속적인 밀봉 라인(예를 들어, 수밀 라인)이 형성될 수 있다.

한편, 연료 전지(100A, 100B)는 체결 부재(130)를 더 포함할 수 있다. 체결 부재(130)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 함께 복수의 단위 셀을 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 체결하는 역할을 한다.

또한, 도 4 및 도 5를 참조하면, 체결 부재(130)와 인클로저(300A)는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이는, 체결 부재(130)와 인클로저(300A)가 서로 전기적으로 절연되도록 하기 위함이다. 예를 들어, 체결 부재(130)의 상부면과 인클로저(300A)의 상부면(300H)은 소정 거리(SD)만큼 서로 이격될 수 있다.

예를 들어, 도 6 (a) 및 도 9 (a)에서 점선으로 표기한 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)가 긴 볼트 형태인 경우에서보다 도 6 (a) 및 도 9 (a)에 도시된 바와 같이 바 형태로 구현될 경우 제1 방향(예를 들어, x축 방향) 및 제3 방향(예를 들어, y축 방향)과 각각 교차하는 제2 방향(예를 들어, z축 방향)으로의 연료 전지(100A, 100B)의 높이가 줄어들 수 있다.

체결 부재(130)를 연료 전지(100A, 100B)에 체결하는 일 례는 다음과 같다.

복수의 단위 셀이 반복하여 적층된 셀 스택(122)의 양측단 각각에 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)를 배치시켜 체결 장비에 실은 후 적정한 하중이 가해진 상태에서 체결 부재(130)를 이용하여 셀 스택(122)을 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 체결할 수 있다.

체결 부재(130)는 제1 및 제2 부분(P1, P2)을 포함할 수 있다. 제1 부분(P1)은 셀 스택(122)의 상부와 대상 엔드 플레이트 예를 들어, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각의 몸체(BA, BB)의 상부에 배치될 수 있다. 제2 부분(P2)은 제1 부분(P1)으로부터 절곡되어 몸체(BA, BB)의 외측면(110AO, 110BO)까지 연장될 수 있다. 이때, 체결 부재(130)의 제2 부분(P2)은 몸체(BA, BB)의 외측면(110A0, 110B0)과 격벽(SWA, SWB) 사이의 공간에 수용될 수 있다.

또한, 실시 예에 의하면, 제2 부분(P2)은 제2 관통홀(TH2)을 포함할 수 있다. 제2 관통홀(TH2)은 체결 나사(160)가 관통하며 제1 관통홀(TH1)의 일부와 대향하여 배치될 수 있다. 이와 같이, 체결 나사(160)가 서로 대향하는 제1 및 제2 관통홀(TH1, TH2)를 모두 통과할 경우, 체결 나사(160)의 고정력이 더욱 개선될 수 있다.

이하, 비교례 및 실시 예에 의한 연료 전지를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 11은 제1 비교 례에 의한 연료 전지의 단면도로서, 제2 방향(예를 들어, z축 방향)으로 적층된 제1 및 제2 스택 모듈, 인클로저(302), 매니폴드 블럭(510) 및 사이드 커버(520)를 포함한다.

도 11에 도시된 제1 스택 모듈은 셀 스택(CS1), 제1 및 제2 엔드 플레이트(EP11, EP12) 및 체결 부재(132, 134)를 포함하고, 제2 스택 모듈은 셀 스택(CS2), 제1 및 제2 엔드 플레이트(EP21, EP22) 및 체결 부재(136, 138)를 포함한다. 셀 스택(CS1, CS2), 체결 부재(132, 134, 136, 138), 제1 엔드 플레이트(EP11, EP21), 제2 엔드 플레이트(EP12, EP22) 및 인클로저(302)는 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)의 셀 스택(122), 체결 부재(130), 제1 엔드 플레이트(110A), 제2 엔드 플레이트(110B) 및 인클로저(300A, 300B)와 각각 동일한 역할을 수행한다.

도 11에 도시된 매니폴드 블럭(510)을 통해 수소와 공기가 셀 스택(CS1, CS2)으로 공급되고, 사이드 커버(520)를 통해 냉각수가 셀 스택(CS1, CS2)으로 공급될 수 있다. 또한, 도 11에 도시된 제1 비교례에 의한 연료 전지의 경우, 직렬(또는, 병렬) 연결을 위한 고전압 와이어링이 추가될 수 있다

도 11의 경우, 매니폴드 블록(510)과 인클로저(302) 사이 및 사이드 커버(520)와 인클로저(302) 사이에 수밀 라인(600)이 형성된다. 이러한 수밀 라인(600)을 구성하기 위해 매니폴드 블럭(510)의 제1 두께(L1)와 사이드 커버(520)의 제2 두께(L2)의 합 대략 100mm 이상만큼의 불필요한 공간이 요구될 수 있다.

게다가, 도 11에 도시된 연료 전지의 경우 각 셀 스택(CS1, CS2)에서 ‘ㄷ’자 형태의 체결 부재(132 내지 136)를 배치시켜, 사공간(dead space)을 없앨 수 있으나, 전면에 체결볼트를 구성하는데 있어서 수밀 구조를 부여하기 어려울 수 있다.

도 12는 제2 비교 례에 의한 연료 전지의 단면도로서, 하나의 스택 모듈, 인클로저(302) 및 사이드 커버(530, 540)을 포함한다.

도 12에 도시된 스택 모듈은 셀 스택(CS), 제1 및 제2 엔드 플레이트(EP1, EP2) 및 체결 부재(133, 135)를 포함한다. 셀 스택(CS), 체결 부재(133, 135), 제1 엔드 플레이트(EP1), 제2 엔드 플레이트(EP2) 및 인클로저(302)는 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)의 셀 스택(122), 체결 부재(130), 제1 엔드 플레이트(110A), 제2 엔드 플레이트(110B) 및 인클로저(300A, 300B)와 각각 동일한 역할을 수행한다.

연료 전지를 차량에 탑재하기 위해 필요한 공간이 추가되는 것을 방지하기 위해, 연료 전지를 도 11 대신에 도 12에 도시된 바와 같이 구현할 경우 요구되는 부품 수를 줄일 수 있다. 그러나, 도 12에 도시된 제2 비교례에 의한 연료 전지의 경우, 연료 전지의 밀봉을 위해 별도의 사이드 커버(530, 540)가 요구된다. 이와 같이, 별도의 사이드 커버(530, 540)가 배치될 경우, 사이드 커버(530)와 체결 부재(133, 135) 사이의 거리(L3) 및 사이드 커버(540)와 체결 부재(133, 135) 사이의 거리(L4)의 합 예를 들어 100mm 이상의 불필요한 공간이 요구된다.

전술한 제1 및 제2 비교례와 달리, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)의 경우, 셀 스택(122)의 밀봉을 위해, 격벽(SWA, SWB) 및 연결부(CA, CB)를 마련하고, 마개(170)를 마련한다. 이 경우, 격벽(SWA, SWB) 및 연결부(CA, CB)에 의해 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 제1 길이(D1)만큼 연료 전지(100A, 100B)의 길이가 증가하고, 마개(170)의 덮개부(174)의 두께(D2)만큼 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 연료 전지(100A, 100B)의 길이가 증가할 수 있다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각에 대해 D1 및 D2만큼 연료 전지(100A, 100B)의 길이가 증가하는데, D1이 10mm 내외이고, D2가 6mm 내지 8mm일 경우, 전체 증분량은 32 mm 내지 36mm로서, 제1 및 제2 비교례에서 보다 제1 방향으로 실시 예에 의한 연료 전지의 길이가 더 작음을 알 수 있다. 즉, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)의 경우, 각 엔드 플레이트(110A, 110B)의 몸체(BA, BB)와 일체로 구현되어 몸체(BA, BB)로부터 연장된 또는 몸체(BA, BB)와 별개로 구현되어 몸체(BA, BB)에 결합된 격벽(SWA, SWB)이 인클로저(300A, 300B)와 결합됨으로써, 도 12에서와 같이 별도의 사이드 커버(530, 540)가 요구되지 않으므로, 제1 방향으로 연료 전지의 길이를 줄일 수 있다.

또한, 개스킷 홈(GH1, GH2)을 체결 부재(130)에 형성할 경우, 밀봉을 파괴하는 누설 지점(leak point)이 발생할 수 있다. 반면에, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)는 개스킷 홈(GH1, GH2)을 격벽(SWA, SWB) 및 몸체(BA, BB) 또는 인클로저(300A, 300B) 중 적어도 한 곳에 형성하여, 제4 개스킷(150)에 의해 누설 지점없이 인클로저(300A, 300B)와 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이의 공간을 예를 들어 도 6 (a) 및 도 9 (a)에 도시된 바와 같이 밀봉할 수 있어, 우수한 밀봉 성능을 가질 수 있다.

또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100A, 100B)는 마개(170)를 이용하여 밀봉 효과를 더욱 극대화시킬 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.

100A, 100B: 연료 전지 110A, 110B: 엔드 플레이트
112A, 112B: 엔드 셀 히터 122: 셀 스택
130: 체결 부재 210: 막전극 접합체
212: 고분자 전해질막 214: 연료극
216: 공기극 222, 224: 가스 확산층
232, 234, 236: 개스킷 242, 244: 분리판
300A, 300B: 인클로저

Claims

복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
상기 셀 스택의 측부를 감싸며, 상기 셀 스택의 양단부 중 적어도 하나를 개방하는 적어도 하나의 개구를 포함하는 인클로저;
상기 셀 스택의 상기 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트; 및
상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중에서 상기 인클로저의 상기 적어도 하나의 개구 쪽에 배치된 대상 엔드 플레이트와 상기 인클로저의 사이에 배치되어, 상기 셀 스택을 밀봉하는 개스킷을 포함하는 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 대상 엔드 플레이트는
상기 셀 스택과 대향하는 내측면 및 상기 내측면의 반대측 외측면을 포함하는 몸체를 포함하고,
상기 개스킷은 상기 몸체와 상기 인클로저 사이에 배치되는 연료 전지.
제2 항에 있어서,
상기 몸체의 상기 외측면의 적어도 일부와 상기 제1 방향으로 대면하며, 상기 개스킷을 통해 상기 인클로저와 함께 상기 셀 스택을 밀봉하는 격벽을 더 포함하고,
상기 개스킷은 상기 격벽과 상기 인클로저 사이에 배치되는 연료 전지.
제3 항에 있어서, 상기 몸체와 상기 격벽을 연결하는 연결부를 더 포함하는 연료 전지.
제4 항에 있어서, 상기 몸체와 상기 격벽은 일체인 연료 전지.
제5 항에 있어서, 상기 몸체와 상기 격벽과 상기 연결부는 일체인 연료 전지.
제4 항에 있어서, 상기 몸체와 상기 격벽은 별개인 연료 전지.
제7 항에 있어서, 상기 연결부는 상기 몸체와 일체이고 상기 격벽과 별개인 연료 전지.
제7 항에 있어서, 상기 연결부는 상기 격벽과 일체이고 상기 몸체와 별개인 연료 전지.
제4 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 함께 상기 셀 스택을 체결하는 체결 부재를 더 포함하는 연료 전지.
제10 항에 있어서, 상기 격벽과 상기 체결 부재를 관통하여 상기 몸체의 내부까지 삽입된 체결 나사를 더 포함하는 연료 전지.
제11 항에 있어서, 상기 체결 나사를 덮으며 배치된 마개를 더 포함하는 연료 전지.
제11 항에 있어서, 상기 대상 엔드 플레이트의 상기 몸체는
제1 강성을 갖는 안쪽부; 및
상기 제1 강성보다 더 작은 제2 강성을 가지며, 상기 안쪽부를 감싸는 껍질부를 포함하고,
상기 몸체는 상기 체결 나사와 나사 결합하는 블라인드 홀을 포함하고,
상기 블라인드 홀은 상기 껍질부를 관통하여 상기 안쪽부까지 연장된 연료 전지.
제13 항에 있어서, 상기 안쪽부는 금속 물질을 포함하고, 상기 껍질부는 절연성 수지를 포함하는 연료 전지.
제4 항에 있어서, 상기 몸체의 상기 외측면은
매니폴드가 배치되지 않으며, 상기 격벽이 결합하는 비매니폴드 영역; 및
매니폴드가 배치된 매니폴드 영역을 포함하는 연료 전지.
제15 항에 있어서, 상기 인클로저 또는 상기 격벽 중 적어도 한 곳에 배치되어, 상기 개스킷을 수용하는 개스킷 홈을 더 포함하는 연료 전지.
제16 항에 있어서, 상기 개스킷 홈은 상기 대상 엔드 플레이트에 배치된 제1 홈을 포함하고,
상기 제1 홈은
상기 격벽에서, 상기 인클로저와 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제1-1 홈; 또는
상기 제1-1 홈으로부터 연장되며, 상기 몸체의 상기 매니폴드 영역에서 상기 인클로저와 상기 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제1-2 홈 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
제16 항에 있어서, 상기 개스킷 홈은 상기 인클로저에 배치된 제2 홈을 포함하고,
상기 제2 홈은
상기 인클로저에서, 상기 격벽과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제2-1 홈; 또는
상기 제2-1 홈으로부터 연장되며, 상기 몸체의 상기 매니폴드 영역과 상기 제2 방향으로 대면하는 부분에 배치된 제2-2 홈 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.
제12 항에 있어서, 상기 격벽은
상기 인클로저와 결합하는 단부; 및
상기 체결 나사가 관통하는 제1 관통홀을 포함하는 연료 전지.
제19 항에 있어서, 상기 마개는
상기 체결 나사를 덮는 덮개부; 및
상기 덮개부로부터 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 관통홀에 삽입된 지지부를 포함하는 연료 전지.
제19 항에 있어서, 상기 체결 부재는
상기 셀 스택의 상부와 상기 대상 엔드 플레이트의 상부에 배치된 제1 부분; 및
상기 제1 부분으로부터 절곡되어 상기 몸체의 상기 외측면까지 연장된 제2 부분을 포함하고,
상기 제2 부분은 상기 체결 나사가 관통하며 상기 제1 관통홀의 일부와 대향하는 제2 관통홀을 포함하는 연료 전지.
제21 항에 있어서, 상기 체결 부재의 상기 제2 부분은 상기 몸체와 상기 격벽 사이의 공간에 수용되는 연료 전지.
제12 항에 있어서, 상기 마개는 고무 또는 투습 소재로 이루어진 연료 전지.