KR100875579B1 - 연료전지 스택 체결장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 체결장치에 관한 것으로, 케이스(10)에 가이드(11)가 형성되고, 분리판(20)에 가이드홈(21)이 형성되어, 케이스(10)에 분리판(20) 내장시 자동으로 정렬이 이루어진다.

또한, 케이스(10)에 분리판(20)을 내장하고 커버(30)를 장착함으로써 분리판의 정렬과 체결 및 보호함에 내장하는 모든 작업이 일괄적으로 한 공정에서 이루어질 수 있게 됨으로써 스택 조립이 한층 용이하고 신속하게 진행될 수 있게 된다.

또한, 상기 가이드(11)에 전압 및 온도 측정용 단자들을 미리 매설하여 종래에 각 분리판의 단자홈에 측정용 단자를 삽입 설치해야만 하는 불편함이 해소된다.

또한, 상기 케이스(10)에 냉각유로(70)가 형성되어 냉각유로 형성을 위한 분리판의 개수를 감소시킬 수 있게 됨으로써 스택의 크기 및 중량이 감소되는 효과도 있다.

스택, 스택체결, 스택조립, 전압측정

Description

연료전지 스택 체결장치{fuel cell stack assembling device}

본 발명은 연료전지 스택 체결장치에 관한 것으로, 특히 분리판의 정렬과 체결이 간편하게 이루어질 수 있도록 된 연료전지 스택 체결장치에 관한 것이다.

연료전지의 스택은 분리판과 막전극조합체(MEA ; 전해질막과 그 양측의 연료극 및 공기극으로 구성)로 이루어진 기본 셀(cell)을 다수 적층하여 이루어진다. 상기 막전극조합체에 접하는 양측 분리판의 표면에는 각각 유로가 형성되어 있어서 상기 연료극 및 공기극에 연료(수소가스)와 공기를 공급한다.

상기 연료극에서는 수소이온과 전자가 분리되며, 수소이온은 전해질막을 통과한 후 공기극에서 산소와 결합하여 물을 생성하고, 상기 전자는 외부도선을 통해 공기극으로 이동하는데 그 흐름이 전류이다. 따라서, 상기 셀을 직렬로 적층하여 필요한 용량의 전력을 생산하게 된다.

한편, 종래에 상기 셀을 적층할 때는(막전극조합체가 양쪽 분리판의 사이에 완전히 매립되어 스택의 길이는 분리판의 적층 길이와 동일하게 되므로 이하, 분리판을 적층하는 것으로 설명한다.) 즉, 분리판을 적층할 때는 최소 2개 이상의 정렬축을 사용하여 분리판을 정확히 정렬시키고 그 양단에 커런트플레이트와 엔드플레 이트를 배치한 뒤, 양쪽 엔드플레이트를 타이바아(볼트&너트 체결방식)를 이용하여 고정하였다. 그리고, 그 스택을 보호함(외관을 이루는 케이스)에 집어넣고, 젤(gel)과 같은 충진제를 충진하여 밀봉, 진동흡수, 절연 기능을 하도록 하였다.

따라서, 종래의 스택 조립 작업은 상기 정렬축과 같은 별도의 기구를 필요로 하고, 스택 체결 작업과, 스택을 보호함에 내장하는 작업을 별도로 수행해야 하므로 작업이 번거롭고 공수가 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 각 셀의 전압 및 온도를 측정하기 위하여 각 분리판 성형시 분리판 표면에 단자홈을 형성하여, 스택 체결시(또는 후) 각 단자홈마다 측정단자를 일일이 삽입해 주어야만 하는 불편함이 있었고, 이에 스택 조립작업에 소요되는 시간이 더욱 증가하였다.

또한, 상기 종래의 스택은 분리판의 사이에 냉각유로를 형성하여 냉각을 수행하고 있는데, 이러한 냉각유로가 형성된 접합부와 상기와 같이 막전극조합체가 삽입된 접합부가 교번하여 배치된다.

즉, 모든 분리판의 사이마다 막전극조합체를 삽입하지 못하고 분리판 2개의 사이마다 막전극조합체를 삽입하는 방식(하나씩 건너뛰면서)으로 스택을 구성하게 되므로 스택 전체의 길이가 증가하게 된다. 즉, 냉각유로를 형성하기 위해서 스택에 필요한 분리판의 수가 증가하므로 스택의 길이가 증가되어 결국 스택의 체적 및 중량이 증가되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 정렬축과 같은 별도의 기구를 사용하지 않고도 분리판의 정렬이 자동으로 이루어지고, 분리판 정렬 작업과 체결 작업 및 케이스에 내장하는 작업을 별도로 수행하지 않고 한 공정에서 수행할 수 있게 되며, 전압 및 온도 측정용 단자를 일일이 단자홈에 삽입할 필요가 없게 됨에 따라 스택 조립작업이 간편해지고, 냉각유로 형성을 위해 필요한 분리판의 수가 감소되어 스택의 체적 및 중량이 감소하게 되는 연료전지 스택 체결장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

일측면이 개방된 박스형상이고, 내부의 상호 마주보는 두 면에 가이드가 돌출형성된 케이스와;

상기 가이드에 대응되는 위치에 가이드홈이 형성되어 상기 가이드가 가이드홈에 삽입된 상태로 상기 케이스에 밀어 넣어지는 분리판과;

상기 분리판이 케이스에 내장된 뒤 상기 케이스의 개방된 일측면에 체결수단을 매개로 장착되는 커버;

를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 케이스의 가이드에 전압 및 온도측정용 단자들이 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 케이스에는 냉각유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이, 분리판이 스택에 내장되면서 가이드와 가이드홈의 작용에 의해 자동으로 정렬이 이루어지고 그 상태에서 커버만 장착하면 스택 정렬, 체결, 케이스에의 내장이 모두 이루어지므로 별도의 정렬 기구를 사용할 필요가 없을 뿐만 아니라 조립작업이 매우 간편해지는 효과가 있다.

또한, 전압 및 온도측정용 단자들을 스택 조립시 설치할 필요가 없게 되므로 스택 조립작업이 한층 간편해지고 신속해진다.

또한, 케이스에 냉각유로가 형성되어 스택 냉각을 보조하게 되므로 냉각을 위한 분리판의 개수를 줄일 수 있어서 스택의 체적 및 중량이 감소되는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스택 체결장치의 구성도이다.

본 발명은 일측면이 개방된 직육면체 박스 형상의 케이스(10)와, 상기 케이스(10)에 내장되는 분리판(20)과, 상기 케이스(10)의 개방면에 체결수단을 매개로 장착되는 커버(30)로 이루어진다.

상기 케이스(10)에는 내부의 서로 마주보는 두 면 즉, 상면과 하면 또는 좌면과 우면의 중앙에 가이드(11)가 돌출 형성된다. 상기 가이드(11)는 케이스(10)의 입구부터 안쪽 끝 부분까지 전체적으로 형성되며, 그 단면 형상은 U자형이고, 둥글 게 형성된 단부가 서로 마주보도록 형성된다.

한편, 스택을 구성할 각 분리판(20)들에도 상기 가이드(11)가 형성된 위치와 동일한 위치에 동일한 형상 및 크기를 갖는 가이드홈(21)이 형성된다.(단, 가이드홈(21) 내에서 상기 가이드(11)가 슬라이딩 이동할 수 있도록 즉, 가이드(11)를 따라서 분리판(20)이 슬라이딩 이동할 수 있도록 가이드(11)와 가이드홈(21) 사이에 미세한 여유 공극이 존재함은 물론이다.)

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(20)을 케이스(10)에 밀어 넣을 때 케이스(10)의 가이드(11)가 분리판(20)의 가이드홈(21)에 삽입된다.

따라서, 모든 분리판(20)을 순차적으로 케이스(10)로 밀어 넣으면 분리판(20)들의 정렬이 자동으로 이루어지게 된다. 따라서, 종래의 정렬축과 같은 별도의 정렬수단을 사용할 필요가 없게 된다.

상기와 같이 케이스(10)에 분리판(20)을 모두 집어넣은 후에는 상기 커버(30)를 케이스(10)의 개방면에 체결수단을 매개로 장착한다.

상기 커버(30)가 장착되었을 때 분리판(20)으로 이루어진 스택에 필요한 압력을 형성해줄 수 있도록 케이스(10)의 치수(전후 길이)가 미리 고려되었음은 물론이다.

상기 체결수단으로는 도 3에 도시된 바와 같이 다양한 형식의 것을 이용할 수 있다.

도 3(a)는 가장 보편적으로 이용되는 볼트형 타이바아(41)에 의해 커버(30)가 장착된 상태를 도시한 것으로, 커버(30)와 케이스(10)에 분리판 적층방향으로 관통홀이 형성되고, 그 관통홀에 타이바아를 삽입하고 양단에 너트를 체결함으로써 케이스(10)에 커버(30)가 장착된다. 볼트형 타이바아인 경우 헤드가 존재하므로 일측 단부에만 너트 체결을 실시한다.

도 3(b)는 밴드(42)를 이용한 것으로, 상기 밴드(42)는 인장강도가 우수한 합성피혁이나 인조섬유직물 및 스틸밴드 등이 이용될 수 있으며, 밴드의 양단은 클램프에 의해 조여진 상태에서 고정된다.

도 3(c)는 고정플레이트(43)를 이용한 것으로, 양단에 직각으로 절곡된 플랜지(43a)가 형성된 고정플레이트(43)를 케이스(10)와 커버(30)의 측면에 결합하여 상기 플랜지(43a)에 의해 커버(30)가 케이스(10)에 고정될 수 있도록 된 것이다. 이 경우에는 상기 고정플레이트(43)의 체결상태를 보다 견고히 하기 위하여 케이스(10)와 커버(30)에 삽입홈(44)을 형성할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 케이스(10)에 분리판(20)을 모두 집어넣고, 체결수단을 이용하여 상기 커버(30)를 케이스(10)에 장착하기만 하면 모든 분리판(20)이 완전하게 정렬된 상태로 스택의 체결이 완료된다.

즉, 종래에 먼저 정렬축을 사용하여 분리판들을 정렬하고, 정렬된 분리판들의 양단에 엔드플레이트를 배치하고 가압하면서 체결하며, 그 체결된 스택을 별도의 보호함에 내장하는 여러 단계의 공정을 하나의 공정으로 축소하여 시행할 수 있게 된 것이다.

따라서, 작업이 매우 간편하고 소요시간도 감소하게 된다.

또한, 상기 케이스(10)와 커버(30)가 종래의 엔드플레이트 역할을 대신하게 되므로 구성이 단순해지는 장점도 있다.

한편, 상기와 같이 스택 조립이 완료된 후에는 밀봉, 진동감소, 절연 등의 목적으로 상기 케이스(10) 내부의 잔여 공간(분리판들이 채워지고 남은 공간)에 젤과 같은 충진제를 주입한다.

이를 위해 도 4(a)와 같이 상기 커버(30)의 중앙에 충진제 주입구(31)를 형성한다. 또한, 상기 충진제 주입구(31)를 통한 충진제의 주입이 가능하도록 상기 커버(30)의 내측면에 상기 충진제 주입구(31)로부터 상기 잔여공간에 이르는 충진제 이동홈(32)이 형성되어야 함은 물론이다.

또한, 연료전지 스택에는 외부로부터 연료가스와 공기 및 냉각수가 공급되고 회수되어야 하므로 이들의 공급관 및 회수관을 연결하기 위한 연결구(50)들이 설계의도 따라 다양한 위치에 형성된다. 도 4(b)는 상기 커버(30)의 상단과 케이스(10)의 배면 하단에 연결구(50)들이 형성된 경우를 도시한 것이고, 도4(c)는 상기 케이스(10)의 상면 전단과 하면 전단에 연결구(50)들이 형성된 경우를 도시한 것이다.

한편, 본 발명은 각 셀의 전압 및 온도를 측정하기 위한 전압 및 온도 측정 수단을 더 포함할 수 있다. 이는 상기 케이스(10)의 가이드(11)가 모든 분리판(20)에 접촉해 있는 것을 이용한 것으로, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 가이드(11)의 단부면 양측에 전압측정용 단자(61)와 온도측정용 단자(62)를 매설하고, 각 단자(61,62)에 연결된 전선(63,64)이 상기 가이드(11)의 내부를 통해 케이스(10)의 외측으로 인출되도록 한다.

이와 같은 방식으로 가이드(11)의 길이 방향(분리판 적층 방향)을 따라 일정 간격-분리판 폭과 동일-마다 상기 전압측정용 단자(61)와 온도측정용 단자(62)를 설치하면, 케이스(10)에 분리판(20)을 내장했을 때 모든 분리판(20)들마다 상기 전압측정용 단자(61)와 온도측정용 단자(62)가 접촉하여 각 셀의 전압 및 온도를 측정할 수 있게 된다.

따라서, 종래와 같이 각 분리판에 단자홈을 형성하고, 그 단자홈마다 핀형의 단자를 삽입하여 고정하는 작업을 실시할 필요가 없게 되므로 스택 조립 작업이 한층 용이해지고, 시간도 절약된다.

한편, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(10)에 냉각유로(70)가 형성되는 것에 또 다른 특징이 있다.

상기 냉각유로(70)는 케이스(10)의 몸체 내부에 형성되며, 그 형상이나 패턴에 별다른 제한은 없고 단지 케이스(10) 전체를 고르게 냉각할 수 있는 형상이면 된다.

도 6(a)에는 냉각유로(70)가 케이스(10)의 상면 전단 일측 모서리로부터 케이스(10)를 휘감는 형상으로 케이스(10)의 후면 하단 일측 모서리까지 연장 형성된 실시예가 도시되어 있다.

도 6(b)는 케이스의 전개도로서(후면 제외) 냉각유로(70)가 상면 전단 일측 모서리로부터 케이스(10)의 각 면을 전후로 왕복하는 형상으로 좌측면의 전단 일측 모서리까지 연장 성형된 실시예가 도시되어 있다.

그 외, 직선형으로 왕복하거나, 다수의 직선형 유로가 서로 직교하는 등의 여러 가지 패턴으로 다양하게 냉각유로가 형성될 수 있을 것이다.

상기와 같이 케이스(10)에 냉각유로가 형성되어 내장된 스택의 냉각이 이루어지면, 분리판(20) 사이에 형성된 냉각유로에 의한 냉각작용을 보조할 수 있게 된다.

따라서, 종래에 냉각유로 형성 부분에 막전극조합체를 설치하여 셀 수를 증가시킬 수 있기 때문에 동일한 수의 셀을 가지는 스택의 크기가 종래에 비하여 줄어들 수 있게 된다.

즉, 스택 내부의 냉각이 효율적으로 이루어지도록 하기 위해서 분리판 사이에 형성되는 냉각유로를 모두 없앨 수는 없으나, 상기 케이스에 형성된 냉각유로에 의한 보조냉각능력을 고려하여 분리판 사이에 형성되는 냉각유로의 수를 줄일 수 있게 되고, 이에 냉각유로 형성을 위해 사용되던 분리판의 수가 줄어들게 됨으로써 스택의 크기 및 중량이 감소하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택 체결장치의 구성도,

도 2는 케이스에 분리판이 내장된 상태의 사시도,

도 3의 (a),(b),(c)는 케이스에 커버를 장착하기 위한 체결수단의 예시도,

도 4의 (a),(b),(c)는 케이스와 커버에 형성되는 충진제 주입구 및 연료가스, 공기, 냉각수의 공급과 회수를 위한 관들이 연결되는 연결구가 형성된 상태를 도시한 도면,

도 5의 (a),(b)는 케이스의 가이드에 전압 및 온도측정용 단자들이 설치된 상태를 도시한 정단면도와 사시도,

도 6은 케이스에 냉각유로가 형성된 상태를 도시한 사시도와 전개도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 케이스 11 : 가이드

20 : 분리판 21 : 가이드홈

30 : 커버 31 : 충진제 주입구

32 : 충진제 이동홈 41 : 타이바아

42 : 밴드 43 : 고정플레이트

44 : 삽입홈 50 : 연결구

61 : 전압 측정용 단자 62 : 온도 측정용 단자

63,64 : 전선 70 : 냉각유로

Claims (8)

1. 일측면이 개방된 박스형상이고, 내부의 상호 마주보는 두 면에 가이드가 돌출형성된 케이스와;

   상기 가이드에 대응되는 위치에 가이드홈이 형성되어 상기 가이드가 가이드홈에 삽입된 상태로 상기 케이스에 밀어 넣어지는 분리판과;

   상기 분리판이 케이스에 내장된 뒤 상기 케이스의 개방된 일측면에 체결수단을 매개로 장착되는 커버;

   를 포함하여 구성된 연료전지 스택 체결장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 체결수단은 케이스와 커버를 관통하는 타이바아와, 그 단부에 체결되는 너트인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
3. 청구항 1 있어서, 상기 체결수단은 케이스와 커버를 둘러싸는 밴드인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
4. 청구항 1 있어서, 상기 체결수단은 케이스와 커버의 측면에 끼워지는 플랜지가 양단에 형성된 고정플레이트인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
5. 청구항 1 있어서, 상기 커버에 충진제 주입구가 형성되고, 상기 커버의 뒷면 에는 상기 충진제 주입구로부터 케이스의 분리판 설치 후 잔여공간까지 충진제 이동홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
6. 청구항 1 있어서, 상기 케이스와 커버에 연료가스와 공기와 냉각수를 스택에 공급 및 회수하기 위한 공급관과 회수관이 연결되는 연결구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스의 가이드에 전압 및 온도측정용 단자들이 각 분리판마다 접촉될 수 있도록 일정 간격으로 설치되고, 상기 전압 및 온도측정용 단자들에 연결된 전선이 케이스의 외부로 인출된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스에 냉각유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 체결장치.

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