KR100868652B1

KR100868652B1 - 연료전지 스택

Info

Publication number: KR100868652B1
Application number: KR1020070040118A
Authority: KR
Inventors: 윤봉국; 최치환; 전희권; 황정태; 배준강
Original assignee: 지에스퓨얼셀 주식회사
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2027-04-25
Also published as: KR20080095525A

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 집전판(10)이 셀의 반응면적(촉매활성면적)과 동일한 형상 및 면적으로 형성되고, 상기 집전판(10)과 동일한 형상 및 면적이고 그 두께보다 작은 깊이로 안착홈(21)이 인슐레이터(20)의 내측면에 형성되어, 스택 체결시 상기 안착홈(21)에 상기 집전판(10)이 삽입 안착되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기 집전판(10)에 의해 셀의 반응면적 전체에 체결압이 골고루 전달되고, 또한 상기 집전판(10)에 의해 엔드플레이트(30)의 변형이 방지되어 역시 체결압 분포의 균일성을 향상시키는 동일한 효과를 발생시킨다.

따라서, 셀의 반응면적 전체에 충분한 면압이 형성되어 스택의 발전성능이 향상될 뿐만 아니라 기밀성이 향상되고, 이러한 효과가 별도의 구성부품 추가 없이 이루어지므로 스택의 조립성 저하를 초래하지 않게 되는 장점이 있다.

Description

연료전지 스택{fuel cell stack}

도 1은 종래 연료전지 스택의 분해 사시도,

도 2는 종래 연료전지 스택의 집전판, 인슐레이터, 엔드플레이트의 측면도,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 집전판, 인슐레이터, 엔드플레이트의 측면도로서, (a)는 스택 체결 전 상태도, (b)는 스택 체결 후 상태도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택 일측 단부의 조립 상태 개략 단면도,

도 6의 (a),(b)는 각각 종래와 본 발명에 따른 엔드플레이트의 변위 분포도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 집전판 20 : 인슐레이터

21,22 : 안착홈 30 : 엔드플레이트

31 : 돌출면

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 특히 추가 부품 없이 스택 체결압 분포의 균일성을 향상시킬 수 있도록 된 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지 시스템의 스택(stack)은 연료변환기로부터 공급된 수소가스를 이용하여 전기와 열을 발생시키는 발전 본체로서 다수의 단위 셀(cell)이 적층되어 구성된다.

상기 셀은 막전극접합체(MEA; membrane electrode assembly)와 분리판(bipolar plate ; 양극판)으로 이루어지는데, 상기 막전극접합체는 전해질막의 양측면에 연료극(anode)와 공기극(cathode)이 밀착되어 이루어지며, 각 전극은 촉매층과 가스확산층(GDL ; gas diffusion layer)을 포함한다.

상기 분리판은 양쪽 측면에 공기채널과 수소채널이 형성되어 상기 막전극접합체의 사이마다 위치하여, 인접 셀 간의 연료극과 공기극 사이의 가스유동을 차단하여 각 셀의 독립적인 발전작용이 정상적으로 이루어지도록 하고, 각 셀들을 직렬로 연결함으로써 각 셀에서 생산된 전기가 통합 출력될 수 있도록 되어 있다.

상기 셀들이 필요한 수로 적층된 후, 그 양쪽 외측에는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이(도면에는 상하방향으로 도시되었으며, 셀은 생략되었다.), 출력단자(11)가 돌출성형된 집전판(current collector ; 10)이 위치되고, 상기 집전판(10)의 외측으로 외부로의 누전차단을 위해 절연체로 제작된 인슐레이터(20)가 위치되며, 상기 인슐레이터(11)의 외측에 스택 강성 유지를 위해 최종적으로 엔드플레이트(30)가 위치되고, 그 전체에 타이로드(tie rod)가 관통 체결됨으로써 스택의 적층 상태가 견고히 유지되도록 되어 있다.

따라서, 상기 집전판(10)을 통해 셀들에서 생산된 전력이 외부로 출력될 수 있으며, 상기 인슐레이터(20)에 의해 외부로의 누전이 차단되어 전기적 안전성이 확보되고, 상기 엔드플레이트(30)에 의해 타이로드에 의한 체결력이 셀의 전체 반응면적으로 분산됨으로써 반응가스의 밀봉과 발전반응에 필요한 충분한 면압이 형성될 수 있도록 되어 있었다.

그러나, 상기 스택은 타이로드와 그 단부에 체결되는 너트간에 발생하는 국부적으로 강력한 나사 체결력에 의해 체결되어 있으므로 엔드플레이트(30)가 타이로드가 관통된 스택의 사이드 부분에 비하여 중간부분(촉매활성면적에 대응)이 외측으로 볼록해지는 형태로 휨 변형되며, 이에 따라 반응면적(촉매활성면적)의 면압이 저하되어 접촉저항이 증가함으로써 스택의 발전성능이 저하되고, 반응가스 및 발전반응시 생성되는 물의 기밀성도 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 종래에는 US6,428,921에서와 같이 볼트를 설치하거나, US6,200,698과 같이 유체층을 두거나, 또는 US6,372,372에서와 같이 스프링을 설치하여 반응면적 부위 전체로의 체결압 분산을 강화하여 그 면압 분포를 균일하게 하였다.

그러나, 상기와 같이 종래에는 반응면적의 체결압 증가를 위하여 추가로 부품을 설치함으로써 스택의 구조가 복잡해지고 조립성이 저하되는 또 다른 단점이 발생하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 사안을 감안하여 발명된 것으로, 별도의 추가 부품을 필요로 하지 않음으로써 스택 조립성을 저하시키지 않으면서도 스택 반응면적의 체결압을 충분한 크기로 균일하게 형성할 수 있게 됨으로써 발전 성능 및 기밀성을 향상시킬 수 있도록 된 연료전지 스택를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

적층된 셀의 외측에 집전판이 배치되고, 상기 집전판의 외측에 인슐레이터가 배치되며, 상기 인슐레이터의 외측에 엔드플레이트가 배치되고, 이들 전체를 관통하는 타이로드를 매개로 체결이 이루어지는 연료전지 스택에 있어서,

상기 인슐레이터의 내측면에 안착홈이 형성되고, 그 안착홈에 상기 집전판이 삽입되며, 상기 집전판은 상기 안착홈에 삽입 안착되었을 때 상기 안착홈으로부터 돌출되는 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인슐레이터의 외측면에 안착홈이 형성되고, 상기 엔드플레이트의 내측면에 돌출면이 형성되어, 그 돌출면이 상기 안착홈에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기 집전판이 반응면적의 가압 구조물로서 작용하여 반응면적 전체에 걸쳐 균일하게 체결압이 상승 분포될 수 있게 된다.

또한, 그러한 체결합 상승 작용은 상기 엔드플레이트의 돌출면에 의해 강화된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도(적층 상태의 셀 제외) 이고, 도 4는 스택 일측 단부의 측면도이다.

본 발명에 따른 연료전지 스택은 적층된 다수의 셀(집전판(10)의 사이에 위치되나 도시하지 않음)의 양쪽에 집전판(10)이 배치되고, 그 외측으로 인슐레이터(20)가 배치되며, 그 외측으로 엔드플레이트(30)가 배치되어, 타이로드를 매개로 체결된 구조로 이루어진다.

상기 집전판(10)은 전도성이 우수한 금속판으로 제작되고, 상기 인슐레이터(20)는 전기 절연성을 갖는 고분자 수지 복합체(섬유강화플라스틱;절연등급 EL-G) 또는 표면 절연 처리된 금속판 등으로 제작된다.

상기 구조에 있어서, 본 발명은 상기 인슐레이터(20)의 내측면━스택의 중앙을 향하는 면, 이와 반대로 스택의 외측을 향하는 면을 외측면으로 칭하기로 한다.━에 평판형의 안착홈(21)이 형성되고, 그 안착홈(21)에 상기 집전판(10)이 삽입 안착되는 것을 특징으로 한다.

집전판(10)에는 전기 출력을 위한 출력단자(11)가 형성되어 있으므로 스택 체결시 상기 출력단자(11)가 외부로 돌출될 수 있도록 상기 인슐레이터(20)에 상기 안착홈(21)으로부터 외측으로 연통되는 절개홈(21a)이 형성된다.

상기 집전판(10)은 상기 인슐레이터(20)의 면적보다 작게 제작되고, 또한 촉매활성면적 또는 가스 확산층 즉, 반응면적과 동일하거나 유사한 형상 및 면적으로 제작되어, 스택 체결시 반응면적에 압력을 가할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 집전판(10)은 상기 인슐레이터(20)에 형성된 안착홈(21)의 깊이보다 두껍게 형성된다. 즉, 집전판(10)의 두께 T와 상기 인슐레이터(20)의 내측면 에 형성된 안착홈(21)의 두께 t는 T 〉t 의 관계를 갖는다.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 최외측 분리판(8)과 상기 인슐레이터(20)의 사이에는 갭(G;gap)이 형성되므로 이 부분을 수직 관통하여 형성되는 반응가스의 매니폴드를 밀봉하기 위하여 가스켓(40)이 설치된다.

따라서, 타이로드에 의한 스택 체결시, 상기 가스켓(40)의 탄성 변형도를 고려하여 상기 안착홈(21)으로부터의 집전판(10)의 돌출량(T-t)을 설계함으로써 반응면적에 적절한 면압이 형성되도록 한다.

또한, 상기와 같이 집전판(10)이 반응면적 전체를 덮고 있으므로 타이로드에 의한 체결력이 집전판(10)을 통해 반응면적 전체에 골고루 작용하므로 반응면적 전체에 균일한 면압이 형성된다. 즉, 체결력 분포도가 향상된다.

또한, 스택 체결시 엔드플레이트(30), 인슐레이터(20) 등 스택의 외곽 부재가 휠 때 집전판(10)에 가해지는 압력(P₁)에 대해 집전판(10)에 반력 P₂가 발생하므로 상기 집전판(10)은 스택 외곽부 특히 엔드플레이트(30)의 휨 현상을 방지하는 역할을 하게 되며, 이와 같이 엔드플레이트(30)의 휨이 억제됨으로써 엔드플레이트(30)에 의한 체결력이 반응면적에 정상적으로 작용하게 됨으로써 충분하고 균일한 면압 형성에 일조하게 된다.

한편, 상기 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인슐레이터(20)의 외측면에는 상기 집전판(20) 및 그의 안착홈(21) 즉, 반응면적과 동일한 형상과 면적을 갖는 또 다른 안착홈(22)이 형성되고, 이에 대응하여 상기 엔드플레이트(30)의 내측면에는 상기 인슐레이터(20) 외측면의 안착홈(22)에 삽입 안착되는 돌출면(31)이 형성된다.

상기 돌출면(31)은 상기 안착홈(22)과 동일한 형상 및 면적으로 형성되는 바, 역시 반응면적에 대응되는 즉, 촉매활성면적 또는 가스확산층과 동일한 형상과 면적을 갖는다.

상기 돌출면(31)의 두께는 자신을 제외한 엔드플레이트(30)의 두께보다 작은 값으로 형성된다. 또한, 상기 돌출면(31)이 삽입 안착되는 인슐레이터(20) 외측면의 안착홈(22)의 깊이는 상기 돌출면(31)의 두께와 같은 값을 갖도록 형성된다.

따라서, 스택 체결시 인슐레이터(20)와 엔드플레이트(30)의 결합상태는 도 4(b)와 같이, 상기 엔드플레이트(30)의 돌출면(31)이 인슐레이터(20) 외측면의 안착홈(22)에 완전히 삽입되어 엔드플레이트(30)와 인슐레이터(20)는 완전히 밀착된다.

상기 돌출면(31)의 형성에 의하여 상기 엔드플레이트(30)의 휨 변형이 억제되는데, 이에 따라 엔드플레이트(30)에 의한 반응면적으로의 체결압 전달이 효과적으로 이루어진다. 즉, 상기 엔드플레이트(30)의 돌출면(31)은 반응면적에 추가 압력을 부여하여 상기 집전판(10)의 역할을 보조하여 효과를 배가할 수 있다.

따라서, 스택의 반응면적에서 접촉저항이 감소하여 스택의 발전 작용이 원활히 이루어짐으로써 스택 성능이 향상되고, 또한 기밀성이 향상되어 내부 반응가스의 누출이 확실히 방지된다.

상기 돌출면(31)이 형성되기 전과 형성된 후의 엔드플레이트(30)의 변위 분 포를 측정하여 도 6에 나타내었다. 이때 돌출면(31)이 형성된 엔드플레이트의 두께는 돌출면(31)이 형성되지 않은 엔드플레이트 두께의 75%로 제작하였다.

도시된 바와 같이, (a)와 (b)의 경우 모두 반응면적의 중심 부분의 변위가 가장 큼을 알 수 있다.

그러나, (a)의 경우에 비하여 (b)의 경우와 같이 돌출면(31)을 형성하였을 때 중심 부분의 최대 변위값은 1.183e-002mm에서 7.353e-0.003mm로 약 40% 감소하였음을 확인할 수 있다.

이는 상기 돌출면(31)을 형성함으로써 엔드플레이트(30)의 두께를 감소시키면서도 체결압 분포성을 향상시킬 수 있는 것을 확인시켜 준다.

한편 또 다른 방법으로 체결압 분포를 확인하기 위하여 감압지(Fuji, Prescalefilm)를 이용하여 면압 분포를 측정하여 본 결과, 감압지의 면압 분포를 나타내는 농도 분포는 기존 방식의 경우 0.6~1.2이고 본 발명의 경우 1.0~1.2로 나타나 종래에 비하여 체결압 분포가 향상되었음을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 스택의 체결압 분포성이 향상되어 반응면적의 면압이 증가됨으로써 스택의 발전성능 및 기밀성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 체결압 분포성의 향상이 별도의 구성품을 추가하지 않고 이루어지므로 스택의 조립 생산성을 저하시키지 않게 된다는 장점이 있다.

또한, 엔드플레이트의 두께를 감소시킬 수 있게 됨으로써 스택의 중량과 크기가 감소되는 효과도 있다.

Claims

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적층된 셀의 외측에 집전판(10)이 배치되고, 상기 집전판(10)의 외측에 인슐레이터(20)가 배치되며, 상기 인슐레이터(20)의 외측에 엔드플레이트(30)가 배치되고, 이들 전체를 관통하는 타이로드를 매개로 체결이 이루어지는 연료전지 스택에 있어서,

상기 인슐레이터(20)의 내측면에 안착홈(21)이 형성되고, 그 안착홈(21)에 상기 집전판(10)이 삽입되며, 상기 집전판(10)은 상기 안착홈(21)에 삽입 안착되었을 때 상기 안착홈(21)으로부터 돌출되는 두께로 형성되고,

상기 집전판(10)과 상기 안착홈(21)은 상기 셀의 반응면적과 동일한 형상과 면적을 가지며,

상기 인슐레이터(20)의 외측면에 안착홈(22)이 형성되고, 상기 엔드플레이트(30)의 내측면에 돌출면(31)이 형성되어, 그 돌출면(31)이 상기 안착홈(22)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 5에 있어서, 상기 엔드플레이트(30)의 돌출면(31)은 자신을 제외한 엔드플레이트(30)의 두께보다 작은 값의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 6에 있어서, 상기 엔드플레이트(30) 돌출면(31)의 두께와 상기 인슐레이터(20) 외측면의 안착홈(22)의 깊이는 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 5 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔드플레이트(30)의 돌출면(31)과 상기 인슐레이터(20) 외측면의 안착홈(22)은 상기 셀의 반응면적과 동일한 형상 및 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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