KR101810086B1 - 연료전지, 및 연료전지의 제조방법 - Google Patents

연료전지, 및 연료전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 연료전지는 복수의 단위셀(105)들이 적층되는 셀 적층체(100), 상기 셀 적층체(100)를 내부에 수용하는 케이스(300), 및 상기 셀 적층체(100)의 적층 방향으로의 단부와 상기 케이스(300) 사이의 위치에서 상기 케이스(300)의 내부에 배치되는 압력 플레이트(200)를 포함한다. 상기 케이스(300)는, 상기 케이스(300)의 외부로부터 상기 압력 플레이트(200)를 상기 적층 방향으로 가압하는 가압 부재를 상기 압력 플레이트(200)에 접촉시키는 제1개구부(322), 및 상기 셀 적층체(100)를 상기 적층 방향으로 압축한 상태에서 상기 압력 플레이트(200)의 위치를 고정하는 고정부(321, 500)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지, 및 연료전지의 제조방법{FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCTION OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지, 및 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 복수의 셀들을 적층한 셀 적층체(cell stack)를 상자형의 케이스 내측에 수용한 연료전지가 알려져 있다. 상기 연료전지 대부분은, 셀 적층체가 적층 방향으로 압축된 상태에서 상기 케이스 내에 수용되어 있다. 일반적으로, 각각의 셀은, 한 쌍의 전극들이 전해질의 양측에 배치되는 막전극 접합체(membrane electrode assembly), 및 상기 막전극 접합체의 양측에 배치되는 한 쌍의 세퍼레이터(separator)들을 포함한다.
연료전지의 케이스의 내측에 수용되는 셀 적층체에 가해지는 적층 방향으로의 압축 하중(compressive load)을 조정하는 방법으로서, 일본특허출원공보 제2002-358985호(JP 2002-358985 A)에는, 케이스의 외부로부터 나사를 돌려 상기 나사들의 축력을 조정함으로써 상기 셀 적층체 상에서의 압축 하중을 조정하는 방법이 개시되어 있다. 일본특허출원공보 제2005-524214호(JP 2005-524214 A)에는, 케이스와 셀 적층체 사이에 심 판(shim plate)(스페이서 판; spacer plate))들을 개재(interposing)시킴으로써 압축 하중을 조정하는 방법이 개시되어 있다.
하지만, 나사들의 축력을 조정하여 압축 하중을 조정하는 방법의 경우에는, 상기 나사로부터의 응력에 의해 상기 셀 적층체가 압축되어, 상기 응력이 상기 셀 적층체의 전체 표면에 균일하게 인가되지 못할 수도 있다. 또한, 나사들을 돌려 박을 때에 칩(chip)들이 발생할 수도 있다. 다른 한편으로, 심 판들을 개재시켜 압축 하중을 조정하는 방법의 경우에는, 상기 심 판들의 중량에 의해 연료전지의 중량이 증가하고, 심 판들의 두께나 매수를 변경하여 상기 압축 하중을 미세하게 조정하는 것이 곤란하다. 상술된 바와 같이, 연료전지에 있어서 케이스에 수용되는 셀 적층체의 압축 하중을 조정하는 방법들에 대해서도 개선의 여지가 있다.
본 발명은 케이스의 내측에서 적층 방향으로 압축되는 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 용이하게 제조하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1형태에 따른 연료전지는, 복수의 단위셀들을 적층한 셀 적층체, 상기 셀 적층체를 수용하는 케이스, 및 상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부와 상기 케이스 사이의 위치에서 상기 케이스의 내부에 배치되는 압력 플레이트를 포함하되, 상기 케이스는, 상기 케이스의 외부로부터 상기 압력 플레이트를 상기 적층 방향으로 가압하는 가압 부재가 상기 압력 플레이트와 접촉하게 되는 제1개구부, 및 상기 셀 적층체를 상기 적층 방향으로 압축한 상태에서 상기 압력 플레이트의 위치를 고정하는 고정부(fixing portion)를 구비하는 것을 요지로 한다.
이러한 구성에 의하면, 상기 제1개구부를 통하여 상기 케이스의 외부로부터 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압할 수 있고, 상기 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압한 상태에서 상기 고정부에 의해 상기 압력 플레이트의 위치를 고정할 수 있다. 따라서, 케이스의 내측에 적층 방향으로 압축된 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1개구부는, 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주할 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 상기 제1개구부가 적층 방향으로 압력 플레이트와 마주하고 있기 때문에, 상기 케이스의 외부로부터 상기 압력 플레이트를 적층 방향으로 용이하게 가압할 수 있다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 고정부는, 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주하도록 상기 케이스 내부에 제공되는 암나사부, 및 상기 암나사부에 연결되는 기단부(proximal end)와, 상기 압력 플레이트와 접촉하게 되는 원단부(distal end)를 구비한 나사 부재를 포함할 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 압축된 셀 적층체로부터의 응력에 저항해서 상기 압력 플레이트의 이동을 용이하게 규제할 수 있다.
본 발명의 제2형태에 따른 연료전지는, 복수의 단위셀들을 적층한 셀 적층체, 상기 셀 적층체를 수용하는 케이스, 및 상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부와 상기 케이스 사이의 위치에서 상기 케이스 내부에 배치되는 압력 플레이트를 포함하되, 상기 케이스는 적어도 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주하는, 서로 개구 면적들이 다른 제1개구부 및 제2개구부를 구비하고 있는 것을 요지로 한다.
이러한 구성에 의하면, 일방의 개구부를 통하여 상기 케이스의 외부로부터 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압할 수 있고, 상기 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압한 상태에서 타방의 개구부를 통해 상기 압력 플레이트의 위치를 고정할 수 있다. 따라서, 케이스의 내측에 적층 방향으로 압축된 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제2개구부보다 큰 개구 면적을 갖는 상기 제1개구부의 수는 1개 내지 3개이다.
이러한 구성에 의하면, 제1개구부 또는 제1개구부들을 통하여 상기 케이스의 외부로부터 가압 부재에 의해 압력 플레이트를 적층 방향으로 용이하게 가압할 수 있다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1개구부의 수는 2개 또는 3개일 수도 있고, 상기 제1개구부들은, 상기 적층 방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체의 중심(gravity center)(단위셀들의 중심)이 2개의 제1개구부들 사이에 또는 3개의 제1개구부들에 의해 둘러싸여지는 영역 내부에 위치하도록 배치될 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 2개 또는 3개의 가압 부재들에 의해 상기 제1개구부들을 통하여 상기 케이스의 외부로부터 상기 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압하는 경우, 상기 가압 부재들에 의해 상기 압축 플레이트에 인가되는 힘들의 합력이, 상기 셀 적층체의 중심(단위셀들의 중심)의 부근 지점에 인가될 수 있다. 따라서, 상기 압력 플레이트가 적층 방향으로 용이하게 가압될 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1개구부의 수는 1개일 수도 있고, 상기 제1개구부는, 상기 적층 방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체의 중심(단위셀들의 중심)에 대향하는 위치에 배치될 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 가압 부재에 의해 상기 제1개구부를 통하여 상기 케이스의 외부로부터 상기 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압하는 경우, 상기 압력 플레이트가 상기 셀 적층체의 중심(단위셀들의 중심)의 부근 지점에 가압될 수 있다. 따라서, 상기 압력 플레이트가 적층 방향으로 용이하게 가압될 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1개구부는, 상기 케이스의 외부로부터 적층 방향으로 상기 압력 플레이트를 가압하는데 사용되는 가압 부재를 상기 압력 플레이트와 접촉시키는데 사용될 수도 있다.
상기 형태에 따른 연료전지에 있어서, 상기 제1개구부보다 작은 개구 면적을 갖는 제2개구부는, 상기 제2개구부의 내주부에 나사 홈(thread groove)을 구비할 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 상기 암나사부들에 나사 부재를 부착함으로써, 상기 압력 플레이트의 위치를 용이하게 고정할 수 있다.
본 발명의 제3형태에 따른 연료전지의 제조방법은, 복수의 단위셀들을 적층한 셀 적층체 및 상기 셀 적층체를 수용하는데 사용되는 케이스를 준비하는 공정, 상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부가 압력 플레이트를 통해 상기 케이스와 마주하도록 상기 셀 적층체를 상기 케이스의 내부에 배치하는 공정, 상기 케이스 외부로부터 가압 부재에 의해 상기 압력 플레이트를 가압함으로써 상기 적층 방향으로 상기 케이스 내부에 상기 셀 적층체를 압축하는 공정, 및 상기 가압 부재에 의해 상기 셀 적층체가 압축되어 있는 상태에서 상기 압력 플레이트의 위치를 고정하는 공정을 포함하는 것을 요지로 한다.
이러한 구성에 의하면, 상기 케이스의 외부로부터 상기 셀 적층체를 압축한 후에 상기 압력 플레이트의 위치가 고정된다. 따라서, 케이스의 내측에 적층 방향으로 압축된 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 제조방법에 있어서, 상기 케이스는, 상기 케이스의 측벽을 통하여 적어도 2종의 개구부들을 구비하고, 상기 셀 적층체는, 상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부가 상기 압력 플레이트를 통해 상기 측벽과 마주하도록 상기 케이스 내부에 배치될 수도 있으며, 상기 셀 적층체는, 상기 측벽의 제1개구부를 통해 상기 케이스의 외부로부터 가압 부재를 이용하여 상기 압력 플레이트를 적층 방향으로 가압하여 압축될 수도 있고, 상기 압력 플레이트는, 상기 압력 플레이트와 상기 측벽의 제2개구부 사이에 나사 부재를 부착함으로써 고정될 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 상기 제1개구부를 통해 상기 케이스의 외부로부터 상기 셀 적층체를 압축하고 있는 상태에서, 상기 압력 플레이트와 상기 제2개구부 사이에 상기 나사 부재를 부착함으로써 상기 압력 플레이트의 위치가 고정된다. 따라서, 케이스의 내측에 적층 방향으로 압축된 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 제조방법에 있어서, 상기 압력 플레이트는, 상기 가압 부재를 가압하여 상기 셀 적층체에 인가되는 압축 하중이 소정값에 도달하는 경우에 상기 나사 부재를 부착함으로써 고정될 수도 있고, 상기 나사 부재를 부착한 후에 상기 가압 부재의 가압력이 해제될 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 상기 압력 플레이트를 고정하도록 상기 나사 부재를 부착한 후에 상기 가압 부재의 가압력이 해제되기 때문에 상기 나사 부재를 용이하게 부착할 수 있게 된다.
상기 형태에 따른 제조방법에 있어서, 상기 가압 부재의 가압력을 검출하는 외부 장치는, 상기 압력 플레이트가 고정될 때 상기 셀 적층체에 인가되는 압축 하중을 검출하는데 사용될 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 상기 연료전지는, 상기 연료전지가 상기 연료전지 상에서의 압축 하중을 검출하는 검출부를 구비할 필요가 없기 때문에, 그 구성의 간소화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 방식으로 구현될 수도 있다는 점에 유의하여야 한다. 예를 들면, 본 발명은 연료전지의 제조장치, 연료전지를 탑재하는 차량, 셀 적층체를 압축하는데 사용되는 나사 부재의 부착방법, 및 이들 방법들을 시스템이 실행하도록 하는 제어 프로그램이 저장된 기억 매체의 형태로 구현될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 케이스의 내측에서 적층 방향으로 압축되는 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 용이하게 제조하는 기술을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점, 및 기술적 그리고 산업적 현저성을, 동일한 부호들이 동일한 요소들을 나타내는 첨부도면들을 참조하여 후술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예의 연료전지의 개략 구성을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 2a 및 도 2b는 제1실시예에 따른 케이스 본체의 개략 구성을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 3은 제1실시예에 따른 단위셀의 개략 구성을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 4는 제1실시예에 따른 케이스 본체의 나사용 개구부, 가압용 개구부 및 샤프트용 개구부들의 위치들을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 5는 제1실시예에 따른 연료전지의 제조방법의 순서를 설명하는데 사용되는 설명도;
도 6은 제1실시예에 따라 케이스 본체를 제조 장치에 세팅하는 방식을 예시하는 설명도;
도 7은 제1실시예에 따라 단위셀들을 케이스 본체의 내측에 수용하는 방식을 예시하는 설명도;
도 8은 제1실시예에 따라 판상 부재를 전방벽에 고정하는 방식을 예시하는 설명도;
도 9a 및 도 9b는 제1실시예에 따라 가조립체(preliminary assembly)에 샤프트 부재들을 부착하는 방식을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 10a 내지 도 10c는 제1실시예에 따라 셀 적층체 상에서의 압축 하중을 조정하는 방식을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 11a 및 도 11b는 제1실시예에 따라 가조립체에 커버 부재를 부착하는 방식을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 12는 본 발명의 제2실시예의 케이스 본체의 가압용 개구부들의 위치들을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 13은 본 발명의 제3실시예의 케이스 본체의 가압용 개구부들의 위치들을 설명하는데 사용되는 설명도;
도 14는 본 발명의 상기 실시예들의 제1변형예의 케이스 본체의 가압용 개구부의 위치를 설명하는데 사용되는 설명도;
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 상기 실시예들의 제2변형예의 케이스 본체의 가압용 개구부의 위치를 설명하는데 사용되는 설명도; 및
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 상기 실시예들의 제3변형예의 연료전지의 고정부를 설명하는데 사용되는 설명도이다.
도 1은 제1실시예의 연료전지의 개략 구성을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 도 1은 연료전지(10)의 단면 구성을 예시하고 있다. 상기 연료전지(10)는, 수소와 산소의 공급을 받아 발전하는 고체고분자형 연료전지이다. 상기 연료전지(10)는, 예를 들면 차량 등의 이동체에 탑재되어, 상기 이동체의 동력원으로서 사용된다. 상기 연료전지(10)는 또한 정치형의 전원 등으로 사용될 수도 있다. 상기 연료전지(10)는, 셀 적층체(100), 한 쌍의 터미널 플레이트(terminal plates; 203a, 203b), 한 쌍의 인슐레이터 플레이트(insulator plates; 202a, 202b), 스택 매니폴드(stack manifold; 201), 압력 플레이트(200), 케이스(300), 및 복수의 하중조정나사(500)를 포함하고 있다.
상기 셀 적층체(100)에는 복수의 단위셀(105)들이 적층되어 있다. 상기 단위셀(105)의 형상 및 구성에 대해서는 도 3과 연계하여 후술한다. 또한, 이후의 설명에서는, 상기 셀 적층체(100)의 적층 방향에 따른 방향을 "x-방향"이라고 부르고, x-방향으로 직교하면서 상기 단위셀(105)의 길이 방향에 따른 방향을 "y-방향"이라고 부르며, 상기 x-방향과 상기 y-방향으로 직교하는 방향을 "z-방향"이라고 부른다. 상기 셀 적층체(100)의 양측에는, 전극판으로서의 터미널 플레이트(203a, 203b)들이 배치되고, 상기 터미널 플레이트(203a, 203b)의 양측에는 인슐레이터 플레이트(202a, 202b)들이 배치되어 있다. 상기 인슐레이터 플레이트(202b)의 외측에는 스택 매니폴드(201)가 배치되어, 상기 케이스(300)의 외부와 상기 셀 적층체(100) 사이의 반응 가스(연료 가스, 산화제 가스 등)들과 냉각 매체용 유로들을 형성하게 된다. 상기 인슐레이터 플레이트(202a)와 상기 케이스(300) 사이에는, 상기 셀 적층체(100)를 가압하는데 사용되는 압력 플레이트(200)가 배치되어 있다.
상기 케이스(300)는, 모두 강 등의 금속으로 이루어지는, 케이스 본체(305), 판상 부재(410), 커버 부재(420), 및 샤프트 부재(430)를 포함하고 있다. 상기 케이스(300)에 있어서, 상기 셀 적층체(100)는 적층 방향(x-방향)으로 압축한 상태에서 수용된다.
도 2a 및 도 2b는 케이스 본체의 개략 구성을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 도 2a는 도 1에 나타낸 케이스 본체(305)의 사시도이다. 상기 케이스 본체는 도 2a의 상하 방향(z-방향)으로 반전되어 있다. 도 2b는 케이스 본체(305)의 후방측(도 1의 우측)을 예시한 사시도이다. 상기 케이스 본체(305)는, 대략 직방체의 상자형 외형을 구비하고, 전방벽(310), 후방벽(320), 상측벽(330), 하측벽(340), 우측벽(350), 및 좌측벽(360)을 구비하고 있다. 상기 케이스 본체(305)의 내부면들은, 절연성 재료(도시되지 않음)(예를 들면 수지)에 의해 피복되어 있다.
상기 전방벽(310)은, 상측벽(330), 하측벽(340), 우측벽(350), 및 좌측벽(360)과 대체로 직교하고 있다. 상기 전방벽(310)은, 상측벽(330) 및 하측벽(340)을 향하여 플랜지식(flange-like) 형태로 연장되는 에지부(310f)들을 포함하고, 그 중앙에는 전방 개구부(311)를 구비하고 있다. 상기 후방벽(320)은, 전방벽(310)과 대향하는 위치에 형성되고, 상기 상측벽(330), 하측벽(340), 우측벽(350), 및 좌측벽(360)과 대체로 직교하고 있다.
상기 후방벽(320)은, 나사용 개구부(321), 가압용 개구부(322), 및 샤프트용 개구부(323)들을 구비하고 있다. 상기 나사용 개구부(321)들은, 나사 홈을 갖는 하중조정나사(500)(도 1)가 삽입 통과되는 나사 구멍(관통 구멍)들이며, 그 내부면에는 각각의 하중조정나사(500)의 나사 홈과 맞물릴 수 있는 나사 홈을 구비하고 있다. 상기 가압용 개구부(322)들은, 후술하는(도 10a 내지 도 10c 참조) 가압 부재(120)들이 삽입 통과되는 관통 구멍이며, 본 실시예에서는 상기 나사용 개구부(321)들보다도 개구 면적이 큰 원 모양의 외형을 가지고 있다. 상기 샤프트용 개구부(323)들은, 상기 샤프트 부재(430)들(도 1)이 삽입 통과되는 관통 구멍들이다. 상기 나사용 개구부(321), 가압용 개구부(322) 및 샤프트용 개구부(323)들의 위치 및 수에 관해서는 도 4와 연계하여 상세히 후술한다.
상기 상측벽(330) 및 하측벽(340)은 서로 대향하는 위치들에 형성되고, 우측벽(350) 및 좌측벽(360)과 대체로 직교하고 있다. 상기 하측벽(340)은, 그 중앙 부분의 거의 전체를 차지하는 하면측 개구부(341)를 구비하고 있다. 상기 우측벽(350) 및 좌측벽(360)은 서로 대향하는 위치들에 형성되고, 그 외주부들에는 전방벽(310), 후방벽(320), 상측벽(330) 및 하측벽(340)의 외주부들과 접속되어 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 전방벽(310) 및 후방벽(320)은, 그 법선 방향이 x-방향을 따라 연장되어 형성되고, 상기 상측벽(330), 하측벽(340), 우측벽(350) 및 좌측벽(360)은 x-방향과 평행하게 형성된다. 상기 케이스 본체(305)의 내측에는, 상기 셀 적층체(100)의 셀 전압을 감시하는 모니터링 회로(550)가 상기 우측벽(350)을 따라 배치되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 전방벽(310)에는 볼트(411)들에 의해 대략 직사각형 모양의 판상 부재(410)가 부착되고, 상기 판상 부재(410)에 의해 전면측 개구부(311)가 폐쇄되어 있다. 상기 판상 부재(410)에는 보조 구성요소(450)들이 부착되어 있다. 상기 보조 구성요소(450)들의 예로는, 외부로부터의 반응 가스들이 매니폴드 안으로 공급되는 배관(452, 454) 및 연료 가스(수소)를 송출하는데 사용되는 펌프(453)를 들 수 있다. 상기 하측벽(340)에는 볼트(421)들에 의해 대략 직사각형 모양의 커버 부재(420)가 부착되고, 상기 커버 부재(420)에 의해 하면측 개구부(341)가 폐쇄되어 있다.
상기 샤프트 부재(430)들은, 예컨대 금속으로 이루어진 막대 형상의 부재들이며, 상기 케이스(300)를 통해 x-방향으로 연장되어 있다. 각각의 샤프트 부재(430)는, 너트(431)에 의해 그 일방의 단부가 상기 판상 부재(410)에 고정되고, 타방의 단부는 대응하는 샤프트용 개구부(323)를 삽입 통과시킨 상태에서 상기 후방벽(320)에 고정되어 있다.
상기 하중조정나사(500)들은, 예컨대 금속으로 이루어진, 나사 홈을 가지는 막대 형상의 부재들이다. 각각의 하중조정나사(500)는, 기단부가 상기 후방벽(320)의 대응하는 나사용 개구부(321) 안으로에 나사고정되고, 그 선단부는 상기 압력 플레이트(200)와 접촉하고 있다. 하중조정나사(500)를 회전시켜, 상기 후방벽(320)으로부터, 상기 하중조정나사(500)가 압력 플레이트(200)와 접촉하는 위치까지의 길이가 조정될 수 있다.
상기 압력 플레이트(200)는 상기 단위셀(105)들과 같은 형상을 가지는 평판 형상의 외형을 구비하고, 상기 케이스 본체(305)의 후방벽(320)과 상기 셀 적층체(100) 사이에 배치되어 있다. 상기 압력 플레이트(200)는, 터미널 플레이트(203a, 203b) 및 인슐레이터 플레이트(202a, 202b)보다도 충분히 두께가 두껍고, 외부로부터의 가압력을 상기 셀 적층체(100)의 표면 전체에 균일하게 전할 수 있는 것이 바람직하다. 상기 압력 플레이트(200)는, 셀 적층체(100)로부터 후방벽(320)을 향하는 방향으로 가압되지만, 상기 하중조정나사(500)에 의해 이동이 규제된다. 상기 압력 플레이트(200), 스택 매니폴드(201) 및 판상 부재(410)는, 상기 셀 적층체(100)를 포함하는 연료 전지 스택의 구성 부품(엔드 플레이트 등)들로서 사용될 수도 있다.
상기 셀 적층체(100)는, 상기 압력 플레이트(200)와 상기 판상 부재(410) 사이에 소정의 하중으로 채워진 상태에서 상기 케이스(300)의 내측에 수용되어 있다. 즉, 본 실시예의 셀 적층체(100)는, x-방향으로 압축된 상태에서 상기 케이스(300)의 내측에 수용되어 있다.
도 3은 단위셀의 개략 구성을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 단위셀(105)은, 시일-일체형 막전극 접합체(150), 및 상기 시일-일체형 막전극 접합체(150)를 양측으로부터 사이에 끼워 배치하는 한 쌍의 세퍼레이터(160, 180)(이하, 각각 "제1세퍼레이터(160)" 및 "제2세퍼레이터(180)"라고 할 수도 있음)를 포함하고 있다. 상기 시일-일체형 막전극 접합체(150)는, 막전극 접합체(151) 및 상기 막전극 접합체(151)의 주변부들을 따라 형성되는 시일 개스킷(158)을 포함하고 있다. 상기 막전극 접합체(151)는, 고체고분자 전해질막(152), 상기 고체고분자 전해질막(152)의 양측에 위치하는 애노드(153)와 캐소드(154), 및 상기 애노드(153)와 캐소드(154)의 외부에 위치하는 한 쌍의 가스 확산층(157)들을 포함하고 있다.
상기 고체고분자 전해질막(152)은, 불소계 수지 재료나 탄화수소계 수지 재료로 형성되고, 습윤 상태에 있을 때에 양호한 프로톤 도전성(proton conductivity)을 가진다. 상기 애노드(153)과 캐소드(154)는 각각 전기화학 반응을 진행하는 촉매 금속(백금 등)을 담지한 카본 입자(촉매-담지 담체; catalyst-deposited carrier)와 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질(불소계 수지 등)을 포함한다. 상기 가스 확산층(157)은, 카본 페이퍼(carbon paper) 등의 가스 투과성 도전성 재료로 형성되어 있다. 상기 시일 개스킷(158)은, 합성 수지 등을 상기 막전극 접합체(151)의 주변부들을 따라 사출 성형함으로써 형성된다. 상기 제1세퍼레이터(160) 및 제2세퍼레이터(180)는 판상의 외형을 가지고, 가스불투과성 도전성 재료, 예를 들면 카본을 압축하여 가스불투과성을 제공하여 준비한 고밀도 카본, 소성 카본, 또는 스테인리스 강 등의 금속 재료로 형성되어 있다.
상기 시일-일체형 막전극 접합체(150) 및 상기 세퍼레이터(160, 180)들은 그 주변부들에 관통 구멍을 구비하므로, 상기 단위셀(105)들이 적층될 때, 반응 가스(연료 가스 및 산화 가스)들과 냉각 매체(물 등)를 적층 방향(x-방향)으로 유동시키는 매니폴드 M1 내지 M6이 형성될 수 있게 된다. 구체적으로는, 상기 매니폴드 M1을 통해서는 외부로부터 공급되는 산화제 가스(캐소드 공급 가스)가 유동하고, 상기 매니폴드 M2를 통해서는 상기 막전극 접합체(151)를 통과한 산화제 가스를 포함하는 가스(캐소드 오프-가스)가 유동한다. 상기 매니폴드 M3을 통해서는 외부로부터 공급되는 연료 가스(애노드 공급 가스)가 유동하고, 상기 매니폴드 M4를 통해서는 상기 막전극 접합체(151)를 통과한 연료 가스를 포함하는 가스(애노드 오프-가스)가 유동한다. 상기 매니폴드 M5를 통해서는 외부로부터 공급되는 냉각 매체가 유동하고, 상기 매니폴드 M6을 통해서는 냉각에 사용된 냉각 매체가 유동한다.
상기 막전극 접합체(151)를 마주하는 제1세퍼레이터(160)의 2개의 주면 중 하나는, 상기 매니폴드 M3로부터 연료 가스(애노드 공급 가스)가 흘러 들어가는 유로홈(도시되지 않음)들을 구비하고 있다. 상기 제1세퍼레이터(160)의 타방의 주면은, 상기 매니폴드 M5로부터 냉각 매체가 흘러 들어가는 유로홈(161)들을 구비하고 있다. 상기 막전극 접합체(151)를 마주하는 제2세퍼레이터(180)의 2개의 주면 중 하나는, 상기 매니폴드 M1로부터 산화제 가스(캐소드 공급 가스)가 흘러 들어가는 유로홈(181)들을 구비하고 있다. 상기 제2세퍼레이터(180)의 타방의 주면은, 상기 매니폴드 M5로부터 냉각 매체가 흘러 들어가는 유로홈(도시되지 않음)들을 구비하고 있다.
상기 시일-일체형 막전극 접합체(150) 및 세퍼레이터(160, 180)들은 각각 네 모서리들에, 노치(155, 165, 185)들을 구비한 직사각형의 평판 형상을 가진다. 또한, 상기 시일-일체형 막전극 접합체(150) 및 세퍼레이터(160, 180)들의 길이 방향(y-방향)으로 연장되어 있는 주변부들 중, 상기 케이스(300)에 수용되었을 때에 하측벽(340)과 마주하는 주변부들은 각각 그 중앙 부근에 노치(156, 166, 186)들을 구비하고 있다.
도 4는 케이스 본체의 나사용 개구부(321), 가압용 개구부(322) 및 샤프트용 개구부(323)들의 위치들을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 도 4는 상기 연료전지(10)의 후방벽(320)을 x-방향으로 본 상태를 예시하고 있다. 도 4에 있어서, 상기 셀 적층체(100) 및 상기 모니터링 회로(550)의 위치들은 파선으로 나타내고 있다. 상기 셀 적층체(100) 및 상기 압력 플레이트(200)는, x-방향으로 보았을 때와 형상이 대체로 같기 때문에, 도 4의 파선들은 상기 압력 플레이트(200)의 위치도 나타낸다.
상기 케이스 본체(305)의 후방벽(320)은, 8개의 나사용 개구부(321), 2개의 가압용 개구부(322), 및 3개의 샤프트용 개구부(323)들을 구비하고 있다. 상기 8개의 나사용 개구부(321)들은, x-방향으로 보았을 때에, 상기 셀 적층체(100)의 주변부들에 대향하는 위치들에 형성되어 있다. 이는 나사용 개구부(321) 안에 하중조정나사(500)가 삽입될 때, 상기 하중조정나사(500)가 상기 셀 적층체(100)의 주변부들을 가압하기 때문에, 적층 방향(x-방향)으로 압축되어 수용되는, 상기 셀 적층체(100)의 반력에 의해 상기 셀 적층체(100)의 주변부들이 휘는 것을 억제할 수 있게 한다. 또한, 상기 나사용 개구부(321)들은 상기 가압용 개구부(322)들을 둘러싸도록 배치되어 있다. 이는 상기 가압용 개구부(322)들을 통해 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 압력 플레이트(200)를 가압할 때, 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 압력 플레이트(200)가 가압되는 위치들을 중심으로 상기 압력 플레이트(200)의 표면의 부분들이 휘어지는 경우에도, 상기 나사용 개구부(321)들로부터 상기 압력 플레이트(200)의 표면까지의 거리들을 대체로 같게 할 수 있다. 그 결과, 상기 나사용 개구부(321)들에 상기 하중조정나사(500)들을 부착한 후, 압축된 상태에서의 상기 셀 적층체(100)로부터의 반력을 상기 하중조정나사(500)들에 균등하게 배분하게 된다.
상기 2개의 가압용 개구부(322)들은, x-방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체(100)의 중심위치 GC의 양측에 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 상기 2개의 가압용 개구부(322)들은, x-방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC가 상기 2개의 가압용 개구부(322)들 사이에 위치하도록 배치되어 있다. 이는 상기 가압용 개구부(322)들을 통해 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 압력 플레이트(200)를 가압할 때, 상기 압력 플레이트(200)에 인가되는 가압력들의 합력을 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC 부근 지점에 작용시킬 수 있다. 이는 합력의 작용점과 중심 GC 간의 차이로 인한 모멘트의 발생을 억제하고, 상기 셀 적층체(100)를 적층 방향(x-방향)으로 곧장 압축시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 2개의 가압용 개구부(322)들은, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC로부터 같은 거리 D로 형성되어 있다. 이는 상기 압력 플레이트(200)에 인가되는 가압력들의 합력을 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC에 보다 가까운 지점에 작용시킬 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 가압용 개구부(322)들은, 원기둥 형상의 가압 부재(120)들을 삽입 통과시킬 수 있는 원형의 구성을 가진다. 따라서, 상기 거리 D가 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC로부터, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC에 가장 가까운 가압용 개구부(322)들의 에지부들까지의 거리로서 도시되어 있지만, 상기 거리 D는 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC로부터 상기 가압용 개구부(322)들의 중심들까지의 거리로서 정의될 수도 있다.
상기 2개의 가압용 개구부(322)들은, x-방향으로 보았을 때, 그들이 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC의 양측에 배치되어 있는 한, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC로부터의 거리가 다르게 배치될 수도 있다. 이는 복수의 가압 부재(120)들에 의해 압력 플레이트(200)가 가압될 때, 합력의 작용점을 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC와 정확하게 일치시키지 않아도, 상기 셀 적층체(100)가 적층 방향으로 곧장 압축될 수 있기 때문이다. 상기 가압용 개구부(322)들은 그 내부면들에 나사홈을 구비할 수도 있다.
상기 3개의 샤프트용 개구부(323)들은, 상기 하측벽(340)에 연결되는 후방벽(320)의 주변부를 따라 정렬되어 있다. 상기 3개의 샤프트용 개구부(323)들 중 양측에 있는 2개는, x-방향으로 보았을 때, 상기 시일-일체형 막전극 접합체(150)들과 상기 세퍼레이터(160, 180)들의 노치(155, 165, 185)들에 의해 형성되는 홈부들과 마주하는 위치들에 형성되어 있다. 상기 3개의 샤프트용 개구부(323)들 가운데 중앙의 것은, 상기 시일-일체형 막전극 접합체(150)들과 상기 세퍼레이터(160, 180)들의 노치(156, 166, 186)들에 의해 형성되는 홈부와 마주하는 위치에 형성되어 있다. 상술된 바와 같이, 상기 3개의 샤프트용 개구부(323)들은 상기 셀 적층체(100)와 마주하고 있지 않지만, 상기 서술한 홈부들을 통해 상기 케이스 본체(305)의 반대측에 부착되는 판상 부재(410)와 마주하고 있다. 상기 3개의 샤프트용 개구부(323)들은 상기 하측벽(340)에 연결되는 후방벽(320)의 주변부를 따라 정렬되어 있기 때문에, 상기 샤프트용 개구부(323)들과 상기 판상 부재(410) 사이에 연장되는 샤프트 부재(430)들은, 적층 방향으로 압축된 상태로 수용되어 있는 상기 셀 적층체(100)로부터의 반력을 받을 수 있다. 이는 하면측 개구부(341)를 구비한 하측벽(340)의 변형을 억제할 수 있게 한다.
도 5는 연료전지(10)의 제조방법의 순서를 설명하는데 사용되는 플로우 차트이다. 상기 연료전지(10)의 제조 시, 모니터링 회로(550)(도 2a 참조)를 부착한 케이스 본체(305)가 제조 장치(600)에 세팅된다(단계 S110).
도 6은 케이스 본체를 제조 장치에 세팅하는 방식을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 연료전지를 제조하는데 사용되는 장치인 제조 장치(600)는, 평판 형상의 테이블(610), 고정 가이드(620), 및 이동 가이드(630)를 포함하고 있다. 상기 고정 가이드(620)는, 기다란 외형을 가지고, 상기 테이블(610) 상에 고정되어 있다. 상기 이동 가이드(630)는, 상기 고정 가이드(620)와 동일하게 기다란 외형을 가지고, 상기 고정 가이드(620)의 상면과 높이를 맞춘 상태에서 수평 방향으로 이동가능하게 구성되어 있다. 상기 제조 장치(600)의 테이블(610) 위에 상기 케이스 본체(305)를 설치한다. 이 때, 상기 케이스 본체(305)는, 상기 하면측 개구부(341)를 넘어 상기 고정 가이드(620) 및 상기 이동 가이드(630)가 상기 케이스 본체(305) 내측에 위치하도록 배치된다. 상기 케이스 본체(305)가 상기 제조 장치(600) 상에 세팅된 후, 상기 단위 셀(105)들은 상기 케이스 본체(305)의 내측에 배치된다(도 5의 단계 S120).
도 7은 단위셀(105)들이 케이스 본체(305)의 내측에 배치되는 방식을 예시하는 설명도이다. 우선, 상기 케이스 본체(305)의 전면측 개구부(311)를 통해 상기 케이스 본체(305)의 내측에 위치하는 이동 가이드(630)의 일부를 상기 케이스 본체(305)의 외부로 인출한다. 상기 케이스 본체(305)의 외부로 부분 인출된 상기 이동 가이드(630)의 상면 및 상기 고정 가이드(620)의 상면에는, 압력 플레이트(200), 인슐레이터 플레이트(202a), 터미널 플레이트(203a), 복수의 단위셀(105)(셀 적층체(100)), 터미널 플레이트(203b), 인슐레이터 플레이트(202b), 스택 매니폴드(201)를 순서대로 배치한다. 그 후, 보조 구성요소(450)들이 부착된 판상 부재(410)를 가압하는데 가압 기구(460)가 사용되어, 상기 셀 적층체(100)를 적층 방향(x-방향)으로 압축하게 된다. 상기 셀 적층체(100)는, 적층 방향(x-방향)으로 압축된 상태에서 상기 케이스 본체(305)의 내측에 수용된다. 이 때, 상기 판상 부재(410)가 가압되어 전방벽(310)과 접촉하게 된다.
도 8은 판상 부재를 전방벽(310)에 고정하는 방식을 예시하는 설명도이다. 상기 판상 부재(410)는 상기 전방벽(310)과 접촉되어 볼트(411)들에 의해 고정된다(도 5의 단계 S130). 그 결과, 상기 셀 적층체(100)는, 적층 방향으로의 소정의 하중 하에 상기 케이스 본체(305)의 내측에 유지된다. 이하, 판상 부재(410)가 전방벽(310)에 부착되는, 단계 S130을 거친 연료 전지 조립체를 "가조립체(11)"라고 할 수도 있다. 단계 S130 이후, 상기 가조립체(11)가 상기 제조 장치(600)로부터 제거된다. 그 후, 상기 가조립체(11)에 상기 샤프트 부재(430)들이 부착된다(단계 S140).
도 9a 및 도 9b는 가조립체(11)에 샤프트 부재(430)들이 부착되는 방식을 예시하는 설명도이다. 도 9a에 나타내는 바와 같이, 가조립체(11)가 장착장치(installation device; 650) 상에 세팅된다. 상기 장착장치(650)는, 상기 가조립체(11)가 배치되는 테이블이며, 그 상면에 복수의 롤러들(도시되지 않음)을 구비하고 있다. 상기 장착장치(650)의 상면과 상기 셀 적층체(100)가 접촉하도록 상기 가조립체(11)가 상기 장착장치(650) 상에 배치된다. 그 후, 상기 가조립체(11)의 샤프트용 개구부(323)들을 통해 상기 샤프트 부재(430)들이 삽입된다. 상기 샤프트 부재(430)들이 후방벽(320)으로부터 판상 부재(410)까지 삽입된 후, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 너트(431)들에 의해 상기 샤프트 부재(430)들의 양단부들이 각각 후방벽(320)과 판상 부재(410)에 고정된다. 상기 가조립체(11)에 상기 샤프트 부재(430)들이 부착된 후, 상기 셀 적층체(100) 상의 적층 방향(x-방향)으로의 압축 하중이 조정된다(단계 S150).
도 10a 내지 도 10c는, 셀 적층체(10) 상에서의 압축 하중을 조정하는 방식을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 가압용 개구부(322)들을 통해 막대 형상의 가압 부재(120)들이 삽입되어 상기 압력 플레이트(200)를 가압하게 된다. 상기 압력 플레이트(200)의 가압력에 의해 상기 셀 적층체(100)가 적층 방향(x-방향)으로 압축된다. 다시 말해, 상기 가압 부재(120)에 의해 압력 플레이트(200)에 인가되는 가압력을 조정함으로써, 상기 셀 적층체(100) 상에서의 적층 방향으로의 압축 하중을 조정할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 가압 부재(120)들은, 가압 설비(pressurizing unit; 700)에 포함되고, 상기 가압 설비(700)의 구동부(710)로부터 동력을 받아 임의의 하중을 상기 압력 플레이트(200)에 가할 수 있게 된다. 상기 가압 설비(700)는, 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 압력 플레이트(200)에 인가되는 하중을 검출할 수 있는 하중측정부(720)를 포함한다. 다시 말해, 상기 가압 설비(700)는, 상기 셀 적층체(100) 상에서의 적층 방향(x-방향)으로의 압축 하중을 검출할 수 있다. 따라서, 상기 셀 적층체(100) 상에서의 압축 하중을 검출하는 검출부를 연료전지 자체가 구비할 필요가 없게 되어, 상기 연료전지의 경량화와 제조 비용의 억제 등을 도모할 수 있게 된다.
상기 셀 적층체(100) 상에서의 적층 방향(x-방향)으로의 압축 하중이 소정값에 도달하면, 상기 압축 하중을 유지한 상태에서, 도 10b에 나타내는 바와 같이, 상기 하중조정나사(500)들이 부착된다. 상기 압축 하중은, 예를 들면 36.5 kN 정도일 수도 있다. 상기 하중조정나사(500)들은, 상기 후방벽(320)의 8개의 나사용 개구부(321)들 안으로 상기 하중조정나사(500)들을 돌려 부착된다. 이 때 억압 토크(tightening torque)는, 예를 들면 1 내지 2.5 Nm일 수도 있다. 상기 하중조정나사(500)들은, 5 Nm ± 30%의 범위, 다시 말해 3.5 내지 6.5 Nm의 범위에 있는 억압 토크로 체결되는 것이 바람직하다.
이는 하중조정나사(500)들을 압력 플레이트(200)에 대하여 확실하게 착좌(seat)시키기 위해서는 억압 토크의 하한값이 최소 3 Nm인 것이 바람직하기 때문이다. 다른 한편으로, 상기 억압 토크의 상한값은, 억압 토크에 의해 발생되는 하중조정나사(500)의 축력에 의해 상기 압력 플레이트(200)가 이동하기 쉽지 않게 충분히 낮은 것이 바람직하다. 상기 가압 설비(700)에 의해 상기 셀 적층체(100) 상에서의 적층 방향으로의 압축 하중을 36.5 kN으로 유지한 상태에서 상기 하중조정나사(500)들을 부착하는 경우, 상기 8개의 하중조정나사(500)들에 있어서의 1개당 축력을 4.56(≒ 36.5/8) kN 보다 작은 것이 바람직하다. 본 실시예에 있어서, 상기 억압 토크가 6.5 Nm 이하의 경우에는 축력이 1.6 kN 이하가 되는 하중조정나사(500)들을 사용하고 있으므로, 상기 억압 토크에 의한 상기 압력 플레이트(200)의 이동을 억제할 수 있게 된다.
상기 8개의 하중조정나사(500)들을 상기 가조립체(11)에 부착한 후, 도 10c에 나타내는 바와 같이, 상기 가조립체(11)로부터 상기 가압 부재(120)가 제거된다. 상기 가압 부재(120)가 제거된 후에는, 상기 하중조정나사(500)에 의해 상기 압력 플레이트(200)가 실질적으로 이동하지 않기 때문에, 상기 셀 적층체(100)는, 상기 압력 플레이트(200) 및 상기 판상 부재(410)에 의해 적층 방향으로의 압축 하중이 소정값(예를 들면, 36.5 kN)이 되는 상태로 유지된다. 상기 하중조정나사(500)들이 부착된 후, 상기 가압 부재(120)들이 제거되기 전에, 상기 하중조정나사(500)들에 대하여 4 Nm ± 30%의 토크를 가하여, 상기 하중조정나사(500)들이 확실하게 착좌되었는 지의 여부를 검사할 수도 있다. 상기 가압 부재(120)들의 제거 후, 상기 가조립체(11)에 커버 부재(420)가 부착된다(도 11a 및 도 11b 참조)(단계 S160).
도 11a 및 도 11b는 가조립체(11)에 커버 부재(420)를 부착하는 방식을 예시하는 설명도이다. 도 11a에 나타내는 바와 같이, 상기 하면측 개구부(341)에 근접하도록 볼트(421)들에 의해 커버 부재(420)를 하측벽(340)에 부착한다. 이는 도 11b에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10)의 제조를 완료한다.
본 실시예의 가압용 개구부(322)들은, 본 발명의 "제1개구부들"에 해당한다. 본 실시예의 나사용 개구부(321)들과 하중조정나사(500)들은, 본 발명의 "고정부"에 해당한다. 본 실시예의 나사용 개구부(321)들은, 본 발명의 "암나사부" 또는 "제2개구부들"에 해당한다.
이와 같이 기재되어 있는 본 실시예의 연료전지(10)에 의하면, 상기 가압용 개구부(322)들을 통해 상기 케이스 본체(305)의 외부로부터 상기 압력 플레이트(200)를 적층 방향(x-방향)으로 가압할 수 있고, 또한 상기 압력 플레이트(200)를 적층 방향으로 가압한 상태에서, 상기 하중조정나사(500)들을 상기 나사용 개구부(321)들에 부착함으로써, 상기 압력 플레이트(200)의 위치를 고정할 수 있게 된다. 따라서, 상기 케이스 본체(305)의 내측에 적층 방향으로 압축된 상태로 셀 적층체(100)를 수용하는 연료전지(10)를 용이하게 제조할 수 있다.
종래, 케이스 본체의 내측에 적층 방향으로 압축된 상태로 셀 적층체를 수용하는 연료전지를 제조하는 일 방법으로는, 케이스의 외부로부터 나사 부재에 의해 압력 플레이트를 가압함으로써 셀 적층체 상에서의 압축 하중을 조정하는 방법이 알려져 있다. 하지만, 이 경우, 적층 방향(x-방향)으로 압축되는 셀 적층체로부터의 반력에 대항하여 나사 부재가 나사결합되기 때문에, 나사구멍으로부터 칩들이 발생할 수도 있다. 3이상의 지점에서 셀 적층체를 가압하는 경우에는, 1이상의 지점에서 셀 적층체를 충분히 가압할 수 없기 때문에, 가압력들의 합력을 셀 적층체(100)의 중심 GC에 근접한 지점에 작용시키는 것이 곤란하게 된다. 또한, 상기 셀 적층체 상에서의 압축 하중을 검출하는 검출부가 연료전지(10)에 제공되어야만 하는데, 그 이유는 상기 연료전지(10)의 외부로부터 압축 하중을 검출하는 것이 곤란하기 때문이다. 이는 제조 비용 및 중량의 증가를 유발할 수도 있다. 또한, 제조 공정 시에 사용되는 나사들이 선택되기 때문에, 셀 적층체를 미리 압축하고 상기 셀 적층체의 치수를 측정한 후, 상기 셀 적층체의 압축을 해제하는 해제 공정이 필요하다.
이와는 대조적으로, 본 실시예의 연료전지(10)에 의하면, 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 셀 적층체(100)가 압축된 후에 상기 하중조정나사(500)들이 부착되기 때문에, 상기 나사용 개구부(321)들로부터의 칩의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 상기 가압 부재(120)들에 의해 2지점에서 상기 셀 적층체(100)가 가압되기 때문에, 상기 가압력들의 합력이 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC에 근접한 지점에 인가될 수 있다. 더욱이, 상기 가압용 개구부(322)들을 통해 상기 케이스 본체(305)의 외부로부터 상기 압력 플레이트(200)가 가압되기 때문에, 상기 가압 설비(700) 등의 외부장치에 의해, 상기 셀 적층체(100) 상에서의 압축 하중이 검출될 수 있다. 또한, 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 셀 적층체(100)가 압축된 후에 상기 하중조정나사(500)들이 부착되기 때문에 해제 공정의 필요성이 없게 된다. 이는 제조 공정의 단축화를 도모할 수 있다.
또다른 종래예로서, 예를 들면 케이스와 셀 적층체 사이에 평판 형상의 심 판들을 복수매 개재시킴으로써 셀 적층체 상에서의 압축 하중을 조정하는 방법이 알려져 있다. 하지만, 이 경우, 심 판들의 중량에 의해 연료전지의 중량이 증가하고, 심 판들의 두께를 변경하여 압축 하중을 미세하게 조정하는 것은 쉽지 않다. 이와는 대조적으로, 본 실시예의 연료전지(10)에 의하면, 상기 하중조정나사(500)들이 상기 압력 플레이트(200)의 이동을 규제하는데 사용되기 때문에, 상기 연료전지(10)의 중량의 증가를 억제하게 된다. 또한, 외부의 가압 설비(700)가 셀 적층체(100)를 압축하는데 사용되기 때문에, 압축 하중의 미세 조정을 용이하게 행할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2실시예의 케이스 본체(305b)의 가압용 개구부(322)들의 위치들을 설명하는데 사용되는 설명도이다. 도 12는 제1실시예의 도 4에 대응한다. 제1실시예의 연료전지(10)는, 2개의 가압용 개구부(322)들을 구비한 케이스 본체(305)를 구비하고 있는 반면, 제2실시예의 연료전지(10b)는, 3개의 가압용 개구부(322)들을 구비한 케이스 본체(305b)를 구비하고 있다. 제2실시예의 연료전지(10b)의 그 밖의 구성에 대해서는, 제1실시예의 연료전지(10)와 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
상기 케이스 본체(305b)의 후방벽(320b)의 3개의 가압용 개구부(322)들은, x-방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC를 둘러싸도록 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 상기 3개의 가압용 개구부(322)들은, x-방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC가 3개의 가압용 개구부(322)들에 의해 둘러싸여진 영역 A의 내측에 있도록 배치되어 있다. 이는 가압용 개구부(322)들을 통해 가압 부재(120)들에 의해 압력 플레이트(200)가 가압될 때, 상기 압력 플레이트(200)에 인가되는 가압력들의 합력을 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC에 근접한 지점에 작용할 수 있게 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 가압용 개구부(322)들은, 원기둥 형상의 가압 부재(120)들을 삽입 통과시킬 수 있는 원형의 구성을 가진다. 따라서, 상기 영역 A는, 상기 가압용 개구부(322)들의 중심들을 연결하는 선들에 의해 둘러싸여진 영역으로 정의된다. x-방향으로 보았을 때, 상기 영역 A의 중심은 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC와 일치한다. 이러한 구성은 압력 플레이트(200)에 인가되는 가압력들의 합력을 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC에 보다 근접한 지점에 작용할 수 있게 한다. 상기 영역 A는, 상기 3개의 가압용 개구부(322)들의 에지부들을 연결시켜 형성되는 영역들 가운데 가장 작은 영역으로 정의될 수도 있다.
상술되어 있는 본 실시예의 연료전지(10b)에 의하면, 상기 케이스 본체(305b)가 3개의 가압용 개구부(322)들을 구비하는 경우에도, 상기 3개의 가압 부재(120)들에 의해 상기 셀 적층체(100)가 적층 방향(x-방향)으로 곧장 압축될 수 있기 때문에, 연료전지(10b)를 용이하게 제조할 수 있다. 상기 4개의 가압 부재(120)들에 의해 상기 셀 적층체(100)가 압축되면, 상기 3개의 가압 부재(120)들이 상기 압력 플레이트(200)를 가압하지만, 나머지 1개의 가압 부재(120)는 상기 압력 플레이트(200)를 충분히 가압할 수 없는 상황이 발생할 수도 있고, x-방향으로 보았을 때, 상기 압력 플레이트(200)에 인가되는 가압력들의 합력이 작용하는 위치가 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC로부터 변위될 수도 있다. 그러므로, 복수의 가압 부재(120)들이 압력 플레이트(200)를 가압하는데 사용되는 경우에는, 상기 가압 부재(120)들의 수를 3개 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 있어서의 케이스 본체(305c)의 가압용 개구부(322)의 위치를 설명하는데 사용되는 설명도이다. 도 13은 제1실시예의 도 4에 대응하고 있다. 상기 제3실시예의 연료전지(10c)는, 단 하나의 가압용 개구부(322)만을 구비하는 케이스 본체(305c)를 구비한다. 제3실시예의 연료전지(10c)의 그 밖의 구성에 대해서는, 제1실시예의 연료전지(10)와 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
상기 케이스 본체(305c)의 후방벽(320c)의 1개의 가압용 개구부(322)는, x-방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC과 마주하고 있다. 바꿔 말하면, 상기 가압용 개구부(322)는, x-방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC가 개구부의 내측에 위치하도록 배치되어 있다. 이는 가압용 개구부(322)를 통해 가압 부재(120)에 의해 압력 플레이트(200)를 가압할 때, 상기 압력 플레이트(200)에 의해 인가되는 가압력을 상기 셀 적층체(100)의 중심 GC에 근접한 지점에 작용할 수 있게 한다.
상술되어 있는 본 실시예의 연료전지(10c)에 의하면, 상기 케이스 본체(305c)가 단 하나의 가압용 개구부(322)만을 구비하는 경우에도, 가압 부재(120)에 의해 상기 셀 적층체(100)가 적층 방향(x-방향)으로 곧장 압축될 수 있기 때문에, 연료전지(10c)를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명이 상기 실시예들로 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 방식으로 구현될 수도 있다는 것은 자명하다. 예를 들면, 다음과 같은 변형들도 가능하다.
도 14는 본 발명의 제1변형예의 케이스 본체(305d)의 가압용 개구부(322)의 위치를 설명하는데 사용되는 설명도이다. 제1실시예 내지 제3실시예에 있어서, 상기 가압용 개구부(322)들은 원형의 구성을 가지고 있는 것으로 기재되어 있지만, 상기 가압용 개구부(322)들은 그들이 가압 부재(120)들의 삽입 통과를 가능하게 할 정도의 크기이기만 하면, 원형 이외의 임의의 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 연료전지(10d)는, 복수의 가압 부재(120)들을 삽입 통과시키기에 충분히 큰 가압용 개구부(322d)를 구비할 수도 있다. 다른 한편으로, 상기 가압용 개구부(322)들은, 그들이 가압 부재(120)들을 삽입 통과시키기에 충분한 크기이기만 하면, 상기 나사용 개구부(321)들보다 크기가 작을 수도 있다.
도 15a 내지 도 15c는 제2변형예의 케이스 본체(305e)의 가압용 개구부(322e)의 위치를 설명하는데 사용되는 설명도이다. 제1실시예 내지 제3실시예에 있어서, 상기 가압용 개구부(322)들은 상기 케이스 본체(305)의 후방벽(320)을 통해 형성되어 있는 것으로 기재되어 있지만, 상기 케이스 본체(305)의 외부로부터 상기 가압 부재 또는 부재들(120)에 의해 상기 압력 플레이트(200)을 압축 방향(x-방향)으로 가압할 수 있기만 하면, 상기 가압용 개구부(322)들은, 상기 케이스 본체(305)의 후방벽(320) 이외의 부재를 통해 형성될 수도 있다.
도 15a 내지 도 15c를 참조하여 일례를 도시한다. 우선, 도 15a에 나타내는 바와 같이, 평판부(121f) 및 막대부(12lb)를 포함하는 가압 부재(121)를 준비한다. 상기 막대부(12lb)는, 일방의 단부가 가압 부재(121f)의 단면에 접속되고, 타방의 단부는 회전 운동 구동부(도시되지 않음)에 접속되어 있다. 도 15b에 나타내는 바와 같이, 제2변형예에 따른 연료전지의 가조립체(11e)는, 가압용 개구부(322e)로서 기다란 개구부를 구비한 상측벽(330)을 포함하는 케이스 본체(305e)를 구비하고 있다. 상기 평판부(121f)가 상기 케이스 본체(305e)의 내측에 위치하도록 상기 가압 부재(121)가 상기 가압용 개구부(322e)를 통해 삽입된다. 그 후, 도 15c에 나타내는 바와 같이, 상기 막대부(12lb)를 중심으로 상기 가압 부재(121)가 회전된다. 이는 평판부(121f)가 압력 플레이트(200e)를 가압하여, 셀 적층체(100)를 적층 방향으로 압축할 수 있게 한다.
도 16a 및 도 16b는 제3변형예의 연료전지의 고정부를 설명하는데 사용되는 설명도이다. 본 실시예에 있어서, 셀 적층체(100)로부터 후방벽(320)을 향하는 방향(x-방향)으로 가압되는 압력 플레이트(200)의 이동을 규제하는 고정부들로서 나사용 개구부(321)들과 하중조정나사(500)들이 사용되고 있지만, 상기 압력 플레이트(200)의 이동을 규제할 수 있기만 하면, 나사용 개구부(321)들과 하중조정나사(500)들 이외의 기타 수단이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 도 16a에 나타내는 바와 같이, 압력 플레이트(200)와 후방벽(320) 사이에 고정부로서의 막대 부재(501)가 개재될 수도 있다.
대안적으로는, 도 16b에 나타내는 바와 같이, 관통 구멍들인 나사용 개구부(321)들 대신에, 블라인드 암나사 구멍(321g)들이 상기 후방벽(320)의 압력 플레이트(200)에 대향하는 위치에 형성되어 상기 하중조정나사(500)들을 수용하게 될 수도 있다. 대안적으로는, 상기 나사용 개구부(321)들 대신에, 상측벽(330)이나 하측벽(340), 또는 우측벽(350)이나 좌측벽(360)을 통하여, 개구부들이 형성될 수도 있어, 예를 들면 상기 서술한 도 15a 내지 도 15c에 도시되어 있는 가압 부재(121)를 고정시켜 상기 압력 플레이트(200)의 위치가 고정될 수도 있다. 상기 셀 적층체(100)가 압축된 후, 상기 압력 플레이트(200)를 상기 케이스 본체(305)에 접착시킴으로써, 상기 압력 플레이트(200)의 위치가 고정될 수도 있다. 이 경우, 접착제가 고정부로서 기능한다.
상기 실시예들에 있어서 상기 나사용 개구부(321)들과 가압용 개구부(322)들은, 상기 연료전지(10)의 후방벽(320)을 통해 형성되어 있는 것으로 기재되어 있지만, 상기 나사용 개구부(321)들과 가압용 개구부(322)들은, 상기 연료전지(10) 전방에 배치되어 있는 판상 부재(410)를 통해 형성될 수도 있다. 이 경우에도, 상기 가압용 개구부(322)들을 통해 상기 케이스 본체(305)의 외부로부터 상기 셀 적층체(100)를 적층 방향으로 압축할 수 있고, 상기 가압 부재(120)들에 의해 상기 셀 적층체(100)를 압축한 상태에서, 상기 나사용 개구부(321)들을 통해 상기 하중조정나사(500)들을 장착할 수 있다.
상기 실시예들에 있어서 상기 연료전지(10)는 상기 셀 적층체(100)와는 별도로 상기 압력 플레이트(200)를 구비하고 있는 것으로 기재되어 있지만, 상기 셀 적층체(100)의 적층 방향으로의 단부에서 상기 가압 부재(120)들로부터의 응력을 받을 수 있고, 세퍼레이터 등과 같은 상기 셀 적층체(100)의 일부를 구성하는 부재가 압력 플레이트로서 사용될 수도 있다.
상기 실시예들에 있어서 상기 케이스 본체(305)는 1개 내지 3개의 가압용 개구부(322)들을 구비하고 있는 것으로 기재되어 있지만, 상기 케이스 본체(305)가 4개 이상의 가압용 개구부(322)들을 구비하는 경우에도, 임의의 1개 내지 3개의 가압용 개구부(322)들을 통해 상기 가압 부재(120)들을 삽입 통과시켜 상기 셀 적층체(100)를 압축시킬 수 있기 때문에, 상기 연료전지(10)는 4개 이상의 가압용 개구부(322)들을 구비할 수도 있다.
상기 실시예들에 있어서 상기 케이스 본체(305)의 부분들은 "전방벽(310)", "후방벽(320)", "상측벽(330)", "하측벽(340)", "우측벽(350)", 및 "좌측벽(360)"이라고 부르고 있지만, 이들 이름은 단순히 설명을 위한 것이고, 상기 연료전지(10)가 설치되는 배향(orientation)과는 관계가 없다. 또한, 상기 케이스 본체(305)는, 전방벽(310), 후방벽(320), 상측벽(330), 하측벽(340), 우측벽(350), 및 좌측벽(360) 간의 경계부들이 명확하게 정해질 수 없는 형상을 가질 수도 있고, 그 경계부들이 임의로 정해질 수도 있다.
상기 실시예들에 있어서, 상기 케이스 본체(305)의 후방벽(320)은, 나사용 개구부(321), 가압용 개구부(322), 및 샤프트용 개구부(323)의 3종 개구부들을 구비하고 있는 것으로 기재되어 있지만, 상기 후방벽(320)은 4종 이상의 개구부들을 구비할 수도 있다. 상기 케이스 본체(305)는 샤프트용 개구부(323)들을 구비하지 않을 수도 있다.
본 실시예에 있어서는 연료전지로서 고체고분자형 연료전지가 사용되지만, 인산형 연료전지, 용해 탄산염형 연료전지, 및 고체산화물형 연료전지 등의 각종 연료전지들이 사용될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 연료전지로서,
    복수의 단위셀들이 적층되는 셀 적층체(100),
    상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 케이스(300), 및
    상기 셀 적층체(100)의 적층 방향으로의 단부와 상기 케이스(300) 사이의 위치에서 상기 케이스의 내부에 배치되는 압력 플레이트(200)를 포함하여 이루어지고,
    상기 케이스는, 상기 케이스의 외부로부터 상기 압력 플레이트를 상기 적층 방향으로 가압하는 가압 부재(120)를 상기 압력 플레이트에 접촉시키는 제1개구부(322), 및 상기 셀 적층체를 상기 적층 방향으로 압축한 상태에서 상기 압력 플레이트의 위치를 고정하는 고정부(500)를 구비하고,
    상기 고정부(500)는, 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주하도록 상기 케이스에 제공되는 암나사부, 및 상기 암나사부에 접속되는 기단부와 상기 압력 플레이트와 접촉하는 원단부를 구비한 나사 부재(500)를 포함하고,
    상기 제1개구부(322)는, 상기 가압 부재를 상기 제1개구부에 삽입하여 상기 압력 플레이트를 가압한 후에, 상기 제1개구부를 통해 상기 케이스로부터 상기 가압 부재를 뽑아내기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1개구부(322)는, 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주하는 연료전지.
  3. 연료전지로서,
    복수의 단위셀들이 적층되는 셀 적층체(100),
    상기 셀 적층체를 내부에 수용하는 케이스(300), 및
    상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부와 상기 케이스 사이의 위치에서 상기 케이스의 내부에 배치되는 압력 플레이트(200)를 포함하여 이루어지고,
    상기 케이스(300)는, 서로 개구 면적이 다르고, 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주하는 제1개구부(322) 및 제2개구부(321)를 구비하고,
    상기 제2개구부(321)는, 상기 셀 적층체를 상기 적층 방향으로 압축한 상태에서 상기 압력 플레이트의 위치를 고정하기 위해 사용되며,
    상기 제1개구부(322)는, 상기 가압 부재를 상기 제1개구부에 삽입하여 상기 압력 플레이트를 가압한 후에, 상기 제1개구부를 통해 상기 케이스로부터 상기 가압 부재를 뽑아내기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2개구부(321)보다 개구 면적이 큰 상기 제1개구부(322)의 수는 1개 내지 3개인 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1개구부(322)의 수는 2개 또는 3개이고, 상기 제1개구부(322)들은, 상기 적층 방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체의 중심이 2개의 제1개구부들 사이에 또는 3개의 제1개구부들에 의해 둘러싸여지는 영역에 위치하도록 배치되어 있는 연료전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1개구부(322)의 수는 1개이고, 상기 제1개구부(322)는, 상기 적층 방향으로 보았을 때, 상기 셀 적층체의 중심에 대향하는 위치에 위치하는 연료전지.
  7. 삭제
  8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1개구부(322)보다 개구 면적이 작은 상기 제2개구부(321)는, 상기 제2개구부의 내주부에 나사홈을 구비하는 연료전지.
  9. 연료전지의 제조방법으로서,
    복수의 단위셀이 적층되는 셀 적층체(100) 및 상기 셀 적층체를 수용하는데 사용되는 케이스(300)를 준비하는 공정,
    상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부가 압력 플레이트(200)를 통해 상기 케이스와 마주하도록 상기 셀 적층체(100)를 상기 케이스의 내부에 배치하는 공정,
    상기 케이스의 외부로부터 가압 부재(120)에 의해 상기 압력 플레이트를 가압함으로써, 상기 케이스의 내부의 상기 셀 적층체(100)를 상기 적층 방향으로 압축하는 공정, 및
    상기 가압 부재에 의해 상기 셀 적층체가 압축되어 있는 상태에서, 상기 압력 플레이트(200)의 위치를 고정부(500)에 의해 고정하는 공정을 포함하며,
    상기 고정부는, 상기 적층 방향으로 상기 압력 플레이트와 마주하도록 상기 케이스에 제공되는 암나사부, 및 상기 암나사부에 접속되는 기단부와 상기 압력 플레이트와 접촉하는 원단부를 구비한 나사 부재(500)를 포함하고,
    상기 케이스(300)는 상기 케이스의 측벽을 통해 제1개구부(322)를 구비하고,
    상기 제1개구부(322)는, 상기 가압 부재를 상기 제1개구부에 삽입하여 상기 압력 플레이트를 가압한 후에, 상기 제1개구부를 통해 상기 케이스로부터 상기 가압 부재를 뽑아내기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 케이스(300)는, 상기 케이스의 측벽을 통해 적어도 2종의 개구부들을 구비하고,
    상기 셀 적층체(100)는, 상기 셀 적층체의 적층 방향으로의 단부가 상기 압력 플레이트(200)를 통해 상기 측벽과 마주하도록 상기 케이스의 내부에 배치되며,
    상기 셀 적층체는, 상기 측벽의 제1개구부(322)를 통해 상기 케이스의 외부로부터 상기 적층 방향으로 가압 부재(120)를 이용하여 상기 압력 플레이트(200)를 가압하여 압축되고,
    상기 압력 플레이트(200)는, 상기 압력 플레이트(200)와 상기 측벽의 제2개구부(321) 사이에 상기 나사 부재(500)를 부착하여 고정되는 연료전지의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압력 플레이트(200)는, 상기 가압 부재(120)를 가압하여 상기 셀 적층체에 인가되는 압축 하중이 미리 정해진 값에 도달하는 경우, 상기 나사 부재(500)를 부착시켜 고정되고, 상기 나사 부재(500)가 부착된 후에, 상기 가압 부재(120)의 가압력이 해제되는 연료전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가압 부재의 가압력을 검출하는 외부장치는, 상기 압력 플레이트가 고정될 때에 상기 셀 적층체에 인가되는 압축 하중을 검출하는데 사용되는 연료전지의 제조방법.
  13. 삭제
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