KR100514375B1 - 연료전지 스택 체결장치 - Google Patents

Abstract

리벳을 이용한 밴드 체결로 부피축소 및 체결 안정성을 확보하며, 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료전지 스택의 기밀성이 향상되도록;

적층된 연료전지 분리판의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트와; 상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하는 면압유지수단; 상기 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트를 다수개의 밴드를 이용하여 하나로 체결하는 밴딩수단을 포함하는 연료전지 스택 체결장치를 제공한다.

Description

연료전지 스택 체결장치{A DEVICE FOR TIGHTENING STACKS OF FUEL CELL IN ELECTRIC VEHICLES}

본 발명은 전기자동차 등에 사용되는 연료전지 스택 체결장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 분리판으로 구성된 연료전지의 스택 체결 시, 밴드를 이용하여, 분리판에 작용하는 불필요한 굽힘하중을 감소시키고, 분리판 내의 면압분포를 일정하게 하는 연료전지 스택 체결장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 연료전지는 수소이온을 투과하는 전해질층이 있으며, 수소극과 산소극으로 다음에 따르는 반응에 의해 기전력을 발생시킨다.

음극: H₂ ?? 2H⁺+2e^- , 양극: (1/2)O₂ +2H⁺+2e ^-??H₂O

즉, 음극에 사용되는 수소는 개질기에 의하여 변환하여 얻거나 수소를 압축하여 사용한다. 또한, 양극에 사용되는 산소는 일반적으로 공기를 사용한다.

상기 연료전지는 전해질층의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 전해질형 연료전지, 고체 고분자형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등 여러 가지로 구별되며, 일반적으로는 고체 전해질형 연료전지가 출력 밀도가 제일 높고, 그 다음에 고체 고분자형 연료전지가 높다.

하지만, 고체 전해질형 연료전지는 작동 온도가 매우 높아서 단시간에 출력을 내야 하는 자동차에 적용하기는 어려운 점이 많기 때문에, 고체 고분자형 연료전지가 자동차에 많이 쓰이고 있는 추세이며, 그 구조는 소형화하기 쉬운 수소이온이 이동하는 고분자막을 전해질로 사용한다. 대표적으로는 듀폰사의 나피온이라는 제품이 많이 쓰이며, 탄소층에 백금촉매를 입힌 구조이다.

이와 같은 연료전지는 기존의 내연기관과는 달리 배기가스가 발생되지 않아 환경 친화적이며, 석유자원의 고갈과 지구환경 보호를 위해서는 연료전지가 확실한 대안 중 하나이며, 현재 계속적인 연구 개발에 의해 점차로 소형화되고, 경량화, 고출력을 위한 형태로 발전해가고 있는 상황이다.

연료전지의 셀 1개의 이론적인 전압은 약 1.2 V 이며, 전압을 높이기 위하여 복수개의 셀을 적층하는데, 셀을 적층한 여러 개의 단위는 스택이라고 한다.

이러한 셀은 분리판이 주로 탄소섬유 복합재료로 이루어져 있으며, 가스켓을 이용하여 전기 화학반응을 위한 연료가 새어나가지 않도록 하고 있다.

분리판과 분리판 사이에는 전극 전해질 어셈블리(MEA)가 위치하여 화학반응이 일어나고, 가스교환을 효율적으로 하기 위한 가스 확산층(GDL)이 위치하며, 한쪽 분리판의 가스통로를 통과한 수소는 가스확산층을 통하여 전극 전해질 어셈블리에 도달하고 마주보는 쪽에서는 산소가 위치한다.

화학반응에 의하여 발생한 전류는 도체의 분리판을 통하여 흐르게 되며, 분리판의 맨 끝에서 전극을 통하여 뽑아낸다. 또한, 발생한 물은 외부로 방출시키거나 화학반응을 일으키는데 일부 사용되기도 하는데, 이 때, 가능한 많은 양의 전류가 흐르는 연료전지가 효율이 좋게 되며, 이에 영향을 끼치는 요소는 많이 있지만, 분리판과 분리판 사이의 면압이 하나의 요소가 된다.

상기 면압이 너무 작은 경우는 분리판과 분리판 사이의 접촉 저항이 커져서 전류가 흐르지 않을 수가 있으며, 면압이 너무 큰 경우는 가스확산층이 너무 압축되어서 가스 확산이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다.

따라서 전류가 효율적으로 흐르는 면압이 존재하게 되며, 이는 기계적 체결장치를 변경함으로써 면압 분포를 효율적으로 개선할 수 있다.

하지만, 다수의 셀을 적층하는 스택에서는 셀의 적층 정밀도가 내부 저항으로 나타나기 때문에, 극단적으로 많은 셀을 적층하는 경우 각 셀에 연료를 균등하게 공급하기 어려워지고, 이는 연료전지의 효율을 감소시키는 작용을 한다.

도 1과 도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결 구조 및 주요 체결부를 확대하여 나타낸 도면으로써, 종래 연료전지 스택 체결장치는 다수개 배열된 분리판(110)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(120,121)와, 상기 2개의 엔드 플레이트(120,121)를 연결하는 다수의 체결봉(130) 및 체결너트(140)로 이루어져 있다.

이 때, 상기 너트(140)는 체결봉(130) 끝부분에 형성된 수나사(150)에 체결되어 그 조임 상태에 따라 양측 엔드 플레이트(120,121)가 다수개의 연료전지 분리판(110)에 대하여 양측면을 가압하여 체결하게 된다.

이러한 종래의 연료전지 스택의 체결구조에 있어서, 그 문제점은 체결봉(130)과 스택(110)간의 간격(G)으로 인하여, 체결시 불필요한 굽힘하중이 작용하게 되며, 이에 따라 스택 전체 면적에 고른 압력을 유지할 수 없게 되어 연료전지 스택의 기밀을 유지할 수 없게 되는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 자동차에 탑재하는 부품은 가능한 부피를 줄여야 할 필요성이 있으며, 이러한 관점에서, 기존의 특허를 살펴보면, 미국 특허 US 6,258,475 B1에 제시된 구조도 스택을 외부의 봉으로 체결한 구조로 그 체결부에 의해 불필요한 공간이 형성되며, 한국 실용신안공개 제2000-0019031호도 스프링을 이용한 체결봉을 사용한 구조가 적용되며, 이 구조의 장점은 면압의 변화가 스프링에 의하여 감소하지만, 이 역시 불필요한 공간이 형성되는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 많은 연료전지 스택의 체결구조는 체결봉 대신 얇은 판이나 밴드를 이용한 구조로 바뀌고 있는 추세이며, 미국특허 US 6,270,917 B1에 보면, 체결봉이 내부에 위치하도록 하여 체결봉에 의한 불필요한 부피증가를 감소시켰으나, 이 또한 기존의 외부에서 체결하도록 설계된 분리판을 다시 설계해야 한다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 리벳을 이용한 밴드 체결로 부피축소 및 체결 안정성을 확보하며, 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시키고, 전면적에 대한 압력분포를 균일화하도록 하여 연료전지 스택의 기밀성이 향상되도록 하는 연료전지 스택 체결장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 연료전지 스택 체결장치는 다수개의 연료전지 셀의 분리판이 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 체결하기 위하여, 상기 적층된 연료전지 분리판의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트와; 상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하는 면압유지수단; 상기 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트를 다수개의 밴드를 이용하여 하나로 체결하는 밴딩수단을 포함하며,

상기 면압유지수단은 상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되는 중간 플레이트와; 상기 중간 플레이트와 상기 일측 엔드 플레이트 사이에 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 분리판에 대한 면압 변화를 감소시키는 탄성체로 이루어지는 것을 특징으로 하고,

상기 밴딩수단은 상기 각 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트의 상,하부면에 대응하여 배치되는 다수개의 수평밴드와; 상기 양측 엔드 플레이트의 외단면에 대응하여 배치되며, 양단이 상기 수평밴드와 체결되는 다수개의 수직밴드로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치를 적용하여 연료전지 스택을 체결한 상태의 조립 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치의 분해 사시도로써, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택 체결장치는 다수개의 연료전지 셀의 분리판(1)이 적층되어 구성되는 연료전지 스택(10)을 일정한 면압으로 체결하기 위한 것으로, 그 구성은 상기 적층된 연료전지 분리판(1)의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트(3,5)가 구비된다.

여기서, 상기 엔드 플레이트(3,5)는 알루미늄 합금 또는 스테인레스 재료나 방향성이 있는 유리섬유강화 플라스틱을 사용할 수 있으며, 두께는 15mm ~ 30mm 가량이 되며, 재료에 따라서 차이가 발생한다.

상기 양측 엔드 플레이트(3,5) 중에서, 일측의 엔드 플레이트(3)와 이에 대응하는 분리판(1) 사이에는 상기 분리판(1)의 전면적에 대하여 일정한 면압을 제공하도록 면압유지수단이 개재되는데, 상기 면압유지수단의 구성은 상기 일측 엔드 플레이트(3)와 이에 대응하는 분리판(1) 사이에 중간 플레이트(7)가 상기 분리판(1)에 접촉된 상태로 개재된다.

그리고 상기 중간 플레이트(7)와 상기 일측 엔드 플레이트(3) 사이에는 자체 탄성력에 의해 상기 분리판(1)에 대한 면압 변화를 감소시키도록 탄성체(9; 이하, 접시형 스프링과 혼용하여 사용함)가 개재된다.

본 실시예에서는 상기 탄성체(9)를, 도 5에서와 같이, 중앙에 홀(11)이 형성되고 이 홀(11)을 중심으로 하여 방사형으로 형성되는 2개의 접시형 스프링(9)을 개재하여 적용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 작용하중을 증가시키려면, 크기가 작은 여러 개의 접시형 스프링(9)을 적층시켜 직렬로 연결하고, 그 변위를 증가시키려면, 서로 다른 모양으로 여러 개를 적층시켜 병렬로 연결할 수 있다.

이러한 접시형 스프링(9)의 재료는 항복응력이 높을수록 스프링의 갯수를 줄일 수가 있기 때문에 부피를 감소하기 위해 항복응력이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 접시형 스프링으로 설계하기 곤란한 경우에는 탄성계수가 낮은 재료를 사용하여 대체할 수 도 있다.

그리고 상기 분리판(1)과 면압유지수단인 중간 플레이트(7)와 접시형 스프링(9) 및 양측 엔드 플레이트(3,5)는 밴딩수단을 통하여 하나로 체결하게 되는데, 상기 밴딩수단은 상기 각 분리판(1)과 중간 플레이트(7), 접시형 스프링(9) 및 양측 엔드 플레이트(3,5)의 상,하부면에 대응하여 각각 3개씩의 수평밴드(13)가 배치되고, 상기 양측 엔드 플레이트(3,5)의 외단면에 대응하여서는 각각 3개씩의 수직밴드(15)가 배치되어 각각의 양단이 상기 수평밴드(13)의 단부와 체결된다.

이 때, 상기 수평밴드(13)와 수직밴드(15)의 각 단부의 연결은 볼트체결에 비해서 지지하중이 높은 리벳이음(17)으로 체결되며, 리벳이음(17)의 개수는 수평 및 수직밴드(13,15)가 파괴되는 응력과 리벳이 파괴되는 응력이 동일하도록 하여 설계하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 수평밴드(13)와 수직밴드(15)는, 도 6과 도 7에서 도시한 바와 같이, 그 굽힘 강성을 보조하도록 그 각각의 길이방향으로 일측 단부가 휘어져 절곡된 절곡부(B)를 형성하며, 각 양단에는 리벳홀(H)이 형성되며, 상기 수직밴드(15)의 경우, 그 양단이 상기 수평밴드(13)의 단부에 평행하게 대응하도록 절곡된 수평 절곡면(P)을 형성하여 리벳이음이 용이하도록 구성된다.

여기서, 상기 수평밴드(13)와 수직밴드(15)는 각각 그 재질이 섬유강화 플라스틱, 스테인레스 스틸, 및 스틸 중의 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있으며, 통상, 강도 증가 및 부식방지를 위하여 약 1mm ~ 2mm 두께의 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 바람직하다. 절연을 위해서는 유리섬유강화 플라스틱을 사용할 수 도 있으나, 이 경우에는 스테인레스 스틸에 비해서 두께나 폭을 증가시킬 필요가 있다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택 체결장치에 의하면, 상기 일측의 엔드 플레이트(3)와 중간 플레이트(7) 사이에 개재되는 접시형 스프링(9)의 높이(h)가 그 두께(t)의 1.5배일 때, 도 8에서와 같은 접시형 스프링의 이론적인 변위에 대한 하중 특성을 나타내는 바, 일정한 구간(S)에서는 스프링의 변위가 발생하여도 비교적 하중이 일정한 구간이 존재하며, 이 구간 내에서는 운전 중, 스택에 가해지는 충격에 대해서도 각 분리판(1)에 가해지는 면압의 변화는 상기 접시형 스프링(9)에 의해 흡수되어 안정적으로 유지될 뿐만 아니라 연료전지의 기밀성도 향상시킬 수 있는 것이다.

물론, 상기 접시형 스프링(9)의 높이(h)가 두께(t)의 1.5배가 아닐 경우는, 상기와 같이, 하중이 일정한 구간이 존재하지 않으며, 이러한 결과는 접시형 스프링(9)에 작용하는 마찰력이 없다고 가정하고 계산한 것으로, 실제 사용시에는 다른 결과를 나타내므로 실험을 통하여 거동을 확인하고 적용하여야 할 것이며, 일반적으로 접시형 스프링(9)이 갖는 비선형성을 이용하여 변위에 대하여 스프링의 하중이 일정한 구간을 갖도록 설계하는 것은 가능하다.

또한, 수평밴드(13)와 수직밴드(15)를 리벳이음(17)으로 체결하여 부피축소 및 체결 안정성을 확보할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명의 연료전지 스택 체결장치에 의하면, 리벳을 이용한 밴드 체결로 부피축소 및 체결 안정성을 확보함과 동시에 종래 체결봉을 이용한 스택 체결 구조에 비해서 굽힘 하중을 감소시키며, 접시형 스프링을 개재하여 스택의 운전 중에 충격이나 열변형에 의한 면압 변화를 감소시켜 면압 분포를 일정하게 유지하며, 이에 따라 분리판 전면적에 대한 압력 분포를 균일화하도록 하여 연료전지 스택의 기밀성이 향상되도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결 구조를 도시한 사시도,

도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 체결부를 확대하여 나타낸 부분 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치를 적용하여 연료전지 스택을 체결한 상태의 조립 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 체결장치의 분해 사시도,

도 5는 본 발명의 실시예에 적용되는 수평밴드의 사시도,

도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 수직밴드의 사시도,

도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 접시형 스프링의 사시도,

도 8은 본 발명의 실시예에 적용되는 접시형 스프링의 하중-변위 특성을 나타내는 곡선 그래프이다.

Claims (9)

1. 다수개의 연료전지 셀의 분리판이 적층되어 구성되는 연료전지 스택을 체결하기 위한 연료전지 스택 체결장치에 있어서,

   상기 적층된 연료전지 분리판의 양측 단을 각각 지지하기 위한 양측 엔드 플레이트와;

   상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되어 분리판의 전면에 대하여 일정한 면압을 제공하는 면압유지수단;

   상기 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트를 다수개의 밴드를 이용하여 하나로 체결하는 밴딩수단;

   을 포함하는 연료전지 스택의 체결장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 면압유지수단은

   상기 일측 엔드 플레이트와 이에 대응하는 분리판 사이에 개재되는 중간 플레이트와;

   상기 중간 플레이트와 상기 일측 엔드 플레이트 사이에 개재되어 자체 탄성력에 의해 상기 분리판에 대한 면압 변화를 감소시키는 탄성체;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 탄성체는

   중앙에 홀이 형성되고, 이 홀을 중심으로 하여 방사형으로 형성되어 적어도 하나 이상 적용되는 접시형 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 밴딩수단은

   상기 각 분리판과 면압유지수단 및 양측 엔드 플레이트의 상,하부면에 대응하여 배치되는 다수개의 수평밴드와;

   상기 양측 엔드 플레이트의 외단면에 대응하여 배치되며, 양단이 상기 수평밴드와 체결되는 다수개의 수직밴드;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 수평밴드와 수직밴드의 각 단부의 연결은

   리벳이음으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 수평밴드와 수직밴드는

   그 굽힘 강성을 보조하도록 그 각각의 길이방향으로 일측 단부가 휘어져 절곡된 절곡부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
7. 청구항 4에 있어서, 상기 수평밴드는

   그 재질이 섬유강화 플라스틱, 스테인레스 스틸, 및 스틸 중의 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
8. 청구항 4에 있어서, 상기 수직밴드는

   그 양단이 상기 수평밴드의 단부에 평행하게 대응하도록 절곡된 수평 절곡면을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
9. 청구항 4에 있어서, 상기 수직밴드는

   그 재질이 섬유강화 플라스틱, 스테인레스 스틸, 및 스틸 중의 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.