KR100744020B1 - 연료전지 스택의 운전용 결합장치 - Google Patents

연료전지 스택의 운전용 결합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 결합장치에 관한 것으로서, 종래에는 스택 결합 압력을 조절하기 위해 볼트를 조이거나 플어주는 방식을 사용하기때문에 운전중에 조절하기 어렵고 최적 운전조건을 맞추기 어려웠다. 이에 따라 본 발명은 스택 결합장치에 있어서, 앤드플레이트 외측에서 밀착되어 설치되고, 상기 앤드플레이트에 밀착되어 가압되는 압력을 검지하는 압력 센서가 설치되며, 상기 앤드플레이트의 가스 입출구와 일치되는 가스 입출구가 형성되어 구성되는 가압 지그와; 상기 가압 지그와 일체형으로 고정 설치되어 양측의 가압 지그를 가압하여 스택의 결합 압력을 조절하기 위한 수평 가압장치와; 상기 양측의 수평 가압장치의 압력을 조정하여 스택 결합력을 조절하는 압력조절장치와; 상기 스택의 길이를 측정하는 길이 측정장치와; 가스를 공급하여 운전하는 중에 상기 앤드 플레이트의 출력을 측정하는 로더로부터 출력을 검출하고, 운전조건에 따른 출력이 최적이 될 수 있도록 상기 압력센서의 압력을 검출하면서 상기 압력조절부를 제어하여 최적 조건의 압력으로 스택 결합이 이루어지도록 압력을 자동 제어하거나, 수동 조작에 의한 압력 증/감을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
연료전지, 스택, 결합력, 최적, 압력, 길이

Description

연료전지 스택의 운전용 결합장치{An apparatus for stack combination of a fuel cell operating}
도 1은 종래 연료전지 스택 결합 구조도.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지 스택의 운전용 결합장치 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지 스택의 운전용 결합장치 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110a ~ 100n : 분리판 120a ~ 120n-1 : 전극
121a ~ 121n : 가스켓 130a, 130b : 앤드플레이트
140a, 140b : 가압지그 150a, 150b : 가압장치
160 : 압력조절부 170 : 압력센서
180 : 길이측정부 190 : 제어장치
200 : LCD 210 : 키패드
300 : 로더
본 발명은 연료전지 스택 운전용 결합장치에 관한 것으로서, 특히 스택의 결합력을 운전중에도 조절할 수 있도록 구성하여 최적의 조건으로 스택 결합력을 조절함으로서 연료전지의 운전 효율을 높일 수 있도록 한 연료전지 스택 운전용 결합장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소 가스가 반응하여 생기는 전기화학적 반응으로부터 전기에너지를 얻는 기술이다.
이 연료전지를 구성하는 필요조건에는 분리판과 전극(촉매층, 분리막, 개스확산층), 가스켓, 집전부, 금속 앤드 플레이트(End Plate)등으로 구성되어 있으며, 이들의 결합 인자 및 가스 상태는 여러 요소들의 상태변화에 의하여 그 성능이 크게 좌우가 되며 이를 전문으로 연구하는 인원들도 상당수 있다. 또한, 전극부의 개스 확산층과 분리판의 적당한 거리는 셀의 성능에 큰 영향을 미친다고 볼 수 있다.
따라서 이들 스택 분리판의 결합력 및 유량 등의 변화는 스택의 성능을 크게 좌우 할 수 있다.
종래의 스택 결합 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 바이폴라 플레이트인 분리판(20)과 가스켓(30), 전극(MEA)(40), 가스켓(30'), 다른 분리판(20')이 차례로 배열되는 구조로 다단으로(수십단 ~ 수백단) 배열되고, 양 측면에 집전자 기능과 가스 입출구(10a)가 형성된 앤드플레이트(10)(10')가 배치되고, 일측의 앤드플레이트(10)의 외측에서 볼트(51)를 보스(52)에 관입시켜 상기 양측의 앤드플레이트(10)(10')를 관통시켜 끼우고, 타측의 앤드플레이트(10')의 외측에서 결합 보스(53) 및 너트(54)로 체결하고 고정 결합하도록 구성된다.
이와 같은 스택 구조는, 초기에는 항상 볼트로 결합하여 카스켓과 강한 결합력만을 유지시켜서 가스의 누설을 방지하며, 스택을 운전하는 것이 일반적이었고, 차츰 볼트의 장력을 변화시키는 실험을 하며 스택의 성능 변화에 따른 최적 조건을 찾고 있었다.
그런데, 채결후의 스택의 결합력의 변화가 성능 변화의 영향이 되기도 하여 연료전지의 성능을 감소시키는 원인으로 작용하였다.
기존의 스택을 결합하는 데는 단순한 프레스로는 볼트 결합을 할 수 있으나, 최적의 결합 조건을 찾기 위한 상태변화를 줄 수 없는 구조적인 취약점을 가지고 있어서 최적의 성능을 찾기 위한 결합 조건을 찾기가 불가능하다는 단점이 있다.
이와 같이 종래에는 스택 결합의 최적 조건을 찾기 위하여 내부의 변화를 주기 위해서는 분리판의 결합을 풀거나 조여야만 하며, 볼트를 강하게 조이거나 풀거나 하는 동작이 너무 많아지면 내부 결함이 발생할 수도 있다.
본 발명의 목적은 기존의 결합 방식의 문제점을 해결하여 운전중에도 스택 결합력을 조절할 수 있도록 함으로써 최적의 조건을 쉽게 찾을 수 있도록 한 연료전지스택 운전용 결합장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 스택의 결합력 변화에 따른 길이를 직접 측정하여 추후 일정조건에서 결정된 결합력을 유지하도록 길이로서 조절하여 양산시 볼트의 결합 토크를 쉽게 알 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 프레스의 압력이 변화하며 발생되는 스택의 성능변화를 알기 위하여 수평 결합방식을 사용하고, 일정 압력으로 결합되도록 3점 압력 측정장치와 동시에 가스공급이 가능하도록 프레스판을 용량별로 구비하여 스택에 결합 될 수 있도록 함으로써 다양한 용량에 대응할 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 연료전지 스택 운전용 결합장치는,
분리판과 분리판 사이에 가스켓, 전극, 가스켓을 배열하여 다단 구조로 수평 배열되고, 양측 외곽에 앤드 플레이트가 설치되며, 양측의 앤드 플레이트를 볼트 결합하여 스택 결합하는 구조에 있어서,
상기 양측면의 앤드플레이트 외측에서 가압하도록 설치되고, 상기 앤드플레이트에 밀착되어 가압되는 압력을 검지하는 압력 센서가 설치되며, 상기 앤드플레이트의 가스 입출구와 일치되는 가스 입출구가 형성되어 구성되는 가압 지그와;
상기 가압 지그와 일체형으로 고정 설치되어 양측의 가압 지그를 가압하여 스택의 결합 압력을 조절하기 위한 수평 가압장치와;
상기 양측의 수평 가압장치의 압력을 조정하여 스택 결합력을 조절하는 압력조절장치와;
상기 가압장치의 가압에 의거한 상기 스택 장치의 결합 길이를 측정하는 길이 측정장치와;
상기 가압 지그를 통해 가스 공급을 제어함과 아울러 상기 앤드 플레이트를 통해 출력을 검출하고, 압력센서의 압력을 검출하고, 상기 길이측정부의 길이를 검 출하여 표시제어함과 아울러 상기 가스투입량에 대해 출력이 최대가 되는 최적의 압력이 되도록 상기 압력조절장치를 자동 제어하거나, 수동 조작에 의한 압력 증/감을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지스택 운전용 결합장치의 제어 블록도이고, 도 3은 본 발명에 의한 연료전지 스택 운전용 결합장치 구성도이다.
두개의 분리판(110a, 110b) 사이에 가스켓(121a), 전극(MEA)(120a), 가스켓(120b)이 배열되어 다단 구조로 스택이 배열되고, 양측면에 앤드플레이트(130a, 130b)가 배치되어 볼트결합되는 스택 결합장치에 있어서, 상기 앤드 플레이트(130a, 130b)의 외측에 밀착되고 가스 입출구가 형성되어 앤드플레이트(130a, 130b)의 가스 입출구와 연통되는 한쌍의 가압 지그(140a,140b)와, 상기 가압 지그(140a, 140b)의 외측에서 가압 지그를 가압하여 스택의 결합력을 가하는 가압장치(150a, 150b)와, 상기 한쌍의 가압장치((150a, 150b)를 공통의 압력으로 가압함과 아울러 가압하는 압력을 조절하는 압력조절부(160)와, 상기 가압 지그(150a, 150b)중 어느 하나 또는 둘 모두에 설치되어 상기 앤드플레이트((130a, 130b)와의 접촉 압력을 검출하는 압력센서(170)와, 상기 앤드플레이트(130a, 130b) 사이의 길이를 측정하는 길이 측정부(180)와, 상기 가압 지그(140a, 140b)를 통해서 가스를 공급함과 아울러 상기 앤드플레이트((130a, 130b)를 통해서 발생된 전기를 측정하여 스택의 운전을 제어하는 로더(300)로부터 가스투입량 및 발생된 전기량을 검출하고, 미리 설정된 최적의 출력을 발생할 수 있도록 상기 압력센서(170)의 검출압력에 의거하여 상기 압력 조절부(160)를 제어하여 스택의 결합 압력을 조절하고, 길이 표시 및 압력 표시와 아울러 수동 조작에 의한 압력 조절등을 제어하는 제어장치(190)와, 압력 및 길이 표시와 출력 전기량등을 표시하기 위한 LCD(200) 및 수동조작을 위한 키패드(210)를 포함하여 구성된다.
상기 가압지그(140a, 140b)는, 측면에 가스 입력부(141)와 가스 출력부(142)가 형성되고, 상기 앤드플레이트(130a, 130b)와 밀착되는 면에 상기 가스 입력부 및 가스 출력부와 각각 연통되는 가스 입출구(141', 142')가 형성되어 상기 앤트플레이트(130a, 130b)의 가스 입출구와 일치되어 가스 입/출력이 이루어질 수 있도록 구성된다. 즉, 측면에 외부의 가스 공급장치 및 가스 수거장치와 연결되는 가스 입출구(141, 142)가 형성되고, 각각 가스 입출구(141, 142)에서 내부로 연결되어 내측면으로 관통되는 가스 통로가 형성되고, 내측면의 가스 입출구(141', 142')에서 상기 앤드 플레이트의 가스 입출구와 일치되어 가스 입출력이 될 수 있도록 구성된다.
상기 압력센서(170)는, 적어도 2개 이상 가압 지그에 설치되어 가압 지그와 앤드 플레이트 사이에 접촉되는 압력을 2지점 이상에서 검출하도록 구성된다. 가장 바람직하게는 삼각형을 이루도록 3개의 압력센서를 설치하여 3지점에서 압력을 검출하도록 구성함으로써 정밀한 압력 측정이 가능하도록 구성된다.
한편, 상기 길이 측정부(180)는, 상기 앤드플레이트(130a, 130b)의 사이의 길이를 측정하는 것으로서, 이는 통상의 길이 측정대를 사용할 수도 있으며, 앤드 플레이트(130a, 130b)에 센서를 설치하고 작업대에 위치표시자를 형성하여 센서가 위치표시자를 검출하는 것에 의해 두개의 앤드플레이트(130a, 130b) 사이의 길이를 측정할 수 있으며, 두 개의 센서끼리 무선 신호를 주고받아서 길이를 측정할 수 도 있다.
그리고, 도면에서 상세히 도시되지는 않았지만, 상기 가압 지그(140a, 140b)는, 내측면 각각 볼트 및 너트를 삽입시키는 절결부 또는 개방된 안착홈을 형성하여 앤드 플레이트(130a, 130b) 간에 볼트 결합을 시키고, 각 볼트 머리와 너트 부분이 삽입되도록 함으로써, 가압 지그와 앤드 플레이트 간에 밀착되어 가압이 가능하게 하고 아울러 결합된 상태에서 볼트 너트를 조이거나 풀 수 있도록 구성한다.
한편, 상기 압력조절부(160)는, 상기 양측의 가압장치(150a, 150b)와 연통되어 동일한 압력으로 가압하도록 이루어지고, 제어장치(190)의 제어에 의해 가압하는 압력을 조절하도록 구성된다. 가압장치(150a, 150b)는 수평 압력을 가할 수 있도록 구성함으로써, 스택 결합을 수평방식 결합으로 결합력을 조절할 수 있게 된다.
이와 같이 구성된 반 발명에 의한 연료전지 스택의 운전용 결합장치는,
분리판(110a 가스켓(121a), 전극(MEA)(120a), 가스켓(121b) 분리판(110b)이 배열되는 형식으로 수십에서 수백 단의 스택을 정렬하여 배열하고, 양측단에 앤드 플레이트(130a, 130b)를 배치하여 볼트를 삽입하여 가 결합시킨다.
그리고, 상기 앤드 플레이트(130a, 130b)의 외측에 가압지그(140a, 140b)를 상기 앤드 플레이트(130a, 130b)와 정렬시켜 가스 입출구를 일치시키고, 외측의 가 압장치(150a, 150b)를 상기 압력조절부(160)를 구동시켜 기 실험에 의해 설정된 기본 압력으로 가압한다.
상기 가압 지그(150a, 150b)의 측면에 형성된 각 가스 입력부(141) 및 가스 출력부(142)를 연결하고, 일측에 수소를 타측에 산소를 공급하고, 앤드 플레이트(130a, 130b)를 통해 발생되는 전류를 로더(300)측에 출력하여 출력되는 전류를 측정한다. 제어장치(190)는, 로더(300)로부터 검출되는 전류와 가스 공급량등의 운전 조건에 의해 공급되는 가스량에 대비해서 출력이 최적이 되도록 압력조절부(160)를 제어하게 된다.
압력 조절부(160)에 의해 가압장치(150a, 150b)가 작동되어 가압 지그(140a, 140b)를 밀게되고, 앤드 플레이트(130a, 130b)를 밀어서 스택을 압력을 가해서 결합시킨다. 이 상태에서 최적의 압력조건을 찾게 되고, 최적의 압력조건으로 판단되면, 볼트 및 너트를 조여서 그 압력 상태로 고정시키게 된다. 즉, 운전중에 가압 상태를 조절하여 최적 조건을 찾을 수 있게 되는 것이다. 이때 상기 압력센서는 바람직하게 3점 압력측정을 할 수 있도록 3개의 압력 센서를 3지점에 배치하여 가압 지그와 앤드 플레이트 간의 접촉 압력을 검출하게 함으로써 압력을 정밀하게 측정하고, 그 측정압력을 디스플레이시키면서 압력 조건을 맞출 수 있다. 또한, 키패드를 이용해서 압력을 수동으로 업/다운시키면서 이대의 출력조건을 측정하여 최적 출력이 될 수 있는 압력 조건을 찾을 수도 있게 된다.
한편, 길이 측정부(180)에서 측정된 스택의 길이를 세팅하여두고, 양산시에 가압장치 없이도 스택의 길이만으로 최적 조건의 결합력으로 스택 결합을 조절할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 가압 지그를 용량별로 준비하여 스택의 용량이 달라지는 경우에 대응되게 설치하여 스택 결합을 시켜 운전중에 최적 조건을 맞출 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명은, 스택 결합에 있어서, 볼트를 이용해 가 결합시키고, 가스 공급 및 전류측정을 하면서 가압장치를 작동시켜 가압하면서 운전중에 최적의 결합 압력을 찾게 된다. 최적의 결합 압력을 찾게 되면 그 상태로 볼트를 채결시켜 고정하고, 이때의 스택 길이를 측정하여 세팅하여 두며, 이후 양산시에는 세팅된 길에 만으로 스택을 조립 결합시켜 최적 조건으로 결합시킬 수 있게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 연료전지 스택 결합에 있어서, 가스를 공급하여 운전시키면서 출력을 검출하여 최적 조건을 찾으면서 스택의 결합력을 조절할 수 있게 되므로 최적의 결합 조건을 찾을 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 최적의 결합 조건에서의 압력에 따라 변화된 스택의 길이를 측정하여 그 길이를 이용해서 추후 양산시에 동일 조건으로 스택 결합을 시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 분리판과 분리판 사이에 가스켓, 전극, 가스켓을 배열하여 다단 구조로 수평 배열되고, 양측 외곽에 앤드 플레이트가 설치되며, 양측의 앤드 플레이트를 볼트 결합하는 스택 결합장치에 있어서,
    상기 양측면의 앤드플레이트 외측에서 밀착되어 설치되고, 상기 앤드플레이트에 밀착되어 가압되는 압력을 검지하는 압력 센서가 설치되며, 상기 앤드플레이트의 가스 입출구와 일치되는 가스 입출구가 형성되어 구성되는 가압 지그와;
    상기 가압 지그와 일체형으로 고정 설치되어 양측의 가압 지그를 가압하여 스택의 결합 압력을 조절하기 위한 수평 가압장치와;
    상기 양측의 수평 가압장치의 압력을 조정하여 스택 결합력을 조절하는 압력조절장치와;
    가스를 공급하여 운전하는 중에 상기 앤드 플레이트의 출력을 측정하는 로더로부터 출력을 검출하고, 운전조건에 따른 출력이 최적이 될 수 있도록 상기 압력센서의 압력을 검출하면서 상기 압력조절장치를 제어하여 최적 조건의 압력으로 스택 결합이 이루어지도록 압력을 제어하는 제어장치와,
    상기 제어장치가 최적의 조건으로 스택 결합 압력을 조절한 경우에 스택 길이를 측정하여 표시할 수 있도록 상기 스택의 길이를 측정하는 길이 측정장치와,
    상기 제어장치의 제어에 의해 압력, 길이 및 출력 전기량을 표시하는 표시장치 및
    각 조작 버튼 및 수동 조작에 의한 압력 증/감을 제어하는 키패드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 결합장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압력센서는,
    앤드플레이트와 접촉되는 3지점에서 압력을 측정하도록 3개의 압력센서가 가압 지그에 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 결합장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가압 지그는,
    측면에 외부의 가스 공급장치 및 가스 수거장치와 연결되는 가스 입출구가 형성되고, 각각 가스 입출구에서 내부로 연결되어 내측면으로 관통되는 가스 통로가 형성되고, 내측면에서 상기 앤드 플레이트의 가스 입출구와 일치되어 가스 입출력이 될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 결합장치.
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