KR101109409B1 - 연료전지의 내/외부 결합수단 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지를 구성하는 구성품들을 적층된 상태로 결합하고 이와 동시에 연료 또는 냉각수 공급 기능을 수행하는 연료전지의 내/외부 결합수단에 관한 것이다.

본 발명에 의한 연료전지의 내/외부 결합수단은, 연료전지의 다수 부품을 관통하고, 상기 연료전지 내부 방향으로 압력을 가하여 일정 형상을 유지하도록 하는 내부결합수단(500)과, 상기 연료전지의 외관 일부를 형성하는 앤드플레이트(100) 일측에 결합되어 상기 다수 부품의 이격 방향 움직임을 제한하는 외부결합수단(600)을 포함하여 구성되며, 상기 내부결합수단(500)과 외부결합수단(600)은 서로 평행하게 위치하고, 상기 내부결합수단(500)과 외부결합수단(600)은 서로 교차하는 방향의 체결력에 의해 연료전지에 체결되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 부피가 현저히 작아지게 되므로 제한된 공간에 많은 연료전지의 설치가 가능하며, 보다 견고하게 체결됨으로써 내구성 향상 및 누설 방지가 기대된다.

연료전지, 결합수단, 관통, 연료 공급

Description

연료전지의 내/외부 결합수단 {An inner and outer Combine device for A fuel cell}

도 1 은 종래 기술에 의한 연료전지의 내부 결합구조를 보인 종단면도.

도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 연료전지의 전면 외관 구성을 보인 사시도.

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 연료전지의 후면 외관 구성을 보인 사시도.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 연료전지의 구성을 보인 분해 사시도.

도 5 는 본 발명에 의한 연료전지의 내부결합수단의 구성을 보인 분해 사시도.

도 6 은 도 5의 Ⅰ-Ⅰ'부 종단면도.

도 7 은 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'부 종단면도.

도 8a 는 도 7의 'A'부 확대도.

도 8b 는 도 7의 'B'부 확대도.

도 9 는 본 발명의 다른 실시예가 채용된 연료전지의 후면 외관 구성을 보인 사시도.

도 10 은 본 발명의 또 다른 실시예가 채용된 연료전지의 부분 확대 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100. 앤드플레이트 102. 체결홈

104. 바수용홈 110. 연료유로

120. 함몰부 124. 공기인입연결구

125. 공기인출연결구 126. 연료인입연결구

127. 연료인출연결구 200. 막전극접합체

300. 전극판 400. 절연판

500. 내부결합수단 520. 연료입출포트

522. 유동관 523. 관통구멍

524. 결합부 525. 제1오링홈

526. 체결부 528. 암나사

550. 관통나사 560. 차단관

562. 압착부 580. 너트

582. 스프링와샤 584. 절연와샤

586. 씰링와샤 587. 가압부

600. 외부결합수단 620. 인장바

640. 체결부재 R . 오링

본 발명은 연료전지의 내/외부 결합수단에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지를 구성하는 구성품들을 적층된 상태로 결합하고 이와 동시에 연료 또는 냉각수 공급 기능을 수행하는 연료전지의 내/외부 결합수단에 관한 것이다.

연료전지는 연료(LNG, LPG, 수소, 메탄올 등)와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하고, 동시에 부산물로서 물과 열을 발생시키는 시스템으로서 발전효율이 높고 환경 유해요소가 제거된 발전장치이다.

그리고, 사용되는 전해질의 종류에 따라 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등이 있다.

이러한 연료전지의 종류 중에서 PEMFC, PAFC, DMFC는 작동온도가 각각 80℃-120℃, 190℃-200℃, 25℃-90℃ 정도로 낮으며, 자동차 등의 수송용이나, 가정용 및 휴대용 전력원으로서 활용 가능성이 높다.

따라서, 이들 연료전지의 상용화를 앞당기고 확대하기 위해 전체 연료전지 시스템의 소형화, 경량화, 저렴화 등에 연구 관심이 집중되고 있다.

이하에서는 종래의 연료전지 구성을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에는 종래 기술에 의한 연료전지의 내부 결합구조를 보인 종단면도가 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(1)는 내부에 다수 막전극접합체(10,MEA: Membrane Electrode Assembly)가 구비되며, 상기 막전극접합체(10)는 직립된 상태로 좌/우 방향으로 적층되어 배치된다.

그리고, 상기 막전극접합체(10)는 멤브레인(12)을 중앙으로 하여 양측에 애노드전극(14)과 캐소드전극(16)이 배치된다. 즉, 상기 막전극접합체(10)는 멤브레인(12), 애노드전극(14) 및 캐소드전극(16)을 포함하여 구성된다.

상기 애노드전극(14)과 캐소드전극(16)에는 연료전지(1)의 연료가 되는 수소, 메탄올 등이 유동할 수 있도록 유로(18)가 형성되며, 상기 다수 막전극접합체(10)가 서로 적층되면 이러한 유로(18)는 서로 연통된다.

상기 연료전지(1)의 좌/우 측면에는 앤드플레이트(20)가 구비된다. 상기 앤드플레이트(20)는 연료전지(1)의 외관을 형성함과 동시에 상기 다수 막전극접합체(10)가 분리되지 않도록 결합력을 제공하는 역할을 수행한다.

이를 위해 상기 앤드플레이트(20)는 막전극접합체(10)보다 큰 면적을 가지도록 형성되며, 상기 앤드플레이트(20)의 상/하단부는 막전극접합체(10)의 상/하단부보다 상/하측으로 돌출된다.

그리고, 상기 앤드플레이트(20)의 상/하부에는 체결구멍(22)이 관통 형성된다. 상기 체결구멍(22)에는 체결볼트(24)가 관통된 후 너트(26)로 조여지며, 상기 체결볼트(24)와 너트(26)의 체결력은 상기 앤드플레이트(20) 및 막전극접합체(10)에 전달되어 상기 다수 막전극접합체(10)는 서로 분리되지 않고 도 1과 같은 상태를 유지하게 된다.

그러나, 상기와 같은 구성을 가지는 연료전지(1)에는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 상기 연료전지(1)는 앤드플레이트(20)가 막전극접합체(10)보다 큰 면적을 가지도록 형성되어 사실상 연료전지(1)의 크기는 앤드플레이트(20)의 크기에 의해 결정된다.

따라서, 상기 연료전지(1)의 크기가 불필요하게 커지게 되며, 이로 인하여 제한된 공간에 많은 연료전지(1)를 수용할 수 없게 되므로 결국 연료전지(1)의 체적 대비 출력이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 앤드플레이트(20)의 크기가 커진 이유로 무게 및 재료비가 상승하게 되므로 가격 경쟁력이 저하되는 문제점이 발생된다.

뿐만 아니라, 체결볼트(24)와 너트(26)는 연료전지의 외측에만 위치하게 되므로 연료전지(1)의 외측 가장자리 부분을 제외한 나머지 부분에 응력이 집중되어 연료전지(1) 중앙부가 볼록렌즈 형상과 같은 배부름을 초래하게 되어 결국 전극이 전체적으로 균일하게 눌리지 않게 되어 전극반응의 불균일을 유발하게 되고 연료전지 내/외부의 기밀성에 영향을 미치므로 바람직하지 못하다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 연료전지를 구성하는 구성품들을 적층된 상태로 결합하고 이와 동시에 연료 또는 냉각수 공급 기능을 수행할 수 있도록 한 연료전지의 내/외부 결합수단을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 연료전지의 외형 크기를 증가시키지 않으면서 연료전지의 내측 및 외측의 휘어짐(오목 또는 볼록)이 방지되도록 한 연료전지의 내/외부 결합수단을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 내/외부 결합수단은, 연료전지의 다수 부품을 관통하고, 상기 연료전지 내부 방향으로 압력을 가하여 일정 형상을 유지하도록 하는 내부결합수단과, 상기 연료전지의 외관 일부를 형성하는 앤드플레이트 일측에 결합되어 상기 다수 부품의 이격 방향 움직임을 제한하는 외부결합수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 내부결합수단과 외부결합수단은 서로 평행하게 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 내부결합수단과 외부결합수단은 각각 다수로 구비됨을 특징으로 한다.

상기 내부결합수단과 외부결합수단은 서로 교차하는 방향의 체결력에 의해 연료전지에 체결되는 것을 특징으로 한다.

상기 외부결합수단은 연료전지의 외측에 노출되는 것을 특징으로 한다.

상기 내부결합수단은, 연료의 입/출을 안내하는 연료입출포트와, 상기 연료입출포트에 나사 결합되는 관통나사와, 상기 관통나사의 외측에서 관통나사와 연료의 접촉을 차단하는 차단관과, 상기 관통나사의 일단부에 결합되어 체결력을 발생하는 너트를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 연료입출포트 일측에는, 상기 연료입출포트로 유입된 연료를 방사상으로 분지하는 관통구멍이 다수 형성됨을 특징으로 한다.

상기 다수의 관통구멍은, 각각의 연장선들이 서로 교차하도록 형성됨을 특징으로 한다.

상기 차단관 외측에는, 상기 너트와 관통나사가 서로 체결될 때 탄성복원력을 발생하는 스프링와샤와, 상기 너트를 절연하는 절연와샤와, 상기 차단관의 길이 방향으로 연료 누설을 차단하는 씰링와샤가 구비됨을 특징으로 한다.

상기 연료입출포트는, 연료의 유동을 안내하는 유동관과, 상기 유동관의 외주면 단부에서 외주 방향으로 돌출되어 상기 연료전지 일측에 끼움 결합되는 결합부와, 상기 결합부 일단에서 외측방향으로 돌출되어 상기 관통나사와 체결되는 체결부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 유동관과 결합부 및 체결부는 일체로 형성됨을 특징으로 한다.

상기 연료입출포트는 써스(SUS) 또는 플라스틱으로 성형됨을 특징으로 한다.

상기 연료입출포트와 너트 사이에는, 탄성을 가지는 재질로 형성되어 연료의 누설을 차단하는 오링(R)이 3개 이상 구비됨을 특징으로 한다.

상기 외부결합수단은, 상기 앤드플레이트의 외면과 일부가 접촉한 상태로 인장력을 발생하는 인장바와, 상기 인장바 일측을 관통하여 앤드플레이트에 체결됨으로써 상기 인장바와 앤드플레이트가 분리되지 않도록 하는 체결부재를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 연료전지의 체적이 현저히 감소하게 되므로 제한된 공간에보다 많은 연료전지의 설치가 가능하며, 장기간 사용하더라도 오목 또는 볼록하게 변형되지 않아 수명이 증가하는 이점이 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 직접 메탄올 연료전지를 예로 들어 본 발명의 구성을 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 직접 메탄올 연료전지의 전면 외관 구성을 보인 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 직접 메탄올 연료전지의 후면 외관 구성을 보인 사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 직접 메탄올 연료전지의 구성을 보인 분해 사시도가 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 직접 메탄올 연료전지(이하 '연료전지'라 칭함)는 전체적으로 좌/우 방향으로 긴 직육면체 외형을 가지며, 전/후방에는 앤드플레이트(100)가 구비되어 전/후면 외관을 형성하며, 상기 한 쌍의 앤드플레이트(100) 사이에는 연료인 메탄올과 공기를 반응시켜 전압을 발생하는 하나 이상의 막전극접합체(200,MEA)와, 상기 막전극접합체(200)의 전/후 외측에 구비되어 막전극접합체(200)에서 발생한 전압의 흐름을 안내하는 전극판(300)과, 상기 전극판(300)과 앤드플레이트(100) 사이의 전기 흐름을 차단하는 절연판(도 4의 도면부호 400)이 다수 구비된다.

상기 한 쌍의 앤드플레이트(100) 중 하측에 위치한 앤드플레이트(100)의 모서리부에는 네 개의 구멍이 천공 형성된다. 즉, 상기 네 개의 구멍은 연료전지 내부로 연료 또는 공기의 입출/입을 안내하기 위한 구성이다.

도 3의 전방에 위치한 앤드플레이트(100)의 좌측 하부 및 우측 상부에는 상기 연료전지 내/외부로 공기가 유출/입될 수 있도록 안내하는 공기인입연결구(124) 및 공기인출연결구(125)가 각각 천공 형성된다.

상기 공기인출/입연결구(124,125)는 막전극접합체(200), 전극판(300) 및 절 연판(400)에 관통되어 공기의 유동을 안내하는 공기유로(미도시)를 형성하게 된다.

그리고, 도 3에서 볼 때 전방의 좌측 상부 및 우측 하부에는 연료전지 내부로 연료의 유출/입을 안내하는 연료인입연결구(126) 및 연료인출연결구(127)가 각각 단차지게 천공된다. 그리고, 상기 연료인입연결구(126) 및 연료인출연결구(127)에는 연료입출포트(520)가 연결되며 상세한 설명은 아래에서 한다.

상기 앤드플레이트(100), 막전극접합체(200), 전극판(300) 및 절연판(400)은 서로 대응되는 면적 크기를 가지며 결합수단에 의해 체결된다.

상기 결합수단은 상기한 다수 부품이 적층된 상태에서 내측방향으로 힘을 가하여 서로 분리되지 않도록 제한함으로써 연료전지가 도 2와 같은 상태를 유지하도록 하는 구성이다.

이를 위해 상기 결합수단은 연료전지의 다수 부품을 관통하고, 상기 연료전지 내부 방향으로 압력을 가하여 일정 형상을 유지하도록 하는 내부결합수단(500)과, 상기 연료전지의 외관 일부를 형성하는 앤드플레이트(100) 일측에 결합되어 상기 다수 부품의 이격 방향 움직임을 제한하는 외부결합수단(600)을 포함하여 구성된다.

상기 내부결합수단(500)은 도 3에서 볼 때 연료전지의 좌측상부 및 우측하부를 전/후 방향으로 관통하여 연료전지 내부 방향으로 압력을 가함으로써 상기 앤드플레이트(100), 막전극접합체(200), 전극판(300) 및 절연판(400)은 서로 분리되지 않고 직육면체 형상을 유지할 수 있게 된다.

즉, 상기 내부결합수단(500)은 전술한 연료인입연결구(126) 및 연료인출연결 구(127)에 삽입된 후 상기 막전극집합체(200), 전극판(300) 및 절연판(400)을 관통하여 한 쌍의 앤드플레이트(100)를 구속함으로써 상기 연료전지의 분리를 방지하는 역할을 수행한다.

이를 위해 상기 앤드플레이트(100)의 전면(도 2에서 볼 때) 좌측 하부 및 우측 상부에는 상기 내부결합수단(500)의 선단이 앤드플레이트(100) 전방으로 돌출되지 않도록 함몰된 함몰부(120)가 구비된다.

상기 외부결합수단(600)은 한 쌍의 앤드플레이트(100)의 외면에 양측이 각각 결합되어 한 쌍의 앤드플레이트(100)가 서로 벌어지지 않도록 인장하는 것으로, 상기 앤드플레이트(100)의 외면과 일부가 접촉한 상태로 인장력을 발생하는 인장바(620)와, 상기 인장바(620) 일측을 관통하여 앤드플레이트(100)에 체결됨으로써 상기 인장바(620)와 앤드플레이트(100)가 분리되지 않도록 하는 체결부재(640)를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 앤드플레이트(100)의 외면에는 상기 체결부재(640)가 체결될 수 있도록 체결홈(도 7의 도면부호 102 참조)이 형성된다.

상기한 막전극접합체(200)와 절연판(400) 및 전극판(300)은 그 구성에 있어 종래와 비교할 때 대동소이하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 요부 구성인 내부결합수단을 첨부된 도 5 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다. 도 5에는 본 발명에 의한 연료전지의 내부결합수단을 나타낸 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 Ⅰ-Ⅰ'부 종단면도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'부 종단면도가 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 상기 내부결합수단(500)은 전술한 바와 같이 연료인출/입연결구(126,127)에 삽입되어 양단부에 체결력이 발생되도록 결합됨으로써 상기 앤드플레이트(100), 전극판(300), 절연판(400) 등이 서로 밀착된 상태를 유지하도록 하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 내부결합수단(500)은 연료유로(도 7의 도면부호 110)를 따라 흐르는 연료가 연료유로(110) 외부로 누설되지 않도록 하는 역할도 동시에 수행한다.

이하 도 5를 참조하여 살펴보면, 상기 내부결합수단(500)은 크게 연료의 입/출을 안내하는 연료입출포트(520)와, 상기 막전극접합체(200), 전극판(300), 앤드플레이트(100) 및 절연판(400)을 관통하여 일단부가 상기 연료입출포트(520)에 나사 결합되는 관통나사(550)와, 상기 관통나사(550)와 연료의 접촉을 차단하는 차단관(560)과, 상기 막전극접합체(200), 전극판(300), 앤드플레이트(100) 및 절연판(400)이 서로 밀착되도록 압력을 발생하는 너트(580)를 포함하여 구성된다.

상기 내부결합수단(500)의 좌측단에는 연료입출포트(520)가 구비된다. 상기 연료입출포트(520)는 연료의 입/출을 안내하는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 앤드플레이트(100)의 전면 좌측 상부 및 우측 하부에서 전방으로 돌출되며, 상기 연료입출포트(520)에는 별도의 연료관(미도시)과 연료를 순환하기 위한 펌프(미도시) 등이 연통되게 연결된다.

그리고, 상기 연료입출포트(520)는 좌측부에 형성된 원형관 모양의 유동관(522)과, 상기 유동관(522)의 외주면 단부에서 외주 방향으로 링형상으로 돌출되어 상기 연료인입연결구(126) 또는 연료인출연결구(127)에 안착되어 끼움 결합되는 결합부(524)와, 상기 결합부(524)의 우측단 중심에서 우측방향으로 돌출되어 상기 관통나사(550)와 체결되는 체결부(526)를 포함하여 구성된다.

상기 유동관(522)과 결합부(524) 및 체결부(526)는 내식성(耐蝕性)이 높은 서스(SUS)로 일체화되도록 형성됨이 바람직하다.

상기 결합부(524)는 연료인출/입연결구(126,127) 내부에 삽입된 상태로 연료인출/입연결구(126,127) 내부에 단차진 부위에 안착되어 도 7과 같이 앤드플레이트(100)의 외측으로 노출되지 않게 결합된다.

따라서, 상기 앤드플레이트(100)의 외측으로는 유동관(522) 및 결합부(524)의 좌측면만이 노출된 상태를 유지하게 된다.

그리고, 상기 결합부(524) 내부에는 상기 유동관(522) 내부로 유입된 연료가 상기 결합부(524)를 관통하도록 하는 관통구멍(523)이 다수 천공된다.

상기 관통구멍(523)은 연료입출포트(520)의 중심을 기준으로 방사상으로 형성되며, 상기 다수 관통구멍(523)의 연장선들은 서로 교차하도록 구성된다.

보다 상세하게는 상기 관통구멍(523)은 결합부(524)의 우측면에서 좌측방향으로 갈수록 상기 연료입출포트(520)의 중심방향으로 모이도록 경사지게 천공된다.

따라서, 상기 유동관(522) 내부로 유입된 후 상기 결합부(524)를 지나는 연료는 관통구멍(523)을 통해 외측 방향으로 퍼지면서 상기 연료유로(110)로 유입될 수 있게 된다.

상기 체결부(526)는 관통나사(550)의 좌측단과 나사결합되는 것으로, 대략 원통 형상을 가지며 내부에는 관통나사(550)의 피치와 대응되는 암나사(528)가 가 공된다. 따라서, 상기 관통나사(550)의 좌측단과 나사결합되면 상기 관통나사(550)는 연료입출포트(520)로부터 분리되지 않게 된다.

상기 결합부(524)의 우측면에는 제1오링홈(525)이 구비된다. 상기 제1오링홈(525)은 내부에 오링(R)이 삽입되도록 함몰 형성된 것으로 내부에 삽입되는 오링(R)과 대응되는 크기를 가지며 오링(R)의 두께보다 얕게 함몰 형성된다.

상기 관통나사(550)는 막전극접합체(200), 전극판(300), 앤드플레이트(100) 및 절연판(400)을 동시에 관통하며, 전술한 바와 같이 관통나사(550)의 좌측단은 상기 암나사(528)와 체결되고, 우측단은 상기 너트(580)와 체결된다.

따라서, 상기 관통나사(550)는 내부가 채워진 중실봉의 외면에 나사산을 형성한 것과 동일하게 구비된다.

그리고, 상기 관통나사(550)의 우측단 외주면에는 오링(R)이 구비된다. 상기 오링(R)은 관통나사(550)의 좌측단이 암나사(528)와 나사결합되었을 때 상기 체결부(526)를 내부로 연료가 유입되지 않도록 하기 위한 구성이다.

상기 관통나사(550)의 외주면에는 차단관(560)이 구비된다. 상기 차단관(560)은 관통나사(550)보다 조금 짧은 길이를 가지는 원통 형상을 가지며, 내부는 관통나사(550)의 외경보다 조금 큰 내경을 가지도록 관통된다.

따라서, 상기 차단관(560) 내부에는 관통나사(550)가 관통 가능하게 된다.

상기 차단관(560)의 좌측단에는 차단관(560)의 외주면 외경보다 조금 큰 외경을 가지도록 돌출된 압착부(562)가 구비된다. 상기 압착부(562)는 관통나사(550)의 좌측단 외주면에 둘러지는 오링(R)을 좌측방향으로 압축하여 연료의 누설을 방 지하기 위한 구성이다.

즉, 상기 관통나사(550)의 좌측단이 암나사(528)와 체결되고 우측단이 상기 너트(580)와 체결되어 상기 차단관(560)에 압축력이 발생되면, 상기 오링(R)은 압착부(562)와 체결부(526)의 내부 우측면에 의해 압착될 수 있게 된다.

상기 차단관(560)의 외주면에는 다수 와샤가 구비된다. 즉, 상기 너트(580)와 관통나사(550)가 서로 체결될 때 탄성복원력을 발생하는 스프링와샤(582)와, 상기 전극판(300)에서 발생된 전류가 상기 너트(580)로 전달되지 않도록 차단하는 절연와샤(584)와, 상기 연료유로(110) 내부의 연료가 상기 차단관(560)의 길이 방향으로 누설되지 않도록 차단하는 씰링와샤(586)가 구비된다.

상기 스프링와샤(582)와 절연와샤(584) 그리고 씰링와샤(586)는 관통나사(550)의 우측단에서 좌측으로 순차적으로 끼워지며, 두께에 차이가 있을 뿐 외경은 대응되게 형성된다. 그리고, 상기 씰링와샤(586)의 좌측에는 오링(R)이 더 구비된다. 상기 오링(R)은 씰링와샤(586)와 차단관(560) 사이의 틈을 막아 연료유로(110) 내부의 연료가 관통나사(550)의 우측 방향으로 누설되지 않도록 하는 역할을 수행한다.

따라서, 상기 내부결합수단(500)에는 모두 3개의 오링(R)이 구비되며, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 응용하여 형상을 바꾸는 경우 상기 오링(R)은 4개 이상 구비될 수도 있음은 물론이다.

그리고, 상기 씰링와샤(586)의 좌측면에는, 좌측방향으로 단차지게 돌출된 가압부(587)이 구비된다. 상기 가압부(587)은 오링(R)과 접촉하며, 상기 너트(580) 와 관통나사(550)가 체결시 오링(R)에 압력을 가하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 가압부(587)는 오링(R)과 동심원을 이루는 위치에 형성된다.

따라서 상기 너트(580)와 관통나사(550)가 체결시 가압부(587)는 오링(R)을 좌측방향으로 눌러 연료의 누설을 방지하게 된다.

그리고, 상기 가압부(587)와 오링(R)의 접촉에 의한 보다 효율적인 밀폐를 위하여 상기 앤드플레이트(100)의 우측면(도 8b 참조) 보다 상세하게는 상기 함몰부(120) 좌측면에는 링수용홈(122)이 함몰 형성된다.

따라서, 상기 가압부(587)가 도 7과 같은 상태에서 좌측으로 유동하여 압력을 발생하게 되면, 상기 오링(R)은 링수용홈(122) 내부에서 도 8b와 같이 타원형의 단면을 갖도록 오므라들면서 상기 차단관(560)의 외주면과 씰링와샤(586)에 동시에 접촉하게 되어 연료의 누설을 차단하게 된다.

이하에서는 첨부된 도 7을 참조하여 외부결합수단(600)의 다른 실시예이 구성을 설명한다.

도면과 같이, 상기 외부결합수단(600)은 내부결합수단(500)에 의해 중앙부가 견고하게 결합된 연료전지의 외측부에 결합력을 발생하여 상기 연료전지의 외측부가 벌어지지 않도록 제한하는 역할을 수행한다.

따라서, 상기 외부결합수단(600)은 내부결합수단(500)과 서로 평행하게 위치하게 되며, 결합력을 높일 수 있도록 다수로 구비됨이 바람직하다.

그리고, 상기 외부결합수단(600)의 요부 구성인 인장바(620)는 다양하게 형상을 변경하여 실시할 수 있다. 즉, 도 7과 같이 양단부를 절곡하여 앤드플레이 트(100)의 외면과 접촉함으로써 연료전지가 좌/우 방향으로 벌어지려고 할 때 내측 방향으로 인장력(압축력)이 가해지도록 구성할 수도 있다.

또한 상기 결합부재(640)는 스크류나 볼트 및 핀 등 다양하게 변경실시가 가능하다.

즉, 상기 연료전지의 벌어짐에 의해 인장바(620)에 가해지는 힘은 좌/우측 방향이고, 상기 스크류나 볼트 및 핀 등의 결합부재(640)는 내부결합수단(500)의 체결력이 작용하는 방향과 교차하는 방향인 하방향이므로 상기 결합부재(640)는 핀이 적용되어도 무방하다.

이하에서는 상기와 같이 구성되는 직접 메탄올 연료전지를 결합하는 과정을 첨부된 도 2 내지 도 8b를 참조하여 설명한다. 도 8a에는 도 7의 'A'부 확대도가 도시되어 있고, 도 8b에는 도 7의 'B'부 확대도가 도시되어 있다.

먼저, 상기 직접 메탄올 연료전지를 결합하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같은 다수 부품이 구비되어야 하며, 상기 막전극접합체(200)는 직접 메탄올 연료전지에 요구되는 출력에 따라 개수가 조정되어 다수개로 적층되어질 수도 있다.

이후 도 4와 같이 준비된 다수 부품이 서로 면접촉하도록 적층하게 된다. 이때 상기 앤드플레이트(100)와 절연판(400), 전극판(300) 및 막전극접합체(200)는 도 2 및 도 3과 같이 상/하 좌/우면 중앙부가 하방향으로 조금 함몰된 직육면체 형상을 가진다.

그리고, 상기 직접 메탄올 연료전지 내부에는 상기 앤드플레이트(100)와 절연판(400), 전극판(300) 및 막전극접합체(200)의 좌/우측면에 형성된 구멍들이 각 각 대응되는 위치에 놓여 연통됨으로써, 연료유로(도 7의 도면부호 110), 공기유로(미도시)를 각각 형성하게 된다.

이때, 상기 제1오링홈(525)에 오링(R)을 끼운 후 상기 연료입출포트(520)를 연료인입연결구(126)에 끼움 결합하게 된다. 그리고, 상기 연료입출포트(520)를 연료전지의 전면(도 3에서 볼 때)에서 후방으로 삽입하게 된다.

이후 상기 관통나사(550), 차단관(560), 다수 와샤를 도 5와 같은 상태로 조립 한 다음 도 3에서 볼 때 후면에서 전방으로 상기 연료유로(110) 내부로 삽입하게 된다.

이런 결과로 상기 관통나사(550)의 좌측(도 8a 참조) 외면에 형성된 수나사는 상기 암나사(528)와 체결되면서 압축력을 발생하게 되어 상기 제1오링홈(525)에 삽입된 오링(R)은 체결부(526)의 내부 우측면과 압착되어 누설이 차단된다.

이와 동시에 상기 제1오링홈(525) 앤드플레이트(100)에 각각 밀착되어 연료의 누설을 차단하게 된다.

한편, 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 너트(580) 내부에 관통나사(550)의 우측부가 체결됨에 따라 상기 씰링와샤(586)는 오링(R)을 좌측으로 밀어 상기 오링(R)이 함몰부(120)의 좌측면과 차단관(560)의 외주면에 동시에 접촉하도록 함으로써 상기 연료유로(110) 내부의 연료는 관통나사(550)의 길이방향 우측으로 누설되지 않게 된다.

상기한 과정을 통해 내부결합수단(500)의 체결이 완료되면, 상기 연료전지를 가압한 상태(pressing)에서 외부결합수단(600)을 체결하게 된다.

즉, 상기 연료전지에 내부결합수단(500)이 발생하는 체결력과 평행한 방향으로 힘을 가해 연료전지를 압축한 후 상기 외부결합수단(600)을 체결하게 된다.

보다 상세하게는 상기 외부결합수단(600)이 도 3과 같이 실시되었을 때는 상기 체결홈(102)과 대응되는 위치에 인장바(620)를 위치시킨 후 체결부재(640)를 체결홈(102)에 체결함으로써 외부결합수단(600)의 체결이 완료된다.

상기 외부결합수단(600)이 도 7과 같이 실시되었을 때는 상기 한 쌍의 앤드플레이트(100)가 인장바(620)의 절곡된 양측 내측에 위치하도록 끼워진 후에 상기 체결부재(640)를 체결홈(102)에 체결함으로써 연료전지의 벌어짐을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 결합수단은 전술한 바와 같이 직접 메탄올 연료전지를 예로 들어 설명하였으나, 고체 고분자 전해질형 연료전지에도 적용 가능하다.

즉, 도 9 는 본 발명의 다른 실시예가 채용된 연료전지의 후면 외관 구성을 보인 사시도로서, 연료전지의 높이방향 중앙 좌/우측에는 내부결합수단(500)이 구비된다.

이때, 상기 내부결합수단(500)은 연료전지를 냉각하기 위한 냉각수가 유입 및 유출될 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 이와 동시에 상기 연료전지의 내부를 관통하여 체결될 수 있도록 한다.

그러나, 상기 연료전지는 상/하부 및 좌/우측부의 체결력이 저하되어 벌어짐이 발생될 수 있다.

따라서, 상기 연료전지의 외측에는 외부결합수단(600)이 구비된다. 상기 외 부결합수단(600)은 연료전지의 외측면과 접촉하는 인장바(620)를 체결부재(640)를 이용하여 앤드플레이트(100)에 결합함으로써 연료전지 외측의 체결력을 높일 수 있게 된다.

이때, 상기 인장바(620)는 체결하고자 하는 앤드플레이트의 면적 크기에 따라 다양한 크기로 변경 적용이 가능하며, 요구되는 체결력의 크기에 따라 도 9와 같이 한 개의 인장바(620)에 다수의 체결부재(640)를 결합할 수도 있다.

또한, 본 발명은 도 10과 같이 외부결합수단(600)이 외부로 돌출되지 않도록 구성될 수도 있다.

즉, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예가 채용된 연료전지의 부분 확대 사시도로서, 상기 앤드플레이트(100)의 단부 외면에는 내측 방향으로 바수용홈(104)를 함몰 형성하고, 바수용홈(104) 내부에 인장바(620)를 삽입한 후 체결부재(640)를 이용하여 인장바(620)를 체결하였다.

이때, 상기 바수용홈(104)은 인장바(620)의 두께와 대응되거나 깊게 함몰 형성됨이 바람직하며, 바수용홈(104)의 폭은 인장바(620)의 폭과 대응되거나 넓게 형성됨이 바람직하다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서는, 직접 메탄올 연료전지 및 고체 고분자 전해질형 연료전지를 예로 들어 내부결합수단 및 외부결합수단의 구성을 설명하였 으나, 공급된 연료와 산소의 반응으로 전기를 생산하는 범위 내에서 다양한 연료전지에 변경 적용 가능함은 물론이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 내/외부 결합수단에서는, 연료전지를 구성하는 구성품들을 적층된 상태로 결합하고 이와 동시에 연료 공급 기능을 수행할 수 있도록 구성하였다.

따라서, 연료전지의 체적이 감소하게 되므로 제한된 공간에 보다 많은 연료전지를 설치할 수 있게 되어 공간 효율이 극대화되며, 동일 공간 크기를 기준으로 큰 출력을 발생할 수 있는 이점이 있다.

그리고, 본 발명에서는 내부결합수단과 외부결합수단을 이용함으로써 연료전지의 외형 크기를 증가시키지 않으면서 연료전지의 내측 및 외측이 견고하게 결합되도록 구성하였다.

따라서, 연료전지를 장기간 사용하더라도 휘어짐(오목 또는 볼록)이 방지되어 연료의 누설이 방지되며, 내구성이 향상되는 이점이 있다.

Claims (14)

1. 연료의 입/출을 안내하는 연료입출포트와, 상기 연료입출포트에 나사 결합되는 관통나사와, 상기 관통나사의 외측에서 관통나사와 연료의 접촉을 차단하는 차단관과, 상기 관통나사의 일단부에 결합되어 체결력을 발생하는 너트로 이루어지고, 연료전지의 다수 부품을 관통하며, 상기 연료전지 내부 방향으로 압력을 가하여 일정 형상을 유지하도록 하는 내부결합수단과;

   상기 연료전지의 외관 일부를 형성하는 앤드플레이트의 외면과 일부가 접촉한 상태로 인장력을 발생하는 인장바와, 상기 인장바 일측을 관통하여 앤드플레이트에 체결됨으로써 상기 인장바와 앤드플레이트가 분리되지 않도록 하는 체결부재로 이루어져 상기 다수 부품의 이격 방향 움직임을 제한하는 외부결합수단을 포함하여 구성되며,

   상기 연료입출포트는,

   연료의 유동을 안내하는 유동관과,

   상기 유동관의 외주면 단부에서 외주 방향으로 돌출되어 상기 앤드플레이트 일측에 끼움 결합되는 결합부와,

   상기 결합부 일단에서 외측 방향으로 돌출되어 상기 관통나사와 체결되는 체결부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부결합수단과 외부결합수단은 서로 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 내부결합수단과 외부결합수단은 각각 다수로 구비됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 내부결합수단과 외부결합수단은 서로 교차하는 방향의 체결력에 의해 연료전지에 체결되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 외부결합수단은 연료전지의 외측에 노출되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 앤드플레이트 일측에는 연료의 누설을 차단하는 오링을 수용하기 위한 링수용홈이 함몰 형성됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 연료입출포트 일측에는, 상기 연료입출포트로 유입된 연료를 방사상으로 분지하는 관통구멍이 다수 형성됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 다수의 관통구멍은,

   각각의 연장선들이 서로 교차하도록 형성됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 차단관 외측에는,

   상기 너트와 관통나사가 서로 체결될 때 탄성복원력을 발생하는 스프링와샤와,

   상기 너트를 절연하는 절연와샤와,

   상기 차단관의 길이 방향으로 연료 누설을 차단하는 씰링와샤가 구비됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 씰링와샤의 일측에는 단차지게 돌출되어 상기 링수용홈에 삽입된 오링을 가압하는 가압부가 구비됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 유동관과 결합부 및 체결부는 일체로 형성됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 연료입출포트는 써스(SUS) 또는 플라스틱으로 성형됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 연료입출포트와 너트 사이에는,

    탄성을 가지는 재질로 형성되어 연료의 누설을 차단하는 오링(R)이 3개 이상 구비됨을 특징으로 하는 연료전지의 내/외부 결합수단.
14. 삭제

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