KR101836595B1

KR101836595B1 - 연료전지 스택의 체결력 보상장치

Info

Publication number: KR101836595B1
Application number: KR1020160007872A
Authority: KR
Inventors: 이동선
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2018-03-08
Also published as: KR20170088032A

Abstract

본 발명은 외부온도 저하로 인한 연료전지 스택의 체결력 저하를 방지하기 위한 연료전지 스택의 체결력 보상장치에 관한 것으로, 체결밴드에 의해 상호 연결된 스택 양 끝단에 엔드플레이트에 의해 압축 고정되는 연료전지 스택의 내부에 외부온도 저하에 따른 부피 팽창이 가능한 스택 체결력 보상수단을 설치함으로써 겨울철 외부온도 저하에 따라 저하된 스택 체결력을 보상해줄 수 있는 연료전지 스택의 체결력 보상장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 스택의 체결력 보상장치 {Device for compensating assembling power of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 체결력 보상장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환경온도 저하로 인한 연료전지 스택의 체결력 저하를 방지하기 위한 연료전지 스택의 체결력 보상장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 스택은 전해질막 및 전극을 포함하는 막전극접합체(MEA)와, 가스확산층(GDL)과, 가스의 누설을 막는 가스켓(Gasket)과, 유로가 형성된 분리판 등이 차례로 적층된 다수의 유니트 셀을 포함하고, 다수의 유니트 셀들은 소정의 면압을 제공하는 한 쌍의 엔드플레이트에 의하여 결합된다.

이중 고무소재로 이루어진 가스켓은 온도 저하시 수축하는 특성이 있어 가스 누설 및 체결력 저하를 초래하고 이로 인한 연료전지 성능 저하의 원인이 된다.

이에 외부온도 변화에 따라 체적이 감소되는 연료전지 스택의 저하되는 체결력을 보상하기 위한 장치가 기본적으로 필요하다.

본 발명은 체결밴드에 의해 상호 연결된 스택 양 끝단에 엔드플레이트에 의해 압축 고정되는 연료전지 스택의 내부에 외부온도 저하에 따른 부피 팽창이 가능한 스택 체결력 보상수단을 설치함으로써 겨울철 외부온도 저하에 따라 저하된 스택 체결력을 보상해줄 수 있는 연료전지 스택의 체결력 보상장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 일렬로 적층된 유니트 셀들의 양측 끝단에 배치된 엔드플레이트가 체결밴드에 의해 상호 연결되어 소정의 면압으로 유니트 셀들을 지지하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치로서, 상기 엔드플레이트 중 적어도 한쪽 끝단에 배치된 엔드플레이트와 이 엔드플레이트에 인접한 유니트 셀 사이에 외부온도 변화에 따른 부피변화를 일으키는 스택 체결력 보상수단이 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 스택 체결력 보상수단과 이 스택 체결력 보상수단에 인접한 유니트 셀 사이에 이너플레이트가 배치되고, 상기 이너플레이트는 스택 체결력 보상수단의 부피변화시 유니트 셀 측으로 이동하며 균일한 면압을 전달하게 된다.

그리고, 상기 스택 체결력 보상수단은 외부온도 변화에 따른 부피변화가 발생하는 액체가 담긴 액체팩과 이 액체팩을 지지하기 위한 지지프레임으로 이루어진다.

구체적으로, 상기 지지프레임은 액체팩이 삽입 고정되는 개구부를 가지며, 상기 개구부에 삽입된 액체팩은 외부온도 변화에 따른 부피팽창시 상기 개구부 외측으로 돌출되게 된다. 이때 상기 지지프레임은 탄성이 없는 고강성 재질로 이루어진 것을 사용함이 바람직하다.

일 예로, 상기 지지프레임은 그 중앙부에 상대적으로 큰 제1 개구부가 구비되고, 그 가장자리부에 상대적으로 작은 복수 개의 제2 개구부가 구비된 형태로 이루어질 수 있다.

다른 예로, 상기 지지프레임은 그 중앙부에 센터 개구부가 형성되고, 상기 센터 개구부를 기준으로 센터 개구부의 외곽에 복수 개의 사이드 개구부가 방사상으로 연장 형성된 형태로 이루어질 수 있다.

아울러, 상기 스택 체결력 보상수단과 인접하는 엔드플레이트의 일측에 볼트부재가 체결되는 결합홀이 구비되고, 상기 볼트부재는 체결밴드의 절곡된 끝단을 관통하여 상기 결합홀에 체결된다.

본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결력 보상장치에 의하면, 외부온도 변화에 따른 체적 감소로 인해 저하되는 스택 체결력을 보상해줄 수 있으며, 결과적으로 외부온도 변화에 대응하여 스택 체결력을 유지하게 되어 체결력 저하로 인한 연료전지 스택의 성능 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택 체결력 보상장치를 나타낸 분해 사시도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택 체결력 보상장치를 나타낸 결합 사시도 및 단면도
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 스택 체결력 보상수단을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 스택 체결력 보상수단을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 스택 체결력 보상수단을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 스택 체결력 보상수단을 나타낸 도면

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2에 보듯이, 연료전지 스택(100)은 일렬로 적층된 복수 개의 유니트 셀(110)과, 이 유니트 셀(110)들의 양측 끝단에 각각 배치되는 엔드플레이트(120,121)와, 양측 끝단에 배치된 엔드플레이트(120,121)를 이용하여 압축한 유니트 셀(110)들을 압축이 풀리지 않도록 고정되게 지지하는 복수 개의 체결밴드(130)를 포함하여 구성된다.

이러한 연료전지 스택(100)은 양측 끝단에 엔드플레이트(120,121)가 체결밴드(130)에 의해 상호 연결되어 소정의 면압으로 유니트 셀(110)들을 지지하게 되고, 유니트 셀(110)들은 한 쌍의 엔드플레이트(120,121)와 이들을 연결하는 체결밴드(130)에 의해 압축된 상태를 유지하게 된다.

그리고, 상기 유니트 셀(110)들에 외부온도(환경온도) 변화에 따른 부피변화가 발생할 때 예를 들어, 동절기에 외부온도 저하에 따른 체적 감소가 발생할 때, 체적 감소에 따라 저하된 체결력을 보상해주기 위하여, 상기 한 쌍의 엔드플레이트(120,121) 중 적어도 한쪽 끝단에 배치된 엔드플레이트(120)와 이 엔드플레이트(120)에 인접한 유니트 셀(스택 한쪽의 최외각에 배치된 유니트 셀임) 사이에 외부온도 변화에 따른 부피변화를 일으키는 스택 체결력 보상수단이 배치되어 구성된다.

상기 스택 체결력 보상수단(140)은 외부온도 변화에 의해 체적 감소가 발생하는 연료전지 스택(100)의 체결력 저하를 보상해주기 위한 것으로서, 액체팩(141)과 이 액체팩(141)을 지지하기 위한 판상의 지지프레임(142)으로 이루어진다.

상기 액체팩(141)은 외부온도 변화에 따른 부피변화가 발생하는 액체가 담긴 형태의 밀봉된 파우치 타입으로서 마련되고, 상기 액체로는 외부온도 저하에 따른 빙결시 부피 팽창이 일어나는 물성을 갖는 액체가 사용되며, 대표적으로 물이 사용될 수 있다.

상기 지지프레임(142)은 액체팩(141)이 삽입 부착되는 개구부(143)를 가지며, 상기 개구부(143)에 삽입된 액체팩(141)은 외부온도 변화에 따른 부피 팽창시 상기 개구부(143)의 외측으로 돌출되고, 결과적으로 부피 팽창된 액체팩(141)이 유니트 셀(110)들을 밀어주게 되어 외부온도 변화에 따라 저하된 체결력을 보상해주게 된다.

도 1 및 도 2를 보면, 상기 개구부(143)는 사각의 큰 홀 모양으로서 형성되고, 액체팩(141)은 개구부(143)에 밀착 삽입될 수 있도록 제작되나, 상기 액체팩(141) 및 개구부(143)는 다양한 형태로 변형 가능하며 그 형태가 한정되는 것은 아니다.

즉, 상기 개구부(143)는 액체팩(141)을 안정적으로 지지할 수 있는 형태이면 모두 가능하고, 상기 액체팩(141)은 개구부(143) 내에서 부피 팽창시 개구부(143) 외측으로 돌출되어 유니트 셀(110)들을 추가로 압축해줄 수 있는 형태이면 모두 가능하다.

이때, 상기 지지프레임(142)은 탄성이 없는 무탄성의 고강성 재질로 이루어진 것을 사용하여 개구부(143) 외측으로 돌출되는 액체팩(141)의 팽창 체적을 극대화하는 것이 바람직하다.

일례로, 상기 지지프레임(142)은 공구용탄소강, 고강도저합금강, 기어용 탄소강 등의 재질로 제작된 것을 사용 가능하며, 좀더 구체적으로 공구용탄소강 SK11, 고강도저합금강 S700MC, 기어용 탄소강 SCM920 등이 사용되며, 이러한 무탄성의 고강성 재질로 이루어진 지지프레임(142)을 채택하는 경우 액체팩(141)의 물 사용량은 최소화하면서 액체팩(141)의 팽창에 따른 유니트 셀의 체결력 보상을 극대화할 수 있다.

첨부한 도 3 및 도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스택 체결력 보상수단이 도시되어 있다.

도 3을 보면, 지지프레임(142)은 그 중앙부에 상대적으로 큰 개구부(이하, 제1 개구부라고 함)(144)가 구비되고, 그 양측 가장자리부에 상대적으로 작은 복수 개의 개구부(이하, 제2 개구부라고 함)(145)가 일렬로 배치되어 구비되며, 상기 제1 개구부(144)와 제2 개구부(145)에는 그 형태에 상응하는 형태의 액체팩(141a)이 각각 기밀하게 삽입 고정된다.

그리고, 도 4를 보면, 지지프레임(142)은 그 중앙부에 형성된 개구부(이하, 센터 개구부라고 함)(146)를 기준으로 복수 개의 사이드 개구부(147)가 방사상으로 연장되어 형성되고, 상기 센터 개구부(146)와 보조 개구부(147)의 일체형 구조에 상응하는 액체팩(141b)이 기밀하게 삽입 고정된다.

또한, 도 5 및 도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스택 체결력 보상수단이 도시되어 있다.

연료전지 스택(100)의 가장자리부에 배치되는 가스켓(미도시)의 위치를 고려하여, 도 5에 나타낸 실시예와 같이, 지지프레임(142)의 가장자리부에만 액체팩(141c)을 배치할 수 있다.

도 5를 보면, 지지프레임(142)은 그 가장자리부에만 지지프레임(142)의 둘레방향을 따라 연장된 형태로 형성되는 외측 개구부(148)가 구비되고, 이 외측 개구부(148)에 외부온도 변화에 따른 부피 팽창이 가능한 액체팩(141c)이 삽입 고정된다.

상기 외측 개구부(148)에 삽입 부착된 액체팩(141c)은 외부온도 변화에 따라 팽창될 때 외측 개구부(148)의 바깥쪽으로 돌출되어 유니트 셀(110)들을 밀어주게 되며, 결과적으로 외부온도 변화에 따라 저하된 체결력을 보상해주게 된다.

여기서, 상기 외측 개구부(148)는 지지프레임(142)의 둘레방향으로 연장되어 대략 사각의 링 모양으로 형성되며, 이때 지지프레임(142)의 리브 구조에 의해 이분된 사각 링 형태로 형성될 수 있다.

외부온도 저하시 가스켓의 수축으로 인해 연료전지 스택(100)의 외곽부 면압이 가장 먼저 저하되는데, 이렇게 지지프레임(142)의 가장자리부에만 액체팩(141c)을 배치하는 경우, 가스켓의 수축으로 인한 스택(100) 외곽부의 면압 저하에 선별적으로 대응하여 집중 보상할 수 있게 된다.

다시 말해, 스택 체결력 보상수단(140)의 가장자리부에서만 액체팩(141c)이 팽창되어 유니트 셀(110)의 가장자리부를 가압함으로써 스택 외곽부의 저하된 면압을 집중적으로 보상해주게 된다.

그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 지지프레임(142)의 중앙부에 액체팩(141d) 조립을 위한 내측 개구부(149)를 추가 형성하고, 상기 내측 개구부(149)에 액체팩(141d)을 삽입 부착하여 추가 배치하는 것도 가능하다.

이때 지지프레임(142)을 무탄성의 고강성 재질로 이루어진 것을 채택함으로써 액체팩(141d)의 물 사용량은 최소화하면서 액체팩(141d)의 팽창을 극대화하여 스택(100)의 체결력 보상을 증대할 수 있다.

이렇게 지지프레임(142)의 가장자리부와 더불어 중앙부에 각각 액체팩(141c,141d)이 배치되는 경우, 액체팩(141c,141d)이 외부온도 변화에 따른 부피 팽창시 외측 개구부(148)와 내측 개구부(149)의 바깥쪽으로 돌출되어 유니트 셀(110)의 가장자리부와 중앙부를 가압하게 되고, 결과적으로 유니트 셀(110)들을 밀어주어 외부온도 변화에 따라 저하된 스택 체결력을 보상해주게 된다.

한편, 상기와 같은 액체팩(141,141a,141b,141c,141d)이 부피 팽창에 의해 개구부(143~149) 외측으로 돌출될 때 적층된 유니트 셀(110)들에 가해지는 압력이 유니트 셀(110)의 표면에 전체적으로 고르게 전달되도록 하기 위하여, 스택 체결력 보상수단(140)과 이 스택 체결력 보상수단(140)에 인접한 유니트 셀 사이에 판상의 이너플레이트(150)가 삽입 배치되고, 상기 이너플레이트(150)는 액체팩(141,141a,141b,141c,141d)의 부피 팽창시 유니트 셀(110) 측으로 밀려 이동하게 된다.

액체팩(141,141a,141b,141c,141d)의 부피 팽창시, 엔드플레이트(120)는 체결밴드(130)의 절곡된 끝단에 의해 지지되고 이너플레이트(150)가 유니트 셀(110) 측으로 이동하게 되긴 하나, 엔드플레이트(120)의 이동을 더욱 확실하게 방지하고 유니트 셀(110)들의 효과적인 체결력 보상을 위하여 볼트부재(160)를 사용하여 엔드플레이트(120)를 고정해준다.

도 2를 보면, 스택 체결력 보상수단(140)과 인접하는 엔드플레이트(120)의 일측에 볼트부재(160)가 체결되는 결합홀(122)이 형성되고, 상기 볼트부재(160)는 체결밴드(130)의 절곡된 끝단을 관통하여 엔드플레이트(120)의 결합홀(122)에 나선 결합된다.

그리고, 유니트 셀(110) 측으로 밀려 이동되는 이너플레이트(150)의 이동을 가이드하기 위하여, 이너플레이트(150)의 일측에 상기 볼트부재(160)의 끝단이 삽입될 수 있는 가이드홀(151)을 형성하는 것이 바람직하다.

이때 상기 가이드홀(151)은 외주면에 나사산을 갖는 상기 볼트부재(160)의 최대 직경보다 큰 직경을 갖도록 형성된다.

또한 상기 볼트부재(160)가 가이드홀(151)에 도달할 수 있도록 하기 위하여, 스택 체결력 보상수단(140)의 지지프레임(142)의 일측에는 볼트부재(160)가 관통할 수 있는 관통홀(142b)이 형성된다.

상기 결합홀(122)의 내주면에는 볼트부재(160)와의 체결을 위한 나사선이 형성되고, 상기 가이드홀(151)의 내주면에는 나사선이 미형성됨으로써, 상기 볼트부재(160)는 엔드플레이트(120)의 결합홀(122)에 체결되는 동시에 관통홀(142b)을 통과하여 가이드홀(151)에 진입하여 끼워지게 된다.

좀더 설명하면, 온도 저하시 스택 체결력 보상수단(140)의 지지프레임(142)에 장착된 액체팩(141,141a,141b,141c,141d)이 부피 팽창에 의해 엔드플레이트(120)와 이너플레이트(150)를 가압하게 되고, 이때 엔드플레이트(120)는 나사선이 형성된 결합홀(122)을 통해 볼트부재(160)와 결합된 상태가 되고, 나사선이 미형성된 가이드홀(151)이 구비된 이너플레이트(150)는 유니트 셀(110) 측으로 밀려 이동하여 스택 체결력 보상이 이루어지도록 한다.

이와 같은 본 발명의 스택 체결력 보상 구조가 적용된 연료전지 스택(100)은, 외부온도가 영하로 떨어져 스택 체적이 감소됨에 의해 체결력이 저하될 때 액체팩(141,141a,141b,141c,141d)이 빙결에 의해 팽창됨으로써 유니트 셀(110)들을 밀어주게 되어 온도 변화에 따라 저하된 체결력을 보상해주게 된다.

상기 액체팩(141,141a,141b,141c,141d)은 외부온도 변화에 따른 액체의 부피팽창률을 고려하여 액체의 양을 결정함으로써 온도 변화에 따른 스택 체결력 보상을 적절하게 수행할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 연료전지 스택의 체결력 보상장치는 별도의 모터나 압축기 등의 장치를 사용하지 않아 부피가 크지 않고 구조가 간단하므로 기존 연료전지 스택에 어렵지 않게 적용 가능하다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

100 : 연료전지 스택
110 : 유니트 셀
120,121 : 엔드플레이트
122 : 결합홀
130 : 체결밴드
140 : 스택 체결력 보상수단
141,141a,141b,141c,141d : 액체팩
142 : 지지프레임
142a : 관통홀
143 : 개구부
144 : 개구부(제1 개구부)
145 : 개구부(제2 개구부)
146 : 개구부(센터 개구부)
147 : 개구부(사이드 개구부)
148 : 개구부(외측 개구부)
149 : 개구부(내측 개구부)
150 : 이너플레이트
151 : 가이드홀
160 : 볼트부재

Claims

일렬로 적층된 유니트 셀들의 양측 끝단에 배치된 엔드플레이트가 체결밴드에 의해 상호 연결되어 소정의 면압으로 유니트 셀들을 지지하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치로서,
상기 엔드플레이트 중 적어도 한쪽 끝단에 배치된 엔드플레이트와 이 엔드플레이트에 인접한 유니트 셀 사이에 외부온도 변화에 따라 부피 팽창이 일어나는 스택 체결력 보상수단이 배치되고,
상기 스택 체결력 보상수단은 외부온도 변화에 따라 부피 팽창이 발생하는 액체가 담긴 액체팩과 이 액체팩을 지지하기 위한 지지프레임으로 이루어지며,
연료전지 스택의 가장자리부에 배치되는 가스켓의 위치에 대응하여 상기 지지프레임의 가장자리부에만 액체팩이 삽입 고정되는 외측 개구부가 형성되고, 상기 외측 개구부에 삽입된 액체팩은 외부온도 변화에 따른 부피 팽창시 외측 개구부의 바깥쪽으로 돌출되어 유니트 셀의 가장자리부를 가압하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 지지프레임은 탄성이 없는 고강성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스택 체결력 보상수단과 이 스택 체결력 보상수단에 인접한 유니트 셀 사이에 이너플레이트가 배치되고, 상기 이너플레이트는 스택 체결력 보상수단의 부피변화시 유니트 셀 측으로 이동하며 균일한 면압을 전달하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치.
청구항 9에 있어서,
상기 스택 체결력 보상수단과 인접하는 엔드플레이트의 일측에 볼트부재가 체결되는 결합홀이 구비되고, 상기 볼트부재는 체결밴드의 절곡된 끝단을 관통하여 상기 결합홀에 체결된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치.
청구항 10에 있어서,
상기 이너플레이트의 일측에는 볼트부재의 끝단이 삽입되어 스택 체결력 보상수단에 의한 이너플레이트의 이동을 안내할 수 있는 가이드홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치.
청구항 11에 있어서,
상기 결합홀의 내주면에는 볼트부재와의 체결을 위한 나사선이 형성되고, 상기 가이드홀의 내주면에는 나사선이 미형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 체결력 보상장치.