KR101765991B1 - 연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법 - Google Patents

연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법 Download PDF

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Abstract

연료전지 스택을 구성하는 셀들의 적층 방향으로 상기 연료전지 스택의 양단에 배치된 엔드플레이트; 및 상기 엔드플레이트 중 어느 하나에 탈착 가능하게 결합되고, 상기 연료전지 스택의 매니폴드들의 형상에 대응하는 형상을 가지며, 상기 매니폴드들 중 적어도 하나에 삽입되어 상기 셀들을 정렬시키는 가이드 바를 포함하는 연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법.

Description

연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법 {Guide apparatus for fuelcell and Method for stacking fuelcell}
본 발명은 연료전지의 스택 적층 시 안정적인 적층과 변화된 사양에 대한 용이성을 갖추기 위해 연료전지 가이드 기구를 엔드플레이트에 탈착 가능하도록 하는 연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 적층 스택 방법에 관한 것이다.
종래의 연료전지 스택은 애노드, 캐소드 및 전해질 막으로 이루어지는데, 스택을 수직 또는 경사 적층 시 균형적이게 구조적 안정성을 가지는 것이 연료전지 출력성능에 있어서 가장 중요하다. 실제로 연료전지 스택 적층 시 애노드, 캐소드 분리판과 막전극접합체가 일그러지거나 작은 충격으로 인해 불균형하게 적층이 되면 연료전지의 출력 성능 및 내구성에 치명적인 결과를 초래한다.
그래서 기존의 연료전지 제조사들은 구조적 안정성을 위해 엔드플레이트와 가이드를 일체로 두어 사용하는 가이드기구를 따로 사용함으로 이러한 문제점을 해결하고 있다.
하지만, 이러한 일체형 가이드기구는 다양하게 변화되는 연료전지 셀들의 형상으로 인해 가이드기구를 사용하지 못하는 경우가 많아 금전적 및 가공을 위한 시간적 비용이 많이 소비된다.
또한 제조 완료 시 가이드 장치가 연료전지의 절연 역할을 방해하기 때문에 제거하는 것이 바람직한데, 기존의 경우는 무거운 가이드기구 전체를 탈부착하며 정렬을 균형적으로 맞춰야하는 불편함이 있다. 이에 따라, 가이드를 분리하지 않고 절연이 가능한 재질인 부도체를 사용하여 사용하였지만, 부도체의 경우 내구성이 낮아 때문에 연료전지의 안정적인 적층이 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0033823 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 연료전지 제조 시 구조적 안정성을 제공하고, 수시로 변화되는 스택 형상에 빠르게 대응하며, 연료전지 제조 완료시 가이드가 탈착 가능하도록 구성된 연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 가이드 장치는 연료전지 스택을 구성하는 셀들의 적층 방향으로 상기 연료전지 스택의 양단에 배치된 엔드플레이트; 및 상기 엔드플레이트 중 어느 하나에 탈착 가능하게 결합되고, 상기 연료전지 스택의 매니폴드들의 형상에 대응하는 형상을 가지며, 상기 매니폴드들 중 적어도 하나에 삽입되어 상기 셀들을 정렬시키는 가이드 바를 포함할 수 있다.
상기 엔드플레이트는 볼트를 통해 상기 가이드 바와 결합되기 위한 복수의 홀들을 포함하며, 상기 가이드 바가 상기 엔드플레이트와 분리된 경우 상기 복수의 홀들에 체결되는 마개를 더 포함할 수 있다.
상기 마개는 수나사, 실리콘 또는 가스켓 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가이드 바는 엔드플레이트 상에 형성된 홀들과 대응되는 면에 형성된 홀들을 포함하고, 상기 엔드플레이트의 홀들과 상기 가이드 바의 홀들이 볼트에 의해 체결 또는 분리되어 상기 엔드플레이트에 탈착 가능하게 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택 적층 방법은 연료전지용 가이드 장치를 이용한 연료전지 스택 적층 방법으로서,
상기 가이드 바를 상기 엔드플레이트 상에 형성된 홀을 통해 결합하는 단계; 상기 연료전지 셀들의 매니폴드가 상기 가이드 바에 삽입되도록 상기 연료전지 셀들을 적층하는 단계; 및 상기 연료전지 셀들의 적층이 완료되면 상기 가이드 바를 상기 엔드플레이트에서 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 분리된 가이드 바를 상기 가이드 바가 결합되었던 엔드플레이트에 대향하는 방향으로 토출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 가이드 바가 상기 엔드플레이트와 분리된 경우 상기 엔드플레이트에 형성된 복수의 홀들에 마개를 체결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법에 의하면, 엔드플레이트 자체에 탈착 가능한 가이드 바를 사용함으로써 기존의 무거운 가이드 기구를 사용하지 않고 연료전지를 안정적으로 적층할 수 있다.
또한, 수시로 변화되는 매니폴드 형상들에 대응하는데 있어서 가이드 기구 전체가 아닌 가이드 바만을 대응시키기 때문에, 형상 변화에 빠르게 대응할 수 있고 소모되는 소재량 및 작업 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료전지 스택 적층이 완료되면 가이드 바가 분리될 수 있는데, 이에 따라 안정성이 높은 재질의 가이드 바의 사용이 가능하여 고품질의 연료전지 스택을 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가이드 장치의 구성요소를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가이드 장치의 결합된 구성을 간략히 도시한 A-A 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가이드 장치의 분리된 구성을 간략히 도시한 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드플레이트와 마개가 결합된 구성을 간략히 도시한 A-A 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가이드 장치 및 연료전지 스택 적층 방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가이드 장치의 구성요소를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지용 가이드 장치는 연료전지 스택을 구성하는 셀들의 적층 방향으로 상기 연료전지 스택의 양단에 배치된 엔드플레이트(110); 및 엔드플레이트(110)중 어느 하나에 탈착 가능하게 결합되고, 연료전지 스택의 매니폴드들의 형상에 대응하는 형상을 가지며, 매니폴드들 중 적어도 하나에 삽입되어 연료전지 스택을 구성하는 셀을 정렬시키는 가이드 바(120);를 포함할 수 있다.
여기서 연료전지 스택은 일반적으로 상용되는 애노드, 캐소드 및 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하여 구성된다.
이러한 각각의 연료전지 셀들을 적층, 가압함으로써 연료전지 스택을 제작하게 되는데, 엔드플레이트(110)는 적층, 가압과정이 가능하도록 연료전지 셀들의 적층 방향으로 연료전지 스택의 양단에 위치한다.
또한, 엔드플레이트(110)는 볼트(130)를 통해 가이드 바(120)와 결합되기 위한 복수의 홀들(115)을 포함하며, 가이드 바(120)가 엔드플레이트(110)와 분리된 경우 복수의 홀들(115)에 체결되는 마개(140)를 더 포함할 수 있다.
여기서 볼트(130)는 수나사를 포함할 수 있고, 엔드플레이트(110)의 스택 적층방향으로의 두께보다 길이가 긴 것을 사용할 수 있다. 이와 대응되도록 홀들(115)은 나사선 모양으로 제작됨으로써 엔드플레이트(110)와 볼트(130)가 서로 탈착 가능하도록 제작한다.
또한, 마개(140)는 엔드플레이트(110)로부터 볼트(130)가 분리되면 형성된 홀(115)을 채우도록 수나사(142), 실리콘(144) 또는 가스켓(146) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 마개(140)는 연료전지 스택의 매니폴드 유체들이 엔드플레이트(110)에서 누출되지 않고, 엔드플레이트(110)에 탈착 가능하도록 구성된다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
한편, 가이드 바(120)는 엔드플레이트(110) 상에 형성된 홀들(115)과 대응되는 면에 형성된 홀(125)을 포함하고, 엔드플레이트의 홀들(115)과 가이드 바의 홀들(125)이 볼트(130)에 의해 체결 또는 분리되어 엔드플레이트(110)에 탈착 가능하게 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 가이드 바(120)는 연료전지 스택의 매니폴드들의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 연료전지 스택에서 매니폴드 형상은 그 효율에 있어 가장 핵심적인 요소이기 때문에 그 형상이 수시로 변화되어 제작될 수 있다. 따라서, 탈착 가능하도록 제작된 가이드 바(120)는 변화되는 매니폴드 형상에 빠르게 대응가능하며, 변화된 가이드 형상 제작 시 소비되는 소재량과 제작시간이 감소될 수 있다.
이에 더해, 종래에 가이드 장치는 연료전지 스택에서 분리되지 않았기 때문에 연료전지 스택 내에 절연을 위해 폴리머 재질의 부도체만을 사용하였다. 하지만 탈착이 가능한 가이드 바(120)는 엔드플레이트(110)에서 분리 가능하기 때문에 재질에 대한 제약이 없어 내구성이 좋은 금속을 재질로 사용할 수 있다. 따라서, 종래보다 구조적으로 안정되고 출력성능이 좋은 연료전지 스택을 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가이드 장치의 결합된 구성을 간략히 도시한 A-A 단면도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가이드 장치의 분리된 구성을 간략히 도시한 A-A 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드플레이트와 마개가 결합된 구성을 간략히 도시한 A-A 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 연료전지 스택 적층 방법은 가이드 바(120)를 엔드플레이트(110) 상에 형성된 홀(115)을 통해 결합하는 단계; 연료전지 셀들을 적층하는 단계; 및 연료전지 셀들의 적층이 완료되면 가이드 바(120)를 분리시키는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 도 2와 같이 가이드 바(120)를 연료전지 스택의 셀들을 정렬시키기 위해 엔드플레이트(110) 상에 형성된 홀(115)에 볼트(130)를 사용하여 결합한다.
여기서 볼트(130)는 엔드플레이트(110)에서 연료전지 스택이 적층되는 면의 반대 방향으로 엔드플레이트의 홀들(115)과 가이드 바의 홀(125)을 대응시켜 체결하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 엔드플레이트의 홀들(115)은 볼트(130)의 머리가 엔드플레이트에 완전히 삽입되도록 층을 형성하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
결합이 완료된 후, 연료전지 셀들에 형성되는 매니폴드들 중 적어도 하나가 가이드 바(120)의 길이방향으로 삽입되어 적층되고, 적층이 완료되면 프레스를 이용하여 가압함으로써 연료전지 스택이 제작될 수 있다.
연료전지 셀들의 적층 및 가압이 완료되면 도 3에 도시된 바와 같이 가이드 바(120)를 엔드플레이트(110)에서 분리시킬 수 있다.
여기서, 가이드 바(120)는 엔드플레이트의 홀(115)에서 볼트(130)가 분리되면서 엔드플레이트(110)에 대향하는 방향으로 토출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 연료전지 스택 적층 방법은 가이드 바(120)가 분리되면 엔드플레이트(110)에 형성된 홀들(115)을 마개(140)로 막는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 엔드플레이트의 홀들(115)은 마개(140)의 머리가 엔드플레이트에 완전히 삽입되도록 층을 형성하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 마개(140)는 도 4와 같이 수나사(142), 실리콘(144) 또는 가스켓(146) 중 적어도 하나를 포함할 수 있는데, 구체적으로 수나사(142)는 마개(140)에 포함되어 엔드플레이트의 홀(115)에 형성된 나사선 모양을 따라 탈착되어 매니폴드 유체들의 누출을 막는다. 실리콘(144)은 마개(140)와 엔드플레이트(110) 사이에 도포되어 결합될 수 있다. 또한 가스켓(146)은 마개(140)에 엔드플레이트의 홀(115)과 대응되도록 형성되어 매니폴드의 유체들이 새지않도록 할 수 있다. 이러한 구성으로 마개(140)는 연료전지 스택의 매니폴드 유체들이 엔드플레이트(110)에서 누출되지 않고, 엔드플레이트(110)에 탈착 가능하도록 한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
110 : 엔드플레이트 115 : (엔드플레이트의) 홀
120 : 가이드 바 125 : (가이드 바의) 홀
130 : 볼트 140 : 마개
142 : 수나사 144 : 실리콘
146 : 가스켓

Claims (7)

  1. 연료전지 스택을 구성하는 셀들의 적층 방향으로 상기 연료전지 스택의 양단에 배치된 엔드플레이트; 및
    상기 엔드플레이트 중 어느 하나에 탈착 가능하게 결합되고, 상기 연료전지 스택의 매니폴드들의 형상에 대응하는 형상을 가지며, 상기 매니폴드들 중 적어도 하나에 삽입되어 상기 셀들을 정렬시키는 가이드 바를 포함하며,
    상기 가이드 바가 결합되는 엔드플레이트는 볼트를 통해 상기 가이드 바와 결합되기 위한 복수의 홀들을 포함하고,
    상기 가이드 바는 상기 셀들이 적층된 이후 상기 볼트에 의한 결합을 해제함으로써 결합되었던 엔드플레이트와 분리되고, 상기 가이드바가 분리된 엔드플레이트의 상기 복수의 홀들에 체결되는 마개를 더 포함하는,
    연료전지용 가이드 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 마개는 수나사, 실리콘 또는 가스켓 중 적어도 하나를 포함하는,
    연료전지용 가이드 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드 바는 엔드플레이트 상에 형성된 홀들과 대응되는 면에 형성된 홀들을 포함하고, 상기 엔드플레이트의 홀들과 상기 가이드 바의 홀들이 볼트에 의해 체결 또는 분리되어 상기 엔드플레이트에 탈착 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 가이드 장치.
  5. 청구항 1의 가이드 장치를 이용한 연료전지 스택 적층 방법으로서,
    상기 가이드 바를 상기 엔드플레이트 상에 형성된 홀을 통해 결합하는 단계;
    상기 연료전지 셀들의 매니폴드가 상기 가이드 바에 삽입되도록 상기 연료전지 셀들을 적층하는 단계;
    상기 연료전지 셀들의 적층이 완료되면 상기 가이드 바를 상기 엔드플레이트에서 분리시키는 단계; 및
    상기 가이드 바가 상기 엔드플레이트와 분리된 경우 상기 엔드플레이트에 형성된 복수의 홀들에 상기 마개를 체결하는 단계를 포함하는,
    연료전지 스택 적층 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리된 가이드 바를 상기 가이드 바가 결합되었던 엔드플레이트에 대향하는 방향으로 토출하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 스택 적층 방법.
  7. 삭제
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