KR101688787B1

KR101688787B1 - 전지용 하이브리드 타이로드

Info

Publication number: KR101688787B1
Application number: KR1020140110885A
Authority: KR
Inventors: 이대길; 유영호; 임준우
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-12-23
Also published as: KR20160024267A

Abstract

본 발명은 스택과 엔드플레이트를 체결하기 위한 전지용 하이브리드 타이로드를 개시한다. 본 발명은 적층되어 있는 복수의 단위전지의 양쪽에 배치되어 있는 두 개의 엔드플레이트에 관통되어 있는 복합재료 생크와, 복합재료 생크의 양단부에 결합되어 있고 엔드플레이트에 체결력을 부여할 수 있도록 너트가 체결되는 나사가 외면에 형성되어 있는 금속 볼트를 포함한다. 본 발명에 의하면, 탄성 변형할 수 있는 복합재료 생크의 양단부에 금속 볼트가 결합되는 구조에 의하여 스택의 열 변형과 제작 오차를 보상하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합재료와 금속의 조합에 의하여 산성 환경에서 안정적이면서도 구조가 간단하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

전지용 하이브리드 타이로드{HYBRID TIE ROD FOR BATTERIES}

본 발명은 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택(Stack)과 엔드플레이트(End plate)를 체결하기 위한 전지용 하이브리드 타이로드에 관한 것이다.

최근 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지(New renewable energy)는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 신재생에너지의 원활한 사용을 위하여 연료전지(Fuel cell)와 에너지 저장 시스템(Energy storage system)의 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적인 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)가 있고, 에너지 저장 시스템은 이차전지(Secondary cell)의 하나로 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)가 있다. PEMFC와 RFB 각각은 그 최적 작동 온도가 40~220℃와 40~80℃로 알려져 있다.

본 출원인의 한국 등록특허 제10-1379323호 "레독스 흐름 전지용 엔드플레이트"와 한국 등록특허 제10-1220866호 "고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 연료전지"가 개시되어 있다. 이러한 PEMFC, RFB 등의 전지의 스택은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)와 두 개의 엔드플레이트로 구성되어 있다. 엔드플레이트들의 주요 기능은 스택 내에서 고른 면압(Surface pressure)이 유지되도록 각 구성요소들을 지지하는 것이다. 단위전지들과 엔드플레이트들은 복수의 타이로드 또는 타이바(Tie bar)에 의하여 체결되어 있다. 엔드플레이트들은 타이로드들의 체결에 의하여 면압을 유지하게 된다. 위 특허 문헌들 각각에 개시되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

상기한 바와 같은 종래의 PEMFC, RFB 등의 전지는 정상 상태(Normal state)와 작동 상태(Operation state) 사이의 온도 차이로 인하여 스택의 열 변형(Thermal deformation)이 발생되어 스택의 두께가 변하게 된다. 또한, 스택이 대면적화 되어 제작되는 경우, 단위전지들과 엔드플레이트들에 제작 공차(Fabrication tolerance)가 필연적으로 발생하게 된다. 이러한 열 변형과 제작 공차 등을 대처하기 위하여 스택에 충분한 체결력을 제공하고, 산성 환경 내에서 높은 신뢰성을 갖는 타이로드의 설계와 제작이 요구되고 있으나, 이를 만족할 만한 타이로드가 개발되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 전지용 타이로드의 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 복합재료(Composite materials)의 탄성 변형에 의하여 스택의 열 변형과 제작 오차를 보상하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 전지용 하이브리드 타이로드를 제공하는 것이다.

본 발명에 다른 목적은, 복합재료와 금속의 조합에 의하여 산성 환경에서 안정적이면서도 구조가 간단하여 생산성을 향상시킬 수 있는 전지용 하이브리드 타이로드를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전지용 하이브리드 타이로드가 제공된다. 본 발명에 따른 전지용 하이브리드 타이로드는, 적층되어 있는 복수의 단위전지의 양쪽에 배치되어 있는 두 개의 엔드플레이트에 관통되어 있는 복합재료 생크와; 복합재료 생크의 양단부에 결합되어 있고, 두 개의 엔드플레이트에 체결력을 부여할 수 있도록 너트가 체결되는 나사가 외면에 형성되어 있는 금속 볼트를 포함한다.

또한, 복합재료 생크와 금속 볼트의 결합을 위하여 복합재료 생크의 양단부에 쐐기홈이 형성되어 있고, 쐐기홈에 결합할 수 있도록 금속 볼트의 단부에 쐐기가 형성되어 있다. 금속 볼트는 복합재료 생크의 양단부가 끼워져 결합되는 보어를 갖는다.

본 발명에 따른 전지용 하이브리드 타이로드는, 탄성 변형할 수 있는 복합재료 생크의 양단부에 금속 볼트가 결합되는 구조에 의하여 스택의 열 변형과 제작 오차를 보상하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합재료와 금속의 조합에 의하여 산성 환경에서 안정적이면서도 구조가 간단하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 타이로드가 적용되어 있는 전지의 일례를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지용 하이브리드 타이로드의 구성을 부분적으로 절제하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서 복합재료 생크와 금속 볼트의 경계면을 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2에서 금속 볼트가 접착제에 의하여 접착되어 있는 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전지용 하이브리드 타이로드의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전지용 하이브리드 타이로드의 또 다른 실시예를 부분적으로 절제하여 나타낸 도면이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 전지용 하이브리드 타이로드에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, PEMFC, RFB 등과 같은 전지(10)의 스택(20)은 복수의 단위전지(30)와, 두 개의 엔드플레이트(40, 42)와, 복수의 하이브리드 타이로드(50)를 포함한다. 단위전지(30)들은 직렬로 적층되어 있다. 엔드플레이트(40, 42)들 각각은 적층되어 있는 단위전지(30)들의 양쪽에 배치되어 있다. 하이브리드 타이로드(50)들 각각은 엔드플레이트(40, 42)들 각각의 모서리 부분에 체결된다. 엔드플레이트(40, 42)들은 하이브리드 타이로드(50)들의 체결력에 의하여 단위전지(30)들에 면압을 부여하게 된다.

도 1과 도 2를 참조하면, 하이브리드 타이로드(50)들 각각은 복합재료 생크(Composit shank: 60)와 두 개의 금속 볼트(70)로 구성되어 있다. 쐐기홈(62)이 복합재료 생크(60)의 양단에 삼각 형태로 형성되어 있다. 금속 볼트(70)들은 쐐기홈(62)에 결합할 수 있도록 한쪽 끝에 형성되어 있는 쐐기(72)와, 외면에 형성되어 있는 나사(74)를 갖는다. 쐐기홈(62)은 복합재료 생크(60)의 중심축선에 대하여 예각을 이루도록 형성되어 쐐기(72)와의 접촉 면적을 넓히게 된다.

복합재료 생크(60)는 탄성 변형에 의하여 스택(20)의 열 변형에 의한 두께의 변화를 보상하게 된다. 금속 볼트(70)들은 엔드플레이트(40, 42)들의 볼트 구멍(Bolt hole: )들을 통과하여 엔드플레이트(40, 42)들 각각의 외측에 돌출된다. 두 개의 너트(80)가 나사(74)에 체결되어 엔드플레이트(40, 42)들과 하이브리드 타이로드(50)들을 고정하게 된다.

복합재료 생크(60)는 탄성 변형률(Elastic strain)이 약 1%이고 산성 환경에 안정적인 섬유강화 복합재료(Fiber reinforced composite: )로 구성되어 있다. 섬유강화 복합재료(64)는 프리프레그(Prepreg)로 제조될 수 있다. 프리프레그는 복수의 보강섬유를 매트릭스(Matrix)에 함침시킨 후, 비-스테이지(B-stage)로 경화시켜 시트 또는 층(Laminate)으로 만든 것이다. 보강섬유들은 탄소섬유(Carbon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 아라미드섬유(Aramid fiber) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 매트릭스는 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 페놀수지(Phenolic resin), 폴리프로필렌(Polypropylene) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 이러한 프리프레그는 다층으로 적층(Stacking)되어 압축성형(Compression molding), 진공백성형(Vacuum bag molding) 등에 의하여 압밀·경화되어 복합재료 생크(60)로 제조된다. 프리프레그는 125~155℃에서 성형된다. 응력 집중에 높은 신뢰성을 갖는 소성 변형(Plastic deformation) 특성을 위하여 금속 볼트(70)들은 스테인리스 스틸(Stainless steel), 알루미늄 합금(Aluminium alloy), 강철(Steel) 등으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예 있어서, 복합재료 생크(60)와 금속 볼트(70)들은 복합재료 생크(60)의 성형 시 동시경화(Co-curing)에 의하여 결합할 수도 있다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 쐐기홈(62)의 내면과 쐐기(72)의 외면 사이의 결합력을 높이기 위하여 쐐기홈(62)의 내면과 쐐기(72)의 외면 각각에 요철(Unevenness: 66)을 형성할 수 있다. 요철(66)은 기계적 표면 가공이나 화학적 표면 처리에 의하여 실시할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 쐐기홈(62)의 내면과 쐐기(72)의 외면 각각은 표면거칠기(Roughness)를 거칠게 형성할 수 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 쐐기(72)는 접착제(68)의 접착에 의하여 쐐기홈(62)에 견고하게 고정될 수 있다. 접착제(68)의 접착에 의하여 복합재료 생크(60)와 금속 볼트(70)들의 결합력이 강화되어 하이브로드 타이로드(50)의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 5에 본 발명에 따른 하이브리드 타이로드의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 코어로드(Core rod: 90)가 금속 볼트(70)의 단부에 연장되어 있다. 코어로드(90)의 길이는 복합재료 생크(60)의 길이와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 복합재료 생크(60)는 프리프레그를 코어로드(90)의 외면에 와인딩(Winding) 또는 래핑(Wrapping)한 후 경화시켜 제작할 수 있다. 코어로드(90)는 두 개의 금속 볼트(70) 각각에 형성되거나 두 개의 금속 볼트(70) 중 어느 하나의 금속 볼트에 형성될 수 있다.

한편, 복합재료 생크(60)와 코어로드(90) 사이에 개재되도록 코어로드(90)의 외면에 이형 필름(Releasing film: 100)이 더 와인딩될 수 있다. 이형 필름(100)은 복합재료 생크(60)와 코어로드(90)의 직접적인 접촉을 방지하여 복합재료와 금속의 간섭을 최소화시킨다. 몇몇 실시예에 있어서, 코어로드(90)의 외면에 이형 필름(100)을 감는 대신에 이형제(Releasing agent)를 도포할 수도 있다.

도 6에 본 발명에 따른 하이브리드 타이로드의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 6를 참조하면, 금속 볼트(70)들은 복합재료 생크(60)의 양단부가 끼워져 결합되는 보어(Bore: 76)가 형성되어 있다. 복합재료 생크(60)와 금속 볼트(70)들의 결합을 위하여 복합재료 생크(60)는 그 양단부를 예가열(Pre-heating)하고, 금속 볼트(70)들은 예냉각(Pre-cooling)한다.

계속해서, 복합재료 생크(60)의 양단부를 금속 볼트(70)들의 보어(76)에 각각 끼운 후 상온에 놓으면, 복합재료 생크(60)의 열수축(Thermal shrinkage)과 금속 볼트(70)들의 열팽창(Thermal expansion)에 의하여 복합재료 생크(60)의 양단부가 금속 볼트(70)들의 보어(76)에 견고하게 압입된다. 이러한 열변형을 이용하는 복합재료 생크(60)와 금속 볼트(70)의 결합은 쐐기홈(62)과 쐐기(72)의 결합에 적용할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 전지 20: 스택
30: 단위전지 40, 42: 엔드플레이트
50: 하이브리드 타이로드 60: 복합재료 생크
62: 쇄기홈 68: 접착제
70: 금속 볼트 72: 쐐기
76: 보어 80: 너트
90: 코어로드 100: 이형 필름

Claims

적층되어 있는 복수의 단위전지의 양쪽에 배치되어 있는 두 개의 엔드플레이트에 관통되어 있으며 탄성을 갖는 섬유강화 복합재료 생크와;
상기 섬유강화 복합재료 생크의 양단부에 결합되어 있고, 상기 두 개의 엔드플레이트에 체결력을 부여할 수 있도록 너트가 체결되는 나사가 외면에 형성되어 있는 금속 볼트를 포함하는 전지용 하이브리드 타이로드.
제1항에 있어서,
상기 섬유강화 복합재료 생크의 양단부에 쐐기홈이 형성되어 있고, 상기 쐐기홈에 결합할 수 있도록 상기 금속 볼트의 단부에 쐐기가 형성되어 있는 전지용 하이브리드 타이로드.
제2항에 있어서,
상기 쐐기홈은 상기 쐐기와의 접촉 면적이 넓어지도록 상기 섬유강화 복합재료 생크의 중심축선에 대하여 예각으로 형성되어 있는 전지용 하이브리드 타이로드.
제2항에 있어서,
상기 쐐기홈의 내면과 상기 쐐기의 외면 각각에 접촉 면적이 넓어지도록 요철이 형성되어 있는 전지용 하이브리드 타이로드.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 쐐기는 접착제의 접착에 의하여 상기 쐐기홈에 결합되어 있는 전지용 하이브리드 타이로드.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 볼트의 단부에 코어로드가 연장되어 있고, 상기 섬유강화 복합재료 생크는 상기 코어로드의 외면에 와인딩되어 있는 전지용 하이브리드 타이로드.
제6항에 있어서,
상기 섬유강화 복합재료 생크와 상기 코어로드 사이에 개재되도록 상기 코어로드의 외면에 이형 필름이 더 와인딩되어 있는 전지용 하이브리드 타이로드.
제1항에 있어서,
상기 금속 볼트는 상기 섬유강화 복합재료 생크의 양단부가 끼워져 결합되는 보어를 갖는 전지용 하이브리드 타이로드.