KR101447345B1 - 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지 - Google Patents

도킹 플레이트를 구비하는 연료전지 Download PDF

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Abstract

배관이 연결되는 피팅이 장착되고, 엔드 플레이트의 매니폴드와 연결되는 유로를 형성하는 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 사이에 가스켓이나 오링 등으로 형성되는 기밀부재를 이용하여 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 견고히 결합할 수 있는 도킹플레이트를 구비하는 연료전지에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 최외곽 양측에 각각 장착되어 상기 연료전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트; 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 최외곽 양측에 각각 장착되어, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 고정시키는 한 쌍의 도킹 플레이트; 및 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 간의 접촉부에 장착되어, 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 상호 간을 부착시켜 기밀을 유지하기 위한 기밀부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

도킹 플레이트를 구비하는 연료전지{FUEL CELL HAVING DOCKING PLATE}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배관이 연결되는 피팅 파이프가 장착되어 엔드 플레이트의 매니폴드와 연결되는 유로를 형성하고, 가스켓 또는 오링으로 형성되는 기밀부재를 구비하는 도킹 플레이트를 포함함으로써, 도킹 플레이트 일체형 장비 사용으로 인한 기밀 테스트 용이성 및 시스템 양산성을 증대시킬 수 있는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지 스택은 수소와 산소의 산화 및 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 이러한 연료전지 스택은 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
이러한 연료전지 스택은 여러 부품으로 구성되는데 먼저 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(MEA)와 반응가스를 막-전극 접합체로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 가스확산층(GDL), 그리고 막-전극 접합체와 가스확산층을 지지해주며, 반응가스와 냉각수의 수송 및 생성된 전기를 수집하여 전달하는 부품들을 포함하여 단위 셀을 이룬다.
단위 셀을 수 ~ 수십개로 적층한 것을 연료전지 스택(Stack)이라고 하며, 연료전지 스택의 양측 최외곽에는 전류를 출력하기 위한 집전판과, 복수의 단위 셀을 지지하기 위한 2개의 엔드 플레이트가 각각 설치된다.
이때, 연료전지 스택용 엔드 플레이트는 연료전지 스택을 지지하고 작동 유체의 유로를 형성하는 역할을 한다. 이러한 엔드 플레이트는 연료전지 스택의 체결압을 균일하게 유지하기 위해 일정한 강도를 가짐과 동시에 막-전극 집합체와의 절연성을 갖출 것이 요구된다.
종래에 따른 연료전지의 경우, 스택된 금속 분리판들과 엔드 플레이트를 수십 톤 이상의 압력만으로 압착시키는 하중 체결로 결합이 이루어지고 있다. 그러나, 이와 같이 하중 체결만으로 스택된 금속 분리판들과 엔드 플레이트를 체결하게 되면, 외부 진동이나 충격에 의해 스택된 금속 분리판들이 원 위치에서 다른 위치로 이동하거나, 심각할 경우에는 엔드 플레이트의 외부로 이탈되는 문제가 있었다. 또한, 기존의 스택용 엔드 플레이트는 배관이 연결되는 피팅이 엔드 플레이트에 직접 연결되기 때문에 두껍고 복잡한 형상이었다.
본 발명에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0751881호(2007.08.17. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지 스택이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 배관이 연결되는 피팅 파이프를 장착하여 엔드 플레이트의 매니폴드와 연결되는 유로를 형성하는 도킹 플레이트를 제공하고, 엔드 플레이트와 도킹 플레이트의 외주면에 결합부재를 형성하여 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 보다 견고히 결합할 수 있는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 최외곽 양측에 각각 장착되어 상기 연료전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트; 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 최외곽 양측에 각각 장착되어, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 고정시키는 한 쌍의 도킹 플레이트; 및 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 간의 접촉부에 장착되어, 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 상호 간을 부착시켜 기밀을 유지하기 위한 기밀부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 도킹 플레이트는 배관이 연결되는 피팅이 장착되어 엔드 플레이트의 매니폴드와 연결되는 유로를 형성하는 도킹 플레이트를 제공함으로써, 피팅 연결부가 제거된 기존보다 단순하고 두께가 얇은 엔드 플레이트를 형성할 수 있으며, 스택 성능 평가 시 피팅 착탈에 의한 엔드 플레이트의 내구성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 도킹 플레이트와 엔드 플레이트의 접촉부에 가스켓이나 오링으로 형성된 기밀부재를 형성하여 도킹 플레이트와 엔드 플레이트의 결합을 보다 견고히 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A 부위를 보다 상세히 나타낸 것이다.
도 3은 연료전지 스택을 구성하는 금속 분리판을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트의 체결구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트의 체결구조를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A 부위를 보다 상세히 나타낸 것이며, 도 3은 연료전지 스택을 구성하는 금속 분리판을 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지(100)는 연료전지 스택(110), 한 쌍의 엔드 플레이트(130) 및 한 쌍의 도킹 플레이트(120)를 포함한다.
연료전지 스택(110)은 다수의 금속 분리판(10)과 상기 금속 분리판(10)들 사이에 개재되는 막-전극 접합체(MEA. 미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 연료전지 스택(110)은 금속 분리판(10)들 사이에 개재되는 가스 확산층(GDL, 미도시)을 더 포함할 수도 있다.
금속 분리판(10)은 금속 분리판 본체(12) 및 가스켓(미도시)을 구비할 수 있다.
금속 분리판 본체(12)는 제1면으로부터 제2면으로 돌출되어 형성된 반응가스 채널, 제2면에 돌출된 반응가스 채널 사이에 형성되는 냉각수 채널을 구비하는 채널부(CA)와 채널부(CA)의 마주보는 양측 가장자리에 형성된 매니폴드부(MA)를 구비할 수 있다.
가스켓은 금속 본리판 본체(12)의 채널부(CA)와 매니폴드부(MA)의 경계 영역을 따라 형성된다. 이때, 가스켓은 기밀성을 확보하고 스택 시, 금속 분리판(10)들 상호 간의 체결을 용이하게 하기 위한 목적으로 형성하는 것으로, 그 재질은 고무 재질이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다.
한 쌍의 엔드 플레이트(130)는 연료전지 스택(110)의 최외곽 양측면에 각각 장착된다. 연료전지(100)는 엔드 플레이트(130) 양단에서 수십 톤 이상의 압력을 가하여 압착시킴으로써, 하중 체결이 이루어지게 된다. 이러한 엔드 플레이트(130)는 금속 분리판(10)의 매니폴드 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제1 매니폴드(30)를 구비하는 매니폴드부를 가지는 것이 바람직하다.
한 쌍의 도킹 플레이트(120)는 한 쌍의 엔드 플레이트(130)의 최외곽 양 측면에 각각 장착된다. 도킹 플레이트(120)는 엔드 플레이트(130)의 제1 매니폴드(30)에 대응하는 위치에 형성되며, 동일한 개수로 형성되는 제2 매니폴드(20)를 구비하는 매니폴드부를 가지는 것이 바람직하다. 이때, 도킹 플레이트(120)는 내식성과 절연성이 동시에 확보되는 엔지니어링플라스틱으로 형성될 수 있다.
이때, 제1 매니폴드(30) 및 제2 매니폴드(20)의 단면은 원형, 사각형 및 타원형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
엔드 플레이트(130)와 도킹 플레이트(120)는 결합부재(160)를 통해 서로 긴밀히 결합될 수 있다. 결합부재(160)는 엔드 플레이트(130)에 부착된 체결부(162)와 도킹 플레이트(120)에 부착된 고정부(164)간의 매미걸이 결합으로 인해 탈착 가능하게 장착될 수 있다. 또한, 도면으로는 도시하지 않았지만 엔드 플레이트(130)와 도킹 플레이트(120)는 토글클램프(toggle clamp)를 이용하여 결합될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트의 체결구조를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도킹 플레이트(120)는 피팅 파이프(22)과 기밀부재(140)를 더 포함할 수 있다.
도킹 플레이트(120)의 제2 매니폴드(20)와 엔드 플레이트(130)의 제1 매니폴드(30)는 서로 대응하는 위치에 형성되며, 동일한 수로 형성되는 것이 바람직하다.
도킹 플레이트(120)의 외후면에 제2 매니폴드(20)에 삽입되는 형태로 연결되는 피팅 파이프(22)을 장착할 수 있다. 종래의 연료전지 스택 성능 평가 시, 평가장비와 스택을 연결하는 피팅을 자주 착탈하면서, 엔드 플레이트의 내구성이 저하될 뿐만 아니라, 스택과 기밀테스트 장비 연결 시, 피팅을 사용함으로써 생산성도 저하되었다.
이에 반해, 본 발명은 피팅 연결부가 제거되어 기존의 연료전지보다 단순하고 두께가 얇은 엔드 플레이트를 형성할 수 있다. 또한, 피팅 파이프(22)가 연결되어 작동유체를 공급하는 제2 매니폴드(20)를 구비하는 도킹 플레이트(120)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 도킹플레이트 일체형 기밀테스트 장비를 사용할 수 있으므로 기밀 테스트 용이성 및 시스템 양산성이 증대될 수 있다.
도킹 플레이트(120)와 엔드 플레이트(130)의 접촉부분에 기밀부재(140)를 형성할 수 있다. 기밀부재(140)는 제1 매니폴드(30) 및 제2 매니폴드(20)와 대응하고, 그 가장자리를 따라 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 기밀부재(140)는 가스켓으로 형성될 수 있다.
가스켓은 기밀성을 확보하고 연료전지(100) 스택 시, 엔드 플레이트(130)와 도킹 플레이트(120)들 상호 간의 체결을 용이하게 할 수 있다. 이때, 도킹 플레이트(120)의 상면에 가스켓의 안정적인 장착을 위하여 가스켓 형상의 홈을 형성할 수도 있다.
기밀부재(140)의 재질로는 고무 재질이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 도킹 플레이트를 포함하는 연료전지(100)는 종래의 스택 성능 평가 시, 피팅 착탈에 의한 엔드 플레이트의 내구성 저하를 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 도시한 사시도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도킹 플레이트와 엔드 플레이트의 체결구조를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 도킹 플레이트(220)는 피팅 파이프(22), 기밀부재(240) 및 도킹 파이프(250)를 더 포함할 수 있다. 기밀부재(240)와 도킹 파이프(250)가 체결되는 구조를 제외하고는, 일 실시예에 따른 연료전지(100)와 실질적으로 동일할 수 있는바, 중복된 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
도킹 플레이트(220)의 제2 매니폴드(20)에 대응하는 위치에 도킹 플레이트(220)로부터 엔드 플레이트(230)로 돌출되는 형태의 도킹 파이프(250)를 형성할 수 있다. 도킹 파이프(250)는 사각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 적용이 가능하되, 엔드 플레이트(230)의 제1 매니폴드(30)에 삽입할 수 있어야 한다. 따라서, 도킹 파이프(250)는 제1 매니폴드(30)에 대응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
도킹 파이프(250)의 외주면에 기밀부재(240)가 형성될 수 있다. 기밀부재(240)는 오링(o-ring)으로 형성되는 것이 바람직하며, 도킹 파이프(250)에 대응하는 형상 및 크기로 형성될 수 있다.
오링은 단면이 원형으로 되어 있는 탄성재료로 형성된 링을 밀폐부의 홈에 밀어넣음으로써, 압력이 가해지면 오링이 변형되어 간극을 막아줄 수 있다. 이때, 도킹 파이프(250)에 오링의 안정적인 장착을 위하여 오링 형상의 홈을 형성할 수도 있다. 오링의 재질로는 고무 재질이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다.
도킹 플레이트(220)의 일면에 돌출된 형태의 도킹 파이프(250)가 엔드 플레이트(230)의 제1 매니폴드(30)에 삽입되어 도킹 플레이트(220)와 엔드 플레이트(230)가 결합될 수 있다. 이때, 도킹 파이프(250)의 외주면에 형성된 기밀부재(240)에 의해 상기 도킹 플레이트(220)와 엔드 플레이트(230)를 보다 견고히 고정할 수 있다.
본 발명에 따른 도킹플레이트를 구비하는 연료전지는 피팅 연결부가 포함된 기존의 엔드플레이트를 포함하는 연료전지보다 단순한 구조로 도킹 플레이트에 피팅을 연결하여 작동유체를 공급할 수 있다. 이에 따라, 도킹 플레이트 일체형 장비를 사용함으로써, 기밀 테스트 용이성 및 시스템 양산성을 증대시킬 수 있다.
또한, 엔드 플레이트와 도킹 플레이트의 외주면에 매미고리 또는 토글클램프를 이용하여 체결할 수 있는 결합부재를 더 포함함으로써, 엔드 플레이트와 도킹 플레이트를 보다 견고히 결합할 수 있다.
또한, 엔드 플레이트의 제1 매니폴드와 도킹 플레이트의 제2 매니폴드의 가장자리를 따라 형성되는 기밀부재를 포함함으로써, 엔드 플레이트와 도킹 플레이트간에 발생할 수 있는 작동유체의 누출을 방지할 수 있는 연료전지를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
10 : 금속 분리판 12 : 금속 분리판 본체
14 : 가스켓 20 : 제2 매니폴드
22 : 피팅 파이프 30 : 제1 매니폴드
CA : 채널부 MA : 매니폴드부
100 : 연료전지 110, 210 : 연료전지 스택
120, 220 : 도킹 플레이트 130, 230 : 엔드 플레이트
140, 240 : 기밀부재 250 : 도킹 파이프
160 : 결합부재 162 : 체결부
164 : 고정부

Claims (15)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 최외곽 양측에 각각 장착되어 상기 연료전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트;
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트 최외곽 양측에 각각 장착되어, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 고정시키는 한 쌍의 도킹 플레이트;
    상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 간의 접촉부에 장착되어, 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 상호 간을 부착시켜 기밀을 유지하기 위한 기밀부재; 및
    상기 엔드 플레이트에 부착되는 체결부와, 상기 도킹 플레이트에 부착되는 고정부로 형성되며, 상기 엔드 플레이트와 도킹 플레이트를 결합시키되, 탈부착이 가능하도록 장착된 결합부재;를 포함하며,
    상기 엔드 플레이트는 상기 연료전지 스택의 매니폴드 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제1 매니폴드를 구비하고, 상기 도킹 플레이트는 상기 엔드 플레이트의 제1 매니폴드와 대응하는 위치에서 상호 동일한 수로 형성되는 제2 매니폴드를 구비하고,
    상기 도킹 플레이트는 엔지니어링 플라스틱 재질로 형성되고, 상기 도킹 플레이트는 내부에 관통하는 형태로 삽입되며, 제2 매니폴드에 대응하는 위치에 장착되어 도킹 플레이트의 외측 후면에 일부가 돌출되도록 장착된 피팅 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은
    적어도 2장 이상이 스택된 금속 분리판들과,
    상기 금속 분리판들 사이에 개재된 막-전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기밀부재는
    상기 제1 및 제2 매니폴드의 가장자리를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기밀부재는
    가스켓인 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결합부재는
    매미고리 또는 토글 클램프 방식으로 체결되는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  10. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택의 최외곽 양측에 각각 장착되어 상기 연료전지 스택을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트;
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트 최외곽 양측에 각각 장착되어, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 고정시키는 한 쌍의 도킹 플레이트;
    상기 도킹 플레이트에 일단이 연통되고, 타단은 상기 도킹 플레이트로부터 상기 엔드 플레이트 방향으로 돌출되는 도킹 파이프;
    상기 도킹 파이프와 엔드 플레이트 간의 접촉부에 장착되어, 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트 상호 간을 부착시켜 기밀을 유지하기 위한 기밀부재;
    상기 엔드 플레이트에 부착되는 체결부와, 상기 도킹 플레이트에 부착되는 고정부로 형성되며, 상기 엔드 플레이트와 도킹 플레이트를 결합시키되, 탈부착이 가능하도록 장착된 결합부재;를 포함하며,
    상기 엔드 플레이트는 상기 연료전지 스택의 매니폴드 영역에 대응되는 위치에 배치되는 제1 매니폴드를 구비하고, 상기 도킹 플레이트는 상기 엔드 플레이트의 제1 매니폴드와 대응하는 위치에서 상호 동일한 수로 형성되는 제2 매니폴드를 구비하고,
    상기 도킹 플레이트는 엔지니어링 플라스틱 재질로 형성되고, 상기 도킹 플레이트는 내부에 관통하는 형태로 삽입되며, 제2 매니폴드에 대응하는 위치에 장착되어 도킹 플레이트의 외측 후면에 일부가 돌출되도록 장착된 피팅 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 도킹 파이프는
    상기 엔드 플레이트의 제1 매니폴드에 대응되는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 도킹 파이프는
    상기 엔드 플레이트의 제1 매니폴드에 삽입되어, 상기 도킹 플레이트와 엔드 플레이트를 결합시키는 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상기 기밀부재는
    오링(o-ring)인 것을 특징으로 하는 도킹 플레이트를 구비하는 연료전지.
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