KR100964531B1 - 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명에 의한 연료전지 스택용 엔드플레이트는 일렬로 적층된 복수의 단위셀을 지지하기 위한 것으로, 중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽은 형상으로 이루어진다. 본 발명에 의한 엔드플레이트는 복수의 단위셀을 지지하기 위해 그 외곽부가 복수의 단위셀 쪽으로 가압될 때 복수의 단위셀에 고른 면압을 가하도록 펴진다. 따라서, 연료전지 스택 내의 수소 및/또는 공기의 누출을 방지하고, 단위셀 간의 전기 접촉저항을 감소시키는 등 연료전지 스택의 성능을 최적으로 유지시킬 수 있다.

Description

연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조방법{End-plate for fuel cell stack and manufacturing method thereof}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 단위셀이 적층된 연료전지 스택의 양 단부에 설치되는 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 무공해 발전장치이다. 연료전지는 기본적으로 수소가 공급되는 애노드(anode)와, 공기가 공급되는 캐소드(cathode)와, 애노드와 캐소드의 사이에 설치되는 전해질판을 포함한다. 공급된 수소는 애노드에서 산화반응이 진행되어 수소이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 수소이온은 전해질판을 통해 캐소드로 이동하여 전자 및 공기 중의 산소와 전기화학반응을 일으켜 물을 생성한다. 그리고, 수소에서 분해된 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생한다.
이들 연료전지는 원하는 전기출력을 얻기 위해 복수의 단위셀(Unit cell)이 일렬로 결합된 것이 사용된다. 단위셀은 전기화학반응이 발생하는 연료전지 최소의 구성요소로, 전해질판과, 애노드와, 캐소드와, 애노드 및 캐소드 각각의 외측에 배 치되고 연료 또는 공기 공급을 위한 채널을 갖는 분리판을 포함한다. 이러한 단위셀이 결합된 것을 연료전지 스택(Stack)이라고 하며, 연료전지 스택의 양 단부에는 전류를 출력하기 위한 집전판과, 복수의 단위셀을 지지하기 위한 엔드플레이트가 각각 설치된다.
연료전지 스택은 각 구성요소가 인접하는 것끼리 안정적으로 밀착된 상태를 유지해야 한다. 구성요소 간의 밀착 상태가 불량하면, 수소 및 공기의 누설이 발생하고, 단위셀 간의 전기 접촉저항이 증가하여 연료전지 스택의 성능이 저하되기 때문이다. 따라서, 연료전지 스택의 양 최외측에 각각 설치되는 엔드플레이트는 서로 접하는 단위셀들이 양호한 밀착 상태를 유지하도록 단위셀들을 고른 면압으로 가압해야 한다.
도 1은 종래 연료전지 스택을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래 연료전지 스택(10)은 일렬로 적층된 복수의 단위셀(11)과, 일렬로 적층된 복수의 단위셀(11)을 지지하기 위한 한 쌍의 엔드플레이트(12)를 포함한다. 한 쌍의 엔드플레이트(12)는 복수의 볼트(13) 및 복수의 너트(14)에 의해 체결됨으로써 적층된 단위셀(11)들을 지지한다. 복수의 볼트(13)는 각 엔드플레이트(12)를 연결할 수 있는 길이로 이루어지고, 각 엔드플레이트(12)의 외곽부(12b)에 결합된다.
한 쌍의 엔드플레이트(12)는 복수의 볼트(13)와 복수의 너트(14)에 의해 매우 높은 체결력으로 체결된다. 이러한 높은 체결력에 의해 종래 엔드플레이트(12)는 도 1에 다소 과장되게 도시된 것과 같이, 굽힘 변형되어 각각의 중앙부(12a)가 이들과 각각 인접하는 단위셀(11)로부터 들뜨기 쉽다.
종래와 같이 엔드플레이트가 결합될 때 엔드플레이트가 굽힘 변형되면, 나사 체결부와 이웃하는 엔드플레이트의 외곽부에는 높은 면압이 발생하지만, 나사 체결부와 상대적으로 먼 엔드플레이트의 중앙부에는 면압이 작게 발생하게 된다. 그리고, 엔드플레이트의 중앙부에 작은 면압이 발생하면, 엔드플레이트의 중앙부에 대응하는 부분에서 단위셀 간의 전기 접촉저항이 커지고 수소 및 공기가 누출되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료전지 스택 조립시 복수의 단위셀에 고른 면압을 가하도록 평면 상태를 유지할 수 있고, 설계가 용이한 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 스택용 엔드플레이트는 일렬로 적층된 복수의 단위셀을 지지하기 위한 것으로, 중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽은 형상으로 이루어지고, 상기 복수의 단위셀을 지지하기 위해 그 외곽부가 상기 복수의 단위셀 쪽으로 가압될 때 상기 복수의 단위셀에 고른 면압을 가하도록 펴지는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의한 연료전지 스택용 엔드플레이트는 제 1 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 1 섬유보강 프리프레그와, 상기 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 2 섬유보강 프리프레그가 적층되어 이루어질 수 있 다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 스택용 엔드플레이트의 제조방법은 제 1 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 1 섬유보강 프리프레그와 상기 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 2 섬유보강 프리프레그를 준비하는 단계와, 상기 각 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그를 이들이 형성하는 적층면의 중심을 기준으로 비대칭적으로 배열되도록 적층하는 단계와, 상기 복수의 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그가 적층되어 이루어진 적층물을 진공백 성형법으로 경화시켜 중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽힘 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 스택용 엔드플레이트의 제조방법은 제 1 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 1 섬유보강 프리프레그와, 상기 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 2 섬유보강 프리프레그를 준비하는 단계와, 상기 각 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그를 이들이 형성하는 적층면의 중심을 기준으로 대칭적으로 배열되도록 적층하는 단계와, 상기 복수의 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그가 적층되어 이루어진 적층물을 일정한 곡률을 갖는 금형으로 압착 성형하여 중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽힘 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의한 엔드플레이트는 연료전지 스택의 조립시 그 외곽부가 가압력을 받아 굽힘 변형되면서 전체적으로는 평면이 되기 때문에, 복수의 단위셀 에 고른 면압을 가할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택 내의 수소 및/또는 공기의 누출을 방지하고, 단위셀 간의 전기 접촉저항을 감소시키는 등 연료전지 스택의 성능을 최적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 엔드플레이트는 설계가 용이하며, 금형을 이용한 압착 성형법으로 제조할 경우 제조비용을 줄이고, 생산성을 높일 수 있다,
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 연료전지 스택용 엔드플레이트에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 스택용 엔드플레이트를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 엔드플레이트(31)는 그 중앙부(31a)가 일측 방향으로 융기되도록 굽은 사각판 형상으로 이루어지며, 탄성을 가지고 있어서 외력을 받으면 굽힘 변형될 수 있다.
이러한 엔드플레이트(31)는 두 개의 제 1 섬유보강 프리프레그(Prepreg)(32)와 두 개의 제 2 섬유보강 프리프레그(33)가 적층되어 이루어진다. 각 섬유보강 프리프레그(32)(33)는 탄소섬유, 유리섬유 등의 보강섬유와, 이들 보강섬유를 지지해주는 수지재질의 기지(Matrix)로 이루어진다. 제 1 섬유보강 프리프레그(32)는 이에 함유된 보강섬유가 제 1 섬유방향으로 배열되고, 제 2 섬유보강 프리프레그(33)는 이에 함유된 보강섬유가 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향으로 배열된다. 제 1 섬유방향과 제 2 섬유방향은 수직 또는 다른 각도를 이루도록 서로 교차된다.
복수의 섬유보강 프리프레그(32)(33)는 제 1 섬유보강 프리프레그(32) 위에 제 2 섬유보강 프리프레그(33)가 위치하고 제 2 섬유보강 프리프레그(33) 위에 제 1 섬유보강 프리프레그(32)가 위치하도록 교번적으로 적층된다. 따라서, 제 1 섬유보강 프리프레그(32)가 형성하는 층과 제 2 섬유보강 프리프레그(33)가 형성하는 층은 이들이 형성하는 적층면의 중심을 기준으로 비대칭적으로 배열된다. 즉, 엔드플레이트(31) 적층면의 중심에서 하부 방향으로는 제 2 섬유보강 프리프레그(33), 제 1 섬유보강 프리프레그(32) 순으로 배치되고, 적층면의 중심에서 상부 방향으로는 제 1 섬유보강 프리프레그(32), 제 2 섬유보강 프리프레그(33) 순으로 배치된다. 본 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그(32)(33)의 각 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
엔드플레이트(31)는 그 외곽부(31b)에 볼트 체결을 위한 네 개의 볼트구멍(34)이 각 모서리에 근접하게 형성된다. 연료전지 스택(30)의 조립시 엔드플레이트(31)는 그 외곽부(31b)가 볼트 체결에 의해 일측 방향(도 3에서 하부 방향)으로 외력을 받게 된다. 이때 엔드플레이트(31)는 굽힘 변형되어 펴지면서 전체적으로 평면을 이루게 된다.
이하에서는 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 엔드플레이트(31)가 제조되는 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 제 1 섬유방향을 갖는 두 개의 제 1 섬유보강 프리프레그(32)와 제 2 섬유방향을 갖는 두 개의 제 2 섬유보강 프리프레그(33)를 준비한 후, 도 3a에 도시된 것과 같이 이들을 제 1 섬유보강 프리프레그(32) 위에 제 2 섬유보강 프리프 레그(33)가 놓이도록 교번적으로 적층한다.
이후, 도 3b에 도시된 것과 같이 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그(32)(33)로 이루어진 적층물(31')을 진공백(41)에 넣고 진공백(41)의 내부를 진공으로 만들고, 적층물(31')이 수용된 진공백(41)을 압력챔버(42)에 넣고 열과 압력을 가한다. 이러한 진공백 성형법은 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 적층물(31')이 진공백(41) 안에서 열과 압력을 받으면, 각 섬유보강 프리프레그(32)(33)에 함침된 수지가 녹아 인접하는 섬유보강 프리프레그(32)(33)로 흡수되고, 복수의 섬유보강 프리프레그(32)(33)는 인접하는 것끼리 부착된다. 이때, 서로 부착되는 섬유보강 프리프레그(32)(33)들은 각각에 함유된 보강섬유의 방향성이 다르기 때문에, 적층물(31')은 열응력 발생에 의해 일측으로 굽힘 변형된다. 진공백 성형이 완료되어 적층물(31')이 경화되면, 도 3c에 도시된 것과 같이 중앙부(31a)가 융기되도록 굽힘 변형된 엔드플레이트(31)가 만들어진다. 이후, 엔드플레이트(31)의 외곽부(31b)에 볼트구멍(34)이 가공되면 도 3과 같은 최종 엔드플레이트(31)가 완성된다.
이러한 엔드플레이트(31)의 제조시, 엔드플레이트(31)의 굽힘 변형량은 각 섬유보강 프리프레그(32)(33)의 보강섬유 및 수지의 종류, 보강섬유의 직조 방법, 섬유보강 프리프레그(32)(33)들의 적층 순서 및 적층 수량, 각 섬유보강 프리프레그(32)(33)의 섬유방향이 이루는 각도 등에 따라 달라진다. 따라서, 이러한 섬유보강 프리프레그(32)(33)들과 관련된 인자와, 연료전지 스택(30)의 조립시 엔드플레이트(31)에 대한 체결력과, 연료전지 스택(30)의 작동 온도 등을 고려함으로써 조 건에 맞는 엔드플레이트(31)를 설계할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 연료전지 스택의 조립시 엔드플레이트가 체결되는 과정을 나타낸 것이다.
연료전지 스택(30)의 조립시, 도 4a에 도시된 것과 같이 복수의 단위셀(37)이 일렬로 적층된 후 한 쌍의 엔드플레이트(31)가 단위셀(37)들의 상부 최외측 및 하부 최외측에 위치된다. 이때, 각 엔드플레이트(31)의 융기된 중앙부(31a)는 최상부의 단위셀(37) 및 최하부의 단위셀(37) 각각과 마주본다. 그리고, 복수의 볼트(35)가 각 엔드플레이트(31)의 외곽부(31b)에 형성된 볼트구멍(34)에 삽입된 후 각 볼트(35)의 양 단부에 너트(36)가 결합된다.
각 볼트(35)에 결합된 너트(36)가 조여지면 각 엔드플레이트(31)는 높은 체결력으로 체결되며, 이때 각 엔드플레이트(31)의 외곽부(31b)는 적층된 단위셀(37)들 쪽으로 힘을 받아 굽힘 변형된다. 그리고, 각 엔드플레이트(31)는 도 4b에 도시된 것과 같이 평면 상태로 펴져 단위셀(37)들을 고른 면압으로 가압하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의한 엔드플레이트(31)는 연료전지 스택(30)의 조립시 평면 상태로 단위셀(37)들을 지지하기 때문에, 적층된 복수의 단위셀(37)에 고른 면압을 가할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 엔드플레이트의 중앙부(31a)가 들뜸으로써 발생되는 연료전지 스택(30) 내의 수소 및/또는 공기의 누설, 단위셀(37) 간의 접촉저항 증가 등의 문제를 방지할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 엔드플레이트(51) 및 이를 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 엔드플레이트(51) 역시 복수의 섬유보강 프리프레그(32)(33)로 이루어진다. 다만, 본 발명의 다른 실시예에 의한 엔드플레이트(51)는 제 1 섬유방향을 갖는 제 1 섬유보강 프리프레그(32)와, 제 2 섬유방향을 갖는 제 2 섬유보강 프리프레그(33)가 적층면의 중심을 기준으로 대칭적으로 배열된 것이다. 본 실시예에 있어서 섬유보강 프리프레그(32)(33)들의 개수는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 의한 엔드플레이트(51)는 압착 성형법으로 제조되는 것으로, 복수의 섬유보강 프리프레그(32)(33)가 대칭적으로 적층된 적층물을 일정한 곡률을 갖는 상부금형(61) 및 하부금형(62) 사이에 놓고 열과 압력을 가함으로써, 중앙부(31a)가 일측 방향으로 융기된 굽은 엔드플레이트(31)를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 엔드플레이트는 상기 실시예들에서 설명된 섬유강화 복합재료 이외에, SMC(Sheet Molding Compound) 재질로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 기재되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명은 기재된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 엔드플레이트를 갖는 연료전지 스택을 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 엔드플레이트를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 의한 엔드플레이트를 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 의한 엔드플레이트를 갖는 연료전지 스택을 조립하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 엔드플레이트 및 이를 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
30...연료전지 스택 31...엔드플레이트
31a...중앙부 31b...외곽부
32,33...제 1,2 섬유보강 프리프레그
35...볼트 36...너트
37...단위셀

Claims (6)

  1. 일렬로 적층된 복수의 단위셀을 지지하기 위한 연료전지 스택용 엔드플레이트에 있어서,
    중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽은 형상으로 이루어지고, 상기 복수의 단위셀을 지지하기 위해 그 외곽부가 상기 복수의 단위셀 쪽으로 가압될 때 상기 복수의 단위셀에 고른 면압을 가하도록 펴지고,
    제 1 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 1 섬유보강 프리프레그와, 상기 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 2 섬유보강 프리프레그가 적층되어 이루어지며,
    상기 제 1 섬유보강 프리프레그와 상기 제 2 섬유보강 프리프레그는 이들이 형성하는 적층면의 중심을 기준으로 비대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 1 섬유보강 프리프레그와, 상기 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 2 섬유보강 프리프레그를 준비하는 단계와,
    상기 각 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그를 이들이 형성하는 적층면의 중심을 기준으로 비대칭적으로 배열되도록 적층하는 단계와,
    상기 복수의 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그가 적층되어 이루어진 적층물을 진공백 성형법으로 경화시켜 중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽힘 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트의 제조방법.
  6. 제 1 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 1 섬유보강 프리프레그와, 상기 제 1 섬유방향과 다른 제 2 섬유방향을 갖는 하나 이상의 제 2 섬유보강 프리프레그를 준비하는 단계와,
    상기 각 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그를 이들이 형성하는 적층면의 중심을 기준으로 대칭적으로 배열되도록 적층하는 단계와,
    상기 복수의 제 1 및 제 2 섬유보강 프리프레그가 적층되어 이루어진 적층물 을 일정한 곡률을 갖는 금형으로 압착 성형하여 중앙부가 일측 방향으로 융기되도록 굽힘 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트의 제조방법.
KR1020080012988A 2008-02-13 2008-02-13 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조방법 KR100964531B1 (ko)

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