KR20220033788A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층된 복수의 단위 셀을 포함하는 셀 스택과 상기 셀 스택의 적어도 일부분을 감싸며 배치된 인클로저; 및 상기 인클로저와 상기 셀 스택의 사이에 상기 셀 스택의 적층방향으로 연장되는 절연 부재를 포함하고, 상기 절연 부재의 양 단부 중 적어도 하나의 단부는 단차를 갖는 연료 전지로서, 절연 부재의 양 끝단에 단차를 형성함으로써, 셀 스택을 체결할 때 셀 체결 길이의 변화가 발생하더라도 셀 스택과 발열부재의 충돌로 인한 물리적인 파손을 방지할 수 있으며, 저온 시동 시 발열부재가 발열되어 엔드셀의 온도변화가 발생할 때, 장시간 구동 시에도 절연 부재가 변형되지 않고 안정적으로 셀을 지지하여 절연성능 및 셀 구동의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

연료 전지{Fuel cell}

실시 예는 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지는 고체 고분자 전해질막을 구비하며, 한쪽은 산화 반응극 (Cathode)을 구비하고, 다른 쪽에는 환원 반응극(Anode)으로 구성된다. 연료 전지는 산화 반응극(Cathode)에 공급되는 공기중의 산소와 환원 반응극(Anode)에 공급되는 수소와의 전기 화학 반응에 따라서 발생하는 전력을 외부 부하로 제공한다. 산화 반응극(Cathode)과 환원 반응극(Anode)과 고분자 전해질막이 적층되어 한 개의 단위 셀을 구성한다. 연료 전지의 셀 스택(Cell stack)은 단위 셀을 수직 방향으로 반복 적층하고 고정하여 구성된다. 연료 전지의 셀 스택(Cell stack)은 단위 셀이 반복적으로 수백 셀 적층되어서 구성되며, 직렬 연결 구조를 가지고 있다. 반복 적층되는 연료 전지의 단위 셀은 체결 장비에서 적정한 하중이 가해진 상태에서 체결 바를 이용하여 체결된다.

기존 체결 방법은 연료 전지 단위 셀이 복수로 적층된 셀 스택을 엔드 플레이트 사이에 위치시킨 후 체결하중을 인가하여 셀 스택을 압축한다. 압축된 상태에서 체결바를 끼우고, 볼트를 조임으로서, 엔드 플레이트 사이의 공간에 셀 스택이 압축된 상태로 체결력을 유지한다. 셀 스택의 체결압은 엔드 플레이트와 체결바의 연결을 통하여 유지된다. 이때 셀 스택과 엔드 플레이트의 절연 성능을 확보하기 위하여 절연판을 체결바와 셀 스택의 사이에 끼워 넣어준다.

이와 같이, 기존 연료 전지의 조립에는 많은 부품과 공정이 필요하다. 따라서, 연료 전지의 조립에 필요한 부품의 기능을 통합하여 일체화함으로써 부품의 종류의 중량을 줄이고, 조립에 들어가는 공수를 줄일 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명은 연료 전지의 조립에 필요한 부품의 종류와 중량을 저감할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 인클로저와 셀 스택 사이의 절연과 셀 스택의 구조적 안정성을 확보할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 셀 스택을 체결할 때 체결 길이의 변화가 발생 하더라도 셀 스택과 발열부재의 충돌로 인한 물리적인 파손을 방지할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉 시동시, 순간적인 발열로 인해 엔드 셀의 온도 변화가 발생할 때, 안정적으로 셀을 지지하여 절연 성능 및 셀 구동의 안정성을 확보할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 셀 스택의 양단에서의 공기 흐름성을 개선할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지는 적층된 복수의 단위 셀을 포함하는 셀 스택; 셀 스택의 적어도 일부분을 감싸며 배치된 인클로저; 및 인클로저와 상기 셀 스택의 사이에 상기 셀 스택의 적층방향으로 연장되는 절연 부재를 포함하고, 절연 부재의 양 단부 중 적어도 하나의 단부는 단차를 갖는 것을 구성의 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 절연 부재는 인클로저의 내면에 볼트 결합될 수 있다.

예를 들어, 절연 부재는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 절연 부재는 10mm 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 절연 부재는 인클로저의 내면과 셀 스택의 외면 사이에서, 서로 이격되어 배치된 복수의 절연 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지는 절연 부재와 셀 스택의 외면 사이에 배치된 가스켓을 더 포함할 수 있다.

상기 가스켓은 0.5mm 이상의 두께를 가질 수 있다.

상기 가스켓의 폭은 상기 절연 부재의 폭보다 넓을 수 있다.

예를 들어, 상기 가스켓의 폭은 상기 절연 부재의 폭보다 5mm 내지 10mm 넓을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지의 절연 부재에서 단차를 갖는 단부는, 상기 셀 스택의 외면과 대향하는 단차 하단부; 및 상기 단차 하단부보다 인클로저의 내면과 더 가깝게 위치하며, 상기 단차 하단부보다 상기 셀 스택의 적층방향으로 외측으로 더 돌출되고, 상기 단차 하단부와 함께 상기 단차를 형성하는 단차 상단부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 단차 하단부의 길이는 적층된 상기 셀 스택의 길이보다 짧거나 같을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지의 상기 복수의 절연 부재는 상기 셀 스택의 상기 외면과 상기 인클로저의 상기 내면 사이의 공간을 복수 개로 분할하고, 상기 복수의 절연 부재 각각은 분할된 복수 개의 공간을 서로 연통시키는 적어도 하나의 연통홀을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 절연 부재는 상기 셀 스택의 적층방향으로 서로 이격된 복수의 연통홀을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지는 상기 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 절연 부재의 상기 단차 상단부는 상기 엔드 플레이트와 대향하되 이격될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지는 상기 엔드 플레이트와 상기 셀 스택의 상기 양단부 중 어느 일단 사이에 각각 배치된 발열부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료 전지는 상기 발열부재와 상기 엔드 플레이트의 사이에 집전판을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지는 인클로저와 셀 스택 사이의 절연과 셀 스택의 구조적 안정성을 확보할 수 있고, 셀 스택을 체결할 때 체결 길이의 변화가 발생 하더라도 셀 스택과 발열부재의 충돌로 인한 물리적인 파손을 방지할 수 있으며, 냉 시동시, 순간적인 발열로 인해 엔드 셀의 온도 변화가 발생할 때, 안정적으로 셀을 지지하여 절연 성능 및 셀 구동의 안정성을 확보할 수 있고, 절연 부재의 단차로 인해 셀 스택의 양단에서의 공기 흐름성을 개선할 수 있다.

도 1은 실시 예에 의한 연료 전지의 개념도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 셀 스택을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.
도 3a는 도 1에 도시된 연료 전지(100)의 분해 사시도를 나타낸다.
도 3b는 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 절취한 단면도를 나타낸다.
도 3c는 도 1에 도시된 Ⅲ-Ⅲ'선을 절취한 단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연부재의 형상을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연부재와 인클로저의 배치 상태를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연부재와 셀 스택의 배치 상태를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연부재가 셀 스택의 탑 외면에 배치된 상태를 나타낸 예시도이다.
도 9는 도 8의"A"부분을 확대한 예시도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 절연부재와 셀 스택의 외면과의 배치 상태를 나타낸 실시 예들의 예시도이다.

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 개념도를 나타낸다.

도 1에 도시된 연료 전지(100)는 예를 들어, 차량 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있으나, 실시 예는 연료 전지의 특정한 형태에 국한되지 않는다.

연료 전지(100)는 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B), 셀 스택(cell stack)(또는, 스택 모듈)(122), 인클로저(encloser)(300) 및 절연 부재(400)를 포함할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 셀 스택(122)을 설명하기 위한 Ⅰ-Ⅰ'단면도를 나타낸다.

설명의 편의상, 도 1에 도시된 인클로저(300)의 도시는 도 2에서 생략된다. 또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 도 2에 도시된 바와 다른 구성을 갖는 셀 스택을 포함할 수 있으며, 셀 스택의 특정한 구조에 국한되지 않는다.

셀 스택(122)은 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)를 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 좌측에 배치되고, 제2 가스 확산층(224)은 공기극(216)의 우측에 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 반응 기체들 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 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 엔드 플레이트(110A, 110B)는 셀 스택(122)의 양 단부 각각에 배치되어, 복수의 단위 셀(122)을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 일단부에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 타단부에 배치될 수 있다.

엔드 플레이트(110A, 110B)는 금속 인서트가 플라스틱 사출물에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 엔드 플레이트(110A, 110B)의 금속 인서트는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 가질 수 있으며 금속 재질을 기계 가공하여 구현될 수 있다.

집전판(112)은 셀 스택(122)과 대면하는 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.

또한, 제1 엔드 플레이트(110A)는 복수의 매니폴드(manifold)(또는 연통부)를 포함할 수 있다. 여기서, 매니폴드는 인렛(inlet) 매니폴드와 아웃렛(outlet) 매니폴드를 포함할 수 있다. 막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 가스인 수소 및 산소가 외부로부터 인렛 매니폴드를 통해 셀 스택(122)으로 유입될 수 있다. 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 응축수가 더해진 기체 또는 액체가 아웃렛 매니폴드를 통해 연료 전지(100)의 외부로 유출될 수 있다. 또한, 냉각매체는 인렛 매니폴드를 통해 외부로부터 셀 스택(122)으로 유입되고 아웃렛 매니폴드를 통해 외부로 유출될 수 있다. 이와 같이, 복수의 매니폴드는 막전극 접합체(210)로 유체의 유입 및 유출을 허용한다.

한편, 다시 도 1을 참조하면, 인클로저(300)는 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 배치된 셀 스택(122)의 적어도 일부를 감싸며 배치될 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 인클로저(300)는 셀 스택(122)의 4 면(예를 들어, 후술되는 탑 외면, 바닥 외면, 제1 외측면 및 제2 외측면)을 모두 감싸도록 배치될 수도 있다.

다른 실시 예에 의하면, 인클로저(300)는 셀 스택(122)의 4 면 중 일부만을 감싸고 추가 부재(미도시)가 셀 스택(122)의 4면 중 타부를 감싸도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 인클로저(300)는 셀 스택(122)의 4 면 중 3면만을 감싸고 추가 부재가 셀 스택(122)의 4면 중 나머지 한 면을 감싸도록 배치될 수도 있다.

실시 예에 의하면, 인클로저(300)는 엔드 플레이트(110A, 110B)와 함께 복수의 단위 셀을 체결하는 체결 부재의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 셀 스택(122)의 체결압은 강체 구조의 엔드 플레이트(110A, 110B)와 인클로저(300)에 의해 유지될 수 있다.

도 3a는 도 1에 도시된 연료 전지(100)의 분해 사시도를 나타내고, 도 3b는 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ'선을 절취한 단면도를 나타내고, 도 3c는 도 1에 도시된 Ⅲ-Ⅲ'선을 절취한 단면도를 나타낸다.

실시 예에 의한 인클로저(300)를 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 다음과 같이 설명한다.

인클로저(300)는 흡입구(또는, 벤트 필터 또는 드레인 홀)와 배출구(또는, 벤트 포트)를 포함할 수 있다. 흡입구는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부로부터의 공기(IN1)가 흡입되는 곳이며, 배출구는 흡입구로 흡입된 후 셀 스택(122)의 외면과 인클로저(300)의 내면 사이의 공간을 순환한 공기를 배출하는 곳이다.

도 3b 및 도 3c를 참조하면, 인클로저(300)의 내면은 탑 내면, 바닥 내면, 제1 내측면 및 제2 내측면을 포함할 수 있다.

인클로저(300)의 탑 내면과 바닥 내면, 그리고 제1 내측면과 제2 내측면은 각각 서로 마주하는 면을 나타낸다. 또한, 인클로저(300)의 내면은 셀 스택의 적층 방향을 기준으로 서로 마주하는 전면과 후면을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 의하면, 인클로저(300)의 전면이란 제1 엔드 플레이트(110A)의 내측면에 해당할 수 있고, 인클로저(300)의 후면이란 제2 엔드 플레이트(110B)의 내측면에 해당할 수 있다.

또한, 흡입구는 인클로저(300)의 제1 내측면과 바닥 내면 사이의 제1 모서리 중에서 인클로저(300)의 전면에 위치할 수 있다. 배출구는 인클로저(300)의 제2 내측면과 탑 내면 사이의 제2 모서리 중에서 인클로저(300)의 후면에 위치할 수 있다. 또는, 흡입구는 인클로저(300)의 전면에 배치되고, 배출구는 인클로저(300)의 후면에 배치될 수도 있다.

그러나, 흡입구와 배출구가 인클로저(300)에서 가장 먼 거리로 이격될 수 있다면, 실시 예는 흡입구와 배출구가 배치되는 특정한 위치에 국한되지 않는다.

셀 스택(122)의 외면은 탑 외면, 바닥 외면, 제1 및 제2 외측면을 포함할 수 있다. 셀 스택(122)의 탑 외면은 인클로저(300)의 탑 내면과 마주하는 면이고, 셀 스택(122)의 바닥 외면은 인클로저(300)의 바닥 내면과 마주하는 면이다. 또한, 셀 스택(122)의 제1 외측면은 인클로저(300)의 제1 내측면과 마주하는 면이고, 셀 스택(122)의 제2 외측면은 인클로저(300)의 제2 내측면과 마주하는 면이다.

도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이 절연 부재(400)를 인클로저(300)의 탑 내면, 바닥 내면, 제1 내측면 및 제2 내측면에 각각 결합된다. 절연 부재(400)는 인클로저(300)의 탑 내면, 바닥 내면, 제1 내측면 및 제2 내측면에 각각 결합되어 셀 스택(122)의 외면과의 사이에서 셀 스택의 적층방향으로 연장되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 절연 부재(400)는 바(bar) 형태로 구현될 수 있으나, 실시 예는 절연 부재(400)의 특정한 형상에 국한되지 않는다.

절연 부재(400)는 셀 스택(122)의 외면과 인클로저(300)의 내면 사이의 공간에 배치되어, 공간을 복수 개로 분할할 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 절연 부재(400)는 셀 스택(122)의 외면과 인클로저(300)의 내면 사이의 공간을 4개의 공간으로 분할할 수 있다. 이를 위해, 절연 부재(400)는 제1 내지 제4 절연 부재(412, 414, 416, 418)를 포함할 수 있다.

제1 절연 부재(412)는 셀 스택(122)의 바닥 외면과 인클로저(300)의 바닥 내면 사이에 배치된다. 제2 절연 부재(414)는 셀 스택(122)의 제2 외측면과 인클로저(300)의 제2 내측면 사이에 배치된다. 제3 절연 부재(416)는 셀 스택(122)의 제1 외측면과 인클로저(300)의 제1 내측면 사이에 배치된다. 제4 절연 부재(418)는 셀 스택(122)의 탑 외면과 인클로저(300)의 탑 내면 사이에 배치된다.

절연 부재(400)는 도 4에 도시한 바와 같이 바(Bar) 형태로 이루어질 수 있다. 이때, 절연 부재(400)의 적어도 하나의 단부는 단차를 갖는다. 즉, 상기 절연 부재(400)에서 상기 단차를 갖는 단부는 상기 셀 스택(122)의 외면과 대향하는 단차 하단부(400B)와 상기 단차 하단부(400B)보다 상기 인클로저(300)의 내면과 더 가깝게 위치하며, 상기 단차 하단부(400B)보다 셀 스택의 적층 방향으로 외측으로 더 돌출되고, 상기 단차 하단부와 함께 상기 단차를 형성하는 단차 상단부(400A)를 포함한다. 절연 부재의 양 단부에 단차를 갖는 것이 바람직하다.

절연 부재(400)는 금속 소재인 인클로저(300)와 셀 스택(122) 간의 절연과 셀 스택(122)의 구조 유지를 위해 인클로저(300)의 내측면과 셀 스택(122)의 외측면의 사이에 배치된다. 이때, 절연 부재(400)의 두께는 절연 거리를 효과적으로 유지하기 위해 10mm 이상의 두께를 유지하며, 소재는 전기가 통하지 않는 플라스틱 계열의 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 절연 부재(400)의 소재 및 두께는 실시 예에 따른 것이지 이에 국한되는 것을 의미하지는 않는다.

절연 부재(400)는 인클로저(300)와 체결되어 인클로저(300) 조립 시에 함께 셀 스택(122)에 조립된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 절연 부재(400)에는 볼트 결합 홀(400C)이 형성되어 있다. 결합 볼트(400D)는 상기 볼트 결합 홀(400C)을 통해 삽입되어 인클로저(300)의 내면에 결합된다. 본 발명의 실시 예에서는 볼트 결합 방식으로 절연 부재(400)를 인클로저(300)에 결합하는 것을 예로 하지만, 이에 국한하지 않고 다양한 방식에 의해 결합될 수 있다. 절연 부재(400)는 셀 스택(122)이나 엔드 플레이트(110A, 110B)에 별도로 체결되지 않는다.

절연 부재(400)는 절연 성능을 확보하여 셀 구동시 성공적으로 스택 성능을 발현할 수 있게 해준다. 절연 부재(400)는 셀 스택(122)를 구조적으로 지지하여 진동이나 충격 시에도 변형이나 파손없이 안정적으로 셀이 구동할 수 있게 해준다.

이때 셀 스택(122)과 절연 부재(400)가 맞닿는 부분에는 도 6에 도시한 바와 같이, 가스켓(500)이 적용되어 셀 스택(122)의 분리판의 파손을 막는다. 가스켓(500)은 분리판의 끝단에 사출되어 적용된다. 가스켓(500)은 0.5mm 이상의 두께(t)를 갖는 것이 바람직하지만 이에 국한되는 것은 아니다. 가스켓(500)의 폭(W1)은 절연 부재(400)의 폭(W2)보다 넓다. 가스켓(500)의 폭(W1)은 상기 절연 부재(400)의 폭(W2)보다 5mm 내지 10mm만큼 넓은 것이 바람직하다.

절연 부재(400)는 분할된 복수 개의 공간을 서로 연통시키는 연통홀(또는, 환기홀)(400H)을 포함할 수 있다. 상기 연통홀(400H)은 셀 스택(122)의 각 외면과 이격되고, 인클로저(300)의 각 내면들과 접하는 형태로 형성된다.

예를 들어, 절연 부재(400)가 제1 내지 제4 절연 부재(412, 414, 416, 418)를 포함할 경우, 제1 내지 제4 절연 부재(412, 414, 416, 418) 각각은 연통홀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3b에서와 같이 x축 방향에서 바라볼 때, 제1 절연 부재(412)에 형성된 연통홀은 도 3b에서와 같이 x축 방향에서 바라볼 때, 제1 공간(SP1)과 제2 공간(SP2)을 연통시킨다. 제2 절연 부재(414)에 형성된 연통홀은 제2 공간(SP2)과 제4 공간(SP4)을 연통시킨다. 제3 절연 부재(416)에 형성된 연통홀은 제2 공간(SP2)과 제3 공간(SP3)을 연통시킨다. 제4 절연 부재(418)에 형성된 연통홀은 제3 공간(SP3)과 제4 공간(SP4)을 연통시킨다.

복수의 연통홀(400H)은 셀 스택의 적층 방향으로 서로 동일한 간격 또는 서로 다른 간격으로 이격될 수 있다. 복수의 연통홀(400)은 서로 동일한 단면적을 갖거나, 서로 다른 단면적을 가질 수도 있다.

도 7은 본 발명의 연료 전지(100)의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 예시도이다. 이때, 집전 플레이트(111B) 및 엔드 플레이트(110B)는 도시를 생략하였다. 도시한 바와 같이, 연료 전지(100)를 y 축 방향에서 바라보았을 때, 최외곽에 엔드 플레이트(110A), 집전 플레이트(111A), 발열부재(114)가 순차적으로 배치될 수 있다. 이러한 배치는 일 실시 예에 따른 구성을 나타내며, 다른 실시 예에 의하면, 집전 플레이트 및 발열부재의 배치가 변경된 구성을 가질 수도 있다. 그 외에 다른 부재(도시하지 않음)가 엔드 플레이트와 집전 플레이트의 사이에 배치되거나, 혹은 집전 플레이트와 발열부재의 사이에 배치될 수도 있다.

도시한 바와 같이, 제4 절연 부재(418)가 셀 스택(122)의 상부와 대향하여 배치된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 절연 부재(400)는 인클로저(300)의 각 내면(탑 내면, 바닥 내면, 제1 및 제2 내측면)에 결합된다. 각 내면에 적어도 하나의 절연 부재(400)가 결합되는 것이 바람직하다. 이때, 각 내면 중 적어도 하나의 내면에 도 7의 예시와 같이 다수 개 배치될 수도 있다.

도 8은 셀 스택(122)의 탑 외면에 절연 부재(400)가 배치될 때, 셀 스택(122)과 발열부재(114B)의 배치 상태를 나타낸 예시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 절연 부재(400)는 발열부재(114B)과 맞닿지 않는다. 이와 마찬가지로, 발열부재(114B)과 인클로저(300)의 사이에 배치되는 집전 플레이트(도시하지 않음)과도 맞닿지 않는다.

한편, 본 발명에 따른 연료 전지의 절연 부재(400)와 셀 스택(122)의 최상부 셀과의 관계는 도 8의"A"부분을 확대한 도 9를 통해 도시한다.

도시한 바와 같이, 셀 스택(122)의 상부에 절연 부재(400)가 배치되며, y축 방향에서 바라봤을 때, 셀 스택(122)으로부터 셀 스택의 적층 방향으로 우측에 배치된 발열부재(114B) 및 집전 플레이트(112B) 및 엔드 플레이트(110B)가 순차적으로 배치된 것을 볼 수 있다. 엔드 플레이트(110A, 110B)는 상기 셀 스택(122)의 양단부에 각각 배치된다. 상기 절연 부재(400)의 상기 단차 상단부(100A)는 상기 엔드 플레이트(110A, 110B)와 대향하도록 형성된다. 상기 엔드 플레이트(110A, 110B)와 상기 셀 스택(122)의 양단부 사이에는 발열부재(114A, 114B)가 각각 배치될 수 있다. 각 발열부재(114A, 114B)와 각 엔드 플레이트(110A, 110B)의 사이에는 집전 플레이트(112A, 112B)가 각각 배치될 수 있다. 위에서도 언급한 바와 같이 이러한 배치는 일 실시 예에 따른 구성을 나타내며, 집전 플레이트와 발열부재 중 적어도 어느 하나의 배치 위치가 변경되거나 기타 부재(도시하지 않음)이 더 추가되는 구성도 가능하다.

도시한 바와 같이, 절연 부재(400)는 발열부재(114A, 114B) 및 집전 플레이트(112A, 112B)와 맞닿지 않는다. 따라서, 발열부재(114A, 114B)가 동작하여 급격한 온도 변화가 발생하더라도 절연 부재(400)의 단차로 인하여 절연 부재(400)의 열 변형이 방지될 수 있다.

한편, 상기 절연 부재(400)의 단차와 셀 스택(122)의 외면과의 위치 관계는 도 10a 및 도 10b와 같이 배치될 수 있다. 도 10a에 도시한 바와 같이, 셀 스택의 적층 방향으로의 절연 부재(400)의 단차 상단부(400A)의 길이를 "L1"이라 하고, 절연 부재(400)의 단차 하단부(400B)의 길이를 "L2"라 하고, 셀 스택(122)의 길이를 "L3"이라 할 때, "L1 > L3 > L2"로 이루어진 것을 알 수 있다. 즉, 절연 부재(400)의 단차 하단부(400B)는 셀 스택의 적층 방향으로의 길이(L2)가 셀 스택(122)의 셀 스택의 적층 방향으로의 길이(L3)보다 짧은 것을 알 수 있다.

다른 실시 예로서, 도 10b에 도시한 바와 같이, L1 > L3=L2"와 같이, 절연 부재(400)의 단차 하단부(400B)의 셀 스택의 적층 방향으로의 길이(L2)가 셀 스택(122)의 셀 스택의 적층 방향으로의 길이(L2)가 일치할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지에서 절연 부재의 양 끝단에 단차를 형성함으로써, 셀 스택을 체결할 때 셀 체결 길이의 변화가 발생하더라도 셀 스택과 발열부재의 충돌로 인한 물리적인 파손을 방지할 수 있으며, 저온 시동 시 발열부재가 발열되어 엔드셀의 온도변화가 발생할 때, 장시간 구동 시에도 절연 부재가 변형되지 않고 안정적으로 셀을 지지하여 절연성능 및 셀 구동의 안정성을 확보할 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 110A, 110B: 엔드 플레이트
122: 셀 스택 300: 인클로저
400: 절연 부재 500: 가스켓

Claims (18)

1. 적층된 복수의 단위 셀을 포함하는 셀 스택;
   상기 셀 스택의 적어도 일부분을 감싸며 배치된 인클로저; 및
   상기 인클로저와 상기 셀 스택의 사이에 상기 셀 스택의 적층 방향과 평행하게 연장되는 절연 부재를 포함하고,
   상기 절연 부재의 양 단부 중 적어도 하나의 단부는 단차를 갖는 연료 전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절연 부재는 상기 인클로저의 내면에 결합되는 연료 전지.
3. 제1항에 있어서,
   상기 절연 부재는 플라스틱 재질인 연료 전지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 절연 부재의 두께는 10mm 이상인 연료 전지.
5. 제1항에 있어서,
   상기 절연 부재는 상기 인클로저의 내면과 상기 셀 스택의 외면 사이에서, 서로 이격되어 배치된 복수의 절연 부재를 포함하는 연료 전지.
6. 제1항에 있어서,
   상기 절연 부재와 상기 셀 스택의 외면 사이에 배치된 가스켓을 더 포함하는 연료 전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 가스켓은 분리판에 배치된 연료 전지.
8. 제6항에 있어서,
   상기 가스켓의 두께는 0.5mm 이상인 연료 전지.
9. 제6항에 있어서, 상기 가스켓의 폭은 상기 절연 부재의 폭보다 크거나 같은 연료 전지.
10. 제9항에 있어서, 상기 가스켓의 폭은 상기 절연 부재의 폭보다 5mm 내지 10mm 넓은 연료 전지.
11. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재에서 상기 단차를 갖는 단부는,
    상기 셀 스택의 외면과 대향하는 단차 하단부; 및
    상기 단차 하단부보다 상기 인클로저의 내면과 더 가깝게 위치하며, 상기 단차 하단부보다 상기 셀 스택의 적층 방향으로 더 돌출되고, 상기 단차 하단부와 함께 상기 단차를 형성하는 단차 상단부를 포함하는 연료 전지.
12. 제11항에 있어서,
    상기 단차 하단부의 길이는 적층된 상기 셀 스택의 길이보다 작거나 같은 연료 전지.
13. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 절연 부재는 상기 셀 스택의 상기 외면과 상기 인클로저의 상기 내면 사이의 공간을 복수 개로 분할하고,
    상기 복수의 절연 부재 각각은 분할된 복수 개의 공간을 서로 연통시키는 적어도 하나의 연통홀을 포함하는 연료 전지.
14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 연통홀은 상기 셀 스택의 상기 외면과 이격되고 상기 인클로저의 상기 내면과 접하는 연료 전지.
15. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 연통홀은 상기 셀 스택의 적층방향으로 서로 이격된 복수의 연통홀을 포함하는 연료 전지.
16. 제11항에 있어서,
    상기 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 절연 부재의 상기 단차 상단부는 상기 엔드 플레이트와 대향하는 연료 전지.
17. 제16항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트와 상기 셀 스택의 상기 양단부 중 적어도 일단 사이에 각각 배치된 발열부재를 더 포함하는 연료 전지.
18. 제17항에 있어서, 상기 발열부재와 상기 엔드 플레이트의 사이에 집전판을 더 포함하는 연료 전지.

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