KR100746270B1 - 연료전지 스택의 체결 장치 - Google Patents

연료전지 스택의 체결 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것으로서, 다수의 분리판 사이에 다수의 막-전극 어셈블리를 적층한 연료전지 스택을 보다 안정적이고 편리하게 체결하기 위한 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것이다.
종래 연료전지 스택의 채결장치는 엔드 플레이트의 특정 위치에서 국부적인 압력이 가해지기 때문에 균일한 면압을 유지할 수 없고, 분리판의 파손과 막-전극 어셈블리의 손상을 초래하며, 각각 다수의 너트를 개별적으로 조립하여야 하는 불편함이 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다수의 기어들이 맞물려 회전함으로써 최종적으로는 연료전지의 모든 연결볼트와 너트 쌍이 동시에 체결되록 구성한다. 이를 위해 연료전지 스택의 상측 엔드 플레이트의 가운데에 구동기어로서 중심기어를 두고, 다수의 너트를 종동기어로서 구성한다. 그리고 토크 렌치 체결장치 위에 연료전지 스택을 올려놓고 연결볼트와 너트 한 쌍을 결합하는 데 필요한 토크로 연료전지 스택의 모든 연결볼트와 너트 쌍이 체결되도록, 엔드 플레이트 상의 중심기어(제2기어)와 토크 렌치 체결장치의 기어들을 연결한다.
단위전지, 연료전지, MEA, 분리판, 면압, 토크, 기어, 볼트, 너트, 렌치

Description

연료전지 스택의 체결 장치{FASTENING APPARATUS FOR A FUEL CELL STACK}
도 1은 종래의 연료전지 스택의 체결구조의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래의 연료전지 스택의 체결구조의 일례의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 종래의 연료전지 스택의 엔드 플레이트 상에 구비되는 너트들의 배열례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 엔드 플레이트 상의 제1기어와 제2기어의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 체결체 모듈의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따라 올려진 체결체 모듈을 체결하는 토크 렌치 체결장치의 개략적인 측면구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 토크 렌치 체결장치의 상면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 엔드 플레이트
2, 3 : 관통 홀
4 : 볼트
5 : 엔드플레이트 캐비티
6 : 제1기어(너트)
7 : 분리판
8 : 막-전극 어셈블리
10 : 제2기어
11 : 렌치 연결부
20 : 지지받침대
30 : 제3기어
31 : 체결체 모듈 접속부
40 : 제4기어
41 : 제4기어 지지대
50 : 제5기어
51 : 제5기어 지지대
52 : 기어 입력부
60 : 기어 연결 프레임
100 : 체결체 모듈
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 돋구기 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 도면의 구체적인 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아님을 첨언한다.
본 발명은 연료전지 스택의 체결장치에 관한 것으로서, 다수의 분리판 사이에 다수의 막-전극 어셈블리를 적층한 연료전지 스택을 보다 안정적이고 편리하게 체결하기 위한 연료전지 스택의 체결구조에 관한 것이다.
연료전지는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 첨단 발전기술로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지 변환 효율을 갖고 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점이 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되며 구조가 간단하여 차량의 동력원으로서 적합한 시스템이다. 빠른 시동과 응답 특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 연료로는 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 개질하여 사용할 수 있어 연료의 수송 및 저장에도 용이하다는 장점이 있다.
연료전지는 수소의 산화반응으로 수소이온과 전자가 생성되는 산화전극과, 공기의 환원반응으로 물이 생성되는 환원전극과, 수소전극에서 발생한 수소이온은 환원전극으로 전달하는 전해질로 구성된다. 산화전극과 환원전극의 사이에 전해질 층을 위치시킨 형태를 막-전극 어셈블리(MEA)라고 지칭하며, 이 막-전극 어셈블리가 분리판과 분리판 사이에 위치하게 된다.
MEA 1개의 이론적인 전압은 약 1.2V이며 실제 운전시에는 1V 이하의 전압을 나타낸다. 따라서 자동차 또는 이동용 전원으로 사용될 수 있을 만큼 전력을 생산 하려면 다수의 MEA를 적층하여 연료전지 스택(STACK)을 구성해야 한다. 일반적으로 하나의 연료전지 스택에는 MEA가 10, 20, 50 또는 100개 이상 적층된다.
분리판(바이폴라플레이트)은 주로 흑연-고분자 복합재료로 만들어지며, 전극에서 화학반응이 일어나도록 가스의 이동로가 새겨져 있으며, 이 이동로를 통해서 가스가 흐르고 전극의 가스확산층으로 이동하여, 전극의 촉매층에서 전기화학반응이 일어나게 된다.
그리고 분리판과 분리판 사이에 막-전극 어셈블리를 적층할 때에 가스켓을 이용하여 공급가스가 새어나가지 않도록 틈새를 봉인한다. 전기화학반응에 의하여 발생한 전류는 전기도체인 분리판을 통하여 흐르게 되며, 마지막으로 그 분리판에서 전기를 뽑아내어 사용하게 된다. 또한 전기화학반응에 의해 생성된 물은 분리판의 가스이동로를 통하여 외부로 배출되지만 일부는 다시 전기화학반응을 돕는데 사용되기도 한다.
이러한 연료전지에 있어서, 효율을 좋게 하는 요인에는, 전극에 사용되는 촉매, 이오노머, 탄소지지체, 전해질, 분리판 등의 여러 가지가 있지만, 연료전지의 스택은 다수의 MEA가 적층되어 있는 것이기 때문에 분리판과 분리판 사이의 균일한 면압은 매우 중요한 요인으로 평가된다.
면압이 너무 작은 경우에는 분리판과 전극 지지체와의 접촉저항 및 막과 전해질의 접촉저항이 증가하게 되어 전류가 흐르는 데 방해가 된다. 반대로 면압이 너무 큰 경우에는 분리판의 재료인 흑연-고분자복합체의 특성 때문에 손상을 입을 수 있으며, 전극의 기체 확산층이 압축되어 연료가 이동하지 못하므로 연료전지의 물질전달영역에서 효율이 많이 감소하게 된다. 더욱이 다수의 분리판과 막-전극 어셈블리를 적층할 때에, 적층수가 늘어나면 늘어날수록 내부저항이 증가하며, 분리판과 막-전극어셈블리에 치명적인 손상이 일어나므로, 전체 연료전지 스택의 성능은 감소하고, 심한 경우 스택의 파손과 연료의 누출을 가져올 수 있다
따라서 연료전지의 효율을 극대화할 수 있는 최적 면압을 찾아내는 것이 성능 향상에 기여하게 되며, 균일한 면압으로 체결함으로써 분리판과 막-전극 어셈블리의 손상을 막을 수 있다.
도 1은 종래 일반적으로 이용되어 오던 연료전지 스택의 구조의 일례를 나타내고 있다. 연료전지 스택의 양쪽 끝에 위치하는 엔드플레이트(1) 사이에는 다수의 분리판과 MEA의 집합체가 적층되며, 미리 마련된 여러 개의 관통 홀(2)에는 소정의 길이의 연결볼트(4)들이 관통되며, 이 연결볼트(4)의 양쪽 끝 부분은 엔드플레이트(1)의 캐비티(Cavity)(5)의 관통 홀(3)에서 너트(6)에 의해 단단하게 체결되어 있다. 이 연결볼트(4)들은 연료전지 스택에 일정한 면압을 가하는 역할을 한다.
도 2는 위와 같은 종래 연료전지 스택의 단면을 나타내고 있다. 연료전지 스택의 막-전극 어셈블리(MEA)(8)는 연료전지의 전기화학반응이 일어나는 부분으로 분리판(7) 사이에 적층된다. 분리판(바이폴라 플레이트)(7)에는 MEA에서 생성된 전류를 집진하고 한쪽 면에는 연료, 다른 한쪽 면에는 공기가 흐를 수 있도록 유로(가스이동로)(도시되어 있지 않음)가 파져 있다. 이 유로를 통해 분리판(7)의 한쪽 면에서는 산화극으로서 연료(H2 가스)가 흐르게 되고, 다른 한쪽 면은 환원극으로서 공기가 흐르게 된다. 그리고 이처럼 분리판(7)과 막-전극 어셈블리(8)가 적층되는 스택의 특정한 면압을 유지하기 위하여 스택의 양쪽 끝에 엔드플레이트(1)가 구성된다. 양쪽 엔드플레이트(1)가 스택(100)에 가하는 면압은 양쪽 엔드플레이트(1) 사이에 놓여 지지체 역할을 수행하는 긴 볼트(4)에 의해 이루어지며, 이 연결볼트(4)는 양쪽 엔드플레이트(1)에서 미리 준비된 너트(6)에 의해 단단하게 체결된다. 이를 통해 적층된 연료전지 스택의 양쪽 엔드플레이트(1)의 면압이 유지된다.
한편, 도 3은 엔드플레이트 상의 너트(6)의 배열례를 나타내고 있다. 예컨대 4개의 너트가 구비되거나 8개의 너트가 구비될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만 3개, 5개, 6개, 7개 또는 그 이상이어도 좋다. 너트(6)들은 연결볼트와 체결되기 때문에, 너트(6)들의 수는 스택을 관통하는 연결볼트와 같다.
위와 같은 종래의 연료전지 스택의 체결구조는 다수의 볼트(4)들을 순차적으로 조임으로써 조임과 동시에 분리판과 MEA에 불균일한 힘이 작용하는 문제점이 있다. 즉 다수의 볼트를 각각 조이게 되면 조인 부분 쪽만 힘이 가해지기 때문에, MEA가 손상될 우려가 높아진다. MEA에 손상이 생기면 MEA를 구성하는 전극의 기체확산층이 무너짐으로 말미암아 연료전달이 원활하지 못하게 되어 전지 성능이 감소한다. 또한 다수의 볼트를 각각 조이게 되면 조인 부분에서만 힘이 가해지기 때문에, 분리판에 손상이 생기게 된다.
한편, 스택 체결력이 균일하지 않으면 분리판과 MEA 사이에 틈새가 생겨서 연료의 누출로 인한 폭발을 가져올 수 있는 문제점도 심각하게 제기된다. 나아가 다수의 볼트를 각각 조이기 때문에 스택 조립공정이 복잡해지고 시간도 오래 걸리는 문제점도 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 특유의 체결 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 엔드 플레이트로부터 연료전지 스택에 균일한 면압이 가해질 수 있도록 하는 수단을 제공함에 있다. 이를 통해 연료전지의 효율을 높이고자 한다.
또한, 균일한 면압을 가하면서도, 스택 체결 공정에 있어 안정성을 높이고 또한 체결 조립공정을 간소화하는 데 본 발명의 다른 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시례의 개시내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 막-전극 어셈블리 및 분리판 을 포함하는 전지체와, 전지체를 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트와, 한 쌍의 엔드 플레이트를 전지체에 결합하는 다수의 연결볼트와, 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 한쪽의 엔드 플레이트 상에 설치되며 상기 다수의 연결볼트의 한쪽 끝을 수용하는 다수의 너트를 포함하여 이루어진 체결체 모듈로서, 엔드 플레이트에 설치된 너트의 외주면에 기어이를 만들어 다수의 제 1 기어를 구비하고, 같은 엔드 플레이트 상에 위치하여 다수의 제 1 기어들과 맞물려 회전하도록 제 2 기어를 구비하며, 제 2 기어의 회전축에 렌치 연결부가 형성된 체결체 모듈; 및
체결체 모듈을 지지받침대 위에 올려놓고, 제 2 기어의 상기 렌치 연결부를 통해 체결체 모듈로 토크 회전력을 공급하는 토크 렌치 체결장치;로 이루어지며, 토크 렌치 체결장치의 기어 조작에 의해 다수의 너트와 다수의 연결볼트의 결합에 따른 엔드 플레이트의 면압이 전지체에 균일하게 가해지도록 함을 특징으로 한다.
또한, 상기 체결체 모듈의 전지체는, 막-전극 어셈블리 및 분리판을 포함하는 단위 전지 또는 상기 단위 전지가 2개 이상 적층되어 이루어진 연료전지 스택 중 어느 하나인 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 연료전지 스택의 체결장치는, 상기 제 2 기어는, 엔드 플레이트의 중앙 부분에 위치하며, 상기 제 1 기어는 적어도 3개 이상 구비되며, 상기 제 2 기어를 중심으로 하여 각각 제 2 기어와 기어이가 맞물려 회전하는 구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 토크 렌치 체결장치는,
체결체 모듈을 수용하는 지지받침대와;
상기 제 2 기어의 렌치 연결부와 결합하여, 상기 제 2 기어에 토크 회전력을 전달함으로써 상기 체결체 모듈의 균일한 면압을 발생시키는 제 3 기어; 상기 제 3 기어와 기어가 맞물려 결합되며, 상기 제 3 기어에 토크 회전력을 전달하는 제 4 기어; 기어 입력부를 통해 외부로부터 발생된 토크 회전력을 상기 제 4 기어에 전달하는 제 5 기어; 및 상기 제 4 기어와 상기 제 5 기어를 지지하며, 상기 지지받침대와 연결되는 2개의 지지대를 포함하여 이루어지는 것이 좋다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시례를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 공지 구성, 예컨대 연료전지의 전기화학반응의 원리, 연료전지 스택의 각 구성부분의 구체적인 기능, 기어구동의 기계적인 원리 등 이미 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 체결장치는 토크 렌치 체결장치와 이 토크 렌치 체결장치를 통해 체결되는 체결체 모듈, 두 부분으로 나누어진다. 먼저 단위전지 또는 연료전지 스택이 포함되는 체결체 모듈에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 체결체 모듈의 어느 한 엔드 플레이트 상에 설치되는 기어구조의 개략적인 모습을 나타내고 있다. 엔드 플레이트에는 연료전지 스택을 체결하기 위한 다수개의 너트(6)들이 구비되며, 이 너트(6)는 양쪽의 엔드 플레이트를 끌어당겨 고정하는 연결볼트들과 결합하게 된다. 이 다수개의 너트(6)는 다수의 기 어이를 가지며, 이하 '제1기어'라 칭한다.
본 발명의 엔드플레이트 체결 구조는 기본적으로 중앙에 있는 기어의 회동에 의해서 제1기어(6)들도 함께 회전하게 되고, 이때 제1기어(6)들에 작용하는 회전력에 의해, 연결볼트가 자신을 수용하는 해당 제1기어(6)에 결합되도록 하는 것이다. 이를 위하여 엔드 플레이트의 중앙 부분에 구동기어로서 제2기어(10)를 위치한 후 다수개(예컨대 3개~ 10개)의 제1기어(6)를 제2기어(10)에 연결되도록 한다.
한편, 제2기어(10)에 회전구동력을 전달하는 토크 렌치 체결장치(밑에서 도시)는 제2기어(10)의 회전축에 형성된 렌치 연결부(11)를 통해 연결된다. 이 토크 렌치 체결장치를 통해 회전구동력이 제2기어(10)에 가해지고, 이때 발생하는 제2기어(10)의 토크 회전력이 맞물려 연결되는 제1기어(6)에 전달된다. 이때 종동기어인 다수의 제1기어(6)의 지름이 동일하고, 제2기어와 맞물려 있는 부분의 물리적 접촉이 동일하다면, 제2기어(10)의 회동에 의해 가해지는 제1기어(6)들의 회전 토크는 모두 동일하게 되기 때문에, 결국 이 제1기어(6)들과 결합하는 연결볼트에도 균일한 압력이 가해지게 되는 것이다. 이로써 서로 마주보는 한 쌍의 엔드 플레이트간에 균일한 면압이 발생한다.
물론 구동기어인 제2기어(10)와 종동기어인 제1기어(6)가 단지 접점만을 형성해서는 회전력이 전달되기도 어렵거니와 연결볼트가 제1기어(6)에 견고하게 체결될 수도 없다. 이를 위해 엔드 플레이트의 중앙부분에 구동기어를 구비하고, 이 구동기어에 모든 종동기어들이 접촉하도록 함으로써, 구동기어가 회전하면 이와 접촉 된 종동기어들도 함께 연동하여 회전할 수 있도록 하는 것이다.
제1기어들이 종동기어로서 역할을 하기 위해서는 구동기어와 맞물려 돌아가야하며, 이를 위하여 바람직하게는 구동기어뿐만 아니라 종동기어인 제1기어들의 외주면에도 기어이(톱니와 같은)가 형성되며, 이는 이하에서 설명한 다른 기어들의 경우에도 마찬가지이다.
이에 대해서 도 4 및 도 5는 구체적인 실시형태를 제시하고 있다. 엔드 플레이트 상에 위치한 원형의 중심기어인 제2기어(10)의 외주면은 요철형상으로 톱니(기어이)가 구비되어 있다. 그리고 종동기어인 제1기어(6)의 외주면도 요철형상의 톱니가 구비되어 있으며, 제2기어(10)의 톱니와 제1기어(6)의 톱니가 암수쌍으로 서로 맞물리도록 외주면의 구조가 정해진다. 이러한 제1기어(6)는 제2기어(10)를 중심으로 다수 개 존재하여 모두 제2기어(10)의 외주면과 맞물리게 된다.
한편, 제1기어의 수는 곧 연결볼트의 수를 의미한다. 분리판과 막-전극 어셈블리의 안정적인 적층 스택을 유지하기 위해서는 한 쌍의 엔드 플레이트를 상호 끌어당기면서 지지할 수 있는 연결볼트가 마련되는데, 이를 위해서는 2개 또는 3개 이상의 연결볼트가 구비되는 것이 바람직하다. 그러나 단위전지의 경우 2개의 연결볼트가 구비되어도 적정한 면압이 유지되고 안정성이 확보될 가능성도 있으나, 연료전지의 적층수가 많아지고 그 사이즈가 커짐에 따라서 안정성이 파괴되기 때문에, 적어도 3개 이상의 연결볼트는 필요할 것이다. 물론 연료전지의 적층 스택을 가장 안정적으로 지지해주고 일정 압력 이상의 균일한 면압을 가해주기 위해서는 4 개 이상의 연결볼트가 좋다.
도 6은 체결체 모듈의 개략적인 사시도를 나타내고 있다.
본 발명의 체결체 모듈은 일반적으로 단위전지가 2개 이상 적층되어 이루어진 통상적인 연료 전지 스택을 의미한다. 그러나 MEA가 1개 있는 단위 전지의 경우에도 상하 양쪽 끝의 엔드 플레이트에 균일한 면압이 유지되어야 함은 변함없다. 즉 상기 체결체 모듈은 막-전극 어셈블리 및 분리판을 포함하는 1개의 단위 전지 또는 단위 전지가 2개 이상 적층되어 결국 다수의 MEA 층과 다수의 분리판이 교대로 적층되는 통상 연료전지의 스택 모두를 포함하는 의미로 이해되어야 한다. 이와 같은 취지로 단위전지 또는 다수의 단위전지가 적층되어 형성된 연료전지 스택을 통칭하여 '전지체'로 명칭한다.
2개의 엔드 플레이트(1) 사이에 MEA(8)와 분리판(7)이 적층된 전지체(단위전지 또는 연료전지 스택)가 위치하며, 위쪽의 엔드 플레이트(1)상에는 8개의 제1기어(6)와 1개의 제2기어(10)의 기어톱니가 서로 맞물려 연결되어 있다. 제2기어(10)의 중심축에는 렌치 연결부(11)가 형성되며, 8개의 제1기어(6)는 각각 8개의 연결볼트(4)들과 체결된다. 렌치 연결부(11)를 통해 제2기어(10)에 가해지는 토크는 제1기어(6)들로 8등분 되어 균일하게 전달되며, 이에 따라 전지체에 균일한 면압이 가해진다.
도 7 및 도 8은 토크 렌치 체결장치에 대해 설명한다.
토크 렌치 체결장치는 지지받침대(20)와 2개의 지지대(41)(51) 및 기어 연결 프레임(60)으로 골격이 이루어지며, 서로 다른 직경을 가진 3개의 기어들이 연결되며, 그 중 한 개의 기어(30)(제3기어)가 체결체 모듈 접속부(31)를 통해 상기 체결체 모듈(100)의 렌치 연결부(11)와 연결되고, 또 다른 기어(40)(제4기어)가 상기 제3기어에 연결된다. 그리고 제5기어는 제4기어와 연결되면서 기어 입력부의 역할을 수행한다. 즉 최초 토크를 발생하는 힘은 제5기어에 가해진다. 이러한 힘을 가하기 위해서 제5기어에는 외부 토크 렌치가 기어 입력부(52)(도면에서는 대략적으로만 표시함)를 통해 연결된다.
한편, 상기 지지받침대(20)의 미리 정해진 위치에는 상기 체결체 모듈(100)이 놓이게 되며, 그 미리 정해진 위치에 체결체 모듈(100)을 정확히 위치한 다음에 렌치 연결부(11)와 체결체 모듈 접속부(31)를 상호 결합한다. 도 7의 그림에서 보는 바와 같이, 체결체 모듈(100)의 체결시에 지지받침대(20) 상에서 체결체 모듈이 움직이는 것을 방지하기 위해서, 지지받침대(20)에 체결체 모듈(100)이 위치하는 부분은, 단지 지지받침대(20) 위에 체결체 모듈(100)이 놓이도록 하는 것이 아니라, 체결체 모듈(100)를 수용하도록 형성된다. 즉 지지 받침대(20)에는 체결체 모듈(100)을 수용하는 홈이 형성된다.
또한, 바람직하게는 체결체 모듈 접속부(31)의 높이를 조절할 수 있는 수단을 제공하며, 이를 위해 지지대(51)에서 제5기어(50)가 결합되는 위치를 조절하여 체결체 모듈 접속부(31)의 체결체 모듈과 체결 위치의 높낮이를 조정한다. 제4기어 지지대(41)는 지지받침대(20)와 결합하여 상기 제4기어(40)를 지지한다.
토크 렌치 체결장치의 3개의 기어들간의 관계는 위에서 상세히 밝힌 제1기어(6)와 제2기어(10)의 관계와 유사하게 기어톱니들이 서로 맞물려 있으며, 각 기어들의 중심축 부분이 기어 연결 프레임(60)에 고정되기 때문에, 토크 렌치 체결장치의 기어들이 하부로 떨어지지 않는다.
이상에서 설명한 제1기어 내지 제5기어 사이의 전달되는 힘의 관계에 대해 설명한다.
맞물리는 한 쌍의 기어에서 동력은 하나의 기어이가 다른 쪽 기어이에 가하는 하중을 통해 전달된다. 전달하중(transmitted load) Fn은 이의 표면에 수직이다. 따라서 전달하중은 압력선 또는 접촉선을 따라 작용한다. 이 사이의 전달하는 힘은 접선 방향의 힘(tangential force)과 반지름방향 힘으로 각각 분해될 수 있다.
Figure 112006004539708-pat00001
여기에서 φ는 압력각이다. 피치 선속도가 증가할 때 접선방향의 성분 Ft가 동력전달을 담당하게 된다. 반지름 방향의 성분 Fr은 동력전달에 아무런 작용을 하지 않지만 기어들이 떨어지지 않도록 누르는 작용을 한다.
압력선에 따른 속도는 기초원의 접선방향 속도와 같다. 피치원의 접선방향 속도(fpm)는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112006004539708-pat00002
설계시 접선방향의 힘은 두 개 이 사이의 접촉이 이끝에서 이뿌리까지 움직이는 동안 일정하게 유지된다고 가정한다. 토크와 전달하중의 관계는 다음과 같다
Figure 112006004539708-pat00003
엔드 플레이트를 균일한 압력(이상적일 때)으로 고정시키기 위해서는 제1기어에 토크가 12Nㆍm가 나와야 한다. T = F1ㆍd/2에서 d1 = 0.02m 으로 한 경우에, Ft1은 1200N이 되며, 제1기어가 총 8개인 경우, 2번 기어에 걸리는 Ft2는 9600N이 된다. 따라서 2번 기어의 토크 T2 = 192Nㆍm가 된다(d2 = 0.04m).
제2기어와 축으로 연결된 제3기어의 T3는 T2와 마찬가지로 192Nㆍm이며, 제3기어의 지름은 32cm이므로 Ft3는 1200N이 나온다. 제4기어는 Ft3를 전달해 주는 역할을 한다. 따라서 Ft5는 1200N이므로 제5기어에 걸리는 T5 = 12Nㆍm가 된다(d5 = 0.02m).
결과적으로 제5기어가 입력부분, 8개의 제1기어가 출력 부분이므로 입력기어에 가해지는 힘이 12Nㆍm가 되면 출력기어인 제1기어에 가해지는 힘은 입력기어와 같이 12Nㆍm가 된다.
위의 입력 값을 12Nㆍm으로 한 이유는 기존 엔드 플레이트를 균일하게 조일 때 여덟 개의 볼트 하나하나에 대략 12Nㆍm의 토크가 걸림을 착안하여 값을 대입한 것이다. 이와 같은 구성을 통해, 종래에 연결볼트와 너트 한 쌍을 체결하는 힘으로 모든 연결볼트와 너트 쌍을 동시에 체결할 수 있게 된다.
한편, 기어이와 기어이의 마찰에 대한 손실은 극히 적으므로 입력값에서 약간의 토크를 가하여 해결할 수 있다.
한편 상기 제2기어(10)는 체결체 모듈(100)의 엔드 플레이트 상의 중심부분에 고정장착될 수도 있으나, 변형된 실시례에서는 제2기어를 토크 렌치 체결장치의 제3기어와 고정장착되게 하고, 연료전지 스택 체결시, 연료전지 스택의 엔드플레이트 상에 위치하여 다수개의 제1기어들과 결합되도록 할 수도 있음을 첨언한다.
이상의 실시례들은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것임을 다시 한 번 첨언하며, 본 발명의 보호범위가 이들 실시례에 의해 제한되는 것은 아니다. 특히 기어들의 사이즈, 회전속도, 토크렌치에 가해지는 정량적인 힘의 데이터, 연료전지 스택 자체의 내부 구성 및 성능, 기타 각 구성들의 치수, 형상, 개수 등에 본 발명의 보호범위가 제한된다거나 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서의 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수는 없음을 첨언한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면,
엔드플레이트의 가운데에 위치하는 중심기어를 회전시킴으로써 이와 연결되어 있는 기어 너트들이 동시에 회전하도록 하여 스택을 조일 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 종전에 각각 따로따로 조임으로써 발생하던 국부적인 압력의 불균일함에 의해 발생하는 분리판의 파손이나 MEA의 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다. 이러한 효과는 연료전지의 성능 감소를 막고 효율을 높이는 데 기여하게 된다.
또한, 다수의 볼트와 너트를 각각 개별적으로 조이던 공정이, 본 발명의 토크 렌치 체결장치 위에 연료전지 스택을 올려놓고, 토크 렌치를 통해 간편하게 조임으로써 다수의 볼트와 너트가 한번에, 자동으로 체결되는 장점이 있다. 따라서 스택 체결을 위한 조립 공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 막-전극 어셈블리 및 분리판을 포함하는 전지체와, 상기 전지체를 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트와, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 상기 전지체에 결합하는 다수의 연결볼트와, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 한쪽의 엔드 플레이트 상에 설치되며 상기 다수의 연결볼트의 한쪽 끝을 수용하는 다수의 너트를 포함하여 이루어진 체결체 모듈로서, 상기 엔드 플레이트에 설치된 상기 너트의 외주면에 기어이를 만들어 다수의 제 1 기어를 구비하고, 같은 엔드 플레이트 상에 위치하여 상기 다수의 제 1 기어들과 맞물려 회전하도록 제 2 기어를 구비하며, 상기 제 2 기어의 회전축에 렌치 연결부가 형성된 체결체 모듈; 및
    상기 체결체 모듈을 수용하고, 상기 제 2 기어의 상기 렌치 연결부를 통해 상기 체결체 모듈로 토크 회전력을 공급하는 토크 렌치 체결장치;로 이루어지며,
    상기 토크 렌치 체결장치는,
    제 1 항에 있어서,
    상기 토크 렌치 체결장치는,
    체결체 모듈을 수용하는 지지받침대;
    상기 제 2 기어의 렌치 연결부와 결합하여, 상기 제 2 기어에 토크 회전력을 전달함으로써 상기 체결체 모듈의 균일한 면압을 발생시키는 제 3 기어;
    상기 제 3 기어와 기어가 맞물려 결합되며, 상기 제 3 기어에 토크 회전력을 전달하는 제 4 기어;
    기어 입력부를 통해 외부로부터 발생된 토크 회전력을 상기 제 4 기어에 전달하는 제 5 기어; 및
    상기 제 4 기어와 상기 제 5 기어를 지지하며, 상기 지지받침대와 연결되는 2개의 지지대를 포함하여 이루어지며, 토크 렌치 체결장치의 기어 조작에 의해 다수의 너트와 다수의 연결볼트의 결합에 따른 엔드 플레이트의 면압이 전지체에 균일하게 가해지도록 함을 특징으로 하는, 연료전지 스택의 체결장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 체결체 모듈의 전지체는,
    막-전극 어셈블리 및 분리판을 포함하는 단위 전지 또는 상기 단위 전지가 2개 이상 적층되어 이루어진 연료전지 스택 중 어느 하나인, 연료전지 스택의 체결 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기어는, 엔드 플레이트의 중앙 부분에 위치하며,
    상기 제 1 기어는 적어도 3개 이상 구비되며, 상기 제 2 기어를 중심으로 하여 각각 제 2 기어와 기어이가 맞물려 회전하는 구조를 가지는, 연료전지 스택의 체결 장치.
  4. 삭제
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