KR101138759B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

면압 조절이 가능한 연료 전지 스택이 개시된다. 연료 전지 스택은 적층된 셀 간에 삽입 마련되어 셀에 대해 가압할 수 있는 가압 프레임과, 그 가압 프레임의 연장 단부와 연결되는 수직봉과, 가압 프레임의 끼움부를 수직봉에 대해 상하에서 고정하는 고정 나사를 포함한다. 가압 프레임은 연장 단부와 끼움부를 구비하며, 고정 나사에 의해 끼움부를 수직봉에 끼워 고정된다. 고정 나사를 수직봉을 따라 상하로 이동시킴으로써 면압 조절 부재를 셀 표면에 대해 가압할 수 있다.

Description

연료 전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로, 특히, 적층된 각 셀에 대해 면압을 조절할 수 있는 연료 전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로, 화학 반응을 일으킴으로써 전력을 생산하는 연료 전지 스택(fuel cell stack)은 단위 셀(cell)을 복수 적층하여 구성된다. 여기서, 셀은 일반적으로 연료극, 전해질 및 공기극의 각층을 포함한다.

이러한 연료 전지 스택에서, 화학 반응이 일어나는 효율, 즉, 반응 효율은 여러가지 인자에 의해 영향을 받는다. 특히, 셀이 적층되어 스택을 형성할 때, 각 셀의 면에 작용하는 압력, 즉, 면압(face pressure)은 반응 효율에 영향을 주는 주된 요소이다. 또한, 스택의 면압 관리가 부적절하면, 연료 전지의 성능 저하나 가스 누설이 발생하기 쉽다.

따라서, 연료 전지 스택을 제조하여 가동한 후에도 모니터링을 통해 반응 효율을 점검하고 그에 따라 면압을 조절할 필요가 있다.

도 7은 종래의 연료 전지 스택을 도시한다. 종래의 연료 전지 스택에서는, 중앙부가 개구된 제 1 단판(6)과, 그 개구를 통해 스택에 하중을 부여하는 제 2 단판(7)을 마련하고, 제 1 단판(6)과 제 2 단판(7)을 타단측의 단판에 대해 각각 개별로 고정하고 있다.

그러나, 셀을 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택에서는 연료 전지 스택의 제조 후 가동 중에 면압을 조정하거나, 셀 별로 면압을 조정해야 할 필요가 생길 수 있고, 상술한 종래 기술에서는 제 1 단판(6)과 제 2 단판(7)을 볼트와 너트를 이용해서 고정함으로써 면압을 조정한 후에는 가동 중에 면압을 조정할 수 없고, 또한, 셀 별로 면압을 조정하는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 연료 전지 스택에 있어서, 스택의 제조후 가동중에도 면압을 조정할 수 있고, 또한, 적층된 셀을 각기 개별적으로 면압 조정을 행할 수 있는 연료 전지 스택의 면압 조절 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일측면에 다르면, 평판 형상의 복수의 셀과, 상기 각 셀의 상부면에 마련되는 가압 프레임과, 상기 가압 프레임의 연장 단부와 연결되는 수직봉과, 상기 가압 프레임을 상기 수직봉에 고정하고, 상기 가압 프레임에 압력을 가하는 고정 나사을 포함하는 연료 전지 스택이 제공될 수 있다.

또한, 상기 가압 프레임은 직선형상을 가지며 상기 셀을 가압할 수 있는 직선부와, 상기 직선부의 양단에 마련되어 상기 수직봉에 끼워지는 끼움부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 끼움부는 원형 띠 형상이며, 상기 수직봉에 끼워진 후 상기 고정 나사에 의해 고정될 수 있다.

또한, 상기 수직봉은 봉형상을 갖고, 외주면에 나사산이 마련될 수 있다.

또한, 상기 고정 나사는 상기 끼움부의 상측 및 하측에 각각 마련되어, 상기 끼움부를 상하에서 고정할 수 있다.

또한, 상기 셀은 상부면에 상기 가압 프레임의 형상 패턴에 대응하는 홈을 갖고, 상기 가압 프레임은 상기 홈에 매립될 수 있다.

또한, 상기 셀은 상부면과 하부면에 가압 프레임의 형상 패턴에 대응하는 홈을 갖고, 상기 가압 프레임은 상기 상부면 또는 하부면의 홈과 상기 셀에 인접한 셀의 하부면 또는 상부면의 홈에 동시에 삽입되어 매립될 수 있다.

본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 스택에 의하면, 연료 전지 스택의 제조후에 가동중이라도, 면압 조정을 용이하게 행할 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택의 가동 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 스택에 의하면, 연료 전지 스택을 구성하는 복수의 평판 형상의 셀에 있어서 개별로 면압 조정을 행할 수 있다. 따라서, 보다 정확하게 면압 조정을 행할 수 있고, 결과적으로, 연료 전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 이뿐만 아니라, 연료 전지 스택을 이루는 각 층의 셀내에서 국부적으로 면압 조정이 가능하며, 결과적으로 면압을 더욱 정밀하게 조정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택에 있어서, 가압 프레임의 평면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택에 있어서 수직봉 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택에 있어서, 고정나사의 다양한 실시예를 예시하는 도면이다.
도 6의 (a)~(c)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택에 있어서, 가압 프레임의 단부의 다양한 실시예를 예시하는 도면이다.
도 7은 종래 기술에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택(1)을 도시한다. 연료 전지 스택(1)은 적층된 복수의 셀(2)과, 상기 적층된 복수의 셀간에 마련되어 셀의 면압을 조정하는데 이용되는 복수의 가압 프레임(3)과, 상기 복수의 가압 프레임(3)의 단부가 체결되는 수직봉(4)과, 상기 가압 프레임(3)을 상기 수직봉(4)에 고정하기 위한 고정 나사(5)를 포함한다. 적층되는 셀의 수는 본 실시형태에서는 7개이지만, 이것에 한정되지 않고, 설계 요구치에 따라 변경될 수 있다. 또한, 각 셀은 통상의 전지 셀 구조를 가질 수 있다. 상기 가압 프레임(3)은 상기 복수의 셀(2)에서 셀(2)과 셀(2) 사이에 각각 마련되어 셀(2)의 면압을 조정하도록 배치된다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하여 가압 프레임(3)에 관해 설명한다. 가압 프레임(3)은 규칙적인 간격 및 패턴으로 배치되는 직선부와, 직선부의 연장단부에 마련되는 끼움부(3a)(도 3의 도시 참조)를 갖는다. 예컨대, 본 실시형태에서는 8개의 직선부와 16개의 끼움부를 갖는 가압 프레임(3)를 예시하였지만, 이것에 한정되지 않고, 면압 조정을 행하는 정밀도 등의 요건에 따라 다르게 변경될 수 있다. 예컨대, 직선부는 가로 및 세로 방향으로 각기 2개 또는 4개 이상 마련될 수도 있다.

적층된 셀(2)의 사이에서 가압 프레임(3)의 직선부는 셀간에 공간이 생기지 않도록 셀(2)에 매립되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 상층셀의 하면과 하층셀의 상면에 가압 프레임(3)의 직선부에 대응하도록 홈을 형성하고, 가압 프레임(3)의 직선부가 상층셀과 하층셀의 대응하는 홈에 서로 걸쳐서 매립될 수 있다. 또는, 도 3(b)에 도시되는 바와 같이, 셀의 상면에만 홈을 마련하고, 가압 프레임(3)의 직선부를 상기 셀의 상면에 마련된 홈에 매립하는 구성으로 할 수도 있다. 물론, 도면으로 도시하지는 않았으나, 이와 반대로 셀의 하면에만 홈을 마련하고, 가압 프레임(3)의 직선부를 상기 셀의 하면에 마련된 홈에 매립하는 구성으로 할 수도 있다. 이러한 실시예들에서 가압 프레임(3)에 의하여 적층된 셀(2)에 가해지는 압력을 적층된 셀(2)의 최상측과 최하측에서 수용할 수 있도록, 최상측과 최하측에는 가압 프레임(3)이 구비될 수 있다.

또한, 복수의 가압 프레임(3)은 대략 동일한 형상을 갖고, 직선부의 양단에 마련된 끼움부는 적층된 셀의 바깥쪽 둘레를 따라 끼움부(3a)의 개수만큼 마련된 수직봉(4)에 고정 나사(5)를 이용하여 고정된다. 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각층에서 수직방향으로 동일한 위치에 배치된 끼움부(3a)는 공통의 수직봉(4)에 고정된다. 또한, 고정 나사(5)와 수직봉(4)은 나사 결합되도록 구성된다.

보다 구체적으로, 도 5의 (a)에 도시되는 바와 같이, 끼움부(3a)를 사이에 두고 상측과 하측에 각각 고정 나사(5)를 수직봉(4)에 끼우고, 고정 나사(5)를, 예컨대, 나사결합에 의해 수직봉(4)에 체결한 후 끼움부(3a)를 가압 고정함으로써 가압 프레임(3)을 수직봉(4)에 고정할 수 있다. 이 경우, 셀의 면압을 증가시키고자 할 경우에는 고정 나사(5)를 수직봉(4)을 따라 아래로 이동하도록 감는 것에 의해 가압 프레임(3)에 아래쪽으로 힘을 가하여 아래쪽 셀의 면압을 증가시킨다. 여기서, 고정 나서(5)를 위로 이동하도록 감아 가압 프레임(3)에 위쪽으로 힘을 가하여 위쪽 셀의 면압을 증가시킬 수도 있다.

또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 고정나사의 상측부와 하측부가 중간부에 의하여 연결되어 일체로 형성되고, 중간부의 외주연을 따라 형성된 홈에 가압 프레임(3)의 끼움부(3a)가 끼워지도록 구성할 수도 있다. 이 경우, 끼움부(3a)는, 고정 나사(5)가 면압 조정을 위해 회전이동될 때 고정 나사(5)의 원통 둘레 표면 위에서 미끄럼 이동 가능하게 마련될 수 있다. 고정 나사(5)의 내주면 상에는 상기 수직봉(4)의 표면에 형성된 나사산과 결합되어 이동가능하도록 나사홈이 마련되어 있다. 따라서, 상기 고정 나사(5)를 돌림으로써 상기 수직봉(4)을 따라서 고정 나사(5)가 상하로 이동할 수 있다.

여기서, 도 6에 도시된 바와 같이, 가압 프레임(3)의 끼움부(3a)는 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 도 6의 (a)와 같이 끼움부(3a)가 고정 나사(5)에 체결된 후 끝단이 잠금기구(3b)를 이용하여 조여지거나, 또는 도 6의 (b)와 같이 소정 강성 이상을 가지는 끼움부(3c)의 일부를 개방하여 개방된 부분을 통해 고정 나사(5)에 끼워지는 구성으로 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이 구성된 연료 전지 스택에 있어서는, 상기 고정 나사(5)를 아래로 이동하도록 감으면, 상기 고정 나사(5)에 의해 가압 프레임(3)에 아래쪽으로 힘이 가해지고 해당 가압 프레임(3)의 아래쪽에 접하는 셀의 표면에 압력이 증가하게 되고, 반대로, 고정 나사(5)를 위로 이동하도록 감으면, 고정 나사(5)에 의해 가압 프레임(3)에 아래쪽으로 가해지고 있던 힘이 감소하여 해당 가압 프레임의 하부에 접하는 셀표면의 압력이 감소하게 된다. 이와 같이 해서, 각 층별로 셀의 면압을 조정할 수 있다.

또한, 도시되지는 않았지만, 상기 가압 프레임(3)에는 각 셀의 면압을 측정하는 면압 측정 센서가 마련되어도 좋다.

이상과 같은 본원 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 스택에서는, 연료 전지 스택을 구성하는 각 층의 셀별로 면압 조정이 가능함은 물론, 셀 상에 배치된 가압 프레임의 특정의 끼움부만을 조정함으로써 국부적인 면압 조정을 행할 수도 있다. 또한, 연료 전지 스택을 제조한 후에 가동 중일지라도, 연료 전지 스택에 있어서 적층된 셀의 외측에 마련된 수직봉에 체결되는 고정 나사를 상하로 이동하는 것만으로 간단히 면압을 조정할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 범주 내에 속하는 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시형태는 모든 면에서 예시적인 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안되며, 이러한 변형된 실시형태는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

1:연료 전지 스택
2:셀
3:가압 프레임
4:수직봉
5:고정나사

Claims (8)

1. 평판 형상의 복수의 셀과,
   상기 각 셀의 상부면에 마련되는 가압 프레임과,
   상기 가압 프레임의 연장 단부와 연결되는 수직봉과,
   상기 가압 프레임을 상기 수직봉에 고정하고, 상기 가압 프레임에 압력을 가하는 고정 나사를 포함하는
   연료 전지 스택.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가압 프레임은
   직선형상을 가지며 상기 셀을 가압할 수 있는 직선부와, 상기 직선부의 양단에 마련되어 상기 수직봉에 끼워지는 끼움부를 포함하는
   연료 전지 스택.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 끼움부는 원형 띠 형상이며, 상기 수직봉에 끼워진 후 상기 고정 나사에 의해 고정되는
   연료 전지 스택.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 수직봉은 봉형상을 갖고, 외주면에 나사산이 마련되어 있는
   연료 전지 스택.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 고정 나사는 상기 끼움부의 상측 및 하측에 각각 마련되어, 상기 끼움부를 상하에서 고정하는
   연료 전지 스택.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 고정 나사는 상측부, 하측부, 및 상기 상측부와 하측부를 연결하는 중간부를 포함하고, 상기 끼움부가 상기 중간부에 끼워지도록 형성되어 상기 끼움부를 상하에서 고정하는
   연료 전지 스택.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 셀은 상부면에 상기 가압 프레임의 형상 패턴에 대응하는 홈을 갖고, 상기 가압 프레임은 상기 홈에 매립되는
   연료 전지 스택.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 셀은 상부면과 하부면에 가압 프레임의 형상 패턴에 대응하는 홈을 갖고, 상기 가압 프레임은 상기 상부면 또는 하부면의 홈과 상기 셀에 인접한 셀의 하부면 또는 상부면의 홈에 동시에 삽입되어 매립되는
   연료 전지 스택.

Images