KR100988108B1 - 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치를 개시한다. 개시된 발명은 연료전지 스택이 설치되는 매니폴드를 둘러싸며 결합되는 선형의 체결 가이드를 포함하고, 체결 가이드에 상에 미끄럼 결합되도록 가이드 홈이 형성되고, 일 측 단부에 연결 홀이 형성된 체결 빔을 포함하고, 체결 빔의 타측 단부에 연결되고, 다른 체결 빔에 형성된 연결 홀에 삽입되어 연결되는 연결막대를 포함하며, 체결 빔의 연결홀에 삽입된 연결막대의 단부에 설치되어 체결 빔에 대해 연결막대를 지지하며 체결력을 제공하고 유지하는 체결 스프링 및 연결막대의 단부에 구비되어 체결 스프링을 연결막대에 구속시키는 체결볼트를 포함함으로써 체결 빔의 가이드 홈이 체결 가이드에 미끄럼 결합되어 스택에서 발생되는 압력이 체결 빔에 고르게 분산될 수 있고 체결빔의 체결위치를 유지하며 체결장치의 결합력이 고르게 유지될 수 있다.
연료전지, 스택, 매니폴드, 체결 가이드, 체결 빔

Description

연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치{External Manifold Retention System for Fuel Cell Stack }
본 발명은 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매니폴드의 모든 모서리에서 결합이 이루어지어결합력이 고르게 유지될 수 있는 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치에 관한 것이다.
일반적으로, 외부 매니폴드형 연료전지는 셀(Cell)이 적층된 스택(Stack)과 매니폴드(Manifold)가 서로 체결이 잘 이루어져 내부의 가스 누출이 없도록 하는 것이 매우 중요하다. 또한, 용융탄산염 연료전지는 600℃의 고온에서 운전됨에 따라 스택의 팽창 및 수축으로 인해 스택과 매니폴드를 완전히 고정시킬 수 없고 서로 미끄러지면서 밀착되어야 한다.
종래의 스택 설치방법으로 (US4467018, Aug. 21, 1984)는 각 면의 매니폴드 위로 빔 설치하고 빔의 양 끝단을 고정함으로써 매니폴드를 스택에 설치하고 있다. 이 방법은 양 끝단 만을 구속하고 있음으로써 고른 체결력을 매니폴드 전 모서리에 분포시키지 못할 뿐만 아니라 고온 하에서의 스택 변화에 대응하지 못하는 단점을 가지고 있다.
또, 다른 방법으로 (US6461756 B1, Oct. 8, 2002)은 매니폴드 주위를 빔으로 둘러싸고 각 빔을 스프링과 밸트의 조합으로 연결함으로써 매니폴드에 고른 체결력을 유지할 수 있도록 체결장치를고안하였으나 위, 아래로 많은 체결장치를 설치하여야 하는 단점과 인장력과 고온에 의한 밸트의 길이 증가와 같은 변형으로 체결력의 감소가 발생하는 단점을 가지고 있다.
이와 같은 종래의 스택 설치에 관한 스택 셀과 매니폴드의 체결 방법의 단점들은 스택의 변화에 유연하게 대응하지 못하여 작동가스의 누출을 야기시키거나 이를 막기 위해 스택의 구조 및 설치 방법이 복잡하게 되는 단점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상기 단점들을 보완하여 연료전지 스택과 매니폴드의 결합이 균일하게 잘 이루어지도록 하며 주변 환경 및 스택의 변화에도 스택과 매니폴드의 결합이 유동적으로이루어져 결합력이 유지되어 밀착될 수 있는 새로운 체결 빔 형태에 의한 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치는 연료전지 스택의 4면에 설치되는 4개의 매니폴드에 각각 설치되는 4개의 선형 체결 가이드와, 상기 체결 가이드에 미끄럼 결합되는 가이드 홈을 구비하고, 각각의 일 측 단부에 연결 홀이 형성된 4개의 체결 빔과, 상기 체결빔의 연결 홀에 삽입된 상태로 이웃하는 다른 체결빔의 타 측 단부에 연결되는 4개의 연결막대와, 상기 체결 빔의 연결 홀에 삽입된 상기 연결막대의 단부에 설치되어 상기 체결 빔에 대해 상기 연결막대를 지지하며 체결력을 제공하고 유지함에 의해 상기 체결빔을 상기 매니폴드로 가압하는 4개의 체결 스프링과, 상기 연결막대의 단부에 구비되어 상기 체결 스프링을 상기 연결막대에 구속시키는 4개의 체결볼트를 포함하고, 상기 4개의 체결빔 각각의 가이드 홈이 상기 각 체결 가이드에 삽입된 상태에서 상기 각각의 체결 빔의 타 측 단부에 연결된 연결막대가 이웃한 다른 체결빔의 일 측 단부에 형성된 연결홀에 끼워져 상기 스택의 4면을 둘러싸는 구조를 제공하며, 상기 스택의 4면을 둘러싼 상기 4개의 체결 빔이 서로 맞물려 연결되어 상기 각 매니폴드의 위치를 상기 스택에서 벗어나지 않도록 유지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 체결 가이드에는 상기 매니폴드에 체결되기 위한 연결홀이 형성되고, 상기 매니폴더의 상부 및 하부 둘레에 결합된다.
또한, 상기 스프링의 양측에는 상기 스프링을 양측에서 지지하고 상기 연 결막대가 중앙을 관통하는 받침판이 구비되고, 상기 양측 받침판은 스프링 가이드에 의해 연결되며, 상기 양측 받침대 중 일측 받침대는 상기 스프링 가이드에 미끄럼 가능하게 구속된다.
구체적으로, 본 발명은 스택 셀과 매니폴드 사이에 가스켓(Gasket) 및 절연체가 각 면의 모서리에 사각형 띠를 두르고 그 위에 매니폴드가 결합되며 매니폴드의 각 면 모서리에는매니폴드 빔이 부착되어 있다.
더욱이 상, 하부의 매니폴드에 체결 가이드가 볼트로 체결되고, 체결 가이드 위로 체결 빔이 스택의 사면에 놓여 서로 연결되며, 각 체결 빔의 끝 단에 있는 스프링과 볼트로 체결력을 제공하여 스택과 매니폴드를 체결한다.
이러한 구조를 가진 본 발명은 고온 운전에 따라 스택의 변화에도 결합력을 유지하고 사면에 균일한 결합력을 제공함으로써 스택과 매니폴드 사이의 실링(Sealing)이 원할히 이루어 질 수 있는 이점을 제공한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치는 스택과 매니폴드의체결성을 확보하여 작동가스의 누출을 방지하고 연료전지 전체의 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 보다 효과적인 체결방법을 통해 운전 중 체결상태를 유지할 수 있도록 한다.
종래의 스택과 매니폴드의 체결방법에서 작동온도 600℃이상의 고온상태 하에서의 스택과 매니폴드의 변화에 대응하는 체결상태가 되도록 개선하고 스택을 둘 러싼 사면에서 균일한 체결력을 유지하지 하며, 사면의 체결장치가 서로 맞물려 스택과 매니폴드의 체결 위치와 체결력을 보완할 수 있다.
즉, 본 발명은 체결 빔이 매니폴드 위에서 스택 방향으로 조여주는 형태를 취함으로써 스택의 수축 및 팽창의 변화에도 매니폴드가 스택에 미끄러지면서 밀착된 상태를 유지할 수 있으며, 사면을 둘러싼 체결 빔이 서로 맞물려 연결됨으로써 매니폴드가 스택의 한쪽 방향으로 쏠리거나 위치를 이탈하지 못하도록 하고 마주한 체결력이 서로 보완될 수 있다. 또한, 체결 빔의 끝단에서 체결 스프링을 통해 체결력을 가함으로써 체결력이 일정하게 유지될 수 있다.
그리고, 본 발명에 의한 체결장치는 단순한 빔의 연결로 체결이 이루어지도록 하는 체결장치가 단순한 형상을 가지므로 손쉽게 제작 및 설치가 용이하다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치의 조립도이고, 도 2는 도 1의 체결 가이드의 정면도이며, 도 3은 도 2의 체결 가이드의 평면도이고, 도 4는 도 1의 체결 빔의 사시도이며, 도 5는 도 1의 연결막대 및 스프링이 결합된 상태를 나타낸 정면도이고, 도 6은 도 5의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치는 하부 엔드판(120) 위로 셀이 적층되고, 그 위에 상부 엔드판(130)이 놓여 스택(100)을 구성한다.
그리고, 스택(100)의 측면으로 연료극 및 공기극의 입/출구를 형성하는 매니폴드(110)가 결합되며, 매니폴드(110)를 스택(100)에 체결하기 위해 매니폴드의 외측 모서리 빔(112) 위에 사각형의 체결 가이드(140)가 부착되게 된다.
여기서, 체결 가이드(140)에는 체결 빔(150)이 미끄럼 병진운동 가능하게 결합되는데, 체결 가이드(140)는 체결 빔(150)에 대한 레일 역할을 하여 체결 빔(150)의 미끄럼 운동이 잘 일어나도록안내한다.
이때, 체결 가이드(140) 위로 체결 빔(150)이 놓인 상태에서 각각의 체결 빔(150)에 연결된 한쪽 연결막대(200)가 이웃한 다른 체결 빔(150)의 연결 홀(210) 에 끼워져 스택(100)의 사면을 둘러싸는 구조를 제공한다.
그리고, 연결 홀(210)에 끼워진 연결막대(200)의 단부에는 스프링(160)이 장착되며, 스프링(160)은 연결막대(200) 끝단에 형성된 스크류(230)에 체결된 체결볼트(170)에 의해 연결막대(200)에 구속되며, 스프링(160)은 체결볼트(170)에 의해 구속된 상태로 체결빔(150)에 하중이 가해져 체결빔(150)이 스택(100)으로 밀착되도록 체결력을 제공한다.
도 2 및 3은 체결 가이드(140)를 상세히 나타낸 것으로서, 사각 단면의 긴 막대 형태를 취하고 있다. 체결 가이드(140)는 매니폴드(110)의 모서리 빔(112)에 용이하게 장착되도록 체결 홀(300)을 가지고 있으며 모서리 빔(112)에 볼트(미도시)로 단단히 결합되어 매니폴드(110)에 고정된다.
도 4을 참조하면, 체결 빔(150)의 형태는 일측 단부에 스프링(160)이 끼워지고 스프링(160) 상부에서 체결볼트(170)가 끼워지도록 스크류(230)을 가지며 다른 체결 빔과 연결될 수 있는 원형 막대 형태인 연결막대(200)가 단부에 연결된다. 체결 빔(150)의 일측 단부는 스프링(160)에 지지되며, 타측 단부는 이웃한 체결 빔(150)의 연결막대(200)가 연결될 수 있는 연결 홀(210)을 제공한다.
체결 빔(150)의 중앙부분은 체결 가이드(140)에 연결될 수 있는 가이드 홈(220)을 가지고 있다. 서로 다른 체결 빔(150)의 결합 방법은 한쪽 체결 빔의 연결막대(200)가 이웃한 다른 체결 빔의 연결 홀(210)에 끼워져 연결되는 방식이며, 체결 빔(150)의 가이드 홈(220)이 체결 가이드(140)에 놓여져 미끄럼 되게 구성된다.
도 5 및 6에는 체결 스프링(160)의 설치상태가 구체적으로 도시되어 있다. 체결 스프링(16)의 상방 및 하방에는 스프링(160)을 구속하여 지지하는 상/하부판으로서 받침판(400, 410)이 구비되며, 받침판(400, 410)의 중앙에는 체결 빔(150)의 연결막대(200)가 관통할 수 있는 막대 홀(401)이 뚫려 있고, 막대 홀(401)의 주위에는 스프링(160)이 빠지지 않도록 하기 위한 턱(402)이 형성된다.
스프링(160)의 하방에 있는 받침판(400)에는 상부에 사분면 외각에 스프링 가이드(420)를 장착할 수 있도록 나사 탭(403)이 형성되어 있으며, 스프링(160)의 상방에 있는 받침판(410)에는 동일한 사분면 외각에 스프링 가이드(420)가 통과할 수 있는 가이드 홀(415)이 형성된다.
스프링 가이드(420)는 받침판(400, 410)에 연결되어 받침판(400, 410)이 수직을 유지하도록하여 스프링(160)이 이탈하지 않고 수직방향의 압축 및 복원을 할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라면 체결 빔(150)이 매니폴드(110) 위에서 스택 방향으로 조여주는 형태를 취함으로써 스택(100)의 수축 및 팽창의 변화에도 매니폴드(110)가 스택(100)에 미끄러지면서 밀착된 상태를 유지할 수 있으며, 사면을 둘러싼 체결 빔(150)이 서로 맞물려 연결됨으로써 매니폴드(110)가 스택(100)의 한쪽 방향으로 쏠리거나 위치를 이탈하지 못하도록 하고 마주한 체결력이 서로 보완될 수 있고, 체결 빔(150)의 끝단에서 스프링(160)에 의한 체결력을 가함으로써 체결력이 일정하게 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치의 조립도이다.
도 2는 도 1의 체결 가이드의 정면도이다.
도 3은 도 2의 체결 가이드의 평면도이다.
도 4는 도 1의 체결 빔의 사시도이다.
도 5는 도 1의 연결막대 및 스프링이 결합된 상태를 나타낸 정면도이다.
도 6은 도 5의 평면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 스택 110 : 매니폴드
120 : 하부 엔드판 130 : 상부 엔드판
140 : 체결 가이드 150 : 체결 빔
160 : 체결 스프링 170 : 체결볼트
180 : 가스켓 200 : 연결막대
210 : 연결 홀 220 : 가이드 홈
230 : 스크류 300 : 체결 홀
400, 410 : 받침판 420 : 스프링 가이드

Claims (3)

  1. 연료전지 스택의 4면에 설치되는 4개의 매니폴드에 각각 설치되는 4개의 선형 체결 가이드;
    상기 체결 가이드에 미끄럼 결합되는 가이드 홈을 구비하고, 각각의 일 측 단부에 연결 홀이 형성된 4개의 체결 빔;
    상기 체결빔의 연결 홀에 삽입된 상태로 이웃하는 다른 체결빔의 타 측 단부에 연결되는 4개의 연결막대;
    상기 체결 빔의 연결 홀에 삽입된 상기 연결막대의 단부에 설치되어 상기 체결 빔에 대해 상기 연결막대를 지지하며 체결력을 제공하고 유지함에 의해 상기 체결빔을 상기 매니폴드로 가압하는 4개의 체결 스프링; 및
    상기 연결막대의 단부에 구비되어 상기 체결 스프링을 상기 연결막대에 구속시키는 4개의 체결볼트를 포함하고,
    상기 4개의 체결빔 각각의 가이드 홈이 상기 각 체결 가이드에 삽입된 상태에서 상기 각각의 체결 빔의 타 측 단부에 연결된 연결막대가 이웃한 다른 체결빔의 일 측 단부에 형성된 연결홀에 끼워져 상기 스택의 4면을 둘러싸는 구조를 제공하며,
    상기 스택의 4면을 둘러싼 상기 4개의 체결 빔이 서로 맞물려 연결되어 상기 각 매니폴드의 위치를 상기 스택에서 벗어나지 않도록 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 체결 가이드에는 상기 매니폴드에 체결되기 위한 연결 홀이 형성되고, 상기 매니폴더의 상부 및 하부 둘레에 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링의 양측에는 상기 스프링을 양측에서 지지하고 상기 연결막대가 중앙을 관통하는 받침판이 구비되고, 상기 양측 받침판은 스프링 가이드에 의해 연결되며, 상기 양측 받침대 중 일측 받침대는 상기 스프링 가이드에 미끄럼 가능하게 구속되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 외부 매니폴드 체결장치.
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