KR100808622B1

KR100808622B1 - 연료전지

Info

Publication number: KR100808622B1
Application number: KR1020077010828A
Authority: KR
Inventors: 도시유키 이나가키
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2008-02-29
Also published as: CN101174704A; CA2516935C; US7833678B2; DE60336590D1; CN100385725C; EP1601041B1; JP4639583B2; KR20070052798A; EP2169754A1; EP1601041A1; EP1601041A4; WO2004079850A1; US20050277012A1; KR100745844B1; KR20050106092A; JP2004288618A; CN1757132A; CA2516935A1

Abstract

본 발명의 목적은, 셀 적층체 끝면의 경사뿐만 아니라 셀 적층체의 연료전지 적층방향 신장에도 대응할 수 있는 연료전지를 제공하는 것과, 연료전지 면의 전역에 걸쳐 체결 하중을 균일화하고, 연료전지 적층방향에서의 하중 변동을 저감할 수 있는 연료전지를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 목적은, 셀 적층체와, 상대적으로 경사 가능한 제 1 부재 및 제 2 부재와, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재 사이에 배치되고 서로 독립한 복수 개의 스프링을 포함하여 상기 셀 적층체에 직렬로 배치되어 있는 스프링 모듈을 포함하는 연료전지에 있어서,상기 스프링 모듈은 서로 다른 탄성계수를 가지는 복수 종류의 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지에 의해 달성된다.

연료전지, 스프링, 탄성계수, 하중 분배, 셀 신장

Description

연료전지{FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 연료전지의 전체 측면도,

도 2는 도 1의 일부 확대 단면도,

도 3은 본 발명의 실시예 1의 연료전지의 스프링 모듈의 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예 2의 연료전지의 스프링 모듈과 그 근방의 단면도,

도 5는 본 발명의 실시예 3의 연료전지의 스프링 모듈의 단면도,

도 6은 본 발명의 실시예 4의 연료전지의 스프링 모듈과 그 근방의 단면도,

도 7은 본 발명의 실시예 5의 연료전지의 스프링 모듈의 사시 정면도,

도 8은 본 발명의 실시예 6의 연료전지의 스프링 모듈의 단면도,

도 9는 본 발명의 실시예 7의 연료전지의 측면도,

도 10은 본 발명의 실시예 8의 연료전지의 스프링 모듈의 단면도,

도 11은 본 발명의 실시예 9의 연료전지의 스프링 모듈의 하나의 스프링과 하나의 쇼크업소버의 측면도,

도 12는 본 발명의 실시예 10의 연료전지의 스프링 모듈의 단면도,

도 13은 본 발명의 실시예 10의 연료전지의 스프링 모듈의 하중-변위특성도,

도 14는 본 발명의 실시예 11의 연료전지의 스프링 모듈의 사시도,

도 15는 본 발명의 실시예 12의 연료전지의 스프링 모듈의 사시도,

도 16은 본 발명의 실시예 13의 연료전지의 스프링 모듈의 하중을 인가하기 전의 단면도,

도 17은 본 발명의 실시예 13의 연료전지의 스프링 모듈의 하중을 인가한 후의 단면도,

도 18은 본 발명의 실시예 13의 연료전지의 스프링 모듈의 하중-변위 특성도,

도 19는 본 발명의 실시예 14의 연료전지의 스프링 모듈의 하중-변위 특성도,

도 20은 비교예의 연료전지의 끝부 근방의 단면도이다.

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 연료전지 스택에 체결 하중을 주는 방법을 개선한 연료전지에 관한 것이다.

연료전지의 스택킹(stacking)에서는, 연료전지 스택의 체결 하중은, 전극 접촉저항을 저감(低減)하고 가스, 물을 기밀(seal)하기 위해, 스택의 전극부의 횡단면 전역에 걸쳐 균일해야하고, 또한 체결 하중이 크게 변동하지 않아야한다. 예를 들면 세퍼레이터 제조시 세퍼레이터의 두께 변동에 의하여 연료전지 면이 경사진다 하더라도 연료전지 표면 전역에 걸쳐 체결 하중이 균일해지는 것이 필요하다. 또 연료전지의 온도가, 운전 정지시의 주위온도(예를들면, 20℃)와 운전시의 냉각수 온도(약 80℃)의 사이에서 반복하여 변할 수 있고, 연료전지의 체결 하중도 연료전지의 온도 변화로 인해 변동될 수 있다. 또한 장시간 경과 후에는 연료전지의 체결 하중이 전해질 멤브레인과 전극의 크립으로 인하여 변동될 것이다.

일본국 특개평8-115737호 공보는, 연료전지 스택을 균일하게 체결하기 위하여 스택의 한쪽 끝부에 배치한 대형 강체의 체결판과 소형 강체의 체결판 사이의 중앙부에, 한 개의 일체 탄성체를 배치하고, 소형 체결판의 4 모서리에서 연료전지 적층방향으로 연장되는 볼트·너트로 소형 체결판과 반대측의 대형 체결판과의 사이를 체결한 연료전지의 체결구조를 개시하고 있다.

그러나, 상술한 연료전지의 체결구조는 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다. 먼저, 체결구조가 탄성체의 변형으로 인해 체결판이 경사져서 셀 적층체의 끝면이 경사진다 하더라도, 체결판은 강체이기 때문에 셀 적층체의 끝면의 물결형상의 변형에는 대응할 수 없다. 또한, 연료전지의 한쪽 끝에 위치한 소형 체결판과 다른 반대쪽 끝에 위치한 대형 체결판이 연료전지 적층방향으로 연장되는 볼트로 체결되고, 상기 볼트는 신장되지 않기 때문에, 상술한 체결구조는 셀 적층체의 연료전지 적층방향 신장에 대응할 수 없다. 따라서, 상술한 체결구조에서는 셀 적층체의 열팽창에 대응할 수 없고, 전해질 멤브레인이나 전극의 크립으로 인한 연료전지 적층방향에서의 하중의 변동을 흡수할 수 없다.

본 발명의 목적은, 셀 적층체 끝면의 경사뿐만 아니라 셀 적층체의 연료전지 적층방향 신장에도 대응할 수 있는 연료전지를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은, 연료전지 면의 전역에 걸쳐 체결 하중을 균일화하고, 연료전지 적층방향에서의 하중 변동을 저감할 수 있는 연료전지를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하는 본 발명은 다음과 같다.

(1) 셀 적층체 및 상기 셀 적층체에 직렬로 배치되어 있는 스프링 모듈로 이루어지고, 상기 스프링 모듈은, 상대적으로 경사 및 변형 가능한 제 1 부재 및 제 2 부재를 포함하고, 상기 제 1, 제 2 부재 사이에 서로 병렬로 배치되고 서로 독립된 복수 개의 스프링을 포함하고, 상기 제 1 부재는 제 1 케이싱을 포함하고, 상기 제 2 부재는 제 2 케이싱을 포함하며, 상기 스프링 모듈은, 상기 복수 개의 스프링을 내장한 케이싱 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.

(2) 연료전지는 끝판과 조정나사를 포함하고, 스프링 모듈은 상기 끝판과 상기 셀 적층체 사이에 설치되고, 상기 조정나사는, 상기 스프링 모듈과 상기 끝판 사이에 배치되는 (1) 기재의 연료전지.

(3) 제 1 부재는 제 1 케이싱으로 구성되고, 제 2 부재는 제 2 케이싱으로 구성되고, 스프링 모듈이 스프링내장 케이싱 조립으로 이루어져 있는 (1)기재의 연료전지.

(4) 상기 제 1, 제 2 케이싱 중 상기 셀 적층체 측에 근접하여 위치하는 케이싱은, 서로 독립된 상기 복수 개의 스프링으로부터 하중을 받으면 상기 연료전지가 적층되는 연료전지 적층방향에서 물결형상으로 변형되는 강성을 가지는 바닥벽 을 포함하는 (1)기재의 연료전지.

(5) 상기 스프링 모듈은 복수 개의 스프링좌 부재를 포함하고, 상기 스프링좌 부재 각각은, 상기 셀 적층체 측에 근접하여 위치하는 상기 케이싱의 상기 바닥벽에 형성된 구멍을 통과하여 연장되는 끝부를 가지고, 상기 끝부는, 상기 케이싱의 상기 바닥벽에 접하는 부재에 맞닿아 있는 (1)기재의 연료전지.

(6) 상기 스프링좌 부재 각각의 상기 끝부는, 볼록 곡면으로 이루어지는 끝면을 가지는 (5)기재의 연료전지.

(7) 상기 스프링 모듈의 상기 제 1, 제 2 케이싱은, 하중 표시부가 제공되는 측벽을 가지는 (1)기재의 연료전지.

(8) 상기 스프링 모듈은, 상기 연료전지가 적층되는 연료전지 적층방향에서 상기 셀 적층체의 중간부에 설치되는 (1)기재의 연료전지.

(9) 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재는, 상기 복수 개의 스프링과는 다른 도전성 부재로 서로 전기적 접속되어 있는 (8)기재의 연료전지.

(10) 상기 스프링 모듈은, 상기 연료전기가 적층되는 연료전지 적층방향에서 상기 연료전지 스택의 양쪽 끝에 설치되는 (1)기재의 연료전지.

(11) 상기 스프링 모듈은, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재 사이에 배치되는 쇼크업소버를 더욱 포함하고 있는 (1)기재의 연료전지.

(l2) 상기 스프링 모듈은, 복수 개의 쇼크업소버를 더욱 포함하고, 상기 복수 개의 쇼크업소버 각각 및 상기 복수 개의 스프링 각각은 서로 동축상으로 배열되어 있는 (1)기재의 연료전지.

(13) 상기 스프링 모듈은, 서로 다른 탄성계수를 가지는 복수 종류의 탄성부재를 포함하는 (1)기재의 연료전지.

(14) 상기 복수 종류의 탄성부재는, 서로 병렬하여 설치되는 (13)기재의 연료전지.

(15) 상기 복수 종류의 탄성부재 중 어느 한 종류의 탄성부재는, 상기 복수 종류의 탄성부재 중 다른 종류의 탄성부재를 유지하는 (13)기재의 연료전지.

(16) 상기 복수 종류의 탄성부재는, 서로 일체적으로 형성되는 (13) 또는 (14)기재의 연료전지.

(17) 상기 복수 종류의 탄성부재 중 어느 한 종류의 탄성부재는, 변형 속도에 따라 크기가 변하는 스프링상수를 가지고, 빠른 변형의 스프링상수는 느린 변형의 스프링상수보다 크기가 큰 (13)기재의 연료전지.

(18) 상기 복수 종류의 탄성부재는, 스프링과 저반발형 스펀지를 포함하는 (13)기재의 연료전지.

(19) 상기 복수 종류의 탄성부재는, 상기 스프링 모듈이 전체 변형 범위 중 중간 변형점에서 구부러지는 하중-변형량 특성을 나타내도록 조합되는 (13)기재의 연료전지.

(20) 상기 스프링 모듈은 낮은 스프링상수를 가지고, 상기 스프링 모듈은, 예비압축되거나 넓은 변형 범위에서 사용되는 (13)기재의 연료전지.

(21) 상기 탄성부재 및 상기 제 1, 제 2 부재는 방청재료로 이루어지는 (1)기재의 연료전지.

상기 (1)의 연료전지에 따르면, 복수 개의 스프링이 서로 독립적으로 변형 가능하기 때문에, 셀 적층체 끝면의 경사 및 경사면으로부터의 물결형상 변형뿐만 아니라, 셀 적층체의 연료전지 적층방향으로의 신장 변화에 대응 가능하다. 그 결과, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중을 균일화할 수 있고, 연료전지 적층방향에서의 하중의 변동도 저감할 수 있다.

상기 (2)의 연료전지에 따르면, 도 20에 도시된 구조와 비교할 때, 끝판과 셀 적층체 사이에 복수 개의 원추형 접시스프링으로 이루어진 적층 조립체, 로드 셀(load cell)을 내장한 구형좌 부재 및 조정나사가 배치되어 있으며, 로드셀 내장 구형좌 부재와 복수 개의 원추형 접시스프링의 적층 조립체는 제거가능하다.

상기 (3)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이 케이싱 조립체의 형상으로 만들어지기 때문에, 스프링 모듈을 연료전지에 용이하게 장착할 수 있다.

상기 (4)의 연료전지에 따르면, 케이싱의 바닥벽은 물결형상 굴곡이 생기기 때문에, 스프링 모듈로부터 셀 적층체에 가해진 하중이 연료전지 표면 전체에 걸쳐, 일본 특개평08-115737호에서 강체으로부터 셀 적층체에 가해진 하중보다 균일해질 수 있다.

상기 (5)의 연료전지에 따르면, 스프링좌 부재의 끝부분이 케이싱의 벽에 형성된 구멍을 통하여 연장되고 있기 때문에, 스프링은 스프링 모듈에 면 접촉하는 부재 끝면의 볼록, 오목한 변형, 물결형상 변형에 대응할 수 있어서, 체결 하중이 연료전지 표면 전역에 걸쳐 하중의 균일화를 도모할 수 있다.

상기 (6)의 연료전지에 따르면, 스프링좌 부재의 끝면이 예를 들면 볼(ball) 로 구성되어 볼록 곡면이기 때문에, 스프링 모듈에 면 접촉하는 부재로부터 스프링 모듈로 횡단 하중(연료전지 적층방향과는 직각방향의 하중)이 가해지더더라도, 스프링좌는 회전에 의해 횡단 하중을 용이하게 완화할 수 있다.

상기 (7)의 연료전지에 따르면, 케이싱 측벽에 하중 표시부가 제공되기 때문에, 로드 셀의 설치가 불필요하게 된다.

상기 (8)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이 셀 적층체의 중간부에 연료전지 적층방향으로 배치되어 있기 때문에, 각 연료전지의 경사짐과 두께의 불균일은 셀 적층체의 전체 길이에 걸쳐 합쳐지기 이전에, 셀 적층체의 중간부에서 해소될 수 있다.

상기 (9)의 연료전지에 따르면, 제 1 부재와 제 2 부재가 복수 개의 스프링과는 다른 도전성 부재로 서로 전기적으로 접속되어 있기 때문에, 스프링특성과 도전성은 서로 독립하여 양호하게 유지될 수 있다.

상기 (10)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이, 연료전지 스택의 연료전지 적층방향 양쪽 끝에 설치되어 있기 때문에, 연료전지 스택 상에 충격 하중이 작용하여 연료전지 스택의 한쪽 끝의 스프링 모듈이 수축되더라도 다른쪽 끝의 스프링 모듈이 신장됨으로써 스택체결 하중이 일시적으로 저하하는 것을 방지할 수 있다.

상기 (1l), (12)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이 쇼크업소버를 가지고 있기 때문에, 일시적으로 충격 하중이 작용하여 스프링 모듈이 수축되도록 작동하더라도 급격한 변형에 대해서는 쇼크업소버가 강체화되어, 스택체결 하중이 일시적으로 이완되는 것을 방지할 수 있다. 열변형 등의 완만한 변형에 대해서는 쇼크업 소버는 기계적 저항을 거의 일으키지 않고 유연하게 변형될 수 있다.

상기 (13), (14)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이 서로 다른 탄성계수를 가지는 복수 종류의 탄성부재를 포함하기 때문에, 어느 한 종류의 탄성부재로 인한 셀 적층체 상에 체결하중이 걸리지 않더라도, 다른 종류의 탄성부재로 인해 체결하중이 유지될 수 있다.

상기 (15), (16)의 연료전지에 따르면, 어느 한 종류의 탄성부재가 다른 종류의 탄성부재를 유지하거나, 복수 종류의 탄성부재가 서로 일체적으로 형성되어 있기 때문에, 연료전지 스택에 스프링 모듈을 용이하게 장착할 수 있다.

상기 (17)의 연료전지에 따르면, 복수 종류의 탄성부재 중 어느 한 종류의 탄성부재가 변형의 속도에 따라 크기가 변하는 스프링상수를 가지고, 급격한 변형속도의 스프링상수는 완만한 변형속도의 스프링상수보다 크기 때문에, 급격한 변형에 대해서는 어느 한 종류의 탄성부재가 강체화되어, 피체결물(셀 적층체)에 가해지는 체결하중의 손실을 방지할 수 있다.

상기 (18)의 연료전지에 따르면, 복수 종류의 탄성부재가 각각 스프링형과 저반발 스펀지형을 포함하기 때문에, 급격한 변형에 대하여 저반발 스펀지는 강체화되어 피체결물(셀 적층체)에 가해지는 체결하중의 손실을 방지할 수 있다.

상기 (19)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이 전체 변형 범위 중 중간 변형점에서 구부러지는 하중-변형량 특성을 나타내기 때문에, 급격한 변형에 대하여 어느 한 종류의 탄성부재가 강체화되어 피체결물(셀 적층체)에 가해지는 체결하중의 손실을 방지할 수 있다.

상기 (20)의 연료전지에 따르면, 스프링 모듈이 낮은 스프링상수를 가지고 있고, 스프링 모듈은 예비압축되거나 넓은 변형 범위에서 사용되기 때문에, 피체결물(셀 적층체)에 가해지는 체결하중의 손실을 방지할 수 있다.

상기 (21)의 연료전지에 따르면, 탄성부재 및 제 1, 제 2 부재가 방청재료로 이루어지기 때문에, 온도변화에 의해 발생되는 물방울의 영향으로 녹이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

이하에, 본 발명의 연료전지를 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한다.

도 1 내지 도 3은, 본 발명의 어느 실시예에도 적용할 수 있다. 본 발명의 전 실시예에 걸쳐 공통되는 구성부분에는 본 발명의 모든 실시예에 걸쳐 동일한 부호를 붙이고 있다. 또한 도 20은 본 발명에 포함되지 않는 비교예를 나타낸다.

먼저, 본 발명의 전 실시예에 걸쳐 공통되는 부분을, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명의 연료전지 스택의 연료전지(10)는, 저온형 연료전지로서, 예를 들면 고체 고분자 전해질 연료전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)형이다. 본 발명의 연료전지(10)는, 예를 들면 연료전지 자동차에 탑재되나, 자동차 이외에 사용되어도 좋다.

도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10)는, 멤브레인-전극조립체(MEA : Memhrane-Electrode Assembly)와 세퍼레이터(18)를 포함한다. MEA는 이온교환 멤브레인인 전해질 멤브레인(11)과, 이 전해질 멤브레인의 한쪽 면에 배치된 촉매층(12)을 포함하는 전극(14)(양극, 연료전극) 및 전해질 멤브레인의 다른쪽 면에 배치된 촉매층(15)을 포함하는 전극(17)(음극, 공기전극)으로 구성된다. MEA와 세퍼레이터 사이에 양극측과 음극측 상에 각각 확산층(13,16)이 설치된다. 세퍼레이터(18)에는 양극에 연료가스(예를 들어, 수소)를 공급하는 연료가스유로(27) 및 음극에 산화가스(예를 들어, 산소, 통상은 공기)를 공급하는 연료가스유로(28)가 형성되고/되거나, 냉매(예를 들어, 냉각수)를 흘리기 위한 냉각유로(26)가 형성된다. 적어도 하나의 연료전지(10)가 하나의 연료전지 모듈(19)를 형성한다. 복수 개의 연료전지 모듈이 셀 적층체를 형성하기 위하여 연료전지 적층방향으로 적층되고, 전기 터미널(20), 전기 인슐레이터(21) 및 끝판(22)이 셀 적층체의 반대쪽 끝에 설치된다. 끝판(22)은, 셀 적층체 바깥에서 연료전지 적층방향으로 연장되는 고정부재[예를 들어, 장력판(24)]와 볼트(25) 및/또는 너트에 의해 겹침고정되어, 연료전지 스택(23)을 형성한다. 셀 적층체는 연료전지 적층방향으로 조여진다. 연료전지 스택(23)의 적층방향은 연직방향이어도 수평방향이어도 좋고, 임의적이다. 셀 적층체는 스펀지 등으로 이루어지는 외부구속부재(50)에 의하여 측면이 구속되어 있다.

각 연료전지(10)의 양극(14)에서는 수소를 수소 이온(예를 들어, 양성자)과 전자로 하는 반응이 일어난다. 수소 이온은 전해질 멤브레인(11)을 통하여 음극(17)으로 이동하여 음극에서는 수소 이온이 산소와 전자(인접한 MEA의 양극에서 생성한 전자가 세퍼레이터(18)를 통하여 MEA의 음극으로 이동한다)로부터 물을 생성하는 반응이 다음과 같이 행하여진다.

양극 : H₂ → 2H⁺+ 2e^-

음극 : 2H⁺ + 2e^- + (1/2)O₂ → H₂O

셀 적층체가 조여지는 경우, 전극의 전기적 접촉저항의 저감 및 반응가스와 냉매의 기밀(seal)을 목적으로 연료전지 스택(23)에는 체결 하중이 주어진다. 이러한 체결 하중은, 연료전지 면 전체에 걸쳐 균일해야 하고, 또한 셀 적층체가 연료전지 적층방향으로 신축하여도 크기에 실질적인 변하지 않는 것이 바람직하다.

이와 같은 요구를 만족하기 위하여, 본 발명의 연료전지(10)에서는 도 1에 나타내는 바와 같이, 스프링 모듈(30)(「스프링 모듈」은, 「탄성변형 모듈」이라 하여도 좋다)이 연료전지 적층방향에서 셀 적층체와 직렬이 될 수 있도록 셀 적층체를 포함하는 연료전지 스택(23) 내에 설치된다. 스프링 모듈(30)은 도 3에 나타내는 바와 같이, 상대적으로 경사 및 전후이동 가능한 제 1 부재(31) 및 제 2 부재(32)를 포함하고, 서로 병렬 또는 직렬로 배치되어 서로 독립한 복수 개의 스프링(33)(탄성부재)을 포함한다.

스프링[탄성부재(33)]은 금속 스프링이거나, 금속 이외의 재료의 스프링이어도 좋다. 스프링(33)은 코일 스프링, 원추형 접시 스프링, 또는 탄성재(예를 들면 스펀지, 저반발형 스펀지, 고무, 탄성수지 등)로 이루어지는 부재이어도 좋다. 복수 개의 스프링(33)은 한 종류의 스프링 또는 복수 종류의 스프링이어도 좋다. 복수 종류의 스프링의 스프링상수가 동일하여도, 또는 달라도 좋다. 각 스프링(33) 은 금속코일 스프링, 또는 금속코일 스프링과 예를 들면,저반발형 스펀지의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 스프링(33)의 개수는 바람직하게는 5개 이상이고, 더욱 바람직하게는 10개 이상이며, 가장 바람직하게는 스프링 모듈당 60개 정도이다.

스프링 모듈(30)은, 연료전지 스택(23)에 장착되기 이전에 미리 유닛(모듈)의 형태로 편리하게 제작될 수 있다. 따라서, 제 1 부재(31), 제 2 부재(32) 및 스프링(33)은, 단일 유닛(모듈)로써 취급,관리되고, 연료전지 스택(23)의 소정 위치에 장착된다. 연료전지 스택(23)의 소정 위치는, 셀 적층체의 한쪽 끝, 또는 양쪽 끝, 또는 양쪽 끝 사이에 위치하는 셀 적층체의 중간부일 수 있다. 연료전지 스택 당 제공되는 스프링 모듈(30)의 개수는, 1개, 2개 또는 2개 이상이어도 좋다.

연료전지 적층방향과 직교하는, 스프링 모듈(30)의 제 1 부재(31)와 제 2 부재(32)의 벽은, 서로 독립한 복수 개의 스프링(33)으로부터 하중을 받으면 연료전지 적층방향으로 볼록 및/또는 오목하게 변형되어 물결형상으로 탄성변형되는 강성을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 연료전지 적층방향과 직교하는, 스프링 모듈(30)의 제 1 부재(31)와 제 2 부재(32)의 벽은, 강체가 아니라, 연료전지 적층방향으로 볼록 및/또는 오목하게 변형되어 물결형상으로 탄성 변형할 수 있는 변형 가능판인 것이 바람직하다.

도 1의 예에서는 스프링 모듈(30)은 연료전지 스택(23)의 한쪽 끝에 위치하는 끝판(22)과 셀 적층체 사이에 배치되어 있다. 그리고 스프링 모듈(30)과 끝판(22) 사이에 위치조정나사(34)가 제공된다. 따라서, 끝판(22)으로부터 셀 적층체 방향으로는, 끝판(22), 조정나사(34), 압력판(35), 스프링 모듈(30), 전기 인슐레이터(21), 전기 터미널(20), 그리고 셀 적층체의 순서로 배열되어 있다. 그러나, 스프링 모듈(30), 전기 인슐레이터(21), 전기 터미널(20), 셀 적층체의 순서는, 전기 인슐레이터(21), 전기 터미널(20), 스프링 모듈(30), 셀 적층체의 순서로 바꾸거나, 전기 인슐레이터(21), 스프링 모듈(30), 전기 터미널(20), 셀 적층체의 순서로 바꾸어도 좋다.

상기한 본 발명의 전 실시예에 공통되거나 유사한 부분의 효과, 작용을 설명한다.

본 발명의 연료전지(10)에서는 복수 개의 스프링(33)이 서로 독립하여 변형 가능하고, 또한 스프링 모듈(30)의 제 1, 제 2 부재(31, 32)가 강체가 아니기 때문에, 끝면의 경사와 경사진 끝면의 물결형상 변형뿐만 아니라, 연료전지 적층방향으로의 셀 적층체의 길이(수축 또는 신장)의 변화에 대응 가능하다. 그 결과, 연료전지 면 전체에 걸쳐 체결 하중이 균일화될 수 있고, 나아가 연료전지 적층방향에서의 하중의 변화도 감소될 수 있다.

특히, 도 20의 비교예에서는, 끝판(22), 조정나사(34), 구형좌 부재(36), 로드셀(37), 복수 개의 원추형 접시 스프링(38), 그리고 압력판(35)을 포함하는 구조가 셀 적층체의 끝면의 경사에 대응하고 있다. 그러나, 압력판(35)이 강체이기 때문에, 연료전지 적층방향으로 요철되는 셀 적층체 끝면의 물결형상 변형에는 대응할 수 없어, 물결형상 변형에 의한 하중의 불균일에는 대응할 수 없다. 이와 대조적으로 본 발명에서는 복수 개의 스프링(33)이 끝면의 경사뿐만 아니라 셀 적층체 의 경사진 끝면의 물결형상 변형에 대응할 수 있기 때문에, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중이 균일해질 수 있다.

복수 개의 스프링(33)이 하나의 유닛(하나의 모듈)으로 조립되기 때문에, 스프링 모듈(30)의 취급 및 하중의 관리를 용이하게 하고, 스프링 모듈(30)을 연료전지 스택(23)의 소정 위치에 용이하게 장착할 수 있다.

또한, 도 20의 비교예에서는 복수 개의 원추형 접시 스프링의 다층 조립체, 로드셀 내장 구형좌 부재, 그리고 조정나사가 끝판과 셀 적층체 사이에 설치되는 것에 비해서, 본 발명에서는 로드셀 내장 구형좌 부재와, 복수 개의 원추형 접시 스프링의 다층 조립체를 제거할 수 있다. 상기 비교예에서는, 원추형 접시 스프링의 다층화 및 하중 관리가 연료전지 스택의 조립시에 행하여지기 때문에, 작업이 어려운 점이 있다. 이와 대조적으로, 본 발명에서는 스프링 모듈(30)로 인하여 연료전지 스택을 조립하고 연료전지 스택의 조립전에 미리 하중을 관리할 수 있기 때문에, 상기 비교예에 비하여 작업이 매우 용이하다.

게다가, 스프링(33)의 개수가 많으면, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중이 더욱 균일해질 수 있다. 특히, 스프링(33)의 개수가 약 60개면, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중이 거의 균일해지고, 각 스프링(33)이 지탱 하중이 작아져 스프링(33)의 길이가 짧아지고, 스프링 모듈(30)이 축방향으로 짧아지고 촘촘해진다.

또, 스프링 모듈(30)이 연료전지 적층방향으로 셀 적층체의 중간에 설치되는 경우, 각 연료전지의 경사짐과 두께 불균일이 셀 적층체의 전체 길이에 걸쳐 합쳐지기 전에 셀 적층체의 중간부에서 해소될 수 있다.

다음에 본 발명의 각 실시예에 따른 특징적인 구성, 작용을 설명한다.

본 발명의 실시예 1에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)에 있어서, 제 1 부재(31)는 제 1 케이싱[제 1 부재(31)와 동일한 부재이기 때문에, 제 1 케이싱의 부호는 31로 한다]으로 구성되고, 제 2 부재(32)는 제 2 케이싱[제 2 부재(32)와 동일한 부재이기 때문에, 제 2 케이싱의 부호는 32로 한다]으로 구성되어 있다. 이와 같은 구조로 인하여 스프링 모듈(30)은 복수 개의 스프링이 내장되는 케이싱 조립체(박스형태)로 이루어져 있다.

제 1 케이싱(31), 제 2 케이싱(32)은 연료전지 면과 평행한 바닥벽(31a, 32a)을 구비하고, 바닥벽(31a, 32a)의 바깥쪽 가장자리로부터 대향 케이싱(32,31) 측으로 연장되는 측벽(31b, 32b)을 가진다. 제 1 케이싱(31)과 제 2 케이싱(32)으로 둘러 싸인 공간에 스프링(33)이 설치된다.

본 발명의 실시예 1의 작용에 대해서는, 스프링 모듈(30)이 케이싱 조립체의 형태로 형성되기 때문에, 연료전지 스택(23)내에 대한 장착이 용이하도록 단일 조립체의 형태로 연료전지 스택(23) 내에 조립될 수 있다. 또한 스프링 모듈(30)로 하중 관리를 할 수 있기 때문에, 각 스프링의 하중을 관리하는 경우에 비하여 하중 관리가 용이하다.

본 발명의 실시예 2의 작용에 대해서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)에서, 제 1 케이싱(31)과 제 2 케이싱(32)의 연료전지 적층방향과 직교하는 벽[바닥벽(31a, 32a)]은, 특히, 제 1 케이싱(31)과 제 2 케이싱(32) 중 셀 적층체 측에 보다 근접하여 위치하는 케이싱(31)의 바닥벽(31a)은, 서로 독립된 복수 개의 스프링(33)으로부터의 하중을 받으면 연료전지 적층방향으로 볼록 및/또는 오목하게 변형되어 물결형상으로 변형 가능한 강성을 가진다. 즉, 바닥벽은 강체가 아니고, 연료전지 적층방향으로 요철됨으로써 물결형상으로 탄성 변형할 수 있는 변형 가능판이다.

본 발명의 실시예 2의 작용에 대해서는, 연료전지 적층방향과 직교하고 스프링 모듈(30)에 접하는 부재의 평면이, 연료전지 적층방향과 직교하는 면으로부터 경사지기 때문에, 제 1 케이싱(31)과 제 2 케이싱(32)은 스프링 모듈(30)이 스프링 모듈(30)에 접하는 부재의 평면의 경사에 대응할 수 있도록 서로 상대적으로 경사진다. 또한 연료전지 적층방향과 직교하고 스프링 모듈(30)에 접하는 부재의 평면이, 연료전지 적층방향과 직교하는 평면 또는 경사진 면으로부터 물결형상으로 연료전지 적층방향으로 요철되는 물결형상 변형에, 스프링 모듈(30)은 적어도 제 1 케이싱(31), 제 2 케이싱(32)의 바닥벽의 물결형상 변형으로 대응할 수 있다. 이에 의하여 강체를 통하여 셀 적층체에 하중을 인가하는 경우보다도, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중의 균일화를 도모할 수 있다.

본 발명의 실시예 3에서는 도 5에 나타내는 바와 같이, 스프링 모듈(30)은 복수 개의 스프링좌 부재(39), 예를 들면 복수 개의 스프링(33)의 개수와 동일한 개수의 스프링좌 부재(39)를 가지고 있다. 복수 개의 스프링좌 부재(39) 각각은 한쪽 끝부[스프링(33)과 접하는 스프링좌 부재(39)가 배치되는 다른 쪽 끝부와 반대쪽]를 가지고 있으며, 상기 한쪽 끝부는 제 1 케이싱(31)과 제 2 케이싱(32) 중 셀 적층체 측에 근접하여 위치되는 케이싱(31)의 바닥벽(31a)에 형성되는 구멍(40)을 통하여 연장되고, 케이싱(31)의 바닥벽(31a)에 접하고 있는 부재에 맞닿아 있다. 스프링(33)이 각각 독립이기 때문에, 스프링좌 부재(39)가 스프링 모듈(30)에 면 접촉하는 부재를 가압하는 가압력, 및 케이싱 바닥벽으로부터 돌출한 스프링좌 부재 끝부분의 돌출량도 각각 독립한 값이다.

본 발명의 실시예 3의 작용에 대해서는, 스프링좌 부재(39)의 끝부가 케이싱(31)의 바닥벽(31a)의 구멍(40)을 통하여 연장되기 때문에, 스프링(33)은 케이싱 바닥벽의 강성의 영향을 받는 일 없이, 스프링 모듈(30)에 면접촉하는 부재의 끝면의 물결형상, 볼록, 오목 변형에 대응할 수 있어, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중이 균일하게 주어질 수 있다.

본 발명의 실시예 4에서는 도 6에 나타내는 바와 같이, 스프링 모듈(30)은 복수 개의 스프링좌 부재, 예를 들면 스프링(33)의 개수와 동일한 개수의 스프링좌 부재(39)를 가지고 있고, 복수 개의 스프링좌 부재(39) 각각은 한쪽 끝부[스프링(33)과 접하는 스프링좌 부재(39)가 배치되는 다른 쪽 끝부와 반대쪽]를 가지고 있으며, 상기 한쪽 끝부는 제 1 케이싱(31)과 제 2 케이싱(32) 중 셀 적층체 측에 근접하여 위치되는 케이싱(31)의 바닥벽(31a)에 형성되는 구멍(40)을 통하여 연장되고, 케이싱(31)의 바닥벽(31a)에 접하고 있는 부재에 맞닿아 있다. 스프링(33)이 각각 독립이기 때문에, 스프링좌 부재(39)가 스프링 모듈(30)에 면 접촉하는 부재를 가압하는 가압력, 및 케이싱 바닥벽으로부터 돌출한 스프링좌 부재 끝부분의 돌출량도 각각 독립한 값이다. 각 스프링좌 부재(39)의 스프링(33)을 받는 한쪽 끝부[스프링(33)과 접하는 스프링좌 부재(39)가 배치되는 다른 쪽 끝부와 반대쪽]는 볼록 곡면형상의 끝면을 구비하고 있다. 예를 들면 각 스프링좌 부재(39)를 볼로 구성함으로써, 스프링좌 부재(39)의 끝면이 구면형상으로 되어 있다.

본 발명의 실시예 4의 작용에 대해서는, 스프링좌 부재(39)의 끝부가 케이싱(31)의 바닥벽(31a)에 형성된 구멍(40)을 통하여 연장되고 있기 때문에, 스프링(33)은 케이싱 바닥벽의 강성의 영향을 받는 일 없이, 스프링 모듈(30)에 면접촉하는 부재의 끝면의 물결형상, 볼록, 오목 변형에 대응할 수 있어, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중이 균일하게 주어질 수 있다.

또, 스프링좌 부재(39)의 끝면이 볼록 곡면이기 때문에, 예를 들면 스프링좌 부재를 볼로 구성함으로써, 스프링 모듈에 면 접촉하는 부재로부터 횡단 하중(연료전지 적층방향과 직교하는 방향으로 인가되는 하중)이 스프링 모듈로 인가되더라도, 스프링좌 부재(39)는 회전에 의하여 횡단하중을 용이하게 완화시킬 수 있다. 또, 케이싱의 바닥벽으로부터 돌출한 돌기를 볼로 함으로써, 스프링좌 부재(39)는 스프링 모듈에 면 접촉하는 부재와 점 접촉이 가능하여, 면으로 접촉하는 경우에 발생하는 면내 응력을 없앨 수 있다. 그 결과, 연료전지 면 전역에 걸쳐 체결 하중이 균일하게 주어질 수 있다.

본 발명의 실시예 5에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)의 제 1, 제 2 케이싱(31,32)은 측벽(31b,32b)을 가지고, 상기 측벽(31b,32b)에는 하중 표시부(41)가 설치되어 있다. 하중 표시부(41)는 기계적 방식의 하중계이다. 하중계에 코일스프링을 사용하면 하중-변형 특성은 선형(linear)관계를 이룬다. 사전에 하중(L)의 교정이 실시된다.

본 발명의 실시예 5의 작용에 대해서는, 케이싱(31,32)의 측벽(31b, 32b)에 하중 표시부(41)가 제공되기 때문에, 도 20의 비교예에서와 같이 로드셀을 설치하는 것이 불필요하게 된다.

본 발명의 실시예 6에서는 도 8에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)의 제 1 부재(31)[예를 들면, 제 1 케이싱(31)]와 제 2 부재(32)[예를 들면, 제 2 케이싱(32)]가 복수 개의 스프링(33)과는 다른 도전성 부재(42)로 서로 전기적 접속되어 있다.

이 경우에, 스프링 모듈(30)은 셀 적층체의 중간부위에 연료전지가 적층되는 연료전지 적층방향으로 배치되어도 좋고, 또는 셀 적층체의 끝면과 전기 터미널(20) 사이에 배치되어도 좋다.

본 발명의 실시예 6의 작용에 대해서는 제 1 부재(31)[예를 들면, 제 1 케이싱(31)]와 제 2 부재(32)[예를 들면, 제 2 케이싱(32)]가 복수 개의 스프링(33)과는 다른 도전성 부재(41)로 서로 전기적 접속되어 있기 때문에, 스프링 특성과 전기전도성 모두 양호하게 유지될 수 있다. 이러한 구조로 인하여 스프링 모듈(30)이 셀 적층체의 중간부위에 연료전지가 적층되는 연료전지 적층방향으로 배치되거나, 셀 적층체의 끝면과 전기 터미널(20) 사이에 배치되더라도, 전도성의 문제는 발생하지 않는다.

그리고 스프링 모듈(30)이 셀 적층체의 중간부위에 연료전지가 적층되는 연료전지 적층방향으로 배치되는 경우에는, 각 연료전지의 경사짐과 두께의 불균일이 셀 적층체의 전체 길이에 걸쳐 합쳐지기 이전에 셀 적층체의 중간부에서 해소될 수 있다.

본 발명의 실시예 7에서는 도 9에 나타내는 바와 같이, 스프링 모듈(30)은 연료전지가 적층되는 연료전지 적층방향으로 연료전지 스택(23)의 양쪽 끝[예를 들면, 연료전지 스택(23)의 끝판(22)의 안쪽부위]에 설치되어 있다.

본 발명의 실시예 7의 작용에 대해서는, 스프링 모듈(30)이 연료전지 적층방향으로 연료전지 스택(23)의 양쪽 끝에 설치되어 있기 때문에, 충격 하중(L_s)이 일시적으로 연료전지 스택(23) 상에 작용하여 연료전지 스택(23)의 한쪽 끝의 스프링 모듈(30)이 수축되더라도, 연료전지 스택(23)의 다른쪽 끝의 스프링 모듈(30)은 일시적으로 신장됨으로써, 연료전지 스택(23) 상에 체결 하중이 일시적으로 손실되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예 8에서는 도 10에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)은 제 1 부재(31)[제 1 케이싱(31)]와 제 2 부재(32)[제 2 케이싱(32)] 사이에 배치된 쇼크업소버(43)를 구비하고 있다. 쇼크업소버(43)는 제 1, 제 2 부재(31, 32)의 중심부에 설치되어 있다. 쇼크업소버(43)는, 실린더(43a)와 작은 구멍(43c)이 형성되는 피스톤(43b)을 포함하고 있고, 실린더(43a)는 오일로 채워진다.

본 발명의 실시예 8의 작용에 대해서는, 피스톤(43b)의 빠른 속도로 이동하는 경우에 작은 구멍(43c)을 통과하는 오일의 저항이 커지게 되어, 셀 적층체 상에 충격 하중이 인가될 때, 쇼크업소버(43)는 강체처럼 작동하여 셀 적층체의 이동을 억제하고 연료전지 스택의 체결 하중이 일시적으로 손실되는 것을 방지한다. 그러 나 피스톤(43b)이 느린 속도로 이동하는 경우에는 작은 구멍(43c)을 통과하는 오일의 저항이 작아지기 때문에, 열팽창·수축 등 느린 속도의 피스톤 운동에 대해서 쇼크업소버(43)는 저항없이 변형되어 연료전지 스택의 체결 하중을 이완하지 않고도, 스택의 열팽창·수축에 대응할 수 있다.

본 발명의 실시예 9에서는 스프링 모듈(30)이, 복수 개의[예를 들면, 스프링(33)과 동일한 개수의] 쇼크업소버(43)를 가진다. 도 11에 나타내는 바와 같이 복수 개의 쇼크업소버(43)의 각 쇼크업소버(43)와 복수 개의 스프링(33)의 각 스프링(3a)은 서로 동축상으로 배열된다.

본 발명의 실시예 9에 따르면, 본 발명의 실시예 8과 동일한 작용을 한다. 단, 본 발명의 실시예 8에 비교할 때, 스프링(33)과 쇼크업소버(43)가 동축상으로 배열되기 때문에, 각각의 쇼크업소버(43)가 각각의 스프링위치에 배치될 수 있어, 스프링(33)과 쇼크업소버(43)의 배치공간을 작게 할 수 있다.

본 발명의 실시예 10에서는 도 12, 도 13에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)은 서로 다른 탄성계수를 가지는 복수 종류의 탄성부재(33a, 33b)를 포함한다. 각 종류의 탄성부재(33a, 33b)의 개수는, 1개 또는 2개 이상의 복수이어도 좋다.

복수 종류의 탄성부재(33a, 33b)는, 서로 병렬로 배치되어 있다. 도 12의 예에서는 복수 종류의 탄성부재(33a, 33b) 중 어느 한 종류의 탄성부재(33a)는 저반발형 스펀지이고, 다른 종류의 탄성부재(33b)는 금속코일 스프링이다. 저반발형 스펀지(33a)는 슬로우 리커버리형 스펀지라고도 한다. 저반발형 스펀지(33a)는, 변형 속도에 따라 크기가 변하는 스프링상수를 가지고, 빠른 속도로 변형이 일어나 는 경우의 스프링상수가 느린 속도로 변형이 일어나는 경우의 스프링상수보다 크다. 도 13은 저반발형 스펀지(33a)의 하중-변형 특성을 나타내고 있다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 저반발형 스펀지(33a)는 차량 충돌시의 급격한 변형에 대해서는 작은 변형에도 하중이 급격하게 상승하는 가파른 기울기의 특성을 즉, 높은 스프링상수 값을 나타낸다, 통상시의 느린 속도의 변형의 경우에 저반발형 스펀지(33a)는 변형이 큰 경우에도 하중이 서서히 상승하는 완만한 기울기의 특성 즉, 낮은 스프링상수 값을 나타낸다.

본 발명의 실시예 10의 작용에 대해서는, 스프링 모듈(30)이 서로 다른 탄성계수를 가지는 복수 종류의 탄성부재(33a, 33b)를 포함하고 있기 때문에, 어느 한 종류의 탄성부재(33a)로 인해 셀 적층체에 인가되는 체결 하중이 손실되더라도, 다른 종류의 탄성부재(33b)로 인해 체결 하중이 유지될 수 있다.

연료전지 스택(23)이 완만하게 변형하는 주된 원인은 스프링(33b)에 있다. 충격 하중이 걸릴 경우, 스펀지(33a)가 그 하중을 지탱하여 스프링 모듈이 수축되는 것을 억제할 수 있다. 특히, 스프링을 내장하는 스프링 모듈이 연료전지 스택의 한쪽 끝에 배치되고, 연료전지 스택이 상기 한쪽 끝을 차량의 전단을 향하게 하여 차량에 탑재되는 경우에는, 차량의 전단이 충돌될 때 스프링 모듈이 수축되어 연료전지 스택의 체결 하중이 일시적으로 손실되거나 감소될 것이다. 그러나, 실시예 10에서는, 스프링 모듈(30)에 저반발형 스펀지(33a)를 내장하고 있기 때문에, 스프링 모듈의 수축 및 체결 하중의 일시적 손실을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예 11에서는 도 14에 나타내는 바와 같이 복수 종류의 탄성부 재(30a, 30b) 중 어느 한 종류의 탄성부재(33a)가 다른 종류의 탄성부재(33b)를 유지하고 있다.

예를 들면 한 종류의 탄성부재(33a)는 저반발형 스펀지이고, 다른 종류의 탄성부재(33b)는 금속코일 스프링이다. 저반발형 스펀지(33a)는 단일 일체형 부재로 형성되고, 이 스펀지(33a)에, 각각이 코일 스프링(33b)의 외경과 동일한 지름의 구멍(33c)을 코일 스프링(33b)의 개수와 같은 수만큼 설치하여, 각 구멍(33c) 내에 각각의 코일 스프링(33b)이 놓여진다.

본 발명의 실시예 11의 작용에 대해서는, 어느 한 종류의 탄성부재(33a)가 다른 종류의 탄성부재(33b)를 유지하고 있기 때문에, 스프링 모듈(30)의 케이싱에 스프링(33)을 장착하고 연료전지 스택(23)에 스프링 모듈(30)을 장착하는 것은, 케이싱 안에 절단 및 구부림부가 형성되고 스프링이 절단 및 구부림부에 설치되는 경우에 비하여, 작업이 용이하다.

본 발명의 실시예 12에서는 도 15에 나타내는 바와 같이, 복수 종류의 탄성부재(30a, 30b)가 서로 일체적으로 형성되어 있다.

예를 들면 어느 한 종류의 탄성부재(33a)는 저반발형 스펀지이고, 다른 종류의 탄성부재(33b)는 금속코일 스프링이다. 저반발형 스펀지(33a)내에 코일 스프링(33b)이 일체적으로 형성되어 있다.

본 발명의 실시예 12의 작용에 대해서는 저반발형 스펀지(33a)내에 코일 스프링(33b)이 일체적으로 형성되어 있기 때문에, 저반발형 스펀지(33a)와 코일 스프링(33b)의 일체형 조립체를 스프링 모듈(30)의 케이싱에 장착하고 스프링 모듈(30) 을 연료전지 스택(23)에 장착하는 작업이 용이하다.

또, 스프링(33b)의 안쪽 공간에까지 스펀지(33a)가 삽입되기 때문에, 스펀지(33a)가 차지하는 면적이 증가될 수 있다. 그 결과, 스펀지(33a)로 인한 효과를 높일 수 있다.

본 발명의 실시예 13에서는 도 16 내지 도 18에 나타내는 바와 같이 복수 종류의 탄성부재(33a, 33b)는 스프링 모듈(30)이 전체 변형 범위(W) 중 중간 변형점(W₁)에서 구부러지는 하중-변형 특성을 나타낼 수 있도록 조합되어 있다.

도 16, 도 17의 예에서는 어느 한 종류의 탄성부재(33a)와 다른 종류의 탄성부재(33b)가 서로 병렬로 배열되어 있다. 비압축 상태에 있는 탄성부재(33a)의 길이(H)와, 제 1, 제 2 케이싱 사이의 거리(H + H')는 동일하지 않고, 탄성부재(33a)의 길이(H)는 제 1, 제 2 케이싱 사이의 거리(H + H')보다 H'만큼 짧다. 하중이 「0」일 때, 스프링 케이싱과 탄성부재(33a) 사이에 H'만큼의 공간이 있다. 제 1, 제 2 케이싱에 하중이 인가되어 제 1, 제 2 케이싱 사이의 거리(H + H')가 H'만큼 짧아지면 탄성부재(33a)는 하중을 받기 시작한다. 하중-변형 특성은 도 18에 나와 있다. 스프링 모듈의 소정 변형까지는 어느 한 종류의 탄성부재(33b)만이 변형되고, 그 이상으로 스프링 모듈이 변형되는 경우에는 모든 종류의 탄성부재(33a, 33b)가 변형되도록 어느 한 종류의 탄성부재(33a)와 다른 종류의 탄성부재(30b)를 조합하면 도 18의 하중-변형 특성이 얻어진다. 특징적으로, 스프링 모듈은 스프링 모듈의 소정변형까지는 높은 스프링상수를 나타내고, 그 이상의 변형에서는 낮은 스프링상수를 나타낸다. 요구되는 특성에 따라 스프링 종류의 조합이 변할 수 있다.

본 발명의 실시예 14에서는, 도 19에 나타내는 바와 같이 스프링 모듈(30)의 복수 개의 탄성부재(33)의 전체 스프링상수가 낮게 설정되어 스프링 모듈(30)이 예비압축 상태이거나 넓은 변형 범위에서 사용된다. 스프링 모듈(30)의 전체 스프링상수를 낮게 설정하고, 예비압축 상태에서 스프링 모듈(30)이 사용되는 경우, 스프링 모듈은 도 19의 선 A의 사용범위 B에서 사용된다. 스프링 모듈(30)의 전체 스프링상수를 낮게 설정하고, 넓은 변형 범위에서 스프링 모듈(30)이 사용되는 경우, 스프링 모듈은 도 19의 선 C의 사용범위 D에서 사용된다.

본 발명의 실시예 14의 작용에 대해서는, 스프링 모듈이 예비압축되기 때문에 체결 하중의 일시적 손실을 방지할 수 있다. 또한 전체 스프링상수를 낮게 설정하였기 때문에, 셀 적층체의 길이에 있어서의 큰 불균일이 소정 하중범위 내에서 흡수될 수 있다.

본 발명의 실시예 15에서는, 탄성부재(33) 및 제 1, 제 2 부재(31, 32)가 방청재료로 이루어진다. 여기서 방청재료는 스테인레스강 또는 합성수지를 포함한다.

본 발명의 실시예 15의 작용에 대해서는, 방청의 수준이 높게 설정되기 때문에, 연료전지 상에 산화철과 같은 녹에 의한 악영향을 제거할 수 있다. 스프링 모듈(30)과 세퍼레이터(18)는 공간적으로 연결되기 때문에, 스프링 모듈로부터의 산화철가루가 세퍼레이터의 부식을 촉진하고, 금속이온이 스프링 모듈 주변의 전기전 도성을 상승시킬 염려가 있다. 그러나, 본 발명에서는, 철의 녹 발생을 억제함으로써, 연료전지에 대한 녹의 악영향을 제거할 수 있다.

본 발명의 연료전지 스택은 셀 적층체 끝면의 경사뿐만 아니라, 연료전지 적층방향에서 셀 적층체의 길이의 변화에도 대응할 수 있어 유용하다.

또한 본 발명의 연료전지 스택은 체결하중을 연료전지 면 전역에 걸쳐 균일화할 수 있고, 연료전지 적층방향에서 하중의 변동을 감소할 수 있어 유용하다.

Claims

셀 적층체와, 상대적으로 경사 가능한 제 1 부재 및 제 2 부재와, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재 사이에 배치되고 서로 독립한 복수 개의 스프링을 포함하여 상기 셀 적층체에 직렬로 배치되어 있는 스프링 모듈을 포함하는 연료전지에 있어서,

상기 스프링 모듈은 서로 다른 탄성계수를 가지는 복수 종류의 탄성부재를 포함하고,

상기 스프링 모듈이 소정 변위까지는 높은 탄성 계수를 나타내고, 소정 변위 이상에서는 낮은 탄성 계수를 나타내며,

상기 스프링 모듈이 상기 소정 변위까지 변형하는 동안에는 상기 복수 종류의 탄성부재 중 어느 한 종류의 탄성부재만이 변형되고, 상기 스프링 모듈이 상기 소정 변위 이상 변형하면 상기 복수 종류의 탄성 부재가 함께 변형하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 연료전지.
제 1항에 있어서,

상기 복수 종류의 탄성 부재는, 하중에 대한 변위가 작은 탄성 부재와, 하중에 대한 변위가 큰 탄성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 복수 종류의 탄성 부재는 서로 병렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료전지.