KR101836492B1

KR101836492B1 - System for adjusting jointing pressure of fuel cell stack

Info

Publication number: KR101836492B1
Application number: KR1020110091521A
Authority: KR
Inventors: 임철호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2018-03-08
Also published as: KR20130028185A

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택 내 면압의 변화를 검출하여 스택 내 면압이 항상 일정하게 유지되도록 스택 내 면압을 자동으로 보정해줄 수 있는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 연료전지 스택에서 단위 셀들과 엔드플레이트를 결합시키는 체결밴드의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단과; 상기 길이변화량 검출수단의 검출값을 입력받아 스택 내 면압을 자동으로 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와; 상기 스택이 마운팅 고정되는 프레임과, 스택의 엔드플레이트 사이에 설치되어, 상기 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 엔드플레이트를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트를 통해 스택의 셀들에 가해지는 체결압력 및 스택 내 면압을 조절해주는 체결압조절장치;를 포함하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치가 개시된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for automatically correcting a surface pressure of a fuel cell stack, and more particularly, to a surface pressure automatic method for automatically correcting a surface pressure in a stack such that a change in surface pressure in the fuel cell stack is detected, There is a main purpose in providing a correction device. In order to achieve the above object, there is provided a fuel cell stack including: length change amount detecting means for detecting a length change amount of a fastening band coupling unit cells and an end plate in a fuel cell stack; A controller for receiving a detection value of the length variation detecting means and outputting a control signal for automatically correcting the internal surface pressure of the stack; A clamping pressure and stacking surface pressure which are applied to the cells of the stack through the end plate by driving the end plate back and forth in accordance with a control signal outputted from the controller are provided between the frame on which the stack is mounted and fixed and the end plate of the stack, An automatic correcting device for a surface pressure of a fuel cell stack including an adjusting device for adjusting the pressure of the fuel cell stack.

Description

Technical Field [0001] The present invention relates to a fuel cell stack,

본 발명은 연료전지 스택의 면압 보정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 내 면압의 변화를 검출하여 스택 내 면압이 항상 일정하게 유지되도록 스택 내 면압을 자동으로 보정해줄 수 있는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an apparatus for correcting surface pressure of a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell stack capable of automatically detecting a change in surface pressure in a fuel cell stack, To a surface pressure automatic correcting apparatus.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 발전장치로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있다. The fuel cell is a power generation device that converts the chemical energy of the fuel into electricity by reacting it electrochemically in the stack without converting it into heat by combustion. As a power source for driving the vehicle, a polymer having a high power density (PEMFC) is the most studied.

고분자 전해질막 연료전지의 스택은, 수소 이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA), 반응기체를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL), 반응기체 및 냉각수를 이동시키는 유로가 형성된 분리판(Seperator), 반응기체 및 냉각수의 기밀을 유지하기 위한 가스켓(Gasket)으로 이루어지는 단위 셀들을 적층한 뒤 그 양단에 이들을 지지 및 고정하기 위한 엔드플레이트(End plate)가 체결기구에 의해 소정의 면압을 유지하면서 결합된 것으로서, 통상 엔드플레이트 사이에 100 ~ 300개 정도의 단위 셀들이 배열된다.The polymer electrolyte membrane fuel cell stack consists of a membrane electrode assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides of the membrane, with a solid polymer electrolyte membrane on which hydrogen ions migrate, a membrane electrode assembly (MEA) A gas diffusion layer GDL for transferring the reaction gas and a gasket for maintaining the airtightness of the reaction gas and the cooling water, a separator having a reaction gas and a flow path for moving the cooling water, End plates for supporting and fixing them at both ends thereof are coupled to each other while maintaining a predetermined surface pressure by a fastening mechanism, and typically about 100 to 300 unit cells are arranged between the end plates.

이와 같이 연료전지 차량에 탑재되는 스택은 높은 출력이 요구됨에 따라 수백 장의 단위 셀들을 적층하여 조립함으로써 그 요건을 만족시키고 있다. As the stack mounted on the fuel cell vehicle requires high output, hundreds of unit cells are stacked and assembled to satisfy the requirements.

한편, 연료전지 스택 내의 면압은 알려진 바와 같이 접촉저항 상승에 의한 오믹 손실(Ohmic Loss), 기체확산층 내의 물질전달 저항에 직접적으로 관계되므로, 스택의 체결력을 적절히 유지하는 것은 좋은 스택 성능을 얻기 위한 필수적인 조건이라 하겠다.On the other hand, since the surface pressure in the fuel cell stack is directly related to the Ohmic Loss due to the increase in contact resistance and the mass transfer resistance in the gas diffusion layer, it is necessary to properly maintain the tightening force of the stack, Condition.

특히, 스택의 조립에 있어서 스택을 구성하고 있는 단위 셀의 구성요소(MEA/GDL/Seperator) 간에 작용하는 면압은 스택 출력에 큰 영향을 미치게 된다.In particular, the surface pressure acting between the components (MEA / GDL / Seperator) of the unit cells constituting the stack in stack assembly has a large influence on the stack output.

도 1은 연료전지 스택에서 면압에 따른 접촉 계면의 전기저항을 나타내는 도면으로, 면압이 증가할수록 전기저항이 감소함을 볼 수 있다.FIG. 1 is a graph showing electrical resistance of a contact interface according to surface pressure in a fuel cell stack. As the surface pressure increases, electrical resistance decreases.

도 2는 연료전지 스택의 조립 및 고정 상태를 나타내는 도면으로, 이를 참조하여 스택의 조립 과정을 설명하면, 먼저 단위 셀(MEA+GDL+Seperator+Gasket)(11)들을 적층한 뒤 양단에 엔드플레이트(12)를 조립하고, 프레스 장비로 압축한 뒤 체결밴드(13)를 이용하여 고정한다.Referring to FIG. 2, the process of assembling the stack will be described with reference to FIG. 2. First, unit cells (MEA + GDL + Seperator + Gasket) 11 are stacked, (12) are assembled, compressed by press equipment, and fixed using a fastening band (13).

이어 조립된 스택(10)을 마운팅 브라켓(21)을 이용하여 주변의 고정 구조물인 프레임(20)에 고정하게 된다.And then the assembled stack 10 is fixed to the frame 20, which is a fixing structure, by using the mounting bracket 21.

한편, 연료전지의 작동 중에는 내부 온도 변화에 따라 스택의 수축/팽창(적층방향으로의 수축/팽창)이 반복적으로 발생하는데, 수축/팽창의 반복 발생과 더불어 가스켓이나 기체확산층의 열화가 발생할 경우, 그로 인해 스택 내부의 면압에 변화가 발생한다.During the operation of the fuel cell, the shrinkage / expansion (shrinkage / expansion in the stacking direction) of the stack is repeatedly generated according to changes in the internal temperature. When gaskets or gas diffusion layers deteriorate in addition to repeated occurrence of shrinkage / expansion, Thereby changing the surface pressure inside the stack.

도 3은 연료전지의 작동 중 내부 온도에 따라 면압이 변화하는 상태를 보여주는 도면으로, 내부 온도에 따라 면압이 증가함을 보여주고 있다.3 is a view showing a state in which the surface pressure varies according to the internal temperature during operation of the fuel cell, and shows that the surface pressure increases with the internal temperature.

만약 내부 온도에 따라 스택이 수축/팽창을 반복하고 열화로 인해 가스켓 및 기체확산층의 압축 영구 변형 등이 발생하면 면압이 저하되면서 접촉저항의 증가가 나타나게 된다.If the stack repeatedly shrinks / expands according to the internal temperature and compression permanent deformation of the gasket and the gas diffusion layer occurs due to deterioration, the surface pressure decreases and the contact resistance increases.

이 경우 연료전지 스택의 성능 저하와 더불어 반응기체 등 작동 유체의 누설 문제가 발생할 수 있다.In this case, the performance of the fuel cell stack may be deteriorated, and leakage of working fluid such as reactive gas may occur.

또한 연료전지의 작동 중 열팽창에 의해 과도한 면압이 발생할 경우에는 막전극접합체와 기체확산층을 과도하게 압축하게 되므로, 이들의 기계적 내구성을 저하시키는 원인이 되고, 기체 확산 및 생성수 배출을 방해하여 그로 인한 스택의 성능 저하를 야기할 수 있다. Further, when excessive pressure is generated due to thermal expansion during operation of the fuel cell, the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are excessively compressed, which causes deterioration of their mechanical durability and hinders gas diffusion and generation of water. Which may cause performance degradation of the stack.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 연료전지 스택 내 면압의 변화를 검출하여 스택 내 면압이 항상 일정하게 유지되도록 스택 내 면압을 자동으로 보정해줄 수 있는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack capable of automatically detecting a change in surface pressure in a fuel cell stack, And an object of the present invention is to provide an automatic automatic pressure compensating apparatus.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택에서 단위 셀들과 엔드플레이트를 결합시키는 체결밴드의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단과; 상기 길이변화량 검출수단의 검출값을 입력받아 스택 내 면압을 자동으로 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기와; 상기 스택이 마운팅 고정되는 프레임과, 스택의 엔드플레이트 사이에 설치되어, 상기 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 엔드플레이트를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트를 통해 스택의 셀들에 가해지는 체결압력 및 스택 내 면압을 조절해주는 체결압조절장치;를 포함하는 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack comprising: length change amount detecting means for detecting a length change amount of a fastening band coupling unit cells and an end plate in a fuel cell stack; A controller for receiving a detection value of the length variation detecting means and outputting a control signal for automatically correcting the internal surface pressure of the stack; A clamping pressure and stacking surface pressure which are applied to the cells of the stack through the end plate by driving the end plate back and forth in accordance with a control signal outputted from the controller are provided between the frame on which the stack is mounted and fixed and the end plate of the stack, And a control device for controlling the pressure of the fuel cell stack.

바람직한 실시예에서, 상기 길이변화량 검출수단은 체결밴드의 길이가 팽창 또는 수축됨에 따른 체결밴드의 변위량을 검출하기 위한 변위센서인 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the length variation detecting means is a displacement sensor for detecting a displacement amount of the fastening band as the length of the fastening band is expanded or contracted.

또한 상기 제어기는 체결밴드의 길이변화량 및 탄성계수로부터 계산되는 탄성력과, 미리 저장된 체결밴드의 단면적 및 스택의 체결밴드 개수로부터 체결밴드에 작용하는 압력을 산출하고 산출된 압력에 따라 체결압조절장치의 구동을 제어하게 되는 것을 특징으로 한다.Further, the controller calculates the pressure acting on the fastening band from the elastic force calculated from the length change amount and elastic modulus of the fastening band, the cross-sectional area of the fastening band previously stored and the number of fastening bands of the stack, And the driving is controlled.

또한 상기 제어기는 체결밴드에 작용하는 압력이 미리 설정된 압력 범위 내에서 유지되도록 체결압조절장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.And the controller controls driving of the clamping pressure adjusting device so that the pressure acting on the clamping band is maintained within a preset pressure range.

또한 상기 체결압조절장치는 프레임에 고정 설치되고 제어기의 제어신호에 따라 구동 제어되는 모터와; 상기 모터의 구동축에 장착되는 피니언과; 상기 프레임에 전후 이동 가능하게 조립되고 단부가 스택의 엔드플레이트에 일체 고정되며 상기 피니언에 치합된 상태에서 피니언 회전시 전후 이동되어 엔드플레이트를 전후 구동시키는 랙;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Also, the tightening-pressure adjusting device includes: a motor fixedly mounted on a frame and driven and controlled in accordance with a control signal of the controller; A pinion mounted on a drive shaft of the motor; And a rack which is assembled so as to be movable back and forth in the frame and whose ends are integrally fixed to the end plates of the stack and which are moved forward and backward when the pinion is rotated in engagement with the pinions to drive the end plates forward and backward.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 의하면, 체결밴드의 길이변화량을 검출하는 길이변화량 검출수단의 검출값으로부터 제어기가 체결압조절장치의 구동을 제어하여 엔드플레이트를 통해 가해지는 스택의 체결압력, 즉 적층된 셀들에 가해지는 압축압력을 자동으로 조절해주게 됨으로써, 스택 내 변화되는 여러 조건에 상관없이 스택 내 면압을 일정하게 유지시켜줄 수 있게 된다.In accordance with the present invention, there is provided an apparatus for automatically correcting the surface pressure of a fuel cell stack, comprising: a controller for controlling the operation of the clamping pressure regulating device based on a detection value of a length variation detecting means for detecting a length variation of a clamping band, The stacking pressure of the stack, that is, the compression pressure applied to the stacked cells is automatically controlled, so that the inner pressure of the stack can be kept constant regardless of various conditions in the stack.

결국, 반응기체 등 스택에서의 유체 누출을 방지할 수 있게 되고, 전기저항 감소, 반응기체의 원활한 확산 및 생성수의 용이한 배출이 가능해지면서 스택의 출력 성능을 향상시키는 효과가 있다.
As a result, it is possible to prevent the leakage of fluid from the stack such as the reaction gas, and it is possible to reduce electric resistance, smooth diffusion of reactive gas, and easy discharge of generated water, thereby improving the output performance of the stack.

도 1은 연료전지 스택에서 면압에 따른 접촉저항을 나타내는 그래프이다.
도 2는 연료전지 스택의 조립 및 체결, 고정 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 연료전지의 작동 중 내부 온도에 따라 면압이 변화하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면압 자동 보정 장치의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a graph showing contact resistance according to surface pressure in a fuel cell stack.
2 is a view showing the assembly, fastening and fixing state of the fuel cell stack.
3 is a view showing a state in which the surface pressure varies with the internal temperature during operation of the fuel cell.
4 is a view showing a configuration of an automatic automatic pressure compensating apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명은 연료전지 스택의 면압 자동 보정 장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 단위 셀들을 압축, 체결하고 있는 체결부재의 길이변화량을 측정하여 간접적으로 스택 내부의 면압 변화를 검출하고 엔드플레이트를 통해 스택의 셀들에 가해지는 압력을 조절해주어 스택 내 면압을 자동으로 보정해주는 면압 자동 보정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for automatically correcting the surface pressure of a fuel cell stack, and more particularly, to an apparatus and a method for measuring a change in length of a fastening member compressing and fastening unit cells of a fuel cell stack, The present invention relates to a surface pressure automatic correcting apparatus that automatically adjusts a surface pressure within a stack by controlling a pressure applied to cells of the stack.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면압 자동 보정 장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 면압 자동 보정 장치는 단위 셀(11)들과 엔드플레이트(12)를 결합시키는 체결부재(13)의 길이변화량을 검출하기 위한 길이변화량 검출수단(31)을 포함한다.As shown in FIG. 4, the automatic apparatus for correcting surface pressure according to the present invention includes a unit for fixing the unit cells 11 to the end plate 12, And a length variation detecting means (31) for detecting a length variation of the member (13).

여기서, 체결부재(13)는 스택(10)의 적층된 단위 셀(11)들과 엔드플레이트(12)를 감으면서 소정의 체결압으로 결합시키는 체결밴드가 될 수 있으며, 상기 길이변화량 검출수단(31)은 체결밴드(13)에 직접 설치되거나 체결밴드 주변으로 고정 배치되는 고정 부품에 설치되어, 체결밴드(13)의 길이변화량, 즉 팽창 또는 수축에 따른 체결밴드(13)의 변위량을 검출해내기 위한 변위센서가 될 수 있다.The fastening member 13 may be a fastening band for coupling the stacked unit cells 11 of the stack 10 and the end plate 12 at a predetermined tightening pressure while the length variation detecting means 31 are provided directly on the fastening band 13 or on a fixed part fixedly arranged around the fastening band so as to detect the amount of change in the fastening band 13, that is, the amount of displacement of the fastening band 13 due to expansion or contraction A displacement sensor can be provided.

상기 변위센서(31)는 스택(10) 내 면압 변화가 발생함으로 인해 체결밴드(13)의 길이가 미세하게 늘어나거나 수축될 때 체결밴드(13)의 팽창 또는 수축 정도에 해당하는 변위량을 검출하게 된다.The displacement sensor 31 detects the amount of displacement corresponding to the degree of expansion or contraction of the fastening band 13 when the length of the fastening band 13 is finely stretched or contracted due to a change in surface pressure in the stack 10 do.

또한 본 발명의 면압 자동 보정 장치는 변위센서(31)의 검출값, 즉 체결밴드(13)의 수축 또는 팽창시 나타나는 변위량 검출값을 입력받아 스택(10)의 면압을 자동 보정해주기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(32)를 포함한다.Further, the automatic apparatus for correcting surface pressure of the present invention receives a detection value of the displacement sensor 31, that is, a displacement amount detected at the time of shrinkage or expansion of the fastening band 13, and receives a control signal for automatically correcting the surface pressure of the stack 10 And a controller 32 for outputting the output signals.

상기 제어기(32)는 체결밴드(13)의 변위량(즉, 길이변화량) 및 탄성계수로부터 계산되는 탄성력(F = kx, 여기서 k는 탄성계수, x는 검출되는 변위량임)과, 미리 저장된 체결밴드(13)의 정보, 즉 체결밴드(13)의 단면적 및 스택(10)의 체결밴드 개수로부터 체결밴드에 작용하는 압력(스택에서 체결밴드에 작용하는 압력)을 계산하게 된다.The controller 32 calculates an elastic force (F = kx, where k is an elastic modulus, x is a detected displacement amount) calculated from a displacement amount (i.e., a length change amount) and an elastic modulus of the fastening band 13, (The pressure acting on the fastening band in the stack) acting on the fastening band from the information of the fastening band 13, that is, the cross-sectional area of the fastening band 13 and the number of fastening bands of the stack 10.

이 압력은 현재의 스택 체결압력과 현재의 스택 내 면압에 관계되는 값으로, 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 클수록 스택 체결압력과 스택 내 면압이 큰 상태이고, 체결밴드에 작용하는 압력이 작을수록 스택 체결압력과 스택 내 면압이 작은 상태이다.This pressure is a value related to the present stacking pressure and the current surface pressure in the stack. The larger the pressure acting on the tightening band 13 is, the larger the stacking pressure and the stacking surface pressure are. The smaller the stacking pressure and stack pressure, the smaller the stacking pressure.

또한 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 스택 체결압력(압축압력)을 낮출수록 스택 내 면압은 감소하게 되고, 반대로 스택 체결압력을 높일수록 스택 내 면압은 증가하게 된다.As the stack clamping pressure (compression pressure) applied to the cells 11 of the stack 10 is lowered through the end plate 12, the inner surface pressure of the stack is decreased. Conversely, as the stack clamping pressure is increased, .

따라서, 스택(10)이 셀(11)의 적층방향으로 팽창하여 스택 내 면압이 과도하게 증가하게 되면 현재 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 적정 범위를 넘어 증가하게 되는바, 이때 스택(10) 내 면압을 낮추기 위해서는 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 낮추어주어야 한다.Accordingly, when the stack 10 expands in the stacking direction of the cells 11 and the surface pressure in the stack excessively increases, the pressure acting on the present fastening band 13 increases beyond the proper range. At this time, The lowering pressure applied to the cells 11 of the stack 10 through the end plate 12 should be lowered.

반대로, 스택(10)이 수축하여 스택 내 면압이 과도하게 감소하게 되면 현재 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 적정 범위 아래로 감소하게 되는바, 이때 스택(10) 내 면압을 높이기 위해서는 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 높여주어야 한다.On the contrary, when the stack 10 is contracted and the inner surface pressure of the stack is excessively decreased, the pressure acting on the present fastening band 13 is reduced to an appropriate range. In order to increase the inner surface pressure of the stack 10, It is necessary to increase the clamping pressure applied to the cells 11 of the stack 10 through the clamp 12.

이러한 점을 고려하여, 본 발명의 제어기(32)는 변위센서(31)의 검출값 및 저장된 정보로부터 스택(10)으로부터 체결밴드(13)에 작용하는 압력을 산출한 뒤, 산출된 압력을 미리 설정된 압력 범위와 비교하여 산출 압력이 설정 압력 범위의 상한값을 초과할 경우, 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 낮춰주기 위한 제어신호를 출력하게 된다.In consideration of this point, the controller 32 of the present invention calculates the pressure acting on the fastening band 13 from the stack 10 from the detected value of the displacement sensor 31 and stored information, And outputs a control signal for lowering the tightening pressure applied to the cells 11 of the stack 10 via the end plate 12 when the calculated pressure exceeds the upper limit value of the set pressure range as compared with the set pressure range do.

이와 반대로, 제어기(32)는 산출된 압력이 설정 압력 범위의 하한값 미만인 경우, 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 높여주기 위한 제어신호를 출력하게 된다.The controller 32 outputs a control signal for increasing the clamping pressure applied to the cells 11 of the stack 10 via the end plate 12 when the calculated pressure is lower than the lower limit value of the set pressure range .

이와 같은 방식을 통해 제어기(32)는 체결밴드(13)에 작용하는 압력이 설정 압력 범위 내에서 유지될 수 있도록 후술하는 체결압조절장치(33)의 구동을 제어하게 된다.In this way, the controller 32 controls the driving of the clamping pressure regulating device 33, which will be described later, so that the pressure acting on the clamping band 13 can be maintained within the set pressure range.

한편, 본 발명에 따른 면압 자동 보정 장치는 제어기(32)에서 출력되는 제어신호에 따라 엔드플레이트(12)를 통해 스택(10)의 셀(11)들에 가해지는 체결압력을 조절해주기 위한 체결압조절장치(33)를 포함한다.The automatic pressure compensating apparatus according to the present invention is a device for automatically compensating for the clamping pressure applied to the cells 11 of the stack 10 through the end plate 12 in accordance with a control signal output from the controller 32. [ And a regulating device (33).

상기 체결압조절장치(33)는 스택(10)이 마운팅 고정되는 프레임(20)과, 스택(10)의 엔드플레이트(12) 사이에 설치되어, 프레임(20)으로부터 엔드플레이트(12)를 전후 구동시킴으로써 엔드플레이트(12)를 통해 스택의 셀(11)들에 가해지는 체결압력(압축압력)을 조절해주게 된다.The clamping pressure regulating device 33 is installed between the frame 20 to which the stack 10 is mounted and fixed and the end plate 12 of the stack 10 to move the end plate 12 forward and rearward (Compression pressure) applied to the cells 11 of the stack through the end plate 12 by controlling the driving force.

상기 체결압조절장치(33)는 프레임(20)에 고정 설치되는 모터(34)와, 상기 모터(34)의 구동축에 장착되는 피니언(pinion)(35)과, 상기 프레임(20)과 스택(10)의 엔드플레이트(12) 사이에 연결 설치되는 랙(rack)(36)을 포함하여 구성된다.The clamping pressure adjusting device 33 includes a motor 34 fixed to the frame 20, a pinion 35 mounted on a driving shaft of the motor 34, And a rack 36 connected between the end plates 12 of the base 10.

여기서, 상기 모터(34)의 구동은 제어기(32)의 제어신호에 따라 제어되며, 랙(36)과 피니언(35)은 치합된 상태로 결합되어 구비된다.Here, the driving of the motor 34 is controlled in accordance with the control signal of the controller 32, and the rack 36 and the pinion 35 are coupled and coupled to each other.

또한 랙(36)은 프레임(20)의 가이드부에 전후 슬라이드 가능하게 결합되면서 일단부가 스택의 엔드플레이트(12)에 일체로 고정되어 구비되는 것으로, 이때 상기 가이드부는 프레임(20)에 별도 조립되어 랙(36)의 전후 이동을 안내하는 가이드 구조물이 될 수 있다.The rack 36 is slidably coupled to the guide portion of the frame 20 so that one end thereof is integrally fixed to the end plate 12 of the stack. The guide portion is separately assembled to the frame 20 And may be a guide structure for guiding the forward and backward movement of the rack 36.

또는 가이드부는 도 4에 나타낸 바와 같이 간단히 프레임(20)에 랙(36)의 전후 이동이 가능하도록 랙(36)의 일부가 삽입되는 가이드홈(24)이 될 수 있다.Or the guide portion may be a guide groove 24 into which a part of the rack 36 is inserted so that the rack 36 can be moved back and forth to the frame 20 simply as shown in Fig.

결국, 제어기(32)의 제어신호에 따라 모터(34)의 구동이 제어될 경우 모터(34)의 정방향 또는 역방향의 회전력이 피니언(35)을 통해 랙(36)에 전달되고, 이에 랙(36)이 미세하게 전후로 이동하게 되면서 엔드플레이트(12)에 가해지는 힘을 조절해주게 된다.As a result, when the drive of the motor 34 is controlled in accordance with the control signal of the controller 32, the forward or reverse rotational force of the motor 34 is transmitted to the rack 36 via the pinion 35, And the force applied to the end plate 12 is adjusted.

상기 피니언(35)의 회전으로 랙(36)이 미세하게 전후 구동될 경우, 랙(36)의 일단부가 고정된 엔드플레이트(12)가 랙(36)에 의해 단위 셀(11)들을 압축하도록 가압되거나 압축력을 줄여주도록 당겨지게 되며, 엔드플레이트(12)가 가압될 경우 체결압력을 증가시켜 스택(10)의 내부 면압을 증가시키고, 반대로 엔드플레이트(12)가 당겨질 경우 체결압력을 상대적으로 감소시켜 스택(10)의 내부 면압을 낮추게 된다.When the rack 36 is finely driven back and forth by the rotation of the pinion 35, the end plate 12 to which the one end of the rack 36 is fixed is pressed by the rack 36 to compress the unit cells 11. [ The inner pressure of the stack 10 is increased by increasing the clamping pressure when the end plate 12 is pressed and by relatively reducing the clamping pressure when the end plate 12 is pulled The inner surface pressure of the stack 10 is lowered.

이와 같이 제어기(32)가 변위센서(31)의 검출값에 따라 체결압조절장치(33)의 구동을 제어(모터의 구동을 제어)하여 엔드플레이트(12)를 미세하게 전후로 작동시킴으로써 스택 내 최적의 면압 유지가 가능해지게 된다.In this way, the controller 32 controls the drive of the engagement pressure regulating device 33 (controls the driving of the motor) according to the detection value of the displacement sensor 31 to finely move the end plate 12 back and forth, It is possible to maintain the surface pressure of the substrate.

그리고, 본 발명에서 체결밴드(13)가 체결된 스택(10) 양단의 두 엔드플레이트(12) 중 하나(도 4에서 좌측의 엔드플레이트)는 프레임(20)에 마운팅 브라켓(21)을 매개로 움직이지 않게 완전히 고정되나, 타단의 엔드플레이트(도 4에서 우측의 엔드플레이트)는 체결압조절장치(33)의 구동시, 즉 모터(34) 및 피니언(35), 랙(36)의 구동시 전후로 이동되어야 하므로 프레임(20)과는 이격되도록 배치된다.One of the two end plates 12 at both ends of the stack 10 to which the fastening band 13 is fastened in the present invention is fastened to the frame 20 via the mounting bracket 21 The end plate (the end plate on the right side in Fig. 4) of the other end is fixed at the time of driving the engagement pressure adjusting device 33, that is, at the time of driving the motor 34, the pinion 35, So that it is spaced apart from the frame 20.

이때, 마운팅 브라켓(21)의 홀에 관통 삽입된 체결볼트(22)가 상기 타단의 엔드플레이트(12)에 나사체결되며, 마운팅 브라켓(21)의 홀에는 나사체결되지 않고 단순히 관통 삽입되어 엔드플레이트(12) 및 볼트(22)의 전후 이동이 가능하도록 되어 있다. At this time, the fastening bolt 22 inserted through the hole of the mounting bracket 21 is screwed to the end plate 12 at the other end and is simply inserted into the hole of the mounting bracket 21 without screwing, Backward movement of the bolt 12 and the bolt 22 is enabled.

또한 이격된 상기 타단의 엔드플레이트(12)와 프레임(20) 사이에는 프레임(20)으로부터 엔드플레이트(12)를 탄력 지지하는 스프링을 설치하는데, 도시한 실시예에서는 상기 스프링으로서 체결볼트(22) 상에 코일스프링(23)이 설치되고 있다. A spring for elastically supporting the end plate 12 from the frame 20 is provided between the end plate 12 at the other end spaced apart from the frame 20. In the illustrated embodiment, A coil spring 23 is provided.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 면압 자동 보정 장치에 의하면, 체결밴드의 길이변화량을 검출하는 길이변화량 검출수단(변위센서)의 검출값으로부터 제어기가 체결압조절장치의 구동을 제어하여 엔드플레이트를 통해 가해지는 스택의 체결압력, 즉 적층된 셀들에 가해지는 압축압력을 자동으로 조절해주게 됨으로써, 스택 내 변화되는 여러 조건에 상관없이 스택 내 면압을 일정하게 유지시켜줄 수 있게 된다.In this way, according to the automatic apparatus for correcting surface pressure according to the present invention, the controller controls the driving of the clamping pressure adjusting device from the detected value of the length variation detecting means (displacement sensor) for detecting the length variation of the clamping band, The clamping pressure of the applied stack, that is, the compression pressure applied to the stacked cells is automatically controlled, so that the surface pressure in the stack can be maintained constant regardless of various conditions in the stack.

결국, 반응기체 등 스택에서의 유체 누출을 방지할 수 있게 되고, 전기저항 감소, 반응기체의 원활한 확산 및 생성수의 용이한 배출이 가능해지면서 스택의 출력 성능을 향상시킬 수 있게 된다. As a result, it is possible to prevent the leakage of fluid from the stack such as the reaction gas, and it is possible to reduce the electric resistance, smooth diffusion of the reaction gas and easy discharge of the generated water, thereby improving the output performance of the stack.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Forms are also included within the scope of the present invention.

10 : 스택 11 : 셀
12 : 엔드플레이트 13 : 체결밴드(체결부재)
20 : 프레임 21 : 마운팅 브라켓
22 : 체결볼트 23 : 코일스프링
24 : 가이드홈 31 : 길이변화량 검출수단
32 : 제어기 33 : 체결압조절장치
34 : 모터 35 : 피니언
36 : 랙10: Stack 11: Cell
12: end plate 13: fastening band (fastening member)
20: Frame 21: Mounting bracket
22: fastening bolt 23: coil spring
24: guide groove 31: length variation detecting means
32: controller 33: tightening pressure adjusting device
34: motor 35: pinion
36: Rack

Claims

Length change detection means (31) for detecting a length change amount of a fastening band (13) coupling the unit cells (11) and the end plate (12) in the fuel cell stack (10);
A controller (32) for receiving a detection value of the length variation detecting means (31) and outputting a control signal for automatically correcting the surface pressure of the stack (10);
The stack 10 is installed between the frame 20 to which the stack 10 is fixed and the end plate 12 of the stack 10 and is connected to the end plate 12 from the frame 20 in accordance with a control signal output from the controller 32. [ And a clamping pressure regulating device (33) for adjusting the clamping pressure applied to the cells (11) of the stack (10) through the end plate (12)
The engagement pressure regulating device 33
A motor (34) fixed to the frame (20) and driven and controlled in accordance with a control signal of the controller (32);
A pinion 35 mounted on a driving shaft of the motor 34;
The end portion of the end plate 12 is fixed to the end plate 12 of the stack 10 and engaged with the pinion 35. The pinion 35 is moved forward and backward when the pinion 35 is rotated, And a rack (36) for driving the rack (12)
A fastening bolt 22 fastened to the end plate 12 is coupled through a mounting bracket 21 provided on the frame 20 so that the fastening bolt 22 is movable with respect to the mounting bracket 21 And a spring 23 is provided on the fastening bolt 22 between the end plate 12 and the mounting bracket 21 so that the end plate 12 is elastically supported on the frame 20. [ Automatic correction of surface pressure of fuel cell stack.

The method according to claim 1,
Wherein the length variation detecting means (31) is a displacement sensor for detecting a displacement amount of the fastening band (13) as the length of the fastening band (13) is expanded or contracted.

The method according to claim 1,
The controller 32 determines the elasticity of the fastening band 13 from the elastic force calculated from the length change amount and the elastic modulus of the fastening band 13 and the number of the fastening bands 13 of the stack 10 and the cross- And controls the driving of the clamping pressure regulating device (33) in accordance with the calculated pressure.

The method of claim 3,
The controller (32) controls the driving of the clamping pressure regulating device (33) so that the pressure acting on the clamping band (13) is maintained within a preset pressure range.

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