KR20220063539A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

실시 예의 연료 전지는 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택과, 셀 스택의 양 단부 중 적어도 한 곳에 배치되고, 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 플레이트와, 플레이트의 제1 단자부와 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 양 단부 중 적어도 한 곳과 플레이트 사이에 배치된 발열체 및 제1 단자부 또는 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 포함하고, 제1 및 제2 단자부 중 하나는 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고, 한 쌍의 수 히터 단자는 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고, 한 쌍의 암 히터 단자는 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고, 절연부는 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

Description

연료 전지{Fuel cell}

실시 예는 연료 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지는 셀 스택과 히터 어셈블리를 포함한다. 겨울철에 차가운 외기 온도로 인해 셀 스택의 엔드 셀의 내부에서 물이 얼게 되고, 이로 인해 엔드 셀에서는 전기가 생성되지 않아 연료전지의 초기 시동성 및 발전성이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 히터 어셈블리는 초기 시동 시 엔드 셀을 가열하는 역할을 한다. 그러나, 히터 어셈블리가 연료 전지의 다른 부품과 오조립될 경우, 엔드 셀을 가열시킬 수 없는 등 다양한 문제가 발생될 수 있다.

실시 예는 우수한 성능을 갖는 연료 전지를 제공한다.

실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일 실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양 단부 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 플레이트; 상기 플레이트의 상기 제1 단자부와 상기 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 상기 양 단부 중 상기 적어도 한 곳과 상기 플레이트 사이에 배치된 발열체; 및 상기 제1 단자부 또는 상기 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 하나는 상기 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고, 상기 한 쌍의 수 히터 단자는 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 상기 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고, 상기 절연부는 상기 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 각각 삽입되는 공간을 형성하는 몸체를 포함하고, 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각은 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되었을 때, 상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 상면과 접하는 상면; 및 상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 하면과 접하며, 상기 상면의 반대측 하면을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 절연부는 상기 몸체의 상기 내측 하면의 반대측 외측 하면 위에 배치되고, 상기 몸체의 상기 외측 하면은 상기 제2 부분에 해당하고, 상기 몸체의 상기 외측 하면의 평면적은 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각의 상기 상면의 평면적보다 클 수 있다.

예를 들어, 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각의 상기 상면은 상기 제1 부분에 해당하고, 상기 절연부는 상기 상면 위에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 절연부는 상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 바깥면을 튜브 형태로 감싸는 절연 튜브를 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양 단부 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 플레이트; 및 상기 플레이트의 상기 제1 단자부와 상기 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 상기 양 단부 중 상기 적어도 한 곳과 상기 플레이트 사이에 배치된 발열체를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 하나는 상기 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고, 상기 플레이트는 상기 제1 단자부를 노출시키는 단자 장착홀; 및 상기 단자 장착홀과 상기 제1 방향으로 적어도 일부가 중첩하고, 상기 단자 장착홀을 향하여 상기 제2 방향으로 돌출된 결합 가이드 부재를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 각각 삽입되는 공간을 형성하는 몸체를 포함하고, 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각은 상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 상면과 접하는 상면; 및 상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 하면과 접하며, 상기 상면의 반대측 하면을 포함하고, 상기 결합 가이드 부재의 적어도 일부는 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각의 상기 상면과 상기 제1 방향으로 중첩할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 플레이트와 상기 발열체 사이에 배치된 패드를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 플레이트는 상기 발열체 및 상기 패드 중 적어도 하나가 수용되며 상기 셀 스택과 대향하는 오목부를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 발열체와 상기 양 단부 중 상기 적어도 한 곳 사이에 배치된 집전판을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 집전판은 상기 오목부 내에 수용될 수 있다.

예를 들어, 상기 집전판은 상기 오목부 위에 적층된 단면 형상을 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 결합 가이드 부재는 상기 집전판과 상기 제1 단자부 사이에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 제1 단자부 또는 상기 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 더 포함하고, 상기 한 쌍의 수 히터 단자는 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 상기 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고, 상기 절연부는 상기 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 플레이트는 상기 플레이트의 외부로부터 전류를 공급받는 히터 와이어링 커넥터; 및 상기 제1 단자부를 상기 히터 와이어링 커넥터에 연결하는 와이어를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 플레이트는 상기 셀 스택의 상기 양 단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나에 해당할 수 있다.

예를 들어, 상기 연료 전지는, 상기 셀 스택의 상기 양 단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 플레이트는 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나와 상기 셀 스택의 양 단부 중 상기 적어도 한 곳 사이에 배치된 히터 플레이트를 포함할 수 있다.

또 다른 실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양 단부에 각각 배치된 엔드 플레이트; 및 상기 엔드 플레이트와 상기 양 단부 사이에 각각 배치된 히터 어셈블리를 포함하고, 상기 히터 어셈블리는 상기 엔드 플레이트와 상기 셀 스택의 양 단부 각각의 사이에 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 히터 플레이트; 상기 제1 단자부와 상기 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 상기 히터 플레이트와 상기 양 단부 각각 사이에 배치된 발열체; 및 상기 제1 단자부 또는 상기 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 하나는 상기 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고, 상기 한 쌍의 수 히터 단자는 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 상기 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고, 상기 절연부는 상기 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

실시 예에 따른 연료 전지는 히터 플레이트의 제1 단자부와 발열체의 제2 단자부 간의 잘못된 조립 여부를 정확히 판별하여, 잘못된 조립으로 인한, 연료 전지의 과열을 방지할 수 있고, 히터 플레이트와 패드 간의 면착 면적이 확보되어 외부로부터의 수밀/기밀 기능이 증가할 수 있고, 제1 단자부의 한 쌍의 수 히터 단자가 제2 단자부의 한 쌍의 암 히터 단자의 공간에 삽입되도록 이동 경로를 가이드하거나 잘못된 형태로 조립됨을 간섭하여 잘못된 조립을 사전에 차단하고 가이드할 수 있으며, 집전판과 제1 단자부 간의 전기적인 절연 거리를 증가시켜 증가된 전기적 안정성을 가질 수 있다.

또한, 본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 의한 연료 전지에 포함되는 셀 스택을 설명하기 위한 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 의한 히터 어셈블리의 분해 사시도를 나타낸다.
도 4 (a)는 일 실시 예에 의한 히터 플레이트의 일 실시 예에 의한 모습을 나타내고, 도 4 (b)는 일 실시 예에 의한 발열체의 모습을 나타낸다.
도 5는 일 실시 예에 의한 제1 단자부와 제2 단자부의 분해 사시도를 나타낸다.
도 6은 실시 예에 의한 제1 단자부와 제2 단자부가 정상적으로 결합된 국부적인 단면도를 나타낸다.
도 7은 실시 예에 의한 제1 단자부와 제2 단자부가 비정상적으로 잘못 결합된 국부적인 단면도를 나타낸다.
도 8은 실시 예에 의한 제1 단자부와 제2 단자부가 결합된 모습을 나타낸다.
도 9는 다른 실시 예에 의한 절연부의 사시도를 나타낸다.
도 10은 다른 실시 예에 의한 연료 전지의 모습을 나타낸다.
도 11은 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리 각각의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 12는 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리 각각의 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 13은 연료 전지의 실시 예에 의한 국부적인 조립 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14는 실시 예에 의한 연료 전지를 포함하는 차량의 실시 예에 의한 블럭도를 나타낸다.
도 15는 도 14에 도시된 차량의 회로도를 나타낸다.
도 16은 비교 예에 의한 연료 전지의 국부적인 단면도를 나타낸다.
도 17은 도 16에 도시된 연료 전지에서 히터 플레이트에 발열체가 조립된 모습을 나타낸다.
도 18은 도 10에 도시된 연료 전지의 실시 예에 의한 조립 방법을 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. 이하, 편의상 +x축 또는 -x축 방향을 ‘제1 방향’이라 칭하고, +y축 또는 -y축 방향을 ‘제2 방향’이라 칭하고, +z축 또는 -z축 방향을 ‘제3 방향’이라 칭한다.

도 1은 일 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 외관 사시도를 나타내고, 도 2는 일 실시 예에 의한 연료 전지(100)에 포함되는 셀 스택(또는, 발전 모듈)(122)을 설명하기 위한 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다. 도 2에서 도 1에 도시된 인클로저(enclosure)(280)의 도시는 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 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B), 셀 스택(cell stack)(122), 인클로저(280), 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 인클로저(280)는 엔드 플레이트(110A, 110B)와 결합하여, 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 배치된 셀 스택(122)의 측부 중 적어도 일부를 감싸며 배치될 수 있다. 인클로저(280)는 엔드 플레이트(110A, 110B)와 함께 복수의 단위 셀을 제1 방향으로 체결하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 셀 스택(122)의 체결압은 강체 구조의 엔드 플레이트(110A, 110B)와 인클로저(280)에 의해 유지될 수 있다. 그러나, 인클로저(280)를 이용하지 않고도, 셀 스택(122)의 체결압을 유지할 수 있으며, 실시 예는 체결압을 유지하기 위한 특정한 형태에 국한되지 않는다.

엔드 플레이트(110A, 110B)는 셀 스택(122)의 양 단부에 각각 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 일 단부에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 타 단부에 배치될 수 있다.

연료 전지(100)는 복수의 매니폴드(M:Manifold)를 포함할 수 있다. 복수의 매니폴드는 제1 유입 연통부(또는, 제1 인렛(inlet) 매니폴드)(IN1), 제2 유입 연통부(또는, 제2 인렛 매니폴드)(IN2), 제3 유입 연통부(또는, 제3 인렛 매니폴드)(IN3), 제1 유출 연통부(또는, 제1 아웃렛(outlet) 매니폴드)(OUT1), 제2 유출 연통부(또는, 제2 아웃렛 매니폴드)(OUT2) 및 제3 유출 연통부(또는, 제3 아웃렛 매니폴드)(OUT3)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2) 중 하나는 외부로부터의 반응 가스인 수소를 셀 스택(122)으로 유입시키는 수소 유입구에 해당하고, 다른 하나는 외부로부터의 반응 가스인 산소를 셀 스택(122)으로 유입시키는 산소 유입구에 해당할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2) 중 하나는 반응 가스인 수소와 응축수를 셀 스택(122)의 외부로 유출시키는 수소 유출구에 해당할 수 있고, 다른 하나는 반응가스인 산소와 응축수를 셀 스택(122)의 외부로 유출시키는 산소 유출구에 해당할 수 있다.

예를 들어, 제1 유입 연통부(IN1)는 수소 유입구에 해당하고, 제2 유입 연통부(IN2)는 산소 유입구에 해당하고, 제1 유출 연통부(OUT1)는 수소 유출구에 해당하고, 제2 유출 연통부(OUT2)는 산소 유출구에 해당할 수 있다.

또한, 제3 유입 연통부(IN3)는 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)를 외부로부터 유입시키는 냉각수 유입구에 해당하고, 제3 유출 연통부(OUT3)는 냉각 매체를 외부로 유출시키는 냉각수 유출구에 해당할 수 있다.

제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)가 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2)보다 더 아래에 배치되며, 제1 유입 연통부(IN1)와 제1 유출 연통부(OUT1)는 서로 대각선 방향으로 위치하고, 제2 유입 연통부(IN2)와 제2 유출 연통부(OUT2)는 서로 대각선 방향으로 위치할 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2)와 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)가 배치될 경우, 중력의 영향으로 응축수가 셀 스택(122)에 포함된 복수의 단위 셀의 하부로 배출되거나 하부에 잔류할 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2)와 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 어느 하나(예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 플레이트(110A))에 포함되고, 제3 유입 연통부(IN3)와 제3 유출 연통부(OUT3)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 다른 하나(예를 들어, 도 1에 도시된 제2 엔드 플레이트(110B))에 포함될 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 제1 내지 제3 유입 연통부(IN1 내지 IN3)와 제1 내지 제3 유출 연통부(OUT1 내지 OUT3)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 중 어느 하나에 모두 포함될 수 있다.

도 2를 참조하면, 셀 스택(122)은 제1 방향으로 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수로서, 수십 내지 수백일 수 있다. 연료 전지(100)로부터 부하로 공급하고자 하는 전력의 세기에 따라 N이 결정될 수 있다. 여기서, 부하란, 연료 전지가 사용되는 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. 여기서, 1≤n≤N.

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(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 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. 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(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 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 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 가스 확산층(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(340)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. 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 매체가 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.

예를 들어, 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 제1 내지 제3 유입 연통부(IN1, IN2, IN3) 및 제1 내지 제3 유출 연통부(OUT1, OUT2, OUT3)를 포함할 수 있다.

즉, 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.

제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 금속 인서트가 수지물에 의해 둘러싸인 형태를 가질 수 있다. 여기서, 수지물은 합성 수지 고무 계열 또는 플라스틱일 수 있으나, 실시 예는 수지물의 특정한 재질에 국한되지 않는다. 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 금속부는 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.

한편, 연료 전지(100)는 히터 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 히터 어셈블리는 냉각된 상태의 셀 스택(122)을 시동시킬 때 셀 스택(122)을 승온시키는 역할을 한다. 이를 위해, 히터 어셈블리는 제1 또는 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 히터 어셈블리는 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)를 모두 포함할 수 있다. 제1 히터 어셈블리(300A)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 일 단부에 위치한 셀(122-1)과 제1 엔드 플레이트(110A)의 내측면(110AI) 사이에 배치되고, 제2 히터 어셈블리(300B)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 타 단부에 위치한 셀(122-N)과 제2 엔드 플레이트(110B)의 내측면(110BI) 사이에 배치될 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 각각은 집전판(340), 발열체(히터 또는 면상 발열체)(330), 패드(단열 패드 또는 실리콘 패드)(320), 및 히터 플레이트(또는, 바이패스 플레이트)(310)를 포함할 수 있다. 집전판(340), 발열체(330), 패드(320) 및 히터 플레이트(310)가 배치되는 위치의 이해를 돕기 위해, 도 2에서 집전판(340), 발열체(330), 패드(320) 및 히터 플레이트(310)을 간략히 도시하였으며, 이들(310 내지 340) 각각의 구체적 모습은 도 3 내지 도 13에서 후술된다.

다른 실시 예에 의하면, 도 2에 도시된 바와 달리 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 각각은 집전판(340), 발열체(330), 패드(320) 및 엔드 플레이트(110A, 110B)를 포함할 수 있다. 즉, 일 실시 예와 달리, 다른 실시 예에 의하면 제1 엔드 플레이트(110A)가 제1 히터 어셈블리(300A)의 제1 히터 플레이트(310)의 역할을 수행하고, 제2 엔드 플레이트(110B)가 제2 히터 어셈블리(300B)의 제2 히터 플레이트(310)의 역할을 수행하므로, 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 각각에서 히터 플레이트(310)는 생략될 수 있다. 이를 제외하면, 다른 실시 예에 의한 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)는 일 실시 예에 의한 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)와 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.

이하, 도 2를 참조하여 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)를 설명하지만, 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)에 대한 설명은 엔드 플레이트(110A, 110B)가 히터 플레이트(310)의 역할을 수행하는 경우에도 적용될 수 있다.

집전판(340)은 셀 스택(122)과 대면하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 셀 스택(122) 사이에 배치될 수 있다.

즉, 제1 히터 어셈블리(300A)에 포함된 집전판(340)은 발열체(330)와 셀 스택(122)의 양 단부 중 일 단부(예를 들어, 122-1) 사이에 배치될 수 있다. 제2 히터 어셈블리(300B)에 포함된 집전판(340)은 발열체(330)와 셀 스택(122)의 양 단부 중 타 단부(예를 들어, 122-N) 사이에 배치될 수 있다.

집전판(340)은 셀 스택(122)에서 전자의 흐름으로 발생된 전기 에너지를 모아 연료 전지(100)가 사용되는 차량의 부하로 공급하는 역할을 한다. 예를 들어, 집전판(340)은 전기 전도성 재질인 금속판으로 형성되어 셀 스택(122)과 통전될 수 있다.

발열체(330)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 적어도 한 곳과 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 제1 히터 어셈블리(300A)의 발열체(330)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 일 단부(예를 들어, 122-1)와 제1 엔드 플레이트(110A) 사이에 배치되고, 제2 히터 어셈블리(300B)의 발열체(330)는 셀 스택(122)의 양 단부 중 타 단부(예를 들어, 122-N)와 제2 엔드 플레이트(110B) 사이에 배치될 수 있다.

예를 들어, 발열체(330)는 카본 페이스트 및 전극으로 이루어진 발열부, 발열부의 양측 면에 배치된 PET층, PET층의 양측 면에 배치된 알루미늄층 및 알루미늄층의 양측 면에 배치된 PET 층이 순서로 적층된 형태의 보호필름부를 포함할 수 있다.

또한, 발열체(330)에서 카본 페이스트 및 전극으로 이루어진 발열부의 패턴을 다양하게 형성하고, 발열부의 패턴 변화를 통해 부위 별로 열밀도를 조절할 수도 있다. 또한, 발열체(330)는 면상 발열체로서 폴리머 PTC 발열체가 사용될 수 있는데, PTC 기능을 나타내는 카본 페이스트에 장기적으로 습기가 침투하면 발열 성능이 변화되므로, 습기의 공급을 방지하기 위해, 카본 페이스트 및 전극에 PET 필름으로 부착하여 내습성을 강화시킬 수 있다.

특히, 발열체(330)는 내습성이 뛰어난 알루미늄 박막 및 PET 필름을 추가적으로 부착하되, 전도성을 갖는 알루미늄으로 인해 내전압이 약화되는 것을 방지하기 위해 알루미늄 박막을 PET 필름 크기보다 작게 제작되도록 함으로써, 내습성뿐만 아니라 내전압 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 비록 도시되지 않았지만, 발열체(330)와 집전판(340) 사이에 써멀 그리스(thermal grease) 또는 써멀 패드(thermal pad)가 개재되어 밀착될 수 있다. 즉, 열전도 기능을 향상시킬 수 있도록, 써멀 패드 또는 써멀 그리스를 발열체(330)와 집전판(340) 사이에 개재시킴으로써, 발열체(330)에서 발생되는 열이 집전판(340)을 통해 셀 스택(122)의 반응셀(122-n)로 잘 전달되도록 할 수 있다.

패드(320)는 발열체(330)에서 발생된 열이 셀 스택(122)이 엔드 플레이트(110A, 110B)를 바라보는 방향으로 진행하지 못하도록 차단하여 보다 더 많은 열이 셀 스택(122)으로 향하도록 열 손실을 방지하는 단열 기능을 수행할 수 있다. 또한, 패드(320)는 셀 스택(122)의 체결력을 완충시키는 역할을 수행할 수도 있다. 이를 위해, 패드(320)는 엔드 플레이트(110A, 110B)와 발열체(330) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 패드(320)는 발포 실리콘 시트 등과 같은 패드로 형성되어, 적층되어 밀착되도록 히트 플레이트(310) 및 발열체(330)와 함께 결합할 때 필름 형태의 발열체(330)가 파손되는 것을 방지할 수 있으나, 실시 예는 패드(320)의 특정한 재질에 국한되지 않는다. 또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100)에서 패드(320)는 생략될 수도 있다.

또한, 패드(320)는 히터 플레이트(310)의 후술되는 제1 단자부(T1)와 발열체(330)의 제2 단자부(T2)가 서로 접하여 연결됨을 허용하는 관통홀(TH)을 후술되는 도 3에 도시된 바와 같이 포함할 수 있다.

히터 플레이트(310)는 셀 스택(122)에서 단위 셀(122-n)이 적층되는 방향으로 최외각에 배치된 단위 전지인 더미 셀 개념으로, 단위 셀(122-n)의 외형에 대응되는 판 형태로 형성될 수 있다.

또한, 히터 플레이트(310)에도 제1 방향으로 양측 면을 관통하는 연통부 예를 들어, 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2)와 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)가 형성될 수 있다.

또한, 히터 플레이트(310)는 도시된 바와 같이 단일 플레이트로 구현될 수 있다.

또는, 도시된 바와 달리, 히터 플레이트(310)는 복수 개 예를 들어, 3개의 히터 플레이트가 제1 방향으로 적층되어 구현될 수도 있다. 연료극(214), 고분자 전해질막(212) 및 공기극(216)을 조립하여 막전극 접합체(210)를 일체형으로 구성한 바와 같이, 히터 플레이트(310)를 구현하는 3개의 플레이트도 제1 방향으로 적층될 수 있다.

히터 플레이트(310)는 셀 스택(122)의 양 단부(122-1, 122-N) 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 히터 어셈블리(300A)의 제1 히터 플레이트(310)는 제1 엔드 플레이트(110A)와 셀 스택(122)의 양 단부 중 일 단부(예를 들어, 122-1) 사이에 배치되고, 제2 히터 어셈블리(300B)의 제2 히터 플레이트(310)는 제2 엔드 플레이트(110B)와 셀 스택(122)의 양 단부 중 타 단부(예를 들어, 122-N) 사이에 배치될 수 있다.

또한, 히터 플레이트(310)는 금속 재질의 파이프가 인서트 사출에 의해 플라스틱 몸체와 함께 일체형으로 형성되고, 파이프가 유로 채널(예를 들어, 수소 채널 및 산소 채널)을 이룰 수도 있지만, 실시 예는 히터 플레이트(310)의 특정한 재질에 국한되지 않는다.

이하, 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 각각의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 3은 일 실시 예에 의한 히터 어셈블리의 분해 사시도를 나타내고, 도 4 (a)는 일 실시 예에 의한 히터 플레이트(310)의 일 실시 예(310A)에 의한 모습을 나타내고, 도 4 (b)는 일 실시 예에 의한 발열체(330)의 모습을 나타낸다. 도 3에서 집전판(340)의 도시는 생략된다.

히터 플레이트(310A)는 제1 단자부(T1)를 포함하고, 발열체(330)는 제2 단자부(T2)를 포함할 수 있다.

도 4 (a)에 도시된 바와 같이 제1 단자부(T1)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 형상을 갖고, 도 4 (b)에 도시된 바와 같이 제2 단자부(T2)는 제1 단자부(T1)와 제2 방향으로 결합할 수 있다.

도 5는 일 실시 예에 의한 제1 단자부(T1: T12)와 제2 단자부(T2: T22)의 분해 사시도를 나타내고, 도 6은 실시 예에 의한 제1 단자부(T1)와 제2 단자부(T2)가 정상적으로 결합(또는, 조립)된 국부적인 단면도를 나타내고, 도 7은 실시 예에 의한 제1 단자부(T1)와 제2 단자부(T2)가 비정상적으로 잘못 결합(또는, 오조립)된 국부적인 단면도를 나타내고, 도 8은 실시 예에 의한 제1 단자부(T1)와 제2 단자부(T2)가 결합된 모습을 나타낸다.

제1 및 제2 단자부(T1, T2) 중 하나는 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수(male) 히터 단자를 포함하고, 제1 및 제2 단자부(T1, T2) 중 다른 하나는 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암(female) 히터 단자를 포함할 수 있다.

이하, 제1 단자부(T1)가 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)를 포함하고, 제2 단자부(T2)가 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)를 포함하는 것으로 설명한다. 그러나, 하기의 설명은 제1 단자부(T1)가 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고, 제2 단자부(T2)가 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하는 경우에도 적용될 수 있다.

실시 예에 의하면, 한 쌍의 암 히터 단자(T2: T21, T22)는 한 쌍의 수 히터 단자(T1: T11, T12)가 각각 삽입되는 공간을 형성하는 몸체(B)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 한 쌍의 암 히터 단자(T2: T21, T22) 중 하나(T22)는 한 쌍의 수 히터 단자(T1: T11, T12) 중 하나(T12)가 삽입되는 공간(SP)을 형성하는 몸체(B)를 포함할 수 있다.

도 5와 동일한 모습으로, 한 쌍의 암 히터 단자(T2: T21, T22) 중 다른 하나(T21)도 한 쌍의 수 히터 단자(T1: T11, T12) 중 다른 하나(T11)가 삽입되는 공간(SP)을 형성하는 몸체(B)를 포함할 수 있다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이, 단자 장착홀(THH)은 제1 단자부(T1: T11, T12)를 노출시킬 수 있다. 단자 장착홀(THH)에서 제2 단자부(T2)는 제1 단자부(T1)와 결합하여 그(THH)의 내부에 고정될 수 있다.

한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12) 각각은 상면(T1US) 및 하면(T1LS)을 포함할 수 있다.

한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)는 상면(T1US)과 하면(T1LS)을 포함할 수 있다. 여기서, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)가 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)의 공간(SP)에 각각 삽입되었을 때, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)에서 공간(SP)을 형성하는 몸체(B)의 내측 상면(T2USI)과 접하는 면이 상면(T1US)에 해당하고, 공간(SP)을 형성하는 몸체(B)의 내측 하면(T2LSI)과 접하며 상면(T1US)의 반대측인 면이 하면(T1LS)에 해당한다.

또한, 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)의 공간(SP)에 각각 삽입되지 않은 상태에서, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)는 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)와 접하는 제1 부분을 포함할 수 있다. 또한, 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)는 한 쌍의 수히터 단자(T11, T12)의 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함할 수 있다.

실시 예에 의하면, 연료 전지(100)는 절연부를 더 포함할 수 있다. 절연부는 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 도 5 내지 도 8에 예시된 바와 같이, 절연부(410)는 몸체(B)의 내측 하면(T2LSI)의 반대측 외측 하면(T2LSO) 위에 배치될 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)의 상면(T1US)은 제1 부분에 해당하고, 몸체(B)의 외측 하면(T2LSO)은 제2 부분에 해당할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)가 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)의 공간(SP)에 삽입되지 않은 상태에서, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)가 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)와 접할 수 있는 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)의 상면(T1US)에 절연부(410)가 배치될 수도 있다. 이 경우, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12) 각각의 상면(T1US)이 제1 부분에 해당하고, 몸체(B)의 외측 하면(T2LSO)은 제2 부분에 해당할 수 있다.

또한, 몸체(B)의 외측 하면(T2LSO)의 평면적(이하, ‘제1 평면적’이라 함)(A1)은 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12) 각각의 상면(T1US)의 평면적(이하, ‘제2 평면적’이라 함)(A2)보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다. 이때, 절연부(410)는 제1 평면적과 제2 평면적 중 큰 면적을 갖는 부분에 배치될 수 있다.

제1 평면적(A1)은 다음 수학식 1과 같이 표현되고, 제2 평면적(A2)은 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서, y1은 몸체(B)의 외측 하면(T2LSO)의 제2 방향으로의 길이를 나타내고, y2는 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)의 상면(T1US)의 제2 방향으로의 길이를 나타내고, z1은 몸체(B)의 외측 하면(T2LSO)의 제3 방향으로의 폭을 나타내고, z2는 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)의 상면(T1US)의 제3 방향으로의 폭을 나타낸다.

예를 들어, y1과 y2가 동일할 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, z1이 z2보다 클 경우 제1 평면적(A1)이 제2 평면적(A2)보다 크다. 따라서, 제2 평면적(A2)보다 큰 제1 평면적(A1)을 갖는 몸체(B)의 외측 하면(T2LSO)에 절연부(410)가 배치될 수 있다.

또는, y1과 y2가 동일할 경우, 도 8에 도시된 바와 달리, z2가 z1보다 클 경우 제2 평면적(A2)이 제1 평면적(A1)보다 크다. 따라서, 제1 평면적(A1)보다 큰 제2 평면적(A2)을 갖는 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12) 각각의 상면(T1US)에 절연부(410)가 배치될 수 있다.

도 9는 다른 실시 예에 의한 절연부의 사시도를 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, 절연부는 절연 튜브(412A, 412B)를 포함할 수 있다.

절연 튜브(412A, 412B)는 공간(SP)을 형성하는 몸체(B)의 바깥면을 튜브 형태로 감싸는 형상을 가질 수 있다.

절연부(410) 및 절연 튜브(412A, 412B)는 절연성을 갖는 물질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 절연부(410) 및 절연 튜브(412A, 412B)는 절연 코팅 또는 테이핑된 형태로 배치될 수 있으나, 실시 예는 절연부(410) 및 절연 튜브(412A, 412B)의 특정한 절연 재질에 국한되지 않고, 절연부(410)의 특정한 배치 형태에 국한되지 않는다.

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

도 10은 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 모습을 나타낸다.

도 9와 달리, 도 10에 도시된 연료 전지(100)는 결합 가이드 부재(420)를 더 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 10에 도시된 연료 전지(100)는 도 4 (a)에 도시된 연료 전지와 동일하므로, 도 4 (a)와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하며 중복되는 설명을 생략한다.

또한, 도 10에 도시된 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 도 4 (a) 및 (b)에 도시된 일 실시 예에 의한 연료 전지와 마찬가지로 절연부(410)를 포함할 수도 있다(후술되는 도 18 참조). 또는, 도 10에 도시된 다른 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 도 4 (a) 및 (b)에 도시된 일 실시 예에 의한 연료 전지와 달리 절연부(410)를 포함하지 않을 수도 있다.

다른 실시 예에 의하면, 히터 플레이트(310B)는 단자 장착홀(THH)뿐만 아니라 결합 가이드 부재(420)를 더 포함할 수 있다.

결합 가이드 부재(420)는 단자 장착홀(THH)과 제1 방향으로 적어도 일부가 중첩하며, 단자 장착홀(THH)을 향하여 제2 방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다.

결합 가이드 부재(420)의 적어도 일부는 한 쌍의 수 히터 단자(T1: T11, T12) 각각의 상면(T1US)과 제1 방향으로 중첩할 수 있다.

또한, 결합 가이드 부재(420)는 집전판(340)과 제1 단자부(T1: T11, T12) 사이에 배치될 수 있다.

또는, 도 10 또는 후술되는 도 18에 도시된 바와 달리, 결합 가이드 부재(420)는 히터 플레이트(310B) 대신에 발열체(330)에 배치될 수도 있다.

제2 단자부(T2)가 단자 장착홀(THH)을 통해 삽입되어 제1 단자부(T1)와 도 6에 도시된 바와 같이 정상적으로 조립됨을 허용하기 위해, 도 10에 도시된 바와 같이 결합 가이드 부재(420)는 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)를 나란히 노출시키도록 형성될 수 있다. 즉, 결합 가이드 부재(420)의 평면적은 단자 장착홀(THH)의 평면적보다 작고, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12) 각각의 단부를 한 쪽으로 나란히 노출시키도록 배치될 수 있다.

또한, 결합 가이드 부재(420)는 투명한 재질로 구현되어 예를 들어, PET 필름으로 구현되어, 조립 시 육안으로 단자 장착홀(THH) 내에서 제1 단자부(T1)와 제2 단자부(T2)가 조립된 상태를 확인할 수 있도록 할 수 있다.

도 11은 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 각각의 일 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.

도 12는 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B) 각각의 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.

실시 예에 의하면, 히터 플레이트(310)는 오목부(또는, 안착홈)(RP1, RP2)를 포함할 수 있다. 오목부(RP1, RP2)는 패드(320) 및 발열체(330) 중 적어도 하나가 그(RP1, RP2)의 내부에 삽입되어 안착 및 수용될 수 있도록, 셀 스택(122)과 대향하며 오목하게 패인 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 오목부(RP1, RP2)에 패드(320) 및 발열체(330)가 모두 안착되어 수용될 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 집전판(340)은 도 11에 예시된 바와 같이 오목부(RP1) 위에 적층될 수 있다. 다른 실시 예에 의하면, 집전판(340)은 도 12에 예시된 바와 같이 오목부(RP2) 내에 수용될 수도 있다. 예를 들어, 오목부(RP2)에 수용된 집전판(340)의 바깥면(340S)과 히터 플레이트(310)에서 오목부(RP2) 주변의 면(310S)은 동일 수평면 상에 위치할 수 있다. 이는, 히터 어셈블리(300A, 300B)가 셀 스택(122)의 양단부에 각각 밀착되도록 결합되었을 때, 집전판(340)이 셀 스택(122)에 확실하게 밀착되어 통전이 잘 되도록 하기 위함이다.

도 11에 예시된 바와 같이, 오목부(RP1)의 내부에 패드(320)와 발열체(330)가 안착 수용됨으로써, 이들(320, 330)의 위치를 일정한 위치로 용이하게 고정시킬 수 있으며, 조립 후 이탈을 방지할 수 있다. 또한, 도 12에 예시된 바와 같이, 오목부(RP2)의 내부에 패드(320)와 발열체(330)와 집전판(340)이 안착 수용됨으로써, 이들(320, 330, 340)의 위치를 일정한 위치로 용이하게 고정시킬 수 있으며, 조립 후 이탈을 방지할 수 있다.

이하, 전술한 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 실시 예에 의한 국부적인 조립 방법을 첨부된 도 13 및 도 6을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 13은 연료 전지(100)의 실시 예에 의한 국부적인 조립 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

도 13을 참조하면, 한 쌍의 암 히터 단자(T2)를 제1 화살표 방향(AR1)으로 이동시킨다.

이후, 도 13을 참조하면, 제1 화살표 방향(AR1)으로 이동한 한 쌍의 암 히터 단자(T2)를 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 화살표 방향(AR2)으로 이동하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 수 히터 단자(T11, T12)를 한 쌍의 암 히터 단자(T21, T22)의 공간(SP)에 각각 삽입할 수 있다.

이와 같이, 한 쌍의 암 히터 단자(T2)와 한 쌍의 수 히터 단자(T1)가 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 결합할 경우, 셀 스택(122)의 적층 방향인 제1 방향으로의 연료 전지(100)의 두께가 최소화될 수 있다.

한편, 실시 예에 의한, 히터 플레이트(310A, 310B)는 히터 와이어링 커넥터(또는, 전원 연결부)(312) 및 와이어(HW1, HW2)를 더 포함할 수 있다.

히터 와이어링 커넥터(312)는 히터 플레이트(310: 310A, 310B)의 외부(예를 들어, 셀 스택(122))로부터 발열체(330)를 구동시키는데 필요한 구동 신호(전압 또는 전류)를 공급받고, 공급받은 구동 신호를 와이어(HW1, HW2)를 경유하여 제1 단자부(T1)로 공급할 수 있다.

이를 위해, 히터 와이어링 커넥터(312)는 히터 플레이트(310A, 310B)로부터 제2 방향으로 평평한 형태로 돌출될 수 있다. 또는, 히터 와이어링 커넥터(312)는 제2 방향으로 평평한 형태로 돌출된 후 제1 방향으로 꺾어진 형태로 돌출될 수도 있다. 그러나, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 히터 와이어링 커넥터(312)의 특정한 형태에 국한되지 않는다.

와이어(HW1, HW2)는 제1 단자부(T1: T11, T12)를 히터 와이어링 커넥터(312)에 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 와이어(HW1, HW2)는 히터 플레이트(310A, 310B)의 내측의 일부 구간(Y)에 배치되고, 히터 와이어링 커넥터(312)로 연장된 부분(OT1, OT2)을 포함할 수 있다.

제1 와이어(HW1)는 제1 단자부(T1: T11)를 히터 와이어링 커넥터(312)에 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 제2 와이어(HW2)는 제1 단자부(T1: T12)를 히터 와이어링 커넥터(312)에 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 제1 와이어(HW1)의 양단부 중 일 단부는 제1 단자부(T11)에 연결되고, 제1 와이어(HW1)의 양단부 중 타 단부는 히터 와이어링 커넥터(312)에 연결될 수 있다. 제2 와이어(HW2)의 양단부 중 일 단부는 제1 단자부(T12)에 연결되고, 제2 와이어(HW2)의 양단부 중 타 단부는 히터 와이어링 커넥터(312)에 연결될 수 있다.

또는, 와이어(HW1, HW2)는 생략될 수도 있다. 이 경우, 제1 단자부(T1: T11, T12)는 히터 와이어링 커넥터(312)에 직접 연결될 수 있다.

이하, 실시 예에 의한 연료 전지를 포함하는 차량을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 14는 실시 예에 의한 연료 전지를 포함하는 차량의 실시 예에 의한 블럭도를 나타내고, 도 15는 도 14에 도시된 차량의 회로도를 나타낸다.

전술한 실시 예에서와 같이 연료 전지(100)가 하나의 셀 스택(122)을 포함할 경우, 도 4 또는 도 10에 도시된 히터 와이어링 커넥터(312)에 구동 신호를 공급하는 수단(예를 들어 셀 스택(122)과 연결된 스택 버스바(미도시))이 꼽혀져 히터 플레이트(310A, 310B)는 구동 신호를 공급받고, 공급된 구동 신호는 히터 와이어링 커넥터(312)와 연결된 와이어(HW1, HW2)와, 와이어(HW1, HW2)에 연결된 제1 단자부(T1:T11, T12), 제1 단자부(T1: T11, T12)와 전기적으로 연결된 제2 단자부(T2: T21, T22)를 통해 발열체(330)로 전달되어, 발열체(330)가 발열하여 셀 스택(122)이 가열될 수 있다.

또는, 전술한 실시 예와 달리 연료 전지(100)는 복수의 셀 스택(120: 122A, 122B)을 포함할 수 있다. 도 14를 참조하면, 2개의 셀 스택(122A, 122B)이 제3 방향으로 적층되어 있다.

도 14에 도시된 연료 전지 차량은 연료 전지(100) 및 정션 박스(또는, 고전압 정션 박스)(500)를 포함할 수 있다.

연료 전지(100)는 2개의 셀 스택(122A, 122B), 제1 내지 제4 히터(H1, H2, H3, H4), 제1 내지 제4 엔드 플레이트(110A1, 110A2, 110B2, 110B1), 터미널 블럭(520), 양의 버스바(BP), 음의 버스바(BN), 양의 와이어(WP), 음의 와이어(WN), 중간 버스바(BI) 및 중간 와이어(WI1, WI2)를 포함할 수 있다.

제1 셀 스택(122A)의 양단부에 제1 및 제4 히터(H1, H4)가 각각 배치되고, 제2 셀 스택(122B)의 양단부에 제2 및 제3 히터(H3, H4)가 각각 배치될 수 있다.

제1 및 제4 히터(H1, H4)는 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)와 각각 동일한 구성을 갖고 및 동일한 동작을 수행할 수 있다. 제2 및 제3 히터(H2, H3)는 도 2에 도시된 제1 및 제2 히터 어셈블리(300A, 300B)와 각각 동일한 구성을 갖고 및 동일한 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 히터(H1, H2, H3, H4) 각각에 대한 설명은 생략한다.

또한, 제1 및 제4 엔드 플레이트(110A1, 110B1)는 도 2에 도시된 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 각각 동일한 구성을 갖고 및 동일한 동작을 수행할 수 있다. 제2 및 제3 엔드 플레이트(110A2, 110B2)는 도 2에 도시된 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 각각 동일한 구성을 갖고 및 동일한 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제4 엔드 플레이트(110A1, 110A2, 110B2, 110B1) 각각에 대한 설명은 생략한다.

제1 및 제2 셀 스택(122A, 122B)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 중간 버스바(BI)는 제1 및 제2 셀 스택(122A, 122B) 사이에 배치되어, 이들(122A, 122B)을 전기적으로 연결할 수 있다.

도시된 바와 같이 연료 전지(100)가 복수의 셀 스택(예를 들어, 122A, 122B)을 포함할 경우, 제1 및 제2 히터(H1, H2) 사이에 복수의 제3 및 제4 히터(H3, H4)가 배치될 수 있다.

터미널 블럭(520)은 집전판(340) 및 제1 내지 제4 히터(H1, H2, H3, H4)를 정션 박스(500)와 전기적으로 연결시키는 역할을 한다. 예를 들어, 터미널 블럭(520)은 연료 전지(100)의 상면으로부터 정션 박스(500)를 향해 돌출되어 정션 박스(500)와 전기적으로 연결될 수 있다.

터미널 블럭(520)은 양(positive)의 버스 단자부(SPT), 음(negative)의 버스 단자부(SNT), 및 양의 히터 단자부(HPT)를 포함할 수 있다.

양의 버스 단자부(SPT)는 양의 버스바(BP)와 연결되고, 음의 버스 단자부(SNT)는 음의 버스바(BN)와 연결되고, 양의 히터 단자부(HPT)는 양의 와이어(WP)와 연결되고, 음의 버스 단자부(SNT)는 음의 와이어(WN)와 연결될 수 있다. 이를 위해, 터미널 블럭(520) 내에도 도선이 배치될 수 있다.

이때, 설명의 편의상, 제1 히터(H1)와 접하는 집전판을 ‘제1 집전판’이라 하고, 제2 히터(H2)와 접하는 집전판을 ‘제2 집전판’이라 하고, 제3 히터(H3)와 접하는 집전판을 ‘제3 집전판’이라 하고, 제4 히터(H4)와 접하는 집전판을 ‘제4 집전판’이라 한다.

이 경우, 음의 버스바(BN)는 제2 집전판을 터미널 블럭(520)의 음의 버스 단자부(SNT)에 전기적으로 연결하고, 양의 버스바(BP)는 제4 집전판을 터미널 블럭(520)의 양의 버스 단자부(SPT)에 전기적으로 연결할 수 있다.

또한, 양의 와이어(WP)는 제1 히터(H1)를 터미널 블럭(520)의 양의 히터 단자부(HPT)에 전기적으로 연결하고, 음의 와이어(WN)는 제2 히터(H2)를 터미널 블럭(520)의 음의 버스 단자부(SNT)에 전기적으로 연결할 수 있다.

3개의 중간 와이어(WI1, WI2, WI3)는 2개의 셀 스택(122A, 122B)의 히터를 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 구체적으로 제1 중간 와이어(W11)는 제1 히터(H1)와 제4 히터(H4)를 연결할 수 있다. 제2 중간 와이어(WI2)는 제2 히터(H2)와 제3 히터(H3)를 연결할 수 있다. 제3 중간 와이어(WI3)는 제3 및 제4 히터(H3, H4)를 서로 연결할 수 있다.

정션 박스(500)는 적층된 셀 스택(120: 122A, 122B) 위에 배치될 수 있다. 집전판(340)은 셀 스택(112)에서 전자의 흐름으로 생성된 전기 에너지를 모아서 정션 박스(500)로 전달하고, 정션 박스(500)로 전달된 전력은 연료 전지(100)를 사용하는 차량의 부하로 공급될 수 있다.

정션 박스(500)는 연료 전지(100)에서 발전된 전력을 전달받아 분배하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 정션 박스(500)는 터미널 블럭(520)을 통해 연료 전지(100)와 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 정션 박스(500)는 스위칭부를 포함할 수 있다. 스위칭부는 양의 와이어(WP)와 양의 버스바(BP) 사이에 배치될 수 있다. 스위칭부는 스위치(512) 및 퓨즈(514)를 포함할 수 있다. 도 15를 참조하면, 스위칭부가 스위칭 온될 때, 즉, 스위치(512)가 스위칭 온 될 때, 전류가 제1 내지 제4 히터(H1, H2, H3, H4)로 공급되어 폐루프를 형성함으로써 제1 내지 제4 히터(H1, H2, H3, H4)가 발열될 수 있다.

이하, 비교 예와 실시 예에 의한 연료 전지를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 16은 비교 예에 의한 연료 전지의 국부적인 단면도를 나타내고, 도 17은 도 16에 도시된 연료 전지에서 히터 플레이트(10)에 발열체(30)가 조립된 모습을 나타낸다.

도 16 및 도 17에 도시된 히터 플레이트(10), 히터 와이어링 커넥터(12), 발열체(30), 제1 단자부(T1) 및 제2 단자부(T2)는 실시 예에 의한 히터 플레이트(310), 히터 와이어링 커넥터(312), 발열체(330), 제1 단자부(T1) 및 제2 단자부(T2)와 각각 동일한 기능을 수행하므로, 이들(10, 12, 30)에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 그 밖에 도 16 및 도 17에 표기된 참조부호(SP, T1US, T1LS, T2USI, T2LSI, T2LSO)는 전술한 실시 예에 의한 연료 전지를 설명하기 위해 사용한 참조부호(SP, T1US, T1LS, T2USI, T2LSI, T2LSO)에 각각 상응한다.

도 16에 도시된 바와 같이, 비교 례에 의한 연료 전지는 실시 예에 의한 연료 전지(100)와 달리 절연부(410)를 포함하지 않는다.

이 경우, 도 13에 도시된 제1 화살표 방향(AR1)으로 제2 단자부(T2)를 이동시킬 때, 도 16에 도시된 바와 같이 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자가 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자의 공간(SP)에 삽입되지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 암 히터 단자(T2)의 외측 하면(T2LSO)이 한 쌍의 수 히터 단자(T1)의 상면(T1US)에 얹혀진 상태에서, 한 쌍의 수 히터 단자(T1)와 한 쌍의 암 히터 단자(T2)가 서로 전기적으로 접할 수 있다.

이때, 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자가 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자의 공간(SP)에 삽입될 경우에만, 제1 단자부(T1)로부터 제2 단자부(T2)로 전류가 인가되어 발열체(30)를 발열시킬 수 있다. 따라서, 도 16에 도시된 바와 같이, 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자가 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자의 공간(SP)에 삽입되지 않은 상태에서, 제1 단자부(T1)로부터 제2 단자부(T2)로 전류가 인가될 수 없다.

도 16에 예시된 바와 같이 제1 단자부(T1)와 제2 단자부(T2) 간의 잘못된 조립(이하, ‘오조립’이라 함) 여부는 도 17에 도시된 히터 와이어링 커넥터(12)의 두 단자(OT1, OT2) 간의 저항을 측정하여 판별할 수 있다. 그러나, 도 16에 도시된 바와 같이, 비록 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자가 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자의 공간(SP)에 삽입되지 않았다고 하더라도, 한 쌍의 수 히터 단자(T1)의 상면(T1US)과 한 쌍의 암 히터 단자(T2)의 외측 하면(T2LSO)이 서로 접할 경우, 단자(OT1, OT2)에서 측정되는 저항값은 정상적인 것(예를 들어, 수십 Ω)으로 측정될 수 있어, 비교 예의 경우 오조립 여부를 정확히 판별할 수 없다. 이와 같이, 제1 단자부(T1)와 제2 단자부(T2)가 서로 오조립되고 이를 판별하지 못할 경우, 연료 전지가 과열될 수 있고, 히터 플레이트(10)와 패드(실시 예의 320에 상응하는 부재) 간의 면착 면적이 확보되지 않아 외부로부터의 수밀/기밀 기능이 저하될 수 있다.

반면에, 일 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 제1 단자부(T1)의 제1 부분(예를 들어, 한 쌍의 수 히터 단자(T1)의 상면(T1US)) 또는 제2 단자부(T2)의 제2 부분(예를 들어, 한 쌍의 암 히터 단자(T2)의 외측 하면(T2LSO)) 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부(410)를 포함한다. 따라서, 도 16에 도시된 바와 같이 오조립된 상태에서, 절연부(410)가 한 쌍의 수 히터 단자(T1)의 상면(T1US)과 한 쌍의 암 히터 단자(T2)의 외측 하면(T2LSO) 간의 전기적인 접촉을 차단하므로, 두 단자(OT1, OT2)를 통해 측정된 저항값은 비정상적인 것으로 측정될 수 있어, 오조립 여부를 정확히 판별할 수 있다. 따라서, 오조립으로 인한, 연료 전지(10)의 과열을 방지할 수 있고, 히터 플레이트(310)와 패드(320) 간의 면착 면적이 확보되어 외부로부터의 수밀/기밀 기능이 증가할 수 있다.

도 18은 도 10에 도시된 연료 전지(100)의 실시 예에 의한 조립 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10 및 도 18을 참조하면, 발열체(330)의 제2 단자부(T2)를 히터 플레이트(310B)의 제1 단자부(T1)에 조립을 시도할 때, 발열체(330)가 히터 플레이트(310B)와 도 7 또는 도 16에 도시된 바와 같이 오조립될 수 있는 경로로 화살표 방향(AR3)으로 이동할 경우, 발열체(330)가 결합 가이드 부재(420)와 충돌(CP)할 수 있다. 또한, 충돌하지 않는다고 하더라도, 결합 가이드 부재(420)의 존재로 인해, 도 7 또는 도 16에 도시된 바와 같이 오조립될 수 없거나 도 7 또는 도 16에 도시된 바와 다른 형태로 불완전하게 오조립될 수 있도록 한다. 이와 같이, 결합 가이드 부재(420)가 배치됨으로써, 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자가 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자의 공간(SP)에 삽입되도록 이동 경로를 가이드하거나 도 7 및 도 16에 도시된 바와 같은 형태로 오조립됨을 간섭함으로써. 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자와 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자 간의 오조립을 사전에 차단하고 가이드할 수 있다.

또한, 결합 가이드 부재(420)가 집전판(340)과 제1 단자부(T1) 사이에 배치됨으로써, 집전판(340)과 제1 단자부(T1) 간의 전기적인 절연 거리가 증가하여, 연료 전지의 전기적 안정성이 증가할 수 있다.

이때, 도 18에 도시된 바와 같이, 연료 전지(100)가 결합 가이드 부재(420)뿐만 아니라 절연부(410)를 더 포함할 경우, 제1 단자부(T1)의 한 쌍의 수 히터 단자와 제2 단자부(T2)의 한 쌍의 암 히터 단자 간의 오조립을 정확히 판별할 수도 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.

Claims (18)

1. 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
   상기 셀 스택의 양 단부 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 플레이트;
   상기 플레이트의 상기 제1 단자부와 상기 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 상기 양 단부 중 상기 적어도 한 곳과 상기 플레이트 사이에 배치된 발열체; 및
   상기 제1 단자부 또는 상기 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 단자부 중 하나는 상기 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고,
   상기 한 쌍의 수 히터 단자는 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 상기 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고,
   상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고,
   상기 절연부는 상기 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치된 연료 전지.
2. 제1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 각각 삽입되는 공간을 형성하는 몸체를 포함하고,
   상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각은
   상기 한 쌍의 수 히터 단자가 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되었을 때,
   상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 상면과 접하는 상면; 및
   상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 하면과 접하며, 상기 상면의 반대측 하면을 포함하는 연료 전지.
3. 제2 항에 있어서, 상기 절연부는
   상기 몸체의 상기 내측 하면의 반대측 외측 하면 위에 배치되고,
   상기 몸체의 상기 외측 하면은 상기 제2 부분에 해당하고,
   상기 몸체의 상기 외측 하면의 평면적은 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각의 상기 상면의 평면적보다 큰 연료 전지.
4. 제2 항에 있어서, 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각의 상기 상면은 상기 제1 부분에 해당하고,
   상기 절연부는 상기 상면 위에 배치된 연료 전지.
5. 제2 항에 있어서, 상기 절연부는
   상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 바깥면을 튜브 형태로 감싸는 절연 튜브를 포함하는 연료 전지.
6. 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
   상기 셀 스택의 양 단부 중 적어도 한 곳에 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 플레이트; 및
   상기 플레이트의 상기 제1 단자부와 상기 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 상기 양 단부 중 상기 적어도 한 곳과 상기 플레이트 사이에 배치된 발열체를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 단자부 중 하나는 상기 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고,
   상기 플레이트는
   상기 제1 단자부를 노출시키는 단자 장착홀; 및
   상기 단자 장착홀과 상기 제1 방향으로 적어도 일부가 중첩하고, 상기 단자 장착홀을 향하여 상기 제2 방향으로 돌출된 결합 가이드 부재를 포함하는 연료 전지.
7. 제6 항에 있어서, 상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 각각 삽입되는 공간을 형성하는 몸체를 포함하고,
   상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각은
   상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 상면과 접하는 상면; 및
   상기 공간을 형성하는 상기 몸체의 내측 하면과 접하며, 상기 상면의 반대측 하면을 포함하고,
   상기 결합 가이드 부재의 적어도 일부는 상기 한 쌍의 수 히터 단자 각각의 상기 상면과 상기 제1 방향으로 중첩하는 연료 전지.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 플레이트와 상기 발열체 사이에 배치된 패드를 더 포함하는 연료 전지.
9. 제8 항에 있어서, 상기 플레이트는
   상기 발열체 및 상기 패드 중 적어도 하나가 수용되며 상기 셀 스택과 대향하는 오목부를 포함하는 연료 전지.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 발열체와 상기 양 단부 중 상기 적어도 한 곳 사이에 배치된 집전판을 더 포함하는 연료 전지.
11. 제10 항에 있어서, 상기 집전판은 상기 오목부 내에 수용되는 연료 전지.
12. 제10 항에 있어서, 상기 집전판은 상기 오목부 위에 적층된 단면 형상을 갖는 연료 전지.
13. 제10 항에 있어서, 상기 결합 가이드 부재는
    상기 집전판과 상기 제1 단자부 사이에 배치된 연료 전지.
14. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 단자부 또는 상기 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 수 히터 단자는 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 상기 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고,
    상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고,
    상기 절연부는 상기 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치된 연료 전지.
15. 제1 항 또는 제6 항에 있어서, 상기 플레이트는
    상기 플레이트의 외부로부터 전류를 공급받는 히터 와이어링 커넥터; 및
    상기 제1 단자부를 상기 히터 와이어링 커넥터에 연결하는 와이어를 더 포함하는 연료 전지.
16. 제1 항 또는 제6 항에 있어서, 상기 플레이트는
    상기 셀 스택의 상기 양 단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나에 해당하는 연료 전지.
17. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 셀 스택의 상기 양 단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 플레이트는 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 중 적어도 하나와 상기 셀 스택의 양 단부 중 상기 적어도 한 곳 사이에 배치된 히터 플레이트를 포함하는 연료 전지.
18. 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
    상기 셀 스택의 양 단부에 각각 배치된 엔드 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트와 상기 양 단부 사이에 각각 배치된 히터 어셈블리를 포함하고,
    상기 히터 어셈블리는
    상기 엔드 플레이트와 상기 셀 스택의 양 단부 각각의 사이에 배치되고, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 돌출된 제1 단자부를 포함하는 히터 플레이트;
    상기 제1 단자부와 상기 제2 방향으로 결합하는 제2 단자부를 포함하고, 상기 히터 플레이트와 상기 양 단부 각각 사이에 배치된 발열체; 및
    상기 제1 단자부 또는 상기 제2 단자부 중 적어도 한 곳에 배치된 절연부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 단자부 중 하나는 상기 제2 방향으로 돌출된 한 쌍의 수 히터 단자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 단자부 중 다른 하나는 상기 한 쌍의 수 히터 단자가 삽입되는 한 쌍의 암 히터 단자를 포함하고,
    상기 한 쌍의 수 히터 단자는 상기 한 쌍의 암 히터 단자에 삽입되지 않고 상기 한 쌍의 암 히터 단자와 접하는 제1 부분을 포함하고,
    상기 한 쌍의 암 히터 단자는 상기 제1 부분과 접하는 제2 부분을 포함하고,
    상기 절연부는 상기 제1 또는 제2 부분 중 적어도 한 곳에 배치된 연료 전지.

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