KR100332303B1 - 연료전지의 스택 체결장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 체결장치에 관한 것으로, 로드 셀(300)이 압력용기(400)외부에 배치된 상태에서 지지바(21)를 통해 전달되는 상판(20)의 가압력을 감지하여 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력을 측정하므로, 압력용기(400)의 내부 조건과는 무관하게 로드 셀(300)이 항상 안정적인 동작 특성을 갖는 이점이 있다.

Description

연료전지의 스택 체결장치{An apparatus for contracting stack of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 스택 체결장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스택 유니트에 가하여지는 압축력을 측정하는 로드 셀을 압력용기의 외부에 배치하여 로드 셀이 항상 안정적인 동작 특성을 갖도록 한 연료전지의 스택 체결장치에 관한 것이다.
주지돤 바와 같이, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.
특히, 연료전지 중에서 용융탄산염 연료전지는 탄산염의 용융물을 전해질로 사용하여 작동온도가 650℃로 높기 때문에 전기화학 반응의 속도가 빨라 저온형 연료전지와는 달리 백금 등의 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 전기와 고온의 배열을 함께 이용할 경우 80% 이상의 열효율을 기대할 수 있어 석탄 가스화에 의한 복합 열병합 발전이 가능하다.
이러한 용융탄산염 연료전지의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 연료극(anode) 및 산소극(cathode), 연료가스와 산화제가스의 유로를 형성하는 분리판, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 연료극으로 연료가스를 공급하고 산소극으로는 산화제가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기화학반응이 발생하여 직류전력이 얻어진다. 이때 전지전체에서는 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되는 반응이 일어난다.
이러한 단위셀의 전압은 정격방전시에 약 0.8V로 낮기 때문에 실제 발전에서는 기본 구성셀인 단위셀을 다수 적층하여 전압을 높이고, 셀 면적을 증가시켜 고출력화를 달성하게 된다. 이렇게 단위셀을 여러 단 적층한 것을 스택(stack)이라 부른다.
한편, 전해질판은 탄산리툼(Li2CO3)관 탄산칼륨(K2CO3)의 혼합물을 사용하는데, 탄산리툼과 탄산칼륨의 혼합탄산염에 용제와 바인더 등을 첨가하여 0.3~0.4㎜ 두께의 시트로 제작하여 적층의 편의를 도모한다.
여기서, 스택의 온도를 조업온도로 올리는 이른바 전처리(pre-treatment)기간동안에 전해질판의 용제와 바인더 등은 산화되어 제거되며, 혼합탄산염 전해질은 상온에서 고체상태이다가 약 500℃의 온도에서 용융되고, 온도가 650℃로 올라가면 액체로 변화여 매트릭스의 기공 사이로 침투하여 없어지며, 용융된 전해질은 매트릭스 기공사이를 채우고 연료극 및 산소극의 기공으로 들어간다.
이때, 전해질판이 고온에서 녹아 전극과 매트릭스에 함침되면 전해질판의 두께 차이만큼 단위셀이 아래로 내려앉는데, 통산 단위셀을 100장정도 적층하면 약 10㎝ 가량 아래로 내려 앉는다.
따라서, 연료전지의 스택에 일정한 면압을 가하여 전극과 매트릭스의 접촉 저항이 최소화되게 체결하여야만 하며, 이를 위한 장치는 스택 체결장치로 불리워지는데, 이 연료전지 스택 체결장치는 크게 2가지 종류로 구분되는바, 압력용기를 채택하는 폐쇄형 스택 체결장치와 이 압력용기를 채택하지 않은 개방형 스택 체결장치로, 도 1은 종래 개방형 연료전지 스택 체결장치의 구성도를 나타내고 있다.
여기서 후자인 개방형 연료전지 스택 체결장치는 스택 유니트(1)를 일정한 압력으로 압축하기 위한 스택 스탠드(2)와, 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력을 측정하는 로드 셀(3)로 나뉘어진다.
스택 스탠드(2)에서 참조부로 10은 유압실린더, 11은 실린더브래킷, 12는 실린더로드, 13은 가이드바, 14는 하판, 15는 하단열판, 16은 가열판, 17은 상단열판, 18은 연결로드, 19는 코일스프링 20은 상판, 21은 지지바, 22는 너트이다.
이와 같이 구성된 스택 체결장치는, 동력원인 유압실린더(11)가 팽창되어 실린더로드(12)가 신장되면 하판(14)과 로드 셀(3) 및 하단열판(15)이 가이드바(13)를 따라 상승된다.
지속적인 유압실린더(11)의 팽창에 의해 하판(14)과 상판(20)이 근접되면서 스택 유니트(1)에 압력이 가해져 압축되며, 코일스프링(19)은 완충력을 제공하여 급격한 압력의 변화로부터 스택 유니트(1)을 보호한다.
여기서, 스택 유니트(1)에는 단위셀들의 체결을 위해 필요한 일정한 면압만이 제공되어야 한다. 즉 면압이 낮으면 스택 유니트(1)의 체결 불량으로 전지 성능이 저하되며 면압이 높으며 스택 유니트(1)가 파손되기 때문이다.
그러므로, 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력을 지속적으로 측정할 필요가 있으며, 이러한 기능은 하판(14)과 하단열판(15)사이에 배치된 로드 셀(3)에 의해 수행된다.
그러나 전술한 바와 같은 종래의 개방형 스택 체결장치는, 주요 구성품인 로드 셀이 하판과 하단열판과의 사이에 배치되어 있음을 알 수 있다.
이와 같은 개방형 스택 체결장치는 압력용기를 설치하지 않은 대기상태에서 가동될때 로스 셀에 별도의 문제점이 발생되지 않으나 에너지효율 및 체결 성능이 우수한 압력용기를 갖춘 폐쇄형에 적용하면 로드 셀이 제기능을 발휘하지 못하는 문제점이 있다.
즉, 폐쇄형의 스택 체결장치는 유압실린더 상부의 모든 구조가 압력용기에 수용된 상태에서 가동되며, 압력용기는 가열판에 의해 고온의 내부 분위기가 유지되므로 로드 셀이 오작동하거나 파손될 우려가 매우 높다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 압력용기의 외부로 로드 셀을 배치하여 지지바를 통해 전달되는 상판의 가압력을 감지하여 스택 유니트에 가하여지는 압축력을 측정하도록 함으로써, 개방형은 물론이고 폐쇄형에 적용되더라도 로드 셀이 오동작 또는 파손되지 않도록 하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택 개방형 체결장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 폐쇄형 체결장치의 구성도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
1 - 스택 유니트 2 - 스택 스탠드
10 - 유압실린더 11 - 실린더브래킷
14 - 하판 20 - 상판
21 - 지지바 22 - 너트
200 - 기대 300 - 로드 셀400 - 압력용기
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 스택 체결장치는, 스택 유니트를 일정한 압력으로 압축하기 위한 스택 스탠드와, 상기 스택 유니트에 가하여지는 압축력을 측정하는 로드 셀, 상기 스택 스탠드를 압축 및 이완시키는 실린더 브래킷에 위치 고정된 유압 실린더와, 이 유압 실린더의 압축 또는 팽창력에 의해 승강되어 상기 스택 유니트를 상·하에서 압축하는 하판 및 상판과, 한쪽이 상기 브래킷에 결합되고 다른 쪽이 상기 상판에 결합되어 상기 하판 및 상판을 지지하며 상기 상판의 상기 실린더로부터의 이탈거리를 제한하는 지지바를 포함하는 연료전지의 스택 체결장치에 있어서, 상기 로드 셀은 상기 실린더 브래킷에 고정되며, 상기 지지바를 통해 전달되는 상기 상판의 가압력을 감지하여 상기 스택 유니트에 가하여지는 압축력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하기로, 상기 실린더 브래킷에는 지지바가 유통 가능한 통공이 형성되고, 상기 로드 셀은 축방향의 중공(中空)을 가지며, 상기 지지바는 상기 통공 및 중공을 통과하여 그 선단에 너트가 결합된다.
본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명에 따른 폐쇄형 연료전지 스택 체결장치의 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 스택 체결는, 스택 유니트(1)를 일정한 압력으로 압축하기 위한 스택 스탠드(2)와, 이 스택 스탠드(2)의 상부를 밀폐하는 압력용기(400)와, 축방향의 중공을 가지며 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력을 측정하는 로드 셀(300)로 나뉘어진다.여기서 상기 압력용기(400)는 공지의 설치 방식대로 기대(200)의 베이스면 상부쪽에 설치되어 압축되는 스택유니트(2)를 밀폐시킨 하우징 구조로서, 이 압력용기(400)의 외부에 설치된 유압실린더(10)의 실린더로드(12)가 승하강 되는 안내구멍을 갖추고 있다.
한편 상기 스택 스탠드(2)는 지지바(21)가 유통 가능한 통공을 가지는 실린더브래킷(11)에 의해 그 위치가 고정된 유압실린더(10)와, 이 유압실린더(10)에 설치되는 승하강 작동하는 실린더로드(12)에 연결된 하판(14), 그리고 이 하판(14)에 얹혀진 스택 유니트(1)를 압축하는 상판(20), 스택 유니트(1)를 가열하는 가열판(16), 하판(14)과 가열판(16)과의 사이에 배치되어 단열 기능을 수행하는 하단열판(15) 및 상단열판(17)과, 하판(14) 및 상판(20)의 승강 이동로를 안내하는 가이드바(13)와, 상판(20)과 상단열판(17)을 일체화하는 연결로드(18)와, 상판(20)고 상단열판(17)과의 급속한 밀착을 방지하는 완충역할의 코일스프링(19)과, 한쪽은 상판(20)에 결합되고 다른 쪽은 실린더 브래킷(11)의 통공 및 로드 셀(300)의 중공을 통과하여 그 선단에서 상판(20)에 체결되는 너트(22)가 결합되어 하판(14) 및 상판(20)을 지지하며 유압실린더(10)로부터의 이탈 거리를 제한하는 지지바(21)로 구성된다.
여기서 상기 로드 셀(300)은 지지바(21)에 의해 실린더브래킷(11)에 고정되며, 지지바(21)를 통해 전달되는 상판(20)의 가압력을 감지하여 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력을 측정한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 스택 체결장치는, 동력원인 유압실린더(11)가 팽창되어 실린더로드(12)가 신장되면 하판(14)과 하단열판(15)이 가이드바(13)를 따라 상승된다.
지속적인 유압실린더(11)의 팽창에 의해 하판(14)과 상판(20)이 근접되면서 스택 유니트(1)에 압력이 가해져 압축되며, 코일스프링(19)은 완충력을 제공하여 급격한 압력의 변화로 부터 스택 유니트(1)를 보호한다.
여기서, 유압실린더(10)의 팽창력, 즉 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력에 의해 상판(20)은 외부로의 이탈력을 가지며, 그 힘 및 거리는 상판(20)에 한쪽 선단이 너트(22)로 결합된 지지바(21)에 의해 제한된다.
그러므로, 상판(20)의 이탈력, 즉 가압력은 지지바(21)로 전달되며, 지지바(21)의 다른쪽 선단에 결합된 너트(22)에 의해 로드 셀(300)까지 그 힘이 전달된다. 즉 지지바(21)가 실린더브래킷(11)의 통공 및 로드 셀(300)의 중공을 통과한 상태에서 그 선단에 너트(22)가 결합된 상태이므로 상판(20)의 가압력은 너트(22)에 의해 로드 셀(300)에 가하여지는 압력으로 나타난다.
따라서, 로드 셀(300)은 지지바(21)를 통해 전달되는 상판(20)의 가압력을 감지하여 스택 스탠드(2)가 스택 유니트(1)에 가하는 압축력을 측정하게 되며, 이 측정값에 따라 유압실린더(10)의 압축 및 팽창 상태가 적절히 조절되어 단위셀들의 체결을 위해 필요한 일정한 면압만을 스택 유니트(1)에 제공한다.
이와 같이, 상기 로드 셀(300)은 압력용기(400)의 외부에 배치된 실린더브래킷(11)에 고정된 상태에서 지지바(21)를 통해 전달되는 상판(20)의 가압력을 감지하여 스택 유니트(1)에 가하여지는 압축력을 측정하므로 압력용기(400)의 폐쇄된 내부의 고온 조건과는 무관하게 항상 안정적인 동작 특성을 갖는다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스택 유니트에 가하여지는 압축력을 측정하는 로드 셀이 압력용기의 외부에 배치되어 내부의 고온 조건에 의해 오동작 또는 파손되지 않으므로 안정적인 동작 특성을 갖는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 스택 유니트를 일정한 압력으로 압축하기 위한 압력용기 내부에 설치되는 스택 스탠드와, 상기 스택 유니트에 가하여지는 압축력을 측정하는 로드 셀 상기 스택 스탠드를 압축 및 이완시키는 실린더브래킷에 위치고정된 유압실린더, 이 유압실린더의 압축 또는 팽창력에 의해 승강되어 상기 스택 유니트를 상·하에서 압축하는 하판 및 상판과, 한쪽이 상기 실린더브래킷에 결합되고 다른쪽이 상기 상판에 결합되어 상기 하판 및 상판을 지지하며 상기 유압실린더로부터의 이탈 거리를 제한하는 지지바를 포함하는 연료전지의 스택 체결장치에 있어서,
    상기 로드 셀(300)은 압력용기(400)외부에 설치되어 상기 실린더브래킷(11)에 고정되며, 상기 지지바(21)를 통해 전달되는 상기 상판(20)의 가압력을 감지하여 상기 스택유니트에 가하여지는 압축력을 측정하는 것을 특징으로 한 연료전지의 스택 체결장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실린더브래킷(11)에는 상기 지지바(21)가 유통 가능한 통공이 형성되고, 상기 로드 셀(300)은 축방향의 중공을 가지며, 상기 지지바(21)는 상기 통공 및 중공을 통과하여 그 선단에서 상판(20)에 체결되는 너트(22)가 결합된 것을 특징으로 한 연료전지의 스택 체결장치.
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